JPH0612196B2 - 熱交換方法及びその方法に直接使用する熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、燃料ガスを用いて熱交換を行う方法及びそ
の方法に直接、使用する熱交換装置に関する。

［従来の技術］ 従来の給湯装置としては、第６図に示すように、燃料ガ
ス入口２０から供給されたガスが燃焼バーナ２１で空気
と予混合されて燃焼室２２で完全燃焼し、この高温燃焼
ガスと上部のフィン付蛇管２３内を通る水が熱交換され
て、温水または熱水が作られるものである。

なお、図中、２４は水供給管を、２５は温水出口を示し
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、かかる従来例にあっては、前記した燃焼
室２２が、給湯装置において絶対不可欠の構成要素であ
って、また、不完全燃焼を防止する都合上、燃焼バーナ
２１とフィン付蛇管２３との間隔Ｌは、少なくとも２０
cmを必要としている。このため、燃焼室２２を必須の構
成とする従来の給湯装置にあっては、小型化を望めない
という問題点を有している。

また、この種の給湯装置は、フィン付蛇管２３上部から
排気される熱交換後の燃焼ガスの温度が１００℃以下に
なるとフィン付蛇管２３に水滴が発生し、腐食の原因と
なるため、熱効率にも限界があり、９０％以上の高効率
の装置を製造することは出来なかった。

［問題点を解決するための手段］ 第１の発明は、ガス供給側面とガス排出側面を有し、且
つ水平面に対して所定角度傾斜させてガス供給側面が傾
斜上向面となる板状の多孔質物体に、ガス排出側面から
ガス供給側面を被加温液体が経由するように輸送して熱
交換させる多数の伝熱路を設けてなる熱交換装置の、前
記ガス供給側面と同側面に沿う伝熱路との間隙に、予混
合ガスを導き、燃焼させ、この燃焼により生成される燃
焼排ガスを多孔質物体及びガス排出側面に沿う伝熱路を
通過させて排出し、さらに、該熱交換体の傾斜下向面に
結露した水を排除させることを構成の要旨としている。

第２の発明は、熱交換室内に、この室内空間を、予混合
ガスの供給空間と燃焼排ガスの排出空間とに区別する熱
交換体を設けてなり、前記熱交換体は、ガス排出側面と
ガス排出側面とを有し、且つ水平面に対して所定角度傾
斜させて該ガス供給側面が傾斜上向面となる板状の多孔
質物体に、ガス排出側面からガス供給側面を被加温液体
が経由するように輸送して、熱交換させる多数の伝熱路
を設けると共に、前記ガス供給側面に沿う伝熱路の相互
間には予混合ガスが通過する小間隙を設け、且つ前記ガ
ス排出側面に沿う伝熱路の相互間には燃焼排ガスが通過
する小間隙を設け、該ガス供給側面と同側面に沿う多数
の伝熱路との間に狭小な燃焼空間を介在させ、さらに、
前記排出空間の下部に結露水の排出部を設けたことを構
成の要旨としている。

［作用］ 供給空間から供給される予混合ガスは、伝熱路の相互間
に設けられた小間隙を通過して、多孔質物体のガス供給
側面と同側面に沿う伝熱路との間隙（燃焼空間）で表面
燃焼（表面的な燃焼をいう。）する。この際、発生する
熱は、ガス供給側面に沿う伝熱路と多孔質物体のガス供
給側面を加熱する。また、多孔質物体の加熱されたガス
供給側面は、放射熱でさらに伝熱路を加熱する。このた
め、この伝熱路を通る被加温液体は、昇温する。

次に、燃焼多孔質物体の内部を通過してガス排出側面に
出て、同側面に沿う伝熱路を温める。この際に燃焼排ガ
ス中の水蒸気の一部は、冷却されて伝熱路面上に結露
し、多孔質物体のガス排出側面に沿う伝熱路の傾斜に従
って下降し、結露水の排出部に導かれ、排除される。

