本发明涉及利用燃烧废气对流经在高度方向上以多段加以排列的多个流体流路的被加热流体进行热交换加热的热交换器，和具备该热交换器的热水器(热水装置)。
背景技术：
以往，已知有在罐体内从上方以作为潜热热交换器的副热交换器、作为显热热交换器的主热交换器和气体燃烧器的顺序加以设置的热水器(日本国专利公开公报特开2002-327960号)。在这种热水器中，沿主热交换器的主传热管和气体燃烧器之间的所述罐体的侧壁，配设有盘绕水管作为被加热流体流过的流体流路的一部分。
从供水管送来的水等的被加热流体，从副热交换器的副传热管，经由盘绕水管，流向主热交换器的主传热管。被加热流体在流过该流体流路期间，利用来自气体燃烧器的燃烧废气对被加热流体进行热交换加热，通过和主传热管连接的出热水管向利用端供给被加热的流体。
在上述热水器中，通过使一根盘绕水管沿罐体的侧壁卷绕，防止侧壁的异常过热。并且，在防止冻结的排水操作中为了从流体流路顺利地排出被加热流体，在能够利用具有足够高度的罐体的热水器中，使以规定角度倾斜的盘绕水管在罐体的侧壁卷绕(例如，相对于水平5度的程度)。
但是，与如上所述的热交换器和气体燃烧器的排列相反，也提出了在具有朝下的燃烧面的气体燃烧器的下方设置热交换器的、所谓的反向燃烧式的热水器(日本国专利公开公报特开2016-169934号)。
这种反向燃烧式的热水器，为了使因盘绕水管造成的流路阻力降低，具备具有连接有多个流体流路的一个分配头和连接有多个流体流路的一个汇集头(采集头)的主热交换器。
这种多个流体流路，具有沿壳体的对向的两个侧壁在高度方向上以多段排列的直管型的传热管。并且，多个流体流路的流体入口和流体出口分别和一个分配头以及一个汇集头连接。为了降低具有这种结构的主热交换器的高度，有必要将各个流体流路设置为大致水平。
然而，如果将各个流体流路设置为大致水平，由于各个流体流路的流体入口和流体出口位于大致相同的高度，因此来自流体流路的水的排水性能会恶化。特别是，在以多段配设的多个流体流路中，最下段的流体流路内的水难以排出，水容易残留在流体流路内。其结果是，在水残留在流体流路内的状态下，如果冬季外部空气温度降低到0℃以下，残留水会冻结且残留水的体积会膨胀，会有流体流路破损的危险。
技术实现要素：
本发明是鉴于以上事情而完成的，本发明的目的为提供一种热交换器和使用该热交换器的热水器，该热交换器即使沿壳体的侧壁在高度方向以多段排列有多个流体流路、且多个流体流路的流体入口和流体出口分别与一个分配头和一个汇集头连接的情况下，也能从多个流体流路顺利且切实地排出被加热流体。
根据本发明的一个方面，提供一种热交换器，包括：
壳体，所述壳体内部具有燃烧废气的通路；
多个流体流路，所述多个流体流路沿所述壳体的至少一个侧壁、在上下方向上以多段加以配设；
分配头，所述分配头与所述多个流体流路的流体入口连通，向所述多个流体流路分配所述被加热流体；以及
汇集头，所述汇集头与所述多个流体流路的流体出口连通，对来自所述多个流体流路的所述被加热流体进行汇集，
所述多个流体流路中位于最下段的流体流路的所述流体入口和所述流体出口分别具有比所述多个流体流路中位于最上段的流体流路的所述流体入口和所述流体出口更大的流路截面积。
并且，根据本发明的其他方面，提供了具备上述热交换器的热水器。
根据本发明，即使在沿壳体的侧壁在高度方向以多段排列有多个流体流路且多个流体流路的流体入口和流体出口分别与一个分配头和一个汇集头连接的热交换器中，也能顺利且切实地排出被加热流体。因此，与使传热管倾斜并卷绕于壳体的侧壁的热交换器相比，能够使壳体的高度降低。由此，能够提供适合用于反向燃烧式热水器的热交换器。
并且，由于具备上述热交换器的热水器具有优越的排水性能，因此即使冬季外部空气温度降低，也难以发生流体流路内残留的被加热流体的冻结/膨胀。因此，难以出现构成流体流路的传热管的破裂和热交换器的破损的问题。由此，能提供具有优良耐久性的热水器。
