JP2023173899A

JP2023173899A - 全一次燃焼式バーナ

Info

Publication number: JP2023173899A
Application number: JP2022086442A
Authority: JP
Inventors: 貴大小野; Takahiro Ono; 誠朝原; Makoto Asahara; 武志宮坂; Takeshi Miyasaka; 勝雄安里; Katsuo Yasusato
Original assignee: Rinnai Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Rinnai Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2023-12-07
Also published as: WO2023228440A1

Abstract

【課題】燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室１１を有するバーナボディ１と、混合気室に面するバーナボディの開放面１２を覆う燃焼板部２とを備え、混合気室内に、燃焼板部に対し隙間を存して対向する逆火抑制板部３が配置され、逆火抑制板部を通過した混合気が燃焼板部から噴出して燃焼する全一次燃焼式バーナにおいて、燃料ガスを水素ガスとした場合でも、圧力損失を抑制しながら、逆火を可及的に抑制することができるように構成する。【解決手段】逆火抑制板部が、金属繊維または金属ビーズを積層した積層体を焼結した焼結体シート３３を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、全一次燃焼式バーナに関し、より詳しくは、燃料ガスとして水素ガスを用いるものに関する。

上記種の全一次燃焼式バーナとして、燃料ガスを天然ガスなどの炭化水素ガスとしたものが例えば特許文献１で知られている。このものは、燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、混合気室に面するバーナボディの開放面を覆うと共に、多数の炎孔が列設された燃焼板部とを備える。混合気室内にはまた、燃焼板部に対し隙間を存して対向する逆火抑制板部が配置され、逆火抑制板部にはその板厚方向に貫通する多数の透孔が列設されている。そして、混合気室に供給された混合気が、逆火抑制板部の各透孔から、当該逆火抑制板部と燃焼板部との隙間を通って各炎孔へと供給され、各炎孔から混合気を噴出して燃焼する。この場合、上記隙間の高さが１ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲、透孔の径が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲、並びに、炎孔の径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲に設定される。これにより、燃焼板部及び逆火抑制板部を通過するときの圧力損失を抑制し、燃焼板部の表面全面に亘って略均等な火炎を形成しながら火炎が混合気室内に伝播する逆火を抑制している。

ところで、近年では、地球温暖化防止のため、炭化水素ガスの代替燃料として二酸化炭素を排出しない水素が注目されているが、水素ガスと一次空気との混合気はその燃焼速度が非常に速い。上記従来例の全一次燃焼式バーナにて水素ガスと一次空気との混合気を燃焼させると、燃焼板部の表面近くで混合気が燃焼することで燃焼板部が高温になり易く、上記隙間が比較的狭いことで燃焼板部からの輻射熱で逆火抑制板部が過熱される。このため、混合気室内の上記隙間に火炎が伝播したとき、消炎できない場合がある。また、上記隙間に伝播した火炎は、透孔の孔径が比較的大きいことで更に各透孔を介して混合気室の上流側へと伝播し易くなる。結果として、逆火を効果的に抑制することができず、バーナの破損を招く虞がある。このような場合、所謂逆火限界となる孔径（例えば、０．６ｍｍ）に各透孔の孔径を設定することが考えられるが、これでは、圧力損失が増大してしまう。

特開２００１－２６３６１４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、燃料ガスを水素ガスとした場合でも、圧力損失を抑制しながら、逆火を可及的に抑制することができる全一次燃焼式バーナを提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、前記混合気室に面する前記バーナボディの開放面を覆う燃焼板部とを備え、前記混合気室内に、前記燃焼板部に対し隙間を存して対向する逆火抑制板部が配置され、前記逆火抑制板部を通過した前記混合気が前記燃焼板部から噴出して燃焼する全一次燃焼式バーナであって、前記燃料ガスを水素ガスとしたものにおいて、前記逆火抑制板部が、金属繊維または金属ビーズを積層した積層体を焼結した焼結体シートを有することを特徴とする。

