JP2013160406A - 潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置 - Google Patents

Abstract

【技術課題】 ヒートパイプを用いた潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置において、熱効率の低下を防ぎ、実用的な装置とすること。
【解決手段】 潜熱回収用熱交換器３を主熱交換器２の燃焼排気ガス流路１４ａ内に設け、主熱交換器２と潜熱回収用熱交換器３間であって、燃焼排気ガス流路１４ａ内にヒートパイプ４のフィン付吸熱部５を位置させると共にフィン付放熱部６を前記潜熱回収用熱交換器３の下流側であって、排気管１５内に位置させることにより、燃焼排気ガス２ａの熱を排気中に移動させて排気管１５内及びその出口１５ａから排気される排気３aの温度を露点である４０℃以上に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主熱交換器を加熱した燃焼排気ガスの流路内に潜熱回収用の熱交換器を組み込んだ所謂潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置に関する。

潜熱回収型の燃焼機器は、高効率を実現し、省エネルギーの観点から特に瞬間湯沸器のような給湯器に多くに採用されている。

この潜熱回収型給湯器の例を図５に示す。この図５において、１は燃焼室１４内に組み付けられたガスバーナーであって、このガスバーナー１により発生した燃焼ガス１ａで燃焼室１４内の主熱交換器２を加熱し、主熱交換器２から出た燃焼排気ガス２ａで燃焼排気ガス流路１４a内の潜熱回収用熱交換器３を加熱し、この潜熱回収用熱交換器３から出た排気３ａは排気管１５を経由して出口１５ａから屋外に排出される。図中１３は潜熱回収用熱交換器３で発生した凝縮水を器外に排出するために設けられた凝縮水排出ラインである。

一方、給水ライン８から給水された水は、先に潜熱回収用熱交換器３に入り、ここで潜熱を回収して予備加熱されてから主熱交換器２内に入り、ここで約６０℃〜７０℃に加熱されて給湯ライン１０に入り、ここで給水ライン８から水温調整ライン１１で分岐された給水の一部が温度調整弁１２で混合され、この混合比を変えることにより設定温度に調整されてから出湯される。

このような構成の潜熱回収型給湯器の場合、主熱交換器２から出た約２００℃前後の燃焼排気ガス２ａは、潜熱回収用熱交換器３内において季節にもよるが約１８℃前後であって、冬期においては例えば７℃前後の給水と熱交換することから、潜熱回収用熱交換器３から排気管１５内に排出される排気３ａの温度は露点温度である４０℃以下まで低下する。

また、排気管１５内に排出された排気３ａの温度は、例え４０℃以上であっても、外気温が５℃以下となるような冬期においては排気管１５の出口１５ａに至るまでに４０℃以下に低下して結露し、その凝縮水で周辺のコンクリートや金属類の損傷を招く恐れがある。

そこで、従来は排気３ａの出口温度が４０℃以下に低下しないように潜熱回収用熱交換器３を設計したり、排気管１５を断熱保温材で被覆したりしているが、前者においては熱効率が悪くなり、後者においてはコストが上昇し、更に給排気を二重管で行う所謂ＦＦ型の機器においては、内管側が排気管となるため、この内管を断熱保温材で被覆することはできず、仮に被覆すると給気管となる外管の径を大きくしなければならないという問題がある。

また、排気管１５における結露と凝縮水対策として、約２００℃の燃焼排気ガス２ａの一部を潜熱回収用熱交換器３をバイパスして排気管１５内に導入するバイパス管を取り付けることにより、排気管１５及びこの出口１５aから排出される排気の温度が４０℃以下に低下しないように構成する提案がある。

しかし、この燃焼排気ガス２ａの一部をバイパスさせる案は、給湯器内にバイパス管を組み込むことが必要なため、給湯器内が複雑になると共に製作コストも上昇し、更に小型化が求められている給湯器においては大型化してしまうという問題がある。

そこで、前記のような燃焼排気ガス２ａをバイパスさせる案ではなく、ガスバーナ１が位置する燃焼室１４内と排気管１５間内をヒートパイプで結び、燃焼室１４内で吸熱した熱を排気管１５内で放出し、このヒートパイプサイクルを利用して排気３ａが露点以下に低下するのを防ぐという提案が特許文献１（特開２００５−３３７５７５号公報）において紹介されている。

しかし、このヒートパイプを利用する方式は、燃焼室１４内にヒートパイプの吸熱部を位置させるため、吸熱部は燃焼室１４内においてバーナ１で発生した１，０００℃以上の燃焼ガスに晒されることから、耐久性に問題が発生すると共に、ヒートパイプ内に封入する作動液にも問題が発生する。

