JP4444865B2 - 加熱装置、及び同加熱装置を有する大気圧ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、加熱装置、及び同加熱装置を有する大気圧ボイラに関する。

従来、熱媒水を収容する缶体と、この缶体内に設けられ、バーナを臨設するとともに、煙道を連通連結した燃焼室とを備えた加熱装置があり、給湯用や空調用の熱源となる熱媒水を加熱するための装置として用いられている。かかる加熱装置は、例えば、公衆浴場などの出湯用に用いられる大気圧ボイラ（所謂「無圧ヒータ」）などに適用されている。

図５に従来の大気圧ボイラを示しており、大気圧ボイラは、大気に開放されるとともに熱媒水１００を収容可能とした箱型の缶体２００と、同缶体２００の内部下側に配設した燃焼室３００とを備えている。

大気圧ボイラは、前記熱媒水１００を循環させる循環流路４００と、同循環流路４００の中途に設けた集熱用循環ポンプ５００及び熱交換器６００を具備しており、熱媒水１００を一次側水として循環流路内を循環させながら前記燃焼室３００により加熱し、熱交換器において二次側水と熱交換可能にしている。

図中、７００は前記燃焼室３００に臨設したバーナ、８００は二次側水流路である。

また、上記大気圧ボイラには、前記燃焼室３００の天井部３１０に連通連結した煙管９００を備えている。煙管９００を燃焼室３００の上部に連接することは、安定した燃焼性能を確保するために重要であり、かつ一般常識てきな構成であるが、かかる構成とすることにより、燃焼室３００からの排気ガスを円滑に排出可能として、燃焼能率を高めるようにしている。また、かかる煙管９００は高温となるため、この煙管９００の熱を効率的に用いるために蛇行させて熱媒水１００との接触面積を大きくしている。９１０は煙管９００の缶体２００内における排気ガス入口、９２０は同排気ガス出口である。

ところが、前記大気圧ボイラの加熱装置では、バーナ７００による火炎燃焼に伴って有害な窒素酸化物（NOｘ）が必然的に生成される。近年では、環境問題が注目されていることもあって、NOｘの発生を可及的に抑えた加熱装置が望まれている。

加熱装置から排出されるNOｘの量を低減化するためには、発生したNOｘを除去する方法や、濃度は同じであっても排気ガスの排出量を抑える方法、さらにNOｘそのものの発生を低減化するための方法がある。NOｘそのものの発生を低減するための提案は、殆どがバーナの構造を工夫したものであり、例えば、より単純な構造からなる低NOｘ用の先混合方式のガスバーナとして、フレームファンネルと、該フレームファンネル内には空気が流れる空気通路及びインナーチューブと、半径方向に配置された複数個のガスノズル口と、空気を前記空気通路から噴出する多数の保炎の為の空気ノズル及び補助保炎用のパイロットノズルを備えたリアプレートから構成されたものがある（特許文献１を参照。）。
特開２００１−１１６２１２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された先混合方式のガスバーナは、構造上複雑となりがちな低ＮＯｘ用のバーナを比較的単純な構造としたことは確かに評価できるものの、加熱に直接影響するバーナの構造を変えなければならず、構造を変えても燃焼性能としてこれまで実績のある非低ＮＯｘ用バーナと同等以上のものが求められるために、どうしてもバーナ自体が高価なものとなる。

そこで、市場からは、実績のある一般的なバーナを用いながらも効果的に低ＮＯｘ化を実現することのできる加熱装置や大気圧ボイラが求められている。

本発明は、これまで低ＮＯｘ化において注目されることのなかった煙道に着目し、煙道と燃焼室との連通位置を変更することによって、従来の一般的な標準バーナを用いながらも低ＮＯｘ化を図ることのできる燃焼室構造、同燃焼室構造を有する加熱装置、及び同加熱装置を有する大気圧ボイラを提供することを目的としている。

請求項１記載の本発明では、熱媒水を収容する缶体と、この缶体内に設けられ、前記熱媒水を加熱するためのバーナを臨設するとともに、底壁に煙道を連通連結した燃焼室と、を備えた加熱装置において、前記バーナを前記燃焼室に対して火炎が略水平方向に発生するように取付けるとともに、燃焼室内における前記バーナの取付位置の上方に排気ガス循環用空間を形成し、前記煙道を、前記燃焼室に沿わせて前記缶体内に略鉛直に配設した煙管により構成して、排気ガスが前記燃焼室から一旦下方へ向かった後に上昇するようにし、しかも、前記煙管を、断面視幅狭の扁平構造とした。

