流体加熱用燃焼器付熱交換器
【課題】 燃焼ガス通路や煙管などの大掛かりな設備を必要とせず、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器を提供することによって、上記課題を解決する。
【解決手段】 内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器を提供することによって、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体加熱用燃焼器付熱交換器に関し、詳細には、水や油、空気などの流体を加熱する小型で熱効率の良い流体加熱用の燃焼器付熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から水などの流体を加熱する装置は種々提案されている。例えば、特許文献１、２には、水槽内に配置された燃焼ガス通路或いは煙管内にバーナによって発生された高温の燃焼ガスを吹き込んで、水槽内の水を加熱する流体加熱装置が開示されている。しかし、これらの流体加熱装置においては、燃焼ガスを発生させるバーナとは別に、熱交換器として機能する燃焼ガス通路或いは煙管などを水槽内に配置しなければならず、装置が複雑で大掛かりなものとなるという不都合がある。また、燃焼ガス通路或いは煙管内を通過する燃焼ガスから水槽内の水への熱の伝達効率がそれほど高くなく、バーナが発生する燃焼ガスはまだ十分な熱量を持ったまま排気口から外部へと排出されてしまうので、効率の良い加熱ができないという欠点もあった。
【０００３】
このため、例えば特許文献３においては、全一次予混合強制燃焼式バーナを用い、バーナから発生する燃焼ガスを水槽内に配置した噴出体に設けられた多数の噴出口から水槽内に設けられた吸熱面に対して噴出させ、伝熱係数の増大を図ることが提案されている。また、特許文献４では、水槽の底面をバーナで直接加熱するとともに、バーナの燃焼ガスを水槽内に立設された噴出体内に導き、噴出体に設けられた多数の噴出口から水槽内に設けられた被加熱面に対して噴出させることによって、伝熱性能の向上を図ることが提案されている。
【０００４】
しかし、これらの流体加熱装置は、いずれも、多数の噴出口を備えた噴出体などを水槽内に設置する必要があり、構造が複雑で装置が大掛かりなものとなる上に、それほど高い伝熱効率が得られないという不都合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２１６７５号公報
【特許文献２】特開平１０−３２５６０３号公報
【特許文献３】特開２０００−２５７８５２号公報
【特許文献４】特開２００５−６９６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の流体加熱装置の欠点を解消するために為されたもので、燃焼ガス通路や煙管などの大掛かりな設備を必要とせず、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究と試行錯誤を重ねた結果、通常は被加熱流体を収容する流体容器内に設置される煙管などの燃焼ガス通路を燃焼器と一体化させて燃焼器における燃焼室の外側に配置し、燃焼器の燃焼室からの熱と、燃焼ガス通路を通過する燃焼ガスが有している熱の双方を、燃焼ガス通路を形成する伝熱管に伝えることによって、燃焼ガス通路や煙管などの大掛かりな設備を必要とせずに、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置が得られることを見出して本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、燃焼器と；内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器を提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【０００９】
上記のとおり、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器においては、燃焼器の外側に、燃焼器内で発生した燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路を形成する伝熱管が設けられており、かつ、その燃焼ガス通路には、燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体が配置されているので、燃焼ガス通路を通過する燃焼ガスが持っている熱が前記熱伝導体を介して伝熱管に伝えられるだけでなく、燃焼器の燃焼室内で発生した熱も、燃焼室を形成する壁面を伝熱面として前記熱伝導体を介して伝熱管に伝えられる。このため、極めて効率の良い伝熱が可能となる。なお、上記熱伝導体と、燃焼器の外周面、及び伝熱管の内周面との接触は、当然のことながら、接触面での熱伝導がスムースに行われるように密に接触しているのが好ましい。
【００１０】
燃焼ガス通路に配置される前記熱伝導体は、燃焼ガス通路を閉塞することなく、燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面の双方と接触していれば良く、その形状や数には特段の制限はない。例えば、燃焼ガスが通過する通路を形成するように折り曲げた１又は複数の板状の熱伝導体、若しくは、短冊状に裁断された複数の板状の熱伝導体を、燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面と接触させて燃焼ガス通路に配置しても良い。或いは、燃焼ガスが通過することができる空間部を内部若しくは表面に形成した１又は複数のブロック状の熱伝導体を燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面の双方と接触するように燃焼ガス通路に配置しても良いし、複数の柱状の熱伝導体をその上端と下端とをそれぞれ燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面と接触させて、互いに間隔をあけて千鳥状又は碁盤目状に燃焼ガス通路に配置しても良い。さらには、これら種々の形状の熱伝導体の１種若しくは複数種を混在させても良い。板状の熱伝導体を用いる場合には、その板面は平面であっても曲面であっても良く、柱状の熱伝導体としては、その断面形状が円形、楕円形、三角、四角、五角、六角等の多角形のいずれであっても良く、任意の他の形状であっても良い。また、板状の熱伝導体を燃焼ガス通路に配置する場合には、熱伝導体の板面は、燃焼ガス通路における燃焼ガスの通過方向に対して平行であっても良いし、傾斜していても良い。
【００１１】
熱伝導体としては、熱伝導性を有し、燃焼ガスと接触して燃焼ガスの熱を伝熱管に効率良く伝達することができるとともに、燃焼器の壁面からの熱も伝熱管に伝えることができるものであれば、どのような材料を使用しても良いが、熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましく、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、チタンなどの金属を使用することができるが、中でもアルミニウム又は銅を用いるのが好ましい。
【００１２】
このように、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器においては、いわば、熱交換器の内側に燃焼器が配置され、両者が一体化した構造となっているので、非常に小型でコンパクトな流体加熱装置が実現される。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器を少なくともその伝熱管の部分が流体容器内に位置するように流体容器に取り付けるか、浸漬するだけで各種の流体を加熱することができ、別途、燃焼ガス通路や煙管などを流体容器内に設置する必要がない。
【００１３】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器に用いられる燃焼器としては、燃焼室を備え、かつ、燃焼ガスを発生させることができるものであれば、どのような燃焼器を用いても良いが、好適には、先端部が開口し、内部に燃焼室を形成する燃焼管と、前記燃焼管内に配置されたバーナとから構成されているのが望ましい。また、バーナとしては、開口した先端部と混合ガス入口を有するバーナ管と、バーナ管の開口した先端部と混合ガス入口との間に配置された混合ガス噴出部とを有しているバーナを使用するのが好適である。さらに、前記伝熱管は、自身の内周面と燃焼器の外周面との間に燃焼ガス通路を形成すべく、前記燃焼器を構成する燃焼管の開口した先端部と間隙をあけて対向する閉止された先端部と、この閉止された先端部と前記燃焼ガス通路を隔てた位置に燃焼ガス排気口を有しているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、その好ましい一態様において、バーナ管に供給される混合ガスを燃焼ガスの熱で予熱する構造を備えている。すなわち、その好ましい一態様において本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、外部から混合ガスの供給を受ける混合ガス供給口を有する混合ガス供給管を備え、前記混合ガス供給管は、前記バーナ管の外周面と自身の内周面との間に前記混合ガス供給口から前記混合ガス入口へと向かう混合ガス通路を形成するとともに、前記伝熱管の内周面と自身の外周面との間に前記燃焼ガス通路から前記燃焼ガス排気口へと向かう燃焼ガス排気通路を形成し、前記混合ガス通路の少なくとも一部は前記混合ガス供給管の管壁を隔てて前記燃焼ガス排気通路と間接的に接触する位置にあり、前記混合ガス通路を通過する混合ガスが前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスによって予熱される流体加熱用燃焼器付熱交換器である。
