特開 2023-156204 真空式温水機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023156204

(43)【公開日】2023-10-24

(54)【発明の名称】真空式温水機

(51)【国際特許分類】

   F22B 3/04 20060101AFI20231017BHJP

   F22B 35/00 20060101ALI20231017BHJP

【ＦＩ】

F22B3/04

F22B35/00 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022065949

(22)【出願日】2022-04-12

(71)【出願人】

【識別番号】505229472

【氏名又は名称】株式会社日本サーモエナー

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】三浦 智郎

(72)【発明者】

【氏名】正野 孝幸

【テーマコード（参考）】

3L021

【Ｆターム（参考）】

3L021AA02

3L021DA05

3L021DA08

3L021FA12

(57)【要約】

【課題】 真空式温水機の加熱装置の表面におけるサブクール度を調整し、作動開始時の騒音を抑制し得る真空式温水機を提供する。
【解決手段】 真空式温水機１は、内部を大気圧より低い圧力に保持されるとともに熱媒水Ｗが封入される密閉容器２と、熱媒水Ｗに水没され、熱媒水Ｗを加熱して蒸発させる加熱装置３と、熱媒水上部の減圧空間４に配置され、熱媒水Ｗの蒸気との間接熱交換により内部を流通する水Ｈを加温する熱交換器５と、加熱装置３を覆うとともに、熱媒水流入口６を下側に有し、且つ、熱媒水Ｗの水面より上方に開口する蒸気放出口７を上側に有する、遮蔽板８と、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部を大気圧より低い圧力に保持されるとともに熱媒水が封入される密閉容器と、
前記熱媒水に水没され、前記熱媒水を加熱して蒸発させる加熱装置と、
前記熱媒水上部の減圧空間に配置され、前記熱媒水の蒸気との間接熱交換により内部を流通する水を加温する熱交換器と、
前記加熱装置を覆うとともに、熱媒水流入口を下側に有し、且つ、前記熱媒水の水面より上方に開口する蒸気放出口を上側に有する、遮蔽板と、
を備える、真空式温水機。

【請求項2】

前記遮蔽板の内側の熱媒水温度を検出する第１温度検出器と、
前記遮蔽板の外側の熱媒水温度を検出する第２温度検出器と、
前記第１温度検出器の検出温度と前記第２温度検出器の検出温度との温度差を演算し、前記温度差が設定温度となるように前記加熱装置を制御する制御部と、
を更に備える、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項3】

前記加熱装置は、燃焼室と、前記燃焼室を上下に貫通する水管群とを有し、
前記水管群の水管の上部は、前記熱媒水の水面より上方に位置する、
請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項4】

前記加熱装置と前記遮蔽板との間に前記熱媒水の水面が位置する、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項5】

前記熱交換器の鉛直方向下方を避ける位置に前記蒸気放出口が配設されている、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項6】

前記遮蔽板が多重構造とされ、各遮蔽板間を前記熱媒水が流通可能に構成されている、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項7】

前記水管が２重管構造である、請求項３に記載の真空式温水機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空式温水機に係り、特に、消音構造を備える真空式温水機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、減圧されて略真空状態の密閉容器に封入された熱媒水を加熱し、１００℃以下の低温で沸騰させて、その蒸気を熱源として水を加熱し、温水を発生させる真空式温水機が知られている。

【0003】

図８は、従来の一般的な真空式温水機を示している。図８に示す真空式温水機１００は、密閉容器１０１、密閉容器１０１に封入された熱媒水Ｗ、熱媒水Ｗに水没されて熱媒水を加熱する加熱装置を構成する燃焼室１０２、燃焼室１０２内に火炎を放射する燃焼バーナ１０３、熱媒水Ｗの上部に形成される減圧空間１０４、減圧空間１０４内に配置される熱交換器１０５、燃焼室１０２を貫通する水管群１０６等を備えており、密閉容器１０１内を図示しない自動抽気装置により大気圧以下に減圧して真空に近い状態とし、この状態で燃焼バーナ１０３により燃焼室１０２を加熱して熱媒水Ｗを沸騰させて減圧空間１０４内にそのときの熱媒水Ｗの温度と同じ蒸気を発生させ、その蒸気が熱交換器１０５の表面で凝縮することで熱交換器１０５内の水Ｈ_１を加熱し、温水Ｈ_２を作る。

