(57)【要約】【課題】熱交換器において、通水抵抗の低減及び製造コストの低減を図ったもの、簡単な構造でもって乱流生成部材を伝熱管に部分的に装着可能なもの、等を提供することである。【解決手段】熱交換器１０は、伝熱管１２と、この伝熱管１２に挿入され且つ伝熱管１２内に乱流を発生させる為の乱流生成部材１３とを備え、伝熱管１２は、平行状に配置された複数の直管部１５と、この複数の直管部１５の端部同士を連結する複数の連結管部１６とを備え、乱流生成部材１３は、複数の直管部１５のうちの直管部１５ａ，１５ｂに部分的に装着されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管と、この伝熱管に挿入され且つ前記伝熱管内に乱流を発生させる為の乱流生成部材とを備えた熱交換器において、
前記伝熱管は、平行状に配置された複数の直管部と、この複数の直管部の端部同士を連結する複数の連結管部とを備え、
前記乱流生成部材は、前記複数の直管部のうちの少なくとも１本の直管部に部分的に装着されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記乱流生成部材が部分的に装着されている前記直管部は、小径管部と、この小径管部の端部に連なり且つ前記小径管部よりも大径の大径管部とを備え、
前記乱流生成部材は、前記大径管部に装着され、前記乱流生成部材の一端部が、前記小径管部と前記大径管部との境界の内側段差部に当接されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記乱流生成部材は、乱流コイルで構成され、
前記乱流コイルの一端部は、この乱流コイルが部分的に装着されている前記直管部の一端部に係止されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関し、特に伝熱管内に乱流を発生させる為の乱流生成部材が装着された熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、給湯装置や暖房機器等の熱源機として、ガスを燃焼する燃焼装置が一般に広く普及している。この種の燃焼装置は、燃焼用空気を外部から取り込む送風ファン、燃焼用空気と燃料ガスとを混合して燃焼する多段式のバーナーユニット、高温の燃焼ガスと伝熱管を流れる水との間で熱交換して水を加熱する熱交換器、熱交換後の排気を外部に排出する為の排気筒等を備えている。
【０００３】
上記の熱交換器としては、一般的に、伝熱管と、この伝熱管に伝熱可能に固定された複数のフィンからなるフィンチューブ式熱交換器が採用され、伝熱管やフィンをステンレス材料で構成したもの、伝熱管やフィンを銅材料で構成したものが広く採用されている。
【０００４】
ところで、暖房機器に熱を供給する暖房運転の場合、バーナーユニットの全ての燃焼段を使用せずに１段燃焼を行うことが多いので、熱交換器の伝熱管を部分的に長時間加熱することになり、しかも、暖房機器から熱交換器へ戻る湯水温度も高くなるので、伝熱管の局部に沸騰が発生するという問題がある。
【０００５】
このような局部沸騰の問題を解決する為に、例えば、特許文献１の１缶２回路式熱交換器においては、伝熱管の複数の直管部のうちのバーナーに近い複数の直管部の全長に亙って乱流コイルを夫々挿入し、乱流コイルによって、直管部内に乱流を発生させて温度の均一化を図ることで局部沸騰を防止する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３６８７１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の１缶２回路式熱交換器のように、伝熱管の直管部の全長に亙って乱流コイルを挿入すると、伝熱管の通水抵抗が大幅に増加してしまい、熱交換器の出力側の通路に水流が形成され難くなることで、熱交換器の能力が低下してしまうという問題がある。