JP5211765B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加熱流体を加熱する加熱装置に関するものである。

飲食店や宿泊施設等においては、調理用の蒸気や風呂場用の温水を得るための小型の加熱装置が設置される場合がある。
例えば、特許文献１には、燃焼用空気と共に燃料を燃焼させることによって生じた高温の燃焼ガスによって配管内を流れる水を加熱し、これによって蒸気を得る加熱装置が開示されている。
また、加熱装置は、蒸気や温水の生成のためのみならず、様々な流体（被加熱流体）を加熱する際に用いられている。
特開２００７−１３９３５８号公報

ところで、従来の加熱装置においては、燃焼に用いられる燃焼用空気や燃料の温度が低いため、冷たい被加熱流体が流れる配管に直接火炎が触れると火炎自体が不安定となり未燃分が多量に発生する。このため、従来の加熱装置においては、大きな燃焼室で燃焼させたのちに、上述のように燃焼ガスによって被加熱流体を加熱している。よって、大きな燃焼室から周囲に放熱される熱量が多くなり、エネルギー効率が低下してしまう。
また、従来の加熱装置においては、完全燃焼するために大きな燃焼室が必要とされている。このため、十分に加熱装置を小型化することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被加熱流体を加熱する加熱装置におけるエネルギー効率を向上させると同時に上記加熱装置のさらなる小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被加熱流体を加熱する加熱装置であって、可燃燃料を含む未燃ガスが流れる第１流路と、消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて上記第１流路から噴出された上記未燃ガスが燃焼されると共に上記燃焼による燃焼ガスが流れ、上記第１流路の周りに形成される第２流路と、上記被加熱流体が流れ、上記第２流路の周りに形成される第３流路とを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、未燃ガスが流れる第１流路周りに第２流路が形成され、当該第２流路に燃焼ガスが流される。このため、第１流路を流れる未燃ガスが、第２流路を流れる高温の燃焼ガスによって加熱される。また、未燃ガスが消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて上記第１流路から噴出されることによって安定した火炎が形成される。
そして、本発明によれば、安定した火炎により未燃ガスが燃焼されると共に燃焼ガスが流れる第２流路の周りに第３流路が形成され、当該第３流路に被加熱流体が流される。

また、本発明においては、上記第３流路の外側領域であって上記第２流路と反対側の領域に、上記第２流路から上記燃焼ガスを導入する導入部を備えるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記第１流路が第１配管の内部空間から構成され、上記第２流路が上記第１配管と該第１配管を同心円状に囲う第２配管とに挟まれた空間から構成され、上記第３流路が上記第２配管と該第２配管を同心円状に囲う第３配管とに挟まれた空間から構成されるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記第１流路が第１配管の内部空間から構成され、上記第３流路が上記第１配管を中心として上記第１配管から離間して配列される複数の第４配管の内部空間から構成され、上記第２流路が上記第１配管と上記第４配管と上記第４配管同士の間を閉鎖する隔壁とによって囲まれた空間から構成されるという構成を採用する。

本発明によれば、未燃ガスが流れる第１流路周りに第２流路が形成され、当該第２流路に燃焼ガスが流される。このため、第１流路を流れる未燃ガスが、第２流路を流れる高温の燃焼ガスによって加熱される。また、未燃ガスが消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて上記第１流路から噴出されることによって安定した火炎が形成される。このように安定した火炎は、冷たい被加熱流体と接する壁面に直接触れても安定に燃焼することが可能で、さらに当該壁面へ効率的に熱を伝達することが可能となる。
そして、本発明によれば、安定した火炎により未燃ガスが燃焼されると共に燃焼ガスが流れる第２流路の周りに第３流路が形成され、当該第３流路に被加熱流体が流される。
この結果、第３流路に流れる被加熱流体は、安定した火炎にて第３流路が直接加熱されることによって加熱される。したがって、燃焼ガスによってのみ被加熱流体の流路を加熱する場合と比較して、効率的に被加熱流体に熱量を伝熱することができる。よって、被加熱流体を加熱する加熱装置におけるエネルギー効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、第１流路を流れる未燃ガスが第２流路を流れる高温の燃焼ガスによって加熱され、この加熱された未燃ガスが消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて上記第１流路から噴出されることによって燃焼される。このような構成を採用する場合には、未燃ガスが高温の燃焼ガスによって十分に加熱されるため、安定燃焼するために大きな燃焼室を必要とせず、マイクロチャネルの燃焼室にて燃焼を継続することが可能となる。
よって、本発明によれば、燃焼室を小さくし、加熱装置を小型化することが可能となる。

