(57)【要約】【課題】筐体内に燃焼ガスの温度ムラが生じず、かつ、導管に交差する方向に燃焼ガスが案内される熱交換器及びこれを用いた給湯機を提供する。【解決手段】燃焼ガスの流入口１１及び排出口１２が設けられた筐体１３内に、水平状態で又は傾きを有して配置された蛇行する導管１４を備え、燃焼ガスによって導管１４を流れる水を加熱する熱交換器１０であって、筐体１３には、流入口１１から流入する燃焼ガスを複数段に配置された導管１４に対して交差させ、かつ、燃焼ガスを排出口１２に向かって上下させながら案内する流路形成部材５０が設けられ、流動する燃焼ガスに温度ムラが生じないようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスの流入口及び排出口が設けられた筐体内に、水平状態で又は傾きを有して配置された蛇行する導管を複数段備え、前記燃焼ガスによって該導管を流れる水を加熱する熱交換器であって、
前記筐体には、前記流入口から流入する前記燃焼ガスを複数段に配置された前記導管に対して交差させ、かつ前記燃焼ガスを前記排出口に向かって上下させながら案内する流路形成部材が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換器において、前記流路形成部材は、貫通孔が形成された整流板を有し、該貫通孔は、前記燃焼ガスの一部を通過させることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項２記載の熱交換器において、上部に開口部を備え、前記燃焼ガスを上昇から下降にガイドする前記整流板の下方には、前記筐体の底板との間に隙間を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器において、前記複数段の導管を積み重ね方向に見て、下から偶数段目の前記導管の直線部は、下から奇数段目の前記導管の直線部のピッチと半ピッチ位相を異にして配置されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を用いる給湯機であって、燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生装置と、該燃焼ガス発生装置からの燃焼ガスによって水を加熱する一次熱交換器と、前記一次熱交換器から排出される前記燃焼ガスを利用し、前記一次熱交換器に供給する水を予熱する前記熱交換器とを備えることを特徴とする給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスによって水を加熱する熱交換器及びこれを用いた給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガス、石油等を燃焼して生じた燃焼ガスの潜熱を回収し、熱交換によって導管を流れる水を加熱する熱交換器が提案されている。
そして、特許文献１では、水の流路を長くするため、大きさの制限された筐体内で蛇行して配置された導管を備え、燃焼ガスの潜熱を効率的に回収する熱交換器が開示されている。この熱交換器は、バーナの上位置に配置された導管を備え、燃焼ガスの熱によって導管内の水を加熱する主熱交換器の上部に設けられ、主熱交換器を通過した燃焼ガスを取り込み導管内の水を予熱する補助的な熱交換器として用いられ、この補助的な熱交換器で予熱された水は、主熱交換器の導管に送られる。
【０００３】
しかし、特許文献１記載の補助的な熱交換器は、筐体内に燃焼ガスの流路を長くする構造を備えていないため、燃焼ガスが筐体内を通過して、導管内の水に熱を与える時間は短く、燃焼ガスの熱回収率の上昇は限定的であった。
これに対し、特許文献２では、水平状態で配置された蛇行する（波形の）導管に沿って、燃焼ガスを案内する整流板が設けられた熱交換器が提案され、燃焼ガスの流路を長くして、燃焼ガスの熱回収率の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１４５４９号公報
【特許文献２】特開２００８−１７００８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の熱交換器は、燃焼ガスが、筐体内で導管に沿って水平方向に流動し、上下方向に燃焼ガスが移動しないので、筐体内の高い位置には、低い位置に比べて高温の燃焼ガスが分布し筐体内に温度ムラが生じる。そして、この温度ムラは、燃焼ガスの熱回収率を低下させる要因となっていた。