【0004】

この種の真空温水機は、作動開始時における熱媒水温度が比較的低い低圧加熱時に、サブクール沸騰が生じ、沸騰蒸気が水面へ上昇する途中で急激に凝縮して消滅する。沸騰蒸気が急激に消滅する際、液－液衝突が起こる際の圧力波動によると思われるバリバリという金属音に類似した高レベルの衝撃音を発生する。その衝撃音は、密閉容器２の壁に伝達されて、不快な騒音を発生する。この騒音は、熱媒水Ｗの温度が低いほど大きくなる傾向にある。これは、温度が低いほど飽和蒸気の比容積は大きくなるため、急激な凝縮を起こしやすくなることと、サブクール度（燃焼室の表面における飽和温度と燃焼室周囲の熱媒水温度との差）が大きくなるためである。通常、真空近く迄減圧された密閉容器内では、熱媒水温度が６５℃以上になれば、この衝撃音はほぼ無くなるため、いかにして低温時の騒音を発生させずに暖気運転を完了できるかが、真空式温水機の課題であった。

【0005】

斯かる課題を解決するため、密閉容器の底壁及び側壁を二重構造として、発生する衝撃音を吸収する消音構造が知られている（特許文献１）。

【0006】

また、熱媒液中に、気泡流通開口及び凝縮水流入開口を有する邪魔板を設けて、熱媒液の沸騰により生じる蒸気泡の流れと、熱交換器により熱を奪われた蒸気の凝縮水の流れとを制御して消音する消音構造も知られている（特許文献２）。

【0007】

更に、密閉容器の側壁内側に沸騰蒸気案内用の案内部材を設けて、側壁と加熱装置の間を通って上昇する沸騰蒸気を加熱装置側へ案内して騒音発生を抑制する減圧式加熱機も知られている（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平８－２１９４０２号公報

【特許文献2】特開平８－１８９６０５号公報

【特許文献3】特開２００５－６９５６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上記特許文献１の消音構造では、水面近くで発生する衝撃音に対して騒音抑制効果が不十分であった。また、上記特許文献２，３では、熱媒水の水面近くで発生する沸騰蒸気の急激な凝縮による衝撃音の低減効果は認められるものの、加熱装置を構成する燃焼室表面のサブクール沸騰において発生した蒸気の急激な凝縮による衝撃音を抑制することができない。

【0010】

そこで、本発明は、真空式温水機の加熱装置の表面におけるサブクール度を調整し、作動開始時の騒音を抑制し得る真空式温水機を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る真空式温水機は、内部を大気圧より低い圧力に保持されるとともに熱媒水が封入される密閉容器と、前記熱媒水に水没され、前記熱媒水を加熱して蒸発させる加熱装置と、前記熱媒水上部の減圧空間に配置され、前記熱媒水の蒸気との間接熱交換により内部を流通する水を加温する熱交換器と、前記加熱装置を覆うとともに、熱媒水流入口を下側に有し、且つ、前記熱媒水の水面より上方に開口する蒸気放出口を上側に有する、遮蔽板と、を備える。

【0012】

前記遮蔽板の内側の熱媒水温度を検出する第１温度検出器と、前記遮蔽板の外側の熱媒水温度を検出する第２温度検出器と、前記第１温度検出器の検出温度と前記第２温度検出器の検出温度との温度差を演算し、前記温度差が設定温度となるように前記加熱装置を制御する制御部と、を更に備えることができる。

