JP4857987B2 - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる螺旋式水管を用いて燃焼ガスなどの流体から熱回収を行い、温水を生成する用途に用いられる熱交換器、およびこれを備えた温水装置に関する。なお、本発明において水管内に供給される水は、水道水などの通常の水に限らず、たとえば温水暖房などに使用される不凍液、およびこれに類する液体も含む概念である。

従来の熱交換器の具体例としては、燃焼ガスが導入されるケース内に、複数の水管の螺旋状管体部を略同心の重ね巻き状に配列させて収容させたものがある（たとえば、特許文献１〜３を参照）。前記螺旋状管体部は、前記燃焼ガスから熱回収を行い、この熱回収によって前記水管内の湯水が加熱される。このような構成の熱交換器においては、水管の総本数を比較的少なくしつつ、その伝熱面積を大きくし、熱回収量を多くすることが可能である。このため、たとえば直線状に延びた多数の水管をケース内に収容させた多管式熱交換器と比較すると、全体の構造を簡素にし、製造コストを廉価にすることが可能である。

螺旋式水管を用いた熱交換器において、複数の水管に入水管や出湯管を接続する場合、複数の水管のそれぞれに入水管や出湯管を個々に接続したのでは、それら入水管や出湯管の本数が多くなり、配管構造が複雑となる。そこで、このような不具合を解消する手段として、多管式熱交換器などの他の熱交換器と同様に、複数の水管のそれぞれの両端部に入水用および出湯用のヘッダを連結し、これらのヘッダに対して入水管や出湯管を連結する手段が用いられている（たとえば、特許文献３を参照）。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるような改善すべき点があった。

すなわち、複数の螺旋状管体部は、略同心の重ね巻き状に配されて、それらの巻き径は互いに相違している。このため、複数の螺旋状管体部の長さは同一でなく、内周側よりも外周側の螺旋状管体部の方が長くなっている。したがって、それら管体部の口径が同一または略同一に揃えられている場合、外周側よりも内周側の螺旋状管体部の方が、内部の流路抵抗は小さく、ヘッダを利用して複数の水管に通水を行わせる場合、その水は外周側の螺旋状管体部を有する水管よりも内周側の螺旋状管体部を有する水管の方に多くの水が流れ易くなる傾向がある。従来においては、ヘッダを利用して複数の水管に通水を行わせる場合に、そのような通水量の偏りを積極的に解消させるための手段が講じられていない。

一方、外周側の螺旋状管体部は、内周側の螺旋状管体部よりも長いために、その伝熱面積は大きい。ところが、既述したように、従来の熱交換器においては、内周側の螺旋状管体部の通水量が多い反面、外周側の螺旋状管体部の通水量は少なくなる傾向にあるために、外周側の螺旋状管体部は、熱交換に十分に利用されていないということができる。前記従来技術においては、この点において未だ改善すべき点があった。

なお、特許文献３の図３には、複数の水管の端部に連結されたヘッダの長手方向一端に、入水管または出湯管が接続された構成が記載されている。この構成は、一見しただけでは、本発明に近似しているものの、このような構成では、次に述べるように、前記した不具合を適切に解消することは難しい。すなわち、同文献に記載された構成では、ヘッダの側面部に複数の水管の各端部が接続されているのに対し、入水管または出湯管は、ヘッダの長手方向の一端部の上面部に接続されており、ヘッダに形成されている入水用または出湯用の開口部の向きは、各水管の端部開口の向きとは相違している。このため、たとえば入水管からヘッダ内に流入した水は、このヘッダ内をその長手方向に流れながら複数の水管の端部開口に順次流入することとなる。ところが、複数の水管の端部開口どうしが接近している場合や、水圧が高い場合などには、前記したような水の流れの作用だけでは、外周側の螺旋状管体部の通水量を大幅に増加させることは難しい。

