(57)【要約】【課題】燃焼排気が流れる胴部４０内に、燃焼排気の流れ方向(Ｘ軸方向)に等ピッチで配置される複数の直管部４１ａとＸ軸方向に隣接する直管部同士を結ぶＵターン部４ｂとを有する蛇行形状の吸熱管４１が複数本収納された潜熱回収型熱交換器であって、複数本の吸熱管がＸ軸に直交するＺ軸方向に積層されると共に、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士がＸ軸方向に位置をずらして配置されるものにおいて、潜熱の回収効率を向上させる。【解決手段】Ｚ軸方向に隣接する吸熱管４１，４１同士のＸ軸方向のずれ量ΔＰを各吸熱管４１の直管部４１ａのＸ軸方向の配置ピッチＰの１／２以外の値に設定し、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管４１，４１の直管部４１ａ，４１ａ同士のＸ軸方向間隔が広くなる部分と狭くなる部分とがＸ軸方向に交互に並ぶようにする。【選択図】図２
2007170733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排気が流れる胴部内に、燃焼排気の流れに平行な方向をＸ軸方向、Ｘ軸に直交する胴部の幅方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向として、Ｘ軸方向に等ピッチで配置されるＹ軸方向に真直な複数の直管部とＸ軸方向に隣接する直管部同士を結ぶＵターン部とを有する蛇行形状の吸熱管が複数本収納され、これら吸熱管の一端部と他端部とを夫々流入側ヘッダと流出側ヘッダとに接続して、流入側ヘッダから流出側ヘッダにこれら吸熱管を介して被加熱流体を流し、燃焼排気中の水蒸気を吸熱管の外面で凝縮させて潜熱を回収するようにした潜熱回収型熱交換器であって、
複数本の吸熱管がＺ軸方向に積層されると共に、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士がＸ軸方向に位置をずらして配置されるものにおいて、
Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士のＸ軸方向のずれ量が各吸熱管の直管部のＸ軸方向の配置ピッチより小さな範囲で該配置ピッチの１／２以外の値に設定されていることを特徴とする潜熱回収型熱交換器。
【請求項２】
Ｚ軸方向に隣接する前記吸熱管同士のＸ軸方向のずれ量は前記配置ピッチの１／２より大きな値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の潜熱回収型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼排気中の水蒸気を凝縮させて潜熱を回収するようにした潜熱回収型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の潜熱回収型熱交換器として、燃焼排気が流れる胴部内に蛇行形状の吸熱管を複数本配置し、これら吸熱管の一端部と他端部とを夫々流入側ヘッダと流出側ヘッダとに接続して、流入側ヘッダから流出側ヘッダにこれら吸熱管を介して被加熱流体を流し、燃焼排気中の水蒸気を吸熱管の外面で凝縮させて潜熱を回収するようにしたものは知られている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
これを詳述するに、吸熱管は、燃焼排気の流れに平行な方向をＸ軸方向、Ｘ軸に直交する胴部の幅方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向として、Ｘ軸方向に等ピッチで配置されるＹ軸方向に真直な複数の直管部とＸ軸方向に隣接する直管部同士を結ぶＵターン部とを有する蛇行形状に形成されている。そして、複数本の吸熱管がＺ軸方向に積層されると共に、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士がＸ軸方向に位置をずらして配置されている。ここで、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士のＸ軸方向のずれ量は各吸熱管の直管部のＸ軸方向の配置ピッチの１／２に設定され、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管の各直管部がＸ軸方向に等間隔で千鳥状に整列して配置される。
【０００４】
