JP6153458B2

JP6153458B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6153458B2
Application number: JP2013254529A
Authority: JP
Inventors: 晃史西野; 英克成瀬
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: JP2015114003A

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。

高熱効率化のために吸熱管の細管化を図った場合でも、水抜き作業時に吸熱管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よう、図５及び図６に示すようなヘッダ１６０内に並設された複数のパイプ端開口１５２ａに対して連続して対向配置される水抜き板１７０を有する熱交換器が本出願人によって先に提案されている。この熱交換器では、ヘッダ１６０内でのパイプ端開口１５２ａと水抜き板１７０との間の隙間を、パイプ端開口１５２ａ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することにより、パイプ端開口１５２ａと水抜き板１７０との間に水抜き流路を形成し、水抜き時の流水方向下流部における水の残留を防止している（特許文献１）。

特開２０１０−１７５１０３

しかしながら、上記熱交換器を工業的に生産するにあたっては、吸熱管１５２の長さの製造誤差や、吸熱管１５２とヘッダ１６０とを接合する際の組み付け誤差などが生じるため、複数の吸熱管１５２をヘッダ本体１６１に設けた差込口１６３に挿入したとき、図６に見られるようにヘッダ１６０内に突出する各吸熱管１５２の出寸法を完全に一致させることは難しい。従って、特許文献１のように複数のパイプ端開口１５２ａに対して連続して対向配置される水抜き板１７０では、水抜き板１７０が吸熱管１５２の出寸法の相違に追随することができず、パイプ端開口１５２ａと水抜き板１７０との間の隙間を水膜の盛り上がり量以下にできない部分が生じるという問題がある。また、組み立て時にはパイプ端開口１５２ａと水抜き板１７０との間に所定の隙間が形成されていても、凍結時に大きな負荷がかかって水抜き板１７０のパイプ端開口１５２ａと対向する部分が変形した場合、水抜き板１７０は元の形状に戻らないため、隙間が大きくなるという問題がある。しかも、上記水抜き流路を形成するためのパイプ端開口１５２ａと水抜き板１７０との間の隙間は、ヘッダ本体１６１をヘッダ蓋１６２で閉塞することによって形成されるため、吸熱管１５２の出寸法の相違により所定の隙間が形成されているかどうかの確認や、所定の隙間が形成されていない場合の調整もできない。それゆえ、ヘッダ本体１６１とヘッダ蓋１６２との間の距離、及び水抜き板１７０の高さが設計通り形成されていたとしても、水抜き不良が生じる場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ヘッダ内に吸熱管の水抜き板を設ける場合に、ヘッダ内での吸熱管の出寸法が異なる場合でも確実に水抜きが可能な熱交換器を生産性よく製造することにある。

本発明は、
燃焼排気が流れるケースと、
前記ケース内に配置された複数の吸熱管と、
前記ケースの側板に配置され、各吸熱管の一端部及び他端部がそれぞれ挿入されて接続される流入ヘッダ及び流出ヘッダと、
高さ位置が低位置側のヘッダ内に配置され、前記吸熱管内の水抜き時に並設された複数のパイプ端開口に達した水を水抜きするための水抜き板と、を備える熱交換器であって、
前記水抜き板は、複数のパイプ端開口のそれぞれに弾性的な付勢力を有して当接するように分離された分離板を有する熱交換器である。

上記水抜き板は、複数の吸熱管のパイプ端開口のそれぞれに弾性的な付勢力を有して当接するように分離された分離板を備えるから、ヘッダ内での吸熱管の出寸法が異なる場合でも、分離板が出寸法の相違を吸収でき、いずれのパイプ端開口にも分離板の少なくとも一部を当接させた状態で水抜き板を配置することができる。それゆえ、パイプ端開口と分離板との間の隙間を狭くできるから、いずれのパイプ端開口からも確実に水抜き流路を形成することができる。また、分離板がパイプ端開口に弾性的な付勢力でもって当接しているから、凍結時に分離板に負荷がかかっても、パイプ端開口と分離板との間の隙間が大きくなるのを防ぐことができる。

好ましくは、上記熱交換器において、
上記水抜き板は、複数の分離板を支持する支持部を備え、
前記各分離板は、ヘッダ内に配置される前の状態で支持部が下方になるように水抜き板を設置したとき、分離板の自由端が支持部側の固定端よりも高くなるように傾斜して設けられる。

