JP3606310B2

JP3606310B2 - 予混合旋回燃焼器

Info

Publication number: JP3606310B2
Application number: JP2000095819A
Authority: JP
Inventors: 林謝; 俊雄渡辺
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001280609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器に関するものであり、特に燃焼室内に予め空気と燃料を混合した混合ガスを噴射して旋回流を発生させる予混合旋回燃焼器に関するものである。本発明の燃焼器は、給湯器やボイラーといった熱源を要するあらゆる装置に活用できる。
【０００２】
【従来の技術】
高い空間発熱率を有する燃焼手段の一つとして、予混合旋回燃焼方式が知られている（特許第２８６３８４１号）。
予混合旋回燃焼方式とは、筒状の燃焼室を使用し、この燃焼室内に予め空気と燃料を混合した混合ガスを噴射して内部に旋回流を発生させるものである。
図１１は、予混合旋回燃焼方式を採用した従来技術の燃焼器の概念図である。
予混合旋回燃焼方式を採用した燃焼器では、円筒形の燃焼室１０１を使用し、この燃焼室に対して接線方向に空気と燃料との混合ガスを噴射する。この混合ガスは、燃焼室１０１内で旋回流を形成する。燃焼室１０１内では、円筒状の旋回火炎が発生する。また既燃焼ガスは、旋回しながら開口１０４から外部に排出される。
【０００３】
予混合旋回燃焼方式は、開口から大気中に直接的に混合ガスを噴射させる通常の燃焼方式に比べて、格段に高い空間発熱率を発揮する。そのため給湯器等の装置の小形化が可能である。また予混合旋回燃焼方式は、強い旋回流を利用して燃焼を行うので、燃料を希薄な状態で燃焼させることもできる。そのため火炎の温度を低下させることが可能であり、排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が可能である。さらに通常の燃焼方式に比べて燃焼量絞り比（Ｔ．Ｄ．Ｒ）を広くとることができるという利点もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した様に、予混合旋回燃焼方式を採用した燃焼器は、旧来の燃焼方式に比べてＮＯｘの排出量が少ない。しかしながら、現状の水準ではまだまだ不十分であり、現状よりもさらにＮＯｘの排出量を抑制したいという産業上の要求がある。
そこで本発明は、この要求に応えるため、予混合旋回燃焼方式を採用する燃焼器に改良を加え、ＮＯｘの排出がより少ない燃焼器を開発することを技術的課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そして上記した課題を解決するために、本発明者らが研究を行ったところ、予混合旋回燃焼方式においては、主として旋回火炎の中心部でＮＯｘが生成されることが判明した。
即ち本発明者らは予混合旋回燃焼器１００を試作し、燃焼室１０１内外の温度分布を精査したところ、図１２に示す通りであった。図１２は、従来技術の予混合旋回燃焼器の中心軸を含む平面における温度分布を示す概念図である。図において、１０１は、筒状の燃焼室をモデル化して表現したものであり、曲線１０２は、旋回火炎面を表す。また実線１０３は温度分布を示す。
【０００６】
従来技術の予混合旋回燃焼器１００では、旋回火炎面１０２と燃焼室１０１の内壁の間は、混合ガス層が存在するために比較的温度が低い。そして旋回火炎面１０２から燃焼室１０１の中心軸Ｏに向かって高温の既燃焼ガス領域１０５となり、当該既燃焼ガス領域１０５でＮＯｘが生成される。
【０００７】
そこで本発明は、上記の知見に基づき、予混合旋回燃焼器の高温領域に管を通して熱媒体を通過させ、高温領域の温度を低下させてＮＯｘの低減を図るものである。
【０００８】
即ち、請求項１に記載の発明は、燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射し、燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させて燃焼させる予混合旋回燃焼器において、複数の燃焼室が対向位置に配され、前記対向する燃焼室同士の中心軸近傍に管を挿通し、当該管内に熱媒体を通過させたことを特徴とする予混合旋回燃焼器である。
【０００９】
本発明の予混合旋回燃焼器は、給湯器等への採用を考慮したものである。即ち本発明の要旨は、燃焼室の中央に管を配するものであるから、燃焼室の火炎排出方向の位置に被加熱物を配置すると、当該被加熱物に管が干渉するという問題がある。
そこで本発明の予混合旋回燃焼器は、燃焼室を対向位置に配置し、両者の中心軸近傍に管を挿通して熱媒体を通過させることにより、管が干渉する問題を解消したものである。
【００１０】
