(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側区画及び下側区画を有する円筒壁、上側開口、下側開口、内腔、及び、中心縦軸線を備える概して円筒形のハウジングであって、前記内腔が前記下側開口に前記上側開口を接続する、ハウジングと、
開放上端、閉鎖下端、及び、前記開放上端と前記閉鎖下端とを接続する円筒壁を備える概して円筒形のバーナーであって、前記バーナーの前記円筒壁が、等間隔で隔てられた複数の開口部を備える、バーナーと、
第１コイルセクション、第２コイルセクション、及び、２つの端部コイルループによって形成される複数のコイルループであって、前記２つの端部コイルループの各々が入口ポート又は出口ポートによって終端をなしている複数のコイルループ、複数の熱伝導フィン、内周、外周、螺旋コイル外径、中心縦軸線、及び、内腔を備える螺旋コイルであって、前記複数の熱伝導フィンが前記複数のコイルループと前記２つの端部コイルループとに熱接触係合して配置される、螺旋コイルと、
上端壁、下端壁、外径、中心縦軸線、前記上端壁及び前記下端壁を接続する円筒壁、開口を有する出口管、及び、入口ポートを備えるバッファタンクであって、当該バッファタンクが前記螺旋コイルの前記第２コイルセクション内に実質的に配置されており、前記出口管が前記下端壁を実質的に通って延びており、前記上端壁の頂点から所定の距離で実質的に配置された前記出口管の前記開口で終端をなし、及び、前記入口ポートが前記下端壁上に前記出口管の前記開口から離れて配置される、バッファタンクと、
を備える熱交換器であって、
前記螺旋コイルの前記入口ポートが、流入してくる冷水を受け入れて、前記螺旋コイルの前記出口ポートを介して加熱された水を出力し、
前記螺旋コイル外径が前記ハウジングの前記内腔の径と実質的に同一であり、
前記螺旋コイルが、前記螺旋コイルの前記中心縦軸線が前記ハウジングの前記中心縦軸線と実質的に同一直線上にあるように前記ハウジング内に配置されており、
前記第１コイルセクションが前記バーナーを実質的に取り囲んでおり、
前記第２コイルセクションが前記バッファタンクを実質的に取り囲んでおり、
前記第１コイルセクションが前記第２コイルセクション上に配置されており、及び、
前記螺旋コイルの前記内腔の径が実質的に前記バッファタンクの外径であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、前記上端壁は、前記上端壁の外面上に凝縮物を回収する傾向を排除するように円錐形状に形成されることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１に記載の熱交換器において、少なくとも１つのロープシールが、隣接するコイルループ同士の間で前記螺旋コイルの少なくとも一部の間に配置されることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１に記載の熱交換器において、前記バッファタンクは電気加熱素子をさらに備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１に記載の熱交換器において、前記バッファタンクは、流体圧力の突然の変化の損傷を与える作用に適応する膨張空気袋をさらに備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
上側区画及び下側区画を有する円筒壁、上側開口、下側開口、内腔、及び、中心縦軸線を備える概して円筒形のハウジングであって、前記内腔が前記下側開口に前記上側開口を接続する、ハウジングと、
開放上端、閉鎖下端、及び、前記開放上端と前記閉鎖下端とを接続する円筒壁を備える概して円筒形のバーナーであって、前記円筒壁が、等間隔で隔てられた複数の開口部を備える、バーナーと、
第１コイルセクション、第２コイルセクション、及び、２つの端部コイルループによって形成される複数のコイルループであって、前記２つの端部コイルループの各々が入口ポート又は出口ポートによって終端をなしているコイルループ、複数の熱伝導フィン、内周、外周、螺旋コイル外径、中心縦軸線、及び、内腔を備える螺旋コイルであって、前記複数の熱伝導フィンが前記複数のコイルループと前記２つの端部コイルループとに熱接触係合して配置され、及び、少なくとも１つのロープシールが、隣接するコイルループ同士の間の前記コイルループの少なくとも一部上に配置される、螺旋コイルと、
を備える熱交換器であって、
前記螺旋コイルの前記入口ポートが、流入してくる冷水を受け入れて、前記螺旋コイルの前記出口ポートを介して加熱された水を出力し、
前記螺旋コイル外径が前記ハウジングの前記内腔の径と実質的に同一であり、
前記螺旋コイルが、前記螺旋コイルの前記中心縦軸線が前記ハウジングの前記中心縦軸線に実質的に同一直線上にあるように前記ハウジング内に配置され、
前記第１コイルセクションが前記バーナーを実質的に取り囲み、及び、
前記第１コイルセクションが前記第２コイルセクションの頂上に配置されることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１または６に記載の熱交換器において、前記ハウジングはその長さに沿って可変径を備えており、前記上側区画は、前記下側区画に対する当該上側区画の径の比率が１．０５〜１．１５の範囲になるように増大した径を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項１または６に記載の熱交換器において、その外面部分の周りに少なくとも１つのシールを有し、前記２つの端部コイルループの各々の内腔内のその全体内に挿入されることが可能であって前記螺旋コイルの外部の配管が接続されるポート取り付け部品をさらに備え、前記少なくとも１つのシールは前記螺旋コイルの外部の配管と前記螺旋コイルの間での漏れを防ぐシールを提供し、前記ポート取り付け部品は前記端部コイルループの各々に対して相対運動することが可能であることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１または６に記載の熱交換器において、流入してくる空気／燃料混合ガスの流れを受け取る上部鋳物をさらに備えており、前記上部鋳物は、入口ポートと、出口ポートと、前記入口ポートから前記出口ポートへの前記流入してくる空気／燃料混合ガスの流れを包含するためのキャビティと、前記空気／燃料混合ガスの流れに対する前記上部鋳物からの余分な熱を伝達する手段と、前記上部鋳物の周辺環境に対する前記上部鋳物からの余分な熱を除去する手段と、を備えており、前記上部鋳物の前記出口ポートが前記バーナーの前記開放上端に固定して取り付けられており、前記上部鋳物が前記ハウジングの前記上側開口に固定して取り付けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項１または９に記載の熱交換器において、前記上部鋳物からの余分な熱を前記流入してくる空気／燃料混合ガスの流れに伝達する手段は少なくとも１つの分流器であることを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
