JP6175814B2 - 燃焼加熱器 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスを燃焼させて被焼成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関し、燃料ガスを燃焼室に導く導入部から、燃焼室において燃焼した排気ガスを本体外に導く導出部までを密閉構造とし、導入部と導出部とを隣接させ、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る技術が提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2010−196994号公報
特許文献1の燃焼加熱器では、導入部と導出部は、輻射面の裏側に設けられた燃焼室を中心として放射状に延在しており、それぞれ、輻射面の径方向に複数交互に配されている。この場合、輻射面の面積を大きくしても、燃焼室がある中心側に熱が集中してしまい、外周側の加熱が不十分となってしまう。
上述した特許文献1とは逆に、輻射面の裏面の中心側から外周側に燃料ガスの流路を設け、燃焼室を外周側に環状に設けることで、輻射面全体を加熱する構成が考えられる。このように、輻射面の裏面の外周側に燃焼室を設ける場合、燃焼室から輻射面に向かう方向以外の方向への放熱による熱損失が生じるおそれがある。具体的には、燃焼室に対して、輻射面と反対側の底面や外周側への放熱が挙げられる。そこで、燃焼室の外周側や底面を形成する壁部材として、断熱性の高い素材を用いることが考えられる。
また、燃焼室の外周側からの燃料ガスの漏出を防ぐため、上記壁部材を溶接などで他の部材と密着させ接合する必要がある。しかし、燃焼熱によって壁部材と他の部材との間に温度差が生じると、この接合部分に過大な応力が生じ破損して、密閉性や耐久性が低下してしまうおそれがある。さらに、壁部材は他の部材と接合されて拘束されているため、熱変形の変形量が大きく塑性変形になると、燃焼室の形状が恒常的に変わってしまい、設計通りに燃焼を起こし難くなり、不完全燃焼を引き起こす要因になり得る。
本発明は、このような課題に鑑み、燃焼室からの熱損失を抑えつつ、密閉性や耐久性を向上し、ガス漏れや不完全燃焼の発生を抑制す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置された仕切板と、仕切板の外周側に位置し、仕切板の外周に沿って加熱板と配置板の対向方向に延在する外周部と、加熱板と対向配置される底面部とを有し、断熱性を有する断熱部と、加熱板と断熱部で囲繞される燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入部と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室に連続して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部と、断熱部の外周部および底面部それぞれを燃焼室の反対側から覆って断熱部を支持すると共に、加熱板のうち断熱部側の面に直接または間接的に接合され、燃焼室の断熱部側へのガス漏れを抑制する密閉部と、を備えることを特徴とする。

配置板および密閉部は、配置板の厚さ方向に貫通し、互いに対向する貫通孔がそれぞれ設けられ、配置板および密閉部それぞれに設けられた貫通孔に挿通され、少なくとも、密閉部の貫通孔に接合され、導入部に連通して燃料ガスを導入部に導く配管部をさらに備えてもよい。
本発明によれば、燃焼室からの熱損失を抑えつつ、密閉性や耐久性を向上し、ガス漏れや不完全燃焼の発生を抑制することが可能となる。
燃焼加熱システムの外観例を示した外観斜視図である。 図1のII‐II線断面を示した斜視図である。 燃焼加熱器を説明するための説明図である。 突起部を説明するための説明図である。 変形例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、本明細書および図面において、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。
(燃焼加熱システム100)
図1は、燃焼加熱システム100の外観例を示した外観斜視図であり、図2は、図1のII‐II線断面を示した斜視図である。本実施形態における燃焼加熱システム100は、都市ガス等と燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが本体容器に供給される前に混合される予混合タイプとするが、かかる場合に限定されず、所謂、拡散燃焼を行う拡散タイプであってもよい。
