JP6198815B2 - 並列熱交換器を備えた温水装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年５月１３日に「並列熱交換器を備えた温水装置」という名称で出願された米国特許仮出願第６１／６４６，３４６号について述べ、これからの優先権および利益を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に温水システムに関し、より詳細には高温出力を達成するが、小さいフットプリントを占有し広範囲に亘る変調で作動する、温水システムに関する。

温水循環式ボイラーは、居住および工業のための発熱に使用される。温水循環式ボイラーは、水を設定温度に加熱し、その水を建物中に、特にラジエータ、ベースボードヒーターを介して、または床部を通して循環させることによって作動する。通常、水は天然ガスバーナーによって加熱される。水は密閉システム内にあり、その構造全体にポンプによって循環される。

温水循環式ボイラーは通常、流水と接触する内部の熱交換管を備える圧力容器を含む。煙管ボイラーとして公知の１つのタイプの温水装置では、高温燃焼ガスが熱交換管を通って内部に流れ、加熱される水が管の周囲を流れて熱を獲得する。別のタイプの従来の温水装置では、水が熱交換管内を急速に流れ、熱源が管の外側に曝露される。

温水循環式ボイラーの圧力容器の水量は、建物の熱需要および熱交換システムの出力容量に応じる。温水循環式ボイラー内で作動する水圧は、８０ｐｓｉまたは場合によっては１６０ｐｓｉまで高くなる可能性がある。従って、大型または工業用温水循環式ボイラーでは、圧力容器は、直径が４フィートを超える、極めて大きいことがある。

本開示の一態様によれば、温水装置は、複数の供給脚に分割するように構成された流体流入管路および複数の熱交換器を含む。各熱交換器は、外部ハウジング、液体の流入流れを外部ハウジングの中に受領するための、流体流入管路のそれぞれの供給脚に連結された流入口、液体の流出流れが外部ハウジングから出ることを可能にするための流出口、および外部ハウジング内に位置付けられ、流入口から流出口まで外部ハウジングを通過する液体の流れを加熱するように構成された熱交換要素を含む。温水装置は、バーナー組立体をさらに含む。バーナー組立体は、燃焼室ハウジング、および燃焼室ハウジング内部に位置付けられたバーナーを含む。バーナー組立体は、熱を液体の流れに供給するための複数の熱交換器に結合される。複数の熱交換器は、並列作動用に構成される。

本明細書に記載された特徴は、以下に記載された図面を参照してより良く理解できる。図面は必ずしも一定の縮尺ではないが、その代わりに概して本発明の原理を例示することに重点が置かれている。図面において、様々な図の全体を通して同じ番号は、同じ部分を示すために使用されている。

本発明の一実施形態による温水装置の三次元斜視図である。 本発明によるガス流プレートおよびシャッターの例示的実施形態の上面図である。 図２のガス流プレートおよびシャッターの底面図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した呼気管路の断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線に沿って切断した呼気管路の断面図である。 図１のバーナーの平面図である。 図１のバーナー組立体の拡大図である。 図１の水配管配置の上面図である。 図１の圧力容器に対する組立体の溶接を示す図である。 図１の圧力容器に対する組立体の溶接を示す図である。 図１の圧力容器に対する組立体の溶接を示す図である。 図１の圧力容器に対する組立体の溶接を示す図である。

図１を参照すると、本発明による温水装置１０の例示的実施形態は、空気燃料送達システム１２、バーナー組立体１４、複数の熱交換器１６ａ、１６ｂ、および燃焼ガス排出マニホールド１８を含む。温水装置１０は、水流入ポート２０すなわち冷水戻り連結部、および水流出ポート２２すなわち温水供給連結部をさらに含む。温水装置１０の作動を制御するための制御装置２６は、筐体２４によって見え難い。制御装置２６は、温水装置１０の温度調節、安全監視、および診断機能を制御するように構成される。

