JP5030981B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流入ヘッダと流出ヘッダとを介して吸熱管内に流す水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器に関する。

高効率給湯装置に搭載される潜熱熱交換器は、燃焼排気が流れるケース内に複数本の吸熱管を配置し、これら吸熱管の一端部と他端部とをケース側板の流入ヘッダと流出ヘッダとに接続し、この吸熱管に水を流して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構成されている（特許文献１）。

このような潜熱熱交換器おいて、更なる小型化、高効率化を実現するため吸熱管の細管化が図られている。つまり、吸熱管の細管化を図ることで、ケースの限られたスペース内により多くの吸熱管を配置でき、吸熱管全体の伝熱面積を大きくできるからである。しかし、吸熱管の細管化を図った場合、冬季における吸熱管内の凍結防止のため吸熱管から水抜きを行う際、水の表面張力に起因して吸熱管のパイプ端開口に水膜が張って吸熱管内の流水方向下流部に水が残ってしまうことがあった。従って、吸熱管の細管化を図る場合には、吸熱管内の水抜き作業が円滑に行われることも望まれる。

ところで、図８に示すように、従来の潜熱熱交換器８０５として、吸熱管８５０の端部に延設管体部８５１を接続し、この延設管体部８５１は、ケース８７０の外部に露出して先端部にヘッダ８０６Ａを取付け、先端寄りほど高さが低くなる曲げ部８５１ａを形成するものがある（特許文献２）。これによると、吸熱管８５０の細管化を図った場合でも、延設管体部８５１の曲げ部８５１ａに存在する水の水頭圧が延設管体部８５１の先端に作用し、水抜き作業時に延設管体部８５１の先端開口に水膜が張ることを防止し円滑な水抜きが可能となるとしている。

しかし、図８に示す従来の潜熱熱交換器８０５は、延設管体部８５１を新たに設けることにより熱交換器８０５の小型化を阻害し、また、複数本の吸熱管８５０のそれぞれに対して延設管体部８５１が必要なため、部品点数の増加及びロー付け等の接続箇所の増加等という問題があった。

特開２００７−１６３０９６

特開２００７−３３３３４３

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、吸熱管の細管化を図った場合でも、簡易な構造で吸熱管の水抜きが適切に行われる熱交換器を提供することを課題とする。

本発明に係る熱交換器は、
燃焼排気が流れるケース内に吸熱管を配置し、吸熱管の一端部と他端部とをケースの側板に設けた流入ヘッダと流出ヘッダとに接続して吸熱管内に流す水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器において、
高さ位置が低位置側に配置されるヘッダには、吸熱管内の水抜き時にパイプ端開口に達した水の水抜き流路を形成させるための水抜き板を、上下方向に並設された複数のパイプ端開口に対して連続して対向配置したものである。

これにより、吸熱管の水抜き時にパイプ端開口に水の表面張力に起因した水膜が保持されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き板によって形成される水抜き流路に導かれてパイプ端開口から水抜き流路へ流出される。このパイプ端開口から水抜き流路への水の流出によってパイプ端開口における水の表面張力に起因した水膜の形成が阻止される。従って、吸熱管の細管化により口径を小さくした場合でも、吸熱管のパイプ端開口での水の表面張力に起因して吸熱管の流水方向下流部に水が残されることがなく吸熱管内の水抜きが確実に行われる。また、水抜き板は、ヘッダ内に設けられるため、熱交換器の小型化を阻害することもない。

上記水抜き流路は、水抜き板に形成された上下方向に延びる凹溝により構成され、
上記凹溝は、パイプ端開口の口径よりも溝幅が狭く且つパイプ端開口に連通されていることが望ましい。
これにより、吸熱管の水抜き時にパイプ端開口に水の表面張力に起因した水膜が形成されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き流路となる凹溝に導かれ、凹溝を伝って流下される。このパイプ端開口から凹溝へ水が流下することによってパイプ端開口における水の表面張力に起因した水膜の形成が阻止される。従って、吸熱管の細管化により口径を小さくした場合でも、吸熱管のパイプ端開口での水の表面張力に起因して吸熱管の流水方向下流部に水が残されることがなく吸熱管内の水抜きが確実に行われる。

