JP7260147B2 - 熱交換器及び給湯器 - Google Patents
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Description
近年、この熱交換器では、特許文献1に開示されるように、耐食性に優れたステンレス製とされるものが知られている。
フィンに、気体とケーシングとの接触を低減してケーシングの温度上昇を抑制する抑制手段が設けられていると共に、
抑制手段は、フィンにおけるケーシングとの隣接部分で気体の通過方向の上流端に設けられ、ケーシング側へ突出する張り出し部と、張り出し部から厚み方向に突出して通過方向との交差方向に形成される突出部とを含んでなることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、抑制手段は、ケーシングとの隣接部分で張り出し部よりも通過方向の下流側に設けられる切欠部を含んでなることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項2の構成において、フィンにおける切欠部よりも通過方向の上流側は、ケーシングと非接触となっていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかに記載の構成において、突出部は、ケーシングから離れるに従って通過方向の下流側へ向くように傾斜していることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4の何れかの構成において、フィンにおける切欠部よりも通過方向の下流側は、伝熱管と直交する前後又は左右方向の両端でそれぞれケーシングと接触していることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項5の構成において、ケーシングと上下方向に隣接するバーナが設けられており、フィンの前後又は左右方向の両端におけるケーシングとの接触部間の距離は、フィンの上流側でのケーシング内の燃焼排気の通過領域よりも小さくなっていることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6の何れかの構成において、フィンにおけるケーシングとの隣接部分に位置する最外の伝熱管の中心とケーシングとの間の距離は、互いに隣接する伝熱管の中心間距離の1/2よりも小さくなっていることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項8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1乃至7の何れかに記載の熱交換器とを含んでなることを特徴とする。
特に、抑制手段を張り出し部と突出部とを含んでなるものとしているので、突出部によってケーシングの内面へ向かう気体の流れを阻害でき、ケーシングへの気体の接触を効果的に抑制できる。よって、ケーシングの温度上昇が簡単に抑制可能となる。
また、請求項2に記載の発明によれば、上記効果に加えて、抑制手段は、ケーシングとの隣接部分で張り出し部よりも通過方向の下流側に設けられる切欠部を含んでなることで、フィンにおいて高温になりやすい張り出し部からその下方の端縁部への伝熱を抑制できる。よって、ケーシングの温度上昇がより効果的に抑制可能となる。
また、請求項3に記載の発明によれば、上記効果に加えて、フィンにおける切欠部よりも通過方向の上流側の張り出し部は、ケーシングと非接触となっているので、ケーシングの温度上昇がより効果的に抑制可能となる。
また、請求項4に記載の発明によれば、上記効果に加えて、突出部は、ケーシングから離れるに従って通過方向の下流側へ向くように傾斜しているので、突出部によってケーシングの内面で発生したドレンを当該内面から離れた方向に案内できる。よって、ドレンがフィンとケーシングの内面との間に浸入することが防止可能となる。
また、請求項5に記載の発明によれば、上記効果に加えて、フィンにおける切欠部よりも通過方向の下流側の端縁部は、伝熱管と直交する方向の両端でそれぞれケーシングと接触しているので、ケーシングの熱をフィンを介して伝熱管に伝達でき、ケーシングの温度上昇の抑制に繋がる。
また、請求項6に記載の発明によれば、上記効果に加えて、フィンの両端におけるケーシングとの接触部間の距離は、フィンの上流側でのケーシング内の燃焼排気の通過領域よりも小さくなっているので、最外の伝熱管と端縁部との距離が短くなり、端縁部が高温となりにくい上、端縁部の熱がケーシングに伝わることも抑制される。
