JP5409415B2 - 密閉式燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は密閉式燃焼器に関し、特に、高効率かつコンパクト化可能な密閉式燃焼器に関する。

従来、ボイラーやヒータ等の加熱用燃焼器として、中心部に燃焼部（バーナ）を配置し、燃焼ガスを外筒部に回り込ませて、ここで被加熱物（例えば水）と熱交換させ、排ガスを外部に排出する方式の密閉式燃焼器が公知である（例えば特許文献１、２）。しかしながら、この方式では、燃焼部とは別個に排気流路を設けることが必要となり、装置全体をコンパクト化するには一定の限界があった。
さらなる小型化を図るため、排気流路を中心部に配置する密閉式燃焼器が提案されている（例えば特許文献３）。同文献による燃焼器１００は、図８に示すように上壁１０２、下壁１０３及び外周壁１０４により構成される円筒状の本体容器１０１内部に、伝熱壁１０５が配置されて成る。これらの構成要素により、予混合ガス流路１０６、燃焼室１０７、燃焼ガス流路１０８が形成されている。さらに、下壁１０３の中心部には二重管１１０が接続され、燃焼ガス流路１０８又は予混合ガス流路１０６が連結されている。

以上の構成により、予混合ガスＧ１は、本体容器１０１の中心部から予混合ガス流路１０６に流入し、更に円環形の燃焼室１０７に向けて放射状に流れる。さらに燃焼室１０７において発生する燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス流路１０８を中心部に向けて流れる過程で、上壁１０２を介して被加熱物と熱交換して低温の排ガスとなり、二重管１１０の内側流路１１１に流入する。

特開平１１−１５９８７８号公報 特開昭６２−７６２号公報 特開２００７−２１２０８２号公報

密閉式燃焼器１００によれば、伝熱壁１０５を介して燃焼ガスＧ２の熱が予混合ガスＧ１に伝えられ、予混合ガスＧ１が予熱されるため、燃焼室１０７において安定燃焼が可能となるとしている。
しかしながら、被加熱物と接する上壁１０２は平板で構成されており、伝熱面積を確保するためには上壁１０２を大きくする必要があり、コンパクト化に一定の限界がある。
また、燃焼ガスＧ２から予混合ガスＧ１に放熱する分、上壁１０２を介しての被加熱物への伝熱量が低下するという問題もある。

本発明は、中心部に排気流路を備えた密閉式燃焼器において、さらなる小型・高効率を可能とする技術を提案するものである。本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る密閉式燃焼器は、
（１）被加熱液中に沈設される密閉式燃焼器であって、上蓋部を有し、外表面が被加熱液と接して配設される筒形状の外側伝熱体と、外側伝熱体の内側に、いずれも筒形状の第一隔壁と、第二隔壁と、第三隔壁と、を備え、第三隔壁と第二隔壁との隙間に、燃料ガス及び燃焼用空気を通過させる第一の混合ガス流路部を形成し、及び第二隔壁と第一隔壁との隙間であって、かつ、第一の混合ガス流路部の下流側に第二の混合ガス流路部を形成し、第二の混合ガス流路部の末端に燃焼部を形成し、第一隔壁と外側伝熱体との隙間であって、かつ、燃焼部の下流側に燃焼ガス流路部を形成し、第三隔壁の内側であって、かつ、燃焼ガス流路部の下流側に排気流路部を形成し、て成ることを特徴とする。

（２）上記発明において、前記燃焼ガス流路部は、前記外側伝熱体の内側に、燃焼ガスと被加熱液との熱交換促進のための伝熱促進体と、前記第一隔壁の外側に、燃焼ガスと混合ガスとの熱交換抑制のための伝熱抑制体と、を備えたことを特徴とする。

（３）上記各発明において、前記第二隔壁と前記第三隔壁との間に第四隔壁を、さらに備えて成り、該第四隔壁は、前記燃焼部の近傍に複数の燃料ガス流出口を備え、燃焼用空気は、前記第一の混合ガス流路部及び前記第二の混合ガス流路部を通過し、燃料ガスは、前記第三隔壁と第四隔壁との隙間に形成される燃料ガス流路部を通過し、かつ、該燃料ガス流出口において燃焼用空気と混合する、ように構成したことを特徴とする。

さらに、本発明に係る密閉式燃焼器の運転方法は、
（４）上記各密閉式燃焼器において、前記第三隔壁を介して、前記排気流路部を通過する排気ガスと、前記第一の混合ガス流路部を通過する混合ガスとを熱交換させることを特徴とする。

