JP2006170594A - 濃淡燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】環流領域に環流領域用予混合気を導入可能な濃淡燃焼バーナ、火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼が可能な濃淡燃焼バーナを提供する。
【解決手段】頂部略中央に設けられ、淡火炎用予混合気を噴出する淡用炎孔と、淡用炎孔の両外側に設けられ、濃火炎用予混合気を噴出する濃用炎孔と、淡用炎孔と濃用炎孔との間に設けられ、淡火炎と濃火炎との間の環流領域に環流領域用予混合気を噴出可能な環流領域用炎孔とを少なくとも備えた濃淡燃焼バーナとする。淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺは、Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝１０／９０〜９０／１０、λ_Ｌ＝１．３〜１．８、λ_Ｒ＝０．３〜０．８、Ｖ_ＲＺ＝０．０１〜３．０［ｍ／ｓ］、λ_ＲＺ＝０．３以上の条件を満たすことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、濃淡燃焼バーナに関し、さらに詳しくは、家庭用・業務用ガス機器などに用いて好適な濃淡燃焼バーナに関するものである。

近年、地球環境に対する関心が高まっていることから、家庭用・業務用ガス機器などに用いられる比較的小型のバーナにおいてもＮＯｘ排出量の削減が求められている。

従来、この種のバーナとしてはブンゼンバーナが多用されてきた。しかしながら、ブンゼンバーナは、火炎の温度が高く、燃焼温度が高いほど発生量が増加するＮＯｘを抑制するには限界があった。

一方、ガスと多量の空気とを予め混合してから燃焼させることにより、火炎の温度を低く抑え、ＮＯｘを減少させる予混合燃焼バーナも知られている。しかしながら、予混合燃焼バーナは、火炎の安定性が悪く、家庭用・業務用ガス機器などのバーナとして採用するのは困難であった。

そのため、最近では、家庭用・業務用ガス機器などに好適なバーナとして、濃淡燃焼バーナが用いられるようになってきている。

図２０に示すように、一般的に、濃淡燃焼バーナ１００は、燃料ガス濃度が希薄で火炎長さが長い淡火炎１０１が形成される淡用炎孔１０２の両外側に、燃料ガス濃度が過濃で火炎長さが短い濃火炎１０３が形成される濃用炎孔１０４を備え、さらに、これら淡用炎孔１０２と濃用炎孔１０４との間にガスの出ない閉塞部１０５を備えている。

このような濃淡燃焼バーナとしては、例えば、特許文献１に、主炎孔両外側に側壁が設けられ、主炎孔と保炎間隙との間にガスの出ない渦流部（図２０にいう、閉塞部１０５に相当する）が形成された濃淡燃焼バーナが開示されている。

特開平６−１４７４３１号公報

しかしながら、上述した構成を備えた従来の濃淡燃焼バーナ１００は、一般に、高負荷燃焼を達成するため、淡火炎１０１側および濃火炎１０３側の予混合気量を増加させると、図２１に示すように、火炎基部１０６が浮き上がり、火炎が不安定になる。そのため、火炎の脈動や浮き上がり・戻りが生じる。あるいは、振動燃焼が発生する場合もある。その結果、濃用炎孔１０４周縁から未燃焼ガス１０７が流出し、火炎を通過しない不完全燃焼によるＣＯの発生が顕著に見られる。

したがって、従来の濃淡燃焼バーナでは、一般の予混合燃焼バーナに比べて単位炎孔面積当たりの燃焼量を大きく取ることが難しく、高負荷燃焼が困難な状況にあった。

このような状況は、火炎の安定化を図るためには、淡火炎と濃火炎との間に存在する環流領域を制御することが重要であるにもかかわらず、従来の濃淡燃焼バーナでは、閉塞部があるために環流領域を全く制御することができなかったことに起因するものと考えられる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の解決しようとする課題は、環流領域に環流領域用予混合気を導入可能な濃淡燃焼バーナを提供することにある。また、他の課題は、火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼が可能な濃淡燃焼バーナを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の濃淡燃焼バーナは、頂部略中央に設けられ、淡火炎用予混合気を噴出可能な淡用炎孔と、前記淡用炎孔の両外側に設けられ、濃火炎用予混合気を噴出可能な濃用炎孔と、前記淡用炎孔と前記濃用炎孔との間に設けられ、淡火炎と濃火炎との間の環流領域に環流領域用予混合気を噴出可能な環流領域用炎孔とを少なくとも備えたことを要旨とする。

また、請求項２に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１に記載のものであって、前記濃用炎孔の両外側には２次空気が供給されることを要旨とする。

また、請求項３に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１または２に記載のものであって、前記淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、前記濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、前記環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺは、（ａ）Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝１０／９０〜９０／１０、（ｂ）λ_Ｌ＝１．３〜１．８、λ_Ｒ＝０．３〜０．８、（ｃ）Ｖ_ＲＺ＝０．０１〜３．０［ｍ／ｓ］、λ_ＲＺ＝０．３以上の条件を満たすことを要旨とする。

また、請求項４に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜３の何れかに記載のものであって、前記濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒと前記環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺは、（ｄ）Ｖ_ＲＺ＜Ｖ_Ｒを満たすことを要旨とする。

また、請求項５に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜４の何れかに記載のものであって、前記濃火炎用予混合気の空気比λ_Ｒと前記環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺは、（ｅ）λ_Ｒ＜λ_ＲＺを満たすことを要旨とする。

