JP3920843B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、給排気管を備え、燃焼ファンにより給排気管を介して燃焼用空気の供給と燃焼排気の排出とを行うようにした給湯器に関する。

本願出願人は、先に、この種の給湯器として、特願２００３−１１３７３４号により、図３に示すようなものを提案している。この先願の給湯器は、ハウジング１と、ハウジング１内に配置した、バーナ２およびバーナ２により加熱される給湯用熱交換器３を収納した燃焼室４と、ハウジング１内に燃焼室４の上方に位置させて配置した、ハウジング１の内部空間に連通する給気室５と、燃焼室４に連通して排気路７を構成する内管６ａと、給気室５に連通して内管６ａとの間に給気路８を構成する外管６ｂとで構成される２重管構造の給排気管６と、外気を給気路８と給気室５とハウジング１の内部空間とを介して燃焼室４に燃焼用空気として供給すると共に、バーナ２の燃焼排気を燃焼室４から排気路７を介して外部に排出する燃焼ファン９とを備える。

ところで、上記の如き２重管構造の給排気管６を使用すると、排気路７を流れる高温の燃焼排気によって給気路８を流れる空気が７０〜１００℃程度まで加熱されることがある。このままでは、ハウジング１内に高温空気が流入することになり、燃焼ファン９やハウジング１内に設ける制御ユニット１０が昇温して、その作動不良や誤作動をきたすおそれがある。

そこで、先願のものでは、給気室５に、給湯用熱交換器３の上流側の給水路１１から分岐して給湯用熱交換器３の下流側の出湯路１２に合流するバイパス通路１３に介設される冷却用熱交換器１４を配置し、給気室５に流入した高温空気をバイパス通路１３に流れる冷水と冷却用熱交換器１４で熱交換させて冷却するようにしたものを提案している。

ところで、冷却用熱交換器を具備しない給湯器であるが、従来、バイパス通路と出湯路の合流部を、バイパス通路と給水路の分岐部よりも鉛直方向上方に位置させて、冷水サンドイッチ現象の発生を防止するようにしたものが知られている(例えば、特許文献１参照)。冷水サンドイッチ現象は、出湯停止時に、バイパス通路と給水路の分岐部から給湯用熱交換器→バイパス通路と出湯路の合流部→バイパス通路の経路で分岐部に戻る閉ループ内の温水と冷水が両者の比重差により閉ループ内で回転するように流動し、バイパス通路内の冷水が合流部から給湯用熱交換器側に逆流して、給湯用熱交換器と合流部との間の出湯路の部分に冷水が滞留し、再出湯時にこの冷水が流出する現象である。

これを更に詳述するに、上記閉ループを、その鉛直方向最高位置と鉛直方向最低位置とを互いに逆向き結ぶ第１と第２の２つの流路に二分し、第１流路内と第２流路内の任意の高さｙにおける滞留水の比重を夫々ρ１，ρ２とし、第１流路と第２流路の最低位置から最高位置までの滞留水の比重の鉛直方向の積分値を夫々∫ρ１ｄｙ，∫ρ２ｄｙと定義する。各流路の滞留水の鉛直方向積分値∫ρ１ｄｙ，∫ρ２ｄｙに重力加速度を乗じた値は、閉ループの最低位置における各流路の水圧に等しくなる。そのため、∫ρ１ｄｙ＝∫ρ２ｄｙになるように滞留水が流動する。

バイパス通路と出湯路の合流部は、一般的に、バイパス通路と給水路の分岐部と鉛直方向同一高さに位置している。この場合、第１流路が閉ループの鉛直方向最高位置たる給湯用熱交換器の出口部から合流部とバイパス通路とを介して閉ループの鉛直方向最低位置たる分岐部に至る流路、第２流路が給湯用熱交換器の出口部から給湯用熱交換器を介して分岐部に至る流路であるとすると、分岐部とその上方の給湯用熱交換器の入口部との間の給水路の部分(第２流路の一部分)に滞留する冷水の影響で∫ρ１ｄｙ＜∫ρ２ｄｙになる。そのため、第２流路内の滞留水が分岐部を介して第１流路側に流動し、バイパス通路内の冷水が合流部から給湯用熱交換器側に流れて、冷水サンドイッチ現象が発生する。