請求項１または６に記載の熱交換器において、前記２つの端部コイルループの各々は、隣接するコイルループと実質的に同一の角度を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項１２】
請求項１または６に記載の熱交換器において、前記螺旋コイルの前記複数の熱伝導フィンの密度は、前記螺旋コイルの長さの少なくとも一部にわたって変化することを特徴とする熱交換器。
【請求項１３】
上側区画及び下側区画を有する円筒壁、上側開口、下側開口、内腔、及び、中心縦軸線を備える概して円筒形のハウジングであって、前記内腔が前記下側開口に前記上側開口を接続する、ハウジングと、
開放上端、閉鎖下端、及び、前記開放上端と前記閉鎖下端とを接続する円筒壁を備える概して円筒形のバーナーであって、前記バーナーの前記円筒壁が、等間隔で隔てられた複数の開口部を備える、バーナーと、
第１コイルセクション、第２コイルセクション、及び、２つの端部コイルループによって形成される複数のコイルループであって、前記２つの端部コイルループの各々が入口ポート又は出口ポートによって終端をなしているコイルループ、複数の熱伝導フィン、内周、外周、螺旋コイル外径、中心縦軸線、及び、内腔を備える螺旋コイルであって、前記複数の熱伝導フィンが前記複数のコイルループと前記２つの端部コイルループとに熱接触係合して配置される、螺旋コイルと、
高温端及び低温端を有する自由ピストンを備えるスターリングエンジンであって、前記高温端が前記バーナーの前記閉鎖下端に隣接して配置され、前記高温端が外径を有する、スターリングエンジンと、
を備える熱交換器であって、
前記螺旋コイルの前記入口ポートが、流入してくる冷水を受け入れて、前記螺旋コイルの前記出口ポートを介して加熱された水を出力し、
前記螺旋コイル外径が前記ハウジングの前記内腔の径と実質的に同一であり、
前記螺旋コイルが、前記螺旋コイルの前記中心縦軸線が前記ハウジングの前記中心縦軸線と実質的に同一直線上にあるように前記ハウジング内に配置され、
前記第１コイルセクションが前記バーナーを実質的に取り囲んでおり、
前記第２セクションが、前記高温端が前記バーナーから熱を受け取るように前記スターリングエンジンの前記高温端を実質的に取り囲んでおり、
前記第１コイルセクションが前記第２コイルセクションの頂上に配置され、及び、
前記螺旋コイルの前記内腔の径が前記スターリングエンジンの前記高温端の実質的に外径であることを特徴とする熱交換器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱交換器において、前記スターリングエンジンは、水冷低温端をさらに備えており、前記螺旋コイルの前記入口ポートへの流入送水管は、当該流入送水管が前記螺旋コイルの前記入口ポートに入る前に前記低温端からの熱を前記流入送水管が除去するように、前記低温端に熱接触係合するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１５】
請求項１３に記載の熱交換器において、前記スターリングエンジンは、ガス冷却低温端をさらに備えており、空気／燃料混合ガスは、前記空気／燃料混合ガスが前記バーナーに入る前に前記低温端からの熱を前記空気／燃料混合ガスが除去するように、前記低温端に熱接触係合するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年８月１８日に出願された米国仮特許出願第６１／２３４，７１０号の優先権の利益を主張する。本願は、２０１０年８月１７日に出願された米国特許出願第１２／８５８，１０１号の優先権の利益を主張する。前記出願はその全体が参照によって組み入れられる。
【０００２】
本発明は、概して熱交換器に関し、特に、タンクレス温水システム用のコイル管熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
タンクレス温水システムでは、高温の温水の突然の需要を満たすため及び温度スパイクの影響を軽減するために、有限のエネルギー貯蔵装置としてバッファタンクが一般的に使用されている。少なくともフィン及び管の熱交換器を有する従来技術のタンクレス温水システムでは、別個の貯蔵装置が、バッファタンクとして一般的に使用されており、フィン及び管の熱交換器から外側に配置されている。フィン及び管の熱交換器は、概して円筒形のハウジングと、ハウジング内に同心円状に配置された螺旋コイルと、螺旋コイルの一端でコイルの内腔内に配置された放射燃焼バーナーと、螺旋コイルの他端で螺旋コイルの内腔内に配置されたセラミックディスクと、を備えている。一般的に、ハウジングの上部に固定して配置された上部鋳物は、バーナーに向かう強制的な空気／燃料混合ガスの流れを生成する送風機との間の界面として機能する。セラミックディスクは、高温燃焼排ガスがその流路内の構成要素を損傷させることを防止するための障壁として、及び、螺旋コイル内の水流への燃焼排ガスからの熱伝導を改善するために螺旋コイルの外面をより効果的に取り囲むように高温燃焼排ガスを導くための障壁として、機能する。しかしながら、内腔内でのセラミックディスクの使用は、有益な熱交換器の設置面積を占め、製造及び設置コストを増大させ、及び、最大量のエネルギーを利用及び回収することができない。こうした設置では、典型的に流体バッフル板がコイルの巻き線（ループ）の間で使用されて位置決めされ、その結果、高温燃焼排ガスはより効率的にコイル管周りに向けられることが可能である。高温燃焼排ガスから螺旋コイルへの熱伝導を向上させるために有効であるものの、高温燃焼排ガスの流路内にそこを通って漏れ出る隙間がある。上部鋳物を通じた不十分な熱回収はさらに、不必要に上部鋳物を熱くし、環境に対する廃棄物を生じさせ、及び、構成要素を取り囲む不必要な過熱を生じさせる。