更に、燃焼ガスは、導管に沿って流動するため、導管に対して交差せず導管に衝突しないので、燃焼ガスの導管に対する熱伝導率は低かった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、筐体内に燃焼ガスの温度ムラが生じず、かつ、導管に交差する方向に燃焼ガスが案内される熱交換器及びこれを用いた給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る熱交換器は、燃焼ガスの流入口及び排出口が設けられた筐体内に、水平状態で又は傾きを有して配置された蛇行する導管を複数段備え、前記燃焼ガスによって該導管を流れる水を加熱する熱交換器であって、前記筐体には、前記流入口から流入する前記燃焼ガスを複数段に配置された前記導管に対して交差させ、かつ前記燃焼ガスを前記排出口に向かって上下させながら案内する流路形成部材が設けられている。
【０００７】
第１の発明に係る熱交換器において、前記流路形成部材は、貫通孔が形成された整流板を有し、該貫通孔は、前記燃焼ガスの一部を通過させるのが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係る熱交換器において、上部に開口部を備え、前記燃焼ガスを上昇から下降にガイドする前記整流板の下方には、前記筐体の底板との間に隙間を有するのが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る熱交換器において、前記複数段の導管を積み重ね方向に見て、下から偶数段目の前記導管の直線部は、下から奇数段目の前記導管の直線部のピッチと半ピッチ位相を異にして配置されているのが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る給湯機は、第１の発明に係る熱交換器を用いる給湯機であって、燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生装置と、該燃焼ガス発生装置からの燃焼ガスによって水を加熱する一次熱交換器と、前記一次熱交換器から排出される前記燃焼ガスを利用し、前記一次熱交換器に供給する水を予熱する前記熱交換器とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４記載の熱交換器、及び請求項５記載の給湯機は、熱交換器の筐体に、複数段に配置された導管に対して燃焼ガスを交差させる流路形成部材が設けられているので、燃焼ガスが導管の外周面に衝突し、燃焼ガスの熱を導管内の水に効率的に伝導可能である。
更に、流路形成部材は、燃焼ガスを排出口に向かって上下させながら案内するので、燃焼ガスには、排出口に向かう過程で上下方向に混ざり合いが生じ、燃焼ガスの上部層が下部層に比べて高温となる温度分布の発生を防止することができる。
【００１２】
特に、請求項２記載の熱交換器は、貫通孔が形成された整流板を有し、貫通孔は、上下動する燃焼ガスの一部を通過させるので、排出口に向かって上下しながら案内される燃焼ガスは、この貫通孔を通過した一部の燃焼ガスによって攪拌されて、温度差の異なる領域の発生が防がれ、燃焼ガスの熱回収率を高めることが可能である。
【００１３】
請求項３記載の熱交換器は、上部に開口部を備え、燃焼ガスを上昇から下降にガイドする整流板の下方には、筐体の底板との間に隙間を有するので、燃焼ガスの熱を回収して導管の水を加熱する際に生じ、底板を流れる水滴が、上部に開口部を有する整流板によってせき止められるのを回避可能である。
【００１４】
請求項４記載の熱交換器は、複数段の導管を積み重ね方向に見て、下から偶数段目の導管の直線部は、下から奇数段目の導管の直線部のピッチと半ピッチ位相を異にして配置されているので、それぞれの直線部の間に空間が形成され、燃焼ガスは、筐体内を円滑に流動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱交換器の側断面図である。
【図２】同熱交換器の底面図である。
【図３】同熱交換器を用いた給湯機の側面図である。
【図４】同熱交換器の整流板の説明図である。
