JP4250317B2

JP4250317B2 - 高効率給湯器

Info

Publication number: JP4250317B2
Application number: JP2000257595A
Authority: JP
Inventors: 勝児玉
Original assignee: パロマ工業株式会社
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: JP2002071215A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナを利用して水を加熱する給湯器に関し、特に熱効率の向上を図った高効率給湯器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高効率給湯器は、熱交換器の熱効率を向上させるために燃焼ガスの潜熱を利用したものが知られている。例えば特許第３０４１９７６号特許掲載公報においては、ファンによって強制排気される燃焼ガスと水とを間接的に熱交換する間接熱交換器を設ける一方、その燃焼ガスの排気側下流に、燃焼ガス中に水を散布して燃焼ガスと水とを直接的に熱交換させる直接熱交換器と、直接熱交換器の下部にあって散布された湯をためる貯湯器内で湯と水とを間接的に熱交換させる水用熱交換器とを設けて、直接熱交換器で燃焼ガス中の水蒸気の潜熱を回収して水用熱交換器で水を予熱してから、間接熱交換器で燃焼ガスの顕熱で水を加熱する給湯器の発明が開示されている。同様に、特開平５９−１２５３５０号公報においては、間接熱交換器の排気側下流に、燃焼ガスを水を主成分として設けた液槽内に通過させて潜熱を回収し、液槽内に設けた熱交換パイプで水を予熱する液−液熱交換器を設けた給湯器の発明が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者の公報の発明は、水の散布による熱交換であるため、熱交換が不十分で効率の良い潜熱回収ができない。又、散布水は全て排水される構成となっているから、無駄水の量が多くなってしまう。
一方、後者の公報の発明においては、液槽を利用した液−液熱交換器によって潜熱回収の効率が良く、無駄水の発生も少なくて済むが、燃焼用空気を供給するファンが間接熱交換器の上流側に位置するいわゆる押し込み式のものであるから、燃焼ガスを液槽内に通過させるために燃焼室の内圧が高くなり、燃焼ガスが漏洩するおそれが生じる。又、潜熱の回収によって液槽からオーバーフローした排出液が排水されることとなるが、この排出液は強酸性のためそのまま下水へ排出できず、条例等で定められた排水基準値内のｐＨ値に中和処理する中和装置が必要となる。
【０００４】
そこで、請求項１に記載の発明は、液槽を利用した液−液熱交換器によって効率の良い潜熱回収を維持しつつ、液−液熱交換器を用いても燃焼室の内圧上昇による燃焼ガスの漏洩のおそれを生じさせない高効率給湯器を提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、バーナを備えた燃焼室内に、燃焼ガスと水とを間接的に熱交換させる主熱交換器を設け、その主熱交換器の排気側下流に、燃焼ガスを通過させる液槽を有し、その液槽と主熱交換器への給水とを熱交換させる補助熱交換器を設け、燃焼室における補助熱交換器の排気側下流に、燃焼室内にバーナの燃焼用空気を吸引排気するファンを設ける一方、液槽に、液槽内に水を補給する補水管を設けるとともに液槽内の温度を検出する温度検出手段を設け、液槽内の温度が所定値を超えると、液槽内へ水を補給して液槽内の温度を調整するとともに、液槽に、所定水位を超えた液を排水するオーバーフロー管を設け、オーバーフロー管内の排水に、主熱交換器を経て給湯箇所に出湯された排水を混合する高効率給湯器としたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、液槽からの排出液を確実に中和処理するために、オーバーフロー管に、オーバーフロー管内の排水を中和する中和装置を設けたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の目的に加えて、より高い熱効率を得るために、燃焼室に供給される燃焼用空気の給気口を、ファンの排気側下流に設けられる排気口の近傍に配置して、燃焼室及び排気口を通過する燃焼ガスによって給気経路及び給気口を通過する燃焼用空気を予熱可能としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、高効率給湯器（以下「給湯器」という。）