JP2012097986A - 燃焼加熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑える。
【解決手段】本発明の燃焼加熱器１００は、加熱板１１８と、加熱板に対向配置された配置板１２０と、加熱板と配置板の間に配され、加熱板と配置板の外周を取り囲む外周壁１２２と、加熱板と配置板の少なくともいずれか一方が、外周壁に垂直な方向に膨張可能に、加熱板と配置板と外周壁とを狭持する狭持部１３６と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板１２４と、外周壁の内側に外周壁に沿って配置された燃焼室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１３０とを備える。
【選択図】図２

Description

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に関する。

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）。

また、熱効率を向上させたマイクロコンバスタと呼称する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）。

特開２００４−３２４９２５号公報 特開２００７−２１２０８２号公報

上述した特許文献１のような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くなり、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。

一方、特許文献２のような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を燃料ガスの予熱に利用し、効能を終えた排気ガス自体も回収するため、労働環境を損なうことがない上、熱効率が高い。また、炎口が不要なため、輻射面の面積を大きくでき輻射強度も高い。このような、燃焼加熱器では、排気ガスの熱を効率的に利用すると共に排気ガス自体も回収するため密閉構造となっている。例えば、ディスク型の燃焼加熱器の場合、燃焼加熱器の本体容器を構成する、輻射面を有する加熱板、外周壁、および、輻射面を有する加熱板と対向配置された配置板の間からガスが漏れないように密閉する必要がある。

しかし、燃焼熱によって生じる熱膨張は、加熱板、配置板および外周壁に応力を発生させる。そのため、加熱板および配置板と外周壁とを単に接合するだけでは、加熱板、配置板および外周壁自体ならびにその接合部分に、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労が生じる可能性がある。

本発明は、このような課題に鑑み、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能な、燃焼加熱器を提供することを目的としている。

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、加熱板と配置板の間に配され、加熱板と配置板の外周を取り囲む外周壁と、加熱板と配置板の少なくともいずれか一方が、外周壁に垂直な方向に膨張可能に、加熱板と配置板と外周壁とを狭持する狭持部と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、外周壁の内側に外周壁に沿って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ことを特徴とする。

狭持部は、可撓性を有してもよい。

狭持部と、加熱板および配置板の少なくとも一方とは滑動可能に形成されてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼加熱器は、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を取り囲む外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、外周壁の内側に外周壁に沿って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、加熱板と配置板のいずれか一方には厚み方向に凹む溝が外周壁と距離を等しくして形成されていることを特徴とする。

溝は、加熱板と配置板のいずれか一方の両面に形成され、一方の面に形成された溝の外周壁との距離は、他方の面に形成された溝の外周壁との距離と異なってもよい。

導入路に挿通し、燃料ガスを当該燃焼加熱器内に導く第１配管部と、第１配管部内部に配され、導出路に挿通し、流路外周に沿って、厚み方向に凹む溝が形成され、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第２配管部とをさらに備えてもよい。

本発明の燃焼加熱器によれば、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能となる。

第１の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための組立図である。 第１の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するためのＡＡ断面図である。 燃焼加熱器における燃料ガスの予熱を説明するための説明図である。 複数の突起部を説明するための説明図である。 燃焼加熱器の熱膨張を説明するための説明図である。 狭持部を説明するための説明図である。 第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための説明図である。 第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための説明図である。 第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための説明図である。

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。

従来の燃焼加熱器では、燃焼を終えた排気ガス（燃焼ガス：燃焼後のガス）を回収せずにそのまま周囲の環境に排気しており、排気ガスの熱を利用できないため熱効率が低く、また、排気ガスの熱によって装置周辺の環境の温度が上昇したり、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。これに対して、密閉式の燃焼加熱器は、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、輻射面の面積は減少せず輻射強度が高いといった利点も有する。

