JP2010139110A - 潜熱回収型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱効率のさらなる向上を図った潜熱回収型熱交換器を提供すること。
【解決手段】ガスの燃焼排気をケーシング５０の排気入口５０１から排気出口５０２へ導く横通路５００が形成され、横通路内５００には、燃焼排気の流れと交差する方向へ延びる複数の吸熱管５１が横設された潜熱回収型熱交換器５であって、
横通路５００の排気入口５０１側で上下に並ぶ吸熱管５１相互の複数の間隙のうち、最上位の間隙Ａ１に比べて最下位の間隙Ｃ１を広く設定したこと。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼排気中に含まれる水蒸気を吸熱管の表面で凝縮させ、その燃焼排気から潜熱を回収する潜熱回収型熱交換器、特に、給湯器や風呂釜等に組み込まれる潜熱回収型熱交換器に関するものである。

給湯器や風呂釜等に組み込まれる従来の潜熱回収型熱交換器（以下、「潜熱熱交換器」という）には、ケーシング内に形成された横通路の側壁相互間に複数の吸熱管を一定間隔で横設した構成のものが広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、上記従来の潜熱熱交換器９を備えた給湯器８の縦断面概略図であり、潜熱熱交換器９の吸熱管９１へ送り込まれた水は、顕熱回収用の熱交換器（以下、「顕熱熱交換器」という）４の吸熱管４１を通ってカランや浴槽等の温水供給先Ｐへ導かれる一方、バーナ３で生成されたガスの燃焼排気は、顕熱熱交換器４の吸熱管４１相互の間隙を通って潜熱熱交換器９側へ導かれるように構成されている。

潜熱熱交換器９は、ケーシング９０内にその前後方向へ延びる横通路９００を形成し、この横通路９００内に複数の吸熱管９１を収容したものであり、上述の顕熱熱交換器４を収容する筒状の缶体４０の上端開放部４０２側に設けられている。

ケーシング９０の底面後部には、上記横通路９００と缶体４０の内部空間とを繋ぐ排気入口９０１が開設されており、顕熱熱交換器４の吸熱管４１相互の間隙を通って缶体４０の上端開放部４０２へ導かれた燃焼排気は、この排気入口９０１から上記横通路９００の背面側へ導かれる。

また、ケーシング９０の正面上部には、上記横通路９００と給湯器８の外部とを繋ぐ排気出口９０２が開設されており、横通路９００内へ送り込まれた燃焼排気は、吸熱管９１相互の間隙を通ってその横通路９００の正面側へ導かれた後、排気出口９０２から器外へ排出される。

吸熱管９１は、横通路９００内の側壁相互間に複数横設されており、それぞれが横通路９００内へ導かれた燃焼排気の流れと交差する方向へ延びている。また、横通路９００内に横設されたこれら複数の吸熱管９１は、縦断面が千鳥状になるように配列されており、さらにその上下に並ぶ吸熱管９１相互の間隙Ｓは、全て均一に設定されている。
これにより、排気入口９０１から横通路９００内へ送り込まれた燃焼排気は、その横通路９００を通過する間に各吸熱管９１の表面へ効率良く接触するから、熱効率が良好である。
特開２００８−０３２３６９号公報

しかしながら、排気入口９０１から横通路９００のへ送り込まれる燃焼排気は、比較的高温であるから、その横通路９００の上域へ導かれる傾向にある。このため、吸熱管９１相互の間隙Ｓが全て均一に設定された上記従来のものでは、横通路９００内へ送り込まれた燃焼排気は、その横通路９００内の上域を通って排気出口９０２から排出され、横通路９００内に配設された吸熱管９１群全体の吸熱能力が十分に発揮されていなかった。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、横通路内に配設された吸熱管群全体の吸熱能力を発揮させることで、熱効率のさらなる向上を図った潜熱回収型熱交換器を提供することを課題とする。

本発明に係る潜熱回収型熱交換器は、ガスの燃焼排気をケーシングの排気入口から排気出口へ導く横通路が形成され、前記横通路内には、燃焼排気の流れと交差する方向へ延びる複数の吸熱管が横設された潜熱回収型熱交換器であって、
横通路の排気入口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙のうち、最上位の間隙に比べて最下位の間隙を広く設定したことを特徴とするものである。

上記構成によれば、横通路内に配設された吸熱管群の排気入口側領域において、その上域の通気抵抗よりも下域の通気抵抗が小さいから、横通路の排気入口側へ送り込まれた高温の燃焼排気は、その横通路内の上域側に偏らないで、下域側にも導かれる。これにより、横通路内に配設された吸熱管群全体の吸熱能力が効率良く発揮される。