また、請求項６に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜５の何れかに記載のものであって、前記環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺは、１．０以上であることを要旨とする。

また、請求項７に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜６の何れかに記載のものであって、前記環流領域用予混合気は、前記淡火炎用予混合気の一部から生成されることを要旨とする。

また、請求項８に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜６の何れかに記載のものであって、前記環流領域用予混合気は、前記濃火炎用予混合気の一部から生成されることを要旨とする。

また、請求項９に記載の濃淡燃焼バーナは、請求項１〜６の何れかに記載のものであって、前記環流領域用予混合気は、前記淡火炎用予混合気の一部と前記濃火炎用予混合気の一部が混合されて生成されることを要旨とする。

請求項１に記載の濃淡燃焼バーナによれば、淡用炎孔と濃用炎孔との間に環流領域用炎孔を備えているので、淡火炎と濃火炎との間に存在する環流領域に環流領域用予混合気を噴出させることが可能となる。そのため、淡火炎用予混合気の流速とその空気比および濃火炎用予混合気の流速とその空気比以外にも、環流領域用予混合気の流速とその空気比などを種々制御することが可能となる。

これにより、例えば、高負荷時に浮き上がっていた濃火炎と淡火炎の火炎基部が環流領域用炎孔周辺に付着するなどして火炎が安定するために、火炎の脈動や浮き上がり・戻りが生じ難くなる。あるいは、振動燃焼が発生し難くなる。そのため、火炎の浮き上がり部分などから発生するＣＯを抑制することができる。したがって、従来よりも火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼を行うことが可能となる。

また、請求項２に記載の濃淡燃焼バーナによれば、濃用炎孔の両外側に２次空気が供給されるので、濃火炎の安定が促進されるとともに、空気不足である濃火炎の燃焼反応が促進され、よりＣＯの発生を抑制することが可能となる。

また、請求項３に記載の濃淡燃焼バーナによれば、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺが、特定の条件を満たすようにしたので、火炎の安定化を一層図り易く、上述した作用効果にも優れる。

また、請求項４に記載の濃淡燃焼バーナによれば、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒと環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺが（ｄ）Ｖ_ＲＺ＜Ｖ_Ｒを満たすようにしたので、火炎の浮き上がりを抑制し易い。

また、請求項５に記載の濃淡燃焼バーナによれば、濃火炎用予混合気の空気比λ_Ｒと環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが（ｅ）λ_Ｒ＜λ_ＲＺを満たすようにしたので、環流領域上部に形成される火炎の燃焼速度を、濃火炎の燃焼速度よりも大きくすることができ、火炎の安定性を向上させることができる。

また、請求項６に記載の濃淡燃焼バーナによれば、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが１．０以上であるので、環流流域上部に形成される火炎の燃焼速度を、最大燃焼速度程度とすることができ、火炎の安定化をさらに向上させることができる。

また、請求項７に記載の濃淡燃焼バーナによれば、環流領域用予混合気が淡火炎用予混合気の一部から生成されることとしたので、環流領域用予混合気を予め環流領域用混合室などで生成する必要がなく、バーナ構造を簡略化できるなどの利点がある。

また、請求項８に記載の濃淡燃焼バーナによれば、環流領域用予混合気が濃火炎用予混合気の一部から生成されることとしたので、環流領域用予混合気を予め環流領域用混合室などで生成する必要がなく、バーナ構造を簡略化できるなどの利点がある。

また、請求項９に記載の濃淡燃焼バーナによれば、環流領域用予混合気が淡火炎用予混合気の一部と濃火炎用予混合気の一部が混合されて生成されることとしたので、環流領域用予混合気を予め環流領域用混合室などで生成する必要がなく、バーナ構造を簡略化できるなどの利点がある。

以下に、本実施形態に係る濃淡燃焼バーナ（以下、「本バーナ」という。）について説明する。

図１は、本バーナの頂部付近の詳細を示した断面図である。本バーナ１０は、金属板などの板状部材によりその頂部が所定間隔に区画されて形成された淡用炎孔１１、濃用炎孔１２、環流領域用炎孔１３を少なくとも備えている。

淡用炎孔１１は、頂部略中央に長手方向に亘って配設されており、理論空気比以上の淡火炎用予混合気１４を噴出できるようになっている。淡用炎孔１１の下方には、淡火炎用予混合気１４を淡用炎孔１１まで導く淡用流路１５が形成されている。

濃用炎孔１２は、淡用炎孔１１の両外側に配設されており、理論空気比以下の濃火炎用予混合気１６を噴出できるようになっている。濃用炎孔１２の下方には、濃火炎用予混合気１６を濃用炎孔１２まで導く濃用流路１７が形成されている。

環流領域用炎孔１３は、淡用炎孔１１と濃用炎孔１２の間に配設されており、淡用炎孔１１の上方に形成された淡火炎１８と、濃用炎孔１２の上方に形成された濃火炎１９との間に存在する環流領域に環流領域用予混合気２０を噴出できるようになっている。環流領域用炎孔１３の下方には、環流領域用予混合気２０を環流領域用炎孔１３まで導く環流領域用流路２１が形成されている。