【００１５】
燃焼ガス通路に配置される熱伝導体を介して自身の熱を伝熱管に伝えた後であっても、燃焼ガスの温度は、外部からバーナ管に供給される混合ガスに比べればまだ高温であるので、この燃焼ガスが持つ熱を前記混合ガス供給管の管壁を介してバーナ管に供給される混合ガスに伝達して混合ガスを予熱することによって、さらに伝熱効率を高めることができる。前記燃焼ガス排気通路及び／又は前記混合ガス通路には、前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスからの伝熱や、前記混合ガス通路を通過する混合ガスへの伝熱を効率良く行うために、熱伝導性を有するフィンを設置するのが望ましく、このフィンは前記混合ガス供給管と接触しているのが望ましい。
【００１６】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、内側に燃焼ガス通路を有する伝熱管の部分が加熱対象である流体と接触するように、加熱対象である流体を収容する容器の壁面、底面、若しくは上面に取り付けるか、加熱対象である流体内に浸漬して使用することができる。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器が燃料として用いる混合ガスとしては、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によって燃焼させることができる限り特段の制限はないが、好適には、液化石油ガス、液化天然ガス、或いは都市ガスなどの燃料ガスと空気との混合ガスを用いることができる。なお、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、好適には、例えば水、油などの液体や、空気などの気体などの加熱に用いられ、例えば、湯沸かし器、ボイラー、フライヤー、空気加熱器などとして使用することができるが、どのような流体の加熱に用いても良いことは勿論である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置が実現されるので、燃料ガスの使用量を減らし省エネルギーであるとともに、ＣＯ２の削減にも寄与することができるという利点が得られる。また、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、コンパクトに構成されているので、使用材料を減らし、省資源にも寄与するものである。さらに、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、内側に燃焼ガス通路を有する伝熱管部分が加熱対象である流体と接触するように、被加熱流体を収容する容器の壁面、底面、若しくは上面に取り付けるか、或いは被加熱流体内に浸漬するだけで、容器内の流体を効率良く加熱することがきるので、極めて使い勝手が良いという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の一例を示す断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’断面図であり、熱伝導体の配置の一例を示す図である。
【図３】熱伝導体の配置の他の一例を示す図である。
【図４】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図５】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図６】図５のＺ−Ｚ’断面図である。
【図７】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図８】図７のＺ−Ｚ’断面図である。
【図９】本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の他の一例を示す断面図である。
【図１０】図９のＹ−Ｙ’断面図であり、フィンの配置の一例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器を説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
【００２０】
図１は、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の一例を示す断面図である。図１において、１は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器、２はバーナ管である。図に示すとおり、バーナ管２の先端部２ｆは開口しており、バーナ管２の基端部側には、混合ガス入口３が設けられている。４は、バーナ管２内に設けられた混合ガス噴出部であり、混合ガス噴出部４はバーナ管２の先端部２ｆと混合ガス入口３との間の位置に配置されている。本例において、混合ガス噴出部４には、後述するとおり、混合ガス噴出口としてノズルが形成されているが、ノズルに代えて、表裏連通した多数の細孔を有する、例えばメタルニットなどの金属繊維製の多孔質部材や、多孔質セラミックなどを混合ガス噴出部４として用いても良い。５は、バーナ管２の内側に配置されたスパークプラグであり、スパークプラグ５の先端部はバーナ管２の先端部２ｆよりも先端部側に突出している。６はスパークプラグ５の保護管であり、バーナ管２の基端部２ｂは保護管６を挿通した状態で閉止されている。本例においては、バーナ管２、混合ガス噴出部４、及びスパークプラグ５によってバーナが構成されている。なお、本明細書において、先端部側とは流体加熱用燃焼器付熱交換器１の先端部の側（図１においては左側）を意味し、基端部側とは流体加熱用燃焼器付熱交換器１の基端部の側（図１においては右側）を意味する。
【００２１】
７は燃焼管であり、燃焼管７は、バーナ管２の外径よりも大きな内径を有しており、バーナ管２の少なくとも先端部２ｆの部分をその内側に内包して、バーナ管２の外側にバーナ管２と同軸に配置されている。燃焼管７の先端部７ｆは開口しており、燃焼管７の基端部７ｂは閉止されている。燃焼管７の内側の空間は燃焼室αとして機能する。本例においては、この燃焼管７と、バーナ管２、混合ガス噴出部４、及びスパークプラグ５によって構成されるバーナとによって、燃焼器が構成されている。
【００２２】
８は伝熱管であり、伝熱管８の先端部８ｆ及び基端部８ｂは閉止されており、閉止された先端部８ｆは燃焼管７の先端部７ｆと間隔をあけて対向している。９は伝熱管８の基端部に取り付けられている燃焼ガス排気口である。伝熱管８は、燃焼管７の外径よりも大きな内径を有しており、燃焼管７と同軸に配置され、伝熱管８の内周面と燃焼管７の外周面との間に燃焼ガス通路Ｖを形成している。燃焼ガス通路Ｖには、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触する熱伝導体１０が配置されている。本例において、燃焼ガス通路Ｖは、熱伝導体１０によって、燃焼ガスの進行方向に沿った複数の小通路に仕切られている。なお、１１は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１を容器壁面などに取り付ける際に利用される取付用のフランジである。
【００２３】
本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナを構成するバーナ管２、燃焼器を構成する燃焼管７、及び伝熱管８はいずれも断面円形の円筒形状を有しているが、バーナ管２、燃焼管７、及び伝熱管８の断面形状は円形に限られない。また、本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナ管２、燃焼管７、及び伝熱管８はいずれも同軸に配置されているが、これら三者のうちのいずれか１つは他の２つと同軸に配置されていなくても良く、また三者とも同軸でなくても良い。
【００２４】
図２は図１のＸ−Ｘ’断面図である。図に示すとおり、燃焼管７の外周と伝熱管８の内周との間に形成されている燃焼ガス通路Ｖは、熱伝導体１０によって、燃焼ガスの進行方向に沿って、燃焼ガスの進行方向と平行な複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・に仕切られている。本例においては、熱伝導体１０は、薄い板状の部材を、断面が交互に逆向きのコの字となるように折り曲げたものであり、その折り曲げた状態のまま、燃焼ガス通路Ｖ内に挿入され、配置されている。熱伝導体１０の外側の面は、一つおきの小通路ｖ１、ｖ３、ｖ５・・・において伝熱管８の内周面と接触しており、熱伝導体１０の内側の面は、一つおきの小通路ｖ２、ｖ４、ｖ６・・・において燃焼管７の外周面と接触している。なお、熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖ内における燃焼ガスの進行方向に沿った方向において２若しくは３以上の部分に分割されていても良い。
【００２５】
本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、燃焼ガス通路Ｖ内に、燃焼ガス通路Ｖを複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・に仕切る熱伝導体１０が存在し、熱伝導体１０は伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面の双方と接触している。このため、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスは、複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する際に、広い面積で熱伝導体１０と接触して、持っていた熱を効率良く熱伝導体１０を介して、伝熱管８へと伝達することができる。同時に、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０に伝わり、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。
