JP2013502552A - 放射バーナー - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料ガスと酸素担体ガスとから作られる混合気体を燃焼させるバーナー、特に放射バーナーであって、混合室側から燃焼側へ混合気体を通過させる貫通路（２）を持つバーナープレート（１）を有し、燃焼側において、貫通路（２）に対して拡大された断面を持つ燃焼路（３）が貫通路（２）に接続し、前記燃焼路（３）内に位置する流れ障害物（４）が燃焼炎に触れるように配置され、流れ障害物がバーナープレートの材料よりも高い熱伝導率を有する材料から作られる、バーナーに関する。

Description

本発明は、燃料ガスと酸素担体ガスとの混合気体を燃焼させるバーナー、特に放射バーナーに関する。バーナーは、混合気体を混合室側から燃焼側へ貫流させる通過路を持つバーナープレートを有する。燃焼側において、通過路に比べて拡大された断面を有する燃焼路が通過路に接続する。

序文に記載されたタイプの放射バーナーまたは表面燃焼バーナーは、混合室を有し、混合室において、燃料ガスと酸素担体ガスとの混合気体が生成される。混合室には通過路を持つバーナープレートが接続され、通過路を介して混合気体は、混合室から流出して燃焼する。

混合気体を混合室側から燃焼側へ貫流させるバーナープレート内の通過路は、狭いので、出口側に形成する個々の炎は混合室内へ逆流できない。通過路の少なくとも一部の直径が燃焼のいわゆる消衰距離（消炎距離とも呼ばれる）よりも小さい場合、通過路を介しての混合室への炎の逆流は防止される。消炎距離は、放出された燃焼エンタルピーが周囲のバーナー材料によって吸収されて外へ伝達されて、反応連鎖が終了するという理由から、その距離の範囲内では何の反応も生じず炎を広げることができない、燃料ガス出口からの距離である。しかし、消炎距離は絶対値ではなく、燃料ガスの組成、燃料ガス温度及び壁体温度によって決まる。

放射バーナーにおいては、燃焼によって生成された熱出力は、より大きな面積に均等に分散されるべきである。このために、バーナーまたはバーナープレートの材料は、白熱すると共に効果的な熱放射を加熱すべき材料へ届けるまで、ガス燃焼の炎によって加熱される。炎がバーナープレートの上で個別の炎として燃焼する場合、材料は弱くかつ非効率にしか加熱されない。バーナー材料を効果的に加熱するために、炎は材料のできる限り近くで密着して燃焼しなければならない。このために、多孔のバーナープレートを構成して多孔の材料に一面の炎を作り出すことによって、またはバーナープレート内部の通路（燃焼路）内で燃焼することができることによって、炎をバーナープレート内部へ移動させることが好ましい。

例えば、表面燃焼バーナー用のバーナープレートは、特許文献１から既知である。このバーナープレートにおいて、燃焼側の出口側には、通過路に比べて大きい断面を持つ通路（この内部で燃焼が生じる）が、燃料ガスの通過路に接続する。通過路の直径は、燃焼の消炎距離よりも小さい。この構成によって、特許文献１の発明の目的は、バーナーを用いて例えばプラスチック材などを１００〜３００℃の低い温度で広い表面積にわたって間接的に加熱するために、熱出力を大幅に減少させることを可能にするバーナープレートを生産することであった。このためには、不完全燃焼を生じたり炎が消えたりすることなく、バーナープレートの平均表面温度を９００℃よりも十分に減少させる必要がある。

高い熱束密度を生じる高い燃料ガス貫流の場合、個々の炎は、バーナープレートの出口側表面において燃焼する。熱束密度が下がるときは、燃焼路の直径が燃焼の消炎距離よりも大きいので、炎は徐々に引き下がって、燃焼路内部を通過する。熱束密度が非常に低い場合、通過路の直径は燃焼の消炎距離よりも小さいので、炎は通過路と拡大された断面との間の移行ゾーンに留まる。これによって、特許文献１に係るバーナーの熱出力を、大幅に減少できる。

上述の構成は、高い放射出力及びバーナー温度を得るために高い燃料ガス貫流が所望されるならば、炎がバーナープレートの表面で燃焼路から出現し、それによって、放射出力が低下し、炎が流れ及び乱流から保護されず、その結果、炎が消える可能性があるという欠点を有する。

