JP4099140B2 - 温水機器 - Google Patents

Description

本発明は、バーナの燃焼熱により通水を加熱する熱交換器を備えた給湯器等の温水機器に関する。
尚、以下の説明において、「燃焼排気」という用語は、熱交換器を通過した後の燃焼ガスだけを意味するわけでなく、バーナの燃焼により発生した熱交換前の高温の燃焼ガスをも含めて使用する。

一般に、温水機器の一例である給湯器は、給水管と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を備え、バーナの燃焼熱でもって、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。

通常こうした給湯器においては、フィンチューブ式の熱交換器が用いられ、熱交換器では、フィン間を流れる燃焼排気の温度が均一とならず熱交換器の入水側ほど低温となりドレンが発生しやすい。そこで、入水側のフィン間を流れる燃焼排気の温度が露点（およそ５０〜６０℃）を下回らないように、熱交換を制限している。このため、熱交換器の出水側ではドレンを発生させずにもっと熱交換できるもにもかかわらず、そのまま高温の排気を無駄に排出している。

そこで、熱交換器の下流側排気通路にも別の熱交換器を設けて熱効率を向上させた給湯器も知られている。
例えば、特許文献１に示す給湯器では、主熱交換器の排気通路の下流側に副熱交換器を設け、副熱交換器においてドレンを発生（凝縮）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顕熱を回収するようにしている。この給湯器では、ドレンの処理として、主熱交換器のフィンピッチを入水側を大きくして、入水側におけるフィン間を通過した燃焼排気の温度を高くなるようにし、この高温の燃焼排気で副熱交換器のドレンを蒸発させるようにしている。
特開２００２−３９６２３

しかしながら、上述した給湯器では、主熱交換器の排気通路における高温側の排気を利用してドレンを蒸発させているため、副熱交換器として本来の潜熱を回収する部分への加熱が不十分となっていた。
つまり、副熱交換器といえども、その熱交換器全体にわたって均一にドレンが発生するわけではなく、ドレンが発生しない部分がどうしても存在し、その部分では顕熱のみの熱交換となる。そして、顕熱の熱交換では、その熱交換量は温度差（副熱交換器表面温度と排気温度との差）に支配される。
本願出願人による実験によれば、副熱交換器での集熱量のうち、顕熱の回収分が５０％にも達する。このため、副熱交換器へ送られる燃焼排気温度が低いと、回収熱量が少なくなってしまうのである。
従って、副熱交換器での熱回収は、高温排気を用いて顕熱を充分回収したのち潜熱を回収したほうが効率が良くなるわけである。
一方、ドレンの蒸発処理は、主熱交換器の排気通路における低温側の排気を用いても、相対湿度が１００％に達していない限り、充分おこなうことができる。
従って、上述の給湯器においては、主熱交換器を通過した排気の利用のしかたがアンバランスであり、給湯器としてのトータル的な熱効率の向上が充分とは言えなかった。
本願発明は、上記課題を解決し、さらなる熱効率の向上を目的とする。

上記課題を解決する本発明請求項１記載の温水機器は、
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主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えた温水機器において、
上記蒸発手段を、上記主熱交換器の排気通路の下流側に設けた上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器とし、該ドレン受け兼蒸発器を、上記主熱交換器における高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ上記ドレンを誘導する誘導手段を備えるものとすることで、
上記主熱交換器の低温側部分を通過した低温燃焼排気によりドレンを加熱して蒸発処理することを要旨とする。

上記課題を解決する本発明請求項２記載の温水機器は、
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主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えた温水機器において、
上記副熱交換器の入水側を、上記主熱交換器の高温側部分を通過した高温排気通路に配設し、
上記蒸発手段を、上記主熱交換器の排気通路の下流側に設けた上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器とし、該ドレン受け兼蒸発器を、上記主熱交換器における高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ上記ドレンを誘導する誘導手段を備えるものとすることで、
上記副熱交換器で発生したドレンを、上記主熱交換器の低温側部分を通過した低温燃焼排気で加熱蒸発処理することを要旨とする。

