JP2550419B2 - 表面燃焼バーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、耐燃焼性材料層と金属フアイバーマット層
とを接合して構成した２層構造の表面燃焼バーナ、特に
その両層間の接合方法に関する。

［従来の技術］ 食品の調理、加熱や塗装物の乾燥等、幅広い分野での
応用が期待されている赤外線加熱装置、その熱源に安価
で高カロリーなガス燃料を用いる技術の１つとして表面
燃焼バーナがある。

表面燃焼バーナは、通常の燃焼では対流によって大部
分持ち去られる燃焼ガスの熱エネルギーを輻射熱に効率
的に変換するもので、通気性のある板材（以下バーナ板
とする）の一方の側から空気とガス燃料を予混合したも
のを供給し、他方の側の表層部でこれを燃焼させること
により、バーナ板の表層部自身を加熱して、これに輻射
熱の放出を行わせるものである。従って、表面燃焼バー
ナにおいては、火炎がバーナ板の表面に密着、または表
層部に侵入した状態でガス燃焼が維持され、火炎と、赤
熱状態に加熱されたバーナ板表層部とから輻射熱が放射
される。

表面燃焼バーナにおいて、そのバーナ板の素材に金属
焼結板やセラミックス焼結板を用いたものは、調理器具
等、いくつかの分野で既に実用化されており、金属やセ
ラミックスの繊維を層状に焼結したファイバーマットを
用いたものも盛んに研究されている。これらの表面燃焼
バーナでは、輻射熱を高能率に得られることに加え、風
や温度等の外部環境に左右されない安定した燃焼が可能
であるという利点を有するが、特に、ステンレスファイ
バーを焼結させたマット（以下SUSマットと呼ぶ）製の
バーナ板は、表面形状の複雑な整形も可能で、その強度
も良好、空隙率の高い材料を選択すれば、大面積、体圧
損、高燃焼度、高出力密度なものを容易に製作でき、し
かも比較的安価であるために、例えば屋外作業現場にお
ける暖房装置や、自動車塗装の焼付や乾燥等への応用が
期待されている。

第３図は、SUSマット製のバーナ板を用いた表面燃焼
バーナの一例、屋外作業現場で用いられる赤外線暖房器
の構造を示す模式図で、バーナ板を含む部分が断面で示
される。

第３図においてバーナ板ｍは、直径20μｍ、長さ50mm
程度のSUS316の長繊維を、マット状に成形した後に相互
に焼結させた厚さ5mmのSUSマットで構成され、運転中は
その表層部m1がガス燃焼域、および輻射熱の放出部とな
る。

ここで、このバーナ板ｍが取付けられたバーナ本体Ｋ
には、ガスノズルGN、電磁弁SV、燃料のガスのボンベＴ
を含むガス供給系、および送風機Ｆを含む空気供給系が
接続される。また、バーナ板ｍの下端に対向させて、着
火用のスパーク電極Ｓが設けられ、制御装置Ｃは、その
スイッチを操作することにより、電磁弁SVと送風機Ｆを
作動させるとともに、スパーク電極Ｓとバーナ板ｍの間
にスパイク状の高電圧を印加してバーナ板ｍ表面のガス
−空気混合体の着火を行う。以上の各構成部材は、車輪
を設けた移動自在な基台Ｂ上で相互に位置関係を固定さ
れている。

さて、制御装置Ｃのスイッチを操作してこの暖房装置
を起動すると、電磁弁SVが開かれてノズルGNから燃料の
ガスが噴射、供給されるとともに送風機Ｆが起動して空
気が供給され、バーナ本体Ｋ内では、燃料のガスと空気
とが混合状態となってバーナ板ｍ方向に流れ、これを通
過して表層部m1から外部に浸み出す。一方、高電圧が印
加されたスパーク電極Ｓとバーナ板ｍの間には、スパー
クが発生し、この部分に浸み出した空気−ガス混合体は
着火され、火炎は速やかにバーナ板ｍの表面全体に伝播
して燃焼運転が開始される。

ここで、この表面燃焼バーナに効率の良い燃焼を行わ
せるためには、ガス供給量と空気供給量とが厳密に制御
される必要がある。すなわち、ガス供給量と空気供給量
の比（混合比）をほぼ化学反応量論比相当とし、バーナ
板ｍを通過するガス−空気混合体の流量は、火炎がバー
ナ板ｍの表面を離脱しない範囲に定められる。これによ
り、バーナ板ｍの表層部m1では、安定した燃焼が持続さ
れて赤熱状態となり、ほぼ表層部m1の温度に依存した量
の輻射熱が放射される。

［発明が解決しようとする課題］ SUSマット製バーナ板を用いた表面燃焼バーナでは、
赤熱状態となるバーナ板表層部の酸化劣化の進行が著し
く、SUSマットは急速に痩せ細って崩壊に至るため、バ
ーナ板の寿命が短く、例えば、従来例の暖房機のバーナ
板ｍの寿命は、通常の運転でも100時間を越えなかっ
た。

