(57)【要約】      （修正有）【課題】家庭用あるいは業務用給湯装置において、熱交換器の高さ寸法を縮小し、装置全体を小型化した温排水の熱回収装置を提供する。【解決手段】シンク下部の排水路に、排水を流下液膜側とし、給水を伝熱管側とした流下液膜式熱交換器を設け、高い熱伝達率を利用して熱交換器の小型化を図る。同時に塵埃物の堆積を防ぎ、清掃も容易となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水器と、湯栓と、シンクと、給水配管と、給湯配管と、排水管とを備えた給湯装置において、
シンク下部の排水管接続部と、屋内の排水管との間に、
間隙をもって水平に、かつ水平面へ投影した中心線が一致するように配置した
水平伝熱管の端部を適宜連通してなる伝熱管路の上方に、
水平伝熱管の中心線に沿って流体を一様に滴下する散水路を備えた構造の
熱交換器ユニットを、複数ユニット組合せて一体的に形成した熱交換器を
設置し、
前記熱交換器内の２水路のうち、前記散水路を通る水路に温排水を導き、重力で排水管まで流下させるとともに、
前記熱交換器内の他の水路である前記伝熱管路内へは、前記給湯装置への給水を通過させることにより、温排水からの熱回収を行う給湯装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、温排水から熱回収を行う給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】    給湯装置は、湯を製造する温水器と、湯を使用する場所まで運ぶ給湯配管と、湯を使用するための湯栓・混合水栓・シャワーなどを総称しての湯栓と、水を使用するための水栓と、出湯した湯を収集するシンクと、シンク内の湯水を排水する排水管と、温水器ならびに湯栓へ給水する給水配管などから構成されている。温水器と湯栓の対応から給湯装置を分類すると、１台の温水器と１〜２個程度の湯栓が対応していて給湯配管が極めて短い温水器近傍設置方式と、１台の温水器と複数の湯栓が対応していて給湯配管を有するセントラル給湯方式とに、方式分類される。また、温水器の構造から分類すると、製造した湯を温水器に貯湯することなく給湯する瞬間式温水器と、貯湯しておいた湯を給湯する貯湯式温水器とに、形式分類される。【０００３】    湯栓から出湯している時には、他の容器への採湯あるいはシンクへの湯だめなどを除けば、シンクから排水される水量と、給湯装置へ給水される水量とはほぼ等しい。通常、給湯装置からの排水温度は給水温度より高いので、温排水と称することにする。この温排水が持ち去る熱量は、給水温度を基準にして表示するならば、
（排水温度−給水温度）×排水量×比熱  になる。また、湯栓からの出湯量と水栓からの出水量の合計値を出湯・出水量と称するとともに、その混合平均温度を出湯・出水平均温度と称することにすると、
（出湯・出水平均温度−給水温度）×出湯・出水量×比熱  は、この給湯装置からの熱出力と考えられる。熱回収を行わなければ、熱出力は前記温排水が持ち去る熱量にほぼ等しいことになる。【０００４】    ここで、温排水の持ち去る熱量の一部を熱回収して利用するならば、給湯装置の熱出力は同一で変わらなくても、温水器の消費エネルギーは減少する。
給湯装置の熱効率を、（給湯装置の熱出力÷温水器の消費エネルギー）×１００（％）と定義すると、熱回収により給湯装置の熱効率は向上する。式で示すと、
給湯装置の熱出力＝温水器の熱出力＋回収熱量
給湯装置の熱効率＝（給湯装置の熱出力÷温水器の消費エネルギー）×１００（％）
であるから、給湯装置の熱効率は１００％を超すことは可能である。
計算例を示すと、温水器の熱効率が８０％であって、温排水から５０％の熱回収を行うとすると、給湯装置の熱効率は１６０％になる。【０００５】    熱回収には、効率向上以外のメリットも存在する。貯湯式温水器から高温水を供給し、混合水栓で適温に調整する給湯装置においては、回収熱で給水を加熱して混合水栓に送れば、連続して出湯できる最大温水量は大幅に増大する。あたかも貯湯槽が大きくなったと同様の効果が生じる。このように温排水から熱回収を行う利点は大きいが、現状では浴場設備や製造設備の一部で大掛かりな熱回収を行う以外はほとんど実施されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】    家庭用あるいは業務用給湯装置において、温排水からの熱回収が普及しない主な理由は、以下に記述するところによる。【０００７】    熱回収のための熱交換器の寸法が大きいので、給湯装置に組み込もうとすると、給湯装置全体が大きくなり、設置性がわるくなる。通常、温排水には圧力がなく重力で流下しているので、圧力損失をともなう高性能熱交換器を用いることができない。