JP7385110B2 - 温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、プレート式熱交換器を備えた温水装置に関する。

従来から、上水を加熱して温水を供給するために、プレート式熱交換器を備えた温水装置が広く利用されている。プレート式熱交換器は、複数のプレートが一定の間隙を有するように積層されて形成され、それら複数の間隙を例えば燃焼ガスと湯水が交互に流れることによって、燃焼ガスと湯水との間で熱交換させて湯水を加熱する。

このようなプレート式熱交換器は、例えば特許文献１の逆燃焼式燃焼装置の燃焼ガスの潜熱を回収する２次熱交換器として使用される。燃焼ガスは、プレート式熱交換器に上方から導入されて下方に排出される。そして、プレート式熱交換器の下部に配設されたドレンパンを兼ねる排気集合筒によって、燃焼ガスの流動方向が反転され、排気ダクトを介して上方の排気部から排気される。

特開２０１８-１０９４８５号公報

特許文献１の構成では、鉛直方向下向きに流動する燃焼ガスがプレート式熱交換器を通過してから反転されて、ドレンと燃焼ガスを分離させて夫々排出することになる。しかし、排気集合筒がプレート式熱交換器の下部に配設され、排気ダクトがプレート式熱交換器の側方（後方）に配設されるので、排気の通路が長くなり、この逆燃焼式熱源機を備えた温水装置のサイズが大きくなっていた。

本発明の目的は、プレート式熱交換器を有する小型化された温水装置を提供することである。

請求項１の発明の温水装置は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼手段と、燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱する熱交換手段と、熱交換後の燃焼ガスを排気するための排気部を備えた温水装置において、前記熱交換手段は、上面が開放された箱状の熱交ケース内に、鉛直に立てられた複数のプレートが間隙を有するように積層されたプレート積層体を備え、前記熱交ケースは、前記上面を前記排気部側の開口とこれよりも開口面積が大きい燃焼ガスの導入側の開口とに仕切る仕切部と、傾斜した底部を有し、前記プレート積層体の複数の間隙を燃焼ガスと湯水が交互に流れることによって湯水が加熱されるように構成され、前記燃焼手段から鉛直方向下方に流動する燃焼ガスが、前記熱交ケースの前記導入側の開口を介して前記プレート積層体の前記燃焼手段側に設けられた導入部に鉛直に又は略鉛直に導入されると共に、前記プレート積層体内で流動方向が反転されて前記熱交ケースの前記排気部側の開口を介して前記排気部に排出され、前記燃焼ガス中の水蒸気が凝縮したドレンが、前記熱交ケースの前記底部を流下し集められて前記熱交ケースの外に排出されることを特徴としている。

上記構成によれば、底部が傾斜し且つ上面が開放された箱状の熱交ケースに収容されたプレート積層体内で燃焼ガスの流動方向が反転されて排気部に排出される。それ故、プレート積層体内で燃焼ガスとドレンを分離することができ、熱交換後の燃焼ガスを排気部から排出し、ドレンを熱交ケースの傾斜した底部を流下させて集めて排出することができる。また、燃焼ガスとドレンを分離するために、燃焼ガスの流動方向を反転させる部材を熱交換手段の外側に配設する必要がないので、温水装置を小型化することができる。その上、熱交ケースの上面が、仕切部によって、排気部側の開口とこれよりも開口面積が大きい燃焼ガスの導入側の開口とに仕切られて、排気部側が狭くなっている。それ故、降温と水蒸気の凝縮による燃焼ガスの体積収縮によって燃焼ガスの導入側と排気部側との間に生じる圧力差を小さくして、燃焼ガスの流動を安定させることができる。

請求項２の発明の温水装置は、請求項１の発明において、前記プレート積層体は、前記導入部に導入された燃焼ガスの水平方向の流動を規制するために、前記導入部からその反対側に向かって前記プレート積層体の鉛直方向中段部まで延びるように形成された規制部を有することを特徴としている。
上記構成によれば、プレート積層体内の燃焼ガスの流動距離を長くして、湯水との熱交換が十分に行われるようにすることができる。

請求項３の発明の温水装置は、請求項１又は２の発明において、前記プレート積層体は、前記導入部から導入された燃焼ガスを前記排気部に排出する排出部が、前記プレート積層体の前記導入部と同一面に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、熱交換手段から排気部まで燃焼ガスを導く排気ダクトを短く形成してプレート積層体の側方を通らないように配設することができるので、温水装置を小型化することができる。

