WO2012060437A1 - 燃焼加熱器 - Google Patents

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WO2012060437A1
WO2012060437A1 PCT/JP2011/075424 JP2011075424W WO2012060437A1 WO 2012060437 A1 WO2012060437 A1 WO 2012060437A1 JP 2011075424 W JP2011075424 W JP 2011075424W WO 2012060437 A1 WO2012060437 A1 WO 2012060437A1
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plate
heating plate
outer peripheral
peripheral wall
arrangement
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PCT/JP2011/075424
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English (en)
French (fr)
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佐藤　公美
秀成 馬場
正雄 相原
俊之 須田
藤森　俊郎
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株式会社Ihi
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Priority to US13/878,628 priority patent/US9395079B2/en
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Priority to EP11838087.2A priority patent/EP2618053B1/en
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a combustion heater that heats an object to be heated by burning fuel.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2010-247370 for which it applied to Japan on November 4, 2010, and uses the content here.
  • a combustion heater called a micro combustor with improved thermal efficiency has been proposed.
  • This combustion heater has a sealed structure in the range from the fuel gas introduction path to the combustion chamber and the exhaust gas lead-out path after combustion, the introduction path and the lead-out path are adjacent to each other, and the fuel before combustion is heated by the heat of the exhaust gas.
  • the gas is preheated to increase the thermal efficiency (see, for example, Patent Document 2).
  • the fuel gas is burned at the fuel gas discharge port provided on the surface of the radiation surface, and the exhaust gas is exhausted to the surroundings without being recovered. Therefore, exhaust heat cannot be recovered and the thermal efficiency is lowered. Moreover, since the area of the radiation surface is reduced by forming the fuel gas discharge port, it is difficult to improve the radiation intensity. Furthermore, since the temperature around the apparatus may increase due to the heat of the exhaust gas, or the exhaust gas may be filled around the apparatus, it is necessary to pay sufficient attention to the improvement of the surrounding environment.
  • the combustion heater as in Patent Document 2 uses the heat of the exhaust gas for preheating the fuel gas and collects the exhaust gas that has finished its effect, so that the surrounding environment is unlikely to deteriorate and the thermal efficiency is high. Further, since it is not necessary to form the fuel gas discharge port on the radiation surface, the area of the radiation surface can be increased and the radiation intensity is high.
  • a combustion heater has a sealed structure in order to efficiently use the heat of the exhaust gas and recover the exhaust gas itself. For example, in the case of a disk-type combustion heater, gas flows between a heating plate having a radiating surface, an outer peripheral wall, and a mounting plate arranged opposite to the heating plate having a radiating surface, which constitute the main body container of the combustion heater. It must be sealed to prevent leakage.
  • an object of the present invention is to provide a combustion heater capable of suppressing thermal fatigue due to repeated heating and cooling.
  • a combustion heater includes a heating plate, an arrangement plate disposed opposite to the heating plate, an annular outer peripheral wall disposed between the heating plate and the arrangement plate, and a heating plate.
  • a holding plate that holds the heating plate, the arrangement plate, and the outer peripheral wall, and a partition plate arranged between the heating plate and the arrangement plate so that at least one of the plates can expand in the extending direction thereof.
  • a combustion chamber disposed along the outer peripheral wall on the inner side of the outer peripheral wall, an introduction path through which the arrangement plate and the partition plate serve as side walls, a fuel gas flowing into the combustion chamber, and a heating plate and the partition plate as side walls for combustion
  • the exhaust gas is caused to flow out of the combustion heater from the chamber, and a lead-out path for preheating the fuel gas with the heat of the exhaust gas through the partition plate.
  • the holding portion may have flexibility.
  • At least one of the heating plate and the arrangement plate may be slidable with respect to the sandwiching portion along the extending direction.
  • another combustion heater of the present invention includes a heating plate, an arrangement plate disposed opposite to the heating plate, an annular outer peripheral wall arranged between the heating plate and the arrangement plate, A partition plate disposed between the heating plate and the disposition plate, a combustion chamber disposed along the outer peripheral wall on the inner side of the outer peripheral wall, and an introduction path through which fuel gas flows into the combustion chamber using the disposition plate and the partition plate as side walls And a lead-out path that causes the exhaust gas to flow out of the combustion heater from the combustion chamber using the heating plate and the partition plate as side walls and preheats the fuel gas with the heat of the exhaust gas through the partition plate.
  • a groove recessed in the thickness direction of the heating plate and the arrangement plate is formed in either one of the heating plate and the arrangement plate so that the distance from the outer peripheral wall becomes equal.
  • the groove may be formed on either one of the heating plate and the arrangement plate.
  • the distance from the outer peripheral wall of the groove formed on one surface may be different from the distance from the outer peripheral wall of the groove formed on the other surface.
  • the combustion heater is inserted into the introduction path, the first piping part for allowing the fuel gas to flow into the combustion heater, and the first piping part, and is inserted into the lead-out path to burn the exhaust gas.
  • a second piping part that flows out of the heater and preheats the fuel gas with the heat of the exhaust gas through the partition plate, and at least one of these piping parts along the outer circumference thereof, the thickness of these piping parts A groove recessed in the direction may be formed.
  • combustion heater of the present invention thermal fatigue due to repeated heating and cooling can be suppressed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 for explaining the structure of the combustion heater in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a partially enlarged view of FIG. 2A. It is a figure for demonstrating the preheating of the fuel gas in a combustion heater. It is a perspective view of a combustion heater for explaining a plurality of projection parts.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4A for explaining a plurality of protrusions.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 for explaining the thermal expansion of the combustion heater.
  • FIG. 5B is a partially enlarged view of FIG. 5A. It is sectional drawing for demonstrating the function of a clamping part. It is sectional drawing for demonstrating the function of a clamping part. It is sectional drawing for demonstrating the function of a clamping part. It is sectional drawing for demonstrating the function of a clamping part. It is sectional drawing for demonstrating the function of a clamping part. It is sectional drawing for demonstrating the structure of the combustion heater in the 2nd Embodiment of this invention. It is sectional drawing for demonstrating the structure of the combustion heater in the 2nd Embodiment of this invention. It is a top view of the heating plate for demonstrating the structure of the combustion heater in the 2nd Embodiment of this invention.
  • the exhaust gas after combustion (the gas after combustion) is exhausted to the surroundings without being recovered.
  • the heat efficiency is low because the heat of the exhaust gas cannot be used.
  • the closed combustion heater is formed in the main body container in a state where the combustion chamber, the introduction path of the fuel gas (the gas before combustion), and the exhaust gas outlet path are sealed. Excess enthalpy combustion is realized in the combustion chamber by preheating the fuel gas flowing through the inlet passage with the heat of the exhaust gas flowing through the outlet passage.
  • the closed combustion heater recovers the heat of the exhaust gas, the heat efficiency is high and the exhaust gas itself is also recovered, so that the surrounding environment is unlikely to deteriorate. Moreover, since it is not necessary to form the fuel gas discharge port on the radiation surface, the radiation surface area is not reduced and the radiation intensity is high.
  • a Swiss roll type or a disk type has been proposed.
  • the Swiss roll type a combustion chamber is formed at the center of the main body container, and the introduction path and the discharge path are arranged in parallel in a spiral shape.
  • This Swiss roll type combustion heater has a high manufacturing cost due to its complicated shape.
  • the partition plate responsible for heat transfer consists of a flat plate smaller than the pair of flat plates (heating plate, arrangement plate) constituting the main body container, and between the heating plate and the arrangement plate. Heat exchange is performed between the introduction path and the lead-out path with a simple configuration in which a gap is provided.
  • the shape of the heating plate having the radiation surface is not limited to a substantially circular shape like the Swiss roll type, and the heating plate can be formed in an elliptical shape or a rectangular shape depending on the application.
  • the combustion chamber is arranged along the outer peripheral wall of the disk type combustion heater, the volume of the combustion chamber itself can be made larger than that of the Swiss roll type, and the combustion load factor (heat generation per unit volume in the combustion chamber) can be increased. ) Can be suppressed.
  • a part of the outer periphery may be used as a combustion chamber without using the entire outer periphery as a combustion chamber along the outer peripheral wall.
  • the combustion heater is required to have a predetermined sealing property in order to recover the exhaust gas.
  • a predetermined hermeticity so that fuel gas and exhaust gas do not leak from between the heating plate, outer peripheral wall, and arrangement plate constituting the main body container of the combustion heater.
