JP7344437B2 - Heat exchanger and electric water heater - Google Patents
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Description
本発明は、瞬間式の熱交換器、及び、当該熱交換器を備えた電気温水器に関する。 The present invention relates to an instantaneous heat exchanger and an electric water heater equipped with the heat exchanger.
従来から、瞬間式の熱交換器は、電気温水器などに幅広く利用されている。例えば、特許文献1には、瞬間式の熱交換器を用いた水栓装置が記載されている。
Conventionally, instantaneous heat exchangers have been widely used in electric water heaters and the like. For example,
瞬間式の熱交換器の構成例として、特許文献2に開示されたものが知られている。特許文献2に開示された熱交換器101は、衛生洗浄装置(例えばウォシュレット(登録商標))用の熱交換器として幅広く利用されており、図3及び図4に示すように、円筒状の外周面を有する発熱体102と、発熱体102の外周面を覆う筒状(外形は直方体だが内周面は円筒状)のケース103と、ケース103の内周面から発熱体102の外周面に向けて突出すると共に発熱体102の軸線方向に沿って螺旋状に延在する流路規制壁112と、発熱体102の外周面に螺旋状に連続的に密着すると共に流路規制壁112(図示例ではケース103と一体)に対しても螺旋状に連続的に密着するコイルバネ111と、を備えている。
As a structural example of an instantaneous heat exchanger, one disclosed in
そして、ケース103の内周面と発熱体102の外周面との間の空間内において、コイルバネ111と流路規制壁112とが協働して、螺旋状に延在する流路を形成している。当該流路を通って水が流れる間に、発熱体102の外周面との間で熱交換がなされて、水が湯(温水)になる。水は、例えば、発熱体102の一端部の入水口104から導入され、発熱体102の他端部から出てケース103の端部壁に衝突した後、螺旋状に形成された前記流路を通り、ケース103の上部の吐水口105から排出される。
In the space between the inner circumferential surface of the
衛生洗浄装置を用途とする場合には、供給すべき湯量は0.5L/minで足りる。しかしながら、一般の電気温水器を用途とする場合には、供給すべき湯量として、2L/min程度が所望される。 When used as a sanitary cleaning device, the amount of hot water to be supplied is sufficient to be 0.5 L/min. However, when using a general electric water heater, the amount of hot water to be supplied is desirably about 2 L/min.
本件発明者は、このような湯量の増大を実現するべく、特許文献2に開示された構成の各部を比例的に(各部の相似を維持して)拡大することについて検討を重ねてきた。
In order to achieve such an increase in the amount of hot water, the inventor of the present invention has repeatedly considered expanding each part of the configuration disclosed in
発熱体、ケース及び流路規制壁については、それらの寸法を比例的に拡大することに関して、特段の問題は生じなかった。しかしながら、コイルバネについては、その寸法を比例的に拡大すると、太すぎるコイルバネになってバネ定数が過大となり、当該コイルバネを発熱体に組み付けることが難しくなったり、過大となった弾性力によって発熱体が破損したり、といった問題が生じることが予想される。 Regarding the heating element, the case, and the flow path regulating wall, no particular problem occurred in proportionally increasing their dimensions. However, when the dimensions of a coil spring are expanded proportionally, the coil spring becomes too thick and the spring constant becomes excessive, making it difficult to assemble the coil spring to the heating element, or the excessive elastic force causes the heating element to It is expected that problems such as damage may occur.
一方、コイルバネの径を太くしないで、他の各部の寸法のみを拡大する場合には、コイルバネの位置ズレが生じやすくなって、本来であればコイルバネと流路規制壁とが協働して螺旋状に延在する流路を形成すべきところ、隣接するピッチ間でコイルバネによる流路規制が不十分な箇所が現れて流路が「ショート」して熱伝達効率が低下し得る、といった問題が確認された。 On the other hand, if only the dimensions of other parts are expanded without increasing the diameter of the coil spring, the position of the coil spring is likely to shift, and normally the coil spring and flow path regulating wall would not work together to form a spiral. In areas where a flow path extending in a straight shape should be formed, there are areas where the flow path regulation by coil springs is insufficient between adjacent pitches, causing the flow path to become short-circuited and reducing heat transfer efficiency. confirmed.
