JP2010007912A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内部に収容された二次熱交換器の略全体に対して燃焼ガスを接触させることで二次熱交換器の熱効率の向上が可能な給湯装置の提供を課題とする。
【解決手段】本発明の給湯装置１は、燃料を燃焼する燃焼部２と、燃焼部２の燃焼で発生した燃焼ガスが下方に向けて流れる燃焼ケース３と、燃焼ケース３を通過した燃焼ガスが流入する排気集合部５と、排気集合部５の上方に配され排気集合部５を通過した燃焼ガスを上方に向けて排気する排気部６と、燃焼ケース３を流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な一次熱交換器２０と、燃焼ケース３の下方領域から排気部６の下方領域にわたる位置に配置されて排気集合部５を流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な二次熱交換器３０と、を備え、二次熱交換器３０の外縁が、下方になるに従い小さくなることを特徴とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、湯水や熱媒体の液体を加熱可能な給湯装置に関するものであり、一次熱交換器に加えて二次熱交換器を備えたものに関する。

従来より、下記特許文献１，２に開示されているような、いわゆる潜熱回収型の給湯装置が提供されている。特許文献１，２には、燃料を燃焼するための燃焼手段と、これにおいて発生した燃焼ガスに含まれている顕熱を主として回収するための一次熱交換器と、潜熱を主として回収するための二次熱交換器とを備えた給湯装置が開示されている。特許文献１，２の給湯装置は、燃焼手段及び排気部の下方に底部ケーシングが配置され、底部ケーシング内に二次熱交換器が収容されている。そのため特許文献１，２の給湯装置では、燃焼手段で発生した燃焼ガスが、下方の底部ケーシングでＵターンし、排気部から装置の外部に排出される。燃焼ガスに含まれる潜熱は、燃焼ガスが底部ケーシングを通過するときに、二次熱交換器内を流れる湯水と燃焼ガスとの間で熱交換が行われることにより回収されていた。
特開２００６−１０５４６７号公報 特開２００６−２７５３６７号公報

しかし従来の給湯装置は、底部ケーシングに導入された燃焼ガスが、内部に配置された二次熱交換器全体に接触するように流される構成ではなかった。特に、底部ケーシングの底面と内側面とが交差する角部近傍には燃焼ガスが流れ込みにくく、二次熱交換器全体のうち、この部分に位置する部分については、熱交換が有効に行われていなかった。

そこで本発明は、内部に収容された二次熱交換器の略全体に対して燃焼ガスを接触させることで二次熱交換器の熱効率の向上が可能な給湯装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、燃料を燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼で発生した燃焼ガスが下方に向けて流れる燃焼ケースと、前記燃焼ケースの下方に配され前記燃焼ケースを通過した燃焼ガスが流入する排気集合部と、前記排気集合部の上方に配され前記排気集合部を通過した燃焼ガスを上方に向けて排気する排気部と、前記燃焼ケースを流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な一次熱交換器と、前記燃焼ケースの下方領域から前記排気部の下方領域にわたる位置に配置され、前記排気集合部を流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な二次熱交換器と、を備え、前記二次熱交換器の外縁が、下方になるに従い小さくなることを特徴とする給湯装置である。

本発明の給湯装置は、燃焼ケースを通過した燃焼ガスが、排気集合部でＵターンして排気部に流される。一方、二次熱交換器の外縁が下方になるに従い小さくなるように形成されている。即ち、本発明の給湯装置は、二次熱交換器が排気集合部の燃焼ガスの流れに沿った形状をしている。そのため本発明の給湯装置は、排気集合部の内部空間を流れる燃焼ガスの気流の中に二次熱交換器の略全体を配置することができる。その結果、本発明の給湯装置は、二次熱交換器の略全体に対して燃焼ガスを接触させることができ、効率的に熱交換を行うことができる。したがって、本発明の給湯装置は、二次熱交換器を大型化させることなく装置全体の熱効率を向上させることが可能である。また能力を維持したまま二次熱交換器を小さくすることも可能であり、装置全体をより小型化することも可能である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記二次熱交換器は、管内を流れる湯水を熱交換加熱できる受熱管を備え、前記受熱管が螺旋状に形成されることを特徴とした。

