(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる水管と、この水管の外周に設けられた金属からなる多数のフィンとを有し、燃焼ガスに含まれる水蒸気が上記水管およびフィンの表面に接触して結露する際の潜熱によって主に加熱される熱交換器の上記水管および上記フィンの腐食を防止する装置であって、上記水管および上記フィンの表面に発生する結露水を介してそれらに電気的に接続されるように、上記水管または上記フィンに非接触状態で近接して配置された陽極と、この陽極に正の電極が接続され、上記水管または上記フィンに負の電極が接続された直流電源とを備え、上記水管または上記フィンと上記陽極との間に、通水性を有する絶縁体が配置されていることを特徴とする熱交換器の腐食防止装置。
【請求項２】
上記多数のフィンに上記水管に沿って一列に並ぶ貫通孔を形成するとともに、上記陽極を棒状に形成し、この棒状をなす陽極を各フィンの上記貫通孔内に挿通状態で配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項３】
上記絶縁体を筒体とし、この筒体を上記貫通孔内に挿通状態に配置するとともに、筒体の内部に上記陽極を挿通したことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項４】
上記筒体を、ガラス繊維を編んで形成したことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項５】
上記水管および上記フィンの表面に防食用の被覆層を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項６】
上記結露水の量が所定量以下であるか否かを検出する結露水量検出手段と、この結露水検出手段が上記結露水の量が所定量以下であると判断したときに、上記直流電源から上記陽極および上記水管または上記フィンへの通電を停止する通電停止手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項７】
上記直流電源が定電圧回路であり、上記結露水量検出手段が、上記定電圧回路に流れる電流が所定の大きさ以下であるか否かによって上記熱交換器の非被覆部に結露水が付着しているか否かを検出することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の腐食防止装置。
【請求項８】
上記直流電源が定電流回路であり、上記結露水検出手段が、上記定電流回路の電圧が所定の大きさ以上であるか否かによって上記熱交換器の非被覆部に結露水が付着しているか否かを検出することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の腐食防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼ガス中に含まれる水蒸気の潜熱によって主に加熱されるタイプの熱交換器（以下、このタイプの熱交換器を潜熱型熱交換器という。）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、潜熱型熱交換器は、例えば他の熱交換器において熱が回収された低温の燃焼ガスからさらに熱を回収して熱効率を向上させるために用いられるものであり、その表面温度は、水の気化温度より低くなっている。したがって、潜熱型熱交換器の使用中には、燃焼ガスに含まれる水蒸気が熱交換器を構成する水管およびフィンの表面上で凝結し、結露水となって付着する。
なお、潜熱型熱交換器を加熱する燃焼ガスは、低温であるものの熱交換器より高温である。したがって、燃焼ガスは、潜熱によって熱交換器を加熱するのみならず、燃焼ガスが相変化（水蒸気が水になるような相変化）することなく内部に有する熱（以下、顕熱という。）によっても熱交換器を加熱する。
【０００３】
