JP4074586B2 - 予混合バーナ - Google Patents

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本発明は、例えば、鋼板の連続焼鈍設備や連続亜鉛メッキ設備等の加熱帯で使用される予混合バーナに関する。
燃料と空気を予め混合して供給して燃焼させる予混合バーナが鋼板の連続焼鈍設備や連続亜鉛メッキ設備等の加熱帯で使用されている。予混合バーナは、バーナ本体の先端に燃焼筒と燃焼ノズルとを有し、バーナ本体に供給した予混合ガスを燃焼ノズルから燃焼筒内に吹き出し、火炎を形成するように構成されている。
従来から、燃焼ノズルをセラミックで構成し、燃焼ノズルに接続されて予混合ガスの流速を燃焼速度以上に設定する狭流路を円柱金属に穿孔してなる狭流路部を備えた予混合バーナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
具体的には、狭流路を円柱金属にドリルで孔を開ける工法で作成し、燃焼ノズルの部位は、保炎効果を得るため角度をつけたスワール形成構造とされている。燃焼ノズルのセラミック材は、点火時等の熱衝撃に耐えるために熱伝導率の高い材料（例えば、SiC,SiN4）を使用するためにその表面も高温（1300℃〜1500℃）になり、狭流路を構成する金属材料（狭流路部）との間に断熱材を設置している。
従来の予混合バーナでは、伝熱特性に優れた円柱金属に狭流路部を形成したので、上流側端面の面積及び熱伝導に寄与する断面積が増して予混合ガスによる対流冷却性能が向上する。また、この予混合バーナでは、燃焼ノズルと狭流路部との間に断熱層を設けることにより、炉内及び火炎の熱（輻射熱）が燃焼ノズルに伝わりにくくなり、これにより燃焼ノズル近傍のバーナ本体の温度が高温にならないようにされている。
従来の予混合バーナは、セラミック製の燃焼ノズルと狭流路部との間に断熱層を設けているため、構造が複雑になると共に組み立てが困難になり、コストが高くなってしまう。また、断熱層は耐熱性には優れているが、高い耐久性や信頼性を得ることができず、燃焼ノズルや断熱層が損傷した場合に、バーナ本体内で予混合ガスが自然着火してバーナ本体を焼損させるおそれがあった。
逆火対策や狭流路の冷却効果を向上させるために、狭流路数を増加させて混合ガスとの伝熱面積を増やそうとすると、加工費が上昇してコスト高になってしまう。燃焼ノズル部もセラミック材料を使用するためにコスト高になってしまう。また、燃焼ノズル部がその厚さ方向に高温になり、低負荷時にスワール部を設けた流路内部で火炎が形成されて狭流路部の温度が上昇し、逆火または溶損を引き起こす場合がある。
また、狭流路とセラミック製の燃焼ノズルの結合部に狭流路をもった断熱材を挟みこむために、加工コストが上昇すると共に加工精度、信頼性に問題があった。また、低負荷時に狭流路の温度上昇により流路内で一部燃焼反応が生じ、使用可能な最低負荷が高割合に制限されていた（特に空気を予熱した場合）。
また、使用されるイグニッションロッドは、バーナ先端まで突き出した構造であり、且つ、イグニッションロッドの部位に供給される混合ガスが微量であるため、イグニッションロッドの混合ガスによる冷却効果が少なく、高価なファインセラミック製のイグニッションロッドの適用が必要となっていた。
更に、従来の予混合バーナでは、長期使用後にノズル部が使用できなくなった場合には、バーナ全体を交換するかもしくは修理を行う必要があった。
特開２０００-１３２９１２号公報
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、コストの上昇を招くことなく高い耐久性と信頼性を得ることができ、軽量化と逆火及び自然着火の防止とを図ることができ、低負荷運転を可能にした予混合バーナを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る予混合バーナは、
燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、
予混合ガスが供給される流路が燃焼室に臨む状態で複数設けられ、
少なくとも一つの流路にはイグニッションロッドが備えられ、
流路内を流通する予混合ガスの流速が火炎伝播速度である燃焼速度以上に設定され、
イグニッションロッドの先端部を流路の途中に位置させて流路内でスパークさせるようにし、
イグニッションロッドの外周を硝子管で覆い、
硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位の流路径の断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位の流路の断面積より大きく設定されている
ことを特徴とする。
