JP2015117884A - Water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料が燃焼されて発生する燃焼ガスを高温源とし、且つ給水を低温源とする熱電モジュールを備えた発電ユニットと、前記発電ユニットを経た前記燃焼ガスから給水に授熱する熱交換器とを備えた水加熱装置に関する。 The present invention relates to a power generation unit including a thermoelectric module using a combustion gas generated by burning fuel as a high-temperature source and a water supply as a low-temperature source, and heat exchange for transferring heat from the combustion gas passing through the power generation unit to the water supply The present invention relates to a water heating device provided with a vessel.
従来の水加熱装置として、下記の特許文献1には、バーナで燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスが流れる筐体内に、燃焼ガスを高温源とし、且つ給水を低温源とする熱電モジュールを備えた発電ユニットと、その発電ユニットを経た燃焼ガスから給水に授熱する熱交換器とを備えた水加熱装置が開示されている。
この筐体内には、給水が流れる管部材が設けられ、その管部材の外周に熱交換器と熱電モジュールとが設けられている。そして、管部材において熱交換器が熱電モジュールより給水の流れの上流側に設けられ、熱交換器において燃焼ガスとの熱交換により加熱された後の比較的温度の高い給水が熱電モジュールに供給されるように構成されている。
この熱電モジュールは、管部材を中心として管部材の軸方向に沿って中空円筒形状に形成され、その外周面を筐体内を流れる燃焼ガスによって加熱される高温側面とし、その内周面を、管部材を流れる給水によって冷却される低温側面として、高温側面と低温側面との温度差によって発電するものである。
As a conventional water heating device, Patent Document 1 below includes a thermoelectric module that uses combustion gas as a high-temperature source and water supply as a low-temperature source in a casing in which combustion gas generated by burning fuel with a burner flows. There is disclosed a water heating device including a power generation unit and a heat exchanger for transferring heat to combustion water from combustion gas that has passed through the power generation unit.
In this housing | casing, the pipe member through which water supply flows is provided, and the heat exchanger and the thermoelectric module are provided in the outer periphery of the pipe member. In the pipe member, a heat exchanger is provided on the upstream side of the flow of feed water from the thermoelectric module, and relatively high temperature feed water after being heated by heat exchange with the combustion gas in the heat exchanger is supplied to the thermoelectric module. It is comprised so that.
This thermoelectric module is formed in a hollow cylindrical shape along the axial direction of the tube member with the tube member as the center, and its outer peripheral surface is a high temperature side surface heated by the combustion gas flowing in the housing, and its inner peripheral surface is the tube As a low temperature side surface cooled by the feed water flowing through the member, power is generated by a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface.
特許文献1に開示の従来の水加熱装置では、熱電モジュールが、その軸方向を燃焼ガスの流れ方向に対して垂直方向に沿わせて配置されているので、燃焼ガスの流れ方向の上流側の外周面部分では熱伝達率が比較的高くなるが、下流側の外周面部分では熱伝達率が極端に低くなる。このため、熱電モジュールの高温側面としての外周面の温度を均一に上昇させることが困難であった。更に、熱電モジュールが中空円筒形状に形成されているので、内周面の面積が外周面の面積に比べて小さくなる。このため、低温側面である内周面の温度を十分に低下させることが困難であった。これらのことから、特許文献1に開示の従来の水加熱装置では、熱電モジュールの外周面と内周面との温度差が小さくなり、熱電モジュールの発電効率が低くなるという問題があった。 In the conventional water heating apparatus disclosed in Patent Document 1, since the thermoelectric module is arranged with its axial direction perpendicular to the flow direction of the combustion gas, it is upstream of the flow direction of the combustion gas. The heat transfer coefficient is relatively high at the outer peripheral surface portion, but the heat transfer coefficient is extremely low at the outer peripheral surface portion on the downstream side. For this reason, it has been difficult to uniformly increase the temperature of the outer peripheral surface as the high temperature side surface of the thermoelectric module. Furthermore, since the thermoelectric module is formed in a hollow cylindrical shape, the area of the inner peripheral surface is smaller than the area of the outer peripheral surface. For this reason, it has been difficult to sufficiently reduce the temperature of the inner peripheral surface which is the low temperature side surface. For these reasons, the conventional water heating apparatus disclosed in Patent Document 1 has a problem that the temperature difference between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the thermoelectric module is reduced, and the power generation efficiency of the thermoelectric module is reduced.
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、熱電モジュールの高温側面と低温側面との温度差を十分に拡大して、高い発電効率を得ることができる水加熱装置を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such a point, and its purpose is to sufficiently expand the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric module and obtain a high power generation efficiency. Is to provide.
