JP3406877B2 - 熱交換装置 - Google Patents
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Description
気を案内する通路に熱交換器を配設した熱交換装置に関
し、特に前記燃焼排気から顕熱を吸収する主熱交換器
と、前記顕熱が吸収された燃焼排気から残余の顕熱及び
潜熱を吸収する副熱交換器とを備える熱交換装置に関す
るものである。
路の上流側に前記燃焼排気から顕熱を吸収する主熱交換
器を備え、下流側に前記顕熱が吸収された燃焼排気から
残余の顕熱及び潜熱を吸収する副熱交換器を備える熱交
換装置が知られている。
に、上部にガスバーナ31と、燃料ガスと燃焼用空気と
を予め所定の割合で混合して予混合ガスとし、該予混合
ガスをガスバーナ31に供給する給気装置32とからな
る燃焼装置33を備え、燃焼装置33の下方に連設され
ガスバーナ31の燃焼排気の通路となる缶体34の上方
に主熱交換器35、下方に副熱交換器36を備えるもの
である。尚、37は給気装置32に燃料ガスを供給する
ガス管、38は給気装置32に燃焼用空気を供給する給
気ファンである。
ぞれ通水管39a,39bと、通水管39a,39bの
外周部に備えられた複数の吸熱フィン40a,40bと
からなる。通水管39bは図示しない給水管、給水弁を
介して水道管等に接続され、前記給水管から供給される
水が通水管39bから通水管39aに流通される間に主
熱交換器35、副熱交換器36で加熱され、通水管39
aに接続された給湯管(図示せず)を介して取出され
る。
は下方に向けて燃焼排気を吐出し、該燃焼排気はまず、
ガスバーナ31の下方に備えられる主熱交換器35で通
水管39a及び吸熱フィン40aに接触することにより
顕熱が吸収される。次いで、前記燃焼排気は、主熱交換
器35の下方に備えられる副熱交換器36で通水管39
b及び吸熱フィン40bに接触することにより主熱交換
器35で吸収されなかった残余の顕熱及び潜熱が吸収さ
れる。前記熱交換装置では、前述のように前記燃焼排気
から顕熱のみならず潜熱まで吸収するので、優れた熱交
換効率を得ることができる。
熱を奪われると、該燃焼排気に含まれている水蒸気が液
化し、ドレンを生成する。前記ドレンは、缶体34の底
部に設けられた排出口41から外部に排出される。ま
た、冷却された燃焼排気の残部は、缶体34の下部に接
続された排気筒42を介して、排気口43から外部に排
出される。
39b、吸熱フィン40a,40bは、熱伝導率の高い
銅または銅合金により形成される。ところが、前記副熱
交換器36で生成する前記ドレンは前記燃焼排気中の硫
黄酸化物、窒素酸化物が溶解されて強酸性となるため、
副熱交換器36の通水管39b及び吸熱フィン40bが
銅または銅合金であると、前記強酸性のドレンに腐食さ
れ寿命が短くなるという問題がある。
39b、吸熱フィン40a,40bをアルミニウム合金
で構成した熱交換装置が提案されている。アルミニウム
系金属は空気中で酸化されることにより表面に酸化物か
らなる被膜が形成され、該酸化物被膜により内部の未酸
化部分が酸化から保護される。また、前記酸化物被膜は
一部が剥離しても自己修復が可能であり、高温条件下ほ
ど厚い被膜が形成されるので、前記アルミニウム系金属
は前記強酸性のドレンに対して優れた耐食性を示すこと
ができる。
36の通水管39a,39b、吸熱フィン40a,40
bの全てをアルミニウム合金等のアルミニウム系金属と
すると、アルミニウム系金属は銅または銅合金等の銅系
金属に比較して熱伝導率が低いため、所定の熱交換効率
を確保するために装置が大型化するとの問題がある。ま
た、アルミニウム系金属は銅系金属に比較して高価であ
るので、製造コストの増大が避けられないとの問題もあ
る。
は、副熱交換器36の通水管39b及び吸熱フィン40
bをアルミニウム合金とする一方で、前記ドレンが発生
しない主熱交換器35の通水管39a及び吸熱フィン4
0aを熱伝導率の高い銅または銅合金で構成することが
