JP2015224805A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯装置において、簡単な方法によってスケール詰まりを確実に判定可能なもの、等を提供することである。【解決手段】給湯装置１は、燃焼ガスによって上水を加熱する為のフィンアンドチューブ型熱交換器２１と、この熱交換器２１を収納する為の熱交換器缶体２２とを備え、熱交換器缶体２２の表面温度を検知する為の温度検知センサ３１と、この温度検知センサ３１によって検知される検知温度が設定温度以上になった場合に熱交換器２１の伝熱管２７内にスケールが堆積していると判定する制御ユニット７とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は給湯装置に関し、特に熱交換器の伝熱管内にスケールが堆積して発生するスケール詰まりを判定する機能を備えた給湯装置に関する。

従来から、ガス給湯装置、電気給湯装置、石油給湯装置等の熱源に応じた種々の給湯装置が広く一般家庭に普及している。特に、ガス給湯装置は、燃焼用空気を外部から取り込む送風ファン、燃焼用空気と燃料ガスとを混合して燃焼するバーナーユニット、高温の燃焼ガスと伝熱管を流れる水との間で熱交換して水を加熱する熱交換器、熱交換後の排気を外部に排出する為の排気筒等を備えている。

上記の熱交換器としては、一般的に、伝熱管と、この伝熱管に伝熱可能に固定された複数のフィンからなるフィンアンドチューブ型熱交換器が適用され、伝熱管やフィンをステンレス材料で構成したもの、伝熱管やフィンを銅材料で構成したものが広く採用されている。

ところで、上記の熱交換器に供給する上水に対して硬度の高い水道水を使用する場合、水道水に含有されているカルシウムやマグネシウム等と、炭酸イオンや硫酸イオン等とが結合することでスケールが形成され、このスケールが熱交換器の伝熱管内に堆積してしまうことでスケール詰まりが発生し、熱交換器における熱交換効率が悪化するという問題がある。また、給湯装置を長期間使用すると、熱交換器のフィンに煤が付着することで、フィン詰まりが発生し、熱交換器における熱交換効率が悪化するという問題もある。

上記のスケール詰まりやフィン詰まりが発生した状態で給湯装置の使用を継続すると、熱交換器が損傷する虞があるので、スケール詰まりやフィン詰まり等の異常が発生した場合には、スケールや煤を除去する為のメンテナンスを行う必要がある。このため、従来から、給湯装置に、スケール詰まり等の異常を検出する機能が備えられている。

例えば、特許文献１〜３に記載の装置においては、燃焼停止後の後沸きによる湯水の温度上昇に基づいて、スケール詰まり等を判定する技術が開示されている。また、特許文献４に記載の湯水加熱装置においては、燃焼作動中に熱交換効率が低下したことを検知すると、燃焼量を強制的に減少させ、その後の熱交換効率と基準効率とを比較して、熱交換効率の悪化の原因がスケール詰まりかフィン詰まりかを判定する技術が開示されている。

特許４８５４０２０号公報 特開２００３−２５４６１５号公報 特開２０１３−１６０４８８号公報 特開２００８−２１５６５７号公報

しかし、特許文献１〜３の装置のように、燃焼停止後の後沸きによる湯水の温度上昇に基づいて異常を判定する場合、スケール詰まりによる伝熱不良であるのか、フィン詰まりによる伝熱不良であるのか、熱交換効率の悪化の原因を正確に判定できないため、メンテナンスや対策を行う際に、手間がかかる等の不具合が生じる虞がある。また、燃焼停止直前の燃焼量が低かったり、即湯が実行されていると、異常判定に後沸きによる湯水温度の上昇を利用できないという問題もある。

そこで、特許文献４の湯水加熱装置では、燃焼作動中にスケール詰まりかフィン詰まりかの原因を特定する判定が行われているが、この特許文献４の技術では、燃焼作動中に原因の特定を行う為に、通常の給湯運転状態であっても強制的に燃焼量を減少させるので、使用者が意図せずに、給湯量や給湯温度が変動してしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、給湯装置において、簡単な方法によってスケール詰まりを確実に判定可能なもの、等を提供することである。