これに対し、バイパス通路と出湯路の合流部を、バイパス通路と給水路の分岐部よりも鉛直方向上方に位置させれば、バイパス通路に滞留する冷水の影響で第１流路の滞留水の比重積分値∫ρ１ｄｙが増加し、第２流路から第１流路への分岐部を介しての滞留水の流動が抑制されて、冷水サンドイッチ現象の発生も抑制される。

然し、上記先願の冷却用熱交換器１４を具備する給湯器において、上記図３に示されているように、バイパス通路１３と出湯路１２の合流部１３ｂを、バイパス通路１３と給水路１１の分岐部１３ａよりも鉛直方向上方に位置させると、出湯停止時に、給湯用熱交換器３で後沸きされた高温の湯が冷却用熱交換器１４に移行し、再出湯時に出湯温度が高温化する不具合を生ずる。

図４は、図３のＡ〜Ｄの各点、即ち、出湯路１２の合流部１３ｂ下流のＡ点、バイパス通路１３の合流部１３ｂ近傍のＢ点、冷却用熱交換器１４の中間のＣ点、バイパス通路１３の分岐部１３ａ近傍のＤ点で計測した水温を示している。ｔ１は出湯を停止した時点、ｔ２は出湯を再開した時点であり、出湯停止から再開までの時間は１分間である。尚、出湯時は、出湯路１２の合流部１３ｂ下流の水温が４０℃になるように制御し、また、出湯停止後に燃焼ファン９の継続作動で５秒間のアフターパージを行っている。図４に示されているように、出湯を停止した瞬間にＢ点の温度が急上昇する。これは、慣性により出湯路１２の温水が合流部１３ｂからバイパス通路１３に流入したためと考えられる。尚、図３の分岐部１３ａと合流部１３ｂとの高さの差の実際値は２ｃｍである。

ここで、出湯停止時には、分岐部１３ａから給湯用熱交換器３→合流部１３ｂ→冷却用熱交換器１４の経路で分岐部１３ａに戻る閉ループ内で滞留水が流動可能になる。そして、閉ループの鉛直方向最高位置は冷却用熱交換器１４の最高部、閉ループの鉛直方向最低位置は分岐部１３ａになり、また、閉ループの最高位置と最低位置とを互いに逆向きに結ぶ２つの流路は、冷却用熱交換器１４の最高部から合流部１３ｂと給湯用熱交換器３とを介して分岐部１３ａに至る第１流路と、冷却用熱交換器１４の最高部から冷却用熱交換器１４を介して分岐部１３ａに至る第２流路とになる。第１流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値は、第１流路に給湯用熱交換器が存在し、且つ、合流部１３ｂと最高位置との間のバイパス通路１３の部分に上記の如く温水が流入するため小さくなり、一方、第２流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値は、第２流路に滞留するのが殆ど冷水であるため、第１流路の比重積分値に比しかなり大きくなる。その結果、第２流路から分岐部１３ａを介して第１流路に向かう流れを生じ、給湯用熱交換器３内の温水が合流部１３ｂを介して冷却用熱交換器１４に勢い良く流入して、Ｃ点の水温が急上昇し、更に、Ｄ点の温度も上昇する。

このように冷却用熱交換器１４に温水が流入すると、第２流路の比重積分値が減少するが、給湯用熱交換器３内の水温は後沸きにより上昇するため、第１流路の比重積分値は第２流路の比重積分値よりも減少し、給湯用熱交換器３内の温水が合流部１３ｂを介して冷却用熱交換器１４に継続して流入する。その結果、冷却用熱交換器１４内の水温がかなり上昇し、再出湯時に、冷却用熱交換器１４内の温度上昇した温水が合流部１３ｂを介して出湯路１２に流れ、出湯温度が一時的にオーバーシュートする。そして、設定温度(４０℃)に対するオーバーシュート量は１３．５℃程度にもなる。
特許第２６７８３３０号公報(段落００１０〜００１４、図１、図２)

