JP6671684B2 - 一缶二水式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯側加熱と風呂側追い焚きを兼備する一缶二水式熱交換器に関する。

従来、一つの熱源を用い、給湯側加熱と風呂側追い焚きを兼備する一缶二水式熱交換が知られている。図８はこの熱交換器の構成を示す斜視図である。図９は図８の垂直面Ａ（熱交換器の略中央を通る垂直平面）で切断した状態を示す一缶二水式熱交換器の断面図である。

図８及び図９に示すように、この熱交換器は、上段給湯管３Ｕ及び下段給湯管３Ｄからなる給湯管と、風呂追い焚き管４を一つの缶体２に収納したものである。この缶体２の下方にガスバーナー等の熱源１が配置される。

上段給湯管３Ｕは缶体２の上段に配置され、下段給湯管３Ｄは缶体２の下段に配置されている。上段給湯管３Ｕと下段給湯管３Ｄとは互いに接続されて一本の給湯管を形成している。下段給湯管３Ｄは缶体２の下段平面上を蛇行し、風呂追い焚き管４を跨いで缶体２の上段に上がる。上段給湯管３Ｕは上段平面上を蛇行している。なお、下段給湯管３Ｄの端には給湯入口３ＩＮが設けられ、上段給湯管３Ｕの端には給湯出口３ＯＵＴが設けられている。

缶体２の中段には、風呂追い焚き管４が上段給湯管３Ｕと下段給湯管３Ｄの間に挟まれる形で配置されている。この風呂追い焚き管４は、缶体２の中段平面上を蛇行している。なお、風呂追い焚き管４の一端には風呂入口４ＩＮが設けられ、風呂追い焚き管４の他端には風呂出口４ＯＵＴが設けられている。また、缶体２には多数の伝熱フィン５が収納されている。上段給湯管３Ｕ、下段給湯管３Ｄ及び風呂追い焚き管４は、これらの伝熱フィン５を貫通している。

さて、熱源１により風呂の追い焚きを連続的に行い、かつ給湯が停止している場合、下段給湯管３Ｄは、他の管よりも熱源１に近い位置に配置されていることから、熱源１により同時に加熱される下段給湯管３Ｄ内の滞留水は、いずれ沸騰温度に到達することが予想される。

そこで、図９に示すように、下段給湯管３Ｄについては、上段給湯管３Ｕ及び下段給湯管３Ｄよりも肉厚の大きい厚肉管を用いることにより、その熱容量を大きくし、下段給湯管３Ｄ内の滞留水に対する熱伝導を緩慢にすることができる。これにより、管内（特に、下段給湯管３Ｄ内）で発生する部分的な沸騰現象を防止し、風呂側追い焚きの持続時間を延長することが可能とされている。

特開２０００−１２１２６０号公報

しかしながら、従来の熱交換器においては、下段給湯管３Ｄが肉厚であること、特に、風呂追い焚き管４に接触する下段給湯管３Ｄの部分及びその周辺が厚肉であることで、本来、風呂の追い焚きのために風呂追い焚き管４に伝達されるべき熱量の一部の伝達が遅れるという問題がある。

本発明の一缶二水式熱交換器は、上述の課題に鑑みて為されたものであり、缶体（２）と、缶体（２）内に配置された給湯管（３Ｄ）と、缶体（２）内で、給湯管（３Ｄ）に隣接して配置された風呂追い焚き管（４）と、を備え、前記給湯管（３Ｄ）は、風呂追い焚き管（４）よりも熱源（１）に近い位置に配置されており、管体（３１）と、管体（３１）の内壁に密接された内部構造体（３２）とを備え、内部構造体（３２）は、管体（３１）が風呂追い焚き管（４）に接触する部分の周辺に開口部（ＫＡ）を有することを特徴とする。

また、本発明の一缶二水式熱交換器は、缶体（２）と、缶体（２）の上段に配置された上段給湯管（３Ｕ）と、缶体（２）の下段に配置され、上段給湯管（３Ｕ）と接続された下段給湯管（３Ｄ）と、缶体（２）の中段に、上段給湯管（３Ｕ）と下段給湯管（３Ｄ）の間に挟まれて配置された風呂追い焚き管（４）と、を備え、前記下段給湯管（３Ｄ）は、風呂追い焚き管（４）よりも熱源（１）に近い位置に配置されており、管体（３１）と、管体（３１）の内壁に密接された内部構造体（３２）と、を備え、内部構造体（３２）は、管体（３１）が風呂追い焚き管（４）に接触する部分の周辺に開口部（ＫＡ）を有することを特徴とする。

