JP6913919B2 - 木質燃焼給湯器 - Google Patents

Description

この発明は、廃棄木材、間伐材、竹材、木質ペレットなどを燃料として家庭ないし小規模の事業所における給湯（暖房や融雪用の給湯を含む）を行うロケットストーブ型の給湯器に関する。

薪や木質ペレットを燃料とするストーブとしてロケットストーブと呼ばれるものが知られている（特許文献１−３）。ロケットストーブは、燃焼室の後にヒートライザーと呼ばれる上下方向の比較的短い煙道を備えており、当該煙道（以下、「断熱煙道」と言う）を通過した燃焼ガスは、断熱煙道の周囲に形成されたリング状断面の煙道（以下、「下降煙道」と言う）を下降した後、煙突に導かれて排出されるというものである。

ロケットストーブは、断熱煙道内での燃焼ガスの高温が維持されるため、燃焼ガス中の未燃物が断熱煙道内で完全燃焼され、また、断熱煙道内の高温の燃焼ガスの強い上昇力により、燃焼室への空気の吸引が促進されることによって完全燃焼が実現できるという特徴がある。

従来、ロケットストーブは、暖房用や屋外での調理用の器具などとして用いられていた。特許文献２には、ロケットストーブの排気を温室の暖房用として用い、下降煙道の周囲に形成した空気流路を通過して温められた空気を暖房に用いる装置が提案されている。

一方、快適な生活を維持しながら地球温暖化をいかにして避けるかが重要な課題となっている。地球温暖化の原因となっている炭酸ガスは、化石燃料を燃焼することによって大気中に放出されている。一方、燃料としての木材は、光合成によって木質中に固定化された炭素を燃焼させるのであるから、光合成と燃焼とで大気中への炭酸ガスの放出は差し引き０となり、地球温暖化を防止することができる。

ちなみに化石燃料の燃焼は、過去の植物によって固定化された炭素を炭酸ガスにして大気中に放出するというものであり、大気の組成を炭酸ガス濃度が非常に高かった過去の大気の組成に戻すことになるために、温暖化の問題が生ずるのである。数十億年という長い年月をかけて大気中の炭酸ガスを吸収して酸素を放出し、化石燃料の素となる炭素を固定してきたのは、珪藻である。その珪藻の死骸は、珪藻土となって地中に堆積しており、その高い断熱性、蓄熱性、耐火性から七輪の材料などとして使用されてきた。

特開２０１２‐１４５３２４号公報 特開２０１４‐１２６３５６号公報 特開２０１４‐１２９８８９号公報

現在、家庭や事業所の暖房や風呂や洗面所、台所などへの給湯用の熱源として、大量の化石燃料由来のエネルギーが用いられている。一方において森林の荒廃が叫ばれ、間伐材や廃木材などの利用も進んでいない。一部には暖房用として薪ストーブや前述したロケットストーブなども用いられているが、煙の問題や燃焼の管理に手間がかかるなどの問題があり、一部の愛好家に利用されているに止まっている。

この発明は、廃木材、間伐材、伐採した竹、木質ペレットなどの木質燃料を用いて効率よくかつ清潔で燃焼管理の手間もかからない家庭ないし事業所用の給湯、暖房装置を提供することを課題としている。

この発明の木質燃焼給湯器５０は、ロケットストーブのヒートライザーと呼ばれる上下方向の断熱煙道２の上方に上端が閉鎖された伝熱煙道５と当該伝熱煙道の周囲を囲む水タンク６とを設け、伝熱煙道５内の燃焼ガスと水タンク６内の水との熱交換を行うことにより、水タンク内の水を加温して台所５１、洗面所５２、風呂５３、床暖房パイプ５４、融雪パイプ５５などに給湯することにより、上記課題を解決している。

水タンク６は、伝熱煙道５とその下方の下降煙道３を囲むように設けてもよい。水タンク６内に当該タンク内の加温された水と熱交換を行う熱交換パイプ７を設けるなどにより、複数の給湯ライン３２、４２を設けることもできる。

ロケットストーブのヒートライザー（断熱煙道）２で高温を維持されて強い上昇力を持った燃焼ガスは、その直上に位置する伝熱煙道５へと流入し、水タンク６との熱交換によって冷やされた燃焼ガスは、伝熱煙道５の周壁部で下方に流れて断熱煙道２の周囲に形成されている下降煙道３を通って煙突４へと流入して排出される。

水タンク６は、伝熱煙道５及び下降煙道３を囲むように設けてもよいし、伝熱煙道５のみを囲むように設けてもよい。燃焼ガスから水タンク６内への水への伝熱は、主として伝熱煙道５で行われる。伝熱煙道５の周壁部の下端での燃焼ガスの温度を煙突４に導くのに適当な温度にまで下降させる大きさで伝熱煙道を設けた場合には、燃焼ガスを更に冷やすと煙突４のドラフトが低下して燃焼ガスの供給に問題が生ずるから、伝熱煙道５の周囲のみに水タンクを設ける構造とすべきである。