ここで、本バーナ１０は、上記各炎孔１１、１２、１３以外にも、図１に示すように、２次空気孔２２を備えていても良い。すなわち、２次空気孔２２は、濃用炎孔１２の両外側に配設されており、２次空気２３を噴出できるようになっている。この２次空気孔２２を備える場合には、濃火炎の安定が促進されるとともに、空気不足である濃火炎の燃焼反応が促進され、よりＣＯの発生を抑制することできるので有用である。２次空気孔２２の下方には、２次空気２３を２次空気孔２２まで導く２次空気用流路２４が形成されている。

本バーナ１０において、上記各炎孔１１、１２、１３および２次空気孔２２は、幅方向に２つ以上形成されていても良い。図１では、頂部略中央に淡用炎孔１１が３つ、淡用炎孔１１の両外側に環流領域用炎孔１３がそれぞれ１つずつ、環流領域用炎孔１３の両外側に濃用炎孔１２がそれぞれ１つずつ、濃用炎孔１２の両外側に２次空気孔２２がそれぞれ１つずつ形成された場合を例示している。

この際、上記各炎孔１１、１２、１３および２次空気孔２２の幅は、基本的には、単位面積当たりの燃焼量が１〜１０ｋｃａｌ／ｍｍ^２程度で、かつ、各予混合気の消炎距離以下となるように最適な幅に形成すれば良い。

本バーナにおいて、各予混合気１４、１６、２０は、燃料ガスと空気とを所定の空気比となるように混合し、生成した予混合気をそれぞれ別個に各炎孔１１、１２、１３に供給すれば良い。これ以外にも、濃火炎用予混合気１６の一部を淡火炎用予混合気１４として淡用炎孔１１に供給しても良い。また、淡火炎用予混合気１４の一部または濃火炎用予混合気１６の一部を環流領域用予混合気２０として環流領域用炎孔１３に供給しても良い。また、淡火炎用予混合気１４の一部と濃火炎用予混合気１６の一部を混合して生成される予混合気を環流領域用予混合気２０として環流領域用炎孔１３に供給しても良い。

この際、淡火炎用予混合気１４の一部または濃火炎用予混合気１６の一部を環流領域用炎孔１３に供給する場合には、例えば、淡用流路１５と環流領域用流路２１の間の隔壁または濃用流路１７と環流領域用流路２１の間の隔壁に適当な大きさの連通孔を設けるなどすれば良い。また、淡火炎用予混合気１４の一部と濃火炎用予混合気１６の一部を環流領域用炎孔１３に供給する場合には、例えば、淡用流路１５と環流領域用流路２１の間の隔壁および濃用流路１７と環流領域用流路２１の間の隔壁に適当な大きさの連通孔を設けるなどすれば良い。

なお、本バーナに用いられる燃料ガスとしては、具体的には、都市ガス、ＬＰＧ、Ｈ_２、メタンなどが挙げられる。

ここで、本バーナでは、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺとすると、これら各パラメータは、（ａ）Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝１０／９０〜９０／１０、（ｂ）λ_Ｌ＝１．３〜１．８、λ_Ｒ＝０．３〜０．８、（ｃ）Ｖ_ＲＺ＝０．０１〜３．０［ｍ／ｓ］、λ_ＲＺ＝０．３以上の条件を満たすように設定されていると良い。

各パラメータが上記（ａ）〜（ｃ）を満たす場合には、火炎の安定化を一層図り易く、従来よりも火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼を行うことができる。また、火炎の安定性が増し、排ガス特性にも優れるなどの利点もある。

ここで、上記（ａ）におけるＶ_Ｒ／Ｖ_Ｌは、好ましくは、Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝２５／７５〜５０／５０、より好ましくは、Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝３０／７０〜４０／６０の条件を満たすように設定されていることが好ましい。

また、上記（ｂ）におけるλ_Ｌは、好ましくは、λ_Ｌ＝１．４〜１．７、より好ましくは、λ_Ｌ＝１．５〜１．６の条件を満たすように設定されていることが好ましく、一方、λ_Ｒは、好ましくは、λ_Ｒ＝０．５〜０．７、より好ましくは、λ_Ｒ＝０．５〜０．６の条件を満たすように設定されていることが好ましい。

また、上記（ｃ）におけるＶ_ＲＺは、好ましくは、Ｖ_ＲＺ＝０．０５〜１．５［ｍ／ｓ］、より好ましくは、Ｖ_ＲＺ＝０．０５〜１．０［ｍ／ｓ］の条件を満たすように設定されていることが好ましく、一方、λ_ＲＺは、好ましくは、λ_ＲＺ＝０．５以上、より好ましくは、λ_ＲＺ＝０．６以上、最も好ましくは、λ_ＲＺ＝１．０以上の条件を満たすように設定されていることが好ましい。

特に、λ_ＲＺ＝１．０以上の条件を満たすように設定されている場合には、環流領域上部に形成される火炎の燃焼速度を、最大燃焼速とほぼ同等の燃焼速度とすることができるので、火炎の安定化をより一層図り易くなる。

なお、λ_ＲＺの上限値は、高負荷時における火炎の安定化に対する効果が顕著になるなどの観点からより大きいほど好ましく、特に限定されるものではない。

この際、上記（ａ）におけるＶ_Ｒの値と、上記（ｃ）におけるＶ_ＲＺの値とは、（ｄ）Ｖ_ＲＺ＜Ｖ_Ｒの条件を満たすように設定されていると良い。環流領域用予混合気の流速が濃火炎用予混合気の流速より小さくなれば、火炎は浮き上がり難くなるからである。