本発明の給湯装置は、受熱管の周回回数を増加させることで、二次熱交換器の伝熱面積を拡大し、二次熱交換器における熱効率を向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記排気集合部には、前記二次熱交換器の外縁に沿って傾斜した案内板が配置されることを特徴とした。

本発明の給湯装置では、排気集合部に導入された燃焼ガスを案内板に案内させて二次熱交換器全体に接触させることが可能であり、二次熱交換器の熱効率を向上させることが可能である。

請求項４の発明は、請求項２に記載の発明において、前記排気集合部の底部に設けられたドレン排出口と、前記排気集合部の下方に配されて前記ドレン排出口から送られたドレンを中和する中和装置と、を備え、前記排気集合部の内側面が、前記二次熱交換器の外縁に沿って上向きに傾斜し、前記受熱管から落下したドレンが、前記傾斜した内側面を介してドレン排出口に向けて流されることを特徴とした。

本発明の給湯装置では、排気集合部に導入された燃焼ガスを排気集合部の内側面に案内させて二次熱交換器全体に接触させることが可能であり、二次熱交換器の熱効率を向上させることが可能である。また本発明の給湯装置は、集合排気部の内側面を傾斜させることで、集合排気部で発生したドレンを円滑にドレン排出口に向けて流すことができる。

本発明は、内部に収容された二次熱交換器の略全体に対して燃焼ガスを接触させることで二次熱交換器の熱効率を向上させるとともに、装置全体の熱効率を向上させることができる。

続いて本発明の一実施形態である給湯装置について、図面を参照しながら詳細について説明する。なお、以下の説明では、上下左右の位置関係は、特に断りのない限り、通常の設置状態を基準として説明する。図１は、本発明の一実施形態である給湯装置の内部構成を示す正面図である。図２は、排気集合部に収容された二次熱交換器を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）は、二次熱交換器の変形例を構成する受熱面を示す平面図である。図４（ｂ）は、二次熱交換器の変形例を示す正面図である。

図１に示すように、給湯装置１は、燃焼部２と、一次熱交換器２０と、二次熱交換器３０とを備えた、いわゆる潜熱回収型の給湯装置である。給湯装置１は、燃焼部２の下方に燃焼ケース３と、排気集合部５とを有する。また、燃焼部２の側方には、排気部６が設けられている。燃焼ケース３および排気部６は、それぞれ給湯装置１の底側に設けられた排気集合部５に連通している。これにより、給湯装置１には、燃焼ケース３から排気集合部５を経て排気部６に至る、断面形状が略「Ｕ」字型となるように連通した空間が形成されている。

燃焼部２は、空気ケース８や燃料噴霧ノズル１０、送風機１１、燃焼筒１２等を備えている。燃焼部２は、いわゆる逆燃焼式の燃焼装置により構成されており、下方に向けて火炎を形成可能とされている。具体的に燃焼部２は、送風機１１を作動させることによって空気ケース８内に燃焼用の空気を導入すると共に、図示しない燃料供給源から供給されてきた液体燃料を燃料噴霧ノズル１０から下方に向けて噴霧し、燃焼筒１２内において燃焼できる構成とされている。

燃焼ケース３は、燃焼部２の下流である下方に配置され、図示しないセラミックで構成された耐熱性を有するパッキンを介在させることにより燃焼部２と気密に接続されている。このため燃焼ケース３は、燃焼部２における燃焼動作に伴って発生する高温の燃焼ガスが下方に向けて流れる燃焼ガス通路として機能する。

燃焼ケース３の下端側の部分には、一次熱交換器２０が設けられている。一次熱交換器２０は、燃焼ケース３を流れてきた燃焼ガス中に含まれている顕熱を主として回収するためのものである。一次熱交換器２０は、いわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器によって構成されている。すなわち、一次熱交換器２０は、屈曲させた一連の水管２１を有し、この水管２１が燃焼ケース３を横断するように挿通されている。水管２１には、多数のフィン２２が装着されている。一次熱交換器２０は、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスとの熱交換により、水管２１内を流れる湯水を熱交換加熱することができる。

