JP2012172872A - 真空式温水器 - Google Patents

Abstract

【課題】 温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を効率的に回収して所望の加温水を供給するとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇や加温水の過熱を防ぎ、破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂが備えられた燃焼室１と、燃焼室１の上部に配設された減圧蒸気室４と、燃焼室１の下部に配設された下部熱媒体室５を備えた本体ユニット１０と、減圧蒸気室４と連通して気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部６が配設され上部熱交換空間８と、下部熱媒体室５と連通して液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部７が配設され下部熱交換空間９が形成される熱交換ユニット２０と、を有し、上部熱交換空間８の断面積Ｃが、上部水管群１ｂ内部の総断面積よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、真空式温水器に関し、特に、産業用の温水発生装置である真空式温水器として有用である。

従来、産業用の温水発生装置として多種多様な方式が利用されているが、１００℃以下の温水を得る温水発生装置として、真空式温水器が多用されている。真空式温水器は、都市ガスや灯油、ペレットなどの燃料を燃焼し、その燃焼熱および排ガスを燃焼室の周囲に存在する熱媒水と熱交換させる。熱媒水は、大気圧下に減圧された減圧蒸発室で８０℃〜９０℃程度で減圧沸騰し、同室内にある熱交換器を介して給温水を加温する。熱媒水は燃焼室内に設けた伝熱管で燃焼排ガスと熱交換するが、通常は約２００℃程度の排ガス温度まで熱回収する。熱効率は概ね９０％程度である。

こうした真空式温水器として、具体的には、例えば図５に示すような構成を有する真空式温水ボイラが挙げられる（例えば特許文献１参照）。上部に蒸気室１０２が形成されるよう熱媒水１０３を封入した熱媒水貯槽（缶体）１０１の下部内側に、上記熱媒水１０３に没するように燃焼室１０４を設けてバーナ１０５を設置し、且つ上記熱媒水貯槽１０１の頂部に、真空ポンプ１０６を、開閉弁１０８を備えた真空引きライン１０７を介し接続すると共に、上記蒸気室１０２となる熱媒水貯槽１０１内の上部位置に、加熱対象となる水１０９を外部から流通させることができるようにした熱交換器としての伝熱管１１０を設けた構成として、真空ポンプ１０６の作動により熱媒水貯槽１０１の内部を真空に引いた状態において、バーナ１０５を燃焼させることにより燃焼室１０４の壁面を介して熱媒水１０３を加熱し、これにより真空中にある熱媒水１０３を１００℃以下の温度、たとえば、約８０℃にて急速に沸騰、蒸発させ、発生した減圧蒸気を、蒸気室１０２に充満させると共に伝熱管１１０の表面で凝縮させることにより、該伝熱管１１０を流通する水１０９と熱交換を行わせて、該伝熱管１１０の出口より上記減圧蒸気の温度まで加熱された温水１０９ａを回収できるようにしてある。なお、１１１は燃焼室１０４の排気口、１１２は燃焼室１０４内の中央部にてバーナ１０５に対峙するよう設置した火堰、１１３は火堰１１２の後方の煙道となる部分に燃焼室１０４を上下方向に貫通するよう設けた伝熱用水管である。凝縮伝熱を利用することで伝熱面積を小さくできると共に、減圧下における熱媒水１０３の凝縮領域の温度を制御温度とすることにより、加熱対象流体である水１０９を間欠的に熱交換させるような場合であっても、熱媒水１０３の温度が大きく変化することはなく、したがって、常に一定温度に加熱された温水１０９ａを製造できるという特徴を有している（特許文献１段落０００３〜０００４参照）。

特開２００３−２７９１６０号公報

しかし、上記のような真空式温水器では、以下に挙げるような問題点や課題が生じることがあった。
（ｉ）従来方式では、熱媒水の温度を通常８０℃〜９０℃に加熱した状態で保持し、減圧蒸気室の熱交換器で冷水を温水に熱交換する。従来の構造では排ガス温度を熱媒水温度以下にすることができないため、構造的に大幅なボイラの高効率化は難しいという課題があった。
（ii）また、減圧蒸気室に複数の熱交換器が設けられた場合であって、過量の燃焼熱によって熱媒水の沸騰が生じた場合、熱媒水の飛沫が熱交換器の表面に付着し、熱交換器の効率ムラをきたす可能性があった。特に、燃焼排ガスの燃焼熱を水管群によって減圧蒸気室に気相の熱媒水を形成される構成を有する場合には、内径の小さな水管からの噴出しによって、液面よりも高い位置の熱交換器まで高温の飛沫が付着し、効率ムラをきたす可能性が強くなる。

