(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナと、第１温水路と、バーナの燃焼排気との熱交換により第１温水路の水を昇温させて温水とする第１熱交換器と、第２温水路と、第１温水路の温水との熱交換により第２温水路の水を昇温させて温水とする第２熱交換器と、バーナの燃焼量を制御して第１温水路の水温を制御することで第２温水路の水温を制御する制御手段とを備えた温水システムにおいて、
制御手段は第１温水路の温水から第２温水路の水への移動熱量に基づいて決定される第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量であって、バーナの燃焼排気に含まれる水蒸気の第１熱交換器における結露が防止されるときの第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量を下限水温又は下限流水量として記憶し、第１温水路の水の沸騰が防止されるときの第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量を上限水温又は上限流水量として記憶する記憶手段を備え、
第２温水路の水温又は流水量を記憶手段に記憶されている下限水温又は下限流水量以上に制御するとともに、記憶手段に記憶されている上限水温又は上限流水量以下に制御することを特徴とする温水システム。
【請求項２】
記憶手段は下限水温及び上限流水量を記憶し、制御手段は第２温水路の水温を下限水温以上に制御するとともに、第２温水路の流水量を上限流水量以下に制御することを特徴とする請求項１記載の温水システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナと、第１温水路と、バーナの燃焼排気との熱交換により第１温水路の水を昇温させて温水とする第１熱交換器と、第２温水路と、第１温水路の温水との熱交換により第２温水路の水を昇温させて温水とする第２熱交換器と、バーナの燃焼量を制御して第１温水路の水温を制御することで第２温水路の水温を制御する制御手段とを備えた温水システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記温水システムによれば、バーナにより第１熱交換器を介して加熱されて生じた温水が第１温水路を流れ、第２熱交換器を介して第２温水路の水を加熱して温水とする。また、通常は第２温水路から目標温度の温水を得るため、第２温水路の水温に基づいてバーナの燃焼量が制御されている。そして、第２温水路で生じた温水が外部へ供給される。
【０００３】
しかし、第２温水路に供給される水の温度と目標温度との差が小さく、且つ、第２温水路の流水量が少ないと、第１温水路の水を第１熱交換器において大きく加熱する必要がなくなる。このため、バーナの燃焼量が小さく制御される。従って、第１温水路の水温が低い場合、第１熱交換器のフィン部分の温度が高温とならず、バーナの燃焼排気に含まれる水蒸気が燃焼排気の成分とともに第１熱交換器のフィン部分に結露する。そして、結露した水（ドレン）の付着と蒸発とが繰り返されるうちに第１熱交換器のフィン部分が腐食され、その熱交換率が低下するおそれがある。また、第１熱交換器のフィン部分が閉塞され、バーナの燃焼排気の流れを妨げてバーナの良好な燃焼状態が維持されないおそれがある。
【０００４】
一方、第２温水路に供給される水の温度と目標温度との差が大きく、且つ、第２温水路の流水量が多いと、第１温水路の水を第１熱交換器において大きく加熱する必要がある。このため、第１温水路の水温が過剰に高くなり、しまいには沸騰して第２温水路の水温が制御不能になるおそれがある。
【０００５】
そこで、通常は上述のように第２温水路の水温に基づいて制御されるバーナの燃焼量を、第１温水路の水温が低くてドレンが発生するおそれがある場合は第１温水路の水温に基づいて制御し、これにより第１温水路の水温の低下を防止する措置が採られている。また、第１温水路の水温が高くなって沸騰するおそれがある場合にもバーナの燃焼量を第１温水路の水温で制御し、これにより第１温水路の水温の上昇を抑制する措置も採られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バーナの燃焼量の制御が、第２温水路の水温に基づく制御から第１温水路の水温に基づく制御に切り替えられると、バーナの燃焼量が急激に変動するため、第２温水路の水温の制御が不安定となるおそれがある。また、第１温水路の水温が変化したことが検知された上でかかる制御が行われるため、時間遅れ等により第１温水路の水温が第１熱交換器にドレンが発生する程度まで低下したり、沸騰する程度まで上昇するので、第２温水路の水温を安定させるまでに多少の時間がかかる。
【０００７】
