JP2017505422A - 気孔が形成された炎孔部材を具備したバーナー - Google Patents

Abstract

本発明は逆火を防止し、火炎安全性を高めることができ、多様な燃焼負荷に対応できる予混合バーナーを提供することにその目的がある。これを実現するための本発明は、複数の金属合金を焼結工程によって発泡体に形成することによって骨格をなすストラットの間の空間である気孔が形成され、前記気孔を通じてガスと空気の混合ガスが噴射されて火炎が形成される炎孔部材と、前記炎孔部材をバーナー本体に結合して固定するための炎孔部材固定板と、前記炎孔部材の前方に具備されて前記混合ガスを前記炎孔部材に均一に供給するために複数の分配孔が形成された整流板と、から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は気孔が形成された炎孔部材を有するバーナーに関するもので、より詳細には金属フォーム上に合金粉末を塗布および焼結して形成させた合金フォームからなる炎孔部材を具備してターンダウン比を向上させるとともに逆火発生を防止できるバーナーに関するものである。

一般的にボイラーや温水器などの燃焼機器に用いられるガスバーナーは、燃焼用ガスと空気を混合する方式によってブンゼン（Ｂｕｎｓｅｎ）バーナーと予混合（Ｐｒｅ−ｍｉｘｅｄ）バーナーに区分することができる。

ブンゼンバーナーは、ガスを噴射するノズル部から燃焼に必要な最小限の１次空気を供給し、火炎が形成される部位に過剰二次空気を供給して完全燃焼を実現させるバーナーである。ブンゼンバーナーは、バーナーの火炎安定性と逆火現象などが発生する危険性が少ないなどの長所がある反面、２次空気によって火炎が形成されるので火炎長が長く、火炎温度が高いだけでなく、燃焼に必要な空気量が理論空気量よりはるかに多い量の過剰空気を必要とする。このため、高温の排気ガス排出による熱損失量と公害物質の排出量が多く、ガス燃焼機器の効率最大化と公害物質低減化などを達成するにはある程度限界があるという問題点がある。

一方、予混合バーナーは燃焼用ガスと空気を混合室であらかじめ混合した予混合ガスを燃焼させる方式であり、全体火炎長を短くするとともに火炎の温度を低くして同一面積に対する負荷を減らすことができるため、一酸化炭素および窒素酸化物などの公害物質の発生を最小限に減少させることができる長所がある。

従来はブンゼンバーナーを主に使用していたが、最近では公害物質の発生を減らし、燃焼室を小型化するために予混合バーナーを主に使用している。

従来の予混合方式のガスバーナーは、送風機を稼動すると、空気吸入口を通じて流入した空気とガス吸入口を通じて流入したガスが吸気管で混合された後、送風機を経て予混合気室で予混合されてバーナーの上側に具備されたバーナー炎孔部に供給される構造となっている。

前記バーナー炎孔部には炎孔プレートが具備されるが、このような炎孔プレートとしてはステンレス多孔板、メタルファイバー、セラミックなどが使用されている。

前記ステンレス多孔板からなる炎孔プレートは一つの板材に炎孔を穿孔した構造で使用されていたが、騒音に脆弱で、熱応力によってバーナー燃焼面が変形されたり、酷い場合には炎孔が損傷して不完全燃焼と逆火が誘発されるため、燃焼負荷範囲が狭くなる問題点がある。また、ステンレス多孔板はプレス金型によって炎孔形状を形成するため、炎孔の形状が単純であり、立体的な形状を形成し難い問題点がある。

このような問題点を補完するために、金属繊維を製織したメタルファイバーやセラミックを焼結して製造したセラミックプレートなどを素材として使用したバーナー炎孔部構造が使用されたが、材料費用が高く、製作方法が不便であるため、製造原価が高くなる問題点がある。

一方、大韓民国特許登録第１２１２７８６号には「開放−多孔性金属フォームおよびその製造方法」が開示されている。前記開放−多孔性金属フォームは、クロムおよびアルミニウムが含まれていないか鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末内の量より少なく含まれた、鉄または鉄基盤合金からなる半製品を提供し、前記鉄または鉄基盤合金からなる半製品の表面および開放型気孔を鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末および有機結合剤で均一にコートし、前記コートされた鉄または鉄基盤合金からなる半製品を還元雰囲気で３００℃〜６００℃の温度で熱処理して有機成分を排出した後、前記有機成分が排出された鉄または鉄基盤合金からなる半製品を９００℃以上の温度で焼結する工程を通じて製造される。