請求項４の発明の温水装置は、請求項３の発明において、前記プレート積層体の前記導入部の面積は、前記排出部の面積よりも大きく形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、燃焼ガスの降温と水蒸気の凝縮による体積収縮によって導入部と排出部との間に生じる圧力差を小さくして燃焼ガスの流動を安定させると共に、排出部から排気部まで燃焼ガスを導く排気ダクトを小型化して、温水装置を小型化することができる。

本発明の温水装置によれば、プレート式熱交換器を有する温水装置を小型化することができる。

本発明の実施例に係る前面カバーを外した温水装置の正面図である。 実施例に係る２次熱交換器と排気筒の要部分解斜視図である。 図２の２次熱交換器のIII－III線断面図である。 実施例に係るプレート積層体の要部分解斜視図である。 図４のプレート積層体の第１プレートを湯水導入口側から見た側面図である。 図４のプレート積層体の第２プレートを湯水導出口側から見た側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に温水装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、温水装置１は、その外装ケース２内に、燃料を下方に向けて燃焼させるバーナと燃焼空間を有する燃焼部３（燃焼手段）、燃焼部３に燃焼用空気を供給する送風ファン４、燃焼部３の下方に配設された熱交換部１０（熱交換手段）、熱交換部１０から上方の排気部６まで燃焼ガスを導く排気ダクト７を備えている。また、熱交換部１０と給湯用熱交換器８との間で湯水（熱媒）を循環させるポンプ９等を備えている。外装ケース２は、金属製の薄板で前面開放状に形成された箱であり、前面を覆う図示外の前面パネルを着脱可能である。

送風ファン４は、外装ケース２の上面部の給気部５から外装ケース２内に供給される空気を燃焼部３に供給する。燃焼部３は、送風ファン４から供給される空気を利用して、燃料供給部３ａから供給される燃料（例えば天然ガス、石油等）を下方に向けて燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは送風ファン４から供給される空気と共に下方に流動され、熱交換部１０に供給される。

熱交換部１０は、ポンプ９から供給される湯水を、燃焼部３から供給される燃焼ガスとの熱交換によって加熱する。加熱された湯水は、給湯用熱交換器８に供給される。給湯用熱交換器８は、給水部３０から供給される上水を、熱交換部１０から供給される湯水との熱交換によって加熱する。給湯用熱交換器８で加熱された温水は、混合手段３１によって上水と混合されて温度調整され、給湯部３２から図示外の給湯栓等に供給される。尚、熱交換部１０で加熱された湯水は、暖房にも利用される。

熱交換部１０は、燃焼ガスの顕熱を回収して湯水を加熱する例えばフィンアンドチューブ式の１次熱交換器１１と、燃焼ガスの潜熱を回収して湯水を加熱するプレート式の２次熱交換器１２を有する。燃焼部３から供給される燃焼ガスは、１次熱交換器１１で湯水を加熱して温度が低下する。この温度が低下した燃焼ガスは、２次熱交換器１２で湯水を加熱し、燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮する温度に降温する。湯水は、２次熱交換器１２である程度加熱された後、１次熱交換器１１で更に高温に加熱され、給湯用熱交換器８に供給される。

熱交換部１０の２次熱交換器１２には、排気ダクト７が装着されている。排気ダクト７は、２次熱交換器１２から排出される燃焼ガスを外装ケース２の上部の排気部６に導く。そして燃焼ガスは、排気部６から温水装置１の外部に排気される。

次に、２次熱交換器１２について説明する。
図２に示すように、２次熱交換器１２は、例えばステンレス製の複数（例えば５０枚）のプレートを積層して形成されたプレート積層体１３と、プレート積層体１３を収容する２次熱交ケース１４を有する。プレート積層体１３は、鉛直に立てられた複数のプレートが水平方向に積層されて形成され、２次熱交ケース１４に収容されている。複数のプレートは、隣り合うプレートとの間に夫々間隙を有するように積層されており、プレート積層体１３の複数の間隙を燃焼ガスと湯水が交互に流れることによって湯水が加熱される。

プレート積層体１３に湯水を供給するために、湯水導入口１５が２次熱交ケース１４の一側面部下部に突出状に設けられている。また、加熱された湯水を１次熱交換器１１に供給するために、湯水導入口１５と反対側の２次熱交ケース１４の側面部上部に、湯水導出口１６が突出状に設けられている。そして、ポンプ９と湯水導入口１５が配管部材１７で連結され、湯水導出口１６と１次熱交換器１１の湯水導入口が配管部材１８で連結されている（図１参照）。

