JP6905806B2 - 熱交換器及びそれを用いた給湯装置 - Google Patents

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Description

本発明は、伝熱管内の残留水を排出させる水抜き装置を備えた熱交換器及びそれを用いた給湯装置に関する。
給湯器や暖房用熱源機などに搭載されている熱交換器は、燃焼排気が流れるケース体内に水を挿通させる複数の伝熱管が水平方向及び高さ方向に配列され、ケース体の側壁に設けるヘッダ内で、複数の伝熱管の開放端を連通させている。この種の熱交換器において、冬季に伝熱管内の凍結防止のために伝熱管から水抜き作業を行う際に、伝熱管内の開放端近傍に水が残留することなく円滑な水抜きが可能となるようにヘッダ内における伝熱管の開放端にパンチングメタル製の水抜き板が配設されている（特許文献１）。
特開２０１５−１１４００３号公報
しかしながら、上記従来の熱交換器におけるパンチングメタル製の水抜き板では、パンチ孔の径が伝熱管の開放端の径よりも小さく、伝熱管の開放端の一部が水抜き板で閉塞されることから、熱交換器の通常使用時に伝熱管の水通路の圧力損失が大きくなっていた。特に、伝熱管の細管化を図った場合には水抜き板による圧力損失の影響が大きくなる。また、潜熱熱交換器に比べて伝熱管の温度が比較的高温となる顕熱熱交換器に前記水抜き板を使用する場合には伝熱管内部に析出するカルシウム等の堆積物がパンチ孔に詰まるおそれがある。
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、伝熱管の細管化を図った場合でも、伝熱管の水通路の圧力損失が少なく、且つ伝熱管内の水抜き作業時に水抜きを円滑に行うことのできる熱交換器及びそれを用いた給湯装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために講じた本発明に係る熱交換器は、
ケース体内に複数の伝熱管が高さ方向及び水平方向に複数配列され、バーナによる燃焼排気と熱交換して前記複数の伝熱管内部の流体を加熱する熱交換器であって、
前記ケース体の側壁外面には、前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管の開放端を接続させるヘッダ本体にヘッダ蓋を嵌合して前記複数の伝熱管の前記開放端を連通するヘッダが設けられ、
前記ヘッダ内の前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管のうち、少なくとも１つの伝熱管前記の開放端に水抜き補助具が配設され、
前記水抜き補助具は、
前記水抜き補助具が配設される前記伝熱管の前記開放端から前記伝熱管内に挿入される差込部及び前記差込部に連設されると共に前記伝熱管の前記開放端から前記伝熱管外に突出して下方に向かって延設される突出部を有する導流部と、前記導流部の下端から下方へ延設される垂下部とを備え、
前記導流部の、前記差込部と前記伝熱管の内壁下部との間及び前記突出部と前記伝熱管の前記開放端との間には、前記伝熱管内の水を前記伝熱管外へ流すための空間が連続して形成され、
前記垂下部の裏面は前記ヘッダ本体の外面に当接するように構成されている。
上記構成によれば、伝熱管の水抜き作業時に、伝熱管の開放端近傍下部に残留する水は、前記水抜き補助具の導流部における表面張力により、前記導流部の差込部と前記伝熱管の内壁下部との間の空間から前記導流部の突出部と前記伝熱管の開放端との間の空間へ引き寄せられ、前記突出部へ導かれた後はそのまま重力により流下される。従って、伝熱管内の開放端近傍に残留水が留まることなく確実に水抜きすることができる。
また、前記水抜き補助具は、伝熱管の開放端に対して導流部の差込部を伝熱管の内壁下部域に挿入する構成とするので、従来のパンチングメタル製の水抜き板のように伝熱管の開放端を一部閉塞することがなく、通常使用時に伝熱管の水通路に圧力損失をほとんど生じさせることがない。また差込部によって堆積物の詰まりを起こさせることもなく伝熱管の水抜きを円滑に行うことができる。
