JP3159519B2 - 燃焼用バーナー構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は燃焼装置に使用される
バーナー構造、より詳細には、燃焼用ディフューザコー
ン部材を装着したバーナー構造において、燃焼炎に対し
て優れた耐熱性および耐熱衝撃性を有し、且つ燃焼時の
燃焼灰成分に対して耐腐食性に優れたセラミックス製デ
ィフューザコーンを装着した燃焼用バーナー構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より重油専焼の燃焼用バーナーには
耐熱性の高い金属素材が使用されており、一般的にはス
テンレス系の耐熱金属が使われている。これらの金属材
料は鋼鉄に比較して、優れた耐熱性、並びに燃焼時の燃
焼灰成分に対する耐腐食性を有しているが、長期使用に
耐え得るほどの充分な耐久性は有していない。特に、燃
焼用ディフューザコーンを装着したバーナー構造では、
ディフューザコーンは高温に晒されるだけでなく、燃焼
灰成分からも腐食を受けるので、その損耗が著しい。従
って、上述の耐熱金属を用いた場合のディフューザコー
ンの寿命は燃料の種類や使用条件等にも依るが、一般的
には数カ月から１年程度が限界と言われており、使用限
度を越えると、燃焼灰成分に対する腐食進行が激しく、
耐熱性が極端に劣化するばかりでなく、ディフューザコ
ーンの形状すらも維持できない程の損耗を受けるのが通
常である。このために、使用限界が近付いた時点で、早
めにディフューザコーンを交換するのが一般的に用いら
れている方法である。

【０００３】ところで、燃焼用バーナーのディフューザ
コーンの交換時には、交換するディフューザコーンの費
用や交換作業に掛かる費用が嵩むことは勿論のこと、交
換作業時には燃焼設備全体を休止させる必要があるの
で、頻繁な交換作業は安定運転上からも好ましくなく、
長期間連続して使用できる耐久性の優れたディフューザ
コーンの出現が強く望まれている。こうした事情からも
耐熱金属材料に代わる新しい素材として近年、セラミッ
クス製ディフューザコーンに対する関心が高まってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】併し乍ら、現状ではセ
ラミックス製ディフューザコーンを金属製ジャケットチ
ューブに固定する適切な方法が見出されていないために
セラミックス製ディフューザコーンを装着したバーナー
は今のところ実現していない。すなわち、従来の金属製
の燃焼用ディフューザコーンを装着したバーナー構造に
おけるディフューザコーンと金属製ジャケットチューブ
との固定方法は、一般にボルト締めによって強固に締め
つけ固定する方法や、場合によっては溶接する方法が採
用されている。ところが、ディフューザコーンがセラミ
ックスに置き換えられた場合には、従来採られていた方
法は適用し難い。

【０００５】例えば、従来の様にボルト締めによってセ
ラミックス製ディフューザコーンを強固に締め付けよう
とすれば、セラミックスは所謂脆性材料であるから容易
に破壊することが予想されるし、また、溶接法は素材が
異なるので、勿論不可能である。また、セラミックス製
ディフューザコーンを金属製ジャケットチューブに固定
する際には異種材料であるが故に生じる両者間の性質の
差、こゝでは熱膨張の差、が大きな問題となる。

【０００６】例えば、従来の方法、すなわち、金属製ジ
ャケットチューブの外径に対して最小のクリアランスで
セラミックス製ディフューザコーンを取付けるような固
定方法を採用した場合には、セラミックスに比較して金
属材料の熱膨張率は極めて大きいので、高温下において
は金属製ジャケットチューブの熱膨張のためにセラミッ
クス製ディフューザコーンは容易に破壊されてしまう。
一方、金属製ジャケットチューブの膨張量を見込んで、
金属製ジャケットチューブとセラミックス製ディフュー
ザコーンの間に幾らかの間隙を与える方法も考案できる
が、燃焼用バーナーはこれに繋がる様々な計器や装置等
から発生する振動を常に受けているために、この振動に
よって、セラミックス製ディフューザコーンは破壊され
てしまうことが予想される。この様なことから、耐熱性
や耐食性に極めて優れているという利点を有していて
も、金属部材との固定方法がないために、セラミックス
製ディフューザコーンを装着したバーナー構造は未だ活
用されていないのが現状である。

