(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて燃焼排気を排気通路に流す燃焼手段と、
前記排気通路の上流側に設置されて受熱管に流れる被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
この第１の熱交換器の前記受熱管に直列に接続されるとともに、前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に、前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から主として潜熱を吸収させる第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を前記第１の熱交換器の前記受熱管に流す管路と、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を流す管路との間に接続され、前記第２の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体の一部を、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体に混合させるバイパス管路と、
このバイパス管路に設置されて前記被加熱流体の流量を調整する可変オリフィスと、
前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体と前記バイパス管路を通過させた前記被加熱流体とを混合して出湯させる混合管路と、
この混合管路に設置されて出湯量を制御する水量制御弁と、
を備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管を複数の並列化した管路により構成し、前記第２の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第２の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させ、前記水量制御弁で制御される前記出湯量に応じて前記可変オリフィスの開度を調整し、前記第１の熱交換器の前記受熱管に流れる前記被加熱流体の流量を制御することを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
燃料を燃焼させて燃焼排気を排気通路に流す燃焼手段と、
前記排気通路の上流側に設置されて受熱管に流れる被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器と、
この第１の熱交換器の前記受熱管に直列に接続されるとともに、前記排気通路の下流側に設置された受熱管に流れる前記被加熱流体に、前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から主として潜熱を吸収させる第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器の前記受熱管に加熱前の前記被加熱流体を流す管路と前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を流す管路との間に接続され、前記第２の熱交換器の前記受熱管の通過前の前記被加熱流体の一部を前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体に混合させるバイパス管路と、
このバイパス管路に設置されて前記被加熱流体の流量を調整する可変オリフィスと、
前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体と前記バイパス管路を通過させた前記被加熱流体とを混合して出湯させる混合管路と、
この混合管路に設置されて出湯量を制御する水量制御弁と、
を備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管を複数の並列化した管路により構成し、前記第２の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第２の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させ、前記水量制御弁で制御される前記出湯量に応じて前記可変オリフィスの開度を調整し、前記第１の熱交換器の前記受熱管に流れる前記被加熱流体の流量を制御することを特徴とする熱交換装置。
【請求項３】
