JP2001059601A - 水管ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水管ボイラにおいて、ボイラ効率のさらなる
向上を図る。 【解決手段】 複数の水管３により構成され、第一開口
部５を備えた環状の第一水管列４と、複数の水管３によ
り構成され、第二開口部１０を備えた環状の第二水管列
９とからなり、前記第一水管列４の外側に前記第二水管
列９を配置するとともに、前記第一水管列４の内側に燃
焼室７を設け、前記両水管列４，９の間に前記第一開口
部５から前記第二開口部１０へ至るガス通路１２を形成
し、前記第二開口部１０のほぼ中央部にガス案内用水管
１７を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、貫流ボイラ，自
然循環式水管ボイラ，強制循環式水管ボイラなどの水管
ボイラの缶体構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水管ボイラの缶体構造には、複数本の水
管を環状に配置して内側水管列を形成し、この内側水管
列の内側を燃焼室とし、前記内側水管列の外側にさらに
複数本の水管を環状に配置して外側水管列を形成し、両
水管列の間にガス通路を形成したものがある。前記燃焼
室内では主に輻射による伝熱が行われ、前記ガス通路で
は主に対流による伝熱が行われる。

【０００３】前記水管ボイラでは、ボイラ効率の向上を
図るために、前記水管に伝熱フィンを設けて伝熱面積を
増大させる対策が実施されているが、さらなるボイラ効
率の向上が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、水管ボイラにおいて、ボイラ効率のさら
なる向上を図ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、複数の水管により構成され、第一開口部を備えた環
状の第一水管列と、複数の水管により構成され、第二開
口部を備えた環状の第二水管列とからなり、前記第一水
管列の外側に前記第二水管列を配置するとともに、前記
第一水管列の内側に燃焼室を設け、前記両水管列の間に
前記第一開口部から前記第二開口部へ至るガス通路を形
成し、前記第二開口部のほぼ中央部にガス案内用水管を
配置したことを特徴としている。

【０００６】請求項２に記載の発明は、前記ガス案内用
水管に全周フィンを設けたことを特徴としている。

【０００７】請求項３に記載の発明は、前記ガス案内用
水管における前記第一水管列側の周面および前記第一水
管列側と反対側の周面のどちらか一方または両方に、前
記ガス案内用水管の軸方向に沿って延在した状態で縦型
フィンを設けたことを特徴としている。

【０００８】さらに、請求項４に記載の発明は、少なく
とも前記第二開口部の両側に位置する水管に全周フィン
をそれぞれ設けたことを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて説明する。この発明は、多管式の水管ボイラとし
て実施され、蒸気ボイラや温水ボイラのほか、熱媒を加
熱する熱媒ボイラなどに適用される。

【００１０】複数の水管により環状の第一水管列が形成
され、この第一水管列の内側に燃焼室が設けられてい
る。前記第一水管列の外側に、複数の水管により環状の
第二水管列が形成され、この第二水管列と前記第一水管
列との間にガス通路が設けられている。前記第一水管列
には第一開口部が設けられ、この第一開口部により前記
燃焼室と前記ガス通路とが連通している。前記第二水管
列には第二開口部が設けられ、この第二開口部により前
記ガス通路と煙道とが連通している。

【００１１】前記第二開口部の中央部には、ガス案内用
水管が配置されている。このガス案内用水管は、ガスを
前記第二水管列の最下流位置，すなわち前記第二開口部
の両側に位置する２本の水管（以下、「両最下流位置水
管」と云う。）に沿って案内しながら前記煙道へ導く働
きをなす。

【００１２】すなわち、前記ガス案内用水管は、前記両
最下流位置水管との間にそれぞれ所定の間隔を保持した
状態で前記両最下流位置水管に近接して設けられ、前記
ガス通路をそれぞれ流れてきたガスの流れ方向を変え
て、ガスが前記両最下流位置水管の周面に沿ってそれぞ
れ流れるようにする。これにより、ガスが、前記両最下
流位置水管における前記第二開口部にそれぞれ面する周
面全体と接触し、伝熱量が増加する。また、前記間隔
は、ガスの流通抵抗が過度に増大しない程度に狭めら
れ、前記ガス案内用水管と前記両最下流位置水管との間
を流れるガス流速の増加により、さらに伝熱量は増加す
る。加えて、前記ガス案内用水管自体もガスから熱を回
収する作用をなす。

