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JP4929866B2 - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

熱交換器およびこれを備えた温水装置 Download PDF

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Description

本発明は、いわゆる螺旋式水管を用いて燃焼ガスから熱回収を行い、温水を生成する用途に用いられる熱交換器、およびこれを備えた温水装置に関する。
従来の螺旋式水管を用いた熱交換器としては、たとえば特許文献1〜3に示すようなものがある。これらの文献に記載された熱交換器は、燃焼ガスが導入されるケース内に、水管の螺旋状管体部が収容された構成を有しており、前記螺旋状管体部によって前記燃焼ガスから熱回収がなされ、水管内を流通する湯水が加熱される。このような螺旋式水管を用いた熱交換器は、水管の本数を比較的少なくすることが可能であり、たとえば直管状の水管がケース内に多数設けられた多管式熱交換器と比較すると、その構成を簡素にし、製造コストを廉価にすることが可能である。
しかしながら、従来の螺旋式水管を用いた熱交換器においては、次に述べるように、解決すべき問題点があった。
すなわち、図8に模式的に示すように、従来の水管の螺旋状管体部9は、一連に繋がった複数のループ部90が軸長方向(螺旋状管体部9の中心軸が延びる方向)に重なった構成を有しており、いずれの部分も所定の角度θで傾斜している。このため、螺旋状管体部9の直径または幅をLとすると、高さ方向の巻きピッチp1(ループ部90の配列ピッチ)は、p1=(L×tanθ)×2となり、その寸法は比較的大きなものとなる。一方、水管による熱回収量を多くするには、ループ部90の段数を多くする必要がある。ところが、このようにループ部90の段数を多くすると、寸法p1が比較的大きいことから、螺旋状管体部9の全体の高さhがかなり大きくなってしまう。したがって、従来においては、ループ部90の段数を多くして熱回収量を多くすることと、熱交換器全体の小型化を十分に図ることとの両立が難しいという問題点があった。
一方、前記したような熱交換器を備えた温水装置においては、寒冷期にその運転を長期間停止しておくときに、水管内の凍結防止を図るための手段として、水管内から水抜きを行なう場合がある。したがって、前述した問題点を解決するに際し、水管からの水抜きが困難になるといった新たな問題点を生じないようにすることが要望され、この点に留意する必要がある。なお、図8に示した水管においては、螺旋状管体部90のいずれの箇所も傾斜しているために、水抜きを比較的円滑に行なうことが可能である。ただし、水管9による熱回収量を多くする手段として、水管9を口径の小さい細管によって構成した場合には、水抜き作業を行なう際に、水管9の下端開口に表面張力に起因する水膜が発生し、これが原因となって水抜きが困難となる場合があった。
特許第2835286号公報 特開昭62−288446号公報 実公平6−8442号公報
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、水管からの水抜き作業が困難になるといった不具合を生じさせることなく、全体の大型化を抑制しつつ高い熱交換効率を得ることが可能な熱交換器、およびこれを備えた温水装置提供することを、その課題としている。
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