上記水抜き流路は、パイプ端開口と水抜き板との間の隙間により構成され、
上記隙間は、パイプ端開口に水の表面張力に起因して形成される水膜の盛り上がり量以下に設定されることが望ましい。
これにより、吸熱管の水抜き時にパイプ端開口に水の表面張力に起因した水膜が形成されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き流路となる上記隙間に導かれ、その後は水抜き板を伝って流下される。このパイプ端開口から水抜き板を伝って水が流下することによってパイプ端開口における水の表面張力に起因した水膜の形成が阻止される。従って、吸熱管の細管化により口径を小さくした場合でも、吸熱管のパイプ端開口での水の表面張力に起因して吸熱管の流水方向下流部に水が残されることがなく吸熱管内の水抜きが確実に行われる。

上記水抜き板は、水透過部材により構成される。
これにより、水が水抜き板を円滑に通過することができるので、熱交換器の通常使用時においてヘッダを介した吸熱管への水の流通を妨げることがなく円滑に行うことができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器によれば、吸熱管の細管化を図った場合でも、パイプ端開口に水抜き板を配置させるといった簡単な構成で吸熱管の水抜きを確実に行うことができる。従って、水抜き作業を行ったにもかかわらず吸熱管内に残水が存在して冬季に凍結し吸熱管を破損させるなどの不具合を起こすこともない。よって、小型化、高効率化を実現すると共に、吸熱管の水抜きを適切に行える熱交換器の提供が可能となる。

実施形態における熱交換器を備えた給湯装置の構成を示す断面図である。 副熱交換器の流入ヘッダの部分を分解した斜視図である。 副熱交換器における流入ヘッダの内部構成を示す横断面図である。 副熱交換器における流入ヘッダの内部構成を示す縦断面図である。 水抜き板を示す図である。 他の実施形態による副熱交換器の流入ヘッダの内部構成を示す横断面図である。 他の実施形態による副熱交換器の流入ヘッダの内部構成を示す縦断面図である。 従来例として、吸熱管内の水抜き構造を備えた潜熱熱交換器を示す側面図である。

以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１に示す給湯装置１は、潜熱回収型給湯装置１であり、外装ケース２内に、ガスバーナ３１を内蔵する燃焼筐３と、燃焼筐３の上方の主熱交換器４と、主熱交換器４の上方の副熱交換器５とを備えている。燃焼筐３の下側には、燃焼筐３内に燃焼用空気を供給する給気ファン１１が設置されている。

主熱交換器４は、ガスバーナ３１の燃焼排気が流れる胴部４０内に間隔を存して並設した多数の吸熱フィン４１と、これら吸熱フィン４１を蛇行形状に貫通する吸熱管４２とを備えている。副熱交換器５は、潜熱熱交換器であり、ケース５０内に横向き蛇行形状に配置した複数本の吸熱管５２を備えている。吸熱管５２は、耐食性金属、例えば、ステンレス製、チタン製等のコルゲート管を蛇行形状に曲げ加工して形成される。ケース５０の横方向一側の側板５１には、流入ヘッダ６ａと流出ヘッダ６ｂとが設けられ、複数本の吸熱管５２の一端部が流入ヘッダ６ａに接続され、他端部が流出ヘッダ６ｂに接続されている。流入ヘッダ６ａには給水管８１が接続され、流出ヘッダ６ｂには主熱交換器４の吸熱管５２の上流端に繋がる接続管８３が接続されている。主熱交換器４の吸熱管５２の下流端には出湯管８２が接続されている。副熱交換器５は、底板５３の後部には主熱交換器４を通過した燃焼排気の排気導入口５４が開設され、ケース５０の前面には副熱交換器５を通過した燃焼排気を排出する排気口５５が設けられている。

そして、出湯管８２の下流端の出湯栓(図示せず)が開かれると給水管８１から副熱交換器５の吸熱管５２、主熱交換器４の吸熱管４２へと通水され、また、ガスバーナ３１が燃焼される。主熱交換器４では、ガスバーナ３１の燃焼による燃焼排気中から主に顕熱を吸収して吸熱管４２内を流れる水を熱交換加熱する。副熱交換器５では、燃焼排気中の水蒸気を凝縮して潜熱を吸収して吸熱管５２内の水を熱交換加熱する。これにより、副熱交換器５及び主熱交換器４で加熱された温水が出湯管８２から出湯される。

