JP3871920B2

JP3871920B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP3871920B2
Application number: JP2001354562A
Authority: JP
Inventors: 明丸山
Original assignee: パロマ工業株式会社
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003161527A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃焼ガスから顕熱を回収する主熱交換器と潜熱を回収する副熱交換器とを備えて被加熱流体を加熱する熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の熱交換装置を用いた燃焼器具として、高熱効率を図った潜熱回収型給湯器が知られている。
こうした給湯器としては、図２に示されるように、出湯管１６が接続される主熱交換器７２と、給水管１４が接続される副熱交換器７６と、主熱交換器７２を加熱するバーナ２２と、バーナ２２に燃焼用空気を供給する給気ファン３６とを備え、バーナ２２の燃焼により副熱交換器７６と主熱交換器７２とで通水（被加熱流体）を加熱し、出湯管１６より出湯する強制燃焼式給湯器１１が一般的に知られている。
【０００３】
この給湯器１１では、熱効率を向上するために、熱伝導率の優れた銅製のフィンチューブ（フィン７２ｂ付き伝熱管７２ａ）からなる主熱交換器７２を用いてバーナ２２から発生した燃焼ガスの顕熱を回収することに加えて、副熱交換器７６で燃焼ガス中の水蒸気を凝縮させ、その潜熱を回収する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この凝縮したドレンが、燃焼ガス中の硫黄（Ｓ）や窒素（Ｎ）と反応して酸性になるため、副熱交換器７６に銅材を用いると腐食してしまう。
そこで、副熱交換器７６に、耐食性のあるステンレス（ＳＵＳ３１６）やチタンを用いることが考えられるが、銅よりも熱伝導率が低く、銅材を用いた場合と同じ熱効率を得ようとすると大きな伝熱面積が必要になり、器具が大型化してしまう。しかも、フィン７６ｂ，伝熱管７６ａをステンレス製やチタン製とした場合には、両者のロウ付けが困難であるため、フィン７６ｂと伝熱管７６ａとの間に隙間が残りやすく、更に伝熱しにくくなる。
従って、副熱交換器をフィンを持たない管（フィンレスチューブ）構造にすることが望ましいが、フィンの分まで伝熱面積を確保しようとすると、伝熱管が非常に長くなってしまう。しかも、材料費が高いため、副熱交換器７６のコストアップを招くことになる。
【０００５】
一方、別のドレン対策として、副熱交換器７６に耐食性のエポキシ樹脂でコーティングすることも考えられるが、エポキシ樹脂には耐熱性が乏しいため、主熱交換器７２通過後の燃焼ガスの温度をこの副熱交換器７６の入口で１２０℃程度にまで下げることが望ましい。これを達成するためには、主熱交換器７２での熱回収量を増大、つまり熱効率を高くする必要がある。
【０００６】
しかしながら、主熱交換器７２で熱効率を高くしようとすると、そこでのドレン発生の問題が生じるため、主熱交換器７２内の通水の温度を高精度に制御する必要があり、ドレン対策のためのコストが嵩んでしまう。
例えば、バーナの下方に２段の伝熱管を上下に備えた主熱交換器を配置し、上段の伝熱管に給水管を接続した給湯器について説明すると、上段の伝熱管では、入水温度が低くてもバーナに近いため燃焼ガスの温度が高く、ドレンは成長しづらい。ところが、下段の伝熱管では、上段の伝熱管での熱交換により燃焼ガスの温度が下がっており、ドレンが発生しやすい。しかも、熱効率を向上させるためにフィンを大きくすると、フィンの表面温度分布がばらついてしまい、やはりドレンが生じやすい。このように、ドレン対策と熱効率の向上とを同時に達成することは難しかった。
そこで、本発明の熱交換装置は上記課題を解決し、耐久性を維持したまま低コストで熱効率を高くすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１記載の熱交換装置は、
バーナの燃焼ガスから顕熱のみを回収して被加熱流体を加熱するフィンチューブ式主熱交換器と、該燃焼ガス流路における該主熱交換器の下流側に設けられ燃焼ガスから主に潜熱を回収して被加熱流体を加熱するフィンチューブ式副熱交換器とを備えた熱交換装置において、
