JP2002039623A - 給湯器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドレン排水の中和処理が不要な高熱効率の給
湯器を提供することを目的とする。 【解決手段】 主熱交換器１８においてドレンを発生す
ることなく燃焼排気の顕熱の大部分を回収して通水を加
熱し、一方、副熱交換器１９において通水上流側で燃焼
排気をドレンの発生する温度まで低下し顕熱と潜熱とを
回収し、発生したドレンをその通水下流で蒸発させて潜
熱のみ燃焼排気へ放出する。このようにして、主熱交換
器１８および副熱交換器１９で顕熱のみを最大限に回収
して、伝導された熱により効率良く通水を加熱して給湯
する。また、給湯器１０の外部へドレンを排出させない
ので、ドレンの中和装置を設ける必要がない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼排気により通水を
加熱する熱交換器を備えた給湯器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から給湯器は、給水管および出湯管
が接続される熱交換器と、この熱交換器を加熱するバー
ナと、バーナに燃焼用空気を供給するファンとを備え、
バーナの燃焼により熱交換器で通水を加熱し、出湯管よ
り出湯する強制燃焼式給湯器が一般的に知られている。
こうした給湯器の中には、熱効率を向上するために、バ
ーナから発生した燃焼排気中の水蒸気を凝縮させて、そ
の潜熱を熱交換器で回収する潜熱回収型給湯器がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、凝縮し
たドレンが燃焼排気中の硫黄（Ｓ）や窒素（Ｎ）と反応
してｐＨ３程度の酸性になるため、こうした潜熱回収型
給湯器では、下水道等の一般排水通路に排出する前に中
和処理をしなけらばならず、製造コストが非常に高かっ
た。

【０００４】一方、給湯器には中和装置の不要な顕熱回
収型もあるが、ドレンを全く発生させないようにするた
め、燃焼排気の温度を大幅に低下させることができなか
った。このため、低温の通水が流れてドレンが発生しや
すい熱交換器入口での部分熱効率は７６％程度でこれ以
上上げることができず、また、熱交換器出口では高温の
通水が流れるため部分熱効率は６０％程度であり、この
平均となる熱交換器全体の熱効率は６８％程度と低かっ
た。尚、通水が熱交換器へ流れる前の予熱時に１０％程
度熱を回収しているため、給湯器全体としての総熱効率
は７８％程度であるが、依然として低かった。そこで、
本発明の給湯器は上記課題を解決し、ドレン排水の中和
処理が不要な高熱効率の給湯器を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の請求項１記載の給湯器は、燃焼室内にバーナの燃焼
排気から顕熱のみを回収して伝熱管内の通水を加熱する
主熱交換器および副熱交換器を備えた給湯器において、
上記主熱交換器を上記伝熱管の通水下流部に配置すると
共に、該主熱交換器における各部の表面温度を平均化し
ドレン発生限界直前まで熱交換させ、上記伝熱管の通水
上流部に、耐食性を有する上記副熱交換器を、通水を予
熱するように配置し、該副熱交換器における通水上流側
でドレンを発生させると共に該通水下流側で該ドレンを
蒸発させることにより上記主熱交換器で回収しきれなか
った燃焼排気の顕熱を回収することを要旨とする。

【０００６】また、上記課題を解決する本発明の請求項
２記載の給湯器は、請求項１記載の給湯器において、上
記各部の表面温度を平均化する手段として、上記主熱交
換器における通水上流側では燃焼排気と上記伝熱管内の
通水との熱交換を部分的に抑制したことを要旨とする。

【０００７】また、上記課題を解決する本発明の請求項
３記載の給湯器は、請求項１または２記載の給湯器にお
いて、上記主熱交換器の伝熱管にフィンを設け、上記各
部の表面温度を平均化する手段として、該伝熱管の通水
上流側ほど該フィンの板厚を薄くしたことを要旨とす
る。

【０００８】また、上記課題を解決する本発明の請求項
４記載の給湯器は、請求項１〜３の何れかに記載の給湯
器において、上記主熱交換器の伝熱管にフィンを設け、
上記各部の表面温度を平均化する手段として、該伝熱管
の通水上流側ほど該フィンの形成ピッチを大きくしたこ
とを要旨とする。

