JP3811334B2 - 暖房装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の被加熱流体を熱媒とする暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の暖房装置では、メタン、プロパン、ブタン等の燃料を燃焼させ、その燃焼排気から熱を吸収する熱交換器を備え、水等の被加熱流体を加熱し、これを熱媒として放熱器に流して放熱させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暖房装置において、暖房運転の立上り時等の被加熱流体の温度が低いとき、又は、気温が低いとき等の暖房負荷が大きい場合には、凝縮水（ドレン水）が発生し易く、これが熱交換器の腐食等の原因になる。凝縮水の発生を抑制するには、従来、熱交換器の効率を抑制する方法が取られてきた。
【０００４】
そこで、本発明は、複数の熱交換器の設置によって熱交換効率を高めた暖房装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の暖房装置は、燃焼手段（バーナ８）で発生した燃焼排気（ＥＧ）中に第１及び第２の熱交換器（１０、１２）を設置し、第１の熱交換器を通して被加熱流体（水Ｗ）に燃焼排気（ＥＧ）から主として顕熱を吸収させるとともに、第２の熱交換器を通して被加熱流体に燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させて熱交換効率を高めて燃料消費量の低減を図っている。
【０００６】
請求項１に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備えている。斯かる構成では、第１の熱交換器で燃焼排気から主として顕熱を回収し、第２の熱交換器で燃焼排気から顕熱又は潜熱を回収する。第１の熱交換器では凝縮水が発生しない程度の顕熱を回収し、第２の熱交換器では凝縮水の発生を前提として耐酸性に構成することにより顕熱又は潜熱を回収させ、２以上の熱交換器を以て熱交換効率を高めることができる。
【０００７】
換言すれば、第１の熱交換器で回収できない顕熱を第２の熱交換器で回収でき、このような熱回収により加熱した被加熱流体を混合するので、燃焼排気からの熱回収を高めることができる。凝縮水の発生を抑制するため、第１の熱交換器側の熱交換効率の制限を余儀なくされていたが、第２の熱交換器で顕熱を回収する結果、第１及び第２の熱交換器を以て８７％程度の顕熱回収が実現できる。
【０００８】
ところで、第２の熱交換器では被加熱流体の温度が５５℃〜６０℃であり、結露温度より高いため、潜熱の回収は殆ど無く、主として顕熱の回収が行われる。しかしながら、例えば、暖房燃焼を開始して被加熱流体の温度の上昇期間や、放熱負荷が過大になる外気温が低いとき等、被加熱流体の温度が結露温度を下回る場合には第２の熱交換器側で燃焼排気から潜熱回収が行われる。
【０００９】
また、請求項１に係る本発明の暖房装置は、前記第１の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路（３８）を備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管に前記被加熱流体を流して加熱し、その一部を前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱するとともに、他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の出口側の前記被加熱流体に混合させる構成を備えている。
【００１０】
即ち、燃料の燃焼によって生じた燃焼排気は排気通路の上流側から下流側に流れる。排気通路の上流側の第１の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は燃焼排気から顕熱を吸収し、下流側の第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は潜熱又は顕熱を吸収する。この場合、第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体が顕熱を吸収することはあり得るが、第２の熱交換器側で主として潜熱の吸収により加熱された被加熱流体が第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。
【００１１】
また、第２の熱交換器の出口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じて第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、第２の熱交換器側の低温の被加熱流体は、それを第１の熱交換器で加熱したその出口側の高温の被加熱流体と混合されるので、被加熱流体の全流量を以て第１の熱交換器の受熱管側の被加熱流体の流量とバイパス管路側の流量との比率を任意に調整できる。したがって、第１の熱交換器側の被加熱流体の加熱温度を露点温度以上に高めることができ、第１の熱交換器側の凝縮水の発生を防止できる。
【００１２】
また、請求項２に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）と、直列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路（１３８）とを備え、前記被加熱流体の一部を前記第２の熱交換器の前記受熱管から前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱し、前記被加熱流体の他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の前記受熱管の出口側で混合させる構成を備えている。
【００１３】
即ち、この場合も同様に、第２の熱交換器側で潜熱の吸収により加熱された被加熱流体は、第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。
【００１４】
そして、第２の熱交換器の入口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じて第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、直列に接続された第１及び第２の熱交換器に対してバイパス管路を通して被加熱流体を通過させるので、第１及び第２の熱交換器のみを通過させる場合に比較して圧力損失を大幅に低減でき、放熱手段の被加熱流体の通流量を多くでき、放熱負荷の増大に寄与することができる。
【００１５】
また、本発明の暖房装置において、前記被加熱流体の設定温度により前記燃焼手段の燃焼量を制御手段（制御装置１２０）によって制御すれば、第１の熱交換器側の加熱温度を制御することができる。
【００１６】
また、本発明の暖房装置において、前記第１の熱交換器（１０）の前記受熱管（水管８８）の吸熱フィン（９０）の突出長（Ｌ）、厚さ、ピッチ又は枚数によって吸熱量を調整する構成とすれば、吸熱量を調整でき、第１の熱交換器の受熱管の吸熱フィンの低温化を防止できる。
【００１７】
また、請求項３に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備え、前記第２の熱交換器（１２）の外壁部材を耐酸性素材で構成し、かつ、前記第２の熱交換器の外表面に生じた凝縮水（１０２）を回収する手段（回収ホッパ１０４）を備え、回収した前記凝縮水を中和させることを特徴とする。即ち、外気温度の低下、湿度の上昇、暖房需要即ち、暖房負荷による被加熱流体の温度低下等に起因して第２の熱交換器に潜熱の回収により凝縮水が生じる。そこで、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成することにより、酸性の凝縮水による腐食、腐食による機械的強度の低下や損傷の発生を防止できる。その凝縮水は、回収して中和することにより無害化でき、自由に廃棄することができる。
【００１８】