このような密閉式の燃焼加熱器には、スイスロール型やディスク型が提案されている。スイスロール型では、本体容器の中心に燃焼室が形成され、導入路と導出路とが渦巻状に並列して配置される。このスイスロール型の燃焼加熱器は、形状が複雑なため製造コストが高くなってしまうといった難点がある。これに対して、ディスク型の燃焼加熱器は、伝熱を担う仕切板が、本体容器を構成する一対の平板（加熱板、配置板）よりも小型の平板からなり、加熱板と配置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。また、ディスク型の燃焼加熱器は、スイスロール型に比べ、輻射面を有する加熱板の形状の自由度が高く、スイスロール型のように略円形に限られず、用途に応じて、楕円形や矩形に形成することができる。さらに、ディスク型の燃焼加熱器は、外周壁に沿って燃焼室が配置されているため、スイスロール型よりも燃焼室自体の体積を大きくでき、燃焼負荷率（燃焼室内の単位体積あたりの発熱）を抑えることができる。ここで、外周壁に沿って外周全部を燃焼室とせずに、外周の一部を燃焼室としてもよい。

ところで、上述した燃焼加熱器は、排気ガスを回収するため所定の密閉性が求められる。例えば、ディスク型の燃焼加熱器の場合、燃焼加熱器の本体容器を、構成する、輻射面を有する加熱板、外周壁、および輻射面を有する加熱板と対向配置された配置板の間から燃料ガスや排気ガスが漏れないように所定の密閉性を確保する必要がある。

しかし、燃焼熱によって加熱板と配置板が熱膨張を起こすと、加熱板、配置板および外周壁に応力が発生するので、加熱板および配置板と外周壁とを単に接合するだけでは、加熱と冷却の繰り返しによって、加熱板、配置板および外周壁自体ならびにその接合部分に、熱疲労が生じる可能性がある。そこで、本実施形態の燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることを目的とする。以下、このような目的を実現可能な燃焼加熱器１００の詳細な構成を説明する。

（第１の実施形態：燃焼加熱器１００）
図１は、第１の実施形態における燃焼加熱器１００の構造を説明するための組立図であり、図２は、第１の実施形態における燃焼加熱器１００の構造を説明するためのＡＡ断面図である。ここで、図２は、図１の一点鎖線１０２部分における燃焼加熱器１００の厚み方向のＡＡ断面図である。図２（ａ）に示すように、燃焼加熱器１００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、第１配管部１３２と、第２配管部１３４と、狭持部１３６とを含んで構成される。なお、本実施形態では、燃焼加熱器１００は、外形が２２０ｍｍ×１４０ｍｍ程度のものを例に挙げて説明する。ただし、燃焼加熱器１００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。

本実施形態における燃焼加熱器１００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。

加熱板１１８および配置板１２０は、対向して配置され、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、フェライト系のステンレス鋼（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および配置板１２０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。ただし、配置板１２０は、輻射体として機能する構成に限らず、例えば、断熱構造としてもよい。

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、加熱板１１８および配置板１２０の間に配される。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。

燃焼加熱器１００の本体容器は、外周壁１２２と、外周壁１２２の上下を加熱板１１８および配置板１２０で閉塞してなるもので、外周面（外周壁１２２の外表面）の面積より上下壁面（加熱板１１８および配置板１２０の外表面）の面積の方が大きい。つまり、上下壁面は、本体容器の外表面の大部分を占める。そして、この上下壁面のうち、例えば上側の面が輻射面となり、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。本実施形態においては、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（配置板１２０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。

仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０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、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、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、フェライト系のステンレス鋼や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される。

ここで、図１の組立図を用いて、加熱板１１８および配置板１２０と外周壁１２２と仕切板１２４の位置関係を説明する。配置板１２０には仕切板１２４が配置され、矢印１５０ａのように外周壁１２２が仕切板１２４と重畳しないように配置板１２０に重ねられる。詳細には、図２（ａ）に示すように、配置板１２０が第１配管部１３２の端部に固定されるのに対し、仕切板１２４は第１配管部１３２より突出している第２配管部１３４の端部に固定され、第１配管部１３２の端部と第２配管部１３４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。最後に、矢印１５０ｂのように、外周壁１２２に、加熱板１１８が重ねられる。

燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、配置板１２０、および仕切板１２４の外周端部に囲まれており、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、また、スイスロール型に比べ燃焼負荷率を低くできる。燃焼室１２６の任意の位置には、着火装置（図示せず）が設けられる。

図２（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、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。

導出路１３０は、加熱板１１８と、仕切板１２４とを側壁とし燃焼室１２６から排気ガスを本体容器の中央に集約して当該燃焼加熱器１００外に導く。また、図２（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。

第１配管部１３２は、導入路１２８に挿通し、燃料ガスを当該燃焼加熱器１００内に導く。具体的に、配置板１２０の中心部には、第１配管部１３２の内径と同一径の穴１５８が設けられており、この穴１５８の内周部分に第１配管部１３２が接続されている。

第２配管部１３４は、第１配管部１３２内部に配される。すなわち、第１配管部１３２と第２配管部１３４とで二重管を形成する。また、第２配管部１３４は、導出路１３０に挿通し、排気ガスを当該燃焼加熱器１００外に導く。具体的に、仕切板１２４の中心部には、第２配管部１３４の外径と同一径の穴１６０が設けられており、この穴１６０の内周部分に第２配管部１３４が接続される。さらに、第２配管部１３４は、排気ガスの熱を、第１配管部１３２を流れる燃料ガスに伝達する役割も担う。

本実施形態においては、第１配管部１３２の内部に第２配管部１３４が配されるが、かかる場合に限定されず、第１配管部１３２および第２配管部１３４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１３４の内部に第１配管部１３２が配されてもよい。

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３は、燃焼加熱器１００における燃料ガスの予熱を説明するための説明図である。図３中、薄い灰色で塗りつぶした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１３２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において燃焼して発熱した後、高温の排気ガスとなり、排気ガスは、燃焼室１２６から導出路１３０を通じて第２配管部１３４に流入する。

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。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（一酸化炭素）の濃度を極低濃度に抑えることができる。

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、排気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。

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。

図４は、複数の突起部１５２を説明するための説明図である。図４（ａ）は、破線で示す加熱板１１８を透過した燃焼加熱器１００の斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢＢ断面を矢印の方向から見た説明図である。図４（ｂ）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２（ｂ）の部分拡大図および、図４（ｂ）の説明図で示すように、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。

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。

本実施形態の燃焼加熱器１００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。

さらに、本実施形態の燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑制するため、狭持部１３６を設ける。かかる熱膨張と狭持部１３６の効果について、図５と図６を用いて説明する。

図５は、燃焼加熱器１００の熱膨張を説明するための説明図である。特に、図５（ａ）は、図１の一点鎖線１０２部分における燃焼加熱器１００の厚み方向のＡＡ断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の円で囲んだ部分を拡大した部分拡大図である。燃焼加熱器１００では、燃焼熱によって加熱板１１８および配置板１２０が熱膨張することとなる。特に、加熱板１１８は、燃焼後の排気ガスの熱を受けるため、配置板１２０よりも高温となり、加熱板１１８の熱膨張による変形量（図５中、白抜き矢印１５６ａで示す。）の方が配置板１２０の熱膨張による変形量（図５中、白抜き矢印１５６ｂで示す。）よりも大きい。

そのため、加熱板１１８および配置板１２０と外周壁１２２とを単に接合すると、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の内部ならび接合部分に応力が発生する。そして、当該燃焼加熱器１００において加熱と冷却を繰り返すことで、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２自体ならびにその接合部分に、熱疲労が生じる可能性がある。そこで、本実施形態における燃焼加熱器１００は狭持部１３６を設ける。

狭持部１３６は、図１および図５（ｂ）に示すように断面形状がコの字状となる、例えば金属材料で形成され、加熱板１１８および配置板１２０の少なくともいずれか一方が、外周壁１２２に垂直な方向に膨張可能に、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを狭持する。例えば、狭持部１３６は、図１に示す矢印１７０の向きに加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とに装着し、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の図５（ｂ）において白抜き矢印１５６ａ、１５６ｂで示した外周壁１２２に垂直な方向への熱膨張による変形を妨げない。

