JP2014214924A

JP2014214924A - 潜熱熱交換器

Info

Publication number: JP2014214924A
Application number: JP2013091017A
Authority: JP
Inventors: 卓也石塚; Takuya Ishizuka; 和博中澤; Kazuhiro Nakazawa
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】応力によるヘッダ本体とヘッダ蓋とのＴＩＧ溶接部分の割れを抑制する潜熱熱交換器を提供する。【解決手段】複数の受熱管２を収容した胴体部３と、受熱管２の上流端および下流端が接続される流入ヘッダ４および流出ヘッダ５とを備え、流入ヘッダ４および流出ヘッダ５は、受熱管２の端部が挿入される挿入孔４１が底部４０に設けられ且つ底部４０との対向面が開放された器状のヘッダ本体３８と、ヘッダ本体３８の開放面を閉塞するヘッダ蓋３９とで構成され、ヘッダ本体３８の周縁とヘッダ蓋３９の周縁とを接合した潜熱熱交換器１で、受熱管２の管径より小さい棒状のステー４５と、ヘッダ蓋３９にステー４５の端部が差し込まれる差込孔４４とを設け、ステー４５を受熱管２内に挿通させ、ステー４５の各端部をヘッダ蓋３９の差込孔４４に差し込み、ステー４５の端縁とヘッダ蓋３９の差込孔４４の端縁とを接合するようにした。【選択図】図３

Description

この発明は、燃焼ガスから潜熱を回収する潜熱熱交換器に関するものである。

従来この種の潜熱熱交換器としては、特許文献１に記載されているような、一対のヘッダ（流入ヘッダおよび流出ヘッダ）間に複数の直管状の受熱管が並列的に並べられたものがあり、各ヘッダとしては、特許文献２に記載されているような、受熱管の端部を接続する挿入孔が設けられた器状のヘッダ本体と、ヘッダ本体の開放部を閉塞するヘッダ蓋とで構成されたものがあり、このような潜熱熱交換器において、ヘッダ本体とヘッダ蓋との間に形成される空間は水が流通する空間となるので、隙間を生じないようにヘッダ本体とヘッダ蓋とを組み付ける必要がある。このため、ヘッダ本体とヘッダ蓋とを組み付ける際に、ヘッダ本体とヘッダ蓋との周縁どうしを全周にわたり接触させ、この接触部分を接合する方法としてＴＩＧ溶接を採用することがあった。

特開２００５−２７４０２８号公報特開２００７−１６３０９６号公報

ところで、このような潜熱熱交換器を備えた給湯機では、出湯時または出湯停止時に大きな水圧が潜熱熱交換器の流入ヘッダおよび流出ヘッダにかかるものであり、その水圧が応力としてヘッダ本体およびヘッダ蓋に加わるものであるが、出湯・出湯停止が繰り返し行われると、その応力によってヘッダ本体とヘッダ蓋との周縁のＴＩＧ溶接が行われた接合部分が割れを起こすことがあり、そこから水漏れが発生してしまうおそれがあるものであった。

この発明は、上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、被加熱流体が流通する複数の直管状の受熱管と、該受熱管を内部に収容し両側端に開口部が形成された筒状の胴体部と、該胴体部の開口部を閉塞し前記受熱管の上流端および下流端がそれぞれ接続される流入ヘッダおよび流出ヘッダとを備え、前記流入ヘッダおよび前記流出ヘッダは、前記受熱管の端部が挿入される挿入孔が底部に設けられ且つその底部と対向する面が開放された器状のヘッダ本体と、該ヘッダ本体の開放面としての開放部を閉塞するヘッダ蓋とで構成され、前記ヘッダ本体の開放部に前記ヘッダ蓋を嵌入させ、前記ヘッダ本体の周縁と前記ヘッダ蓋の周縁とを全周にわたり接合する潜熱熱交換器において、前記受熱管の管径より小さい棒状のステーと、前記ヘッダ蓋に前記ステーの端部が差し込まれる差込孔とを設け、前記ステーを前記受熱管内に挿通させ、前記ステーの各端部を前記ヘッダ蓋の前記差込孔に差し込み、前記ステーの端縁と前記ヘッダ蓋の前記差込孔の端縁とを接合するものとした。

この発明の請求項1によれば、ヘッダ本体の周縁とヘッダ蓋の周縁とを接合したものにおいて、ステーを受熱管内に挿通し、ステーの各端部をヘッダ蓋に設けた差込孔に差し込み、ステーの端縁と差込孔の端縁とを接合したことで、水圧による応力がかかる箇所をヘッダ本体の周縁とヘッダ蓋の周縁との接合部分以外にも分散することができ、ヘッダ本体の周縁とヘッダ蓋の周縁との接合部分の割れを抑制することができるものである。また、ステーを受熱管の管径より小径の直管状として、受熱管内を挿通させて、ステーにより流入ヘッダ側のヘッダ蓋と流出ヘッダ側のヘッダ蓋の両方をいっぺんに接続するので、流入ヘッダ側のヘッダ蓋にだけ、または流出ヘッダ側のヘッダ蓋にだけ片側ずつステーを用いて接続するものに比べて、部品点数が少なくてすむと共に溶接箇所が少なくなるので、コストを安価に抑えることができるものである。

