JP2017146028A - 表面燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】通気性部材の耐久性を向上させ、燃料ガスの濃度の偏りが生じにくくすることができる表面燃焼バーナを提供すること。【解決手段】表面燃焼バーナ１は、空気管３、燃料管４、燃焼用ヘッダー２及び通気性部材２６を備える。燃焼用ヘッダー２には、通気性部材２６が設けられたテーパ外周面２０１が形成されている。燃焼用ヘッダー２には、ガス通路２１と、ガス通路２１とテーパ外周面２０１とを連通する複数のガス噴出口２２１と、燃焼用ヘッダー２の基端面２０２とテーパ外周面２０１とを連通する複数の第１空気噴出口２３と、外周側に突出するフランジ部２４と、フランジ部２４を貫通する複数の第２空気噴出口２４１とが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気とを通気性部材の表面で混合燃焼させる表面燃焼バーナに関する。

燃料ガスと燃焼用空気との燃焼により火炎を形成するバーナとしては、種々のものがある。その中でも、燃料ガスと燃焼用空気とを通気性部材の表面で混合燃焼させる表面燃焼バーナとしては、特許文献１に記載されたものがある。この表面燃焼バーナにおいては、燃焼用ヘッダーから噴出されて通気性部材の内側から外側へ流れる燃料ガスと、燃焼用ヘッダーの外側を通過して通気性部材の内側から外側へ流れる燃焼用空気とを、通気性部材の表面で混合燃焼させ、筒状の障壁内で火炎を形成する。これにより、燃焼用ヘッダーの局所的な過熱、及び燃焼用ヘッダーの内部への逆火を防止し、かつ、障壁の軸方向に沿って安定した火炎を形成することができる。

特許第５４７５３７４号公報

しかしながら、従来の表面燃焼バーナにおいては、燃焼用ヘッダーの形状に特別な工夫はなされていない。そのため、燃焼用ヘッダーの外側面に設けられた通気性部材の表面において燃焼が行われる際に、燃焼用ヘッダー及び通気性部材は、燃焼用空気及び燃焼ガスの流れの下流側に行くに連れて激しく加熱される。特に、通気性部材と障壁との間隔が狭くなる場合には、通気性部材の耐久性が悪化するおそれがある。また、通気性部材の表面において燃料ガスと燃焼用空気とが十分に混合されず、この混合気における燃料ガスの濃度に偏りが生じ、火炎の形成が不安定になるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、通気性部材の耐久性を向上させ、燃料ガスの濃度の偏りが生じにくくすることができる表面燃焼バーナを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、燃焼用空気が通過する空気管と、
該空気管内に配置され、燃料ガス、又は燃料ガスと燃焼用空気との混合気が通過する燃料管と、
該燃料管の先端側に接続されるとともに上記空気管内に配置され、上記燃焼用空気、及び上記燃料ガス又は上記混合気を噴出させるための燃焼用ヘッダーと、
該燃焼用ヘッダーの外側面に設けられた繊維材又は多孔質材からなる通気性部材と、を備え、
上記燃焼用ヘッダーの外周面における、上記通気性部材が設けられた部位には、上記燃焼用ヘッダーの先端側に行くに連れて外形が縮小するテーパ外周面が形成されており、
上記通気性部材は、上記テーパ外周面に沿って設けられており、
上記燃焼用ヘッダーには、該燃焼用ヘッダーの中心軸線に沿って形成されたガス通路と、該燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所において、上記ガス通路と上記テーパ外周面とを連通する複数のガス噴出口と、該燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所において、該燃焼用ヘッダーの基端面と上記テーパ外周面とを連通する複数の第１空気噴出口と、該燃焼用ヘッダーの基端部において外周側に突出するフランジ部と、該フランジ部を貫通する複数の第２空気噴出口とが形成されている、表面燃焼バーナにある。

上記表面燃焼バーナにおいては、通気性部材は、燃焼用ヘッダーの先端側に行くに連れて外形が縮小するテーパ外周面に沿って設けられている。これにより、空気管と通気性部材との間隔は、燃焼用ヘッダーの先端側に行くに連れて広くなる。そのため、通気性部材の外側には、燃焼用空気及び燃焼ガスの流れの下流側に行くに連れて広くなるスペースを確保することができる。そして、通気性部材の表面における燃料ガス又は混合気と燃焼用空気との燃焼は、このスペースを利用して行われ、通気性部材が、燃焼用ヘッダーの先端側（又は燃焼用空気及び燃焼ガスの流れの下流側）に行くに連れて激しく加熱されることを回避することができる。その結果、通気性部材の耐久性を向上させることができる。