上記熱交換器において、好ましくは、前記水抜き補助具は、さらに、前記ヘッダ蓋の裏面側に向かって延設されると共に前記ヘッダ蓋に押圧されて前記水抜き補助具の姿勢を固定する延設部を備えている。
これにより、前記水抜き補助具は、延設部がヘッダ蓋によって押圧状態で固定されるので、伝熱管の開放端に対して前記導流部の差込部及び突出部を前記空間を確保する位置にて確実に安定した姿勢で装着することができる。
上記熱交換器において、好ましくは、
前記ケース体の前記側壁外面に連続する前記ヘッダ本体の外面から、前記複数の伝熱管の前記開放端を突出させ、
前記導流部を、前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管の上下に並ぶ二つの伝熱管のうち、上側の伝熱管に装着した状態にて、前記垂下部の下端は下側の伝熱管の前記開放端の外壁頂部に当接するように設定されている。
このものでは、前記垂下部により水抜き補助具の上下のずれが抑制されて導流部が伝熱管の開放端に対して位置決めされる。従って、差込部が伝熱管の内壁下部域に確実に配設され、水抜きを確実に行うことができる。
上記熱交換器において、好ましくは、前記水抜き補助具が上下方向に複数連結される。
このものでは、上下に位置する複数の伝熱管の開放端に水抜き補助具を同時に簡単に装着させることができ、また装着後には各導流部が上下にずれることがなく各伝熱管の開放端に対して各導流部の差込部の位置決めが簡単に行える。
本発明の給湯装置は、上記熱交換器を備えたことを特徴とする。
上記いずれかの熱交換器を用いることで、給湯能力が向上し、また、耐久性に優れた給湯装置を得ることができる。
以上のように、本発明に係る熱交換器によれば、前記構成の水抜き補助具により、伝熱管の細管化を図った場合でも、熱交換器の通常使用時には伝熱管の水通路の圧力損失が少なくすることができ、また、伝熱管内の水抜き作業時には伝熱管の開放端近傍に水が残留することなく水抜きを円滑に行うことができる。
上記熱交換器を備えた給湯装置では、給湯能力を向上させることができるから、使い勝手がよくなる上に、耐久性を向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた給湯装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の第１番目の実施の形態に係る熱交換器の一部分解斜視図である。 本発明の第１番目の実施の形態に係る熱交換器の一部拡大説明図である。 本発明の第１番目の実施の形態に係る熱交換器の伝熱管に装着させる水抜き補助具の斜視図である。 本発明の第１番目の実施の形態に係る熱交換器の伝熱管に水抜き補助具を装着させた状態を示す縦断面図である。 本発明の第２番目の実施の形態に係る熱交換器の伝熱管に水抜き補助具を装着させた状態を示す縦断面図である。 本発明の第２番目の実施の形態に係る熱交換器の一部拡大斜視図である。
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る熱交換器(3)は、給湯装置(4)に組み込まれるもので、図１に示すように、上部域にガスバーナ(50)が下向きに設置されると共に、その下方の略矩形箱状のケース体(30)内に、複数の伝熱管(31)(32)が伝熱フィン(33)と共に備えられ、さらに、その下方に潜熱回収熱交換器として、複数の伝熱管(34)が備えられている。
ガスバーナ(50)の上方には、ガスバーナ(50)の燃焼用空気として外部の空気を送り込むファンユニット(5)が接続されている。ガスバーナ(50)から放出された燃焼排ガスは、ファンユニット(5)によって熱交換器(3)のケース体(30)内へ送り込まれ、伝熱管(34)の下方から外部へ排出される。
