JPH0810046B2 - 改良された流体加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどに使用さ
れる流体加熱装置に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来、湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどの流体加熱装
置においては、バーナの下流の燃焼室にて燃料を燃焼さ
せた後、燃焼ガスを伝熱管群間に導き、主に対流熱伝達
を利用して、伝熱管群の内部を流れる水などの流体を加
熱するようになっていた。

近年、これらの流体加熱装置においては、極力コンパ
クトにするため、燃焼室をできる限り小型化すると共
に、熱交換部の単位容積当りの伝熱量を増加させる傾向
にある。

そこで、本発明者らは、先に特願昭60-223980におい
て、第７図および第８図に示すような流体加熱装置を提
案した。この流体加熱装置10では、ケーシング11内の下
部にバーナなどの燃焼手段12を配置し、この燃焼手段12
の上部に、下から順に第一の伝熱管群13、通気性の輻射
体14、および第二の伝熱管群15を配置している。第一の
伝熱管群13は複数本の伝熱管が所定間隔で一段に配置さ
れており、この第一の伝熱管群13と第二の伝熱管群15に
は水などの被加熱流体が流されるようになっている。

そして、燃焼手段12のノズルから噴出された燃料ガス
は火炎を形成して燃焼する。この燃焼ガスは第一の伝熱
管群13を加熱するとともに、第一の伝熱管群13の各伝熱
管の間隙を通過して輻射体14をも加熱する。この加熱さ
れた輻射体14は輻射熱を主に第一の伝熱管群13に照射
し、第一の伝熱管群13は、燃焼ガスによる対流熱伝達と
輻射体14からの輻射熱伝達の双方により加熱される。ま
た、第二の伝熱管群15も、燃焼ガスによる対流熱伝達と
輻射体14からの輻射熱によって加熱される。かくして第
一の伝熱管群13および第二の伝熱管群15内を流れる被加
熱流体が加熱される。

上記の流体加熱装置10によると、輻射体14からの輻射
熱が、第一の伝熱管群13ばかりか第二の伝熱管群15にも
照射されて燃焼熱を有効に利用することができ、第一の
伝熱管群13を燃焼手段12に近接させてあるので、燃焼空
間を大幅に縮小でき、装置全体をコンパクト化できる。
さらに、不完全燃焼生成物が発生しても、高温に保たれ
ている輻射体14を通過する際に酸化されるので、不完全
燃焼生成物の排出を抑制することができる。

しかしながら、上記の流体加熱装置10では、燃焼手段
12と輻射体14との間に介在する第一の伝熱管群13の各伝
熱管の間隔が管外径よりも広くなっていると、輻射体14
からの輻射熱が第一の伝熱管群13の各伝熱管の間を通過
して燃焼手段12に多量に到達するため、この輻射熱によ
って燃焼手段12までが加熱されてしまうことが判明し
た。

このため、燃焼手段12は輻射熱の直射を受ける部分に
熱損傷を起こしたり、直射を受ける部分とそうでない部
分とで大きな温度差を生じ、燃焼手段がセラミックス製
面バーナの場合には、その表面と裏面とでも大きな温度
差を生じ、これらはひいては燃焼手段12の変形、破損、
さらには燃焼手段12が予混合型バーナであると逆火とい
う危険な事態を招くことにもなる。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記の問題点を解消し、燃焼熱を効
果的に伝熱させ、装置全体の小型化を図るとともに、輻
射熱による燃焼手段の高温過熱とこれに伴なう燃焼手段
内の大きな温度差の発生を抑制し、燃焼手段の変形、破
損や逆火を防止することのできる流体加熱装置を提供す
ることにある。

「発明の構成」 本発明による流体加熱装置は、燃焼手段と、燃焼手段
の近接下流に複数段に配置された第一の伝熱管群と、第
一の伝熱管群の近接下流に通気可能に設けられた輻射体
と、輻射体の近接下流に配置された第二の伝熱管群とを
備え、第一の伝熱管群の最下流段を構成する伝熱管の間
隙の上流には第一の伝熱管群の非最下流段を構成する伝
熱管の少なくとも一部を位置せしめてなることを特徴と
する。