この目的を達成するための本発明に係る水加熱装置は、
燃料が燃焼されて発生する燃焼ガスを高温源とし、且つ給水を低温源とする熱電モジュールを備えた発電ユニットと、前記発電ユニットを経た前記燃焼ガスから給水に授熱する熱交換器とを備えた水加熱装置であって、その特徴構成は、
前記発電ユニットに、前記熱電モジュールの低温側面に接し且つ、前記熱電モジュールとは反対側の面に前記給水が通流する給水流路を形成する給水流路部材と、前記熱電モジュールの高温側面に接し且つ、前記熱電モジュールとは反対側の面に前記燃焼ガスが通過する燃焼ガス通過路を形成する燃焼ガス通過部材とを備えて構成し、
前記熱電モジュールの高温側面及び前記燃焼ガス通過路を、バーナから発生する前記燃焼ガスの流れ方向に沿って形成するとともに、
前記燃焼ガス通過部材に、前記燃焼ガスの流れ方向に沿った姿勢で前記熱電モジュール側から前記燃焼ガス通過路に向けて櫛歯状に立設形成された複数の受熱フィンを設けた点にある。
The water heating apparatus according to the present invention for achieving this object is as follows:
A power generation unit including a thermoelectric module using a combustion gas generated by burning fuel as a high-temperature source and a water supply as a low-temperature source, and a heat exchanger for transferring heat from the combustion gas passing through the power generation unit to the water supply Water heater, and its characteristic configuration is
A water supply channel member that forms a water supply channel through which the water supply flows on a surface opposite to the thermoelectric module and that contacts the low temperature side surface of the thermoelectric module, and a high temperature side surface of the thermoelectric module. And a combustion gas passage member that forms a combustion gas passage through which the combustion gas passes on a surface opposite to the thermoelectric module;
Forming the hot side of the thermoelectric module and the combustion gas passage along the flow direction of the combustion gas generated from a burner;
The combustion gas passage member is provided with a plurality of heat receiving fins standing in a comb shape from the thermoelectric module side toward the combustion gas passage in a posture along the flow direction of the combustion gas. .
上記水加熱装置の特徴構成によれば、給水流路部材を備えることにより、熱電モジュールの低温側面を比較的低温の給水で均一且つ十分に冷却してその温度を低下させることができる。
一方、燃焼ガス通過部材を備えることにより、熱電モジュールの高温側面を燃焼ガスにより均一に加熱してその温度を上昇させることができる。また、燃焼ガス通過部材に形成された燃焼ガス通過路が、燃焼ガスの流れ方向に沿って形成されるとともに、燃焼ガスの流れ方向に沿って複数の受熱フィンが櫛歯状に立設形成されているので、燃焼ガスの流れを阻害することなく受熱フィンの間を通過させることができる。よって、燃焼ガスの圧力損失の増加を抑制しながら、燃焼ガスの熱を受熱フィンによって良好に回収することができる。そして、熱電モジュールの高温側面も燃焼ガスの流れ方向に沿って形成されるので、燃焼ガスから回収した熱によって、熱電モジュールの高温側面を均一且つ十分に加熱してその温度を上昇させることができる。
よって、熱電モジュールの高温側面と低温側面との温度差を十分に拡大して、高い発電効率を得ることができる。
According to the characteristic configuration of the water heating device, by providing the water supply flow path member, the low-temperature side surface of the thermoelectric module can be uniformly and sufficiently cooled with relatively low-temperature water supply to lower the temperature.
On the other hand, by providing the combustion gas passage member, the high temperature side surface of the thermoelectric module can be uniformly heated by the combustion gas and the temperature can be raised. A combustion gas passage formed in the combustion gas passage member is formed along the flow direction of the combustion gas, and a plurality of heat receiving fins are erected in a comb-tooth shape along the flow direction of the combustion gas. Therefore, it is possible to pass between the heat receiving fins without hindering the flow of the combustion gas. Therefore, the heat of the combustion gas can be recovered satisfactorily by the heat receiving fin while suppressing an increase in the pressure loss of the combustion gas. And since the high temperature side surface of the thermoelectric module is also formed along the flow direction of the combustion gas, the heat recovered from the combustion gas can uniformly and sufficiently heat the high temperature side surface of the thermoelectric module to increase its temperature. .