【図５】同熱交換器内の燃焼ガスの流れを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図４に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱交換器１０は、燃焼ガスの流入口１１及び排出口１２が設けられた筐体１３内に、傾きを有して（又は水平状態で）配置された蛇行する導管１４を複数段備え、燃焼ガスによって導管１４を流れる水を加熱する。以下、詳細に説明する。
【００１７】
図３に示すように、熱交換器１０は、水の加熱のための熱源となる燃焼ガスを発生させるガスバーナ装置（燃焼ガス発生装置の一例）１５、及びガスバーナ装置１５で生じた燃焼ガスの熱により水を加熱する一次熱交換器１６と共に給湯機１７を構成し、一次熱交換器１６から排出される燃焼ガスを取り込み、その燃焼ガスの熱によって導管１４の水を予熱し一次熱交換器１６に供給する二次的な熱交換器として用いることが可能である。
【００１８】
ガスバーナ装置１５は、ガス配管１８を介して可燃性のガス（例えば都市ガス）が供給されるガスバーナ１９を備え、ガスバーナ１９は、ガスバーナ１９の下部に配置されたファン２０から空気を供給されて、可燃性のガスを燃焼し、燃焼ガスを発生させる。
一次熱交換器１６は、ガスバーナ装置１５の上部に設けられ、ガスバーナ装置１５に密着して固定される底部を水平にして配置されている。そして、一次熱交換器１６には、上下開口の筒状部材２１が設けられ、一次熱交換器１６は、筒状部材２１の下部の開口領域から燃焼ガスを取り込むことができる。
筒状部材２１には、熱交換器１０の導管１４に連結され、導管１４を通って予熱された水が送られる導管２２が固定されている。導管２２は、筒状部材２１の内側に配置された複数の直線部と筒状部材２１の外側に配置され、隣り合う直線部を連結するＵ字状の連結部を有して構成されている。
【００１９】
導管２２を流れる水は、直線部を通過中に、燃焼ガスの熱を回収して加熱され、浴槽、台所等に供給されるための湯がつくられる。
一次熱交換器１６の上部には、熱交換器１０が配置され、一次熱交換器１６で水の加熱に用いられた燃焼ガスは、筒状部材２１の上部の開口領域から排出され、熱交換器１０に設けられた流入口１１を介して、熱交換器１０の筐体１３内に取り込まれる。
【００２０】
図１、図２に示すように、熱交換器１０は、箱状の筐体１３の下部が、耐熱性のシール材２３を介して筒状部材２１の上部に固定されている。
筐体１３には、底部に平面視して矩形の底板２４が設けられ、底板２４は外周部に、図示しないねじ孔を備え、ねじ固定によって筒状部材２１に取り付けられている。筒状部材２１の下部（ガスバーナ装置１５への密着部）が水平状態のとき、筒状部材２１の上部、即ち底板２４の固定部は、一方向に傾斜して配置されるので、底板２４は筒状部材２１の上部の傾斜と同方向に同角度で傾斜している。そして、斜めとなった底板２４の最下部には、ドレイン排出口２５が形成されているので、燃焼ガスによる導管１４の水の加熱による凝縮熱によって筐体１３内に生じ、底板２４に溜った水滴は、底板２４の傾斜によりドレイン排出口２５に向かって流れ、ドレイン排出口２５から筐体１３の外に排出される。
なお、本実施の形態では、Ｘを０度を超え１０度未満の角度として、底板２４が、水平方向に対してＸ度傾斜している。
【００２１】
底板２４には、上部に窪んだ窪み部２６が形成され、流入口１１は、傾斜配置された窪み部２６の最上部、即ちドレイン排出口２５の反対側に位置する底板２４の最上部に設けられている。そして、窪み部２６は、筒状部材２１の上部に設けられた開口領域の上部に配置され、筒状部材２１の上部の開口領域から流出した燃焼ガスを、窪み部２６の傾斜面によって、流入口１１に案内している（図５参照）。なお、図５において、燃焼ガスの進行方向を矢印で示している。
【００２２】
筐体１３には、下部が底板２４の外周部に連続して形成された側壁部２７〜３０が設けられ、側壁部２７と側壁部２８、及び側壁部２９と側壁部３０はそれぞれ対向配置されている。
側壁部２７は、斜めとなった底板２４の外周部の最上に配置された部分を介して底板２４に連設されている。そして、矩形の流入口１１は、傾斜配置された底板２４の最も高い領域に設けられ、一次熱交換器１６から排出された燃焼ガスを筐体１３内に取り込むことができる。
また、筐体１３には、側壁部２８に固定され、外側に突出して形成された突出部材３６が設けられ、燃焼ガスを筐体１３の外側に排出する矩形の排出口１２は、突出部材３６に形成されている。
【００２３】