  • the combustion heater 100 of the present embodiment aims to suppress thermal fatigue due to repeated heating and cooling.
  • a detailed configuration of the combustion heater 100 capable of realizing such an object will be described.
  • FIG. 1 is an assembly diagram for explaining the structure of a combustion heater 100 according to the first embodiment.
  • 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 for explaining the structure of the combustion heater 100 in the first embodiment, and
  • FIG. 2B is a portion surrounded by a circle in FIG. 2A.
  • FIG. 2A has shown the cross section of the thickness direction of the combustion heater 100 in the part shown with the dashed-dotted line 102 of FIG. As shown in FIG.
  • the combustion heater 100 includes a heating plate 118, an arrangement plate 120, an outer peripheral wall 122, a partition plate 124, a combustion chamber 126, an introduction path 128, a lead-out path 130, a first path, and the like.
  • the piping part 132, the 2nd piping part 134, and the clamping part 136 are included.
  • the combustion heater 100 having an outer dimension in the two-dimensional direction of about 220 mm ⁇ 140 mm will be described as an example.
  • the external shape of the combustion heater 100 is not limited to such a size, and can be set to an arbitrary size.
  • the combustion heater 100 is a premixed type in which a main body container is supplied with a fuel gas (premixed gas) in which city gas or the like and air as a combustion oxidant gas are mixed in advance.
  • a fuel gas premixed gas
  • the combustion heater 100 targeted by the present invention is not limited to this type, and may be a diffusion type in which both are mixed in the combustion chamber 126 or the introduction path 128 immediately before the combustion chamber 126 to perform diffusion combustion. .
  • the heating plate 118 and the arrangement plate 120 are made of a material having high heat resistance and oxidation resistance, for example, ferritic stainless steel (SUS), a material having high thermal conductivity, for example, brass (brass), and the like. It arrange
  • the heating plate 118 and the arrangement plate 120 also function as a radiator that is heated by the combustion heat generated in the combustion chamber 126.
  • positioning board 120 is not restricted to the structure which functions as a radiator, For example, you may have a heat insulation structure.
  • the outer peripheral wall 122 is formed in a track shape (a shape composed of two substantially parallel line segments and two arcs (semicircles) connecting the two line segments) in plan view, and the outer periphery is It has an annular shape formed into a rectangle.
  • the outer peripheral wall 122 is disposed between the heating plate 118 and the arrangement plate 120.
  • the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 122 can also be used as a radiation surface.
  • the main body container of the combustion heater 100 includes an outer peripheral wall 122, a heating plate 118 that closes the outer peripheral wall 122 from above and below, and an arrangement plate 120.
  • the area of the upper and lower wall surfaces is larger than the area of the outer peripheral surface (the outer peripheral surface of the outer peripheral wall 122). That is, the upper and lower wall surfaces occupy most of the outer surface of the main body container.
  • the upper surface (the upper surface of the heating plate 118) becomes a radiation surface, and when the fuel gas burns in the combustion chamber 126, the heating plate 118 is first heated by this combustion, and then radiation and air Due to the convection, heat is transferred from the radiation surface, and the object to be heated outside the combustion heater 110 is heated.
  • the upper surface (the upper surface of the heating plate 118) of the upper and lower wall surfaces is the radiation surface.
  • the present invention is not limited to this, and only the lower surface (the lower surface of the arrangement plate 120) is the radiation surface.
  • both the upper and lower wall surfaces may be radiation surfaces.
  • the partition plate 124 has a smaller outer shape than the heating plate 118 and the arrangement plate 120 and is formed in a shape along the inner peripheral surface of the outer peripheral wall 122.
  • the partition plate 124 is disposed between the heating plate 118 and the arrangement plate 120 substantially in parallel with the heating plate 118 and the arrangement plate 120. Gaps are formed between the partition plate 124 and the heating plate 118 and between the partition plate 124 and the arrangement 120, respectively.
  • the partition plate 124 is formed of a material having high heat resistance and oxidation resistance, such as ferritic stainless steel, or a material having high thermal conductivity, such as brass.
  • a partition plate 124 is disposed on the placement plate 120 and overlaps the placement plate 120 so that the outer peripheral wall 122 does not overlap the partition plate 124 as indicated by an arrow 150a.
  • the arrangement plate 120 is fixed to the end of the first piping portion 132, while the partition plate 124 protrudes upward from the first piping portion 132.
  • the arrangement plate 120 and the partition plate 124 are spaced apart from each other by a distance between the end portion of the first piping portion 132 and the end portion of the second piping portion 134.
  • the partition plate 124 is disposed inside the outer peripheral wall 122, and at this time, a gap as a combustion chamber 126 is formed between the side surface of the partition plate 124 and the cylindrical inner peripheral surface of the outer peripheral wall 122. . Finally, as shown by the arrow 150b, the heating plate 118 is overlaid on the outer peripheral wall 122.
  • the combustion chamber 126 is surrounded by the outer peripheral ends of the outer peripheral wall 122, the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the partition plate 124, and is formed along the outer peripheral wall 122 inside the outer peripheral wall 122. Since the combustion chamber 126 is formed along the outer peripheral wall 122 in this way, a sufficient volume of the combustion chamber 126 can be secured, and the combustion load factor can be reduced as compared with the Swiss roll type.
  • An ignition device (not shown) is provided at an arbitrary position of the combustion chamber 126.
  • the introduction path 128 and the lead-out path 130 are formed so as to overlap in the thickness direction (the direction orthogonal to the upper surface of the heating plate 118).
  • the introduction path 128 is a space sandwiched between the placement plate 120 and the partition plate 124 with the placement plate 120 and the partition plate 124 as side walls.
  • the fuel gas that has flowed into the center of the main body container via the first piping part 132 is guided radially to the combustion chamber 126 through the introduction path 128.
  • the lead-out path 130 is a space sandwiched between the heating plate 118 and the partition plate 124 with the heating plate 118 and the partition plate 124 as side walls. Exhaust gas from the combustion chamber 126 is collected in the center of the main body container via the lead-out path 130 and guided outside the combustion heater 100 via the second piping section 134. In addition, as shown in FIG. 2A, since the introduction path 128 and the lead-out path 130 overlap each other in the thickness direction in the main body container, the heat of the exhaust gas is transmitted through the partition plate 124, and the fuel Gas can be preheated.
  • the first piping part 132 is connected to the introduction path 128, and the fuel gas is guided into the combustion heater 100 through the first piping part 132.
  • a hole 158 having the same diameter as the inner diameter of the first piping portion 132 is provided at the center of the arrangement plate 120, and the first piping portion 132 is connected to the inner peripheral portion of the hole 158. .
  • the second piping part 134 is arranged inside the first piping part 132. That is, the first pipe part 132 and the second pipe part 134 form a double pipe.
  • the second piping part 134 is connected to the lead-out path 130, and the exhaust gas is guided outside the combustion heater 100 through the second piping part 134.
  • a hole 160 having the same diameter as the outer diameter of the second piping portion 134 is provided at the center of the partition plate 124, and the second piping portion 134 is connected to the inner peripheral portion of the hole 160.
  • the second piping part 134 also plays a role of transferring the heat of the exhaust gas flowing through the inside to the fuel gas flowing through the first piping part 132.
  • the second piping part 134 is disposed inside the first piping part 132, but is not limited to this case, and the first piping part 132 is disposed inside the second piping part 134.
  • the first piping part 132 and the second piping part 134 may be connected to the introduction path 128 and the outlet path 130 from the heating plate 118 side, respectively.
  • FIG. 3 is a view for explaining preheating of the fuel gas in the combustion heater 100.
  • the white arrow from right to left indicates the flow of fuel gas
  • the white arrow from left to right indicates the flow of exhaust gas
  • the arrow filled in black indicates the movement of heat.
  • the partition plate 124 is formed of a material that is relatively easy to conduct heat, and the heat of the exhaust gas that passes through the outlet passage 130 is transmitted to the fuel gas that passes through the introduction passage 128 via the partition plate 124.
  • the exhaust gas flowing through the outlet passage 130 and the fuel gas flowing through the inlet passage 128 are opposed to each other (counter flow) with the partition plate 124 interposed therebetween, so the fuel gas is efficiently used by the heat of the exhaust gas. Therefore, it is possible to preheat and to obtain high thermal efficiency.