本発明の第1の側面により提供される熱交換器は、一連に繋がった複数のループ部が鉛直方向に並んだ螺旋状管体部を有する熱交換用の複数の水管と、前記螺旋状管体部の周囲を囲み、かつ内部に燃焼ガスが導入されるケースと、を備えている、熱交換器であって、前記螺旋状管体部の各ループ部は、前記ケースの前後方向に間隔を隔てて前記ケースの幅方向に延びる一対の直管部と、これら一対の直管部の両端どうしを繋ぎ、かつ全体が円弧状とされ、または一部が直線部とされた一対の曲管部と、を有する平面視略長円状または略矩形状とされ、前記一対の曲管部は、水平面に対して傾斜した傾斜管体部とされ、かつ前記一対の直管部は、非傾斜状の水平管体部とされており、前記複数の水管の螺旋状管体部は、サイズが互いに相違した構成とされて略同心の重ね巻き状に配されていることにより、前記直管部は鉛直方向に加えて前記ケースの前後方向にも複数対以上に並び、かつ前記曲管部は鉛直方向に加えて前記ケースの幅方向にも複数対以上に並んだ構成とされ、前記ケースは、前記複数の水管の螺旋状管体部を鉛直方向において挟み、かつ前記螺旋状管体部の最上部および最下部のループ部と隙間を隔てた上壁部および底壁部と、前記前後方向において前記螺旋状管体部を挟み、かつ燃焼ガス用の給気口および排気口がそれぞれ形成されている後壁部および前壁部と、を備えており、前記給気口から前記ケース内に燃焼ガスが導入されたときには、この燃焼ガスは前記複数の水管のそれぞれの螺旋状管体部の複数のループ部間および前記隙間を前記ケースの前後水平方向に通過して前記排気口に達するように構成されていることを特徴としている。
このような構成においては、螺旋状管体部のループ部は、幅方向の両端部のみが傾斜し、幅方向の中央部は非傾斜状の水平管体部とされているために、ループ部の全体が傾斜している場合と比較すると、鉛直方向におけるループ部の嵩張りが小さくなる。したがって、ループ部の配列ピッチ(螺旋状管体部の巻きピッチ)についても小さくすることが可能となり、螺旋状管体部のループ部の段数を多くして熱回収量を多くする場合に、螺旋状管体部の全体の高さが大きく嵩張ることが抑制される。このようなことから、本発明によれば、従来とは異なり、熱交換効率の向上と全体の小型化との両立を好適に図ることができる。
また、本発明においては、水管からの水抜き作業を行なう場合に、水管内の一部に水が溜まらないようにすることができる。すなわち、ループ部の幅方向の両端部の傾斜管体部については、従来の螺旋状管体部と同様に、ループ部の高い部分から低い部分に水が円滑に流れる傾斜にしておくことによりこの部分には水が溜まらないようにすることができる。また、ループ部の幅方向の中央部については、非傾斜の水平管体部であるために、やはりこの部分にも水が溜まらないようにし、この水を幅方向の端部に流れ込ませることができる。したがって、水抜き作業が困難になるといった不具合を的確に回避しつつ、前述した優れた効果を得ることができる。
さらに、前記構成によれば、給気口からケース内に流入した燃焼ガスが複数のループ部間を通過して排気口からケース外部に排出される過程において、前記燃焼ガスから熱回収がなされる。さらに、燃焼ガスが、螺旋状管体部の最上部および最下部のループ部とケースの上壁部および底癖部との間に形成された隙間を通過する際にも、それらのループ部によって熱回収がなされる。したがって、熱交換効率をより高めることが可能となる。さらに、各ループ部の水平管体部の寸法を長くすることによって、螺旋状管体部の全体の高さ寸法を小さくしつつ、螺旋状管体部全体の伝熱面積を大きくとることができる。したがって、小型化を図りつつ熱回収量を多くするのにより好適となる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記水管は、前記螺旋状管体部の最下部のループ部に繋がった延設管体部を有しているとともに、この延設管体部の一部分は、前記ケースの外部に露出し、かつこの露出部分には、この延設管体部の先端寄りほど高さが低くなるように曲がった曲げ部が設けられている。
このような構成によれば、水管内の水抜き作業を行なう場合に、前記延設管体部の曲げ部に存在する水の水頭圧を、前記延設管体部の先端に作用させることができる。したがって、前記水管の細管化を図り、その口径を小さくした場合であっても、水抜き作業時において前記延設管体部の先端開口に水膜が張ることを前記水頭圧によって防止し、円滑な排水が可能となる。