この発明によれば、ロケットストーブのヒートライザー内の燃焼ガスの強い上昇力を利用して、燃焼ガスの熱を水タンク６内の水に効率よく伝熱することができる。水タンク内の加温された水は、給湯源となると共に、蓄熱器ともなって燃焼を停止した後もある程度の間、給湯可能な状態を維持することができる。そして、ロケットストーブの原理により、木質燃料の完全燃焼に近い燃焼が可能である。

以上のことから、従来廃棄されたり放置されている間伐材や廃材を給湯や暖房の熱源として用いることができ、化石燃料の一部を循環型の燃料である木質燃料に置き換えることによって地球温暖化の防止に寄与することができる。

また、燃焼ガスの熱を水媒体を介して暖房を行うので清潔であり、水タンク６が蓄熱器の働きをするから、就寝前や燃料の供給を忘れて燃焼を終了した後も、ある程度の給湯や暖房を維持することができるから、従来のロケットストーブによる暖房のような手間もかからない。

実施例の給湯器の断面側面図 この発明の給湯器による給湯、暖房、融雪の例を示した模式的な説明図

以下、図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図１において、１は燃焼室、２はヒートライザーと呼ばれる断熱煙道、３は断熱煙道２の周囲に形成された下降煙道、４は下端が下降煙道３に連通している煙突、５は断熱煙道２の直上部に形成された伝熱煙道、６は下降煙道３及び伝熱煙道５を囲んでいる水タンク、７は水タンク６内に配置されて水タンク内の水（湯）と熱交換を行う熱交換パイプである。

図示実施例の燃焼室１は、木質ペレットを主な燃料とするように設計されており、燃焼室１の下端は、連結煙道１２によって断熱煙道２の下端に連通している。燃料を投入するための燃焼室１の上端の開口には蓋１３が設けられている。この蓋１３には、燃焼用の空気が流通可能なパンチ孔が設けられている。燃焼室下方の連結煙道１２の反対側には、燃焼空気の供給及び着火用の開閉扉１４付きの開口が設けられている。

断熱煙道２は、周壁を十分な厚さの断熱材２１で断熱された鉛直方向の煙道で、その上端は、下降煙道との接続空間２３に開口している。断熱材２１としては、成型した珪藻土を用いている。珪藻土は、断熱性、蓄熱性、耐火性に優れ、石川県の能登地区で多く産出されており、地場産業の振興にも寄与できる。下降煙道３は、断熱煙道２の周壁の断熱材２１を囲むように形成されている。図示実施例では、煙突４の下端が下降煙道３の中間高さの位置に連通している。

通常、ロケットストーブの煙突４は、下端を下降煙道３の下端に連通して設けている。水タンク６を下降煙道３の周囲にも設けた実施例の構造では、煙突４の下端をどの高さで下降煙道に連通させるかによって煙突４の最適な高さが変化する。下降煙道３では、その外側に形成された水タンクの水により燃焼ガスの温度が低下する。煙突４の下端を下降煙道３の中間高さの位置に連通した場合、煙突４に比較的高温のガスが流れるから、煙突４内のガスの上昇力が高く、従って、煙突４の高さを比較的低くできる。一方、煙突の下端を下降煙道の下端に連通したときは、煙突４内を流れるガスの温度が比較的低くなるため、煙突内のガスの上昇力は弱くなり、必要なドラフト（燃焼室１への空気の吸引力）を得るために、煙突４の高さを高くする必要が生ずる。

断熱煙道２の直上部に設けた伝熱煙道５は、主として断熱煙道２を通過した後の燃焼ガスと水タンク６内の水との熱交換を促進するための空間である。伝熱煙道５の周壁並びに下降煙道３の天井壁及び周壁は、金属板で形成され、更に伝熱煙道５の周壁には、伝熱煙道５内の燃焼ガスとの熱交換を促進するためのフィン２５が設けられている。伝熱煙道５の上端は、清掃時等に開閉可能な蓋２６で密閉されている。

水タンク６の水収容空間は、伝熱煙道５の周壁及び下降煙道３の周壁を囲んでおり、従って、水タンク６の水は断熱煙道２内の燃焼ガス及び下降煙道３を流れる燃焼ガスによって加温される。水タンク６の天井及び外周は、断熱材によって断熱された断熱壁３１となっている。珪藻土は、この断熱壁３１の断熱材としても使用することができる。水タンク６の上端には、給湯管３２が接続され、下端には給水管３３が接続されている。

水タンク６内には、コイル状の熱交換パイプ７が設けられている。熱交換パイプ７は、下端の給水管４３が上水の給水源に接続され、上端が洗面所や台所への給湯管４２に接続されたパイプで、このパイプ内を流れる水は、水タンク６内の湯によって加温される。図の熱交換パイプ７は、伝熱煙道５の外壁を囲むようにコイル状に形成されているが、必ずしもこのような形状に限られるわけではない。