そこで、本発明は、第１熱交換器におけるドレンの発生や、第１温水路の水の沸騰を防止しながら第２温水路の水温を安定して制御可能な温水システムを提供することを解決課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の温水システムは、制御手段は、第１温水路の温水から第２温水路の水への移動熱量に基づいて決定される第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量であって、バーナの燃焼排気に含まれる水蒸気の第１熱交換器における結露が防止されるときの第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量を下限水温又は下限流水量として記憶し、第１温水路の水の沸騰が防止されるときの第１温水路の水温に対応する第２温水路の水温又は流水量を上限水温又は上限流水量として記憶する記憶手段を備え、第２温水路の水温又は流水量を記憶手段に記憶されている下限水温又は下限流水量以上に制御するとともに、記憶手段に記憶されている上限水温又は上限流水量以下に制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、記憶手段に記憶されている第２温水路の水温又は流水量（以下「水温等」という。）の下限水温等、上限水温等は第１温水路の温水から第２温水路の水への移動熱量に基づいて決定されるものである。
【００１０】
従って、第２温水路の水温等が下限水温等以上に制御されることで、第１温水路の水温を第１熱交換器でのドレン発生が防止される程度に高温に維持し、第１熱交換器におけるドレン発生を確実に防止することができる。また、第２温水路の水温等が上限水温等以下に制御されることで、第１温水路の水温を沸騰が防止される程度に低温に抑制し、第１温水路の水の沸騰を確実に防止することができる。なお、第２温水路の水温とは、第２熱交換器の下流における第２温水路の水温を意味する。
【００１１】
上記システムにおいて、記憶手段は下限水温及び上限流水量を記憶し、制御手段は第２温水路の水温を下限水温以上に制御するとともに、第２温水路の流水量を上限流水量以下に制御することが好ましい。
【００１２】
第２温水路の水温が比較的低いとき、使用者が第２温水路の温水を大量に使用している蓋然性、即ち、第２温水路の流水量のさらなる増大による第１熱交換器のドレン発生防止を図れない蓋然性が高い。従って、第２温水路の水温が下限水温に制御されることで、かかる第２温水路の流水量がその最大限近くにされている場合であっても第１熱交換器におけるドレン発生を確実に防止することができる。
【００１３】
一方、第２温水路の水温が比較的高いとき、使用者はかかる高温の温水を所望している蓋然性、即ち、第２温水路の水温の降下により不満を覚える蓋然性が高い。従って、第２温水路の流水量が上限流水量に制御されることで、かかる第２温水路の水温が高温にされている場合であっても第１温水路の水の沸騰を確実に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の温水システムの実施形態について図を用いて説明する。図１は本実施形態の温水システムの構成説明図である。
【００１５】
図１に示す本実施形態の温水システムは、バーナ１と、第１温水路１０と、バーナ１の燃焼排気との熱交換により第１温水路１０の水を昇温させて温水とする第１熱交換器１１と、第２温水路２０と、第１温水路１０の温水との熱交換により第２温水路２０の水を昇温させて温水とする第２熱交換器２１と、バーナ１の燃焼量を制御して第１温水路１０の水温を制御することで第２温水路２０の水温を制御するコントローラ（制御手段）３０とを備えている。
【００１６】
バーナ１はガス供給路２よりガスが供給され、このガスがイグナイタ３により点火プラグ４を介して点火され、燃焼ファン５から燃焼用空気が供給されることで燃焼する。バーナ１の燃焼状態はフレームロッド６を介して検知される。ガス供給路２には上流から順に元ガス電磁弁７と、ガス比例弁８と、ガス電磁弁９とが設けられている。
【００１７】
第１温水路１０には第１熱交換器１１の下流に水温センサ１２が設けられ、第１熱交換器１１の上流且つ第２熱交換器２１の下流にポンプ１３が設けられている。また、第１温水路１０は第１熱交換器１１の下流且つ第２熱交換器２１の上流から分岐し、暖房装置（図示略）を経て第２熱交換器２１の下流に合流する暖房温水路１４に接続されている。第１温水路１０と暖房温水路１４との分岐位置には、第１熱交換器１１で生じた温水を第２熱交換器２１又は暖房温水路１４に切り替えて供給する三方弁１５が設けられている。さらに、第１温水路１０は第２熱交換器２１の下流においてシスターン１６に接続されている。
【００１８】