【０００９】また、上記課題を解決する本発明の請求項
５記載の給湯器は、請求項４記載の給湯器において、上
記主熱交換器の伝熱管の通水上流側を通過した燃焼排気
が、上記副熱交換器の伝熱管の通水下流側となるドレン
蒸発部へ流れるように、上記伝熱管を形成したことを要
旨とする。

【００１０】また、上記課題を解決する本発明の請求項
６記載の給湯器は、請求項１〜５の何れかに記載の給湯
器において、上記副熱交換器の表面に親水処理したこと
を要旨とする。

【００１１】また、上記課題を解決する本発明の請求項
７記載の給湯器は、請求項１〜６の何れかに記載の給湯
器において、上記副熱交換器の伝熱管を通水下流ほど低
くなるように傾斜して設けたことを要旨とする。

【００１２】上記構成を有する本発明の請求項１記載の
給湯器は、主熱交換器が、バーナから発生した燃焼排気
の顕熱の殆どを通水上流側から下流側まで平均的に回収
するため、主熱交換器の各部の表面温度が均一になり、
主熱交換器の通水下流側の温度もドレンの発生する限界
温度（露点）直前まで下げることができる。言い換えれ
ば、燃焼排気温度をドレン発生限界直前まで下げること
ができる。これにより、主熱交換器でドレンを発生させ
ずに熱効率を向上することができる。また、主熱交換器
で回収しきれなかった燃焼排気の顕熱を回収するため
に、副熱交換器は、その通水上流側で燃焼排気をドレン
の発生する温度まで低下させて潜熱を回収し、発生した
ドレンをその通水下流で蒸発させてその潜熱を燃焼排気
へ放出する。従って、潜熱分は結果的に回収しないが、
一方で、この間に排気顕熱を回収することができ、副熱
交換器は通水を予熱することができる。このようにし
て、主熱交換器および副熱交換器に伝導された熱により
効率良く通水を加熱して給湯する。また、主熱交換器で
はドレンを全く発生させず、一方、副熱交換器では発生
させたドレンを蒸発させて燃焼排気中へ戻すため、給湯
器の外部へドレンを排出させない。この結果、ドレンの
中和装置を設ける必要がない。

【００１３】また、上記構成を有する本発明の請求項２
記載の給湯器は、主熱交換器の通水上流側では、通水下
流側よりも低温の水が流れるが、燃焼排気と通水との熱
交換が抑制されるため、通水による伝熱管の外表面の冷
却を抑えることができ、ドレンの発生を防止する。一
方、通水下流側では比較的高温の水が流れるため、伝熱
管の外表面はあまり冷却されず、ドレンが発生するおそ
れはない。従って、主熱交換器全体としては、伝熱管の
外表面温度を平均化してドレン発生限界直前まで十分に
熱交換させ、排気温度を下げることができる。このよう
にして、ドレンを発生させないで熱交換器全体としての
熱効率の向上を図ることができる。

【００１４】また、上記構成を有する本発明の請求項３
記載の給湯器は、主熱交換器の伝熱管に設けられたフィ
ンの板厚が伝熱管の通水上流側ほど薄いため、通水上流
側では、通水下流側より低温の水が流れても薄いフィン
が高温になり、ドレンを発生することがない。従って、
主熱交換器の伝熱管の外表面温度が均一になり、ドレン
を発生させることなく熱交換器全体としての熱効率を向
上できる。

【００１５】また、上記構成を有する本発明の請求項４
記載の給湯器は、主熱交換器の伝熱管に設けられたフィ
ンの形成ピッチが伝熱管の通水上流側ほど大きいため、
通水上流側を流れる燃焼排気が高温に維持され、主熱交
換器の通水下流側よりも低温の水が流れる通水上流側で
も、伝熱管の外表面温度をドレンの発生しない高温に維
持できる。このようにして、主熱交換器では伝熱管の外
表面温度が平均化され、ドレンの発生を防止しながら熱
交換器全体としての熱効率を向上することができる。

