JP6630132B2 - 熱交換器及び給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器に用いられる熱交換器と、当該熱交換器を用いた給湯器とに関する。

従来、バーナと当該バーナの燃焼熱を通水に伝熱させる熱交換器とを有する給湯器は、広く実用に供されている。熱交換器は、例えば特許文献１に開示されるように、缶体内に複数の板状のフィンを所定間隔で並設し、これらフィン群を貫通する複数の吸熱管（伝熱管）をバーナからの燃焼排気の流れに対して略直角方向に並設したものが知られている。
特にここでは、燃焼排気から効率的に受熱するために、フィンにおける伝熱管よりも排気流の下流域に、横方向に延びる帯状の切り起こしフィンを形成すると共に、その下方に、切り起こしフィンよりも横幅の小さい補助オフセットフィンを設けている。

特開２０００−２２７２９４号公報

ところで、出湯回路と風呂回路といった２つの給湯回路を並設する給湯器においては、出湯回路側の熱交換器と、風呂回路側の熱交換器とでは想定される通水量が異なるため、通水量の少ない風呂回路側の熱交換器では、フィンの配列方向から見て伝熱管が下段の２列と上段の１列との３本が三角形の頂点に位置するように配置される。
このように伝熱管が３本となる熱交換器では、燃焼室の幅が小さくなってフィンの横幅も狭くなるため、横寸法の長い切り起こしフィンを設けることができない。また、狭い燃焼室での燃焼排気は、ファンからの風圧等もあって左右にそれほど広がらず（蛇行せず）に上下の伝熱管の間を通過するため、特許文献１のように下流域に切り起こしフィンを設けても高い熱効率を期待できない。

そこで、本発明は、伝熱管が下段２列、上段１列で３本配置されるものであっても、高い熱効率を得ることができる熱交換器及び給湯器を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定方向に等間隔をおいて配列される複数の板状のフィンと、フィンをその配列方向に貫通し、当該配列方向から見て三角形の頂点に位置するように配設される、左右２本の下伝熱管及び１本の上伝熱管と、を含んでなる熱交換器であって、
各フィンにおける上伝熱管の左右両側には、所定間隔をおいて上下に並ぶと共に、下段から上段へ行くに従って左右方向の長さが大きくなるようにした少なくとも三段の切り起こしフィンがそれぞれ形成されており、最下段の切り起こしフィンは、少なくとも下端部が上伝熱管の下半分と左右方向で重なる位置に配置されて、
最下段の上段に隣接する切り起こしフィンは、最下段の切り起こしフィンに対して、上伝熱管側の端部の張り出し量よりも、上伝熱管と反対側の端部の張り出し量の方が大きくなるように形成される一方、
最上段の切り起こしフィンは、下段に隣接する切り起こしフィンに対して、上伝熱管側の端部の張り出し量が、上伝熱管と反対側の端部の張り出し量よりも大きくなるように形成されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、上伝熱管と下伝熱管との間隔は、当該伝熱管の直径よりも狭く形成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、フィンにおける上伝熱管の下方には、当該上伝熱管の下部を覆う帯状の受熱部が設けられており、下伝熱管は、少なくとも上端が受熱部と左右方向で重なる位置に配置されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、最上段とその下段の切り起こしフィンは、上伝熱管と反対側の端部が左右方向で同じ位置にあることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかの構成において、複数段の切り起こしフィンは、上伝熱管側の端部が、下段に隣接する切り起こしフィンの同じ側の端部よりも上伝熱管側へそれぞれ張り出して、左右方向で全て異なる位置にあることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、給湯器であって、バーナと、請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器とを備えてなることを特徴とする。

