JPH11148720A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】凝縮水による腐食を防止しつつ、高い熱交換効
率を得ることのできる熱交換器を提供する。 【解決手段】排気の顕熱を主として吸収する顕熱回収用
熱交換器４０と、これよりも排気経路の下流側に、排気
の潜熱を主として吸収する潜熱回収用熱交換器５０とを
設ける。そして顕熱回収用熱交換器４０側での熱交換効
率を、排気の潜熱を吸収することによって生成する凝縮
水が結露しない範囲に低く抑えて設定し、潜熱回収用熱
交換器５０を凝縮水による腐食から保護するための被膜
５３で被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を燃焼させた
際に生じる排気の流れる排気経路内に配置され、受熱管
の中を流れる被加熱流体を前記排気の熱を吸収して加熱
する熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、給湯器等で用いられている熱交換
器は、メタン、プロパン、ブタンなどの燃料を燃焼させ
た際に生じる熱をバーナーの近傍等に配置した１つの熱
交換器で回収して、給水等の加熱を行っていた。

【０００３】ところで、熱交換器の熱交換効率を一定以
上に高めると、排気からの潜熱の回収が進み、熱交換器
の表面に凝縮水が結露してしまう。この凝縮水は、燃焼
空気が高温で酸化して生成された窒素酸化物（ＮＯｘ）
やガス漏れ検知のために燃焼ガスに添加された付臭剤が
酸化することで生成された硫黄酸化物（ＳＯｘ）等が溶
解し、硝酸と硫酸との溶融したｐＨ２〜３の酸性の水滴
になっている。

【０００４】こうして結露した酸性の凝縮水によって熱
交換器の受熱管やフィンが腐食されると、内部の流体が
漏れる等の障害が発生してしまう。一方、バーナー等の
近傍では、排気温度が、受熱管等を凝縮水による腐食か
ら保護するため被膜、たとえば、エポキシ系塗料等の耐
熱温度を越えてしまう。このため、従来から使用されて
いる熱交換器では、多量の凝縮水が結露しないように、
最大燃焼時において約８０パーセント程度になるように
熱交換効率を比較的低く抑えていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の熱交
換器は、多量の凝縮水が結露しないように熱交換効率を
ある程度低く抑えているので、近年の省エネルギー化の
要求に十分対応することができなかった。

【０００６】本発明は、このような従来の技術が有する
問題点に着目してなされたもので、凝縮水による腐食を
防止しつつ、高い熱交換効率を得ることのできる熱交換
器を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存
する。 ［１］燃料を燃焼させた際に生じる排気の流れる排気経
路内に配置され、受熱管の中を流れる被加熱流体を前記
排気の熱を吸収して加熱する熱交換器において、前記排
気の顕熱を主として吸収する顕熱回収用熱交換器（４
０）と、これよりも前記排気経路の下流側に配置され前
記排気の潜熱を主として吸収する潜熱回収用熱交換器
（５０）とを設け、前記顕熱回収用熱交換器（４０）に
おける熱交換効率を前記排気の潜熱を吸収することによ
って生成する凝縮水が結露しない範囲に設定したことを
特徴とする熱交換器。

【０００８】［２］燃料を燃焼させた際に生じる排気の
流れる排気経路内に配置され、受熱管の中を流れる被加
熱流体を前記排気の熱を吸収して加熱する熱交換器にお
いて、前記排気の顕熱を主として吸収する顕熱回収用熱
交換器（４０）と、これよりも前記排気経路の下流側に
配置され前記排気の潜熱を主として吸収する潜熱回収用
熱交換器（５０）とを設け、前記顕熱回収用熱交換器
（４０）における熱交換効率を前記排気の潜熱を吸収す
ることによって生成する凝縮水が結露しない範囲に設定
し、前記潜熱回収用熱交換器（５０）を前記凝縮水によ
る腐食から保護するための被膜（５３）で被覆したこと
を特徴とする熱交換器。

【０００９】［３］前記顕熱回収用熱交換器（４０）の
熱交換効率を、燃料を所定の最小燃焼量で燃焼させた際
に当該顕熱回収用熱交換器（４０）に凝縮水が結露しな
い範囲内に設定したことを特徴とする［１］または
［２］記載の熱交換器。