【0013】

燃焼室と、前記燃焼室を上下に貫通する水管群とを有し、前記水管群の水管の上部は、前記熱媒水の水面より上方に位置する構成としてもよい。

【0014】

前記加熱装置と前記遮蔽板との間に前記熱媒水の水面が位置する構成としてもよい。

【0015】

前記熱交換器の鉛直方向下方を避ける位置に前記蒸気放出口が配設されていてもよい。

【0016】

前記遮蔽板が多重構造とされ、各遮蔽板間を前記熱媒水が流通可能に構成されていてもよい。

【0017】

前記水管は、２重管構造とすることもできる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、加熱装置の表面におけるサブクール度を調整し、加熱装置の表面で発生した沸騰蒸気を周囲の冷たい熱媒水に接触しないように減圧空間に放出することができるので、沸騰蒸気の急激な凝縮を低減し、作動開始時の騒音を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係る真空式温水機を部分拡大図とともに示す縦断正面図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る真空式温水機を部分拡大図とともに示す縦断正面図である。

【図3】本発明の第３実施形態に係る真空式温水機の部分拡大縦断上面図である。

【図4】本発明の第４実施形態に係る真空式温水機を部分拡大図とともに示す縦断正面図である。

【図5】図４のＶ－Ｖ視縦断側面図である。

【図6】本発明の第５実施形態に係る真空式温水機の縦断上面図である。

【図7】図６のＶＩＩ―ＶＩＩ視縦断側面図である。

【図8】従来の真空式温水機の縦断正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明に係る真空式温水機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、全図及び全実施形態を通じて同一又は類似の構成部分には同符号を付している。

【0021】

図１を参照して、第１実施形態に係る真空式温水機１は、内部を大気圧より低い圧力に保持されるとともに熱媒水Ｗが封入される密閉容器２と、熱媒水Ｗに水没され、熱媒水Ｗを加熱して蒸発させる加熱装置３と、熱媒水Ｗ上部の減圧空間４に配置され、熱媒水Ｗの蒸気との間接熱交換により内部を流通する水Ｈを加温する熱交換器５と、加熱装置３を覆うとともに、熱媒水流入口６を下側に有し、且つ、熱媒水Ｗの水面より上方に開口する蒸気放出口７を上側に有する遮蔽板８と、を備える。

【0022】

加熱装置３は、燃焼室９と、燃焼室９を上下に貫通する水管群１０とを備えている。燃焼室９は、円筒状部分９ａと、円筒状部分９ａに連設されて水管群１０が貫通する角筒状部分９ｂとを有し、熱媒水Ｗに水没されている。燃焼室９は、円筒形状に限らず、直方体形状（箱形）とすることもできる。燃焼室９の底部は、密閉容器２の底面から離間している。燃焼室９に燃焼バーナ１１が取り付けられて、火炉が構成されている。燃焼バーナ１１は、燃焼室９内に燃焼火炎を放射して燃焼室９内を加熱する。燃焼室９に煙室１２が連通して設けられ、煙室１２から煙道１３が延びている。燃焼室９で発生した燃焼ガスＧは、煙室１２から煙道１３を通って排出される。

【0023】

遮蔽板８は、加熱装置３を覆うことにより、加熱装置３の周りに、熱媒水Ｗが入るジャケット構造の第１加熱範囲１４を形成する。本実施形態では、燃焼室９の円筒状部分９ａの周囲を覆う円筒状に形成されており、燃焼室９と遮蔽板８との間に第１加熱範囲１４が形成されている。熱媒水流入口６は、第１加熱範囲１４の下部に開口して設けられ、蒸気放出口７は、第１加熱範囲１４の上部に円筒状又は角筒状に突設されてその上端部が熱媒水Ｗより上側に出ている。