また、上記表面燃焼バーナにおいては、燃焼用ヘッダーは、複数のガス噴出口及び複数の第１空気噴出口の他に、複数の第２空気噴出口を有している。そして、複数のガス噴出口から噴出される燃料ガス又は混合気は、通気性部材の内側から外側へ通過する。また、複数の第１空気噴出口から噴出される燃焼用空気は、通気性部材の内側から外側へ通過し、複数の第２空気噴出口から噴出される燃焼用空気は、燃焼用ヘッダーの先端側へ通過する。そして、通気性部材の表面（外側）において、複数のガス噴出口から噴出された燃料ガス又は混合気と、複数の第１空気噴出口から噴出された燃焼用空気とが混合されるときには、この混合ガスには、複数の第２空気噴出口から噴出される燃焼用空気も混合される。これにより、通気性部材の表面（外側）において、燃料ガスと燃焼用空気との混合が十分に行われ、この混合気における燃料ガスの濃度に偏りが生じにくくし、安定して火炎を形成することができる。

それ故、上記表面燃焼バーナによれば、通気性部材の耐久性を向上させ、燃料ガスの濃度の偏りが生じにくくすることができる。

実施形態１にかかる、表面燃焼バーナを示す図で、図３におけるI−I線矢視断面図。 実施形態１にかかる、表面燃焼バーナを示す図で、図３におけるII−II線矢視断面図。 実施形態１にかかる、表面燃焼バーナを示す図で、図１におけるIII矢視図。 実施形態２にかかる、表面燃焼バーナを示す断面図。 実施形態３にかかる、表面燃焼バーナを示す断面図。 実施形態３にかかる、他の表面燃焼バーナを示す断面図。

上述した表面燃焼バーナにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
本形態の表面燃焼バーナ１は、図１〜図３に示すように、燃焼用空気Ａが通過する空気管３と、空気管３内に配置され、燃料ガスＦが通過する燃料管４と、燃料管４の先端側Ｌ１に接続されるとともに空気管３内に配置され、燃焼用空気Ａ及び燃料ガスＦを噴出させるための燃焼用ヘッダー２と、燃焼用ヘッダー２の外側面に設けられた繊維材からなる通気性部材２６とを備える。燃焼用ヘッダー２の外周面における、通気性部材２６が設けられた部位には、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１に行くに連れて外形が縮小するテーパ外周面２０１が形成されている。通気性部材２６は、テーパ外周面２０１に沿って設けられている。なお、図３においては、通気性部材２６等を省略して示す。

燃焼用ヘッダー２は、ガス通路２１、複数のガス噴出口２２１、複数の第１空気噴出口２３、フランジ部２４及び複数の第２空気噴出口２４１を有している。ガス通路２１は、図１に示すように、燃焼用ヘッダー２の中心軸線に沿って形成されている。複数のガス噴出口２２１は、燃焼用ヘッダー２の中心軸線の周りの複数個所において、ガス通路２１とテーパ外周面２０１とを連通する状態で形成されている。複数の第１空気噴出口２３は、図２に示すように、燃焼用ヘッダー２の中心軸線の周りの複数個所において、燃焼用ヘッダー２の基端面２０２とテーパ外周面２０１とを連通する状態で形成されている。フランジ部２４は、図１に示すように、燃焼用ヘッダー２の基端部において外周側に突出して形成されている。複数の第２空気噴出口２４１は、フランジ部２４を貫通する状態で形成されている。

本形態の表面燃焼バーナ１は、加熱炉等に配設され、炉内の雰囲気ガスを加熱するために用いられる。
図１、図２に示すように、空気管３と燃料管４とは、互いに平行に配置されており、二重管構造を有している。空気管３の先端は、燃焼用ヘッダー２の先端よりもさらに先端側Ｌ１に位置する。そして、燃焼用ヘッダー２の外周の全体は、空気管３によって覆われている。燃焼用ヘッダー２が空気管３内に配置された状態において、燃焼用ヘッダー２のフランジ部２４と空気管３との間には、若干の隙間Ｍが形成されている。

