JP7336271B2

JP7336271B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP7336271B2
Application number: JP2019111825A
Authority: JP
Inventors: 知広柏田
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: JP2020204428A

Description

本発明は、フィンチューブ式熱交換器を備えた燃焼装置に関するものである。

従来、給湯装置等の燃焼装置として、複数の伝熱管と、複数の伝熱管が貫通された複数のフィンとを有するフィンチューブ式熱交換器を備え、フィンに切起こしを複数設けることで熱交換器の熱効率を向上させるものが知られている（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１３－９６６０９号公報、特開２０１８－６６５１９号公報

ところで、熱交換器の耐久性を向上させるために熱交換器の周壁の過熱を抑制すべく、燃焼室の周壁とバーナとの間隙から短絡する低温の空気を熱交換器の周壁に沿って流通させる構成とするのが望ましい。この場合、熱交換器の周壁に沿って流通する低温の空気がフィンの切起こしと接触してフィンの温度を下げるおそれがある。そのため、フィンに切起こしを設けても熱交換器の熱効率の向上があまり期待できなくなる。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、熱交換器の熱交効率の向上を適切に図ることが可能な燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃焼装置は、
燃焼排ガスを生成するバーナが収容された燃焼室と、燃焼室に接続された熱交換器とを備え、熱交換器は、燃焼排ガスが流通し、かつ燃焼室の周壁とバーナとの間隙を流通する空気が熱交換器の周壁に沿って流通する構成の燃焼装置において、
前記熱交換器は、複数の伝熱管と、複数の伝熱管が貫通された複数のフィンとを備えたフィンチューブ式熱交換器であって、燃焼排ガスが流通する方向を上下方向とし、それと交差する方向を左右方向としたとき、伝熱管が上下方向に複数段、かつ左右方向に複数列設けられ、
前記フィンには、
燃焼排ガスにおける最下流側の伝熱管群よりも上流側の部分で前記フィンの左右方向両端部域のみに、最下流側の伝熱管群の両端側の伝熱管よりも外側に燃焼排ガスが流入するのを抑制する抑制部が設けられ、
最下流側の伝熱管群の隣り合う伝熱管の管ピッチが上流側の伝熱管群の隣り合う伝熱管の管ピッチよりも広くされ、この広くされたフィン部分に、燃焼排ガスからの熱吸収を促進する熱吸収促進部が設けられている。

前記構成によれば、抑制部により、最下流側の伝熱管群に向かう燃焼排ガスを最下流側の伝熱管群における両端側の伝熱管よりも外側には流入させず内側を通過させるようにすることができる。この内側のフィン部分は、隣り合う伝熱管の管ピッチが広くされ、熱吸収促進部が多く設けられるので、熱吸収促進部による燃焼排ガスからの熱吸収を十分に行うことができる。また、抑制部により、熱交換器の周壁に沿って流通する低温の空気を前記内側には流入させないようにすることができ、前記低温の空気によって熱吸収促進部を設けるフィンの温度が下げられることもない。従って、熱交換器の熱効率を確実に向上することができる。

また、本燃焼装置において、
前記熱吸収促進部は、フィンの面を凸状態又は凹状態に切起こした切起こし部により構成され、
前記切起こし部は、その両側に位置する各伝熱管の略中間を境に左右に分割して設けられ、
前記左右の切起こし部間のフィン部分の延長線上に上流側の伝熱管が配置されていることが好ましい。

伝熱管の下流側部分は、燃焼排ガスが当たり難く温度上昇し難い部分であるが、左右の切起こし部で吸収した熱を左右の切起こし部間のフィン部分を介して上流側の伝熱管の下流側部分に伝熱することができる。従って、上流側の伝熱管を全周にわたって温度上昇させることができ、熱交換器の熱効率を向上することができる。

