JPS63251750A - 流体加熱器 - 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、湯沸器、温水ボイラなどに適用される流体加
熱器に関する。

「従来技術およびその問題点」 従来の湯沸器、風呂釜、温水ボイラなどの流体加熱器は
、ケーシングの一方の端部にバーナーなどの燃焼手段を
配置し、ケーシングの内部を燃焼室および燃焼ガスの流
路とし、この燃焼ガスの流路に沿って伝熱管を多段構造
に配列してできでおり、燃焼ガスの接触によって伝熱管
を加熱するいわゆる対流熱伝達を利用したものであった
。

これに対し、燃焼室の小型化、燃焼熱の効率的利用を図
って、対流熱伝達に加えて輻射熱伝達をも用いて伝熱管
内を流れる被加熱流体を加熱する流体加熱器が特願昭６
０−２２３９８０号として本出願人により擾案されてい
る。この流体加熱器は、燃焼ガスの流れ方向に、第１の
伝熱管群、通気性の輻射体、第２の伝熱管群ｌＦ！：順
次配ゴしで構成されている。

この流体加熱器においては、燃焼ガスによって白熱化し
た輻射体の輻射熱が伝熱管に照射され、燃焼ガスからの
対流熱伝達と輻射体からの輻射熱伝達とで効率的に加熱
される。また、第１の伝熱管群を燃焼手段に近接した場
合、急激な温度低下によりＣＯ等の不完全燃焼成分が発
生するが、この不完全燃焼成分は高温の輻射体を通ると
きに完全燃焼するので、第１の伝熱管群を燃焼手段に近
接ｋ＝して装置のコンパクト化が可能となる。

しかし、上記流体加熱器においても、そのｆｉ＞伝速効
率をより一層向上させることが要求されでおり、そのた
めには、輻射体をどの位置に設けるかが重要な問題とな
っていた。ざら′に、ＣＯ等の不完全燃焼ガスをより少
なくするためにも、輻射体を最適な位置に設ける必要が
あった。

「発明の目的」 本発明の目的は、燃焼ガスの流れ方向に、第１の伝熱管
、セラミックス製の輻射体、第２の伝熱管が順次配＝さ
れてなる流体加熱器において、輻射体を最適の位置に配
置することにより、熱伝達効率をより一層向上させ、か
つ、ＣＯ等の不完全燃焼ガスの発生をできるたけ少なく
することにある。

「発明の構成」 本発明による流体加熱器は、燃焼手段によって形成され
る燃焼ガスの流れ方向に、第１の伝熱管、セラミックス
製の輻射体、第２の伝熱管の順に配置されてなり、前記
輻射体の上流面の最高温度か７００〜１２００°Ｃとな
る位置に前記輻射体が配置されていることを特徴とする
。

この種の流体加熱器の輻射体としで、例えばセラミック
ス製のハニカム板を用いた場合、燃焼ガスの上流側に位
置する面（上流面）に比べ、燃焼ガスの下流側に位置す
る面（下流面）の温度は、約１００〜１５０℃温度が下
かっているのが通例である。また、上流面であってもそ
の面内で温度分布がある。下方から上方に燃焼ガスが流
れる場合の面内温度分布についていえば、真下に上流の
伝熱管が位置していたり、真下に上流の伝熱管が接して
いる部位の輻射体の上流面の温度は、上流の伝熱管どう
しの中間部の真上に位置する部位の輻射体の上流面の温
度よりもかなり低温となっている。

本発明者らは、上記のような温度分布があることをも考
慮しつつ、輻射体の最適な配置位置を求めようと研究し
た結果、輻射体の上流面の最高温度が７００〜１２００
°Ｃとなる位置に輻射体を配置することにより、熱伝達
効率が最も良好となることを見出したのである。なお、
このような部位の温度測定は、例えば放射温度計などで
測定することができる。

