JP2005226957A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第一、第二両系統が同時運転されている状態で、第一系統の必要負荷が大きく、第二系統の必要負荷が小さい場合でも、負荷に見合った加熱ができるようにする。
【解決手段】第二水管９の途中に流路を切り換える二方弁２９と、二方弁２９で分岐され同一水管の出口部分に接続されるバイパス用水管３０とを備え、第二水管９の吸熱量が必要負荷よりも大きすぎる場合には、二方弁２９を切り換え、第二水管９内を流れる水が燃焼バーナーの上を蛇行する回数を減らすことで吸熱量が減少し負荷に見合った加熱ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一つの熱源で給湯と温水暖房等の複数機能を有する一缶二水型給湯暖房機の加熱装置に関するものである。

従来、この種の一缶二水型加熱装置は一つの熱源で給湯と風呂の追い焚きができる風呂給湯機に採用されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の一缶二水型風呂給湯機の構成図である。図５に示すように、熱交換器１と、バーナー２と、給湯用流路３と、追い焚き用流路４と、追い焚きバイパス路５と、バイパス流量調整弁６から構成されている。そして、給湯と追い焚きが同時に行なわれている場合で、給湯側が能力不足となった場合には流量調整弁６により熱交換器１を通すものと追い焚きバイパス路５を通すものとに分配して追い焚きの吸熱量を減らし給湯側の吸熱量を増やすようにしている。
特開平１１−５１４７１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、風呂の追い焚きのように常にある程度の必要負荷があり、給湯側の能力不足を補うために追い焚き側の吸熱量を減らすということは可能であるが、暖房用として使用する場合、給湯の必要負荷が大きくバーナーの燃焼量が最大付近になっている状態で、暖房の必要負荷が小さい場合には流量調整弁６を全開にしても約半分の流量は熱交換器１側に流れてしまい加熱されるため、吸熱量を十分に減らすことができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、一缶二水型の熱交換器を給湯と暖房のように必要負荷が大きく異なるものの加熱に使用する場合において、同時使用時に必要負荷が大きく異なっても、簡単な構成で吸熱量を調整することができる加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の加熱装置は、負荷量に応じて燃焼量が可変となる単一の燃焼バーナーと、前記燃焼バーナーにより加熱される第１と第２の水管を有する単一の熱交換器とを備え、前記水管は熱交換器内で複数回の蛇行路を形成し、前記第２の水管の途中には前記蛇行路をバイパスするバイパス流路と流路切換弁を設け、前記第２の水管内を流れる水の経路を切り換えるようにしたものである。

これによって、第１及び第２の両水路が同時に運転されており、第１水路の必要負荷が大きく燃焼バーナーの燃焼量が最大付近になっている状態で、第２水路の必要負荷が小さい場合などには、流路切換弁を切り換え第２水路の水管内を流れる水が燃焼バーナーの上部を蛇行する回数を減らすことで吸熱量を減らすことができる。

本発明の加熱装置は、給湯と暖房のように必要負荷が大きく異なるものの加熱を一つの熱交換器と燃焼バーナーで同時に負荷に見合った量だけ加熱することができる。

第１の発明は、負荷量に応じて燃焼量が可変となる単一の燃焼バーナーと、前記燃焼バーナーにより加熱される第１と第２の水管を有する単一の熱交換器とを備え、前記水管は熱交換器内で複数回の蛇行路を形成し、前記第２の水管の途中には前記蛇行路をバイパスするバイパス流路と流路切換弁を設け、前記第２の水管内を流れる水の経路を切り換えるようにしたことを特徴とするもので、前記流路切換弁を切り換えることで、前記第２の水管内を流れる水が前記燃焼バーナーの上部を蛇行する回数を変更できるため、第１、第２両水路が同時に運転されており、第１水路の必要負荷が大きく燃焼バーナーの燃焼量が最大付近になっている状態で、第２水路の必要負荷が小さい場合などには、流路切換弁を切り換え第２水路の水管内を流れる水が燃焼バーナーの上部を蛇行する回数を減らすことで吸熱量を減らし負荷に見合った加熱ができる。

