JP5670166B2 - 施設園芸用温風暖房機 - Google Patents

Description

本発明は、施設園芸ハウス内を温風で暖房する温風暖房機に関するものである。

通常、この種の温風暖房機の炉体（熱交換部）は、製造コストの面より、一般的にワンパスタイプ（図７）が主流となっている（例えば、特許文献１、２参照）。温風暖房機によるハウス内加温は、ハウス内空気を送風機２によりケーシング１内に取り入れ、ハウス内空気とバーナ３による燃焼熱（燃焼ガス）を炉体（火炉４および煙管群５）により熱交換し、温風を吐出口６からダクトにより配風して暖房が行なわれる。燃焼ガスは煙突７より排気される。従来から、少ない燃料により効率の高い暖房機が求められてきたが、重油の価格高騰や環境政策などにより更なる効率化が求められてきている。

特開平５−１３３６１０号公報 特開２００６−３１７０４３号公報

暖房機の熱効率は、単位熱量当りの低位発熱量と排ガス損失熱量の相殺比率により算出されることから、排ガス損失熱量（煙突内の排ガス温度）が低い程、熱効率が向上する。しかしながら、施設園芸用の温風暖房機の耐久年数は通常１０年以上を目標に設計されるため、金属疲労などを考慮すると、熱効率は９０％が限界であり、それ以上の引き上げは困難であった。

また、施設園芸の暖房用に使用される燃料は、価格、発熱量などによりＡ重油（ＪＩＳ１種１号）が主流とされるが、Ａ重油には１％弱の硫黄が含まれ、排ガス温度を下げすぎると、燃料に含まれる硫黄反応により硫酸が生成され（低温腐食）、金属を腐食させ、暖房機の耐久性を低下させるという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、炉体の工夫により伝熱性能を高め、もって熱効率を高めた施設園芸用温風暖房機を提供すること、また、排熱回収性能を高めて、熱効率をより高めた施設園芸用温風暖房機を提供すること、また、低温腐食性能に優れた施設園芸用温風暖房機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、
ケーシングと、ケーシング内に横向きに配置され、ケーシングの全長に対し１／２を超える長さをもち、一端にバーナのノズル部を臨ませると共に、他端にノズル部の中心線を中心とする凹状の湾曲面からなり、燃焼ガスを炉内壁面に沿って反転させる反転部が形成された筒状の火炉と、反転された燃焼ガスを火炉の一端寄りからケーシング内で火炉外へ導出させる第１煙室と、第１煙室から火炉の他端側へ向けて燃焼ガスを案内する第１煙管群と、ケーシングの上面に取付けられ、下向きの送風により燃焼ガスとの間で熱交換を行わせる送風機と、ケーシング内で第１煙管群を流れる燃焼ガスを集合させる第２煙室と、ケーシング内で第２煙室から火炉の他端近くで下向きに燃焼ガスを案内する第２煙管群と、ケーシング内で第２煙管群を流れる燃焼ガスを集合させる第３煙室と、第３煙室から燃焼ガスをケーシング外へ排気させる煙突と、第３煙室と煙突の間または煙突の途中に燃焼ガスの排気を誘引する排気誘引手段を備え、バーナのノズル部が、ノズル本体の前方にディフューザを設け、ノズル本体を囲む外筒の先端にラッパ状のファンネル部を形成したことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機によると、火炉の燃焼室内でバーナにより燃焼される燃料は、燃焼する際輝炎を発し炉壁へ輻射により燃焼熱を伝達する。引き続き、燃焼ガスはバーナのノズル部の反対側に位置する反転部で炉内壁面に沿って反転し、炉内壁面をなめるように流れ、火炉内から第１煙室内へ誘導される。その際、炉壁に対しさらに燃焼ガス熱を伝達しながら流動する。従来のワンパスタイプ、ツーパスタイプの火炉に比べ、戻り燃焼ガスにより炉内壁面との接触時間を長く取ることができ、炉壁への伝熱量が増加する。すなわち、火炉内で燃焼ガスが戻る戻り燃焼方式（リバースリターン）を採用することにより、従来対比で伝熱性能を高めることができる。
また、伝熱性能の向上により、ケーシング内に横向きに配置する火炉の大きさを小さくし、かつ、ケーシング内に、第１煙室から第３煙室に至る熱交換および排熱回収の機器をコンパクトに納めた、熱交換率の高い温風暖房機を実現できる。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、前記反転部が、火炉の他端の端面から側周面にかけて滑らかに湾曲する内壁面形状を有することを第２の特徴とする。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、前記煙管群の煙管内に、燃焼ガスをらせん状に案内するスクリュー板が配置されていることを第３の特徴とする。スクリュー板の配置により、煙管内を流れる燃焼ガスの拡散作用を助長させ、煙管の管壁との接触時間を長くとり、管壁への伝熱量が増加する。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、前記第２の煙管群の煙管内に、燃焼ガスをらせん状に案内するスクリュー板が配置されていることを第６の特徴とする。スクリュー板の配置により、煙管内を流れる燃焼ガスの拡散作用を助長させ、煙管の管壁との接触時間を長くとり、管壁への伝熱量が増加する。これによって、排熱回収率が高まる。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、前記第２の煙管群の各煙管が耐硫酸性材料から構成されていることを第７の特徴とする。排熱回収後の燃焼ガス温度の低下に伴う低温腐食に対する耐久性が向上する。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、第３煙室内に煙突入口に向かう燃焼ガスを分散させる分散手段を備えることを第８の特徴とする。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、排気誘引手段が、空気ファンと、煙突の入口付近に設けて空気ファンにより発生した空気流を煙突内に向くジェット流に変換する環状のノズル部を有することを第１０の特徴とする。

