JP2005241061A

JP2005241061A - 液体燃料燃焼装置

Info

Publication number: JP2005241061A
Application number: JP2004048872A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Matsumoto; 憲一松元
Original assignee: Yamaha Living Tech Co Ltd
Current assignee: Yamaha Living Tech Co Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】燃焼室の上流側と下流側における当量比を調整し、全体として窒素酸化物の生成量を低減することのできる液体燃料燃焼装置を提供すること。
【解決手段】熱交換器側１３に開放する燃焼室２２を形成する燃焼盤１５と、燃焼室内に配置された気化筒１６と、前記燃焼室に空気を供給する送風機１２とを備えてバーナー１０が構成されている。気化筒１６に空気を供給するための送風筒２４の下端部には、その開口面積を小さくして燃焼室上流側で燃料過濃状態を形成する面積調整部材３３が設けられている。また、燃焼盤１５の上部外周側には空気箱３５が配置され、その内周面３５Ｂに設けられた空気噴出孔３８と、送気筒３０の上端側から燃焼室内に空気をそれぞれ供給して燃焼室下流側に燃料希薄状態が形成されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は液体燃料燃焼装置に係り、更に詳しくは、燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を低減することのできる液体燃料燃焼装置に関する。

灯油等を燃料とした給湯機等の液体燃料燃焼装置としては、例えば、特許文献１，２に記載されたバーナーが知られている。同特許文献におけるバーナーは、上部に位置する熱交換器側に開放する燃焼室を備えた燃焼盤と、燃焼室内に配置された気化筒と、当該気化筒及び前記燃焼室に燃焼用空気を供給する送風機とを備えて構成されている。このバーナーは、気化筒を介して燃焼室の内側に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行う一方、当該噴霧燃焼の燃焼熱で気化筒を加熱することで、当該気化筒内の液体燃料を気化し、当該気化した燃料と空気との混合気を前記燃焼盤に形成された多数の炎孔から噴出させて気化燃焼を行う構成となっている。

このような液体燃料燃焼装置にあっては、安定した燃焼を確保する必要から、隣り合う火炎が熱を供給し合うように炎孔ピッチを設定し、互いに燃焼反応を継続するエネルギーを補い合うように隣り合う火炎を近づける構成や、火炎が吹き飛ばないように燃焼速度が高くなる当量比に調整すること等が行われている。

特開２００１−３５５８１０特開２００２−０２２１４３

ここで、当量比は、燃焼技術において周知の技術用語であるが、要約すると、燃料の過不足を示すパラメーターとして定義されるもので、混合気に含まれる実際の燃料と空気との体積比と、過不足なく完全燃焼する燃料と空気との体積比との割合である。この当量比は「１」よりも少ないときは希薄混合気、「１」に等しいときは理論混合気、「１」よりも大きいときは過濃混合気と理解されている。灯油等の液体燃料の場合、当量比が１付近で燃焼速度及び燃焼ガス温度（火炎温度）がピークとされ、これより漸減及び漸増する場合には、それぞれ希薄混合気及び過濃混合気の程度が次第に高くなる。また、火炎温度は何れの場合も漸次降下する。

ところで、隣り合う火炎を近づけたり、燃焼速度を高くする当量比で燃焼を行うと、窒素酸化物の生成量が多くなる傾向をもたらす。これは、火炎を相互に近づけることで、火炎が冷却され難くなり、火炎温度が高くなるためであり、また、燃焼速度が高くなる当量比においても火炎温度が高くなることに起因する。

従って、窒素酸化物の生成量を低減するためには、火炎温度を下げればよいことが理論的に想定される。
しかしながら、火炎温度を下げるために隣り合う火炎を遠ざける炎孔ピッチとすると、燃焼反応を継続するための互いのエネルギー補給が不十分となり、安定した燃焼を確保できなくなる、という別異の不都合を生ずる。
また、個々の火炎を小さくして火炎の数（炎孔の数）を増やせば火炎の総表面積が増えて熱放射効率を高められるため、窒素酸化物の生成量を低減することが可能となるが、この場合には、個々の火炎の保持力が小さくなって安定した燃焼を達成できない、という不都合を招来する。