上記各発明によれば、外表面全体が被加熱液と接して被加熱液と接する筒形状の外側伝熱体を備えているため、伝熱面積を大きくとることができ、機器の小型化が可能となる。
また、（２）の発明によれば、熱交換促進と熱交換抑制を備えたため、燃焼ガスのエンタルピーを効率的に被加熱液の加熱に利用できるという効果がある。
また、（３）の発明によれば、燃料ガス流出口において燃料ガスと燃焼用空気とを混合させるため、混合ガス流路部内で燃焼が発生する、いわゆるフラッシュバック現象のリスクを防止できるという効果がある。
排気ガスと混合ガスとの熱交換により排気熱損失を低減させることができる。
また、（４）の発明によれば、熱交換による混合ガス温度の上昇により、バーナ燃焼面における燃焼をより活性化させることができる。さらに、バーナ表面温度上昇により，バーナ面からの輻射熱を増大させることができ、外側伝熱体への伝熱促進が実現され、熱効率を大幅に上昇させることができる。
さらに、バーナ表面温度の上昇により、狭小な燃焼室においても完全燃焼が可能となり、装置小型化と省エネルギー化を達成することができる。

第一の実施形態に係る密閉式燃焼器１の構成を示す（断面）図である。 図１中のＡ−Ａ' 断面図である。 密閉式燃焼器１を収容する貯湯式湯沸器１０の全体構成を示す図である。 貯湯式湯沸器１０の断面構成を示す図である。 図４中のＢ−Ｂ' 断面図である。 密閉式燃焼器１の燃焼時におけるガスの流れを示す図である。 第二の実施形態に係る密閉式燃焼器２０の構成を示す図（断面図）である。 従来の密閉式燃焼器１００を示す図である。

以下、本発明に係る密閉式燃焼器の実施形態について、図１乃至７を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の各実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１、２を参照して、本発明の一実施形態に係る密閉式燃焼器１は、上蓋部２ａを有する外側伝熱体２の内部に、いずれも円筒形状の第一隔壁３、第二隔壁４、第三隔壁５を備えている。外側伝熱体２下端部にはフランジ２ｂが設けられており、第二隔壁４に設けられたフランジ４ａとパッキン（図示せず）を介して接合され、外側伝熱体２の内側空間を気密に維持するように構成されている。
外側伝熱体２と第一隔壁３との間に形成される空間は、後述するように燃焼ガス流路６として利用される。第二隔壁４と第三隔壁５、及び、第一隔壁３と第二隔壁４との間に形成される空間は、それぞれ混合ガス流路７ａ、７ｂ（請求項の第一の混合ガス流路部、第二の混合ガス流路部に該当）として利用される。また、第三隔壁５の内側空間は排ガス流路８として利用される。第三隔壁５は、後述するように伝熱面積，および熱伝達率を増やすために蛇腹状に構成されている。第一隔壁３の上端に設けられた折曲部７ｃの先端部は第三隔壁５の上端部と接合されており、混合ガス流路７ａ、７ｂと排ガス流路８とを区画するように構成されている。

第一隔壁３の下端部には、メタルニットバーナ９ａがリング状に取り付けられており、燃焼部９を構成している。メタルニットバーナ９ａの外側には、点火用スパーカー９ｂ及び火炎検知用のフレームロッド９ｃが配設されている。これらはフランジ４ａを貫通して挿入されており、バーナ９ａの点火及び火炎の検知が可能な位置にナット固定されている。燃焼ガス流路６の下側空間には断熱材９ｄが充填されており、燃焼部９で発生する熱が機器の下側への放熱を防止するように構成されている。
外側伝熱体２の燃焼ガス流路６側には、複数の伝熱フィン６ａ（請求項における伝熱促進体に該当）が放射状に取り付けられており、後述するように、燃焼ガスと外側伝熱体２を介して貯湯槽１０ｂ内の水との熱交換促進を図るように構成されている。伝熱フィン６ａは、火炎の接触を防止し、かつ、外側伝熱体２に効率よく均一に伝熱を行うことを可能とするため、上流側が幅狭で下流側が幅広の台形形状に構成されている。
また、第一隔壁３外表面には断熱用のセラミックスリーブ６ｂ（請求項における伝熱抑制体に該当）がリング状に取り付けられており、第一隔壁３を介して燃焼ガス流路６側から混合ガス流路７ｂ側への伝熱を抑制するように構成されている。

