JP4905923B2

JP4905923B2 - ガス燃焼装置

Info

Publication number: JP4905923B2
Application number: JP2006103118A
Authority: JP
Inventors: 学千葉
Original assignee: 株式会社パロマ
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007278560A

Description

本発明は、ガス燃焼装置に関し、さらに詳しくは、燃焼ガスと外気との混合気を送風する送風ファンなどを駆動させる電力を供給する熱発電装置を備えたガス燃焼装置に関するものである。

従来、ガスバーナの燃焼ガスを送風ファンによって送風して室内を暖房するガス燃焼装置は、ガス燃焼装置本体から電源配線を引出し、家庭のコンセントに接続して、送風ファンなどの駆動電力や制御部品の作動電力を１００Ｖ電源から得ていた。しかしながら、従来のようなガス燃焼装置では、電源配線の取回しが煩わしいという問題があった。

そこで、上記問題を解決するものとして、近年、熱発電装置を内部に組み込んだガス燃焼装置が開発されている。

例えば特許文献１の第５図には、内部に熱発電装置が組み込まれた石油ファンヒータが示されている。図６を用いてこの石油ファンヒータ８０の構造を説明すると、外炎筒８２と内炎筒８４とからなる燃焼部８６が石油ファンヒータ８０内の下側中心部に配置され、送風ファン８８に電力を供給する熱発電装置９０が石油ファンヒータ８０の反射板９２を貫通させて取付けられている。そして、熱発電装置９０の吸熱フィン９４は石油ファンヒータ８０の内側に配置され、放熱フィン９６は反射板９２と外枠１００とから形成された送風路１０２内に配置されている。一方、送風ファン８８は、その送風路１０２内に設置されている。

このような構成の石油ファンヒータ８０によれば、燃焼部８６の燃焼により外炎筒８２と内炎筒８４の間から燃焼ガスが放出され、石油ファンヒータ８０内を拡散して燃焼ガスが吸熱フィン９４を加熱する。これにより吸熱フィン９４と放熱フィン９６との間に温度差が生じると、熱発電装置９０に起電力が発生し、送風ファン８８を駆動させる。このとき、熱発電素子９８を介して吸熱フィン９４から放熱フィン９６に熱伝導されるが、送風ファン８８から送風されると放熱フィン９６が冷却されるので、吸熱フィン９４と放熱フィン９６との間の温度差が維持され、連続運転が可能となる。

特公平６−２９６５６号公報

しかしながら、図６に示されるものは、石油ファンヒータ８０内の体積が大きく、燃焼部８６から放出される燃焼ガスが吸熱フィン９４に集中する構造になっていない。そのため、燃焼ガスは石油ファンヒータ８０内を拡散するように流れるので、始動から吸熱フィン９４が十分に加熱されるまでに時間がかかってしまう。その結果、熱発電装置９０を発電させ、その起電力により送風ファン８８などを駆動させるまでの時間がかかるという問題があった。

また、燃焼ガスが拡散することから、吸熱フィン９４と放熱フィン９６との間の温度差を十分にとることが難しく、十分な電力を得るのが難しいという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、始動から短時間で送風ファンなどを駆動させることが可能なガス燃焼装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るガス燃焼装置は、ガスバーナの燃焼ガスが対流するガスバーナ上方に燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路が設けられ、このガスバーナ上方の燃焼ガス流路に送風ファンの駆動電力などの電力を供給する熱発電装置の加熱部が設けられるとともに、前記熱発電装置の本体部を隔てて設けられた外気を取り込む外気流路に熱発電装置の放熱部が設けられたガス燃焼装置であって、前記ガスバーナは、前記燃焼ガスが対流するガスバーナ上方まで隔壁により仕切られた燃焼室内に設けられ、かつ前記熱発電装置の加熱部は、この燃焼室の直上に設けられ、前記燃焼ガス流路及び前記外気流路はガスバーナ上方から燃焼室の正面側まで延設されており、前記燃焼ガス流路と前記外気流路の間は仕切り板で仕切られ、前記仕切り板には、前記燃焼ガスに混合する外気を供給する連通口が、前記熱発電装置よりも下方に熱発電装置と隣接することなく設けられ、前記燃焼ガスが前記外気と混合される燃焼ガス出口が、前記熱発電装置よりも下方に燃焼ガス流路を介して前記熱発電装置から離れた位置に設けられ、前記連通口とつながっており、前記燃焼ガスと前記外気を排出する送風ファンが、前記燃焼ガス出口よりも下方に設けられることを要旨とする。

