(57)【要約】  上側部、下側部、上側部および下側部を取り囲む側面水ジャケット、上側部の頂部に配設される頂部水ジャケット、および下側部の下部に配設されるガス排出口を備える円筒形本体を有する熱交換器。水キャビティは、実質的に下側部に配設されている一方で、バーナを有するガスキャビティは、ガスキャビティ内部で実質的に中央に配設されている。環形成に配設される複数の水管は、水キャビティを、ガスキャビティを通って頂部水ジャケットへ接続し、また環形成に配設される複数のガス管は、ガスキャビティを、水キャビティを通ってガス排出口へ接続している。ガス管環の少なくとも１つは、水管環の直径よりも大きな直径を有している。【選択図】図１３
2014532157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記液体キャビティ６８を、前記ガスキャビティ６６を通って接続する少なくとも１つの液体管１８と、
（ｄ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体入口２２から前記液体キャビティ６８、前記少なくとも１つの液体管１８を通って液体出口２４へ流れるよう構成され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６を備え、前記頂部液体ジャケット６が前記液体流１４を前記少なくとも１つの液体管１８から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４を備え、前記側面液体ジャケット４が前記液体流１４を前記頂部液体ジャケット６から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項５】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部および前記液体キャビティ６８少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４を備え、前記側面液体ジャケット４が前記液体流１４を前記頂部液体ジャケット６から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項６】
請求項５に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項７】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの一方の内部に配設される少なくとも１つのタービュレータ１６を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項８】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記少なくとも１つの液体管１８と前記バーナ８との間の半径方向距離よりも大きい前記バーナ８からの半径方向距離に配設されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記ガスキャビティ６６内に延在するよう構成され、前記少なくとも１つのガス管２０は更に、前記バーナ８から離間して対向する少なくとも１つのスロット７４を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８は、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成されていることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの少なくとも一方は、捩り管であることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１２】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）前記ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記液体キャビティ６８を、前記ガスキャビティ６６を通って前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６へ接続する少なくとも１つの液体管１８と、
（ｄ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、
（ｅ）前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部および前記液体キャビティ６８の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体入口２２から前記液体キャビティ６８、前記少なくとも１つの液体管１８、前記頂部液体ジャケット６、前記側面液体ジャケット４を通って液体出口２４へ流れるよう構成され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【請求項１３】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１４】
請求項１２に記載の熱交換器２において、更に、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの一方の内部に配設される少なくとも１つのタービュレータ１６を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１５】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記少なくとも１つの液体管１８と前記バーナ８との間の半径方向距離よりも大きい前記バーナ８からの半径方向距離に配設されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１６】
