JP2000088205A - 水管ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効果的に伝熱面を配置することによって各水
管の蒸発量を均一化し、構造が簡単で、安価且つ伝熱効
率の優れた水管ボイラを提供する。 【解決手段】 上部管寄せ１と下部管寄せ２との間に複
数の水管３，４を環状に配列した水管群５，６を設け、
該環状の水管群の略中央の上部又は下部にバーナ１３を
配置して、前記水管群の内側を燃焼室７とした水管ボイ
ラにおいて、前記水管３，４を略２周に亘って渦巻き状
に配列して、その内周側の内列水管群５と外周側の外列
水管群６との間に前記燃焼室７から煙道１２に連なる燃
焼ガスの水管間通路８を形成し、この水管間通路８の出
口側に位置する複数の外列水管２０に周方向のフィン２
１を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上部管寄せと下部
管寄せとの間に多数の水管を環状に配列した水管群を設
けた構造の水管ボイラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来のこの種の水管ボイラの構
造を示す縦断面図、図７は横断面図である。図示するよ
うに、上部管寄せ（上部胴）１と下部管寄せ（下部胴）
２とを多数の内列水管３と外列水管４で連通して環状の
内外列水管群５，６を構成し、この内列水管群５内に燃
焼室７を、内外列水管群５，６の間に燃焼ガスの水管間
通路８を形成している。内列水管群５に開口部１０を設
けて燃焼室７と水管間通路８とを連通させるとともに、
外列水管群６に開口部１１を設けて、水管間通路８と煙
道１２とを連通させた構造である。

【０００３】そして、燃焼室７の上端にバーナ１３が配
置され、このバーナ１３によって燃焼室７に火炎を発生
させ、この火炎による燃焼ガスは、開口部１０から水管
間通路８を流れて、内列水管３及び外列水管４との間で
熱交換を行い、ガス温度を下げて煙道１２から排出され
る。ここに、前記内列水管群５の開口部１０は煙道１２
と反対側に、外列水管群６の開口部１１は煙道１２に面
してそれぞれ設けられ、これによって、燃焼ガスは、開
口部１０で２方向に分岐して水管間通路８内を同時に流
れ、開口部１１で合流して煙道１２に向かうようになっ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術においては、水管の容積に対する表面積の割合が小さ
く、伝熱量が不充分で効率が良くなかった。熱出力（蒸
発量）を増加させる目的で伝熱面積を増やすには、内外
列の水管本数を増やすか、水管長を長くしなければなら
ず、外形が大きくなったり高さが高くなるという問題が
あった。

【０００５】更に、燃焼ガスは２方向に分岐して水管間
通路を流れた後、合流して煙道に向かうため、水管間通
路には煙道から排出される燃焼ガスの約半分の燃焼ガス
しか流れず、伝熱効率を向上させるために燃焼ガスの速
度をより高速にしようとしても、これが困難であるばか
りでなく、内列水管３は燃焼室７側の火炎から均一な輻
射を受けるので、比較的蒸発量が均一となるが、外列水
管４は燃焼ガスの温度降下に従って蒸発量が減少し、流
路に沿った各場所で蒸発量が偏り、特に煙道付近の燃焼
ガスの低温部での蒸発量が低下して燃焼ガスの熱量の有
効な活用ができなかった。

【０００６】本発明は、上述の事情に鑑みてなされたも
ので、効果的に伝熱面を配置することによって各水管の
蒸発量を均一化し、構造が簡単で、安価且つ伝熱効率の
優れた水管ボイラを提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【発明を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、上部管寄せと下部管寄せとの間に複数の水管を環状
に配列した水管群を設け、該環状の水管群の略中央の上
部又は下部にバーナを配置して、前記水管群の内側を燃
焼室とした水管ボイラにおいて、前記水管を略２周に亘
って渦巻き状に配列して、その内周側の内列水管群と外
周側の外列水管群との間に前記燃焼室から煙道に連なる
燃焼ガスの水管間通路を形成し、この水管間通路の出口
側に位置する複数の外列水管に周方向のフィンを設けた
ことを特徴とする水管ボイラである。

【０００８】上記のように構成することにより、燃焼室
内で燃焼した燃焼ガスは、水管間通路に達した後、この
水管間通路に沿って一方向に流れつつ、内列水管及び外
列水管との間で熱交換を行って煙道へ向かう。ここで、
煙道から排出される燃焼ガスのほぼ全量が水管間通路を
一方向に流れるようにすることで、その流速を速めて熱
伝達率を向上させ、しかも、この水管間通路が燃焼室を
約１周するように形成することで、燃焼ガスの熱交換に
供する流路長さをより長くするができる。

