JP2020169771A - 燃料噴射ノズル及びバーナー - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧燃料に対して十分に酸素を供給できるようにして、燃焼に際して燃料のガス化が行え、燃焼効率を大幅に向上できるようにする。【解決手段】エアＡと燃料Ｆを混合して先端の噴口１２から噴射する燃料噴射ノズル１１において、ノズルボディ１３の軸心部に形成されてエアを供給するエア供給路３１と、エア供給路３１の先端に形成されたエア噴口３３と、エア噴口３３よりも先端側に形成されてエアＡと燃料Ｆを混合する混合室３７と、ノズルボディ１３の肉厚内における混合室３７よりも外周側に、混合室３７との間に環状の隔壁部４４を介して形成されてノズルボディ１３の全周に延びる環状路４１と、ノズルボディ１３の外周面の燃料供給口４５と環状路４１とを連通する燃料導入路４２と、環状路４１から前方にのびて混合室３７に露出する隔壁部４４の先端面４４ａに開口した複数の溝部４３を備え、噴口１２の口径を混合室３７よりも小径に形成した。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば軽油、灯油、重油、ガソリンなど適宜の燃料、特に油と水の混合燃料の燃焼にも使用できる燃料噴射ノズルに関する。

燃料噴射ノズルは、燃料に空気を混合する際に、下記特許文献１のように空気を高圧で噴射するとともに、噴霧空気に燃料を吸引させて、空気と燃料を混合し、そのまま噴射する。

しかし、噴霧空気に燃料を吸引させるときに、燃料粒子の周囲が、いわば真空に近い状態になって酸素が乏しくなるので、たとえ燃料粒子の微細化ができても、不完全燃焼が起こりやすく、少なからず煤が発生する。

特開平９−１７０７１７号公報

この発明は、燃料に対して十分に酸素を供給できるようにして、燃焼に際して燃料のガス化が行え、燃焼効率を大幅に向上できるようにすることを主な目的とする。

そのための手段は、内部においてエアと燃料を混合して先端の噴口から噴射する燃料噴射ノズルであって、ノズルボディの軸心部に形成されてエアを供給するエア供給路と、前記エア供給路の先端に形成されたエア噴口と、前記エア噴口よりも先端側に形成されてエアと燃料を混合する混合室と、前記ノズルボディの肉厚内における前記混合室よりも外周側に、前記混合室との間に環状の隔壁部を介して形成されて前記ノズルボディの全周に延びる環状路と、前記ノズルボディの外周面の燃料供給口と前記環状路とを連通する燃料導入路と、前記環状路から前記ノズルボディに沿って前方にのびて前記混合室に露出する前記隔壁部の先端面に開口した複数の溝部を備え、前記噴口の口径が、前記混合室よりも小径に形成された燃料噴射ノズルである。

この構成では、エア供給路を通りエア噴口から噴出されたエアが混合室内に高速の噴流を生じさせる。そしてエアが、混合室より小径の噴口から出る前に、燃料供給口から環状路、溝部を通って供給される燃料を、混合室内でのエアの噴流に混ぜ込み、燃料粒子の微細化と空気の混合を行う。

この発明の燃料噴射ノズルによると、酸素が豊富で微細な燃料粒子が得られる。このため、燃焼に際して燃焼の熱分解過程での酸素不足を解消し、燃料のガス化が行え、煤の発生をなくして、燃焼効率を大幅に向上できる。

燃料噴射ノズルの断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。 内筒部材の先端部の斜視図。 バーナーの断面図。 燃料噴射ノズルの作用状態を示す断面図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１に、燃料噴射ノズル１１の断面図を示す。この燃料噴射ノズル１１は、内部においてエアＡと燃料Ｆを混合して、先端の噴口１２からエアＡと燃料Ｆが混合した霧状の燃料を噴射するものである。