水管およびフィンに結露水が付着すると、燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）および硫黄酸化物（ＳＯｘ）が結露水に溶解して、それぞれ硝酸、硫酸等の酸を生成する。これらの酸によって水管およびフィンが腐食される。そこで、従来の潜熱型熱交換器においては、水管およびフィンの表面にフッ素樹脂やエポキシ樹脂等の有機樹脂またはシリコン系樹脂等の無機樹脂をコーティングし、これによって水管およびフィンの腐食を防止するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、樹脂をコーティングしてなる防食用の被覆層には、ピンホール（直径の小さい孔）が形成されることが不可避であり、このピンホールに臨む水管およびフィンの外面が腐食され、腐食部分が徐々に広がる。このため、被覆層を形成しても、水管およびフィンの腐食を確実に防止することは困難であるという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、請求項１に係る発明は、金属からなる水管と、この水管の外周に設けられた金属からなる多数のフィンとを有し、燃焼ガスに含まれる水蒸気が上記水管およびフィンの表面に接触して結露する際の潜熱によって主に加熱される熱交換器の上記水管および上記フィンの腐食を防止する装置であって、上記水管および上記フィンの表面に発生する結露水を介してそれらに電気的に接続されるように、上記水管または上記フィンに非接触状態で近接して配置された陽極と、この陽極に正の電極が接続され、上記水管または上記フィンに負の電極が接続された直流電源とを備え、上記水管または上記フィンと上記陽極との間に、通水性を有する絶縁体が配置されていることを特徴としている。
【０００６】
この場合、上記多数のフィンに上記水管に沿って一列に並ぶ貫通孔を形成するとともに、上記陽極を棒状に形成し、この棒状をなす陽極を各フィンの上記貫通孔内に挿通状態で配置するのが望ましく、特に上記絶縁体を筒体とし、この筒体を上記貫通孔内に挿通状態に配置するとともに、筒体の内部に上記陽極を挿通するのが望ましい。上記筒体については、ガラス繊維を編んで形成するのが望ましい。上記水管および上記フィンの表面には防食用の被覆層を形成してもよい。
【０００７】
腐食防止装置は、上記結露水の量が所定量以下であるか否かを検出する結露水量検出手段と、この結露水検出手段が上記結露水の量が所定量以下であると判断したときに、上記直流電源から上記陽極および上記水管または上記フィンへの通電を停止する通電停止手段とをさらに備えているのが望ましい。
この場合、上記直流電源を定電圧回路とし、上記結露水量検出手段を、上記定電圧回路に流れる電流が所定の大きさ以下であるか否かによって上記熱交換器の非被覆部に結露水が付着しているか否かを検出するものとしてもよく、あるいは上記直流電源を定電流回路とし、上記結露水検出手段が、上記定電流回路の電圧が所定の大きさ以上であるか否かによって上記熱交換器の非被覆部に結露水が付着しているか否かを検出するものとしてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る腐食防止装置をガス給湯装置の潜熱型熱交換器に適用した実施の形態について図１〜図５を参照して説明する。なお、この発明がガス給湯装置以外の他の燃焼装置に用いられる潜熱型熱交換器にも適用可能であることは勿論である。
【０００９】
図１〜図４はこの発明に係るガス給湯装置の一実施の形態を示すものであり、図２はガス給湯装置全体の概略構成を示している。この図２に示すように、ガス給湯装置は、ハウジング１を備えており、その内部には、ガスバーナ２、主熱交換器３および副熱交換器（熱交換器）４がそれぞれ収容されている。
【００１０】
ガスバーナ２は、ハウジング１のほぼ中央部に配置されており、ガス管４が接続されている。このガス管４には、元ガス電磁弁５および電磁比例弁６がそれぞれ設置されている。元ガス電磁弁５は、ガス管４を開閉してガスバーナ２へのガスの供給およびその停止を行う。一方、電磁比例弁６は、ガスバーナ２へのガスの供給量を調節する。また、ガスバーナ２は、二つの燃焼面を有しており、電磁弁７を開くと両方の燃焼面で燃焼し、電磁弁７を閉じると予め定められた一方の燃焼面だけで燃焼する。なお、符号８はガスバーナ２に燃焼空気を供給するための送風ファンである。
【００１１】
