JP2006234307A - ガス供給装置及び燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファタンク設置スペースを最小限にし、また補機動力を増加することなくガスの供給流量を確保すると共に、供給されるガスの脈動を効果的に抑制できるガス供給装置を提供することにある。
【解決手段】特に燃焼装置等にガス（燃料ガスや空気など）を供給するガス供給装置において、バッファタンク２と圧損要素３とを使用し、ブロア１の脈動によるガス１０の脈動を効果的に低減できるガス供給装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃焼装置にガスを供給するためのガス供給装置に関する。

従来、特に燃料と空気の混合ガスを燃料とする燃焼装置が、例えば給湯器や暖房器などに使用されている。燃焼装置において、燃焼性向上に欠かせない技術として、燃料と空気との混合を促進することが特に重要である。

燃焼装置では、バーナ（燃焼器）の下流で初めて空気と燃料とが混合する拡散燃焼方法に対して、燃料と空気とを予め混合させる予混合燃焼方法の方が燃焼負荷を大きくすることができる。燃焼負荷を大きくすると、小さい燃焼空間で多くの燃料を燃焼させることができるため、燃焼装置の小型化を図ることができる。

また、燃焼装置では、着火や燃焼状態を良好に保つためには、局所的な部分も含めて全体の空気比がある所定の範囲内にあることが重要で、経験上ガス燃焼の場合で空気比１．２〜１．８程度が良好とされている。

ところで、燃焼装置に空気や燃料などのガスを供給するときに、当該ガスの脈動が大きい場合、時間平均や全体空間的には前記空気比範囲に入っていても、短時間または局所空間的で見た場合には、燃焼範囲外になって、着火性や燃焼性が悪化して、不着火や、着火したとしても燃焼が継続できずに失火するような事態を招く可能性が高い。このため、例えばＣＯやＴＨＣの未燃焼エミッションを多く含む排気ガスを燃焼装置の外部に排出し、燃焼効率の低下を招くばかりでなく、環境性を大きく損ねる問題を引き起こす。

従来では、ガス燃焼より液体燃焼の方が燃焼状態を良好に保つのが難しく、液体燃料の脈動を抑制し、燃焼性を良好で安定させるために、燃料供給ノズルに脈動防止のためのバッファ機能を付与した構造の燃焼装置などが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平１１−２１１０１５号公報

前述の先行技術文献では、液体燃料の脈動を抑制する構造が提案されている。しかしながら、ガス燃焼においても、供給される空気や燃料のガスの脈動は、不着火や失火を招き燃焼性を損なわせることが確認されている。特に、空気やガスを供給するブロア又はファンがダイヤフラム式やベローズ式のように脈動が大きい構造の場合には、一層燃焼性を安定させることが難しくなる。

これらの脈動防止のためには、経験上、ファン又はブロア前後にバッファタンクや圧損要素（オリフィス部材）を設けることが一般的に考えられるが、ただ単にそれらの一方を設けるだけでは、実際上の効果が得られない。具体的には、バッファタンクは設置スペースを要するため、効果的なバッファタンクを設ける場合には、かなりの設置スペースが要求される。また、圧損要素を設ける場合には、ガスの供給流量が抑制されるため、それを補うための補機動力を増加する必要がある。

そこで、本発明の目的は、バッファタンク設置スペースを最小限にし、また補機動力を増加することなくガスの供給流量を確保すると共に、供給されるガスの脈動を効果的に抑制できるガス供給装置を提供することにある。

本発明によれば、バッファタンク設置スペースを最小限にし、また補機動力を増加することなくガスの供給流量を確保すると共に、供給されるガスの脈動を効果的に抑制できる。従って、例えば燃焼装置に適用した場合に、着火性能や燃焼性能を向上させることが可能となる。

本発明の観点は、特に燃焼装置等にガス（燃料ガスや空気など）を供給するガス供給装置において、バッファタンクとオリフィス部材（圧損要素）とを使用し、ブロア（又はファン）の脈動が大きい場合でも、供給されるガスの脈動を効果的に抑制できるガス供給装置である。

本発明の観点に従ったガス供給装置は、ガスを導入または供給先に供給するためのブロア手段と、前記フロア手段の上流側又は下流側に配置されて、前記ガスを蓄積するためのバッファタンクと、前記バッファタンクの入口側又は出口側に配置されて、前記ガスの流量を制限するための圧損手段とを備えた構成である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に関するガス供給装置を含む燃焼装置の要部を示すブロック図である。