また、横通路の排気入口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙のうち、最下位の間隙を最上位の間隙より広く設定したことにより、燃焼排気から潜熱を回収する際に吸熱管の表面に付着するドレンがその最下位の間隙に溜まり難いから、そのドレン溜まりに起因する排気出口からの排気量の低下も抑制できる。

上記構成では、横通路の排気入口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙を、最上位から最下位へ段階的に広く設定するのが望ましい。

このものでは、横通路内に配設された吸熱管群の排気入口側領域において、その上域から下域へ段階的に通気抵抗が小さくなっているから、横通路の排気入口側へ送り込まれた高温の燃焼排気は、その横通路内の全域へ均一に行き渡る。これにより、横通路内に配設された吸熱管群全体の吸熱能力が一層効率良く発揮される。

また、上記構成において、横通路の排気出口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙のうち、排気出口に最も近接した間隙に比べて最も遠隔の間隙を広く設定しても良い。

このものでは、横通路内に配設された吸熱管群の排気出口側領域において、その排気出口に近接した域の通気抵抗よりも遠隔の域の通気抵抗が小さいから、横通路内へ送り込まれた燃焼排気は、排気出口に近接した域に偏らないで、遠隔の域も通って排気出口から排出される。これにより、横通路内に配設された吸熱管群全体の吸熱能力が一層効率良く発揮される。

この場合、横通路の排気出口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙を、排気出口に最も近接した位置から最も遠隔の位置へ段階的に広く設定するのが望ましい。

このものでは、横通路内に配設された吸熱管群の排気出口側領域において、排気出口に最も近接した位置から離れるに従って段階的に通気抵抗が小さくなっているから、横通路内へ送り込まれた燃焼排気は、その排気出口側の全域を均一に通過し、排気出口から排出される。これにより、横通路内に配設された吸熱管群全体の吸熱能力が一層効率良く発揮される。

本発明は、上記構成であるから次の特有の効果を有する。
横通路の排気入口側へ送り込まれた高温の燃焼排気をその横通路内の上域側にも下域側にも導くことにより、横通路内の吸熱管群全体の吸熱能力が効率良く発揮されるから、熱効率が向上する。

次に、上記した本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の実施の形態に係る潜熱熱交換器５を備えた給湯器１の縦断面概略図であり、その外装ケース１０内には、後述する筐体３０内へ外装ケース１０の外部の空気を送り込む給気ファン２と、ガスを燃焼させるバーナ３と、バーナ３で生成されたガスの燃焼排気から顕熱を回収する顕熱熱交換器４と、上記燃焼排気から潜熱を回収する潜熱熱交換器５とが収容されている。

バーナ３は、上面側が開放する矩形箱状の筐体３０内に組み込まれており、この筐体３０の底部に給気ファン２の吐出口が接続されている。また、顕熱熱交換器４は、上記筐体３０の上面から上方へ延びる矩形筒状の缶体４０内に組み込まれている。従って、バーナ３で生成されたガスの燃焼排気は、給気ファン２によって筐体３０内へ送り込まれた空気とともに缶体４０内へ導かれ、顕熱熱交換器４の後述する吸熱管４１相互の間隙を通って缶体４０の上端開放部４０２側へ導かれる。

顕熱熱交換器４は、図示しない複数の吸熱フィンと、その吸熱フィンを貫通する複数の吸熱管４１とで構成されており、この吸熱管４１の一端側が温水供給先Ｐへ繋がり、他端側が潜熱熱交換器５の後述する吸熱管５１の一端側へ繋がっている。従って、潜熱熱交換器５を介して顕熱熱交換器４へ送り込まれた湯水は、その吸熱管４１内で燃焼排気から顕熱を回収し、温水供給先Ｐへ供給される。

潜熱熱交換器５は、矩形箱状のケーシング５０内にその前後方向へ延びる横通路５００を形成し、この横通路５００内に複数の吸熱管５１を収容したものであり、ケーシング５０の底板５２に上記缶体４０の上端が接続されている。

ケーシング５０の底板５２の後部には、缶体４０の上端開放部４０２に繋がる排気入口５０１が開設されており、上記横通路５００は、この排気入口５０１を介して缶体４０の内部空間と繋がっている。従って、缶体４０の上端開放部４０２側へ導かれた燃焼排気は、この排気入口５０１から横通路５００の排気入口５０１側（背面側）へ導かれる。

ケーシング５０の前板５３の略中央には、外装ケース１０の外部へ繋がる排気出口５０２が開設されており、さらにこの排気出口５０２のケーシング５０内側には、横通路５００の排気出口５０２側（正面側）の下域空間へ延びる排気通路５４が形成されている。また、ケーシング５０の天板５５裏面には、吸熱管５１の正面側を通って上記排気通路５４の入口５４０の上縁部まで延びるガイド板５６が形成されている。従って、横通路５００の排気入口５０１側へ導かれた燃焼排気は、吸熱管５１相互の間隙を通過しつつ、ガイド板５６やケーシング５０の底板５２上面に沿って横通路５００内の排気出口５０２側（正面側）の下域へ導かれる。そしてさらに、排気通路５４の入口５４０から排気通路５４を通って排気出口５０２へ導かれ、器外へ排出される。