【００２６】
このように、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスが持っている熱と、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αに発生する熱の双方が、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達され、伝熱管８の外側に存在する水などの流体を加熱するので、極めて伝熱効率の良い加熱が実現される。また、燃焼室α内で発生する熱を、燃焼管７の管壁を伝熱面として熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝えて逃がすことができるので、燃焼管７の温度上昇を抑制し、過熱による燃焼管７の破損や、寿命の低下を防止することができる。
【００２７】
図２において、４ｎは混合ガス噴出部４に形成されているノズルであり、そのうちの１つのノズル４ｎはスパークプラグ５の外周と混合ガス噴出部４の内周との間隙として形成されており、他の４つのノズル４ｎは混合ガス噴出部４に互いに９０度の間隔をあけて設けられた開口として形成されている。なお、混合ガス噴出部４にノズルを形成する代わりに、混合ガス噴出部４を、例えばメタルニットなどの金属繊維製の多孔質部材や、多孔質セラミックなどの表裏連通した多数の細孔を有する多孔質部材で構成しても良い。その場合には、スパークプラグ５の外周と混合ガス噴出部４の内周との間隙は混合ガス噴出部４によって閉塞されるのが望ましい。
【００２８】
図１及び図２に示される本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１は以下のように動作する。すなわち、図示しない混合ガス供給源から燃料用ガスと空気との混合ガスを混合ガス入口３に供給すると、供給された混合ガスはバーナ管２内を流れ、混合ガス噴出部４に設けられたノズル４ｎから、バーナ管２の先端部２ｆに向かって噴出する。タイミングを見計らってスパークプラグ５に電圧を印加すると、スパークプラグ５とアース電極を兼ねるバーナ管２の先端部２ｆとの間で放電して混合ガスに着火し、混合ガスは燃焼室α内で炎Ｆとなって燃焼する。なお、スパークプラグ５に代えて、例えば電熱ヒータ等の他の点火手段を用いて混合ガスに着火するようにしても良い。
【００２９】
この燃焼により発生した高温の燃焼ガスは燃焼管７内を先端部７ｆに向かって流れ、伝熱管８の閉止された先端部８ｆによって流れの向きを変えられて、燃焼ガス通路Ｖ、すなわち、複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内へと進行する。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスは、前述したとおり、熱伝導体１０と広い面積で接触し、持っていた熱を効率良く熱伝導体１０に伝達する。同時に、熱伝導体１０は燃焼管７の外周面とも接触しているので、燃焼管７の表面を伝熱面として燃焼室αからも直接に熱の伝達を受け、燃焼ガスから伝達された熱とともに伝熱管８に伝達する。伝熱管８に伝達された熱はその周囲に存在する水などの流体を加熱することになる。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス排気口９から外部へと排出される。
【００３０】
図３は熱伝導体１０の他の例を示す図である。本例において熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖの断面形状と同じドーナツ状の断面形状を有するブロック状の熱伝導体であり、その外周表面に形成された空間部である複数の凹部が小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を形成している。また、熱伝導体１０の外周面は伝熱管８の内周面と接触し、熱伝導体１０の内周面は燃焼管７の外周面と接触している。このような熱伝導体１０が燃焼ガス通路Ｖに配置されている場合には、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスの熱は、直接に伝熱管８の内周面に伝達されるとともに、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・の側面を形成する熱伝導体１０にも伝達され、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。ブロック状の熱伝導体１０は、単一体であっても良いし、複数に分割されていても良い。
【００３１】
また、本例においても熱伝導体１０は、伝熱管８の内周面だけでなく、燃焼管７の外周面とも接触しているので、燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０に伝わることができ、伝熱管８へと伝達される。なお、本例においては、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方と接触する熱伝導体１０の円周方向の厚みが、図２に示す薄い板状の熱伝導体１０に比べて厚いので、図２に示す熱伝導体１０を使用する場合よりも大量の熱を、燃焼管７の管壁から熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達することができる。
【００３２】
図４は熱伝導体１０の他の例を示す図である。本例において熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖの断面形状と同じドーナツ状の断面形状を有するブロック状の熱伝導体であり、その内部に設けられた空間部である複数の貫通孔が小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を形成している。熱伝導体１０の外周面は伝熱管８の内周面と接触し、熱伝導体１０の内周面は燃焼管７の外周面と接触している。このような熱伝導体１０が燃焼ガス通路Ｖに配置されている場合には、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスは、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・の周囲を取り囲む熱伝導体１０と広い面積で接触し、持っていた熱を熱伝導体１０に効率良く伝達する。燃焼ガスから熱伝導体１０に伝達された熱は熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。本例においても、ブロック状の熱伝導体１０は、単一体であっても良いし、複数に分割されていても良い。
【００３３】
また、本例においては、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面とは、熱伝導体１０を介して、ほぼその全面積において接触しているので、図２に示す熱伝導体１０を使用する場合や、図３に示す熱伝導体１０を使用する場合よりも大量の熱を、燃焼管７の管壁から熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達することができる。このため、燃焼器を構成する燃焼管７の過熱による温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【００３４】
図５、図６は熱伝導体１０のさらに他の例を示す図である。図６は、図５のＺ−Ｚ’断面図であるが、便宜上、燃焼管７を平面状に展開して示してある。図５及び図６に示すとおり、本例における熱伝導体１０、１０、１０・・・は、短冊状に裁断された板状部材をその長手方向に沿って交互に逆向きの「くの字」状に折り曲げた形状をしており、隣接する熱伝導体１０、１０間に形成される小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・が、図中矢印で示す燃焼ガスの通過方向に沿ってジグザグになるように、燃焼ガス通路Ｖ内に配置されている。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・の上端及び下端は、それぞれ伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面に接触している。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を通過する燃焼ガスは、熱伝導体１０、１０、１０の板面が燃焼ガスの進行方向に対して傾斜しているので、熱伝導体１０の板面に衝突して乱流となり、持っている熱を効率良く熱伝導体１０に伝達することができる。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・が燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触しているので、燃焼室αの熱も、燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０を介して伝熱管８に効果的に伝達される。
【００３５】
