(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成される燃焼空間内面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に中空円筒状の管状火炎を形成して燃焼する管状燃焼器と、
前記管状燃焼器における前記燃焼空間の中心軸に沿って前記燃焼空間を貫通させた流体加熱用伝熱管とを備え、
前記燃焼空間に空気と燃料ガスとの混合気又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させるスリットを、前記燃焼空間の軸方向を長手方向として連なる状態で備え、
前記管状火炎の全体としての軸方向での流動方向と、前記流体加熱用伝熱管の流体の通流方向とを逆方向とする流体加熱装置。
【請求項２】
前記流体加熱用伝熱管を通過する流体が水であり、温水を取り出すように構成されている請求項１に記載の流体加熱装置。
【請求項３】
前記流体加熱用伝熱管を通過する流体が蒸気又は沸騰水と蒸気との混合流体であり、過熱蒸気を取り出すように、又は、蒸気の乾き度を向上させるように構成されている請求項１に記載の流体加熱装置。
【請求項４】
前記流体加熱用伝熱管は、その外周部に伝熱用フィンを設けたフィン付きの管である請求項１〜３の何れか１項に記載の流体加熱装置。
【請求項５】
前記伝熱用フィンは、前記管状燃焼器における燃焼ガスの流動方向に巻いた螺旋状に設けられている請求項４に記載の流体加熱装置。
【請求項６】
前記流体加熱用伝熱管は、前記管状燃焼器における燃焼ガスの流動方向において前記管状燃焼器の下流側に設けられた円筒状の燃焼室及び円筒状の熱交換室を軸方向に貫通するように設けられ、
前記燃焼室は、前記管状燃焼器を通過した燃焼ガスをその旋回を維持して前記熱交換室に導くように構成され、
前記熱交換室は、前記流体加熱用伝熱管内を通過する流体と前記燃焼室から導かれた燃焼ガスとを熱交換させるように構成されている請求項１〜５の何れか１項に記載の流体加熱装置。
【請求項７】
前記流体加熱用伝熱管は、少なくとも前記熱交換室及び前記管状燃焼器を貫通する部分において、その外周部に前記燃焼室における燃焼ガスの流動方向に巻いた螺旋状に伝熱用フィンが設けられたフィン付きの管であり、
前記伝熱用フィンは、前記流体加熱用伝熱管において前記管状燃焼器を貫通する部分よりも前記熱交換室を貫通する部分の方が高さが高くなるように設けられ、
前記燃焼室は、前記流体加熱用伝熱管内を通過する流体と燃焼ガスとの熱交換を抑制するように構成されている請求項６に記載の流体加熱装置。
【請求項８】
前記管状燃焼器が、金属材料の引き抜き成形、押し出し成形もしくはダイキャスト成形にて製造されている請求項１〜７の何れか１項に記載の流体加熱装置。
【請求項９】
前記管状燃焼器を構成する金属材料が、被加熱流体の通流により冷却されている請求項８に記載の流体加熱装置。
【請求項１０】
前記管状燃焼器が、前記燃焼空間の中心軸に沿う方向において複数の分割部分に分割され、それら複数の分割部分の夫々において、燃焼に用いられる空気と燃料ガスとの混合気、もしくは、燃料、空気の流量を独立して調整自在に構成されている請求項１〜９の何れか１項に記載の流体加熱装置。
【請求項１１】
請求項１又は３に記載の流体加熱装置と、その流体加熱装置における燃焼ガスの流動方向において前記流体加熱装置の下流側に燃焼室と予熱器とを設け、
前記燃焼室は、前記流体加熱装置からの燃焼ガスを前記予熱器に導くように構成され、
前記予熱器は、前記燃焼室から導かれた燃焼ガスと供給される水とを熱交換するように構成され、
前記予熱器にて加熱された飽和蒸気を前記流体加熱装置にて加熱して過熱蒸気を取り出すように構成されている過熱蒸気発生器。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の流体加熱装置を１つのユニットとして、複数のユニットを水平方向に並べる状態で配置し、供給される水を前記複数のユニットの夫々にて加熱して温水を取り出すように構成されている給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス等の気体燃料を燃焼させ、温水や蒸気を製造する流体加熱装置（湯沸し器、ボイラ等の熱交換器部分）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体燃料を燃焼させる燃焼器として、円筒状の燃焼空間内面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成して燃焼する管状燃焼器が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、この管状燃焼器の特徴を利用した応用開発も進められている（例えば、特許文献３〜９参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８１０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１０１８号公報
