JP2006284037A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの燃焼ユニットで給湯暖房風呂機能を有する１缶３機能燃焼装置において、潜熱回収熱交換器に関してはフレキシブルパイプを用いているため受熱フィンが無く潜熱回収に必要な容積が大きくなると共に、複数本設けたフレキシブルパイプ内を均一に水が流れない課題があった。
【解決手段】バーナ１２で加熱される給湯循環回路１３が通る熱交換装置１４は、顕熱分を吸熱する主熱交換部１７と潜熱分を吸熱する副熱交換部１８で体形成され、副熱交換部１８に入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２４を対向する位置に設けることで、副熱交換部１８へ均一に通水され小型で熱効率の高い潜熱回収熱交換器を実現出来、装置をコンパクトにできる燃焼装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つの燃焼ユニットで給湯と暖房と風呂追い焚きの機能を有する潜熱回収付きの燃焼装置に関するものである。

従来の１つの燃焼ユニットで給湯と暖房機能を有する小型化可能な燃焼装置は、暖房循環回路を燃焼装置内で循環させ燃焼ガスにより直接加熱し、給湯と風呂を水・水熱交換器で間接加熱させることで実現するものがある（例えば特許文献１参照）。図１０は、前記公報に記載された従来の燃焼装置を示すものである。図１０に示すように、熱源１と、第１の熱交換手段２と、暖房循環回路３と、暖房ポンプ４と、給湯を加熱する第２の熱交換手段５と、浴槽６のお湯を加熱する第３の熱交換手段７と風呂ポンプ８で構成される。この構成により、一つの缶体で暖房と給湯と風呂の加熱が可能となり、図１０では開示されていないが第１の熱交換手段２は顕熱を回収する主熱交換器と、潜熱を回収する潜熱回収熱交換器を備えることも可能である。一般的な潜熱回収熱交換器としては、フレキシブルパイプを複数本並列に接続し流路の圧力損失を低減する発明が開示されている。
特開２００３−１３０４４８号公報

しかしながら上記特許文献１の従来の燃焼装置では、暖房回路を燃焼装置内で直接加熱し給湯と風呂へ間接熱交換器で加熱する構成であるため、給湯の加熱速度が遅いためカランやシャワー等からすぐにお湯が出ない。また、潜熱回収熱交換器に関してはフレキシブルパイプ等を設けて構成するため、フレキシブルパイプは受熱フィンが無いため潜熱回収に必要な容積が大きくなると共に、流路の圧力損失を低減するために複数本設けたフレキシブルパイプ内を均一に水が流れない課題がある。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、給湯の即時出湯を可能とし、暖房と風呂の全ての運転モードでバーナの有する能力内で最大燃焼させることが可能で、潜熱回収熱交換器を非常に小さくし小型の燃焼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、本発明の燃焼装置は、バーナと、バーナで加熱される第１循環回路が通る熱交換装置と、第１循環回路が給水部と出湯部を有し、熱交換装置が主に顕熱分を吸熱する主熱交換部と主に潜熱分を吸熱する副熱交換部で体形成され、第１循環回路と第２循環回路が熱交換する第１間接熱交換装置と、第１循環回路と第３循環回路が熱交換する第２間接熱交換装置を有し、副熱交換部に入口ヘッダと出口ヘッダを設け、ヘッダに並列で流れる複数のパス管と、入口ヘッダの流入口と、出口ヘッダの流出口を対向する位置に設けたものである。

これによって、第１循環回路の熱交換装置で加熱された熱は、給湯水としてカランやシャワー等から出湯すると共に、第１間接熱交換器で第２循環回路の暖房等を行い、第２間接熱交換器で第３循環回路の風呂追い焚き等をする、小型で熱効率の高い潜熱回収熱交換器を有する１缶３機能燃焼装置を実現できる。

本発明の燃焼装置は、副熱交換部に設けた入口ヘッダの流入口と、出口ヘッダの流出口を対向する位置とすることで複数のパス管を水が並列に流れ流路抵抗を小さくし、流れを比較的均一にすることが出来、コンパクトに出来る。すなわち１つの燃焼ユニットで給湯と暖房と風呂追い焚き等の３つの機能をもたらすコンパクトな１缶３機能の潜熱回収付き燃焼装置を実現できる。

