JP6858014B2

JP6858014B2 - 潜熱熱交換器、及びこの潜熱熱交換器を備える燃焼装置

Info

Publication number: JP6858014B2
Application number: JP2016243149A
Authority: JP
Inventors: 佑介浅井
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: EP3336476A1; JP2018096641A; AU2017248461A1; EP3336476B1; AU2017248461B2

Description

本発明は、燃焼排気中の水蒸気を凝縮させて潜熱を回収する潜熱熱交換器及びこの潜熱熱交換器を備える燃焼装置に関する。

従来、顕熱熱交換器と潜熱熱交換器とを備えるコンデンシング型の給湯装置が知られている。顕熱熱交換器は、燃焼排気の顕熱を吸収する。潜熱熱交換器は、顕熱熱交換器を通過した燃焼排気の潜熱を吸収する。

この種の潜熱熱交換器においては、管体を複数屈曲させることによって複数の直管部分を形成した吸熱管が、ケース本体内に収容されている。吸熱管は、直管部分が排気流を横切るように設けられて燃焼排気の潜熱を回収する。

潜熱熱交換器のケース本体は、上部が開放された箱形状であり、天板を取り付けることにより上部が閉塞される。ケース本体の一方側には排気入口が形成されており、他方側には排気出口が形成されている。排気入口から排気出口に至るケース本体内部には排気流が形成され、この排気流を横断するようにして吸熱管が配設されている。

また、ケース本体の上部を閉塞する天板には、平坦なパネル部から上方に突出するビードが形成されている（例えば、下記特許文献１参照）。

天板にビードを設けることにより、天板に剛性を付与してケース全体の強度を向上させることができるだけでなく、ケース内の上方を通る燃焼排気に乱流を生じさせて熱交換効率を向上させることができる。

特開２０１３−７９７４３号公報

しかし、潜熱熱交換器内を燃焼排気が通過するとき、潜熱熱交換器の天板から騒音が発生することがあり、使用者にとって不快なものとなっていた。

上記の点に鑑み、本発明は、排気に伴う騒音を抑えた潜熱熱交換器及び燃焼装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、上部が開放された箱形状のケース本体と、該ケース本体の一方側に形成された排気入口と、前記ケース本体の他方側に形成された排気出口と、前記ケース本体内で前記排気入口から前記排気出口に向かう排気の流れを横断して延設された潜熱回収用の吸熱管と、前記ケース本体の上部を閉塞する天板とを備える潜熱熱交換器において、前記天板は、平面視矩形状のパネル部と、該パネル部の周縁部に沿って形成された起立部と、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に沿った方向に延びる横ビード部と、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延びる縦ビード部と、前記パネル部の前記横ビード部を挟んで前記縦ビード部が設けられた領域とは反対側の領域で、該パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延びる他の縦ビード部とを備え、前記横ビード部は、その両端の夫々が前記起立部に連結され、前記縦ビード部は、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記排気出口側又は前記排気入口側に位置する前記起立部に連結され、前記他の縦ビード部は、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記縦ビード部が連結された前記起立部とは反対側に位置する前記起立部に連結され、前記縦ビード部の前記吸熱管の延設方向における寸法と、前記他の縦ビード部の前記吸熱管の延設方向における寸法とは、異なっていることを特徴とする。

潜熱熱交換器の天板から発生する騒音は、潜熱熱交換器の天板の固有振動数と燃焼排気を生成する火炎の振動数とが一致することによる共鳴音である。そこで、本発明は、天板の剛性を向上させ、これによって潜熱熱交換器の天板の固有振動数の値を増大させた。

即ち、本発明により、ケース本体の上部を閉塞する天板に、前記横ビードを前記起立部に連結させて設けたことにより、天板のパネル部を含む天板全体の剛性を飛躍的に向上させた。これにより、天板の固有振動数の値が増大し、これに伴い、火炎振動数との共鳴が抑制される。よって、天板による共鳴音を小さくして、騒音の発生を抑制することができる。

更に、横ビード部は、吸熱管の延設方向に沿った方向、即ち排気の流れを横断する方向に延設されていることにより、横ビード部の位置では排気の乱流が形成される。これによって、排気流と吸熱管とが長時間接触して熱効率が向上する。