【特許文献３】特開平１１−２７９６５９号公報
【特許文献４】特開平１１−２７０８２７号公報
【特許文献５】特開２００５−３３６０号公報
【特許文献６】特開２００５−９０８２０号公報
【特許文献７】特開２００５−２８３０６５号公報
【特許文献８】特開２００５−２６５３９４号公報
【特許文献９】特開２００６−２０７９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１〜９には、管状火炎が旋回しながら全体として下流に流動する中空円筒状の火炎である特徴を、流体加熱装置に有効利用するものが開示されていない。
【０００５】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、管状火炎の特徴を生かして流体加熱装置を構成し、コンパクトで且つ熱効率の良い流体加熱装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る流体加熱装置の特徴構成は、円筒状に形成される燃焼空間内面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に中空円筒状の管状火炎を形成して燃焼する管状燃焼器と、前記管状燃焼器における前記燃焼空間の中心軸に沿って前記燃焼空間を貫通させた流体加熱用伝熱管とを備え、前記燃焼空間に空気と燃料ガスとの混合気又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させるスリットを、前記燃焼空間の軸方向を長手方向として連なる状態で備え、前記管状火炎の全体としての軸方向での流動方向と、前記流体加熱用伝熱管の流体の通流方向とを逆方向とする点にある。
【０００７】
本特徴構成によれば、管状燃焼器にて形成される管状火炎（の可視光発光部分）は、燃焼空間の壁部に沿って且つ壁部からわずかに浮きあがった状態で、管状（中空の円筒状）に形成される。その管状火炎の中空部分は、ほぼ燃焼反応を終えた（正確にはＣＯがＣＯ2に、ＯＨがＨ2Ｏに変化する反応を一部残した）高温の燃焼ガスが、管状燃焼器出口に向かって、旋回しながら全体として軸方向に流動する。
この燃焼ガスからなる火炎の中空部分に、例えば断面が略円形の流体加熱用伝熱管を通しても、特に旋回流れを妨げることなく、全体的に流動する高温のガスと対向流として熱交換を行うことができる。従って、高温のガスと流体加熱用伝熱管内を通過する流体との間に温度差を取ることができるので、被加熱流体温度が高くなる蒸気過熱等に有利になり、小さな伝熱面積の熱交換器が構成できる。しかも、熱交換器として管状燃焼器外部に設置スペースを要しないので、装置がコンパクトに構成できるとともに、熱交換器外部への熱損失も発生しない。
一方、火炎は流体加熱用伝熱管内の流体で冷却されるため、燃焼反応の平衡論からは、ＣＯの酸化反応が促進される方向に働くとともに、窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）の生成が抑えられるという付帯効果も同時に得られることになる。
【０００８】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記流体加熱用伝熱管を通過する流体が水であり、温水を取り出すように構成されている点にある。
【０００９】
常温水から温水を製造する一般的な装置は、家庭用等に使用される湯沸し器であるが、このような従来の流体加熱装置では、燃焼器、燃焼室、熱交換器がそれぞれ独立して形成され、流体加熱装置としてのコンパクト化には限界があった。本特徴構成によれば、熱交換器の一部を、管状燃焼器を貫通する流体加熱用伝熱管で置き換えることになるため、その分、独立した熱交換器としては小型化できるとともに、管状燃焼器の特徴である高負荷燃焼性を生かすことで、燃焼器部分と燃焼室もコンパクト化でき、湯沸し器全体としても大幅に小型化することが可能になる。
【００１０】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記流体加熱用伝熱管を通過する流体が蒸気又は沸騰水と蒸気との混合流体であり、過熱蒸気を取り出すように、又は、蒸気の乾き度を向上させるように構成されている点にある。
【００１１】
ここで、蒸気とは、飽和蒸気や過熱蒸気としており、沸騰水と蒸気との混合流体とは、所謂湿り蒸気としている。蒸気を製造する流体加熱装置の代表はボイラである。小型ボイラの多くは、飽和蒸気を製造する目的に使用されるが、最近、調理を目的として、過熱蒸気を製造する蒸気発生器が求められるようになってきた。高圧を必要とせずに、（圧力と独立して）高温の蒸気が得られるからである。
本特徴構成では、流体加熱用伝熱管としての蒸気過熱管を管状燃焼器に通すことによって温度差を確保し、蒸気過熱管だけではなく、全体としてもコンパクトに、過熱蒸気発生器を構成することが可能になる。
【００１２】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記流体加熱用伝熱管は、その外周部に伝熱用フィンを設けたフィン付きの管である点にある。
【００１３】
