JP5043859B2 - 暖房および温水供給用凝縮ボイラの熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、加熱水と温水の両方を供給するための凝縮ボイラの熱交換器に関し、より詳細には、凝縮ボイラ内で水を加熱するため、間接熱交換器ではなく顕熱交換器として二重管を使用することができ、それにより簡単な構造と高い熱効率を可能とする、加熱水と温水の両方を供給するための凝縮ボイラの熱交換器に関する。

家庭で加熱水と温水を供給するために主に使用されるボイラは、水を加熱する燃焼熱の回収方法により、一般ボイラと凝縮ボイラに分類され得る。凝縮ボイラは、排気ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回収し、潜熱を回収するため別の熱交換器（潜熱交換器）を備えている。

このような潜熱交換器（潜熱回収熱交換器）は、最初にバーナーの燃焼熱を吸収し、次に排気ガスと接触する。排気ガスは、内管内で水と熱を交換することで温度が下がる顕熱交換器（顕熱回収熱交換器）と接触する。潜熱交換器は、排気ガスの比較的低温度で接触するので、凝縮水が生成する。そのため潜熱交換器は、好ましくは生成された凝縮水による（排気ガス中に含まれる窒素酸化物の酸性度を表す）腐食を阻止するため、例えば、ステンレススチール、またはアルミニウム等の材料から作製されている。

図１は、通常の下降流型凝縮ボイラの構成を示す図である。図１に示すように、加熱水と温水を供給する凝縮ボイラには、内管内の水と熱交換するため、バーナー１０の燃焼熱を吸収する、単一管で作製された顕熱交換器１１と潜熱交換器１２が含まれている。顕熱交換器および潜熱交換器１１および１２の両端は、加熱水配管のそれぞれ加熱水供給ポート１３および加熱水戻りポート１４に接続されている。さらに、凝縮ボイラは、加熱水供給ポート１３と加熱水戻りポート１４との間に配置されている間接熱交換器１７を備えており、これは、加熱水供給ポート１３から冷水管１５に導入された冷水へ、加熱水によって吸収された熱エネルギーを伝達することで、冷水を加熱して加熱された水（すなわち温水）を温水管１６に供給する。

参照符号１８は、上記していないが、加熱水管内で生成された空気を除去し、加熱水の温度の上昇による管内の加熱水の膨張により生じた圧力を減少させ、ボイラ内の水の量を一定に維持するための膨張タンクを示す。参照符号１９は、バーナー１０の燃焼熱を顕熱交換器１１と潜熱交換器１２へ供給するためのブロワを示す。参照符号２０は三方弁を示し、参照符号２１は循環ポンプを示し、参照符号２２は凝縮水ドレインを示し、参照符号２３は排気ポートを示す。

このようなボイラにおいて、三方弁２０は、加熱水供給ポート１３から間接熱交換器１７への加熱水管へ加熱水を切り替えて、ボイラが加熱水用閉回路を有するため不可欠として設置されている。従って、そのようなボイラは複雑な構造を有するという課題がある。

さらに、通常の顕熱および潜熱交換器は単一管で作製されているため、加熱水と温水を供給するための二重管熱交換器は、凝縮ボイラにおいては顕熱交換器として使用できないという別の課題がある。

従って、本発明は、先行技術で生じている上述の課題を解決するためになされ、凝縮ボイラ内で温水を加熱し、顕熱交換器内で二重管熱交換器を使用することで熱交換器が簡単な構造と小さい容積を有するように、別の間接熱交換器ではなく、冷水を予熱して顕熱交換器に供給する潜熱交換器を備え得る、加熱水と温水の両方を供給する凝縮ボイラの熱交換器を提供することが本発明の目的である。

本発明の目的を達成するため、本発明の実施形態によると、加熱水と温水の両方を提供する凝縮ボイラの熱交換器が提供され、これには、顕熱交換器と、加熱水熱交換器および温水熱交換器を含む潜熱交換器であって、加熱水熱交換器が、１つの入口および多数の出口を備える入口部、多数の入口および１つの出口を備える出口部、ならびに入口および出口部の入口および出口に接続され並行して配置された複数の加熱水熱交換管を有し、温水熱交換器が、それぞれ加熱水熱交換器に隣接して配置されている複数の温水熱交換器、１つの入口および多数の出口を有し温水熱交換器の温水入口ポートに接続されている入口部、ならびに多数の入口および１つの出口を有し温水熱交換器の温水出口ポートに接続されている出口部を有する潜熱交換器と、が含まれ、加熱水熱交換器の出口部が顕熱交換器の加熱水ポートに接続され、温水熱交換器の出口部が、顕熱交換器の温水ポートに接続されている。