更に、窒素酸化物の低減を図るために、供給する空気量を増やして当量比を下げることで火炎温度を低くし、燃料希薄状態で燃焼させることも考えられるが、この燃焼では、供給空気量の増加に伴って混合気流速が上がり、しかも、燃焼速度が下がることで火炎が吹き飛んでしまう、という不都合をもたらすこととなる。加えて、余分な空気を多く供給することから、混合気の温度が下がり、当該混合気が再凝縮してしまうという新たな不都合を惹起せしめることにもなる。

［発明の目的］
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、燃焼室内の上流側と下流側における当量比を調整し、全体として窒素酸化物の生成量を低減することのできる液体燃料燃焼装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、熱交換器側に開放する燃焼室を形成する燃焼盤と、前記燃焼室内に配置された気化筒と、前記燃焼室に空気を供給する送風機とを備え、前記気化筒を介して燃焼室の内側に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行う一方、当該噴霧燃焼の燃焼熱で気化筒を加熱することで当該気化筒内の液体燃料を気化し、当該気化した燃料と空気との混合気を前記燃焼盤に形成された炎孔から噴出させて気化燃焼を行う液体燃料燃焼装置において、
前記燃焼室回り若しくはこれの近傍に当量比調整手段が設けられ、当該当量比調整手段は、前記燃焼室内の上流側で燃料過濃状態を形成する一方、燃焼室内の下流側で燃料希薄状態を形成する、という構成を採っている。

前記液体燃料燃焼装置は、前記気化筒内に空気を供給する送風筒と、前記燃焼室に空気を供給する送気筒とを含み、前記送風筒及び送気筒に対する空気供給量を相対的に調整することで前記燃料過濃状態が形成される、という構成を採っている。

また、前記燃焼室の下流側となる燃焼盤の上部外周側に空気箱が配置され、当該空気箱の内周側に、前記燃焼室に空気を供給して前記燃料希薄状態を形成する空気噴出孔が設けられる、という構成を採ることができる。

ここで、前記空気噴出孔は、前記空気箱の内周面に略沿って空気を噴出する向きに設けることが好ましい。

なお、本明細書において、「噴霧燃焼」とは、液体燃料を着火することによって行われる燃焼を意味し、「気化燃焼」とは、気化した燃料を空気と混合することにより得られる混合気を着火することによって行われる燃焼を意味する。また、燃焼室内の「上流側」とは、後述する燃焼盤の炎孔が形成されている周壁側領域、すなわち混合気噴出部の領域を示し、燃焼室内の「下流側」とは、前記燃焼盤の炎孔が存在しない領域、すなわち底部中央側と開放側の領域を示す。これら「上流側」及び「下流側」は相対的な概念であり、明確な境界を有するものではないものと理解されるべきである。

本発明によれば、燃焼室内の上流側では燃料過濃状態で燃焼する一方、下流側では燃料希薄状態で燃焼するため、火炎の温度を低くできることとなり、窒素酸化物の生成量を低減させることができる。また、燃焼室内の上流側は燃料過濃状態であることで未燃分を生じても、下流側で燃焼しきることができ、これにより、完全燃焼を行うことができる。なお、燃料過濃状態は、燃焼速度を下げることになるが、気化筒に供給される空気量を減少させることにより混合気流速も下げることができる結果、火炎が吹き飛んでしまう不都合も回避することができる。
また、火炎温度を下げるために隣り合う火炎を遠ざける炎孔ピッチとする必要がないため、燃焼反応を継続するための互いのエネルギー補給も十分に確保でき、安定燃焼を阻害することもない。
更に、当量比調整手段は、送風筒や送気筒に対する空気導入抵抗を相対的なものとしたり、空気箱の内周側に空気噴出孔を形成したりするものであるため、簡易な構成により達成でき、制御を複雑化させることもない。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る灯油等の液体燃料を燃焼させる液体燃料燃焼装置としてのバーナーの概略断面図が示され、図２には、図１の概略平面図が示されている。これらの図において、バーナー１０は、燃料を燃焼させる燃焼部１１と、燃焼部１１の下方に設けられるとともに、当該燃焼部１１に空気を供給する送風機１２とを備えて構成されている。このバーナー１０は、上部に熱交換器１３を搭載して給湯機の燃焼装置を構成するものとなっている。ここで、本実施形態におけるバーナー１０は、平面視で略円形の輪郭を備えたタイプであるが、平面視で楕円形、略四角形等、種々のものを採用することを妨げない。

