JP6823279B2 - 熱交換器およびこれを備えた給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナによって発生させた燃焼ガスなどの加熱用気体から熱回収を行なうための熱交換器、およびこれを備えた給湯装置に関する。

給湯装置用の熱交換器の具体例として、特許文献１に記載のものがあり、その概略構造を図８に示す。
同図に示す熱交換器Ｈは、前後方向および上下高さ方向に並んだ複数の管体部６８を有する伝熱管６と、この伝熱管６を内部に収容するケース２ｅとを備えている。ケース２ｅの後壁部２３には、給気口９０が設けられ、不図示のバーナによって発生された燃焼ガスが給気口９０をからケース２ｅ内に供給されて伝熱管６に作用する。一方、ケース２ｅの上壁部２０の前寄り領域には、排気口９１が形成されており、伝熱管６による熱回収を終えた燃焼ガス（排ガス）は、排気口９１を通過してケース２ｅの外部に流出する。
このような構成の熱交換器Ｈによれば、ケース２ｅの上側に向けて排ガスが排出されるため、ケース２ｅの上面部に排気トップ５ｅを載設するなどし、排ガスを熱交換器Ｈの上方、あるいは後方などの所望の方向に導いて排出させるのに適する。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、ケース２ｅの後部に位置する給気口９０からケース２ｅ内に流入した燃焼ガスの多くは、最短ルートで排気口９１に到達すべく斜め上方に進行する傾向が強い。このため、伝熱管６のうち、ケース２ｅ内の前側下部寄りの領域Ｓａに位置する管体部６８には、燃焼ガスが効率良く作用し難い。伝熱管６による熱回収量を多くし、熱交換効率を高める上では、伝熱管６に前記したような箇所ができる限り生じないようにすることが要望される。

特許第５１９６２２８号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、伝熱管を収容するケースの上壁部に排気口を形成する場合において、構成を簡易にしつつ、熱交換効率を従来よりも高めることが可能な熱交換器、およびこれを備えた給湯装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、前後方向および上下高さ方向に並ぶ複数の管体部を有する伝熱管と、この伝熱管を内部に収容し、かつ後寄り領域または前後方向中間領域に設けられた給気口から加熱用気体が内部に供給されるケースと、このケースの上壁部の前寄り領域に設けられている排気口と、前記上壁部に設けられ、かつ前記排気口を通過した加熱用気体を外部に排出ガイドする排気トップを取付けるのに利用される平面部と、を備えている、熱交換器であって、前記ケースの前記上壁部に部分的かつ一体的に形成され、上面側には、前記平面部によって周囲が囲まれた凹状部が形成されるように下向きに突出している下向き凸状部と、前記上壁部とは別部材により構成された補助部材と、を備えており、前記下向き凸状部は、前記伝熱管の上方に位置して前下がり状に傾斜する傾斜壁部を有し、かつこの傾斜壁部の前端部は、前記平面部の前側に位置する上壁前部よりも高さが低く、かつこれら傾斜壁部の前端部と上壁前部との相互間領域は、前記ケースの後方側または斜め上後方側を向いて開口する前記排気口として形成されており、前記補助部材は、前記傾斜壁部からその前方側に突出するように前記傾斜壁部に接合され、かつ前記傾斜壁部の前方側において前記伝熱管の上部に対向接近する前下がり状の追加の傾斜壁部、およびこの追加の傾斜壁部の前部に繋がって設けられ、かつ前記複数の管体部よりも前側の位置において上下高さ方向に起立している起立板部を有しており、この起立板部の下端部と前記ケースの底壁部との相互間には、前記加熱用気体を通過させる開口部が形成され、かつ前記起立板部と前記ケースの前壁部との相互間には、前記開口部を通過した加熱用気体を上向きに進行させる前側流路が形成され、この前側流路を通過した加熱用気体は、前記上壁前部に衝突してから前記排気口に向けて進行するように構成されていることを特徴としている。
ここで、前記した構成における前後方向は、熱交換器自体における前後方向であり、たとえばこの熱交換器が給湯装置に組み込まれて使用される場合に、必ずしもこの給湯装置の前後方向と一致するものではない。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、ケースの上壁部のうち、排気口よりも後側の領域は、前下がり状に傾斜した傾斜壁部とされているため、給気口からケース内に流入した加熱用気体がケースの前部に向けて進行する際に、この加熱用気体の多くを前記傾斜壁部によるガイド作用によって下向き気味に進行させることができる。したがって、前記従来技術において、加熱用気体を効率よく作用させることが困難とされていた領域、すなわち伝熱管の複数の管体部のうち、ケース内の前部下側領域に位置する管体部に対しても加熱用気体を効率よく作用させ、複数の管体部の略全体を熱回収に有効に利用することが可能である。その結果、前記従来技術よりも熱交換効率を高めることができる。
第２に、加熱用気体をガイドするための傾斜壁部は、ケースの上壁部に一体的に形成されているため、ケースとは別の専用のガイド部材を用いる必要をなくし、または少なくし、製造コストも廉価にすることができる。傾斜壁部の形成手段としては、上壁部にプレス加工を施す手段を採用することができ、その製造コストを一層廉価にすることが可能である。
第３に、傾斜壁部は、ケースの上壁部に部分的に設けられているため、傾斜壁部が設けられていない部分を利用して排気トップを熱交換器の上面部に取り付けるといったことも容易化される。
第４に、給気口からケース内に流入した加熱用気体は、伝熱管の複数の管体部よりも前側に位置する起立板部の下端部とケースの底壁部との相互間の開口部を通過してから排気口に向けて進行するため、加熱用気体は前記開口部に到達する迄の間に複数の管体部の各所に効率良く作用する。したがって、熱交換効率をより高めることが可能である。また、前記開口部を通過した加熱用気体については、前側流路を経由させて排気口に適切に到達させることが可能である。
第５に、伝熱管による熱回収を終えた加熱用気体（排ガス）は、最終的には、排気口からケースの後方または斜め上後方に向けて排出される。このため、排ガスがケースの前方側に排出されることを回避する仕様とする場合に、より好ましいものとなる。また、ケースの上側に排気トップを設けて、この排気トップ内に排ガスを流入させるような場合には、前記排気口から排気トップ内に排ガスを円滑に流入させることができる。したがって、熱交換器に排気トップを取り付けた仕様とするのにも適する。
第６に、ケースへの排気トップの取り付けを、一層容易かつ適切に図ることができる。

