JP4262897B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナの燃焼ガス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。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃焼ガス流路中の上流側に顕熱回収用の主熱交換器を、下流側に潜熱回収用の副熱交換器を設けて高い熱効率を得る給湯器が知られている。
例えば、図２に示すように、バーナ９の下方に主熱交換器５０と副熱交換器５１とを上下２段に離間して設け、副熱交換器５１の下方にドレンの受け皿としてのドレンパンを兼ね備えた排気フード１２を設けたいわゆる下向き燃焼方式の給湯器２４が知られている。主熱交換器５０には銅製の主フィン５０ａに主伝熱管５００が貫通し上下２段で奥行き方向に蛇行して設けらる（以下、主伝熱管５００の上段、下段を特定する場合には、上主伝熱管５００ａ，下主伝熱管５００ｂと呼ぶ）。一方、副熱交換器５１にはアルミ製の副フィン５１ａに副伝熱管５１０が貫通して１段で奥行き方向に蛇行して設けられる。通水路は、上流から順に、水の入口である給水管１７、副伝熱管５１０、バーナに近い側の上主伝熱管５００ａ、バーナから遠い側の下主伝熱管５００ｂ、燃焼室３を外側で巻回する巻回管１６、出湯管１８から構成される。この通水路は、副伝熱管５１０をのぞいて銅製であり、副伝熱管１１０は、内側が銅製で外側がアルミ製の２重管構造をしている。
こうした高効率給湯器２４においては、図示しない給湯栓を開くことにより給水管１７に水（図中破線矢印）が流れ、副熱交換器５１で燃焼排ガス中の潜熱を回収し、主熱交換器５０と巻回管１６とで顕熱を回収することによって、高い熱効率で出湯することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の給湯器２４においては、もともと水道水に含まれていたり、副伝熱管５１０や上主伝熱管５００ａで発生した気泡が、上主伝熱管５００ａの上部に溜まりやすかった。一般に、伝熱管と水が接触している場合には、燃焼ガスからの熱は、伝熱管内の水に速やかに伝わるため、伝熱管の温度はそれほど上昇しないのに対し、気泡が存在すると、伝熱管から気泡への熱伝達が非常に悪いため、燃焼ガスによって加熱された伝熱管の表面は非常に高温になってしまう。このため、その部分で局部的な沸騰がおこり出湯性能の低下や、高温酸化による伝熱管の耐久性の低下といった問題が生じるおそれがあった。特に、上主伝熱管１００ａの上部は、熱交換される前の最も高温（例えば、１５００℃）の燃焼ガスによって加熱されるため、この問題が大きく懸念されていた。
さらに、給湯器２４を使用後に凍結防止などの目的のために通水路の水抜きを給水管１７や出湯管１８から行なおうとしても、下主伝熱管５００ｂ内の水が抜けないので、下主伝熱管５００ｂにわざわざ水抜き管２５を設ける必要があった。
また、主熱交換器５０のバーナ９から遠い側では、排気温が低くなるためドレンが発生しやすいという問題もある。
本発明の給湯器は上記課題を解決し、出湯性能や伝熱管の耐久性の低下を防ぎ、水抜きを容易化し、かつ、ドレンの発生を抑制することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
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、
上記バーナの燃焼ガスの流れ方向に対して複数段設けられる伝熱管を備え、上記燃焼ガスから顕熱を回収して該伝熱管に流れる通水を加熱する熱交換器と、
上記燃焼室の外壁に巻回されると共に上記熱交換器の伝熱管に接続され、上記燃焼室の外壁面からの熱により通水を加熱する巻回管とを備え、
上記バーナをその炎孔側を下向きにして設けると共に、該バーナの下方に上記熱交換器を配置し、
上記バーナと上記熱交換器との間の燃焼室の外壁に上記巻回管を巻回して、
給水管から供給される水を上記熱交換器及び上記巻回管を介して出湯管から出湯する給湯器において、
上記給水管から上記出湯管への通水路を、その上流側から、上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管、上記巻回管、上記熱交換器の燃焼ガス下流側段の伝熱管の順で構成したことを要旨とする。
【０００６】