【００１０】［４］前記潜熱回収用熱交換器（５０）と
前記顕熱熱交換器との間に、前記潜熱回収用熱交換器
（５０）で生成した凝縮水を受け止める受け皿（１３）
を設け、当該凝縮水が前記顕熱回収用熱交換器（４０）
に落下することを防止したことを特徴とする［１］、
［２］または［３］記載の熱交換器。

【００１１】［５］前記被加熱流体を、前記潜熱回収用
熱交換器（５０）で加熱した後、前記顕熱回収用熱交換
器（４０）で加熱するようにしたことを特徴とする
［１］、［２］、［３］または［４］記載の熱交換器。

【００１２】前記本発明は次のように作用する。顕熱回
収用熱交換器（４０）における熱交換効率を、排気の潜
熱を吸収することで生成する凝縮水が結露しない範囲に
設定し、低くしているので、高温の排気にさらされ、被
膜（５３）等による保護が難しい顕熱回収用熱交換器
（４０）を、凝縮水による腐食から保護することができ
る。また、顕熱回収用熱交換器（４０）と、これよりも
排気経路の下流側に配置された潜熱回収用熱交換器（５
０）との双方によって排気の熱を回収するので、顕熱回
収用熱交換器（４０）の熱交換効率を低く抑えても、双
方を合わせれば高い熱交換効率を得ることができる。

【００１３】たとえば、顕熱回収用熱交換器（４０）に
おける熱交換効率を最大燃焼時７５パーセント程度に設
定し、潜熱回収用熱交換器（５０）の熱交換効率を１５
パーセントに設定すれば、顕熱回収用熱交換器（４０）
側で結露が生じることなく、合計で９０パーセント程度
の高い熱交換効率を得ることができる。なお、熱交換器
全体として要求される熱交換効率と顕熱回収用熱交換器
（４０）での熱交換率との差分から潜熱回収用熱交換器
（５０）での熱交換効率を求めている。またそれぞれの
熱交換効率は、フィンの枚数や大きさなど伝熱面積の増
減によって設定している。

【００１４】さらに、潜熱回収用熱交換器（５０）を凝
縮水による腐食から保護するための被膜（５３）で被覆
する。潜熱回収用熱交換器（５０）は、顕熱回収用熱交
換器（４０）よりも排気の下流側に配置されているの
で、排気温度が比較的低く、潜熱を主として回収し、多
量の凝縮水が結露する。このため、被膜（５３）で被覆
することによって、潜熱回収用熱交換器（５０）を凝縮
水による腐食から有効に保護することができる。

【００１５】熱交換効率は、燃料を最大燃焼量で燃焼さ
せたときよりも、最小燃焼量で燃焼させた方が高くな
り、凝縮水が結露しやすい。そこで、最小燃焼時を基準
に顕熱回収用熱交換器（４０）の熱交換効率を設定する
ことで、燃焼量の大小にかかわらず、常に、凝縮水が顕
熱回収用熱交換器（４０）に結露することを防止するこ
とができる。

【００１６】さらに、潜熱回収用熱交換器（５０）と顕
熱回収用熱交換器（４０）との間に、潜熱回収用熱交換
器（５０）で生成した凝縮水を受け止める受け皿（１
３）を設けることで、潜熱回収用熱交換器（５０）に結
露した凝縮水が、顕熱回収用熱交換器（４０）に落下し
これを腐食させてしまうことを防止することができる。

【００１７】また、被加熱流体を、潜熱回収用熱交換器
（５０）で加熱した後、顕熱回収用熱交換器（４０）で
加熱するようにしたので、排気温度の低い下流側に配置
された潜熱回収用熱交換器（５０）においても、被加熱
流体との温度差が大きくなり、その熱交換効率を高める
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の一実
施の形態を説明する。各図は、本発明の一実施の形態を
示している。本実施の形態は、本発明にかかる熱交換器
を給湯器１０に適用したものである。図２に示すよう
に、給湯器１０は、燃焼室１１を備えており、当該燃焼
室１１の下部には、バーナー１２が配置されている。バ
ーナー１２の上方には、主として排気の顕熱を回収する
顕熱回収用熱交換器４０が、さらにその上方には主とし
て排気の潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器５０が配置
されている。

