(57)【要約】【課題】簡易な構成で排気熱の回収効率を高めて熱対流により室内空気を暖めて排気熱を有効に利用し、かつ排気管と放熱板の熱膨張率の相違による緩みや脱落を防止可能な装着性の良い熱交換器を提供する。【解決手段】  排気管の外周に密着して装着される放熱器４により排気熱の回収効率を向上させて熱対流により室内空気を暖め排気熱を有効に利用しつつ熱放射を遮熱して排気管周囲の過熱を防止する。また、放熱器４と排気管との熱膨張率の違いによる円周長の偏差による締結手段８ａの緩みを付勢手段９によって自動的に調整して高温時にも摩擦力を維持して熱交換器３の脱落を防止する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
内径が排気管外径と等しい曲率半径を持ち当該排気管の半周長より短い半円筒状の金属ベース板に複数の放熱フィンが前記金属ベース板の径方向外側に放射状に一体成形された放熱器と、
内径が前記排気管外径と等しい曲率半径を持ち、前記金属ベース板と組み合わせて前記排気管外周に前記放熱器を着脱可能に固定する固定ベース板と、
前記排気管を囲んで装着される前記固定ベース板と前記金属ベース板との連結部の一方に所定のクリアランスを設けて締結する締結手段と、
前記固定ベース板と前記金属ベース板との間の前記クリアランスを縮小する方向に常時付勢する付勢手段と、を具備したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
内径が排気管外径に等しい曲率半径を持ち当該排気管の半周長より短い半円筒状の金属ベース板に複数の放熱フィンが前記金属ベース板の径方向外側に放射状に一体成形された一対の放熱器と、
前記排気管を囲んで装着される一対の前記金属ベース板の連結部の一方に所定のクリアランスを設けて締結する締結手段と、
前記一対の前記金属ベース板どうしの間の前記クリアランスを縮小する方向に常時付勢する付勢手段と、を具備したことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
前記締結手段はボルト及びナットであり、前記付勢手段は前記ボルトの外周に弾発可能に嵌め込まれた耐熱性コイルばねである請求項１又は２記載の熱交換器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、例えば薪ストーブ、ペレットストーブなどの暖房装置の排気管に対して着脱自在に装着して熱交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
薪を直接燃焼する暖房装置として薪ストーブがあり、炎の癒し効果により根強い人気がある。地球温暖化防止が緊急の課題となっている中で、薪は大気中のＣＯ２が増加しないカーボンニュートラル性および再生可能エネルギーであることから評価が高まっている。また原子力発電の事故により安全性への認識が高まり、太陽光発電や風力発電など自然エネルギーの不安定さに比べ夜間でも悪天候下でも使える薪の生存性からも、近年は薪ストーブの普及が加速している。
【０００３】
薪ストーブの煙突は排気ガスにより高温となるが、円筒状であり表面積が最小であることから、熱対流による排気熱の回収は少なく熱放射が支配的である。そのため排気熱回収の効率が上がらないのが現状である。
暖房装置の排気熱を効率よく利用して室内暖房に利用する技術として、例えば特許公開２００８−１６４２５８号公報（先行技術文献１）には、暖房器具の煙突に装着する放熱シートが提案されている。これは、ステンレス製粘着テープを中心線で山折りして放熱板を複数枚形成し、放熱用シートを煙突の外周に粘着させるか針金を用いて固定するようになっている。
また、実開昭６１−２００５５５号公報（先行技術文献２）には、煙突を囲んで外筒を設け、煙突の内外に放熱板を放射状に設けた温風装置が提案されている。これにより、煙突内の排気に晒される収熱板より収熱して煙突外の放熱板より空気流によって放熱するようになっている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６４２５８号公報
【特許文献２】実開昭６１−２００５５５号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した先行技術文献に開示された放熱構造には、以下に述べる課題があった。
