JP6247031B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排気から熱を回収して通水を加熱する熱交換器を備えた給湯器に関する。

従来、燃焼排気から顕熱を回収して通水を加熱する主熱交換器と、該主熱交換器では回収しきれなかった顕熱に加えて潜熱を回収して通水を加熱する副熱交換器を備えた給湯器が知られている。この種の給湯器にあっては、燃焼排気中のほとんどの熱エネルギーを回収することができる。

しかしながら、副熱交換器の潜熱回収過程で強酸性（ｐＨ３程度）のドレンが発生するため、これを中和するための中和器を設けるとともに、中和されたドレンを排水するためのドレン配管工事が必要であることから、機器のコストアップ、施工量の増大が問題となっていた。

そこで、副熱交換器で発生したドレンを燃焼排気と接触させることにより蒸発させることで、中和器及びドレン配管工事を不要とした給湯器が提案された。

特許文献１には、副熱交換器とドレン蒸発器の一方を燃焼排気流路の上流に設け、他方をその下流に設けた給湯器が開示されている。しかしながら、燃焼排気流路の下流にドレン蒸発器を設ける場合には、燃焼排気の温度低下のためにドレン蒸発が起こりにくくなり、その一方、燃焼排気流路の下流に副熱交換器を設ける場合には、同じく燃焼排気の温度低下のために、副熱交換器の熱回収効率が低下するという問題があることが特許文献２において指摘されている。

特許文献２には、副熱交換器とドレン蒸発器とを燃焼排気流路における上流・下流の関係にならないように並列に配置することにより、副熱交換器の熱回収とドレン蒸発器によるドレン蒸発を効率よく行うようにした給湯器が開示されている。そして、特許文献２には、燃焼排気を排気分岐部により分岐させて互いに独立の２つの燃焼排気流路を形成し、副熱交換器は一方の燃焼排気流路に配置され、ドレン蒸発器は他方の燃焼排気流路に配置されることが記載されている。

特開２００２−９８４１３号公報 特開２００５−６９６６５号公報

しかしながら、特許文献２の給湯器においては、副熱交換器とドレン蒸発器とは排気分岐部を間に挟んで配置されるため、両者の間に余剰空間が生じ、その分給湯器が大型化せざるを得ないという問題がある。

本発明の給湯器は、燃料を燃焼するバーナと、前記バーナに空気を供給する給気ファンと、主伝熱管を備え、前記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して該主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、上段と下段に分かれて配置された複数の副伝熱管を備え、前記主熱交換器を通過した燃焼排気が案内されて該主熱交換器で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して該副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、上段の副伝熱管と下段の副伝熱管の間の空間に挿入され、前記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを蒸発させる板状の多孔質セラミックにより構成された第１のドレン蒸発器と、前記下段の副伝熱管の下に配置され、板状の多孔質セラミックにより構成された第２のドレン蒸発器と、を備え、前記副熱交換器、前記第１のドレン蒸発器及び前記第２のドレン蒸発器は、前記主熱交換器の上方に配置された副熱交換器ケーシング内に収納され、前記第２のドレン蒸発器は、該副熱交換器ケーシングの底面に接触していることを特徴とする。

また、本発明の熱交換器は、上記構成に加えて、バーナの燃焼終了後に、前記給気ファンを所定時間運転させるように前記給気ファンの駆動モータを制御する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明の給湯器によれば、ドレン蒸発器を副熱交換器の複数の副伝熱管の間の空間に組み込んだので、副熱交換器の熱回収とドレン蒸発器によるドレン蒸発を効率よく行うことができるとともに、機器の小型化を図ることができる。

また、本発明の給湯器によれば、バーナの燃焼終了後に給気ファンを一定時間運転させるように給気ファンを制御する制御装置を設けることで、燃焼終了後に残留しているドレンの蒸発を促進させることができる。

本発明の実施形態における給湯器を示す図である。 本発明の実施形態における副熱交換器の正面図である。 本発明の実施形態における副熱交換器の斜視図である。

以下、本発明の実施形態における給湯器を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態における給湯器を示す図、図２は本発明の実施形態における副熱交換器の正面図、図３はその斜視図である。

本実施形態の給湯器１０は、器具ケーシング１１内に、バーナ１２、給気ファン１３、給気ファン１３を駆動する駆動モータ１４、主熱交換器１５、副熱交換器１６、第１のドレン蒸発器１７、第２のドレン蒸発器１８、ドレン回収器１９、及び駆動モータ１４等を制御する制御装置２０（例えば、ＣＰＵで構成される）を含んで構成される。

バーナ１２の下方に給気ファン１３が配置される。バーナ１２は、ガス配管２１からの燃料ガスと給気ファン１３からの空気との混合ガスを燃焼し、燃焼排気を発生する。ガス配管２１の途中には、主電磁弁２２、ガス比例弁２３が設けられ、それらの開閉は制御装置２０により制御されている。

