燃焼加熱器および燃焼加熱システム
【課題】安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度に形成しつつ筐体の十分な剛性を確保する。
【解決手段】燃焼加熱器１１０は、加熱板１１８と、加熱板に対向配置された配置板１２０と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁１２２と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板１２４と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室１２６と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続し燃料ガスを導く導入路１２８と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続し燃焼室から排気ガスを当燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路１３０と、配置板の導入路と逆側から配置板を支持する支持板１３２と、を備える。
【解決手段】燃焼加熱器１１０は、加熱板１１８と、加熱板に対向配置された配置板１２０と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁１２２と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板１２４と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室１２６と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続し燃料ガスを導く導入路１２８と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続し燃焼室から排気ガスを当燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路１３０と、配置板の導入路と逆側から配置板を支持する支持板１３２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器および複数の燃焼加熱器を連接した燃焼加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスを燃焼させた燃焼熱で輻射体を加熱し、輻射体の輻射面からの輻射熱で、工業材料や食品等を加熱する燃焼加熱器が広く普及している。このような燃焼加熱器について、例えば、輻射強度を向上させるために輻射面に輻射率の高い材料、形状を適用する技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
上述した従来の燃焼加熱器では、輻射面の表面に設けた炎口で燃料ガスを燃焼させ、排気ガスを回収せずに周囲の環境に排気していた。したがって、排熱を回収できず熱効率が低下し、また、炎口の面積分、輻射面の面積が小さくなって輻射強度を高くできなかった。さらに、排気ガスの熱によって装置周辺の環境温度が上昇したり、排気ガスが充満してしまったりして、労働環境の改善を図れない場合があった。
【０００４】
そこで、熱効率を向上させた燃焼加熱器が提案されている。この燃焼加熱器は、燃料ガスの導入路から、燃焼室および燃焼後の排気ガスの導出路までを密閉構造とし、導入路と導出路とを隣接させ、排気ガスの熱で燃焼前の燃料ガスを予熱して熱効率を高めている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２４９２５号公報
【特許文献２】特開２００７−２１２０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献２のような燃焼加熱器は、輻射面を有する加熱板、加熱板と対向配置された配置板、および加熱板と配置板の間に配置された仕切板等で構成され、配置板と仕切板とで挟まれた空間が燃料ガスの導入路となる。この配置板は、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性が必要とされると共に、筐体の一部を成すため剛性も要求される。燃焼加熱器は、配置板としてこのような複数の要求を満たす部材を使用するため、製造コストが高くなってしまっていた。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度に形成しつつ筐体の十分な剛性を確保することが可能な、燃焼加熱器および燃焼加熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼加熱器は、加熱板と、加熱板に対向配置された配置板と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路と、配置板の導入路に対して逆側から配置板を支持する支持板と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
配置板は、支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていてもよい。
【００１０】
燃焼室は外周壁の内側に外周壁に沿って配され、燃焼室の外周壁側の面および配置板側の面に連続配置され、断熱性を有する第１断熱部をさらに備えてもよい。
【００１１】
第１断熱部は、支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていてもよい。
【００１２】
配置板と支持板との間に狭持され、断熱性を有する第２断熱部をさらに備えてもよい。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼加熱システムは、加熱板と、加熱板に対向配置された配置板と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路とを備える燃焼加熱器を複数連接した燃焼加熱システムであって、配置板の導入路に対して逆側から、連接する複数の燃焼加熱器における複数の配置板を支持する一連の板部材である支持板を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度に形成しつつ筐体の十分な剛性を確保可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃焼加熱システムの外観例を示した外観斜視図である。
【図２】図１のＡＡ断面を示した斜視図である。
【図３】燃焼加熱システムの内側を示した斜視図である。
【図４】図１のＢＢ断面図である。
【図５】変形例における図１のＢＢ断面図である。
【図６】燃焼加熱器の構造を説明するための組立図である。
【図７】複数の突起部を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
燃焼加熱器は、本体容器内に、燃焼室と、燃料ガス（未燃焼ガス：燃焼前のガス）の導入路と、排気ガス（燃焼ガス：燃焼後のガス）の導出路とが密閉された状態で形成され、導出路を流れる排気ガスの熱で導入路を流れる燃料ガスを予熱することで、燃焼室において超過エンタルピ燃焼を実現する。このような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を回収しているので、熱効率が高く、排気ガス自体も回収されるため、労働環境を損なわない。また、炎口が不要なため、輻射面の面積を縮小しなくて済み輻射強度が高いといった利点も有する。
【００１８】
このような燃焼加熱器のうち、特に、ディスク型の燃焼加熱器は、伝熱を担う仕切板が、一対の薄板（加熱板、配置板）よりも小型の薄板からなり、一対の薄板の間に空隙を設けて配置するといった簡易な構成で、導入路と導出路とに熱交換をさせている。さらに、ディスク型の燃焼加熱器は、輻射面を有する薄板の形状の自由度が高く、燃焼室の配置の自由度も高いため、燃焼室を大きくとることで燃焼負荷率（燃焼室内の単位体積あたりの発熱）を抑え、局所的な劣化や損傷を回避できる。
【００１９】