燃焼用ヘッダー２の中心軸線は、空気管３及び燃料管４の中心軸線と平行である。燃焼用ヘッダー２のガス通路２１は、燃焼用ヘッダー２の中心軸線を含む中心部に形成されている。ガス通路２１の先端は、燃焼用ヘッダー２に設けられた閉塞部材２７によって閉塞されている。本形態の燃焼用ヘッダー２は、ガス通路２１、複数のガス噴出口２２１及び複数の第１空気噴出口２３が形成された第１ヘッダー部品２Ａと、フランジ部２４及び複数の第２空気噴出口２４１が形成された第２ヘッダー部品２Ｂとを組み合わせて構成されている。第２ヘッダー部品２Ｂは、第１ヘッダー部品２Ａの基端部の外周に装着されており、第１ヘッダー部品２Ａに溶接等を行って固定されている。

図３に示すように、第１ヘッダー部品２Ａの外周面には、その中心軸線の周りの周方向Ｃに向けて、第１空気噴出口２３１を形成する複数の凹部２３０と、凸部２２とが交互に並んで形成されている。各凹部２３０は、第１ヘッダー部品２Ａの外周面から陥没し、中心軸線に沿って形成されており、中心軸線に平行な状態で形成されている。図１、図３に示すように、複数のガス噴出口２２１は、第１ヘッダー部品２Ａの周方向Ｃにおける複数の凸部２２の形成箇所において、ガス通路２１から第１ヘッダー部品２Ａの径方向Ｒに向けて形成されている。そして、ガス噴出口２２１と第１空気噴出口２３とは、燃焼用ヘッダー２の周方向Ｃの複数個所において、交互に並んで形成されている。

図１〜図３に示すように、第２ヘッダー部品２Ｂは、円環形状を有しており、第１ヘッダー部品２Ａの外周に装着される装着部２５と、装着部２５から径方向Ｒの外方に突出するフランジ部２４とを有する。各第１空気噴出口２３１の一部は、凹部２３０と装着部２５とに囲まれた貫通穴として形成されている。複数の第２空気噴出口２４１は、フランジ部２４の周方向Ｃに等間隔に並んで形成されている。また、フランジ部２４には、着火用のスパークロッド２８１を挿通させるための挿通口２４２も形成されている。スパークロッド２８１の先端部は、第１ヘッダー部品２Ａの外周面に設けられた着火用のアース棒２８２と対向して配置されている。

第２ヘッダー部品２Ｂの装着部２５は、第１ヘッダー部品２Ａの基端側部分の外周に装着され、第１ヘッダー部品２Ａのテーパ外周面２０１は、第１ヘッダー部品２Ａの先端側部分に形成されている。
本形態の通気性部材２６は、繊維材としての耐熱金属繊維からなるメタルニットである。通気性部材２６は、メタルニットの他にも、気体を通過させる複数の気孔又は空隙を有する金属又はセラミックスから構成することができる。通気性部材２６は、例えば、ガラスの繊維によって形成されたグラスウール等によって構成することもできる。また、通気性部材２６は、耐熱性を有するとともに通気性を有し、かつ不燃性である種々の材料によって構成することができる。通気性部材２６は、第１ヘッダー部品２Ａ及び第２ヘッダー部品２Ｂに溶接等によって固定されている。

表面燃焼バーナ１においては、燃焼用ヘッダー２によって、通気性部材２６の直前まで燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが別経路で導かれ、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが通気性部材２６の表面において混合燃焼される。
表面燃焼バーナ１において燃焼を行うに当たっては、燃料ガスＦは、燃料管４内を通過して燃焼用ヘッダー２のガス通路２１を通過し、ガス通路２１から複数のガス噴出口２２１に分岐して流れ、テーパ外周面２０１における、各ガス噴出口２２１の開口先端から噴出されて、通気性部材２６の内側から外側へ通過する。

一方、燃焼用空気Ａは、空気管３内を通過して、燃焼用ヘッダー２内の複数の第１空気噴出口２３と燃焼用ヘッダー２のフランジ部２４の複数の第２空気噴出口２４１とに分岐して流れる。そして、燃焼用空気Ａは、テーパ外周面２０１における、複数の第１空気噴出口２３の開口先端から噴出されて、通気性部材２６の内側から外側へ通過するとともに、フランジ部２４に衝突しつつ、複数の第２空気噴出口２４１から噴出されて、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１へ通過する。

