(57)【要約】【課題】主熱交換器の表面温度を平均化して、局部的なドレンの発生を抑制し熱効率を向上させることを目的とする。【解決手段】本実施例の給湯器１によれば、主熱交換器８は燃焼排気の流量分布が均一の場合にはその入水側ほど低温になるが、入水側ほど燃焼排気が多く流入するようにドレン蒸発器９で流量分布をコントロールすることにより主熱交換器８の各部の表面温度を均一にする。  この結果、主熱交換器８でドレンを発生することなく、入水側での熱交換量を増大することができる。従って、主熱交換器８で最大限にまで熱交換でき、主熱交換器８で回収しきれなかった僅かの顕熱を副熱交換器１０で回収するようにして、給湯器１トータルとしての熱効率を向上させることができる。【選択図】図１
2005180778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
上記副熱交換器で発生したドレンを受けて蒸発させる蒸発皿とを備えた温水機器において、
上記蒸発皿により上記主熱交換器に流れるバーナの燃焼排気の流量分布をコントロールして、上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化することを特徴とする温水機器。
【請求項２】
燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器とを備えた温水機器において、
主熱交換器の伝熱管を内側管と外側管とからなる二重管構造にし、上記内側管に上記副熱交換器から送られてきた水を入水させ、その内側管を通過した水を上記外側管に送り、外側管では上記内側管における水の流れ方向と反対方向に水を流すことにより上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化することを特徴とする温水機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナの燃焼熱により通水を加熱する熱交換器を備えた給湯器等の温水機器に関する。
尚、以下の説明において、「燃焼排気」という用語は、熱交換器を通過した後の燃焼ガスだけを意味するわけでなく、バーナの燃焼により発生した熱交換前の高温の燃焼ガスをも含めて使用する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、温水機器の一例である給湯器は、給水管と出湯管が接続される熱交換器と、この熱交換器を加熱するバーナとを備え、バーナの燃焼熱でもって、熱交換器において通水を加熱し、出湯管より温水を供給するように構成される。
【０００３】
通常こうした給湯器においては、フィンチューブ式の熱交換器が用いられ、熱交換器では、フィン間を流れる燃焼排気の温度が均一とならず熱交換器の入水側ほど低温となりドレンが発生しやすい。そこで、入水側のフィン間を流れる燃焼排気の温度が露点（およそ５０〜６０℃）を下回らないように、熱交換を制限している。このため、熱交換器の出水側ではドレンを発生させずに更に多く熱交換できるもにもかかわらず、そのまま高温の排気を無駄に排出している。
【０００４】
そこで、熱交換器の下流側排気通路にも別の熱交換器を設けて熱効率を向上させた給湯器も知られている。
例えば、特許文献１に示す給湯器では、バーナの燃焼排気通路に、主熱交換器と副熱交換器とドレン蒸発器とを備え、主熱交換器において燃焼排気熱中の顕熱を回収し、副熱交換器においてドレンを発生させて潜熱および主熱交換器で回収しきれなかった顕熱を回収し、ドレン蒸発器において副熱交換器で発生したドレンを燃焼排気熱を利用して蒸発させるようにしている。
この給湯器によれば、副熱交換器で回収された潜熱と同量の熱量がドレンの蒸発に使用されるため、結果的には潜熱の回収は行われないものの、通常の給湯器と比較し顕熱について高い回収率を得ることができる。
また、この給湯器では、主熱交換器でドレンが発生しないようにするため、主熱交換器のフィンピッチを入水側で広くなるように調整したり、フィンの板厚を入水側ほど薄くなるように調整したりして、主熱交換器の各部の表面温度を平均化している。
【特許文献１】特開２００２−３９６２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、主熱交換器のフィンピッチやフィンの板厚を調整した場合には、標準タイプの給湯器の熱交換器をそのまま使用することができず、専用の熱交換器として作り分けなければならず、生産性が低下してしまう。