提案されている。このようにすると、副熱交換器36の
通水管39b及び吸熱フィン40bの前記強酸性のドレ
ンによる腐食を低減しつつ、主熱交換器35をコンパク
ト化することができるので、主熱交換器35をコンパク
ト化した分だけ装置を小型化することができる。また、
主熱交換器35をアルミニウム合金より安価な銅または
銅合金で構成することにより、製造コストも低減するこ
とができる。
9bをアルミニウム合金等のアルミニウム系金属とする
一方で、主熱交換器35の通水管39aを銅または銅合
金とすると、通水管39a,39bの接続部内面側では
異種の金属が接触することとなり、通水管39a,39
bの内部に流通する水を介して部分電池を形成し、電気
化学的腐食が生じるとの不都合がある。
る不都合を解消して、装置を小型化し、製造コストを低
減することができると共に、燃焼排気から生じる強酸性
のドレンによる腐食と、電気化学的腐食との両方を防止
することができる熱交換装置を提供することを目的とす
る。
めに、本発明の熱交換装置は、燃焼装置と、該燃焼装置
に連設されて該燃焼装置の燃焼排気を案内する通路を形
成する缶体と、該燃焼排気の上流側の該缶体内に備えら
れ、第1の通水管と第1の通水管の周囲に設けられた複
数の第1の吸熱フィンとからなり、該燃焼排気から顕熱
を吸収して第1の通水管内の水を加熱する主熱交換器
と、該燃焼排気の下流側の該缶体内に備えられ、第1の
通水管に連通する第2の通水管と第2の通水管の周囲に
設けられた複数の第2の吸熱フィンとからなり、該主熱
交換器で顕熱が吸収された燃焼排気から残余の顕熱及び
潜熱を吸収して第2の通水管内の水を加熱する副熱交換
器と、該副熱交換器に水を供給する給水手段と、該主熱
交換器から湯を取出す出湯手段とを備え、第1の通水管
及び第1の吸熱フィンが銅系金属からなる熱交換装置に
おいて、前記副熱交換器は、アルミニウム系金属からな
り第2の吸熱フィンを一体的に備えるフィンチューブ
と、第1の通水管と同一の銅系金属からなり該フィンチ
ューブに内嵌された第2の通水管とからなり、前記缶体
は、銅系金属からなり前記主熱交換器を収容する第1の
缶体と、アルミニウム系金属からなり前記副熱交換器を
収容する第2の缶体とからなり、該第2の缶体は絶縁性
のパッキンを介して該第1の缶体に連設されることを特
徴とする。
を主成分とする銅合金であってもよい。また、前記アル
ミニウム系金属は、純粋のアルミニウムであっても、ア
ルミニウムを主成分とするアルミニウム合金であっても
よい。
ら発生する燃焼排気は、まず主熱交換器で第1の通水管
及び第1の吸熱フィンにより顕熱が奪われ、次いで副熱
交換器で前記フィンチューブ及び該フィンチューブに一
体的に備えられた第2の吸熱フィンにより残余の顕熱及
び潜熱が奪われる。前記フィンチューブ及び第2の吸熱
フィンに奪われた熱は、該フィンチューブに内嵌されて
いる第2の通水管に伝えられる。この結果、前記給水手
段により副熱交換器に供給された水が、第2の通水管及
び第1の通水管を流通する間に加熱され、前記出湯手段
により主熱交換器から取出される。
熱が吸収されるために、水蒸気が液化してドレンが発生
し、該ドレンは該燃焼排気に含まれる硫黄酸化物、窒素
酸化物等が溶解されて強酸性となる。しかし、前記副熱
交換器ではフィンチューブ及び第2の吸熱フィンがアル
ミニウム金属からなるので、前述のように表面に形成さ
れる酸化物被膜によりそれ自体の内部の未酸化部分を前
記ドレンによる腐食から保護することができる。また、
前記アルミニウム系金属からなるフィンチューブによ
り、該フィンチューブに内嵌されている銅系金属からな
る第2の通水管を前記ドレンから保護し、腐食を防止す
ることができる。
水管と同一の銅系金属からなることにより、両通水管の
接続部では同種の金属が接触することとなり、異種金属
の接触による部分電池を形成することがなく、前記接続
部の電気化学的腐食を防止することができる。
形成する銅系金属は、アルミニウム系金属に比較して熱