請求項１及び６に記載の発明によれば、最下段の切り起こしフィンを、少なくとも下端部が上伝熱管の下半分と左右方向で重なる位置に配置したことで、伝熱管が下段２列、上段１列で３本配置される熱交換器においても、高い熱効率を得ることができる。
特に、切り起こしフィンを、下段から上段へ行くに従って左右方向の長さが大きくなるように三段形成して、最下段の上段に隣接する切り起こしフィンを、最下段の切り起こしフィンに対して、上伝熱管側の端部の張り出し量よりも、反対側の張り出し量の方が大きくなるように形成する一方、最上段の切り起こしフィンを、下段に隣接する切り起こしフィンに対して、上伝熱管側の端部の張り出し量が、反対側の張り出し量よりも大きくなるように形成しているので、上伝熱管と下伝熱管との間を通過する燃焼排気の流れに沿って切り起こしフィンを配置でき、熱効率の一層の向上が期待できる。
請求項２及び３に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、上伝熱管と下伝熱管との間隔が狭くなり、この狭い隙間を通った燃焼排気を左右方向へ広がるように流して切り起こしフィンへ確実に接触させることができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかの効果に加えて、最上段とその下段の切り起こしフィンの上伝熱管と反対側の端部を左右方向で同じ位置としているので、下伝熱管の外側を流れる燃焼排気を当該端部へ確実に接触させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の何れかの効果に加えて、複数段の切り起こしフィンの上伝熱管側の端部を、下段に隣接する切り起こしフィンの端部よりも上伝熱管側へそれぞれ張り出させることで、左右方向で全て異なる位置となるようにしているので、上伝熱管の外側を回り込むように流れる燃焼排気と効果的に接触させることができる。

給湯器の燃焼装置部分を示す断面図である。 熱交換器の斜視図である（フィンは一部省略）。 風呂側熱交換器部分の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、給湯器における燃焼装置部分を示す断面図で、給湯器１は、図示しない筐体内に、下方から、バーナユニット３、熱交換器４、排気缶５の順に設置した燃焼装置２を収容している。燃焼装置２は、バーナユニット３の下ケーシング６の上部に、熱交換器４の中ケーシング７を組み付け、中ケーシング７の上部に、排気缶５の上ケーシング８を組み付けることで、内部が連通する単一の缶体２ａを形成している。

まず、バーナユニット３では、第１バーナとしての第１バーナ群９と、第２バーナとしての第２バーナ群１０とが左右方向に並設される。各バーナ群９，１０は、上端面に炎孔を形成した扁平なバーナ１１，１１・・を複数左右方向に並べてなり、各バーナ１１の下部に設けた混合管１２の後端に、ガス供給管に接続される図示しないノズルを臨ませて、ガスと共に燃焼用一次空気が供給されるようになっている。ここでは第１バーナ群９が給湯用、第２バーナ群１０が風呂の追い焚き用となっており、能力の大きい第１バーナ群９のバーナ１１の数を第２バーナ群１０よりも多くしている。

次に、熱交換器４では、第１バーナ群９の上方に位置する第１熱交換器としての給湯側熱交換器１３と、第２バーナ群１０の上方に位置する第２熱交換器としての風呂側熱交換器１４とが左右方向に並設される。まず、給湯側熱交換器は１３、前後方向（図１の紙面直交方向）に所定間隔をおいて複数枚積層した板状のフィン１５，１５・・と、各フィン１５を貫通して中ケーシング７の内部で左右方向へ平行に配設される複数の伝熱管１６，１６・・とからなる。この伝熱管１６，１６は、図２に示すように、中ケーシング７の外部で接続管１７，１７によって端部同士が接続されることで、蛇行状に繋がっている。各フィン１５には、左右に隣接する伝熱管１６，１６の間で伝熱管１６よりも上方（燃焼排気の下流側）に位置する横長帯状の切り起こしフィン１８と、その切り起こしフィン１８の下方で切り起こしフィン１８よりも左右長さが短い切り起こしフィン１９とがそれぞれ形成されている。給湯側熱交換器１３の伝熱管１６の流入口２０には、図示しない給水管が接続され、伝熱管１６の流出口２１には、出湯管２２が接続される。出湯管２２には、浴槽へ接続される落とし込み管２３が分岐接続されている。