次に図５をも参照して、第二隔壁４及び第三隔壁５はフランジ４ａの下側に突出している。第二隔壁４下端部の外側には、燃料ガスを供給する燃料ガス配管１１と、燃焼用空気を供給するエア配管１２が両側から配管されている。燃料ガス配管１１の先端部はエア配管１２内に嵌入しており、合流部１３は燃焼ガスとエアとの混合器として機能する。合流部１３には第二隔壁４に接続する合流配管１３ａが設けられており、合流部１３で合流する燃料ガス及びエアを混合ガス流路７ａ内に導くように構成されている。
第三隔壁５の下端部は排気管１５に接続されており、後述するように排気口１５ａ（図４参照）を介して燃焼排気を外部に排出するように構成されている。

次に図３，４を参照して、密閉式燃焼器１は、貯湯式湯沸器１０の貯湯槽１０ｂ底部に沈設されている。貯湯式湯沸器１０は、外側筐体１０ａと内側貯湯槽１０ｂを主要構成として備えており、筐体１０ａと貯湯槽１０ｂとの隙間空間には断熱材１０ｄが充填されている。貯湯槽１０ｂと密閉式燃焼器１の固定は、貯湯槽１０ｂの底板１０ｇ折り曲げ部に密閉式燃焼器１のフランジ部２ｂを載置し、ビス固定することにより行われている。貯湯槽１０ｃ内には水１０ｆが貯えられている。
貯湯槽１０ｂの下側空間１０ｅには、燃料ガス配管１１、エア配管１２、排気管１５が収容されている。燃料ガス配管１１には、二連電磁弁及び圧力調整器を一体に備えたガス流量制御装置１１ａが介装されている。エア配管１２の末端にはブロア１２ａが取り付けられており、外部から燃焼用空気を導入可能に構成されている。第三隔壁５に接続する排気管１５の先端部には排気口１５ａが取り付けられており、燃焼排気を外部に排出するように構成されている。筐体１０ａ下部には、機器の制御表示部、操作のためのパネル部１０ｃが設けられている。
なお、貯湯式湯沸器１０は、上記の各装置の他に燃焼、温度等の制御を行う制御部（図示せず）を備えている。

密閉式燃焼器１は以上のように構成されており、次に、密閉式燃焼器１における混合ガス、燃焼ガス及び排ガスの流れ、並びに各部における熱交換の態様について説明する。
図６を参照して、燃料ガス配管１１及びエア配管１２を介して供給される燃料ガス及び燃焼用空気は合流部１３で合流し、合流配管１３ａを経由して混合ガス流路７ａに入り、流路内を混合しつつ上昇していく。上昇の過程で混合ガスは、排ガス流路８内を下降する燃焼排ガスとの第三隔壁５を介しての熱交換により予熱される。混合ガスは、さらに折り返し部７ｃで反転して混合ガス流路７ｂを下降し、燃焼部９に到達する。
燃焼部９において混合ガスは、メタルニットバーナ９ａにおける燃焼反応により高温の燃焼ガスとなり、燃焼ガス流路６を上昇していく。この間、燃焼ガスは外側伝熱体２を介して貯湯槽１０ｂ内の水１０ｆに放熱する。その際、流路内に伝熱フィン６ａが設けられているため、貯湯槽１０ｂへの伝熱が促進される。一方、第一隔壁３側に配設されているセラミックスリーブ６ｂの存在により、混合ガス流路７ｂ側との熱交換が抑制されるため、貯湯槽側との熱交換がより効果的に行われる。燃焼ガスは貯湯槽１０ｂへの放熱により低温の排ガスとなって、上蓋部２ａの内側に沿って排ガス流路８内に導かれ、最終的に排気口１５ａから外部に排出される。

なお、本実施形態では燃焼部のバーナとしてメタルニットバーナ９ａを用いた例を示したが、密閉式燃焼に適した短火炎を形成する他の方式を用いることもできる。
また，本実施形態では、第三隔壁を蛇腹状に構成する例を示したが、これに限らず、例えば複数の細管により構成し、排熱回収効率をさらに向上させることもできる。
また、本実施形態では密閉式燃焼器を被加熱液が水である貯湯槽内に沈設させる例を示したが、これに限らず油等、他の液体を入れた貯液槽に沈設させる形態とすることもできる。