また、請求項４に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備え、前記第２の熱交換器又は前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管（水管９２）を複数の管路（９４、９６、９８）で構成し、管路断面積を増加させたことを特徴とする。即ち、第２の熱交換器側の受熱管を屈曲形成すれば、燃焼排気から潜熱又は顕熱を効率的に回収することができるが、その分だけ流体抵抗が増大する。そこで、この受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大すれば、流体抵抗を低下させることができる。その結果、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の暖房装置の実施形態が示されている。この暖房装置には、被加熱流体として水Ｗ（冷水及び温水の双方を含む。）が熱媒として使用されており、この水Ｗを加熱する装置本体部２、この装置本体部２で得られる高温水（例えば、８０℃）を熱源とする第１の放熱手段である単一又は複数の室内温風ユニット４、装置本体部２で得られる低温水（例えば、６０℃）を熱源とする第２の放熱手段である単一又は複数の床暖房用パネルユニット６が設置されている。
【００２０】
装置本体部２には、共通のバーナ８を加熱手段とした第１及び第２の熱交換器１０、１２が備えられ、熱交換器１０は燃焼排気の上流側、熱交換器１２はその下流側に設置されている。即ち、熱交換器１０で回収できない顕熱を熱交換器１２で回収でき、このような熱回収により加熱した水Ｗを混合させる。バーナ８には管路１４を通じて燃料ガスＧが供給され、管路１４には燃料比例弁１６及び燃料元弁１８が設けられている。燃料元弁１８の開閉によって燃料ガスＧの供給又は解除が行われ、燃料比例弁１６によって燃料ガスＧの供給調整が行われる。バーナ８には給気ファン２０を通じて燃焼用空気が供給され、また、バーナ８には放電器２２が設けられている。
【００２１】
この装置本体部２の膨張タンク２４には管路２６を通じて被加熱流体としての水Ｗが上水源等から供給される。管路２６には開閉弁２８が設けられており、開閉弁２８を開き、必要な水量が膨張タンク２４に供給されて全管路が水Ｗで満たされる。
【００２２】
膨張タンク２４には管路３０、３２が連結されており、管路３０には熱交換器１２、管路３２には閉管路中に水Ｗを循環させるポンプ３４を介して管路３５が連結されている。即ち、ポンプ３４を駆動すると、膨張タンク２４からの水Ｗが矢印ａ、ｂで示すように管路３３、３５に分流し、熱交換器１０による加熱で得られた高温水ＨＷは、矢印ｃ、ｄで示すように管路３６側に流れる。管路３０には熱交換器１２で得られる高温水ＨＷの温度を検出する温度センサ３７が設置されている。そして、管路３５と熱交換器１０の出口側の管路３６との間にはバイパス管路３８が連結されており、管路３６の高温水ＨＷがバイパス管路３８を通じて矢印ｅで示すように管路３５側の低温水ＬＷに合流する。管路３５には温度センサ３９、管路３６には熱交換器１０の出口側の温度を検出する温度センサ４１が設置され、また、バイパス管路３８には管路３５からの水Ｗの管路３６側への逆流防止手段として逆止弁４０が設けられている。また、管路３６と熱交換器１２の入口側に連結された管路４２との間にはバイパス管路としての管路４４が連結されており、高温水ＨＷをこの管路４４を通じて矢印ｆで示すように管路４２側に流すことができる。管路４４には開閉弁４６とともに、高温水ＨＷから吸熱する給湯用又は追焚用の熱交換器４８が設けられており、開閉弁４６を開いて高温水ＨＷにより追焚用の熱交換器４８を流れる浴槽の湯水を加熱することができる。
【００２３】
そして、管路３６、４２間には管路５０、５２を介して室内温風ユニット４が接続されており、この室内温風ユニット４の筐体５４内には、熱交換器５６及び開閉弁５８とともにファンモータ６０によって回転する放熱ファン６２及び温度センサ６４が設置されている。即ち、管路３６からの高温水ＨＷが管路５０を通じて熱交換器５６に供給された後、矢印ｇで示すように、管路５２から管路４２側に流れ、熱交換器１２側に循環する。放熱ファン６２を回転させると、吸気口６６から空気６８が筐体５４内に導かれ、その空気６８は熱交換器５６の放熱によって加熱され、その結果、温風７０が室内に放出される。開閉弁５８を開いて高温水ＨＷを熱交換器５６に通流させ、放熱ファン６２の回転数を可変して放熱量を制御することができるので、室温の調整が可能である。
【００２４】
また、管路３５、４２間には管路７２、７４及び開閉弁７６を介して床暖房用パネルユニット６の放熱管７８が接続されている。即ち、管路７２を通じて低温水ＬＷが管路７２から放熱管７８に供給され、その低温水ＬＷは開閉弁７６の開度に応じて床暖房用パネルユニット６の放熱管７８に流れ、矢印ｈで示すように、管路４２側に合流して循環する。この結果、放熱管７８による放熱によって床が温められる。この場合、開閉弁７６を開閉させることによって放熱量が調整でき、床温度の調整が可能である。
【００２５】
次に、図２は、装置本体部２の熱交換器１０、１２側の構成を示している。装置本体部２には胴部８０が設置され、この胴部８０の内部に燃焼室８２が形成されている。この燃焼室８２には燃焼手段であるバーナ８が設置され、このバーナ８の下側には給気部として燃焼空気を取り込む給気ファン２０が設けられ、燃焼室８２の上部及び側部側に胴部８０を延長する形態で排気通路８４が形成され、この排気通路８４は排気口８６に開口されている。したがって、給気ファン２０からの給気Ｅと燃焼ガスＧとを以てバーナ８の燃焼により発生した燃焼排気ＥＧは、排気通路８４を経て排気口８６から外気に放出される。
【００２６】
燃焼室８２には、排気通路８４の上流側に第１の熱交換器１０、その下流側に第２の熱交換器１２が設置されている。熱交換器１０は、受熱管として水管８８を燃焼室８２の外壁に巻き付けて設置され、その水管８８の周囲には複数の吸熱フィン９０が形成されている。また、熱交換器１２は、排気通路８４内に屈曲した受熱管としての水管９２を設置したものであり、この実施形態では、複数の管路９４、９６、９８の併設によって管路断面積を拡大した水管９２が構成され、その周囲に無数の吸熱フィン１００が設けられている。また、管路９４、９６、９８をフレキシブルパイプ等の波状の管体にして吸熱効率を向上させても良い。燃焼排気ＥＧの下流側に設置された熱交換器１２には水管９２を流れる水Ｗに燃焼排気ＥＧから主として顕熱を吸収させる。また、燃焼開始時の温水温度の上昇時、又は、気温の低下や暖房負荷の増加に伴って管路４２側を流れる湯水温度が熱交換器１２の結露温度を下回るときには潜熱も回収することができる。このとき発生する強酸性の液体から熱交換器１２を防護するため、熱交換器１２の水管９２及び吸熱フィン１００等はステンレス鋼やチタン等の耐酸性素材で形成されている。
【００２７】
そして、熱交換器１２の水管９２の下側には凝縮水１０２を受ける回収手段としての回収ホッパ１０４が設けられ、この回収ホッパ１０４に回収された凝縮水１０２は、管路１０６を通じて中和器１０８に導かれる。この中和器１０８には酸性の凝縮水１０２を中和するため、アルカリ性等の中和剤１１０が充填されている。中和された凝縮水１０２は、管路１１２を通して外部に排出される。
【００２８】
次に、図３は、給湯制御部の実施の形態を示している。この給湯制御部にはマイクロコンピュータ等で構成された制御手段として制御装置１２０が設置され、この制御装置１２０は演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ及びＲＡＭ等を備えており、ＲＯＭには給湯制御等のプログラム、ＲＡＭには検出データ等がそれぞれ格納される。
【００２９】
制御装置１２０には温度設定器１２２から設定温度が加えられるとともに、各種の温度センサ３７、３９、４１等の検出出力が取り込まれ、制御出力が燃料比例弁１６、燃料元弁１８、ファンモータ６０、給気ファン２０のファンモータ１２４等に加えられる。
【００３０】
次に、動作を説明すると、図４に示すように、バーナ８で燃料ガスＧを燃焼させると、燃焼排気ＥＧが発生する。この燃焼排気ＥＧが持つ熱量をＨ0 、熱交換器１０側の交換熱量をＨ1 、水温上昇をΔｔ1 、熱交換器１２側の交換熱量をＨ2 、水温上昇をΔｔ2 とすると、燃焼排気ＥＧの熱量Ｈ0 から熱交換器１０側で熱量Ｈ1 が吸収されて熱交換器１２側には熱量（Ｈ0 −Ｈ1 ）の燃焼排気ＥＧが流れ、熱交換器１２を通過した燃焼排気ＥＧの熱量は（Ｈ0 −Ｈ1 −Ｈ2 ）となる。
