JP2007163037A

JP2007163037A - バーナ保炎管の取付構造および蒸発器

Info

Publication number: JP2007163037A
Application number: JP2005360224A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kuwabara; 武桑原; Yasushi Yoshino; 靖吉野; Shiro Fujishima; 史郎藤島; Shigeki Kobayashi; 茂樹小林; Takuya Moroishi; 拓也諸石; Jun Ono; 小野　　純
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】中心部に燃料噴射ノズル１が内装されたケーシング２の先端に、バーナ保炎管３が取り付けられるものであって、その取付け部が熱応力により破損することを防止すること。
【解決手段】バーナ保炎管３として、筒状本体3aの一端にフランジ部3bを一体に接合したセラミック成形体を用い、そのフランジ部3bの一端面をケーシング２の座部４に着座させる。そして、そのフランジ部3bの他端面を取付部材５を介してケーシング２に保持させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として蒸発器に使用されるバーナ保炎管の取付構造およびそれを有する小型の蒸発器に関し、より詳しくは、セラミック製の保炎管と金属製のケーシングとの取付構造に関する。

燃料電池用改質器に供給する水蒸気を発生させる蒸発器は、小型・軽量でかつ、負荷に対する応答性の良いものが望まれている。係る蒸発器のバーナ燃焼室は、非常に高温になるため、その内壁面を金属にすると燃焼用空気により燃焼室自体が短時間に酸化されて使用が困難となる。
そこで、燃焼室の内壁面にセラミック等を貼着し、断熱材を介して金属材に保持する工夫がなされている。このセラミックを使用すると、金属より熱伝導性が低いため、保温効果があり、燃焼が安定する。そのため、燃焼室にそれを使用することが好ましい。
しかしながら、セラミックと金属材とは熱膨張率に差があるとともに、使用中に両者間に温度差があるため、両者の接合部は破損しやすい条件にある。そのためその取付構造は特別な構造が必要となり、構造が複雑化するとともに、大型にならざるを得ない欠点があった。

そこで本発明は、小型・軽量化にできるとともに、セラミック製のバーナ保炎管と金属製のケーシングとの間を簡易な方法で接続し且つ、接合部の信頼性の高いものを提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、中心部に燃料噴射ノズル(1) が内装されるケーシング(2) を有し、そのケーシング(2) の先端に突設されるバーナ保炎管(3) の取付構造において、
前記バーナ保炎管(3) が、筒状本体(3a)の一端縁にフランジ部(3b)を一体に形成したセラミック成形体よりなり、前記ケーシング(2) の先端に設けられた座部(4) に前記保炎管(3) のフランジ部(3b)の一端面が着座され、そのフランジ部(3b)の他端面が取付部材(5) を介して前記ケーシング(2) に保持されて、熱膨張に伴いフランジ部(3b)が前記座部(4) に対して相対的にその平面方向に僅かに移動自在となるように取り付けらけれ、そのバーナ保炎管(3) は前記フランジ部(3b)のみでケーシング(2) に片持ち支持されたバーナ保炎管の取付構造である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記ケーシング(2) の内側に筒状の断熱材(6) が保持され、その断熱材(6) の先端に前記座部(4) が設けられたバーナ保炎管の取付構造である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の取付構造を有し、
前記保炎管(3) の軸線が重力方向に平行に位置し、保炎管(3) の外側に第１筒型ガス流路(20)を介して椀状体(7) が被嵌され、その椀状体(7) の外側に第２筒型ガス流路(21)を介して熱交換用ケース(8) の下端部が被嵌されると共に、その熱交換用ケース(8) の少なくとも上端部内に複数のアウターチューブ(9) が内装され、そのアウターチューブ(9) 内に水が供給される蒸発器である。

請求項４に記載の本発明は、請求項３において、
夫々の前記アウターチューブ(9) は下端が閉塞され、その上端開口縁がチューブプレート(10)に固定され、そのチューブプレート(10)の上方に蒸発室(11)を介して水タンク(12)が配置され、
その水タンク(12)の底に前記アウターチューブ(9) の内径より外径を小とし且つ、下端開放の複数のインナーチューブ(13)が垂下し、夫々のインナーチューブ(13)が前記アウターチューブ(9) 内に挿入され、
前記水タンク(12)の外周に蒸気通路(14)となる間隙をあけて外ケース(15)が被嵌され、その蒸気通路(14)の上端と前記水タンク(12)内が連通されると共に、蒸気通路(14)の下端と前記蒸発室(11)とが連通され、
前記水タンク(12)の上端に蒸気パイプ(16)が連通する蒸発器である。

