(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用酸素含有ガスと燃料が供給され前記燃料を燃焼させるバーナと、放熱機器から供給される復熱媒液と前記バーナから供給される燃焼ガスとの熱交換を行う熱媒液加熱用熱交換器とを備えた熱源機であって、
前記放熱機器から排出されて前記熱媒加熱用熱交換器に供給される前の前記復熱媒液と前記燃焼用酸素含有ガスとの熱交換を行う酸素含有ガス加熱用熱交換器を備え、
前記熱媒液加熱用熱交換器が、前記酸素含有ガス加熱用熱交換器から排出され前記燃焼ガスの露点温度以下となった前記復熱媒液が供給され、前記燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱をも回収するものであることを特徴とする熱源機。
【請求項２】
前記バーナの前記燃焼用酸素含有ガスの流れ方向の上流側に、前記燃焼用酸素含有ガスが供給されるガス室を備え、
前記酸素含有ガス加熱用熱交換器が、前記ガス室に設けられ、且つ複数のフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器であると共に、前記複数のフィンが前記ガス室において前記バーナに供給される前記燃焼用酸素含有ガスの流れ方向に副って配設されていることを特徴とする請求項１に記載の熱源機。
【請求項３】
前記酸素含有ガス加熱用熱交換器から排出される前記燃焼用酸素含有ガスの温度を検出する温度センサを備え、
前記温度センサの検出結果に基づいて、前記バーナに供給する前記燃焼用酸素含有ガスと前記燃料との酸素比を補正する酸素比補正手段を備えた請求項１又は２に記載の熱源機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気（燃焼用酸素含有ガス）と燃料が供給され前記燃料を燃焼させるバーナと、放熱機器から供給される復温水（復熱媒液）と前記バーナから供給される燃焼ガスとの熱交換を行う温水加熱用熱交換器（熱媒液加熱用熱交換器）とを備えた熱源機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような熱源機は、家庭用熱源機や業務用熱源機で主として利用され、前記温水加熱用熱交換器において、温水暖房器や浴室乾燥機等の放熱機器からの復温水をバーナから排出された燃焼ガスとの熱交換により加熱し、その温水を放熱機器に循環させるものである。
【０００３】
このような従来の熱源機において、暖房若しくは乾燥用途の放熱機器から排出され、前記温水加熱用熱交換器に供給される復温水の温度は６０℃〜４０℃程度と比較的高温であり、温水加熱用熱交換器で少なくとも上記の復温水の温度以上の燃焼ガスからしか熱回収をすることができず、いくら伝熱面積を増やしても高い熱効率を実現することは困難であった。さらに、その復温水の温度は、燃焼ガスの露点温度である４５℃〜６０℃程度と比較して、同程度又はそれ以上であり、放熱機器からの復温水により燃焼ガス中の水蒸気を凝縮させて凝縮潜熱を回収すること不可能若しくは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記のような復温水により燃焼ガス中の凝縮潜熱までをも回収するべく、熱源機と接続する適用放熱機器を比較的低温の温水を排出する温水床暖房機等の低温水暖房機に限定したり、放熱機器から低温の温水を排出させるために放熱機器の容量（熱交換器伝熱面積）を大きくするなどの対策が考えられるが、コスト高等の問題から実用的ではなかった。
【０００５】
また、このような熱源機において暖房若しくは乾燥用途の復温水を加熱後の燃焼ガスの熱回収を行うために、その燃焼ガスの露点温度以下の温度である給水により燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱をも回収するように構成する場合があるが、給湯用の給水が暖房若しくは乾燥用途の循環温水を供給しているときにタイミングよく供給されるとは限らず、凝縮潜熱を回収した給水を断熱貯蔵しておく手段が必要であり、コスト高の原因となる。