第４図は、従来例の表面燃焼バーナが通常の運転を行
った場合の、バーナ板ｍの厚さ方向の温度分布を示す。

第４図において、バーナ板ｍの表層部mlにおける温度
は、1200℃に達しており、常用温度として800℃以下を
採用すべきSUSマットに対しては厳しい環境である。一
方、SUSマット自身は熱伝導度の低い材料であり、通過
する未燃焼なガス−空気混合体により常に冷却されてい
るから、表層部m1から離れると温度は急激に下がり、わ
ずか1mm内部では800℃以下となり、SUSマットが十分耐
える温度である。

この点に注目して、バーナ板ｍの表層部m1を耐燃焼性
材料、例えばAl₂O₃ファイバーを焼結したマットに置換
える。すなわち、SUSマットと耐熱材料マットを接合し
て２層構造のバーナ板とする試みが行われた。しかし、
SUSファイバーと耐熱材料ファイバーとでは、それぞれ
の焼結の必要条件が相当に異なり、耐熱材料ファイバー
の焼結に必要な温度条件下ではSUSファイバーが溶解し
てしまう等、焼結によるマット間の接合は困難である。
また、燃焼面に多数の耐熱ビスを配置して２層間のねじ
止めを行うと、バーナ板を貫通する耐熱ビスに沿ったSU
Sマットの酸化劣化が選択的に進行し、耐熱ビス周囲に
隙間を形成して燃焼面におけるガス−空気混合体の流量
および燃焼の均一性を損なわせた。

また、２層間の接合が不十分なまま大面積なバーナ板
を製作すると、２層間に部分的な隙間が形成されて空気
−ガス混合体の流れが乱れ、燃焼を不安定で不均一なも
のにしたり、また、繰返し運転に伴って２層間の熱膨張
差により、比較的薄いセラミックファイバーマット層が
崩壊して脱落する。

本発明は、表層部を耐燃焼性材料で構成してバーナ板
の耐熱性を高めるとともに、燃焼面におけるガス燃焼の
均一性を損なうことなく耐燃焼性材料層とSUSマット層
とを強固に接合した表面燃焼バーナ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］ 本発明の請求項（１）の表面燃焼バーナは、ガス燃焼
域を形成し、セラミックス製のマットあるいはクロスか
らなる第１層と、該第１層にガス供給を行なうとともに
前記第１層を支持すステンレスファイバーマットからな
る第２層とを備え、 前記第１層と前記第２層とを、耐燃焼性の糸により縫
合せ接合したものである。

また、本発明の請求項（２）の表面燃焼バーナは、請
求項（１）に記載の表面燃焼バーナにおいて、 耐熱金属線を用いてソーイングミシンにより前記第１
層と第２層とを縫合せたものである。

［作用］ 本発明の請求項（１）の表面燃焼バーナにおいては、
第２層の側から空気とガスを予混合したものが供給さ
れ、この混合体は、第２層を通過して第１層に浸み出し
て第１層の表層部で燃焼し、この表層部を加熱して赤熱
状態にする。ここで、第１層には、例えばセラミックフ
ァイバーマットのような耐燃焼性材料が、また第２層に
は、強度や経済性を考慮して一般的にはSUSマットが採
用される。

一方、第１層、第２層は、耐燃焼性の糸により重ねて
縫合せられ、相互の位置関係が固定されているので、第
１層が赤熱して強度が低下し、さらに熱膨張を生じた場
合でも、形状、およびバーナ板上での位置は、第２層に
よって支持されて変化しない。ここで、縫合せはバーナ
板を貫通して行うのが作業上容易であるが、燃焼面にお
ける空気−ガス混合体の流量の均一性の観点からは、縫
目がバーナ板表面、または裏面に出ないように、ステッ
チを完全には貫通させないで行うのが望ましい。また、
この両層の縫合せに用いる糸には、耐燃焼性のある素
材、例えば、耐熱金属のカンタルやセラミックス繊維材
の撚り糸や単線材が用いられるが、同様な観点から、必
要最小限度の太さのものが選択される。

これにより、第２層は、ガス燃焼による高温に直接さ
らされずに済む。また、縫合せ用の糸はビス等に比べ細
く、バーナ板を貫通することによる第１層および第２層
の通気性への影響が少ないから、燃焼面における空気−
ガス混合体の流量の均一性は維持され、ばらつきの無い
均一な燃焼状態が得られる。

ここで、第１層には、種々の耐熱材料、すなわちセラ
ミックファイバーマットや高融点金属ファイバーマッ
ト、または同様な素材を用いた織り布やパイル地クロス
等が採用されるが、第２層の材料に対して空隙率を等し
くする、もしくは接合部において空隙率の段差や急変が
発生しないようにするのが望ましい。

なお、第１層をセラミッククロスとした場合、セラミ
ックファイバーよりも取り扱いが容易で、しかも縫合せ
によるつぶれや崩壊が発生しにくいため、例えば通常の
ソーイングミシン等を用いて簡単に第１層と第２層の接
合を行うことができる。

