JPH0253700B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、給湯器に係り、特に、全体の大型化
や圧力損失の増大化を招くことなく加熱効率を大
幅に向上させることができるようにした給湯器に
関する。

（従来の技術） 従来、小型で加熱効率が比較的良い給湯器とし
て、第１図に示すように構成されたものが知られ
ている（従来例１）。この給湯器は、頂部に排気
口１を有した燃焼筒２の下部にバーナ３を配置
し、このバーナ３と排気口１との間に軸心線を燃
焼ガスの流れ方向に直交させて配置された熱交換
パイプ４ａおよびこの熱交換パイプ４ａの外周面
に燃焼ガスの流れ方向と平行に熱交換パイプ４ａ
の延びる方向に複数突設されたフインからなるフ
インドチユーブタイプの第１の熱交換器４を設
け、さらに燃焼筒２の周壁に熱交換パイプからな
る第２の熱交換器５を巻回装着し、この第２の熱
交換器５を第１の熱交換器４に直列に接続したも
のとなつている。そして、バーナ３に図示しない
燃料供給装置で燃料を供給するとともにフアン６
で燃焼に必要な空気を送り込み、この空気と燃料
との混合ガスを燃焼させている。この燃焼過程
で、第１図および第２図中に実線矢印７で示すよ
うに流れる燃焼ガスと第１および第２の熱交換器
４，５内を流れる水とを熱交換させて出口８から
温水を得るようにしている。このように構成され
た給湯器は、燃焼筒２の周壁に第２の熱交換器５
を設けているので、第１の熱交換器４だけしか設
けていない給湯器に比べて加熱効率が高い。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のように構成された給湯器
にあつても、75％以上の加熱効率を得ることは困
難であつた。すなわち、これは、構造的に第２の
熱交換器５で回収できる熱量に限界があること、
第１の熱交換器４での熱回収量を多くするために
フインを大きくすると、かえつてフイン効率が低
下することを起因している。なお、フインの枚数
を多くすると、圧力損失が大きくなり、高静圧の
フアンを必要とすることになる。

そこで、加熱効率を一層向上させるために、第
１の熱交換器４を実開昭55−80681号公報に示さ
れているような充填層式熱交換器に置き代えるこ
とが考えられる。しかし、このようにしても、第
１の熱交換器への伝熱は、第１の熱交換器を構成
している熱交換パイプの表面への対流および充填
層からの伝導だけによつて行われるので、熱回収
量を多くするには、燃焼ガスの流れ方向に熱交換
部を複数段設けなければならず、この結果、全体
の大型化を招くばかりか圧力損失が増加するの
で、高静圧のブロアが必要となり、電気入力を含
む総合効率が低下し、コスト的にも不利なものと
なる。このことは、第１の熱交換器４に代えて、
実開昭48−44044号公報に示されているような多
孔質金属板に熱交換パイプを埋め込んだ熱交換器
を組み込んだ場合や特公昭52−27851号公報に示
されているような熱交換パイプを鋼球で包んだ熱
交換器（従来例２）を組み込んだ場合にも言え
る。

そこで本発明は、全体の大型化を招くことな
く、また圧力損失の大幅な増加を招くことなく、
しかも加熱効率を大幅に向上させる得る給湯器を
提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、一端側に排気口を有した燃焼筒と、
この燃焼筒内に配置された燃料と空気との混合ガ
スを燃焼させるバーナと、このバーナに外部から
燃焼用空気を送り込むフアンと、前記バーナと前
記排気口との間に軸心線を燃焼ガスの流れ方向に
交差させて配置された熱交換パイプおよび上記熱
交換パイプの外周面に燃焼ガスの流れ方向に沿つ
て上記熱交換パイプの延びる方向に複数設けられ
たフインからなるフインドチユーブタイプの第１
の熱交換器と、この第１の熱交換器に直列接続さ
れるとともに前記燃焼筒の周壁で、かつ前記バー
ナと前記第１の熱交換器との間に位置する部分に
巻回装着された熱交換パイプからなる第２の熱交
換器とを備え、前記第２の熱交換器を構成する熱
交換パイプから前記第１の熱交換器を構成する熱
交換パイプを経由させて給湯するようにした給湯
器において、前記第１の熱交換器の各フインとフ
インとの間に上記フインの高さ範囲を越えない範
囲にセラミツク粒体を充填保持したものとなつて
いる。

