JP2020165598A - 予混合燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】予混合燃焼バーナにおいて、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化を防ぐ。【解決手段】予混合燃焼バーナは、バーナ軸を中心とする第１周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、第１周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、混合部の先端側に設けられ、バーナ軸を中心とする第２周壁を有し、第２周壁の内周に混合領域と連続する予混合気通路が形成され、第２周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、混合部の基端側に設けられ、第１ヘッダ室、第１ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第２ヘッダ室、及び、第２ヘッダ室と混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備える。第１周壁の内部に、第１ヘッダ室と冷却通路の入口とを接続する往路と、冷却通路の出口と第２ヘッダ室とを接続する復路とが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス燃料と空気を予め混合して噴出する予混合燃焼バーナに関する。

従来、予め燃料と酸素とを最適な比率で混ぜ合わせた予混合気を、火口で燃焼させる予混合燃焼バーナが知られている。予混合燃焼バーナは、燃料に空気を予め混合させていることにより安定した火炎を作れるというメリットがある。一方で、予混合燃焼バーナは、水素ガスなどの燃焼速度の速いガス燃料を燃焼すると、火口の近傍まで火炎が近づくことによって部品の高温化や酸化減肉や溶損が生じたり、逆火が生じたりするという課題がある。なお、逆火とは、火炎が火口からガスの供給側へ戻る現象である。

そこで、特許文献１では、予混合燃焼バーナにおいて逆火を防止する技術が提案されている。特許文献１の予混合燃焼バーナは、基端側と末端側との間で燃料を折り返し流通させる折返部を含む燃料通路と、燃料通路を囲む予混合気通路と、燃料通路を通過した燃料を予混合気通路の基端側から末端側に向けて導入する燃料導入部と、基端側において予混合気通路に空気を供給する空気供給部とを備える。この予混合燃焼バーナでは、燃料通路内に設けた折返部を低温の燃料が通過することによって、燃料通路の外周が冷却される。予混合気通路に進入した火炎は、低温の燃料通路の外周に干渉して消炎される。

特開２０１６−９０１４１号公報

特許文献１の予混合燃焼バーナでは、前述の予混合燃焼バーナの課題のうち、逆火を防ぐことができるが、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損については十分に解決されているとはいえない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、予混合燃焼バーナにおいて、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損を防ぐ技術を提案することにある。

本発明の一態様に係る予混合バーナは、
バーナ軸を中心とする第１周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、前記第１周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、
前記混合部の先端側に設けられ、前記バーナ軸を中心とする第２周壁を有し、前記第２周壁の内周に前記混合領域と連続する予混合気通路が形成され、前記第２周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、
前記混合部の基端側に設けられ、第１ヘッダ室、前記第１ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第２ヘッダ室、及び、前記第２ヘッダ室と前記混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備え、
前記第１周壁の内部に、前記第１ヘッダ室と前記冷却通路の入口とを接続する往路と、前記冷却通路の出口と前記第２ヘッダ室とを接続する復路とが形成されているものである。

上記構成の予混合燃焼バーナでは、第１ヘッダ室、往路、冷却通路、復路、及び第２ヘッダ室からなる一連の燃料流路が形成されており、この燃料通路を低温のガス燃料が流れる。これにより、ノズル部の周壁、及び、混合部の周壁は、内部を流れる低温のガス燃料との熱交換によって冷却される。

上記構成の予混合燃焼バーナでは、ノズル部の周壁が冷却されており、周壁の表面の高温化が抑制されている。よって、ノズル部の周壁の表面での酸化物スケールの生成が抑制され、ひいては、ノズル部の酸化減肉が抑制される。

上記構成の予混合燃焼バーナでは、ノズル部の冷却により、予混合気通路を通過する予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を抑えることができる。更に、混合部の周壁の冷却によっても予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を更に効果的に抑えることができる。