【００１９】顕熱回収用熱交換器４０と潜熱回収用熱交
換器５０の間には、潜熱回収用熱交換器５０で生成した
凝縮水を受け止め、当該凝縮水が顕熱回収用熱交換器４
０の上に落下することを防止するための受け皿１３が取
り付けられている。受け皿１３は、燃焼室１１を右端の
一部を除いて上下に仕切るものであり、顕熱回収用熱交
換器４０を経由した後の排気は、受け皿１３の無い燃焼
室１１右端の開口部１４を通じて潜熱回収用熱交換器５
０の配置されている排気通路部１５に流れ込むようにな
っている。

【００２０】受け皿１３は、開口部１４側から燃焼室１
１の左端側に向けて下り傾斜しており、傾斜の下端部分
には、受け皿１３によって回収された凝縮水を一時的に
溜めるドレン受け１６が設けられている。ドレン受け１
６の底部には、凝縮水の排出通路１７が接続され、当該
排出通路１７の途中には、酸性の凝縮水を中和するため
の中和処理器１８が取り付けられている。

【００２１】潜熱回収用熱交換器５０の入側には給水の
流入する給水水管２１が接続され、潜熱回収用熱交換器
５０の出側は、連結水管２２によって顕熱回収用熱交換
器４０の入側と接続されている。顕熱回収用熱交換器４
０の出側には、加熱後の給水の流れ出る給湯水管２３が
接続されている。

【００２２】給水水管２１の入口部近傍には、供給され
る給水の温度を検知するための入水サーミスタ２４が、
またその下流側には、通水の有無や通水量を検知するた
めの水量センサー２５が取り付けられている。給湯水管
２３には、その出口部近傍に、出湯される湯の温度を検
知するための出湯サーミスタ２６が、またその下流側に
は、出湯される湯の流量を制限するための水量制御弁２
７が設けられている。

【００２３】燃焼室１１の左下方には、給気をバーナー
１２に向けて送り込むための燃焼ファン２８が配置され
ている。またバーナー１２に燃焼ガスを送り込むガス供
給管３１の途中には、燃焼ガスの供給をオンオフ制御す
るガス電磁弁３２、元ガス電磁弁３３と、バーナー１２
へ供給する燃焼ガスの供給量を調整するガス比例弁３４
が取り付けられている。

【００２４】給湯器１０は、その動作を統括制御する回
路部品を収めた電装基板３５を有し、当該電装基板３５
には、たとえば、台所等に配置され、湯温の設定操作等
の受け付けや、各種の状態表示を行うリモコン３６が接
続されている。

【００２５】図１は、顕熱回収用熱交換器４０および潜
熱回収用熱交換器５０をより詳細に示したものである。
顕熱回収用熱交換器４０は、加熱すべき給水の通る顕熱
受熱管４１と、排気の熱の回収効率を高めるためのフィ
ン４２とを備えている。顕熱回収用熱交換器４０の顕熱
受熱管４１およびフィン４２はともに熱伝導率の良好な
銅で形成されている。

【００２６】潜熱回収用熱交換器５０は、加熱すべき給
水の通る潜熱受熱管５１と、フィン５２とから構成され
ている。また、潜熱受熱管５１およびフィン５２はとも
に銅で形成されている。さらに、排気と触れる潜熱回収
用熱交換器５０の表面（潜熱受熱管５１およびフィン５
２の表面）は、耐酸性でかつ電気的絶縁性を持つ被膜５
３でコーティングされている。当該被膜５３としては、
エポキシ、テフロン、ポリサルファイド、フッ素樹脂、
シリコン樹脂、フェノール樹脂等を用いることができ
る。ここでは、エポキシ系の有機塗料によって被膜５３
を形成している。

【００２７】顕熱回収用熱交換器４０は、その熱交換効
率が、バーナー１２の最大燃焼時において約７２パーセ
ントに、最小燃焼時に約８０パーセントになるように、
フィン４２の枚数や大きさによって伝熱面積が設定され
ている。一方、潜熱回収用熱交換器５０は、その熱交換
効率がバーナー１２の最大燃焼時において約１５パーセ
ントに、最小燃焼時に約２０パーセントになるようにフ
ィン５２の枚数等によって伝熱面積が設定されている。