上記燃焼ガス流路における上記主熱交換器と上記副熱交換器との間に、燃焼ガスから顕熱と潜熱とを回収して伝熱管内の被加熱流体を加熱するフィンレスチューブ式補助熱交換器を設け、
上記補助熱交換器の伝熱管に耐食性および耐熱性を有する金属を用い、上記副熱交換器を耐食性材料でコーティングしたことを要旨とする。
【０００８】
また、上記課題を解決する本発明の請求項２記載の熱交換装置は、請求項１記載の熱交換装置において、
上記副熱交換器の母材に銅を用いエポキシ樹脂でコーティングしたことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の熱交換装置は、主熱交換器がバーナの燃焼ガスから顕熱のみを回収する。そして、補助熱交換器は、主熱交換器で顕熱回収された燃焼ガスから顕熱と潜熱とを回収し、燃焼ガスを所定温度まで下げる。そして、副熱交換器は、補助熱交換器で温度が下げられた燃焼ガスから主に潜熱を回収する。このようにして、顕熱および潜熱を回収して熱交換器を流れる被加熱流体を加熱する。
【００１０】
また、補助熱交換器の伝熱管が耐熱性を有するため、主熱交換器を通過した燃焼ガスの温度が副熱交換器の耐熱温度に下がるまで主熱交換器で熱交換する必要が無く、主熱交換器で回収しきれなかった顕熱を補助熱交換器で回収する。
この結果、ドレンに対して主熱交換器で高精度に通水温度制御をしなくてもよい。
【００１１】
また、補助熱交換器では、潜熱をできる限り多く回収することを目的としていないため、熱回収量を増加するためのフィンを伝熱管に設ける必要がない。
この結果、補助熱交換器によって熱交換装置を大型化させることがない。しかも、ロウ付けに適していない耐食性金属を補助熱交換器に用いることができ、ドレンを発生させても問題がなく、燃焼ガスの温度を下げることができる。従って、副熱交換器に耐熱性が要求されなくなり、副熱交換器を耐食材料でコーティングすることができる。
【００１２】
また、上記構成を有する本発明の請求項２記載の熱交換装置は、副熱交換器の伝熱管の母材およびフィンの母材を耐食性に優れたエポキシ樹脂でコーティングしているため、ドレンを発生させても支障無く潜熱を回収でき、しかも、これらの母材に熱伝導率の高い銅を用いることができて燃焼ガスと良好に熱交換できる。この結果、熱効率を高く維持したまま、副熱交換器の小型化が可能となる。
【００１３】
【発明の実施形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の熱交換装置の好適な実施形態を説明する。
本発明の一実施形態としての熱交換装置を備えた強制燃焼式給湯器について図１を用いて説明する。
【００１４】
給湯器１０は、器具本体１２内の下方位置に、通水を加熱する熱交換装置６０が燃焼室２０内に装着された状態で設けられる。熱交換装置６０の上方には、熱交換装置６０を加熱するブンゼンバーナ（以下、バーナ２２）がそのバーナ炎孔側を下向きにして取付板２４を介して設けられる。熱交換装置６０の入口には給水管１４が接続され、熱交換装置６０の出口には出湯管１６が接続される。尚、出湯管１６は、浴室や台所等へ延びており、その先端には、給湯栓１７が設けられている。
器具本体１２には、外気を燃焼用空気として取り込むための給気口３０と、給気口３０より上方に排気口４４とが開口される。
【００１５】
一方、熱交換装置６０を支持する燃焼室２０の下端には、バーナ２２の燃焼ガスにより熱交換装置６０を加熱した後の燃焼ガスを排出する排気フード３２が設けられる。この排気フード３２は上方に大きく開口した椀形状をなし、下方でシリコンチューブのドレン通路３３を介して、ドレンを中和する中和装置３５と接続されている。尚、この排気フード３２は、燃焼ガス中のドレンの受け皿としてのドレンパンを兼ね備えている。
排気フード３２の側面には排気通路３４が連結され、この排気通路３４の上端開口は排気口４４に臨む。
【００１６】
また、熱交換装置６０は、燃焼ガス流路の上流から順に、主熱交換器６２，補助熱交換器６４，副熱交換器６６からなり、この主熱交換器６２は、燃焼熱を吸収をする複数の銅製の主フィン６２ｂに銅製の主伝熱管６２ａが貫通し複数段蛇行したものである。この主伝熱管６２ａは、バーナ２２の近傍で燃焼室２０を巻回する出湯管１６と接続される。
【００１７】