以上説明したように、本発明に係る施設園芸用温風暖房機によると、安定したバーナ燃焼を実現しながら、火炉の内壁面に沿って燃焼ガスを反転させることにより、火炉の伝熱性能を高め、もって熱交換効率を大幅に向上させることができるようになった。また、排熱回収手段を設けることにより、より一層の熱交換効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明に係る施設園芸用温風暖房機によると、火炉をコンパクトにして、ケーシング内の空いた空間に排熱回収手段を縦に収めることができ、コンパクトで熱交換効率に優れた温風暖房機を実現できるという優れた効果を奏する。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機を示す断面図、 図１の温風暖房機のＡ−Ａ線矢視断面、 バーナのノズル部を示す拡大断面図、 （Ａ）は第２煙管群の配列を示す平面図、（Ｂ）は第２煙管群から第３煙室付近を示す断面図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す第３煙室を正面から見た断面図、 排気誘引手段を示す側面図、 （Ａ）は吐出部付近を示す側面図、（Ｂ）は吐出部における横断面図、 従来のワンパスタイプの施設園芸用温風暖房機を示す断面図である。

本発明を実施するための一実施形態を図１ないし図６を参照して説明する。図１において、１００は施設園芸用温風暖房機である。

施設園芸用温風暖房機１００は、図１に示すように、ケーシング１０１内に横向きに円筒状の火炉１１０が配置され、火炉１１０の一端にはバーナ１２０のノズル部１２１が燃焼室１１１に臨む形で配置されている。火炉１１０の他端にはノズル部１２１と対向して燃焼ガスＧを燃焼室１１１の炉内壁面に沿って反転させる反転部１１２が形成されている。

この反転部１１２は、より具体的には、火炉１１０の他端側の端面１１０ａにおける内壁面がノズル部１２１の中心線を中心とする凹状の湾曲面とされ、さらに同端面１１０ａから火炉１１０の胴部１１０ｂの内周面にかけて滑らかに湾曲して接続する内壁面形状を有している。

火炉１１０の一端寄りの上部には、ケーシング１０１内で、反転された燃焼ガスＧを火炉１１０外へ上向きに導出させる開口部１１０ｃと、同開口部１１０ｃを覆い燃焼ガスＧを一旦集合させる第１煙室１３０が設けられている。この第１煙室１３０には火炉１１０の上方で火炉１１０の他端へ向けて燃焼ガスＧを案内する第１煙管群１４０が接続されている。図２に示すように、各煙管１４１は左右に多数本（図示例では計１１本）、上下に２列または千鳥状に配列されている。各煙管１４１には、内部を通過する燃焼ガスＧを管内壁面に沿ってらせん状に案内するスクリュー板１４２が挿入配置されている。

バーナ１２０のノズル部１２１は、図３に示すように、ノズル本体１２１ａの前方にディフューザ１２２が設けられ、ノズル本体１２１ａを囲む外筒１２１ｂの先端にラッパ状のファンネル部１２３が形成されている。ファンネル部１２３は、外筒１２１ｂから続く拡径部１２３ａと、拡径部１２３ａから続く環状部１２３ｂと、環状部１２３ｂの終端から内側に屈曲する屈曲部１２３ｃが形成されている。