Therefore, the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric module can be sufficiently expanded to obtain high power generation efficiency.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記給水流路部材が前記燃焼ガスの流れ方向に沿った偏平状に形成されると共に、当該給水流路部材の両側に一対の前記熱電モジュール及び一対の前記燃焼ガス通過部材が設けられている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
The water supply channel member is formed in a flat shape along the flow direction of the combustion gas, and a pair of the thermoelectric modules and a pair of combustion gas passage members are provided on both sides of the water supply channel member. It is in.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、給水流路部材が燃焼ガスの流れ方向に沿った偏平状に形成されているので、燃焼ガスの流れが妨げられて圧力損失が増加することを抑制することができる。更に、給水流路部材の両外側に一対の熱電モジュールが設けられ、更に、その一対の熱電モジュールの両外側に一対の燃焼ガス通過部材が設けられているので、一対の熱電モジュールの冷却側面及び高温側面をできるだけ広いものにして、それら広い冷却側面及び高温側面を良好に冷却又は加熱して、発電出力を拡大することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, since the feed water flow path member is formed in a flat shape along the flow direction of the combustion gas, the flow of the combustion gas is hindered from increasing the pressure loss. be able to. Furthermore, since a pair of thermoelectric modules are provided on both outer sides of the water supply flow path member, and further, a pair of combustion gas passage members are provided on both outer sides of the pair of thermoelectric modules, the cooling side surfaces of the pair of thermoelectric modules and It is possible to expand the power generation output by making the high temperature side as wide as possible and cooling or heating the wide cooling side and the high temperature side well.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記バーナが、燃焼ガス流路の横断方向に複数の火炎孔を備えると共に、前記複数の火炎孔のうちの前記横断方向における中央部分に位置する中央火炎孔のみに火炎を形成する部分出力運転を実行可能に構成され、
前記発電ユニットが、前記中央部分の上方に配置されている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
The burner is provided with a plurality of flame holes in the transverse direction of the combustion gas flow path, and a partial output operation in which a flame is formed only in a central flame hole located in a central portion in the transverse direction of the plurality of flame holes. Configured to run,
The power generation unit is located above the central portion.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、部分出力運転においては、燃焼ガス流路の横断方向における中央部分の中央火炎孔のみに火炎が形成されて、当該中央部分をバーナの燃焼ガスが上昇して、その上方の中央部分に配置された発電ユニットに到達する。そして、その中央部分を上昇して発電ユニットに到達した燃焼ガスは、水流路部材の両外側に配置された一対の燃焼ガス通過部材側に均等に分配されて、当該一対の燃焼ガス通過部材の夫々に形成された燃焼ガス通過路に流入する。よって、夫々の燃焼ガス通過路を通過する燃焼ガスは、その内側の熱電モジュールの高温側面に沿って良好に通過することになるので、当該熱電モジュールの高温側面を一層均一且つ十分に加熱することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, in the partial output operation, a flame is formed only in the central flame hole of the central portion in the transverse direction of the combustion gas flow path, and the combustion gas of the burner rises in the central portion. Thus, the power generation unit arranged in the upper central portion is reached. The combustion gas that has moved up the central portion and reached the power generation unit is evenly distributed to the pair of combustion gas passage members disposed on both outer sides of the water flow path member, and the pair of combustion gas passage members. It flows into the combustion gas passage formed in each. Therefore, the combustion gas passing through each combustion gas passage way passes well along the high temperature side surface of the thermoelectric module on the inside, so that the high temperature side surface of the thermoelectric module is more uniformly and sufficiently heated. Can do.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記燃焼ガス通過部材が、前記燃焼ガス通過路の外側に外側壁を有すると共に、前記受熱フィンの先端側と前記外側壁との間に隙間が形成されている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
The combustion gas passage member has an outer wall on the outer side of the combustion gas passage, and a gap is formed between the front end side of the heat receiving fin and the outer wall.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、燃焼ガス通過路の外側に設けられた外側壁によって、燃焼ガス通過路の受熱フィンの間を通過する燃焼ガスが燃焼ガス通過路の外に流出することを防止することができる。また、受熱フィンの先端側と外側壁との間に隙間が形成されているので、受熱フィンで回収された熱が、受熱フィンの先端側と外側壁との間に形成された隙間によって、外側壁に伝熱して放熱されることを防止して、受熱フィンで回収された熱により熱電モジュールの高温側面を十分に加熱することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, the combustion gas passing between the heat receiving fins of the combustion gas passageway flows out of the combustion gas passageway by the outer wall provided outside the combustion gas passageway. Can be prevented. In addition, since a gap is formed between the front end side of the heat receiving fin and the outer wall, the heat recovered by the heat receiving fin is outside by the gap formed between the front end side of the heat receiving fin and the outer wall. It is possible to prevent the heat from being transferred to the wall and dissipated, and the high temperature side surface of the thermoelectric module can be sufficiently heated by the heat recovered by the heat receiving fins.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記発電ユニットにおいて、前記熱電モジュールの周囲に分散配置され、前記給水流路部材と前記燃焼ガス通過部材とを締結する複数の連結ボルトが備えられた点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
