JP2006090586A - 液体燃料燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼盤の炎孔から燃焼室内に形成される火炎による高温度領域の熱を放熱し易くしてＮＯｘの低減化を達成する液体燃料燃焼装置を提供すること。
【解決手段】 気化筒３９と飛散リング３２との間の隙間Ｓから燃焼室１１内に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行い、この噴霧燃焼の燃焼熱で気化筒３１を加熱して液体燃料を気化し、当該気化した燃料を前記燃焼盤１６に形成された炎孔２９から噴出させて気化燃焼を行うバーナー１０であって、燃焼盤の単位面積当たりの炎孔の数若しくは開口面積が燃焼室の底部側よりも開放部側に大きく設定され、火炎の高温度領域が燃焼室１１の開放部側にシフトして放熱し易く設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼を行う液体燃料燃焼装置に係り、更に詳しくは、燃焼によって生成されるＮＯｘ（窒素酸化物）の低減化を図ることのできる液体燃料燃焼装置に関する。

従来より、給湯機等に用いられる液体燃料燃焼装置としては、例えば、特許文献１に記載された液体燃料燃焼装置が知られている。同装置は、灯油等の燃料を燃焼させる燃焼室と、この燃焼室の略中央に配置された気化筒と、当該気化筒の下端部回りに配置された飛散リングと、この飛散リングの周囲に配置されて前記燃焼室内への送気間隙を形成する送気案内リングとを備えて構成されている。この液体燃料燃焼装置は、飛散リングから燃焼室内に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行い、この噴霧燃焼による燃焼熱で気化筒を加熱して気化筒内に供給される液体燃料を気化して混合気とし、当該混合気を前記燃焼室を形成する燃焼盤の側壁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。

ところで、灯油等の液体燃料を燃焼させる場合、その燃焼反応において、空気中の窒素成分が高温において酸素と結合してＮＯｘが生成されるが、一般的には、高温度領域での燃焼ガスの滞留時間が長いほどＮＯｘの生成量が多くなるものと理解されている。従って、ＮＯｘの生成量を低下させるためには、燃焼室内における高温度領域を冷却することが一つの対策として考えられる。

特開２００３−９０５１５号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載された液体燃料燃焼装置にあっては、炎孔の数や、炎孔相互間のピッチ等に何らの工夫も施されておらず、高温度領域が燃焼室の底部側にも存在する傾向が強くなり、これに起因して、ＮＯｘの積極的な低減化を図ることができない、という不都合がある。

［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、燃焼盤の炎孔から燃焼室内に形成される火炎によって生ずる高温度領域の熱を放熱し易くすることにより、ＮＯｘの低減化を達成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、燃焼室を形成する有底容器状の燃焼盤と、前記燃焼室内に配置された気化筒回りに設けられて液体燃料を燃焼室内に飛散させる飛散リングと、前記燃焼盤の底壁上に設けられて前記飛散リングとの間に送気間隙を形成する送気案内リングと、前記送気間隙に空気を供給する送風通路とを備え、前記気化筒と飛散リングとの間の隙間から燃焼室内に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行い、この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に供給される液体燃料を気化し、当該気化した燃料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、
前記燃焼盤の単位面積当たりの炎孔の数若しくは開口面積を、前記燃焼室の底部側よりも開放部側に大きく設定する、という構成を採っている。

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について用いられ、また、「気化燃焼」とは、噴霧燃焼の燃焼熱で気化した液体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について用いられる。

本発明によれば、前記燃焼盤に形成された炎孔の数等を燃焼室開放部側と底部側とで相対的なものとした構成により、高温度領域が燃焼室の開放部側となって放熱効率を高めることができ、ＮＯｘの生成量を低減することができる。

