JP7214210B2 - 乱流板、熱交換器及び給湯器、熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器等の熱交換器の伝熱管内に設けられる乱流板と、その乱流板を用いた熱交換器及び給湯器と、乱流板を有する熱交換器の製造方法とに関する。

給湯器等の熱交換器では、水等の流体が流れる蛇行状の伝熱管を有し、伝熱管の直線分が貫通するフィン間にバーナ等の燃焼排気を通過させることで、排気熱と伝熱管内の流体との間で熱交換させる。この伝熱管内には、流体を撹拌して滞留や温度ムラを生じさせないように乱流板が設けられる。例えば特許文献１には、三角孔から切り起こした乱流片を左右へ交互に突出させた乱流板を伝熱管内へ縦向きに挿入した発明が開示されている。

特開２０１８－１１２３２３号公報

このような乱流板は、伝熱管内を流れる流体による圧力が加わると、回転したり位置ズレしたりすることで伝熱管の内面を摺動し、伝熱管を損傷させるおそれが生じる。また、伝熱管へ挿入する際にも乱流板が回転したり上下に位置ズレしたりして作業効率を低下させるおそれがある。

そこで、本発明は、伝熱管内での回転や移動を防止して伝熱管の内面の損傷を防止することができると共に、組み付け時の位置決めも容易となる乱流板と、その乱流板を用いた熱交換器及び給湯器、熱交換器の製造方法とを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、熱交換器における長軸を上下方向とする横断面楕円形で直線状の伝熱管内に挿入されて伝熱管内を流れる流体を撹拌するための乱流板であって、
伝熱管の内面の短軸幅に合わせた幅を有した帯状の本体部と、本体部における長手方向の一端部に形成され、伝熱管の内面形状に合わせて湾曲する回転防止片と、本体部における長手方向の他端部に形成され、短軸幅よりも大きい幅広部と、を含んでなることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、熱交換器であって、長軸を上下方向とする横断面楕円形で直線状の伝熱管内に、請求項１に記載の乱流板を挿入してなることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、給湯器であって、バーナと、バーナの燃焼排気が通過する請求項２に記載の熱交換器とを含んでなることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、熱交換器の製造方法であって、ケーシング内に、横断面楕円形で両端が開口する直線状の複数の伝熱管を、長軸が上下方向となる向きで互いに平行に配列する第１工程と、
各伝熱管内に、請求項１に記載の乱流板を、回転防止片を設けた一端部を先にしてそれぞれ挿入する第２工程と、
各伝熱管において、乱流板の幅広部を有する他端部を圧入する第３工程と、
ロウ材を回転防止片及び幅広部に塗布して炉中で加熱する第４工程と、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、乱流板に設けた回転防止片により、上下左右に位置ズレしたり回転したりすることなく伝熱管内への挿入を行うことができる。また、伝熱管内への挿入が完了した時点で幅広部が伝熱管に圧入されるので、乱流板が定位置に位置決めされて伝熱管内での回転や移動が防止され、伝熱管の内面の損傷を防止することができる。

フロントカバーを外した給湯器の正面図である。 樹脂シート及びコントローラ、表示操作パネルを省略した給湯器の正面図である。 一次熱交換器の斜視図である。 一次熱交換器の左からの側面図である。 図４のＡ－Ａ線断面図である。 図４のＢ－Ｂ線断面図である。 図４のＣ－Ｃ線断面図である。 乱流板の斜視図である。 乱流板の説明図で、（Ａ）は正面、（Ｂ）は平面、（Ｃ）は底面、（Ｄ）は右からの側面、（Ｅ）は左からの側面をそれぞれ示す。 乱流板の挿入状態を示す斜視図である。 乱流板の挿入状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、給湯器の一例を示す正面図で、フロントカバーを外した状態で示している。図２は図１において、樹脂シート及びコントローラ、表示操作パネルを除いた状態を示している。
この給湯器１は、前面を開口した四角箱状の筐体２内に、バーナ４と一次熱交換器５と二次熱交換器６とが上から順に設けられる内胴３を収容した逆燃焼式となっている。また、筐体２内には、内胴３の下部から後方へ回り込んで上向きに設けられる排気部７と、内胴３の右側方でバーナ４に連結されたファンユニット８と、ファンユニット８の下側でファンユニット８に連結され、ガスガバナ９を介してガス導入管１１から燃料ガスが供給されるガス供給ユニット１０とが設けられている。内胴３の下方右側には、電装基板を収容してなるコントローラ１２が横向きに設置され、その下方中央には、フロントカバーから露出する表示操作パネル１３が設けられている。

