JP4534477B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼用空気を給気する送風ファンが遠心式多翼形ファンにより構成され、この送風ファンの給気圧力によって少なくとも燃焼排気が室外に排出されるように構成された強制排気型のガス燃焼装置に関し、特に上記送風ファンにより燃焼に必要な送風量を確保しつつも、送風ファンの騒音や消費電力の低減化を図り得る技術に係る。

従来、ラジアル形ファン（プレートファン）において、その羽根車として円板と円環板との間に径向き羽根を周方向に一定間隔を隔てて放射状に多数配設して形成し、上記円環板の内周縁を羽根車の内径位置よりも外周側に位置するように設定したものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平８−２８４８８６号公報

ところで、室内設置型の給湯器等のガス燃焼装置においては、燃焼用空気を燃焼部に強制給気するためにシロッコファンにより構成された送風ファンを備えている。ここで、例えば図８に示すように室内設置型のガス燃焼装置では、その燃焼排気を室外に排出すべく室内Ｒｉに設置した燃焼装置本体（給湯器１に内蔵された燃焼缶体）２に対し室外Ｒｏまで延伸させた排気管３を接続することが行われている。上記給湯器１は図９に例示するような燃焼缶体２を内蔵し、この燃焼缶体２は上記のシロッコファンにより構成された送風ファン４００を備え、燃焼部２１に対し燃焼用空気を送風ファン４００から強制給気するようにされている。そして、給湯器１自体は室外設置であろうと室内設置であろうと同じ仕様のものが用いられるため、設置場所に応じて、上記の如く延伸させた排気管３を接続したものを排気延長タイプと称している。また、このように給湯器１を排気延長タイプに構成したガス燃焼装置は、燃焼排気の室外までの排出を上記送風ファン４００からの給気圧力により行うようにしているため、強制給排気型と呼ばれる。

上記のように上記の給湯器１等からなるガス燃焼装置においては、同じ仕様の給湯器１を用いて各種の設置条件の違い（室内か室外かの設置場所の違い、その違いによる給排気条件の違い）や、その設置条件の違いに基づく要求燃焼性能の違い等に対処するために、これらに応じて上記送風ファン４００の吸気口のベルマウス径を変更設定することで、Ｐ−Ｑ特性（風量−静圧特性）を調整して必要送風量の確保を図るようにしている。すなわち、上記送風ファン４００は図１０に示すようにケーシング４０内に羽根車７００（図１１も併せて参照）が配設され、羽根車７００の回転作動により吸気口４１から空気が吸い込まれ、吸い込んだ空気を燃焼部２１（図９参照）に対し強制給気されるようになっており、上記吸気口４１（図１２参照）に対し所定のベルマウス径Ｂｒのベルマウス部６１が形成されたベルマウス形成板６を取り付けることで、ベルマウス径の変更設定が行われる。

しかしながら、上記の排気延長タイプの場合には、排気管３が長いほど排気抵抗が増大して圧力損失が増大する傾向にあるため、Ｐ−Ｑ特性を満足させる上で上記のベルマウス径Ｂｒを絞らざるを得ないことになる。つまり、ベルマウス径Ｂｒを小径（例えば羽根車７００の羽根外径に対するベルマウス径の比を例えば０．６以下）にせざるを得ないことになる。そうすると、羽根車７００（図１０参照）を大径にしてもベルマウス径Ｂｒがその羽根車７００の羽根内径よりもかなり小になってファン効率が悪くなり、送風ファン作動に伴う騒音が大きくなったり消費電力が高くなったりする傾向となる。特に、室内設置とされるため、送風ファンの作動に伴う騒音はユーザにとって不快なものとなり、室外設置の場合と比べ大きな問題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記の強制給排気型のガス燃焼装置であっても、送風ファンにより必要な送風量を確保しつつ、その騒音や消費電力をより抑制し得るガス燃焼装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、室内に設置される燃焼装置本体が燃焼部と、送風ファンとを備え、この燃焼部は供給される燃料ガスと、上記送風ファンの作動により強制的に給気される燃焼用空気とを混合して燃焼させるように構成される一方、上記燃焼装置本体には室外まで延伸されて上記燃焼部で発生する燃焼排気を上記送風ファンからの給気圧力に基づき室外に排出する排気管が接続されるように構成された強制給排気型のガス燃焼装置を対象として、次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記送風ファンとしてケーシング内に羽根車を備え、この羽根車の回転作動により羽根車の径方向内方位置の側方に開口するベルマウス部から空気を吸い込む一方、その空気を上記羽根車によりその径方向内方から径方向外方に吹き出すことにより上記燃焼部に対し強制給気する遠心式多翼形ファンにより構成する。そして、上記羽根車を多翼の前向き羽根により構成し、羽根外径に対する羽根内径の比を０．５５以上０．７０以下に設定し、かつ、羽根角度を１０度以上２５度以下に設定し、加えて、上記ベルマウス部の開口径であるベルマウス径を上記羽根外径の６０％以下に設定することとした。