本燃焼装置は、空気又は燃料ガス（以下ガスと総称する場合がある）１０を導入して、上流側に供給するブロア（又はファン、以下ブロアと表記する）１と、バーナ部（燃焼器）５とを有する。

さらに、本燃焼装置は、ブロア１を上流側として下流側の方向に、バッファタンク２と、圧損要素（オリフィス部材）３と、ガス流量計４とがシリーズに配置されている。ブロア１から供給されるガス１０は、空気以外では、例えば都市ガスやＬＰＧ（液化天然ガス）などの燃料ガスである。ブロア１は、例えばダイヤフラム式やベローズ式である。

バーナ部５は、例えば給湯器の燃焼器であり、ブロア１を通過したガス１０が供給される。供給されるガス１０が空気の場合には、バーナ部５で別系統の燃料ガスと混合して、燃焼が行われる。また、当該ガス１０が燃料ガスの場合には、バーナ部５で別系統の空気と混合して、燃焼が行われる。

バッファタンク２は、例えば図３に示すように、ガス１０を収納する空間を有し、ガス１０を流入させるための入口側パイプ２ａと、当該ガス１０を流出させるための出口側パイプ２ｂとを有する。ここで、入口側パイプ２ａ及び出口側パイプ２ｂは、それぞれの中心線が同一中心線３０上にあり、タンク２の内部で相互に対向するように配置されている。

圧損要素３は、ガス１０の流圧を低下させる要素であり、ガス流量を減少させるオリフィス部材が設けられた配管である。ガス流量計４は、バーナ部５に供給されるガス１０の流量を計測する。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。

導入されたガス１０は、ブロア１により、下流側のバッファタンク２及びさらにその下流側の圧損要素３に供給される。

ここで、例えばダイヤフラム式のブロア１は相対的に脈動が大きいため、供給されるガス１０にも大きな脈動が発生する可能性が高い。本実施形態では、バッファタンク２が設けられているため、ガス１０の脈動は低減される。さらに、バッファタンク２の出口側パイプ２ｂに接続される圧損要素３により、当該ガス１０の脈動は、一段と低減される。

これにより、その下流側に配置されているガス流量計４が、特にマスフローメータのように脈動の影響を大きく受けやすい構造の場合には、大幅にガス１０の脈動が低減されることから、当該脈動による影響輪抑制できる効果が大きい。

図２は、ガス１０が空気の場合で、バッファタンク２と圧損要素３の配置関係に基づいて、ブロア１の出力に対するガス１０の供給ガス流量の特性を示す図である。本実施形態のように、バッファタンク２の下流側に圧損要素３が配置された構成であれば、供給ガス流量の特性２００として、その逆にバッファタンク２の上流側に圧損要素３が配置された場合の特性２１０と比較して、供給ガス流量が増加する結果が得られている。

これは、本実施形態の構成であれば、バッファタンク２で脈動が大幅に低減されるため、圧損要素４での圧損増加（ガス流量の減少）は相対的に少なく、補機動力を増加することなく、空気または燃料の十分なガス供給量を確保できるためである。また、バッファタンク２の上流側には、脈動低減化の機能を有する圧損要素３が配置される構成であるため、バッファタンク２の容積を相対的に小さくすることが可能となる。従って、バッファタンク２の設置スペースを最小限にすることが可能となる。

また、本実施形態の構成であれば、ガス流量計４は、ブロア１より離れた位置に配置されているため、脈動の影響が小さいため、ガス１０の流量をより正確に測定することが可能となる。

以上要するに、本実施形態のガス供給装置であれば、ブロア１の脈動による供給されるガス１０に発生する脈動を大幅に低減できるため、特に、燃焼装置での空気と燃料との混合比を安定化できる。従って、燃焼装置に適用した場合に、結果として燃焼の安定化を図ることができるため、着火性能や燃焼性能を向上させることが可能となる。また、ガス流量計（空気流量計）４を有するガス供給装置では、ガス１０の脈動を低減できることにより、流量計４の計測精度を相対的に高くすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に関するガス供給装置を含む燃焼装置の要部を示すブロック図である。なお、図１に示す同一要素については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態の構成は、上流側として下流側の方向に、ガス流量計４、圧損要素３、バッファタンク２、及びブロア１がシリーズに配置されている。