本発明の取付け構造は、セラミック成形体よりなるバーナ保炎管３のフランジ部3bの一端面が座部４に着座され、そのフランジ部3bの他端面が取付部材５を介してケーシング２に保持されたものである。そして、使用中の熱膨張に伴いフランジ部3bが座部４に対して相対的にその平面方向に僅かに移動自在となるように取付けられたから、ケーシング２とバーナ保炎管３との間に熱膨張の差が生じてもその取付け部に亀裂が生じることがない。
また、バーナ保炎管３をセラミック成形体より形成したため、高温に耐え、燃焼室内の温度低下を抑制でき、安定した燃焼を確保しうる。更には、バーナ保炎管３はフランジ部3bのみでケーシング２に片持ち支持されるものであるから、熱膨張に伴うバーナ保炎管３の軸線方向への伸縮を自由に行うことができる。
上記構成において、ケーシング２の内側に筒状の断熱材６を保持し、その断熱材６の先端に座部４を設けた場合には、構造が簡単でより安定性のよいバーナーの燃焼室を構成できる。

本発明の蒸発器は、前記のバーナ保炎管の取り付け構造を有し、その先端側に椀状体７及び熱交換用ケース８が被嵌され、熱交換用ケース８内にアウターチューブ９が内挿されたものであるから、効率がよく耐久性が高い蒸発器となりうる。
上記構成において、更に下端閉塞のアウターチューブ９の開孔縁をチューブプレート10に固定し、チューブプレート10の上方に蒸発室11を介して、水タンク12を配置し、水タンク12の底にインナーチューブ13を垂下して、それをアウターチューブ９内に挿入したものにおいては、単純な構造で伝熱面積の大きな蒸発器となりうる。
また、チューブプレート10の外周に蒸気通路14を介して外ケース15が被嵌され、その蒸気通路14の上端と水タンク12内が連通されるとともに、下端と蒸発室11とが連通され、水タンク12の上端に蒸気パイプ16が連通するものでは、蒸発室11内で蒸発した水滴を含む蒸気は、蒸発室11、蒸気通路14を通過する間に水蒸気中の水滴が分離し、さらに水タンク12内でも気水分離して蒸気のみを蒸気パイプ16から確実に取り出すことができる。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。図１は本発明のバーナー保炎管の取付け構造の要部縦断面図およびその分解斜視図である。また、図２は同取付け構造を有する蒸発器の縦断面図であり、図３は図２のIII−III矢視断面図である。そして、図４は図２の上部拡大図である。

この例のバーナーは、図１に示す如く漏斗状に形成されたケーシング２の中心に燃料噴射ノズル１が配置され、その下部にエジェクタ27が設けられている。このエジェクタ27には、図２に示す如く、その軸線方向にエアパイプ22からの圧縮空気が供給され、その外周方向から燃料パイプ23を介し燃料が吸引される。また、燃料噴射ノズル１とエジェクタ27との間に第２エアパイプ24が周方向から連結されている。
ケーシング２内には、セラミック等からなる筒状の断熱材６が収納され、そこにスパークプラグ25の端部が貫通する。また、断熱材６の上面には座部４が形成されている。この座部４の深さは後述するバーナ保炎管３のフランジ部3bの厚みに整合し、座部４の内周直径はフランジ部3bの外周より僅かに大である。

次に、バーナ保炎管３は耐熱性のセラミックからなり、図１（Ｂ）に示す如く、筒状本体3aの下端にフランジ部3bが一体に突設された成形体からなる。そして、そのフランジ部3bの下端が座部４に着座し、その状態で金属製の取付部材５がフランジ部3bの上面に被嵌される。そして、取付部材５の周縁がケーシング２の上端縁に点溶接等により部分的に接続される。
このとき、バーナ保炎管３のフランジ部3bと取付部材５並びに、座部４とはフランジ部3bの平面方向に僅かに移動自在に保持される。これはバーナーの駆動・停止に伴う熱膨張およびその収縮により取り付け部が破損するのを防止するものである。さらには、輸送時の振動や組み付け時の締結によるセラミックの破損を有効に防止する。そして、バーナ保炎管３はフランジ部3bにおいてのみケーシング２に片持ち支持され、筒状本体3aの軸線方向には自由に伸縮される。