主熱交換器３は、互いに平行に配置された複数の水管３ａ（図２には１本のみ図示）と、この水管３ａに設けられた多数のフィン３ｂとを有している。水管３ａおよびフィン３ｂは、金属製であり、通常は銅製である。各水管３ａは、Ｕ字状をなすベント管（図示せず）によって互いに接続され、全体として１つの管を構成している。水管３ａの入水口３ｃは後述する副熱交換器４の出水口４ｅに接続され、出湯口３ｄは出湯管９に接続されている。このように構成された主熱交換器３は、ガスバーナ２に近接してその真上に配置されており、ガスバーナ２で発生した高温の燃焼ガスによって加熱される。この場合、水管３ａおよびフィン３ｂの表面温度は、１００°Ｃ以上に加熱される。したがって、それらの表面には、結露が発生することがない。つまり、主熱交換器３は、燃焼ガスにより気体から液体に相変化することなく加熱される顕熱型熱交換器である。
【００１２】
副熱交換器４は、潜熱型熱交換器であるが、図１、図３および図４に示すように、構造自体は顕在型熱交換器である主熱交換器３と同様である。すなわち、副熱交換器４は、互いに平行に配置された複数の水管４ａと、この水管４ａの外周面に互いに離れた状態で嵌合され、ろう付け等によって固定された多数のフィンとを有している。勿論、水管４ａおよびフィン４ｂは金属製であり、通常は銅で形成される。各水管４ａの端部どうしは、Ｕ字状をなすベント管４ｃ（１つのみ図示）によって接続されている。したがって、各水管４ａは全体として連続した一つのの管を構成しており、図２に示すように、入水口４ｄには給水管１０が接続され、出水口４ｅは主熱交換器３の入水口３ｃに接続されている。
【００１３】
副熱交換器４は、図１に示すように、ハウジング１の上部の排気通路１ａ中に設置されている。したがって、副熱交換器４は、主熱交換器３によって熱が奪われた比較的低温の燃焼ガスによって加熱される。この場合、副交換器４の水管４ａおよびフィン４ｂの表面温度は、１００°Ｃ未満である。したがって、それらの表面には、燃焼ガスに含まれる水蒸気が結露して付着する。この結露水に燃焼ガス中の窒素酸化物および硫黄酸化物が溶解して生成される硝酸および硫酸等の酸によって水管４ａおよびフィン４ｂが腐食されるのを極力防止するために、水管４ａおよびフィン４ｂの表面には、図４に示すように、防食用の被覆層１１が形成されている。この被覆層１１は、フッ素樹脂やエポキシ樹脂等の有機樹脂またはシリコン系樹脂等の無機樹脂をコーティングすることによって形成されている。
【００１４】
なお、副熱交換器４の下側には、副熱交換器４から落下する結露水を受けるための結露水受け１２が配置されており、結露水受け１２によって受け止められた結露水は、ドレン管１３を介して中和装置１４へ至る。そして、この中和装置で中和された後、給湯装置の外部に排出される。
【００１５】
上記構成において、出湯管９に接続された出湯栓（図示せず）を開くと、ガスバーナ２が点火され、給水管１０を介して供給される水が、まず副熱交換器４で加熱され、その後主熱交換器３で加熱される。加熱された湯は、出湯管９を介して出湯栓に供給され、そこから出湯される。この場合、出湯温度は、制御ユニット１９によって調節される。すなわち、制御ユニット１９は、給水温センサ１５によって検出された給水温度、水量センサ１６によって検出された給水量（出湯量と同一）、出湯温センサ１７によって検出された出湯温度、およびリモートコントローラ１８によって設定された設定温度に基づいて、電磁比例弁６、電磁弁７および送風ファン８をフィードフォワード制御およびフィードバック制御し、出湯温度を設定温度に調節する。
【００１６】
ここで、ガスバーナ２の燃焼中には、副熱交換器４の水管４ａおよびフィン４ｂに結露水が付着する。そして、結露水に燃焼ガス中の窒素酸化物および硫黄酸化物が溶け込んで硝酸および硫酸等が酸が形成される。このため、被覆層１１にピンホール１１ａ（図４参照）が存在すると、水管４ａおよびフィン４ｂがピンホール１１ａに面する箇所から腐食されるおそれがある。そこで、この副熱交換器４には、腐食防止装置２０が設けられている。
【００１７】
腐食防止装置２０は、図１、図３および図４に示すように、筒体（絶縁体）２１、陽極棒（陽極）２２および直流電源２３を備えている。これらは、次のようにして熱交換器４に設けられている。
【００１８】