セラミックス製輻射体の耐熱性は、５ｉＣ１Ｓｉ３Ｎ４
．４ＩＮなどの非酸化物系セラミックスでは一層に１３
００℃以上であるが、前述した最高温度が１２００℃よ
り高いと、輻射体の面内温度差あるいは両面間温度差に
起因すると考えられる熱応力で割れ、割れないまでも長
期間の使用によって疲労し割れやすくなる。また、輻射
体を酸化物系セラミックス製とする場合には、その耐熱
性を考慮し、前述の最高温度が１０００℃以下となるよ
うに配Ｈするのが望ましい。

一方、前述の最高温度が７００℃より低いと、輻射体か
らの輻射伝熱量が不足し、水などの流体が充分加熱され
す、ないしは装Ｍをコンパクトにできない。

さらに、燃焼ガス中のＣＯ濃度も、前述の最高温度か７
００°Ｃより低温ではＣＯが充分に酸化されず、１２０
０℃より高温ではＣＯ＋　Ｉ／２０２１１：ＩＣＯ２が
左向きに進んでＣＯ増となり、したがって系外に放出さ
れる排ガス中のＣＯ濃度か増加する。なお、本発明のざ
らに好ましい態様によれば、上記輻射体は、上流面の最
高温度か９００〜１１００°Ｃとなる位置にｋ＝される
。

なお、本発明において、第１の伝熱管とは、燃焼ガスの
流路において輻射体よりも上流側の伝熱管を意味し、第
２の伝熱管とは、輻射体よりも下流側の伝熱管を意味す
る。ざらに第１の伝熱管、第２の伝熱管はそれぞれ複数
本の伝熱管群がうなるのが好適であるが、場合によって
はそれぞれ１本の伝熱管であってもよく、また直管に限
られず、蛇行管やスパイラル管も採用しろる。

「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器の実
施例が示されでいる。

この流体加熱器１１は、上方が図示しない排気口に接続
された四角筒状の銅製のケーシング１２を有し、ケーシ
ング１２は、ファンケーシング１３、混合室１４および
燃焼室１５か下方より順に設けられて構成されでいる。

なお、燃焼室１５の上方は、燃焼室１５と連続する燃焼
ガス流路１６となっている。

ファンケーシング１３内には、ファン１７が配置され、
混合室１４には、燃料ガスノズル１８が配設されている
。混合室１４と燃焼室１５との境目には、多数の炎孔を
有する面状のバーナープレート１９が配置されている。

したがって、ファン１７からの空気流と、燃料ガスノズ
ル１８からの燃料ガスが混合室１４に供給され、混合室
１４内で燃料ガスと空気との混合気が作られ、この混合
気がバーナープレート１９から噴出して面状の火炎を形
成する。なお、点火手段は、図示を省略しである。

ケーシング１２内のバーナープレート１９の上方には、
ローフインチューブ型の伝熱管２１〜４５が、互いにほ
ぼ平行に、かつ、断面千鳥状に７段に横架配置されてい
る。ざらに、ケーシング１２の伝熱管２１〜４５と平行
な両側面の外側には、ケーシング１２に接してヘアチュ
ーブ型の蛇行伝熱管４６がそれぞれ配Ｍされている。

伝熱管２１〜４５は、その番号の順にシリーズに連結さ
れ、全体として一本の伝熱管路とされている。伝熱管２
１の他端は入液口に接続され、伝熱管４５の他端は分岐
して２．ｔ、の蛇行伝熱管４６に連結され、蛇行伝熱管
４６の他端は再ひ集合された後、出液口に接続される。

そして、伝熱管２１〜４６の順で、例えば水などの被加
熱流体が流れるようになっているが、必要に応して入液
口と出液口とを入れ換え、伝熱管４６〜２１の１＠に水
などが流れるようにしてもよい、。

本発明の特徴とする点は、ケーシング１２に配置された
伝熱管２１〜４５の門に設ける輻射体４９の位置を、所
定の位置としたことにある。すなわち、輻射体４９を設
ける位１としては、例えば図におけるＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄな
どの各位置が考えられるが、本発明では、輻射体４９の
上流面４９ａにおける最高温度が７００〜１２００℃と
なる位置に輻射体４９を設けるようにする。この実施例
では、上記温度範囲となる位置としで、下から２段目の
伝熱管２５〜２７の上　　。

