JP2022090920A - 予混合装置及び予混合式ガスバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガスと燃焼用空気との混合を良好にしつつ、コンパクト化及び低コスト化が可能な予混合措置及び予混合式ガスバーナを提供する。【解決手段】 燃料ガスと燃焼用空気と混合させて燃焼させる予混合式ガスバーナの予混合装置であって、ベンチュリ形の本体３と、前記本体内に燃料ガスの噴射孔が配置されたガスノズル４と、前記本体の入口側に設けられ、前記本体内に供給される燃焼用空気を旋回させる入口側旋回羽根５と、前記本体の出口側に設けられ、燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進するための出口側旋回羽根６と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合して混合気を形成する予混合装置、及び、予混合装置を備える予混合式ガスバーナに関する。

従来、ボイラ等に用いるガスバーナとしてメタルニット（繊維径５０μｍ前後の極細金属繊維の織布で多孔燃焼部を構成する。）等を用いた予混合式ガスバーナが知られている（例えば特許文献１）。

この種の予混合式ガスバーナにおける予混合気の形成は、燃焼用空気通路に設けたガス供給管から燃料ガスを噴射することにより行っているため、燃焼用空気内に燃料ガスを拡散することによる混合が主となり両者の混合状態は不十分である。その混合状態を良好にするために、ディフューザを設けたり、燃料ガスの噴射孔を絞って噴射速度を上げる等の手段を用いて混合を促進させるが、例えば、燃焼用空気通路内の圧力（ボイラの炉内圧力とディフューザ圧損の合計圧力）が１．５ｋＰａを超えてくると、燃料ガスの供給圧が低圧（２．０ｋＰａ）の場合に、ガス遮断弁等のガス配管の圧損が０．５ｋＰａ程度あるため、燃料ガスを供給できなくなる。

そこで、ベンチュリを用いたガス供給管や、ガス供給管を送風機の吸込部に配置するなどの様々な混合装置が提案されている（特許文献２～７）。

例えば特許文献２には、予混合式ガスバーナに用いられるベンチュリミキサが開示されている。このベンチュリミキサは、ベンチュリスロート部に燃焼用空気を高速で流すと、ベルヌーイの式で示されるように流速の２乗に比例してベンチュリスロート部の静圧が低下する。これに応じてゼロガバナで２次圧を一定に制御された燃料が吸引されるため、燃料ガスの低圧供給が可能となる。ベンチュリスロート部を通過した燃焼用空気と燃料ガスは、混合される。特許文献２では、混合性能の低下を補うために、ベンチュリミキサ出口に設けた燃料ノズルで旋回流を与えて急速混合を図っているが、圧損が増加するため、燃料ガスの吸引力とミキシング力を大きく得るためには、ベンチュリスロート部の流速を上げ、ベンチュリの圧力差を大きくする必要があり、送風機が大型（高静圧）化する。

そこで、特許文献３では、燃料供給管を複数配置することで、ベンチュリスロート部入口で乱流を促進させる構造としているが、燃料供給管が複雑な構造となるため高価になる。

また、特許文献４では、バーナダクトとベンチュリミキサとの間にガス室を形成し、ベンチュリミキサの渦流発生領域に燃料噴出部を配置することにより、渦の巻込み効果により混合を促進させ、均一な予混合気を得るが、燃料種の変更などにより燃料噴出部をカスタマイズする場合、バーナダクトと一体となっているため交換が困難である。

また、特許文献２や特許文献４等にも開示されているような従来のベンチュリミキサでは、供給する燃焼用空気の流れに乱れがあると吸引力の低下やミキシングに偏りが生じるため、ベンチュリミキサ前後にある程度の直管部を設けて流れを整流必要があり、コンパクト化には不向きである。

そこで、送風機の吸込み側に燃料ガスを供給し、送風機内で燃焼用空気と燃料ガスとを混合するファンミックスタイプの燃料供給装置が提案されている（特許文献５、６）。また、ファンミックスタイプにベンチュリミキサを組み合わせた燃料供給装置も提案されている（特許文献７）。