本発明の場合、遠心式多翼形ファン（シロッコファン）の羽根車の羽根内径が羽根外径の７０％以下と小さくなり、その分、羽根長さ（羽根幅）が長くなる上に、羽根角度が２５度以下とかなり小さくなる。これにより、送風ファンの吸気口のベルマウス径を羽根外径の６０％以下と小径にしたとしても、送風効率（ファン効率）が改善・維持され、燃焼部に対し必要な送風量（給気圧力）を給気しつつも、送風ファン作動に伴う騒音（ファン騒音）や、消費電力の低減化を図り得ることになる。

上記発明においては、さらに、上記羽根車の前向き羽根として、羽根出口角度を１００度以上で、かつ、羽根入口角度を４５以上に設定して、羽根車回転方向に向けて凹に湾曲した形状に形成するという特定事項を追加することができる（請求項２）。この場合には、ベルマウス径を上記の如き小径に設定し排気延長タイプにしたとしても、その送風効率がより改善され、ファン騒音や消費電力もより低減化されることになる。

また、上記燃焼装置本体に対し、室外の空気を内部に取り込み得るよう室外まで延伸された給気管を接続し、この給気管を通して室外の空気が上記送風ファンの吸気口から吸い込まれる構成を追加することもできる（請求項３）。つまり、排気のみならず、室外からの吸気も室外への排気も送風ファンの作動によって行う強制給排気型のガス燃焼装置において、上記の送風ファンに関する特定事項が適用されることになり、かかる強制給排気型のガス燃焼装置においても、上記の如きファン騒音の低減化や、消費電力の低減化を図り得ることになる。

以上、説明したように、請求項１〜請求項３のいずれかのガス燃焼装置によれば、羽根内径が羽根外径の７０％以下と小さくなり、その分、羽根幅が長くなる上に、羽根角度を２５度以下とかなり小さくし、送風ファンの吸気口のベルマウス径を羽根外径の６０％以下とかなり小径にして排気延長タイプのガス燃焼装置を構成しているため、送風効率を改善・維持することができ、燃焼部に対し必要な送風量（給気圧力）を給気しつつも、送風ファン作動に伴うファン騒音や、消費電力の低減化を図ることができる。これにより、上記のベルマウス径の変更設定だけで、同じ仕様の燃焼装置本体を用いて、種々の設置場所に適用することができるようになる。

特に、請求項２によれば、羽根車の羽根出口角度を１００度以上で、かつ、羽根入口角度を４５以上に設定して前向き羽根を羽根車回転方向に向けて凹に湾曲した形状に形成することにより、ベルマウス径を上記の如き小径に設定し排気延長タイプにしたとしても、送風効率をより改善して、ファン騒音や消費電力のより低減化を図ることができるようになる。