また、伝熱管の全長に亘って乱流コイルを装着すると、乱流コイルを製造する為の製造コストが増加し、結果的に熱交換器の製造コストが増加するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、熱交換器において、通水抵抗の低減及び製造コストの低減を図ったもの、簡単な構造でもって乱流生成部材を伝熱管に部分的に装着可能なもの、等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の熱交換器は、伝熱管と、この伝熱管に挿入され且つ前記伝熱管内に乱流を発生させる為の乱流生成部材とを備えた熱交換器において、前記伝熱管は、平行状に配置された複数の直管部と、この複数の直管部の端部同士を連結する複数の連結管部とを備え、前記乱流生成部材は、前記複数の直管部のうちの少なくとも１本の直管部に部分的に装着されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の熱交換器は、請求項１の発明において、前記乱流生成部材が部分的に装着されている前記直管部は、小径管部と、この小径管部の端部に連なり且つ前記小径管部よりも大径の大径管部とを備え、前記乱流生成部材は、前記大径管部に装着され、前記乱流生成部材の一端部が、前記小径管部と前記大径管部との境界の内側段差部に当接されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３の熱交換器は、請求項１の発明において、前記乱流生成部材は、乱流コイルで構成され、前記乱流コイルの一端部は、この乱流コイルが部分的に装着されている前記直管部の一端部に係止されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、乱流生成部材は、複数の直管部のうちの少なくとも１本の直管部に部分的に装着されているので、乱流生成部材によって、直管部の乱流生成部材が装着された箇所の水流が乱され、直管部の壁面近傍の熱を拡散させることで、直管部の乱流生成部材が装着された箇所の局部沸騰を防止することができる。
【００１３】
従って、乱流生成部材を直管部の局部沸騰する可能性が高い箇所に部分的に装着することで、従来の直管部の全長に亙って乱流生成部材を装着する構造と比較して、直管部の通水抵抗が低下し、熱交換器の能力が向上すると共に、乱流生成部材を短く構成することで、製造コストが低下する。
【００１４】
請求項２の発明によれば、乱流生成部材が部分的に装着されている直管部は、小径管部と、この小径管部の端部に連なり且つ小径管部よりも大径の大径管部とを備え、乱流生成部材は、大径管部に装着され、乱流生成部材の一端部が、小径管部と大径管部との境界の内側段差部に当接されているので、乱流生成部材を直管部に装着する場合、内側段差部によって乱流生成部材を容易に位置決めすることができ、故に、簡単な構造でもって乱流生成部材を直管部に部分的に装着することができる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、乱流生成部材は、乱流コイルで構成され、乱流コイルの一端部は、この乱流コイルが部分的に装着されている直管部の一端部に係止されているので、乱流コイルを直管部に装着する場合、直管部の一端部によって乱流コイルを容易に位置決めすることができ、故に、簡単な構造でもって乱流コイルを直管部に部分的に装着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る熱交換器が組み込まれた燃焼装置の概略構成図である。
【図２】熱交換器の縦断面図である。
【図３】熱交換器の上段熱交換領域の平面図である。
【図４】熱交換器の上段熱交換領域の伝熱管の断面図である。
【図５】図４の要部拡大図である。
【図６】第１変更例に係る熱交換器の伝熱管の要部拡大断面図である。
【図７】第２変更例に係る熱交換器の伝熱管の要部拡大断面図である。
【図８】第３変更例に係る熱交換器の伝熱管の要部拡大断面図である。
【図９】第４変更例に係る乱流生成部材の部分正面図である。
【図１０】第５変更例に係る乱流生成部材の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１８】
先ず、本発明の熱交換器１０が組み込まれた燃焼装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃焼装置１は、給湯装置や暖房機器等の熱源機として適用されるものであり、燃料ガスを燃焼して燃焼ガスに含まれる熱を利用して水又は湯水の加熱を行うガス給湯器を構成している。
【００１９】
即ち、図１に示すように、燃焼装置１は、燃焼用空気を供給する為の送風ファン２、燃料ガスを燃焼させるバーナー部３、このバーナー部３による燃焼ガスと水との間で熱交換する熱交換器部４、この熱交換器部４による熱交換後の排気を排出する排気筒５、入水管６ａと出湯管６ｂ等の各種配管類や各種機器を駆動制御する電装部品等を備えている。