また、上記（ｂ）におけるλ_Ｒの値と、上記（ｃ）におけるλ_ＲＺの値とは、（ｅ）λ_Ｒ＜λ_ＲＺの条件を満たすように設定されていると良い。環流領域における淡火炎側の燃焼速度が濃火炎の燃焼速度よりも大きくなるので、火炎安定限界が広がり易くなるからである。

なお、各パラメータを上述した条件を満たすように設定するには、本バーナに供給する燃料および空気の流量や圧力を適宜調整したり、各炎孔に各予混合気が至るまでの流路の断面積を適宜変化させるなど、常法にしたがって行えば良い。

本願において、「火炎が安定状態にある」とは、図２（ａ）に模式的に示すように、淡火炎１８と濃火炎１９の火炎基部２５が環流領域用炎孔１３付近に互いに付着しており、かつ、濃火炎１９の外側の火炎基部２５Ｒが濃用炎孔１２付近に互いに付着している状態にある場合をいう。

これに対して、「火炎が安定状態にない」とは、例えば、図２（ｂ）に示すように、濃火炎１９および淡火炎１８の火炎基部２５が環流領域用炎孔１３から浮き上がった状態、または、図２（ｃ）に示すように、淡火炎１８の火炎先端部２６が開いてしまった状態、または、図２（ｄ）に示すように、濃火炎１９の外側の火炎基部２５Ｒが浮き上がった状態、または、図２（ｅ）に示すように、淡火炎１８の火炎基部両端の少なくとも何れか一方が吹き飛んでしまった状態、あるいは、これらに準ずる状態にある場合などをいう。

図２（ｂ）の場合、火炎基部２５が浮き上がり、火炎全体の脈動や浮き上がり・戻りが生じやすくなるため、燃焼騒音が大きくなる、あるいは、振動燃焼が発生しやすくなる。また、図２（ｃ）の場合、火炎先端部２６から淡火炎用予混合気１４が大気中へ放出されるので、ＣＯや未燃焼ガスであるハイドロカーボンが増加し、燃焼性が悪くなる。また、図２（ｄ）の場合、濃火炎１９の外側の火炎基部２５Ｒが浮き上がった状態となるので、濃用炎孔１２周縁から未燃焼ガスが流出して、ＣＯやハイドロカーボンが増加し、燃焼性が悪くなる。また、図２（ｅ）の場合、淡火炎１８の左右のうち、いずれか一方が吹き飛んだ状態となるので、未燃焼ガスであるハイドロカーボンが増加し、燃焼性が悪くなる。したがって、「火炎安定限界」とは、火炎が安定状態にある場合から火炎が安定状態にない場合に移行する限界を指す。

上記濃淡燃焼バーナによれば、淡用炎孔と濃用炎孔との間に環流領域用炎孔を備えているので、淡火炎と濃火炎との間に存在する環流領域に環流領域用予混合気を噴出させることが可能となる。そのため、淡火炎用予混合気の流速とその空気比および濃火炎用予混合気の流速とその空気比以外にも、環流領域用予混合気の流速とその空気比を種々制御することが可能となる。

これにより、例えば、高負荷時に浮き上がっていた淡火炎と濃火炎の火炎基部が環流領域用炎孔周辺に付着するなどして、未燃焼ガスの流出を抑制することができる。そのため、ＣＯの発生を抑制することができる。したがって、従来よりも火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼を行うことが可能となる。

以上、本実施形態に係る濃淡燃焼バーナについて説明したが、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形・改良が可能である。

例えば、本バーナでは、各予混合気および２次空気の流路は、最終的に、上述した順に配設された各炎孔および２次空気孔に連通されておれば、どのような経路を経ても良く、特に限定されるものではない。

また、本バーナでは、バーナ頂部付近において、淡用流路を３つとしたが、上述の単位面積当たりの燃焼量および消炎距離以下の流路幅であれば、その数は特に限定されるものではない。

また、本実施形態では１連（１個）のバーナについて説明したが、本バーナを複数並設し、多連（複数個）のバーナとしても良く、本バーナが適用されるガス機器類の仕様などを考慮して、適宜その使用個数を設定することができる。

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。なお、上記実施形態と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付してある。

（本実施例に係る濃淡燃焼バーナの作製）
初めに、図３〜図５に示す構成（構成部材の寸法の単位はｍｍである。）を有する濃淡燃焼バーナを作製した。

すなわち、濃淡燃焼バーナ１０は、薄板状のステンレスを所定間隔離間させて複数枚積層するなどして形成されたものであり、頂部略中央に淡用炎孔１１を３つ、淡用炎孔１１の両外側に環流領域用炎孔１３をそれぞれ１つずつ、環流領域用炎孔１３の両外側に濃用炎孔１２をそれぞれ１つずつ、濃用炎孔１２の両外側に２次空気孔２２をそれぞれ１つずつ有している。各炎孔１１、１３、１２および２次空気孔２２の長手方向は、スペーサー２７により５つのブロックに分割されている。

各炎孔１１、１３、１２および２次空気孔２２の下方には、略中央に淡用流路１５、その両外側に環流領域用流路２１、その両外側に濃用流路１７、その外側に２次空気用流路２４がそれぞれ形成されており、これら各流路１５、２１、１７、２４は、それぞれ各炎孔１１、１３、１２および２次空気孔２２に連通されている。なお、本実施例では、淡火炎用予混合気１４の流量、環流用予混合気２０の流量、濃火炎用予混合気１６の流量および２次空気２３の流量を考慮した上で、図に示す助走距離が設けられている。