このような高い熱効率と排気ガスの回収機能を両立する使い勝手の良さから、今後、燃焼を終えた排気ガスをそのまま周囲の環境に排気する従来の燃焼加熱器を、本実施形態のディスク型の燃焼加熱器に置き換える機会が増えることが見込まれる。しかし、現在のディスク型燃焼加熱器は比較的小型のものが多く、大きさの制約により、従来の大型燃焼加熱器をディスク型燃焼加熱器にすぐに置き換えるということができなかった。
【００２０】
ここで、ディスク型燃焼加熱器の熱量や加熱面積の増加を試みて、単純に２次元方向に燃焼加熱器を大きくしようとすると、密閉性を安定的に維持するために製造コストが膨らみ、また、燃焼加熱器内の導入路と導出路を仕切っている仕切板の熱変形が大きくなって、温度分布が偏ったり、不完全燃焼によるＣＯ排出濃度が高まったりしてしまい、燃焼加熱器がその性能を十分に発揮できないおそれが生じる。そこで、本願発明者は、複数の燃焼加熱器を連設する燃焼加熱システムに着目した。ここで、連設は、燃焼加熱器を連なった状態に設けることを言い、複数の燃焼加熱器を一体的に形成することも含む。
【００２１】
このような燃焼加熱システムを構成する燃焼加熱器において、配置板と仕切板とで挟まれた空間が燃料ガスの導入路となる。そのため、配置板は、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性が必要とされ、さらに、筐体の一部を成す場合、剛性も要求される。そのような高機能材料を用いると、燃焼加熱器の製造コストが高くなってしまっていた。
【００２２】
本実施形態における複数の燃焼加熱器を連設した燃焼加熱システムは、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度で形成しつつ筐体の十分な剛性を確保することを可能とする。
【００２３】
（燃焼加熱システム１００）
図１は、燃焼加熱システム１００の外観例を示した外観斜視図であり、図２は、図１のＡＡ断面を示した斜視図であり、図３は、燃焼加熱システム１００の内部状態を示した斜視図である。図３では、燃焼加熱システム１００の内側を説明するため、加熱板を取り外した状態を示す。
【００２４】
図１〜図３に示すように、燃焼加熱システム１００は、複数（ここでは２つ）の燃焼加熱器１１０を連設してなり、燃料ガスの供給を受けて、それぞれの燃焼加熱器１１０を加熱し、その排気ガスを回収する。
【００２５】
また、図２、図３に示すように、燃焼加熱器１１０間の接続部位には、連設された燃焼加熱器１１０内の密閉空間を連通する火移り部１０２が形成されている。ただし、密閉空間といっても、気体中で用いる場合、必ずしも完全密閉する必要はない。本実施形態の燃焼加熱システム１００では、例えば、イグナイタ（図示せず）等の点火装置による１回の点火によって、火移り部１０２を通じ連設するすべての燃焼加熱器１１０に火炎が広がって点火される。
【００２６】
ここでは、大きな熱量や加熱面積を実現するため、熱量や加熱面積が比較的小さい燃焼加熱器１１０を複数組み合わせる。こうして、燃焼加熱器１１０単体を大きく設計した場合と比較して、個々の熱変形を抑制することができる。また、熱量や加熱面積の増加要求に伴って、燃焼加熱器１１０をさらに連設したとしても、個々の燃焼能力は、燃焼加熱器１１０の増加の影響を受けないため、その安定性や耐久性を維持することができる。ここでは、説明の便宜のため、燃焼加熱器１１０を２つのみ連設する場合を挙げているが、燃焼加熱器１１０の長手方向および短手方向に任意に燃焼加熱器１１０を連設することができ、様々な縦横比の燃焼加熱システム１００を形成することができる。
【００２７】
（燃焼加熱器１１０）
図４は、図１のＢＢ断面図である。図４（ａ）に示すように、燃焼加熱器１１０は、加熱板１１８と、配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、支持板１３２と、第１断熱部１３４と、第２断熱部１３６と、第３断熱部１３８と、第１配管部１４０と、第２配管部１４２とを含んで構成される。なお、本実施形態では、燃焼加熱器１１０は、外形が２２０ｍｍ×１４０ｍｍ（長手方向に２つ連設すると４４０ｍｍ×１４０ｍｍ）程度のものを例に挙げて説明する。ただし、燃焼加熱器１１０の外形は、かかる大きさに限定されず、任意の大きさに設定することができる。
【００２８】
本実施形態における燃焼加熱器１１０は、本体容器に、都市ガス等と燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された燃料ガス（予混合ガス）が供給される予混合タイプとするが、かかる場合に限定されず、燃焼室１２６や燃焼室１２６の直前の導入路１２８において両者が混合して拡散燃焼を行う拡散タイプであってもよい。
【００２９】
加熱板１１８および配置板１２０は、対向して配置され、耐熱性および高温耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ：Stainless Used Steel）や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅（真鍮）等で形成され、互いに略平行（本実施形態における超過エンタルピ燃焼を起こさせるための実質的な平行）に配置される。また、加熱板１１８は、燃焼室１２６で生成された燃焼熱で加熱される輻射体としても機能する。
【００３０】
さらに、加熱板１１８には、凹凸が形成された凹凸部１１８ａが設けられている。かかる構成により、加熱板１１８および配置板１２０の温度差や加熱板１１８および配置板１２０の素材の違いによる熱膨張の変形量の差を凹凸部１１８ａで吸収し、外周壁１２２との結合部分等に生じる応力が小さくなるため、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労および高温クリープを抑えることができる。また、加熱板１１８の輻射面の面積が大きくなるため、輻射強度を高めることも可能となる。
【００３１】
外周壁１２２は、上面視において、内周がトラック形状（略平行な２つの線分と、その２つの線分をつなぐ２つの円弧（半円）からなる形状）に、外周が矩形に形成され（図３参照）、加熱板１１８と配置板１２０の外周に沿って配され、加熱板１２２と配置板１２０とで空間を囲繞する。また、外周壁１２２の外周面を輻射面として用いることもできる。本実施形態において、外周壁１２２は後述する支持板１３２と一体に形成されるが、別体に形成してもよい。
【００３２】
燃焼加熱器１１０は、外周壁１２２の外表面の面積より加熱板１１８の面積の方が大きい。この加熱板１１８が輻射面となり、燃焼室１２６で燃料ガスが燃焼すると、輻射や空気の対流によって輻射面から熱が伝達して被加熱物が加熱される。また、燃焼加熱システム１００のように燃焼加熱器１１０が複数連設される場合、その複数の燃焼加熱器１１０すべての輻射面において、ほぼ同等の輻射熱を得ることができる。本実施形態においては、燃焼加熱器１１０の上下壁面のうち上側の面（加熱板１１８の上面）を輻射面とするが、かかる場合に限定されず、下側の面（後述する支持板１３２の下面）を輻射面としたり上下壁面の両面を輻射面としたりしてもよい。
【００３３】
仕切板１２４は、加熱板１１８よりも外形が小さく、外周壁１２２の内周面に沿った形状に形成され（図３参照）、加熱板１１８および配置板１２０の間で、加熱板１１８および配置板１２０と略平行に配置される。仕切板１２４と加熱板１１８および配置板１２０との間にはそれぞれ空隙が形成される。また、仕切板１２４は、耐熱性および高温耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される。かかる仕切板１２４と加熱板１１８および配置板１２０は、間に空隙が形成されれば、傾いて対向配置されてもよい。また、仕切板１２４、加熱板１１８および配置板１２０は、その厚みに制限はなく、平板に限らず凹凸に形成されてもよい。
【００３４】
燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、および配置板１２０で囲繞される空間内に配置される。また、燃焼室１２６は、仕切板１２４の外周端部に面しており、外周壁１２２より内側に外周壁１２２に沿って形成される。このように外周壁１２２に沿って燃焼室１２６を形成する構成により燃焼室１２６の体積を十分に確保でき、燃焼負荷率を低くできる。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、本体容器内では、厚み方向（加熱板１１８の上面に直交する方向）に、導入路１２８と導出路１３０とが重ねて形成される。導入路１２８は、配置板１２０と、仕切板１２４とを側壁とする、配置板１２０と仕切板１２４に挟まれた空間であり、燃焼室１２６に連続して配され、本体容器中央に流入した燃料ガスを燃焼室１２６に放射状に導く。
