JP7199636B2 - 温水装置 - Google Patents

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Description

本発明は、給湯装置などの温水装置に関し、さらに詳しくは、1次熱交換器に加え、2次熱交換器を備えたタイプの温水装置に関する。
温水装置としては、燃焼ガス(加熱用気体)から顕熱を回収する1次熱交換器に加え、この1次熱交換器によって顕熱が回収された後の燃焼ガスから潜熱をさらに回収するための2次熱交換器を備えたものがある。
ここで、前記した2つの熱交換器は、ともに燃焼ガスが内部に流入するケース部の内側に、伝熱管が配された構成であるが、1次熱交換器の伝熱管としては、吸熱用の複数のフィンが接合されたいわゆるフィンチューブタイプの伝熱管が用いられる一方、2次熱交換器の伝熱管としては、非直管状のたとえば蛇行管やU字管が用いられる場合がある(たとえば、特許文献1など)。
しかしながら、前記した温水装置においては、次に述べるように、不具合を生じる場合がある。
すなわち、2次熱交換器の蛇行管やU字管を用いた伝熱管を、第2のケース部内に収容させた構造においては、この第2のケース部の側壁部と伝熱管との相互間に隙間が形成される。このため、1次熱交換器を通過した燃焼ガスの多くが前記隙間に進入する虞がある。1次熱交換器は、第1のケース部内に複数のフィンが幅方向に間隔を隔てて並んだ構成であるため、第1のケース部の側壁部に沿って燃焼ガスが流れ、かつこの燃焼ガスが2次熱交換器の前記隙間に流入し易い。一方、第2のケース部の側壁部のうち、前記隙間を介して伝熱管と対向する部分は、伝熱管による冷却がなされず、本来的に高温になり易い部分である。したがって、1次熱交換器を通過した燃焼ガスが、前記隙間に多く進入すると、側壁部が異常な高温に加熱される不具合を生じる。また、燃焼ガスの多くが前記隙間を通過したのでは、伝熱管による熱回収量が少なくなり、熱効率が低くなる不具合も生じる。
特開2013-130348号公報 特開2006-292316号公報 特開2017-133716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、2次熱交換器の伝熱管と第2のケース部の側壁部との隙間に多くの加熱用気体が進行することを防止し、前記側壁部の高温化の防止や、熱効率の向上などを適切に図ることが可能な温水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。
本発明により提供される温水装置は、加熱用気体が内部に供給される第1のケース部内に、この第1のケース部の前後幅方向に間隔を隔てて並んだプレート状の複数のフィンが配されている1次熱交換器と、この1次熱交換器を通過した加熱用気体が内部に流入するように前記1次熱交換器の加熱用気体流れ方向下流側に設けられた第2のケース部内に、熱回収用の伝熱管が配されている2次熱交換器と、前記複数のフィンのうち、前記前後幅方向の最端部に位置する最端部フィンと前記第1のケース部の側壁部との相互間に形成された第1の隙間と、前記第2のケース部の側壁部と前記伝熱管との相互間に形成され、かつ前記第1の隙間に対して加熱用気体流れ方向において並んだ配置の第2の隙間と、を備えている、温水装置であって、前記最端部フィンは、前記第1の隙間から前記第2の隙間への加熱用気体の流通を規制するように、前記第1のケース部の前記側壁部側に屈曲または湾曲した曲げ片部を備えており、前記2次熱交換器の前記伝熱管としては、上下高さ方向に並んだ複数の直状管体部が少なくとも1つの接続管体部を介して一連に繋がった蛇行状またはU字状であり、かつ前記第2のケース部の横幅方向に並んだ複数の伝熱管が具備されており、前記第2の隙間は、前記接続管体部と前記第2のケース部の前記側壁部との相互間に形成さ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、加熱用気体が1次熱交換器の第1の隙間を通過して2次熱交換器の第2の隙間に流入することは適切に規制され、第2の隙間への高温の加熱用気体の流入量を少なくすることが可能である。このため、2次熱交換器の第2のケース部の側壁部が異常な高温に加熱されることを適切に防止することができる。また、多くの加熱用気体が第2の隙間をそのまま通過することが解消され、伝熱管への加熱用気体の作用度合いを高めることができるために、熱効率の向上を図ることもできる。
