JP2019211163A - バーナ及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス等の燃料を燃焼させるバーナにおいて、電気ヒータを組み合わせて使用することにより、バーナによる排ガスを抑制し、バーナの熱効率を向上する。【解決手段】ガス等の燃料を加熱炉４０内に噴射する燃料パイプ１１及び噴射ノズル１２と、噴射ノズル１２により噴射された燃料の周りに燃焼用エアを供給するエアパイプ１３と、加熱炉４０内から環流された環流ガスを加熱炉４０内に再循環するケーシング３１と、ケーシング３１により再循環される環流ガスを加熱するヒータ線２２とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、ガス等の燃料を燃焼させて被加熱物を加熱するバーナ及びその制御装置に関する。

特許文献１には、ガスを燃料としたバーナの一例が開示されている。このバーナは、ガス噴射ノズルの周囲に燃焼用エアを供給してガスを燃焼させている。

特開２００１−２６３６１９号公報

近年、地球温暖化対策、省エネ等の気運の高まりによりバーナの排ガスの抑制、熱効率の向上が求められている。

本発明の課題は、ガス等の燃料を燃焼させるバーナにおいて、電気ヒータを組み合わせて使用することにより、バーナによる排ガスを抑制し、バーナの熱効率を向上することにある。

本発明の第１発明は、加熱容器内でガス等の燃料を燃焼させて加熱容器内の被加熱物を加熱するバーナであって、ガス等の燃料を前記加熱容器内に噴射する燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルにより噴射された燃料の周りに燃焼用エアを供給するエアパイプと、前記加熱容器内から環流された環流ガスを前記加熱容器内に再循環するガス供給路と、該ガス供給路により再循環される環流ガスを加熱する電気ヒータとを備える。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、前記ガス供給路には、環流ガスに代えて燃焼用エアが通流され、前記ガス供給路は、当該ガス供給路に流れる燃焼用エアを前記エアパイプにより供給される燃焼用エアの周りに供給する。

本発明の第３発明は、上記第２発明において、前記ガス供給路の流路中で、当該ガス供給路に流れる燃焼用エアとの間で熱交換可能に設置され、内部に前記加熱容器内から環流ガスを通流させる熱交換用パイプを備える。

本発明の第４発明は、上記第１発明において、前記加熱容器の要求熱量に応じてバーナを制御するバーナの制御装置であって、前記加熱容器内の温度を上昇させるとき、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を行って、燃料の燃焼による加熱を行う燃料燃焼手段と、前記加熱容器内の温度を維持するとき、前記電気ヒータを作動させ、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を停止する電気ヒータ作動手段とを備える。

本発明の第５発明は、上記第４発明において、前記加熱容器内の温度を上昇させるとき、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を行って、燃料の燃焼による加熱を行い、同時に、前記電気ヒータを作動させた状態で、前記ガス供給路に燃焼用エア及び／又は前記環流ガスを供給して燃焼用エア及び／又は前記環流ガスの温度を上昇させる複数熱源作動手段を備える。

本発明によれば、ガス供給路へ供給される燃焼用エア及び／又は加熱容器内からガス供給路へ環流される環流ガスを電気ヒータにより加熱するため、燃料の燃焼による加熱量を抑制することができる。そのため、燃料の燃焼による加熱量を抑制した分だけバーナによる排ガスを抑制し、バーナの熱効率を向上することができる。

本発明の第１実施形態としてのバーナを示す斜視図である。 第１実施形態の正面図である。 第１実施形態の側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面矢視拡大図である。 第１実施形態の先端部分を示す拡大断面図である。 第１実施形態のシステム構成図である。 第１実施形態の作動説明図であり、バーナ運転時を示す。 第１実施形態の作動説明図であり、ヒータ運転時を示す。 第１実施形態の制御回路を示すブロック図である。 上記制御回路による制御内容を示すフローチャートである。 上記制御内容を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態の制御回路による制御内容を示すフローチャートである。 上記制御内容を示すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態としてのバーナを示す側面図である。 第３実施形態の正面図である。 第３実施形態の背面図である。 図１４のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面矢視拡大図である。 図１４のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面矢視拡大図である。 本発明の第４実施形態としてのバーナを示す側面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ線断面矢視図である。

＜第１実施形態の構成＞
図１〜８は、本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態は、液化天然ガスを燃料とし、被加熱物としてのアルミニウム部材の溶体化や時効硬化と呼ばれる熱処理を行う加熱炉に設置して使用されるバーナに本発明を適用した例である。勿論、本発明のバーナの燃料及び用途はこれらに限定されない。例えば、セラミックスの焼成やアルミニウム地金の溶融のために用いてもよい。以下の説明では、各図中に矢印にて表示したように、バーナ１の火炎が発生される側を「先端側」と称し、その反対側を「基端側」と称する。

図１〜５のように、第１実施形態のバーナ１は、全体として複数の円筒体が重なった形状を成す。図４、５のように、バーナ１は、その円筒体の中心軸に沿ってＵＶセンサ用パイプ１８ａを備え、このＵＶセンサ用パイプ１８ａを中心として、同心円状に燃料パイプ１１、エアパイプ１３、ヒータホルダ２１及びケーシング３１を備える。