【0024】

第１加熱範囲１４内の熱媒水Ｗは、燃焼バーナ１１により加熱され、燃焼室９の外表面で沸騰蒸気を発生するが、遮蔽板８で覆われているため、サブクール度（燃焼室表面における熱媒水Ｗの飽和温度と周囲の熱媒水温度と差）は小さく、急激な蒸気の凝縮が抑制される。仮に急激な蒸気の凝縮による衝撃音が発生しても、遮蔽板８によって覆われているため、不快な騒音は低減される。そして、第１加熱範囲１４内で発生した蒸気は、蒸気放出口７から減圧空間４内に放出される。減圧空間４内の蒸気温度は、第１加熱範囲１４内で発生した蒸気温度より低いため、減圧空間４内に放出された蒸気は冷却されて凝縮されるが、単位体積当たりの熱量は、液体より蒸気の方が小さいので、同じ温度の熱媒水で冷却されるより凝縮は緩やかになり、衝撃音も緩和され得る。

【0025】

第１加熱範囲１４内の熱媒水温度が高くなると、遮蔽板８の外側の第２加熱範囲１５において遮蔽板８の外側表面でもサブクール沸騰を生じるため、第１加熱範囲１４の熱媒水温度と第２加熱範囲１５の熱媒温度を計測し、それらの計測値をもって、予め設定されたサブクール度（ここでは遮蔽板８の外側表面における飽和温度と、遮蔽板８の外側周囲の熱媒水温度との差）になるように燃焼バーナ１１の燃焼量を調整しながら熱媒水温度が６５℃以上になるまで暖機気運転を行う。

【0026】

具体的には、遮蔽板８の内側の熱媒水温度を検出する第１温度検出器１６と、遮蔽板８の外側の熱媒水温度を検出する第２温度検出器１７と、第１温度検出器６の検出温度と第２温度検出器１７の検出温度との温度差ΔＴを演算し、温度差ΔＴが予め設定された設定温度となるように加熱装置３を制御する制御部１８と、を備える。制御部１８は、本実施形態では、燃焼バーナ１１への燃料供給量及び送風ファン１９の送風量を制御することにより、燃焼バーナ１１の燃焼量を制御する。

【0027】

遮蔽板８の内側表面は第１温度検出器１６の温度と見なし得るが、遮蔽板８の外側表面は、常に第２加熱範囲１５の熱媒水Ｗによって冷却されている。そのため第１温度検出器１６の検出温度+数℃を遮蔽板８の外側表面の温度と見なすことができるので、温度差ΔＴを制御することにより、第２加熱範囲１５におけるサブクール度を制御し、サブクール沸騰で生じた蒸気の急激な凝縮を抑制して騒音を低減することができる。

【0028】

低騒音化と暖機運転時間の短縮化を図る手段として、図２に示すように、第２実施形態の真空式温水機１は、２重化した遮蔽板８ａ、８ｂを備えることにより、燃焼室９と内側の遮蔽板８ａと間に熱媒水Ｗが入る第１加熱範囲１４が形成され、内側の遮蔽板８ａと外側の遮蔽板８ｂとの間に熱媒水Ｗが入る第２加熱範囲１５が形成され、遮蔽板８ｂの外側に第３加熱範囲２０が形成されている。遮蔽板８ａ，８ｂの其々に、熱媒水流入口６ａ，６ｂが形成され、蒸気放出口７ａ，７ｂが形成されている。低騒音化の原理は上記と同様であるが、遮蔽板８ａ、８ｂが２重構造となっているため、燃焼バーナ１１の燃焼陵を増やすことができるため暖機運転時間を短縮できる。

【0029】

上記第１実施形態及び第２実施形態において、水管１０ａの内側でもサブクール沸騰が生じるが、水管１０ａはサブクール度が大きくならない程度の内径（例えば約５３ｍｍ以下）に選定されていて、水管１０ａの上端が熱媒水Ｗの水面より上側に出るように設けられているため、上記した燃焼室９の遮蔽板８と同様の理由で衝撃音が抑制される。

【0030】

しかしながら、水管１０ａの内径の選定ではサブクール度を調整できない場合は、図３の第３実施形態に示すように、水管１０ａを２重管構造として、外管１０ａ１と内管１０ａ２との間に熱媒水Ｗが入るようにして、サブクール度を調整することができる。