【００１６】また、上記構成を有する本発明の請求項５
記載の給湯器は、主熱交換器の通水上流側では、フィン
の形成ピッチが大きいため、燃焼排気が高温に維持され
る。その高温の燃焼排気は、副熱交換器のドレン蒸発部
へ流れて、副熱交換器の通水下流側のドレン発生部で発
生したドレンを良好に蒸発させる。従って、ドレンが多
めに発生しても確実に蒸発させることができるため、燃
焼排気の温度低下を大きくして燃焼排気から多くの顕熱
を回収することができる。つまり、器体外へドレンを排
出することなく、熱効率を一層向上することができる。

【００１７】また、上記構成を有する本発明の請求項６
記載の給湯器は、副熱交換器の表面が親水処理されるた
め、副熱交換器で発生したドレンは、拡散して蒸発しや
すくなる。

【００１８】また、上記構成を有する本発明の請求項７
記載の給湯器は、副熱交換器の伝熱管が下流ほど低く傾
斜しているため、通水上流で発生したドレンをドレン蒸
発部となる通水下流へ流下させて良好に蒸発させること
ができる。

【００１９】

【発明の実施形態】以上説明した本発明の構成・作用を
一層明らかにするために、以下本発明の給湯器の好適な
実施形態を説明する。本実施形態の給湯器は、図１に示
すように、器具本体１２内に燃焼室２０が設けられ、そ
の下方にＤＣモータ４８と連結した給気ファン３６が取
り付けられる。尚、器具本体１２には、外気を燃焼用空
気として取り込むための給気口３０が形成される。

【００２０】燃焼室２０内には、下から順に、燃料ガス
と給気ファン３６からの一次空気との混合ガスを燃焼す
るバーナ２２と、バーナ２２からの燃焼排気の殆どの顕
熱を回収する主熱交換器１８と、主熱交換器１８で回収
しきれなかった顕熱を回収する副熱交換器１９とが設け
られる。燃焼室２０の上部には、主熱交換器１８，副熱
交換器１９で熱交換後の燃焼排気を器体外へ排出する排
気口４４が形成される。

【００２１】器具本体１２内に設けられる通水管は、上
流から順に、燃焼室２０を外側で巻回する給水管１４，
副熱交換器１９として設けられる副伝熱管１９ａ，主熱
交換器１８に設けられる主伝熱管１８ａ，出湯管１６か
らなる。この副伝熱管１９ａは、通水下流ほど低くなる
ように傾斜して形成される。この通水管は、ステンレス
製である副伝熱管１９ａ以外は銅製である。副伝熱管１
９ａの表面は、親水性を高めるために、ショットブラス
ト加工により粗くされている。一方、主伝熱管１８ａに
は、燃焼熱を吸収する多数のフィン１８ｂが設けられ、
通水上流ほどフィン１８ｂの形成ピッチが大きい。ま
た、フィンピッチの小さい主伝熱管１８ａの下流部の上
方には、副伝熱管１８ａの上流部（後述のドレン発生
部）が配置され、一方、フィンピッチの大きい主伝熱管
１８ａの上流部の上方には、副伝熱管１８ａの下流部
（後述のドレン蒸発部）が配置される。

【００２２】給水管１４には水流センサや水ガバナを備
える水側制御ユニット５０が設けられ、またバーナ２２
へのガス管５２には主電磁弁５４及びガス比例弁５６が
設けられる。また、水側制御ユニット５０内の水流セン
サや、主電磁弁５４及びガス比例弁５６、そしてＤＣモ
ータ４８等は、この給湯器１０の燃焼を制御するバーナ
コントローラ５８に電気的に接続されている。

【００２３】このように構成された給湯器１０では、図
示しない給湯栓を開くことにより給水管１４に水（図中
破線矢印）が流れ、水側制御ユニット５０内の水流セン
サからの検知信号によりバーナコントローラ５８が制御
動作を行い、給気ファン３６がＤＣモータ４８の駆動に
より回転し始める。所定のプリパージが完了すると、バ
ーナ２２の主電磁弁５４及びガス比例弁５６が開いてバ
ーナ２２にガス（図中実線矢印）が供給され、図示しな
いイグナイタによりバーナ２２に点火が行われる。