しかしながら、特許文献５～７に開示された燃料供給装置は、送風機内に可燃性ガスが充満しているため、送風機筐体に気密性を持たせる必要があり、ファンミックス専用の高価な送風機となる。また、送風機とバーナとを接続するダクトも可燃性ガスが充満しているため、操作ミス等の何らかの原因で、混合ガスの供給流量が低下して火炎伝播速度を下回ると、ダクト内を火炎が送付機側に伝播（逆火）し非常に危険である。その対策として逆火防止装置や逆火時の安全装置が取り付けられるが、それらも送風機を高価にする要因になっている。

特開２０２０-３４２２７号公報 特開平１－１１１１１４号公報 特表２００２－５３４６５２号公報 特許第２９５０１９６号明細書 特開平１０－３１８５２６号公報 特開平１０－８９６２８号公報 特開２０１７－１７２８１５号公報

本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みて為されたものであり、燃料ガスと燃焼用空気との混合を良好にしつつ、コンパクト化及び低コスト化が可能な予混合措置及び予混合式ガスバーナを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガスと燃焼用空気と混合させて燃焼させる予混合式ガスバーナの予混合装置であって、ベンチュリ形の本体と、前記本体内に燃料ガスの噴射孔が配置されたガスノズルと、前記本体の入口側に設けられ、前記本体内に供給される燃焼用空気を旋回させる入口側旋回羽根と、前記本体の出口側に設けられ、燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進するための出口側旋回羽根と、を備える。

前記ガスノズルが前記入口側旋回羽根を貫通するように設けられ得る。

前記入口側旋回羽根は、前記ガスノズルが貫通するガスノズル用中心穴と、前記ガスノズル用中心穴の周囲を囲むように配列された複数の羽根と、を備え得る。

前記入口側旋回羽根と前記出口側旋回羽根は、通過するガスの旋回方法が同じ方向となるように形成され得る。

前記出口側旋回羽根は、中心に設けられた中心穴と、前記中心穴の周囲を囲むように配列された複数の羽根と、を備え得る。

前記中心穴の開口面積は、前記本体内の流路断面積の５％～８０％の割合で形成され得る。

前記本体は、先窄まり状の先細部と、前記先細部に連設された筒状のスロート部と、前記スロート部に連設された末広がり状の末広部と、を備えることができ、前記ガスノズルは、前記本体の軸線上に位置するとともに、前記噴射孔が前記スロート部内に配設され得る。

燃焼用空気を送る送風機が前記本体と併設され、前記本体の軸方向において、前記本体の外寸が前記送風機の外寸より小さく設定され得る。

前記ガスノズルに送る燃料ガスの流量を調節するガスダンパと、前記送風機から前記本体に送る燃焼用空気の流量を調節するエアダンパと、前記ガスダンパ及び前記エアダンパを制御するコントロールモータと、を更に備え得る。

前記入口側旋回羽根は着脱可能に設けられ得る。

前記出口側旋回羽根は着脱可能に設けられ得る。

前記ガスノズルは着脱可能に設けられ得る。

燃焼用空気を送る送風機が接続されたウインドボックスを更に備え、前記ウインドボックスは、取り外し可能又は開閉可能な側板を備えるとともに、前記ウインドボックス内に前記ガスノズル及び入口側旋回羽根が取り外し可能に取り付けられ得る。

また、本発明に係る予混合式ガスバーナは、本発明に係る上記予混合装置と、該予混合装置の出口側に接続されたバーナヘッドと、を備える。

本発明に係る予混合式ガスバーナの予混合装置は、ベンチュリ形の本体の入口側と出口側とに旋回羽根を設けたことにより、コンパクトなベンチュリミキサで良好な混合が得られる。