また、本発明においては、前記天板は、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延びる縦ビード部を備え、前記縦ビード部は、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記排気出口側又は前記排気入口側に位置する前記起立部に連結されている。

これによれば、横ビード部と縦ビード部とを起立部に連結させて設けたことにより、天板のひねり方向の剛性を向上させた。これによって、天板の固有振動数の値が更に増大するので、より高い負荷で燃焼する火炎の振動数との共鳴を抑制することができる。

また、本発明においては、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延び、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記縦ビード部が連結された前記起立部とは反対側に位置する前記起立部に連結された他の縦ビード部を備える。

これによれば、天板の剛性を一層向上させることができ、それに伴って天板の固有振動数の値も増大させることができるので、共鳴音の発生が確実に抑えられ、騒音を一層小さくすることができる。

更に、本発明においては、前記横ビード部は、前記天板の排気入口側の前記起立部と排気出口側の前記起立部との間の中間位置に設けられ、前記縦ビード部は、前記横ビード部の中央部に接続され、前記他の縦ビード部は、前記横ビード部の中央部の、前記縦ビード部の接続部とは反対側に接続されていることが好ましい。

このように、天板の排気入口側の起立部と排気出口側の起立部との間の中間位置に前記横ビード部を設け、前記縦ビード部と前記他の縦ビード部とを前記横ビード部の中央部を介して互いに連続して設けると、各パネル部の剛性が同等となるので天板全体にわたって均等な剛性が得られ、ビード部の数を増加させることなく剛性を向上させることができる。

また、本発明においては、前記吸熱管は、前記ケース本体の内部に上下方向に複数の層を形成するように、屈曲された状態で配置され、前記横ビード部は、前記ケース本体の内部で最も前記天板側に位置する前記吸熱管の直線部分である直管部の直上位置に対して、前記排気出口側又は前記排気入口側にずれた位置に形成されていることが好ましい。

横ビード部が吸熱管の直上位置に形成されていると、吸熱管の直上の空隙が横ビード部により大きくなる。このため、排気流が吸熱管に接触するときに、一部が横ビード部による空隙部分に逃げてしまい、吸熱管への排気流の接触が少なくなるため、吸熱管による熱交換効率が低下するおそれがある。

それに対して、本発明においては、横ビード部の位置が吸熱管の直上位置からずれているので、排気流の逃げを抑えて排気流を吸熱管に確実に接触させ、横ビード部を設けたことによる熱交換効率の低下を防止することができる。

また、本発明の燃焼装置は、上述した何れかの構成による潜熱熱交換器を備える。これにより、前記潜熱熱交換器における作用効果を奏し、熱交換効率を確保しつつ排気に伴う騒音を抑えた燃焼装置を提供することができる。

本発明の実施形態の潜熱熱交換器の外観を示す斜視図。本実施形態の潜熱熱交換器の分解斜視図。図１のIII−III線による説明的断面図。本実施形態の潜熱熱交換器の要部の説明的断面図。天板の第１の変形例を示す平面図。天板の第２の変形例を示す平面図。天板の第３の変形例を示す平面図。従来の潜熱熱交換器の天板を示す平面図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２に示す本実施形態の潜熱熱交換器１は、図示しないガス給湯器の燃焼装置に備えられ、当該燃焼装置のガスバーナから得られる燃焼排気の潜熱を回収して湯の生成に供するものである。潜熱熱交換器１は、薄肉金属板製のケース本体２と、ケース本体２の上部を閉塞する天板３とを備えている。ケース本体２の内部には、複数の吸熱管４が収容されている。

ケース本体２は、図２及び図３に示すように、一枚の金属板を絞り加工することにより、前面壁５、後面壁６、一方側壁７、他方側壁８、及び底壁９が一体成形され、上部が開放された箱形状に形成されている。

ケース本体２の上端部には、図２に示すように、天板３を載置するために水平方向に屈曲させた載置部１０が形成されており、載置部１０の外周端から上方に屈曲させた外周フランジ１１には所定間隔を存して複数の爪片１２が形成されている。各爪片１２は、天板３の周縁をカシメ止めするために設けられている。