なお、副熱交換器５は、後上がりに僅かに傾斜（約５°）して設置されている。副熱交換器５において燃焼排気中の水蒸気の凝縮により発生した酸性のドレン水は、傾斜した底板５３に滴下され、低位置のドレン回収部５６からドレン排水管５７を通り中和器５８で中和された後、下水に排水される。

図２、図３、図４に示すように、副熱交換器５における流入ヘッダ６ａと流出ヘッダ６ｂは、側板５１の所定位置を絞り加工することによりケース５０の内方へ凹ませた凹部よりなるヘッダ本体６１と、ケース５０の外側から配設されてヘッダ本体６１との間に閉鎖空間６０を画成するヘッダ蓋６２とを備えている。ヘッダ本体６１には、吸熱管５２用の差込口６３が複数本の吸熱管５２に対応して複数開設され、ヘッダ蓋６２には、給水管８１や接続管８３用の単一のジョイント部６４が設けられている。ヘッダ蓋６２は、ジョイント部６４を設けない裏側が全周囲に周壁６５を形成する浅い器状に形成されている。ヘッダ蓋６２の裏側をヘッダ本体６１の凹部に向けてヘッダ本体６１の凹部内にヘッダ蓋６２を嵌め込み、ヘッダ本体６１の凹部内壁とヘッダ蓋６２の周壁６５外面とを重ね合わせた状態でロー付けして各ヘッダ６ａ，６ｂが形成される。

流入ヘッダ６ａと流出ヘッダ６ｂとは、ジョイント部６４の位置は、流入ヘッダ６ａが下側に設けられ、流出ヘッダ６ｂが上側に設けられている（図２参照）。副熱交換器５を傾けて設置することから、高さ位置は、流入ヘッダ６ａの方が低位置に配置されている。

さて、背景技術でも述べたとおり、熱交換器の更なる小型化、高熱効率化の要請より、副熱交換器５の吸熱管５２の細管化が図られる。本実施形態における副熱交換器５では、吸熱管５２の口径をφ１０ｍｍとし、８本の吸熱管５２を配設する。これにより、限られたスペース内に多くの吸熱管５２を配置し、小型化が図られ且つ吸熱管５２の伝熱面積が増して高熱効率化を達成している。ところが、吸熱管５２を細管化すると、吸熱管５２内の水抜きに際して水の表面張力に起因してパイプ端開口５２ａに水膜が形成され吸熱管５２の流水方向下流部に水が残ることがある。そこで、本実施形態では、吸熱管５２を細管化しても、水抜きが円滑に行われるようにするため、以下のように構成する。

低位置側に配置された流入ヘッダ６ａには、パンチングメタルで形成する水抜き板７がパイプ端開口５２ａに対向してヘッダ本体６１内の底部６６に配置されている。水抜き板７の多数のパンチ孔７５は、パイプ端開口５２ａよりも小径である。水抜き板７は、吸熱管５２の水抜き時にパイプ端開口５２ａに達した水の水抜き流路を形成させるものである。水抜き板７は、パイプ端開口５２ａの対向面側に上下方向に延びる凹溝７０が２箇所に形成されており、これら凹溝７０が上記水抜き流路となる。各凹溝７０は、左右位置に４つずつ上下方向に並設された各吸熱管５２のパイプ端開口５２ａに対して連続して対向されている。これら凹溝７０の溝幅は、パイプ端開口５２ａの口径よりも狭く形成されている。例えば、パイプ端開口５２ａの口径が１０ｍｍで、凹溝７０の溝幅は、約１ｍｍに設定される。

図５を参照して、水抜き板７は、凹溝７０を形成させるためのリブ山７１が形成され、また、両端のそれぞれにリブ山７１の側に曲げられた曲げ部７３が形成されている。水抜き板７は、この曲げ部７３の先端にヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面が当接され、リブ山７１の頂部７２がヘッダ蓋６２の底面６７に当接される大きさに設定されている。水抜き板７は、外形がヘッダ本体６１の底部６６に略沿った大きさを有する。従って、リブ山７１が水抜き板７の強度確保に寄与すると共に、ヘッダ蓋６２をヘッダ本体６１に嵌め込むとヘッダ蓋６２の底面６７にリブ山７１が当接されて水抜き板７がパイプ端開口５２ａに接して保持される。水抜き板７の両側の曲げ部７３もヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面に当接されて水抜き板７の保持がなされる。このようにして、水抜き板７がパイプ端開口５２ａに接するように配置されることで、凹溝７０の開口部がパイプ端開口５２ａに当接されている。

