JPH0195254A - 伝熱促進体を備える流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、例えば湯沸し器、風呂釜、温水ボイラなどに
適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、上記のような流体加熱装置としては、例えばバー
ナ等の燃焼手段と、この燃焼手段により形成される燃焼
ガスの流路を形成する缶体と、この缶体内部に配Ｍされ
た複数列の伝熱管とを備えたものが使用されている。こ
の場合、伝熱管としては、燃焼ガスとの接触面積をでき
るだけ広くして熱交換効率を上ザるため、フィン付きの
伝熱管が採用されている。その中でも、はぼ平行に配列
された多数のプレートフィンを貫通して伝熱管を複数列
に配置したプレートフィン付き伝熱管がよく採用されで
いる。

プレートフィンには、製作の容易性などの理由から一般
に金属の薄板が採用されているが、燃焼ガス流に接触し
て極度に高温となると、熱損傷するという問題点があっ
た。また、プレートフィンとしてセラミックス板を採用
した場合にも、局部的な過熱や急激な温度変化によって
破損することがあった。この場合、プレートフィンの最
も高温となる部分は、燃焼ガス流に対して最も上流側に
位置する端縁部であって、しがも最も上流側に位置する
伝熱管の間の部分である。

すなわち、第６図に示すように、プレートフィン１７は
、燃焼ガスＧの流れに沿ってほぼ平行に多数枚配列され
ており、これらのプレートフィン１７を貫通して燃焼ガ
スＧの流れを横切るように伝熱管１８が複数列に配置さ
れている。プレートフィン１７の燃焼ガスＧの流れに関
して上流側の端縁部は、燃焼ガスＧの流れ方向に沿って
見たとき１、伝熱管１日と重なる部分＾と、伝熱管１８
の間に位置する部分Ｂとができる。

伝熱管１８内には、例えば水等の被加熱流体が流されて
いるので、伝熱管１８は、それらの外周に位置するプレ
ートフィン１７から熱を奪い、これを冷却する作用を有
している。プレートフィン１７に対するこの冷却作用は
、当然のことながら伝熱管１日から離れた部分はど弱く
なる。

プレートフィン１７において、最も高温となる部分は、
燃焼ガスＧに最初に接触する部分、すなわち燃焼ガスＧ
の流れに対して上流側の端縁部であるが、このうちＡの
部分は、伝熱管１８に近接しているのでこれにより冷却
されるのに対し、８の部分は伝熱管１８から離れている
ため伝熱管１８による冷却作用が弱くなっている。この
ため、プレートフィン１７の８の部分は、局部的に過熱
されやすくなり、熱損傷を起しやすくなっている。

「発明の目的」 本発明の目的は、プレートフィン付き伝熱管を有する流
体加熱装置において、局部的な過熱によるプレートフィ
ンの熱損傷を防止し、しがも伝熱効率を高めることにあ
る。

「発明の構成」 本発明は、加熱ガス流に沿ってほぼ平行に配列された多
数のプレートフィンと、これらのプレートフィンを貫通
して加熱ガス流を横切るように複数列に配置された伝熱
管とを有する流体加熱装置においで、前記加熱ガス流に
対して前記プレートフィンよりも上流側であって、前記
加熱ガス流に沿って見たときに最も上流側に配置された
前記伝熱管の間に位置するように、棒状、管状または板
状の伝熱促進体が配置されていることを特徴とする。

前述したように、プレートフィンの最も高温とν なる部分は、燃焼ガスなどの加熱ガス流に対して最も上
流側に位置する端縁部であって、しかも加熱ガス流に沿
って見たときに最も上流側に位置する伝熱管の間の部分
であるが、本発明では、この部分の上流側に上記伝熱促
進体が配置されでいるので、高温の加熱ガスがこの部分
に直接流入しなくなり、この部分の過熱が防止され、フ
ィンの熱損傷を防止できる。

また、加熱ガスは、伝熱促進体に当って乱流を起し、か
つ、伝熱促進体により流路の一部を閉塞されて流速が増
加する。この流速が高められた乱流は、伝熱促進体より
も下流側であってしかも伝熱促進体の両側に位置する伝
熱管やプレートフィンに接触するので、伝熱効率が向上
する。ざらに、加熱ガスの温度が９００〜１３００℃程
度の高温である場合には、伝熱促進体が赤熱されて伝熱
促進体からの輻射伝熱も効果的になされるので、伝熱効
率をざらに向上できる。