請求項２記載の本発明では、請求項１記載の加熱装置において、前記煙道を、前記燃焼室の周りに複数配設ことを特徴とする。

請求項３記載の本発明では、前記熱媒水を循環させる循環流路と、この循環流路の中途に設けた熱交換器とを備えたことを特徴とする。

請求項４記載の本発明では、請求項３に記載の加熱装置の缶体を大気に開放した大気開放型缶体とし、当該大気開放型缶体内の熱媒水を一次側水として前記循環流路内を循環させながら前記燃焼室により加熱し、前記熱交換器において二次側水と熱交換可能とした大気圧ボイラとした。

（１）請求項１記載の本発明によれば、燃焼室内に排気ガスが充満しやすくなり、バーナのノズル付近では排気ガスの自己再循環が起こり、緩慢燃焼となって低ＮＯｘ化を図ることができる。また、バーナを特別な低ＮＯｘ仕様にする必要がなく、コスト低減を図ることができる。また、低ＮＯｘ仕様のバーナと組み合わせることにより、さらなる低ＮＯｘ化を実現することができる。燃焼室内に排気ガスが充満しやすくなり、バーナのノズル付近では排気ガスの排気ガスの自己再循環が起こり、緩慢燃焼となって低ＮＯｘ化を図ることができる。バーナは標準バーナでよいのでコスト削減が可能となり、ＮＯｘによる環境汚染のおそれのない加熱装置を安価で提供することができる。また、バーナの取付位置の上方には、排気ガス循環用空間を形成したことにより、排気ガスの自己再循環を促進し、低ＮＯｘ化効果をより高めることができる。さらに、煙道を、前記燃焼室に沿わせて前記缶体内に略鉛直に配設した煙管により構成し、排気ガスが前記燃焼室から一旦下方へ向かった後に上昇するようにしたことにより、ドラフト力を発生させて排気ガスの排出抵抗を低減することができ、加熱装置としての燃焼能力を低下させることもない。そして、煙管を、断面視幅狭の扁平構造としたことにより、かかる多様な効果を奏する加熱装置の缶体をスリム化することができる。
（２）請求項２記載の本発明によれば、前記煙道を、前記燃焼室の周りに複数配設したことにより、上記（１）の効果をより高めることができ、前記熱媒水へ効率的に熱伝達することができる。
（３）請求項３記載の本発明によれば、前記熱媒水を循環させる循環流路と、この循環流
路の中途に設けた熱交換器とを備えたことにより、上記（１）又は（２）の効果を奏することのできる給湯や暖房用の加熱装置を安価に提供可能となる。
（４）請求項４記載の本発明によれば、前記加熱装置の缶体を大気に開放した大気開放型缶体とし、当該大気開放型缶体内の熱媒水を一次側水として前記循環流路内を循環させながら前記燃焼室により加熱し、前記熱交換器において二次側水と熱交換可能とした大気圧ボイラとしたために、上記（３）の効果を奏することのできる大気圧ボイラを安価に提供することができる。

本発明は、バーナを臨設した燃焼室の底壁に煙道を連通連結した燃焼室構造としたものである。

すなわち、バーナを用いて化石燃料などを燃焼させた場合、有害なＮＯｘ（窒素化合物）の発生は避け難い。

他方、低ＮＯｘ化を図る方法の一つとして、火炎の温度を下げることが有効であることが知られており、そのための方策の一つに、燃焼後の排気ガスを自己再循環させてこれを再燃焼させる方策がある。

そこで、元来燃焼室の天井壁に連通連結させることが一般常識とされていた煙道を、本実施形態では燃焼室の底壁に連通し、あえて燃焼室内に排気ガスを充満しやすい構造とすることにより、バーナのノズル付近で排気ガスの自己再循環を生起させ、緩慢燃焼を実現して低ＮＯｘ化を図るようにしている。

また、上記燃焼室構造において、前記燃焼室に対して火炎が略水平方向に発生するように前記バーナを取付け、しかも、燃焼室内における前記バーナの取付位置の上方に、排気ガス循環用空間を形成している。