前記第１の熱交換器側の前記受熱管を流れる前記被加熱流体の温度を検出する温度検出手段を備え、前記被加熱流体の温度に応じて前記可変オリフィスの開度を調整して前記被加熱流体の流量を制御し、前記第１の熱交換器を露点温度以上に加熱することを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記被加熱流体の設定温度により前記燃焼手段の燃焼量を制御手段によって制御することを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記第１の熱交換器の前記受熱管の吸熱フィンの突出長又は厚さによって吸熱量を調整したことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記第２の熱交換器の外壁部材を耐酸性素材で構成し、かつ、前記第２の熱交換器の外表面に生じた凝縮水を回収する手段を備え、回収した前記凝縮水を中和させることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記第１の熱交換器の受熱管を複数の管路で構成し、前記第１の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第１の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換装置。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の熱交換装置を用いて給水を加熱し、給湯することを特徴とする給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼排気から熱を吸収して水等の被加熱流体を加熱する熱交換装置及び給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン、プロパン、ブタン等の燃料を燃焼させ、その燃焼排気から熱を吸収する熱交換器には、複数の熱交換器を併設することにより、顕熱又は潜熱又は双方を回収するために機能分担させたものがある。即ち、熱交換器として燃焼排気から顕熱を回収する顕熱回収用熱交換器を設置し、この顕熱回収用熱交換器側を通過させた燃焼排気から潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器を備えるものがそれである。このような熱交換器を設置することにより、給水を潜熱回収用熱交換器側で加熱し、それを顕熱回収用熱交換器で再加熱すれば、熱交換の効率化を図ることができる。
【０００３】
このような熱交換器では９０％以上の熱交換効率を達成することができるが、潜熱回収用熱交換器にはその外表面に燃焼排気中の水蒸気が結露し、窒素酸化物によって強酸性の液体を生じることがある。このため、潜熱回収用熱交換器は強酸性の液体に耐え得る材質で構成することが必要であり、また、強酸性の液体を回収して中和することが必要となる。
【０００４】
また、潜熱回収用熱交換器側で潜熱を回収するには燃焼排気中に含まれる水蒸気を結露する程度まで降温させる必要がある。そこで、顕熱回収用熱交換器には銅等の熱伝導性の高い材質を使用するとともに、吸熱のためフィンを多数配置する等して熱交換効率を高め、燃焼排気から十分に吸熱する必要がある。このように構成した場合、顕熱回収用熱交換器の熱交換効率が８０％程度を越えると、顕熱回収用熱交換器では顕熱と潜熱の両者を回収し始め、潜熱回収によって顕熱回収用熱交換器の表面に結露が生じ、これが腐食の原因になる。このような不都合を防止する技術として特開平１１−１４８７２０号「熱交換器」がある。この熱交換器は、排気経路の上流側に顕熱回収用熱交換器を設け、その下流側に潜熱回収用熱交換器を設置し、顕熱回収用熱交換器の熱交換効率を結露しない範囲、即ち、その実施例によれば、８０％程度の熱交換効率を越えない範囲としたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、顕熱回収用熱交換器側の熱交換効率を８０％程度に抑制しても、そのフィン形状、出湯温度、外気温の変化、燃焼量の変動、ガス種による燃焼量の相違によっては露点温度以下に低下して結露を生じるおそれがあり、結露を防止できない。また、顕熱回収用熱交換器と潜熱回収用熱交換器を直列化した場合、その分だけ流体抵抗が増加して流量が減少し、例えば、給湯装置では出湯量を低下させる原因になる。
【０００６】
そこで、本発明は、燃焼排気から顕熱及び潜熱を回収して熱交換効率を向上させ、結露の抑制を実現した熱交換装置及び給湯装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼手段（バーナ６）で発生した燃焼排気（ＥＧ）中に第１及び第２の熱交換器（２０、２２）を設置し、第１の熱交換器を通して被加熱流体（給水Ｗ）に燃焼排気から主として顕熱を吸収させるとともに、第２の熱交換器を通して被加熱流体に燃焼排気から主として潜熱を吸収させ、第１の熱交換器の受熱管（水管２４）又は第１及び第２の熱交換器の受熱管（水管２４、２８）に並列にバイパス管路（５４、５５）を設置し、このバイパス管路に流す被加熱流体によって第１の熱交換器側の被加熱流体の流量を制御し、第１の熱交換器側で凝縮水によって生じる結露を抑制し、腐食、腐食による強度の低下や損傷の発生防止、熱交換効率の有効活用により燃料消費量の低減を図っている。
【０００８】