本発明に係る予混合装置を備える予混合式ガスバーナの一実施形態を示す側面図である。 図１のII－II線に沿う断面図である。 ガスノズルの他の実施形態を示す断面図である。 図１の予混合式ガスバーナ２の要部を示す斜視図である。 図４の分解斜視図である。 図４の部分切欠き斜視図である。 速度分布を示す説明図である。 図８（ａ）は先混合式バーナを装着したボイラを示し、図８（ｂ）は本発明に係る予混合装置を備える予混合式バーナを装着したボイラの一例を示す断面図である。 シミュレーション解析による実施例の速度－流線図である。 シミュレーション解析による比較例１の速度－流線図である。 シミュレーション解析による比較例２の速度－流線図である。 シミュレーション解析による実施例の速度－ベクトル図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による比較例１の速度－ベクトル図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による比較例２の速度－ベクトル図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による実施例の速度－コンター図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による比較例１の速度－コンター図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による比較例２の速度－コンター図（中心垂直断面）である。 シミュレーション解析による実施例の乱流エネルギーの解析図である。 シミュレーション解析による比較例２の乱流エネルギーの解析図である。 シミュレーション解析による比較例２の乱流エネルギーの解析図である。 シミュレーション解析による実施例の密度分布を示す解析図である。 シミュレーション解析による比較例１の密度分布を示す解析図である。 シミュレーション解析による比較例２の密度分布を示す解析図である。 シミュレーション解析による実施例の圧力分布を示す解析図である。 シミュレーション解析による比較例１の圧力分布を示す解析図である。 シミュレーション解析による比較例２の圧力分布を示す解析図である。 実機を用いた実施例と比較例２の燃焼性能試験結果を示すグラフである。 図５に示す出口側旋回羽根の正面図である。 出口側旋回羽根の中心穴が流路断面積に占める面積割合のパターンを示す説明図である。

本発明の実施形態について、以下に図１～図２９を参照しつつ説明する。なお、全図及び全実施形態を通じ、同一又は類似の構成要素に同符号を付している。

図１は本発明に係る予混合装置１を備える予混合式ガスバーナ２の一実施形態を示す側面図、図２は図１のII－II線に沿う断面図、図３は、ガスノズルの他の実施形態を示す断面図、図４は図１の予混合式ガスバーナ２の要部を示す斜視図、図５は図４の分解斜視図、図６は図４の部分切欠き斜視図である。

予混合装置１は、流路が途中で絞られたベンチュリ形の本体３と、本体３内に燃料ガスＦの噴射孔４ａが配置されたガスノズル４と、本体３の入口側に設けられて本体３に流入する燃焼用空気Ａに旋回流を発生させるための入口側旋回羽根５と、本体３の出口側に設けられて本体３内から流出する燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合を促進するための出口側旋回羽根６と、を備える。入口側旋回羽根５と出口側旋回羽根６は、通過するガスの旋回方法が同じ方向となるように形成されている。

本体３は、先窄まり状の先細部３ａと、先細部３ａに連設された筒状のスロート部３ｂと、スロート部３ｂに連設された末広がり状の末広部３ｃと、を備えている。先細部３ａと末広部３ｃとは、図示例に於いては円錐台形状に形成されている。図示例においてスロート部３ｂは、好適には軸線Ｘ方向に一定の長さを有する筒状に形成されているが、軸線Ｘ方向に殆ど長さを有さない形態（先細部に末広部が直結されている形態）とすることもできる。

本体３の先細部３ａは、燃焼用空気の通路の一部をなすウインドボックス７に取り付けられている。ウインドボックス７は、一側面に送風機８が接続され、他の一側面に燃料ガスＦの供給路９が接続されている。

送風機８からウインドボックス７に供給される燃焼用空気Ａの通路８ａ内にエアダンパ１０が設けられている。エアダンパ１０の開度調節により、通路８ａ内を流れる燃焼用空気Ａの流量が調節される。燃料ガスＦの供給路９内にもガスダンパ１１が設けられている。ガスダンパ１１の開度調節により、供給路９内を流れる燃料ガスＦの流量が調節される。エアダンパ１０とガスダンパ１１とは、コントロールモータＣＭ（図８（ｂ））により夫々の開度が制御されることにより、開度が微調整される。図８（ｂ）に示す例のコントロールモータＣＭは、リンク装置Ｌ１，Ｌ２を介して、コントロールモータＣＭの動きをエアダンパ１０及びガスダンパ１１に伝達するようになっている。コントロールモータＣＭに対するエアダンパ１０及びガスダンパ１１の各々の開度は、予めリンク装置を調整することにより設定され得る。