また、前記した燃焼排ガスは、該ガス排出面に沿う伝熱
路の相互間に設けられた小間隙を通過して排出空間に導
かれて排除される。

［実施例］ 以下、この発明の詳細を図面に示す第１実施例について
説明する。

図中、１は予混合ガスの導入管であって、ケース３内の
供給空間４に連通している。２は燃焼排ガスの排出ダク
トであって、ケース３内の排出空間５に連通している。

また、前記供給空間４と排出空間５は、板状で所定の厚
みを有する多孔質物体６で区分されており、この多孔質
物体６は、ケース３内に、水平面に対して所定角度傾斜
させて設けられている。なお、この多孔質物体６の供給
空間側の面は、ガス供給側面であり、排出空間側の面
は、ガス排出側面である。該ケース３の両側壁上部に
は、ケース３の外から内に向けて、水を供給する給水ヘ
ッダ７と、加温された水を排出する排水ヘッダ８を導入
し、この両ヘッダ７，８は前記多孔質物体６の周側面に
沿って下降し、同物体６の下側周面に沿って並列となる
ように曲げられている。なお、給水ヘッダ７は排出空間
側で、排水ヘッダ８は供給空間側に位置している。

この多孔質物体５は、気孔率が６０〜９０％のセラミッ
クス材、金網等からなるものであって、下方から上方に
向けて気体の通過が可能とされている。

図中、９は給水ヘッダ７と排水ヘッダ８を連通させる伝
熱細管である。この伝熱細管９は、多数並列に設けられ
るものであって、前記多孔質物体６の傾斜状向面と下向
面とを経由するようにコ状に折り曲げられている。かか
る伝熱細管９としては、腐食を防止し、且つ耐圧にする
ために、耐腐食性の金属管，例えば、ステンレス，チタ
ン，インコネル，銅等からなる細管が選択され、その外
径は、１〜８mmのものが用いられるが、なかでも１〜３
mm径が好適である。また、これら伝熱細管９〜９は、外
側面どうしの間隔が１〜５mm程度に設定されており、各
伝熱細管９の間には第１図及び第３図に示すように各伝
熱細管９の表面を横切るように、細線１０を畳織状に延
在させて配置している。

この細線１０ついても、好ましくは耐腐食性，耐熱性の
もの、例えば、ステンレス，チタン，インコネル，銅，
セラミックスファイバー，硝子繊維などの材質が適用さ
れる。

かかる伝熱細管９〜９と細線１０とで構成される伝熱路
構成体Ｂにおける前記ガス供給側面に沿う部分は、供給
空間４から供給される予混合ガスを多孔質物体６側に向
けて通過させる小間隙１１を有しており、ボイラを構成
している。

さらに、多孔質物体６と、この物体６のガス供給側面側
にある伝熱路構成体Ｂとの間には、当該多孔質物体６の
ガス供給側面に沿って広がりをもつ狭小な燃焼空間１２
を介在させている。また、この空間１２の所定位置に
は、圧電素子などの点火源（図示省略）が設けられてお
り、該多孔質物体６のガス供給側面に沿う伝熱路構成体
Ｂを通過上昇した予混合ガスの燃焼開始手段としてい
る。

そして、多孔質物体６のガス排出側面に沿う伝熱路構成
体Ｂは、この多孔質物体６内を通過してくる燃焼排ガス
を、排出空間５に排出させる小間隙１１を有している。

このような構成において、前記給水ヘッダ７に通された
水は、第１図に示す通り、多孔質物体６の周縁に沿って
流れ、次に伝熱細管９〜９を流れ、該物体６のガス排出
側面からガス供給側面を経由して排水ヘッダ８に達し、
前記給水ヘッダ７と同様に、該物体６の周縁に沿って流
れた後、ケース３の外に出る。