また、請求項１に係る本発明の熱交換装置は、燃料を燃焼させて燃焼排気（ＥＧ）を排気通路（８）に流す燃焼手段（バーナ６）と、前記排気通路の上流側に設置されて受熱管（水管２４）に流れる被加熱流体（給水Ｗ）に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（２０）と、この第１の熱交換器の前記受熱管に直列に接続されるとともに、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管２８）に流れる前記被加熱流体に、前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から主として潜熱を吸収させる第２の熱交換器（２２）と、前記第２の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を前記第１の熱交換器の前記受熱管に流す管路（４０）と、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を流す管路（４２）との間に接続され、前記第２の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体の一部を、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体に混合させるバイパス管路（５４）と、このバイパス管路に設置されて前記被加熱流体の流量を調整する可変オリフィス（５６）、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体と前記バイパス管路を通過させた前記被加熱流体とを混合して出湯させる混合管路（５７）と、この混合管路に設置されて出湯量を制御する水量制御弁（５０）とを備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管を複数の並列化した管路（３０、３２、３４）により構成し、前記第２の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第２の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させ、前記水量制御弁で制御される前記出湯量に応じて前記可変オリフィスの開度を調整し、前記第１の熱交換器の前記受熱管に流れる前記被加熱流体の流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
即ち、燃料の燃焼によって生じた燃焼排気は排気通路の上流側から下流側に流れる。排気通路の上流側の第１の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は燃焼排気から主として顕熱を吸収し、下流側の第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体は主として潜熱を吸収する。この場合、第２の熱交換器の受熱管に流れる被加熱流体が顕熱を吸収することはあり得るが、第２の熱交換器側で主として潜熱の吸収により加熱された被加熱流体が第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。また、前記第２の熱交換器の受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大させたので、流体抵抗を低下させることができる。その結果、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与する。
【００１０】
また、第２の熱交換器の出口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じて第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、第２の熱交換器側の低温の被加熱流体は、それを第１の熱交換器で加熱したその出口側の高温の被加熱流体と混合されるので、被加熱流体の全流量を以て第１の熱交換器の受熱管側の被加熱流体の流量とバイパス管路側の流量との比率を任意に調整できる。したがって、第１の熱交換器側の被加熱流体の加熱温度を露点温度以上に高めることができ、第１の熱交換器側の凝縮水による結露を防止できる。
【００１１】
また、請求項２に係る本発明の熱交換装置は、燃料を燃焼させて燃焼排気（ＥＧ）を排気通路（８）に流す燃焼手段（バーナ６）と、前記排気通路の上流側に設置されて受熱管（水管２４）に流れる被加熱流体に前記燃焼排気から主として顕熱を吸収させる第１の熱交換器（２０）と、この第１の熱交換器の前記受熱管に直列に接続されるとともに、前記排気通路の下流側に設置された受熱管（水管２８）に流れる前記被加熱流体に、前記第１の熱交換器を通過した前記燃焼排気から主として潜熱を吸収させる第２の熱交換器（２２）と、前記第２の熱交換器の前記受熱管に加熱前の前記被加熱流体を流す管路（３８）と前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した加熱後の前記被加熱流体を流す管路（４２）との間に接続され、前記第２の熱交換器の前記受熱管の通過前の前記被加熱流体の一部を前