【００２４】点火動作が終了すると、比例制御が開始さ
れ、図示しない出湯温サーミスタで検出される湯温と設
定温度との差があると、バーナコントローラ５８でそれ
を判断しガス比例弁５６へ信号を送り、ガス量を連続的
に変化させて熱交換器１８の出口温度を一定に保つ。ま
た、ガス比例弁５６によるガス量の変化に応じてバーナ
コントローラ５８から給気ファン３６のＤＣモータ４８
に信号が送られ、給気ファン３６の回転数も変えられ、
常にガス量と給気量とが所定の関係に保たれるように制
御される。

【００２５】このような燃焼制御において、給気ファン
３６の動作に伴い、器具本体１２に設けられる給気口３
０より外気が器具本体１２内に吸引され、バーナ２２へ
導入されて燃焼用空気として燃焼に供される。バーナ２
２の炎口近傍では混合気が燃焼して火炎を形成し、主熱
交換器１８の上流側近傍に至る間に燃焼が完結（完全燃
焼）する。主熱交換器１８を排気流路の上流に設け、副
熱交換器１９を排気流路の下流に設けたため、バーナ２
２からの高温の燃焼排気が、給気ファン３６により主熱
交換器１８の各フィン１８ｂ間を貫流し良好に熱交換
し、これにより温度の下がった燃焼排気が、副熱交換器
１９においても熱交換して排気口４４から器具の外へ排
出される。

【００２６】主伝熱管１８ａの通水上流では、下流と比
べてフィン１８ｂの形成ピッチが大きいことから燃焼排
気が高温に維持され、フィン１８ｂがドレンを発生しな
い高温に維持される。従って、主伝熱管１８ａの表面温
度が、低温の水が流れる通水上流側でも、高温の水が流
れる通水下流側と同程度になり、主伝熱管１８ａの各位
置において均一になる。つまり、主伝熱管１８ａの位置
によって表面温度がばらついたために熱交換器の部分熱
効率が６０％〜７６％にばらついて熱交換器の総熱効率
が６８％程度に抑えざるを得なかったドレンを発生させ
ない従来タイプの給湯器とは異なり、本実施形態の給湯
器１０の主熱交換器１８では、主伝熱管１８ａの表面温
度が均一で全体の温度のばらつきを抑えているため、ド
レンが発生する限界温度（露点）直前まで燃焼排気温度
を低下させる構造にすることによって、主熱交換器１８
の全体としての熱効率が７５％になり、主熱交換器１８
でドレンを発生させずに熱効率を非常に高くすることが
できる。尚、ここでは、主伝熱管１８ａの表面温度が若
干ばらついて部分熱効率が７４％（通水下流側）〜７６
％（通水上流側）の範囲にあるとしている。

【００２７】一方、副熱交換器１９の副伝熱管１９ａの
通水上流側では、燃焼熱で加熱される前の低温の水が流
れるため、燃焼排気中の水蒸気は、熱交換により冷却さ
れて結露しドレンになる。この水蒸気の凝縮により副熱
交換器１９は、顕熱に加えて蒸発潜熱も回収する。この
ドレンは、副伝熱管１９ａが通水下流側へ低く傾斜しし
かも表面が親水処理されているため、通水上流側の副伝
熱管１９ａ表面上で良好に拡散しながら通水下流側へ向
かって流下する。

【００２８】主伝熱管１８ａにおける通水上流側のフィ
ン１８ｂが、通水下流側よりも大きなピッチで形成され
ると共に、その上方位置となる焼排気流路の下流側に副
伝熱管１９ａの通水下流側があるため、通水下流側の副
伝熱管１９ａに高温の燃焼排気が流れ込み、その表面温
度が通水上流側の副伝熱管１９ａよりも高くなって、通
水上流側から流下してきたドレンを蒸発させる。この
際、潜熱を燃焼排気中へ放出してしまうが、副伝熱管１
９ａ全体としては、顕熱を回収しており、通水を予熱し
ている。尚、通水は、巻回された給水管１４を流れる際
にも予熱され、熱効率１０％程度の熱を回収する。