また、導入管１からケース３内の供給空間４に、所定の
送出負荷で供給される予混合ガスは、多孔質物体６の供
給空間４側の伝熱路構成体Ｂの小間隙１１を通過して燃
焼空間１２に達し、前記点火源により点火されて燃焼を
開始する。この燃焼排ガスは、該多孔質物体６の内部を
通過し、次に、排出空間５側の伝熱路構成体Ｂの小間隙
１１を通過して排出される。なお、燃焼空間１２で起こ
る燃焼は平面的な広がりをもつ燃焼で合って、第３図に
示すような炎１３を発生させる。

かかる燃焼により、多孔質物体６の供給空間４側にある
伝熱路構成体Ｂは、加熱されて伝熱細管９内の水を昇温
させて、温水または熱水にする。

また、燃焼により多孔質物体６のガス供給側面も、加熱
されることになり、この多孔質物体６からの熱放射によ
り、供給空間４側の伝熱路構成体Ｂは、更に加熱され
る。

そして、加熱された多孔質物体６は、その周縁に沿って
設けられている給水ヘッダ７及び排水ヘッダ８を加熱
し、さらに、燃焼排ガスは、多孔質物体６の排出空間５
側にある伝熱路構成体Ｂを加熱するため、前記した燃焼
による直接加熱及び熱放射による間接加熱に加えて相加
的に水を昇温させるものであり、従来の熱交換装置に比
して飛躍的に高い熱交換率を得ることが出来る。

なお、上記したように、給水ヘッダ７の加熱及び多孔質
物体６の排出空間５側にある伝熱路構成体Ｂの加熱によ
り、多孔質物体６の供給空間４側にある伝熱路構成体Ｂ
に至る水を昇温させるにも拘らず、水は、１００℃より
も高くならないため、この伝熱路構成体Ｂを通過する予
混合ガスは、それほど高い温度、とりわけ、発火温度に
達することがない。また、各伝熱細管９の間隔Ｓは狭
く、細線１０が畳織状に延設されているため、前記小間
隙１１は文字通り微細なものとなり、通過する予混合ガ
スとの接触面積を大きくし、温度上昇を抑止する。この
ように、伝熱路構成体Ｂより、いわゆる消炎距離が保持
され、燃焼空間１２の燃焼が供給空間４に移る逆火現象
を防止し、炎１３は、常に一定の位置（燃焼空間１２）
で表面燃焼として維持される。このため、バーナの負荷
を下げてガス量を絞った場合にも、逆火現象は起こらな
い。

一般に、バーナの負荷を上げると、予混合ガスの流速は
増すため、炎は吹き飛び、又は吹き消え現象が発生する
が、この実施例によれば、負荷を上げ予混合ガスを増す
と、その増分だけ発生熱量も多くなり、従って、セラミ
ックス等でなる多孔質物体６も、加熱増となり、放射熱
量も大きくなる。そして、この放射熱が伝熱路構成体Ｂ
を通過直後の予混合ガスを加熱することになり、燃焼速
度を速め、炎１３は、常に一定の位置で燃焼が開始さ
れ、該多孔質物体６と伝熱路構成体Ｂの間隙（燃焼空間
１２）で平面的な表面燃焼が維持されて、保炎効果をも
たらす。

さらに、このような表面燃焼によれば、第３図に示すよ
うに、炎１３が一様の短炎の集合体であり、平面状に広
がりをもって燃焼するため、炎１３に局部的な高温の箇
所が発生せず、また、供給水で水冷される伝熱路構成体
Ｂの影響により、燃焼温度が、通常のバーナ燃焼に比較
して低温となる。

かかる燃焼温度の低温化は、窒素酸化物の生成を抑止す
るための主要な因子であり、従来にない排出ガスのクリ
ーン化を期し得たものである。

また、多孔質物体６は、水平面に対して傾斜しているた
め、ガス排出側面や排出空間５側にある伝熱路構成体Ｂ
に結露する結露水ａは、排出空間５の下部に設けられて
いる排出部１４に流れたり又は滴下して排除される。こ
のため、本発明によれば、従来例のように、結露水が熱
交換用の管に停滞して腐食を発生させる不都合を防止す
ると共に、ガス流通気を阻害することもない。さらに、
本発明においては、窒素酸化物の発生を抑制するため、
従来のように、窒素酸化物が結露水に溶けて、腐食を助
長する不都合がない。