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものである。本発明の目的は、瞬間式の熱交換器であって、筒状の外周面を有する発熱体と、前記発熱体の前記外周面を覆うケースと、前記ケースの内周面から前記発熱体の前記外周面に向けて突出すると共に前記発熱体の軸線方向に沿って螺旋状に延在する流路規制壁と、前記発熱体の外周面に螺旋状に連続的に当接すると共に前記流路規制壁に対しても当接可能な流路規制弾性体(例えばコイルバネ)と、を備えた熱交換器であって、流路規制弾性体の位置ズレの発生を抑制して熱伝達効率の低下を抑制することができる熱交換器を提供することである。 The present invention has been made based on the above findings. An object of the present invention is to provide an instantaneous heat exchanger, which includes a heating element having a cylindrical outer circumferential surface, a case that covers the outer circumferential surface of the heating element, and a heat exchanger that connects the heating element from the inner circumferential surface of the case. a flow path regulating wall that protrudes toward the outer peripheral surface and extends spirally along the axial direction of the heating element; A heat exchanger equipped with a flow-path regulating elastic body (for example, a coil spring) that can also come into contact with a wall, suppressing the occurrence of positional deviation of the flow-path regulating elastic body and reducing heat transfer efficiency. It is an object of the present invention to provide a heat exchanger that can suppress
本発明は、瞬間式の熱交換器であって、筒状の外周面を有する発熱体と、前記発熱体の前記外周面を覆うケースと、前記ケースの内周面から前記発熱体の前記外周面に向けて突出すると共に、前記発熱体の軸線方向に沿って螺旋状に延在する流路規制壁と、前記発熱体の外周面に螺旋状に連続的に当接すると共に、前記流路規制壁に対しても当接可能な流路規制弾性体と、を備え、前記流路規制壁は、前記発熱体と対向する面において、前記発熱体の軸線方向に見て一側の一側突出部と他側の他側突出部と前記一側突出部及び前記他側突出部の間の凹部とを有しており、前記一側突出部は、前記流路規制弾性体と重複する位置にまで突出しており、前記他側突出部も、前記流路規制弾性体と重複する位置にまで突出していることを特徴とする熱交換器である。 The present invention provides an instantaneous heat exchanger, which includes a heating element having a cylindrical outer peripheral surface, a case that covers the outer peripheral surface of the heating element, and a case that extends from the inner peripheral surface of the case to the outer periphery of the heating element. a flow path regulating wall that protrudes toward the surface and extends spirally along the axial direction of the heating element; a flow-path regulating elastic body that can also come into contact with a wall, and the flow-path regulating wall has a unilateral protrusion on one side when viewed in the axial direction of the heat generating element on a surface facing the heat generating element. and a concave portion between the one side protrusion and the other side protrusion, and the one side protrusion is located at a position overlapping with the flow path regulating elastic body. The heat exchanger is characterized in that the other side protrusion also protrudes to a position overlapping with the flow path regulating elastic body.
本発明によれば、流路規制壁が、発熱体と対向する面において、発熱体の軸線方向に見て一側の一側突出部と他側の他側突出部と一側突出部及び他側突出部の間の凹部とを有しており、一側突出部は流路規制弾性体と重複する位置にまで突出しており、他側突出部も流路規制弾性体と重複する位置にまで突出しているため、発熱体の軸線方向についての流路規制弾性体の位置ズレの発生を、一側突出部と他側突出部との両方によって効果的に抑制することができる。 According to the present invention, the flow path regulating wall includes, on the surface facing the heating element, the one-side protrusion on one side, the other-side protrusion on the other side, the one-side protrusion, and the other side when viewed in the axial direction of the heating element. The protrusion on one side protrudes to a position where it overlaps with the flow-path regulating elastic body, and the protrusion on the other side also extends to a position where it overlaps with the flow-path regulating elastic body. Because of the protrusion, both the one side protrusion and the other side protrusion can effectively suppress the occurrence of positional deviation of the flow path regulating elastic body in the axial direction of the heating element.
