真空式温水器
【課題】 温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を効率的に回収して所望の加温水を供給するとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂが備えられた燃焼室１と、その下方に配設され、排ガス流通路２ａと下部水管群等２ｂが備えられた対流室２と、燃焼室１の上部に配設された減圧蒸気室４と、対流室２の下部に配設された下部熱媒体室５を備えた本体ユニット１０と、減圧蒸気室４と連通して気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間８と、下部熱媒体室５と連通して液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間９が形成されるとともに、上部熱交換空間８に第２熱交換部６、下部熱交換空間９に第１熱交換部７が配設される熱交換ユニット２０を有することを特徴とする。
【解決手段】 燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂが備えられた燃焼室１と、その下方に配設され、排ガス流通路２ａと下部水管群等２ｂが備えられた対流室２と、燃焼室１の上部に配設された減圧蒸気室４と、対流室２の下部に配設された下部熱媒体室５を備えた本体ユニット１０と、減圧蒸気室４と連通して気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間８と、下部熱媒体室５と連通して液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間９が形成されるとともに、上部熱交換空間８に第２熱交換部６、下部熱交換空間９に第１熱交換部７が配設される熱交換ユニット２０を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空式温水器に関し、特に、産業用の温水発生装置である真空式温水器として有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用の温水発生装置として多種多様な方式が利用されているが、１００℃以下の温水を得る温水発生装置として、真空式温水器が多用されている。真空式温水器は、都市ガスや灯油、ペレットなどの燃料を燃焼し、その燃焼熱および排ガスを燃焼室の周囲に存在する熱媒水と熱交換させる。熱媒水は、大気圧下に減圧された減圧蒸発室で８０℃〜９０℃程度で減圧沸騰し、同室内にある熱交換器を介して給温水を加温する。熱媒水は燃焼室内に設けた伝熱管で燃焼排ガスと熱交換するが、通常は約２００℃程度の排ガス温度まで熱回収する。熱効率は概ね９０％程度である。
【０００３】
こうした真空式温水器として、具体的には、例えば図３に示すような構成を有する真空式温水ボイラが挙げられる（例えば特許文献１参照）。上部に蒸気室１０２が形成されるよう熱媒水１０３を封入した熱媒水貯槽（缶体）１０１の下部内側に、上記熱媒水１０３に没するように燃焼室１０４を設けてバーナ１０５を設置し、且つ上記熱媒水貯槽１０１の頂部に、真空ポンプ１０６を、開閉弁１０８を備えた真空引きライン１０７を介し接続すると共に、上記蒸気室１０２となる熱媒水貯槽１０１内の上部位置に、加熱対象となる水１０９を外部から流通させることができるようにした熱交換器としての伝熱管１１０を設けた構成として、真空ポンプ１０６の作動により熱媒水貯槽１０１の内部を真空に引いた状態において、バーナ１０５を燃焼させることにより燃焼室１０４の壁面を介して熱媒水１０３を加熱し、これにより真空中にある熱媒水１０３を１００℃以下の温度、たとえば、約８０℃にて急速に沸騰、蒸発させ、発生した減圧蒸気を、蒸気室１０２に充満させると共に伝熱管１１０の表面で凝縮させることにより、該伝熱管１１０を流通する水１０９と熱交換を行わせて、該伝熱管１１０の出口より上記減圧蒸気の温度まで加熱された温水１０９ａを回収できるようにしてある。なお、１１１は燃焼室１０４の排気口、１１２は燃焼室１０４内の中央部にてバーナ１０５に対峙するよう設置した火堰、１１３は火堰１１２の後方の煙道となる部分に燃焼室１０４を上下方向に貫通するよう設けた伝熱用水管である。凝縮伝熱を利用することで伝熱面積を小さくできると共に、減圧下における熱媒水１０３の凝縮領域の温度を制御温度とすることにより、加熱対象流体である水１０９を間欠的に熱交換させるような場合であっても、熱媒水１０３の温度が大きく変化することはなく、したがって、常に一定温度に加熱された温水１０９ａを製造できるという特徴を有している（特許文献１段落０００３〜０００４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のような真空式温水器では、以下に挙げるような問題点や課題が生じることがあった。
（ｉ）従来方式では、熱媒水の温度を通常８０℃〜９０℃に加熱した状態で保持し、減圧蒸気室の熱交換器で冷水を温水に熱交換する。従来の構造では排ガス温度を熱媒水温度以下にすることができないため、構造的に大幅なボイラの高効率化は難しいという課題があった。
（ii）温水器とは別にエコノマイザーを設け排ガスの熱回収を行っている場合には、エコノマイザーが排ガスと熱交換させるために圧力容器に該当することから、エコノマイザー内部の温水は大気庄における沸点以上になる危険があるため、万が一破裂した場合は外部に熱水が噴出し危険である。
【０００６】
本発明の目的は、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を効率的に回収して所望の加温水を供給するとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す真空式温水器によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
本発明は、真空式温水器であって、
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、前記燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記対流室の下部に配設され、前記下部水管群または煙管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、前記上部熱交換空間に第２熱交換部、前記下部熱交換空間に第１熱交換部が配設される熱交換ユニットと、
を有することを特徴とする。
【０００９】
既述のように、真空式温水器においては、燃焼排ガスの燃焼熱の効率的な回収が大きな課題になる。本発明は、燃焼熱の回収に際して、燃焼排ガスと回収に利用する熱媒体とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、本体ユニットにおいて、上方に燃焼室、下方に対流室を配設して上方から下方に燃焼排ガスを流通させることによって、上方の高温条件と下方の低温条件を形成するとともに、熱媒体を下方から上方に流通させて各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に効率よく燃焼排ガスの燃焼熱を回収し、上方から気化させた熱媒体を取出すことを可能にした。また、真空式温水器においては、用いた熱媒体の温熱を効率的に利用して加温水を作製することが課題になる。本発明は、熱媒体の温熱の利用に際して、熱媒体と加温の対象となる供給水とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、熱媒体の潜熱のみならず顕熱まで吸熱することができ、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、熱交換ユニットにおいて、上方から下方に本体ユニットにおいて加熱された高温の熱媒体を流通させるとともに、上方に第２熱交換部、下方に第１熱交換部を配設して低温の供給水を下方から上方に流通させて向流的に各熱交換部において熱交換させることによって、第２熱交換部において、供給水が熱媒体の潜熱を吸熱して加温される一方熱媒体は給熱によって凝縮し、第１熱交換部において、供給水が落下した凝縮熱媒体および循環熱媒体からの顕熱を吸熱して加温される一方熱媒体は給熱によって低温化し、非常に効率よく熱媒体の温熱を回収し、上方の第２熱交換部から高温の加温水を取出すことを可能にした。
【００１０】