その他、曲げ片部は、最端部フィンの一部に曲げ加工を施して容易に設けることが可能であり、部品点数の増加などを回避することができるために、製造コストが大きく上昇するといったこともない。
さらに、前記構成によれば、蛇行状またはU字状の複数の伝熱管の接続管体部と、第2のケース部の側壁部との相互間に形成されている隙間に、加熱用気体が多く進行することは適切に解消され、前記側壁部の高温加熱防止、および熱効率の向上を図る上で好ましいものとなる。
本発明において、好ましくは、前記曲げ片部は、前記最端部フィンの本体部から非直交状に屈曲または湾曲していることにより前記幅方向にバネ性をもち、かつ前記第1のケース部の前記側壁部に対して弾発力をもって当接している。
このような構成によれば、曲げ片部を第1のケース部の側壁部に対して隙間を生じないように適切に当接させ、かつその状態を維持することが可能である。したがって、加熱用気体が第1の隙間を通過することを防止することの確実化を図り、第2の隙間への加熱用気体の流入量を少なくする上で、より好ましいものとなる。
また、1次熱交換器の組み立て工程において、複数のフィンを第1のケース部内に組み込む場合において、複数のフィンの全幅と第1のケース部の内代との間に多少の誤差が生じていたとしても、曲げ片部を弾性変形させることによって前記誤差を吸収し、複数のフィンの適切な組み込みが可能となる。したがって、1次熱交換器の組み付け作業性をよくする効果も得られる。
本発明において、好ましくは、前記曲げ片部は、前記最端部フィンの加熱用気体流れ方向下流側の端縁部に設けられ、かつこの曲げ片部の少なくとも先端部は、加熱用気体流れ方向上流側に傾斜または湾曲している。
このような構成によれば、曲げ片部の少なくとも先端部は、いわゆる折り返し状となる。このため、複数のフィンを第1のケース部に組み込むような場合に、曲げ片部を円滑に圧縮変形させることができる。また、曲げ片部が最端部フィンの他の部分(本体部)から2次熱交換器側に突出しない構成とし、たとえば1次熱交換器と2次熱交換器とを組み付ける際に、曲げ片部がその支障となるようなことも回避することが可能である。
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。
本発明に係る温水装置を構成する1次熱交換器および2次熱交換器の斜視図である。 (a)は、図1に示す1次熱交換器および2次熱交換器を備えて構成される温水装置の一例を示す断面図(図1のIIa-IIa線に沿う断面図)であり、(b)は、(a)の要部拡大断面図である。 図2に示す温水装置の図2とは異なる箇所における要部断面図である。 図1および図2に示す2次熱交換器の斜視図である。 (a)は、図2(a)のVa-Va断面図であり、(b)は、(a)で示されているフィンの要部斜視図である。 図1~図3に示す1次熱交換器の最端部フィンの斜視図である。 図1~図3に示す1次熱交換器の複数のフィンの伝熱管への組み付け工程の一例を示す要部断面図である。
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。
図2に示す温水装置WHは、1次熱交換器H1、2次熱交換器H2、および仮想線で一部分が示されたバーナ1を具備している。図示説明は省略するが、2次熱交換器H2の下側には、熱回収後の燃焼ガスを排ガスとして外部に排気するための排気集合筒などが設けられる。
バーナ1は、従来既知の逆燃式のものである。このバーナ1においては、不図示のファンから吐出される燃焼用空気に燃料ガスが混合され、この混合気は、1次熱交換器H1の第1のケース部2の上部開口部から下向きに臨むように設けられた通気性を有する混合気噴射部材10を介して第1のケース部2内に噴射される。混合気には点火がなされ、第1のケース部2内には加熱用気体としての燃焼ガスが供給される。