附图说明
图1为显示具备本发明实施方式涉及的热交换器的热水器的一例的概略示意图。
图2为显示本发明实施方式涉及的热交换器的一例的主要部分的概略分解立体图。
图3为显示本发明实施方式涉及的热交换器的一例的主要部分的概略放大截面图。
图4为显示本发明其他实施方式涉及的热交换器的一例的主要部分的概略扩大主视图，图4a显示了以流体入口和流体出口的流路截面积从上方依次变大的方式排列有多个流体流路的热交换器，图4b显示了以中段和最下段的流体流路的流体入口和流体出口分别具有相同的流路截面积且中段和最下段的流体流路的流体入口和流体出口分别具有比最上段的流体入口和流体出口更大的流路截面积的方式排列有多个流体流路的热交换器，图4c显示了以多个流体流路的流体入口和流体出口以流体入口和流体出口的流路截面积按照最上段、最下段和中段依次变大的方式排列有多个流体流路的热交换器。
具体实施方式
本发明实施方式涉及的热交换器3组装于热水器4。
如图1所示，该热水器4中，在上部区域设置具有朝下的燃烧面的气体燃烧器50。并且，在气体燃烧器50的下方，连接设置有热交换器3的大致矩形箱状的壳体30。而且，在壳体30的下方，连接设置有将从气体燃烧器50送入的燃烧废气导向热水器4的外部的排气通路31。
在气体燃烧器50的上方，连接有风扇单元5，其送入热水器4的外部的空气作为气体燃烧器50的燃烧用空气。从气体燃烧器50排出的燃烧废气利用风扇单元5被送入热交换器3内，从壳体30内通过排气通路31被排出到热水器4的外部。
作为被加热流体的从供水管41被供给的水，流入位于热交换器3的壳体30的下半部分的区域的第二传热管2，然后，流向位于壳体30的上半部分的区域的作为盘绕水管的第一传热管1。当水依次流过这些第二传热管2和第一传热管1时，利用来自气体燃烧器50的燃烧废气对水进行热交换加热，作为被加热的流体的温水通过出热水管42被供给到温水利用端。
并且，在传热翅片33的表面生成的酸性排水，被回收到排水接收器40，从排水管43，经由排水中和器(未图示)被排出到外部。
如图2所示，在壳体30内的对向的前侧壁301和后侧壁302之间，由不锈钢系金属形成的多个板状的传热翅片33以规定的间隙与前侧壁301与后侧壁302大致平行地纵向加以并排设置。并且，为了避免复杂化，图2中仅显示了一部分的传热翅片33。
并且，不锈钢系金属形成的多个第一传热管1和不锈钢系金属形成的多个第二传热管2分别以被架设于壳体30内的对向的前侧壁301和后侧壁302之间的方式加以延伸设置。并且，第二传热管2以贯通传热翅片33的方式加以配设。
并且，本说明书中，将前侧壁301的外侧面作为热交换器3的正面，壳体30从正面观察时的进深方向称为前后方向，宽度方向称为左右方向，高度方向称为上下方向。
在壳体30内的大致下半部分的区域中，配设有多个第二传热管2(此处为8根)。各个第二传热管2由截面纵长椭圆形状的直管构成。并且，第二传热管2的数目能够根据热交换器3的形态进行适当选择。
图2中，左右邻接的两个上游侧开口端2a在前侧壁301的左端开口，左右邻接的两个下游侧开口端2b在前侧壁301的右端开口，四个开口端(未图示)在前侧壁301的中间部开口。两个上游侧开口端2a、两个下游侧开口端2b和四个开口端以分别经由连接于供水管41的流入头21、连接于第一传热管1的分配头22以及中间头23相互连通的方式构成。
并且，虽未图示，在后侧壁302，以使第二传热管2的后侧壁302一侧的八个开口端的每四个连通的方式设置有左右两个连结头。这样，壳体30内形成下方流体流路410。