【００２０】
バーナー部３は、燃料供給管（図示略）から供給される燃料ガスと送風ファン２から供給される燃焼用空気とを混合して燃焼するバーナーユニット７と、このバーナーユニット７を収容したバーナー缶体８等を備えている。バーナー缶体８の下端部には、送風ファン２が設けられている。
【００２１】
バーナーユニット７は、複数段の（例えば３段）の燃焼段７ａ〜７ｃを備えた多段式に構成されている（図１，図４参照）。各燃焼段７ａ〜７ｃは、例えば５本、２本、３本の燃焼管を夫々備え、制御部（図示略）によって単独で制御可能であり、各種の運転に応じて燃焼作動される燃焼段７ａ〜７ｃの段数が調整される。
【００２２】
熱交換器部４は、燃焼ガスの熱を回収する熱交換器１０と、この熱交換器１０を収容する熱交換器缶体１１等を備えている。熱交換器缶体１１の上端部に、排気筒５が設けられている。熱交換器缶体１１の下端部とバーナー缶体８の上端部とは、カシメやビス締結により接合されている。熱交換器缶体１１は、前側板１１ａ、後側板１１ｂ、左側板１１ｃ、右側板１１ｄから平面視矩形枠状に構成されている（図３参照）。
【００２３】
次に、本発明の熱交換器１０について説明する。
図２〜図５に示すように、熱交換器１０は、伝熱管１２と、この伝熱管１２に挿入され且つ伝熱管１２内に乱流を発生させる為の乱流生成部材１３と、伝熱管１２に伝熱可能に固定された複数のフィン１４等からなるフィンチューブ式熱交換器を構成している。伝熱管１２及びフィン１４は、銅製のものであるが、特にこの材質に限定する必要はなく、ステンレス製のものであっても良い。
【００２４】
図２に示すように、熱交換器缶体１１の内部において、熱交換器１０は、上段側（燃焼ガス流の下流側）の上段熱交換領域１０Ａと、下段側（燃焼ガス流の上流側）の下段熱交換領域１０Ｂとを備えた２段構造である。
【００２５】
図３，図４に示すように、伝熱管１２は、２段に亙って平行状に配置された複数の直管部１５と、この複数の直管部１５の端部同士を連結する複数の連結管部１６とを備えている。上段熱交換領域１０Ａには、４本の直管部１５が配設され、下段熱交換領域１０Ｂには、４本の直管部１５が配設されている。入水管６ａの下流側端部が、下段熱交換領域１０Ｂの上流側（奥側）の直管部１５に接続され、下段熱交換領域１０Ｂの下流側（前側）の直管部１５ａが、上段熱交換領域１０Ａの上流側（前側）の直管部１５に連結管部１６を介して接続され、上段熱交換領域１０Ａの下流側（奥側）の直管部１５ｂが、出湯管６ｂの上流側端部に接続されている。
【００２６】
上段熱交換領域１０Ａ及び下段熱交換領域１０Ｂの夫々において、伝熱管１２は、平面視蛇行形状に構成されている。即ち、上段熱交換領域１０Ａにおいては、４本の直管部１５が左右方向に延びるように且つ前後方向に等間隔おきに配設され、これら直管部１５の端部同士は、略Ｕ字状の連結管部１６を介して互い違いに接続されている。下段熱交換領域１０Ｂにおいても同様に、４本の直管部１５が左右方向に延びるように且つ前後方向に等間隔おきに配設され、これら直管部１５の端部同士は、略Ｕ字状の連結管部１６を介して互い違いに接続されている（図３，図４参照）。
【００２７】
図３に示すように、複数のフィン１４は、前後方向に延びるプレート状に夫々構成され、熱交換器缶体１１内において左右方向に小間隔おきに配設されている。複数の直管部１５の各々は、複数のフィン１４と熱交換器缶体１１の左側板１１ｃ及び右側板１１ｄを貫通し、ロウ付け等によって複数のフィン１４と左側板１１ｃ及び右側板１１ｄに固定されている。複数のフィン１４は、燃焼ガスから吸収した熱を直管部１５に伝達し、直管部１５内を流れる水又は湯水が加熱される。
【００２８】
次に、乱流生成部材１３について説明する。
図２，図４に示すように、乱流生成部材１３は、下段熱交換領域１０Ｂの複数の直管部１５のうちの下流側（前側）の直管部１５ａの右側部分と、上段熱交換領域１０Ａの複数の直管部１５のうちの下流側（奥側）の直管部１５ｂの右側部分とに夫々部分的に装着されている。乱流生成部材１３は、直管部１５ａ、１５ｂの全長の約１／３程度の長さを有するコイル状に夫々形成されている。この乱流生成部材（乱流コイル）１３は、ステンレス製の線材より形成されているが、特にこの材質に限定する必要はない。
【００２９】