The power generation unit is provided with a plurality of connection bolts that are distributed around the thermoelectric module and fasten the water supply flow path member and the combustion gas passage member.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、給水流路部材と燃焼ガス通過部材とを締結する複数の連結ボルトが、熱電モジュールの周囲に分散配置されているので、それら部材によって挟持される熱電モジュールの高温側面及び低温側面を、給水流路部材及び燃焼ガス通過部材に対して均一に密着させることができる。これにより、熱電モジュールの高温側面及び低温側面をより一層均一に加熱及び冷却することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, since the plurality of connecting bolts that fasten the water supply flow path member and the combustion gas passage member are distributed around the thermoelectric module, the thermoelectric module that is sandwiched by these members. The high temperature side surface and the low temperature side surface can be uniformly adhered to the feed water flow path member and the combustion gas passage member. Thereby, the high temperature side surface and low temperature side surface of the thermoelectric module can be heated and cooled more uniformly.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記給水流路部材の冷却側壁及び前記燃焼ガス通過部材の加熱側壁に、前記熱電モジュールが収容される収容凹部が形成され、
前記収容凹部の内周側面と前記熱電モジュールとの間に隙間が形成されている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
On the cooling side wall of the water supply flow path member and the heating side wall of the combustion gas passage member, an accommodation recess for accommodating the thermoelectric module is formed,
A gap is formed between the inner peripheral side surface of the housing recess and the thermoelectric module.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、熱電モジュールを、給水流路部材の冷却側壁及び燃焼ガス通過部材の加熱側壁に形成された夫々の収容凹部に収容することで、熱電モジュールが燃焼ガスに直接接触することを防止できる。これにより、熱電モジュールの低温側面の温度上昇を抑制することができる。さらに、収容凹部の内周側面と熱電モジュールとの間に隙間を形成することで、給水流路部材及び燃焼ガス通過部材の収容凹部の内周面が熱電モジュールに接触することを防止し、熱電モジュールの高温側面の温度低下及び低温側面の温度上昇を抑制することができる。結果、熱電モジュールの高温側面と低温側面との温度差の縮小による発電効率の低下を抑制することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, the thermoelectric module is housed in the respective housing recesses formed in the cooling side wall of the feed water flow path member and the heating side wall of the combustion gas passage member, so that the thermoelectric module is converted into combustion gas. Direct contact can be prevented. Thereby, the temperature rise of the low temperature side surface of a thermoelectric module can be suppressed. Furthermore, by forming a gap between the inner peripheral side surface of the housing recess and the thermoelectric module, the inner peripheral surface of the housing recess of the water supply flow path member and the combustion gas passage member is prevented from coming into contact with the thermoelectric module. The temperature decrease on the high temperature side of the module and the temperature increase on the low temperature side can be suppressed. As a result, a decrease in power generation efficiency due to a reduction in temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric module can be suppressed.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記受熱フィンの受熱面の面積が、前記燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向けて漸次増加されている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
The area of the heat receiving surface of the heat receiving fin is that the area gradually increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the combustion gas.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、燃焼ガスの流れ方向の下流側における燃焼ガスの温度低下による受熱量の低下を、受熱フィンの受熱面の面積を増加することで補うことができ、熱電モジュールの高温側面を、燃焼ガスの流れ方向においてより均一に加熱することができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, a decrease in the amount of heat received due to a decrease in the temperature of the combustion gas on the downstream side in the flow direction of the combustion gas can be compensated by increasing the area of the heat receiving surface of the heat receiving fin. The hot side of the module can be heated more uniformly in the direction of combustion gas flow.
本発明に係る水加熱装置の更なる特徴構成は、
前記熱電モジュールとして、高温用熱電モジュールと当該高温用熱電モジュールよりも作動温度が低い低温用熱電モジュールとが備えられ、
前記発電ユニットにおいて、前記燃焼ガスの流れ方向に沿って上流側から順に、前記高温用熱電モジュールと前記低温用熱電モジュールとが並設されている点にある。
A further characteristic configuration of the water heating device according to the present invention is as follows:
As the thermoelectric module, a high temperature thermoelectric module and a low temperature thermoelectric module having a lower operating temperature than the high temperature thermoelectric module are provided,
In the power generation unit, the high-temperature thermoelectric module and the low-temperature thermoelectric module are arranged side by side in order from the upstream side along the flow direction of the combustion gas.
上記水加熱装置の特徴構成によれば、発電ユニットにおいて、燃焼ガスの温度が上流側から下流側に向かって低下することに応じて、燃焼ガスの流れ方向の上流側に高温側面の作動温度が比較的高い高温用熱電モジュールを設け、下流側に高温用熱電モジュールよりも作動温度が低い低温用熱電モジュールを設けるので、上流側から下流側に向かって温度が低下する燃焼ガスによって、複数の熱電モジュールを使用して一層高い発電効率を得ることができる。 According to the characteristic configuration of the water heating device, in the power generation unit, the operating temperature of the high temperature side surface is increased upstream in the flow direction of the combustion gas in response to the temperature of the combustion gas decreasing from the upstream side toward the downstream side. Since a relatively high temperature thermoelectric module is provided and a low temperature thermoelectric module having a lower operating temperature than the high temperature thermoelectric module is provided on the downstream side, a plurality of thermoelectrics are generated by the combustion gas whose temperature decreases from the upstream side to the downstream side. Higher power generation efficiency can be obtained using the module.
以下、図面に基づいて、本発明に係る水加熱装置の実施形態について説明する。
図1に示す水加熱装置1は、筐体10の下方端部に、ガス燃料F(燃料の一例、例えば天然ガス系都市ガス13A)を燃焼させて燃焼ガスGを発生するバーナ8を備え、そのバーナ8で発生させた燃焼ガスGが筐体10内に形成された燃焼ガス流路40を上向きに通流する。
そして、その燃焼ガス流路40には、燃焼ガスGを高温源とし且つ給水Wを低温源とする熱電モジュール2を備えた発電ユニット3と、発電ユニット3を経た燃焼ガスGから給水Wに授熱する熱交換器11とが、バーナ8側から上方に向けて順に配置されている。
Hereinafter, an embodiment of a water heating device according to the present invention will be described based on the drawings.