【０００９】更に、水管間通路の出口側に位置する複数
の外列水管にのみ周方向のフィンを設けているので、充
分な伝熱量を得るに必要なガスの流速と、外列水管の伝
熱面積のバランスを、全体としての熱伝達効率が最も高
くなるように設定することができる。また、フィンは、
水管間通路の下流のガス温度が低下した箇所の水管に形
成しているから、外形寸法はそのままで低温域での伝熱
量が増加し、各水管の吸収熱量を均衡させ、各水管毎に
バランスの取れた熱交換を行わせる。水管に取り付ける
フィンは、伝熱面積として算出する場合、片面実面積の
２０％で良い為、少ない面積増加でボイラ効率の向上が
図れる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、上部管寄せと下
部管寄せとの間に複数の水管を環状に配列した水管群を
設け、該環状の水管群の略中央の上部又は下部にバーナ
を配置して、前記水管群の内側を燃焼室とした水管ボイ
ラにおいて、前記水管を略１．５周に亘って渦巻き状に
配列して、その内周側の内列水管群と外周側の外列水管
群との間に前記燃焼室から煙道に連なる燃焼ガスの水管
間通路を形成し、この水管間通路の出口側に位置する複
数の外列水管に周方向のフィンを設けたことを特徴とす
る水管ボイラである。

【００１１】上記のように構成することにより、前記請
求項１に記載の発明と同様に、燃焼ガスの流速を速める
ことができ、しかも、充分な伝熱量を得るに必要なガス
の流速と、外列水管の伝熱面積のバランスを、全体とし
ての熱伝達効率が最も高くなるように設定することがで
きる。特に、小型のボイラにあっては、内部に水管の本
数を増やすことが困難であるので、このように構成する
ことで、効果的な伝熱を行って熱伝達効率を向上させる
ことができる。

【００１２】請求項３に記載の発明は、前記周方向のフ
ィンをスパイラル状のフィンとしたことを特徴とする請
求項１または２記載の水管ボイラである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図５に基づいて説明する。図１及び図２は、本発明
の第１の実施の形態の水管ボイラの構造を示す図で、図
１は縦断面図、図２は横断面図である。上部管寄せ１及
び下部管寄せ２は共に環状に形成され、これら上部管寄
せ１及び下部管寄せ２とは多数の水管、すなわち略２周
に亘って渦巻き状に配列した内列水管３と外列水管４で
連結されている。

【００１４】多数の内列水管３は互いに密接して配列さ
れて環状の内列水管群５が構成され、この内列水管群５
の内側に燃焼室７が形成されており、上部管寄せ１の内
側には、燃焼室７に向けてバーナ（燃焼装置）１３が設
けられている。また、外列水管４は間隔をあけて互いに
フィン１５によって連結されて、同じく環状の外列水管
群６が構成されている。

【００１５】前記内列水管群５と外列水管群６の間に
は、燃焼ガスの水管間通路８が形成されている。内列水
管群５には煙道１２側に開口部１０を設けて、内列水管
群５内に形成された燃焼室７と水管間通路８とを連通さ
せ、外列水管群６には煙道１２に面して開口部１１を設
けて、水管間通路８と煙道１２を連通させている。そし
て、前記両開口部１０，１１に挟まれた端部に位置する
内列水管３と外列水管４とはフィン１６で連結され、こ
れによって、燃焼ガスのほぼ全量が燃焼室７から煙道１
２に連なる水管間通路８を一方向に流れて、煙道１２か
ら排気されるようになっている。外列水管群６の外側に
はケーシング１７が設けられ、その外側には断熱材１８
が設けてある。

【００１６】内列水管３と外列水管４とは互いに周方向
に略半ピッチずつずらして配列されている。外列水管４
のうち、水管間通路８の出口側、すなわち煙道１２側に
位置する複数（図では５本）は、周方向のフィン２１を
有する水管２０となっている。

【００１７】次に上記構造の水管ボイラの作用について
説明する。燃焼室７で燃焼した燃焼ガスは、内列水管群
５に設けられた開口部１０から水管間通路８に達した
後、この水管間通路８に沿って一方向（図２の左方向）
に流れて内列水管３及び外列水管４との間で熱交換し、
外列水管群６に設けられた開口部１１から煙道１２へ向
かう。この時、煙道１２から排出される燃焼ガスのほぼ
全量が水管間通路８を一方向に流れるため、その流速を
速めて熱伝達率を向上させることができ、しかも、この
水管間通路８は燃焼室７を約１周するように形成されて
いるため、燃焼ガスの熱交換に供される流路長さをより
長くして、伝熱効率を向上させることができる。しか
も、水管間通路８の出口側に位置する、外列水管群６に
設けられた開口部１１付近の外列水管は、周方向のフィ
ン２１を有する水管２０であるから、周方向のフィン２
１の伝熱面積を有効に使用することができ、伝熱量が増
加する。

【００１８】このように、燃焼ガスは、水管間通路８に
おいて、内外列水管３，４との間で熱交換しているの
で、フィン付き水管２０の近傍における燃焼ガス温度
は、内列水管群５に設けられた開口部１０の付近より低
下しており、断熱材１８をより低いガス温度仕様にすれ
ばよく、断熱材１８のコストを下げることができる。