特開昭６２−２８８４４６号公報 実公平６−８４４２号公報 特許第２８３５２８６号公報

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、複数の水管の重ね巻き状に配された複数の螺旋状管体部のうち、外周側の螺旋状管体部への通水量を多くすることによって、その部分による熱回収量を多くし、高い熱交換効率を得ることが可能な熱交換器、およびこれを備えた温水装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、熱交換対象となる加熱用流体が内部に導入されるケースと、このケース内に収容された複数の螺旋状管体部を有し、かつこれ
ら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の水管と、これら複数の水管の両端部に連結して設けられており、かつ前記複数の水管の端部開口に連通するチャンバ、およびこのチャンバに連通する入水用または出湯用の開口部を有している一対のヘッダと、を備えている、熱交換器であって、前記複数の螺旋状管体部は、一連に繋がった複数のループ部を有し、かつこれら複数のループ部は、鉛直方向に並ぶ姿勢で前記ケース内に収容されており、前記ケースは、前記複数の螺旋状管体部の上方および下方に位置する上壁部および下壁部と、所定の前後方向において前記複数の螺旋状管体部を挟み、かつ前記加熱用流体の導入口および排出口が形成されている後壁部および前壁部と、を備えており、前記導入口から前記ケース内に前記加熱用流体が導入されたときに、この加熱用流体は前記複数の螺旋状管体部の複数のループ部間の隙間を通過して前記排出口に到達するように構成されており、前記一対のヘッダの少なくとも一方の入水用または出湯用の開口部は、最内周の螺旋状管体部を有する第１の水管の端部開口よりも最外周の螺旋状管体部を有する第２の水管の端部開口に接近し、かつ前記ヘッダのうち、前記第２の水管の端部開口に対面する壁部に形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次に述べるように、外周側の螺旋状管体部の通水量を従来述よりも増加させることができる。すなわち、たとえば入水用のヘッダが本発明の意図する構成とされている場合、このヘッダの入水用の開口部は、最内周の螺旋状管体部を有する第１の水管の端部開口よりも最外周の螺旋状管体部を有する第２の水管の端部開口に接近しているだけではなく、この第２の水管の端部開口に対面する壁部に形成されている。したがって、入水用の開口部と前記第２の水管の端部開口とは、互いに対面する向きとなり、それらを通過する水の流れ方向は一致することとなる。このため、ヘッダの入水用の開口部からチャンバに流入した水の多くがそのまま前記第２の水管の端部開口に流入し易くなり、その流量が多くなる。本発明によれば、入水用の開口部を第２の水管の端部開口寄りに単に接近させただけの場合よりも、最外周あるいはそれ以外の外周側の螺旋状管体部を有する水管の通水量を多くすることが可能である。一方、出湯用のヘッダにおいても、前記したのと同様な原理によって、外周側の螺旋状管体部を有する水管の端部開口からヘッダの出湯用の開口部への湯水の流入が促進され、それら外周側の螺旋状管体部を有する水管の通水量を多くすることができる。入水用および出湯用の一対のヘッダの双方を前記したような構成にすれば、外周側の螺旋状管体部を有する水管の通水量を多くするのに最適であるが、いずれか一方のみが前記したような構成にされている場合であっても、外周側の螺旋状管体部を有する水管の通水量を多くすることが可能である。このように、本発明においては、外周側の螺旋状管体部を有する水管の通水量を多くすることができるために、その部分による熱回収量が多くなり、熱交換効率を従来技術よりも高めることが可能である。
さらに、前記構成によれば、加熱用流体は、導入口からケース内に流入して各螺旋状管体部の複数のループ部間の隙間を通過し、その後排出口からケースの外部に排出される。このような過程において、前記加熱用流体を複数の螺旋状管体部の各所に対して効率良く作用させることが可能となり、高い熱交換効率を達成するのに好適となる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対のヘッダを利用して前記複数の水管に通水が行われるときに、前記第２の水管の通水量が前記第１の水管の通水量よりも多くなるように構成されている。

このような構成によれば、最外周の螺旋状管体部による熱回収量を多くすることができ、熱交換効率を高めるのにさらに好適となる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記ケースは、略直方体状であり、前記複数の螺旋状管体部のうち、少なくとも最外周の螺旋状管体部の各ループ部は、前記前後方向に間隔を隔ててこれと交差する幅方向に延びる一対の第１の直管部と、前記幅方向に間隔を隔てて前記前後方向に延びる一対の第２の直管部とを備えており、これら第１および第２の直管部どうしは、前記ケース内の四隅部分またはその近傍において曲管部を介して繋がっている。

このような構成によれば、略直方体状のケース内の四隅部分付近に、熱交換効率を低下させる要因となる無駄な空間スペースが大きな容積で生じないようにすることができる。また、前記ケース内の限られたスペースにおいて、螺旋状管体部の寸法を長くとり、その伝熱面積を大きくすることもできる。したがって、熱交換効率を高めるのに一層好適となる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、本発明の第１の側面により提供される熱交換器と、この熱交換器のケース内に前記加熱用流体としての燃焼ガスを導入させる燃焼器と、を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図６は、本発明が適用された温水装置の具体例としての給湯装置およびこれに関連する構成の一例を示している。図１によく表われているように、本実施形態の給湯装置Ａは、燃焼器３、１次熱交換器１、および２次熱交換器Ｂを備えている。２次熱交換器Ｂは、本発明が適用された熱交換器の一例に相当する。

