JP2020094731A

JP2020094731A - 熱源機

Info

Publication number: JP2020094731A
Application number: JP2018232241A
Authority: JP
Inventors: 万之赤木; Kazuyuki Akagi; 木村　遇; Gu Kimura; 遇木村
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】並設された複数のバーナ２１〜２４を有するバーナユニット２と、熱交換器３と、燃焼用空気を供給するファン４とを備え、燃料ガスを供給するバーナの組み合わせを変更して燃焼能力を複数段に切換えるようにした熱源機であって、熱交換器３を、バーナ並設方向と同方向に１列で並設した複数の吸熱管３２１〜３２９を有するフィンチューブ式熱交換器で構成するものにおいて、最小の燃焼能力以外の燃焼能力での熱交換効率を可及的に向上できると共に、最小の燃焼能力では熱交換効率を低く抑えて、対応可能な給湯負荷の範囲を拡大できるようにしたものを提供する。【解決手段】最小の燃焼能力で燃料ガスを供給するバーナは、最も出湯側吸熱管３２９寄りに位置するバーナ以外のバーナ、例えば、最も入水側吸熱管３２１寄りに位置するバーナ２１とし、最小以外の全ての燃焼能力で、最も出湯側吸熱管３２９寄りに位置するバーナ２４に燃料ガスを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼筐と、燃焼筐内に並設された複数のバーナを有するバーナユニットと、燃焼筐内のバーナユニットの上方位置に設けられた水を加熱する熱交換器と、燃焼筐内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンとを備える熱源機に関する。

従来、この種の熱源機では、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組み合わせを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を３段以上の複数段に切換える能力切換弁とを備えている。また、熱交換器として、バーナ並設方向と直交方向に積層された複数の吸熱フィンと、これら吸熱フィンを貫通する複数の吸熱管とを有するフィンチューブ式熱交換器を用いている。そして、一般的には、バーナ並設方向と同方向に上下２列で複数の吸熱管を並設している。然し、これでは、熱交換器の上下方向寸法が大きくなる。そのため、バーナ並設方向と同方向に１列で複数の吸熱管を並設し、これら吸熱管を並設方向一端の入水側吸熱管から並設方向他端の出湯側吸熱管まで直列に接続したフィンチューブ式熱交換器を用いた熱源機も知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、吸熱管を１列で並設したフィンチューブ式熱交換器を用いると、バーナ並設方向で最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナ以外のバーナに燃料ガスを供給する状態では、燃料ガスが供給されるバーナの燃焼によりその直上部に位置する吸熱管で水が加熱されても、加熱された水は、この吸熱管より下流側の出湯側吸熱管までの吸熱管を流れる間にこれら吸熱管の配置部に流れる燃焼に寄与しない燃焼用空気により冷却され、熱交換効率が低下してしまう。一方、燃焼能力が最小となる最小段能力では、対応可能な給湯負荷の範囲を拡大するため、できるだけ熱交換効率を低下させることが望まれる。

特開２０１３−２９２５６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、吸熱管を１列で並設したフィンチューブ式熱交換器を用いる熱源機であって、燃焼能力が最小となる最小段能力以外の燃焼能力での熱交換効率を可及的に向上できると共に、最小段能力では熱交換効率を低く抑えて、対応可能な給湯負荷の範囲を拡大できるようにしたもの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、燃焼筐と、燃焼筐内に並設された複数のバーナを有するバーナユニットと、燃焼筐内のバーナユニットの上方位置に設けられた水を加熱する熱交換器と、燃焼筐内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組み合わせを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を３段以上の複数段に切換える能力切換弁とを備える熱源機であって、熱交換器は、バーナ並設方向と直交方向に積層された複数の吸熱フィンと、これら吸熱フィンを貫通する、バーナ並設方向と同方向に１列で並設された複数の吸熱管とを有し、これら吸熱管を並設方向一端の入水側吸熱管から並設方向他端の出湯側吸熱管まで直列に接続したフィンチューブ式熱交換器で構成されるものにおいて、燃焼能力が最小となる最小段能力で燃料ガスが供給されるバーナは、バーナ並設方向において最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナ以外のバーナであり、最小段能力以外の全ての燃焼能力で、バーナ並設方向において最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナに燃料ガスが供給されることを特徴とする。