独国特許発明第１００２８６７０号明細書

本発明の目的は、従来技術の既知の欠点を克服し、高いエネルギー効率、高い放射出力及び高い保炎性を得られる放射バーナー及び放射バーナー用バーナープレートを提供することである。

本発明の目的は、混合室側から燃焼側へ混合気体を貫流させる通過路を持つバーナープレートを備える、燃料ガスと酸素担体ガスとの混合気体を燃焼させるためのバーナー、特に放射バーナーであって、
燃焼側において、通過路に比べて拡大された断面を持つ燃焼路は通過路に接続し、燃焼炎に触れるように燃焼路内に流れ障害物が配置され、
流れ障害物は、バーナープレートの材料よりも高い熱伝導率を有する材料から作られる、
バーナーによって達成される。

本発明に係るバーナーの１つの実施形態において、混合気体を貫流させる通過路は、その長さ全体の少なくとも１箇所において、その最大直径が燃焼の消炎距離よりも小さい。

「最大直径」という用語は、本発明の意味の範囲において、通過路の長手方向軸線または長手方向長さを横切る通過路内部の最長可能直線（ｌｏｎｇｅｓｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を指す。円形断面を持つ通過路の場合、直径は常に円の直径に等しい。他方では、正方形または長方形断面を持つ場合、「最大直径」は、正方形または長方形の２つの対角同士の間の対角線であり、正方形断面の通過路の最小直径は、２つの対向する辺同士の間の距離となる。長方形断面の場合、通過路の最小直径は、長方形の対向する長辺同士の間の距離となる。

混合気体貫流のための通過路は、実質的にその全長にわたって、燃焼の消炎距離よりも小さい均一の最大直径を持つことが好ましい。通過路は、楕円形または円形断面を持つことが特に好ましい。言い換えると、この実施形態においては、最大直径は、常に通過路の全長にわたって同じままであり、変化しない。また、通過路は、その全長にわたって、円形、楕円形、正方形、長方形など、同じ断面を持つことが好ましい。

通過路の少なくとも一部の最大直径が燃焼の消炎距離よりも小さいという上記の措置によって、混合室への通過路を通過する炎の逆流が妨げられる。特定のバーナーには原則として同じ混合気体組成及び既知の材料が使用され、到達予定の燃焼温度及び壁体温度は既知なので、当業者は容易に、最小消炎距離を測定し、これに応じて通過路の直径を計算できる。

本発明に係るバーナーの別の実施形態において、燃焼路の少なくとも一部は、その長さにわたって、燃焼の消炎距離よりも大きい最大直径を有する。

燃焼路は、その全長にわたって、燃焼の消遠距離よりも大きい均一の直径を持つことが好ましい。燃焼路は、楕円形または円形の断面を持つことが特に好ましい。

燃料路の少なくとも一部の直径は燃焼の消炎距離よりも大きいので、炎は、燃焼路内部を通過することができ、燃焼路内で燃焼を生じることができる。

これによって、炎がバーナー材料とより近くで触れて、バーナー材料を効果的に加熱することが達成される。燃焼によって生成された熱出力は、バーナープレートの表面にわたって均一に配分され、バーナーまたはバーナープレートの材料は、効果的な熱放射を加熱されるべき材料へ届ける。炎は燃焼路において燃焼するので、炎は、流れ及び乱流から保護されかつ消火から保護される。したがって、高いエネルギー効率、高い放射出力及び高い保炎性が得られる。

本発明に係るバーナーの別の実施形態において、通過路と燃焼路との間の移行ゾーンの断面は、円錐形状に、階段状にまたはこれらの両方の組み合わせで広くなる。

通過路と燃焼路との間の移行ゾーンにおいて階段状に広くなる断面は、本発明の１つの実施形態において、上下に配置した少なくとも２枚の単板によって構成されたバーナープレートを有することによって得られる。これらの単板は、本発明によれば、燃焼路と通過路が上下に重なる箇所に、通過路を持つ単板における直径または断面が燃焼路を持つ単板における直径または断面よりも小さい通路孔を有する。