本発明にて、燃料としては、都市ガス、プロパンガ
ス、天然ガスなどの気体燃料、もしくは灯油などの液体
燃料を気化させたものが採用できる。燃焼手段として
は、燃焼用空気と燃料とを別々に燃焼室へ供給する拡散
燃焼型バーナ、あるいは燃焼用空気と燃料とを予め所要
割合で混合させた後に燃焼室へ供給する予混合燃焼型バ
ーナなどが使用される。予混合燃焼型バーナとしては面
状バーナが好適である。

複数の伝熱管からなる第一の伝熱管群は、燃焼ガス流
れ方向に関して複数段に配置され、全体として燃焼手段
の下流に、かつ、燃焼手段に近接して設けられる。

第一の伝熱管群の最上流段の伝熱管の上流縁は例えば
燃焼手段によって形成される火炎中、あるいは火炎の先
端に近接した位置に配置される。具体的には燃焼手段の
燃料ガス吐出口（例えばバーナ先端）と上述した伝熱管
上流縁との距離は５〜50mmとすることが好ましい。換言
すると、火炎の長さは燃焼手段の設計によって異なるが
一般には５〜50mm程度であるため、上述の伝熱管上流縁
は火炎の先端付近に配置されることになる。

第一の伝熱管群を燃焼手段に対し上記位置より離れた
位置に配置した場合には、熱損失あるいは燃焼室を囲む
ケーシングの冷却管などにより燃焼ガスの温度が低下
し、本発明の効果を充分には得られなくなったり、ガス
厚みが増大して高温燃焼ガスからバーナへの輻射入熱が
増大し、バーナの損傷、逆火を招く可能性がある。

第一の伝熱管群の近接下流には輻射体が配置される。
輻射体は、燃焼ガスが有している熱エネルギを強力な輻
射エネルギに変換し、主に第一の伝熱管群に、さらには
第二の伝熱管群に輻射熱を照射する。この輻射体からの
輻射伝熱と高温の燃焼ガスからの対流伝熱とで両伝熱管
群が加熱され、その内部を流れる流体が効率的に加熱さ
れる。

輻射体は高温で効果的な輻射熱を発生させるよう、炭
化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、コージライ
ト、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、アル
ミニウムチタネートなどのセラミックスが好適な材質と
して挙げられ、特に高耐熱、高強度、高熱伝導性のセラ
ミックス、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ
ニウムなどのセラミックスが好ましい。温度条件などに
よっては耐熱鋼などの金属材料も採用しうる。

第一の伝熱管群域を通過した燃焼ガスが輻射体に接触
し、さらに下流へと流れていくことが可能なように、す
なわち燃焼ガスの通気が可能なように、この輻射体は設
けられる。

このような設け方の好ましい一例は、棒状あるいは細
長板状の輻射体を多数本相互に平行に、かつ、相互間に
はスリットを形成して配置するものである。このとき、
棒状あるいは細長板状の輻射体は、その長手方向が燃焼
ガス流れ方向と直交するのがよいが、斜交してもよい。
この場合、輻射体自体は非通気性でも通気性でもよい。

より好ましい輻射体の設け方は、例えば平板状などの
通気性輻射体を採用することである。通気性輻射体は、
板状体の両面間をガスが流通しうるような流路が全体と
しては均一に分布しているもので、典型的にはハニカム
体、三次元網状体、連通気泡体、網状物積層体などが挙
げられる。このような通気性輻射体を、例えば燃焼ガス
流路の実質的全域を横断するように配置するもので、こ
れにより燃焼ガスが上流側から通気性輻射体の内部を通
りぬけて下流側に通気する。

かかる通気性輻射体のうちで特に好適なのはセラミッ
クス製のハニカム板である。このハニカム板は、板面の
表裏に貫通する多数の平行セルを有するもので、セル形
状は、正方形、長方形、六角形など適宜選択できる。ま
た、ハニカム板は、波板同士、あるいは波板と平板を多
数積層して形成されたようなものでもよい。