また、左右の切起こし部間の切起こしを設けないフィン部分を通じて上流側の伝熱管を熱交換器の外側から目視することができる。従って、上流側の伝熱管の下流側部分におけるフィン部分にロウ材挿入孔を設ける場合でも、ロウ付け前のロウ材の有無、ロウ付け後のロウ廻り状態などを前記左右の切起こし部間のすき間を通じて熱交換器の外側から目視で確認することができ、ロウ付け不良を防止することができる。

また、本燃焼装置において、
前記フィンは、最下流側の伝熱管群の両端側の伝熱管よりも外側の部分には、前記熱吸収促進部が設けられていない構成とすることが好ましい。

この場合、熱交換器の周壁に沿って流通する低温の空気がフィンと接触しても、このフィン部分には熱吸収促進部が設けられていないから、熱吸収促進部を通じて前記低温の空気によってフィンの温度が下がることを抑制することができる。従って、熱交換器の周壁の過熱を抑制しながら、熱交換器の熱効率を向上することができる。

実施形態による燃焼装置の全体構成を示す模式図である。熱交換器及び燃焼室を示す斜視図である。熱交換器及び燃焼室を示す断面図である。熱交換器のフィンを示す斜視図である。熱交換器における燃焼排ガスの流れ及び低温の空気の流れを説明するための模式図である。

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。
図１に示すように、実施形態の燃焼装置１は、フィンチューブ式熱交換器３を備える給湯暖房熱源機であり、カランやシャワーなどの出湯先（図示せず）にお湯を供給する給湯機能と、温水ファンヒータや温水床暖房機などの暖房端末（図示せず）との間でお湯を循環させる暖房機能とを有する。燃焼装置１は、燃焼排ガスを生成するバーナ２を収容する燃焼室２０と、燃焼室２０に接続される熱交換器３とを備えている。入水管１１から熱交換器３に供給される水は、熱交換器３内を流通する間に燃焼排ガスにより加熱され、出湯管１２を通して外部の出湯先（図示せず）に供給される。暖房戻り配管１３から熱交換器３に供給される水（不凍液等の他の媒体でもよい。）は、熱交換器３内を流通する間に燃焼排ガスにより加熱され、暖房往き配管１４を通して外部の暖房端末（図示せず）に循環される。

燃焼室２０は、上方に開口する略矩形箱状のケース２４により外郭が形成され、ケース２４内にはバーナ２が配設されている。ケース２４の上部開口２０２に熱交換器３が接続され、ケース２４の下部に給気ファン４が接続されている。図２、図３に示すように、バーナ２は、略平板状のバーナボディ２１がケース２４内に複数並設され、各バーナボディ２１の上端面に設ける炎孔２２から上方に向かってガスと空気の混合気を噴出して燃焼させることで燃焼排ガスを生成する。実施形態では、バーナ２は、給湯に用いられる給湯バーナ部２Ａと暖房に用いられる暖房バーナ部２Ｂとを備える。ケース２４の内部空間は、中壁２３により仕切られ、給湯バーナ部２Ａを収容する給湯側燃焼部２０Ａと暖房バーナ部２Ｂを収容する暖房側燃焼部２０Ｂとの左右に分割されている。給気ファン４は、燃焼装置１の外部空気をバーナ２の燃焼用の二次空気として給湯側燃焼部２０Ａ及び暖房側燃焼部２０Ｂのそれぞれに下方から同時供給させる。

