(57)【要約】【課題】  伝熱面積を大幅に増加させることなく熱効率を向上させることができる真空式温水機を提供する。【解決手段】  熱媒加熱用バーナー２及び第１熱交換器３を備える第１真空式温水機４と、第２熱交換器５を備えるとともに第１真空式温水機４の排ガスＧによって熱媒を加熱するように構成された第２真空式温水機６と、を備え、第１熱交換器３は、第２熱交換器５から給水を供給されるように、第２熱交換器５と接続されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒加熱用バーナー及び第１熱交換器を備える第１真空式温水機と、
第２熱交換器を備えるとともに前記第１真空式温水機の排ガスによって熱媒を加熱するように構成された第２真空式温水機と、を備え、
前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器から給水を供給されるように、前記第２熱交換器と接続されていることを特徴とする真空式温水機。
【請求項２】
前記第２真空式温水機は、標準沸点が１００℃未満の熱媒が封入されていることを特徴とする請求項１に記載の真空式温水機。
【請求項３】
前記第２熱交換器をバイパスするバイパス管と、該バイパス管を流れるバイパス流量を制御する流量制御弁と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の真空式温水機。
【請求項４】
前記流量制御弁を制御することにより、前記第２真空式温水機の熱媒を前記第１真空式温水機の熱媒設定温度より低い熱媒設定温度に制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項３に記載の真空式温水機。
【請求項５】
前記制御装置は、前記第１真空式温水機の熱媒が所定の熱媒設定温度になるように前記バーナーへの燃料流量を制御する第１の制御出力と、前記第２真空式温水機の熱媒が前記第１真空式温水機の熱媒設定温度より低く且つ前記流量制御弁を制御するための熱媒設定温度より高い所定の熱媒温度設定値になるように前記バーナーへの燃料流量を制御する第２の制御出力と、を比較し、前記第１の制御出力及び第２の制御出力のうち燃料流量が少ない方の制御出力により前記バーナーの燃料流量を制御することを特徴とする請求項４に記載の真空式温水機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空式温水機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図５に示すように、バーナー３０、燃焼室３１、減圧蒸気室３２、熱媒水Ｈ、熱交換器３３、水管３４、抽気ポンプ（不図示）等を備え、缶体３５内を抽気ポンプにより減圧して真空に近い状態とすることにより、熱媒水Ｈを１００℃以下の温度で沸騰させ、その蒸気が熱交換器３３の表面で凝縮することで熱交換器３３内の給水を加熱し、温水をつくる真空式温水機が知られている（たとえば特許文献１等）。この種の真空式温水機は、要求される温度の温水を素早く負荷側へ供給できるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３３７００２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の真空式温水機は、排ガスの保有熱を熱媒を介して温水へ二段階で熱交換されており、一般的に熱媒温度を８０〜９０℃で制御しているため、缶体出口の排ガス温度を低減させ熱効率を向上させるには限界があった。
【０００５】
そこで、本発明は、伝熱面積を大幅に増加させることなく熱効率を向上させることができる真空式温水機を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る真空式温水機は、熱媒加熱用バーナー及び第１熱交換器を備える第１真空式温水機と、第２熱交換器を備えるとともに前記第１真空式温水機の排ガスによって熱媒を加熱するように構成された第２真空式温水機と、を備え、前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器から給水を供給されるように、前記第２熱交換器と接続されていることを特徴とする。
【０００７】
前記第２真空式温水機は、標準沸点が１００℃未満の熱媒が封入されていることが好ましい。
【０００８】
前記第２熱交換器をバイパスするバイパス管と、該バイパス管を流れるバイパス流量を制御する流量制御弁と、を備えることが好ましい。
【０００９】