本発明が適用される流体加熱装置は、プレートフィン付
き伝熱管を有するものであればいずれも採用可能である
０例えば燃焼手段と、燃焼空間および燃焼ガスの流路を
形成する缶体と、燃焼ガスを外部へ排出する排気ダクト
と、上記燃焼ガスの流路内に配置されたプレートフィン
付き伝熱管とを備えたものが採用される。また、燃焼ガ
スの流路に沿って、順にペアチューブまたはローフイン
付きチューブからなる第１の伝勢管、通気孔を有するセ
ラミックスファイバ成形体などからなる輻射体、プレー
フィン付きの第２の伝熱管が配置されたものなどを採用
することもできる。

燃焼手段としては、燃料と空気とを別々に燃焼室へ供給
する拡散燃焼方式や、燃料と空気とを予め所要割合で混
合した猪に、バーナプレートを通過させて燃焼室に供給
する予混合燃焼方式などが採用される。また、溶油等を
気化させて燃焼させる方式のものであってもよい、した
がって、燃料としては、天然ガス、ブＯパンガス、溶油
等が採用される。

プレートフィン付き伝熱管は、通常、銅、アルミニウム
、ステンレス等の金属で形成されるが、炭化ケイ素、窒
化ケイ素などのセラミックスで形成することもできる。

プレートフィンは、通常、２．５〜３．５ｍｍ程度の間
隔で加熱ガスの流れ方向に沿って平行に配列されたもの
からなる。伝熱管は、加熱ガスの流れ方向に対して好ま
しくは直交するように、プレートフィンを貫通して複数
列に配置される。プレートフィンと伝熱管との接合部は
、例えばロウ付けなどの手段で充分に接合し、伝熱抵抗
を少なくすることが好ましい。

本発明における棒状、管状または板状の伝熱促進体は、
通常、プレートフィンの材質よりも耐熱性の高い材質か
らなり、ステンレスなどの耐熱性金属や、各種のセラミ
ックスが好ましく例示できる。伝熱促進体は、加熱ガス
の流路を横切り、かつ、延在する伝熱管と平行するよう
に連続した細長い形状のものが好ましいが、必ずしも長
手方向に連続しでいる必要はない。

本発明の好ましい態様では、プレートフィンの加熱ガス
流に対して上流側に位置する端縁部に、伝熱促進体が接
触または近接して配置される。伝熱促進体がプレートフ
ィンの上流端締部からかなり離れた位置にあるときは、
伝熱促進体配置の効果が充分にはプレートフィンの上流
端締部に及びにくくなる。

また、本発明の好ましい態様では、プレートフィンの加
熱ガス流に対して上流側に位置する端縁部は、加熱ガス
流に沿って見たときに最も上流側に配Ｍされた伝熱管の
間の部分が凹状に切欠かれるように形成され、伝熱促進
体が、この凹状の切欠き部分に入りこむように配置され
ている。

プレートフィンの端縁部に上記のような切欠きを設ける
ことにより、プレートフィンの端縁部の熱損傷を起しや
すい部分を伝熱管により近づけて冷却効果を上げること
ができる。そして、伝熱促進体をこの切欠き部分に入り
こむように配置することにより、伝熱促進体によるプレ
ートフィンの熱損傷防止効果をさらに向上できる。また
、伝熱促進体が伝熱管により近接して配置されることに
なるので、伝熱促進体による加熱ガスの乱流化効果や流
速増大効果がより高められ、伝熱効率をさらに向上でき
る。

「発明の実施例」 第１図および第２図には、本発明による流体加熱装置の
一実施例が示されている。

この流体加熱装置１１は、缶体１２の下部にバーナプレ
ート１３が設置され、バーナプレート１３の下方が予混
合室１４となっている。予混合室１４には、ノズル１５
からの燃料とファン１６からの燃焼用空気が供給され、
両者が所要割合で予め混合されるようになっている。こ
の混合ガスは、バーナプレート１３の孔から缶体１２内
に噴出し、図示しない点火手段で点火されで燃焼するよ
うになっている０缶体１２内は、燃焼室および燃焼ガス
の流路を構成しており、缶体１２の上部は図示しない排
気ダクトに接続されている。