本発明において、好ましくは、前記伝熱管の上部は、後側部分よりも前側部分の方が低い高さとなるように傾斜しており、前記傾斜壁部および前記追加の傾斜壁部は、前記伝熱管の上部に沿うように傾斜している。

このような構成によれば、加熱用気体が傾斜壁部および追加の傾斜壁部の下面部に沿って流れる際に、この加熱用気体を伝熱管の上部の各所に効率よく作用させることができる。したがって、熱交換効率を高める上で、一層好ましいものとなる。

本発明の第２の側面により提供される給湯装置は、加熱用気体から熱回収を行なうことにより湯水を加熱する熱交換器を備えている、給湯装置であって、前記熱交換器として、本発明の第１の側面により提供される熱交換器が用いられていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る給湯装置の一例を示す断面図である。 図１に示す給湯装置の２次熱交換器（本発明に係る熱交換器の一例）および排気トップを示す斜視図である。 図２の分解斜視図である。 図２のIV−IV断面図である。 図２のＶ−Ｖ平面断面図である。 図２に示す２次熱交換器のケース本体部の概略斜視図である。 熱交換器の他の例を示す要部断面図である。 従来技術の一例を示す概略断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、図８に示した従来技術と同一または類似の要素のうち、一部の要素については、前記従来技術と同一の符号を付している。

図１に示す給湯装置ＷＨは、バーナケース３０内に収容されたバーナ３、バーナケース３０上に載設された１次熱交換器１、この１次熱交換器１上に補助缶体４を介して載設された２次熱交換器ＨＥ、およびこの２次熱交換器ＨＥ上に載設された排気トップ５を備えている。
ここで、２次熱交換器ＨＥは、本発明が適用された熱交換器の一例に相当する。１次熱交換器１は、本発明が適用された熱交換器には相当しない。

給湯装置ＷＨは、２次熱交換器ＨＥの構成に特徴があり、これ以外の基本的な構成は、たとえば特許文献１に記載されているような従来既知のものと同様である。したがって、２次熱交換器ＨＥ以外の構成要素については、簡単に説明する。
バーナケース３０内には、ファン３１から上向きに燃焼用空気が供給されており、バーナ３によって発生させた燃焼ガスは上向きに進行する。１次熱交換器１は、前記燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、缶体１０内に複数のフィン１１に貫通して接合された伝熱管１２が収容されている。１次熱交換器１を通過した燃焼ガスは、その後に補助缶体４内を通過して２次熱交換器ＨＥに到達し、この２次熱交換器ＨＥによって前記燃焼ガスから潜熱回収がなされる。加熱対象の湯水経路の図示説明は省略するが、外部から供給される加熱対象の湯水は、２次熱交換器ＨＥの後述する複数の伝熱管６に供給されて加熱された後に、１次熱交換器１の伝熱管１２に送られてさらに加熱され、その後所望の配管経路を経由して所定の給湯先に送られるようになっている。