【発明の概要】
【０００４】
従来技術の限界を克服するため、新規でこれまで知られていないタンクレス温水システム用熱交換器が提供される。新規な熱交換器は、入口ポート及び出口ポートを有する螺旋コイルであって、直立して配置されるステンレス鋼製の概して円筒形の可変径のハウジング内に同心円状に配置された螺旋コイルを備える。螺旋コイルの全長にわたって外側にフィンが配置される。一実施形態では、フィンは、高温燃焼排ガスの分布のむらを低減するために螺旋コイルの長さの少なくとも一部にわたって様々なフィン密度で配置される。フィン密度は、螺旋コイルの単位長さあたりのフィンの数として定義される。概して円筒形のバッファタンクが螺旋コイルの内腔の下部内に配置される一方で、螺旋コイルの内腔の上部内に放射直接燃焼バーナーが配置される。バーナーは、概して円筒形であり、開放上端と、閉鎖下端と、開放上端及び閉鎖下端を接続する円筒壁と、を備えており、円筒壁は、等間隔で隔てられた複数の開口を備える。
【０００５】
上部鋳物は、ハウジングにバーナーを固定して接続する一方で、当該上部鋳物からの余分な熱の除去を可能にすると同時にバーナーに流入する空気／燃料混合ガスのための流路を提供する。燃料は、限定されないものの、天然ガス及びプロパンを含む。上部鋳物はハウジングの上側開口に固定して取り付けられる。送風機の圧力の作用下の空気／燃料混合ガスは、上部鋳物の入口ポートを介して供給され、燃焼のために放射直接燃焼バーナーに向かって下方に方向づけられる。流入してくる冷水への高温燃焼排ガスからの熱伝導をさらに向上させるため、及び、ハウジング内の螺旋コイルの設置の完全性を向上させるため、少なくとも１つのロープシールがさらに設けられる。ロープシールは、螺旋コイル管の外周を実質的に取り囲む方向に高温燃焼排ガスを方向付けるために少なくとも２つの螺旋コイルループ同士の間に配置される。
【０００６】
使用時、流入してくる冷水が、螺旋コイルの入口ポートを通って供給され、ハウジングの円筒内面とバッファタンクの円筒外面との間の空間を通って流れる高温燃焼排ガスから最初に熱を受け取り、その後、螺旋コイルの出口ポートを介して流出する前に、バーナーによって提供される放射熱からエネルギーを受け取る。バッファタンクは、上端壁、下端壁、並びに、上端壁及び下端壁に接続される円筒壁を有する概して円筒形のタンクである。開口を有する出口管が、下端壁の実質的に中心に配置される一方で、入口ポートは、下端壁の中心から離れて配置される。出口管は、バッファタンクの外側から下端壁を通って延び、上端壁に実質的に配置される出口管の開口で終端をなす。加熱された水は、螺旋コイルの出口ポートを介して流出してバッファタンクの入口管に流入する際、加熱された水は、高温燃焼排ガスからの熱を主として受け取ってバーナーからの放射熱を副次的に受け取るバッファタンク内の熱を受け取り続ける。高温燃焼排ガスの流路内の構成要素の過熱を防止するためのセラミックディスク断熱材とバッファタンク周りの断熱材とが従って必要とされない。上端壁は、そうでなければこの表面上に集まり得る凝縮物を偏向させるための円錐形状の表面である。バーナーの下端は、火炎成功可能要素（flame enabling
elements）を欠いた実質的に平坦な表面である。このようにして、バーナーの下端のすぐ下のバッファタンクの部分は、局所的な沸騰を生じさせないように直接炎に曝されない。
【０００７】
螺旋コイルの入口ポート又は出口ポートがその上に配置される螺旋コイルの巻き線（ループ）の間隔を空けることを必要としない新規なポート取り付け部品がさらに提供される。
【０００８】
一実施形態では、膨張空気袋がバッファタンク内に配置される。この膨張空気袋は、外部膨張タンクの機能を実行し、外部膨張タンクを必要としない。
【０００９】
本発明の一実施形態では、高温端及び低温端を有するスターリングエンジン（Stirling engine）が、バッファタンクのために形成されるキャビティ内に配置される。この実施形態では、温水の生成に加えて、熱交換器は電気を生成することができる。
【００１０】
本発明の目的は、熱交換器の設計を省くコンパクトな空間を提供することである。
【００１１】
本発明の目的は、外部の断熱材を必要としないバッファタンクを提供することである。
【００１２】
本発明の目的は、セラミックディスク断熱材を必要としない熱交換器を提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、バーナーからの放射熱及び高温燃焼排ガスからの対流熱を得て放射熱及び対流熱の損失を防止するものの、バッファタンク内の水を加熱するための熱を回収するバッファタンクを提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、高温燃焼排ガスの不均一な分布を防止することである。
【００１５】
本発明の目的は、製造が困難でありコストがかかる過度に厳しい公差を必要としない熱交換器の設計を提供することである。
【００１６】
本発明の目的は、フィン表面からの大きな熱伝導を提供して螺旋コイルのフィンに対する高温燃焼排ガスの流れを増大させることである。
【００１７】
本発明の目的は、上部鋳物の過熱を防止することである。
【００１８】
本発明の目的は、たまり及び腐食の凝縮を防止するバッファタンクを提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、局所的な沸騰を防止するバッファタンクを提供することである。
【００２０】
本発明の目的は、運転中は実質的にいつでも完全に満たされるバッファタンクを提供することである。
【００２１】
本発明の目的は、優れた混合を提供し、温度変動を最小化し、及び、冷水のサンドイッチを排除するバッファタンクを提供することである。
【００２２】
本発明の目的は、対流熱の伝導のためにバッファタンクの壁を使用するバッファタンクを提供することである。
【００２３】
