JP4099139B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排気により通水を加熱する熱交換器を備えた給湯器に関する。

従来より給湯器の分野においては、給水管、出湯管が接続される熱交換器と、この熱交換器を加熱するバーナと、バーナに燃焼用空気を供給するファンとを備えた給湯器が知られている。
このような給湯器は、バーナにおける燃焼の燃焼排気熱でもって、熱交換器において通水を加熱し、出湯管より温水を供給するように構成される。

ところで、通常こうした給湯器においては、熱交換器にドレンが発生することを防止するために、熱交換器においては十分に熱回収しないまま高温排気を排出しなくてはならず、高い熱交換率が得られていない。
ドレンは、燃焼排気が露点（およそ５０〜６０℃）以下になると発生するものであるから、原理的には熱交換器で露点まで熱交換して、ドレンを発生させずに燃焼排気中の顕熱を回収することが可能である。しかしながら、熱交換器には通水部である伝熱管のような局所的な低温部が存在するため、実際には低温部での部分的なドレン発生を防ぐために、燃焼排気をかなりの高温で排出しなければならず、十分な顕熱を回収できていない。

燃焼排気熱の回収効率（以下、熱効率という）を向上させるために、燃焼排気熱の顕熱のみならず、燃焼排気中の水蒸気を凝縮させることにより潜熱をも回収する潜熱回収型給湯器がある。
潜熱回収型給湯器は、燃焼排気流路の上流側に主に顕熱の回収を目的とする主熱交換器と、下流側に主に潜熱の回収を目的とした副熱交換器とを設ける。
このような潜熱回収型給湯器は、主熱交換器で回収できなかった燃焼排気中の潜熱についても副熱交換器で回収するため、燃焼排気中のほとんどの熱エネルギーが回収できる。
しかしながら、上記の潜熱回収型給湯器において、潜熱回収の過程で凝縮した水蒸気（以下、ドレンという）は、燃焼排気中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）や、窒素酸化物（ＮＯｘ）と反応して酸性（ｐＨ３程度）になるため、下水等の一般排水通路に排出する前に、中和処理をしなければならない。
そのため、従来の潜熱回収型給湯器においては、特許文献１に示すようにドレン中和用の中和装置を設けなければならず、著しくコスト高となっていた。また、中和装置において用いられる中和剤は、一定期間ごとに交換する必要があり、使用者の負担となっていた。

そこで、最近では特許文献２に示すように、副熱交換器で発生したドレンを燃焼排気と接触させることにより蒸発させる給湯器の提案がされている。
この給湯器は、同一燃焼排気流路に、主熱交換器と副熱交換器とドレン蒸発器とを備え、主熱交換器において燃焼排気熱中の顕熱を回収し、副熱交換器においてドレンを発生させ、潜熱および副熱交換器で回収しきれなかった顕熱を回収し、ドレン蒸発器において、副熱交換器で発生したドレンを燃焼排気熱を利用して蒸発させる。このような給湯器は、顕熱を回収する主熱交換器においては、燃焼排気流路の最も上流である必要があるが、副熱交換器とドレン蒸発器においては、どちらが上流に備えられてもよい。
この給湯器によれば、副熱交換器で回収された潜熱と同量の熱量がドレンの蒸発に使用されるため、結果的には潜熱の回収は行われないものの、副熱交換器においては露点温度以下まで燃焼排気の温度を下げて燃焼排気熱を回収できる。つまり、副熱交換器においてはドレン発生防止のために不必要に燃焼排気熱を高く保つ必要がなく、通常の給湯器と比較し顕熱について高い回収率を得ることができるのである。
しかも、この場合にはドレンの中和装置を設ける必要がなく安価である。
特開２００２−１９５６４５ 特開２００２−９８４１３