【００３６】
導出路１３０は、加熱板１１８と、仕切板１２４とを側壁とし、燃焼室１２６に連続して配され、燃焼室１２６から排気ガスを本体容器中央に集約して当該燃焼加熱器１１０外に導く。また、図４（ａ）に示すように、本体容器内では、厚み方向に、導入路１２８と導出路１３０とが重なって形成されているので、仕切板１２４を通じて排気ガスの熱を伝達し、燃料ガスを予熱することができる。
【００３７】
支持板１３２は、配置板１２０の導入路１２８と逆側から配置板１２０を支持する。また、配置板１２０は、支持板１３２よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されている。換言すれば、支持板１３２は、配置板１２０と比較して高温耐酸化性が劣る材料、例えば、ＳＵＳ３０４等で形成されても、少なくとも筺体として燃焼加熱システム１００全体を支持する剛性を備えればよい。
【００３８】
配置板１２０に高温耐酸化性を持たせ、配置板１２０より低温側に支持板１３２を配する構成により、燃焼加熱器１１０は、支持板１３２に廉価な部材を用いることができ、製造コストを低減することが可能となる。
【００３９】
第１断熱部１３４は、燃焼室１２６の外周壁１２２側の面および配置板１２０側の面に連続配置され、断熱性を有する。
【００４０】
第１断熱部１３４を備える構成により、外周壁１２２が直接火炎に接触することがなくなる。そのため、火炎の接触に耐えるため高温耐酸化性を確保する役割を第１断熱部１３４に、筐体の剛性を確保する役割を外周壁１２２（支持板１３２）に、それぞれ機能分担しているため、高温耐酸化性、剛性を同時に満たす部材を用いる必要がなく製造コストを抑えることができる。
【００４１】
第１断熱部１３４は、支持板１３２よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されている。換言すれば、支持板１３２は、第１断熱部１３４と比較して高温耐酸化性が劣る材料で形成されてもよい。
【００４２】
第１断熱部１３４に高温耐酸化性を持たせ、第１断熱部１３４より低温側に支持板１３２を配する構成により、燃焼加熱器１１０は、支持板１３２に廉価な部材を用いることができ、製造コストを低減することが可能となる。
【００４３】
図５は、変形例における図１のＢＢ断面図である。上記実施形態における第１断熱部１３４と配置板１２０とを一体形成し、図５に示すような配置板２２０としてもよい。かかる構成により、部品点数を削減し、製造コストを抑制することが可能となる。
【００４４】
図４に戻って、第２断熱部１３６は、配置板１２０と支持板１３２との間に狭持され、断熱性を有する。第３断熱部１３８は、外周壁１２２（支持板１３２）と第１断熱部１３４および第２断熱部１３６との間に狭持され、断熱性を有する。
【００４５】
第２断熱部１３６および第３断熱部１３８を設ける構成により、第１断熱部１３４の温度が高く維持され、燃焼室１２６における火炎の温度が上昇する。その結果、不完全燃焼の発生が抑えられ、燃焼加熱器１１０は、ＣＯ排出濃度を抑制することが可能となる。
【００４６】
第１配管部１４０は、導入路１２８に挿通し、燃料ガスを当該燃焼加熱器１１０内に導く。具体的に、支持板１３２の中心部には、第１配管部１４０の外径と同一径の孔１３２ａが設けられ、配置板１２０の中心部には、第１配管部１４０の内径と同一径の孔１２０ａが設けられている。この支持板１３２の孔１３２ａを第１配管部１４０が貫通し、配置板１２０の孔１２０ａの内周部分に第１配管部１４０の内周部分が連続するように接続されている。また、第２断熱部１３６の中心部にも第１配管部１４０を通すための孔１３６ａが設けられている。ここでは、孔１３２ａ、１３６ａの内径と第１配管部１４０の外径とが等しくなる。
【００４７】
第２配管部１４２は、第１配管部１４０内部に配される。即ち、第１配管部１４０と第２配管部１４２とで二重管を形成する。また、第２配管部１４２は、導出路１３０に挿通し、排気ガスを当該燃焼加熱器１１０外に導く。具体的に、仕切板１２４の中心部には、第２配管部１４２の外径と同一径の孔１２４ａが設けられており、この孔１２４ａの内周部分に第２配管部１４２が嵌合される。さらに、第２配管部１４２は、排気ガスの熱を、第１配管部１４０を流れる燃料ガスに伝達する役割も担う。
【００４８】
また、第２配管部１４２には、蛇腹部１４２ａが設けられている。第２配管部１４２の熱膨張による変形量を、蛇腹部１４２ａの部分が流路方向に縮むことで吸収でき、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労および高温クリープを抑えることができる。
【００４９】
図６は、燃焼加熱器１１０の構造を説明するための組立図である。ここで、図６の組立図を用いて、各構成要素の位置関係を説明する。まず、支持板１３２の第１切り抜き部１３２ｂに、第２断熱部１３６が挿入される。そして、第１断熱部１３４が第２断熱部１３６の上から重ねられる。
【００５０】
図４（ａ）の円部分を拡大した図４（ｂ）に示すように、支持板１３２には、第１断熱部１３４を嵌合するための切り欠き部１３２ｃが設けられている。第１断熱部１３４は、支持板１３２の切り抜き部１３２ｂおよび配置板１２０の切り欠き部１２０ｂに嵌合して水平方向の位置ずれが制限される。また、切り抜き部１３２ｂは第１断熱部１３４が嵌合した際、支持板１３２と第１断熱部１３４との間で遊びができるように大きめに設けられている。そのため、第１断熱部１３４が熱膨張しても膨張に伴う応力の発生を回避できる。
【００５１】
続いて、配置板１２０が第１断熱部１３４の上から重ねられる。図４（ｂ）に示すように、配置板１２０にも切り欠き部１２０ｂが設けられており、第１断熱部１３４と嵌合する。したがって、第１断熱部１３４の水平方向の位置ずれが制限される。また、配置板１２０の切り欠き部１２０ｂも大きめに設けられており、第１断熱部１３４が熱膨張しても膨張に伴う応力の発生を回避できる。
【００５２】
そして、仕切板１２４が重ねられ、最後に、加熱板１１８が全体を覆う。加熱板１１８は、支持板１３２より外形が一回り大きく、支持板１３２を覆いこんで、折り返し部１１８ｂが折り返すことで、支持板１３２と固着される。
【００５３】
また、配置板１２０は、第１配管部１４０の端部に固定されるのに対し、仕切板１２４は第１配管部１４０より突出している第２配管部１４２の端部に固定され、第１配管部１４０の端部と第２配管部１４２の端部の差分だけ、配置板１２０と仕切板１２４とが離隔することとなる。このとき、仕切板１２４の側面と、外周壁１２２の円筒状の内周面との間には燃焼室１２６としての空隙が形成される。
【００５４】
本実施形態においては、第１配管部１４０の内部に第２配管部１４２が配されるが、かかる場合に限定されず、第１配管部１４０および第２配管部１４２を加熱板１１８側から導入路１２８および導出路１３０に挿通させ、第２配管部１４２の内部に第１配管部１４０が配されてもよい。
【００５５】
ここで、燃料ガスおよび排気ガスの流れを具体的に説明する。図４（ｂ）中、白抜き矢印は燃料ガスの流れを、濃い灰色で塗りつぶした矢印は排気ガスの流れを、黒色で塗りつぶした矢印は熱の移動を示す。第１配管部１４０に燃料ガスを供給すると、燃料ガスは配置板１２０の中心部から導入路１２８に流入し、水平方向に放射状に広がりながら燃焼室１２６に向けて流れる。そして、燃料ガスは、燃焼室１２６において外周壁１２２に衝突し、燃焼した後、高温の排気ガスとなり、排気ガスは加熱板１１８に伝熱した後、燃焼室１２６から導出路１３０を通じて第２配管部１４２に流入する。
【００５６】
仕切板１２４は比較的熱伝導し易い素材で形成されており、導出路１３０を通過する排気ガスの熱は、仕切板１２４を介して導入路１２８を通過する燃料ガスに伝わる（伝熱する）。ここでは、導出路１３０を流れる排気ガスと導入路１２８を流れる燃料ガスとが、仕切板１２４を挟んで対向流（カウンタフロー）となっているため、排気ガスの熱で燃料ガスを効率的に予熱することが可能となり、高い熱効率を得ることができる。このように燃料ガスを予熱してから燃焼する、所謂、超過エンタルピ燃焼によって、燃料ガスの燃焼を安定化し、不完全燃焼によって生じるＣＯの濃度を極低濃度に抑えることができる。
【００５７】
