JP2004093129A - 給湯器 - Google Patents

Abstract

【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。
【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。
【選択図】　図１

Description

　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。

　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。
特開平１１−３３７０５３号公報

　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。

　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。

　上記課題を解決する本発明の請求項１記載の給湯器は、
　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と、上記主熱交換器より上流側の通水路に設けられ上記主熱交換器を通過した後の燃焼排気からドレンを発生するまで熱回収する副熱交換器と、上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えたことを要旨とする。

　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、
　上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化する手段を備え、上記主熱交換器にてドレン発生限界直前まで熱交換させることを要旨する。

　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、
　上記ドレン蒸発手段は、上記主熱交換器を通過した燃焼排気のうち、高温部となる排気により上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させることを要旨とする。

　上記構成を有する本発明の請求項１記載の給湯器によれば、主熱交換器を通過した後の燃焼排気を副熱交換器でドレンを発生するまで熱回収するため、主熱交換器で回収しきれなかった顕熱をも回収でき、しかも発生したドレンを蒸発させるため、給湯器の外部へドレンを排出する必要がない。この結果、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ことができ、しかもドレンの中和装置を設ける必要がない。

　また、本発明の請求項２の給湯器によれば、主熱交換器の各部の表面温度を平均化し、主熱交換器にてドレン発生限界直前まで熱交換させるため、バーナから発生した燃焼排気の顕熱の殆どを主熱交換器で通水上流側から下流側まで平均的に回収する。このため、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）まで下げることができ、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、副熱交換器では、主熱交換器を通過した後の燃焼排気をドレンの発生する温度まで低下させて、主熱交換器で回収しきれなかった燃焼排気の顕熱および潜熱を回収する。発生したドレンは、蒸発手段により蒸発されるため、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。

　また、本発明の請求項３の給湯器によれば、主熱交換器を通過した燃焼排気のうち高温部分の排気をドレン蒸発部に流してドレンを蒸発させる。つまり、主熱交換器を通過した排気は、温度分布を生じるが、その温度分布における高温領域の排気を使ってドレンを蒸発させる。このため、ドレンを良好に蒸発させることができる。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。

　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。

　本実施例１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。

　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。

　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１９ａ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。

　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。

　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。

　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。

　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３０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２２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２２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。

　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。

　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。

　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１９ａ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。

　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。

　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。

　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。

　以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例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。

　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１８ａ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。

　強制燃焼式、自然燃焼式の給湯器に適用できるものである。　

強制燃焼式給湯器の概略図である。 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。 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 (3)

1. 　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と、上記主熱交換器より上流側の通水路に設けられ上記主熱交換器を通過した後の燃焼排気からドレンを発生するまで熱回収する副熱交換器と、上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えたことを特徴とする給湯器。
2. 　上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化する手段を備え、上記主熱交換器にてドレン発生限界直前まで熱交換させることを特徴とする請求項１記載の給湯器。
3. 　上記ドレン蒸発手段は、上記主熱交換器を通過した燃焼排気のうち、高温部となる排気により上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させることを特徴とする請求項１または２記載の給湯器。

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