JP2004286394A

JP2004286394A - 潜熱回収型熱源機

Info

Publication number: JP2004286394A
Application number: JP2003081886A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Kubota; 薫久保田; Noboru Kubo; 登久保
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】ドレインの中和能力に着目して機器の運転可能時間を長くでき、かつ異常時には速やかに運転を停止できるような対策を施した潜熱回収型熱源機を提供する。
【解決手段】熱源機は一次熱交換器と二次熱交換器を備える。二次熱交換器で発生したドレインは受け皿からドレイン配管８３を通り、中和器８５に送られて中和された後、排水管９１から排水される。中和器８５には重量センサ１０１が備えられ、中和器８５の最も出口側の区画８５−１の重量を検知する。重量センサ１０１で検知される重量が、中和によって中和剤が消費されて中和能力が低下したときの重量に達すると、ガス供給配管の元ガス電磁弁を閉じて熱源機の運転を停止する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯器、風呂給湯器、給湯暖房機等に備えられている潜熱回収型熱源機に関する。特には、機器の運転可能時間をできるだけ長くでき、かつ異常時には速やかに運転を停止できるような対策を施した熱源機に関する。
【０００２】
【従来技術】
潜熱回収型熱源機は高い熱効率を有し、給湯器や風呂給湯器、床暖房などの給湯暖房機の熱源として広く用いられようとしている。この潜熱回収型熱源機は、バーナによって加熱されて発生する燃焼排ガス中の水蒸気の潜熱を回収する熱交換器（二次熱交換器）を備えている。一次熱交換器での火炎による輻射熱と燃焼ガスによる熱交換に加えて、二次熱交換器での潜熱回収により高い熱効率を得ている。
【０００３】
潜熱回収する二次熱交換器においては、排ガス中の水蒸気が同交換器内の水と熱交換して凝縮して水になり、ドレインが発生する。ドレインには、燃焼排ガス中に含まれる微量のＮＯ_ＸやＳＯ_Ｘが溶け出しており、ｐＨが３程度の強酸性を呈している。このドレインのｐＨは、ｐＨ基準が５．８〜８．６である下水道法に適合しないため、直接排水することができない。このため、熱源機にはドレインを中和剤で中和する中和器が備えられて、ドレインを適正なｐＨに中和した後で下水道に排水している。中和剤は、例えば、粒状の炭酸カルシウム等が使用されている。
【０００４】
ところで、潜熱回収型熱源機は、中和剤の残量を基にして運転を停止している。中和剤の残量は実際に計測しているわけではなく、バーナに送った燃料の量を積算した積算燃料量から予測している。そして、積算燃焼量が、積算燃焼量の最上限値に近づいて中和剤の残量が少ないと推定されると、まず、リモコン等にその旨を表示し、その後さらに少なくなったと推定されると自動的に運転を停止する。
【０００５】
実際には、中和剤は１台の熱源機に約２．９ｋｇ搭載されており、この量は上記の積算燃焼量で推定される中和剤の消費量の１５年分に相当する量である。一方、機械本体の寿命は約１０年となるように設計されている。つまり、中和剤の量は、機器本体の寿命に対してかなり余裕を持たせた量が搭載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の積算燃料量は、ガスインプットと使用時間を積算したものである。ここで、ガスインプットは、フル燃焼（例えば、複数の給湯栓を一度に開いた場合の燃焼状態）を想定した値（１００％）となっている。フル燃焼の場合は、当然ドレインの排水量も多くなり、その分中和剤も多く使用される。しかし、実際には、熱源機は常にフル燃焼で使用されているわけではなく、一つの給湯栓のみを開くような場合も多いため、実際のドレインの排水量や消費される中和剤の量は、フル燃焼を想定した場合よりも少ない。
一方、使用時間は一例で３０００時間に設定されている。この時間は、上述の設計上の機器の寿命（１０年）にほぼ相当する時間である（例えば、１日にフル燃焼で１時間使用した場合では約８．２年間）。
【０００７】