さらに、燃焼室１２６において安定した燃焼を可能とするために、導入路１２８と燃焼室１２６との境界において、燃料ガスの流れに垂直な断面形状（以下、流路断面形状と称す）における代表寸法は、火炎を導入路１２８側に通さない（燃焼反応が導入路１２８の方に伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮し、消炎距離以下とするとよい。ここで、代表寸法は、燃料ガスが燃焼室１２６に流入する直前の流路の断面形状によって定まる寸法である。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合には、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。水力相当直径Ｄは、４×流路断面積／ぬれ縁長さで求められる。ぬれ縁長さは、流路断面における、燃料ガスが接触する壁（配置板１２０、仕切板１２４）部分の長さを示す。
【００５８】
例えば、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下とすれば、火炎が導入路１２８内に侵入することがなくなり、燃焼が安定化される。しかし、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下で均一にするためには、配置板１２０と仕切板１２４の面精度や取り付け精度を高める必要がある。そこで、本実施形態においては、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離よりも大きくしてもよいこととし、仕切板１２４の下面（配置板１２０側）の燃焼室１２６近傍に配置板１２０と当接する複数の突起部１５２を所定の間隔Ｌを空けて配置する。
【００５９】
図７は、複数の突起部１５２を説明するための説明図である。図７では、図３のＣＣ断面からの斜視図を示す。図７において、複数の突起部１５２の構造の理解を容易にするため、突起部１５２のうち、仕切板１２４で隠れている部分を破線で示す。また、矢印１５４は燃料ガスの流れの向きを示す。導入路１２８は、仕切板１２４に設けられた複数の突起部１５２によって、流路断面が狭められている。燃料ガスは、導入路１２８のうち、図６（ｂ）の部分拡大図および、図７で示すように、隣接する突起部１５２の間の空隙を通じて燃焼室１２６に流入する。このとき、突起部１５２同士の間隔Ｌが流路断面形状の代表寸法となる。
【００６０】
ここで、燃料ガスの消炎距離ｄは、管壁モデルの径の大きさで表されるものであり、式（１）により求められる。
ｄ＝２λ・Ｎｕ１／２／Ｃｐ・ρｕ・Ｓｕ …式（１）
式（１）において、λは熱伝導率、Ｎｕはヌセルト数、Ｃｐは定圧比熱、ρｕは燃料ガスの密度、Ｓｕは燃焼速度である。
【００６１】
本実施形態の燃焼加熱器１１０は、上述した代表寸法（突起部１５２同士の間隔Ｌ）が消炎距離ｄ以下となるように設計されているため、燃焼室１２６において安定した燃焼が可能となる。また、複数の突起部１５２を設ける構成に限定されず、仕切板１２４の下面の燃焼室１２６近傍に、１つの円環形の突起部を設けてもよい。この場合、突起部と配置板１２０との距離が代表寸法となる。かかる構成により、より簡易な構造で導入路１２８の代表寸法を消炎距離ｄ以下とすることができる。
【００６２】
以上、説明したように、燃焼加熱器１１０は、導出路１３０から導入路１２８に対して熱を伝達するので熱効率を非常に高くでき、第２配管部１４２を通じて排気ガスを回収するので、労働環境を損なうこともない。
【００６３】
また、燃焼加熱器１１０は、導入路１２８を形成するための面精度、高温耐酸化性を確保する役割を配置板１２０に、筐体の剛性を確保する役割を支持板１３２に、それぞれ機能分担しているため、高温耐酸化性、剛性の両方を満たす高価な部材を使用する必要がなく、また支持板１３２が配置板１２０と同等の面精度を満たす必要がないため、製造コストを抑えることができる。
【００６４】
また、複数の燃焼加熱器１１０で筐体を一体形成する場合、筐体は比較的面積が大きくなり、より剛性が求められる。しかし、配置板が筐体の一部を成す場合、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性も必要とされている。そのため、燃焼加熱システムは、配置板としてこのような複数の要求を満たす部材、加工精度が必要となるため、製造コストが高くなってしまっていた。
【００６５】
本実施形態の燃焼加熱システム１００は、配置板１２０が筐体としての役割を成す必要がなく、支持板１３２は燃焼加熱システム１００全体で一体形成し、配置板１２０は燃焼加熱器１１０毎に分割して配置することができる。そのため、配置板１２０の面積を比較的小さく抑えることができ、製造時において面精度や仕切板１２４との平行度の確保が容易となる。また、使用時においても、燃焼加熱システム１００に衝撃があったり、熱変形を起こしたりしても、配置板１２０の面積が比較的小さいことから、配置板１２０と仕切板１２４との平行度の低下を抑制できる。
【００６６】
また、上述した実施形態では、燃焼室１２６は、外周壁１２２に沿って形成されるとしたが、かかる場合に限らず、燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、および配置板１２０で囲繞される空間内であればよい。ただし、排気ガスによる燃料ガスの予熱効果を十分に確保するため、燃焼室１２６は、例えば、加熱板１１８と仕切板１２４との間の空間、または仕切板１２４と配置板１２０との間の空間のうち、配置板１２０に設けられた孔１２０ａから外周壁１２２までの中間位置より外周壁１２２に近い空間のいずれかの位置に設けられることが望ましい。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器および複数の燃焼加熱器を連接した燃焼加熱システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１１０ …燃焼加熱器
１１８ …加熱板
１２０、２２０ …配置板
１２２ …外周壁
１２４ …仕切板
１２６ …燃焼室
１２８ …導入路
１３０ …導出路
１３２ …支持板
１３４ …第１断熱部
１３６ …第２断熱部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器および複数の燃焼加熱器を連接した燃焼加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスを燃焼させた燃焼熱で輻射体を加熱し、輻射体の輻射面からの輻射熱で、工業材料や食品等を加熱する燃焼加熱器が広く普及している。このような燃焼加熱器について、例えば、輻射強度を向上させるために輻射面に輻射率の高い材料、形状を適用する技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
上述した従来の燃焼加熱器では、輻射面の表面に設けた炎口で燃料ガスを燃焼させ、排気ガスを回収せずに周囲の環境に排気していた。したがって、排熱を回収できず熱効率が低下し、また、炎口の面積分、輻射面の面積が小さくなって輻射強度を高くできなかった。さらに、排気ガスの熱によって装置周辺の環境温度が上昇したり、排気ガスが充満してしまったりして、労働環境の改善を図れない場合があった。
【０００４】
そこで、熱効率を向上させた燃焼加熱器が提案されている。この燃焼加熱器は、燃料ガスの導入路から、燃焼室および燃焼後の排気ガスの導出路までを密閉構造とし、導入路と導出路とを隣接させ、排気ガスの熱で燃焼前の燃料ガスを予熱して熱効率を高めている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２４９２５号公報