前記流路規制弾性体は、コイルバネからなることが好ましい。これによれば、所望の特性を有する流路規制弾性体を、幅広い選択肢の中から容易に選択することができる。 Preferably, the flow path regulating elastic body is made of a coil spring. According to this, a flow path regulating elastic body having desired characteristics can be easily selected from a wide range of options.
前記一側突出部と前記流路規制弾性体との間、及び/または、前記他側突出部と前記流路規制弾性体との間には、隙間が設けられていることが好ましい。これによれば、当該隙間によって、流路規制弾性体(例えばコイルバネ)の寸法誤差や熱による変形を容易に吸収することができる。 It is preferable that a gap is provided between the one side protrusion and the flow path regulating elastic body and/or between the other side protrusion and the flow path regulating elastic body. According to this, the gap can easily absorb dimensional errors and thermal deformation of the flow path regulating elastic body (for example, a coil spring).
また、凹部の深さを十分に取ることによって、発熱体の寸法誤差や熱による変形(特に膨張)、組立時の流路弾性体の変形を容易に吸収することができる。 Furthermore, by making the recess sufficiently deep, it is possible to easily absorb dimensional errors in the heating element, deformation (especially expansion) due to heat, and deformation of the channel elastic body during assembly.
また、前記流路規制壁のピッチは、当該流路規制壁自身の幅よりも大きいことが好ましい。これによれば、より高い熱伝達効率を実現することができる。 Moreover, it is preferable that the pitch of the flow path regulating wall is larger than the width of the flow channel regulating wall itself. According to this, higher heat transfer efficiency can be achieved.
また、本発明は、前記した特徴のいずれかを有する熱交換器を備えた電気温水器である。本発明の電気温水器によれば、十分な熱伝達効率で十分な湯量を提供することができる。 Further, the present invention is an electric water heater equipped with a heat exchanger having any of the above characteristics. According to the electric water heater of the present invention, a sufficient amount of hot water can be provided with sufficient heat transfer efficiency.
本発明によれば、流路規制壁が、発熱体の軸線方向に見て、流路規制弾性体の一側の近傍において当該流路規制弾性体と重複する位置にまで突出しており、且つ、当該流路規制弾性体の他側の近傍においても当該流路規制弾性体と重複する位置にまで突出しているため、発熱体の軸線方向についての当該流路規制弾性体の位置ズレの発生を、一側の近傍の突出部と他側の近傍の突出部との両方によって効果的に抑制することができる。 According to the present invention, the flow-path regulating wall protrudes to a position that overlaps with the flow-path regulating elastic body in the vicinity of one side of the flow-path regulating elastic body when viewed in the axial direction of the heating element, and Near the other side of the flow-path regulating elastic body, it protrudes to a position that overlaps with the flow-path regulating elastic body, so it is possible to prevent the occurrence of positional deviation of the flow-path regulating elastic body in the axial direction of the heating element. It can be effectively suppressed by both the protrusion near one side and the protrusion near the other side.