次に温水装置１０の作動を簡潔に説明する。特定の要素の詳細について以下に提供する。熱交換器１６ａ、１６ｂは、第１の流体（好ましくは高温ガス）と第２の流体（好ましくは水）との間の熱伝達を提供する。空気および燃料は、空気燃料送達システム１２内で予混合され、送風機２８によりバーナー組立体１４に送達される。バーナー組立体１４は、外部格納容器３０、外部格納容器内部に配置された燃焼室ハウジング３２、および燃焼室ハウジング３２内部に位置付けられたバーナー３４を含む。外部格納容器３０は炭素鋼で形成されてもよく、燃焼室ハウジング３２はステンレス鋼で形成されてもよい。可燃混合物は、点火装置３６（図示せず）によりバーナー３４内で点火される。メッシュ３８は、火炎前面を提供し、広範囲に亘る作動パラメータの安定した燃焼に役立つために、バーナー３４を包囲する。高温燃焼排出ガスは、燃焼室ハウジング３２およびメッシュ３８によって画定された領域４０内に集まり、伸縮継手４２ａ、４２ｂを介して熱交換器１６ａ、１６ｂに向けられる。伸縮継手４２は、燃焼室ハウジング３２を熱交換器１６に結合させ、熱交換器１６ａ、１６ｂに対するバーナー組立体１４の熱膨張および収縮に起因する応力を吸収する働きをする。一例では、伸縮継手４２は、直径約１２インチである熱交換器１６に開口を画定する。

示された実施形態では、熱交換器１６ａ、１６ｂは実質的に同一であり、１つの熱交換器の説明が両方を説明する働きをする。以下に完全に説明するために、本発明の温水装置１０は少なくとも２つの熱交換器を必要とするが、設置の特定要件に依存して３つ、４つまたはそれ以上の熱交換器を含むことができることにさらに留意されたい。

熱交換器１６は、直立型円筒形外部ハウジング４４、ならびに燃焼ガス流入口／水流流出口における上部チューブシート４６および燃焼ガス流出口／水流流入口における下部チューブシート４８（見え難い）の２つのチューブシートから構築されてもよい。上部チューブシート４６および下部チューブシート４８は、それらの外縁で外部ハウジング４４のそれぞれの一部に溶接される。熱交換器１６は、少なくとも１つだが、好ましくは複数の熱交換管５０をさらに含む。一実施形態では、チューブシート４６、４８は、熱交換管５０が嵌合する複数の穴を有する平坦な円板である。熱交換管５０は２つのチューブシート４６と４８との間に溶接される。一例では、下部チューブシート４８は、それを通って流入水が流れ得る、下部チューブシート４８の外縁に沿って環状の穴を含む。

示された実施形態における熱交換器１６は、煙管設備として公知のタイプである。すなわち、高温燃焼ガスは熱交換管５０の内側を通って流れるが、加熱される水は熱交換関係にある熱交換管５０の外側周辺に流れる。このようにして、高温ガスは熱交換管５０を通って下方向に流れ、水は、水が温度勾配を確立する水流方向に温度を上昇させるように上
方に流れる。燃焼ガスは、燃焼ガスの熱エネルギーの大半を失い、各熱交換器１６ａ、１６ｂの底部から出て中心プレナムまたは燃焼排出マニホールド１８に向けられる。燃焼排出マニホールド１８は、ガスを設備の外部環境に向ける排出管（図示せず）に結合される。

従って、開示された構成は、水を燃焼室および熱交換管５０を通過する高温ガスから物理的に分離しているが、燃焼室および熱交換管５０を通過する高温ガスと熱交換関係にあって移動させることができる。水が高温ガスと真に逆流に上方に流れると、熱は水に伝達されることにより、水流の方向に温度勾配がもたらされる。逆にガスが下方に流れると、ガスは熱交換管５０を移動する際に冷却される。

水とガスの動きが真に逆流であることにより、非常に有効な作動が提供される。ガスがガスの露点より低く冷却されると、ガスは凝縮して、凝縮のエネルギー放出によって追加熱を水流に提供する。従って凝縮作動なしには可能でない、９０パーセントを超える有効レベルが達成される。さらに、凝縮作動が有利であるのは、熱交換管５０を通る凝縮液滴または薄膜の動きが、管内に堆積し得るあらゆる炭素粒子を一掃する助けとなるからであり、それによって最適な熱伝達が維持される。

また広範囲に亘る温水システムの変調も、その作動の効率に有利である。温水システムは広範囲に亘って変調するので、凝縮は、熱交換管５０の長さに沿って変化する位置で開始される。従って、発生するあらゆる腐食は、一領域内に堆積するのではなく熱交換管の至る所に分散される。

本発明の一実施形態では、熱交換管５０は、長さ４４インチの直管であり、直径５／８インチのステンレス鋼管から形成される。各熱交換器１６ａ、１６ｂは３２２のこのような管を含む。熱交換管５０は、管の外表面上に螺旋溝などを含んでもよい。溝は管５０の上を流れる水の速度および乱流を増加させ、これは高温ガスから水への熱伝達を向上させる。また螺旋溝は、管の熱膨張および収縮によって生じた応力を低減させる。管は各端部で拘束される（例えば、上部チューブシート４６および下部チューブシート４８で蝋付けまたは溶接される）が、螺旋形状により、蝋付け接合部に過度の力を加えることなく充分な膨張および収縮が可能になる。溝の螺旋角度、深さ、およびピッチは、まっすぐな壁管に比べてはるかに優れた熱交換特性を提供する。例えば、本明細書に開示された熱交換管５０は、従来の管の４．５倍の熱伝達能力を提供する。