この発明の一実施形態を示す潜熱熱交換器の斜視図。同一実施形態のヘッダ蓋を外した状態の潜熱熱交換器の斜視図。同一実施形態の潜熱熱交換器の断面図。同一実施形態の潜熱熱交換器の流入ヘッダ部分の部品展開断面図。同一実施形態の潜熱熱交換器を備えた潜熱回収型給湯機の概略断面図。

次に、この発明の一実施形態の潜熱熱交換器を図面に基づき説明する。
図１〜図４に示すように、潜熱熱交換器１は、複数の直管状の受熱管２と、これらの受熱管２を内部に収容する胴体部３と、受熱管２の上流端が接続される流入ヘッダ４と、受熱管２の下流端が接続される流出ヘッダ５とを備えているものである。

図５に示すように、潜熱熱交換器１は、潜熱回収型給湯機６の一部を構成するものであり、潜熱回収型給湯機６は、顕熱熱交換器としての円筒状の貯湯缶体７と、石油燃料を燃焼させるバーナ部８と、貯湯缶体７の上方に設置され内部にロックウールやグラスウール等の消音材９を有する消音部１０と、潜熱熱交換器１と、潜熱熱交換器１および消音部１０の上方に設置された扁平箱状の連通路１１と、連通路１１と接続されバーナ部８で発生される燃焼ガスを外部に排出する排気筒１２と、潜熱熱交換器１で発生したドレンを中和する中和器１３とで構成されているものである。

前記貯湯缶体７は内部に一定量の湯水が貯湯され、貯湯缶体７の下部内側には燃焼室１４が形成され、貯湯缶体７内には多数の煙道を構成する熱交換パイプ１５が複数配置され、貯湯缶体７の上部にはバーナ部８で発生させた燃焼ガスを消音部１０に流出させる缶体燃焼ガス出口１６が形成されているものである。なお、１７は貯湯缶体７内の湯水の温度を検出する貯湯温度センサ、１８は貯湯缶体７下部に接続され潜熱熱交換器１の受熱管２で予熱された湯水を貯湯缶体７に流入させる連結管、１９は貯湯缶体７上部に接続され貯湯缶体７内に貯湯されている湯水を適宜給湯必要箇所に供給する給湯管である。

前記バーナ部８は、点火電極２０や燃料を供給するノズル２１や燃焼用空気を供給する燃焼ファン２２を有し、燃焼室１４内に臨ませたバーナ部８の燃焼によって発生する燃焼ガスが燃焼室１４と連通している熱交換パイプ１５を通過する際、熱交換パイプ１５内の高温の燃焼ガスと貯湯缶体７内の貯水との間で熱交換が行われ貯湯缶体７内の湯水が高温に加熱されるものである。

前記消音部１０は、缶体燃焼ガス出口１６からの燃焼ガスを流入させる消音部燃焼ガス入口２３と、消音材９と、消音部１０内に形成され燃焼ガスが通過する消音部燃焼ガス流路２４と、消音部燃焼ガス流路２４を通過した燃焼ガスを潜熱熱交換器１に流出させる消音部燃焼ガス出口２５とを備えているものである。

前記潜熱熱交換器１は、胴体部３の一側面に形成され消音部燃焼ガス出口２５からの燃焼ガスを流入させる潜熱熱交燃焼ガス入口２６と、胴体部３内に形成され燃焼ガスが通過する潜熱熱交燃焼ガス流路２７と、胴体部３の上面に形成され潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過した燃焼ガスを連通路１１に流出させる潜熱熱交燃焼ガス出口２８とを備え、胴体部３の底面には、潜熱熱交換器１で発生するドレンを中和器１３に導くドレン管２９と接続されるドレン排水接続口３０が設けられているものである。

また、流入ヘッダ４には、給水管３１と接続され給水管３１からの給水を流入ヘッダ４内に流入させる流入接続口３２が設けられ、流出ヘッダ５には、潜熱熱交換１と貯湯缶体７とを連結する連結管１８の一端と接続され潜熱熱交換器１によって加熱された湯水を流出ヘッダ５から流出させる流出接続口３３が設けられているものである。

前記連通路１１は潜熱熱交燃焼ガス出口２８からの燃焼ガスを流入させる連通路燃焼ガス入口３４と、連通路１１内に形成され燃焼ガスが通過する連通路燃焼ガス流路３５と、連通路燃焼ガス流路３５を通過した燃焼ガスを排気筒１２に流出させる連通路燃焼ガス出口３６とを備えているものである。