また、前記熱発電装置の加熱部には、前記放熱部の部材よりも熱容量の小さい部材が用いられることが望ましい。

本発明に係るガス燃焼装置によれば、燃焼ガスが対流するガスバーナ上方に燃焼ガス流路が設けられ、この燃焼ガス流路に熱発電装置の加熱部が設けられるので、始動してすぐに熱発電装置の加熱部を効率良く加熱することができる。これにより、短時間で熱発電装置の発電に必要な温度差が得られるので、始動から短時間で送風ファンなどを駆動させることができる。

そして、熱発電装置が発電して送風ファンが駆動すると、外気流路に外気が取り込まれ、熱発電装置の放熱部を冷却する。このとき、熱発電装置の本体部を隔てて外気流路に熱発電装置の放熱部が設けられるので、効果的に加熱部の加熱と放熱部の冷却が行なわれ、加熱部と放熱部との間の温度差がさらに大きくなる。これにより、発電量が増加し、送風ファンの回転数が上昇するので、効果的な暖房を行なうことができる。また、ガス燃焼装置の燃焼が行なわれている間は、加熱部と放熱部との間の温度差が大きく保たれるので、十分な電力を確保しつつ、熱発電装置の発電を継続することができる。

この場合、ガスバーナの燃焼ガスが対流するガスバーナ上方まで隔壁により仕切られた燃焼室内にガスバーナが設けられ、この燃焼室の直上に熱発電装置の加熱部が設けられていると、ガスバーナの燃焼ガスが熱発電装置の加熱部にさらに集中しやすいので、より一層、上記作用効果を奏する。

そして、燃焼ガスが外気と混合される燃焼ガス出口が熱発電装置よりも下方に設けられると、特に始動時において、燃焼ガスが熱発電装置の加熱部に滞留しやすくなるので、始動時に、熱発電装置の加熱部をさらに効率良く加熱することができる。

このとき、燃焼ガスと外気とを排出する送風ファンが、上記燃焼ガス出口よりも下方に設けられていると、上方から流れてきた燃焼ガスと外気とを１つの送風ファンによって同時に排出することができる。

また、熱発電装置の加熱部に、前記放熱部の部材よりも熱容量の小さい部材が用いられると、加熱部と放熱部との温度差が得られやすいので、短時間で熱発電装置の発電に必要な温度差が得られる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係るガス燃焼装置の一実施形態を表す断面図である。図２は、図１に示されるガス燃焼装置の外観図である。図３は、図１に示されるガス燃焼装置の前面パネルを外した状態の正面図である。図４は、図１に示されるガス燃焼装置に設置される熱発電装置の一実施形態を表す模式図である。

まず、本実施形態に係るガス燃焼装置１０の外観構成について説明する。図２に示されるように、ガス燃焼装置１０は、正面に配置される前面パネル１２と、側面と背面に連結されて配置されるバックケース１４と、操作部１６を備えたトップパネル１８とからなる本体ケース２０を有する。

次に、内部構成について説明する。図３に示されるように、正面から見て右側には収納部２２が設けられ、送風ファンのモータ２４やガスバーナへのガス供給管２６、比例弁２８、送風ファンの駆動などを制御するコントローラ３０等の部品が収納されている。これらは、本発明に直接的に関わりがないため、詳細な説明を省略するものとする。一方、左側には、後述するガスバーナや送風ファン、熱発電装置などが配置されている。

正面から見て左側に配置される部品について説明すると、図１に示されるように、中心付近に燃焼室３２が配置されている。燃焼室３２は、上方に延びる隔壁３４により仕切られ、上部が開口した室となっている。そして、この燃焼室３２内にガスバーナ３６が配置されている。ガスバーナ３６の上方には仕切り板３８が配置され、この仕切り板３８は、前面パネル１２と燃焼室３２との間に、燃焼室３２の正面側まで延設されている。

この仕切り板３８と燃焼室３２の隔壁３４との間には、ガスバーナ３６上方から燃焼室３２横までガスバーナの燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路４０が形成され、上方から下方に燃焼ガスを導く。燃焼ガス流路４０の下方先には、燃焼ガス出口４２が設けられている。

この仕切り板３８と本体ケース２０のトップパネル１８・前面パネル１２との間には、外気を取り込む外気流路４４が形成されている。仕切り板３８の下部には横長矩形状の連通口４６が設けられ、燃焼ガス出口４２とつながっている。

燃焼ガス出口４２と連通口４６の下方には送風ファン４８が設けられている。この送風ファン４８の正面側にある前面パネル１２下部には、前面パネル１２の左右両端近傍まで、吹出口５０が開口形成されている。この吹出口５０には、円弧状のルーバ５２が上下方向に複数段配置されている。