請求項１の給湯装置は、燃焼ガスによって上水を加熱する為のフィンアンドチューブ型熱交換器と、この熱交換器を収納する為の熱交換器缶体とを備えた給湯装置において、前記熱交換器缶体の表面温度を検知する為の温度検知手段と、この温度検知手段によって検知される検知温度が設定温度以上になった場合に前記熱交換器の伝熱管内にスケールが堆積していると判定する判定手段とを備えたことを特徴としている。

請求項２の給湯装置は、請求項１の発明において、前記温度検知手段は、給湯運転時には常時燃焼する燃焼部の直上であって前記熱交換器の前記燃焼部に最も近い伝熱管の下流側の近傍において前記熱交換器缶体の表面に設けられたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、給湯装置は、熱交換器缶体の表面温度を検知する為の温度検知手段と、この温度検知手段によって検知される検知温度が設定温度以上になった場合に熱交換器の伝熱管内にスケールが堆積していると判定する判定手段とを備えたので、熱交換器缶体の表面温度が設定温度以上になった場合、熱交換器にスケール詰まりが発生したと把握することができる。

フィン詰まりの場合、燃焼ガスが熱交換器のフィン間を流れ難くなり、熱交換器に回収される燃焼ガスの熱量が低下し、燃焼ガスが高い温度を維持したまま排気されるので、熱交換器の温度が上昇せず、熱交換器缶体の表面温度も上昇しない。これに対し、スケール詰まりの場合、燃焼ガスによって熱交換器の温度は上昇するが、熱交換器の伝熱管に流れる水へ効率良く伝熱できないので、熱交換器自体の温度が異常に上昇し、それに伴い熱交換器缶体の表面温度も異常に上昇する。

即ち、温度検知手段によって熱交換器缶体の表面温度を直接測定し、スケール詰まりにより熱交換器の伝熱が阻害されて発生する熱交換器缶体の異常な温度上昇を検知することで、スケール詰まりかフィン詰まりかを区別して判定することができるので、燃焼停止後の湯水温度の上昇や燃焼作動中の熱交換効率の変化で判定する方法と比較して、燃焼運転中であってもスケール詰まりを正確に判定することができる。また、スケール詰まりを判定する際に、使用者の意図に反して給湯量や給湯温度が変動するのを防止することができる。

請求項２の発明によれば、温度検知手段は、給湯運転時には常時燃焼する燃焼部の直上であって熱交換器の燃焼部に最も近い伝熱管の下流側の近傍において熱交換器缶体の表面に設けられたので、伝熱管のスケール詰まりが発生する可能性が高い箇所の近傍に設けられた温度検知手段によって、熱交換器缶体の異常な温度上昇を検知することで、スケール詰まりを確実に且つ迅速に把握することができる。

また、熱交換器缶体の上述したような箇所に温度検知手段を設け、熱交換器缶体の表面温度を利用してスケール詰まりを判定するので、燃焼作動中にもスケール詰まりの判定を容易に実行することができ、バーナーユニットの最低燃焼量による燃焼作動に対応可能であり、即湯に対応可能であり、大能力の給湯装置にも対応可能である。

本発明の実施例に係る給湯装置の概略構成図である。 給湯装置の正面図である。 給湯装置の熱交換器部から下側の縦断面図である。 熱交換器部の下段熱交換領域の平面図である。 スケール詰まり判定運転制御のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ずは、本発明の給湯装置１の全体構成について説明する。
図１〜図４に示すように、給湯装置１は、給湯機器や暖房機器等の熱源機として適用されるものであり、燃料ガスを燃焼して燃焼ガスに含まれる熱を利用して水又は湯水の加熱を行うガス給湯器を構成している。

即ち、給湯装置１は、燃焼用空気を供給する為の送風ファン２、燃料ガスを燃焼させるバーナー部３、このバーナー部３による燃焼ガスと水との間で熱交換する熱交換器部４、この熱交換器部４による熱交換後の排気を排出する排気筒５、入水管６ａと出湯管６ｂ等の各種配管類や各種機器を駆動制御する制御ユニット７等を備えている。

