JP2010139137A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガスの熱によって混合気を加熱する小型化可能な燃焼器において、混合気の自着火を防止すると共に燃焼器の設計自由度を向上させる。
【解決手段】燃料Ｇ１の流路であると共に自らの外部に燃料Ｇ１を噴出可能な燃料流路１０と、空気Ｇ２の流路であると共に自らの外部に空気Ｇ２を噴出可能な空気流路２０と、燃料Ｇ１と空気Ｇ２とが混合された混合気を燃焼させる燃焼領域Ｒを有すると共に該燃焼によって生じた燃焼ガスの排気流路となる排気ガス流路３０とを備え、燃焼ガスの熱によって燃料流路１０内部の燃料Ｇ１及び空気流路２０内部の空気Ｇ２を加熱すると共に、燃料流路１０から噴出される燃料Ｇ１と空気流路２０から噴出される空気Ｇ２とを排気ガス流路３０にて混合して混合気とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料と酸化剤とが混合された混合気を燃焼させると共に当該燃焼によって生じた燃焼ガスの熱によって混合気を加熱する小型化可能な燃焼器に関するものである。

従来から、小型化が可能な燃焼器として、第１配管から消炎距離以下の開口部を介して噴出された燃焼用ガス（燃料と酸化剤とが混合された混合気）を第２配管内部の燃焼領域にて燃焼させる燃焼器が知られている。
このような燃焼器によれば、消炎距離以下とされた開口部によって第１配管に火炎が伝播することが防止され、かつ、適度な燃焼用ガスの供給を行うことによって第２配管内部の極めて狭い燃焼領域にて燃焼用ガスを安定して燃焼させることができる。

このような燃焼器としては、燃焼用ガスのより安定した燃焼、燃焼器のさらなる小型化、及び、エネルギ効率の向上を目的として、燃焼用ガスの燃焼によって生じた燃焼ガスの熱を燃焼用ガスに伝熱して燃焼用ガスを燃焼前に加熱する燃焼器が提案されている。
特開２００４−１５６８６２号公報

しかしながら、燃焼用ガスは、上述のように燃料と酸化剤とが予め混合されたものであるため、自着火温度以上に加熱されると自然発火する。このため、燃焼ガスの熱を燃焼用ガスに伝熱する燃焼器においては、燃焼ガスから燃焼用ガスに伝熱される熱を制限するために、熱交換経路の距離が制限されたり、熱交換経路の材質が制限されたり、さらには燃焼エネルギの制限等が生じ、燃焼器の設計自由度が低減する。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃焼ガスの熱によって混合気を加熱する小型化可能な燃焼器において、混合気の自着火を防止すると共に燃焼器の設計自由度を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、燃料の流路であると共に自らの外部に上記燃料を噴出可能な燃料流路と、酸化剤の流路であると共に自らの外部に上記酸化剤を噴出可能な酸化剤流路と、上記燃料と上記酸化剤とが混合された混合気を燃焼させる燃焼領域を有すると共に該燃焼によって生じた燃焼ガスの排気流路となる排気ガス流路とを備え、上記燃焼ガスの熱によって上記燃料流路内部の上記燃料及び上記酸化剤流路内部の上記酸化剤の少なくともいずれかを加熱すると共に、上記燃料流路から噴出される上記燃料と上記酸化剤流路から噴出される酸化剤とを上記排気ガス流路にて混合して上記混合気とするという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、一端が閉塞端とされた第１配管と、該第１配管を囲うと共に上記第１配管の閉塞端側の一端が閉塞端とされる第２配管と、該第２配管を囲うと共に上記第１配管の閉塞端側の一端が閉塞端とされる第３配管とを備え、上記第１配管の内部が上記燃料流路及び上記酸化剤流路の一方とされ、上記第１配管と上記第２配管との間の空間が上記燃料流路及び上記酸化剤流路の他方とされ、上記第２配管と上記第３配管との間の空間が上記排気ガス流路とされているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記第１配管が噴出孔を備え、上記第２配管が上記第１配管の上記噴出孔に対して貫通方向において重ねて形成される噴出孔を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記第２配管の上記噴出孔の開口面積が、上記第１配管の上記噴出孔の開口面積よりも広いという構成を採用する。