本発明の一缶二水式熱交換器によれば、給湯管の熱容量を大きくして風呂追い焚き時の滞留水の沸騰現象を防止することができることに加えて、風呂追い焚きの効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態における一缶二水式熱交換器を示す断面図である。 図１の下段給湯管の断面図（開口部ＫＡの開口角度が９０°の場合）である。 図１の下段給湯管の断面図（開口部ＫＡの開口角度が９０°の場合）である。 図１の下段給湯管の断面図（開口部ＫＡの開口角度が１８０°の場合）である。 内部構造体の斜視図である。 下段給湯管の断面図である。 本発明の第２の実施形態における一缶二水式熱交換器を示す断面図である。 一缶二水式熱交換器を示す斜視図である。 図８の垂直面Ａで切断した状態を示す、従来の一缶二水式熱交換器の断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態における一缶二水式熱交換器を図１，図８に基づいて説明する。図１は、図８の垂直面Ａ（熱交換器の略中央を通る垂直平面）で切断した状態を示す一缶二水式熱交換器の断面図である。

図１に示すように、この熱交換器は、図９の従来のものと対比すると下段給湯管３Ｄの構成が異なっている。すなわち、この下段給湯管３Ｄは、管体３１と、この管体３１の内壁に密接された内部構造体３２とで構成されている。その他の構成は、図９の従来のものと同じである。

内部構造体３２は、管体３１が風呂追い焚き管４に接触する部分の周辺では管体３１の長手方向に沿って形成された開口部ＫＡを有しており、下段給湯管３Ｄの部分的な薄肉化を実現している。内部構造体３２は略管状ではあるが、その断面でみると、風呂追い焚き管４側の上部が切り欠かれて開口部ＫＡを有した形状をなしている。

このように、下段給湯管３Ｄに内部構造体３２を設けることで、下段給湯管３Ｄの熱容量を大きくして、風呂追い焚き時の滞留水の沸騰現象を防止することができる。また、内部構造体３２に開口部ＫＡを形成することで、下段給湯管３Ｄが風呂追い焚き管４に接触する部分の周辺では、薄肉化を実現することができ、風呂追い焚き時における下段給湯管３Ｄから風呂追い焚き管４への熱伝導を促進して風呂追い焚きの効率を向上させることができる。

この場合、管体３１として、上段給湯管３Ｕ及び風呂追い焚き管４と同一の肉厚を有する薄肉管を用いることができる。内部構造体３２については、薄肉板を加工することで容易に製作することができ、管体３１の内壁に密接し、ろう付けが可能である。これにより、従来の熱交換器におけるような肉厚管の使用を排除して、部品価格の大幅なコストダウンを図ることもできる。

この内部構造体３２の製造方法を図２乃至図４に基づいて説明する。弾力性を有した薄肉板をスプリングピンのように丸め、下段給湯管３Ｄの管体３１に圧入に近い形で挿入する。挿入した薄肉板は弾性変形により元の形に戻ろうとするため、薄肉板は管体３１の内壁に沿って広がり、管体３１の内壁に密接した内部構造体３２を形成することができる。

図２に示すように、内部構造体３２の開口部ＫＡの開口角度が例えば９０°となるように薄肉板を丸め、管体３１へ圧入する。開口部ＫＡの開口角度は、管体３１の断面中心点Ｏを中心として定義される。開口部ＫＡの開口角度とは、断面中心点Ｏと内部構造体３２（薄肉板）の対向する開口端部３４，３４とをそれぞれ結ぶ２本の線の成す角度のことである。

そうすると、図３に示すように、圧入した薄肉板はスプリングバックにより元の形に戻ろうとする。そうすると、薄肉板の開口端部３４，３４には上・斜め上・水平方向（図３中の実線矢印の方向）に広がろうとする力が働き、その力が生じることで、薄肉板の中央部付近は管体３１下部の内壁に押しつけられ（図３中の破線矢印の方向）、内壁と薄肉板を密接させることができる。

開口部ＫＡの開口角度が１８０°以上となると、図４のように薄肉板がスプリングバックにより元の形に戻ろうとしても水平方向にしか力が働かない。そのため、薄肉板中央部付近は管体３１の下部の内壁側方向に押し出される力が働かず、薄肉板と管体３１下部の内壁とが密接しにくくなってしまう。

一方、開口部ＫＡの角度が４０°未満であると、下段給湯管３Ｄの肉厚となる部分が多くなり過ぎ、風呂追い焚き管４との熱伝導が悪くなる恐れがある。そのため、以上の２つの観点（密接力と熱伝導）を考慮すると、開口部ＫＡの開口角度については４０°以上１８０°未満であることが好ましいと言える。最も好ましい開口部ＫＡの開口角度は、８０°以上１００°以下である。