燃焼器３は、たとえば正燃式のガスバーナであり、缶体３０内に配され、かつ燃料ガスが外部から配管３２を介して供給されるように構成されている。缶体３０内には、下方の送風ファン３１から燃焼用空気が上向きに送風されるようになっている。１次熱交換器１は、燃焼器３で発生されて上昇する燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、複数のフィン１２を有する水管１１が缶体１０内に配された構造を有している。

２次熱交換器Ｂは、前記燃焼ガスから潜熱を回収するためのものであり、１次熱交換器１の上方に配され、かつ缶体１０に対して補助缶体１９を介して接続されている。この２次熱交換器Ｂは、内部に燃焼ガスが導入されるケース７、複数（たとえば計５本）の水管Ｐ、および入水用および出湯用のヘッダ６Ａ，６Ｂを備えている。図４によく表われているように、複数の水管Ｐのそれぞれは、ケース７内に収容された螺旋状管体部５を有している。これら複数の螺旋状管体部５のサイズは相違しており、サイズが小さい螺旋状管体部５の周囲をそれよりもサイズが大きい螺旋状管体部５が順次囲むようにして、それらは略同心の重ね巻き状とされている。

ケース７は、中空の略直方体状であり、複数の螺旋状管体部５を鉛直方向において挟む上壁部７０ｃおよび底壁部７０ｄと、複数の螺旋状管体部５を水平前後方向において挟む後壁部７０ａおよび前壁部７０ｂとを有している。図３によく表われているように、後壁部７０ａおよび前壁部７０ｂには、燃焼ガス用の導入口７１および排出口７２が設けられている。なお、排出口７２は、たとえば図２に示すような略矩形状であり、導入口７１もそれと同様である。１次熱交換器１を通過してその上方に進行した燃焼ガスは、補助缶体１９内を通過して導入口７１からケース７内に進入し、複数の螺旋状管体部５によって潜熱が回収されるようになっている。潜熱回収を終えた燃焼ガスは、その後排出口７２からケース７の外部に排出される。燃焼ガスから潜熱回収がなされると、複数の螺旋状管体部５の表面には凝縮水が発生する。これに対し、ケース７の底壁部７０ｄには、凝縮水用の排出口７３が設けられており、螺旋状管体部５の表面から凝縮水がケース７の底壁部７０ｄ上に滴下すると、その後この凝縮水は排出口７３からケース７の外部に排出される。

図５は、複数の水管Ｐのうちの１つとして、最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐの構成を示している。この水管Ｐは、たとえば１本の原材料となる管体に巻き加工を施すことにより製作されており、螺旋状に繋がって隙間５９を介して鉛直方向に並んだ複数のループ部５０と、それらの下部および上部に繋がった延設管体部５１，５２とを有している。各ループ部５０は、平面視略長円状であり、幅方向の中間部Ｓ１は、ケース７の幅方向に略平行に延びる一対の直管部５０ａ，５０ｂによって形成されている。幅方向の両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂは、直管部５０ａ，５０ｂの端部どうしを繋ぐ平面視半円弧状の一対の曲管部５０ｃ，５０ｄによって形成されている。一対の直管部５０ａ，５０ｂは、水平面に対して傾斜の無い水平管体部とされているのに対し、一対の曲管部５０ｃ，５０ｄは、水平面に対して傾斜した傾斜管体部とされている。より詳細には、同図（ａ）において、曲管部５０ｃは、直管部５０ａの一端から直管部５０ｂの一端に向けて矢印Ｎ１方向へ進むに連れて高さが順次低くなるように適当な角度で傾斜している。直管部５０ａは、直管部５０ｂよりも高位にある。曲管部５０ｄは、直管部５０ｂの他端から次段のループ部５０の直管部５０ａの他端に向けて矢印Ｎ２方向へ進むに連れて高さが順次低くなるように傾斜している。複数のループ部５０のそれぞれは、前記したような構成の直管部５０ａ，５０ｂおよび曲管部５０ｃ，５０ｄを具備して構成されている。複数の水管Ｐは、いずれも前記したような構成を有している。ただし、既述したとおり、複数の水管Ｐの螺旋状管体部５は、重ね巻き状に配列されており、それらのループ部５０のサイズは相違している。