このような方法で製造された開放−多孔性金属フォームは、化学的プロセスのために触媒活性されたり環境工学などで使用されたり濾過のための用途で使用され得、特に高い温度の環境でも使用され得る。

本発明はバーナーに開放−多孔性金属フォームを使用することによって逆火を防止し、火炎安全性を高めることができ、多様な燃焼負荷に対応できるバーナーを提供することにその目的がある。

前述した課題を解決するための本発明のバーナーは、複数の金属合金を焼結工程によって発泡体に形成することによって、骨格をなすストラットの間の空間である気孔が形成され、前記気孔を通じてガスと空気の混合ガスが噴射されて火炎が形成される炎孔部材、前記炎孔部材をバーナー本体に結合して固定するための炎孔部材固定板、前記炎孔部材の前方に具備されて前記混合ガスを前記炎孔部材に均一に供給するために複数の分配孔が形成された整流板を含む。

前記気孔は、前記ストラットによって囲まれた内部空間であるセルと、前記セルが隣接するセルと連結される空間であるポアからなり、前記炎孔部材の単位体積当たり形成された前記複数のセルの平均大きさが１２００μｍ以下であり得る。

前記セルの大きさは下記の式を満たし、ここでＤはセルの大きさ、ａはセルの長軸長さ、ｂはセルの短軸の長さであり得る。

前記炎孔部材の単位体積当たりに前記気孔が占める比率は８０％以上であり得る。

前記炎孔部材の表面には凹むように押されて圧縮された圧縮部が一定間隙離隔されて複数個形成され得る。

前記圧縮部の内部には前記炎孔部材の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成され得る。

前記複数の圧縮部の間には前記圧縮部の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成され得る。

前記圧縮部は、一定間隙離隔された複数の第１圧縮部と、前記複数の第１圧縮部の間に形成されて前記第１圧縮部より大きさが小さい第２圧縮部からなるものであり得る。

前記炎孔部材には厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が一定間隙離隔されて形成され得る。

前記整流板は、前記炎孔部材を挟んで前記炎孔部材固定板に結合されたものであり得る。

前記整流板には、前記炎孔部材の後面に接触されて前記炎孔部材の後面との間を離隔させるための突出部が形成され得る。

前記突出部は、前記分配孔が形成された領域の外側周りに形成されたものであり得る。

前記整流板と炎孔部材の間を離隔させるためのギャッププレートが具備され、前記ギャッププレートは前記分配孔が形成された領域を囲むように形成されたものであり得る。

前記複数の金属合金にはニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）が含まれ得る。

本発明のバーナーによれば、気孔を有する金属フォームからなる炎孔部材を具備することによって、火炎安全性を高めることができ、逆火の発生を防止することができ、ターンダウン比を向上させて多様な燃焼負荷に対応することができる。

本発明のバーナーで炎孔部材と炎孔部材固定板および整流板が結合された状態を示した斜視図。 図１に示されたバーナーの各構成が分解された状態を示した斜視図。 図１に示されたバーナーの平面図。 図３のＡ−Ａ断面図。 図４のＢ部を拡大した図面。 本発明による炎孔部材の内部を拡大した図面。 本発明による炎孔部材のセルの形状を模型化した図面。 本発明の第１実施例による炎孔部材を示した斜視図。 図８に示された炎孔部材の断面図。 本発明の第２実施例による炎孔部材を示した斜視図。 図１０に示された炎孔部材の断面図。 本発明の第３実施例による炎孔部材を示した斜視図。 本発明の第４実施例による炎孔部材を示した斜視図。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例に対する構成および作用を詳細に説明すると、次のとおりである。

図１は本発明のバーナーで炎孔部材と炎孔部材固定板および整流板が結合された状態を示した斜視図、図２は図１に示されたバーナーの各構成が分解された状態を示した斜視図、図３は図１に示されたバーナーの平面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図４のＢ部を拡大した図面である。

以下で「前方」とは、炎孔部材１００の位置を基準として混合ガスが前記炎孔部材１００を通過する以前の位置を意味し、「後方」とは、混合ガスが前記炎孔部材１００を通過した以後の位置を意味する。

本発明のバーナー１は、内部に形成された気孔を通じて混合ガスが噴射されて火炎が形成される炎孔部材１００、前記炎孔部材１００をバーナー本体（図示されず）に結合して固定するための炎孔部材固定板２００、前記炎孔部材１００の前方に具備されて前記混合ガスを前記炎孔部材１００に均一に供給するための整流板３００から構成される。