本発明の請求項（２）の表面燃焼バーナでは、白金や
ニクロム線の単線材を用いて、ソーイングミシンによ
り、任意の軌跡に沿って第１層と第２層とが縫合せられ
ている。

［発明の実施例］ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の実施例に係る表面燃焼バーナのバ
ーナ板部分の構造を示し、（ａ）はバーナ板Ｍの正面
図、（ｂ）はその一部分を拡大して側面から見た断面図
である。本実施例の表面燃焼バーナは、従来例の表面燃
焼バーナのSUSマット１層構造のバーナ板ｍを、第１層
としてAl₂O₃クロス１、第２層としてSUSマット２を採用
して２層構造のバーナ板Ｍとしたものである。

第１図（ａ）、（ｂ）において、第１層のAl₂O₃クロ
ス１は、直径８μｍのAl₂O₃長繊維からなる不織布で厚
さ１〜2mm、また、第２層のSUSマット２は、直径20μ
ｍ、長さ50mm程度のSUS316の長繊維をマット状に成形し
て相互に焼結させた厚さ4mmのものである。ここで、両
者の空隙率は、ほぼ等しく90％以上となっている。

一方、Al₂O₃クロス１とSUSマット２とは重ねられ、
鉄、クロム等の合金であるカンタルの直径0.1mmの単線
３と工業用ミシンとを用いて約10mm角の碁盤目状のステ
ッチパターンに従って縦横に縫合されている。

第２図は、本実施例の表面燃焼バーナにおけるガス−
空気混合体のガス混合比（実際の空気供給量と量論比相
当量との比）と、バーナ板Ｍの各層の界面温度との関係
を示す線図である。ここで、混合体の流速は15cm/sec、
ガス燃料にはメタンCH₄が選択されている。

第２図の線図に示されるように、ガス燃焼が進行して
高温赤熱状態となる部分をAl₂O₃クロスで置換えたバー
ナ板Ｍでは、種々のガス混合比に対してAl₂O₃クロス１
とSUSマット２の界面温度を800℃以下に保った運転とな
る。

従って、SUSマット２、３の酸化進行が遅くなり、従
来100時間程度であったバーナ板寿命は、最大負荷運転
下でも5000時間に達し、また、運転中の燃焼面における
燃焼の均一性も維持された。

本実施例では、SUSマットとAl₂O₃クロスとをカンタル
線で縫い合せたが、これらの素材は耐熱性や経済性を考
慮して種々に選択、組合せることが可能である。例えば
Al₂O₃クロスをTiO₂クロスに、カンタル線を白金線に置
換える等の応用が可能である。

［発明の効果］ 本発明の請求項（１）の表面燃焼バーナにおいては、
そのガス燃焼域であるバーナ板表面層が耐燃焼性材料の
第１層で構成されるから、バーナ板の酸化劣化の進行が
遅い。また、第１層と第２層とは、相互に縫合されて固
定されているから、バーナ板の取扱いが容易で、繰返し
運転に伴う両層間のずれが無い。また、両層を焼結接合
する場合のように、焼結温度差や素材間の親和性等のマ
ッチングを考慮しないで、両層の自由な素材選択が可能
である。

従って、バーナ板の材料費、製作費が削減されるとと
もに、その寿命が伸び、稼働率の向上、運転費の削減が
可能となる。また、運転に当ってバーナ板の耐熱性を考
慮する必要が無いから、プロパンガス等の高カロリーガ
スを用いて、高密度な燃焼を行わせ、燃焼面の表面温度
をより高く設定すれば、さらに高い輻射効率を得ること
も可能となる。

なお、第１層にセラミッククロスを用いると、焼結構
造のマット等と比較して格段に取り扱いが容易で安価で
あるため、縫合せ作業を楽に高能率に行える。

本発明の請求項（２）の表面燃焼バーナにおいては、
ソーイングミシンによる高能率でコストの低い縫合せ作
業が可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の実施例に係る表面燃焼バーナの構成
を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分的な断面図であ
る。 第２図は、本発明の実施例に係る表面燃焼バーナの運転
条件と、バーナ板の各層界面温度との関係を示す線図で
ある。 第３図は、従来の表面燃焼バーナを説明するためのもの
で、屋外作業用の暖房装置の構造を示す模式図である。 第４図は、従来の表面燃焼バーナのSUSマット断面にお
ける温度分布を示す線図である。 ［主要部分の符号の説明］ １…Al₂O₃クロス、２…SUSマット ３…カンタル線

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス燃焼域を形成し、セラミックス製のマ
   ットあるいはクロスからなる第１層と、該第１層にガス
   供給を行なうとともに前記第１層を支持するステンレス
   ファイバーマットからなる第２層とを備え、 前記第１層と前記第２層とを、耐燃焼性の糸により縫合
   せ接合したことを特徴とする表面燃焼バーナ。
2. 【請求項２】耐熱金属線を用いてソーイングミシンによ
   り前記第１層と第２層とを縫合せたことを特徴とする請
   求項（１）に記載の表面燃焼バーナ。