JP2010003559A - カートリッジヒーターおよびオイルバーナー - Google Patents

Abstract

【課題】気化した燃料油ガスを加熱し過ぎるのを抑え、容易に最適な温度に維持することができ、燃料油ガスの酸化を防ぐことができるカートリッジヒーターおよびそれを用いたオイルバーナーを提供する。
【解決手段】柱状の耐熱絶縁体の内部に、コイル状の発熱線と、発熱線の両端に接続され前記柱状の耐熱絶縁体の一方の底面から外部に突出した２つの電極とを有しており、前記発熱線が前記柱状の耐熱絶縁体の長手方向の一部に巻回されている。前記発熱線は、前記柱状の耐熱絶縁体の前記一方の底面付近から中央付近まで巻回されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、灯油等の燃料油を燃料とするオイルバーナーおよびこのオイルバーナーに用いられるカートリッジヒーターに関する。

灯油等の燃料油を気化させた燃料油ガスを燃焼させるオイルバーナーとして、強制的な空気の供給が不要で、ノズルの詰まりやヒーターの焼き切れが発生せず、尚且つ、消火後の再点火も容易なオイルバーナーがある（特許文献１）。

このオイルバーナーは、燃料油を火口盤の周囲に巡回させることによって余熱し、この燃料油をヒーターによる加熱によってノズル内で気化させ、その気化による膨張によって、燃料油ガスをノズル先端の吐出部（ノズルヘッド）から混合室へ送り込む構成になっている。この構成により、コンプレッサー等を用いて強制的に空気を供給しなくても燃料油の気化膨張を利用して十分な一次空気を得ることができ、また、燃料油の点火前の予熱を可能にしたことにより赤火が発生しにくく、尚且つ、消火後の再点火も容易である。さらに、給油管中に空気を導入しないため、空気中の湿気に起因する給油管やノズルの詰まりを防止することができ、また、油温センサに基づいてヒーターのオン／オフを制御しているため、無駄なヒーターへの通電を無くすことができるとともに、空焚き等によるヒーターの損傷を防止することができる。

特開２００８−１１６１４４号公報

しかしながら、上記特許文献１のバーナーは、気化した燃料油ガスがノズル内で過熱してしまい、燃焼に最適な温度に維持するのが困難であった。酸素のないノズルの内部で燃料油ガスが過熱状態になると、空気と混合されても発火しにくくなるという問題があった。

この発明は、気化した燃料油ガスを加熱し過ぎるのを抑え、容易に最適な温度に維持することができ、燃料油ガスの酸化を防ぐことができるオイルバーナーおよびこれに用いられるカートリッジヒーターを提供することを目的とする。

請求項１のカートリッジヒーターは、柱状の耐熱絶縁体の内部に、コイル状の発熱線と、発熱線の両端に接続され前記柱状の耐熱絶縁体の一方の底面から外部に突出した２つの電極とを有しており、前記発熱線が前記柱状の耐熱絶縁体の長手方向の一部に巻回されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記発熱線は、前記柱状の耐熱絶縁体の前記一方の底面付近から中央付近まで巻回されていることを特徴とする。

請求項３のオイルバーナーは、空気と燃料油ガスの混合気を吐出する複数のガス孔を有する火口と、前記火口が載置され、前記ガス孔に連通する混合室を有する基部と、前記混合室の開口部に接続された短管であるエア導入部と、前記エア導入部内に設置され、前記混合室方向に小孔の開いた突出部を有し、その反対側に給油口を有する筒状のノズルと、前記ノズル内に、突出部の反対側に発熱線が位置するように設けられた請求項１または請求項２に記載のヒーターと、前記火口の周囲を周回して前記給油部と前記ノズルの給油口を接続する給油管と、燃料油タンクから燃料油を吸い上げて前記給油管に供給する給油部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、発熱線をヒーターの長手方向の一部（たとえば一方の底面から中央付近の半分程度）にまで短くしたことにより、気化した燃料油ガスを加熱し過ぎるのを抑え、最適な温度を維持することができ、燃料油ガスが酸化して発火しにくくなるのを防ぐことができる。