尚、発明者らの実施例においては、以下の条件を選択し
ている。

○条件 ・予混合ガス−都市ガス(10,000kcal/h) ・伝熱路構成体Ｂ（細管ボイラ）の面積−120mm×120mm ・伝熱細管９の材質−ステンレス 外径−２mm ・各伝熱細管９の間隔Ｓ−４mm ・細線１０−ステンレス線 径寸法−0.5mm ・給水ヘッダ７及び排水ヘッダ８の外径−20mm 内径−9mm ・多孔質物体６−気孔率80%，厚さ10mmの 厚さ−１０mm（セラミックス板） 上記の条件で行った結果、給水温度１８℃の水を３／
min.の流速で送出した場合、７３℃の回収温水が得られ
た。

また、この実施に際して、逆火あるいは吹き消え現象は
全く発生せず保炎効果を得ることができた。

さらに、熱交換率が９０〜９９％と大きくなり、エネル
ギー損失を減少する結果が得られた。

次に、第４図及び第５図に示す、この発明を適用した第
２の実施例について説明する。

この実施例においては、伝熱路構成体Ｂを第４図に示す
ように、断面コ字状のセラミックス板１５に、給水ヘッ
ダ７と排水ヘッダ８との間を連通する多数の液体輸送孔
１６を所定間隔を介して並列に開設した構造としてお
り、伝熱路構成体Ｂで挟まれる空間には、多孔質物体６
を介在させている。

また、多孔質物体６の両空間４，５側の伝路構成体Ｂの
各液体輸送孔１６の間部には、供給空間４から排出空間
５に向けて予混合ガス，又は通過させる得る多数のガス
流通孔１７を開設している。なお、このガス流通孔１７
は、前記第１実施例の小間隙１１と同様に前記液体輸送
孔１６には干渉しないものであって、供給空間４から供
給される予混合ガスを、多孔質物体６側に通過させる構
造であればよく、例えば、第５図に示す如く、セラミッ
クス板１５の表面に対して傾斜して開設してもよい。と
りわけ、このようにガス流通孔１７を傾斜させた場合に
は、前記した消炎距離を充分に確保することとなり、逆
火の確実な防止ができる。

なお、この実施例においては、第４図に示すように、給
排ヘッダ７，８を直管状としているが、第１実施例のよ
うに両ヘッダ７，８を略Ｌ字状となし、多孔質物体６の
周縁に沿うように配設することも勿論可能である。

また、この実施例においても、前記した実施例と同様
に、多孔質物体６を設け、伝熱路構成体Ｂとこの多孔質
物体６との間の燃焼空間１２で表面燃焼を発生させるも
ので、同様の保炎効果を得ることができる。

さらに、結露水の排除効果を有することも同様である。
また、この実施例においては、伝熱路構成体Ｂをセラミ
ックス材で構成しているため、腐食に対して、特に強
く、耐久性を有している。

以上、実施例について説明したが、この発明に係る方法
及び装置においては、被加温液体としては、水に限られ
るものではなく、目的により各種の液体の加温を可能と
するものである。

また、伝熱路構成体Ｂの面積，形状などは、適宜設計変
更され得るものであって、特に、平面方形状のものとす
る必要はない。

さらに、上記両実施例においては、多孔質物体６をセラ
ミックス材で構成しているが、その他金属の網、石綿等
を用いることも可能である。

また、上記両実施例においては、熱交換効率を向上させ
るため、伝熱路構成体Ｂを、多孔質物体６を包囲する如
く設けたが、多孔質物体６の傾斜面両側（表裏面）に
給，排両ヘッダ７，８に連結した伝熱路を、夫々独立に
設けることも勿論可能である。

［発明の効果］ 叙上の説明でも明白のように、この発明に係る方法及び
装置においては予混合ガスが高負荷燃焼の場合でも、吹
き消えや、吹き飛び現象が起こらず、また、低負荷燃焼
の場合でも逆火は起こらず、安全性を飛躍的に向上させ
る効果が有る。

