JP2529067Y2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、燃焼ガスを燃焼せしめる装置に係り、特
に、NOxの発生を制御するように改良した燃焼装置に関
するものである。

〔従来の技術〕 ガスを燃料とする燃焼装置は給湯器や暖房器に広く用
いられており、コンパクト化、高負荷化の改良が進めら
れている。

一方、公害防止の立場からNOxの発生を抑制すること
が社会的要請となっている。

ところが、ガス燃焼技術において燃焼用器具のコンパ
クト・高負荷化とNOx低減とは両立し難いという問題が
有る。

従来、低NOx化バーナとしては、シュバンクバーナの
ような完全予混合式のバーナや、１次燃焼室を持った２
次火炎形成式ブンゼンバーナ等が公知であが、いずれも
燃焼量範囲を広くとれないことや、１次空気比の制御が
難しいことや、構造が複雑で製造コストが高いこと等の
不具合が有る。

〔考案が解決しようとする課題〕 NOxの発生量を抑制するための公知の手法は、これを
原理的に分類すると a.火炎冷却法、b.濃淡燃焼法、c.
二段燃焼法、d.排ガス再循環等となるが、いずれも既製
の燃焼装置に適用しようとするバーナの交換ないし大改
造を必要とし、経済的でない。

さらに、単にNOxを低減させるだけであれば前記の火
炎冷却法が有効であるが、火炎を冷却することによって
CO発生量が増加するという不具合を伴う。

本考案は上述の事情に鑑みて為されたもので、在来形
のバーナ本体部分に改造を加える必要が無く、従って在
来形バーナの燃焼量範囲や負荷性能や燃焼性能に悪影響
を及ぼすこと無く、しかも、CO発生量を増加させること
なくNOx発生量を抑制し得る燃焼装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために創作した本考案の基本的
原理を略述すると次のごとくである。

すなわち、ガスバーナによって燃料ガスを燃焼させる
場合において、 前記ガスバーナによって形成される可視火炎内に冷却
用パイプを配置するとともに、該冷却用パイプ内に冷却
用液体を流通せしめて、該ガスバーナで発生する熱量の
２〜4.5％を抜熱し、 上記の抜熱により火炎の一部を冷却してNOxの発生を
抑制し、 かつ、火炎が冷却された部分で発生したCOを、冷却部
よりも上方で隣接火炎に触れさせて完全燃焼させる。

上述の原理に基づく具体的構成として、本考案に係る
燃焼装置は、 複数の炎孔群によって構成されるバーナと、燃焼ガス
によって給水を過熱する熱交換器とを有する燃焼装置に
おいて、 上記のガスバーナによって可視火炎が形成される空間
内に設けられたほぼ水平な冷却用パイプと、 前記熱交換器に供給される給水の一部を上記冷却用パ
イプに分流せしめる管路とが設けられていることを特徴
とする。

〔作用〕

前記の構成によれば火炎の一部を冷却するので、冷却
部においてはNOxの発生が抑制されるとともにCO発生量
が増加する。

しかし、上記冷却部が可視火炎の中に位置するので、
この部分で発生したCOは上昇しつつ周囲の火炎に触れて
完全燃焼せしめられてCO₂となる。

このようにして、CO発生量を増加せしめることなくNO
x発生量が抑制される。

そして、前記の冷却による抜熱量が発生熱量の4.5％
を越えると冷却用パイプに水滴が付着してバーナ上に滴
下するおそれが有り、２％未満であると冷却用液体の流
通量の制御が困難で、冷媒が水の場合は突沸を生じるお
それが有るが、本考案においては熱交換器に供給する給
水の一部を冷却パイプに通すので通水量制御が容易であ
る。

冷却パイプは厳密に水平に配置しなくても良く、ほぼ
水平とする。その理由は冷却パイプ内の冷却水を抜き取
る場合に僅かな勾配を有している方が良いこと、およ
び、僅かな勾配が有れば気泡が滞留しにくいこと、並び
に僅かな勾配を有していれば複数の火炎に対する相対的
な位置が僅かずつ変化するので多様な燃焼状態に対応し
易いことによる。

〔実施例〕

第５図は、本考案の一実施例において適用の対象とし
た従来例のガスバーナを対比参考のために示したもので
あり、同図（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。

１は単位バーナであって、ノズル２から噴出される燃
料ガスを空気と混合させて上方へ吹き出して燃焼させ、
火炎３を形成する。

この単位バーナ１は、紙面の奥行方向に多数列設さ
れ、その火炎形成面は水平面ｈに揃えられている。４は
火炎形成面付近に設けられた整流用の金網である。

前記の火炎３は図示のごとく内炎発光部3a,CO危険域3
b,最高温度領域3c,および外炎発光帯3dよりなる可視火
炎と、その外周部の不可視火炎3eとによって形成されて
いる。