第２温水路２０には第２熱交換器２１の上流、下流にそれぞれ給水温度センサ２２、給湯温度センサ２３が設けられている。また、第２熱交換器２１の上流に流水量センサ２４及び水量サーボ２５が設けられている。さらに、第２温水路２０は第２熱交換器２１の上流において手動水補給弁２６、水補給電磁弁２７を有する水補給路２８を介してシスターン１６に接続されている。
【００１９】
コントローラ３０は操作パネル３１やリモコン３２による操作設定に基づいてバーナ１の燃焼量等を制御する。また、コントローラ３０は第１温水路１０の温水から第２温水路２０の水への熱移動量に基づいて決定される第２温水路２０の下限温度及び上限流水量を記憶する記憶手段３３を備えている。
【００２０】
上記構成の温水システムの機能について説明する。
【００２１】
給湯運転時にはまず、コントローラ３０の制御の下、燃焼ファン５が作動を開始し、イグナイタ３により点火プラグ４を介して点火される。また、元ガス電磁弁７及びガス電磁弁９が開弁し、ガス供給路２からバーナ１にガスが供給されることでバーナ１が燃焼を開始する。コントローラ３０は操作パネル３１等における設定給湯温度に基づいてガス比例弁８の開度や燃焼ファン５の回転数を制御することでバーナ１の燃焼量を制御する。
【００２２】
また、三方弁１５が第１温水路１０を第２熱交換器２１に接続し、ポンプ１３が作動を開始する。これにより第１熱交換器１１においてバーナ１の燃焼排気との熱交換により加熱されて生じた第１温水路１０の温水が、第２熱交換器２１において第２温水路２０を流れる水と熱交換する。そして、第２熱交換器２１における熱交換により生じた温水が第２温水路２０から供給される。
【００２３】
一方、暖房運転時にはまず、給湯運転時と同様にコントローラ３０の制御の下、バーナ１が燃焼する。また、三方弁１５が第１温水路１０を暖房温水路１４に接続する。これにより第１熱交換器１１で生じた第１温水路１０の温水が暖房温水路１４を通じて暖房装置（図示略）に供給され、この暖房装置により暖房が行われる。
【００２４】
ここで、記憶手段３３により記憶されている第２温水路２０の下限温度Ｔmin 及び上限流水量Ｗmax がどのように決定されるかについて説明する。以下、第１温水路１０の第１熱交換器１１の上流、下流における水温をΘin、Θout 、流水量をＷ’と表す。また、第２温水路２０の第２熱交換器２１の上流における水温（以下「給水温度」という。）をＴin、下流における水温（以下「給湯温度」という。）をＴout 、流水量をＷ’と表す。
【００２５】
まず、第２熱交換器２１の熱交換特性を表す係数をＨ（［ｋｃａｌ／ｓ・℃］）とおく。この係数Ｈは後述のように実験的に決定される。また、第１温水路１０の温水から第２温水路２０の水への移動熱量は、この係数Ｈと、第１温水路１０の平均水温（Θout ＋Θin）／２及び第２温水路２０の平均水温（Ｔout ＋Ｔin）／２の差との積で表されると仮定する。さらに、第２温水路２０の水が第２熱交換器２１で吸収する熱量は第２熱交換器２１における当該移動熱量に等しいと仮定する。すると、次の関係式（１）が得られる。
【００２６】
Ｗ（Ｔout −Ｔin）
＝（Ｈ／２）｛（Θout ＋Θin）−（Ｔout ＋Ｔin）｝‥（１）
【００２７】
また、第２熱交換器２１において、第１温水路１０の温水の損失熱量が、第２温水路２０の水の取得熱量に等しいと仮定する。第１温水路１０の温水の損失熱量は、水の熱容量（＝１［ｋｃａｌ／ｌ・℃］）、第１温水路１０の流水量Ｗ’、及び第１熱交換器１１の上流、下流における水温差Θout −Θinの積で近似的に表される。また、第２温水路２０の水の取得熱量は、水の熱容量、第２温水路２０の流水量Ｗ、及び給湯温度と給水温度との差Ｔout −Ｔinの積で近似的に表される。従って、次の関係式（２）が得られる。
【００２８】
Ｗ（Ｔout −Ｔin）＝Ｗ’（Θout −Θin）‥（２）
【００２９】
関係式（１）及び（２）を用いてΘinを消去すると次の関係式（３）が得られる。
【００３０】
0003691414.tif 000002
【００３１】
関係式（３）に基づいて係数Ｈが実験的に決定される。即ち、第１温水路１０の第１熱交換器１１の下流における水温Θout が水温センサ１２により測定される。また、第２温水路２０の給水温度Ｔin、給湯温度Ｔout 、流水量Ｗがそれぞれ給水温度センサ２２、給湯温度センサ２３、流水量センサ２４により測定される。さらに、第１温水路１０の流水量Ｗ’がポンプ１３の能力に基づいて求められる。そして、これらの測定値等を関係式（３）に代入することで係数Ｈが決定される。
【００３２】
ここで関係式（３）を変形すると、次の関係式（４）、（５）が得られる。
【００３３】
0003691414.tif 000003
【００３４】
0003691414.tif 000004
【００３５】
