JP2006504921A - 液体燃料バーナ用液体燃料供給ユニット及び液体バーナ・システム - Google Patents

Abstract

液体燃料バーナ・システム及び前記システムの液体燃料バーナ（１０６）のための液体燃料供給ユニット（１０１）が開示されている。供給ユニット（１０１）は、液体燃料供給ポンプ（１０２）、圧縮機（１０４）、及び好ましくは共通の駆動シャフト（３）上に装着されたモータ（３０）も備える。システムは、調節可能な液体燃料計量器（１０３）をさらに備える。液体燃料供給ポンプ（１０２）は、オイル・タンクなどの液体燃料源からの液体燃料導管と接続可能である。燃料供給ポンプ（１０２）の排出口は、さらに液体燃料バーナ（１０６）の噴霧ノズル（１０５）と接続されている、液体燃料計量器（１０３）と接続されている。

Description

本発明は、液体燃料バーナ用の液体燃料供給ユニット及び液体バーナ・システムに関する。特に、本発明は１０ｋＷ未満の熱出力を有する家庭用暖房液体燃料バーナに関する。

オイル・バーナなどの液体燃料バーナは、家庭での使用で極めて一般的である。通常、このようなオイル・バーナは、高い圧力でオイルを送出する高圧ポンプを有する油圧噴霧タイプのものである。これらのバーナは、圧力下のオイルが小さなオリフィスを通って膨張させられるとき、燃焼に適している極めて微細な小滴の霧になる傾向があるという原理で動作する。これらのバーナは、３ＭＰａの油圧及び２ｃＳｔ（センチストークス）からの粘度で動作するように通常設計されている。これらのバーナが動作する原理は、必要な微小噴霧小滴となり、またパルス的な燃焼を避けるために、オリフィス両端間の圧力降下を、高く、できる限りほぼ一定に維持することを必要とする。必要とされる噴霧を低い圧力降下、したがってより少ない流量で維持することができないため、このようなバーナの動作中、熱出力の調節又は調整は、従来では極めて制限されており、又は全く使用されず、バーナはオン・オフ・モードのみで操作されていた。このことは、多くの加熱冷却サイクルを受けることになるため、劣悪な温度制御、低いボイラ効率、構成部品の熱負荷の増加を引き起こす。オン・オフ調節にはまた、燃料の燃焼がその期間内に最適でない始動が多いため、環境に有害な影響がある。

バーナの最小出力は、オリフィス内の孔のサイズによって制御される。より小さい孔は、オイル内の不可避の粒子のため、又は燃焼によって生成される煤のため、極めて詰まりやすく、維持作業の必要性が許容できないレベルに増加するため、実現可能な最小の孔は直径０．１ｍｍである。考えられる最小の孔を備えるオリフィスを有するオイル・バーナの通常の最小出力は約１０ｋＷであり、これは通常の家庭の静的必要性を超えている。

このような１つのオイル・バーナは、オイル・バーナ用の燃料供給ユニットを開示している米国特許第５，６９２，６８０号で公知である。この燃料供給ユニットは、計量オリフィスへ加圧された燃料を送出するポンプを備える。ここで送出される燃料の流量は、ポンピング・ユニットに対するバーナの高さと、タンクの高さに関係なく、一定の流れに維持されるように圧力差を調節することによって調節することができる。しかし、バーナへの燃料の調節可能な流量を有することが一般に有利であり、したがって、この種の供給ユニットは望ましくない。

バーナに供給される前に液体燃料が気化されるバーナを使用することも提案されている。しかし、これらのバーナは、バーナの始動前に燃料が気化温度まで加熱されなければならないため、かなりの始動時間を必要とし、この種のバーナは、大きな産業用バーナで主に使用されている。

泡末化された液体燃料で液体燃料バーナを動作させることが試みられてきた。このようなバーナの１つは、液体燃料が泡収集シリンダ内で泡末化される米国特許第５，０５１，０９０号で開示されている。しかし、この種のバーナは、大型産業用バーナにしか適していない。