なお、燃料ガスと燃焼用空気の各流量調整は、図示例に代えて、他の公知の調整手段により調整することができる。例えば、エアダンパとガスダンパの其々を別個のコントロールモータで制御することもできる。或いは、ガスダンパに代えて、燃焼用空気と燃料ガスの各圧力を検出して比例制御する空燃比例制御弁を用いて燃料ガスの流量を制御（調整）することもできる。或いは、エアダンパに代えて、送風機をインバータ制御することにより燃焼用空気流量を制御することもできる。

ガスダンパ１１が内蔵された供給路９の下流側にガスノズル４が接続されている。ガスノズル４は、ウインドボックス７内から本体３の軸線Ｘに沿って入口側旋回羽根５を貫通するようにして本体３内に延びている。

図２に示すガスノズル４は、軸線Ｘ方向に向けて開口する噴射孔４ａが形成されている。ガスノズル４は、図３に示すように、噴射孔４ａが放射状に複数形成されているタイプでもよい。

ベンチュリ形の本体３の内部は、流路断面積が小さくなるに従って、即ち流路が狭くなるに従って、流速が増すととともに圧力が低下する。本体３内で流速が増し圧力が下がった燃焼用空気は、ガスノズル４の噴射孔４ａから燃料ガスを吸引する。好ましくは、図２に示すように、噴射孔４ａは、流路断面積が最も小さくなるスロート部３ｂに配置される。

ウインドボックス７は、先細部３ａが接続される側板７ａに、ウインドボックス７の内部と本体３の内部とを連通する開口部７ａ１（図５）が形成されている。入口側旋回羽根５は、側板７ａの内側にビス等の固定手段により取り外し可能に取り付けられる。図示例の入口側旋回羽根５は、リング状の外枠５ａと、リング状の内枠５ｂと、外枠５ａと内枠５ｂとの間に連結され環状に並べて配置された複数の羽板５ｃと、を備えている。外枠５ａには、螺子留め用の鍔５ｄが形成されている。内枠５ｂの内側が、ガスノズル４が貫通するガスノズル用中心穴５ｅとなっており、ガスノズル用中心穴５ｅにガスノズル４が嵌入される。複数の羽根５ｃは、ガスノズル用中心穴５ｅの周囲を囲むように配列されている。入口側旋回羽根５は、図示例に代えて、例えば、先細部３ａに取り付ける構成とすることもできる。

ガスノズル４が入口側旋回羽根５を貫通するように構成されることにより、ウインドボックス７に供給された燃焼用空気Ａは、入口側旋回羽根５を通過して本体３に流入するとともに、ガスノズル４の周囲を旋回する旋回流を形成する。ガスノズル４は、ウインドボックス７の側板７ｃにビス等の固定手段（図示せず。）により着脱可能に取り付けられている。

ウインドボックス７は、開口部７ａ１が形成された側板７ａと対向する側の側板７ｂが、ビス等の固定手段（図示せず。）により着脱可能に取り付けられている。側板７ｂを取り外すことにより、ガスノズル４を側板７ｃから取り外し、入口側旋回羽根５を側板７ａから取り外すことができる。それにより、別のガスノズル４或いは入口側旋回羽根５との交換が容易になり、入口側旋回羽根５やガスノズル４のカスタマイズが容易となる。側板７ｂは、例えば、一側辺に丁番等を設けて開閉可能に構成することもできる。

図示例の出口側旋回羽根６は、末広部３ｃの出口側に取り付けられている。出口側旋回羽根６は、リング状の外枠６ａと、リング状の内枠６ｂと、外枠６ａと内枠６ｂとの間に連結され環状に並べて配置された複数の羽板６ｃと、を備えている。内枠６ｂによって出口側旋回羽根６の中心に中心穴６ｄが形成され、中心穴６ｄを囲むようにして中心穴６ｄの周囲に複数の羽根６ｃが円周方向に配列されている。外枠６ａには、ビス等を通す固定用孔６ｅ（図２８）が形成される。

予混合式ガスバーナ２は、末広部３ｃの出口側に接続されたバーナヘッド１２を備えている。バーナヘッド１２は、金属製筒体１２ａに公知のメタルユニット１２ｂを備えることができる。