  • excess enthalpy combustion in which fuel gas is preheated in this way, combustion of fuel gas can be stabilized and the concentration of CO (carbon monoxide) generated by incomplete combustion can be suppressed to an extremely low concentration. .
  • a representative of a cross-sectional shape perpendicular to the flow of exhaust gas (hereinafter referred to as a flow channel cross-sectional shape) at the connection portion between the introduction passage 128 and the combustion chamber 126.
  • the dimension may be set to be equal to or less than the extinguishing distance in consideration of the extinguishing distance (including the extinguishing equivalent diameter) to the extent that the flame can be prevented from entering the introducing path 128 (the combustion reaction is not propagated toward the introducing path 128).
  • the representative dimension is a dimension determined by the cross-sectional shape of the flow channel immediately before the fuel gas flows into the combustion chamber 126.
  • the representative dimension indicates a diameter of a circular cross section
  • the representative dimension indicates a hydraulic equivalent diameter of the cross section.
  • the hydraulic equivalent diameter is obtained by 4 ⁇ channel cross-sectional area / wetting edge length.
  • the wetting edge length indicates the length of the wall (arrangement plate 120, partition plate 124) portion in contact with the fuel gas in the cross section of the flow path.
  • the arrangement plate 120 is disposed near the combustion chamber 126 on the lower surface of the partition plate 124 (on the arrangement plate 120 side).
  • a plurality of protrusions 152 that come into contact with the plate 120 are arranged at a predetermined interval L.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams for explaining the plurality of protrusions 152.
  • FIG. 4A is a perspective view of the combustion heater 100 seen through the heating plate 118 indicated by a broken line
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4A as seen from the direction of the arrow.
  • FIG. 4B in order to facilitate understanding of the structure of the plurality of protrusions 152, a portion of the protrusion 152 that is hidden by the partition plate 124 is indicated by a broken line.
  • An arrow 154 indicates the direction of fuel gas flow.
  • the cross section of the introduction path 128 is narrowed by a plurality of protrusions 152 provided on the partition plate 124. As shown in FIGS.
  • the fuel gas flows into the combustion chamber 126 through the gap between the adjacent protrusions 152 in the introduction path 128.
  • the interval L between the protrusions 152 becomes the representative dimension of the cross-sectional shape of the flow path. That is, it is possible to set the representative dimension of the channel cross-sectional shape by the interval L without setting the distance between the arrangement plate 120 and the partition plate strict.
  • the flame extinguishing distance d of the fuel gas is represented by the size of the diameter of the tube wall model, and is obtained by the equation (1).
  • d 2 ⁇ ⁇ Nu1 / 2 / Cp ⁇ ⁇ u ⁇ Su (1)
  • ⁇ is the thermal conductivity
  • Nu is the Nusselt number
  • Cp is the constant pressure specific heat
  • ⁇ u is the density of the fuel gas
  • Su is the combustion rate.
  • the combustion heater 100 of the present embodiment is designed so that the above-described representative dimension (interval L between the protrusions 152) is equal to or less than the extinguishing distance d, and thus stable combustion in the combustion chamber 126 is possible.
  • the configuration is not limited to the configuration in which the plurality of projections 152 are provided, and one annular projection may be provided in the vicinity of the combustion chamber 126 on the lower surface of the partition plate 124.
  • the distance between the protrusion and the arrangement plate 120 is a representative dimension.
  • the representative dimension of the introduction path 128 can be set to the extinguishing distance d or less with a simpler structure.
  • the holding portion 136 is provided in order to suppress thermal fatigue due to thermal expansion caused by repeated heating and cooling.
  • the thermal expansion and the effect of the holding portion 136 will be described with reference to FIGS. 5A to 6D.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams for explaining the thermal expansion of the combustion heater 100.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA in the thickness direction of the combustion heater 100 at a portion indicated by a one-dot chain line 102 in FIG. 1
  • FIG. 5B is an enlarged view of a portion surrounded by a circle in FIG. 5A.
  • the heating plate 118 and the arrangement plate 120 are thermally expanded by the combustion heat.
  • the heating plate 118 since the heating plate 118 receives the heat of the exhaust gas after combustion, the heating plate 118 has a higher temperature than the arrangement plate 120. Therefore, the deformation amount due to thermal expansion of the heating plate 118 (indicated by a white arrow 156a in FIG. 5) is more than the deformation amount due to thermal expansion of the arrangement plate 120 (indicated by a white arrow 156b in FIG. 5). Is also big.
  • the combustion heater 100 is provided with a holding portion 136 to prevent the occurrence of this thermal fatigue.
  • the sandwiching part 136 is formed of, for example, a metal material having a C-shaped cross section as shown in FIGS. 1 and 5B, and at least one of the heating plate 118 and the arrangement plate 120 is perpendicular to the outer peripheral wall 122.
  • the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 are sandwiched from above and below so as to expand in any direction.
  • the holding portion 136 is attached to the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 in the direction of the arrow 170 shown in FIG. More specifically, in the example shown in FIG. 5B, the opening-side end portions (portions indicated by reference numeral 136a in FIG.
  • the holding portion 136 having a C-shaped cross section are bent in a direction approaching each other.
  • these bent tip portions 136 a are in close contact with the upper surface of the heating plate 118 and the lower surface of the arrangement plate 120.
  • hermeticity is ensured at the laminated portion of the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 covered with the outer peripheral portion of the combustion heater 100, that is, the holding portion 136.
  • the sandwiching portion 136 does not prevent deformation of the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 due to thermal expansion in a direction perpendicular to the outer peripheral wall 122 indicated by white arrows 156a and 156b in FIG. 5B.
  • the combustion heater 100 according to the present embodiment is provided with a holding portion 136 that ensures a predetermined sealing property required for the combustion heater 100 without joining the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122.
  • the combustion heater 100 according to this embodiment can be used even in a liquid, for example, by completely sealing between the heating plate 118 and the arrangement plate 120 and the outer peripheral wall 122.
  • the combustion heater 100 does not necessarily have a completely sealed structure, and a predetermined hermeticity that satisfies the required performance may be ensured.
  • a material having a high radiation rate for example, an aluminum-containing material such as MSS HIB, NCA-1, or NCA-2) can be employed, and the radiation intensity can be further increased.
  • FIG. 6A to 6D are diagrams for explaining the function of the holding portion 136.
  • FIG. FIG. 6A shows a state before the deformation of the holding portion 136 having flexibility
  • FIG. 6B shows a state after the deformation of the holding portion 136 having flexibility
  • 6C shows the state before the nipping part 136 that slides the heating plate 118 and the arrangement plate 120 so that either of them can slide
  • FIG. 6D shows either the heating plate 118 or the arrangement plate 120.
  • the figure shows after the slidable portion 136 that is slidable so as to be slidable.
  • 6A to 6D are enlarged views of a part of the cross-sectional view taken along the line AA of the combustion heater 100, similar to the partially enlarged view shown in FIG. 2B.
  • the holding portion 136 may be a structure or a material that is flexible and elastically deforms according to the thermal expansion of the heating plate 118 and the arrangement plate 120.
  • the sandwiching portion 136 having such a configuration simply sandwiches the heating plate 118, the placement plate 120, and the outer peripheral wall 122 from above and below by simply joining the heating plate 118 and the placement plate 120. Therefore, for example, if the heating plate 118 is configured to be slidable in the extending direction (left-right direction in the figure) via a sealing member such as a metal O-ring with respect to the outer peripheral wall 122, as shown in FIG. 6B.
  • the deformation of the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 due to thermal expansion can be easily absorbed.
  • At least one of the heating plate 118 and the arrangement plate 120 may be formed to be slidable with respect to the holding portion 136 via a lubricant.
  • a lubricant 172 such as molybdenum disulfide or graphite is used between the holding portion 136 and the heating plate 118.
  • the heating plate 118 and the outer peripheral wall 122 are configured to be slidable via a sealing member such as a metal O-ring, as shown in FIG. 6D, the heating plate 118, the arrangement plate 120, And the deformation of the outer peripheral wall 122 can be absorbed.
  • the holding portion 136 is not limited to a material or structure that can be easily elastically deformed as shown in FIG. 6A, and for example, the heat insulating property can be enhanced by using a material having a high heat insulating property.
  • FIGS. 7A to 9B are views for explaining the structure of the combustion heater 300 in the second embodiment.
  • FIGS. 7A to 7D and FIGS. 9A and 9B show cross sections corresponding to the AA cross section in the thickness direction of the dashed line 102 in FIG. 1, as in FIG.