また、上記課題を解決する本発明請求項３記載の温水機器は、上記請求項１または２に記載の温水機器において、
上記主熱交換器の排気通路の下流側に上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器を備え、該ドレン受け兼蒸発器は上記主熱交換器における低温側部分に対向する側ほど低い位置に配置されることを要旨とする。

上記構成を有する本発明の請求項１記載の温水機器は、主熱交換器でバーナの燃焼排気から顕熱を回収して通水を加熱し、副熱交換器で主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と残りの顕熱とを回収して通水を加熱し、蒸発手段で潜熱回収により発生したドレンを蒸発させる。
主熱交換器は、主伝熱管に流れる通水が温度上昇していく関係から温度が不均一となるが、この温度分布を利用して、その低温側部分を通過した低温燃焼排気を用いてドレン蒸発手段がドレンを加熱蒸発処理する。
従って、主熱交換器の高温側部分を通過する高温燃焼排気は、副熱交換器での熱回収に利用できるため、顕熱の回収量を多くすることができる。つまり、顕熱回収量は、副熱交換器と排気温度との温度差に比例するため、残りの顕熱分を充分回収できる。そして、顕熱回収により排気温度を露点以下にまで低下させてドレン凝縮により潜熱を回収する。
一方、蒸発手段においては、低温燃焼排気を利用しているが、相対湿度が１００％に達していない限り、充分にドレンを蒸発させることができる。
この結果、バーナの燃焼排気から極めて高い効率で熱回収することができ、熱効率が極めて高く、しかもドレン処理の不要な温水機器を提供することができる。
さらに、副熱交換器の低温側部分で発生したドレンがドレン受け兼蒸発器に受けられた後、主熱交換器の高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ誘導されるため、ドレンの誘導と蒸発とを兼用して行うことができ、構成が簡単になる。

上記構成を有する本発明の請求項２記載の温水機器は、上記効果に加えて、副熱交換器の入水側を、主熱交換器の高温側部分を通過した高温排気の通路に配設したため、副熱交換器の最も低温部分に高温排気が確実に流れて熱交換することとなり、顕熱の回収量を増すことができる。

さらに、本発明の請求項２記載の温水機器は、副熱交換器の低温側部分で発生したドレンがドレン受け兼蒸発器に受けられた後、主熱交換器の高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ誘導されるため、ドレンの誘導と蒸発とを兼用して行うことができ、構成が簡単になる。

上記構成を有する本発明の請求項３記載の温水機器は、副熱交換器の低温部分で発生したドレンがドレン受け兼蒸発器に受けられた後、その自重により主熱交換器の低温側部分に対向する側へ誘導されるため、簡単にドレンを低温燃焼排気の流れる位置に誘導することができるとともに、ドレンの誘導と蒸発とを兼用して行うことができ、構成が簡単になる。

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、以下本発明の温水機器の好適な実施例について説明する。

本発明の実施例としての給湯器１は、図１に示すように、器具本体２内に燃焼室３が設けられ、その下方にＤＣモータ４と連結した給気ファン５が取り付けられる。尚、器具本体２には、外気を燃焼用空気として取り込むための給気口６が形成される。

燃焼室３内には、下から順に、燃料ガスと給気ファン５からの一次空気との混合ガスを燃焼するバーナ７と、バーナ７からの燃焼排気の顕熱の多くを回収する主熱交換器８と、ドレンを受けて蒸発させるドレン蒸発器９と、主熱交換器８で回収しきれなかった顕熱とドレンを発生させて回収する潜熱とを回収する副熱交換器１０とが設けられる。燃焼室３の上部には、主熱交換器８、副熱交換器１０で熱交換後の燃焼排気を器体外へ排出する排気口１１が形成される。