そのため、温排水の流路内に伝熱面を浸漬し自然対流により熱回収を行うことになるが、この場合、熱伝達率が低いため、大きな伝熱面積が必要となり、熱交換器が大きくなる。なお、高性能熱交換器とは、プレート型積層熱交換器やシェルアンドチューブ型熱交換器などを意味している。【０００８】    温排水をポンプで加圧して高性能熱交換器を利用した装置にすれば、大量の温排水を効率的に熱回収できるが、反面  制御機器も含めて高額の費用が必要となり、小規模給湯装置では経済性がともなわない。また、高性能熱交換器は内部構造が複雑なため、温排水中に含まれている塵埃物が堆積しやすいので、定期的に熱交換器を分解して清掃する作業が必要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】    本発明は前記課題を解決するもので、流下する温排水の落差を利用して、温排水側の熱伝達率を向上させた熱交換器を提供するとともに、この熱交換器の高さ方向の寸法を所用寸法まで縮小した設計を行い、シンク下部の排水管接続部と、屋内の排水管との間に、挿入設置することを可能にし、加圧ポンプなどの動力を用いることなく、温排水と給水との熱交換を行うものである。【００１０】    本発明による熱交換器は、前記のとおり温排水が重力で流下する現象を利用したものである。温排水は水平伝熱管外面を膜状に流下（流下液膜と称す）し、一方給水は水平伝熱管内を適切な流速で流れることにより、熱交換を行う。１本の水平伝熱管外面を流下した温排水は、さらに滴状に落下して、直下に配置された水平伝熱管外面を同様に膜状に流下する。温排水は複数段配置された水平伝熱管外面を膜状に流下を繰り返しながら、管内を流れる給水と熱交換する。【００１１】    水平伝熱管外面には、フィンその他の凹凸物による伝熱促進の必要はなく、滑らかな素管であるから塵埃物が堆積しにくい形状である。なお、水平伝熱管外面を膜状に流体が流下するときの伝熱に関る、論文・データ・実験式は公知であるが、古典的な文献例として“Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｔｏ  Ｆａｌｌｉｎｇ−Ｗａｔｅｒ  Ｆｉｌｍｓ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａ．Ｓ．Ｍ．Ｅ．Ｏｃｔｏｂｅｒ，１９４０，Ｗ．Ｈ．ＭｃＡＤＡＭＳ，Ｔ．Ｂ．ＤＲＥＷ，ａｎｄ  Ｇ．Ｓ．ＢＡＹＳ，ＪＲ．”が著名であり挙げておく。
水平伝熱管外面を流体が膜状に流下するときの熱伝達率は、管内を流体が乱流速度で流れる時の熱伝達率と同程度の値となるように熱交換器の設計を行うことができる。【００１２】    水平伝熱管の水平方向長さを延ばしたり、水平伝熱管を２列に配置したりして、水平伝熱管の表面積を増加すれば、垂直方向の段数を減らして、熱交換器全体の高さ方向寸法を縮小しながら、所用の伝熱面積を確保できる。
一般に、水平伝熱管の単位長さ当りに流下する流量が減少してゆけば、流れは乱流から層流になる。管内流動の熱伝達率は、流速の影響を多分に受けて、流速減少とともに熱伝達率の低下が起るが、水平伝熱管外面の流下液膜の場合は、層流になっても熱伝達率の低下ははるかに少ない。特に、水平伝熱管外面を流下して直下の伝熱管上に滴下する流れでは、層流の流れが長く続くときのような層流境界層の発達がないので、水平伝熱管の段数を増やしても熱伝達率の低下が起らない。以上の理由により、水平伝熱管の長さと列数と段数を自由に増減できるので、熱交換器の高さを目的にあわせた寸法にすることができる。
【発明の効果】
【００１３】    本発明によれば、家庭用あるいは業務用の小規模給湯装置へ、熱回収のためのコンパクトな熱交換器の組み込みが可能になる。その結果、給湯装置の熱効率は、大幅に向上する。【００１４】    シンクからの排水は常に熱交換器の温排水側に導かれるので、排水時に熱交換器内を給水が流れていれば、熱回収が自然に行われる。シンクからの排水が給水温度に等しい場合には、熱交換が行われないだけである。何らのエネルギー損失も発生しない。また、他の容器への採湯あるいはシンク内の溜まり湯を排水するときなども、熱交換は行われないが、同様に損失は発生しない。この特徴は、本考案による熱回収では、ポンプなどの動力を使用していないことによる。【００１５】    高温度に設定された貯湯式温水器からの温水と、給水を混合して、適温で使用する給湯装置においては、熱回収により温度の上昇した給水を混合水栓の水側へ接続して、回収熱を便利かつ有効に利用できる。
一般的な使用条件下での、効率の向上と、連続出湯量の増加とを計算例で示す。
一般的な使用条件として、貯湯式温水器の設定温度を８０℃、給水温度を１５℃、混合水栓からの出湯温度を３８℃、とする。また、熱交換器の温度効率を５０％とする。
熱交換器出口の給水温度は  １５＋（３８−１５）×０．５＝２６．５（℃）となる。