また、請求項7に記載の発明によれば、上記効果に加えて、フィンにおけるケーシングとの隣接部分に位置する最外の伝熱管の中心とケーシングとの間の距離は、互いに隣接する伝熱管の中心間距離の1/2よりも小さくなっているので、最外の伝熱管と端縁部との距離がより短くなってケーシングへの伝熱がより効果的に抑制される。
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、本発明の熱交換器である一次熱交換器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。
ファンユニット8は、平面視円形のファンケース17内にファン17a(図4)を収容し、ファンケース17の上側中央に、ファン17aを回転駆動させるファンモータ18を設けている。
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の上壁部20bの前後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。
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。各大径管23には、通過する湯水を撹拌するための乱流板32が挿入されている。
さらに、フィン21の前後両端には、中ケーシング20の下壁部20aの内面に当接する上下方向の端縁部39,39が左側へ折り返し形成されている。各端縁部39の上側には、内側への切欠部40が形成されて、切欠部40の上側は、端縁部39よりも内側にあって下壁部20aに当接せず、先端が下壁部20aの内面側へ突出する三角形状の張り出し部41となっている。張り出し部41の上端には、内側へ行くに従って(下壁部20aの内面から離れるに従って)下向きとなる傾斜状の突出部42が、左側へ折り返し形成されている。
また、溝48,48の間に流れ落ちたロウ材Pは、点線矢印P2で示すように、切除部49に達した後、大径管23の外周面に沿って前後に分かれ、溝48,48から流れるロウ材と合流して貫通孔35と大径管23との隙間に行き渡ることになる。ここでは凹部47と切除部49との間の距離が短くなるため、凹部47から流れるロウ材がフィン21,21間でブリッジしにくくなる。
また、各大径管23,23の間の下方空間は、各フィン21の下端に設けられたガイド部44によって閉塞される。よって、大径管23,23の間で下向きに流れる燃焼排気は、点線矢印G2で示すように、ガイド部44によって前後の通路45,45に分岐して各大径管23の下面に沿って下方へ流れることになる。このとき各通路45の入口ではボス部46と干渉して乱流が生じる。
排気部7は、二次熱交換器6の下ケーシング55の下面に取り付けられるドレン受け61と、ドレン受け61の後部に立設される排気ダクト62とを備える。ドレン受け61の底部は、ドレン排出管63を介して中和器64と接続される。
排気ダクト62は、合成樹脂製の横長角筒状で、排気ダクト62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66を備えた上カバー65が接合される。
このとき、中ケーシング20の内面際を流れる燃焼排気は、前述のように各フィン21間を閉塞する突出部42によって流れが阻害され、図13のように中ケーシング20の内面から離れる方向へ傾斜状に導かれて内側に移動する。よって、中ケーシング20に燃焼排気が接触しにくくなり、中ケーシング20の温度上昇が抑制される。また、中ケーシング20の内面でドレンが発生しても、突出部42が内側に案内するため、ドレンがフィン21と中ケーシング20の内面との間に侵入することが防止される。
さらに、突出部42に燃焼排気が接触しても、突出部42を有する張り出し部41は中ケーシング20の内面と非接触となっている上、中ケーシング20と接触する端縁部39との間には切欠部40が形成されているので、張り出し部41が高温になっても中ケーシング20への伝熱は抑制される。
また、中ケーシング20内でのバーナ4の燃焼領域に合わせてフィン21の前後幅を大きくすると、熱伝導率の悪いステンレスでは大径管23から遠い部分が高温となりやすく、中ケーシング20の温度も上昇しやすくなるが、ここではフィン21の端縁部39,39が当接する下壁部20aの前後の内面の距離を、上壁部20bの前後の内面の距離よりも小さくしているので、最外の大径管23から突出するフィン21の前後両端が短くなり、ここでも中ケーシング20の熱をフィン21を介して大径管23に伝熱させて中ケーシング20の温度上昇を抑制することができる。
また、通路45は下方へ行くに従って幅が狭くなっているので、通路45内での燃焼排気の流速を上げることができ、大径管23に沿って燃焼排気が流れやすくなる。
さらに、ガイド部44は前後端が大径管23,23に上下方向で重なるまで延びているので、燃焼排気と大径管23との接触距離を長く確保することができる。
