JP6106607B2 - 水加熱システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
２０１２年１月２４日に出願され「ＷＡＴＥＲＨＥＡＴＩＮＧＳＹＳＴＥＭ」と題された米国特許出願整理番号第１３／３５７，３０９号、および２０１１年１月２８日に出願され「ＴＡＮＫＬＥＳＳＷＡＴＥＲＨＥＡＴＥＲ」と題された米国仮出願整理番号第６１／４３７，５２７号を参照し、当該出願は、これらの米国出願の優先権および利益を主張するものであり、これらの米国出願は、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、水加熱システムに関し、より詳細には、フィードフォワード制御を用いる水加熱システムおよび方法に関する。

＜背景技術＞
家庭用および商業用の両方の用途において、水加熱器の大部分はタンク式である。これらの水加熱器は円筒状容器であり、水は、その円筒状容器内で絶えず高温に保たれ、すぐ使用できるようになっている。タンク内の水は、しばらくすると温度が下がり、それにより、加熱システムが作動されて水を加熱して戻す。更に、一旦タンクからの温水の供給が使い尽くされると、温水が再び利用可能になるまでに遅延がある。

タンクの無い水加熱器は、水が装置を通って流れる際に水を加熱し、典型的には、熱交換器コイル内にある水を除いて内部には少しも水を保持しない。従来のタンクの無い水加熱器の課題は、同じ温度の水を異なった流量で作り出すことである。それに加えて、時間が経つにつれて熱交換器が腐食を受けて効率が低下する可能性がある。

＜発明の概要＞
本発明の１つの態様では、水加熱システムは、熱エネルギー源を供給するためのバーナーアセンブリを含む。バーナーアセンブリは、燃焼室と、空気流を燃焼室に供給する吸気口と、燃料を燃焼室に供給する燃料入口とを含む。熱交換器アセンブリは、バーナーアセンブリに動作可能に連結され、第２の流体導管と熱交換関係にある第１の流体導管を含む。水加熱システムは、加熱される新しい水を供給するために熱交換器アセンブリに連結された水入口導管と、加熱された水を使用点に送り出すために熱交換器アセンブリに連結された水出口導管とを更に含む。バイパス導管は、水出口導管を水入口導管に接続し、バイパス導管内に配置されたポンプは、加熱された水の少なくとも一部を水出口導管から水入口導管まで循環させる。熱交換器アセンブリとバイパス導管との間の水入口導管内に位置付けられたフィードフォワードセンサは、熱交換器アセンブリに進入する混合された水のパラメータを監視し、プロセッサは、フィードフォワードセンサに応答してバーナーアセンブリの動作を制御する。

本発明の別の態様では、水加熱システムを動作させるための方法が提供される。その方法は、熱交換器アセンブリと、水を熱交換器アセンブリに供給するための水入口導管と、加熱された水を要求されるものに供給するために熱交換器アセンブリに接続された水出口導管と、熱交換器アセンブリ内の水を加熱するための熱源と、水出口導管を水入口導管に接続するバイパス導管とを設けるステップを含む。その方法は、熱交換器内の水を設定点の温度に加熱するステップと、バイパス導管からの加熱された水の少なくとも一部を水入口導管における水と混合するステップとを更に含む。その方法は、熱交換器アセンブリへの進入前に水入口導管における水の第１のパラメータを監視するステップと、水出口導管で設定点の温度に達するように水の第１のパラメータに応答して熱源を制御するステップ
とを更に含む。

本明細書に記載される特徴は、以下に記載される図面を参照してより良く理解することができる。図面は、必ずしも原寸に比例せず、代わりに、一般に本発明の本質を例示することに重点を置いている。図面中、同様の数字は、様々な図全体にわたって同様の部分を示すために使用される。

本発明の一実施形態に係る水加熱システムの概略図を描写する。 本発明の別の実施形態に係る水加熱システムの斜視図を描写する。 図２に示される実施形態に係る空気燃料送出システムの斜視図を描写する。 図２に示される実施形態に係るガストレインの斜視図を描写する。 図２に示される水加熱システムの側断面図を描写する。 図５に示される実施形態に係るバーナーアセンブリの側断面図を描写する。 図６に示されるバーナーアセンブリの分解斜視図を描写する。 図５に示される水加熱システムのための例示的な筺体の斜視正面を描写する。 図５に示される水加熱システムのための例示的な筺体の斜視背面を描写する。 図５に示される水加熱システムのための例示的な筺体の右側図を描写する。 図５に示される水加熱システムのための例示的な筺体の左側図を描写する。

＜発明の詳細な説明＞
図１は、本発明の一実施形態に係る水加熱システム１０の概略図を描写する。新しい水は、水入口導管１２によって水加熱システム１０に供給される。導管１２内の水は熱交換器アセンブリ１４に進入し、その熱交換器アセンブリでは、水は、所望のまたは設定点の温度まで加熱され、水出口導管１６に排出される。その後、加熱された水は、家庭または設備の要求を満たすように利用可能である。