前記流量制御弁を制御することにより、前記第２真空式温水機の熱媒を前記第１真空式温水機の熱媒設定温度より低い熱媒設定温度に制御する制御装置を備えることが好ましい。
【００１０】
前記制御装置は、前記第１真空式温水機の熱媒が所定の熱媒設定温度になるように前記バーナーへの燃料流量を制御する第１の制御出力と、前記第２真空式温水機の熱媒が前記第１真空式温水機の熱媒設定温度より低く且つ前記流量制御弁を制御するための熱媒設定温度より高い所定の熱媒温度設定値になるように前記バーナーへの燃料流量を制御する第２の制御出力と、を比較し、前記第１の制御出力及び第２の制御出力のうち燃料流量が少ない方の制御出力により前記バーナーの燃料流量を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、伝熱面積を大幅に増加させることなく、熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る真空式温水機の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の真空式温水機を制御系統とともに示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る真空式温水機の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図４】熱媒（水）の温度と真空度との関係を示す線図である。
【図５】従来の真空式温水機を示す縦断側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る真空式温水機の実施形態について、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、全図及び全実施形態を通じて同一または類似の構成部分には同符号を付している。
【００１４】
図１は、本発明に係る真空式温水機の第１実施形態を示す概略構成図である。図１に示すように、真空式温水機１は、熱媒加熱用バーナー２及び第１熱交換器３を備える第１真空式温水機４と、第２熱交換器５を備えるとともに第１真空式温水機４から排出される排ガスＧによって熱媒を加熱するように構成された第２真空式温水機６と、を備え、第１熱交換器３は、第２熱交換器５から給水を供給されるように第２熱交換器５と直列に接続されている。第１真空式温水機４と第２真空式温水機６とは、図示例のような直列配置とすることができる。
【００１５】
第１真空式温水機４は、従来の真空式温水機と同様の基本構造を有しており、熱媒加熱用バーナー２及び第１熱交換器３の他、缶体７内に水没された燃焼室８、燃焼室８を上下に貫通する水管群９、缶体７内に封入された熱媒Ｈ１の上部に設けられ第１熱交換器３が組み込まれた減圧蒸気室１０、減圧蒸気室１０を減圧する抽気ポンプ（図示せず）等が備えられている。
【００１６】
第２真空式温水機６は、バーナーが付設されていないため缶体１１内に燃焼室を備えておらず、缶体１１内に封入された熱媒Ｈ２が第１真空式温水機４から排出された燃焼排ガスＧと熱交換するように構成されている。缶体１１は、第１真空式温水機４の燃焼室８の水管群９と同様に、水管群１２を備えており、水管群１２が排ガスＧの煙道１３内に配設されている。缶体１１内の熱媒Ｈ２上部には、減圧蒸気室１１ａが形成され、減圧蒸気室１１ａに第２熱交換器５が組み込まれている。なお、第２真空式温水機６の水管群１２については、説明の便宜上、「水管」という用語を用いているが、後述するように水以外の熱媒が入る場合もある。
【００１７】
第１真空式温水機４には、缶体７内に熱媒として水（熱媒水）が封入されている。第１真空式温水機４の缶体７内は、抽気ポンプにより、減圧されているため、１００℃未満で熱媒水が沸騰して蒸発し、この減圧蒸気の保有する潜熱が、缶体７上部の減圧蒸気室１０内に組み込まれた第１熱交換器３内の温水へ伝熱され、減圧蒸気は伝熱後、凝縮して再び水となり滴下して熱媒水となる。第１真空式温水機４の熱媒は、１００℃以下、通常は８０℃〜９０℃の熱媒設定温度で制御され、この設定温度範囲で、熱媒水は、沸騰、蒸発、伝熱、凝縮のサイクルを繰り返す。第１真空式温水機４の熱媒温度は、バーナー２の出力を調整することによって制御され得る。
【００１８】
第２真空式温水機６の熱媒Ｈ２は、第１真空式温水機４の熱媒Ｈ１より低い熱媒設定温度で制御され得る。第２真空式温水機６は、バーナーを備えていないため、第２熱交換器５への給水Ｗの流量を制御することにより、熱媒Ｈ２の温度を制御することができる。
【００１９】