ＥＰ−Ａ−０ ５５６ ６９４は、燃料粘度の変化を補償するための調節が容易な液体燃料用のバーナ・システムを開示している。バーナ・システムは、空気圧縮機と燃料ポンプによって供給される気体噴霧ノズルを備え、燃料は、圧力差に基づいて調整するレギュレータを通して供給される。

ＵＳ−Ａ−４ ３９１ ５８０は、ポンプの回転速度に応じた速度で圧力パルスで燃料を送出するための回転自在なバルブ構造を備える回転するギア・ポンプを備える圧力噴霧燃料オイル・バーナ・ノズルに燃料を供給するためのシステムを開示しており、したがって速度は制御可能である。システムは、ポンプと同じモータによって駆動されるブロワをさらに備える。

ＥＰ−Ａ−０ ０１３ ４８８は、燃料オイル・ポンプと、共通のシャフト上に装着されたファンとモータと、ユニットを制御するための電子回路を備えるユニットを開示している。

オイルや他の大部分の液体燃料は、化石燃料であり、したがって希少な資源であるため、燃料を最大限に利用するように留意すべきである。

本発明の目的は、家庭用暖房システムのボイラに適用されたとき、少なくとも暖房シーズン中、ほぼ連続的な調節動作を可能にする液体燃料バーナ・システムを提供することである。

さらなる目的はこのようなシステムで使用するためのユニットを提供することである。

本発明によると、気体噴霧ノズルを備える液体燃料バーナ用液体燃料供給ユニットが、液体燃料供給ポンプと圧縮機とを備え、液体燃料供給ポンプが、オイル・タンクなどの液体燃料源からの液体燃料導管と接続可能な取入口と、液体燃料計量器の取入口と接続可能な排出口とを有し、前記圧縮機が、液体燃料バーナの気体噴霧ノズルと接続可能な排出口を有し、前記ユニットが、液体燃料供給ポンプと圧縮機のための共通の駆動シャフトを有することを特徴とする。これによって、低い生産コストを可能にし、したがって本発明によるシステムを提供することを実現可能にするユニットが得られる。

好ましくは、前記液体燃料供給ポンプと前記圧縮機の両方が、前記共通の駆動シャフトに装着されたロータリー・インペラを備える。

また、好ましくは、前記ユニットが、前記共通の駆動シャフトにロータが接続されたモータを有する。好ましくは、前記モータが、前記圧縮機と前記液体燃料供給ポンプの間に配置されている。このことは、圧縮機と液体燃料供給ポンプに容易にアクセス可能であるため、より維持の容易なユニットを可能にする。

前記共通の駆動シャフトは、１つの要素であるか、又は製造を容易にするそれ以上の相互接続されたシャフト要素であってもよい。

また、前記ユニットは、計量オリフィス及びバルブを備える、調整可能な液体燃料計量ポンプを備えてもよい。別法として、前記液体燃料計量ポンプが、電磁石によって動かされるピストン・ポンプであってもよい、計量ポンプである。

好ましい実施態様では、圧縮機はベーン・ポンプであり、液体燃料供給ポンプはジーロータ・ポンプであってもよい。

本発明による液体燃料バーナ・システムは、気体噴霧バーナ・ノズルを備えるバーナ装置と、そのバーナ装置に燃焼空気を供給するファンと、液体燃料供給ユニットとを備え、そのユニットが、製造可能及び交換可能なユニットであり、共通の駆動シャフトを有する液体燃料供給ポンプ及び圧縮機を備え、前記システムが、前記燃料供給ポンプによって供給される調整可能な液体燃料計量器をさらに備え、前記気体噴霧バーナ・ノズルが、液体燃料と噴霧される気体を受けるために、液体燃料計量器と前記圧縮機に接続されている。

本発明によるシステムを用いて、暖房シーズン中連続的にボイラ及び液体燃料バーナによって家庭用加熱装置を運転し、したがってオン・オフ・モードでの動作に関連する欠点を回避することが経済的に実現可能である。

