JP6634274B2 - 熱交換器及び給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器に用いられ、バイメタルスイッチ等の感熱部材を備えた熱交換器と、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、複数のフィンを貫通する複数の伝熱管を筐体内に配設すると共に、筐体の外部で伝熱管の端部同士をＵ字状の接続管によって交互に接続することで、一連に繋がる管体を形成するものが知られている。
一方、給湯器には、管体内に水が存在しない状態での燃焼、いわゆる空焚きが生じた場合に給湯器の作動を停止するため、感熱部材、例えばバイメタルスイッチを設けて、所定温度でバイメタルスイッチが作動すると、バーナへのガス供給を遮断する等の安全機能が具備されている。このバイメタルスイッチは、熱応答性を高く保ち、空焚きが生じた場合に即座に作動できるように、空焚き時に温度が即座に上昇する接続管上に、取り付け部材を介して固定されている。

特開２０１５−１２１３６７号公報

この取り付け部材は、感熱部材の熱応答性を確保するために熱伝導性の高い銅製とされて、接続管の曲管部を挟むクリップ部と感熱部材の取付部とを備えている。曲管部への固定は、クリップ部で曲管部を挟んだ状態でロウ付け固定、特に製造性を考慮して炉中ロウ付けが行われる。
しかし、銅材はステンレス等の金属材料と比べてバネ性が低いため、クリップ部によって曲管部を十分な力で挟持させることが難しく、炉中ロウ付けの最中に取り付け部材が曲管部から外れてしまうおそれがある。特に、曲管部は横断面が真円とならず、曲管部の半径方向に潰れた楕円形状で製造される場合があるため、クリップ部が曲管部に対して点当たりとなり、がたつきが生じやすくなっている。

また、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、両熱交換器間で伝熱管と接続管との径が異なる場合がある。よって、接続管の曲管部のサイズに合わせたクリップ部を有する取り付け部材をそれぞれ用意する必要が生じ、管理コストが増えることになる。

そこで、本発明は、取り付け部材を安定して接続管の曲管部に取り付けできると共に、径の異なる曲管部であっても同一の取り付け部材が使用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、ケーシング内に配置される複数の伝熱管と、半円状の曲管部を有して前記ケーシング外で伝熱管の端部同士を接続する接続管と、曲管部に取り付け部材を介して取り付けられる感熱部材と、を含んでなる熱交換器であって、
曲管部は、軸心と直交する横断面において、軸心が形成する半円の半径方向での幅寸法よりも、半径方向と直交する方向での厚み寸法の方が大きくなる扁平形状であり、
取り付け部材は、先端が分離した略Ｃ字状に形成されて曲管部を把持する１つのクリップ部と、クリップ部の基端に連結されて感熱部材が固定される固定板部とからなり、クリップ部は、曲管部を把持しない状態での内径が、曲管部における軸心と直交する横断面の外径よりも小さくなるように形成される一方、
固定板部は、クリップ部との間で形成される角度が鋭角となるようにクリップ部に対して連結されて、クリップ部で曲管部を把持させた状態で、固定板部は曲管部の外周面に当接し、固定板部とクリップ部とで形成される角度は、クリップ部を横断面の方向とした場合に固定板部との間で形成される角度よりも小さくなることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、給湯器であって、請求項１に記載の熱交換器を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、取り付け部材のクリップ部で曲管部を把持させた状態では、曲管部の横断面の外径よりも内径の小さいクリップ部が拡開して弾性を生じさせると共に、固定板部が曲管部の外周面に当接する。よって、クリップ部の両端と固定板部とによる３点支持の格好となり、取り付け部材はがたつくことなく安定して曲管部へ取り付けられると共に、径の異なる曲管部であっても同一の取り付け部材が使用できる。
特に、曲管部の扁平形状により、クリップ部を曲管部回りで回転させて先端間を押し広げるようにすれば、よい強い弾性を得ることができ、一層の安定支持が可能となる。