本発明の熱交換器のさらに別の特徴は、外部の膨張タンクを必要としないことである。
【００２４】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲からさらに十分に明確にされ、又は、以下に説明するように本発明の実施によって精通され得る。
【００２５】
本発明の上に列挙した及び他の利点及び目的を達成する方法のため、上で簡単に説明した本発明のさらに特定の説明が、添付の図面に図示するその特定の実施形態を参照することによって提供される。これらの図面が、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、及び従って、その範囲を限定するものとして考慮されるべきではないことが理解され、本発明は、添付の図面の使用を通じてさらなる特異性及び詳細によって記述及び説明される。
【００２６】
図面は縮尺通りではなく、実際には、いくつかの様相が、明細書の良好な図示及び理解のために強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】熱交換器を有する温水システムの正面斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの温水システムの垂直正面図である。
【図２】図１Ｂの熱交換器の正面垂直断面図である。
【図２Ａ】ロープシールを採用しない螺旋コイル周りの高温燃焼排ガスの部分垂直正面図である。
【図２Ｂ】ロープシール及びそらせ板を有する螺旋コイル周りの高温燃焼排ガスの部分垂直正面図である。
【図２Ｃ】バッファタンクを取り囲む螺旋コイルループを取り囲むように高温燃焼排ガスを導くための代替の通気バッフル板の使用を示す図１Ｂの熱交換器の正面垂直断面図である。
【図３】図２の熱交換器及び電気熱源及び太陽熱源を示す図である。
【図４】過熱を防止して上部鋳物を冷却するために空気／燃料混合ガスの流れを使用する手段を示す上部鋳物の内部構造の上面斜視図である。
【図５】螺旋コイルの端部を外部配管に接続するポート取り付け部品の部分正面垂直断面図である。
【図５Ａ】従来のポート取り付け部品を螺旋コイルの端部に取り付ける手段を示す螺旋コイルの部分垂直側面図である。
【図５Ｂ】ポート取り付け部品を本発明の螺旋コイルに取り付ける手段を示す螺旋コイルの部分垂直側面図である。
【図６】図２の螺旋コイルの底面図である。
【図７】複合した単一のバーナー熱交換器及びスターリングエンジンを使用する温水及び発電機の組み合わせの実施形態である。
【図８】改善して複合した単一のバーナー熱交換器及びスターリングエンジンを使用する温水及び発電機の組み合わせの実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１Ａは、熱交換器４を有する温水システムの上部正面斜視図である。使用時、熱交換器４は、熱交換器４に接続された送風機３からの強制的な空気／燃料混合ガスの流れを受け取る。図１Ｂは図１Ａの温水システムの垂直正面図である。図２は、図１Ｂの熱交換器の正面垂直断面図を示している。以下の詳細な説明は、本願の一実施形態に係る本発明の概念の理解を助けるためにタンクレス温水システムに関連して熱交換器内の水の流れを説明する。しかしながら、例えば温水循環式暖房のエチレングリコールなどの他の流体が加熱されてもよいことが理解されよう。
【００２９】
図２を参照すると、熱交換器４は、上部鋳物３４と、可変径で円筒形のステンレス鋼製のハウジング２０内に収容されたフィン付き螺旋コイル１８と、を備えている。ハウジング２０は、概して円筒形の壁と、内腔と、上側開口と、下側開口と、を備えている。放射燃焼バーナー１４と円筒バッファタンク３２とが、フィン付き螺旋コイル１８の内腔内でハウジング２０と軸方向に同心円状に配置されている。バーナー１４内に受け入れられる空気／燃料混合ガスを引火させるために、バーナー１４に極めて近接した位置に１以上の点火装置１０が配置されている。使用時、冷水が、螺旋コイル入口ポート６２から螺旋コイル１８を通って移動し、螺旋コイル出口ポート６４を通って外側に出る。一実施形態では、螺旋コイル出口ポート６４はバッファタンク入口ポート６に接続されている。
【００３０】
図示した実施形態では、バッファタンク３２は下端壁１３及び上端壁１２を有している。バッファタンク入口ポート６はバッファタンク３２の下端壁１３に取り付けられている。所定の他の構成では、バッファタンクの出口管８が、例えばポンプ、電磁弁、逆止弁、パイプ「Ｔ」他などの構成要素を備える周知の実施可能な構成を介して、螺旋コイル入口ポート６２に接続されている。バッファタンクは、タンクレス温水システムに一般的に使用されており、実施の過渡中に過度に冷たい又は温かい水を軽減するために温水の予備供給源として機能する。
【００３１】
別の実施形態では、乱れを作り出して、バッファタンク３２内にある水と流入してくる水との混合を促進するためにバッフル又はバレル孔式の入口システム（図示せず）が設けられる。さらに別の実施形態では、バッファタンク入口ポート６及び内部バッファタンクバッフル及び／又はバレル孔式システムのバッフルの直角構造の組み合わせによって効率的な混合が提供される。
【００３２】
図２に示す実施形態では、バッファタンク入口ポート６は、バッファタンク出口管８の開口よりも低い位置に配置される。出口管８は好適には、バッファタンクの実質的に中心縦軸線３３で下端壁１３を通ってバッファタンク３２の上端壁１２に実質的に近い位置まで延びる立ち上がり管である。こうした構造は、バッファタンク３２内で空気の泡の形成を防止し、均一に分布した加熱された水の供給を保証する。こうした構造はまた、バッファタンクの充填を促進し、バッファタンクの貯蔵容量を最大化する。出口管８の開口と入口ポート６との大きな分離は、バッファタンク３２内にある水と流入してくる水との混合を促進する。局所的に沸騰しない所定の領域内に出口管８を位置決めすることによって、流出する流れが完全に混合されて流出する水が沸点に達しないことが保証される。
【００３３】
輸送のため又は非使用時にバッファタンクを空にすることを容易にするために通常通りに栓をした排水ポートが設けられている。本発明では、入口ポート６は、重力による排水を促進するためにバッファタンク内の低い位置に配置されているので、排水管として代替的に機能する。
【００３４】