前記炎孔部材固定板２００は、平板形状からなり、締結手段（図示されず）により前記バーナー本体に結合される本体部２１０と、前記本体部２１０の中央部が開放されてなる開放部２２０、前記開放部２２０の周囲を囲む前記本体部２１０の内側縁部が後方に突出して前記炎孔部材１００が結合される結合部２３０から構成される。

前記結合部２３０は、前記開放部２２０周囲を囲むように四角の枠形状からなる炎孔部材結合部２３１と、前記炎孔部材結合部２３１の外側を囲むように四角の枠形状からなるものの炎孔部材結合部２３１から段が付くように形成された整流板結合部２３２から構成される。

前記炎孔部材結合部２３１の内側面には、前記炎孔部材１００の一側面縁１１０が接触され、前記整流板結合部２３２の内側面には前記整流板３００の一側面縁３３０が接触するように位置された状態で、前記整流板３００の縁３３０を前記整流板結合部２３２の内側面に結合させると、前記炎孔部材１００と整流板３００および炎孔部材固定板２００が一体に結合される。

前記整流板３００には、送風機（図示されず）から供給されてきた空気とガスの混合ガスが炎孔部材１００全体面積に均一に供給されるようにするために、複数の分配孔３１０が一定間隙離隔されて形成されている。

前記分配孔３１０はスリット（ｓｌｉｔ）形状に形成されることが好ましいか、これに限定されず、混合ガスを均一に供給できる形状であれば、これに制限されない。

また、前記整流板３００には、前記炎孔部材１００の後面に接触して前記炎孔部材１００の後面との間を離隔させるために、前方に突出した突出部３２０が分配孔３１０が形成された領域と縁３３０の間に形成されている。

前記突出部３２０は、前記分配孔３１０が形成された領域を外側から囲むように、上部と下部に水平方向に長い帯状に形成された第１突出部３２０ａと第２突出部３２０ｂ、左側と右側に垂直方向に長い帯状に形成された第３突出部３２０ｃと第４突出部３２０ｄから構成される。

このような構成により、整流板３００の前面と炎孔部材１００の後面の間が一定距離離隔されることによって、前記整流板３００の分配孔３１０を通過した混合ガスが炎孔部材１００に均一に供給され得、燃焼時に炎孔部材１００から高温の熱が整流板３００に伝達されることを遮断することによって整流板３００が過熱することを防止することができる。

また、長い帯状に形成された突出部３２０が前記分配孔３１０が形成された領域を囲むようになっており、前記分配孔３１０を通じて噴出した混合ガスが分配孔３１０が形成された領域の外側に分散することを防止することができる。

前記炎孔部材１００は複数の金属合金を焼結工程によって発泡体に形成することによって複数の気孔が形成され、前記気孔を通じてガスと空気の混合ガスが噴射されて火炎が形成される。

以下、図６と図７を参照して本発明の炎孔部材１００に対して詳細に説明する。

図６は本発明による炎孔部材の内部を拡大した図面、図７は本発明による炎孔部材のセルの形状を模型化した図面である。

炎孔部材１００は大韓民国登録特許第１２１２７８６号に開示された通り、複数の金属合金粉末を利用して焼結工程を通じて製造される。

前記金属合金としては、鉄（Ｆｅ）を基盤としてクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）が含まれたものであり得る。前記クロム（Ｃｒ）は鉄基盤の合金内に含まれることによって、耐食性と高温耐酸化性を向上させることができ、アルミニウム（Ａｌ）は高温に露出される環境でアルミニウムの酸化物などを鉄基盤合金の表面に形成することができる。

また、前記金属合金としては、ニッケル（Ｎｉ）を基盤としてクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）が含まれたものであり得る。バーナーの燃焼負荷範囲を意味するターンダウン比（ＴＤＲ）を向上させると、低負荷時にバーナー表面で燃焼がなされる。すなわち、低負荷時には混合ガスの噴出速度が小さいので火炎が炎孔部材１００の表面近所で形成されるため、炎孔部材１００の表面に赤熱が発生してバーナーの耐久性が低下するが、前記の通りにニッケル（Ｎｉ）を基盤とすると、高温で耐久性を向上させることができる。

本発明の炎孔部材１００は金属フォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）と呼ばれる。前記金属フォームは開放されたセル構造（ｏｐｅｎ−ｃｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、すなわち、気孔１６０をなすセル（ｃｅｌｌ）およびポア（ｐｏｒｅ）が空間上で互いに連結されている構造を意味する。