【０００６】
比較的大型の熱源機では、熱媒液を加熱後の比較的低温（１５０℃〜３００℃）の燃焼ガスから熱回収するために、その燃焼ガスとバーナに供給される燃焼用空気との熱交換を行うエアーヒータ等の気−気熱交換器を設け、バーナに供給され燃焼に利用される燃焼用空気を予熱するように構成し効率を向上させる場合が有る。しかしながら、上記の気−気熱交換器を燃焼ガス中水蒸気の凝縮潜熱をも回収するように構成するためには、気−液熱交換器と比較して大容量（大伝熱面積）に構成する必要があり、熱源機の寸法拡大及びコスト高の原因となる。
【０００７】
従って、本発明は、上記の問題に鑑みて、暖房若しくは乾燥用途の放熱機器から供給される復熱媒液の温度が燃焼ガスの露点温度と同程度若しくはそれ以上である場合でも、簡単な構成で燃焼ガスの熱を効率良く回収することができる省エネルギ且つ低コストの熱源機を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る熱源機は、請求項１に記載したごとく、燃焼用空気（酸素含有ガス）と燃料が供給され前記燃料を燃焼させるバーナと、放熱機器から供給される復温水（熱媒液）と前記バーナから供給される燃焼ガスとの熱交換を行う温水加熱用熱交換器（熱媒液加熱用熱交換器）とを備えた熱源機であって、
前記放熱機器から排出されて前記温水加熱用熱交換器に供給される前の前記復温水と前記燃焼用空気との熱交換を行う空気加熱用熱交換器（酸素含有ガス加熱用熱交換器）を備え、前記温水加熱用熱交換器が、前記空気加熱用熱交換器から排出され前記燃焼ガスの露点温度以下となった前記復温水が供給され、前記燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱をも回収するものであることを特徴とする。
【０００９】
〔作用効果〕
即ち、燃焼用空気と燃料とが供給され燃料を燃焼させる全一次若しくは部分予混合型等のバーナと、暖房若しくは乾燥用途等の放熱機器から排出された復温水を燃焼ガスとの熱交換により加熱する温水加熱用熱交換器とを有する熱源機に、本構成のごとく、前記空気加熱用熱交換器を設けることで、特に冬季には室温若しくは外気温よりも高い復温水（４０℃〜６０℃程度）により、その温度以下である燃焼用空気を加熱することができ、復温水の保有熱を燃焼用空気に移行させ、温水加熱用熱交換器に供給される復温水を冷却することができる。
そして、温水加熱用熱交換器に、燃焼ガスの露点温度（４５℃〜６０℃程度）よりも低い、好ましくは燃焼ガスの露点温度よりも１０℃から２０℃程度低い温度の復温水を供給することで、前記温水加熱用熱交換器を、適度な温度差（１０℃以上）を持った復温水及び燃焼ガスとを熱交換させて、燃焼ガス中水蒸気の凝縮潜熱をも低温の復温水により回収する所謂凝縮型熱交換器として構成することができ、充分に燃焼ガスの熱及び燃焼ガス中水蒸気の凝縮潜熱を回収して低温の燃焼排ガスを排出させる高効率の熱源機を実現することができる。一方、燃焼用空気に移行させた復温水の保有熱は、バーナにおける燃焼ガスの燃焼エネルギに付加され、温水加熱用熱交換器において再度復温水で回収されることになる。
さらに、このように燃焼用空気を加熱する空気加熱用熱交換器は、気体と液体との熱交換を行う気−液熱交換器であるので、コンパクト且つ高効率に構成することができる。
従って、熱源機を上記のように構成することで、コンパクト且つ簡単な構成で、燃焼ガスの熱及び燃焼ガス中水蒸気の凝縮潜熱を効率良く回収することができ、省エネルギ且つ低コストの熱源機を実現することができる。
【００１０】
また、本発明の熱源機において、前記空気加熱用熱交換器は、その加熱後の燃焼用空気をすぐに燃料の燃焼に利用して熱損失を少なくする点で、例えばバーナに内蔵して、バーナの燃焼面の直上流に設けることが好ましい。
【００１１】
〔構成２〕