先ず、先行技術文献１の放熱シートは、ステンレス製粘着テープを山折りして放熱板を形成しているが、放熱板自体の熱容量が少ないため、煙突から放熱板への熱伝導効率が低く排気熱の回収効率が悪い。また、放熱シートの煙突へ固定が粘着テープの粘着や針金による固定では、粘着層が煙突の熱収縮により経時劣化したり煙突との熱膨張率の相違から位置ずれが生じたり脱落するおそれもあり、装着性も優れているとはいい難い。
また、先行技術文献２に開示された煙突の内外に放熱板を設ける場合、煙突のほぼ全長にわたって放熱板を設けるため、煙突の構造が複雑かつ大型になり、これを覆う外筒も必要であるため、排気装置が大型化複雑化し、しかも外筒には放熱板より放熱するための空気流を起こすための送風ファンも必要になるため、部品点数も多く製造コストもかさむ。
【０００６】
本考案はこれらの課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは簡易な構成で排気熱の回収効率を高めて熱対流により室内空気を暖めて排気熱を有効に利用し、かつ排気管と放熱板の熱膨張率の相違による緩みや脱落を防止可能な装着性の良い熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本考案に係る熱交換器は、以下の構成を備える。
内径が排気管外径と等しい曲率半径を持ち当該排気管の半周長より短い半円筒状の金属ベース板に複数の放熱フィンが前記金属ベース板の径方向外側に放射状に一体に形成された放熱器と、内径が前記排気管外径と等しい曲率半径を持ち、前記金属ベース板と組み合わせて前記排気管外周に前記放熱器を着脱可能に固定する固定ベース板と、前記排気管を囲んで装着される前記固定ベース板と前記金属ベース板との連結部の一方に所定のクリアランスを設けて締結する締結手段と、前記固定ベース板と前記金属ベース板との間の前記クリアランスを縮小する方向に常時付勢する付勢手段と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、放熱器により排気熱の回収効率を向上させて熱対流により室内空気を暖め排気熱を有効に利用しつつ熱放射を遮熱して排気管周囲の過熱を防止することができる。また、放熱器と排気管との熱膨張率の違いによる円周長の偏差による締結手段の緩みを付勢手段によって自動的に調整して高温時にも摩擦力を維持して熱交換器の脱落を防止することができる。
【０００９】
内径が排気管外径に等しい曲率半径を持ち当該排気管の半周長より短い半円筒状の金属ベース板に複数の放熱フィンを前記金属ベース板の径方向外側に放射状に一体成形された一対の放熱器と、前記排気管を囲んで装着される一対の前記金属ベース板どうしの連結部の一方に所定のクリアランスを設けて締結する締結手段と、前記一対の前記金属ベース板どうしの間の前記クリアランスを縮小する方向に常時付勢する付勢手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、排気管のほぼ全周にわたって放熱器が装着されているので、該放熱器により排気熱の回収効率を更に向上させ熱対流により室内空気を暖めつつ熱放射を遮熱して排気管周囲の過熱を防止することができる。
【００１１】
また、前記締結手段はボルト及びナットであり、前記付勢手段は前記ボルトの外周に嵌め込まれた耐熱性コイルばねを用いることにより、一対の金属ベース板どうしをボルトとナットで締結することで放熱器を装着することができるため装着性がよくしかも耐熱性コイルばねで締付け力を維持することができるので放熱器と排気管との熱膨張率の違いによるボルトとナットの緩みによる脱落を防止することができる。
【考案の効果】
【００１２】
本考案によれば、簡易な構成で排気熱の回収効率を高めて熱対流により室内空気を暖めて排気熱を有効に利用し、かつ排気管と放熱板の熱膨張率の相違による緩みや脱落を防止可能な装着性の良い熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】熱交換器の斜視図である。
【図２】熱交換器の固定ベース板側から見た正面図及び平面図である。
【図３】他例に係る熱交換器の平面図である。
【図４】熱交換器の取り付け位置を示すレイアウト図である。
【図５】暖房効率の改善原理を説明する説明図である。
【図６】暖房効率のモデルを説明するグラフ図である。
【考案を実施するための形態】
【００１４】
本考案に係る熱交換器の実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。以下の実施例では、暖房装置の一例として固体燃料として薪を用いた薪ストーブを例示して説明するものとする。