The water heating apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a
The combustion
筐体10の上部には、燃焼ガスGを外部に排出する排出口9が設けられている。よって、バーナ8において発生した燃焼ガスGは、燃焼ガス流路40を流れ、発電ユニット3、熱交換器11を通過して、排出口9から筐体10の外部に排出される。また、発電ユニット3は、燃焼ガス流路40の横断方向において中央部分に配置されており、燃焼ガス流路40を通流する燃焼ガスGのうち、中央部分を通流する一部の燃焼ガスGが発電ユニット3に形成された燃焼ガス通過路7を通過し、外側を通過する残部の燃焼ガスGが発電ユニット3の外側に形成された外側通過路40aを通過することになる。
A discharge port 9 for discharging the combustion gas G to the outside is provided in the upper part of the
給水Wは、外部から供給される比較的低温の水であり、例えば常温の水道水とされる。この給水Wが流通する給水流路5が、発電ユニット3の給水流路5aと熱交換器11の給水流路5bとからなる。そして、外部から供給された給水Wは、給水流路5において上流側に配置された発電ユニット3の給水流路5aを通過した後に、給水流路5において下流側に配置された熱交換器11の給水流路5bを通過することで、燃焼ガスGとの熱交換により加熱され、この加熱された給水Wが給水流路5の下流側に接続された給湯部等に供給されて使用される。
熱交換器11は、内部に給水流路5bが形成される伝熱管を複数回折り返す状態で配置すると共に、その伝熱管の表面に複数のフィン11aを燃焼ガスGの流れに沿って配設した所謂フィンチューブ型熱交換器として構成されている。
The water supply W is relatively low-temperature water supplied from the outside, and is, for example, room temperature tap water. The
The
バーナ8には、ガス燃料供給路12を介してガス栓等からガス燃料Fが供給され、空気供給路13を介してシロッコファン14から燃焼用空気Aが供給される。
バーナ8は、第1バーナ部8a、第2バーナ部8b、第3バーナ部8cの3つのバーナ部を燃焼ガス流路40の横断方向に沿って順に並設して構成されている。即ち、燃焼ガス流路40の横断方向において、中央部分に第2バーナ部3bが配置され、その両側に第1バーナ部8a及び第3バーナ部8cが配置されることになる。そして、ガス燃料供給路12を介して供給されるガス燃料Fは各バーナ部8a、8b、8cに分配供給される。各バーナ部8a、8b、8cは、夫々、図1において紙面に垂直な方向に延びる長手形状に形成され、各バーナ部8a、8b、8cに設けられた火炎孔20も同様に長手形状に形成されている。また、長手形状とされる火炎孔20は、各バーナ部8a、8b、8cの夫々において図1における左右方向に2つ並んで設けられている。即ち、バーナ8の上面において、燃焼ガス流路40の横断方向に並ぶ6つの長手形状の火炎孔20が配置されていることになる。
The
The
ガス燃料Fが供給されるガス燃料供給路12には、ガス燃料Fの通流を断続する元ガス電磁弁17とガス燃料Fの供給量を調整するガス量調整弁18とが設けられ、各バーナ部8a、8b、8cに対して分岐後の各ガス燃料供給路12には、各バーナ部8a、8b、8cへのガス燃料Fの供給を断続調整することができるガス燃料供給調整弁15a、15b、15cが設けられている。
また、空気供給路13を介して供給される燃焼用空気Aも、各バーナ部8a、8b、8cに対して分配供給され、分岐後の各空気供給路13には、各バーナ部8a、8b、8cに対する燃焼用空気Aの供給を断続調整することができる空気供給調整弁16a、16b、16cが設けられている。
そして、これらガス燃料供給調整弁15a、15b、15cと空気供給調整弁16a、16b、16cとの開閉作動、ならびに、元ガス電磁弁17とガス量調整弁18との作動が、制御装置Sによって制御されるように構成され、更に、シロッコファン14の作動も、制御装置Sによって制御されるように構成されている。
よって、制御装置Sは、各弁の開閉状態を制御して、バーナ8の燃焼状態を制御することができる。そして、バーナ8での燃焼量を低下させる場合に、ガス燃料供給調整弁15a、15cと空気供給調整弁16a、16cとを閉状態として、ガス燃料供給調整弁15bと空気供給調整弁16bを開状態とするとともに、ガス量調整弁18によってガス燃料Fの流量を低下させ、シロッコファン14の供給空気量を低下させる。すると、バーナ8が、第2バーナ部8bの火炎孔20のみ、言い換えれば、燃焼ガス流路40の横断方向に並ぶ複数の火炎孔20のうちの横断方向における中央部分に位置する中央火炎孔20aのみに、火炎が形成される部分出力運転が実行される。
The gas
Further, the combustion air A supplied through the
The control device S performs the opening / closing operation of the gas fuel
Therefore, the control device S can control the combustion state of the
制御装置Sは、熱電モジュール2の発電電力を電気線28を介して取り込み、それを電源として利用して作動する。
また、熱電モジュール2の発電電力は、各弁13a〜13c、15a〜15c、17、18やシロッコファン14の動作に必要な電力としても利用される。熱電モジュール2の発電電力の余剰分については蓄電池19に一旦蓄えられ、その蓄電池19の蓄電電力が、熱電モジュール2で発電がおこなわれない起動時などの不足電力として利用される。これにより、水加熱装置1は、商用電源系統からの電力供給を最小限又は省略して運転することが可能となり、例えば停電時などにも運転することができる。
The control device S operates by taking in the electric power generated by the
The generated power of the
次に、発電ユニット3について説明する。
