(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求熱量に応じて燃焼量を可変するバーナを備えた熱交換器と、その熱交換器へ水を供給する給水管と、前記熱交換器から湯を送出する出湯管とを備え、前記給水管と出湯管との間に、前記熱交換器をバイパスするバイパス管を接続し、そのバイパス管と前記給水管との接続部に、前記バイパス管への通水量を制御可能な制御弁と、前記給水管への入水温度に応じて動作して前記制御弁を連動させる熱応動部材とを設ける一方、前記バイパス管と前記出湯管との接続部を、上流側に開口する第一通路とその第一通路の下流側に開口する第二通路とに分岐させると共に、前記第一通路と第二通路との間に、前記第一通路と第二通路間を移動可能な第二制御弁を、前記第一通路の開口の下流で前記第二通路の開口の上流位置に、温度に応じて動作して前記第二制御弁を連動させる第二熱応動部材を夫々設け、前記第二熱応動部材の所定温度での動作により、前記所定温度より低温域では前記第二制御弁に前記第一通路のみを、前記所定温度より高温域では前記第二制御弁に前記第二通路のみを夫々開放させ、前記第一、第二熱応動部材による前記第一、第二制御弁の動作制御により、前記バイパス管への通水量を調整可能としたバイパスミキシング式給湯器であって、
前記熱交換器に、前記熱交換器内に配管される複数の吸熱管の一部をバイパスする部分バイパス管を設けたことを特徴とするバイパスミキシング式給湯器。
【請求項２】
部分バイパス管にバイパスされる吸熱管の一部が、バーナから最も離れた吸熱管を含むものである請求項１に記載のバイパスミキシング式給湯器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に接続される給水管と出湯管との間に、熱交換器をバイパスするバイパス管を接続し、そのバイパス管の通水量を調整することで、熱交換器内の湯温をドレン発生及び沸騰の虞れのない一定温度範囲に調整可能としたバイパスミキシング式給湯器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記バイパスミキシング式給湯器においては、給水管とバイパス管との接続部に、バイパス管の通水量を制御可能な制御弁と、温度によって荷重を変化させる形状記憶合金バネ等の熱応動部材とを設けて、入水温度に基づいて制御弁の開度を制御する一方、バイパス管と出湯管との接続部にも、バイパス管の通水量を制御可能な第二制御弁と同じく形状記憶合金バネ等の第二熱応動部材とを設けて、熱交換器からの湯の温度（以下「熱交出口温度」という）又はこれにバイパス管からの水が混合された後の湯の温度（以下「ミキシング温度」という）に基づいて第二制御弁の開度を制御することで、器具への全水量に対するバイパス管の通水量の比（バイパス率）を制御して、熱交換器内の温度でドレンの発生しやすい部位においては４１℃以上とし、高温出湯時においては沸騰の虞れのないよう８５℃以下に調整可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蛇口の開度の変更等で器具内の流量が変化し、熱交出口温度が変化することがあると、出湯側で第二熱応動部材が反応して第二制御弁を連動させることで、バイパス率が不必要に変化し、出湯温度のオーバーシュートやダウンシュートを招くことがある。そこで、本件出願人は、バイパス管と出湯管との接続部を、第二熱応動部材の上流側に開口する第一通路と、第二熱応動部材の下流側に開口する第二通路とに分岐させ、第二熱応動部材の所定温度での動作により、低温域では第二制御弁に第一通路のみを、高温域では第二制御弁に第二通路のみを夫々開放させるようにすることで、第二熱応動部材の感知温度にミキシング温度と熱交出口温度とのヒステリシスを持たせて、第二制御弁の動作を最小限に抑える発明を既に提供している。これによれば、流量変化で熱交出口温度やミキシング温度が変動することがあっても、不必要なバイパス率の変化がある程度防止される。
【０００４】
しかし、この発明においても、熱交換器の応答遅れは改善できないため、流量変化によるオーバーシュート、ダウンシュートを完全に解消するには至らず、±６℃程度の過渡温度変化は残ってしまう。又、入水温度が高い（例えば３０℃）の場合で、いわゆるコールドスタートで高温（例えば６０℃）の設定温度で出湯を行うと、器具内水温によりバイパス率を高い値に設定していた第二熱応動部材は、６０℃のミキシング温度を感知してバイパス率を抑える方向へ応動し、このバイパス率の切替により熱交換器側の流量比率が増加するが、熱交換器の応答遅れの間は、高温になっている熱交換器中の湯が流出するため、熱交出口温度が瞬間的に８０℃以上となり、ミキシング温度を設定温度より大きく超えさせてしまう。