したがって、前記バーナ装置は、好ましくは、１０ｋＷ未満の最小熱出力を有する。

以下では、実施形態を用いて、及び添付の図面を参照にして本発明をより詳細に説明する。

例示であるが、本発明は、バーナ又は暖房システムで実施され、さらにはタンク（図示せず）から家庭用ボイラ内のバーナ・ノズルへ少量の燃料オイルを汲み上げるのに使用されるものなど液体燃料供給ユニットで実施される。

したがって、図６は、計量器１０３に接続された液体燃料供給ポンプ１０２と圧縮機１０４を備えた液体燃料供給ユニット１０１を有する暖房システムを概略的に示している。液体燃料供給ユニット１０１は図１〜５を参照にしてより詳細に説明されている。別の暖房システムは、供給ユニット１０１によって供給される気体噴霧ノズル１０５を備えている。ノズル１０５は、バーナ１０６に取り付けられ、バーナはファン１０７によって燃焼空気を供給される。バーナ１０６はさらに、家庭用又は家事用暖房システムのボイラ１０８に取付けられている。ボイラ１０８とファン１０７は適切な従来のものでよい。バーナ１０６とノズル１０５もまた公知のものでよい。

燃料供給ユニット１０１、ファン１０７、ノズル１０５、バーナ１０６は、ともにバーナ・システムを構成している。

圧縮機１０４を、部分的に分解された状態で図１で見ることができる。圧縮機１０４は、駆動シャフト３上に装着されたインペラ２を有するベーン・ポンプである。インペラ２は、オフセット・ポンプ・チャンバ５を有するハウジング４内で回転する。インペラ２の回転の際、ガス、本例では空気が、取入口（図示せず）を通って引き込まれ、インペラ２、ハウジング４と翼６の間のポンプ・チャンバ５内で圧縮され、排出口（図示せず）を通って送出されるように、インペラ２の可動翼６がポンプ・チャンバ５の内壁を追従している。機能させるために、圧縮機１０４は明らかに、ポンプ・チャンバを覆うある種のカバーを備えなければならない。

図２では、カバーが示されていないため、供給ポンプ１０２が、部分的に分解された状態で見ることができる。供給ポンプ１０２は、回転するシャフト３に装着されたロータリー・インペラ又はギア・ホイール８を備えるジーロータ・ポンプ（当技術分野で公知のある種のギア・ホイール・ポンプ）である。ギア・ホイール８は、偏心装着されたギア・リング９内の内側歯と噛合し、それによって、液体、この場合燃料オイルを取入口から排出口へポンピングするための様々なサイズのポンプ・チャンバを形成している。図２は、供給ポンプ１０２と接続された、この実施形態では計量ポンプである計量器１０３を示している。供給ポンプ１０２の軸受ハウジング１１は、供給ポンプ１０２から計量器１０３へオイルを送出するための導管、及び計量器１０３から軸受ハウジング１１内の計量済オイル排出口１２（図４）へ送出されるオイルのための導管を備える。図５から、又は図１と２を比較すると理解できるように、供給ポンプ１０２は、供給ポンプ１０２のハウジングが圧縮機１０４のためのカバーとしての働きもするように、圧縮機１０４と同じ駆動シャフト３に装着されている。供給ポンプ１０２の軸受ハウジング１１は、圧縮機１０４から軸受ハウジング１１内の噴霧ガス排出口１３への圧縮された空気のための導管をさらに備える。圧縮機１０４のハウジング４と供給ポンプ７の軸受ハウジング１１の間に、ガスケット１４が設けられている。ガスケット１４は、インペラ２に対して低摩擦軸受となり、かつ圧縮された空気の漏出を妨げるようにハウジング４を密封するために、好ましくはカーボン・ファイバ・シート材料製である。