第二の伝熱管群は、輻射体の近接下流に配置される。
第二の伝熱管群域へ流入する燃焼ガスは、第一の伝熱管
群および輻射体の配置域を通過する際の熱交換により、
その温度が低下している。そこで、第二の伝熱管群は外
面にフィンを有するものとして、対流伝熱を向上させる
のが好ましい。また、燃焼ガスが平均して接触するよう
にするため、第二の伝熱管群は、伝熱管を千鳥状に配列
することもできる。

なお、第一および第二の伝熱管群の伝熱管の材質は、
銅、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなど
の金属、あるいは炭化ケイ素、窒化ケイ素などの熱伝導
性、耐食性に優れたセラミックスであることが好まし
く、特に、高熱伝導率、低線膨張係数、高強度を有し、
成形性にも優れた反応焼結炭化珪素、あるいは高熱伝導
性材料である銅が最も好ましい。

ところで、第一の伝熱管群を輻射体と燃焼手段との間
に一段に配置し、かつ、輻射体から燃焼手段への輻射熱
の直射を低下させようとすると、第一の伝熱管群を構成
する各伝熱管の間隙を小さくしなければならないが、こ
の間隙を燃焼ガスが通過する際の圧損が大きくなった
り、伝熱管の管端同志を接続するＵ字管に制約を受け
る。そこで本発明では、第一の伝熱管群を複数段に配置
し、かつ、このうちの最下流段を構成する伝熱管の間隙
の上流には非最下流段を構成する伝熱管の少なくとも一
部を位置せしめている。

しかして、輻射体から燃焼手段への直射輻射熱の削減
という観点からは、後述する千鳥配置のようにして直射
輻射熱を実質的にゼロとすることも可能であるが、これ
は必須ではない。第一の伝熱管群を構成する各伝熱管の
間隙を通して燃焼手段の下流面に垂直な投影線によって
投影される輻射体の投影面積の総和が燃焼手段の下流面
の面積に占める割合（以下、投影面積比という）を40％
以下、特には35％以下とするのが好ましい。

このような伝熱管配置の好ましい典型例は、平行等間
隔の伝熱管群を、上流側と下流側とで同方向、かつ、位
相をずらして配置するもので、なかでも、下流側の伝熱
管の間隙の中央部の上流に上流側の伝熱管が位置する、
いわゆる千鳥配置が特に好ましい。

別の好ましい配置例は、平行等間隔の伝熱管群を上流
側と下流側とで異方向に走るように配置するものであ
る。

さらに、例えば渦巻状の伝熱管の２つを上流側と下流
側とで位置をずらして配置するのもよい。

各伝熱管をこのように配置すると、各伝熱管によっ
て、輻射体からの輻射熱を遮る量が多くなるので、燃焼
手段に直接到達する輻射熱量が減少する。よって、輻射
熱による燃焼手段の高温過熱およびこれに伴なう燃焼手
段内の大きな温度差の発生が抑制され、燃焼手段の熱変
形、破損や逆火が防止される。また輻射体から伝熱管に
直接に照射される輻射熱も増大して伝熱効率が向上す
る。また、伝熱管相互の間隙はさほど小さくする必要が
ない、燃焼ガス通過圧損や、管端接続時の制約も受けな
い。なお、内部に被加熱流体が流れているため、伝熱管
は熱損傷を受けない。

特に前述したような千鳥配置とし、かつ、上流段、下
流段のそれぞれにおいて管間隔を管外径以下とした場合
などには投影面積比が０％、すなわち、燃焼手段の下流
面に垂直に直射する輻射線をなくすることができる。こ
のように投影面積比を０％とした場合には、燃焼ガスが
伝熱管の間隙を低圧損で通過可能であり、かつ、輻射体
からの輻射熱のほとんどが第一の伝熱管群によって遮ら
れて燃焼手段には到達しない。

なお、周囲の燃焼ガス温度が高く、しかも輻射体より
も輻射伝熱もあって熱伝達率も高くなるため、第一の伝
熱管群の各伝熱管の外面にはフィンを付けないものが好
ましいが、例えばフィン高さが2mm程度以下のフィンを
付けたものも採用可能である。

