(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主熱交換素子間に副熱交換素子を配置して互いを対向する面に形成した連絡通路で連結することにより一体化すると共に、前記主熱交換素子と副熱交換素子の受熱面積の比率を５５％：４５％〜７０％：３０％の範囲内に設定して成る液体加熱用熱交換器。
【請求項２】
左右対称に形成した副右側素子と副左側素子を合わせてその周縁を接合することにより副熱交換素子を形成する、
左右対称に形成した主右側素子と主左側素子を夫々前記副熱交換素子の左右に位置させると共に、この主右側素子と主左側素子を前記副熱交換素子に対して対向する面に形成した連絡通路で連結することにより熱交換素子ユニットを形成する、
前記熱交換素子ユニットの主右側素子には他の熱交換素子ユニットの主左側素子を合わせてその周縁を接合し、主左側素子には更に他の熱交換ユニットの主右側素子を合わせてその周縁を接合する、
ことにより形成する液体加熱用熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を加熱するための熱交換器とこの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、浴槽の湯水を加熱するための風呂釜や、蒸気発生装置、そして図１９に示すような沸騰温度が異なる２液の混合体の液体分離装置１０１などに用いられる熱交換器には、通常図２０〜図２４に示されるような構造の熱交換素子１０２が使用されている。この熱交換素子１０２は、同一形状の熱交換素子１０２を並列させると共に、連絡通路１２１により複数連結させて熱交換器を構成し、これを燃焼室１０７の排気通路１０５内に位置させてバーナ１０６により加熱するものである。バーナ１０６には燃料と共に燃焼に必要な一次空気、二次空気が図示しないファンモータより供給されるようになっている。
【０００３】
又、熱交換素子１０２には混合液供給管１０８より供給された混合液１０９が満たされ、バーナ１０６の燃焼による加熱空気が排気通路１０５を通過して熱交換素子１０２に熱量を与え、内部の混合液１０９を昇温し、沸騰温度に到達させるようになっている。
【０００４】
又、混合液１０９内の沸騰温度の低い液体は、液体分離室１１０において蒸気として分離されて蒸気排出管１１１より蒸気１１２として外部に排出され、沸騰温度の高い液体１１４は分離液排出管１１３より外部に排出されるようになっている。
【０００５】
この液体分離装置１０１に用いられている熱交換素子１０２の構造を図２０〜図２４に示した断面構造図を用いて更に詳しく説明すると、熱交換素子１０２の中央上下には連通口１２１が開けられ、この連通口１２１から内部の空洞に液体を満たせるように構成されており、その表面には熱交換素子１０２の強度および受熱面積を増加するための凸部１２３、１２８などが設けられている。１２６は他の熱交換素子１０２と連結時に当接するための接続用凸部であって、この接続用凸部１２６には鍔状に外方または内方に張り出した連通接続部１２２が設けられている。
【０００６】
この熱交換素子１０２は右側素子１０２ａと左側素子１０２ｂを接合して構成するもので、この右側素子１０２ａと左側素子１０２ｂは周縁接続部１２０において溶接により接合されている。
【０００７】
この熱交換素子１０２の両端に近い位置には、外側に向けて熱交換素子１０２同士が隣接したときに間隙が生じて排気通路１０５が形成されるように、帯状凸部１２５が形成されている。この帯状凸部１２５は排気通路１０５を通過する燃焼による加熱空気が熱交換素子１０２の側方から逃げるのを防止して、熱交換素子１０２の表面を介して効率よく熱量を与えるために設けると共に、熱交換素子１０２の内部膨張に対する強度を維持するために設けられている。
【０００８】
図２１は熱交換素子１０２のＩ−Ｉ′断面図、図２２はＪ−Ｊ′断面図、図２３はＫ−Ｋ′断面図、図２４はＬ−Ｌ′断面を表すものである。
続いて、熱交換素子１０２の製造方法をＪ−Ｊ′断面の部分を表す図２５を用いて説明する。
【０００９】
まず、右側素子１０２ａと左側素子１０２ｂの外面同士を連通口１２１に設けた連通接続部１２２が嵌合するようにして取り付ける。続いて、連通接続部１２２に溶接Ｗ1 を施して接合する。
【００１０】