図１、図４、図５に示すように、筐体１３には、上下方向に配置され、流入口１１から筐体１３内に流入した燃焼ガスを排出口１２のある方向に向かって案内する整流板３８が設けられている。整流板３８は、流入口１１に近接して配置され、上部及び下部が筐体１３の上板３９及び底板２４にそれぞれ固定されている。そして、整流板３８は内側に、燃焼ガスの流路を形成する矩形の開口部４０を備えている。
また、筐体１３内には、整流板３８に平行な整流板４１、４２、４３が設けられ、整流板４１は、整流板３８に最も近く、整流板４３は整流板３８から最も遠い位置に配置されている。
【００２４】
上板３９の中央には、下向きに窪んだ窪み部４４が設けられ、窪み部４４には、上面が窪み部４４の下部に密着する矩形の固定板４５が取り付けられている。整流板４１、４３は共に、上端部が固定板４５の外周部に連続して形成され、整流板４２は、上端部が固定板４５の中央に溶接され、整流板４１、４３の間に配置されている。なお、整流板４２は、ねじによって固定板４５に固定してもよい。
整流板４１は、筐体１３内の窪み部２６、４４の間に存する空間の上半分に配置され、その空間の下半分に、燃焼ガスの流路を形成している。
【００２５】
整流板４２は、上半分の領域に、燃焼ガスの流路を形成し、整流板４１から向かってくる燃焼ガスを上昇させる矩形の開口部４６を有し、図４に示すように、開口部４６の両側に固定板４５に上部が溶接される長板部４７を備えている。整流板４２には、開口部４６の下部に、長板部４７に連続して形成された仕切板部４８が設けられ、仕切板部４８は、筐体１３内の下半分を覆って、燃焼ガスを開口部４６に案内している。
なお、整流板４２は、仕切板部４８の下方に、底板２４の窪み部２６と仕切板部４８の間に隙間を有して配置されているので、窪み部２６の上部を流れる水滴は、仕切板部４８で止められることなく、ドレイン排出口２５に向かって流動可能である。
整流板４３は、整流板４３の下端部が底板２４に接することなく、一定の距離（本実施の形態では、０．５〜６ｃｍ）を有して配置され、筐体１３内の下部領域に燃焼ガスの流路を形成している。そして、整流板４３は、下部が整流板４２に向かって３０〜６０度の角度で折り曲げられており、燃焼ガスの流路を狭くしている。
【００２６】
この整流板３８、４１、４２、４３によって流路形成部材５０が形成され、流路形成部材５０は、燃焼ガスを、整流板３８の開口部４０を通過させ、整流板４１によって、燃焼ガスを整流板４１の下方に案内した後に、整流板４２の仕切板部４８によって、燃焼ガスを上方に案内して整流板４２の開口部４６を通過させる。そして、開口部４６を通過した燃焼ガスは、整流板４３によって、整流板４３の下方に案内された後、筐体１３内の下流側下部から排出口１２を通って筐体１３の外に排出される。従って、熱交換器１０は、流路形成部材５０によって、流入口１１から筐体１３内に入った燃焼ガスを、上下動しながら、排出口１２に向かって案内することができる。
【００２７】
また、整流板４２の仕切板部４８及び整流板４１には、複数の円形の貫通孔５１が設けられているので、整流板３８の開口部４０を通過した燃焼ガスの一部は、整流板４１の貫通孔５１を通り、整流板４１の下方領域を通過した燃焼ガスの一部は、整流板４２の貫通孔５１を通ることになる。
この整流板４１、４２の貫通孔５１を通過する燃焼ガスの一部は、筐体１３内を上下動しながら排出口１２に進む燃焼ガスを、攪拌し、流動する燃焼ガスに温度差の異なる領域が生じるのを防ぐことができる。従って、筐体１３内を流動する燃焼ガスには温度ムラが生じず、高水準の熱交換率による導管１４の水の加熱が可能である。
【００２８】
図１、図２に示すように、筐体１３内には、配置高さのことなる複数（本実施の形態では７本）のステンレス製の導管１４が設けられ、各導管１４は燃焼ガスの熱回収率を上げるため外周面が蛇腹形状となっている。なお、図１、図２において、導管１４の蛇腹形状の記載は省略している。
そして、筐体１３の側壁部３０には、各導管１４に水を供給する給水管５３と、各導管１４を通過した水（湯）を一次熱交換器１６の導管２２に送る接続管５４とが設けられており、給水管５３から供給された水は、導管１４を通って予熱された後に、接続管５４を経由して導管２２に送られ、導管２２で加熱されて、給湯用の湯となる。
【００２９】
筐体１３の側壁部３０は、外周部に、上板３９、底板２４、及び側壁部２７、２８に溶接される溶接面５５を有しており、側壁部３０は、筐体１３の上板３９、底板２４、及び側壁部２７、２８に確実に固定されて、導管１４、給水管５３、及び接続管５４を支持している。