【００３１】
そこで、バイパス管路３８側を閉鎖した状態を想定し、熱交換器１２に水温ｔ0 の給水Ｗを行うと、熱交換器１２の出口側、即ち、熱交換器１０の入口側の水温ｔ1 は（ｔ0 ＋Δｔ2 ）に昇温され、この温水は熱交換器１０側に流れ、高温水ＨＷの温度ｔ2 は、（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ）となる。
【００３２】
この場合、バーナ８で得られた燃焼排気ＥＧの温度を１５００℃とすると、熱交換器１０を通過した燃焼排気ＥＧの温度は２２０℃に低下し、さらに熱交換器１２を通過した燃焼排気ＥＧの温度は１２０℃に低下することとなる。
【００３３】
このとき、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ1 の比率（Ｈ1 ／Ｈ0 ）は、Ｈ1 ／Ｈ0 ＝８０％、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ2 の比率（Ｈ2 ／Ｈ0 ）は、Ｈ2 ／Ｈ0 ＝５％、（Ｈ1 ＋Ｈ2 ）／Ｈ0 ＝８５％であり、Δｔ2 ：Δｔ1 ＝５：８０、Ｈ1 ：Ｈ2 ＝Δｔ1 ：Δｔ2 である。
【００３４】
ところで、暖房制御について、高温水ＨＷのみの暖房の場合、低温水ＬＷのみの暖房の場合、双方を用いた暖房の場合がある。高温水ＨＷのみの暖房、即ち、ファンコンベクタ等の高温の湯水の熱量を放出する機器に温水を供給する運転を行う場合には、温度センサ４１の検出温度が８０℃になるように燃料比例弁１６を操作して調整する。また、低温水ＬＷのみの暖房即ち、床暖房用パネルユニット６を使用している場合は、温度センサ３９の検出温度が６０℃となるように燃料比例弁１６を操作して出湯温度を調整する。
【００３５】
そして、高温水ＨＷ及び低温水ＬＷを併用した暖房では、バイパス管路３８を用いて高温水ＨＷ及び低温水ＬＷを合流させ、管路３６より低い湯水温度の低温水ＬＷが管路３５から得られる。管路３５とバイパス管路３８の混合水量は調整できないが、これは、暖房機の負荷数によるポンプ流量の変動、暖房負荷に伴う流水量の確保、暖房機の負荷数の変動に伴う放熱量の変動によって還流される湯水の温度が変動することにより、混合による温度制御ができない。低温水ＬＷの温度は高温水ＨＷより低く、管路３６側の高温水ＨＷの温度は、温度センサ４１の検出温度を用いて設定温度を最大８０℃に可変し、低温水ＬＷの温度を調整する。
【００３６】
そして、図５の（ａ）に示すように燃焼排気中の顕熱は熱交換効率９０％まで回収でき、潜熱は熱交換効率が９０％を越えるとき、回収される。そこで、図５の（ｂ）に示すように熱交換効率９０％の熱交換器を熱交換器１０に用いた場合、理論的には顕熱の総てを回収できるが、実際には顕熱の８５％程度の回収しか得られず、この場合、燃焼開始から湯水温度が上昇して、管路４２に熱交換器１２の露点温度を越える温度の湯水が還流されるまでは潜熱が０〜５％程度回収され、その際、熱交換器１０は流水の吸熱により、その一部が露点温度（４０〜５０℃）以下に低下することになる。この結果、熱交換器１０の表面には凝縮水が生じ、この凝縮水が酸性であるため腐食を生じさせる原因になる。このため、図５の（ｃ）に示すように、熱交換器１０側で顕熱のみを回収できる最大の熱交換効率（例えば最大燃焼時において８０％の熱交換効率）を設定し、熱交換器１０側で回収できない燃焼排気中の熱量を熱交換器１２で吸収させて高効率化を実現している。
【００３７】
ところで、熱交換器１０を通過した燃焼排気ＥＧの温度は約２２０℃程度に低下するため、熱交換器１０の水管８８の吸熱フィン９０の一部等が低温化、即ち、４０℃〜５０℃以下の露点温度に冷却されて凝縮水を生じさせるおそれがある。これは水Ｗの温度ｔ0 によっても発生する。このような露点温度以下の低温化を防止するには、水管８８を通過する温水の温度を上昇させて吸熱フィン９０の温度を露点温度以上に昇温させることが必要となる。熱交換器１０側の対策として、吸熱フィン９０から水管８８への吸熱量を調整し、吸熱フィン９０の熱交換面が露点温度より高くなるようにする。即ち、図６に示すように、吸熱フィン９０の吸熱量は吸熱フィン９０と水管８８との距離Ｌや吸熱フィン９０の厚み、フィンのピッチ又は枚数を調整して実現することができる。この結果、熱交換器１０の排気側、即ち、下流側の結露、即ち、凝縮水の抑制を図ることができる。この場合、水Ｗは、上流側の熱量Ｈ0 を受けて加熱されると、その水温ｔP は水管８８の下側で（ｔP ＋Δｔ1a）に上昇し、その上昇温度Δｔ1aは熱量Ｈ1aに対応する。このため、水管８８の上側、即ち、下流側で熱量（Ｈ0 −Ｈ1a）を受け、熱交換器１０から水温（ｔP ＋Δｔ1 ）の湯が得られる。
【００３８】
この場合、バイパス管路３８側の水量と熱交換器１０側の水量の比を１：１とすると、熱交換器１２の水管９２を通過した水Ｗは熱量Ｈ2 を吸収し、水ＷをΔｔ2 だけ昇温させることができる。図７は、この場合の等価回路を示しており、この温水はバイパス管路３８と熱交換器１０側とに例えば、１：１で分流され、熱交換器１０側で熱量Ｈ1 が吸収され、温水は更に△ｔ1 だけ昇温する。この場合、バイパス管路３８側の温水の温度ｔａは、
ｔａ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ） ・・・（１）
であり、熱交換器１０側の温水の温度ｔｂは、
ｔｂ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ） ・・・（２）
である。混合比率は１：１であるから、管路３６の高温水ＨＷの温度ｔｃは、
である。ここで、バイパス管路３８が無い場合には、管路３６の高温水ＨＷの温度ｔｄは、
ｔｄ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1b ・・・（４）
となる。ここで、各温度ｔｃ、ｔｄを同一と仮定すれば、バイパス管路３８の無い場合には、熱交換器１０側の水量がバイパス管路３８のある場合の２倍となるため、Δｔ1 ：Δｔ1b＝２：１の関係から、
Δｔ1b＝Δｔ1 ／２ ・・・（５）
となる。この結果、バイパス管路３８を通じて温水を分流させて管路３６で合流させる場合には、熱交換器１０の水管８８の温水温度を高くでき、熱交換器１０側の結露を防止することができる。
【００３９】
また、熱交換器１０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００４０】
ところで、この熱交換装置及び給湯装置において、バイパス管路３８と熱交換器１０の熱回収率との関係、即ち、バイパス管路３８による分流の熱交換器１０の熱回収率への影響について見ると、熱交換器１０は上述のように、１５００℃程度に加熱され、一方、水温は数十℃であるため、バイパス管路３８が無いとき、熱交換器１０の熱交換量が大きくなるが、熱交換器１０の加熱温度１５００℃から見れば、無視できる程度の温度差であり、バイパス管路３８による分流が熱交換器１０の熱吸収率に影響することはない。
【００４１】
また、バイパス管路３８と熱交換器１０の熱交換効率との関係、即ち、バイパス管路３８による分流の熱交換器１０の熱交換効率への影響について見ると、バイパス管路３８を設けて分流することは、熱交換器１０による加熱前と加熱後で温度差が若干縮まることであり、その結果、熱交換器１０の水管８８の管内流速の低下による管内伝熱係数の減少により、熱交換器１０の熱交換効率が僅かに低下する。しかしながら、バイパス管路３８が無い場合、熱交換器１０の熱交換効率が８０％、バイパス管路３８を付けた場合、熱交換器１０の熱交換効率が７８〜７９％程度であるから、バイパス管路３８の設置による結露防止が遙に有利となる。
【００４２】
また、高温水ＨＷの水量と加熱温度との関係について見ると、水量を同一にして熱交換器１０の水量を抑えた場合、即ち、総流量を変えずに熱交換器１０側とバイパス管路３８側との分配比を変化させ、熱交換器１０の水量を少なくすれば、熱交換器１０の熱交換効率がその流量に応じて低下し、熱交換器１０の加熱温度が上昇することになる。また、高温水ＨＷの水量を同一にして熱交換器１０側の水量を多くした場合、熱交換器１０側の加熱温度は低下することになる。
【００４３】