さらに、温水器の稼動時、本体ユニットおよび熱交換ユニットにおいて、熱媒体の循環系が形成される。このとき、熱媒体の循環移送に伴い、熱媒体の流通抵抗が生じることから、本体ユニットと熱交換ユニットに水位差が生じる。こうした水位差は、熱媒体の循環移送を推進力として機能し、自動的に循環系（自然循環系）を形成することができる。本発明は、熱媒体の循環系を本体ユニットと熱交換ユニットに分離し、熱交換ユニットにおいて、２つの熱交換器による効率的な熱交換を図るとともに、本体ユニットと熱交換ユニット間の水位差を形成させて、循環系を形成する熱媒体の移送推進機能を有する構成とした。以上のような構成によって、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を、従前にない高い効率で回収して所望の加温水を供給することが可能になるとともに、排ガスエコノマイザーのような直接排ガスと温水を熱交換させる設備を設けなくても高い効率を確保することができることから、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することが可能となった。
【００１１】
本発明は、上記真空式温水器であって、前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする。
上記のように、本発明に係る温水器の本体ユニットにおいては、２段階（於燃焼室と於対流室）の熱交換が、水管群あるいは煙管群によって行なわれる。このとき、燃焼室および対流室では、水管や煙管の位置によって水管群あるいは煙管群内の管同士の燃焼排ガスによる加熱状態に差が生じることがあり、燃焼室の水管から対流室水管あるいは煙管へ繋がった状態で、管内部を流通する熱媒体が連続的に流通すると、熱交換の効率バランスあるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。本発明は、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室の水管群でのより効率的な熱回収を確保することが可能となった。
【００１２】
本発明は、上記真空式温水器であって、前記熱交換ユニットの内部を、前記上部熱交換空間および下部に前記下部熱交換空間と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部と、前記下部熱交換空間のみから形成される下部空間部の、上下２つ空間に分割し、該上部空間部と下部空間部を循環ポンプによって接続することを特徴とする。
上記のように、循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と本体ユニットの上部水管群または煙管群内部の熱媒体の水位（気液混合状態であればその平均的水位が相当すると推定される）によって規定され、本体ユニットと熱交換ユニットの水位差は、系全体の流通抵抗によって規定され、各ユニットの水位は、この循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。一方、燃焼負荷率が増加すれば、循環系を流通する熱媒体の移送量が増加し、該流通抵抗も増加するとともに、水位差も増加する。しかしながら、急激に燃焼負荷率が増加した場合、こうした水位差は必ずしも追随できなくなる可能性がある。本発明は、熱媒体の循環系を構成する熱交換ユニットの熱媒体の液層内に循環ポンプを配設することによって、循環系において、水位差のみならず、強制的な熱媒体の移送能力を有するように構成したもので、燃焼負荷率の増加等による運転条件の変化があっても、熱媒体の循環を円滑に行うことによって、熱交換機能を高め、より一層燃焼排ガスの燃焼熱を高い効率で回収することが可能となった。ここで「燃焼負荷率」とは、燃焼室の単位当りの空間容積で発生する熱量をいう。
【００１３】
また、本発明は、上記真空式温水器であって、
前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが、前記上部水管群で熱交換して減温され、前記上部排気部，前記接続路を介して前記対流室に導入され、前記下部水管群または煙管群で熱交換して減温され、前記排ガス流通路を流通して前記下部排気部から排出され、
前記上部水管群の内部を充たす熱媒体が、前記燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され、前記減圧蒸気室を介して前記上部熱交換空間に移送され、前記第２熱交換部で熱交換して減温，凝縮され、凝縮液として前記下部熱交換空間に滴下し、前記下部熱媒体室を介して前記下部水管群または煙管群の内部を流通し熱交換して加温，上方へ移送され、前記中間熱媒体室を介して前記上部水管群の内部を流通する、循環流を形成するとともに、
供給水が、前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流通され、加温水として供給されることを特徴とする。
真空式温水器においては、燃焼器において発生する温熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させ、さらに熱媒体を介して供給水に吸熱させるという２段階の熱交換が行なわれる。本発明は、このとき、温熱移送の媒体となる燃焼排ガスや熱媒体および吸熱側の供給水を如何に流通させることが温熱を最大限に活用できるかを検証したもので、燃焼排ガス，熱媒体，供給水を、それぞれ上記のような流通を形成することによって、従前にない非常に効率的かつ安定的に供給水から加温水を取り出すことができることを見出した。また、こうした構成においては、エコノマイザーのような直接排ガスと温水を熱交換させる設備を必要としないことから、温水器内部の温度・圧力の上昇を防止し、高い安全性を確保しつつ、優れた熱効率を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る真空式温水器の基本構成例（第１構成例）を示す全体構成図
【図２】本発明に係る真空式温水器の第２構成例を示す全体構成図
【図３】従来技術に係る真空式温水ボイラの概略を例示する全体構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る真空式温水器（以下「本温水器」という）は、以下の本体ユニットと熱交換ユニットを有することを特徴とする。本体ユニットは、燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群（以下「下部水管群等」という）と下部排気部が備えられた対流室と、上部排気部と排ガス流通路とを接続する接続路と、燃焼室の上部に配設され、上部水管群と接続する減圧蒸気室と、対流室の下部に配設され、下部水管群等と接続する下部熱媒体室と、を備え、熱交換ユニットは、減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、上部熱交換空間の上方に第２熱交換部、該第２熱交換部の下方に第１熱交換部が配設される。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
＜本温水器の基本構成例＞
本温水器の１つの実施態様として、その基本構成の概略を図１（Ａ）に示す（第１構成例）。図１（Ｂ）は、燃焼室１のＡＡ断面を示す。本温水器は、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０が上部連通流路Ｌｕおよび下部連通流路Ｌｂで連通され、熱媒体が、本体ユニット１０から上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送され、熱交換ユニット２０から下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。こうした熱媒体の循環的な動きによって、効率的な温熱移動を行うことができる。また、本体ユニット１０は、温熱の源であり、かつ１次的伝熱の場である燃焼室１、２次的伝熱の場である対流室２、温熱移送の場である接続路３、減圧蒸気室４および下部熱媒体室５を有し、熱交換ユニット２０は、３次的伝熱の場であり、かつ温熱の放出端である第２熱交換部６、４次的伝熱の場である第１熱交換部７を有し、温熱移送の場である上部熱交換空間８と下部熱交換空間９を形成する。ここで、熱媒体は、通常市水等の水が利用される。本温水器において循環系を形成する熱媒体の移送は、燃焼熱によって発生する熱媒体流通経路における流通抵抗によって生じる水位差による自然循環系を利用している。従って、循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と本体ユニット１０の水位によって規定され、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０の水位差は、系全体の流通抵抗によって規定され、各ユニット１０，２０の水位は、この循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。