前記中和器１３は、その内部にドレンを中和するための中和剤（図示せず）が充填されており、ドレン管２９から中和器１３に導かれたドレンを中和し、中和されたドレンを排水管３７を介して外部に排出するものである。

次に、潜熱熱交換器１について詳細に説明する。
潜熱熱交換器１の胴体部３は、左右の両側端に開口部が形成された角筒状をしており、胴体部３は燃焼ガスから潜熱を回収をした際に発生する強酸性のドレンが内壁に付着するため、耐食性に優れたステンレス製で構成されているものである。

また、流入ヘッダ４（流出ヘッダ５についても同じ）は、胴体部３の開口部を閉塞するように嵌入されて固定されており、受熱管２の上流端が接続されるヘッダ本体３８とヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９とから構成されているものである。なお、流出ヘッダ５もヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９とで構成されるものであるが、流出ヘッダ５のヘッダ本体３８には、受熱管２の下流端が接続されているものである。胴体部３に流入ヘッダ４および流出ヘッダ５が固定されると、胴体部３内に燃焼ガスが通過する潜熱熱交燃焼ガス流路２７が形成されるものである。

前記ヘッダ本体３８は、図４に詳しく表れているように、器状に形成され、その底部４０には、受熱管２の数だけバーリング加工が施されて、ヘッダ本体３８の内方側に突出する立ち上がりを周縁に備えた挿入孔４１が形成されるものであり、この複数の挿入孔４１に複数の直管状の受熱管２の端部が挿入され接続されてヘッダ本体３８間に受熱管２が並列的に並べられた構造となるものである。なお、ヘッダ本体３８の底部４０と対向する面は開放されており、その開放面としての開放部４２の周縁部分は、拡開された拡開部４３が形成されているものである。

また、前記ヘッダ本体３８の開放部４２は、ヘッダ蓋３９によって閉塞され、ヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９との間には水が流通する空間が形成されるものである。このヘッダ蓋３９には、ヘッダ蓋３９の外方に突出する立ち上がりを周縁に備えた差込孔４４が複数形成されるものであり、この差込孔４４には、受熱管２の管径より小径の直管状をしており受熱管２より長尺のステー４５が複数（ここでは、３本）接続されるものであり、ステー４５は受熱管２内を挿通し、ステー４５の一端は流入ヘッダ４のヘッダ蓋３９の差込孔４４に、ステー４５の他端は流出ヘッダ５のヘッダ蓋３９の差込孔４４に差し込まれそれぞれ接続され、差込孔４４の端縁とステー４５の端縁とを全周にわたり接触させて、この接触部分をＴＩＧ溶接により接合されるものである。また、ヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９とを組み付ける際は、ヘッダ本体３８の拡開部４３にヘッダ蓋３９を嵌入させ、ヘッダ本体３８の拡開部４３の周縁とヘッダ蓋３９の周縁とを全周にわたり接触させて、この接触部分をＴＩＧ溶接により接合するものである。

このように、ヘッダ本体３８の周縁とヘッダ蓋３９の周縁とをＴＩＧ溶接により接合したものにおいて、受熱管２の管径より小径の直管状のステー４５を受熱管２内に挿通し、ステー４５の各端部をヘッダ蓋３９に設けた差込孔４４に接続し、差込孔４４の端縁とステー４５の端縁とをＴＩＧ溶接により接合したことで、水圧による応力がかかる箇所をヘッダ本体３８の周縁とヘッダ蓋３９の周縁との接合部分、すなわちＴＩＧ溶接部分以外にも分散することができ、ヘッダ本体３８の周縁とヘッダ蓋３９の周縁とのＴＩＧ溶接部分の割れを抑制することができ、水漏れを防止することができるものである。また、ステー４５を受熱管２の管径より小径の直管状として、受熱管２内を挿通させて、ステー４５により流入ヘッダ４側のヘッダ蓋３９と流出ヘッダ５側のヘッダ蓋３９の両方をいっぺんに接続するので、流入ヘッダ４側のヘッダ蓋３９にだけ、または流出ヘッダ５側のヘッダ蓋３９にだけ片側ずつステー４５を用いて接続するものに比べて、部品点数が少なくてすむと共に溶接箇所が少なくなるので、コストを安価に抑えることができるものである。

次に、この潜熱回収型給湯機６の動作について説明する。
給湯必要箇所に適宜設けられている給湯蛇口（図示せず）を開くと、給湯管１９により貯湯缶体７内の高温水が出湯されて給湯が開始される。それと同時に、給水管３１から流入ヘッダ４に水が流入し、水は流入ヘッダ４から受熱管２内を通過して流出ヘッダ５へ流れ、流出ヘッダ５から連結管１８を介して貯湯缶体７内に流入するものである。