前記燃焼部１１は、外側に位置する有底状の燃焼室外筒１４と、この燃焼室外筒１４の内側に設けられるとともに、前記熱交換器１３側の上部が開放した有底状の燃焼盤１５と、燃焼盤１５の内側略中央に設けられた下向き開放型をなす略釣鐘状の気化筒１６と、この気化筒１６の下方に設けられた飛散リング１８と、気化筒の１６の近傍に設けられた点火装置２０とを備えて構成されている。ここにおいて、気化筒１６を除く燃焼盤１５の内部空間が燃料を燃焼させる燃焼室２２として形成されている。

前記燃焼室外筒１４の底壁１４Ａの略中央には、気化筒１６の内部に向かって延びる送風筒２４が連設されており、当該送風筒２４を通じて送風機１２からの空気が気化筒１６の内部に供給できるようになっている。

前記燃焼盤１５は、燃焼室外筒１４の底壁１４Ａ及び周壁１４Ｂの内側に隙間を形成するように配置された底壁１５Ａ及び周壁１５Ｂを備え、燃焼室外筒１４と燃焼盤１５との隙間は、燃料と空気との混合気が通過するガス室２５として構成されている。また、燃焼盤１５の周壁１５Ｂには、略等大等間隔を隔てて多数の炎孔２６が形成され、これら炎孔２６から混合気が燃焼室２２内に噴出される。本実施形態における炎孔２６は、当該炎孔２６から燃焼室２２内に形成される火炎が相互にエネルギーを補充し合うことができる相互間隔に設けられている。

前記送風筒２４回りにおいて、前記燃焼室外筒１４の底壁１４Ａと燃焼盤１５の底壁１５Ａとの間には、周方向に沿う所定角度（例えば、約９０度）の間隔を隔てて送気筒３０が形成され、これらの送気筒３０を通じて送風機１２からの空気が燃焼室２２内に直接供給可能となっている。また、送気筒３０の上部開口端と前記飛散リング１８との間には、送気案内リング３１が設けられており、送気筒３０からの空気を飛散リング１８の近傍に集中して供給できるようになっている。

前記燃焼室回り若しくはこの近傍、すなわち、前記送風筒２４の下端側には、当該送風筒２４の開口面積を若干狭める当量比調整手段としての面積調整部材３３が設けられている。この面積調整部材３３は、平面視で板状の略リング形状に設けられているとともに、燃焼室２２の上流側における燃焼が、燃料過濃状態で行われるように送風機１２からの空気量を抑制するように調整できる開口面積に設定されている。本実施形態では、面積調整部材３３が送風筒２４の下端側に設けられているが、燃焼室２２の上流側において燃料過濃状態での燃焼が行える構成であれば足りる。すなわち、面積調整部材３３を設けなくても、送気筒３０の開口面積を図示の場合よりも大きくしたり、送気筒３０の数を増やしたりすることによって、送風筒２４への空気供給量を相対的に減らすことができ、これによって、前記上流側において燃料過濃状態を形成することが可能となる。なお、面積調整部材３３は、空気流に抵抗を付与して供給量を調整できるものであればよく、それらの形状、位置は必要に応じて変更することができる。