本発明の第2の側面により提供される温水装置は、本発明の第1の側面により提供される熱交換器と、前記ケース内に燃焼ガスを導入させる燃焼器と、を備えていることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明の第1の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
図1〜図6は、本発明が適用された温水装置の具体例としての給湯装置およびこれに関連する構成の一例を示している。これらの図において、矢印V方向は、鉛直方向であり、矢印H方向は、水平方向である。
図1によく表われているように、本実施形態の給湯装置Aは、燃焼器3、1次熱交換器1、および2次熱交換器Bを備えている。2次熱交換器Bは、本発明が適用された熱交換器の一例に相当する。
燃焼器3は、たとえば正燃式のガスバーナであり、缶体30内に配され、かつ燃料ガスが外部から配管32を介して供給されるように構成されている。缶体30内には、下方の送風ファン31から燃焼用空気が上向きに送風されるようになっている。1次熱交換器1は、燃焼器3で発生された燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、複数のフィン12を有する水管11が缶体10に対して略水平方向に貫通した構造を有している。缶体10は、燃焼器3の缶体30上に載設されているが、これらの缶体10,30を一体に形成してもよい。
2次熱交換器Bは、前記燃焼ガスから潜熱を回収するためのものであり、1次熱交換器1の上方に配され、かつ缶体10に対して補助缶体19を介して接続されている。この2次熱交換器Bは、内部に燃焼ガスが導入されるケース7、螺旋状管体部5を個々に有する複数の水管P、および入水用および出湯用のヘッダ6A,6Bを備えている。
ケース7は、中空の略直方体状であり、複数の螺旋状管体部5を囲んでいる。図3に示すように、このケース7の後壁部70aおよび前壁部70bには、給気口71および排気口72が設けられている。なお、排気口72は、たとえば図2に示すような略矩形状であり、給気口71もそれと同様である。1次熱交換器1を通過してその上方に進行した燃焼ガスは、給気口71からケース7内に進入し、複数の水管Pによってその潜熱が回収される。潜熱回収を終えた燃焼ガスは、その後排気口72からケース7の外部に排出される。前記燃焼ガスから潜熱回収がなされると、複数の水管Pの表面には凝縮水が発生する。これに対し、ケース7の底壁部70dには、凝縮水用の排出口73が設けられており、凝縮水が水管Pの表面からケース7の底壁部70d上に滴下すると、その後この凝縮水は排出口73からケース7の外部に排出される。
図5に示すように、複数(たとえば計5本)の水管Pの螺旋状管体部5は、ケース7内に収容されている。理解の容易のため、1つの水管Pの構成について、図6を参照して説明する。同図において、水管Pは、たとえば1本の原材料となる管体に巻き加工を施すことにより製作されており、コイル状管体部5と、このコイル状管体部5の下部および上部に一体に繋がった延設管体部51,52を有している。コイル状管体部5は、一連に繋がった複数のループ部50が隙間59を介して複数段に並んだ構成を有している。複数のループ部50は、コイル状管体部5の軸長方向に並んでいるが、給湯装置Aの設置状態において、前記軸長方向は鉛直方向Vとされる。各ループ部50は、平面視略長円状であり、このループ部50の幅方向(図6の左右方向)の中央部S1は、幅方向に対して交差する水平方向に適当な間隔を隔てて前記幅方向に延びる一対の直管部50a,50bにより形成されている。各ループ部50の幅方向の両端部S2a,S2bは、一対の直管部50a,50bの端部どうしを繋ぐ一対の曲管部50c,50dにより形成されている。曲管部50c,50dは、たとえば平面視半円弧状である。