また、熱交換器１０側の吸熱フィン９０の突出長Ｌや厚さにより、熱交換器１０自体の熱交換効率や熱回収率を調整することができるが、吸熱フィン９０の温度には適正な範囲があり、例えば、露点温度以上酸化温度（２５０℃）以下が好ましく、この範囲を越えて高い場合も低い場合も不都合である。また、吸熱フィン９０の厚さについては、その材質に銅を用いた場合、伝熱的な要素よりも耐久的な要素の方が強く、伝熱面積を多く取る場合には、吸熱フィン９０の増加、そのピッチの減少が必要である。
【００４４】
ところで、熱交換器１０、１２は直列に接続されており、水管８８側の流体抵抗をＲ1 、水管９２側の各流体抵抗をＲ2 とすると、通水経路は図８に示す等価回路で表すことができる。水管９２側の管路９４〜９８の並列数をｎとすると、全通水抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒ1 ＋Ｒ2 ／ｎ ・・・（６）
となり、水管９２側の管路９４〜９８の並列化により全通水抵抗Ｒの大幅な低減が図られる。したがって、暖房負荷を増加させることができるとともに、熱効率の改善に寄与することができる。
【００４５】
そして、管路３６から得られる高温水ＨＷの水量は、開閉弁５８によって制御することができ、熱交換器１０側の流量を制御することができる。熱交換器１０側の流量を多く設定すれば、熱交換器１０の水管８８の温水の温度を高くでき、凝縮水が熱交換器１０側に生ずることを防止できる。
【００４６】
また、管路３６から得られる高温水ＨＷの温度は温度センサ４１によって検出され、その検出温度によってバーナ８の燃焼量を加減することにより所望の設定温度の高温水ＨＷ及び低温水ＬＷが得られる。そして、この場合も、設定温度に応じて熱交換器１０側の流量を制御することが可能であり、熱交換器１０の水管８８の温水温度を高くすることによって熱交換器１０側の結露を防止することができる。
【００４７】
次に、図９に示す本発明の他の実施形態について説明すると、ポンプ３４の出口側の管路３３と管路３６との間に熱交換器１０が接続され、管路３６を分岐して管路３５が設けられている。ポンプ３４を駆動すると、水Ｗの全てが熱交換器１０側に流れて加熱され、その高温水ＨＷは矢印ｃで示すように管路３６に流れるとともに、矢印ｉで示すように、管路３５側に分流する。この管路３５と管路４２との間にバイパス管路１３８が連結されており、このバイパス管路１３８には逆流防止手段として逆止弁４０が設けられている。このバイパス管路１３８を通じて矢印ｊで示すように、回収された水Ｗが管路３５側に合流している。即ち、この実施形態では、水Ｗを熱交換器１２の入口側で例えば、１：１の比率で分流させた後、その水Ｗを熱交換器１０の出口側の管路３５の低温水ＬＷに混合させるようにしている。
【００４８】
図１０は、この場合の等価回路を示している。この場合、直列に接続された熱交換器１０、１２にバイパス管路１３８を設けることにより、圧力損失の抑制によってポンプ３４の流量を確保することができ、接続できる負荷の増加に寄与することができる。即ち、バイパス管路１３８側の給水の温度はｔ0 であり、熱交換器１０、１２で加熱された温水の温度ｔｅは、
ｔｅ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ・・・（７）
である。混合比率は１：１であるから、管路３５から得られる低温水ＬＷの温度ｔｆは、
となる。ここで、バイパス管路１３８が無い場合の温度ｔｇは式（４）に示した温度ｔｄと同様であり、
となり、ΔＴ：ΔＴb ＝２：１となることから、バイパス管路１３８を通じて水Ｗを分流させ、管路３５で合流させることで、熱交換器１０の水管８８の温水の温度を高くすることができる。
【００４９】
そして、この場合も、熱交換器１０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ 請求項１に係る本発明によれば、第１及び第２の熱交換器の併用によって燃焼排気から顕熱及び潜熱を回収し、熱交換効率を高めることができ、第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度の低下や損傷を防止でき、熱回収効率の向上によって燃料の消費量の低減に寄与することができる。
ｂ また、請求項１に係る本発明によれば、第２の熱交換器で加熱した被加熱流体を第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体と混合するので、第１の熱交換器側の加熱温度を高くして第１の熱交換器側の結露を抑制し、凝縮水による第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度の低下や損傷の発生を防止できる。
ｃ 請求項２に係る本発明によれば、加熱前の被加熱流体と第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体とを混合するので、被加熱流体の圧力損失を抑制でき、被加熱流体の流量を確保し、放熱負荷を増大させることができる。
ｄ 請求項３に係る本発明によれば、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成するので、酸性の凝縮水による損傷を防止でき、また、その凝縮水は、回収して中和することにより無害化を達成できる。
ｅ 請求項４に係る本発明によれば、第２の熱交換器の受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大することにより、流体抵抗が低下するので、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の暖房装置の一実施形態を示す配管図である。
【図２】暖房装置の熱交換器側の構成を示す配管図である。
【図３】制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】バーナの発生熱量、第１及び第２の熱交換器による熱交換を示す図である。
【図５】熱交換器の熱交換及び熱効率を示す図である。
【図６】第１の熱交換器側の結露及びその防止を示す図である。
【図７】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【図８】第１及び第２の熱交換器における流体抵抗による等価回路を示す回路図である。
【図９】バイパス管路の他の実施形態を示す配管図である。
【図１０】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ 燃料ガス
Ｗ 水
ＨＷ 高温水
ＬＷ 低温水
ＥＧ 燃焼排気
４ 室内温風ユニット
６ 床暖房用パネルユニット
８ バーナ（燃焼手段）
１０ 第１の熱交換器
１２ 第２の熱交換器
３８、１３８ バイパス管路
４１ 温度センサ（温度検出手段）
８４ 排気通路
８８、９２ 水管（受熱管）
９０ 吸熱フィン
９４、９６、９８ 管路
１０２ 凝縮水
１０４ 回収ホッパ
１２０ 制御装置（制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の被加熱流体を熱媒とする暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の暖房装置では、メタン、プロパン、ブタン等の燃料を燃焼させ、その燃焼排気から熱を吸収する熱交換器を備え、水等の被加熱流体を加熱し、これを熱媒として放熱器に流して放熱させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暖房装置において、暖房運転の立上り時等の被加熱流体の温度が低いとき、又は、気温が低いとき等の暖房負荷が大きい場合には、凝縮水（ドレン水）が発生し易く、これが熱交換器の腐食等の原因になる。凝縮水の発生を抑制するには、従来、熱交換器の効率を抑制する方法が取られてきた。
【０００４】
そこで、本発明は、複数の熱交換器の設置によって熱交換効率を高めた暖房装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の暖房装置は、燃焼手段（バーナ８）で発生した燃焼排気（ＥＧ）中に第１及び第２の熱交換器（１０、１２）を設置し、第１の熱交換器を通して被加熱流体（水Ｗ）に燃焼排気（ＥＧ）から主として顕熱を吸収させるとともに、第２の熱交換器を通して被加熱流体に燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させて熱交換効率を高めて燃料消費量の低減を図っている。