第１の発明は、バーナで加熱される第１循環回路が通る熱交換装置と、第１循環回路に給水部と出湯部を設け、熱交換装置が顕熱分を吸熱する主熱交換部と、潜熱分を吸熱する副熱交換部と、第１循環回路と第２循環回路及び第３循環回路が熱交換する第１間接熱交換装置及び第２間接熱交換装置を有し、副熱交換部に入口ヘッダと出口ヘッダを設け、ヘッダに並列で流れる複数のパス管と、入口ヘッダの流入口と、出口ヘッダの流出口を対向する位置に設けたる構成することで、副熱交換部の複数のパス管を並列に流れる流路抵抗を小さくし、流れを比較的均一にすることが出来、コンパクトに出来る。

また、第１循環回路を加熱し他の循環回路と熱交換して加熱するため、バーナ最大能力の熱量を第２循環回路や第３循環回路に供給することが可能で、第２及び第３循環回路の各循環量を制御することで各循環回路へ任意に熱量の配分が可能となり、運転していない循環回路の沸騰も防止できる。第１循環回路を給湯管として加熱しているためカランやシャワーを使用したときには瞬時に最大能力まで出湯できる。すなわち１つの燃焼ユニットで給湯と暖房と風呂追い焚き等の３つの機能をもたらすコンパクトな給湯暖房風呂機能を有する１缶３機能の潜熱回収付き燃焼装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃焼装置のパス管の流出口もしくは流入口の少なくともどちらか一方に抵抗体を設けることで、副熱交換部の複数のパス管を並列に流れる流れをさらに均一にすることが出来る。

第３の発明は、特に、第１の発明の燃焼装置のパス管の流路の内径をパス毎に可変する異径管を設けることで、副熱交換部の複数のパス管を並列に流れる流れをさらに均一にすることが出来る。

第４の発明は、特に、第１の発明の燃焼装置の副熱交換部のパス管内部を溝付き管とすることで、流速の低い流体に乱れを生じさせ管内熱伝達率を上げ、熱効率を向上できる。

第５の発明は、特に、第１の発明の燃焼装置の副熱交換部のパス管内部に撹拌板を設けることで、流速の低い流体に乱れを生じさせ管内熱伝達率を上げ、熱効率を向上できる。

第６の発明は、特に、第１の発明の燃焼装置のパス管を複数段設け、燃焼ガスの流れと対向する鉛直方向の上段から下段へ水が流れるようパス管を設置することにより、燃焼ガスと水流が対向する流れとなるため熱効率を向上できる。

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。従来例および各実施の形態において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。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は本発明の実施の形態１の燃焼装置の全体構成図であり、図２（ａ）は副熱交換部の正面図、図２（ｂ）は上面図である。

図１と図２において、燃焼装置１０は、燃焼空気を送る燃焼ファン１１と、バーナ１２と、バーナ１２上部で加熱される第１循環回路である給湯回路１３が通る熱交換装置１４と、給湯回路１３が給水部１５と出湯部１６を有し、熱交換装置１４が主に顕熱分を吸熱する主熱交換部１７と主に潜熱分を吸熱する副熱交換部１８で形成され、主熱交換部１７を形成する複数の主フィン１９を給湯回路１３が貫通し、副熱交換部１８を形成する複数のパス管２０を燃焼ガスと対向する流れとなるように上下二段設け、複数の副フィン２１と、入口ヘッダ２２の入口２３と出口ヘッダ２４の出口２５を対向する位置に設け、給湯回路１３の熱を第２循環回路である暖房回路２６へ伝熱する第１間接熱交換装置である給湯暖房間接熱交換器２７と、給湯回路１３の熱を第３循環回路である風呂回路２８へ伝熱する第２間接熱交換装置である給湯風呂間接熱交換器２９と、給湯回路１３の水を循環させる小型の耐圧循環ポンプ３０と暖房回路２６の水を循環させる暖房ポンプ３１と、風呂回路２８の湯水を循環させる風呂ポンプ３２が設けられている。さらに、副熱交換部１８で潜熱を回収することで強酸性の結露水が発生するが、結露水は中和装置３３に設けた炭酸カルシウム等で中和されドレン水として機器外部へ排出される。