【０００７】従って、この発明はこうした技術的課題を
解決するためになされたもので、その目的とするところ
は上述の趣旨から明らかな様に耐久性に優れ、長期間連
続して使用できるセラミックス製ディフューザコーンを
装着したバーナー構造を提供するところにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明に依れば、燃焼用バーナー構造は、金属
製ジャケットチューブにコーン部と円筒部から構成され
るセラミックス製ディフューザコーンを装着したバーナ
ー構造であり、金属製ジャケットチューブの外径側にセ
ラミックス製ディフューザコーンの円筒部を固定した燃
焼用バーナー構造において、セラミックス製ディフュー
ザコーンが円周方向に対して垂直に２個以上に分割され
ており、且つセラミックス製ディフューザコーンの円筒
部の内径が燃焼用バーナーの使用温度における金属製ジ
ャケットチューブの外径と同一の曲率を有していて、金
属製ジャケットチューブとセラミックス製ディフューザ
コーンとは、セラミックス製ディフューザコーンの円筒
部の外径側と接する面がセラミックス製ディフューザコ
ーンの円筒部の外径に等しい曲率を有する耐熱性留め具
により固定されていることを特徴としている。

【０００９】本発明者等は、上述の要求を満足するバー
ナー構造の開発を目指して種々研究を重ねた結果、金属
製ジャケットチューブにコーン部と円筒部から構成され
るセラミックス製ディフューザコーンを装着した燃焼用
バーナー構造であり、金属製ジャケットチューブの外径
側にセラミックス製ディフューザコーンの円筒部を固定
した燃焼用バーナー構造において、セラミックス製ディ
フューザコーンが円周方向に対して垂直に２個以上に分
割されており、且つセラミックス製ディフューザコーン
の円筒部の内径が燃焼用バーナー構造の使用温度におけ
る金属製ジャケットチューブの外径と同一の曲率を有し
ており、金属製ジャケットチューブとセラミックス製デ
ィフューザコーンとは、セラミックス製ディフューザコ
ーンの円筒部の外径側と接する面がディフューザコーン
の円筒部の外径に等しい曲率を有する耐熱性留め具によ
り固定されているバーナー構造を用いることにより、耐
熱性や耐腐食性が著しく向上し、且つセラミックス製デ
ィフューザコーンが金属製ジャケットチューブから脱落
することなく、また各種の装置から発生する振動に対し
ても安定で、且つ使用中の温度上昇に対し、金属製ジャ
ケットチューブが膨張しても応力が掛からずに安定であ
るバーナー構造が実現することを見出し、この発明を完
成することが出来た。この発明の他の目的や特長および
利点は以下の添付図面に沿っての詳細な説明により明ら
かになろう。

【００１０】

【実施例】図１および図２には、この発明の燃焼用バー
ナー構造の一実施例が示されている。図示される様に、
この発明の燃焼用バーナー構造は、截頭円錐形のディフ
ューザコーン部１１とバーナー構造の使用温度における
金属製ジャケットチューブ２の外径と同一の曲率の内径
を有する円筒部１２とを有し、且つ円周方向に対して垂
直方向に２個以上に分割されたディフューザコーン部材
１０から成るディフューザコーン１と、円筒状のジャケ
ットチューブ２とから主に構成されており、分割された
ディフューザコーン１の各ディフューザコーン部材１０
がジャケットチューブ２の外径側に載置され、ディフュ
ーザコーン１の円筒部１２に接している面２１がディフ
ューザコーン１の円筒部１２の外径１７と等しい曲率を
有する耐熱性留め具５を介して固定用ナット３によって
締め付け固定されることによって、各ディフューザコー
ン部材１０がジャケットチューブ２に取付固定される様
に成っている。

【００１１】ディフューザコーン１は窒化珪素、炭化珪
素、サイアロン、ムライト等のセラミックス材料の中か
ら選ばれた単一素材または２種以上の複合セラミックス
から造られ、円周方向に対して垂直方向に２個以上、図
示実施例では４個、に分割されている。また、ディフュ
ーザコーン１の分割された各ディフューザコーン部材１
０の円筒部１２に、取付けのための孔１４が設けられて
いる。ディフューザコーン１は２個以上に分割されるこ
とが必須で、使用するジャケットチューブ２の形状やセ
ラミックス製ディフューザコーン１の形状に応じて分割
数を決定すれば良く、特に分割数については限定される
ものではないが、通常には３〜４個に分割するのがディ
フューザコーン脱着作業面の上から扱い易く好適であ
る。