燃料噴射ノズル１１の本体であるノズルボディ１３は、全体として円柱状に形成されており、ノズルボディ１３の先端に、前述の噴口１２を有する先端部材１５を備えている。

ノズルボディ１３の長さは適宜設定され、長手方向にのびるノズルボディ１３の軸心部に、後端側からから先端側に向けてエアＡを供給するエア供給路３１が形成されている。エア供給路３１は中空円柱状の軸心部材３２に、適宜の径で形成される。軸心部材３２の後端は閉鎖されているとともに、先端は半球状に形成されて、中心にエアＡを噴出するエア噴口３３が形成されている。エア噴口３３の口径や形状は適宜設定される。また、軸心部材３２の後端側の外周面には、エア供給路３１の後端に連通するエア導入口３４が形成されている。

ノズルボディ１３における軸心部材３２よりも外周側部分は、互いに内外に重なり合う内筒部材３５と外筒部材３６を有している。

内筒部材３５は、軸心部材３２が嵌る内径の穴部３５ａを有する円筒形状であり、内筒部材３５の長さは、軸心部材３２よりも長く形成されている。また、内筒部材３５の後端部における外周面であって軸心部材３２の後端を内筒部材３５の後端に合わせた際に前述したエア導入口３４に対応する部位に、貫通穴３５ｂが形成されている。

内筒部材３５の内部空間のうちの先端部であって、軸心部材３２のエア噴口３３よりも先端側の部分が、エアＡと燃料Ｆを混合する混合室３７の一部である。内筒部材３５の長手方向における混合室３７の一部に相当する部分の長さは適宜設定される。

外筒部材３６は、内筒部材３５が嵌る内径の穴部３６ａを有する略円筒形状である。外筒部材３６の後端は基本的に閉鎖されている。また、外筒部材３６の後端部における外周面であって内筒部材３５の後端を外筒部材３６の後端に合わせた際に前述した貫通穴３５ｂに対応する部位に、エア供給口３６ｂが貫通形成されている。

外筒部材３６の長さは、内筒部材３５の後端を外筒部材３６の後端に合わせて収容した際に、内筒部材３５の先端面と面一になる長さに設定されている。

図２は、図１のＢ−Ｂ断面図であり、この図にも示すように、内筒部材３５の先端部には燃料Ｆを供給するための構造が形成されている。すなわち、ノズルボディ１３の肉厚内における混合室３７よりも外周側に、環状路４１と、燃料導入路４２と、溝部４３を備えている。

環状路４１は、混合室３７との間に環状の隔壁部４４を介して形成されており、ノズルボディ１３の全周に延びる環状である。ノズルボディ１３は内筒部材３５と外筒部材３６を有するので、環状路４１は図３に示したように、内筒部材３５の外周面に形成される。環状路４１は全周にわたって同一幅である。環状路４１の幅や深さ、形状は適宜設定されるとよい。

環状路４１の形成位置は、環状路４１よりも先端側に形成される溝部４３の長さを所望の長さにできる位置に設定される。図示例では、環状路４１は、軸心部材３２のエア噴口３３と内外で対応する程度の位置関係になるように設定されている。

燃料導入路４２は、ノズルボディ１３の外周面の燃料供給口４５と環状路４１を連通する部分であり、外筒部材３６に内外方向に貫通形成されている。

溝部４３は、環状路４１からノズルボディ１３に沿って前方にのびて混合室３７に露出する隔壁部４４の先端面４４ａに開口しており、複数形成される。環状路４１が内筒部材３５の外周面に形成されているので、溝部４３も内筒部材３５の外周面に形成される。

溝部４３の形状は直線状であり、内筒部材３５の長手方向に沿ってまっすぐに延びている。溝部４３の本数は適宜設定されるが、複数の溝部４３は、内筒部材３５の周方向に均等配置される。

内筒部材３５の先端部における環状路４１から先端側の部分であって、環状路４１と溝部４３よりも内周側の部分が、前述した隔壁部４４である。

この隔壁部４４の先端面４４ａには、図３に示したように、隔壁部４４の内周面、つまり内筒部材３５の内周面と溝部４３を径方向につなぐ複数の先端溝４６が形成されている。先端溝４６は直線状であり、放射状にのびている。先端溝４６の幅や深さは適宜設定され、例えば内筒部材３５の外周面の溝部４３と同一又は同程度に設定するとよい。