まず、図面を参照してこの発明の実施形態であるカートリッジヒーター１について説明する。図１（Ａ）は同ヒーターの外観を表す図、図１（Ｂ）は同ヒーターの内部構造を表す図である。
同図（Ａ）に示すように、このヒーターの外観は、金属製またはセラミック製の一端が開口し、他端が封止された円柱状のパイプ４、開口部を塞ぐ封口材５、および、封口材５から突出した２本の電極３ａ、３ｂで構成されている。

同図（Ｂ）は、同ヒーターの側面から見た内部構造を示しており、上述のパイプ４の内部には、コイル状の発熱線２が埋設され、その発熱線２の両端は電極３ａ、３ｂにそれぞれ接続されている。一般的に発熱線２はニクロム線で構成され、棒状のセラミックをコアとして巻回されている。また、パイプ４内部において、コイル状の発熱線２とパイプ４の内壁との間には発熱線２、電極３ａ、３ｂを覆うように耐熱性絶縁粉末（酸化マグネシウムＭｇＯ等）が充填されている。

発熱線２は、封口材５側からパイプ４の長手方向中央付近まで形成され、パイプ４の封止端側には形成されていない。これにより、発熱線２に通電したとき、ヒーター１の温度分布が封口材５側に偏り、パイプ４の封止端側の温度上昇が抑えられる。
したがって、このヒーター１を後述の灯油バーナーに用いた場合、発熱線２の長さがパイプ４と同じ程度の長さの場合に比べ、気化した灯油の温度が上昇し過ぎるのを防ぐことができ、温度を維持することが容易になる。
なお、後述の灯油バーナーに用いられるヒーター１は、たとえば、パイプ４の全長が１２０ｍｍ、外径が２０ｍｍであり、パイプ４の封口材５側の端部から１０ｍｍの位置から６００ｍｍの位置（中央）までの５０ｍｍの幅に発熱線２が形成される。

同ヒーターに通電して発熱させたとき、ヒーターの筐体４表面の各部分の温度分布は、無負荷の場合、どの部分も均一になる。

一方、負荷がある場合、同様にヒーターの筐体４表面の各部分の温度分布は、発熱線２のない部分の温度が低く、発熱線２のある部分で温度が高くなる。このように、発熱線２がない部分は石油ガス等の熱負荷で容易に温度が下がるため、石油ガスが過熱するのを防ぐことが可能になる。

次に、図面を参照してこのヒーターを利用したオイルバーナーについて説明する。図２は同バーナーの側面から見た概略構造図、図３は同バーナーの平面から見た概略構造図である。
このバーナーは、電磁ポンプ２０，電磁弁２１を含む電磁給油部１０、気化管１２を含む給油管１１、気化した灯油ガスを噴霧状に噴出させるノズル１３、灯油ガスと空気の均質な混合気を生成する混合室（基部）１５、混合気の燃焼部である火口盤１６を有している。

電磁給油部１０は、図示しない灯油タンクから灯油を吸引して給油管１１に供給する。灯油の供給量は、後述の制御部３０によって制御される。給油管１１は、より耐熱性が要求される気化管１２が真鍮製である点を除き、電磁給油部１０からノズル１３に至る銅製の管である。給油管は、バーナーのフロントパネル部に設置された電磁給油部１０から、外部振動を吸収するためのコイル状配管部を経由し、火口盤１６の上面周縁部を一周し、更に外部振動吸収のためのコイル状配管部をもう一度経由したのちノズルに接続されている。尚、給油管１１のうち、火口盤１６の上面周縁部を一周する部位が気化管１２である。給油管１１を給送される灯油は、この気化管１２を給送されるときにバーナーの燃焼熱によって気化される。なお、ここで、気化管１２の内部の一部または全部に、その内壁に沿うように螺旋状構造物（例えば、コイル）を配置することにより、燃料油（ここでは灯油）の逆流が防止される効果が得られる。また、上記螺旋構造物を配置する代わりに、気化管１２の内壁自体の凹凸構造により、螺旋状を形成している場合であっても上記と同様の効果がある。