すなわち、各フィン４ｂには、４つの水管４ａの間に位置する箇所に貫通孔２４が形成されている。各フィン４ｂに形成された貫通孔２４は、水管４ａと平行に一列状に配置されたものが一組になっており、そのような組が複数組形成されている。各組の貫通孔２４には、筒体２１がそれぞれ挿通固定されている。各筒体２１の内部には、陽極棒２２がそれぞれ挿通されている。各陽極棒２２には、直流電源２３の正の電極が接続されている。直流電源２３の負の電極は、いずれかの水管４ａに接続されている。なお、各水管４ａは、各フィン４ｂと接触することにより、各フィン４ｂに電気的に接続されるとともに、各フィン４ｂを介して他の水管４ａにも電気的に接続されている。したがって、直流電源２３の負の電極は、他の水管４ａまたはいれかのフィン４ｂに接続してもよい。
【００１９】
上記筒体２１は、陽極棒２２が水管４ａまたはフィン４ｂに接触して電気的に短絡状態で接続されるのを防止するためのものである。そこで、筒体２１は電気的な絶縁材で構成されている。しかも、筒体２１は、フィン４ｂに付着した結露水が筒体２１内に入り込むのを許容し、内部に入り込んだ結露水を介して陽極棒２２とフィン４ｂと電気的に接続するためのものである。したがって、筒体２１は、通水性を有するものであることが必要である。このような絶縁性と通水性とを備えたものとしては、例えば多孔質のセラミックからなる筒体があるが、ここでは、ガラス繊維を編んだ形成した筒体が用いられている。ガラス繊維は、電気的な絶縁性に富むのみならず、硝酸、硫酸等の酸に対する防食性に富み、しかもそれを編んだ場合には、編み目から結露水が内部に入り込むことができるからである。
【００２０】
上記陽極棒２２は、硝酸、硫酸等の酸に不溶性である材料によって形成される。例えば、炭素、白金、ステンレス鋼等によって形成される。また、陽極棒２２は、この実施の形態では、筒体２１の内径より小径に形成され、その両端部以外は筒体２１に対して離れているが、陽極棒２２を筒体２１の内径とほぼ同径にし、陽極棒２２の外周面を筒体２１の内周面に接触させるようにしてもよい。そのようにした場合には、結露水の量が少ないときにも、陽極棒２２とフィン４ｂとを結露水を介して確実に接続することができる。
【００２１】
上記直流電源２３としては、電池を用いてもよいが、定電圧回路または定電流回路を用いるのが望ましい。その理由は後述する。
【００２２】
上記構成の腐食防止装置２０を備えたガス給湯装置において、ガスバーナ２が燃焼して副熱交換器４の水管４ａおよびフィン４ｂに結露水が付着すると、結露水が入り込んだピンホール１１ａ内に水管４ａまたはフィン４ｂを正極とする局部電池が形成され、この局部電池によって水管４ａまたはフィン４ｂの表面が腐食される。しかるに、この腐食防止装置２０では、水管４ａおよびフィン４ｂに直流電源２３の負の電極を接続しているので、局部電池の起電力が０になる。したがって、水管４ａおよびフィン４ｂの腐食が防止される。なお、直流電源４ａの電圧は、実験等により、局部電圧の起電力を０にすることができるような電圧に予め設定される。
【００２３】
上記直流電源２３としては、定電圧回路または定電流回路を用いるのが望ましい。
直流電源２３として定電圧回路を用いた場合には、ガスバーナ２の燃焼が停止した後、結露水が乾燥して無くなると、定電圧回路２３を流れる電流が徐々に減少し、最終的には０になる。そこで、定電圧回路２３に流れる電流値を検出して、その検出値を制御ユニット１９に出力する一方、制御ユニット１９に所定の閾値を設定しておけば、電流値と閾値とを比較することにより、結露水が残っているか否かを判定することができる。しかも、制御ユニット１９によって定電圧回路に対する通電を制御させるようにすれば、定電圧回路を流れる電流値が０ないしは極めて小さくなったときに、定電圧回路に対する通電を停止することができ、それによって省エネルギをなし得る。
【００２４】
一方、直流電源２３として定電流回路を用いた場合には、結露水が乾燥して無くなるのに伴って直流電源２３の回路の電圧が高くなる。その電圧を検出して所定の大きさ以上になったら、結露水が無くなったものとすれば、電圧値を制御ユニット１９に出力することにより、結露水が残っているか否かを検出することができる。また、定電流回路の電圧が所定の大きさ以上になったときに、制御ユニット１９により定電流回路に対する通電を停止させることにより、省エネルギをなし得る。
【００２５】