そして、水抜き作業に際して、給水管８１及び出湯管８２における水抜き栓（図示せず）を開くと、最初は、吸熱管５２の一端部と他端部との高低差により吸熱管５２内の水がパイプ端開口５２ａから円滑に流出される。このとき、水抜き板７は、パンチングメタルで形成されているので、吸熱管５２内の水は、パイプ端開口５２ａから水抜き板７の多数のパンチ孔７５を通って排水される。そして、吸熱管５２内の水が吸熱管５２の流水方向下流部まで抜けると、吸熱管５２の高低差による水の水頭圧が小さくなることから、水抜き板７を配しない場合は、水の表面張力に起因してパイプ端開口５２ａに水膜が形成されて吸熱管５２の流水方向下流部に水が残ってしまうことがある。本実施形態では、吸熱管５２の流水方向下流部まで水が抜けると、パイプ端開口５２ａに達した水は、水抜き板７の凹溝７０内に進入し凹溝７０内に沿って流下されて行く。従って、吸熱管５２の流水方向下流部の水は、凹溝７０を通じて排水される。

この排水の原理は、以下のように考えられる。
パイプ端開口５２ａに達した水は、凹溝７０での毛細管現象に基づいて凹溝７０内に浸透され、この凹溝７０に浸透した水は、その自重と凹溝７０での毛細管現象とが相まって凹溝７０内に沿って流下されると考えられる。このようにしてパイプ端開口５２ａに達した水が順次に凹溝７０を通じて流されて行くことで、吸熱管５２の高低差による水の水頭圧が小さくなっても、パイプ端開口５２ａには水の表面張力に起因した水膜が形成されることがなく、吸熱管５２の流水方向下流部の水は、残らず凹溝７０を通じて排水される。

従って、吸熱管５２の細管化により口径を小さくした場合でも、吸熱管５２のパイプ端開口５２ａでの水の表面張力に起因して吸熱管５２の流水方向下流部に水が残されることがなく吸熱管５２内の水抜きが確実に行われる。このように、本実施形態における副熱交換器５によれば、吸熱管５２の細管化を図った場合でも、パイプ端開口５２ａに水抜き板７を配置させるといった簡単な構成で吸熱管５２の水抜きを確実に行うことができる。従って、水抜き作業を行ったにもかかわらず吸熱管５２内に残水が存在して冬季に凍結し吸熱管５２を破損させるなどの不具合を起こすこともない。よって、小型化、高効率化を実現すると共に、吸熱管５２の水抜きを適切に行える潜熱熱交換器５の提供が可能となる。

水抜き板７は、パンチングメタルにより構成されているので、水が水抜き板７を円滑に通過することができ、潜熱熱交換器５の通常使用時において流入ヘッダ６ａを介した吸熱管５２への水の流通を妨げることがなく円滑に行うことができる。なお、水抜き板７は、パンチングメタルで構成するが、これに限らず、エキスパンドメタル、網、メッシュ、フィルター等の種々の水透過部材により構成することができる。また、水抜き板７は、金属板が好適に使用されるが、プラスチック、セラミック等の材質が用いられてもよい。

（他の実施形態）
図６、図７に示すように、他の実施形態では、パンチングメタルより形成された水抜き板７ｘがパイプ端開口５２ａと隙間７０ａを設けるように配置される。この水抜き板７ｘとパイプ端開口５２ａとの間の隙間７０ａは、パイプ端開口５２ａに水の表面張力に起因して形成される水膜の盛り上がり量以下に設定され、この隙間７０ａにより吸熱管５２内の水抜き時の水抜き流路を形成する。例えば、パイプ端開口５２ａの口径が１０ｍｍで、隙間７０ａは、約１ｍｍに設定される。