【０００５】
そこで、請求項１に記載の発明は、このように入水側と出湯側とで２つの制御弁と熱応動部材とを設けると共に、特に出湯側ではバイパス管からの通路を切り替えることで第二熱応動部材の感知温度にヒステリシスを持たせたものにおいて、流量変化によるオーバーシュート、ダウンシュートを効果的に緩和し、更にコールドスタート時のオーバーシュートも防止できる等、出湯特性をより向上させることができるバイパスミキシング式給湯器を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、前記熱交換器に、前記熱交換器内に配管される複数の吸熱管の一部をバイパスする部分バイパス管を設けたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、熱交換器の能力を落とさず、ドレン発生の防止にも繋がる部分バイパス管の効果的な配管を行うために、部分バイパス管にバイパスされる吸熱管の一部を、バーナから最も離れた吸熱管を含むものとしたことである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、バイパスミキシング式給湯器（以下「給湯器」と略称する）の概略を示すもので、給湯器１は、上水道に接続される給水管２と、給水管２から導かれる水をガスバーナ３により加熱する熱交換器４と、その熱交換器４で加熱された湯を送り出す出湯管５とを備えている。又、給水管２には、水量を検出する水量センサ６と、入水温度を検出する入水温センサ７とが、出湯管５には、出湯温度を検出する出湯温センサ８が夫々設けられて、コントローラ９に接続されている。このコントローラ９は、入水温センサ７や出湯温センサ８から得られる検出信号に基づいて、ユーザーが設定する温度で出湯されるように、ガスバーナ３へのガス流路に設けられた比例制御弁（図示せず）の開度を制御する等周知の出湯温制御を行うものである。
【０００８】
そして、給水管２と出湯管５との間には、熱交換器４をバイパスするバイパス管１０が接続され、給水管２とバイパス管１０との接続部分には、水ガバナ１１が設けられる。水ガバナ１１は、隔壁１２によって２つに仕切られるガバナ本体１３の一方側（図１の右側）に、上流側を開口させたカップ状の固定弁体１４を移動不能に固定し、その固定弁体１４の内側に、可動弁体１５をシール部材１６を介して固定弁体１４の内壁にスライド自在に設け、固定弁体１４に形成された弁座１７の開度を調整可能としている。又、固定弁体１４と可動弁体１５との間には、可動弁体１５を上流側へ付勢するコイルバネ１８が内設されている。１９は可動弁体１５のスライド位置を規制するストッパリングである。
一方、ガバナ本体１３における隔壁１２の他方側（図１の左側）には、給水管２へ流入された水の通路２０が形成されると共に、その通路２０内に弁軸２１が軸方向に移動自在に設けられ、弁軸２１の下端には、弁座２２との間で通路２０の開度を調整可能な流量可変ニードル２３が設けられている。又、弁軸２１の上端は、隔壁１２の他方側を更に区切る仕切壁２４を貫通してバイパス管１０内に突出しており、その先端に、バイパス管１０内に形成された弁座２５の開度を調整することでバイパス管１０への通水量を調整可能な制御弁としてのバイパス絞り弁２６が設けられている。
【０００９】
又、弁軸２１には、仕切壁２４と流量可変ニードル２３との間で熱応動部材としての形状記憶合金バネ２７が外装されると共に、流量可変ニードル２３の上流側に形状記憶合金バネ２７と対向するバイアスバネ２８が外装されている。即ち、給水管２への入水温度が高くなると形状記憶合金バネ２７の荷重が増大し、弁軸２１を押し下げてバイパス絞り弁２６がバイパス管１０への通路を開くと同時に、流量可変ニードル２３も通路２０を開く方向へ移動するものである。
更に、隔壁１２及び固定弁体１４には、通路２０を通る水を固定弁体１４の内部空間へ導く連通孔２９が設けられ、固定弁体１４には、固定弁体１４内の水を熱交換器４側へ送り出す開口３０，３０が、隔壁１２には、開口３０，３０から送り出された水の一部をバイパス絞り弁２６の上流側からバイパス管１０へ送り出す開口３１が設けられている。
【００１０】