【0031】

上記第１実施形態では第１加熱範囲１４が熱媒水Ｗに水没した例を示しているが、図４及び図５の第４実施形態に示すように、加熱装置３を構成する燃焼室９の上面と遮蔽板８との間に熱媒水Ｗの水面が位置するようにして、第１加熱範囲１４に熱媒水Ｗの水面があってもよい。第４実施形態では、第１実施形態に比較して熱媒水Ｗの水面が低いため、水管１０ａは、第１実施形態に比較して、燃焼室９より上方に突出する部分の長さを短くすることができ、水管１０ａを燃焼室９に溶接する作業を行い易い。また、第４実施形態は、第１実施形態に比較して、熱媒水Ｗの量を少なくできるため、暖気運転をより早く完了することができる。

【0032】

定常運転中の熱媒水は激しく沸騰しており、この沸騰水が熱交換器５に飛散すると水蒸気の凝縮熱伝達が阻害される。そのため、一般的には熱交換器は沸騰水の影響を受けないように熱媒水Ｗの水面からある程度の距離を確保して配置する場合と、沸騰水の飛散による熱伝達の低下を考慮して熱交換器５を大きめに設計する場合があり、どちらも管体（密閉容器）が大きくなる。

【0033】

そこで、図５に示すように、熱交換器５の鉛直方向下方を避ける位置に蒸気放出口７を配設することにより、熱交換器５への熱媒水Ｗの飛散を抑制でき、密閉容器２及び熱交換器５をコンパクトに設計することができる。

【0034】

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

【0035】

例えば、加熱装置は、燃焼バーナを備える火炉を例示したが、火炉に代えてエンジン等から排出される高温の排ガスを熱源とする煙管式の加熱装置とすることもきるし、或いは、火炉に代えて電気ヒータとすることもできる。図６は、第５実施形態として煙管式の加熱装置３を示す縦断正面図であり、図７は、図６のVII―VII線断面図である。煙管式の加熱装置３は、エンジン等から排出される高温の排ガスＧａが通る複数の煙管２１ａからなる煙管群２１によって構成されており、この煙管群２１の全体を遮蔽板８が覆う。煙管式の加熱装置３は、図外の制御弁等によって流入する排ガスＧａの流量を調節することにより、投入熱量の制御がなされ得る。

【0036】

また、上記実施形態では、燃焼室を備える水管構造の真空式温水機を例示しているが、炉筒煙管構造の真空式温水機でも、加熱装置を構成する炉筒を遮蔽板で覆うこともできる。

【0037】

また、上記実施形態では、遮蔽板に設けられた熱媒水流入口と蒸気放出口は、それぞれ中央部に１個ずつ設けているが、沸騰しやすい箇所（例えば、火炎に近い箇所）や蒸気が溜まりやすい箇所（例えば、火炎に近い上部箇所）を考慮して、適宜に位置を変更できるし、複数個設けることもできる。蒸気放出口は、遮蔽板８と密閉容器２とのコーナー部等の蒸気が溜まりやすい箇所に設けることもできる。或いは、蒸気放出口は沸騰し難い箇所の上側に設け、熱媒水入口は沸騰しやすい箇所の下側に設けることにより、第１加熱範囲に蒸気の流れを作り、加熱装置の熱吸収を促進するようにしてもよい。

【0038】

また、上記実施形態では、遮蔽板を２重構造としているが、３重、５重と多重構造とすることもできる。

【符号の説明】

【0039】

１ 真空式温水機
２ 密閉容器
３ 加熱装置
４ 減圧空間
５ 熱交換器
６ 熱媒水流入口
７、７ａ、７ｂ 蒸気放出口
８、８ａ、８ｂ 遮蔽板
９ 燃焼室
１０ 水管群
１０ａ 水管
１１ 燃焼バーナ
１４ 第１加熱範囲
１５ 第２加熱範囲
１６ 第１温度検出器
１７ 第２温度検出器
１８ 制御部
２０ 第３加熱範囲
Ｗ 熱媒水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】