バーナヘッド１２は、ビス等の固定手段（図示せず。）により、末広部３ｃに着脱可能に取り付けられている。また、出口側旋回羽根６も、ビス等の固定手段（図示せず。）により、末広部３ｃに着脱可能に取り付けられている。それにより、バーナヘッド１２を末広部３ｃから取り外し、出口側旋回羽根６を取り外せば、別の出口側旋回羽根６との交換が容易になっている。

上記構成の予混合装置を備える予混合式ガスバーナ２においては、送風機８から供給される燃焼用空気Ａは、エアダンパ１０によって風量を調整されてウインドボックス７に導入される。ウインドボックス７に導入された燃焼用空気Ａは、ガスノズル４周囲を囲む入口側旋回羽根５に入り、入口側旋回羽根５により軸線Ｘ回りの旋回力が加えられ、本体３の入口側から先細部３ａを経てスロート部３ｂへ導かれる。燃焼用空気Ａは、スロート部で流速が増すことにより流速の２乗に比例してスロート部３ｂ内の静圧が低下し、それによってスロート部３ｂ内に配置された噴射孔４ａより燃料ガスＦを吸引する。

燃焼用空気Ａは、軸線Ｘ回りに旋回しながらスロート部３ｂを通過するため、この旋回力によりガスの吸引力が旋回羽根を備えない通常のベンチュリ構造よりも増す。スロート部３ｂで燃料ガスＦを吸引した燃焼用空気Ａは、旋回しながら末広部３ｃで混合する。

旋回羽根を備えない通常のベンチュリ構造を備える予混合式ガスバーナの場合、図７（ａ）に示すような速度分布を示し、管壁付近の流れは管壁との摩擦によって、次第に速度エネルギーを失い、圧力の逆勾配によって起こる逆流により流れは管壁から剥離し、混合が促進される。一方、入口側旋回羽根を設けて出口側旋回羽根を設けない場合、図７（ｂ）に示すような速度分布を示し、強い旋回流が管壁付近を流れ、本体３の中心側に圧力の逆勾配による逆流が生じるため、管壁での流れの剥離が生じず混合し難くなる傾向にある。そこで、本体３の出口側に出口側旋回羽根６を設けることで、管壁近傍で生じている旋回流を促進させながら、かつ本体３の中心側への流れをつくることで、末広部３ｃ内の乱流エネルギーを促進させ均等な混合状態を得ることができる。本体３の中心側への流れは、出口側旋回羽根６の中心穴６ｄを設けることにより、いっそう促進され得る。

旋回羽根を備えない通常のベンチュリ構造の場合、ベンチュリ構造体の前後にある程度の直管部を設けて燃焼用空気を整流する必要があるが、本発明の場合、図１に示すようにベンチュリ形の本体３の上流側直近に曲がりがあるような空気通路形状であってもベンチュリの性能は殆ど変化しない。ベンチュリ形の本体３の前後に直管部を設けなくてもよい分、装置の配置の自由度が増す。

入口側旋回羽根５により、噴射孔４ａからの燃料ガスの吸引、及び、燃料ガスと燃焼用空気との混合が良好になるため、ベンチュリ形の本体３はコンパクトに設計できる。例えば、図１に示すように、ベンチュリ形の本体３の軸方向長さＬは、送風機８のケーシング寸法Ｋの範囲に入る寸法で設計できる。そのため、図８（ａ）は先混合式バーナを装着したボイラを示し、図８（ｂ）は本発明の予混合装置を備える予混合式バーナを装着したボイラを示している。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、同出力の送風機８を備える先混合式バーナと比較してもボイラが大型化することはない。なお、図８に示すボイラは、いわゆる真空式温水発生機であり、符号１３は火炉、符号１４は減圧蒸気室、符号１５は熱媒水、符号１６は水管、符号１７は煙室、符号１８は温水Ｗが流通する熱交換管を其々示している。