また、本発明の請求項２記載の給湯器は、上記請求項１記載の給湯器において、
上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管の最下流の管に、下流側が上方となるように傾斜を設けたことを要旨とする。
【０００７】
また、本発明の請求項３記載の給湯器は、上記請求項１または２に記載の給湯器において、
上記燃焼ガス流路中の上記熱交換器よりも下流側に、上記熱交換器で主に顕熱を回収された後の上記燃焼ガスから、主に潜熱を回収する副熱交換器を備え、
上記副熱交換器に備えられた副伝熱管で加熱された後の通水が上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管に導かれることを要旨とする。
【０００８】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の給湯器では、伝熱管を備えた熱交換器と巻回管とで、バーナの燃焼ガスにより通水が加熱される。この際、通水順路は、上流から順に、燃焼ガス上流側段の伝熱管、巻回管、燃焼ガス下流側段の伝熱管である。すなわち、排気温が低くなるためにドレンが発生しやすい熱交換器の燃焼ガス下流側に、燃焼ガス上流側段の伝熱管で加熱され、さらに巻回管で加熱された通水路中最も高温の湯を導入することができる。このため、熱交換器でのドレンの発生を抑制することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の請求項１記載の給湯器では、燃焼ガス上流側段の伝熱管内で発生したり、水道水に含まれていた気泡は、上方の巻回管に導かれ、巻回管内の上部に溜まる。巻回管は燃焼室の外壁面から伝わってきた熱により側面から加熱されるため、巻回管上部に溜まった気泡が直接熱せられることはなく、しかも、バーナからの高温の燃焼ガスによって直接加熱されているわけでもないので、巻回管が部分的に高温となってしまうことはない。このため、局部的な沸騰及び伝熱管や巻回管の高温酸化を防ぐことができる。また、通水を停止した後には、通水路中の水は、上方か下方へとスムーズに流れ、給水管や出湯管を介して全ての水を抜くことができるため、熱交換器に水抜き管を設ける必要がない。
【００１０】
また、本発明の請求項２記載の給湯器では、熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管の最下流の管に、下流側が上方となるように傾斜が設けられているため、燃焼ガス上流側段の伝熱管で発生した気泡をより確実に巻回管に導くことができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３記載の給湯器では、バーナの燃焼ガス中の顕熱に加え、潜熱も副熱交換器で回収するために熱効率が向上する。さらに、熱交換器の燃焼ガス下流側段の伝熱管に導かれる湯は、副熱交換器でも加熱されているため、熱交換器でのドレンの発生を一層抑制することができる。
【００１２】
本実施形態の給湯器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、その上方にＤＣモータ４と連結した給気ファン５が取り付けられる。
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と、給気口６より上方に燃焼ガスを排出するための排気口７とが開口される。
【００１３】
燃焼室３内には、上から順に、炎口側を下向きにして取付板８に取り付けられ、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９と、バーナ９からの燃焼ガスの主に顕熱を回収する主熱交換器１０と、ドレンを発生させて主に潜熱を回収する副熱交換器１１と、主及び副熱交換器１０，１１を加熱した後の燃焼ガスを排出する排気フード１２が設けられる。この排気フード１２は上方に大きく開口した椀形状をなし、下方でドレン排管１３と接続している。尚、この排気フード１２は、燃焼ガス中のドレンの受け皿としてのドレンパンを兼ね備えている。集められたドレンは、ドレン排管１３を通って、中和器１４で処理された後に下水道等の一般排水通路に排出される。
排気フード１２の側面には排気管１５が連結され、この排気管１５の上端開口は排気口７に臨む。
【００１４】
