JP6766353B2 - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器および温水装置に関する。

温水装置などに用いられる熱交換器では、加熱用気体が接触する部位における伝熱効率を向上させたり、部分沸騰による沸騰音の発生を抑制したりするために、伝熱管の内部に乱流発生部材（らせん状の線材からなる乱流コイル等）を設置することが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開平５−２８８４８７号公報 実開平３−１１２６６４号公報

これら従来の乱流発生部材は、加熱用気体（燃焼ガスなど）が導入されるケースの内部に配置される伝熱管の内周面に対して、接触していた。

本発明者らは、伝熱管の内部を流通する湯水が硬水である場合に、乱流発生部材と伝熱管の内周面との接触部分において、缶石（スケール）が堆積し易いという問題があることを見出した。缶石が堆積すると、伝熱不良が発生し、経年的にその部位において熱応力が集中し、伝熱管の破損により漏水が発生する場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、伝熱管の内部に設けられた乱流発生部材を備える熱交換器において、伝熱管の内壁に缶石が堆積することを抑制することを目的とする。

本発明の熱交換器は、内部に加熱用気体が導入されるケースと、ケースの内部に位置するケース内部分と、ケースの外部に位置するケース外部分とを含み、内部に湯水が流通される伝熱管と、伝熱管の内部に設けられ、湯水の流れに乱れを発生させるための乱流発生部材と、を備える。乱流発生部材は、ケース内部分において伝熱管の内周面と接触しないように保持されている。これにより、缶石が発生しやすい高温部である伝熱管のケース内部分において、内部を流れる湯水の淀みの発生を抑制できるため、伝熱管の内壁に缶石が堆積することを抑制することができる。

上記の熱交換器では、乱流発生部材は、らせん状の線材から構成される。この場合、より確実に伝熱管内に乱流を発生させて、湯水の温度分布を均一化できるため、伝熱効率を向上させ、部分沸騰による沸騰音の発生を抑制することができる。

上記の熱交換器では、ケース内部分において、乱流発生部材と伝熱管との間の距離が線材の線径の半分以上である。この場合、より確実に伝熱管内の淀みの発生を抑制し、伝熱管の内壁に缶石が堆積することを抑制することができる。

上記の熱交換器では、ケース内部分において、乱流発生部材の外径は、伝熱管の内径の半分以上である。この場合、より確実に伝熱管内に乱流を発生させて、湯水の温度分布を均一化できるため、伝熱効率を向上させ、部分沸騰による沸騰音の発生を抑制することができる。

上記の熱交換器では、乱流発生部材は、ケース外部分で伝熱管に固定される。これにより、高温となる伝熱管のケース内部分に乱流発生部材を接触させずに、本発明の缶石の堆積抑制効果を維持しつつ、乱流発生部材を伝熱管の内部に固定することができる。

上記の熱交換器では、ケース外部分における乱流発生部材の外径は、ケース内部分における乱流発生部材の外径より大きい。この場合、ケース外部分において、乱流発生部材の外周を伝熱管の内壁に当接させることができるため、伝熱管のケース内部分に乱流発生部材を接触させずに、乱流発生部材を伝熱管の内部に固定することが可能となる。

上記の熱交換器では、伝熱管は、ケースを貫通する複数の直管と、複数の直管を互いに接続する空間を有するヘッダ部とを含み、乱流発生部材は、直管またはヘッダ部で伝熱管に固定されている。これにより、伝熱管がこのようなタイプのものである場合でも、伝熱管のケース内部分に乱流発生部材を接触させずに、乱流発生部材を伝熱管の内部に固定することが可能となる。

また、本発明は、上記の熱交換器と、加熱用気体を発生させるバーナと、を備える温水装置にも関する。この温水装置においても、上記の熱交換器と同様の効果が奏される。

上記の温水装置では、加熱用気体の流れ方向においてバーナに最も近接する側に位置する伝熱管のケース内部分において、乱流発生部材が伝熱管の内周面と接触しないように保持されていることが好ましい。加熱用気体の流れ方向においてバーナに最も近接する側に位置する伝熱管のケース内部分は、伝熱管の複数のケース内部分のうちでも特に高温となるが、この部位において乱流発生部材が伝熱管の内周面と接触することをより確実に抑制できるため、より確実に伝熱管の内壁に缶石が堆積することを抑制することができる。