本発明の目的は、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を効率的に回収して所望の加温水を供給するとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇や加温水の過熱を防ぎ、破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することにある。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す真空式温水器によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、真空式温水器であって、
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記燃焼室の下部に配設され、前記上部水管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部が配設される上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部が配設される下部熱交換空間が形成される熱交換ユニットと、を有し、
停止時の液相の熱媒体の水位を基準水位とし、前記熱交換ユニット内部における、少なくとも基準水位よりも上方の前記上部熱交換空間の断面積が、前記上部水管群内部の総断面積よりも大きいことを特徴とする。

既述のように、真空式温水器においては、燃焼排ガスの燃焼熱の効率的な回収が大きな課題になる。本発明は、燃焼熱の回収に際して、燃焼排ガスと回収に利用する熱媒体とをより接触面積の大きな水管群を介して熱交換させることによって、高い熱交換効率の確保を図った。また、真空式温水器においては、用いた熱媒体の温熱を効率的に利用して加温水を作製することが課題になる。本発明は、熱媒体の温熱の利用に際して、熱媒体と加温の対象となる供給水とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、熱媒体の潜熱のみならず顕熱まで吸熱することができ、非常に高い熱交換効率を得ることができる。さらに、熱媒体の循環に伴う流通抵抗により生じる熱交換ユニット内部での熱媒体の水位の押し上げは、本来気相の熱媒体との熱交換を行う熱交換器に対し、液相の熱媒体との接触の可能性を発生させる。本発明は、熱交換ユニットが水位の変動の大きい本体ユニットと分離されるとともに、熱交換ユニットにおいて第２熱交換部への水位の影響を及ぼすことないように、上部熱交換空間の断面積を本体ユニット内の熱媒体の水位の変動量を吸収する大きさとし、第２熱交換部への水位の影響を吸収することができる。以上のような構成によって、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を、従前にない高い効率で回収して所望の加温水を供給することが可能になるとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することが可能となった。

また、本発明は、真空式温水器であって、
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記燃焼室の下部に配設され、前記上部水管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部が配設される上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部が配設される下部熱交換空間が形成される熱交換ユニットと、を有し、
停止時の液相の熱媒体の水位を基準水位とし、前記本体ユニットの基準水位よりも下部の前記上部水管群の内容積が、前記熱交換ユニットの基準水位よりも上部でかつ前記第２熱交換部よりも下部の内容積よりも小さいことを特徴とする。
上記のように、本体ユニット内部での熱媒体の水位の変化が、熱交換ユニットにおける第２熱交換部に影響しないような構成が、課題の１つとなる。本発明は、熱交換ユニットが水位の変動の大きい本体ユニットと分離されるとともに、こうした水位の変動に伴う熱交換ユニットにおける影響を、液相の熱媒体の容量によって捉え、第２熱交換部の下部に所定の空間を配設し、その内容積を本体ユニット内の基準水位よりも下部の上部水管群の内容積を超える大きさとした。つまり、前者は、熱交換ユニットにおいて基準水位よりも上部でかつ前記第２熱交換部よりも下部の内容積であり、後者は、本体ユニットにおける基準水位よりも下部の上部水管群の内容積に相当する。こうした構成によって、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を、従前にない高い効率で回収して所望の加温水を供給することが可能になるとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することが可能となった。

本発明は、上記真空式温水器であって、前記上部連通流路から移送される熱媒体の前記上部熱交換空間の入口近傍に、前記上部連通流路断面をカバーする大きさの板状体が配設されることを特徴とする。
本体ユニットの減圧蒸気室内における熱媒体は、上部連通流路を介して上部熱交換空間に移送され、第２熱交換器において供給水と熱交換し、凝縮・液化する。このとき、減圧蒸気室内における熱媒体には、小径の液滴や液相の飛沫が多く混在する可能性があり、第２熱交換器における気相の熱媒体の凝縮を妨げ、熱交換効率を悪化させるおそれがある。本発明は、上部熱交換空間の入口近傍に板状体を配設し、液滴や飛沫を含む熱媒体を衝突させ、大きな粒径の液滴や凝縮液を形成させた後、気相のみの熱媒体を第２熱交換器と接触させる構成とする。これによって、上部熱交換空間に設けられた第２熱交換器における気相の熱媒体と供給水との熱交換を非常に効率よく行なうとともに、第１熱交換器における液相の熱媒体と供給水との熱交換を非常に効率よく行なうことが可能となった。