ＵＶセンサ用パイプ１８ａは、耐熱ガラスから成り、その先端側がバーナ１により発生される火炎に臨むように配置されている。ＵＶセンサ用パイプ１８ａの基端側には、光電センサ（図示略）が設けられ、光電センサにより耐熱ガラスを通して伝達されるバーナ１の火炎の光量を電気信号として検出している。

燃料パイプ１１は、ステンレス製のパイプであり、ＵＶセンサ用パイプ１８ａの周りの隙間に燃料のガスを基端側から先端側に向けて供給する。ガスはガスインテーク１１ａを通して外部配管から供給される。

エアパイプ１３は、ステンレス製のパイプであり、燃料パイプ１１の周りの隙間に燃焼用エアである空気を基端側から先端側に向けて供給する。空気は一次エアインテーク１３ａを通して外部配管から供給される。

燃料パイプ１１の先端には、ステンレス製の噴射ノズル１２が結合されている。噴射ノズル１２の先端側部分には、外周側に向けて燃料を噴射する噴射口１２ａが複数個（この場合、４個）形成されており、また、先端側に向けて燃料を噴射する噴射口１２ｂが複数個（この場合、４個）形成されている。燃料パイプ１１及び噴射ノズル１２は、本発明の燃料噴射ノズルに相当する。

エアパイプ１３の先端で、噴射ノズル１２の根元部に対応する位置には、エアパイプ１３の先端を塞ぐように、ステンレス製の旋回羽根１４が結合されている。図５のように、旋回羽根１４は、エアパイプ１３から噴射される空気流を旋回流１４ａとするため、捩じり羽根が複数個（この場合、２個）形成されている。

図示を省略したが、燃料パイプ１１の外周側には、スパークロッドが設けられており、噴射ノズル１２の噴射口１２ａからの燃料とエアパイプ１３からの空気（旋回流１４ａ）との混合気に着火可能としている。この混合気は、着火されると、空気の旋回流１４ａにより旋回火炎となり、噴射ノズル１２の先端付近で一次燃焼としてのドーナツ形状の火炎を発生させる。

ヒータホルダ２１は、ステンレス製のワイヤにより目の粗い篭状に形成されており、その内部で、エアパイプ１３の外周側との間の隙間に、旋回させて多層巻きしたヒータ線２２が設けられている。ヒータ線２２は、その両端が一対の端子２３（図４では一つのみ図示されている。）に電気的に接続されて、端子２３を介して通電可能とされている。ヒータ線２２は、本発明の電気ヒータに相当する。エアパイプ１３、ヒータホルダ２１及び端子２３は、ベースプレート２４により一体に支持されている。

エアパイプ１３の先端の外周側には、ステンレス製で円筒形状のバーナヘッド１５が固定されている。バーナヘッド１５は、噴射ノズル１２全体を被うように先端側に延びており、先端は、その先端側の開口を中心のみに限るためのドーナツ板状のオリフィス板１５ａにより被われている。オリフィス板１５ａが設けられることにより、一次燃焼の火炎は、バーナヘッド１５内に閉じ込められ、噴射口１２ｂからの燃料が、図４、５の矢印１２ｃで示すように、未燃分を残した火炎として、オリフィス板１５ａの中央開口から先端側に噴射される。

バーナヘッド１５の先端には、ステンレス製でドーナツ形状のエアノズル１６が固定されている。エアノズル１６は、ドーナツ形状の内周面が先端側に開いた傾斜面とされており、その傾斜面に開口する貫通孔１６ａが複数個（この場合、４個）形成されている。図５のように、貫通孔１６ａは、エアノズル１６の基端側から傾斜面に向けて斜めに貫通している。

エアノズル１６の外周側には、ステンレス製で円筒形状のケーシング３１が設けられている。ケーシング３１の基端側は、ベースプレート２４により支持されており、内部にヒータホルダ２１に保持されたヒータ線２２を包み込んでいる。図１〜３のように、ケーシング３１には、二次エアインテーク３４が結合されており、二次エアインテーク３４を介して外部から送られる空気がケーシング３１内を通して図４、５の矢印１６ｂで示すように貫通孔１６ａから噴出される。この空気が噴射口１２ｂから噴射される未燃燃料を含む火炎を酸化させて二次燃焼させる。二次エアインテーク３４、ケーシング３１及び貫通孔１６ａは、本発明のガス供給路に相当する。

エアノズル１６の外周側には、ステンレス製でパイプ形状のＳＵＳヘッド１７が取付けられている。ＳＵＳヘッド１７は、オリフィス板１５ａの中央開口から噴射された未燃燃料を残した火炎の流れ１２ｃ及びエアノズル１６の貫通孔１６ａから供給される空気流１６ｂが外乱により乱されないようにエアノズル１６の先端側を被っている。ＳＵＳヘッド１７の内側では、オリフィス板１５ａの中央開口から噴射された火炎の未燃燃料がエアノズル１６の貫通孔１６ａから供給される空気流１６ｂにより燃焼されて二次燃焼が安定して行われる。