1次熱交換器H1は、前記した第1のケース部2に加え、伝熱管3、吸熱用の複数のフィン4(4A,4B)および複数の胴パイプ39を備えている。第1のケース部2は、上下両面部が開口した略矩形筒状であり、図1に示すように、第1ないし第4の側壁部20(20a~20d)を有している。胴パイプ39は、湯水加熱用の吸熱に加え、第1のケース部2の第2ないし第4の側壁部20b~20dを冷却する役割を果たし、それら第2ないし第4の側壁部20b~20dの内面に沿って設けられた平面視略コ字状である。第1の側壁部20aには、複数の胴パイプ39を一連に繋ぐヘッダ部35a,35bが設けられている。第1の側壁部20aは、ヘッダ部35a,35b内を流れる湯水により冷却される。胴パイプ39の入水口38に供給された湯水は、図1の破線矢印で示す経路で胴パイプ39およびヘッダ部35a,35bを通過した後に、伝熱管3に流れ込む。伝熱管3は、第1のケース部2内に横架設されて上下および水平方向に並んだ複数の直状管体部30が、ベンド管36を介して一連に接続された構成であり、胴パイプ39からこの伝熱管3に流れ込んだ湯水は、伝熱管3を通過して出湯口37に到達する。
図2(a)において、複数のフィン4は、プレートフィンであり、伝熱管3の直状管体部30が貫通し、直状管体部30にロウ付けなどの手段を用いて接合されており、かつ直状管体部30の長手方向(第1のケース部2の前後幅方向の一例に相当)に間隔を隔てて並んで設けられている。これら複数のフィン4は、幅方向の両端部に位置する一対の最端部フィン4Aと、これら一対の最端部フィン4Aの間に位置する複数(多数)の中間部フィン4Bとに区別される。これらの具体的な構成については後述する。
図2および図3において、2次熱交換器H2は、上下両面が開口した略矩形筒状の第2のケース部5内に、蛇行状伝熱管としての第1および第2の伝熱管6A,6Bが収容された構成である。
より具体的には、図2および図4において、第1の伝熱管6Aは、水平方向に延びる複数の直状管体部60が、側面視半円弧状の複数の接続管体部61を介して一連に繋がった蛇行状であり、各直状管体部60が上下高さ方向に並んだ起立姿勢である。この第1の伝熱管6Aの両端部は、第2のケース部5の外部に設けられた入水用および出湯用のヘッダ7a,7bに接続されている。この温水装置WHにおいては、入水用のヘッダ7aに非加熱の湯水が供給され、かつ第1および第2の伝熱管6A,6Bを通過して出湯用のヘッダ7bに到達した湯水が、1次熱交換器H1の入水口38に供給される。ただし、湯水の流れ方は、これに限定されない。
図5に示すように、複数の第1の伝熱管6Aは、左右幅方向に間隔を隔てて並んでいる。ただし、互いに隣り合う第1の伝熱管6Aどうしの間には高低段差が設けられており、これらは千鳥配列となっている。
図3および図4において、第2の伝熱管6Bは、上下に傾斜した直状管体部63が、側面視半円弧状の複数の接続管体部62を介して一連に繋がった蛇行状であり、各直状管体部63が上下高さ方向に並んだ起立姿勢とされている。この第2の伝熱管6Bの両端部は、第1の伝熱管6Aと同様に、入水用および出湯用のヘッダ7a,7bに接続されている。第2の伝熱管6Bは、各直状管体部63が上下に傾斜しているため、水抜き性がよく、冬季に第1の伝熱管6A内が凍結した場合であっても、この第2の伝熱管6Bに湯水を流通させることにより、温水供給を可能とするものである。
図4および図5に示すように、第2の伝熱管6Bは、幅方向において、複数の第1の伝熱管6Aの左右両外側に位置するように設けられている。ヘッダ7aに供給された湯水は、第1および第2の伝熱管6A,6Bを通過してヘッダ7bに到達し、その後は1次熱交換器H1の入水口38に供給されて胴パイプ39および伝熱管3に送り込まれる。このような過程において、湯水は燃焼ガスにより加熱される。