第２熱交換器５への給水流量を制御するために、図１に示すように、第２熱交換器５の温水出口側配管５ａと温水入口側配管５ｂを接続して第２熱交換器５をバイパスさせるバイパス管１４が設けられるとともに、バイパス管１４に流れるバイパス流量を調節するための流量制御弁１５が設けられている。流量制御弁１５は、比例動作の三方弁としてバイパス流量を調節すると同時に温水入口側配管５ａの流量を調節することができるが、それに限らず、バイパス流量を調節できるものであれば、接続位置や弁の種類、数等は限定されない。
【００２０】
上記のように、第２真空式温水機６は、その熱媒設定温度を第１真空式温水機４の熱媒設定温度より低く設定し、熱媒Ｈ２の温度を低く保つことにより、真空式温水機であっても従来に比して排ガス温度の低減が可能となる。
【００２１】
従来の真空式温水機では排ガス温度と熱媒温度との差が小さいため伝熱面が伝熱面として十分に機能していない部分が生じることがあったが、本発明では、第２真空式温水機６の熱媒温度を従来に比べて低減することができるため、排ガス温度と熱媒温度との差を従来に比べて大きくすることができ、その結果、排ガス温度を従来に比べて低減可能でありながら、第１真空式温水機４の伝熱面積と第２真空式温水機６の伝熱面積とを合計しても、従来の真空式温水機の伝熱面積と同等の伝熱面積とすることができる。
【００２２】
一般に、真空式温水機では、缶体内で発生した非凝縮性ガスを抽気ポンプで抽出し、真空を保持して、大気圧を超えないようにしなければならない。特に非凝縮性ガスである水素ガスは、微量であっても極端に熱伝達を阻害するため、これを抽出する必要がある。非凝縮性ガスを抽出するために抽気ポンプを作動させる時期は、タイマーにより定期的に抽出することもできるし、あるいは、減圧蒸気温度と熱交換器出口温度の温水温度の差が所定値を超えたことを検出して不定期に抽出することもできる。
【００２３】
第２真空式温水機６では、熱媒設定温度を低く設定するため、熱媒Ｈ２の温度が極端に低下して缶体１１内の真空度が高くなると、抽気ポンプの仕様能力を超えて抽気できなくなるおそれがあるため、熱媒Ｈ２に水を用いる場合は、真空度を考慮して熱媒温度を６０℃〜７０℃の範囲で設定することが望ましい。図４に、熱媒が水の場合の熱媒温度と真空度との関係を示す。第２真空式温水機６の熱媒Ｈ２の温度は、熱媒Ｈ２と熱交換する排ガスＧが凝縮する温度以上に設定しておくことにより、缶体１１の低温腐食や白煙発生を防止することができる。
【００２４】
第２真空式温水機６の熱媒を、水に代えて、１気圧での沸点すなわち標準沸点が１００℃未満の熱媒を用いることにより、更なる高効率化を図ることが可能である。ただし、この場合、熱媒の標準沸点は、外気温度による熱媒の沸騰で第２真空式温水機６の内部が大気圧以上とならないように、６０℃程度を下限として設定することが好ましい。例えば標準沸点が７０℃の熱媒を第２真空式温水機６の熱媒Ｈ２として採用した場合、熱媒の物性や非凝縮性ガスの発生の有無にもよるが、真空度をあまり高くすることなく、熱媒温度を約５０℃で制御することが可能となり、熱媒に水を用いた場合に比べて排ガス温度の低減が可能となる。
【００２５】
図２は、図１に示した真空式温水機１の制御系統の一例を示す概略構成図である。第１真空式温水機４は、サーミスタセンサ等の温度検出器ＴＴ１によって熱媒Ｈ１の温度を検出し、その検出温度が制御装置２０において設定された熱媒設定温度Ｔ１になるように演算器２１で演算した燃料流量制御用の制御出力ＭＶ１を燃料流量調整機構２２に送り、バーナー２へ供給する燃料Ｆの流量を調整することにより、第１真空式温水機４の熱媒を設定温度Ｔ１に温度調節する。
【００２６】
第２真空式温水機６は、サーミスタセンサ等の温度検出器ＴＴ２によって熱媒の温度を検出し、その検出温度が制御装置２０において設定された熱媒設定温度Ｔ３になるように演算器２３で演算したバイパス流量制御用の制御出力ＭＶ３を流量制御弁１５に送り、バイパス管１４を流れるバイパス流量を調整することにより、第２真空式温水機６の熱媒Ｈ２を熱媒設定温度Ｔ３に温度調節する。
【００２７】
第２真空式温水機６の熱媒設定温度Ｔ３は、上記したように、第１真空式温水機４の熱媒設定温度Ｔ１より低い温度であって、抽気ポンプ（不図示）が第２真空式温水機６の缶体１１内の非凝縮性ガスを排出可能な真空度に保てるように設定されている。
第２真空式温水機６の温度検出器ＴＴ２による熱媒温度の実測値が、制御装置２０において設定された熱媒設定温度Ｔ３を下回る場合は、流量制御弁１５を構成する三方弁によりバイパス流量を増加させて第２熱交換器５への減少させることにより、第２真空式温水機６の熱媒温度が熱媒設定温度Ｔ３になるように制御する。