第５の発明は、上記第３の発明において、上記第１配管の上記閉塞端が上記第２配管の上記閉塞端に接合され、上記第１配管の上記噴出孔と上記第２配管の上記噴出孔との位置関係がずれないように上記第１配管の熱伸縮を吸収する吸収手段を備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第２の発明において、上記第１配管の上記閉塞端が上記第２配管の上記閉塞端より上記第３配管の上記閉塞端側に位置するように上記第１配管が上記第２配管から突出され、上記第１配管及び上記第２配管が噴出孔を備え、上記第１配管の上記噴出孔が上記第２配管の上記閉塞端よりも上記第１配管の上記閉塞端側に形成されているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第６の発明において、上記第１配管の周面と上記第２配管の上記閉塞端との境界領域に少なくとも離散的に隙間が形成されているという構成を採用する。

本発明によれば、燃料の流路であると共に燃料を噴出可能な燃料流路と、酸化剤の流路であると共に酸化剤を噴出可能な酸化剤流路とが別体に設けられており、燃料流路から噴出された燃料と酸化剤流路から噴出された酸化剤とが、燃焼領域を備える排気ガス流路にて混合される。また、燃焼ガスの熱によって、混合される前の燃料あるいは酸化剤が加熱される。

そして、本発明によれば、燃料流路及び酸化剤流路において混合気が存在しないため、燃料流路及び酸化剤流路において混合気が自着火するという現象は起こりえない。また、燃料あるいは酸化剤は、通常、混合されない限りは自着火しない。このため、燃料流路及び酸化剤流路において火炎が形成されることがない。

したがって、燃焼ガスから燃料及び酸化剤への熱の多少に関わらず、燃焼領域を備える排気ガス流路以外での燃焼が生じることを防止することができ、混合気の自着火を防止することができる。このため、熱交換経路の距離が制限されたり、熱交換経路の材質が制限されたり、さらには燃焼エネルギの制限等が生じない。

よって、本発明によれば、燃焼ガスの熱によって混合気を加熱する小型化可能な燃焼器において、混合気の自着火を防止すると共に燃焼器の設計自由度を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼器の一実施形態について説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本実施形態の燃焼器１００の概略構成を模式的に示した図であり、図１が斜視図、図２が断面図である。
これらの図に示すように、本実施形態の燃焼器１００は、同心円状に配置された第１配管１と、第２配管２と、第３配管３とを備えた、いわゆる三重管構造を有している。

第１配管１は、一端が閉塞端１ａとされた円筒形状を有しており、耐熱性を有する金属材料によって形成されている。
そして、当該第１配管１の閉塞端１ａ近傍の周面には複数の貫通孔が形成されており、当該貫通孔は、第１配管１内部の流体を第１配管１の外部に噴出する噴出孔１ｂとされている。

第２配管２は、第１配管１を囲うと共に第１配管１の閉塞端１ａ側の一端が閉塞端２ａとされた円筒形状を有しており、第１配管１と同様に耐熱性を有する金属材料によって形成されている。なお、第２配管２の閉塞端２ａと第１配管１の閉塞端１ａとは離間して配置されている。
そして、当該第２配管２の閉塞端２ａ近傍の周面には複数の貫通孔が形成されており、当該貫通孔は、第２配管２内部の流体を第２配管２の外部に噴出する噴出孔２ｂとされている。
また、第２配管２の噴出孔２ｂは、第１配管１の噴出孔１ｂに対して貫通方向において重なるように形成されており、第１配管１の噴出孔１ｂと同数設けられている。さらに、本実施形態において第２配管２の噴出孔２ｂの開口面積は、第１配管１の噴出孔１ｂの開口面積よりも広く設定されている。

第３配管３は、第２配管２を囲うと共に第２配管２の閉塞端２ａ側の一端が閉塞端３ａとされた円筒形状を有しており、第１配管１及び第２配管２と同様に耐熱性を有する金属材料によって形成されている。なお、第３配管３の閉塞端３ａと第２配管２の閉塞端２ａとは離間して配置されている。

そして、本実施形態の燃焼器１００においては、第１配管１の内部が、燃料Ｇ１の流路であると共に自らの外部に燃料Ｇ１を噴出可能な燃料流路１０とされている。
この燃料流路１０は、閉塞端１ａと反対側から第１配管１の内部に供給された燃料Ｇ１を閉塞端１ａ側に導くと共に噴出孔１ｂを介して燃料を自らの外部に噴出する。
なお、燃料Ｇ１としては、例えばメタンガスやプロパンガス等を用いることができる。