ところで、潜熱の回収効率を向上させるには、燃焼排気の流れを乱流化して、吸熱管の外表面に燃焼排気の滞留層を生じないようにし、更に、水蒸気の凝縮が進んだ燃焼排気の部分(乾排気部分)と水蒸気の凝縮が遅れている燃焼排気の部分(湿排気部分)との混合を促進し、燃焼排気の流れ方向下流側に位置する吸熱管の部分でも水蒸気が効果的に凝縮されるようにする必要がある。ここで、吸熱管の直管部が千鳥状に配置されていれば、燃焼排気の流れがある程度乱流化されるが、吸熱管の直管部が千鳥状ではあってもＸ軸方向に等間隔で整列して配置されると、燃焼排気の流れがそれなりに安定して、乾排気部分と湿排気部分との混合が不十分になりやすく、潜熱の回収効率を向上させるにも限度がある。
【特許文献１】特開２００４−２３２９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、乾排気部分と湿排気部分との混合を促進して、潜熱の回収効率を向上し得るようにした潜熱回収型熱交換器を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼排気が流れる胴部内に、燃焼排気の流れに平行な方向をＸ軸方向、Ｘ軸に直交する胴部の幅方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向として、Ｘ軸方向に等ピッチで配置されるＹ軸方向に真直な複数の直管部とＸ軸方向に隣接する直管部同士を結ぶＵターン部とを有する蛇行形状の吸熱管が複数本収納され、これら吸熱管の一端部と他端部とを夫々流入側ヘッダと流出側ヘッダとに接続して、流入側ヘッダから流出側ヘッダにこれら吸熱管を介して被加熱流体を流し、燃焼排気中の水蒸気を吸熱管の外面で凝縮させて潜熱を回収するようにした潜熱回収型熱交換器であって、複数本の吸熱管がＺ軸方向に積層されると共に、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士がＸ軸方向に位置をずらして配置されるものにおいて、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士のＸ軸方向のずれ量が各吸熱管の直管部のＸ軸方向の配置ピッチより小さな範囲で該配置ピッチの１／２以外の値に設定されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管の直管部同士のＸ軸方向間隔が狭くなる部分(狭間隔部分)と広くなる部分(広間隔部分)とがＸ軸方向に交互に並ぶ。そして、燃焼排気の流速が狭間隔部分では速く、広間隔部分では緩やかになり、この流速変化により広間隔部分で燃焼排気が拡散して、乾排気部分と湿排気部分との混合が促進される。その結果、燃焼排気の流れ方向下流側に位置する吸熱管の部分でも水蒸気が効果的に凝縮し、潜熱の回収効率が向上する。
【０００８】
ところで、複数本の吸熱管の一端と他端の各端部は、胴部の側板に形成した各透孔を通して流入側と流出側の各ヘッダに接続される。そして、これら吸熱管の各端部間の隙間が狭くなると、側板に形成する透孔間の隙間も狭くなり、側板の強度が不足する。この場合、透孔の孔径を小さくして、透孔間の隙間を広くすれば良いが、これでは、吸熱管の各端部を透孔に合わせて縮径するスウェージング加工を施すことが必要になり、コストが高くなる。
【０００９】
このことを考慮すると、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管同士のＸ軸方向のずれ量は各吸熱管の直管部のＸ軸方向の配置ピッチの１／２より大きな値に設定されていることが望ましい。これによれば、複数本の吸熱管の一端と他端の各端部間の隙間が広くなり、胴部の側板に形成する透孔の孔径を小さくしなくても、透孔間の隙間をヘッダの強度不足を生じない程度に広く確保できる。従って、吸熱管の各端部を縮径するスウェージング加工が不要になり、コスト的に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照して、１は給湯器の外装ケースであり、外装ケース１内に、バーナ(図示せず)を内蔵する燃焼筐２と、燃焼筐２の上方の主熱交換器３と、主熱交換器３の上方の副熱交換器４とを配置している。また、燃焼筐２の下側には、燃焼筐２内に燃焼用空気を供給する燃焼ファン５が配置されている。
【００１１】