図７、図８は熱伝導体１０のさらに他の例を示す図である。図８は、図７のＺ−Ｚ’断面図であるが、便宜上、燃焼管７を平面状に展開して示してある。図７及び図８に示すとおり、本例における熱伝導体１０、１０、１０・・・は円柱状形状をしており、その上端及び下端をそれぞれ伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面に接触させた状態で、千鳥状に配置されている。このため、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスは、図中矢印で示すように、円柱状の熱伝導体１０、１０、１０・・・に衝突しながら進行し、持っている熱を効率良く熱伝導体１０に伝達することができる。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・が燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触しているので、燃焼室αの熱も、燃焼管７の壁面を伝熱面とし熱伝導体１０を介して効果的に伝熱管８に伝達される。
【００３６】
図９は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の他の一例を示す断面図である。図１におけると同じ部材には同じ符号を付してある。図に示すとおり、本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナを構成するバーナ管２の先端部２ｆを内包する燃焼管７とは別に、バーナ管２の基端部側を内包する混合ガス供給管１３が設けられている。混合ガス供給管１３は基端部に混合ガス供給口１４を有している。混合ガス供給管１３は、その内周面とバーナ管２の外周面との間に、混合ガス供給口１４とバーナ管２の混合ガス入口３とを連通する混合ガス通路Ｇを形成するようにバーナ管２と同軸に配置されている。当然のことながら、混合ガス供給管１３の内径はバーナ管２の外径よりも大きい。
【００３７】
混合ガス供給管１３は伝熱管８とも同軸に配置されており、混合ガス供給管１３の外側には伝熱管８が存在する。当然のことながら、混合ガス供給管１３の外径は伝熱管８の内径よりも小さい。混合ガス供給管１３の外周面と伝熱管８の内周面との間には、燃焼ガス通路Ｖから続く燃焼ガス排気通路Ｓが形成されており、混合ガス通路Ｇの少なくとも一部は、混合ガス供給管１３の管壁を隔てて燃焼ガス排気通路Ｓと間接的に接触する位置にある。１５は燃焼ガス排気通路Ｓ内に配置されたフィンであり、その基部は混合ガス供給管１３の外周面に固定されており、混合ガス供給管１３の外周面と接触している。また、１６は混合ガス通路Ｇ内に配置されたフィンであり、その基部は混合ガス供給管１３の内周面に固定されており、混合ガス供給管１３の内周面と接触している。フィン１５及びフィン１６は熱伝導性の良い金属で形成するのが良く、例えば、前述した熱伝導体１０と同様に、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、チタンなどから形成することができるが、中でも、アルミニウム又は銅によって形成するのが望ましい。
【００３８】
図１０は図９のＹ−Ｙ’断面図である。図に示すとおり、フィン１５は燃焼ガス排気通路Ｓ内に配置され、その基部は混合ガス供給管１３の外周面に固定され、その外周面と接触しているが、フィン１５の先端部は対向する伝熱管８の内周とは接触していない。このため、燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスからフィン１５に伝達された熱は、もっぱら混合ガス供給管１３に伝達されることになる。同様に、フィン１６は混合ガス通路Ｇ内に配置され、その基部は混合ガス供給管１３の内周面に固定され、その内周面と接触しているが、フィン１６の先端部は対向するバーナ管２の外周面とは接触していない。このため、フィン１５から混合ガス供給管１３を介してフィン１６に伝達された熱は、他に逃げることなく、混合ガス通路Ｇを通過する混合ガスに伝達されることになる。
【００３９】
図９及び図１０に示される本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１は以下のように動作する。すなわち、図示しない混合ガス供給源から燃料用ガスと空気との混合ガスを混合ガス供給口１４に供給すると、供給された混合ガスは混合ガス供給管１３の内周面とバーナ管２の外周面との間に形成される混合ガス通路Ｇを通って、混合ガス入口３からバーナ管２内に入り、混合ガス噴出部４から、バーナ管２の先端部２ｆに向かって噴出する。噴出した混合ガスは、スパークプラグ５によって着火され、燃焼室α内で炎Ｆとなって燃焼する。この燃焼により発生した高温の燃焼ガスは燃焼管７内を先端部７ｆに向かって流れ、伝熱管８の閉止された先端部８ｆによって流れの向きを変えられて、燃焼ガス通路Ｖ、すなわち、熱伝導体１０で仕切られた複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通り、そこで熱伝導体１０と広い面積で接触することによって、持っていた熱を熱伝導体１０を介して効率良く伝熱管８へと伝達する。同時に、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は、燃焼管７の管壁を伝熱面として熱伝導体１０から伝熱管８へと伝えられ、燃焼ガスから伝えられた熱とともに、伝熱管８の周囲に存在する水などの流体を加熱する。
【００４０】
持っていた熱を熱伝導体１０を介して伝熱管８に伝達し、温度が下がった燃焼ガスは、続いて、伝熱管８の内周面と混合ガス供給管１３の外周面との間に形成される燃焼ガス排気通路Ｓへと進行する。燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスは、フィン１５と広い面積で接触し、持っている熱をさらにフィン１５に伝達し、燃焼ガス排気口９から外部へと排出される。
【００４１】
燃焼ガスからフィン１５に伝達された熱は、混合ガス供給管１３の管壁を介して混合ガス通路Ｇ内に配置されているフィン１６に伝達され、混合ガス通路Ｇ内を通過する混合ガスを加熱する。このように、混合ガス供給口１４から混合ガス通路Ｇ内に供給される混合ガスは、燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスによって予熱され、温度が上昇した状態でバーナ管２内の混合ガス噴出部４から燃焼室α内に噴出し、燃焼するので、より高い燃焼効率を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上述べたとおり、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、高い伝熱効率で流体を効率良く加熱することができるので、省エネルギーであり、かつ、ＣＯ２削減にも寄与するものである。さらに、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、小型でコンパクトに構成できるので、使用材料が少なく省資源にも役立つものである。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、その伝熱管部分が被加熱流体と接触するように被加熱流体を収容する容器に取り付けるか、被加熱流体内に浸漬するだけで、被加熱流体を効率良く加熱することができるので、水や油、空気などの流体の加熱を極めて容易かつ簡便に行うことができ、その産業上の利用可能性は多大である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 流体加熱用燃焼器付熱交換器
２ バーナ管
３ 混合ガス入口
４ 混合ガス噴出部
５ スパークプラグ
６ 保護管
７ 燃焼管
８ 伝熱管
９ 燃焼ガス排気口
１０ 熱伝導体
１１ フランジ
１２、１５、１６ フィン
１３ 混合ガス供給管
１４ 混合ガス供給口
α 燃焼室
Ｆ 炎
Ｇ 混合ガス通路
Ｓ 燃焼ガス排気通路
Ｖ 燃焼ガス通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体加熱用燃焼器付熱交換器に関し、詳細には、水や油、空気などの流体を加熱する小型で熱効率の良い流体加熱用の燃焼器付熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から水などの流体を加熱する装置は種々提案されている。例えば、特許文献１、２には、水槽内に配置された燃焼ガス通路或いは煙管内にバーナによって発生された高温の燃焼ガスを吹き込んで、水槽内の水を加熱する流体加熱装置が開示されている。しかし、これらの流体加熱装置においては、燃焼ガスを発生させるバーナとは別に、熱交換器として機能する燃焼ガス通路或いは煙管などを水槽内に配置しなければならず、装置が複雑で大掛かりなものとなるという不都合がある。また、燃焼ガス通路或いは煙管内を通過する燃焼ガスから水槽内の水への熱の伝達効率がそれほど高くなく、バーナが発生する燃焼ガスはまだ十分な熱量を持ったまま排気口から外部へと排出されてしまうので、効率の良い加熱ができないという欠点もあった。
【０００３】
このため、例えば特許文献３においては、全一次予混合強制燃焼式バーナを用い、バーナから発生する燃焼ガスを水槽内に配置した噴出体に設けられた多数の噴出口から水槽内に設けられた吸熱面に対して噴出させ、伝熱係数の増大を図ることが提案されている。また、特許文献４では、水槽の底面をバーナで直接加熱するとともに、バーナの燃焼ガスを水槽内に立設された噴出体内に導き、噴出体に設けられた多数の噴出口から水槽内に設けられた被加熱面に対して噴出させることによって、伝熱性能の向上を図ることが提案されている。
【０００４】