フィン付きの管の種類には、複数の薄板を管の軸方向に取付けたもの、半径方向に取付けたもの、及び一枚の薄板を螺旋状に巻き付けたものが存在する。ここで、フィン付きの管としては、突起を付けたものや溝を掘ったものも含まれるものとする。管の材料としては、鉄鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、銅、銅合金、アルミもしくはアルミ合金等、一般に伝熱管として使用される材料が適用できる。
本特徴構成によれば、いずれの形状、いずれの材料をも用いることができ、伝熱面積を拡大して、交換熱量を大きくできる。ただし、フィンの高さが高い場合は、燃焼ガスの温度が高いので、材質あるいは管との接合度合いによっては、オーバーヒートを起こして焼損するので、比較的フィン高さを抑えたいわゆるローフィンチューブや突起・溝付きチューブを用いると好適である。
【００１４】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記伝熱用フィンは、前記管状燃焼器における燃焼ガスの流動方向に巻いた螺旋状に設けられている点にある。
【００１５】
管状燃焼器における管状火炎は旋回火炎ではあるが、燃焼ガスは、軸方向に管状燃焼器の出口に向かう流れとなっており、いわばネジ運動的な流動を行っている。本特徴構成の如く、この流動に沿った方向に伝熱用フィンを螺旋状に巻き付けた伝熱管を用いれば、流動抵抗（圧損）を最小限に抑えながら、接触時間を長く保つことができるようになるため、熱伝達がさらに促進され、高性能な熱交換器を構成できる。
【００１６】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記流体加熱用伝熱管は、前記管状燃焼器における燃焼ガスの流動方向において前記管状燃焼器の下流側に設けられた円筒状の燃焼室及び円筒状の熱交換室を軸方向に貫通するように設けられ、前記燃焼室は、前記管状燃焼器を通過した燃焼ガスをその旋回を維持して前記熱交換室に導くように構成され、前記熱交換室は、前記流体加熱用伝熱管内を通過する流体と前記燃焼室から導かれた燃焼ガスとを熱交換させるように構成されている点にある。
【００１７】
本特徴構成によれば、管状火炎の中心を貫通する流体加熱用伝熱管を延伸して、円筒状の燃焼室と熱交換室の中心を貫通するように流体加熱装置全体を構成することができる。さらに、流体加熱用伝熱管において熱交換室を貫通する部分に伝熱用フィンを取り付けて流体と燃焼ガスとを熱交換させることで、燃焼ガスを、管状燃焼器における旋回運動を保ったままで、流動させることができる。これによって、燃焼ガスのフィンを含む伝熱面との接触時間を長く保つことができ、熱伝達が促進される。
また、それぞれが円筒形状となる管状燃焼器、燃焼室、及び熱交換室を一本の直管状の流体加熱用伝熱管が貫通する構成となり、流体加熱装置全体を一本の円筒形状にシンプルに構成できる。流体の流れの向きを、燃焼ガスの流れの向きと逆にして、全体として対向しながら熱交換する対向流二重管熱交換器的構成にして、伝熱性能を高めることができる。
さらに、円筒形状に構成された流体加熱装置を一つのユニットとし、これを複数並列あるいは直列に組み合わせることで、大能力の流体加熱装置を構成することも可能になる。
【００１８】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記流体加熱用伝熱管は、少なくとも前記熱交換室及び前記管状燃焼器を貫通する部分において、その外周部に前記燃焼室における燃焼ガスの流動方向に巻いた螺旋状に伝熱用フィンが設けられたフィン付きの管であり、前記伝熱用フィンは、前記流体加熱用伝熱管において前記管状燃焼器を貫通する部分よりも前記熱交換室を貫通する部分の方が高さが高くなるように設けられ、前記燃焼室は、前記流体加熱用伝熱管内を通過する流体と燃焼ガスとの熱交換を抑制するように構成されている点にある。
【００１９】
本特徴構成によれば、流体加熱用伝熱管を軸方向に貫通された管状火炎は、流体加熱用伝熱管内の流体に冷却されて、燃焼反応の一部が凍結された状態（いわゆるクエンチング）になり、ＣＯ濃度が十分に低下しないまま、管状燃焼器下流に排出されることがある。この場合、管状燃焼器下流の燃焼室にて、８００℃から１０００℃程度の温度を保って、ＣＯのＣＯ2への酸化反応の進行を待つ必要がある。この時、燃焼ガスが燃焼室を貫通する流体加熱用伝熱管内の流体に冷却されるとＣＯの酸化反応が停止してしまうという問題が生じる可能性がある。本特徴構成では、例えば、流体加熱用伝熱管から伝熱用フィンを取り払い、あるいは流体加熱用伝熱管を断熱して燃焼室での熱交換を抑制することにより、この問題の発生を防止できる。
一方、燃焼室にて十分に燃焼反応が完結した燃焼ガスは、急冷しても問題ないため、流体加熱用伝熱管において管状燃焼器を貫通する部分よりも熱交換室を貫通する部分の方が高さの高い伝熱用フィンとして、大きな伝熱面積を持ったハイフィンチューブにて熱交換することができ、装置をコンパクトに構成する上で有利である。もちろん、燃焼室を出た直後の燃焼ガスは温度が高いので伝熱用フィンを焼損する可能性があるが、この場合には、上流から下流に向かって順次高さの低い伝熱用フィンから高い伝熱用フィンに伝熱用フィン高さを変えることで対処できる。