この時、通常の給湯暖房機の暖房燃焼入力は１５０００ｋｃａｌ／ｈ、給湯燃焼入力は４５０００ｋｃａｌ／ｈであり、それぞれ独立している。この燃焼装置は、全燃焼入力が６００００ｋｃａｌ／ｈあり、燃焼入力を電磁弁やガス比例弁等で任意に可変することで１０００ｋｃａｌ／ｈから６００００ｋｃａｌ／ｈの燃焼能力を給湯や暖房や風呂へ出力することができるものである。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作・作用を説明する。

暖房運転が最初に要求されるコールドスタート時には、小型の耐圧ポンプ３０と暖房ポンプ３１を駆動し、燃焼ファン１１の空気とガスをバーナ１２で混合し６００００ｋｃａｌ／ｈの最大燃焼を開始する。すなわちバーナ１１を燃焼させることで燃焼熱が主熱交換部１７と副熱交換部１８を通過する際に、主フィン１９と副フィン２１を介して給湯回路１３へ多量に伝熱する。熱交換装置１４で吸熱した高温水は耐圧ポンプ３１で給湯回路１３を循環し、給湯暖房間接熱交換器２７で暖房回路２６の温水を加熱することで、暖房の立ち上がり時間を１５０００ｋｃａｌ／ｈ単独バーナに比べて大幅に短くすることが可能となる。

同様に、風呂運転が要求される時には、耐圧ポンプ３０と風呂ポンプ３２を駆動し、燃焼ファン１１の空気とガスをバーナ１２で混合し６００００ｋｃａｌ／ｈの最大燃焼を行うことで、風呂回路２８へも給湯風呂間接熱交換器２９で風呂回路２８の浴槽水加熱を短時間で行うことができる。また急速な加熱を必要としない場合はバーナ１２の燃焼範囲を狭め燃焼量を絞ることで小燃焼を行い風呂への加熱を緩やかにするマイルドな追い焚き機能も実現できる。

当然ながら給湯運転を行う場合はバーナ１２を燃焼させトータル６００００ｋｃａｌ／ｈの最大燃焼を行い３２号以上の大出湯能力を実現できる。

また、副熱交換部１８では、入口ヘッダ２２の入口２３と出口ヘッダ２４の出口２５を対向する位置に設けているため、パス管２０の流路抵抗を小さくし、パス管２０内を流れる水を第１パス２６で偏流率約５０％、第７パス２７で−２０％（Δ７０％）と比較的均一にすることができる。仮に対向しない位置に設けた場合は、第１パス２６で偏流率約−７０％、第７パス２７で１２０％（Δ１９０％）となる。

また、燃焼ガスと対向するようにパス管２０の流れが上の段から下の段へと流れることで潜熱を効率よく回収し、熱効率を９５％程度まで向上できる。副熱交換部１８の副フィン２１やパス管２０で発生した結露水は重力と排気ガスの風速とにより直ちに下へ滴下し、結露水が副フィン２１の表面上に残留することによる熱効率低下を抑制できる。発生した結露水は、中和処理装置３３の炭酸カルシウムで中和され機器１０外部へ排出される。燃焼ガスは機器１０外部へ排出される。

この結果、給湯暖房風呂の機能を有する１缶３機能の燃焼装置をコンパクトにすることができ、熱交換装置１４の加熱能力を給湯側、暖房側、風呂側のどちらへもフレキシブルに利用することができ、かつ潜熱回収まで行うことで熱効率を向上できる。

本実施例では暖房１系統、風呂１カ所について説明したが、暖房経路を床暖房や浴室暖房やミスト入浴等の複数経路設けた場合や、複数の風呂を加熱した場合でも同様の効果を発揮することができる。さらに、副熱交換部１８を形成する複数のパス管２０を燃焼ガスと対向する流れとなるように上下二段設けた例について説明したが、パス管２０が１段もしくは３段以上で構成されても同様の効果を発揮できるものである。