本発明によれば、最小段能力以外の全ての燃焼能力では、最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナに燃料ガスが供給されて燃焼するため、このバーナの直上部の吸熱管で加熱された水が燃焼に寄与しない燃焼用空気で冷却されることなく出湯され、熱交換効率が可及的に向上する。更に、最小段能力では、最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナ以外のバーナに燃料ガスが供給されて燃焼するため、このバーナの直上部の吸熱管で加熱された水が、この吸熱管より下流側の出湯側吸熱管までの吸熱管を流れる間にこれら吸熱管の周囲に流れる燃焼に寄与しない燃焼用空気により冷却される。そのため、最小段能力では、熱交換効率を低く抑えて、低負荷での給湯が可能となり、最小段能力以外の能力で熱交換効率が向上することと相俟って、対応可能な給湯負荷の範囲を拡大できる。

また、本発明において、バーナユニットは、３個以上のバーナを有し、最小段能力で燃料ガスが供給されるバーナは、バーナ並設方向において最も入水側吸熱管寄りに位置するバーナであることが望ましい。これによれば、最小段能力で燃料ガスが供給されて燃焼するバーナの直上部の吸熱管より下流側の出湯側吸熱管までの吸熱管の本数が最大になって、燃焼に寄与しない燃焼用空気による水の冷却量も最大になる。そのため、熱交換効率を可及的に低減でき、対応可能な給湯負荷の範囲を可及的に拡大できる。

本発明の実施形態の熱源機の模式的断面図。実施形態の熱源機における各段の燃焼能力で燃料ガスを供給するバーナの組み合わせを示す図。実施形態の熱源機における各段の燃焼能力で燃料ガスを供給するバーナの組み合わせの他の例を示す図。

図１を参照して、本発明の実施形態の熱源機は、燃焼筐１を備えている。燃焼筐１内には、バーナユニット２と、バーナユニット２の上方に位置する水を加熱する熱交換器３とが設けられている。燃焼筐１の下面には、燃焼筐１内に燃焼用空気を供給する燃焼ファン４が接続されている。

バーナユニット２は、燃焼筐１内に並設された第１乃至第４の４個のバーナ２_１〜２_４を有している。本実施形態では、バーナ並設方向一端（図１で左端）の第１バーナ２_１を３本の単位バーナ２ａで構成し、バーナ並設方向一端から２番目の第２バーナ２_２を４本の単位バーナ２ａで構成し、バーナ並設方向一端から３番目の第３バーナ２_３を３本の単位バーナ２ａで構成し、バーナ並設方向一端から４番目、即ち、バーナ並設方向他端の第４バーナ２_４を５本の単位バーナ２ａで構成している。尚、第１乃至第４の各バーナ２_１〜２_４を各所定本数の単位バーナ２ａで構成せずに、所定本数の単位バーナ２ａと同等の燃焼能力を持つ各１個のバーナで各バーナ２_１〜２_４を構成することも可能である。

バーナユニット２に燃料ガスを供給するガス供給路５には、電磁開閉弁から成る元弁６と、その下流側の比例弁７とが介設されている。また、比例弁７の下流側のガス供給路５の部分は、第１バーナ２_１に連なる第１分岐路５_１と、第２バーナ２_２に連なる第２分岐路５_２と、第３バーナ２_３に連なる第３分岐路５_３と、第４バーナ２_４に連なる第４分岐路５_４とに分岐されている。これら第１乃至第４分岐路５_１〜５_４には、夫々電磁開閉弁から成る第１乃至第４能力切換弁８_１〜８_４が介設されている。そして、第１乃至第４能力切換弁８_１〜８_４の開閉で燃料ガスを供給するバーナの組合せを変更して、バーナユニット２全体の燃焼能力を複数段に切換えるようにしている。