このように予混合燃焼バーナでは、予混合気の燃焼速度の上昇が抑えられているので、ノズル部を冷却しない場合と比較して、火口から火炎を遠ざけることができる。これによって、ノズル部の高温化が更に抑制されるとともに、火炎によるノズル部の溶損を防ぐことができる。更に、上記構成の予混合燃焼バーナでは、前述の通り燃焼速度の上昇が抑えられることによって、逆火の発生が抑制される。

本発明によれば、予混合燃焼バーナにおいて、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損を防ぐ技術を提案することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る予混合燃焼バーナの断面斜視図である。 図２は、図１に示す予混合燃焼バーナの断面図である。 図３は、図２のIII−III断面図である。 図４は、図２のIV−IV断面図である。 図５は、図２のＶ−Ｖ断面図である。 図６は、図２のVI−VI断面図である。 図７は、図２のVII−VII断面図である。 図８は、図２のVIII−VIII断面図である。 図９は、図２のIX−IX断面図（ノズル部の周壁の周方向断面の展開図）である。 図１０は、変形例１に係る冷却通路４Ａを示す、ノズル部の周壁の周方向断面の展開図である。 図１１は、変形例２に係る冷却通路４Ｂを示す、ノズル部の周壁の周方向断面の展開図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る予混合燃焼バーナ１の断面斜視図であり、図２は、図１に示す予混合燃焼バーナ１の断面図である。図３〜９は、それぞれ、図２に示す予混合燃焼バーナ１の図番と対応する符号III〜IXの断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１は、その中心にバーナ軸Ａが規定され、バーナ軸Ａの延伸方向が軸方向Ａ１と規定される。軸方向Ａ１は、ガス燃料と空気との予混合気の噴出方向と平行である。予混合燃焼バーナ１は、全体として、バーナ軸Ａを軸心とする基端閉塞・先端開放の厚肉円筒状を呈する。

予混合燃焼バーナ１は、ノズル部１１と、ノズル部１１の基端側にある混合部１２と、混合部１２の基端側にあるヘッダ部１３とを有する。

図１，２，７及び８に示すように、ノズル部１１は、バーナ軸Ａを中心とする厚肉円筒状を呈する。ノズル部１１の内周には、予混合気通路１８が形成されている。ノズル部１１の先端は、予混合気通路１８を軸方向Ａ１に流れた予混合気が噴き出す火口１４である。

ノズル部１１の第２周壁１１１の内部には、ガス燃料が通過する冷却通路４が張り巡らされている。冷却通路４は、ノズル部１１の基端部に複数の入口４１及び出口４２を有する。入口４１と出口４２は、ノズル部１１の周方向Ｃ１に交互に並ぶ。本実施形態では、４組の入口４１及び出口４２が交互に周方向に並んでいる。

図９は、ノズル部１１の第２周壁１１１の周方向断面の展開図である。図９に示すように、冷却通路４は、ノズル部１１の周方向Ｃ１に並ぶ複数の直線部４５と、ノズル部１１の先端部において隣接する直線部４５を接続する折返部４６と、ノズル部１１の基端部において隣接する直線部４５を接続する折返部４７とを有する。先端部の折返部４６と、基端部の折返部４７とは、一連の冷却通路４において交互に設けられている。つまり、冷却通路４は、直線部４５、折返部４６、直線部４５、及び折返部４７を順に繰り返す。このような冷却通路４は、軸方向Ａ１に蛇行しながらノズル部１１の周方向Ｃ１に進む。

図１，２及び６に示すように、混合部１２は、バーナ軸Ａを中心とする厚肉円筒状を呈する。混合部１２の内周側には、ガス燃料と空気とが混合する混合領域１５が形成されている。混合領域１５と予混合気通路１８とは軸方向Ａ１に連続している。

混合部１２の第１周壁１２１には、空気を導入するための複数の空気供給口５１が開口している。複数の空気供給口５１は、周方向に並んでいる。隣接する空気供給口５１の間は、軸方向Ａ１に延びる柱部５２となっている。各柱部５２内には、軸方向Ａ１に延びる往路５３又は復路５４が設けられている。往路５３は、冷却通路４の入口４１と接続される。復路５４は、冷却通路４の出口４２と接続される。よって、冷却通路４の入口４１及び出口４２と同様に、往路５３及び復路５４は交互に周方向に並ぶ。