給水管(41)からの水は、まず、最下方に設けられた伝熱管(34)へ供給されてガスバーナ(50)からの燃焼排ガスから潜熱を回収して予熱される。その後、ケース体(30)の下半分に位置する第１伝熱管(31)へ供給された後、上半分に位置する第２伝熱管(32)へ流れ、ガスバーナ(50)からの燃焼排ガスにより熱交換加熱された後、出湯管(42)を通じて各温水利用先へ供給される。また、伝熱フィン(33)及び伝熱管(34)の表面に生成されるドレンは、ドレン受け(40)に回収された後、ドレン管(43)から、ドレン中和器(図示せず)を介して外部へ排出される。
図２は、ケース体(30)の斜視図であり、ケース体(30)を構成している対向する両側壁(301)(302)間の略下半分の空間に、ステンレス系金属で形成された多数の板状の伝熱フィン(33)が所定の間隙で両側壁(301)(302)に平行に並列されていると共に、これら両側壁(301)(302)及び伝熱フィン(33)を貫通するように、直管状の第１伝熱管(31)が相互に平行に位置するように複数設けられている。
第１伝熱管(31)は、上下二段に千鳥状に配設された、断面縦長楕円形状の直管であり、隣接する２本の第１伝熱管(31)(31)が一つの横長のヘッダ(22)を介して連通するように設定されている。
第１伝熱管(31)の下流側開放端部(311)は、縦長のヘッダ(2)を介して、第２伝熱管(32)に連通する構成となっている。
第２伝熱管(32)は、第１伝熱管(31)の短径よりも小径な断面略円形状の直管であり、ケース体(30)の略上半分の側壁(303)(302)(304)に沿って配設されていると共に、側壁(301)に設けた集約ヘッダ(25)を介して１つに集約されて、下流側開放端部(32a)へ流れていく。
この実施の形態の熱交換器(3)では、ガスバーナ(50)からケース体(30)内へ導入される燃焼排ガス中の顕熱の一部を第２伝熱管(32)にて回収した後、さらに第１伝熱管(31)にて上記燃焼排ガス中の顕熱および潜熱を回収するように構成されている。このように、ケース体(30)内の略上半分の側壁(301)(302)(303)(304)に沿って、第２伝熱管(32)を配設することで、ケース体(30)の過熱が防止される。
ヘッダ(22)は、ケース体(30)の対向する側壁(301)(302)の下半分の外面に設けられており、側壁(301)(302)の所定位置を絞り加工することにより前記外面より内方へ凹ませたヘッダ本体(23)と、これを閉塞するようにヘッダ本体(23)の周縁にロウ付けされるヘッダ蓋(24)とから構成されている。ヘッダ本体(23)の凹部底面とヘッダ蓋(24)の裏面との間には、所定の空間が形成され、この空間内に、第１伝熱管(31)の開放端(31a)が突出している。
また、ケース体(30)の側壁(301)の略上半部の外面には、第１伝熱管(31)の下流側開放端部(311)と、上下に３本配設された第２伝熱管(32)の開放端(321)(322)(323)とを連通させる縦長のヘッダ(2)と、前記３本の第２伝熱管(32)を一つの流れに集約させる横長略Ｌ字状の集約ヘッダ(25)が設けられている。
ヘッダ(2)は、ケース体(30)の側壁(301)の左端寄りの所定位置を縦長に絞り加工することにより内方へ凹ませたヘッダ本体(20)と、この開放端を閉塞させるヘッダ蓋(21)とからなり、ヘッダ本体(20)の凹部底面(20a)とヘッダ蓋(21)の裏面との間には、所定の空間が形成され、この空間内に、第１伝熱管(31)の下流側開放端部(311)と上下３本の第２伝熱管(32)の開放端(321)(322)(323)とを突出させている。
なお、ヘッダ(2)のヘッダ蓋(21)は、ヘッダ蓋(21)の開放端部が、ヘッダ本体(20)の凹部底面(20a)の周縁に沿って設けられた段部(26)を嵌め込んでロウ付けされる。
給水管(41)から伝熱管(34)を経由して、熱交換器(3)内に供給される水は、熱交換器(3)のケース体(30)の一方の側壁(302)の下端に突出させた上流側開放端部(312)から第１伝熱管(31)へ流れ込み、複数の第１伝熱管(31)及びヘッダ(22)を順に通過しながら、他方の側壁(301)に開放している下流側開放端部(311)から、ヘッダ(2)を介して、３本の第２伝熱管(32)に流れていく。そして、側壁(303)(302)(304)に沿った第２伝熱管(32)を順に通過した後、側壁(301)に設けられている集約ヘッダ(25)によって１本にまとめられ、下流側開放端部(32a)から出湯管(42)へ導出される。