また請求項２に記載の発明は、燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射し、燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させて燃焼させる予混合旋回燃焼器において、複数の燃焼室が並列的に配され、各燃焼室の中心軸近傍に管が配され、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管同士が連通していることを特徴とする予混合旋回燃焼器である。
【００１１】
本発明の予混合旋回燃焼器は、先の発明と同様に給湯器等への採用を考慮したものである。
本発明の予混合旋回燃焼器では、複数の燃焼室が並列的に配され、各燃焼室の中心軸近傍に管が配され、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管同士が連通している。そのため本発明の予混合旋回燃焼器では、管を直列的に接続して熱媒体を通過させることができ、配管が容易であって機器への組み込みを容易に行うことができる。
【００１２】
さらに請求項３に記載の発明は、燃焼室に設けられた管は、燃焼室の火炎排出側を出て旋回火炎の高さ以上に至り、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管と連通していることを特徴とする請求項２に記載の予混合旋回燃焼器である。
【００１３】
本発明の予混合旋回燃焼器では、熱媒体を挿通させる管が、燃焼室の火炎排出側を出て旋回火炎の高さ以上に至り、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管と連通している。本発明の予混合旋回燃焼器によると、熱媒体が挿通される管は、旋回火炎を跨ぐので、火炎の旋回面を乱さない。そのため安定して燃焼し、未燃焼成分を排出することがない。
【００１４】
また請求項４に記載の発明は、管は、燃焼室の火炎排出口よりも外側に至っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の予混合旋回燃焼器である。
【００１５】
本発明の予混合旋回燃焼器では、管が燃焼室の火炎排出側を出た位置にまで至っている。そのため本発明の予混合旋回燃焼器では、ＮＯｘを生成させる高温領域の全域に管が配され、ＮＯｘの排出をより完全に防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施形態として、本発明の基本構成を説明する。
図１は、本発明の基本構成を示す予混合旋回燃焼器の概念図である。図２は、図１の予混合旋回燃焼器の中心軸を含む平面における温度分布を示す概念図である。図３は、図１に示す予混合旋回燃焼器と従来技術の予混合旋回燃焼器の、空気過剰率に対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。
【００１７】
本発明の基本構成たる予混合旋回燃焼器１は、一面が開口した円筒状の燃焼室２を持つ。当該燃焼室２は、内部がストレート形状の円筒形であり、開口６の近傍には、９０ーに近い段部３が設けられ、開口６側が拡径されている。
そして燃焼室２の中心軸に相当する位置に沿って、銅管５が配されている。銅管５の径は、図１，図２に示す様に、旋回火炎面９の径よりも細い。
【００１８】
本実施形態の予混合旋回燃焼器１では、従来技術と同様に燃焼室２内に接線方向から混合ガスが噴射される。その結果、燃焼室２の内部において旋回流７が発生し、旋回火炎となる。旋回火炎は、旋回しつつ燃焼室２の開口近傍に至り、外側に広がりつつ開口６から排出される。燃焼時における旋回火炎面９の径は、どの部位においても銅管５よりも大きい。
なお本構成の予混合旋回燃焼器１では、段部３で矢印の様に再循環流が発生する。この再循環流は、燃焼室２の周壁近傍から排出される未燃焼成分を巻き込み、未燃焼成分を旋回火炎面内の燃焼ガスと混合して完全燃焼させる働きをする。
【００１９】
そして本構成の予混合旋回燃焼器１では、燃焼中に銅管５に水（熱媒体）が通過される。そのため従来高温であった旋回火炎の中心部が水によって冷却され、温度分布は、図２の様に高温領域が減少したものとなる。従ってＮＯｘの生成は抑制される。
また銅管５は、旋回火炎面９よりも細く、旋回火炎面９に対してある程度の距離があるので、火炎面で生成された燃焼ガスの温度を過度に下げる心配はない。そのため未燃焼成分の発生も少ない。
なお銅管５内を流れる水は、熱エネルギーを持つので、給湯器等の熱交換器に当該水を供給することが望ましい。
【００２０】
本発明者らが、図１、図２に示す予混合旋回燃焼器１を試作し、管を持たない予混合旋回燃焼器（従来技術）と比較したところ、図３のグラフの様にＮＯｘの低減に有効であることが立証された。本発明の予混合旋回燃焼器１は、特に空気過剰率が低い領域でＮＯｘの低減効果が高い。
【００２１】
次に、上記した本発明の予混合旋回燃焼器の、実用設計に近い構成例について説明する。