請求項１５に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記ガスキャビティ６６内に延在するよう構成され、前記少なくとも１つのガス管２０は更に、前記バーナ８から離間して対向する少なくとも１つのスロット７４を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１７】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８は、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１８】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの少なくとも一方は、捩り管であることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１９】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）前記ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４と、
（ｄ）前記側面液体ジャケット４を、前記ガスキャビティ６６を通って前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６へ接続し、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成される少なくとも１つの液体管１８と、
（ｅ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体キャビティ６８から前記側面液体ジャケット４、前記少なくとも１つの液体管１８、前記頂部液体ジャケット６、および前記頂部液体ジャケット６に配設される液体出口２４を通って流れるよう構成され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張および相互参照
本出願は、米国仮特許出願が２０１１年１０月１０日に提出された、米国特許出願第６１／５４５，３８５号明細書からの優先権の利益を主張するものである。前記出願は、そのすべてを参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は概して、熱交換器を対象とする。特に、本発明は、温水器とともに使用するガスおよび水管複合型熱交換器を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
従来の温水システムのフィンチューブ型熱交換器は、多くの場合、コイル管の外面に配設されるフィンを有する螺旋コイル管を含んでいる。セラミックディスクが、バーナの直熱を、バーナを収容する熱交換器の排出口に配設されるファンブロワおよび他の構成要素等のその近傍の構成要素から遮断するために利用されてもよい。通常、フィンチューブ型熱交換器は、略円筒形のハウジング、ハウジング内部で同心円状に配設される螺旋コイル管、螺旋コイルの一端でコイル内腔内部に配設される放射状燃焼型バーナ、および螺旋コイルの他端で螺旋コイル内腔内部に配設されるセラミックディスクを備えている。通常、ハウジングの頂部に固定して配設される頂部鋳造物は、空気／燃料混合気をバーナへ強制的に流すファンブロワとバーナとの間の境界面として作用する。セラミックディスクは、障壁として作用して、その経路における構成要素が損傷しないよう高温の燃焼排ガスを遮蔽し、高温の燃焼排ガスを流してより効率的に螺旋コイル外面を取り囲むようにし、燃焼排ガスから螺旋コイルを流れる水への伝熱を向上させる。
【０００４】
しかし、管腔内部のセラミックディスクの使用は、有用な熱交換器の設置面積を占有し、製造および設置コストを増加し、最大量のエネルギーを利用し、回収することができなくなる。かかる設置において、通常、流体バッフル板は、高温の燃焼排ガスをより効率的にコイル管の周りに向けることができるように使用され、コイル巻線（ループ）間に位置決めされる。高温の燃焼排ガスから螺旋コイルへの伝熱を向上するには効果的だが、高温の燃焼排ガスの経路には間隙が残り、それを通って漏れてしまう。頂部鋳造物を介する不十分な熱回収は更に、環境に対しては無駄な、不必要に頂部鋳造物を温める原因となり、周辺の構成要素を不必要に加熱する。フィンチューブ型の構造は更に、コイル管を作成するよう管を曲げること、コイル管の上でフィンの良好な接触を作成して伝熱を促進するよう多数のフィンをコイル管の上で摺動させ、溶接することを含む複数の工程を行うために、特殊工具を必要とする。また、著しい熱損失も熱交換器のハウジングを介して発生する。
【０００５】
現状の熱交換器設計は、熱交換器の熱損失を防いで、通常周囲へ失ってしまう熱を封じ込めるため、熱交換器の外殻に断熱材を必要とする。
【０００６】