【００１３】ここにおいて、前記ガス案内用水管は、伝
熱フィンを設けない構成とすることもできるし、伝熱フ
ィンを設けた構成にすることもできる。伝熱フィンを設
ける場合は、たとえば全周フィンを設け、帯状のフィン
部材を前記水管の周壁にスパイラル状に巻き付けた構成
とする。また、前記伝熱フィンは、複数の円板状のフィ
ン部材をそれぞれ分離させて前記水管の軸方向に多段状
に設けた構成とすることもできるし、周方向に複数個に
分割したフィン部材を前記水管の軸方向に多段状に設け
た構成とすることもできる。前記ガス案内用水管は、そ
の周面全体でガスと接触するため、前記全周フィンを設
けると伝熱量の増加に頗る効果的である。

【００１４】さらに、前記ガス案内用水管に設ける伝熱
フィンとしては、前記ガス案内用水管の軸方向に沿って
延在した状態で設けた縦型フィンとすることもできる。
すなわち、前記ガス案内用水管における前記第一水管列
側の周面および前記第一水管列側と反対側の周面のどち
らか一方または両方に、前記縦型フィンを設けた構成と
する。前記縦型フィンを設けることにより、ガスをスム
ーズに前記煙道へ導くことができる。

【００１５】ところで、前記第一水管列および前記第二
水管列は、伝熱フィンを設けない構成とすることもでき
るが、少なくとも前記第二水管列の前記両最下流位置水
管に全周フィンを設けた構成にすると、前記ガス案内用
水管を設けることによる伝熱量増加の効果が大きくな
る。

【００１６】前記構成によれば、前記ガス通路出口部に
おける伝熱量が大幅に増加して、ボイラ効率をさらに向
上させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明を多管式の貫流ボイラに適用
した実施例について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】まず、図１および図２に示す第一実施例に
ついて説明する。図１は、この発明の第一実施例におけ
る縦断面説明図であり、また図２は、図１のII−II線に
沿う横断面説明図である。

【００１９】最初に、ボイラの缶体構成について説明す
ると、ボイラの缶体は、所定の距離を離して配置された
上部管寄せ１および下部管寄せ２を備えている。これら
の上部管寄せ１および下部管寄せ２の間には、複数の水
管３，３，…が環状に配置されている。これらの各水管
３は、水管壁構造をした環状の第一水管列４を形成し、
前記各水管３の上下端部は、前記上部管寄せ１および前
記下部管寄せ２にそれぞれ接続されている。前記第一水
管列４は、その一部に第一開口部５を備えている。前記
各水管３は、前記第一開口部５を除いて、密接された状
態または第一縦ヒレ部材６，６，…によりそれぞれ連結
されている。

【００２０】前記第一水管列４の内側には、燃焼室７が
設けられている。この燃焼室７の上方には、バーナ８が
取り付けられている。このバーナ８は、前記上部管寄せ
１の内方中央部から前記燃焼室７へ向けて挿入されてい
る。また、前記バーナ８は、送風機（図示省略）を備え
ている。

【００２１】前記第一水管列４の外側には、複数の水管
３，３，…が環状に配置されている。これらの各水管３
は、環状の第二水管列９を形成し、前記各水管３の上下
端部は、前記上部管寄せ１および前記下部管寄せ２にそ
れぞれ接続されている。前記第二水管列９は、その一部
に第二開口部１０を備えている。この第二開口部１０
は、前記第一開口部５に対して約１８０度反対側に設け
られている。前記各水管３間には、前記第二開口部１０
および前記第二開口部１０から所定距離上流側の範囲を
除いて、第二縦ヒレ部材１１，１１，…が設けられ、前
記各水管３は前記各第二縦ヒレ部材１１でそれぞれ連結
されている。前記第一水管列４の各水管３と前記第二水
管列９の各水管３とは、周方向にほぼ半ピッチずつずら
した状態で配置されている。