請求項３によれば、室外まで延伸された給気管を接続して室外の空気を強制吸気させることができ、このような強制給排気型のガス燃焼装置においても、上記の如きファン騒音の低減化や、消費電力の低減化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の実施形態において用いる羽根車７を示す。この羽根車７は、図８及び図９に示す燃焼装置本体である燃焼缶体２に設けられた送風ファン４に内蔵されたものである。つまり、本実施形態は、前述の羽根車７００を内部に配設した送風ファン４００の代わりに、上記の羽根車７を内部に配設した送風ファン４を用いるものであり、強制給排気型のガス燃焼装置である給湯器１が上記送風ファン４を備えて構成されている。以下の説明では前提となる上記給湯器１についてまず説明するが、特に記載する場合を除き、重複した説明を省略する。

上記給湯器１は図８に示すように室内Ｒｉに設置され、室外Ｒｏまで延伸された排気管３の上流端と、室外Ｒｏから延伸された給気管８の下流端とが接続されている。上記給湯器１に内蔵された燃焼缶体２は、図９に示すように燃焼バーナ等を備えた燃焼部２１を内蔵し、内部に燃焼室を区画形成したものであり、この燃焼缶体２の下側には遠心式多翼形ファンであるシロッコファンにより構成された上記送風ファン４が配設されている。上記燃焼缶体２の上側には内部に熱交換器が配管された熱交換缶体９が接続され、上記熱交換器の一端側には水道水等が供給される入水管（図示省略）が接続され他端側にはカラン等に延びる出湯管（図示省略）が接続されている。

上記送風ファン４は、そのケーシング４０の吐出口４２（図１２参照）が上記燃焼缶体２の下側で連通接続した状態で上記燃焼缶体２に固定されており、上記ケーシング４０内に上記羽根車７のボス部７１（図１参照）が回転可能に軸支されている。そして、図示省略の電動の駆動モータの駆動により上記羽根車７が回転作動されると、上記給気管８を通して室外Ｒｏの空気（外気）をベルマウス部６１から吸い込む一方、吸い込んだ空気を羽根車７の径方向外方に吹き出すことにより上記吐出口４２から上記燃焼部２１に対し燃焼用空気として強制給気することになる。この送風ファン４からの給気と、図示省略の燃料ガス供給管からの燃料ガスとが混合されて燃焼部２１で燃焼され、この燃焼熱及び熱交換缶体９内を通過する燃焼排気の熱を受けて上記熱交換器内の水が熱交換加熱されてカラン等に給湯される一方、上記燃焼により生じた燃焼排気が上記給気の圧力（燃焼用空気の燃焼部２１に対する押し込み圧力）に基づいて熱交換缶体９内から排気管３を通して室外Ｒｏに排出されることになる。

次に、上記送風ファン４に配設される羽根車７について図１及び図２に基づいて詳細に説明すると、この羽根車７はボス部７１を有する基板７２と、この基板７２から周方向に等間隔で立ち上がる多数の羽根（翼もしくはブレード）７３，７３，…と、各羽根７３の先端側の外周端を互いに連結する連結環部７４とが合成樹脂成形により一体に円筒状に形成されたものである。上記各羽根７３は前向き羽根とされ、その外周側部分が上記基板７２の外周縁よりも所定寸法だけ外周側に突出するように配設されている。

上記各羽根７３は、図３に示す羽根外径Ａに対する羽根内径Ｂの比（Ｂ／Ａ）、羽根角度Ｃ、羽根出口角度Ｄ、及び、羽根入口角度Ｆが次の(1)から(4)の範囲になるように設定されている。

(1)．羽根外径Ａに対する羽根内径Ｂの比（Ｂ／Ａ）…０．５５以上で０．７０以下
(2)．羽根角度Ｃ…１０度以上で２５度以下
(3)．羽根出口角度Ｄ…１００度以上で１８０度以下
(4)．羽根入口角度Ｆ…４５度以上で１３５度以下
上記の羽根角度Ｃとは、羽根７３の外周端７３１を通る径方向の直線と、羽根７３の外周端７３１と内周端７３２とを結ぶ直線との交差角度であって、羽根７３の外周端７３１が羽根車回転方向Ｙ前側に向けて傾く角度のことである。上記の羽根出口角度Ｄとは、羽根７３の外周端７３１を通る接線（羽根車７の外周円軌跡に対する接線）と、羽根７３の外周端７３１の延長線との交差角度のことであり、上記の羽根入口角度Ｆとは、羽根７３の内周端７３２を通る接線（羽根車７の内周円軌跡に対する接線）と、羽根７３の内周端７３２の延長線との交差角度のことである。