ケーシング１０１の上面には、２箇所に吸気口１０１ａが設けられるとともに、各吸気口１０１ａに対応して、送風により燃焼ガスＧとの間で熱交換を行わせる２台の送風機１５０，１５０が取付けられている。これらの送風機１５０は、送風ファン１５１の回転によりハウス内空気をケーシング１０１内に取り入れると共に、火炉１１０の燃焼室１１１内の燃焼熱および燃焼に伴って発生する燃焼ガスＧが火炉１１０から第１煙管群１４０、後述する第２煙管群１７０から煙突１９０に排気される間、熱交換により温風を生成する。

第１煙管群１４０の終端には、各煙管１４１内を流れる燃焼ガスＧを集合させる第２煙室１６０が接続されている。同第２煙室１６０の下面には、ケーシング１０１内で、燃焼ガスＧを下向きに案内し、燃焼ガスＧの残留熱を回収する縦方向に延びる第２煙管群１７０が接続されている。この第２煙管群１７０は、燃焼ガスＧの残留熱を回収するためのもので、火炉１２０の一端側の端面１２０ａおよびケーシング１０１端面間の隙間空間Ｓに縦（垂直）方向に配置されている。

図４（Ａ）に示すように、各煙管１７１は左右に多数本（図示例では計１１本）、前後に２列または千鳥状に配列されている。各煙管１７１には、前記煙管１４１同様に、内部を下向きに流れる燃焼ガスＧをらせん状に案内するスクリュー板１７２が挿入配置されている。各煙管１７１は燃焼ガスＧの凝縮による低温腐食を防止するため耐硫酸鋼（商品名：新日鐵株式会社製「Ｓ−ＴＥＮ鋼」）が使用されている。なお、各煙管１７１の下部には凝縮水を排水する排水管を取付け、排水管からケーシング１０１外へ排水できるようになっている。

第２煙管群１７０の終端には、ケーシング１０１内で、各煙管１７１内を流れる排熱回収後の燃焼ガスＧを集合させる第３煙室１８０が接続されている。第３煙室１８０内には、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、煙突１９０の入口に向かう燃焼ガスＧを分散させる、すなわち、煙突１９０の入口に近い側の燃焼ガスＧを煙突１９０の入口に遠い側に迂回させる分散板１８１が設けられている。

第２煙管群１７０を下向きに流れる燃焼ガスＧは、上向きと異なり、ガス抵抗が増す傾向にあり、抵抗の低い部分（煙突１９０の入口に近い部分）へ集中する流れが生じる。分散板１８１の存在により煙突１９０の入口に遠い燃焼ガスＧも平均した流れとなり、バランスの良い熱交換、すなわちより効率的な排熱回収が可能である。

第３煙室１８０の側面にはケーシング１０１外に延びる煙突１９０が接続されている。第３煙室１８０の出口と煙突１９０の入口の間には、燃焼ガスＧを煙突１９０側に誘引する排ガス誘引器（排ガスブースター）２００が設けられている。排ガス誘引器２００は、第３煙室１８０の出口に接続された第１筒体２０１と、煙突１９０の入口に接続された第２筒体２０２との間に環状の噴出ノズル部２０３が形成されている。

図５に示すように、噴出ノズル部２０３は、第１筒体２０１の先端部が次第に小径となる縮径部２０１ａとされ、第２筒体２０２の後端部が次第に小径となる縮径部２０２ａとされ、第１筒体２０１側の縮径部２０１ａの先端が水平に延在する環状の水平部２０１ｂに形成され、第２筒体２０２の縮径部２０２ａの先端が第１筒体２０１側の水平部２０１ｂの外側にあって、第１筒体２０１の縮径部２０１ａの外面に沿って上向きに曲がる拡径部２０２ｂに形成されている。第２筒体２０２の後端部と第１筒体２０１の先端部との間には環状の隙間ｄ_１が形成されている。

環状の噴出ノズル部２０３を囲むように第１筒体２０１と第２筒体２０２の周囲には環状の通風室２０４が設けられている。環状の通風室２０４には側面に吸気口２０５ａを開口するケーシング２０５Ａ、２０５Ｂが取り付けられ、各ケーシング２０５Ａ、２０５Ｂ内にはモータ２０６で回転駆動される２段式の吸込みファン（インペラ）が収容されている。

かかる排ガス誘引器２００は、モータ２０６により吸込みファンを回転駆動させると、ハウス内空気をケーシング２０５Ａ、２０５Ｂから環状の通風室２０４内に誘引して、環状の噴出ノズル部２０３から煙突１９０の内部に向けて高速で噴出させ、これにより、第１筒体２０１および第２筒体２０２内部に負圧を発生させ、第３煙室１８０内の燃焼ガスＧを煙突１９０へ向けて誘引するようになっている。