発電ユニット3は、図1及び図3に示すように、給水流路5aを備えた給水流路部材4の両側に一対の熱電モジュール2を配置し、更に、その一対の熱電モジュール2の両外側に一対の燃焼ガス通過部材6を配置して構成されている。そして、発電ユニット3は、燃焼ガス流路40の横断方向における中央部分に配置され、中央火炎孔20aの上方に位置する。以下に、発電ユニット3の熱電モジュール2、給水流路部材4及び燃焼ガス通過部材6について詳細に説明する。
Next, the
As shown in FIGS. 1 and 3, the
熱電モジュール2は、図2に示すように、P型熱電素子31及びN型熱電素子32からなる熱電素子対を複数直列に金属電極33で電気的に接続し、この直列回路の両端に位置する熱電素子31、32に、電気線28に接続された出力取り出し用の端子電極34を設けて構成されている。更に、これら複数の熱電素子31,32は、電気絶縁性及び良好な熱電導性をもつ材料(例えばアルミナ)により略正方形で平滑面を有するように形成された絶縁板35、36で挟んで固定されている。尚、本実施形態では、P型熱電素子31及びN型熱電素子32は、ビスマス・テルル系(Bi-Te系)の半導体材料で作られている。
As shown in FIG. 2, the
絶縁板35、36は、互いに平行となるように取り付けられており、例えば、絶縁板35の平滑面が高温側面2bとして、絶縁板36の平滑面を低温側面2aとすることで、高温側面2bと低温側面2aとの温度差によりP型熱電素子31及びN型熱電素子32からなる熱電素子対においてゼーベック効果により熱起電力が生じ、図2に示す矢印の向きの電流が発生するものである。ここで、熱電モジュール2に組み込まれる熱電素子対の数及び配置は、図2に示すものに限られず、必要となる発電電力等に応じて適宜変更されるものである。
そして、熱電モジュール2の高温側面2bが、バーナ8から発生して燃焼ガス流路40を流れる燃焼ガスGの流れ方向に沿った姿勢となるように、発電ユニット3が水加熱装置1に設けられている(図1参照)。
The insulating
Then, the
図3及び図5に示すように、給水流路部材4は、その低温側接触面4aが熱電モジュール2の低温側面2aに密着する状態で接し、且つ、熱電モジュール2と接する低温側接触面4aとは反対側の面である給水路面4bに給水Wが通流する給水流路5aが形成されている。また、この給水流路部材4は、燃焼ガス流路40の燃焼ガスGの流れ方向に沿った偏平状に形成されている。具体的には、給水流路部材4は、その外形が略直方体形状に形成され、最も面積の大きい面が燃焼ガス流路40の燃焼ガスGの流れ方向に沿って配置されるように形成されている。
また、図5及び図6に示すように、給水管25及び排水管26が給水流路部材4に接続されて、この給水管25により給水Wが給水流路部材4の内部に形成された給水流路5aに導入され、排水管26に給水流路5aを通過した給水Wが流出する。また、給水流路部材4の内部に形成される給水流路5aは、上部及び下部との間で複数回折り返しながら横方向に進む折返し流路として形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 5, the water
5 and 6, the
給水流路部材4には、給水流路部材4及び燃焼ガス通過部材6を連結する連結ボルト30が貫通する冷却部材貫通孔4cが、熱電モジュール2の低温側面2aが密着する低温側接触面4aの周囲に分散配置されて設けられている。また、給水流路部材4の低温側接触面4aが設けられた冷却側壁4dに、熱電モジュール2が収容される低温側収容凹部4eが形成されている。
The feed
燃焼ガス通過部材6は、図3及び図4に示すように、熱電モジュール2の高温側面2bに高温側接触面6aが密着する状態で接し且つ、熱電モジュール2と接する高温側接触面6aとは反対側の面である燃焼ガス通過路面6bに燃焼ガスGが通過する燃焼ガス通過路7が形成されている。
また、この燃焼ガス通過路7は、バーナ8から発生して燃焼ガス流路40を流れる燃焼ガスGの流れ方向に沿って形成されている。燃焼ガス通過路7には、燃焼ガスGの流れ方向に沿った姿勢で熱電モジュール2と接する高温側接触面6a側から燃焼ガス通過路7に向けて櫛歯状に立設形成された複数の受熱フィン27が設けられている。
さらに、燃焼ガス通過部材6には、連結ボルト30が貫通する加熱部材貫通孔6cが、熱電モジュール2の高温側面2bが密着する高温側接触面6aの周囲に分散配置されて設けられている。これに加え、燃焼ガス通過部材6の4隅において、燃焼ガス通過部材6同士を固定する固定ボルト50が貫通する固定用貫通孔6gが設けられている。
また、燃焼ガス通過部材6の高温側接触面6aが設けられた加熱側壁6dに、熱電モジュール2が収容される高温側収容凹部6eが形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the combustion
The
Further, the combustion
In addition, a high temperature
燃焼ガス通過部材6は、燃焼ガス通過路7の外側(受熱フィン27の先端側)に外側壁21を有する。この外側壁21は、受熱フィン27の先端と外側壁21との間に先端部隙間Eが形成される状態で燃焼ガス通過部材6に固定する。この先端部隙間Eによって、特に、バーナ8の中央火炎孔20aのみに火炎を形成する部分出力運転時では、外側通過路40aよりも燃焼ガス通過路7に集中的に高温の燃焼ガスGが流入するので、燃焼ガス通過路7の受熱フィン27によって受熱した熱が、外側壁21へ伝熱して燃焼ガス流路40側へ放熱されることを防止することができる。
また、外側壁21に設けられた外壁貫通孔21aは、貫通孔閉鎖板23によって閉鎖する。貫通孔閉鎖板23と外側壁21との間には貫通孔閉鎖板用ガスケット24が設けられている。これにより、燃焼ガス通過路7を流れる燃焼ガスGが、外壁貫通孔21aから流出することを防止することができる。
The combustion
Further, the outer wall through