図１〜５に示すように、ヘッダ部１３には、第１ヘッダ室６１、第１ヘッダ室６１へガス燃料を供給する燃料供給口６４、第２ヘッダ室６２、及び、第２ヘッダ室６２と混合領域１５を連通する燃料噴射口６５が形成されている。第１ヘッダ室６１と第２ヘッダ室６２とは、軸方向Ａ１に並び、第１ヘッダ室６１は第２ヘッダ室６２の基端側にある。

第１ヘッダ室６１は、燃料供給口６４を介してガス燃料供給源と接続されている。第１ヘッダ室６１には、燃料供給口６４を通じてガス燃料が供給される。また、第１ヘッダ室６１には往路接続部５３ａが設けられている。往路接続部５３ａは、混合部１２の往路５３と接続される。これにより、第１ヘッダ室６１のガス燃料は、往路接続部５３ａを介して往路５３へ流れ出る。

第２ヘッダ室６２には、復路接続部５４ａが設けられている。復路接続部５４ａは、混合部１２の復路５４と接続されている。これにより、第２ヘッダ室６２には、復路５４からガス燃料が流入する。また、第２ヘッダ室６２には、複数の燃料噴射口６５が開口している。各燃料噴射口６５は、混合領域１５へ向かって、軸方向Ａ１と平行に開口している。これにより、第２ヘッダ室６２のガス燃料は、燃料噴射口６５を通じて予混合気通路１８へ軸方向Ａ１に噴出する。

上記構成の予混合燃焼バーナ１において、ガス燃料供給源から圧送されてきたガス燃料は、燃料供給口６４を通じて第１ヘッダ室６１へ流入する。第１ヘッダ室６１に流入したガス燃料は、周方向に並ぶ複数の往路５３に分配されて、往路５３を軸方向Ａ１に通過して、冷却通路４の入口４１に至る。入口４１から冷却通路４へ流入したガス燃料は、冷却通路４を通過して、出口４２へ至る。冷却通路４を通過する低温のガス燃料によって、ノズル部１１の第２周壁１１１が冷却される。冷却通路４の出口４２から出たガス燃料は、復路５４を軸方向Ａ１に通過して、第２ヘッダ室６２へ流入する。第２ヘッダ室６２に流入したガス燃料は、複数の燃料噴射口６５を通じて混合領域１５へ噴出する。混合領域１５では、空気供給口５１から導入した空気とガス燃料とが混合して、予混合気が生成される。生成された予混合気は、予混合気通路１８を軸方向Ａ１に通過して、火口１４から噴出する。

以上に説明したように、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１は、混合部１２と、混合部１２の先端側に設けられたノズル部１１と、ノズル部１１の基端側に設けられたヘッダ部１３とを備える。混合部１２は、バーナ軸Ａを中心とする第１周壁１２１を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域１５が形成され、第１周壁１２１に周方向に並ぶ複数の空気供給口５１が開口している。ノズル部１１は、バーナ軸Ａを中心とする第２周壁１１１を有し、内周に混合領域１５と連続する予混合気通路１８が形成され、第２周壁１１１の内部に冷却通路４が形成されている。ヘッダ部１３は、第１ヘッダ室６１、第１ヘッダ室６１へガス燃料を供給する燃料供給口６４、第２ヘッダ室６２、及び、第２ヘッダ室６２と混合領域１５を連通する燃料噴射口６５が形成されている。混合部１２の第１周壁１２１の内部に、第１ヘッダ室６１と冷却通路４の入口４１とを接続する往路５３と、冷却通路４の出口４２と第２ヘッダ室６２とを接続する復路５４とが形成されている。