主熱交換器１０には、燃焼熱を吸収する銅製の主フィン１０ａに、上主伝熱管１００ａと下主伝熱管１００ｂとが上下二段で貫通し、各段共に奥行き方向に複数回蛇行して設けられる。副熱交換器１１には、燃焼熱を吸収するステンレス製の副フィン１１ａに、副伝熱管１１０が一段で貫通し、奥行き方向に複数回蛇行して設けられる。また、燃焼室３には、主熱交換器１０や副熱交換器１１を通過する前の燃焼ガスから顕熱を回収する巻回管１６がその外側を巻回して設けられる。
【００１５】
副伝熱管１１０の入水口ａは給水管１７に接続され、副伝熱管１１０の出水口ｂは上主伝熱管１００ａの入水口ｃに接続され、上主伝熱管１００ａの出水口ｄは巻回管１６の入水口ｅに接続され、巻回管１６の出水口ｈは下主伝熱管１００ｂの入水口ｉに接続され、下主伝熱管１００ｂの出水口ｊは出湯管１８に接続される。つまり、器具本体２内に設けられる通水路は、上流から順に、冷水が供給される給水管１７、副伝熱管１１０、上主伝熱管１００ａ、巻回管１６、下主伝熱管１００ｂ、出湯管１８から構成される。上主伝熱管１００ａのうち最下流の管には下流側が上方となるように傾きが設けられる。尚、巻回管１６は図１中のｅ→ｆ→ｇ→ｈの順に、燃焼室３を巻回している構成である。
また、通水路は、副伝熱管１１０以外は、熱伝導性に優れた銅製であり、副伝熱管１１０は、ドレンに対する耐食性に優れたステンレス製である。
【００１６】
給水管１７には水流センサや水ガバナを備える水側制御ユニット１９が設けられ、バーナ９へのガス管２０には主電磁弁２１及びガス比例弁２２が設けられる。また、水側制御ユニット１９内の水流センサや、主電磁弁２１及びガス比例弁２２、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２３に電気的に接続されている。
また、給水管１７と出湯管１８の器具外部の先端部には、通水路中の水を抜くための分岐管が設けられており、この分岐管の先端にはそれぞれ水抜き栓２６ａ，２６ｂが設けられる。給湯器１を使用後に水抜きをしたい時には、この水抜き栓２６ａ，２６ｂをはずして水を抜くことができる。
【００１７】
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１７に水（図中破線矢印）が流れ、水側制御ユニット１９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２３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９の主電磁弁２１及びガス比例弁２２が開いてバーナ９にガス（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９に点火が行われる。
【００１８】
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２３でそれを判断しガス比例弁２２へ信号を送り、ガス量を連続的に変化させて主熱交換器１０の出口温度を一定に保つ。また、ガス比例弁２２によるガス量の変化に応じてバーナコントローラ２３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。
【００１９】
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９へ導入されて燃焼用空気として燃焼に供される。
バーナ９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１０の上流側近傍に至る間に燃焼が完結（完全燃焼）する。
主熱交換器１０を燃焼ガス流路の上流に設け、副熱交換器１１を燃焼ガス流路の下流に設けたため、バーナ９からの高温の燃焼ガスが、給気ファン５により主熱交換器１０の各主フィン１０ａ間を貫流し主に顕熱を奪われて熱交換し、これにより温度の下がった燃焼ガスが、副熱交換器１１において主に潜熱を奪われて熱交換して排気口７から器具の外へ排出される。副熱交換器１１で燃焼ガスの潜熱が奪われることによって発生したドレンは、排気フード１２内に落下し、ドレン排管１３を通って中和器１４で処理され、一般排水通路に排出される。尚、燃焼ガスが持っている顕熱の一部は、主及び副熱交換器１１を燃焼ガスが通過する前に巻回管１６で熱交換されている。
【００２０】
次に、通水順路について説明する。