図1、2に示すように、燃焼加熱システム100は、複数(ここでは2つ)の燃焼加熱器110を連設してなり、都市ガス等と空気との混合ガス(以下、「燃料ガス」という)の供給を受けて、それぞれの燃焼加熱器110で燃料ガスが燃焼することで加熱される。そして、燃焼加熱システム100では、その燃焼によって生じた排気ガスが回収される。
また、両燃焼加熱器110間の接続部位には、連設された燃焼加熱器110内の密閉空間を連通する火移り部102が形成されている。ただし、密閉空間といっても、気体中で用いる場合、必ずしも完全密閉する必要はない。
本実施形態の燃焼加熱システム100では、例えば、イグナイタ(図示せず)等の点火装置による1回の点火によって、火移り部102を通じて連設する燃焼加熱器110に火炎が広がって点火される。上記したように、燃焼加熱システム100には2つの燃焼加熱器110が設けられるが、両燃焼加熱器110は同一の構成であるため、以下では、一方の燃焼加熱器110についてのみ説明する。
図3は、燃焼加熱器110を説明するための説明図である。図3(a)は、図1のIII(a)‐III(a)線断面図であり、図3(b)は、図3(a)の破線で囲った部分の拡大図である。図3(b)中、白抜き矢印は燃料ガスの流れを、ハッチング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。
図3(a)、(b)に示すように、燃焼加熱器110は、加熱板120と、配置板122と、仕切板124と、断熱部126と、燃焼室128と、密閉部130と、封止部132と、断熱材134と、第1配管部136(配管部)と、第2配管部138と、導入部140と、導出部142とを含んで構成される。
加熱板120は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼(SUS:Stainless Used Steel)や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される薄板部材である。加熱板120は、輻射面120aを有する。輻射面120aは、略矩形に形成され(図1参照)、燃焼によって生じる熱によって加熱され、被焼成物に輻射熱を伝熱する。
加熱板120の外壁部120bは、輻射面120aの外周で屈曲して輻射面120aに垂直かつ輻射面120aから離隔する方向(図3(a)中、下方向)に起立(延在)し、燃焼加熱システム100の側面を形成する。
本実施形態においては、2つの燃焼加熱器110の加熱板120を一体に成形している(図2参照)。そして、加熱板120は、外壁部120bの内面を側面とし、輻射面120aの裏面120cを底面とする穴を形成し、この穴の内部に、2つの燃焼加熱器110それぞれの構成要素が配される。
配置板122は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼や、熱伝導率が低い素材等で形成される平板部材である。配置板122は、加熱板120の外壁部120bの内側において、加熱板120の輻射面120aの裏面120cと略平行に対向配置される。
仕切板124は、加熱板120と同様、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、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薄板部材である。仕切板124は、加熱板120の外壁部120bの内側において、加熱板120の裏面120cと、配置板122との間に、配置板122と略平行に対向配置される。
配置板122と仕切板124は、互いに対向する面の外周(外形)の輪郭が大凡等しく、それぞれ、トラック形状(長方形の2つの短辺それぞれを線対称な円弧(半円)に変えた形状)をなしている。
加熱板120、配置板122、および、仕切板124は、間に空隙が形成されれば、傾いて対向配置されてもよい。また、加熱板120、配置板122、および、仕切板124は、その厚みに制限はなく、平板に限らず凹凸に形成されてもよい。
断熱部126は、断熱性が高い(断熱性を有する)素材、例えば、セラミックなどで形成される薄板部材である。断熱部126は、外周部126aと、底面部126bとを有する。
外周部126aは、仕切板124の外周側に位置し、仕切板124の外周に沿って、加熱板120と配置板122の対向方向(図3(a)中、上下方向)に延在する。底面部126bは、外周部126aの配置板122側(図3(a)中、下側)の部位から屈曲して連続する部位であって、配置板122の中心に向かって延在し、加熱板120と対向配置される。