図４のように、ケーシング３１の外周側は、先端側部分を残して環状の断熱材３３により被われている。また、断熱材３３の外周側は、カバー３２により被われている。更に、エアパイプ１３のベースプレート２４より基端側は、ケーシング３５により被われている。ケーシング３５には、端子２３への電気接続を行うための作業孔１９が設けられている。

図４のように、バーナ１は、ケーシング３１の先端側が加熱炉４０の取付孔に挿入して固定されている。従って、ＳＵＳヘッド１７内における二次燃焼の火炎は、加熱炉４０内を加熱する。加熱炉４０は、本発明の加熱容器に相当する。

＜第１実施形態のシステム構成＞
図６のように、バーナ１の燃料パイプ１１につながるガスインテーク１１ａには、ガス流路５０ａが接続されており、ガス流路５０ａを通じて燃料のガスがバーナ１に供給されている。ガス流路５０ａには、開閉弁５１が介挿されており、バーナ１へのガスの供給・供給停止を選択可能としている。

バーナ１のエアパイプ１３につながる一次エアインテーク１３ａには、一次エア流路５０ｂが接続されており、一次エア流路５０ｂを通じてブロア５２からの空気がバーナ１に供給されている。一次エア流路５０ｂには、スロットル弁５３が介挿されており、バーナ１への空気の供給量を制御可能としている。

バーナ１のケーシング３１内空間につながる二次エアインテーク３４には、二次エア流路５０ｃが接続されており、二次エア流路５０ｃを通じてブロア５２からの空気がバーナ１に供給されている。二次エア流路５０ｃには、スロットル弁５４が介挿されており、バーナ１への空気の供給量を制御可能としている。

二次エア流路５０ｃには、再循環ガス流路６０ａが並列接続されており、再循環ガス流路６０ａを通じてブロア６１によって環流される加熱炉４０内の燃焼済ガス（環流ガス）がバーナ１に供給されている。再循環ガス流路６０ａには、スロットル弁６２が介挿されており、バーナ１への再循環ガスの供給量を制御可能としている。

ガス流路５０ａ、一次エア流路５０ｂ及び二次エア流路５０ｃは、バーナ回路５０を構成し、バーナ１により燃料ガスを燃焼させる場合は、バーナ回路５０の各流路５０ａ、５０ｂ、５０ｃを介してガス及び空気がバーナ１に供給される。

再循環ガス流路６０ａは、ヒータ回路６０を構成し、バーナ１のヒータ線２２により加熱炉４０内を加熱する場合は、ヒータ回路６０の再循環ガス流路６０ａを介して加熱炉４０内の環流ガスを再循環させる。

図９のように、バーナ回路５０及びヒータ回路６０は、制御回路８０により制御されている。具体的には、バーナ回路５０の開閉弁５１の開閉作動、ブロア５２の作動、スロットル弁５３、５４の開閉作動、並びにヒータ回路６０のブロア６１の作動、スロットル弁６２の開閉作動が、制御回路８０により制御されている。また、ヒータ線２２の通電制御が制御回路８０により行われている。

＜制御回路８０のプログラム内容＞
図１０は、制御回路８０をプログラム制御のコンピュータにより構成した場合のプログラム内容の主要部を示す。図１０のプログラムは、図１１（Ａ）のような加熱炉４０の加熱制御を行う処理ルーチンであり、この処理ルーチンは１００ミリ秒程度の周期で繰り返し実行される。なお、この周期は一例であり、任意に設定できる。

ステップＳ１０では、加熱開始指示があるのを待つ。加熱開始指示があると、ステップＳ１０は肯定判断され、ステップＳ２１においてバーナ回路５０（図６参照）の開閉弁５１（５１ａ、５１ｂ）の開度が全開とされる。また、ステップＳ２２においてスロットル弁５３、５４の開度制御が行われる。スロットル弁５３、５４の開度制御は、開閉弁５１を介して供給されるガス量に対して、好適な一次燃焼及び二次燃焼が行われるように、スロットル弁５３、５４を介して供給されるブロア５２からの空気量を制御する。

ステップＳ３１ａでは、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達したか否かが判定される。加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達するまでは、ステップＳ３１ａは否定判断されてステップＳ２１、Ｓ２２の処理を継続する。図１１の時刻Ｔ１の時点で、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達すると、ステップＳ３１ａは肯定判断され、ステップＳ３２において時間計測用のカウンタＣがクリアされ、時間計測を開始する。そして、ステップＳ３３ａにおいて開閉弁５１の開度は減少される。この様子が図１１（Ｂ）の時刻Ｔ１に示されており、開閉弁５１の開度減少の一例として開度が半分となった状態を示している。また、ステップＳ３４においてスロットル弁５３、５４の開度制御が行われる。スロットル弁５３、５４の開度は、開閉弁５１の開度が減少し、バーナ１に供給されるガス量が減らされたのに合わせて絞られる。更に、ステップＳ３５ａにおいてヒータ線２２への通電が開始される。同時に、ブロア６１が作動され、スロットル弁６２が開度制御される。このため、ヒータ回路６０を介して加熱炉４０内から還流される環流ガスが再循環される。この様子が図１１（Ｃ）の時刻Ｔ１に示されている。