沿壳体30内的左右侧壁303、304的大致上半部分，大致水平地配设有多个第一传热管1(此处为6根)。各个第一传热管1由截面大致圆形状的直管构成。并且，第一传热管1的数目能够根据热交换器3的形态进行适当选择。
图2中，最上段、中段和最下段的3根传热管11、12、13，沿右侧壁304加以配设，这些的上游侧开口端11a、12a、13a，在前侧壁301的右端开口，且经由分配头22和第二传热管2的下游侧开口端2b连通。
并且，最上段、中段和最下段的3根另外的传热管11、12、13，沿左侧壁303加以配设，这些的下游侧开口端11b、12b、13b，在前侧壁301的左端开口，且和连接于出热水管42的汇集头24连通。
虽未图示，在后侧壁302上设置有连接最上段的左右传热管11的开口端的后侧连结头。并且，在后侧壁302上，设置有使中段和最下段的左右传热管12、13的开口端连结的其他的后侧连结头。
这样，以从下方流体流路410供给的水沿壳体30内的后以及左右侧壁302、303、304的大致上半部分以大致u字状并列流动的方式，在上下方向上以三段形成上方流体流路401、402、403。
因此，连接于分配头22、沿右侧壁304配设的第一传热管1的3个上游侧开口端11a、12a、13a构成各个上方流体流路401、402、403的流体入口。并且，连接于汇集头24、沿左侧壁303配设的第一传热管1的3个下游侧开口端11b、12b、13b构成各个上方流体流路401、402、403的流体出口。
本发明的实施方式中，左右的第一传热管11、12、13以最下段的传热管13的上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的开口面积(例如，内径14mm)分别比最上段和中段(从最下段观察时的上段)的传热管(上段侧的传热管)11、12的上游侧开口端11a、12a和下游侧开口端11b、12b的开口面积(例如，内径11mm)更大的方式加以排列。并且，最下段的传热管13以相比于位于上段的上段侧传热管11、12，在左右方向上更向壳体30的内侧突出的方式加以配设。
各个头21～24具备头主体21a～24a和头盖21b～24b。各个头主体21a～24a通过对壳体30的前侧壁301的规定位置进行收拢加工，使前侧壁301向内侧凹进而形成，各个头盖21b～24b以不透水的状态连接于各个头主体21a～24a的周缘。由此，各个头主体21a～24a的凹部底面和各个头盖21b～24b的背面之间形成具有规定体积的内部空间。
第二传热管2的上游侧开口端2a、第二传热管2的下游侧开口端2b和第一传热管1的上游侧开口端11a～13a、以及第一传热管1的下游侧开口端11b～13b分别在头21、22、24的内部空间开口。即，各个头21～24、上游侧开口端2a、下游侧开口端2b和上游侧开口端11a～13a以及下游侧开口端11b～13b连通。
本实施方式的热交换器3中，壳体30内配设有多个第一传热管1。这些第一传热管1由于沿左右侧壁303、304，在上下方向(高度方向)上以多段(此处为3段)加以排列，因此从上方的气体燃烧器50被导入到壳体30内的高温燃烧废气的热量通过多个第一传热管1被有效吸收。由此，抑制了左右侧壁303、304的异常过热。
并且，虽然第一传热管1在上下方向上以三段加以排列，但是最下段的传热管13以相比于上段侧传热管11、12更向壳体30的内侧突出的方式加以配设。
因此，不仅能通过在壳体30流动的燃烧废气对最下段传热管13进行有效加热，也能使燃烧废气朝向壳体30的内侧流动。因此，即使沿热交换器3的左右侧壁303、304的下半部分未设置第一传热管1，也能切实防止左右侧壁303、304的异常过热。并且，流过各个上方流体流路401、402、403的水利用燃烧废气被有效地热交换加热。