【００１５】
まず、図４を参照して、薪ストーブの放熱量について図４を参照して説明する。薪ストーブ１の火炎の温度が６５０℃、排気ガス温度が煙突２の入口で３５０℃、煙突２の出口で５０℃とすると、薪ストーブ１の発熱量は、６５０℃−３５０℃＝３００℃に相当する熱量となる。即ち、薪ストーブ１で概ね３００℃、煙突２で３００℃程度低下する。言い換えれば薪ストーブ１で発熱量の約５０％、室内の煙突２で約２０％が室内に回収され、残り約３０％は屋外の煙突の放熱と排気による損失となっている。従って室内の煙突２で排気熱をできるだけ多く回収して排気損失を減らせば暖房効率を大幅に向上できることがわかる。
【００１６】
室内煙突２から排気熱を回収するためには二重構造の煙突は不適格であるので一重構造の煙突とする。また煙突姿勢は鉛直とする。また、煙突２の材質はステンレス板材が一般的に使用される。本考案は上記仕様の既設の室内煙突２に容易に追加できる熱交換器３（図１参照）を提供するものである。
【００１７】
ここで、熱交換器３に求められる特性について説明する。
排気熱の室内への移動は、煙突２が円筒状であることから表面積は最小であり空気への熱対流は少なく熱放射が主である。しかしながら、熱放射はステファン＝ボルツマンの法則により温度の４乗に比例するため煙突温度が低いと急激に減少する。薪ストーブ１は燃焼状態によって煙突温度が１００℃以下から３００℃以上と大きく変化する。図６に示すように薪ストーブ１からの距離によっても大きく変化し、高温部分は煙突入口（排気方向上流側）付近となり比較的狭い範囲であることがわかる。そのため、煙突２からの熱放射による排気熱の回収効率は低く抑えられている。
【００１８】
図５の模式図にあるように、煙突２の排気熱をより多く室内へ取り込むためには放熱手段（例えば熱交換器３）を取り付けて煙突表面積を増加させて熱対流を大きくすればよい。熱抵抗θ＝１／ｈＡ、ｈ＝熱伝達率、Ａ＝表面積、より表面積を大きくすれば熱抵抗が小さくなることが判る。
また、図６のグラフ図に示すように、放熱手段（熱交換器３）を設けることにより排気熱は熱対流にて室内空気に移動し煙突温度が低下し、その結果温度勾配が大きくなり、より多くの排気熱が室内へ移動する。熱対流による排気熱回収は室温近くまで効果があることから熱放射による場合より多くの排気熱を回収できることになる。
【００１９】
しかしながら放熱手段により煙突温度が低下することは同時に熱放射が減ることを意味する。一方、暖かいと体感するに熱放射は効果的であり無くすわけにはいかない。そこで排気熱の回収効率を向上しなおかつ体感温度の維持を両立させるために、熱交換器３を設けるのは、図４に示すように室内の煙突２の入口側（排気方向上流側）とし、図１に示すように放熱手段を壁面側の半周のみに設けることとした。これによりストーブ１の前面側の煙突２からの熱放射により体感温度を上げ、ストーブ背面即ち壁面側の煙突２では放熱手段により排気熱の回収効率を向上できる。そして同時に放熱手段により壁面側の熱放射が遮熱されることから煙突２周囲の壁面の過熱を防止することができる。
【００２０】
図１において、熱交換器３の一例について説明する。
放熱器４は、内径が室内に設置される煙突２（排気管；図４参照）の外径に等しい曲率半径を持ち当該煙突２の半周より長さが短い半円筒状の金属ベース板５を備えている。金属ベース板５は内径が煙突２の外径曲率半径と等しい円筒とする。煙突外径寸法は規格化されており、例えばφ１５０、φ１２０など数種類で大半の煙突２に対応可能である。円筒状であることから煙突２と密着する面積を広くすることができ熱抵抗が小さくなり、煙突２から大量の排気熱を熱伝導することができる。また、周方向長さ（周長）を煙突２の半周長より短くすることで既設の煙突２を分解することなく取り付け可能である。また煙突２の半周長より短くすることにより、はぜ折り煙突といった突起部のある煙突２を使用する場合の突起部を逃がすためのスペースにもなる。
【００２１】
また、半円筒状の金属ベース板５の径方向外側には放熱フィン６が放射状に一体に形成されている。複数の放熱フィン６は室内煙突２の長手方向に延設されている。金属ベース板５は煙突２の外周面に密着して覆うため、煙突２の熱放射の遮熱板として機能、すなわちヒートシールド効果を発揮する。これにより煙突２近傍の壁面の異常過熱を防止することができる。放熱器４は半円筒形であることから、壁面側に取り付ければ熱放射の遮熱範囲を壁面側だけに限定することができストーブ前面に位置する人体の体感温度の低下を避けられる。金属ベース板５の半円筒部分の両端部は径方向外側に向かってフランジ部５ａ，５ｂが折り曲げ形成されている。各フランジ部５ａ，５ｂには、締結用のねじ孔が各々設けられている。
