JP7301344B2 - 熱交換器及び給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器等に設けられる熱交換器と、その熱交換器を用いた給湯器とに関する。

給湯器等の熱交換器には、水等の流体が流れる蛇行状の伝熱管を有し、伝熱管の直線部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可能としたフィンチューブ式の構造が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－１１２３２３号公報

このようなフィンチューブ式の熱交換器において、各伝熱管におけるバーナ側（燃焼排気の上流側）の表面部分には、燃焼排気が直接接触する一方、バーナと反対側（燃焼排気の下流側）では燃焼排気が接触しにくい部分が生じる。よって、燃焼排気の上流側では温度が高くなりやすい反面、燃焼排気の下流側では温度が低くなりやすくなって各伝熱管の表面温度に温度差が生じ、伝熱管が変形したり損傷したりするおそれがある。これは、特に熱伝導性の高いステンレス製の伝熱管を用いた場合に顕著となる。

そこで、本発明は、伝熱管における表面温度の温度差の発生を抑制して耐久性を向上させることができる熱交換器及び給湯器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、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、各フィンをそれぞれ直交状に貫通する伝熱管とを含んでなり、各フィンの間を通過する気体と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、
伝熱管内に、気体の通過方向の下流側を流れる流体の流速を、通過方向の上流側を流れる流体の流速よりも遅くする流速調整部材が設けられ、
流速調整部材は、伝熱管内における通過方向の下流側となる領域と通過方向の上流側となる領域との間を仕切って伝熱管の長手方向に沿って延びる板状の本体部と、本体部から全て下流側の領域へ向けて突出形成される複数の突出部とを含んでなり、
本体部に、下流側となる領域と上流側となる領域とを互いに連通させる複数の連通部が設けられていると共に、本体部における長手方向の何れか一方の端部には、下流側の領域に向けて突出し、伝熱管の内面形状に合わせて湾曲する回転防止片が設けられ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２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に記載の熱交換器とを含んでなることを特徴とする。

本発明によれば、流速調整部材の採用により、気体が直接接触する上流側では、表面の熱が流速の早い流体へ積極的に伝熱され、気体が直接接触しにくい下流側では、表面の熱が流速の遅い流体に伝熱されにくくなる。よって、伝熱管における表面温度の温度差の発生が抑制されて伝熱管に変形や破損が生じにくくなり、耐久性を向上させることができる。
特に、流速調整部材を本体部と突出部とから形成したことで、本体部に突出部を設ける簡単な構成で、下流側の領域に通水抵抗を与えて上流側の領域との流速差を発生させることができる。
また、本体部に複数の連通部を設けたことで、下流側の領域と上流側の領域との間での流体の行き来を許容できる。よって、伝熱管内の流体の撹拌作用が得られて伝熱管全体での熱効率の向上を図ることができる。

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。 流速調整部材の斜視図である。 流速調整部材の説明図で、（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。

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、流速調整部材３２が挿入されている。この流速調整部材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個の連通孔３７，３７・・が、四角形同士が隣接する向きとなる２つの連通孔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つの連通孔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つの連通孔３７は、連通孔３７Ｂとなっている。

各連通孔３７において、四角形側の端部内縁には、連通孔３７の幅よりも小さい幅を有する突出片３８が切り起こし形成されている。この突出片３８は、連通孔３７Ａ，３７Ａの各組では、本体部３３の下側へ向けて、右側が右方向、左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（以下、区別するために「３８Ａ」と表記する。）。
また、連通孔３７Ｂ，３７Ｂの各組の突出片３８（以下、区別するために「３８Ｂ」と表記する。）でも、本体部３３の下側へ向けて、右側が左方向、左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。突出片３８Ｂ，３８Ｂは、隣接する組の突出片３８Ａ，３８Ａとは平行となっている。ここでは突出片３８Ａ，３８Ａの組と突出片３８Ｂ，３８Ｂの組とは交互に配置されて、右端部に位置する１つの連通孔３７Ｂに形成される突出片３８Ｂは、隣接する組の突出片３８Ａと平行となっている。
さらに、各突出片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、突出片３８Ａ，３８Ａの組ではリブ３９，３９同士が繋がっている。

これにより流速調整部材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、本体部３３の下側領域４０では、突出片３８が鋭角又は鈍角に対向して湯水と衝突する格好となるため、湯水の流れに抵抗が生じて流速が低下することになる。逆に本体部３３の上側領域４１では、突出片３８と干渉しないため、流速の低下は生じない。

