JPH0198857A - 伝熱促進体を有する流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、例えば湯沸し器、鳳呂釜、温水ボイラなど１
こ適用される流体加熱装置に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来、上記のような流体加熱装置としては、例えばバー
ナ等の燃焼手段と、この燃焼手段１こより形成される燃
焼ガスの流路を形成する缶体と、この缶体内部に配置さ
れた複数列の伝熱管とを備えたものが使用されている。

この場合、伝熱管としては、燃焼ガスとの接触面積をで
きるだけ広くして熱交換効率を上げるため、はぼ平行に
配列された多数のプレートフィンを貫通して伝熱管を複
数列に配置したプレートフィシ付き伝熱管がよく採用さ
れている。

ところで、近年、上記のような流体加熱装置としては、
熱交換容量が大きく、しがもコンパクトなものが求めら
れている。熱交換容量を大きくするためには、単純には
燃焼手段の火力を強くすればよいと考えられるが、伝熱
管やフィンの熱損傷等を考えると、火力が強くなるほど
燃焼室容積を大きくする必要があり、コンパクト化の要
求を満たすことができない、したがって、装置をコンパ
クトにしようとすると、燃焼手段による火力はある程度
制限されてしまうので、熱交換効率を高めて熱交換容量
を太きくしなければならない。

プレートフィン付き伝熱管においで熱交換効率を高める
には、フィンの面積をできるだけ広くとって伝熱面積を
広くすることが考えられる。しかし、フィンを大きくす
ると装置をコンパクトにできない、フィシの配列ピッチ
を狭くすると、燃焼ガス流路の閉塞やフィンの温度上昇
を招きやすくなり、耐久性が劣化する。また、伝熱管の
配列ピッチを狭くしてできるだけ多数の伝熱管を配置す
ることも考えられるが、この種の装置では、水などの被
加熱流体が複数列に配置された伝熱管内をシリーズに流
されるので、伝熱管の端部がＵ字管などで接続されで連
続したものとなっており、その配管構造による制限から
伝熱管の配列間隔もある程度以上には狭めることができ
ない。

「発明の目的」 本発明の目的は、プレートフィン付き伝熱管を有する流
体加熱装置においで、装置のコンパクト化の要求を満た
しつつ、熱交換効率を高めることにある。

「発明の構成」 本発明は、プレートフィンと、プレートフィンを貫通す
る複数の伝熱管を有する流体加熱装置においで、棒状、
管状または板状の伝熱促進体が、前記伝熱管の管周隔よ
りも前記伝熱管に近接して配Ｍされていることを特徴と
する。

一般に、燃焼ガスなどの加熱ガスが伝熱管やフィンに接
触するとき、加熱ガスから伝熱管やフィンへの伝熱量は
、加熱ガスと伝熱管やフィンとの温度差、加熱ガスとの
接触面積、すなわち伝熱面積などに影響されるのである
が、もう一つの重要な因子として加熱ガスの流速が関係
する。すなわち、伝熱管の外！とそれに接触する加熱ガ
スとの境界部には伝熱に関する境膜抵抗層が形成されて
いる。そして、この境膜抵抗層が薄いほど伝熱効率が高
まることが知られている。この境膜抵抗層の厚さは、加
熱ガスの流速が高いほど薄くなるので、加熱ガスの流速
を高めるほど伝熱効率は高められる。

本発明においては、棒状、管状または板状の伝熱促進体
が、伝熱管の管間隔よりも伝熱管に近接して配ｍされて
いるので、加熱ガスはこの伝熱促進体に接触してその流
路を変更させられ、かつ、その流路幅を狭められる。こ
のため、加熱ガスの流れに乱流が形成され、加熱ガスの
流速が高められる。この影響がすぐ近くに配置された伝
熱管やプレートフィンに及び、伝熱管やプレートフィン
への伝熱効率が高められ、それによって熱交換効率が高
められる。

本発明が適用される流体加熱装置は、プレートフィン付
き伝熱管を有するものであればいずれも採用可能である
０例えば燃焼手段と、燃焼空間および燃焼ガスの流路を
形成する缶体と、ｔ！！ＡｖＡガスを外部へ排出する排
気ダクトと、上記燃焼ガスの流路内に配置されたプレー
トフィン付き伝熱管とを備えたものが採用される。また
、燃焼カスの流路に沿って、順にペアチューブまたはロ
ーフインもしくはミドルフィン付きチューブからなる伝
熱管、セラミックスハニカム体またはセラミックスファ
イバ成形体などからなる通気性輻射体、プレートフィン
付きの伝熱管が配置されたものなどを採用することもで
きる。

燃焼手段としては、拡散燃焼バーナヤ予混合燃焼バーナ
などが採用される。また、溶油等を気化させて燃焼させ
る方式のものであってもよい、燃料としては、天然ガス
、プロパンガス、溶油等が採用される。