【００２９】このようにして、副熱交換器１９で、ドレ
ンが発生するほど燃焼排気の温度を低下させることによ
り、主熱交換器１８では回収しきれなかった顕熱（総発
熱量の２％程度）を回収する。この結果、給湯器１０の
熱効率は、予熱時に回収した熱１０％と主熱交換器１８
で回収した顕熱７５％との合計に、副熱交換器１９で回
収した顕熱２％を加えた８７％となり、一層高くなる。

【００３０】しかも、副伝熱管１９ａの通水上流部がド
レン発生部となり、一方、通水下流部がドレン蒸発部と
なって、結果的には、ドレンを器具外へ排出しないた
め、酸性ドレンを希釈したり、中和する必要がなく、給
湯器１０の構造が簡単で、しかも、製造コストを抑える
ことができる。また、酸性ドレンによりバーナ２２の炎
孔を目詰まりさせることがなく、良好な燃焼状態が維持
される。

【００３１】上述した給湯器１０では、副伝熱管１９ａ
が通水下流側ほど低く傾斜して形成されるため、通水温
度の高い副伝熱管１９ａの通水下流側であるドレン蒸発
部へ良好にドレンが流れ落ちて蒸発する。しかも、副伝
熱管１９ａの表面が親水処理されているため、発生した
ドレンは良好に拡散して、より蒸発しやすくなる。加え
て、フィンピッチの大きい主伝熱管１８ａの通水上流側
の上方に、副伝熱管１９ａの通水下流側となるドレン蒸
発部が形成されるため、このドレン蒸発部に高温の燃焼
排気が流れ、ドレンが良好に加熱されて、蒸発が一層促
進される。従って、給湯器１０からのドレン排出を防止
しつつ、上述のように主熱交換器１８と副熱交換器１９
とにおいて燃焼排気の顕熱を最大限回収して熱効率を上
げることができる。

【００３２】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこうした実施形態に何等限定されるもので
はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々
なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、ファ
ンを備えない自然燃焼式の給湯器に本発明を適用しても
よい。また、副伝熱管１９ａは、ステンレス管に代え
て、耐食性を有するチタン管にショットブラスト加工等
の親水処理したものであってもよい。

【００３３】また、主伝熱管１８ａの表面温度を平均化
するために、主熱交換器１８のフィン１８ｂの板厚を通
水上流側ほど薄くして表面温度を調整してもよい。ま
た、図２に示されるように、主伝熱管１８ａの通水上流
側に断熱管１５を内挿してもよい。また、図３に示され
るように、主伝熱管１８ａの通水上流側に、伝熱管１８
ａの外表面とフィン１８ｂの基端部とを断熱コーティン
グ１７により覆う構成にしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の請求項１
記載の給湯器によれば、主熱交換器で燃焼排気の顕熱を
最大限回収する一方で、副熱交換器でドレンを発生させ
て主熱交換器で回収しきれなかった燃焼排気の顕熱を回
収するため、熱効率が非常に高い。また、副熱交換器で
発生したドレンを蒸発させるため、ドレンを器体外へ排
出せずドレンの中和処理が不要になり、構造が簡単で、
しかも、製造コストを抑えることができる。

【００３５】また、請求項２記載の給湯器によれば、主
熱交換器の通水上流側では、燃焼排気と通水との熱交換
が部分的に抑制されるため、主熱交換器の伝熱管の外表
面温度を平均化でき、ドレンを発生させないで熱効率の
向上を図ることができる。

【００３６】また、請求項３記載の給湯器によれば、主
熱交換器の伝熱管に設けられたフィンの板厚が伝熱管の
通水上流側ほど薄いため、通水上流側の薄いフィンが高
温になる。従って、主熱交換器の伝熱管の外表面温度が
均一になり、ドレンを発生させることなく熱効率の向上
を図ることができる。