図２、図３に示すように、２次熱交ケース１４は上面開放状に形成された箱である。この２次熱交ケース１４の上端部には、１次熱交換器１１及び排気ダクト７と連結するためのフランジ部１４ａと、１次熱交換器１１と排気ダクト７の間を仕切る仕切部１４ｂを有する。仕切部１４ｂによって仕切られた１次熱交換器１１側の開口が、プレート積層体１３の燃焼ガスを導入する導入部１３ａに連通し、排気ダクト７側の開口がプレート積層体１３の排出部１３ｂに連通する。尚、図示を省略するが、１次熱交換器１１及び排気ダクト７と２次熱交ケース１４の連結部には、燃焼ガスの漏洩を防ぐガスケットが配設される。

導入部１３ａの面積が排出部１３ｂの面積より大きく形成され、これに対応するように導入部１３ａに連通する開口の開口面積が、排出部１３ｂに連通する開口の開口面積よりも大きく形成されている。これにより、降温と水蒸気の凝縮による体積収縮によって導入部１３ａと排出部１３ｂとの間に生じる圧力差を小さくして燃焼ガスの流動を安定させると共に、排気ダクト７の水平断面を小さくして排気ダクト７を小型化することができる。

また、プレート積層体１３の導入部１３ａと排出部１３ｂとが、並べられて同じ面（上面）に形成されている。それ故、排気ダクト７を短く形成してプレート積層体１３の側方を通らないように配設することができる。

２次熱交ケース１４は、フランジ部１４ａを水平にしたときに、排出部１３ｂ側が低くなるように底部１４ｃを緩やかに傾斜させている。燃焼ガス中の水蒸気が凝縮したドレンは、傾斜した底部１４ｃを流下して溝部１４ｄに集められ、この溝部１４ｄから２次熱交ケース１４の外部に排水され、中和処理等が施されて排水される。ドレンの流下を妨げないように、２次熱交ケース１４の底部１４ｃに当接するプレート積層体１３は、鉛直に立てられた全プレートが傾斜方向に平行になるように２次熱交ケース１４に収容される。

プレート積層体１３の複数の間隙に臨む２つの側面部及びそれら側面部から上面部、下面部に曲面状に夫々連なる角部には、燃焼ガスをプレート積層体１３の外側に逃がさないように、カバー部材１３ｃ，１３ｄが配設されている。矢印Ａ１は燃焼ガスの流動例を示している。燃焼ガスは、上方の１次熱交換器１１側からプレート積層体１３の導入部１３ａに鉛直に又は略鉛直に導入される。導入された燃焼ガスは、プレートとカバー部材１３ｃ，１３ｄと２次熱交ケース１４の底部１４ｃによって流動可能な範囲が規制されているので、プレート積層体１３内で流動方向が反転され、排出部１３ｂから排出される。

導入部１３ａに連通する開口の周縁部は、プレート積層体１３上端との間の隙間を塞ぐために、プレート積層体１３の上端に当接するように下方に折り曲げられている。隙間閉塞用の部材を配設してもよい。これにより、プレート積層体１３と２次熱交ケース１４の間を流動して熱交換に寄与しない燃焼ガスを減らす。

プレート積層体１３は、導入部１３ａと排出部１３ｂに対応させた規制部１３ｅを有する。この規制部１３ｅは、導入部１３ａ側（上面側）からその反対側に向かってプレート積層体１３の鉛直方向中段部まで延びるように形成されている。そして導入部１３ａに導入された燃焼ガスが、規制部１３ｅによって排出部１３ｂ側へ水平方向に流動しないように規制される。それ故、燃焼ガスは、水平方向の流動が規制されていないプレート積層体１３の下側部分を水平方向に流動するために、鉛直方向に流動するので、流動距離が長くなり、熱交換の機会が増加している。

次に、プレート積層体１３について説明する。
図４～図６に示すように、プレート積層体１３は、第１プレート２１と第２プレート２２の２種類のプレートが交互に積層されて形成されている。第１プレート２１は、湯水導入口１５側に膨出させた複数の凸条部２１ａを有し、第２プレート２２は、湯水導入口１５と反対側（湯水導出口１６側）に膨出させた複数の凸条部２２ａを有する。第２プレート２２の凸条部２２ａは、第１プレート２１を反転させた（裏返した）ように形成されている。