なお、断熱部126は、底面部126bを底面、外周部126aの内面を側面とする穴126cを形成しており、この穴126cの輪郭は、配置板122および仕切板124の外形と相似となるトラック形状をなしている。そして、外周部126aは、配置板122の外周面122aおよび仕切板124の外周面124aと、一定間隔を維持して離隔している。
燃焼室128は、図3(b)に示すように、外周部126aと配置板122および仕切板124それぞれの外周面122a、124aとの間に位置し、当該外周面122a、124aに面する。すなわち、燃焼室128は、外周面122a、124a、加熱板120、および、断熱部126で囲繞され、外周部126aに沿った外周部126a内の空間となっている。
密閉部130は、断熱部126よりも断熱性が低い素材、例えば、ステンレス鋼などで形成される薄板部材で構成することができる。本実施形態においては、2つの燃焼加熱器110の密閉部130を一体に成形している(図2参照)。
また、密閉部130は、図3(b)に示すように、輻射面120aの裏面120cとの接触部分に、裏面120cの面方向(以下、単に「面方向」と称す)に延在する屈曲部130aを有し、屈曲部130aが、加熱板120の裏面120cに溶接やロウ付けなどで接合されている。そのため、密閉部130によって、燃焼室128の断熱部126側へのガス漏れが防止または抑制される。
一方、断熱部126は、接触する何れの構成部材とも接合されておらず、密閉部130によって、断熱部126の外周部126aおよび底面部126bを、燃焼室128の反対側から覆われて支持されている。断熱部126は、接触する何れの構成部材とも接合されていないものの、配置板122や密閉部130によって、密閉部130との相対的な位置ずれがないように規制されている。
封止部132は、加熱板120の輻射面120aと反対側に配される平板部材である。本実施形態においては、加熱板120と同様、2つの燃焼加熱器110の封止部132を一体に形成している(図2参照)。そして、封止部132は、密閉部130と離隔した位置で、加熱板120の外壁部120bの延在方向(図3(a)中、下方向)の端部に固定され、密閉部130との間の空間に断熱性を有するロックウールなどの断熱材134を封止する。
このように、燃焼加熱システム100の本体容器は、加熱板120の穴126cを封止部132で閉塞してなるもので、外周面(加熱板120の外壁部120bの外表面)の面積より上下壁面(加熱板120の輻射面120aおよび封止部132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。
第1配管部136は、燃料ガスが流通する配管であり、第2配管部138は、排気ガスが流通する配管である。第2配管部138は、第1配管部136内部に配される。すなわち、第1配管部136と第2配管部138は、燃焼加熱器110との接続部分において二重管を形成する。
配置板122、断熱部126、密閉部130、封止部132には、厚さ方向に貫通する貫通孔122d、126d、130d、132dが設けられている。貫通孔122d、126d、130d、132dは、配置板122、断熱部126、密閉部130、封止部132それぞれの面方向の中心部において、互いに対向する位置関係となっている。貫通孔122d、126d、130d、132dには、第1配管部136が挿通される。そして、第1配管部136の端部は、例えば、溶接痕の盛り上がりなどで導入部140が狭くならないよう、配置板122の仕切板124側の面より配置板122の貫通孔122dの貫通方向の中心側の位置で当該貫通孔122dに固定され、第1配管部136のうち、密閉部130の貫通孔130dに挿通された部分は、貫通孔130dに溶接やロウ付けなどで接合される。
また、仕切板124には、配置板122の貫通孔122dと対向する位置に、貫通孔122dよりも径が小さく、厚さ方向に貫通する排気孔124bが設けられている。排気孔124bには、第2配管部138が挿通され、第2配管部138の端部は、例えば、溶接痕の盛り上がりなどで導出部142が狭くならないよう、仕切板124の輻射面120a側の面より仕切板124の排気孔124bの貫通方向の中心側の位置で排気孔124bに固定されている。
第2配管部138の端部は、第1配管部136の端部よりも輻射面120a側に突出し、かつ、加熱板120から離隔しており、仕切板124は、面方向の中心側において第2配管部138の端部に固定されることで、加熱板120および配置板122と一定間隔を維持して離隔している。
導入部140は、配置板122と仕切板124との間の空隙によって形成され、第1配管部136に連通しており、第1配管部136(配置板122の貫通孔122d)から流入した燃料ガスを、燃焼室128に向けて放射状に導く。