水加熱システム１０は、加熱された燃焼生成物を作り出すために燃焼室内において酸化剤で燃料を燃やすように適合されたバーナーアセンブリ１８を含む。典型的なシステムでは、酸化剤は空気である。燃焼生成物（高温ガス）は、バーナーアセンブリ１８を出て、熱交換器アセンブリ１４に供給され、その熱交換器アセンブリ上でその燃焼生成物は、熱交換器アセンブリを通って循環する水と熱交換関係に入る。熱交換器アセンブリ１４内で、水は、燃焼生成物から分離される。すなわち、第１の流体導管２０は、第２の流体導管２１と熱交換関係にあるが、それらの流体導管は混ぜ合わされない。例示された実施形態では、第１の流体導管２０は、熱交換器内の１つまたは複数の熱交換管であり、第２の流体導管２１は、その熱交換管を取り囲む熱交換器の内部領域である。燃焼生成物は熱交換管２０内を流れ、水は第２の流体導管２１を通って、すなわち管２０の周りを流れ、水出口導管１６経由で熱交換器アセンブリ１４の外へ経路で導かれる。高温燃焼ガスは、燃焼排気マニホルド２２経由で熱交換器アセンブリ１４を出る。別の実施形態（図示されない）では、水は、熱交換器アセンブリ内の管を通って流れ、高温燃焼ガスは管の周りを循環する。

水加熱システム１０は、水出口導管１６を水入口導管１２に接続するバイパス導管２４を更に含む。ポンプ２６は、加熱された水の少なくとも一部を水出口導管１６から冷却器水入口導管１２まで循環させるように適合される。一実施形態では、ポンプ２６は、一定流量を連続的に循環させる一定流モデルである。

水加熱システム１０は、システムまたはシステム健全パラメータの動作状態を監視するためのセンサを更に含む。システムの液側上では、バイパス導管２４の上流に位置付けられた水入口センサ２８は、入ってくる新しい水の温度を監視することができる。バイパス
導管２４と熱交換器アセンブリ１４との間の水入口導管１２に取り付けられたフィードフォワードセンサ３０は、例えば、バイパス導管から流入する加熱された水と混合された後に、熱交換器に進入する水の温度を監視することができる。水出口センサ３２は、熱交換器アセンブリ１４を去る加熱された水の温度または流量を監視することができる。システムの燃焼側上では、空気入口センサ３４は、バーナーアセンブリ１８を流れる空気の温度などの状態を監視することができ、排気センサ３６は、例えば温度などの排気煙道における状態を監視することができ、その状態は、燃焼効率を判断する際に役に立つ可能性がある。

水加熱システム１０は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであり得るプロセッサ３８（またはＣＰＵ）を更に含み、水加熱システムの動作全体を制御するための任意の適切な構造を更に含む。一実施形態では、バーナーアセンブリ１８の動作は、フィードフォワードセンサ３０に応答して制御することができる。一例では、バーナーアセンブリ１８の動作は、熱交換器アセンブリ１４に進入する混合された水（例えば、再循環された水を加えた新しい水）の温度に応答してプロセッサ３８によって制御される。

水加熱システムは、要求原理に基づいて動作する。すなわち、動作の間、水出口導管を通って送り出された加熱された水の流れは、設備要求に基づいて予測される。設備による温水の要求が無い場合、温水は導管１６から流れ出ない。従前の水加熱システムでは、要求が無い場合、流れはシステム内には無かった。従って、システム内の停滞水の温度は徐々に低下した。タンクの無いシステムでは、システム内の水の量が少ないことの原因で、温度低下はかなり早く生じた。温水の再開の要求のとき、熱交換器の出口における温度は、所望のまたは設定点の温度よりもかなり低いことが多かった。水出口温度に応答してバーナーアセンブリを制御していたシステムは、バーナーを長期間１００％で燃やすことによって応答していた。典型的には、熱交換器に急速に加えられた高熱は、水出口温度が急上昇し設定点を上回ることを引き起こし、バーナーは流れの絞りを戻されることになる。水出口温度が設定点より下に降下したとき、バーナーはもう一度立ち上げられることになる。バーナーのこのオン／オフ動作は、特に、低温始動から、設定点を上回ることと下回ることとの繰り返しを結果的にもたらしていた。問題は、比例／積分／微分（ＰＩＤ）コントローラを用いていくらか軽減することができたが、バーナーからの熱出力の上昇および降下は、熱交換器構成要素の熱サイクルを依然としてもたらしていた。熱サイクルに由来する熱交換器構成要素上の応力および歪みは、構成要素の早期故障をもたらすことが多く、その故障は、修理する費用が高かった。

対照的に、本明細書に記載された水加熱システムは、熱交換器アセンブリ１４を出ていく温水のうちのいくらかまたは全てを循環させて熱交換器入口に戻すことによって、一定設定点温度を維持する。このようにして、システム内の水は停滞せず、温度は、設定点から破壊的に変動することなく維持することができる。一例では、温水の設備要求が無い場合、従って、水出口導管１６からの流れが無い場合、ポンプ２６からの流れが循環して熱交換器アセンブリ１４の入口に戻るので、熱交換器アセンブリを通って循環する流れが残る。要求が無いので、システム内の水の量は変化せず、新しい水は、水入口導管１２からシステム１０に加えられない。結果として、フィードフォワードセンサ３０における水の温度は、熱交換器の出口における設定点温度に非常に近くなるであろう。プロセッサ３８は、フィードフォワードセンサ３０を監視し、そのフィードフォワードセンサに応答してバーナーアセンブリ１８の動作を制御してもよい。システム内の水の温度が徐々に降下するにつれて、フィードフォワードセンサ３０で測定されるのにともなって、プロセッサ３８は、水出口設定点温度に復元するやり方で動作することをバーナーアセンブリ１８に命令することができる。

設備再開による温水の要求のとき、水出口導管１６から出た流量は、水入口導管１２か
らの新しい水によって補充される。しかしながら、ポンプ２６は、加熱された水の一部を循環させて熱交換器アセンブリ１４の入口に戻すので、混合された水は、新しい水よりも実質的に温かい場合があり、熱交換器の出口における所望のまたは設定点の温度に達するためにバーナーアセンブリ１８からより少ない熱を必要とし得る。入熱がより少ないことは、熱交換器構成要素の熱サイクルがより少ないことを結果としてもたらす。