【００１２】また、ジャケットチューブ２は適宜な金属
材料、例えばＳＵＳ３１０Ｓの様なステンレス鋼から円
筒状に造られ、ディフューザコーン１の分割された各デ
ィフューザコーン部材１０を取付けるための孔１６が設
けられている。

【００１３】従って、適宜な数に分割されたディフュー
ザコーン１の各ディフューザコーン部材１０は円筒状の
ジャケットチューブ２の外径側に配置され、固定用ボル
ト４を各ディフューザコーン部材１０の孔１４とジャケ
ットチューブ２の孔１６とに差し込んで、耐熱性留め具
５を介して固定用ナット３により締めつけることにより
ジャケットチューブ２に固定される。この耐熱性留め具
５はディフューザコーンの円筒部１２の外径側１７に接
する面２１がディフューザコーンの円筒部１２の外径側
１７に等しい曲率を有している。こうして順次、各ディ
フューザコーン部材１０がジャケットチューブ２の外径
側に取付けられて固定され、所要形状のディフューザコ
ーン１が構成される。

【００１４】この様に構成されたこの発明の燃焼用バー
ナー構造においては、ディフューザコーンが円周方向に
対して垂直に２個以上に分割されることが不可欠であ
り、更にディフューザコーンの円筒部の内径がバーナー
構造の使用温度における金属製ジャケットチューブの外
径と同一の曲率を有しなければならない理由は、次の通
りである。

【００１５】すなわち、金属に対するセラミックスの熱
膨張率の差異は極めて大きく、例えば、ジャケットチュ
ーブの素材として一般的であるＳＵＳ３１０Ｓの７００
℃における熱膨張係数が１８×１０^−６（／℃）である
のに対して、本発明に使用するセラミックスは２×１０
^−６（／℃）である。この熱膨張率の差異は実用面にお
いて大きく作用して、例えば、ジャケットチューブの外
側に装着した場合に、セラミックス製ディフューザコー
ンは膨張圧によって押し広げられて破壊する。また、ジ
ャケットチューブの内側に何らか形で装着したとして
も、セラミックス製ディフューザコーンは膨張するジャ
ケットチューブに引っ張られて破壊する。

【００１６】金属製ジャケットチューブの外径側にセラ
ミックス製ディフューザコーンを装着した燃焼用バーナ
ー構造において、セラミックス製ディフューザコーンを
分割すること、およびディフューザコーンの円筒部の内
径がバーナー構造の使用温度における金属製ジャケット
チューブの外径と同一の曲率を有することは、膨張量の
大きなジャケットチューブの挙動に合わさせるために必
要である。すなわち、ディフューザコーンの円周方向に
対して、ディフューザコーンが予め２個以上に分割され
て、且つディフューザコーンの円筒部の内径がバーナー
構造の使用温度における金属製ジャケットチューブの外
径と同一の曲率を有していれば、分割された各ディフュ
ーザコーン部材はジャケットチューブの膨張量に合わせ
てジャケットチューブと同一に変化することが可能であ
り、従って、ディフューザコーンの分割によってジャケ
ットチューブがどのように膨張しても何ら全く応力を受
けることが無く、ディフューザコーンの分割された各デ
ィフューザコーン部材は膨張変化するジャケットチュー
ブに合わせて変化することが出来る。

【００１７】また、分割されたセラミックス製ディフュ
ーザコーン部材をディフューザコーンの円筒部の外径側
に接する面がディフューザコーンの円筒部の外径と等し
い曲率を有する耐熱性留め具を使用して、金属製ジャケ
ットチューブに固定する理由は次の通りである。