湯水導入口１５側から第１プレート２１、第２プレート２２の順に積層したときに、第１プレート２１と第２プレート２２との間隙は、湯水が流動する湯水用間隙２３になる。複数の湯水用間隙２３には、湯水導入口１５から導入された湯水が流通する通路部１５ａから、湯水が夫々供給される。第１、第２プレート２１，２２の外縁部は湯水を外部に逃がさないように密着状に重ねられる。通路部１５ａから供給されて湯水用間隙２３を流動した湯水は、通路部１６ａを通って湯水導出口１６から排出される。尚、プレート積層体１３の最も外側の第１プレート２１は、通路部１６ａが例えばキャップ１６ｂによって閉塞されている。また、反対側のプレート積層体１３の最も外側の第２プレート２２も同様に、通路部１５ａが閉塞されている。

一方、湯水導入口１５側から第２プレート２２、第１プレート２１の順に積層したときに、第２プレート２２と第１プレート２１との間隙は、燃焼ガスが流動するガス用間隙２４になる。複数のガス用間隙２４では、第１、第２プレート２１，２２の複数の凸条部２１ａ，２２ａを夫々当接させると共に、第１、第２プレート２１，２２の外縁部を夫々離隔させて、燃焼ガスの出入りが可能になっている。これらガス用間隙２４では、通路部１５ａ，１６ａが湯水を外部に逃がさないように密着状に重ねられ、ガス用間隙２４に湯水は流れ込まない。

規制部１３ｅは、第１、第２プレート２１，２２の所定の部位を凸条部２１ａ，２２ａと共に膨出させた規制凸条部２１ｂ，２２ｂによって形成されている。そして、複数のガス用間隙２４において、第１、第２プレート２１，２２の規制凸条部２１ｂ，２２ｂを夫々当接させている。これら規制凸条部２１ｂ，２２ｂによって、プレート積層体１３の導入部１３ａから鉛直方向中段部まで、燃焼ガスの排出部１３ｂ側への水平方向の流動が規制されている。図６の着色部は、第２プレート２２における第１プレート２１の凸条部２１ａ及び規制凸条部２１ｂと当接する部位を示している。これら当接する部位は、プレート積層体１３の形成時にロウ付けされる。

このようなプレート積層体１３では、湯水用間隙２３は、ガス用間隙２４に第１、第２プレート２１，２２を介して隣接しているので、湯水が両側から加熱される。また、凸条部２１ａ，２２ａによって、プレート表面積が拡大され、且つ燃焼ガス及び湯水は夫々微小な渦流が形成されて攪拌されながら流動する。それ故、燃焼ガスと湯水の間で熱交換が効率的に行われる。

上記実施例の温水装置１の作用、効果について説明する。
温水装置１は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼部３と、燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱する熱交換部１０と、熱交換後の燃焼ガスを排気するための排気部６を備えている。熱交換部１０は、底部１４ｃが傾斜し且つ上面が開放された箱状の２次熱交ケース１４内に、鉛直に立てられた複数のプレートが間隙を有するように積層されたプレート積層体１３を備え、プレート積層体１３の複数の間隙を燃焼ガスと湯水が交互に流れることによって湯水が加熱されるように構成されている。燃焼部３から鉛直方向下方に流動する燃焼ガスは、２次熱交ケース１４の燃焼ガスの導入側の開口を介してプレート積層体１３の燃焼部３側に設けられた導入部１３ａに鉛直に又は略鉛直に導入されると共に、プレート積層体１３内で流動方向が反転されて２次熱交ケース１４の排気部６側の開口を介して排気部６に排出される。

従って、プレート積層体１３内での流動方向の反転により燃焼ガスとドレンを分離して熱交換後の燃焼ガスを排気部６から排出し、ドレンを２次熱交ケース１４の傾斜した底部１４ｃを流下させて集めて排出することができる。また、燃焼ガスとドレンを分離するために、熱交換後の燃焼ガスの流動方向を反転させる部材を熱交換部１０の外側に配設する必要がなく、温水装置１を小型化することができる。その上、２次熱交ケース１４の上面は、仕切部１４ｂによって、排気部６側の開口とこれよりも開口面積が大きい燃焼ガスの導入側の開口とに仕切られている。これにより、排気部６側が狭くなっているので、降温と水蒸気の凝縮による燃焼ガスの体積収縮によって燃焼ガスの導入側と排気部６側との間に生じる圧力差を小さくして、燃焼ガスの流動を安定させることができる。