この実施の形態の熱交換器(3)にて、冬期に伝熱管(31)(32)内の凍結を防止するために、第１、第２伝熱管(31)(32)の水抜き作業が行われる。特に、細管化された第２伝熱管(32)において、水抜きを行う際に、水の表面張力に起因して、上流側の開放端(321)(322)(323)に水膜が張るのを防止すると同時に、円滑に水抜きできるようにするために、３本の第２伝熱管(32)のうち、下２本の開放端(322)(323)に、水抜き流路となる空間を形成するための水抜き補助具(1)を装着させる。
なお、上段の第２伝熱管(32)は、出湯管(42)から入った空気が、下流側開放端部(32a)を介して流入することにより、円滑な水抜きが可能となるから、上段の第２伝熱管(32)の開放端(321)に水抜き補助具(1)を装着させる必要はないが、この上段の第２伝熱管(32)にも水抜き補助具(1)を装着させても良い。
第１番目の実施の形態の水抜き補助具(1)は、図３及び図４に示すように、中段と下段に位置する２本の第２伝熱管(32)の開放端(322)(323)にそれぞれ差し込まれる横向き略Ｕ字状の導流部(11)(12)と、その各々の下方に連設される垂下部(10a)(10b)とが、開口(14)を介した状態にて、垂下部(10a)(10b)の両側方に張り出させた延設部(13a)(13b)によって連結された形状の板状体であり、延設部(13a)(13b)は、垂下部(10a)(10b)の両側辺に相当する基端部よりも延設端部がヘッダ(2)内に突出するように傾斜させている。
なお、両側に張り出している延設部(13a)(13b)は、一方の延設部(13b)の幅が他方よりも広く、左右非対称な形状に形成されている。これによいり、水抜き補助具(1)の上下方向の向きの誤装着を防止できる。
上記形状の導流部(11)(12)では、各々の屈曲部分の上側に連設される上半体が、第２伝熱管(32)内に差し込まれる差込部(11a)(12a)として機能し、屈曲部分の下側に連設される下半体が、下端から垂下部(10a)(10b)がそれぞれ連設される突出部(11b)(12b)として機能する。
図５に示すように、導流部(11)の差込部(11a)を、中段の第２伝熱管(32)の開放端(322)からその内壁下部域に添うように差し込むと、導流部(12)の差込部(12a)が、下段に位置する第２伝熱管(32)の開放端(323)からその内壁下部域に添うように差し込まれ、これと同時に、垂下部(10a)(10b)の裏面が、ヘッダ本体(20)の凹部底面(20a)に密着すると共に、さらに、垂下部(10a)の下端が、下段の第２伝熱管(32)の開放端(323)の突出端部の外壁頂部に当接するように、各部の寸法は設定されている。
なお、左右一対の延設部(13a)(13b)の延設端部は、ヘッダ本体(20)の凹部底面(20a)の周囲の段部(26)上に位置するように設定されており、これにより、ヘッダ蓋(21)をヘッダ本体(20)に装着する際に、延設部(13a)(13b)の延設端部がヘッダ蓋(21)の開放端で押圧されることとなる。これにより、水抜き補助具(1)は、導流部(11)(12)が、中段と下段に位置する２本の第２伝熱管(32)の開放端(322)(323)に抜け止め状態に取り付けられ、取付状態にて、上下に不用意にずれたり移動したりすることはない。
水抜き補助具(1)の装着状態にて、導流部(11)(12)の板状の差込部(11a)(12a)の両側端縁が、第２伝熱管(32)の内壁下部域に当接することにより、差込部(11a)(12a)と第２伝熱管(32)の内壁下部域との間には空間(S)が形成される。この空間(S)は、開放端(322)(323)と突出部(11b)(12b)との間へ連続している。