使用時、送風機３（図１Ａ及び図１Ｂ）は、上部鋳物３４の入口ポートに接続されている。この上部鋳物３４内では、空気／燃料混合ガスの未燃焼流が、上部鋳物３４からの余分な熱を除去することを助けるためにそのキャビティを通じて導かれる。余分な熱の除去を向上させる機構の詳細は他の箇所で説明する。上部鋳物３４の過熱を防止するために上部鋳物３４及びバーナー１４の間に断熱材３５が配置されている。空気／燃料混合ガスはその後、燃焼が起きるバーナー１４に供給される。燃焼が起きると、高温燃焼排ガスが生成され、新しく入れられる空気／燃料混合ガスによってバーナーで螺旋コイルを取り囲むように連続的に拡散され、熱交換器ハウジング２０の上側開口から下側開口まで方向１６及び３８に運ばれる。
【００３５】
螺旋コイル１８の外周及びハウジング２０の内面によって形成される空間への高温燃焼排ガスの流れを促進するさらなる空間を提供するために、熱交換器ハウジング２０の円筒壁内に大径区画２２が形成される。螺旋コイル周りの増大した高温燃焼排ガスは、螺旋コイル内の水流に対する熱伝達率を増大させる。図２に示すように、送風機３（図１Ａ及び図１Ｂ）の助けによって、高温燃焼排ガスが、連続した螺旋コイルループの間の隙間２４を通り抜けて、螺旋コイル１８の外周上の螺旋コイルの表面に到達する。高温燃焼排ガスは、水への熱伝導を最大化するために、螺旋コイル１８内の通常の水流の方向とは反対の方向に提供される。熱交換器ハウジング２０の下端に向かって高温燃焼排ガスが移動するにつれてバーナーから遠ざかる際、高温燃焼排ガスは、バッファタンク３２を取り囲む第２セクション７０を取り囲むように流れる。区画２２では、ハウジングの内腔の径は、限定されないものの、好適には区画２３におけるハウジングの標準径よりも少なくとも５％大きい。さらに好適な実施形態では、区画２３に対する区画２２の径の比率の範囲は約１．０５〜１．１５である。
【００３６】
図２を参照すると、高温燃焼排ガスから螺旋コイル管内の水流への熱伝導は、第２セクション７０内の螺旋コイルループ同士の間に、すなわち、バッファタンク３２を取り囲む螺旋コイルループ同士の間に、ロープシール３０を配置することによってさらに促進される。ロープシール３０は、例えばシリコーンなどの高い温度グレードの弾性材料、又は、高温で酸性の環境に配置されることが可能な任意の適切な断熱材料から形成されることが可能である。第２セクション７０では、ロープシール３０は、螺旋コイルの外周上の螺旋コイルループ同士の間の所定の位置に固定され、及び、２番目のロープシール３０が、螺旋コイルの内周上の螺旋コイルループ同士の間に配置される。第１セクション６８では、ロープシールは、高温燃焼排ガスがバーナーからハウジング２２の大径区画までルートに沿ってコイル管を取り囲むように、螺旋コイルの外周上の螺旋コイルループ同士の間の所定の位置に固定される。第２セクション７０では、螺旋コイルの外周上に配置されたロープシール３０の露出面が熱交換器ハウジング２０の内面に接触する一方で、螺旋コイルの内周上に配置されたロープシール３０の露出面がバッファタンク３２の外面に接触する。
【００３７】
図２Ａは、ロープシールを採用しない場合の螺旋コイルループ周りの高温燃焼排ガスの流れを示す部分垂直正面図である。ロープシールがないので、高温燃焼排ガスは、螺旋コイル管の全外面をぐるりと回らないで、螺旋コイル１８の内周及び外周を通って妨げられずに（方向３８Ａによって示すように）流れ、それによって、螺旋コイルに熱を伝導する機会を失う。本発明の一実施形態では、図２Ｂにさらに明確に示すようにロープシールが利用される。図２Ｂは、ロープシールとそらせ板２８を装着したバッファタンク３２とによる螺旋コイル周りの高温燃焼排ガスの流れを示す部分垂直正面図である。ロープシールを採用することによって、高温燃焼排ガスは、螺旋コイル１８の内周及び外周を通って妨げられずに流れず、代わりに、方向３８で示すように螺旋コイルの全表面をぐるりと回る。設置状態では、ロープシールは、熱交換器ハウジング２０の壁及びバッファタンク３２の壁に係合して接触し、それによって、一貫した隙間４１Ａ、４１Ｂを維持する。従来の温水システムでは、熱交換器ハウジング内での螺旋コイル及びバッファタンクの組み立て中、熱交換器ハウジングの内面と螺旋コイルの外面との間、及び、螺旋コイルの内周とバッファタンクの外径との間の厳しい公差に取り組まなければならない。押し込まれて設置された形態では、ロープシール３０の特有の断面形状が、過度な公差の制御なしに所定の位置に螺旋コイルを固定して保持することによって、熱交換器ハウジング内での螺旋コイルの設置を容易にする。高純度のステンレス鋼製そらせ板２８は、過度に高温で損害を与える高温燃焼排ガスにロープシールを曝すことを防止するために高温燃焼排ガスの流路内でロープシール３０の上流側に設置される。
【００３８】
バッファタンク３２の上端壁１２は、この表面上に回収することができる凝縮物をそらすために円錐形状の表面によって好適に形成されている。さらに、この形状はまた、バッファタンクのシェル端の強度を向上させ、酸性の凝縮物がこの表面上で回収することを許容される場合には腐食を防止する。自然斜面が凝縮物を排水する。排水は、高温燃焼排ガスそらせ板２８内に開口２９を有することによってさらに提供される。
【００３９】
図２に示す実施形態では、バッファタンク３２は、温水システムにおいて別個の膨張タンクのための必要性に取って代わる膨張空気袋４０をさらに備える。膨張タンクは、容量変化に起因した突然の流体圧力変化の損傷を与える作用に配慮するために温水システムで一般的に使用されている。
【００４０】
図２を参照すると、螺旋コイル１８は、配管に一体的に形成されるか又は螺旋コイル管１９上に別個に巻き付けられて管１９上にレーザで溶接される熱伝導フィンをさらに備える。フィン６６の密度は、螺旋コイル１８の全長にわたって一定のままであってよく、又は、変化してよい。例えば、熱伝導を向上させるため、熱伝導フィンの密度又は熱伝導の全表面積は、バッファタンク３２を取り囲む第２セクション７０で増大し、バーナーに面する第１セクション６８で減少してよい。フィン密度及びサイズを変化させることによって、熱交換器において熱伝導の最適化を実現することができる。第１セクション６８への熱伝導時、高温燃焼排ガスの容積は減少する。第２セクション７０でフィン密度を増大させることは、高温燃焼排ガスの速度を増大させるように働き、それによって、螺旋コイルの全長にわたって熱伝導率を維持する。
