JPS6284258A - 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、湯沸し器、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、湯沸し器、風呂釜、温水ボイラなどの流体加熱装
置においては、バーナ等の燃焼手段を有し、燃焼室にて
燃料を燃焼させた後、燃焼ガスを伝熱管群に導き、伝熱
管群の内部を流れる水等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、
燃焼室と熱交換部とを一体化した°構造とする傾向にあ
る。

しかしながら、このように燃焼室を小型化すると、燃焼
途中の燃料が伝熱管の壁に接触する（すなわち火炎が冷
却される）ことにより、不完全燃焼を起こすことがあっ
た。このことは、燃料の損失となるばかりか、ＧＯ，ス
ス、アルデヒド等が発生し、人体にも悪影響を及ぼす結
果となる。

また、ボイラーのように燃焼室の壁が伝熱面になってい
たり、伝熱管が火炎に接近していたりすると、未燃燃料
が伝熱面に付着して伝熱面が過熱して損傷したり、燃焼
室内の燃焼ガスの混合が悪いため、局部的に伝熱負荷が
増大し、同じく伝熱面を損傷させることがあった。

このため、燃焼室の小型化には限界があり、例えば現在
市販されているガス湯沸し器においては、燃焼室と熱交
換部との大きさを比較すると約２：１であって、バーナ
先端と下方の伝熱管との距離は２００〜３ＱＯ＋ｓａ＋
もある。これ以上燃焼室を小さくして熱交換部を火炎に
近づけることは、伝熱管の損傷を早めたり、ＣＯの発生
を増加させる等の理由で困難となっていた。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、不完
全燃焼を防止し、伝熱管等を損傷させることがなく、か
つ、熱損失の少ない高効率の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、燃焼手段に近接して第一
の伝熱管群を配置し、この第一の伝熱管群に隣接して前
記燃焼手段より離れた位置に通気性の輻射体を配置し、
さらにこの輻射体に隣接して前記燃焼手段より離れた位
置に第二の伝熱管群を配置したことを特徴とする。

本発明において、燃焼手段としては、プロパンガス、天
然ガス、石油等を燃料とし、これらの燃料を気化して燃
焼させるものが好ましく使用される。＃に好ましくは、
ガスバーナが使用される。

ガスバーナは、必要に応じて複数本配置される。

第一の伝熱管群は、燃焼手段に最も近接して、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。この場合、燃焼手段の燃
料ガス吐出口（例えばバーナの先端）と第一の伝熱管群
との距離は１００ｍ＋ｓ以内とすることが好ましい、言
い換えると、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５０ｍｍ程度以下であるため、結局、
第一の伝熱管群は、火炎の先端付近から５０１程度以内
に配置されることになる。第一の伝熱管群を上記より離
れた位置に配置した場合には、熱損失が大きくなり、本
発明の効果を充分に得られなくなる。第一の伝熱管群は
、燃焼手段に最も近接しているが、内部を疏れる水等の
流体により冷却されるので、熱損傷が防止される。第一
の伝熱管群は、部分的過熱による熱損傷を防止するため
、外面にフィンが付いていないものが好ましいが、伝熱
面積増大率の小さいフィンを付けてもよい。

通気性の輻射体は、第一の伝熱管群に隣接して燃焼手段
に対して離れた位置に配置される０通気性の輻射体とし
ては、特に限定されないが、例えばセラミックスハニカ
ム体などがその軽量性、低通気抵抗性、高実効輻射率な
どゆえに好適である。またセラミックスシュパンクバー
ナプレート、セラミックス三次元網状体なども採用しう
る。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ム
ライト、スボジュメン、コージライト、アルミニウムチ
タネート、リチウムアルミニウムチタネート、炭化ケイ
素、窒化ケイ素などが使用できる０通気性の輻射体は、
燃焼ガスが通過することにより白熱し、第一の伝熱管群
および第二の伝熱管群に輻射熱を照射する。この場合、
第一の伝熱管群がないと、輻射熱は直接燃焼手段に照射
され、燃焼手段、例えばバーナ等が過熱されて好ましく
ない、第一の伝熱管群を燃焼手段に近接されて設けたこ
とによりＣＯ等の不完全燃焼生成物が発生するが、これ
らの不完全燃焼生成物は通気性の輻射体を通過する際に
、輻射体の熱を受けて完全燃焼する。この場合、輻射体
がセラミックスの場合には、セラミックス自身が有する
触媒作用により、不完全燃焼生成物の完全燃焼が促進さ
れる。

