JP2012102910A - 真空式温水機 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室壁面からフィン付き伝熱管までの隙間にガス流れを集中させることなく、熱交換効率を高めることができる真空式温水機を提供する。
【解決手段】熱媒体が燃焼室と伝熱管とをおおうように封入されている缶体を有する真空式温水機であって、缶体内部に燃料を燃焼するための燃焼室と、減圧状態において熱媒体を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器を内部に配置している減圧蒸気室とを有し、燃焼室前部に燃料を燃焼するバーナと、燃焼室後部壁にバーナで燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガスを外部に排出するための排出部と、燃焼室後部であってバーナと排出部の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように複数のフィン付き伝熱管と、燃焼室内壁側にされたフィン付き伝熱管と燃焼室壁との隙間を燃焼排ガスが通過するのを抑制するガス通過抑制部材とを設けたことを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、フィン付き伝熱管を燃焼室内に設けた真空式温水機に関する。

従来の真空式温水機の概略図を図３に示す。図３の上図が燃焼室の水平断面を上から見た図であり、下図が温水機（減圧蒸気室、燃焼室）を側面から見た図である。燃焼室前部にバーナが設置され、燃焼室の周囲に存在する缶水（熱媒体）と熱交換するため、燃焼室後部に伝熱管が設置され、バーナからの燃焼排ガスが伝熱管同士の隙間を通過して排気筒に流れる。燃焼排ガスが伝熱管同士の隙間を通過することで、伝熱管内を流れる缶水と熱交換する。一般的に、伝熱管は通常の配管（裸管）を用いるが、装置を大型化することなく、熱交換効率を向上させるために、図３に示すように伝熱管（フィンなし）の後段にさらに、フィン水管（フィン付き伝熱管）を設ける場合がある。

特許文献１は、多数の垂直水管を１列に整列配置すると共に隣り合う垂直水管同士をフィン状部材で連結して水管壁を形成し、この水管壁２枚を互いに間隔を存して対面させ配置し、バーナを前記一対の水管壁の長手方向一端に設け、前記一対の水管壁間に垂直水管群を配置し、前記一対の水管壁の他端側に一対の断熱壁を互いに間隔を存して対面させ配置し、前記一対の断熱壁の前記水管壁と反対側の端部にガス出口を設け、前記一対の断熱壁間に垂直水管群を配置した角型多管式貫流ボイラーである。

特開平１０−３３２１０２

図３の真空式温水機の場合、缶水(熱媒体)が燃焼室と伝熱管をおおうよう封入されており、燃焼室周囲壁内や伝熱管内の缶水がバーナによって加熱されると、缶水が沸騰して減圧蒸気室内で蒸発し、その蒸気が熱交換器表面で凝縮して缶水に戻るサイクルを繰り返す。そこで、燃焼室周囲の壁内や伝熱管内の缶水が効率よく加熱するために、燃焼室壁面から所定間隔をあけて伝熱管（フィンなしおよびフィン水管）が配置され、燃焼排ガスのガス流れを作っている。

しかしながら、排ガス出口に行くにしたがって排ガス温度が低下するため、図３に示すように燃焼室後段にフィン水管を配置して熱交換効率を高めているが、フィン水管の場合、燃焼室壁面からフィンまでの隙間に加え、フィンピッチ空間による隙間も形成されることになる。すなわち、フィンなし伝熱管から燃焼室壁面までの隙間面積よりもフィン水管から燃焼室壁面までの隙間面積が大きくなる。このように、フィン水管と燃焼室壁面までの隙間面積が大きいと、この大きな隙間に燃焼排ガスが流れやすくなって、燃焼室壁側よりも燃焼室中央付近のフィン水管群に流れる燃焼排ガス量が少なくなり、結果的に熱交換効率が低下することが懸念される。

上記特許文献１の場合も壁面からフィン水管までの隙間があることで、上述と同様のことが懸念される。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、燃焼室壁面からフィン付き伝熱管までの隙間にガス流れを集中させることなく、熱交換効率を高めることができる真空式温水機を提供する。