以上の処理では、図１１の時刻Ｔ１の時点で、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達したのに応じて、加熱炉４０内を加熱するための熱源をガス（バーナ回路５０）からヒータ線２２による電気ヒータ（ヒータ回路６０）に切り換えている。

ステップＳ３６ａでは、カウンタＣの値が予め設定した値Ｃ１に達したか否かが判定される。カウンタＣの値がＣ１に達するまでは、ステップＳ３６ａは否定判断されてステップＳ３３ａ〜Ｓ３５ａの処理を継続する。図１１の時刻Ｔ２の時点で、カウンタＣの値がＣ１に達すると、ステップＳ３６ａは肯定判断され、ステップＳ３７ａにおいて開閉弁５１ａ及び開閉弁５１ｂの開度が共に全閉とされる。そのため、開閉弁５１は全閉とされ、ガスのバーナ１への供給が停止される。この様子が図１１（Ｂ）の時刻Ｔ２に示されている。また、ステップＳ３８ａにおいてスロットル弁５３、５４の開度が、開閉弁５１の開度に合わせて全閉とされる。

以上の処理では、図１１の時刻Ｔ１の時点で、ヒータ線２２への通電が開始されたのに応じてバーナ１に供給されるガス量を減少したが、カウンタＣの値がＣ１に達するのに対応した時間が経過した時点でバーナ１に供給されるガスを遮断して、加熱炉４０内の加熱をヒータ線２２による発熱のみにより行うように切り換えている。このように、ガスの遮断をヒータ線２２への通電が開始と同時の時刻Ｔ１の時点で行わず、所定の時間（カウンタＣがＣ１に達するまでの時間）をかけて段階的に行うことにより、ガス（バーナ回路５０）から電気ヒータ（ヒータ回路６０）への切換時に加熱炉４０へ供給する熱量が一時的に低下することを防止している。温度低下が許容される範囲に収まる場合は、Ｃ１＝０とすることも可能である。更に、Ｔ１〜Ｔ２間で多段階に分けて開閉弁５１の開度を調整してもよい。

ステップＳ４１ａでは、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０よりも高い温度ｔ１に達したか否かが判定される。加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ１に達するまでは、ステップＳ４１ａは否定判断されてステップＳ３７ａ〜Ｓ３８ａの処理を継続する。図１１の時刻Ｔ３の時点で、加熱炉４０内の温度が温度ｔ１に達すると、ステップＳ４１ａは肯定判断され、ステップＳ４２においてヒータ線２２への通電量を低減し、それに合わせてブロア６１の作動も抑制される。この様子が図１１（Ｃ）の時刻Ｔ３に示されている。

以上の処理では、ヒータ線２２による加熱量が大きいため、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０よりも高くなってしまうのに対し、ヒータ線２２による加熱量を小さくして、加熱炉４０内の温度ｔを目標温度ｔ０に維持するようにしている。なお、図１０及び図１１（Ｃ）には記載していないが、加熱炉４０内の温度ｔを目標温度ｔ０に維持するようにヒータ線２２による加熱量はフィードバック制御されることが望ましい。

ステップＳ５１では、加熱終了指示があるのを待つ。図１１の時刻Ｔ４の時点で加熱終了指示があると、ステップＳ５１は肯定判断され、ステップＳ５２においてヒータ線２２への通電が停止される。この様子が図１１（Ｃ）の時刻Ｔ４に示されている。

＜第１実施形態の作用（起動時、昇温時）＞
バーナ１を起動するとき、図７のように、ガス流路５０ａの開閉弁５１を開いてバーナ１内にガスを供給し、同時に、一次エア流路５０ｂ及び二次エア流路５０ｃのスロットル弁５３、５４を開くとともに、ブロア５２を作動してバーナ１内に一次燃焼用エア、二次燃焼用エアを供給する。このとき、スパークロッド（図示略）により一次燃焼用エアとガスとの混合気に着火して、バーナヘッド１５内で一次燃焼を行わせ、一次燃焼を種火としてＳＵＳヘッド１７内で二次燃焼を行わせる。

＜第１実施形態の作用（フレームレス燃焼時、昇温時）＞
二次燃焼では、公知（例えば、特開２０１７−３２１９６号公報）のように、混合気中の酸素濃度及び混合気の温度の条件が整うようにすることにより、フレームレス燃焼を実現することができる。そのため、スロットル弁５４を調整して二次燃焼用エア量を調整し、しかも、ヒータ線２２に通電して二次燃焼用エアの温度を高め、フレームレス燃焼の条件が整うようにする。フレームレス燃焼が実現すれば、バーナ１に供給されたガスを完全燃焼させて熱効率を高めることができ、しかも、排ガス中の窒素酸化物を抑制することができる。なお、上記条件が満たされずフレームレス燃焼に至らない場合でも、ヒータ線２２により二次燃焼用エアの温度が高められることにより排ガス中の窒素酸化物を抑制する効果は得られる。

＜第１実施形態の作用（省エネ運転時、温度維持時）＞
バーナ１が起動されて加熱炉４０内の温度が高まった状態では、図１１のＴ１〜Ｔ４の期間と同様に加熱炉４０内の温度を維持する制御内容となる。即ち、図８のように、スロットル弁６２を開くと同時に、ブロア６１を作動して、加熱炉４０内の燃焼済ガスを再循環させる。同時に、ヒータ線２２に通電する。一方、ガス流路５０ａの開閉弁５１を閉じてバーナ１内へのガス供給を停止し、また、一次エア流路５０ｂ及び二次エア流路５０ｃのスロットル弁５３、５４を閉じてバーナ１内への一次燃焼用エア、二次燃焼用エアの供給を停止する。