【特許文献２】特開２００７−２１２０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献２のような燃焼加熱器は、輻射面を有する加熱板、加熱板と対向配置された配置板、および加熱板と配置板の間に配置された仕切板等で構成され、配置板と仕切板とで挟まれた空間が燃料ガスの導入路となる。この配置板は、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性が必要とされると共に、筐体の一部を成すため剛性も要求される。燃焼加熱器は、配置板としてこのような複数の要求を満たす部材を使用するため、製造コストが高くなってしまっていた。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度に形成しつつ筐体の十分な剛性を確保することが可能な、燃焼加熱器および燃焼加熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼加熱器は、加熱板と、加熱板に対向配置された配置板と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路と、配置板の導入路に対して逆側から配置板を支持する支持板と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
配置板は、支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていてもよい。
【００１０】
燃焼室は外周壁の内側に外周壁に沿って配され、燃焼室の外周壁側の面および配置板側の面に連続配置され、断熱性を有する第１断熱部をさらに備えてもよい。
【００１１】
第１断熱部は、支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていてもよい。
【００１２】
配置板と支持板との間に狭持され、断熱性を有する第２断熱部をさらに備えてもよい。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼加熱システムは、加熱板と、加熱板に対向配置された配置板と、加熱板と配置板の外周に沿って配され、加熱板と配置板とで空間を囲繞する外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、加熱板、配置板、および外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路とを備える燃焼加熱器を複数連接した燃焼加熱システムであって、配置板の導入路に対して逆側から、連接する複数の燃焼加熱器における複数の配置板を支持する一連の板部材である支持板を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度に形成しつつ筐体の十分な剛性を確保可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃焼加熱システムの外観例を示した外観斜視図である。
【図２】図１のＡＡ断面を示した斜視図である。
【図３】燃焼加熱システムの内側を示した斜視図である。
【図４】図１のＢＢ断面図である。
【図５】変形例における図１のＢＢ断面図である。
【図６】燃焼加熱器の構造を説明するための組立図である。
【図７】複数の突起部を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
燃焼加熱器は、本体容器内に、燃焼室と、燃料ガス（未燃焼ガス：燃焼前のガス）の導入路と、排気ガス（燃焼ガス：燃焼後のガス）の導出路とが密閉された状態で形成され、導出路を流れる排気ガスの熱で導入路を流れる燃料ガスを予熱することで、燃焼室において超過エンタルピ燃焼を実現する。このような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を回収しているので、熱効率が高く、排気ガス自体も回収されるため、労働環境を損なわない。また、炎口が不要なため、輻射面の面積を縮小しなくて済み輻射強度が高いといった利点も有する。
【００１８】
このような燃焼加熱器のうち、特に、ディスク型の燃焼加熱器は、伝熱を担う仕切板が、一対の薄板（加熱板、配置板）よりも小型の薄板からなり、一対の薄板の間に空隙を設けて配置するといった簡易な構成で、導入路と導出路とに熱交換をさせている。さらに、ディスク型の燃焼加熱器は、輻射面を有する薄板の形状の自由度が高く、燃焼室の配置の自由度も高いため、燃焼室を大きくとることで燃焼負荷率（燃焼室内の単位体積あたりの発熱）を抑え、局所的な劣化や損傷を回避できる。
【００１９】
このような高い熱効率と排気ガスの回収機能を両立する使い勝手の良さから、今後、燃焼を終えた排気ガスをそのまま周囲の環境に排気する従来の燃焼加熱器を、本実施形態のディスク型の燃焼加熱器に置き換える機会が増えることが見込まれる。しかし、現在のディスク型燃焼加熱器は比較的小型のものが多く、大きさの制約により、従来の大型燃焼加熱器をディスク型燃焼加熱器にすぐに置き換えるということができなかった。
【００２０】
ここで、ディスク型燃焼加熱器の熱量や加熱面積の増加を試みて、単純に２次元方向に燃焼加熱器を大きくしようとすると、密閉性を安定的に維持するために製造コストが膨らみ、また、燃焼加熱器内の導入路と導出路を仕切っている仕切板の熱変形が大きくなって、温度分布が偏ったり、不完全燃焼によるＣＯ排出濃度が高まったりしてしまい、燃焼加熱器がその性能を十分に発揮できないおそれが生じる。そこで、本願発明者は、複数の燃焼加熱器を連設する燃焼加熱システムに着目した。ここで、連設は、燃焼加熱器を連なった状態に設けることを言い、複数の燃焼加熱器を一体的に形成することも含む。
【００２１】
このような燃焼加熱システムを構成する燃焼加熱器において、配置板と仕切板とで挟まれた空間が燃料ガスの導入路となる。そのため、配置板は、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性が必要とされ、さらに、筐体の一部を成す場合、剛性も要求される。そのような高機能材料を用いると、燃焼加熱器の製造コストが高くなってしまっていた。
【００２２】
本実施形態における複数の燃焼加熱器を連設した燃焼加熱システムは、安価な構成で、燃料ガスを燃焼室に導入する導入路を高精度で形成しつつ筐体の十分な剛性を確保することを可能とする。
【００２３】
（燃焼加熱システム１００）
図１は、燃焼加熱システム１００の外観例を示した外観斜視図であり、図２は、図１のＡＡ断面を示した斜視図であり、図３は、燃焼加熱システム１００の内部状態を示した斜視図である。図３では、燃焼加熱システム１００の内側を説明するため、加熱板を取り外した状態を示す。
【００２４】
図１〜図３に示すように、燃焼加熱システム１００は、複数（ここでは２つ）の燃焼加熱器１１０を連設してなり、燃料ガスの供給を受けて、それぞれの燃焼加熱器１１０を加熱し、その排気ガスを回収する。
【００２５】
また、図２、図３に示すように、燃焼加熱器１１０間の接続部位には、連設された燃焼加熱器１１０内の密閉空間を連通する火移り部１０２が形成されている。ただし、密閉空間といっても、気体中で用いる場合、必ずしも完全密閉する必要はない。本実施形態の燃焼加熱システム１００では、例えば、イグナイタ（図示せず）等の点火装置による１回の点火によって、火移り部１０２を通じ連設するすべての燃焼加熱器１１０に火炎が広がって点火される。
【００２６】
ここでは、大きな熱量や加熱面積を実現するため、熱量や加熱面積が比較的小さい燃焼加熱器１１０を複数組み合わせる。こうして、燃焼加熱器１１０単体を大きく設計した場合と比較して、個々の熱変形を抑制することができる。また、熱量や加熱面積の増加要求に伴って、燃焼加熱器１１０をさらに連設したとしても、個々の燃焼能力は、燃焼加熱器１１０の増加の影響を受けないため、その安定性や耐久性を維持することができる。ここでは、説明の便宜のため、燃焼加熱器１１０を２つのみ連設する場合を挙げているが、燃焼加熱器１１０の長手方向および短手方向に任意に燃焼加熱器１１０を連設することができ、様々な縦横比の燃焼加熱システム１００を形成することができる。
【００２７】
（燃焼加熱器１１０）
図４は、図１のＢＢ断面図である。図４（ａ）に示すように、燃焼加熱器１１０は、加熱板１１８と、配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、支持板１３２と、第１断熱部１３４と、第２断熱部１３６と、第３断熱部１３８と、第１配管部１４０と、第２配管部１４２とを含んで構成される。なお、本実施形態では、燃焼加熱器１１０は、外形が２２０ｍｍ×１４０ｍｍ（長手方向に２つ連設すると４４０ｍｍ×１４０ｍｍ）程度のものを例に挙げて説明する。ただし、燃焼加熱器１１０の外形は、かかる大きさに限定されず、任意の大きさに設定することができる。
【００２８】