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。

［第１実施形態］
図１には、第１実施形態に係る液体燃料燃焼装置としてのバーナーの概略平面図が示されている。この図において、バーナー１０は、図中左側を前方として位置する平面視略円筒状をなす燃焼室１１を含む前部構成体１２と、この前部構成体１２の後方（図１中右方）に位置するとともに内部に外気を取り込んで前記燃焼室１１に空気を供給する送風ファン１３を含む後部構成体１４とを備えて構成されている。

前部構成体１２は、前方に開放する燃焼室外筒１５と、この燃焼室外筒１５の内側に設けられた有底略円筒状の燃焼盤１６と、当該燃焼盤１６の内側略中央に位置するとともに、灯油等の液体燃料を気化して空気との混合気を形成する混合気形成手段１８と、当該混合気形成手段１８の後部側に設けられるとともに、燃焼室１１内に空気を導入する空気導入部１９とを備えて構成されている。なお、燃焼盤１６と混合気形成手段１８との間に形成される空間が燃焼室１１となっている。

前記燃焼室外筒１５は、略鉛直面内に位置する底壁１５Ａと、この底壁１５Ａの外周から前方に向けられた略円筒状の側壁１５Ｂとからなる。底壁１５Ａには、略中央領域に第１中央貫通穴２１が形成されているとともに、この第１中央貫通穴２１の周方向に沿う複数箇所、本実施形態では周方向略６０度間隔位置に第１中央貫通穴２１よりも小径の第１外側貫通穴２２が形成されている。

前記燃焼盤１６は、燃焼室外筒１５の内方に空間を形成するように配置されており、当該空間によって前記混合気形成手段１８で形成された混合気を通過させるガス室２４が形成されている。また、燃焼盤１６は、略鉛直面内に位置して前記燃焼盤１５の底壁１５Ａと略平行に位置する底壁１６Ａと、この底壁１６Ａの外周から前方に向けられるとともに、前端に向かうに従って次第に大径化された側壁１６Ｂとにより構成されている。底壁１６Ａの中央部には、前記第１中央貫通穴２１と第１外側貫通穴２２の各前方に第２中央貫通穴２６と第２外側貫通穴２７がそれぞれ形成されている。また、側壁１６Ｂには、前記ガス室２４からの混合気を燃焼室１１内に噴出可能とする多数の炎孔２９が形成されている。ここで、燃焼盤１６は、図２及び図３に示されるように、炎孔２９の単位面積当たりの数が、底部側（図２中右側）よりも開放側（同左側）が多くなるように形成され、これにより、燃焼室１１内における高温度領域が開放側近傍となるようにして放熱効果を高めることができるようになっている。第１実施形態では、各炎孔２９の開口面積を相互に略同一としたものであるが、良好な火炎を形成できる限りにおいて、開放側の炎孔面積を底部側の炎孔面積よりも大きく形成することもでき、この場合には、燃焼盤側壁１６Ｂの略全域において、炎孔２９相互間の間隔を略等しくしてもよい。勿論、これらの組み合わせの採用も妨げない。なお、ここでは図示省略しているが、側壁１６Ｂの前方には熱交換機が配置される。

前記混合気形成手段１８は、後部が開放する略釣鐘型の気化筒３１と、この気化筒３１の後端部との間に微細な隙間Ｓを形成するように取り付けられるとともに、外周縁側に切り起こし片３２Ａが形成された飛散リング３２と、前記第１中央貫通穴２１の形成縁領域に支持されるとともに、前端側が気化筒３１の頂部３１Ａ側に開放する一方、後端側が後部構成体１４側に開放する略円筒状の送風筒３３と、この送風筒３３の前方に位置する燃料拡散体３５と、当該燃焼拡散体３５に向かって液体燃料を供給する燃料供給管３６とにより構成されている。