本实施方式的热水器4在进行供给热水操作的情况下，从供水管41向热交换器3内供给的水，从设置在位于壳体30的左侧前方下端的流入头21的供水口20流入第二传热管2。
接着，流过第二传热管2的水，从位于壳体30的右侧前方下端的下游侧开口端2b，被供给到分配头22的内部空间。然后，水从上游侧开口端11a、12a、13a，流入沿右侧壁304加以配设的第一传热管1。
并且，流过各个上方流体流路401、402、403的水，从在壳体30的前侧壁301的左端上部区域开口的各个下游侧开口端11b、12b、13b，流出到从壳体30的前侧壁301的左端上部区域到中央区域设置的汇集头24的内部空间。流出到汇集头24的水，经由设置在汇集头24上的出热水口25，被送出到出热水管42。
另一方面，本实施方式的热水器4在进行排水作业的情况下，水从下方的供水口20被排出。于是，随着从供水口20的排水，残留在第一和第二传热管1、2内的水，以第二传热管2的上游侧开口端2a为目标在第一和第二传热管1、2内逆流。
并且，伴随上述排水，装满分配头22和汇集头24的内部空间的水减少，内部空间内的水面逐渐降低。当水面降低到低于汇集头24的出热水口25时，空气从出热水口25进入汇集头24内，被排出的水的体积部分逐渐被置换为空气。
如图3所示，多个第一传热管1中，最上段的传热管11的下游侧开口端11b首先向汇集头24内的空气层开口。于是，如箭头1所示，随着水逐渐从上游侧开口端11a(参见图2)被排出，空气逐渐流入到最上段的传热管11内。这样一来，由于最上段的传热管11内的水优先被排出，所以水难以残留在最上段的传热管1内。
接着，随着分配头22内的水面进一步降低，中段的传热管12内的水也逐渐从上游侧开口端12a(参见图2)被排出。然后，如箭头2所示，空气从下游侧开口端12b流入到中段的传热管12内。
最后，水从最下段的传热管13的上游侧开口端13a(参见图2)被排出。虽然传热管13和汇集头24的内部空间连通，但是上游侧开口端13a在汇集头24内的下部区域开口。因此，最下段的传热管13内的全部的水难以被置换为空气，水容易残留在传热管13内。而且，和最上段和中段的传热管11、12相比较，最下段的传热管13中，由于通过到此为止的排水水头压变低，所以水因施加于上游侧开口端13a的表面张力而难以被排出。
但是，由于最下段的传热管13的上游侧开口端13a的流路截面积，设定为比最上段和中段的传热管11、12的上游侧开口端11a、12a的流路截面积更大，因此最下段的传热管13内的水的量，与最上段和中段的传热管11、12的水的量相比多。
因此，排水操作时，传热管13内的水头压能提高到克服施加在上游侧开口端13a的表面张力的程度。由此，如箭头3所示，空气流入到传热管13内，最下段的传热管13内的残留水能顺利地被排出。
并且，由于第二传热管2由排水性能优良的截面纵长椭圆形状的直管构成，因此第二传热管2内的水也能顺利地被排出。
根据上述实施方式，即使最上段、中段和最下段的三根传热管11～13分别沿壳体30的左右侧壁303、304大致水平地加以配设的情况下，水也能从任一个传热管11～13快速地被排出。因此，即使在外部空气温度降低到0℃以下的冬季，也能防止由残留在热交换器3的第一和第二传热管1、2内的水的冻结/膨胀而导致的第一和第二传热管1、2的破损。
并且，根据上述实施方式，在热交换器3内，即使各个传热管11～13大致水平地加以配设，由于能顺利地排水，因此和倾斜的盘绕水管被卷绕在壳体30的侧壁的热交换器相比，也能使壳体30的高度减小。因此，能将该热交换器3适当地组装到如图1所示的热水器4。