そして、風呂側熱交換器１４も、前後方向に所定間隔をおいて複数枚積層した板状のフィン２４，２４・・と、各フィン２４を貫通して中ケーシング７の内部に配設される３本の伝熱管２５，２５・・とからなる。伝熱管２５は、給湯側熱交換器１３の伝熱管１６よりも径が小さくなっている。この伝熱管２５は、フィン２４の配列方向となる前方から見て下段が２列、上段が１列で三角形の頂点に位置するように（以下、伝熱管２５を区別する際には、上側の１本を上伝熱管２５Ａ、下側の２本を下伝熱管２５Ｂ，２５Ｂという。）配置されて、図２に示すように、中ケーシング７の外部で接続管２６によって端部同士が接続されることで、蛇行状に繋がっている。風呂側熱交換器１４の伝熱管２５の流入口２７には、浴槽からの戻り管２８が接続され、伝熱管２５の流出口２９には、浴槽への往き管３０が接続されている。図３に示すように、上伝熱管２５Ａと下伝熱管２５Ｂとの間隔Ｓは、伝熱管２５の直径Ｒよりも狭く設定されて、フィン２４における上伝熱管２５Ａの下側には、上伝熱管２５Ａの下部を覆う帯状の受熱部３１が形成されて、下伝熱管２５Ｂの上端は、受熱部３１と左右方向で重なる高さとなっている。

また、各フィン２４において、上伝熱管２５Ａの左右には、下方へ行くに従って左右長さが短くなる３つの切り起こしフィン３２〜３４が所定間隔をおいて上下方向に並設されている。このうち最上段の切り起こしフィン３２は、内側（上伝熱管２５Ａ側、以下、切り起こしフィン３２〜３４については、上伝熱管２５Ａ側を内側、反対側を外側という。）端部３２ａが上伝熱管２５Ａの左右端の略真上に位置し、外側端部３２ｂが、下伝熱管２５Ｂの中央の略真上に位置する長さで、上伝熱管２５Ａよりも下流側（上側）で横長帯状に形成されている。

中段の切り起こしフィン３３は、切り起こしフィン３２よりも下方で且つ上伝熱管２５Ａの上半分側（中心を通る左右方向の直線Ｌよりも上側）で上伝熱管２５Ａの外側に配置されて、内側端部３３ａが切り起こしフィン３２の内側端部３２ａよりも外側に位置し、外側端部３３ｂが切り起こしフィン３２の外側端部３２ｂの真下に位置する長さで横長帯状に形成されている。
最下段の切り起こしフィン３４は、切り起こしフィン３３よりも下方で且つ上伝熱管２５Ａの下半分側で上伝熱管２５Ａの外側へ左右方向で重なるように配置されて、内側端部３４ａが切り起こしフィン３３の内側端部３３ａよりも外側に位置し、外側端部３４ｂも切り起こしフィン３３の外側端部３３ｂよりも内側に位置する長さで横長帯状に形成されている。

そして、燃焼装置２の缶体２ａ内は、下ケーシング６内において第１バーナ群９と第２バーナ群１０との間に位置する下仕切部材３６と、中ケーシング７内において給湯側熱交換器１３と風呂側熱交換器１４との間に位置する上仕切部材３７とからなる仕切部材３５によって、第１バーナ群９と給湯側熱交換器１３とが配置される第１燃焼室３８と、第２バーナ群１０と風呂側熱交換器１４とが配置される第２燃焼室３９とに仕切られている。
また、給湯側熱交換器１３の各フィン１５の左右両端は、上下が斜めにカットされて、前側に折曲される立ち上げ片４０が形成されている。よって、上仕切部材３７と中ケーシング７とには立ち上げ片４０における上下方向の中間部４０ａのみが当接するようになっている。同様に、風呂側熱交換器１４の各フィン２４の左右両端も、上下が斜めにカットされて、前側に折曲される立ち上げ片４１が形成されて、上仕切部材３７と中ケーシング７とには立ち上げ片４１における上下方向の中間部４１ａのみが当接するようになっている。