潜熱熱交換器５の吸熱管５１は、図２に示すように、金属製の蛇腹管を一定長さ毎に略１８０度の曲げ加工を施した略Ｍ字状の管体であり、横通路５００内の側壁５７相互間を蛇行するように複数（ここでは、８本）横設され、横通路５００へ送り込まれる燃焼排気の流れと交差する方向に延びている。また、これら吸熱管５１は、縦断面視においてその各断面が千鳥状になるように上下に重なり合った状態で配列されている（図１参照）。

また、図２に示すように、吸熱管５１の両端は、ケーシング５０の一方の側壁５７を貫通し、その側壁５７の外面に固定された入水側ヘッダ５８ａおよび出水側ヘッダ５８ｂの各管接続部へ接続されており、一端側がこの入水側ヘッダ５８ａを介して上水道へ繋がり、他端が出水側ヘッダ５８ｂを介して顕熱熱交換器４の吸熱管４１の一端側へ繋がっている。従って、上水道から潜熱熱交換器５へ送り込まれた湯水は、その吸熱管５１内で燃焼排気から潜熱を回収した後、顕熱熱交換器４へ送り出される。

さらに、図３に示すように、横通路５００の最も排気入口５０１側で上下に並ぶ吸熱管５１相互の複数（ここでは、３つ）の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は、最上位から最下位へ段階的に広く設定されている。即ち、横通路５００内に配設された吸熱管５１群の排気入口５０１側領域において、その下域の通気抵抗が上域の通気抵抗に比べて小さくなるように構成されている。

具体的には、上記排気入口５０１側の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１のうち、最下位の間隙Ｃ１は、その上の間隙（中位の間隙）Ｂ１の略１．３倍、中位の間隙Ｂ１は、その上位の間隙（最上位の間隙）Ａ１の略１．３倍の寸法に設定されており、高温である燃焼排気が導かれ易い最上位の間隙Ａ１から中位の間隙Ｂ１、最下位の間隙Ｃ１の順で段階的に通気抵抗が小さくなるように構成されている。

また、横通路５００の最も排気出口５０２側で上下に並ぶ吸熱管５１相互の複数（ここでは、３つ）の間隙Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は、排気通路５４の入口５４０に最も近接した最下位から最も遠隔の最上位へ段階的に広くなるように配列されている。即ち、横通路５００内に配設された吸熱管５１群の排気出口５０２側領域において、その排気出口５０２に近接した域の通気抵抗よりも遠隔の域の通気抵抗が小さくなるように構成されている。

具体的には、上記排気出口５０２側の間隙Ａ２，Ｂ２，Ｃ２のうち、最上位の間隙Ｃ２は、その下の間隙（中位の間隙）Ｂ２の略１．３倍、中位の間隙Ｂ２は、その下位の間隙（最下位の間隙）Ａ２の略１．３倍に設定されており、燃焼排気が比較的排気され易い最下位の間隙Ａ２から中位の間隙Ｂ２、最上位の間隙Ｃ２の順で段階的に通気抵抗が小さくなるように構成されている。

これによれば、排気入口５０１から横通路５００内の背面側へ送り込まれた燃焼排気は、排気入口５０１側の最上位の間隙Ａ１側へ偏らないで、それより通気抵抗の小さい最下位の間隙Ｃ１や中位の間隙Ｂ１側も通って横通路５００の正面側へ導かれるから、その横通路５００内に配設された吸熱管５１群の全体へ燃焼排気が行き渡る。その結果、吸熱管５１群の吸熱能力が効率良く発揮され、熱効率が向上する。

また、横通路５００内に配設された吸熱管５１群の排気入口５０１側領域において、その上域から下域へ段階的に通気抵抗が小さくなるように構成したことによって、横通路５００の排気入口５０１側へ送り込まれた高温の燃焼排気が、その横通路５００内の全域へ均一に行き渡るから、吸熱管５１群の吸熱能力が一層効率良く発揮される。従って、熱効率が一層向上する。

さらに、最下位の間隙Ｃ１を最上位の間隙Ａ１より広く設定したことにより、燃焼排気から潜熱を回収する際に各吸熱管５１の表面に付着したドレンが、その最下位の間隙Ｃ１に溜まり難いから、そのドレン溜まりに起因する排気出口５０２からの排気量の低下も抑制できる。