本発明によれば、伝熱管の内部に設けられた乱流発生部材を備える熱交換器において、伝熱管の内壁に缶石が堆積することを抑制することができる。

実施形態１に係る温水装置の構成を示す概略図である。 実施形態１に係る温水装置の送風部、燃焼装置、一次熱交換器および二次熱交換器の構成を示す斜視図である。 実施形態１に係る温水装置の一次熱交換器および二次熱交換器の構成を概略的に示す一部破断斜視図である。 実施形態１に係る熱交換器の構成を概略的に示す断面図である。 実施形態２に係る熱交換器の構成を概略的に示す断面図である。 実施形態２に係る熱交換器の一部の構成を示す概略図である。（ａ）は横断面図であり、（ｂ）は縦断面図である。 実施形態２に係る熱交換器の変形例の構成を概略的に示す断面図である。 従来の熱交換器の構成を概略的に示す断面図である。

＜実施形態１＞
以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。

まずは本実施形態における温水装置の構成について図１〜図３を用いて説明する。
図１および図２を参照して、本実施形態の温水装置１（給湯装置、暖房装置など）は、本体ケース２と、バーナ３と、送風部６と、一次熱交換器１１と、二次熱交換器２１とを主に有している。バーナ３は、燃焼ガスを供給するためのものである。このバーナ３は、燃焼管などを含む燃焼部３ａと、バーナケース３ｂとを有しており、燃焼部３ａはバーナケース３ｂ内に収容されている。このバーナ３には、バーナ３に燃料ガスを供給するためのガス管５が接続されている。

送風部６は、バーナ３に燃焼用空気を供給するためのものであって、たとえばファン、ファンケース、ファンモータなどを有している。この送風部６はバーナ３の下部に取付けられている。

一次熱交換器１１および二次熱交換器２１の各々は、バーナ３から供給された燃焼ガスによって熱交換を行うためのものである。バーナ３の上に一次熱交換器１１が取付けられており、その一次熱交換器１１の上に二次熱交換器２１が取付けられている。

一次熱交換器１１と二次熱交換器２１とは配管３２で接続されている。二次熱交換器２１には、二次熱交換器２１に水を供給するための給水管３１が接続されている。一次熱交換器１１には、一次熱交換器１１から湯を送り出すための出湯管３３が接続されている。

上記の給水管３１と出湯管３３との間にバイパス管３５が接続されている。このバイパス管３５は、出湯管３３から送り出される湯の温度を給水管３１の水で調整するためのものである。

図１および図３を参照して、一次熱交換器１１は、互いに積層された複数のフィン１３と、複数のフィン１３を貫通する伝熱管１５と、複数のフィン１３および伝熱管１５を内部に収容するケース１７とを有している。ケース１７の内部には、バーナ３で加熱された加熱用気体が導入される。

伝熱管１５は、一方端にて配管３２に接続されており、かつ他方端にて出湯管３３に接続されている。これにより、伝熱管１５の内部に湯水が流通される。

また二次熱交換器２１は、複数の（例えばらせん状の）伝熱管２５と、伝熱管２５を内部に収容するケース２７とを有している。伝熱管２５は、一方端にて給水管３１に接続されており、かつ他方端にて配管３２に接続されている。

なお、本実施形態において、本発明に係る熱交換器は一次熱交換器１１に対応し、二次熱交換器２１には対応しない。

図３を参照して、一次熱交換器１１と二次熱交換器２１との間には、排気集合筒４２が配置されている。この排気集合筒４２には、一次熱交換器１１を経た燃焼ガスを二次熱交換器２１へ供給するための流出口４２ａが形成されている。また二次熱交換器２１のケース２７には、燃焼ガスを排気するための排気口２７ａが設けられている。

なお、互いに積層された複数のフィン１３のそれぞれは、板状の部材からなり、その板状の部材の主表面に複数の貫通孔を有している。これら複数の貫通孔の各々は、内部に伝熱管１５を通すためのものである。伝熱管１５は、複数の貫通孔の各々の周縁にろう付けされている。

次に、本実施形態の熱交換器（一次熱交換器１１）の構成について、図４を用いて説明する。

図４を参照して、本実施形態の熱交換器１１は、内部に加熱用気体が導入されるケース１７と、内部に湯水が流通される伝熱管１５１とを備える。伝熱管１５１は、ケース１７の内部に位置するケース内部分１５１ａと、ケース１７の外部に位置するケース外部分１５１ｂとを含む。