次に、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による熱交換器について説明する。 Next, a heat exchanger according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態による熱交換器1の概略断面図であり、図2は、図1のII部の拡大図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a
図1及び図2に示すように、熱交換器1は、いわゆる瞬間式の熱交換器であって、円筒状(筒状の一例)の外周面を有する発熱体2と、発熱体2の外周面を覆う筒状(有底の円筒)のケース3と、ケース3の内周面から発熱体2の外周面に向けて突出すると共に発熱体2の軸線方向に沿って螺旋状に延在する流路規制壁12と、発熱体2の外周面に螺旋状に連続的に密着すると共に流路規制壁12に対しても当接可能なコイルバネ11と、を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
特に図2に示すように、流路規制壁12は、発熱体2の軸線方向に見て、コイルバネ11の左側(一側)の近傍において当該コイルバネ11と重複する位置にまで(コイルバネ11の上端よりも下方まで)突出しており、且つ、当該コイルバネ11の右側(他側)の近傍においても当該コイルバネ11と重複する位置にまで(コイルバネ11の上端よりも下方まで)突出している。
In particular, as shown in FIG. 2, the flow
すなわち、流路規制壁12は、発熱体2の軸線方向に見てコイルバネ11の左側(一側)の近傍においてコイルバネ11と重複する位置にまで突出する一側突出部12aと、発熱体2の軸線方向に見てコイルバネ11の右側(他側)の近傍においてコイルバネ11と重複する位置にまで突出する他側突出部12cと、を有している。
That is, the flow
流路規制壁12は、本実施形態ではケース3と一体に形成されているが、別体に形成された後で、互いに水密に結合されてもよい。
Although the flow
また、本実施形態では、図2に示すように、発熱体2の軸線方向に見て、一側突出部12aとコイルバネ11との間に隙間が設けられており、同様に、発熱体2の軸線方向に見て、他側突出部12cとコイルバネ11との間に隙間が設けられている。
Furthermore, in the present embodiment, as shown in FIG. A gap is provided between the
また、本実施形態では、図2に示すように、一側突出部12aと他側突出部12cとの間に、コイルバネ11に対してケース3の内周面側に後退した凹部12bが設けられている。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2, a
そして、ケース3の内周面と発熱体2の外周面との間の空間内において、コイルバネ11と流路規制壁12とが協働して、螺旋状に延在する流路を形成している。
In the space between the inner peripheral surface of the
ここで、前述した通り、一側突出部12aとコイルバネ11との間、及び、他側突出部12cとコイルバネ11との間には、隙間が残存している。しかしながら、当該隙間の程度は、螺旋状の流路に実質的な「ショート」を生じさせない程度の大きさに留められていて、熱伝達効率の有意な低下は生じないようになっている。
Here, as described above, gaps remain between the one
発熱体2は、例えばセラミックパイプヒータであり、内周面及び外周面から発熱して、当該発熱体2の内周側および外周側を通過する水を加熱するようになっている。発熱体2においては、例えばセラミックによって形成される外装部分の内部に、タングステン等からなる帯状のヒータパターンが印刷等によって軸線方向に沿って形成される。パイプ状に構成される発熱体2のケース3に挿入される側と反対側の端部の開口部が、熱交換器1の入水口4となっている。
The
ケース3は、有底の円筒形状で、樹脂や金属により構成されている。
The
以上の構成により、螺旋状に形成された流路を通って水が流れる間に、発熱体2の主に外周面との間で熱交換がなされて、水が湯(温水)になるようになっている。水は、例えば、図1に示すように、発熱体2の一端部の入水口4から導入され、発熱体2の他端部から出てケース103の端部壁に衝突した後、螺旋状に形成された前記流路を通り、ケース3の上部の吐水口5から排出されるようになっている。
With the above configuration, while water flows through the spirally formed channel, heat is exchanged mainly with the outer peripheral surface of the
各部の寸法比について例示すれば、図2に示すように、コイルバネ11の線径をDとし、発熱体2の軸線方向に見て一側突出部12aの左側端(一側端)から他側突出部12cの右側端(他側端)までの距離をW1とし、発熱体2の軸線方向に見て一側突出部12aの右側端(他側端)から他側突出部12cの左側端(一側端)までの距離をW2とし、発熱体2の外周面からケース3の内周面までの高さをH1とし、発熱体2の外周面から凹部12bの最深部までの高さをH2とし、流路規制壁12のピッチをPとし、発熱体2とケース3の内周面と流路規制壁12とによって形成される流路(螺旋状、ピッチP)の流路断面積をSとした時、S=(P-W2)×H1である。流路断面積Sが小さい程、流速は大きくなり、熱伝達率も高くなるが、圧力損失も増加する。このため、流量に応じて最適な設計寸法が採用されることが好ましい。
To give an example of the dimensional ratio of each part, as shown in FIG. The distance from the right end (other end) of the