前面壁５には、燃焼排気が導入される横長矩形状の排気入口１３が形成されている。後面壁６には、燃焼排気が導出される横長矩形状の排気出口１４が形成されている。

底壁９は、図３に示すように、ドレン発生時にドレンを円滑にケース本体２の外部に排出させるため、前面壁５側から後面壁６側に向かって下方に傾斜している。この傾斜の最下位の位置には、図２に示すように、ドレンを排出するためのドレン排水口１５が設けられている。このドレン排水口１５は、図示しないドレン排出管を介して図外の中和器と接続される。

一方側壁７からは、図１及び図２に示すように、各吸熱管４の上流端と下流端とが露出しており、各上流端には流入ヘッダ１６が接続され、各下流端には流出ヘッダ１７が接続されている。

天板３は、平板状のパネル部１８と、パネル部１８の周縁を全周にわたって上方に屈曲させた起立部１９と、起立部１９を全周にわたって水平方向に折り返した平縁部２０と、平縁部２０の外周端から上方に屈曲させた内周フランジ２１とを備えている。

天板３は、平縁部２０をケース本体２の載置部１０に着座させ、内周フランジ２１をケース本体２の外周フランジ１１に重合させ、更に、ケース本体２の各爪片１２を内方に折り曲げることにより、カシメ止めされた状態でケース本体２の上部を閉塞する。このとき、天板３の起立部１９がケース本体２の前面壁５、後面壁６、一方側壁７、及び他方側壁８の内面に密着することにより、天板３の剛性が向上する。

また、天板３には、パネル部１８から上方に突出して吸熱管４の直管部４ａに沿って延びる横ビード部２２と、横ビード部２２から排気出口１４側に向かって延びる第１縦ビード部２３（縦ビード部）と、横ビード部２２から排気入口１３側に向かって延びる第２縦ビード部２４（他の縦ビード部）とが形成されている。

横ビード部２２は、図４に示すように、吸熱管４の隣接する２つの直管部４ａの間に位置するように形成されている。即ち、横ビード部２２は、吸熱管４の直管部４ａの直上には位置しておらず、前後方向（排気出口１４側又は排気入口１３側）にずれた位置に形成されている。本実施形態では、隣り合う２つの直管部４ａの軸心の夫々が、横ビード部２２の幅方向の中央に対して排気出口１４側又は排気入口１３側にずれている。

このように横ビード部２２の内側に形成される空間が吸熱管４の直管部４ａの直上から外れた位置に形成されるので、直管部４ａに向かう排気流が横ビード部２２による空間に逃げずに直管部４ａに多く接触する。これにより、熱交換効率の低下が防止できる。

また、横ビード部２２は、その両端の夫々が起立部１９に連結されている。第１縦ビード部２３は、一端が横ビード部２２の中央部に連結され、他端が排気出口１４側に位置する起立部１９に連結されている。第２縦ビード部２４は、一端が横ビード部２２の中央部に連結され、他端が排気入口１３側に位置する起立部１９に連結されている。第１縦ビード部２３と第２縦ビード部２４とは横ビード部２２を介して連続する直線状に形成されている。

天板３の起立部１９は、ケース本体２の前面壁５、後面壁６、一方側壁７、及び他方側壁８の内面に密着することにより、天板３全体の剛性を向上させていることは上述した通りであるが、この起立部１９に各ビード部２２，２３，２４の端部が連結されていることにより、天板３の剛性を一層向上させることができる。

ここで、図８に示す従来の天板３３と、同一材料による本実施形態の天板３（図１又は図２参照）との固有振動数を測定し、比較した。従来の天板３３は、図８に示すように、パネル部３４から上方に突出する放射形状のビード部３５を備えるが、このビード部３５は、パネル部３４の周縁に形成されている起立部３６とは連続していない。

上記比較の結果、従来の天板３３が２６０Ｈｚであるのに対し本実施形態の天板３が４５０Ｈｚを示し、本実施形態の天板３の固有振動数の値が飛躍的に増大していることが明らかとなった。よって、高い値の固有振動数を有する本実施形態の天板３は火炎振動との共鳴が生じ難くなり、この天板３を使用した潜熱熱交換器１によれば、排気に伴う騒音を抑えることができる。

また、本実施形態の天板３においては、起立部１９に包囲され横ビード部２２と第１縦ビード部２３と第２縦ビード部２４とによって区画された領域の４つのパネル部１８は、同等の面積に形成されている。これによれば、天板３の一部にひずみが集中することがなく、全体的に均一な剛性が得られる。