給水管１７から導入された冷水は、副熱交換器１１に設けられた副伝熱管１１０に導かれ、燃焼ガスから潜熱を奪う。副熱交換器１１で潜熱を吸収した水は、順に、上主伝熱管１００ａ、巻回管１６、下主伝熱管１００ｂへと導かれ、燃焼ガスから顕熱を奪い、出湯管１８から出湯される。この時、もともと水道水に含まれていたり、副伝熱管１１０や上主伝熱管１００ａ内で発生する気泡は、通水路の最上部である巻回管１６に流れていき、巻回管１６内の上部に溜まる。巻回管１６は、燃焼室３の外壁面から伝わってきた熱により側面から加熱されるため、巻回管１６上部に溜まった気泡が直接熱せられることはなく、しかも、バーナ２０からの高温の燃焼ガスによって直接熱せられるわけでもないので、巻回管１６が部分的に高温となってしまうことはない。このため、局部的な沸騰及び上主伝熱管１００ａや巻回管１６の高温酸化を防ぐことができる。また、上主伝熱管１００ａの最下流の管には、その下流側が上方となるように傾きが設けられているため、発生した気泡をより確実に巻回管１６に導くことができる。
【００２１】
また、主熱交換器１０のバーナ９から遠い側では、排気温が低くなるためドレン発生による主熱交換器１０の腐食が懸念されるが、そこを貫通している下主伝熱管１００ｂには、副伝熱管１１０、上主伝熱管１００ａ、巻回管１６を通過することにより加熱された高温の湯が導かれているために、ドレン発生を抑制することができる。
ところで、このように下主伝熱管１００ｂに最も高温の湯を導くために、給水管１７の冷水を巻回管１６に導き、その後、上主伝熱管１００ａから下主伝熱管１００ｂへと通水する給湯器も知られている。しかしながら、このような給湯器では、巻回管１６に冷水が通過することから、巻回管１６と隣接した燃焼室３の内壁面にドレンが発生しやすいという問題があった。このため、このような給湯器では、燃焼室３の内壁面に沿って、短絡空気を流すことによりドレン発生を防止しており、その結果として構造が複雑になるだけでなく、排気ガスとして捨てられる熱量が大きくなってしまうために、高熱効率化できなかった。これに対して、本実施形態の給湯器１では、副伝熱管１１、上主伝熱管１００ａを通過して、温められた湯を巻回管１６に導いているので、そこでのドレン発生を抑制でき、高熱効率化できる。
さらに、凍結防止等のために通水路内の水抜きを行う場合、通水路の最上部である巻回管１６から最下部である出湯管１８及び給水管１７の先端に至るまでの間が全て上方から下方へとなるように、あるいは水平方向となるように構成されているため、水抜き栓２６ａ，２６ｂをはずせば、通水路内全ての水を抜くことができる。このため、わざわざ主伝熱管１００などに水抜き管を設ける必要がない。
【００２２】
以上説明した本実施形態の給湯器１によれば、以下の効果を奏する。
（１）燃焼ガス中の顕熱と潜熱を回収するため、高熱効率が得られる。
（２）上主伝熱管１００ａ内で発生したり、水道水に含まれていた気泡は、巻回管１６に導かれその上部に溜まるため、上主伝熱管１００ａでの局部的な沸騰が防止され、出湯性能や通水路の耐久性の低下を防ぐことができる。また、上主伝熱管１００ａの最下流の管に設けた傾きにより、気泡を、より確実に巻回管１６に導くことができる。
（３）ドレンが発生しやすい主熱交換器１０のバーナ９から遠い側を貫通している下主伝熱管１００ｂには、通水路中で最も高温となる湯が導入されるため、ドレン発生を抑制できる。このため、ドレンによる熱交換器の腐食を防げ、さらに、ドレンに対する余裕度が広がるので主熱交換器１０の伝熱面積を増やすことができ、熱効率を向上させることが可能となる。
（４）巻回管１６を流れる湯の温度を高めることができ、燃焼室３の内壁面でのドレン発生を抑制できるので、熱効率を向上させることが可能となる。
（５）水抜き栓２６ａ，２６ｂを介して通水路内全ての水を抜くことができるため、わざわざ下主伝熱管１００ｂなどに水抜き管を設ける必要がなく、給湯器１の製造コストを抑えることができる。
【００２３】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態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、燃焼ガスから潜熱を回収する副熱交換器１１を設けず、顕熱のみを回収するタイプの給湯器であってもかまわない。この場合には、給水管１７から導入された冷水は直接上主伝熱管１００ａに導入され、巻回管１６、下主伝熱管１００ｂを通って、出湯管１８から出湯される。この場合にも、通水路中で最も高温な湯は、下主伝熱管１００ｂに導かれるため主熱交換器１０でのドレンの発生を抑制することができる。