【００２２】
放熱フィン６は、金属薄板で煙突２に対し径方向外側に向かって放射状に配置する。これにより表面積を増加でき、例えば高さ１５ミリの放熱フィン６を１０ミリピッチで設けた場合、表面積は煙突２の４倍となる。また、放熱フィン６を鉛直方向に沿って配置することで自然対流を促進し放熱フィン６近傍の空気流速を大きくすることで熱対流効率を上げることができる。また、放熱フィン６は、金属ベース板５と一体成形して放熱器４内部の熱抵抗増加を防止する。
【００２３】
また、放熱器４には例えばアルミニウムを用いることで熱伝導率を向上させることが可能である。アルミニウムの熱伝導率はステンレスと比べ１５倍以上であり放熱フィン６の先端まで効率よく熱を伝導する。またアルミニウムの比重はステンレスの約１／３であり、放熱器４を軽量化することもできる。一方、アルミニウムの耐熱温度は４００℃程度であるが薪ストーブ１の煙突温度はそれ以下であり問題なく使用できる。そして、アルミニウムであれば引き抜き加工により安価に大量生産できる。表面処理としては黒色アルマイトや黒色耐熱塗料で塗装することなどが可能であり熱放射を促進できる。反対に熱放射を減らしたい時は白色アルマイトや白色系塗装などにより熱放射を抑制することもできる。
【００２４】
また、固定ベース板７は、煙突２の外径に等しい曲率半径を持ち、金属ベース板５と組み合わせて煙突２の外周に放熱器４を着脱可能に固定する。放熱器４と煙突２間の熱抵抗を小さくするために放熱器４の金属ベース板５は煙突に密着させる必要がある。そこで放熱器４で蔽われない煙突２の外周面に固定ベース板７として例えば弧状に形成された金属バンド部材を上下一対配置し締結手段により強固に締結する。弧状に形成された金属バンド部材の長手方向両端部は、径方向外側に向かってフランジ部７ａ，７ｂが各々折り曲げ形成されている。各フランジ部７ａ，７ｂには締結用のねじ孔が各々設けられている。固定ベース板７としては、例えば耐熱性や熱膨張率などからステンレス板材が好適に用いられる。これにより煙突の変形などを矯正し密着度をあげ、かつ摩擦力を発生させて放熱器４が落下しないようにする。摩擦力を発生させるために金属バンド部材は煙突２の半周長より短くし放熱器４との間に適当なクリアランスを設けるようにする必要がある。このクリアランスは、はぜ折り煙突といった円筒面の一部に長手方向に延設された突起部のある煙突２を使用する場合に突起部の逃がしスペースにもなる。
【００２５】
放熱器４（金属ベース板５）と固定ベース板７とを締結する締結手段としては例えばボルト８ａ，８ｂ及びナット８ｃ，８ｄが用いられる。金属ベース板５と固定ベース板７とは、煙突２の外周に密着するように配置され、両端部に形成されたフランジ部５ａとフランジ部７ａを対向させ、フランジ部５ｂとフランジ部７ｂとが互いに重なり合うように組み付けられる。このとき、図２（Ｂ）に示すように、フランジ部５ｂとフランジ部７ｂとは互いに重ね合わせてボルト８ｂとナット８ｄとで締め上げて固定される。また、フランジ部５ａとフランジ部７ａとは所定のクリアランスを設けたままボルト８ａとナット８ｃとで締め上げて固定される。フランジ部５ａとフランジ部７ａとの間にクリアランスが設けられるため、ボルト８ａはボルト８ｂより長さが長いものが用いられる。これにより、放熱器４を煙突２の外周面に強固に密着させて排気熱の熱伝導効率を向上させることができる。
【００２６】
また、ボルト８ａの外周にはフランジ部７ａとナット８ｃとの間に耐熱性コイルばね９（付勢手段）が設けられている。耐熱性コイルばね９は、固定ベース板７（フランジ部７ａ）と金属ベース板５（フランジ部５ａ）との間のクリアランスを縮小する方向に常時付勢している。この耐熱性コイルばね９は、熱膨張変位吸収手段として作用する。放熱器４はアルミニウム製でありステンレス製の煙突２に比べて熱膨張率が大きい。従って薪ストーブ１の燃焼時は放熱器４がより膨張して長くなる。煙突２と放熱器４との円周方向偏差は０．４ミリにも達する可能性がある。従って円周方向の膨張率の差を吸収する機構がないと煙突２と放熱器４の密着性が失われ、固定ベース板７による摩擦力が失われて熱交換器３は位置ずれしたり落下したりしてしまう。そこで、固定ベース板７（フランジ部７ａ）と金属ベース板５（フランジ部５ａ）との間のクリアランスを縮小する方向に常時力が作用するように耐熱性コイルばね９を設ける。ばねのストロークは１〜２ｍｍ程度あれば充分である。具体的にはボルト８ａの外周であってフランジ部７ａとナット８ｃとの間に耐熱性コイルばね９を弾性圧縮した状態で挿入すればよい。ばね材としては、例えばインコネルを使用すれば耐熱温度が５００℃あり薪ストーブ１の煙突温度はそれ以下であるので好適である。