【０００６】
請求項１に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備えている。斯かる構成では、第１の熱交換器で燃焼排気から主として顕熱を回収し、第２の熱交換器で燃焼排気から顕熱又は潜熱を回収する。第１の熱交換器では凝縮水が発生しない程度の顕熱を回収し、第２の熱交換器では凝縮水の発生を前提として耐酸性に構成することにより顕熱又は潜熱を回収させ、２以上の熱交換器を以て熱交換効率を高めることができる。
【０００７】
換言すれば、第１の熱交換器で回収できない顕熱を第２の熱交換器で回収でき、このような熱回収により加熱した被加熱流体を混合するので、燃焼排気からの熱回収を高めることができる。凝縮水の発生を抑制するため、第１の熱交換器側の熱交換効率の制限を余儀なくされていたが、第２の熱交換器で顕熱を回収する結果、第１及び第２の熱交換器を以て８７％程度の顕熱回収が実現できる。
【０００８】
ところで、第２の熱交換器では被加熱流体の温度が５５℃〜６０℃であり、結露温度より高いため、潜熱の回収は殆ど無く、主として顕熱の回収が行われる。しかしながら、例えば、暖房燃焼を開始して被加熱流体の温度の上昇期間や、放熱負荷が過大になる外気温が低いとき等、被加熱流体の温度が結露温度を下回る場合には第２の熱交換器側で燃焼排気から潜熱回収が行われる。
【０００９】
また、請求項１に係る本発明の暖房装置は、前記第１の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路（３８）を備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管に前記被加熱流体を流して加熱し、その一部を前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱するとともに、他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の出口側の前記被加熱流体に混合させる構成を備えている。
【００１０】
即ち、燃料の燃焼によって生じた燃焼排気は排気通路の上流側から下流側に流れる。排気通路の上流側の第１の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は燃焼排気から顕熱を吸収し、下流側の第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は潜熱又は顕熱を吸収する。この場合、第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体が顕熱を吸収することはあり得るが、第２の熱交換器側で主として潜熱の吸収により加熱された被加熱流体が第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。
【００１１】
また、第２の熱交換器の出口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じて第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、第２の熱交換器側の低温の被加熱流体は、それを第１の熱交換器で加熱したその出口側の高温の被加熱流体と混合されるので、被加熱流体の全流量を以て第１の熱交換器の受熱管側の被加熱流体の流量とバイパス管路側の流量との比率を任意に調整できる。したがって、第１の熱交換器側の被加熱流体の加熱温度を露点温度以上に高めることができ、第１の熱交換器側の凝縮水の発生を防止できる。
【００１２】
また、請求項２に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）と、直列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路（１３８）とを備え、前記被加熱流体の一部を前記第２の熱交換器の前記受熱管から前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱し、前記被加熱流体の他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の前記受熱管の出口側で混合させる構成を備えている。
【００１３】
即ち、この場合も同様に、第２の熱交換器側で潜熱の吸収により加熱された被加熱流体は、第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。
【００１４】
そして、第２の熱交換器の入口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じて第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、直列に接続された第１及び第２の熱交換器に対してバイパス管路を通して被加熱流体を通過させるので、第１及び第２の熱交換器のみを通過させる場合に比較して圧力損失を大幅に低減でき、放熱手段の被加熱流体の通流量を多くでき、放熱負荷の増大に寄与することができる。
【００１５】
また、本発明の暖房装置において、前記被加熱流体の設定温度により前記燃焼手段の燃焼量を制御手段（制御装置１２０）によって制御すれば、第１の熱交換器側の加熱温度を制御することができる。
【００１６】
また、本発明の暖房装置において、前記第１の熱交換器（１０）の前記受熱管（水管８８）の吸熱フィン（９０）の突出長（Ｌ）、厚さ、ピッチ又は枚数によって吸熱量を調整する構成とすれば、吸熱量を調整でき、第１の熱交換器の受熱管の吸熱フィンの低温化を防止できる。
【００１７】
また、請求項３に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備え、前記第２の熱交換器（１２）の外壁部材を耐酸性素材で構成し、かつ、前記第２の熱交換器の外表面に生じた凝縮水（１０２）を回収する手段（回収ホッパ１０４）を備え、回収した前記凝縮水を中和させることを特徴とする。即ち、外気温度の低下、湿度の上昇、暖房需要即ち、暖房負荷による被加熱流体の温度低下等に起因して第２の熱交換器に潜熱の回収により凝縮水が生じる。そこで、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成することにより、酸性の凝縮水による腐食、腐食による機械的強度の低下や損傷の発生を防止できる。その凝縮水は、回収して中和することにより無害化でき、自由に廃棄することができる。
【００１８】
また、請求項４に係る本発明の暖房装置は、加熱した被加熱流体（水Ｗ）を熱媒とする暖房装置であって、燃料を燃焼させる燃焼手段（バーナ８）と、この燃焼手段から発生した燃焼排気（ＥＧ）を通す排気通路（８４）の上流側に設置された受熱管（水管８８）に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（１０）と、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管９２）に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器（１２）とを備え、前記第２の熱交換器又は前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管（水管９２）を複数の管路（９４、９６、９８）で構成し、管路断面積を増加させたことを特徴とする。即ち、第２の熱交換器側の受熱管を屈曲形成すれば、燃焼排気から潜熱又は顕熱を効率的に回収することができるが、その分だけ流体抵抗が増大する。そこで、この受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大すれば、流体抵抗を低下させることができる。その結果、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の暖房装置の実施形態が示されている。この暖房装置には、被加熱流体として水Ｗ（冷水及び温水の双方を含む。）が熱媒として使用されており、この水Ｗを加熱する装置本体部２、この装置本体部２で得られる高温水（例えば、８０℃）を熱源とする第１の放熱手段である単一又は複数の室内温風ユニット４、装置本体部２で得られる低温水（例えば、６０℃）を熱源とする第２の放熱手段である単一又は複数の床暖房用パネルユニット６が設置されている。