【００１７】
ここで、本温水器においては、燃焼器１において発生する温熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させ、さらに熱媒体を介して供給水に吸熱させるという２段階の熱交換が行なわれる。また、最初の熱媒体への温熱の移送段階についても、本体ユニット１０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれる。具体的には、上方に配設された燃焼室１での高温条件の熱交換と、下方に配設された対流室２での低温条件の熱交換が行われる。さらに、熱媒体から供給水への温熱の移送段階についても、熱交換ユニット２０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれる。具体的には、上方に配設された第２熱交換部６での気相の熱媒体と供給水の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）と、下方に配設された第１熱交換部７での液相の熱媒体と供給水の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われる。つまり、熱エネルギーの循環系を形成する熱媒体の相変化を伴う加温機能、熱媒体による燃焼排ガスおよび供給水との交流的な２段階の熱交換機能によって、燃焼熱を本温水器の熱源として最大限利用し、本温水器の熱効率を向上させることができる。
【００１８】
〔本体ユニット〕
本体ユニット１０には、図１（Ａ）および（Ｂ）に例示するように、燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂ（前段水管群１ｅと後段水管群１ｆからなる）と上部排気部１ｃが備えられた燃焼室１が設けられる。燃焼室１では、別途供給された燃料と燃焼空気（図示せず）の燃焼反応により火炎１ｄが発生し、熱エネルギーの放射が行われる。これらの熱エネルギーは、複数の水管が配設された上部水管群１ｂ内を流通する熱媒体によって吸収される。つまり、燃焼排ガスの燃焼熱は、主として後段水管群１ｆを介して吸収され、火炎１ｄの放射熱エネルギーは、前段水管群１ｅを介して吸収される。このように、上部水管群１ｂを燃焼室１内に適切に配設することによって、効率よく吸熱させることができる。ここで、上部水管群１ｂを構成する水管は、循環系を流通する熱媒体の必要な移送量を得るために、定格負荷において水管出口部の蒸気流速が２〜６ｍ／ｓ程度になるように、水管の内径を設定することが好ましい。また、燃焼反応によって発生した燃焼排ガスは、減温されて（約１５０〜２００℃）排気部１ｃから排気され、断熱処理が施された接続路３を介して対流室２に給送される。
【００１９】
対流室２には、排ガス流通路２ａと下部水管群等２ｂと下部排気部２ｃが備えられる。接続路３を介して対流室２に給送された燃焼排ガスの燃焼熱は、燃焼排ガスが排ガス流通路２ａを流通する間に、複数の水管が配設された下部水管群等２ｂ内を流通する熱媒体によって吸収されるとともに、対流室２を囲むように隣接した熱媒体（下部熱媒体室５内や上部水管群１ｂ内部あるいは後述する中間熱媒体室内の熱媒体）によって吸収される。ここで、下部水管群等２ｂに用いる水管あるいは煙管（以下「水管等」という）は、外周にフィンを配した中空菅を用いることが好ましい。フィンの伝熱面積を確保することができ、熱交換効率のさらなる向上を図ることができる。従って、排ガス流通路２ａを流通する燃焼排ガスは、効率よく吸熱された状態（約７０〜８０℃）で、下部排気部２ｃを介して対流室２から排出される。このように、燃焼室１および対流室２において、それぞれ異なる機能を有する２段階の熱交換によって、燃焼熱を非常に効率よく熱媒体に吸熱させることができる。
【００２０】
減圧蒸気室４は、減圧条件（例えば−０．１ＭＰａ）に維持された空間が形成される。つまり、本体ユニット１０および熱交換ユニット２０において気相あるいは液相の熱媒体が充たされる空間は、例えば真空ポンプ等によって減圧され、熱媒体の常圧での沸点よりも低い温度で気相の熱媒体を形成することができように構成される。このとき、上記のように、燃焼室１で発生した燃焼熱の多くは、対流室２で吸収された熱量を含めて、上部水管群１ｂからの熱媒体を介して、減圧蒸気室４内の気相の熱媒体に移行される。また、気相の熱媒体の温度は、上部水管群１ｂの内部温度と殆どバラツキがないことが確認されている。上部水管群１ｂの内部を含む熱媒体の対流効果によるものである。このように、減圧蒸気室４では、減圧条件における熱媒体の温度を通常８０〜９０℃に加熱した状態（減圧沸騰した状態）で維持され、上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送される。
【００２１】
下部熱媒体室５は、下部連通流路Ｌｂを介して熱交換ユニット２０から還流される熱媒体を受け入れるとともに、対流室２との隔壁を介して排ガス流通路２ａ内の燃焼排ガスの燃焼熱を吸収する。下部熱媒体室５に受け入れられた熱媒体は、対流室２の下部水管群等２ｂへ移送される。循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位によって規定され、上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位と熱交換ユニット２０内部の水位差は、循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位は、沸騰状態で気液混合状態であればその平均的水位が相当すると推定される。燃焼負荷率が増加すれば、循環系を流通する熱媒体の移送量が増加し、該流通抵抗も増加するとともに、水位差も増加する。
【００２２】
ここで、本体ユニット１０において、図１（Ａ）に例示するように、燃焼室１と対流室２の中間に、上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂを接続する中間熱媒体室２ｄを備えることが好ましい。燃焼室１と対流室２での２段階熱交換が、主として上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂによって行なわれる。このとき、これらの水管等の位置によって燃焼熱の吸熱条件に差が生じることがあり、上部水管群１ｂ内部と下部水管群等２ｂ内部を熱媒体が連続的に流通するように水管等を接続すると、水管同士あるいは水管等同士での差が、そのまま熱交換の効率バランス、あるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。中間熱媒体室Ｓを備え、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室１の上部水管群１ｂでのより効率的な熱回収を確保することできる。
【００２３】
〔熱交換ユニット〕
熱交換ユニット２０は、２つの熱交換部が配設された空間を備える。ここでは、気相の熱媒体が存在する空間を上部熱交換空間８とし、液相の熱媒体が存在する空間を下部熱交換空間９とする。第２熱交換部６が上部熱交換空間８に配設され、第１熱交換部７が液層内に配設される。上方に配設された第２熱交換部６において、高温（約８０〜９０℃）の気相の熱媒体と第２熱交換部６内部を流通する供給水（入口温度約４０〜５０℃）の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）が行なわれる。気相の熱媒体は、その潜熱を放出しながら第２熱交換部６の表面で凝縮し、液滴状の液相の熱媒体を形成する。液相の熱媒体は、所定の大きさに拡大した状態で、第２熱交換部６の上部から流下する熱媒体の流れに沿って下方の下部熱交換空間９へ落下し、貯留される。このとき、第２熱交換部６表面の液滴の残留は、第２熱交換部６の伝熱機能を阻害することから、上方から下部熱交換空間９への気相の熱媒体の流れによる液滴の落下を促進する機能は、第２熱交換部６の熱交換効率向上に対して有効である。
【００２４】