本発明は、上記真空式温水器であって、前記本体ユニットが、前記燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、を備えることを特徴とする。
既述のように、真空式温水器においては、燃焼排ガスの燃焼熱の効率的な回収が大きな課題になる。本発明は、燃焼熱の回収に際して、燃焼排ガスと回収に利用する熱媒体とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、本体ユニットにおいて、上方に燃焼室、下方に対流室を配設して上方から下方に燃焼排ガスを流通させることによって、上方の高温条件と下方の低温条件を形成するとともに、熱媒体を下方から上方に流通させて各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に効率よく燃焼排ガスの燃焼熱を回収し、上方から気化させた熱媒体を取出すことを可能にした。熱交換ユニットにおける熱媒体による２段階の熱交換機能については、上記の通りである。以上のような構成によって、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を、従前にない高い効率で回収して所望の加温水を供給することが可能になるとともに、排ガスエコノマイザーのような直接排ガスと温水を熱交換させる設備を設けなくても高い効率を確保することができることから、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することが可能となった。

本発明は、上記真空式温水器であって、前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする。
上記のように、本発明に係る温水器の本体ユニットにおいては、２段階（於燃焼室と於対流室）の熱交換が、水管群あるいは煙管群によって行なわれる。このとき、燃焼室および対流室では、水管や煙管の位置によって水管群あるいは煙管群内の管同士の燃焼排ガスによる加熱状態に差が生じることがあり、燃焼室の水管から対流室水管あるいは煙管へ繋がった状態で、管内部を流通する熱媒体が連続的に流通すると、熱交換の効率バランスあるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。本発明は、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室の水管群でのより効率的な熱回収を確保することが可能となった。

本発明に係る真空式温水器の基本構成例（第１構成例）の停止時の状態を示す全体構成図 本発明に係る真空式温水器の基本構成例（第１構成例）の稼動時の状態を示す全体構成図 本発明に係る真空式温水器の上部熱交換空間の形態を例示する全体構成図 本発明に係る真空式温水器の第２構成例を示す全体構成図 従来技術に係る真空式温水ボイラの概略を例示する全体構成図

本発明に係る真空式温水器（以下「本温水器」という）は、以下の本体ユニットと熱交換ユニットを有する。本体ユニットは、燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、燃焼室の上部に配設され、上部水管群と接続する減圧蒸気室と、燃焼室の下部に配設され、上部水管群と接続する下部熱媒体室と、を備え、熱交換ユニットは、減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部が配設される上部熱交換空間と、下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部が配設される下部熱交換空間が形成される。

ここで、停止時の液相の熱媒体の水位を基準水位とし、熱交換ユニット内部における、少なくとも基準水位よりも上方の上部熱交換空間の断面積が、上部水管群内部の総断面積よりも大きいこと、あるいは本体ユニットの基準水位よりも下部の上部水管群の内容積が、熱交換ユニットの基準水位よりも上部でかつ第２熱交換部よりも下部の内容積よりも小さいことを特徴とする。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。

＜本温水器の基本構成例＞
本温水器の１つの実施態様として、その基本構成の概略を図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す（第１構成例）。図１（Ａ）は、本温水器の停止時の状態を例示し、図１（Ｂ）は、そのときの熱交換ユニット２０の断面を例示する。図２（Ａ）は、本温水器の稼動時の状態を例示し、図２（Ｂ）は、そのときの熱交換ユニット２０の断面を例示し、図２（Ｃ）は、そのときの燃焼室１のＡＡ断面を例示する。本温水器は、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０が上部連通流路Ｌｕおよび下部連通流路Ｌｂで連通され、熱媒体が、本体ユニット１０から上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送され、熱交換ユニット２０から下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。こうした熱媒体の循環的な動きによって、効率的な温熱移動を行うことができる。また、本体ユニット１０は、温熱源であり、かつ１次的伝熱の場である燃焼室１、減圧蒸気室４および下部熱媒体室５を有し、熱交換ユニット２０は、２次的伝熱の場であり、かつ温熱の放出端である第２熱交換部６、３次的伝熱の場である第１熱交換部７を有し、温熱移送の場である上部熱交換空間８と下部熱交換空間９を形成する。ここで、熱媒体は、通常市水等の水が利用される。