その結果、ガスの燃焼による加熱炉４０内の加熱は停止するが、ヒータ線２２による再循環ガスの加熱が行われる。ヒータ線２２による加熱は、加熱炉４０内の温度が低下しない程度でよい。このとき、加熱炉４０の排気口（図示略）が封鎖されて加熱炉４０からの排気が行われない状態となる。このため、排気による熱損失がゼロとなり、しかも、ヒータ線２２による加熱熱量も僅かで済み、加熱炉４０の熱効率は高められる。

ヒータ線２２による再循環ガスの加熱を行うとき、ガス流路５０ａの開閉弁５１、並びに一次エア流路５０ｂ及び二次エア流路５０ｃのスロットル弁５３、５４を完全に閉じず、ある程度開いた状態とすることもできる。このとき、バーナ１に供給される燃料及び空気は少なく、排気も抑制されるため、加熱炉４０の排気口の開度は少なくされる。そのため、排気に伴う熱損失が抑制され、ガスによる加熱のみでヒータ線２２による加熱を行わない場合に比べて加熱炉４０の熱効率を高めることができる。

＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態によれば、加熱炉４０内から二次エアインテーク３４へ環流される環流ガスをヒータ線２２により加熱して加熱炉４０内へ再循環するため、燃料の燃焼による加熱量を抑制することができる。そのため、燃料の燃焼による加熱量を抑制した分だけバーナ１による排ガスを抑制し、バーナ１の熱効率を向上することができる。

また、二次エアインテーク３４を通じて加熱炉４０内へ供給されるガスとして、二次エア流路５０ｃを通じて二次燃焼用エアを供給することにより、フレームレス燃焼のような二次燃焼を行うことができる。

＜第１実施形態の構成と本発明の構成との対応関係＞
図１０の処理ルーチンにおいて、ステップＳ２１、Ｓ２２の処理は、本発明の燃料燃焼手段に相当する。また、図１０の処理ルーチンにおいて、ステップＳ３７ａ〜Ｓ４２の処理は、本発明の電気ヒータ作動手段に相当する。

＜第２実施形態＞
図１２は、本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態が第１実施形態に対して特徴とする点は、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達するまでの時間を短縮し、急速加熱する制御内容とした点である。その他の構成は、両者同一であり、同一部分には同一の符号を付して再度の説明は省略する。

ステップＳ１０ａでは、急速加熱開始指示があるのを待つ。急速加熱開始指示があると、ステップＳ１０ａは肯定判断され、ステップＳ２１においてバーナ回路５０（図６参照）の開閉弁５１（５１ａ、５１ｂ）の開度が全開とされる。また、ステップＳ２２においてスロットル弁５３、５４の開度制御が行われる。ステップＳ２１、Ｓ２２の処理内容は、第１実施形態と同様である。この結果、バーナ回路５０によりバーナ１において一次燃焼及び二次燃焼が行われる。

更に、ステップＳ２３においてヒータ線２２への通電が開始される。同時に、ブロア６１が作動され、スロットル弁６２が開度制御される。このため、ヒータ回路６０（図６参照）を介して加熱炉４０内から還流される環流ガスが加熱されて再循環される。その結果、二次エアインテーク３４には、二次エア流路５０ｃからの二次燃焼用エアと加熱炉４０内から還流される環流ガスの両方が通流される。従って、二次燃焼における酸素濃度が抑制される。

以上の処理では、図１３のように、バーナ回路５０及びヒータ回路６０は、同時に作動開始され、加熱炉４０内の温度は急速に加熱される。

ステップＳ３１ｂでは、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０より少し低い温度ｔ２に達したか否かが判定される。加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ２に達するまでは、ステップＳ３１ｂは否定判断されてステップＳ２１〜Ｓ２３の処理を継続する。図１１の時刻Ｔ１の時点で、加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ２に達すると、ステップＳ３１ｂは肯定判断され、ステップＳ３２において時間計測用のカウンタＣがクリアされ、時間計測を開始する。そして、ステップＳ３３ｂにおいて開閉弁５１ａ、開閉弁５１ｂの開度が低減される。例えば、開閉弁５１としての開度は全開の７５％程度とされる。この様子が図１３（Ｂ）の時刻Ｔ１に示されている。また、ステップＳ３４ａにおいてスロットル弁５３、５４の開度制御が行われる。スロットル弁５３、５４の開度は、開閉弁５１の開度が７５％程度となり、バーナ１に供給されるガス量が７５％程度に減らされたのに合わせて絞られる。

以上の処理では、図１１の時刻Ｔ１の時点で、加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ２に達したのに応じて、バーナ回路５０による加熱炉４０内に対する加熱量を７５％程度に抑制している。加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達する前に加熱炉４０内に対する加熱量を抑制する理由は、バーナ回路５０及びヒータ回路６０を同時に作動して、加熱炉４０内の温度を急速に上昇させている影響で、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達してから加熱量を抑制するように制御するでは、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０を超えてオーバーシュートしてしまうからである。