つまり、羽根車７としては、その羽根内径Ｂが上記(1)の如く羽根外径Ａの５５％以上で７０％以下というようにかなり小さく設定されて羽根７３の幅がかなり大きくなるように設定され、又、羽根角度Ｃが上記(2)の如く１０度以上で２５度以下というようにかなり小さく設定されている。加えて、各羽根７３は、上記(3)の羽根出口角度Ｄと、上記(4)の羽根入口角度Ｆとの各範囲となる所定の羽根アール（羽根半径）Ｅを有する円弧状に湾曲されたものであって、しかも、それは羽根車回転方向Ｙ前側に凹となるように湾曲された形状を有するように形成されている。

例えば具体的な一例を挙げると、羽根外径Ａ＝１００mm、羽根内径Ｂ＝６２mm、Ｂ／Ａ＝０．６２、羽根角度Ｃ＝１８．３度、羽根アールＥ＝１３．１mm、肉厚＝１．２mmの各設定にすればよい。上記の各値が定まれば、上記の羽根出口角度Ｄ及び羽根入口角度Ｆは自ずと定まることになる。

以上の如く形状設定された羽根車７を用いた送風ファン４を備えた給湯器１では、たとえ室外まで延伸した排気管３を接続して排気延長タイプに構成したり、加えて室外から延伸させた給気管８を接続したりして、必要送風量確保のために、ベルマウス部６１のベルマウス径Ｂｒを羽根外径Ａの６０％以下の小径に設定するようにしたとしても、ファン騒音を低減化し、送風ファン４の駆動に要する駆動モータの消費電力を低減化することができる。以下、これらの点について確認した比較試験及びその試験結果について説明する。

試験例

＜ケース１＞
従来仕様の羽根車７００（図１１等参照）である従来品の場合と、本発明に属する羽根車７である実施品を用いた場合との２種類の羽根車について実際に送風試験を行い、そのときの風量（送風量）Ｑ（単位：ｍ^３／min）に対する送風ファン４００，４の回転数Ｎ（単位：rpm），騒音値Ｓ（単位：ｄＢ），及び、駆動モータの消費電力Ｐ（単位：Ｗ）の関係を調べた。この試験結果を図４に示す。

＜ケース２＞
又、羽根外径Ａを上記従来仕様の羽根車７００と同等の１００mmの寸法に固定し、羽根内径Ｂを５５mm，６０mm，７０mm，８０mmというように変化させた４種類の羽根車のモデル１−１，１−２，１−３及び１−４について、上記のＱに対するＮ，Ｓ，Ｐの関係を調べた。つまり、羽根外径Ａに対する羽根内径Ｂの比を０．５５，０．６０，０．７０，０．８０の４種類に変化させたモデルを用いて実際に送風試験を行い上記の関係を調べた。この試験結果を図５に示す。

＜ケース３＞
さらに、羽根角度Ｃを０度，１０度，１５度，２０度，２５度，３０度というように変化させた６種類の羽根車のモデル２−１，２−２，…，２−６について、上記と同様に実際に送風試験を行って、Ｑに対するＮ，Ｓ，Ｐの関係を調べた。この試験結果を図６に示す。

＜ケース１〜３で用いたモデルの詳細＞
上記のケース１〜３で用いた各モデルの詳細構成としてその羽根諸元は図７に示す通りである。羽根諸元としては、羽根外径（外径），羽根内径（内径），羽根角度（羽根角），羽根アール（羽根Ｒ），羽根高さ（高さ），はね枚数（枚数）を示している。