缶体１２の燃焼ガスの流路には、燃焼ガスの流れ方向に
沿ってほぼ平行に配列された多数のプレートフィン１７
と、プレートフィン１７を貫通して燃焼ガスの流路を横
切るように複数列（図では４列）に配置された伝熱管１
８とからなるプレートフィン付き伝熱管１９が配置され
ている。なお、プレートフィン１７の燃焼ガスの上流側
の端縁部は、伝熱管１８の間に位置する部分８が凹状に
切欠かれて、全体として波形をなすように形成されてい
る。

伝熱管１８は複数列に配置されているが、実際には被加
熱流体をシリーズに流すため、連続した一本の管路とさ
れている。このため、伝熱管１８は、第２図に示すよう
にその両端部が缶体１２から突出して、Ｕ字管２１によ
って接続されている。

この流体加熱装置では、プレートフィン１７の燃焼ガス
の上流側の端縁部に接触して円筒状のステンレス鋼製の
伝熱促進体２２が、プレートフィン１７の端縁部の凹状
に切欠かれた部分日に一部入りこむように配ＭＭれてい
る。この伝熱促進体２２内には被加熱流体は流されでい
ない。

上記構成において、水等の被加熱流体は、連続した伝熱
管１８内をシリーズに流される。また、燃焼ガスＧは、
缶体１２内を上方（こ流れでいき、プレートフィン１７
および伝熱管１８に接触して、伝熱管１８内を流れる被
加熱流体と熱交換して被加熱ｉ体を加熱する。

プレートフィン１７は、燃焼ガスＧの流れの上流側の端
縁部が最も高温となる。この端縁部においても、伝熱管
１８に近接したへの部分は、伝熱管１８を流れる水等の
被加熱流体により冷却されで、その温度上昇はある程度
抑えられる。しかし、伝熱管１日の間に位置する６の部
分は、伝熱管１８から離れているため上記の冷却作用が
弱く、局部的に過熱される傾向がある。しかし、この装
置では、８の部分の上流側に接触して伝熱促進体２２を
配置したので、燃焼ガスＧは、伝熱促進体２２によって
第１図に矢印Ｆで示すようにその流路を変えられ、Ａの
部分と熱交換して燃焼ガス温度がやや低下したのちに８
の部分に流入し、日の部分の局部的な過熱が防止される
。かくしてプレートフィン１７の局部過熱による熱損傷
を防止できる。

一方、燃焼ガスＧが伝熱促進体２２によって流れを変え
られて乱流が発生し、この乱流が、伝熱促進体２２の下
流側であってその両側に位置する伝熱管１８や、プレー
トフィン１７の８の部分以外の部分に積極的に当る。ま
た、燃焼ガスＧは、伝熱促進体２２によっで流路の一部
を閉塞されるので、その流速が高められる。このため、
燃焼ガスＧから伝熱管１８内を流れる被加熱流体への伝
熱が促進され、流体をより効率的に加熱できる。

第３図、第４図および第５図には、伝熱促進体２２のそ
れぞれ他の実施例が示されている。

すなわち、第３図の実施例では、伝熱促進体２２が断面
略三角形の筒状をなし、プレートフィン１７の端縁部の
凹状に切欠かれた８部分に、三角形の頂部が接するよう
に配置ｌされている。三角形の底辺は燃焼ガス流の上流
側に向き、燃焼ガス流に与える乱れを大きくしている。

またこの例では伝熱促進体２２の全体がプレートフィン
１７の突出するＡ部分同士をつなぐ平面よりも下流側に
あるので、この流体加熱装置の小型化に特に有効である
。

第４図の実施例では、伝熱促進体２２が断面略扇形の筒
状をなし、プレートフィン１７の端縁部の凹状（こ切欠
かれた８部分に、扇形の円弧部が接するように配置され
ている。この例では、扇形の頂部が燃焼ガス流の上流側
に向いているので、燃焼ガス６に対する抵抗が少なくな
る利点がある。

第５図の実施例では、伝熱促進体２２として中実な丸棒
が採用されており、プレートフィン１７の端縁部の凹状
に切欠かれた８部分に、一部入りこむように配置されて
いる。なお、この例では、伝熱管１８が上下３段に千鳥
状に配列されているが、伝熱促進体２２は、燃焼ガスＧ
の流れに対して最も上流側の段の伝熱管１８の闇の位置
に配置される。