このようにしてなるバーナーを蒸発器に取付けるには、図２に示す如く、その軸線を上下方向にし、ケーシング２の上端外周に熱交換用ケース８の下端を被嵌する。この熱交換用ケース８の下端部には、釣鐘状の椀状体７が第１筒型ガス流路20を介して被嵌される。その椀状体７の下端の一部が外側に突設され、接続部34としてそれが熱交換用ケース８内周に接続される。熱交換用ケース８の上端は、チューブプレート10によって閉塞され、そのチューブプレート10に多数のチューブ挿通孔が穿設され、その孔にそれぞれアウターチューブ９の上端開口縁が接続される。各アウターチューブ９の下端は閉塞されている。また、熱交換用ケース８の内部は複数の図３に示す仕切壁19が千鳥状に配置されている。そして、熱交換用ケース８の上端外周に排気管18が接続されている。熱交換用ケース８の外側には外室28を介して、外ケース15が被嵌され、その下端がケーシング２に接続される。

また、外ケース15の上部はチューブプレート10の上方に延長し、その上端が上蓋31で閉塞される。上蓋31には蒸気パイプ16および水パイプ17の一端が貫通する。外ケース15の上部内には、環状の僅かの隙間からなる蒸気通路14を介して水タンク12が内装されている。この水タンク12は、上端が開放され、その上端縁の一部に接続部34が突設され、それが外ケース15内周に接続されている。

水タンク12の下端部の外周には図４に示す如く中空室35が環状に形成されている。また、外ケース15の上蓋31内面にはトラップ用環状壁36が垂下され、その外周と水タンク12の上端内周との間に隙間が形成されている。水タンク12の中心にはフロート26が配置され、それが上蓋31から垂下されている。そしてこのフロート26によって、水タンク12内の水面29の高さが一定範囲内になるように水パイプ17の図示ない弁を制御する。
なお、水タンク12の底面には多数のインナーチューブ13の上端が貫通固定されている。インナーチューブ13の外直径はアウターチューブ９の内直径よりも十分小である。そして、そのインナーチューブ13がアウターチューブ９内にそれぞれ挿入されている。そのインナーチューブ13の下端は開放され、アウターチューブ９内にインナーチューブ13を介して水が供給される。

（作用）
つぎに、本発明のバーナー保持管の取付け構造を有する蒸発器の作用につき説明する。
水パイプ17を介して水タンク12内に純水を供給し、水面29をフロート26によって一定レベルに制御する。このとき、水タンク12内の純水（以下水という）はインナーチューブ13を介し、アウターチューブ９内に供給される。すると水はアウターチューブ９の上端から溢れ出し、外室28、蒸発室11を満たし、水タンク12の水面29のレベルに達する。
次に、エアパイプ22に圧縮空気を供給するとともに、エジェクタ27を介し燃料パイプ23より燃料を吸引し、それを燃料噴射ノズル１からバーナ保炎管３内に噴射する。このとき燃料噴射ノズル１の外周から第２エアパイプ24を介して空気が供給される。それとともに、スパークプラグ25により燃料が着火されバーナ保炎管３内に火炎33が形成される。すると、燃焼ガス32がバーナ保炎管３の上端から椀状体７内周に案内されて、バーナ保炎管３の外側の第１筒型ガス流路20を流下し、椀状体７の下端でＵターンして、第２筒型ガス流路21内を上昇し、熱交換用ケース８の中間部に導かれる。そして、その中間部より上方に存在する複数の仕切壁19に案内され、燃焼ガス32は、蛇行状に移動して排気管18から外部に導かれる。

この間、アウターチューブ９内の水および外室28内の水を加熱し、蒸発させる。そして、発生した水蒸気30は図４の如く蒸発室11から蒸気通路14を通過し、その上端でＵターンして、蒸気パイプ16に導かれる。このとき水蒸気30は環状の隙間の小さな蒸気通路14内を通過し、その通過に伴って圧力損失が生じる。その圧力損失により、蒸発室11内の水面29が下降する。これは蒸気通路14の上端が水タンク12に連通するため、その上端と水タンク12内の圧力が一致し、蒸発室11内の圧力は蒸気通路14の上端よりも蒸気通路14内の圧力損失分だけ、高い圧力となる。その圧力と水面29の水頭による圧力とがバランスした位置に蒸発室11内の水面29が位置される。そして、蒸発室11内で蒸発した水蒸気30は、小さな水滴を伴い蒸気通路14内を上昇する間に、その内壁に水滴を付着させ、それを下方に流下する。
また、蒸気通路14の上端からトラップ用環状壁36内を迂回した蒸気は、更にトラップ用環状壁36の下端で上方に迂回する。このとき、蒸気に含まれる水滴は水タンク12の内壁に付着し、下方に流下する。それにより、気水分離された水蒸気30のみが蒸気パイプ16を介して外部に導かれる。