熱交換器１６の上部から出る加熱された水流は、外部格納容器３０と燃焼室ハウジング３２との間の領域によって画定されたウォータージャケット５２に入る。本発明の一実施形態では、熱交換器の作動を最適にするために、バッフル５４（図９Ａ−図９Ｄ）がウォータージャケット５２内に含まれる。バッフル５４は、上部チューブシート４６の真下の伸縮継手４２において溶接され、バッフル５４は、熱交換器内の水流分散を最適にする分流器として働く。示された実施形態では、バッフル５４は、中心開口のある平坦な円板である。別の実施形態（図示せず）では、バッフルは、その縁部に開口を備える、中心に下向きの刻み目のある円板であってもよい。バーナー組立体１４からウォータージャケット５２内にさらに熱を獲得した後、水は水流出ポート２２を介して温水装置１０から出る。

空気燃料送達システム１２は、浮遊微粒子を呼気流から取り除くために空気濾過器５６を含む。空気濾過器５６は、送風機２８に連結する呼気管路５８に結合する。呼気流は、空気燃料弁組立体６０内の燃料と混合される。ガストレイン６２は、空気燃料弁組立体６０に連結してガス燃料を弁に提供する。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の化学成分は変えることができ、適切な多くの成分が本明細書に企図される。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。

図１〜３を参照すると、一実施形態では、空気燃料弁組立体６０は、静止ガス流プレート６４および回転可能なシャッター６６を有する回転弁である。呼気管路５８に装着された弁ハウジング６８は、制御装置２６によって駆動される回転可能なシャフト７０（見えない）を含む。シャッター６６の中心軸はシャフト７０に連結され、従って、シャッター６６は、シャフト７０と同じ角運動を通して回転する。一例では、シャッターは、ポリオキシメチレン（すなわち、ＤｕＰｏｎｔから市販のＤｅｌｒｉｎ ＡＦ−１００）などの工業用プラスチックで形成される。

ガス流プレート６４は、取付け穴７２により呼気管路５８に固定して取り付けられる。ガス流プレート６４は、燃料流を測定するための領域開口７４を含む。シャッター６６は、その回転が領域開口７４の閉塞をもたらすように位置付けられ、それによって流れを測定する。一例では、弁シャフトの回転は、温度制御装置２６からの制御信号に直線的に応答する領域開口７４内に変化を提供する。好ましくは、バーナー組立体１４への空気およびガスの流れは、５パーセントの過剰酸素を有するバーナー内の空気／燃料混合物を実質的に一定の比率で生成する。この比率は、燃焼に最良の混合物を生成することが見出された。一実施形態では、ガス流プレート６４は、アルミニウムおよび耐摩耗性を向上するために硬質処理された外表面で形成される。

大きいターンダウン比を達成するために、いくつかの特徴が空気燃料弁組立体６０の設計に組み込まれてきた。一例では、シャッター６６の一面は、ガス流プレート６４内の対応する円筒形凹部７８と位置合わせするための円筒形突起７６を含む。相対寸法を非常に正確に機械加工することができ、それによって２つの部品間の優れた同心度が維持される。別の例では、ガス流プレート６４は、中心軸の１側面から半径方向に延びる位置決めスロット８０を含む。位置決めスロット８０は、シャッター６６内の同様のスロット８２に対応する。一例では、スロット８０、８２を中心線からずらすことができる。位置決めピン（図示せず）は、ガス流プレート６４内の位置決めスロット８０およびシャッター６６内の対応するスロット８２の両方に係合することができる。中心軸から半径方向に延びる１対の対向する位置決めスロットを含む先行技術の設計と違い、単一の半径方向のスロットが、ガス流プレート６４とシャッター６６との間の相対運動の可能性を著しく低減することを、発明者らは究明した。このようにして、シャッター６６をより高い精度で制御することができる。

別の例では、ガス流プレート６４は、ターンダウンの調節制御のための補助ポート８４を含んでもよい。上に記載された特徴は非常に高いターンダウン比、すなわち最高２０対１まで提供するが、温水装置１０内に装置間のばらつきがあってもよい。ターンダウンの調節制御により、シャッター６６の位置にかかわらず、ガス流プレート６４内の補助ポート８４を通る少量の燃料を測定することができるので、すべての温水ユニットの性能特性は実質的に同様になる。