主熱交換器３は、バーナの燃焼排気が流れる胴部３０内に前後方向(図１の紙面垂直方向)の隙間を存して積層した多数の吸熱フィン(図示せず)と、これら吸熱フィンを貫通する前後方向に長手の複数本の吸熱管３１とを備えている。そして、胴部３０の前後の板の外面において、図１、図２に示す如く、主熱交換器３の吸熱管３１を２本宛Ｕベント３２を介して接続し、上流端の吸熱管３１−Ｓから下流端の吸熱管３１−Ｅに至る一連の熱交換水路を構成している。主熱交換器３の上流端の吸熱管３１―Ｓには副熱交換器４を介して給水管Ｋ１が接続され、下流端の吸熱管３１―Ｅには出湯管Ｋ２が接続されている。そして、出湯管Ｋ２の下流端の出湯栓(図示せず)が開かれて副熱交換器４及び主熱交換器３に通水されたとき、バーナに点火されて、副熱交換器４及び主熱交換器３で加熱された温水が出湯栓から出湯されるようにしている。
【００１２】
副熱交換器４は潜熱回収型熱交換器であり、図２、図３に示す如く、胴部４０内に配置した蛇行形状の複数本(本実施形態では６本)の吸熱管４１を備えている。胴部４０は底板部４０１を有しており、底板部４０１の後部に排気導入口４０２が開設されている。そして、主熱交換器３を通過したバーナの燃焼排気が主熱交換器３上の排気フード３３を介して排気導入口４０２から胴部４０内に流入するようにしている。また、胴部４０の前面には排気排出口４０３が設けられており、胴部４０内に排気排出口４０３に向けて燃焼排気が流れる。尚、底板部４０１と胴部４０の上面とは前下がりに傾斜しており、燃焼排気は、前下がりに傾斜した図２のＸ軸に平行な方向に流れる。
【００１３】
胴部４０の横方向一側の側板４０４の外面には、Ｘ軸方向前方に位置する流入側ヘッダ４２１と、Ｘ軸方向後方に位置する流出側ヘッダ４２２とが取り付けられている。そして、側板４０４の各ヘッダ４２１，４２２の配置部に複数本の吸熱管４１用の複数の透孔を開設し、各吸熱管４１の一端部と他端部とを各透孔を通して流入側と流出側の各ヘッダ４２１，４２２に接続している。また、流入側ヘッダ４２１に給水管Ｋ１を接続すると共に、流出側ヘッダ４２２に、主熱交換器３の上流端の吸熱管３１−Ｓに連なる接続管Ｋ３を接続している。出湯栓を開くと、流入ヘッド４２１から流出ヘッド４２２に複数本の吸熱管４１を介して被加熱流体たる水が流れ、燃焼排気中の水蒸気が吸熱管４１の外面で凝縮して、潜熱が回収される。かくして、潜熱により予熱された水が副熱交換器４から主熱交換器３に供給される。
【００１４】
吸熱管４１は、耐食性金属、例えば、ステンレス製のコルゲート管を蛇行形状に曲げ加工して形成される。この蛇行形状は、上記Ｘ軸に直交する胴部４０の幅方向たる横方向をＹ軸方向として、Ｘ軸方向に等ピッチで配置されるＹ軸方向に真直な４個の直管部４１ａと、Ｘ軸方向に隣接する直管部４１ａ，４１ａ同士を結ぶ計３個のＵターン部４１ｂとを有する蛇行形状である。そして、６本の吸熱管４１をＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に積層すると共に、Ｚ軸方向に隣接する吸熱管４１，４１同士をＸ軸方向に位置をずらして配置している。
【００１５】
より詳細には、Ｚ軸方向下方から数えて奇数番目、即ち、１番目(＃１)と３番目(＃３)と５番目(＃５)の吸熱管４１，４１，４１のＸ軸方向位置を互いに同一にすると共に、Ｚ軸方向下方から数えて偶数番目、即ち、２番目(＃２)と４番目(＃４)と６番目(＃６)の吸熱管４１，４１，４１のＸ軸方向位置を互いに同一にし、奇数番目の吸熱管４１の位置に対し偶数番目の吸熱管４１の位置をＸ軸方向後方にずらしている。かくして、奇数番目の吸熱管４１の直管部４１ａと偶数番目の吸熱管４１の直管部４１ａとが千鳥状に配置されることになる。
【００１６】
尚、奇数番目の吸熱管４１と偶数番目の吸熱管４１とが交差する両者のＵターン部４１ｂ，４１ｂは、Ｚ軸方向の厚さが直管部４１ａの直径よりも小さくなるように押し潰されている。そして、奇数番目の吸熱管４１の直管部４１ａと偶数番目の吸熱管４１の直管部４１ａとがＸ軸方向から見てＺ軸方向に重なり合うようにしている。
【００１７】
また、奇数番目の吸熱管４１と偶数番目の吸熱管４１とのＸ軸方向のずれ量ΔＰは、各吸熱管４１の直管部４１ａのＸ軸方向の配置ピッチをＰとして、０．５Ｐ＜ΔＰ＜Ｐに設定されている。そのため、奇数番目の吸熱管４１の直管部４１ａと偶数番目の吸熱管４１の直管部４１ａとの間のＸ軸方向間隔が広くなる部分(広間隔部分)と狭くなる部分(狭間隔部分)とがＸ軸方向に交互に並ぶ。
【００１８】
これによれば、燃焼排気の流速が狭間隔部分では速く、広間隔部分では緩やかになる。そして、この流速変化により広間隔部分で燃焼排気が拡散して、水蒸気の凝縮が進んだ燃焼排気の部分(乾排気部分)と水蒸気の凝縮が遅れている燃焼排気の部分(湿排気部分)との混合が促進される。その結果、燃焼排気の流れ方向下流側、即ち、Ｘ軸方向前方に位置する吸熱管４１の部分でも水蒸気が効果的に凝縮し、潜熱の回収効率が向上する。
【００１９】