フィードフォワードセンサ３０は、例えば熱交換器アセンブリ１４に進入する混合された水の、温度を検知することができる。プロセッサ３８は、センサ３０からの出力を監視し、それに応答してバーナーアセンブリ１８の動作を命令することができる。一実施形態では、プロセッサ３８のメモリに格納されたアルゴリズムは、バーナーアセンブリ１８に進入する燃料および空気のためのバルブスケジュールを定義する。バルブスケジュールは、フィードフォワードセンサ３０によって検知された温度に基づく。

図２を参照すると、同様の数字は図１の同様の要素を示しており、水加熱システム１０の斜視図は、本発明の一実施形態に従って例示される。水加熱システム１０の構成要素は、図１に描写された概略図に従って、配列され、構成されてもよい。水加熱システム１０は、基部に位置する水入口導管１２と、上部に位置する水出口導管１６とを有する熱交換器アセンブリ１４を含む。水入口導管１２は水入口センサ２８を含み、例示された例では、その水入口センサはＲＴＤ（抵抗温度検出器）型の熱電対である。排出バルブ４０は、熱交換器内の水の排水を可能にするために、水入口導管１２に連結されてもよいし、そうでなければ、熱交換器アセンブリ１４の基部に位置付けられてもよい。水出口導管１６は、例えば熱交換器アセンブリ１４を去っていく加熱された水の温度、を検知する水出口センサ３２を含むことができる。例示された例では、水出口センサ３２は、ＲＴＤ型の熱電対である。水出口導管１６は、万一ライン内の圧力が超過する場合に水圧力を抜くための圧力逃しバルブ４２を更に含むことができる。

水加熱システム１０は、水出口導管１６を水入口導管１２に接続するバイパス導管２４を含む。ポンプ２６は、加熱された水の少なくとも一部を水出口導管１６から下方へより冷たい水入口導管１２に循環させるように適合される。一実施形態では、ポンプ２６は、一定流量でバイパス導管２４を通して連続的に循環させる一定流モデルである。例示的なポンプ２６は、５から２５ガロン／分（ＧＰＭ）までの一定の水流量を維持するように構成され、ロードアイランド州クランストンのＴａｃｏＩｎｃ．社によって供給されるウェットロータサーキュレータ（ｗｅｔｒｏｔｏｒｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）ポンプである。任意選択の実施形態では、流量は、約１５ＧＰＭである。別の実施形態では、熱交換器アセンブリ１４を通る流量は、新しい水の入口における新しい水の流量にかかわらず、一定のままである。更に別の実施形態では、温水と新しい水との間の比率は約６０％から４０％までであってもよい。

図１を参照して記載されたように、フィードフォワードセンサ３０は、バイパス導管２４と熱交換器アセンブリ１４との間の水入口導管１２に取り付けられ、例えば、バイパス導管から流入する加熱された水と混合された後に熱交換器に進入する水の温度を監視することができる。一実施形態では、フィードフォワードセンサ３０は、新しい水と再循環された温水との適切な混合を保証するために、バイパス導管２４と水入口導管１２とを継ぎ合わせるＴ字部分から距離「Ｄ」を置いて、下流に（例えば、熱交換器アセンブリ１４の方へ）位置付けられる。一例では、距離「Ｄ」は少なくとも４インチ（１０．２ｃｍ）である。

水加熱システム１０は、基部および垂直基部脚を備える取り付けスキッド４４を更に含んでもよい。一例では、スキッド４４の基部部分は、加熱システムを持ち上げて運ぶためのフォークリフトまたはパレットトラックを許容するストリンガー４６を含む。取り付け
プレート４８（図２）は、熱交換器アセンブリ１４に溶接されてもよい。水加熱システム１０全体を支える取り付けプレート４８は、スキッド４４の垂直脚にボルト留めされる。このようにして、水加熱システム１０は、製造会社でスキッド４４に固定されてもよく、また、容易に運ばれ、設置され、設備から取り外されてもよい。一実施形態では、スキッド４４は、水加熱システム１０が一般のユーティリティクローゼット内に設置されることを許容するコンパクトな形状因子を占める。一例では、スキッド４４の形状因子は、幅約２８インチおよび奥行き約５１インチ（７１．１×１２９．１ｃｍ）である。

一実施形態では、水加熱システム１０は、バーナーアセンブリ１８の燃焼室への進入前に空気と燃料とを予め混合する空気燃料送出システム５０を含む。図３は、例示的な空気燃料送出システム５０の斜視図を描写する。システム５０は、吸気口の流れから空中微粒子を除去するための空気ろ過器５２をまず含む。空気入口センサ３４は、水加熱システム１０の動作を補助するために温度測定値などのデータを提供することができる。吸気流は、空気燃料バルブアセンブリ５４内で燃料と混合される。ガストレイン５６（図４）は、ガス状燃料をバルブに提供するために燃料入口フランジ５８で空気燃料バルブアセンブリ５４に接続する。ブロワ６０は、空気／燃料混合物をブロワ側の吸入マニホルド６２をバーナーアセンブリ１８へと下流に進ませる。一例では、ブロワ６０は、８．９インチ（２２５ｍｍ）可変速度ブラシレスブロワ、例えば、オハイオ州ケントにあるＡｍｅｔｅｋＴｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ社から入手可能なＮａｕｔｉｌａｉｒ１（登録商標）ブランドのブロワなどとすることができる。一実施形態では、空気燃料バルブアセンブリ５４は、バーナーアセンブリ１８の動作について２０：１のターンダウン比を提供する。すなわち、燃料／空気混合物比とブロワ６０の速度とは、バーナー最大出力の５％と１００％との間であるバーナーアセンブリ１８からの熱源を提供するように調整することができる。