これにより、安全で、高い熱効率を発揮するコンパクトな流体加熱装置を提供できる。
【００２０】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記管状燃焼器が、金属材料の引き抜き成形、押し出し成形もしくはダイキャスト成形にて製造されている点にある。
【００２１】
管状燃焼器は、断面二次元形状でその両端をフランジ等で閉じた構造を基本としている。従って、フランジ等を別部品で構成する場合には、管状燃焼器の主要部は、引き抜きや押し出しで成形することができる。このような成形に適した金属材料には、アルミニウム合金や銅合金がある。
また、フランジ等の端部も同時に成形する場合は、三次元構造となるため、ダイキャスト成形が適当である。ダイキャスト成形に適当な金属材料としては、アルミニウム合金や亜鉛合金が挙げられる。
いずれの成形方法であっても、機械加工で成形する方法に比べて安価に量産することが可能である。
【００２２】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記管状燃焼器を構成する金属材料が、被加熱流体の通流により冷却されている点にある。
【００２３】
管状火炎は、火炎の外周部が未燃混合気であるため、対流伝熱によっては管状燃焼器を加熱しない特徴がある。しかし、実際には、輻射や管状燃焼器端部からの熱伝導によって管状燃焼器の温度は上昇する。もちろん、耐火材で管状燃焼器内部を覆う必要が生じるほどの温度上昇はないものの、耐熱金属材料を使用して管状燃焼器を製造するのが望ましいことに違いない。しかしながら、管状燃焼器を製造するに当たり、上述の如く、金属材料の引き抜き成形、押し出し成形もしくはダイキャスト成形に適する金属材料は、いずれも比較的融点が低いので、管状燃焼器の材料として使用する場合には変形や溶融の懸念が生じる。
そこで、本特徴構成によれば、管状燃焼器を構成する金属材料に、被加熱流体即ち水や蒸気を通流させて冷却する。実際には、管状燃焼器を構成する金属材料の内部に、被加熱流体を通流させる通路を設けたり、あるいは冷却管を通したりして、金属材料を冷却することができる。
これにより、低融点金属を使用して管状燃焼器を製造することができ、ダイキャスト成形等の安価な生産方式にて量産することが可能になる。なお、ダイキャスト等で管状燃焼器を製造する場合においては、被加熱流体を通流させる通路を造ることは、その型を複雑にすることになるが、初期投資として一度型を作ってしまえば、後はコストが掛からずに量産できることになる。
【００２４】
本発明に係る流体加熱装置の更なる特徴構成は、前記管状燃焼器が、管軸方向において複数の分割部分に分割され、それら複数の分割部分の夫々において、燃焼に用いられる空気と燃料ガスとの混合気、もしくは、燃料、空気の流量を独立して調整自在に構成されている点にある。
【００２５】
管状燃焼器は、燃焼空間の中心軸に沿って流体加熱用伝熱管を通す場合には、管軸方向（燃焼空間の中心軸に沿う方向）に長い形状となることが多い。この場合、燃料と空気、あるいは混合気を管軸方向のスリットから噴出する場合に、管軸方向においてその流速分布を一様に保つことが難しくなる。
また、これらの流速分布は、管軸方向において一様とすることが必ずしも最適とは限らず、例えば、管状燃焼器外部に形成される火炎を小さく、言い換えれば、管状燃焼器内部でほとんど燃焼を完結させたい場合もあり、この場合には、管状燃焼器における燃焼ガスの流動方向において上流側で燃料と空気の流量を大きくし、下流側に行くに従って、燃料と空気の流量を少なくすることが考えられる。あるいは、上流側での空気比を小さく、下流側での空気比を大きくすることも可能である。
そこで、本特徴構成によれば、管状燃焼器を管軸方向に複数の分割部分に分割し、分割部分毎に燃料や空気の量を制御すること（ゾーン制御）を行うことで、上流側で燃料と空気の流量を大きくし、下流側に行くに従って、燃料と空気の流量を少なくしたり、あるいは、上流側での空気比を小さく、下流側での空気比を大きくすることができる。よって、用途に応じて分割部分毎に燃料や空気の量を制御することができ、便利になる。ここで、各分割部分は管軸方向の長さを同じにする必要はなく、用途に適した長さにすることができる。ただし、ダイキャストで成形する場合には、同じ寸法とすることで金型を１つにすることができ、経済的である。
管状燃焼器の全体はこれらの分割部分をつなぎ合わせて構成する。これにより、必要な燃焼量と流体加熱用伝熱管への熱伝達が確保される。
なお、管状燃焼器を分割することによる付帯効果として、温度上昇時に燃料等を噴出するためのスリットの変形が抑えられることが挙げられる。管状燃焼器の材料が昇温すれば熱膨張が生じるが、管軸方向に長尺のスリットが開いていると、その部分で中央部のスリット幅が大きくなる変形を生じる。管状燃焼器を分割することでこのような変形を最小限度に抑制することが可能になる。
【００２６】