プレートフィン付き伝熱管は、通常、銅、アルミニウム
、ステンレス等の金属で形成されるが、炭化ケイ素、窒
化ケイ素などのセラミックスで形成することもできる。

プレートフィンは、通常、２”−６ｍｍ程度の間隔で加
熱ガスの流れ方向に沿って複数枚が平行に配列される。

そして複数の伝熱管は、加熱ガスの流れ方向に対して一
般には直交するように、これらのプレートフィンを貫通
しで配置されでいる。プレートフィンと伝熱管との接合
部は、例えばロウ付けなどで充分に接合し、伝熱抵抗を
少なくすることが好ましい。

本発明において、棒状、筒状または板状をなす伝熱促進
体は、ステンレス等の耐熱性金属や、各種のセラミック
スで形成されることが好ましい。

伝熱促進体は、加熱ガスの流路を横切るように連続した
細長い形状のものが好ましいが、必ずしも長手方向に連
続している必要はない、また、伝熱促進体は、その長手
方向が伝熱管とほぼ平行となるように配置されることが
好ましいが、伝熱管と交差するように配置することもで
きる。

本発明においで、伝熱促進体は、伝熱管の間隔よりも伝
熱管に近接して配置されることが必要であり、これより
も伝熱管から離れた位置に配置した場合には、本発明の
効果を充分に得ることができない、ただし、伝熱促進体
の一部のものが上記よりも伝熱管から離れた位置に配置
されていでもよい、なお、本発明において、伝熱促進体
と伝熱管との粗層は、伝熱促進体の外周と伝熱管の外周
とで最も近接した部分の距Ｍを意味し、伝熱管の管圓隔
は、隣りあう伝熱管の外周同士の最も近接した粗層を意
味している。この粗層は好ましくは伝熱管の管間隔の２
７３以下、より好ましくは１７２以下とされる。

本発明の好ましい態様では、伝熱促進体が、加熱ガスの
流れ方向に沿って見たときに伝熱管の間に位置するよう
に配置される。これにより、伝熱管の間を通る加熱ガス
の流れを伝熱管の方向に向け、伝熱管に接触する加熱ガ
スの流速を高めて、伝熱効率をより高めることができる
。

また、本発明の好ましい態様では、加熱ガスの流れ方向
に間して伝熱管の上流側および下流側にそれぞれ配Ｍさ
れる。これにより、上流側あるいは下流側のいずれか一
方に配置した場合に比べて、伝熱効率を飛躍的に向上さ
せることができる。この理由は定かでないが、上流側お
よび下流側の伝熱促進体が共同して加熱ガス流をより伝
熱管に近づけるようにするためと考えられる。なお、こ
の場合、上流側あるいは下流側のいずれか一方の伝熱促
進体は、伝熱管の管間隔よりも離れた位置にあっても良
好な効果を得ることがある。

「発明の実施例」 第１図および第２図には、本発明による流体加熱装置の
一実施例が示されている。

この流体加熱装置ｕｌ＋は、缶体１２の下部にバーナプ
レート１３が設Ｍされ、バーナプレート１３の下方が予
混合室１４となっている。予混合室１４には、燃料と燃
焼用空気が供給され、両者が所要割合で予め混合される
ようになっている。この混合ガスは、バーナプレート１
３の孔から缶体１２内に噴出し、図示しない点火手段で
点火されて燃焼するようになっている０缶体１２内は、
燃焼室および燃焼ガスの流路を構成しており、缶体１２
の上部は図示しない排気ダクトに接続されている。

燃焼ガスの流路に沿ってバーナプレート１３に最も近接
した位置には、第１の伝熱管１５が流路を横切るように
複数列にほぼ平行に配置されている。

燃焼ガスの流路に沿って、第１の伝熱管１５よりも下流
側には、通気孔１６ａを穿設されたセラミックスファイ
バ成形体からなる輻射体１６が配置されている。そして
、輻射体１６のざらに下流側には、燃焼ガスの流れ方向
に沿ってほぼ平行に配列された多数のプレートフィン１
７と、このプレートフィン１７を貫通して燃焼ガスの流
路を横切るように複数列に配置された藁２の伝熱管１８
とからなるプレートフィン付き伝熱管１９が配Ｈされて
いる。プレートフィン１７は、燃焼ガスの流路の最も上
流側の端縁部が、第２の伝熱管１８の外形に沿って波形
に切り欠かれている。

！＋の伝熱管１５および第２の伝熱管１８は、いずれも
複数列に配置されているが、実際には被加熱流体をシリ
ーズに流すため、連続した一本の管がらなっている。こ
のため、例えば第２の伝熱管１８は、第２図に示すよう
にその両端部が缶体１２がら突出して、Ｕ字管２１によ
って接続されている。

