JP2010230272A - 蓄熱式バーナ炉 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な加熱及び小型化を両立することができる蓄熱式バーナ炉を提供する。
【解決手段】坩堝(2)と、該坩堝の円筒状の外周面との間に環状の空間を形成するように配置された炉体(4)と、前記空間の下側位置から前記空間内に火炎を放射する一対のバーナ(36,38)と、前記一対のバーナの各々の上流側に接続され、間隔をおいて配置された複数の蓄熱体を有する蓄熱ユニット(18)と、外気を導入する吸気パイプ(34)と、前記バーナの排気を排出する排気パイプ(30)と、前記一対のバーナの各々と前記吸気パイプ及び排気パイプとに接続された四方弁(28)とを備え、前記一対のバーナの各々が、前記坩堝の円筒状の外周面の接線方向に沿って互いに反対方向に前記環状の空間に火炎を放射するように配置されている、蓄熱式バーナ炉。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄熱式バーナ炉に関し、詳細には、バーナの排気熱を利用して吸入空気を加熱する蓄熱式バーナ炉に関する。

バーナの排熱を利用しながら坩堝等の加熱対象を加熱する蓄熱式バーナ炉が知られている。このような蓄熱式バーナ炉では、一方のバーナの作動中には他方のバーナを停止させ、一方のバーナからの燃焼ガスを、他方のバーナ及びその上流側に設けられた蓄熱体を通して排出し、一方のバーナの燃焼ガスの廃熱で他方のバーナ側の蓄熱体を加熱している。

一方のバーナを所定時間運転した後、一方のバーナの運転を中止し、他方のバーナの運転を開始する。他方のバーナに流入する吸気は、一方のバーナの燃焼ガスによって加熱された蓄熱体を通過して加熱されるので、他方のバーナの熱効率が向上する。このとき他方のバーナの燃焼ガスは、停止中の一方のバーナ及びその上流側の蓄熱体を通して排出される。

このような蓄熱式バーナ炉として、一方のバーナからの燃焼ガスが、並列配置された他方のバーナに直接、流入して排出され、加熱対象である坩堝等を効率的に加熱することが出来なくなることを防止するため、並列配置された一対の蓄熱型バーナ間に仕切壁を配置した構成を有するバーナ炉が知られている（特許文献１参照）。

また、１つのバーナの左右に開口を設け、一方の開口を吸気孔として使用する際には、他方を排気孔として使用することにより、１つのバーナを用いながら、燃焼ガスの廃熱を有効利用する蓄熱式バーナ炉も知られている。
このようなバーナ炉では、バーナの左右に設けられた一対のエアノズルの一方から高圧空気をバーナ前方に噴射することにより、バーナからの燃焼ガス（火炎）の方向を切り替える構成を備えている（特許文献２参照）。

特開平７−１１３５８２号公報 特開２００７−２７８６７０号公報

しかしながら、引用文献１に記載されているような仕切壁を有する蓄熱式バーナ炉では、加熱対象である坩堝等に対するバーナの配置の自由度が仕切壁によって制限されるため設計の自由度が制約され、効率的な加熱を行うことができない、バーナ炉の小型化を図ることができない等の問題があった。

また、引用文献２に記載されているような、バーナからの火炎の向きを高圧空気によって左右に切り替える蓄熱式バーナ炉では、燃焼ガスに高圧空気が混入するため、燃焼制御が難しく、効率的な加熱を行うことが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、効率的な加熱及び小型化を両立することができる蓄熱式バーナ炉を提供することを目的としている。

本発明によれば、
蓄熱式バーナ炉であって、
坩堝と、
前記空間の下側位置から前記空間内に火炎を放射する一対のバーナと、
前記一対のバーナの各々の上流側に接続され、間隔をおいて配置された複数の蓄熱体を有する蓄熱ユニットと、
外気を導入する吸気パイプと、
前記バーナの排気を排出する排気パイプと、
前記一対のバーナの各々と、前記吸気パイプ及び排気パイプとに接続され、前記バーナの一方と前記吸気パイプとを流体連通させ且つ前記バーナの他方と前記排気パイプとを流体連通させる第１位置と、前記バーナの一方と前記排気パイプとを流体連通させ且つ前記バーナの他方と前記吸気パイプとを流体連通させる第２位置との間で切り換え可能な四方弁と、を備え、
前記一対のバーナの各々は、前記坩堝の円筒状の外周面の接線方向に沿って互いに反対方向に前記環状の空間に火炎を放射するように配置されている、
ことを特徴とする蓄熱式バーナ炉が提供される。