図3〜図5に示すように、熱電モジュール2と給水流路部材4と燃焼ガス通過部材6とを連結して発電ユニット3を構成するために、熱電モジュール2の周囲に分散配置され、給水流路部材4と燃焼ガス通過部材6とを締結する複数の連結ボルト30が備えられている。この連結ボルト30を、給水流路部材4と一対の燃焼ガス通過部材6との間に一対の熱電モジュール2を挟む状態で、熱電モジュール2の周囲に分散配置して設けられている給水流路部材4の夫々の冷却部材貫通孔4cと一対の燃焼ガス通過部材6の夫々の加熱部材貫通孔6cとに貫通させて連結固定する。この際、夫々の連結ボルト30の締付圧力を調整して、熱電モジュール2の低温側面2a及び高温側面2bを、夫々、給水流路部材4の低温側接触面4a及び燃焼ガス通過部材6の高温側接触面6aと面全体が均一に接触するように連結固定する。
また、燃焼ガス通過部材6の4隅に設けられた固定用貫通孔6gに、固定ボルト50を貫通させて燃焼ガス通過部材6同士を固定する。その際、一対の燃焼ガス通過部材6の間にガスケット22を貫通させて固定する。
As shown in FIGS. 3 to 5, in order to connect the
Further, the fixing
このように連結固定されると、低温側収容凹部4eの低温側内周側面4fと高温側収容凹部6eの高温側内周側面6fとの位置が一致するように構成されており、低温側収容凹部4eと高温側収容凹部6eとによって形成される空間に熱電モジュール2が、低温側収容凹部4eの低温側接触面4aと高温側収容凹部6eの高温側接触面6aとに密着する状態且つ挟持される状態で収容される。また、このように収容された状態で、低温側収容凹部4eと高温側収容凹部6eの内周側面4f、6fと熱電モジュール2の側面2cとの間に側面部隙間Hが形成されている。この側面部隙間Hにより、熱電モジュール2の側面2cが、給水流路部材4及び燃焼ガス通過部材6によって冷却及び加熱されることが防止されている。
When connected and fixed in this way, the low temperature side inner
〔別実施形態〕
最後に、本発明の別実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、夫々単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(A)上記実施形態では、受熱フィン27の受熱面の面積が、燃焼ガスGの流れ方向の上流側から下流側に向かって一定の面積としたが、これに限らず、受熱フィン27の受熱面の面積が、燃焼ガスGの流れ方向の上流側から下流側に向けて漸次増加されていてもよい。
[Another embodiment]
Finally, another embodiment of the present invention will be described. Note that the configuration of each embodiment described below is not limited to being applied independently, and can be applied in combination with the configuration of other embodiments as long as no contradiction occurs.
(A) In the above-described embodiment, the area of the heat receiving surface of the
(B)上記実施形態では、発電ユニット3において、燃焼ガスGの流れ方向に沿って一つの熱電モジュール2を設けたが、これに限らず、熱電モジュール2として、高温用熱電素子と高温用熱電素子よりも作動温度が低い低温用熱電素子とを備え、発電ユニット3において、燃焼ガスGの流れ方向に沿って上流側から順に、高温用熱電素子と低温用熱電素子とが並設されていてもよい。
(B) In the above embodiment, the
(C)上記実施形態では、熱電モジュール2において、図2に示すように複数の熱電素子31、32を全体として略正方形となるように配置して、同じく略正方形に形成された絶縁板35、36で複数の熱電素子31、32を挟んで構成されたが、これに限らず、熱電モジュール2における複数の熱電素子31、32の配置数、配置形態及び絶縁板35、36の形状は必要に応じて適宜変更することができる。
(C) In the above embodiment, in the
(D)上記実施形態では、熱交換器11がフィン11aを有するフィンチューブ型の熱交換器11としたが、これに限らず、熱交換器11が、例えば、フィン11aを有さない多管式熱交換器等で構成されていてもよい。
(D) In the said embodiment, although the
(E)上記実施形態では、水加熱装置1の電源として蓄電池19のみが設けられたが、これに限らず、水加熱装置1が商用電源系統と接続されていてもよい。
(E) In the said embodiment, although only the
(F)上記実施形態では、P型熱電素子31及びN型熱電素子32はビスマス・テルル系(Bi-Te系)の材質で作られたが、これに限らず、P型熱電素子31及びN型熱電素子32を他の金属系の熱電材料で構成することもできる。また、酸化物系の熱電材料を使用することもできる。
(F) In the above embodiment, the P-type
(G)上記実施形態では、バーナ8で発生した燃焼ガスGの一部が発電ユニット3の燃焼ガス通過路7を通過するように構成したが、これに限らず、燃焼ガスGの全量が燃焼ガス通過路7に流入するように構成してもよい。
(G) In the above embodiment, a part of the combustion gas G generated in the
以上説明したように、熱電モジュールの高温側面及び低温側面を均一且つ十分に加熱又は冷却して、高い発電効率を得ることができる水加熱装置を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a water heating apparatus capable of obtaining high power generation efficiency by uniformly or sufficiently heating or cooling the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric module.