なお、本発明で伝熱管群とは、例えば燃焼ガス流れ方
向に沿った適宜断面において複数本の伝熱管断面が認め
られることを意味する。したがって各伝熱管はそれぞれ
別異の伝熱管であってもよいし、一本の伝熱管が蛇行、
渦巻またはラセン状に配置されていて、その複数箇所の
断面が認められるものであってもよい。

なお、燃焼手段としては一般には平面状のバーナプレ
ートを有するものが想定されるが、適宜わん曲した曲面
状のものでもよい。また面状のバーナプレートに代え
て、例えば小円筒状の燃料出口が密に突設されているも
のなどでもよく、この場合にはこの燃料出口群が形成す
る燃焼面が本発明でいう燃焼手段下流面とされる。さら
に例えば小円筒状の燃料出口が疎に突設されているもの
などにあっては、その小円筒断面が本発明でいう燃焼手
段下流面とされる。

「発明の実施例」 以下に、本発明による流体加熱装置の実施例を図面に
基いて説明する。

第１図および第２図に示す本発明の一実施例の流体加
熱装置20は、上方が図示せぬ排気口に接続されたケーシ
ング21で全体が囲まれており、ケーシング21はその下方
で混合室23および燃焼室24が接続して構成されている。
図示せぬ下方より空気と燃料ガスが混合室23に供給され
て所定空気比の混合気が作られる。

混合室23と燃焼室24の境目には、燃焼手段としてのコ
ージライト質セラミックスからなる面状のバーナプレー
ト27が配置されている。このバーナプレート27は多数の
炎口を有し、この炎口を通過した混合気はバーナプレー
ト27の下流面27aに面状の火炎を形成する。すなわち、
この実施例では予混合面バーナ方式が採用されている。

ケーシング21内のバーナプレート27に近接した上方に
は、それぞれ複数の伝熱管13a,13bが２段に、かつ、相
互に平行に等間隔で横行配置されて第一の伝熱管群13を
構成している。各伝熱管13a,13bは外径ａが12〜20mm、
肉厚が0.6〜2.0mm程度とされ、また上段の伝熱管13a相
互の間隔ｄ、ないしは下段の伝熱管13b相互の間隔ｄは
外径ａの0.5〜1.5倍程度とされている。また、伝熱管13
bは伝熱管13a,13bの間隔ｄの中央部の上流に位置して、
いわゆる千鳥配置とされている。なお、このd/a比を1.0
以下にすると、投影面積比は実質的に０％となる。

バーナプレートの下流面27aから伝熱管13bの下縁まで
の距離ｂは５〜50mmとされている。

第一の伝熱管群13の近接上方には、セラミックスハニ
カム板からなる通気性の輻射体14が配置されており、輻
射体14の近接上方には、第二の伝熱管群15が配置されて
いる。この実施例では、第二の伝熱管群15として、多数
の平行な平板28と、この平板28を直交して貫通する複数
の平行な横行伝熱管とからなるプレートフィンチューブ
を用いているが、例えば各伝熱管ごとにその外面に複数
のフィンを形成したものであってもよい。

なお、両伝熱管群13、15の伝熱管は、一般には水平に
配置されるが、被加熱流体の沸騰時に気泡が抜けやすい
ように、被加熱流体の入口側に比べ出口側が上方となる
ように傾斜させてもよい。

第一の伝熱管群13および第二の伝熱管群15内には被加
熱流体が流される。被加熱流体としては、液体、特に水
が好適である。この被加熱流体は、第一の伝熱管群13と
第二の伝熱管群15にそれぞれ独立に流してもよいが、好
ましくは両者間をシリーズに流される。この場合、温度
効率を大きくする上では、まず第二の伝熱管群15に流
し、ここを出た被加熱流体を、次いで第一の伝熱管群13
に流すことにより、燃焼ガスの流れに対して向流に流す
ことが好ましい。一方、管内での局部沸騰を防止するた
めには、これと逆に接続して、燃焼ガスの流れに対して
並流とすることが好ましい。