本発明は、熱媒体が燃焼室と伝熱管とをおおうように封入されている缶体を有する真空式温水機であって、
前記缶体内部に燃料を燃焼するための燃焼室と、減圧状態において前記熱媒体を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器を内部に配置している減圧蒸気室とを有し、
前記燃焼室前部に燃料を燃焼するバーナと、
前記燃焼室後部壁に前記バーナで燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガスを外部に排出するための排出部と、
前記燃焼室後部であって前記バーナと前記排出部の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように複数のフィン付き伝熱管と、
前記燃焼室内壁側に配置された前記フィン付き伝熱管と当該燃焼室壁との隙間を前記燃焼排ガスが通過するのを抑制するガス通過抑制部材とを設けたことを特徴とする。

この構成では、ガス通過抑制部材をフィン付き伝熱管と燃焼室壁との隙間に設けたことで、当該隙間に燃焼排ガスの流れが集中することなく、燃焼室内のガス流を均一化でき、よって、ガス通過抑制部材を配置していない従来のものよりも熱交換効率を高めることができる。

また、上記発明の一実施形態として、燃焼排ガスの出口方向に向かうに従って、前記フィン付き伝熱管が配置される前記燃焼室後部の幅寸法が縮小してあることが好ましい。

この構成では、燃焼室後部の幅寸法を縮小させているため、燃焼排ガスのガス流れを速くして、燃焼室後部での熱交換効率を高めることができる。

燃焼室後部に部材を設けて、フィン付き伝熱管が配置される燃焼室後部の幅寸法を縮小してもよく、当該部材が燃焼室後部の対向する両壁側に設けてあってもよく、いずれか一方の壁側に設けてあってもよい。なお、当該部材は燃焼室内から取り外し可能に構成されていることが好ましい。また、燃焼室後部の壁面自体が絞り込む構造として幅寸法を縮小してあってもよく、両壁で絞り込む構造としてあってもよく、いずれか一方の壁で絞り込む構造としてあってもよい。

また、上記実施形態において、燃焼排ガスの出口方向に向かうに従って、前記燃焼室幅方向の前記フィン付き伝熱管の本数を減少して燃焼室中央部に配置させ、前記燃焼室壁と当該フィン付き伝熱管群との空間に、前記ガス通過抑制部材を着脱自在に設けて、前記燃焼室後部の幅寸法を縮小してあることが好ましい。

この構成では、ガス通過抑制部材を配置させることで、燃焼室後部の幅寸法を縮小して燃焼排ガスのガス流れを速くできる。さらに、着脱自在のガス通過抑制部材であるため、温水機運転停止後に、このガス通過抑制部材を燃焼室から取り外し、フィン付き伝熱管の洗浄やメンテナンスを簡単に行うことができる。

また、上記発明の一実施形態において、前記ガス通過抑制部材は、前記フィン付き伝熱管側にブラシ部を有していることが好ましい。ブラシ部は、燃焼排ガスに対する耐性（腐食、耐熱等）を少なくとも有していれば特に限定されないが、例えば、金属ブラシが好ましい。

フィン付き伝熱管のフィンピッチ空間の隙間をブラシ部が適度に埋めることで、ガス流れの集中をより効果的に抑制できる。

また、上記発明の一実施形態において、前記フィン付き伝熱管において、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている。

また、上記実施形態において、前記管径方向に隣り合う第１および第２フィン付き伝熱管において、第１フィン付き伝熱管の第１フィンが、第２フィン付き伝熱管の第２フィンと段違いに向かい合い、前記第１フィン付き伝熱管の長手方向における第１フィンの第１フィンピッチ空間に当該第２フィンの少なくとも先端部分が配置され、かつ当該第２フィン付き伝熱管の長手方向における第２フィンの第２フィンピッチ空間に当該第１フィンの少なくとも先端部分が配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成している。

管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管のそれぞれのフィンが互いに接触せずに、上下方向（管長手方向）で重なりあうように配置されることで（図２Ａ参照）、フィンピッチ間隔が、フィンが上下方向に重なっていない配置のフィン付き伝熱管（図２Ｂ参照）のフィンピッチ間隔よりも広くなっており、燃焼室壁からの隙間が大きくなっている。そのため、このようなフィン付き伝熱管の配置の場合に、上記ガス通過抑制部材を設けることは好ましい。