最も出寸法の大きな吸熱管と最も出寸法の小さい吸熱管とでパイプ端開口の位置が大きく異なる場合、分離板の固定端と自由端とが同一高さに形成されていると、弾性変形可能な分離板を形成しても、パイプ端開口の全てに分離板を当接させることが難しい。
しかしながら、上記水抜き板は、複数の分離板を支持する支持部を備えており、各分離板は、ヘッダ内に配置される前の状態において、自由端が固定端よりも高くなるように傾斜しているから、各分離板の自由端が固定端よりもヘッダ内でパイプ端開口に近接する傾斜面で形成されるとともに、各分離板がパイプ端開口に当接したときの弾性変形可能な範囲が大きくなる。その結果、各吸熱管の出寸法が大きく異なる場合でも、これに分離板を追随させることができ、全てのパイプ端開口に分離板を確実に弾性的な付勢力をもって当接させることができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器によれば、ヘッダ内に水抜き板を配置させた熱交換器を工業的に生産する場合に、吸熱管の長さの製造誤差や吸熱管とヘッダとの取り付け誤差などでヘッダ内での吸熱管の出寸法が相違していても、水抜き板により出寸法の相違を吸収できるから、いずれの吸熱管のパイプ端開口にも水抜き板を当接させることができ、確実に水抜きを行うことができる。従って、水抜きを考慮して吸熱管の長さや取り付け時の吸熱管の位置決めを高精度に管理する必要がない。また、凍結によって分離板に負荷がかかってもパイプ端開口と分離板との間の隙間が大きくなるのを防ぐこともできる。よって、水抜き不良の生じ難い熱交換器を効率よく生産することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた給湯装置の構成を示す概略断面図である。本発明の実施の形態に係る副熱交換器の流入ヘッダの部分を分解した概略斜視図である。本発明の実施の形態に係る水抜き板を示す概略構成図であり、（Ａ）は正面図を、（Ｂ）は断面図を示す。本発明の実施の形態に係る流入ヘッダの内部構成を示す概略横断面図である。従来の水抜き板を示す概略構成図である。従来の水抜き板を配置した流入ヘッダの内部構成を示す概略横断面図である。

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４２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４２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が設けられる。

そして、出湯管８２の下流端の出湯栓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、及び図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に対応して左右２列で千鳥状に複数開設され、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６８とヘッダ蓋６２の周壁６５の外面とを重ね合わせた状態でロウ付けして各ヘッダ６ａ，６ｂが形成される。

流入ヘッダ６ａのジョイント部６４の位置は、下側に設けられており、流出ヘッダ６ｂにおけるジョイント部６４の位置は、上側に設けられている。そして、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。

本実施形態における副熱交換器５は、ケース５０内に細管化された吸熱管５２（例えば、口径：φ１０ｍｍ）が８本配設されている。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が達成される。これらの吸熱管５２の一端部及び他端部はそれぞれ、流入ヘッダ６ａ及び流出ヘッダ６ｂのヘッダ本体６１の差込口６３に挿入されており、ヘッダ本体６１の凹部内に突出させた吸熱管５２のパイプ端開口５２ａは、左右２列で千鳥状に並設されている。

図２〜図４に示すように、低位置側に配置された流入ヘッダ６ａ内には、水抜き時にパイプ端開口５２ａとの間で水抜き流路を形成するための水抜き板７が配設されている。本実施の形態の水抜き板７は、一枚の金属板（例えば、ＳＵＳ３０４製、厚さ：約０．５ｍｍ）を成形加工することにより形成されており、支持部７１と、支持部７１の左右両下縁に支持された複数の分離板７０（本実施の形態では、８枚）とを備えている。支持部７１は、金属板を折り曲げて溝部を間に有する板状に形成されており、各分離板７０は、流入ヘッダ６ａ内に水抜き板７が配置されたとき、パイプ端開口５２ａに弾性的な付勢力をもって当接可能なように、支持部７１に支持される固定端７６と、支持部７１と反対側で自由端７５を有する薄板状に形成されている。なお、支持部７１は、左右の分離板７０それぞれを支持するように形成してもよい。

分離板７０は、ヘッダ本体６１の凹部内に突出させたパイプ端開口５２ａの配設位置に合わせて、支持部７１を中心として左右２列で千鳥状に設けられている。また、千鳥状に配置された分離板７０の最上位及び最下位以外に位置する分離板７０はいずれも、固定端７６と自由端７５が同幅の略矩形状に形成されているが、最上位及び最下位に位置する分離板７０はそれぞれ、ヘッダ本体６１の内壁６８の形状に合わせて、上縁及び下縁を傾斜させた略台形状に形成されている。