ここでは上下方向の厚みが薄い給湯側熱交換器１３の方が風呂側熱交換器１４よりも上方に配置されているため、給湯側熱交換器１３のフィン１５における立ち上げ片４０の中間部４０ａが上仕切部材３７と当接する位置と、風呂側熱交換器１４のフィン２４における立ち上げ片４１の中間部４１ａが上仕切部材３７と当接する位置とは、上下方向にずれている。また、給湯側熱交換器１３のフィン１５の上端１５ａ及び下端１５ｂは、風呂側熱交換器１４のフィン２４の上端２４ａ及び下端２４ｂよりもそれぞれ上方に位置している。これにより、第１燃焼室３８での第１バーナ群９と給湯側熱交換器１３との上下方向の間隔Ｈ１が、第２燃焼室３９での第２バーナ群１０と風呂側熱交換器１４との上下方向の間隔Ｈ２よりも大きくなっている。

そして、下ケーシング６の下部には、給気室４２が形成されて、その下端に図示しない給気ファンが接続されている。第１バーナ群９及び第２バーナ群１０と給気室４２との間を仕切る区画板４３には、複数の透孔４５，４５・・を穿設した分布板４４が取り付けられて、給気ファンから送られる空気を、透孔４５を介して第１、第２燃焼室３８，３９に供給可能としている。

以上の如く構成された給湯器１においては、出湯管２０に設けられた給湯栓を開栓して燃焼装置２内に通水させると、給水管からの水が、給湯側熱交換器１３の伝熱管１６を通過する。同時に図示しないコントローラが第１バーナ群９に点火すると共に、給気ファンを回転させて給気室４２から分布板４４を介して第１バーナ群９に燃焼用空気を供給する。第１バーナ群９の燃焼ガスは、第１燃焼室３８内で給湯側熱交換器１３を通過することで伝熱管１６と熱交換され、出湯管２２から所定温度の湯が出湯される。

一方、コントローラに設けられた追い炊きスイッチをＯＮ操作すると、コントローラが浴槽との間の循環路に設けられたポンプを駆動させて第２バーナ群１０に点火すると共に、給気ファンを回転させて給気室４２から分布板４４を介して第２バーナ群１０に燃焼用空気を供給する。浴槽からの湯は、風呂側熱交換器１４の伝熱管２５を通過し、第２バーナ群１０の燃焼ガスは、第２燃焼室３９内で風呂側熱交換器１４を通過することで伝熱管２５と熱交換される。よって、浴槽内の湯が循環しながら追い焚きされる。

ここで、第２燃焼室３９での燃焼排気は、図３に示すように、下伝熱管２５Ｂ，２５Ｂの間とその外側とを通過し、左右外側では点線矢印ａで示すように、そのまま立ち上げ片４１に沿って内側へ誘導され、切り起こしフィン３３の外側端部３３ｂ、切り起こしフィン３２の外側端部３２ｂにそれぞれ接触した後、上方の排気缶５へ流れる。
一方、下伝熱管２５Ｂ，２５Ｂの間を通過した燃焼排気は、上伝熱管２５Ａの下方から左右へ分かれて広がり、一部の燃焼排気は一点鎖線矢印ｂで示すように、上伝熱管２５Ａの左右を回り込むように流れて、切り起こしフィン３４の内側端部３４ａ、切り起こしフィン３３の内側端部３３ａ、切り起こしフィン３２の内側端部３２ａの順に接触した後、上方の排気缶５へ至る。また、他の一部の燃焼排気は、二点鎖線矢印ｃで示すように、一点鎖線矢印ｂよりさらに外側へ膨らんで切り起こしフィン３４の外側端部３４ｂに接触して点線矢印ａの流れと合流し、切り起こしフィン３３の外側端部３３ｂ、切り起こしフィン３２の外側端部３２ｂの順に接触して上方の排気缶５へ至る。これにより、各フィン２４において、燃焼排気の流れに沿って各切り起こしフィン３２〜３４の端部と接触させることができ、効果的に受熱できる。