乱流生成部材１３が部分的に装着されている直管部１５ａ、１５ｂは、同じ構造であるので、直管部１５ａについてのみ説明すると、図３，図４に示すように、直管部１５ａは、他の直管部１５と同径の小径管部１７と、この小径管部１７の端部に連なり且つ小径管部１７よりも僅かに大径の大径管部１８とを備えている。大径管部１８は、バーナーユニット７の燃焼段７ｃの左右幅に対応するように直管部１５の全長の約１／３程度の長さを有している。
【００３０】
乱流生成部材１３は、大径管部１８と同じ長さ及び大径管部１８の内径と略同じ径の外径を夫々有し、直管部１５ａ、１５ｂの大径管部１８の内周面に接するように夫々装着され、乱流生成部材１３の一端部が、小径管部１７と大径管部１８との内径の径が変化する境界の内側段差部１９に夫々当接されている（図５参照）。
【００３１】
乱流生成部材１３を直管部１５ａ、１５ｂに夫々装着する場合、連結管部１６を取り付ける前の直管部１５ａ、１５ｂの大径管部１８側開口部から乱流生成部材１３を夫々挿入し、乱流生成部材１３の一端部を内側段差部１９に当接することで夫々位置決めして、乱流生成部材１３を直管部１５ａ、１５ｂに夫々装着した状態にし、その後に、連結管部１６を取り付ける。尚、連結管部１６の直管部１５ａ、１５ｂの大径管部１８に接続される側端部は、直管部１５ａ、１５ｂとは反対側端部より大径に構成されている。
【００３２】
次に、本発明の熱交換器１０の作用及び効果について説明する。
燃焼装置１において、バーナーユニット７に燃料供給管から燃料ガスが供給されると共に送風ファン２から燃焼用空気が供給され、燃料ガスが空気と混合され燃焼され、この火炎の燃焼熱（燃焼ガス）で熱交換器１０内の水を加熱し、その後、排気は排気筒５を介して排気口から外部に排出される。
【００３３】
一方、熱交換器１０においては、外部の上水源から入水管６ａに水が供給されると、この水は、先ずは、熱交換器１０の下段熱交換領域１０Ｂの伝熱管１２を流れ、次に、熱交換器１０の上段熱交換領域１０Ａの伝熱管１２を流れ、上述のように熱交換器１０にて水は加熱されて湯水となり、出湯管６ｂから外部に出湯される。
【００３４】
ところで、本実施例では、暖房運転を実行する場合、複数段の燃焼段７ａ〜７ｃのうちの右側燃焼段７ｃのみを使用した１段燃焼が行われる。このため、暖房運転時には、伝熱管１２の複数の直管部１５の右側部分を長時間加熱することになり、しかも、熱交換器１０へ戻る湯水温度も高いので、伝熱管１２の局部（特に、バーナーユニット７の火炎に直接炙られ且つ湯水温度が高くなる下段熱交換領域１０Ｂの複数の直管部１５のうちの下流側の直管部１５ａの１段燃焼箇所と、湯水温度が最も高くなる伝熱管１２の最下流側の上段熱交換領域１０Ａの直管部１５ｂの１段燃焼箇所）に沸騰が生じる可能性が高い。
【００３５】
しかし、上記の局部沸騰の可能性がある２本の直管部１５ａ，１５ｂの１段燃焼箇所（大径管部１８）には、乱流生成部材１３が夫々装着されているので、乱流生成部材１３の撹拌作用によって、大径管部１８の水流を意図的に乱して乱流を促進し、壁面近傍部の熱を拡散させて温度の均一化を図ることで、大径管部１８の局部沸騰を防止することができる。
【００３６】
このように、乱流生成部材１３を直管部１５の局部沸騰する可能性が高い箇所に部分的に装着することで、従来の直管部１５の全長に亙って乱流生成部材１３を装着する構造と比較して、直管部１５の通水抵抗が低下し、熱交換器１０の能力が向上すると共に、乱流生成部材１３を短く構成することで、製造コストが低下する。
【００３７】
さらに、乱流生成部材１３が部分的に装着されている直管部１５ａ，１５ｂは、小径管部１７と、この小径管部１７の端部に連なり且つ小径管部１７よりも大径の大径管部１８とを夫々備え、乱流生成部材１３は、大径管部１８に夫々装着され、乱流生成部材１３の一端部が、小径管部１７と大径管部１８との境界の内側段差部１９に夫々当接されているので、乱流生成部材１３を直管部１５ａ，１５ｂに装着する場合、内側段差部１９によって乱流生成部材１３を容易に位置決めすることができ、故に、簡単な構造でもって乱流生成部材１３を直管部１５に部分的に装着することができる。内側段差部１９が乱流生成部材１３の下流側にある場合には、乱流生成部材１３が水流によって移動することを防止可能である。