バックケース１４の背面には、仕切り板３８とトップパネル１８との間の外気流路４４へ給気する第一給気口５４と、ガスバーナ３６へ給気する第二給気口５６と、送風ファン４８へ給気する第三給気口５８とが形成され、これら給気口５４，５６，５８をフィルター６０が覆っている。

そして、ガスバーナ３６上方には、仕切り板３８を貫通して熱発電装置６２が設けられている。この熱発電装置６２は、送風ファン４８の駆動電力や制御部品の作動電力などの電力を供給するものである。この熱発電装置６２の加熱部６４はガスバーナ３６上方、燃焼室３２の直上に位置する燃焼ガス流路４０に配置され、放熱部６６は熱発電装置６２の本体部６８を隔てて外気流路４４に配置されている。熱発電装置６２の本体部６８は、燃焼ガス流路４０と外気流路４４との間の仕切りにもなっている。

次に、この熱発電装置６２について詳細に説明する。図４に示されるように、一実施形態に係る熱発電装置６２は、加熱部６４と放熱部６６と本体部６８とから構成される。

本体部６８は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを有する半導体部７０と一対の絶縁性基板７２，７２とを備えた熱発電素子であり、一対の絶縁性基板７２，７２で半導体部７０が挟持されている。半導体部７０は、Ｐ型半導体（Ｐ）とＮ型半導体（Ｎ）とが交互に配置され、これらが直列に接続されるように、Ｐ型半導体（Ｐ）とＮ型半導体（Ｎ）との間が電極７０ａ，７０ａ・・・で接続されている。そして、両端の電極７０ａ，７０ａから電気を取り出す配線７０ｂ、７０ｂが引出されている。

半導体部７０を構成するＰ型半導体（Ｐ）およびＮ型半導体（Ｎ）としては、例えばＰｂ−Ｔｅ系の半導体やＢｉ−Ｔｅ系の半導体などがあり、熱発電素子として通常用いられるものであれば良い。また、半導体部７０を構成する電極７０ａ，７０ａ・・・は、熱伝導性や電気伝導性に優れる材料であれば良く、特に限定されるものではない。その材料としては、例えば銅などを例示することができる。一対の絶縁性基板７２，７２は、電気的絶縁性を有するものであれば良く、特に限定されるものではない。その材料としては、例えばアルミナを混ぜたセラミックス等を例示することができる。

このような構成を有する熱発電素子として、市販されているペルチェ素子などを用いることができる。例えば、市販の６３×６３ｍｍの熱発電素子１個を用い、高温側２３０℃、低温側１００℃の条件下で、２．３Ｗ程度の発電が可能である。

加熱部６４および放熱部６６は、熱伝導性に優れる材料であれば良く、特に限定されるものではない。その材料としては、例えば銅やアルミなどを例示することができる。これらの形状は特に限定されるものではないが、吸熱や放熱がしやすいようにフィン形状にすると良い。

この加熱部６４には、放熱部６６の部材よりも熱容量の小さい部材が用いられることが好ましい。熱容量は比熱と質量との積であることから、具体的には、放熱部６６より比熱の小さい材料を加熱部６４に用いたり、放熱部６６の部材の体積より加熱部６４の部材の体積を小さくすると良い。例えば銅とアルミとでは、熱容量が約３０％異なる。

加熱部６４の部材の熱容量は、吸熱するのに必要な伝熱面積と、大きな熱抵抗にならない程度の厚みが確保されていれば、小さいほど良い。好適な範囲としては、放熱部６６の部材の熱容量よりも５０％以上小さいことである。また、より好適な範囲としては７０％以上小さいことである。

放熱部６６の部材よりも熱容量の小さい部材を加熱部６４に用いれば、加熱部６４と放熱部６６との温度差が得られやすくなり、短時間で熱発電装置６２の発電に必要な温度差が得られる。

以上のように構成されるガス燃焼装置１０では、装置外から第二給気口５６を通って燃焼用空気が燃焼室３２に流れ、ガスバーナ３６が点火されると、ガスバーナ３６が燃焼を開始し、燃焼室３２内で燃焼ガスが発生する。発生した燃焼ガスは、ガスバーナ３６の上方にある熱発電装置６２の加熱部６４に向けて上昇した後、燃焼室３２横まで形成されている燃焼ガス流路４０を下降してその先の燃焼ガス出口４２に流れる。