上部熱交換空間８には、本体ユニットが稼動する限りにおいて、常に気相の熱媒体が供給されることから、第２熱交換部６は、非常に安定な伝熱機能を有することができる。従って、供給水の吸熱機能も安定することから、非常に安定した温度の加温水を供給することができる。また、上部熱交換空間８は、第２熱交換部６において気相の熱媒体との熱交換が行なわれる範囲において、その形状・容積は問わない。第２熱交換部６において吸熱した供給水は、約７０〜８０℃に加温され、加温水として供出される。加温水は、給湯用や暖房用等の給温水等産業用の温水として使用される。また、供給水の供給量は、給水ポンプ（図示せず）による昇圧および絞り弁（図示せず）によって調整される。また供給水として使用する水は、通常市水等を用いることができる。
【００２５】
下部熱交換空間９には、第２熱交換部６において凝縮した液相の熱媒体を含む循環系を流通する熱媒体が収集され、貯留される。第１熱交換部７は、下部熱交換空間９の液相の熱媒体内（液層内）に配設される。第１熱交換部７においては、第２熱交換部６で生成した熱媒体の凝縮液からの吸熱（顕熱）が主となることから、より多くの熱媒体との接触が好ましい。第１熱交換部７をその液層内に浸漬させることによって、効率的な熱媒体の顕熱の吸熱を行なうことができる。また、所定の容積を有する下部熱交換空間９に浸漬させた構成によって、ほぼ一定の安定した温度条件で熱交換ができ、大流量の供給水に対しても十分に吸熱させることができる。従って、上部熱交換空間８における安定した熱交換機能と相俟って、安定性の高い熱交換ユニット２０を構成することができる。さらに、第１熱交換部７に高い熱交換機能を持たせることによって、第２熱交換部６における負荷を軽減し、熱交換ユニット２０全体として、より高い熱交換機能を確保することができる。また、両熱交換器６，７について、各機能を明確に区分することによって、種々の加温水の条件や要求仕様に対応可能な温水器を構成することが可能となった。
【００２６】
下部熱交換空間９において、液相の熱媒体（上層温度約８０〜９０℃、下層温度約４０〜５０℃）と第１熱交換部７内部を流通する供給水（入口温度約２０〜３０℃）の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われ、吸熱した供給水は約４０〜５０℃に加温され、第２熱交換部６に移送される。
【００２７】
このとき、熱媒体の液層内に浸漬させる第１熱交換部７については、熱交換効率の高い種々の形態の熱交換器を使用することができる。第２熱交換部６については、熱交換効率が高いことに加え、気相の熱媒体が凝縮しやすい表面を有し、発生した液滴の迅速な凝集が可能で、凝縮液を迅速に落下させることができる構成が要求される一方、液層内の第１熱交換部７には、熱交換効率の高さを最優先とする構成を選択することができる。具体的には、Ｕ字形状の熱交換器のみならず、フィン付水管を用いた熱交換器やプレート式熱交換器等を適用することができる。
【００２８】
下部熱交換空間９に貯留された液相の熱媒体は、下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。このとき、下部熱交換空間９は、液相の熱媒体の液面を確定し、維持する機能と同時に、本体ユニット１０内の液相の熱媒体の液面との水位差による本体ユニット１０への移送圧力の形成機能を有することによって、安定した熱媒体の循環系を形成することができる。
【００２９】
〔本温水器における流体移送に伴う温熱の移送機能〕
本温水器においては、３つの流体は移送され、その流体間において温熱が移送される。具体的には、本体ユニット１０において燃焼室１で発生した燃焼排ガス、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０間を循環する熱媒体、および熱交換ユニット２０において加温される供給水という、３つの流体が該当する。
（１）燃焼排ガスは、燃焼室１では、発生直後の高温の状態から（約７００〜８００℃）、上部水管群１ｂ（後段水管群１ｆ）で熱交換して減温され（約１５０〜２００℃）、上部排気部１ｃ，接続路３を介して対流室２に導入される。対流室２では、下部水管群等２ｂで熱交換して減温され（約７０〜８０℃）、排ガス流通路２ａを流通して下部排気部２ｃから排出される。
（２）熱媒体は、燃焼室１では、上部水管群１ｂの内部を流通し、燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され（約８０〜９０℃）、減圧蒸気室４，上部連通流路Ｌｕを介して上部熱交換空間８に移送される。上部熱交換空間８では、第２熱交換部６で熱交換して減温，凝縮され（約８０〜９０℃）、凝縮液として下部熱交換空間９に滴下し、液相の熱媒体として貯留される。液相の熱媒体は、さらに第１熱交換部７で熱交換して減温される（約４０〜５０℃）。下部熱交換空間９の液相の熱媒体は、下部連通流路Ｌｂおよび下部熱媒体室５を介して対流室２に導入され、下部水管群等２ｂの内部を流通し、熱交換して加温，上方へ移送され（約４５〜５５℃）、再度上部水管群１ｂの内部を流通する（循環流を形成）。
（３）供給水（入口温度約２０〜３０℃）は、第１熱交換部７に流通，加温され（約４０〜５０℃）、次いで第２熱交換部６に流通，加温され（約７０〜８０℃）、加温水として供給される。
【００３０】
＜本温水器の第２構成例＞
本温水器は、図２に例示するように、上記第１構成例における熱交換ユニット２０の内部を、上部熱交換空間８および下部に下部熱交換空間９と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部８ａと、下部熱交換空間９のみから形成される下部空間部９ａの、上下２つ空間に分割し、上部空間部８ａと下部空間部９ａを循環ポンプ９ｂによって接続される構成とすることができる（第２構成例）。
【００３１】
上記第１構成例においては、本体ユニット１０内の液面と、熱媒体の流通抵抗に起因した熱交換ユニット２０内の液面との水位差による自然循環系を利用している。第２構成例は、こうした水位差のみでは、所望の熱媒体の移送量が十分に確保できない条件に対応可能なように、熱媒体の循環系において、水位差のみならず、熱交換ユニット２０の熱媒体の液層内に循環ポンプ９ｂを配設し、強制的な熱媒体の移送能力を有する強制循環系を構成した。具体的には、急激に燃焼負荷率が増加した場合、こうした水位差では必ずしも追随できなくなる可能性がある。熱媒体の循環機能の向上を図り、本温水器の運転条件の変化があっても、熱交換機能を高め、より一層燃焼排ガスの燃焼熱を高い効率で回収することができる。このとき、循環ポンプ９ｂは、熱交換ユニット２０の上部空間部８ａに設けられた液面検知器Ｓによって検出された液面位置によって動作させ、上部空間部８ａでの水位上昇を防止する。液面検知器Ｓは、超音波式や電極式等を用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 本体ユニット
２０ 熱交換ユニット
１ 燃焼室
１ａ 燃焼バーナ
１ｂ 上部水管群
１ｃ 上部排気部
１ｄ 火炎
１ｅ 前段水管群
１ｆ 後段水管群
２ 対流室
２ａ 排ガス流通路
２ｂ 下部水管群等
２ｃ 下部排気部
２ｄ 中間熱媒体室
３ 接続路
４ 減圧蒸気室
５ 下部熱媒体室
５ｂ 循環ポンプ
６ 第２熱交換部
７ 第１熱交換部
８ 上部熱交換空間
８ａ 上部空間部
９ 下部熱交換空間
９ａ 下部空間部
９ｂ 循環ポンプ
Ｓ 液面検知器
Ｌｕ 上部連通流路
Ｌｂ 下部連通流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空式温水器に関し、特に、産業用の温水発生装置である真空式温水器として有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用の温水発生装置として多種多様な方式が利用されているが、１００℃以下の温水を得る温水発生装置として、真空式温水器が多用されている。真空式温水器は、都市ガスや灯油、ペレットなどの燃料を燃焼し、その燃焼熱および排ガスを燃焼室の周囲に存在する熱媒水と熱交換させる。熱媒水は、大気圧下に減圧された減圧蒸発室で８０℃〜９０℃程度で減圧沸騰し、同室内にある熱交換器を介して給温水を加温する。熱媒水は燃焼室内に設けた伝熱管で燃焼排ガスと熱交換するが、通常は約２００℃程度の排ガス温度まで熱回収する。熱効率は概ね９０％程度である。
【０００３】