【００３８】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、乱流生成部材１３の一端部を内側段差部１９に当接することで乱流生成部材１３を大径管部１８に部分的に装着する構造であるが、この構造に限定する必要はなく、図６に示すように、乱流コイルで構成された乱流生成部材１３の一端部（上流側端部）１３ａを、直管部１５Ａの一端部（上流側端部）２２に係止することで、乱流生成部材１３を直管部１５Ａに装着する構造であっても良い。この構造の場合、直管部１５Ａを小径管部１７と大径管部１８との径の異なる構造にする必要がなくなる。
【００３９】
この構造によれば、乱流生成部材１３は、乱流コイルで構成され、乱流生成部材１３の一端部１３ａは、この乱流生成部材１３が部分的に装着されている直管部１５Ａの一端部２２に係止されているので、乱流生成部材１３を直管部１５Ａに装着する場合、直管部１５Ａの一端部２２によって乱流生成部材１３を容易に位置決めすることができ、故に、簡単な構造でもって乱流生成部材１３を直管部１５Ａに部分的に装着することができる。直管部１５Ａの一端部２２が上流側の端部である場合には、乱流生成部材１３が水流によって移動することを防止可能である。
【００４０】
［２］前記実施例において、乱流生成部材１３の一端部を内側段差部１９に当接する構造であるが、この構造に限定する必要はなく、図７に示すように、直管部１５Ｂをリブ加工することで、直管部１５Ｂの内周壁部に内側に向けて突出する環状の突起部２１を設け、この突起部２１に乱流生成部材１３の一端部を当接する構造であっても良い。この構造の場合も上記と同様に、直管部１５Ｂを小径管部１７と大径管部１８との径の異なる構造にする必要がなくなる。
【００４１】
［３］前記実施例において、直管部１５は、乱流生成部材１３と略同じ長さの大径管部１８を備えているが、この構造に限定する必要はなく、図８に示すように、直管部１５Ｃが、乱流生成部材１３より長い大径管部１８Ｃと、この大径管部１８Ｃの端部に連なり且つ大径管部１８Ｃより短い小径管部１７Ｃとを備えた構造であっても良い。
【００４２】
この構造の場合、乱流生成部材１３を大径管部１８Ｃに挿入し、乱流生成部材１３の一端部を、小径管部１７Ｃと大径管部１８Ｃとの境界の内側段差部１９Ｃに当接し、その後、乱流生成部材１３の他端部の近傍の直管部１５Ｃに、外側から内側に向かって突出する複数の突起部２３を周方向等間隔に形成することで、乱流生成部材１３を直管部１５Ｃに装着した状態にする。
【００４３】
［４］前記実施例のコイル状の乱流生成部材（乱流コイル）１３に代えて、図９に示すように、乱流生成部材１３Ａとして、帯状のステンレス材を所定の間隔ごとに１８０度捩じった螺旋状のバッフル板を採用しても良い。また、乱流生成部材（乱流コイル）１３と乱流生成部材（バッフル板）１３Ｂとを併用しても良い。
【００４４】
［５］前記実施例のコイル状の乱流生成部材（乱流コイル）１３に代えて、図１０に示すように、乱流生成部材１３Ｂとして、帯状のステンレス材に所定の間隔ごとに交互に切り起こし形成された複数の切起し片２５を有するバッフル板を採用しても良い。また、乱流生成部材１３（乱流コイル）と乱流生成部材（バッフル板）１３Ｂとを併用しても良い。
【００４５】
［６］前記実施例において、乱流生成部材１３は、直管部１５ａ，１５ｂの右端部から全長の１／３程度の部分に夫々装着されているが、この構造に限定する必要はなく、局部沸騰の可能性のある個所であれば、乱流生成部材１３を直管部１５ａ，１５ｂの左端部や途中部に部分的に装着した構造であっても良い。
【００４６】
また、乱流生成部材１３は、直管部１５ａ，１５ｂに部分的に夫々装着されているが、この構造に限定する必要はなく、１本の直管部１５ａにのみ装着された構造であっても良く、少なくとも１本の直管部１５ａに装着されていれば、乱流生成部材１３を部分的に装着する直管部１５の数は、適宜変更可能である。
【００４７】
［７］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０    熱交換器
１２    伝熱管
１３，１３Ａ，１３Ｂ    乱流生成部材
１５，１５Ａ〜１５Ｃ    直管部
１６    連結管部
１７    小径管部
１８    大径管部
１９    内側段差部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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