本発明によれば、燃焼炎に触れる流れ障害物は、燃焼路に配置され、流れ障害物は、バーナープレートの材料よりも高い熱伝導率を有する材料で作られる。流れ障害物は、燃焼炎が流れ障害物に触れるように配置される。流れ障害物は、特に高い燃料ガス貫流が高い熱束密度を生じる場合に、炎を安定させることを確保する。さらに、流れ障害物は、炎ができる限り燃焼路から出ないようにして、それにより加熱出力を改善する。炎は、燃焼路において、炎を消火する可能性がある流れ及び気体から保護される。炎の高さは低いので、加熱されるべき材料を、放射バーナーのより近くに配置するか、またはバーナーのさらに近くを通過させてもよい。バーナー出力が小さい場合、炎は、燃焼路の流れ障害物を加熱し、それによって点火源としての役割を果たすことができる。

本発明に係るバーナーのバーナープレートにおける流れ障害物は、流れ障害物がない場合よりも、バーナーを点火したときにバーナーの炎をずっと速く安定させかつさらに速く燃焼路内部を通過させることに実質的に貢献する。また、流れ障害物がない場合よりも速くバーナープレートの材料が加熱されることを確保する。

本発明に係るタイプの放射バーナーは、非常に低い出力下限を有する。同時に、多孔の媒体または通路付きの媒体による改善された燃焼率が高い最高出力をもたらし、その結果、このバーナーでさらなる出力範囲をカバーできる。燃焼率が増加した結果、さらに、天然ガスと空気との混合体の場合で、最高４ＭＷ／ｍ^２のバーナーの表面負荷が得られる。したがって、こうしたバーナーは、匹敵する出力の他のバーナーよりもずっとコンパクトに構成することができる。さらに、熱のほとんどが排気ガス中に残る裸火の場合よりもずっと高い程度の熱が、燃焼ゾーンから放射を介して出力される。バーンアウト距離（ｂｕｒｎ−ｏｕｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ）に関しては、本発明のバーナーは、燃焼が圧倒的にまたは完全に全出力範囲を通じてマトリックス内部で行われるという理由から、裸火のバーナーに比べて有利である。また、これは、熱交換器を組み込む場合に有利である。このバーナーは表面負荷が高くかつバーンアウト距離が短いので、その結果、大容量の燃焼室及び大きい対流表面なしで済ませることができるので、実質的にさらにコンパクトな加熱装置を構成できる。

バーナー材料内での熱伝達が増大するので、一様な温度場を設定でき、その結果、ＮＯ_ｘ放出量及びＣＯ放出量の両方が非常に低い。さらに、本発明に係るタイプのバーナーにおいて及び多孔バーナーにおいて、吹消えまたは反応の消滅が起こる限界は、匹敵する裸火バーナーに比べてずっと低い。

本発明にしたがって提案されるバーナーの構成の場合、既知の多孔バーナーの特性に匹敵するバーナー特性が得られる。

本発明に係るバーナーの別の実施形態において、流れ障害物は、金属またはセラミックから作られる。金属で作られた流れ障害物は、非常に優れた熱伝導率を有するので、特に流れ障害物を通過する炎の保炎性を促進する。本発明に係る流れ障害物を生産するのに適する金属は、例えば、材料番号１.４８４１、１.４７６５、１.４７６７、２.４８６９及び２.４８６７（ＥＮ１００２７−２による材料番号）のスチールである。本発明に係る流れ障害物を生産するのに適するセラミック材料は、例えば、ＳｉＣまたはＳｉＳｉＣである。

本発明に係るバーナーの別の実施形態において、流れ障害物は、円形もしくは多角形の断面を持つロッドとして、金属ストリップとして、または穿孔プレートとして形成される。

ロッドとして形成された流れ障害物は、燃焼路を横切って通過して延びることが好ましい。

特に生産するのに有利な本発明の実施形態において、流れ障害物は、燃焼路を横切って通過して延びるロッドまたはワイヤとして形成され、各々の場合に、ロッドまたはワイヤは、バーナープレートの幅にわたって列状に隣り合わせに配列された燃焼路を通過して延び、またはバーナープレートを横切って通過して延びる。

上述のように、本発明に係るバーナーの１つの実施形態の場合、バーナープレートは、上下に配置された少なくとも２枚の単板から構成され、作動の際に混合室側の方に配置される第一の単板は通過路を有し、作動の際に燃焼側の方に配置される第二の単板は燃焼路を有する。この構成の場合、作動の際に混合室側の方に配置される第一の単板は、作動の際に燃焼側の方に配置される第二の単板よりも低い熱容量及び低い熱伝導率の両方または一方を有することが好ましい。