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体に混合させるバイパス管路（５５）と、このバイパス管路に設置されて前記被加熱流体の流量を調整する可変オリフィス（５６）と、前記第１の熱交換器の前記受熱管を通過した前記被加熱流体と前記バイパス管路を通過させた前記被加熱流体とを混合して出湯させる混合管路（５７）と、この混合管路に設置されて出湯量を制御する水量制御弁（５０）とを備え、前記第２の熱交換器の前記受熱管を複数の並列化した管路（３０、３２、３４）により構成し、前記第２の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第２の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させ、前記水量制御弁で制御される前記出湯量に応じて前記可変オリフィスの開度を調整し、前記第１の熱交換器の前記受熱管に流れる前記被加熱流体の流量を制御することを特徴とする。
【００１２】
即ち、この場合も同様に、第２の熱交換器側で潜熱の吸収により加熱された被加熱流体は、第１の熱交換器の受熱管に流れて顕熱の吸収により高温に加熱される。また、前記第２の熱交換器の受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大させたので、流体抵抗を低下させることができる。その結果、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与する。
【００１３】
そして、第２の熱交換器の入口側で分流させた被加熱流体は、バイパス管路を通じては第１の熱交換器の出口側の被加熱流体に合流する。即ち、加熱されていない被加熱流体は分流され、その一部が第２の熱交換器及び第１の熱交換器で加熱され、その出口側の高温の被加熱流体に他の一部が混合されるので、被加熱流体の全流量を以て第１の熱交換器の受熱管側の被加熱流体の流量とバイパス管路側の流量との比率を任意に調整できる。したがって、第１の熱交換器側の被加熱流体の加熱温度を露点温度以上に高めることができ、第１の熱交換器側の凝縮水による結露を防止できる。
【００１４】
また、請求項３に係る本発明の熱交換装置は、前記第１の熱交換器（２０）側の前記受熱管（水管２４）を流れる前記被加熱流体の温度を検出する温度検出手段（温度センサ４８）を備え、前記被加熱流体の温度に応じて前記可変オリフィスの開度を調整して前記被加熱流体の流量を制御し、前記第１の熱交換器を露点温度以上に加熱することを特徴とする。
【００１５】
即ち、第１の熱交換器側の受熱管の被加熱流体の温度を検出し、この検出温度に基づき第１の熱交換器の受熱管又は第１及び第２の熱交換器の受熱管の流量調整を行う。この結果、第１の熱交換器の受熱管側の温度低下を防止でき、第１の熱交換器側の結露を防止できる。
【００１６】
また、請求項４に係る本発明の熱交換装置は、前記被加熱流体の設定温度により前記燃焼手段の燃焼量を制御手段（制御装置７０）によって制御することを特徴とする。即ち、制御手段により燃焼手段の燃焼量を制御することにより、第１の熱交換器側の加熱温度を制御することができる。
【００１７】
また、請求項５に係る本発明の熱交換装置は、前記第１の熱交換器の前記受熱管（水管２４）の吸熱フィン（２６）の突出長（Ｌ）又は厚さによって吸熱量を調整したことを特徴とする。即ち、吸熱フィンの突出長又は厚さにより、その吸熱量を調整でき、第１の熱交換器の受熱管の吸熱フィンの低温化を防止できる。
【００１８】
また、請求項６に係る本発明の熱交換装置は、前記第２の熱交換器の外壁部材を耐酸性素材で構成し、かつ、前記第２の熱交換器の外表面に生じた凝縮水（５８）を回収する手段（回収ホッパ６０）を備え、回収した前記凝縮水を中和させることを特徴とする。即ち、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成することにより、酸性の凝縮水による腐食、腐食による機械的強度の低下や損傷の発生を防止できる。その凝縮水は、回収して中和することにより無害化でき、自由に廃棄することができる。
【００１９】
また、請求項７に係る本発明の熱交換装置は、前記第１の熱交換器の受熱管を複数の管路で構成し、前記第１の熱交換器の前記受熱管の管路断面を前記第１の熱交換器の前後に接続される前記管路より増大させたことを特徴とする。即ち、受熱管を屈曲形成すれば、燃焼排気から潜熱又は顕熱を効率的に回収することができるが、その分だけ流体抵抗が増大する。そこで、この受熱管を複数の管路を並列化して管路断面積を拡大すれば、流体抵抗を低下させることができる。その結果、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
【００２０】