次に図１および４を参照すると、空気燃料弁組立体６０は、送風機２８の中に引き込まれた空気量を測定するために、バタフライ弁８６を呼気管路５８内にさらに含む。バタフライ弁８６を弁ハウジング６８内のシャフト７０に連結できることにより、バーナー組立体１４への、分離しているが比較的比例した流れが可能になる。バタフライ弁８６は、回転可能な弁フラッパーと呼気管路５８の内壁との間の漏出を防止するために、ゴム封止リング８８をその外周の周囲に含む。

次に図１および５を参照すると、温水装置１０の小型の構成に起因して、呼気管路５８は、空気燃料弁組立体６０と送風機２８との間にシャープベンド９０を含む。ベンド９０
を通る形状は、流れを管路内に偏在させる傾向があり、これにより燃料と空気の混合が不十分になり、送風機２８の流入口を横切る圧力分布が不均等になり、これは性能に悪影響を及ぼす。従って呼気管路５８は、より均一な流れ分布を提供するために湾曲した流れ案内羽根９２をベンド９０内に含む。しかし流れ案内羽根９２の追加で、発明者らは、燃料と空気の混合が不十分であることを示す、燃焼排出マニホールド１８内の一酸化炭素（ＣＯ）のレベルにおける大きな増加を観察した。ＣＯのレベルの上昇は、開口部を通って膨張する際に壁に再付着する流れの熱力学現象に起因したと考えられるので、発明者らは乱流を作り出すために１組の２つの羽根９２の間に歯止め板９４を追加した。一酸化炭素のレベルはその後低減した。一実施形態では、歯止め板９４は、流れの外径において２つの羽根９２の間に位置付けられ、流れの半径方向の輪郭の中に半径方向の輪郭の３パーセント〜３０パーセントを突出してもよい。別の実施形態では、歯止め板９４を２組以上の羽根９２の間に位置付けてもよい。

次に図１および６を参照すると、バーナー３４がより詳細に示されている。上述のように、バーナー３４は、燃焼室に入るガスの燃焼を促進するために燃焼室ハウジング３２の内側に提供される。バーナー３４は、様々な適切な構成を含むことができる。一実施形態では、バーナー３４は、図１に示されたように円筒形の短炎の低窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）のメッシュバーナーを備える。円筒形メッシュバーナーを有する実施形態では、バーナー３４は管状の構造を有し、単一シートで形成される。作動中、炎はバーナー３４の外部上に位置付けられる。バーナー３４は、図６に示されたように（メッシュなしで示されている）、その側壁に沿って複数の穴９６を画定する内スリーブ３５を有することができる。この実施形態では、燃焼ガス混合物は、複数の穴９６を通って、またはバーナーの端部（すなわち図１の左側）を通ってバーナー３４から出ることができる。一旦ガスが複数の穴またはバーナーの端部のいずれかを通って出ると、ガスはバーナーの炎と相互作用し、燃焼して燃焼生成物を生成する。低窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を使用するガスは、バーナーの外側の近傍で完全燃焼する。一例では、バーナーは、６００万ＢＴＵ／ｈｒのボイラーに対して華氏約２０００度〜２６００度（摂氏１０９３度〜１４２７度）の温度を維持できる。制御装置２６は、バーナーの温度および炎のサイズを制御できる。バーナーは、これに限定されないが、ステンレス鋼、セラミック、および金属間化合物材料を含む、複数の適切な材料で形成することができる。

温水装置１０への別の改善は、バーナー３４内の穴９６のパターンが音響共振、ひいては作動中の温水装置１０のデシベルレベルに大きく影響を与えることができるという認識に由来する。バーナー部内で音響共振を分散させる先行技術の試みには、流入口内に穴を開けること、バーナー内に中心管を追加すること、またはバーナーの中心に仕切りを追加することが含まれる。これらの試みは一部の適用に有益であり得るが、それらは複雑さが増し、費用が増加する。

