JPH05761Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「技術分野」 本考案は、湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどに
使用される流体加熱用装置に関する。

「従来技術とその問題点」 従来の湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどの流体
加熱用装置は、主に対流熱伝達を利用して伝熱管
内を流れる水などの流体を加熱していた。

これに対し、燃焼室の小型化、燃焼熱の効率的
利用を図つて、対流熱伝達に加えて輻射熱伝達を
も用いて伝熱管内を流れる被加熱流体を加熱する
流体加熱用装置が特願昭60−223980（特開昭62−
84258号公報）として本考案者らにより提案され
た。この流体加熱用装置は、燃焼ガスの流れ方向
に、バーナなどの燃焼手段、第一の伝熱管、通気
性の輻射体、第二の伝熱管の順に配置されてな
り、燃焼ガスにより白熱化した輻射体の輻射熱が
主に第一の伝熱管に輻射され、第一の伝熱管は燃
焼ガスからの対流熱伝達と輻射体からの輻射熱伝
達とで効率的に加熱される。

ここで第一の伝熱管は耐熱性、耐食性に優れる
セラミツクス製が好ましいが、セラミツクスでは
強度、靱性、加工性などに難点があることも多
く、実用的には低コストの金属、例えば銅、ステ
ンレス鋼、アルミニウム合金などの採用が望まれ
る。

しかし、この伝熱管に銅を用いると、銅の輻射
率は使用初期の光沢面では0.1程度、使用により
自然酸化が進んで表面酸化層が形成された状態で
も0.5程度と低く、伝熱管をステンレス鋼製とし
てもその輻射率はたかだか0.4程度で、いずれも
輻射体からの輻射熱を効率的に吸収できない。

また、銅製などの水冷壁で燃焼手段や熱交換部
を囲むことも行なわれている。すなわち、燃焼ガ
ス空間を囲む銅の薄板に水冷管をロウ付けまたは
ハンダ付けし、この水冷管内に水などの流体を流
し、いわば熱交換部の一部として機能させるのが
一般的である。流体加熱用装置をコンパクトにす
るには、この水冷壁でも最大の熱流束を得るよう
にすべきだが、ここでも銅などの輻射率が低いた
め、充分ではなかつた。

「考案の目的」 本考案の目的は、輻射熱を高効率で吸収できる
流体加熱用装置を提供するにある。

「考案の構成」 本考案は、燃焼ガスの流れ方向に、有炎燃焼手
段、第一の伝熱管、通気性の輻射体、第二の伝熱
管が順に配置された流体加熱用装置において、前
記第一の伝熱管及び前記第二の伝熱管を銅製と
し、前記第一の伝熱管の最下段のものは、前記有
炎燃焼手段から100mm以内のところに配置されて
おり、少なくとも第一の伝熱管の外表面に、酸化
鉄または酸化コバルト系の耐熱塗料を塗布するこ
とにより、あるいは酸化鉄、酸化ニツケル、酸化
コバルトおよび酸化クロムから選ばれるいずれか
をプラズマ溶射することにより、輻射率が0.7以
上となるような被膜が形成されていることを特徴
とする。

このように第一の伝熱管に高輻射率の被膜を形
成すると、第一の伝熱管は、白熱した輻射体から
の輻射熱を受けた際、この被膜により受熱量が大
幅に増加し、伝熱管内を流れる被加熱流体への伝
熱量も増加し、効率良い熱交換が実現される。

本考案の一つの態様では、被膜は、酸化鉄また
は酸化コバルト系の耐熱塗料を塗布することによ
り形成される。

酸化鉄、酸化コバルト系の顔料を含む耐熱塗料
は、耐熱温度が600℃以上と高く、かつ、高輻射
率の被膜を形成するだけでなく、この被膜は耐酸
化性にもすぐれ、硝酸性または硫酸性の燃焼ガス
結露水による伝熱管腐食の防止にも有効である。

本考案のさらに別の態様では、被膜は酸化鉄、
酸化ニツケル、酸化コバルトおよび酸化クロムか
ら選ばれるいずれかをプラズマ溶射することによ
り形成される。プラズマ溶射では、プラズマジエ
ツト中に供給された粉末材料が溶融されて相手材
に衝突するので、結合力の高い、かつ、硬度も高
い被膜が形成できる。そのうえ、粉末材料として
酸化鉄、酸化ニツケル、酸化コバルトまたは酸化
クロムを用いることにより、輻射率もきわめて高
くなる。