しかしながら上記従来技術においては、副熱交換器とドレン蒸発器とを同一排気流路に設けていたことから以下の問題点があった。

まず、ドレン蒸発器を副熱交換器よりも排気流路の下流に設けた場合には、燃焼排気熱はドレン蒸発器に達するまでに、その大部分を主熱交換器および副熱交換器により回収されてしまう。燃焼排気の温度が下がるのにともない、燃焼排気の飽和湿度は低下してしまい、実際の湿度に近くなってしまうが、一般に、通常状態における水分の空気中への蒸発速度Ｒ［ｋｇ／ｈｒ・ｍ３］は、次式のように空気の飽和湿度Ｈｗ［ｋｇ／ｋｇ］と実際の湿度Ｈ［ｋｇ／ｋｇ］との差に比例することが知られており、飽和湿度に近い湿度を持つ燃焼排気とドレンとを接触させても、ドレンはなかなか蒸発しない。
（蒸発速度Ｒ）＝（定数ｋ）×（（飽和湿度Ｈｗ）−（実際の湿度Ｈ））
そのため、上記の場合には、回収したドレンを完全に蒸発させるため熱交換器における燃焼排気熱の回収率をわざわざ制限する必要がある。

また、ドレン蒸発器を副熱交換器よりも燃焼排気流路の上流に設けた場合には、燃焼排気の熱エネルギーは、副熱交換器に達するまでに、ドレン蒸発器においてドレンを液体から気体に変換する際に利用されてしまう。つまり、燃焼排気の熱エネルギーは気体の潜熱に変換されてしまうことから、副熱交換器に達する燃焼排気の温度は低くなってしまうが、一般に、状態変化をしない（顕熱回収）場合の熱交換速度は、燃焼排気熱と伝熱管の温度との差に比例する。
従って、副熱交換器における燃焼排気の温度が低くなることにより顕熱回収率は低下してしまう。

上記課題を解決する本発明の請求項１記載の給湯器は、
燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器を通過した燃焼排気の一部が導かれ、該主熱交換器で回収しきれなかった顕熱に加えて潜熱を回収して伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
上記主熱交換器を通過した燃焼排気の残り一部が導かれ、当該燃焼排気により、上記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを加熱して蒸発させるドレン蒸発器と、
当該副熱交換器を通過した後の燃焼排気を器具外に排出するための第１の排気部と
を備えた給湯器において、
上記主熱交換器を通過した燃焼排気の排気通路に、上記副熱交換器と上記ドレン蒸発器とを互いに排気通路における上流・下流の関係にならないように、互いに所要間隔を隔てて並列に配置するとともに、
上記ドレンを加熱蒸発させた後の燃焼排気を器具外に排出する第２の排気部をドレン蒸発器の配置位置に対応して設けた
ことを要旨とする。

上記構成を有する本発明の請求項１記載の給湯器は、主熱交換器を通過した燃焼排気の通路に副熱交換器とドレン蒸発器を互いに排気通路における上流・下流の関係にならないように並列に配置したため、副熱交換器とドレン蒸発器とにはそれぞれ主熱交換器のみを通過した高温の燃焼排気が供給される。
そのため、副熱交換器においては高い温度の燃焼排気を用いて熱回収が効率よく行われるとともに、ドレン蒸発器においては高い温度の燃焼排気を用いてドレンの蒸発が効率よく行われる。
つまり、燃焼排気と副伝熱管との間で熱交換を行う副熱交換器においては、熱移動速度の観点から高温の燃焼排気を供給するのが望ましいとともに、ドレンを燃焼排気の熱を利用し蒸発させるドレン蒸発器においても、蒸発能力の高い高温の燃焼排気を供給するのが望ましいが、本発明においては副熱交換器、およびドレン蒸発器の両方に高温の燃焼排気を供給することができる。
従って、ドレン蒸発器においては、高温の燃焼排気を用いてドレンを効率よく蒸発させることができるとともに、副熱交換器においては高温の燃焼排気より効率よく燃焼排気熱の回収を行うことができる。

以上説明した本発明の構成、作用を一層明らかにするために、以下、本発明の給湯器における好的な実施形態について説明する。

本実施形態の給湯器は、図１に示すように、器具ケーシング１２内に燃焼室２０が設けられ、その下方にＤＣモータ４８と連結した給気ファン３６が取り付けられる。尚、器具ケーシング１２には、外気を燃焼用空気として取り込むための給気口３０が形成される。