図４および図５によく表われているように、２次熱交換器ＨＥは、ケースＣと、このケースＣ内に収容された複数の伝熱管６と、入水用および出湯用のヘッダ６５Ａ，６５Ｂとを備えている。ケースＣは、略矩形筒状のケース本体部２（図６も参照）と、このケース本体部２の左右両端の開口部２９を塞ぐようにケース本体部２に接合された一対の側壁部８ａ，８ｂとを備えている。

各伝熱管６は、平面視蛇行状の形態を有しており、ケースＣの横幅方向に延びる複数の直状管体部６０と、これら複数の直状管体部６０どうしを繋ぐ略半円弧状の複数の曲状管体部６１とを有している。これら複数の直状管体部６０および曲状管体部６１は、本発明でいう伝熱管の複数の管体部の具体例に相当し、ケースＣ内において前後方向および上下高さ方向に並んでいる。本実施形態では、複数の伝熱管６は、上下高さ方向において隣接するものどうしがケースＣの前後方向に適当な寸法だけ位置ずれするようにして上下高さ方向に積層されている。各伝熱管６の両端部は、ケースＣの側壁部８ａを貫通し、かつ入水用および出湯用のヘッダ６５Ａ，６５Ｂが取り付けられた構成とされている。ヘッダ６５Ａ，６５Ｂの入水口６６ａおよび出湯口６６ｂには、入水用および出湯用の配管部材（不図示）が接続される。

ケース本体部２は、上壁部２０、底壁部２１、前壁部２２、および後壁部２３を有しており、後壁部２３には燃焼ガス用の給気口９０が形成され、かつ上壁部２０の前寄り領域には排気口９１が形成されている。図４に示すように、複数の伝熱管６のそれぞれは、後部側よりも前部側の方が低い高さとなる前下がり状に配されている。ケースＣの底壁部２１には、最下段の伝熱管６と底壁部２１との隙間を小さくするための上向き突出状の段部２１ａが形成されているが、この段部２１ａの上面は、複数の伝熱管６の傾斜に対応した前下がり状とされている。なお、ケースＣのケース本体部２は、１枚の金属板にプレス加工を施した上で、これを略矩形筒状に形成することにより構成されている。

ケースＣの上壁部２０には、この上壁部２０の上面部に凹状部２４が形成されるように下向きに突出した下向き凸状部２５が、部分的かつ一体的に形成されている。上壁部２０のうち、下向き凸状部２５（凹状部２４）の周囲には、平面部ＡＲが設けられている。平面部ＡＲを構成する壁部としては、上壁部２０の前縁寄りの上壁前部２０ａ、後縁寄りの上壁後部２０ｂ、および左右横幅方向の両側縁寄りの一対の上壁側部２０ｃがあり、これらの部分は平面視略矩形リング状に繋がり、かつ後述するように、排気トップ５の取り付けに利用される。

下向き凸状部２５を構成する壁部としては、最上段に位置する伝熱管６の上部に対向接近するようにして前下がり状に傾斜する傾斜壁部２５ａ、およびこの傾斜壁部２５ａの左右両側縁部と上壁側部２０ｃとを相互に繋ぐ左右一対の中間壁部２５ｂがある。上壁前部
２０ａと傾斜壁部２５ａの前端部との相互間領域は開口しており、この開口部分が排気口９１である。

図４によく表われているように、ケースＣ内には、補助部材７が適当なブラケット片７９を用いて取り付けられている。この補助部材７は、断面略く字状または略Ｌ字状に屈曲されたプレートであり、上板部７０および起立板部７１を有している。上板部７０の端縁部は、傾斜壁部２５ａの前端の下面部に重ねられてスポット溶接などの手段を用いて接合されており、傾斜壁部２５ａの延設部に相当する追加の傾斜壁部２５a'を構成している。この追加の傾斜壁部２５a'は、傾斜壁部２５ａよりも前方において伝熱管６の上部に対向接近する前下がり状である。補助部材７の起立板部７１は、伝熱管６の最前部よりも前側に位置しており、この起立板部７１とケースＣの底壁部２１との間には、燃焼ガスを通過させるための開口部９２が形成されている。また、起立板部７１とケースＣの前壁部２２との相互間には、開口部９２を通過した燃焼ガスを上向きに進行させる前側流路９３が形成されている。この前側流路９３の上部には、上壁部２０の上壁前部２０ａが位置しており、前側流路９３を上向きに進行した燃焼ガスは、その後に上壁前部２０ａと追加の傾斜壁部２５a'との相互間に形成されている補助流路９４を通過して排気口９１に到達するようになっている。