【００２０】
装置本体部２には、共通のバーナ８を加熱手段とした第１及び第２の熱交換器１０、１２が備えられ、熱交換器１０は燃焼排気の上流側、熱交換器１２はその下流側に設置されている。即ち、熱交換器１０で回収できない顕熱を熱交換器１２で回収でき、このような熱回収により加熱した水Ｗを混合させる。バーナ８には管路１４を通じて燃料ガスＧが供給され、管路１４には燃料比例弁１６及び燃料元弁１８が設けられている。燃料元弁１８の開閉によって燃料ガスＧの供給又は解除が行われ、燃料比例弁１６によって燃料ガスＧの供給調整が行われる。バーナ８には給気ファン２０を通じて燃焼用空気が供給され、また、バーナ８には放電器２２が設けられている。
【００２１】
この装置本体部２の膨張タンク２４には管路２６を通じて被加熱流体としての水Ｗが上水源等から供給される。管路２６には開閉弁２８が設けられており、開閉弁２８を開き、必要な水量が膨張タンク２４に供給されて全管路が水Ｗで満たされる。
【００２２】
膨張タンク２４には管路３０、３２が連結されており、管路３０には熱交換器１２、管路３２には閉管路中に水Ｗを循環させるポンプ３４を介して管路３５が連結されている。即ち、ポンプ３４を駆動すると、膨張タンク２４からの水Ｗが矢印ａ、ｂで示すように管路３３、３５に分流し、熱交換器１０による加熱で得られた高温水ＨＷは、矢印ｃ、ｄで示すように管路３６側に流れる。管路３０には熱交換器１２で得られる高温水ＨＷの温度を検出する温度センサ３７が設置されている。そして、管路３５と熱交換器１０の出口側の管路３６との間にはバイパス管路３８が連結されており、管路３６の高温水ＨＷがバイパス管路３８を通じて矢印ｅで示すように管路３５側の低温水ＬＷに合流する。管路３５には温度センサ３９、管路３６には熱交換器１０の出口側の温度を検出する温度センサ４１が設置され、また、バイパス管路３８には管路３５からの水Ｗの管路３６側への逆流防止手段として逆止弁４０が設けられている。また、管路３６と熱交換器１２の入口側に連結された管路４２との間にはバイパス管路としての管路４４が連結されており、高温水ＨＷをこの管路４４を通じて矢印ｆで示すように管路４２側に流すことができる。管路４４には開閉弁４６とともに、高温水ＨＷから吸熱する給湯用又は追焚用の熱交換器４８が設けられており、開閉弁４６を開いて高温水ＨＷにより追焚用の熱交換器４８を流れる浴槽の湯水を加熱することができる。
【００２３】
そして、管路３６、４２間には管路５０、５２を介して室内温風ユニット４が接続されており、この室内温風ユニット４の筐体５４内には、熱交換器５６及び開閉弁５８とともにファンモータ６０によって回転する放熱ファン６２及び温度センサ６４が設置されている。即ち、管路３６からの高温水ＨＷが管路５０を通じて熱交換器５６に供給された後、矢印ｇで示すように、管路５２から管路４２側に流れ、熱交換器１２側に循環する。放熱ファン６２を回転させると、吸気口６６から空気６８が筐体５４内に導かれ、その空気６８は熱交換器５６の放熱によって加熱され、その結果、温風７０が室内に放出される。開閉弁５８を開いて高温水ＨＷを熱交換器５６に通流させ、放熱ファン６２の回転数を可変して放熱量を制御することができるので、室温の調整が可能である。
【００２４】
また、管路３５、４２間には管路７２、７４及び開閉弁７６を介して床暖房用パネルユニット６の放熱管７８が接続されている。即ち、管路７２を通じて低温水ＬＷが管路７２から放熱管７８に供給され、その低温水ＬＷは開閉弁７６の開度に応じて床暖房用パネルユニット６の放熱管７８に流れ、矢印ｈで示すように、管路４２側に合流して循環する。この結果、放熱管７８による放熱によって床が温められる。この場合、開閉弁７６を開閉させることによって放熱量が調整でき、床温度の調整が可能である。
【００２５】
次に、図２は、装置本体部２の熱交換器１０、１２側の構成を示している。装置本体部２には胴部８０が設置され、この胴部８０の内部に燃焼室８２が形成されている。この燃焼室８２には燃焼手段であるバーナ８が設置され、このバーナ８の下側には給気部として燃焼空気を取り込む給気ファン２０が設けられ、燃焼室８２の上部及び側部側に胴部８０を延長する形態で排気通路８４が形成され、この排気通路８４は排気口８６に開口されている。したがって、給気ファン２０からの給気Ｅと燃焼ガスＧとを以てバーナ８の燃焼により発生した燃焼排気ＥＧは、排気通路８４を経て排気口８６から外気に放出される。
【００２６】
燃焼室８２には、排気通路８４の上流側に第１の熱交換器１０、その下流側に第２の熱交換器１２が設置されている。熱交換器１０は、受熱管として水管８８を燃焼室８２の外壁に巻き付けて設置され、その水管８８の周囲には複数の吸熱フィン９０が形成されている。また、熱交換器１２は、排気通路８４内に屈曲した受熱管としての水管９２を設置したものであり、この実施形態では、複数の管路９４、９６、９８の併設によって管路断面積を拡大した水管９２が構成され、その周囲に無数の吸熱フィン１００が設けられている。また、管路９４、９６、９８をフレキシブルパイプ等の波状の管体にして吸熱効率を向上させても良い。燃焼排気ＥＧの下流側に設置された熱交換器１２には水管９２を流れる水Ｗに燃焼排気ＥＧから主として顕熱を吸収させる。また、燃焼開始時の温水温度の上昇時、又は、気温の低下や暖房負荷の増加に伴って管路４２側を流れる湯水温度が熱交換器１２の結露温度を下回るときには潜熱も回収することができる。このとき発生する強酸性の液体から熱交換器１２を防護するため、熱交換器１２の水管９２及び吸熱フィン１００等はステンレス鋼やチタン等の耐酸性素材で形成されている。
【００２７】
そして、熱交換器１２の水管９２の下側には凝縮水１０２を受ける回収手段としての回収ホッパ１０４が設けられ、この回収ホッパ１０４に回収された凝縮水１０２は、管路１０６を通じて中和器１０８に導かれる。この中和器１０８には酸性の凝縮水１０２を中和するため、アルカリ性等の中和剤１１０が充填されている。中和された凝縮水１０２は、管路１１２を通して外部に排出される。
【００２８】
次に、図３は、給湯制御部の実施の形態を示している。この給湯制御部にはマイクロコンピュータ等で構成された制御手段として制御装置１２０が設置され、この制御装置１２０は演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ及びＲＡＭ等を備えており、ＲＯＭには給湯制御等のプログラム、ＲＡＭには検出データ等がそれぞれ格納される。
【００２９】
制御装置１２０には温度設定器１２２から設定温度が加えられるとともに、各種の温度センサ３７、３９、４１等の検出出力が取り込まれ、制御出力が燃料比例弁１６、燃料元弁１８、ファンモータ６０、給気ファン２０のファンモータ１２４等に加えられる。
【００３０】
次に、動作を説明すると、図４に示すように、バーナ８で燃料ガスＧを燃焼させると、燃焼排気ＥＧが発生する。この燃焼排気ＥＧが持つ熱量をＨ0 、熱交換器１０側の交換熱量をＨ1 、水温上昇をΔｔ1 、熱交換器１２側の交換熱量をＨ2 、水温上昇をΔｔ2 とすると、燃焼排気ＥＧの熱量Ｈ0 から熱交換器１０側で熱量Ｈ1 が吸収されて熱交換器１２側には熱量（Ｈ0 −Ｈ1 ）の燃焼排気ＥＧが流れ、熱交換器１２を通過した燃焼排気ＥＧの熱量は（Ｈ0 −Ｈ1 −Ｈ2 ）となる。
【００３１】
そこで、バイパス管路３８側を閉鎖した状態を想定し、熱交換器１２に水温ｔ0 の給水Ｗを行うと、熱交換器１２の出口側、即ち、熱交換器１０の入口側の水温ｔ1 は（ｔ0 ＋Δｔ2 ）に昇温され、この温水は熱交換器１０側に流れ、高温水ＨＷの温度ｔ2 は、（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ）となる。
【００３２】
この場合、バーナ８で得られた燃焼排気ＥＧの温度を１５００℃とすると、熱交換器１０を通過した燃焼排気ＥＧの温度は２２０℃に低下し、さらに熱交換器１２を通過した燃焼排気ＥＧの温度は１２０℃に低下することとなる。
【００３３】
