JP2007085617A - マイクロコンバスタを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロコンバスタを用いた高効率かつ小型の熱交換器を提供する。
【解決手段】 予混合ガス流路と燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで形成し、予混合ガスを燃焼室１２で燃焼させると共に、燃焼ガスの熱で予混合ガスの予熱を行うマイクロコンバスタ１０を用いた熱交換器１０Ａにおいて、加熱板である上下壁１６，１７に沿って熱交換チューブ２５を設けた。
【選択図】 図５

Description

この発明は、小型高効率熱源であるマイクロコンバスタを用いた熱交換器に関する。

上記マイクロコンバスタは、例えば下記特許文献１，２にて既に知られている。すなわち、マイクロコンバスタは、燃焼器本体の内部に、燃焼ガスからの熱を燃焼前のガス（未燃焼ガス、燃料及び酸化剤）に伝える伝熱壁を持つ燃焼器である。
特開２００４−２００８３号公報 特開２００５−７６９７３号公報

上記マイクロコンバスタは、燃焼ガスの熱を用いて未燃焼ガスを十分に予熱することで、排熱再生により熱利用効率を高めると共に、前記予熱により燃焼安定性を高めて燃焼室の小型化ひいては燃焼器本体の小型化を図ることができ、かつ排ガス温度及び燃焼器本体の外表面温度を抑えることができる等、様々なメリットを有する。このようなマイクロコンバスタを用いて、比較的小型のヒータや温水器等の熱交換器を構成することが要望されている。
そこでこの発明は、マイクロコンバスタを用いた高効率かつ小型の熱交換器を提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させて前記燃焼器本体の加熱板を加熱すると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、前記加熱板に沿って流体流通路を設ける、あるいは前記加熱板内に設けられた流体流通路を持つことを特徴とする。なお、この発明において、「未燃焼ガス」とは燃料前のガスを意味し、「燃焼ガス」とは燃焼後のガスを意味する。

請求項２に記載した発明は、燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させて前記燃焼器本体の加熱板を加熱すると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、前記加熱板上に熱交換用のフィンを設けたことを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、前記燃焼器本体内の壁に沿って流体流通路を設ける、あるいは前記壁内に設けられた流体流通路を持つことを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、加熱板に沿う（あるいは加熱板内の）流体流通路内に被加熱物である所望の流体を流通させることで、燃焼器本体の一側を構成する加熱板の面積を有効利用し、外部に熱を効率良く取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。
しかも、燃焼器本体内で燃焼を行うことで、ボイラ等の外熱式のものと比べて小型化を図ると共に、その外表面温度を抑えることができる。

請求項２に記載した発明によれば、加熱板上に立設された熱交換用のフィンの周囲に被加熱物である所望の流体を流通させる、あるいはフィンを被加熱物内に臨ませることで、熱を外部に効率良く取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃焼器本体内の壁に沿う（あるいは壁内の）流体流通路内に被加熱物である所望の流体を流通させることで、燃焼ガスの熱を外部に直接的に取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１に示すように、マイクロコンバスタ１０は、所謂スイスロール型の燃焼加熱器として構成される。具体的には、マイクロコンバスタ１０は、都市ガス等の燃料ガスと燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された状態で供給される所謂予混合タイプのもので、円柱状をなす燃焼器本体１１の内部に、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの予混合ガス（未燃焼ガス）Ｆ（図中実線矢印で示す）の流路（以下、予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）という）１３と、前記予混合ガスＦを本体中央部の燃焼室１２で燃焼させた後の燃焼ガスＥ（図中破線矢印で示す）の流路（以下、燃焼ガス流路という）１４とを、前記燃焼室１２を中心とした渦巻き状に配置してなる。

図２，３を併せて参照して説明すると、燃焼器本体１１は、円筒状の外周壁１５の上下を円盤状の上下壁（加熱板）１６，１７で閉塞してなるもので、その上下方向（軸方向）の厚さに対して直径が大きい扁平状とされる。外周壁１５は伝熱性が低く（保温性が高く）、上下壁１６，１７は伝熱性が高いものとされる。上壁１６の上面及び下壁１７の下面は、燃焼器本体１１の外表面の大部分を占める。この上下面がそれぞれ加熱面１６ａ，１７ａとされ、該加熱面１６ａ，１７ａから放出された熱により被加熱物を加熱する。