1 水加熱装置
2 熱電モジュール
2a 低温側面
2b 高温側面
3 発電ユニット
4 給水流路部材
4d 冷却側壁
4e 低温側収容凹部(収容凹部)
4f 低温側内周側面(内周側面)
5a 給水流路
6 燃焼ガス通過部材
6d 加熱側壁
6e 高温側収容凹部(収容凹部)
6f 高温側内周側面(内周側面)
7 燃焼ガス通過路
7a 燃焼ガス流路
8 バーナ
11 熱交換器
20 火炎孔
20a 中央火炎孔
21 外側壁
27 受熱フィン
30 連結ボルト
31 P型熱電素子(熱電素子)
32 N型熱電素子(熱電素子)
40 燃焼ガス流路
E 先端部隙間(隙間)
G 燃焼ガス
H 側面部隙間(隙間)
W 給水
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
4f Low temperature side inner peripheral side (inner peripheral side)
5a
6f High temperature side inner peripheral side (inner peripheral side)
7 Combustion gas passage 7a Combustion
32 N-type thermoelectric element (thermoelectric element)
40 Combustion gas flow path E Tip clearance (gap)
G Combustion gas H Side surface gap (gap)
W water supply
Claims (8)
前記発電ユニットに、前記熱電モジュールの低温側面に接し且つ、前記熱電モジュールとは反対側の面に前記給水が通流する給水流路を形成する給水流路部材と、前記熱電モジュールの高温側面に接し且つ、前記熱電モジュールとは反対側の面に前記燃焼ガスが通過する燃焼ガス通過路を形成する燃焼ガス通過部材とを備えて構成し、
前記熱電モジュールの高温側面及び前記燃焼ガス通過路を、バーナから発生する前記燃焼ガスの流れ方向に沿って形成するとともに、
前記燃焼ガス通過部材に、前記燃焼ガスの流れ方向に沿った姿勢で前記熱電モジュール側から前記燃焼ガス通過路に向けて櫛歯状に立設形成された複数の受熱フィンを設けた水加熱装置。 A power generation unit including a thermoelectric module using a combustion gas generated by burning fuel as a high-temperature source and a water supply as a low-temperature source, and a heat exchanger for transferring heat from the combustion gas passing through the power generation unit to the water supply Water heater,
A water supply channel member that forms a water supply channel through which the water supply flows on a surface opposite to the thermoelectric module and that contacts the low temperature side surface of the thermoelectric module, and a high temperature side surface of the thermoelectric module. And a combustion gas passage member that forms a combustion gas passage through which the combustion gas passes on a surface opposite to the thermoelectric module;
Forming the hot side of the thermoelectric module and the combustion gas passage along the flow direction of the combustion gas generated from a burner;
A water heating apparatus in which the combustion gas passage member is provided with a plurality of heat receiving fins standing in a comb-like shape from the thermoelectric module side toward the combustion gas passage in a posture along the flow direction of the combustion gas. .
前記発電ユニットが、前記中央部分の上方に配置されている請求項2に記載の水加熱装置。 The burner is provided with a plurality of flame holes in the transverse direction of the combustion gas flow path, and a partial output operation in which a flame is formed only in a central flame hole located in a central portion in the transverse direction of the plurality of flame holes. Configured to run,
The water heating apparatus according to claim 2, wherein the power generation unit is disposed above the central portion.
前記収容凹部の内周側面と前記熱電モジュールとの間に隙間が形成されている請求項1から5の何れか1項に記載の水加熱装置。 On the cooling side wall of the water supply flow path member and the heating side wall of the combustion gas passage member, an accommodation recess for accommodating the thermoelectric module is formed,
The water heating apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a gap is formed between an inner peripheral side surface of the housing recess and the thermoelectric module.
前記発電ユニットにおいて、前記燃焼ガスの流れ方向に沿って上流側から順に、前記高温用熱電モジュールと前記低温用熱電モジュールとが並設されている請求項1から7の何れか1項に記載の水加熱装置。 The thermoelectric module includes a high temperature thermoelectric module and a low temperature thermoelectric module having a lower operating temperature than the high temperature thermoelectric module,
8. The power generation unit according to claim 1, wherein the high-temperature thermoelectric module and the low-temperature thermoelectric module are arranged side by side in order from the upstream side along the flow direction of the combustion gas. Water heating device.
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