図６に示された通り、炎孔部材１００は金属フォームの骨格をなすストラット１５０が網のように３次元上で絡まっており、前記ストラット１５０により囲まれる内部空間をセル（ｃｅｌｌ）と定義し、前記セル（ｃｅｌｌ）に連結される空間をポア（ｐｏｒｅ）と定義すると、前記気孔１６０はセル（ｃｅｌｌ）とポア（ｐｏｒｅ）から構成される。

前記混合ガスが前記気孔１６０を通過して炎孔部材１００の表面に形成された気孔を通じて噴出されながら火炎が形成される。

前記炎孔部材１００が、気孔が互いに連結された構造から構成されると、気孔に存在する空気層が炎孔部材１００の表面を冷却する効果を発揮するため、バーナーの耐久性を向上させることができる。

また、炎孔部材１００の表面を通じて混合ガスが噴出される速度より火炎が燃え上がる速度が大きいと、炎孔部材１００の内部で燃焼が起きる逆火が発生するが、前記セル（ｃｅｌｌ）の大きさが過度に大きいと逆火が発生する可能性がある。

したがって、炎孔部材１００の単位体積内部に形成された複数のセル（ｃｅｌｌ）の平均大きさは１２００μｍ以下となることが好ましい。

この場合、セル（ｃｅｌｌ）の大きさは下記の式で定義される。
（Ｄはセルの大きさ、ａはセルの長軸長さ、ｂはセルの短軸長さ）

図７はセル（ｃｅｌｌ）形状を模型化したもので、各面が正五角形からなる１２面体の形状をしている。前記１２面体の中間部であるＢ−Ｂ線によって示される断面は正五角形となるが、前記正五角形が図６でセル（ｃｅｌｌ）と定義された五角形状に対応される。

この場合、セル（ｃｅｌｌ）の大きさを定義するためのａはセル（ｃｅｌｌ）を定義する五角形内部の直径のうち、最も長い直径である長軸の長さを意味し、ｂは五角形内部の最も短い直径である短軸の長さを意味する。

実際、炎孔部材１００のセル（ｃｅｌｌ）の大きさは不規則であるため、長軸（ａ）と短軸（ｂ）の長さを幾何平均した値（Ｄ）でセルの大きさを定義する。

一方、炎孔部材１００の単位体積当たり気孔が占める比率である気孔率が小さいと送風機（図示されず）の負荷が大きくなるため、前記気孔率は８０％以上であること好ましい。ここで、気孔率は単位体積でストラット１５０を除いた残りの空き空間である気孔が占める割合で定義される。

以下、図８〜図１２を参照して炎孔部材の表面形状について説明する。

図８は本発明の第１実施例による炎孔部材を示した斜視図、図９は図８に示された炎孔部材の断面図である。

第１実施例の炎孔部材１００−１の表面には凹むように押されて圧縮された圧縮部１２０−１が一定間隙離隔されて炎孔部材１００−１の全面にかけて複数個形成されている。

前記圧縮部１２０−１は、非圧縮部１３０−１の厚さより薄く形成されて密度が大きいため、前記圧縮部１２０−１の表面では火炎長が小さくなり、前記非圧縮部１３０−１は厚さがより厚くて密度が小さいため、火炎長が大きくなる。

このように圧縮部１２０−１と非圧縮部１３０−１が隣接するように形成すると、非圧縮部１３０−１で形成された火炎が飛ばされるリフティング（ｌｉｆｔｉｎｇ）現象が起きても、圧縮部１２０−１で形成された安定した火炎が非圧縮部１３０−１の飛ばされる火炎を安定させて火炎安定性が向上する。

図１０は本発明の第２実施例による炎孔部材を示した斜視図、図１１は図１０に示された炎孔部材の断面図である。

第２実施例の炎孔部材１００−２の表面には凹むように押されて圧縮された圧縮部１２０−２が一定間隙離隔されて炎孔部材１００−２の全面にかけて複数個形成されている。

前記圧縮部１２０−２の中央部には前記圧縮部１２０−２の厚さ方向に貫通する貫通孔１２１−２が形成されており、前記隣接する複数の圧縮部１２０−２の間には前記炎孔部材１００−２の非圧縮部１３０−２の厚さ方向に貫通する貫通孔１４０−２が形成されている。

このように圧縮部１２０−２と非圧縮部１３０−２が隣接するように配置されており、非圧縮部１３０−２で火炎がリフティング（ｌｉｆｔｉｎｇ）される現象を防止するため、火炎安定性を向上させることができる。