図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、本温水器の停止時においては、本体ユニット１０内部および熱交換ユニット２０内部の熱媒体は、基準水位Ｗｏで一定となる。本温水器の稼動に伴い、熱媒体は循環系を移送し、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、上部水管群での沸騰による気液混合状態の形成、第２熱交換部６における凝縮液の発生と下部熱交換空間への滴下を伴い、熱交換ユニット２０内部の熱媒体の水位が上昇し（稼動水位Ｗｍ）、本体ユニット１０内部の熱媒体との間で水位差（Ｗｄ）が生じる。つまり、燃焼熱によって熱媒体の移送が始まり、流通経路において流通抵抗が発生することによって、水位差が生じる。反面、このように生じた水位差Ｗｄによって、液相の熱媒体が、熱交換ユニット２０から下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０に移送される。従って、本温水器における熱媒体の移送は、自然循環系を利用しているといえ、循環系を形成する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と本体ユニット１０の水位によって規定され、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０の水位差は、系全体の流通抵抗によって規定され、各ユニット１０，２０の水位は、この循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。

ここで、熱媒体の水位差の発生とその影響を検証する。本体ユニット１０の上部水管群１ｂでは、熱媒体の沸騰によって気液混合状態が形成されるとともに、燃焼熱との熱交換効率を上げるために、上部水管群１ｂの水管として細管を用いることから、熱媒体の水管内の流通に伴い流通抵抗が生じる。また、こうした系全体の流通抵抗は、本体ユニット１０−熱交換ユニット２０間の熱媒体の循環に伴い、熱交換ユニット２０内部での熱媒体の実質的な水位を基準水位Ｗｏよりも押し上げる圧力を発生させ、本来気相の熱媒体との熱交換を行う第２熱交換器６に対し、液相の熱媒体との接触の可能性を発生させる。これに対し、本温水器は、後述するように、熱交換ユニット２０における上部熱交換空間８の（１）断面積Ｃあるいは（２）内容積Ｖを特定の条件に設定することによって、第２熱交換部６への水位の影響を低減することができる。

本温水器においては、燃焼器１において発生する温熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させ、さらに熱媒体を介して供給水に吸熱させるという２段階の熱交換が行なわれる。最初の熱媒体への温熱の移送段階は、本体ユニット１０において、向流的に熱交換が行なわれる。具体的には、燃焼室１での高温条件の熱交換が行われる。熱媒体から供給水への温熱の移送段階は、熱交換ユニット２０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれる。具体的には、上方に配設された第２熱交換部６での気相の熱媒体と供給水の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）と、下方に配設された第１熱交換部７での液相の熱媒体と供給水の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われる。つまり、熱エネルギーの循環系を形成する熱媒体の相変化を伴う加温機能、熱媒体による燃焼排ガスおよび供給水との交流的な２段階の熱交換機能によって、燃焼熱を本温水器の熱源として最大限利用し、本温水器の熱効率を向上させることができる。

〔本体ユニット〕
本体ユニット１０には、図２（Ａ）および（Ｃ）に例示するように、燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂ（前段水管群１ｅと後段水管群１ｆからなる）と上部排気部１ｃが備えられた燃焼室１が設けられる。燃焼室１では、別途供給された燃料と燃焼空気（図示せず）の燃焼反応により火炎１ｄが発生し、熱エネルギーの放射が行われる。これらの熱エネルギーは、複数の水管が配設された上部水管群１ｂ内を流通する熱媒体によって吸収される。つまり、燃焼排ガスの燃焼熱は、主として後段水管群１ｆを介して吸収され、火炎１ｄの放射熱エネルギーは、前段水管群１ｅを介して吸収される。このように、上部水管群１ｂを燃焼室１内に適切に配設することによって、効率よく吸熱させることができる。ここで、上部水管群１ｂを構成する水管は、循環系を流通する熱媒体の必要な移送量を得るために、定格負荷において水管出口部の蒸気流速が２〜６ｍ／ｓ程度になるように、水管の内径を設定することが好ましい。また、燃焼反応によって発生した燃焼排ガスは、減温されて（約１５０〜２００℃）排気部１ｃから排気される。