他の実施形態では、燃料および空気は、燃焼室の中に別個の経路で導かれてもよい。例えば、空気導管および燃料導管は、空気および燃料をそれぞれ送り出すためにバーナーアセンブリに別個に連結することができる。

図４は、図２における図から部分的に隠された燃料ガストレイン５６の斜視図を描写する。燃料は、複数の適切なガス、例えば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を含むことができる。ＣＮＧの化学組成は変動する可能性があり、多くの適切な組成が本明細書において意図される。一実施形態では、ＣＮＧは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、窒素（Ｎ_２）、および二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む。ガストレイン５６は、燃料を供給導管６４の下方へ安全遮断バルブ（ＳＳＯＶ）６６まで流し、その安全遮断バルブは、ＳＳＯＶアクチュエータ６８によって開閉される。アクチュエータ６８は、例えばＴ字部７０および可撓性ガス管７２などの下流圧力源に接続される調整器によって駆動されてもよい。ガス管７２を通る流れは、最小閾値ガス圧力、例えば４．０インチ水柱に達しない限り、閉じられたままであるように適合された圧力スイッチ７４によって抑制されてもよい。別の例では、ガストレイン５６はまた、燃料圧力が、例えば２．６インチの水柱の、規定限度以下になった場合にＳＳＯＶアクチュエータ６８を閉めることを可能にする低ガス圧力スイッチ（図示されない）を有してもよい。ガストレイン５６はまた、手動式遮断バルブ７６、例えば１インチのボールバルブを含んでもよい。ガストレイン５６は燃料入口フランジ５８で終端され、その燃料入口フランジは、空気燃料バルブアセンブリ５４に接続される（図３）。

図５は、図２に示される水加熱システムの側断面図を描写し、図６は、バーナーアセンブリ１８の側断面図を描写し、図７は、バーナーアセンブリ１８の分解斜視図を描写する。図５〜図７を参照すると、熱交換器アセンブリ１４は円筒状外殻７８を含み、１つまたは複数の熱交換管２０がその円筒状外殻の中に固定される。外殻７８は、一例では、ステ
ンレス鋼から製造されてもよい。加熱される水は、水入口導管１２から外殻７８内に流れ、外殻から水出口導管１６に出る。システム１０は、加熱される水用の保持タンクが無い、タンクの無い設計である。システム１０内の唯一の水の容積は、外殻７８の内部内を流れる容積である。

本発明の一実施形態では、熱交換管２０は、らせん形式に巻き付けられた外部管８０と、外部管８０内に配置され、同様にらせん形式に巻き付けられた内部管８２とを備える。１つの構成例では、管板８４が、熱交換システム１０の底部に熱交換管８０、８２を固定するために設けられる。管板８４は、中央開口部を有する円形で、凸状の、ステンレス鋼プレートを備える。板８４は、らせん巻き付け管２０を受け入れるために鋭角に機械加工された貫通孔を有する。熱交換管２０はまた、相補的に、鋭角に曲げられており、板８４の中にろう付けされる。管板８４は、（それによって嵌合する）バーナーアセンブリ１８に対するその管板の内部直径上でおよび外殻７８に対するその管板の外部直径上でろう付けされてもよく、または別の方法で封止されてもよい。

熱交換器アセンブリ１４の上部で、熱交換管８０、８２は、ろう付けされるか、または別の方法で、水加熱器の外殻７８と燃焼室の上部との間に位置付けられたバッフルアセンブリ８６に固定され、水流をらせん管２０の周りで狭いところに通す。バッフルアセンブリ８６は、スケールの蓄積を防止することまたは少なくとも軽減すること、および表面温度を局所的に低減することによって、二重の利益を提供する。一実施形態では、高速度バッフルアセンブリ８６は、同心孔、すなわち中央オリフィスを有する円形ステンレス鋼プレートである。バッフルアセンブリ８６は、らせん管２０を受け入れるためにそのバッフルアセンブリの周りに均等に放射状に分配された機械加工された孔を含んでもよい。中央オリフィスは、第２の流体導管２１内で上向きに流れる水を局所化された領域に経路で導くことまたは誘導することという利益をもたらす。このオリフィスは、水速度を局所的に増加させる狭窄部を提供する。一例では、オリフィスは、毎秒８フィートより大きい水速度をもたらすようなサイズである。局所的に水速度が増加することによって、熱交換管２０の表面上のスケールの蓄積は、防止されるか、あるいは、少なくともかなり遅らせられ、そのことは、熱交換器の動作寿命を延ばす。それに加えて、局所的に水速度が増加することは、構成要素の表面温度をより冷たく保つ。温度は燃焼室の出口で最も高いので、このことは熱交換器の上部の近くで特に重要である。また、エラストマー材料でできたバッフルガスケット８８が、バッフルアセンブリ８６と外殻７８との間に取り付けられてもよい。バッフルガスケット８８は、バッフルアセンブリ８６と外殻７８との間に水が流れることを防ぐ。