淡火炎用予混合気１４は、バーナ側壁部に取り付けられた流入口２８から流入し、淡用流路１５を通過して淡用炎孔１１に至る。同様に、環流領域用予混合気２０は、バーナ側壁部に取り付けられた流入口２９から流入し、淡用流路１５の外側に沿って流れ、環流領域用炎孔１３に至る。濃火炎用予混合気１６は、バーナ側壁部に取り付けられた流入口３０から流入し、環流領域用流路２１の外側に沿って流れ、濃用炎孔１２に至る。２次空気２３は、バーナ側壁部に取り付けられた流入口３１から流入し、濃用流路１７の外側に沿って流れ、２次空気孔２２に至る。

なお、本実施例に係る濃淡燃焼バーナ１０では、実験の便宜上、各種パラメータを正確に変化させることができるように、各流路１５、２１、１７、２４に対して予混合気ないし２次空気をそれぞれ独立して供給可能な構成を採用している。また、本実施例に係る濃淡燃焼バーナ１０を構成する各構成部材の寸法は、市販の濃淡燃焼バーナを出来る限り模擬して決定されたものであり、特に限定されるものではない。また、濃淡燃焼バーナ１０の上部には、火炎形状を観察するため、石英ガラス製の観察窓３２を設置したが、これにより火炎の形状が大きく変化することはなく、その影響は十分小さいものである。

（流路系統）
次に、上記作製した濃淡燃焼バーナに供給する燃料および空気の流路系統について説明する。

図６に示すように、空気３３は、コンプレッサー（図示されない）によって供給され、水蒸気分離装置３４、貯気槽３５を通り、フィルタ３６によって、水分、油分、粉塵を除去された後、減圧弁３７を通り、圧力調整器３８で調圧され、オリフィス流量計３９を経て、再び圧力調整器４０で調圧された後、淡用混合室４１、濃用混合室４２、環流領域用混合室４３へ至る。

一方、燃料（メタン）４４は、ボンベ（図示されない）から供給され、減圧弁４５を通り、圧力調整器４６で調圧され、オリフィス流量計４７を経て、再び圧力調整器４８で調圧された後、淡用混合室４１、濃用混合室４２、環流領域用混合室４３へ至る。なお、流量は、オリフィス流量計３９、４７の上流および下流に設けた水柱マノメータ４９、５０の液面差を読み取ることにより測定できるようになっている。

各混合室４１、４２、４３で所定の空気比に混合された燃料４４と空気３３は、淡火炎用予混合気１４、濃火炎用予混合気１６、環流領域用予混合気２０として、濃淡燃焼バーナ１０へ導かれる。

（淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌが火炎安定限界に与える影響について）
次に、上記濃淡燃焼バーナに供給する濃火炎用予混合気の流速（噴出速度）Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒを、一般的な濃淡燃焼バーナの定格インプット時と同様に、Ｖ_Ｒ＝１．２５［ｍ／ｓ］、λ_Ｒ＝０．５とし、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺを種々変化させることにより、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌが火炎安定限界に与える影響を調べた。

具体的には、各予混合気の流速とその空気比を調節して火炎を安定化させた。次いで、火炎の安定状態から淡火炎用予混合気の燃料流量を上げていく、すなわち、バーナ全体に投入される燃料の量を増やしていくと、ある空気比で安定していた濃火炎および淡火炎の火炎基部は、バーナ出口付近から剥がれる（図２（ｂ）参照）。

また、淡火炎用予混合気の燃料流量を下げていくと、ある空気比で安定していた淡火炎は細く長くなっていき、さらに燃料流量を下げていくと、火炎先端部分は開いてしまう（図２（ｃ）参照）。

火炎が安定状態にある場合から以上のような現象が起こった時の淡火炎の空気流量および燃料流量を読み取り、これにより求めた淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌの値を、濃淡火炎基部浮き上がり限界および淡火炎先端消炎限界と定めた。

なお、これらの実験は、大気開放状態で行い、２次空気は供給していない。

図７〜図１０は、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを一定とし、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変化させた場合における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示したものである。ここで、Ｖ_ＲＺ＝０．００［ｍ／ｓ］は、環流領域を制御していない場合の結果を示している。また、図中の実線は、濃淡火炎基部浮き上がり限界を、図中の破線は、淡火炎先端消炎限界を示している。

図７に示すように、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺ＝０．５とした場合、Ｖ_ＲＺを増加させると、環流領域を制御していない場合と比較して濃淡火炎基部浮き上がり限界は小さくなっている。一方、淡火炎先端消炎限界は、Ｖ_ＲＺに依存せず、どの条件でも同様であった。これは、淡火炎先端消炎限界は、濃淡火炎の火炎基部に存在する環流領域の条件にほとんど左右されないことを示している。この結果より、λ_ＲＺがλ_Ｒ以下であることは、火炎安定に対し効果が少ないことが分かる。

また、図８に示すように、λ_ＲＺ＝０．６とした場合、濃淡火炎基部浮き上がり限界は、Ｖ_ＲＺ＝０．１２［ｍ／ｓ］の条件まで広がっていることが分かる。なお、Ｖ_ＲＺ＝０．１６［ｍ／ｓ］より大きくなると、環流領域を制御していない場合と比較して同程度であった。