そして、請求項８に係る本発明の給湯装置は、前記熱交換装置を用いて給水を加熱し、給湯することを特徴とする。即ち、被加熱流体を給水とすれば、その給水を効率的に加熱して給湯することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の熱交換装置及びそれを用いた給湯装置の実施形態が示されている。この熱交換装置及び給湯装置のハウジング２には胴部３が設置され、この胴部３の内部に燃焼室４が形成されている。この燃焼室４には燃焼手段であるバーナ６が設置され、このバーナ６の下側には給気部として燃焼空気を取り込む給気ファン７が設けられ、燃焼室４の上部及び側部側に胴部３を延長する形態で排気通路８が形成され、この排気通路８は排気口１０に開口されている。バーナ６にはガス供給管１２を通じて燃料ガスＧが供給されており、このガス供給管１２には燃料ガスＧの供給又は遮断を切り換える燃料開閉弁１４、燃料ガスＧの供給を制御する燃料比例弁１６が設けられ、また、バーナ６には隣接して着火手段である放電器１８が設置されている。したがって、給気ファン７からの給気Ｅと燃焼ガスＧとを以てバーナ６の燃焼により発生した燃焼排気ＥＧは、排気通路８を経てハウジング２の排気口１０から外気に放出される。
【００２２】
そして、燃焼室４の上部側、即ち、排気通路８の上流側には第１の熱交換器２０、その下流側には第２の熱交換器２２が設置されている。熱交換器２０は、受熱管として水管２４を燃焼室４の外壁に巻き付けて設置され、その水管２４の周囲には複数の吸熱フィン２６が形成されている。また、熱交換器２２は、排気通路８内に屈曲した受熱管としての水管２８を設置したものであり、この実施形態では、複数の管路３０、３２、３４の併設によって管路断面積を拡大した水管２８が構成され、その周囲に無数の吸熱フィン３６が設けられている。また、管路３０、３２、３４をフレキシブルパイプ等の波状の管体にして吸熱効率を向上させても良い。熱交換器２２の水管２８及び吸熱フィン３６は、ステンレスやチタン等の耐酸性素材で形成されている。即ち、燃焼排気ＥＧの上流側に設置されている熱交換器２０には水管２４を流れる被加熱流体として例えば、給水Ｗに燃焼排気ＥＧから主として顕熱を吸収させ、燃焼排気ＥＧの下流側に設置されている熱交換器２２には水管２８を流れる給水Ｗに燃焼排気ＥＧから主として潜熱を吸収させる。
【００２３】
また、熱交換器２２の水管２８の入口側には、上水等の給水Ｗを受けるための管路３８が連結され、水管２８の出口側と熱交換器２０の水管２４の入口側との間は管路４０を通じて連結され、また、熱交換器２０の出口側には出湯用の管路４２が接続されている。管路３８には給水温度を検出する温度センサ４４が設けられ、管路４０には水量センサ４６が設けられ、管路４２には熱交換器２０の出口側の温度を検出する温度センサ４８が設けられている。そして、管路４０と管路４２との間には、水管２４と並列にバイパス管路５４が設けられ、このバイパス管路５４には通過水量を調整する可変オリフィス５６が設けられている。そして、バイパス管路５４からの温水と管路４２からの温水は混合管路５７で合流し、この混合管路５７には水量制御弁５０及び温度センサ５２が設けられている。
【００２４】
また、熱交換器２２の水管２８の下側には凝縮水５８を受ける回収手段としての回収ホッパ６０が設けられ、この回収ホッパ６０に回収された凝縮水５８は、管路６２を通じて中和器６４に導かれる。この中和器６４には酸性の凝縮水５８を中和するため、アルカリ性等の中和剤６６が充填されている。中和された凝縮水５８は、管路６８を通して外部に排出される。
【００２５】
次に、図２は、給湯制御部の実施の形態を示している。この給湯制御部にはマイクロコンピュータ等で構成された制御手段として制御装置７０が設置され、この制御装置７０は演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ及びＲＡＭ等を備えており、ＲＯＭには給湯制御等のプログラム、ＲＡＭには検出データ等がそれぞれ格納される。
【００２６】
制御装置７０には温度設定器７２から設定温度が加えられるとともに、各種の温度センサ４４、４８、５２、水量センサ４６等の検出出力が取り込まれ、制御出力が燃料開閉弁１４、燃料比例弁１６、可変オリフィス５６、水量制御弁５０、給気ファン７のファンモータ７４等に加えられる。
【００２７】
次に、動作を説明すると、図３に示すように、バーナ６で燃料ガスＧを燃焼させると、燃焼排気ＥＧが発生する。この燃焼排気ＥＧが持つ熱量をＨ0 、熱交換器２０側の交換熱量をＨ1 、水温上昇をΔｔ1 、熱交換器２２側の交換熱量をＨ2 、水温上昇をΔｔ2 とすると、燃焼排気ＥＧの熱量Ｈ0 から熱交換器２０側で熱量Ｈ1 が吸収されて熱交換器２２側には熱量（Ｈ0 −Ｈ1 ）の燃焼排気ＥＧが流れ、熱交換器２２を通過した燃焼排気ＥＧの熱量は（Ｈ0 −Ｈ1 −Ｈ2 ）となる。
【００２８】
そこで、バイパス管路５４側を閉鎖した状態を想定し、熱交換器２２に水温ｔ0 の給水Ｗを行うと、熱交換器２２の出口側、即ち、熱交換器２０の入口側の水温ｔ1 は（ｔ0 ＋Δｔ2 ）に昇温され、この温水は熱交換器２０側に流れ、出湯温度ｔ2 は、（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ）となる。
【００２９】