本発明によれば、混合気室内に供給された混合気は、焼結時に金属繊維または金属ビーズがランダムに絡み合って結合（溶着）することで形成される複雑で且つ逆火限界の孔径より小さい焼結体シートの無数の微小隙間を通って燃焼板部へと供給される。このとき、常温の混合気との接触面積が大きくなることで、焼結体シート、即ち、逆火抑制板部自体の温度上昇が抑制される。しかも、微小隙間が無数に形成されていることで、圧力損失も抑制される。そして、逆火抑制板部の焼結体シートを通過した混合気が当該逆火抑制板部と燃焼板部との隙間を通って当該燃焼板部から噴出して燃焼する。このとき、燃焼板部と逆火抑制板部との間の隙間に火炎が伝播したとしても、逆火抑制板部の温度上昇が抑制されているため、逆火抑制板部で消炎させることができる。仮に上記隙間に伝播した火炎が上記隙間に面する逆火抑制板部の表面で消炎されずに残る場合でも、逆火抑制板部には微小隙間しかないことで、その上流側への伝播が抑制される。このように本発明では、逆火抑制板部が焼結体シートを有することで、燃料ガスを水素ガスとする場合でも、圧力損失を抑制しながら、逆火を可及的に抑制することができる。なお、本発明における金属繊維及び金属ビーズは、構成材料として半金属を含んでいる。

本発明において、前記金属繊維または前記金属ビーズが、例えば、Ｆｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成されることが好ましく、この場合、前記焼結体シートの焼結時の目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定されることが好ましい。目付量が１２００ｇ／ｍ^２より少ないと、各微小隙間が大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある一方で、１８００ｇ／ｍ^２より多くなると、混合気の通過抵抗が大きくなる。

また、本発明において、前記燃焼板部と前記逆火抑制板部との間に位置する前記混合気室の部分に温度センサが配置されることが好ましい。これにより、仮に上記隙間に伝播した火炎が消炎されず、上記隙間に面する逆火抑制板部の表面で燃焼するような場合に、これに伴う温度上昇を温度センサによって検知し、例えば、混合気の供給を停止することで、バーナの破損を招く燃焼を速やかに停止することができる。

更に、本発明において、前記燃焼板部と前記逆火抑制板部との間の隙間を５ｍｍ～３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。上記隙間が５ｍｍより短いと、燃焼板部からの輻射熱が優勢となって逆火抑制板部が過熱される虞がある一方で、３０ｍｍより長くなると、燃焼板部と逆火抑制板部との間の隙間に留まる混合気の量が多くなり、当該隙間に火炎が伝播したときに大きな音が発生してしまう。

また、本発明においては、前記燃焼板部が、金属繊維または金属ビーズを積層した積層体を焼結した焼結体シートで構成されることが好ましい。これにより、上記同様、混合気との接触面積が多くなることで、燃焼板部自体の温度上昇が抑制され、有利である。

本実施形態の全一次燃焼式バーナを燃焼筐への設置状態で示す断面図。図１に示す全一次燃焼式バーナの斜視図。燃焼板部を分解状態で示す斜視図。図１のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図。変形例に係る焼結体シートの一部を拡大して示す平面図。

以下、図面を参照して、逆火抑制板部が金属繊維を積層した積層体を焼結した焼結体シートを有するものを例に、燃料ガスとして水素ガスを用いる本発明の全一次燃焼式バーナＣＢの実施形態を説明する。なお、本発明にいう「水素」は、純水素に限定されるものではなく、例えば、臭い付けのための腐臭剤を少量で添加するような場合も含む。

図１及び図２に示すように、全一次燃焼式バーナＣＢは、燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室１１を有するバーナボディ１と、混合気室１１に面するバーナボディ１の開放面１２を覆う燃焼板部２とを備える。そして、全一次燃焼式バーナＣＢは、バーナボディ１の開放面の１２の周縁部、即ち、下面周縁部１３にて図外の給湯用の熱交換器が収納される燃焼筐Ｆｂのフランジ部Ｆｂ１にネジ（図示せず）により締結され、熱交換器を加熱するために使用される。バーナボディ１にはまた、図外のファンによって混合気が供給される流入口１４が開設されている。