また、図９に示すように、λ_ＲＺ＝０．７とした場合、濃淡火炎基部浮き上がり限界は、λ_ＲＺ＝０．６とした場合（図８）より広がっていることが分かる。また、Ｖ_ＲＺを増加するにつれて徐々に広がることが分かる。

また、図１０に示すように、λ_ＲＺ＝１．６とした場合、濃淡火炎基部浮き上がり限界は、λ_ＲＺ＝０．７とした場合（図９）より広がっていることが分かる。また、Ｖ_ＲＺの増加とともに濃淡火炎基部浮き上がり限界は広くなるが、Ｖ_ＲＺ＝０．５［ｍ／ｓ］を越えると逆に狭くなる傾向が見られた。この結果より、λ_ＲＺがλ_Ｒより大きい方が火炎安定に対し効果が大きいことが分かる。

一方、図１１は、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを一定とし、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを変化させた場合における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示したものである。何れの条件においても、λ_ＲＺを増加させると、濃淡火炎基部浮き上がり限界は広くなっていることが分かる。特に、λ_ＲＺを１．０以上とすることで、火炎の安定化に対し著しい効果があることが分かる。

以上の結果から、火炎安定領域を効果的に拡大させるには、（ｅ）λ_Ｒ＜λ_ＲＺを満たしていることが好ましいことが分かる。

このように環流領域用炎孔に環流領域用予混合気を流すと、環流領域の上部に火炎が形成され、この火炎により濃火炎と淡火炎の安定性を向上させることができ、さらには、この環流領域の上部に形成される火炎の燃焼速度が大きいほど、すなわち、この燃焼速度が最大燃焼速度に近いほど、火炎安定性に対する効果が大きくなることが確認できた。

次に、図１２に、Ｖ_Ｒ、λ_Ｒ、λ_ＲＺをそれぞれ、Ｖ_Ｒ＝１．２５［ｍ／ｓ］、λ_Ｒ＝０．５、λ_ＲＺ＝１．６に固定し、Ｖ_ＲＺ＝０、０．４［ｍ／ｓ］とした時の、全インプット量と火炎安定限界の関係を示す。

図１２によれば、環流領域を制御しない場合には、全インプット量が３２３０［ｋｃａｌ／ｈ］で火炎基部の浮き上がりが生じ、安定な火炎を形成し難くなることが分かる。

これに対し、環流領域を制御し、環流領域用予混合気を環流領域に噴出させることで、火炎安定限界が大きく広がり、全インプット量を４４６０［ｋｃａｌ／ｈ］まで増やすことが可能であることが分かる。したがって、この場合には、全インプット量で約３５％の高負荷燃焼が可能となる。

（濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒが火炎安定限界に与える影響について）
次に、上記濃淡燃焼バーナに供給する淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌを、Ｖ_Ｌ＝３．５［ｍ／ｓ］、λ_Ｌ＝１．６とし、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺを種々変化させることにより、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒが火炎安定限界に与える影響を調べた。

具体的には、各予混合気の流速とその空気比を調節して火炎を安定化させた。次いで、火炎の安定状態から淡火炎用予混合気の燃料流量を上げていくと、ある空気比で安定していた濃火炎および淡火炎の火炎基部は、バーナ出口付近から剥がれる（図２（ｂ）参照）。

また、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒをある範囲に変化させると、濃火炎の外側の火炎基部が浮き上がってしまう（図２（ｄ）参照）。

火炎が安定状態にある場合から以上のような現象が起こった時の濃火炎の空気流量および燃料流量を読み取り、これにより求めた濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒの値を、濃淡火炎基部浮き上がり限界および濃火炎外側浮き上がり限界と定めた。

図１３および図１４は、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを一定とし、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変化させた場合における、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、火炎安定限界の関係を示したものである。ここで、Ｖ_ＲＺ＝０．００［ｍ／ｓ］は、環流領域を制御していない場合の結果を示している。また、図中の実線は、濃淡火炎基部浮き上がり限界を、図中の破線は、濃火炎外側浮き上がり限界を示している。

図１３に示すように、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺ＝０．５とした場合、Ｖ_ＲＺを増加させると、環流領域を制御していない場合と比較して濃淡火炎基部浮き上がり限界は小さくなっている。

また、図１４に示すように、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺ＝１．６とした場合、Ｖ_ＲＺを増加させると、濃淡火炎基部浮き上がり限界は広くなる。一方、濃火炎外側浮き上がり限界は、Ｖ_ＲＺに依存せず、濃淡火炎間の火炎基部の条件に左右されないことが分かる。

次に、図１５は、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを一定とし、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを変化させた場合における、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、火炎安定限界の関係を示したものである。何れの条件においても、λ_ＲＺを増加させると、濃淡火炎基部浮き上がり限界が広くなっていることが分かる。

ここで、環流領域を制御した場合、λ_ＲＺを増加させたときに濃淡火炎基部浮き上がり限界が広がる要因について検討する。最初に、燃料過濃な濃火炎がバーナリム上に保炎されるメカニズムについて述べる。

すなわち、バーナ近傍では、濃火炎の過濃な予混合気が周囲の空気を混合することによって、局所的に理論空気比に近い燃焼速度が大きな領域が形成されて濃火炎が安定する。したがって、環流領域用流路に供給する環流領域用予混合気は、余剰空気を多く含むほど、濃火炎基部において、理論空気比に近い燃焼速度が大きな領域が形成されやすくなる。