また、主熱交換器の入水側での熱交換を制限しているため、バーナの高温排気熱は水の加熱に有効利用されず、たとえ主熱交換器を通過した排気の熱を副熱交換器で回収しようとしても、副熱交換器での熱回収率にも限度があり、トータルとして充分な熱回収ができるとは言えなかった。つまり、主熱交換器で最大限に熱交換していないため、いくら副熱交換器でリカバーを図っても、結局は高い熱効率が得られないのである。
また、熱交換器の表面温度の平均化は、フィンの調整ではあまり均一にはなりにくいという問題もあった。
本発明の温水機器は上記課題を解決し、主熱交換器の表面温度を平均化して、局部的なドレンの発生を抑制し熱効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明請求項１記載の温水機器は、
燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器と、
上記副熱交換器で発生したドレンを受けて蒸発させる蒸発皿とを備えた温水機器において、
上記蒸発皿により上記主熱交換器に流れるバーナの燃焼排気の流量分布をコントロールして、上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化することを要旨とする。
【０００７】
上記課題を解決する本発明請求項２記載の温水機器は、
燃焼室内で燃料を燃焼するバーナと、
上記バーナの燃焼排気から顕熱を回収して主伝熱管内の通水を加熱する主熱交換器と、
上記主熱交換器より上流の通水路に設けられ、上記主熱交換器を通過した燃焼排気から潜熱と上記主熱交換器で回収しきれなかった顕熱とを回収して副伝熱管内の通水を加熱する副熱交換器とを備えた温水機器において、
主熱交換器の伝熱管を内側管と外側管とからなる二重管構造にし、上記内側管に上記副熱交換器から送られてきた水を入水させ、その内側管を通過した水を上記外側管に送り、外側管では上記内側管における水の流れ方向と反対方向に水を流すことにより上記主熱交換器の各部の表面温度を平均化することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の温水機器は、バーナの燃焼排気により主熱交換器の伝熱管に流れる水を加熱し、主熱交換器を通過した燃焼排気により副熱交換器に流れる水を加熱する。副熱交換器では、ドレンが発生するまで熱交換し、このドレンは蒸発皿で受けられ燃焼排気により加熱されて蒸発する。
この蒸発皿は、バーナの燃焼排気が主熱交換器に流れる流量分布をコントロールして主熱交換器の各部の表面温度を均一にする。
つまり、主熱交換器は燃焼排気の流量分布が均一の場合にはその入水側ほど低温になるが、入水側ほど燃焼排気が多く流入するように蒸発皿で流量分布をコントロールすることにより主熱交換器の各部の表面温度を均一にする。
この結果、主熱交換器でドレンを発生することなく、入水側での熱交換量を増大することができる。従って、主熱交換器で最大限にまで熱交換でき、主熱交換器で回収しきれなかった僅かの顕熱を副熱交換器で回収するようにして、温水機器トータルとしての熱効率を向上させることができる。
また、蒸発皿を利用して流量分布をコントロールするため、特別に分布板等を設ける必要がない。また、主熱交換器のフィン等を改造する必要もなく、生産性の低下やコストアップを招かない。
【０００９】
上記構成を有する本発明の請求項２記載の温水機器は、バーナの燃焼排気により主熱交換器の伝熱管に流れる水を加熱し、主熱交換器を通過した燃焼排気により副熱交換器に流れる水を加熱する。
主熱交換器では、伝熱管が二重管構造となっており、供給された水は最初に内側管に流れたのち外側管に送られる。この場合、外側管に流れる水は内側管に流れる水の方向と反対向きになっているため、外側管における上流側が内側管における下流側と接することとなる。
バーナの燃焼排気は、まず外側管の水と熱交換し、その下流側ほど得られた熱量が増えていくが、外側管の水は同時に内側管の水とも熱交換することとなり、内側管の水は上流ほど低温であることから、外側管内の水はその流れ方向の温度が均一となる。
この結果、主熱交換器の各部の表面温度が平均化され、主熱交換器の全体を使ってドレンが発生する直前まで熱交換することができる。従って、主熱交換器で最大限にまで熱交換でき、主熱交換器で回収しきれなかった僅かの顕熱を副熱交換器で回収するようにして、温水機器トータルとしての熱効率を向上させることができる。しかも、副熱交換器に送られる燃焼排気は、均一な温度分布になっているため、副熱交換器での熱回収も有効に行うことができる。