伝熱管１５１の内部には、湯水の流れに乱れを発生させるための乱流発生部材１６が設けられている。乱流発生部材１６は、具体的には、らせん状の線材から構成され、乱流コイルとも呼ばれる。ここで、乱流発生部材１６は、ケース内部分１５１ａにおいて伝熱管１５１の内周面と接触しないように保持されている。すなわち、ケース内部分１５１ａにおいて、伝熱管１５１の内周面と乱流発生部材１６との間に隙間が存在している。

図４に示す伝熱管１５１は、図３に示される、加熱用気体の流れ方向においてバーナ３に最も近接する側に位置する伝熱管１５１の一部に相当する。なお、伝熱管１５２（加熱用気体の流れ方向においてバーナ３から遠い側に位置する伝熱管）内は、伝熱管１５１と比べて内部温度が低く缶石が堆積しにくいため、伝熱管１５２内に乱流発生部材１６を設ける場合には、乱流発生部材１６が伝熱管１５２のケース内部分の内周面に接触していてもよい。複数ある伝熱管１５１のうちの湯水の流れ方向最下流側（幅方向におけるいずれか一方の端部）に位置する伝熱管のみ、あるいは、バーナ３の駆動時間が最も長い領域の上方に位置する伝熱管のみにおいて、乱流発生部材１６とケース内部分１５１ａの内周面が接触しないように保持されていてもよい。

従来図である図８を参照して、伝熱管１５１のケース内部分１５１ａは、加熱用気体と接触して高温となるが、高温部においては温水中のカルシウム等が析出し易い。このため、従来は、伝熱管１５１のケース内部分１５１ａにおいて、乱流発生部材１６が伝熱管１５１の内周面に接触していると、その箇所で淀みが生じて、缶石４が堆積し易かった。

これに対して、本実施形態の熱交換器１１は、伝熱管１５１のケース内部分１５１ａにおいて、乱流発生部材１６が伝熱管１５１の内周面と接触しないようにされている。これにより、伝熱管１５１の内壁に缶石４が堆積することを抑制することができる。

本実施形態の熱交換器では、ケース内部分１５１ａにおいて、乱流発生部材１６と伝熱管１５１との間の距離ｄ２が線材の線径ｄ１の半分以上であることが好ましい。また、本実施形態の熱交換器では、ケース内部分１５１ａにおいて、乱流発生部材１６の外径Ｄ１は、伝熱管１５１の内径Ｄ２の半分以上であることが好ましい。

本実施形態の熱交換器では、乱流発生部材１６は、ケース外部分１５１ｂで伝熱管１５１に固定されている。ケース外部分１５１ｂにおける乱流発生部材１６の外径は、ケース内部分１５１ａにおける乱流発生部材１６の外径より大きい。また、ケース外部分１５１ｂにおける乱流発生部材１６の外径は、伝熱管１５１の内径と略等しいかやや大きい。また、乱流発生部材１６は少なくともケース外部分１５１ｂに配置される部分が弾性体からなる。これにより、ケース外部分１５１ｂにおいて、乱流発生部材１６の外周を伝熱管１５１の内壁に弾性力により圧接させることができるため、伝熱管１５１のケース内部分１５１ａにおいて乱流発生部材１６を接触させずに、乱流発生部材１６を伝熱管１５１の内部に固定することが可能となる。

ただし、乱流発生部材１６は、上記のように、伝熱管１５１のケース内部分において乱流発生部材１６を接触しない状態を維持できる程度の剛性を有している必要がある。

なお、上述のとおり、本実施形態において、本発明に係る熱交換器は図１〜図３に示される一次熱交換器１１に対応し、二次熱交換器２１には対応しない。これは、一次熱交換器１１よりバーナ３から遠い位置にある二次熱交換器２１は、比較的温度が低く、伝熱管内の湯水の温度差があまり大きくないため、乱流発生部材１６を設けなくてもよいからである。

＜実施形態２＞
図５を参照して、本実施形態の熱交換器において、伝熱管１５は、ケースを貫通する複数の直管１５３と、複数の直管１５３を互いに接続する空間を有するヘッダ部１２とを含んでいる。そして、乱流発生部材１６は、直管１５３の端縁に固定されている。これ以外の点は実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。