次に左側素子１０２ｂと右側素子１０２ａ′の内面同士を合わせ、周縁接合部１２０に溶接Ｗ2 を施し、以下この動作を繰り返して熱交換器を製作するものである。この溶接Ｗ2 は、周縁接合部１２０が面として溶接されるように例えばディスク型溶接機を用いる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
近年、機器の設置スペースの確保のために熱交換器を含む燃焼装置においても小型化が要求されるようになってきた。また図１９に示すような液体分離装置１０１においても、内部の圧力による破損を防止する必要から熱交換素子１０２の容量を小さくする必要が出てきた。
【００１２】
そこで、現在では、図２５のように熱交換素子１０２の幅ａを狭くして熱交換素子１０２の小型化を図り、更に、容量を縮小することによって内部圧力の耐性を強化することが考えられているが、幅ａを狭くすることにより、溶接Ｗ2 を施す時の溶接角度θが広がり、この結果溶接Ｗ2 時にＷ2 方向への力を加えにくいために適切な接合面１２０を形成しにくいという問題がある。そして、この接合面１２０が適切に面接合されていない場合、内部圧力により破断または腐食が発生しやすくなり、またｂ方向に加わる力が増大して熱交換素子１０２に歪みなどが生じてしまい、熱交換素子１０２の小型化は困難である。
【００１３】
本発明は、小型化及び耐久性の向上が可能な熱交換器の構造とこの製法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために提案する本発明の構成は次のとおりである。
１．主熱交換素子間に副熱交換素子を配置して互いを対向する面に形成した連絡通路で連結することにより一体化すると共に、前記主熱交換素子と副熱交換素子の受熱面積の比率を５５％：４５％〜７０％：３０％の範囲内に設定して成る液体加熱用熱交換器。
【００１５】
２．左右対称に形成した副右側素子と副左側素子を合わせてその周縁を接合することにより副熱交換素子を形成する、
左右対称に形成した主右側素子と主左側素子を夫々前記副熱交換素子の左右に位置させると共に、この主右側素子と主左側素子を前記副熱交換素子に対して対向する面に形成した連絡通路で連結することにより熱交換素子ユニットを形成する、
前記熱交換素子ユニットの主右側素子には他の熱交換素子ユニットの主左側素子を合わせてその周縁を接合し、主左側素子には更に他の熱交換素子ユニットの主右側素子を合わせてその周縁を接合する、
ことにより形成する液体加熱用熱交換器の製造方法。
【００１６】
上記構成において、主熱交換素子と副熱交換素子を構成する素材としては、ステンレス又は銅等である。主熱交換素子と副熱交換素子を連結する連結通路の位置及び数は特に限定されないが、位置を変えることにより、熱交換器内を通過する流体に流れの変化をつけて、熱交換効率の向上を図るようにするとよい。
【００１７】
主熱交換素子と副熱交換素子の受熱面積の比率は５５％：４５％〜７０％：３０％に構成するのが好ましい。これは、主熱交換素子の受熱面積が必要とする面積の５５％未満の場合、副熱交換素子が主熱交換素子の間の排気経路に収納することが難しくなり、また内部圧力に対する耐久性が低下する。一方７０％を超えると、副熱交換素子の寸法が小さくなりすぎ、主熱交換素子の能力を補助する能力が低下してしまうためである。
【００１８】
上記構成の熱交換器は、例えば内部に熱源としてのガスバーナを配置した燃焼室内に組み込まれ、最も外側に位置する主熱交換素子又は副熱交換素子の一方の連通口から流体を流入し、主・副熱交換素子を順々に経由して他方の主又は副熱交換素子の連通口から流出させ、この間に前記ガスバーナの燃焼ガスにより加熱する。熱交換器内を通過する流体は、強制又は比重差で流れる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の態様を図をもって詳細に説明する。
図１は本発明に係る熱交換器を組み込んだ液体分離装置１の概略説明図である。
この液体分離装置１の熱交換部には主熱交換素子２が複数配列されており、この主熱交換素子２の間に形成される排気通路５には副熱交換素子３が設けられている。
この主熱交換素子２と副熱交換素子３は連絡通路４により連結されて熱交換器としての集合体をなしており、この熱交換器内には混合液９が内包されるように構成されている。
【００２０】