ここで、電磁給油部１０は、電磁ポンプ２０および２系統の電磁弁２１（２１ａ，２１ｂ）を並列に有している。電磁ポンプ２０は、灯油タンクから灯油を吸引し、電磁弁２１は、電磁ポンプが吸引した灯油の給油管１１への供給量を制御するとともに、供給した灯油の逆流を防止する。電磁ポンプ２０の送出側の管は太径の給油管１１ａと細径の給油管１１ｂに分岐し、太径の給油管１１ａに電磁弁２１ａが介挿されており、細径の給油管１１ｂに電磁弁２１ｂが介挿されている。給油管１１ａと給油管１１ｂは電磁弁２１ａ，ｂの先で再び合流している。このように、給油管１１を径の異なる２系統の給油管１１ａ，ｂに分岐して、それぞれ独立して電磁弁で開閉制御することにより、きめ細かい給油量の制御が可能である。また、給油量の制御は、径の異なる給油管の開閉で行うほか、短時間で電磁弁を開閉し、その開時間率（ディューティ比）で行うことも可能である。

なお、灯油の流れをスムーズにするため、気化管１２をコイル状にしてもよく、また、給油管１１又は／及び気化管１２内にコイル状の整流リブを設けても良い。ここで、給油管１１又は／及び気化管１２を渦巻きコイル状に形成することにより、灯油の流れをスムーズにすることができるとともに、給油管１１や気化管１２の取りまわしを容易にすることができる。

ノズル１３は、同図（Ａ）に示すように、略円筒形状を成しており、内部に気化室１３ａを有している。この気化室１３ａの一方の端部（先端部）に噴出口を有するノズルヘッド１３ｂが取り付けられている。また、気化室１３ａの他方の端部（後端部）から、気化室１３ａ内に図１のカートリッジヒーター１（以下単に「ヒーター１」と呼ぶ）が設けられている。このヒーター１は、気化室１３の後端部側に発熱線２が位置するように設置されている。また、気化室１３ａの後端部側に給油管１１が取り付けられている。給油管１１から供給された灯油（気化管１２で気化された灯油）は、気化室１３ａに流入し、ヒーター１によってさらに加熱される。ヒーター１は、給油管１１側（後端部側）発熱線２が配置されているため、給油管１１から流入した余熱された灯油は、給油管１１付近に位置する発熱線２によって急速に温度を上げ、沸点を超えて一気に気化する。気化により体積が急激に膨張し、この体積膨張による圧力によって、気化した灯油ガスがノズルヘッド１３ｂから噴出する。

ただし、ヒーター１は、ノズルヘッド１３ｂ側に発熱線２を有しないため、気化した灯油ガスの温度がそのまま上昇して過熱状態になることはなく、最適な温度が維持されてノズルヘッド１３ｂから噴射される。
なお、気化室先端部のノズルヘッド１３ｂは、霧状に灯油ガスを噴射する噴霧型のノズルヘッドである。

ノズル１３は、エア導入口１４内に設置されている。エア導入口１４は、円錐台状（メガホン状）の短管であり、小径側が混合室１５の側面に取り付けられ、大径側が外部に開口している。ノズルはこのエア導入口１４の中央部に１４に向けて設置されている。
また、エア導入口１４における空気の流れをスムーズにするため、エア導入口１４にプロペラ形状で固定された空気整流板２９を設けてもよい。

ノズル１３から灯油ガスが噴出して混合室１５に流入すると、ベンチュリー効果（ジェット流による負圧）により、外部の空気がエア導入口１４に吸い込まれ、混合室１５に流入する。

なお、混合室１５への空気の導入は、上記ベンチュリー効果、および、火口盤１６上面で混合気が燃焼して激しい上昇気流が発生することによって生じる負圧という自然の物理現象によって行われる。このように、混合室１５への空気の導入が自然の物理現象によって行われるため、空気の吸入量の限界が温度上昇の限界となり、限度を超えた燃焼による過熱が防止される。

混合室１５は、円筒形の空間を内部に有する鋳物の構造物である。混合室１５は、上面および側面の一部が開口しており、上面の開口部には火口盤１６が載置され、側面の開口部には上記エア導入口１４が接合されている。

混合室１５には、ノズル１３から噴出した灯油ガスと、上記効果により外部から吸い込まれた空気とが導入される。混合室１５内では、気流により、灯油ガスと空気が均一に混合され、均質な混合気が生成される。この混合気は、火口盤１６のスリットを通過して火口盤１６の上面に排出される。