本実施例の装置は上記の可視火炎内にほぼ水平に冷却
用パイプを配設する。

第２図は、前記第５図の単位バーナ１の上方に、可視
火炎内を貫通するように冷却用パイプ５を配設した状態
を示しており、その全体的斜視図は第１図（Ｂ）のごと
くである。

第１図（Ｂ）に示すように、本例の冷却用パイプ５は
Ｕ字管状をなし、その平行部の一方は往管5a,他方は戻
管5bである。

第１図（Ａ）について後述する通水手段により、冷却
水が矢印ａのごとく供給され、矢印b,cのごとく通水さ
れる。

本例においては往管5aに僅かな上がり勾配を付し、戻
管5bに僅かな下り勾配を付してある。その結果、第２図
（Ａ）に現われている往管5aの高さH₃は戻管5bの高さH₂
に比して僅かに低い。第２図（Ｂ）では往管5aと戻管5b
とがほとんど重なっている。

このように勾配を付しておくと水抜き操作に好都合で
あり、パイプ内に気泡が滞流しにくく、かつ、後に後述
するごとく適応可能な燃焼状態の範囲が広くなる。

本例においては（第２図参照） 火炎３′の幅W₁＝80mm 往管5aと戻管5bとの間隔W₂＝40mm 火炎３′の高さH₁＝70mm 往管5aの高さH₃≒戻管5bの高さH₂ ≒30mmである。

第１図（Ａ）は本実施例の全体的な構成を示す模式図
である。

単位バーナ１および冷却パイプ５は第１図（Ｂ）につ
いて説明した構成部材である。

燃料ガスはノズルホルダ11を介して単位バーナ１に供
給される。

一方、燃焼用空気は燃焼フアン12によって供給されて
燃焼が行われる。

高温の燃焼ガスは熱交換器13の熱交換部に接触しつつ
流動して、排気口14から大気中に放出される。

給水は給水管15によって供給され、熱交換器13を流通
する間に燃料ガスで加熱されて熱湯ないし温湯となり、
給湯管16を経て給湯栓17に供給される。

本例の冷却パイプ５は前記熱交換器13の流入口に接続
されている。

すなわち、該熱交換器に給水を供給している給水管15
は、分岐点ｄで前記冷却パイプ５とバイパス管21とに接
続されて三又状に分岐している。

上記冷却パイプ５の他端とバイパス管21の他端とは、
熱交換器13の流入口近傍の合流点ｅで相互に接続されて
三又状をなしている。

前記の冷却パイプ５の途中にはオリフイス22が、バイ
パス管21の途中にはオリフイス23が、それぞれ介挿接続
されている。

上記のオリフイス22,23の特性諸元を適宜に設定し
て、給水流量の何パーセントを冷却パイプに分流させる
かを任意に定めることができ、冷却パイプ５の通水流量
制御が容易である。

24は、安全のために設けた過圧逃し弁である。

以上のように構成された本考案の燃焼装置の一実施例
の作動について次に述べる。

第１図（Ｂ）に示すように単位バーナ１が列設され
て、これらの単位バーナによって構成される炎孔群が火
炎形成面を構成している燃焼装置において、これら単位
バーナ１の上方（すなわち可視火炎が形成さるべき空
間）に、Ｕ字状の冷却パイプ５を配設して冷却水を、矢
印a,b,cのごとく流通させながら、ガス燃焼を行わせて
火炎３′を形成させる。

このようにして燃料ガスの燃焼を行わせると第３図に
示すごとくになる。即ち、 火炎３′のうち、冷却パイプ５に触れて冷却される部
分、および冷却パイプ５の至近距離内を通って放射冷却
を受ける部分で火炎冷却面Fcを形成し、その他の部分
（冷却を受けない部分）は通常火炎Fnを形成する。概略
的に見れば、冷却パイプ５の周囲および上方に冷却ゾー
ンFc′が形成される。

上記の冷却パイプによる火炎の冷却は、火炎と冷却パ
イプとの間の熱伝導による顕熱の抜熱と、燃焼生成ガス
の中の水蒸気の凝縮熱の抜熱と、凝縮した水蒸気の再蒸
発による蒸発熱の抜熱とが複合して行われ、可視火炎中
から抜熱される。

上記抜熱により火炎冷却面Fcは温度が低くなり、NOx
の発生が抑制される。

前記の冷却パイプ５によるブラフボデイ効果のため、
火炎冷却面Fc付近に排ガス再循環領域（第３図におい
て、ガスの流れを矢印で示す）が成形される。この、部
分的な排ガス自己再循環によってパイプ直上の冷却未燃
ガスおよび、さらに上側のホットな燃焼ガスが逐次混合
され、滞留時間を延ばされながら燃焼するため、NOxの
発生量はいっそう抑制される。

しかしながら、前述のごとく火炎の１部分が冷却され
ると、冷却によるNOx低減効果が得られる反面、冷却に
よってCO発生量が増加するという不具合を生じる。従っ
て、このCO発生量増加を防止しなければ実用価値が無
い。