本発明の一実施形態では、穴９６のパターンは、等しく離間した穴の円筒形の行を備える。穴は、燃焼性能を向上させるために傾斜して開けることができる。各行における等しく離間した穴９６のパターンを、前の行および次の行から角度オフセットする（すなわち「クロックする」）ことができる。例えば、図６を参照すると、２つの異なるパターンの円筒形の行があり、一方の行における穴９６ａは他方の行における穴９６ｂの間に位置付けられている。穴９６のパターンは、「デッド行（ｄｅａｄ ｒｏｗ）」９８すなわち穴が存在しない遮断された穴のパターンを含んでもよい。デッド行９８は、音響共振の駆動力を中断するように、バーナーに沿って軸方向長さ「Ｌ」に位置付けられる。距離Ｌは、バーナーの動的性能に応じるが、経験的または実験的に決定することができる。一例では、デッド行９８は、ほぼ中間すなわちバーナー３４の長さの半分のところに配置される。６００万ＢＴＵ／ｈｒの給湯器に対応する示された例では、デッド行９８はバーナー３４の長さをほぼ１１インチいくごとに配置されている。

発明者の試験は、本発明の温水装置１０において遮断された穴のパターンすなわちデッド行９８を組み込んだことにより、音響学的特性に著しい低減をもたらしたことを報告している。騒音低減におけるこのような改善は、ボイラーにとって非常に望ましく強力なセールスポイントである。

本発明の出願人に譲渡され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１３／４０９，９３５号に開示されたような、酸素センサ１００を使用して、燃焼生成物内の酸素量を検出できる。一実施形態では、図１および７に示されたように、酸素センサ１００は外部格納容器３０に装着し、燃焼室ハウジング３２を通って燃焼室内部の耐火ライナ１０４内の空洞１０２に突出する。実験的試験データは、酸素センサ１００が空洞１０２内に配置されたとき、実際の燃焼生成物を代表する酸素レベルを検出しなかったことを示した。この誤ったデータは、酸素センサ１００の読取り値が制御装置２６に入力値として働いたので、温水装置１０の効率的な作動に特に悪影響を及ぼした。誤った読取り値の理由は、酸素センサ１００が絶え間なく流れる燃焼ガスを受領しなかった「デッドスポット」に配置されたためと考えられる。この問題を改善できる１つの策は、酸素センサ１００を、燃焼室の奥まで位置付け、耐火ライナ１０４を通過することだった。しかし、酸素センサ１００は、高温への直接的な曝露に耐えられなかった。

一実施形態では、温水装置１０は、燃焼ガスを耐火ライナ１０４の空洞１０２の中に引き入れる流管１０６を含む。流管１０６は、酸素センサ１００の先端に極めて接近して位置付けられた第１の端部１０８、および燃焼室より低い圧力の場所に位置付けられた反対側の第２の端部１１０を含む。一例では、流管１０６の第２の端部１１０は、燃焼排出マニホールド１８内に配置され、燃焼排出マニホールド１８は、空洞１０２が配置された燃焼室より約６インチ低い水コラム（ＩＷＣ）の圧力である。小さい比較的絶え間ない流れの燃焼ガスは、より高圧のプレナムのガスがより低圧のプレナムを求める際に流管１０６を通って流れる。管１０６に入る流れは、図７に矢印によって示されている。図７を参照して理解できるように、流管１０６の第１の端部１０８に入る燃焼ガスの流れも、酸素センサ１００の先端の周囲に燃焼ガスの定流をもたらし、それによってセンサの読取り値の精度が大きく向上する。さらに、酸素センサ１００は耐火ライナ１０４の空洞１０２内に配置されるので、センサはより高い精度および耐久性に寄与する、より低温に留まる。

外部格納容器３０および燃焼室ハウジング３２によって見え難いが、バーナー組立体１４は、バーナーの流入口側部上の耐火ライナ１０４を包囲する円筒形バーナースリーブをさらに含む。バーナースリーブはステンレス鋼で形成されてもよく、バーナー組立体１４に設置する間およびバーナー組立体１４から取外している間、摩耗性の耐火材料を保護する。

本発明の温水装置１０は、水を複数の熱交換器に複雑な弁、制御装置、または特殊な開口プレートを使用することなく、実質的に等しい流れおよび圧力で供給するために、独自の水配管配置を含む。該配管配置により、直列に作動する先行技術の温水システムと対照的に、複数の熱交換器を並列で作動することが可能になる。次に図１および８に戻ると、水配管配置は、筐体２４の高さのほぼ半分のところに配置された水流入ポート２０を含む。示された実施形態では、水流入ポート２０は６インチ径の管を備える。水流入ポート２０に連結された第１の管部１１２は、筐体２４内で熱交換器のほぼ中心線まで水平に延在し、次いで筐体２４の基部まで９０度下方に曲がる。この点について、第１の管部１１２は第１の９０度の肘部１１４に連結し、第１の９０度の肘部１１４は次いで垂直に配向された第２の管部１１６に連結する。