水管２１は、その一端側に一次出水口２３を有し、他端側に一次入水口２５を有する。一次出水口２３は、図示しない配管等を介して図示しないカラン等の湯水の供給先に接続されている。一方、一次入水口２５は、配管３８を介して後述の二次熱交換器３０に接続されている。

図１、２に示すように、排気集合部５は、燃焼ケース３の下方に配置された箱状の部材であり、燃焼ケース３に直接連通した部分である。排気集合部５は、給湯装置１の幅方向（図１において左右方向）に伸びる内部空間を有する。また、排気集合部５は、燃焼ケース３の側方に配された排気部６とも連通している。そのため、排気集合部５は、燃焼ケース３を下方に向けて流れる燃焼ガスを流入させるとともに、当該燃焼ガスを排気部６に向けて流出させる部分として機能する。すなわち、排気集合部５は、下方に向けて流れる燃焼ガスの流れ方向を上方に向けて折り返すための部分として機能する。

排気集合部５には、燃焼ケース３の直下位置に燃焼ガスを導入するための導入口６０が設けられ、排気部６の直下位置に燃焼ガスを排出するための排出口６２が設けられている。また図１に示すように、排気集合部５の内側面５ａと底部５ｂとが交差する角部には、二次熱交換器３０の外縁に沿って傾斜した案内板７０が配置されている。案内板７０は、二次熱交換器３０に対向する面が上向きに傾斜するように配置されている。また排気集合部５の内部空間には、後述の二次熱交換器３０が収容される。

図１、２に示すように、二次熱交換器３０は、排気集合部５内の燃焼ケース３の下方領域から排気部６の下方領域にわたる位置に配置されている。二次熱交換器３０は、複数（本実施形態においては５本）の受熱管３１と、入水側ヘッダ３２と、出水側ヘッダ３３と、を備えた環状の熱交換器である。各受熱管３１の一端側には入水側ヘッダ３２が接続されており、他端側には出水側ヘッダ３３が接続されている。受熱管３１は、熱伝導性に優れ、表面が平滑な配管によって形成されている。また複数の受熱管３１は、一定の間隔で並行するように配置されており、排気集合部５の内部空間で渦を巻くように螺旋状に形成されている。本実施形態の二次熱交換器３０は、受熱管３１によって形成される渦が、案内板７０の傾斜に沿って上下方向に層状に配置されている。受熱管３１によって形成される渦の大きさは、下方に向かうに従って小さくなっている。即ち、二次熱交換器３０の外縁は、導入口６０及び排出口６２から下方に離れるに従い小さくなる。また受熱管３１は、下方になるに従い排気集合部５の中央側に配置されている。

図１、２に示すように、入水側ヘッダ３２及び出水側ヘッダ３３は、排気集合部５の外部であって側方（図１、２において正面視左側）に配置されている。出水側ヘッダ３３は、入水側ヘッダ３２よりも上方かつ手前側に配置されている。入水側ヘッダ３２は、配管２８を介して給水源２７に接続される二次入水口３５を備えており、給水源２７から給水された湯水を複数の受熱管３１に分岐させることができる。出水側ヘッダ３３は、配管３８を介して上記した一次熱交換器２０の一次入水口２５に接続される二次出水口３６を備えており、各受熱管３１から供給される湯水を集合させて一次熱交換器２０に送ることができる。

図１に示すように、排気集合部５の底部５ｂには、ドレン排出口４１が設けられている。ドレン排出口４１は、二次熱交換器３０の受熱管３１から落下してくるドレンを排気集合部５の外部に排出するための排出口として機能する。排気集合部５の下方には、炭酸カルシウム等の中和剤を備えた中和装置７が配されている。中和装置７は、ドレン排出口４１から排出されるドレンを受容し、中和して排出可能とされている。

排気部６は、排気集合部５の下流側に連通している。排気部６は、排気集合部５に対して垂直上方に延伸した部分であり、内部にラビリンス状の燃料ガス流路を有する。排気部６の上方には、燃焼ガスを外部に排出するガス排出部１５が設けられている。ガス排出部１５は、燃焼部２の前面側に開口した排気開口１６を有し、その前面に排気整流部材１７が取り付けられている。