なお、バーナーの内部で火炎33が形成されると、バーナ保炎管３が高温となり膨張する。バーナ保炎管３はその軸線方向上方には自由に伸張する。またその下端のフランジ部3bは半径方向に僅かに伸長する。そのフランジ部3bはその下面が座部４に着座されるとともにその上面が取付部材５によって移動自在に支持されているから、半径方向への伸縮が確保され、両者の取付け部に熱膨張差に基づく応力が加わることはない。
次に、燃料噴射ノズル１は一般に広く使用されている各種のものが利用できる。この例の燃料噴射ノズル１は、内部に上方に広がる漏斗状の孔が複数形成されている。

（他の実施の形態）
次に、図５は本発明のバーナ保炎管の取付け構造の他の例であり、これが図１（Ａ）のそれと異なる点は、同図における断熱材６を省略した点である。そのため、ケーシング２はその上端開孔縁が内フランジ状に形成され、その上端に座部４が形成される。そして、そこにバーナ保炎管３のフランジ部3bが着座し、取付部材５によってそのフランジ部3bの上面側を支持している。

本発明のバーナ保炎管の取付け構造の縦断面図および要部分解斜視図。同取付け構造を有する蒸発器の縦断面図。図２のIII−III矢視断面図。図２における上部拡大図。本発明のバーナ保炎管の取付け構造の他の例を示す縦断面図。

符号の説明

１燃料噴射ノズル
２ケーシング
３バーナ保炎管
3a 筒状本体
3b フランジ部
４座部
５取付部材
６断熱材
７椀状体
８熱交換用ケース
９アウターチューブ
10 チューブプレート
11 蒸発室

12 水タンク
13 インナーチューブ
14 蒸気通路
15 外ケース
16 蒸気パイプ
17 水パイプ
18 排気管
19 仕切壁
20 第１筒型ガス流路
21 第２筒型ガス流路
22 エアパイプ
23 燃料パイプ

24 第２エアパイプ
25 スパークプラグ
26 フロート
27 エジェクタ
28 外室
29 水面
30 水蒸気
31 上蓋
32 燃焼ガス
33 火炎
34 接続部
35 中空室
36 トラップ用環状壁

Claims

中心部に燃料噴射ノズル(1) が内装されるケーシング(2) を有し、そのケーシング(2) の先端に突設されるバーナ保炎管(3) の取付構造において、
前記バーナ保炎管(3) が、筒状本体(3a)の一端縁にフランジ部(3b)を一体に形成したセラミック成形体よりなり、前記ケーシング(2) の先端に設けられた座部(4) に前記保炎管(3) のフランジ部(3b)の一端面が着座され、そのフランジ部(3b)の他端面が取付部材(5) を介して前記ケーシング(2) に保持されて、熱膨張に伴いフランジ部(3b)が前記座部(4) に対して相対的にその平面方向に僅かに移動自在となるように取り付けらけれ、そのバーナ保炎管(3) は前記フランジ部(3b)のみでケーシング(2) に片持ち支持されたバーナ保炎管の取付構造。
請求項１において、
前記ケーシング(2) の内側に筒状の断熱材(6) が保持され、その断熱材(6) の先端に前記座部(4) が設けられたバーナ保炎管の取付構造。
請求項１または請求項２の取付構造を有し、
前記保炎管(3) の軸線が重力方向に平行に位置し、保炎管(3) の外側に第１筒型ガス流路(20)を介して椀状体(7) が被嵌され、その椀状体(7) の外側に第２筒型ガス流路(21)を介して熱交換用ケース(8) の下端部が被嵌されると共に、その熱交換用ケース(8) の少なくとも上端部内に複数のアウターチューブ(9) が内装され、そのアウターチューブ(9) 内に水が供給される蒸発器。
請求項３において、
夫々の前記アウターチューブ(9) は下端が閉塞され、その上端開口縁がチューブプレート(10)に固定され、そのチューブプレート(10)の上方に蒸発室(11)を介して水タンク(12)が配置され、
その水タンク(12)の底に前記アウターチューブ(9) の内径より外径を小とし且つ、下端開放の複数のインナーチューブ(13)が垂下し、夫々のインナーチューブ(13)が前記アウターチューブ(9) 内に挿入され、
前記水タンク(12)の外周に蒸気通路(14)となる間隙をあけて外ケース(15)が被嵌され、その蒸気通路(14)の上端と前記水タンク(12)内が連通されると共に、蒸気通路(14)の下端と前記蒸発室(11)とが連通され、
前記水タンク(12)の上端に蒸気パイプ(16)が連通する蒸発器。