このように、本発明によれば、被加熱流体を加熱する加熱装置におけるエネルギー効率を向上させると同時に上記加熱装置のさらなる小型化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る加熱装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明に係る加熱装置の一例として小型ボイラを挙げて説明する。また、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本実施形態の小型ボイラＢ１を模式的に示した概略構成図であり、図１が斜視図であり、図２が水平断面図であり、図３が鉛直断面図である。
これらの図に示すように、本実施形態の小型ボイラＢ１は、第１配管１（第１配管）と、第２配管２（第２配管）と、第３配管３（第３配管）とが平面視において同心に配置された三重管構造を有している。

第１配管１は、鉛直方向に延在されると共に下端１１が閉塞端とされる配管であり、下端１１近傍の側壁部には直径が未燃ガスの消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔１２が複数形成されている。そして、第１配管１は、伝熱性の高い材料（例えば黄銅（真鍮）等）によって形成されている。
この第１配管１の内部空間は、可燃燃料が含まれた未燃ガスＧ１の流れる未燃ガス流路Ｒ１（第１流路）とされている。すなわち、本実施形態の小型ボイラＢ１において、未燃ガス流路Ｒ１は、第１配管１の内部空間から構成されている。
なお、第１配管１は、上端部が未燃ガス流路Ｒ１に未燃ガスＧ１を供給するための未燃ガス供給装置（不図示）に接続されている。

また、未燃ガスＧ１としては、燃料と酸化剤の混合気を用いることができる。
燃料としては、石油燃料や、天然ガス等を用いることができる。

第２配管２は、鉛直方向に延在されると共に第１配管１を同心円状に囲う配管であり、下端２１が閉塞端とされ、第１配管１と同様に伝熱性の高い材料によって形成されている。
この第２配管２と第１配管１とに挟まれた空間は、上記未燃ガスＧ１が燃焼されると共に、未燃ガスＧ１が燃焼することによって生じる燃焼ガスＧ２が流れる燃焼ガス流路Ｒ２（第２流路）とされている。すなわち、本実施形態の小型ボイラＢ１において、燃焼ガス流路Ｒ２は、第１配管１と該第１配管１を同心円状に囲う第２配管２とに挟まれた空間から構成されている。
なお、燃焼ガス流路Ｒ２の下端近傍（ノズル孔１２近傍）は、ノズル孔１２から噴出した未燃ガスＧ１が燃焼する燃焼室Ｋとされている。そして、当該燃焼室Ｋには、不図示の着火装置が設けられている。

第３配管３は、鉛直方向に延在されると共に第２配管２を同心円状に囲う配管であり、下端３１が閉塞端とされている。なお、この第３配管３は、伝熱性の低い材料によって形成されることが好ましい。
この第３配管３と第２配管２とに挟まれた空間は、水（被加熱流体）Ｗが流れる水流路Ｒ３（第３流路）とされている。すなわち、本実施形態の小型ボイラＢ１において、水流路Ｒ３は、第２配管２と該第２配管２を同心円状に囲う第３配管３とに挟まれた空間から構成されている。
なお、水流路Ｒ３の下端近傍には、水流路Ｒ３に水Ｗを供給するための水供給部（不図示）が接続されており、当該水供給部によって水流路Ｒ３に流量調整された水Ｗが供給される。また、水流路Ｒ３の上端近傍には、水流路Ｒ３の水Ｗが蒸発することによって生成された蒸気を排出するための排出部（不図示）が接続されており、当該排出部によって水流路Ｒ３から流量調整された蒸気が外部に排出される。

このような構成を有する本実施形態の小型ボイラＢ１においては、まず第１配管１に接続された未燃ガス供給装置から未燃ガスＧ１が未燃ガス流路Ｒ１に供給され、第１配管１に形成されたノズル孔１２から噴出された未燃ガスＧ１に着火して燃焼させることによって燃焼室Ｋに火炎を形成する。そして、未燃ガスＧ１が燃焼されることによって生じた燃焼ガスＧ２が燃焼ガス流路Ｒ２を流れて排出される。

このように燃焼室Ｋに火炎が形成されると、未燃ガス流路Ｒ１の周りに形成された燃焼ガス流路Ｒ２に高温の燃焼ガスＧ２が流れるため、未燃ガス流路Ｒ１を流れる未燃ガスＧ１が加熱される。すなわち、燃焼ガスＧ２の熱量が熱交換壁として機能する第１配管１を介して未燃ガスＧ１に伝熱され、この結果未燃ガスＧ１が加熱される。

燃焼ガスＧ２と熱交換されることによって加熱された未燃ガスＧ１は、着火可能温度近傍まで加熱された状態でノズル孔１２を介して第１配管１の外部に噴出される。そして、ノズル孔１２から噴出された未燃ガスＧ１は、燃焼室Ｋに形成された火炎によって着火されて燃焼される。