そして、下ケーシング55を通過した燃焼排気は、排気部7のドレン受け61内に進入し、ドレン受け61の後部に移動して排気ダクト62内を上昇して排気筒部66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61内に落下し、ドレン排出管63及び中和器64を介して器具の外部へ排出される。
上記形態の一次熱交換器5及び給湯器1によれば、ロウ付け姿勢で上側となる各フィン21の上部で伝熱管22の各大径管23の上側に、溶融前のロウ材を載置可能な凹部47がそれぞれ切欠形成されていると共に、各フィン21の表面には、凹部47の下端からその下方に位置する貫通孔35との間に亘って上下方向の溝48がそれぞれ形成されていることで、凹部47で溶融したロウ材を溝48による毛細管現象によって貫通孔35の内面と大径管23の外周面との隙間へ導くことができる。よって、フィン21と大径管23とが確実にロウ付け固定可能となる。
また、各貫通孔35の最頂部には、バーリング部36のない切除部49が形成されており、溝48は、切除部49を挟んで一対形成されているので、凹部47上のロウ材の一部を直接切除部49へ流れ込ませて貫通孔35の内面と大径管23の外周面との隙間へ導くことができると共に、溝48からバーリング部36の根元に流れたロウ材の一部も切除部49に導くことができる。よって、貫通孔35の内面と大径管23の外周面との間の隙間に余裕がない場合でもフィン21と大径管23とを確実に固定することができる。さらに、凹部47と切除部49との間の距離が短くなるため、凹部47から垂れ落ちたロウ材がフィン21,21の間でブリッジしにくくなる。
上記形態の一次熱交換器5の製造方法によれば、ロウ付け姿勢で上側となる各フィン21の上部で伝熱管22の各大径管23の上側に、溶融前のロウ材を載置可能な凹部47をそれぞれ切欠形成すると共に、各フィン21の表面に、凹部47の下端からその下方に位置する貫通孔35との間に亘って上下方向の溝48をそれぞれ形成し、各フィン21の凹部47にロウ材を載置した状態で加熱することで、溶融したロウ材を溝48を伝って貫通孔35と大径管23の外周面との間に行き渡らせるようにしたので、凹部47で溶融したロウ材を溝48による毛細管現象によって貫通孔35の内面と大径管23の外周面との隙間へ導くことができる。よって、フィン21と大径管23とが確実にロウ付け固定可能となる。
さらに、溝の下端はバーリング部の根元を越えてバーリング部の内面にまで延ばすこともできる。
但し、バーリングがない貫通孔でも本発明は適用可能で、この場合は溝をフィンの表裏両面に設けることもできる。
上記形態の一次熱交換器5及び給湯器1によれば、各フィン21における燃焼排気(気体)の通過方向の下流側の端縁で、並設方向で互いに隣接する伝熱管22の大径管23,23・・の間に、互いに隣接する大径管23の間へ行くに従って通過方向の上流側へ切れ込む下切れ込み部43(切れ込み部)がそれぞれ形成されると共に、各下切れ込み部43に、隣接するフィン21側へ突設され、互いに隣接する大径管23,23の間の領域と上下方向でオーバーラップして、燃焼排気を互いに隣接する各大径管23側へ振り分けるガイド部44が形成されているので、大径管23,23間を通過する燃焼排気をガイド部44によって各大径管23へ確実に接触させることができる。よって、フィン21の反りを防止しつつ、熱効率の向上も図ることができる。また、大径管23,23間の距離を大きくする必要がないので、局所的なヒートスポットも生じない。
また、ガイド部44と互いに隣接する各大径管23との間に形成される通路45の幅は、通過方向の下流側へ行くに従って徐々に狭くなっているので、通路45に流れ込んだ燃焼排気の流速を上げることができ、大径管23に沿って燃焼排気を効果的に流すことができる。よって、熱効率の向上に寄与できる。
さらに、ガイド部44の端部は、互いに隣接する各大径管23と上下方向でオーバーラップするまで延設されているので、通路45を長くして燃焼排気を大径管23に沿ってより多く導くことができ、熱効率の向上に寄与できる。
また、ガイド部により形成される通路は、上記形態では下流側へ向けて徐々に狭くなるようにしているが、通路の全長に亘って同一幅となるように形成してもよい。
上記形態の一次熱交換器5及び給湯器1によれば、フィン21に、燃焼排気と中ケーシング20(ケーシング)との接触を低減して中ケーシング20の温度上昇を抑制する抑制手段(張り出し部41及び突出部42、切欠部40)が設けられていることで、中ケーシング20への燃焼排気の接触が抑制される。よって、中ケーシング20の温度上昇が効果的に抑制可能となる。