器具本体２内に設けられる通水管は、上流から順に、冷水が供給される給水管１２、燃焼室３を外側で巻回する巻回管１３、副熱交換器１０に設けられる副伝熱管１４、主熱交換器８に設けられる主伝熱管１５、温水を出湯する出湯管１６からなる。これらの通水管の内、副伝熱管１４は耐食性に優れたステンレス製であり、その他の管は銅製である。
主伝熱管１５には、燃焼熱を吸収する多数の銅製の主フィン１７が等ピッチで設けられる。このため、主熱交換器８は入水側ほど低温となり、出水側ほど高温となる。そして、このフィンピッチは、入水側でもドレンが発生しないすなわち通過する燃焼排気の温度が露点（およそ５０℃〜６０℃）を下回らないようなピッチとする。
副伝熱管１４には、燃焼熱を吸収する多数のステンレス製の副フィン１８が等ピッチで設けられる。このため、副熱交換器１０は入水側ほど低温となり、出水側ほど高温となる。そして、このフィンピッチは、排気温度に制限を設けずドレンを発生させるまで熱交換するようなピッチとする。
また、主熱交換器８と副熱交換器１０との位置関係は、副熱交換器１０の入水側が、主熱交換器８の出水側すなわち主熱交換器８の高温部側の上方となるように配置する。

ドレン蒸発器９は、図１、図２、図３に示すように、断面がＵ字状に形成された長細いドレン受け１９が横方向に三列で並べられ、その左右の端部がそれぞれ一体的に結合されたドレン受け部２０と、ドレン受け１９とドレン受け１９との間の排気隙間２１の上方を覆い下方の主熱交換器８やバーナ７等へのドレンの落下を防止する断面逆Ｕ字状のドレンカバー２２とからなる。尚、図２は、図１中の一点鎖線Ａ−Ａでの断面図である。また、ドレン受け１９は、略くの字状に曲折されて、ドレン受け誘導部２３とドレン蒸発部２４とが形成される。このため、ドレン蒸発部２４を水平方向に向けて配置すると、ドレン受け誘導部２３はドレン蒸発部２４から斜め上方向にのびるように配置される。
ドレン蒸発器９は、主熱交換器８の上方全面、すなわち副熱交換器１０の下方全面を覆う大きさで設けられる。そして、主熱交換器８の入水側にドレン蒸発部２４を水平方向に向けて配置することにより、ドレン受け誘導部２３によって主熱交換器８における高温部分すなわち出水側に対向する側が高く、主熱交換器８における低温部分すなわち入水側に対向する側が低くなるように下り傾斜をつけて設けられる。

給水管１２には水流センサや水ガバナを備える水側制御ユニット２５が設けられ、バーナ７へのガス管２６には主電磁弁２７及びガス比例弁２８が設けられる。また、水側制御ユニット２５内の水流センサや、主電磁弁２７及びガス比例弁２８、そしてＤＣモータ４等は、この給湯器１の燃焼を制御するバーナコントローラ２９に電気的に接続される。

このように構成された給湯器１では、図示しない給湯栓を開くことにより給水管１２に水（図中破線矢印）が流れ、水側制御ユニット２５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２９が制御動作を行い、給気ファン５がＤＣモータ４の駆動により回転し始める。所定のプリパージが完了すると、バーナ７の主電磁弁２７及びガス比例弁２８が開いてバーナ７に燃料ガス（図中実線矢印）が供給され、図示しないイグナイタによりバーナ７に点火が行われる。
点火動作が終了すると、比例制御が開始され、図示しない主湯温サーミスタで検出される湯温と設定温度との差があると、バーナコントローラ２９でそれを判断しガス比例弁２８へ信号を送り、ガス量を連続的に変化させて主熱交換器８の出口温度を一定に保つ。また、ガス比例弁２８によるガス量の変化に応じてバーナコントローラ２９から給気ファン５のＤＣモータ４に信号が送られ、給気ファン５の回転数も変えられ、常にガス量と給気量とが所定の関係に保たれるように制御される。