本実施形態における燃焼加熱器１１０は、本体容器に、都市ガス等と燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された燃料ガス（予混合ガス）が供給される予混合タイプとするが、かかる場合に限定されず、燃焼室１２６や燃焼室１２６の直前の導入路１２８において両者が混合して拡散燃焼を行う拡散タイプであってもよい。
【００２９】
加熱板１１８および配置板１２０は、対向して配置され、耐熱性および高温耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ：Stainless Used Steel）や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅（真鍮）等で形成され、互いに略平行（本実施形態における超過エンタルピ燃焼を起こさせるための実質的な平行）に配置される。また、加熱板１１８は、燃焼室１２６で生成された燃焼熱で加熱される輻射体としても機能する。
【００３０】
さらに、加熱板１１８には、凹凸が形成された凹凸部１１８ａが設けられている。かかる構成により、加熱板１１８および配置板１２０の温度差や加熱板１１８および配置板１２０の素材の違いによる熱膨張の変形量の差を凹凸部１１８ａで吸収し、外周壁１２２との結合部分等に生じる応力が小さくなるため、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労および高温クリープを抑えることができる。また、加熱板１１８の輻射面の面積が大きくなるため、輻射強度を高めることも可能となる。
【００３１】
外周壁１２２は、上面視において、内周がトラック形状（略平行な２つの線分と、その２つの線分をつなぐ２つの円弧（半円）からなる形状）に、外周が矩形に形成され（図３参照）、加熱板１１８と配置板１２０の外周に沿って配され、加熱板１２２と配置板１２０とで空間を囲繞する。また、外周壁１２２の外周面を輻射面として用いることもできる。本実施形態において、外周壁１２２は後述する支持板１３２と一体に形成されるが、別体に形成してもよい。
【００３２】
燃焼加熱器１１０は、外周壁１２２の外表面の面積より加熱板１１８の面積の方が大きい。この加熱板１１８が輻射面となり、燃焼室１２６で燃料ガスが燃焼すると、輻射や空気の対流によって輻射面から熱が伝達して被加熱物が加熱される。また、燃焼加熱システム１００のように燃焼加熱器１１０が複数連設される場合、その複数の燃焼加熱器１１０すべての輻射面において、ほぼ同等の輻射熱を得ることができる。本実施形態においては、燃焼加熱器１１０の上下壁面のうち上側の面（加熱板１１８の上面）を輻射面とするが、かかる場合に限定されず、下側の面（後述する支持板１３２の下面）を輻射面としたり上下壁面の両面を輻射面としたりしてもよい。
【００３３】
仕切板１２４は、加熱板１１８よりも外形が小さく、外周壁１２２の内周面に沿った形状に形成され（図３参照）、加熱板１１８および配置板１２０の間で、加熱板１１８および配置板１２０と略平行に配置される。仕切板１２４と加熱板１１８および配置板１２０との間にはそれぞれ空隙が形成される。また、仕切板１２４は、耐熱性および高温耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される。かかる仕切板１２４と加熱板１１８および配置板１２０は、間に空隙が形成されれば、傾いて対向配置されてもよい。また、仕切板１２４、加熱板１１８および配置板１２０は、その厚みに制限はなく、平板に限らず凹凸に形成されてもよい。
【００３４】
燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、および配置板１２０で囲繞される空間内に配置される。また、燃焼室１２６は、仕切板１２４の外周端部に面しており、外周壁１２２より内側に外周壁１２２に沿って形成される。このように外周壁１２２に沿って燃焼室１２６を形成する構成により燃焼室１２６の体積を十分に確保でき、燃焼負荷率を低くできる。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、本体容器内では、厚み方向（加熱板１１８の上面に直交する方向）に、導入路１２８と導出路１３０とが重ねて形成される。導入路１２８は、配置板１２０と、仕切板１２４とを側壁とする、配置板１２０と仕切板１２４に挟まれた空間であり、燃焼室１２６に連続して配され、本体容器中央に流入した燃料ガスを燃焼室１２６に放射状に導く。
【００３６】
導出路１３０は、加熱板１１８と、仕切板１２４とを側壁とし、燃焼室１２６に連続して配され、燃焼室１２６から排気ガスを本体容器中央に集約して当該燃焼加熱器１１０外に導く。また、図４（ａ）に示すように、本体容器内では、厚み方向に、導入路１２８と導出路１３０とが重なって形成されているので、仕切板１２４を通じて排気ガスの熱を伝達し、燃料ガスを予熱することができる。
【００３７】
支持板１３２は、配置板１２０の導入路１２８と逆側から配置板１２０を支持する。また、配置板１２０は、支持板１３２よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されている。換言すれば、支持板１３２は、配置板１２０と比較して高温耐酸化性が劣る材料、例えば、ＳＵＳ３０４等で形成されても、少なくとも筺体として燃焼加熱システム１００全体を支持する剛性を備えればよい。
【００３８】
配置板１２０に高温耐酸化性を持たせ、配置板１２０より低温側に支持板１３２を配する構成により、燃焼加熱器１１０は、支持板１３２に廉価な部材を用いることができ、製造コストを低減することが可能となる。
【００３９】
第１断熱部１３４は、燃焼室１２６の外周壁１２２側の面および配置板１２０側の面に連続配置され、断熱性を有する。
【００４０】
第１断熱部１３４を備える構成により、外周壁１２２が直接火炎に接触することがなくなる。そのため、火炎の接触に耐えるため高温耐酸化性を確保する役割を第１断熱部１３４に、筐体の剛性を確保する役割を外周壁１２２（支持板１３２）に、それぞれ機能分担しているため、高温耐酸化性、剛性を同時に満たす部材を用いる必要がなく製造コストを抑えることができる。
【００４１】
第１断熱部１３４は、支持板１３２よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されている。換言すれば、支持板１３２は、第１断熱部１３４と比較して高温耐酸化性が劣る材料で形成されてもよい。
【００４２】
第１断熱部１３４に高温耐酸化性を持たせ、第１断熱部１３４より低温側に支持板１３２を配する構成により、燃焼加熱器１１０は、支持板１３２に廉価な部材を用いることができ、製造コストを低減することが可能となる。
【００４３】
図５は、変形例における図１のＢＢ断面図である。上記実施形態における第１断熱部１３４と配置板１２０とを一体形成し、図５に示すような配置板２２０としてもよい。かかる構成により、部品点数を削減し、製造コストを抑制することが可能となる。
【００４４】
図４に戻って、第２断熱部１３６は、配置板１２０と支持板１３２との間に狭持され、断熱性を有する。第３断熱部１３８は、外周壁１２２（支持板１３２）と第１断熱部１３４および第２断熱部１３６との間に狭持され、断熱性を有する。
【００４５】
第２断熱部１３６および第３断熱部１３８を設ける構成により、第１断熱部１３４の温度が高く維持され、燃焼室１２６における火炎の温度が上昇する。その結果、不完全燃焼の発生が抑えられ、燃焼加熱器１１０は、ＣＯ排出濃度を抑制することが可能となる。
【００４６】
第１配管部１４０は、導入路１２８に挿通し、燃料ガスを当該燃焼加熱器１１０内に導く。具体的に、支持板１３２の中心部には、第１配管部１４０の外径と同一径の孔１３２ａが設けられ、配置板１２０の中心部には、第１配管部１４０の内径と同一径の孔１２０ａが設けられている。この支持板１３２の孔１３２ａを第１配管部１４０が貫通し、配置板１２０の孔１２０ａの内周部分に第１配管部１４０の内周部分が連続するように接続されている。また、第２断熱部１３６の中心部にも第１配管部１４０を通すための孔１３６ａが設けられている。ここでは、孔１３２ａ、１３６ａの内径と第１配管部１４０の外径とが等しくなる。
【００４７】
第２配管部１４２は、第１配管部１４０内部に配される。即ち、第１配管部１４０と第２配管部１４２とで二重管を形成する。また、第２配管部１４２は、導出路１３０に挿通し、排気ガスを当該燃焼加熱器１１０外に導く。具体的に、仕切板１２４の中心部には、第２配管部１４２の外径と同一径の孔１２４ａが設けられており、この孔１２４ａの内周部分に第２配管部１４２が嵌合される。さらに、第２配管部１４２は、排気ガスの熱を、第１配管部１４０を流れる燃料ガスに伝達する役割も担う。