一方、補助熱交換器６４は、フィンを備えない管（フィンレスチューブ）構造をしており、耐熱性および耐食性のあるステンレス（ＳＵＳ３１６）製の蛇腹形状をした補助伝熱管６４ａが前後に蛇行したもので、通水出口で主熱交換器６２の主伝熱管６２ａと接続される。この補助熱交換器６４の耐熱温度は２５０℃以上が望ましい。
【００１８】
他方、副熱交換器６６は、燃焼熱を吸収をする銅製の複数の副フィン６６ｂに銅製の副伝熱管６６ａを貫通させ複数段蛇行させ炉中ロウ付けした組立体に、エポキシ樹脂コーティング（特に、エポキシフェノール系水系塗料）したものである。この副伝熱管６６ａは、通水出口で補助熱交換器６４の補助伝熱管６４ａと接続され、通水入口で給水管１４と接続される。
【００１９】
給水管１４には、水流センサや水ガバナあるいは水量制御弁を備える水側制御ユニット５０が設けられ、またバーナ２２へのガス管５２には、主電磁弁５４及びガス比例弁５６が設けられる。
バーナ２２を覆うバーナカバー２６上のファン取付台３８には、給気ファン３６を取り付ける。この給気ファン３６にはＤＣモータ４８が連結される。
【００２０】
また、給水管１４に設けられる水側制御ユニット５０内の水流センサや、バーナ２２のガス管５２に設けられる主電磁弁５４及びガス比例弁５６、そしてＤＣモータ４８等はこの給湯器１０の燃焼を制御するバーナコントローラ５８に電気的に接続されている。
【００２１】
このように構成された給湯器１０では、給湯栓１７を開くことにより給水管１４に水（図中破線矢印）が流れ、水側制御ユニット５０内の水流センサからの検知信号によりバーナコントローラ５８が制御動作を行い、給気ファン３６がＤＣモータ４８の駆動により回転し始める。所定のプリパージが完了すると、バーナ２２の主電磁弁５４及びガス比例弁５６が開いてバーナ２２にガス（図中実線矢印）が供給され、図示しないイグナイタによりバーナ２２に点火が行われる。
【００２２】
点火動作が終了すると、比例制御が開始され、図示しない出湯温サーミスタで検出される湯温と設定温度との差があると、バーナコントローラ５８でそれを判断しガス比例弁５６へ信号を送り、ガス量を連続的に変化させて熱交換装置６０（ここでは、主伝熱管６２ａ）の出口温度を一定に保つ。また、ガス比例弁５６によるガス量の変化に応じてバーナコントローラ５８から給気ファン３６のＤＣモータ４８に信号が送られ、給気ファン３６の回転数も変えられ、常にガス量と給気量との関係が一定に保たれるように制御される。
【００２３】
このような燃焼制御において、給気ファン３６の動作に伴い、器具本体１２に設けられる給気口３０より外気が器具本体１２内に吸引され、バーナ２２へ導入されて燃焼用空気として燃焼に供される。
バーナ２２の炎口近傍では混合気が燃焼して火炎を形成し、熱交換装置６０の燃焼ガス上流側近傍に至る間に燃焼が完結（完全燃焼）する。
【００２４】
バーナ２２の燃焼ガスは、給気ファン３６により下向きに流れ、主熱交換器６２の各主フィン６２ｂ間を貫流して顕熱が回収され排気温度が約２１４℃になり、そして、補助熱交換器６４の補助伝熱管６４ａ間を貫流して顕熱および潜熱が回収され排気温度が約１２０℃になり、そして、副熱交換器６６の各副フィン６６ｂ間を貫流して顕熱および潜熱が回収され排気温度が約３７℃となった後、排気フード３２，排気通路３４を介して排気口４４から器具の外へ排出される。
尚、燃焼ガスの温度は、条件によって変化するもので、この時の条件は、給気温度２０℃、湿度６０％、気圧７６０ｍｍＨ_２Ｏ、燃料ガス１３Ａであった。
【００２５】
一方、熱交換装置６０の通水は、副伝熱管６６ａ，補助伝熱管６４ａ，主伝熱管６２ａの順に流れ、燃焼ガスとの熱交換により徐々に加熱されていく。この副伝熱管６６ａおよび補助伝熱管６４ａでは、通水温が露点以下であるため、燃焼ガス中の水蒸気は、熱交換により冷却されて結露し、燃焼ガス中の硫黄や窒素と反応して酸性ドレン（Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３等）になる。この水蒸気の凝縮により副熱交換器６６および補助熱交換器６４は、蒸発潜熱を回収している。
【００２６】
熱交換装置６０で発生する酸性ドレンは、排気フード３２内に落下し、ドレン通路３３へ流れ、中和装置３５で中和されて器体外へ排出される。
また、バーナ２２が熱交換装置６０の上方に設けられているため、熱交換装置６０から酸性ドレンが落下しても、バーナ２２の炎孔を目詰まりさせることがなく、良好な燃焼状態が維持される。