バーナー部３は、燃料供給管（図示略）から供給される燃料ガスと送風ファン２から供給される燃焼用空気とを混合して燃焼するバーナーユニット１１と、このバーナーユニット１１を収容したバーナー缶体１２と、このバーナー缶体１２内におけるバーナーユニット１１の上方の燃焼空間１３等を備えている。バーナー缶体１２は、上方が開口された直方体形状に構成されている。バーナー缶体１２の下端部には、送風ファン２が設けられている。

バーナーユニット１１は、左右方向に平行に配置された１０本の燃焼管１４を備え、複数段の（例えば３段）の燃焼段１１ａ〜１１ｃからなる多段式に構成されている（図１，図２，図４参照）。各燃焼段１１ａ〜１１ｃは、例えば５本、２本、３本の燃焼管１４を夫々備え、対応する燃料供給管に夫々接続されている。各燃焼段１１ａ〜１１ｃは、制御ユニット７によって単独で燃焼制御可能であり、各種の運転に応じて燃焼作動される燃焼段１１ａ〜１１ｃの段数及びその出力が調整される。

給湯運転時には、例えば、中央の燃焼段１１ｂの２本の燃焼管１４のみを燃焼する１段燃焼段階、中央と右側の燃焼段１１ｂ，１１ｃの５本の燃焼管１４を燃焼する２段燃焼段階、左側と中央の燃焼段１１ａ，１１ｂの７本の燃焼管１４を燃焼する３段燃焼段階、全ての燃焼段１１ａ〜１１ｃの１０本の燃焼管１４を燃焼する４段燃焼段階の４段階に燃焼段階を切り換えて燃焼作動する。尚、中央の燃焼段１１ｂは、給湯運転時には常時燃焼される燃焼部に相当する。

図２，図３に示すように、バーナーユニット１１の燃焼段１１ｂの上方の燃焼空間１３には、イグナイター１５とフレームロッド１６とが夫々配置されている。イグナイター１５とフレームロッド１６は、バーナー缶体１２の前側板１２ａ左右方向の中央部の右寄り部分（燃焼段１１ｂに対応する部分）に夫々取り付けられている。フレームロッド１６は、イグナイター１５の右側に隣接状に取り付けられている。

イグナイター１５は、バーナーユニット１１に設けられた点火ターゲットとの間で点火スパークを生じさせることで、バーナーユニット１１から噴出される燃料空気混合気に火炎を生じさせる為のものであり、燃焼空間１３に突き出すように且つ斜め下方に向かって延びるように取り付けられている。

フレームロッド１６は、バーナーユニット１１に生じた火炎の間に交流電圧を印加し、火炎のイオン化による導電性や整流作用を利用して、フレームロッド１６から火炎へ流れる直流電流を検知することで、火炎の有無を検出する為のものであり、燃焼空間１３に突き出すように且つ真っ直ぐ延びるように取り付けられている。

図１〜図４に示すように、熱交換器部４は、燃焼ガスの熱を回収する熱交換器２１と、この熱交換器２１を収容する熱交換器缶体２２等を備えている。熱交換器缶体２２の上端部に、前方に開口した排気口５ａを有する排気筒５が設けられている。熱交換器缶体２２は、平面視矩形枠状に構成されている。熱交換器缶体２２の下端部とバーナー缶体１２の上端部とは、カシメやビス締結により接合されている。熱交換器缶体２２の周囲には、温度ヒューズ２３が設けられている（図２，図３参照）。

熱交換器２１は、伝熱管２５と、この伝熱管２５に伝熱可能に固定された複数のフィン２６等からなるフィンアンドチューブ型熱交換器を構成している。伝熱管２５及びフィン２６は、銅製のものであるが、特にこの材質に限定する必要はなく、ステンレス製のものであっても良い。