また、本実施形態の燃焼器１００においては、第１配管１と第２配管２との間の空間が、空気Ｇ２（酸化剤）の流路であると共に自らの外部に空気Ｇ２を噴出可能な空気流路２０（酸化剤流路）とされている。
この空気流路２０は、閉塞端２ａと反対側から第１配管１と第２配管２との間に供給された空気Ｇ２を閉塞端２ａ側に導くと共に噴出孔２ｂを介して空気Ｇ２を自らの外部に噴出する。

また、本実施形態の燃焼器１００においては、第２配管２と第３配管３との間の空間が、燃料Ｇ１と空気Ｇ２とが混合された混合気を燃焼させる燃焼領域Ｒを有すると共に当該燃焼によって生じた燃焼ガスＧ３の排気流路となる排気ガス流路３０とされている。
この排気ガス流路３０は、燃焼領域Ｒで混合気が燃焼されることによって生じた燃焼ガスＧ３を閉塞端３ａと反対側に導いて自らの外部に排出する。

次に、このように構成された本実施形態の燃焼器１００の動作について説明する。
なお、以下の説明においては、不図示の着火装置によって既に混合気への着火が行われ、排気ガス流路３０内の燃焼領域Ｒにおいて混合気が燃焼されている状態であるものとして説明する。

燃焼領域Ｒにて混合気が燃焼されていると、混合気の燃焼によって生じた高温の燃焼ガスＧ３が排気ガス流路３０を閉塞端３ａと反対側に導かれる。
この際、燃焼ガスＧ３の熱が第２配管２を介して空気流路２０を流れる空気Ｇ２に伝熱されることによって空気Ｇ２を加熱し、さらには第１配管１を介して燃料流路１０を流れる燃料Ｇ１に伝熱されることによって燃料Ｇ１を加熱する。中でも、燃焼ガスＧ３と第２配管２のみを隔てて流れる空気Ｇ２に多くの熱が伝熱されて、空気Ｇ２が特に加熱される。

燃料Ｇ１は、燃料流路１０を閉塞端１ａに向けて流れる間において上述のように加熱され、第１配管１に形成された噴出孔１ｂから燃料流路１０の外部に噴出される。ここで、第１配管１に形成された噴出孔１ｂと第２配管２に形成された貫通孔２ｂとは、貫通方向において重ねされている。このため、燃料Ｇ１は、第１配管１に形成された噴出孔１ｂから噴出された後、さらに第２配管２に形成された噴出孔２ｂを介して排気ガス流路３０に供給される。

一方、空気Ｇ２は、空気流路２０を閉塞端２ａに向けて流れる間において上述のように加熱され、第２配管２に形成された噴出孔２ｂから空気流路２０の外部、すなわち排気ガス流路３０に噴出される。

ここで、燃料Ｇ１と空気Ｇ２とは、共に自らが流れる流路（燃料流路１０及び空気流路２０）の流路面積よりも極めて小さな開口である噴出孔１ｂ，２ｂを介して噴出されるため、噴出孔１ｂ，２ｂから噴出される際に、早い流速でかつ乱流状態で噴出される。
したがって、噴出孔１ｂから噴出された燃料Ｇ１と、噴出孔２ｂから噴出された空気Ｇ２とは、排気ガス流路３０に供給される過程において急速に混合されて高温の混合気となり、排気ガス流路３０の燃焼領域Ｒに供給される。
そして、燃焼領域Ｒに供給された燃料Ｇ１と空気Ｇ２とは、予め燃焼領域Ｒに存在する火炎に触れることによって燃焼する。

つまり、本実施形態の燃焼器１００においては、燃料Ｇ１の流路であると共に自らの外部に燃料Ｇ１を噴出可能な燃料流路１０と、空気Ｇ２の流路であると共に自らの外部に空気Ｇ２を噴出可能な空気流路２０と、燃料Ｇ１と空気Ｇ２とが混合された混合気を燃焼させる燃焼領域Ｒを有すると共に該燃焼によって生じた燃焼ガスＧ３の排気流路となる排気ガス流路３０とを備える。
そして、本実施形態の燃焼器１００においては、燃焼ガスＧ３の熱によって燃料流路１０内部の燃料Ｇ１及び空気流路２０内部の空気Ｇ２を加熱すると共に、燃料流路１０から噴出される燃料Ｇ１と空気流路２０から噴出される空気Ｇ２とを排気ガス流路３０にて混合して混合気とする。