図２〜図４によく表われているように、排気トップ５は、ケースＣの上壁部２０の下向き凸状部２５（凹状部２４）の上面側全域を覆う比較的な偏平な底部開口のケース状の本体部５０、この本体部５０に略円筒状などの凸状部を連設して形成された追加の排気口５１、および本体部５０の外周縁下部に連設された取付け用のフランジ部５２を備えている。このフランジ部５２は、上壁部２０の平面部ＡＲ上に重ねられ、かつこの部分にネジ止めなどの手段を利用して接合されている。なお、追加の排気口５１は、外部に排ガスを排出させるための部位であるが、この追加の排気口５１から外部に直接排ガスを排出させることに代えて、この追加の排気口５１に煙突状のダクトを接続するといった構成を採用することもできる。

次に、前記した２次熱交換器ＨＥを備えた給湯装置ＷＨの作用について説明する。

まず、図４において、２次熱交換器ＨＥの給気口９０からケースＣ内に流入した燃焼ガスは、ケースＣ内を前進していく。ここで、傾斜壁部２５ａおよび追加の傾斜壁部２５a'のそれぞれの下面部は、最上段に位置する伝熱管６の上部に対して略平行な状態に傾斜して対向接近しているため、最上段に位置する伝熱管６、およびその近傍に位置する他の伝熱管６に対して、燃焼ガスを効率良く作用させることが可能である。一方、ケースＣの底壁部２１に設けられた上向き凸状の段部２１ａは、最下段に位置する伝熱管６の下部に対して略平行な状態で傾斜して対向接近しているため、最下段に位置する伝熱管６、およびその近傍に位置する他の伝熱管６に対しても燃焼ガスを効率良く作用させることが可能である。燃焼ガスは、給気口９０の位置から起立板部７１の下方の開口部９２に到達するまでの経路において、複数の伝熱管６に作用するが、前記経路においては、燃焼ガスがケースＣ内の上方あるいは下方などに大きく偏った状態で流れないようにすることが可能である。したがって、複数の伝熱管６による熱回収量を多くし、熱交換効率を高めることが可能である。

複数の伝熱管６による熱回収を終えた燃焼ガス（排ガス）は、開口部９２を通過した後には、既述したように、前側流路９３、および補助流路９４を通過して排気口９１に到達する。追加の傾斜壁部２５a'は、前下り状であるため、補助流路９４の前端の上下幅Ｌ（前側流路９３と補助流路９４とが連通する箇所の上下幅）を比較的大きくとることが可能である。このため、燃焼ガスが前側流路９３から補助流路９４側に円滑に流れ込み易くなり、排気抵抗の増大を抑制することが可能である。

排気口９１は、凹状部２４の前部に位置しており、この排気口９１からは排ガスが後方または斜め上後方に向けて排出される。したがって、排ガスは排気口９１から凹状部２４の略中央部に向けて流れることとなり、排気トップ５の本体部５０内に円滑に流れ込む。したがって、排気トップ５を利用して排ガスを外部に排出させることも適切に行なわせることができる。排気口９１から後方に排出される排ガスの一部は、傾斜壁部２５ａの上面部に沿って流れるが、この上面部は、後方側に進むほど高さが高くなり、かつ追加の排気口５１に接近する傾斜状であるため、この上面部に沿って流れる排ガスを追加の排気口５１側に円滑にガイドする作用も得られる。

図７は、熱交換器の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図７に示す２次熱交換器ＨＥａにおいては、給気口９０が底壁部２１の後部に設けられている。この場合であっても、ケースＣ内の全域に燃焼ガスを略均等に行き渡らせることが可能である。なお、図示説明は省略するが、たとえば特開２０１１−１７９７０４号公報に記載された手段のように、ケースＣの底壁部２１の前後方向中間領域に給気口９０を形成し、かつこの給気口９０からケースＣ内に流入した燃焼ガスを、適当なガイド部材を用いてケースＣ内の後部側に一旦導いてからケースＣ内の前部側に進行させるといった手段を採用することもできる。