火口盤１６は、略円柱形の鋳物であり、内部に下面から上面に貫通するスリット（ガス孔）が、法線状に多数形成されている。混合室１５で生成された混合気が高温による上昇気流およびノズル１３から噴出した灯油ガスの圧力、および、火口盤１６上面での燃焼による上昇気流によってスリットの下面から上面に向けて押し出され、火口盤１６の上面から吹き出して燃焼する。
バーナーの最大火力は、ノズル１３の大きさと火口盤１６のスリットの総面積の相関によって決定される。

前記制御部３０はマイコンからなっており、前記ヒーター１９や点火プラグ２４を駆動する電源回路３３、電磁給油部１０、温度センサ２２，２３等を制御するためのインタフェースを有している。また、制御部３０には、操作部３１が接続されている。操作部３１は、バーナーをオン／オフする燃焼ボタン、火力を上下させる上／下ボタン、燃焼運転中か否かを表示する燃焼インジケーター等を備えている。制御部３０は、操作部３１の操作に応じてバーナーの点火／消火、および、火力調整を自動的に行う。

制御部３０には、さらに、前記電磁給油部１０の電磁ポンプ２０、電磁弁２１ａ,２１ｂが接続されているほか、温度センサ２２，２３および電源回路３３が接続されている。電源回路３３には、前記ヒーター１９および点火プラグ２４が接続されている。温度センサ２２は、気化管１２で気化された灯油の温度を測定する熱電対であり、ノズル１３近傍の給油管１１表面に蝋付けされて設けられている。温度センサ２３は、ヒーター１９の温度を測定する熱電対であり、ノズル１３内のヒーター１９に接するように設けられている。点火プラグ２４は、電源回路３３から印加される高電圧によってスパークを発生するものであり、火口盤１６上面の近傍に設けられている。この点火プラグ２４のスパークによって混合気が点火する。

電源回路３３は、制御部３０の指示により点火プラグ２４に高電圧を印加するとともに、制御部３０の指示によりヒーター１９に加熱電流を供給する。操作部３１は、点火／消火を指示する操作ボタンおよび火力レベルを１（最小）〜４（最大）の４段階に設定する火力調整ボタンを有している。制御部３０は、点火操作があったとき、温度センサ２３が測定した油温および温度センサ２２が測定した炎温を監視しながら供給する油量を制御して実用火力まで火力を制御してゆく。

なお、図３に示すように、電磁弁２１は２個並列に設けられており、火力が１、２のときは一方（２１ｂ）のみ開閉して供給する油量を調節し、火力の３，４のときは両方を開閉して油量を調節する。すなわち、火口盤１６（ノズル１３）供給する灯油の量で火力を調整する。

図４は、制御部３０の点火動作を示すフローチャートである。このフローチャートを参照しつつ、制御部３０の点火動作を説明する。なお、点火時は低火力で燃焼を安定させるため、専ら電磁弁２１ｂの開閉で給油量を制御し、電磁弁２１ａは閉じたままとする。

操作部３１の点火ボタンがオンされると（Ｓ１）、まず、ヒーター１をオン（Ｓ２）してノズル１３を加熱し始める（Ｓ２）。その後（たとえばヒーター温度が所定温度に上昇したとき）、電磁給油部１０を制御して、灯油がノズル１３に到達するまで給油し、そこで給油を停止する（Ｓ３）。この状態でヒーターの温度（温度センサ２３の検出温度）がｔ１に到達するまで加熱する。ｔ１は灯油の沸点程度の温度に設定する。

そして、温度センサ２３の検出温度がｔ１に到達すると（Ｓ４でＹＥＳ）、電磁ポンプ２０および電磁弁２１ｂをオンして給油を開始する（Ｓ５）。そして点火プラグ２４への給電を開始してスパークを発生させ、火口盤１６から噴出してきた混合ガスに点火する（Ｓ６）。このスパークは、混合ガスに確実に点火するため、給油開始から数秒間継続させる。