さらには、輻射体に酸化触媒等の触媒を担持させて不完
全燃焼生成物の燃焼を促進させるようにしてもよい。第
一の伝熱管群が加熱されることにより、その内部を流れ
る流体が加熱されることはいうまでもない。

第二の伝熱管群は、輻射体に隣接して燃焼手段に対して
さらに離れた位置に配置される。第二の伝熱管群は、輻
射体を通過してきた燃焼ガスに接触して加熱されると共
に、輻射体から輻射熱を受けて加熱される。そして、燃
焼ガスと熱交換することにより内部を流れる流体を加熱
する。第二の伝熱管群は、伝熱効率を向上させるため、
外面にフィンを有するものが好ましい、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
、伝熱管が千鳥状に配列されることが好ましい。

なお、第一の伝熱管群および第二の伝熱管群の伝熱管の
材質は、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの耐熱、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が最も好ましい０本発明の場合、第
一の伝熱管群を燃焼手段に近接させたことにより、第一
および第二の伝熱管群が大きな伝熱負荷を受けて局部的
に高温となりやすい、また、場合によっては、水などの
被加熱流体が局部沸騰を起こして発生した蒸気等により
伝熱を阻害され、局部的に非常に高温となることもある
。したがって、耐熱性に乏しい金属製とした場合には、
伝熱壁が過熱して激しく酸化され、極端な場合は溶損す
ることもあるので材質、レイアウト、使用条件などの仕
様を適宜選択することが望ましい、この点、セラミック
ス製とした場合には、充分な耐熱性が得られる。また、
燃焼ガスの保有する熱を顕然のみならず潜熱まで回収し
ようとする場合には硝酸の発生をきたすことがあり（天
然ガス自体はクリーンであるが、高温の燃焼によりＮＯ
ｘが発生し、これが低温になると水分と結びついて硝酸
となる）、その点からも＃腐食性を有するセラミックス
が好ましい、同様な理由で、伝熱管の外面に設けるフィ
ンの材質もセラミックスが好ましいが、銅、ステンレス
などの金属も使用できる。

「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、上方が開口されたケーシング
１２で全体を囲まれており、ケーシング１２内の下部に
はバーナ１３が配置されている。バーナ１３は複数のノ
ズル１４を有し、ノズル１４から燃料ガス、例えば天然
ガスを噴出させて火炎１５を形成するようになっている
。

八−す１３の上部には第一の伝熱管群１Ｂが配置されて
いる。この実施例の場合、第一の伝熱管群１Ｂの伝熱管
は、外径５〜２０ｍｍ、肉厚１〜３ａ＋ｍとされ、伝熱
管の配列間隔は１０〜２０ｍｍ、バーナ１３のノズル１
４先端からの距ａａは１００■以内とされている。なお
、第一の伝熱管群１６の伝熱管は、通常の円筒状のもの
でもよく、あるいは横断面が楕円形等の管であってもよ
い。

第一の伝熱管群１６の上部には、通気性の輻射体１８が
配置されている。この実施例では、輻射体１８として、
第３図に示すようなセラミックスハニカム体が用いられ
ている。このセラミックスハニカム体は、壁の厚さＷが
０．１〜２ｍｍ　、開孔率が６０％以上、高さｈが２〜
３０ＩＩ１層とされている。なお、セラミックスハニカ
ム体のセルの形状は、第３図に示すような正方形のもの
に限らず、必要に応じて長方形あるいは六角形のもので
あってもよい、さらには波板同士、あるいは波板と平板
を多数積層して形成されるようなセラミックスハこカム
体でもよい。

輻射体１８のさらに上部には、第二の伝熱管群１９が配
置されている。この実施例では、第二の伝熱管群１９は
、波板と平板とを交互に多数積層して形成されたハニカ
ム体と、このハニカム体を貫通する複数の伝熱管とから
なる。ハこカム体のセルの走行方向に対して伝熱管は垂
直に配置されており、各伝熱管は相互に平行に、かつ、
千鳥状に配置されている０貫通部においてハニカム体と
伝熱管とは接していてハニカム体の各部がフィン２０と
して機能している。第二の伝熱管群１９の伝熱管は外径
５〜２０ｍｍ、肉厚１〜３■とされ、伝熱管の配列間隔
は１５〜５ｈｍとされ、また、フィン２０の肉厚は０．
１〜１ｍｍ　、　フィン２０の配列間隔は１〜１０ｍｍ
とされている。