バーナ４は、燃料ガスと燃焼に必要な全ての燃焼用空気との混合気が燃焼する全一次空気式で、上下面を開口して上下方向に所定深さを有する平面視横長矩形状の上ケーシング１４を有し、上ケーシング１４の上面は、上方へ突出してファンユニット８が接続されるチャンバ１５によって閉塞されている。上ケーシング１４の下面には、複数の炎孔が形成された図示しない炎孔板が設けられて、炎孔板の表面（下面）で混合気が燃焼可能となっている。
ファンユニット８は、平面視円形のファンケース１６内に図示しないファンを収容し、ファンケース１６の上側中央に、ファンを回転駆動させるファンモータ１７を設けている。

一次熱交換器５は、図３～７に示すように、バーナ４が取り付けられる四角筒状の中ケーシング２０内の下部に、複数のフィン２１，２１・・（各図では一部のみ図示）を左右方向へ所定間隔をおいて並設すると共に、各フィン２１を左右方向に貫通する蛇行状の伝熱管２２を配設してなる。ここでの伝熱管２２は、最下段で前後方向に所定間隔をおいて配設される横断面楕円形で、長軸を上下方向とした８本の直線状の大径管２３，２３・・と、その上方で中ケーシング２０の前後の壁の外側へそれぞれ上下方向に所定間隔をおいて３本ずつ配設される横断面円形の直線状の小径管２４，２４・・とを含んでいる。このうち大径管２３は、中ケーシング２０の左右の側面に設けられた下側ヘッダ２５（図３～７では外側を開放して示す。他のヘッダも同じ）により、前後に隣接する２本の端部同士が左右で交互に接続されて、全体で１本に繋がる蛇行状となっている。但し、最後部の大径管２３の右端部には、二次熱交換器６との接続管２６が接続され、最前部の大径管２３の右端部は、上下に延びる前側ヘッダ２７により、前側３本の小径管２４の右端部と接続されている。中ケーシング２０の左側面には、前後の３本の小径管２４の左端部同士を接続する左側ヘッダ２８が設けられている。中ケーシング２０の右側面には、後側３本の小径管２４の右端部同士を接続する右側ヘッダ２９が設けられて、右側ヘッダ２９に出湯管３０が接続される。

よって、一次熱交換器５の伝熱管２２では、接続管２６から最後部の大径管２３に流入した湯水は、最下段の大径管２３，２３・・を交互に通過しながら前方へ蛇行状に移動した後、最前部の大径管２３から前側３本の小径管２４、後側３本の小径管２４を順番に通過して出湯管３０へ流れることになる。
中ケーシング２０の上側外周には、略全面に導電パターンが蛇行状に網羅されてなる帯状の樹脂シート３１が巻回されて、中ケーシング２０からの燃焼排気の漏洩を検知可能となっている。

そして、各大径管２３には、乱流板３２が挿入されている。この乱流板３２は、大径管２３の内面形状における短軸と略同じ幅を有する帯状の本体部３３を有する金属板で、本体部３３の両長手側辺には、上側へ折り返した一対の折り返し片３４，３４が形成されている。但し、本体部３３の長手方向の一方の端部は、大径管２３の当該短軸よりも僅かに大きい幅広部３５となっている。本体部３３の他方の端部では、折り返し片３４の一方が本体部３３よりも短く形成されており、折り返し片３４の他方は、本体部３３を越えて長手方向に突出し、その先端に、大径管２３の内面形状に合わせて折り返し片３４の折曲側と反対側へ向けて湾曲する回転防止片３６を形成している。
また、本体部３３には、図８，９にも示すように、一端を四角形状、他端を半円形状とした１１個の貫通孔３７，３７・・が、四角形同士が隣接する向きとなる２つの貫通孔３７，３７（以下、区別するために「３７Ａ」と表記する。）の組と、半円形同士が隣接する向きとなる２つの貫通孔３７，３７（以下、区別するために「３７Ｂ」と表記する。）の組とが交互になるように形成されている。幅広部３５側の端部に位置する１つの貫通孔３７は、貫通孔３７Ｂとなっている。