図１，図３に示すように、熱交換器缶体２２の内部において、熱交換器２１は、排気筒５の下端に連なる上段側（燃焼ガス流の下流側）の上段熱交換領域２１Ａと、燃焼空間１３の上端に連なる下段側（燃焼ガス流の上流側）の下段熱交換領域２１Ｂとを備えた２段構造である。

伝熱管２５は、２段に亙って平行状に配置された複数の直管部２７と、この複数の直管部２７の端部同士を連結する複数の連結管部２８とを備えている。上段熱交換領域２１Ａには、４本の直管部２７が配設され、下段熱交換領域２１Ｂには、４本の直管部２７が配設され、上段熱交換領域２１Ａ及び下段熱交換領域２１Ｂの夫々において、伝熱管２５は、平面視蛇行形状に夫々構成されている（図４参照）。

入水管６ａの下流側端部が、下段熱交換領域２１Ｂの上流側（後側）の直管部２７ａに接続され、下段熱交換領域２１Ｂの下流側（前側）の直管部２７ｂが、上段熱交換領域２１Ａの上流側（前側）の直管部２７ｃに連結管部２８を介して接続され、上段熱交換領域２１Ａの下流側（後側）の直管部２７ｄが、出湯管６ｂの上流側端部に接続されている。

給湯装置１において、バーナーユニット１１に燃料供給管から燃料ガスが供給されると共に送風ファン２から燃焼用空気が供給され、燃料ガスと空気とが混合された燃料空気混合気が燃焼されて燃焼空間１３に火炎が形成され、この火炎の燃焼熱（燃焼ガス）は、燃焼空間１３を通って熱交換器２１内の水を加熱し、その後、排気は排気筒５を介して排気口５ａから外部に排出される。

一方、熱交換器２１においては、外部の上水源から入水管６ａに上水が供給されると、この上水は、先ずは、熱交換器２１の下段熱交換領域２１Ｂの伝熱管２５を流れ、次に、熱交換器２１の上段熱交換領域２１Ａの伝熱管２５を流れ、上述のように熱交換器２１にて上水は加熱されて湯水となり、出湯管６ｂから外部に出湯される。

次に、本発明に関連する温度検知センサ３１について説明する。
図２，図３に示すように、給湯装置１は、熱交換器缶体２２の表面温度を検知する為の温度検知センサ３１（温度検知手段に相当する）を備えている。温度検知センサ３１は、給湯運転時には常時燃焼する燃焼段１１ｂ（燃焼部）の直上であって、熱交換器２１の燃焼段１１ｂに最も近い下段熱交換領域２１Ｂの伝熱管２５の下流側の近傍において熱交換器缶体２２の表面に設けられている。

即ち、温度検知センサ３１は、下段熱交換領域２１Ｂの下流側の直管部２７ｂにおける燃焼段１１ｂの直上の通路部３２の近傍であって（図４参照）、バーナー缶体１２の前側板１２ａのフレームロッド１６取り付け部分の直上に位置する熱交換器缶体２２の前側板２２ａの表面に設けられている（図２，図３参照）。

温度検知センサ３１は、熱電対３１ａと、この熱電対３１ａから延びる１対のリード線３１ｂ等から構成された公知の温度検知センサで構成され、ロウ付け又は接着テープによって固定されている。１対のリード線３１ｂは制御ユニット７に接続され、温度検知センサ３１の熱交換器缶体２２の前側板１２ａの表面温度に基づく検知信号が制御ユニット７に供給される。

次に、制御ユニット７について説明する。
図１，図２に示すように、制御ユニット７は、給湯装置１の制御を行うものであり、各種のセンサが電気的に接続され、各種のセンサからの検知信号を受信するように構成されている。制御ユニット７は、操作リモコン等によって設定された給湯温度、給湯栓に供給される給湯量、各種のセンサから受信した検知信号に基づき、送風ファン２やバーナーユニット１１等を駆動制御し、給湯運転を実行する。