【００１８】金属製ジャケットチューブにセラミックス
製ディフューザコーンを装着するに当たり、単に両者を
ボルトで固定する場合には曲面形状に対して、端面が平
面である、ボルトもしくはナットで固定するわけである
から、両者の接触は線接触となり、不安定な固定が強い
られることになる。従って、面で接触し、固定されるこ
とが理想的である。セラミックス製ディフューザコーン
を金属製ジャケットチューブにボルトで固定する際に、
ディフューザコーンに接する面がディフューザコーンの
円筒部の外径と等しい曲率を有する耐熱性留め具を用い
てディフューザコーンを固定することにより、被固定物
であるセラミックス製ディフューザコーンと耐熱性留め
具が広い面積で接しているので、セラミックス製ディフ
ューザコーンに懸かる応力を分散し、且つ強固な固定が
可能となるのである。

【００１９】耐熱性留め具は、耐熱金属、もしくは窒化
珪素、炭化珪素、サイアロン、ムライトから選ばれたう
ちの単一セラミックス素材、またはこれらセラミックス
素材の複合セラミックスを使用する。これらの素材は耐
熱性は勿論であるが、耐熱衝撃性や耐食性に優れている
点が特長であり、燃焼用のバーナー構造として適した材
料である。耐熱性留め具は、ディフューザコーンの円筒
部の外径側と接する面がディフューザコーンの円筒部の
外径に等しい曲率を有するが、その面積が大きいほどデ
ィフューザコーンとの接触面積が大きくなり、強固な固
定が得られるために、ディフューザコーンの円筒部の外
径側と接する面はディフューザコーンとの接触面積が大
きくなる範囲内でできるだけ大きいことが望ましい。

【００２０】また、セラミックスは窒化珪素、炭化珪
素、サイアロン、ムライトから選ばれた内の単一素材、
もしくは２種以上の複合セラミックスを使用する。これ
らの素材は耐熱性は勿論のこと、耐熱衝撃性や耐食性に
優れている点が特長であり、燃焼用のバーナー構造とし
て適した材料である。

【００２１】

【発明の効果】この様に構成されたこの発明の燃焼用バ
ーナー構造においては、金属製ジャケットチューブにコ
ーン部と円筒部から構成されるセラミックス製ディフュ
ーザコーンを装着した燃焼用バーナー構造であり、金属
製ジャケットチューブの外径側にセラミックス製ディフ
ューザコーンの円筒部を固定した燃焼用バーナー構造に
おいて、２個以上の、複数に分割されたディフューザコ
ーン部材から成るセラミックス製ディフューザコーン
と、円筒状の金属製ジャケットチューブとから成り、内
径がバーナー構造の使用温度における金属製ジャケット
チューブの外径と同一の曲率である円筒部を有する分割
された各ディフューザコーン部材を固定用ボルトによっ
て金属製ジャケットチューブの上に取付け、ディフュー
ザコーンの円筒部の外径側に接する面がディフューザコ
ーンの円筒部の外径と同等の曲率を有する耐熱性留め具
を介して金属製ナットにより締め付け固定することによ
り、分割された各ディフューザコーン部材が金属製ジャ
ケットチューブの膨張量に合わせて金属製ジャケットチ
ューブと同様に変化することができ、分割されたセラミ
ックス製の各ディフューザコーン部材がジャケットチュ
ーブの如何なる膨張に対しても、局所的な応力を受ける
ことなく、膨張変化するジャケットチューブに合わせて
各ディフューザコーンが変化することが出来る等の効果
が得られる。

【００２２】次に、この発明の燃焼用バーナー構造を実
際に実施した幾つかの例を示す。例 １ 窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、ムライトの各種セラ
ミックス素材にて図１、図２に示される４分割したディ
フューザコーンを、外径：８９.１mm、内径：７３.９mm
のＳＵＳ３１０Ｓ製鋼管に、ＳＵＳ３１０Ｓ製ボルト・
ナットおよびＳＵＳ３１０Ｓ製留め具を用いて固定し
た。このバーナー構造を６００℃の電気炉内に装入して
片端面から振動数：４０Ｈｚ、振幅：１mmの振動を与え
た。いずれの素材においても、３０日間の振動によって
も何等全く緩みや脱落がなく、また、ジャケットチュー
ブの寸法変化に伴うセラミックスの亀裂等の損傷も皆無
であった。