従って、通常損なわれるか、失われるバーナからの熱を利用できる熱交換器、および、製造が簡単で、コストのかからない熱交換器に対するニーズが高まっている。更に、熱交換器の部品点数および複雑さを増すことなく、熱交換器の効率を向上させるニーズも存在している。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、組み合わされた水およびガス管を備える熱交換器に向けられ、熱交換器は、従来のガス燃焼型水管熱交換器と比べて、単純で、安価な構成方法で構築可能である。本熱交換器は、上側部と、下側部と、排水口を有し、上側部および下側部を取り囲む側面水ジャケットと、上側部の頂部に配設された頂部水ジャケットと、下側部の下部に配設されたガス排出口とを含む円筒形本体を含んでおり、ここで、排水口は、実質的に側面水ジャケットの下端部に配設されている。熱交換器は、水を受けるための取水口を有する水キャビティにおいて、取水口が実質的に下側部の下端部に配設され、水キャビティが実質的に下側部に配設され、バーナを有するガスキャビティが、ガスキャビティ内部で実質的に中央に配設される水キャビティと、水キャビティを、ガスキャビティを通って頂部水ジャケットへ接続する複数の水管と、ガスキャビティを、水キャビティを通ってガス排出口へ接続する複数のガス管とを備えている。複数のガス管の多くは、複数の水管のそれぞれとバーナとの間の半径方向距離よりも大きいバーナからの半径方向距離に配設されている。水流は、取水口から水キャビティ、水管、頂部水ジャケット、および側面水ジャケットを通って排水口へ生じるよう構成されており、バーナは、直熱と、ガスキャビティからガス管を通って排出口へ流れる燃焼排ガス流とを生じるよう構成され、伝熱が直熱および燃焼排ガス流から水流へもたらされる。一実施形態において、ガスおよび水管のそれぞれは更に、実質的にその全長にわたって配設されるタービュレータを備えている。
【０００８】
従って、本発明の主目的は、従来のガス燃焼型水管熱交換器と比べて、単純で、安価な構成方法で構築可能な熱交換器を提供することにある。
【０００９】
本発明の更なる目的は、温水を温水使用者に供給する遅れを無くすことにある。
【００１０】
また、本発明の更なる目的は、周辺に対する熱交換器の熱損失を最小化し、熱回収を最大にすることにある。側面および頂部水ジャケットは、主に、熱交換器周辺の代わりに側面および頂部水ジャケット内部の水流に対する伝熱が原因による、空気および熱交換器の周囲の熱交換器構成要素に対する対流による熱損失を最小化する。
【００１１】
従来、セラミックディスクは、障壁として作用して、その経路における構成要素が損傷しないよう高温の燃焼排ガスを遮蔽し、高温の燃焼排ガスを流してより効率的に螺旋コイル外面を取り囲むようにし、燃焼排ガスから螺旋コイルを流れる水への伝熱を向上させている。本発明の別の目的は、戦略的に本水流経路を配設して、いずれの構成要素においても過度の熱上昇を軽減することによって、セラミック構成要素の使用を排除することにある。
【００１２】
本発明の多くの実施形態があり得るが、各実施形態は、いずれかの組み合わせにおいて、前記に列挙した目的の１つまたは複数に合致していればよい。各実施形態が、必ずしも各目的に合致する意図はない。従って、本発明のより重要な特徴の概略を広く述べたように、その詳細な説明がより良好に理解され、当該技術に対する本発明の寄与がより認識されるために、本明細書中で説明し、本明細書の主題の一部を形成する本発明の更なる特徴が存在することは勿論である。
【００１３】
本発明の上記で列挙した利点および他の利点ならびに目的が得られる方法のために、上記で簡単に説明した本発明のより詳細な説明を、添付図面に示すその特定の実施形態を引用して提供する。これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示し、従って、その適用範囲を限定するよう考慮すべきものではないことは言うまでも無く、本発明は、以下の添付図面の使用を通して、更なる特定性および詳細とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の熱交換器の上面斜視図であり、熱交換器の上面を介して空気／燃料混合気を受けるためのキャビティを示している。
【図２】図２は、図１の線ＡＡに沿って切り取った上面斜視断面図であり、流入する冷水を加熱することのできる熱交換器の内部構造を示している。
【図３】図３は、図１の線ＡＡに沿って切り取った直交正面断面図であり、熱交換器の内部構造における水およびガス流を示している。
【図４】図４は、タービュレータがガスおよび水管内部に用いられていることを除けば、図３に示すような直交正面断面図である。
【図５】図５は、本熱交換器の別の実施形態の直交正面断面図である。
【図６】図６は、本熱交換器の更に別の実施形態の直交正面断面図である。
【図７】図７は、図６のガス管の一部直交断面図であるが、ガス管が中間管板に近付くにつれて徐々に小さくなるガス侵入スロットの使用を示している。
【図８】図８は、本発明を構成するためのガスおよび水管と協働して使用される種々の管板を示す。
【図９】図９は、本発明を構成するためのガスおよび水管と協働して使用される種々の管板を示す。
【図１０】図１０は、本発明を構成するためのガスおよび水管と協働して使用される種々の管板を示す。
【図１１】図１１は、本熱交換器を利用できる例示の水加熱回路を示している。
【図１２】図１２は、本発明の代替実施形態を示す。
【図１３】図１３は、本発明の代替実施形態を示す。
【図１４】図１４は、図１３の水管における局部的な代替の流れパターンを示している。
【図１５】図１５は、本発明の代替実施形態を示す。
【図１６】図１６は、本発明による捩り管の直交正面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、本明細書中において、略（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）、大まかに（ｒｏｕｇｈｌｙ）、だいたい（ａｒｏｕｎｄ）、または、およそ（ｉｎ  ｔｈｅ  ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆ）の意味で用いられる。用語「約」を数値範囲とともに使用する場合、前記数値を超え、またそれ未満に境界を拡張することにより、その範囲を変更する。概して、用語「約」は、本明細書中において、記載の値の上下（それより高いか、低い）２０％の変動までの、その値を超え、それ未満の数値を変更するために用いられる。