そして、複数のガス噴出口２２１から噴出される燃料ガスＦと、複数の第１空気噴出口２３から噴出される燃焼用空気Ａとは、通気性部材２６の表面（外側）において、周方向Ｃに移動しつつ互いに混ざり合う。また、通気性部材２６の表面（外側）において、複数のガス噴出口２２１から噴出される燃料ガスＦと、複数の第１空気噴出口２３から噴出される燃焼用空気Ａとには、複数の第２空気噴出口２４１から噴出される燃焼用空気Ａが混合される。これにより、通気性部材２６の表面（外側）において、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合が十分に行われ、この混合気における燃料ガスＦの濃度に偏りが生じにくくすることができる。そして、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合ガスは、スパークロッド２８１とアース棒２８２との間に生じるスパークによって着火されて、通気性部材２６の表面において燃焼し、空気管３内に火炎Ｈを形成する。このとき、混合気における燃料ガスＦの濃度に偏りが生じにくいことにより、安定して火炎Ｈを形成することができる。

また、本形態においては、複数の第２空気噴出口２４１がフランジ部２４の周方向Ｃに等間隔に並んで形成されている。これにより、燃焼用ヘッダー２の周方向Ｃの各部位において、複数のガス噴出口２２１から噴出される燃料ガスＦと、複数の第１空気噴出口２３から噴出される燃焼用空気Ａとに、複数の第２空気噴出口２４１から噴出される燃焼用空気Ａがより均等に混合される。そして、燃焼用ヘッダー２の周方向Ｃの各部位における空気比（空気過剰率）の偏りを少なくし、火炎Ｈをより安定して形成することができる。

また、複数のガス噴出口２２１と凹部２３０による複数の第１空気噴出口２３とが燃焼用ヘッダー２における周方向Ｃの異なる位置にあることにより、通気性部材２６の表面において、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが急激に混合されず、緩やかに混合される。これにより、通気性部材２６の略全域において緩慢燃焼が行われ、形成される火炎Ｈの温度が低く維持される。

また、通気性部材２６は、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１に行くに連れて外形が縮小するテーパ外周面２０１に沿って設けられている。これにより、図１、図２に示すように、空気管３と通気性部材２６との径方向Ｒの間隔は、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１に行くに連れて広くなる。そのため、通気性部材２６の外側には、燃焼用空気Ａ及び燃焼ガスの流れの下流側に行くに連れて広くなるスペースＳを確保することができる。そして、通気性部材２６の表面における燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの燃焼は、このスペースＳを利用して行われ、通気性部材２６が、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１（又は燃焼用空気Ａ及び燃焼ガスの流れの下流側）に行くに連れて激しく加熱されることを回避することができる。言い換えれば、燃焼による熱が、燃焼用ヘッダー２の径方向に重なりにくくし、燃焼用ヘッダー２の先端側Ｌ１に向かって逃げやすくすることができる。その結果、通気性部材２６の耐久性を向上させることができる。

それ故、本形態の表面燃焼バーナ１によれば、通気性部材２６の耐久性を向上させ、燃料ガスＦの濃度の偏りが生じにくくすることができる。

（実施形態２）
本形態は、排熱回収を行う表面燃焼バーナ１のバリエーションの一つを示す。
本形態の表面燃焼バーナ１は、直火式（直接加熱式）の自己排熱回収バーナを構成する。具体的には、図４に示すごとく、表面燃焼バーナ１の空気管３の外周側には、燃焼後の排ガスＧを回収するための排気管５が設けられている。排気管５には、排ガスＧが排気される排気口５１が設けられている。また、空気管３には、燃焼用空気Ａが導入される給気口３１が設けられている。

本形態の表面燃焼バーナ１は、火炎Ｈによって被加熱物の直接加熱を行う加熱炉等に用いることができる。そして、燃焼用ヘッダー２における燃焼が行われ、筒状の空気管３の先端側Ｌ１へ向けて火炎Ｈが形成され、この火炎Ｈによって加熱炉等の炉内が加熱された後、燃焼後の排ガスＧが排気管５から回収される。このとき、排気管５を通過する排ガスＧと、空気管３を通過する燃焼用空気Ａとの熱交換が行われ、燃焼用空気Ａへの排ガスＧの排熱回収が行われる。
本形態においては、排ガスＧの排熱回収を行うことにより、排気損失を抑えた高効率燃焼を行うことができる。本形態においても、その他の構成及び図中の符号が示す構成要素は実施形態１と同様であり、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
本形態も、排熱回収を行う表面燃焼バーナ１のバリエーションの他の一つを示す。
本形態の表面燃焼バーナ１は、間接加熱式の自己排熱回収バーナを構成する。具体的には、図５に示すごとく、表面燃焼バーナ１の空気管３の外周側には、燃焼後の排ガスＧを回収するための排気管５と、排気管５の先端側Ｌ１に接続され、先端部が閉塞された筒状のラジアントチューブ６とが設けられている。ラジアントチューブ６は、伝熱性及び耐熱性に優れたセラミックス、鋳物等から構成することができる。