水抜き板７は、パイプ端開口５２ａと分離板７０とを位置決め状態で対向させるために、ヘッダ本体６１の底部に略沿った大きさを有している。各分離板７０は、水抜き時に水が残留しやすいパイプ端開口５２ａの少なくとも一部を覆う大きさであれば特に限定されないが、好ましくは、分離板７０がパイプ端開口５２ａと正対したときに、パイプ端開口５２ａ全体が分離板７０で覆われるように、対向配置されるパイプ端開口５２ａの口径よりも若干大きく形成される。なお、各分離板７０を分離する切れ込み部７７の幅は、分離板７０の大きさと上下で隣接するパイプ端開口５２ａの間隔に合わせて適宜設定することができる。

また、図３に示すように、本実施の形態の分離板７０は、流入ヘッダ６ａ内に配置される前の状態で支持部７１が下方になるように水抜き板７を設置したとき、自由端７５が支持部７１と接続されている固定端７６よりも高くなるように形成されている。すなわち、分離板７０は、分離板７０に負荷が加えられていない状態では、９０°より大きな鈍角で支持部７１と連接されており、左右の分離板７０は、支持部７１を鼎の中心として扇状に広がるように形成されている。これにより、固定端７６と自由端７５とが支持部７１に対して略同一高さに形成されている場合よりも、自由端７５をパイプ端開口５２ａに近接させることができるとともに、分離板７０の弾性変形可能な許容範囲を広げることができる。

さらに、分離板７０の自由端７５側には、支持部７１側に折り曲げられた曲げ部７３が形成されている。この曲げ部７３の先端は、後述するように、流入ヘッダ６ａ内に水抜き板７が配置されたとき、出寸法の大きな吸熱管５２のパイプ端開口５２ａと対向するヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面と当接するように設けられている（図４）。

分離板７０は、中央部に開設された口径の大きな４つの大孔部７４ａと、その上下に開設された口径の小さな２つの小孔部７４ｂとを有している。これらの孔部７４ａ，７４ｂの口径は、パイプ端開口５２ａのそれよりも小径であり、分離板７０がパイプ端開口５２ａと正対したときに、大孔部７４ａの全てと、小孔部７４ｂの一部がパイプ端開口５２ａ内に位置している。これにより、分離板７０の略全面がパイプ端開口５２ａに当接しても、水が円滑に分離板７０を通過でき、副熱交換器５の通常使用時に流入ヘッダ６ａを介した吸熱管５２への水の円滑な流通を確保できる。

本実施の形態において、支持部７１は、流入ヘッダ６ａ内に水抜き板７が配置されたとき、左右に並列されたパイプ端開口５２ａの間に位置するように設けられている。支持部７１の高さは、ヘッダ本体６１の凹部に水抜き板７を配置してヘッダ蓋６２をヘッダ本体６１に嵌め込み、分離板７０の少なくとも一部がパイプ端開口５２ａに当接したとき、支持部７１の頂点がヘッダ蓋６２の底面６７に当接するように形成されている。なお、支持部７１には、開孔が形成されていないが、分離板７０と同様に開孔を設けてもよい。

水抜き板７を流入ヘッダ６ａ内に配置するにあたっては、ヘッダ本体６１の差込口６３を介してヘッダ本体６１の凹部内に吸熱管５２のパイプ端開口５２ａを導出させ、差込口６３と吸熱管５２の外周面との境界にロウ材を塗布して仮固定する。次いで、ヘッダ本体６１の凹部に水抜き板７を配置し、ヘッダ蓋６２の周壁６５がヘッダ本体６１の内壁６８に当接するまで嵌め込んでいく。このとき、吸熱管５２の長さの製造誤差や、上記した吸熱管５２とヘッダ本体６１とを接合する際の導出させる吸熱管５２の組み付け誤差により、例えば、図４に示すように、流入ヘッダ６ａ内では隣接する吸熱管５２の出寸法が異なって形成される。それゆえ、複数のパイプ端開口５２ａに対して上下に連続して対向配置された従来の水抜き板１７０のように、剛直な一枚の金属板の場合、出寸法の少ない一部の吸熱管５２のパイプ端開口５２ａと水抜き板１７０との間の隙間が大きくなる。さらに、残留した少量の水が凍結して水抜き板１７０に大きな負荷がかかり塑性変形した場合、水抜き板１７０は元の形状に戻らないため、組み立て時よりも隙間が大きくなる。その結果、水抜き時にパイプ端開口５２ａと水抜き板１７０との間で水の表面張力に起因した水膜が形成され、吸熱管５２の水抜き時の流水方向下流部に水がさらに残留しやすくなる。