燃焼器本体１１内には、その略中央部に前記燃焼室１２が配置され、該燃焼室１２を中心に上下の加熱面１６ａ，１７ａに沿って平面視略円形に巻回するように、前記予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４が配置される。なお、図中符号１３ａ，１４ａは予混合ガス供給口及び燃焼ガス排出口を示し、これらがそれぞれ燃焼器本体１１の外周部に例えばその接線方向に沿うように突設される。なお、予混合ガス供給口１３ａ及び燃焼ガス排出口１４ａは、前記接線方向以外の方向に開口させてもよい。

予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４は、例えば予混合ガス流路１３を外周側、燃焼ガス流路１４を内周側として伝熱壁１８を挟んで対をなすように配置される。また、前記対をなすガス流路とその内周側又は外周側に隣接する他の対をなすガス流路との間（この場合、外周側に位置する燃焼ガス流路１４と内周側に位置する予混合ガス流路１３との間）を隔てる壁も、伝熱壁１９として構成されている。なお、予混合ガス流路１３を内周側、燃焼ガス流路１４を外周側に配置してもよい。

図４は、渦巻き状に配置される各ガス流路１３，１４を直線状に展開した場合の説明図であり、本図を併せて参照して説明すると、予混合ガス流路１３内の予混合ガスＦの流れと、燃焼ガス流路１４内の燃焼ガスＥの流れとは、伝熱壁１８，１９を挟んだ対向流（カウンタフロー）とされており、これら両ガス間において十分な熱交換がなされる。

すなわち、予混合ガスＦは、燃焼室１２に導入される前の段階で十分に予熱されており、燃焼器本体１１内の比較的小さな燃焼室１２において、小規模ながらも安定した燃焼を可能としている。なお、少なくとも予混合ガス流路１３の代表寸法は、火炎を通さない（燃焼反応が伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮したものとされる。また、燃焼室１２には、不図示の点火手段（触媒等）が設けられている。

ここで、上記予混合ガス流路１３の代表寸法とは、燃料室１２に臨む部位の流路断面形状によって変化する。例えば前記流路断面形状が円形状である場合、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、代表寸法径は断面の水力相当直径を指す。この水力相当直径は、以下の式（１）によって求められる。
水力相当直径Ｄ＝４×流路断面積／ぬれ縁周辺長・・・式（１）
なお、上記代表寸法を採る部位は、燃焼室１２に臨む部位に限らず、予混合ガス流路１３のうち、本燃焼現象を支配する部位とする。

また、上記燃焼が燃焼器本体１１の内部で行われるため、該燃焼が周辺雰囲気に左右され難く、燃焼室１２からの燃焼ガスＥは温度を十分低下させた後に燃焼器本体１１外部に導出される。これにより、小型で正確な温度制御を可能とし、かつ燃焼ガスＥの排熱を有効利用して熱損失を抑え、しかも燃焼ガスＥの処理をも容易にした燃焼加熱器を実現している。

ここで、図５，６は、上記マイクロコンバスタ１０を用いた熱交換器１０Ａを示す。この熱交換器１０Ａにおいて、マイクロコンバスタ１０の上下の加熱面１６ａ，１７ａ上には、被加熱物である所定の流体Ｌを流通させるための例えば熱交換チューブ（流体流通路）２５が隣接配置された状態で一体に固定されている。
熱交換チューブ２５は、加熱面１６ａ，１７ａに沿ってその平面視で例えば蛇腹状に屈曲するように配置されており、該加熱面１６ａ，１７ａとの接触距離を延ばすことで、内部を流通する水や空気等の流体Ｌの加熱時間を多く確保している。

上下加熱面１６ａ，１７ａは、燃焼器本体１１の外表面の多くを占めているため、熱交換チューブ２５長さを十分に確保でき、かつ上下両加熱面１６ａ，１７ａを用いて被加熱物（流体Ｌ）を加熱することで、発生した熱を効率良く利用することができる。しかも、既存のボイラの如く外熱式のものと比べて、大幅に小型化した熱交換器１０Ａを構成できると共に、燃焼器本体１１内に火炎を封じ込めることで外表面温度を抑えることができる。