また、導入部140の出口側(燃焼室128側)の流路は、仕切板124の外周端部に配された突起部124cによって複数に仕切られている。
図4は、突起部124cを説明するための説明図であり、燃焼室128の斜視図および燃焼室128を囲繞する構成部材の断面図を示す。なお、ここでは、理解を容易とするため、加熱板120を取り除いて示し、仕切板124の隠れている部分の輪郭線を破線で示す。
図4に示すように、突起部124cは、仕切板124の周方向に一定間隔で設けられており、隣接する突起部124c間に流路124dが形成されている。これにより、導入部140と燃焼室128とは、その連通部分の断面積が狭められた流路124dによって連通することとなる。このとき、隣接する突起部124cの間隔、すなわち、流路124dの幅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、下記の数式1により求められる。
d=2λ・Nu 1/2 Cp・ρu・Su …数式1
数式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。流路124dの幅が消炎距離d以下となるように設計されているため、燃焼室128において安定した燃焼が可能となっている。
流路124dから燃焼室128に流入した燃料ガスは、図3(b)に示すように、燃焼室128において外周部126aに衝突して一時的に滞留する。上記の点火装置は、2つの燃焼加熱器110のうちの一方の燃焼加熱器110における燃焼室128に設けられており、点火装置が導入部140から導入される燃料ガスに点火すると、火移り部102を介して他方の燃焼加熱器110における燃焼室128も点火する。そして、双方の燃焼室128で燃焼が継続し、当該燃焼によって生成された排気ガスは、導出部142に導かれる。
導出部142は、加熱板120と仕切板124とを側壁とし、加熱板120と仕切板124との間の空隙によって形成された流路である。導出部142は、燃焼室128に連続すると共に第2配管部138に連通しており、燃焼室128における燃焼によって生じた排気ガスを、燃焼室128から面方向の中心側に集約し、第2配管部138を介して当該燃焼加熱器110外に導く。
加熱板120は、輻射面120aの裏面120cから、燃焼室128における燃焼熱と、燃焼室128および導出部142を流通する排気ガスの熱によって加熱される。そして、輻射面120aからの輻射熱によって被焼成物が加熱されることとなる。
また、仕切板124は比較的熱伝導し易い素材で形成されており、導出部142を流通する排気ガスは、仕切板124を介して導入部140を流通する燃料ガスに伝熱する(図3(b)参照)。ここでは、導出部142を流れる排気ガスと導入部140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。
同様に、第2配管部138を流通する排気ガスは、第2配管部138を通じて第1配管部136を流れ、対向流となっている燃料ガスに伝熱して予熱する。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。
他の燃焼加熱器の一例として、燃焼室を形成する外周や底面側の壁部材として、断熱性の高い素材を用いると共に、燃焼室の外周側からの燃料ガスの漏出を防ぐため、壁部材を加熱板に溶接などで接合することが考えられる。しかし、燃焼熱によって壁部材と他の部材との間に温度差が生じると、この接合部分が破損し密閉性や耐久性が低下したり、壁部材が塑性変形して燃焼室の形状が変わり、燃料ガスが燃焼室に滞留し難くなって不完全燃焼が生じたりするおそれがある。
本実施形態では、上述したように、断熱部126と密閉部130を備え、断熱部126を他の部材に接合せずに、燃焼室128と密閉部130の間に配している。そのため、断熱部126が熱膨張しても、接合によって拘束されていないことから変形が阻害されず、応力が生じ難い。さらに、断熱部126をセラミックで形成していることから、熱膨張率が低く、燃焼熱による変形量が小さい。そのため、燃焼室128の形状が変形せず、燃焼加熱器110の耐久性が向上するうえ、燃料ガスを滞留させる構造が維持され、不完全燃焼の発生が抑制される。
また、断熱部126によって密閉部130への燃焼熱の伝熱が抑制されているため、熱効率が向上すると共に、密閉部130の熱膨張が抑えられる。その結果、密閉部130の屈曲部130aと加熱板120の裏面120cとの接合部分に応力が生じにくく、接合部分の破損が抑制され、燃料ガスや排気ガスの漏出が抑制される。さらに、密閉部130の貫通孔130dと第1配管部136とが接合されているため、貫通孔130dからの燃料ガスの漏出も抑制することが可能となる。