本発明に係る流体加熱装置を用いた蒸気発生器の特徴構成は、流体加熱装置と、その流体加熱装置における燃焼ガスの流動方向において前記流体加熱装置の下流側に燃焼室と予熱器とを設け、前記燃焼室は、前記流体加熱装置からの燃焼ガスを前記予熱器に導くように構成され、前記予熱器は、前記燃焼室から導かれた燃焼ガスと供給される水とを熱交換するように構成され、前記予熱器にて加熱された飽和蒸気を前記流体加熱装置にて加熱して過熱蒸気を取り出すように構成されている点にある。
【００２７】
本特徴構成によれば、流体加熱装置から排出された燃焼ガスは、燃焼室を通して予熱器に供給され予熱器に供給される水を加熱することができる。予熱器に供給される水は、予熱器にて加熱されて飽和蒸気となり、その飽和蒸気を流体加熱装置にてさらに加熱することで、過熱蒸気を取り出すことができる。また、例えば、流体加熱装置と予熱器とを上下に重複するように配置することができ、このような配置とすることでコンパクトな過熱蒸気発生器を構成できる。
【００２８】
本発明に係る流体加熱装置を用いた給湯装置の特徴構成は、流体加熱装置を１つのユニットとして、複数のユニットを水平方向に並べる状態で配置し、供給される水を前記複数のユニットの夫々にて加熱して温水を取り出すように構成されている点にある。
【００２９】
本特徴構成によれば、流体加熱装置であるユニットの複数の夫々にて水を加熱して温水を取り出すことができる。しかも、流体加熱装置であるユニットの複数を水平方向に並ぶ状態で配置することで、高い熱効率を発揮するコンパクトな給湯装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態における流体加熱装置を示す図
【図２】第２実施形態における流体加熱装置を示す図
【図３】第３実施形態における流体加熱装置を示す図
【図４】第３実施形態における流体加熱装置を湯沸し器に適応したときのレイアウト図
【図５】管状燃焼器における要部の別実施形態を示す図
【図６】管状燃焼器における要部の別実施形態を示す図
【図７】管状燃焼器における要部の別実施形態を示す図
【図８】管状燃焼器の別実施形態を示す断面図
【図９】管状燃焼器の別実施形態を示す斜視図
【図１０】管状燃焼器の別実施形態を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、本発明に係る流体加熱装置の概念図を示す。図１（ａ）は流体加熱装置の側断面図であり、図１（ｂ）は流体加熱装置の軸方向での断面図である。
管状燃焼器１は、円筒状に形成された燃焼空間２と、その燃焼空間２に供給する混合気を受け入れる受入空間３とを備えている。軸方向での断面において、燃焼空間２は中央部に配置され、受入空間３は燃焼空間２を挟み込む状態で両端部に設けられている。燃焼空間２と２つの受入空間３との夫々は、軸方向に連なる状態で管状燃焼器１の略全長に亘って形成された２つのスリット４にて連通されており、混合気を燃焼空間２の内面の接線方向に向けて対向して噴出するように構成されている。受入空間３に導入された混合気は、スリット４を介して燃焼空間２の内面の接線方向に線状に対向して噴射され、旋回する混合気が形成される。可燃限界内の適当な空気比の混合気は、点火すると燃焼し、中空円筒状のいわゆる管状火炎を形成する。管状火炎の中空部分は、ほぼ燃焼反応を終えた（正確にはＣＯがＣＯ2に、ＯＨがＨ2Ｏに変化する反応を一部残した）高温の燃焼ガスであり、その燃焼ガスが、管状燃焼器１の出口に向かって、旋回しながら全体として軸方向に流動する。
【００３２】
管状燃焼器１における燃焼空間２の中心軸に沿って燃焼空間２を貫通させた流体加熱用伝熱管５を設けている。これにより、管状火炎の中心を貫通して流体加熱用伝熱管５を設置して、旋回しつつ下流（図１中左側）に流動する燃焼ガス流とこの流れと逆方向（図１中右側）に流動する流体の熱交換が行われる。ここでは、燃焼ガスの流動の向きと流体の流動の向きとが対向するように配置されているので、効率的に熱交換が行われる。この流体加熱装置では、流体加熱用伝熱管５を通過する流体が水であり、温水を取り出すように構成されている。管の材料としては、鉄鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、銅、銅合金、アルミもしくはアルミ合金等、一般に伝熱管として使用される材料が適用できる。
熱交換器として管状燃焼器１外部に設置スペースを要しないので、流体加熱装置がコンパクトに構成できるとともに、熱交換器外部への熱損失も発生しない。よって、管状火炎の特長を生かし、スペースを有効に利用する高効率な伝熱を行うことができる。
【００３３】
〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る流体加熱装置の第２実施形態を示すものであり、図１の流体加熱装置を過熱蒸気発生器６に応用した例を示している。この場合、流体加熱用伝熱管５を通過する流体が蒸気又は沸騰水と蒸気との混合流体であり、過熱蒸気を取り出すように構成されている。ちなみに、過熱蒸気を取り出すのに代えて、蒸気の乾き度を向上させることもできる。燃焼ガスの流動方向において管状燃焼器１の下流には、燃焼室７と予熱器８とが設けられている。管状燃焼器１と予熱器８とは上下に重複するように配置されている。燃焼室７は、管状燃焼器１の側部と予熱器８の側部とを連通するように配置され、管状燃焼器１における燃焼ガスの流動方向を折り返して予熱器８に燃焼ガスを導くように構成されている。これにより、管状燃焼器１をでた燃焼ガスの燃焼熱を蒸気の発生に有効に回収できるように構成されている。ボイラ給水は予熱器８と蒸発缶９を通って飽和蒸気となり、流体加熱用伝熱管５に入ってさらに加熱され、過熱蒸気となる。熱伝達が悪いために大きな熱交換器を必要とする蒸気の過熱に管状火炎を適用して、過熱蒸気発生器６を管状燃焼器１以外のスペースをほとんど必要とせずに構成している。
よって、過熱蒸気発生器６として応用した場合でも、過熱蒸気を取り出すことができながら、管状火炎の特長を生かし、スペースを有効に利用する高効率な伝熱を行うことができる。
【００３４】
〔第３実施形態〕
図３は、本発明に係る流体加熱装置の第３実施形態を示すものであり、流体加熱装置を湯沸し器ユニット１０（ユニットに相当する）に応用した例である。この第３実施形態では、管状燃焼器１における２つの受入空間３の一方が、空気を受け入れる空気用受入空間３ａとなっており、他方が燃料ガスを受け入れる燃料ガス用受入空間３ｂとなっている。また、２つのスリット４も、一方は空気用受入空間３ａと燃焼空間２とを連通する空気用スリット４ａとなっており、他方は燃料ガス用受入空間３ｂと燃焼空間２とを連通する燃料ガス用スリット４ｂとなっている。これにより、燃焼空間２内面の接線方向に向けて空気と燃料ガスとを各別に噴出させている。
【００３５】
燃焼ガスの流動方向において管状燃焼器１の下流側には、管状燃焼器１における円筒状の燃焼空間２に連続するように、円筒状の燃焼室１１及び円筒状の熱交換室１２が設けられている。燃焼室１１及び熱交換室１２は、その周囲が断熱材１３にて覆われている。流体加熱用伝熱管５は、その外周部に伝熱用フィン１４を設けたフィン付きの管であり、管状燃焼器１、燃焼室１１及び熱交換室１２を貫通する一本の管にて構成されている。これにより、流体加熱装置全体を一本の円筒形状にシンプルに構成できる。ただし、燃焼室１１に対応する部位にはフィンを設けていない。そして、流体加熱用伝熱管５内の流体の流れの向き（図３中上側から下側）を、燃焼ガスの流れの向き（図３中下側から上側）と逆にして、全体として対向しながら熱交換する対向流二重熱交換器のような構成として、伝熱性能を向上することができる。
【００３６】
伝熱用フィン１４は、燃焼ガスの流動方向に巻いた螺旋状に設けられている。これにより、燃焼ガス側の圧損を抑えながら、効率的に熱交換を行うことができる。また、伝熱用フィン１４は、流体加熱用伝熱管５において、管状燃焼器１と貫通する部分では高さの低いローフィン１４ａとしており、燃焼室１１を貫通する部分ではフィン無し（ベアチューブ）としており、熱交換室１２を貫通する部分では高さの高いハイフィン１４ｂとしている。これにより、管状燃焼器１内では伝熱用フィン１４の焼損を防止でき、しかも、燃焼室１１内では燃焼反応を完結させることができ、さらに、熱交換室１２内では伝熱を促進することができる。よって、安全で、高い熱効率を発揮するコンパクトな流体加熱装置を提供できる。
【００３７】
ちなみに、この実施形態では、伝熱用フィン１４は、流体加熱用伝熱管５において熱交換室１２を貫通する部分では高さが同一のハイフィン１４ｂとしているが、例えば、燃焼ガスの流動方向の上流から下流に向かって順次高さの低い伝熱用フィンから高い伝熱用フィンに伝熱用フィン高さを変えることもできる。このようにすることで、伝熱用フィン１４の焼損を確実に防止できる。
【００３８】
図４は、図３に示した湯沸し器ユニット１０を並列的に３ユニット設置して湯沸し器（給湯装置に相当する）を構成したレイアウトを示す図である。湯沸し器のケーシング１５内には、水平方向に並ぶ３本の湯沸し器ユニット１０の他に、湯沸し器ユニット１０における管状燃焼器１に空気を供給するためのファン１６、湯沸し器の運転を制御する制御装置１７等が設けられている。湯沸し器ユニット１０における管状燃焼器１には、燃料ガスと空気とを各別に導入するように構成されている。湯沸し器ユニット１０では、燃焼ガスの流動方向を図中下側から上側としており、流体加熱用伝熱管５内の水の流動方向を図中上側から下側としている。例えば、１ユニットを８号（熱出力１２０００ｋｃａｌ／ｈ）能力のものとすれば、現在のガス給湯装置の主流を占める２４号能力となる。また、さらに１ユニットを暖房用等向けに設置すれば、セントラルヒーティングボイラとなる。これにより、現行の湯沸し器を大幅にコンパクトにすることができる。
【００３９】
〔別実施形態〕
