JPS63279052A - 改良してなる流体加熱装置 - 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、湯沸器、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］ 従来の湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどの流体加熱装置
は、ケーシングの一方の端部にバーナーなどの燃焼手段
を配置して燃焼ガスを生成させ、ケーシングの内部を燃
焼ガスの流路とし、この燃焼ガスの流路な横切るように
伝熱管を多段構造に配列してできており、燃焼ガスの接
触によって伝熱管を加熱するいわゆる対流熱伝達を利用
したものであった。

これに対し、燃焼室の小型化、燃焼熱の効率利用を目的
とし、対流熱伝達に加えて輻射熱伝達も利用するように
、伝熱管の間にセラミックス製の輻射体を配置した流体
加熱装置が特開昭６２−８４２５８号として本出願人よ
り提案されている。

ところが、輻射体、特にはセラミックスからなる輻射体
を、一般に金属製のケーシングに固着して支持しようと
すると、構造が複雑になり部品や組立に要する手間がか
かるばかりでなく、ケーシングと輻射体の熱膨張差のた
め輻射・体が破損しやすいという問題点があった。

［発明の目的１ 本発明の目的は、前記したような伝熱管の間に通気性の
板状輻射体が配置された流体加熱装置において、輻射体
を簡単な構造で支持すると共に、横積み・さかさ積みな
ど手荒な輸送・保管を受けてもこの流体加熱装置の使用
時には輻射体の不適切な移動や重なりを来さず、さらに
は熱膨張などによる破損を防止できるようにした流体加
熱装置を提供することにある。

［発明の構成１ 本発明の流体加熱装置は、ケーシングの内部に伝熱管が
複段に配置され、前記伝熱管の間に通気性の板状輻射体
が、支持部材および／または伝熱管に載置されて配置さ
れてなり、かつ、前記輻射体とその近接上方に位置する
伝熱管との間隙が、前記輻射体の板厚より小さいことを
特徴とす、る。

本発明では、輻射体をケーシングに固着するのではなく
、支持部材および／または伝熱管の上に単に載せて支持
した、すなわち載置したので、使用中のケーシングと輻
射体の熱膨張差による輻射体などの破損が防止されるだ
けでなく、輻射体の寸法精度について許容範囲が広くな
る。

本発明では、一般に燃焼ガスの流路の上流側のケーシン
グの端部に、バーナーなどの燃焼手段が配置されて、全
体としてコンパクトな流体加熱装置とされる。燃焼手段
としては、拡散燃焼型バーナーなどの通常のものも使用
できるが、より好ましくは、燃焼用空気と燃料ガスとを
予め混合し、この混合ガスをバーナープレートより噴出
させて燃焼させる予混合バーナーが採用され、高い面負
荷、高い燃焼室負荷が図られる。

本発明において、伝熱管は燃焼ガスの流路を横切って複
段に配置される。すなわち、燃焼ガス流路の上流側の段
を構成する第１の伝熱管と、燃焼ガス流路の下流側の段
を構成する第２の伝熱管を有し、輻射体は第１の伝熱管
と第２の伝熱管との間に配置される。第１の伝熱管と第
２の伝熱管とはそれぞれ１本ずつであっても良いが、一
般にはそれぞれを複数の伝熱管で構成した方が熱効率が
高くなる。

また、伝熱管は複数本に分かれて複数の独立した流路を
形成するものを採用してもよいが、例えばケーシングの
外側ないしは内側で端部を順次連結されて、全体として
連続した流路を形成するものを採用するのが好ましい。

この場合、伝熱管はケーシングの内部を通るように配置
するだけでなく、一部の伝熱管はケーシングの外周に接
して走るように配置して、ケーシング外壁からも熱交換
を行うと共に、ケーシングを冷却するようにしてもよい
。