煙突１９０の配列によっては、煙突１９０の局部抵抗により燃焼ガスＧの引きの悪い（排気抵抗）場合が生じる。排ガス誘引器２００により、煙突１９０の局部抵抗による損失をなくし、安定したバーナ燃焼を実現できる。また、噴出ノズル部２０３からの外気の吹き込みで燃焼ガスＧが希釈化され、燃焼ガス温度が低下し、高所への排気筒設置工事も不要になるなどの煙突レス化も可能となる。

ケーシング１０１の他端寄りの下面にはケーシング１０１内で生成された温風を吐出させる吐出室２１１を備える吐出部２１０が設けられ、この吐出部２１０の各側面には温風を吐出させる吐出口２１０ａが形成されている。各吐出口２１０ａには図示しないダクトが接続され、各ダクトを通じて施設園芸用ハウス内の全域に温風を行き渡らせるようになっている。

吐出室２１１には、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、ケーシング１０１内から下面の開口部を通して下向きに流出される温風を吐出室２１１内で拡散させる温風拡散板２１２が配置されている。この温風拡散板２１２はちょうど開口部の真下に水平姿勢に保持され、温風拡散板２１２の中央には開口部２１２ａが設けられ、温風拡散板２１２の周囲と吐出室２１１の内周面との間に隙間ｄ_２が設けられている。

従来の温風暖房機により吐出される温風は混合部がほとんどない状態で配風されるため、通常５〜１０℃程度の温度ばらつきがある。そこで、吐出室２１０内に温風拡散板２１２を配置することで、下向きに吐出室２１１内に流出する温風は、温風拡散板２１２中央の開口部２１２ａと周囲の隙間ｄ_２を流れることにより拡散が促進され、吐出室２１１内の混合が促進される。その結果、均一な温度（温度ばらつき３℃以内）の温風として各吐出口２１０ａからそれぞれ吐出されるようになる。

なお、図１中、符号２２０はハウス内に設置された温度センサ等に基づき、バーナ１２０、２台の送風機１５０、排ガス誘引器２００の各運転を制御する制御部を示している。

次に、上記構成の施設園芸用温風暖房機１００の作用について説明する。まず、２台台の送風機１５０を運転し、バーナ１２０のノズル部１２１から燃焼室１１１内に噴霧した燃料を点火装置により着火して燃焼させると、燃焼熱が輻射により炉内壁に伝達されると共に、高温（約１７００℃〜１９００℃程度）の燃焼ガスＧが前方の端面１１０ａの炉内壁面に達し、そこから湾曲する炉内壁面および胴部１１０ｂの炉内周面をなめるように反転して反対側の開口部１０１ｂに向かい、その間、高温の燃焼ガスＧが炉壁に熱を伝達し、開口部１０１ｂから第１煙室１３０内に上向きに入る。

また、図３に示すように、ノズル部１２１のノズル本体１２１ａから前方のディフューザ１２２を通して噴霧された燃料は、着火により火炎を前方に吹き出すが、このとき、ファンネル部１２３内でその中心および周囲に渦流Ｕを発生させ、発生した渦流Ｕが火炎を整流化する作用を発揮する。これにより、高温の燃焼ガスＧが真っ直ぐ前方の炉内壁面に直進し、反転して炉壁に熱を効率よく伝達する。

第１煙室１３０内に上向きに入った高温の燃焼ガスＧは、横向きの第１煙管群１４０に入り、各煙管１４１内を通り、その間、高温の燃焼ガスＧが管壁に熱を伝達しながら、第２煙室１６０に向かう。ここで、上方の２台の送風機１５０，１５０からケーシング１０１内に取り入れられたハウス内空気と、煙管１４１の管壁および火炉１１０の炉壁に伝達された熱との間で熱交換が行われ、熱交換により生成された温風がケーシング１０１内を通り、下部の吐出室２１１内へ向かう。

火炉１１０内の反転部１１２により反転される燃焼ガスＧの熱伝達効果と、第１煙管部１４０内に配置されたスクリュー板１４２による燃焼ガスＧの拡散および熱伝達効果により、第１煙管部１４０の出口における燃焼ガスＧ温度を約６０℃程度低下させる効果（熱効率３〜４％向上）が生じる。

第２煙室１６０に入った燃焼ガスＧは、下向きに第２煙管群１７０に入り、各煙管１７１内を下向きに流れ、その間、燃焼ガスＧの残留熱を管壁に伝達しながら、第３煙室１８０に向かう。ここで、下方の吐出室２１１へ向かう前述の温風、すなわち熱交換により生成された温風が、第２煙管群１７０で回収された熱との間で再び熱交換されて、さらに加温され、加温された温風が下方の吐出室２１１へ向かう。