第２の発明は、特に、第１の発明に加え、水温を制御するための制御装置と、前記第１の水管の出口部分と前記第２の水管のバイパス流路接続部より下流の出口部分とに温度検出器を設け、前記制御装置は前記温度検出器からの信号により、前記第１と第２の水管を流れる水の温度があらかじめ設定された温度になるよう前記燃焼バーナーの燃焼量をコントロールすると共に、前記第１と第２の水管両方に水が流れている状態で、前記第２水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には前記流路切り換え弁を切り換えるようにしたもので、第１、第２両水路の温度を制御装置により自動的に制御することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の流路切り換え弁の代わりに第２の水管の途中に第１の開閉弁と、前記第１の開閉弁の上流で分岐されるようにした前記バイパス流路となる水管と、前記バイパス流路となる水管の途中に第２の開閉弁とを設け、通常は前記第１の開閉弁を開、前記第２の開閉弁を閉とし、流路を切り換える場合には前記第１の開閉弁を閉、前記第２の開閉弁を開とするようにしたもので、制御を簡単にすると共に安価な部品で同様の効果を得ることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明に加え、第１の水管の途中にも流路切り換え弁と、前記流路切り換え弁で分岐され同一水管の出口部分に接続されるバイパス流路となる水管を設け、前記流路切り換え弁を切り換えることにより、前記第１の水管内を流れる水が前記燃焼バーナーの上部を横切る回数を変更できるようにしたもので、第１、第２系統の必要最大負荷が同程度で、第１、第２両系統が同時に運転されており、第２系統の必要負荷が大きく燃焼バーナーの燃焼量が半分以上になっている状態で、第１系統の必要負荷が小さい場合などには、流路切り換え弁を切り換え第１系統の水管内を流れる水が燃焼バーナーの上部を横切る回数を減らすことで吸熱量を減らし、逆の場合には第２系統の流路切り換え弁を切り換えることで第１、第２の両系統とも負荷に見合った加熱をすることができる。

第５の発明は、特に、第４の発明に加え、水温を制御するための制御装置と、前記第１の水管のバイパス流路接続部より下流の出口部分と前記第２の水管のバイパス流路接続部より下流の出口部分とに温度検出器を設け、前記制御装置は前記温度検出器からの信号により、前記第１と第２の水管を流れる水の温度があらかじめ設定された温度になるよう前記燃焼バーナーの燃焼量をコントロールすると共に、前記第１と第２の水管両方に水が流れている状態で、前記第１水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には前記第１水管の流路切り換え弁を切り換え、前記第２水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には前記第２水管の流路切り換え弁を切り換えるようにしたもので、第１、第２両系統の温度を制御装置により精度良く自動的に制御することができる。

第６の発明は、バイパス流路を熱交換器の外側で形成するようにしたもので、接続形態の自由度が高まり、熱交換器のコンパクト化、加工性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における加熱装置の熱交換器部分の構成図を示すものである。

図１において、熱交換器１の内部には燃焼バーナーによって生成される高温ガスの熱を吸収するために複数の伝熱フィン７が一定の間隔で配置されている。そして、伝熱フィン７から吸熱するように伝熱フィン７を貫通する形で第一水管８と第二水管９が設けられている。また、第一水管８と第二水管９は吸熱効率を高めるため複数回伝熱フィン７を貫通するようになっている。図１では第一水管８、第二水管９とも伝熱フィン７を３回貫通するようにしているが、貫通する回数は第一水管８、第二水管９で吸熱すべき熱量に合わせ任意に定めればよい。

第二水管９の途中の、伝熱フィン７を１回貫通し第二水管９が熱交換器１の外部に出た部分には流路切り換え弁として二方弁２９が設けられている。二方弁２９が切り換わった側の接続口と第二水管９の出口部分とを連結するように、第二水管９のバイパス流路を形成するバイパス用水管３０が接続され、二方弁２９が切り換わることで第二水管９が伝熱フィン７を貫通する回数を３回から１回に減じ、第二水管９の吸熱量が減らせるようにしている。