  • the combustion heater 300 includes a heating plate 118 and an arrangement plate 320 or a heating plate 318 and an arrangement plate 120, an outer peripheral wall 122, a partition plate 124, a combustion chamber 126, and an introduction path 128.
  • the section 132 and the second piping section 134 have substantially the same functions as those of the first embodiment, and therefore, the redundant description thereof will be omitted.
  • the heating plate 318 and the arrangement plate 320 having different configurations from those of the first embodiment will be described.
  • the 1st piping part 332 and the 2nd piping part 334 are explained in detail.
  • the combustion heater 300 of the present embodiment does not have the holding portion 136, and the heating plate 118 and the arrangement plate 320 (or the heating plate 318 and the arrangement plate 120) and the outer peripheral wall 122 are: Simply joined.
  • the heating plate 118 receives a larger amount of deformation due to thermal expansion than the arrangement plate 120 because it receives the heat of the exhaust gas after combustion.
  • stress is generated in the heating plate 118, the arrangement plate 120, and the outer peripheral wall 122 and in the joint portion, and heat fatigue may occur due to repeated heating and cooling. Therefore, in the combustion heater 300, the heating plate 318 and the arrangement plate 320 are formed into deformable shapes.
  • grooves 350 a and 350 b that are recessed in the thickness direction (vertical direction in the drawing) of the heating plate 318 and the arrangement plate 320 are formed on one of the heating plate 318 and the arrangement plate 320.
  • FIG. 8A shows a surface of the heating plate 318 provided with the groove 350a as shown in FIG. 7A on the side where the combustion chamber 126 and the outlet path 130 are formed
  • FIG. 8B shows the groove 350b as shown in FIG. 7B.
  • a surface on the side where the introduction path 128 and the combustion chamber 126 are formed with respect to the provided arrangement plate 320 is shown.
  • the grooves 350 a and 350 b that are recessed in the thickness direction have a track shape like the outer peripheral wall 122.
  • the heating plate 318 and the arrangement plate 320 provided with such grooves 350a and 350b are easily elastically deformed (expanded / contracted) in the direction perpendicular to the outer peripheral wall 122 (the extending direction of the heating plate 318 and the arrangement plate 320). .
  • the heating plate 318 when the heating plate 318 is provided with the groove 350a, the heating plate 318 has a larger deformation amount due to thermal expansion than the arrangement plate 120.
  • the portion shrinks in the direction perpendicular to the outer peripheral wall 122 (indicated by an arrow 180a in FIG. 7A) and absorbs.
  • the heating plate 118 when the groove 350b is provided on the arrangement plate 320, the heating plate 118 has a larger deformation amount due to thermal expansion than the arrangement plate 320. Absorbs in a direction perpendicular to the outer peripheral wall 122 (indicated by an arrow 180b in FIG. 7B).
  • the combustion heater 300 absorbs the difference in thermal expansion deformation due to the difference in temperature between the heating plate 318 and the arrangement plate 320 and the difference in the materials of the heating plate 318 and the arrangement plate 320 with the grooves 350a and 350b.
  • the stress generated at the joint portion with the outer peripheral wall 122 is reduced.
  • thermal fatigue due to repeated heating and cooling can be suppressed.
  • the groove 350a is provided in the heating plate 318, the area of the radiation surface is increased, so that the radiation intensity can be increased.
  • channel 350b is provided in the arrangement
  • channel is not received. Therefore, as shown in FIG. 7B, for example, the thickness can be increased. As a result, it becomes possible to improve the uniformity of the surface temperature by heat conduction. Further, since the temperature of the arrangement plate 320 is lower than that of the heating plate 318, the provision of the groove 350 b in the arrangement plate 320 can maintain a higher proof strength of the arrangement plate 320 that is elastically deformed. Durability can be increased.
  • the grooves 350a are formed on both surfaces of the heating plate 318, and the distance from the outer peripheral wall 122 of the groove 350a formed on one surface is set to the outer periphery of the groove 350a formed on the other surface.
  • the distance from the wall 122 may be different.
  • FIG. 8C shows the surface of the heating plate 318 provided with a plurality of grooves 350a as shown in FIG.
  • the groove 350a recessed in the thickness direction has a track shape.
  • channel 350a formed in the other surface (surface on the opposite side of the surface shown to FIG. 8C) is located in the intermediate position 352 of the some groove
  • the cross section in the direction crossing the groove 350a is formed in a triangular wave shape.
  • the groove 350b is provided on the arrangement plate 320, the groove 350b is formed on both surfaces of the arrangement plate 320, and the distance from the outer peripheral wall 122 of the groove 350b formed on one surface is set on the other surface.
  • the distance between the formed groove 350b and the outer peripheral wall 122 may be different.
  • the heating plate 318 and the arrangement plate 320 are more easily elastically deformed, and the deformation due to thermal expansion of the heating plate 318 and the arrangement plate 320 can be further absorbed. Further, by forming the grooves 350a and 350b alternately on both surfaces, the plate material of the heating plate 318 and the arrangement plate 320 can be made thin. As a result, press molding is facilitated when the heating plate 318 and the arrangement plate 320 are molded, and elastic deformation can be further facilitated during heating.
  • the second piping portion 134 allows higher-temperature exhaust gas to pass therethrough, so that the amount of deformation due to thermal expansion is larger than that of the first piping portion 132. Therefore, a stress is generated at the joint portion between the second piping part 134 and the arrangement plate 120 or the partition plate 124, and thermal fatigue is likely to occur by repeating heating and cooling.
  • the heating plate 318 and the arrangement plate 320 may be provided with a groove 354a that is recessed in the thickness direction of the second piping portion 334 (the horizontal direction in the drawing) along the outer periphery thereof. .
  • FIG. 9B shows a case where a groove 354b is provided in the first piping portion 332 in place of the second piping portion 334 along the outer periphery thereof so as to be recessed in the thickness direction of the first piping portion 332 (left-right direction in the drawing). .
  • the deformation amount due to the thermal expansion of the second piping portion 334 is reduced in the longitudinal direction of the first piping portion 332 (FIG. 9B). (Indicated by an arrow 182b). As a result, it is possible to suppress fatigue of the first piping portion 332.
  • the combustion heater 300 as described above can suppress thermal fatigue due to repeated heating and cooling.
  • the present invention can be used in a combustion heater that heats an object to be heated by burning fuel.