なお、第一および第二の伝熱管群１６．１９の伝熱管は
、一般には水平に配置されるが、被加熱流体が沸騰した
際に気泡が抜けやすいように、被加熱流体の入口側に比
べて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１６および第二の伝熱管群１８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
には水が好適である。被加熱流体は第一の伝熱管群１Ｂ
と第二の伝熱管群１９とにそれぞれ独立に流されてもよ
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
１９に流し、ここを出た被加熱流体を次いで第一の伝熱
管群ＩＢ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、また各伝熱管群に
おいて伝熱管が燃焼ガス流れ方向に複数段設けられてい
るときには、第一の伝熱管群１６内においては並流とし
、第二の伝熱管群！９内においては向流とすることなど
もできる。

上記実施例の流体加熱装置１１と、これとは異なる構成
の流体加熱装置とを用いて性能を評価する実験を行なっ
た。実験条件および実験結果は次の通りである。

（実験条件） ■燃料：天然ガス、空気過剰率１．０２■被加熱流体：
入ロ水温は２０℃の水をまず第一の伝熱管群１Ｂに流し
、ここを出たのち、第二の伝熱管群１８に流す ■第一の伝熱管群１６：内径４．５ｔａｔａ　＋外径７
ｍ厘　、配列間隔１２＋ｕ＋　、全部で１０本−列に配
置１反応焼結炭化ケイ素製 ■輻射体１８：２０セル／１ｎｃｈ２．セル断面が正方
形のハニカム、ガス流れ方向の高さｈ２０ｍｍ、ムライ
ト酸 ■第二の伝熱管群１９：伝熱管の内径８．５層膚、外径
１２ｍｍ　、フィンの厚さ０．４ｍｍ　、フィンによる
伝熱面積増大率２０倍１反応焼結炭化ケイ素製、外面基
準伝熱面ａ１．４ｒｎ’、燃焼ガス流れ方向の寸法ｂ　
８５なお、実施例の装置においては、バーナ１３のノズ
ル１４先端から第一の伝熱管群１６までの距離ａを５０
ｍｍ、バーナ１３のノズル１４先端から第二の伝熱管ａ
ｔ　１９　ｔ　テｃ７）　距ｇＩ　ｃ　’Ｆｔ　８０ｍ
ｍとした。

また、対照例の装置においては、第一の伝熱管群Ｉ６お
よび輻射体１８を設けず、実施例の装置に用いたのと同
様に第二の伝熱管群１９のみを設け、７′−−す１３の
ノズル１４先端から第二の伝熱管群１９までの距＃Ｃを
２５０ｍｍとした。

（実験結果） 実施例の装置と対照例の装置の性能を比較すると次表の
通りである。なお、排出ＣＯＣ度以外は相対比で示しで
ある。

（以下、余白） また、水の流れを少なくとしていくと、対照例の装置で
は、出口水温７２℃で局部沸騰が最上部の伝熱管内で発
生した。これに対して、実施例の装置では、出口水温８
３℃で初めて最上部の伝熱管内で局部沸昆が発生した。

なお、局部沸騰の発生は、大きな音と共に振動が発生す
る状態で判断した。

このように、実施例の装置では、第一の伝熱管群１６お
よび輻射体１８を設けたことにより、ｃｏｅ度を低く抑
えつつ、バーナを伝熱管に近接させて燃焼空間を大幅に
縮小化することができる。また、局部沸騰を起こしにく
くなり、出口水温を大幅に上昇することができる。

実施例の装置が局部沸騰を起こしにくい理由は次のよう
に考えられる。すなわち、輻射体１８は燃焼ガスにより
加熱され、内部の伝熱によりその温度は均一化される。

そして、輻射体１８から第二の伝熱管群１９に均一な輻
射熱が照射され、第二の伝熱管群１９が均一に加熱され
るためと考えられる。

また、第一の伝熱管群１６が局部沸騰を起こさないのは
、外面にフィンをもたないので管壁の温度が低く抑えら
れるため、および、第一の伝熱管群１８が火炎による強
い対流伝熱だけでなく、これと同等の輻射熱を輻射体１
８から受けているためと考えられる。