上述实施方式中，如图2和图3所示，具有相同小径的流路截面积的上游侧开口端11a、12a和下游侧开口端11b、12b的直管被用作最上段和中段的传热管11、12，并且具有上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的直管被用作最下段的传热管13，其中上游侧开口端13a和下游侧开口端13b具有比传热管11、12的上游侧开口端11a、12a和下游侧开口端11b、12b更大的流路截面积。
但是，本发明没有特别限定于上述那样的传热管11、12、13的排列方式。只要最下段的传热管13的上游侧开口端13a和下游侧开口端13b分别具有比最上段的传热管11的上游侧开口端11a和下游侧开口端11b更大的流路截面积，就能适用如下所示的其他传热管11、12、13的排列方式。
例如，如图4a所示，也能以上游侧开口端11a、12a、13a和下游侧开口端11b、12b、13b的流路截面积分别从上方依次变大的方式排列多个第一传热管11、12、13。
并且，例如，如图4b所示，也可以以中段和最下段(从最上段观察时的下段)的传热管12、13的上游侧开口端12a、13a和下游侧开口端12b、13b具有相同的流路截面积，且下段侧传热管12、13的上游侧开口端12a、13a、和下游侧开口以12b、13b的流路截面积比最上段的传热管11的上游侧开口端11a和下游侧开口端11b的流路截面积更大的方式排列多个第一传热管11、12、13。
并且，例如，如图4c所示，也可以以如果最下段的传热管13的上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的流路截面积分别比最上段的传热管11流路截面积更大，则中段的传热管12的上游侧开口端12a和下游侧开口端12b具有最大的流路截面积的方式排列多个第一传热管11、12、13。
并且，在上述实施方式中，作为最下段的传热管13，使用具有相同流路截面积的上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的直管13。
但是，也可以仅上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的开口直径被扩管而增大，两个开口端13a、13b之外的流体流路403的中间部分的管径，和最上段的传热管11或中段的传热管12的管径相同。即使最下段的传热管13具有这样的形状，通过使用具有大的流路截面积的上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的传热管13，施加在上游侧开口端13a和下游侧开口端13b的表面张力也能降低。由此，最下段的传热管13内的水能顺利地排出。
并且，构成上方流体流路401、402、403的第一传热管1不限于直管。例如，也能使用上游侧开口端11a、12a、13a和下游侧开口端11b、12b、13b仅在前侧壁301开口的大致u字状的连接管。
并且，上方流体流路401、402、403，也能仅沿左右侧壁303、304的任何一个加以配设。并且，段数不限于三段。多个流体流路也能以两段或者4段以上加以排列。
并且，热水器4也可以在热交换器3的下方具有潜热回收型的副热交换器。
虽然以上详细地对本发明进行了说明，但是本发明概要如下。
根据本发明的一个方面，提供了一种热交换器，包括：
壳体，所述壳体在内部具有燃烧废气的通路；
多个流体流路，所述多个流体流路沿所述壳体的至少一个的侧壁，在上下方向上以多段加以配设；
分配头，所述分配头与所述多个流体流路的流体入口连通，且向所述多个流体流路分配被加热流体；以及
汇集头，所述汇集头与所述多个流体流路的流体出口连通，且对来自所述多个流体流路的所述被加热流体进行汇集，
所述多个流体流路中位于最下段的流体流路的所述流体入口和所述流体出口分别具有比所述多个流体流路中位于最上段的流体流路的所述流体入口和所述流体出口更大的流路截面积。