しかしながら、本実施の形態では、水抜き板７が、各パイプ端開口５２ａに対向するように支持部７１の左右に支持された分離板７０を有しているから、ヘッダ本体６１に水抜き板７を配置した状態でヘッダ蓋６２をヘッダ本体６１に嵌め込むと、図４に示すように、出寸法の大きな吸熱管５２が配設されている箇所では、分離板７０がパイプ端開口５２ａに押圧されて弾性変形していき、パイプ端開口５２ａの略全面に分離板７０が当接し、曲げ部７３がヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面に当接する。また、出寸法の小さな吸熱管５２が配設されている箇所では、同様に分離板７０がパイプ端開口５２ａに押圧されて弾性変形するが、変形量は少ないから、自由端７５側の一部のみがパイプ端開口５２ａに当接し、曲げ部７３はヘッダ蓋６２の周壁６５の上端面から離間して、自由端７５が固定端７６よりもパイプ端開口５２ａ側に位置するように配置される。このとき、支持部７１の頂点はヘッダ蓋６２の底面に当接し、ヘッダ本体６１とヘッダ蓋６２とが対向する方向で支持部７１は固定されるから、出寸法の大きな吸熱管５２のパイプ端開口５２ａ及び出寸法の小さな吸熱管５２のパイプ端開口５２ａのいずれにも、分離板７０の少なくとも一部が弾性的な付勢力をもって当接する。これにより、いずれのパイプ端開口５２ａと分離板７０との間の隙間も狭くすることができる。従って、水抜き作業中に吸熱管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難くなり、パイプ端開口５２ａに達した水は分離板７０を伝って水抜き板７の下方に流れていき、吸熱管５２の水抜き時の流水方向下流部の水を円滑に排水することができる。このように、本実施の形態によれば、吸熱管５２の長さに製造誤差が生じていたり、吸熱管５２の流入ヘッダ６ａへの取り付け時に取り付け誤差が生じたりしても、それらの誤差を水抜き板７で吸収することができる。さらに、少量の水が残留して凍結時に分離板７０に大きな負荷がかかっても、分離板７０は弾性変形可能であるため、凍結によってパイプ端開口５２ａと分離板７０との間の隙間が大きくなるのを防ぐことができる。それゆえ、吸熱管５２の長さやその出寸法について厳しい製造管理を行う必要がなく、確実に水抜きが可能な副熱交換器５を生産性良く製造することができる。

特に、本実施の形態における分離板７０は、分離板７０に負荷がかけられていない状態で、自由端７５が固定端７６よりも高くなるように傾斜面で形成され、自由端７５がパイプ端開口５２ａに近接して設けられているとともに、分離板７０の弾性変形可能な許容範囲が広げられているから、吸熱管５２の出寸法の相違が大きな場合でも、確実に分離板７０の少なくとも一部をパイプ端開口５２ａに当接させることができる。

さらに、本実施の形態では、分離板７０が対向するパイプ端開口５２ａに弾性的に付勢力をもって当接しているから、通常使用時に流入ヘッダ６ａ内を水が流通したときの水抜き板７のガタツキも防止できる。

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、吸熱管のパイプ端開口５２ａは、ヘッダ内で一列に配置されていてもよい。また、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。
さらに、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
７０分離板
７１支持部
７５自由端
７６固定端

Claims

燃焼排気が流れるケースと、
前記ケース内に配置された複数の吸熱管と、
前記ケースの側板に配置され、各吸熱管の一端部及び他端部がそれぞれ挿入されて接続される流入ヘッダ及び流出ヘッダと、
高さ位置が低位置側のヘッダ内に配置され、前記吸熱管内の水抜き時に並設された複数のパイプ端開口に達した水を水抜きするための水抜き板と、を備える熱交換器であって、
前記水抜き板は、複数のパイプ端開口のそれぞれに弾性的な付勢力を有して当接するように分離された分離板を有する熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記水抜き板は、複数の分離板を支持する支持部を有し、
前記各分離板は、ヘッダ内に配置される前の状態で支持部が下方になるように水抜き板を設置したとき、分離板の自由端が支持部側の固定端よりも高くなるように傾斜して設けられている熱交換器。