次に、本発明に関連するスケール詰まり判定運転制御について説明する。
制御ユニット７（判定手段に相当する）は、温度検知センサ３１によって検知される検知温度（熱交換器缶体２２の表面温度）が設定温度以上になった場合に熱交換器２１の伝熱管２５内にスケールが堆積していると判定するスケール詰まり判定運転制御を実行可能である。

次に、この給湯装置１の給湯運転中に、制御ユニット７により自動的に実行されるスケール詰まり判定運転制御について、図５のフローチャートに基づいて説明する。尚、図中の符号Ｓｉ（ｉ=１，２，・・）は各ステップを示す。このスケール詰まり判定運転制御の制御プログラムは、制御ユニット７に予め格納されている。

図５のフローチャートにおいて、この制御が開始されると、最初にＳ１において、制御ユニット７は、給湯装置１が給湯運転中か否かを判定する。即ち、給湯装置１が給湯運転中の場合、つまり、制御ユニット７が給湯運転に基づく信号を受信している場合、Ｓ１の判定がＹｅｓとなり、Ｓ２に移行し、Ｓ１の判定がＮｏのうちはＳ１を繰り返す。

次に、Ｓ２において、制御ユニット７は、温度検知センサ３１の検知信号を読み込み、この検知信号に基づいて、熱交換器缶体２２の前側板２２ａの表面温度を算出し、Ｓ３に移行する。

次に、Ｓ３において、熱交換器缶体２２の表面温度が設定温度（例えば１８０〜２００度程度）を超えているか否かの判定を行い、表面温度が設定温度を超えている場合、Ｓ３の判定がＹｅｓとなり、Ｓ４に移行する。表面温度が設定温度以下の場合、Ｓ３の判定がＮｏとなり、熱交換器２１が正常であると判定して、リターンする。尚、設定温度は、上記の温度に限定する必要はなく、適宜変更可能である。

ここで、給湯運転時には、上述したように、バーナーユニット１１を、要求熱量に応じて４段階に燃焼段階を調整して燃焼作動するが、中央の燃焼段１１ｂの２本の燃焼管１４は、最低燃焼量で燃焼作動可能であり、給湯運転時には常時燃焼される。

一方、熱交換器２１において、下段熱交換領域２１Ｂにおける複数の直管部２７の燃焼段１１ｂの直上に位置する部分は、燃焼段１１ｂの２本の燃焼管１４の火炎に常時炙られることになる。また、伝熱管２５に供給される上水は、上流側の直管部２７ａから下流側の直管部２７ｂに向かって蛇行状に流れて加熱されるため、下段熱交換領域２１Ｂにおいては直管部２７ｂの湯水温度が最も上昇する。

このため、常時火炎で炙られる複数の直管部２７のうちの直管部２７ｂの通路部３２が、給湯運転時には湯水温度が最も高くなる可能性があるので、他の部分と比較してスケールが堆積しやすい。直管部２７ｂの通路部３２にスケール詰まりが発生すると、熱交換器２１の伝熱不良によって、通路部３２の近傍の熱交換器缶体２２の表面温度が、１８０〜２００度程度に異常に上昇する。熱交換器２１が正常の場合、熱交換器缶体２２の表面温度は、通常は１２０度程度を維持するので、この表面温度を利用することで、スケール詰まりを把握することができる。

尚、フィン詰まりの場合、燃焼ガスが熱交換器２１のフィン２６間を流れ難くなり、熱交換器２１に回収される燃焼ガスの熱量が低下し、燃焼ガスが高い温度を維持したまま排気されるので、熱交換器２１の温度が上昇せず、熱交換器缶体２２の表面温度も上昇しない。これに対して、スケール詰まりの場合、燃焼ガスによって熱交換器２１の温度は上昇するが、熱交換器２１の伝熱管２５に流れる水へ効率良く伝熱できないので、熱交換器２１自体の温度が異常に上昇し、それに伴い熱交換器缶体２２の表面温度も上昇する。