図2において、一対の最端部フィン4Aのそれぞれには、第1の隙間C1の下端開口部を閉鎖する曲げ片部48が設けられている。第1の隙間C1は、第1のケース部2の第1および第3の側壁部20a,20cのそれぞれと最端部フィン4Aとの相互間に形成された隙間である。曲げ片部48は、2次熱交換器H2の後述する第2の隙間C2a,C2bへの燃焼ガスの流入を規制するための部位であり、最端部フィン4Aの下縁部が1次熱交換器H1の幅方向外側に曲げられることにより最端部フィン4Aに一体的に形成されている。図2(b)の仮想線で示すように、曲げ片部48は、第1のケース部2内に収容されていない自然状態において、最端部フィン4Aの本体部41から上側に向けて傾斜した非直交状に屈曲または湾曲し、矢印Naで示す幅方向にバネ性をもっている。また、曲げ片部48の先端部48aは、さらに屈曲または湾曲しており、その傾斜角α2は、曲げ片部48の他の部分の傾斜角α1よりも大きくされている。図2(b)の実線で示すように、曲げ片部48は、第1のケース部2の第1および第3の側壁部20(20a,20c)に先端部48aが当接し、幅方向において圧縮された状態で第1のケース部2内に位置して
いる。
最端部フィン4Aは、たとえば図6に示すような形態であり、曲げ片部48は、最端部フィン4Aの下端部の略全長域にわたって連設されている。また、最端部フィン4Aには、伝熱管挿通用の開口部42や、複数の凸状部43が設けられている。複数の凸状部43は、図2(b)によく表れているように、隣接する中間部フィン4Bに当接させることにより、この中間部フィン4Bと最端部フィン4Aとの相互間寸法を規定するための部位である。
1次熱交換器H1の伝熱管3の製作に際しては、たとえば図7に示すような工程を経る。同図においては、直状管体部30を下側ジグ9a上に起立保持させた状態において、複数のフィン4を直状管体部30に外嵌し、かつそれらを上側ジグ9bによって押圧し、配列ピッチを整える。その際、最端部フィン4Aの曲げ片部48は、下側および上側のジグ9a,9bの側面に当接させる。曲げ片部48は、既述したようにバネ性をもつため、そのような設定が可能であり、このことにより複数のフィン4の組み付け作業に際して、曲げ片部48がその支障にならないようにすることが可能である。
図2および図3に示すように、2次熱交換器H2内には、第2の隙間C2(C2a,C2b)が形成されている。第2の隙間C2aは、第1および第3の側壁部50(50a,50c)と接続管体部61の先端部との相互間に形成されており、第2の隙間C2bは、第1および第3の側壁部50(50a,50c)と接続管体部62の先端部との相互間に形成された隙間である。これら第2の隙間C2a,C2bは、ともに第1の隙間C1の直下に位置している。
図5に示すように、2次熱交換器H2内には、第3の隙間C3もさらに形成されている。この第3の隙間C3は、第2および第4の側壁部50(50b,50d)と第2の伝熱管6Bとの相互間に形成された隙間である。
本実施形態においては、第3の隙間C3への燃焼ガスの流入を規制するための手段として、複数の中間部フィン4Bに形成されたガイド部40aを具備している。より具体的には、中間部フィン4Bは、切欠き部49や、伝熱管挿通用の孔部48などが形成されたプレート状であるが、各中間部フィン4Bの幅方向両端縁部には、この端縁部を中間部フィン4Bの前方側または後方側に屈曲させた屈曲片部40が設けられている。この屈曲片部40の上部寄り領域は、第1のケース部2の第2および第4の側壁部20(20b,20d)に接触または接近して上下高さ方向に延びている。これに対し、屈曲片部40の下部寄り領域は、燃焼ガスをガイドするためのガイド部40aである。このガイド部40aは、下方に進むほど、第1および第2のケース部2,5の左右幅方向の中央部側に位置するように傾斜している。好ましくは、ガイド部40aの下端部Pは、第3の隙間C3よりも適当な寸法Laだけ、第1および第2のケース部2,5の左右幅方向の中央部側に位置している。
次に、前記した温水装置WHの作用について説明する。
まず、図2において、バーナ1から1次熱交換器H1に供給された燃焼ガスは、胴パイプ39および伝熱管3による熱回収を終えた後に、2次熱交換器H2内に流入する。ここで、第2のケース部5の第1および第3の側壁部50a,50cのうち、図2(a)に示す第2の隙間C2a、および図3に示す第2の隙間C2bに面している部分は、第1および第2の伝熱管6A,6Bによる冷却がなされていないために、第2の隙間C2a,C2bに多くの燃焼ガスが流入した場合に、高温になり易い。これに対し、本実施形態においては、第2の隙間C2a,C2bの直上に位置する第1の隙間C1の下端開口部は、最端