図４によく表われているように、複数の延設管体部５１，５２のそれぞれの一端寄り部分は、ともにケース７の側壁７０ｅを貫通してケース７の外部に引き出されており、この部分に入水用および出湯用のヘッダ６Ａ，６Ｂが連結されている。入水用のヘッダ６Ａを水管Ｐの下端側に連結し、水管Ｐに対してその下方から上向きに通水させれば、螺旋状管体部５内のエアを上方に移動させてエア抜きを好適に図ることができる利点が得られる。延設管体部５１には、ケース７の外部において下向きに湾曲した曲げ部５１ａが形成されている。この曲げ部５１ａは、各水管Ｐからの水抜きを容易にするための部分である。すなわち、たとえば寒冷期において、この給湯装置Ａの運転を長期間停止させておくような場合、水管Ｐ内の凍結防止を目的として、内部の水抜きを行なう場合がある。水管Ｐが細管により構成されている場合、前記した水抜きを行う際に、水管Ｐの下端側の端部開口５３に水の表面張力に起因する水膜が生じ、水抜きが困難になる虞がある。これに対し、前記した曲げ部５１ａが設けられていれば、それらの内部に存在する水の水頭圧を利用して前記した水膜を破壊し、水抜きの円滑化を図ることが可能となる。曲げ部５１ａは、たとえばベンド管を用いて構成されている。一方、延設管体部５２は、曲げ部５１ａを有しない直管状に形成されている。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、入水用のヘッダ６Ａは、互いに別体に形成された第１および第２の部材６０ａ，６０ｂを接合することにより構成されている。第１の部材６０ａには、複数の水管Ｐの端部５ａ（延設管体部５１の一端部に相当）が連結されている。第２の部材６０ｂには、入水用の開口部６１ａが開設され、この部分に配管継手６０ｃが連結されている。第１および第２の部材６０ａ，６０ｂの内方には、複数の水管Ｐの端部開口５３および入水用の開口部６１ａに連通するチャンバ６２が形成されている。複数の端部開口５３は、ヘッダ６Ａの長手方向に適当な間隔を隔てて略一列に並んでおり、それらの配列順序は、複数の水管Ｐの螺旋状管体部５の長さの順序に対応したものとなっている。すなわち、図４（ａ）に示された最内周の螺旋状管体部５（５')を有する水管Ｐの端部開口５３（５３')は、ヘッダ６Ａの一端寄りに位置する一方、最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐの端部開口５３（５３")は、ヘッダ６Ａの他端寄りに位置しており、ヘッダ６Ａの一端から他端寄りになるほど、その位置に連結されている水管Ｐの螺旋状管体部５の長さが順次長くなっている。複数の端部開口５３は、下向きに開口している。これに対し、入水用の開口部６１ａは、第２の部材６０ｂのうち、複数の端部開口５３に対面する壁部に形成されて上向きに開口している。また、この開口部６１ａは、端部開口５３（５３')よりも端部開口５３（５３")に接近した配置とされている。好ましくは、この開口部６１ａは、端部開口５３（５３')やこれに隣接するいわゆる内周側水管の端部開口５３には対面することなく、少なくともその一部が端部開口５３（５３")の全体または一部に直接対面している。

図６（ａ），（ｃ）に示すように、出湯用のヘッダ６Ｂは、その取付姿勢が前記した入水用のヘッダ６Ａとは相違するものの、チャンバ６２を内部に形成する第１および第２の部材６０ａ，６０ｂを備えており、その基本的な構成は入水用のヘッダ６Ａと共通している。第１の部材６０ａには、複数の水管Ｐの端部５ｂ（延設管体部５２の一端部に相当）が連結されており、また第２の部材６０ｂには、配管継手６０ｃが連結されて出湯用の開口部６１ｂが設けられている。複数の水管Ｐの端部開口５４は、螺旋状管体部５の長さに対応する順序でヘッダ６Ｂの長手方向に並んでおり、これらは水平方向を向いて開口している。これに対し、出湯用の開口部６１ｂは、それら複数の端部開口５４に対面する壁部に形成され、水平方向を向いて開口している。また、この開口部６１ｂは、前記した入水用の開口部６１ａと同様に、最内周の螺旋状管体部５（５')を有する水管Ｐの端部開口５４（５４')よりも最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐの端部開口５４（５４")に接近している。そして、好ましくは、この開口部６１ｂは、端部開口５４（５４')やこれに隣接するいわゆる内周側水管の端部開口５４には対面することなく、少なくともその一部分が端部開口５４（５４")の全体または一部に直接対面している。

図１に示すように、ヘッダ６Ａの配管継手６０ｃには、水道水などを供給してくる入水管８０が接続されている。一方、ヘッダ６Ｂの配管継手６０ｃは、配管８１を介して１次熱交換器１の入水口１１ａに接続されている。１次熱交換器１においては、２次熱交換器Ｂから送られてきた湯水が水管１１を通過してさらに加熱されるように構成されており、このようにして生成された湯水は、出湯口１１ｂから出湯する。ただし、１次および２次の熱交換器に対する通水の順序は限定されず、たとえば先ず１次熱交換器１に入水がなされ、この１次熱交換器１を通過した湯水がその後２次熱交換器Ｂに供給される構成とすることもできる。