（実施の形態２）
本実施の形態は請求項２にかかわる発明について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態における熱交換装置の副熱交換部の構成図である。なお、第１の実施の形態と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図３において、第１の実施の形態の構成と異なるところは、入口ヘッダ側を第１パス２６とし最端部を第７パス２７とし、第７パス２７に近づくにつれてパス管２０と出口ヘッダ２４の接続部に抵抗体である整流板２８を設けパス管２０の流路抵抗を可変している点にある。

以上の構成で、その動作、作用について説明する。入口ヘッダ２２の入口２３から流入した水は出口ヘッダ２４の出口２５から流出するが、この時入口２３と出口２５が対向する位置に設けることで、流量の偏りで偏流率は対向しない場合と比較し小さく、同一内径でパス管２０を構成した場合、第１パス２６で約５０％、第７パス２７で−２０％となる。しかるに、パス管２０と出口ヘッダ２４の接続部に整流板２８の内径を第１パス２６から第７パス２７にかけて次第に大きくなるよう設けることで、パス管２０の内部の流れをさらに均一に流すことが出来るため熱交換効率を向上し優れた小型の熱交換措置を実現できる。

ここで、整流板２８を出口ヘッダ２４に設ける例を示したが、図４に示すように入口ヘッダ２２へ設けても同様の効果を発揮できるものである。さらに、パス管２０内の任意の位置に設けても同様の効果を発揮できる。

（実施の形態３）
本実施の形態は請求項３にかかわる発明について説明する。図５は本発明の第３の実施の形態における熱交換装置の副熱交換部の構成図である。なお、第１の実施の形態と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図５において、第１の実施の形態の構成と異なるところは、副熱交換部１８のパス管２０を上下２段で７パス設け流路の内径をパス毎に可変する異径管２９を設けるもので、流入口２３側を第１パス２６とし最端部を第７パス２７とし、第７パス２７に近づくにつれて異径管２９の内径を大きくしいる点にある。

以上の構成で、その動作、作用について説明する。入口ヘッダ２２の流入口２３から流入した水は出口ヘッダ２４の流出口２５から流出するが、この時流入口２３と流出口２５が対向する位置に設けることで、流量の偏りで偏流率は対向しない場合と比較し小さく、同一内径でパス管を構成した場合、第１パス２６で約５０％、第７パス２７で−２０％となる。しかるに、パス管２０の内径を第１パス２６から第７パス２７にかけて次第に大きくなるよう設けることで、パス管２０の内部の流れを均一に流すことが出来るため熱交換効率を向上し優れた小型の熱交換措置を実現できる。

ここで、入口ヘッダ２２と出口ヘッダ２４に接続するパス管２０を内径の異なる異径管２９とする例を示したが、図６に示す出口ヘッダ２４側に接続する異径管２９の内径のみ変化させた場合や、図７に示す入口ヘッダ２２側に接続する異径管２９の内径のみ変化させた場合でも同様の効果を発揮できるものである。

（実施の形態４）
本実施の形態は請求項４にかかわる発明について説明する。図８は本発明の第４の実施の形態における熱交換装置の副熱交換部のパス管２０の断面図である。なお、第１の実施の形態と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図８において、第１の実施の形態の構成と異なるところは、パス管２０内部に螺旋状の溝部３０を有する溝付き管とした点にある。

以上の構成で、その動作、作用について説明する。入口ヘッダ２２の入口２３から流入した水は出口ヘッダ２４の出口２５から流出するが、この時パス管２０を流れる水はヘッダ構成で分流されているため管内流速は非常に遅く通常層流領域であるが、管内壁に設けた溝部３０により境界層が破壊され管内熱伝達率を高めることが出来るため熱交換効率を向上し優れた小型の熱交換措置を実現できる。また、溝部３０により伝熱面積が増加することで局部的な加熱量増加による局部沸騰現象を抑制し騒音低減も実現できる。