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、各大径管２３の左右両端を開放した状態で、各流速調整部材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、突出片３８を下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に挿入される。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、流速調整部材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、各流速調整部材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。よって、各流速調整部材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。

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の間を上方から下方へ向けて通過することで、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の各大径管２３内において、燃焼排気の上流側となる流速調整部材３２の本体部３３の上側領域４１では、殆ど流速を低下させることなく湯水が流れて熱交換される。一方、燃焼排気の下流側となる本体部３３の下側領域４０では、突出片３８によって湯水が撹拌されて流速が低下した状態で流れて熱交換される。これにより、大径管２３の上側領域４１では、表面の熱が積極的に湯水へ伝熱され、大径管２３の下側領域４０では、表面の熱が湯水へ伝熱されにくくなるため、大径管２３の表面温度の温度差が小さくなる。
また、こうして大径管２３の上下で流速の相違が生じても、連通孔３７を介して本体部３３の上下で湯水はある程度行き来できるため、湯水が撹拌されて大径管２３全体での熱効率の低下は抑えられる。

その後、燃焼排気は、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。

このように、上記形態の一次熱交換器５（熱交換器）及び給湯器１によれば、伝熱管２２の大径管２３内に、燃焼排気の通過方向の下流側を流れる燃焼排気の流速を、通過方向の上流側を流れる燃焼排気の流速よりも遅くする流速調整部材３２を設けたことで、燃焼排気が直接接触する上流側では、表面の熱が積極的に湯水に伝熱され、燃焼排気が直接接触しにくい下流側では、表面の熱が湯水に伝熱されにくくなる。よって、大径管２３における表面温度の温度差の発生が抑制されて大径管２３に変形や破損が生じにくくなり、耐久性を向上させることができる。

特にここでは、流速調整部材３２は、大径管２３内における通過方向の下流側となる下側領域４０と通過方向の上流側となる上側領域４１との間を仕切って大径管２３の長手方向に沿って延びる板状の本体部３３と、本体部３３から下側領域４０へ向けて突出形成される複数の突出片３８（突出部）とを含んでなることで、本体部３３に突出片３８を設ける簡単な構成で、下側領域４０に通水抵抗を与えて上側領域４１との流速差を発生させることができる。
また、本体部３３に、下側領域４０と上側領域４１とを互いに連通させる複数の連通孔３７（連通部）が設けられているので、下側領域４０と上側領域４１との間での湯水の行き来を許容できる。よって、大径管２３内の湯水の撹拌作用が得られて大径管２３全体での熱効率の向上を図ることができる。

なお、各突出片の形状や大きさ、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。連通孔の数や形状も変更可能である。
また、上記形態では燃焼排気の上流側では突出片を設けていないが、流速差が得られれば上流側に突出片を設けてもよい。この場合、上流側の突出片の数を少なくしたり、上流側の突出片の角度を下流側の突出片よりも小さく（鋭角）したりすればよい。
さらに、流速調整部材としては本体部と突出部とによる構造に限らず、伝熱管内での位置決めが可能であれば板状の本体部をなくして互いに繋がる突出部のみで形成することも可能である。
そして、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。

その他、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、燃焼排気が下から上へ流れる構造であってもよい。
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・・流速調整部材、３３・・本体部、３５・・幅広部、３６・・回転防止片、３７（３７Ａ，３７Ｂ）・・連通孔、３８（３８Ａ，３８Ｂ）・・突出片、３９・・リブ、４０・・下側領域、４１・・上側領域、４５・・下ケーシング、４６・・給水管、４８・・排気ダクト。

Claims (2)

1. 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、各前記フィンをそれぞれ直交状に貫通する伝熱管とを含んでなり、各前記フィンの間を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、
   前記伝熱管内に、気体の通過方向の下流側を流れる流体の流速を、前記通過方向の上流側を流れる流体の流速よりも遅くする流速調整部材が設けられ、
   前記流速調整部材は、前記伝熱管内における前記通過方向の下流側となる領域と前記通過方向の上流側となる領域との間を仕切って前記伝熱管の長手方向に沿って延びる板状の本体部と、前記本体部から全て前記下流側の領域へ向けて突出形成される複数の突出部とを含んでなり、
   前記本体部に、前記下流側となる領域と前記上流側となる領域とを互いに連通させる複数の連通部が設けられていると共に、前記本体部における長手方向の何れか一方の端部には、前記下流側の領域に向けて突出し、前記伝熱管の内面形状に合わせて湾曲する回転防止片が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. バーナと、前記バーナの燃焼排気が通過する請求項１に記載の熱交換器とを含んでなる給湯器。

Images