【００２３】例 ２ 図１、図２に示される４分割した窒化珪素製ディフュー
ザコーンを、外径：８９.１mm、内径：７３.９mmのＳＵ
Ｓ３１０Ｓ製鋼管に、ＳＵＳ３１０Ｓ製ボルト・ナット
および窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、ムライトの各
種セラミックス製留め具を用いて固定した。このバーナ
ー構造を６００℃の電気炉内に装入して片端面から振動
数：４０Ｈｚ、振幅：１mmの振動を与えた。いずれの素
材においても、３０日間の振動によっても何等全く緩み
や脱落がなく、また、ジャケットチューブの寸法変化に
伴うセラミックスの亀裂等の損傷も皆無であった。

【００２４】比較例１ 円筒状部の内径が８９.１mmである窒化珪素製ディフュ
ーザコーンを４分割して、外径：８９.１mm、内径：７
３.９mmのＳＵＳ３１０Ｓ製鋼管に、ＳＵＳ３１０Ｓ製
ボルト・ナットを用いて固定した。このバーナー構造を
６００℃の電気炉内に装入して片端面から振動数：４０
Ｈｚ、振幅：１mmの振動を与えた。２時間後に４個のセ
ラミックス部材の内１個にボルト孔を中心にわずかな亀
裂が発現し、残りの３個にはボルトの緩みが生じた。

【００２５】例 ３ 図１、図２に示す窒化珪素製ディフューザコーンを重油
専焼のボイラー用バーナーに装着し、１カ年間連続使用
した。重油燃焼灰に対する腐食も殆どなく、ジャケット
チューブにも強固に固定されており、初期状態を維持し
ていた。

【００２６】比較例２ 図１および図２に示すセラミックス製ディフューザと同
寸法のＳＵＳ３１０Ｓ製ディフューザを重油専焼のボイ
ラー用バーナーに装着し、１カ年連続使用した。重油燃
焼灰に対する腐食が顕著であり、一部では完全に焼損し
た部分が生じ、これ以上の使用は不可能であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃焼用バーナー構造の一実施例を示
す側断面図である。

【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１ ディフューザコーン ２ ジャケットチューブ ３ 固定用ナット ４ 固定用ボルト ５ 固定用留め具 １０ ディフューザコーン部材 １１ ディフューザコーン部 １２ 円筒部 １４ 孔 １６ 孔 １７ 円筒部外面 ２１ 留め具内面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 憲史 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 小野 田セメント株式会社 セラミックス研究 所内 (72)発明者 井口 真仁 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 小野 田セメント株式会社 セラミックス研究 所内 (72)発明者 井山 秀一 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 小野 田セメント株式会社 セラミックス研究 所内 (56)参考文献 特開 平３−11206（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−34316（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−34317（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−132417（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23D 11/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製ジャケットチューブにコーン部と
   円筒部から構成されるセラミックス製ディフューザコー
   ンを装着した燃焼用バーナー構造であり、該金属製ジャ
   ケットチューブの外径側に、該セラミックス製ディフュ
   ーザコーンの円筒部を固定した燃焼用バーナー構造にお
   いて、 該セラミックス製ディフューザコーンが円周方向に対し
   て垂直方向に２個以上に分割されており、 且つ該セラミックス製ディフューザコーンの円筒部の内
   径が該燃焼用バーナー構造の使用温度における該金属製
   ジャケットチューブの外径と同一の曲率を有しており、 該金属製ジャケットチューブと該セラミックス製ディフ
   ューザコーンとは、該セラミックス製ディフューザコー
   ンの円筒部の外径側と接する面が該セラミックス製ディ
   フューザコーンの円筒部の外径に等しい曲率を有する耐
   熱性留め具により固定されていることを特徴とする燃焼
   用バーナー構造。
2. 【請求項２】 前記セラミックスが窒化珪素、炭化珪
   素、サイアロン、ムライトから選ばれた内の単一素材、
   またはこれらの素材の複合セラミックスであることを特
   徴とする請求項１記載の燃焼用バーナー構造。
3. 【請求項３】 前記耐熱性留め具が耐熱金属、または窒
   化珪素、炭化珪素、サイアロン、ムライトから選ばれた
   うちの単一セラミックス素材、またはこれらセラミック
   ス素材の複合セラミックスであることを特徴とする請求
   項１記載の燃焼用バーナー構造。