各貫通孔３７において、四角形側の端部内縁には、貫通孔３７の幅よりも小さい幅を有する羽根片３８が切り起こし形成されている。この羽根片３８は、貫通孔３７Ａ，３７Ａの各組では、本体部３３を挟んで互いに上下反対側へ向けて、上側が左方向、下側が右方向へ本体部３３に対して鋭角をなす傾斜状に突出形成されている（以下、区別するために「３８Ａ」と表記する。）。各組の上下の羽根片３８Ａ，３８Ａは、互いに平行となっている。
また、貫通孔３７Ｂ，３７Ｂの各組の羽根片３８（以下、区別するために「３８Ｂ」と表記する。）では、本体部３３を挟んで互いに上下反対側へ向けて、上側が右方向、下側が左方向へ本体部３３に対して鋭角をなす傾斜状に突出形成されている。各組の上下の羽根片３８Ｂ，３８Ｂは、互いに平行となっており、隣接する組の上下の羽根片３８Ａ，３８Ａとは左右対称となっている。ここでは羽根片３８Ａ，３８Ａの組と羽根片３８Ｂ，３８Ｂの組とは交互に配置されて、長手方向で隣接する羽根片３８Ａと羽根片３８Ｂとは、本体部３３を挟んで互いに反対側へ且つ長手方向の同じ側へ向けた鋭角傾斜状に突出形成されている。
さらに、各羽根片３８における幅方向の中央には、長手方向に沿って延びる補強用のリブ３９が設けられている。各リブ３９は本体部３３に跨がって形成されて、羽根片３８Ａ，３８Ａの組ではリブ３９，３９同士が繋がっている。

これにより乱流板３２では、湯水が長手方向（ここでは左右方向）の両端何れから流入しても、各組の一方の羽根片３８が湯水の流入方向に対して鋭角に、他方の羽根片３８が鈍角に対向して湯水と衝突する格好となるため、同じ撹拌作用を生じさせることになる。特に、鋭角に立ち上がる羽根片３８では、衝突した湯水の一部が貫通孔３７を介して本体部３３の反対側へガイドされ、鈍角に立ち上がる羽根片３８では、衝突した湯水の一部が大径管２３の上下何れか一方側へガイドされる。
よって、本体部３３の構造は左右方向と上下方向とで方向性を持たないことになる。

但し、ここでは本体部３３の右端に幅広部３５が、左端に回転防止片３６がそれぞれ設けられているため、以下の手順で中ケーシング２０に組み付けられる。
まず、図３に示すように、中ケーシング２０の最下段に大径管２３，２３・・を配列する（第１工程）。
次に、各大径管２３の左右両端を開放した状態で、図１０，１１に示すように、各乱流板３２を、回転防止片３６側を先にして、本体部３３を、折り返し片３４，３４を上側にした横向き姿勢で大径管２３の短軸に合わせてそれぞれ大径管２３に挿入する（第２工程）。このとき回転防止片３６は大径管２３の内面に沿って摺動し、大径管２３内での本体部３３の上下高さ及び向きを保持する。なお、乱流板３２の挿入及び固定は中ケーシング２０の上下を逆にした状態で行われる。
そして、各乱流板３２を大径管２３内へ完全に押し込むと、幅広部３５が大径管２３の右端に圧入される（第３工程）。よって、各乱流板３２は、図４～７に示すように、回転防止片３６と幅広部３５とにより、本体部３３が短軸に沿った姿勢で大径管２３内に支持される。
ロウ付けを行う場合は、大径管２３の左右両端から、回転防止片３６と大径管２３の内面との接触部分と、幅広部３５と大径管２３の内面との接触部分にそれぞれロウ材を塗布して炉中で加熱する（第４工程）。

一方、二次熱交換器６は、図１，２に示すように、中ケーシング２０と連通する四角筒状の下ケーシング４５内に、凹凸を形成した複数の伝熱プレートを前後方向へ所定間隔をおいて並設して、伝熱プレート間で連続する内部流路を形成し、下ケーシング４５の正面側下部に設けた入口と正面側上部に設けた出口とを内部流路に接続してなる。入口には給水管４６が接続され、出口には接続管２６が接続される。
排気部７は、二次熱交換器６の下ケーシング４５の下面に取り付けられるドレン受け４７と、ドレン受け４７の後部に立設される排気ダクト４８とを備える。ドレン受け４７の底部は、ドレン排出管４９を介して中和器５０と接続される。
排気ダクト４８は、合成樹脂製の横長角筒状で、排気ダクト４８の上端の開口には、筐体２の上面に突出する円筒状の排気筒部５２を備えた上カバー５１が接合される。

以上の如く構成された給湯器１においては、器具内に通水されると、リモコン等で要求される燃焼量に応じた回転数でコントローラ１２がファンモータ１７を駆動させてファンを回転させる。すると、ファンユニット８では、ファンの回転数に比例した空気が吸い込まれる。同時にガス導入管１１からは燃料ガスが供給され、ガスガバナ９で調圧された後、ガス供給ユニット１０でファンユニット８の吸込側に設けたベンチュリーを介して空気と混合されて混合気が生成される。生成された混合気は、ファンケース１６の吐出口からバーナ４のチャンバ１５に吐出され、上ケーシング１４内に供給されて、炎孔板の各炎孔から噴出し、図示しない点火電極によって点火されて燃焼する。