ベンチュリ原理により燃料ガスと燃焼用空気との混合を適切な割合にすることは、スロート部３ｂの内径や噴射孔４ａの孔径等を微調整する必要があるため困難である。また、送風機８の出力を変化させて燃焼量を変更した場合、燃料ガスと燃焼用空気との混合割合は一定に保つことが困難である。即ち、送風機の出力が大きい場合に比して送風機の出力が小さい場合、ベンチュリ形の本体３の内壁面において発生する境界層剥離の影響が大きくなり、ベンチュリ形の本体３に導入される燃焼用空気の流量係数が低下する。流量係数が変化すると空気比を一定に保つことができないため、流量係数の変化に応じて燃料ガスの供給圧力を調整しなければならない。そこで、コントロールモータ１１によってガスダンパ１１とエアダンパ１０の夫々の開度を制御することにより、燃料ガスと燃焼用空気の混合割合の微調整を可能にする。

コントロールモータ１１によってガスダンパ１１とエアダンパ１０の開度を微調整することにより、予混合式バーナ専用の特殊な送風機（ファンミックス）やゼロガバナを必要とせず、先混合バーナと同じ部品で構成できるため安価にできる。

実施例及び比較例を挙げて、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションと実機を用いた燃焼性能試験とにより、本発明を更に具体的に説明する。但し、本発明は、各例によって、限定されるものではない。

実施例及び比較例の基本条件は、図８（ｂ）に示す真空式温水発生機（出力９３０ｋｗ）の定格運転とし、空気流量１２２３ｍ^３（Ｎ）／時（空気入口流速１８．４ｍ／秒）、メタンガス流量８６．６ｍ^３（Ｎ）／時（ガス入口流速８．２ｍ／秒）、炉内圧力（バーナ出力圧力）８７０Ｐａとした。

実施例は、図１、図２に示す構成の予混合式バーナとした。比較例１は、実施例の構成から出口側旋回羽根を省いた構成の予混合式バーナとした。比較例２は、実施例の構成から入口側旋回羽根と出口側旋回羽根を省いた予混合式バーナとした。

図９～図１１は数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる速度－流線図を示しており、図９は実施例、図１０は比較例１、図１１は比較例２を示す。図９の実施例は、図１０の比較例１，図１１の比較例２に比べて、より強い旋回流が発生していることが判る。

図１２～図１４は数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる速度－ベクトル図（中心垂直断面）を示し、図１５～図１７は、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる速度－コンター図（中心垂直断面）を示している。図１２及び図１５は実施例、図１３及び図１６は比較例１、図１４及び図１７は比較例２を、それぞれ示している。図１４及び図１７の比較例２は、ウインドボックス７へ供給される燃焼用空気の流れ方向の影響を受けて、ベンチュリ形の本体３を通過した後、バーナヘッド１２内では速度分布に偏りが生じている。図１４及び図１６の比較例１は、図１４及び図１７の比較例２のような大きな偏りは無いが、末広部３ｃからバーナヘッド１２にかけて管壁近傍の流れが速く、バーナヘッド１２の速度分布が不均一である。一方、図１２及び図１５の実施例は、ベンチュリ形の本体３の末広部３ｃ内（出口側旋回羽根６の一次側）において、圧力の逆勾配による逆流が完了し、且つ管壁近傍の流れが出口側旋回羽根６によりベンチュリ形の本体３の中心側へ誘導、整流されるため、バーナヘッド１２内での速度分布に偏りが無くなっていることが判る。

図１８～図２０は、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる乱流エネルギーの解析結果を示している。図１８は実施例、図１９は比較例１、図２０は比較例２を其々示す。比較例１（図１９）は、比較例２（図２０）に比べて、ベンチュリ形の本体３内の乱流エネルギーが明らかに大きくなっているが、その範囲はバーナヘッド１２にまたがっているため、混合完了までに時間を要していると推察できる。それに対して、実施例（図１８）では、乱流エネルギーはベンチュリ形の本体３の末広部３ｃで大きな値を示し、バーナヘッド１２内で小さな値となっている。これは、末広部３ｃで混合が促進され、混合完了までの時間が比較例１に比べて短くなっていると推察される。