本件発明者の知見によれば、流量2L/minの場合は、例えば流路断面積S=17mm2程度が良い。また、流路断面積Sの断面形状は、正方形または横長の長方形が好ましく、例えばH1:(P-W2)=2:7である。コイル径Dと流路規制壁12とのクリアランスの一例は、W2=D×1.2程度、H2=D×2程度、である。2.0×D≦W2≦3.0×D、1.1×D≦W1≦1.3×D、1.5×D≦H2≦2.5×D、4.0×D≦P≦10.0×D、の各々が好適な範囲として例示され得る。
According to the knowledge of the inventor of the present invention, in the case of a flow rate of 2 L/min, it is preferable that the flow path cross-sectional area S=17 mm 2 , for example. Further, the cross-sectional shape of the flow path cross-sectional area S is preferably a square or a horizontally long rectangle, for example, H1:(P-W2)=2:7. An example of the clearance between the coil diameter D and the flow
なお、距離W1が占める領域は、ケース3の内周面と発熱体2の外周面との間の空間内において、水が実質的に通流できない領域に相当する。このため、距離W1は、流路規制壁12の幅とも呼ばれる。
Note that the area occupied by the distance W1 corresponds to an area in the space between the inner circumferential surface of the
次に、本実施形態の熱交換器1の組立方法について説明する。
Next, a method for assembling the
コイルバネ11は、その内径が発熱体2の外周面の外径よりも小さいものが選択される。そして、流路規制壁12の凹部12bが形成する螺旋状の溝にコイルバネ11をネジ込むようにして、ケース3の内部に当該コイルバネ11を挿入していく。挿入が完了したら、コイルバネ11を更にその延伸方向について圧縮する(螺旋方向と順方向にねじる)ことによって内径を拡大させておく(この時、凹部12bの高さH2が機能する)。この状態で、発熱体2をケース3内及びコイルバネ11内に挿入する。その後、コイルバネ11の圧縮(ねじり)を解放することにより、コイルバネ11自身の弾性力によって、コイルバネ11は発熱体2の外周面上に螺旋状に連続的に密着される。
The
ここで、本実施形態によれば、発熱体2の軸線方向に見てコイルバネ11の左側(一側)の近傍においてコイルバネ11と重複する位置にまで突出する一側突出部12aと、発熱体2の軸線方向に見てコイルバネ11の右側(他側)の近傍においてコイルバネ11と重複する位置にまで突出する他側突出部12cと、を有している。このため、前述の組立作業の際、更には当該組立作業の後の水の通流時において、発熱体2の軸線方向についてのコイルバネ11の位置ズレの発生を、一側突出部12aと他側突出部12cとの両方の存在によって効果的に抑制することができる。
Here, according to the present embodiment, the one
これにより、コイルバネ11による流路規制が不十分な箇所が現れて流路が「ショート」して、熱伝達効率が低下する、という問題の発生を効果的に抑制することができる。
As a result, it is possible to effectively suppress the occurrence of a problem in which a portion where the flow path is insufficiently regulated by the
また、本実施形態の熱交換器1によれば、一側突出部12aとコイルバネ11との間、及び、他側突出部12cとコイルバネ11との間に、隙間が残存している。これらの隙間は、コイルバネ11の寸法誤差や熱による変形を容易に吸収するという役割を担うことができる。
Moreover, according to the
また、本実施形態の熱交換器1によれば、一側突出部12aと他側突出部12cとの間に凹部12bが設けられている。この凹部12bは、発熱体2の寸法誤差や組立時のバネの変形を容易に吸収するという役割を担うことができる。
Moreover, according to the
また、本実施形態の熱交換器1によれば、流路規制壁12のピッチPが当該流路規制壁12自身の幅W1よりも大きい。これによって、より高い熱伝達効率を実現することができる。
Moreover, according to the
以上に説明した本実施形態の熱交換器1は、電気温水器の主要部品として利用可能である。そのような電気温水器によれば、十分な熱伝達効率で十分な湯量を提供することができる。
The
なお、以上に説明した本実施形態の熱交換器1では、図2に示すように、一側突出部12aと他側突出部12cとの突出程度(発熱体2の外周面からの離間距離)は等しくなっている。しかしながら、それらの突出程度は必ずしも同一でなくてよい。
In addition, in the
また、以上に説明した本実施形態の熱交換器1では、素線断面が円形であるコイルバネ11が用いられているが、素線断面が円形ではない他の流路規制弾性体が用いられてもよい。もっとも、コイルバネは、多種多様なものが安価に入手可能であるため、流路規制弾性体としてコイルバネを採用すれば、所望の特性を有する流路規制弾性体を幅広い選択肢の中から容易に選択することができる。
Further, in the
1 熱交換器
2 発熱体
3 ケース
4 入水口
5 吐水口
11 コイルバネ
12 流路規制壁
12a 一側突出部
12b 凹部
12c 他側突出部
101 熱交換器
102 発熱体
103 ケース
104 入水口
105 吐水口
111 コイルバネ
112 流路規制壁
1
Claims (5)
筒状の外周面を有する発熱体と、
前記発熱体の前記外周面を覆うケースと、