また、伝熱路構成体と多孔質物体との間の狭少な燃焼空
間で表面燃焼をおこさせる構成としたことによって、熱
交換部の面積及び体積を小さくすることが可能となり、
小型で場所をとらない給湯装置を作ることができる効果
が有る。

さらに、燃焼に伴って加熱される多孔質物体が、予混合
ガスを完全燃焼させるため、従来のような給湯装置に設
けられている、不完全燃焼を防止するための、長大な燃
焼室を不要となし、熱交換部の縮小化と相俟って根本的
な小型化が可能とされている。

さらにまた、伝熱路構成体の冷却作用により火炎温度を
低下させて，有害な窒素酸化物の生成を抑制する効果が
有る。

而して又、伝熱路構成体は、予混合ガスの燃焼熱及び加
熱された多孔質物体からの放射熱、さらには燃焼排ガス
からの余熱を受けるため、飛躍的に熱交換率を高める効
果を有する。

特に、この発明においては、結露水が、多孔質物体や伝
熱路などに沿って下方に流れたり、滴下して排除される
ため、伝熱路構成体などに水が滞留せず、加えて窒素酸
化物の発生が抑えられることにより、腐食を防止すると
共に、ガス流の通気を阻害されることがなく、安定した
熱交換が出来る効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を適用した第１実施例である熱交換
装置の一部破断斜視図、第２図は、第１図のＡ−Ａ断面
図、第３図は、同実施例における燃焼状態を示す説明
図、第４図は、この発明を適用した第２実施例の斜視
図、第５図は、同他の一実施例における伝熱路構成体を
示す一部破断拡大斜視図、第６図は、従来の給湯装置を
示す説明図である。 ４……供給空間、５……排出空間、６……多孔質物体、
９……伝熱細管、１１……小間隙、１２……燃焼空間、
１４……排出部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 間瀬 健一 東京都千代田区内幸町２丁目２番３号 川 崎製鉄株式会社東京本社内 (72)発明者 越後 亮三 東京都江東区越中島１丁目３番17―603号 (56)参考文献 特開 昭53−97642（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−121839（ＪＰ，Ａ) 実公 昭51−23088（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス供給側面とガス排出側面を有し、且つ
   水平面に対して所定角度傾斜させてガス供給側面が傾斜
   上向面となる板状の多孔質物体に、ガス供給側面からガ
   ス排出側面を被加温液体が経由するように輸送して熱交
   換させる多数の伝熱路を設けてなる熱交換装置の、前記
   ガス供給側面と同側面に沿う伝熱路との間隙に、予混合
   ガスを導き、燃焼させ、この燃焼により生成される燃焼
   排ガスを多孔質物体及びガス排出側面に沿う伝熱路を通
   過させて排出し、さらに、該熱交換体の傾斜下向面に結
   露した水を排除させることを特徴とする熱交換方法。
2. 【請求項２】熱交換室内に、この室内空間を、予混合ガ
   スの供給空間と燃焼排ガスの排出空間とに区別する熱交
   換体を設けてなり、前記熱交換体は、ガス排出側面とガ
   ス排出側面とを有し、且つ水平面に対して所定角度傾斜
   させて該ガス供給側面が傾斜上向面となる板状の多孔質
   物体に、ガス排出側面からガス供給側面を被加温液体が
   経由するように輸送して、熱交換させる多数の伝熱路を
   設けると共に、前記ガス供給側面を沿う伝熱路の相互間
   には予混合ガスが通過する小間隙を設け、且つ前記ガス
   排出側面に沿う伝熱路の相互間には燃焼排ガスが通過す
   る小間隙を設け、該ガス供給側面と同側面に沿う多数の
   伝熱路との間に狭小な燃焼空間を介在させ、さらに、前
   記排出空間の下部に結露水の排出部を設けたことを特徴
   とする熱交換装置。