本発明の目的を達成するため、本発明の別の実施形態によると、加熱水および温水の両方を供給するための凝縮ボイラの熱交換器であって、顕熱交換器と、排気ガス経路を規定するため、複数の単位熱交換器を接続することにより作製され、熱伝達面積を増やすため、凹凸形状を有する３つのプレートが互いに積層されて、加熱水経路および温水経路を互いに隣接するように規定する様式で、各単位熱交換器が製造されている潜熱交換器と、を含む熱交換器が提供される。

顕熱交換器は、加熱水熱交換管が温水熱交換管に挿入されるか、または温水熱交換管が加熱水熱交換管に挿入されるか、という様式で製造された二重管熱交換器を含む。

有利な効果
上述のように、本発明の凝縮ボイラは、温水用外管と加熱水用内管を含むか、または加熱水用外管と温水用内管を含むことで潜熱を使用して冷水を予熱する顕熱交換器として二重管熱交換器を備えている。さらに、温水を加熱すたるめ別の温水熱交換器が必要ではなく、凝縮ボイラは、簡単な構造と小さくなった容積を有する。

以下、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に記載する。

図２は、基本原理を説明する目的で本発明に従った潜熱交換器の構成を示す図である。

本明細書に添付の図２に示すように、（太実線で示す）加熱水熱交換器３０には、加熱水管（図示せず）から加熱水が戻る加熱水戻りポートに接続された入口部３２、バーナーの排気ガスと熱交換するための加熱水熱交換管３３、排気ガスから潜熱を吸収する加熱水が顕熱交換器２００に供給される出口部３４が含まれる。

加熱水熱交換器３０の入口部３２は、水が単一管に導入されて複数管（加熱水交換管３３）に出力される構造を有する。加熱水熱交換器３０の出口部３４は、複数管（加熱水熱交換管３３）から水が入力され、単一管から出される構造を有する。複数の加熱水熱交換管３３は、複数出力構造を有する入口部３２と、複数入力構造を有する出口部３４との間で延びる。

従って、加熱水熱交換器３０において、加熱水戻りポート３１から導入された加熱水は、複数加熱水熱交換管３３に分岐し、各加熱水熱交換管３３から排気ガスの潜熱を吸収する。その後、加熱水は、出口部３４において集められて顕熱交換器２００へ供給される。

一方で、排気ガスが通過し加熱水熱交換管３３と接触して管と熱交換するように、排気ガス経路５０が複数加熱水熱交換管３３の間で規定されている。

加熱水熱交換管３３は、入口部３２と出口部３４との間で真っ直ぐに並行して延びるが、その構造は上述のものに限定されない。さらに、増加した熱交換面積と減少した容積を有する加熱水熱交換管３３を含む熱交換器を製造するため、Ｕ型管を使用して互いにジグザグに管の束が接続される。このようにして、六角形の外観を有する熱交換器を製造することができる。あるいは、熱交換器は、Ｕ型管の代わりに、熱交換管を接続する流体経路を有するカバーを使用して製造することができる。

さらに、（細実線で表されている）温水熱交換器４０は、熱交換器に設置され得、それぞれが加熱水熱交換器３０の加熱水熱交換管３３に隣接して配列されている温水熱交換管４３を有する。好ましくは、温水熱交換管４３は、熱交換面積を増やすため一列に配置されている。各温水熱交換管４３には、加熱水熱交換管３３と同様に、温水入口における入口部４２および温水出口における出口部４４が含まれる。

従って、冷水入口ポート４１に導入された冷水は、入口ポートで複数の温水熱交換管４３に分岐され、各温水加熱交換管４３を介して排気ガスの潜熱を吸収する。そして、冷水は、出口部４４に集められ、以下のように顕熱交換器２００に供給される。

上述のように、本発明に従った潜熱交換器１００には、互いに一体化して排気ガスの潜熱を吸収する、加熱水熱交換器３０および温水熱交換器４０が含まれる。加熱水戻りポート３１および冷水入口ポート４１から潜熱交換器１００に導入された比較的低温の加熱水と冷水は、加熱水熱交換器３０および温水熱交換器４０によって最初に加熱され、その後、潜熱交換器２００に供給される。

この実施形態において、複数の熱交換管を含む基本的構造を有する熱交換器を、潜熱交換器１００の例として記載してきたが、図３〜５を参照して以下に記載するように、凹凸形状を有する３つのプレート５１、５２、および５３が互いに積層され、加熱水流体経路５４および温水経路５５が積層プレート５１、５２、および５３の間に形成された構造を有する熱交換器に本発明は適用され得ることで、単位熱交換器５０が確立され、一方で、その間に規定された排気ガス経路５６を有する単位熱交換器５０が互いに積層される。