減圧蒸気室４は、減圧条件（例えば−０．１ＭＰａ）に維持された空間が形成される。つまり、本体ユニット１０および熱交換ユニット２０において気相あるいは液相の熱媒体が充たされる空間は、例えば真空ポンプ等によって減圧され、熱媒体の常圧での沸点よりも低い温度で気相の熱媒体を形成することができように構成される。このとき、上記のように、燃焼室１で発生した燃焼熱の多くは、上部水管群１ｂからの熱媒体を介して、減圧蒸気室４内の気相の熱媒体に移行される。また、気相の熱媒体の温度は、上部水管群１ｂの内部温度と殆どバラツキがないことが確認されている。上部水管群１ｂの内部を含む熱媒体の対流効果によるものである。このように、減圧蒸気室４では、減圧条件における熱媒体の温度を通常８０〜９０℃に加熱した状態（減圧沸騰した状態）で維持され、上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送される。

下部熱媒体室５は、下部連通流路Ｌｂを介して熱交換ユニット２０から還流される熱媒体を受け入れる。循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位によって規定され、上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位と熱交換ユニット２０内部の水位差は、循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位は、沸騰状態で気液混合状態であればその平均的水位が相当すると推定される。燃焼負荷率が増加すれば、循環系を流通する熱媒体の移送量が増加し、該流通抵抗も増加するとともに、水位差も増加する。

〔熱交換ユニット〕
熱交換ユニット２０は、第２熱交換部６が配設され、気相の熱媒体が存在する上部熱交換空間８と、第１熱交換部７が配設され、液相の熱媒体が存在する下部熱交換空間９が形成される。熱媒体の温熱の利用に際して、熱媒体と加温の対象となる供給水とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、熱媒体の潜熱のみならず顕熱まで吸熱することができ、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、上方から下方に本体ユニット１０において加熱された高温の熱媒体を流通させるとともに、上方に第２熱交換部６、下方に第１熱交換部７を配設して低温の供給水を下方から上方に流通させて向流的に各熱交換部６，７において熱交換させる。第２熱交換部６において、供給水が熱媒体の潜熱を吸熱して加温される一方、熱媒体は給熱によって凝縮する。第１熱交換部７において、供給水が液相の熱媒体からの顕熱を吸熱して加温される一方、熱媒体は給熱によって低温化する。こうした構成によって、非常に効率よく熱媒体の温熱を回収し、上方の第２熱交換部６から高温の加温水を取出すことを可能にした。このとき、第２熱交換部７で生成した熱媒体の凝縮液が、滴下して下部熱交換空間９の液相の一部を形成するとともに、第１熱交換部７をその液層内に浸漬させることによって、効率的な熱媒体の顕熱の吸熱が可能となった。また、上部熱交換空間８は、液相の熱媒体の稼動水面Ｗｍを確定し、維持する機能と同時に、本体ユニット１０内の液相の熱媒体の液面との水位差による本体ユニット１０への移送圧力の形成機能を有することによって、安定した熱媒体の循環系を形成することができる。

このとき、熱交換ユニット２０の上部空間部８ａにおける液相熱媒体の液面位置を正確に把握することが好ましい。本体ユニット１０内の液相の熱媒体の液面を正確に測定することは困難であることから、熱交換ユニット２０の液面位置を正確に把握することによって、水位差を正確に把握し、異常の有無を判断することができる。例えば、図２（Ａ）に例示するように、上部空間部８ａの上部に設けられた液面検知器Ｓによって検出することができる。液面検知器Ｓとしては、超音波式や電極式等を用いることができる。

具体的には、上部熱交換空間８に配設された第２熱交換部６において、高温（約８０〜９０℃）の気相の熱媒体と第２熱交換部６内部を流通する供給水（約４０〜５０℃）の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）が行なわれる。気相の熱媒体は、その潜熱を放出しながら第２熱交換部６の表面で凝縮し、液滴状の液相の熱媒体を形成する。凝縮した熱媒体は、所定の大きさに拡大した状態で、第２熱交換部６の上部から流下する熱媒体の流れに沿って下方の下部熱交換空間９へ落下し、貯留される。このとき、第２熱交換部６表面の液滴の残留は、第２熱交換部６の伝熱機能を阻害することから、上方から下部熱交換空間９への気相の熱媒体の流れによる液滴の落下を促進する機能は、第２熱交換部６の熱交換効率向上に対して有効である。

上部熱交換空間８には、本体ユニットが稼動する限りにおいて、常に気相の熱媒体が供給されることから、第２熱交換部６は、非常に安定な伝熱機能を有することができる。従って、供給水の吸熱機能も安定することから、非常に安定した温度の加温水を供給することができる。また、上部熱交換空間８は、第２熱交換部６において気相の熱媒体との熱交換が行なわれる範囲において、その形状・容積は問わない。第２熱交換部６において吸熱した供給水は、約７０〜８０℃に加温され、加温水として供出される。加温水は、給湯用や暖房用等の給温水等産業用の温水として使用される。また、供給水の供給量は、給水ポンプ（図示せず）による昇圧および絞り弁（図示せず）によって調整される。また供給水として使用する水は、通常市水等を用いることができる。