なお、図５において、このようにして、ヘッダ部１２の内壁１２ａとケース１７の側面１７ａと直管１５３とで形成される空間内に、実施形態１と同様に湯水が流される。

図５は、本実施形態に係る熱交換器の一部の構成を概略的に示す断面図である。図５を参照して、一方の端部の取付部材１６ａは、直管１５３のケース外部分の端縁においてバーナ３と反対側に掛止され、他方の端部の取付部材１６ｂは、直管１５３のケース外部分の端縁においてバーナ３に近接する側に掛止されている。このように、乱流発生部材１６の両端の取付部材１６ａ，１６ｂが、直管１５３の周方向において互いに反対側に取り付けられることで、（図７の場合よりも）乱流発生部材１６の位置が固定される。

なお、取付部材を含む乱流発生部材１６の径Ｒは、直管１５３の内径より小さいことが好ましい。これにより、乱流発生部材１６を直管１５３内に設置（挿入）することが容易になる。

図６（ａ）および（ｂ）を参照して、直管１５３は、ケース外部分の端縁において、外周面に溝１５３ｃを有している。取付部材１６ａは、先端に屈曲部１６ａａを有している。取付部材１６ａは、屈曲部１６ａａが溝１５３ｃに嵌合するようにして、直管１５３のケース外部分の端縁に掛止される。なお、取付部材は、直管１５３のケース外部分の端縁にろう付けされていてもよい。

図７は、本実施形態に係る熱交換器の変形例の一部の構成を示す斜視図である。図６に示されるように、一方の端部の取付部材１６ａと他方の端部の取付部材１６ｃとの両方をバーナ３と反対側に掛止するようにしてもよい。この場合は、乱流発生部材１６の位置が固定されず、湯水の流れにより直管１５３の周方向に振動する可能性があるため、例えば、取付部材を直管１５３のケース外部分の端縁にろう付けすることにより、湯水の流れによる取付部材の振動を抑制することが好ましい。

また、乱流発生部材１６の取付部材は、直管１５３に固定されていなくてもよく、例えば、ヘッダ部１２の内壁１２ａ、ケースの側面１７ａなどに固定されていてもよい。ヘッダ部１２の内壁１２ａに引っ掛け部を形成しておき、乱流発生部材１６の取付部材を引っ掛けるようにしてもよい。なお、例えば引っ掛け部として、交差部で取付部材を掛止可能な十字状の部材を用いることで、乱流発生部材１６の周方向の回動を抑制することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 温水装置、２ 本体ケース、３ バーナ、３ａ 燃焼部、３ｂ バーナケース、４ 缶石、５ ガス管、６ 送風部、７ 燃料管、１１ 一次熱交換器、１２ ヘッダ部、１２ａ 内壁、１３ フィン、１５，１５１，１５２，２５ 伝熱管、１５１ａ ケース内部分、１５１ｂ ケース外部分、１５３ 直管、１５３ｃ 溝、１６ 乱流発生部材、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 取付部材、１６ａａ 屈曲部、１７ ケース、１７ａ 側面、２１ 二次熱交換器、２７ ケース、２７ａ 排気口、３１ 給水管、３２ 配管、３３ 出湯管、３５ バイパス管、４２ 排気集合筒、４２ａ 流出口。

Claims (5)

1. 内部に加熱用気体が導入されるケースと、
   前記ケースの内部に位置するケース内部分と、前記ケースの外部に位置するケース外部分とを含み、内部に湯水が流通される伝熱管と、
   前記伝熱管の内部に設けられ、前記湯水の流れに乱れを発生させるための乱流発生部材と、を備え、
   前記乱流発生部材は、前記ケース内部分において前記伝熱管の内周面と接触しないように保持され、
   前記乱流発生部材は、らせん状の線材から構成され、
   前記乱流発生部材は、前記ケース外部分で前記伝熱管に固定され、
   前記ケース外部分における前記乱流発生部材の外径は、前記ケース内部分における前記乱流発生部材の外径より大きく、
   前記乱流発生部材の前記ケース外部分に配置される部分は、らせん状の弾性体からなり、前記伝熱管の内壁に弾性力により圧接している、熱交換器。
2. 前記ケース内部分において、前記乱流発生部材と前記伝熱管との間の距離が前記線材の線径の半分以上である、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ケース内部分において、前記乱流発生部材の外径は、前記伝熱管の内径の半分以上である、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器と、前記加熱用気体を発生させるバーナと、を備える温水装置。
5. 前記加熱用気体の流れ方向において前記バーナに最も近接する側に位置する前記伝熱管の前記ケース内部分において、前記乱流発生部材が前記伝熱管の内周面と接触しないように保持されている、請求項４に記載の温水装置。

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