主熱交換素子２と副熱交換素子３はバーナ６の燃焼により発生する燃料ガスが、図示しないファンモータ等による送風力により排気通路５を介して上方に排気され、このときにこの排気熱による熱量を受熱して内部の混合液９が加熱昇温する。７は燃焼室である。
混合液供給管８から熱交換器内に供給された混合液９は、主熱交換素子２と副熱交換素子３の内部にて加熱され、液体分離室１０で沸騰温度の低い液体は蒸気１２として蒸気排出管１１より外部に排出され、また沸騰温度の高い液体としての分離液１４は分離液排出管１３より外部に排出されるように構成されている。
この混合液９を加熱して蒸気１２と分離液１４に分離するためには、バーナ６の燃焼能力のほか、効率よく加熱するための最適な熱交換器の受熱面積が必要である。
【００２１】
この受熱面積は燃料ガスの種類、ガス圧、バーナの燃焼量、熱交換素子の熱効率、熱伝導性、液体の比熱などにより求められるものである。
主熱交換素子２は、熱交換器全体を小型化するために最適な受熱面積の６０％位に構成し、その不足する４０％の受熱面積を副熱交換素子３によって補い、主熱交換素子２間に形成される副熱交換素子３との組み合わせによって受熱面積を損なわず、かつそれぞれの熱交換素子の内容量を小さくすることによって、全体的に小型に構成すると共に内部圧力の上昇に対する耐久性を向上することができる。
すなわち、この主熱交換素子２と副熱交換素子３を交互に、そして適宜数配列することにより、必要とする熱交換器が形成される。
【００２２】
次に図２〜図８に基づいて主熱交換素子２の説明を行う。
図２は主熱交換素子２の正面図、図３は上面図、図４は側面図である。また、図５は主熱交換素子の正面図を描いた図２におけるＡ−Ａ′断面図、図６はＢ−Ｂ′断面図、図７はＣ−Ｃ′断面図、図８はＤ−Ｄ′断面図である。
【００２３】
主熱交換素子２は、プレス加工された主右側素子２ａと主左側素子２ｂの２枚の素子を接合部２０にて接合することにより構成されている。
主熱交換素子２には３つの主連通口２１が接続用凸部２６により外方に突出するように穿たれており、この主連通口２１から内部２７に液体が満たされるように構成されている。また、主熱交換素子２の表面には凸部２３、凹部２４が適所に設けられている。この凸部２３は隣接する副熱交換素子３の後述する凸部３３と対向した位置に設けてられており、内部の圧力の上昇時に副熱交換素子３の凸部３３と当接して、主熱交換素子２および副熱交換素子３の膨張を抑制するために設けられている。また、凹部２４は主熱交換素子２の内部２７にて対向するように設けられており、主熱交換素子２内の内部圧力が低下したときに、主熱交換素子２の収縮による変形を抑制するように設けられている。
【００２４】
この主熱交換素子２の両端に近い外面にはそれぞれ帯状凸部２５が設けられ、主熱交換素子２の本体の幅より両端の幅が大きくなるように構成されており、隣接する他の主熱交換素子２の帯状凸部２５と当接することにより排気通路５を形成するようになっている。この帯状凸部２５は、隣接する主熱交換素子２のものと当接することにより、内部圧力の上昇による膨張を抑制すると共に、排気通路５内を通過する排気が側方から漏出しないようにしている。排気通路５は副熱交換素子３や各熱交換素子の凸部などにより排気に対する圧力損失が多大であるため、側方が開放されているところから排気熱が逃げてしまい、各熱交換素子にて良好に受熱することができなくなる。そこで、副熱交換素子３を主熱交換素子２により形成される排気通路５に設けることにより、主熱交換素子２の不足する受熱量を副熱交換素子３にて補い、小型な液体燃焼装置を構成している。
主連通口２１の周縁には副熱交換素子３を接合するための連通接合部２２が内側方向に設けられている。
【００２５】
次に図９〜図１５に基づいて副熱交換素子３の説明を行う。
図９は副熱交換素子３の正面図、図１０は上面図、図１１は側面図である。
また、図１２は副熱交換素子３の正面図を描いた図９におけるＥ−Ｅ′断面図、図１３はＦ−Ｆ′断面図、図１４はＧ−Ｇ′断面図、図１５はＨ−Ｈ′断面図である。
副熱交換素子３は副右側素子３ａと副左側素子３ｂを周縁接合部３０を接合して構成している。
【００２６】
副熱交換素子３には副連通口３１が穿たれており、この副連通口３１より内部３５に液体を満たすように構成され、副熱交換素子３の表面には凸部３３、凹部３４が形成されている。凸部３３は主熱交換素子２の凸部２３と当接する位置に設けられ、主熱交換素子３の凸部２３と当接することにより、内部圧力の上昇による変形を防止している。同様に凹部３４は副熱交換素子３の内部３５にて対向するように設けられており、内部圧力が低下したときに、副熱交換素子３の収縮による変形を抑制するように設けられている。