図１では第二水管９が伝熱フィン７を貫通する回数を通常３回、二方弁２９切り換え時１回としているが、負荷小のときに吸熱すべき熱量に合わせ任意に定めればよい。

第一水管８の出口部分、第二水管９のバイパス用水管３０接続部より下流の出口部分には水管内の水温を検出する温度検出器としてそれぞれ第一水管出口サーミスタ１０と第二水管出口サーミスタ３１が取り付けてある。

図２は図１の加熱装置を組み込んだガス給湯暖房機の構成図を示すものである。

図２において、熱交換器１は単一の燃焼バーナー２の上に配置される。燃焼バーナー２には燃料ガスの供給を開閉するガス元電磁弁１１と供給ガス量を要求燃焼量に対応させて調整するためのガス比例制御弁１２とガス比例制御弁１２によって調整された燃料ガスを燃焼バーナー２のａ〜ｄ各部分に供給開閉するためのガス流路開閉弁１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄと燃焼用の空気を供給する燃焼用ファン１４が取り付けられている。

熱交換器１の第一水管８の入り口には給水流路１５が接続され、出口には給湯流路３が接続される。給水流路１５には入水温度を検出する入水サーミスタ１６と入水流量を検出する流量センサー１７が取り付けられている。給湯流路３には給湯温度を検出する給湯サーミスタ１８と給湯流量を調整する水量制御弁１９が取り付けてある。また、給水流路１５の流量センサー１７下流部と給湯流路３の水量制御弁１９上流部をバイパスする給湯バイパス流路２０が設けてあり、給湯バイパス流路２０の途中にはバイパス流量を調整する給湯バイパス水量制御弁２１が取り付けてある。

熱交換器１の第二水管９には暖房温水流路３６が接続される。暖房温水流路３６の第二水管９上流には、暖房用温水の膨張分を吸収するためのタンク３７と暖房用温水を循環させるための循環ポンプ３８が取り付けてある。

そして、各サーミスタと流量センサー１７の信号をもとに各弁を動作させ、あらかじめ設定された湯温に制御する制御装置３９と給湯湯温を外部より設定変更できるリモコン４０が取り付けてある。

以上のように構成されたガス給湯暖房機について、以下その動作、作用を説明する。

まず、給湯、暖房それぞれが単独で使用された場合について説明する。

給湯が使用された場合、流量センサー１７が水流を検出すると、燃焼用ファン１４が回転し、燃焼バーナー２に燃料ガスが供給され燃焼が開始される。燃焼量は給湯の設定温度に関わらず第一水管出口サーミスタ１０の温度が約６０℃になるよう調整される。給湯温度は給湯サーミスタ１８の温度が給湯設定温度になるよう給湯バイパス水量制御弁２１の開度が調整され、水を混ぜることで設定温度に制御される。給湯負荷が大きく最大燃焼しても設定温度に達しない場合には、水量制御弁１９により流量が絞られ給湯温度が設定温度になるよう制御される。

暖房が使用された場合、暖房端末機のスイッチのＯＮで循環ポンプ３８が回転を開始し、燃焼用ファン１４が回転し、燃焼バーナー２に燃料ガスが供給され燃焼が開始される。燃焼量は第二水管出口サーミスタ３１の温度が８０℃になるよう調整される。

上記のように給湯、暖房がそれぞれ単独で使用される場合には、ガス比例制御弁１２による燃料ガス量の制御とガス流路開閉弁１３Ａ〜１３Ｄの開閉による燃焼バーナー２の燃焼部分の制御により最大から最小まで燃焼量を細やかに制御できるため、負荷の大小に関わらず設定された温度に制御することが可能である。

次に、給湯と暖房が同時に使用された場合について説明する。

給湯機の最大能力は機種によりさまざまであるが、この種の給湯暖房機では１６号（２７．９ｋＷ）か２４号(４１．９ｋＷ)であり、最近は大型化が進み２４号(４１．９ｋＷ)が大半になってきている。また、暖房の最大能力は１４．０ｋＷが一般的である。よって、給湯２４号(４１．９ｋＷ)、暖房１４．０ｋＷの場合を想定する。熱交換器１は燃焼バーナー２が最大燃焼した場合に、給湯が２４号(３／４)、暖房が１４．０ｋＷ(１／４)の配分で能力が取り出せるよう伝熱フィン７の形状や水管の引き回しを設計してある。