点火後、燃焼を安定させるために給油調整を行う（Ｓ７）。この給油調整は、給油時間および／または油温を監視しながら、給油のオン／オフを繰り返す制御である。この制御では、まだバーナー（気化管１２）が十分に加熱されていないため、灯油の供給を燃焼を継続できる最小限に制限して、赤火を防止する。この状態でヒーター温度がｔ２になるまで待機する（Ｓ８）。このｔ２は灯油が完全に気化する程度の高温に設定される。

ヒーター温度がｔ２に達するとノズル部の加熱は完了し燃焼が安定したとして、通常の燃料供給を開始し（Ｓ９）、ヒーターをオフする（Ｓ１０）。こののち油温（温度センサ２２の測定温度）がｔ３に達したとき（Ｓ１１）、点火動作が完了したとして、設定された火力レベルへ火力の調整を行う（Ｓ１２）。この設定レベルへの火力調整は、電磁弁２１ａ，２１ｂの両方を用いて給油量を調整して火力を制御する。

また、燃焼ボタンを再度オンすると、電磁ポンプ２０が停止し給油が停止されて消火状態となるが、そのとき所定時間（約３０秒程度）点火プラグ２４に継続してスパークを発生させる。これにより、給油停止後もバーナー中に残った灯油ガスを最後まで燃焼させることができ、灯油ガスが未燃焼のまま空気中に拡散して、いわゆる「灯油臭い」状態になることを防止することができる。

以上のように、操作者はボタン操作のみで安全且つ確実にバーナーを点火／消火することがきるうえ、一旦消火したのち再点火する場合でも、（空気の混ざらない）燃料油のみを給油管に供給する構成であるため逆火が生じる危険性がなく安全に短時間のインターバルで再点火することができる。したがって、操作ボタンをバーナーの操作パネルに設けるのみでなく、リモコン等に設けて遠隔操作をすることも安全上問題がなく可能である。

なお、上記実施形態では、燃料油として灯油を用いる灯油バーナーについて説明したが、本願発明は、灯油を燃料とするバーナーに限定されず、気化管１２およびヒーター１９による加熱によって気化する液体油であれば、種々のものを用いることが可能である。たとえば、軽油，植物油，化学合成油等を用いることが可能である。その場合には、制御部３０の温度設定，時間設定等を燃料油にあわせたものに設定変更すればよい。

この発明の実施形態であるカートリッジヒーターの外観図および内部構造図 この発明の他の実施形態であるオイルバーナーの構造図 同オイルバーナーの給油系統図 同オイルバーナーの制御部の点火時の制御動作を示すフローチャート

符号の説明

１ カートリッジヒーター
２ 発熱線
３ 電極
４ パイプ
５ 封口材
１０ 電磁給油部
１１ 給油管
１２ 気化管
１３ ノズル
１３ａ 気化室
１３ｂ ノズルヘッド
１４ エア導入口
１５ 混合室（基部）
１６ 火口盤
２０ 電磁ポンプ
２１（２１ａ，２１ｂ） 電磁弁
２２，２３ 温度センサ
２４ 点火プラグ
３０ 制御部
３１ 操作部
３２ 表示部
３３ 電源回路

Claims (3)

1. 柱状の耐熱絶縁体の内部に、コイル状の発熱線と、発熱線の両端に接続され前記柱状の耐熱絶縁体の一方の底面から外部に突出した２つの電極とを有しており、
   前記発熱線が前記柱状の耐熱絶縁体の長手方向の一部に巻回されていることを特徴とするカートリッジヒーター。
2. 前記発熱線は、前記柱状の耐熱絶縁体の前記一方の底面付近から中央付近まで巻回されている請求項１に記載のカートリッジヒーター。
3. 空気と燃料油ガスの混合気を吐出する複数のガス孔を有する火口と、
   前記火口が載置され、前記ガス孔に連通する混合室を有する基部と、
   前記混合室の開口部に接続された短管であるエア導入部と、
   前記エア導入部内に設置され、前記混合室方向に小孔の開いた突出部を有し、その反対側に給油口を有する筒状のノズルと、
   前記ノズル内に、突出部の反対側に発熱線が位置するように設けられた請求項１または請求項２に記載のヒーターと、
   前記火口の周囲を周回して前記給油部と前記ノズルの給油口を接続する給油管と、
   燃料油タンクから燃料油を吸い上げて前記給油管に供給する給油部と、
   を備えたオイルバーナー。

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