この流体加熱装置では、第２の伝熱管１８に近接して丸
棒状の伝熱促進体２２が配置されている。この実施例で
は、伝熱促進体２２は、ステンレス棒で構成されている
。また、伝熱促進体２２は、燃焼ガスの流れ方向に沿っ
て見たとき、笥２の伝熱管１８の間に位置し、しかも伝
熱管１８の上流側と下流側にそれぞれ２本ずつ、合計４
本配冒されている。

そして、伝熱促進体２２と第２の伝熱管１８との距離ａ
は、第２の伝熱管＋ｇの管間隔すよりも短くなるように
されている。

上記のような流体加熱装？Ｉｔｌ＋においで、燃料とし
て天然ガスを用い、第１の伝熱管１５およびＭ２の伝熱
管１８を、材質：銅、管直径；１９ｍｍ、伝熱管配列：
３本Ｘ−列、伝熱管間隔；１７ｍｍとし、プレートフィ
ン１７を、フィンピッチ；　２．６　ｍｍ、伝熱面積：
　０．５６ｍとし、伝熱促進体２２を直径１２ｍｍのス
テンレス棒としで、装置ｌを構成し、水を流して熱交換
を行ない、交換熱量、熱効率等を測定した。

なお、伝熱促進体２２の配置を変えた流体加熱装置につ
いても比較実験を行ない、その結果を表に示した。これ
らの実験において燃料消費流量および出湯水温はいずれ
も同じとした。

（以下、余白） 表の結果から、伝熱促進体２２を伝熱管に近接して設け
ることにより、熱効率が大きく向上することがわかる。

ちなみに熱効率１ｖ７５％から７６％へと１％上げるた
めに、プレートフィンの面積の増大で対処しようとする
と、プレートフィンの面積を１０％も増大させる必要が
ある。

第３図には、本発明で採用しつる伝熱促進体２２の各種
の断面形状が示されている。

すなわち、（ａ）は四角棒状、（ｂ）は三角棒状、（ｃ
）は四角筒状、（ｄ）は三角筒状、（ｅ）は平板状、（
ｆ）は断面Ｖ字状に折曲された板状のものをそれぞれ示
している。このように、伝熱促進体２２は、加熱ガスの
流れを変えるのに効果的な形状であればいずれのものも
採用できる。

第４図には、本発明で採用する伝熱促進体２２の配置の
他の例が示されている。

第４図において、伝熱促進体２２ａは、隣りあう第２の
伝熱管１日の中周に配置されており、伝熱促進体２２ｂ
は、第２の伝熱管１８の猜方に配置されでいる。これら
の場合にも、伝熱促進体２２ａ　、２２ｂによつ、笥２
の伝熱管１８やプレートフィン１７へ当る加熱ガスの流
速を高めることができ、伝熱効率を向上させる効果が得
られる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、棒状、筒状また
は板状の伝熱促進体を、伝熱管の管間隔よりも伝熱管に
近接して配置したので、伝熱促進体により加熱ガスの流
れが変えられ、伝熱管やプレートフィンに接触する加熱
ガスの流速を高めることができるので、加熱ガスからの
伝熱を良好にして熱交換効率を高めることができる。ま
た、伝熱促進体の配置は、装置を大きくすることなく行
なうことができるので、装置のコンパクト化も図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体加熱装置の一実施例を示す正
面断面図、第２図は第１図におけるｎ−■線に沿った断
面図、第３図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）、（ｄ）　、
　（ｅ）　、（ｆ）は伝熱促進体の他の例を示す断面図
、第４図は伝熱促進体の配置の他の例を示す部分断面図
である。 １１は流体加熱装貫、１２は缶体、１３はバーナプレー
ト、１４は予混合室、１５は第１の伝熱管、１６は輻射
体、１７はプレートフィン、１８は第２の伝熱管、１９
はプレートフィン付き伝熱管、２１は０字管、２２．２
２ａ　、　２２ｂは伝熱促進体。 特許出願人　　　旭硝子株式会社 同　　　　　東京瓦斯株式会社 代理人　　　　弁理士　松井　茂 第１図 第２図 （ａ）　　　　（ｂ） （Ｃ）　　　　（ｄ） 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）プレートフィンと、プレートフィンを貫通する複
   数の伝熱管を有する流体加熱装置において、棒状、管状
   または板状の伝熱促進体が、前記伝熱管の管間隔よりも
   前記伝熱管に近接して配置されていることを特徴とする
   流体加熱装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記伝熱促進体
   が、加熱ガスの流れ方向に沿って見たときに前記伝熱管
   の間に位置するように配置されている流体加熱装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記伝熱促進体が、加熱ガスの流れ方向に関して前記伝熱
   管の上流側および下流側にそれぞれ配置されている流体
   加熱装置。