本実施形態における燃焼加熱器１００は、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを接合せずに所定の密閉性を確保する狭持部１３６を設けることによって、熱膨張による応力を構造的に抑制する。そのため、燃焼加熱器１００は、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労を抑えることができる。本実施形態における燃焼加熱器１００は、加熱板１１８および配置板１２０と外周壁１２２との間を完全密閉することで、例えば、液体中においても使用可能となる。ただし、気体中で用いる場合、燃焼加熱器１００は、必ずしも完全密閉とする必要はなく、必要とされる性能を満たす所定の密閉性を確保すればよい。

また、熱膨張による応力が抑制されるため、加熱板１１８と配置板１２０の表面形状や素材に制約を設ける必要がなくなり、輻射率の高い素材（例えば、ＭＳＳ ＨＩＢ、ＮＣＡ−１、ＮＣＡ−２等のアルミ含有素材）の採用が可能となり、輻射強度をさらに高めることができる。

さらに、輻射率に加えて熱伝導率も高い素材（例えば、ＳｉＣセラミックス）を採用することで、輻射強度を高めつつ、表面温度の均一性を高めることが可能となる。

また、配置板１２０についても、表面形状や素材等の制約が無くなるため、断熱性の高い素材を用いて、熱損失を抑えることが可能となる。

図６は、狭持部１３６を説明するための説明図である。特に、図６（ａ）は、狭持部１３６が可撓性を有する場合の変形前を、図６（ｂ）は、狭持部１３６が可撓性を有する場合の変形後を、図６（ｃ）は、狭持部１３６が、加熱板１１８および配置板１２０のいずれかが滑動可能となるように狭持する場合の滑動前を、図６（ｄ）は、狭持部１３６が、加熱板１１８および配置板１２０のいずれかが滑動可能となるように狭持する場合の滑動後を示す。図６は、図２（ｂ）に示す部分拡大図と同様、燃焼加熱器１００のＡＡ断面図の一部を拡大して示す。

狭持部１３６は、可撓性を有し、図６（ａ）に示すように、加熱板１１８および配置板１２０の熱膨張に応じて弾性変形する構造や素材であってもよい。かかる構成により、狭持部１３６は、単に加熱板１１８および配置板１２０と接合するのみで、例えば、加熱板１１８と外周壁１２２とが、メタルＯリング等のシーリング部材を介して滑動可能な構造とすれば、図６（ｂ）に示すように、熱膨張による加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の変形を容易に吸収できる。

また、図６（ｃ）に示すように、狭持部１３６と、加熱板１１８および配置板１２０の少なくとも一方とは滑動可能に形成されてもよい。図６（ｃ）において、狭持部１３６と加熱板１１８との間には、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト等の潤滑剤１７２等が用いられている。ここでも、例えば、加熱板１１８と外周壁１２２とがメタルＯリング等のシーリング部材を介して滑動可能な構造とすれば、図６（ｄ）に示すように、熱膨張による加熱板１１８、配置板１２０、および外周壁１２２の変形を吸収可能となる。さらに、狭持部１３６は、図６（ａ）のように、弾性変形が容易な素材や構造に限定されず、例えば、断熱性の高い素材等を用いて断熱性を高めることができる。

以上、説明した燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能となる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、狭持部１３６を設けることによって、熱膨張による疲労を抑制することができる燃焼加熱器１００を説明した。続く第２の実施形態では、新たに部品を設けることなく、構成要素に変形を加えるのみで、熱疲労を抑制することが可能な燃焼加熱器を説明する。

（燃焼加熱器３００）
図７〜９は、第２の実施形態における燃焼加熱器３００の構造を説明するための説明図である。ここで、図７および図９は、図２同様、図１の一点鎖線１０２部分における厚み方向のＡＡ断面に相当する断面を示す。図７および図９に示すように、燃焼加熱器３００は、加熱板１１８と配置板３２０または加熱板３１８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、第１配管部１３２（または図９（ｂ）における第１配管部３３２）と、第２配管部１３４（または図９（ａ）における第２配管部３３４）とを含んで構成される。第１の実施形態における構成要素として既に述べた加熱板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、第１配管部１３２と、第２配管部１３４とは、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、ここでは、構成の異なる加熱板３１８および配置板３２０と、第１配管部３３２と、第２配管部３３４とを詳細に説明する。