しかし、熱交換パイプ７内を流れる水を効率よく加温するためには、水タンク６内の水の温度が最も高い部分、すなわち水タンク６の上部でかつ水タンク６内の水が最も高い温度に加温される伝熱煙道５の周壁近くに設けるのが好ましい。

次にこの発明の木質燃焼給湯器の作用について説明する。燃焼室１で木質燃料を燃焼した燃焼ガスは、連結煙道１２を通って断熱煙道２に導かれる。断熱煙道２は、断熱され、従って燃焼ガスの高温が維持されるので、上下方向の断熱煙道内で強いドラフトが生じ、従って断熱煙道２及び煙突４をあまり高くしなくても燃焼室１内に必要な量の燃焼空気を吸引することができる。また、断熱煙道内で燃焼ガスの高温が維持されることから、燃焼ガス中の未燃物の燃焼も促進される。

断熱煙道２を勢いよく上昇した高温の燃焼ガスは、伝熱煙道５内へ流入し、水タンク６内の水への熱交換が行われる。伝熱煙道５に流入した燃焼ガスは、水タンク内の水との熱交換が行われる周壁部分で温度が低下するから、伝熱煙道５内には、断面中央部で上昇し、周壁部で下降する対流が生じる。この対流を阻害しないように伝熱煙道５の直径は、断熱煙道２の直径より大径とするのが好ましく、伝熱フィン２５も上下方向の切片状ないしひだ状のものとするのが好ましい。そのようにすれば、強い上昇力を持った断熱煙道２内の燃焼ガスが伝熱煙道５の中心部に流れ込み、伝熱煙道の周壁付近の冷やされた燃焼ガスが速やかに下降して下降煙道３へと流入して行くからである。

伝熱煙道５から下降煙道３へと流入した燃焼ガスは、下降煙道３の外周壁部分で水タンク６内の水と更に熱交換を行った後、煙突４を通って排出される。

上記の実施例の装置では、水タンク６と熱交換パイプ７との２回路の給湯源がある。２回路の給湯をどのように使用するかは任意であるが、例えば水タンク６の給湯管３２の湯を風呂５３や床暖房パイプ５４や屋根の融雪パイプ５５に供給し、熱交換パイプ７の湯を台所５１や洗面所５２の混合栓に供給するという使い分けが可能である。

水タンク６は、蓄熱器としての機能も有しているから、この発明の木質燃焼給湯器５０の夜間の運転を停止したとしても、朝の洗面や台所仕事の際に、水タンク６内の水に蓄積された熱で熱交換パイプ７を流れる水を加温することができる。

この発明の給湯器において、熱交換パイプ７を設けないで、総ての給湯源に水タンク６内の湯を供給することができる。水タンク６内の湯を使用した場合、使用した量の水は、給水管３３から水タンク６内へと流入する。また、熱交換パイプ７を設けないで、複数回路の給湯源を設けることもできる。例えば融雪パイプ５５など比較的低温の給湯でよい所には、水タンク６の中間高さの位置に設けた給湯管から融雪パイプ５５に湯を供給し、台所５１、洗面所５２、風呂５３の混合栓に供給する湯は、水タンク上端に設けた給湯管から供給するという形態で２回路の給湯源を設けることもできる。

２ 断熱煙道
３ 下降煙道
４ 煙突
５ 伝熱煙道
６ 水タンク
３２ 給湯管
４２ 給湯管
５０ 木質燃焼給湯器
５１ 台所５１
５２ 洗面所
５３ 風呂５３
５４ 床暖房パイプ
５５ 融雪パイプ

Claims (5)

1. 燃焼室と、下端が前記燃焼室に連通している断熱煙道と、上端が前記断熱煙道の上端と連通して当該断熱煙道の周囲に形成されている下降煙道と、下端が下降煙道に連通している煙突とを備えた木質燃焼給湯器において、
   前記断熱煙道の上方に位置して下端が前記下降煙道の天井壁に開口している当該下降煙道より小径の伝熱煙道と、当該伝熱煙道の周囲を囲んで形成された水タンクとを備えている、木質燃焼給湯器。
2. 前記水タンクが、下降煙道及び伝熱煙道の周囲を囲んで形成されている、請求項１記載の木質燃焼給湯器。
3. 水タンク内に伝熱煙道を囲むように配置された熱交換パイプを備え、水タンクと熱交換パイプとの２回路の給湯源を備えている、請求項１又は２記載の木質燃焼給湯器。
4. 断熱煙道の断熱材として珪藻土が用いられている、請求項１又は２記載の木質燃焼給湯器。
5. 断熱煙道及び水タンク外壁の断熱材として珪藻土が用いられている、請求項１又は２記載の木質燃焼給湯器。

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