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。 熱交換器の正面図である。 取り付け部材の斜視図である。 取り付け部材の説明図で、（Ａ）が正面、（Ｂ）が背面、（Ｃ）が左側面、（Ｄ）が右側面、（Ｅ）が平面、（Ｆ）が底面をそれぞれ示す。 給湯側の接続管に取り付け部材を取り付けた状態を示す説明図で、（Ａ）が平面、（Ｂ）が（Ａ）のＡ−Ａ線断面をそれぞれ示す。 図６（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 風呂側の接続管に取り付け部材を取り付けた状態を示す説明図で、（Ａ）が平面、（Ｂ）はクリップ部による把持部分の横断面をそれぞれ示す。

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を形成している。

まず、バーナユニット３では、第１バーナ群９と第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の上方に位置する給湯側熱交換器１３と、第２バーナ群１０の上方に位置する風呂側熱交換器１４とが左右方向に並設される。各熱交換器１３，１４は、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フィン１５，１５・・と、各フィン１５を前後方向に貫通して中ケーシング７の内部で平行に配設される複数の伝熱管１６Ａ（給湯側），１６Ｂ（風呂側）とからなる。この伝熱管１６Ａ，１６Ｂは、図２，３に示すように、中ケーシング７の外部で接続管１７Ａ（給湯側），１７Ｂ（風呂側）によって端部同士が接続されることで、各熱交換器１３，１４ごとに蛇行状に繋がる一連の管体となっている。ここでは給湯側熱交換器１３の伝熱管１６Ａ及び接続管１７Ａの方が、風呂側熱交換器１４の伝熱管１６Ｂ及び接続管１７Ｂよりも径が大きくなっている。

給湯側熱交換器１３の伝熱管１６Ａの流入口１８には、図示しない給水管が接続され、伝熱管１６Ａの流出口１９には、出湯管２０が接続される。出湯管２０には、浴槽へ接続される落とし込み管２１が分岐接続されている。
一方、風呂側熱交換器１４の伝熱管１６Ｂの流入口２２には、浴槽からの戻り管２３が接続され、伝熱管１６Ｂの流出口２４には、浴槽への往き管２５が接続されている。

そして、燃焼装置２の缶体内は、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２７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との間に位置する中仕切部材２８とからなる仕切部材２６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２９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３０とに仕切られている。
また、下ケーシング６の下部には、給気室３１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３１との間を仕切る区画板３２には、複数の透孔３４，３４・・を穿設した分布板３３が取り付けられて、給気ファンから送られる空気を、透孔３４を介して第１、第２燃焼室２９，３０に供給可能としている。

よって、この給湯器１において、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１６Ａを通過する。一方、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３１から分布板３３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２９内で給湯側熱交換器１３を通過することで伝熱管１６Ａと熱交換され、出湯管２０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３１から分布板３３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１６Ｂを通過し、第２バーナ群１０の燃焼ガスは、第２燃焼室３０内で風呂側熱交換器１４を通過することで伝熱管１６Ｂ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。

そして、各熱交換器１３，１４の接続管１７Ａ（図３の正面に表れる３つの接続管１７Ａのうちの中央），１７Ｂには、所定温度で作動する感熱部材としてのバイメタルスイッチ３５がそれぞれ取り付けられて、伝熱管１６Ａ，１６Ｂ内に水がない状態で第１、第２バーナ群９，１０の燃焼が生じた場合（空焚きが生じた場合）には、バイメタルスイッチ３５の作動信号を得たコントローラが対応するバーナ群への燃料ガスの供給を遮断して燃焼を停止するようになっている。このバイメタルスイッチ３５は、取り付け部材３７を介して接続管１７Ａ，１７Ｂにおける半円状の曲管部３６（図６，７）に取り付けられている。