方位＝、すなわち８の位置に輻射体４９が配Ｍされてい
る。なお、輻射体４９としては、セラミックスハニカム
板が用いられている。

次に、この流体加熱器の作用を説明する。

燃料ガスノズル１８からの燃料ガスと、ファン１７から
の空気が混合室１４に送られ、予混合気が形成される。

予混合気は、バーナープレート１９の炎孔を通過して燃
焼室１５に供給され、面状の火炎を形成して例えば１５
００〜１６５０℃といった高温の燃焼ガスとなる。この
燃焼ガスは、ケーシング１２内に形成された燃焼室１５
、燃焼ガス流跡１６を通って上方に流れる。

そして、燃焼ガスは、まず、バーナープレート１９に近
接して配置された伝熱管２１〜２７に接触し、対流熱伝
達によって燃焼ガスが有している熱エネルギーの一部を
これらの伝熱管２１〜２７ヲ流れる水などの流体に伝達
する。

ざらに、燃焼ガスは、伝熱管２１〜２７の間隙を通過し
、高温のまま輻射体４９内を流れ、この輻射体４９をも
加熱して白熱化させる。輻射体４９は、それよりも下方
に位置する伝熱管２１〜２７およびそれよりも上方に位
置する伝熱管２８〜４５に輻射熱を照射し、それらを輻
射加熱する。なお、輻射体４９は、その上流面４９ａの
方がより高温となるため、輻射熱は下方に位置する伝熱
管２１〜２７により多く照射される。

そして、本発明においでは、輻射体４９の上流面４９ａ
における最高温度が７００〜１２００℃となる位置に輻
射体４９ヲ配冒しでいる。このため、輻射体４９からの
輻射熱が効果的に照射され、全体としての熱伝達効率を
より一層向上させることができる。

また、輻射体４９を上記温度範囲となる位置にあくこと
により、燃焼ガスが輻射体４９を通過する際に、燃焼ガ
ス中に含まれるＧＯなどの不完全燃焼成分をより完全に
酸化することができる。ざらに、輻射体４９を上記温度
範囲となる位置におくことにより、輻射体４９が熱応力
等によって破損することも防止できる。

こうして燃焼ガスが輻射体４９１＆通過すると、それよ
りもざらに下硫側に位置する伝熱管３２〜４５に接触し
、対流熱伝達によって燃焼ガスが有している熱エネルギ
ーをこれらの伝熱管３２〜４５ヲ流れる水などの流体に
伝達する。そして、伝熱管３２〜４５の間隙を通過した
燃焼ガスは、図示しない排出口から外部に排出される。

水などの流体は、シリーズに連結された伝熱管２１〜４
５を順次流れ（逆に流れてもよい）、燃焼ガスからの対
流熱伝達および輻射体４９からの輻射熱伝達により、熱
エネルギーを吸収し効果的に加熱される。ざらに、流体
は、ケーシング１２の外側に接して配置された伝熱管４
６内を流れ（逆に流れでもよい）、ケーシング１２の外
周からも熱伝達を受けた後、外部に取出される。このと
き、ケーシング１２は、これらの伝熱管４６によって冷
却され、熱損傷を受けない。

なお、上記実施例においては、伝熱管２１〜４５が金て
Ｏ−フィンチューブで構成されているが、これらをベア
チューブ、ハイフィンチュースプレートフィン付きチュ
ーブなどで構成してもよい、特に好ましくは、輻射体４
９よりも上流側に位置する伝熱管２１〜２７をペアチュ
ーブあるいはＯ−フィン付きチューブとし、輻射体４９
よりも下流側に位置する伝熱管２８〜４５をハイフィン
付きチューブあるいはプレートフィン付きチューブとす
る。