このとき、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ1 の比率（Ｈ1 ／Ｈ0 ）は、Ｈ1 ／Ｈ0 ＝８０％、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ2 の比率（Ｈ2 ／Ｈ0 ）は、Ｈ2 ／Ｈ0 ＝５％、（Ｈ1 ＋Ｈ2 ）／Ｈ0 ＝８５％であり、Δｔ2 ：Δｔ1 ＝５：８０、Ｈ1 ：Ｈ2 ＝Δｔ1 ：Δｔ2 である。
【００３４】
ところで、暖房制御について、高温水ＨＷのみの暖房の場合、低温水ＬＷのみの暖房の場合、双方を用いた暖房の場合がある。高温水ＨＷのみの暖房、即ち、ファンコンベクタ等の高温の湯水の熱量を放出する機器に温水を供給する運転を行う場合には、温度センサ４１の検出温度が８０℃になるように燃料比例弁１６を操作して調整する。また、低温水ＬＷのみの暖房即ち、床暖房用パネルユニット６を使用している場合は、温度センサ３９の検出温度が６０℃となるように燃料比例弁１６を操作して出湯温度を調整する。
【００３５】
そして、高温水ＨＷ及び低温水ＬＷを併用した暖房では、バイパス管路３８を用いて高温水ＨＷ及び低温水ＬＷを合流させ、管路３６より低い湯水温度の低温水ＬＷが管路３５から得られる。管路３５とバイパス管路３８の混合水量は調整できないが、これは、暖房機の負荷数によるポンプ流量の変動、暖房負荷に伴う流水量の確保、暖房機の負荷数の変動に伴う放熱量の変動によって還流される湯水の温度が変動することにより、混合による温度制御ができない。低温水ＬＷの温度は高温水ＨＷより低く、管路３６側の高温水ＨＷの温度は、温度センサ４１の検出温度を用いて設定温度を最大８０℃に可変し、低温水ＬＷの温度を調整する。
【００３６】
そして、図５の（ａ）に示すように燃焼排気中の顕熱は熱交換効率９０％まで回収でき、潜熱は熱交換効率が９０％を越えるとき、回収される。そこで、図５の（ｂ）に示すように熱交換効率９０％の熱交換器を熱交換器１０に用いた場合、理論的には顕熱の総てを回収できるが、実際には顕熱の８５％程度の回収しか得られず、この場合、燃焼開始から湯水温度が上昇して、管路４２に熱交換器１２の露点温度を越える温度の湯水が還流されるまでは潜熱が０〜５％程度回収され、その際、熱交換器１０は流水の吸熱により、その一部が露点温度（４０〜５０℃）以下に低下することになる。この結果、熱交換器１０の表面には凝縮水が生じ、この凝縮水が酸性であるため腐食を生じさせる原因になる。このため、図５の（ｃ）に示すように、熱交換器１０側で顕熱のみを回収できる最大の熱交換効率（例えば最大燃焼時において８０％の熱交換効率）を設定し、熱交換器１０側で回収できない燃焼排気中の熱量を熱交換器１２で吸収させて高効率化を実現している。
【００３７】
ところで、熱交換器１０を通過した燃焼排気ＥＧの温度は約２２０℃程度に低下するため、熱交換器１０の水管８８の吸熱フィン９０の一部等が低温化、即ち、４０℃〜５０℃以下の露点温度に冷却されて凝縮水を生じさせるおそれがある。これは水Ｗの温度ｔ0 によっても発生する。このような露点温度以下の低温化を防止するには、水管８８を通過する温水の温度を上昇させて吸熱フィン９０の温度を露点温度以上に昇温させることが必要となる。熱交換器１０側の対策として、吸熱フィン９０から水管８８への吸熱量を調整し、吸熱フィン９０の熱交換面が露点温度より高くなるようにする。即ち、図６に示すように、吸熱フィン９０の吸熱量は吸熱フィン９０と水管８８との距離Ｌや吸熱フィン９０の厚み、フィンのピッチ又は枚数を調整して実現することができる。この結果、熱交換器１０の排気側、即ち、下流側の結露、即ち、凝縮水の抑制を図ることができる。この場合、水Ｗは、上流側の熱量Ｈ0 を受けて加熱されると、その水温ｔP は水管８８の下側で（ｔP ＋Δｔ1a）に上昇し、その上昇温度Δｔ1aは熱量Ｈ1aに対応する。このため、水管８８の上側、即ち、下流側で熱量（Ｈ0 −Ｈ1a）を受け、熱交換器１０から水温（ｔP ＋Δｔ1 ）の湯が得られる。
【００３８】
この場合、バイパス管路３８側の水量と熱交換器１０側の水量の比を１：１とすると、熱交換器１２の水管９２を通過した水Ｗは熱量Ｈ2 を吸収し、水ＷをΔｔ2 だけ昇温させることができる。図７は、この場合の等価回路を示しており、この温水はバイパス管路３８と熱交換器１０側とに例えば、１：１で分流され、熱交換器１０側で熱量Ｈ1 が吸収され、温水は更に△ｔ1 だけ昇温する。この場合、バイパス管路３８側の温水の温度ｔａは、
ｔａ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ） ・・・（１）
であり、熱交換器１０側の温水の温度ｔｂは、
ｔｂ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ） ・・・（２）
である。混合比率は１：１であるから、管路３６の高温水ＨＷの温度ｔｃは、
ｔｄ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1b ・・・（４）
となる。ここで、各温度ｔｃ、ｔｄを同一と仮定すれば、バイパス管路３８の無い場合には、熱交換器１０側の水量がバイパス管路３８のある場合の２倍となるため、Δｔ1 ：Δｔ1b＝２：１の関係から、
Δｔ1b＝Δｔ1 ／２ ・・・（５）
となる。この結果、バイパス管路３８を通じて温水を分流させて管路３６で合流させる場合には、熱交換器１０の水管８８の温水温度を高くでき、熱交換器１０側の結露を防止することができる。
【００３９】
また、熱交換器１０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００４０】
ところで、この熱交換装置及び給湯装置において、バイパス管路３８と熱交換器１０の熱回収率との関係、即ち、バイパス管路３８による分流の熱交換器１０の熱回収率への影響について見ると、熱交換器１０は上述のように、１５００℃程度に加熱され、一方、水温は数十℃であるため、バイパス管路３８が無いとき、熱交換器１０の熱交換量が大きくなるが、熱交換器１０の加熱温度１５００℃から見れば、無視できる程度の温度差であり、バイパス管路３８による分流が熱交換器１０の熱吸収率に影響することはない。
【００４１】
また、バイパス管路３８と熱交換器１０の熱交換効率との関係、即ち、バイパス管路３８による分流の熱交換器１０の熱交換効率への影響について見ると、バイパス管路３８を設けて分流することは、熱交換器１０による加熱前と加熱後で温度差が若干縮まることであり、その結果、熱交換器１０の水管８８の管内流速の低下による管内伝熱係数の減少により、熱交換器１０の熱交換効率が僅かに低下する。しかしながら、バイパス管路３８が無い場合、熱交換器１０の熱交換効率が８０％、バイパス管路３８を付けた場合、熱交換器１０の熱交換効率が７８〜７９％程度であるから、バイパス管路３８の設置による結露防止が遙に有利となる。
【００４２】
また、高温水ＨＷの水量と加熱温度との関係について見ると、水量を同一にして熱交換器１０の水量を抑えた場合、即ち、総流量を変えずに熱交換器１０側とバイパス管路３８側との分配比を変化させ、熱交換器１０の水量を少なくすれば、熱交換器１０の熱交換効率がその流量に応じて低下し、熱交換器１０の加熱温度が上昇することになる。また、高温水ＨＷの水量を同一にして熱交換器１０側の水量を多くした場合、熱交換器１０側の加熱温度は低下することになる。
【００４３】
また、熱交換器１０側の吸熱フィン９０の突出長Ｌや厚さにより、熱交換器１０自体の熱交換効率や熱回収率を調整することができるが、吸熱フィン９０の温度には適正な範囲があり、例えば、露点温度以上酸化温度（２５０℃）以下が好ましく、この範囲を越えて高い場合も低い場合も不都合である。また、吸熱フィン９０の厚さについては、その材質に銅を用いた場合、伝熱的な要素よりも耐久的な要素の方が強く、伝熱面積を多く取る場合には、吸熱フィン９０の増加、そのピッチの減少が必要である。
【００４４】
ところで、熱交換器１０、１２は直列に接続されており、水管８８側の流体抵抗をＲ1 、水管９２側の各流体抵抗をＲ2 とすると、通水経路は図８に示す等価回路で表すことができる。水管９２側の管路９４〜９８の並列数をｎとすると、全通水抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒ1 ＋Ｒ2 ／ｎ ・・・（６）
となり、水管９２側の管路９４〜９８の並列化により全通水抵抗Ｒの大幅な低減が図られる。したがって、暖房負荷を増加させることができるとともに、熱効率の改善に寄与することができる。