第１の実施形態と異なり、本実施形態の燃焼加熱器３００には狭持部１３６がなく、加熱板１１８、配置板３２０（または加熱板３１８、配置板１２０）と、外周壁１２２とは、単に接合されている。

図５において説明したように、燃焼後の排気ガスの熱を受けるため、加熱板１１８の方が、配置板１２０よりも熱膨張による変形量が大きい。そのため、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の内部ならびに接合部分に応力が発生し、加熱と冷却を繰り返すことで熱疲労が生じる可能性がある。そこで、燃焼加熱器３００は、加熱板３１８および配置板３２０を変形する。

加熱板３１８および配置板３２０のいずれか一方には、図７（ａ）や図７（ｂ）に示すように、厚み方向に凹む溝３５０ａ、３５０ｂが外周壁１２２と距離を等しくして、例えば、外周壁１２２に沿って形成されている。図８（ａ）は、図７（ａ）に示すように溝３５０ａが設けられた加熱板３１８について、燃焼室１２６や導出路１３０を形成する側の面を示し、図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示すように溝３５０ｂが設けられた配置板３２０について、導入路１２８や燃焼室１２６を形成する側の面を示す。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、厚み方向に凹む溝３５０ａ、３５０ｂは、外周壁１２２と同様、トラック形状となっている。

このような溝３５０ａ、３５０ｂが設けられた加熱板３１８および配置板３２０は、外周壁１２２に垂直な方向において弾性変形（伸び縮み）し易くなる。

そのため、例えば、図７（ａ）に示すように、加熱板３１８に溝３５０ａを設ける場合、加熱板３１８は、配置板１２０よりも熱膨張による変形量が大きいが、この変形量の差を、溝３５０ａの部分が外周壁１２２に垂直な方向（図７（ａ）に矢印１８０ａで示す。）に縮んで吸収する。

また、図７（ｂ）に示すように、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合、加熱板１１８は、配置板３２０よりも熱膨張による変形量が大きいが、この変形量の差を、溝３５０ｂの部分が外周壁１２２に垂直な方向（図７（ｂ）に矢印１８０ｂで示す。）に広がって吸収する。

このように、燃焼加熱器３００は、加熱板３１８および配置板３２０の温度差や加熱板３１８および配置板３２０の素材の違いによる熱膨張の変形量の差を溝３５０ａ、３５０ｂ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を抑えることができる。特に、図７（ａ）に示すように、加熱板３１８に溝３５０ａを設ける場合、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。

また、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合、加熱板３１８が溝形成の制約を受けないので、図７（ｂ）に示すように、例えば、その厚みを厚くすることもでき、熱伝導によって表面温度の均一性を高めることが可能となる。さらに、加熱板３１８に比べて、配置板３２０は温度が低いため、配置板３２０に溝３５０ｂを設けた方が、弾性変形する方の配置板３２０の耐力を高く維持でき、燃焼加熱器３００の耐久性を高めることができる。

さらに、図７（ｃ）に示すように、溝３５０ａは、加熱板３１８の両面に形成され、一方の面に形成された溝３５０ａの外周壁１２２との距離は、他方の面に形成された溝３５０ａの外周壁１２２との距離と異なるように形成することもできる。図８（ｃ）は、図７（ｃ）に示すように溝３５０ａが複数設けられた加熱板３１８について、燃焼室１２６や導出路１３０を形成する側の面を示す。図８（ｃ）に示すように、厚み方向に凹む溝３５０ａは、トラック形状となる。そして、図８（ｃ）に示す面に形成された複数の溝３５０ａの中間位置３５２に、他方の面（図８（ｃ）に示す面の反対側の面）に形成された溝３５０ａが位置する。したがって、平面半径方向の断面が三角波状に波打って形成される。また、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合も同様に、溝３５０ｂは、配置板３２０の両面に形成され、一方の面に形成された溝３５０ｂの外周壁１２２との距離は、他方の面に形成された溝３５０ｂの外周壁１２２との距離と異なるように形成するとよい。