さらに、内側管よりも外側管を下流側としているため、内側管に流れる水よりも外側管に流れる水の方が高温となるので、主熱交換器の表面温度は一層高温となりドレンの発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の温水機器の好適な実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１としての給湯器１は、図１に示すように、器具本体２内に燃焼室３が設けられ、その下方にＤＣモータ４と連結した給気ファン５が取り付けられる。尚、器具本体２には、外気を燃焼用空気として取り込むための給気口６が形成される。
【００１２】
燃焼室３内には、下から順に、燃料ガスと給気ファン５からの一次空気との混合ガスを燃焼するバーナ７と、バーナ７からの燃焼排気の顕熱の多くを回収するフィンチューブ式の主熱交換器８と、ドレンを受けて蒸発させるドレン蒸発器９と、主熱交換器８で回収しきれなかった顕熱とドレンを発生させて回収する潜熱とを回収する副熱交換器１０とが設けられる。燃焼室３の上部には、主熱交換器８、副熱交換器１０で熱交換後の燃焼排気を器体外へ排出する排気口１１が形成される。
【００１３】
器具本体２内に設けられる通水管は、上流から順に、冷水が供給される給水管１２、燃焼室３を外側で巻回する巻回管１３、副熱交換器１０として設けられる副伝熱管１４、主熱交換器８に設けられる主伝熱管１５、温水を出湯する出湯管１６からなる。これらの通水管の内、副伝熱管１４は耐食性に優れたパイプ（例えば、ステンレスパイプ）であり、その他の管は銅製である。
一方、主伝熱管１５には、燃焼熱を吸収する多数の銅製の主フィン１７が等ピッチで設けられる。このため、主熱交換器８は入水側ほど低温となり、出水側ほど高温となる。
また、主熱交換器８と副熱交換器１０との位置関係は、副熱交換器１０の入水側が、主熱交換器８の出水側すなわち主熱交換器８の高温部側の上方となるように配置する。
【００１４】
ドレン蒸発器９は、図１、図２、図３に示すように、断面がＵ字状に形成された長細いドレン受け１８が横方向に三列で並べられ、その左右の端部がそれぞれ一体的に結合されたドレン受け部１９と、ドレン受け１８とドレン受け１８との間の排気隙間２０の上方を覆い下方の主熱交換器８やバーナ７等へのドレンの落下を防止する断面逆Ｕ字状のドレンカバー２１とからなる。尚、図２は、図１中の一点鎖線Ａ−Ａでの断面図である。また、ドレン受け１８は、左右の長手方向の辺が平行に形成されているのではなく、それぞれが左端部から右端部にいくにつれ、その横幅が狭まるように形成される。従って、ドレン受け１８とドレン受け１８との間の排気隙間２０は、左端部から右端部にいくにつれて広くなる。
そして、ドレン蒸発器９は、主熱交換器８の上方全面を覆う大きさで設けられ、主熱交換器８の入水側すなわち低温側に対向する側に広い方の排気隙間２０が、主熱交換器８の出水側すなわち高温側に狭い方の排気隙間２０がくるように配置される。
【００１５】
給水管１２には水流センサや水ガバナを備える水側制御ユニット２２が設けられ、バーナ７へのガス管２３には主電磁弁２４及びガス比例弁２５が設けられる。また、水側制御ユニット２２内の水流センサや、主電磁弁２４及びガス比例弁２５、そしてＤＣモータ４等は、この給湯器１の燃焼を制御するバーナコントローラ２６に電気的に接続される。
【００１６】
このように構成された給湯器１では、図示しない給湯栓を開くことにより給水管１２に水（図中破線矢印）が流れ、水側制御ユニット２２内の水流センサからの検知信号によりバーナコントローラ２６が制御動作を行い、給気ファン５がＤＣモータ４の駆動により回転し始める。所定のプリパージが完了すると、バーナ７の主電磁弁２４及びガス比例弁２５が開いてバーナ７に燃料ガス（図中実線矢印）が供給され、図示しないイグナイタによりバーナ７に点火が行われる。
点火動作が終了すると、比例制御が開始され、図示しない主湯温サーミスタで検出される湯温と設定温度との差があると、バーナコントローラ２６でそれを判断しガス比例弁２５へ信号を送り、ガス量を連続的に変化させて主熱交換器８の出口温度を一定に保つ。また、ガス比例弁２５によるガス量の変化に応じてバーナコントローラ２６から給気ファン５のＤＣモータ４に信号が送られ、給気ファン５の回転数も変えられ、常にガス量と給気量とが所定の関係に保たれるように制御される。
【００１７】