１の概略図で、燃焼室２内には、バーナユニット（以下「ユニット」という）３，３が備えられる。各ユニット３には、ガス管４から各ユニット３，３へ分岐する分岐管５，５が接続され、各分岐管５ごとに切替電磁弁６が夫々設けられている。７は分岐前のガス管４に設けられた比例弁である。又、燃焼室２内には、燃焼ガスの顕熱回収部となる主熱交換器８と、主熱交換器８の排気側下流で、燃焼ガスの潜熱回収部となる補助熱交換器９との２つの熱交換器が設けられ、補助熱交換器９の排気側下流に、燃焼用空気を燃焼室２内に吸引し、給湯器外部へ排出するファン１０が備えられている。１１は給湯器１のハウジングに形成された給気口、１２は排気口で、ここでは、給気口１１が排気口１２の近傍に設けられている。よって、給気口１１から取り込まれた燃焼用空気は、実線矢印で示すように燃焼室２に隣接する給気経路１１ａを経由して燃焼室２の下方から燃焼室２内に吸引され、各ユニット３の燃焼に費やされるが、給気口１１が排気口１２の近傍にあることから、燃焼用空気は燃焼室２の外周を通過する間に燃焼ガスと熱交換（予熱）されることになる。
【０００８】
一方、給湯器１へ接続される給水管１３は、まず補助熱交換器９と接続される。補助熱交換器９は、水を溜めた液槽１４と、液槽１４の底面積よりも小さい開口で液槽１４内とファン１０とを接続する排気通路１５と、基端を燃焼室２内に開口させ、複数の小孔を形成した先端部を液槽１４内に設置した導入パイプ１６と、液槽１４内に浸される熱交換パイプ１７とからなり、給水管１３は熱交換パイプ１７に接続されている。又、液槽１４には、先端が液槽１４の上面近くに位置するオーバーフロー管１８が接続され、液槽１４の所定水位を超えた水は、オーバーフロー管１８を介して給湯器１外部の下水管３３へ排水されるようになっている。１９は、給水管１３から分岐して液槽１４へ接続された補水管で、補水バルブ２０が設けられている。
そして、補助熱交換器９の熱交換パイプ１７は、液槽１４の出口で中継管２１に接続され、中継管２１は主熱交換器８の吸熱管２２に接続されている。吸熱管２２には、フィン２３，２３・・が設けられると共に、主熱交換器８の出湯側で出湯管２４に接続されて給湯器１の外部へ導かれている。２５は、主熱交換器８をバイパスして中継管２１と出湯管２４とに接続されたバイパス管である。
【０００９】
更に、出湯管２４は、所定の給湯場所に分岐して、夫々給湯栓２６，２６・・により開閉される。ここで、各給湯場所の排水管２７，２７・・は、全てオーバーフロー管１８に接続されていることから、各給湯場所の排水は、オーバーフロー管１８の排水と混合されて下水管３３へ流されることになる。
一方、給水管１３には、給水管１３内を流れる水量を検出する水量センサ２８と、入水温度を検出する入水温サーミスタ２９が、出湯管２４には、主熱交換器８の内胴出口温度を検出する熱交換器サーミスタ３０と、その下流側で出湯温度を検出する出湯温サーミスタ３１が夫々設けられている。そして、３２はコントローラ（図では「ＢＣ」と表示する。）で、水量センサ２８による水量検出信号や各サーミスタによる温度検出信号が夫々入力され、コントローラ３２は、検出された水量、入水温度、出湯温度から設定温度の出湯に必要な燃焼出力量を演算し、その演算結果に基づいて比例弁７の開度制御と切替電磁弁６，６の開閉による各ユニット３の燃焼制御とを実行すると共に、ファン１０の回転数を制御する。
【００１０】
以上の如く構成された給湯器１においては、給湯栓２６，２６・・の何れかが開栓され、給水管１３内を水が流れると、その水量を水量センサ２８によって検知したコントローラ３２がユニット３，３を燃焼させる。ユニット３，３の燃焼により発生した高温の燃焼ガスは、まず主熱交換器８のフィン２３，２３・・間を通過することで、吸熱管２２内の水を加熱する。そして燃焼ガスは、点線矢印で示すように、その下流で補助熱交換器９の導入パイプ１６を介して液槽１４内に入り、気泡となって液槽１４を通過する。このとき燃焼ガスは、液温が露点以下では燃焼ガス中のＨ_２Ｏ蒸気が潜熱を発生して水となり、水中に取り込まれるため、液槽１４内の水が加熱される。よって、燃焼ガスは略液温と等しくなって排気通路１５からファン１０を経て排気口１２から外部に排気される。
