(57)【要約】【課題】潜熱回収式によって高い熱効率を上げながら、ドレン排水対応のための中和器を用いずに排水処理を行え、小型の液槽加熱装置にも対応可能な液槽加熱装置を提供する。【解決手段】第１及び第２のフィン部材を液槽内に設置し、特に、第２フィン部材は第１フィン部材よりも下方に配置され、第１フィン部材を通過した燃焼排気ガスが第２フィン部材を通過するように構成したことから、下方に位置するために低温な第２フィン部材を通過する燃焼排気ガスは更に熱を吸収され、効率良い熱交換を行うとともに、冷却することが可能となる。排気ガイド室を第２フィン部材の直下に配置し、且つ、燃焼排気ガスの熱やガス燃焼よる輻射熱が排気ガイド室に伝わるようにする。このため、第２フィン部材での潜熱回収時、加熱初期段階では燃焼排気ガスが酸性水滴となり排気ガイド室に液下するが、輻射熱により排気ガイド室が温められて酸性水滴が蒸発するので、酸性水を中和させるための中和器を設ける必要がない。【選択図】図１
2016031155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯留するための液槽と、
前記液槽の下方に設置したガス燃焼手段と、
前記液槽内に設置した熱交換器であって、波状に複数回折り曲げられて形成された少なくとも１つの第１のフィン部材及び第２のフィン部材を含み、
(i)前記第１のフィン部材及び前記２のフィン部材を前記ガス燃焼手段による燃焼排気ガスのガス通過流路に配置し、
(ii)前記液槽内の液体が往来する少なくとも１つの水管を前記第１のフィン部材及び前記２のフィン部材に隣接して配置し、
(iii)前記第２のフィン部材は、第１のフィン部材よりも下方に配置され、前記第１のフィン部材を通過した燃焼排気ガスが前記第２のフィン部材を通過する、
ように構成された前記熱交換器と、
前記液槽内において前記熱交換器の横に設けられ、前記熱交換器の下方で前記第２のフィン部材に関係するガス通過流路と連通する排気筒であって、前記第２のフィン部材を通過した燃焼排気ガスを、前記液槽の水位よりも上方にある排気口から排出する前記排気筒と、
を備えた液槽加熱装置。
【請求項２】
前記第２のフィン部材のガス通過流路及び前記排気筒と連通する排気ガイド室を前記第２のフィン部材の直下に配置し、
前記第１のフィン部材を通った前記燃焼排気ガスは、次に前記第２のフィン部材を通り、前記排気ガイド室へと更に下降した後、前記排気ガイド室上方に設けられた前記排気筒内を上昇して前記排気口から排気される、請求項１に記載の液槽加熱装置。
【請求項３】
前記排気ガイド室は、前記ガス燃焼手段が存在する燃焼空間と隔てられ且つ前記ガス燃焼手段に隣接して設置され、前記燃焼排気ガスや前記ガス燃焼手段の燃焼による輻射熱が前記排気ガイド室に伝わる、請求項２に記載の液槽加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば食器洗浄機に使用される温水を液槽内で加熱しておくための加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
食器洗浄機は最終工程のすすぎに、食器の乾燥効果を兼ねて８０℃以上の給湯が必要であり、一般的に食器洗浄器に組み込み、水を加熱し、不足温度を補う温水生成装置をブースターと称する。食器洗浄機の加熱源は電気式、ガス式、蒸気式の３種類があり、業務用の食器洗浄機の場においては、昇温スピードの短縮を図るため、ガスを燃焼させ熱交換フィンにより温水を生成させていることが多い（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−３７１８８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７２８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガス燃焼式の液槽加熱装置は、一般的に、ブンゼンバーナーを利用した自然燃焼が用いられており、その場合の熱効率はおよそ７５％が限度であるとされている。その理由は、熱交換器にはフィン部材が使用され、このフィンのピッチを狭くしてフィン数を増やすほど熱効率を上げることが可能となるが、極端にピッチを狭くしてしまうと燃焼ガスが通過する抵抗値が大きくなってしまい、不完全燃焼が生じ易くなってしまうからである。したがって、８０％を超えた熱効率を実現することは、実際には困難である。