なお、差込部(11a)(12a)と第２伝熱管(32)の内壁下部域との間の空間(S)は、垂下部(10a)の下端が下段の第２伝熱管(32)の開放端(323)の突出端部の外壁頂部に当接することで確保されるから、差込部(11a)(12a)の両側端縁は、第２伝熱管(32)の内壁下部域に当接していなくても良い。
上記したように、伝熱管の水抜き作業時に、上下に位置する３本の第２伝熱管(32)のうち、水が残留し易い下２本の開放端(322)(323)に、水抜き補助具(1)の導流部(11)(12)の差込部(11a)(12a)を差し込まれているから、第２伝熱管(32)が小径であっても開放端(322)(323)には水の表面張力による水膜が形成され難くなる。
また、開放端(322)(323)近傍の第２伝熱管(32)の内壁下部域に残留する水は、導流部(11)(12)の差込部(11a)(12a)に触れることにより、差込部(11a)(12a)及び突出部(11b)(12b)での表面張力により、上記した空間(S)を介して、開放端(322)(323)側へ引き寄せられ、導流部(11)(12)の突出部(11b)(12b)を伝って来た後は自重により下方へ落下する。これにより、第２伝熱管(32)の開放端(322)(323)近傍における残留水は排出されることとなる。
上記水抜き補助具(1)は、上下２本の伝熱管の開放端(322)(323)に同時に装着させることのできる連結体としたが、延設部(13a)(13b)の略中央域で上下に分離し、開放端(322)(323)の各々に別個に装着される構成としても良い。
また、延設部(13a)(13b)は垂下部(10a)(10b)の左右に設けずに、上下導流部(11)(12)の突出部(11b)(12b)の左右に延設される構成とすることも可能である。
図６及び図７に示すものは、第２番目の実施の形態の水抜き補助具(1)の説明図であり、第２伝熱管(32)内に挿入させる導流部の差込部(15)をコイル状とすると共に、開放端(322)(323)から突出するコイルの先端部分を下方へ屈曲させて突出部(16)とし、突出部(16)の下端から、ヘッダ(2)のヘッダ本体(20)の周辺の段部(26)に向かって延設する第１延設部(17a)と、第１延設部(17a)の延設端から、段部(26)に沿って上昇する第２延設部(17b)、さらに、第２延設部(17b)の上端から、図示しないヘッダ蓋側へ延設する第３延設部(17c)から、延設部(17)を構成したものである。
差込部(15)を構成しているコイルの径は、第２伝熱管(32)の内径に略一致するように設定されてあり、コイル状の差込部(15)を、開放端(322)(323)から第２伝熱管(32)内に挿入すると、突出部(16)は、開放端(322)(323)から僅かに離反して設置されると共に、第２延設部(17b)は、段部(26)に載置された状態にセットされる。この状態で、ヘッダ蓋をヘッダ本体(20)に被覆させると、第３延設部(17c)がヘッダ蓋の裏面で押されると共に、第２延設部(17b)がヘッダ蓋の開放端で押圧されることにより、水抜き補助具(1)は、第２伝熱管(32)の開放端(322)(323)に、所定姿勢に位置決めされた状態でずれることなく安定した状態で装着されることとなる。
水抜き作業時に、第２伝熱管(32)の開放端(322)(323)近傍の内壁下部域に残留する水は、コイル状の差込部(15)との表面張力により、開放端(322)(323)へ引き寄せられ、開放端(322)(323)と突出部(16)との間の空間から下方へ流下する。これにより、第２伝熱管(32)内の残留水を排出することが出来る。
このように、本発明の実施の形態に係る熱交換器(3)に装着させる水抜き補助具(1)は、第１番目の実施の形態のものでは、所定形状に屈曲させた板状体からなり、第２番目の実施の形態のものでは、所定形状に屈曲させた棒状体からなり、これらの導流部のうち、板状又はコイル状に形成された差込部(11a)(12a)(15)を、ヘッダ本体(20)内に突出している伝熱管(32)の開放端(322)(323)に差し込んで、ヘッダ本体(20)にヘッダ蓋を被覆させるだけで、水抜き補助具(1)は容易に且つ抜け止め状態に装着させることができ、装着状態においては、上下にずれることなく確実に安定した状態が維持される。