こうした真空式温水器として、具体的には、例えば図３に示すような構成を有する真空式温水ボイラが挙げられる（例えば特許文献１参照）。上部に蒸気室１０２が形成されるよう熱媒水１０３を封入した熱媒水貯槽（缶体）１０１の下部内側に、上記熱媒水１０３に没するように燃焼室１０４を設けてバーナ１０５を設置し、且つ上記熱媒水貯槽１０１の頂部に、真空ポンプ１０６を、開閉弁１０８を備えた真空引きライン１０７を介し接続すると共に、上記蒸気室１０２となる熱媒水貯槽１０１内の上部位置に、加熱対象となる水１０９を外部から流通させることができるようにした熱交換器としての伝熱管１１０を設けた構成として、真空ポンプ１０６の作動により熱媒水貯槽１０１の内部を真空に引いた状態において、バーナ１０５を燃焼させることにより燃焼室１０４の壁面を介して熱媒水１０３を加熱し、これにより真空中にある熱媒水１０３を１００℃以下の温度、たとえば、約８０℃にて急速に沸騰、蒸発させ、発生した減圧蒸気を、蒸気室１０２に充満させると共に伝熱管１１０の表面で凝縮させることにより、該伝熱管１１０を流通する水１０９と熱交換を行わせて、該伝熱管１１０の出口より上記減圧蒸気の温度まで加熱された温水１０９ａを回収できるようにしてある。なお、１１１は燃焼室１０４の排気口、１１２は燃焼室１０４内の中央部にてバーナ１０５に対峙するよう設置した火堰、１１３は火堰１１２の後方の煙道となる部分に燃焼室１０４を上下方向に貫通するよう設けた伝熱用水管である。凝縮伝熱を利用することで伝熱面積を小さくできると共に、減圧下における熱媒水１０３の凝縮領域の温度を制御温度とすることにより、加熱対象流体である水１０９を間欠的に熱交換させるような場合であっても、熱媒水１０３の温度が大きく変化することはなく、したがって、常に一定温度に加熱された温水１０９ａを製造できるという特徴を有している（特許文献１段落０００３〜０００４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のような真空式温水器では、以下に挙げるような問題点や課題が生じることがあった。
（ｉ）従来方式では、熱媒水の温度を通常８０℃〜９０℃に加熱した状態で保持し、減圧蒸気室の熱交換器で冷水を温水に熱交換する。従来の構造では排ガス温度を熱媒水温度以下にすることができないため、構造的に大幅なボイラの高効率化は難しいという課題があった。
（ii）温水器とは別にエコノマイザーを設け排ガスの熱回収を行っている場合には、エコノマイザーが排ガスと熱交換させるために圧力容器に該当することから、エコノマイザー内部の温水は大気庄における沸点以上になる危険があるため、万が一破裂した場合は外部に熱水が噴出し危険である。
【０００６】
本発明の目的は、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を効率的に回収して所望の加温水を供給するとともに、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す真空式温水器によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
本発明は、真空式温水器であって、
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、前記燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記対流室の下部に配設され、前記下部水管群または煙管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、前記上部熱交換空間に第２熱交換部、前記下部熱交換空間に第１熱交換部が配設される熱交換ユニットと、
を有することを特徴とする。
【０００９】
既述のように、真空式温水器においては、燃焼排ガスの燃焼熱の効率的な回収が大きな課題になる。本発明は、燃焼熱の回収に際して、燃焼排ガスと回収に利用する熱媒体とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、本体ユニットにおいて、上方に燃焼室、下方に対流室を配設して上方から下方に燃焼排ガスを流通させることによって、上方の高温条件と下方の低温条件を形成するとともに、熱媒体を下方から上方に流通させて各段階において向流的に熱交換させることによって、非常に効率よく燃焼排ガスの燃焼熱を回収し、上方から気化させた熱媒体を取出すことを可能にした。また、真空式温水器においては、用いた熱媒体の温熱を効率的に利用して加温水を作製することが課題になる。本発明は、熱媒体の温熱の利用に際して、熱媒体と加温の対象となる供給水とを２段階の熱交換を行なうとともに、両流体を各段階において向流的に熱交換させることによって、熱媒体の潜熱のみならず顕熱まで吸熱することができ、非常に高い熱交換効率を得ることができることを見出した。つまり、熱交換ユニットにおいて、上方から下方に本体ユニットにおいて加熱された高温の熱媒体を流通させるとともに、上方に第２熱交換部、下方に第１熱交換部を配設して低温の供給水を下方から上方に流通させて向流的に各熱交換部において熱交換させることによって、第２熱交換部において、供給水が熱媒体の潜熱を吸熱して加温される一方熱媒体は給熱によって凝縮し、第１熱交換部において、供給水が落下した凝縮熱媒体および循環熱媒体からの顕熱を吸熱して加温される一方熱媒体は給熱によって低温化し、非常に効率よく熱媒体の温熱を回収し、上方の第２熱交換部から高温の加温水を取出すことを可能にした。
【００１０】
さらに、温水器の稼動時、本体ユニットおよび熱交換ユニットにおいて、熱媒体の循環系が形成される。このとき、熱媒体の循環移送に伴い、熱媒体の流通抵抗が生じることから、本体ユニットと熱交換ユニットに水位差が生じる。こうした水位差は、熱媒体の循環移送を推進力として機能し、自動的に循環系（自然循環系）を形成することができる。本発明は、熱媒体の循環系を本体ユニットと熱交換ユニットに分離し、熱交換ユニットにおいて、２つの熱交換器による効率的な熱交換を図るとともに、本体ユニットと熱交換ユニット間の水位差を形成させて、循環系を形成する熱媒体の移送推進機能を有する構成とした。以上のような構成によって、温水器に設けられた燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの燃焼熱を、従前にない高い効率で回収して所望の加温水を供給することが可能になるとともに、排ガスエコノマイザーのような直接排ガスと温水を熱交換させる設備を設けなくても高い効率を確保することができることから、温水器内部の温度・圧力の上昇を防ぎ、さらに破裂した際の危険がない真空式温水器を提供することが可能となった。
【００１１】
本発明は、上記真空式温水器であって、前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする。
上記のように、本発明に係る温水器の本体ユニットにおいては、２段階（於燃焼室と於対流室）の熱交換が、水管群あるいは煙管群によって行なわれる。このとき、燃焼室および対流室では、水管や煙管の位置によって水管群あるいは煙管群内の管同士の燃焼排ガスによる加熱状態に差が生じることがあり、燃焼室の水管から対流室水管あるいは煙管へ繋がった状態で、管内部を流通する熱媒体が連続的に流通すると、熱交換の効率バランスあるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。本発明は、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室の水管群でのより効率的な熱回収を確保することが可能となった。
【００１２】
本発明は、上記真空式温水器であって、前記熱交換ユニットの内部を、前記上部熱交換空間および下部に前記下部熱交換空間と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部と、前記下部熱交換空間のみから形成される下部空間部の、上下２つ空間に分割し、該上部空間部と下部空間部を循環ポンプによって接続することを特徴とする。
上記のように、循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と本体ユニットの上部水管群または煙管群内部の熱媒体の水位（気液混合状態であればその平均的水位が相当すると推定される）によって規定され、本体ユニットと熱交換ユニットの水位差は、系全体の流通抵抗によって規定され、各ユニットの水位は、この循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。一方、燃焼負荷率が増加すれば、循環系を流通する熱媒体の移送量が増加し、該流通抵抗も増加するとともに、水位差も増加する。しかしながら、急激に燃焼負荷率が増加した場合、こうした水位差は必ずしも追随できなくなる可能性がある。本発明は、熱媒体の循環系を構成する熱交換ユニットの熱媒体の液層内に循環ポンプを配設することによって、循環系において、水位差のみならず、強制的な熱媒体の移送能力を有するように構成したもので、燃焼負荷率の増加等による運転条件の変化があっても、熱媒体の循環を円滑に行うことによって、熱交換機能を高め、より一層燃焼排ガスの燃焼熱を高い効率で回収することが可能となった。ここで「燃焼負荷率」とは、燃焼室の単位当りの空間容積で発生する熱量をいう。