３８℃の出湯流量１（流量単位）に含まれる８０℃温水流量は
（３８−２６．５）／（８０−２６．５）＝０．２１（流量単位）となる。
熱回収無しの場合、３８℃の出湯流量１（流量単位）に含まれる８０℃の温水流量
（３８−１５）（８０−１５）＝０．３５（流量単位）となる。
したがって、連続出湯量は約１．７（＝０．３５／０．２１）倍になり、給湯装置の熱効率も１．７倍になる。
なお、熱交換器の温度効率５０％は容易に実現できる値である。【００１６】    また、温水器の温度設定が使用温度に設定されていて、混合水栓を使用しない給湯装置では、熱回収で温度上昇した給水を温水器の給水側に接続すれば、前記高温度に設定された温水器の場合と同様に、給湯装置の効率が向上する。【００１７】    本考案による熱交換器では、温排水側伝熱面に、フィンや溝などの伝熱面積増大のための凹凸形状を設ける必要が無いので、塵埃物が堆積しにくい。また、水平伝熱管の外面が汚れて清掃する場合でも、伝熱管群は水圧がかかる容器内に収納されていないので、管群収納筐体の側面を外して簡単にアクセスし、清掃できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】    図１は、本発明の実施の形態に関る給湯装置の構成と配管系統を模式的に示す図である。給湯装置への給水は、給水管１から温水器２と熱交換器３へ供給される。温水は温水器２から給湯配管４を経由して、混合水栓の湯側水栓５へ供給される。熱交換器３で熱回収により温度の上昇した給水は、給水管７を経由して混合水栓の水側水栓６へ給水される。
混合水栓から出湯された温水は、洗面あるいは洗浄などの目的を果たした後に温排水となり、シンク８から排水管接続部９を経由して熱交換器３へ流下する。熱交換器３内で、温排水は水平伝熱管外面を膜状に流下して、水平伝熱管内を流れる給水と熱交換を行った後、熱交換器３の底部から排水管１０および排水とラップ１１を経由して建物の排水管１２へと流れる。温水器２への給水は、熱交換器３で温度上昇した給水を接続してもよい。
また、湯栓としては、温度を自動的に制御する機能のある混合水栓を使用すれば便利になるが、必ずしも混合水栓とする必要はなく、湯栓と水栓を単独に設備してもよい。【００１９】    熱交換器内の温排水の散水路と、水平伝熱管の形態に関し、最も基本的で原理的な関係を示したのが図２である。図２に示す散水路１３は実施の一例である。散水路１３では、流れの方向に沿って数多くの切り欠き１４が設けられていて、流入した温排水はこの切り欠き１４を溢水して散水路１２の底部まで流下し、そこで水滴となって落下する。散水路１３の直下に配置された水平伝熱管１５の頂部に滴下した温排水は、伝熱管外面を広がりながら、膜状に流下し、伝熱管最下部から再度水滴となって落下する。水平伝熱管内には給水が流れているので、温排水の流下液膜と管内流動水との間で熱交換か行われる。【００２０】    次に、水平伝熱管の配置などを適切に選択することにより、熱交換器の外形寸法を所用寸法内に納めつつ、高い熱伝達率が確保されることを図面により説明する。水平伝熱管の真下に、さらに水平伝熱管を配置すれば、上方から滴下する温排水により、下部の伝熱管の外面にも流下液膜が形成される。図３は水平伝熱管を３段に配置した熱交換器ユニットを示した図である。この熱交換器ユニット１セットで熱交換器として使用することもできるが、この熱交換器ユニットを複数セット併設して熱交換器として形成し、伝熱面積が複数倍の熱交換器として使用することができる。また、図４に示す例では、水平伝熱管を２段２列に配置するとともに、水平伝熱管をシリースに連結して熱交換器を形成している。
このように水平伝熱管の段数と列数と長さを設置スペースにあわせて選択するとともに、水平伝熱管の口径とパス数を適切に選択することにより、管内流速を調整して高い熱伝達率を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に関る給湯装置の構成と配管系統を模式的に示す図である。
【図２】温排水の散水路と水平伝熱管の形態に関し、最も基本的で原理的な関係を示す図である。
【図３】水平伝熱管を３段に配置した熱交換器ユニットを示す図である。
【図４】水平伝熱管を２段２列に配置した熱交換器の図である。
【符号の説明】
【００２２】  １、７  給水配管
２  温水器
３  熱交換器
４  給湯配管
５  湯側水栓
６  水側水栓
８  シンク
９、１０、１２  排水管
１１  排水トラップ
１３  散水路
１４  切り欠き
１５  水平伝熱管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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