このとき、第２熱交換部６での高温気相の熱媒体と供給水との熱交換条件が、供出される最終の加温水の温度を決定することから重要な役割を担う。一方、第２熱交換部６表面への凝縮液の付着や凝縮液との接触は、第２熱交換部６での熱交換機能に大きな影響を与える。従って、本温水器は、第２熱交換部６が配設される上部熱交換空間８を、以下のような特有の条件によって構成していることを特徴とする。

（１）構成条件１（上部熱交換空間の断面積の設定）
図１（Ａ）に例示する構成において、上部熱交換空間８の断面積Ｃを設定することによって、第２熱交換部６の熱交換機能を確保する。つまり、基準水位Ｗｏよりも上方の上部熱交換空間８の断面積Ｃを、上部水管群１ｂ内部の総断面積よりも大きくすることを特徴とする。１つには、本体ユニット１０内部での水位の低下によって生じる液相の熱媒体の変化量（減少量）は、概ね上部水管群１ｂの総断面積と低下水位の積で表される一方、これに伴う熱交換ユニット２０内部での液相の熱媒体の変化量（増加量）は、上部熱交換空間８の断面積Ｃと上昇水位の積で表される。従って、上部熱交換空間の断面積Ｃを大きくし、上昇水位を抑えることすることによって、第２熱交換部６への水位の影響を低減することができる。

（２）構成条件２（上部熱交換空間の内容積の設定）
図１（Ａ）に示す構成において、第２熱交換部６よりも下部の内容積Ｖを設定することによって、第２熱交換部６での熱交換機能を確保する。つまり、本体ユニット１０の基準水位Ｗｏよりも下部の上部水管群１ｂの内容積が、熱交換ユニット２０の基準水位Ｗｏよりも上部でかつ第２熱交換部６よりも下部の内容積Ｖよりも小さいことを特徴とする。前者は、本体ユニット１０における水位の低下によって熱交換ユニット２０に移送される熱媒体の最大容量に相当し、後者は、熱交換ユニット２０における水位の上昇があっても第２熱交換部に影響を与えることがないよりも熱媒体の最大容積である。こうした構成によって、第２熱交換部６への水位の影響を吸収することができる。

ここで、上部熱交換空間８の構成について検証する。第２熱交換部６における気相の熱媒体と内部を流通する供給水との熱交換機能は、第２熱交換部６の周囲に高温で一定温度の気相の熱媒体の存在があれば、その上部の形状，容積は問わない。つまり、上部熱交換空間８は、上記のような気相の熱媒体の供給機能と水位の影響を吸収する機能があれば、基本的に、その上部の形状，容積は問わない。一方、上部熱交換空間８の容量は、その温度維持およびコンパクトな温水器の要請等から制限される。

こうした条件から、上部熱交換空間８は、図３（Ａ）〜（Ｆ）に例示するような種々の断面形状を有する形態を適用することができる。なお、以下における断面あるいは立体形状の表示は、広く全体形状として概ね該形状であることをいい、部分的な変形のみならず全体的な変形についても、これを排除するものではない。

（ａ）図３（Ａ）は、断面三角の上部熱交換空間８を示す。上部空間での熱媒体の比較的速い流れを生じさせ、かつ基準水位近傍の断面積Ｃを大きくするとともに、第２熱交換部６下部の内容積Ｖを確保することができる。合せて、上部熱交換空間８全体の空間容量を小さくすることができる。立体的には、三角錐状体あるいは三角柱状体を横に倒した形態等とすることができる。

（ｂ）図３（Ｂ）は、断面三角の下方に方形を加えた上部熱交換空間８を示す。上記（ａ）の形態に、下方に方形（立体的には円柱状体や楕円柱状体あるいは直方体状体）を付加することによって、（ａ）の特徴に加え、かつ第２熱交換部６下部の内容積Ｖをさらに大きくすることができる。

（ｃ）図３（Ｃ）は、断面逆三角の上方に方形を加えた上部熱交換空間８を示す。第２熱交換部６下部の内容積Ｖを確保するとともに、凝縮液の収集による迅速な稼動水位Ｗｍの確定を図り、水位差を大きくして自然循環系における熱媒体の移送機能を高くすることができる。立体的には、上記（ｂ）を上下逆にした形態等とすることができる。