ケース１における「実施品」の羽根諸元は図７のモデル２−２と同じである。

ケース２におけるモデル１−１，１−２，１−３及び１−４は羽根内径のみ変化させ、他の羽根諸元を同一としたものである。

ケース３におけるモデル２−１，２−２，２−３，２−４，２−５及び２−６は羽根角度のみ変化させ、他の羽根諸元を同一としたものである。

＜試験結果＞
ケース１では、図４を見ると、実施品は従来品よりも低回転数で従来品と同じ送風量を確保することができ、又、実施品は同じ送風量を確保する上で従来品よりも低騒音値にすることができ、さらに、実施品は同じ送風量を確保する上で従来品よりも低消費電力にすることができる、ことが分かる。

ケース２では、図５を見ると、同じ送風量を確保する上で回転数Ｎ（同図の点線参照）においては、羽根外形Ａに対する羽根内径Ｂの比（Ｂ／Ａ）が０．６０（羽根内径が６０mm）のモデル１−２が最も低回転数にすることができ、以下、０．７０（羽根内径が７０mm）のモデル１−３、０．５５（羽根内径が５５mm）のモデル１−１、０．８０（羽根内径が８０mm）のモデル１−４の順で回転数が増大している。モデル１−４の風量に対する回転数の関係は、図４の従来品のそれよりも僅かに低回転数側ではあるが、他のモデル１−１，１−２及び１−３は図４の従来品よりも十分に低回転数側となっている。又、同じ送風量を確保する上で騒音値（同図の実線参照）においては、Ｂ／Ａが０．５５（羽根内径が５５mm）のモデル１−１が最も低騒音値にすることができ、以下、０．６０（羽根内径が６０mm）のモデル１−２、０．７０（羽根内径が７０mm）のモデル１−３、０．８０（羽根内径が８０mm）のモデル１−４の順で騒音値が増大している。モデル１−４の風量に対する騒音値の関係は、図４の従来品のそれよりも僅かに低騒音値側ではあるが、他のモデル１−１，１−２及び１−３は図４の従来品よりも十分に低騒音値側となっている。さらに、同じ送風量を確保する上で消費電力（同図の一点鎖線参照）においては、Ｂ／Ａが０．５５（羽根内径が５５mm）のモデル１−１が最も低消費電力にすることができ、以下、０．６０（羽根内径が６０mm）のモデル１−２、０．７０（羽根内径が７０mm）のモデル１−３、０．８０（羽根内径が８０mm）のモデル１−４の順で消費電力が増大している。モデル１−４の風量に対する騒音値の関係は、図４の従来品のそれよりも高消費電力側にあるが、他のモデル１−１，１−２及び１−３は図４の従来品よりも同等以下の低消費電力側となっている。以上より、Ｂ／Ａが０．５５〜０．７０のモデル１−１，１−２，１−３であれば、従来品よりも低騒音でかつ低消費電力で従来品と同等の送風量を確保し得ることが分かる。

ケース３では、図６を見ると、同じ送風量を確保する上で回転数Ｎ（同図の点線参照）においては、羽根角度が２０度のモデル２−４が最も低回転数にすることができ、以下、１５度のモデル２−３、１０度のモデル２−２、０度のモデル２−１、２５度のモデル２−５、３０度のモデル２−６の順で回転数が増大している。モデル２−６の風量に対する回転数の関係は、図４の従来品のそれよりも高回転数側であり、モデル２−５は従来品とほぼ同等に近いものの僅かに低い回転数域であるが、他のモデル２−１，２−２，２−３及び２−４は図４の従来品よりも十分に低回転数側となっている。また、同じ送風量を確保する上で騒音値（同図の実線参照）においては、羽根角度が１５度のモデル２−３が最も低騒音値にすることができ、以下、０度，１０度及び２０度のモデル２−１，２−２，２−４、そして、２５度及び３０度のモデル２−５及び２−６の順で騒音値が増大している。モデル２−５及び２−６の風量に対する騒音値の関係は、図４の従来品のそれと同等か高騒音値側であり、その他のモデル２−１，２−２，２−３及び２−４は図４の従来品よりも十分に低騒音値側となっている。さらに、同じ送風量を確保する上で消費電力（同図の一点鎖線参照）においては、羽根角度が１０度のモデル２−２が最も低消費電力にすることができ、以下、０度，１５度及び２０度のモデル２−１，２−３，２−４、そして、２５度及び３０度のモデル２−５及び２−６の順で消費電力が増大している。モデル２−６の風量に対する消費電力の関係は、図４の従来品のそれよりも高消費電力側であり、モデル２−５は従来品とほぼ同等に近いもの僅かに低消費電力側であり、その他のモデル２−１，２−２，２−３及び２−４は図４の従来品よりも十分に低消費電力側となっている。以上より、羽根角度が３０度のモデル２−６を除外すれば、従来品よりも低騒音化及び／又は低消費電力化を図り得ることが分かる。