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Abstract

　本発明の燃焼加熱器（１００）は、加熱板（１１８）と、加熱板に対向配置された配置板（１２０）と、加熱板と配置板の間に配された環状の外周壁（１２２）と、加熱板と配置板の少なくともいずれか一方が、それらの延設方向に膨張可能となるように、加熱板と配置板と外周壁とを狭持する狭持部（１３６）と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板（１２４）と、外周壁の内側に外周壁に沿って配置された燃焼室（１２６）と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に燃料ガスを流入させる導入路（１２８）と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室から排気ガスを燃焼加熱器の外部に流出させると共に、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路（１３０）とを備える。本発明の燃焼加熱器によれば、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能となる。

Description

燃焼加熱器
本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器に関する。本願は、２０１０年１１月４日に日本に出願された特願２０１０－２４７３７０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来から、燃料ガスの燃焼により生じる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ついて、例えば、輻射強度を向上させるために輻射面に輻射率の高い材料や形状を適用する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、熱効率を向上させたマイクロコンバスタと呼ばれる燃焼加熱器が提案されている。この燃焼加熱器は、燃料ガスの導入路から燃焼室および燃焼後の排気ガスの導出路に至る範囲を密閉構造とし、導入路と導出路とを隣接させ、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ている（例えば、特許文献２参照）。
日本国特開２００４－３２４９２５号公報 日本国特開２００７－２１２０８２号公報
上述した特許文献１のような従来の燃焼加熱器では、輻射面の表面に設けた燃料ガス排出口で燃料ガスを燃焼させ、排気ガスを回収せずに周囲に排気している。したがって、排熱を回収できず熱効率が低くなる。また、燃料ガス排出口の形成により輻射面の面積が小さくなるため、輻射強度の向上が難しい。さらに、排気ガスの熱によって装置周辺の温度が上昇したり、装置周辺に排気ガスが充満することがあるため、周囲の環境の改善に十分な注意を払う必要がある。
一方、特許文献２のような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を燃料ガスの予熱に利用し、効能を終えた排気ガスも回収するため、周囲の環境が悪化しにくい上、熱効率が高い。また、燃料ガス排出口を輻射面に形成する必要が無いため、輻射面の面積を大きくでき輻射強度も高い。このような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を効率的に利用すると共に排気ガス自体も回収するため密閉構造となっている。例えば、ディスク型の燃焼加熱器の場合、燃焼加熱器の本体容器を構成する、輻射面を有する加熱板、外周壁、および、輻射面を有する加熱板と対向配置された配置板の間を、ガスが漏れないように密閉する必要がある。
しかし、燃焼熱によって生じる熱膨張は、加熱板、配置板および外周壁に応力を発生させる。そのため、加熱板および配置板と外周壁とを単に接合するだけでは、加熱板、配置板および外周壁自体ならびにその接合部分に、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労が生じる可能性がある。
本発明は、このような課題に鑑み、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能な、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された環状の外周壁と、加熱板と配置板の少なくともいずれか一方が、それらの延設方向に膨張可能となるように、加熱板と配置板と外周壁とを狭持する狭持部と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、外周壁の内側に外周壁に沿って配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に燃料ガスを流入させる導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室から排気ガスを燃焼加熱器の外部に流出させると共に、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路とを備える。
狭持部が可撓性を有してもよい。
加熱板および配置板の少なくとも一方が、その延設方向に沿って前記挟持部に対し滑動可能であってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼加熱器は、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された環状の外周壁と、加熱板と配置板の間に配置された仕切板と、外周壁の内側に外周壁に沿って配置された燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に燃料ガスを流入させる導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室から排気ガスを燃焼加熱器の外部に流出させると共に、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路と、を備える。また、この燃焼加熱器では、加熱板と配置板のいずれか一方に、加熱板および配置板の厚み方向に凹む溝が、外周壁との距離が等しくなるように形成されている。
溝は、加熱板と配置板のいずれか一方の両面に形成されていてもよい。この場合、一方の面に形成された溝の外周壁との距離は、他方の面に形成された溝の外周壁との距離と異なってもよい。
また、上記燃焼加熱器が、導入路に挿通し、燃料ガスを燃焼加熱器内に流入させる第１配管部と、第１配管部の内部に配され、導出路に挿通し、排気ガスを燃焼加熱器の外部に流出させると共に、仕切板を通じて排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する第２配管部とをさらに備え、これら配管部の少なくとも一方に、その外周に沿って、これら配管部の厚み方向に凹む溝が形成されてもよい。
本発明の燃焼加熱器によれば、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能となる。
本発明の第１の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための組立図である。 本発明の第１の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図２Ａの一部拡大図である。 燃焼加熱器における燃料ガスの予熱を説明するための図である。 複数の突起部を説明するための、燃焼加熱器の斜視図である。 複数の突起部を説明するための、図４ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。 燃焼加熱器の熱膨張を説明するための、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図５Ａの一部拡大図である。 狭持部の機能を説明するための断面図である。 狭持部の機能を説明するための断面図である。 狭持部の機能を説明するための断面図である。 狭持部の機能を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための加熱板の平面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための配置板の平面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための加熱板の平面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態における燃焼加熱器の構造を説明するための断面図である。
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。以下の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であり、特に断る場合を除き、本発明を限定しない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能または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する。また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
上述の通り、従来の燃焼加熱器では、燃焼を終えた排気ガス（燃焼後のガス）を回収せずにそのまま周囲に排気している。その結果、排気ガスの熱を利用できないため熱効率が低い。また、排気ガスの熱によって装置周辺の環境の温度が上昇したり、装置周辺に排気ガスが充満することがあるため、環境の改善に十分な注意を払う必要がある。
これに対して、密閉式の燃焼加熱器は、本体容器内に、燃焼室と、燃料ガス（燃焼前のガス）の導入路と、排気ガスの導出路とが密閉された状態で形成され、導出路を流れる排気ガスの熱で導入路を流れる燃料ガスを予熱することで、燃焼室において超過エンタルピ燃焼を実現する。密閉式の燃焼加熱器では、排気ガスの熱を回収しているので、熱効率が高く、排気ガス自体も回収されるため、周囲の環境が悪化しにくい。また、燃料ガス排出口を輻射面に形成する必要が無いため、輻射面の面積が減少せず輻射強度が高い。