図３も参照して、燃焼板部２は、一方向に長手の額縁状で板金製のバーナ枠２１と、バーナ枠２１で囲われる矩形の第１開口２２をバーナボディ１側（上方）から覆うように設けられる本体部２３と、本体部２３の混合気の流れ方向上流側の面である裏面（上面）に重ねて配置される、多数の分布孔２４ａが形成された分布板２４とで構成される。バーナ枠２１は、第１開口２２と同一面上に位置する開口周縁部２１ａと、開口周縁部２１ａからバーナボディ１側（上方）に屈曲した側板部２１ｂと、側板部２１ｂの上端から外方に張出す枠フランジ部２１ｃとを有する。本体部２３は、例えば、耐熱鋼等の金属繊維を編成した金属繊維製ニットで構成することができる。金属繊維製ニットを構成する金属繊維の太さは、例えば、３５μｍ～１００μｍの範囲とすることができる。そして、金属繊維製ニット２３の裏面に分布板２４を重ねた状態でこれらの周縁部をバーナ枠２１の開口周縁部２１ａに一定間隔でスポット溶接することで組み立てられ、この状態で、枠フランジ部２１ｃを介してバーナボディ１の下面周縁部１３に取り付けられる。また、混合気室１１内には、逆火抑制板部３が配置されている。

図４も参照して、逆火抑制板部３は、一方向に長手の額縁状で板金製の支持枠３１と、支持枠３１で囲われる、第１開口２２と同等の輪郭を持つ第２開口３２を燃焼板部２と反対側（上方）から覆うように設けられる焼結体シート３３とを備える。そして、支持枠３１を介して、混合気室１１内に形成される額縁状の座面１５にネジ（図示せず）により締結される。逆火抑制板部３の締結状態では、焼結体シート３３が燃焼板部１の金属繊維製ニット２３に対し隙間Ｇｐを存して対向するようになる。焼結体シート３３と金属繊維製ニット２３との間の隙間Ｇｐは５ｍｍ～３０ｍｍの範囲に設定される。上記間隔が５ｍｍより短いと、燃焼板部２が火炎で加熱されたときに燃焼板部２からの輻射熱が優勢となって逆火抑制板部３が過熱される虞がある一方で、３０ｍｍより長くなると、燃焼板部２と逆火抑制板部３との間の隙間Ｇｐに留まる混合気の量が多くなり、当該隙間Ｇｐに火炎が伝播したときに大きな音が発生してしまう。

焼結体シート３３は、金属繊維３３ａを積層した積層体を焼結したものである。金属繊維としては、Ｆｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成されるもの、例えば、Ｆｅを主成分とするステンレス系のものが用いられ、その線径が５０μｍ～１００μｍの範囲のものが用いられる。焼結体シート３３の製作には、例えば、加圧成形と焼結とを同時に実施するホットプレス（熱間加工法）や、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）といった公知の方法を利用することができる。例えば、ホットプレスにより製作する場合には、特に図示して説明しないが、金型のキャビティ内に、金属繊維３３ａを織成したり、編成したりすることなく積層して積層体とする。このとき、目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定される。次に、パンチによって積層体に対して一軸方向から圧力を加え、この状態で金型を介して積層体を所定温度に加熱保持する。

以上のように製作される焼結体シート３３は、図４中に一部拡大して示すように、焼結時に金属繊維３３ａがランダムに絡み合って結合（溶着）することで、複雑で且つ逆火限界の孔径より小さい無数の微小隙間３３ｂが形成されたものとなる。この場合、焼結体シート３３は６０％～８０％の範囲の空隙率を持つと共に０．５ｍｍ～３．０ｍｍの板厚を持つ。なお、金属繊維の線径が５０μｍより小さいと、焼結時に金属繊維同士が絡み合う面積が増加して焼結体シート３３の背面側へ熱が伝わり易くなる一方で、線径が１００μｍより大きくなると、各微小隙間３３ｂが大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある。また、目付量が１２００ｇ／ｍ^２より少ないと、各微小隙間３３ｂが大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある一方で、１８００ｇ／ｍ^２より多くなると、上記範囲内の空隙率が得られず、混合気の通過抵抗が大きくなる。