【００２２】前記第一水管列４と前記第二水管列９との
間には、前記第一開口部５から前記第二開口部１０へ至
るガス通路１２，１２が設けられている。この両ガス通
路１２は、前記第一開口部５を介して前記燃焼室７と連
通し、前記第二開口部１０を介して煙道１３と連通して
いる。したがって、前記燃焼室７を出たガスは、前記第
一開口部５で分岐して前記両ガス通路１２へそれぞれ流
入し、前記第二開口部１０において合流して前記煙道１
３へ流入するようになっている。

【００２３】さて、前記缶体構成において、前記ガス通
路１２を流れるガスの温度は、前記両水管列４，９への
伝熱により下流側へ向かうにしたがって低下していく。
そこで、この第一実施例においては、ガス温度の低下の
度合いに応じて、前記ガス通路１２に面する前記両水管
列４，９によって構成される伝熱面構造を、高温域伝熱
面構造，中温域伝熱面構造および低温域伝熱面構造の３
段階とし、つぎのように設定している。なお、以下の説
明においては、前記両ガス通路１２は、前記第一開口部
５から前記第二開口部１０へ至る通路としてほぼ対称と
なっているので、一方の前記ガス通路１２について説明
する。

【００２４】まず、高温域伝熱面構造について説明す
る。前記第一開口部５から前記ガス通路１２へ流入した
ガスの温度は、約１３００℃である。ガス温度が約９０
０℃〜約１３００℃の高温域においては、前記両水管列
４，９は、複数のフィン無し水管Ａ，Ａ，…による水管
壁構造となっている。

【００２５】つぎに、中温域伝熱面構造について説明す
る。ガス温度が約５００℃〜約９００℃の中温域におい
ては、前記両水管列４，９は、複数の片側フィン付水管
Ｂ，Ｂ，…による水管壁構造となっている。前記片側フ
ィン付水管Ｂは、前記水管３の片側（前記ガス通路１２
側）に横ヒレ形状の多数の横型フィン１４，１４，…が
多段状に設けられている。

【００２６】さらに、低温域伝熱面構造について説明す
る。ガス温度が約５００℃以下の低温域においては、前
記第一水管列４は、複数のフィン無し水管Ａ，Ａ，…に
よる水管壁構造となっており、前記第二水管列９は、複
数の全周フィン付水管Ｃ，Ｃ，…を互いに所定の間隔を
保持して配置した構造になっている。前記全周フィン付
水管Ｃは、全周フィン１５として、帯状のフィン部材が
前記水管３の周壁にスパイラル状に巻き付けられてい
る。したがって、前記第二水管列９の内外両側をガスが
流れ、前記全周フィン付水管Ｃの外周全体にガスが接触
して伝熱が行われるようになっている。

【００２７】ここにおいて、前記全周フィン付水管Ｃ
は、その内側となる前記第一水管列４側が前記第一水管
列４の前記フィン無し水管Ａにほぼ接触した状態で配置
されており、また前記第一水管列４と反対側となる前記
全周フィン付水管Ｃの外側には、ガス通路壁として機能
するガイド部材１６がほぼ密着した状態で配置されてい
る。このガイド部材１６は、前記低温域伝熱面構造を構
成する部分の隔壁として配置されるもので、その上流側
端部は、前記中温域伝熱面構造を構成する前記第二水管
列９の最下流側に位置する水管に連結されており、また
その下流側端部は、前記第二開口部１０の一側を画成す
る端部となっている。そして、前記ガイド部材１６は、
前記各全周フィン付水管Ｃの外周，すなわち前記各全周
フィン付水管Ｃで構成される第二水管列９の半径方向外
側の伝熱面に沿って凹凸状に形成されており、ガスを前
記各全周フィン付水管Ｃに沿うように流す機能を果たし
ている。

【００２８】ところで、前記第二開口部１０のほぼ中央
部には、ガス案内用水管１７が設けられている。このガ
ス案内用水管１７は、ガスを前記第二水管列９の最下流
位置，すなわち前記第二開口部１０の両側に位置する２
本の前記全周フィン付水管Ｃ，Ｃ（以下、「最下流位置
水管１８，１８」と云う。）に沿って案内しながら前記
煙道１３へ導く働きをなす。