この取り付け部材３７は、図４，５に示すように、曲管部３６を挟持するクリップ部３８と、バイメタルスイッチ３５が固定される固定板部３９とが一体に形成される銅製である。まず、クリップ部３８は、先端が分離した略Ｃ字状で、中間部が互いに外側へ膨らむ円弧帯状の一対の把持爪４０，４０を有している。但し、各把持爪４０の先端には、互いに相反方向へ向けて拡開する折曲片４１が形成されている。また、クリップ部３８の基端（把持爪４０，４０の間）４２は、把持爪４０よりも幅広の平坦な板状に形成されている。
次に、固定板部３９は、矩形の板状で、クリップ部３８との間で形成される角度（図５（Ｅ）の角度α）が鋭角となるように基端４２に連結されている。固定板部３９の一つの対角線上の角部付近には、バイメタルスイッチ３５の取付孔４３，４３が形成されている。

一方、曲管部３６は、図６，７に示す給湯側の接続管１７Ａのように、軸心と直交する横断面から傾いた方向での横断面形状（図６（Ｂ）に示すＡ−Ａ線断面）は、真円とならず、軸心が形成する半円Ｃの半径方向（長軸方向）での幅寸法（外径Ｄ１）よりも、当該半径方向と直交する方向（短軸方向）での厚み寸法（外径Ｄ２）の方が小さくなる横扁平形状（横断面楕円形状）となり、軸心と直交する横断面形状（図７に示すＢ−Ｂ線断面）は、半円Ｃの半径方向（短軸方向）での幅寸法（外径Ｄ１）よりも、当該半径方向と直交する方向（長軸方向）での厚み寸法（外径Ｄ２）の方が大きくなる縦扁平形状（横断面楕円形状）となっている。外径Ｄ２は図６（Ｂ）、図７共に同じである。

ここでのクリップ部３８は、曲管部３６を把持しない状態での両把持爪４０，４０間の寸法の最大値（図５（Ｂ）の内径Ｄ３）が、曲管部３６の外径Ｄ２よりも小さくなっている。また、半円Ｃに交差する方向でクリップ部３８を外側から曲管部３６に把持させた状態では、折曲片４１，４１が曲管部３６の外径Ｄ２位置を越えて内周側に位置して、基端４２が曲管部３６の外周面に当接する。固定板部３９も、クリップ部３８との間で形成される角度が鋭角となるようにクリップ部３８に連結されていることから、接線方向よりも内側に位置して曲管部３６の外周面に当接することになる。

これは、図８に示す風呂側の接続管１７Ｂにおいても同様で、ここでは接続管１７Ｂが斜めに配管されて、取り付け部材３７は曲管部３６の上側に取り付けられる。ここではクリップ部３８を曲管部３６回りで若干回転させて図６よりも把持位置をずらしているが、クリップ部３８の内径Ｄ３が接続管１７Ｂの外径よりも小さい関係は変わらないため、クリップ部３８の把持爪４０，４０間を押し広げて弾性が得られるようになっている。

以上の如く構成された熱交換器４においては、図６に示すように、取り付け部材３７のクリップ部３８で曲管部３６を把持させた状態では、曲管部３６の外径Ｄ２よりも内径Ｄ３の小さいクリップ部３８が拡開して弾性を生じさせると共に、前述のように固定板部３９が曲管部３６の外周面に当接する。ここでは固定板部３９がクリップ部３８に対して鋭角に取り付けられているため、クリップ部３８が図６の半円Ｃの半径方向からずれた位置（図６（Ａ）のＡ−Ａ線方向）で曲管部３６を把持することになり、この状態で、拡開したクリップ部３８が把持爪４０，４０の復元力によって、より外径が小さくなる半径方向側へ向かい、より安定的な姿勢をとろうとする（図６（Ａ）に示す矢印ａ方向）。よって、固定板部３９を曲管部３６の外周面に押し付ける力が発生し、２つの把持爪４０，４０と固定板部３９とによる３点支持の格好となり、取り付け部材３７はがたつくことなく安定して曲管部３６へ取り付けられる。