部フィン4Aの曲げ片部48により閉鎖されているため、燃焼ガスが第1の隙間C1を通過してそのまま第2の隙間C2a,C2bに流入し難い。したがって、第2の隙間C2a,C2bへの燃焼ガス流入量を少なくし、第1および第3の側壁部50a,50cが異常な高温になることは適切に解消される。また、第2の隙間C2a,C2bに多くの燃焼ガスが進行すると熱効率が低下するが、そのような不具合も解消される。
曲げ片部48は、図2(b)を参照して説明したように、幅方向にバネ性をもち、弾発力をもって側壁部20(20a,20c)に当接しているため、側壁部20への曲げ片部48の当接状態を安定的なものとし、側壁部20と曲げ片部48との間に、燃焼ガスの漏れを生じる比較的な大きな隙間が生じないようにすることが可能である。また、曲げ片部48がバネ性をもつ構成であれば、第1のケース部2内に複数のフィン4を伝熱管3の直状管体部30とともに配置させる場合に、仮に、一対の最端部フィン4Aの相互間隔に多少の寸法誤差があったとしても、この誤差を前記したバネ性により吸収し、各曲げ片部48を側壁部20に適切に当接させることが可能となる。
曲げ片部48の先端部48aの傾斜角α2は、大きくされているため、この先端部48aと側壁部20(側壁部20a,20c)とを面接触させ、それらの間のシール性を高めることも可能である。さらに、曲げ片部48は、最端部フィン4Aの下端から斜め上向きに屈曲または湾曲しており、その屈曲または湾曲方向は、最端部フィン4Aの本体部41に対する折り返し方向であるため、最端部フィン4Aを含む複数のフィン4を第1のケース部2に組み入れる際に、曲げ片部48が側壁部20に対して引っ掛かりや突っ張りなどを生じることはなく、曲げ片部48を円滑に圧縮変形させつつ、第1のケース部2内にスライド挿入することが可能である。
一方、図5において、第2のケース部5内には、第3の隙間C3も存在しているため、仮に、この第3の隙間C3に多くの燃焼ガスが流入すると、第2および第4の側壁部50b,50dのうち、第3の隙間C3に対面する箇所が高温になり易く、また熱効率が悪くなる虞がある。これに対し、中間部フィン4Bのガイド部40aは、第1のケース部2の第2および第4の側壁部20b,20d寄り領域を下向きに進行していた燃焼ガスを、第1および第2のケース部2,5の左右幅方向中央部側に進むようにガイドする。
ガイド部40aの下端部Pは、既述したように、2次熱交換器H2において、最も外側に位置する第2の伝熱管6Bよりも中央部側に位置しており、第3の隙間C3の直上位置は、ガイド部40aによって覆われた位置関係にある。このため、燃焼ガスがガイド部40aにガイドされて2次熱交換器H2内に流入した場合に、この燃焼ガスは、第3の隙間C3に向けて進行することはなく、または殆どない。したがって、第3の隙間C3に多くの燃焼ガスが進行することに起因する不具合、つまり第2および第4の側壁部50b,50dが異常な高温に加熱されることや、熱効率が低下することも適切に防止することが可能である。ガイド部40aは、中間部フィン4Bを利用して構成されているため、それ専用の部材を設ける必要はなく、製造コストを廉価にすることも可能である。
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る温水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。
最端部フィン4Aの曲げ片部48は、好ましくは、第1のケース部2の側壁部20に当接し、第1の隙間C1の開口部を全閉するように設けられるが、本発明はこれに限定されない。曲げ片部48は、第1の隙間C1から第2の隙間C2に向けて加熱用気体が流れていくことを規制(防止または抑制)し得るように、第1のケース部2の側壁部20側に屈曲または湾曲していればよく、側壁部20との間に幾らかの隙間が存在していてもよい。この場合であっても、第2の隙間C2への加熱用気体の流入量を少なくすることが可能で