ステップＳ３６ａでは、カウンタＣの値が予め設定した値Ｃ１に達したか否かが判定される。カウンタＣの値がＣ１に達するまでは、ステップＳ３６ａは否定判断されてステップＳ３３ｂ、Ｓ３４ａの処理を継続する。図１３の時刻Ｔ２の時点で、カウンタＣの値がＣ１に達すると、ステップＳ３６ａは肯定判断され、ステップＳ３７ｂにおいて開閉弁５１ａ、開閉弁５１ｂの開度が更に低減される。例えば、開閉弁５１としての開度は全開の半分程度とされる。この様子が図１３（Ｂ）の時刻Ｔ２に示されている。また、ステップＳ３４ｂにおいてスロットル弁５３、５４の開度が、開閉弁５１の開度に合わせて半分程度とされる。

ステップＳ３６ｂでは、カウンタＣの値が予め設定した値Ｃ２に達したか否かが判定される。カウンタＣの値がＣ２に達するまでは、ステップＳ３６ｂは否定判断されてステップＳ３７ｂ、Ｓ３４ｂの処理を継続する。カウンタＣの値がＣ２に達すると、ステップＳ３６ｂは肯定判断され、ステップＳ３７ｃにおいて開閉弁５１ａ、開閉弁５１ｂの開度が更に低減される。例えば、開閉弁５１としての開度は全開の２５％程度とされる。また、ステップＳ３４ｃにおいてスロットル弁５３、５４の開度が、開閉弁５１の開度に合わせて２５％程度とされる。

ステップＳ３６ｃでは、カウンタＣの値が予め設定した値Ｃ３に達したか否かが判定される。カウンタＣの値がＣ３に達するまでは、ステップＳ３６ｃは否定判断されてステップＳ３７ｃ、Ｓ３４ｃの処理を継続する。カウンタＣの値がＣ３に達すると、ステップＳ３６ｃは肯定判断され、ステップＳ３７ａにおいて開閉弁５１ａ及び開閉弁５１ｂの開度が共に全閉とされる。そのため、開閉弁５１は全閉とされ、ガスのバーナ１への供給が停止される。この様子が図１３（Ｂ）の時刻Ｔ３に示されている。また、ステップＳ３８ｂにおいてスロットル弁５３、５４の開度が、開閉弁５１の開度に合わせて全閉とされる。

以上の処理では、図１３（Ｂ）に示すように、開閉弁５１の開度を時間をかけて閉鎖して、図１３（Ａ）に示すように、加熱炉４０内の温度が目標温度ｔ０にオーバーシュートすることなく到達して、目標温度ｔ０に安定して維持されるようにしている。なお、開閉弁５１の開度は、加熱炉４０内の温度制御の精度を高めるため、図１３（Ｂ）の仮想線で示すように階段状の変化をより細かくするか、連続的に変化するように制御してもよい。また、図１３（Ｂ）における階段の各段の高さ（開閉弁５１の開度）又は幅（Ｃ１〜Ｃ３の値）を互いに変えて、バーナ回路５０による加熱特性を必要なパターンに変更することもできる。

図１２の処理ルーチンでは、加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ２に達した時刻Ｔ１の時点から時刻Ｔ３の時点までの間で、バーナ回路５０による加熱を段階的に停止して、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０となるようにしている。しかし、加熱炉４０内の温度ｔを目標温度ｔ０に精度良く制御するためには、ヒータ回路６０のヒータ線２２による加熱量をフィードバック制御して、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０となるようにすることが望ましい。

ステップＳ４１ｂでは、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０よりも高い温度ｔ３に達したか否かが判定される。加熱炉４０内の温度ｔが温度ｔ３に達するまでは、ステップＳ４１ｂは否定判断されてステップＳ３７ａ、Ｓ３８ｂの処理を継続する。図１１の時刻Ｔ４の時点で、加熱炉４０内の温度が温度ｔ３に達すると、ステップＳ４１ｂは肯定判断され、ステップＳ４２においてヒータ線２２への通電量が低減され、それに合わせてブロア６１の作動も抑制される。例えば、ヒータ線２２の通電量は５０％程度とされる。この様子が図１３（Ｃ）の時刻Ｔ４に示されている。

以上の処理では、ヒータ線２２による加熱量が大きいため、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０よりも高くなってしまうのに対し、ヒータ線２２による加熱量を小さくして、加熱炉４０内の温度ｔを目標温度ｔ０に維持するようにしている。加熱炉４０内の温度ｔを目標温度ｔ０に精度良く制御するためには、ヒータ回路６０のヒータ線２２による加熱量をフィードバック制御することが望ましい。

ステップＳ５１では、加熱終了指示があるのを待つ。図１３の時刻Ｔ５の時点で加熱終了指示があると、ステップＳ５１は肯定判断され、ステップＳ５２においてヒータ線２２への通電が停止される。この様子が図１３（Ｃ）の時刻Ｔ５に示されている。