【００２７】
上述したように、薪ストーブ１の煙突２の排気方向上流側に相当する入口近傍に熱交換器３を設けることにより室内空気をより暖めることができ暖房効率が向上する。また、放熱器４は熱放射を遮熱できヒートシールド効果があり、煙突２近傍の壁面の過熱を防止して火災の心配を減らすことができる。同時にストーブ前面を熱放射により暖めることができ、ストーブ付近の人は暖かさを体感でき熱交換器３を付けたために寒くなったと感じる状況を避けられる。
このように本考案は熱効率だけでなく薪ストーブユーザーの体感温度も考慮されており、排気熱を合理的に回収することで暖房効率を向上して既存のユーザーの利便性を向上させ、さらなる薪ストーブ１の普及にも資するものであり、自然エネルギー活用に貢献できる。
【００２８】
次に、熱交換器３の他例について図３を参照して説明する。
上述した実施例では、熱交換器３は煙突２の半周を放熱器４で覆ってストーブ背面（壁面）側への熱放射を抑え排気熱を回収していたが、ストーブ前面への熱放射の必要がない場合は、煙突全周を放熱器で蔽い排気熱の回収効率を更に上げるようにしてもよい。
【００２９】
図３において、煙突外径に等しい曲率半径を持ち当該煙突の半周長より短い半円筒状の金属ベース板５，５´に複数の放熱フィン６，６´が金属ベース板５，５´の径方向外側に放射状に一体に形成された一対の放熱器４，４´を備えている。一対の金属ベース板５は、煙突２の外周に密着するように配置され、両端部に形成されたフランジ部５ａとフランジ部５ａ´、フランジ部５ｂとフランジ部５ｂ´とが互いに重なり合うように組み付けられる。フランジ部５ａ，５ａ´、フランジ部５ｂ，５ｂ´には各々ねじ孔が設けられている。
【００３０】
また、煙突２を囲んで装着される一対の金属ベース板５どうしの一方の連結部に所定のクリアランスを設けて連結し、一対の放熱器４，４´を煙突外周面に密着させて固定する。締結手段は、フランジ部５ａ，５ａ´のねじ孔にボルト８ａを挿通してナット８ｃにより締め上げ、フランジ部５ｂ，５ｂ´のねじ孔にボルト８ｂを挿通してナット８ｄにより締め上げて固定される。フランジ部５ａ、５ａ´間には所定のクリアランスを設けて固定される。また、ボルト８ａの外周にはフランジ部５ａ´とナット８ｃとの間に耐熱性コイルばね９（付勢手段）が設けられている。耐熱性コイルばね９は、フランジ部５ａとフランジ部５ａ´との間のクリアランスを縮小する方向に常時付勢している。
【００３１】
このように一対の放熱器４，４´をボルト８ａ，８ｂで連結すれば煙突２のほぼ全周を覆って取り付けが可能である。放熱器４，４´は煙突半周長よりわずかに短いので端部にクリアランスを発生させることができる。ボルト８ａの外周にはフランジ部５ａ´とナット８ｃとの間に耐熱性コイルばね９を弾性圧縮した状態で嵌め込むことで、煙突２と放熱器４，４´の熱膨張変位差を吸収することができ、熱交換器３の脱落を防止することができる。また、フランジ部５ａとフランジ部５ａ´との間にクリアランスを設けることにより、はぜ折り煙突に装着する場合に、突起部の逃がしスペースになるため放熱器４，４´を密着させることができる。
【００３２】
上記熱交換器３は、薪ストーブの煙突に装着する場合を例示したが、他の暖房器具の排気管に装着して暖房効率を改善することも可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ストーブ  ２  煙突  ３  熱交換器  ４，４´  放熱器  ５，５´  金属ベース板  ５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ  フランジ部  ６，６´  放熱フィン  ７  固定ベース板  ８ａ，８ｂ  ボルト  ８ｃ，８ｄ  ナット  ９  耐熱性コイルばね
【図１】
0003190351.tif 000003
【図２】
0003190351.tif 000004
【図３】
0003190351.tif 000005
【図４】
0003190351.tif 000006
【図５】
0003190351.tif 000007
【図６】
0003190351.tif 000008