また、各伝熱管群内では通常はいずれもシリーズに接
続されるが、適宜、シリーズ接続とパラレル接続とを組
み合わせてもよい。

以下に、本発明装置の作用を説明する。

混合室23で形成された空気と燃料ガスの混合気は、バ
ーナプレート27の炎口を通過して燃焼室24へ供給され、
バーナプレート27の下流面27aの近傍に面状の火炎を形
成し、1500〜1650℃といった高温の燃焼ガスとなる。

この燃焼ガスは第一の伝熱管群13に導かれ、対流熱伝
達によって燃焼ガスが有している熱エネルギの一部を第
一の伝熱管群13の伝熱管13a内を流れる流体へ伝達す
る。さらに燃焼ガスは、第一の伝熱管群13の伝熱管13a
の間隙を通過し、高温のまま輻射体14内を流れ、この輻
射体14をも加熱して白熱化させる。このときの輻射体14
は、1000〜1200℃の高温に保持され、主に第一の伝熱管
群13を輻射加熱する。

このとき、輻射熱は伝熱管13aの間隙を通ってバーナ
プレート27方向にも照射されるが、この間隙の上流に位
置する伝熱管13bによって遮られ、この伝熱管13bを加熱
するのみならず、バーナプレート27に照射される輻射熱
は大幅に削減され、投影面積比が０％のときは、バーナ
プレート27への直射輻射熱は実質的にゼロとなる。その
ため、バーナプレート27は火炎からのわずかな気体輻射
熱を受けるのみで、混合気通過時の冷却効果と相まっ
て、バーナプレート27の上流側はたかだか150℃程度に
保たれ、下流面27aはこれよりやや高温になるものの、
下流面27aの面内温度差は350℃程度以下となり、長期間
使用した場合でも輻射熱によるバーナプレート27の熔
損、熱変形、熱応力割れ、逆火などを防止できることと
なる。また、伝熱管断面外形を特殊な形状とすることな
く、伝熱管13a同志、13b同志の間隔を燃焼ガス通過圧損
が充分低くできるようにとれる利点もある。

そして、燃焼ガスは、第一の伝熱管群13と輻射体14の
配置域を通過する間に、その温度が800〜1000℃に低下
し、第二の伝熱管群15に導かれ、内部を流れる流体に再
び熱エネルギを伝達する。さらに、輻射体14からの輻射
熱が第二の伝熱管群15にも照射される。かくして、第二
の伝熱管群15内部の流体は、例えば40℃〜80℃の湯とな
って、装置外へ導出される。

上記実施例の流体加熱装置20と、対照例の流体加熱装
置とを用いて輻射熱遮断性能などを評価する実験を行な
った。実験条件および実験結果は以下の通り。

（実験条件） 燃料：天然ガス、空気比1.2 被加熱流体：入口温度20℃の水を、まず第一の伝熱
管群13に流し、ここを出た後、第二の伝熱管群15に流
す。

輻射体14:板厚5mm、セル数200個／in²、セル断面正
方形の常圧焼結炭化ケイ素製ハニカム板を第一の伝熱管
群13の上部に配置。

第二の伝熱管群15:伝熱管の内径17.4mm、外径19.0m
mの銅チューブとフィン厚さ0.35mm、フィンピッチ2.7mm
の銅フィンとを組合わせたプレートフィンチューブ。

バーナプレート27:板厚10mmのコージライト質セラ
ミックス製 バーナプレート27の下流面27aから第一の伝熱管群1
3の下縁までの距離ｂは30mm、バーナプレート27の下流
面27aから第二の伝熱管群15のフィン下縁までの距離ｃ
は57mm。

これら〜は実施例、対照例とも同一とし、燃料、
水の供給速度も同一とした。

第一の伝熱管群13:内径17.4mm、外径19.0mmの銅チ
ューブ８本を、一段に４本ずつ上下２段に配置。各段に
おいて間隔ｄはいずれも19mm。実施例では２段千鳥配置
とし、対照例では２段正方配置（すなわち下段の伝熱管
の真上に上段の伝熱管を配置）。