らせん管２０（例えば８０、８２）は、ステンレス鋼から製造することができ、管外部表面上に溝または同様のものを含んでもよい。溝は、管２０を横切って流れる水の速度および乱流を増加させ、そのことは、高温ガスから水への熱伝達を向上させる。らせん形状はまた、管の熱膨張および熱収縮によって引き起こされる応力を低減する。管は各端部で拘束される（例えば、管板８４およびバッフルアセンブリ８６にろう付けされる）が、らせん形状は、ろう付け接合部に過度の応力を加えずに著しく膨張することおよび収縮することを可能にする。

熱交換器アセンブリ１４の外殻７８内の構成要素、例えば熱交換管２０、管板８４、およびバッフルアセンブリ８６は、新しい水からの腐食の影響を減らすための腐食保護を含んでもよい。一実施形態では、構成要素は、無電解ニッケルでめっきされる。一例では、ニッケルめっきは０．０００３インチから０．００１インチまでの範囲とすることができる。ステンレス鋼構成要素を溶接しろう付けすることと、無電解ニッケルめっき仕上げを施すこととの組み合わせは、熱交換器の寿命を延ばす。

熱交換器アセンブリ１４は、熱交換管２０に流入する水の温度を上げるための熱源を提供するバーナーアセンブリ１８を更に含む。例示された実施形態では、バーナーアセンブリ１８は、外殻７８の底部と嵌合し、封止する。バーナーアセンブリ１８は、らせん熱交換管２０の開放された中央部分を通って上方に延びる円筒状燃焼室９０を含む。外殻７８の上部近くの、燃焼室の終端で、燃焼生成物（例えば高温ガス）は、バッフルアセンブリ８６内に位置する熱交換管２０の開放端に導かれる。次いで、高温ガスは、燃焼室の外側の周りで管２０内を下方へ流れ、最終的にアセンブリの基部にある燃焼排気マニホルド２２に出る。同時に、水は、水入口導管１２からアセンブリの上部にある水出口導管１６の方へ、上向き方向に管２０の周りを流れる。

図７に描写されるものは、バーナーアセンブリ１８の分解斜視図である。燃料／空気の混合物は、ブロワ側の吸入マニホルド６２から進入し、放射状の燃焼室９０において点火される。バーナーアセンブリ１８は、ソレノイドで作動される点火器９２と、火炎ロッドなどの火炎検出器９４とを含むことができ、その火炎検出器の出力は、システムマイクロプロセッサ３８またはＣＰＵに送信される。ＣＰＵは、万一火炎ロッドが、燃焼が早期に終了したことを示す場合には、安全遮断を命令することができる。バーナーアセンブリ１８はまた、温度逸脱、冷却、または同様のことの間に熱交換管２０から滴り落ち得る液体水から点火器９２およびほかの構成要素を保護するための防湿バリアを提供する凝縮液シールド９６を含むことができる。バーナーアセンブリ１８は、吸入マニホルド６２に取り付けられる。一実施形態では、嵌合プレート９８は、吸入マニホルド６２上のフランジにボルト留めされ、例えばＦｉｂｅｒｆｒａｘ（登録商標）ガスケットなどの高温封止１００は、燃焼室９０によって生成された熱から吸入マニホルドを保護する。

図８Ａ〜図８Ｄは、図５に示された水加熱システム１０の外部斜視図を描写する。図５および図８Ａ〜図８Ｄを参照すると、水加熱システム１０は、従来の筺体またはキャビネットを超える運用上の有利な点をもたらす封止された燃焼筺体１０２を含んでもよい。一態様では、筺体１０２は、バーナーアセンブリ１８に入ってくる空気を調節する手段を提供する。別の態様では、筺体１０２は、水加熱システムの静かな動作を保証する手段を提供する。

筺体１０２は、シートメタルパネルから製造されてもよいし、封止された内部環境を提供するような手法で組み立てられてもよい。図８Ａ〜図８Ｃは、封止された筺体１０２の一実施形態を描写する。筺体１０２は、正面ドアアセンブリ１０４および正面パネル１０６を含む。図８Ａに例示されてはいないが、正面ドアアセンブリ１０４は、例えば、電気パネル、スイッチ、入出力配線ボックスアセンブリ、動力ボックスアセンブリ、プログラム可能なＣ‐ＭｏｒｅＲＳ２３２制御インターフェース、および空気ろ過器５２へのアクセスを提供するように開く。封止された筺体１０２は、上部パネル１０８、基部カバーパネル１１０、右側パネル１１２ａ、および左側パネル１１２ｂを更に含む。筺体１０２の背面は、水入口導管１２、水出口導管１６、吸気口ポート１１４、燃焼排気マニホルド２２、ガストレイン連結５６、ならびに他のトラップおよび排出部を囲むための複数のカバーおよびパネルを含んでもよい。一実施形態では、封止された筺体１０２の背面は、左側背面パネル１１６、パイプカバー１１８、上部右側背面パネル１２０、アクセスパネル１２２、右側パネル１２４、下部右側背面パネル１２６、および下部背面パネル１２８を含む。互いに、パネルは、インターロックするか、または別の方法で、封止された筺体を提供するように共に固定される。一実施形態では、パネルは、取り替えおよび／または保守のために主要な構成要素に容易にアクセスするための一体型で、簡易脱着式の、４分の１回転ラッチ１３０を含む。ラッチ設計は、通常動作の間に筺体１０２全体が密に封止されることを維持し、時間のかかる締結具を取り外すための道具を使用することの無いサービスを可能にする。