【００２８】
逆に、温度検出器ＴＴ２による熱媒温度の実測値が設定温度Ｔ３を上回る場合は、バイパス流量を減少させて第２熱交換器５への流量を増加させる。この場合、第２熱交換器５の熱交換能力は、第２真空式温水機６の熱媒Ｈ２を熱媒設定温度Ｔ３まで速やかに低下しやすくするために、第１真空式温水機４と第２真空式温水機６の熱交換量の比率から求められる熱交換量より大きめの熱交換能力を備えるものを選定することが好ましい。
【００２９】
下記表１は、上記構成を有する真空式温水機１のヒートバランスのシミュレーション例を示している。下記表１のＴｇ１,Ｔｇ２，Ｔｗ１，Ｔｗ３は何れも仮定値である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１において、第１真空式温水機出口排ガス温度（Ｔｇ１）を３５０℃としているが、この温度を変更して、第１真空式温水機４と第２真空式温水機６の熱交換量バランスを任意に変更することができる。
【００３２】
上記構成を有する真空式温水機１によれば、従来の真空式温水機に比較して、断熱面積を大幅に増加させることなく、下記表２に示すように熱効率を向上させることが可能となる。
【００３３】
【表２】
2015183914.tif 000004
【００３４】
真空式温水機１は、上記構成を備えることにより、第１真空式温水機４と第２真空式温水機６の何れか一方が破損した場合に、破損した方のみを交換することで修復可能なため、修復費用を低減することができる。
【００３５】
また、第２真空式温水機６の主要材料を状況に応じて変更することが可能であり、その材料の耐熱温度により、第１真空式温水機出口排ガス温度（Ｔｇ１）を決定することができる。例えば、熱吸収のよいアルミ材を用いた缶体とすれば小型化が可能であり、腐食性凝縮水が発生する場合はステンレス鋼を用いた缶体とすれば長寿命化を図ることができる。
【００３６】
また、真空式温水機１の起動時には、第２熱交換器５への給湯温水の供給を流量制御弁１５により遮断して、バイパス管１４から第１熱交換器３へ給湯温水を全て流すことにより、素早い立ち上がりと、第２真空式温水機６の起動時に排ガスＧの凝縮水発生を抑制することができる。
【００３７】
上記第１実施形態において、給湯負荷が急減または遮断した場合、第２真空式温水機６の熱媒温度が急激に上昇し得る。このとき、第１真空式温水機４の熱媒温度も上昇するため、第１真空式温水機４の温度検知器ＴＴ１からの温度上昇信号を受けた制御装置２０がバーナー２への燃料供給量を減らしてバーナー２の燃焼量を低減させる。さらに第１真空式温水機４の熱媒温度が上昇する場合には制御装置２０がバーナー２の燃焼を停止させる。
【００３８】
第２真空式温水機６の熱媒温度が急激に上昇するのを緩和するため、図３に示すように、本発明の第２実施形態の真空式温水機１Ａは、第２真空式温水機６の側にも、燃料流量制御用の熱媒温度設定値Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）が設定される。
【００３９】
そして、第１真空式温水機４の熱媒設定温度Ｔ１と温度検出器ＴＴ１により実測される熱媒Ｈ１の温度とから演算器２１で演算される燃料流量制御用の制御出力ＭＶ１と、熱媒温度設定値Ｔ２と温度検出器ＴＴ２により実測される熱媒Ｈ２の温度とから演算器２５で演算される燃料流量制御用の制御出力ＭＶ２とを、比較器２６で比較し、燃料流量が少ない方の制御出力（ＭＶ１またはＭＶ２）を比較器２６から燃料流量調整機構２２に出力することにより、第２真空式温水機６の熱媒温度の急激な温度上昇を緩和し、より安全に且つより速やかに給湯負荷に対して応答させることができる。
【００４０】
本発明は、上記実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１、１Ａ  真空式温水機
２  バーナー
３  第１熱交換器
４  第１真空式温水機
５  第２熱交換器
６  第２真空式温水機
７  缶体
８  燃焼室
９  水管
１０  減圧蒸気室
１１  缶体
１１ａ  減圧蒸気室
１２  水管群
１４  バイパス管
１５  流量制御弁
２０  制御装置
２１，２３，２５  演算器
２２  燃料流量調整機構
２６  比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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