また、バーナ９の炎口側を上向きにして、その上方に主熱交換器１０を、さらに上方に副熱交換器１１を配置し、主熱交換器１０と副熱交換器１１との間にドレン受けを設けた給湯器に適用しても差し支えない。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１記載の給湯器によれば、ドレンが発生しやすい熱交換器のバーナから遠い側に、燃焼ガス上流側段の伝熱管に通水路中で最も高温の湯を導入することができるため、ドレンの発生を抑制することが可能となる。このため、熱交換器の耐久性を向上することができる。さらに、このようにしてドレン発生に対する余裕度が増すので、熱交換器の伝熱面積を増やすなどして熱効率を向上させることが可能となる。
また、巻回管に燃焼ガス上流側段の伝熱管で加熱された湯を導いているために、燃焼室の内壁面でのドレン発生を抑制でき、燃焼室の耐久性を向上できる。さらに、ドレン発生が抑制できるので燃焼室に短絡空気を導入する必要がなくなり、熱効率を向上させることが可能となる。
【００２５】
更に、本発明の請求項１記載の給湯器によれば、熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管内で発生したり、水道水に含まれていた気泡を巻回管内の上部に送るため、伝熱管や巻回管が局部的に高温となってしまうことを防げ、出湯性能や伝熱管の耐久性を向上させることができる。また、給水管や出湯管を介して全ての水を抜くことができるため、わざわざ水抜き管を設ける必要がなく、給湯器の製造コストを抑えることができる。
【００２６】
更に、本発明の請求項２記載の給湯器によれば、熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管で発生した気泡をより確実に巻回管に導くことができるため、伝熱管での局部的な沸騰をより確実に防ぐことができる。
【００２７】
更に、本発明の請求項３記載の給湯器によれば、バーナの燃焼ガス中の顕熱に加え、潜熱も副熱交換器で回収するために熱効率が向上する。しかも、熱交換器の燃焼ガス下流側段の伝熱管に導かれる湯は、副熱交換器でも加熱されているため、熱交換器でのドレンの発生を一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態としての強制燃焼式給湯器の概略図である。
【図２】従来例としての強制燃焼式給湯器の概略図である。
【符号の説明】
１…給湯器、３…燃焼室、９…バーナ、１０…主熱交換器、１００ａ…上主伝熱管、１００ｂ…下主伝熱管、１１…副熱交換器、１１０…副伝熱管、１６…巻回管、１７…給水管、１８…出湯管、２６ａ，２６ｂ…水抜き栓。

Claims (3)

1. 燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
   上記バーナの燃焼ガスの流れ方向に対して複数段設けられる伝熱管を備え、上記燃焼ガスから顕熱を回収して該伝熱管に流れる通水を加熱する熱交換器と、
   上記燃焼室の外壁に巻回されると共に上記熱交換器の伝熱管に接続され、上記燃焼室の外壁面からの熱により通水を加熱する巻回管とを備え、
   上記バーナをその炎孔側を下向きにして設けると共に、該バーナの下方に上記熱交換器を配置し、
   上記バーナと上記熱交換器との間の燃焼室の外壁に上記巻回管を巻回して、
   給水管から供給される水を上記熱交換器及び上記巻回管を介して出湯管から出湯する給湯器において、
   上記給水管から上記出湯管への通水路を、その上流側から、上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管、上記巻回管、上記熱交換器の燃焼ガス下流側段の伝熱管の順で構成したことを特徴とする給湯器。
2. 上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管の最下流の管に、下流側が上方となるように傾斜を設けたことを特徴とする請求項１記載の給湯器。
3. 上記燃焼ガス流路中の上記熱交換器よりも下流側に、上記熱交換器で主に顕熱を回収された後の上記燃焼ガスから、主に潜熱を回収する副熱交換器を備え、
   上記副熱交換器に備えられた副伝熱管で加熱された後の通水が上記熱交換器の燃焼ガス上流側段の伝熱管に導かれることを特徴とする請求項１または２に記載の給湯器。

Images