（作用） バーナから噴射した燃料と空気との混合ガスが
燃焼筒内で燃焼すると、この燃焼によつて生成さ
れた高温の燃焼ガスが、第１の熱交換器のフイン
間を通過して排気口へ向かおうとする。しかし、
第１の熱交換器のフイン間にはセラミツク粒体が
充填されているので、この第１の熱交換器の流動
抵抗の影響を受けて一部の燃焼ガスは燃焼空間へ
還流して再循環し、残りの燃焼ガスがセラミツク
粒体間に存在する屈曲した多数の狭い通路を通つ
て排気口へ向かう。

ここで、再循環する燃焼ガスは、燃焼筒内で第
２の熱交換器が位置している内側空間に漂つてい
る時間、つまり滞留時間が長いことになる。この
ように滞留時間が長いことは見掛け上、燃焼筒の
伝熱面積を広くしたことになる。このため、セラ
ミツク粒体を充填しない場合に比べて第２の熱交
換器の熱回収量は大幅に増加する。

一方、セラミツク粒体間に存在する屈曲した多
数の狭い通路に流れ込んだ燃焼ガスは次のような
作用を行なう。すなわち、フインとフインとの間
に存在する狭い通路に流れ込んだ燃焼ガスは、セ
ラミツク粒体の熱伝導率が悪いことからしてセラ
ミツク粒体を赤熱させながら下流側へと流れ、そ
の一部が途中で熱交換パイプとセラミツク粒体と
の間の狭い通路を流れながら熱交換パイプに熱を
与える。また、フイン近傍の狭い通路に流れ込ん
だ燃焼ガスの一部は、フインとセラミツク粒体と
の間の狭い通路を流れながらフインに熱を与え
る。このような燃焼ガスの流れは、狭い屈曲した
通路が複雑に入り組んでいることからして一様で
はない。しかし、何れにしてもフインの表面近傍
の通路および熱交換パイプの表面近傍の通路は狭
く、ここを流れる燃焼ガスの流速はセラミツク粒
体が存在していない場合に比べてはるかに速い。
このため、フインの表面近傍および熱交換パイプ
の表面近傍の境界層は充分薄くなる。一般に、流
体から対流によつて伝熱面に伝わる伝熱量は、伝
熱面の熱伝達率が大きい程大きい。熱伝達率は境
界層が薄い程、つまり流体の流速が速い程大き
い。加えて、熱交換パイプおよびフインは、セラ
ミツク粒体から伝導および輻射によつても熱供給
を受ける。このため、セラミツク粒体を充填しな
い場合に比べて第１の熱交換器の熱回収量は大幅
に増加する。

また、上述の如くセラミツク粒体は燃焼ガスに
よつて赤熱状態となる。このため、セラミツク粒
体は、輻射熱を放射し、この輻射熱は燃焼筒をも
加熱する。したがつて、第２の熱交換器の熱回収
量はさらに増加することになる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第３図は本発明の一実施例に係る給湯器を一部
切欠して示す正面図であり、第４図は同給湯器の
横断面図である。

この給湯器の基本的構成は第１図および第２図
に示した従来の給湯器とほぼ同じである。すなわ
ち、頂部に排気口１１を有した燃焼筒１２内にバ
ーナ１３が配置されており、このバーナ１３と排
気口１１との間にフインドチユーブタイプの第１
の熱交換器１４が配置されている。バーナ１３
は、燃焼筒１２内の下部に設けられ、図示しない
燃料供給装置から供給された燃料とフアン１５か
ら送られた空気との混合ガスを燃焼筒１２内で燃
焼させる。第１の熱交換器１４は、軸心線を燃焼
ガスの流れ方向に直交させて設けられた熱交換パ
イプ２０と、この熱交換パイプ２０の外周面に燃
焼ガスの流れ方向と平行するように突設された多
数のフイン１６とから構成されている。したがつ
て、混合ガスの燃焼によつて生成された燃焼ガス
１８はフイン１６間に形成された空隙１７を通つ
て排気口１１へと流れる。また、燃焼筒１２の周
壁外面でバーナ１３と第１の熱交換器１４との間
に位置する部分には、熱交換パイプを巻回装着し
てなる第２の熱交換器１９が設けてあり、これに
よつてドラム熱交換部Ｂが構成されている。そし
て、第２の熱交換器１９を構成する熱交換パイプ
と第１の熱交換器１４を構成する熱交換パイプ２
０とは直列に接続され、給湯時にはこれらのパイ
プに従来の給湯器と同様に第２の熱交換器１９か
ら第１の熱交換器１４に向かう流れ、つまり入口
２３から出口２４に向けて水が供給される。