しかし、これらの流体加熱装置は、いずれも、多数の噴出口を備えた噴出体などを水槽内に設置する必要があり、構造が複雑で装置が大掛かりなものとなる上に、それほど高い伝熱効率が得られないという不都合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２１６７５号公報
【特許文献２】特開平１０−３２５６０３号公報
【特許文献３】特開２０００−２５７８５２号公報
【特許文献４】特開２００５−６９６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の流体加熱装置の欠点を解消するために為されたもので、燃焼ガス通路や煙管などの大掛かりな設備を必要とせず、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究と試行錯誤を重ねた結果、通常は被加熱流体を収容する流体容器内に設置される煙管などの燃焼ガス通路を燃焼器と一体化させて燃焼器における燃焼室の外側に配置し、燃焼器の燃焼室からの熱と、燃焼ガス通路を通過する燃焼ガスが有している熱の双方を、燃焼ガス通路を形成する伝熱管に伝えることによって、燃焼ガス通路や煙管などの大掛かりな設備を必要とせずに、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置が得られることを見出して本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、燃焼器と；内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器を提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【０００９】
上記のとおり、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器においては、燃焼器の外側に、燃焼器内で発生した燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路を形成する伝熱管が設けられており、かつ、その燃焼ガス通路には、燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体が配置されているので、燃焼ガス通路を通過する燃焼ガスが持っている熱が前記熱伝導体を介して伝熱管に伝えられるだけでなく、燃焼器の燃焼室内で発生した熱も、燃焼室を形成する壁面を伝熱面として前記熱伝導体を介して伝熱管に伝えられる。このため、極めて効率の良い伝熱が可能となる。なお、上記熱伝導体と、燃焼器の外周面、及び伝熱管の内周面との接触は、当然のことながら、接触面での熱伝導がスムースに行われるように密に接触しているのが好ましい。
【００１０】
燃焼ガス通路に配置される前記熱伝導体は、燃焼ガス通路を閉塞することなく、燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面の双方と接触していれば良く、その形状や数には特段の制限はない。例えば、燃焼ガスが通過する通路を形成するように折り曲げた１又は複数の板状の熱伝導体、若しくは、短冊状に裁断された複数の板状の熱伝導体を、燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面と接触させて燃焼ガス通路に配置しても良い。或いは、燃焼ガスが通過することができる空間部を内部若しくは表面に形成した１又は複数のブロック状の熱伝導体を燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面の双方と接触するように燃焼ガス通路に配置しても良いし、複数の柱状の熱伝導体をその上端と下端とをそれぞれ燃焼器の外周面及び伝熱管の内周面と接触させて、互いに間隔をあけて千鳥状又は碁盤目状に燃焼ガス通路に配置しても良い。さらには、これら種々の形状の熱伝導体の１種若しくは複数種を混在させても良い。板状の熱伝導体を用いる場合には、その板面は平面であっても曲面であっても良く、柱状の熱伝導体としては、その断面形状が円形、楕円形、三角、四角、五角、六角等の多角形のいずれであっても良く、任意の他の形状であっても良い。また、板状の熱伝導体を燃焼ガス通路に配置する場合には、熱伝導体の板面は、燃焼ガス通路における燃焼ガスの通過方向に対して平行であっても良いし、傾斜していても良い。
【００１１】
熱伝導体としては、熱伝導性を有し、燃焼ガスと接触して燃焼ガスの熱を伝熱管に効率良く伝達することができるとともに、燃焼器の壁面からの熱も伝熱管に伝えることができるものであれば、どのような材料を使用しても良いが、熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましく、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、チタンなどの金属を使用することができるが、中でもアルミニウム又は銅を用いるのが好ましい。
【００１２】
このように、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器においては、いわば、熱交換器の内側に燃焼器が配置され、両者が一体化した構造となっているので、非常に小型でコンパクトな流体加熱装置が実現される。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器を少なくともその伝熱管の部分が流体容器内に位置するように流体容器に取り付けるか、浸漬するだけで各種の流体を加熱することができ、別途、燃焼ガス通路や煙管などを流体容器内に設置する必要がない。
【００１３】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器に用いられる燃焼器としては、燃焼室を備え、かつ、燃焼ガスを発生させることができるものであれば、どのような燃焼器を用いても良いが、好適には、先端部が開口し、内部に燃焼室を形成する燃焼管と、前記燃焼管内に配置されたバーナとから構成されているのが望ましい。また、バーナとしては、開口した先端部と混合ガス入口を有するバーナ管と、バーナ管の開口した先端部と混合ガス入口との間に配置された混合ガス噴出部とを有しているバーナを使用するのが好適である。さらに、前記伝熱管は、自身の内周面と燃焼器の外周面との間に燃焼ガス通路を形成すべく、前記燃焼器を構成する燃焼管の開口した先端部と間隙をあけて対向する閉止された先端部と、この閉止された先端部と前記燃焼ガス通路を隔てた位置に燃焼ガス排気口を有しているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、その好ましい一態様において、バーナ管に供給される混合ガスを燃焼ガスの熱で予熱する構造を備えている。すなわち、その好ましい一態様において本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、外部から混合ガスの供給を受ける混合ガス供給口を有する混合ガス供給管を備え、前記混合ガス供給管は、前記バーナ管の外周面と自身の内周面との間に前記混合ガス供給口から前記混合ガス入口へと向かう混合ガス通路を形成するとともに、前記伝熱管の内周面と自身の外周面との間に前記燃焼ガス通路から前記燃焼ガス排気口へと向かう燃焼ガス排気通路を形成し、前記混合ガス通路の少なくとも一部は前記混合ガス供給管の管壁を隔てて前記燃焼ガス排気通路と間接的に接触する位置にあり、前記混合ガス通路を通過する混合ガスが前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスによって予熱される流体加熱用燃焼器付熱交換器である。
【００１５】
燃焼ガス通路に配置される熱伝導体を介して自身の熱を伝熱管に伝えた後であっても、燃焼ガスの温度は、外部からバーナ管に供給される混合ガスに比べればまだ高温であるので、この燃焼ガスが持つ熱を前記混合ガス供給管の管壁を介してバーナ管に供給される混合ガスに伝達して混合ガスを予熱することによって、さらに伝熱効率を高めることができる。前記燃焼ガス排気通路及び／又は前記混合ガス通路には、前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスからの伝熱や、前記混合ガス通路を通過する混合ガスへの伝熱を効率良く行うために、熱伝導性を有するフィンを設置するのが望ましく、このフィンは前記混合ガス供給管と接触しているのが望ましい。
【００１６】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、内側に燃焼ガス通路を有する伝熱管の部分が加熱対象である流体と接触するように、加熱対象である流体を収容する容器の壁面、底面、若しくは上面に取り付けるか、加熱対象である流体内に浸漬して使用することができる。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器が燃料として用いる混合ガスとしては、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によって燃焼させることができる限り特段の制限はないが、好適には、液化石油ガス、液化天然ガス、或いは都市ガスなどの燃料ガスと空気との混合ガスを用いることができる。なお、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、好適には、例えば水、油などの液体や、空気などの気体などの加熱に用いられ、例えば、湯沸かし器、ボイラー、フライヤー、空気加熱器などとして使用することができるが、どのような流体の加熱に用いても良いことは勿論である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、小型で伝熱効率の良い流体加熱装置が実現されるので、燃料ガスの使用量を減らし省エネルギーであるとともに、ＣＯ２の削減にも寄与することができるという利点が得られる。また、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、コンパクトに構成されているので、使用材料を減らし、省資源にも寄与するものである。さらに、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器によれば、内側に燃焼ガス通路を有する伝熱管部分が加熱対象である流体と接触するように、被加熱流体を収容する容器の壁面、底面、若しくは上面に取り付けるか、或いは被加熱流体内に浸漬するだけで、容器内の流体を効率良く加熱することがきるので、極めて使い勝手が良いという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の一例を示す断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’断面図であり、熱伝導体の配置の一例を示す図である。