【００２７】
上述した熱交換装置６０の熱効率は、主熱交換器６２での７８％（顕熱のみ）と、補助熱交換器６４での６％（顕熱と潜熱）と、副熱交換器６６での１１％（顕熱と潜熱）を合計した９５％となって非常に高い。
このように熱効率が９５％と非常に高いため、空気比（λ）を小さくするといった、熱交換装置６０の熱効率向上のための対策を行う必要がない。
従って、空気比λの低い全一次バーナを用いる必要がなく、ブンゼンバーナを用いることができて、製造コストアップに繋がることはない。
【００２８】
一般に、熱交換器で多くの顕熱を回収する場合には、燃焼ガスの入口温度と出口温度との差が大きくなり、燃焼ガスの出口温度が下がる。従って、顕熱を回収し過ぎると、ドレンが発生してしまい、熱交換器に耐食処理を施す必要性が生じる。
【００２９】
これに対して、補助熱交換器６４は、ステンレス製であるため、ドレンが発生しても腐食の心配がなく、燃焼ガスが副熱交換器６６に達する前の段階でドレンを積極的に発生させることができ、燃焼ガスの温度を１２０℃まで下げることができる。また、このステンレス製の補助熱交換器６４は、耐熱性もあるため、高温の燃焼ガスにも耐えることができ、主熱交換器６２で回収しきれなかった顕熱も回収することができる。
【００３０】
従って、主熱交換器６２で顕熱を最大限回収しなくてもよく、燃焼ガスの温度をドレンが発生しない限界温度まで下げる必要がなくなる。しかも、上述したように、空気比λを下げないため、主熱交換器６２でドレンが発生しやすくなることはない。
これらの結果、ドレン発生防止のための主熱交換器６２内の通水温度を厳しく管理する必要がない。
【００３１】
しかも、副熱交換器６６における燃焼ガスの入口温度が１２０℃以下であるため、耐熱性に優れないエポキシ樹脂を副熱交換器６６の耐食材として用いることができる。
このように、副熱交換器６６の耐食コーティング材を耐熱性にこだわらずに耐食性を重視して選択することができ、副熱交換器６６の耐久性を向上させることができる。
【００３２】
また、エポキシ樹脂は、耐食性が優れているため、副熱交換器６６に耐食性金属のステンレス（ＳＵＳ３１６）やチタンを用いる必要がなくなり、熱伝導率の高い銅を用いることができる。
従って、副熱交換器６６は、大きな伝熱面積を確保しなくても、高い熱効率を達成できる。更に、器具の大型化を招かない。
【００３３】
一般的に、耐食材料でコーティングされた伝熱管は、耐食性金属製の伝熱管よりも安価であるため、副熱交換器６６のドレン腐食対策をこの耐食コーティング材により、安価に行うことができる。
【００３４】
また、副熱交換器６６に銅材を用いるため、副フィン６６ｂと副伝熱管６６とを炉中で容易にロウ付けすることができ、フィンと伝熱管との間に隙間ができにくく伝熱しやすいため、副熱交換器６６にステンレス材を用いる場合よりも熱効率が向上する。
【００３５】
これに対して、補助熱交換器６４は、ステンレス材を用いているが、フィンを持たないため、このような不具合はない。
しかも、補助熱交換器６４の補助伝熱管６４ａは、蛇腹形状をしているため、大きな伝熱面積を確保でき、管長が比較的短くてよい。加えて、燃焼ガスの顕熱の多くは、主熱交換器６２で回収されるため、補助熱交換器６４での熱交換量が比較的小さくてよく、補助伝熱管６４ａを長めに形成する必要はない。
従って、熱交換装置６０全てにステンレス材を用いるのではなく、耐食性と耐熱製の両方を必要とする補助熱交換器６４にのみステンレスを用いることで、熱交換装置６０のコストを抑えることができる。
【００３６】
また、補助熱交換器６４は、フィンを備えないため、上下に大きなスペースを必要とせず、上下方向に複数段形成させなくても伝熱面積を十分に確保することができる。従って、熱交換装置６０が大型化しない。
このように、熱交換装置６０は、主熱交換器６２と副熱交換器６６との間に、顕熱と潜熱を回収する補助熱交換器６４を設けたため、耐久性を維持したまま低コストで熱効率を高くすることができる。
また、通水の温度を露点以上に保つためのバイパス管を設けるといったドレン対策を主熱交換器６２に講じる必要がないため、製造費用を抑えることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、熱交換装置６０をバーナ２２の上方に配置し、これらの間にドレン受けを設けドレン通路３３と接続してもよい。