つまり、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが大きいほど、濃火炎用予混合気の空気比λ_Ｒの小さな濃火炎を安定させやすくなると考えられる。その結果、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが大きくなるほど、濃淡火炎基部浮き上がり限界は、過濃側に広がることになる。

また、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが１．０より大きい場合は、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺが大きくなるほど、濃淡火炎基部浮き上がり限界が大きくなる。これは、理論空気比に近い燃焼速度が大きな領域に形成される平面状の火炎が、後流側へ移動することによって、バーナ出口への熱損失が減少することが原因であると考えられる。

但し、さらに環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを大きくした場合には、火炎が浮き上がり始める傾向が見られるため、Ｖ_ＲＺの大きさに最適な範囲があるものと考えられる。

次に、図１６は、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒおよび淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌを一定とした場合における、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺ、火炎安定限界の関係を示したものである。なお、図中において、黒丸●は、濃淡火炎基部浮き上がり限界を示し、一方、黒三角▲は、淡火炎吹き飛び限界（図２（ｅ）参照）を示している。

本条件であるＶ_Ｌ＝３．５［ｍ／ｓ］、λ_Ｌ＝１．６、Ｖ_Ｒ＝１．２５［ｍ／ｓ］、λ_Ｒ＝０．５において、環流領域に環流領域用予混合気を供給しない場合には、図２（ｂ）のように、火炎は浮き上がった状態になっている。この状態において、図１６の３本の曲線で囲まれた安定領域に示した条件（例えば、λ_ＲＺ＝１．６、Ｖ_ＲＺ＝０．５［ｍ／ｓ］など）にて環流領域に環流領域用予混合気を供給すると、図２（ａ）に示すように、火炎は安定した状態になる。

図１６によれば、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが１．０以上の条件を満たす場合には、濃淡火炎の火炎基部が極めて安定することが分かる。一方、環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺが比較的大きい領域において、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを大きくし過ぎると、淡火炎が吹き飛んでしまう傾向が見られる。これは、環流領域用炎孔から噴出する環流領域用予混合気が、希薄かつ流速が大きくなるため、濃火炎と淡火炎との間に平面状の火炎が形成され難くなり、濃火炎と淡火炎との間に隙間ができるためであると推察される。

以上、上述した図７〜図１６の結果によれば、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺを制御することによって、淡火炎および濃火炎の安定領域を拡大させることが可能なことが確認できた。また、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺを最適な範囲に設定すれば、淡火炎および濃火炎の火炎の安定性に大きく寄与することが確認できた。

（排ガス特性の測定）
次に、上記濃淡燃焼バーナの排ガス特性を測定した。図１７に排ガス測定装置の概略を示す。図１７に示すように、濃淡燃焼バーナ１０の上部には、高温の排ガスを冷却する熱交換器５１を設置した。熱交換器５１には、熱交換器５１内の結露を防止するため６０℃の温水５２を流した。熱交換器５１の上部には、排ガス集合筒５３を設け、出口での排ガス濃度の均一化を図った。

そして石英ガラス製のプローブ５４を使用し、排ガス濃度（ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ_２およびＯ_２）を測定した。この際、プローブ５４の先端は、排ガス集合筒５３の出口上流部１０ｍｍの断面をトラバース装置５５により移動させた。プローブ５４により吸引されたサンプリングガスは、保温されたチューブ５６（ポリテトラフルオロエチレン製）内を通過し、その後アイスバス５７を通過するようになっている。

このアイスバス５７によりサンプリングガス中の水分を除去した後、ＮＯｘ計５８、ＣＯ・ＣＯ_２計５９、Ｏ_２計６０によりＮＯｘ、ＣＯ、Ｏ_２の濃度を測定した。なお、ＮＯｘの測定は、化学発光法により測定した。また、ＣＯの測定は、非分散赤外線分析法により測定した。また、Ｏ_２の測定は、磁気式酸素測定法により測定した。図１８〜図１９にその結果を示す。

図１８は、環流領域を制御していない場合における総空気比λと排ガス濃度（ＣＯおよびＮＯｘ）の関係を示している。一方、図１９は、環流領域を制御した場合（Ｖ_ＲＺ＝０．３０、λ_ＲＺ＝１．６）における総空気比λと排ガス濃度（ＣＯおよびＮＯｘ）の関係を示している。

なお、両図中、Ｑ_ｆは濃淡燃焼バーナに供給される燃料の総流量、Ｘ_Ｌ、Ｘ_Ｒ、Ｘ_ＲＺはそれぞれ、淡火炎、濃火炎、環流領域へ供給される燃料の流量比、Ｙ_Ｌ、Ｙ_Ｒ、Ｙ_ＲＺ、Ｙ_２ａはそれぞれ、淡火炎、濃火炎、環流領域、２次空気の全空気に対する配分比率である。図１８および図１９中の矢印Ａは、火炎の状態が図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に移る境界の空気比であり、火炎が浮き上がる限界を示している。

図１８〜図１９によれば、上記濃淡燃焼バーナについて、環流領域用炎孔より環流領域用予混合気を噴出して環流領域を制御した場合も制御しない場合も、排ガス特性がほとんど変わらず（グラフの形状がほとんど同じ）、環流領域を制御することは、排ガス特性に無関係であることが確認できた。