本発明は、以上の点に鑑み、再出湯時の出湯温度のオーバーシュートを抑制できるようにした冷却用熱交換器付きの給湯器を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、ハウジングと、ハウジング内に配置した、バーナおよびバーナにより加熱される給湯用熱交換器を収納した燃焼室と、ハウジング内に燃焼室の上方に位置させて配置した、ハウジングの内部空間に連通する給気室と、燃焼室に連通して排気路を構成する内管と、給気室に連通して内管との間に給気路を構成する外管とで構成される２重管構造の給排気管と、外気を給気路と給気室とハウジングの内部空間とを介して燃焼室に燃焼用空気として供給すると共に、バーナの燃焼排気を燃焼室から排気路を介して外部に排出する燃焼ファンとを備える給湯器であって、給気室に、給湯用熱交換器の上流側の給水路から分岐して給湯用熱交換器の下流側の出湯路に合流するバイパス通路に介設される冷却用熱交換器を配置するものにおいて、バイパス通路と出湯路の合流部を、バイパス通路と給水路の分岐部よりも鉛直方向下方に位置させることを特徴とする。

上記の構成によれば、バイパス通路と給水路の分岐部から給湯用熱交換器→バイパス通路と出湯路の合流部→冷却用熱交換器の経路で分岐部に戻る閉ループの鉛直方向最低位置は合流部になる。そして、閉ループの鉛直方向最高位置と鉛直方向最低位置とを結ぶ互いに逆向きの２つの流路は、最高位置たる冷却用熱交換器の最高部からバイパス通路の下流部分を介して合流部に至る第１流路と、冷却用熱交換器の最高部から冷却用熱交換器とバイパス通路の上流部分と分岐部と給湯用熱交換器と出湯路の上流部分とを介して合流部に至る第２流路とになる。出湯停止時、慣性により出湯路の温水が合流部から第１流路に流入し、第１流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値が一時的に減少する。一方、第２流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値は、給湯用熱交換器に温水が存在するものの、冷却用熱交換器及び冷却用熱交換器と分岐部との間のバイパス通路の上流部分に存在する冷水の影響で、第１流路の比重積分値よりも大きくなる。そのため、第２流路から合流部を介して第１流路に向かう流れを生じ、給湯用熱交換器内の温水が合流部を経由して冷却用熱交換器に流入する。然し、給湯用熱交換器内の水温が後沸きで上昇すると、第２流路の比重積分値が減少して、遂には第１流路の比重積分値と等しくなり、この時点で第２流路から合流部を介して第１流路に向かう流れが停止する。従って、給湯用熱交換器内の温水が合流部を介して冷却用熱交換器に流入するのは一時的であり、冷却用熱交換器内の水温の上昇が抑制される。その結果、再出湯時の出湯温度のオーバーシュートも抑制される。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態の給湯器を模式的に示した図、図２は図１の給湯器の各部の水温の変化を示すグラフである。

図１に示す実施形態の給湯器の基本的な構造は、図３に示した先願の給湯器と同様であり、先願の給湯器と同様な部材には上記と同一の符号を付している。先願の給湯器の説明と重複するが、本実施形態の給湯器の構造を概略的に説明する。

本実施形態の給湯器は、ハウジング１と、ハウジング１内に配置した略密閉構造の燃焼室４とを備える。燃焼室４には、バーナ２と、バーナ２により加熱される給湯用熱交換器３とが収納されている。ハウジング１内には、更に、燃焼室４の上方に位置させて、ハウジング１の内部空間に連通する給気室５が配置されている。また、家屋の外壁Ｗを通して屋外にのびる給排気管６が設けられている。給排気管６は、燃焼室４に連通して排気路７を構成する内管６ａと、給気室５に連通して内管６ａとの間に給気路８を構成する外管６ｂとから成る二重管構造のものである。そして、ハウジング１内に、燃焼室４の下部に連通する燃焼ファン９を設け、燃焼ファン９により外気を給気路８と給気室５とハウジング１の内部空間とを介して燃焼室４に燃焼用空気として供給すると共に、バーナ２の燃焼排気を燃焼室４から排気路７を介して外部に排出するようにしている。ハウジング１内には、バーナ２及び燃焼ファン９を制御する制御ユニット１０も配置されている。