このとき、燃焼室３２にはガスバーナ３６の上方に向けて隔壁３４が設けられているので、発生した燃焼ガスは熱発電装置６２の加熱部６４に案内されることになる。そのため、発生した燃焼ガスは、自然対流により上方へ集中することと相まって、熱発電装置６２の加熱部６４に集中することになる。特に始動時においては送風ファン４８による強制対流がないので、燃焼ガスはガスバーナ３６の上方にある熱発電装置６２の加熱部６４近傍に滞留し、その後押出される形で下方へ流れる。よって、熱発電装置６２の加熱部６４近傍には、燃焼ガスによる熱がたまりやすくなる。

熱発電装置６２の加熱部６４は、熱発電装置６２の発電に十分な燃焼ガスの燃焼熱ですぐに加熱され、熱発電装置６２の本体部６８に温度差が生じると、熱発電装置６２に起電力が発生する。この起電力により送風ファン４８が駆動すると、ガスバーナ３６上方の燃焼ガス流路４０に滞留していた燃焼ガスは、強制対流により燃焼ガス出口４２に運ばれる。同時に、強制対流により、第一給気口５４から外気が取り込まれ、取り込まれた外気は外気通路４４を通って連通口４６から燃焼ガス出口４２に運ばれる。燃焼ガス出口４２は、熱発電装置６２よりも下方に設けられているので、特に始動時において、熱発電装置６２の加熱部６４に燃焼ガスが滞留しやすくなり、始動時に、熱発電装置６２の加熱部６４を効率良く加熱する。

このとき、熱発電装置６２の本体部６８で燃焼ガス流路４０と仕切られた外気流路４４には、燃焼ガスは通過せず、強制対流により取り込まれた外気のみが通過するので、外気流路４４に設けられた熱発電装置６２の放熱部６６の冷却が効果的に行われる。また、前述のとおり、熱発電装置６２の加熱部６４には燃焼ガスが集中するので、加熱部６４の加熱も効果的に行なわれる。よって、送風ファン４８の強制対流により温度差が大きくなって、熱発電装置６２の発電量が増大する。

その後、燃焼ガス出口４２で燃焼ガスと外気とが混合されて混合気となり、第三給気口５８から送風ファン４８へ直接取り込まれた外気とさらに混合されて適温の温風となり、送風ファン４８により吹出口５０から温風が排気され、使用者を暖める。送風ファン４８は、燃焼ガス出口４２よりも下方に設けられているので、上方から流れてきた燃焼ガスと外気とを１つの送風ファン４８によって同時に排出することとなる。

以上のように、ガス燃焼装置１０によれば、始動してすぐに熱発電装置６２の加熱部６４を効率良く加熱することができる。これにより、短時間で熱発電装置６２の発電に必要な温度差が得られるので、始動から短時間で送風ファン４８などを駆動させることができる。

そして、送風ファン４８の強制対流により温度差が大きくなり、熱発電装置６２の発電量が増大すると、送風ファン４８の回転数が上昇するので、効果的な暖房を行なうことができる。また、ガス燃焼装置１０の燃焼が行なわれている間は、加熱部６４と放熱部６６との間の温度差が大きく保たれるので、十分な電力を確保しつつ、熱発電装置６２の発電を継続することができる。

そして、ガス燃焼装置１０に熱発電装置６２を組み込んでいるので、家庭のコンセントからの１００Ｖ電源を用いなくても良い。また、ガス燃焼装置１０本体から電源配線を引出す必要がなく、電源配線の取回しが煩わしいという問題はない。さらに、ガス燃焼装置１０は、短時間で熱発電装置６２の発電に必要な温度差が得られ、始動から短時間で送風ファン４８などを駆動させることが可能なことから、始動時の運転に、蓄電装置などを用いなくても良い。これにより、製造コストが増加する心配もない。

次に、実施例について説明する。本実施例では、熱発電装置の加熱部・放熱部に用いる部材の熱容量と発電性能との関係について調べた。

（試験装置）
試験装置Ａ
電極に接続された半導体部分を２枚のセラミックス基板で挟み込んだ構成の市販の熱発電素子（６３×６３ｍｍ）のセラミックス基板の両外側に、フィン形状にした銅製の加熱部材ａと、この加熱部材ａと同じ形状・同じ体積の銅製の放熱部材ｘを取付けたものからなる。（体積比（加熱部材ａ／放熱部材ｘ）＝１）

試験装置Ｂ
試験装置Ａの放熱部材ｘと同じ形状で放熱部材ｘより体積の小さい銅製の加熱部材ｂと、銅製の放熱部材ｘを、上記熱発電素子のセラミックス基板の両外側に取付けたものからなる。（体積比（加熱部材ｂ／放熱部材ｘ）＝０．２６）