前記燃料拡散体３５は、後端側が前端側に対して次第に細くなるように緩やかに湾曲した略コーン形状のブロックにより構成されている。この燃料拡散体３５は、その前端に気化筒３１の頂壁３１Ａを載せた状態に組み合わされる。頂壁３１Ａの前面には座金３７が配置され、燃料拡散体３５の中心に形成された貫通穴３５Ａ内を延びる回転軸４０が前記座金３７を貫通し、回転軸４０の前端側に形成された図示しない雄ねじ部にナット部材４１が締着されている。ここで、回転軸４０は、図示しない保持部材を介して後部構成体１４内に保持されたモータＭと、前記送風ファン１３に連結されており、これにより、モータＭの回転によって燃料拡散体３５は気化筒３１及び送風ファン１３と一体に回転し、燃料拡散体３５の外周面に供給された液体燃料が、噴霧燃焼時において、前記隙間Ｓから燃焼室１１内に飛散される。この一方、気化燃焼時には、気化筒３１の熱によって気化して送風筒３３からの空気と混合された後に前記ガス室２４内に供給されることとなる。なお、送風ファン１３は、前記回転軸４０と同軸上にある構成に限らず、別途の送風ファンを用いて下部構成体１４内に空気供給を行うように構成してもよい。

前記燃焼室１１内に空気を送り込むための空気導入部１９は、前記第１及び第２外側貫通穴２２，２７間を連結する送風通路としての送気筒４９と、この送気筒４９の前端開放側及び飛散リング３２間に設けられて当該飛散リング３２との間に送気間隙Ｐを形成する送気案内リング５０とにより構成されている。この空気導入部１９は、前記送風ファン１３の回転によって後部構成体１４内に取り込まれた空気が送気筒４９を通って送気間隙Ｐから燃焼室１１内に供給可能となっている。

前記送気案内リング５０は、図２及び図４に示されるように、燃焼盤１６の底壁１６Ａに固定される平坦リング状のベース部５２と、このベース部５２の内周縁から起立する中間部５３を介して連設されて次第に縮径する形状を備えた傾斜部５４と、当該傾斜部５４の内周縁から前記ベース部５２と略平行となる平坦面部５５と、この平坦面部５５の前面に固定された送気間隙形成片５６とを備えて構成されている。送気間隙形成片５６は、断面形状が略Ｌ字状に設けられており、その長片側５６Ａが前記平坦面部５５に固定されている一方、短辺側５６Ｂが飛散リング３２の回りに位置して送気間隙Ｐを形成するように設けられている。なお、送気間隙形成片５６は、その短辺側５６Ｂが飛散リング３２の外周縁位置よりも若干後方に位置する程度、すなわち、飛散リング３２の外周縁位置よりも低くなる高さ若しくは長さに設定されている。

次に、前記バーナー１０の燃焼動作について図５をも参照しながら説明する。

先ず、図示しないスイッチを投入すると、モータＭが回転するとともに、燃料供給管３６を通じて液体燃料が気化筒３１内の燃料拡散体３５の外周面に吐出される。同時に、モータＭの回転で送風ファン１３と気化筒３１が回転することとなる。燃料拡散体３５の外周面に供給された液体燃料は気化筒３１の周壁３１Ｂ内周面を伝って後方に流れ、当該気化筒３１と飛散リング３２との間の微細な隙間Ｓから燃焼室１１内に飛散される。この飛散された液体燃料は、燃焼室１１内に延びるイグナイター等の点火装置（図示省略）の火花によって着火され、噴霧燃焼が開始する。

噴霧燃焼が開始されると、その燃焼熱によって気化筒３１が加熱され、気化筒３１内に供給された液体燃料が気化する。そして、当該気化した燃料は、気化筒３１の内部に供給された空気と混合して混合気となり、当該混合気がガス室２４を通って燃焼盤１６の各炎孔２９から燃焼室１１内に噴出され、既に発生している噴霧燃焼の火炎によって気化燃焼が行われ、図５に示されるように、炎孔２９から燃焼室１１内に火炎が形成される。この際、燃焼室１１内の気化燃焼は、当該燃焼室１１の開放側が底部側に比べて炎孔２９の数が多いため、燃焼時における高温度領域は開放側となって放熱し易い燃焼となる。