【００４１】
螺旋コイルは２つのセクションを有するように図示され得る。バーナーに極めて近接して配置されることによって、第１セクション６８は、放射燃焼バーナーを取り囲み、主として伝導、対流及び放射を介してバーナーから熱エネルギーを受け取る。第２セクション７０は、非熱生成構成要素すなわちバッファタンクを取り囲み、バーナーからさらに離れて配置され、第１セクション６８からの高温燃焼排ガスの流れの下流側に配置される。第２セクション７０は対流のみを介して主としてバーナーから熱エネルギーを受け取る。コイル配管の長さに沿った均一分布のフィン密度は、第１セクション６８内の顕著にさらに高い熱伝導率（及び従って温度）を生じさせる。２つのセクションの間のこの高い温度勾配は、螺旋コイルの表面の亀裂を生じ得る過度の熱応力を生じさせる。図２に示す実施形態では、熱電をほとんど受け取らないので、高い熱伝導率をもたらすために第２セクション７０のフィン密度を増大させることができる。フィン密度は、第１セクション６８から第２セクションに向かって次第に増大するように変化させてもよい。
【００４２】
図２Ｃは、バッファタンク３２を取り囲む螺旋コイルループを取り囲むように高温燃焼排ガスを導くために排気バッフル板２７を代替的に使用することを示す図１Ｂの熱交換器の正面垂直断面図である。こうした排気バッフル板は、湾曲した薄い平坦なステンレス鋼板から一般的に形成されており、各々が、螺旋コイルループを取り囲むように高温燃焼排ガスを導くためにその縦軸線に沿って１以上のスロットを有している。図２Ｃはまた、バッファタンクの入口ポートの代替構造を示している。この実施形態では、バッファタンク入口ポート７がバッファタンクの中心縦軸線３３に対して実質的に直角に形成される。この構造は、バッファタンク３２内にある水と流入してくる水との混合を促進するためにバッファタンク３２を通って流入してくる水を効果的に別ルートで送る。
【００４３】
図３は、電気熱源及び太陽熱源と複合した図２の熱交換器４を示している。一実施形態では、熱交換器４は追加の熱源として電気加熱システムを備える。住宅用又は商業用システムは、ＨＶＡＣ暖房、放射床暖房及び携帯温水暖房を含む。微細な変調加熱出力を提供することができる電気加熱素子４３が、バッファタンク内に沈められて、バッファタンク３２を通って流れる水と直接接触する。微細な変調加熱出力を提供することに加えて、さらなる熱源が、バーナー１４と関連した大量の温水要求の大部分を提供するために使用され得る。
【００４４】
別の実施形態では、熱交換器４は、補助熱を提供するための太陽熱利用システムを備える。この例では、太陽熱利用システムは、太陽熱配管４４内で循環する熱伝導流体に熱的に結合される太陽エネルギー収集器５０を備えており、太陽エネルギー収集器５０は、ポンプ５２と、バッファタンク３２内に配置された太陽熱交換器４６と、を使用する。使用時、太陽エネルギー収集器５０を介して熱伝導流体によって利用される太陽エネルギー４８は、太陽熱交換器４６を介してバッファタンク３２の流れに伝達される。さらに別の実施形態では、図３に示すように、放射燃焼バーナー−バッファタンクの熱交換器、電気加熱素子４３及び太陽熱交換器４６の組み合わせが使用される。
【００４５】
図４は、空気／燃料混合ガスの流れが上部鋳物３４を冷却して過熱を防止するために使用される機構を示す上部鋳物３４の内部構造（上部カバーが取り外された状態）の上部斜視図である。その上に空気／燃料混合ガス入口ポート３７（図２参照）が配置されたプレートが、そうした機構を露わにするために取り除かれている。空気／燃料混合ガスの流れ５８は、上部鋳物３４の入口ポート３７で受け取られ、くさび部５７に衝突する際に連続的に分離され、流入してくる空気／燃料混合ガスの流れ５８を２つの流れ５８ａに分割し、各々の流れ５８ａは、出口ポート３６に結果的につながる分流器５６によって規定される半円路回りに回る。空気／燃料混合ガスは、上部鋳物のキャビティ内を流れる際、上部鋳物３４を通じて漏れ出るバーナーの燃焼熱を吸収し、それによって、そうでなければ失われる熱を回収する一方で上部鋳物３４を冷却する。より低温の上部鋳物３４及びより効率的な熱の回収によって、熱交換器は、より低温で動作し、繰り返し熱応力を減少させるとともに上部鋳物３４の寿命を増大させる低温変化で動作する。さらに熱を放散させるために上部鋳物の外面上に一連の熱放射フィン５４が形成される。熱交換器は従って、高い外気温で作動することができ、熱交換器が配置されたキャビネット内の他の構成要素を過熱しない。
【００４６】
図５は、螺旋コイルの端部を外部配管に接続するポート取り付け部品の部分正面垂直断面図である。ポート取り付け部品７２は、ガス、空気及び流体に対するシールを提供する。図示するように、螺旋コイルの内腔と同様のサイズの内腔を有するポート取り付け部品７２の一端が、螺旋コイルの端部の内腔内に挿入されており、コイルの内面に対して押し付けられるＯリング７４を使用して摩擦によって所定の位置に固定されており、取り付け部品７２内に形成された円周溝７５に対して嵌め込まれている。ポート取り付け部品７２の外面上に形成された円周固定フランジ７７は、ポート取り付け部品７２が螺旋コイルの端部から脱落することを防止する。外部配管７９は、ポート取り付け部品７２の第２端上に、一般的には半田付けされ、又は、摩擦によって嵌め込まれる。螺旋コイルの端部とポート取り付け部品７２との間の摩擦による嵌め込みは、螺旋コイルが自由に浮遊することを可能にし、損傷を引き起こさずに螺旋コイル内に繰り返しの熱的変化及び外力に適応することを可能にする。同様のポート取り付け部品が螺旋コイルの他端上に使用される。このポート取り付け部品の利点は、図５Ａ及び図５Ｂを参照することによって容易に理解される。図５Ａは、螺旋コイルの端部にポート取り付け部品を取り付ける従来の手段を示している。図５Ｂは、本発明の螺旋コイルにポート取り付け部品を取り付ける手段を示している。図５Ａに図示する従来の構成では、外部取り付け部品１１６が螺旋コイルの端部に対して固定されており、その結果、外部配管７９は螺旋コイル１１８に接続されることが可能である。螺旋コイル１１８に対して外部取り付け部品１１６を固定する要求は、外部取り付け部品１１６を収容する螺旋コイルの端部に対して形成されるべきである曲げ１２０を必要とする。図５Ｂは、外部配管７９が、例えば図５Ｂに図示するもののような曲げ１２０を必要とせずに螺旋コイルの端部に取り付け可能であるように、螺旋コイルの端部内に代わりに固定されるポート取り付け部品７２を示している。