かかる排気ガス循環用空間により、排気ガスが十分に循環可能となって自己再循環を促進することができるようになり、より効果的に低ＮＯｘ化を図ることができる。

こうして、本来上昇指向をとるである排気ガスを下方から排出する特異な構造として排気ガスの排出抵抗を増加させる一方、前記煙道を前記燃焼室に沿わせて略鉛直に配設した煙管により構成して、ドラフト力によって煙管内における排出抵抗を低減して、燃焼室内における燃焼能率の低下を防止している。すなわち、排気ガスは前記燃焼室から一旦下方へ向かった後は、煙管内を円滑に上昇して排出されるようになる。

上述した燃焼室構造は、加熱装置に好適に適用可能である。

すなわち、熱媒水を収容する缶体と、この缶体内に設けられ、前記熱媒水を加熱するためのバーナを臨設するとともに煙道を連通連結した燃焼室とを備えた加熱装置において、前記煙道を、前記燃焼室の底壁に連通連結するのである。この場合、バーナは標準バーナでよいのでコスト削減が可能となり、ＮＯｘによる環境汚染のおそれのない加熱装置を安価で提供することができるようになる。

また、かかる加熱装置においても、前記燃焼室に対して火炎が略水平方向に発生するように前記バーナを取付け、しかも、燃焼室内における前記バーナの取付位置の上方に、排気ガス循環用空間を形成するとよい。

そして、ここでも、前記煙道を前記燃焼室に沿わせて前記缶体内に略鉛直に配設した煙管により構成し、排気ガスが前記燃焼室から一旦下方へ向かった後に上昇するようにすることができる。

また、上記加熱装置においては、前記煙管を、断面視幅狭の扁平構造とすることができる。すなわち、煙管を扁平状とすることで、加熱装置の缶体をスリム化することができ、コンパクトな加熱装置を提供可能となる。

さらに、前記煙道を、前記燃焼室の周りに複数配設することもできる。

かかる構成により、排気ガスの排出効率を向上させ、ＮＯｘの低減を図りながらも燃焼能率を良好に維持することが可能となる。しかも、煙管が扁平である場合は、缶体がいたずらに大型化してしまうこともない。

ところで、上記加熱装置は、前記熱媒水を循環させる循環流路と、この循環流路の中途に設けた熱交換器とを備えた構成として、給湯や暖房用に好適に用いることができる。

また、前記加熱装置の缶体を大気に開放した大気開放型缶体とし、当該大気開放型缶体内の熱媒水を一次側水として前記循環流路内を循環させながら前記燃焼室により加熱し、前記熱交換器において二次側水と熱交換可能とした大気圧ボイラとすることもできる。

大気圧ボイラは所謂無圧ヒータと呼ばれているもので、原理的に１００℃を超えず大気圧以上にならないことから、取扱いの運転免許や届出が不要であり、例えば公衆浴場などの業務用として広く用いられている。バーナを用いる業務用の加熱装置であれば特に低ＮＯｘ化が求められることから、上述してきたように安価でありながら効果的に低ＮＯｘ化を実現した大気圧ボイラとすれば、社会的にも大きく貢献することができる。

ところで、上述してきた構造を採用した場合、バーナは標準のもので十分であるが、例えば、低ＮＯｘ仕様のバーナを採用することにより、低ＮＯｘ化をより促進することも可能である。

以下、本発明の実施形態を、大気圧ボイラに適用した例として、図面を参照しながらより具体的に説明する。図１は本実施形態に係る大気圧ボイラの模式的説明図、図２は同ボイラの縦断面視による説明図、図３は同ボイラの横断面視による模式的説明図、図４は同ボイラの一部を切欠した説明図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る大気圧ボイラＡは、大気に開放され、缶水１を収容する箱型の缶体２と、同缶体２内の下部に配設した加熱部として機能する燃焼室３と、前記缶水１を循環させる循環流路４と、同循環流路４の中途に設けた集熱用循環ポンプ５及び熱交換器６とを具備しており、缶水１を一次側水として循環流路４内を循環させながら燃焼室３により加熱して、熱交換器６において二次側水と熱交換可能にしている。図２中、２７は排水ドレン、２８は燃焼室用ドレンである。

以下、大気圧ボイラＡの構成をさらに詳述する。図１に示すように、缶体２の天井部２０には、開放筒２１を連設しており、同開放筒２１の上部に連通連結したオーバーフロー管２２を介して缶体２を大気に開放している。