図２１～図２３は、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる密度分布を示している。比較例２（図２３）では、バーナヘッド１２内の速度分布（図１４参照）に偏りがあるため、流速が速い領域の混合が悪くなっていることが判る。比較例１（図２２）では、比較例２に比べて密度分布は均一化が図れているが、バーナヘッド１２に入る前に混合が完了していない。実施例（図２１）では、バーナヘッド１２に入る前にほぼ混合が完了していることが判る。

図２４～図２６は、数値流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションによる圧力分布を示す。実施例（図２４）では、スロート部３ｂで速い旋回流が発生しているため、ガスノズル４内が負圧となり、燃料ガスの吸引力が増している。また、実施例（図２４）は、比較例１（図２５）と比べると、出口側旋回羽根６を備えることにより、感覚的には圧力損失が増大すると思われるが、出口側旋回羽根６の整流作用によりウインドボックス７内の圧力がほぼ変わっていないことが判る。実機試験では、出口側旋回羽根６を備えている方がウインドボックス７内の圧力が低下しているデータが得られている。これは、圧力の逆勾配によって起こる逆流が出口側旋回羽根６の一次側で完了することにより、整流されたコンパクトな循環流を形成しているためと考えられる。

上記実施例と比較例２とについて、実機を用いて排ガス成分を測定する燃焼性能試験を行った。燃焼性能試験結果を図２７のグラフに示す。図２７のグラフは、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度とＣＯ濃度を測定した結果を示している。図２７より、比較例２では、燃料ガスと燃焼用空気との混合が不完全なため、燃焼に偏りが生じ不安定な燃焼状態となり、不完全燃焼の指標であるＣＯが大量に発生していることが判る。一方、実施例では、燃料ガスと燃焼用空気との混合が良好なためＣＯの発生が抑えられ、且つＮＯｘ値も低下し、メタルニットバーナの本来の性能を発揮している。このことから、実施例１は比較例２よりも良好な燃焼が得られていることが判り、燃料ガスと燃焼用空気との良好な混合が達成されていると考えられる。

次に、出口側旋回羽根６について行った実験について説明する。図２８は、図５に示す出口側旋回羽根６の正面図である。出口側旋回羽根６は、出口側旋回羽根６の中心、即ち内枠６ｂの内側に、中心穴６ｄが形成されており、中心穴６ｄの周りに複数の羽根６ｃが円周方向に並べて配列されている。羽根６ｃは、ねじり起点部６ｆで外枠６ａ及び内枠６ｂと連結されている。ねじり起点部６ｆを捻じり加工することにより、羽根６ｃが外枠６ａ及び内枠６ｂに対して傾斜させられる。ねじり起点部６ｆは羽根６ｃの長さ方向の一端側に偏った位置に設けられ、ねじり起点部６ｆに対して羽根６ｃの長い方の部分が末広部３ｃのテーパー面に沿うように形成されている。

出口側旋回羽根６の中心穴６ｄの大きさ即ち中心穴６ｄの開口面積が流路断面積に対する割合（開口面積比率）を、図２９に示すように複数のパターン（ａ）～（ｅ）で上記と同様の燃焼性能試験を実施した。図２９において、ハッチング（斜線）の内側の空隙が中心穴６ｄに相当する部分であり、各パターンの下部の数字は前記開口面積比率を示している。試験の結果、前記開口面積比率が５％以上のいずれのパターン（（ｂ）～（ｅ））でもＮＯｘおよびＣＯの発生が抑制され、良好な燃焼性能が得られた。そして、パータン（ａ）～（ｅ）では、中心穴６ｄの前記開口面積比率が大きいほど燃焼状態が良好であった。一方、図１３及び図１６の比較例１のシミュレーション結果を参照すると、出口側旋回羽根が無い場合には管壁近傍に速い流れ（１５ｍ／ｓ以上）があり、この早い流れが存在する範囲に出口側旋回羽根を設けないと、出口側旋回羽根による中心側への流れ及び旋回流の促進効果が限定的となるため、中心穴６ｄの開口面積比率を８０％以下とすることが望ましい。そのため、出口側旋回羽根６は、前記開口面積比率が好適には５％～８０％となるように構成され得る。