バーナ１２の上方には、主伝熱管１５ａと、多数の熱回収フィン１５ｂを備え、バーナ１２からの燃焼排気のほとんどの顕熱を回収する主熱交換器１５が設けられる。

主熱交換器１５の上方には、副熱交換器１６が設けられる。副熱交換器１６は、金属からなる副熱交換器ケーシング２４内に収納され、上段に並設された複数の副伝熱管１６ａと、下段に並設された複数の副伝熱管１６ａを備えており、主熱交換器１５を通過した燃焼排気が案内されて主熱交換器１５で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して副伝熱管１６ａ，１６ｂ内の通水を加熱する。

複数の副伝熱管１６ａ，１６ｂの両端は、それぞれ伝熱管接続部２５ａ、２５ｂに接続され、伝熱管接続部２５ａ、２５ｂを介して副熱交換器１６内での通水路を形成している。一方の伝熱管接続部２５ａには入水口２６と、出水口２７が設けられている。（図３を参照）なお、図２においては、図面を見やすくするために伝熱管接続部２５ａ、２５ｂの図示を省略してある。

器具ケーシング１１内の全体の通水路は、上流から順に、給水管２８、副熱交換器１６に設けられる副伝熱管１６ａ，１６ｂ、主熱交換器１５に設けられる主伝熱管１５ａ、出湯管２９である。この場合、給水管２５は副熱交換器１６の入水口２６に接続される。副熱交換器１６の出水口２７と主熱交換器１５の主伝熱管１５ａとは中間配管３０で接続される。

第１のドレン蒸発器１７は、上段の副伝熱管１６ａと下段の副伝熱管１６ｂの間の空間に挿入され、副熱交換器１６での潜熱回収によって発生したドレンを蒸発させる。また、下段の副伝熱管１６ｂと、副熱交換器ケーシング２４の底面との間には第２のドレン蒸発器１８を設けることが、副熱交換器１６で発生したドレンの蒸発を促進する上で好ましい。

主熱交換器１５を通過した燃焼排気は、副熱交換器ケーシング２４の底の副熱交換器１６が置かれていない部位に形成された給気口３１を通して分岐されることなく、副伝熱管１６ａ，１６ｂと、第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８の側面に当たりこれらを貫流するように案内される。図２、３においては給気口３１の図示を省略している。

これにより、主熱交換器１５を通過した燃焼排気は、温度低下を伴うことなく、副伝熱管１６ａ，１６ｂと、第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８と接触するので、副熱交換器１６の熱回収と、副熱交換器１６で発生したドレンの蒸発を効率よく行うことができる。しかも、第１のドレン蒸発器１７は副熱交換器１６の中に組み込まれ、第２のドレン蒸発器１８も下段の副伝熱管１６ｂの下方であるが副熱交換器ケーシング２１内に組み込まれているので、余剰空間を無くして、機器の小型化を図ることができる。

副熱交換器１６及び第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８を通過した燃焼排気は、副熱交換器ケーシング２４の側面に形成された排気口３２と、器具ケーシング１１に形成された排気口３５を通して給湯器１０の外部に排出される。

副熱交換器ケーシング２４内であって、副熱交換器１６及び第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８よりも燃焼排気流路の下流には、第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８で蒸発しきれなかったドレンを回収するドレン回収器１９を設けることが好ましい。ドレン回収器１９は副熱交換器ケーシング２４の底部に井戸部を形成することで設けることができる。そして、ドレン回収器１９の中には、回収されたドレンを蒸発させる第３のドレン蒸発器３３が配置される。

第１乃至第３のドレン蒸発器１７、１８、３３は、耐ドレン性、耐水性、親水性を持つ多孔質セラミックにより構成されることが好ましい。特に、第１及び第２のドレン蒸発器１７、１８は、板状の多孔質セラミックにより構成することにより、容易に挿入が可能であり、第１及び第２のドレン蒸発器１７、１８を小型化（薄型化）することができる。

この場合、副熱交換器１６の上段の副伝熱管１６ａにおいて発生したドレンは、副伝熱管１６ａの外周（副伝熱管１６ａに熱回収フィンが形成される場合には、当該熱回収フィン）を伝わって、主として、上段の副伝熱管１６ａの直下にある第１のドレン蒸発器１７に落下する。ドレンは多孔質セラミックからなる第１のドレン蒸発器１７の中に毛細管現象により拡散されて、保持されるため燃焼排気との接触面積が大きいことに加え、ドレンと接触する燃焼排気は温度が高いためドレンは効率良く蒸発する。第１のドレン蒸発器１７を構成する多孔質セラミックは、多数の気泡と、気泡を相互に接続する微細な管または間隙を有しているが、気泡等の中により多くのドレンを保持できるような密度とサイズを有している。