この場合、バーナ６で得られた燃焼排気ＥＧの温度を１５００℃とすると、熱交換器２０を通過した燃焼排気ＥＧの温度は２００℃に低下し、さらに熱交換器２２を通過した燃焼排気ＥＧの温度は８０℃に低下することとなる。
【００３０】
このとき、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ1 の比率（Ｈ1 ／Ｈ0 ）は、Ｈ1 ／Ｈ0 ＝８０％、熱量Ｈ0 に対する交換熱量Ｈ2 の比率（Ｈ2 ／Ｈ0 ）は、Ｈ2 ／Ｈ0 ＝１０％、（Ｈ1 ＋Ｈ2 ）／Ｈ0 ＝９０％であり、Δｔ2 ：Δｔ1 ＝１０：８０、Ｈ1 ：Ｈ2 ＝Δｔ1 ：Δｔ2 である。
【００３１】
そして、図４の（ａ）に示すように燃焼排気中の顕熱は熱交換効率９０％まで回収でき、潜熱は熱交換効率が９０％を越えるとき、回収される。そこで、図４の（ｂ）に示すように熱交換効率９０％の熱交換器を熱交換器２０に用いた場合、理論的には顕熱の総てを回収できる筈であるが、実際には、顕熱の８５％、潜熱の５％程度が回収され、その際、熱交換器２０は流水の吸熱により、その一部が露点温度（４０〜５０℃）以下に低下する。この結果、熱交換器２０の表面には凝縮水が生じ、この凝縮水は酸性であるため腐食を生じさせる。このため、図４の（ｃ）に示すように、熱交換器２０側で顕熱のみを回収できる最大の熱交換効率（例えば最大燃焼時において８０％の熱交換効率）を設定し、残りの熱量を耐酸性素材で形成された熱交換器２２で吸収させて高効率化を実現している。
【００３２】
ところで、熱交換器２０を通過した燃焼排気の温度は約２００℃程度に低下するため、熱交換器２０の水管２４の吸熱フィン２６の一部等が低温化、即ち、４０℃〜５０℃以下の露点温度に冷却されて凝縮水を生じさせるおそれがある。これは給水温度ｔ0 によっても発生する。このような露点温度以下の低温化を防止するには、水管２４を通過する温水の温度を上昇させて吸熱フィン２６の温度を露点温度以上に昇温させることが必要となる。熱交換器２０側の対策として、吸熱フィン２６から水管２４への吸熱量を調整し、吸熱フィン２６の熱交換面が露点温度より高くなるようにする。即ち、図５に示すように、吸熱フィン２６の吸熱量は吸熱フィン２６と水管２４との距離Ｌや吸熱フィン２６の厚みを調整して実現することができる。この結果、熱交換器２０の排気側、即ち、下流側の結露防止をある程度図ることができる。この場合、給水Ｗは、上流側の熱量Ｈ0 を受けて加熱されると、その水温ｔ0 は水管２４の下側で（ｔ0 ＋Δｔ1a）に上昇し、その上昇温度Δｔ1aは熱量Ｈ1aに対応する。このため、水管２４の上側、即ち、下流側で熱量（Ｈ0 −Ｈ1a）を受け、熱交換器２０から水温（ｔ0 ＋Δｔ1 ）の湯が得られる。
【００３３】
そして、バイパス管路５４の通過水量によって吸熱フィン２６の温度を露点温度以上に昇温させるには、熱交換器２０の出口側の温水温度を温度センサ４８で検出し、その検出温度に応じて可変オリフィス５６の開度を調整することにより、バイパス管路５４側と熱交換器２０側に流れる水量の比率を変更する。即ち、バイパス管路５４側の水量を少なくし、熱交換器２０側の水量を増加させて水管２４側の温水温度を上昇させることができ、熱交換器２０側が露点温度以下に低温化することを防止でき、熱交換器２０側の結露を防止できる。
【００３４】
この場合、バイパス管路５４側の水量と熱交換器２０側の水量の比を１：１とすると、熱交換器２２の水管２８を通過した給水Ｗは熱量Ｈ2 を吸収し、給水ＷをΔｔ2 だけ昇温させることができる。図６は、この場合の等価回路を示しており、この温水はバイパス管路５４と熱交換器２０側とに例えば、１：１で分流され、熱交換器２０側で熱量Ｈ1 が吸収され、温水は更にΔｔ1 だけ昇温する。この場合、バイパス管路５４側の温水の温度ｔａは、
ｔａ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ）                      ・・・（１）
であり、熱交換器２０側の温水の温度ｔｂは、
ｔｂ＝（ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1 ）              ・・・（２）
である。
【００３５】
混合比率は１：１であるから、混合管路５７の出湯温度ｔｃは、
0003992420.tif 000002
である。ここで、バイパス管路５４が無い場合、又は可変オリフィス５６を閉じている場合には、混合管路５７の出湯温度ｔｄは、
ｔｄ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1b                  ・・・（４）
となる。
【００３６】
ここで、出湯温度ｔｃ、ｔｄを同一と仮定すれば、バイパス管路５４のない場合には、熱交換器２０側の水量がバイパス管路５４のある場合の２倍となるため、Δｔ1 ：Δｔ1b＝２：１の関係から、
Δｔ1b＝Δｔ1 ／２                          ・・・（５）
となる。この結果、バイパス管路５４を通じて温水を分流させて混合管路５７で合流させる場合には、熱交換器２０の水管２４の温水温度を高くでき、熱交換器２０側の結露を防止することができる。