輻射体からの輻射熱は、主に第一の伝熱管に輻
射されるので、上記被膜は少なくとも第一の伝熱
管の外表面に形成する。しかしこうした輻射熱は
第二の伝熱管にも輻射されるので、この第二の伝
熱管の外表面にも上記被膜を形成するとよい。

また、燃焼室を区画構成する水冷壁の内面にも
上記被膜を形成するとよい。これにより水冷壁が
輻射体から受ける輻射熱も増加し、この熱が水冷
管を経て水冷管内の被加熱流体にも伝わり、流体
加熱用装置のコンパクト化に寄与する。

なお、本考案では、第一の伝熱管及び第二の伝
熱管の材質として、熱伝導性に優れた銅が用いら
れる。

「考案の実施例」 以下に、本考案の一実施例の流体加熱装置を図
面に基いて説明する。

この流体加熱装置１０は、上方が図示せぬ排気
口に接続された銅製のケーシング１１で全体が囲
まれており、ケーシング１１は、下方より順に、
フアンケーシング１２、混合室１３および燃焼室
１４が連通して構成されている。燃焼室１４を囲
むケーシング１１は水冷壁３０として機能し、こ
の水冷壁３０の外面には水冷管３１がロウ付けま
たはハンダ付けで接着されている。フアンケーシ
ング１２にはフアン１５が組み込まれ、混合室１
３の基部には燃料ガスノズル１６が配設されてい
る。フアン１５からの空気流と燃料ガスノズル１
６からの燃料ガスが混合室１３に供給されて燃料
ガスと空気との混合気が作られる。

混合室１３と燃焼室１４の境目には、燃焼手段
として面状のバーナプレート１７が配置されてい
る。このバーナプレート１７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
１７の下流面に面状の火炎を形成する。なお点火
手段は図示を省略した。

ケーシング１１内のバーナプレート１７に近接
した上方には、複数本からなる第一の伝熱管１８
が横行配置され、これらは全体としてシリーズに
連結されている。この第一の伝熱管１８は一段ま
たは複数段に配置され、複数段の場合には千鳥配
置とするのが良い。伝熱管１８はベアチユーブま
たはフイン高さ２mm以下のローフインチユーブと
される。なお、バーナプレートの下流面から最下
段の伝熱管１８の下縁までの距離ｂは100mm以下、
特には５〜50mmとされている。

伝熱管１８の外表面には0.7以上、好ましくは
0.8以上の高輻射率を呈する被膜３２が形成され
ていて、後述の輻射体１９からの輻射熱を充分に
吸収できるようにされている。被膜３２として
は、酸化鉄、酸化コバルト系の耐熱塗料を塗布す
ることにより形成されたもの、あるいは、酸化
鉄、酸化ニツケル、酸化コバルトおよび酸化クロ
ムから選ばれるいずれかをプラズマ溶射すること
により形成されたものとされる。

第一の伝熱管１８の近接上方には、セラミツク
スハニカム板からなる通気性の輻射体１９が配置
されている。輻射体１９は燃焼ガスが通過する際
に加熱されて白熱し、輻射熱を主に伝熱管１８に
輻射する。

輻射体１９の近接上方には、複数本からなる第
二の伝熱管２０が配置され、これらも全体として
シリーズに連結されている。この実施例では、第
二の伝熱管２０としては、多数の平行な平板フイ
ン２１と、平板フイン２１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イン
チユーブを用いているが、例えば各伝熱管ごとに
その外面に高さ６〜10mm程度の複数のフインを形
成したフインチユーブ、または前述のローフイン
チユーブ、さらにはベアチユーブでもよい。この
第二の伝熱管２０の外表面ないしは水冷壁３０の
内面にも前記した被膜３２を形成してもよい。

第一の伝熱管１８、第二の伝熱管２０および水
冷管３１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１８、第二の伝熱管２
０および水冷管３１にそれぞれ独立に流してもよ
いが、好ましくは順次、第一の伝熱管１８、第二
の伝熱管２０、ついで水冷管３１へとシリーズに
流される。

以下に、本考案装置の作用を説明する。

燃料ガスノズル１６からの燃料ガスと、フアン
１５からの空気が混合室１３に送られ、予混合気
が形成される。予混合気はバーナプレート１７の
炎口を通過して燃焼室１４へ供給されて火炎を形
成し、1500〜1650℃といつた高温の燃焼ガスとな
る。