(変形例)
また、上述した実施形態では、断熱部126の底面部126bは、外周部126aから第1配管部136まで、面方向に延在する場合について説明した。しかし、図5に示す変形例のように、断熱部226の底面部226bは、外周部226aから燃焼室128よりも配置板122側まで面方向に延在すればよい。すなわち、断熱部226の底面部226bは、外周部226aから配置板122の外周面122aまで、または、配置板122の外周面122aよりも面方向の中心側まで、面方向に延在すればよい。この場合、配置板122と密閉部130との間に隙間Sがあってもよいし、配置板122または密閉部130が隙間Sを埋めるように突出して形成されてもよい。
なお、上述した実施形態では、断熱部126がセラミックで形成される場合について説明したが、密閉部130と断熱部の間に他の断熱材を挟み込む構成であれば、断熱部はセラミックよりも断熱性が低い素材、例えば、ステンレス鋼であってもよい。この場合であっても、断熱部は、接合によって拘束されていないことから変形が阻害されず、熱膨張による塑性変形を起こさず、燃焼が停止した後、冷却されれば元の形状に復帰することとなる。
また、上述した実施形態では、密閉部130は、屈曲部130aが直接、加熱板120の裏面120cに接合される場合について説明したが、密閉部130は、加熱板120の裏面120cに接合された他の部材に接合されてもよい。換言すれば、密閉部130は、加熱板120に間接的に接合されてもよい。
また、上述した実施形態では、密閉部130の貫通孔130dが直接、第1配管部136に接合される場合について説明したが、密閉部130の貫通孔130dと第1配管部136との間に、密閉部130の貫通孔130dと第1配管部136それぞれに接合される他の部材があってもよい。換言すれば、密閉部130の貫通孔130dは、第1配管部136に間接的に接合されてもよい。
また、上述した実施形態では、断熱部126が1つ設けられる場合について説明したが、密閉部130よりも燃焼室128側に配されれば、複数の断熱部126が配されてもよい。
また、上述した実施形態では、燃焼加熱器110が2つ連設された燃焼加熱システム100を例に挙げたが、燃焼加熱システム100とせずに、燃焼加熱器110を単体で用いてもよいし、燃焼加熱器110が3つ連設された燃焼加熱システムとしてもよい。
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、燃料ガスを燃焼させて被焼成物を加熱する燃焼加熱器に利用することができる。
110 …燃焼加熱器
120 …加熱板
122 …配置板
122d …貫通孔
124 …仕切板
126 …断熱部
126a …外周部
126b …底面部
128 …燃焼室
130 …密閉部
130d …貫通孔
136 …第1配管部(配管部)
140 …導入部
142 …導出部

Claims (2)

  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置された仕切板と、
    前記仕切板の外周側に位置し、該仕切板の外周に沿って前記加熱板と前記配置板の対向方向に延在する外周部と、該加熱板と対向配置される底面部とを有し、断熱性を有する断熱部と、
    前記加熱板と前記断熱部で囲繞される燃焼室と、
    前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して燃料ガスを導く導入部と、
    前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に連続して該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前記燃料ガスを予熱する導出部と、
    前記断熱部の前記外周部および前記底面部それぞれを前記燃焼室の反対側から覆って前記断熱部を支持すると共に、前記加熱板のうち該断熱部側の面に直接または間接的に接合され、前記燃焼室の該断熱部側へのガス漏れを抑制する密閉部と、
    を備えることを特徴とする燃焼加熱器。
  2. 前記配置板および前記密閉部は、該配置板の厚さ方向に貫通し、互いに対向する貫通孔がそれぞれ設けられ、
    前記配置板および前記密閉部それぞれに設けられた前記貫通孔に挿通され、少なくとも、該密閉部の該貫通孔に接合され、前記導入部に連通して前記燃料ガスを該導入部に導く配管部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の燃焼加熱器。
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