一方、出湯管５におけるバイパス管１０の接続部分には、出湯管５より一回り小さい筒状体３２が同じく筒状の連設部３３を介して内設されて、連設部３３にバイパス管１０が接続され、バイパス管１０からの水が連設部３３と筒状体３２とを通って出湯管５内に流れるようにしている。
又、筒状体３２内には、上流側に第一弁座３４が、下流側に、嵌着されたバルブシート本体３５によって第二弁座３６が夫々形成されると共に、筒状体３２と同軸で第二制御弁としての弁軸３７が軸方向に移動可能に収容され、その弁軸３７に、第一弁座３４との間に形成される第一通路３８を開閉可能な第一弁体３９と、第二弁座３６との間に形成される第二通路４０を開閉可能な第二弁体４１とが夫々形成されている。ここでは、第一弁体３９が第一弁座３４を閉塞する弁軸３７の位置では、第二弁体４１が第二弁座３６から離れて第二通路４０を開放し、第二弁体４１が第二弁座３６を閉塞する弁軸３７の位置では、第一弁体３９が第一弁座３４から離れて第一通路３８を開放する位置関係となっている。尚、両通路の開口面積は、第一通路３８側が大きくなる設定としている。
【００１１】
更に、弁軸３７の上端には、筒状体３２の上方を覆うように開口を下向きに配置されたカップ状のバネ受け４２が連結されており、バネ受け４２には放射状に開口４３，４３・・が形成されている。又、バネ受け４２の下端と筒状体３２外周の段部４４との間には、感知温度によって荷重を変化させる第二熱応動部材としての形状記憶合金バネ４５が、筒状体３２に外装される格好で配置されている。
一方、筒状体３２内にはバネ受け４６が固着され、そのバネ受け４６と第二弁体４１に連設されたフランジ４７との間には、普通のコイルバネであるバイアスバネ４８が配置されて、弁軸３７を第二弁体４１が第二弁座３６を閉塞する方向へ付勢している。
【００１２】
尚、形状記憶合金バネ４５は、図２のグラフに示す如く、感知温度が５７℃を超えない間は一定荷重で、バイアスバネ４８とのバランスにより弁軸３７のストロークを図１に示す第一通路３８の開放位置に維持させる。そして感知温度が５７℃を超えると、荷重を増加させて弁軸３７を押し上げ、バイアスバネ４８とのバランスにより６０℃で荷重を一定させる。この動作により、図３の如く第一弁座３４を閉塞して第二通路４０を開放することになる。このように弁軸３７のストロークに伴う第一，第二通路３８，４０の切替により、５７℃以上を感知して弁軸３７を押し上げた後は、第一通路３８が閉塞され、下流の第二通路４０のみが開放されることで、バイパス管１０からの水は筒状体３２からそのまま第二通路４０を通って形状記憶合金バネ４５の下流から出湯管５内に合流するため、形状記憶合金バネ４５は熱交出口温度を感知する。一方、５７℃未満の場合は、第二通路４０が閉塞され、上流の第一通路３８のみが開放されることで、バイパス管１０からの水は第一通路３８とバネ受け４２の開口４３を通って形状記憶合金バネ４５の上流から出湯管５内に合流するため、形状記憶合金バネ４５はミキシング温度を感知することになる。
【００１３】
そして、４９は、熱交換器４内で吸熱管を部分的にバイパスする部分バイパス管で、具体的には吸熱管の通水順路を示す図４の如く、熱交換器４には、ガスバーナ３に最も近い下段に３本、中段に２本、上段に３本の吸熱管Ａ〜Ｈが配置されると共に、Ａ〜Ｈの順で通水するものとなっており、部分バイパス管４９は、下段の吸熱管Ｃと中段の吸熱管Ｄとの間と、上段の吸熱管Ｇと中段の吸熱管Ｈとの間とに、熱交換器４内で吸熱管Ｄ〜Ｇをバイパスして矢印の方向に湯が流れるように接続されている。尚、各吸熱管Ａ〜Ｈの上の数字は吸熱率を示す。又、部分バイパス管４９は、熱交換器４への通水量に対する部分バイパス管４９への通水量の比、即ち部分バイパス率が本実施の形態では４０％となるように設定されるものである。
【００１４】
以上の如く構成された給湯器１においては、給水管２内に導かれた水は、まずガバナ本体１３内の弁座２２と流量可変ニードル２３との間を通って連通孔２９から固定弁体１４内に流れ込み、固定弁体１４内の水は可動弁体１５と弁座１７間の通路を通り、固定弁体１４の開口３０，３０から熱交換器４側とバイパス管１０側とに夫々流れる。このとき、通路２０を流れる水の温度を感知して形状記憶合金バネ２７が荷重を変化させ、バイアスバネ２８とのバランスで弁軸２１のストロークを決定することで、通路２０の開度が変更され、これに伴って可動弁体１５と弁座１７との間の開度も変更されて、水ガバナ１１を流れるトータル水量が調整される。又、同時にバイパス絞り弁２６と弁座２５との間の開度も変更されるため、これによりバイパス管１０への通水量が決定される。本形態では、入水温度の５℃〜３０℃までの変化に対して、トータル水量が７．２７リットル／分〜１３．３リットル／分まで変化し、バイパス率は２２．０％〜３９．５％まで変化するものとなる。