本発明に係るバーナーの別の好ましい実施形態において、バーナープレートは低い熱伝導率を有する耐熱セラミック繊維材料から作られる。

バーナープレートを作る際の材料となるセラミック繊維材料は、４０〜９０質量パーセントのＡＬ_２Ｏ_３及び１０〜６０質量パーセントのＳｉＯ_２、または６０〜８５質量パーセントのＳｉＯ_２及び１５〜２５質量パーセントの（ＣａＯ＋ＭｇＯ）を含有することが好ましい。

適切な繊維材料は、独国のモルフェルデン−ヴァルドルフ（Ｍｏｒｆｅｌｄｅｎ−Ｗａｌｌｄｏｒｆ）、のＳａｎｄｖｉｋ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ ＧｍｂＨからＦＩＢＲＯＴＨＡＬ（登録商標）（Ｆ−１７／ＬＳ、Ｆ−１９、Ｆ−１４）の名称で市販されている。

本発明の１つの実施形態において、流れ障害物は、バーナープレートの上に配置されたカバープレートの形で構成され、カバープレートは、燃焼路の出口の上方に、燃焼路の出口の直径よりも小さいが燃焼の消炎距離よりも大きい断面を備える穴を有する。カバープレートの穴はバーナープレートの燃焼路の出口側端よりも狭いので、炎の遮断が改善される。

本発明に係わるバーナーのバーナープレートの通過路は、約０.６〜１.２ｍｍの直径、及び直径の約４倍〜１５倍に相当する長さを有することが好ましい。

拡大された断面は直径約１.５〜６ｍｍの穴であることが好ましく、穴の長さはこれらの直径の約１〜３倍に相当する。

バーナープレートがセラミック材料から作られる場合、穴はバーナープレートの生産の際にプレス加工できる。穴は、バーナープレートの出口側表面に対して垂直に延びることが好ましい。

バーナープレートにおける通過路及び燃焼路は、バーナープレート全体に規則的パターンで配分されることが好ましい。互いの距離は、バーナーの表面全体における燃焼の一定の着火伝達が保証されるように選択される。隣り合う通過路同士の間の距離は、それらの直径の約１.５〜６倍に相当することが好ましい。バーナープレートの長手方向の距離は、横断方向の距離よりも大きくても小さくてもよい。また、バーナープレート全体の所望の炎の密度にしたがって、バーナープレートにおける通過路及び燃焼路を配分することによって、様々な炎の密度の領域を持つバーナープレートを提供できる。

バーナープレートを持つ、本発明に係るバーナーの断面図である。 図１に示す本発明に係るバーナーの頂面図である。 図１に示す本発明に係るバーナーの上からの斜視図である。

本発明のその他の利点、特徴及び形態については、添付図面と一緒に好ましい実施形態の例を参照して、下記記載において説明する。

図１は、バーナープレート１を持つ、本発明に係るバーナーの断面図である。バーナープレートは、固定シート９によって取付けベースプレート８の上に取り付けられる。バーナープレート１は、通過路２と、通過路に接続された燃焼路３とを有し、燃焼路３は、通過路２に比べて拡大された断面を有する。バーナープレート１の下に混合室６があり、この中へ、燃料ガス、好ましくは天然ガスと空気との混合物が、ガス供給ライン５を介して導入される。燃焼ガスがより良く混合され配分されるように、穿孔シート７が混合室６内に設置される。バーナーが作動すると、燃料ガスは、下端から通過路２を通過して混合室６を流れ出て、燃焼路３を通過し続ける。バーナープレート１内の通過路２は、燃焼の消炎距離よりも小さい直径を持つ円筒形の穴として形成されるので、炎は、燃焼路３から通過路２内へ逆流できない。他方、拡大された断面を持つ燃焼路３は、燃焼の消炎距離よりも大きい直径を有し、その結果、この燃焼路内で燃焼を行うことができる。

ロッド（丸いバー）として形成された流れ障害物４は、列状に隣り合わせに配列された燃焼路３を横切って通過して延びる。燃料ガスが燃焼路３内で燃焼すると、炎は流れ障害物４に触れ、それによって安定する。図示する実施形態において、バーナープレート１は、低熱伝導率のセラミック材料からなり、流れ障害物４は金属から作られ、バーナープレート１の材料よりも高い熱伝導率を有する。