この水抜き板７ｘは、幅方向の中央部に上下方向に延びたリブ山７１が１つ形成され、このリブ山７１の頂部７２がヘッダ蓋６２の底面６７に当接される大きさに設定されている。水抜き板７ｘの両端のそれぞれには、ヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面が当接されリブ山７１の側に曲げられた曲げ部７３が形成されている。従って、リブ山７１が水抜き板７の強度確保に寄与すると共に、ヘッダ蓋６２をヘッダ本体６１に嵌め込むとヘッダ蓋６２の底面６７にリブ山７１が当接されて水抜き板７ｘがパイプ端開口５２ａに隙間７０ａを有して保持される。水抜き板７ｘの両側の曲げ部７３もヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面に当接されて水抜き板７ｘの保持がなされる。

そして、水抜き作業に際して、吸熱管５２の流水方向下流部まで水が抜けると、パイプ端開口５２ａに達した水は、パイプ端開口５２ａと水抜き板７ｘとの間の隙間７０ａに誘導され水抜き板７ｘに沿って流下されて行く。従って、吸熱管５２の流水方向下流部の水は、水抜き板７ｘに伝って排水される。

つまり、パイプ端開口５２ａに達した水は、パイプ端開口５２ａで外方へ盛り上がり水抜き板７ｘに接するとパイプ端開口５２ａと水抜き板７との間の隙間７０ａの毛細管現象によりパイプ端開口５２ａと水抜き板７ｘとの間の隙間７０ａに誘導され、この隙間７０ａに誘導された水は、その自重と隙間７０ａの毛細管現象とが相まって水抜き板７ｘに沿って流下されると考えられる。このようにしてパイプ端開口５２ａに達した水が順次に水抜き板７ｘを通じて流されて行くことで、吸熱管５２の高低差による水の水頭圧が小さくなっても、パイプ端開口５２ａには水の表面張力に起因した水膜が形成されることがなく、吸熱管５２の流水方向下流部の水は、残らず水抜き板７ｘを通じて排水される。従って、吸熱管５２の細管化により口径を小さくした場合でも、吸熱管５２のパイプ端開口５２ａでの水の表面張力に起因して吸熱管５２の流水方向下流部に水が残されることがなく吸熱管５２内の水抜きが確実に行われる。図６，図７に示す他の実施形態における上記以外の構成及び作用効果は、図３、図４に示す上記実施形態と同様である。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されず、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
例えば、吸熱管５２は、横置き蛇行形状でなく、渦巻状、螺旋状等に配設されるものでもよい。
また、熱交換器は、給湯装置に限らず、各種の熱交換装置に用いられるものでもよい。

１ 給湯装置
２ 外装ケース
３ 燃焼筐
４ 主熱交換器
５ 副熱交換器
６ａ 流入ヘッダ
６ｂ 流出ヘッダ
７，７ｘ 水抜き板
４２ 吸熱管
５０ ケース
５１ 側板
５２ 吸熱管
５２ａ パイプ端開口
６１ ヘッダ本体
６０ 閉鎖空間
６２ ヘッダ蓋
６３ 差込口
６４ ジョイント部
６５ ヘッダ蓋の周壁
６６ ヘッダ本体の底部
６７ ヘッダ蓋の底面
７０ 凹溝
７０ａ 隙間
７１ リブ山
７２ リブ山の頂部
７３ 曲げ部

Claims (4)

1. 燃焼排気が流れるケース内に吸熱管を配置し、吸熱管の一端部と他端部とをケースの側板に設けた流入ヘッダと流出ヘッダとに接続して吸熱管内に流す水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器において、
   高さ位置が低位置側に配置されるヘッダには、吸熱管内の水抜き時にパイプ端開口に達した水の水抜き流路を形成させるための水抜き板を、上下方向に並設された複数のパイプ端開口に対して連続して対向配置した熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   上記水抜き流路は、水抜き板に形成された上下方向に延びる凹溝により構成され、
   上記凹溝は、パイプ端開口の口径よりも溝幅が狭く且つパイプ端開口に連通されている熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   上記水抜き流路は、パイプ端開口と水抜き板との間の隙間により構成され、
   上記隙間は、パイプ端開口に水の表面張力に起因して形成される水膜の盛り上がり量以下に設定される熱交換器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器において、
   上記水抜き板は、水透過部材により構成される熱交換器。

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