この実施例に係る給湯器では、上記基本構成に
加えて、第１の熱交換器１４の各フイン１６とフ
イン１６との間およびフイン１６と燃焼筒１２の
内面との間に、フイン１６の燃焼ガスの流れ方向
と同方向の高さ範囲を越えない範囲にセラミツク
粒体２１が充填保持され、これによつて燃焼ガス
の流れ方向にある値の通風抵抗を持つフインドチ
ユーブ熱交換部Ａが構成されている。

セラミツク粒体２１は、空隙１７より小径な、
たとえば直径３mm程度のものである。そして、こ
のセラミツク粒体２１は、燃焼筒１２の内面にフ
イン１６の下端と面一状態に張設されたセラミツ
ク粒体２１より小さいメツシユのステンレス鋼製
の金網２２によつて支持されている。すなわち、
セラミツク粒体２１は、金網２２上にフイン１６
間に存在する空隙１７およびフイン１６と燃焼筒
１２の内面との間に存在する空隙を埋め、かつフ
イン１６の高さを越えない厚みに敷き詰めされて
いる。

次に、上記のように構成された給湯器の作用を
説明する。

バーナ１３から噴射した燃料と空気との混合ガ
スが燃焼筒１２内で燃焼すると、この燃焼によつ
て生成された高温の燃焼ガス１８は、第１の熱交
換器１４のフイン１６間を通過して排気口１１へ
向かおうとする。しかし、第１の熱交換器１４の
フイン１６間およびフイン１６と燃焼筒１２との
間にはセラミツク粒体２１が充填されているの
で、この影響を受けて一部の燃焼ガスは第４図に
示すように燃焼空間へ還流して再循環し、残りの
燃焼ガスがセラミツク粒体２１間に存在する屈曲
した多数の狭い通路を通つて排気口１１へと向か
う。この過程で、第２の熱交換器１９を構成して
いる熱交換パイプ内を通流している水および第１
の熱交換器１４を構成している熱交換パイプ２０
内を通流している水が加熱され温度上昇して給湯
器としての機能が発揮される。

このような伝熱過程をさらに詳しく説明すると
以下の通りである。すなわち、燃焼空間内を再循
環する燃焼ガスは、燃焼筒１２内で第２の熱交換
器１９が位置している内側空間に漂つている時
間、つまり滞留時間が長いことになる。このよう
に滞留時間が長いことは見掛け上、燃焼筒１２の
伝熱面積を広くしたことになる。このため、セラ
ミツク粒体２１を充填しない場合に比べて第２の
熱交換器１９の熱回収量は大幅に増加することに
なる。

一方、セラミツク粒体２１間に存在する屈曲し
た多数の狭い通路に流れ込んだ燃焼ガスは次のよ
うな経過で第１の熱交換器１４に熱を伝える。す
なわち、フイン１６とフイン１６との間に存在す
る狭い通路に流れ込んだ燃焼ガスは、セラミツク
粒体２１の熱伝導率が悪いことからしてセラミツ
ク粒体２１を赤熱させながら下流側へと流れ、そ
の一部が途中で熱交換パイプ２０とセラミツク粒
体２１との間の狭い通路を流れながら熱交換パイ
プ２０に熱を与える。また、フイン１６近傍の狭
い通路に流れ込んだ燃焼ガスの一部は、フイン１
６とセラミツク粒体２１との間の狭い通路を流れ
ながらフイン１６に熱を与える。フイン１６の表
面近傍の通路および熱交換パイプ２０の表面近傍
の通路はセラミツク粒体２１の存在によつて狭
く、ここを流れる燃焼ガスの流速はセラミツク粒
体２１が存在していない場合に比べてはるかに速
い。このため、フイン１６の表面近傍および熱交
換パイプ２０の表面近傍の境界層は充分薄くな
る。流体から対流で伝熱面に伝わる伝熱量は、伝
熱面の熱伝達率が大きい程大きい。熱伝達率は境
界層が薄い程、つまり流体の流速が速い程大き
い。このため、第１の熱交換器１４への伝熱量は
セラミツク粒体２１が存在していない場合に比べ
て大きくなる。加えて、熱交換パイプ２０および
フイン１６は、セラミツク粒体２１から伝導およ
び輻射によつても熱供給を受ける。このため、セ
ラミツク粒体２１を充填しない場合に比べて第１
の熱交換器１４への伝熱量は大幅に増加する。