このような燃焼制御において、給気ファン５の動作に伴い、器具本体２に設けられる給気口６より外気が器具本体２内に吸引され、バーナ７へ導入されて燃焼用空気として燃焼に供される。バーナ７の炎口近傍では混合気が燃焼して火炎を形成し、主熱交換器８の上流近傍に至る間に燃焼が完結（完全燃焼）する。
バーナ７からの高温の燃焼排気が、給気ファン５により主熱交換器８の各主フィン１７間を貫流し主伝熱管１５を流れる水と熱交換し、これにより温度の下がった燃焼排気が、ドレン蒸発器９を加熱して、さらに副熱交換器１０の各副フィン１８間を貫流し副伝熱管１４を流れる水と熱交換した後に排気口１１から器具の外へ排出される。ドレン蒸発器９においては、燃焼排気は、排気隙間２１とドレンカバー２２との間を通って流れていく。
この際、主熱交換器８では、ドレンを発生させずに顕熱のみを回収し、一方、副熱交換器１０では、ドレンを発生させて主熱交換器８で回収しきれなかった顕熱に加え潜熱も回収する。

発生したドレンは、副熱交換器１０の真下に設けられたドレン蒸発器９で受けられる。この際、ドレンカバー２２に落下したドレンもドレンカバー２２を伝わってドレン受け１９に落ちる。ドレン蒸発器９は、主熱交換器８の入水側すなわち低温部と対向する側が下方となるように下り傾斜して設けられているため、副熱交換器１０で発生しドレン受け１９のドレン受け誘導部２３に落下したドレンはドレン受け誘導部２３内をその自重により主熱交換器８の低温部側、すなわち低温の燃焼排気の流れる位置に移動していき、ドレン蒸発部２４に溜り加熱されて蒸発する。この際、回収した潜熱と同量の熱量を燃焼排気中へ放出してしまうが、副熱交換器１０ではドレンの発生を制限することなく燃焼排気からできるだけ多くの顕熱を回収することが可能となる。また、ドレンカバー２２は、燃焼排気を一旦ドレン受け１９上のドレンに案内するガイドとしても働く。

そして、主熱交換器８では、主伝熱管１５に流れる通水が温度上昇していく関係から温度が不均一となるため、この温度分布を利用して、その低温側部分すなわち入水側を通過した低温燃焼排気を用いてドレン蒸発器９のドレン蒸発部２４でドレンを加熱蒸発処理するのである。
従って、主熱交換器８の高温側部分すなわち出水側を通過する高温燃焼排気は、副熱交換器１０での熱回収に利用できるため、顕熱の回収量を多くすることができる。つまり、顕熱回収量は、副熱交換器１０と排気温度との温度差に比例するため、残りの顕熱分を充分回収できる。そして、顕熱回収により排気温度を露点以下にまで低下させてドレン凝縮により潜熱を回収する。
一方、ドレン蒸発器９においては、低温燃焼排気を利用しているが、相対湿度が１００％に達していない限り、充分にドレンを蒸発させることができる。
この結果、バーナ７の燃焼排気から極めて高い効率で熱回収することができ、熱効率が極めて高く、しかもドレン処理の不要な給湯器１を提供することができる。
さらに、副熱交換器１０の入水側を、主熱交換器８の出水側上方にすなわち主熱交換器８の高温側部分を通過した高温排気の通路に配設したため、副熱交換器１０の最も低温部分に高温排気が確実に流れて熱交換することとなり、顕熱の回収量を増すことができる。

また、副熱交換器１０で発生したドレンはドレン蒸発器９に受けられた後、その自重によりドレン受け誘導部２３内を主熱交換器８の低温部分に対向する側へ流れていくため、簡単にドレンを低温燃焼排気の流れる位置に誘導することができるとともに、ドレンの誘導と蒸発とを一つの部材（ドレン蒸発器９）で兼用して行うことができ、構成が簡単になる。
しかも、このドレン受け誘導部２３内を流下中においても燃焼排気により蒸発が補助され、ドレンの蒸発を一層効率良く行うことができる。さらに、燃焼排気が排気隙間２１とドレンカバー２２との間を通って流れていくため、ドレン受け１９中のドレンは燃焼排気に直接接触して加熱されるので、より一層効率良く蒸発させられる。