本実施形態の天板３以外に、騒音防止効果が得られる天板の変形例を示す。第１の変形例として、図５に示す天板３０は、横ビード部２２と第１縦ビード部２３とを備えるが、第２縦ビード部２４を備えない。第１の変形例の天板３０も高い剛性を有しており、固有振動数は約３８０Ｈｚを示すことにより、火炎振動との共鳴を抑えた騒音防止効果が得られる。

第１の変形例の天板３０は、本実施形態の天板３に比べて固有振動数の値は低いが、熱交換が進んだ後の燃焼排気が通過する位置にある排気出口１４側に位置する第１縦ビード部２３のみを設けているため、本実施形態の天板３に比べて熱交換効率の低下を抑えることができる利点がある。

また、第２の変形例として、図６に示す天板３１は、第１縦ビード部２３や第２縦ビード部２４を備えない。第２の変形例の天板３１も高い剛性を有し、その固有振動数が約３３０Ｈｚであることにより、火炎振動との共鳴を抑えた騒音防止効果が得られる。更に、第２の変形例では、横ビード部２２のみが設けられているため、絞り加工の際に肉厚の変化を少なくすることができ、ひずみの小さい天板３１を得ることができる。

また、第３の変形例として、図７に示す天板３２は、横ビード部２２が単一であるが、第１縦ビード部２３と第２縦ビード部２４とが夫々複数本設けられている。第３の変形例の天板３２も高い剛性を有し、その固有振動数が約４００Ｈｚであることにより、火炎振動との共鳴を抑えた騒音防止効果が得られる。また、横ビード部２２、各第１縦ビード部２３、及び各第２縦ビード部２４の幅寸法（長手に対して直交方向の寸法）は、その配設位置等に応じて適宜設定される。

１…潜熱熱交換器、２…ケース本体、３，３０，３１，３２…天板、４…吸熱管、１３…排気入口、１４…排気出口、１８…パネル部、１９…起立部、２２…横ビード部、２３…第１縦ビード部（縦ビード部）、２４…第２縦ビード部（他の縦ビード部）。

Claims

上部が開放された箱形状のケース本体と、該ケース本体の一方側に形成された排気入口と、前記ケース本体の他方側に形成された排気出口と、前記ケース本体内で前記排気入口から前記排気出口に向かう排気の流れを横断して延設された潜熱回収用の吸熱管と、前記ケース本体の上部を閉塞する天板とを備える潜熱熱交換器において、
前記天板は、平面視矩形状のパネル部と、該パネル部の周縁部に沿って形成された起立部と、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に沿った方向に延びる横ビード部と、前記パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延びる縦ビード部と、前記パネル部の前記横ビード部を挟んで前記縦ビード部が設けられた領域とは反対側の領域で、該パネル部から上方に突出して前記吸熱管の延設方向に直交する方向に延びる他の縦ビード部とを備え、
前記横ビード部は、その両端の夫々が前記起立部に連結され、
前記縦ビード部は、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記排気出口側又は前記排気入口側に位置する前記起立部に連結され、
前記他の縦ビード部は、一端が前記横ビード部に連結され、他端が前記縦ビード部が連結された前記起立部とは反対側に位置する前記起立部に連結され、
前記縦ビード部の前記吸熱管の延設方向における寸法と、前記他の縦ビード部の前記吸熱管の延設方向における寸法とは、異なっていることを特徴とする潜熱熱交換器。
前記横ビード部は、前記天板の排気入口側の前記起立部と排気出口側の前記起立部との間の中間位置に設けられ、
前記縦ビード部は、前記横ビード部の中央部に接続され、
前記他の縦ビード部は、前記横ビード部の中央部の、前記縦ビード部の接続部とは反対側に接続されていることを特徴とする請求項１記載の潜熱熱交換器。
前記吸熱管は、前記ケース本体の内部に上下方向に複数の層を形成するように、屈曲された状態で配置され、
前記横ビード部は、前記ケース本体の内部で最も前記天板側に位置する前記吸熱管の直線部分である直管部の直上位置に対して、前記排気出口側又は前記排気入口側にずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の潜熱熱交換器。
請求項１〜３の何れか１項記載の潜熱熱交換器を備えた燃焼装置。