上記構成の予混合燃焼バーナ１では、第１ヘッダ室６１、往路５３、冷却通路４、復路５４、及び第２ヘッダ室６２からなる一連の燃料流路が形成されており、この燃料通路を低温のガス燃料が流れる。これにより、ノズル部１１の第２周壁１１１、及び、混合部１２の第１周壁１２１は、内部を流れる低温のガス燃料との熱交換によって冷却される。

ノズル部１１の酸化減肉は、高温の予混合気とノズル部１１の第２周壁１１１との接触により第２周壁１１１の表面に酸化物スケールが生じて、このスケールの割れや剥離により進行する。本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１では、ノズル部１１の第２周壁１１１が冷却されており、第２周壁１１１の表面の高温化が抑制されている。よって、ノズル部１１の第２周壁１１１の表面での酸化物スケールの生成が抑制され、ひいては、ノズル部１１の酸化減肉が抑制される。

ノズル部１１が高温となると、予混合気通路１８を通る予混合気の温度が高くなって、燃焼速度が速くなる。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１では、ノズル部１１の冷却により、予混合気通路１８を通過する予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を抑えることができる。更に、混合部１２の第１周壁１２１の冷却によっても予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を更に効果的に抑えることができる。

このように予混合燃焼バーナ１では、予混合気の燃焼速度の上昇が抑えられているので、ノズル部１１を冷却しない場合と比較して、火口１４から火炎を遠ざけることができる。これによって、ノズル部１１の高温化が更に抑制されるとともに、火炎によるノズル部１１の溶損を防ぐことができる。

予混合気の流速より燃焼速度が速い場合に、逆火が生じる。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１では、前述の通り燃焼速度の上昇が抑えられることによって逆火の発生が抑制される。更に、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１では、ノズル部１１の第２周壁１１１が連続的に冷却されているので、たとえ火炎が火口１４を通じて予混合気通路１８内に進入したとしても、冷却された第２周壁１１１に接触して消化される。そのため、予混合燃焼バーナ１では、逆火を確実に防ぐことができる。

水素ガスは、天然ガスよりも燃焼速度が速い。このため、水素ガスを含む燃料を燃焼するバーナは、天然ガスのみを燃料として燃焼するバーナよりも逆火が生じる可能性が高い。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１では、前述の通り逆火の発生が抑制されるので、通常のバーナでは使用できない高濃度水素ガスを燃料として使用することが可能となる。

また、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１において、冷却通路４は、ノズル部１１の周方向Ｃ１に並ぶ複数の直線部４５と、ノズル部１１の先端部又は基端部において隣接する直線部４５を接続する折返部４６，４７とを有し、軸方向Ａ１に蛇行しながらノズル部１１の周方向Ｃ１に進むものである。

このように、冷却通路４では、ノズル部１１のうち最も高温となる先端部に折返部４６が設けられている。折返部４６では、ノズル部１１の第２周壁１１１と冷却通路４を流れるガス燃料との衝突が生じるので、より効果的にノズル部１１の第２周壁１１１を冷却することができる。また、冷却通路４は、ノズル部１１の第２周壁１１１の内部を蛇行しており、これにより、第２周壁１１１にガス燃料をムラなく通過させることができる。よって、第２周壁１１１の冷却の偏りが生じたり、冷却通路４内でガス燃料の停滞が生じたりすることが抑制される。

また、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ１において、混合部１２はバーナ軸Ａの軸方向Ａ１に延びる複数組の往路５３及び復路５４を有し、往路５３及び復路５４が混合部１２の周方向に交互に並んでいる。

このように、混合部１２の第１周壁１２１には、冷却通路４に入る前のガス燃料が流れる往路５３と、冷却通路４を通過した後のガス燃料が流れる復路５４とが、周方向に交互に表れる。これにより、混合部１２の第１周壁１２１を均一に冷却することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の冷却通路４の構成は、例えば、以下のように変更することができる。