これにより、火炎の逆火を防止することが可能になる。また、イグニッションロッドの先端が高温になることを防止することができる。更に、イグニッションロッドが存在する流路の断面積を的確に規定することができる。
また、本発明に係る予混合バーナは、
イグニッションロッドが存在する流路の先端の、イグニッションロッドが存在しない部位の断面積が、イグニッションロッドが備えられていない流路の断面積と略同じか若干大きく設定されている
ことを特徴とする。
これにより、イグニッションロッドが存在する流路の断面積を的確に確保することができると同時に、イグニッションロッドが存在する流路を流れる混合ガスの流量を、イグニッションロッドが存在しない流路を流れる混合ガスの流量以上に保つことができる。
上記目的を達成するための本発明に係る予混合バーナは、
燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、
予混合ガスが供給される流路を形成する複数本のパイプが燃焼室を望む状態に取り外し可能に設けられ、
パイプ群には外部からの入熱を防ぐためにパイプの長さ方向で断熱特性が変化する断熱材が充填され、
パイプが貫通する孔が形成されたファインセラミック製の円盤状の断熱部材を断熱材の燃焼室と対向する面に設けると共に、断熱部材を外リングと内円盤とに分割して熱膨張による割れを防ぐようにし、
複数本のパイプのうちの１本に先端部をパイプの途中に位置させてイグニッションロッドを挿入設置してパイプ内でスパークさせるようにし、
イグニッションロッドの外周を硝子管で覆うと共にイグニッションロッドの外周と硝子管との内周との間をシールすることで硝子管の内周への混合ガスの流入を阻止するようにし、
硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位のパイプの断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積より大きく設定され、
イグニッションロッドが存在するパイプの先端の、イグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積が、イグニッションロッドが備えられていないパイプの断面積と略同じか若干大きく設定されている
ことを特徴とする。
これにより、コストの上昇を招くことなく高い耐久性と信頼性を得ることができ、軽量化と逆火及び自然着火の防止とを図ることができ、低負荷運転を可能にした予混合バーナとすることが可能になる。
予混合バーナによれば、燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、予混合ガスが供給される流路が燃焼室を臨む状態で設けられ、流路にはイグニッションロッドが備えられ、流路内を流通する予混合ガスの流速が火炎伝播速度である燃焼速度以上の速度に設定されているので、火炎の逆火を防止することが可能になる。
この結果、コストの上昇を招くことなく高い耐久性と信頼性を得ることができ、軽量化と逆火及び自然着火の防止とを図ることができ、低負荷運転を可能にした予混合バーナとすることが可能になる。
予混合バーナによれば、燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、予混合ガスが供給される流路が燃焼室に臨む状態で複数設けられ、少なくとも一つの流路にはイグニッションロッドが備えられ、流路内を流通する予混合ガスの流速が火炎伝播速度である燃焼速度以上に設定されているので、火炎の逆火を防止することが可能になる。
この結果、コストの上昇を招くことなく高い耐久性と信頼性を得ることができ、軽量化と逆火及び自然着火の防止とを図ることができ、低負荷運転を可能にした予混合バーナとすることが可能になる。
また、流路はパイプで構成され、パイプの外側の隙間が断熱材で断熱されている。
これにより、金属性の流路・ノズルの溶損を防止すると共に、燃焼ノズルの軽量化及び製造コストの低減化が可能になる。
損傷が生じた流路のパイプを個別に交換することが可能になり、燃焼ノズルの寿命を長くすることができる。
また、パイプの先端部位は耐熱材で形成されている。
これにより、パイプ先端の温度が高温になり、溶損することを抑制することが可能になる。
また、流路は取り外し可能なパイプで構成されている。
これにより、損傷が生じた流路のパイプを個別に交換することが可能になり、燃焼ノズルの寿命を長くすることができる。
また、断熱材は流路の長さ方向で耐熱特性を変化させている。
これにより、温度上昇の抑制を的確に行うことができる。
また、断熱材の燃焼室と対向する面には流路が貫通する耐熱部材が設けられている。
これにより、断熱材の熱による損傷を抑制することが可能になる。
また、耐熱部材は分割して構成されている。
これにより、耐熱部材の応力割れを防止することが可能になる。
また、イグニッションロッドの先端部を流路の途中に位置させて流路内でスパークさせるようにしている。