また、載置された板状輻射体と、それの近接上方に位置
する伝熱管との間隙を輻射体の板厚より小さく設定した
ため、装置が輸送中に振動を受けたり、さらには横積み
・さかさ積みなど手荒な輸送・保管を受けるなどしても
、輻射体の移動が制限され、輻射体の破損が抑制される
。特に、複数の輻射体を並べて載置した場合には、輻射
体と伝熱管との間隙に別の輻射体が入り込むことが防止
されるため、輻射体の重なり合うことがなぐ、輻射体を
固着していないにもかかわらず、輻射体が装置中で必ず
正しい位置に納まる。また輻射体とその上方の伝熱管と
が近接していることにより、装置全体を小型にすること
ができる。

輻射体の支持方法としては、第１図および第２図などに
示したように輻射体を伝熱管に直接載せる方法に限られ
ず、第４図に示したようにケーシング１２内壁に設けら
れた支持部材２１に輻射体１７を載せる方法、および第
５図に示したように支持部材２１と伝熱管２２の両者に
またがるように輻射体１７を載せる方法なども採用でき
る。なお、第５図では伝熱管２２はローフイン２３を有
し、ローフイン２３の上縁に輻射体１７が載せられてい
る。

直接伝熱管に載せる場合は、装置を簡略化できる点、支
持部材による燃焼ガス通気抵抗の増大がない点、支持部
材に覆われることによる輻射面積の実質的減少がない点
、輻射体と伝熱管の接触部からの伝導熱伝達により伝熱
効率がさらに高められる点などで好ましい。

輻射体を支持部材に載せる場合は、伝熱管の配置は特に
限定されないが、輻射体を伝熱管に載せる場合は、輻射
体の載置される伝熱管が二本以上水平に配置されている
か一本の伝熱管の場合にはフィンのある時はフィンを含
めた伝熱管の上面が水平な載置面を有していることが望
ましい。同様に支持部材と伝熱管にまたがるように輻射
体な載せる場合は、伝熱管は支持部材と同じ高さに水平
に配置されているのが望ましい。

以下においては、輻射体を直接伝熱管に載置した場合に
ついてのみ記載するが、本発明は、第４図、第５図にも
示した如く、支持部材に載置する場合をも、同様に包含
するものである。

第１の伝熱管は、燃焼直後の高温の燃焼ガスに直接さら
され、かつ輻射体からの輻射熱を受けるため、フィンの
ないベアーチューブで十分効率的に熱を吸収し得る。フ
ィンを設ける場合は、フィンの外周端縁部の過熱・熱変
形を防ぐため、フィンの高さを３　ｍｍ以、下にするの
が好ましい。

第１の伝熱管の近接下流側には輻射体が配置され、さら
にその近接下流側に第２の伝熱管が配置される。第２の
伝熱管の配置域に流入する燃焼ガスは、第１の伝熱管お
よび輻射体の配置域を通過する際の熱交換により、温度
が低下している。そこで、第２の伝熱管は外面にフィン
を有するものとして、対流熱伝達を向上させるのが好ま
しい。

フィンは各伝熱管が独立して有していても良いが、多数
の平行な平板フィンに複数の平行な伝熱管が貫通するよ
うな構成にしても良い。フィンの外周縁は単純・な長方
形とすることもできるが、長方形の頂点部のように伝熱
管からの距離が長いところは過熱しやすいので、フィン
の外周縁を各伝熱管からほぼ同心円状にフィン高さが同
じようにし滑らかな谷部を形成するような形状にして過
熱を防ぐこともできる。

本発明では、通例は、ケーシングの下部に燃焼手段を設
けて燃焼ガスを下から上に流すが、逆にケーシングの上
部に燃焼手段を設けて燃焼ガスを上から下に流すことも
可能である。前者の場合、輻射体は上流側の第１の伝熱
管の上に載置され、下流側の第２の伝熱管の下端と輻射
体の上面との距離が輻射体の厚さより小さく設定される
。後者の場合、輻射体は下流側の第２の伝熱管の上に載
置され、上流側の第１の伝熱管の下端と輻射体の上面と
の距離が輻射体の厚さより小さく設定される。