ある。
最端部フィン4Aは、左右一対で存在するのが通例であり、これら一対の最端部フィン4Aのそれぞれに曲げ片部48を設けることが好ましいが、本発明はこれに限定されない。たとえば、一対の最端部フィン4Aの一方のみに曲げ片部48が設けられた構成であっても、本発明の技術的範囲に包摂される。
上述の実施形態においては、中間部フィン4Bにガイド部40aを設けることにより、第3の隙間C3への加熱用気体の流入を抑制しているが、本発明は、そのような構成は必須要件ではなく、採用されていなくてもよい。中間部フィン4Bとしては、ガイド部40aを具備しないものを用いることができる。
上述した実施形態の温水装置は、1次および2次の熱交換器の上側にバーナを配置した逆燃式であり、加熱用気体(燃焼ガス)流れ方向は下向きであるが、本発明はこれに限定されない。たとえば、1次および2次の熱交換器の下側にバーナを配置し、加熱用気体(燃焼ガス)流れ方向が上向きである正燃式とすることもできる。
加熱用気体は、燃焼ガスに限定されず、たとえばコージェネレーションシステムにおいて発生する高温の排ガスなどとすることもできる。
本発明でいう温水装置は、湯水を加熱して温水を生成する機能を備えたものであり、一般的な給湯装置の他、たとえば風呂給湯装置、暖房用温水装置、融雪用の温水装置なども含む。
2次熱交換器の伝熱管は、蛇行状伝熱管に限らず、たとえばU字管(2つの直状管体部を接続管体部で接続した管体)を用いたものとすることもできる。
WH 温水装置
H1 1次熱交換器
H2 2次熱交換器
C1 第1の隙間
C2(C2a,C2b) 第2の隙間
1 バーナ
2 第1のケース部
20 側壁部(第1のケース部の)
4 フィン
4A 最端部フィン(フィン4)
4B 中間部フィン(フィン4)
48 曲げ片部
48a 先端部(曲げ片部の)
5 第2のケース部
50 側壁部(第2のケース部の)
6A,6B 第1および第2の伝熱管(伝熱管)

Claims (3)

  1. 加熱用気体が内部に供給される第1のケース部内に、この第1のケース部の前後幅方向に間隔を隔てて並んだプレート状の複数のフィンが配されている1次熱交換器と、
    この1次熱交換器を通過した加熱用気体が内部に流入するように前記1次熱交換器の加熱用気体流れ方向下流側に設けられた第2のケース部内に、熱回収用の伝熱管が配されている2次熱交換器と、
    前記複数のフィンのうち、前記前後幅方向の最端部に位置する最端部フィンと前記第1のケース部の側壁部との相互間に形成された第1の隙間と、
    前記第2のケース部の側壁部と前記伝熱管との相互間に形成され、かつ前記第1の隙間に対して加熱用気体流れ方向において並んだ配置の第2の隙間と、
    を備えている、温水装置であって、
    前記最端部フィンは、前記第1の隙間から前記第2の隙間への加熱用気体の流通を規制するように、前記第1のケース部の前記側壁部側に屈曲または湾曲した曲げ片部を備えており、
    前記2次熱交換器の前記伝熱管としては、上下高さ方向に並んだ複数の直状管体部が少なくとも1つの接続管体部を介して一連に繋がった蛇行状またはU字状であり、かつ前記第2のケース部の横幅方向に並んだ複数の伝熱管が具備されており、
    前記第2の隙間は、前記接続管体部と前記第2のケース部の前記側壁部との相互間に形成されていることを特徴とする、温水装置。
  2. 請求項1に記載の温水装置であって、
    前記曲げ片部は、前記最端部フィンの本体部から非直交状に屈曲または湾曲していることにより前記幅方向にバネ性をもち、かつ前記第1のケース部の前記側壁部に対して弾発力をもって当接している、温水装置。
  3. 請求項1または2に記載の温水装置であって、
    前記曲げ片部は、前記最端部フィンの加熱用気体流れ方向下流側の端縁部に設けられ、かつこの曲げ片部の少なくとも先端部は、加熱用気体流れ方向上流側に傾斜または湾曲している、温水装置。
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