前記ケースの内周面から前記発熱体の前記外周面に向けて突出することで流路を規制する流路規制壁であって、前記発熱体の軸線方向に沿って螺旋状に延在することによって螺旋状に流路を規制する螺旋状流路規制壁と、
前記発熱体の外周面に螺旋状に連続的に当接すると共に、前記螺旋状流路規制壁に対しても当接可能な流路規制弾性体と、
を備え、
前記螺旋状流路規制壁は、前記発熱体の軸線方向に見て隣接する流路を区画する部位内において、前記発熱体の軸線方向に見て一側の一側突出部と、前記発熱体の軸線方向に見て他側の他側突出部と、前記発熱体の軸線方向に見て前記一側突出部及び前記他側突出部の間の凹部と、を有しており、
前記流路規制弾性体は、前記発熱体の軸線方向に見て前記凹部に対応する領域内に位置しており、
前記一側突出部は、前記流路規制弾性体と重複する高さ位置にまで突出しており、
前記他側突出部も、前記流路規制弾性体と重複する高さ位置にまで突出している
ことを特徴とする熱交換器。 It is an instantaneous heat exchanger,
a heating element having a cylindrical outer peripheral surface;
a case that covers the outer peripheral surface of the heating element;
A flow path regulating wall that restricts a flow path by protruding from an inner circumferential surface of the case toward the outer circumferential surface of the heat generating element, and extending in a spiral shape along the axial direction of the heat generating element. a spiral flow path regulating wall that spirally regulates the flow path;
a flow path regulating elastic body that continuously contacts the outer circumferential surface of the heating element in a spiral manner and is also capable of contacting the spiral flow channel regulating wall;
Equipped with
The helical flow path regulating wall includes a one-side protrusion on one side as viewed in the axial direction of the heating element, and a protrusion on one side as viewed in the axial direction of the heating element, in a portion that partitions adjacent flow paths when viewed in the axial direction of the heating element. and a recess between the one side protrusion and the other side protrusion when viewed in the axial direction of the heating element ,
The flow path regulating elastic body is located in a region corresponding to the recess when viewed in the axial direction of the heating element,
The one side protrusion protrudes to a height that overlaps with the flow path regulating elastic body,
The heat exchanger characterized in that the other side protrusion also protrudes to a height position overlapping with the flow path regulating elastic body.
ことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, wherein the flow path regulating elastic body is made of a coil spring.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。 A claim characterized in that a gap is provided between the one side protrusion and the flow path regulating elastic body and/or between the other side protrusion and the flow path regulating elastic body. The heat exchanger according to item 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱交換器。 The heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, wherein the pitch of the helical flow path regulating wall is larger than the width of the helical flow path regulating wall itself.
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