また、上記発明の一実施形態において、前記フィン付き伝熱管において、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィン同士が、互いに向かい合って、段違いに重なっていない構成がある。

また、上記発明の一実施形態において、前記燃焼室後部であって前記バーナと前記複数のフィン付き伝熱管の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管をさらに設ける構成がある。

管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管が、第１、第２フィン付き伝熱管に制限されないことはいうまでもなく、第１フィン付き伝熱管とは反対側の第２フィン付き伝熱管の管径方向に第３フィン付き伝熱管が隣りあっていてもよい。また、「管径方向に隣り合っている第１、第２フィン付き伝熱管」は、平行（実質的に平行）に隣り合うことが好ましい。

複数のフィン付き伝熱管の配置は、特に制限されず、例えば、平面視で複数行複数列に配置されてもよい。また、複数のフィン付き伝熱管の配置は、熱交換装置の仕様、熱交換装置が設置される空間に応じて設計され、例えば、平面視で複数行複数列の矩形状に限定されず、１行あるいは複数行の円弧状でもよい。複数行複数例の配置の場合に、ｎ行（列）目とｎ＋１行(列)目が平面視で左右いずれかの方向にズレていてもよく、千鳥格子で１行（列）ごとに１目ずつずらして配置されていてもよい。

伝熱管の材料（材質）、寸法等は特に制限されず、フィンの材料（材質）、寸法等も特に制限されない。伝熱管の断面は中空円状に限定されず、中空楕円状、多角形状でもよい。また、フィンピッチ間隔は、特に制限されず、全てのフィンピッチ間隔が同一（実質的に同一、機械的誤差、製作誤差を含む）であることが好ましいが、特にこれに制限されず、製品仕様に応じて複数のフィンピッチ間隔となるように構成してもよい。また、フィンの厚みは同一であることが好ましいが、特にこれに制限されず、製品仕様に応じて複数の異なる厚みのフィンを用いてもよい。

また、前記フィンは、単一のあるいは複数の螺旋状フィン、または複数の円盤状フィンで構成される。単一の螺旋状フィンであれば伝熱管に取り付ける作業が他と比較して容易である。また、複数の円盤状のフィンを伝熱管に取り付ける場合には、個々のフィンピッチ間隔を適宜変更することが容易である。伝熱管に螺旋状フィンが複数個取り付けられていてもよく、螺旋状フィンと円盤状フィンとが組み合わされて取り付けられていてもよい。また、フィンは、異形状であってもよく、スリットあるいは開口部が形成されていてもよく、例えば、円盤状フィンの半径方向に所定長さのスリットが形成されていてもよく、歯車形状でもよい。

実施形態の真空式温水機の模式図である。 実施形態の真空式温水機の模式図である。 フィン付き伝熱管配置にガス通過抑制部材を設けた模式図である。 フィン付き伝熱管配置にガス通過抑制部材を設けた模式図である。 従来の真空式温水機を説明するための図である。

本実施形態の真空式温水機を図１Ａ、図１Ｂおよび図２Ａを参照しながら説明する。真空式温水機は、缶水２１（熱媒体）が燃焼室１０と伝熱管（１５、１６）とをおおうように封入されている缶体２０を有する。缶体２０内部には、燃料を燃焼するための燃焼室１０と、減圧状態において缶水２１（熱媒体）を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器（不図示）を内部に配置している減圧蒸気室（不図示）が形成されている。減圧蒸気室とその内部に配置された熱交換器および缶体２０は、従来公知の構成で実現でき、例えば図３がその一例である。

そして、真空式温水機は、燃焼室１０前部（図１Ａにおいて左側）に燃料を燃焼するバーナ１１と、燃焼室１０後部壁（図１Ａにおいて右側）にバーナ１１で燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガス１８を外部に排出するための排出部３１と、燃焼室１０後部であってバーナ１１と排出部３１の間に、燃焼排ガス１８の流れ方向と管径方向が対向するように複数のフィン水管１６（フィン付き伝熱管）とを設けている。

バーナ１１は、従来公知の装置で構成され、例えば、油用、ガス用、微粉炭用バーナ等が挙げられる。燃料は特に制限されず、例えば、灯油、重油、廃油等の油類、油と水との混合液類、アルコール類、バイオマス燃料等が挙げられる。