熱交換器３は、燃焼室２０から燃焼排ガスが導入される胴体３０内に、複数の伝熱管３２と、複数の伝熱管３２が貫通された複数の略矩形平板状のフィン３１とを配設するフィンチューブ式熱交換器である。胴体３０は、前側壁３０３、後側壁３０４、左側壁３０５、右側壁３０６を有し、上下に開口３０１，３０２を有する略矩形筒状に形成されている。熱交換器３は、燃焼室２０の中壁２３が胴体３０内まで延設され、この中壁２３を挟んで給湯側の熱交換器３Ａと暖房側の熱交換器３Ｂとの左右に分割されている。胴体３０の下部開口３０１が燃焼室２０の上部開口２０２に接続され、胴体３０の上部開口３０２が燃焼排ガスを燃焼装置１の外部に導く排気フード５に接続されている。なお、本明細書では、胴体３０内の燃焼排ガスが流通する方向を上下方向、上下方向と交差し左側壁３０５と右側壁３０６とが対向する方向を左右方向、上下方向と交差し前側壁３０３と後側壁３０４とが対向する方向を前後方向とする（図２を参照）。

給気ファン４によって燃焼室２０内に供給される低温の空気の一部は、給湯側燃焼部２０Ａ及び暖房側燃焼部２０Ｂの左右の外側に設けられた間隙Ｓ１を通って燃焼室２０内の上域に導かれ、さらに熱交換器３の胴体３０内を、中壁２３の左右の側面や胴体３０の左側壁３０５の内側面、右側壁３０６の内側面に沿って流通する。このように、燃焼室２０の周壁とバーナ２との間隙Ｓ１を流通する低温の空気を熱交換器３の周壁に沿って流通させることにより、熱交換器３の周壁の過熱が防止され、熱交換器３の耐久性を向上することができる。ここで、熱交換器３の周壁とは、胴体３０を形成する前側壁３０３、後側壁３０４、左側壁３０５、右側壁３０６だけでなく、中壁２３も含む。

給湯側の熱交換器３Ａでは、フィン３１Ａに貫通させた伝熱管３２Ａが１段かつ左右方向に６列設けられている。暖房側の熱交換器３Ｂでは、フィン３１Ｂに貫通させた伝熱管３２Ｂが上下方向に２段設けられ、かつ上段の伝熱管３２Ｂ群が左右方向に２列、下段の伝熱管３２Ｂ群が左右方向に３列設けられている。給湯側熱交換器３Ａの隣り合う２つの伝熱管３２Ａ、暖房側熱交換器３Ｂの隣り合う２つの伝熱管３２Ｂは、胴体３０の前側壁３０３及び後側壁３０４の外側面にてＵベント管３３（図２参照）を介して接続され、胴体３０内に独立した２つの湯水流路を構成している。

図３、図４、図５に示すように、暖房側熱交換器３Ｂの複数のフィン３１Ｂは、伝熱管３２Ｂを貫通する伝熱管挿通孔６１が複数設けられ、伝熱管挿通孔６１の上端に棒状のロウ材（図示せず）を挿通配置させるロウ材挿入孔６２が複数設けられている。伝熱管挿通孔６１の周縁部には、全周にわたって後方に突出する支持フランジ６１０が形成されている。伝熱管３２Ｂは、伝熱管挿通孔６１に挿通し支持フランジ６１０の内周面に支持された状態でロウ材挿入孔６２に配置したロウ材を溶融させてフィン３１Ｂにロウ付けされている。

フィン３１Ｂには、５つの伝熱管３２Ｂ群に囲まれたフィン中央域Ｒ１に、燃焼排ガスからの熱吸収を促進する熱吸収促進部として、フィン３１Ｂを切起こして形成した左右方向に細長い切起こし部６３が複数設けられている。すなわち、切起こし部６３は、フィン３１Ｂにおいて、上段の２つの伝熱管３２Ｂ相互間の上域から下段の３つの伝熱管３２Ｂ相互間の上半分域にわたる範囲に複数設けられている。

切起こし部６３は、フィン３１Ｂの面を凸状態又は凹状態にトンネル状に切起こして形成されている。実施形態では、上下に隣接する切起こし部６３が交互に凸状態と凹状態となるように形成されている。これにより、燃焼排ガスがフィン３１Ｂの中央域Ｒ１を流通する際に切起こし部６３と接触することで、フィン３１Ｂは、切起こし部６３によって燃焼排ガスからの熱吸収が促進され、熱交換器３Ｂの熱効率を向上することができる。