プレート積層体１３は、導入部１３ａに導入された燃焼ガスの水平方向の流動を規制するために、導入部１３ａからその反対側に向かってプレート積層体１３の鉛直方向中段部まで延びるように形成された規制部１３ｅを有する。従って、プレート積層体１３内の燃焼ガスの流動距離を長くして、湯水との熱交換が十分行われるようにすることができる。

プレート積層体１３は、導入部１３ａから導入された燃焼ガスを排気部６に排出する排出部１３ｂが、プレート積層体１３の導入部１３ａと並べて同一面（上面）に形成されている。従って、熱交換部１０から排気部６まで燃焼ガスを導く排気ダクト７を短く形成してプレート積層体１３の側方を通らないように配設することができるので、温水装置１を小型化することができる。

プレート積層体１３の導入部１３ａの面積は、排出部１３ｂの面積よりも大きく形成されている。従って、排出部１３ｂから排気部６まで燃焼ガスを導く排気ダクト７の水平断面を小さくして排気ダクト７を小型化し、温水装置１を小型化することができる。

上記実施例を部分的に変更した例を説明する。
［１］温水装置は、熱交換部１０を全てプレート式熱交換器で構成してもよい。例えば、１次熱交換器と２次熱交換器を共通する部材で構成することによって、温水装置の小型化を図ると共に製造コストを低減することができる。

［２］温水装置は、下から順に上方燃焼式の燃焼部、熱交換部、排気部を有する構成にしてもよい。この場合も、１次熱交換器内を流動した燃焼ガスが、２次熱交換器であるプレート式熱交換器の上方から導入され、プレート積層体内で流動方向が反転されて上方の排気部から排気されるように構成する。燃焼ガスをプレート式熱交換器の上方から導入するためのダクトが必要になるが、排気集合筒や排気ダクトを省略して小型化することができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ ：温水装置
２ ：外装ケース
３ ：燃焼部（燃焼手段）
３ａ ：燃料供給部
４ ：送風ファン
５ ：給気部
６ ：排気部
７ ：排気ダクト
１０ ：熱交換部（熱交換手段）
１１ ：１次熱交換器
１２ ：２次熱交換器
１３ ：プレート積層体
１３ａ ：導入部
１３ｂ ：排出部
１３ｅ ：規制部
１４ ：２次熱交ケース
１４ａ ：フランジ部
１４ｂ ：仕切部
１４ｃ ：底部
１４ｄ ：溝部
１５ ：湯水導入口
１５ａ ：通路部
１６ ：湯水導出口
１６ａ ：通路部
２１ ：第１プレート
２１ａ ：凸条部
２１ｂ ：規制凸条部
２２ ：第２プレート
２２ａ ：凸条部
２２ｂ ：規制凸条部
２３ ：湯水用間隙
２４ ：ガス用間隙

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼手段と、燃焼ガスとの熱交換により湯水を加熱する熱交換手段と、熱交換後の燃焼ガスを排気するための排気部を備えた温水装置において、
   前記熱交換手段は、上面が開放された箱状の熱交ケース内に、鉛直に立てられた複数のプレートが間隙を有するように積層されたプレート積層体を備え、前記プレート積層体の複数の間隙を燃焼ガスと湯水が交互に流れることによって湯水が加熱されるように構成され、
   前記熱交ケースは、前記上面を前記排気部側の開口とこれよりも開口面積が大きい燃焼ガスの導入側の開口とに仕切る仕切部と、傾斜した底部を有し、
   前記燃焼手段から鉛直方向下方に流動する燃焼ガスが、前記熱交ケースの前記導入側の開口を介して前記プレート積層体の前記燃焼手段側に設けられた導入部に鉛直に又は略鉛直に導入されると共に、前記プレート積層体内で流動方向が反転されて前記熱交ケースの前記排気部側の開口を介して前記排気部に排出され、
   前記燃焼ガス中の水蒸気が凝縮したドレンが、前記熱交ケースの前記底部を流下し集められて前記熱交ケースの外に排出されることを特徴とする温水装置。
2. 前記プレート積層体は、前記導入部に導入された燃焼ガスの水平方向の流動を規制するために、前記導入部からその反対側に向かって前記プレート積層体の鉛直方向中段部まで延びるように形成された規制部を有することを特徴とする請求項１に記載の温水装置。
3. 前記プレート積層体は、前記導入部から導入された燃焼ガスを前記排気部に排出する排出部が、前記プレート積層体の前記導入部と同一面に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の温水装置。
4. 前記プレート積層体の前記導入部の面積は、前記排出部の面積よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項３に記載の温水装置。