開放筒２１には、水位センサ２３を取付けるとともに、補給水用電磁弁２４を介して給水路２５を連通連結している。そして、前記これらの水位センサ２３及び補給水用電磁弁２４を、缶体２の一側端面２ａに取付けた制御盤７に電気的に接続して、制御盤７により、前記水位センサ２３の検出信号に基づいて適宜補給水用電磁弁２４の開閉を制御して、必要量の缶水１が缶体２に充満するようにしている。

また、缶体２の天井部２０と、他側端面２ｂとの間を、前記循環流路４となる循環パイプで連通連結し、天井部２０からの立上部分近傍の水平伸延部４１に集熱用循環ポンプ５を配設するとともに、水平伸延部４１から垂直下方に伸延する垂直伸延部４２の下側位置に熱交換器６を配設している。

集熱用循環ポンプ５はポンプ制御盤５ａに接続されており、同ポンプ制御盤５ａを介して前記制御盤７により運転制御される。

熱交換器６には、二次側水の循環流路８として、図示しない二次側循環ポンプを介して往路８１と復路８２とが連通連結されており、二次側水は、熱交換器６の下側部に連結した往路８１から同熱交換器６内に流入し、熱交換器６の上側部に連結した復路８２から流出するように循環している。一方、一次側水である缶水１は、前記循環流路４を上方から下方へ向かうように循環している。

そして、熱交換器６内において、前記二次側水と一次側水である缶水１との間で熱交換が行われ、二次側水は復路８２から流出して適宜温度の二次側水として取水され、例えば貯湯タンク（図示せず）などに貯留される。

２６は缶体２に設けた缶水温度センサ、８３は復路８２に設けた出湯温度センサであり、それぞれ前記制御盤７に電気的に接続され、制御盤７では各センサ２６，８３からの検出信号に基づいて、燃焼室３の出力調整を行うようにしている。

燃焼室３は、缶体２の内部下方側部に設けた略円筒状に形成されており、周壁に重油や灯油などを燃料とするバーナ装置３１を連設して、燃焼室３の底壁３２に対して略水平に、燃焼室３の仮想縦軸３ａに対しては略垂直に火炎を噴出可能としている。

上記構成において、本実施形態において特徴となる構成は、前記燃焼室３の底壁３２に煙道９０を連通連結したことにある。

すなわち、煙道９０を燃焼室３の底壁３２に連通して、あえて燃焼室３内に排気ガスを充満しやすい構造とし、バーナ装置３１のノズル３１ａ付近で排気ガスの自己再循環を生起させ、緩慢燃焼を実現して低ＮＯｘ化を図るようにしている。

前記煙道９は、前記燃焼室３に沿わせて缶体２の内部に略鉛直に配設した煙管９と、この煙管９と連通する上煙室９１及び下煙室９２とから構成しており、図１、図２及び図４において矢印ｆで示すように、排気ガスは前記燃焼室３から一旦下方へ向かい下煙室９２から煙管９内を通って上昇し、上煙室９１に入り缶体外煙道９３から外部へ排出される。９ａ，９ｂは煙管９の上・下端開口であり、缶体２の上部及び下部に形成された前記上煙室９１、下煙室９２と連通連結している。

また、前記燃焼室３の内部における前記バーナ装置３１の取付位置の上方には、十分な容積からなる空間である排気ガス循環用空間３３を形成している。この排気ガス循環用空間３３を形成することにより、排気ガスが十分に循環できるようになり（矢印ｆ１）、前記自己再循環を促進してより効果的に低ＮＯｘ化を図っている。

一方、図示するように、前記煙管９を燃焼室３の周りに複数配設し、排気ガスの排出効率を向上させ、ＮＯｘの低減を図りながらも燃焼能率を良好に維持可能としている。本実施形態では、図３に示すように、２つの煙管９，９を厚み方向に重合状態として排煙部９ａを形成し、この排煙部９ａを円筒状とした燃焼室３の周りに沿って、所定間隔をあけて５箇所に配置している。

しかも、かかる煙管９は、本実施形態では断面視幅狭の扁平構造としているので、図示するように缶体２の幅方向に重合状態に配設しても缶体２が大型化することがなく、設置に有利なスリムでコンパクトな形状を実現している。

また、複数の煙管９から煙道９０を構成したことにより、缶水１との接触面積が増大して缶水１への伝熱面積が大きくなり、燃焼室３からの高温の燃焼ガスを缶水１へ無駄なく伝熱可能としている。