２つのより小さい径の配管部は、第２の管部１１６の基部から対称的に延在し、長軸ラ
ンナーを各熱交換器の流入口に形成する。示された実施形態では、熱交換器１６ａに連結するための第１の供給脚１１８は、第２の管部１１６から離れて筐体２４の内壁に横方向に延在し、筐体２４の床部まで９０度下方に曲がり、次いで長軸方向に９０度曲がって延在するか、または部分的に熱交換器の下を走り、熱交換器は若干拳上される。第１の供給脚１１８に連結された第１のＴ字管１２０は、熱交換器１６ａと１６ｂとの間に垂直に配置され、第１の流入口肘部１２２に連結する。第１の流入口肘部１２２は水平方向に９０度曲がり、次いで熱交換器１６ａの流入ポート１２４ａに連結する。第１の流入口肘部１２２および流入ポート１２４ａは、図８および９に示されたように長軸から約４０度配向される。示された実施形態では、より小さい径の配管部は直径４インチである。

熱交換器１６ｂに連結するための第２の供給脚１２６は、第１の供給脚１１８に対称である。すなわち、第２の供給脚１２６は、第２の管部１１６から（第１の供給脚１１８の反対方向に）離れて筐体２４の反対側の内壁に横方向に延在し、筐体２４の床部まで９０度下方に曲がり、次いで長軸方向に９０度曲がって延在するか、または部分的に熱交換器の下を走る。第２の供給脚１２６に連結された（第１のＴ字管１２０に対して反対側の）第２のＴ字管１２８は、熱交換器１６ａと１６ｂとの間に垂直に配置され、第２の流入口肘部１３０に連結する。第２の流入口肘部１３０は水平方向に９０度曲がり、次いで熱交換器１６ｂの流入ポート１２４ｂに連結する。第２の流入口肘部１３０および流入ポート１２４ｂは、図８および９に示されたように長軸から約４０度配向されるが、流入ポート１２４ａに対称であることに留意されたい。

開示された水配管配置の１つの恩恵は、水配管配置が等しい流れおよび圧力を各熱交換器に並列で全く抵抗することなく提供することである。重要なことには、等しい流れの条件は、可変の開口部または制限を必要とすることなく温水装置１０の作動全体に亘って存在する。第１および第２の供給脚１１８、１２６内の等しい圧力低下は、等しい長さおよび等しい湾曲の脚を設計することによって達成される。さらに、第１および第２の供給脚１１８、１２６は筐体２４の基部の中ならびに一部が熱交換器１６ａ、１６ｂの下に組み込まれるので、より小型の形状要素を獲得できる。

複数の熱交換器を並列に作動することにより、個々の熱交換器のそれぞれに対して凝縮作動を利用するさらなる恩恵を提供し、それによって非常に高い効率レベル（すなわち９０パーセントを超える）に達する。一方、先行技術の複数の熱交換器の直行での作動は、めったに凝縮作動を同時に達成しない。

図９Ａ−図９Ｄに示されたように、下部チューブシート４８（および対応する上部チューブシート４６）は、熱交換管に対して穴のない四分円１３２を含む。この理由は、第１および第２の供給脚１１８、１２６が熱交換器１６ａ、１６ｂの下に延在することが示されている、図１を参照して理解できる。温水装置１０全体の重量（開示された実施形態では約４，９００ポンド）は、熱交換器１６ａ、１６ｂの外周を通過し、支持パッド１３４を通過し、第１および第２の供給脚１１８、１２６の中に掛かる。熱交換管は、負荷が取り込まれた四分円１３２内の下部チューブシート４８に蝋付けされる、または溶接されるとすれば、熱交換管は明らかに歪みまたは障害を受けるはずである。従って、チューブシートは、熱交換管のない四分円または領域を含むので、水供給脚をその下に位置付けることができ、それによってさらに温水装置のフットプリントまたは形状要素が低減し、等しい水流を各熱交換器に送達することが可能になる。

本明細書に記載された構成要素の物理的な配置は、給湯システムに対して小型の形状要素を提供する。本発明の一実施形態では、温水循環式ボイラーシステムは６００万ＢＴＵ／ｈｒの熱交換能力を生成するが、筐体２４は、幅３６インチ未満、高さ８２インチ未満、奥行き約８７インチの形状要素を占める。一例では、形状要素は、幅３４インチ、高さ
７９インチ、奥行き８７インチである。従って、開示された温水装置１０は、建物の機械室への標準サイズの出入口を通過する。