図５は、この発明に係る腐食防止装置の他の実施の形態を示すものであり、この実施の形態の腐食防止装置２０′においては、貫通孔２４が水管４ａに接するようにしてその真下に配置形成されている。したがって、筒体２１も水管４ａの真下に接し、陽極棒２２も水管４ａの真下に配置されている。その他の構成は、上記実施の形態と同様である。
【００２６】
水管４ａの真下の部分は、副熱交換器４に付着した結露水がポストファン等によって乾燥していく過程で最後まで残る部分である。したがって、筒体２１および陽極棒２２を水管４ａの真下に配置すると、他の箇所に配置した場合に比して、最も遅くまで陽極棒２２と熱交換器４との間に電流を流すことができ、それによってピンホール１１ａにおける腐食を最後まで防止することができる。
【００２７】
なお、この発明は、上記の実施の形態に限定されるものでなく、適宜変更可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、筒体２１および陽極棒２２を複数設けているが、一つだけ設けてもよい。ただし、陽極棒２２と水管４ａまたはフィン４ｂの各部との間の電位差を極力一定にするために複数設けるのが望ましい。特に、この実施の形態のように、水管４ａおよびフィン４ｂを被覆層１１で被覆した場合には、同様の理由により複数設けるのが望ましい。
【００２８】
また、貫通孔２４に筒体２１を挿通し、筒体２１内に陽極棒２２を挿通しているが、陽極棒２２を副熱交換器４の外部に近接して配置してもよい。例えば、陽極棒２２をフィン４ｂの下側にそれと近接して配置してもよい。その場合には、筒体２１に代えて、フィン４ｂの下端面と陽極棒２２との間に平板状をなす絶縁体を配置してもよい。ただし、貫通孔２４内に筒体２１を挿通し、筒体２１内に陽極棒２２を挿通すれば、陽極棒２２を副熱交換器４の外部に配置する場合に比して、腐食防止装置２０が占める空間を小さくすることができる。また、陽極棒２２がフィン４ｂに確実に接触しないならば、絶縁体を設けなくともよい。
【００２９】
さらに、水管４ａおよびフィン４ｂの腐食を腐食防止装置２０によって十分に防止することができるならば、被覆層１１については形成しなくともよい。また、ガスバーナ２に代えて石油バーナを用いてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜８に係る発明によれば、潜熱型熱交換器の水管およびフィンの腐食を防止することができるという効果が得られる。
請求項２に係る発明によれば、水管およびフィンの腐食をより一層確実に防止することができる。
請求項３に係る発明によれば、腐食防止装置が占める空間を極力小さくすることができるという効果が得られる。
請求項４に係る発明によれば、陽極が水管およびフィンに接触してそれらに短絡的に接続されるのを防止することができるという効果が得られる。
請求項５に係る発明によれば、腐食防止装置の耐久性を向上させることができるという効果が得られる。
請求項６に係る発明によれば、水管およびフィンの腐食をより一層確実に防止することができるという効果が得られる。
請求項７に係る発明によれば、省エネルギを達成することができるという効果が得られる。
請求項８，９に係る発明によれば、結露水が乾燥して無くなったことを検出することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る熱交換器の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す熱交換器が用いられたガス給湯装置全体の概略構成を示す図である。
【図３】図１のＸ−Ｘ線に沿う一部省略拡大断面図である。
【図４】図３のＹ−Ｙ線に沿う一部省略拡大断面図である。
【図５】この発明に係る腐食防止装置の他の実施の形態を示す図３と同様の断面図である。
【符号の説明】
４  副熱交換器（熱交換器）
４′  副熱交換器（熱交換器）
４ａ  水管
４ｂ  フィン
１１  被覆層
１９  制御ユニット
２０  腐食防止装置
２１  筒体（絶縁体）
２２  陽極棒（陽極）
２３  直流電源
２４  貫通孔
【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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