試験装置Ｃ
試験装置Ａの放熱部材ｘと同じ形状で放熱部材ｘより体積の小さい銅製の加熱部材ｃと、銅製の放熱部材ｘを、上記熱発電素子のセラミックス基板の両外側に取付けたものからなる。（体積比（加熱部材ｃ／放熱部材ｘ）＝０．２４）

（実施例１−２および参考例）
上記試験装置Ａを図５（ａ）に、試験装置Ｂを図５（ｂ）に、試験装置Ｃを図５（ｃ）にそれぞれ示す。これらの試験装置Ａ−Ｃを用いて、ガスバーナ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）で加熱部材を加熱し、出力が１．０Ｗになるまでの時間（起動時間）を計測した。その結果を表１に示す。

表１に示されるように、加熱部材と放熱部材に熱容量（体積）が同じ部材を用いた参考例では、出力が１．０Ｗになるまでの時間が６８秒であった。これに対し、放熱部材よりも熱容量が小さい加熱部材を用いた実施例１および実施例２では、出力が１．０Ｗになるまでの時間がそれぞれ５０秒、５９秒であり、参考例と比べて、起動時間が大幅に短縮された（起動時間がそれぞれ２６％、１３％短縮された）。

以上の結果から、熱発電装置の加熱部に用いる部材の熱容量を、放熱部に用いる部材の熱容量よりも小さくすることにより、起動時間の大幅な短縮が図れることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば、上記実施例において、加熱部の部材の熱容量を放熱部の部材の熱容量より小さくする方法として、部材の体積を小さくするものについて示したが、材料の異なるもの（銅とアルミなど）を用いて行なうものであっても良いことは勿論である。また、上記実施形態において、熱発電装置は、図４に示されている形態のものに限られず、熱電対であっても良い。

本発明に係るガス燃焼装置は、例えばガスバーナの燃焼ガスを送風ファンによって送風して室内を暖房するガスファンヒータなどのガス燃焼装置として使用することができる。

本発明に係るガス燃焼装置の一実施形態を表す断面図である。図１に示されるガス燃焼装置の外観図である。図１に示されるガス燃焼装置の前面パネルを外した状態の正面図である。図１に示されるガス燃焼装置に設置される熱発電装置の一実施形態を表す断面図である。実施例の試験装置Ａ（ａ）、試験装置Ｂ（ｂ）、試験装置Ｃ（ｃ）をそれぞれ表す模式図である。内部に熱発電装置が組み込まれた石油ファンヒータ（従来のガス燃焼装置）を表す模式図である。

符号の説明

１０ガス燃焼装置
３２燃焼室
３４隔壁
３６ガスバーナ
４０燃焼ガス流路
４２燃焼ガス出口
４４外気流路
４８送風ファン
６２熱発電装置
６４加熱部
６６放熱部
６８本体部

Claims

ガスバーナの燃焼ガスが対流するガスバーナ上方に燃焼ガスを流通させる燃焼ガス流路が設けられ、このガスバーナ上方の燃焼ガス流路に送風ファンの駆動電力などの電力を供給する熱発電装置の加熱部が設けられるとともに、前記熱発電装置の本体部を隔てて設けられた外気を取り込む外気流路に熱発電装置の放熱部が設けられたガス燃焼装置であって、
前記ガスバーナは、前記燃焼ガスが対流するガスバーナ上方まで隔壁により仕切られた燃焼室内に設けられ、かつ前記熱発電装置の加熱部は、この燃焼室の直上に設けられ、
前記燃焼ガス流路及び前記外気流路はガスバーナ上方から燃焼室の正面側まで延設されており、前記燃焼ガス流路と前記外気流路の間は仕切り板で仕切られ、
前記仕切り板には、前記燃焼ガスに混合する外気を供給する連通口が、前記熱発電装置よりも下方に熱発電装置と隣接することなく設けられ、
前記燃焼ガスが前記外気と混合される燃焼ガス出口が、前記熱発電装置よりも下方に燃焼ガス流路を介して前記熱発電装置から離れた位置に設けられ、前記連通口とつながっており、
前記燃焼ガスと前記外気を排出する送風ファンが、前記燃焼ガス出口よりも下方に設けられることを特徴とするガス燃焼装置。
前記熱発電装置の加熱部には、前記放熱部の部材よりも熱容量の小さい部材が用いられることを特徴とする請求項１に記載のガス燃焼装置。