【００１６】
図１は、本発明の熱交換器２の上面斜視図であり、熱交換器２の上面を介して空気／燃料混合気を受けるためのキャビティを示している。使用において、空気／燃料混合気流は、ブロワ２８（図１１参照）を用いてバーナ８に対して方向１０で供給される。熱交換器の外面は一般に、側面水ジャケット４、頂部水ジャケット６、および、頂部水ジャケット６内の開口部９を有する細長い円筒形本体を画成している。
【００１７】
図２は、図１の線ＡＡに沿って切り取った上面斜視断面図であり、流入する冷水を加熱することのできる熱交換器２の内部構造を示している。図３は、図１の線ＡＡに沿って切り取った直交正面断面図であり、熱交換器２の内部構造における水およびガス流を示している。図４は、タービュレータ１６がガスおよび水管内部に用いられていることを除けば、図３に示すような直交正面断面図である。熱交換器２は、上側部、下側部、排水口２４を有する側面水ジャケット４、上側部６０の頂部に配設された頂部水ジャケット６、および下側部６２の下部に配設された燃焼排ガス排出口２６を含む円筒形本体を備えている。側面水ジャケット４は、上側部６０および下側部６２を取り囲んでいる。排水口２４は、実質的に側面水ジャケット４の下端に配設されている。水を受けるための取水口２２を有する水キャビティ６８は、実質的に下側部６２の下端に配設されている。中心に位置決めされるバーナ８を有するガスキャビティ６６は、上側部６０に配設されている。複数の水管１８は、水キャビティ６８を、ガスキャビティ６６を通って頂部水ジャケット６に接続する。複数のガス管２０は、ガスキャビティ６６を、水キャビティ６８を通って燃焼排ガス排出口２６へ接続し、複数のガス管の多くは、高温の燃焼排ガスが燃焼排ガス排出口２６への経路上で水管１８を強制的に取り囲むよう、複数の水管１８のそれぞれとバーナ８との間の半径方向距離よりも大きいバーナ８からの半径方向距離に配設される。
【００１８】
小さな収容量を持つ純粋なオンデマンド（タンクレス）システムに対して、総水量、すなわち、流体コネクタ、頂部および側面水ジャケット６、４、および下側部の水キャビティ６８内の水の量は、２ガロン（７．６リットル）未満である。より大きな循環負荷に対して、または大量の需要を満たすために、水キャビティ６８は、拡張されて、例えば２０ガロン（７６リットル）の増加された容量を有することができる。一実施形態において、各ガスまたは水管は、約４．８ｍｍの内径と約６ｍｍの外径とを有している。
【００１９】
水流は、取水口２２から下側部６２、水管１８、頂部水ジャケット６、および側面水ジャケット４を通って排水口２４へ流れるよう構成されている。バーナ８は、対流および放射を介する直熱と、ガスキャビティ６６からガス管２０を通ってガス排出口２６へ流れる燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が直熱および燃焼排ガス流１２から水流１４へ生じる。一実施形態において、各ガスまたは水管は更に、実質的にその全長にわたって配設されるタービュレータを備えている。水管１８内に配設される場合、タービュレータ１６は、水流１４における乱流を促進し、水流量を増加し、それによって、水管１８の内面に生じる局所的な沸騰を解消している。局所的な沸騰は最終的に、水管１８の内面にピッチングを生じる。同様の効果は、ガス管２０内にタービュレータ１６を配設することによって達成される。単位燃焼排ガス質量流量当たりの燃焼排ガスからの伝熱は、ガス粒子がガス管の内面に衝突する割合がタービュレータ１６の存在とともに増加するにつれて、増大される。
【００２０】
図５は、本熱交換器の別の実施形態の直交正面断面図である。本実施形態において、側面水ジャケット４は、略頂部管板４６において頂部水ジャケット６を接続し、略中間管板４８において終端している。下側部の外側部分は、流入水で満たされ、更に、予熱処理された流入する水でその大部分が満たされるにつれ、下側部の外側部分を介して潜在的な熱損失を低減する水キャビティ６８の一部を本質的に構成している。
【００２１】
図６は、本熱交換器の更に別の実施形態の直交正面断面図である。本実施形態において、ガス管２０は、中間管板４８を越えて延在し、バーナ８によって生成された高温ガスが、水管１８の周りを必ず流れるか、または頂部および側面水ジャケット６、４の内面９４、９６に必ず衝突するように、バーナ８から離間した方向に配設されるガス侵入スロット７４を有している。図７は、図６のガス管２０の一部直交断面図であるが、ガス管２０が燃焼排ガス排出口２６に近付くにつれて徐々に小さくなるガス侵入スロット７４の使用を示している。高温ガスは、燃焼排ガス排出口２６の近傍位置でガス管２０に侵入する傾向があり、ガス侵入スロット７４の編成は、ガス管２０の長さに沿った燃焼排ガス流量の均一性を増加させ、それによって、バーナ８から水流１４への伝熱率の均一性を増加させる。
【００２２】