続いて、給湯装置１の動作について、詳細に説明する。給湯装置１は、図示しない流量センサ等により外部の給水源２７から二次熱交換器３０に向けて湯水が供給されてきたことが検知されると、燃焼部２が燃焼作動を開始する。燃焼部２における燃焼作動に伴って燃焼筒１２内で発生した燃焼ガスは、燃焼ケース３内を下方に向けて流れる。

その後、燃焼ケース３を通過した燃焼ガスは、図２、３において矢印で示すように、導入口６０を通って燃焼ケース３の下流であって下方に設けられた排気集合部５に導入される。排気集合部５に導入された燃焼ガスは、向きを下向きから横向き（図３においては、右向き）に変更し、排気集合部５の内部空間を横断する。排気集合部５の内部空間を横断した燃焼ガスは、排出口６２近傍で進行方向を横向きから上向きに変更し、排出口６２から排気集合部５の上方であって下流に設けられた排気部６に送られ、排気部６から給湯装置１の外部に排出される。

一方、給水源２７から供給されてきた湯水は、二次熱交換器３０の入水側ヘッダ３２を介して、これに接続されている複数（図示状態では４本）の受熱管３１のそれぞれに流入する。各受熱管３１に流入した湯水は、螺旋状の受熱管３１内を周回しながら、排気集合部５内を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を行う。各受熱管３１を流れる湯水は、受熱管３１内を徐々に上昇し、出水側ヘッダ３３に達する。

二次熱交換器３０において熱交換が行われると、排気集合部５を流れる燃焼ガス中に含まれている潜熱が二次熱交換器３０の各受熱管３１を流れる湯水に回収される。これに伴い、燃焼ガス中に含まれている水分が凝集され、二次熱交換器３０の受熱管３１の表面には、ドレンが付着する。受熱管３１の表面に付着したドレンは、受熱管３１の各部から排気集合部５の底部５ｂに落下する。排気集合部５の底部５ｂには所定の傾斜が設けられており、落下したドレンは、ドレン排出口４１に向けて流され、ドレン排出口４１から排気集合部５の下方に設けられた中和装置７に送られる。ドレン排出口４１から排出されるドレンは、中和装置７によって中和され外部に排出可能とされる。

また、二次熱交換器３０の出水側ヘッダ３３に達した湯水は、配管３８を通って一次熱交換器２０の一次入水口２５に送られる。一次入水口２５に送られた湯水は、一次熱交換器２０の水管２１を通って、燃焼ケース３内を流れる高温の燃焼ガスとの間で熱交換を行う。一次熱交換器２０の水管２１を流れる湯水は、燃焼ケース３を流れてきた燃焼ガス中に含まれている顕熱を主として回収する。一次熱交換器で加熱された湯水は、一次出水口２３を通り、配管等を介してカラン等に供給される。

上記のように本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０が、導入口６０から離れて下方になるに従い、二次熱交換器３０の外縁が小さくなり、受熱管３１が排気集合部５の内部空間の中央側に配置されるように形成されている。即ち、本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０が排気集合部５内の燃焼ガスの流れに沿った形状をしている。そのため本実施形態の給湯装置１は、排気集合部５の内部空間を流れる燃焼ガスの気流の中に二次熱交換器３０の略全体を配置することができる。その結果、本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０を構成する受熱管３１の略全体に対して燃焼ガスを接触させることができ、受熱管３１全体で効率的に熱交換を行うことができる。したがって、本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０を大型化させることなく装置全体の熱効率を向上させることが可能である。また能力を維持したまま二次熱交換器３０の大きさを小さくすることも可能であり、装置全体をより小型化することも可能である。

本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０が管内を流れる湯水を熱交換加熱できる受熱管３１を備え、受熱管３１が螺旋状に形成されている。そのため本実施形態の給湯装置１は、受熱管３１の周回回数を増加させることで、二次熱交換器３０の伝熱面積を拡大し、二次熱交換器３０における熱効率を向上させることができる。