また、抑制手段は、中ケーシング20との隣接部分で張り出し部41よりも通過方向の下流側に設けられる切欠部40を含んでなることで、フィン21において高温になりやすい張り出し部41からその下方の端縁部39への伝熱を抑制できる。よって、中ケーシング20の温度上昇がより効果的に抑制可能となる。
さらに、フィン21における切欠部40よりも通過方向の上流側の張り出し部41は、中ケーシング20と非接触となっているので、中ケーシング20の温度上昇がより効果的に抑制可能となる。
また、フィン21における切欠部40よりも通過方向の下流側の端縁部39は、大径管23と直交する前後方向の両端でそれぞれ中ケーシング20と接触しているので、中ケーシング20の熱をフィン21を介して大径管23に伝達でき、中ケーシング20の温度上昇の抑制に繋がる。
特に、フィン21における中ケーシング20との隣接部分に位置する最外の大径管23の中心と中ケーシング20の下壁部20aとの間の距離D1は、互いに隣接する大径管23,23の中心間距離D2の1/2よりも小さくなっているので、最外の大径管23と端縁部39との距離D1がより短くなって下壁部20aへの伝熱がより効果的に抑制される。
さらに、切欠部も、形状や大きさ、切込み深さを変更したり、数を増やしたりしてもよい。切欠部の省略も可能である。
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。横断面形状も上記形態のような楕円形とすれば、短軸方向の寸法がコンパクトとなるが、楕円形以外も採用できる。フィン及び伝熱管の向きも上記形態と逆であってもよいし、フィン及び伝熱管は1段でなく複数段設けてもよい。図16はフィンを2段とした例を示すもので、ここではロウ付けの際、下段のフィン21の凹部47に上段のフィン21の切欠38が合致して載置されることで、ロウ材が貫通保持される透孔50が形成されるようになっている。
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。
Claims (8)
- ケーシング内に、厚み方向へ所定間隔をおいて並設される複数のフィンと、各前記フィンに設けた複数の貫通孔をそれぞれ貫通する伝熱管とを収容してなり、各前記フィンの間を上下方向に通過する気体と前記伝熱管内を流れる流体との間で熱交換可能とした熱交換器であって、
前記フィンに、前記気体と前記ケーシングとの接触を低減して前記ケーシングの温度上昇を抑制する抑制手段が設けられていると共に、
前記抑制手段は、前記フィンにおける前記ケーシングとの隣接部分で前記気体の通過方向の上流端に設けられ、前記ケーシング側へ突出する張り出し部と、前記張り出し部から前記厚み方向に突出して前記通過方向との交差方向に形成される突出部とを含んでなることを特徴とする熱交換器。 - 前記抑制手段は、前記ケーシングとの隣接部分で前記張り出し部よりも前記通過方向の下流側に設けられる切欠部を含んでなることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記フィンにおける前記切欠部よりも前記通過方向の上流側は、前記ケーシングと非接触となっていることを特徴とする請求項2に記載の熱交換器。
- 前記突出部は、前記ケーシングから離れるに従って前記通過方向の下流側へ向くように傾斜していることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の熱交換器。
- 前記フィンにおける前記切欠部よりも前記通過方向の下流側は、前記伝熱管と直交する前後又は左右方向の両端でそれぞれ前記ケーシングと接触していることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の熱交換器。
- 前記ケーシングと上下方向に隣接するバーナが設けられており、前記フィンの前記前後又は左右方向の両端における前記ケーシングとの接触部間の距離は、前記フィンの上流側での前記ケーシング内の燃焼排気の通過領域よりも小さくなっていることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
- 前記フィンにおける前記ケーシングとの隣接部分に位置する最外の前記伝熱管の中心と前記ケーシングとの間の距離は、互いに隣接する前記伝熱管の中心間距離の1/2よりも小さくなっていることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の熱交換器。
- バーナと、前記バーナの燃焼排気が通過する請求項1乃至7の何れかに記載の熱交換器とを含んでなる給湯器。
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