（ｄ）図３（Ｄ）は、三角と逆三角の組み合わせた断面形状を有する上部熱交換空間８を示す。上記（ａ）と（ｃ）の形態を組み合わせることによって、両者の特徴を、その組み合わせた比率に応じて確保することができる。

（ｅ）図３（Ｅ）は、断面水滴状体の上部熱交換空間８を示す。上記（ｄ）の断面形状に曲率を付加することによって上部空間での熱媒体の比較的速い流れを生じさせ、かつ基準水位近傍の断面積Ｃを大きくするとともに、空間容量を小さくすることができる。立体的には、三角錐状体あるいは三角柱状体を横に倒した形態等とすることができる。

（ｆ）図３（Ｆ）は、上部熱交換空間８の熱媒体の入口近傍に、上部連通流路Ｌｕの断面をカバーする大きさの板状体Ｐが配設された構成例を示す。本体ユニットの減圧蒸気室内における熱媒体は、上部連通流路を介して上部熱交換空間に移送され、第２熱交換器において供給水と熱交換し、凝縮・液化する。このとき、減圧蒸気室内における熱媒体は、気相成分を主とするものの、上部水管群内での沸騰状態によっては、小径の液滴や液相の飛沫が多く混在する可能性がある。こうした液滴や飛沫を含む熱媒体は、第２熱交換器における気相の熱媒体の凝縮を妨げ、熱交換効率を悪化させるおそれがある。本温水器においては、上部熱交換空間の入口近傍に板状体を配設し、液滴や飛沫を含む熱媒体を衝突させることによって、こうした液滴や飛沫をより大きな粒径の液滴や凝縮液を形成させた後、気相のみの熱媒体を第２熱交換器と接触させる構成とする。これによって、上部熱交換空間に設けられた第２熱交換器における気相の熱媒体と供給水との熱交換を非常に効率よく行なうことができる。また、液状熱媒体の形成が妨げられることないことから、気相のみならず、第１熱交換器における液相の熱媒体と供給水との熱交換を非常に効率よく行なうことができる。

下部熱交換空間９に設けられた第１熱交換部７において、液相の熱媒体（約８０〜９０℃）と第１熱交換部７内部を流通する供給水（入口温度約２０〜３０℃）の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われる。下部熱交換空間９には、第２熱交換部６において凝縮した液相の熱媒体を含む循環系を流通する熱媒体が収集され、貯留される。貯留された液相の熱媒体は、下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。このとき、下部熱交換空間９は、液相の熱媒体の液面を確定し、維持する機能を有することによって、安定した熱媒体の循環系を形成することができる。

熱媒体の液層内に浸漬させる第１熱交換部７については、熱交換効率の高い種々の形態の熱交換器を使用することができる。第２熱交換部６については、熱交換効率が高いことに加え、気相の熱媒体が凝縮しやすい表面を有し、発生した液滴の迅速な凝集が可能で、凝縮液を迅速に落下させることができる構成が要求される一方、液層内の第１熱交換部７には、熱交換効率の高さを最優先とする構成を選択することができる。具体的には、Ｕ字形状の熱交換器のみならず、フィン付水管を用いた熱交換器やプレート式熱交換器等を適用することができる。

＜本温水器の第２構成例＞
ここで、本体ユニット１０が、図４（Ａ），（Ｂ）に例示するように、燃焼室１の下方に配設され、排ガス流通路２ａと下部水管群または煙管群（以下「下部水管群等」という）２ｂと下部排気部２ｃが備えられた対流室２と、上部排気部１ｃと排ガス流通路２ａとを接続する接続路３と、を備えることが好ましい（第２構成例）。燃焼器１において発生する燃焼熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させる最初の熱媒体への温熱の移送段階において、本体ユニット１０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれることによって、非常に高い燃焼熱の回収が可能となる。具体的には、上方に配設された燃焼室１での高温条件の熱交換と、下方に配設された対流室２での低温条件の熱交換が行われる。

〔本体ユニット〕
本体ユニット１０には、図４（Ａ）に例示するように、燃焼室１の下方に対流室２が設けられる。燃焼室１における機能は、第１構成例と同様である（以下、重複する説明を省略することがある）。燃焼室１において発生した燃焼熱は、複数の水管が配設された上部水管群１ｂ内を流通する熱媒体によって、効率よく吸熱させることができる。燃焼反応によって発生した燃焼排ガスは、減温されて（約１５０〜２００℃）排気部１ｃから排気され、断熱処理が施された接続路３を介して対流室２に給送される。