結局のところ、積算燃焼量の最上限値（１００％×３０００ｈｒ）は、機器の寿命や中和器の中和能力よりも、燃焼状態及び使用時間の点においてかなりの余裕を持って設定されている。そして、中和剤の残量が少ないと推定した場合でも、実際には中和剤がかなり残っており、ドレインの中和能力の点から運転が可能な状態であっても、機器が停止してしまう。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ドレインの中和能力に着目することで機器の運転可能時間を長くでき、かつ異常時には速やかに運転を停止できるような対策を施した潜熱回収型熱源機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するため、本発明の潜熱回収型熱源機は、燃料を燃焼させるバーナと、該バーナによって加熱され、該バーナで発生する燃焼排ガス中の水蒸気の潜熱をも回収する熱交換器と、該熱交換器で生じるドレインを中和して排水するドレイン排水系統と、各部を制御する制御部と、を備える熱源機であって、前記ドレイン排水系統に配置されたドレイン中和器内又は該中和器の下流側に、該中和器の中和能力低下検出手段が付設されており、該検出手段から中和後のドレインの中和能力に関する信号が前記制御部に送られ、該信号の値が所定の範囲外となった場合に前記バーナの燃焼を停止させる、あるいは、警報を発することを特徴とする。
【００１０】
中和後に排水されるドレインの中和能力を検知するため、機器本体が正常に作動する間は、中和器の中和能力が実際になくなるまで機器を運転することができる。また、中和能力が低下すると速やかに運転を停止できる。このようなことにより、中和剤がかなりの量残っているにも関わらず機器の運転を停止するようなことがなくなり、機器の運転可能時間を長くすることができる。
【００１１】
本発明においては、前記バーナに送った燃料の量を積算する積算計を有し、
該積算計の積算値に基づいて前記中和器中の中和剤の残量を予測し、その予測した中和剤の残量がある量以下となった場合に、その旨の文字又はエラーコードによる表示を行い、その後に、前記中和能力低下検出手段の信号が前記範囲外となった場合に前記バーナの燃焼を停止させることとできる。
最初の段階では、従来どおりの積算燃焼量に基づいて中和剤の残量の低下を予測することにより、サービスマンを呼ぶなどの次の対策をたてやすくなる。
【００１２】
本発明においては、前記中和能力低下検出手段が、前記中和器内の中和剤の重量を計測する重量センサ、あるいは、前記中和器内のドレインの電気抵抗を計測する手段、あるいは、前記中和器の下流でドレイン排水にさらされる、酸性に対する耐性を持たない金属を有する電気回路とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
まず、給湯器として用いる潜熱回収型熱源機の構成を例にとって説明する。
図５は、本発明の一つの実施の形態に係る潜熱回収型熱源機の本体の構成と主な配管系統を模式的に示す図である。
熱源機１の燃焼室３内には、一次熱交換器５、二次熱交換器（潜熱回収熱交換器）７、バーナ９、ファン１１などが備えられている。燃焼室３の上部には、排気口１３が設けられている。燃焼室３内においては、ファン１１の送風方向に、順に、バーナ９、一次熱交換器５、二次熱交換器７、排気口１３が並ぶように配置されている。ファン１１には、回転数センサ１５が備えられている。
【００１４】
バーナ９には、ガス供給源からガス供給配管１７を通ってガスが供給される。ガス供給配管１７には、上流側から、フィルタ１９、元ガス電磁弁２１、ガス比例弁２３が設けられている。さらに、バーナ９には、ガス電磁弁２５、２つの能力切り替えガス電磁弁２７が設けられている。能力切り替えガス電磁弁２７は、給湯能力に応じてどちらか一方、あるいは両方が開き、バーナ９に供給するガスの量が調整される。ガス比例弁２３の開度や、ガス供給時間（ガス電磁弁が開いている時間）は、制御部（図示されず）に送られている。
【００１５】
バーナ９には、点火プラグ３１やバーナセンサ３３、フレームロッド３５が備えられている。点火プラグ３１は点火装置３７で点火されて、バーナ９に供給された燃焼用ガスを燃焼させる。フレームロッド３５は火炎を検知すると、点火装置３７を停止させる。バーナセンサ３３は、バーナの燃焼を検知し、バーナの立ち消えなどを検知する。また、バーナ９の近傍には、過熱防止装置３９などの安全装置が付設されている。
【００１６】
給湯系統は、給水源から燃焼室３へ向かう給水配管５１と、燃焼室３から出て台所や洗面所の給湯栓に向かう給湯配管５３などを有する。給水配管５１は、まず、燃焼室３内の二次熱交換器７を通過し、いったん燃焼室３を出る。そして、再度燃焼室３内の一次熱交換器５を通過し、燃焼室３を出て給湯配管５３につながる。