このような本実施形態の燃焼器１００によれば、燃料Ｇ１の流路であると共に燃料Ｇ１を噴出可能な燃料流路１０と、空気Ｇ２の流路であると共に空気Ｇ２を噴出可能な空気流路２０とが別体に設けられており、燃料流路１０から噴出された燃料Ｇ１と空気流路２０から噴出された空気Ｇ２とが、燃焼領域Ｇを備える排気ガス流路３０にて混合される。また、燃焼ガスＧ３の熱によって、混合される前の燃料Ｇ１及び空気Ｇ２が加熱される。

そして、本実施形態の燃焼器１００によれば、燃料流路１０及び空気流路２０において混合気が存在しないため、燃料流路１０及び空気流路２０において混合気が自着火するという現象は起こりえない。また、燃料Ｇ１あるいは空気Ｇ２は、通常、混合されない限りは自着火しない。このため、燃料流路１０及び空気流路２０において火炎が形成されることがない。

したがって、燃焼ガスＧ３から燃料Ｇ１及び空気Ｇ２への熱の多少に関わらず、燃焼領域Ｒを備える排気ガス流路３０以外での燃焼が生じることを防止することができ、混合気の自着火を防止することができる。このため、熱交換経路の距離が制限されたり、熱交換経路の材質が制限されたり、さらには燃焼エネルギの制限等が生じない。例えば、燃焼領域Ｒに多量の混合気を供給することによって多量の燃焼エネルギを生じさせ、燃焼器１００の出力を向上させることができる。

よって、本実施形態の燃焼器１００によれば、燃焼ガスの熱によって混合気を加熱する小型化可能な燃焼器において、混合気の自着火を防止すると共に燃焼器の設計自由度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の燃焼器１００においては、第２配管２の噴出孔２ｂの開口面積は、第１配管１の噴出孔１ｂの開口面積よりも広く設定されている。
このため、第１配管１と第２配管２との位置関係が熱伸縮によって変化した場合であっても、第１配管１の噴出孔１ｂと第２配管２の噴出孔２ｂとを貫通方向に常に重ねておくことが可能となる。
なお、第１配管１と第２配管２とは、主に延在方向に熱伸縮する。このため、例えば、第２配管２の噴出孔２ｂの形状を、上記延在方向に長い長孔とすることによって、不必要に第２配管２の噴出孔２ｂの開口面積が増大することを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態の燃焼器２００の概略構成を模式的に示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼器２００は、第１配管１の噴出孔１ｂにエジェクタノズル４が設置されている。

このような構成を有する本実施形態の燃焼器２００によれば、燃料Ｇ１と空気Ｇ２とのうち、流量の大きな一方の流体が作動流体となって他方の流体を吸い込みながら排気ガス流路３０に供給される。
このため、燃料Ｇ１と空気Ｇ２との混合をより促進させることが可能となり、燃焼領域Ｒにおける混合気のより安定した燃焼を実現することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の燃焼器３００の概略構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼器３００は、第１配管１の閉塞端１ａが第２配管２の閉塞端２ａより第３配管３の閉塞端３ａ側に位置するように第１配管１が第２配管２から突出されている。
さらに、第１配管１の噴出孔１ｂが第２配管２の閉塞端２ａよりも第１配管１の閉塞端１ａ側に形成されている。

このような構成を有する本実施形態の燃焼器３００によれば、燃料流路１０から噴出される燃料Ｇ１と、空気流路２０から噴出される空気Ｇ２とを完全に別の経路にて排気ガス流路３０に供給することができる。
このため、より確実に排気ガス流路３０以外の領域で混合気が存在することを防止することができ、より確実に排気ガス流路３０以外での燃焼が生じることを防止することができる。

なお、図５に示すように、第１配管１の周面と第２配管２の閉塞端２ａとの境界領域に少なくとも離散的に隙間Ｓを形成することによって、該隙間Ｓを介して第２配管２の閉塞端２ａと第３配管３の閉塞端３ａとの間の空間に空気Ｇ２が供給されるように構成しても良い。
当該構成によれば、第２配管２の閉塞端２ａと第３配管３の閉塞端３ａとの間の空間に混合気が生じるため、例えば、第２配管２の閉塞端２ａと第３配管３の閉塞端３ａとの間の空間において、混合気に対する着火を行うことが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本第４実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本実施形態の燃焼器４００の概略構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼器４００は、第１配管１の閉塞端１ａが第２配管２の閉塞端２ａに接合され、さらに第１配管１の噴出孔１ｂと第２配管２の噴出孔２ｂとの位置関係がずれないように第１配管１の熱伸縮を吸収する吸収部４０１（吸収手段）を第１配管１の途中部位及び第２配管２の途中部位に備える。なお、吸収部４０１は、例えば、耐熱性の可撓性部材によって構成することができる。