図３〜５は、本発明の別の実施形態に従った、温水熱交換器および加熱水熱交換器を含む潜熱交換器の構成を示す図である。

図３〜５に示す実施形態において、単位熱交換器５０は、プレート５１および５３がプレート５２の両側に積層されるように作製され、加熱水経路５４および温水経路５５が、プレート５１、５２、および５３の間に並行して形成される。そして、複数の単位熱交換器５０が互いに直列に接続されることで、その間に排気ガス経路５６を規定し、これにより加熱水経路５４と温水経路５５が交互に配列された潜熱交換器が確立され得る。

図４に示すように、単位熱交換器５０は、凹凸形状を有するステンレスプレート５１、５２、および５３が、基本的に互いに積層され蝋付けされるようにして製造される。プレート５１、５２、および５３の凹凸部分は、所定の容積の範囲で熱伝達面積を増やして熱伝達効率を改善し、さらに熱交換器内の加熱した水の膨張によりプレート５１、５２、および５３が変形され損傷することを防ぐ。

さらに、単位熱交換器５０を構成する３つのプレート５１、５２、および５３は、それぞれ、その中に形成された加熱水のための入口部３２および出口部３４、温水のための入口部４２および出口部４４を有する。中間プレート５２の温水入口部４２が、プレート５３の温水出口部４４に結合（溶接）されることで加熱水経路５４を形成する。同様に、中間プレート５２の加熱水入口部３２がプレート５１の加熱水出口部３４に結合されることで温水経路５５を形成する。このようにして、複数の単位熱交換器５０が互いに積層されると、単位熱交換器５０の加熱水経路５４が互いに連絡され、同様に単位熱交換器５０の温水経路５５が互いに連絡され、それにより、入口部と出口部を有する熱交換器を確立する。

当然ながら、単位熱交換器の蝋付けは、ステンレス蝋付け炉内でほぼ達成される。３つのプレート５１、５２、および５３が蝋付けされると、中間プレート５２に取り付けられた２つのプレート５１および５３により２つの流体経路が規定される。一方の流体経路は、加熱水が通過する加熱水経路５４として使用され、他方は、温水が通過する温水経路５５として使用される。

いくつかの単位熱交換器５０が、必要な容量に応じて互いに積層され蝋付けされる。単位熱交換器５０が積層されると、隣接するプレート５１の凹凸部は、隣接する単位熱交換器５０の間で、燃焼によって生成された排気ガスが通過する（太矢印で表す）排気ガス経路５６を規定する。当然ながら、単位熱交換器５０は、一度に積層されて蝋付けされることで熱交換器を形成し得る。

図３に示すように、加熱水入口部３２に導入された加熱水は、各単位熱交換器５０の加熱水経路５４を介して加熱水出口部３４に出される。また、温水入口部４２に導入された冷水は、各単位熱交換器５０の温水経路５５を介して温水出口部４４に出される。単位熱交換器５０間の排気ガス経路５６を通過する間に、排気ガスは、加熱水経路５４および温水経路５５内の加熱水および温水に熱を伝達する。

室内暖房が行われると、加熱水は、増加する熱吸収能力を有する。従って、温水経路５５によって吸収された熱エネルギーは、中間プレート５２を介して加熱水経路５４に伝達される。他方で、温水が使用されるときは、温水は、増加する熱吸収能力を有する。そのため、加熱水経路５４によって吸収された熱エネルギーは、中間プレート５２を介して温水経路５５に伝達される。

上述の手順を通じて、本発明の潜熱交換器１００は、室内が暖房され、かつ温水が使用されるとき、最大の熱吸収能力を有する。従って、温水用に別の間接熱交換器を使用する必要がない。

図６は、本発明に従って温水熱交換器と加熱水熱交換器が一体的に形成された潜熱交換器を使用する凝縮ボイラの構成を示す図である。

本明細書に添付の図６に示すように、下向き燃焼熱交換器を備える凝縮ボイラにおいて、ボイラの上端にブロワ１９が配置され、バーナー１０、顕熱交換器２００、および潜熱交換器１００が順次ブロワ１９の下に配置される。

特に、温水経路２１０用外管および加熱水経路２２０用内管を有する二重管熱交換器が、凝縮ボイラ内の顕熱交換器２００として使用される。しかし、顕熱交換器２００は、二重管熱交換器に限定されない。顕熱交換器２００は、加熱水経路用外管および温水経路用内管を有し得、また、温水が使用されるとき、室内の加熱管内で加熱水を循環するのではなく、三方弁を使用してボイラ内で加熱水を循環する二重管熱交換器に適用され得る。

上述のように構成された本発明の凝縮ボイラにおいて、バーナー１０で生成された燃焼熱は、顕熱交換器２００内で温水と直接接触し、熱を温水に伝達することで温水を加熱し、次いで間接的に加熱水を加熱する。