【００１７】
給水配管５１には、上流側から順に、水抜き栓５５、フィルタ５７、水量センサ５９、入水サーミスタ６１が備えられている。また、一次熱交換器７を通過した後の部分には水抜き栓６３が備えられている。給湯配管５３には、上流側から順に、缶体サーミスタ６５、水量調整弁６７、出湯サーミスタ６９、水抜き栓７１が備えられている。また、給水配管５１と給湯配管５３は、バイパス水量調整弁７３を備えたバイパス配管７５でバイパスされている。各サーミスタ、各弁は制御部（図示されず）に接続している。制御部では、出湯サーミスタ６９で検知される湯温が適正な温度となるように、バイパス水量調整弁７３を開閉して、冷水と温水を混合比を調整する。また、制御部はこれらの配管内の圧力が適正に保たれるように水量調整弁や水抜き栓を調整する。
【００１８】
燃焼室３内の二次熱交換器７の下方には、受け皿８１が取り付けられている。この受け皿８１は、ドレイン配管（ドレイン排水系統）８３を介して、図の右下に示す中和器８５に連通している。中和器８５の構造については後述する。中和器８５の出口は排水管９１につながっている。
【００１９】
機器の運転開始や停止、希望湯温の設定などは、制御部に接続したリモコン（図示されず）で行われる。リモコンは、操作しやすい台所などに設置される。
【００２０】
次に、燃焼室３内における潜熱回収作用について説明する。
一次熱交換器５においては、バーナ９へ燃焼用ガスが供給されて、点火プラグ３１で同ガスが点火される。同時に、ファン１１から燃焼用空気が送られてガスが燃焼し、火炎と燃焼ガスを発生する。この火炎による輻射熱と燃焼ガスによって一次熱交換器５が加熱され、管内を流れる被加熱媒体（水）が加熱される。その後、燃焼ガスはファン１１によってさらに上方の二次熱交換器７の方向へ送られる。燃焼ガスは二次熱交換器７内の流れる水と熱交換して温度が低下し、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して水になる。燃焼ガスは、その後、排気口１３から排気される。
【００２１】
燃焼ガス中の水蒸気が凝縮した水は受け皿８１に滴下し、同皿８１からドレイン配管８３を通って中和器８５に達する。そして、中和器８５で適正なｐＨに中和されて、出口から排水管９１へ排水される。
【００２２】
一方、給水配管５１から供給された水は、最初に二次熱交換器７を通過し、ここで、燃焼ガスや水蒸気と熱交換して、温度がある程度上昇する。そして、次にこの暖められた水が一次熱交換器５を通過し、ここで火炎による輻射熱と燃焼ガスにより加熱され、給湯配管５３へ送られる。
【００２３】
次に、図１を参照して中和器の構造について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る潜熱回収型熱源機に備えられている中和器の構造を模式的に示す図である。
中和器８５の上部の一端には、ドレイン配管８３が接続する入口が設けられている。中和器８５内は、この例では３個の区画８５−１、８５−２、８５−３に分割されており、各区画に等量の中和剤Ｎが装填されている。中和剤の種類は従来と同じ、炭酸カルシウム等を使用できる。中和器８５の底部の、入口と反対側の端部には出口が設けられている。この出口にはドレイン配管９１がつながっている。なお、図示されないが、中和器８５には、水位を計測する水位電極や、水抜き栓が備えられている。
【００２４】
ドレイン配管８３から送られてきたドレインは、まず、中和器内の最も入口側の区画８５−１に入り、同区画を満たすと、真中の区画８５−２に流れる。そして、真中の区画８５−２を満たすと最も出口側の区画８５−３に流れ、同区画８５−３を満たすと、出口から排水管９１に排水される。ドレインはこのように各区画を通過している間に中和剤Ｎで中和されて、出口から排水管９１に排出される。
【００２５】
最も出口側の区画８５−３の底部には、重量センサ１０１が備えられている。この重量センサ１０１は、最も出口側の区画８５−３内の中和剤とドレインの量を計測する。計測された値は制御部に送られる。中和剤Ｎは、ドレインを中和する間に消費されて重量が軽くなってくる。そこで、中和剤の重量を計測することでドレインを中和する能力があるかどうかを知ることができる。初期状態において、最も出口側の区画８５−３の重量は、同区画に装填された消費される前の中和剤とドレインの重量の和である。中和剤が炭酸カルシウムの場合、その比重は２．７ｇ／ｃｍ^２であり、ドレインの比重は１．０ｇ／ｃｍ^２である。熱源機が運転されると、中和作業によって中和剤は徐々に消費される。区画８５−３の体積は変化せず、中和剤とドレインとの比重は異なるため、中和剤の消費によって同区画の重量が減少し始める。