また、バーナーの燃焼負荷が高い場合には炎孔部材１００−２の気孔を通した混合ガスの噴出だけでは足りない場合が発生する可能性がある。したがって、前記の通りに圧縮部１２０−２内部の貫通孔１２１−２と、隣接する複数の圧縮部１２０−２の間に貫通孔１４０−２を形成することによって高い燃焼負荷に対応することが可能となる。

図１２は本発明の第３実施例による炎孔部材を示した斜視図である。

第３実施例の炎孔部材１００−３には厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１４０−３が炎孔部材１００−３の全面にかけて一定間隙離隔されて形成される。これによって多様な燃焼負荷に対応することが可能である。

図１３は本発明の第４実施例による炎孔部材を示した斜視図である。

第４実施例の炎孔部材１００−４に形成された圧縮部は、炎孔部材１００−４の表面から一定深さで凹むように押された複数の第１圧縮部１２０−４と、前記複数の第１圧縮部１２０−４の間に形成されて前記第１圧縮部１２０−４より大きさが小さい第２圧縮部１２５−４から構成される。

このような構成によれば、非圧縮部１３０−４でリフティングされる火炎が圧縮部で形成された火炎によって安定して火炎安定性が向上し、第１圧縮部１２０−４と第２圧縮部１２５−４の大きさを異ならせて形成することによって多様な燃焼負荷に対応することが可能である。

以上で説明した通り、本発明は前述した実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求される本発明の技術的思想を逸脱せず、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって自明な変形実施が可能であり、このような変形実施は本発明の範囲に属する。

１ バーナー
１００、１００−１、１００−２、１００−３、１００−４ 炎孔部材
１１０ 縁
１２０−１、１２０−２、１２０−４、１２５−４ 圧縮部
１３０−１、１３０−２、１３０−４ 非圧縮部
１５０ ストラット
１６０ 気孔
２００ 炎孔部材固定板
２１０ 本体部
２２０ 開放部
２３０ 結合部
２３１ 炎孔部材結合部
２３２ 整流板結合部
３００ 整流板
３１０ 分配孔
３２０ 突出部
３３０ 縁

Claims (14)

1. 複数の金属合金を焼結工程によって発泡体に形成することによって骨格をなすストラットの間の空間である気孔が形成され、前記気孔を通じてガスと空気の混合ガスが噴射されて火炎が形成される炎孔部材と、
   前記炎孔部材をバーナー本体に結合して固定するための炎孔部材固定板と、
   前記炎孔部材の前方に具備されて前記混合ガスを前記炎孔部材に均一に供給するために複数の分配孔が形成された整流板と、を含む、
   バーナー。
2. 前記気孔は、前記ストラットによって囲まれた内部空間であるセルと、前記セルが隣接するセルと連結される空間であるポアからなり、前記炎孔部材の単位体積当たり形成された前記複数のセルの平均大きさは１２００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のバーナー。
3. 前記セルの大きさは下記の式を満たし、Ｄはセルの大きさ、ａはセルの長軸長さ、ｂはセルの短軸の長さであることを特徴とする、請求項２に記載のバーナー。
   

   
4. 前記炎孔部材の単位体積当たり前記気孔が占める比率は８０％以上であることを特徴とする、請求項２に記載のバーナー。
5. 前記炎孔部材の表面には凹むように押されて圧縮された圧縮部が一定間隙離隔されて複数個形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のバーナー。
6. 前記圧縮部の内部には前記炎孔部材の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする、請求項５に記載のバーナー。
7. 前記複数の圧縮部の間には前記圧縮部の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする、請求項５に記載のバーナー。
8. 前記圧縮部は、一定間隙離隔された複数の第１圧縮部と、前記複数の第１圧縮部の間に形成されて前記第１圧縮部より大きさが小さい第２圧縮部からなることを特徴とする、請求項５に記載のバーナー。
9. 前記炎孔部材には厚さ方向に貫通する複数の貫通孔が一定間隙離隔されて形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のバーナー。
10. 前記整流板は前記炎孔部材を挟んで前記炎孔部材固定板に結合されたことを特徴とする、請求項１に記載のバーナー。
11. 前記整流板には前記炎孔部材の後面に接触して前記炎孔部材の後面との間を離隔させるための突出部が形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載のバーナー。
12. 前記突出部は前記分配孔が形成された領域の外側周りに形成されたことを特徴とする、請求項１１に記載のバーナー。
13. 前記整流板と炎孔部材の間を離隔させるためのギャッププレートが具備され、前記ギャッププレートは前記分配孔が形成された領域を囲むように形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載のバーナー。
14. 前記複数の金属合金にはニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）が含まれることを特徴とする、請求項１に記載のバーナー。

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