このような燃焼制御において、給気ファン５の動作に伴い、器具本体２に設けられる給気口６より外気が器具本体２内に吸引され、バーナ７へ導入されて燃焼用空気として燃焼に供される。バーナ７の炎口近傍では混合気が燃焼して火炎を形成し、主熱交換器８の上流近傍に至る間に燃焼が完結（完全燃焼）する。
バーナ７からの高温の燃焼排気が、給気ファン５により主熱交換器８の各主フィン１７間を貫流し主伝熱管１５を流れる水と熱交換し、これにより温度の下がった燃焼排気が、ドレン蒸発器９を加熱して、さらに副熱交換器１０の副伝熱管１４を流れる水と熱交換した後に排気口１１から器具の外へ排出される。ドレン蒸発器９においては、燃焼排気は、排気隙間２０とドレンカバー２１との間を通って流れていく。
この際、主熱交換器８では、ドレンを発生させずに顕熱のみを回収し、一方、副熱交換器１０では、ドレンを発生させて主熱交換器８で回収しきれなかった顕熱に加え潜熱も回収する。
【００１８】
発生したドレンは、副熱交換器１０の真下に設けられたドレン蒸発器９で受けられる。ドレンカバー２１に落下したドレンもドレンカバー２１を伝わってドレン受け１８に落ちて、燃焼排気により加熱されて蒸発する。この際、回収した潜熱と同量の熱量を燃焼排気中へ放出してしまうが、副熱交換器１０ではドレンの発生を制限することなく燃焼排気からできるだけ多くの顕熱を回収することが可能となる。また、ドレンカバー２１は、燃焼排気を一旦ドレン受け１８上のドレンに案内するガイドとしても働く。
【００１９】
そして、ドレン蒸発器９においては、主熱交換器８の入水側の排気隙間２０を広く、出水側の排気隙間２０を狭く形成しているために、燃焼排気は、入水側の方に多く流れて主熱交換器８の表面温度を均一化する。すなわち、このドレン蒸発器９は、バーナ７の燃焼排気が主熱交換器８に流れる流量分布をコントロールして主熱交換器８の各部の表面温度を均一にする。
つまり、主熱交換器８は燃焼排気の流量分布が均一の場合にはその入水側ほど低温になるが、入水側ほど燃焼排気が多く流入するようにドレン蒸発器９で流量分布をコントロールすることにより主熱交換器８の各部の表面温度を均一にする。
この結果、主熱交換器８でドレンを発生することなく、入水側での熱交換量を増大することができる。従って、主熱交換器８全体を有効に使うことにより、ここで最大限にまで熱交換でき、主熱交換器８で回収しきれなかった僅かの顕熱を副熱交換器１０で回収するようにして、給湯器１トータルとしての熱効率を向上させることができる。
また、ドレン蒸発器９を利用して流量分布をコントロールするため、特別に分布板等を設ける必要がない。また、主熱交換器８の主フィン１７等を改造する必要もなく、生産性の低下やコストアップを招かない。
【００２０】
さらに、燃焼排気が排気隙間２０とドレンカバー２１との間を通って流れていくため、ドレン受け１８中のドレンは燃焼排気に直接接触して加熱されるので、より一層効率良く蒸発させられる。
【００２１】
以上本発明の実施例１について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、実施例１では、ドレン蒸発器９の排気隙間２０の開口幅を変えることによって排気通路の面積を調節して燃焼排気の流量分布をコントロールしたが、これに限ったものではなく、図４、図５に示すように、排気隙間を多数の丸穴２７で形成し、丸穴２７の大きさを変えたり（図４）、丸穴２７の密度分布を変えたり（図５）して燃焼排気の流量分布をコントロールしてもよい。つまり、主熱交換器８の入水側ほど排気通路面積が広くなるようにして、主熱交換器８の各部の表面温度を均一化すればよいのである。
【実施例２】
【００２２】
次に、実施例２の給湯器について図６、図７、図８を用いて説明する。尚、実施例１と異なる部分について説明し、重複する部分に関しては同一符号を付してその説明を省略する。
実施例２の給湯器２０１では、主熱交換器２０８の主伝熱管２１５を内側管２２９と外側管２３０とからなる二重管構造とする。そして、内側管２２９に副熱交換器２１０から送られてきた水を入水させ、その内側管２２９を通過した水を外側管２３０に送り、外側管２３０では内側管２２９における水の流れ方向と反対方向に水を流す。また、主伝熱管２１５には、燃焼熱を吸収する多数の銅製の主フィン２１７が等ピッチで設けられる。
ドレン蒸発器２０９においては、図６、図７、図８に示すように、ドレン受け２１８として左右の長手方向の辺が平行に形成されたものを用いてドレン受け部２１９を形成する。従って、排気隙間２２０は、主熱交換器２０８の上方領域で等しくなり燃焼排気の流れに偏りは生じない。尚、図７は、図６中の一点鎖線Ｂ−Ｂでの断面図である。