【００４７】
図６は、螺旋コイル周りのフィンを示す図２の螺旋コイルの底面図である。螺旋コイルの内腔６０が示されており、フィン６６は、螺旋コイル１８の全長周りに巻き付けられる。
【００４８】
図７は、複合された単一のバーナー熱交換器及びスターリングエンジンを使用する複合加熱電力システム１１０の実施形態である。同様の単一のバーナー熱交換器が図２と同様に示されている。しかしながら、図２のバッファタンクによって占有された空間がスターリングエンジン８０に置換されている。スターリングエンジンは、燃料エネルギーを電気に変換するための温度差を必要とする。高温端及び低温端を有する自由ピストンが使用される。スターリングエンジン８０の高温端９２は、（バーナーからの直接的な放射熱及び対流熱とともに）熱交換器から熱を受け取る一方で、低温端９０は、低温端と熱接触係合するようにされる流入してくる冷水供給ライン８２によって伝導を介して冷却される。冷水供給ラインは、その温度を降下させるためにスターリングエンジン８０の低温端周りに螺旋状に巻き付けられる。
【００４９】
温水の需要がある際、バーナーが、始動されて螺旋コイル内の水を加熱し始める。工程中、燃焼がまた、スターリングエンジン８０の高温端９２を加熱する。スターリングエンジンの低温端９０は、低温端を低温に維持するために流入してくる冷水によって冷却される。低温端９０の冷却の工程は、熱交換器によってさらに加熱されるために螺旋コイルに入る前に、流入してくる水を予め加熱する。高温端９２及び低温端９０の間の差温は、自由ピストンと電気を発生させる直線ロータとを動かす。この実施形態のいくつかの態様では、電力電子機器８６はさらに、発生した電気を交流電流に変換し、又は、家庭若しくは公共送電網８８の電力要求に相互に関連するように位相を調整する。電気エネルギーが消費を上回ると、電気は電力電子機器を介して公共送電網に返され得る。
【００５０】
図８は、複合された単一のバーナー熱交換器及びスターリングエンジンを使用する複合加熱電力システム１１２の別の実施形態である。電気生成は、スターリングエンジン８０の高温端９２及び低温端９０の間の温度差に正比例するので、この改善された複合加熱電力システム１１２は、さらに冷却された低温端９０を特徴とする。この実施形態では、スターリングエンジン８０の低温端９０は、低温端９０に対して覆われる流れチャンバ９４内に外気９６を流すことによってさらに冷却される。外気のこの流れは、低温端９０からの熱の吸収時に予め加熱されることになり、バーナー１４内を空にする空気／燃料混合ガス１００を形成するために燃料９８と混合されるために進む。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
バッファタンクは、セラミックディスクによって従来占められた熱交換器ハウジングのキャビティ内に配置されており、セラミックディスクによって提供される機能に取って代わる。さらに、バッファタンクを組み込むことによって、無駄になったさらなるエネルギーを回収することが可能である。さらに、バッファタンクは、当該バッファタンク内の水温を低下させ得る外気から本質的に断熱される熱交換器の螺旋コイルの内腔内に配置されているので、断熱を必要としない。さらに、バッファタンクは、バーナーからの放射熱及び高温燃焼排ガスからの対流熱を効率的に得る。バッファタンクを潜在的に損傷させ得るバーナーからの余分な熱はバッファタンク内の大量の水によって吸収される。螺旋コイルの内腔内へのバッファタンクの配置は、温水システム内でバッファタンクを配置するための余分な空間を必要とせず、その結果、より小さくてさらに小型の水加熱パッケージを生じさせる。セラミックディスク及びバッファタンク周りの断熱を必要とせず、省コスト、低エネルギー利用、部品点数の削減、並びに、保守及び修理の容易さを実現する。
【００５２】
バッファタンク内に膨張空気袋を提供することによって、従来の膨張タンクの機能はバッファタンク内に一体化される。このことは、熱交換器の外側に別個の膨張タンクを必要とせず、そのことがコスト及び空間を節約する。弾性空気袋は、圧力下の空気を包含し、空気袋の外側で流れる飲料水から分離される。この実施形態の一態様では、空気袋内の空気圧は調整可能である。別の実施形態では、空気袋は永久的にシールされる。熱膨張が発生すると、生成された過度の圧力は、空気袋に対して押圧され、空気袋によって吸収される。熱膨張は、水の需要における突然の変化又は流体の容積の増大を生じる流体の閉ループ加熱に起因して、例えば、水の加熱から、又は、「水撃音」からであってよい。
【００５３】
バッファタンク周りに配置された加熱コイルのセクションにおいてフィン密度を増大させることは、熱交換器のコイル配管における熱エネルギーの不均一な分布を改善し、コイル配管内の水流に対するバーナーからの不十分な熱伝導を改善し、熱交換器の熱応力及び早期故障を改善する。この実施形態のいくつかの態様では、螺旋コイルのこの部分のフィン密度を増大させることが、均一な高温燃焼排ガスの流れ及び熱伝導を提供するためにコイルの別の部分のフィン密度を減少させることに関連している。図２に示す実施形態では、螺旋コイル配管に沿ったフィン密度は、螺旋コイルの全長にわたって熱エネルギーをさらに均一に分布させることを保証するために変更される。
【００５４】
熱交換器ハウジングの上側区画において増大した径は、この区画内に保持された高温燃焼排ガスの流れの容積を増大させ、螺旋コイルの内腔からこの領域に向かう高温燃焼排ガスの流れを促進する相対的に低圧領域を作り出し、それによって、螺旋コイルに対する対流熱の伝導を向上させる。
【００５５】
熱交換器ハウジングと螺旋コイルとの間のぴったりした適合の必要性は、螺旋コイルループ同士の間の弾性ロープシールの適用によって改善される。バッファタンク周りに周方向に配置されて螺旋コイルの内周まで延びる高純度のステンレス鋼製プレートは、フィン付き螺旋コイルに向かってより効率的に高温燃焼排ガスを導き、ロープシールを潜在的に損傷させることから過度に高温燃焼排ガスを偏向させる。