（１）上記第１実施形態では、図１（ｂ）に示すように、受入空間３に混合気を導入してその混合気を受入空間３から燃焼空間２に噴出するように構成している。この構成に代えて、例えば、図５に示すように、受入空間３として、空気を受け入れる空気用受入空間３ｃと燃料ガスを受け入れる燃料ガス用受入空間３ｄとを周方向に交互になるように２つずつ設け、空気用受入空間３ｃから燃焼空間２内面の接線方向に向けて空気を噴出する流路途中に燃料ガス用受入空間３ｄから燃料ガスを供給することにより、その流路途中において混合気を形成して燃焼空間２内面の接線方向に向けて混合気を噴出するように構成することができる。この場合、空気用受入空間３ｃから燃焼空間２内面の接線方向に向けて空気を噴出する空気用スリット４ｃと、その空気用スリット４ｃの流路途中部分に燃料ガス用受入空間３ｂから燃料ガスを供給する燃料ガス用スリット４ｄとを設けている。
【００４０】
（２）上記第２実施形態において、燃焼空間２内面の接線方向に向けて空気と燃料ガスとを各別に噴出させる構成として、例えば、図６に示す構成を適応することができる。受入空間３として、空気を受け入れる空気用受入空間３ｅと燃料ガスを受け入れる燃料ガス用受入空間３ｆとを周方向に交互になるように２つずつ設けている。スリット４として、空気用受入空間３ｅから燃焼空間２内面の接線方向に空気を噴出する空気用スリット４ｅと、燃料ガス用受入空間３ｆから燃焼空間２内面の接線方向に燃料ガスを噴出する燃料ガス用スリット４ｆとを設けている。空気用スリット４ｅは、燃料ガス用スリット４ｆよりも幅広に形成している。
【００４１】
（３）当該実施形態は、本発明の権利範囲に含まれるものではなく、本発明に対する参考形態である。上記第１〜第３実施形態では、管状燃焼器１において、燃焼空間２内面の接線方向に向けて混合気や空気と燃料ガスとを各別に噴出するに当たり、燃焼空間２と受入空間３とを連通するスリット４を用いている。当該参考形態では、例えば、図７に示すように、空気と燃料ガスとの混合気を燃焼空間２内面の接線方向に向けて噴出するノズル１８を用いる構成とする。この場合には、例えば、対向して混合気を噴出する一対のノズル１８ａ，１８ｂを軸方向に間隔を隔てて２組設けている。ノズル１８から噴出される混合気は、連通路１９により燃焼空間２内面の接線方向に向けて噴出される。
【００４２】
（４）上記第３実施形態では、流体加熱用伝熱管５を通過する流体が水であり、温水を取り出すようにしているが、流体加熱用伝熱管５を通過する流体を蒸気又は沸騰水と蒸気との混合流体として、過熱蒸気を取り出すこともできる。
【００４３】
（５）上記第３実施形態において、フィン付きの流体加熱用伝熱管５として、１枚の伝熱用フィンを螺旋状に巻き付けたものに限らず、例えば、複数の伝熱用フィンを管の軸方向に取付けたものや半径方向に取付けたもの等、各種のフィン付きの管を適応することができる。また、突起を付けたものや溝を掘ったものも、フィン付きの管として適応することができる。
上記第１及び第２実施形態において、流体加熱用伝熱管５をフィン付きの管とすることもできる。
【００４４】
（６）上記第１〜第３実施形態において、流体加熱用伝熱管５は、直管状に構成することが燃焼ガス流の旋回を保つ上で有利ではあるが、エルボやベンド等の継手を入れて管を曲げることも可能であり、適切に設計すれば、旋回を保つことができる。このような構成にすれば、直管状に構成した場合に全体の長さが長くなり過ぎる場合に、折り曲げることや折り畳むことが可能になる。
【００４５】
（７）上記第１〜第３実施形態において、管状燃焼器１を金属材料の引き抜き成形、押し出し成形もしくはダイキャスト成形にて製造することができる。引き抜き成形や押し出し成形にて管状燃焼器１を製造する場合には、例えば、管軸方向（燃焼空間２の中心軸に沿う方向）の両端をフランジ等で閉じた構造とすることができ、フランジ等を別部品で構成し、その別部品を除く管状燃焼器１の主要部を、引き抜きや押し出しで成形することができる。このような成形に適した金属材料には、例えば、アルミニウム合金や銅合金がある。また、フランジ等の端部も同時に成形する場合は、ダイキャスト成形が適当である。ダイキャスト成形に適当な金属材料としては、アルミニウム合金や亜鉛合金がある。
【００４６】
上述のような成形にて管状燃焼器１を製造する場合には、例えば、図８及び図９に示すように、管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋを被加熱流体Ｒ（例えば水や蒸気）の通流により冷却させることが好適である。図８は、管状燃焼器１の断面図を示しており、図９は、管状燃焼器１の斜視図を示している。図８及び図９に示す管状燃焼器１では、上記（２）にて例示した図６に示す管状燃焼器１と同様に、燃焼空間２内面の接線方向に向けて空気と燃料ガスとを各別に噴出させている。図８及び図９に示す構成に代えて、第１実施形態にて例示した図１や上記（１）にて例示した図５のように、燃焼空間２内面の接線方向に向けて混合気を噴出させることもできる。
【００４７】