【００２６】
ここで、前もって、中和器８５の中和能力が低下した際の同区画の重量を計測しておき、この重量を閾値とする。中和器８５の中和能力は、例えば、中和器の下流側の排水管９１にｐＨメータを設置し、このｐＨメータで中和器から出たドレインのｐＨを計測することで知ることができる。そして、計測されたｐＨが５．８〜８．６の安全範囲から外れる前の段階を、中和能力が低下したと判断でき、このときの重量を重量センサ１０１で計測しておく。
【００２７】
次に、中和器内の重量に基づいて機器を停止するまでの処理方法について説明する。
図２は、本発明の実施の形態に係る潜熱回収型熱源機の運転停止時の処理を示すフローチャートである。
まず、Ｓ１で、従来と同様に、制御部において積算燃焼量を算出する。積算燃焼量は、ガス比例弁の開度×機器の使用時間から求められる。この積算燃焼量の上限値は、例えば、ガス比例弁２３の開度が１００％で使用可能時間が３０００時間の場合とする。Ｓ２では、この積算燃焼量が、中和剤の残量がある程度以下であると推定される第１量に達したかどうかを判定する。ここで、第１量とは、例えば、使用可能時間が残り２０時間になった場合（すなわち、使用時間が２９８０時間に達した場合）などである。積算燃焼量が第１量に達し、中和剤の残量がある程度以下と判定されると、Ｓ３において、リモコンに、機器停止の第１段階であることを、文字（例えば、「中和剤が少なくなりました。」）やエラーコード（例えば、所定のランプの点灯）などにより表示する。ただし、この場合、中和剤は残留しているため機器の運転は続行できる。
【００２８】
機器の運転が続行されている間、Ｓ４で、積算燃焼量が、中和剤の残量がゼロと推定される第２量に達したかどうかを判定する。ここで、第２量とは、使用時間が使用可能時間の３０００時間に達したときである。すると、Ｓ５において、リモコンに、機器停止の第２段階であることを、文字（例えば、「サービスマンにご連絡下さい。」）やエラーコード（例えば、ランプの点滅）により表示される。ただし、この場合、上述したように、中和剤の量はかなりの余裕を持っているとともに、実際の燃焼量は積算燃焼量より少ないため、実際には中和剤はドレインを中和できるだけの量が残留しており、機器の運転は可能である。
【００２９】
二段階目の表示がなされた後、Ｓ６において、重量センサで検出される重量が制御部に送られ始め、制御部では、この重量を管理する。そして、機器の運転がさらに続行される間、Ｓ７において、重量が閾値に達していないかどうかを判定する。重量が閾値に達すると、実際に中和器において中和能力がなくなったことになり、Ｓ８において機器の運転を停止する。具体的にはガス供給配管１７の元ガス電磁弁２１を閉じる。
【００３０】
この例では、重量の検知を二段階目の表示を行った後から開始したが、機器の運転開始から行ってもよい。
【００３１】
このように、熱源機は、機器が正常な状態であれば、中和器の中和能力がなくなるまで運転することができる。現状のように、中和剤の量を最大可能使用時間における積算燃焼量の１５年間分の量とした場合、中和器の中和能力がなくなるまでの期間は１５年間よりはるかに長い年月となる。しかし、機器は設計上の寿命期間（１０年）があるため、現状ではかなりの量の中和剤が無駄になってしまう。そこで、上述したような制御を行うことにより、中和剤の量を現状より少なくすることができる。
【００３２】
次に、中和器の構造の他の例について説明する。
図３は、中和器の構造の他の例を模式的に示す図である。
この例の中和器８５´の構造は、図１の中和器の構造とほぼ同じであるが、最も出口側の区画８５−３に、ドレインの電気抵抗を計測するための計測手段１０３が配置されている。計測手段１０３は電極１０５と参照電極１０７を有し、両電極間の電気抵抗を計測することにより、同区画内のドレインの極性を知ることができる。例えば、同区画内でドレインが中和されて弱アルカリ性を呈している場合、電気抵抗は低い。中和作業にともなって中和剤が消費され、中和能力が低減してくると、ドレインは酸性を呈しはじめ、電気抵抗が高くなる。
【００３３】
そして、中和能力が低減した場合の電気抵抗を予め求めておき、この値を閾値として制御部で管理することにより、中和能力の低下を知ることができる。
【００３４】
図４は、中和器の構造の他の例を模式的に示す図である。