【００１９】図３は、本発明の第２の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図である。図３の水管ボイラ
が図１及び図２の水管ボイラと相違する点は、図１及び
図２においては、隣合う内列水管３同士を互いに密接さ
せつつ配列して内列水管群５を構成しているのに対し、
図３においては、外列水管群６と同様に、隣合う内列水
管３同士を互いにフィン２２で連結して内列水管群５を
構成している点である。その他の点は両者同一である。

【００２０】図４は、本発明の第３の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図である。図４の水管ボイラ
が図１及び図２の水管ボイラと相違する点は、図１及び
図２においては、内外列水管３，４を略２周に亘って渦
巻状に形成しているのに対し、図４においては、内外列
水管３，４を略１．５周に亘って渦巻き状に配列して、
外列水管群６を半環状に形成し、煙道１２と反対側に開
口部１０を位置させて、半円状の水管間通路８を形成し
ている点である。その他の点は両者同一である。

【００２１】小型のボイラにあっては、内部に水管の本
数を増やすことが困難であるが、このように構成するこ
とで、水管間通路８を流れる燃焼ガスの流速を速めると
ともに、周方向のフィン２１を有する水管２０の該周方
向のフィン２１の伝熱面積を有効に使用して伝熱量を増
加させることで、効果的な伝熱を行って熱伝達効率を向
上させることができる。

【００２２】図５は、本発明の第４の実施の形態の水管
ボイラの構造を示す横断面図である。図５の水管ボイラ
が図４の水管ボイラと相違する点は、図４においては、
隣合う内列水管３同士を互いに密接させつつ配列して内
列水管群５を構成しているのに対し、図５においては、
外列水管群６と同様に、隣合う内列水管３同士を互いに
フィン２２で連結して内列水管群５を構成している点で
ある。その他の点は両者同一である。

【００２３】なお、前記各実施の形態の水管ボイラにお
いては、周方向のフィン２１を個々に長さ方向に分離し
た円板状としたが、熱伝達効率の良いスパイラル状のフ
ィンとしてもよい。また、フィンのピッチ（間隔）や高
さは一定としたが、これを適宜に変化させて、水管の伝
熱面積を燃焼ガスの流れの上流から下流に向けて順次増
加させるようにしてもよい。これにより、一層きめ細か
く各水管の伝熱量を均衡させて、全体としての伝熱効率
を向上させることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
煙道から排出される燃焼ガスのほぼ全量が渦巻状に形成
された水管列の水管間通路を一方向に長い流路長を流れ
るようにして、熱伝達率を向上させることができる。し
かも、水管間通路の出口側に位置する複数の外列水管に
のみ周方向のフィンを設けることで、充分な伝熱量を得
るに必要なガスの流速と、外列水管の伝熱面積のバラン
スを、全体としての熱伝達効率が最も高くなるように設
定することができ、これにより、従来の缶体の構造を変
えたり、寸法を大きくすることなくボイラ効率の向上が
図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す縦断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態の水管ボイラの構造
を示す横断面図である。

【図６】従来のこの種の水管ボイラの構造の一例を示す
縦断面図である。

【図７】従来のこの種の水管ボイラの構造の一例を示す
横断面図である。

【符号の説明】

１ 上部管寄せ ２ 下部管寄せ ３ 内列水管 ４ 外列水管 ５ 内列水管群 ６ 外列水管群 ７ 燃焼室 ８ 水管間通路 １０ 開口部 １１ 開口部 １２ 煙道 ２０ 周方向のフィンを有する水管 ２１ 周方向のフィン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部管寄せと下部管寄せとの間に複数の
   水管を環状に配列した水管群を設け、該環状の水管群の
   略中央の上部又は下部にバーナを配置して、前記水管群
   の内側を燃焼室とした水管ボイラにおいて、 前記水管を略２周に亘って渦巻き状に配列して、その内
   周側の内列水管群と外周側の外列水管群との間に前記燃
   焼室から煙道に連なる燃焼ガスの水管間通路を形成し、
   この水管間通路の出口側に位置する複数の外列水管に周
   方向のフィンを設けたことを特徴とする水管ボイラ。
2. 【請求項２】 上部管寄せと下部管寄せとの間に複数の
   水管を環状に配列した水管群を設け、該環状の水管群の
   略中央の上部又は下部にバーナを配置して、前記水管群
   の内側を燃焼室とした水管ボイラにおいて、 前記水管を略１．５周に亘って渦巻き状に配列して、そ
   の内周側の内列水管群と外周側の外列水管群との間に前
   記燃焼室から煙道に連なる燃焼ガスの水管間通路を形成
   し、この水管間通路の出口側に位置する複数の外列水管
   に周方向のフィンを設けたことを特徴とする水管ボイ
   ラ。
3. 【請求項３】 前記周方向のフィンをスパイラル状のフ
   ィンとしたことを特徴とする請求項１または２記載の水
   管ボイラ。