また、図７に示す２次熱交換器ＨＥａにおいては、傾斜壁部２５ａの前端部に起立板部７１が一体的に繋がって設けられている。このような構成は、ケースＣの上壁部２０をプレス加工することによって容易に実現することが可能である。本実施形態によれば、前記実施形態の補助部材７を用いる必要がなく、製造コストを低減する上で、より好ましいものとなる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器、および給湯装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

上述の実施形態においては、２次熱交換器ＨＥの上に、上方排気タイプの排気トップ５を載設したが、本発明は、２次熱交換器ＨＥの具体的な使用態様は限定されない。排気トップとしては、排ガスを２次熱交換器の後方に向けて排出するタイプのものを用いてもよいことは勿論のこと、そのような排気トップを用いない構成とすることもできる。

伝熱管は、蛇行状の形態のものに限らず、これ以外のたとえば螺旋状、直管状などの形態のものを用いることが可能である。
本発明は、潜熱回収用の熱交換器に限らず、顕熱回収用および潜熱回収用の種別を問うことなく適用することが可能である。また、１つのケース内に１系統の水路を構成する伝熱管を収容させたもの（１缶１水路タイプ）に限らず、１つのケース内に複数系統の水路を構成する複数の伝熱管を収容させたもの（１缶２水路などの１缶複数水路タイプ）として構成することもできる。
加熱用気体は、バーナによって発生させた燃焼ガスに限らず、たとえばコージェネレーションシステムなどから排出される高温の排ガスとすることも可能である。

ＷＨ 給湯装置
ＨＥ，ＨＥａ ２次熱交換器（熱交換器）
ＡＲ 平面部
Ｃ ケース
２０ 上壁部（ケースの）
２０ａ 上壁前部
２４ 凹状部
２５ 下向き凸状部
２５ａ 傾斜壁部
２５a' 追加の傾斜壁部
５ 排気トップ
６ 伝熱管
６０ 直状管体部（管体部）
６１ 曲状管体部（管体部）
７１ 起立板部
９０ 給気口
９１ 排気口
９２ 開口部
９３ 前側流路

Claims (3)

1. 前後方向および上下高さ方向に並ぶ複数の管体部を有する伝熱管と、
   この伝熱管を内部に収容し、かつ後寄り領域または前後方向中間領域に設けられた給気口から加熱用気体が内部に供給されるケースと、
   このケースの上壁部の前寄り領域に設けられている排気口と、
   前記上壁部に設けられ、かつ前記排気口を通過した加熱用気体を外部に排出ガイドする排気トップを取付けるのに利用される平面部と、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記ケースの前記上壁部に部分的かつ一体的に形成され、上面側には、前記平面部によって周囲が囲まれた凹状部が形成されるように下向きに突出している下向き凸状部と、
   前記上壁部とは別部材により構成された補助部材と、
   を備えており、
   前記下向き凸状部は、前記伝熱管の上方に位置して前下がり状に傾斜する傾斜壁部を有し、かつこの傾斜壁部の前端部は、前記平面部の前側に位置する上壁前部よりも高さが低く、かつこれら傾斜壁部の前端部と上壁前部との相互間領域は、前記ケースの後方側または斜め上後方側を向いて開口する前記排気口として形成されており、
   前記補助部材は、前記傾斜壁部からその前方側に突出するように前記傾斜壁部に接合され、かつ前記傾斜壁部の前方側において前記伝熱管の上部に対向接近する前下がり状の追加の傾斜壁部、およびこの追加の傾斜壁部の前部に繋がって設けられ、かつ前記複数の管体部よりも前側の位置において上下高さ方向に起立している起立板部を有しており、
   この起立板部の下端部と前記ケースの底壁部との相互間には、前記加熱用気体を通過させる開口部が形成され、かつ前記起立板部と前記ケースの前壁部との相互間には、前記開口部を通過した加熱用気体を上向きに進行させる前側流路が形成され、この前側流路を通過した加熱用気体は、前記上壁前部に衝突してから前記排気口に向けて進行するように構成されていることを特徴とする、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記伝熱管の上部は、後側部分よりも前側部分の方が低い高さとなるように傾斜しており、
   前記傾斜壁部および前記追加の傾斜壁部は、前記伝熱管の上部に沿うように傾斜している、熱交換器。
3. 加熱用気体から熱回収を行なうことにより湯水を加熱する熱交換器を備えている、給湯装置であって、
   前記熱交換器として、請求項１または２に記載の熱交換器が用いられていることを特徴とする、給湯装置。

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