また、燃焼室１０後部であってバーナ１１と複数のフィン水管１６の間に、燃焼排ガス１８の流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管１５を配置している。フィンなし伝熱管１５が熱源から近位に配置され、フィン水管１６が熱源から遠位に配置される。伝熱管１５を通過した燃焼排ガス温度が、例えば２５０℃〜４５０℃に低下した位置からフィン水管群を配置することが好ましく、４００℃以下に低下した位置から配置することがより好ましく、３００℃程度に低下した位置から配置することがさらに好ましい。

図１Ａに示すように、管径方向に隣り合うフィン水管１６同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている。例えば、図２Ａに示すように、管径方向に隣り合っている第１フィン水管１６ａの第１フィン１６２ａが、第２フィン水管１６ｂの第２フィン１６２ｂと段違いに向かい合い、第１フィン水管１６ａの長手方向における第１フィン１６２ａの第１フィンピッチ空間に第２フィン１６２ｂの少なくとも先端部分が配置され、かつ当該第２フィン水管１６ｂの長手方向における第２フィン１６２ｂの第２フィンピッチ空間に当該第１フィン１６２ａの少なくとも先端部分が配置されて、第１および第２フィンピッチ空間が重なって矩形波状の流路を形成している。この流路を燃焼排ガス１８が流れることになる。このように、隣り合っているフィン同士を接触せずに段違いに重ならせてフィン水管１６を配置することで、フィンピッチ間隔が、図２Ｂのフィン水管のフィンピッチ間隔よりも広くしてあり、凝縮水が生じた場合でも凝縮水が飛散や蒸発し易く、凝縮水による閉塞も起こりにくくなる。

図２Ａの破線枠で示すように、缶体２０の燃焼室壁面とフィン水管１６との間の壁面側隙間Ａは、管長手方向のフィンピッチ間隔が大きいこともあって、中央側のフィン水管１６同士の隙間Ｂよりも広いため、この壁面側隙間Ａに燃焼排ガス１８が流れやすくなる。そこで、本実施形態では、ブラシ部４１付きのガス通過抑制部材４０を壁面側隙間に設ける。ブラシ部４１がフィンピッチ空間およびをフィン先端から燃焼室壁までの隙間を埋めることで、燃焼排ガス１８のガス流れが壁面側隙間Ａに集中することなく、均一化される。なお、説明の都合上、図２Ａにおいて、ブラシ部４１付きのガス通過抑制部材４０を一方の壁面側に設置しているが、実際には、両方の壁面にブラシ部付きのガス通過抑制部材が設置される。

図１Ａにおいて、燃焼排ガス１８の出口方向に向かうに従って、燃焼室幅方向のフィン水管１６の列毎に本数を減少させて燃焼室中央部に配置させ、燃焼室壁とフィン水管１６群との空間に、ガス通過抑制部材４０ａ、４０ｂを着脱自在に設けて、燃焼室後部の幅寸法を縮小している。これによって、燃焼室後部の幅寸法を縮小させて、燃焼排ガス１８のガス流れを速くして、燃焼室後部での熱交換効率を高めている。また、ガス通過抑制部材４０ａ、４０ｂにはフィン水管１６側に金属製のブラシ部４１ａ、４１ｂを有し、フィンピッチ空間の隙間を埋めている。

図１Ｂに示すように、ガス通過抑制部材４０ｂを燃焼室１０から取り除き、この取り除いた空間から高圧洗浄ノズルを挿入配置等して、フィン水管１６や伝熱管１５を簡単に洗浄することができる。

図１Ａ、図２Ａにおいて、フィン水管１６の伝熱管は、中空円筒状の管であり、フィンは、複数の円盤状で構成されている。隣り合っているフィン同士が接触せずに段違いに向かいあって重なっていればよい。

なお、図１Ａでは、燃焼排ガス１８の流れ方向上流側と下流側のフィン水管１６同士では、お互いのフィン同士を重ねることなく、所定の隙間を設けているが、特にこれに制限されない。