給湯用熱交換器３には、上流側の給水路１１と下流側の出湯路１２とが接続されている。また、給水路１１から分岐して出湯路１２に合流するバイパス通路１３が設けられている。そして、給気室５に、給気室５とハウジング１の内部空間との連通部となる給気室５の出口部に位置させて、バイパス通路１３に介設される冷却用熱交換器１４を配置している。

バーナ２には、火炎を検知するフレームロッド１５と、点火電極１６とが付設されており、また、バーナ２に接続されたガス供給路１７には、上流側から順に、主電磁弁１８と、電磁比例弁１９とが介設されている。給水路１１には、水量センサ２０と電動式の水量調整弁２１とが介設されている。出湯路１２には、バイパス通路１３との合流部１３ｂの下流側に位置させて、出湯温度を検出する湯温サーミスタ２２と、更にその下流側に位置させてリリーフ弁２３とが設けられている。

出湯路１２の下流端のカラン(図示せず)が開かれて出湯が開始されると、水量センサ２０から通水量に応じて出力される信号を受けて、制御ユニット１０はバーナ２の点火処理を開始する。この点火処理により、燃焼ファン９が駆動されて、給気路６からの外気が給気室５とハウジング１の内部空間とを介して燃焼室４に燃焼用空気として供給される。また、点火電極１６での火花放電が行われると共に、主電磁弁１８が開弁され、更に、電磁比例弁１９が所定開度に開弁されて、バーナ２にガスが供給され、バーナ２に点火される。そして、バーナ２の点火がフレームロッド１５からの信号で確認されると、制御ユニット１０は、湯温サーミスタ２２の検出温度が設定湯温になるように、電磁比例弁１９によるバーナ２の燃焼量の調整と、水量調整弁２１による通水量の調整とを行う。

ところで、バーナ２の燃焼排気は給湯用熱交換器３を流れる水を加熱した後、排気路７を介して外部に排出されるが、この際、排気路７と給気路８との間での熱交換により、給気路８を流れる外気が加熱されて７０〜１００℃程度まで昇温される可能性がある。然し、給気路８から給気室５に流入した高温空気は、給気室５に配置した冷却用熱交換器１４を流れる冷水により冷却される。従って、空気が高温のままハウジング１の内部空間に流入することを防止でき、高温空気による制御ユニット１０や燃焼ファン９の昇温、ひいてはこれらの誤作動等の弊害が防止される。

以上は、上記先願のものと同様であるが、本実施形態では、バイパス通路１３と出湯路１２の合流部１３ｂを、バイパス通路１３と給水路１１の分岐部１３ａよりも鉛直方向下方に位置させており、この点で先願のものと相違する。以下、この相違点による作用効果について詳述する。

出湯停止時には、分岐部１３ａから給湯用熱交換器３→合流部１３ｂ→冷却用熱交換器１４の経路で分岐部１３ａに戻る閉ループ内で滞留水が流動可能になる。ここで、本実施形態では、閉ループの鉛直方向最低位置は合流部１３ｂになる。そして、閉ループの鉛直方向最高位置と鉛直方向最低位置とを結ぶ互いに逆向きの２つの流路は、最高位置たる冷却用熱交換器１４の最高部からバイパス通路１３の下流部分を介して合流部１３ｂに至る第１流路と、冷却用熱交換器１４の最高部から冷却用熱交換器１４とバイパス通路１３の上流部分と分岐部１３ａと給湯用熱交換器３と出湯路１２の上流部分とを介して合流部１３ｂに至る第２流路とになる。尚、本実施形態では、分岐部１３ａと合流部１３ｂとの高さの差を１０ｃｍに設定している。

図２は、図１のＡ〜Ｄの各点、即ち、出湯路１２の合流部１３ｂ下流のＡ点、バイパス通路１３の合流部１３ｂ近傍のＢ点、冷却用熱交換器１４の中間のＣ点、バイパス通路１３の分岐部１３ａ近傍のＤ点で計測した水温を示している。ｔ１は出湯を停止した時点、ｔ２は出湯を再開した時点であり、出湯停止から再出湯までの時間は１分間である。尚、出湯時は、出湯路１２の合流部１３ｂ下流の水温が４０℃になるように制御し、また、出湯停止後に燃焼ファン９の継続作動で５秒間のアフターパージを行っている。