副連通口３１の周縁には、連通接合部３２が外方向に設けられている。
【００２７】
次に、図１６〜図１８に基づいて本発明の液体分離装置１の熱交換器の組立方法を説明する。先ず、副熱交換素子３は図１６（Ａ）、（Ｂ）を用いて、主熱交換素子２を形成する主右側素子２ａと主左側素子２ｂを前記副熱交換素子３に合体して熱交換素子ユニットと熱交換器を組み立てる方法を図１７（Ａ）、（Ｂ）及び図１８（Ａ）、（Ｂ）に基づいて説明する。
まず、図１６（Ａ）に示すように副熱交換素子３の副右側素子３ａと副左側素子３ｂを合わせて固定する。そして図１６（Ｂ）に示すように、周縁接合部３０にディスク型溶接機などを用いて溶接Ｗ1 を施して副熱交換素子３を形成する。
【００２８】
続いて、図１７（Ａ）に示すように、完成した副熱交換素子３に主熱交換素子２の主右側素子２ａと主左側素子２ｂの外側をそれぞれ連通接続部２２、３２が嵌合するように合わせて固定する。
そして、図１７（Ｂ）に示すように、嵌合した連通接続部２２、３２に溶接Ｗ2 を施し、副熱交換素子３の外側に主熱交換素子２の主右側素子２ａと主左側素子２ｂを固定して熱交換素子ユニットを構成する。
【００２９】
次に、図１８（Ａ）に示すように、別の熱交換ユニットの副熱交換素子３に接合された主熱交換素子２を構成するための主右側素子２ａに対して主左側素子２ｂ′を合わせ、同様に主右側素子２ｂに対して主左側素子２ａ′を合わせて固定する。
そして、図１８（Ｂ）に示すように、周縁接合部２０にディスク型溶接機などで溶接Ｗ3 を施すと、主熱交換素子２が形成され、以後は同様の工程を繰り返すごとに所望の熱交換能力をもつ熱交換器が形成される。なお、図１８（Ａ）、（Ｂ）において、上下に位置する熱交換素子ユニットの副熱交換素子３の図示は省略してある。
【００３０】
以上のように製作された熱交換器は、図１８（Ｂ）に示すように、主熱交換素子２の間の排気通路５に設けられる副熱交換素子３が不足する受熱面積を補うように構成しているため、主熱交換素子２同士の幅ａは特に狭く構成する必要が無く、このため、主熱交換素子２同士の幅ａ間で溶接Ｗ3 を施すときの応力により主熱交換素子２の変形が発生せず、受熱面積を減少させずとも小型な熱交換器が構成され、また、夫々の熱交換素子の内容量を減少させることができることから、圧力上昇による耐久性が向上する。
【００３１】
上記構成の熱交換器を用いて、図１に示す液体加熱装置を製作し、図１９の加熱装置との耐久性を比較した。
図１の液体分離装置の熱交換器の総受熱面積は０．１５６ｍ2 で、主熱交換素子２と副熱交換素子３の受熱面積の比率は前記のとおり６：４である。
主熱交換素子２の総受熱面積は０．０９３６ｍ2 、副熱交換素子３の総面積は０．０６２４ｍ2 とした。総熱効率は７２％である。
同様に図１９の液体分離装置の熱交換器の総受熱面積は０．１５６ｍ2 で総熱効率は７２％であった。
図１と図１９の液体分離装置の熱交換器内部に１ｋｇの圧力から−１ｋｇの圧力を繰り返し掛けて耐久性を試験したところ、図１９の液体分離装置は約１０００回で熱交換素子に亀裂が発生して試験を中止したが、図１の液体分離装置では１０万回繰り返しても異常が発生しなかった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による効果は次のとおりである。
ａ．熱交換器は、主熱交換素子と副熱交換素子を交互に配列して合体させると共に、主熱交換素子と副熱交換素子の伝熱面積の比率を５５％：４５％〜７０％：３０％の範囲内に設定して副熱交換素子により主熱交換素子による伝熱面積の不足分を補うように構成した。この結果、伝熱効率が高く、この分熱交換器を小型化できる。
【００３３】
ｂ．先に副熱交換素子を形成し、これに主左側素子及び主右側素子を夫々接合して熱交換素子ユニットを形成し、熱交換器の設計に応じて熱交換素子ユニットの主左側素子には他の熱交換素子ユニットの主右側素子を、主右側素子には主左側素子を接合して熱交換素子ユニットを複数合体させるようにした。この結果、主熱交換素子の間に副熱交換素子が存在するため、従来のように伝熱面積を大きくとるために主熱交換素子を接近させて容積当りの主熱交換素子の数を多くする必要がなくなる。よって、主熱交換素子同士は離れるため、溶接を施すときの応力により、主熱交換素子に変形が発生せず、耐久性が向上する。