【００２９】したがって、前記ガス案内用水管１７は、
前記両最下流位置水管１８との間に所定の間隔をそれぞ
れ保持した状態で前記両最下流位置水管１８に近接して
設けられ、前記ガス通路１２をそれぞれ流れてきたガス
の流れ方向を変えて、ガスが前記両最下流位置水管１８
の周面に沿ってそれぞれ流れるようにしている。前記ガ
ス案内用水管１７と前記両最下流位置水管１８との各間
隔は、ガスの流通抵抗が過度に増大しない程度に狭めら
れ、前記ガス案内用水管１７と前記両最下流位置水管１
８との間を流れるガスの流速がそれぞれ大きくなるよう
にしている。

【００３０】さらに、前記ガス案内用水管１７は、前記
第一水管列４の前記フィン無し水管Ａとの間に所定の間
隔を保持して配置されており、前記ガス案内用水管１７
の前記第一水管列４側の周面にもガスが接触し、ガスが
前記ガス案内用水管１７の全周に接触するようになって
いる。そして、前記ガス案内用水管１７には、その周面
全体に前記全周フィン１５が設けられている。

【００３１】また、前記第二水管列９の外側には、断熱
材１９が設けられ、さらにその外側に、缶体カバー２０
が設けられている。

【００３２】前記構成の貫流ボイラにおいて、その作用
を説明する。前記バーナ８を作動させると、前記燃焼室
７内で燃焼反応が行われ、燃焼反応がほぼ完了した高温
のガスが、前記第一開口部５を通って前記ガス通路１２
へ流入する。前記ガス通路１２へ流入したガスは、二方
向に分かれて前記ガス通路１２を流れる。ガスが前記ガ
ス通路１２を流れる際、ガスの熱が前記各水管３内の被
加熱流体に伝えられ、ガスの温度は下流側へ行くほど低
下する。そして、前記第二開口部１０で合流したガス
は、前記煙道１３から排ガスとして外部へ排出される。
一方、前記各水管３内の被加熱流体は、加熱されながら
上昇し、前記上部管寄せ１から蒸気として取り出され
る。

【００３３】前記ガス通路１２に面する前記両水管列
４，９の伝熱面構造を前記３段階の伝熱面構造とするこ
とにより、伝熱量が増加し、ボイラ効率が格段に向上す
る。特に、前記中温域および前記低温域の伝熱量が大幅
に増加する。しかも、全体的にガスの流通抵抗を増大さ
せることなく、かつ前記水管の熱負荷が高くなり過ぎな
いようにしつつ、ボイラ効率を向上させることができ
る。

【００３４】また、前記ガイド部材１６を設けることに
より、伝熱量の増加に対して効果の大きい前記各全周フ
ィン付水管Ｃの伝熱面全体を有効に活用することができ
る。すなわち、ガスが前記各全周フィン付水管Ｃに沿っ
て流れるとともに、ガスの流速が増加し、伝熱量が増加
する。また、前記ガイド部材１６の凸部（符号省略）
が、前記各全周フィン付水管Ｃ間にガスが滞留するのを
防止して、伝熱量の増加により効果的である。

【００３５】さらに、前記ガス案内用水管１７を設ける
ことによる効果について説明する。前記ガス案内用水管
１７を設けることにより、ガスが前記両最下流位置水管
１８における前記第二開口部１０に面する周面全体と接
触するとともに、前記ガス案内用水管１７と前記両最下
流位置水管１８との間を流れるガスの流速が増加する。
また、前記ガス案内用水管１７自体もガスから熱を回収
する。したがって、前記ガス通路１２の出口部における
伝熱量が大幅に増加して、ボイラ効率をさらに向上させ
ることができる。