【００１３】
また、本発明は、上記真空式温水器であって、
前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが、前記上部水管群で熱交換して減温され、前記上部排気部，前記接続路を介して前記対流室に導入され、前記下部水管群または煙管群で熱交換して減温され、前記排ガス流通路を流通して前記下部排気部から排出され、
前記上部水管群の内部を充たす熱媒体が、前記燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され、前記減圧蒸気室を介して前記上部熱交換空間に移送され、前記第２熱交換部で熱交換して減温，凝縮され、凝縮液として前記下部熱交換空間に滴下し、前記下部熱媒体室を介して前記下部水管群または煙管群の内部を流通し熱交換して加温，上方へ移送され、前記中間熱媒体室を介して前記上部水管群の内部を流通する、循環流を形成するとともに、
供給水が、前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流通され、加温水として供給されることを特徴とする。
真空式温水器においては、燃焼器において発生する温熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させ、さらに熱媒体を介して供給水に吸熱させるという２段階の熱交換が行なわれる。本発明は、このとき、温熱移送の媒体となる燃焼排ガスや熱媒体および吸熱側の供給水を如何に流通させることが温熱を最大限に活用できるかを検証したもので、燃焼排ガス，熱媒体，供給水を、それぞれ上記のような流通を形成することによって、従前にない非常に効率的かつ安定的に供給水から加温水を取り出すことができることを見出した。また、こうした構成においては、エコノマイザーのような直接排ガスと温水を熱交換させる設備を必要としないことから、温水器内部の温度・圧力の上昇を防止し、高い安全性を確保しつつ、優れた熱効率を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る真空式温水器の基本構成例（第１構成例）を示す全体構成図
【図２】本発明に係る真空式温水器の第２構成例を示す全体構成図
【図３】従来技術に係る真空式温水ボイラの概略を例示する全体構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る真空式温水器（以下「本温水器」という）は、以下の本体ユニットと熱交換ユニットを有することを特徴とする。本体ユニットは、燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群（以下「下部水管群等」という）と下部排気部が備えられた対流室と、上部排気部と排ガス流通路とを接続する接続路と、燃焼室の上部に配設され、上部水管群と接続する減圧蒸気室と、対流室の下部に配設され、下部水管群等と接続する下部熱媒体室と、を備え、熱交換ユニットは、減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、上部熱交換空間の上方に第２熱交換部、該第２熱交換部の下方に第１熱交換部が配設される。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
＜本温水器の基本構成例＞
本温水器の１つの実施態様として、その基本構成の概略を図１（Ａ）に示す（第１構成例）。図１（Ｂ）は、燃焼室１のＡＡ断面を示す。本温水器は、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０が上部連通流路Ｌｕおよび下部連通流路Ｌｂで連通され、熱媒体が、本体ユニット１０から上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送され、熱交換ユニット２０から下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。こうした熱媒体の循環的な動きによって、効率的な温熱移動を行うことができる。また、本体ユニット１０は、温熱の源であり、かつ１次的伝熱の場である燃焼室１、２次的伝熱の場である対流室２、温熱移送の場である接続路３、減圧蒸気室４および下部熱媒体室５を有し、熱交換ユニット２０は、３次的伝熱の場であり、かつ温熱の放出端である第２熱交換部６、４次的伝熱の場である第１熱交換部７を有し、温熱移送の場である上部熱交換空間８と下部熱交換空間９を形成する。ここで、熱媒体は、通常市水等の水が利用される。本温水器において循環系を形成する熱媒体の移送は、燃焼熱によって発生する熱媒体流通経路における流通抵抗によって生じる水位差による自然循環系を利用している。従って、循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と本体ユニット１０の水位によって規定され、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０の水位差は、系全体の流通抵抗によって規定され、各ユニット１０，２０の水位は、この循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。
【００１７】
ここで、本温水器においては、燃焼器１において発生する温熱を、直接あるいは燃焼排ガスを介して熱媒体に吸熱させ、さらに熱媒体を介して供給水に吸熱させるという２段階の熱交換が行なわれる。また、最初の熱媒体への温熱の移送段階についても、本体ユニット１０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれる。具体的には、上方に配設された燃焼室１での高温条件の熱交換と、下方に配設された対流室２での低温条件の熱交換が行われる。さらに、熱媒体から供給水への温熱の移送段階についても、熱交換ユニット２０において、向流的に２段階の熱交換が行なわれる。具体的には、上方に配設された第２熱交換部６での気相の熱媒体と供給水の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）と、下方に配設された第１熱交換部７での液相の熱媒体と供給水の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われる。つまり、熱エネルギーの循環系を形成する熱媒体の相変化を伴う加温機能、熱媒体による燃焼排ガスおよび供給水との交流的な２段階の熱交換機能によって、燃焼熱を本温水器の熱源として最大限利用し、本温水器の熱効率を向上させることができる。
【００１８】
〔本体ユニット〕
本体ユニット１０には、図１（Ａ）および（Ｂ）に例示するように、燃焼バーナ１ａと上部水管群１ｂ（前段水管群１ｅと後段水管群１ｆからなる）と上部排気部１ｃが備えられた燃焼室１が設けられる。燃焼室１では、別途供給された燃料と燃焼空気（図示せず）の燃焼反応により火炎１ｄが発生し、熱エネルギーの放射が行われる。これらの熱エネルギーは、複数の水管が配設された上部水管群１ｂ内を流通する熱媒体によって吸収される。つまり、燃焼排ガスの燃焼熱は、主として後段水管群１ｆを介して吸収され、火炎１ｄの放射熱エネルギーは、前段水管群１ｅを介して吸収される。このように、上部水管群１ｂを燃焼室１内に適切に配設することによって、効率よく吸熱させることができる。ここで、上部水管群１ｂを構成する水管は、循環系を流通する熱媒体の必要な移送量を得るために、定格負荷において水管出口部の蒸気流速が２〜６ｍ／ｓ程度になるように、水管の内径を設定することが好ましい。また、燃焼反応によって発生した燃焼排ガスは、減温されて（約１５０〜２００℃）排気部１ｃから排気され、断熱処理が施された接続路３を介して対流室２に給送される。
【００１９】
対流室２には、排ガス流通路２ａと下部水管群等２ｂと下部排気部２ｃが備えられる。接続路３を介して対流室２に給送された燃焼排ガスの燃焼熱は、燃焼排ガスが排ガス流通路２ａを流通する間に、複数の水管が配設された下部水管群等２ｂ内を流通する熱媒体によって吸収されるとともに、対流室２を囲むように隣接した熱媒体（下部熱媒体室５内や上部水管群１ｂ内部あるいは後述する中間熱媒体室内の熱媒体）によって吸収される。ここで、下部水管群等２ｂに用いる水管あるいは煙管（以下「水管等」という）は、外周にフィンを配した中空菅を用いることが好ましい。フィンの伝熱面積を確保することができ、熱交換効率のさらなる向上を図ることができる。従って、排ガス流通路２ａを流通する燃焼排ガスは、効率よく吸熱された状態（約７０〜８０℃）で、下部排気部２ｃを介して対流室２から排出される。このように、燃焼室１および対流室２において、それぞれ異なる機能を有する２段階の熱交換によって、燃焼熱を非常に効率よく熱媒体に吸熱させることができる。