本実施形態の構成であれば、例えば、ブロア１に燃料ガス（例えば水素ガス）４０をリサイクルする必要がある燃料電池システムの水素リサイクル脱硫器に適用した場合に有効である。

即ち、圧損要素３は、ブロア１の入口側の圧力を下げてしまうため、その上流側に配置することが望ましい。一方、バッファタンク２がブロア１に近い方が、バーナ部５への供給ガス量を相対的に増加することができる（図２を参照）。ここで、圧損要素３とバッファタンク２との配置関係が逆の場合には、ブロア１の脈動を圧損要素２で直接的に受けるため、圧損が増加し供給ガス流量が減少するため、望ましくない。

また、ガス流量計４は、図１に示す第１の実施形態と同様に、よりブロア１から離れた位置に配置されている方が、脈動の影響小さくガス流量をより正確に測定できる。

以上要するに、本実施形態のガス供給装置であれば、第１の実施形態と同様に、バッファタンク２の上流側には、脈動低減化の機能を有する圧損要素３が配置される構成であるため、バッファタンク２の容積を相対的に小さくして、バッファタンク２の設置スペースを最小限にすることが可能となる。また、バッファタンク２で脈動が大幅に低減されるため、圧損要素４での圧損増加（ガス流量の減少）は相対的に少なく、補機動力を増加することなく、空気または燃料の十分なガス供給量を確保できるためである。

特に、ブロア１に燃料ガス４０をリサイクルする水素リサイクル脱硫器などの燃焼装置に適用した場合に、着火性能や燃焼性能を向上させる効果が有効となる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に関するバッファタンク２の構造を示す図である。なお、本実施形態のガス供給装置の構成は、前述の図１に示す第１の実施形態又は図４に示す第２の実施形態の場合と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本実施形態に関するバッファタンク２は、入口側パイプ２ａ及び出口側パイプ２ｂが、同一中心線３０上にはなく、タンク２の内部で対向しないように配置されている。即ち、タンク２の内部では、各パイプ２ａ，２ｂが交差する重複区間が存在する。

このような構造であれば、入口側パイプ２ａから流入されるガス１０の脈動が、直接的に出口側パイプ２ｂに伝わり難いため、当該脈動の抑制効果が顕著となる。一方、図３に示すようなバッファタンク２の構造であれば、入口側パイプ２ａと出口側パイプ２ｂとがタンク２の内部で対向しているため、バッファタンク２に流入されたガス１０の脈動がそのまま出口側パイプ２ｂに伝わりやすい。このため、バッファタンク２の容積を、相対的に大きくしない限り、当該脈動を抑制する効果が小さい。

換言すれば、本実施形態のバッファタンク２の構造であれば、相対的にタンク容積を大幅に低減することが可能となる。具体的には、バッファタンク２の容積が、「供給ガス量／バッファタンク容積」の割合が５００ｃｃ／min以下となる場合に、脈動を大幅に低減することができる。

（変形例１）
図６は、第３の実施形態の変形例に関するバッファタンク２の構造を示す図である。なお、ガス供給装置の構成は、前述の第３の実施形態の場合と同様に、図１又は図４と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本変形例の構造は、図６に示すように、タンク２の内部では、入口側パイプ２ａ及び出口側パイプ２ｂが、同一中心線３０上にはなく、対向しないように配置されている。即ち、タンク２の内部では、各パイプ２ａ，２ｂが交差する重複区間が存在する。一方、タンク２の外部では、入口側パイプ２ａ及び出口側パイプ２ｂが、同一中心線３０上に配置される構成である。

このような構造の場合も、前述の第３の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
図７は、第３の実施形態の変形例に関するバッファタンク２の構造を示す図である。なお、ガス供給装置の構成は、前述の第１の実施形態の場合（図１）と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本変形例の構造は、図５と同様に、入口側パイプ２ａ及び出口側パイプ２ｃが、同一中心線３０上にはなく、タンク２の内部で対向しないように配置されている。即ち、タンク２の内部では、各パイプ２ａ，２ｃが交差する重複区間が存在する。

また、出口側パイプ２ｃは、管内に圧損要素（オリフィス部材）を有する構造である。これにより、図１に示すような圧損要素３を省略して、バッファタンク２と圧損要素３とを一体化した構造を実現することができる。