＜第２実施形態の効果＞
第２実施形態によれば、バーナ回路５０及びヒータ回路６０を同時に作動開始して、加熱炉４０内の温度は急速に加熱することができる。また、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０に達するタイミングでは、バーナ回路５０による加熱量を徐々に抑制して、加熱炉４０内の温度ｔが目標温度ｔ０を超えてオーバーシュートしないようにすることができる。

＜第２実施形態の構成と本発明の構成との対応関係＞
図１２の処理ルーチンにおいて、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理は、本発明の複数熱源作動手段に相当する。

＜第３実施形態の構成＞
図１４〜１８は、本発明の第３実施形態を示す。第３実施形態が第１実施形態に対して特徴とする点は、第１実施形態のバーナ１に対し、熱交換器７０を追加した点である。その他の構成は、両者同一であり、同一部分には同一の符号を付して再度の説明は省略する。但し、若干の寸法や形状の変化は図面の記載のとおりである。

図１５、１７、１８のように、ケーシング３１の外周側には、ケーシング３１と並列配置のパイプをケーシング３１の半径方向に２層に重ねた構造の熱交換用パイプ７１が配置されている。熱交換用パイプ７１は、そのパイプの長手方向の３か所に分割配置されたフィン７２を介してケーシング３１の外周上に支持されている。熱交換用パイプ７１及びフィン７２の外周側には、熱交換器用のケーシング３６が被せられている。また、ケーシング３６の外周側は、空気が通る通路を挟んでカバー３２により被われている。

熱交換用パイプ７１は、先端側の端部がケーシング３１の先端側外周に開口しており、基端側の端部がケーシング３１の基端側外周に開口している。熱交換用パイプ７１の先端側開口は、加熱炉４０の内側にあり、熱交換用パイプ７１の基端側開口は、排気ポート７３に隣接して配置されている。

カバー３２の基端側端部付近には、二次エアインテーク３４が接続され、カバー３２の内側通路に二次燃焼用エアを供給するように構成されている。ケーシング３６の先端側は、二次燃焼用エアがケーシング３６の先端側を回り込んで熱交換用パイプ７１の周りに流れるように隙間があけられている。また、フィン７２は、上述のように分割配置された各フィン７２が周方向の３分の２程度をカバーする大きさとされており、各フィン７２は、周方向の３分の１程度の開口が互い違いとなるように配置されている。また、各フィン７２のうち最も基端側に位置するものよりも基端側に位置するケーシング３１には、その周方向に複数の開口３１ａが穿設されている。その結果、二次エアインテーク３４から供給された二次燃焼用エアは、図１７の矢印３４ａで示すように流れて、熱交換用パイプ７１からの熱を受けて加熱される。その二次燃焼用エアは、エアノズル１６の貫通孔１６ａから噴射される。なお、二次エアインテーク３４、カバー３２、ケーシング３６、ケーシング３１及び貫通孔１６ａは、本発明のガス供給路に相当する。

図１６、１７のように、燃料パイプ１１に沿ってスパークロッド１８ｂが設けられている。スパークロッド１８ｂは、その先端側が噴射ノズル１２付近に位置し、基端側がバーナ１の基端側に突出し、スパーク発生回路（図示略）に接続可能とされている。

＜第３実施形態のシステム構成＞
第３実施形態のバーナ１のシステム構成は、第１実施形態のものと同一であるが、排気ポート７３に接続された排気路（図示略）が第１実施形態に比べて追加されている。その排気路には、スロットル弁（図示略）が設けられており、熱交換器７０を機能させるときは、スロットル弁を開放して熱交換用パイプ７１に加熱炉４０内の燃焼済ガスを通流させ、熱交換器７０を機能させないときは、スロットル弁を閉鎖して熱交換用パイプ７１に加熱炉４０内の燃焼済ガスを通流させないようにしている。

＜第３実施形態の作用（起動時、昇温時）＞
上述の第１実施形態の場合と全く同様にバーナ１が起動されて一次燃焼及び二次燃焼が行われる。

＜第３実施形態の作用（フレームレス燃焼時、昇温時）＞
上述の第１実施形態の場合と全く同様にフレームレス燃焼を行わせることができる。第１実施形態では、二次燃焼用エアの温度を高めるためにヒータ線２２に通電したが、第３実施形態の場合、熱交換器７０を作動状態とすることによっても二次燃焼用エアの温度を高めることができる。従って、第３実施形態の場合、ヒータ線２２及び熱交換器７０を適宜使い分けて二次燃焼用エアの温度を高めることができる。

＜第３実施形態の作用（省エネ運転時、温度維持時）＞
上述の第１実施形態の場合と全く同様に省エネ運転を行うことができる。このとき、排気ポート７３に接続されたスロットル弁は閉鎖されて熱交換器７０の機能を停止する。

＜第３実施形態の効果＞
第３実施形態においては、バーナ１をフレームレス燃焼させる場合、熱交換器７０を機能させることで、ヒータ線２２への通電を停止、若しくは抑制することができ、バーナ１の熱効率を高めることができる。

＜第４実施形態の構成＞
図１９、２０は、本発明の第４実施形態を示す。第４実施形態が第３実施形態に対して特徴とする点は、第３実施形態のバーナ１に対し、ヒータ線２５を追加した点である。その他の構成は、両者同一であり、同一部分には同一の符号を付して再度の説明は省略する。