図４は、本発明の予混合旋回燃焼器の第２の実施形態の斜視図である。図５は、図４の断面図である。
【００２２】
図４に示す予混合旋回燃焼器１０は、９個の燃焼室２，２'が並列的に並べられた２つの基盤１１，１２を持つ。そして本実施形態の予混合旋回燃焼器１０では２つの基盤１１，１２が向き合わせに配置されている。予混合旋回燃焼器１０では、各燃焼室２，２'が水平方向に軸線を向けて配置され、一方の基盤１１の燃焼室２の開口６は、他方の基盤１２の燃焼室２'の開口６'と対向位置にあり、それぞれの組の燃焼室２、２'の中心軸は一致する。
また基盤１１，１２には、混合ガス供給管１７，１８が設けられている。混合ガス供給管１７，１８は、図示しない内部流路により、それぞれの燃焼室２，２'と連通し、各燃焼室２，２'に空気と燃料との混合ガスを供給する。
【００２３】
また本構成の予混合旋回燃焼器１０の特徴的構成として、それぞれの燃焼室２、２'の中心軸の位置に銅管５が挿通されている。銅管５の太さは、前記した基本構成と同様に旋回火炎面（図示せず）よりも細い。
銅管５は、いずれも燃焼室２、２'の中心を貫通し、基盤１１，１２の両端側に貫通している。
【００２４】
また本構成の予混合旋回燃焼器１０では、それぞれの基盤１１，１２の側面に、冷却水ジャケット１５，１６が設けられている。そして前記した銅管５の端部は、それぞれ冷却水ジャケット１５，１６に接続されている。
また冷却水ジャケット１５，１６には、配管２０，２１が接続されている。
【００２５】
本構成の予混合旋回燃焼器１を給湯器等に組み込む場合には、２つの基盤１１，１２の対向面の上部に熱交換器２５を配置する。
【００２６】
本構成の予混合旋回燃焼器１を燃焼させる場合は、それぞれの基盤１１，１２の混合ガス供給管１７，１８から混合ガスを供給する。その結果、図示しない内部流路を経て、それぞれの燃焼室２，２'内に接線方向から混合ガスが噴射される。
燃焼室２，２'内で火炎が発生すると、各燃焼室２，２'内に、旋回火炎面１３，１３'が生じ、開口６，６'から燃焼ガスが放出される。そして燃焼ガス同士は、衝突して上昇し、上部の熱交換器２５を加熱する。
【００２７】
また同時に、一方の冷却水ジャケット１５の配管２０に通水が行われる。水は、冷却水ジャケット１５を満たし、各銅管５を流れる。即ち、銅管５を通じて水が旋回火炎の中心部を通過する。
その結果、各燃焼室２，２'の中心部が冷却され、ＮＯｘの発生が抑制される。
各銅管５を流れた水は、他方の冷却水ジャケット１６に回収され、配管２１から排出される。なお、当該排水は、熱エネルギーを持つので、熱交換器２５の給水として使用することが推奨される。
【００２８】
次に実用的な他の構成について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態の斜視図である。図７は、図６の断面図である。
本構成の予混合旋回燃焼器３０では、複数の燃焼室２が並列的に並べられている。燃焼室２の構成自体は、前記したものと同一である。
【００２９】
そして本構成の予混合旋回燃焼器３０では、隣り合う一組の燃焼室２に、「Ｕ」状に曲げられた銅管３１が設けられている。即ち、銅管３１は、一つの燃焼室２の中心軸に沿って設けられ、燃焼室２の底部から真っ直ぐに立ち上がって開口６を出、半円を描いて隣の燃焼室２の中心軸に至り、中心軸に沿って燃焼室２の内部に入る。言い換えれば、各燃焼室２の中心軸上に銅管３１が設けられ、隣接する銅管３１同士が、開口６の外側で「Ｕ」字状に接続されている。
【００３０】
また銅管３１の接続部分は、図７の様に、旋回火炎面９の最高の高さを越えた部位に設けられている。従って銅管３１の接続部分（「Ｕ」字状の部位）は、旋回火炎面９を跨ぎ、旋回火炎面９を横切らない。そのため本構成の予混合旋回燃焼器３０では、旋回火炎面９を乱さず、燃焼に悪影響を与えない。
本構成の予混合旋回燃焼器３０では、冷却水は、矢印の様に、一方の燃焼室２側から開口６の方向に入水され、隣接する燃焼室２には、開口６側から底部側に入る。
【００３１】
次に実用的な他の構成について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態の斜視図である。図９は、図８の断面図である。図１０は、本発明の第４の実施形態の変形例の斜視図である。
本構成の予混合旋回燃焼器４０は、先の構成と同様に複数の燃焼室２が並列的に並べられている。燃焼室２の構成自体は、前記したものと同一である。
本構成の予混合旋回燃焼器４０では、各燃焼室２の中心軸上に、それぞれ一本ずつ管４１が設けられているが、本構成では、管４１が内外二重管であってそれ自体が往復流路を持つ。
即ち管４１は、図９の様に、比較的大径の外管４２を持ち、その外管４２内に小径の内管４３が挿入されている。また管４１の先端部は閉塞されている。
管４１の外径は、旋回火炎面９の径よりも細い。また管４１は、直線状であり、燃焼室２の開口６の外側にまで至っている。
【００３２】