次に、２次熱交換器Ｂ、およびこれを備えた給湯装置Ａの作用について説明する。

図１において、給湯装置Ａは、入水管８０からヘッダ６Ａに供給される水が、２次熱交換器Ｂの複数の水管Ｐおよび１次熱交換器１の水管１１の内部を流れると、燃焼器３が駆動を開始するようになっている。すると、この燃焼器３によって発生された燃焼ガスからは、１次熱交換器１および２次熱交換器Ｂによって顕熱および潜熱が順次回収される。複数の水管Ｐおよび水管１１内を流れる水は、そのような熱回収により加熱され、この加熱によって生成された湯水は、出湯口１１ｂから所望の給湯先に供給される。

複数の水管Ｐのそれぞれの全長寸法は相違しており、それらの内部流路抵抗は、最内周の螺旋状管体部５（５')を有する水管Ｐが最も小さく、最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐが最も大きくなっている。したがって、背景技術の欄において説明したとおり、本来ならば、最内周の螺旋状管体部５（５')の通水量が最も多くなって、最外周の螺旋状管体部５（５")の通水量が少なくなる現象を生じ易い。これに対し、本実施形態においては、図６を参照して説明したとおり、ヘッダ６Ａの入水用の開口部６１ａは、最外周の螺旋状管体部５（５")に対応する端部開口５３（５３") に対して、最内周の螺旋状管体部５（５')に対応する端部開口５３（５３')よりも接近しており、それらの間の距離は非常に短い。しかも、入水用の開口部６１ａは、端部開口５３（５３")に対向する向きであり、これらは直接対面した状態、あるいはそれに近い状態となっている。したがって、入水用の開口部６１ａからチャンバ６２内に流入した水の多くは、そのまま端部開口５３内に流れ込み易くなり、その流入量が多くなる。また、最外周のみならず、最外周から２番目などの他の外周側の螺旋状管体部５を有する水管Ｐの通水量も増加する。

ヘッダ６Ｂについても、前記したヘッダ６Ａと同様であり、最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐを通過した湯水は、端部開口５４（５４")から出湯用の開口部６１ｂに流出し易くなる。同様に、最外周から２番目などの他の外周側の螺旋状管体部５を有する水管Ｐの端部開口５４から出湯用の開口部６１ｂへの湯水の流出も促進される。このように外周側の螺旋状管体部５を有する水管Ｐから開口部６１ｂへの湯水の流出が促進されると、それらの内部の通水量がさらに増加する効果が得られる。したがって、２次熱交換器Ｂにおいては、外周側の螺旋状管体部５の通水量を内周側の螺旋状管体部５の通水量よりも多くすることができる。この場合、最外周の螺旋状管体部５（５")の通水量を、最内周の螺旋状管体部５（５')の通水量よりも多くすることが可能である。このように、本実施形態では、伝熱面積が大きい外周側の螺旋状管体部５を有する水管Ｐの通水量を多くすることにより、その部分における熱回収量を多くし、熱交換効率を高めることができる。また、本実施形態においては、２次熱交換器Ｂの複数の水管Ｐが最内周から最外周のものになる程、内部の通水量が順次多くなるように構成し、このような構成にすることによって熱交換効率をさらに高くすることも可能である。

図５を参照して説明したとおり、水管Ｐの各ループ部５０は、幅方向の両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂのみが水平面に対して傾斜しており、幅方向の中間部Ｓ１は水平である。このため、本実施形態とは異なり、たとえばループ部５０の全ての部分を水平面に対して傾斜させた場合と比較すると、ループ部５０の鉛直方向の幅は小さくなり、螺旋状管体部５の巻きピッチｐ２（ループ部５０の配列ピッチ）も小さくすることができる。その結果、ループ部５０の段数を多くして熱回収量を多くする場合においても、螺旋状管体部５の全体の高さ寸法がさほど大きくならないようにし、全体の大型化を適切に抑制することが可能である。とくに、本実施形態においては、ループ部５０が平面視略長円状であり、幅方向の中間部Ｓ１の直管部５０ａ，５０ｂを長くすることによって、螺旋状管体部５の高さの増大を招くことなく、螺旋状管体部５の伝熱面積を大きくすることができる。

２次熱交換器Ｂにおいては、複数のループ部５０間に形成されている複数の隙間５９を燃焼ガスが通過する際に熱回収がなされる。これに対し、鉛直方向に並ぶ複数のループ部５０は、それらの形状が略同一に揃えられており、複数の隙間５９の長手方向の各所の幅（図５（ｂ）の符号Ｌ３で示す幅）を均一に揃えることができる。このような構成によれば、隙間５９の幅の不均一さに起因して燃焼ガスが特定の箇所に集中して流れるといったことが回避され、各ループ部５０の各所に対して燃焼ガスを略均一に作用させることができる。したがって、熱回収量を多くするのにより好適となる。