（実験結果） 投影面積比 対照例50％、実施例０％ バーナプレート27の平均温度対照例150〜160℃、実施例
70〜80℃ 第一の伝熱管群13の総吸収熱量対照例13800kcal/hr、実
施例14700kcal/hr さらに、対照例の装置ではバーナプレートの炎口に欠
落が発生していた。

第３図および第４図の実施例では、多数枚の窒化ケイ
素質焼結体製の細長板14aを、ルーバ状に配置して輻射
体14としている。第一の伝熱管群13は上段の伝熱管13c
と下段の伝熱管13dとで構成され、伝熱管13c同志、伝熱
管13d同志はそれぞれ平行等間隔に、かつ、伝熱管13cの
走行方向と伝熱管13dの走行方向とは直交するように配
置されている。この場合、伝熱管外径ａと伝熱管間隔ｄ
との比はd/a＝3/4とされているので、上段または下段の
みでは投影面積比は約43％であるが、全体としての投影
面積比は約18％となる。

第５図および第６図の実施例では、多数本の窒化ケイ
素質焼結体製の中実丸棒14bを、千鳥状に上下２段に配
置して輻射体14としている。第一の伝熱管群13は２本の
渦巻状伝熱管13e,13fを上下２段に配置して構成されて
おり、第６図からもわかるように、上下方向から見たと
き、伝熱管13eと13fとは横幅方向、奥行方向それぞれ半
ピッチずつ位相をずらして配置されているので、投影面
積比は位相をずらさない場合に比べて大幅に減少してい
る。なお、第６図において、各伝熱管13e,13fは図面の
見やすさのためにハッチングを施してある。

以上の実施例は第一の伝熱管群をいずれも上下２段に
構成しているが、３段以上であってもさしつかえない。
また、予混合型バーナに代えて拡散燃焼型バーナも採用
できる。さらに、伝熱管や輻射体をバーナプレートの上
方に順次配置するのに代えて、下方や側方に順次配置し
てもよい。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、第一の伝熱管
群を燃焼ガス流れ方向に関して複数段に配置して構成
し、かつ、そのうちの最下流段の伝熱管の間隙の上流に
は非最下流段の伝熱管の少なくとも一部を位置せしめた
ので、輻射体からの輻射熱の第一の伝熱管への効果的な
伝熱と、装置全体の小型化が図れる上に、輻射体からの
輻射熱を第一の伝熱管群によって遮り、燃焼手段に到達
する直射輻射熱が大幅に、あるいはほとんどなくなるの
で、燃焼手段は低温に保持される。よって、燃焼手段の
熔損、熱変形、破損などや逆火を防止できる。さらに本
発明をガス湯沸器などに適用すると、湯沸器使用直後の
後沸きといった、バーナプレートなどの燃焼手段の蓄熱
に起因するトラブルの発生もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体加熱装置の一実施例の断面図、第
２図は第１図のII−II線に沿う断面図、第３図および第
５図は第１図における輻射体および第一の伝熱管群部分
を異にする本発明の流体加熱装置のそれぞれ異なる実施
例の輻射体および第一の伝熱管群部分の断面図、第４図
は第３図のIV−IV線に沿う断面図、第６図は第５図のVI
−VI線に沿う断面図、第７図は先に提案した流体加熱装
置の断面図、第８図は第７図のVIII−VIII線に沿う断面
図である。 13は第一の伝熱管群、13a〜13fは伝熱管、 14は輻射体、15は第二の伝熱管群、 20は流体加熱装置、27はバーナプレート。

フロントページの続き (72)発明者 新井 義正 千葉県千葉市みつわ台４−29−16 (72)発明者 桜井 耕三 神奈川県横浜市栄区長倉町５−22

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼手段と、燃焼手段の近接下流に複数段
   に配置された第一の伝熱管群と、第一の伝熱管群の近接
   下流に通気可能に設けられた輻射体と、輻射体の近接下
   流に配置された第二の伝熱管群とを備え、第一の伝熱管
   群の最下流段を構成する伝熱管の間隙の上流には第一の
   伝熱管群の非最下流段を構成する伝熱管の少なくとも一
   部を位置せしめてなることを特徴とする流体加熱装置。