【００３６】つぎに、図３に示す第二実施例について説
明する。ここにおいて、前記第一実施例と同様の構成部
材には同一の参照番号を付して、その詳細説明を省略す
る。さて、この第二実施例においては、ガス案内用水管
１７に、ガスの流れに沿って一対の平板状の縦型フィン
２１，２１を設けている。これらの両縦型フィン２１
は、前記ガス案内用水管１７の軸方向に沿って延在した
状態で、前記ガス案内用水管１７における前記第一水管
列４側の周面および前記第一水管列４側と反対側（煙道
１３側）の周面に、それぞれ設けられている。

【００３７】前記両縦型フィン２１を設けることによ
り、両ガス通路１２，１２を流れてきたガスが、スムー
ズに方向転換をして、前記煙道１３へ向かって流れる。
したがって、前記両ガス通路１２の出口部における流通
抵抗を低く抑えることができる。また、伝熱量の増加に
関する作用効果は、前記第一実施例と同様である。

【００３８】以上の前記第一実施例および前記第二実施
例においては、前記ガス案内用水管１７に前記全周フィ
ン１５や前記縦型フィン２１などの伝熱フィンを設けた
構成としているが、伝熱フィンを設けない，いわゆる裸
管とすることもできる。

【００３９】また、前記第一実施例および前記第二実施
例は、前記ガス通路１２において、前記第一開口部５か
ら流入したガスが二方向に分かれて流れ、前記第二開口
部１０で合流する，いわゆるオメガフローの缶体につい
て説明したが、この発明は、たとえば実開平７−１２７
０１号公報に記載されているように、前記第一開口部５
から流入したガスが一方向に前記ガス通路１２をほぼ一
周するように流れる，いわゆる「の」の字フローの缶体
にも適用することができる。また、この発明は、たとえ
ば特開平１０−２６３０３号公報に記載されているよう
に、前記第一開口部５を前記第一水管列４に周方向にほ
ぼ等分に複数個設け、これら各第一開口部５に対応させ
て前記ガス通路１２を複数のブロックに分割した構成の
缶体にも適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】この発明によれば、両水管列間に形成さ
れるガス通路の出口部における伝熱量が大幅に増加し
て、ボイラ効率をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における第一実施例の縦断面説明図で
ある。

【図２】図１のII−II線に沿う横断面説明図である。

【図３】この発明における第二実施例の横断面説明図で
ある。

【符号の説明】

３ 水管 ４ 第一水管列 ５ 第一開口部 ７ 燃焼室 ９ 第二水管列 １０ 第二開口部 １２ ガス通路 １５ 全周フィン １７ ガス案内用水管 １８ 水管 ２１ 縦型フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森松 隆史 愛媛県松山市堀江町７番地 三浦工業株式 会社内 (72)発明者 若江 弘一 愛媛県松山市堀江町７番地 三浦工業株式 会社内 (72)発明者 近藤 幹太 愛媛県松山市堀江町７番地 三浦工業株式 会社内 (72)発明者 大久保 智浩 愛媛県松山市堀江町７番地 三浦工業株式 会社内 (72)発明者 田中 収 愛媛県松山市堀江町７番地 株式会社三浦 研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の水管３により構成され、第一開口
   部５を備えた環状の第一水管列４と、複数の水管３によ
   り構成され、第二開口部１０を備えた環状の第二水管列
   ９とからなり、前記第一水管列４の外側に前記第二水管
   列９を配置するとともに、前記第一水管列４の内側に燃
   焼室７を設け、前記両水管列４，９の間に前記第一開口
   部５から前記第二開口部１０へ至るガス通路１２を形成
   し、前記第二開口部１０のほぼ中央部にガス案内用水管
   １７を配置したことを特徴とする水管ボイラ。
2. 【請求項２】 前記ガス案内用水管１７に全周フィン１
   ５を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水管ボイ
   ラ。
3. 【請求項３】 前記ガス案内用水管１７における前記第
   一水管列４側の周面および前記第一水管列４側と反対側
   の周面のどちらか一方または両方に、前記ガス案内用水
   管１７の軸方向に沿って延在した状態で縦型フィン２１
   を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水管ボイ
   ラ。
4. 【請求項４】 少なくとも前記第二開口部１０の両側に
   位置する水管１８，１８に全周フィン１５をそれぞれ設
   けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載の水管ボイラ。