ここでパス管２０内部に螺旋状の溝部３０を設けた例を示したが、パス管２０内壁に多数の凸部やコイルを設けた場合でも同様の効果を発揮できるものである。

（実施の形態５）
本実施の形態は請求項５にかかわる発明について説明する。図９は本発明の第５の実施の形態における熱交換装置の副熱交換部のパス管２０の断面図である。なお、第１の実施の形態と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図９において、第１の実施の形態の構成と異なるところは、パス管２０内部に撹拌板であるねじり板３１を設けた点にある。

以上の構成で、その動作、作用について説明する。入口ヘッダ２２の入口２３から流入した水は出口ヘッダ２４の出口２５から流出するが、この時パス管２０を流れる水はヘッダ構成で分流されているため管内流速は非常に遅く通常層流領域であるが、パス管２０内に設けたねじり板３１により旋回流が発生し境界層が破壊され管内熱伝達率を高めることが出来るため熱交換効率を向上し優れた小型の熱交換措置を実現できる。また、ねじり板３１の旋回流により局部的な加熱量増加による局部沸騰現象を抑制し騒音低減も実現できる。

ここでパス管２０内部にねじり板３１を設けた例を示したが、パス管２０内にコイル等を設けた場合でも同様の効果を発揮できるものである。

以上のように、本発明にかかる燃焼装置は給湯、暖房、風呂加熱を行うコンパクトな１缶３機能の潜熱回収付き熱源を実現することが可能となるので、一般住宅における給湯暖房機はもちろん、マンションやアパート等の集合住宅の設置場所が狭いところでも導入できる。また、熱源のガスはもちろん灯油等を熱源とした石油ボイラーにも適用できる。

本発明の実施の形態１における燃焼装置の全体構成図 （ａ）同装置における副熱交換部の正面図（ｂ）同装置における副熱交換部の上面図 本発明の実施形態２における副熱交換部の構成図 同装置の他の実施形態における副熱交換部の構成図 本発明の実施形態３における副熱交換部の構成図 同装置の他の実施形態における副熱交換部の構成図 同装置の他の実施形態における副熱交換部の構成図 本発明の実施形態４におけるパス管断面図 本発明の実施形態５におけるパス管断面図 従来の燃焼装置の全体構成図

符号の説明

１０ 燃焼装置
１２ バーナ
１３ 給湯回路（第１循環回路）
１４ 熱交換装置
１７ 主熱交換器（主熱交換部）
１８ 副熱交換器（副熱交換部）
２６ 暖房回路（第２循環回路）
２７ 給湯暖房間接熱交換器（第１間接熱交換装置）
２８ 風呂回路（第３循環回路）
２９ 給湯風呂間接熱交換器（第２間接熱交換装置）
２０ パス管
２２ 入口ヘッダ
２３ 流入口
２４ 出口ヘッダ
２５ 流出口
２８ 整流板（抵抗体）
２９ 異径管
３０ 溝部（溝付管）
３１ ねじり板（撹拌板）

Claims (6)

1. 給湯暖房風呂機能を有する１缶３機能燃焼装置においてバーナと、前記バーナで加熱される第１循環回路が通る熱交換装置と、前記第１循環回路に給水部と出湯部を設け、前記熱交換装置が主に顕熱分を吸熱する主熱交換部と、主に潜熱分を吸熱する副熱交換部と、前記第１循環回路と第２循環回路及び第３循環回路が熱交換する第１間接熱交換装置及び第２間接熱交換装置を有し、前記副熱交換部に入口ヘッダと出口ヘッダを設け、前記ヘッダ間に並列で流れる複数のパス管と、前記入口ヘッダの流入口と、前記出口ヘッダの流出口を対向する位置に設けた燃焼装置。
2. パス管の流出口もしくは流入口の少なくともどちらか一方に抵抗体を設けた請求項１記載の燃焼装置。
3. パス管の流路の内径をパス毎に可変する異径管を設けた請求項１記載の燃焼装置。
4. パス管内部を溝付き管とした請求項１記載の燃焼装置。
5. パス管内部に撹拌板を設けた請求項１記載の燃焼装置。
6. パス管を複数段設け、燃焼ガスの流れと対向する鉛直方向上段から下段へ水が流れるよう前記パス管を設置する請求項１記載の燃焼装置。

Images