図８〜１０は、本発明を構成するためのガスおよび水管２０、１８と協働して使用される種々の管板４６、４８、および５０を示す。頂部管板４６、中間管板４８、および底部管板５０は一般に、円形である。頂部管板４６上には、開口５８の環が、側面および頂部水ジャケット４、６を接続するために頂部管板４６の略周縁に配設されている。大開口５２が中央に配設されてバーナ８を受けている。水管１８を受けるための別の開口５４の環が、大開口５２を中心として配設されている。中間管板４８上には、開口５６の環が周縁近傍に配設される一方で、別の開口５６の環が、中間管板４８の中心の周りに配設されている。開口５６は、ガス管２０を受けるよう構成されている。更に別の開口５４の環が、開口５６の２つの環の間に配設されている。底部管板５０上には、開口５６の環がその周縁近傍に配設される一方で、別の開口５６の環が、底部管板５０の中心の周りに配設されている。組み立て中、頂部管板４６は、中間管板４８の上に位置決めされる一方で、中間管板４８は、底部管板５０の上に位置決めされる。頂部管板４６の開口５４は、中間管板４８の開口５４と実質的に垂直に整列される。中間管板４８の開口５６は、底部管板５０の開口５６と実質的に垂直に整列される。水管１８は、各水管１８の一端が頂部管板４６の開口５４と係合する一方で、他端が中間管板４８の開口５４と係合するように、頂部管板４６および中間管板４８の間に配設される。ガス管２０は、各ガス管２０の一端が中間管板４８の開口５６と係合する一方で、他端が底部管板５０の開口５６と係合するように、中間管板４８および底部管板５０の間に配設される。別の実施形態において、ガスまたは水管の各端部は、開口へローラー拡張されて、ガス管２０または水管１８とその対応する開口との間の漏出の無い係合を作成している。別の実施形態において、ガスまたは水管２０、１８の各端部は、開口５４、５６へろう付けされている。これらの実施形態において、接合部の腐食する傾向を高める溶接が回避できるにつれて、熱交換器構造的一体性は、向上されるか、維持される。図示しない実施形態において、より大きい水管の第２の、または外側の環が、水管１８の本環の周りに配設される。水管の第２の環は、外側環の各水管が、水管１８の内側環の２つの連続する水管１８の間に配設されるように、本水管１８に対して角度で割出される。かかる構成は、伝熱に対する表面積が増加するにつれて、水管１８内の水流１４への伝熱を更に促進する。
【００２３】
従来のボイラーの煙管（水が管内を流れる高温ガスを取り囲んでいる）または水管（高温ガスが管内を流れる水を取り囲んでいる）は通常、コストのかかるステンレス鋼から構成されて腐食を防いでいる。これに対して、設計におけるその簡潔さにより、本熱交換器のガスおよび水管は、軟鋼または被覆されたガラスから構成されてもよい。この工程により、腐食を著しく低いコストで防止している。
【００２４】
純粋な煙管構成、すなわち、高温ガスが煙管に到達する前にバーナによって生成される熱の一部を取り除く水管を欠いた構成、局所的な沸騰が、バーナに曝露されている管板および水キャビティ内の多量の水と接触する煙管の外面で生じる傾向にある。局所的な沸騰は、高温の燃焼排ガスが衝突する場合に煙管および管板に生じる高い熱流束および高い熱応力の兆候である。
【００２５】
図１１は、本熱交換器２を利用できる例示の水加熱回路を示している。冷水は、冷水取水口３０を通って水加熱回路に入り、加熱された、または温水として温水排水口３２を通って出て行く。水加熱回路は、温水排水口３２において温水をユーザに供給する遅れを低減することを助ける内部再循環ループ６４を含む水加熱回路を示している。排水口３２において、需要がある場合、主流４２が、主フローライン３６において生成される。冷水は、熱交換器２に入り、ポンプ３４を介して流れ、バーナ８により生成された熱を吸収し、熱交換器２を出て、排水口３２に到達する。内部再循環流４４が内部再循環フローライン６４で望まれている場合、このフローラインに配設される電磁弁３８が開放され、ポンプ３４が通電される。内部再循環中、排水口３２において需要は無いが、流れ４２は再度、主フローライン３６において生じ、ここで、熱交換器２において生成された熱を再度、主フローライン３６内の流れに加えることができる。熱交換器２はまた、内部再循環フローライン６４の無い水加熱回路または外部再循環フローライン（図示せず）を含む水加熱回路に用いられてもよい。
【００２６】
図１２、１３、１４、および１５は、本発明の代替実施例を示している。これらの実施形態において、熱交換器の分割された部分のみをわかりやすくするために示している。図１２は、半円断面の内側マニホルド７０を使用して、ガスキャビティ６６を通る水流１４の向きを２回以上変更し、外側および内側マニホルド７２、７０を交互に配置して、頂部水ジャケットを介する熱損失を更に最小にすることを示している。本実施形態において、水流１４は、水キャビティ６８の底部近傍の取水口２２において入り、外側マニホルド７２の上の排水口２４を通って出て行く。熱交換器２に入ると、水流１４は最初に上方に向けられ、複数の開口を介して中間管板４８、側面水ジャケット４を通り、次いで、ガスキャビティ６６を通る頂部管板４６の第１の内側マニホルド７０を用いて下方に方向を変えられる。水流１４は次いで、ガスキャビティ６６を通る中間管板４８の第２の内側マニホルド７０によって上方に方向を変えられ、外側マニホルド７２を通って出て行く。一実施形態において、内側環に配設される水管８０の数と大きさは、それら内部の水流１４が適切に水管８０からの熱を受けるよう十分な速度を有するよう構成される。例えば、特に管板４８、４６と水管８０との間の接合部における熱応力の原因となり得る水管８０内の過度の熱上昇を防ぐために、少数の水管８０または小径の水管８０が、水管８０内部に（流量を維持した状態で）高い水流１４速度をもたらすよう使用されてもよく、それによって、水管８０からの高い熱除去率をもたらしてもよい。水管７８が、水管８０よりもバーナ８から大きく離間されて配設され、水管８０によってバーナ８から部分的に熱遮断され、それによって、水管７８に対して低い伝熱率がもたらされるにつれて、水管７８に対する熱応力の問題が小さくなる。従って、水管７８内の過度の熱上昇を防ぐ要件が低くなるように、外側環に配設される水管７８は、水管８０よりも多数で、大径に構成されてもよい。図１３は、複数の外管８２を用いて側面液体ジャケットを形成していることを除けば、本質的に図１２に示すものと同じ実施形態を示す。図１３において、側面液体ジャケットの内壁８４は削除されたが、代わりに、バーナ８を中心として環状パターンに配設された複数の外管８２を使用することによって置き換えている。外管８２を用いることにより、厚い内壁８４の必要が無くなる。かかる外管８２の使用は、本明細書中に開示する他のすべての実施形態に対して、代替として適用されてもよい。図１４は、図１３の水管における局部的な代替の流れパターンを示している。本実施形態において、水流は、部分９０において示すような環（８６または８８）内部に配設される水管間ばかりだけではなく、部分９２において示すように２つの環８６、８８にわたって配設される水管間でも生じるよう構成される。当業者には、流れが２回以上ガスキャビティ６６を通り抜けるのであれば、他の同等の方法でガスキャビティ６６内部の水流が構成されてもよいことは、理解される。