ノズルボディ１３の先端面に固定される先端部材１５は円板状であり、中央に、前述した噴口１２が形成されている。噴口１２の口径は混合室３７よりも小径であり、口径は適宜設定される。

先端部材１５の内面における噴口１２よりも外周側には、凹状に凹む凹段部５１が形成されている。凹段部５１は正面視円形であり、凹段部５１の直径は、内筒部材３５の外径に対応する大きさである。凹段部５１の内底面のうちの外周側部分は、内筒部材３５の隔壁部４４の先端面４４ａとの間に隙間をあけて対向する対向面５２である。

外筒部材３６を内筒部材３５の長さより先端側に突出するように長く形成して、前述した隙間が形成できる場合には、先端部材１５の凹段部５１は省略してもよい。

凹段部５１の外周側部分から噴口１２に移行する部分には円錐状の傾斜面５３が形成されている。

以上のような構成の燃料噴射ノズル１１を好適に使用できるバーナー７１について、次に説明する。

バーナー７１の概略構造を示す図４のように、バーナー７１は、筒状をなす外装体７２を備えている。外装体７２は横置き型である。外装体７２の内部は燃焼室７３であり、長手方向の基端部は吸い込み口７４、先端部は炎を噴き出す噴き出し口７５である。外装体７２は、上流側に位置する上流側筒部７６と、上流側筒部７６の先端側を被覆する大きさの下流側筒部７７を有しているため、吸い込み口７４は上流側筒部７６に形成され、噴き出し口７５は下流側筒部７７に形成されることになる。

上流側筒部７６と下流側筒部７７は鋼管製である。下流側筒部７７の内周面には耐火層７７ａが形成されている。耐火層７７ａの形成には、急熱・急冷に耐え得る材料、例えばキャスタブルや不定形耐火物と称される耐火コンクリートを使用できる。

また吸い込み口７４には、外装体７２内の基端側から先端側に向けてエアを供給する送風器７８が接続されている。送風器７８には、例えばプレートファンなど、適宜の装置を使用できる。

吸い込み口７４の中央であって送風器７８より下流側には、送風器７８からのエア供給を妨げずに燃料噴射ノズル１１が備えられる。燃料噴射ノズル１１は、霧化した燃料を噴射する噴口１２を外装体７２の先端側に向けて備えられている。

下流側筒部７７における噴口１２から噴霧される燃料が達する位置には、燃料に対する着火のための着火手段８１が備えられている。着火手段８１は、着火用ヒータ８２と、着火用ヒータ８２に着火用燃料８３を供給する着火燃料供給部８４で構成される。着火用ヒータ８２には、セラミックヒータ等の適宜の手段を使用できる。

着火用ヒータ８２は、外装体７２の下流側筒部７７における上部に内蔵されている。具体的には、下流側筒部７７の肉厚内における耐火層７７ａの厚み内に、鋼製の筒体８５に包囲されて備えられる。着火用ヒータ８２の先端の発熱部８２ａは筒体８５に収容されており、筒体８５の先端と耐火層７７ａとの間には、隙間８６が形成されている。

下流側筒部７７における着火用ヒータ８２より上には、下流側筒部７７に沿って延びて着火用燃料８３を供給する着火燃料供給路８４ａが形成される。着火燃料供給路８４ａの端部であって着火用ヒータ８２の発熱部８２ａに対応する部位には、供給された着火用燃料８３を着火用ヒータ８２の発熱部８２ａに滴下するための連通穴８７が形成されている。