本発明に係る熱源機は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の熱源機の構成に加えて、前記バーナの前記燃焼用空気の流れ方向の上流側に、前記燃焼用空気が供給されるガス室を備え、
前記空気加熱用熱交換器が、前記ガス室に設けられ、且つ複数のフィンを備えたフィンチューブ型熱交換器であると共に、前記複数のフィンが前記ガス室において前記バーナに供給される前記燃焼用空気の流れ方向に副って配設されていることを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
即ち、本発明の熱源機に設けられる空気加熱用熱交換器は、燃焼用空気を復温水により加熱するので、燃焼用空気が流通する流路が必要となる。一方、本発明の熱源機に設けられたバーナは、燃焼用空気と燃料を予め混合して燃焼面において燃焼させる予混合型のバーナであるため、バーナの燃焼面に供給する前の燃焼用空気若しくは混合気を貯蔵するガス室が設けられ、そのガス室は燃焼用空気若しくは混合気の燃焼面への圧力分布を少なくするために、ある程度の容積が必要となる。
そこで、本発明の熱源機においては、空気加熱用熱交換器を前記ガス室に設けることで、空気加熱用熱交換器に必要となる燃焼用空気の流路とガス室の容積の少なくとも一部とを共通のものとして、空気加熱用熱交換器を設けることによる寸法拡大をできるだけ抑制することができる。
さらに、このようにガス室に空気加熱用熱交換器を設ける場合、空気加熱用熱交換器はバーナの燃焼面の直上流となるので、加熱された燃焼用空気の熱損失を抑制することができると共に、空気加熱用熱交換器によりバーナの燃焼面を水冷することができ、逆火の防止や耐熱性が向上することになる。
【００１３】
さらに、本発明の熱源機において、前記空気加熱用熱交換器を伝熱面積を稼ぐための複数のフィンを配設したフィンチューブ型熱交換器として構成すると共に、前記複数のフィンを前記ガス室における燃焼用空気の流れ方向に沿うように配設しているので、空気加熱用熱交換器の複数のフィン間に形成された複数の燃焼用空気の流路が、バーナの燃焼面全体に渡って方向づけられたものとされ、ガス室から燃焼面に供給される燃焼用空気は、燃焼面全体に渡って流れ方向が揃えられ、さらにフィン間の流路における圧損により流量が揃えられることになる。
従って、本発明の熱源機において、空気加熱用熱交換器をガス室に設けることで、寸法拡大をできるだけ抑制することができる上に、空気加熱用熱交換器をバーナにおける燃焼用空気の整流部として働かせることができる。
【００１４】
〔構成３〕
本発明に係る熱源機は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２の熱源機の構成に加えて前記空気加熱用熱交換器から排出される前記燃焼用空気の温度を検出する温度センサを備え、
前記温度センサの検出結果に基づいて、前記バーナに供給する前記燃焼用空気と前記燃料との酸素比を補正する酸素比補正手段を備えたことを特徴とする。
尚、ここで言う酸素比とは、燃料の完全燃焼に必要な理論酸素量に対する実酸素量の比である。
【００１５】
〔作用効果〕
本発明の熱源機に設けられたバーナは、燃焼用空気と燃料を予め混合して燃焼させる予混合型のバーナであるため、バーナの燃焼面における不完全燃焼を防止するために、燃料と燃焼用空気との混合気の酸素比は１以上に設定される。特に、温水加熱用熱交換器を燃焼ガス中水蒸気の凝縮潜熱をも回収する凝縮型熱交換器として構成する場合は、燃焼ガスの露点温度をできるだけ高くするために、前記酸素比はできるだけ１に近づけるように設定される。