このような構成によれば、特別な構成を設けることなく、バーナからの火炎及び燃焼ガスを坩堝の外周面に沿って流れさせることができるので、坩堝を効率的に加熱することができる小型の蓄熱式バーナ炉が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、
前記一対のバーナの各々が、前記坩堝の底部と略等しい高さ位置に配置されている。
このような構成によれば、バーナからの火炎及び燃焼ガスが坩堝の底部から外周面に沿って上昇することになるので、坩堝が効果的に加熱される。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記複数の蓄熱体は、上下方向に配置されている。
このような構成によれば、排気抵抗を減らし、熱容量を増やすことができるので、十分な熱回収が可能となり、また、炉を小型化することができる。

本発明によれば、効率的な加熱及び小型化を両立することができる蓄熱式バーナ炉が提供される。

本発明の実施形態による蓄熱式バーナ炉の側面図である。 図１の蓄熱式バーナ炉の背面図である。 図１のバーナ炉に設けられたバーナユニットの構成を示す図面である。 図１のバーナ炉における燃焼ガスの流れを模式的に示す図面である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態の蓄熱式バーナ炉について説明する。
図１は、本発明の実施形態による蓄熱式バーナ炉１の側面図であり、図２は、蓄熱式バーナ炉１の背面図である。

図１及び２に示されているように、蓄熱式バーナ炉１は、有底円筒形の坩堝２と、坩堝２を収容する有底円筒形状の炉体４とを備えている。坩堝２は、アルミ等の金属を溶融するための容器であり、黒鉛、鋳物等の耐火材料で形成されている。また、炉体４は、煉瓦、ファイバーボート等の耐火、断熱材料で形成され、坩堝２の円筒状の外周面との間に環状の空間を形成するように配置されている。

蓄熱式バーナ炉１は、坩堝２の下方で炉体４の後部にバーナ取付部６を備えている。このバーナ取付部６には、一対のバーナユニット８、１０が並列配置されている。バーナ取付部６の後方側には、蓄熱体ケース１２が取付けられている。蓄熱体ケース１２は、内部が上下に延びる２つの空間に仕切られた箱状部材であり、それぞれの空間１４、１６は、一端（下端）側が、各バーナユニット８、１０にそれぞれ流体連通している。各空間１４、１６には、２つの蓄熱体１８、１８が上下に離間して配置されている。

各蓄熱体１８は、断熱材によって囲まれた空間１４、１６内に、上下に離間して配置されている。各蓄熱体１８は、網または多孔板等で作られた仕切部材２０上に載置されている。蓄熱材２２としては、セラミック（アルミナ、コージライト、ムライト）、耐熱鋼、またはセラミックと耐熱鋼との複合体などをハニカム状、細管状、ナゲット状、またはボール状に成形したもの等が使用される。本実施形態では、各蓄熱体は同じ材質の蓄熱材から構成され、同じ形状及び厚さを有するが、各蓄熱体の材質、形状、厚さが異なっていても良い。

各空間１４、１６は、他端（上端）側が、連結パイプ２４、２６を介して、四方弁２８の２つの開口にそれぞれ流体連通されている。四方弁２８の他の２つの開口の一方には、燃焼ガスを炉外に排出する排気パイプ３０が、他方にはブロア３２を介して外気を導入するための吸気パイプ３４が接続されている。

本実施形態の四方弁２８は、一方のバーナユニット８を吸気パイプ３４に連通させ且つ他方のバーナユニット１０を排気パイプ３０に連通させる第１位置と、一方のバーナユニット８を排気パイプ３０に連通させ且つ他方のバーナユニット１０を吸気パイプ３４に連通させる第２位置との間で切り換え可能とされている。

蓄熱ケース１２の底部には、蓄熱ユニット内で結露した水等を排出するためのドレン抜き口（図示せず）が設けられている。

図３は、並列配置されているバーナユニット８、１０の構成を示す図面である。

図３に示されているように、各バーナユニット８、１０には、バーナ３６、３８がそれぞれ、収容されている。図３から明らかなように、２つのバーナ３６、３８は、対称的な構成を備えているので、以下においては、一方のバーナ３６の構成についてのみ説明する。

バーナ３６は、一端（先端）側が坩堝２と炉体４との間の環状空間に連通し、他端（後端）側が蓄熱体ケース１２の一方の内部空間１４の下端に連通している略円筒形状のバーナ本体４０を備えている。バーナ本体４０の後端には、燃料ガスを供給するガスノズル４２の先端が接続されている。