燃焼室２０内には、下から順に、燃料ガスと給気ファン３６からの一次空気との混合ガスを燃焼するバーナ２２と、バーナ２２からの燃焼排気の殆どの顕熱を回収する主熱交換器１８とが設けられる。主熱交換器１８の上方には、主熱交換器１８を通過したまだ高温の排気が流れる高温排気室２１が形成され、この高温排気室２１の側方に第１排気室２３、第２排気室２４が上下に分岐して設けられる。この第１排気室２３、第２排気室２４は、高温排気室の中段側方に設けられた排気分岐部２００により、それぞれ独立した排気通路を形成し、しかも、互いに排気通路における上流・下流の関係にならないように並列に配置される。
第１排気室２３には、主熱交換器１８で回収しきれなかった顕熱と潜熱とを回収する副熱交換器１９が設けられる。
第２排気室２４には、副熱交換器１９において発生したドレンを加熱して蒸発させるドレン蒸発器１００が備えられる。
このように、主熱交換器１８を通過した排気の排気通路には、副熱交換器１９とドレン蒸発器１００とが、互いに上流・下流関係にならないように並列に配置される。
また、排気分岐部２００は、副熱交換器１９で発生したドレンをドレン蒸発器１００に案内するための複数のバーリング孔２０２ａを備えるが、排気分岐部２００についての詳細は後述する。

第１排気室２３、第２排気室２４の側方には、それぞれ熱交換後の燃焼排気を燃焼室２０外へ排出する排気口４４ａ、４４ｂが形成される。
これらの排気口４４ａ、４４ｂはそれぞれ器具ケーシング１２に開口した器具排気口に臨んでいる。

器具ケーシング１２内に設けられる通水管は、上流から順に、燃焼室２０を外側で巻回する給水管１４、副熱交換器１９に設けられる副伝熱管１９ａ、主熱交換器１８に設けられる主伝熱管１８ａ、および出湯管１６である。

給水管１４には水流センサや水ガバナを備える水側制御ユニット５０が設けられる。
副伝熱管１９ａは、ステンレスで形成され、主熱交換器１８を通過した燃焼排気の排気熱を回収するとともに発生したドレンを後述する排気分岐部２００へと案内する多数のフィン１９ｂを奥方向に備える。
主伝熱管１８ａは、燃焼熱を吸収をする多数の熱回収フィン１８ｂを奥行方向に備える。

次に、排気分岐部２００、ドレン蒸発器１００について説明する。
排気分岐部２００は副熱交換器１９の真下に備えられ、主熱交換器１８を通過した燃焼排気を分岐して副熱交換器１９とドレン蒸発器１００とに案内するとともに、副熱交換器１９で発生したドレンを回収する。
排気分岐部２００は図３に示すように１枚のステンレス板を折り曲げることにより形成され、器具ケーシング１２に固定されるケーシング固定部２０１と、副熱交換器１９で発生したドレンを回収するドレン回収部２０２とを備える。
ケーシング固定部２０１にはネジ孔２０１ａが形成され、ステンレス製のネジにより器具ケーシング１２に固定される。
ドレン回収部２０２には、複数のバーリング孔２０２ａが備えられる。
そしてドレン回収部２０２の両端には、図３に示すようにドレンの落下を防止する落下防止部２０４が形成される。

ドレン蒸発器１００は、回収したドレンを蒸発させるドレン蒸発部１０１と燃焼室２０に固定されるドレン蒸発器固定部１１０とから構成される。
ドレン蒸発部１０１は、耐ドレン性、耐熱性、親水性をもつセラミック板より構成される。
ドレン蒸発器固定部１１０は、図２に示すように１枚のステンレス板から構成され、燃焼室に固定される燃焼室固定部１１１と、ドレン蒸発部１０１を挟み込み固定する固定部１１２と、ドレン蒸発部１０１を載置して支える支え部１１３と、ドレンの落下を防止するドレン落下防止部１１４からなる。
燃焼室固定部１１１にはネジ孔１１１ａが形成され、ステンレス製のネジにより燃焼室２０に固定される。
固定部１１２は、支え部１１３の両端にコの字型に形成される。
支え部１１３は、図１に示すように燃焼室２０に対し約１０°の傾斜を形成するように備えられる。
ドレン落下防止部１１４は、ドレンの器具外への落下を防止するため、図１に示すように排気口４４ｂに向かって高くなるように１０°程の傾斜が形成される。