上記構成としたことにより、燃焼室３により加熱された缶水１は、加熱されて高温となり、温度の低い上方の缶水１が下方へ移動する対流によって、全体が予め設定された温度まで加熱され、集熱用循環ポンプ５を運転することにより、所定温度（８０〜８５℃）の缶水１が一次側水として循環流路４を介して循環する。

そして、熱交換器６内において、二次側水と熱交換され、所定温度まで暖められた二次側水が復路８２から出湯される。

そして、燃焼室３内における排気ガスは、上昇してそのまま排出されるのではなく、燃焼室３の底壁３１から排出されることになり、しかも、このときに排気ガス循環用空間３３によって燃焼室３内を循環して自己再循環しながら再燃焼される緩慢燃焼となり、ＮＯｘの発生を可及的に低減することができる。また、煙管９は垂直に配設されているので、排出抵抗は小さくなり、ドラフト作用によって円滑に外部へと排出され、燃焼能率が低下することもない。

表１に、本実施形態に係る大気圧ボイラＡに採用した燃焼室構造を有する缶体２と、従来のように煙道９０が燃焼室３の上部に連通連結されている缶体とにおけるＮＯｘ発生量を示す。

表１から明らかなように、本実施形態の燃焼室構造では、ＮＯｘの発生量を確実に低下させることができる。また、本燃焼室構造と低ＮＯｘ仕様のバーナ装置を採用した場合、さらなる低ＮＯｘ化を図ることができることが分かった。また、従来低ＮＯｘ化が難しかった液体燃料についても低ＮＯｘ化が実現できることが分かった。なお、表１中、１３Ａは都市ガス（天然ガス）を示す。

以上説明してきたように、本実施形態に係る大気圧ボイラＡは、燃焼室３内に排気ガスが充満しやすくなり、標準のバーナ装置３１であっても、そのノズル３１ａの付近では排気ガスの自己再循環が起こり、緩慢燃焼となって低ＮＯｘ化を図ることができる。このように、バーナ装置３１を特別な低ＮＯｘ仕様にする必要がないのでより安価に提供することができる。

また、上述した実施形態では、本発明を大気圧ボイラＡに適用した例として説明したが、大気圧ボイラＡの構成としては、上述してきた実施形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲から逸脱しない限り、適宜設計変更などが可能である。例えば、煙道９０の構成、かかる煙道９０を構成する煙管９の形状、個数、配置箇所などは適宜変更することができる。

また、本発明は、バーナを臨設した燃焼室の底壁に煙道を連通連結した燃焼室構造に特徴があり、かかる燃焼室構造を有する加熱装置であれば必ずしも大気圧ボイラに限定されるものでもない。

本実施形態に係る大気圧ボイラの模式的説明図である。 同ボイラの縦断面視による説明図である。 同ボイラの横断面視による模式的説明図である。 同ボイラの一部を切欠した説明図である。 従来の大気圧ボイラの説明図である。

符号の説明

Ａ 大気圧ボイラ
１ 缶水
２ 缶体
３ 燃焼室
４ 循環流路
５ 集熱用循環ポンプ
６ 熱交換器
９ 煙管
３１ 底壁
９０ 煙道

Claims (4)

1. 熱媒水を収容する缶体と、
   この缶体内に設けられ、前記熱媒水を加熱するためのバーナを臨設するとともに、底壁に煙道を連通連結した燃焼室と、
   を備えた加熱装置において、
   前記バーナを前記燃焼室に対して火炎が略水平方向に発生するように取付けるとともに、燃焼室内における前記バーナの取付位置の上方に排気ガス循環用空間を形成し、前記煙道を、前記燃焼室に沿わせて前記缶体内に略鉛直に配設した煙管により構成して、排気ガスが前記燃焼室から一旦下方へ向かった後に上昇するようにし、しかも、前記煙管を、断面視幅狭の扁平構造としたことを特徴とする加熱装置。
2. 前記煙道を、前記燃焼室の周りに複数配設したことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
3. 前記熱媒水を循環させる循環流路と、この循環流路の中途に設けた熱交換器とを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 請求項３に記載の加熱装置の缶体を大気に開放した大気開放型缶体とし、当該大気開放型缶体内の熱媒水を一次側水として前記循環流路内を循環させながら前記燃焼室により加熱し、前記熱交換器において二次側水と熱交換可能とした大気圧ボイラ。

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