【００２７】
図１２に戻って参照すると、頂部水ジャケット６は、頂部水ジャケット６が可能な最も薄い材料から構築され、それでも十分な構造強度を維持できるように、半円断面、すなわち、その外面上に何れの平坦部分も無いよう構成されている。バーナ８からだけではなく、頂部管板４６から頂部水ジャケット６への伝熱も最大にするために、頂部水ジャケット６の一部は、それができるだけバーナ８を収容する頂部水ジャケット６の開口部９に突出するよう構成されることに留意されたい。
【００２８】
図１５は、半円断面の内側マニホルド７０を使用して、ガスキャビティ６６を通る水流１４の向きを２回以上変更し、外側および内側マニホルド７２、７０を交互に配置して、頂部水ジャケットを介する熱損失を更に最小にする別の実施形態を示している。本実施形態において、水流１４は、水キャビティ６８の底部近傍の取水口２２において入り、ガスキャビティ６６の底部近傍に配設される排水口２４を通って出て行く。熱交換器２に入ると、水流１４は最初に、中間管板４８の水管１８を通って上方に向けられ、次いで、ガスキャビティ６６を通る頂部管板４６の第１の内側マニホルド７０を用いて下方に方向を変えられる。水流１４は再度、ガスキャビティ６６を通る中間管板４８の第２の内側マニホルド７０によって上方に方向を変えられる。頂部管板４６において、水流１４は次いで、側面水ジャケットを通って外側および内側マニホルド７２、７０によって画成される空間によって下方に方向を変えられ、排水口２４を通って出て行く。
【００２９】
図１６は、本発明による捩り管の直交正面図を示している。捩り管は、長手方向中心軸を有する直管を捩ることによって、すなわち、最初に２端のそれぞれを固定し、次いで長手方向中心軸を中心として回転変形を生じさせることによって形成されてもよい。結果としての捩り管は、管の内外面において不規則性を有し、管の内側または外側の燃焼排ガスまたは水流のいずれかにおいて乱流を増大させて伝熱を向上する。更に別の実施形態において、タービュレータは最初、直管−タービュレータの組み合わせを捩る前に直管内部に配設されて、管内部の流れ乱流を更に高める。
【００３０】
本熱交換器は、温水器に使用されるよう構成されるが、かかる熱交換器が、不要な実験を行うことなく、他の液体を加熱するために用いられてもよいことは明白である。
【００３１】
本発明を特定の実施形態と関連して上で説明してきたが、本発明をそのように限定する必要は無く、他の多数の実施形態、使用、実施形態からの修正形態および逸脱形態、および使用が、本発明の概念から逸脱することなく行われてもよいことは、当業者によって理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
２つの部品間の伝熱は、２つの部品間の温度勾配（差異）に比例する。この勾配が高いほど、熱が暖かい部分から冷たい部分へ伝達される傾向が高くなる。本発明は、この原理を利用して、熱交換器内部の大部分の流路全体に比較的高い温度勾配をもたらしている。ヘリカルコイル管内に１つの水流路のみが存在する際に、高温ガスの低い伝熱係数を補償するため、既存のフィンおよび管コイルは、表面積を増加させるよう高価なフィン付管を必要とする。熱束または熱流束は、所定の表面を介する熱エネルギー伝達率として定義される。本発明において、バーナから水流への熱束は、バーナまたはその燃焼排ガスに曝露される複数の流路を備えることによって高いレベルで維持される。熱束は更に、水管内部およびガス管内部に乱流を生成して、バーナから水流への高い伝熱を促進することによっても維持される。
【００３３】
本発明において、水ジャケットは、熱交換器の側面およびその上でバーナを囲むよう用いられる。そのように、バーナによって生じた熱が、水流に伝達され、熱交換器の周囲に放散および浪費されることの無いように、セラミックディスクの使用を排除し、それによって、設備調達を生じさせ、コスト削減を行い、環境廃棄物を低減する。結果として、バーナの出力定格もまた低減されてもよく、熱交換器の全体の熱効率は、流れを加熱するのに必要な出力がここで低くなるにつれて、増加する。本熱交換器の製造コストは、先行技術の熱交換器と比較して低減されている。本熱交換器の機能設計は、多くの構成部品の再利用を可能にする。例えば、ガスおよび水管は同じ設計を共有し、２、３の製造ステップが、設計が単純な基本構成要素、すなわち、ある長さに切断された直管または開口とともに打ち抜かれた管板を内包するように、適用される。加えて、組み込まれるタービュレータもまた、適切な長さに形成されたタービュレータが製造中に単にガスまたは水管の管腔内に置かれるような、簡単なものである。同種のタービュレータがガスおよび水管の両方に使用できるように、タービュレータを用いる再利用もまた可能である。更に、ガスおよび水管の間隔に取り付けられる管板は単に、ガスおよび水管を受けるよう打ち抜かれるか、そうでなければ形成される開口を有する薄板から形成される。従来のフィン付管の設計において、フィンはヘリカルコイル管上に溶接されて、バーナから管内部の水流への伝熱を促進する。結果としての溶接接合部の全長は、各フィンが溶接されて伝熱を促進しなければならないため、極めて大きい。溶接接合部は、腐食する可能性が極めて高く、従って、コイル管が脆弱化する可能性が極めて高い。その一方で、従来のボイラーで使用されるような先行技術の煙管は、管板に溶接することを必要とする、コストのかかる楕円管を含んでいる。別の実施形態において、捩り管は、直管を捩ることによって形成されて、直管の代わりに用いられ、燃焼排ガスまたは水流のいずれかにおける乱流を増大させて、伝熱を向上させてもよい。更に別の実施形態において、タービュレータは最初に、直管−タービュレータの組み合わせを捩る前に、直管内部に配設される。