本発明の実施形態で用いる羽根車の斜視図である。 図１の羽根車を示し、図２（ａ）は図１の羽根車の横断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線における端面図である。 図２の（ａ）の１枚の羽根を抜き出して示す拡大説明図である。 ケース１の試験結果として風量と、回転数・騒音値・消費電力との関係図である。 ケース２の試験結果として風量と、回転数・騒音値・消費電力との関係図である。 ケース３の試験結果として風量と、回転数・騒音値・消費電力との関係図である。 ケース１〜３で用いた羽根車のモデルの羽根諸元を一覧表にして示した図である。 給湯器の設置状況を示す模式図である。 燃焼缶体の模式図である。 送風ファンの断面説明図である。 従来品の羽根車を示す図１対応図である。 送風ファンの分解斜視図である。

符号の説明

１ 給湯器（ガス燃焼装置）
２ 燃焼缶体（燃焼装置本体）
３ 排気管
４ 送風ファン
７ 羽根車
８ 給気管
２１ 燃焼部
７３ 羽根（前向き羽根）
Ａ 羽根外径
Ｂ 羽根内径
Ｃ 羽根角度
Ｄ 羽根出口角度
Ｆ 羽根入口角度

Claims (3)

1. 室内に設置される燃焼装置本体が燃焼部と、送風ファンとを備え、この燃焼部は供給される燃料ガスと、上記送風ファンの作動により強制的に給気される燃焼用空気とを混合して燃焼させるように構成される一方、上記燃焼装置本体には室外まで延伸されて上記燃焼部で発生する燃焼排気を上記送風ファンからの給気圧力に基づき室外に排出する排気管が接続されるように構成された強制給排気型のガス燃焼装置であって、
   上記送風ファンは、ケーシング内に羽根車を備え、この羽根車の回転作動により羽根車の径方向内方位置の側方に開口するベルマウス部から空気を吸い込む一方、その空気を上記羽根車によりその径方向内方から径方向外方に吹き出すことにより上記燃焼部に対し強制給気する遠心式多翼形ファンにより構成され、
   上記羽根車は多翼の前向き羽根により構成され、羽根外径に対する羽根内径の比が０．５５以上０．７０以下に設定され、かつ、羽根角度が１０度以上２５度以下に設定され、加えて、上記ベルマウス部の開口径であるベルマウス径が上記羽根外径の６０％以下に設定されている
   ことを特徴とするガス燃焼装置。
2. 請求項１記載のガス燃焼装置であって、
   上記羽根車の前向き羽根は、羽根出口角度が１００度以上１８０度以下で、かつ、羽根入口角度が４５度以上１３５度以下に設定されて、羽根車回転方向に向けて凹に湾曲した形状に形成されている、ガス燃焼装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のガス燃焼装置であって、
   上記燃焼装置本体には室外の空気を内部に取り込み得るよう室外まで延伸された給気管が接続され、この給気管を通して室外の空気が上記送風ファンの吸気口から吸い込まれるように構成されている、ガス燃焼装置。

Images