このような密閉式の燃焼加熱器には、スイスロール型やディスク型が提案されている。スイスロール型では、本体容器の中心に燃焼室が形成され、導入路と導出路とが渦巻状に並列して配置される。このスイスロール型の燃焼加熱器は、形状が複雑なため製造コストが高い。これに対して、ディスク型の燃焼加熱器は、伝熱を担う仕切板が、本体容器を構成する一対の平板（加熱板、配置板）よりも小型の平板からなり、加熱板と配置板の間に空隙を設けて配置するといった簡易な構成で、導入路と導出路との間で熱交換を行っている。また、ディスク型の燃焼加熱器では、輻射面を有する加熱板の形状がスイスロール型のように略円形に限られず、用途に応じて、加熱板を楕円形や矩形に形成することができる。さらに、ディスク型の燃焼加熱器は、外周壁に沿って燃焼室が配置されているため、スイスロール型よりも燃焼室自体の体積を大きくでき、燃焼負荷率（燃焼室内の単位体積あたりの発熱）を抑えることができる。外周壁に沿って外周全部を燃焼室とせずに、外周の一部を燃焼室としてもよい。
ところで、上述したように、燃焼加熱器には、排気ガスを回収するため所定の密閉性が求められる。例えば、ディスク型の燃焼加熱器の場合、燃焼加熱器の本体容器を構成する、加熱板、外周壁、および配置板の間から燃料ガスや排気ガスが漏れないように、所定の密閉性を確保する必要がある。
しかし、燃焼熱によって加熱板と配置板が熱膨張を起こすと、加熱板、配置板および外周壁に応力が発生するので、加熱板および配置板と外周壁とを単に接合するだけでは、加熱と冷却の繰り返しによって、加熱板、配置板および外周壁自体ならびにその接合部分に、熱疲労が生じる可能性がある。
そこで、本実施形態の燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることを目的とする。以下、このような目的を実現可能な燃焼加熱器１００の詳細な構成を説明する。
（第１の実施形態：燃焼加熱器１００）
図１は、第１の実施形態における燃焼加熱器１００の構造を説明するための組立図である。また、図２Ａは、第１の実施形態における燃焼加熱器１００の構造を説明するための、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図、図２Ｂは、図２Ａの円で囲んだ部分を拡大した図である。ここで、図２Ａは、図１の一点鎖線１０２で示す部分における燃焼加熱器１００の厚み方向の断面を示している。図２Ａに示すように、燃焼加熱器１００は、加熱板１１８と、配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、第１配管部１３２と、第２配管部１３４と、狭持部１３６とを含む。なお、本実施形態では、２次元方向での外形が２２０ｍｍ×１４０ｍｍ程度の燃焼加熱器１００を例に挙げて説明する。ただし、燃焼加熱器１００の外形は、かかる大きさに限定されず、任意の大きさに設定することができる。
本実施形態における燃焼加熱器１００は、本体容器に、都市ガス等と燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された燃料ガス（予混合ガス）が供給される予混合タイプである。しかしながら、本発明が対象とする燃焼加熱器１００はこのタイプに限定されず、燃焼室１２６や燃焼室１２６の直前の導入路１２８において両者が混合して拡散燃焼を行う拡散タイプであってもよい。
加熱板１１８および配置板１２０は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、フェライト系のステンレス鋼（ＳＵＳ）や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅（真鍮）等で形成され、互いに略平行（本実施形態における超過エンタルピ燃焼を起こさせるための実質的な平行）となるよう対向して配置される。また、加熱板１１８および配置板１２０は、燃焼室１２６で生成された燃焼熱で加熱される輻射体としても機能する。ただし、配置板１２０は、輻射体として機能する構成に限らず、例えば、断熱構造を有してもよい。
外周壁１２２は、平面視において、内周がトラック形状（略平行な２つの線分と、その２つの線分をつなぐ２つの円弧（半円）からなる形状）に形成されるとともに、外周が矩形に形成された環状をなしている。外周壁１２２は、加熱板１１８および配置板１２０の間に配される。また、外周壁１２２の外周面を輻射面として用いることもできる。
燃焼加熱器１００の本体容器は、外周壁１２２と、外周壁１２２を上下から閉塞する加熱板１１８、配置板１２０とからなる。この容器本体において、外周面（外周壁１２２の外周面）の面積より上下壁面（加熱板１１８および配置板１２０の外表面）の面積が大きい。つまり、上下壁面は、本体容器の外表面の大部分を占める。この上下壁面のうち、例えば上側の面（加熱板１１８の上面）が輻射面となり、燃焼室１２６で燃料ガスが燃焼すると、まず、この燃焼により加熱板１１８が加熱され、次に、輻射や空気の対流によって輻射面から熱が伝達して燃焼加熱器１１０の外部の被加熱物が加熱される。本実施形態においては、上下壁面のうち上側の面（加熱板１１８の上面）を輻射面とするが、かかる場合に限定されず、下側の面（配置板１２０の下面）のみを輻射面としたり上下壁面の両面を輻射面としてもよい。
仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０よりも外形が小さく、かつ外周壁１２２の内周面に沿った形状に形成されている。仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０の間で、加熱板１１８および配置板１２０と略平行に配置される。仕切板１２４と加熱板１１８との間、および仕切板１２４と配置１２０との間には、それぞれ空隙が形成される。また、仕切板１２４は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、フェライト系のステンレス鋼や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される。
図１を用いて、加熱板１１８、配置板１２０、外周壁１２２および仕切板１２４の位置関係を説明する。配置板１２０上には、仕切板１２４が配置され、矢印１５０ａに示すように外周壁１２２が仕切板１２４と重畳しないように配置板１２０に重ねられる。詳細には、図２Ａに示すように、配置板１２０が第１配管部１３２の端部に固定されるのに対し、仕切板１２４は第１配管部１３２より上方に突出している第２配管部１３４の端部に固定され、第１配管部１３２の端部と第２配管部１３４の端部との間の距離だけ、配置板１２０と仕切板１２４とが離隔する。また、仕切板１２４は外周壁１２２の内部に配置され、このとき、仕切板１２４の側面と、外周壁１２２の円筒状の内周面との間には燃焼室１２６としての空隙が形成される。最後に、矢印１５０ｂに示すように、外周壁１２２上に、加熱板１１８が重ねられる。
燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、配置板１２０、および仕切板１２４の外周端部に囲まれており、外周壁１２２より内側に外周壁１２２に沿って形成される。このように外周壁１２２に沿って燃焼室１２６を形成するため、燃焼室１２６の体積を十分に確保でき、また、スイスロール型に比べ燃焼負荷率を低くできる。燃焼室１２６の任意の位置には、着火装置（図示せず）が設けられる。
図２Ａに示すように、本体容器内では、厚み方向（加熱板１１８の上面に直交する方向）に、導入路１２８と導出路１３０とが重ねて形成される。
導入路１２８は、配置板１２０と、仕切板１２４とを側壁とし、配置板１２０と仕切板１２４に挟まれた空間である。第１配管部１３２を介して本体容器中央に流入した燃料ガスは、導入路１２８を経て燃焼室１２６に放射状に導かれる。
導出路１３０は、加熱板１１８と、仕切板１２４とを側壁とし、加熱板１１８と仕切板１２４とに挟まれた空間である。燃焼室１２６からの排気ガスは、導出路１３０を経て本体容器の中央に集約され、第２配管部１３４を介して燃焼加熱器１００外に導かれる。また、図２Ａに示すように、本体容器内では、厚み方向に、導入路１２８と導出路１３０とが重なって形成されているので、仕切板１２４を介して排気ガスの熱を伝達し、燃料ガスを予熱することができる。
第１配管部１３２は、導入路１２８に接続され、燃料ガスは第１配管部１３２を介して燃焼加熱器１００内に導かれる。具体的に、配置板１２０の中心部には、第１配管部１３２の内径と同一径の穴１５８が設けられており、この穴１５８の内周部分に第１配管部１３２が接続されている。
第２配管部１３４は、第１配管部１３２内部に配される。すなわち、第１配管部１３２と第２配管部１３４とで二重管を形成する。また、第２配管部１３４は、導出路１３０に接続され、排気ガスは第２配管部１３４を介して燃焼加熱器１００外に導かれる。具体的に、仕切板１２４の中心部には、第２配管部１３４の外径と同一径の穴１６０が設けられており、この穴１６０の内周部分に第２配管部１３４が接続される。さらに、第２配管部１３４は、その内部を流動する排気ガスの熱を、第１配管部１３２を流れる燃料ガスに伝達する役割も担う。
本実施形態においては、第１配管部１３２の内部に第２配管部１３４が配されるが、かかる場合に限定されず、第２配管部１３４の内側に第１配管部１３２が配されると共に、第１配管部１３２および第２配管部１３４を加熱板１１８側から導入路１２８および導出路１３０にそれぞれ接続させてもよい。
次に、燃料ガスおよび排気ガスの流れを具体的に説明する。図３は、燃焼加熱器１００における燃料ガスの予熱を説明するための図である。図３中、右から左へ向かう白抜きの矢印は燃料ガスの流れを、左から右へ向かう白抜きの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。第１配管部１３２に燃料ガスを供給すると、燃料ガスは配置板１２０の中心部から導入路１２８に流入し、水平方向に放射状に広がりながら燃焼室１２６に向けて流れる。燃料ガスは、燃焼室１２６において燃焼して発熱した後、高温の排気ガスとなり、排気ガスは、燃焼室１２６から導出路１３０を通じて第２配管部１３４に流入する。
仕切板１２４は比較的熱伝導し易い素材で形成されており、導出路１３０を通過する排気ガスの熱は、仕切板１２４を介して導入路１２８を通過する燃料ガスに伝わる。本実施形態では、導出路１３０を流れる排気ガスと導入路１２８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。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。
さらに、燃焼室１２６における安定した燃焼を可能とするために、導入路１２８と燃焼室１２６との接続部において、排気ガスの流れに垂直な断面形状（以下、流路断面形状と称す）における代表寸法は、火炎の導入路１２８側への進入を防止できる（燃焼反応が導入路１２８の方に伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮し、消炎距離以下とすることが好ましい。ここで、代表寸法は、燃料ガスが燃焼室１２６に流入する直前の流路の断面形状によって定まる寸法である。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合には、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。水力相当直径は、４×流路断面積／ぬれ縁長さで求められる。ぬれ縁長さは、流路断面における、燃料ガスが接触する壁（配置板１２０、仕切板１２４）部分の長さを示す。