最終的なアセンブリは、圧縮機１０４と、供給ポンプ１０２と、アセンブリの側面図である図３で見ることができる供給ポンプ１０２のカバーリング１５と、また計量器１０３を備える燃料供給ユニット１０１である。シャフト３（図１及び２）の延びている端部は、好ましくは電動モータと接続することができる。モータは、外部構成要素であってもよいが、好ましくはモータは、図４、５に３０で示されているように液体燃料供給ユニット１０１に組み込まれている。したがって、圧縮機１０４、供給ポンプ１０２、モータ３０はそれぞれ、共通シャフト３と接続されたロータを有する。

図４の断面では、計量器１０３が、供給ポンプ１０２の軸受ハウジング１１内に深く挿入されていることを見ることができる。本実施形態では計量ポンプである計量器１０３は、電磁石１７によって駆動されるピストン１６を備える。計量器１０３によって送出されるオイルは、この場合計量器１０３の排出開口を遮断するための、ばね１９によって偏倚されたボール１８である一方向バルブを通過する。計量器１０３の排出開口から、オイルは導管２０に入り、排出口１２へ続く。供給ポンプ１０２用のオイルは、取入口２１を通って入り、導管（図示せず）を通って供給ポンプ１０２へ流れる。供給ポンプ１０２からの余分なオイルは、導管（図示せず）を通り、圧力調整バルブ２３を通って排出口２２へ導かれ、計量器１０３の前の油圧が、所望のレベル、たとえば０．５バールの過圧（１．バールの絶対圧力）に確実に維持されるようにする。計量器１０３の出力は、１対５の容積率で、あるいは最小値と最大値の間で調節される。調節は、徐々に又は段階的に（たとえば２又は３段階で）行われてもよい。

図５の断面図では、シャフト３が、圧縮機のインペラ２と、供給ポンプのギア・ホイール８と接続されていることが見ることができる。このギア・ホイール８は、ギア・リング９の内側歯と噛合する。インペラ２は、翼６を備え、圧縮機のハウジング４のチャンバ５内で回転する。供給ポンプの軸受ハウジング１１内に、計量器１０３へのオイルの送出のための導管２４が形成されており、一方、ポンプからの過剰なオイルは、導管２５を通って排出口２２（図４参照）へ戻る。

バーナ・システムは調整手段を有する。本調整手段は、計量器１０３からの出力を制御するための手段や、燃料オイルと燃焼空気の供給率の間の適切な関係を得るためのファン１０７の出力を制御する手段を備える。

ある例では、図１〜５に開示されているような、家庭用ボイラのバーナ用の供給ユニットは、２０ｌ／ｈの速度と０．５バールの圧力で（加圧）計量器にオイルを送出する供給ポンプとともに動作する。バーナ用のオイルは、０．５ｌ／ｈに低下した速度と０．５バール（過圧）の圧力で、オイルを送出する計量器によって送出される。計量器はピストン・ポンプである。このピストン・ポンプは、電磁石によってピストンが動かされ、１ストライク当たり２．８ｍｍ³の吐出量を有し、５０Ｈｚの周波数で上述の流量を与える。圧縮機は、１．３ｍ³／ｈの速度と０．３バールの圧力で噴霧空気を送出する。この供給ユニットでは、バーナの連続動作で１０ｋＷ未満のバーナの出力を得ることが可能である。

計量ポンプの代わりに、本発明の液体燃料供給ユニットの好ましい実施形態は、計量器として、オリフィスと、加熱の必要性に応じて開閉する装置を備えるバルブとを備える。

したがって、図７は、液体燃料供給ポンプ１０２’と圧縮機１０４’を備え、さらに共通のシャフト３’を通して供給ポンプ１０２’と圧縮機１０４’を駆動するモータ３０’を備える液体燃料供給ユニット１０１’を示している。モータ３０’は、圧縮機１０４’と液体燃料供給ポンプ１０２’の間に配置されている。共通のシャフト３’は、１つの要素であってもよい、また結合部、例えば微小な位置ずれを補償するための当技術分野で公知であるような弾性結合部によって相互接続された２つ又は３つの要素を備えてもよい。供給ポンプ１０２’の排出口は、遮断バルブ２０２とオリフィス２０３を備える計量器１０３’と接続された導管２０１を通っている。導管２０４は、バルブ２０２とオリフィス２０３によって計測された燃料を気体噴霧ノズル１０５へ導き、導管２０５は、噴霧空気を圧縮機１０４’からノズル１０５へ導く。図７はまた、オリフィス２０３での圧力降下を調整するため、及び供給ポンプ１０２’から送出される余分なオイルを排出するための圧力調整バルブ２０６も示している。