バーナ４からの燃焼排気は、一次熱交換器５の中ケーシング２０で各フィン２１，２１の間を通過することで、伝熱管２２内を流れる湯水と熱交換し、顕熱が回収される。伝熱管２２のうち、各大径管２３内では、乱流板３２の羽根片３８によって湯水が撹拌されるため、滞留や温度ムラが生じにくくなる。
その後、二次熱交換器６の下ケーシング４５内で各伝熱プレートの間を通過することで、伝熱プレートの内部流路を流れる水と熱交換し、潜熱が回収される。
一方、下ケーシング４５を通過した燃焼排気は、排気部７のドレン受け４７内に進入し、ドレン受け４７の後部に移動して排気ダクト４８内を上昇して排気筒部５２から外部に排出される。二次熱交換器６で発生したドレンは、ドレン受け４７内に落下し、ドレン排出管４９及び中和器５０を介して器具の外部へ排出される。

（乱流板の羽根片に係る発明の効果）
上記形態の乱流板３２、一次熱交換器５及び給湯器１によれば、伝熱管２２の大径管２３の軸方向に沿って延びる帯板状の本体部３３と、本体部３３へその長手方向に沿って所定間隔をおいて断続的に形成される貫通孔３７，３７・・と、長手方向に隣接する２つの貫通孔３７Ａ，３７Ａを１組として、長手方向で互いに近い側となる各貫通孔３７Ａの端縁にそれぞれ形成される一対の羽根片３８Ａ，３８Ａ（第１の羽根片）と、羽根片３８Ａが形成される２つの貫通孔３７Ａ，３７Ａと異なる２つの貫通孔３７Ｂ，３７Ｂを１組として、長手方向で互いに遠い側となる各貫通孔３７Ｂの端縁にそれぞれ形成される一対の羽根片３８Ｂ，３８Ｂ（第２の羽根片）と、を有し、一対の羽根片３８Ａ，３８Ａと一対の羽根片３８Ｂ，３８Ｂとは、各組毎に、本体部３３を挟んで互いに反対側へ且つ互いに長手方向の反対側へ向けた鋭角傾斜状に突出形成されている。
この羽根片３８Ａ，３８Ｂの採用により、乱流板３２の上下及び長手方向の前後の向きにかかわらず、大径管２３内を流れる湯水に対して同じ撹拌作用を生じさせることができる。よって、上下や前後の向きを考慮することなく大径管２３への乱流板３２の組み付けを容易に行うことができ、作業効率の向上を図ることができる。

特にここでは、羽根片３８Ａ，３８Ａの組と羽根片３８Ｂ，３８Ｂの組とは交互に配置されて、長手方向で隣接する羽根片３８Ａと羽根片３８Ｂとは、本体部３３を挟んで互いに反対側へ且つ長手方向の同じ側へ向けた鋭角傾斜状に突出形成されているので、隣接する羽根片３８Ａ，３８Ｂ同士が接近しすぎたりして撹拌作用の妨げになることがない。
また、各羽根片３８には、長手方向に沿ったリブ３９が、本体部３３に跨がって形成されているので、羽根片３８が補強され、通水時は勿論、組み付け前の保管時においても羽根片３８の変形等を効果的に防止可能となる。

なお、各羽根片の形状や大きさ、本体部に対する傾斜角度等は上記形態に限らず、適宜変更可能である。貫通孔の各組において、本体部を挟んだ各羽根片の折り返し側を上記形態と逆にしても差し支えない。貫通孔の数も増減可能である。
また、羽根片に係る発明では、回転防止片や幅広部を省略することもできる。折り返し片も形状の変更の他、省略も可能である。大径管も横断面楕円形でなくてもよい。

（乱流板の幅広部及び回転防止片に係る発明の効果）
上記形態の乱流板３２、一次熱交換器５及び給湯器１によれば、伝熱管２２の大径管２３の内面の短軸幅に合わせた幅を有した帯状の本体部３３と、本体部３３における長手方向の一端部に形成され、大径管２３の内面形状に合わせて湾曲する回転防止片３６と、本体部３３における長手方向の他端部に形成され、短軸幅よりも大きい幅広部３５と、を含んでなることで、回転防止片３６により、上下左右に位置ズレしたり回転したりすることなく大径管２３内への挿入を行うことができる。また、大径管２３内への挿入が完了した時点で幅広部３５が大径管２３に圧入されるので、乱流板３２が定位置に位置決めされて大径管２３内での回転や移動が防止され、大径管２３の内面の損傷を防止することができる。