このように、上記形態の熱交換器４（給湯器１）によれば、各フィン２４における上伝熱管２５Ａの左右両側に、所定間隔をおいて上下に並ぶ複数段の切り起こしフィン３２〜３４をそれぞれ形成し、最下段の切り起こしフィン３４を、下端部が上伝熱管２５Ａの下半分と左右方向で重なる位置に配置したことで、伝熱管２５が下段２列、上段１列で３本配置される風呂側熱交換器１４においても、高い熱効率を得ることができる。

特にここでは、切り起こしフィン３２〜３４を、下段から上段へ行くに従って左右方向の長さが大きくなるように三段形成して、最下段の上段に隣接する切り起こしフィン３３を、最下段の切り起こしフィン３４に対して、内側端部３３ａの張り出し量よりも、外側端部３３ｂの張り出し量の方が大きくなるように形成する一方、最上段の切り起こしフィン３２を、下段に隣接する切り起こしフィン３３に対して、内側端部３２ａの張り出し量が、外側端部３２ｂの張り出し量よりも大きくなるように形成しているので、上伝熱管２５Ａと下伝熱管２５Ｂとの間を通過する燃焼排気の流れに沿って切り起こしフィン３２〜３４を配置でき、熱効率の一層の向上が期待できる。

また、上伝熱管２５Ａと下伝熱管２５Ｂとの間隔を、伝熱管２５の直径よりも狭く形成し、さらに、フィン２４における上伝熱管２５Ａの下方に、上伝熱管２５Ａの下部を覆う帯状の受熱部３１を設けて、下伝熱管２５Ｂを、上端が受熱部３１と左右方向で重なる位置に配置しているので、上伝熱管２５Ａと下伝熱管２５Ｂとの間隔が狭くなる。よって、この狭い隙間を通った燃焼排気を左右方向へ広がるように流して、切り起こしフィン３２〜３４へ確実に接触させることができる。
そして、最上段とその下段の切り起こしフィン３２，３３の外側端部３２ａ、３３ｂを左右方向で同じ位置としているので、下伝熱管２５Ｂのそれぞれ外側を流れる燃焼排気を両外側端部３２ｂ、３３ｂへ確実に接触させることができる。
加えて、複数段の切り起こしフィン３２〜３４の内側端部３２ａ，３３ａ，３４ａを、下段に隣接する切り起こしフィンの内側端部よりも上伝熱管２５Ａ側へそれぞれ張り出させることで、左右方向で全て異なる位置となるようにしているので、上伝熱管２５Ａの外側を回り込むように流れる燃焼排気と効果的に接触させることができる。

なお、上記形態では、最下段の切り起こしフィン３４を全体が上伝熱管２５Ａの下半分と左右方向で重なるように配置しているが、少なくとも下端部が上伝熱管２５Ａの下半分と左右方向で重なるのであれば、上記形態よりも上方に配置してもよい。
また、下伝熱管２５Ｂと受熱部３１との位置関係も、少なくとも下伝熱管２５Ｂの上端が受熱部３１と左右方向へ重なるものであれば、上記形態よりも上方に配置してもよい。
さらに、切り起こしフィンの数は三段に限らず、二段としたり、四段以上としたりすることもできる。

そして、上記形態の燃焼装置２（給湯器１）によれば、給湯側熱交換器１３及び風呂側熱交換器１４を、フィン１５，２４における仕切部材３５側の端部の一部（立ち上げ部４０の中間部４０ａ、立ち上げ部４１の中間部４１ａ）が仕切部材３５に当接する状態で各燃焼室３８，３９内にそれぞれ収容し、給湯側熱交換器１３におけるフィン１５の端部の中間部４０ａが仕切部材３５に当接する位置と、風呂側熱交換器１４におけるフィン２４の端部の中間部４１ａが仕切部材３５に当接する位置とを、上下方向にずらしたことで、２つの熱交換器１３，１４と仕切部材３５との仮組を容易にして組み付けをスムーズに行うことができる。
特にここでは、給湯側熱交換器１３のフィン１５を、風呂側熱交換器１４のフィン２４よりも上下方向の幅を小さく形成して、フィン１５の上端を、フィン２４の上端よりも上側に位置させているので、第１燃焼室３８を第２燃焼室３９よりも上下方向に広く形成して燃焼能力の高い第１バーナ群９の燃焼空間を大きく確保することができる。よって、安定的な燃焼に繋がる。