また、上記実施例の如く、輻射体４９としてはセラミッ
クスハニカム板が好適であるが、第３図に示すように、
複数のセラミックス棒５０を所定間隙を設けて配列した
もの、Ｍ４図に示すように、複数のセラミックス板５１
をルーバー状に配列したものなど、各種のものが採用可
能である。これらの輻射体を用いた場合にも、その上流
面５０ａ　、５１ａにおける最高温度が７００〜１２０
０℃となるような位置に配置することが必要である。

ざらに、上記実施例においては、各伝熱管２１〜４５が
全てほぼ平行に配列されでいるが、第４図に示すように
、上下の伝熱管５２．５３が交差するように配列されで
いてもよい。

ざらにまた、上記実施例においては、燃焼ガスがケーシ
ング１２内を下方から上方に流れるようになっているが
、燃焼ガスがケーシング内を上方から下方に流れるよう
にした流体加熱器にも本発明は適用することができる。

この場合には、輻射体の上方の面がｔ８焼ガスの上流面
となる。

なお、第１図および第２図に示した上記実施例では伝熱
管が７段に配置されているが、本発明はかかる段数に限
定されるものではなく、２〜６段ないしは８段以上など
、適宜に選択可能である。

英験例 第１図および第２図に示した流体加熱器を用い、輻射体
４９の位ｉ１を種々変えて、水の加熱を行ない、それら
の加熱性能およびＣＯＯ存量などを測定した。実験条件
は下記の通りである。

■燃料：天然ガス、空気比１，２ ■被加熱流体：入ロ温度２０℃の水を伝熱管２１〜４６
の順に流す。

■輻射体：板厚５ｍｍ　、セル数２００個／ｉｎ２、断
面正方形のセルが板厚方向に走行する常圧焼結炭化ケイ
素製ハニカム板を用いる。

■伝熱管２１〜４５：内径ｌ　１　、４ｍｍ、外径１２
．７ｍｍ、フィン外径１５．９ｍｍの銅製ローフインチ
ューブをピッチ約３２ｍｍの正三角形状に千鳥配置。

上記の条件で、輻射体４９の位置を第１図および第２図
におけるＡ、８、に、０と変えて加熱を行ない、出湯温
度、輻射体１９の上流面における最高温度、排ガス中の
ＣＯ残残存性測定した。なお燃焼流産、水流量は各実験
において、いずれも同一条件とした。この結果を表に示
す。

（以下、余白） 前記表から、輻射体の上流面における最高温度が７００
〜１２００℃の範囲となる位置、すなわちＢまたはＣに
配置した場合は、出湯温度が高く、排ガス中におけるＣ
Ｄ残存量も少ないことがわかる。一方、輻射体を１３０
０℃となる位置、すなわ５Ａに配！した場合は、輻射体
にクラックが発生する。また、輻射体を６４０℃となる
位置、すなわちＤに配置した場合は、出湯温度が低く、
排ガス中におけるＣＤ残存量も多いことがわかる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、輻射体の上流面
における最高温度が７００〜１２００℃となる位置に輻
射体を配置したので、輻射体の破損等を生しることなく
輻射熱を効果的に利用して、熱伝遠効率をざらに向上さ
せることができ、しかも、ＧＯ等の未燃焼成分の残存量
も少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体加熱器の実施例を示す縦断面
図、第２図は第１図における■−■線にｊ８った断面図
、第３図、第４図は本発明の流体加熱器に用いられる輻
射体のそれぞれ他の例を示す断面図である。 図中、１１は流体加熱器、１２はケーシング、１３はフ
ァンケーシング、１４は混合室、１５は燃焼！、１６は
燃焼ガス流路、１７はファン、１８は燃料ガスノズル、
１９はバーナープレート、２１〜４５は伝熱管、４６は
蛇行伝熱管、４９は輻射体、４９ａは上流面、５０はセ
ラミックス棒、５０ａは上流面、５１はセラミックス板
、５１ａは上流面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼手段によって形成される燃焼ガスの流れ方向に、第
   １の伝熱管、セラミックス製の輻射体、第２の伝熱管の
   順に配置される流体加熱器において、前記輻射体の上流
   面の最高温度が７００〜１２００℃となる位置に前記輻
   射体が配置されていることを特徴とする流体加熱器。