一方、本発明の熱源機は、空気加熱用熱交換においてバーナに供給される燃焼用空気は放熱機器からの復温水との熱交換により加熱される。このような復温水の温度は、それを排出する放熱機器の運転開始からの経過時間や運転状態の変化に伴って変化する場合が有り、復温水の温度変化により空気加熱用熱交換器から排出される燃焼用空気の温度が変化することがある。また、このようにな燃焼用空気をバーナに供給する場合、バーナに供給する燃焼用空気の流量を一定とすれば、その燃焼用空気温度のみを２７．３℃上昇する毎にバーナに供給される空気の質量が１割減少するので、バーナにおける酸素比が減少し、例えば予混合型のバーナにおいて酸素比が１以下になってしまうと即不完全燃焼となる。
【００１６】
そこで、本発明の熱源機においては、このような燃焼用空気の加熱による酸素比の変化を抑制するために、本構成のごとく、加熱後の燃焼用空気の温度を検出する前記温度センサと、その検出された温度に基づいて燃焼用空気の流量若しくは燃料の流量を調整し、前記バーナに供給される燃焼用空気と燃料との酸素比が適正のものになるように補正する補正手段を設けることで、放熱機器から排出される復温水の温度が変化し空気加熱用熱交換器から排出される燃焼用空気の温度が変化しても、バーナにおける酸素比を好ましいものに維持して、不完全燃焼等を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明に係る熱源機において、上記のように燃焼用空気の温度変化による不完全燃焼を抑制するためには、予め推測することができる燃焼用空気の最大温度にあわせてバーナにおける酸素比が１程度になるように燃焼用空気の供給量を設定することで、燃焼用空気がその最大温度以下である場合においては酸素比が１以上となるので、上記の不完全燃焼を回避することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の熱源機の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示す熱源機１００は、温水暖房器や浴室乾燥機等の放熱機器２００からの復温水をバーナ２から排出された燃焼ガスとの熱交換により加熱し、その温水を放熱機器に循環させるものである。
詳しくは、熱源機１００には、バーナ２の燃焼面２１に連通するガス室１３に燃焼用空気を供給する燃焼用ファン１が設けられ、バーナ２は、燃料管１５から供給される都市ガス等の燃料を、ガス室１３から供給される燃焼用空気を利用して、燃焼ガス流路３に面する燃焼面２１で予混合燃焼させ、燃焼ガス流路３に高温の燃焼ガスを排出する。また、燃料管１５には、燃料の流量を調整する制御弁１６と燃料の供給を遮断する遮断弁１７が設けられ、夫々の弁１６，１７は制御装置３０により制御される。
【００１９】
放熱機器２００から排出された復温水が供給される復温水管６には、復温水を膨張させるタンク７と、復温水を循環させるためのポンプ８が設けられている。
【００２０】
さらに、燃焼ガス流路３には、後に説明する空気加熱熱交換器９から排出された復温水が供給され、その復温水と燃焼ガス流路を流通する燃焼ガスとの熱交換を行い復温水を加熱する温水加熱用熱交換器として、燃焼ガス流路３の燃焼ガスの流れ方向下流側に設けられた下流側熱交換器１０と燃焼ガス流路３の燃焼ガスの流れ方向上流側に設けられた上流側熱交換器１１とが配設されており、復温水を下流側熱交換器１０と上流側熱交換器１１とに順に流通させて加熱し、往温水として放熱機器２００に接続された往温水管１２に排出する。
また、熱を回収され下流側熱交換器１０から排出された燃焼排ガスは排気流路４を介して排気口５から排出される。
【００２１】
このような熱源機１００の復温水管６に供給される復温水の温度は６０℃〜４０℃程度と比較的高温であり、この高温の復温水をそのまま燃焼ガスと熱交換して加熱すると効率が悪いが、本発明の熱源機１００は、簡単な構成で燃焼ガスの熱を効率良く回収することができ、その構成について以下に説明する。
即ち、本発明の熱源機１００には、バーナ２の直上流のガス室１３に、放熱機器２００から排出された高温の復温水とガス室１３の復温水よりも低温である燃焼用空気との熱交換を行う空気加熱用熱交換器９が設けられており、復温水によりバーナ２に供給する燃焼用空気を加熱して、復温水の保有熱を燃焼用空気に移行させることができる。