内部構造体３２の開口部ＫＡを画定している開口端部３４，３４の形状は長手方向にストレートに延びていてもよいが、図５の斜視図に示すように、長手方向に沿って波形をなしていてもよい。

また、図６の断面図に示すように、内部構造体３２を形成している薄肉板の開口端部３４，３４の付近を円周方向の内側に角度をつけて曲げることで、後述する内部構造体３２の切り起こしや突起３３と同様に、乱流発生効果とコストダウン効果を得ることができる。さらに、この曲げ部分３５と管体３１の内壁間にろう材３６を設置してろう付けを行うことができる。したがって、曲げ部分３４はろう材３６を安定して載置することできる載置場所としての役割も果たし得ることになる。

次に、本発明の第２の実施形態における一缶二水式熱交換器を図７及び図８に基づいて説明する。図７は図８の垂直面Ａ（熱交換器の略中央を通る垂直平面）で切断した状態を示す一缶二水式熱交換器の断面図である。

図７に示すように、この熱交換器は、図１の第１の実施形態ものと対比すると、内部構造体３２の内壁に切り起こしや突起３３等の乱流発生障害物が形成されている点が異なっている。その他の構成は、第１の実施形態ものと同じである。内部構造体３２は、板金で容易に加工することができ、切り起こしや突起３３等の複雑な形状も追加工することができる。

従来の熱交換器の管内部には、別体部品としてスプリング状の乱流発生装置が管に内接する形で挿入されている。この内部構造体３２に形成される切り起こし又は突起３３等は、同様な乱流発生効果により熱伝導の向上をもたらすことが期待できる。そして、スプリング状の乱流発生装置の使用を廃止して、更なるコストダウンが可能になる。

なお、上述の各実施形態の熱交換器においては、缶体２の上段に上段給湯管３Ｕが配置され、中段に風呂追い焚き管４が配置され、下段に下段給湯管３Ｄが配置された３段構成になっているが、これに限らず、上段給湯管３Ｕを廃止し、上段に風呂追い焚き管４が配置され、下段に給湯管（下段給湯管３Ｄと同じ構成）が配置された２段構成を採用することもでき、同様の効果を得ることができる。

１ 熱源
２ 缶体
３Ｄ 下段給湯管
３Ｕ 上段給湯管
４ 風呂追い焚き管
５ 伝熱フィン
３１ 管体
３２ 内部構造体
３３ 切り起こし又は突起
３４ 開口端部
３５ 曲げ部分
３６ ろう材

Claims (7)

1. 缶体（２）と、
   缶体（２）内に配置された給湯管（３Ｄ）と、
   缶体（２）内で、給湯管（３Ｄ）に隣接して配置された風呂追い焚き管（４）と、を備え、
   前記給湯管（３Ｄ）は、風呂追い焚き管（４）よりも熱源（１）に近い位置に配置されており、管体（３１）と、管体（３１）の内壁に密接された内部構造体（３２）とを備え、内部構造体（３２）は、管体（３１）が風呂追い焚き管（４）に接触する部分の周辺に開口部（ＫＡ）を有することを特徴とする一缶二水式熱交換器。
2. 前記管体（３１）は、前記風呂追い焚き管（４）と同一の肉厚を有することを特徴とする請求項１に記載の一缶二水式熱交換器。
3. 缶体（２）と、
   缶体（２）の上段に配置された上段給湯管（３Ｕ）と、
   缶体（２）の下段に配置され、上段給湯管（３Ｕ）と接続された下段給湯管（３Ｄ）と、
   缶体（２）の中段に、上段給湯管（３Ｕ）と下段給湯管（３Ｄ）の間に挟まれて配置された風呂追い焚き管（４）と、を備え、
   前記下段給湯管（３Ｄ）は、風呂追い焚き管（４）よりも熱源（１）に近い位置に配置されており、管体（３１）と、管体（３１）の内壁に密接された内部構造体（３２）と、を備え、内部構造体（３２）は、管体（３１）が風呂追い焚き管（４）に接触する部分の周辺に開口部（ＫＡ）を有することを特徴とする一缶二水式熱交換器。
4. 前記管体（３１）は、前記上段給湯管（３Ｕ）及び前記風呂追い焚き管（４）と同一の肉厚を有することを特徴とする請求項３に記載の一缶二水式熱交換器。
5. 前記開口部（ＫＡ）の開口角度は、前記管体（３１）の断面中心点（Ｏ）を中心として、４０°以上１８０°未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の一缶二水式熱交換器。
6. 前記内部構造体（３２）の開口端部（３４，３４）の付近が内側に角度をつけて曲げられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の一缶二水式熱交換器。
7. 前記内部構造体（３２）の内壁に切り起こし又は突起（３３）が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の一缶二水式熱交換器。

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