なお、このような構造の場合も、前述の第３の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

（変形例３）
図８は、第３の実施形態の変形例に関するバッファタンク２の構造を示す図である。なお、ガス供給装置の構成は、前述の第２の実施形態の場合（図４）と同様であるため、詳細な説明を省略する。

本変形例の構造は、図５と同様に、入口側パイプ２ｃ及び出口側パイプ２ｂが、同一中心線３０上にはなく、タンク２の内部で対向しないように配置されている。即ち、タンク２の内部では、各パイプ２ｃ，２ｂが交差する重複区間が存在する。

また、入口側パイプ２ｃは、管内に圧損要素（オリフィス部材）を有する構造である。これにより、図４に示すような圧損要素３を省略して、バッファタンク２と圧損要素３とを一体化した構造を実現することができる。

なお、このような構造の場合も、前述の第３の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関するガス供給装置を含む燃焼装置の要部を示すブロック図である。 本実施形態に関するブロア出力に対する空気流量の特性を説明するための図。 本実施形態に関するバッファタンクの構造を説明するための図。 第２の実施形態に関するガス供給装置を含む燃焼装置の要部を示すブロック図である。 第３の実施形態に関するバッファタンクの構造を説明するための図。 第３の実施形態の変形例に関するバッファタンクの構造を説明するための図。 第３の実施形態の変形例に関するバッファタンクの構造を説明するための図。 第３の実施形態の変形例に関するバッファタンクの構造を説明するための図。

符号の説明

１…ブロア（ファン）、２…バッファタンク、３…圧損要素（オリフィス部材）、
４…ガス流量計、５…バーナ部、２ａ（２ｃ）…入口側パイプ、
２ｂ（２ｃ）…出口側パイプ。

Claims (10)

1. ガスを導入または供給先に供給するためのブロア手段と、
   前記フロア手段の上流側又は下流側に配置されて、前記ガスを蓄積するためのバッファタンクと、
   前記バッファタンクの入口側又は出口側に配置されて、前記ガスの流量を制限するための圧損手段と
   を具備したことを特徴とするガス供給装置。
2. 前記ガスの流出側である前記ブロア手段の下流側に、前記バッファタンクの入口側が接続されて、
   当該前記バッファタンクの出口側に前記圧損手段が配置された構成であることを特徴とする請求項１に記載のガス供給装置。
3. 前記圧損手段の下流側に、前記供給先またはガス流量計を介して前記供給先が配置されている構成であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガス供給装置。
4. 前記ブロア手段の下流側に前記供給先が配置されて、
   前記ガスの流入側である前記ブロア手段の上流側に、前記バッファタンクの出口側が接続されて、
   当該前記バッファタンクの入口側に前記圧損手段が配置された構成であることを特徴とする請求項１に記載のガス供給装置。
5. 前記圧損手段の上流側に、前記ガスの導入部またはガス流量計を介して前記導入部が配置されている構成であることを特徴とする請求項１又は請求項４のいずれか１項に記載のガス供給装置。
6. 前記バッファタンクは、前記ガスを流入させる入口部と前記ガスを流出させる出口部とを有し、
   前記入口部と前記出口部とは、前記ガスが流通するそれぞれの中空部の中心線が一致するように相互に対向して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス供給装置。
7. 前記バッファタンクは、前記ガスを流入させる入口部と前記ガスを流出させる出口部とを有し、
   前記入口部と前記出口部とは、前記バッファタンクの内部で、前記ガスが流通するそれぞれの中空部の中心線がずれて相互に対向しないように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス供給装置。
8. 前記バッファタンクは、前記ガスを流入させる入口部と前記ガスを流出させる出口部とを有し、
   前記入口部と前記出口部とは、前記バッファタンクの内部で前記ガスが流通するそれぞれの中空部の中心線がずれて、かつ前記バッファタンクの外部で当該各中空部の中心線が一致するように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス供給装置。
9. 前記バッファタンクの容積は、前記ガスに発生する脈動に関係する前記ガスの流量との割合に基づいて設定されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス供給装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガス供給装置を使用し、
    前記ガスは燃焼用空気または燃料ガスであり、
    前記供給先としては、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼手段を備えていることを特徴とする燃焼装置。

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