【００２２】
この空気加熱用熱交換器９により、下流側熱交換器１０に供給される復温水の温度を低下させることができるので、下流側熱交換器１０において低温の復温水により充分に燃焼ガスの熱を回収することができ、燃焼用空気に移行させた復温水の保有熱は燃焼ガスの熱に加わり下流側熱交換器１０において再度復温水で回収されることになる。
【００２３】
さらに、本発明の熱源機１００は、この空気加熱用熱交換器９は復温水の温度を燃焼ガスの露点温度よりも低く、好ましくは露点温度よりも１０℃以上低くして、下流側熱交換器１０に供給するように構成されている。そして、下流側熱交換器１０においては、その燃焼ガスの露点温度以下の復温水と燃焼ガスとの熱交換を行い、燃焼ガス中の水蒸気を凝縮させて凝縮潜熱までをも回収する凝縮型熱交換器として構成されており、一層の熱回収効率の向上を図ることができる。燃焼ガス中の水蒸気が凝縮した凝縮水は、燃焼ガス流路３の下方に形成された排水口１４から排出される。
【００２４】
さらに、本発明の熱源機１００は、ガス室１３に設けられた空気加熱用熱交換器９は、複数のフィン９１をガス室１３における燃焼用空気の流れに沿って配設したフィンチューブ型熱交換器として構成されており、複数のフィン９１間に形成された複数の燃焼用空気の流路が、バーナ２の燃焼面２１全体に渡って方向づけられたものとすることで、燃焼面２１に供給される燃焼用空気は、燃焼面全体に渡って流れ方向が揃えられ、さらにフィン９１間の流路における圧損により流量が揃えられることになる。よって、空気加熱用熱交換器９を利用して燃焼用空気の流れを整流することができるので、ガス室１３の整流板２３はパンチングメタル製のものを利用した簡単な構成としたり、或いは、全く省略することもできる。
【００２５】
また、空気加熱用熱交換器９がガス室１３に設けられているので、燃焼用空気と復温水との熱交換を行うために必要なフィン９１間の流路と、燃焼用ファン１から供給される燃焼用空気の流量等の流れ状態を安定させるために必要なガス室１３の容積の一部とが共通のものとなっており、空気加熱用熱交換器９を設けることによる寸法拡大が抑制されている。
【００２６】
次に、本発明の熱源機１００において、制御装置３０は、不完全燃焼を回避しながら、燃焼ガスの露点温度をできるだけ高くして凝縮潜熱の回収を良好に行うために、バーナ２に供給される燃料と燃焼用空気との酸素比を１より若干大きくなるように制御弁１６又は燃焼用ファン１を調整するように構成されている。
一方、本発明の熱源機１００は、空気加熱用熱交換９においてバーナに供給される燃焼用空気は復温水により加熱されるので、放熱器の運転状態等の変化に伴い燃焼用空気の温度が変化して燃焼用空気の単位流量あたりの空気質量が変化し、バーナ２における酸素比が変化してしまう。
【００２７】
そこで、本発明の熱源機１００は、制御装置３０に設けられた補正手段３１により、その酸素比の変化を補正してバーナ２における酸素比を好ましいものとすることができる。即ち、ガス室１３の空気加熱用熱交換器９とバーナ２との間に温度センサ１９が設けられており、温度センサ１９は空気加熱用熱交換器９から排出された燃焼用空気の温度を検出して制御装置３０に出力する。
そして、補正手段３１は、その検出された燃焼用空気の温度に基づいて制御弁１６を働かせ、バーナ２に供給される燃焼用空気と燃料との酸素比が適正のものになるように燃料の流量を調整するのである。即ち、補正手段３１は、燃焼用空気の温度が増加したときに、酸素比の低下を抑制するべく燃料の流量を低下させ、逆に、燃焼用空気の温度が低下したときに、酸素比の上昇を抑制するべく燃料流量を増加させて、酸素比を常に適切な値に維持することができるのである。
【００２８】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の熱源機の別の実施の形態を説明する。