＜第二の実施形態＞
次に図７を参照して、本発明の他の実施形態である密閉式燃焼器２０について説明する。密閉式燃焼器２０が第一の実施形態に係る密閉式燃焼器１と異なる点は、燃焼部９に至るまでの燃料ガス及び燃焼用空気の流路構成である。すなわち、密閉式燃焼器１においては合流部１３、合流配管１３ａを備え、燃料ガス及び燃焼用空気はこれらを経て、共通の流路である混合ガス流路７ａに入るように構成されている。これに対して、密閉式燃焼器２０においては合流部を備えておらず、燃料ガス及び燃焼用空気は独立の流路を通過するように構成されている。すなわち、燃料ガスは第二隔壁４とその外側周囲の第四隔壁２１により囲まれるガス流路２５を、燃焼用空気はエア配管２２から燃焼用空気流路２４ａ、２４ｂを、それぞれ通過する。
その他の構成については密閉式燃焼器１と同様であるので、重複説明を省略する。

密閉式燃焼器２０における燃料ガス、燃焼用空気、混合ガス、燃焼ガス及び排ガスの流れ、並びに各部における熱交換の態様について説明する。
燃焼用空気は、エア配管２２を介して燃焼用空気流路２４ａに導入され、排気ガスと熱交換しつつ上昇し、折り返し部７ｃで反転して燃焼用空気流路２４ｂを下降して、燃焼部９に到達する。一方、燃料ガスは燃料ガス配管２３を介して流入口２３ａからガス流路２５に導入され、流路内を上昇して流出口２５ａから燃焼用空気流路２４ｂ内に流入し、燃焼用空気と合流して燃焼部９に到達する。混合ガスは、メタルニットバーナ９ａで燃焼して高温の燃焼ガスとなり、燃焼ガス流路６を上昇していく。
その後の燃焼ガス及び排ガスの挙動については密閉式燃焼器１と同様であるので、重複説明を省略する。

本発明は、貯湯式湯沸器のみならず、瞬間式湯沸器，茹で麺器、フライヤー，ウォーマー等の液体加熱用燃焼器として広く適用可能である。

１、２０・・・・密閉式燃焼器
３・・・・第一隔壁
４・・・・第二隔壁
５・・・・第三隔壁
６・・・・燃焼ガス流路
６ａ・・・伝熱フィン
６ｂ・・・セラミックスリーブ
７ａ、７ｂ・・・混合ガス流路
８・・・・排ガス流路
９・・・・燃焼部
９ａ・・・メタルニットバーナ
１０・・・貯湯式湯沸器
１０ａ・・・外側筐体
１０ｂ・・・貯湯槽
１１、２３・・・燃料ガス配管
１２、２２・・・エア配管
１３ａ・・・合流配管
１５・・・排気管
２１・・・第四隔壁
２４ａ、２４ｂ・・・燃焼用空気流路
２５・・・ガス流路

Claims (4)

1. 被加熱液中に沈設される密閉式燃焼器であって、
   上蓋部を有し、外表面が被加熱液と接して配設される筒形状の外側伝熱体と、
   外側伝熱体の内側に、いずれも筒形状の第一隔壁と、第二隔壁と、第三隔壁と、を備え、
   第三隔壁と第二隔壁との隙間に、燃料ガス及び燃焼用空気を通過させる第一の混合ガス流路部を形成し、
   及び第二隔壁と第一隔壁との隙間であって、かつ、第一の混合ガス流路部の下流側に第二の混合ガス流路部を形成し、
   第二の混合ガス流路部の末端に燃焼部を形成し、
   第一隔壁と外側伝熱体との隙間であって、かつ、燃焼部の下流側に燃焼ガス流路部を形成し、
   第三隔壁の内側であって、かつ、燃焼ガス流路部の下流側に排気流路部を形成し、
   て成ることを特徴とする密閉式燃焼器。
2. 前記燃焼ガス流路部は、
   前記外側伝熱体の内側に、燃焼ガスと被加熱液との熱交換促進のための伝熱促進体と、
   前記第一隔壁の外側に、燃焼ガスと混合ガスとの熱交換抑制のための伝熱抑制体と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の密閉式燃焼器。
3. 前記第二隔壁と前記第三隔壁との間に第四隔壁を、さらに備えて成り、
   該第四隔壁は、前記燃焼部の近傍に複数の燃料ガス流出口を備え、
   燃焼用空気は、前記第一の混合ガス流路部及び前記第二の混合ガス流路部を通過し、
   燃料ガスは、前記第三隔壁と第四隔壁との隙間に形成される燃料ガス流路部を通過し、かつ、該燃料ガス流出口において燃焼用空気と混合する、
   ように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉式燃焼器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の密閉式燃焼器において、
   前記第三隔壁を介して、前記排気流路部を通過する排気ガスと、前記第一の混合ガス流路部を通過する混合ガスとを熱交換させることを特徴とする密閉式燃焼器の運転方法。

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