なお、上記形態では、給湯側熱交換器１３のフィン１５側の端部の中間部４０ａを、風呂側熱交換器１４のフィン２４側の端部の中間部４１ａよりも上方で仕切部材３５に当接させているが、当接位置は上下逆にしてもよい。また、当接部位は中間部に限らず、フィンの端部における下部や上部であっても差し支えない。立ち上げ片も端部全体でなく一部であってもよい。

その他、燃焼装置におけるバーナ群のバーナの数や仕切部材の形態、缶体の構造等も適宜設計変更可能で、第２熱交換器が風呂の追い焚き用に限らず、床暖房の暖房回路等に組み込まれるものや、潜熱回収用の二次熱交換器が設けられるものであっても本発明は適用可能である。

１・・給湯器、２・・燃焼装置、３・・バーナユニット、４・・熱交換器、５・・排気缶、６・・下ケーシング、７・・中ケーシング、８・・上ケーシング、９・・第１バーナ群、１０・・第２バーナ群、１１・・バーナ、１３・・給湯側熱交換器、１４・・風呂側熱交換器、１５・・フィン、１６・・伝熱管、１７・・接続管、２２・・出湯管、２４・・フィン、２５・・伝熱管（２５Ａ：上伝熱管、２５Ｂ：下伝熱管），２６・・接続管、２８・・戻り管、３０・・往き管、３１・・受熱部、３２〜３４・・切り起こしフィン、３２ａ，３３ａ，３４ａ・・内側端部、３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ・・外側端部、３５・・仕切部材、３８・・第１燃焼室、３９・・第２燃焼室、４０，４１・・立ち上げ片、４０ａ，４１ａ・・中間部、４２・・給気室。

Claims (6)

1. 所定方向に等間隔をおいて配列される複数の板状のフィンと、
   前記フィンをその配列方向に貫通し、前記配列方向から見て三角形の頂点に位置するように配設される、左右２本の下伝熱管及び１本の上伝熱管と、を含んでなる熱交換器であって、
   各前記フィンにおける前記上伝熱管の左右両側には、所定間隔をおいて上下に並ぶと共に、下段から上段へ行くに従って左右方向の長さが大きくなるようにした少なくとも三段の切り起こしフィンがそれぞれ形成されており、最下段の前記切り起こしフィンは、少なくとも下端部が前記上伝熱管の下半分と左右方向で重なる位置に配置されて、
   最下段の上段に隣接する前記切り起こしフィンは、最下段の前記切り起こしフィンに対して、前記上伝熱管側の端部の張り出し量よりも、前記上伝熱管と反対側の端部の張り出し量の方が大きくなるように形成される一方、
   最上段の前記切り起こしフィンは、下段に隣接する前記切り起こしフィンに対して、前記上伝熱管側の端部の張り出し量が、前記上伝熱管と反対側の端部の張り出し量よりも大きくなるように形成されることを特徴とする熱交換器。
2. 前記上伝熱管と前記下伝熱管との間隔は、当該伝熱管の直径よりも狭く形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記フィンにおける前記上伝熱管の下方には、当該上伝熱管の下部を覆う帯状の受熱部が設けられており、前記下伝熱管は、少なくとも上端が前記受熱部と左右方向で重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 最上段とその下段の前記切り起こしフィンは、前記上伝熱管と反対側の端部が左右方向で同じ位置にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱交換器。
5. 前記複数段の切り起こしフィンは、前記上伝熱管側の端部が、下段に隣接する前記切り起こしフィンの同じ側の端部よりも前記上伝熱管側へそれぞれ張り出して、左右方向で全て異なる位置にあることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱交換器。
6. バーナと、請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器とを備えてなる給湯器。

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