尚、狭間隔部分における奇数番目の吸熱管４１の直管部４１ａの外面と偶数番目の吸熱管４１の直管部４１ａの外面との間の隙間δが３ｍｍ未満になると、各直管部４１ａの外面での水蒸気の凝縮で生ずる凝縮水同士が繋がって、直管部４１ａ、４１ａ間の隙間が閉塞される可能性がある。従って、上記ずれ量ΔＰは隙間δが３ｍｍ以上になるように設定することが望まれる。後述する実施例の発明品ではδが３．２０９ｍｍになっている。
【００２０】
また、ずれ量ΔＰを０＜ΔＰ＜０．５Ｐに設定することも可能である。但し、この場合には、奇数番目の吸熱管４１の一端と他端の各端部と偶数番目の吸熱管４１の一端と他端の各端部との間の隙間が狭くなる。そのため、胴部４０の側板４０４に開設する吸熱管用の透孔間の隙間も狭くなり、このままでは側板４０４の強度が不足する。この場合、透孔の孔径を小さくして、透孔間の隙間を広くすれば良いが、これでは、吸熱管４１の各端部を透孔に合わせて縮径するスウェージング加工を施すことが必要になり、コストが高くなる。
【００２１】
これに対し、ずれ量ΔＰを、本実施形態の如く、０．５＜ΔＰ＜Ｐに設定すれば、奇数番目の吸熱管４１の各端部と偶数番目の吸熱管４１の各端部との間の隙間が広くなる。そのため、透孔の孔径を小さくしなくても、透孔間の隙間を側板４０４の強度不足を生じない程度に広く確保できる。従って、吸熱管４１の各端部を縮径するスウェージング加工が不要になり、コスト的に有利である。
【００２２】
尚、本実施形態では、胴部４０の側板４０４の外面に各ヘッダ４２１，４２２を配置したが、側板４０４の内面に各ヘッダ４２１，４２２を配置し、吸熱管４１の各端部を各ヘッダ４２１，４２２の横方向内側面に開設する各接続孔に挿入接続するようにしても良い。この場合においても、ずれ量ΔＰを０．５＜ΔＰ＜Ｐに設定すれば、接続孔の孔径を小さくせずに接続孔間の隙間を広くして各ヘッダ４２１，４２２の強度を確保でき、吸熱管４１のスウェージング加工が不要になる。
【００２３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、吸熱管４１の本数は、上記実施形態の６本より多くしても少なくしても良い。また、上記実施形態では、給湯器の副熱交換器４から成る潜熱回収型熱交換器に本発明を適用しているが、給湯器以外で使用する潜熱回収型熱交換器にも同様に本発明を適用できる。
【実施例】
【００２４】
上記実施形態の副熱交換器４において、吸熱管４１を構成するコルゲート管の大径部の直径を１６ｍｍ、図２、図３の各部の寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｐ，ΔＰを夫々Ｌ１＝１０８ｍｍ、Ｌ２＝６０ｍｍ、Ｌ３＝９１ｍｍ、Ｌ４＝２１５．５ｍｍ、Ｌ５＝２３４．２ｍｍ、Ｐ＝３６ｍｍ、ΔＰ＝２１ｍｍとした発明品と、ΔＰをＰの１／２の１８ｍｍとし、他の寸法を発明品と同一にした比較品とについて、熱流体解析ソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」を用い、排気導入口４０２から１ｋｇ当り８４．１ｇの水蒸気を含む空気を温度４４３．１５Ｋ、流量０．０８０９５ｋｇ／ｓで流入させ、流入側ヘッダ４２１から１５℃の水を毎分１６リットルの流量で流入させた場合の凝縮水の発生量と吸熱量とを算出した。比較品では、凝縮水の発生量が０．００３９２０２２５３ｋｇ／ｓ、吸熱量が７０４９．６０７Ｗになり、発明品では、凝縮水の発生量が０．００３９７８０７４９ｋｇ／ｓ、吸熱量が７２９６．２２６Ｗになった。このように吸熱量が発明品では比較品より３．５％程度多くなっている。これは、胴部４０内の気流の乱流化が促進されると共に、広間隔部分で乾排気部分と湿排気部分との混合が促進されて、潜熱の回収効率が向上したためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態の潜熱回収型熱交換器から成る副熱交換器を具備する給湯器の正面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した切断側面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した切断平面図。
【符号の説明】
【００２６】
４…副熱交換器(潜熱回収型熱交換器)、４０…胴部、４１…吸熱管、４１ａ…直管部、４１ｂ…Ｕターン部、４２１…流入側ヘッダ、４２２…流出側ヘッダ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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