ヒータ線２５は、カバー３２の外周側の先端側に巻き付けられている。ヒータ線２５は、ヒータ線２２と同様、通電されることにより発熱し、二次エアインテーク３４から供給され、カバー３２の内周側を通る二次燃焼用エア又は加熱炉４０内から還流される環流ガスを伝熱により加熱する。ヒータ線２５は、ヒータ線２２と同時に通電されるように接続するか、ヒータ線２２とは独立して通電されるように接続される。

＜第４実施形態の効果＞
第４実施形態では、第３実施形態に対してヒータ線２５が追加されているため、ヒータ線２２と同時にヒータ線２５を作動させることにより、二次燃焼用エア又は環流ガスに対する加熱量をより多くすることができる。また、ヒータ線２２とは違うタイミングでヒータ線２５を作動させることにより、二次燃焼用エア又は環流ガスに対する加熱量の制御のバリエーションをより多くすることができる。

＜その他の実施形態＞
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、燃料としては、ガス化された液体又は個体燃料、噴霧化された液体燃料、微粉化された個体燃料等を使用することができる。

上記実施形態では、バーナを加熱炉に設置したが、蒸気発生用ボイラーに設置してもよい。

燃料の燃焼による加熱は、上記実施形態のように、二次燃焼を伴うものに限定されない。一次燃焼のみで加熱を行うものでもよい。その場合、二次燃焼用エアを供給する経路は除去可能となる。

第４実施形態では、ヒータ線２２とヒータ線２５とを同時に備えるものとしたが、電気ヒータとしてヒータ線２５のみを備え、ヒータ線２２を備えない構成としてもよい。

１ バーナ
１１ 燃料パイプ（燃料噴射ノズル）
１１ａ ガスインテーク
１２ 噴射ノズル（燃料噴射ノズル）
１２ａ、１２ｂ 噴射口
１３ エアパイプ
１３ａ 一次エアインテーク
１４ 旋回羽根
１４ａ 旋回流
１５ バーナヘッド
１５ａ オリフィス板
１６ エアノズル
１６ａ 貫通孔（ガス供給路）
１７ ＳＵＳヘッド
１８ａ ＵＶセンサ用パイプ
１８ｂ スパークロッド
１９ 作業孔
２１ ヒータホルダ
２２ ヒータ線（電気ヒータ）
２３ 端子
２４ ベースプレート
２５ ヒータ線（電気ヒータ）
３１ ケーシング（ガス供給路）
３１ａ 開口
３２ カバー（ガス供給路）
３３ 断熱材
３４ 二次エアインテーク（ガス供給路）
３５ ケーシング
３６ ケーシング（ガス供給路）
４０ 加熱炉（加熱容器）
５０ バーナ回路
５０ａ ガス流路
５０ｂ 一次エア流路
５０ｃ 二次エア流路
５１ 開閉弁
５２ ブロア
５３ スロットル弁
５４ スロットル弁
６０ ヒータ回路
６０ａ 再循環ガス流路
６１ ブロア
６２ スロットル弁
７０ 熱交換器
７１ 熱交換用パイプ
７２ フィン
７３ 排気ポート
８０ 制御回路

Claims (5)

1. 加熱容器内でガス等の燃料を燃焼させて加熱容器内の被加熱物を加熱するバーナであって、
   ガス等の燃料を前記加熱容器内に噴射する燃料噴射ノズルと、
   該燃料噴射ノズルにより噴射された燃料の周りに燃焼用エアを供給するエアパイプと、
   前記加熱容器内から環流された環流ガスを前記加熱容器内に再循環するガス供給路と、
   該ガス供給路により再循環される環流ガスを加熱する電気ヒータと
   を備えるバーナ。
2. 請求項１において、
   前記ガス供給路には、環流ガスに代えて燃焼用エアが通流され、
   前記ガス供給路は、当該ガス供給路に流れる燃焼用エアを前記エアパイプにより供給される燃焼用エアの周りに供給する
   バーナ。
3. 請求項２において、
   前記ガス供給路の流路中で、当該ガス供給路に流れる燃焼用エアとの間で熱交換可能に設置され、内部に前記加熱容器内から環流ガスを通流させる熱交換用パイプを備える
   バーナ。
4. 請求項１において、
   前記加熱容器の要求熱量に応じてバーナを制御するバーナの制御装置であって、
   前記加熱容器内の温度を上昇させるとき、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を行って、燃料の燃焼による加熱を行う燃料燃焼手段と、
   前記加熱容器内の温度を維持するとき、前記電気ヒータを作動させ、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を停止する電気ヒータ作動手段と
   を備えるバーナの制御装置。
5. 請求項４において、
   前記加熱容器内の温度を上昇させるとき、前記燃料噴射ノズルによる燃料の噴射、及び前記エアパイプによる燃焼用エアの供給を行って、燃料の燃焼による加熱を行い、同時に、前記電気ヒータを作動させた状態で、前記ガス供給路に燃焼用エア及び／又は前記環流ガスを供給して燃焼用エア及び／又は前記環流ガスの温度を上昇させる複数熱源作動手段を備える
   バーナの制御装置。

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