着火用ヒータ８２に加えて、着火用補助ヒータ８８も備えられる。つまり、着火用補助ヒータ８８は、着火用ヒータ８２を内蔵した位置の反対側である下流側筒部７７の下部に内蔵されている。下流側筒部７７に対する内蔵の態様は、着火用ヒータ８２の場合と同じである。着火用補助ヒータ８８の発熱部８８ａの上方には、下流側筒部７７の内周面に連通して着火用燃料８３の滴下を可能とする貫通穴８９が形成されている。着火用補助ヒータ８８も、セラミックヒータ等の適宜の手段で構成できる。

外装体７２の先端側の部位、つまり下流側筒部７７の先端側の部位には、下流側筒部７７の内径を基端側の部位よりも小さくする絞り部９１が形成されている。絞り部９１は耐火層７７ａと同様に耐火コンクリートからなる成形品を一体化して構成される。

絞り部９１は、全周に壁を有する筒状であり、前後方向（噴き出し方向）に沿って切断した壁の断面形状が三角形である。壁の断面形状は、図示例のような直角三角形のほか、二等辺三角形や半円形、台形などの他の形状であってもよい。また、三角形の場合でもその他の形状の場合でも、基端側において内周面に対して切り立つ部位９１ａの角度や高さは、適宜設定できる。

絞り部９１は内周面に複数本の溝９２を有している。溝９２は噴き出し方向、つまり外装体７２の長手方向に沿って延びており、長手方向の全体において同一幅であり、周方向に適宜の間隔をあけて等間隔に配設されている。溝９２の本数や幅、形状は適宜設定される。

以上のように構成されたバーナー７１は、送風器７８による送風と、燃料噴射ノズル１１による霧化された燃料の噴射と、着火手段８１による着火動作を同時に行って、混合燃料を燃焼させる。

まず、燃料噴射ノズル１１による燃料の噴霧は、次のようになされる。

図５に示したように、エア供給路３１を通ってエア噴口３３から噴射される圧搾エアＡは、混合室３７内に激しい流れを生み、先端部材１５の凹段部５１に衝突して戻されて混合室３７内の圧力を高めるとともに流動し、先端部材１５の噴口１２から噴射される。噴口１２から噴射される前に、混合室３７内で激しく流動する圧搾エアＡは、燃料供給口４５、燃料導入路４２、環状路４１、溝部４３を通って入り込む燃料を吸引して巻き込んで、引き千切るとともにエアＡに混ぜ合わせる。

また、燃料が伝わる溝部４３の先である隔壁部４４の先端面４４ａには、隔壁部４４の内周面と溝部４３とを径方向につなぐ先端溝４６が形成されているので、隔壁部４４の厚みが厚くても、燃料の巻き込みは効果的に行える。しかも、先端溝４６は溝であって、貫通穴ではないので、不測に詰まりが発生することも回避できる。

そのうえ、溝部４３と共に先端溝４６も周方向に均等に配設されているので、燃料はエアＡに対してムラなく均一に混ざる。

特に、凹段部５１には、溝部４３を開口している隔壁部４４の先端面４４ａとの間に隙間をあけて対向する対向面５２が形成されている。対向面５２は、流動する圧搾エアに抵抗を生じさせて圧力を高めるとともに激しい流れを生じさせる。同時に対向面５２は、巻き込まれる燃料を衝突させて燃料粒子の微細化を促進させる。

このため、噴口１２から噴射される燃料は、良好に微細化されて霧状になるとともにエアを豊富に含んだ状態である。この結果、燃料が水と油の混合燃料であっても、燃焼にふさわしい状態にすることができる。

このように良好な燃料噴霧ができる燃料噴射ノズル１１であるが、前述のように燃料噴射ノズル１１は、燃料Ｆを供給するための構造を内筒部材３５と外筒部材３６を備えて構成している。つまり、内筒部材３５には環状路４１と溝部４３を形成し、外筒部材３６には燃料導入路４２を形成している。このため、構成部材の形状や組み付け態様を簡素にすることができて、製造も容易である。