上述したように、バーナ本体４０の後端が蓄熱体ケース１２の内部空間１４に連通しているので、バーナ３６は、四方弁２８の切り換えによって、排気パイプ３０及び吸気パイプ３４のいずれかと選択的に連通されることになる。

図３に示されているように、バーナ本体４０には、バーナ３６の点火時に使用されるパイロットバーナ４４が取付けられている。さらに、パイロットバーナ４４には、バーナ３６の火炎の状態を監視するための紫外線検知機４６が設けられている。

バーナ本体４０は、坩堝２の底部と略同じ高さ位置に配置されている。バーナ本体４０の長手方向軸線は、坩堝２の円筒状の外周面の接線方向（ｘ）に向け水平に配置されている。更に、一対のバーナ３６、３８は、バーナ本体４０の長手方向軸線が平面視で「ハ」の字型に開くように配置されている。したがって、一対のバーナ３６、３８のそれぞれから放出される火炎及び燃焼ガスは、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間内に、坩堝２の円筒状の外周面の接線方向に沿って互いに反対方向に向けて放射される。放射された火炎及び燃焼ガスは、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間内を上昇し、環状空間の上端部まで上昇し温度が低下した燃焼ガスは、環状の空間内を降下してくることになる。

バーナ３６は、図３に示されているような構成を有するルミナスバーナである。バーナ本体４０の後端部には、有底円筒形状のエアノズル４１が、バーナ本体４０の中央に配置されている。エアノズル４１の底部中央には、円筒形状のガスノズル４２の下流側端部を挿入するためのガスノズル挿入口が設けられている。ガスノズル挿入口の周囲には複数の孔が設けられ、１次エアが流入するようになっている。エアノズル４１の環状周壁とバーナ本体４０の環状周壁との間には、環状の空間が構成され、この空間を通して２次エアがバーナ本体４０内に流入するようになっている。

次に、本実施形態の蓄熱式バーナ炉１の動作について説明する。
先ず、坩堝２内に溶解する金属（例えばアルミニウム）材料を所定量、投入し、ブロア３２を作動させる。
次いで、四方弁２８を、第１位置に配置し、一方のバーナユニット８を吸気パイプ３４に連通させ且つ他方のバーナユニット１０を排気パイプ３０に連通させる。この状態で、吸気パイプ３４に連通している一方のバーナユニット８のバーナ３６に燃料ガスを供給し、このバーナユニット８のバーナ３６を作動させ、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間にバーナ３６の火炎及び燃焼ガスを放射させる。

バーナ３６内では、燃料ガスは、先ず、エアノズル４１内で１次エアと混合されて、燃焼する。この燃焼は、空気が不十分であるため火炎中にカーボンが含まれる不完全燃焼となる。次いで、エアノズル４１よりも下流側で、２次エアが供給されることにより燃え残ったカーボンが燃焼し、完全燃焼する。このため、バーナ３６からの火炎は輝炎、且つロングフレーム、低温となり、火炎により加熱される坩堝の寿命が長くなる。

バーナ３６からの火炎及び燃焼ガスは、環状の空間内を坩堝２の外周に沿って図４に鎖線で示されるように上昇し、坩堝２を加熱し、環状の空間の最上部から図４に一点鎖線で示されるように坩堝２の外周に沿って降下してくる。

他方のバーナユニット１０は、排気パイプ３０に連通されているので、降下してきた燃焼ガスは、他方のバーナユニット１０及びその上流側の内部空間１６内に配置された蓄熱体１８を通って排気パイプ３０に送られ、炉外に排出される。このとき、内部空間１６内に配置された蓄熱体１８は、一方のバーナ３６からの燃焼ガスによって加熱される。

一方のバーナ３６を一定時間（例えば、１５秒）燃焼させると、バーナ３６へのガスの供給を停止し、四方弁１６を第２位置に切り換え、一方のバーナ３６を排気パイプ３０に連通させ且つ他方のバーナ３８を吸気パイプ３４に連通させる。

次いで、吸気パイプ３４に連通させられた他方のバーナに燃料ガスを供給し、他方のバーナ３８に点火し、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間にバーナ３８からの火炎及び燃焼ガスを放射させる。このとき、吸気パイプ３４から他方のバーナ３８に供給される空気は、一方のバーナ３６の燃焼ガスによって加熱されていた蓄熱体１８を通過することによって加熱され、バーナ３８の効率が向上する。