【００３４】
ｃ．小型の熱交換器を構成できるため、主及び副熱交換素子の内容量を減少させることができるから、圧力上昇もこの分減少し、よって各素子に求められる応力も小さくなるので、耐久性が向上する。特に、ガスバーナのＯＮ、ＯＦＦ等により間欠的に熱応力を受ける場合、従来の熱交換器であると、各接合部に応力が集中してここから破損にいたることも多かったが、圧力上昇が小さくなった分この応力の集中も少なくなり、耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る液体分離装置の概略図。
【図２】  主熱交換素子の正面図。
【図３】  主熱交換素子の上面図。
【図４】  主熱交換素子の側面図。
【図５】  主熱交換素子のＡ−Ａ′線断面図。
【図６】  主熱交換素子のＢ−Ｂ′線断面図。
【図７】  主熱交換素子のＣ−Ｃ′線断面図。
【図８】  主熱交換素子のＤ−Ｄ′線断面図。
【図９】  副熱交換素子の正面図。
【図１０】  副熱交換素子の上面図。
【図１１】  副熱交換素子の側面図。
【図１２】  副熱交換素子のＥ−Ｅ′線断面図。
【図１３】  副熱交換素子のＦ−Ｆ′線断面図。
【図１４】  副熱交換素子のＧ−Ｇ′線断面図。
【図１５】  副熱交換素子のＨ−Ｈ′線断面図。
【図１６Ａ】  副熱交換素子の接合を表す図。
【図１６Ｂ】  副熱交換素子の接合を表す図。
【図１７Ａ】  副熱交換素子と主熱交換素子の右側素子と左側素子との接合を表す図。
【図１７Ｂ】  副熱交換素子と主熱交換素子の右側素子と左側素子との接合を表す図。
【図１８Ａ】  熱交換素子ユニットに他の熱交換素子の接合を表す図。
【図１８Ｂ】  熱交換素子ユニットに他の熱交換素子の接合を表す図。
【図１９】  従来の液体分離装置の概略図。
【図２０】  従来の熱交換素子の正面図。
【図２１】  従来の熱交換素子のＩ−Ｉ′線断面図。
【図２２】  従来の熱交換素子のＪ−Ｊ′線断面図。
【図２３】  従来の熱交換素子のＫ−Ｋ′線断面図。
【図２４】  従来の熱交換素子のＬ−Ｌ′線断面図。
【図２５】  従来の熱交換素子の接合図。
【符号の説明】
１  液体分離装置
２  主熱交換素子
３  副熱交換素子
４  連絡通路
５  排気通路
６  バーナ
７  燃焼室
８  混合液供給管
９  混合液
１０  液体分離室
１１  蒸気排出管
１２  蒸気
１３  分離液排出管
１４  分離液
【図１】
0003661955.tif 000002
【図２】
0003661955.tif 000003
【図３】
0003661955.tif 000004
【図４】
0003661955.tif 000005
【図５】
0003661955.tif 000006
【図６】
0003661955.tif 000007
【図７】
0003661955.tif 000008
【図８】
0003661955.tif 000009
【図９】
0003661955.tif 000010
【図１０】
0003661955.tif 000011
【図１１】
0003661955.tif 000012
【図１２】
0003661955.tif 000013
【図１３】
0003661955.tif 000014
【図１４】
0003661955.tif 000015
【図１５】
0003661955.tif 000016
【図１６Ａ】
0003661955.tif 000017
【図１６Ｂ】
0003661955.tif 000018
【図１７Ａ】
0003661955.tif 000019
【図１７Ｂ】
0003661955.tif 000020
【図１８Ａ】
0003661955.tif 000021
【図１８Ｂ】
0003661955.tif 000022
【図１９】
0003661955.tif 000023
【図２０】
0003661955.tif 000024
【図２１】
0003661955.tif 000025
【図２２】
0003661955.tif 000026
【図２３】
0003661955.tif 000027
【図２４】
0003661955.tif 000028
【図２５】
0003661955.tif 000029