熱交換チューブ２５の屈曲形状は様々であるが、加熱面１６ａ，１７ａにおける燃焼室１２近傍は比較的高温になり易いため、該燃焼室１２近傍における加熱面１６ａ，１７ａと熱交換チューブ２５との接触距離を延ばすようにこれを屈曲させることで、流体Ｌを効率良く加熱することができる。なお、熱交換チューブ２５に限らず、流体流通路が形成されたプレート等を加熱面１６ａ，１７ａ上に近接配置してもよく、あるいは上下壁１６，１７に流体流通路を掘り込んで形成したり、上下壁１６，１７の内部に流体流通路を形成してもよい。

以上説明したように、上記実施例における熱交換器１０Ａは、燃焼器本体１１内の燃焼室１２に予混合ガスＦを導く予混合ガス流路１３と、前記燃焼室１２からの燃焼ガスＥを前記燃焼器本体１１外に導く燃焼ガス流路１４とを、伝熱壁１８，１９を挟んで形成し、かつ該伝熱壁１８，１９及び前記各ガス流路１３，１４を前記燃焼器本体１１の上下壁１６，１７に沿って前記燃焼室１２を中心に渦巻き状に配置し、前記予混合ガスＦを前記燃焼室１２で燃焼させて前記上下壁１６，１７を加熱すると共に、前記燃焼ガスＥの熱で前記予混合ガスＦの予熱を行うマイクロコンバスタ１０を用いるものであって、前記上下壁１６，１７に沿って熱交換チューブ２５を設けたものである。

この構成によれば、上下壁１６，１７に沿う熱交換チューブ２５内に被加熱物である所望の流体Ｌを流通させることで、燃焼器本体１１の上下面を構成する上下壁１６，１７の比較的大きな面積を有効利用し、外部に熱を効率良く取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。
しかも、燃焼器本体１１内で燃焼を行うことで、ボイラ等の外熱式のものと比べて小型化を図ると共に、その外表面温度を抑えることができる。

次に、この発明の第二実施例について、図７，８を参照して説明する。
この第二実施例における熱交換器１１０Ａは、前記第一実施例のものに対して、前記熱交換チューブ２５に代わり、上下壁１６，１７の加熱面１６ａ，１７ａ上において燃焼室１２近傍を中心とした渦巻き状に配置される熱交換チューブ（流体流通路）１２５を用いる点を主に異なるもので、第一実施例と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。

熱交換チューブ１２５は、マイクロコンバスタ１０の上下の加熱面１６ａ，１７ａ上に隣接配置された状態で一体に固定される。また、熱交換チューブ１２５は、加熱面１６ａ，１７ａに沿ってその平面視で例えば略四角形をなす渦巻き状に配置されている。この熱交換チューブ１２５内には、その外周側の導入口１２５ａから被加熱物である所定の流体Ｌが導入されると共に、該流体Ｌは加熱面１６ａ，１７ａ中央の燃焼室１２近傍で立ち上がる導出口１２５ｂより熱交換チューブ１２５外に導出される。なお、熱交換チューブ１２５が、四角以外の多角形又は略円形をなす渦巻き状に配置されてもよい。

上記第二実施例における熱交換器１１０Ａは、熱交換チューブ１２５が、燃焼室１２近傍を中心とした渦巻き状に配置されるものであるため、比較的温度が高い燃焼室１２の近傍において流体流通路の長さを確保し易くなる。すなわち、燃焼室１２の近傍における被加熱物の滞留時間を延ばしてこれを良好に加熱することができる。

次に、この発明の第三実施例について、図９を参照して説明する。
この第三実施例における熱交換器２１０Ａは、前記第一実施例のものに対して、前記熱交換チューブ２５に代わり、燃焼器本体１１内の伝熱壁１８，１９の壁面に沿って流体流通路２２５（図中ハッチングで示す）を設けた点を主に異なるもので、第一実施例と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。

流体流通路２２５は、例えば一方の伝熱壁１９の片面側に配置され、燃焼器本体１１を上下に貫通するように設けられる。これにより、流体流通路２２５内の流体Ｌは、主に燃焼ガスＥの熱を吸収して加熱されることとなる。なお、流体流通路２２５を各伝熱壁１８，１９に設けたりこれらの両面側に設けてもよく、かつ各伝熱壁１８，１９の内部に流体流通路２２５を形成するようにしてもよい。

上記第三実施例における熱交換器２１０Ａは、燃焼器本体１１内の伝熱壁１８，１９に沿って流体流通路２２５を設けたものであるため、流体流通路２２５内に被加熱物である所望の流体Ｌを流通させて燃焼ガスＥの熱を外部に直接的に取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。