伝熱管にフィンが形成されている場合はフィンも伝熱管
の一部として考える。例えば、ケーシングの下部に燃焼
手段を設けた場合、輻射体は第１の伝熱管に載置される
が、第１の伝熱管にフィンが形成されている時はそのフ
ィンの上に載置される。また輻射体と第２の伝熱管の間
隙とは、第２の伝熱管にフィンが形成されている時はフ
ィンと輻射体の距離を意味する。フィンの下縁に凹凸が
ある場合はフィンの下縁の最も輻射体に近い部分と輻射
体との距離を指す。燃焼手段をケーシングの上部に設け
た場合は先の例の第１の伝熱管と第２の伝熱管の関係が
逆になる。

本発明の流体加熱装置においては、燃焼ガス流路断面の
全域を１枚の輻射体でカバーしても良いが、複数の輻射
体を並べることにより断面を分割してカバーしても良い
。複数の輻射体を用いる場合において断面の分割方法は
特に制限はなく、載置される伝熱管の長手方向にも、そ
れに垂直な方向にもまたそれら両方向にわたって分割さ
れていても良い。ただし、伝熱管に直接載置する場合に
は、輻射体は少なくとも２本の伝熱管にまたがる大きさ
とされる。

輻射体は、１枚の場合も複数の場合も載置された状態で
ケーシング内壁に対してクリアランスを有していること
が、熱膨張差による応力が生じないため好ましい。

輻射体としては、高温で効果的な輻射熱を発生させるよ
うにするため、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ア
ルミニウム、コージライト、ムライト、リチウムアルミ
ニウムシリケート、アルミニウムチタネートなどのセラ
ミックスが好適な材質として挙げられる。特に耐熱性、
高強度、高熱伝導性のセラミックス、例えば炭化ケイ素
、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどが好ましい。

そして、輻射体としては、燃焼ガスの流通を妨げないよ
うにし、かつ燃焼ガスとの接触面積を広くとるようにす
るため、通気性を有するものが採用される。かかる通気
性を有する構造としては、例えばハニカム体、三次元網
状体、連通気泡体、網状物積層体などが挙げられるが、
この中でもハニカム体が、通気抵抗が低いため好ましい
。ハニカム体は板面の表裏に貫通する多数の平行セルを
有するもので、セル形状は正方形、長方形、六角形など
を適宜選択できる。またハニカム体は、波板どうし、あ
るいは波板と平板を多数積層して形成されたようなもの
であってもよい。

従来、伝熱管を燃焼手段に近づけすぎた場合には、伝熱
管により燃焼ガスが冷却されて０口などの発生を招くた
め、伝熱管を燃焼手段からある程度能して設置する必要
があった。本発明では、上流側の伝熱管と下流側の伝熱
管との間に輻射体を配置したので、上流側の伝熱管を燃
焼手段にかなり近接させたとしても、それによって発生
するＣＯなとは、その下流側に位置する輻射体を通過す
るときに加熱・酸化されて完全燃焼する。このため、伝
熱管を焼成手段に近接させて、単位容積当りの伝熱効率
を高めると共に、装置のコンパクト化を図ることができ
る。

［発明の実施例］ 以下に、本発明による流体加熱装置の実施例を説明する
。

第１図、第２図および第３図には、本発明装置の実施例
が示されている。この流体加熱装置１１は、上方が図示
しない排気口に接続されたケーシング１２を有しており
、このケーシングｌｚ内は、下方に配置されたバーナー
プレート１３を境にして。

下側が混合室Ｉ４、上側が燃焼室１５として構成されて
いる。面状のバーナープレート１３は上下面間を貫通す
る多数の炎孔を有し、混合室１４にて燃料ガスと空気と
で作られた予混合気を炎孔から噴出して面状の火炎を形
成する。なお、混合室１４に燃焼用空気を供給するファ
ン、燃料ガスを供給する燃料ガスノズル、火炎形成のた
めの点火手段は、図示を省略しである。そしてこのよう
な火炎を形成した後、生成される燃焼ガスは、燃焼室１
５の下側から上側に向って流れる。