上記のような流体加熱装ｆｌｆｌｌにおいで、燃料とし
て天然ガスを用い、伝熱管１８ヲ、材質：銅、管直径；
　１９．０５ｍｍ　、伝熱管配列＝４本Ｘ−列、伝熱管
ピッチ；　３６ｍｍとし、プレートフィン１７を、フィ
ンどツチ；　２．６　ｍｍ、伝熱面積：　０．７５ｒ／
とし、伝熱管１８の中心からプレートフィン１７の上流
側端線Ａまでの距Ｍを１６．５ｍｍ、同じく上流側端縁
Ｂまでの距離をＩ　９　、５ｍｍとし、伝熱促進体２２
として、板厚０゜５ｍｍのステンレス鋼からなる断面略
三角形の筒状体を第３図に示したように配置して、装ｆ
ａｔを構成し、伝熱管１８内にシリーズに水を流して熱
交換を行ない、交換熱量、熱効率等を測定した。なお、
比較のため、伝熱促進体２２を設けない流体加熱装置に
ついても燃料、ｍ焼用空気の流量、出湯水温を同じにし
で測定した。その結果を次表に示す。

表の結果から、伝熱促進体２２７＆設けることにより、
伝熱促進体２２Ｉ！設けなかった場合に比べて、交換熱
量がかなり増大しでいることがわかる。これ（ま、伝熱
促進体２２により燃焼ガスの流れに乱流が生じて伝熱管
１８やプレートフィン１７に対する流速が高められ、か
つ、伝熱促進体２２かうの輻射伝熱も寄与したためと考
えられる。また、プレートフィンを銅製とするときはそ
の温度を約２５０℃以下とすることがその耐久性確保の
ために要請される。この例のように伝熱促進体２２を設
けた場合には、プレートフィン１７の８部分の温度が低
下し、プレートフィン１７の局部過熱が防止され、プレ
ートフィン１７の耐久性も向上することがわかる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、プレートフィン
より加熱ガス流に対して上流側であり、加熱ガスの流れ
方向に沿って見たときに最上流側の伝熱管の間に位置す
るように、棒状、管状または板状の伝熱促進体が配置さ
れているので、プレートフィンの上流側端線部における
最も加熱されやすい部分が伝熱促進体の後流側となり、
局部過熱によるプレートフィンの熱損傷を防止すること
ができる。また、伝熱促進体により、加熱ガスの流れに
乱流が生じ、かつ、加熱ガース流路の一部が閉塞される
ことから燃焼ガスの流速が高められるので、伝熱効率を
向上させることができる。また、加熱ガス温度が９００
〜１３００℃といった高温であると、伝熱促進体からの
輻射伝熱も寄与してさらに伝熱効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体加熱装置の一実施例を示す正
面断面図、第２図は第１図における■−■線に沿った断
面図、第３図、第４図およびＭ５図は本発明による流体
加熱装置における伝熱促進体のそれぞれ他の例を示す断
面図、第６図は燃焼ガスに接触したときのプレートフィ
ンの加熱状態を説明するための断面図である。 図中、１１は流体加熱装置、１２は缶体、１３はバーナ
プレート、１４は予混合室、１７はプレートフィン、１
８は伝熱管、１９はプレートフィン付き伝熱管、２２は
伝熱促進体である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱ガス流に沿ってほぼ平行に配列された多数の
   プレートフィンと、これらのプレートフィンを貫通して
   加熱ガス流を横切るように複数列に配置された伝熱管と
   を有する流体加熱装置において、前記加熱ガス流に対し
   て前記プレートフィンよりも上流側であって、前記加熱
   ガス流に沿って見たときに最も上流側に配置された前記
   伝熱管の間に位置するように、棒状、管状または板状の
   伝熱促進体が配置されていることを特徴とする流体加熱
   装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記伝熱促進体
   が、前記プレートフィンの前記加熱ガス流に対して上流
   側に位置する端縁部に、接触または近接して配置されて
   いる流体加熱装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記プレートフィンの前記加熱ガス流に対して上流側に位
   置する端縁部は、前記加熱ガス流に沿って見たときに最
   も上流側に配置された前記伝熱管の間に位置する部分が
   凹状に切欠かれるように形成されており、前記伝熱促進
   体が、前記凹状の切欠き部分に入りこむように配置され
   ている流体加熱装置。