【図３】熱伝導体の配置の他の一例を示す図である。
【図４】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図５】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図６】図５のＺ−Ｚ’断面図である。
【図７】熱伝導体の配置のさらに他の一例を示す図である。
【図８】図７のＺ−Ｚ’断面図である。
【図９】本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の他の一例を示す断面図である。
【図１０】図９のＹ−Ｙ’断面図であり、フィンの配置の一例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器を説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
【００２０】
図１は、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の一例を示す断面図である。図１において、１は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器、２はバーナ管である。図に示すとおり、バーナ管２の先端部２ｆは開口しており、バーナ管２の基端部側には、混合ガス入口３が設けられている。４は、バーナ管２内に設けられた混合ガス噴出部であり、混合ガス噴出部４はバーナ管２の先端部２ｆと混合ガス入口３との間の位置に配置されている。本例において、混合ガス噴出部４には、後述するとおり、混合ガス噴出口としてノズルが形成されているが、ノズルに代えて、表裏連通した多数の細孔を有する、例えばメタルニットなどの金属繊維製の多孔質部材や、多孔質セラミックなどを混合ガス噴出部４として用いても良い。５は、バーナ管２の内側に配置されたスパークプラグであり、スパークプラグ５の先端部はバーナ管２の先端部２ｆよりも先端部側に突出している。６はスパークプラグ５の保護管であり、バーナ管２の基端部２ｂは保護管６を挿通した状態で閉止されている。本例においては、バーナ管２、混合ガス噴出部４、及びスパークプラグ５によってバーナが構成されている。なお、本明細書において、先端部側とは流体加熱用燃焼器付熱交換器１の先端部の側（図１においては左側）を意味し、基端部側とは流体加熱用燃焼器付熱交換器１の基端部の側（図１においては右側）を意味する。
【００２１】
７は燃焼管であり、燃焼管７は、バーナ管２の外径よりも大きな内径を有しており、バーナ管２の少なくとも先端部２ｆの部分をその内側に内包して、バーナ管２の外側にバーナ管２と同軸に配置されている。燃焼管７の先端部７ｆは開口しており、燃焼管７の基端部７ｂは閉止されている。燃焼管７の内側の空間は燃焼室αとして機能する。本例においては、この燃焼管７と、バーナ管２、混合ガス噴出部４、及びスパークプラグ５によって構成されるバーナとによって、燃焼器が構成されている。
【００２２】
８は伝熱管であり、伝熱管８の先端部８ｆ及び基端部８ｂは閉止されており、閉止された先端部８ｆは燃焼管７の先端部７ｆと間隔をあけて対向している。９は伝熱管８の基端部に取り付けられている燃焼ガス排気口である。伝熱管８は、燃焼管７の外径よりも大きな内径を有しており、燃焼管７と同軸に配置され、伝熱管８の内周面と燃焼管７の外周面との間に燃焼ガス通路Ｖを形成している。燃焼ガス通路Ｖには、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触する熱伝導体１０が配置されている。本例において、燃焼ガス通路Ｖは、熱伝導体１０によって、燃焼ガスの進行方向に沿った複数の小通路に仕切られている。なお、１１は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１を容器壁面などに取り付ける際に利用される取付用のフランジである。
【００２３】
本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナを構成するバーナ管２、燃焼器を構成する燃焼管７、及び伝熱管８はいずれも断面円形の円筒形状を有しているが、バーナ管２、燃焼管７、及び伝熱管８の断面形状は円形に限られない。また、本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナ管２、燃焼管７、及び伝熱管８はいずれも同軸に配置されているが、これら三者のうちのいずれか１つは他の２つと同軸に配置されていなくても良く、また三者とも同軸でなくても良い。
【００２４】
図２は図１のＸ−Ｘ’断面図である。図に示すとおり、燃焼管７の外周と伝熱管８の内周との間に形成されている燃焼ガス通路Ｖは、熱伝導体１０によって、燃焼ガスの進行方向に沿って、燃焼ガスの進行方向と平行な複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・に仕切られている。本例においては、熱伝導体１０は、薄い板状の部材を、断面が交互に逆向きのコの字となるように折り曲げたものであり、その折り曲げた状態のまま、燃焼ガス通路Ｖ内に挿入され、配置されている。熱伝導体１０の外側の面は、一つおきの小通路ｖ１、ｖ３、ｖ５・・・において伝熱管８の内周面と接触しており、熱伝導体１０の内側の面は、一つおきの小通路ｖ２、ｖ４、ｖ６・・・において燃焼管７の外周面と接触している。なお、熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖ内における燃焼ガスの進行方向に沿った方向において２若しくは３以上の部分に分割されていても良い。
【００２５】
本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、燃焼ガス通路Ｖ内に、燃焼ガス通路Ｖを複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・に仕切る熱伝導体１０が存在し、熱伝導体１０は伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面の双方と接触している。このため、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスは、複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する際に、広い面積で熱伝導体１０と接触して、持っていた熱を効率良く熱伝導体１０を介して、伝熱管８へと伝達することができる。同時に、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０に伝わり、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。
【００２６】
このように、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスが持っている熱と、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αに発生する熱の双方が、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達され、伝熱管８の外側に存在する水などの流体を加熱するので、極めて伝熱効率の良い加熱が実現される。また、燃焼室α内で発生する熱を、燃焼管７の管壁を伝熱面として熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝えて逃がすことができるので、燃焼管７の温度上昇を抑制し、過熱による燃焼管７の破損や、寿命の低下を防止することができる。
【００２７】
図２において、４ｎは混合ガス噴出部４に形成されているノズルであり、そのうちの１つのノズル４ｎはスパークプラグ５の外周と混合ガス噴出部４の内周との間隙として形成されており、他の４つのノズル４ｎは混合ガス噴出部４に互いに９０度の間隔をあけて設けられた開口として形成されている。なお、混合ガス噴出部４にノズルを形成する代わりに、混合ガス噴出部４を、例えばメタルニットなどの金属繊維製の多孔質部材や、多孔質セラミックなどの表裏連通した多数の細孔を有する多孔質部材で構成しても良い。その場合には、スパークプラグ５の外周と混合ガス噴出部４の内周との間隙は混合ガス噴出部４によって閉塞されるのが望ましい。
【００２８】