このような構成を有する本実施形態においては、第１配管１及び第２配管２が熱伸縮する場合であっても、第１配管１の閉塞端１ａが第２配管２の閉塞端２ａに接合され、さらに吸収部４０１によって第１配管１及び第２配管２の熱伸縮が吸収されるため、第１配管１の噴出孔１ｂと第２配管２の噴出孔２ｂとを貫通方向に常に重ねておくことが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る燃焼器の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、第１配管１の内部を燃料流路１０、第１配管１と第２配管２との間の空間を空気流路２０とする構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１配管１の内部を空気流路、第１配管１と第２配管２との間の空間を燃料流路とすることもできる。

また、上記実施形態においては、本発明の酸化剤として空気Ｇ２を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば酸化剤として純酸素ガスを用いたり、空気と異なる酸素分圧の酸素含有ガスを用いても良い。

また、例えば、燃料及び酸化剤のいずれか一方が、燃焼直前まで加熱が好ましくない場合には、当該燃料あるいは酸化剤の流路を第１配管１の内部とし、さらに第１配管１に断熱性を付与しても良い。

本発明の第１実施形態における燃焼器の概略構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態における燃焼器の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態における燃焼器の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態における燃焼器の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態における燃焼器の変形例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態における燃焼器の概略構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００……燃焼器、１……第１配管、１ａ……閉塞端、１ｂ……噴出孔、２……第２配管、２ａ……閉塞端、２ｂ……噴出孔、３……第３配管、３ａ……閉塞端、４……エジェクタノズル、１０……燃料流路、２０……空気流路（酸化剤流路）、３０……排気ガス流路、Ｇ１……燃料、Ｇ２……空気（酸化剤）、Ｇ３……燃焼ガス、Ｒ……燃焼領域、４０１……吸収部（吸収手段）

Claims (8)

1. 燃料の流路であると共に自らの外部に前記燃料を噴出可能な燃料流路と、酸化剤の流路であると共に自らの外部に前記酸化剤を噴出可能な酸化剤流路と、前記燃料と前記酸化剤とが混合された混合気を燃焼させる燃焼領域を有すると共に該燃焼によって生じた燃焼ガスの排気流路となる排気ガス流路とを備え、
   前記燃焼ガスの熱によって前記燃料流路内部の前記燃料及び前記酸化剤流路内部の前記酸化剤の少なくともいずれかを加熱すると共に、前記燃料流路から噴出される前記燃料と前記酸化剤流路から噴出される酸化剤とを前記排気ガス流路にて混合して前記混合気とする
   ことを特徴とする燃焼器。
2. 一端が閉塞端とされた第１配管と、該第１配管を囲うと共に前記第１配管の閉塞端側の一端が閉塞端とされる第２配管と、該第２配管を囲うと共に前記第１配管の閉塞端側の一端が閉塞端とされる第３配管とを備え、
   前記第１配管の内部が前記燃料流路及び前記酸化剤流路の一方とされ、
   前記第１配管と前記第２配管との間の空間が前記燃料流路及び前記酸化剤流路の他方とされ、
   前記第２配管と前記第３配管との間の空間が前記排気ガス流路とされている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 前記第１配管が噴出孔を備え、前記第２配管が前記第１配管の前記噴出孔に対して貫通方向において重ねて形成される噴出孔を備えることを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
4. 前記第２配管の前記噴出孔の開口面積が、前記第１配管の前記噴出孔の開口面積よりも広いことを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
5. 前記第１配管の前記閉塞端が前記第２配管の前記閉塞端に接合され、前記第１配管の前記噴出孔と前記第２配管の前記噴出孔との位置関係がずれないように前記第１配管の熱伸縮を吸収する吸収手段を備えることを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
6. 前記第１配管の前記噴出孔にエジェクタノズルが設置されていることを特徴とする請求項３〜５いずれかに記載の燃焼器。
7. 前記第１配管の前記閉塞端が前記第２配管の前記閉塞端より前記第３配管の前記閉塞端側に位置するように前記第１配管が前記第２配管から突出され、
   前記第１配管及び前記第２配管が噴出孔を備え、前記第１配管の前記噴出孔が前記第２配管の前記閉塞端よりも前記第１配管の前記閉塞端側に形成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
8. 前記第１配管の周面と前記第２配管の前記閉塞端との境界領域に少なくとも離散的に隙間が形成されていることを特徴とする請求項７記載の燃焼器。

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