図７〜図１２は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図７に示す実施形態においては、入水用のヘッダ６Ａについては前記実施形態のものと同様であるが、出湯用のヘッダ９Ａについては前記実施形態のヘッダ６Ｂとは相違した構成とされている。出湯用のヘッダ９Ａは、複数の水管Ｐの端部５ｂが周壁部に連結された筒状部９０を有しており、この筒状部９０の軸長方向の一端に、出湯用の開口部９１が形成されている。出湯用の開口部９１は、ケース７の正面を向いて開口しており、この部分への配管接続をケース７の正面側から容易に行うことができるようになっている。このため、出湯用の開口部９１は、最内周の螺旋状管体部５（５')を有する水管Ｐの端部開口５４（５４')寄りに位置している。

本実施形態においては、出湯用のヘッダ９Ａが本発明の意図するヘッダの構成にはなっておらず、このヘッダ９Ａのみによっては、外周側の螺旋状管体部５の通水量を多くする作用を得ることは難しい。ただし、この出湯用のヘッダ９Ａは、内周側の螺旋状管体部５の通水量を大幅に増加させることもない。一方、入水用のヘッダ６Ａによれば、前記実施形態において述べたように、供給された水が最外周の螺旋状管体部５（５")を有する水管Ｐの端部開口５３（５３")やその近傍の端部開口５３に多く流入する作用が得られる。このようなことから、ヘッダ６Ａ，９Ａが組み合わされた構成においても、外周側の螺旋状管体部５の通水量を従来技術よりも多くすることが可能である。また、出湯用のヘッダ９Ａの開口部９１が、図７に示した構成とは異なり、筒状部９０の他端に形成されている場合にも同様な効果を得ることができる。

図８に示す実施形態においては、出湯用のヘッダ６Ｂが図１〜図６に示した実施形態のものと同様であるのに対し、入水用のヘッダ９Ｂが図１〜図６に示した実施形態のヘッダ６Ａとは相違した構成となっている。ヘッダ９Ｂは、図７に示したヘッダ９Ａと同様な構成であり、複数の水管Ｐの端部５ａが連結された筒状部９０を具備し、この筒状部９０の一端に、ケース７の正面を向く入水用の開口部９１が形成されている。

本実施形態においては、入水用のヘッダ９Ｂによっては外周側の螺旋状管体部５の通水量を多くする作用を余り期待することはできないものの、出湯用のヘッダ６Ｂの作用によって外周側の螺旋状管体部５の通水が促進され、その流量が多くなる効果を得ることができる。入水用のヘッダ９Ｂの開口部９１が、図８に示す構成とは異なり、筒状部９０の他端に形成されている場合も同様である。

これらの実施形態から理解されるように、本発明においては、複数の水管の両端に設けられた入水用および出湯用の一対のヘッダのうち、少なくとも一方が、本発明が意図する構造のヘッダとして構成されていればよい。

図９〜図１１に示す給湯装置Ａａは、互いに独立して湯水加熱が可能な２つの湯水加熱系統を備えており、燃焼器３Ａ，３Ｂ、１次熱交換器１Ａ，１Ｂ、および缶体１０Ａ，１０Ｂを備えている。これらの機器の基本的な構成は、図１〜図６に示した実施形態のものと同様である。２次熱交換器Ｂａは、１つのケース７内に、上部および下部の熱交換部ＵＨ，ＬＨが設けられた構成を有している。これら上部および下部の熱交換部ＵＨ，ＬＨは、複数の水管Ｐの略同心の重ね巻き状とされた複数の螺旋状管体部５が上下に設けられて構成されており、それらの間は仕切板７９によって仕切られている。図１１に示すように、ケース７の後壁部７０ａには、燃焼ガス用の２つの導入口７１Ａ，７１Ｂが形成されており、１次熱交換器１Ａ，１Ｂをそれぞれ通過してきた燃焼ガスは、補助缶体１９Ａ，１９Ｂによって個々にガイドされて導入口７１Ａ，７１Ｂからケース７内の上部および下部にそれぞれ個別に流入するようになっている。ただし、ケース７の前面壁７０ｂに設けられた排出口７２は共用されており、上部および下部の熱交換部ＵＨ，ＬＨのいずれを通過した燃焼ガスも１つの排出口７２から外部に排出されるようになっている。