そして、第１配管１に形成されたノズル孔１２が未燃ガスＧ１の燃焼室Ｋにおける燃焼環境での消炎距離よりも小さく設定されているため、火炎は、未燃ガス流路Ｒ１まで延焼しない。
このため、燃焼室Ｋにおいて火炎が安定され、燃焼が継続される。

また、上述のように、燃焼室Ｋにおける燃焼が継続されている状態にて、未燃ガス流路Ｒ１を介して燃焼室Ｋに供給される未燃ガスＧ１は、燃焼ガス流路Ｒ２を流れる燃焼ガスＧ２によって加熱されている。このため、燃焼室Ｋを従来の加熱装置における燃焼室と比較して極めて小さくしても安定な火炎を形成することができる。

このように燃焼室Ｋにて安定して火炎が形成されて燃焼が継続されている状態にて、水流路Ｒ３の水Ｗは、燃焼室Ｋの火炎、及び燃焼ガス流路Ｒ２の燃焼ガスＧ２によって加熱されて蒸発される。すなわち、火炎の熱量及び燃焼ガスＧ２の熱量が熱交換壁として機能する第２配管２を介して水Ｗに伝熱され、この結果水Ｗが加熱されて蒸発される。
そして、水Ｗが蒸発することによって生成された蒸気が不図示の排出部を介して小型ボイラＢ１の外部に排出される。

以上のような本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、未燃ガスＧ１が流れる未燃ガス流路Ｒ１周りに燃焼ガスＧ２が流れる燃焼ガス流路Ｒ２が形成される。このため、未燃ガス流路Ｒ１を流れる未燃ガスＧ１が、燃焼ガス流路Ｒ２を流れる高温の燃焼ガスＧ２によって加熱される。また、未燃ガスＧ１が消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔１２を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて未燃ガス流路Ｒ１から噴出されることによって安定した火炎が形成される。このように安定した火炎は、冷たい水Ｗと接する壁面（第２配管２）に直接触れさせることが可能となる。
そして、本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、安定した火炎が形成される燃焼ガス流路Ｒ２周りに水流路Ｒ３が形成され、当該水流路Ｒ３に水Ｗが流される。
この結果、水流路Ｒ３に流れる水Ｗは、安定した火炎にて水流路Ｒ３が直接加熱されることによって加熱される。したがって、燃焼ガスＧ２によってのみ水流路Ｒ３を加熱する場合と比較して、効率的に水Ｗに熱量を伝熱することができる。よって、本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、エネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、未燃ガス流路Ｒ１を流れる未燃ガスＧ１が燃焼ガス流路Ｒ２を流れる高温の燃焼ガスＧ２によって加熱され、この加熱された未燃ガスＧ１が消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔１２を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて未燃ガス流路Ｒ１から噴出されることによって燃焼される。このような構成を採用する場合には、未燃ガスＧ１が高温の燃焼ガスＧ２によって十分に加熱されるため、小さな燃焼室Ｋにて安定燃焼を継続することが可能となる。
よって、本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、燃焼室を小さくし、装置を小型化することが可能となる。

このように、本実施形態の小型ボイラＢ１によれば、エネルギー効率を向上させると同時に装置のさらなる小型化を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４及び図５は、本実施形態の小型ボイラＢ２を模式的に示した概略構成図であり、図４が水平断面図、図５が斜視図である。
これらの図に示すように、本実施形態の小型ボイラＢ２は、未燃ガス流路Ｒ１が上記第１実施形態の小型ボイラＢ１と同様に第１配管１の内部空間から構成され、水流路Ｒ３が第１配管１を中心として第１配管１から離間して配列される複数の第４配管４の内部空間から構成され、燃焼ガス流路Ｒ２が第１配管１と第４配管４と第４配管４同士の間を閉鎖する隔壁５とによって囲まれた空間から構成されている。

そして、図５に示すように、隔壁５の高さは、第１配管１及び第４配管４の高さと比較して低く設定されている。この結果、小型ボイラＢ２の上部においては、第４配管４同士の間に隙間ができる。そして、当該隙間が燃焼ガスＧ２を水流路Ｒ３の外側領域であって、燃焼ガス流路Ｒ２と反対側の領域に燃焼ガスＧ２を導入する導入部６として機能する。