【００４５】
そして、管路３６から得られる高温水ＨＷの水量は、開閉弁５８によって制御することができ、熱交換器１０側の流量を制御することができる。熱交換器１０側の流量を多く設定すれば、熱交換器１０の水管８８の温水の温度を高くでき、凝縮水が熱交換器１０側に生ずることを防止できる。
【００４６】
また、管路３６から得られる高温水ＨＷの温度は温度センサ４１によって検出され、その検出温度によってバーナ８の燃焼量を加減することにより所望の設定温度の高温水ＨＷ及び低温水ＬＷが得られる。そして、この場合も、設定温度に応じて熱交換器１０側の流量を制御することが可能であり、熱交換器１０の水管８８の温水温度を高くすることによって熱交換器１０側の結露を防止することができる。
【００４７】
次に、図９に示す本発明の他の実施形態について説明すると、ポンプ３４の出口側の管路３３と管路３６との間に熱交換器１０が接続され、管路３６を分岐して管路３５が設けられている。ポンプ３４を駆動すると、水Ｗの全てが熱交換器１０側に流れて加熱され、その高温水ＨＷは矢印ｃで示すように管路３６に流れるとともに、矢印ｉで示すように、管路３５側に分流する。この管路３５と管路４２との間にバイパス管路１３８が連結されており、このバイパス管路１３８には逆流防止手段として逆止弁４０が設けられている。このバイパス管路１３８を通じて矢印ｊで示すように、回収された水Ｗが管路３５側に合流している。即ち、この実施形態では、水Ｗを熱交換器１２の入口側で例えば、１：１の比率で分流させた後、その水Ｗを熱交換器１０の出口側の管路３５の低温水ＬＷに混合させるようにしている。
【００４８】
図１０は、この場合の等価回路を示している。この場合、直列に接続された熱交換器１０、１２にバイパス管路１３８を設けることにより、圧力損失の抑制によってポンプ３４の流量を確保することができ、接続できる負荷の増加に寄与することができる。即ち、バイパス管路１３８側の給水の温度はｔ0 であり、熱交換器１０、１２で加熱された温水の温度ｔｅは、
ｔｅ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ・・・（７）
である。混合比率は１：１であるから、管路３５から得られる低温水ＬＷの温度ｔｆは、
【００４９】
そして、この場合も、熱交換器１０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ 請求項１に係る本発明によれば、第１及び第２の熱交換器の併用によって燃焼排気から顕熱及び潜熱を回収し、熱交換効率を高めることができ、第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度の低下や損傷を防止でき、熱回収効率の向上によって燃料の消費量の低減に寄与することができる。
ｂ また、請求項１に係る本発明によれば、第２の熱交換器で加熱した被加熱流体を第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体と混合するので、第１の熱交換器側の加熱温度を高くして第１の熱交換器側の結露を抑制し、凝縮水による第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度の低下や損傷の発生を防止できる。
ｃ 請求項２に係る本発明によれば、加熱前の被加熱流体と第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体とを混合するので、被加熱流体の圧力損失を抑制でき、被加熱流体の流量を確保し、放熱負荷を増大させることができる。
ｄ 請求項３に係る本発明によれば、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成するので、酸性の凝縮水による損傷を防止でき、また、その凝縮水は、回収して中和することにより無害化を達成できる。
ｅ 請求項４に係る本発明によれば、第２の熱交換器の受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大することにより、流体抵抗が低下するので、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の暖房装置の一実施形態を示す配管図である。
【図２】暖房装置の熱交換器側の構成を示す配管図である。
【図３】制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】バーナの発生熱量、第１及び第２の熱交換器による熱交換を示す図である。
【図５】熱交換器の熱交換及び熱効率を示す図である。
【図６】第１の熱交換器側の結露及びその防止を示す図である。
【図７】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【図８】第１及び第２の熱交換器における流体抵抗による等価回路を示す回路図である。
【図９】バイパス管路の他の実施形態を示す配管図である。
【図１０】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ 燃料ガス
Ｗ 水
ＨＷ 高温水
ＬＷ 低温水
ＥＧ 燃焼排気
４ 室内温風ユニット
６ 床暖房用パネルユニット
８ バーナ（燃焼手段）
１０ 第１の熱交換器
１２ 第２の熱交換器
３８、１３８ バイパス管路
４１ 温度センサ（温度検出手段）
８４ 排気通路
８８、９２ 水管（受熱管）
９０ 吸熱フィン
９４、９６、９８ 管路
１０２ 凝縮水
１０４ 回収ホッパ
１２０ 制御装置（制御手段）
Claims (4)
- 加熱した被加熱流体を熱媒とする暖房装置であって、
燃料を燃焼させる燃焼手段と、
この燃焼手段から発生した燃焼排気を通す排気通路の上流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路と、
を備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管に前記被加熱流体を流して加熱し、その一部を前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱するとともに、他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の出口側の前記被加熱流体に混合させることを特徴とする暖房装置。 - 加熱した被加熱流体を熱媒とする暖房装置であって、
燃料を燃焼させる燃焼手段と、
この燃焼手段から発生した燃焼排気を通す排気通路の上流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器と、
直列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管に並列に接続されて前記被加熱流体の一部を流すバイパス管路と、
を備え、前記被加熱流体の一部を前記第２の熱交換器の前記受熱管から前記第１の熱交換器の前記受熱管に流して加熱し、前記被加熱流体の他の一部を前記バイパス管路から前記第１の熱交換器の前記受熱管の出口側で混合させることを特徴とする暖房装置。 - 加熱した被加熱流体を熱媒とする暖房装置であって、
燃料を燃焼させる燃焼手段と、
この燃焼手段から発生した燃焼排気を通す排気通路の上流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器とを備え、
前記第２の熱交換器の外壁部材を耐酸性素材で構成し、かつ、前記第２の熱交換器の外表面に生じた凝縮水を回収する手段を備え、回収した前記凝縮水を中和させることを特徴とする暖房装置。 - 加熱した被加熱流体を熱媒とする暖房装置であって、
燃料を燃焼させる燃焼手段と、
この燃焼手段から発生した燃焼排気を通す排気通路の上流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から顕熱又は潜熱を吸収させる第２の熱交換器とを備え、
前記第２の熱交換器又は前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の前記受熱管を複数の管路で構成し、管路断面積を増加させたことを特徴とする暖房装置。
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