上段の２つの伝熱管３２Ｂの管ピッチＰ１は、下段の３つの伝熱管３２Ｂの管ピッチＰ２よりも広くとられており（図５参照）、フィン中央域Ｒ１は、広いフィン部分となり切起こし部６３が多く設けられている。フィン３１Ｂには、上段の２つの伝熱管３２Ｂの下方（上流側）外側で下段の伝熱管３２Ｂとの間の略中間位置の部分に、バーリング孔６４０により形成された抑制部６４が設けられている。図５に示すように、抑制部６４により、下段の伝熱管３２Ｂを通過した燃焼排ガスａが上段の２つの伝熱管３２Ｂよりも外側に流入するのを抑制する。これにより、多くの燃焼排ガスａが、切起こし部６３を多く設ける広いフィン中央域Ｒ１を通過するようになる。従って、切起こし部６３により燃焼排ガスａからの熱吸収を十分に行うことができる。また、抑制部６４により、熱交換器３の周壁に沿って流通する低温の空気ｂをフィン中央域Ｒ１に流入させないようにすることができ、低温の空気ｂによって切起こし部６３を設けるフィン中央域Ｒ１の温度が下げられることもない。従って、熱交換器３Ｂの熱効率を確実に向上することができる。

また、抑制部６４により、熱交換器３Ｂの周壁に沿って流通する低温の空気ｂは、フィン中央域Ｒ１には流入せずに多くが熱交換器３Ｂの周壁に沿ってフィン端部域Ｒ２を流通するようになる（図５参照）。これにより、この低温の空気ｂによって熱交換器３Ｂの周壁の過熱を防止することができ、熱交換器３Ｂの耐久性を向上することができる。

フィン３１Ｂにおいて、上段の２つの伝熱管３２Ｂの外側に位置するフィン端部域Ｒ２は、熱吸収促進部となる切起こし部６３が設けられていない平坦面となっている。これにより、熱交換器３Ｂの周壁に沿って流通する低温の空気ｂがフィン端部域Ｒ２を流通しても切起こし部６３とは接触することがなく、切起こし部６３を通じて前記低温の空気ｂによってフィン３１Ｂの温度が下げられることもない。従って、熱交換器３Ｂの周壁の過熱を防止しながら、熱交換器３Ｂの熱効率を向上することができる。

また、フィン中央域Ｒ１の切起こし部６３は、その両側の２つの伝熱管３２Ｂの略中間を境に左右に分割して設けられている（図３～図５参照）。左右の切起こし部６３間のフィン部分（切起こし部６３を設けないフィン部分）の下方延長線上には、下段の中央の伝熱管３２Ｂが配置されている。伝熱管３２Ｂの下流側部分は、燃焼排ガスが当たり難く温度上昇し難い部分であるが、左右の切起こし部６３で吸収した熱を左右の切起こし部６３間のフィン部分を通じて下段中央の伝熱管３２Ｂの下流側部分に伝熱することができる。これにより、下段中央の伝熱管３２Ｂを全周にわたり温度上昇させることができ、熱交換器３Ｂの熱効率を向上することができる。本実施形態の場合、暖房側の熱交換器３Ｂでは、下段の３つの伝熱管３２Ｂに暖房戻り配管１３からの低温水が通水されるから、下段の伝熱管３２Ｂへの伝熱を良くすることで熱効率を一層向上することができる。