【００３７】
また、熱交換器２０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００３８】
ところで、この熱交換装置及び給湯装置において、バイパス管路５４と熱交換器２０の熱回収率との関係、即ち、バイパス管路５４による分流の熱交換器２０の熱回収率への影響について見ると、熱交換器２０は上述のように、１５００℃程度に加熱され、一方、水温は数十℃であるため、バイパス管路５４が無いとき、熱交換器２０の熱交換量が大きくなるが、熱交換器２０の加熱温度１５００℃から見れば、無視できる程度の温度差であり、バイパス管路５４による分流が熱交換器２０の熱吸収率に影響することはない。
【００３９】
また、バイパス管路５４と熱交換器２０の熱交換効率との関係、即ち、バイパス管路５４による分流が熱交換器２０の熱交換効率への影響について見ると、バイパス管路５４を設けて分流することは、熱交換器２０による加熱前と加熱後で温度差が若干縮まること、その結果、熱交換器２０の水管２４の管内流速の低下による管内伝熱係数の減少により、熱交換器２０の熱交換効率が僅かに低下する。しかしながら、バイパス管路５４が無い場合、熱交換器２０の熱交換率が８０％、バイパス管路５４を付けた場合、熱交換器２０の熱交換率が７８〜７９％程度の犠牲であるから、バイパス管路５４の設置による結露防止が遙に有利となる。
【００４０】
また、出湯量と加熱温度との関係について見ると、出湯量を同一にして熱交換器２０の水量を抑えた場合、即ち、総流量を変えずに熱交換器２０側とバイパス管路５４側との分配比を変化させ、熱交換器２０の水量を少なくすれば、熱交換器２０の熱交換効率がその流量に応じて低下し、熱交換器２０の加熱温度が上昇することになる。また、出湯量を同一にして熱交換器２０側の水量を多くした場合、熱交換器２０側の加熱温度は低下することになる。
【００４１】
また、熱交換器２０側の吸熱フィン２６の突出長Ｌや厚さにより、熱交換器２０自体の熱交換効率や熱回収率を調整することができるが、吸熱フィン２６の温度には適正な範囲があり、例えば、露点温度以上酸化温度（２５０℃）以下が好ましく、この範囲を越えて高い場合も低い場合も不都合である。また、吸熱フィン２６の厚さについては、その材質に銅を用いた場合、伝熱的な要素よりも耐久的な要素の方が強く、伝熱面積を多く取る場合には、吸熱フィン２６の増加、そのピッチの減少が必要である。
【００４２】
ところで、熱交換器２０、２２は直列に接続されており、水管２４側の流体抵抗をＲ1 、水管２８側の各流体抵抗をＲ2 とすると、通水経路は図７に示す等価回路で表すことができる。水管２８側の管路３０〜３４の並列数をｎとすると、全通水抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒ1 ＋Ｒ2 ／ｎ                      ・・・（６）
となり、水管２８側の管路３０〜３４の並列化により全通水抵抗Ｒの大幅な低減が図られる。したがって、給湯装置では安定した出湯量を得ることができる。
【００４３】
そして、混合管路５７から得られる出湯量は、水量制御弁５０によって制御することができ、その出湯量に応じて可変オリフィス５６の開度を調整し、熱交換器２０側の流量を制御することができる。熱交換器２０側の流量を多く設定すれば、熱交換器２０の水管２４の温水温度を高くでき、熱交換器２０側の結露を防止することができる。
【００４４】
また、混合管路５７から得られる出湯温度は温度センサ５２によって検出され、その検出温度によってバーナ６の燃焼量を加減することにより設定温度の出湯が可能である。そして、この場合も、設定温度に応じて熱交換器２０側の流量を制御することが可能であり、熱交換器２０の水管２４の温水温度を高くすることで、熱交換器２０側の結露を防止することができる。
【００４５】
次に、図８に示す本発明の他の実施の形態について説明すると、管路３８と熱交換器２０の出口側の管路４２との間にバイパス管路５５を設置し、給水Ｗを熱交換器２２の入口側で例えば、１：１の比率で分流させ、その給水Ｗを熱交換器２０の出口側の温水に混合してもよい。図９は、この場合の等価回路を示しており、バイパス管路５５側の給水の温度はｔ0 であり、熱交換器２０、２２で加熱された温水の温度ｔｅは、
ｔｅ＝ｔ0 ＋Δｔ2 ＋Δｔ1                   ・・・（７）
である。
【００４６】
混合比率は１：１であるから、混合管路５７の出湯温度ｔｆは、
0003992420.tif 000003
となる。但し、ΔＴa ＝（Δｔ2 ＋Δｔ1 ）／２である。ここで、バイパス管路５５が無い場合又は可変オリフィス５６を閉じて出湯温度ｔｇを得る場合は式（４）に示した出湯温度ｔｄと同様であり、
0003992420.tif 000004
となる。但し、ΔＴb ＝Δｔ2 ＋Δｔ1bである。
【００４７】