【００４８】
また、第２配管部１４２には、蛇腹部１４２ａが設けられている。第２配管部１４２の熱膨張による変形量を、蛇腹部１４２ａの部分が流路方向に縮むことで吸収でき、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労および高温クリープを抑えることができる。
【００４９】
図６は、燃焼加熱器１１０の構造を説明するための組立図である。ここで、図６の組立図を用いて、各構成要素の位置関係を説明する。まず、支持板１３２の第１切り抜き部１３２ｂに、第２断熱部１３６が挿入される。そして、第１断熱部１３４が第２断熱部１３６の上から重ねられる。
【００５０】
図４（ａ）の円部分を拡大した図４（ｂ）に示すように、支持板１３２には、第１断熱部１３４を嵌合するための切り欠き部１３２ｃが設けられている。第１断熱部１３４は、支持板１３２の切り抜き部１３２ｂおよび配置板１２０の切り欠き部１２０ｂに嵌合して水平方向の位置ずれが制限される。また、切り抜き部１３２ｂは第１断熱部１３４が嵌合した際、支持板１３２と第１断熱部１３４との間で遊びができるように大きめに設けられている。そのため、第１断熱部１３４が熱膨張しても膨張に伴う応力の発生を回避できる。
【００５１】
続いて、配置板１２０が第１断熱部１３４の上から重ねられる。図４（ｂ）に示すように、配置板１２０にも切り欠き部１２０ｂが設けられており、第１断熱部１３４と嵌合する。したがって、第１断熱部１３４の水平方向の位置ずれが制限される。また、配置板１２０の切り欠き部１２０ｂも大きめに設けられており、第１断熱部１３４が熱膨張しても膨張に伴う応力の発生を回避できる。
【００５２】
そして、仕切板１２４が重ねられ、最後に、加熱板１１８が全体を覆う。加熱板１１８は、支持板１３２より外形が一回り大きく、支持板１３２を覆いこんで、折り返し部１１８ｂが折り返すことで、支持板１３２と固着される。
【００５３】
また、配置板１２０は、第１配管部１４０の端部に固定されるのに対し、仕切板１２４は第１配管部１４０より突出している第２配管部１４２の端部に固定され、第１配管部１４０の端部と第２配管部１４２の端部の差分だけ、配置板１２０と仕切板１２４とが離隔することとなる。このとき、仕切板１２４の側面と、外周壁１２２の円筒状の内周面との間には燃焼室１２６としての空隙が形成される。
【００５４】
本実施形態においては、第１配管部１４０の内部に第２配管部１４２が配されるが、かかる場合に限定されず、第１配管部１４０および第２配管部１４２を加熱板１１８側から導入路１２８および導出路１３０に挿通させ、第２配管部１４２の内部に第１配管部１４０が配されてもよい。
【００５５】
ここで、燃料ガスおよび排気ガスの流れを具体的に説明する。図４（ｂ）中、白抜き矢印は燃料ガスの流れを、濃い灰色で塗りつぶした矢印は排気ガスの流れを、黒色で塗りつぶした矢印は熱の移動を示す。第１配管部１４０に燃料ガスを供給すると、燃料ガスは配置板１２０の中心部から導入路１２８に流入し、水平方向に放射状に広がりながら燃焼室１２６に向けて流れる。そして、燃料ガスは、燃焼室１２６において外周壁１２２に衝突し、燃焼した後、高温の排気ガスとなり、排気ガスは加熱板１１８に伝熱した後、燃焼室１２６から導出路１３０を通じて第２配管部１４２に流入する。
【００５６】
仕切板１２４は比較的熱伝導し易い素材で形成されており、導出路１３０を通過する排気ガスの熱は、仕切板１２４を介して導入路１２８を通過する燃料ガスに伝わる（伝熱する）。ここでは、導出路１３０を流れる排気ガスと導入路１２８を流れる燃料ガスとが、仕切板１２４を挟んで対向流（カウンタフロー）となっているため、排気ガスの熱で燃料ガスを効率的に予熱することが可能となり、高い熱効率を得ることができる。このように燃料ガスを予熱してから燃焼する、所謂、超過エンタルピ燃焼によって、燃料ガスの燃焼を安定化し、不完全燃焼によって生じるＣＯの濃度を極低濃度に抑えることができる。
【００５７】
さらに、燃焼室１２６において安定した燃焼を可能とするために、導入路１２８と燃焼室１２６との境界において、燃料ガスの流れに垂直な断面形状（以下、流路断面形状と称す）における代表寸法は、火炎を導入路１２８側に通さない（燃焼反応が導入路１２８の方に伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮し、消炎距離以下とするとよい。ここで、代表寸法は、燃料ガスが燃焼室１２６に流入する直前の流路の断面形状によって定まる寸法である。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合には、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。水力相当直径Ｄは、４×流路断面積／ぬれ縁長さで求められる。ぬれ縁長さは、流路断面における、燃料ガスが接触する壁（配置板１２０、仕切板１２４）部分の長さを示す。
【００５８】
例えば、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下とすれば、火炎が導入路１２８内に侵入することがなくなり、燃焼が安定化される。しかし、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下で均一にするためには、配置板１２０と仕切板１２４の面精度や取り付け精度を高める必要がある。そこで、本実施形態においては、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離よりも大きくしてもよいこととし、仕切板１２４の下面（配置板１２０側）の燃焼室１２６近傍に配置板１２０と当接する複数の突起部１５２を所定の間隔Ｌを空けて配置する。
【００５９】
図７は、複数の突起部１５２を説明するための説明図である。図７では、図３のＣＣ断面からの斜視図を示す。図７において、複数の突起部１５２の構造の理解を容易にするため、突起部１５２のうち、仕切板１２４で隠れている部分を破線で示す。また、矢印１５４は燃料ガスの流れの向きを示す。導入路１２８は、仕切板１２４に設けられた複数の突起部１５２によって、流路断面が狭められている。燃料ガスは、導入路１２８のうち、図６（ｂ）の部分拡大図および、図７で示すように、隣接する突起部１５２の間の空隙を通じて燃焼室１２６に流入する。このとき、突起部１５２同士の間隔Ｌが流路断面形状の代表寸法となる。
【００６０】
ここで、燃料ガスの消炎距離ｄは、管壁モデルの径の大きさで表されるものであり、式（１）により求められる。
ｄ＝２λ・Ｎｕ１／２／Ｃｐ・ρｕ・Ｓｕ …式（１）
式（１）において、λは熱伝導率、Ｎｕはヌセルト数、Ｃｐは定圧比熱、ρｕは燃料ガスの密度、Ｓｕは燃焼速度である。
【００６１】
本実施形態の燃焼加熱器１１０は、上述した代表寸法（突起部１５２同士の間隔Ｌ）が消炎距離ｄ以下となるように設計されているため、燃焼室１２６において安定した燃焼が可能となる。また、複数の突起部１５２を設ける構成に限定されず、仕切板１２４の下面の燃焼室１２６近傍に、１つの円環形の突起部を設けてもよい。この場合、突起部と配置板１２０との距離が代表寸法となる。かかる構成により、より簡易な構造で導入路１２８の代表寸法を消炎距離ｄ以下とすることができる。
【００６２】
以上、説明したように、燃焼加熱器１１０は、導出路１３０から導入路１２８に対して熱を伝達するので熱効率を非常に高くでき、第２配管部１４２を通じて排気ガスを回収するので、労働環境を損なうこともない。
【００６３】
また、燃焼加熱器１１０は、導入路１２８を形成するための面精度、高温耐酸化性を確保する役割を配置板１２０に、筐体の剛性を確保する役割を支持板１３２に、それぞれ機能分担しているため、高温耐酸化性、剛性の両方を満たす高価な部材を使用する必要がなく、また支持板１３２が配置板１２０と同等の面精度を満たす必要がないため、製造コストを抑えることができる。
【００６４】
また、複数の燃焼加熱器１１０で筐体を一体形成する場合、筐体は比較的面積が大きくなり、より剛性が求められる。しかし、配置板が筐体の一部を成す場合、燃料ガスの導入路を形成するための高い面精度や高温耐酸化性も必要とされている。そのため、燃焼加熱システムは、配置板としてこのような複数の要求を満たす部材、加工精度が必要となるため、製造コストが高くなってしまっていた。