【００５６】
バーナーからの損傷を与える過熱から非熱伝導構成要素を隔離することは、送風機がバーナーと直接接触しないようにバーナー及び送風機の間の界面として機能する上部鋳物によって達成される。上部鋳物内の空気／燃焼の流れは、上部鋳物を通じた熱の損失を再び得ることを助ける。
【００５７】
螺旋コイルの端部及び外部配管の間を接続する際に利用されるポート取り付け部品によって、螺旋コイルはハウジング内に浮遊することができる。このことによって、螺旋コイルループは、作動時の膨張及び収縮に起因して必要に応じて均一なピッチ及びシフトを有することができる。均一なピッチは、取り付け部品が螺旋コイルの端部の内径内に配置されるように形成されるので、螺旋コイルの両端に取り付け部品を収容するための設計変更のための必要性を克服する。
【００５８】
様々な主要で補助的な温水方法の発見にともなって、空間及びコストの節約の利点を実現するために単一ユニット内に加熱源の様々な源を複合することが必要である。１つのシステムに複数の熱源を複合することは、これらの熱源のエネルギー出力を最適化することを可能にする単一のコントローラによって様々な熱源を制御することを可能にする。
【００５９】
一実施形態では、微細な調整熱出力を提供可能な電気加熱素子が、バッファタンク内に沈められ、バッファタンクを通って流れる流体と直接接触する。熱出力を微細に調整することに加えて、さらなる熱源が、放射燃焼バーナーと関連する大量の温水の大部分を提供するために使用され得る。
【００６０】
別の実施形態では、熱交換器システムは、補助熱を提供するための太陽熱利用システムを備える。太陽熱利用システムは、ポンプを使用する太陽熱配管内を循環する熱伝導流体に熱結合される太陽エネルギー収集器と、太陽エネルギー収集器を介して熱伝導流体によって利用される太陽エネルギーが太陽熱交換器を介してバッファタンクの流れに伝達されるように、バッファタンク内に配置される太陽熱交換器と、を備える。バッファタンク内に太陽熱交換器を組み込むことは、別個のタンクを必要とせず、必要とされる空間を減少させ、より小型の設計を実現する。
【００６１】
さらに別の実施形態では、放射燃焼バーナー熱交換器システムは、複合熱電力ユニットを形成するためにスターリングエンジンを備えるように構成され得る。
【符号の説明】
【００６２】
２      温水システム
３      送風機
４      熱交換器
６      バッファタンク入口ポート
７      代替のバッファタンク入口ポート
８      バッファタンク出口管
１０    点火装置
１２    上端壁
１３    下端壁
１４    放射燃焼バーナー
１６    高温燃焼排ガスの方向
１８    フィン付き螺旋コイル
１９    螺旋コイル管
２０    熱交換器ハウジング
２２    大径を有する熱交換器ハウジングのセクション
２３    標準径を有する熱交換器ハウジングのセクション
２４    螺旋コイルループ同士の間の隙間
２６    コイルループ同士の間の高温燃焼排ガスの流れ
２７    排気バッフル板
２８    高温燃焼排ガスそらせ板
２９    開口部
３０    ロープシール
３１    水流
３２    バッファタンク
３３    バッファタンクの中心縦軸線
３４    上部鋳物
３５    断熱材
３６    上部鋳物の出口ポート
３７    上部鋳物の入口ポート
３８    ロープシールによって促進されたコイルループ同士の間の高温燃焼排ガスの流れ方向
３８Ａ  そらされていない高温の燃焼排ガスの流れ
３９    高温燃焼排ガスそらせ板によって偏向された高温燃焼排ガスの方向
４０    膨張空気袋
４１Ａ  熱交換器ハウジング及び螺旋コイルの間の隙間
４１Ｂ  螺旋コイル及びバッファタンクの間の隙間
４２    電気加熱システム
４３    電気加熱素子
４４    太陽熱配管
４６    太陽熱交換器
４８    太陽エネルギー
５０    太陽エネルギー収集器
５２    ポンプ
５４    熱放射フィン
５６    分流器
５７    くさび部
５８    空気／燃料混合ガス流路
５８ａ  くさび部５７との衝突による分離時の空気／燃料混合ガス流路
６０    螺旋コイルの内腔
６２    螺旋コイル入口ポート
６４    螺旋コイル出口ポート
６６    フィン
６８    螺旋コイルの第１セクション、すなわち、バーナーを取り囲むセクション
７０    螺旋コイルの第２セクション、すなわち、バッファタンクを取り囲むセクション
７２    ポート取り付け部品
７４    Ｏリング
７５    周溝
７７    周固定フランジ
７８    螺旋コイル出口ポートの内腔
７９    外部配管
８０    スターリングエンジン
８２    流入してくる冷水ライン
８４    流出していく加熱水ライン
８６    電力電子機器
８８    公共又は家庭送電線
９０    スターリングエンジンの低温端
９２    スターリングエンジンの高温端
９４    流れチャンバ
９６    強制的に流入する外気
９８    燃料
１００  空気／燃料混合ガス
１１０  複合加熱電力システム
１１２  改善された複合加熱電力システム
１１４  螺旋コイルの端部のループとその隣接する螺旋コイルループとの間の曲げ角
１１６  外部取り付け部品
１１８  従来技術の螺旋コイル
１２０  フィン付き螺旋コイルの端部のループとその隣接する螺旋コイルループとの間の曲げ
【図１Ａ】
0005506929.tif 000002
【図１Ｂ】
0005506929.tif 000003
【図２】
0005506929.tif 000004
【図２Ａ】
0005506929.tif 000005
【図２Ｂ】
0005506929.tif 000006
【図２Ｃ】
0005506929.tif 000007
【図３】
0005506929.tif 000008
【図４】
0005506929.tif 000009
【図５】
0005506929.tif 000010
【図５Ａ】
0005506929.tif 000011
【図５Ｂ】
0005506929.tif 000012
【図６】
0005506929.tif 000013
【図７】
0005506929.tif 000014
【図８】
0005506929.tif 000015