ΔＴa ：ΔＴb ＝２：１となることから、バイパス管路５５を通じて給水Ｗを分流させ、混合管路５７で合流させることで、熱交換器２０の水管２４の温水の温度を高くすることができる。そして、この場合も、熱交換器２０を通過する水量を多くすることによる熱交換効率の増加も期待でき、熱回収効率が高く、燃料の消費量を低減することができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、給湯装置に適用した熱交換装置を例に取って説明したが、本発明の熱交換装置は、給湯装置以外にも適用でき、例えば、被加熱流体としての熱媒を加熱する暖房装置に適用することもできる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ  請求項１に係る本発明によれば、第２の熱交換器で加熱した被加熱流体を第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体と混合するので、第１の熱交換器側の加熱温度を高くでき、第１の熱交換器側の結露を抑制して凝縮水による第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度の低下や損傷の発生を防止でき、熱回収効率の有効活用を図ることができ、燃料の消費量を低減することができる。また、第２の熱交換器の受熱管は複数の管路を並列化して管路断面積を拡大して流体抵抗を低下させたので、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
ｂ  請求項２に係る本発明によれば、加熱前の被加熱流体と第１及び第２の熱交換器で加熱した被加熱流体とを混合するので、第１の熱交換器側の加熱温度を高くでき、第１の熱交換器側の結露を抑制して凝縮水による第１の熱交換器側の腐食、腐食による強度低下や損傷の発生を防止でき、熱回収効率の有効活用により燃料の消費量を低減させることができる。
ｃ  請求項３に係る本発明によれば、第１の熱交換器側の受熱管の被加熱流体の温度を検出し、この検出温度に基づき第１の熱交換器の受熱管又は第１及び第２の熱交換器の受熱管の流量調整を行うので、第１の熱交換器の受熱管側の温度低下を防止でき、第１の熱交換器側の結露を防止できる。
ｄ  請求項４に係る本発明によれば、燃焼手段の燃焼量を制御して第１の熱交換器側の加熱温度を制御するので、第１の熱交換器側の加熱温度を高くでき、第１の熱交換器側の結露を抑制することができる。
ｅ  請求項５に係る本発明によれば、第１の熱交換器の受熱管の吸熱フィンの突出長又は厚さを以て吸熱量を調整するので、被加熱流体の加熱制御と相まって第１の熱交換器の受熱管の吸熱フィンの低温化を防止でき、結露を抑制できる。
ｆ  請求項６に係る本発明によれば、第２の熱交換器の外壁部材をチタン、ステンレス鋼等の耐酸性素材で構成するので、酸性の凝縮水による損傷を防止でき、また、その凝縮水は、回収して中和することにより無害化を達成できる。
ｇ  請求項７に係る本発明によれば、複数の管路を並列化して管路断面積を拡大することにより、受熱管の流体抵抗が低下するので、所望の流量、流水速度を確保して熱交換効率を高め、燃料消費量の抑制に寄与することができる。
ｈ  そして、請求項８に係る本発明によれば、効率的を給湯を行うことができるとともに、凝縮水による損傷を防止でき、高耐久性の給湯装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換装置及び給湯装置の一実施形態を示す配管図である。
【図２】制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】バーナの発生熱量、第１及び第２の熱交換器による熱交換を示す図である。
【図４】熱交換器の熱交換及び熱効率を示す図である。
【図５】第１の熱交換器側の結露及びその防止を示す図である。
【図６】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【図７】第１及び第２の熱交換器における流体抵抗による等価回路を示す回路図である。
【図８】バイパス管路の他の実施形態を示す配管図である。
【図９】バイパス管路による温水混合を示す図である。
【符号の説明】
６  バーナ（燃焼手段）
８  排気通路
Ｇ  燃料ガス
Ｗ  給水
ＥＧ  燃焼排気
２０  第１の熱交換器
２２  第２の熱交換器
２４  水管（受熱管）
２６  吸熱フィン
２８  水管（受熱管）
３０、３２、３４  管路
４８  温度センサ（温度検出手段）
５４、５５  バイパス管路
５６  可変オリフィス（流量調整手段）
５８  凝縮水
６０  回収ホッパ
７０  制御装置（制御手段）
【図１】
0003992420.tif 000005
【図２】
0003992420.tif 000006
【図３】
0003992420.tif 000007
【図４】
0003992420.tif 000008
【図５】
0003992420.tif 000009
【図６】
0003992420.tif 000010
【図７】
0003992420.tif 000011
【図８】
0003992420.tif 000012
【図９】
0003992420.tif 000013