〔冷却通路４の変形例１〕
図１０は、変形例１に係る冷却通路４Ａを示す、ノズル部１１Ａの第２周壁１１１Ａの周方向断面の展開図である。図１０に示すように、変形例１に係る冷却通路４Ａは、ノズル部１１Ａの第２周壁１１１Ａ内を周方向Ｃ１に蛇行している。より詳細には、冷却通路４Ａは、軸方向Ａ１に延びる導入部８１と、ノズル部１１の先端部に設けられた折曲部８２と、軸方向Ａ１に並ぶ複数の円弧部８３と、隣接する円弧部を接続する折返部８４とを有する。そして、冷却通路４は、先ず、導入部８１及び折曲部８２によってノズル部１１の先端部へ到達してから、円弧部８３と折返部８４とを繰り返すことによって、ノズル部１１の周方向Ｃ１に蛇行しながら軸方向Ａ１へ進む。

このような冷却通路４Ａでは、ノズル部１１のうち最も高温となる先端部から先にガス燃料が流れるので、ノズル部１１の先端部が積極的に冷却される。

〔冷却通路４の変形例２〕
図１１は、変形例２に係る冷却通路４Ｂを示す、ノズル部１１Ｂの第２周壁１１１Ｂの周方向断面の展開図である。図１１に示すように、変形例２に係る冷却通路４Ｂは、ノズル部１１Ｂの第２周壁１１１Ｂ内に形成された、筒状又は分割筒状の空間８６である。空間８６内には、ノズル部１１の基端部に設けられた入口４１から入ったガス燃料を、ノズル部１１の先端部に導く整流板８７が適宜位置に設けられている。整流板８７は第２周壁１１１Ｂを補強するリブとしても機能する。

このような冷却通路４Ｂでは、実施形態に係る冷却通路４と比較してガス燃料の流れに幾分かの偏りが生じやすいが、冷却通路４Ｂの加工が容易である。

１ ：予混合燃焼バーナ
４，４Ａ，４Ｂ：冷却通路
１１，１１Ａ，１１Ｂ：ノズル部
１２ ：混合部
１３ ：ヘッダ部
１４ ：火口
１５ ：混合領域
１８ ：予混合気通路
４１ ：入口
４２ ：出口
４５ ：直線部
４６ ：折返部
４７ ：折返部
５１ ：空気供給口
５２ ：柱部
５３ ：往路
５４ ：復路
６１ ：第１ヘッダ室
６２ ：第２ヘッダ室
６４ ：燃料供給口
６５ ：燃料噴射口
８１ ：導入部
８２ ：折曲部
８３ ：円弧部
８４ ：折返部
８６ ：空間
８７ ：整流板
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ：第２周壁
１２１ ：第１周壁
Ａ ：バーナ軸
Ａ１ ：軸方向
Ｃ１ ：周方向

Claims (3)

1. バーナ軸を中心とする第１周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、前記第１周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、
   前記混合部の先端側に設けられ、前記バーナ軸を中心とする第２周壁を有し、前記第２周壁の内周に前記混合領域と連続する予混合気通路が形成され、前記第２周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、
   前記混合部の基端側に設けられ、第１ヘッダ室、前記第１ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第２ヘッダ室、及び、前記第２ヘッダ室と前記混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備え、
   前記第１周壁の内部に、前記第１ヘッダ室と前記冷却通路の入口とを接続する往路と、前記冷却通路の出口と前記第２ヘッダ室とを接続する復路とが形成されている、
   予混合燃焼バーナ。
2. 前記冷却通路は、前記ノズル部の周方向に並ぶ複数の直線部と、前記ノズル部の先端部又は基端部において隣接する前記直線部を接続する折返部とを有し、前記バーナ軸の軸方向に蛇行しながら前記ノズル部の周方向に進む、
   請求項１に記載の予混合燃焼バーナ。
3. 前記混合部は前記バーナ軸の軸方向に延びる複数組の前記往路及び前記復路を有し、前記往路及び前記復路が前記混合部の周方向に交互に並ぶ、
   請求項１又は２に記載の予混合燃焼バーナ。

Images