従って、給水管１３から給湯器１内に導かれる水は、補助熱交換器９の熱交換パイプ１７を通過する際に、燃焼ガスの潜熱によって加熱された液槽１４内の水と熱交換することで、予熱が与えられ、その後、主熱交換器８において高温の燃焼ガスとの熱交換で加熱され、湯として出湯管２４から出湯されることになる。
【００１１】
尚、液槽１４内の温度が高くなると、それだけ熱交換パイプ１７内の水への予熱が大きくなるが、液槽１４内の温度が高すぎて燃焼ガスの露点を越えると、燃焼ガスの潜熱が回収できなくなるので、コントローラ３２は、液槽１４に設けられた液槽サーミスタ３５から得られる温度検出信号に基づいて、補水バルブ２０を開閉制御して液槽１４内の水温を調整する。図２は、空気過剰率（λ）と露点との関係を各ガス種ごとに示したグラフで、（Ａ）が給気温度１５℃、湿度６０％の場合、（Ｂ）が給気温度３０℃、湿度９０％の場合で、例えばプロパン（「Ｐ」で示す）やブタン（「Ｂ」で示す）では、（Ａ）の条件で空気過剰率１．０では約５５℃以下で結露することになる。即ち、液槽１４内の水温が燃焼ガスの露点以下となるように、液槽１４内の温度調整を行うものである。
【００１２】
そして、液槽１４で燃焼ガス中のＨ_２Ｏ分が水となって液槽１４の水量が増大すると、オーバーフロー管１８から排出される。このとき、燃焼ガス中のＮＯ_Ｘ、ＣＯ_２等が液槽１４内に溶けるため、排出液は強酸性（ｐＨ３〜５）となるが、オーバーフロー管１８には、排水管２７が接続されているから、給湯器１の使用時には給湯箇所で使用された湯が全て排水されて混合されることとなり、排出液はｐＨ５以上に薄められ、条例等で定められる排水基準値内のｐＨ値として下水管３３へ排出可能となる。
具体的には、ガスインプット３００００kcal／hrの給湯器において、１３Ａ（天然ガス）では発生するドレンは４．８８kg／hrで、ｐＨ３程度となるが、給湯器１で５℃の水を６０℃にして出湯させる場合、使用水量は５４５kg／hrとなり、ドレン量の１１２倍、２０℃の水を４５℃にして出湯させる場合、使用水量は１２００kg／hrとなり、ドレン量の２４６倍になる。この排水量でドレンを希釈するため、排水のｐＨ値は５以下になることはない。尚、ここでの数値は熱効率１００％で算出しているが、一般的には熱効率は９５％以下となって潜熱とドレン発生量は小さくなるので、より安全側のｐＨ値となる。
【００１３】
このように上記形態の給湯器１によれば、従来の主熱交換器８に加えて、液−液の直接熱交換となる補助熱交換器９を採用したことで、燃焼ガスの顕熱と潜熱とを効果的に回収して熱効率を上昇させることができる。特に、燃焼用空気を取り込むファン１０を補助熱交換器９の排気側下流に配置する吸い込み型としたことで、燃焼室２内が負圧となって燃焼ガスが漏洩するおそれはなくなると共に、潜熱回収後の低温の燃焼ガスを排気することとなるので、補助熱交換器９を用いない場合の吸い込み型と比較して、ファン１０が小型であっても吸い込みによる強制排気が実現可能となり、給湯器１のコンパクト化やコストダウンが達成できる。
【００１４】
又、ここでは、給気口１１を排気口１２の近傍に設けて、燃焼室２及び排気口１２を通過する燃焼ガスによって給気口１１及び給気経路１１ａを通過する燃焼用空気を予熱可能としているから、簡単な構成で一層の熱効率の向上が図られ、給湯器１のケーシングの放熱も少なくなる。特に、給湯器１が屋外に設置される場合、風による逆圧を受けにくくなって給気口１１と排気口１２とが同圧となるため、ファン１０への負担が少なくなり、その分ファン１０の一層の小型化が図られるという効果も得られる。
更に、液槽１４のオーバーフロー管１８から排出される排出液に、給湯箇所で排水される湯を混合して排水させているから、中和装置を用いることなく、簡単な構成で液槽１４からの強酸性の排出液を適正なｐＨ値に調整して下水へ排水可能となる。
【００１５】
尚、上記形態では、オーバーフロー管１８と排水管２７との接続により液槽１４からの排出液のｐＨ値の調整を図っているが、図１の二点鎖線で示すように、中和剤として粒状炭酸カルシウム等を用いた中和装置３４をオーバーフロー管１８に設けて、排出液をオーバーフロー管１８において中和処理することも可能である。このようにすれば、給湯箇所が浴槽等であって出湯分がそのまま排水されないような場合でも、確実に排出液の中和処理が可能となる。又、補助熱交換器９も、吸い込み型の排気形態で液−液の直接熱交換が可能な形態であれば、排気通路１５や導入パイプ１６、熱交換パイプ１７等の形状は適宜変更可能で、例えば導入パイプの出口は小孔にせず、液槽１４内にパンチングメタル等を設けて気泡を分割することもできる。
又、補助熱交換器９を採用せず、主熱交換器８のみを設けた給湯器であっても、上記形態のように給気口１１を排気口１２の近傍に配置すれば、燃焼ガスの潜熱回収を行わなくても燃焼用空気の予熱によって熱効率の向上を図ることが可能となり、コストダウンに繋がる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、従来の主熱交換器に加えて、液−液の直接熱交換となる補助熱交換器を採用したことで、燃焼ガスの顕熱と潜熱とを効果的に回収して熱効率を上昇させることができる。特に、燃焼用空気を取り込むファンを補助熱交換器の排気側下流に配置する吸い込み型としたことで、燃焼室内が負圧となって燃焼ガスの漏洩のおそれはなくなると共に、潜熱回収後の低温の燃焼ガスを排気することとなるので、ファンが小型であっても吸い込みによる強制排気が実現可能となり、給湯器のコンパクト化やコストダウンが達成できる。
また、請求項１に記載の発明によれば、液槽に、所定水位を超えた液を排水するオーバーフロー管を設け、オーバーフロー管内の排水に、主熱交換器を経て給湯箇所に出湯された排水を混合する構成としたことで、中和装置を用いることなく、簡単な構成で液槽からの排出液を中和処理可能となる。
さらに、請求項１に記載の発明によれば、液槽に、液槽内に水を補給する補水管を設けるとともに液槽内の温度を検出する温度検出手段を設け、液槽内の温度が所定値を超えると、液槽内へ水を補給して液槽内の温度を調整するため、液槽内の温度が高くなりすぎて、燃焼ガスの潜熱が効率良く回収できないといった事態を防止することができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、オーバーフロー管に、オーバーフロー管内の排水を中和する中和装置を設けたことで、給湯箇所が浴槽等であって出湯分がそのまま排水されないような場合でも、確実に排出液の中和処理が可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、燃焼室への給気口を排気口の近傍に配置して、燃焼室及び排気口を通過する燃焼ガスによって給気経路及び給気口を通過する燃焼用空気を予熱可能としたことで、簡単な構成で一層の熱効率の向上が図られ、給湯器のケーシングの放熱も少なくなる。又、給湯器が屋外に設置される場合、風による逆圧を受けにくくなって給気口と排気口とが同圧となるため、ファンへの負担が少なくなり、その分ファンの小型化が図られるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給湯器の概略図である。
【図２】（Ａ）空気過剰率と露点との関係を示すグラフである。
（Ｂ）空気過剰率と露点との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・給湯器、２・・燃焼室、８・・主熱交換器、９・・補助熱交換器、１０・・ファン、１１・・給気口、１２・・排気口、１３・・給水管、１４・・液槽、１５・・排気通路、１６・・導入パイプ、１７・・熱交換パイプ、１８・・オーバーフロー管、２４・・出湯管、２７・・排水管、３２・・コントローラ、３３・・下水管。

Claims

バーナを備えた燃焼室内に、燃焼ガスと水とを間接的に熱交換させる主熱交換器を設け、その主熱交換器の排気側下流に、前記燃焼ガスを通過させる液槽を有し、その液槽と前記主熱交換器への給水とを熱交換させる補助熱交換器を設け、前記燃焼室における前記補助熱交換器の排気側下流に、前記燃焼室内に前記バーナの燃焼用空気を吸引排気するファンを設ける一方、
前記液槽に、前記液槽内に水を補給する補水管を設けるとともに前記液槽内の温度を検出する温度検出手段を設け、前記液槽内の温度が所定値を超えると、前記液槽内へ水を補給して前記液槽内の温度を調整するとともに、
前記液槽に、所定水位を超えた液を排水するオーバーフロー管を設け、前記オーバーフロー管内の排水に、主熱交換器を経て給湯箇所に出湯された排水を混合する高効率給湯器。
オーバーフロー管に、前記オーバーフロー管内の排水を中和する中和装置を設けた請求項１に記載の高効率給湯器。
燃焼室に供給される燃焼用空気の給気口を、ファンの排気側下流に設けられる排気口の近傍に配置して、前記燃焼室及び前記排気口を通過する燃焼ガスによって給気経路及び前記給気口を通過する燃焼用空気を予熱可能とした請求項１又は２に記載の高効率給湯器。