燃焼室２の底部のさらに下部には、二重のキャビティ４５，４６が設けられている。そして一方のキャビティ４５に内管４３が接続され、他方のキャビティ４６に外管４２が接続されている。
本構成では、キャビティ４５に給水され、キャビティ４５から内管４３に冷却水が供給される。そして冷却水は、図９の様に内管４３の頂部を抜けて外管４２に入り、外管４２と内管４３の間の空隙を通って燃焼室２の底側に設けられた他方のキャビティ４６に戻る。
【００３３】
図１０に示す予混合旋回燃焼器５０は、上記した構成の変形例であり、二重管に代わって、細管を折り重ねた管５１によって往復流路を構成したものである。また他に、管内に仕切りを設けて往復流路を形成することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した様に、請求項１に記載の予混合旋回燃焼器では、燃焼室を対向位置に配置し、両者の中心軸近傍に管を挿通して熱媒体を通過させることにより、被加熱物に管が干渉するという問題を解消することができる。そのため本発明の予混合旋回燃焼器は、給湯器等への組み込みが容易である。
【００３５】
また請求項２に記載の予混合旋回燃焼器は、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管同士が連通し、管を直列的に接続して熱媒体を通過させることができる。そのため本発明の予混合旋回燃焼器は、給湯器等への組み込みが容易である。
【００３６】
さらに請求項３に記載の予混合旋回燃焼器は、燃焼室の火炎排出側を出て旋回火炎の高さ以上に至り、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管と連通しているので、火炎の旋回面を乱さない。そのため本発明の予混合旋回燃焼器は、ＮＯｘの生成が抑制される効果に加えて、安定して燃焼し、未燃焼成分を排出することがないという効果がある。
【００３７】
また請求項４に記載の予混合旋回燃焼器では、管が燃焼室の火炎排出側を出た位置にまで至っているので、ＮＯｘを生成させる高温領域の全域に管が配され、ＮＯｘの排出をより完全に防止することができる優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す予混合旋回燃焼器の概念図である。
【図２】図１の予混合旋回燃焼器の中心軸を含む平面における温度分布を示す概念図である。
【図３】図１に示す予混合旋回燃焼器と従来技術の予混合旋回燃焼器の、空気過剰率に対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。
【図４】本発明の予混合旋回燃焼器の第２の実施形態の斜視図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の斜視図である。
【図７】図６の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態の斜視図である。
【図９】図８の断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の変形例の斜視図である。
【図１１】予混合旋回燃焼方式を採用した従来技術の燃焼器の概念図である。
【図１２】従来技術の予混合旋回燃焼器の中心軸を含む平面における温度分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１，１０，３０，４０，５０予混合旋回燃焼器
２燃焼室
５，３１銅管
６開口
９，１３旋回火炎面
１１，１２基盤
１５，１６冷却水ジャケット
１７，１８混合ガス供給管
２５熱交換器
４１管
４２外管
４３内管
４５，４６キャビティ
５１管

Claims

燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射し、燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させて燃焼させる予混合旋回燃焼器において、複数の燃焼室が対向位置に配され、前記対向する燃焼室同士の中心軸近傍に管を挿通し、当該管内に熱媒体を通過させたことを特徴とする予混合旋回燃焼器。
燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射し、燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させて燃焼させる予混合旋回燃焼器において、複数の燃焼室が並列的に配され、各燃焼室の中心軸近傍に管が配され、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管同士が連通していることを特徴とする予混合旋回燃焼器。
燃焼室に設けられた管は、燃焼室の火炎排出側を出て旋回火炎の高さ以上に至り、隣接する燃焼室又は近傍の燃焼室に設けられた管と連通していることを特徴とする請求項２に記載の予混合旋回燃焼器。
管は、燃焼室の火炎排出口よりも外側に至っている請求項１又は２に記載の予混合旋回燃焼器。