上記全一次燃焼式バーナＣＢでは、バーナボディ１の流入口１４から混合気室１１内に供給された混合気が、焼結体シート３３の無数の微小隙間３３ｂを通って燃焼板部２へと供給される。このとき、常温の混合気との接触面積が大きくなることで、焼結体シート３３、即ち、逆火抑制板部３自体の温度上昇が抑制される。しかも、微小隙間３３ｂが無数に形成されていることで、圧力損失も抑制される。そして、逆火抑制板部３の焼結体シート３３を通過した混合気が燃焼板部２と逆火抑制板部３との隙間Ｇｐを通って燃焼板部２の本体部２３から噴出して全一次燃焼（二次空気が不要な燃焼）する。このとき、燃焼板部２と逆火抑制板部３との間の隙間Ｇｐに火炎が伝播したとしても、逆火抑制板部３の温度上昇が抑制されているため、逆火抑制板部３で消炎させることができる。仮に隙間Ｇｐに伝播した火炎が消炎されないで残る場合でも、逆火抑制板部３には微小隙間３３ｂしかないことで、その上流側への伝播が抑制される。このように本実施形態の全一次燃焼式バーナＣＢでは、焼結体シート３３を有する逆火抑制板部３を配置したことで、燃料ガスを水素ガスとする場合でも、圧力損失を抑制しながら、逆火を可及的に抑制することができる。

また、全一次燃焼式バーナＣＢでは、燃焼板部２と逆火抑制板部３との間に位置する混合気室１１の部分に温度センサ４が配置されている。温度センサ４としては、熱電対やバイメタルスイッチといった公知のものを利用することができる。これにより、仮に上記隙間Ｇｐに伝播した火炎が消炎されず、隙間Ｇｐに面する焼結体シート３３表面（下面）で燃焼する場合に、これに伴う温度上昇を温度センサ４によって検知し、例えば、混合気の供給を停止することで、全一次燃焼式バーナＣＢの破損を招く燃焼を速やかに停止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、金属繊維３３ａを積層した積層体を焼結したもので焼結体シート３３を構成したものを例に説明したが、焼結後に複雑で且つ逆火限界の孔径より小さい無数の微小隙間が形成されたものにできるのであれば、これに限定されるものではない。図５に示すように、例えば、Ｆｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成され、粒径が５０μｍ～５００μｍの範囲の金属ビーズ５ａを用い、上記と同様の方法で、金属ビーズ５ａを積層した積層体を焼結し、無数の微小隙間５ｂが形成されたもので焼結体シート５を構成することができる。この場合、目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定される。

また、上記実施形態では、燃焼板部２の本体部２３として金属繊維を編成した金属繊維製ニットで構成したものを例に説明したが、これに限定されるものではない。金属繊維製ニットに代えて、上記に従い製作される焼結体シート３３を燃焼板部２の本体部２３として用いることができる。これにより、混合気との接触面積が多くなることで、燃焼板部自体の温度上昇が抑制され、有利である。

ＣＢ…全一次燃焼式バーナ、１…バーナボディ、１１…混合気室、１２…開放面、２…燃焼板部、３…逆火抑制板部、３３、５…焼結体シート、３３ａ…金属繊維、４…温度センサ、５ａ…金属ビーズ。

Claims

燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、前記混合気室に面する前記バーナボディの開放面を覆う燃焼板部とを備え、前記混合気室内に、前記燃焼板部に対し隙間を存して対向する逆火抑制板部が配置され、前記逆火抑制板部を通過した前記混合気が前記燃焼板部から噴出して燃焼する全一次燃焼式バーナであって、前記燃料ガスを水素ガスとしたものにおいて、
前記逆火抑制板部が、金属繊維または金属ビーズを積層した積層体を焼結した焼結体シートを有することを特徴とする全一次燃焼式バーナ。
前記金属繊維または前記金属ビーズがＦｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成されることを特徴とする請求項１記載の全一次燃焼式バーナ。
前記焼結体シートの焼結時の目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定されることを特徴とする請求項２記載の全一次燃焼式バーナ。
前記燃焼板部と前記逆火抑制板部との間に位置する前記混合気室の部分に温度センサが配置されることを特徴とする請求項１記載の全一次燃焼式バーナ。
前記燃焼板部と前記逆火抑制板部との間の隙間を５ｍｍ～３０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項１または請求項４記載の全一次燃焼式バーナ。
前記燃焼板部が、金属繊維または金属ビーズを積層した積層体を焼結した焼結体シートを有することを特徴とする請求項１記載の全一次燃焼式バーナ。