【０００５】
また、特許文献１に記載されているように、ピッチを狭くする代わりにフィンパイプ或いはフィンを多段構成にすることで熱効率を向上させる方法もあるが、この場合もやはり燃焼ガスが通過する抵抗値が大きくなってしまうので、８０％程度の熱効率が限界と言われている。
なお、自然燃焼式ではなく、強制燃焼式を用いたとしても、熱効率はおよそ８０％程度である。
【０００６】
次に、燃焼ガスの排気に着目してみると、自然燃焼式、強制燃焼式ともに、フィンによって熱交換した後の排気ガスは沸騰温度である１００℃を下回ることはなく、従来型の給湯器では約２００℃の燃焼排気ガスをそのまま大気中に排出することも行われていた。
【０００７】
そこで、地球温暖化対策としてＣＯ2の排出量を削減するための環境政策の一つとして潜熱回収型ガス給湯器が普及されるようになってきた。潜熱回収型ガス給湯器は、耐腐食性に優れたチタン製、ステンレス製等の二次熱交換器を搭載することにより、従来型のガス給湯器で排気ロスとして大気中に放出されていた潜熱を回収することで、ガスの使用量を抑え、熱効率も向上させる高効率給湯器である。燃焼排気ガスを二次熱交換器に通し、水蒸気が水になる時の排気ガス中の凝縮潜熱を回収することで、熱効率はおよそ９５％まで向上し、水蒸気の分だけ排気量も少なくなり、しかも排気温度は５０〜８０℃程度まで下げることができる。潜熱回収型の家庭用給湯器では、東京ガス株式会社の「エコジョーズ（登録商標）」がある。
【０００８】
一方で、燃焼排気ガスが凝縮潜熱を回収する二次熱交換器を通ることで、排ガス中の水分が凝縮して水滴となり、ドレン排水が生成される。その際に、燃焼排気ガス中の微量の窒素酸化物（ＮＯx）やＣＯ2等が溶け込むことから、ドレン排水はｐＨ３程度の酸性水になる。ドレン排水は下水道法により汚水に分類されており、河川や海域などの環境に対する影響のため、この酸性のドレン排水に対してアルカリによる中和処理をしなければ排水できないと定めている自治体もある。
【０００９】
したがって、燃焼排気ガスの熱を二次交換器に通して排気ガス中の凝縮潜熱を回収する方式は、熱効率を上げるには有効であるが、中和装置によってドレン排水をｐＨ７程度の中和処理を施して排出させる必要が生じていた。
【００１０】
さらに、株式会社日本サーモエナーは、潜熱回収式の温水機として大型ボイラーを提供している（上記特許文献２参照）。これは、燃焼排気ガスをボイラー上部から下部に向けて燃焼排気ガスを流し、ボイラー下部の低温部で排気熱を回収する構成になっている。このような構成はボイラーの高さがある大型ボイラー製品では可能であるが、小型の食器洗浄機用のブースターの場合は配膳台の下に設置しなければならないという制約があり、同様の構成にすることは難しい。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなしたものであり、潜熱回収式によって燃焼排気ガスを再利用して高い熱効率を上げながら、ドレン排水対応のための中和器を用いることなく排水処理を行え、かつ小型の液槽加熱装置にも対応可能な液槽加熱装置を提供としようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明の液槽加熱装置は、液体を貯留するための液槽と、前記液槽の下方に設置したガス燃焼手段と、前記液槽内に設置した熱交換器であって、波状に複数回折り曲げられて形成された少なくとも１つの第１のフィン部材及び第２のフィン部材を含み、(i)前記第１のフィン部材及び前記２のフィン部材を前記ガス燃焼手段による燃焼排気ガスのガス通過流路に配置し、(ii)前記液槽内の液体が往来する少なくとも１つの水管を前記第１のフィン部材及び前記２のフィン部材に隣接して配置し、(iii)前記第２のフィン部材は、前記第１のフィン部材よりも下方に配置され、前記第１のフィン部材を通過した燃焼排気ガスが前記第２のフィン部材を通過するように構成された前記熱交換器と、前記液槽内において前記熱交換器の横に設けられ、前記熱交換器の下方で前記第２のフィン部材に関係する前記ガス通過流路と連通する排気筒であって、前記第２のフィン部材を通過した燃焼排気ガスを、前記液槽の水位よりも上方にある排気口から排出する前記排気筒とを備えることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の液槽加熱装置は、前記第２のフィン部材の前記ガス通過流路及び前記排気筒と連通する排気ガイド室を前記第２のフィン部材の直下に配置し、前記第１のフィン部材を通った前記燃焼排気ガスは、次に前記第２のフィン部材を通り、前記排気ガイド室へと更に下降した後、前記排気ガイド室上方に設けられた前記排気筒内を上昇して前記排気口から排気されることを特徴としている。
【００１４】
さらにまた、前記排気ガイド室は、前記ガス燃焼手段が存在する燃焼空間と隔てられ且つ前記ガス燃焼手段に隣接して設置され、前記燃焼排気ガスや前記ガス燃焼手段の燃焼による輻射熱が前記排気ガイド室に伝わることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の液槽加熱装置は、熱交換器として第１のフィン部材と第２のフィン部材を含み、第２のフィン部材が第１のフィン部材よりも下方に配置され、第１のフィン部材を通過した燃焼排気ガスが第２のフィン部材を通過する構造になっている。したがって、ガス燃焼手段による燃焼排気ガスは最初に第１のフィン部材において一次熱交換が行われ、その後に第１のフィン部材よりも下方に位置するために低温な領域に設置される第２のフィン部材を通過することで二次熱交換が更に行われる。低温な第２のフィン部材により燃焼排気ガスは一層熱を吸収され、効率の良い熱交換を実現でき、かつ排気ガスも冷やされることになる。
【００１６】
また、熱交換器の横に排気筒が設けられ、第２のフィン部材のガス通過流路が排気筒と連通する構造になっている。このため、冷却されて低温になった燃焼排気ガスが排気筒を通じて液槽加熱装置外部に排出されるので、液槽加熱装置を設置している厨房などの室内温度が高くなってしまうことを抑えることが可能となり、作業環境の改善が図れる。これに関連し、排気筒の表面温度も高温にならない。具体的には、従来のブースターの排気筒の表面温度が１００℃を超えるのに対し、本発明では、４７℃程度に抑えることが可能となる。そのため、仮に人体が排気筒に触れてしまったとしても火傷の心配がないので、保護カバーを設置する必要もない。
【００１７】
さらに、大きな効果は、従来の潜熱回収型ガス給湯器が要していた中和器を備える必要がないということである。すなわち、本発明の液槽加熱装置は、第２のフィン部材の直下に排気ガイド室が配置され、この排気ガイド室は、ガス燃焼手段が存在する燃焼空間と隔てられ且つガス燃焼手段に隣接して設置され、燃焼排気ガスの熱や燃焼時の輻射熱が排気ガイド室に伝わる構造である。したがって、燃焼排気ガスが第２のフィン部材を通過して潜熱回収されるとき、加熱初期段階では液槽内の湯温が低いので燃焼排気ガス（気体）が酸性水滴（液体）となり、排気ガイド室に液下するが、燃焼排気ガスの熱や燃焼時の輻射熱の影響で排気ガイド室が温められて酸性水滴が蒸発（気化）する。その結果、酸性水を中和してから排水させるための中和器を設ける必要がなく、冷却された燃焼排気ガスを排気ガイド室上方に設けられた排気筒を通じて排気するだけでよい。
【００１８】