ところで、実施形態のフィン３１Ｂでは、伝熱管３２Ｂ群の上部側（下流側）部分におけるフィン部分にロウ材挿入孔６２を設けているので、フィン中央域Ｒ１に横長に連続した切起こし部を形成すると、熱交換器３Ｂの外側から下段中央の伝熱管３２Ｂにおけるロウ材挿入孔６２が目視できなくなる。しかるに、切起こし部６３を左右に分割することで、左右の切起こし部６３間の切起こし部６３を設けないフィン部分を通して下段中央の伝熱管３２Ｂにおけるロウ材挿入孔６２を熱交換器３Ｂの外側から目視することができる。従って、ロウ材挿入孔６２を伝熱管３２Ｂの上部側のフィン部分に設ける場合でも、ロウ付け前のロウ材の有無、ロウ付け後のロウ廻り状態などを左右の切起こし部６３間のすき間を通して熱交換器３Ｂの外側から目視で確認することができ、ロウ付け不良を防止することができる。なお、下段の両端側の２つの伝熱管３２Ｂにおけるロウ材挿入孔６２は、切起こし部６３を設けないフィン端部域Ｒ２を通して熱交換器３Ｂの外側から目視できる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で様々な変更を施すことが可能である。
例えば、給湯側の熱交換器３Ａにおいて伝熱管３２Ａを上下方向に複数段設けて本発明の構成を適用してもよいし、また、実施形態のような給湯暖房熱源機に限らず、給湯器や暖房用熱源機等のフィンチューブ式熱交換器に本発明の構成を適用してもよい。

１燃焼装置
２バーナ
２Ａ給湯バーナ部
２Ｂ暖房バーナ部
３熱交換器
３Ａ給湯側熱交換器
３Ｂ暖房側熱交換器
４給気ファン
５排気フード
１１入水管
１２出湯管
１３暖房戻り配管
１４暖房往き配管
２０燃焼室
２０Ａ給湯側燃焼部
２０Ｂ暖房側燃焼部
２３中壁
２４ケース
３０胴体
３１フィン
３１Ａフィン
３１Ｂフィン
３２伝熱管
３２Ａ伝熱管
３２Ｂ伝熱管
６１伝熱管挿通孔
６２ロウ材挿入孔
６３切起こし部（熱吸収促進部）
６４抑制部
ａ燃焼排ガス
ｂ低温の空気
Ｐ１管ピッチ
Ｐ２管ピッチ
Ｒ１フィン中央域
Ｒ２フィン端部域
Ｓ１間隙

Claims

燃焼排ガスを生成するバーナが収容された燃焼室と、燃焼室に接続された熱交換器とを備え、熱交換器は、燃焼排ガスが流通し、かつ燃焼室の周壁とバーナとの間隙を流通する空気が熱交換器の周壁に沿って流通する構成の燃焼装置において、
前記熱交換器は、複数の伝熱管と、複数の伝熱管が貫通された複数のフィンとを備えたフィンチューブ式熱交換器であって、燃焼排ガスが流通する方向を上下方向とし、それと交差する方向を左右方向としたとき、伝熱管が上下方向に複数段、かつ左右方向に複数列設けられ、
前記フィンには、
燃焼排ガスにおける最下流側の伝熱管群よりも上流側の部分で前記フィンの左右方向両端部域のみに、最下流側の伝熱管群の両端側の伝熱管よりも外側に燃焼排ガスが流入するのを抑制する抑制部が設けられ、
最下流側の伝熱管群の隣り合う伝熱管の管ピッチが上流側の伝熱管群の隣り合う伝熱管の管ピッチよりも広くされ、この広くされたフィン部分に、燃焼排ガスからの熱吸収を促進する熱吸収促進部が設けられている燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置において、
前記熱吸収促進部は、フィンの面を凸状態又は凹状態に切起こした切起こし部により構成され、
前記切起こし部は、その両側に位置する各伝熱管の略中間を境に左右に分割して設けられ、
前記左右の切起こし部間のフィン部分の延長線上に上流側の伝熱管が配置されている燃焼装置。
請求項１又は２に記載の燃焼装置において、
前記フィンは、最下流側の伝熱管群の両端側の伝熱管よりも外側の部分には、前記熱吸収促進部が設けられていない構成とする燃焼装置。