伝導率が大きいので、前記主熱交換器を小型化すること
ができる。また、銅系金属はアルミニウム系金属に比較
して安価であるので、前記第1の通水管及び第1の吸熱
フィンを銅系金属とすることにより、製造コストを低減
することができる。また、本発明の熱交換装置におい
て、前記缶体は、銅系金属からなり前記主熱交換器を収
容する第1の缶体と、アルミニウム系金属からなり前記
副熱交換器を収容する第2の缶体とからなり、該第2の
缶体は絶縁性のパッキンを介して該第1の缶体に連設さ
れる。前記缶体のうち、前記副熱交換器を収容する第2
の缶体は、前記ドレンによる腐食を防止するためにアル
ミニウム系金属からなることが好ましい。しかし、前記
主熱交換器では前記ドレンは発生しないので、前記第1
の缶体は高価なアルミニウム系金属を使用する必要はな
く、銅系金属とすることができる。前記第1の缶体は、
銅系金属とすることにより、小型化することができると
共に、製造コストを低減することができる。前記のよう
に第1の缶体を銅系金属とし、第2の缶体をアルミニウ
ム系金属とすると、両缶体の接続部では異種金属が接触
して部分電池を形成する虞がある。しかし、両缶体の間
に前記絶縁性のパッキンを配設することにより、前記部
分電池の形成を妨げて電気化学的腐食を防止することが
できる。
をドレンによる腐食から保護すると共に、前記燃焼排気
から吸収した熱を効率よく第2の通水管に伝えるため
に、2〜10mmの範囲の肉厚を備えることが好まし
い。前記フィンチューブの肉厚が2mm未満であると、
第2の通水管を前記ドレンによる腐食から保護する作用
が経時的に低減し、長期に亘る耐久性が得られないこと
がある。また、前記フィンチューブの肉厚が10mmを
超えると、前記第2の通水管に対して十分に熱を伝えら
れないことがある。
洩すると、銅系金属からなる通水管等の部材に結露して
前記強酸性のドレンを生じ、結露した部分を腐食させる
虞がある。そこで、前記フィンチューブは、前記缶体に
設けられた取付孔部に密着していることが望まれる。前
記燃焼排気の外部への漏洩を防止する手段としては、前
記フィンチューブと前記取付孔部との間にパッキンを配
設するようにしてもよいが、該フィンチューブの両端部
が内周側から外周側に拡径されて、前記缶体に設けられ
た取付孔部にかしめ止めされることにより、容易に該フ
ィンチューブの両端部を該取付孔部に密着させることが
できる。しかも、前記フィンチューブの両端部を内周側
から外周側に拡径してかしめ止めする作業は、他の材料
を必要としないので安価であり、製造コストを低減する
ことができる。ただし、前記フィンチューブの両端部が
前記取付孔部に密着したときに両者が異種金属である
と、前記かしめ止めされた部分で部分電池を形成する。
従って、前記フィンチューブの両端部を前記取付孔部に
かしめ止めする際には、前記第2の缶体が前記フィンチ
ューブと同一のアルミニウム系金属からなることが必要
である。
本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図
1は本実施形態の熱交換装置の構成を示すシステム構成
図であり、図2は図1のII−II線断面図である。図
3はフィンチューブの一部を切り欠いて示す部分断面図
である。図4はフィンチューブを缶体に取着する方法を
示す説明的断面図であり、図4(a)は取着前の状態、
図4(b)は取着後の状態を示す。また、図5はフィン
チューブに第2の通水管を内嵌した状態を一部を切り欠
いて示す部分断面図である。
交換装置は、ハウジング1の上部に備えられた燃焼装置
2と、燃焼装置2に連設されて燃焼排気を案内する通路
を形成する缶体3とを備える。
なるガスバーナ4と、ガス管5から供給される燃料ガス
と給気ファン6から供給される燃焼用空気とを予め所定
の割合で混合して予混合ガスとし、該予混合ガスをガス
バーナ4に供給する給気装置7とからなる。給気装置7
は下方に開口する箱型であり、下方の開口部にガスバー
ナ4を備えると共に、背後に燃料ガスが噴出されるノズ