前記燃焼室２２の下流側を形成する燃焼室外筒１４の上部側には、略円周方向に沿って延びる平面視略リング状の空気箱３５が配置されている。この空気箱３５の外周面部分と前記送風機１２との間には、当該送風機１２からの空気を空気箱３５内に供給する空気供給管３６が配置されている。空気箱３５の上端面３５Ａには、熱交換器１３の周壁内面側に空気を沿わせて結露防止を図るための孔３７が形成されている一方、内周側となる内周面３５Ｂには、燃焼室２２内の下流側に燃焼用空気を供給して燃料希薄状態を形成し、且つ、上流側における燃料過濃状態による未燃分の燃料を完全燃焼させるための当量比調整手段としての丸穴状の空気噴出孔３８が形成されている。これらの空気噴出孔３８は、空気箱３５を形成する前の段階における平板の状態で、パンチング加工することにより形成することができる。

前記気化筒１６の内側上方には、燃料供給管４０から液体燃料が供給される燃料拡散体４１が設けられている。気化筒１６及び燃料拡散体４１は、共通の回転軸４３によって同時回転可能になっており、当該回転軸４３に連なるモータ４４によって回転可能となっている。燃料拡散体４１は、その下端側に液体燃料の受け部４１Ａが設けられており、当該受け部４１Ａで燃料供給管４０からの液体燃料を一旦受け取るようになっている。なお、燃料拡散体４１の上端と気化筒１６との間には、微細な隙間Ｃ１が形成され、気化筒１６が回転することで燃料拡散体４１の内側の液体燃料が遠心力で隙間Ｃ１から外側に噴出し、気化筒１６と飛散リング１８との間の微細な隙間Ｃ２を経て燃焼室２２内に噴出可能となっている。

前記送風機１２は、ここでは詳細構造を省略するが、前記モータ４４の駆動によってファン４５が回転し、吸入した空気を気化筒１６の内部及び燃焼室２２に送り込むことができるようになっている。

次に、本実施形態に係るバーナー１０の作用について説明する。

先ず、図示しないスイッチを投入すると、モータ４４が駆動し、送風機１２のファン４５が回転して燃焼部１１側への空気の供給を開始するとともに、気化筒１６及び燃料拡散体４１が同時に回転する。燃料拡散体４１の回転によって、燃料供給管４０から燃料拡散体４１の受け部４１Ａに供給された液体燃料は、前記隙間Ｃ１から噴出し、気化筒１６の内周側を通って隙間Ｃ２から燃焼室２２に飛散される。そして、燃焼室２２に飛散された液体燃料は点火装置２０で着火されて噴霧燃焼が行われる。この後、噴霧燃焼の燃焼熱によって気化筒１６が加熱され、気化筒１６の内部の液体燃料が気化し、当該気化した燃料は、送風機１２から気化筒１６の内部に供給された空気と混合して混合気となる。この混合気はガス室２５を通って燃焼盤１５の炎孔２６から燃焼室２２に噴出され、噴霧燃焼の炎によって気化燃焼が行われる。

前記送風機１２によって送風筒２４から気化筒１６を通じて燃焼室２２内に供給される空気量と、送気筒３０及び空気噴出孔３８を通じて燃焼室２２内に供給される空気量は、送風筒２４の下端部に設けられた面積調整部材３３の存在によって相対的に調整されることとなる。すなわち、送風筒２４は、面積調整部材３３が設けられていないと仮定した場合に比べて、供給される空気量が減ることとなり、これにより、燃焼室２２の上流側で燃焼される混合気の当量比を燃料過濃状態に保つことが可能となる。この一方、送気筒３０及び空気噴出孔３８から燃焼室２２内に供給される空気は、相対的に多くなって燃焼室２２内の下流側で燃料希薄状態を形成することができる。

燃焼室２２の上流側では、燃料過濃状態での燃焼により火炎温度が低い燃焼が行われる結果、窒素酸化物の生成量を抑制することができる。また、燃焼速度も同時に下がることになるが、供給される空気量が減少しているため、混合気流速も同時に下がることになり、従って、火炎が吹き飛んでしまうような不都合は生じない。また、燃焼室２２の下流側は、燃料希薄状態とされているため、同様に火炎温度を低くすることができ、窒素酸化物の生成量を抑制することができる。しかも、上流側の燃料過濃状態による未燃分は、下流側において完全燃焼させることができる。