【００２３】
このような給湯器２０１では、バーナ７からの高温の燃焼排気が、給気ファン５により主熱交換器２０８の各主フィン２１７間を貫流し主伝熱管２１５を流れる水と熱交換し、これにより温度の下がった燃焼排気が、ドレン蒸発器２０９を加熱して、さらに副熱交換器２１０の副伝熱管２１４を流れる水と熱交換した後に排気口１１から器具の外へ排出される。ドレン蒸発器２０９においては、燃焼排気は、排気隙間２２０とドレンカバー２１との間を通って流れていく。
この際、主熱交換器２０８では、ドレンを発生させずに顕熱のみを回収し、一方、副熱交換器２１０では、ドレンを発生させて主熱交換器２０８で回収しきれなかった顕熱に加え潜熱も回収する。発生したドレンは、副熱交換器２１０の真下に設けられたドレン蒸発器２０９で受けられ、燃焼排気によって加熱されて蒸発する。
そして、主熱交換器２０８では、主伝熱管２１５が二重管構造となっており、供給された水は最初に内側管２２９に流れたのち外側管２３０に送られる。この場合、外側管２３０に流れる水は内側管２２９に流れる水の方向と反対向きになっているため、外側管２３０における上流側が内側管２２９における下流側と接することとなる。
バーナ７の燃焼排気は、まず外側管２３０の水と熱交換し、その下流側ほど得られた熱量が増えていくが、外側管２３０の水は同時に内側管２２９の水とも熱交換することとなり、内側管２２９の水は上流ほど低温であることから、外側管２３０内の水はその流れ方向の温度が均一となる。
この結果、主熱交換器２０８の各部の表面温度が平均化され、主熱交換器２０８の全体を使ってドレンが発生する直前まで熱交換することができる。従って、主熱交換器２０８で最大限にまで熱交換でき、主熱交換器２０８で回収しきれなかった僅かの顕熱を副熱交換器２１０で回収するようにして、給湯器２０１トータルとしての熱効率を向上させることができる。しかも、副熱交換器２１０に送られる燃焼排気は、均一な温度分布になっているため、副熱交換器２１０での熱回収も有効に行うことができる。
さらに、内側管２２９よりも外側管２３０を下流側としているため、内側管２２９に流れる水よりも外側管２３０に流れる水の方が高温となるので、主熱交換器２０８の表面温度は一層高温となりドレンの発生を抑制できる。
尚、本実施例では、発生したドレンを蒸発処理するようにしているが、これに限ったものではなく、中和装置を備え、ドレンを中和処理した後に液体のまま器具外に排出するような構成としてもよい。
【００２４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、本実施例では、給気ファン５を備えた強制燃焼式の給湯器１、２０１に適用した例を示したが、これに限ったものではなく、給気ファンを備えない自然燃焼式の給湯器に適用しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
バーナの燃焼熱により通水を加熱して出湯する温水機器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１としての給湯器の概略構成図である。
【図２】実施例１としてのドレン蒸発器の断面図である。
【図３】実施例１としてのドレン蒸発器の平面図である。
【図４】別の実施例としてのドレン蒸発器の平面図である。
【図５】別の実施例としてのドレン蒸発器の平面図である。
【図６】実施例２としての給湯器の概略構成図である。
【図７】実施例２としてのドレン蒸発器の断面図である。
【図８】実施例２としてのドレン蒸発器の平面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、２０１  給湯器
３  燃焼室
７  バーナ
８、２０８  主熱交換器
９、２０９  ドレン蒸発器
１０、２１０  副熱交換器
１４、２１４  副伝熱管
１５、２１５  主伝熱管
２２９  内側貫
２３０  外側管
【図１】
2005180778.tif 000003
【図２】
2005180778.tif 000004
【図３】
2005180778.tif 000005
【図４】
2005180778.tif 000006
【図５】
2005180778.tif 000007
【図６】
2005180778.tif 000008
【図７】
2005180778.tif 000009
【図８】
2005180778.tif 000010