この例の中和器８５´´の構造は、図１の中和器の構造とほぼ同じであるが、中和器の下流の排水管９１に、酸性に対して耐性を持たない金属１１１が配置されている。金属１１１は、例えば亜鉛を使用できる。亜鉛は中性環境下では溶解しないが、酸性環境下では溶解する。この金属１１１は、閉じた電気回路１０９の一部を構成している。
【００３５】
中和作業が進んで中和器８５´´の中和能力が低下してくると、排水管９１から排出されるドレインは中性から酸性に変化してくる。すると、金属１１１は酸性のドレインにさらされて溶解し始める。そして、さらに中和作業が進んで中和能力が低下すると、金属１１１は溶解が進み、やがて消滅してしまう。すると、閉じた電気回路１０９が開き、中和能力の低下を知ることができる。
【００３６】
中和能力の低下（ドレインの酸性化）と金属１１１の溶解が同じタイミングで起こるように、金属１１１の寸法や形状を予め求めておく。そして電気回路１０９を制御部で管理することにより、中和能力の低下を知ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ドレインの中和能力の低下を様々な方法で検知して、実際の中和器の中和能力から機器の運転停止を決定するため、理想的には中和器の中和能力がなくなるまで機器を運転することができ、かつ異常時には速やかに運転を停止できる。このため、機器の運転可能時間を長くすることができるとともに、熱源機に搭載される中和剤の量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱源機に備えられている中和器の構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る熱源機の運転停止時の処理を示すフローチャートである。
【図３】中和器の構造の他の例を模式的に示す図である。
【図４】中和器の構造の他の例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の一つの実施の形態に係る潜熱回収型熱源機の本体の構成と主な配管系統を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１熱源機３燃焼室
５一次熱交換器７二次熱交換器
９バーナ１１ファン
１３排気口１５回転数センサ
１７ガス供給配管１９フィルタ
２１元ガス電磁弁２３ガス比例弁
２５ガス電磁弁２７能力切り替えガス電磁弁
３１点火プラグ３３バーナセンサ
３５フレームロッド３７点火装置
３９過熱防止装置５１給水配管
５３給湯配管５５水抜き栓
５７フィルタ５９水量センサ
６１入水サーミスタ６３水抜き栓
６５缶体サーミスタ６７水量調整弁
６９出湯サーミスタ７１水抜き栓
７３バイパス水量調整弁７５バイパス配管
８１受け皿８３ドレイン配管
８５中和器９１排水管
１０１重量センサ１０３計測手段
１０５電極１０７参照電極
１０９電気回路１１１金属

Claims

燃料を燃焼させるバーナと、
該バーナによって加熱され、該バーナで発生する燃焼排ガス中の水蒸気の潜熱をも回収する熱交換器と、
該熱交換器で生じるドレインを中和して排水するドレイン排水系統と、
各部を制御する制御部と、
を備える熱源機であって、
前記ドレイン排水系統に配置されたドレイン中和器内又は該中和器の下流側に、該中和器の中和能力低下検出手段が付設されており、
該検出手段から中和後のドレインの中和能力に関する信号が前記制御部に送られ、該信号の値が所定の範囲外となった場合に前記バーナの燃焼を停止させる、あるいは、警報を発することを特徴とする熱源機。
前記バーナに送った燃料の量を積算する積算計を有し、
該積算計の積算値に基づいて前記中和器中の中和剤の残量を予測し、
その予測した中和剤の残量がある量以下となった場合に、その旨の文字又はエラーコードによる表示を行い、
その後に、前記中和能力低下検出手段の信号が前記範囲外となった場合に前記バーナの燃焼を停止させることを特徴とする請求項１記載の熱源機。
前記中和能力低下検出手段が、前記中和器内の中和剤の重量を計測する重量センサであることを特徴とする請求項１又は２記載の熱源機。
前記中和能力検出手段が、前記中和器内のドレインの電気抵抗を計測する手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱源機。
前記中和能力検出手段が、前記中和器の下流でドレイン排水にさらされる、酸性に対する耐性を持たない金属を有する電気回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱源機。