従って、このような実施形態によれば、送風筒２４の下端に面積調整部材３３を設けて送気筒３０に供給される空気量を相対的に多く確保できるとともに、空気箱３５の内周面３５Ｂに空気噴出孔３８を設けることにより、燃焼室２２の上流側及び下流側に燃料過濃状態と燃料希薄状態をそれぞれ形成することができ、全体として窒素酸化物の生成量を抑制することが可能となる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、特定の実施の形態に関して特に図示し、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上に述べた実施例に対し、形状、位置若しくは方向、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状などの限定の一部若しくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

例えば、空気供給管３６の開通面積を大きくして空気供給管３６に供給される空気量を増やし、相対的に送風筒２４に供給される空気量を減らすことにより当量比を調整する構成としても良い。
また、空気箱３５の内周面３５Ｂに沿う板状部材５０を添設させ、当該板状部材５０の面内において、前記空気噴出孔３８に対応する領域に切り起こし片５０Ａを設けることができる。この際、各切り起こし片５０Ａの切り起こし方向は、空気箱３５の内周面３５Ｂに略沿って空気を噴出させることができるように設けられている。これにより、燃焼室２２内に噴出される空気を旋回させることができ、未燃分の燃料との混合状態を良好とさせることにより、一層完全燃焼させ易くすることができる。

また、図４に示されるように、空気箱３５の内周面３５Ｂに部分的な切り起こし片６０を直接形成し、当該切り起こし片６０によって形成される空気噴出孔６１から空気を燃焼室２２内に噴出させるようにしてもよい。

更に、図５に示されるように、空気箱３５の内周面３５Ｂに形成される空気噴出孔３８の軸線向きを空気箱３５の内周面３５Ｂに略沿わせるように形成することもできる。この構成は、空気箱３５を形成する金属材料が肉厚である場合に有効となる。

本実施形態に係るバーナーの概略断面図。図１の平面図。空気箱の一部を拡大して示す概略斜視図。空気箱の変形例を一部拡大して示す概略斜視図。空気箱の更に異なる変形例を一部拡大して示す概略斜視図。

符号の説明

１０…バーナー（液体燃料燃焼装置）、１２…送風機（空気供給手段）、１３…熱交換器、１５…燃焼盤、１６…気化筒、２２…燃焼室、２４…送風筒、２６…炎孔、３０…送風筒、３３…面積調整部材（当量比調整手段）、３５…空気箱、３８…空気噴出孔、６１…空気噴出孔

Claims

熱交換器側に開放する燃焼室を形成する燃焼盤と、前記燃焼室内に配置された気化筒と、前記燃焼室に空気を供給する送風機とを備え、前記気化筒を介して燃焼室の内側に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行う一方、当該噴霧燃焼の燃焼熱で気化筒を加熱することで当該気化筒内の液体燃料を気化し、当該気化した燃料と空気との混合気を前記燃焼盤に形成された炎孔から噴出させて気化燃焼を行う液体燃料燃焼装置において、
前記燃焼室回り若しくはこれの近傍に当量比調整手段が設けられ、当該当量比調整手段は、前記燃焼室内の上流側で燃料過濃状態を形成する一方、燃焼室内の下流側で燃料希薄状態を形成することを特徴とする液体燃料燃焼装置。
前記気化筒内に空気を供給する送風筒と、前記燃焼室に空気を供給する送気筒とを含み、前記送風筒及び送気筒に対する空気供給量を相対的に調整することで前記燃料過濃状態が形成されることを特徴とする請求項１記載の液体燃料燃焼装置。
前記燃焼盤の上部外周側に空気箱が配置され、当該空気箱の内周側に、前記燃焼室に空気を供給して前記燃料希薄状態を形成する空気噴出孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の液体燃料燃焼装置。
前記空気噴出孔は、前記空気箱の内周面に略沿って空気を噴出する向きに設けられていることを特徴とする請求項３記載の液体燃料燃焼装置。