本実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０の外縁に沿って傾斜する案内板７０が排気集合部５内に配置されている。本実施形態の給湯装置１では、排気集合部５に導入された燃焼ガスが案内板７０に案内されて二次熱交換器３０全体に接触するので、二次熱交換器３０の熱効率が高い。また本実施形態の給湯装置１は、案内板７０が排気集合部５の内側面５ａと底部５ｂとが交差する角部に配置されるので、燃焼ガスが排気集合部５の内側面５ａと底部５ｂとが交差する角部に流れ込むのを防止し、二次熱交換器３０における熱効率をさらに向上させることが可能である。また本実施形態の給湯装置１は、二次交換器３０を構成する受熱管３１から落下したドレンを、案内板７０を介して円滑にドレン排出口４１に向けて流すことができる。

上記実施形態の給湯装置１は、二次熱交換器３０の外縁に沿って傾斜した案内板７０が排気集合部５内に配置される構成であったが本発明はこのような構成に限定されるわけではない。例えば、排気集合部５の内側面５ａを、二次熱交換器３０の外縁に沿って上向きに傾斜させる構成であってもよい。このような構成を採用することで、内側面５ａが上記案内板７０と同様の機能を果たすため、排気集合部５に導入された燃焼ガスを二次熱交換器３０に沿って流れるように案内し、二次熱交換器３０の熱効率を向上させることが可能である。

上記実施形態の給湯装置１では、排気集合部５の内部空間で受熱管３１が渦を巻くように螺旋状に形成された二次熱交換器３０が採用された、本発明はこのような構成に限定されるわけではない。例えば、図４に示すように受熱管３１を屈曲させ、排気集合部５を幅方向に横断する横断部８１と、管内を流れる湯水が逆方向に流れるように折り返す折返部８２と、が交互に繰り返されて略水平な受熱面８３を形成し、この受熱面８３が上下方向に複数配置されることで構成される二次熱交換器３０ａを採用してもよい。二次熱交換器３０ａは、図４（ｂ）に示すように、上下の受熱面８３、８３が配管８５で連結されることで、一連の流路が構成されている。また二次熱交換器３０ａは、下方に配置される受熱面８３ほど、横断部８１の本数が少なくなり、横断部８１の長さが短くなるように形成されている。したがって、二次熱交換器３０ａは、上記実施形態の二次熱交換器３０と同様に、外縁の大きさが下方になるに従い小さくなるように形成されている。そのため二次熱交換器３０ａは、上記した二次熱交換器３０と同様に、排気集合部５の内部空間を流れる燃焼ガスの気流の中に二次熱交換器３０ａの略全体を配置することが可能であり、受熱管３１全体に燃焼ガスを接触させて効率的に熱交換を行うことができる。

本発明の一実施形態である給湯装置の内部構成を示す正面図である。 排気集合部に収容された二次熱交換器を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、二次熱交換器の変形例を構成する受熱面を示す平面図であり、（ｂ）は、二次熱交換器の変形例を示す正面図である。

符号の説明

１ 給湯装置
２ 燃焼部
３ 燃焼ケース
５ 排気集合部
５ａ 内側面
２０ 一次熱交換器
３０、３０ａ 二次熱交換器
３１ 受熱管
７０ 案内板

Claims (4)

1. 燃料を燃焼する燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼で発生した燃焼ガスが下方に向けて流れる燃焼ケースと、
   前記燃焼ケースの下方に配され前記燃焼ケースを通過した燃焼ガスが流入する排気集合部と、
   前記排気集合部の上方に配され前記排気集合部を通過した燃焼ガスを上方に向けて排気する排気部と、
   前記燃焼ケースを流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な一次熱交換器と、
   前記燃焼ケースの下方領域から前記排気部の下方領域にわたる位置に配置され、前記排気集合部を流れる燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱可能な二次熱交換器と、を備え、
   前記二次熱交換器の外縁が、下方になるに従い小さくなることを特徴とする給湯装置。
2. 前記二次熱交換器は、管内を流れる湯水を熱交換加熱できる受熱管を備え、前記受熱管が螺旋状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記排気集合部には、前記二次熱交換器の外縁に沿って傾斜した案内板が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯装置。
4. 前記排気集合部の底部に設けられたドレン排出口と、
   前記排気集合部の下方に配されて前記ドレン排出口から送られたドレンを中和する中和装置と、を備え、
   前記排気集合部の内側面が、前記二次熱交換器の外縁に沿って上向きに傾斜し、
   前記受熱管から落下したドレンが、前記傾斜した内側面を介してドレン排出口に向けて流されることを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。

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