【００６５】
本実施形態の燃焼加熱システム１００は、配置板１２０が筐体としての役割を成す必要がなく、支持板１３２は燃焼加熱システム１００全体で一体形成し、配置板１２０は燃焼加熱器１１０毎に分割して配置することができる。そのため、配置板１２０の面積を比較的小さく抑えることができ、製造時において面精度や仕切板１２４との平行度の確保が容易となる。また、使用時においても、燃焼加熱システム１００に衝撃があったり、熱変形を起こしたりしても、配置板１２０の面積が比較的小さいことから、配置板１２０と仕切板１２４との平行度の低下を抑制できる。
【００６６】
また、上述した実施形態では、燃焼室１２６は、外周壁１２２に沿って形成されるとしたが、かかる場合に限らず、燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、および配置板１２０で囲繞される空間内であればよい。ただし、排気ガスによる燃料ガスの予熱効果を十分に確保するため、燃焼室１２６は、例えば、加熱板１１８と仕切板１２４との間の空間、または仕切板１２４と配置板１２０との間の空間のうち、配置板１２０に設けられた孔１２０ａから外周壁１２２までの中間位置より外周壁１２２に近い空間のいずれかの位置に設けられることが望ましい。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器および複数の燃焼加熱器を連接した燃焼加熱システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１１０ …燃焼加熱器
１１８ …加熱板
１２０、２２０ …配置板
１２２ …外周壁
１２４ …仕切板
１２６ …燃焼室
１２８ …導入路
１３０ …導出路
１３２ …支持板
１３４ …第１断熱部
１３６ …第２断熱部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱板と、
前記加熱板に対向配置された配置板と、
前記加熱板と前記配置板の外周に沿って配され、該加熱板と該配置板とで空間を囲繞する外周壁と、
前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
前記加熱板、前記配置板、および前記外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、
前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、
前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して該燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、該仕切板を通じて該排気ガスの熱で前記燃料ガスを予熱する導出路と、
前記配置板の前記導入路に対して逆側から前記配置板を支持する支持板と、
を備えることを特徴とする燃焼加熱器。
【請求項２】
前記配置板は、前記支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱器。
【請求項３】
前記燃焼室は前記外周壁の内側に該外周壁に沿って配され、
前記燃焼室の前記外周壁側の面および前記配置板側の面に連続配置され、断熱性を有する第１断熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼加熱器。
【請求項４】
前記第１断熱部は、前記支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼加熱器。
【請求項５】
前記配置板と前記支持板との間に狭持され、断熱性を有する第２断熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃焼加熱器。
【請求項６】
加熱板と、該加熱板に対向配置された配置板と、該加熱板と該配置板の外周に沿って配され、該加熱板と該配置板とで空間を囲繞する外周壁と、該加熱板と該配置板の間に配置された仕切板と、該加熱板、該配置板、および該外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、該配置板と該仕切板とを側壁とし該燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、該加熱板と該仕切板とを側壁とし該燃焼室に連続して該燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、該仕切板を通じて該排気ガスの熱で該燃料ガスを予熱する導出路とを備える燃焼加熱器を複数連接した燃焼加熱システムであって、
前記配置板の前記導入路に対して逆側から、連接する複数の燃焼加熱器における複数の該配置板を支持する一連の板部材である支持板を備えることを特徴とする燃焼加熱システム。
【請求項１】
加熱板と、
前記加熱板に対向配置された配置板と、
前記加熱板と前記配置板の外周に沿って配され、該加熱板と該配置板とで空間を囲繞する外周壁と、
前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
前記加熱板、前記配置板、および前記外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、
前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、
前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して該燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、該仕切板を通じて該排気ガスの熱で前記燃料ガスを予熱する導出路と、
前記配置板の前記導入路に対して逆側から前記配置板を支持する支持板と、
を備えることを特徴とする燃焼加熱器。
【請求項２】
前記配置板は、前記支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱器。
【請求項３】
前記燃焼室は前記外周壁の内側に該外周壁に沿って配され、
前記燃焼室の前記外周壁側の面および前記配置板側の面に連続配置され、断熱性を有する第１断熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼加熱器。
【請求項４】
前記第１断熱部は、前記支持板よりも高温耐酸化性に優れる材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼加熱器。
【請求項５】
前記配置板と前記支持板との間に狭持され、断熱性を有する第２断熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃焼加熱器。
【請求項６】
加熱板と、該加熱板に対向配置された配置板と、該加熱板と該配置板の外周に沿って配され、該加熱板と該配置板とで空間を囲繞する外周壁と、該加熱板と該配置板の間に配置された仕切板と、該加熱板、該配置板、および該外周壁で囲繞される空間内に配置された燃焼室と、該配置板と該仕切板とを側壁とし該燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入路と、該加熱板と該仕切板とを側壁とし該燃焼室に連続して該燃焼室から排気ガスを当該燃焼加熱器外に導くと共に、該仕切板を通じて該排気ガスの熱で該燃料ガスを予熱する導出路とを備える燃焼加熱器を複数連接した燃焼加熱システムであって、
前記配置板の前記導入路に対して逆側から、連接する複数の燃焼加熱器における複数の該配置板を支持する一連の板部材である支持板を備えることを特徴とする燃焼加熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１９６０３（Ｐ２０１３−１９６０３Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３５８３（Ｐ２０１１−１５３５８３）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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