このように構成された本実施形態の小型ボイラＢ２においては、上記第１実施形態と同様に、燃焼ガスＧ２と熱交換されることによって加熱された未燃ガスＧ１が燃焼ガス流路Ｒ２に噴出されて燃焼されて、新たに燃焼ガスＧ２が発生すると、当該燃焼ガスＧ２の一部が導入部６を介して第４配管４の裏側（燃焼ガス流路Ｒ２と反対側）に回り込む。このため、第４配管４の全周が燃焼ガスＧ２にて加熱され、より効率的に水Ｗを加熱することができる。
よって、本実施形態の小型ボイラＢ２によれば、エネルギー効率をより向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本実施形態の小型ボイラＢ３の模式的な概略構成図であり、水平断面図である。
この図に示すように、本実施形態の小型ボイラＢ３は、第２配管２の外周面から水流路Ｒ３側に突設される複数のフィン１０を備えている。このフィン１０は、第２配管２と一体形成されており、第２配管２と同様に伝熱性の高い材料によって形成されている。

このような構成を有する本実施形態の小型ボイラＢ３によれば、フィン１０によって、燃焼ガス流路Ｒ２を流れる燃焼ガスＧ２と水流路Ｒ３を流れる水Ｗとの熱交換面積が増大し、より効率的に水Ｗを加熱することが可能となる。
したがって、本実施形態の小型ボイラＢ３によれば、エネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本第４実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図７は、本実施形態の小型ボイラＢ４の模式的な概略構成図であり、水平断面図である。
この図に示すように、本実施形態の小型ボイラＢ４においては、第２配管２が所定間隔で燃焼ガス流路Ｒ２側と水流路Ｒ３側とに屈曲されて星型形状とされている。

このような構成を有する本実施形態の小型ボイラＢ４によれば、第２配管２が所定間隔で屈曲されて星型形状とされることによって、燃焼ガス流路Ｒ２を流れる燃焼ガスＧ２と水流路Ｒ３を流れる水Ｗとの熱交換面積が増大し、より効率的に水Ｗを加熱することが可能となる。
したがって、本実施形態の小型ボイラＢ４によれば、エネルギー効率をさらに向上させ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に係る加熱装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、加熱装置の一例として小型ボイラを挙げて説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、水を加熱してお湯とする湯沸かし器や、油やガスを加熱する装置等に適用することもできる。また、大型のボイラや、加熱した粉流体を用いる流動床ボイラ等の工業製品に適用することもできる。
また、本発明の加熱装置を循環型の流動床ボイラに適用する場合には、燃焼ガスを用いて粉流体を搬送することもできる。

また、上記第２実施形態においては、第４配管４が鉛直方向に延在する直管である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第４配管４が鉛直方向を軸とする螺旋形状であっても構わない。
つまり、第４配管４の外形及び断面形状は任意に設定することができる。
また、上記第１〜第４実施形態における第１配管１、第２配管２、第３配管３の外形及び断面形状も一例であり、任意に設定することができる。

本発明の第１実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す水平断面図である。 本発明の第１実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す鉛直断面図である。 本発明の第２実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す水平断面図である。 本発明の第２実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す水平断面図である。 本発明の第４実施形態における小型ボイラの模式的な概略構成を示す水平断面図である。

符号の説明

Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４……小型ボイラ（加熱装置）、１……第１配管、１２……ノズル孔、２……第２配管、３……第３配管、４……第４配管、５……隔壁、６……導入部、Ｒ１……未燃ガス流路（第１流路）、Ｒ２……燃焼ガス流路（第２流路）、Ｒ３……水流路（第３流路）、Ｇ１……未燃ガス、Ｇ２……燃焼ガス、Ｗ……水（被加熱流体）、Ｋ……燃焼室

Claims (3)

1. 被加熱流体を加熱する加熱装置であって、
   可燃燃料を含む未燃ガスが流れる第１流路と、
   消炎距離よりも小さく設定されたノズル孔を介してかつ火炎の維持が可能な流速にて前記第１流路から噴出された前記未燃ガスが燃焼されると共に前記燃焼による燃焼ガスが流れ、前記第１流路の周りに形成される第２流路と、
   前記被加熱流体が流れ、前記第２流路の周りに形成される第３流路と、
   前記第３流路の外側領域であって前記第２流路と反対側の領域に、前記第２流路から前記燃焼ガスを導入する導入部と
   を備えることを特徴とする加熱装置。
2. 前記第１流路が第１配管の内部空間から構成され、
   前記第２流路が前記第１配管と該第１配管を同心円状に囲う第２配管とに挟まれた空間から構成され、
   前記第３流路が前記第２配管と該第２配管を同心円状に囲う第３配管とに挟まれた空間から構成される
   ことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
3. 前記第１流路が第１配管の内部空間から構成され、
   前記第３流路が前記第１配管を中心として前記第１配管から離間して配列される複数の第４配管の内部空間から構成され、
   前記第２流路が前記第１配管と前記第４配管と前記第４配管同士の間を閉鎖する隔壁とによって囲まれた空間から構成される
   ことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。

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