本発明の一態様では、筺体１０２は、バーナーアセンブリ１８に入ってくる空気を調節する手段を提供する。一例では、調節は、空気をろ過することを含む。筺体１０２は、燃焼空気ろ過システムのためのプレナム１３２（図５）を画定する。燃焼空気ろ過システムは、ミクロンサイズの微粒子がバーナーアセンブリ１８に進入し、さもなければ、不十分な燃焼に起因する費用のかかるサービスを必要とすることになる重要なバーナー材料を妨害する可能性を減らす。一例では、空気燃料送出システム５０に連結された空気ろ過器５２は、空気燃料バルブアセンブリ５４のための空気流がプレナム１３２から引き出されるように、筺体内に位置する。１つの任意選択の実施形態では、開示されたシステムのろ過効率は、ＩＳＯ５０１１によって検査される場合、約９６％から約９９％までの範囲にある。

別の例では、筺体１０２は、動作の温度範囲を安定化することによって、入ってくる空気を調節する。この点で、水加熱システム１０は、予熱された燃焼空気送出システムを更に含む。筺体１０２によって画定されたプレナム１３２は、外側環境の温度極値を低減するために、および、安定した温度範囲で空気をバーナーアセンブリ１８に供給するために役に立つ。例えば、燃焼のために使用される外側空気温度は、典型的には、システムが適応しなければならない１４０°Ｆ（７７．８℃）の差またはデルタ（ｄｅｌｔａ）を表わす−２０°Ｆから１２０°Ｆまで（−２８．９℃から４８．９℃まで）変動する。予熱された燃焼空気送出システムは、動作空気温度範囲を約５０°Ｆから９０°Ｆまで（１０．０℃から３２．２℃まで）、４０°Ｆ（２２．２℃）のデルタで、低下させる。このより小さな範囲の動作温度は、温度変化に帰する空気密度の低減に起因して燃焼安定性を向上させる。例えば、外側温度が９０°Ｆを上回ると、空気は、室内空気と混合され、その空気の温度を低下させる。外側空気が５０°Ｆを下回ると、筺体は断熱されているので、筺体１０２に導入された空気は、筺体内の少なくともいくらかの熱を吸収する。

本発明の別の態様では、筺体１０２は、水加熱システムの静かな動作を保証する手段を提供する。筺体１０２は、動作中、筺体から出る環境騒音を減らすために音響遮音材料１３４で内張りすることができる。一例では、ユニットが入力の１００％（全能力）で動作しているときに筺体１０２の外側で測定される音圧レベルは、約５５ｄＢａである。この音レベルは、３．３フィート（１ｍ）の距離にあるラジオまたはテレビの低音量設定に匹敵するものである。防音材１３４は、任意選択の実施形態では、待機損失を１％未満に減らすという更なる利点を有する。

上記で開示されたように、例えば水入口センサ２８、フィードフォワードセンサ３０、または水出口センサ３２などのシステムセンサのデータ出力は、水加熱システム１０を動作するように適合されたあるいはシステムの健全性を監視するように適合されたプロセッサ３８（図５）に接続されてもよい。動作中、プロセッサ３８（または、いくつかの実施形態では、別個のプロセッサ）の少なくとも一部は、動荷重予測器として構成されてもよい。バイパスポンプ２６が動いていると、動荷重予測器（ＤＬＡ：ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄａｎｔｉｃｉｐａｔｏｒ）は、フィードフォワードセンサ３０からの入力に応答して水出口温度を制御することができる。一実施形態では、ＤＬＡは、水加熱器の出口温度を制御するためにアルゴリズムでプログラムされる。この実施形態では、動荷重（流れ）が変化する中で、温度は、フィードフォワード温度センサ３０測定値の変化に基づいて２°Ｆ以内で制御される。プロセッサ３８は、ガスを燃料とする空気燃料燃焼システム１８の調節を入力の例えば５％から１００％までに命令する。

表Ｉは、プロセッサ３８の中にプログラムされてもよいアルゴリズムの一例を描写する。この例では、水加熱システム１０は、バイパスポンプ２６を約１５ＧＰＭで循環させて、１３６°Ｆの温度で毎分５０ガロンの連続的な水要求率を供給するために毎時１００万ＢＴＵ提供する。フィードフォワード温度センサ３０は、熱交換器アセンブリ１４に進入
する混合された水の温度を示すデータを提供し、そのデータは、設定点のまたは所望の出口温度と比べると、どのくらいの熱エネルギーが熱交換管２０に加えられる必要があるかを計算するために使用することができる。水出口導管１６からの加熱された水の少なくとも一部は、循環され水入口導管１２の中に戻るので、循環された流量は既知の値または固定された値であり、設定点まで温度を上げるために必要な熱エネルギーの量は、循環された流量に基づいて予測することができる。任意選択の実施形態では、水出口センサ３２は、アルゴリズムへの追加的または補足的計算のためにプロセッサ３８に熱交換器アセンブリ１４を去っていく水の温度を提供してもよい。

一実施形態では、プロセッサ３８はまた、バイパスポンプ２６が適切に動作しているかを確認するために水入口センサ２８とフィードフォワードセンサ３０との間の差を監視してもよい。一例では、水入口センサ２８およびフィードフォワードセンサ３０は温度を測定する。ポンプ２６が故障した場合、加熱された水は新しい水と混合されず、水入口センサ２８とフィードフォワードセンサ３０との間にごくわずかな温度差があることになる。この場合には、プロセッサ３８は、水加熱システム１０に動作のフェイルセーフモード、例えばフィードバック制御モードなどに切り替えることを命令する。フィードバック制御モードでは、バーナーアセンブリ１８の動作は、水出口センサ３２に応答する。プロセッサ３８はまた、例えば、正面ドアアセンブリ１０４上の読み出し部に不具合表示を出してもよい。この行為は、水加熱システム１０の動作を終わらせないか、あるいはロックアウトしないが、動作不良があるという表示をオペレータに提供する。