＜参考実施例＞
次に、参考として参考実施例の給湯器について図４を用いて説明する。尚、実施例１と異なる部分について説明し、重複する部分に関しては同一符号を付してその説明を省略する。
参考実施例の給湯器２０１では、副熱交換器２１０を副伝熱管２１４のみから構成するとともに、独立部材としてのドレン蒸発器は設けない。
この副伝熱管２１４は、通水下流ほど低くなるように下り傾斜して設けられ、主熱交換器８の低温側部分すなわち入水側に対向する側が低くなるように配置される。副伝熱管２１４はステンレス製であり、その表面は親水性を高めるためにショットブラスト加工により粗くされている。
このような給湯器２０１では、副熱交換器２１０すなわち副伝熱管２１４で発生したドレンは、副伝熱管２１４が主熱交換器８の低温部分に対向する側ほど低くなるように下り傾斜して設けられているため、自重により副伝熱管２１４表面を伝わってその出水側に案内され、主熱交換器８の低温側部分を通過した低温燃焼排気により加熱蒸発される。従って、副熱交換器２１０がドレン蒸発器を兼ねており、ドレン蒸発器を別体で設ける必要がなく、またドレンを主熱交換器８の低温側へ誘導する誘導部材も必要ない。この結果、構成が簡単となり、コスト低減、器具のコンパクト化を図ることが可能となる。
また、副伝熱管２１４の表面に親水処理を施しているため、ドレンは副伝熱管２１４の表面上を良好に拡散していくため、一層効率よく蒸発させることができる。

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例に何等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、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、本実施例では、発生したドレンを全て蒸発させて器具外にはドレンを排出しないようにしているが、発生したドレンの内の一部を簡易的な中和装置を用いて中和した後に器具外に排出するようにしてもよい。この場合には、簡易的な中和装置を備えるだけで顕熱全てに加え、潜熱の一部も回収でき熱効率がより一層向上する。
また、給気ファン５を備えた強制燃焼式の給湯器１、２０１に適用した例を示したが、これに限ったものではなく、給気ファンを備えない自然燃焼式の給湯器に適用しても構わない。

バーナの燃焼熱により通水を加熱して出湯する温水機器に適用可能である。

実施例としての給湯器の概略構成図である。 実施例としてのドレン蒸発器の断面図である。 実施例としてのドレン蒸発器の平面図である。 参考実施例としての給湯器の概略構成図である。

符号の説明

１、２０１ 給湯器
３ 燃焼室
７ バーナ
８ 主熱交換器
９ ドレン蒸発器
１０、２１０ 副熱交換器
１４、２１４ 副伝熱管
１５ 主伝熱管
１９ ドレン受け
２０ ドレン受け部
２３ ドレン受け誘導部
２４ ドレン蒸発部

Claims (3)

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主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えた温水機器において、
   上記蒸発手段を、上記主熱交換器の排気通路の下流側に設けた上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器とし、該ドレン受け兼蒸発器を、上記主熱交換器における高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ上記ドレンを誘導する誘導手段を備えるものとすることで、
   上記主熱交換器の低温側部分を通過した低温燃焼排気によりドレンを加熱して蒸発処理することを特徴とする温水機器。
2. 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主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上記副熱交換器で発生したドレンを蒸発させる蒸発手段とを備えた温水機器において、
   上記副熱交換器の入水側を、上記主熱交換器の高温側部分を通過した高温排気通路に配設し、
   上記蒸発手段を、上記主熱交換器の排気通路の下流側に設けた上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器とし、該ドレン受け兼蒸発器を、上記主熱交換器における高温側部分に対向する側から低温側部分に対向する側へ上記ドレンを誘導する誘導手段を備えるものとすることで、
   上記副熱交換器で発生したドレンを、上記主熱交換器の低温側部分を通過した低温燃焼排気で加熱蒸発処理することを特徴とする温水機器。
3. 上記主熱交換器の排気通路の下流側に上記ドレンを受けるドレン受け兼蒸発器を備え、該ドレン受け兼蒸発器は上記主熱交換器における低温側部分に対向する側ほど低い位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の温水機器。

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