各ループ部50は、給湯装置Aの設置状態において、一対の直管部50a,50bが水平面に対して傾斜の無い水平管体部とされている。これに対し、一対の曲管部50c,50dは水平面に対して傾斜した傾斜管体部とされている。より詳細には、図6(a)において、曲管部50cは、直管部50aの一端から最上段の直管部50bに向けて矢印N1方向へ進むに連れて高さが順次低くなるように適当な角度で傾斜している。直管部50aは、直管部50bよりも高位にある。また、曲管部50dは、直管部50bの他端から次段のループ部50の直管部50aの他端に向けて矢印N2方向へ進むに連れて高さが順次低くなるように傾斜している。複数のループ部50のそれぞれは、前記したような構成の直管部50a,50bおよび曲管部50c,50dを具備して構成されている。
図5において、複数の水管Pのそれぞれは、サイズが相違する螺旋状管体部5を有しており、これらは略同心状の重ね巻きに配されてケース7内に収容されている。この収容に際しては、最上部および最下部のループ部50の直管部50a,50bが、ケース7の上壁部70cおよび底壁部70dのそれぞれの内面に対して隙間79a,79bを介して対向し、かつそれらの内面と略平行な方向に延びるように設定されている。このことにより、隙間79a,79bの各所の幅L1,L2の均一化が図られている。
複数の水管Pの延設管体部51,52のそれぞれの一端は、ともにケース7の側壁70eを貫通してケース7の外部に引き出され、かつ入水用および出湯用のヘッダ6A,6Bと接続されている。ヘッダ6Aの入水用の開口部60Aは、水管Pからの水抜き時には、排水用の開口部となる。延設管体部51には、ケース7の外部において下向きに湾曲した曲げ部51aが形成されている。曲げ部51aは、後述するように水管Pからの水抜き性を良好にするためのものであり、たとえば延設管体部51の他の部分とは別体のベンド管を接続することにより構成されている。本実施形態においては、ヘッダ6Aが鉛直方向Vに対してやや傾いており、開口部60Aが真下を向いていないが、これは入水用の配管80との接続作業性などを良好にするためであり、ヘッダ6Aをこれとは異なる姿勢に設定してもよいことは勿論である。一方、複数の延設管体部52については、前記した曲げ部51aなどが形成されることなく、出湯用のヘッダ6Bに接続されている。図1に示すように、ヘッダ6Bの出湯用の開口部60Bは、配管81を介して1次熱交換器1の入水口11aに接続されている。1次熱交換器1においては、2次熱交換器Bから送られてきた湯水が水管11を通過してさらに加熱されるように構成されており、このようにして生成された湯水は、出湯口11bから所望の給湯先に向けて送られる。ただし、1次および2次の熱交換器に対する通水の順序は限定されず、たとえば先ず1次熱交換器1に入水がなされ、この1次熱交換器1を通過した湯水がその後2次熱交換器Bに供給される構成とすることもできる。
次に、前記した2次熱交換器B、およびこれを備えた給湯装置Aの作用について説明する。
図1において、給湯装置Aは、2次熱交換器Bの複数の水管Pおよび1次熱交換器1の水管11に通水がなされると、燃焼器3が駆動を開始する。すると、この燃焼器3によって発生された燃焼ガスからは、1次熱交換器1および2次熱交換器Bによって顕熱および潜熱が順次回収される。この熱回収により生成された湯は、出湯口11bから所望の給湯先に供給される。
2次熱交換器Bの複数の水管Pは、いわゆる螺旋式であり、水管Pの総数をさほど多くすることなく、多数のループ部50をケース7内に配置させることができる。このため、たとえば多管式熱交換器と比較すると、全体構造の簡素化を図り、製造コストを廉価にすることが可能である。水管Pの各ループ部50は、図6を参照して説明したとおり、幅方向の両端部S2a,S2bのみが水平面に対して傾斜しており、幅方向の中央部S1は水平である。このため、本実施形態とは異なり、ループ部50の全ての部分を水平面に対して傾斜させた場合と比較すると、ループ部50の鉛直方向Vの幅は小さくなり、螺旋状管体部5の巻きピッチp2(ループ部50の配列ピッチ)も小さくすることができる。その結果、ループ部50の段数を多くして熱回収量を多くする場合においても、螺旋状管体部5の全体の高さ寸法がさほど大きくならないようにし、全体の大型化を適切に抑制することができる。とくに、本実施形態においては、ループ部50が平面視略長円状であり、幅方向の中央部S1の直管部50a,50bを長くすることによって、螺旋状管体部5の高さの増大を招くことなく、水管Pの伝熱面積を大きくすることができる。