水入口センサ２８はまた、どのくらいの熱エネルギーが入口の水に追加される必要があるかを判断する際に補助するためにＤＬＡ内のアルゴリズムに追加的データを提供してもよい。

別の実施形態では、プロセッサ３８はまた、熱／燃焼効率の測定として水加熱システム１０の煙道ガス温度を監視するために燃焼排気センサ３６を監視してもよい。熱交換管２０の表面がスケールで覆われている場合、効率は低下し、煙道ガス温度は上昇するであろう。一例では、煙道ガス温度３６が第１の閾値に達すると、プロセッサ３８は警告を出すことができる。万一温度３６が第２の、より高い閾値に達するならば、プロセッサ３８は、効率を維持するために空気燃料送出システム５０に空気／燃料比を変更することを命令することができる。万一第３の、より高い閾値に達する場合には、水加熱システム１０は、不具合となり、止まり、熱交換器アセンブリ１４のクリーニングを必要とすることにな
る。段階的な閾値の制限、および、オペレータに保守をその後通知することは、熱交換器アセンブリ１４が、損害を与える腐食を被ることになる可能性を減らす。

本発明はいくつかの特定の実施形態を参照して記載されてきたが、本発明の真の意図および範囲は、本明細書によって支持することができる特許請求の範囲のみに関して決定されるべきであることが理解されるであろう。更に、本明細書における多数の場合においてシステムおよび装置ならびに方法が一定数の要素を有するものとして記載されたが、そのようなシステム、装置、および方法は、記載された一定数より少ない要素で実施することができることが理解されるであろう。また、いくつかの特定の実施形態が記載されたが、特定の実施形態のそれぞれに関連して記載された特徴および態様は、残りの個々に記載された実施形態のそれぞれと使用することができることが理解されるであろう。

本明細書に記載された方法の実例は以下のとおりである。

水加熱システムを動作するための方法であって、
熱交換器アセンブリと、水を熱交換器アセンブリに提供するための水入口導管と、加熱された水を要求されるものに提供するために熱交換器アセンブリに接続された水出口導管と、熱交換器アセンブリ内の水を加熱するための熱源と、水出口導管を水入口導管に接続するバイパス導管と、を設けるステップと、
熱交換器内の水を設定点の温度まで加熱するステップと、
バイパス導管からの加熱された水の少なくとも一部を水入口導管内の水と混合するステップと、
熱交換器アセンブリへの進入前に水入口導管内の水の第１のパラメータを監視するステップと、
水出口導管で設定点の温度に達するように水の第１のパラメータに応答して熱源を制御するステップと、を含む、方法。

加熱された水の少なくとも一部を水出口導管から水入口導管まで流すステップは、加熱された水を一定流量で水入口導管までポンプで送り込むことを含む、段落００４５の方法。

監視される第１のパラメータは温度であり、熱源はバーナーアセンブリであり、熱源を制御するステップは、バーナーアセンブリのための空気燃料バルブの調節を調整することを含む、段落００４５の方法。

水出口導管に水出口センサを設けるステップと、水出口センサを監視するステップと、水出口センサに応答して熱源を更に制御するステップとを更に含む、段落００４５の方法。

熱源はバーナーアセンブリであり、当該方法は、水加熱システムのための封止された筺体を設けるステップを更に含み、筺体は内部空気プレナムを画定し、当該方法は、バーナーアセンブリへの進入前にプレナム内の空気を調節するステップを更に含む、段落００４５の方法。

プレナム内の空気を調節するステップは、空気をろ過することを含む、段落００４９の方法。

ろ過するステップは、ＩＳＯ５０１１に対して検査される場合、約９６％から約９９％までの範囲のろ過効率を達成する、段落００５０の方法。

プレナム内の空気を調節するステップは、空気を約５０°Ｆから約９０°Ｆまでの温度範囲まで予熱することを含む、段落００４９の方法。

スケールの蓄積を軽減するために熱交換器アセンブリ内の水の速度を局所的に増加させるステップを更に含む、段落００４５の方法。

速度が少なくとも毎秒８フィートへ増加される、段落００５３の方法。

Claims (23)