例えば、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下とすれば、火炎が導入路１２８内に進入することが防止され、燃焼が安定化される。しかし、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下で均一にするためには、配置板１２０と仕切板１２４の面精度や取り付け精度を高める必要がある。そこで、本実施形態においては、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離よりも大きくなることを許容するため、仕切板１２４の下面（配置板１２０側）の燃焼室１２６近傍に、配置板１２０と当接する複数の突起部１５２を所定の間隔Ｌを空けて配置する。
図４Ａおよび図４Ｂは、複数の突起部１５２を説明するための図である。図４Ａは、破線で示す加熱板１１８を透視した燃焼加熱器１００の斜視図であり、図４Ｂは、図４ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面を矢印の方向から見た断面図である。図４Ｂにおいて、複数の突起部１５２の構造の理解を容易にするため、突起部１５２のうち、仕切板１２４で隠れている部分を破線で示す。また、矢印１５４は燃料ガスの流れの向きを示す。導入路１２８の流路断面は、仕切板１２４に設けられた複数の突起部１５２によって狭められている。図２Ｂおよび図４Ｂで示すように、燃料ガスは、導入路１２８のうち、隣接する突起部１５２の間の空隙を通じて燃焼室１２６に流入する。このとき、突起部１５２同士の間隔Ｌが流路断面形状の代表寸法となる。すなわち、配置板１２０と仕切板１２４との距離を厳密に設定することなく、間隔Ｌによって流路断面形状の代表寸法を設定することが可能となる。
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、式（１）により求められる。
ｄ＝２λ・Ｎｕ１／２／Ｃｐ・ρｕ・Ｓｕ …式（１）
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。
本実施形態の燃焼加熱器１００は、上述した代表寸法（突起部１５２同士の間隔Ｌ）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１２６における安定した燃焼が可能となる。
また、複数の突起部１５２を設ける構成に限定されず、仕切板１２４の下面の燃焼室１２６近傍に、１つの円環形の突起部を設けてもよい。この場合、突起部と配置板１２０との距離が代表寸法となる。かかる構成により、より簡易な構造で導入路１２８の代表寸法を消炎距離ｄ以下とすることができる。
さらに、本実施形態の燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しに起因する熱膨張による熱疲労を抑制するため、狭持部１３６を設ける。かかる熱膨張と狭持部１３６の効果について、図５Ａ～図６Ｄを用いて説明する。
図５Ａおよび図５Ｂは、燃焼加熱器１００の熱膨張を説明するための図である。図５Ａは、図１の一点鎖線１０２で示す部分における燃焼加熱器１００の厚み方向のＡ－Ａ線に沿った断面図であり、図５Ｂは、図５Ａの円で囲んだ部分を拡大した図である。燃焼加熱器１００では、燃焼熱によって加熱板１１８および配置板１２０が熱膨張する。特に、加熱板１１８は、燃焼後の排気ガスの熱を受けるため、配置板１２０よりも高温となる。したがって、加熱板１１８の熱膨張による変形量（図５中、白抜き矢印１５６ａで示す。）の方が配置板１２０の熱膨張による変形量（図５中、白抜き矢印１５６ｂで示す。）よりも大きい。
そのため、加熱板１１８および配置板１２０と外周壁１２２とを単に接合すると、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の内部ならび接合部分に、上記熱膨張の差による応力が発生する。そして、燃焼加熱器１００において加熱と冷却を繰り返すことで、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２自体ならびにその接合部分に、熱疲労が生じる可能性がある。そこで、本実施形態における燃焼加熱器１００では狭持部１３６を設け、この熱疲労の発生を防止している。
狭持部１３６は、図１および図５Ｂに示すように断面形状がＣ字状となる、例えば金属材料で形成され、加熱板１１８および配置板１２０の少なくともいずれか一方が、外周壁１２２に垂直な方向に膨張可能に、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを上下から狭持する。例えば、狭持部１３６は、図１に示す矢印１７０の向きに加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とに装着される。
より詳細に説明すると、図５Ｂに示す例では、断面形状がＣ字状をなす狭持部１３６の開口側先端部（図５Ｂに符号１３６ａで示す部分）が互いに接近する方向に屈曲している。そして、狭持部１３６が加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを狭持した際に、これらの屈曲した先端部１３６ａが加熱板１１８の上面および配置板１２０の下面にそれぞれ密着する。その結果、燃焼加熱器１００の外周部、すなわち狭持部１３６で覆われた、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２との積層部位における密閉性が確保される。
この場合、狭持部１３６は、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の図５Ｂにおいて白抜き矢印１５６ａ、１５６ｂで示した外周壁１２２に垂直な方向への熱膨張による変形を妨げない。
本実施形態における燃焼加熱器１００は、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを接合せずに、燃焼加熱器１００に要求される所定の密閉性を確保する狭持部１３６を設けることによって、熱膨張による応力を構造的に抑制する。そのため、加熱と冷却を繰り返すことによる燃焼加熱器１００の熱疲労を抑えることができる。本実施形態における燃焼加熱器１００は、加熱板１１８および配置板１２０と外周壁１２２との間を完全に密閉することで、例えば、液体中においても使用可能となる。ただし、気体中で用いる場合、燃焼加熱器１００を必ずしも完全に密閉構造とする必要はなく、必要とされる性能を満たす所定の密閉性を確保すればよい。
また、熱膨張による応力が抑制されるため、加熱板１１８と配置板１２０の表面形状や素材に制約を設ける必要がなくなる。その結果、輻射率の高い素材（例えば、ＭＳＳ ＨＩＢ、ＮＣＡ－１、ＮＣＡ－２等のアルミ含有素材）の採用が可能となり、輻射強度をさらに高めることができる。
さらに、輻射率に加えて熱伝導率も高い素材（例えば、ＳｉＣセラミックス）を採用することで、輻射強度を高めつつ、表面温度の均一性を高めることが可能となる。
また、配置板１２０についても、表面形状や素材等の制約が無くなるため、断熱性の高い素材を用いて、熱損失を抑えることが可能となる。
図６Ａ～図６Ｄは、狭持部１３６の機能を説明するための図である。図６Ａは、可撓性を有する狭持部１３６の変形前を、図６Ｂは、可撓性を有する狭持部１３６の変形後をそれぞれ示している。また、図６Ｃは、加熱板１１８および配置板１２０を、そのいずれかが滑動可能となるように狭持する狭持部１３６の滑動前を、図６Ｄは、加熱板１１８および配置板１２０のいずれかが滑動可能となるように狭持する狭持部１３６の滑動後を示す。図６Ａ～図６Ｄは、図２Ｂに示す部分拡大図と同様、燃焼加熱器１００のＡ－Ａ線に沿った断面図の一部を拡大して示す。
狭持部１３６は、図６Ａに示すように、可撓性を有し、加熱板１１８および配置板１２０の熱膨張に応じて弾性変形する構造や素材であってもよい。かかる構成を有する狭持部１３６は、単に加熱板１１８および配置板１２０との接合のみで、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２とを上下から狭持している。そのため、例えば、外周壁１２２に対して加熱板１１８が、メタルＯリング等のシーリング部材を介してその延設方向（図中左右方向）に滑動可能な構造とすれば、図６Ｂに示すように、熱膨張による加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の変形を容易に吸収できる。
また、図６Ｃに示すように、狭持部１３６に対しと、加熱板１１８および配置板１２０の少なくとも一方が、潤滑剤を介して滑動可能に形成されてもよい。図６Ｃにおいて、狭持部１３６と加熱板１１８との間には、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト等の潤滑剤１７２等が用いられている。ここでも、例えば、加熱板１１８と外周壁１２２とがメタルＯリング等のシーリング部材を介して滑動可能な構造とすれば、図６Ｄに示すように、熱膨張による加熱板１１８、配置板１２０、および外周壁１２２の変形を吸収可能となる。さらに、狭持部１３６は、図６Ａのような弾性変形が容易な素材や構造に限定されず、例えば、断熱性の高い素材等を用いて断熱性を高めることができる。
以上、説明した燃焼加熱器１００では、加熱と冷却の繰り返しによる熱疲労を抑えることが可能となる。
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、狭持部１３６を設けることによって、熱膨張による疲労を抑制することができる燃焼加熱器１００を説明した。続く第２の実施形態では、新たに部品を設けることなく、構成要素に変形を加えるのみで、熱疲労を抑制することが可能な燃焼加熱器を説明する。
（燃焼加熱器３００）
図７Ａ～図９Ｂは、第２の実施形態における燃焼加熱器３００の構造を説明するための図である。ここで、図７Ａ～図７Ｄおよび図９Ａ，図９Ｂは、図２同様、図１の一点鎖線１０２部分における厚み方向のＡＡ断面に相当する断面を示す。これらの図に示すように、燃焼加熱器３００は、加熱板１１８と配置板３２０または加熱板３１８と配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、第１配管部１３２（または図９Ｂにおける第１配管部３３２）と、第２配管部１３４（または図９Ａにおける第２配管部３３４）とを含む。第１の実施形態における構成要素として既に述べた加熱板１１８と、配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、第１配管部１３２と、第２配管部１３４とは、第１の実施形態と実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、以下、第１の実施形態と構成の異なる加熱板３１８および配置板３２０と、第１配管部３３２と、第２配管部３３４とを詳細に説明する。