根据上述热交换器，被加热流体经由分配头，从沿壳体的侧壁在高度方向上以多段配设的多个流体流路的流体入口流入多个流体流路，流经多个流体流路内，从多个流体流路的流体出口流出到汇集头。由于多个流体流路沿燃烧废气在内部流动的壳体的侧壁以多段加以排列，因此流体流路能够高效地吸收燃烧废气的热量，能够防止侧壁的异常过热。
并且，例如，在供水口比出热水口更靠下方设置的热交换器的排水作业中，逆流到流体流路的上游侧的被加热流体逐渐从低位置的供水口被排出。
同时，空气从高位置的出热水口流入流体流路内。随着被加热流体的排出，装满汇集头和分配头的内部空间的被加热流体减少，空气从在汇集头内开口的流体出口开始流进流体流路内，被排出的被加热流体的体积部分逐渐被与空气置换。
这时，由于在汇集头内于高度方向上以多段配设有多个流体出口，所以空气优先从在汇集头内开口的最上段的流体流路的流体出口流入。因此，最上段的流体流路内的被加热流体容易从流体流路排出。
与此相对，在最下段的传热管(13)中，通过到此为止的被加热流体的排出水头压变得最低。因此，被加热流体利用施加在最下段的流体流路的流体入口的表面张力而加以保持，被加热流体变得最难排出。
但是，根据上述热交换器，由于最下段的流体流路的流体入口和流体出口分别具有比最上段的流体流路的流体入口和流体出口更大的流路截面积，所以最下段的流体流路内的被加热流体的量变得比最上段的被加热流体的量更大。
由此，最下段的流体流路内的水头压能增大到克服施加在最下段的流体入口的被加热流体的表面张力的程度，能使在最下段的流体流路内残留的被加热流体顺利地排出。
优选地，上述热交换器中，
所述多个流体流路中，全部的下段侧流体流路的所述流体入口和所述流体出口分别具有比位于所述最上段的所述流体流路的所述流体入口和所述流体出口更大的流路截面积，所述全部的下段侧流体流路是指与位于所述最上段的所述流体流路相比位于更下段的流体流路。
根据上述热交换器，由于与位于最上段的流体流路相比位于更下段的全部的下段侧流体流路的流体入口和流体出口分别具有比最上段的流体流路的流体入口和流体出口更大的流路截面积，所以下段侧流体流路内的被加热流体的量变得比最上段的被加热流体的量更大。由此，能使在包含最下段的流体流路的下段侧流体流路内残留的被加热流体顺利地排出。
优选地，上述热交换器中，
在所述多个流体流路中，位于所述最下段的所述流体流路的所述流体入口和所述流体出口分别具有比全部的上段侧流体流路的所述流体入口和所述流体出口更大的流路截面积，所述全部的上段侧流体流路是指与位于所述最下段的所述流体流路相比位于更上段的流体流路。
如以上所述，最下段的流体流路内的被加热流体最难排出。
但是，根据上述热交换器，由于最下段的流体流路的流体入口和流体出口分别具有比与位于最下段的流体流路相比位于更上段的全部的上段侧流体流路的流体入口和流体出口更大的流路截面积，所以最下段的流体流路内的被加热流体的量变得比上段侧流体流路的被加热流体的量更大。由此，能使在最下段的传热管内残留的被加热流体更加顺利地排出。
优选地，上述热交换器中，
在所述多个流体流路中，从上方观察时，位于所述最下段的所述流体流路以相比于全部的上段侧流体流路更向所述壳体的内侧突出的方式加以设置，所述全部的上段侧流体流路是指与位于所述最下段的所述流体流路相比位于更上段的流体流路。
根据上述热交换器，不仅能利用在壳体内流动的燃烧废气对最下段的流体流路有效进行加热，也能使燃烧废气朝向壳体的内侧流动。因此，能切实地防止壳体的侧壁的异常过热。并且，能利用燃烧废气对流经流体流路的被加热流体进行有效地热交换加热。
并且，根据本发明的其他方面，提供具备上述热交换器的热水器。
通过使用上述热交换器，能使排水性能提高。因此，能切实地防止由流体流路内残留的被加热流体的冻结/膨胀造成的热交换器的破损。由此，能获得耐久性优良的热水器。