JP2007046815A - 予混合燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼板の外径寸法を同一とした場合の燃焼量を高める。
【解決手段】 第一に、燃焼板の肉厚を略一定としつつ、燃焼板２０に凹凸を形成する（請求項１）。平板状の燃焼板に比較すると、凹凸のある燃焼板は同一外径であっても表面積を拡大させることが出来る結果、既存の燃焼装置にコンパクト化させた燃焼板を搭載しつつ面積燃焼負荷を従前以上に向上させることができる。第二に、燃焼板に対して噴霧される液体燃料３を囲う整流筒３０を設け、この整流筒の下端を燃焼板２０の裏面の外周または外周近傍に配し、燃焼板の外周部に対する燃料供給量を略均一に調整する（請求項２）。供給空気は、燃焼板の上流から送り込む一次経路と下流から送り込む二次経路を設ける場合がある（請求項３）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細な空隙をもった燃焼板の裏面側（上流）から霧状の液体燃料と空気を供給し、燃焼板の表面（下流側）に液体燃料と空気との混合相を形成して連続燃焼を実現する予混合燃焼装置に係り、とくに、燃焼板の外径の小型化と、それに伴う燃焼の安定確保の技術に関する。

空隙をもった燃焼板の表面に液体燃料と空気との混合相を形成し、液体燃料を連続的に燃焼させる技術としては、従来、例えば特開平０５−２０３１１７号がある。この装置の原理は、図５に示すように、燃焼板１の裏面側（上流）から空気２と液体燃料３を送り、空隙を通して燃焼板１の表面に液体燃料と空気との混合相を形成し、液体燃料を連続的に燃焼させるものである。５は、空気２を送るためのファン、６は、霧化させた液体燃料３を送り込む噴射ノズルである。７は火炎である。

この種のタイプの燃焼装置は、燃料の比表面積を飛躍的に増加でき、一般的な蒸発燃焼における応答性の悪さや、噴霧燃焼における空気比が高いという問題を解消できる利点をもつ。また、霧化させた液体燃料と燃焼用空気が均一に混合し、面燃焼火炎に近い短フレームとなるため小容量の燃焼室でよく、また燃焼音が極めて低いという特徴を有する。なお、燃焼板には、焼結金属等の多孔質部材、あるいはセラミックス繊維やステンレス等の金属繊維などを使用した空隙率の高い板状の部材を用いる。

このような予混合燃焼装置は、上向きや横向きなど、火炎の形成方向が限定されない。下向きに火炎を発生させても安全上や使用上の不都合を生じることもない。このため、液体燃料を用いた予混合燃焼装置は、ガスコンロと同じように調理用の加熱装置として使えるだけでなく、セントラルヒーティング用の高温蒸気の発生装置や、温水を直接利用する装置（例えば給湯器や融雪装置等）など、幅広い用途に使用することが出来る。その場合の大きな特徴は、燃焼効率の良さ（経済性）と環境対応型装置としてコンパクトに設計できる点にある。
特開平０５−２０３１１７号公報

問題は、このような液体燃料の予混合燃焼装置の製造コストと燃焼容量との相関関係である。これは次の通りである。

液体燃料の予混合燃焼装置は、燃焼板の表面に液体燃料と空気との混合相を形成して連続燃焼を実現するものであるため、燃焼量を高めようとすれば燃焼板の面積を大きくする必要がある。

この一方で、予混合燃焼装置の普及を図るには、既存の給湯装置やボイラ装置等で用いられているケース体の構造を可能な限り変更せずに、燃焼装置部分の構造として専用の燃焼板や燃料噴射ノズルを代替設置し、市販製品としての製造コストを抑えることが強く要求される。

この結果として、燃焼板の外径は小さく押さえられる傾向にあり、希望するような大きな燃焼量を実現することが難しい場合が少なくなかった。

そこで、本発明の目的は、燃焼板の外径寸法を同一とした場合の燃焼量を確実に高める点にある。

前記問題を解決するため、本発明に係る予混合燃焼装置は、燃焼板の肉厚を略一定としつつ、燃焼板に凹凸を形成する（請求項１）。

平板状の燃焼板に比較すると、凹凸のある燃焼板は同一外径であっても表面積を拡大させることが出来る結果、既存の燃焼装置にコンパクト化させた燃焼板を搭載しつつ面積燃焼負荷を従前以上に向上させることが可能となる。