図２を参照して具体的に説明すれば、第１能力切換弁８_１を開弁して第１バーナ２_１のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を最小となる第１段の能力（単位バーナ３本分の能力）に切換え、第４能力切換弁８_４を開弁して第４バーナ２_４のみに燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第２段の能力（単位バーナ５本分の能力）に切換え、第３と第４の両能力切換弁８_３，８_４を開弁して第３と第４の両バーナ２_３，２_４に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第３段の能力（単位バーナ８本分の能力）に切換え、第２と第３と第４の３個の能力切換弁８_２，８_３，８_４を開弁して第２と第３と第４の３個のバーナ２_２，２_３，２_４に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を第４段の能力（単位バーナ１２本分の能力）に切換え、第１乃至第４の４個の能力切換弁８_１，８_２，８_３，８_４を開弁して第１乃至第４の４個のバーナ２_１，２_２，２_３，２_４に燃料ガスを供給することにより、バーナユニット２全体の燃焼能力を最大となる第５段の能力（単位バーナ１５本分の能力）に切換えるようにしている。

また、熱交換器３は、バーナ並設方向と直交方向（図１の紙面直交方向）に積層された複数の吸熱フィン３１と、これら吸熱フィン３１を貫通する、バーナ並設方向と同方向に１列で並設された複数、例えば、第１乃至第９の９本の吸熱管３２_１〜３２_９とを有するフィンチューブ式熱交換器で構成されている。これら吸熱管３２_１〜３２_９は、燃焼筐１外で並設方向に隣接する吸熱管同士が図外のＵベントを介して接続されて、並設方向一端の第１吸熱管３２_１から並設方向他端の第９吸熱管３２_９まで直列に接続されている。そして、第１吸熱管３２_１を給水路３３に接続される入水側吸熱管とし、第９吸熱管３２_９を出湯路３４に接続される出湯側吸熱管としている。

熱源機は、更に、燃焼ファン４、元弁６、比例弁７及び能力切換弁８_１〜８_４を制御する図示省略したコントローラを備えている。コントローラは、給湯負荷に応じた要求燃焼量（出湯温度を所定の設定温度にするのに必要な燃焼量）を演算し、この要求燃焼量に合わせて第１乃至第４の能力切換弁８_１〜８_４を開閉制御して、バーナユニット２全体の燃焼能力を切換え、切換えた燃焼能力で要求燃焼量に等しい燃焼量が得られ、且つ、この燃焼量に応じた適切な量の空気が供給されるように、燃焼ファン４の回転数と比例弁７に通電する比例弁電流とを要求燃焼量に応じて可変する制御を行う。尚、燃焼ファン４の回転数を要求燃焼量に応じた目標回転数になるようにフィードバック制御し、燃焼ファン４の回転数を検出して、この検出回転数に比例するように比例弁電流を可変する、所謂ファン先行制御を行ってもよい。

ここで、本実施形態では、燃焼能力が最小となる第１段の能力で燃料ガスが供給されるバーナは、バーナ並設方向において最も第１吸熱管（入水側吸熱管）３２_１寄りに位置する第１バーナ２_１となる。また、第１段の能力以外の全ての燃焼能力、即ち、第２段乃至第５段の能力で、バーナ並設方向において最も第９吸熱管（出湯側吸熱管）３２_９寄りに位置する第４バーナ２_４に燃料ガスが供給される。