出口側旋回羽根６を設けることにより、ウインドボックス内の圧力損失が低下するため、送風機に余力ができ、燃焼範囲（Ｏ_２の上限）が広がる。また、図２９に示す何れのパターンでも定格運転におけるＣＯの発生率はほぼ同じであったが、中間負荷（７５～２０％）での運転においてはＣＯの抑制が確認された。一般に、中間負荷での運転では、流速が遅くなるため燃料ガスと燃焼用空気との混合が悪くなりＣＯが発生しやすくなる傾向があるが、出口側旋回羽根６によるＣＯ発生抑制効果が顕著に現れた。

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 予混合装置
２ 予混合式バーナ
３ 本体
３ａ 先細部
３ｂ スロート部
３ｃ 末広部
４ ガスノズル
４ａ 噴射孔
５ 入口側旋回羽根
５ｃ 羽根
５ｅ ガスノズル用中心穴
６ 出口側旋回羽根
６ｃ 羽根
６ｄ 中心穴
８ 送風機
１０ エアダンパ
１１ ガスダンパ
ＣＭ コントロールモータ

Claims (14)

1. 燃料ガスと燃焼用空気と混合させて燃焼させる予混合式ガスバーナの予混合装置であって、
   ベンチュリ形の本体と、
   前記本体内に燃料ガスの噴射孔が配置されたガスノズルと、
   前記本体の入口側に設けられ、前記本体内に供給される燃焼用空気を旋回させる入口側旋回羽根と、
   前記本体の出口側に設けられ、燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進するための出口側旋回羽根と、
   を備える予混合装置。
2. 前記ガスノズルが前記入口側旋回羽根を貫通するように設けられている、請求項１に記載の予混合装置。
3. 前記入口側旋回羽根は、前記ガスノズルが貫通するガスノズル用中心穴と、前記ガスノズル用中心穴の周囲を囲むように配列された複数の羽根と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の予混合装置。
4. 前記入口側旋回羽根と前記出口側旋回羽根は、通過するガスの旋回方法が同じ方向となるように形成されている、請求項１～３の何れかに記載の予混合装置。
5. 前記出口側旋回羽根は、中心に設けられた中心穴と、前記中心穴の周囲を囲むように配列された複数の羽根と、を備える、請求項１～４の何れかに記載の予混合装置。
6. 前記中心穴の開口面積は、前記本体内の流路断面積の５％～８０％の割合で形成されている、請求項５に記載の予混合装置。
7. 前記本体は、先窄まり状の先細部と、前記先細部に連設された筒状のスロート部と、前記スロート部に連設された末広がり状の末広部と、を備え、
   前記ガスノズルは、前記本体の軸線上に位置するとともに、前記噴射孔が前記スロート部内に配設されている、請求項１～６の何れかに記載の予混合装置。
8. 燃焼用空気を送る送風機が前記本体と併設され、前記本体の軸方向において、前記本体の外寸が前記送風機の外寸より小さく設定されている、請求項１～７の何れかに記載の予混合装置。
9. 前記ガスノズルに送る燃料ガスの流量を調節するガスダンパと、前記送風機から前記本体に送る燃焼用空気の流量を調節するエアダンパと、前記ガスダンパ及び前記エアダンパを制御するコントロールモータと、を更に備える、請求項１～８の何れかに記載の予混合装置。
10. 前記入口側旋回羽根が着脱可能に設けられている、請求項１～９の何れかに記載の予混合装置。
11. 前記出口側旋回羽根が着脱可能に設けられている、請求項１～１０の何れかに記載の予混合装置。
12. 前記ガスノズルが着脱可能に設けられている、請求項１～１１の何れかに記載の予混合装置。
13. 燃焼用空気を送る送風機が接続されたウインドボックスを更に備え、
    前記ウインドボックスは、取り外し可能又は開閉可能な側板を備えるとともに、前記ウインドボックス内に前記ガスノズル及び入口側旋回羽根が取り外し可能に取り付けられている、請求項１に記載の予混合装置。
14. 請求項１～１３の何れかに記載の予混合装置と、前記予混合装置の出口側に接続されたバーナヘッドと、を備える予混合式ガスバーナ。

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