【００２８】図３は、顕熱回収用熱交換器４０と潜熱回
収用熱交換器５０の熱交換効率の配分について示してい
る。従来から使用されている熱交換器は、顕熱回収用熱
交換器４０に相当するものだけを有し、最大燃焼時にお
いてその熱交換効率６１が約８０パーセントに設定され
ている。この場合、最小燃焼時における熱交換効率６２
は８７パーセント程度に上昇する。

【００２９】したがって、このような熱交換効率を有す
る熱交換器を顕熱回収用の熱交換器としてそのまま用
い、これの下流側に潜熱回収用の熱交換器を付加した場
合における合計の熱交換効率は、最大燃焼時には棒グラ
フ６４で示すように、また最小燃焼時には棒グラフ６５
で示すような高い値になる。

【００３０】最大燃焼時には、顕熱回収用の熱交換器、
潜熱回収用の熱交換器の双方において結露がほとんど生
じることはないが、最小燃焼時には、顕熱回収用の熱交
換器の熱交換効率６５ａが結露域６３に入る境界の熱交
換効率である約８５パーセントを越えてしまうので、最
小燃焼時には顕熱回収用の熱交換器においても結露が生
じてしまう。

【００３１】そこで、本実施の形態における顕熱回収用
熱交換器４０では、最小燃焼時における顕熱回収用熱交
換器４０側の熱交換効率６６ａを、結露域６３以下にな
るように約８０パーセントに設定するとともに、顕熱回
収用熱交換器４０と潜熱回収用熱交換器５０とを合わせ
た合計の熱交換効率が、棒グラフ６５に示したものと同
程度になるように、潜熱回収用熱交換器５０側の熱交換
効率６６ｂを設定している。

【００３２】このように最小燃焼時における顕熱回収用
熱交換器４０側の熱交換効率と要求される合計の熱交換
効率とから潜熱回収用熱交換器５０の熱交換効率を定め
ている。そして、それぞれの熱交換効率が達成されるよ
うに、顕熱回収用熱交換器４０および潜熱回収用熱交換
器５０の伝熱面積、すなわち、フィン４２、フィン５２
の枚数や大きさ等を決定している。

【００３３】顕熱回収用熱交換器４０および潜熱回収用
熱交換器５０の伝熱面積をこのようにして設定した場
合、最大燃焼時には、顕熱回収用熱交換器４０側の熱交
換効率６７ａが約７２パーセントに低下する。しかしな
がら、その分、顕熱回収用熱交換器４０側での排気温度
の低下が少ないので、潜熱回収用熱交換器５０側での熱
交換効率６７ｂは、約２０パーセントに高まっている。

【００３４】なお、顕熱回収用熱交換器４０は、排気の
顕熱を主として回収し、凝縮水がほとんど発生しないの
で、その表面をエポキシ系の有機塗料等からなる被膜で
覆うことは行っていない。また、顕熱回収用熱交換器４
０および潜熱回収用熱交換器５０の母材として、銅のほ
か、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、アルミニウムまたはこれ
らの合金を用いてもよい。

【００３５】次に作用を説明する。バーナー１２からの
熱は、まず、バーナー１２の近傍に配置された顕熱回収
用熱交換器４０によって吸収される。この際、顕熱回収
用熱交換器４０の熱交換効率が最小燃焼時において約８
０パーセント程度に抑えられており、凝縮水の結露する
熱交換効率（約８５パーセント）よりも小さいので、顕
熱回収用熱交換器４０ではほとんど結露が生じない。す
なわち、顕熱回収用熱交換器４０では、加熱された排気
の顕熱が主として吸収される。

【００３６】顕熱回収用熱交換器４０によって顕熱の回
収された排気は、開口部１４を通って潜熱回収用熱交換
器５０に到達する。潜熱回収用熱交換器５０に到達した
排気は、２００℃〜２８０℃程度までその温度が低下し
ているので、潜熱回収用熱交換器５０は、主として排気
の潜熱を回収し、多量の凝縮水が潜熱回収用熱交換器５
０に結露する。しかしながら、潜熱回収用熱交換器５０
は、被膜５３によって被覆されているので、結露した凝
縮水によって腐食されることはない。

【００３７】潜熱回収用熱交換器５０には、毎分５０ｍ
ｌ程度の多量の凝縮水が結露する。これら結露した凝縮
水は、潜熱回収用熱交換器５０から落下して受け皿１３
に受け止められ、ドレン受け１６、排出通路１７、中和
処理器１８を通じて排出される。