〈１〉上記の実施の形態において、空気加熱用熱交換器９を燃焼用ファン１の下流側のガス室１３に設けた構成を説明したが、別に、空気加熱用熱交換器９を燃焼用ファン１の吸引口上流側に設け、燃焼用ファン１に供給される燃焼用空気を復温水で加熱するように構成しても構わない。
【００２９】
〈２〉上記の実施の形態において、バーナ２に供給する燃焼用空気と燃料との酸素比を補正するための補正手段３１を、温度センサ１９の検出結果に基づいて制御弁１６を働かせ燃料流量を調整するように構成したが、別に、補正手段３１を、温度センサ１９により検出された燃焼用空気の温度に基づいて燃焼用ファン１の送風量を調整する、言換えれば燃焼用空気の温度変化によりバーナ２に供給する酸素量が変化しないようにファン１の送風量を調整するよに構成することもできる。
【００３０】
〈３〉上記の実施の形態において、補正手段３１を設け、バーナ２に供給する燃料と燃焼用空気との酸素比を適切な値に補正し、燃焼用空気の温度上昇に起因する酸素比低下により不完全燃焼等を防止するように構成したが、別に、本発明に係る熱源機において、予め推測することができる燃焼用空気の最大温度にあわせて、バーナにおける酸素比が１程度になるように燃焼用ファンの送風量を設定しておき、燃焼用空気がその最大温度以下である場合において常にバーナにおける酸素比が１以上となるように構成して上記のような不完全燃焼を回避することもできる。
【００３１】
〈４〉上記実施の形態において、一般的な例として、燃料の燃焼のための燃焼用酸素含有ガスとして空気を利用したものを説明したが、空気の以外の燃焼用酸素含有ガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を利用することや、燃焼排ガスを混入した燃焼用空気をＮＯｘ低減を目的として利用することが可能である。
【００３２】
〈５〉上記の実施の形態において、熱源機１００と放熱器２００を循環する熱媒液として温水を利用したが、熱媒液としては水以外の油等の液体も利用できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の熱源機は、暖房若しくは乾燥用途の放熱器からの復温水の温度が高く、燃焼ガスの露点温度以上である場合でも、有効に凝縮潜熱が回収でき、従来型の凝縮潜熱を回収しない構成の熱源機と比較して１５％程度、凝縮潜熱を回収する熱交換器を備えているものの復温水が上記露点温度よりも高くて充分に凝縮潜熱を回収できない熱源機と比較して５％程度の効率向上の効果がある。
本発明の熱源機は、燃焼用空気を燃焼排ガスにより加熱するエアーヒータ等の気−気熱交換器を設けた熱源機と比較して、燃焼用空気を高効率且つコンパクトな気−液熱交換器である空気加熱用熱交換器で加熱するので、大幅にコンパクト且つ耐食性材料の使用量低減にて安価に構成することができる。本発明の熱源機は、補正手段によりバーナにおける酸素比を安定したものに維持することができるので、不完全燃焼を回避しながら、酸素比を１に近い値として燃焼ガスの露点温度を高く維持し、凝縮潜熱の回収効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱源機の実施の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
１        燃焼用ファン
２        バーナ
３        燃焼ガス流路
６        復温水管
９        空気加熱用熱交換器（酸素含有ガス加熱用熱交換器）
１０      下流側熱交換器（熱媒液加熱用熱交換器）
１１      上流側熱交換器（熱媒液加熱用熱交換器）
１２      往温水管
１３      ガス室
１５      燃料管
１６      制御弁
１９      温度センサ
２１      燃焼面
２３      整流板
３０      制御装置
３１      補正手段
９１      フィン
１００    熱源機
２００    放熱機器
【図１】
0004225677.tif 000002