図１及び図２に示される本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１は以下のように動作する。すなわち、図示しない混合ガス供給源から燃料用ガスと空気との混合ガスを混合ガス入口３に供給すると、供給された混合ガスはバーナ管２内を流れ、混合ガス噴出部４に設けられたノズル４ｎから、バーナ管２の先端部２ｆに向かって噴出する。タイミングを見計らってスパークプラグ５に電圧を印加すると、スパークプラグ５とアース電極を兼ねるバーナ管２の先端部２ｆとの間で放電して混合ガスに着火し、混合ガスは燃焼室α内で炎Ｆとなって燃焼する。なお、スパークプラグ５に代えて、例えば電熱ヒータ等の他の点火手段を用いて混合ガスに着火するようにしても良い。
【００２９】
この燃焼により発生した高温の燃焼ガスは燃焼管７内を先端部７ｆに向かって流れ、伝熱管８の閉止された先端部８ｆによって流れの向きを変えられて、燃焼ガス通路Ｖ、すなわち、複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内へと進行する。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスは、前述したとおり、熱伝導体１０と広い面積で接触し、持っていた熱を効率良く熱伝導体１０に伝達する。同時に、熱伝導体１０は燃焼管７の外周面とも接触しているので、燃焼管７の表面を伝熱面として燃焼室αからも直接に熱の伝達を受け、燃焼ガスから伝達された熱とともに伝熱管８に伝達する。伝熱管８に伝達された熱はその周囲に存在する水などの流体を加熱することになる。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス排気口９から外部へと排出される。
【００３０】
図３は熱伝導体１０の他の例を示す図である。本例において熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖの断面形状と同じドーナツ状の断面形状を有するブロック状の熱伝導体であり、その外周表面に形成された空間部である複数の凹部が小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を形成している。また、熱伝導体１０の外周面は伝熱管８の内周面と接触し、熱伝導体１０の内周面は燃焼管７の外周面と接触している。このような熱伝導体１０が燃焼ガス通路Ｖに配置されている場合には、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスの熱は、直接に伝熱管８の内周面に伝達されるとともに、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・の側面を形成する熱伝導体１０にも伝達され、熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。ブロック状の熱伝導体１０は、単一体であっても良いし、複数に分割されていても良い。
【００３１】
また、本例においても熱伝導体１０は、伝熱管８の内周面だけでなく、燃焼管７の外周面とも接触しているので、燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０に伝わることができ、伝熱管８へと伝達される。なお、本例においては、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方と接触する熱伝導体１０の円周方向の厚みが、図２に示す薄い板状の熱伝導体１０に比べて厚いので、図２に示す熱伝導体１０を使用する場合よりも大量の熱を、燃焼管７の管壁から熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達することができる。
【００３２】
図４は熱伝導体１０の他の例を示す図である。本例において熱伝導体１０は、燃焼ガス通路Ｖの断面形状と同じドーナツ状の断面形状を有するブロック状の熱伝導体であり、その内部に設けられた空間部である複数の貫通孔が小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を形成している。熱伝導体１０の外周面は伝熱管８の内周面と接触し、熱伝導体１０の内周面は燃焼管７の外周面と接触している。このような熱伝導体１０が燃焼ガス通路Ｖに配置されている場合には、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通過する燃焼ガスは、小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・の周囲を取り囲む熱伝導体１０と広い面積で接触し、持っていた熱を熱伝導体１０に効率良く伝達する。燃焼ガスから熱伝導体１０に伝達された熱は熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達される。本例においても、ブロック状の熱伝導体１０は、単一体であっても良いし、複数に分割されていても良い。
【００３３】
また、本例においては、燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面とは、熱伝導体１０を介して、ほぼその全面積において接触しているので、図２に示す熱伝導体１０を使用する場合や、図３に示す熱伝導体１０を使用する場合よりも大量の熱を、燃焼管７の管壁から熱伝導体１０を介して伝熱管８へと伝達することができる。このため、燃焼器を構成する燃焼管７の過熱による温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【００３４】
図５、図６は熱伝導体１０のさらに他の例を示す図である。図６は、図５のＺ−Ｚ’断面図であるが、便宜上、燃焼管７を平面状に展開して示してある。図５及び図６に示すとおり、本例における熱伝導体１０、１０、１０・・・は、短冊状に裁断された板状部材をその長手方向に沿って交互に逆向きの「くの字」状に折り曲げた形状をしており、隣接する熱伝導体１０、１０間に形成される小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・が、図中矢印で示す燃焼ガスの通過方向に沿ってジグザグになるように、燃焼ガス通路Ｖ内に配置されている。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・の上端及び下端は、それぞれ伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面に接触している。小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・を通過する燃焼ガスは、熱伝導体１０、１０、１０の板面が燃焼ガスの進行方向に対して傾斜しているので、熱伝導体１０の板面に衝突して乱流となり、持っている熱を効率良く熱伝導体１０に伝達することができる。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・が燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触しているので、燃焼室αの熱も、燃焼管７の壁面を伝熱面として熱伝導体１０を介して伝熱管８に効果的に伝達される。
【００３５】
図７、図８は熱伝導体１０のさらに他の例を示す図である。図８は、図７のＺ−Ｚ’断面図であるが、便宜上、燃焼管７を平面状に展開して示してある。図７及び図８に示すとおり、本例における熱伝導体１０、１０、１０・・・は円柱状形状をしており、その上端及び下端をそれぞれ伝熱管８の内周面及び燃焼管７の外周面に接触させた状態で、千鳥状に配置されている。このため、燃焼ガス通路Ｖを通過する燃焼ガスは、図中矢印で示すように、円柱状の熱伝導体１０、１０、１０・・・に衝突しながら進行し、持っている熱を効率良く熱伝導体１０に伝達することができる。また、熱伝導体１０、１０、１０・・・が燃焼管７の外周面と伝熱管８の内周面の双方に接触しているので、燃焼室αの熱も、燃焼管７の壁面を伝熱面とし熱伝導体１０を介して効果的に伝熱管８に伝達される。
【００３６】
図９は本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器の他の一例を示す断面図である。図１におけると同じ部材には同じ符号を付してある。図に示すとおり、本例の流体加熱用燃焼器付熱交換器１においては、バーナを構成するバーナ管２の先端部２ｆを内包する燃焼管７とは別に、バーナ管２の基端部側を内包する混合ガス供給管１３が設けられている。混合ガス供給管１３は基端部に混合ガス供給口１４を有している。混合ガス供給管１３は、その内周面とバーナ管２の外周面との間に、混合ガス供給口１４とバーナ管２の混合ガス入口３とを連通する混合ガス通路Ｇを形成するようにバーナ管２と同軸に配置されている。当然のことながら、混合ガス供給管１３の内径はバーナ管２の外径よりも大きい。
【００３７】
混合ガス供給管１３は伝熱管８とも同軸に配置されており、混合ガス供給管１３の外側には伝熱管８が存在する。当然のことながら、混合ガス供給管１３の外径は伝熱管８の内径よりも小さい。混合ガス供給管１３の外周面と伝熱管８の内周面との間には、燃焼ガス通路Ｖから続く燃焼ガス排気通路Ｓが形成されており、混合ガス通路Ｇの少なくとも一部は、混合ガス供給管１３の管壁を隔てて燃焼ガス排気通路Ｓと間接的に接触する位置にある。１５は燃焼ガス排気通路Ｓ内に配置されたフィンであり、その基部は混合ガス供給管１３の外周面に固定されており、混合ガス供給管１３の外周面と接触している。また、１６は混合ガス通路Ｇ内に配置されたフィンであり、その基部は混合ガス供給管１３の内周面に固定されており、混合ガス供給管１３の内周面と接触している。フィン１５及びフィン１６は熱伝導性の良い金属で形成するのが良く、例えば、前述した熱伝導体１０と同様に、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、チタンなどから形成することができるが、中でも、アルミニウム又は銅によって形成するのが望ましい。