請求項２は、燃焼効率をより向上させるためのものである。これは、燃焼板に対して噴霧される液体燃料を囲う整流筒を設け、この整流筒の下端を燃焼板の裏面の外周または外周近傍に配し、燃焼板の外周部に対する燃料供給量を略均一に調整することを特徴とする。

整流筒を設けることにより、従来の予混合燃焼装置に較べて、霧化させた液体燃料が燃焼板の外周部に供給されやすい状態となる。

整流筒がないときには、霧化させた液体燃料は噴射ノズルから分散して重力落下するため、燃焼板の最外周部近傍は燃料供給量が少なくなる傾向があり、燃焼板の中央と外周における単位面積あたりの燃料供給量の違いから均等な燃焼状態を実現することが困難であった。整流筒を用いると、燃焼板の外周部に霧化した液体燃料をガイドすることができ、燃焼板の中央と外周の燃料供給量を略均等にコントロールできる。このため、外径を小さくした場合でも燃焼板は従来に見られない全面均等燃焼を呈し、コンパクト化した燃焼板の面積を最大限に有効活用できる。

請求項３は、凹凸を形成して燃焼板の外径をコンパクトにしたときの燃焼の安定性を向上させるものである。これは、請求項２に係る整流筒を囲うケース体を設けるもので、当該ケース体に、整流筒の内側に対して空気の供給を行う一次空気経路と、整流筒の内側を経由せずに燃焼板の表面近傍に対して空気の供給を行う二次空気経路とを設けることを特徴とする。

従来の予混合燃焼装置のように平板の燃焼板を使用しているときは、燃焼板の表面（下流）に空気を送り込まなくても比較的安定した短火炎の連続燃焼が可能であった。しかし、燃焼板に凹凸を設けると燃焼板外径あたりの燃焼量が増大し、一次空気のみでは、燃焼ガス流速が速くなり、火炎が長くなる。従って、一次空気量を減らし、その分を二次空気として燃焼板の表面（下流）側に強制供給することによって、燃焼ガス流速と燃焼反応速度をバランスさせ、火炎長の短い安定した連続燃焼を実現する。

請求項１に係る予混合燃焼装置によれば、面積比率での燃焼性能が高まるため装置構成を小型化でき、既存の各種給湯装置やボイラ装置を利用して製品コストを押さえることが可能となる。

請求項２によれば、外周部にも十分な燃料供給を行うことによって小型化させた燃焼板の面積を最大限に有効活用する燃焼装置を実現できる。請求項３によれば、凹凸燃焼板における好ましい安定燃焼が可能となる。

図１は、本発明に係る予混合燃焼装置の実施形態を例示するものである。この予混合燃焼装置は、ケース体１０の内部に、液体燃料３を供給する噴射ノズル６と、燃焼板２０と、拡散しながら燃焼板２０の裏面（上流）に供給される液体燃料３をガイドする整流筒３０とを納めてある。

従来の装置と同様、液体燃料３を供給する噴射ノズル６の燃料噴射口は燃焼板２０の略中央の上方に配置させる。また、燃焼板２０に対して空気２を送るためのファン５も設ける。４０は、燃焼板２０の下流に配した断熱材である。

ファン５から送出する空気２は、分岐させて設けた送気ダクト５−１、５−２を介してケース体１０の内部に供給し、それぞれ、ケース体１０の内部に設けた一次空気経路Ｒ１と、二次空気経路Ｒ２とを通るようにしてある。一次空気経路Ｒ１と二次空気経路Ｒ２は、例えば整流筒３０の上部に設けた隔壁５−５によって空間的に遮断してある。隔壁５−５の上の領域が一次空気供給用の空間であり、隔壁５−５の下の領域が二次空気供給用の空間である。