この実施例においては、冷却パイプ５付近で発生した
COは前述の排ガス再循環領域（多数の小矢印で表わされ
ている）に流入し、渦状流動しつつ隣接する通常火炎Fn
に触れて燃料せしめられCO₂となる。

第４図は横軸に抜熱量をとり、縦軸にNOx低減を示し
た図表である。

抜熱量は、当該ガスバーナの定格発生熱量に対するパ
ーセンテージで表わしてある。

NOx低減率は、従来例（第５図）におけるNOx発生量に
比しての減少率をパーセンテージで示してある。

この実施例では、抜熱量４％付近にNOx低減率のピー
クが認められる。

抜熱量は冷却水の流入温度と流出温度との温度差ΔＴ
に流量を乗じて求められるが、４％の抜熱をする場合に
流量と温度差との組合せはいろいろに変えることができ
る。

本第４図において、実線カーブは温度差ΔＴ＝６℃の
場合、破線カーブは温度差ΔＴ＝50℃の場合である。

上記の温度差ΔＴの変化に伴ってNOx低減効果に若干
の差はあるが、いずれの場合も抜熱量が４％付近のとき
に最良の結果を得た。

本考案者らの実験によると、ガスバーナの仕様や熱量
ガスの組成が変わると、最良の結果を得る抜熱量も変化
するが、おおむね２〜4.5％の範囲内にある。

さらに、次の理由によって抜熱量がこの範囲から外れ
ることは好ましくない。

抜熱量を少なくするには、具体的には冷却パイプの径
を細くするとともに冷却液の流量を絞ることになるが、
径を細くするには自ずから限度が有るので、２％未満と
いった小さい抜熱量を得るには冷却水の流量をかなり小
さくしなければならない。実際問題として流量を小さく
すると流量制御が困難になる。而して流量制御が不適切
であると冷却水が突沸を生じるおそれが有る。

本考案においては、第１図（Ａ）について説明したよ
うに、給湯を分流させてその一部を冷却パイプ５に流通
させるので流量制御が容易であり、突沸のおそれが無
い。

また、抜熱量を大きくすると、冷却パイプの外周面に
凝縮した水が滴下するおそれが有る。この水は硝酸に類
した窒素化合物を含んでいてバーナを腐食させるので不
都合である。

しかし、本考案では第１図（Ａ）について説明したよ
うに、給水の一部を分流させて冷却パイプ５の中に流通
させるので過冷させるおそれが無く、冷却パイプ５の表
面に凝結した水滴が滴下するという不具合を生じにく
い。

（第２図参照）火炎の高さH₁に対する冷却パイプ5aの
高さは厳密に規制するを要しないが、本考案者らの実験
によれば冷却パイプの高さを火炎高さH₁の0.4強にする
と好結果が得られた。

ところが、火炎高さH₁は、当該ガス燃焼装置の負荷の
大小によって変化する。このため、あらゆる負荷状態に
おいても最善であるような冷却パイプ高さは得られな
い。

本実施例の冷却パイプ５には勾配が付されていて、そ
の高さがH₂，H₃を含んで無段階に変化しているので、あ
らゆる負荷状態において冷却パイプの何処かで最良の状
態が得られる。その結果、負荷状態が変化しても可視炎
内に冷却パイプが入っている状態の範囲については、NO
xの低減率がほぼ一定となる。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案に係る燃焼装置によれ
ば、バーナ本体部に改造を加える必要無く、従ってバー
ナの燃焼量範囲や負荷性能に悪影響を及ぼすおそれ無
く、しかもCOの発生量を増加させることなくNOx発生量
を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本考案の一実施例を示す模式図である。 第１図（Ｂ）は上記実施例を示す斜視図である。 第２図（Ａ）は上記実施例の正面図、第２図（Ｂ）は同
じく側面図である。 第３図は上記実施例における燃焼状態の説明図である。 第４図は上記実施例における効果を説明するための図表
である。 第５図は従来例の燃焼装置を示し、同図（Ａ）は正面
図、同図（Ｂ）は側面図である。 １……単位バーナ、２……ノズル、3,3′……火炎、3a
……内炎発光部、3b……CO危険域、3c……最高温度領
域、3d……外炎発光帯、3e……不可視火炎、４……金
網、５……冷却パイプ、5a……冷却パイプの往管、5b…
…冷却パイプの戻管、13……熱交換器、16……給湯管、
21……バイパス管、22,23……オリフイス。

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の炎孔群によって構成されるバーナ
   と、燃焼ガスによって給水を加熱する熱交換器とを有す
   る燃焼装置において、 上記のガスバーナによって可視火炎が形成される空間内
   に設けられたほぼ水平な冷却用パイプと、 前記熱交換器に供給される給水の一部を上記冷却用パイ
   プに分流せしめる管路とが設けられていることを特徴と
   する燃焼装置。