また、補助熱交換器６４の補助伝熱管６４ａの材質は、ステンレス（ＳＵＳ３１６）に代えて、チタンとしてもよく、耐熱性および耐食性のある材質であればよい。
【００３８】
また、熱交換装置６０を迂回するバイパス管や全一次空気式バーナを設けないといけないわけではなく、必要に応じて用いても構わない。
例えば、バイパス管を設ける場合には、熱交換器での通水流量が減り、その通水の温度が高くなることから、ドレンの発生が一層防止される。
【００３９】
また、ブンゼンバーナに代えて全一次空気式バーナを用いる場合には、低λ（空気比）化を図る、つまりバーナの燃焼のために供給された空気流量を減らすことができるため、この燃焼用空気によって燃焼熱が給湯器外部へ持ち出されることが抑制され、熱効率を向上させることができる。
しかしながら、露点は全体の体積に対する水蒸気の量が多いほど高くなることから、空気比λを下げると、燃焼により発生する水蒸気量が変化しなくても、供給される空気量が減少するため、全体の体積が減少して露点が高くなる。
従って、空気比λを下げるとドレンが発生しやすくなるが、耐熱性のある補助熱交換器で顕熱を回収できるため、主熱交換器で熱回収量を多くする必要がなく、ドレンが発生するほど主熱交換器の排気出口温度が下がらないことから、全一次空気式バーナを用いて空気比λを下げても主熱交換器でドレンが発生することはなく、ドレン対策を講じる必要がない。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１記載の熱交換装置によれば、顕熱を回収する主熱交換器と、潜熱を回収する副熱交換器との間に、耐食性のある補助熱交換器を設けたために、燃焼ガスが副熱交換器に達する前に、燃焼ガスの温度を潜熱回収できる温度まで下げることができる。
しかも、補助熱交換器で潜熱を最大限に回収することを目的としているわけではないため、フィンを伝熱管に設ける必要がない。この結果、ロウ付けに適していない耐食性金属を補助熱交換器に用いることができ、ドレンを発生させても問題がなく燃焼ガスの温度を下げることができる。
これらの結果、副熱交換器に耐熱性が要求されなくなり、副熱交換器を耐食性材料でコーティングでき、安価に腐食を防止することができる。
また、フィンを備えない補助熱交換器によって熱交換装置が大型化することがない。
【００４１】
また、補助熱交換器の伝熱管が耐熱性を有するため、主熱交換器で顕熱を多く回収する必要がなく、主熱交換器でドレン発生を防止するために高精度な通水温度制御をしなくてもよく、この結果、安価になる。
【００４２】
また、請求項２記載の熱交換装置によれば、副熱交換器の伝熱管の母材およびフィンの母材を耐食性に優れたエポキシ樹脂でコーティングしているため、これらの母材に熱伝導率の高い銅を用いることができる結果、耐食性のある副熱交換器でドレン発生をしても支障なく潜熱を回収できる。
従って、高い熱効率を維持したまま副熱交換器をコンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の強制燃焼式給湯器の概略図である。
【図２】従来例の強制燃焼式給湯器の概略図である。
【符号の説明】
１０，１１…給湯器、１４…給水管、１６…出湯管、２０…燃焼室、２２…バーナ、３２…排気フード、３３…ドレン通路、３６…給気ファン、６０…熱交換装置、６２，７２…主熱交換器、６２ａ…主伝熱管、６２ｂ…主フィン、６４…補助熱交換器、６４ａ…補助伝熱管、６６，７６…副熱交換器、６６ａ…副伝熱管、６６ｂ…副フィン。

Claims

バーナの燃焼ガスから顕熱のみを回収して被加熱流体を加熱するフィンチューブ式主熱交換器と、該燃焼ガス流路における該主熱交換器の下流側に設けられ燃焼ガスから主に潜熱を回収して被加熱流体を加熱するフィンチューブ式副熱交換器とを備えた熱交換装置において、
上記燃焼ガス流路における上記主熱交換器と上記副熱交換器との間に、燃焼ガスから顕熱と潜熱とを回収して伝熱管内の被加熱流体を加熱するフィンレスチューブ式補助熱交換器を設け、
上記補助熱交換器の伝熱管に耐食性および耐熱性を有する金属を用い、上記副熱交換器を耐食性材料でコーティングしたことを特徴とする熱交換装置。
上記副熱交換器の母材に銅を用いエポキシ樹脂でコーティングしたことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。