本形態の表面燃焼バーナ１は、火炎Ｈによって被加熱物の間接加熱を行う加熱炉、溶湯の溶解保持炉、雰囲気熱処理炉等に用いることができる。表面燃焼バーナ１は、溶湯の溶解保持炉に用いる場合には、溶湯内に浸漬させて用いることができる。そして、燃焼用ヘッダー２における燃焼が行われて火炎Ｈが形成されたときには、ラジアントチューブ６を介して、炉内が火炎Ｈの輻射熱によって間接的に加熱され、燃焼後の排ガスＧが排気管５から排気される。このとき、排気管５を通過する排ガスＧと、空気管３を通過する燃焼用空気Ａとの熱交換が行われ、排ガスＧの排熱回収が行われる。

本形態の表面燃焼バーナ１においては、図５に示すように、燃焼用ヘッダー２によって形成された火炎Ｈは、空気管３内において、空気管３の先端側Ｌ１に向けて形成される。一方、表面燃焼バーナ１においては、図６に示すように、燃焼用ヘッダー２におけるテーパ外周面２０１を空気管３よりも先端側Ｌ１に位置させることもできる。この場合、燃焼用ヘッダー２によって形成された火炎Ｈは、ラジアントチューブ６内において、基端側Ｌ２に向けて形成される。
本形態においても、排ガスＧの排熱回収を行うことにより、排気損失を抑えた高効率燃焼を行うことができる。本形態においても、その他の構成及び図中の符号が示す構成要素は実施形態１，２と同様であり、実施形態１，２と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態に適用することが可能である。例えば、燃料管４においては、燃料ガスＦの代わりに、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合気が通過し、燃焼用ヘッダー２の複数のガス噴出口２２１からは、燃料ガスＦの代わりに、混合気が噴出されてもよい。

１ 表面燃焼バーナ
２ 燃焼用ヘッダー
２０１ テーパ外周面
２１ ガス通路
２２ 凸部
２２１ ガス噴出口
２３ 第１空気噴出口
２３０ 凹部
２４ フランジ部
２４１ 第２空気噴出口
２６ 通気性部材
３ 空気管
４ 燃料管
Ｆ 燃料ガス
Ａ 燃焼用空気

Claims (3)

1. 燃焼用空気が通過する空気管と、
   該空気管内に配置され、燃料ガス、又は燃料ガスと燃焼用空気との混合気が通過する燃料管と、
   該燃料管の先端側に接続されるとともに上記空気管内に配置され、上記燃焼用空気、及び上記燃料ガス又は上記混合気を噴出させるための燃焼用ヘッダーと、
   該燃焼用ヘッダーの外側面に設けられた繊維材又は多孔質材からなる通気性部材と、を備え、
   上記燃焼用ヘッダーの外周面における、上記通気性部材が設けられた部位には、上記燃焼用ヘッダーの先端側に行くに連れて外形が縮小するテーパ外周面が形成されており、
   上記通気性部材は、上記テーパ外周面に沿って設けられており、
   上記燃焼用ヘッダーには、該燃焼用ヘッダーの中心軸線に沿って形成されたガス通路と、該燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所において、上記ガス通路と上記テーパ外周面とを連通する複数のガス噴出口と、該燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所において、該燃焼用ヘッダーの基端面と上記テーパ外周面とを連通する複数の第１空気噴出口と、該燃焼用ヘッダーの基端部において外周側に突出するフランジ部と、該フランジ部を貫通する複数の第２空気噴出口とが形成されている、表面燃焼バーナ。
2. 上記ガス噴出口と上記第１空気噴出口とは、上記燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所に交互に形成されている、請求項１に記載の表面燃焼バーナ。
3. 上記第１空気噴出口の一部は、上記燃焼用ヘッダーの中心軸線の周りの複数個所に、該中心軸線に平行な状態で上記テーパ外周面から陥没する凹部として形成されており、
   上記ガス噴出口は、上記凹部同士の間の凸部に形成されている、請求項１又は２に記載の表面燃焼バーナ。

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