実験中、第二の伝熱管４Ｔ１０は、輻射体１８からの強
い輻射熱を受けて、フィン２０の先端は小豆色に色付い
ており、６５０℃以上になっていたものと推定される。

第二の伝熱管群１９の材質としては反応焼結炭化ケイ素
を用いたが、反応焼結炭化ケイ素は、熱伝導率が常温テ
１７０ｋｃａｌ／ｒｎ’ｈ　℃、１０００℃で５０　ｋ
ｃａｌ／ｒｎ’ｈ　”Ｃと非常に大であり、もし熱伝導
率が高々２０　ｋｃａ　ｌ／ｍ１６℃の耐熱合金を用い
ていたとしたら、フィン２０の先端は８５０℃以上にな
るものと推定される。また、第一の伝熱管群１Ｂは、内
部に比較的低温の水が流れるのであるが、火炎に近接し
ているので局部的にはかなり高温となる。したがって、
このような使用条件に対しては、耐熱合金では長期の使
用に耐えがたい可能性もあり、より適切な仕様を設定す
るのが好ましい。なお、第一および第二の伝熱管群１６
．１９を反応焼結炭化ケイ素としたことにより、ＮＯｘ
の発生に伴なう硝酸に対して、耐腐食性も得られる。

第４図および第５図には、本発明による流体加熱装置の
他の実施例が示されている。この流体加熱袋ｆｉｌｌで
は、ケーシング２０の上部が閉塞され、下部に排気口２
１が形成されている。そして、ケーシング２０内に、バ
ーナ１３．第一の伝熱管群１６、輻射体１８、第二の伝
熱管群１８が順次上方から下方に向けて配置されている
。さらに、ケーシング２０の底部には凝縮水の受は皿２
２が配置されている。したがって、この装置１１では、
燃焼ガスが上方から下方へ流れ、凝縮水が下方に流れる
ようになっている。この装置１１は、燃焼ガス中の潜熱
をも回収するタイプのものに好適である。

また第１図、第４図に示す実施例において、通気性の輻
射体１８とフィンを備える第二の伝熱管群１９との間に
、さらにフィンなしの伝熱管群を配置することも好まし
い、これにより、フィンを備える第二の伝熱管群１８の
高温部側と低温部側との温度差を緩和できる。さらに、
燃焼手段側から順にフィンなし伝熱管群、通気性の輻射
体、フィンなし伝熱管群、通気性の輻射体、フィンつき
伝熱管群を配置するごとくしてもよい。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、燃焼手段に近接
した位置から、第一の伝熱管群、通気性の輻射体、第二
の伝熱管群を順次配置したので、通気性の輻射体から第
一の伝熱管群および第二の伝熱管群に輻射熱が照射され
、燃焼熱を有効に利用することができる。また、第一の
伝熱管群を燃焼手段に近接させることにより不完全燃焼
生成物が発生したとしても、輻射体を通過する際に完全
燃焼されるので、不完全燃焼生成物の発生を極めて少な
くすることができる。さらに、第一の伝熱管群を燃焼手
段に近接して燃焼空間を大幅に縮小し、装置をコンパク
ト化することができる。

【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ＴＩ　−１１線に沿
った断面図、第３図は同装置で使用される輻射体の一例
を示す斜視図、第４図は本発明による流体加熱装置の他
の実施例を示す正面断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線
に沿った断面図である。 図中、１１は流体加熱装置、１２はケーシング、１３は
バーナ、１４はノズル、１５は火炎、１Ｂは第一の伝熱
管群、１８は通気性の輻射体、１９は第二の伝熱管群、
２０はフィンである。 一■ 一■ 第１ｖＡ 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼手段に近接して第一の伝熱管群を配置し、こ
   の第一の伝熱管群に隣接して前記燃焼手段より離れた位
   置に通気性の輻射体を配置し、さらにこの輻射体に隣接
   して前記燃焼手段より離れた位置に第二の伝熱管群を配
   置した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、前記第一の伝熱
   管群、前記通気性の輻射体および前記第二の伝熱管群は
   いずれもセラミックスからなる流体加熱装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記第一の伝熱管群は外面にフィンのない管とし、前記第
   二の伝熱管群は外面にフィンを有する管とした流体加熱
   装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一
   において、前記第一の伝熱管群は、前記燃焼手段の燃料
   ガス吐出口より１００ｍｍ以内の範囲に配置されている
   流体加熱装置。