一次空気経路Ｒ１は、整流筒３０の上部に設けてあり、ここを通過した空気２は整流筒３０の内部で液体燃料３と混合するようになっている。一次空気経路Ｒ１は、例えば、整流筒３０の上開口に金網のような通気性のある部材を配して構成することができる。

一方、送気ダクト５−２を通って整流筒３０の外側（隔壁５−５の下流側）に送る空気２は、例えば整流筒３０の下端部近傍に設けた二次空気経路Ｒ２を通って、燃焼板２０の表面近傍に導く。この実施形態では、整流筒３０の下端部を支える支持部材３５と、燃焼板２０の下流直下に設けた断熱材４０とに孔部を設けて二次空気経路Ｒ２としてある。好ましくは、図１に示したように、燃焼板２０の表面下流直下と、それよりも下流にあたる燃焼火炎の適当位置に空気２が供給されるよう、二次空気経路Ｒ２を設けておく。なお、送気ダクト５−２を通って整流筒３０の外側（隔壁５−５の下流側）に送る空気２は、整流筒３０を冷却し、整流筒内での異常燃焼を防止しつつ、ケース体１０の内側空間と断熱材４０の外側空間を通して燃焼板２０の下流の燃焼空間に送り込むことが出来る。

燃焼板２０は、図２に示すように、例えば略同心円の凹凸をもつよう成形する。図２では、凹部を符号２１、凸部を符号２２として示す。同一外径での表面積を拡大できればよいので、凹凸の数や上下寸法（凹部２１の深さや凸部２２の高さ）は限定されない。燃焼板２０の肉厚は略均一とし、噴霧された液体燃料が内部に滞留することなく略均等に表面側に滲出できるようにしておく。

燃焼板２０に同心円状の凹凸（２１、２２）を設けると、燃焼板の剛性が増加するとともに耐久性も向上するが、イグニッションの火炎が迅速均等に全面伝播しない可能性がある。そこで、燃焼板２０の表面（下流側）に初期点火火炎を凹凸に邪魔されずに素早く全面に導くフラットな導炎ガイド２８を適宜数設けることが望ましい。導炎ガイド２８は、凹凸のない平滑な細い線状に形成しておくだけでよい。

整流筒３０は、噴射ノズル６から射出される霧化した液体燃料３を、燃焼板２０の外周部に導いて、燃焼板２０の裏面（上流側面）に供給する液体燃料３の量を略均等に調整する機能を営むものであり、筒状を呈する。

この実施形態では、下流に向かって拡開する筒状部材を用いた。燃焼板２０の裏面（上流側面）に供給する液体燃料３の量を燃焼板の単位面積当たりに略均等に調整する機能だけでいえば、必ずしも下流に向かって内径を拡開させる必要はない。しかしながら、整流筒３０の内部に、液体燃料３をガイドする機能以外の無駄な空間があると、一次空気経路Ｒ１を通って送り込まれる空気２が渦流を生じ、燃焼板２０の裏面に供給する液体燃料３にばらつきが生じやすい。このため、整流筒３０は極力無駄な空間を排除して液体燃料３の均等供給を図ることが望ましいわけである。

従って、かかる予混合燃焼装置によれば、燃焼板２０に凹凸を設けた結果として、同一外径での燃焼面積を平板に較べて格段に増大させることができる。このため、既存の各種燃焼装置のケース体１０を用いつつ大きな燃焼容量を得ることが可能となり、さまざまな利点を持つ予混合燃焼装置の製造コストを引き下げることが出来る。

また、コンパクト化が可能な高効率の予混合燃焼装置の実現のため、凹凸形成による燃焼板２０の表面積の拡大だけではなく、整流筒３０による燃焼板外周部への十分な燃料供給を行うことによって、同一面積の燃焼板２０における燃焼効率を確実に高めることが可能となった。燃焼板２０の外周部も、他の部位と同程度の面積当たりの燃料供給を受けることが出来、燃焼板２０の全体が好ましい最高効率で燃焼稼働するからである。