（別実施形態）
図２Ｂに示す複数のフィン水管１６の配置は、図２Ａのそれとは異なっている。管径方向に隣り合うフィン水管１６同士のそれぞれのフィン同士が、互いに向かい合って、段違いに重なっていない。そのため、向かい合うフィン先端同士の間に直線状の隙間が生じる。図２Ｂの破線枠で示すように、燃焼室壁面とフィン水管との間の壁面側隙間Ｃと隣り合うフィン水管同士の隙間Ｄ（上述の直線状の隙間およびフィンピッチ空間の隙間）に燃焼排ガス１８が流れる。しかし壁面側隙間Ｃが隙間Ｄよりも広いため、この壁面側隙間Ｃに燃焼排ガス１８が流れやすくなる。そこで、ブラシ部４１ａ付きのガス通過抑制部材４０ａを壁面側隙間に設ける。ブラシ部４１ａがフィンピッチ空間およびフィン先端から燃焼室壁までの隙間を埋めることで、燃焼排ガス１８のガス流れが壁面側隙間Ｃに集中することなく、均一化される。なお、説明の都合上、図２Ｂにおいて、ブラシ部４１ａ付きのガス通過抑制部材４０ａを一方の壁面側に設置しているが、実際には、両方の壁面にブラシ部付きのガス通過抑制部材が設置される。

また、上記実施形態では、２つのガス通過抑制部材を燃焼室内に配置することで、燃焼室排ガス出口方向にしたがって、燃焼室幅寸法が減少する絞り構造となっていたが、これに制限されず、燃焼室壁面自体で絞り構造にしてもよく、いずれか一方の燃焼室壁のみを絞り構造にしてもよい。

また、上記ガス通過抑制部材４０ａ、４０ｂが蓄熱部を有し、燃焼排ガス温度低下時に放熱作用するように構成してもよい。

１０ 燃焼室
１１ バーナ
１５ フィンなし伝熱管
１６ フィン水管（フィン付き伝熱管）
１６２ フィン
１８ 燃焼排ガス
２０ 缶体
２１ 缶水
３１ 排気部

Claims (7)

1. 熱媒体が燃焼室と伝熱管とをおおうように封入されている缶体を有する真空式温水機であって、
   前記缶体内部に燃料を燃焼するための燃焼室と、減圧状態において前記熱媒体を蒸発させた気体と熱交換可能な熱交換器を内部に配置している減圧蒸気室とを有し、
   前記燃焼室前部に燃料を燃焼するバーナと、
   前記燃焼室後部壁に前記バーナで燃料を燃焼することで生じた燃焼排ガスを外部に排出するための排出部と、
   前記燃焼室後部であって前記バーナと前記排出部の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように複数のフィン付き伝熱管と、
   前記燃焼室内壁側に配置された前記フィン付き伝熱管と当該燃焼室壁との隙間を前記燃焼排ガスが通過するのを抑制するガス通過抑制部材とを設けたことを特徴とする真空式温水機。
2. 燃焼排ガスの出口方向に向かうに従って、前記フィン付き伝熱管が配置される前記燃焼室後部の幅寸法が縮小してある請求項１に記載の真空式温水機。
3. 燃焼排ガスの出口方向に向かうに従って、前記燃焼室幅方向の前記フィン付き伝熱管の本数を減少して燃焼室中央部に配置させ、前記燃焼室壁と当該フィン付き伝熱管群との空間に、前記ガス通過抑制部材を着脱自在に設けて、前記燃焼室後部の幅寸法を縮小してある請求項２に記載の真空式温水機。
4. 前記ガス通過抑制部材は、前記フィン付き伝熱管側にブラシ部を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の真空式温水機。
5. 前記フィン付き伝熱管において、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィンが、段違いに向かい合い、かつ、一方のフィンピッチ空間に他方のフィン先端部分が少なくとも配置されている請求項１から４に記載の真空式温水機。
6. 前記フィン付き伝熱管において、管径方向に隣り合うフィン付き伝熱管同士のそれぞれのフィン同士が、互いに向かい合って、段違いに重なっていない請求項１から４に記載の真空式温水機。
7. 前記燃焼室後部であって前記バーナと前記複数のフィン付き伝熱管の間に、燃焼排ガスの流れ方向と管径方向が対向するように、複数のフィンなし伝熱管をさらに設ける請求項１〜６のいずれか１項に記載の真空式温水機。
   

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