【００２０】
減圧蒸気室４は、減圧条件（例えば−０．１ＭＰａ）に維持された空間が形成される。つまり、本体ユニット１０および熱交換ユニット２０において気相あるいは液相の熱媒体が充たされる空間は、例えば真空ポンプ等によって減圧され、熱媒体の常圧での沸点よりも低い温度で気相の熱媒体を形成することができように構成される。このとき、上記のように、燃焼室１で発生した燃焼熱の多くは、対流室２で吸収された熱量を含めて、上部水管群１ｂからの熱媒体を介して、減圧蒸気室４内の気相の熱媒体に移行される。また、気相の熱媒体の温度は、上部水管群１ｂの内部温度と殆どバラツキがないことが確認されている。上部水管群１ｂの内部を含む熱媒体の対流効果によるものである。このように、減圧蒸気室４では、減圧条件における熱媒体の温度を通常８０〜９０℃に加熱した状態（減圧沸騰した状態）で維持され、上部連通流路Ｌｕを介して熱交換ユニット２０へ移送される。
【００２１】
下部熱媒体室５は、下部連通流路Ｌｂを介して熱交換ユニット２０から還流される熱媒体を受け入れるとともに、対流室２との隔壁を介して排ガス流通路２ａ内の燃焼排ガスの燃焼熱を吸収する。下部熱媒体室５に受け入れられた熱媒体は、対流室２の下部水管群等２ｂへ移送される。循環系を流通する熱媒体の移送量は、燃焼負荷率と上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位によって規定され、上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位と熱交換ユニット２０内部の水位差は、循環系を流通する熱媒体の移送量と流通抵抗がバランスする位置で安定する。上部水管群等１ｂ内部の熱媒体の水位は、沸騰状態で気液混合状態であればその平均的水位が相当すると推定される。燃焼負荷率が増加すれば、循環系を流通する熱媒体の移送量が増加し、該流通抵抗も増加するとともに、水位差も増加する。
【００２２】
ここで、本体ユニット１０において、図１（Ａ）に例示するように、燃焼室１と対流室２の中間に、上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂを接続する中間熱媒体室２ｄを備えることが好ましい。燃焼室１と対流室２での２段階熱交換が、主として上部水管群１ｂと下部水管群等２ｂによって行なわれる。このとき、これらの水管等の位置によって燃焼熱の吸熱条件に差が生じることがあり、上部水管群１ｂ内部と下部水管群等２ｂ内部を熱媒体が連続的に流通するように水管等を接続すると、水管同士あるいは水管等同士での差が、そのまま熱交換の効率バランス、あるいは段階的な熱交換の形成に影響を与える可能性がある。中間熱媒体室Ｓを備え、各段階での熱回収機能を明確に区分するとともに、一旦下方からの熱媒体を集合させることによって、熱媒体の温熱の均一化を図り、上方の燃焼室１の上部水管群１ｂでのより効率的な熱回収を確保することできる。
【００２３】
〔熱交換ユニット〕
熱交換ユニット２０は、２つの熱交換部が配設された空間を備える。ここでは、気相の熱媒体が存在する空間を上部熱交換空間８とし、液相の熱媒体が存在する空間を下部熱交換空間９とする。第２熱交換部６が上部熱交換空間８に配設され、第１熱交換部７が液層内に配設される。上方に配設された第２熱交換部６において、高温（約８０〜９０℃）の気相の熱媒体と第２熱交換部６内部を流通する供給水（入口温度約４０〜５０℃）の高温条件の熱交換（潜熱の吸熱）が行なわれる。気相の熱媒体は、その潜熱を放出しながら第２熱交換部６の表面で凝縮し、液滴状の液相の熱媒体を形成する。液相の熱媒体は、所定の大きさに拡大した状態で、第２熱交換部６の上部から流下する熱媒体の流れに沿って下方の下部熱交換空間９へ落下し、貯留される。このとき、第２熱交換部６表面の液滴の残留は、第２熱交換部６の伝熱機能を阻害することから、上方から下部熱交換空間９への気相の熱媒体の流れによる液滴の落下を促進する機能は、第２熱交換部６の熱交換効率向上に対して有効である。
【００２４】
上部熱交換空間８には、本体ユニットが稼動する限りにおいて、常に気相の熱媒体が供給されることから、第２熱交換部６は、非常に安定な伝熱機能を有することができる。従って、供給水の吸熱機能も安定することから、非常に安定した温度の加温水を供給することができる。また、上部熱交換空間８は、第２熱交換部６において気相の熱媒体との熱交換が行なわれる範囲において、その形状・容積は問わない。第２熱交換部６において吸熱した供給水は、約７０〜８０℃に加温され、加温水として供出される。加温水は、給湯用や暖房用等の給温水等産業用の温水として使用される。また、供給水の供給量は、給水ポンプ（図示せず）による昇圧および絞り弁（図示せず）によって調整される。また供給水として使用する水は、通常市水等を用いることができる。
【００２５】
下部熱交換空間９には、第２熱交換部６において凝縮した液相の熱媒体を含む循環系を流通する熱媒体が収集され、貯留される。第１熱交換部７は、下部熱交換空間９の液相の熱媒体内（液層内）に配設される。第１熱交換部７においては、第２熱交換部６で生成した熱媒体の凝縮液からの吸熱（顕熱）が主となることから、より多くの熱媒体との接触が好ましい。第１熱交換部７をその液層内に浸漬させることによって、効率的な熱媒体の顕熱の吸熱を行なうことができる。また、所定の容積を有する下部熱交換空間９に浸漬させた構成によって、ほぼ一定の安定した温度条件で熱交換ができ、大流量の供給水に対しても十分に吸熱させることができる。従って、上部熱交換空間８における安定した熱交換機能と相俟って、安定性の高い熱交換ユニット２０を構成することができる。さらに、第１熱交換部７に高い熱交換機能を持たせることによって、第２熱交換部６における負荷を軽減し、熱交換ユニット２０全体として、より高い熱交換機能を確保することができる。また、両熱交換器６，７について、各機能を明確に区分することによって、種々の加温水の条件や要求仕様に対応可能な温水器を構成することが可能となった。
【００２６】
下部熱交換空間９において、液相の熱媒体（上層温度約８０〜９０℃、下層温度約４０〜５０℃）と第１熱交換部７内部を流通する供給水（入口温度約２０〜３０℃）の低温条件の熱交換（顕熱の吸熱）が行われ、吸熱した供給水は約４０〜５０℃に加温され、第２熱交換部６に移送される。
【００２７】
このとき、熱媒体の液層内に浸漬させる第１熱交換部７については、熱交換効率の高い種々の形態の熱交換器を使用することができる。第２熱交換部６については、熱交換効率が高いことに加え、気相の熱媒体が凝縮しやすい表面を有し、発生した液滴の迅速な凝集が可能で、凝縮液を迅速に落下させることができる構成が要求される一方、液層内の第１熱交換部７には、熱交換効率の高さを最優先とする構成を選択することができる。具体的には、Ｕ字形状の熱交換器のみならず、フィン付水管を用いた熱交換器やプレート式熱交換器等を適用することができる。
【００２８】
下部熱交換空間９に貯留された液相の熱媒体は、下部連通流路Ｌｂを介して本体ユニット１０へ移送される。このとき、下部熱交換空間９は、液相の熱媒体の液面を確定し、維持する機能と同時に、本体ユニット１０内の液相の熱媒体の液面との水位差による本体ユニット１０への移送圧力の形成機能を有することによって、安定した熱媒体の循環系を形成することができる。
【００２９】
〔本温水器における流体移送に伴う温熱の移送機能〕
本温水器においては、３つの流体は移送され、その流体間において温熱が移送される。具体的には、本体ユニット１０において燃焼室１で発生した燃焼排ガス、本体ユニット１０と熱交換ユニット２０間を循環する熱媒体、および熱交換ユニット２０において加温される供給水という、３つの流体が該当する。
（１）燃焼排ガスは、燃焼室１では、発生直後の高温の状態から（約７００〜８００℃）、上部水管群１ｂ（後段水管群１ｆ）で熱交換して減温され（約１５０〜２００℃）、上部排気部１ｃ，接続路３を介して対流室２に導入される。対流室２では、下部水管群等２ｂで熱交換して減温され（約７０〜８０℃）、排ガス流通路２ａを流通して下部排気部２ｃから排出される。