送風ファン１３の回転によって取り込まれた空気は、送気筒４９を通って送気案内リング５０内にも流れ、送気間隙形成片５６と飛散リング３２との間の送気間隙Ｐを通じて燃焼室１１内に供給される。この際、燃焼室１１の底部側における各火炎は、前記炎孔２９の開放側と底部側の相対的な数の相違により、底部側が開放側に比べて火炎相互の間が相対的に大きくなり、底部側の火炎間を通って空気が前方（開放部側）に向けて流れ易くなり、前記放熱し易い燃焼と相俟って高温度領域の効率的な冷却が促進されることとなる

従って、このような第１の実施形態によれば、燃焼盤１６の側壁１６Ｂに形成された炎孔２９が底部側よりも開放部側に多く設けられる構成としたから、燃焼室１１内の高温度領域が開放側にシフトして熱を逃がしやすくなり、当該燃焼室１１内の温度上昇を抑制してＮＯｘの生成量を低減することができる、という効果を得る。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図６ないし図９を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。

第２の実施形態では、図６に示されるように、送気案内リング５０において、前記傾斜部５４に多数の送気孔５４Ａを設けるとともに、当該送気孔５４Ａ回りにガイド部材として作用する起立片５８を設けた構成、及び、気化筒３１の頂壁３１Ａ側から燃焼室１１内に空気、燃料を供給できるようにした構成を採用した点に特徴を有する。

すなわち、図７に示されるように、送気孔５４Ａは、それぞれ略同一の開口面積を有しているとともに、略等間隔毎に送気案内リング５０の全周に複数設けられている。また、前記起立片５８は、断面形状が略Ｌ字状に設けられており、その短辺側５８Ａが前記ベース部５２に固定され、空気のガイドとして機能する長片側５８Ｂは、送気間隙形成片５６の短辺側５６Ｂを囲むように燃焼室１１内に位置されている。この起立片５８の高さ若しくは長さは、飛散リング３２の外周縁（前端縁）位置と略同一若しくはこれよりも燃焼室１１の開放部側に位置するように設定され、これにより、前記送気筒４９から燃焼室１１内に供給される空気量を多く確保するとともに、送気間隙Ｐ及び送気孔５４Ａから燃焼室１１内に供給される空気が、火炎の先端側領域に吹き付けられるようになっている。

前記気化筒３１は、図８に示されるように、頂壁３１Ａと周壁３１Ｂの上部に、気化筒３１の内外に連通する孔３１Ｃ及び３１Ｄを備えた形状に設けられている。これらの穴３１Ｃ、３１Ｄは、所定間隔毎にそれぞれ周方向に沿って形成され、これにより、各穴３１Ｃ、３１Ｄから燃料が噴出し、気化筒３１の前部外周領域で拡散燃焼状態が形成されることとなる。ここで、「拡散燃焼」とは、燃料と空気を別々にある流速で噴出させ、拡散混合させながら燃料と空気の境界で燃焼させるものをいう。

穴３１Ｃ、３１Ｄからは、気化する前の燃料が気化筒３１から燃焼室１１内に噴出することにより、気化筒３１付近は拡散燃焼となり、これにより、気化筒３１から燃料が噴出する分、前記ガス室２４に向かう燃料は相対的に少なくなり、ガス室２４内の混合気は、空気リッチとなって燃焼室１１での燃焼が希薄燃焼となる。

前記燃料拡散体３５は、支持軸４０回りにおいて、当該支持軸４０と略平行に延びる貫通孔３５Ａが形成されている。これら貫通孔３５Ａは、周方向略９０度間隔毎に形成されており、各貫通孔３５Ａの前端側には、座金３７との間にクリアランスＣが形成され、前記貫通孔３５ＡとクリアランスＣを通って空気が燃焼室１１内に供給できるようになっている。