このように、本発明の液槽加熱装置は蒸発作用を利用して酸性凝縮水を処理するものであるが、蒸発作用を生じさせるための専用の蒸発器を設けていないことにも留意すべきである。第２のフィン部材の直下に排気ガイド室を設け、排気ガイド室をガス燃焼手段に隣接させるという構造上の工夫による輻射熱や燃焼排気ガスの熱が酸性凝縮水の蒸発を引き起こしている。本発明の液液槽加熱装置は、中和器にのみならず蒸発器も備えておらず極めてシンプルな構造であるため、その分の製造コストを削減することができる。
【００１９】
さらに、酸性の凝縮水を回収・処理していた従来の潜熱回収型ガス給湯器では、酸性という性質から回収用トレイが腐食しないよう設置後のメンテナンスに配慮する必要があったが、上述したように本発明の液槽加熱装置は酸性凝縮水を蒸発処理させてしまうことから、回収用トレイの腐食に伴うメンテナンス費用も何ら発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態である液槽加熱装置の全体斜視図である。
【図２】液槽加熱装置の断面模式図である。
【図３】液槽加熱装置内の熱交換器を真下からみたときの図である。
【図４】液槽加熱装置下方に設置するガス燃焼バーナーの斜視図である。
【図５】液槽加熱装置の別の実施形態を示す図である。
【図６】液槽加熱装置の更に別の実施形態を示す図である。
【図７】従来の液槽加熱装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図７は、従来の液槽加熱装置の一例を示した図である。液槽７１内の熱交換器７２において、下方に設置されたガスバーナー７３による燃焼排気ガスが上方に移動し（矢印参照）、複数の水管７５に隣接する熱交換器７４において熱交換が行われる。その後、燃焼排気ガスは更に上昇し、上方から排気されるものである。
したがって、従来の液槽加熱装置の場合、熱交換器７４によって約７５％を限度とした熱効率が行われ、１００℃を超える高温の排気温度の燃焼排気ガスが大気中に放出されていた。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態である液槽加熱装置１００の全体斜視図である。
水を貯留するための液槽５内に熱交換器１が収容されている。熱交換器１の下方には液槽５の水を加熱するガス燃焼手段２が配置され、燃焼排気ガスが上昇して熱交換器１内部に移動する。液槽内における燃焼排気ガスの移動を波線の矢印により示している。
また、熱交換器１の横に排気筒３が設けられ、液槽５内の最大水位１０又は液槽５の高さよりも上方まで伸延した排気口９から燃焼排気ガスが排気される。
【００２３】
図２は、液槽加熱装置の断面模式図である。なお、ガス燃焼手段２を模式的にガスバーナー８であらわしたが、具体的な構成は、図４に示すような複数の炎孔を有するガス燃焼バーナーが、液槽加熱装置下方の燃焼室に設置されている。図１に示したとおり、ガス燃焼手段２の上方に熱交換器１が配置されるが、図２に示すように内部の空間は連通しており、ガスバーナー８が点火すると燃焼された燃焼排気ガスは上昇して熱交換器１へ移動する。なお、図２以降において、燃焼排気ガスが移動する様子は実線の矢印で示している。
【００２４】
熱交換器１は、複数のフィン部材６ａと７ａ、複数の水管６ｂと７ｂを含んだ構成である。なお、「フィン部材６ａ」、「フィン部材７ａ」のそれぞれは、請求項に記載する「第１のフィン部材」、「第２のフィン部材」に対応する。
図３は、液槽加熱装置内の熱交換器１を真上からみたときの図である。フィン部材６ａ、７ａは、アルミ製などの薄く長い帯状の金属材を矩形波状に複数回折り曲げていわゆるつづら織りに形成したものであり、その矩形波によって形成される溝が相互に平行に配置されている。フィン部材の両側又は片側を水管６ｂ、７ｂに溶着させる。波状の金属板に形成することで伝熱面積が増加し、効率的な熱交換がされるようになっている。
【００２５】