（２）熱媒体は、燃焼室１では、上部水管群１ｂの内部を流通し、燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され（約８０〜９０℃）、減圧蒸気室４，上部連通流路Ｌｕを介して上部熱交換空間８に移送される。上部熱交換空間８では、第２熱交換部６で熱交換して減温，凝縮され（約８０〜９０℃）、凝縮液として下部熱交換空間９に滴下し、液相の熱媒体として貯留される。液相の熱媒体は、さらに第１熱交換部７で熱交換して減温される（約４０〜５０℃）。下部熱交換空間９の液相の熱媒体は、下部連通流路Ｌｂおよび下部熱媒体室５を介して対流室２に導入され、下部水管群等２ｂの内部を流通し、熱交換して加温，上方へ移送され（約４５〜５５℃）、再度上部水管群１ｂの内部を流通する（循環流を形成）。
（３）供給水（入口温度約２０〜３０℃）は、第１熱交換部７に流通，加温され（約４０〜５０℃）、次いで第２熱交換部６に流通，加温され（約７０〜８０℃）、加温水として供給される。
【００３０】
＜本温水器の第２構成例＞
本温水器は、図２に例示するように、上記第１構成例における熱交換ユニット２０の内部を、上部熱交換空間８および下部に下部熱交換空間９と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部８ａと、下部熱交換空間９のみから形成される下部空間部９ａの、上下２つ空間に分割し、上部空間部８ａと下部空間部９ａを循環ポンプ９ｂによって接続される構成とすることができる（第２構成例）。
【００３１】
上記第１構成例においては、本体ユニット１０内の液面と、熱媒体の流通抵抗に起因した熱交換ユニット２０内の液面との水位差による自然循環系を利用している。第２構成例は、こうした水位差のみでは、所望の熱媒体の移送量が十分に確保できない条件に対応可能なように、熱媒体の循環系において、水位差のみならず、熱交換ユニット２０の熱媒体の液層内に循環ポンプ９ｂを配設し、強制的な熱媒体の移送能力を有する強制循環系を構成した。具体的には、急激に燃焼負荷率が増加した場合、こうした水位差では必ずしも追随できなくなる可能性がある。熱媒体の循環機能の向上を図り、本温水器の運転条件の変化があっても、熱交換機能を高め、より一層燃焼排ガスの燃焼熱を高い効率で回収することができる。このとき、循環ポンプ９ｂは、熱交換ユニット２０の上部空間部８ａに設けられた液面検知器Ｓによって検出された液面位置によって動作させ、上部空間部８ａでの水位上昇を防止する。液面検知器Ｓは、超音波式や電極式等を用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 本体ユニット
２０ 熱交換ユニット
１ 燃焼室
１ａ 燃焼バーナ
１ｂ 上部水管群
１ｃ 上部排気部
１ｄ 火炎
１ｅ 前段水管群
１ｆ 後段水管群
２ 対流室
２ａ 排ガス流通路
２ｂ 下部水管群等
２ｃ 下部排気部
２ｄ 中間熱媒体室
３ 接続路
４ 減圧蒸気室
５ 下部熱媒体室
５ｂ 循環ポンプ
６ 第２熱交換部
７ 第１熱交換部
８ 上部熱交換空間
８ａ 上部空間部
９ 下部熱交換空間
９ａ 下部空間部
９ｂ 循環ポンプ
Ｓ 液面検知器
Ｌｕ 上部連通流路
Ｌｂ 下部連通流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、前記燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記対流室の下部に配設され、前記下部水管群または煙管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、前記上部熱交換空間に第２熱交換部、前記下部熱交換空間に第１熱交換部が配設される熱交換ユニットと、
を有することを特徴とする真空式温水器。
【請求項２】
前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする請求項１記載の真空式温水器。
【請求項３】
前記熱交換ユニットの内部を、前記上部熱交換空間および下部に前記下部熱交換空間と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部と、前記下部熱交換空間のみから形成される下部空間部の、上下２つ空間に分割し、該上部空間部と下部空間部を循環ポンプによって接続することを特徴とする請求項１または２に記載の真空式温水器。
【請求項４】
前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが、前記上部水管群で熱交換して減温され、前記上部排気部，前記接続路を介して前記対流室に導入され、前記下部水管群または煙管群で熱交換して減温され、前記排ガス流通路を流通して前記下部排気部から排出され、
前記上部水管群の内部を充たす熱媒体が、前記燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され、前記減圧蒸気室を介して前記上部熱交換空間に移送され、前記第２熱交換部で熱交換して減温，凝縮され、凝縮液として前記下部熱交換空間に滴下し、前記下部熱媒体室を介して前記下部水管群または煙管群の内部を流通し熱交換して加温，上方へ移送され、前記中間熱媒体室を介して前記上部水管群の内部を流通する、循環流を形成するとともに、
供給水が、前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流通され、加温水として供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空式温水器。
【請求項１】
燃焼バーナと上部水管群と上部排気部が備えられた燃焼室と、該燃焼室の下方に配設され、排ガス流通路と下部水管群または煙管群と下部排気部が備えられた対流室と、前記上部排気部と前記排ガス流通路とを接続する接続路と、前記燃焼室の上部に配設され、前記上部水管群と接続する減圧蒸気室と、前記対流室の下部に配設され、前記下部水管群または煙管群と接続する下部熱媒体室と、を備えた本体ユニットと、
前記減圧蒸気室と上部連通流路で連通し、気相の熱媒体が充たされる上部熱交換空間と、前記下部熱媒体室と下部連通流路で連通し、液相の熱媒体が充たされる下部熱交換空間が形成されるとともに、前記上部熱交換空間に第２熱交換部、前記下部熱交換空間に第１熱交換部が配設される熱交換ユニットと、
を有することを特徴とする真空式温水器。
【請求項２】
前記本体ユニットにおいて、前記燃焼室と前記対流室の中間に、前記上部水管群と前記下部水管群または煙管群を接続する中間熱媒体室を備えたことを特徴とする請求項１記載の真空式温水器。
【請求項３】
前記熱交換ユニットの内部を、前記上部熱交換空間および下部に前記下部熱交換空間と連通する液相の熱媒体の一部が充たされる空間を有する上部空間部と、前記下部熱交換空間のみから形成される下部空間部の、上下２つ空間に分割し、該上部空間部と下部空間部を循環ポンプによって接続することを特徴とする請求項１または２に記載の真空式温水器。
【請求項４】
前記燃焼室で発生した燃焼排ガスが、前記上部水管群で熱交換して減温され、前記上部排気部，前記接続路を介して前記対流室に導入され、前記下部水管群または煙管群で熱交換して減温され、前記排ガス流通路を流通して前記下部排気部から排出され、
前記上部水管群の内部を充たす熱媒体が、前記燃焼排ガスとの熱交換によって燃焼熱を吸収して一部が加温，気化され、前記減圧蒸気室を介して前記上部熱交換空間に移送され、前記第２熱交換部で熱交換して減温，凝縮され、凝縮液として前記下部熱交換空間に滴下し、前記下部熱媒体室を介して前記下部水管群または煙管群の内部を流通し熱交換して加温，上方へ移送され、前記中間熱媒体室を介して前記上部水管群の内部を流通する、循環流を形成するとともに、
供給水が、前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流通され、加温水として供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空式温水器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１７２８７３（Ｐ２０１２−１７２８７３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３５６６（Ｐ２０１１−３３５６６）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（５０５２２９４７２）株式会社日本サーモエナー (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（５０５２２９４７２）株式会社日本サーモエナー (24)
【Ｆターム（参考）】
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