これによれば、第２段乃至第５段の能力では、燃料ガスが供給されて燃焼する第４バーナ２_４の直上部の第７乃至第９吸熱管３２_７〜３２_９で加熱された水が燃焼に寄与しない燃焼用空気で冷却されることなく出湯路３４に出湯され、熱交換効率が可及的に向上する。更に、第１段の能力では、燃料ガスが供給されて燃焼する第１バーナ２_１の直上部の第１及び第２吸熱管３２_１，３２_２で加熱された水がこれより下流側の第３乃至第９吸熱管３２_３〜３２_９に流れる間にこれら吸熱管の周囲に流れる燃焼に寄与しない燃焼用空気により冷却される。そのため、第１段の能力では、熱交換効率を低く抑えて、低温小湯量での給湯、即ち、低負荷での給湯が可能となり、第１段以外の能力で熱交換効率が向上することと相俟って、対応可能な給湯負荷の範囲を拡大することができる。特に、本実施形態の如く、第１段の能力で燃料ガスが供給されるバーナを入水側吸熱管たる第１吸熱管３２_１に最寄りの第１バーナ２_１とすれば、加熱される吸熱管よりも下流側に位置する吸熱管の本数が最大になって、燃焼に寄与しない燃焼用空気による水の冷却量も最大になる。そのため、熱交換効率を可及的に低減でき、対応可能な給湯負荷の範囲を可及的に拡大できる。

尚、第１段の能力で燃料ガスを供給するバーナを、図３に示す如く、第１バーナ２_１から第３バーナ２_３に変更することも可能である。この場合、第１バーナ２_１を構成する単位バーナ２ａの本数を４本以上にしてもよく、これによれば第１バーナ２_１にも燃料ガスを供給する第５段の能力での燃焼能力を増加することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、バーナユニット２が第１乃至第４の４個のバーナ２_１〜２_４を有し、燃焼能力が５段に切換えられるようにしているが、バーナユニットが能力の異なる２個のバーナを有し、能力の小さなバーナに燃料ガスを供給する最小段能力と、能力の大きなバーナに燃料ガスを供給する中段能力と、両バーナに燃料ガスを供給する最大段能力との３段に燃焼能力を切換えるようにした熱源機にも同様に本発明を適用できる。この場合、能力の小さなバーナは入水側吸熱管寄り、能力の大きなバーナは出湯側吸熱管寄りに配置すればよい。

１…燃焼筐、２…バーナユニット、２_１…第１バーナ（最も入水側吸熱管寄りに位置するバーナ）、２_２，２_３…第２、第３バーナ、２_４…第４バーナ（最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナ）、３…熱交換器、３１…吸熱フィン、３２_１…第１吸熱管（入水側吸熱管）、３２_２〜３２_８…第２乃至第８吸熱管、３２_９…第９吸熱管（出湯側吸熱管）、４…燃焼ファン、５…ガス供給路、７…比例弁、８_１〜８_４…能力切換弁。

Claims

燃焼筐と、燃焼筐内に並設された複数のバーナを有するバーナユニットと、燃焼筐内のバーナユニットの上方位置に設けられた水を加熱する熱交換器と、燃焼筐内に燃焼用空気を供給する燃焼ファンと、バーナユニットに燃料ガスを供給するガス供給路に設けられた比例弁と、比例弁よりも下流側のガス供給路の部分に設けられ、燃料ガスを供給するバーナの組み合わせを変更してバーナユニット全体の燃焼能力を３段以上の複数段に切換える能力切換弁とを備える熱源機であって、
熱交換器は、バーナ並設方向と直交方向に積層された複数の吸熱フィンと、これら吸熱フィンを貫通する、バーナ並設方向と同方向に１列で並設された複数の吸熱管とを有し、これら吸熱管を並設方向一端の入水側吸熱管から並設方向他端の出湯側吸熱管まで直列に接続したフィンチューブ式熱交換器で構成されるものにおいて、
燃焼能力が最小となる最小段能力で燃料ガスが供給されるバーナは、バーナ並設方向において最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナ以外のバーナであり、最小段能力以外の全ての燃焼能力で、バーナ並設方向において最も出湯側吸熱管寄りに位置するバーナに燃料ガスが供給されることを特徴とする熱源機。
バーナユニットは、３個以上のバーナを有し、最小段能力で燃料ガスが供給されるバーナは、バーナ並設方向において最も入水側吸熱管寄りに位置するバーナであることを特徴とする請求項１記載の熱源機。