図８は、好ましい実施形態のユニットの断面を示している。対応する部品に対して、図５と同じ符号が使用されている。シャフト３’が圧縮機１０４’のインペラ２と、供給ポンプ１０２’のギア・ホイール８と接続されていることが見ることができる。このギア・ホイール８は、ギア・リング９の内側歯と噛合する。インペラ２は翼６を備え、圧縮機のハウジング４のチャンバ５内で回転する。供給ポンプの軸受ハウジング１１内に、計量器１０３へのオイル送出のための導管２４が形成され、一方ポンプからの余分なオイルは、導管２５を通って排出口へ戻る。電動モータ３０’が、圧縮機１０４’と液体燃料供給ポンプ１０２’の間に配置され、シャフト３’に接続されたロータ３１と、ステータ３２を備える。

図７に示す好ましい実施形態では、ノズル１０５へ燃料を供給する速度の調節は、熱の必要性に応じて、圧力調整バルブ２０６によって、及び脈動する速度で燃料を計量する又はオリフィスへ送出するための遮断バルブ２０２の開閉によって、オリフィス２０３（及び遮断バルブ２０２）の前後の圧力差を維持することによって行われる。この動作モードは、約１ｋＷの低出力（約０．１６ｌ／ｈの燃料オイル）から１０〜２０ｋｗ以上の高出力まで熱出力を調節することを可能にする。

代替形態では、遮断バルブ２０７を開いたままに維持し、圧力調整バルブ２０６を用いてオリフィス２０８を横切る圧力差を調整することによって、燃料送出速度を調整（計量）してもよい。

計量器１０３からの燃料オイルとファン１０７からの燃焼空気の送出速度を、熱効果の必要に応じて調節し、圧縮機１０４と供給ポンプ１０２を一定速度で運転させてもよい。したがって０．３バールの過圧で３０ｌ／ｈの圧縮機１０４からの一定出力を使用することができる。この速度は、約１ｋＷの低い熱出力での圧縮空気の必要性に対応している。したがって、燃焼空気ファンは、計量器からの出力がその下限に調節されるとき、オフにされてもよい。

構造ユニットとしての供給ユニットのここで説明したコンパクトな設計は、バーナの製造中の容易な組立を可能にし、おそらくは、天然ガスなどの気体燃料から、燃料オイルなどの液体燃料への変更で、供給ユニットを家庭用の既存のボイラに改造を加えるのに理想的なものにする。さらに、構成部品、液体燃料供給ポンプ、圧縮機、液体燃料計量器をユニット内に集めることは、必要に応じてこのようなユニットの交換を可能にする。

計量ポンプが使用される場合、上述の計量ポンプに対するいくつかの代替形態が考えられる。

好ましくは整流を備えるピストン・ポンプを、別のモータによって、又は圧縮機と供給ポンプを駆動するモータによって駆動して使用することができる。別のモータによって駆動させる場合、計量は、モータの速度を変化させることによって調節される。そうでない場合、調節は、整流を変化させることによって行うことができる。

また、好ましくは整流を備える、内部又は外部ギヤ歯のいずれかを備えるギア・ホイール・ポンプを、別のモータによって、又は圧縮機及び供給ポンプを駆動するモータによって駆動して使用することができる。別のモータによって駆動させる場合、計量は、モータの速度を変化させることによって調節される。そうでない場合、調節は、整流を変化させることによって行うことができる。