同様に、副熱交換器１６の下段の副伝熱管１６ｂにおいて発生したドレンは、副伝熱管１６ｂの外周（副伝熱管１６ｂに熱回収フィンが形成される場合には、当該熱回収フィン）を伝わって、主として、下段の副伝熱管１６ｂの直下にある第２のドレン蒸発器１８に落下する。そして、同様の理由により、このドレンは効率良く蒸発する。

しかも、本実施形態にあっては、特許文献２のように燃焼排気を２つに分岐する排気分岐部を設けず、副伝熱管１６ａ，１６ｂの直下に第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８を設けているので、落下したドレンのほとんどを回収して蒸発させることができるとともに、機器を小型化できる。

また、第２のドレン蒸発器１８を構成する多孔質セラミックは板状に薄く広げて副熱交換器ケーシング２４の内側の底面に接触させることで、第２のドレン蒸発器１８の全体をより高温にしてドレンの蒸発を促進することができる。副熱交換器ケーシング２４の底面（外面）は、主熱交換器１５を通過した燃焼排気が当たることにより高温に加熱されるからである。

また、第３のドレン蒸発器３３を多孔質セラミックで構成する場合、多孔質セラミックは井戸状に形成されたドレン回収器１９の全体に充填される。ドレン回収器１９の底部には、ドレン回収器１９の側壁等を伝わって第１及び第２のドレン蒸発器１７，１８で蒸発しきれなかったドレンが溜まるが、多孔質セラミックによる毛細管現象により第３のドレン蒸発器３３の上方に吸い上げられる。吸い上げられたドレンは後述するアフターパージ運転により蒸発させることができる。このとき、第３のドレン蒸発器３３を構成する多孔質セラミックは、ドレン回収器１９の底部から副熱交換器ケーシング２４の排気口３３と重なる高さまで配置することによりドレンの蒸発を促進することができる。その理由は、排気口３２に向けて流れる空気流により、多孔質セラミックに吸い上げられたドレンが蒸発するためである。

制御装置２０は、バーナ１２の燃焼中は給気ファン１３を運転させるが、燃焼
終了後も、所定時間だけ給気ファン１３を運転させるように給気ファン１３の駆動モータ１４を制御する。このアフターパージ運転により、燃焼終了後にドレン回収器１９の中、あるいは第３のドレン蒸発器３３の中に残留しているドレンの蒸発を促進させることができる。

この場合、ドレン回収器１９内に回収されたドレン量を検出するドレンセンサ３４（例えば、水位計）を設けて、制御回路２０はその検出結果をモニターするように構成することができる。そして、制御回路２０は、バーナ１２の燃焼終了後に、ドレンセンサ３４の検出結果に応じて、給気ファン１３の運転時間を決定すること好ましい。例えば、制御回路２０は、バーナ１２の燃焼終了後も給気ファン１３の運転を継続し、ドレンセンサ３４によって検出されたドレン量が所定量以下になったときに、給気ファン１３の運転を停止させる。

ドレン量は、ドレンセンサ３４による実測に限らず、給湯器１０の運転条件（例えば、バーナ１２の燃焼時間と、出湯温度）から予め計算や、実験により求めることができる。そこで、給気ファン１３の運転時間は、給湯器１０の運転条件から求められたドレン量に基づいて決定することもできる。

次に、このように構成された給湯器１０の動作を説明する。図示しない給湯栓が開かれると、給水管２８に水が流れ、給水管２８の途中に設けられた水流センサ３５からの検出信号により、制御装置２０が、給気ファン１３を運転開始した後、主電磁弁２２、ガス比例弁２３を開いてバーナ１２に点火する。バーナ１２が点火されると、制御装置２０は、出湯温度と設定温度の差に応じてガス比例弁２３を制御して主熱交換器１５の出口温度を一定に保つとともに、ガス量に応じて給気ファン１３の風量を調節する。

バーナ１２からの高温の燃焼排気は、給気ファン１３により、燃焼排気流路の上流に設けた主熱交換器１５の各熱回収フィン１５ｂの間を貫流し、燃焼排気と主伝熱管１５ａの通水との間の熱交換を行う。主熱交換器１５を通過して、上方の副熱交換器１６、第１及び第２の蒸発器１７，１８に案内された燃焼排気は、副熱交換器１６において再度の熱交換を行い、第１及び第２の蒸発器１７，１８においてドレンの蒸発を行った後に、排気口３２，３５を通して給湯器１０の外部に排出される。