また、同時使用時の温度制御の優先順位に関して、暖房は制御温度８０℃としているが、一時的に±５℃程度温度がずれても快適性はほとんど失われないが、給湯はシャワーなどで使用している場合、湯温が１℃以上ずれると不快に感じるため、給湯の温度制御を優先させている。

給湯、暖房の要求負荷の最大能力に対する割合が同程度の場合には、燃焼量の制御だけで両方ともほぼ設定温度に制御できるため問題はない。このような一缶二水タイプの加熱装置で問題となるのは、給湯、暖房の要求負荷の最大能力に対する割合が大きく異なる場合である。

まず、暖房の要求負荷が最大で給湯の要求負荷は小さい(７〜８ｋＷ程度)場合を想定する。この場合、トータルでは２１ｋＷ(全能力の２／５弱)程度の能力が必要なため、燃焼バーナー２の２／５(燃焼バーナー２のｄｅ部分)をほぼ最大燃焼させる必要がある。このような負荷割合の場合、給湯側の吸熱効率は低下し半分以上が暖房側に吸熱されるため、給湯の能力は８ｋＷ程度となりかなり低い負荷に対応できる。また、暖房の能力は１３ｋＷ程度となりほぼ最大能力が得られる。

次に、給湯の要求負荷が最大で暖房の要求負荷は小さい(１〜２ｋＷ程度)場合を想定する。この場合、トータルでは４３ｋＷ(全能力の４／５強)程度の能力が必要なため、燃焼バーナー２の４／５(燃焼バーナー２のｂｃｄｅ部分)を最大燃焼させるか、全面をほぼ最大燃焼させる必要がある。このような負荷割合の場合、暖房側の吸熱効率は低下し９／１０程度が給湯側に吸熱されるが、それでも暖房の能力は４．５ｋＷ程度となり要求負荷の３倍程度の能力が出てしまう。このような状態になった場合、第二水管出口サーミスタ３１の検出温度は設定温度から大きく外れ高めになっていくため、ある温度(例えば８８℃)を超えた場合には２方弁２９を切り換え暖房用の温水をバイパス用水管３０に流すよう制御を行う。これによって、暖房用温水が燃焼バーナー２上部を横切る回数は３回から１回に減少し、吸熱量も１／３程度となるため、暖房の能力は１．５ｋＷ程度となりほぼ要求負荷に見合った能力が得られる。

以上のように、本実施の形態においては熱交換器１の第二水管９に流路を切り換える二方弁２９とバイパス用水管３０を設け、第二水管９が燃焼バーナー２上部を横切る回数を減ずることができるようにしたことにより、給湯が最大、暖房が小さい要求負荷で同時運転が行われた場合でも、両方の要求負荷に見合った能力を得ることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における加熱装置の熱交換器部分の構成図である。

図３において、図１に示した熱交換器部分と異なるところは、二方弁２９の代わりに開閉弁である電磁弁を２個設けたところである。

第一電磁弁３２は図１(Ａ)の二方弁２９と同じく第二水管９の途中の伝熱フィン７を１回貫通し、第二水管９が熱交換器１の外部に出た部分に設けられている。バイパス流路であるバイパス用水管３０は第二水管９の出口部分と連結するように第一電磁弁３２の上流に接続されている。また、バイパス用水管３０の途中には第二電磁弁３３が設けられている。

第一電磁弁３２は非通電時開弁型のもので、第二電磁弁３３は非通電時閉弁型のものを用い、通常はバイパス用水管３０に水は流れない。流路を切り換える際には第一電磁弁３２ 、第二電磁弁３３に通電し、第一電磁弁３２が閉、第二電磁弁３３が開となり、バイパス用水管３０に水が流れるようになる。

図１の構成に比べ、電磁弁２個を設けるスペースがいるが、電磁弁のほうが二方弁よりも安価で制御も簡易であり、実施の形態１と同一の効果が得られる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態における加熱装置の熱交換器部分の構成図である。