図２に示すとおり、燃焼排気ガスはフィン部材６ａを通過することによって溶着された近傍の水管６ｂに熱を伝える。例えば、高温の燃焼排気ガスが約１５００℃でフィン部材６ａを加熱して水管６ｂの壁面に伝熱し、水管内の水を２００℃程度まで上昇させる。水管６ｂ、７ｂには液槽５の水が往来するため、熱せられた水管６ｂ内の水と、水槽５内の水が対流しながら混じり合い、水槽５に貯留された水全体が温められることになる。
【００２６】
フィン部材６ａを通過した燃焼排気ガスは熱交換され、例えば２００℃程度まで温度低下する。１５００℃から２００℃程度まで低下したといっても、まだ熱源としての再利用が十分に可能であり、このまま外気として排出するには高温であることから、むしろこの潜熱を回収すべきである。そこで、本発明の液槽加熱装置１００は、熱交換器１上方に集まる燃焼排気ガスをフィン部材７ａへ導く。フィン部材７ａは、フィン部材６ａよりも下方に配置させておくのが特徴である。図１及び図２のとおり、ガス燃焼手段２から燃焼排気ガスがフィン部材６ａを通過したときには、水管７ｂが仕切り壁となりフィン部材７ａへ燃焼排気ガスが届いていない。そのため、フィン部材７ａは熱せられておらず、しかも下方に位置することから、フィン部材６ａを通過後の燃焼排気ガスは低温な領域に設置されるフィン部材７ａを通ることとなる。
【００２７】
したがって、フィン部材７ａを通過する燃焼排気ガスは、フィン部材７ａに溶着された近傍の水管７ｂとの間で再度の熱交換が行われ、効率良く潜熱回収されて７０℃台まで冷却される。加熱初期の段階では、フィン部材７ｂ自体も低温であり、液槽５内の水は十分に加熱されていないので、燃焼排気ガスがフィン部材７ａに接触すると水滴となって、フィン部材７ａの真下にある排気ガイド室４に液下する。なお、この水滴は、燃焼排気ガス中の微量の窒素酸化物（ＮＯx）やＣＯ2等が溶け込んでいるので、ｐＨ３程度の酸性水である。
【００２８】
水滴とならずに気体のままに残った燃焼排気ガスが排気ガイド室４に入ると、連通する排気筒３に移動して再度上昇し、最終的に排気口９から排出される。本発明の液槽加熱装置を試作して温度を実測したところ、液槽内の湯温が８５℃の時に燃焼排気ガス温度は７８℃、液槽下部水温は４２度であり、それにより、湯温が１００℃の沸騰時でも燃焼排気ガス温度は９５℃まで下げることができた。さらに、二次交換器のフィンもチタン等の耐食性の高い金属を二次交換フィンに使用する必要もない。
【００２９】
ところで、加熱初期の段階には排気ガイド室４に水滴が液下していたが、燃焼時間経過するに従いフィン部材７ａに水滴が付着しなくなる。その理由は、フィン部材７ａも燃焼排気ガスの通過によって徐々に温められ、また液槽５内の水全体の水温も上昇し、その結果、燃焼排気ガスが位置する液槽５の下部は、加熱初期の段階よりも高温状態になってくるからである。したがって、加熱初期の段階で発生していた酸性水は、燃焼時間が経過した温度上昇とともに生じなくなる。
【００３０】
さらに、排気ガイド室４に液下して貯まった酸性水は、その後に排気ガイド室４内で蒸発する。つまり、液槽５の下部において、排気ガイド室４は、ガスバーナー８が存在する燃焼空間とは壁で区切られてはいるが、隣接している。このため、ガスバーナー８の燃焼によってその輻射熱が隣接する排気ガイド室４に伝わり、フィン部材６ａ、７ａほどの高温の伝熱効果ではないが排気ガイド室４は温められている。したがって、排気ガイド室４に液下してたまった酸性水は、液槽５内の湯温上昇及び隣接したガスバーナー８の輻射熱とその燃焼排気ガスの熱によって蒸発してしまうのである。その結果、排気ガイド室４に液下して貯まった酸性水をアルカリ処理して中和する必要がない。
【００３１】