バーナープレート１３の上部近接位置には、複数本から
なる第１の伝熱管１６が相互に平行に、かつ水平に配置
されている。この第１の伝熱管１６は、上下方向に一段
または複数段（この実施例では二段）に配置され、複数
段の場合は・、上下の伝熱管がなるべく重ならないよう
に、例えば千鳥配列とすることが好ましい。この実施例
においては、第１の伝熱管１６はペアチューブにより構
成されているが、フィンの高さ３ｍｍ以下のローフイン
チューブを用いても良い。第１の伝熱管１６のうち最下
段の伝熱管の下縁からバーナープレート１３の上面まで
の距離は１００ｍｍ以下、好ましくは５〜５０ｍｍとさ
れる。

そして、本発明においては、第１の伝熱管１６の上に、
セラミックスハニカム板からなる通気性の輻射体１７が
載置されている。この輻射体１７は、第３図に示すよう
に、第１の伝熱管１６のうち少なくとも２本にわたる長
さとされ、かつケーシング１２の内壁に対してクリアラ
ンスを有する大きさとされている。この実施例の場合、
輻射体１７は、第１の伝熱管１６の上段の３本の伝熱管
の上に載置され、伝熱管の長手方向に沿って２枚の輻射
体１７を配列することにより燃焼ガス流路の断面のほぼ
全域をカバーするようになっている。

更に、その上部には、複数本からなる第２の伝熱管１８
が相互に平行に、かつ水平に配置されている。第２の伝
熱管１８も第１の伝熱管１６と同様に上下方向に一段ま
たは複数段（この実施例では二段）に配置され、複数段
の場合は、上下の伝熱管がなるべく重ならないように、
例えば千鳥配列とすることが好ましい。

第２の伝熱管には、伝熱管に垂直に多数の平板フィン１
９が相互に平行に第２の伝熱管群を連結するような形で
配置されている。平板フィン１９は、第２図からもわか
る通り、その周縁部が各伝熱管からほぼ円状にフィン高
さが同じようにされ、滑らかな谷部を形成するように切
り出されている。

この場合、平板フィンの最下部とセラミックスハニカム
板との距離ｄは、セラミックスハニカム板の厚さｔより
も小さく設定される。また、この平板フィンをセラミッ
クスハニカム板に接して設定することもできるが高温時
の寸法変化を考慮してあらかじめクリアランスを設けて
おくのが好ましい。

次に、この流体加熱装置の作動を説明する。

混合室１４で作られた予混合気は、バーナープレート１
３の炎孔を通過して燃焼室１５に供給され、面状の火炎
を形成して１５００〜１６５０℃といった高温の燃焼ガ
スとなる。

この燃焼ガスは、第１の伝熱管１６に導かれ、対流熱伝
達によって燃焼ガスが有している熱エネルギーの一部を
第１の伝熱管Ｉ６内を流れる流体、特には水などの液体
へ伝達する。燃焼ガスは、第１の伝熱管１６相互間の間
隙を通過し、高温のまま輻射体１７内を流れ、この輻射
体１７をも加熱して白熱化させる。輻射体１７は、例え
ば＋０００−１２００’ｃの高温に保持され、主に第１
の伝熱管１６を輻射加熱する。したがって、第１の伝熱
管１６内を流れる流体は、燃焼ガスによる対流熱伝達と
輻射体１７による輻射熱伝達および輻射体１７と第１の
、伝熱管１６との接触部分からの伝導熱伝達によって受
熱する。なお、第１の伝熱管１６をバーナーブレー）−
１３に近接して配置したことにより、燃焼室１５におい
て燃料が完全に燃焼せずＣＤ等が発生したとしても、燃
焼ガスが高温の輻射体１７を通過する際に酸化され、残
存するＣＯ等の不完全燃焼ガス成分もほぼ完全に燃焼さ
れる。