しかしながら、環流領域に環流領域用予混合気を流していない場合（図１８）には、火炎の浮き上がり限界が、λ＝１．２２付近であったのに対し、環流領域に環流領域用予混合気を流した場合（図１９）には、火炎の浮き上がり限界が、λ＝０．５２付近まで拡大する。したがって、環流領域に環流領域用予混合気を供給すると、火炎の安定領域が広がることが確認できた。

このように、上記濃淡燃焼バーナによれば、良好な排ガス特性を維持したまま、火炎を安定化させた状態で高負荷燃焼を行うことができる。

以上、本実施例に係る濃淡燃焼バーナについて説明したが、上記実施例は本発明を何ら限定するものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形・改良が可能である。

例えば、上記濃淡燃焼バーナでは、各予混合気を別個に生成して供給したが、それ以外にも、淡火炎用予混合気の一部または濃火炎用予混合気の一部を環流領域用予混合気として環流領域用炎孔に供給したり、淡火炎用予混合気の一部と濃火炎用予混合気の一部を混合して生成される予混合気を環流領域用予混合気として環流領域用炎孔に供給したりすることが可能なものである。

本実施形態に係る濃淡燃焼バーナの頂部付近の詳細を示した断面図である。 火炎の安定の定義について説明する模式図である。 本実施例に係る濃淡燃焼バーナの頂部付近を示した断面図である。 本実施例に係る濃淡燃焼バーナの構造を示した図である。 図４における断面Ａ−Ａを示した断面図である。 本実施例に係る濃淡燃焼バーナに供給する燃料および空気の流路系統を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝０．５）における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝０．６）における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝０．７）における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝１．６）における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを変えた場合（Ｖ_ＲＺ＝０．２［ｍ／ｓ］）における、淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、火炎安定限界の関係を示した図である。 全インプット量と火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝０．５）における、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺを変えた場合（λ_ＲＺ＝１．６）における、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、火炎安定限界の関係を示した図である。 環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺを変えた場合（Ｖ_ＲＺ＝０．２［ｍ／ｓ］）における、濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、火炎安定限界の関係を示した図である。 濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒおよび淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌを一定とした場合における、環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺ、火炎安定限界の関係を示した図である。 排ガス測定装置の概略を示した図である。 環流領域を制御していない場合における総空気比と排ガス濃度（ＣＯおよびＮＯｘ）の関係を示した図である。 環流領域を制御した場合（Ｖ_ＲＺ＝０．３０、λ_ＲＺ＝１．６）における総空気比と排ガス濃度（ＣＯおよびＮＯｘ）の関係を示した図である。 従来の濃淡燃焼バーナの頂部付近の詳細を示した断面図である。 従来の濃淡燃焼バーナにより高負荷燃焼を行った場合の火炎の状態を示した図である。

符号の説明

１０ 濃淡燃焼バーナ
１１ 淡用炎孔
１２ 濃用炎孔
１３ 環流領域用炎孔
１４ 淡火炎用予混合気
１５ 淡用流路
１６ 濃火炎用予混合気
１７ 濃用流路
１８ 淡火炎
１９ 濃火炎
２０ 環流領域用予混合気
２１ 環流領域用流路
２２ ２次空気孔
２３ ２次空気
２４ ２次空気用流路
２５ 火炎基部
２５Ｒ 火炎基部
２６ 火炎先端部

Claims (9)

1. 頂部略中央に設けられ、淡火炎用予混合気を噴出可能な淡用炎孔と、前記淡用炎孔の両外側に設けられ、濃火炎用予混合気を噴出可能な濃用炎孔と、前記淡用炎孔と前記濃用炎孔との間に設けられ、淡火炎と濃火炎との間の環流領域に環流領域用予混合気を噴出可能な環流領域用炎孔とを少なくとも備えたことを特徴とする濃淡燃焼バーナ。
2. 前記濃用炎孔の両外側には、２次空気が供給されることを特徴とする請求項１に記載の濃淡燃焼バーナ。
3. 前記淡火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｌとその空気比λ_Ｌ、前記濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒとその空気比λ_Ｒ、前記環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺとその空気比λ_ＲＺは、以下の（ａ）〜（ｃ）を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の濃淡燃焼バーナ。
   （ａ）Ｖ_Ｒ／Ｖ_Ｌ＝１０／９０〜９０／１０
   （ｂ）λ_Ｌ＝１．３〜１．８、λ_Ｒ＝０．３〜０．８
   （ｃ）Ｖ_ＲＺ＝０．０１〜３．０［ｍ／ｓ］、λ_ＲＺ＝０．３以上
4. 前記濃火炎用予混合気の流速Ｖ_Ｒと前記環流領域用予混合気の流速Ｖ_ＲＺは、以下の（ｄ）を満たすことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
   （ｄ）Ｖ_ＲＺ＜Ｖ_Ｒ
5. 前記濃火炎用予混合気の空気比λ_Ｒと前記環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺは、以下の（ｅ）を満たすことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
   （ｅ）λ_Ｒ＜λ_ＲＺ
6. 前記環流領域用予混合気の空気比λ_ＲＺは、１．０以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
7. 前記環流領域用予混合気は、前記淡火炎用予混合気の一部から生成されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
8. 前記環流領域用予混合気は、前記濃火炎用予混合気の一部から生成されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
9. 前記環流領域用予混合気は、前記淡火炎用予混合気の一部と前記濃火炎用予混合気の一部が混合されて生成されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。

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