次に、この発明の第四実施例について、図１０を参照して説明する。
この第四実施例における熱交換器３１０Ａは、前記第一実施例のものに対して、前記熱交換チューブ２５に代わり、例えば上壁１６の加熱面１６ａ上に熱交換用の複数のフィン２７を立設した点を主に異なるもので、第一実施例と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。

各フィン２７は、例えば上壁１６と一体形成されるもので、該各フィン２７に接する流体Ｌとの間で熱交換を可能としている。ここで、各フィン２７は、燃焼室１２近傍において延長したりその数を増やしたりしてもよい。また、フィン２７が一体形成されたプレート部材を上壁１６に取り付けるようにしてもよい。なお、下壁１７にもフィンを設けてよいことはいうまでもない。

上記第四実施例における熱交換器３１０Ａは、加熱板である上壁１６上に熱交換用のフィン２７を設けたものであるため、各フィン２７の周囲に被加熱物である所望の流体Ｌを流通させる、あるいはフィン２７を被加熱物内に臨ませることで、熱を外部に効率良く取り出すことが可能となり、被加熱物を良好に加熱することができる。

なお、この発明は上記各実施例に限られるものではなく、例えば、燃焼器本体１１は円柱状に限らず、三角若しくは四角又はそれ以上の多角柱状をなすものであってもよい。同様に、各ガス流路１３，１４の配置は略円形をなす渦巻き状に限らず、略三角若しくは四角又はそれ以上の多角形をなす渦巻き状としてもよい。
また、前述した実施例では燃料と燃焼用酸化剤を予め混合する「予混合タイプ」を例にして説明したが、燃焼室にて両者が混合して拡散燃焼を行う「拡散タイプ」のマイクロコンバスタにも適用できる。

さらに、前述した実施例では燃焼室を中心にして未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで渦巻き状に形成したが、このような形態に限るものではなく、伝熱壁を介して燃焼ガスの熱で未燃焼ガスを加熱することができればいかなる形態であってもよい。例えば、燃焼室を燃焼器本体の外周側に配置し、伝熱壁を挟んで形成された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路を燃焼器本体に放射状に設け、未燃焼ガスは未燃焼ガス流路を燃焼器本体の中央部から燃焼室に向かって流れ、燃焼ガスは燃焼ガス流路を燃焼室から燃焼器本体の中央部に向かって流れるようにしてもよい。
ここで、上下壁１６，１７の何れか一方のみを加熱板とした構成であってもよい。この場合、熱交換チューブ２５，１２５及びフィン２７が前記加熱板側にのみ設けられることはいうまでもない。
そして、上記実施例における構成はこの発明の一例であり、該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

この発明の第一実施例におけるマイクロコンバスタの斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 上記マイクロコンバスタの作用説明図である。 上記マイクロコンバスタを用いた熱交換器の上面図である。 図５におけるＣ矢視図である。 この発明の第二実施例における熱交換器の上面図である。 図７におけるＤ矢視図である。 この発明の第三実施例における熱交換器の要部説明図である。 この発明の第四実施例における熱交換器の要部説明図である。

符号の説明

１０ マイクロコンバスタ
１０Ａ，１１０Ａ，２１０Ａ，３１０Ａ 熱交換器
１１ 燃焼器本体
１２ 燃焼室
１３ 予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）
１４ 燃焼ガス流路
１６ 上壁（加熱板）
１７ 下壁（加熱板）
１８，１９ 伝熱壁
２５，１２５ 熱交換チューブ（流体流通路）
２７ フィン
２２５ 流体流通路
Ｆ 予混合ガス（未燃焼ガス）
Ｅ 燃焼ガス

Claims (3)

1. 燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させて前記燃焼器本体の加熱板を加熱すると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、
   前記加熱板に沿って流体流通路を設ける、あるいは前記加熱板内に設けられた流体流通路を持つことを特徴とするマイクロコンバスタを用いた熱交換器。
2. 燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させて前記燃焼器本体の加熱板を加熱すると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、
   前記加熱板上に熱交換用のフィンを設けたことを特徴とするマイクロコンバスタを用いた熱交換器。
3. 燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタを用いた熱交換器において、
   前記燃焼器本体内の壁に沿って流体流通路を設ける、あるいは前記壁内に設けられた流体流通路を持つことを特徴とするマイクロコンバスタを用いた熱交換器。
   
   

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