一方、横通路５００内へ送り込まれた燃焼排気は、排気通路５４の入口５４０に近い最下位の間隙Ａ２側へ偏らないで、それより通気抵抗の小さい最上位の間隙Ｃ２や中位の間隙Ｂ２側も通って排気通路５４内へ導かれるから、その横通路５００内に配設された吸熱管５１群の全体へ燃焼排気が一層行き渡る。その結果、吸熱管５１群の吸熱能力が一層効率良く発揮され、熱効率が一層向上する。

また、横通路５００内に配設された吸熱管５１群の排気出口５０２側領域において、その下域から上域へ段階的に通気抵抗が小さくなるように構成したことによって、横通路５００内へ送り込まれた燃焼排気が、その排気出口５０２側の全域を均一に通過し、排気出口５０２から排出されるから、吸熱管５１群の吸熱能力が一層効率良く発揮される。従って、熱効率が一層向上する。

尚、上記潜熱熱交換器５では、図４（ａ）に示すように、一本の管体を水平に蛇行させた吸熱管５１を用い、その複数の吸熱管５１を燃焼排気の流れる方向に対してそれぞれ異なる角度で並設することによって、排気入口５０１側の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１や排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２を不均一の寸法に設定しているが、図４（ｂ）に示すように、上述の複数の吸熱管５１を燃焼排気の流れる方向に対してそれぞれ同じ角度で並設し、排気入口５０１側の曲管部Ｒ１に下向きの曲げ加工、排気出口５０２側の曲管部Ｒ２に上向きの曲げ加工をそれぞれ施すことによって、排気入口５０１側の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１や排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２を不均一の寸法に設定しても良い。

このものでは、排気入口５０１側の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１や排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２以外の他の吸熱管５１相互の間隙が均一に配列されるから、燃焼排気が排気入口５０１側の間隙Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を通過してから排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２を通過するまでの間に、それら各吸熱管５１の周囲で過剰な乱流となり難く、吸熱管５１の表面全体へ安定的に接触するから、熱効率が一層向上する。

また、上記潜熱熱交換器５における排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２は、下側よりも上側の方が広くなるように構成されているが（図３参照）、上側より下側の方が広くなるように構成しても良い。このものでは、最上位の間隙Ｃ２に比べて最下位の間隙Ａ２が広く設定されているから、その最下位の間隙Ａ２にドレンが溜まり難い。従って、そのドレン溜まりに起因する排気出口５０２からの排気量の低下を抑制できる。

尚、排気出口５０２側の間隙Ａ２、Ｂ２，Ｃ２をその上側より下側の方が広くなるように構成した場合、排気通路５４の入口５４０は、横通路５００の排気出口５０２側の上域空間に設けるのが好ましい。これによれば、横通路５００内へ送り込まれた燃焼排気が、排気通路５４の入口５４０に近い最上位の間隙Ｃ２側へ偏らないで、それより通気抵抗の小さい最下位の間隙Ａ２や中位の間隙Ｂ２側も通って排気通路５４内へ導かれるから、上記実施の形態と同様、熱効率が一層向上する。

本発明の実施の形態に係る潜熱熱交換器５を備えた給湯器１の縦断面概略図 本発明の実施の形態に係る潜熱熱交換器５の横断面概略図 本発明の実施の形態に係る潜熱熱交換器５の概略構成図 本発明の実施の形態に係る潜熱熱交換器５の吸熱管５１の配列状態を示す右側面図（ａ）および本発明の他の実施形態に係る潜熱熱交換器５の吸熱管５１の配列状態を示す右側面図（ｂ） 従来の潜熱熱交換器９を備えた給湯器８の縦断面概略図

符号の説明

５・・・潜熱回収型熱交換器
５０・・・ケーシング
５００・・・横通路
５０１・・・排気入口
５０２・・・排気出口
５１・・・吸熱管
Ａ１・・・最上位の間隙
Ｃ１・・・最下位の間隙

Claims (4)

1. ガスの燃焼排気をケーシングの排気入口から排気出口へ導く横通路が形成され、前記横通路内には、燃焼排気の流れと交差する方向へ延びる複数の吸熱管が横設された潜熱回収型熱交換器であって、
   横通路の排気入口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙のうち、最上位の間隙に比べて最下位の間隙を広く設定したことを特徴とする、潜熱回収型熱交換器。
2. 請求項１に記載の潜熱回収型熱交換器において、
   横通路の排気入口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙を、最上位から最下位へ段階的に広く設定したことを特徴とする、潜熱回収型熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の潜熱回収型熱交換器において、
   横通路の排気出口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙のうち、排気出口に最も近接した間隙に比べて最も遠隔の間隙を広く設定したことを特徴とする、潜熱回収型熱交換器。
4. 請求項３に記載の潜熱回収型熱交換器において、
   横通路の排気出口側で上下に並ぶ吸熱管相互の複数の間隙を、排気出口に最も近接した位置から最も遠隔の位置へ段階的に広く設定したことを特徴とする、潜熱回収型熱交換器。

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