なお、回転防止片の位置や形状、大きさは上記形態に限らず、適宜変更可能で、複数の回転防止片を左右や上下に対称に設けたり、大径管の中心線を中心とした点対称に設けたりすることもできる。
幅広部も、本体部の長手方向の長さは適宜変更して差し支えない。
また、幅広部及び回転防止片に係る発明では、羽根片の形状は上記形態に限定するものではなく、方向性を有する羽根片を備えた乱流板であっても本発明は採用可能である。

（一次熱交換器の製造方法に係る発明の効果）
上記形態の一次熱交換器５の製造方法によれば、中ケーシング２０（ケーシング）内に、横断面楕円形で両端が開口する直線状の複数の大径管２３（伝熱管）を、長軸が上下方向となる向きで互いに平行に配列する第１工程と、各大径管２３内に、乱流板３２を、回転防止片３６を設けた一端部を先にしてそれぞれ挿入する第２工程と、各大径管２３において、乱流板３２の幅広部３５を有する他端部を圧入する第３工程と、ロウ材を回転防止片３６及び幅広部３５に塗布して炉中で加熱する第４工程と、を実行することで、回転防止片３６により、上下左右に位置ズレすることなく大径管２３内への挿入を行うことができる。また、大径管２３内への挿入が完了した時点で幅広部３５が大径管２３に圧入されるので、乱流板３２が定位置に位置決めされ、ロウ付けや炉中での加熱を行う際の大径管２３内での乱流板３２の回転や移動が防止され、大径管２３の内面の損傷を防止することができる。

なお、上記形態では、中ケーシングの上下を逆にして乱流板の挿入及びロウ付けを行っているが、組み付けの際の向きはこれに限定されない。

その他、各発明に共通して、バーナ、一次熱交換器、二次熱交換器の各形態やファンユニットの配置、コントローラの配置等は適宜変更可能である。二次熱交換器がなくてもよいし、逆燃焼式でなくてもよい。
また、一次熱交換器では、大径管の数は適宜増減可能であるし、伝熱管として小径管がない形態であっても差し支えない。
さらに、ファンユニットで燃料ガスと燃焼用空気とを混合した混合気をチャンバへ供給する予混合式となっているが、これに限らず、ファンからは燃焼用空気のみを供給させてファンの下流側で燃料ガスと燃焼用空気とをチャンバに導入させる給湯器であっても各発明は適用可能である。

１・・給湯器、２・・筐体、３・・内胴、４・・バーナ、５・・一次熱交換器、６・・二次熱交換器、７・・排気部、８・・ファンユニット、１０・・ガス供給ユニット、１２・・コントローラ、１４・・上ケーシング、２０・・中ケーシング、２１・・フィン、２２・・伝熱管、２３・・大径管、２４・・小径管、２６・・接続管、３０・・出湯管、３２・・乱流板、３３・・本体部、３５・・幅広部、３６・・回転防止片、３７（３７Ａ，３７Ｂ）・・貫通孔、３８（３８Ａ，３８Ｂ）・・羽根片、３９・・リブ、４５・・下ケーシング、４６・・給水管、４８・・排気ダクト。

Claims (4)

1. 熱交換器における長軸を上下方向とする横断面楕円形で直線状の伝熱管内に挿入されて前記伝熱管内を流れる流体を撹拌するための乱流板であって、
   前記伝熱管の内面の短軸幅に合わせた幅を有した帯状の本体部と、
   前記本体部における長手方向の一端部に形成され、前記伝熱管の内面形状に合わせて湾曲する回転防止片と、
   前記本体部における長手方向の他端部に形成され、前記短軸幅よりも大きい幅広部と、を含んでなることを特徴とする乱流板。
2. 長軸を上下方向とする横断面楕円形で直線状の伝熱管内に、請求項１に記載の乱流板を挿入してなる熱交換器。
3. バーナと、前記バーナの燃焼排気が通過する請求項２に記載の熱交換器とを含んでなる給湯器。
4. ケーシング内に、横断面楕円形で両端が開口する直線状の複数の伝熱管を、長軸が上下方向となる向きで互いに平行に配列する第１工程と、
   各前記伝熱管内に、請求項１に記載の乱流板を、前記回転防止片を設けた一端部を先にしてそれぞれ挿入する第２工程と、
   各前記伝熱管において、前記乱流板の前記幅広部を有する他端部を圧入する第３工程と、
   ロウ材を前記回転防止片及び前記幅広部に塗布して炉中で加熱する第４工程と、を実行することを特徴とする熱交換器の製造方法。

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