【００３８】このように、潜熱回収用熱交換器５０に結
露した凝縮水を受け皿１３によって受け止め、顕熱回収
用熱交換器４０の上に落下しないようにしているので、
顕熱回収用熱交換器４０は、自身で結露しないことと相
まって、被膜で被覆されていなくても、凝縮水によって
腐食されることがほとんどない。

【００３９】給水は、図２に示すように、まず潜熱回収
用熱交換器５０を通って加熱されるので、潜熱回収用熱
交換器５０に到達した排気が比較的低い温度であって
も、給水との温度差が大きく、効率良く排気の熱を吸収
することができる。

【００４０】以上説明した実施の形態では、被膜で被覆
することによって潜熱回収用熱交換器５０の腐食を防止
したが、ピンホール等の発生を考慮して、これに電気防
食等をさらに付加しするようにしてもよい。

【００４１】また本実施の形態では、燃料として燃焼ガ
スを用いたガス給湯器を例に説明したが、燃料は、石油
や灯油などでも良く、また器具は、風呂の湯沸かしや暖
房等を行うものであってもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明にかかる熱交換器によれば、顕熱
回収用熱交換器側の熱交換効率を、凝縮水が結露しない
範囲に設定しているので、高温の排気にさらされ、被膜
等による保護の難しい顕熱回収用熱交換器を凝縮水によ
る腐食から保護することができる。また、顕熱回収用熱
交換器と、これよりも排気経路の下流側に配置された潜
熱回収用熱交換器との双方によって排気の熱を回収する
ので、双方の合計により高い熱交換効率を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る熱交換器を示す説
明図である。

【図２】本発明の一実施の形態に係る熱交換器を適用し
た給湯器を示す説明図である。

【図３】顕熱回収用熱交換器と潜熱回収用熱交換器の熱
交換効率を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…給湯器 １１…燃焼室 １２…バーナー １３…受け皿 １４…開口部 １５…排気通路部 １６…ドレン受け ２８…燃焼ファン ４０…顕熱回収用熱交換器 ４１…顕熱受熱管 ４２…フィン ５０…潜熱回収用熱交換器 ５１…潜熱受熱管 ５２…フィン ５３…被膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料を燃焼させた際に生じる排気の流れる
   排気経路内に配置され、受熱管の中を流れる被加熱流体
   を前記排気の熱を吸収して加熱する熱交換器において、 前記排気の顕熱を主として吸収する顕熱回収用熱交換器
   と、これよりも前記排気経路の下流側に配置され前記排
   気の潜熱を主として吸収する潜熱回収用熱交換器とを設
   け、 前記顕熱回収用熱交換器における熱交換効率を前記排気
   の潜熱を吸収することによって生成する凝縮水が結露し
   ない範囲に設定したことを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】燃料を燃焼させた際に生じる排気の流れる
   排気経路内に配置され、受熱管の中を流れる被加熱流体
   を前記排気の熱を吸収して加熱する熱交換器において、 前記排気の顕熱を主として吸収する顕熱回収用熱交換器
   と、これよりも前記排気経路の下流側に配置され前記排
   気の潜熱を主として吸収する潜熱回収用熱交換器とを設
   け、 前記顕熱回収用熱交換器における熱交換効率を前記排気
   の潜熱を吸収することによって生成する凝縮水が結露し
   ない範囲に設定し、 前記潜熱回収用熱交換器を前記凝縮水による腐食から保
   護するための被膜で被覆したことを特徴とする熱交換
   器。
3. 【請求項３】前記顕熱回収用熱交換器の熱交換効率を、
   燃料を所定の最小燃焼量で燃焼させた際に当該顕熱回収
   用熱交換器に凝縮水が結露しない範囲内に設定したこと
   を特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
4. 【請求項４】前記潜熱回収用熱交換器と前記顕熱熱交換
   器との間に、前記潜熱回収用熱交換器で生成した凝縮水
   を受け止める受け皿を設け、当該凝縮水が前記顕熱回収
   用熱交換器に落下することを防止したことを特徴とする
   請求項１、２または３記載の熱交換器。
5. 【請求項５】前記被加熱流体を、前記潜熱回収用熱交換
   器で加熱した後、前記顕熱回収用熱交換器で加熱するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１、２、３または４記
   載の熱交換器。