そして、燃焼ガスは第１の伝熱管１６と輻射体Ｉ７を通
過する間にその温度が例えば８ｏｏ〜１０００’ｃに低
下し、第２の伝熱管１８に導かれ第２の伝熱管１８の内
部を流れる流体に再び熱エネルギーを伝達する。さらに
、輻射体１７からの輻射熱が第２の伝熱管にも照射され
る。

なお、この実施例では、被加熱流体は、第１の伝熱管１
６．ついで第２の伝熱管１８の順序で流れた後、ケーシ
ング１２外壁に接して配置された図示されない伝熱管を
通ってケーシングからも熱を吸収して外部に取り出され
るようになっている。

また、この実施例では、輻射体１７が第１の伝熱管１６
の上に直接載置されているので、輻射体１７を支持する
ための特別な構造が必要なく、装置の簡略化、製造コス
トの低減が図られる。この場合、第１の伝熱管１６内に
は被加熱流体が流れているので、第１の伝熱管１６は流
体によって冷却され、輻射体！７に接触しても充分な耐
熱性が保持される。

そればかりでなく、第１の伝熱管１６の輻射体１７に接
触した部分では、輻射体１７から熱が伝達するので伝熱
効率がより高められる。さらに輻射体１７はケーシング
１２内壁に対してクリアランスを設けて配置されている
ので、輻射体１７とケーシング■２との間の熱膨張差等
による応力発生もなく輻射体１７は破損することなく支
持される。

第６図には、燃焼手段をケーシングの上部に設けて、燃
焼ガスを上から下へ流すようにされた例を示す。この実
施例は全体として第１〜３図に示した流体加熱装置を倒
置した構造を有しており、燃焼ガスの流路に沿って、バ
ーナープレート１９の下方に上から順に第１の伝熱管１
６、輻射体１７、第２の伝熱管１８が配置されている。

具体的には、輻射体１７は第２の伝熱管１８の周囲に形
成された長方形の平板フィン２０の上に載置される。輻
射体１７の上面から第１の伝熱管１６の最下部までの距
離ｄは輻射体１７の板厚ｔより小さく設定されている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、輻射体をケーシ
ングに固着するのに代えて、支持部材もしくは伝熱管と
いった支持体の上に単に載置するようにしたので使用中
のケーシングと輻射体との熱膨張差による破損が防止さ
れるだけでなく、輻射体の寸法精度について許容範囲が
広くなる。

そのうえ、本発明によれば、載置された板状輻射体と、
その近接上方に位置する伝熱管との間隙を輻射体の板厚
より小さく設定したので、複数の輻射体を並べて載置し
た場合において、装置が輸送中に振動を受けるなどして
も、この間隙に隣接する輻射体が入り込まない。そのた
め、輻射体の重なり合うことが防止され、装置中で輻射
体が必ず正しい位置に納まる。さらに、輸送中の輻射体
のがたつきそのものが大幅におさえられるため、輻射体
の破損を減少させる効果もある。

また、本発明では輻射体と伝熱管の距離が従来より縮め
て、加熱装置全体の体積を減少させる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流体加熱装置の一実施例を示す断面図
、第２図は第１図におけるＩＩ　−ＩＩ線に沿った断面
図、第３図は第１図における■−■線に沿った断面図、
第４図および第５図は本発明による流体加熱装置のそれ
ぞれ異なる別の実施例における要部断面図、第６図は本
発明による流体加熱装置のさらに別に実施例を示す断面
図である。 図中、１１は流体加熱装置、１２はケーシング、１３は
バーナープレート、１４は混合室、１５は燃焼室。 １６は第１の伝熱管、１７は輻射体、１８は第２の伝熱
管、１９．２０は平板フィンである。 第Ｚ　図 術！ｉＩ幻

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ケーシングの内部に伝熱管が複段に配置され、前記伝熱
   管の間に通気性の板状輻射体が支持部材および／または
   伝熱管に載置されて配置されてなり、かつ、前記輻射体
   とその近接上方に位置する伝熱管との間隙が、前記輻射
   体の板厚より小さいことを特徴とする流体加熱装置。