このとき、第１及び第２の蒸発器１７，１８で蒸発しきれなかったドレンは下流のドレン回収器１９に回収されるが、ドレン回収器１９内の第３の蒸発器３３により蒸発される。

そして、給湯栓が閉じられると、水流センサ３５からの検出信号により、制御装置２０は主電磁弁２２、ガス比例弁２３を閉じてバーナ１２を消火する。このとき、制御装置２０は前述のように燃焼終了後も、所定時間だけ給気ファン１３を運転させる。これにより、燃焼終了後にドレン回収器１９あるいは第３の蒸発器３３に残留または保持されているドレンの蒸発を促進させることができる。

なお、本実施形態においては、副熱交換器１６は、上段の副伝熱管１６ａと下段の副伝熱管１６ａの２段で構成されているが、これに限らず、副伝熱管を３段以上の多段構成とし、各段の副伝熱管の間に、上述した構成のドレン蒸発器を挿入してもよい。すなわち、第１のドレン蒸発器１７は１つに限らず、複数個設けても良い。

１０ 給湯器
１１ 器具ケーシング
１２ バーナ
１３ 給気ファン
１４ 駆動モータ
１５ 主熱交換器
１５ａ 主伝熱管
１５ｂ 熱回収フィン
１６ 副熱交換器
１６ａ、１６ｂ 副熱伝熱管
１７ 第１のドレン蒸発器
１８ 第２のドレン蒸発器
１９ ドレン回収器
２０ 制御装置
３３ 第３のドレン蒸発器
３４ ドレンセンサ

Claims (6)

1. 燃料を燃焼するバーナと、
   前記バーナに空気を供給する給気ファンと、
   主伝熱管を備え、前記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して該主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上段と下段に分かれて配置された複数の副伝熱管を備え、前記主熱交換器を通過した燃焼排気が案内されて該主熱交換器で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して該副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上段の副伝熱管と下段の副伝熱管の間の空間に挿入され、前記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを蒸発させる板状の多孔質セラミックにより構成された第１のドレン蒸発器と、
   前記下段の副伝熱管の下に配置され、板状の多孔質セラミックにより構成された第２のドレン蒸発器と、を備え、
   前記副熱交換器、前記第１のドレン蒸発器及び前記第２のドレン蒸発器は、前記主熱交換器の上方に配置された副熱交換器ケーシング内に収納され、前記第２のドレン蒸発器は、該副熱交換器ケーシングの底面に接触していることを特徴とする給湯器。
2. 前記バーナの燃焼終了後に、前記給気ファンを所定時間運転させるように前記給気ファンの駆動モータを制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の給湯器。
3. 前記副熱交換器及び前記第１及び第２のドレン蒸発器よりも燃焼排気流路の下流に設けられ、前記第１及び第２のドレン蒸発器で蒸発しきれなかったドレンを回収するドレン回収器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の給湯器。
4. 燃料を燃焼するバーナと、
   前記バーナに空気を供給する給気ファンと、
   主伝熱管を備え、前記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して該主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上段と下段に分かれて配置された複数の副伝熱管を備え、前記主熱交換器を通過した燃焼排気が案内されて該主熱交換器で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して該副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上段の副伝熱管と下段の副伝熱管の間の空間に挿入され、前記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを蒸発させる第１のドレン蒸発器と、
   前記下段の副伝熱管の下に配置された第２のドレン蒸発器と、
   前記副熱交換器及び前記第１及び第２のドレン蒸発器よりも燃焼排気流路の下流に設けられ、前記第１及び第２のドレン蒸発器で蒸発しきれなかったドレンを回収するドレン回収器と、
   前記ドレン回収器内に配置され、回収されたドレンを蒸発させる第３のドレン蒸発器と、を備えることを特徴とする給湯器。
5. 燃料を燃焼するバーナと、
   前記バーナに空気を供給する給気ファンと、
   主伝熱管を備え、前記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して該主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
   上段と下段に分かれて対向配置された複数の副伝熱管を備え、前記主熱交換器を通過した燃焼排気が案内されて該主熱交換器で回収されなかった顕熱に加えて潜熱を回収して該副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
   上段の副伝熱管と下段の副伝熱管の間の空間に挿入され、前記副熱交換器での潜熱回収によって発生したドレンを蒸発させる第１のドレン蒸発器と、
   前記下段の副伝熱管の下に配置された第２のドレン蒸発器と、
   前記副熱交換器及び前記第１及び第２のドレン蒸発器よりも燃焼排気流路の下流に設けられ、前記第１及び第２のドレン蒸発器で蒸発しきれなかったドレンを回収するドレン回収器と、
   前記ドレン回収器内に配置され、回収されたドレン量を検出するドレンセンサと、
   前記バーナの燃焼終了後に、前記ドレンセンサの検出結果に応じて、前記給気ファンを所定時間運転させるように前記給気ファンの駆動モータを制御する制御回路を備えることを特徴とする給湯器。
6. 前記ドレン回収器内に配置され、回収されたドレンを蒸発させる第３のドレン蒸発器を備えることを特徴とする請求項５に記載の給湯器。

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