かかる構成により、加熱板３１８および配置板３２０はより弾性変形し易くなり、加熱板３１８および配置板３２０の熱膨張による変形をさらに吸収することが可能となる。また、溝３５０ａ、３５０ｂを両面に互い違いとなるように形成することで、加熱板３１８および配置板３２０の板材を薄くすることができ、成型時おいてはプレス成型が容易となり、加熱時においてはさらに弾性変形し易くすることができる。

また、第１配管部１３２と第２配管部１３４を比較すると、第２配管部１３４の方が、より高温の排気ガスを通すため、第１配管部１３２よりも熱膨張による変形量が大きい。そのため、配置板１２０や仕切板１２４との接合部分に応力が発生し、加熱と冷却を繰り返すことで熱疲労が生じる可能性がある。

そこで、加熱板３１８および配置板３２０のみならず、第２配管部３３４に、流路外周に沿って、厚み方向に凹む溝３５４ａが形成されてもよい。

図９（ａ）に示すように、第２配管部３３４に溝３５４ａを設ける構成により、第２配管部３３４の熱膨張による変形量を、溝３５４ａの部分が流路方向（図９（ａ）に矢印１８２ａで示す。）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を抑えることができる。また、溝３５４ａを設けることで第２配管部３３４から第１配管部１３２への伝熱部分の面積が大きくなり熱伝達が促進され、熱効率が高まる。溝３５４ａを設けた配管として、例えば、既存のベローズを採用することで、独自に溝加工をするよりも製造コストを低減できる。

また、図９（ｂ）は、第２配管部３３４の代わりに第１配管部３３２に溝３５４ｂを設ける場合を示す。図９（ｂ）に示すように、第１配管部３３２に溝３５４ｂを設ける構成によっても、第２配管部３３４の熱膨張による変形量を、溝３５４ｂの部分が流路方向（図９（ｂ）に矢印１８２ｂで示す。）に伸びることで吸収し、疲労を抑えることが可能となる。

以上、説明した燃焼加熱器３００によって、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労を抑えることが可能となる。

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。

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に利用することができる。

１００、３００ …燃焼加熱器
１１８、３１８ …加熱板
１２０、３２０ …配置板
１２２ …外周壁
１２４ …仕切板
１２６ …燃焼室
１２８ …導入路
１３０ …導出路
１３２、３３２ …第１配管部
１３４、３３４ …第２配管部
１３６ …狭持部
３５０（３５０ａ、３５０ｂ）、３５４（３５４ａ、３５４ｂ） …溝

Claims (6)

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間に配され、該加熱板と該配置板の外周を取り囲む外周壁と、
   前記加熱板と前記配置板の少なくともいずれか一方が、前記外周壁に垂直な方向に膨張可能に、該加熱板と該配置板と該外周壁とを狭持する狭持部と、
   前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
   前記外周壁の内側に該外周壁に沿って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、
   を備えることを特徴とする燃焼加熱器。
2. 前記狭持部は可撓性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱器。
3. 前記狭持部と、前記加熱板および前記配置板の少なくとも一方とは滑動可能に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。
4. 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を取り囲む外周壁と、
   前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
   前記外周壁の内側に該外周壁に沿って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、
   前記加熱板と前記配置板のいずれか一方には厚み方向に凹む溝が前記外周壁と距離を等しくして形成されていることを特徴とする燃焼加熱器。
5. 前記溝は、前記加熱板と前記配置板のいずれか一方の両面に形成され、一方の面に形成された溝の外周壁との距離は、他方の面に形成された溝の外周壁との距離と異なることを特徴とする請求項４に記載の燃焼加熱器。
6. 前記導入路に挿通し、前記燃料ガスを当該燃焼加熱器内に導く第１配管部と、
   前記第１配管部内部に配され、前記導出路に挿通し、流路外周に沿って、厚み方向に凹む溝が形成され、前記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第２配管部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃焼加熱器。

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