図２は、図１に示す本発明に係るバーナーの頂面図であり、図３は、図１に示す本発明に係るバーナーの上からの斜視図である。３つの図面において、同一の部品には同一の参照番号が付けられる。

１ バーナープレート
２ 通過路
３ 燃焼路
４ 流れ障害物
５ ガス供給ライン
６ 混合室
７ 穿孔シート
８ 取付けベースプレート
９ 固定シート

バーナープレートを作る際の材料となるセラミック繊維材料は、４０〜９０質量パーセントのＡｌ _２Ｏ_３及び１０〜６０質量パーセントのＳｉＯ_２、または６０〜８５質量パーセントのＳｉＯ_２及び１５〜２５質量パーセントの（ＣａＯ＋ＭｇＯ）を含有することが好ましい。

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸素担体ガスとの混合気体を燃焼させるバーナー、特に放射バーナーであって、
   混合室側から燃焼側へ前記混合気体を貫流させる通過路（２）を持つバーナープレート（１）を備え、
   前記燃焼側において、前記通過路（２）に比べて拡大された断面を持つ燃焼路（３）が前記通過路（２）に接続する、
   バーナーにおいて、
   燃焼炎に触れる流れ障害物（４）が前記燃焼路（３）内に配置され、
   前記流れ障害物が前記バーナープレートの材料よりも高い熱伝導率を有する材料から作られることを特徴とする、
   バーナー。
2. 前記混合気体を貫流させる前記通過路（２）が、その長さ全体の少なくとも１箇所において、燃焼の消炎距離よりも小さい最大直径を有することを特徴とする、
   請求項１に記載のバーナー。
3. 前記燃焼路（３）の少なくとも一部が、その長さにわたって、燃焼の前記消炎距離よりも大きい最大直径を有することを特徴とする、
   請求項１または２に記載のバーナー。
4. 前記バーナープレート（１）における前記通過路（２）及び燃焼路（３）の両方または一方が、楕円形または円形の断面を有することを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナー。
5. 前記通過路（２）と前記燃焼路（３）との間の移行ゾーンの断面が、円錐形状に、階段状にまたはこれらの両方の組み合わせにより広くなることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナー。
6. 前記流れ障害物（４）が金属またはセラミックから作られることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のバーナー。
7. 前記流れ障害物（４）が円形もしくは多角形の断面を持つロッドとして、金属ストリップとして、または穿孔シートとして形成されることを特徴とする、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のバーナー。
8. 前記流れ障害物（４）が、前記燃焼路（３）を横切って通過して延びることを特徴とする、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のバーナー。
9. 前記流れ障害物（４）が、前記燃焼路（３）を横切って通過して延びるロッドまたはワイヤをとして形成され、
   それぞれの場合に、ロッドまたはワイヤが、前記バーナープレートの幅にわたって列状に隣り合わせに配置された前記燃焼路（３）を通過して延び、または前記バーナープレートを横切って通過して延びることを特徴とする、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のバーナー。
10. 前記バーナープレート（１）が上下に配置された少なくとも２枚のプレート（１ａ及び１ｂ）から構成され、
    作動の際に混合室側の方に配置される第一のプレートが前記通過路（２）を有し、
    作動の際に燃焼側の方に配置される第二のプレートが前記燃焼路（３）を有することを特徴とする、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載のバーナー。
11. 作動の際に前記混合室側の方に配置される前記第一のプレートが、作動の際に前記燃焼側の方に配置される前記第二のプレートよりも低い熱容量及び低い熱伝導率の両方又は一方を有することを特徴とする、
    請求項１０に記載のバーナー。
12. 前記バーナープレート（１）が、低熱伝導率を有する耐熱セラミック繊維材料から作られることを特徴とする、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載のバーナー。
13. 前記バーナープレート（１）が作られる際の材料となる前記セラミック繊維材料が、
    ４０〜９０質量パーセントのＡＬ_２Ｏ_３及び１０〜６０質量パーセントのＳｉＯ_２、または、
    ６０〜８５質量パーセントのＳｉＯ_２及び１５〜２５質量パーセントの（ＣａＯ＋ＭｇＯ）、
    を含有することを特徴とする、
    請求項１２に記載のバーナー。

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