この燃焼ガスは第一の伝熱管１８に導かれ、対
流熱伝達によつ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１８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１８相
互間の間隙を通過し、高温のまま輻射体１９内を
流れ、この輻射体１９をも加熱して白熱化させ
る。このときの輻射体１９は、1000〜1200℃の高
温に保持され、主に第一の伝熱管１８を輻射加熱
する。

このとき、第一の伝熱管１８はその外表面に高
輻射率の被膜を形成されているので、輻射熱を効
率良く吸収し、伝熱管１８内の被加熱流体も効率
良く加熱される。

そして、燃焼ガスは、第一の伝熱管１８と輻射
体１９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２０域に導かれ、
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１９からの輻射熱が第二の伝熱管２
０にも輻射される。かくして、第二の伝熱管２０
内部の流体は例えば40℃〜80℃の湯となつて、装
置外へ導出される。

なお、燃焼停止直後には、伝熱管１８内に充満
している低温の水などの流体のために、伝熱管１
８の外表面に結露が起きるが、被膜３２に耐食性
のものを用いれば、腐食の進行を抑制できる。

上記実施例および比較例の流体加熱用装置とを
用いて伝熱性能を評価する実験を行なつた。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1.3 被加熱流体：入口温度15℃の水を、まず第一
の伝熱管１８に、ついで第二の伝熱管２０に、
ついで水冷管３１にとシリーズに流す。

第一の伝熱管１８：外径19.0mmの銅チユーブ
７本（上段４本、下段３本）を相互に平行、か
つ、等間隔で二段に千鳥配置。

輻射体１９：セル数200個／in²、セル断面正
方形の常圧燃結炭化ケイ素製ハニカム板。

第二の伝熱管２０：外径19.0mmの同チユーブ
と厚さ0.35mm、ピツチ2.7mmの銅フインとを組
合わせたプレートフインチユーブ。

〜の条件は実施例、比較例とで同一とし、
燃料、被加熱流体の供給速度も同一とした。

被膜３２：実施例の装置における第一の伝熱
管１８のみの外表面には、シリカ系無機質耐熱
塗料スミセラム（商品名、住友化学工業製）に
酸化コバルトとコバルトブルーを各10重量％添
加混合したものを塗布（輻射率0.87）。比較例
の装置には一切被膜形成なし。

上記条件下で第一の伝熱管１８での被加熱流体
の吸熱量を測定したところ、実施例では
11000Kcal／hr、比較例では9400Kcal／hrとな
り、実施例は比較例に比べ約17％の吸熱量の増加
が認められた。

また、被膜の種類や形成方法を前述した範囲で
他のものに代えた場合にも、若干の程度の差はあ
つたものの、ほぼ同様な効果が認められた。さら
に、上記実施例では第一の伝熱管１８にのみ被膜
３２を形成したが、これに加えて水冷壁３０の内
面ないしは第二の伝熱管２０の外表面にも同様な
被膜３２を形成した場合には吸熱量はさらに増加
した。

「発明の効果」 以上説明したように、本考案によれば、輻射体
から強く輻射熱が照射される第一の伝熱管に輻射
率が0.7以上という高輻射率の被膜を形成したの
で、この伝熱管内を流れる流体に効率的に伝熱さ
れる。したがつて本考案の流体加熱用装置はきわ
めてコンパクトに製作できる。

【図面の簡単な説明】

図は本考案による流体加熱用装置の一実施例の
断面図である。 １８は第一の伝熱管、１９は輻射体、２０は第
二の伝熱管、３０は水冷壁、３１は水冷管、３２
は被膜。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 燃焼ガスの流れ方向に、有炎燃焼手段、第一の
   伝熱管、通気性の輻射体、第二の伝熱管が順に配
   置された流体加熱用装置において、前記第一の伝
   熱管及び前記第二の伝熱管を銅製とし、前記第一
   の伝熱管の最下段のものは、前記有炎燃焼手段か
   ら100mm以内のところに配置されており、少なく
   とも第一の伝熱管の外表面に、酸化鉄または酸化
   コバルト系の耐熱塗料を塗布することにより、あ
   るいは酸化鉄、酸化ニツケル、酸化コバルトおよ
   び酸化クロムから選ばれるいずれかをプラズマ溶
   射することにより、輻射率が0.7以上となるよう
   な被覆が形成されていることを特徴とする流体加
   熱用装置。