第１熱交換器１１の下流における第１温水路１０の水温Θout が低下しΘmin （〜４２℃）未満になると第１熱交換器１１においてドレンが発生する。従って、給湯温度Ｔout の下限温度Ｔmin が次式（６）により決定される。
【００３６】
0003691414.tif 000005
【００３７】
一方、第１熱交換器１１の下流における第１温水路１０の水温Θout が上昇してΘmax （〜８５℃）を超えると第１温水路１０の水が沸騰する可能性が高い。従って、第２温水路２０の流水量Ｗの上限流水量Ｗmax が次式（７）より決定される。
【００３８】
0003691414.tif 000006
【００３９】
そして、上記構成の温水システムでは、給湯温度センサ２３により測定される給湯温度Ｔout が式（６）の下限温度Ｔmin を下回らないように、コントローラ３０によってガス比例弁８の開度や燃焼ファン５の回転数を通じてバーナ１の燃焼量が制御される。また、流水量センサ２４により測定される第２温水路２０の流水量Ｗが上限流水量Ｗmax を超えないように、コントローラ３０によって水量サーボ２５を通じて当該流水量が制御される。
【００４０】
本実施形態の温水システムによれば、記憶手段３３に記憶されている第２温水路の下限水温Ｔmin 及び上限流水量Ｗmax は第１温水路１０の温水から第２温水路２０の水への移動熱量を表す関係式（１）及び（２）に基づいて決定されるものである。
【００４１】
従って、第２温水路２０の給湯温度Ｔout が下限水温Ｔmin 以上に制御されることで、第１温水路１０の水温Θout を高温に維持し、第１熱交換器１１におけるドレン発生を確実に防止することができる。また、第２温水路２０の流水量Ｗが上限流水量Ｗmax 以下に制御されることで、第１温水路の水温Θout を低温に抑制し、第１温水路１０の水の沸騰を確実に防止することができる。
【００４２】
また、第２温水路２０の水温が比較的低いとき、使用者が第２温水路２０の温水を大量に使用している蓋然性、即ち、第２温水路２０の流水量Ｗのさらなる増大による第１熱交換器１１のドレン発生防止を図れない蓋然性が高い。従って、第２温水路２０の給湯温度Ｔout が下限水温Ｔmin に制御されることで、かかる第２温水路２０の流水量Ｗがその最大限近くにされている場合であっても第１熱交換器１１におけるドレン発生を確実に防止することができる。
【００４３】
一方、第２温水路２０の給湯温度Ｔout が比較的高いとき、使用者はかかる高温の温水を所望している蓋然性、即ち、第２温水路２０の水温の降下により不満を覚える蓋然性が高い。従って、第２温水路２０の流水量Ｗが上限流水量Ｗmax 以下に制御されることで、給湯温度Ｔout が高温にされている場合であっても第１温水路１１の水の沸騰を確実に防止することができる。
【００４４】
さらに、第２熱交換器２１の個々の特性を加味した上で、現実の温水システムに即して係数Ｈが事件的に決定される。従って、第２温水路２０の給湯温度Ｔout 又は流水量Ｗの制御を通じてドレン発生及び沸騰を確実に防止することができる。
【００４５】
なお、本実施形態では第１熱交換器１１におけるドレン発生防止策として給湯温度Ｔout が制御され、第１温水路１０の水の沸騰防止策として第２温水路２０の流水量Ｗが制御されたが、他の実施形態として第１熱交換器１１におけるドレン発生防止策として第２温水路２０の流水量Ｗが制御され、第１温水路１０の水の沸騰防止策として給湯温度Ｔout が制御されてもよい。
【００４６】
本実施形態ではＨが実験的に決定されたが、他の実施形態として第２熱交換器２１の熱交換率ηが、Ｗ（Ｔout −Ｔin）＝ηＷ’（Θout −Θin）という関係式から実験的に決定されてもよい。この場合、給湯温度Ｔout 、第２温水路２０の流水量Ｗがそれぞれ次式（８）、（９）で表される。
【００４７】
Ｔout ＝Ｔin＋η（Ｗ’／Ｗ）（Θout −Θin）‥（８）
【００４８】
Ｗ＝ηＷ’（Θout −Θin）／（Ｔout −Ｔin）‥（９）
【００４９】
そして、第１熱交換器１１におけるドレン発生防止策、第１温水路１０の水の沸騰防止策として、上式（８）、（９）で表される温水温度Ｔout 又は第２温水路の流水量Ｗが制御されてもよい。
【００５０】
本実施形態では第１熱交換器１１の下流における第１温水路１０の水温Θout に基づいて係数Ｈが事件的に決定されたが、他の実施形態として第１熱交換器１１の上流における第１温水路１０の水温Θin、又は上流・下流における水温Θout 、Θinに基づいて係数Ｈが実験的に決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の温水システムの構成説明図
【符号の説明】
１‥バーナ、１０‥第１温水路、１１‥第１熱交換器、２０‥第２温水路、２１‥第２熱交換器、３０‥コントローラ、３３‥記憶手段
【図１】
0003691414.tif 000007