【００１５】
一方、給湯器１では、熱交換器４内に設けた部分バイパス管４９によって、吸熱管Ａ〜Ｇを通って加熱される湯に、吸熱管Ａ〜Ｃのみを通って加熱される湯を混合する形態となるため、吸熱管Ｇ−Ｈ間における部分バイパス管４９との接続部分より上流側の熱交内温度ＴA1を、吸熱管Ｈの下流側である熱交出口温度ＴB より上げることができる。図５は、出湯温度（大文字で示す）に応じた入水温度と熱交換器内の温度との関係を示すグラフであるが、バイパス絞り弁２６によるバイパス管１０の通水量で決定されるバイパス率（以下、部分バイパス率と区別しやすいように「全バイパス率」という）を、入水温度５℃〜３０℃に対して点線のグラフａのように２２．０％〜３９．５％まで変化させた場合、出湯温度３８℃では、ドレンの発生しやすい吸熱管Ｄ−Ｅ間の熱交内温度ＴA2が４１．４℃で一定、熱交出口温度ＴB が４７．３℃〜４３．２℃の変化となる。
【００１６】
又、部分バイパス管４９がなく、入水側のバイパス絞り弁２６のみによる全バイパス率では、入水温度が高くなると全バイパス率が４５．２％となり、６０℃以上の出湯温度では熱交出口温度が沸騰限界の８５℃を超えてしまっていたが、ここでは、部分バイパス管４９により前述のように最大でも全バイパス率を３９．５％に低く抑えることができるから、それだけ熱交内温度ＴA1及び熱交出口温度ＴB を低くすることができる。即ち図５の如く、出湯温度６０℃の場合、熱交内温度ＴA1が入水温度５℃〜３０℃の変化に対して７７．４℃〜８１．０℃、熱交出口温度ＴB が７５．５℃〜７９．６℃で夫々変化し、沸騰限界を満足させることができる。
【００１７】
一方、出湯管５側では、出湯温度が３８℃〜５０℃の場合は、図１の状態にあってミキシング温度を感知する形状記憶合金バネ４５は動作せず、弁軸３７は図１のように第一通路３８のみを開く位置にあり、全バイパス率は、水ガバナ１１側のバイパス絞り弁２６の制御によって先述の２２．０％〜３９．５％の範囲で設定される。そして、出湯温度が７０℃の場合は、水ガバナ１１側のバイパス絞り弁２６のみによる全バイパス率の設定では、図５のグラフのように、熱交内温度ＴA1、熱交出口温度ＴB 共に沸騰限界である８５℃以下を維持できないが、感知温度が５７℃を超えることで出湯側の形状記憶合金バネ４５が動作して、弁軸３７は図３のように第二通路４０のみを開く位置に移動し、バイパス管１０の通水量は絞られるため、全バイパス率は図６の点線のグラフｂに示す如く、１１．０％〜１１．９％の変化の小さい範囲で設定される。これにより出湯温度７０℃の熱交内温度ＴA1、熱交出口温度ＴB 共に、同図で示すように、７５．４℃〜８０．０℃の範囲で変化し、沸騰限界の８５℃以下を維持できることになる。尚、ここでは、出湯温度６０℃の場合もこの低い全バイパス率が適用され、図５の場合に比べて最高でも６８．４℃となるため、沸騰限界に対してかなり余裕が生じる。又、出湯温度が６０℃又は７０℃の高温域であれば、熱交出口温度ＴB は常にこれ以上の温度となるから、ここで熱交出口温度ＴB を直接感知する形状記憶合金バネ４５が動作することはない。
【００１８】
このように上記実施の形態では、水ガバナ１１側と出湯管５側とによる全バイパス率の制御で、熱交換器４にドレン及び沸騰を発生させない適正温度に維持可能となる。特にここでは、熱交換器４に部分バイパス管４９を設けたことで、全バイパス率の設定を部分バイパス管４９を設けない従来品より低くできるため、コールドスタート時のオーバーシュートの効果的な抑制等の効果を得ることができる。以下表１において、これらの効果を所定の条件で得た具体例を示す。尚、表１において、「全バイパス式」とは、上記形態で部分バイパス管４９を設けない場合を指し、「部分バイパス式」とは、部分バイパス管４９を設けた上記形態を指すが、ここでは部分バイパス率が４０％の場合とする。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