第１の実施形態と異なり、本実施形態の燃焼加熱器３００には狭持部１３６がなく、加熱板１１８および配置板３２０（または加熱板３１８および配置板１２０）と、外周壁１２２とは、単に接合されている。
図５Ａおよび図５Ｂにおいて説明したように、燃焼後の排気ガスの熱を受けるため、加熱板１１８の方が、配置板１２０よりも熱膨張による変形量が大きい。その結果、加熱板１１８、配置板１２０および外周壁１２２の内部ならびに接合部分に応力が発生し、加熱と冷却を繰り返すことで熱疲労が生じる可能性がある。そこで、燃焼加熱器３００では、加熱板３１８および配置板３２０を変形可能な形体とする。
加熱板３１８および配置板３２０のいずれか一方には、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、加熱板３１８および配置板３２０の厚み方向（図の上下方向）に凹む溝３５０ａ、３５０ｂが外周壁１２２と距離を等しくして、例えば、外周壁１２２に沿って形成されている。図８Ａは、図７Ａに示すように溝３５０ａが設けられた加熱板３１８について、燃焼室１２６や導出路１３０を形成する側の面を示し、図８Ｂは、図７Ｂに示すように溝３５０ｂが設けられた配置板３２０について、導入路１２８や燃焼室１２６を形成する側の面を示す。図８Ａおよび図８Ｂに示すように、厚み方向に凹む溝３５０ａ、３５０ｂは、外周壁１２２と同様、トラック形状となっている。
　このような溝３５０ａ、３５０ｂが設けられた加熱板３１８および配置板３２０は、外周壁１２２に垂直な方向（加熱板３１８および配置板３２０の延設方向）において弾性変形（伸び縮み）し易くなる。
そのため、例えば、図７Ａに示すように、加熱板３１８に溝３５０ａを設ける場合、加熱板３１８は、配置板１２０よりも熱膨張による変形量が大きいが、この変形量の差を、溝３５０ａの部分が外周壁１２２に垂直な方向（図７Ａに矢印１８０ａで示す。）に縮んで吸収する。
また、図７Ｂに示すように、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合、加熱板１１８は、配置板３２０よりも熱膨張による変形量が大きいが、この変形量の差を、溝３５０ｂの部分が外周壁１２２に垂直な方向（図７Ｂに矢印１８０ｂで示す。）に広がって吸収する。
このように、燃焼加熱器３００は、加熱板３１８および配置板３２０の温度差や加熱板３１８および配置板３２０の素材の違いによる熱膨張の変形量の差を溝３５０ａ、３５０ｂで吸収するため、外周壁１２２との結合部分等に生じる応力が小さくなる。その結果、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労を抑えることができる。特に、図７Ａに示すように、加熱板３１８に溝３５０ａを設ける場合、輻射面の面積が大きくなるため、輻射強度を高めることも可能となる。
また、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合、加熱板３１８が溝を形成することによる形状上の制約を受けない。そのため、図７Ｂに示すように、例えば、その厚みを厚くすることもできる。その結果、熱伝導によって表面温度の均一性を高めることが可能となる。さらに、加熱板３１８に比べて、配置板３２０は温度が低いため、配置板３２０に溝３５０ｂを設けた方が、弾性変形する方の配置板３２０の耐力を高く維持でき、燃焼加熱器３００の耐久性を高めることができる。
さらに、図７Ｃに示すように、溝３５０ａを加熱板３１８の両面に形成し、一方の面に形成された溝３５０ａの外周壁１２２との距離を、他方の面に形成された溝３５０ａの外周壁１２２との距離と異ならせることもできる。図８Ｃは、図７Ｃに示すように溝３５０ａが複数設けられた加熱板３１８について、燃焼室１２６や導出路１３０を形成する側の面を示す。図８Ｃに示すように、厚み方向に凹む溝３５０ａは、トラック形状となる。そして、図８Ｃに示す面に形成された複数の溝３５０ａの中間位置３５２に、他方の面（図８Ｃに示す面の反対側の面）に形成された溝３５０ａが位置する。したがって、図８Ｃに示すように、溝３５０ａを横断する方向の断面が三角波状に波打って形成される。
また、配置板３２０に溝３５０ｂを設ける場合も同様に、溝３５０ｂを、配置板３２０の両面に形成し、一方の面に形成された溝３５０ｂの外周壁１２２との距離を、他方の面に形成された溝３５０ｂの外周壁１２２との距離と異ならせるとよい。
上記構成により、加熱板３１８および配置板３２０はより弾性変形し易くなり、加熱板３１８および配置板３２０の熱膨張による変形をさらに吸収することが可能となる。また、溝３５０ａ、３５０ｂを両面に互い違いとなるように形成することで、加熱板３１８および配置板３２０の板材を薄くすることができる。その結果、加熱板３１８および配置板３２０の成型時においてはプレス成型が容易となり、加熱時においてはさらに弾性変形し易くすることができる。
また、第１配管部１３２と第２配管部１３４を比較すると、第２配管部１３４の方が、より高温の排気ガスを通すため、第１配管部１３２よりも熱膨張による変形量が大きい。そのため、第２配管部１３４と配置板１２０や仕切板１２４との接合部分に応力が発生し、加熱と冷却を繰り返すことで熱疲労が生じやすくなる。
そこで、加熱板３１８および配置板３２０のみならず、第２配管部３３４に、その外周に沿って、第２配管部３３４の厚み方向（図の左右方向）に凹む溝３５４ａが形成されてもよい。
図９Ａに示すように、第２配管部３３４に溝３５４ａを設ける構成により、第２配管部３３４の熱膨張による変形量を、溝３５４ａの部分が第２配管部３３４の長手方向（図９Ａに矢印１８２ａで示す。）に縮むことで吸収できる。その結果、加熱と冷却を繰り返すことによる第２配管部３３４の熱疲労を抑えることができる。また、溝３５４ａを設けることで第２配管部３３４から第１配管部１３２への伝熱部分の面積が大きくなり熱伝達が促進され、熱効率が高まる。溝３５４ａを設けた配管として、例えば、既存のベローズを採用することで、独自に溝加工をするよりも製造コストを低減できる。
また、図９Ｂは、第２配管部３３４の代わりに第１配管部３３２に、その外周に沿って、第１配管部３３２の厚み方向（図の左右方向）に凹む溝３５４ｂを設ける場合を示す。図９Ｂに示すように、第１配管部３３２に溝３５４ｂを設ける構成によっても、第２配管部３３４の熱膨張による変形量を、溝３５４ｂの部分が第１配管部３３２の長手方向（図９Ｂに矢印１８２ｂで示す。）に伸びることで吸収し、その結果、第１配管部３３２の疲労を抑えることが可能となる。
上記のような燃焼加熱器３００によって、加熱と冷却を繰り返すことによる熱疲労を抑えることが可能となる。
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、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する燃焼加熱器に利用することができる。
１００、３００ …燃焼加熱器、１１８、３１８ …加熱板、１２０、３２０ …配置板、１２２ …外周壁、１２４ …仕切板、１２６ …燃焼室、１２８ …導入路、１３０ …導出路、１３２、３３２ …第１配管部、１３４、３３４ …第２配管部、１３６ …狭持部、３５０（３５０ａ、３５０ｂ）、３５４（３５４ａ、３５４ｂ） …溝

Claims (6)

  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された環状の外周壁と、
    前記加熱板と前記配置板の少なくともいずれか一方が、それらの延設方向に膨張可能となるように、前記加熱板と前記配置板と前記外周壁とを狭持する狭持部と、
    前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
    前記外周壁の内側に前記外周壁に沿って配置された燃焼室と、
    前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に燃料ガスを流入させる導入路と、
    前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室から排気ガスを外部に流出させると共に、前記仕切板を通じて前記排気ガスの熱で前記燃料ガスを予熱する導出路と、
    を備える燃焼加熱器。
  2. 前記狭持部が可撓性を有する請求項１に記載の燃焼加熱器。
  3. 前記加熱板および前記配置板の少なくとも一方が、前記延設方向に沿って前記挟持部に対し滑動可能である請求項１に記載の燃焼加熱器。
  4. [規則91に基づく訂正 06.12.2011]　
    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された環状の外周壁と、
    前記加熱板と前記配置板の間に配置された仕切板と、
    前記外周壁の内側に前記外周壁に沿って配置された燃焼室と、
    前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に燃料ガスを流入させる導入路と、
    前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室から排気ガスを前記燃焼加熱器外に流出させると共に、前記仕切板を通じて前記排気ガスの熱で前記燃料ガスを予熱する導出路と、を備え、
    前記加熱板と前記配置板のいずれか一方に、前記加熱板または前記配置板の厚み方向に凹む溝が、外周壁との距離が等しくなるように形成されている燃焼加熱器。
  5. 前記溝が、前記加熱板と前記配置板のいずれか一方の両面に形成され、一方の面に形成された溝の外周壁との距離が、他方の面に形成された溝の外周壁との距離と異なる請求項４に記載の燃焼加熱器。
  6. 前記導入路に挿通し、前記燃料ガスを前記燃焼加熱器内に導く第１配管部と、
    前記第１配管部内部に配され、前記導出路に挿通し、前記排気ガスを前記燃焼加熱器外に導くと共に、前記仕切板を通じて前記排気ガスの熱で前記燃料ガスを予熱する第２配管部と、
    をさらに備え、これら配管部の少なくとも一方に、その外周に沿って、これら配管部の厚み方向に凹む溝が形成される請求項４に記載の燃焼加熱器。
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