対流室２には、排ガス流通路２ａと下部水管群等２ｂと下部排気部２ｃが備えられる。接続路３を介して対流室２に給送された燃焼排ガスの燃焼熱は、燃焼排ガスが排ガス流通路２ａを流通する間に、複数の水管が配設された下部水管群等２ｂ内を流通する熱媒体によって吸収されるとともに、対流室２を囲むように隣接した熱媒体（下部熱媒体室５内や上部水管群１ｂ内部、あるいは後述する中間熱媒体室内の熱媒体）によって吸収される。また、下部水管群等２ｂに用いる水管あるいは煙管（以下「水管等」という）は、外周にフィンを配した中空菅を用いることが好ましい。フィンの伝熱面積を確保することができ、熱交換効率のさらなる向上を図ることができる。従って、排ガス流通路２ａを流通する燃焼排ガスは、効率よく吸熱された状態（約７０〜８０℃）で、下部排気部２ｃを介して対流室２から排出される。このように、燃焼室１および対流室２において、それぞれ異なる機能を有する２段階の熱交換によって、燃焼熱を非常に効率よく熱媒体に吸熱させることができる。

下部熱媒体室５は、下部連通流路Ｌｂを介して熱交換ユニット２０から還流される熱媒体を受け入れるとともに、対流室２との隔壁を介して排ガス流通路２ａ内の燃焼排ガスの燃焼熱を吸収する。下部熱媒体室５に受け入れられた熱媒体は、対流室２の下部水管群等２ｂへ移送される。

ここで、燃焼室１と対流室２の中間に、上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂを接続する中間熱媒体室２ｄを備えることが好ましい。燃焼室１と対流室２での２段階熱交換が、主として上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂによって行なわれる。このとき、これらの水管等の位置によって燃焼熱の吸熱条件に差が生じることがあり、上部水管群１ｂ内部と下部水管群等２ｂ内部を熱媒体が連続的に流通するように水管等を接続すると、水管同士あるいは水管等同士での差が、そのまま熱交換の効率バランスあるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。中間熱媒体室Ｓを備え、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室１の上部水管群１ｂでのより効率的な熱回収を確保することできる。

１０ 本体ユニット
２０ 熱交換ユニット
１ 燃焼室
１ａ 燃焼バーナ
１ｂ 上部水管群
１ｃ 上部排気部
１ｄ 火炎
１ｅ 前段水管群
１ｆ 後段水管群
２ 対流室
２ａ 排ガス流通路
２ｂ 下部水管群等
２ｃ 下部排気部
２ｄ 中間熱媒体室
３ 接続路
４ 減圧蒸気室
５ 下部熱媒体室
６ 第２熱交換部
７ 第１熱交換部
８ 上部熱交換空間
８ａ 上部空間部
９ 下部熱交換空間
Ｓ 液面検知器
Ｌｕ 上部連通流路
Ｌｂ 下部連通流路

Claims (5)

1. 燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記燃焼室の下部に配設され、前記上部水管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
   前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部が配設される上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部が配設される下部熱交換空間が形成される熱交換ユニットと、を有し、
   停止時の液相の熱媒体の水位を基準水位とし、前記熱交換ユニット内部における、少なくとも基準水位よりも上方の前記上部熱交換空間の断面積が、前記上部水管群内部の総断面積よりも大きいことを特徴とする真空式温水器。
2. 燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記燃焼室の下部に配設され、前記上部水管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
   前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされ、第２熱交換部が配設される上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされ、第１熱交換部が配設される下部熱交換空間が形成される熱交換ユニットと、を有し、
   停止時の液相の熱媒体の水位を基準水位とし、前記本体ユニットの基準水位よりも下部の前記上部水管群の内容積が、前記熱交換ユニットの基準水位よりも上部でかつ前記第２熱交換部よりも下部の内容積よりも小さいことを特徴とする真空式温水器。
3. 前記上部連通流路から移送される熱媒体の前記上部熱交換空間の入口近傍に、前記上部連通流路断面をカバーする大きさの板状体が配設されることを特徴とする請求項１または２記載の真空式温水器。
4. 前記本体ユニットが、前記燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空式温水器。
5. 前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする請求項４記載の真空式温水器。

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