ル8、上部に燃焼用空気が供給される給気口9を備え
る。ガスバーナ4は、図示しないイグナイタ等の着火装
置により着火されて前記予混合ガスを燃焼させ、燃焼排
気を下方に吐出する。
に示すように、燃焼装置2の下部にに連設された第1の
缶体3aと、缶体3aの下部に連設された第2の缶体3
bとからなる。
製であり、缶体3a内には共に銅製である第1の通水管
10と第1の吸熱フィン11とが備えられ、前記燃焼排
気から主として顕熱を吸収する主熱交換器12を構成し
ている。通水管10は、缶体3a外部で屈曲させること
により上下2段に備えられ、上段では4列、下段では3
列に配列されている。また吸熱フィン11は、図2示の
ように、缶体3aの前面側内壁から背面側内壁まで通し
て備えられた板状であって、1枚の吸熱フィン11に上
下7本の通水管10が貫通している。
bはアルミニウム系金属製であり、図示しない絶縁性の
パッキンを介して、缶体3aの下部に連設されている。
缶体3a,3bの接続部では前記燃焼排気はまだ水蒸気
の露点以上の高温であり、前記パッキンとしては耐熱性
に優れたグラスウール等からなるものを用いる。
する銅製の第2の通水管13と、アルミニウム系金属製
の第2の吸熱フィン14とが備えられ、主熱交換器12
で顕熱が吸収された燃焼排気から残余の顕熱と潜熱とを
吸収する副熱交換器15を構成している。吸熱フィン1
4は、図2示のように円板状であって、同一のアルミニ
ウム系金属からなるフィンチューブ16に一体的に備え
られ、該フィンチューブ16に通水管13が内嵌されて
いる。
ことにより上下2段に備えられ、各段とも3列に配列さ
れている。吸熱フィン14は隣接する吸熱フィン14及
び缶体3bの内壁と触れ合わない範囲で、できるだけ大
きく形成されている。
ーブ16を構成する前記アルミニウム系金属は、純アル
ミニウムでもよく、アルミニウムを主成分とするアルミ
ニウム合金であってもよい。前記アルミニウム合金はど
のような組成であってもよいが、例えば、JIS H
4040に、合金番号A6063として規定されるアル
ミニウム合金(0.20〜0.6%のSi、0.35%
以下のFe、0.10%以下のCu、0.10%以下の
Mn、0.45〜0.9%のMg、0.10%以下のC
r、0.10%以下のZn、0.10%以下のTi、そ
の他の元素を各0.06%以下、合計0.15%以下の
範囲で含み、残部がAl)を用いることができる。
通する銅製の給水管17により給水されるようになって
おり、給水管17は図示しない給水弁を介して水道管に
接続されて給水手段を構成している。また、缶体3aの
燃焼装置2と主熱交換器12との間には、通水管10の
上部に連通する銅製の第3の通水管18が缶体3aの外
壁に接して巻き回されており、通水管18に接続された
給湯管19により主熱交換器12から湯を取出す出湯手
段が構成されている。取出された湯は、給湯管19によ
り、キッチン、浴室等に供給される。
筒20が図示しない絶縁性パッキンを介して連設されて
おり、排気筒20は缶体3bの背後で缶体3bに沿って
立ち上がり、上部に燃焼排気を外部に排出する排気口2
1を備えている。缶体3bの底部では前記燃焼排気は既
に水蒸気の露点以下の温度に冷却されているので、前記
パッキンとして例えばシリコーンゴム、EPDM等の合
成ゴムからなるものを用いる。排気筒20の底部は傾斜
面22となっており、傾斜面22の最下部に缶体3bで
生成するドレンを排出する排出口23を備えている。
器15を形成する通水管13、吸熱フィン14及びフィ
ンチューブ16の構成及び缶体3bに対する取付方法に
ついて、さらに詳しく説明する。
長さ方向に沿って中空部16aを備えると共に、長さ方
向に対して略垂直に形成された多数の吸熱フィン14を
一体的に備えている。フィンチューブ16は肉厚d1が
2〜10mmの範囲、例えば7mmであり、端部16b
の肉厚d2はかしめ変形を容易にするためにd1より薄
く、例えば2mmに形成される。
酸化物の被膜を形成する。前記酸化物被膜は、副熱交換