なお、各導管１４の水の流入口と給水管５３の間には、給水管５３を通って供給される水を各導管１４に分配する中継部５６が配置され、各導管１４の水の流出口と接続管５４の間には、各導管１４から流出する水を集めて接続管５４に送る中継部５７が設けられている。
【００３０】
導管１４は、筐体１３内で上下方向に複数段（本実施の形態では、７段）積み重ねて配置されている。各導管１４は、水平方向に配置され、あるいは、水平方向に対して０度を超え３０度以下の範囲（本実施の形態では８度）で傾斜して配置され、複数（本実施の形態では６つ）の直線部５８と、隣り合う直線部５８を連結する折返し部５９とを備えている。折返し部５９はＵ字状の水の流路を形成し、各直線部５８が他の直線部５８と平行になるように各直線部５８を固定している。そして、直線部５８は軸心が、整流板３８、４１、４２、４３の幅方向に平行して、即ち、流動する燃焼ガスに対して交差する方向に配置されているので、排出口１２に向かって上下しながら流動する燃焼ガスは、直線部５８の外周面へ衝突し、燃焼ガスの熱を、導管１４内の水に効率的に伝えることができる。
【００３１】
また、複数段に積み重ねられた導管１４は、積み重ね方向に見て、下から偶数段目の導管１４（以下、「複数段目の導管１４」という）の直線部５８が、下から奇数段目の導管１４（以下、「奇数段目の導管１４」という）の直線部５８のピッチと半ピッチ位相を異にして配置されているので、複数段目の導管１４の直線部５８と奇数段目の導管１４の直線部５８は、平面視して重ならない。
従って、偶数段目の導管１４の直線部５８と奇数段目の導管１４の直線部５８の間には、筐体１３内を流動する燃焼ガスが通り抜け可能な空間が形成され、燃焼ガスは、淀むことなく円滑に流動することができる。
【００３２】
また、直線部５８の軸方向の端部（即ち、左右の端部）に配置された導管１４の折返し部５９は、側壁部２９に近接する折返し部５９と側壁部２９の間の間隔が、側壁部３０に近接する折返し部５９と側壁部３０の間の間隔に比べて長い距離を有して配置されている。そして、整流板３８の開口部４０は、左右方向の中心が対向する側壁部２９、３０の中間点と側壁部３０の間に位置するように配置されているので、燃焼ガスは、開口部４０通過後、側壁部２９のある領域に比べて、側壁部３０のある領域に多く流れることになり、筐体１３内の導管１４の無い空間に流れる燃焼ガスの量を少なくして熱交換器１０の熱回収率を高めている。なお、図２の底面図は左右が逆に描かれている。
【００３３】
そして、実験にて、燃焼ガスの有する熱量に対する水の吸収した熱量の比率から算出される熱交換率を測定したところ、給湯機１７が熱交換率９５％であったのに対し、熱交換器１０の代わりに、貫通孔のない整流板により、蛇行して配置された導管に沿って燃焼ガスを案内する熱交換器を用いた給湯機（以下、「給湯機Ａ」という）は、熱交換率が９１％であった。
この実験結果より、熱交換率の改善が困難な９０％台の高い熱交換率の値の範囲において、熱交換器１０を用いた給湯機１７は、給湯機Ａに比べ４％高い熱交換率を有することが確認された。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、熱交換器には、直線部のピッチの位相が異なる偶数段目の導管及び奇数段目の導管の２種類の導管を設ける代わりに、位相の異なる３種類以上の導管を設けることができる。また、可燃性のガスの代わりに石油等の他の可燃性燃料を用いて燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０：熱交換器、１１：流入口、１２：排出口、１３：筐体、１４：導管、１５：ガスバーナ装置、１６：一次熱交換器、１７：給湯機、１８：ガス配管、１９：ガスバーナ、２０：ファン、２１：筒状部材、２２：導管、２３：シール材、２４：底板、２５：ドレイン排出口、２６：窪み部、２７〜３０：側壁部、３６：突出部材、３８：整流板、３９：上板、４０：開口部、４１〜４３：整流板、４４：窪み部、４５：固定板、４６：開口部、４７：長板部、４８：仕切板部、５０：流路形成部材、５１：貫通孔、５３：給水管、５４：接続管、５５：溶接面、５６、５７：中継部、５８：直線部、５９：折返し部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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