従って、曲管部３６に取り付け部材３７を一定の姿勢で取り付けることができ、炉中ロウ付けを行っても外れることなくロウ付け工程が実施できる。これは、図８に示すように、接続管１７Ａよりも小径の接続管１７Ｂでも同様で、この場合もクリップ部３８の内径Ｄ３は、接続管１７Ｂの曲管部３６の長軸方向の寸法よりも小さいため、クリップ部３８が押し広げられることで弾性を生じさせる。また、固定板部３９が曲管部３６の外周面に当接するため、同じ取り付け部材３７を使用してクリップ部３８の把持と固定板部３９の当接とによる３点支持が可能である。
こうして取り付け部材３７をロウ付け固定した後、固定板部３９にバイメタルスイッチ３５が、取付孔４３，４３を用いてネジ止めされる。

このように、上記形態の熱交換器４（給湯器１）によれば、取り付け部材３７のクリップ部３８において、曲管部３６を把持しない状態での内径Ｄ３が、曲管部３６における軸心と直交する横断面の外径Ｄ２よりも小さくなるように形成される一方、固定板部３９が、クリップ部３８との間で形成される角度が鋭角となるようにクリップ部３８に対して連結されて、クリップ部３８で曲管部３６を把持させた状態で、固定板部３９が曲管部３６の外周面に当接するようにしたことで、取り付け部材３７を安定して曲管部３６に取り付けできると共に、径の異なる曲管部３６であっても同一の取り付け部材３７が使用できる。
特にここでは、曲管部３６は、横断面において、軸心が形成する半円Ｃの半径方向での幅寸法（外径Ｄ１）よりも、半径方向と直交する方向での厚み寸法（外径Ｄ２）の方が大きくなる扁平形状であるので、クリップ部３８を曲管部３６回りで回転させて把持爪４０，４０間を押し広げるようにすれば、よい強い弾性を得ることができ、一層の安定支持が可能となる。

なお、取り付け部材の形状は上記形態に限らず、例えばクリップ部の幅を大きくしたり、折曲片を省略したり、固定板部の形状を矩形以外の形状としたり、基端を短くしてクリップ部と固定板部とを近づけたり等、適宜変更可能である。また、取り付け部材の数や取り付け位置も上記形態には限定されない。感熱部材もバイメタルスイッチに限らず、サーミスタ等も使用可能である。
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、風呂側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、熱交換器が１つのみのもの、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、１６Ａ，１６Ｂ・・伝熱管、１７Ａ，１７Ｂ・・接続管、２６・・仕切部材、２９・・第１燃焼室、３０・・第２燃焼室、３１・・給気室、３５・・バイメタルスイッチ、３６・・曲管部、３７・・取り付け部材、３８・・クリップ部、３９・・固定板部、４０・・把持爪、４１・・折曲片、４２・・基端。

Claims (2)

1. ケーシング内に配置される複数の伝熱管と、半円状の曲管部を有して前記ケーシング外で前記伝熱管の端部同士を接続する接続管と、前記曲管部に取り付け部材を介して取り付けられる感熱部材と、を含んでなる熱交換器であって、
   前記曲管部は、軸心と直交する横断面において、前記軸心が形成する半円の半径方向での幅寸法よりも、前記半径方向と直交する方向での厚み寸法の方が大きくなる扁平形状であり、
   前記取り付け部材は、先端が分離した略Ｃ字状に形成されて前記曲管部を把持する１つのクリップ部と、前記クリップ部の基端に連結されて前記感熱部材が固定される固定板部とからなり、前記クリップ部は、前記曲管部を把持しない状態での内径が、前記曲管部における前記横断面の外径よりも小さくなるように形成される一方、
   前記固定板部は、前記クリップ部との間で形成される角度が鋭角となるように前記クリップ部に対して連結されて、前記クリップ部で前記曲管部を把持させた状態で、前記固定板部は前記曲管部の外周面に当接し、前記固定板部と前記クリップ部とで形成される角度は、前記クリップ部を前記横断面の方向とした場合に前記固定板部との間で形成される角度よりも小さくなることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器を備えてなる給湯器。

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