本発明の液槽加熱装置１００と同様に、従来の液槽加熱装置（ブースター）もガスバーナーを下部に配置し、ガスバーナーの上に熱交換器を内蔵した液槽タンクを備える構成であるのが一般的であるが、ガスバーナーと熱交換器の間は燃料ガスを燃焼させるために一定の空間が必要であることから、熱交換器は液槽の上部に置かれる。したがって、液槽の下部空間は熱交換の目的には使用されてきてはいなかった。これに対し、本発明の液槽加熱装置１００は、潜熱回収用のフィン部材７ａを、一次熱交換手段であるフィン部材６ａの位置よりも下部に配置させて二次熱交換のために使用する。これにより、従来の一次熱交換手段のみを備えた液槽加熱装置の場合と同じ高さの構成にすることができるため、小型の液槽加熱装置においても本発明の適用が可能である。例えば、配膳台の下に設置する食器洗浄装置用のブースターは６００mmの高さ制限があったりするが、本発明の液槽加熱装置１００は十分に設置可能である。一方、特許文献２に記載される潜熱回収方式の場合、６００mmの高さ制限の条件の下では実現不可能である。
【００３２】
また、本発明の液槽加熱装置１００は、酸性水を処理するための中和器が不要であり、しかも一次熱交換部（フィン部材６ａ）と二次熱交換部（フィン部材７ａ）を一つの熱交換器内に収めることができるため、熱交換器の構造が極めて簡略化でき、従来の熱交換器と同じ工数で制作することが可能である。
【００３３】
図５及び図６のそれぞれは、液槽加熱装置の別の実施形態を示す図である。図２に示す液槽加熱装置との違いは、潜熱を回収するための二次熱交換部であるフィン部材７ａ及び水管７ｂの大きさ、数、位置が異なっていることである。
【００３４】
図５の場合、水管７ｂではなく、水管６ｂの一つの高さを大きくすることで、燃焼排気ガスがフィン部材６ａを通過したときに同時にフィン部材７ａへ届かないようにするための仕切り壁としての役割を持たせている。また、水管６ｂに対し２つのフィン部材６ａが備わるように構成させているが、必ずしもこれに限定するわけではなく、図２のように１つのフィン部材６ａのみを水管６ｂに溶着させてもよい。また、図２のように、フィン部材６ａ通過後の燃焼排気ガスの移動量を少なくしてフィン部材７ｂ通過するようにしてもよい。
【００３５】
図６場合、ガスバーナー８が排気ガイド室４の下方にも存在し、輻射熱のみならずガスバーナー８が排気ガイド室４を直接熱する構造であってもよい。この場合、排気ガイド室４内にある酸性水が蒸発するまでの時間は格段に短縮されることになる。
【００３６】
本発明の液槽加熱装置１００の試作機を、従来機と同じ外形寸法（Ｈ４５０、Ｗ２３０、Ｄ４４０［単位ｍｍ］）に製作し、従来機と比較するための実験をした。従来機がガス消費量16000Ｋcal、熱効率７２％であるのに対し、発明の試作機はガス消費量12000Ｋcal、熱効率９３％であった。したがって、従来機の能力は11520Ｋcal（＝16000×0.72）であり、発明の試作機の能力は11160Ｋcal（＝12000×0.93）であって、熱量が２５％省エネできることが確認できた。
【００３７】
なお、本実施形態の熱交換機におけるフィン部材６ａ、７ａは銅やアルミ等の素材によるコルゲートフィンにより構成したが、必ずしもこれに限定するわけではない。コルゲートフィンに代わる熱交換パイプとして、例えばプレートフィンチューブ或いはエロフィンチューブを使用しても同様の効果を期待できる。この場合は、燃焼排気ガスがフィン部材６ａを通過したときに同時にフィン部材７ａへ届かないようにするための仕切り板を設ければよい。
【符号の説明】
【００３８】
１      熱交換器
２      燃焼手段
３      排気筒
４      排気ガイド室
５      液槽
６ａ    第一フィン部材
６ｂ    第一水管
７ａ    第二フィン部材
７ｂ    第二水管
８      ガスバーナー
９      排出口
１０    水位
【図１】
2016031155.tif 000003
【図２】
2016031155.tif 000004
【図３】
2016031155.tif 000005
【図４】
2016031155.tif 000006
【図５】
2016031155.tif 000007
【図６】
2016031155.tif 000008
【図７】
2016031155.tif 000009