よって、簡単な構造の水抜き補助具(1)が、容易に且つ安定した装着姿勢で長期にわたって保持された熱交換器(3)を提供することが出来る。
また、第２伝熱管(32)が細管化され、径が小さくなった場合でも、伝熱管内の圧力損失が大きくなったり、伝熱管内部に析出する堆積物の影響を受けたりする不都合はないから、熱交換器を効率よく生産することが可能となる。
なお、水抜き補助具(1)は、上記各実施形態で採用した形状に限定されることはなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
また、伝熱管も、直管型のものに限定されることはなく、横置き蛇行形状のものや、渦巻状、螺旋状等に他の配設態様のものであっても良い。
さらに、熱交換器は、給湯装置に用いられるものに限らず、各種の熱交換装置に用いられるものでもよい。
(1) ・・・・・・・・水抜き補助具
(11)(12)・・・・・・導流部
(11a)(12a)・・・・・差込部
(11b)(12b)・・・・・突出部
(13a)(13b)・・・・・延設部
(2) ・・・・・・・・ヘッダ
(20)・・・・・・・・ヘッダ本体
(21)・・・・・・・・ヘッダ蓋
(3) ・・・・・・・・ケース体
(31)(32)・・・・・・伝熱管
(322)(323)・・・・・開放端
(301) ・・・・・・・側壁
(S) ・・・・・・・・空間

Claims (5)

  1. ケース体内に複数の伝熱管が高さ方向及び水平方向に複数配列され、バーナによる燃焼排気と熱交換して前記複数の伝熱管内部の流体を加熱する熱交換器であって、
    前記ケース体の側壁外面には、前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管の開放端を接続させるヘッダ本体にヘッダ蓋を嵌合して前記複数の伝熱管の前記開放端を連通するヘッダが設けられ、
    前記ヘッダ内の前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管のうち、少なくとも１つの伝熱管の前記開放端に水抜き補助具が配設され、
    前記水抜き補助具は、
    前記水抜き補助具が配設される前記伝熱管の前記開放端から前記伝熱管内に挿入される差込部及び前記差込部に連設されると共に前記伝熱管の前記開放端から前記伝熱管外に突出して下方に向かって延設される突出部を有する導流部と、前記導流部の下端から下方へ延設される垂下部とを備え、
    前記導流部の、前記差込部と前記伝熱管の内壁下部との間及び前記突出部と前記伝熱管の前記開放端との間には、前記伝熱管内の水を前記伝熱管外へ流すための空間が連続して形成され、
    前記垂下部の裏面は前記ヘッダ本体の外面に当接するように構成されている熱交換器。
  2. 請求項１に記載の熱交換器において、
    前記水抜き補助具は、さらに、前記ヘッダ蓋の裏面側に向かって延設されると共に前記ヘッダ蓋に押圧されて前記水抜き補助具の姿勢を固定する延設部を備えている熱交換器。
  3. 請求項１又は２に記載の熱交換器において、
    前記ケース体の前記側壁外面に連続する前記ヘッダ本体の外面から、前記複数の伝熱管の前記開放端を突出させ、
    前記導流部を、前記高さ方向に配列された前記複数の伝熱管の上下に並ぶ二つの伝熱管のうち、上側の伝熱管に装着した状態にて、前記垂下部の下端は下側の伝熱管の前記開放端の外壁頂部に当接するように設定されている熱交換器。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器において、
    前記水抜き補助具が上下方向に複数連結されている熱交換器。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を備えた給湯装置。
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