1. 熱エネルギー源を提供するためのバーナーアセンブリであって、燃焼室と、空気燃料送出システムに空気流を供給する吸気口と、前記空気燃料送出システムに燃料を供給する燃料入口と、前記空気流と前記燃料が混合されて形成される空気／燃料混合物が着火され燃焼生成物を生成する前記燃焼室内に前記空気／燃料混合物を吹き込むブロワとを備える、バーナーアセンブリと、
   前記バーナーアセンブリに動作可能に連結された熱交換器アセンブリであって、第２の流体導管と熱交換関係にある第１の流体導管を備え、加熱される新しい水は、前記第１の流体導管と前記第２の流体導管のうち一方を流れ、前記燃焼生成物は前記第１の流体導管と前記第２の流体導管のうち他方を流れる、熱交換器アセンブリと、
   前記加熱される新しい水を供給するために前記熱交換器アセンブリに連結された水入口導管と、
   前記加熱された水を使用点に送り出すために前記熱交換器アセンブリに連結された水出口導管と、
   前記水出口導管を前記水入口導管に接続し、前記水出口導管から前記水入口導管に水のみを循環させるバイパス導管と、
   前記加熱された水の少なくとも一部を前記水出口導管から前記水入口導管まで循環させるために前記バイパス導管の中に配置され、前記バイパス導管を通して一定流量を連続的に循環させ、それによって、新しい水と再循環された水との混合物を前記熱交換器アセンブリに提供する一定流ポンプと、
   前記新しい水と再循環された水との混合物が流れ込む前記水入口導管に位置付けられたフィードフォワードセンサであって、前記熱交換器アセンブリに進入する前記新しい水と再循環された水との混合物のパラメータを監視するために前記熱交換器アセンブリと前記バイパス導管との間の前記水入口導管に位置付けられたフィードフォワードセンサと、
   前記フィードフォワードセンサに応答して前記使用点での前記加熱された水の温度を維持するためにフィードフォワード制御システムにより前記バーナーアセンブリの動作を制御するためのプロセッサと、を備える、水加熱システム。
2. 前記熱交換器アセンブリは、タンクの無い設計である、請求項１に記載の水加熱システム。
3. 前記バーナーアセンブリは、ガス状燃焼生成物を形成するために燃料および酸化剤を燃
   やすように適合された燃焼室を備え、当該水加熱システムは、前記燃焼生成物を前記水加熱システムの外へ経路で導くための燃焼排気マニホルドを更に備える、請求項１に記載の水加熱システム。
4. 前記第１の流体導管は、熱交換管を備え、前記熱交換管の第１の端部は、前記バーナーアセンブリの前記燃焼生成物に連結され、前記熱交換管の反対側にある第２の端部で前記燃焼排気マニホルドに連結される、請求項３に記載の水加熱システム。
5. 前記熱交換管はらせん形である、請求項４に記載の水加熱システム。
6. 前記熱交換管は、内部らせん管を取り囲む関係にある外部らせん管を備える、請求項５に記載の水加熱システム。
7. 前記プロセッサは、前記プロセッサに格納されたアルゴリズムに従って前記バーナーアセンブリの動作を命令し、前記アルゴリズムは、前記フィードフォワードセンサからの読み取り値を入力として有し、前記バーナーアセンブリの調節を出力として有する、請求項１に記載の水加熱システム。
8. 前記バーナーアセンブリへの進入前に燃料および酸化剤を予め混合するように適合された空気燃料送出システムを更に備え、前記バーナーアセンブリの前記調節は、前記空気燃料送出システムの空気燃料バルブ位置を含む、請求項７に記載の水加熱システム。
9. 前記水出口導管に流入する前記加熱された水のパラメータを監視するための水出口センサを更に備え、前記水出口センサは、前記熱交換器アセンブリと前記バイパス導管との間に位置付けられる、請求項７に記載の水加熱システム。
10. 前記水出口センサは、前記プロセッサに格納された前記アルゴリズムに追加的入力を提供する、請求項９に記載の水加熱システム。
11. 前記水入口導管に流入する前記新しい水のパラメータを監視するための水入口センサを更に備え、前記水入口センサは、前記バイパス導管の上流に位置付けられる、請求項１に記載の水加熱システム。
12. 前記プロセッサは、前記水入口センサと前記フィードフォワードセンサとの間の温度差を計算し、前記差がごくわずかである場合、前記プロセッサは、異なるパラメータに応答して前記バーナーアセンブリの前記動作を制御する、請求項１１に記載の水加熱システム。
13. 前記プロセッサは、前記水出口導管における水出口温度センサに応答して前記バーナーアセンブリの前記動作を制御する、請求項１２に記載の水加熱システム。
14. 前記熱交換器アセンブリは、前記第２の流体導管における前記水の速度を増加させるためのバッフルアセンブリを更に備える、請求項１に記載の水加熱システム。
15. 前記バッフルアセンブリはプレートを備え、前記プレートはオリフィスを画定し、前記水の前記速度が前記オリフィスを通して増加する、請求項１４に記載の水加熱システム。
16. 前記熱交換器アセンブリに提供される新しい水と再循環された水との前記混合物は、約４０％の新しい水と６０％の再循環された水との比率によって定義される、請求項１に記載の水加熱システム。
17. プレナムを画定する封止された筺体を更に備え、前記プレナムは、前記バーナーアセンブリの前記吸気口に連結される、請求項１に記載の水加熱システム。
18. 前記プレナムは、前記筺体内に燃焼空気ろ過システムを提供し、前記燃焼空気ろ過システムは、前記吸気口の流れから空中微粒子を除去するために前記バーナーアセンブリに連結された空気ろ過器を備える、請求項１７に記載の水加熱システム。
19. 前記空気ろ過器は、ＩＳＯ５０１１に対して検査される場合、約９６％から約９９％までの範囲のろ過効率を提供する、請求項１８に記載の水加熱システム。
20. 前記プレナムは、前記筺体の外側の温度極値を減らすために予熱された燃焼空気送出システムを提供し、前記予熱された燃焼空気送出システムは、前記外側の温度が約−２０°Ｆから約１２０°Ｆまでの範囲にある場合、吸気を約５０°Ｆから約９０°Ｆまでの温度範囲で前記バーナーアセンブリに提供する、請求項１７に記載の水加熱システム。
21. 動作の間に前記筺体から出る環境騒音を低減するために、前記筺体の内部表面に連結された、音響遮音材料を更に備える、請求項１７に記載の水加熱システム。
22. 前記筺体の外側で測定される音圧レベルは、前記水加熱システムが全能力で動作しているときに約５５ｄＢａである、請求項２１に記載の水加熱システム。
23. 前記バイパス導管は、前記筺体内に位置する、請求項１７に記載の水加熱システム。

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