【００３７】また、請求項４記載の給湯器によれば、主
熱交換器のフィンの形成ピッチが通水上流側ほど大きい
ため、通水上流側の伝熱管の外表面温度をドレンの発生
しない高温に維持でき、主熱交換器の伝熱管の外表面温
度を平均化して、ドレンの発生を防止しながら熱交換器
全体としての熱効率を向上できる。

【００３８】また、請求項５記載の給湯器によれば、高
温の燃焼排気を副熱交換器のドレン蒸発部へ流すため、
副熱交換器のドレン発生部で発生したドレンを良好に蒸
発させることができ、器体外へドレンを排出せずに、燃
焼排気から多くの顕熱を回収して、熱効率を一層向上す
ることができる。

【００３９】また、請求項６記載の給湯器によれば、副
熱交換器の表面が親水処理されるため、発生したドレン
を拡散させて蒸発しやすくすることができる。従って、
ドレンを器体外に排出することなく、副熱交換器で顕熱
を多く回収することができ、熱効率が一層向上する。

【００４０】また、請求項７記載の給湯器によれば、副
熱交換器の伝熱管が通水下流ほど低く傾斜しているた
め、通水上流で発生したドレンを通水下流へ導いて良好
に蒸発させることができる。従って、簡単な構成で、副
熱交換器で顕熱を多く回収することができて熱効率が一
層向上し、しかも、器体外部にドレンを排出することが
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】強制燃焼式給湯器の概略図である。

【図２】主伝熱管に断熱管を備えた給湯器の一部を正面
からみた断面図である。

【図３】断熱コーティングされた主伝熱管を正面からみ
た断面図である。

【符号の説明】

１５…断熱管、１７…断熱コーティング、１８…主熱交
換器、１８ａ…主伝熱管、１８ｂ…フィン、１９…副熱
交換器、１９ａ…副伝熱管、２０…燃焼室、２２…バー
ナ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内にバーナの燃焼排気から顕熱の
   みを回収して伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器およ
   び副熱交換器を備えた給湯器において、 上記主熱交換器を上記伝熱管の通水下流部に配置すると
   共に、該主熱交換器における各部の表面温度を平均化し
   ドレン発生限界直前まで熱交換させ、 上記伝熱管の通水上流部に、耐食性を有する上記副熱交
   換器を、通水を予熱するように配置し、該副熱交換器に
   おける通水上流側でドレンを発生させると共に該通水下
   流側で該ドレンを蒸発させることにより上記主熱交換器
   で回収しきれなかった燃焼排気の顕熱を回収することを
   特徴とする給湯器。
2. 【請求項２】 上記各部の表面温度を平均化する手段と
   して、上記主熱交換器における通水上流側では燃焼排気
   と上記伝熱管内の通水との熱交換を部分的に抑制したこ
   とを特徴とする請求項１記載の給湯器。
3. 【請求項３】 上記主熱交換器の伝熱管にフィンを設
   け、上記各部の表面温度を平均化する手段として、該伝
   熱管の通水上流側ほど該フィンの板厚を薄くしたことを
   特徴とする請求項１または２記載の給湯器。
4. 【請求項４】 上記主熱交換器の伝熱管にフィンを設
   け、上記各部の表面温度を平均化する手段として、該伝
   熱管の通水上流側ほど該フィンの形成ピッチを大きくし
   たことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の給湯
   器。
5. 【請求項５】 上記主熱交換器の伝熱管の通水上流側を
   通過した燃焼排気が、上記副熱交換器の伝熱管の通水下
   流側となるドレン蒸発部へ流れるように、上記伝熱管を
   形成したことを特徴とする請求項４記載の給湯器。
6. 【請求項６】 上記副熱交換器の表面に親水処理したこ
   とを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の給湯器。
7. 【請求項７】 上記副熱交換器の伝熱管を通水下流ほど
   低くなるように傾斜して設けたことを特徴とする請求項
   １〜６の何れかに記載の給湯器。