図４において、図１に示した熱交換器部分と異なるところは、第二水管９に設けた二方弁２９とバイパス用水管３０を第一水管８にも設けたところである。

実施の形態１のガス給湯暖房機のように第一水管８の最大負荷が第二水管９の最大負荷に比べ３倍程度以上大きい場合には、第一水管８と第二水管９の同時使用で第一水管８の要求負荷が小さく第二水管９の要求負荷が最大の場合でも燃焼バーナー２の燃焼部分は絞られており、第一水管８の能力も小さくできるため、第一水管８にバイパス流路を設ける必要はなく図１の構成でよい。

しかしながら、もう少し給湯能力が小さい器具など第一水管８と第二水管９の最大負荷に大きな差がない場合には第一水管８と第二水管９との同時使用で第一水管８の要求負荷が小さく第二水管９の要求負荷が最大となった場合、燃焼バーナー２の燃焼量は少なくとも最大燃焼の半分以上必要であり、このままでは第一水管８側が要求負荷以上に加熱されてしまう。

そこで、第一水管８に設けた二方弁３４を切り換えバイパス用水管３５に水を流すことで、実施の形態１と同一の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる加熱装置は、必要負荷が大きく異なるものの加熱を一つの熱交換器と燃焼バーナーで同時に負荷に見合った量だけ加熱することが可能となるので、一缶体で複数系統の水管を配した、ガス燃焼のみならずその他熱源の熱源機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における加熱装置の熱交換器部分の構成図 同加熱装置を用いた給湯暖房機の構成図 本発明の実施の形態２における加熱装置の熱交換器部分の構成図 本発明の実施の形態３における加熱装置の熱交換器部分の構成図 従来の一缶二水型風呂給湯機の構成図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 燃焼バーナー
８ 第一水管
９ 第二水管
２９ 二方弁(流路切り換え弁)
３０ バイパス用水管（バイパス流路）

Claims (6)

1. 負荷量に応じて燃焼量が可変となる単一の燃焼バーナーと、前記燃焼バーナーにより加熱される第１と第２の水管を有する単一の熱交換器とを備え、前記水管は熱交換器内で複数回の蛇行路を形成し、前記第２の水管の途中には前記蛇行路をバイパスするバイパス流路と流路切換弁を設け、前記第２の水管内を流れる水の経路を切り換えるようにした加熱装置。
2. 水温を制御するための制御装置と、第１の水管及び第２の水管の出口部分に温度検出器を設け、前記制御装置は前記温度検出器からの信号により、前記第１と第２の水管を流れる水の温度があらかじめ設定された温度になるように燃焼バーナーの燃焼量をコントロールすると共に、前記第１と第２の水管両方に水が流れている状態で、前記第２の水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には流路切換弁により経路を切り換えるようにした請求項１記載の加熱装置。
3. 流路切換弁の代わりに第２の水管の途中に第１の開閉弁と、前記第１の開閉弁の上流で分岐したバイパス流路と、前記バイパス流路の途中に第２の開閉弁とを設け、通常は前記第１の開閉弁を開、前記第２の開閉弁を閉とし、流路を切り換える場合には前記第１の開閉弁を閉、前記第２の開閉弁を開とするようにした請求項１または２記載の加熱装置。
4. 第１の水管の途中にも蛇行路をバイパスするバイパス流路と流路切換弁を設け、前記第１の水管内を流れる水の経路を切り換えるようにした請求項１記載の加熱装置。
5. 水温を制御するための制御装置と、第１の水管及び第２の水管の出口部分に温度検出器を設け、前記制御装置は前記温度検出器からの信号により、前記第１と第２の水管を流れる水の温度があらかじめ設定された温度になるように燃焼バーナーの燃焼量をコントロールすると共に、前記第１と第２の水管両方に水が流れている状態で、前記第１の水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には第１の水管に配設した流路切換弁により第１の水管の経路を切り換え、前記第２の水管内の水温があらかじめ設定された温度より高くなってしまった場合には第２の水管に配設した流路切換弁により第２の水管の経路を切り換えるようにした請求項４記載の加熱装置。
6. バイパス流路は熱交換器の外側に形成した請求項１〜５のいずれか１項記載の加熱装置。

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