本発明は、液体燃料としてオイルを使用することに限定されず、他の種類の液体燃料でも良好に動作する。また、本発明は、噴霧する気体として空気を使用することに限定されず、たとえば窒素などの不活性ガスやプロパンなどの気体燃料などの他の種類の気体を、所定の状況でこのことが有利である場合に使用することができる。

圧縮機の傾斜図である。 供給ポンプの傾斜図である。 組立られた圧縮機ポンプ・ユニットの側面図である。 図３の圧縮機ポンプ・ユニット線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿った部分断面図である。 圧縮機ポンプ・ユニットを使用する加熱システム内の燃料及び空気の流れを示す図である。 液体燃料供給ユニットの好ましい実施形態を示す図である。 好ましい実施形態でのユニットの、図５に対応する断面図である。

Claims (13)

1. 液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）と、圧縮機（１０４、１０４’）とを備え、前記液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）が、オイル・タンクなどの液体燃料源からの液体燃料導管と接続可能な取入口（２１）と、液体燃料計量器（１０３、１０３’）の取入口（２４）と接続可能な排出口とを有し、前記圧縮機（１０４、１０４’）が、液体燃料バーナ（１０６）の気体噴霧ノズル（１０５）と接続可能な排出口を有する、気体噴霧ノズル（１０５）を備える液体燃料バーナ（１０６）用液体燃料供給ユニット（１０１、１０１’）であって、
   液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）と圧縮機（１０４、１０４’）のための共通の駆動シャフト（３、３’）を備えることを特徴とする液体燃料供給ユニット。
2. 前記液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）と前記圧縮機（１０４、１０４’）の両方が、前記共通の駆動シャフト（３、３’）に装着されたロータリー・インペラ（８、２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の供給ユニット。
3. 前記ユニットが、前記共通の駆動シャフト（３、３’）にロータが接続されたモータ（３０、３０’）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の供給ユニット。
4. 前記モータが、前記圧縮機と前記液体燃料供給ポンプの間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の供給ユニット。
5. 前記共通の駆動シャフトが、相互接続されたシャフト要素を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の供給ユニット。
6. 調節可能な液体燃料計量器（１０３、１０３’）を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の供給ユニット。
7. 前記液体燃料計量器（１０３’）が、計量オリフィス（２０３）及びバルブ（２０２，２０６）を備えることを特徴とする請求項６に記載の供給ユニット。
8. 前記液体燃料計量器（１０３）が、計量ポンプであることを特徴とする請求項６に記載の供給ユニット。
9. 前記計量ポンプが、電磁石（１７）によって活動化されるピストン・ポンプであることを特徴とする請求項８に記載の供給ユニット。
10. 前記圧縮機（１０４、１０４’）が、ベーン・ポンプであることを特徴とする請求項１から９の一項に記載の供給ユニット。
11. 前記液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）が、ジーロータ・ポンプであることを特徴とする請求項１から１０の一項に記載の供給ユニット。
12. 気体噴霧バーナ・ノズル（１０５）を備えるバーナ装置（１０６）と、前記バーナ装置（１０６）に燃焼空気を供給するためのファン（１０７）と、液体燃料供給ユニット（１０１、１０１’）とを備える液体燃料バーナ・システムであって、前記ユニットが、製造可能及び交換可能なユニットであり、共通の駆動シャフト（３、３’）を有する液体燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）と圧縮機（１０４、１０４’）を備え、さらに、前記燃料供給ポンプ（１０２、１０２’）によって供給される調節可能な液体燃料計量器（１０３、１０３’）を備え、前記気体噴霧バーナ・ノズル（１０５）が、液体燃料及び噴霧される気体を受けるために、液体燃料計量器（１０３、１０３’）と前記圧縮機（１０４、１０４’）と接続されている液体燃料バーナ・システム。
13. 前記バーナ装置（１０６）が、１０ｋＷ以下の最小熱出力を有することを特徴とする請求項１２に記載の液体燃料バーナ・システム。

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