器15で生成するドレンにより溶解されるが、直ちに再
生されるため、内部の未酸化部分を酸化から保護するこ
とができる。前記酸化物被膜は、前記溶解と再生との繰
り返しによりわずかながら腐食が進行するが、その進行
速度は各種アルミニウム合金の平均で0.1mm/年程
度である。従って、フィンチューブ16は前記範囲の肉
厚d1により、長期に亘り耐食性を示すことができる。
端部16bの肉厚d2はd1より薄いが、この部分は後述
のように缶体3bに取付けられるので、缶体3bに保護
されて十分な耐食性が得られる。
溶解されて消失することがあるが、副熱交換器15はフ
ィンチューブ16だけでも十分な吸熱機能を備えるの
で、熱交換に支障はない。尚、前記ドレンにより溶解さ
れた吸熱フィン14のアルミニウム合金は、他の吸熱フ
ィン14やフィンチューブ16の表面に酸化物の形態で
析出するが、該アルミニウム酸化物は前述のように、前
記ドレンにより溶解、再生を繰り返すので吸熱フィン1
4の間に目詰まりを起こす虞はない。
ブ16は、前記アルミニウム合金の管材を1対のダイス
の間に挟み、該ダイスにより該管材を回転させながら加
工する転造加工により容易に製造することができる。
ように、端部16bを介して缶体3bの取付孔部24に
取着される。取付孔部24は、端部16bの外径よりわ
ずかに大きく、フィンチューブ16の外径より小さく形
成されている。
(a)に仮想線で示すポンチ25等を、缶体3bの外側
から中空部16aに打ち込んで、端部16bを内周側か
ら外周側に拡径することにより、端部16bを取付孔部
24にかしめ止めすることができる。この結果、フィン
チューブ16は、図4(b)に示すように、缶体3bに
密着して取着され、燃焼排気が缶体3bの外部に漏出す
ることを確実に防止することができる。
ならば、次に図5示のように、フィンチューブ16の中
空部16aに通水管13を挿通して内嵌し、通水管13
をフィンチューブ16に内接させることにより、副熱交
換器15が形成される。
いて説明する。
に通水が開始されると、図示しない水流センサ等により
前記通水を検知して、ガス管5から給気装置7に対する
燃料ガスの供給と、給気ファン6から給気装置7に対す
る燃焼用空気の供給とが開始される。前記燃料ガス及び
燃焼用空気は、給気装置7で所定の割合に混合されて予
混合ガスとなり、該予混合ガスがガスバーナ4から下方
に噴出される。次に、ガスバーナ4は図示しないイグナ
イタ等の着火装置により着火されて、前記予混合ガスの
燃焼を開始する。
気は、ガスバーナ4の下方に連設された缶体3aに案内
され、主熱交換器12の通水管10及び吸熱フィン11
により顕熱が吸収される。そして、主熱交換器12は、
前記顕熱の熱量により、通水管10に流通される水を加
熱する。
製であるので、前記燃焼排気の過剰の熱量を缶体3aを
介して外部に放出し、過熱による劣化の促進を防止する
ことができる。缶体3aを介して外部に放出された熱量
は、缶体3aの外壁に接して配設された通水管18によ
り回収され、通水管18に流通される水を加熱する。
連設された缶体3bに案内され、副熱交換器15の吸熱
フィン14及びフィンチューブ16により、主熱交換器
12で吸収された残余の顕熱及び潜熱が吸収される。そ
して、副熱交換器15は、前記残余の顕熱及び潜熱の熱
量をフィンチューブ16に内嵌された通水管13に伝
え、通水管13に流通される水を加熱する。
給水管17から供給される水が、通水管13、通水管1
0、通水管18の順に流通される間に加熱されて湯とな
り、給湯管19からキッチン、浴室等に供給される。
潜熱が奪われるため含有する水蒸気が液化してドレンを
生じ、冷却された燃焼排気の残部は排気筒20を介して
排気口21から外部に排出される。前記ドレンは、缶体
3bの内壁、吸熱フィン14及びフィンチューブ16を
介して排気筒20の底部に集まり、最終的には傾斜面2
2から排出口23に至って外部に排出される。
の硫黄酸化物、窒素酸化物を溶解して強酸性を呈してお
り、排出口23から排出される前に接触する缶体3bの