【００３４】
約２〜２０ガロン、すなわち７．６〜７６リットルの小さな収容量を持つ本熱交換器は、華氏７０度（摂氏２１度）への上昇とともに２．０ガロン／時（ＧＰＨ）または７．６リットル／時の継続的な需要が満たされ得るように、既存の、および典型的な１／２インチ（１２．７ｍｍ）ガスラインによって支持可能であり、更に、タンクレス温水器において利用される熱交換器と類似の高い伝熱率および効率を有する低ＢＴＵバーナ（最大８５，０００ＢＴＵ／時または２５ｋＷまで）を利用できる。
【００３５】
過度の熱上昇は、特に、管板と水管または水ジャケットとの間の接合部において熱応力を生じる可能性があり、その結果、漏出を生じる流路の破損を生じる。本熱交換器のいくつかの実施形態において、過度の熱上昇は、水管、特に、バーナの最近傍に配設される水管を通る流れの速度および乱流を増加させ、それによって、水管から流れへの高い伝熱率をもたらすことによって軽減される。
【符号の説明】
【００３６】
２  熱交換器
４  側面水ジャケット
６  頂部水ジャケット
８  バーナ
９  開口部
１０  空気／燃料混合気流の方向
１２  燃焼排ガス流
１４  水流
１６  タービュレータ
１８  水管
２０  ガス管
２２  取水口
２４  排水口
２６  燃焼排ガス排出口
２８  ブロワ
３０  冷水取水口
３２  温水排水口
３４  ポンプ
３６  主フローライン
３８  電磁弁
４０  逆止め弁
４２  主流
４４  再循環流れ
４６  頂部管板
４８  中間管板
５０  底部管板
５２  バーナを受けるための開口
５４  水管を受けるための開口
５６  ガス管を受けるための開口
５８  側面および頂部水ジャケットを接続するための開口
６０  上側部
６２  下側部
６４  内部再循環フローライン
６６  ガスキャビティ
６８  水キャビティ
７０  内側マニホルド
７２  外側マニホルド
７４  ガス管上スロット
７６  水キャビティおよび側面水ジャケット接続開口
７８  内側環の水管
８０  外側環の水管
８２  外管
８４  側面液体ジャケットの内壁
８６  内側環
８８  外側環
９０  環内部の水管間の流れ
９２  内側および外側環の水管間の流れ
９４  頂部水ジャケットの内面
９６  側面水ジャケットの内面
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月20日(2012.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記液体キャビティ６８を、前記ガスキャビティ６６を通って接続する少なくとも１つの液体管１８と、
（ｄ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体入口２２から前記液体キャビティ６８、前記少なくとも１つの液体管１８を通って液体出口２４へ流れるよう構成され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６を備え、前記頂部液体ジャケット６が前記液体流１４を前記少なくとも１つの液体管１８から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４を備え、前記側面液体ジャケット４が前記液体流１４を前記頂部液体ジャケット６から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項５】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部および前記液体キャビティ６８少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４を備え、前記側面液体ジャケット４が前記液体流１４を前記頂部液体ジャケット６から前記液体出口２４へ接続することを特徴とする熱交換器２。
【請求項６】
請求項５に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項７】
請求項１に記載の熱交換器２において、更に、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの一方の内部に配設される少なくとも１つのタービュレータ１６を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項８】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記少なくとも１つの液体管１８と前記バーナ８との間の半径方向距離よりも大きい前記バーナ８からの半径方向距離に配設されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項９】