燃焼板２０の小型化と燃焼面積の拡大に伴って、燃焼部位は従来よりも多量の空気を必要とするが、二次空気経路Ｒ２を設けることによって、燃焼板２０の表面および成長火炎に十分な量の空気を送り込むので、安定した短火炎の連続燃焼を保証することが出来る。

本発明に係る予混合燃焼装置は、かかる実施形態のものに限定されない。例えば、燃焼板に設ける凹凸は燃焼面積を拡大できればよいので、同心円状の凹凸に限らず、点在型の凹凸であっても良い。断面で見たときに、凹凸は曲線状である必要はなく、矩形状（パルス状）であってもよい。

図３に示すように、燃焼板の凹凸を矩形としたときには、一次空気経路Ｒ１から送り込んだ空気２が、凹凸の上面６１、底面６２、および側面６３から燃焼板の表面に向かってより透過しやすくなり、燃焼板の表面における燃焼効率を確実に高める。また、空気２の浸透率が高まるので、燃焼板の肉厚を大きくしても性能が落ちないという利点があり、燃焼板の耐久性を高める余地が拡大する。

燃焼板２０は、平板の多孔質体に凹凸を成形するほか、椀状の多孔質体に凹凸を成形しても良い。この場合は、例えば図４に示すように、燃焼板２０−２の外周部と中央部の凹凸の頂点がフラットにならないが、全体略椀状の多孔質体を用いることによって、外径同一の条件において平板以上にさらに燃焼面積を拡大できる。また、椀状の多孔質体を用いることで、一次空気経路Ｒ１や二次空気経路Ｒ２から送り込む空気２が、燃焼板の表面の凹部にも到達しやすくなり、燃焼面の均等な空気量の保証という点で若干の有利がある。

整流筒３０の下端部は、燃焼板２０の外周部に密着させる必要はない。燃焼板２０の外周部のやや上方に位置させても、整流筒３０の内壁に付着した液体燃料が滴って燃焼板２０の外周部に十分な量の燃料を供給できるからである。整流筒３０の下端部には隙間があっても構わない。

燃焼板を垂直方向に横置きする場合は、霧化した液体燃料が重力落下によって下方に集まりやすい。このため、燃焼板を横置きする場合は、横方向から供給される液体燃料をガイドする略半円筒の整流筒を設けることが望ましい。

また、整流筒３０の上下を支持する部材および燃焼板２０の外周を支持する部材には、断熱材を配しておくことが望ましい。

実施形態に係る予混合燃焼装置を例示する断面図である。 実施形態に係る燃焼板を例示する平面図である。 燃焼板の第二の実施形態に係る凹凸を示す断面図である。 燃焼板の第三の実施形態に係る凹凸を示す図である。 従来の予混合燃焼装置を示す図である。

符号の説明

２ 空気
３ 液体燃料
５ ファン
５−１、５−２ 送気ダクト
５−５ 隔壁
６ 噴射ノズル
１０ ケース体
２０ 燃焼板
２１ 凹部
２２ 凸部
２８ 導炎ガイド
３０ 整流筒
３５ 支持部材
４０ 断熱材
Ｒ１ 一次空気経路
Ｒ２ 二次空気経路

Claims (3)

1. 微細な空隙を備えた燃焼板の裏面側から霧化させた液体燃料と空気とを供給し、燃焼板の表面に液体燃料と空気との混合相を形成する予混合燃焼装置において、
   前記燃焼板の肉厚を略一定としつつ、当該燃焼板に凹凸を形成したことを特徴とする予混合燃焼装置。
2. 燃焼板に対して噴霧される液体燃料をガイドする略円錐または略半円推の整流筒を設け、
   この整流筒の下端を燃焼板の外周または外周近傍に配し、燃焼板の外周部に対する燃料供給量を略均一に調整する請求項１記載の予混合燃焼装置。
3. 整流筒を囲うケース体を設け、
   このケース体は、整流筒の内側に対して空気の供給を行う一次空気経路と、
   整流筒の内側を経由せずに燃焼板の表面近傍に対して空気の供給を行う二次空気経路とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の予混合燃焼装置。

Images