2次熱交換器Bにおいては、複数のループ部50間に形成されている複数の隙間59を燃焼ガスが通過する際に熱回収がなされる。これに対し、鉛直方向Vに並ぶ複数のループ部50は、それらの形状が略同一に揃えられており、複数の隙間59の長手方向の各所の幅(図6(b)の符号L3で示す幅)を均一に揃えることができる。このような構成によれば、隙間59の幅の不均一さに起因して燃焼ガスが特定の箇所に集中して流れるといったことが回避され、各ループ部50の各所に対して燃焼ガスを均一に作用させることができる。したがって、熱回収量を多くするのにより好適となる。
また、燃焼ガスは、ケース7の上壁部70cおよび底壁部70dとループ部50との間に形成されている隙間79a,79bにも進行し、熱回収がなされるが、この隙間79a,79bは、直管部50a,50bが存在する部分については幅L1,L2の均一化が図られている。したがって、この隙間79a,79bにおいても、燃焼ガスの流量分布に大きな偏りなどを生じないようにして、効率の良い熱回収を行なわせることができる。
一方、たとえば冬季において、給湯装置Aの運転を長期間停止させておく場合には、1次熱交換器1や2次熱交換器B内の凍結防止を図るべく、それらの水管11および水管Pに対する入水を停止し、水抜き作業を行なう。その際、次に述べるように、2次熱交換器Bの水管P内に水が残らないようにすることが可能である。すなわち、水管Pの螺旋状管体部5は、各ループ部50の幅方向の両端部S2a,S2bが傾斜しており、これら両端部S2a,S2bは、螺旋状管体部5の高さが高い部分から低い部分へと水を円滑に流れさせる役割を果たす。一方、幅方向の中央部S1を構成する直管部50a,50bは水平であるため、この部分に水が溜まることも適切に防止され、この直管部50a,50b内の水はそれに隣接する曲管部50cまたは曲管部50dを経て下段のループ部5に流れていくこととなる。このようなことから、水管P内からの水抜き作業を適切に行なうことも可能である。
2次熱交換器Bについては、潜熱の回収量を多くするための手段として、水管Pを細管により構成し、1次熱交換器1の水管11よりも小口径にすることが望まれる。水管Pを単に小口径にしただけでは、延設管体部51の先端開口部分に表面張力に起因して水膜が張る可能性がある。これに対し、本実施形態においては、延設管体部51に設けられた曲げ部51a内に存在する水の水頭圧によって前記水膜を破壊することが可能であり、延設管体部51の先端開口からヘッダ6A内に向けての排水を適切に行なわせることができる。なお、補助管体部51の曲げ部51aよりも螺旋状管体部5寄りの部分については、水平な姿勢でよいが、これに代えて、たとえばヘッダ6Aに向けて水が流れ易くなるように傾斜させてもよい。
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器、温水装置、および熱交換器用の水管の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
水管の螺旋状管体部の各ループ部は、平面視略長円状に代えて、これとは異なる種々の形状に形成することが可能である。図7は、その一例を示しており、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。同図に示された複数の水管Pの最内周のループ部50については、前記実施形態と同様に、幅方向の両端部S2a,S2bが半円弧状の曲管部とされている。ただし、それよりも外周寄りの他の複数の
ループ部50Aについては、全体が平面視略矩形状であり、幅方向の両端部S2a,S2bは、直線部を一部に含む曲管部として構成されており、曲げ部分の曲率半径が小さくされている。このような構成によれば、ケース7の四隅部分78、またはその近傍に螺旋状管体部5の一部を配置することが可能となり、ケース7内のデッドスペースを小さくするのに好適である。