以上の第２実施形態では、起立片５８が送気間隙形成片５６の前端位置よりも前方に位置し、しかも、飛散リング３２の外周縁位置と略同一若しくはこれよりも前方に位置する高さ若しくは長さに設けられているため、送気間隙Ｐ及び送気孔５４Ａから流れる空気の向きを第１実施形態よりもやや前方内側に変更させて、高温度領域となっている火炎の先端側領域（図９中点線領域）に向けられることとなる。この際、起立片５８は環状であるため、燃焼盤１６の側壁１６Ｂにおける炎孔２９から燃焼室１１内に形成されている全ての火炎の先端側領域に略均一に吹き付けられることとなり、部分的に高温度領域が残るような不都合は生じない。

また、前記気化筒３１に形成された穴３１Ｃ、３１Ｄから液体燃料が噴出して気化筒回りで拡散燃焼が行われる一方、ガス室２４に送られる混合気を空気リッチとして炎孔２９から噴出する混合気が燃料希薄状態となる状態で燃焼が行われることとなる。この点、一般に、理論空気量付近で比較した場合、拡散燃焼は混合気を燃焼させる予混合燃焼に比べてＮＯｘの生成量は少ないものとされ、予混合燃焼では、空気過剰率を高く設定して燃料希薄側で燃焼させることでＮＯｘの生成量を低減できると理解されている。従って、気化筒３１の前部回りで拡散燃焼を行うことによりＮＯｘの生成量が抑制される一方、ガス室２４内に送られる混合気を燃料希薄状態として燃焼させることになるので、この点からも、ＮＯｘの生成量を抑制でき、前記炎孔２９を前述のように設定した構成と、送気孔５４Ａを送気間隙Ｐの回りに形成した構成と相俟って、総合的にＮＯｘ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、前記実施形態におけるバーナー１０は、略円筒状の燃焼盤１６を用いて燃焼室１１が略円筒状としたが、平面視で楕円、多角形となる燃焼室１１としてもよい。

また、本発明は、第１実施形態と、第２実施形態における一部の構成を選択的に組み合わせることができる。

更に、バーナー１０は、開放部が横向きとなる横置き型とすることに限定されず、開放部を上方とする縦置き型にすることでもよい。

第１の実施形態に係るバーナーの概略端面図。 前記バーナーの要部拡大端面図。 燃焼盤側壁の一部概略斜視図。 送気案内リングの概略斜視図。 第１実施形態の作用を説明するための概略端面図。 第２の実施形態に係るバーナーの概略端面図。 第２実施形態に係る送気案内リングの分解斜視図。 第２の実施形態に係る気化筒の前部拡大端面図。 第２の実施形態に係るバーナーの作用を説明するための概略端面図。

符号の説明

１０…バーナー（液体燃料燃焼装置）、１１…燃焼室、１６…燃焼盤、１６Ａ…底壁、１６Ｂ…側壁、２９ 炎孔、３１…気化筒、３２…飛散リング、３５…燃料拡散体、４９…送気筒、４９…送気筒（送風通路）、５０…送気案内リング、５４Ａ…送気孔、５８…起立片（ガイド部材）、Ｐ…送気間隙、Ｓ…隙間

Claims (1)

1. 燃焼室を形成する有底容器状の燃焼盤と、前記燃焼室内に配置された気化筒回りに設けられて液体燃料を燃焼室内に飛散させる飛散リングと、前記燃焼盤の底壁上に設けられて前記飛散リングとの間に送気間隙を形成する送気案内リングと、前記送気間隙に空気を供給する送風通路とを備え、前記気化筒と飛散リングとの間の隙間から燃焼室内に飛散された液体燃料を着火して噴霧燃焼を行い、この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に供給される液体燃料を気化し、当該気化した燃料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、
   前記燃焼盤の単位面積当たりの炎孔の数若しくは開口面積を、前記燃焼室の底部側よりも開放部側に大きく設定したことを特徴とする液体燃料燃焼装置。

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