また、上述の如くセラミツク粒体２１は燃焼ガ
スによつて赤熱状態となる。このため、セラミツ
ク粒体２１は、輻射熱を放射し、この輻射熱は燃
焼筒１２をも加熱する。したがつて、第２の熱交
換器１９への伝熱量はさらに増加することにな
る。

上述した説明から判かるように、第１の熱交換
器１４への伝熱量の増加は、広い伝熱表面積を持
つフインドチユーブタイプの熱交換器とセラミツ
ク粒体２１との組み合わせによつて実現され、ま
た第２の熱交換器１９への伝熱量の増加もセラミ
ツク粒体２１を前記関係に充填したことによつて
実現されたことになる。一方、第１の熱交換器１
４における圧力損失は、フインの付いていない熱
交換パイプの回りに鋼球などの粒体を充填した場
合に比べてはるかに小さい。すなわち、フイン１
６の両側面部分においては、フイン１６に邪魔さ
れてセラミツク粒体２１間およびセラミツク粒体
２１とフイン１６との間の隙間を大幅に埋めるよ
うな充填形態にはならない。したがつて、フイン
１６の近傍の流路は他に比べて広いことになり、
この結果、フイン１６がない場合に比べて圧力損
失は小さい。このため、セラミツク粒体２１を充
填しても高静圧のフアンを必要としないことにな
る。つまり、圧力損失を抑制した状態で、なおか
つ加熱効率を大幅に向上させることができる。

第５図ないし第９図は各部の寸法および条件を
等しくし、本発明に係る給湯器の特性と従来の給
湯器の特性とを比較して示すものである。第５図
は空気比を一定にして燃焼を行なわせたときの燃
焼量Ｑに対する温水効率ηを示すもので、図中ａ
曲線（各図について同じ。）が第１図に示した従
来の給湯器の特性を示し、Ｃ曲線（各図について
も同じ）が第１図に示す給湯器の第１の熱交換器
を特公昭52−27851号公報に示されている熱交換
器に置き代えた給湯器の特性を示し、ｂ曲線（各
図についても同じ）が本発明に係る給湯器の特性
を示している。この図から判かるように、本発明
に係るものでは7800〜16500kca／ｈの燃焼量範
囲において90〜94％という高い値の温水効率を示
している。

また、第６図は燃焼量Ｑを一定にして燃焼空気
量G_Aを変化させたときの温水効率ηを示すもの
であり、また第７図は燃焼空気量G_Aに対する熱
交換器での圧損ΔPを示している。第７図から判
かるように、本発明に係る給湯器ではＣ曲線とＡ
曲線との中間の特性を示している。これは、第１
の熱交換器１４にフインドチユーブタイプのもの
を使用し、これにセラミツク粒体２１を充填して
いるので、前述した理由でフイン１６の両側面部
分の流路が比較的広いことに基いている。したが
つて、圧損の増加も効果的に抑制されたものとな
つている。

また、第８図は燃焼量Ｑを一定にし、燃焼空気
量G_Aに対する第１の熱交換器および第２の熱交
換器における各受熱量Q_F、Q_Sを示したものであ
る。この図から判かるように、本発明に係る給湯
器では、第１の熱交換器１４にセラミツク粒体２
１を充填したことによつて対流、輻射、伝導によ
る伝熱量の増加によつて第１の熱交換器１４の受
熱量b_Fが従来のものに比べて増加しており、また
セラミツク粒体２１の存在による再循環流の形成
およびセラミツク粒体２１からの輻射による伝熱
量の増加によつて第２の熱交換器１９の受熱量b_S
も増加している。なお、受熱量b_Fが燃焼空気量の
増加と共に増加するのは、第１の熱交換器１４を
通り抜ける燃焼ガス量が増加するためである。一
方、従来のものにおいてa_Fが増加していないの
は、燃焼ガス量が増加しても、この増加故にフイ
ン伝熱面の無効面積が増えるからであると考えら
れる。また、受熱量b_S、a_Sが燃焼空気量の増加に
伴つて共に減少するのは燃焼筒１２内における滞
留時間が減少するからであると考えられる。