上部の熱交換部ＵＨを構成する複数の水管Ｐの両端には、たとえば図８に示したのと同様な一対のヘッダ９Ｂ，６Ｂが連結されており、ヘッダ９Ｂには入水管が接続され、ヘッダ６Ｂは１次熱交換器１Ａの入水口１１ａに配管接続されている。下部の熱交換部ＬＨを構成する複数の水管Ｐの両端には、たとえば図７に示したのと同様な一対のヘッダ６Ａ，９Ａが連結されており、ヘッダ６Ａには入水管が接続され、ヘッダ９Ａは１次熱交換器１Ｂの入水口１１ａ’に配管接続されている。なお、２次熱交換器Ｂａのヘッダとしては、本実施形態とは異なり、たとえば図１〜図６に示した実施形態と同様にヘッダ６Ａ，６Ｂを組み合わせて用いることもできる。

本実施形態の給湯装置Ａａにおいては、燃焼器３Ａによって発生された燃焼ガスから１次熱交換器１Ａおよび２次熱交換器Ｂａの上部の熱交換部ＵＨを利用して顕熱および潜熱回収がなされる。この過程によって加熱生成された湯水は、１次熱交換器１Ａの出湯口１１ｂから外部に供給される。一方、燃焼器３Ｂによって発生された燃焼ガスからは、１次熱交換器１Ｂおよび２次熱交換器Ｂａの下部の熱交換部ＬＨを利用して顕熱および潜熱回収がなされる。そして、この過程によって加熱生成された湯水は、１次熱交換器１Ｂの出湯口１１ｂ'から外部に供給される。燃焼器３Ａを含む湯水加熱系統を比較的小型とし、燃焼器３Ｂを含む湯水加熱系統をそれよりも大型化した場合、たとえば前者の湯水加熱系統を床暖房用の湯水（不凍液を含む）を一定の経路で循環させながら加熱する用途に利用するとともに、後者の湯水加熱系統を台所や洗面所などに供給されるいわゆる一般給湯用の湯を生成するのに好適となる。このように、本実施形態の給湯装置Ａａによれば、２つの用途の温水生成を独立して適切に行なうことが可能であり、機能性に優れる。２次熱交換器Ｂａは、１つのケース７内に２つの熱交換部ＵＨ，ＬＨが組み込まれた構成とされているために、その構成は合理的であり、小サイズ化を図るのにも好ましい。もちろん、２次熱交換器Ｂａの２つの熱交換部ＵＨ，ＬＨのそれぞれの水管Ｐに通水を行わせる際には、先に述べた実施形態と同様に、外周側の螺旋状管体部５を有する水管Ｐの通水量を多くし、熱交換効率を高めることができる。本実施形態から理解されるように、本発明が適用される熱交換器は、重ね巻き状とされた螺旋状管体部のグループが、複数グループ設けられた構成とすることもできる。

図１２に示す実施形態においては、最内周の螺旋状管体部５のループ部５０については、前記実施形態と同様に、幅方向の両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが半円弧状の曲管部とされている。ただし、それよりも外周寄りの他の螺旋状管体部５のループ部５０Ａについては、全体が平面視略矩形状であり、幅方向の両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂは、ケース７の前後方向に延びる直管部５０ｃ',５０ｄ’を有している。これら直管部５０ｃ',５０ｄ’と幅方向中間部Ｓ１の直管部５０ａ，５０ｂとは、複数の曲管部５０Ｒを介して繋がっている(ただし、幅方向端部Ｓ２ｂ側については、曲管部５０Ｒが水管Ｐの下方に隠れており、その符号を省略している）。複数の曲管部５０Ｒは、ケース７内の四隅部分７８またはその近傍に位置しており、好ましくは、それらの曲率半径は同一に揃えられて、パイプの曲げ加工の一定化が図られている。

本実施形態によれば、水管Ｐの一部をケース７の四隅部分７８またはその近傍に配置させているために、ケース７内のデッドスペースを小さくすることができる。また、ループ部５０の幅方向両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに直管部５０ｃ',５０ｄ’が設けられた構成によれば、両端部Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを単なる半円弧状に形成する場合よりも、ループ部５０の長さが長くなり、螺旋状管体部５の伝熱面積も大きくなる。したがって、熱交換効率をさらに高めるのに好適となる。なお、本発明においては、螺旋状管体部の各ループ部を、略正方形や略円形状などの他の形状に形成してもよく、その具体的な形状は問わない。

本発明は、上述した実施形態に限定されない。本発明に係る熱交換器、および温水装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明においては、ヘッダの入水用または出水用の開口部の少なくとも一部を、最外周の螺旋状管体部を有する水管の端部開口に直接対面させることが好ましいものの、これに限定されない。