そして、貯湯缶体７内の温水の温度が徐々に低下し、貯湯温度センサ１７で検出する温度が所定温度以下になると、バーナ部８にて燃焼が開始され、その燃焼ガスが燃焼室１４から貯湯缶体７内の熱交換パイプ１５を通過する際、熱交換パイプ１５内の高温の燃焼ガスと貯湯缶体７内の貯水との間で熱交換されて貯湯缶体７内の被加熱流体としての水を加熱するものである。

前記熱交換パイプ１５内を通過して顕熱を吸熱された燃焼ガスは、缶体燃焼ガス出口１６を抜け消音部燃焼ガス入口２３から消音部１０に流入する。消音部１０に流入した燃焼ガスは、まだ高温で音速が大きく、同一周波数でも波長が短いので、消音部１０を潜熱熱交換器１の上流側に配置することにより、小容積の消音部１０でも低周波を効果的に消音できるものである。また、燃焼ガスの流れ方向として消音部１０を潜熱熱交換器１の上流側に配置することで、まだ燃焼ガスがドレンを生じるほど温度が低下しておらず、ドレンによる消音材９の腐食を防止できるものである。

消音部１０を通過した燃焼ガスは、潜熱熱交燃焼ガス入口２６から潜熱熱交換器１の胴体部３内に流入し、胴体部３内に流入し潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過する燃焼ガスは、胴体部３内に収容された複数の受熱管２を流れる水と熱交換して貯湯缶体７に流入される水を加熱し、潜熱熱交換器１の潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過して潜熱を吸熱された燃焼ガスは、潜熱熱交燃焼ガス出口２８を抜けて連通路１１に流入し、連通路１１を通り排気筒１２から屋外に排気されるものである。

前記潜熱熱交換器１において、複数の受熱管２を流通する被加熱流体としての水と加熱流体としての燃焼ガスとが熱交換されると、燃焼ガス中の水蒸気が露点以下となることによって、受熱管２の表面や燃焼ガスと接触するヘッダ本体３８の底部４０の壁面に強酸性のドレンが生成され、生成されたドレンは胴体部３の底面で回収されるものであるが、胴体部３の底面はドレン排水接続口３０に向かって下り傾斜が付されており、胴体部３内で発生したドレンをスムーズにドレン排水接続口３０に導ける構造となっているものである。潜熱熱交換器１で発生したドレンは、ドレン排水接続口３０からドレン管２９を通過し中和器１３に流入し、中和器１３内で中和剤と接触して中和され、中和されたドレンは排水管３７を介して所定箇所の下水に排水されるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものではなく、本実施形態では、ステー４５を３本設けているが、ヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９とのＴＩＧ溶接部分にかかる応力を分散させ、ヘッダ本体３８とヘッダ蓋３９とのＴＩＧ溶接部分に割れを発生させないのに必要な本数だけ設ければよいものである。

また、本実施形態では、ステー４５を、受熱管２の管径より小径で且つ受熱管２より長尺の直管状のものとしたが、ステー４５は中身が中空の管状でなくてもよく、中実の円柱状のものでもよく、また、角柱状のものでもよいものであり、受熱管２の管径より小さく且つ受熱管２より長尺の棒状のものであれば特に限定されるものではない。

１潜熱熱交換器
２受熱管
３胴体部
４流入ヘッダ
５流出ヘッダ
３８ヘッダ本体
３９ヘッダ蓋
４０底部
４１挿入孔
４２開放部
４４差込孔
４５ステー

Claims

被加熱流体が流通する複数の直管状の受熱管と、該受熱管を内部に収容し両側端に開口部が形成された筒状の胴体部と、該胴体部の開口部を閉塞し前記受熱管の上流端および下流端がそれぞれ接続される流入ヘッダおよび流出ヘッダとを備え、前記流入ヘッダおよび前記流出ヘッダは、前記受熱管の端部が挿入される挿入孔が底部に設けられ且つその底部と対向する面が開放された器状のヘッダ本体と、該ヘッダ本体の開放面としての開放部を閉塞するヘッダ蓋とで構成され、前記ヘッダ本体の開放部に前記ヘッダ蓋を嵌入させ、前記ヘッダ本体の周縁と前記ヘッダ蓋の周縁とを全周にわたり接合する潜熱熱交換器において、前記受熱管の管径より小さい棒状のステーと、前記ヘッダ蓋に前記ステーの端部が差し込まれる差込孔とを設け、前記ステーを前記受熱管内に挿通させ、前記ステーの各端部を前記ヘッダ蓋の前記差込孔に差し込み、前記ステーの端縁と前記ヘッダ蓋の前記差込孔の端縁とを接合するようにしたことを特徴とする潜熱熱交換器。