つぎに、バーナー７１での燃焼では、送風器７８によって燃焼室７３内に吸い込み口７４から噴き出し口７５に向けてエアが送られる中、前述のようにして霧化された燃料噴射ノズル１１から噴霧される燃料が燃焼室７３内に広がる。そして着火手段８１の着火用燃料８３が連通穴８７を通って着火用ヒータ８２の発熱部８２ａに滴下し、着火用燃料８３が燃えて発火し、その火が隙間８６を通って燃焼室７３内に拡散している霧化した燃料に着火する。

着火用ヒータ８２に加えて着火用補助ヒータ８８も備えているので、着火用ヒータ８２で着火できない場合でも、着火用補助ヒータ８８に着火用燃料８３が貫通穴８９を通って滴下することで、着火用補助ヒータ８８でも着火ができる。このため、迅速な着火が確実性高く行える。

燃焼室７３内には絞り部９１が形成されており、燃焼室７３から噴き出し口７５にかけて移動しようとする燃料に抵抗を生じさせ、燃焼室７３内の燃料の濃度を高める。また絞り部９１は燃焼により温度が上昇し、これによって燃焼室７３内の温度を上げ、燃焼室７３内に滞留させられようとする噴霧燃料をガス化してエネルギー効率よく完全燃焼させる。

このように、バーナー７１による燃焼は、燃料噴射ノズル１１と絞り部９１の作用と相まって、より完全に行え、煤の発生を抑制できるものとなる。

以上の構成は、この発明を実施するための一形態であって、この発明は前述の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することもできる。

例えば燃料噴射ノズル１１のエア供給路３１は、ノズルボディ１３の後端から後方に延びる構成であってもよい。

燃料噴射ノズル１１の燃料供給口４５は複数備えて、例えば水と油を別々に供給して内部で混合させるように構成してもよい。

１１…燃料噴射ノズル
１２…噴口
１３…ノズルボディ
１５…先端部材
３１…エア供給路
３３…エア噴口
３５…内筒部材
３６…外筒部材
３７…混合室
４１…環状路
４２…燃料導入路
４３…溝部
４４…隔壁部
４４ａ…先端面
４５…燃料供給口
４６…先端溝
５２…対向面
７１…バーナー
７２…外装体
７８…送風器
９１…絞り部

Claims (5)

1. 内部においてエアと燃料を混合して先端の噴口から噴射する燃料噴射ノズルであって、
   ノズルボディの軸心部に形成されてエアを供給するエア供給路と、
   前記エア供給路の先端に形成されたエア噴口と、
   前記エア噴口よりも先端側に形成されてエアと燃料を混合する混合室と、
   前記ノズルボディの肉厚内における前記混合室よりも外周側に、前記混合室との間に環状の隔壁部を介して形成されて前記ノズルボディの全周に延びる環状路と、
   前記ノズルボディの外周面の燃料供給口と前記環状路とを連通する燃料導入路と、
   前記環状路から前記ノズルボディに沿って前方にのびて前記混合室に露出する前記隔壁部の先端面に開口した複数の溝部を備え、
   前記噴口の口径が、前記混合室よりも小径に形成された
   燃料噴射ノズル。
2. 前記隔壁部の先端面に、前記隔壁部の内周面と前記溝部とを径方向につなぐ複数の先端溝が形成された
   請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記ノズルボディが、内外に重なり合う内筒部材と外筒部材を有し、
   前記内筒部材の外周面に、前記環状路と前記溝部が形成され、
   前記外筒部材に、前記燃料導入路が形成された
   請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記噴口を有する先端部材に、前記隔壁部の先端面との間に隙間をあけて対向する対向面が形成された
   請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。
5. 筒状をなす外装体の基端側の部位に、請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルが、前記噴口を前記外装体の先端側に向けて備えられ、
   前記外装体の先端側の部位に、前記外装体の内径を基端側の部位よりも小さくする絞り部が形成されるとともに、
   前記燃料噴射ノズルよりも後端側から先端側に向けて前記外装体の内部にエアを噴き込む送風器が設けられた
   バーナー。

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