【００３８】
図１０は図９のＹ−Ｙ’断面図である。図に示すとおり、フィン１５は燃焼ガス排気通路Ｓ内に配置され、その基部は混合ガス供給管１３の外周面に固定され、その外周面と接触しているが、フィン１５の先端部は対向する伝熱管８の内周とは接触していない。このため、燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスからフィン１５に伝達された熱は、もっぱら混合ガス供給管１３に伝達されることになる。同様に、フィン１６は混合ガス通路Ｇ内に配置され、その基部は混合ガス供給管１３の内周面に固定され、その内周面と接触しているが、フィン１６の先端部は対向するバーナ管２の外周面とは接触していない。このため、フィン１５から混合ガス供給管１３を介してフィン１６に伝達された熱は、他に逃げることなく、混合ガス通路Ｇを通過する混合ガスに伝達されることになる。
【００３９】
図９及び図１０に示される本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器１は以下のように動作する。すなわち、図示しない混合ガス供給源から燃料用ガスと空気との混合ガスを混合ガス供給口１４に供給すると、供給された混合ガスは混合ガス供給管１３の内周面とバーナ管２の外周面との間に形成される混合ガス通路Ｇを通って、混合ガス入口３からバーナ管２内に入り、混合ガス噴出部４から、バーナ管２の先端部２ｆに向かって噴出する。噴出した混合ガスは、スパークプラグ５によって着火され、燃焼室α内で炎Ｆとなって燃焼する。この燃焼により発生した高温の燃焼ガスは燃焼管７内を先端部７ｆに向かって流れ、伝熱管８の閉止された先端部８ｆによって流れの向きを変えられて、燃焼ガス通路Ｖ、すなわち、熱伝導体１０で仕切られた複数の小通路ｖ１、ｖ２、ｖ３・・・内を通り、そこで熱伝導体１０と広い面積で接触することによって、持っていた熱を熱伝導体１０を介して効率良く伝熱管８へと伝達する。同時に、燃焼器を構成する燃焼管７内の燃焼室αで発生した熱は、燃焼管７の管壁を伝熱面として熱伝導体１０から伝熱管８へと伝えられ、燃焼ガスから伝えられた熱とともに、伝熱管８の周囲に存在する水などの流体を加熱する。
【００４０】
持っていた熱を熱伝導体１０を介して伝熱管８に伝達し、温度が下がった燃焼ガスは、続いて、伝熱管８の内周面と混合ガス供給管１３の外周面との間に形成される燃焼ガス排気通路Ｓへと進行する。燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスは、フィン１５と広い面積で接触し、持っている熱をさらにフィン１５に伝達し、燃焼ガス排気口９から外部へと排出される。
【００４１】
燃焼ガスからフィン１５に伝達された熱は、混合ガス供給管１３の管壁を介して混合ガス通路Ｇ内に配置されているフィン１６に伝達され、混合ガス通路Ｇ内を通過する混合ガスを加熱する。このように、混合ガス供給口１４から混合ガス通路Ｇ内に供給される混合ガスは、燃焼ガス排気通路Ｓを通過する燃焼ガスによって予熱され、温度が上昇した状態でバーナ管２内の混合ガス噴出部４から燃焼室α内に噴出し、燃焼するので、より高い燃焼効率を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上述べたとおり、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、高い伝熱効率で流体を効率良く加熱することができるので、省エネルギーであり、かつ、ＣＯ２削減にも寄与するものである。さらに、本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、小型でコンパクトに構成できるので、使用材料が少なく省資源にも役立つものである。本発明の流体加熱用燃焼器付熱交換器は、その伝熱管部分が被加熱流体と接触するように被加熱流体を収容する容器に取り付けるか、被加熱流体内に浸漬するだけで、被加熱流体を効率良く加熱することができるので、水や油、空気などの流体の加熱を極めて容易かつ簡便に行うことができ、その産業上の利用可能性は多大である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 流体加熱用燃焼器付熱交換器
２ バーナ管
３ 混合ガス入口
４ 混合ガス噴出部
５ スパークプラグ
６ 保護管
７ 燃焼管
８ 伝熱管
９ 燃焼ガス排気口
１０ 熱伝導体
１１ フランジ
１２、１５、１６ フィン
１３ 混合ガス供給管
１４ 混合ガス供給口
α 燃焼室
Ｆ 炎
Ｇ 混合ガス通路
Ｓ 燃焼ガス排気通路
Ｖ 燃焼ガス通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器と；内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項２】
前記燃焼器が、先端部が開口し、内部に燃焼室を形成する燃焼管と、前記燃焼管内に配置されたバーナとから構成され；前記伝熱管が、前記燃焼管の前記開口した先端部と間隙をあけて対向する閉止された先端部と、前記閉止された先端部と前記燃焼ガス通路を隔てた位置に燃焼ガス排気口を有している請求項１記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項３】
前記バーナが、開口した先端部と混合ガス入口を有するバーナ管と；前記バーナ管の前記開口した先端部と前記混合ガス入口との間に配置された混合ガス噴出部とを有している請求項２記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項４】
外部から混合ガスの供給を受ける混合ガス供給口を有する混合ガス供給管を備え、前記混合ガス供給管は、前記バーナ管の外周面と自身の内周面との間に前記混合ガス供給口から前記混合ガス入口へと向かう混合ガス通路を形成するとともに、前記伝熱管の内周面と自身の外周面との間に前記燃焼ガス通路から前記燃焼ガス排気口へと向かう燃焼ガス排気通路を形成し、前記混合ガス通路の少なくとも一部は前記混合ガス供給管の管壁を隔てて前記燃焼ガス排気通路と間接的に接触する位置にあり、前記混合ガス通路を通過する混合ガスが前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスによって予熱される請求項３記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項５】
前記燃焼ガス排気通路及び／又は前記混合ガス通路に熱伝導性を有するフィンが設けられており、前記フィンが前記混合ガス供給管と接触している請求項４記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項１】
燃焼器と；内部に前記燃焼器を収容し、自身の内周面と前記燃焼器の外周面との間に、前記燃焼器内で発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と；前記燃焼ガス通路に配置され、前記燃焼器の外周面と前記伝熱管の内周面の双方と接触する１又は複数の熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項２】
前記燃焼器が、先端部が開口し、内部に燃焼室を形成する燃焼管と、前記燃焼管内に配置されたバーナとから構成され；前記伝熱管が、前記燃焼管の前記開口した先端部と間隙をあけて対向する閉止された先端部と、前記閉止された先端部と前記燃焼ガス通路を隔てた位置に燃焼ガス排気口を有している請求項１記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項３】
前記バーナが、開口した先端部と混合ガス入口を有するバーナ管と；前記バーナ管の前記開口した先端部と前記混合ガス入口との間に配置された混合ガス噴出部とを有している請求項２記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項４】
外部から混合ガスの供給を受ける混合ガス供給口を有する混合ガス供給管を備え、前記混合ガス供給管は、前記バーナ管の外周面と自身の内周面との間に前記混合ガス供給口から前記混合ガス入口へと向かう混合ガス通路を形成するとともに、前記伝熱管の内周面と自身の外周面との間に前記燃焼ガス通路から前記燃焼ガス排気口へと向かう燃焼ガス排気通路を形成し、前記混合ガス通路の少なくとも一部は前記混合ガス供給管の管壁を隔てて前記燃焼ガス排気通路と間接的に接触する位置にあり、前記混合ガス通路を通過する混合ガスが前記燃焼ガス排気通路を通過する燃焼ガスによって予熱される請求項３記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【請求項５】
前記燃焼ガス排気通路及び／又は前記混合ガス通路に熱伝導性を有するフィンが設けられており、前記フィンが前記混合ガス供給管と接触している請求項４記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４９７９８（Ｐ２０１２−１４９７９８Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４９９（Ｐ２０１１−７４９９）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００１７３３５９）細山熱器株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００１７３３５９）細山熱器株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
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