副熱交換器１９において発生したドレンはフィン１９ｂを伝わってドレン回収部２０２に落下すると、バーリング孔２０２ａを伝わってドレン蒸発部１０１に落下する。
ドレン蒸発部１０１は親水性の多孔質セラミックであるから、落下したドレンはドレン蒸発部１０１全体に拡散する。

次に、このように構成された給湯器１０の作動について簡単に説明する。
図示しない給湯栓を開くと、給水管１４に水（図中破線矢印）が流れ、水側制御ユニット５０内の水流センサからの検知信号によりバーナコントローラ５８が、給気ファン３６を駆動した後、主電磁弁５４及びガス比例弁５６が開いてバーナ２２に点火する。
点火動作が終了すると、出湯温度と設定温度との差に応じてガス比例弁５６を制御して熱交換器１８の出口温度を一定に保つとともに、ガス量に応じて給気ファン３６の風量を調整する。

バーナ２２からの高温の燃焼排気は、給気ファン３６により、燃焼排気流路の上流に設けた主熱交換器１８の各フィン１８ｂ間を貫流し熱交換を行う。
この主熱交換器１８においては、ドレンを発生させないように燃焼排気に含まれた顕熱だけを回収する。
そして主熱交換器１８を通過した燃焼排気は、図１に示すように排気分岐部２００によって、副熱交換器１９に向けて案内されるものとドレン蒸発器１００に向けて案内されるものとに分岐される。
副熱交換器１９に案内された燃焼排気は、副熱交換器１９において再度の熱交換を行った後、排気口４４ａから器具の外部に排出される。
一方、ドレン蒸発器１００に案内された燃焼排気は、ドレン蒸発器１００において、回収されたドレンの蒸発を行った後、排気口４４ｂから器具の外部に排出される。

副熱交換器１９においては、主熱交換器１８を通過した燃焼排気をさらに冷却しドレンを発生させて潜熱を回収するとともに、主熱交換器で回収しきれなかった燃焼排気中の顕熱の回収を行う。
ここで、主熱交換器１８では、ドレンを発生させないように、燃焼排気に含まれた顕熱だけを回収するが、主熱交換器１８内に存在する局所的な低温部においてもドレンの発生を抑制するために、燃焼排気の温度はある程度高温に保たなくてはならず十分な顕熱の回収が行われない。
一方、副熱交換器１９においては、ドレンの発生を防止する必要がないため、ドレンを発生させて潜熱を回収するとともに、主熱交換器１８で回収しきれなかった燃焼排気中の顕熱を完全に回収することが可能である。
このとき、副熱交換器１９を通過する燃焼排気はドレン蒸発器１００を通過しておらず温度が高いことから、副伝熱管１９ａと燃焼排気との温度差が大きく、燃焼排気から副伝熱管１９ａへの熱移動速度は早くなり、顕熱の回収を効率よく行うことができる。

また、副熱交換器１９において発生したドレンはフィン１９ｂを伝わってドレン回収部２０２に落下すると、バーリング孔２０２ａを伝わってドレン蒸発部１０１に落下する。
ドレン蒸発部１０１は親水性の多孔質セラミックであるから、落下したドレンはドレン蒸発部１０１全体に拡散する。