図２に示されているように、出湯を停止した瞬間にＢ点の温度が急上昇する。これは、慣性により出湯路１２の温水が合流部１３ｂからバイパス通路１３に流入したためと考えられる。このようにして第１流路の水温が上昇すると、第１流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値が一時的に減少する。一方、第２流路の滞留水の鉛直方向の比重積分値は、給湯用熱交換器３に温水が存在するものの、冷却用熱交換器１４及びバイパス通路１３の上流部分に存在する冷水の影響で、第１流路の比重積分値よりも大きくなる。そのため、第２流路から合流部１３ｂを介して第１流路に向かう流れを生じ、給湯用熱交換器３内の温水が合流部１３ｂを経由して冷却用熱交換器１４に流入し、Ｃ点の水温が上昇し、更には、Ｄ点の水温が上昇する。但し、第２流路と第１流路の比重積分値の差は先願のものに比し小さい。そのため、第２流路から合流部１３ｂを介して第１流路に向かう流れの勢いは弱く、Ｃ点、Ｄ点の水温は緩やかに上昇する。

次に、給湯用熱交換器３内の水温が後沸きで上昇すると、第２流路の比重積分値が減少して、遂には第１流路の比重積分値と等しくなり、この時点(図２のｔ３の時点)で第２流路から合流部１３ｂを介して第１流路に向かう流れが停止する。その後は、Ｂ点の水温が放熱で下降し、Ｄ点の水温は上昇しなくなる。尚、Ｃ点の水温は、流動停止後も燃焼室４からの熱伝導により緩やかに上昇しているが、図４に示した先願の給湯器のＣ点の水温に比べるとかなり低い。再出湯時には、出湯温度のオーバーシュートを生ずるが、設定湯温(４０℃)に対するオーバーシュート量は１０．５℃程度であり、オーバーシュート量が１３．５℃にもなる先願の給湯器に比し、３℃も低くなる。

尚、バイパス通路１３に、給湯用熱交換器３の温水が冷却用熱交換器１４に移行することを阻止する逆止弁を介設することも考えられるが、本実施形態では、合流部１３ｂの位置を分岐部１３ａの位置よりも低くするだけで再出湯時の出湯温度のオーバーシュートを抑制でき、コスト的に非常に有利である。

本発明の実施形態の給湯器を模式的に示した図。 図１の給湯器の各部の水温の変化を示すグラフ。 先願の給湯器を模式的に示した図。 図３の給湯器の各部の水温の変化を示すグラフ。

符号の説明

１…ハウジング、２…バーナ、３…給湯用熱交換器、４…燃焼室、５…給気室、６…給排気管、６ａ…内管、６ｂ…外管、７…排気路、８…給気路、９…燃焼ファン、１１…給水路、１２…出湯路、１３…バイパス通路、１３ａ…分岐部、１３ｂ…合流部、１４…冷却用熱交換器。

Claims (1)

1. ハウジングと、ハウジング内に配置した、バーナおよびバーナにより加熱される給湯用熱交換器を収納した燃焼室と、ハウジング内に燃焼室の上方に位置させて配置した、ハウジングの内部空間に連通する給気室と、燃焼室に連通して排気路を構成する内管と、給気室に連通して内管との間に給気路を構成する外管とで構成される２重管構造の給排気管と、外気を給気路と給気室とハウジングの内部空間とを介して燃焼室に燃焼用空気として供給すると共に、バーナの燃焼排気を燃焼室から排気路を介して外部に排出する燃焼ファンとを備える給湯器であって、
   給気室に、給湯用熱交換器の上流側の給水路から分岐して給湯用熱交換器の下流側の出湯路に合流するバイパス通路に介設される冷却用熱交換器を配置するものにおいて、
   バイパス通路と出湯路の合流部を、バイパス通路と給水路の分岐部よりも鉛直方向下方に位置させることを特徴とする給湯器。

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