特開２００５−３３７５７５号公報

本発明は、かかる点に鑑みて提供されるものであって、ヒートパイプサイクルを利用して排気流路内において排気中の水蒸気成分が凝縮し、凝縮水が発生するのを防止する方式において、ヒートパイプの耐久性に関する問題点を解消すると共に熱効率の低下の少ない潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ヒートパイプを利用して排気の温度を露点以上に維持する点は特許文献１の場合と同じであるが、ヒートパイプの吸熱部を高温に晒される燃焼室内ではなく、主熱交換器から排出される約２００℃前後の燃焼排気ガス中に位置させて前記した高温による耐久性と熱効率の低下及び作動液に関する問題点の解消を図るように構成した点に特徴がある。

具体的には、潜熱回収型燃焼機器において、潜熱回収用熱交換器の入口側であって燃焼排気ガス流路内にヒートパイプの吸熱部を位置させ、このヒートパイプの放熱部を潜熱回収用熱交換器の出口側であって、排気流路内に位置させることにより、燃焼排気ガスの熱を排気中に熱移動させて排気の温度を排気流路内及びこの出口において４０℃以上に維持するように構成した。

使用するヒートパイプの数は、熱移動が少量でも済む場合には１本でも有効であるが、複数本を用いて移動熱量を多く設定しても良い。

但し、この熱の移動量を多くすると、潜熱回収用熱交換器を加熱する燃焼排気ガスの熱量が減り、この分熱効率が低下するため、排気温が排気流路の出口で４０℃以下にならないギリギリの温度に設計することが重要である。

例えば、冬期であっても、最低気温が例えば５℃以下になることはない地方と、−１０℃以下になる地方では、排気流路が受ける熱負荷には大きな開きがあり、−１０℃以下になるような地方での使用を考慮した場合にはヒートパイプの数を例えば１０本併設して熱の移動量が多くなるように構成する。

また、ヒートパイプは、吸熱部と放熱部にフィンを取り付けて吸熱と放熱効率を高めるように構成しても良く、更に、ヒートパイプを複数本利用する場合には、燃焼排気ガスの流路と排気流路の断面形状に合わせて、吸熱分布と放熱分布が均一化するように吸熱部と放熱部の位置に段差を設けるように構成しても良い。

本発明は以上のとおり、潜熱回収型燃焼機器において、ヒートパイプの吸熱部を２００℃前後の燃焼排気ガス中に位置させたことにより、熱効率を低下させることなく確実に排気の結露を防止することができる。

また、ヒートパイプの吸熱部は例えば１，０００℃以上の燃焼ガス中ではなく、約２００℃前後の燃焼排気ガス中に位置させることにより、特許文献１の場合のようにヒートパイプの耐久性に問題が発生するのを防止できると共に熱効率の低下を防ぎ、更に作動液は現在実用化されている代替フロン等を利用したヒートパイプの利用も可能である。

本発明を実施した潜熱回収型燃焼機器（給湯器）の説明図。 （Ａ）〜（Ｃ） ヒートパイプを複数本並列させた実施例であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、Ｃは側面図。 複数本のヒートパイプの吸熱部と放熱部に段差を設けた実施例の説明図。 本発明の性能実験を行った結露防止装置の説明図。 従来の潜熱回収型燃焼機器の説明図。

請求項１に記載した本発明の実施例を図１に基いて詳細に説明する。符号の１は、給湯器における燃焼室１４内のガスバーナであって、給湯器は前記ガスバーナ１で燃焼ガス１ａを発生させ、この燃焼ガス１ａで燃焼室１４内の主熱交換器２内を流動する予熱された給水を加熱し、温度調整弁１２で水温調整ライン１１から分岐された水の一部と混合し、この混合比で、設定温度である例えば４２℃の温水を出湯ライン１０から出湯する。

３は潜熱回収用熱交換器であって、前記主熱交換器２から排出された約２００℃の燃焼排気ガス２ａの熱で給水ライン８から給水された水を予備加熱し、この予備加熱された水は予熱給水ライン９を経由して前記主熱交換器２内に入り、ここで約６０℃〜７０℃に加熱されたのち、温度調整弁１２で給水の一部が混合されて例えば設定温度である４２℃に調整されて出湯ライン１０から出湯される。

潜熱回収用熱交換器３から排気管（排気流路）１５内に排出された排気３ａは、排気管１５の排気口１５ａから屋外に排出される。

４は結露防止装置としてのヒートパイプであって、このヒートパイプ４の吸熱部５は前記主熱交換器２と潜熱回収用熱交換器３間の燃焼排気ガス２ａ中に位置し、放熱部６は潜熱回収用熱交換器３の出口側の排気管１５内に位置し、主熱交換器２から排出された約２００℃の燃焼排気ガス２ａの熱を吸熱部５で吸熱し、ヒートパイプサイクルにより放熱部６からの放熱で潜熱回収用熱交換器３から排気管１５内に排出された排気３ａを排気管１５の出口１５ａで露点以下に低下しないように加熱する。

５ａはヒートパイプ４の吸熱部５に一体的に取り付けられた吸熱フィン、６ａは放熱部５に一体的に取り付けられた放熱フィンであって、このフィン５ａ、６ａは吸熱及び放熱率を高めることを目的としている。