第２煙管群１７０自身の排熱回収効果と、各煙管１７１内に配置されたスクリュー板１７２による燃焼ガスＧの拡散および熱伝達効果により、第２煙管部１７０の出口における燃焼ガスＧ温度をさらに約１００℃程度低下させる効果（熱効率５％向上）が生じる。

吐出室２１１に入った温風は、吐出口２１０ａからダクトを通じてハウス内に配風されるが、従来では吐出温度差が通常５〜１０℃程度あったが、吐出室２１１内の温風拡散板２１２の存在により吐出室２１１内の混合性能を上げ、吐出温度差を３℃以内に小さくすることができた。

第２煙管群１７０を下向きに流れる燃焼ガスＧは、排熱回収により凡そ１５０℃程度の排気温度となって第３煙室１８０に入り、分散板１８１による分散効果によって、略均等な流れとなり、煙突１９０の入口に向かう。煙突１９０の入口に設けられた排ガス誘引器２００による排ガス誘引効果により、排熱回収された燃焼ガスＧは、煙突１９０内に滞留することなく、速やかに排気される。これによって安定したバーナ燃焼となり、燃焼ガスの伝熱、熱交換、排熱回収、排気という一連の流れがスムーズに行われる。

かくして、従来の温風暖房機の熱効率はせいぜい９０％が限界であったのに対し、本実施形態の施設園芸用温風暖房機１００によると、熱効率を９５％まで高めることに成功した。

本発明に係る施設園芸用温風暖房機は、施設園芸ハウス内を温風で暖房する温風暖房機として幅広く利用できる。

１００ 施設園芸用温風暖房機
１０１，２０５Ａ，２０５Ｂ ケーシング
１０１ａ，２０５ａ 吸気口
１０１ｂ，１１０ｃ，２１２ａ 開口部
１１０ 火炉
１１０ａ 端面
１１０ｂ 胴部
１１１ 燃焼室
１１２ 反転部
１２０ バーナ
１２１ ノズル部
１２１ａ ノズル本体
１２１ｂ 外筒
１２２ ディフューザ
１２３ ファンネル部
１２３ａ 拡径部
１２３ｂ 環状部
１２３ｃ 屈曲部
１３０ 第１煙室
１４０ 第１煙管群
１４１，１７１ 煙管
１４２，１７２ スクリュー板
１５０ 送風機
１５１，２０７ 送風ファン
１６０ 第２煙室
１７０ 第２煙管群
１８０ 第３煙室
１８１ 分散板
１９０ 煙突
２００ 排ガス誘引器（排ガス誘引手段）
２０１ 第１筒体
２０１ａ，２０２ａ 縮径部
２０１ｂ 水平部
２０２ 第２筒体
２０２ｂ 拡径部
２０３ 噴出ノズル部
２０４ 通風室
２０６ モータ
２１０ 吐出部
２１１ 吐出室
２１０ａ 吐出口
２１２ 温風拡散板
２２０ 制御部
ｄ_１，ｄ_２ 隙間
Ｇ 燃焼ガス

Claims (1)

1. ケーシングと、ケーシング内に横向きに配置され、ケーシングの全長に対し１／２を超える長さをもち、一端にバーナのノズル部を臨ませると共に、他端にノズル部の中心線を中心とする凹状の湾曲面からなり、燃焼ガスを炉内壁面に沿って反転させる反転部が形成された筒状の火炉と、反転された燃焼ガスを火炉の一端寄りからケーシング内で火炉外へ導出させる第１煙室と、第１煙室から火炉の他端側へ向けて燃焼ガスを案内する第１煙管群と、ケーシングの上面に取付けられ、下向きの送風により燃焼ガスとの間で熱交換を行わせる送風機と、ケーシング内で第１煙管群を流れる燃焼ガスを集合させる第２煙室と、ケーシング内で第２煙室から火炉の他端近くで下向きに燃焼ガスを案内する第２煙管群と、ケーシング内で第２煙管群を流れる燃焼ガスを集合させる第３煙室と、第３煙室から燃焼ガスをケーシング外へ排気させる煙突と、第３煙室と煙突の間または煙突の途中に燃焼ガスの排気を誘引する排気誘引手段を備え、バーナのノズル部が、ノズル本体の前方にディフューザを設け、ノズル本体を囲む外筒の先端にラッパ状のファンネル部を形成したことを特徴とする、施設園芸用温風暖房機。

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