一方のバーナユニット１０は、排気パイプ３０に連通されているので、他方のバーナ３８からの燃焼ガスは、一方のバーナユニット１０及びその上流側の内部空間１６内に配置された蓄熱体１８を通って排気パイプ３０に送られ、炉外に排出される。このとき、内部空間１６内に配置された蓄熱体１８は、一方のバーナ３６からの燃焼ガスによって加熱される。

他方のバーナ３８を一定時間（例えば、１５秒）燃焼させると、四方弁を第１位置に切り換え、一方のバーナ３６を作動させる。
このように２つのバーナを一定時間毎に交互に作動させる動作を繰り返し坩堝２内の金属を溶融させる。坩堝２内の金属があらかじめ設定した設定温度に達すると、ガスの供給を停止して、バーナを消火し溶融作業を終了する。

バーナ３６、３８は低温時においては不完全燃焼による一酸化炭素の発生を防止するために、燃焼空気量を増大させ、過剰空気率（ｍ値）を高めに設定する。

炉内温度が所定温度、例えば８５０℃を超えた段階で、省エネ及びＮＯＸ発生を低減させるためにｍ値を下げる。また、炉内温度が８５０℃を超えるまでは排気温度が低いため蓄熱ユニット８ａ、８ｂで排気が結露し、ドレン抜き口から水が排出される。

各空間１４、１６内に複数の蓄熱体１８、１８を設けることによって、１つの蓄熱体のみを設ける場合に比べて各蓄熱体１８の厚さが薄くなるので、蓄熱体の上部と下部での荷重の差が減少するので、均一な蓄熱が可能となるとともに、蓄熱体の部分的な破損を防止することができ、蓄熱体の寿命を長くすることができる。

また、複数の蓄熱体１８、１８の間に間隔を設けることによって、排気ガスが蓄熱体１８内で均一に広がり、蓄熱体１８の部分的な加熱を防止することができ、効率的な蓄熱が可能となる。
また、吸入空気が蓄熱体１８内で均一に広がるので、蓄熱された熱をより有効に利用することが可能となる。さらに、空間を設けない場合と比べて、排気ガスの浮力が増大するので、炉内圧の上昇を抑制し、炉内温度を均一化することができる。

更に、蓄熱体１８を空間１４、１６内で上下に配置すると、設置面積が減少するので、十分なメンテナンススペースを確保することができる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものである。
上記実施形態では、各空間１４、１６に蓄熱体１８を２つずつ配置したが、３つ以上の蓄熱体１８を配置してもよい。

１ 蓄熱式バーナ炉
２ 坩堝
４ 炉体
８、１０ バーナユニット
１２ 蓄熱体ケース
１４、１６ 空間
１８ 蓄熱体
２８ 四方弁
３０ 排気パイプ
３４ 吸気パイプ
３６、３８ バーナ
４０ バーナ本体
４２ ガスノズル

Claims (3)

1. 蓄熱式バーナ炉であって、
   坩堝と、
   該坩堝の円筒状の外周面との間に環状の空間を形成するように配置された炉体と、
   前記空間の下側位置から前記空間内に火炎を放射する一対のバーナと、
   前記一対のバーナの各々の上流側に接続され、間隔をおいて配置された複数の蓄熱体を有する蓄熱ユニットと、
   外気を導入する吸気パイプと、
   前記バーナの排気を排出する排気パイプと、
   前記一対のバーナの各々と、前記吸気パイプ及び排気パイプとに接続され、前記バーナの一方と前記吸気パイプとを流体連通させ且つ前記バーナの他方と前記排気パイプとを流体連通させる第１位置と、前記バーナの一方と前記排気パイプとを流体連通させ且つ前記バーナの他方と前記吸気パイプとを流体連通させる第２位置との間で切り換え可能な四方弁と、を備え、
   前記一対のバーナの各々が、前記坩堝の円筒状の外周面の接線方向に沿って互いに反対方向に前記環状の空間に火炎を放射するように配置されている、
   ことを特徴とする蓄熱式バーナ炉。
2. 前記一対のバーナの各々が、前記坩堝の底部と略等しい高さ位置に配置されている、
   請求項１に記載の蓄熱式バーナ炉。
3. 前記複数の蓄熱体は、上下方向に配置されている、
   請求項１または２に記載の蓄熱式バーナ炉。

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