図８に示すように、管状燃焼器１は、断面形状が四角状に形成されており、受入空間３として、空気を受け入れる空気用受入空間３ｇと燃料ガスを受け入れる燃料ガス用受入空間３ｈとを周方向に交互になるように２つずつ設けている。スリット４として、空気用受入空間３ｇから燃焼空間２内面の接線方向に空気を噴出する空気用スリット４ｇと、燃料ガス用受入空間３ｈから燃焼空間２内面の接線方向に燃料ガスを噴出する燃料ガス用スリット４ｈとを設けている。空気用スリット４ｇは、燃料ガス用スリット４ｈよりも幅広に形成している。管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋの内部には、管軸方向に沿って被加熱流体Ｒを通流させる被加熱流体用通流路２０が設けられている。被加熱流体用通流路２０は、円筒状の燃焼空間２の周方向において、空気用受入空間３ｇと燃料ガス用受入空間３ｈとの間の夫々に合計４つ設けられている。図８及び図９において、２１は点火プラグであり、２２はフレームロッドである。
図８及び図９に示す管状燃焼器１では、管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋの内部に被加熱流体用通流路２０を設けているが、この構成に代えて、例えば、管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋの内部に冷却管を通すことにより管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋを冷却することもできる。
このようにして、管状燃焼器１を構成する金属材料Ｋを冷却することにより、管状燃焼器を構成する金属材料として、比較的融点が低い材料を使用しても変形や溶融の発生を防止できる。よって、低融点金属を使用して管状燃焼器１を製造することができ、ダイキャスト成形等の安価な生産方式にて量産することが可能になる。なお、ダイキャスト等で管状燃焼器１を製造する場合においては、金型を変更することにより被加熱流体用通流路２０を形成する状態で管状燃焼器１を製造することができる。
【００４８】
（８）上記第１〜３実施形態において、図１０に示すように、管状燃焼器１を、管軸方向（燃焼空間２の中心軸に沿う方向）において複数の分割部分（例えば３つの分割部分１ａ〜１ｃ）に分割し、それら複数の分割部分１ａ〜１ｃの夫々において、燃焼に用いられる空気と燃料ガスとの混合気、もしくは、燃料、空気の流量を独立して調整自在に構成することができる。図１０は、上記第１実施形態にて例示した図１と同様に、受入空間３が混合気を受け入れ、受入空間３の混合気をスリット４を通して燃焼空間２に噴出させる管状燃焼器１を示している。図１０に示す管状燃焼器１に代えて、上記（１）にて例示した図５に示すように、空気を噴出する流路途中に燃料ガスを供給し流路途中において混合気を形成して燃焼空間２に噴出させる構成の管状燃焼器１や、上記（２）にて例示した図６に示すように、空気と燃料ガスとを各別に燃焼空間２に噴出させる構成の管状燃焼器１とすることもできる。
【００４９】
図１０に示すように、分割部分１ａ〜１ｃの夫々に対して受入空間３に混合気を供給する混合気供給路２３の夫々に混合気供給量調整弁２４が設けられており、この混合気供給量調整弁２４の開度を図外の制御装置等により制御することにより、分割部分１ａ〜１ｃ毎に混合気の量を制御するゾーン制御を行うことができる。これにより、例えば、燃焼ガスの流れ方向の上流側と下流側とで混合気の量を変更させることができ、用途に応じて分割部分１ａ〜１ｃ毎に混合気の量を制御することができ、便利なものとなる。
また、上記（２）にて例示した図６に示すように、空気と燃料ガスとを各別に燃焼空間２に噴出させる構成の管状燃焼器１とした場合には、燃焼ガスの流れ方向の上流側で燃料と空気の流量を大きくし、下流側に行くに従って、燃料と空気の流量を少なくしたり、あるいは、上流側での空気比を小さく、下流側での空気比を大きくすることができる。
図１０に示すものでは、各分割部分１ａ〜１ｃは管軸方向の長さを同じにしているが、必ずしも同じにする必要はなく、用途に適した長さにすることができる。ただし、管状燃焼器１をダイキャストで成形する場合には、各分割部分の管軸方向の長さを同じ寸法とすることで金型を１つにすることができ、経済的である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、円筒状に形成された燃焼空間内面の接線方向に向けて、空気と燃料ガスとの混合気を噴出させて又は空気と燃料ガスとを各別に噴出させて、管状火炎を形成して燃焼する管状燃焼器と、管状燃焼器における燃焼空間の中心軸に沿って燃焼空間を貫通させた流体加熱用伝熱管とを備え、管状火炎の特長を生かして、スペースを有効に利用する高効率な伝熱を行える各種の流体加熱装置に適応することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１      管状燃焼器
２      燃焼空間
５      流体加熱用伝熱管
６      過熱蒸気発生器
７      燃焼室
８      予熱器
１０    ユニット（湯沸し器ユニット）
１１    燃焼室
１２    熱交換室
１４    伝熱用フィン
Ｋ      金属材料
Ｒ      被加熱流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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