第９図は燃焼量Ｑを一定にしたときのCO₂−
CO特性、すなわち排ガス特性を示したものであ
る。本発明に係る給湯器（ｂ曲線）が従来の給湯
器（ａ曲線）よりCO濃度が低いのは燃焼ガスの
流動パターンが変化して燃焼筒１２内における滞
留時間が増加することによつて燃焼効率が向上す
ることによるものと考えられる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、フインドチ
ユーブタイプの第１の熱交換器とドラムタイプの
第２の熱交換器とを組合わせた給湯器において、
第１の熱交換器のフイン間に前記関係にセラミツ
ク粒体を充填しているので、このセラミツク粒体
を充填したことによつて起こる再循環流に伴う燃
焼筒への伝熱量の増大化および赤熱したセラミツ
ク粒体からの輻射による燃焼筒への伝熱量の増大
化によつて第２の熱交換器の熱回収量を大幅に増
加させることができ、しかもセラミツク粒体の存
在によつて第１の熱交換器におけるフイン表面近
傍および熱交換パイプ表面近傍を流れる燃焼ガス
の高速化に伴う対流による伝熱量の増大化および
セラミツク粒体からの輻射および伝導による伝熱
量の増大化によつて第１の熱交換器の熱回収量も
大幅的に向上させることができる。つまり、セラ
ミツク粒体を前記関係に充填したことによつて第
１および第２の熱交換器の熱回収量を共に増加さ
せることができる。また、フインドチユーブタイ
プに構成された第１の熱交換器のフイン間に前記
関係にセラミツク粒体を充填しているので、フイ
ンの存在によつてフインの両側面部分におけるセ
ラミツク粒体の充填形態を粗くでき、この部分の
存在によつて圧力損失の増加を抑制することがで
きる。したがつて、圧力損失を抑制した状態、つ
まり高静圧のフアンを必要とすることなく、なお
かつ従来の給湯器より加熱効率の高い給湯器を実
現できる。また、フインドチユーブタイプに構成
された第１の熱交換器のフイン間に前記関係にセ
ラミツク粒体を充填するだけで上述した機能を発
揮させることができるので、全体の大型化を招く
ことはない。さらにセラミツク粒体は熱膨張係数
が小さく耐蝕性に優れているので、高温ガスにさ
らされても第１の熱交換器を破損させたり腐蝕さ
せたりすることがない。このため、寿命を低下さ
せる虞れもない。

したがつて、本発明によれば、加熱効率が高
く、しかも高静圧のフアンを必要とせず、そのう
え小型、かつ構造が簡単で、耐久性に富んだ給湯
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の給湯器の概略縦断面図、第２図
は同給湯器の概略横断面図、第３図は本発明の一
実施例に係る給湯器を一部切欠して示す正面図、
第４図は同給湯器の概略横断面図、第５図ないし
第９図は本発明に係る給湯器の特性と従来の給湯
器の特性とを比較して示す図である。 １１……排気口、１２……燃焼筒、１３……バ
ーナ、１４……フインドチユーブタイプの第１の
熱交換器、１６……フイン、１７……空隙、１８
……燃焼ガス、１９……第２の熱交換器、２１…
…セラミツク粒体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一端側に排気口を有した燃焼筒と、この燃焼
   筒内に配置され燃料と空気との混合ガスを燃焼さ
   せるバーナと、このバーナに外部から燃焼用空気
   を送り込むフアンと、前記バーナと前記排気口と
   の間に軸心線を燃焼ガスの流れ方向に交差させて
   配置された熱交換パイプおよび上記熱交換パイプ
   の外周面に燃焼ガスの流れ方向に沿つて上記熱交
   換パイプの延びる方向に複数設けられたフインか
   らなるフインドチユーブタイプの第１の熱交換器
   と、この第１の熱交換器に直列接続されるととも
   に前記燃焼筒の周壁で、かつ前記バーナと前記第
   １の熱交換器との間に位置する部分に巻回装着さ
   れた熱交換パイプからなる第２の熱交換器とを備
   え、前記第２の熱交換器を構成する熱交換パイプ
   から前記第１の熱交換器を構成する熱交換パイプ
   を経由させて給湯するようにした給湯器におい
   て、前記第１の熱交換器の各フインとフインとの
   間に上記フインの高さ範囲を越えない範囲に充填
   保持されたセラミツク粒体とを具備してなること
   を特徴とする給湯器。