但し、この吸熱フィン５ａと放熱フィン６ａは、本発明においては必須のものではなく、負荷によっては取り付けなくても良い。

図１において、１３は潜熱回収用熱交換器３に付着した結露水を中和して器外に排出するために設けられた凝縮水ラインである。

図４は上記した給湯器の燃焼をテストするためのモデルを示すもので、ここでは、ヒートパイプ４は図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように口径８ｍｍ、長さ１５０ｍｍのヒートパイプを１０本束ねた構成からなり、ヒートパイプ４の吸熱部５側と放熱部６側に、それぞれ板厚０．３ｍｍ、大きさ５０ｍｍ×２１０ｍｍの銅製のフィン５ａと６ａを３ｍｍ間隔で各々１０枚ろう付けした構成のものを用いた。

その結果、排熱回収用熱交換器３を出た排気３ａは、その温度が出口１５ａで露点温度以上に上昇し、相対湿度の約３０％の排気３ａが、再加熱後の排気管１５の出口１５ａでは約１０％まで下がり、排気管１５、および排気管出口１５ａで冷やされることによる結露水の生成は認められなかった。

表１にその実験結果を表示する。

上記表１から、図４で示すヒートパイプ４の吸熱部５が位置する燃焼排気ガス２ａの温度（主熱交換器２の出側燃焼排気ガス温度）は１７６．１℃で、ヒートパイプ４の吸熱部５の直後の燃焼排気ガス２ａの温度は１４６．６℃であることから、燃焼排気ガス２ａ中からヒートパイプ４の吸熱部５で２９．５℃吸熱されたことが解る。

そして、ヒートパイプ４の放熱部６の入口側の燃焼排気ガス２ａの温度は６６℃で、この６６℃の排気ガス３ａの温度は、ヒートパイプ４の放熱部６から放出された前記２９．５℃の熱で加熱されて９６．２℃に昇温されていることが解る。

この結果、９６．２℃の排気３ａは、排気管１５の出口１５ａにおいて、外気温度に拘らず結露の心配はない。

本実施例２は、請求項２，４に記載の発明に対応するもので、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すようにヒートパイプ４を複数本並列させると共に全体のヒートパイプ４の吸熱部５と放熱部６にフィン５ａ、６ａを一体に形成した内容であって、具体的には８ｍｍ径のヒートパイプ４を１０本並べ、これに板厚０．３ｍｍのフィンを３．０ｍｍピッチで吸熱部５に１０枚、放熱部６に１０枚一体的にろう付けしたもので、このヒートパイプ４の吸熱部５は排気ガス２ａの流路１４内に、放熱部６は排気管１５内に組み付けられる。図中１６は燃焼排気ガス流路１４内を上下に区画している仕切板で、下側が主熱交換器２から排出された高温の燃焼排気ガス２ａの流路、上側が潜熱回収用熱交換器３から排出された排気３ａの流路である。

本実施例３は、請求項３に記載の発明に対応するもので、実施例２との違いは、各ヒートパイプ４を段違いに並列させ、吸熱部５と放熱部６の位置分布をそれぞれ換えることにより、吸熱および放熱域（レベル）に変化をつけて効率的な熱の吸収と放熱を図るように構成したものである。

１ ガスバーナ
２ 主熱交換器
３ 潜熱回収用熱交換器
４ ヒートパイプ
５ 吸熱部
６ 放熱部
５ａ 吸熱フィン
６ａ 放熱フィン
８ 給水ライン
９ 予熱給水ライン
１０ 出湯ライン
１１ 温度調整ライン
１２ 調整弁
１３ 凝縮水ライン
１４ 燃焼排気ガス流路
１５ 排気管
１５ａ 排気管出口
１６ 仕切板

Claims (4)

1. 燃焼排気ガス流路内に潜熱回収用熱交換器を組み込んでなる潜熱回収型燃焼機器において、前記燃焼排気ガス流路内であって、前記潜熱回収用熱交換器の入口側にヒートパイプの吸熱部を位置させると共に放熱部を前記潜熱回収用熱交換器の出口側であって排気流路内に位置させることにより、ヒートパイプサイクルを利用して燃焼排気ガスの熱を排気流路側に熱移動させて前記排気流路内及びこの出口から排出される排気温度を露点以上に維持して排気中の水蒸気成分が排気流路内において結露するのを防止するように構成してなる潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置。
2. 前記請求項１において、ヒートパイプは１本又は複数本併用するように構成してなる潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置。
3. 前記請求項２において、ヒートパイプの吸熱部と放熱部に段差をつけて流路内に位置させることにより、燃焼排気ガス流路内の広い位置で吸熱を行い、併せて排気流路内において広い位置で放熱を行うように構成してなる潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置。
4. 前記請求項２又は３において、ヒートパイプの吸熱部と放熱部にそれぞれフィンを取り付けて吸熱及び放熱効率を高めるように構成してなる潜熱回収型燃焼機器における排気の結露防止装置。

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