潜熱交換器１００は、顕熱交換器２００を通過する排気ガスの潜熱を使用して、室内の加熱管から戻った加熱水および冷水管１５から導入された冷水を予熱する。

潜熱交換器１００を通過する排気ガスは、排気ポート２３から外部に出される。熱伝達処理中に生成された凝縮水は、ドレイン２２に集められて外部に出される。

さらに、循環ポンプ２１は、加熱管ラインの一部に配置されて加熱水を循環する。循環ポンプ２１が動作すると、室内を暖房し終えた加熱水が、加熱水戻りポート１４を介してボイラに導入され、その圧力を調節するため膨張タンク１８に流れる。次いで、加熱水は、潜熱交換器１００および顕熱交換器２００内で熱伝達処理を介して熱エネルギーを吸収し、室内の加熱管ラインへ供給されることによって室内が暖房される。室内暖房の手順は繰り返して行われる。

上述のように、本発明は、潜熱交換器１００内の排気ガスの潜熱を使用して加熱水および温水を予熱し、加熱水および温水が潜熱交換器内で潜熱を吸収することを可能とする。従って、温水経路および加熱水経路が二重に形成された二重管熱交換器が、顕熱交換器として使用され得る。

上述のように、本発明は、二重管熱交換器を顕熱交換器として使用することができ、それにより凝縮ボイラ内の潜熱を使用して冷水を予熱する。

本発明の好適な実施形態を説明の目的で記載してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲に開示された発明の範囲と精神から逸脱することなく、多様な改変、追加、および置換が可能であることを理解するであろう。

本発明の先述および他の目的、特徴、および利点が、以下の添付の図面とともに上記の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
通常の凝縮ボイラの構成を示す図である。 基本原理を説明する目的の、本発明に従った潜熱交換器の構成を示す図である。 本発明に従った、温水熱交換器を備えた潜熱交換器の構成を示す図である。 本発明に従った、温水熱交換器を備えた潜熱交換器の構成を示す図である。 本発明に従った、温水熱交換器を備えた潜熱交換器の構成を示す図である。 本発明に従った、温水熱交換器と加熱水熱交換器が一体形成された潜熱交換器を使用する凝縮ボイラの構成を示す図である。

Claims (4)

1. 加熱水および温水の両方を供給するための凝縮ボイラの熱交換器であって、
   顕熱交換器と、
   加熱水熱交換器および温水熱交換器を含む潜熱交換器であって、前記加熱水熱交換器が、１つの入口および多数の出口を備える入口部、多数の入口および１つの出口を備える出口部、ならびに入口部および出口部の入口および出口に接続され並行して配置された複数の加熱水経路を有し、前記温水熱交換器が、１つの入口および多数の出口を有する入口部、多数の入口および１つの出口を有する出口部、ならびに入口部及び出口部の入口及び出口に接続され並行して配置された複数の温水経路を有する、潜熱交換器と、を備える熱交換器であって、
   前記複数の温水経路が、それぞれ前記複数の加熱水経路に隣接して配置されており、
   前記加熱水熱交換器の出口部が前記顕熱交換器の加熱水ポートに接続され、前記温水熱交換器の出口部が、前記顕熱交換器の温水ポートに接続されており、
   前記複数の温水経路及び前記複数の加熱水経路が、熱伝達面積を増やすため、凹凸形状を有する３つの積層されたプレートによって形成されている熱交換器。
2. 前記潜熱交換器が複数の単位熱交換器を積層することにより作製され、各単位熱交換器が前記３つのプレートによって構成され、隣接する２つの単位熱交換器の間に排気ガス経路が形成されている、請求項１に記載の凝縮ボイラの熱交換器。
3. 前記単位熱交換器を構成する前記３つのプレートが、それぞれ加熱水入口部および加熱水出口部ならびに温水入口部および温水出口部を有し、前記温水経路を規定する中間プレートの、前記温水入口部の周縁部が、前記加熱水経路を規定する外側プレートの、前記温水出口部の周縁部に結合され、前記温水経路を規定する中間プレートの、前記加熱水入口部の周縁部が、前記加熱水経路を規定する他方の外側プレートの、前記加熱水出口部の周縁部に結合され、前記複数の単位熱交換器が積層されているとき、前記単位熱交換器の加熱水経路が互いに連絡しており、同様に、前記単位熱交換器の温水経路が互いに連絡していることで、前記潜熱交換器が、１つの入口および多数の出口を備える入口部、および多数の入口および１つの出口を備える出口部を有する、請求項２に記載の凝縮ボイラの熱交換器。
4. 前記顕熱交換器は、加熱水経路用内管が温水経路用外管に挿入されるか、または温水経路用内管が加熱水経路用外管に挿入されるか、という様式で製造された二重管熱交換器を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の凝縮ボイラの熱交換器。

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