一方、計算によれば、単一の熱交換器を備える６００万ＢＴＵ／ｈｒの給湯システムは、直径約３８インチであることが必要になるはずであり、これは機械室の標準の出入り口を通り抜けないはずである。従って、より大きな直径の熱交換器は、はるかに大きいチューブシートを必要とするはずであり、これは同様に熱を分散しないはずである。単一の熱交換器がより小さい幅を維持するために長円形として形成されるとすると、計算によれば、平坦面は良好な圧力容器ではなく、厚さ１インチを超す必要があるはずであり、これは設置にかなりの費用および重量が追加される。

本発明について多くの特定の実施形態を参照に説明したが、本発明の真の精神および範囲は、本明細書によって支援することができる特許請求の範囲のみに関連して決定されるべきであることが理解されよう。さらに、本明細書において多くの場合にシステムおよび装置および方法は一定数の要素を有するとして説明されているが、こうしたシステム、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行できることが理解されよう。また、多数の特定の実施形態について説明したが、それぞれの特定の実施形態を参照して説明した特徴および態様を、特定の説明された実施形態の残りのそれぞれと共に使用できることが理解されよう。

Claims (31)

1. 複数の供給脚に分割するように構成された流体流入管路の水流入ポートであって、前記供給脚の上方に且つ温水装置の上端の下方に配置された水流入ポートと、
   前記複数の供給脚の上方に配置された複数の熱交換器であって、それぞれの熱交換器が、外部ハウジングと、液体の流入流れを前記外部ハウジングの中に受領するための前記流体流入管路のそれぞれの供給脚に連結された熱交換器流入口と、液体の流出流れが前記外部ハウジングから出ることを可能にするための流出口と、前記外部ハウジング内に位置付けられ、前記熱交換器流入口から前記流出口まで前記外部ハウジングを通過する液体の流れを加熱するように構成された熱交換要素とを備え、前記熱交換器流入口は、前記複数の供給脚の上方に且つ前記温水装置の上端の下方に配置される、複数の熱交換器と、
   燃焼室ハウジングと、前記燃焼室ハウジング内部に位置付けられたバーナーとを備えるバーナー組立体であって、前記バーナー組立体は、熱を液体の前記流れに供給するための前記複数の熱交換器に結合される、バーナー組立体と
   を備え、
   前記複数の熱交換器のぞれぞれは、複数の管を備え、
   前記複数の熱交換器は、並列作動用に構成され、
   前記流体流入管路の前記複数の供給脚は、実質的に等しい流れ特性を提供するために対称である、
   温水装置。
2. 前記熱交換要素は複数の管を備え、前記バーナーからの燃焼排出は、前記管を通って流れるように向けられる、請求項１に記載の温水装置。
3. 螺旋溝は、前記熱交換管の上の水の前記流れの速度および乱流を増加させるために、前記熱交換管の外表面上に形成される、請求項２に記載の温水装置。
4. 前記熱交換要素は複数の管であり、前記液体の流れは前記管を通って向けられる、請求項１に記載の温水装置。
5. 少なくとも最高６００万ＢＴＵ／ｈｒまでの熱交換率を生成できる前記温水装置は、幅、高さ、および奥行きを含む形状要素を画定し、前記形状要素は、機械室への標準サイズの出入り口を充分に通過する、請求項１に記載の温水装置。
6. 前記幅は３６インチ未満である、請求項５に記載の温水装置。
7. 前記高さは８２インチ未満である、請求項５に記載の温水装置。
8. ２つの熱交換器を備える、請求項１に記載の温水装置。
9. 前記複数の供給脚は、実質的に等しい圧力低下を提供するように構成される、請求項１に記載の温水装置。
10. 前記複数の供給脚は、実質的に等しい流量を提供するように構成される、請求項１に記載の温水装置。
11. 前記流体流入管路の前記供給脚は、前記熱交換器の下に位置付けられ、前記外部ハウジング内の前記熱交換要素は前記供給脚の上に位置付けられない、請求項１に記載の温水装置。
12. 前記熱交換要素は、上部および下部チューブシートに固定された熱交換管を備え、前記下部チューブシートは、前記水供給脚がその下に位置付けられた前記熱交換管のない領域を有する、請求項１１に記載の温水装置。
13. 前記燃焼室ハウジングを包囲する関係にあり、その間にウォータージャケットを画定する外部格納容器をさらに備え、前記外部格納容器は、前記液体の流れを前記熱交換器の外部ハウジングの前記流出口から前記ウォータージャケットを通るように向けるように適合される、請求項１に記載の温水装置。