内壁や、吸熱フィン14及びフィンチューブ16等の金
属を腐食する虞がある。しかし、本実施形態の装置では
缶体3b、吸熱フィン14及びフィンチューブ16がい
ずれも前記アルミニウム合金からなり、表面にアルミニ
ウム酸化物の被膜を備えている。従って、缶体3b、吸
熱フィン14及びフィンチューブ16自体が前記強酸性
のドレンによる腐食を低減することができ、さらにフィ
ンチューブ16は、内嵌された銅製の通水管13を前記
強酸性のドレンによる腐食から保護することができる。
ム合金製であり、銅製の缶体3aとは異種の金属からな
るが、缶体3a,3bは前記グラスウール製等のパッキ
ンを介して接続されている。従って、缶体3a,3bの
接続部で万一ドレンが発生しても、缶体3a,3b間に
おける部分電池の形成を阻止して、電気化学的腐食を防
止することができる。
20はステンレス製であり、アルミニウム合金製の缶体
3bとは異種の金属からなるが、缶体3bと排気筒20
とは前記シリコーンゴム、EPDM等の合成ゴム製のパ
ッキンを介して接続されている。従って、前記ドレンが
発生しても、缶体3bと排気筒20との間における部分
電池の形成を阻止して、電気化学的腐食を防止すること
ができる。
0,13がいずれも銅製であって、同一の金属からなる
ので、通水管10,13の接続部で部分電池が形成され
る虞がなく、電気化学的腐食を防止することができる。
缶体3bの取付孔部24にかしめ止めされて密着してい
るが、フィンチューブ16と缶体3bとは同一のアルミ
ニウム合金からなるので、両者の接続部で部分電池が形
成される虞がなく、電気化学的腐食を防止することがで
きる。
ば、前記強酸性のドレンによる腐食と前記電気化学的腐
食との両方を防止して、優れた耐久性を得ることができ
る。
構成図。
面図。
明的断面図。
を一部を切り欠いて示す部分断面図。
10…第1の通水管、11…第1の吸熱フィン、12…
主熱交換器、13…第2の通水管、14…第2の吸熱フ
ィン、15…副熱交換器、16…フィンチューブ、17
…給水手段、19…出湯手段、24…取付孔部。
Claims (3)
- 【請求項1】燃焼装置と、 該燃焼装置に連設されて該燃焼装置の燃焼排気を案内す
る通路を形成する缶体と、 該燃焼排気の上流側の該缶体内に備えられ、第1の通水
管と第1の通水管の周囲に設けられた複数の第1の吸熱
フィンとからなり、該燃焼排気から顕熱を吸収して第1
の通水管内の水を加熱する主熱交換器と、 該燃焼排気の下流側の該缶体内に備えられ、第1の通水
管に連通する第2の通水管と第2の通水管の周囲に設け
られた複数の第2の吸熱フィンとからなり、該主熱交換
器で顕熱が吸収された燃焼排気から残余の顕熱及び潜熱
を吸収して第2の通水管内の水を加熱する副熱交換器
と、 該副熱交換器に水を供給する給水手段と、 該主熱交換器から湯を取出す出湯手段とを備え、 第1の通水管及び第1の吸熱フィンが銅系金属からなる
熱交換装置において、 前記副熱交換器は、アルミニウム系金属からなり第2の
吸熱フィンを一体的に備えるフィンチューブと、第1の
通水管と同一の銅系金属からなり該フィンチューブに内
嵌された第2の通水管とからなり、 前記缶体は、銅系金属からなり前記主熱交換器を収容す
る第1の缶体と、アルミニウム系金属からなり前記副熱
交換器を収容する第2の缶体とからなり、該第2の缶体
は絶縁性のパッキンを介して該第1の缶体に連設される
ことを特徴とする熱交換装置。 - 【請求項2】前記フィンチューブは2〜10mmの範囲
の肉厚を備えることを特徴とする請求項1記載の熱交換
装置。 - 【請求項3】前記フィンチューブはその両端部が内周側
から外周側に拡径されて、前記第2の缶体に設けられた
取付孔部にかしめ止めされていると共に、該第2の缶体
は該フィンチューブと同一のアルミニウム系金属からな
ることを特徴とする請求項1 または請求項2記載の熱交
換装置。
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