ドレン蒸発部１０１においてドレンは、主熱交換器１８を通過した後の燃焼排気と接触し、加熱され蒸発する。
この際、ドレンはセラミック性のドレン蒸発部１０１全体に拡散しているため、ドレンと燃焼排気との接触面積は大きいことに加え、ドレンと接触する燃焼排気は副熱交換器１９を通過しておらず温度が高い。そのため、ドレンは効率良く蒸発する。
また、ドレン蒸発器１００を通過する燃焼排気は副熱交換器１９を通過していないため、従来の副熱交換器１９通過後の燃焼排気をドレン蒸発器１００に案内する場合とは異なり、ドレンの蒸発のために副熱交換器１９での燃焼排気熱の回収率をわざわざ制限しなくてもよい。

なお、ドレンの蒸発はドレン蒸発部１０１上においてのみ行われるのではなく、ドレン回収部２０２からドレン蒸発部１０１にドレンが落下する間にも蒸発は行われる。つまり、ドレン回収部２０２とドレン蒸発部１０１の間隔を広げ、ドレンの落下時間を増加させることにより、ドレンはより短時間で蒸発する。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、こうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施しうることはもちろんである。
例えば、ドレン受けの設置位置は、実施例に限定しないし、バーナ、主熱交換器、副熱交換器の位置関係も実施例に限定しない。例えば、燃焼室内に、炎口を下方に向けたバーナ、主熱交換器、副熱交換器、ドレン蒸発器を上から順に設けて、ドレン蒸発器に主熱交換器を通過した燃焼排気の一部を整流板を用いて案内する構成とすれば、ドレンが主熱交換器に落下することが決してなく、ドレンによる主熱交換器の目詰まりは起こさない。
さらに、主熱交換器、副熱交換器は、気−液熱交換を行うものであれば、フィンチューブ式のものに限定しないし、副伝熱管は耐食性を持てばステンレス性のものに限定しない。
また、ドレン蒸発器は、ステンレス板とセラミック板を積層する構成に限定せず、ステンレス板の表面に耐食性のセラミックコーティングやチタンコーティングを行ってもよい。また、ドレン蒸発器は、排気分岐部の下に複数のステンレス性のフィルターを積層して、フィルターの間を燃焼排気熱が通過するように構成してもよい。この場合にはドレンはステンレスフィルターの層を一層ずつ順に落下するが、ステンレスの熱伝導度が高いことに加えてドレンの燃焼排気との接触面積が増加することから、より短時間でドレンは蒸発する。

本発明は、ファンを備えた強制給排気式の給湯器への適用のみならず、自然燃焼式の給湯器に適用してもよい。また、給湯単機能の機器に限定せず、風呂追焚機能付給湯器や、暖房機能付給湯器に適用してもよい。

本発明実施例の給湯器を示した説明図である。 本発明実施例の給湯器におけるドレン蒸発器を示した説明図である。 本発明実施例の給湯器におけるドレン回収器を示した説明図である。

符号の説明

１２ 器具ケーシング
１８ 主熱交換器
１９ 副熱交換器
２０ 燃焼室
２１ 高温排気室
２２ バーナ
２３ 第１排気室
２４ 第２排気室
３６ 給気ファン
１８ａ 主伝熱管
１８ｂ フィン
１９ａ 副伝熱管
４４ａ 排気口
４４ｂ 排気口
１００ ドレン蒸発器
１０１ ドレン蒸発部
２０２ ドレン回収部
２００ 排気分岐部

Claims (1)

1. 燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
   上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上記主熱交換器を通過した燃焼排気の一部が案内され、該主熱交換器で回収しきれなかった顕熱に加えて潜熱を回収して伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上記主熱交換器を通過した燃焼排気の残り一部が案内され、当該燃焼排気により、上記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを加熱して蒸発させるドレン蒸発器と、
   当該副熱交換器を通過した後の燃焼排気を器具外に排出するための第１の排気部と
   を備えた給湯器において、
   上記主熱交換器を通過した燃焼排気の排気通路に、上記副熱交換器と上記ドレン蒸発器とを互いに排気通路における上流・下流の関係にならないように、互いに所要間隔を隔てて並列に配置するとともに、
   上記ドレンを加熱蒸発させた後の燃焼排気を器具外に排出する第２の排気部をドレン蒸発器の配置位置に対応して設けた
   ことを特徴とする給湯器。

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