請求項８に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記ガスキャビティ６６内に延在するよう構成され、前記少なくとも１つのガス管２０は更に、前記バーナ８から離間して対向する少なくとも１つのスロット７４を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８は、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成されていることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの少なくとも一方は、捩り管であることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１２】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）前記ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６と、
（ｄ）前記液体キャビティ６８を、前記ガスキャビティ６６を通って前記頂部液体ジャケット６へ接続する少なくとも１つの液体管１８と、
（ｅ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、
（ｆ）前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部および前記液体キャビティ６８の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体入口２２から前記液体キャビティ６８、前記少なくとも１つの液体管１８、前記頂部液体ジャケット６、前記側面液体ジャケット４を通って液体出口２４へ流れるよう構成され、前記液体流は、前記頂部液体ジャケット６および前記側面液体ジャケット４の内部で区画される空間内に制限され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【請求項１３】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記側面液体ジャケット４は、少なくとも１つの外管８２から構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１４】
請求項１２に記載の熱交換器２において、更に、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの一方の内部に配設される少なくとも１つのタービュレータ１６を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１５】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記少なくとも１つの液体管１８と前記バーナ８との間の半径方向距離よりも大きい前記バーナ８からの半径方向距離に配設されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１６】
請求項１５に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つのガス管２０は、前記ガスキャビティ６６内に延在するよう構成され、前記少なくとも１つのガス管２０は更に、前記バーナ８から離間して対向する少なくとも１つのスロット７４を備えることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１７】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８は、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成されることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１８】
請求項１２に記載の熱交換器２において、前記少なくとも１つの液体管１８および前記少なくとも１つのガス管２０のうちの少なくとも一方は、捩り管であることを特徴とする熱交換器２。
【請求項１９】
熱交換器２において、
（ａ）液体流１４を受けるための液体入口２２を有する液体キャビティ６８と、
（ｂ）前記ガスキャビティ６６の内部で実質的に中央に配設されるバーナ８を受けるよう構成され、前記液体キャビティ６８の上に配設されるガスキャビティ６６と、
（ｃ）前記ガスキャビティ６６の少なくとも一部を中心として配設される側面液体ジャケット４と、
（ｄ）前記ガスキャビティ６６の上に配設される頂部液体ジャケット６と、
（ｅ）前記側面液体ジャケット４を、前記ガスキャビティ６６を通って頂部液体ジャケット６へ接続し、前記ガスキャビティ６６を２回以上通り抜けて、前記伝熱に対する前記液体流１４の曝露を増加させるよう構成される少なくとも１つの液体管１８と、
（ｆ）前記ガスキャビティ６６を、前記液体キャビティ６８を通って前記液体キャビティ６８の下に配設されるガス排出口２６へ接続する少なくとも１つのガス管２０と、を備え、
前記液体流１４は、前記液体キャビティ６８から前記側面液体ジャケット４、前記少なくとも１つの液体管１８、前記頂部液体ジャケット６、前記頂部液体ジャケット６に配設される液体出口２４を通って流れるよう構成され、前記液体流は、前記頂部液体ジャケット６および前記側面液体ジャケット４の内部で区画される空間内に制限され、前記バーナ８は、直熱と、前記ガスキャビティ６６から前記少なくとも１つのガス管２０を通って前記ガス排出口２６へ流れるよう構成される燃焼排ガス流１２とを生じるよう構成され、伝熱が前記直熱および前記燃焼排ガス流１２から前記液体流１４へもたらされる、
ことを特徴とする熱交換器２。
【国際調査報告】
2014532157.tif 000019