14. 予混合された空気および燃料を前記バーナー組立体に送達するための空気燃料弁組立体をさらに備え、前記空気燃料弁組立体は、静止ガス流プレートおよび回転可能なシャッターを有する燃料回転弁を備え、前記ガス流プレートは、それを通る燃料流れを測定するための領域開口を有し、前記シャッターは、回転し前記領域開口を遮断するように作動可能である、請求項１に記載の温水装置。
15. 前記シャッターの回転は、制御装置からの制御信号に直線的に応答する前記領域開口内に変化を提供する、請求項１４に記載の温水装置。
16. 前記ガス流プレートは、前記シャッターの前記位置にかかわらず、固定した燃料流れを可能にするための補助ポートを画定する、請求項１４に記載の温水装置。
17. 前記空気燃料弁組立体は、呼気を測定するためにバタフライ弁をさらに備え、前記バタフライ弁は、前記燃料流れに比例して前記呼気を測定するように作動可能である、請求項１４に記載の温水装置。
18. 前記バタフライ弁および前記燃料回転弁の前記シャッターは、共通シャフトによって結合される、請求項１７に記載の温水装置。
19. 前記バーナーは、内スリーブを有する円筒形メッシュバーナーを備え、前記内スリーブは開口部のパターンを画定し、前記パターンは、音響共振の駆動力を中断するためにデッド行（ｄｅａｄ ｒｏｗ）を備える、請求項１に記載の温水装置。
20. 前記開口部のパターンは、等しく離間した穴の円筒形の行を備え、各行は隣接した行か
    ら角度オフセットされる、請求項１９に記載の温水装置。
21. 前記開口部は、燃焼性能を向上させるために傾斜して開けられる、請求項１９に記載の温水装置。
22. 酸素センサおよび前記燃焼室ハウジングに隣接した空洞内に配置された流管をさらに備え、前記流管は、前記空洞内に配置された第１の端部、および前記燃焼室より低い作動圧力の場所に配置された反対側の第２の端部を備える、請求項１に記載の温水装置。
23. 前記流管の前記第２の端部は、燃焼排出マニホールド内に配置される、請求項２２に記載の温水装置。
24. 温水装置を作動するための方法であって、
    流体流入管路を温水装置流入ポートから複数の供給脚に分割するステップであって、前記供給脚のそれぞれは互いに対称である、分割するステップと、
    前記供給脚のそれぞれを、前記複数の供給脚の上方に配置された複数の熱交換器の外部ハウジングのそれぞれの熱交換器流入口に連結するステップであって、前記熱交換器流入口のそれぞれは前記供給脚の上方に配置され、前記温水装置流入ポートは前記供給脚の上方に且つ前記温水装置の上端の下方に配置された、ステップと、
    複数の管を備える熱交換要素を各熱交換器の前記外部ハウジング内に位置付けるステップと、
    熱を各熱交換要素に供給するステップと、
    液体を前記流体流入管路内に流すステップ、および前記液体を前記熱交換器流入口から流出口まで各外部ハウジングを通過させるステップであって、前記液体は前記熱交換要素と熱交換関係にある、流すステップおよび通過させるステップと、
    前記複数の熱交換器を並列に作動させるステップと
    を含み、
    前記流体流入管路を複数の対称の供給脚に分割する前記ステップは、実質的に等しい流れ特性を提供することを含む、
    方法。
25. 前記熱を供給するステップは、燃焼排出を供給することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記燃焼排出は、燃焼室ハウジングを前記熱交換器に結合する１つまたは複数の伸縮継手を通って流れる、請求項２５に記載の方法。
27. 前記熱交換要素を位置付けるステップは、熱交換管を上部および下部チューブシートに固定すること、ならびに前記燃焼排出を、前記熱交換管を通って流すことを含む、請求項２４に記載の方法。
28. 前記加熱された液体を前記熱交換器流出口からバーナー組立体の外部格納容器を包囲するウォータージャケットを通して流すステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
29. 幅、高さ、および奥行きを含む形状要素を画定するために、少なくとも最高６００万ＢＴＵ／ｈｒまでの熱交換率を生成できる前記温水装置の前記構成要素を配置するステップをさらに含み、前記形状要素は、前記温水装置を機械室への標準サイズの出入り口を充分に通過させる、請求項２４に記載の方法。
30. 前記形状要素の前記幅は３６インチ未満であり、前記形状要素の前記高さは８２インチ
    未満である、請求項２９に記載の方法。
31. 前記流体流入管路を複数の対称の供給脚に分割する前記ステップは、実質的に等しい圧力低下を提供することを含む、請求項２４に記載の方法。

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