水管の数は複数であればよく、その具体的な数も限定されない。螺旋状管体部の各ループ部は、幅方向の中間部を水平とし、かつ幅方向の両端部を傾斜させた構成とすることが好ましいものの、やはりこれに限定されない。各ループ部の全体が傾斜した構成とすることもできる。

上述した実施形態では、顕熱回収用の１次熱交換器については、本発明を適用していないが、本発明に係る熱交換器は、顕熱回収用、潜熱回収用の種別を問わない。本発明に係る熱交換器を、顕熱回収に用いることもできる。

本発明に係る温水装置においては、燃焼器として、ガスバーナ以外のものを用いてもよく、たとえばオイルバーナを用いた構成とすることもできる。本発明でいう温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を広く含む概念である。

本発明が適用された温水装置としての給湯装置の一例を示す概略正面断面図である。 図１に示す給湯装置の要部正面図である。 図１のIII−III断面図である。 (ａ)は、図１に示す給湯装置の２次熱交換器の平面断面図であり、(ｂ)は、その正面断面図である。 (ａ)は、図４に示す２次熱交換器の水管の一例を示す平面図であり、(ｂ)は、(ａ)のV−V断面図である。 （ａ）は、図１に示す給湯装置の要部側面図であり、（ｂ）は、（ａ）の要部断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のVI−VI断面図である。 (ａ)は、本発明が適用された熱交換器の他の例を示す要部平面断面図であり、（ｂ）は、その要部断面側面図である。 (ａ)は、本発明が適用された熱交換器の他の例を示す要部平面断面図であり、（ｂ）は、その要部断面側面図である。 本発明が適用された温水装置の他の例を示す概略正面断面図である。 図９に示す温水装置の概略正面図である。 図９に示す温水装置の概略側面断面図である。 本発明が適用された熱交換器の他の例を示す要部平面断面図である。

符号の説明

Ａ，Ａａ 給湯装置（温水装置）
Ｂ，Ｂａ ２次熱交換器
Ｐ 水管
３，３Ａ，３Ｂ 燃焼器
５ 螺旋状管体部
６Ａ，６Ｂ ヘッダ
７ ケース
５０ ループ部（螺旋状管体部の）
５３，５４ 端部開口（水管の）
６１ａ 入水用の開口部
６１ｂ 出湯用の開口部
６２ チャンバ（ヘッダの）
７０ａ 後壁部（ケースの）
７０ｂ 前壁部（ケースの）
７０ｃ 上壁部（ケースの）
７０ｄ 底壁部（ケースの）
７１ 導入口（燃焼ガス用の）
７２ 排出口（燃焼ガス用の）

Claims (4)

1. 熱交換対象となる加熱用流体が内部に導入されるケースと、
   このケース内に収容された複数の螺旋状管体部を有し、かつこれら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の水管と、
   これら複数の水管の両端部に連結して設けられており、かつ前記複数の水管の端部開口に連通するチャンバ、およびこのチャンバに連通する入水用または出湯用の開口部を有している一対のヘッダと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部は、一連に繋がった複数のループ部を有し、かつこれら複数のループ部は、鉛直方向に並ぶ姿勢で前記ケース内に収容されており、
   前記ケースは、前記複数の螺旋状管体部の上方および下方に位置する上壁部および下壁部と、所定の前後方向において前記複数の螺旋状管体部を挟み、かつ前記加熱用流体の導入口および排出口が形成されている後壁部および前壁部と、を備えており、
   前記導入口から前記ケース内に前記加熱用流体が導入されたときに、この加熱用流体は前記複数の螺旋状管体部の複数のループ部間の隙間を通過して前記排出口に到達するように構成されており、
   前記一対のヘッダの少なくとも一方の入水用または出湯用の開口部は、最内周の螺旋状管体部を有する第１の水管の端部開口よりも最外周の螺旋状管体部を有する第２の水管の端部開口に接近し、かつ前記ヘッダのうち、前記第２の水管の端部開口に対面する壁部に形成されていることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記一対のヘッダを利用して前記複数の水管に通水が行われるときに、前記第２の水管の通水量が前記第１の水管の通水量よりも多くなるように構成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ケースは、略直方体状であり、
   前記複数の螺旋状管体部のうち、少なくとも最外周の螺旋状管体部の各ループ部は、前記前後方向に間隔を隔ててこれと交差する幅方向に延びる一対の第１の直管部と、前記幅方向に間隔を隔てて前記前後方向に延びる一対の第２の直管部とを備えており、これら第１および第２の直管部どうしは、前記ケース内の四隅部分またはその近傍において曲管部を介して繋がっている、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器と、この熱交換器のケース内に前記加熱用流体としての燃焼ガスを導入させる燃焼器と、を備えていることを特徴とする、温水装置。

Images