上述した実施形態では、顕熱回収用の1次熱交換器については、本発明を適用していないが、本発明に係る熱交換器は、顕熱回収用、潜熱回収用の種別を問うものではない。
本発明に係る温水装置においては、燃焼器として、ガスバーナ以外のものを用いてもよく、たとえばオイルバーナを用いた構成とすることもできる。本発明でいう温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を含む。
本発明が適用された給湯装置の一例を示す概略正面断面図である。 図1に示す給湯装置の要部正面図である。 図1のIII−III断面図である。 図1に示す給湯装置の要部側面図である。 (a)は、図1に示す給湯装置の2次熱交換器の平面断面図であり、(b)は、その正面断面図である。 (a)は、図5に示す2次熱交換器の水管の一例を示す平面図であり、(b)は、(a)のVI−VI断面図である。 本発明が適用された熱交換器の他の例を示す平面断面図である。 従来技術の一例を模式的に示す説明図である。
符号の説明
A 給湯装置
B 2次熱交換器
P 水管
S1 幅方向の中央部(ループ部の)
S2a,S2b 幅方向の両端部(ループ部の)
3 燃焼器
5 螺旋状管体部
7 ケース
50 ループ部(螺旋状管体部の)
50a,50b 直管部(水平管体部)
50c,50d 曲管部(傾斜管体部)
51,52 延設管体部
51a 曲げ部
70a 後壁部(ケースの)
70b 前壁部(ケースの)
70c 上壁部(ケースの)
70d 底壁部(ケースの)
71 給気口
72 排気口
79a,79b 隙間

Claims (3)

  1. 一連に繋がった複数のループ部が鉛直方向に並んだ螺旋状管体部を有する熱交換用の複数の水管と、
    前記螺旋状管体部の周囲を囲み、かつ内部に燃焼ガスが導入されるケースと、
    を備えている、熱交換器であって、
    前記螺旋状管体部の各ループ部は、前記ケースの前後方向に間隔を隔てて前記ケースの幅方向に延びる一対の直管部と、これら一対の直管部の両端どうしを繋ぎ、かつ全体が円弧状とされ、または一部が直線部とされた一対の曲管部と、を有する平面視略長円状または略矩形状とされ、
    前記一対の曲管部は、水平面に対して傾斜した傾斜管体部とされ、かつ前記一対の直管部は、非傾斜状の水平管体部とされており、
    前記複数の水管の螺旋状管体部は、サイズが互いに相違した構成とされて略同心の重ね巻き状に配されていることにより、前記直管部は鉛直方向に加えて前記ケースの前後方向にも複数対以上に並び、かつ前記曲管部は鉛直方向に加えて前記ケースの幅方向にも複数対以上に並んだ構成とされ、
    前記ケースは、前記複数の水管の螺旋状管体部を鉛直方向において挟み、かつ前記螺旋状管体部の最上部および最下部のループ部と隙間を隔てた上壁部および底壁部と、前記前後方向において前記螺旋状管体部を挟み、かつ燃焼ガス用の給気口および排気口がそれぞれ形成されている後壁部および前壁部と、を備えており、
    前記給気口から前記ケース内に燃焼ガスが導入されたときには、この燃焼ガスは前記複数の水管のそれぞれの螺旋状管体部の複数のループ部間および前記隙間を前記ケースの前後水平方向に通過して前記排気口に達するように構成されていることを特徴とする、熱交換器。
  2. 前記水管は、前記螺旋状管体部の最下部のループ部に繋がった延設管体部を有しているとともに、この延設管体部の一部分は、前記ケースの外部に露出し、かつこの露出部分には、この延設管体部の先端寄りほど高さが低くなるように曲がった曲げ部が設けられている、請求項1に記載の熱交換器。
  3. 請求項1または2に記載の熱交換器と、前記ケース内に燃焼ガスを導入させる燃焼器と、を備えていることを特徴とする、温水装置。
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