上記表１によれば、部分バイパス管４９を設けたことで、ドレン限界や沸騰限界を満足させる全バイパス率を低く抑えることができ、コールドスタート時の出湯側での全バイパス率の切替に伴うオーバーシュートを効果的に緩和できることがわかる。又、流量変化時のオーバーシュート、ダウンシュートも従来の形態に比べて軽減できる。特にオーバーシュート、ダウンシュートは、全バイパス式では最大で±６℃のぶれ幅で生じていたものが、部分バイパス式によって±４℃以内に抑えることができる。これは、部分バイパス管４９を設けたことで、変化情報が出湯温センサ８に早く届き、それだけフィードバック制御が迅速に機能することと、熱交換器４への全流量が全吸熱管Ａ〜Ｈを通る場合に比べて、部分バイパス管４９により全吸熱管Ａ〜Ｈを通る場合と吸熱管Ａ〜Ｃ及びＨを通る場合とで分割されることで、変化もそれに合わせて分割され、変化のピーク値が低下することによると考えられる。
又、ここでは、部分バイパス管４９を、ガスバーナ３から最も離れた上段の吸熱管Ｅ〜Ｇを含むようにバイパスしているから、熱交換器４の性能を低下させることなく、吸熱率が小さく最もドレンが発生しやすい吸熱管Ｅ〜Ｇへの流量を抑えてドレンの発生防止に繋がる効果的な配管が可能となる。
【００２１】
尚、部分バイパス管４９による部分バイパス率は、上記形態の４０％に限定する必要はなく、適用する熱交換器４への流量や吸熱管の数等に応じて適宜変更可能で、又、部分バイパス管４９の接続場所も、上記形態での吸熱管Ｃ−Ｄ間と吸熱管Ｇ−Ｈ間との配管に限定するものでなく、上段の吸熱管Ｅ〜Ｇのみをバイパスさせる等適宜変更可能である。
更に、入水側と出湯側とに設ける各制御弁の形態も、入水側では水ガバナ１１と別個にして単独でバイパス絞り弁２６を配置したり、出湯側では、バイパス管１０を二股に分岐して上流側と下流側とに第一、第二通路を形成するように出湯管５に接続し、両通路を連通させる開口を１つだけ形成したスリーブを出湯管５内にスライド可能に内設して、そのスリーブ内に設けた形状記憶合金バネでスリーブを動作させることで、形状記憶合金バネの感知温度にヒステリシスを与える構成としたりする等、設計変更して差し支えない。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、入水側と出湯側とで２つの制御弁と熱応動部材とを設けると共に、特に出湯側ではバイパス管からの通路を切り替えることで第二熱応動部材の感知温度にヒステリシスを持たせたものにおいて、熱交換器に、吸熱管の一部をバイパスする部分バイパス管を設ける簡単な構成で、ドレン限界と沸騰限界とを満足させる全バイパス率を低く設定することができ、コールドスタート時の出湯側での全バイパス率の切替に伴うオーバーシュートを効果的に緩和可能となる。又、流量変化時のオーバーシュート、ダウンシュートも好適に軽減可能となって、出湯特性の優れた使い勝手の良いバイパスミキシング式給湯器を得ることができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、部分バイパス管にバイパスされる吸熱管の一部が、バーナから最も離れた吸熱管を含むものとしたことで、熱交換器の性能を低下させることなく、吸熱率が小さく最もドレンが発生しやすい吸熱管への流量を抑えてドレンの発生防止に繋がる効果的な配管が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイパスミキシング式給湯器の概略図（出湯側は第一通路３８の開放状態）である。
【図２】形状記憶合金バネ４５の温度と荷重との関係を示すグラフである。
【図３】バイパスミキシング式給湯器の概略図（出湯側は第二通路４０の開放状態）である。
【図４】熱交換器における吸熱管の通水順路を示す説明図である。
【図５】入水側のバイパス絞り弁による入水温度と熱交出口温度及び全バイパス率との関係を示すグラフである。
【図６】図５に出湯側の第一、第二通路切替とを加えた場合の入水温度と熱交出口温度及び全バイパス率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・バイパスミキシング式給湯器、２・・給水管、３・・ガスバーナ、４・・熱交換器、５・・出湯管、８・・出湯温センサ、９・・コントローラ、１０・・バイパス管、１１・・水ガバナ、１４・・固定弁体、１５・・可動弁体、２１，３７・・弁軸、２３・・流量可変ニードル、２６・・バイパス絞り弁、２７，４５・・形状記憶合金バネ、２８，４８・・バイアスバネ、３２・・筒状体、３４・・第一弁座、３６・・第二弁座、３８・・第一通路、３９・・第一弁体、４０・・第二通路、４１・・第二弁体、４９・・部分バイパス管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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