次に、Ｓ４において、制御ユニット７は、熱交換器２１にスケール詰まりが発生していると判定し、スケール詰まりを操作リモコンの表示や音声等を介して使用者に報知して、その後、リターンする。尚、スケール詰まりを報知した後、給湯運転を継続しても良いし、スケール詰まりを報知した直後に、給湯運転を停止しても良いし、スケール詰まりを報知して所定の時間経過後に、給湯運転を停止しても良い。

次に、本発明の給湯装置１の作用及び効果について説明する。
本発明の給湯装置１は、熱交換器缶体２２の表面温度を検知する為の温度検知センサ３１と、この温度検知センサ３１によって検知される検知温度が設定温度以上になった場合に熱交換器２１の伝熱管２５内にスケールが堆積していると判定する制御ユニット７とを備えたので、熱交換器缶体２２の表面温度が設定温度以上になった場合、熱交換器２１にスケール詰まりが発生したと把握することができる。

即ち、温度検知センサ３１によって熱交換器缶体２２の表面温度を直接測定し、スケール詰まりにより熱交換器２１の伝熱が阻害されて発生する熱交換器缶体２２の異常な温度上昇を検知することで、スケール詰まりかフィン詰まりかを区別して判定することができるので、燃焼停止後の湯水温度の上昇や燃焼作動中の熱交換効率の変化で判定する方法と比較して、燃焼運転中であってもスケール詰まりを正確に判定することができる。また、スケール詰まりを判定する際に、使用者の意図に反して給湯量や給湯温度が変動するのを防止することができる。

また、温度検知センサ３１は、給湯運転時には常時燃焼する燃焼部の直上であって熱交換器２１の燃焼部に最も近い伝熱管２５の下流側の近傍において熱交換器缶体２２の表面に設けられたので、伝熱管２５のスケール詰まりが発生する可能性が高い箇所の近傍に設けられた温度検知センサ３１によって、熱交換器缶体２２の異常な温度上昇を検知することで、スケール詰まりを確実に且つ迅速に把握することができる。

さらに、熱交換器缶体２２の上述したような箇所に温度検知センサ３１を設け、熱交換器缶体２２の表面温度を利用してスケール詰まりを判定するので、燃焼作動中にもスケール詰まりの判定を容易に実行することができ、バーナーユニット１１の最低燃焼量の燃焼作動に対応可能であり、即湯に対応可能であり、大能力の給湯装置にも対応可能である。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例の温度検知センサ３１は、直管部２７ｂの通路部３２の近傍における熱交換器缶体２２の前側板２２ａの表面に設けられているが、この位置に限定する必要はなく、伝熱管２５内で湯水温度が最も上昇する可能性がある通路部の近傍であれば、適宜変更可能である。

［２］前記実施例の温度検知センサ３１は、主に熱電対３１ａで構成されているが、この構造に限定する必要はなく、サーミスタで構成されたものを採用しても良いし、赤外線センサで構成されたものを採用しても良く、適宜変更可能である。

［３］前記実施例のバーナーユニット１１は、１０本の燃焼管１４を備え、３段の燃焼段１１ａ〜１１ｃからなる多段式に構成されているが、特にこの構造に限定する必要はなく、バーナーユニットの燃焼段の数や各燃焼段の燃焼管の数は、適宜変更可能である。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 給湯装置
７ 制御ユニット（判定手段）
２１ 熱交換器
２２ 熱交換器缶体
２５ 伝熱管
３１ 温度検知センサ（温度検知手段）

Claims (2)

1. 燃焼ガスによって上水を加熱する為のフィンアンドチューブ型熱交換器と、この熱交換器を収納する為の熱交換器缶体とを備えた給湯装置において、
   前記熱交換器缶体の表面温度を検知する為の温度検知手段と、この温度検知手段によって検知される検知温度が設定温度以上になった場合に前記熱交換器の伝熱管内にスケールが堆積していると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする給湯装置。
2. 前記温度検知手段は、給湯運転時には常時燃焼する燃焼部の直上であって前記熱交換器の前記燃焼部に最も近い伝熱管の下流側の近傍において前記熱交換器缶体の表面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。