これにより、イグニッションロッドの先端が高温になることを防止することができる。
また、イグニッションロッドの外周を硝子管で覆い、イグニッションロッドの外周と硝子管の内周とをシールすることで硝子管の内周への混合ガスの流入を阻止している。
これにより、イグニッションロッドと硝子管の内周の隙間を通して火炎が逆火するのを防止することができる。
また、イグニッションロッドの先端を硝子管で覆い、硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位の流路径の断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位の流路の断面積より大きく設定されている。
これにより、イグニッションロッドが存在する流路の断面積を的確に規定することができる。
また、イグニッションロッドの先端が途中に位置する流路は、イグニッションロッドが存在しない部位の断面積が、イグニッションロッドが備えられていない流路の断面積と略同じか若干大きく設定されている。
これにより、イグニッションロッドが存在する流路の断面積を的確に規定することができると同時に、イグニッションロッドが存在する流路を流れる混合ガスの流量を、イグニッションロッドが存在しない流路を流れる混合ガスの流量以上に保つことができる。
更に、上述した予混合バーナによれば、
燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、
予混合ガスが供給される流路を形成する複数本のパイプが燃焼室を望む状態に取り外し可能に設けられ、
パイプ群には外部からの入熱を防ぐためにパイプの長さ方向で断熱特性が変化する断熱材が充填され、
パイプが貫通する孔が形成されたファインセラミック製の円盤状の断熱部材を断熱材の燃焼室と対向する面に設けると共に、断熱部材を外リングと内円盤とに分割して熱膨張による割れを防ぐようにし、
複数本のパイプのうちの１本に先端部をパイプの途中に位置させてイグニッションロッドを挿入設置してパイプ内でスパークさせるようにし、
イグニッションロッドの外周を硝子管で覆うと共にイグニッションロッドの外周と硝子管との内周との間をシールすることで硝子管の内周への混合ガスの流入を阻止するようにし、
硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位のパイプの断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積より大きく設定され、
イグニッションロッドが存在するパイプ先端の、イグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積が、イグニッションロッドが備えられていないパイプの断面積と略同じか若干大きく設定されている。
この結果、コストの上昇を招くことなく高い耐久性と信頼性を得ることができ、軽量化と逆火及び自然着火の防止とを図ることができ、低負荷運転を可能にした予混合バーナとすることが可能になる。
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１には本発明の一実施形態例に係る予混合バーナの全体構成を表す断面、図２にはノズル部の断面、図３には図２中のIII−III線矢視、図４には外周側の耐熱部材の状況、図５には内周側の耐熱部材の状況、図６には流路の概略断面、図７には図６中のVII−VII線断面、図８には図６中のVIII−VIII線断面、図９には図６中のIX−IX線断面を示してある。
図１に示すように、予混合バーナ１は、バーナ本体２に燃焼筒３が設けられ燃焼室９を形成させている。バーナ本体２には複数のパイプ５が取り外し可能に設けられ、パイプ５により予混合ガスが供給される流路としての狭流路６が形成され、先端燃焼ノズルとして機能している。パイプ５は、例えば、ねじ込みや嵌合によりバーナ本体２に対して取り外し可能に設けられた状態になっている。従って、パイプ５は個別に交換が行える。
上部に位置する一箇所の狭流路６にはイグニッションロッド７が設けられ、イグニッションロッド７の先端部は狭流路６の途中部に位置し、流路６内でスパークさせるようになっている。このため、イグニッションロッド７の先端が高温になることが防止される。
予混合バーナ１は炉壁の耐火材８に取り付けられ、予混合ガスが狭流路６に供給されることで、燃焼室９内で燃焼し、火炎１０を噴出させる。狭流路６を形成するパイプ５群の間には断熱材１１が充填され、断熱材１１により燃焼室９からの伝熱による狭流路６の昇温が抑制されている。
断熱材１１は温度レベルにより耐熱特性が異なるものが予混合バーナ１の軸方向（パイプ５の長さ方向）に積層されて、断熱材１１a,１１b,１１cに分割されている。例えば、燃焼室９に近い側の断熱材１１aが最も耐熱性に優れた材料によって構成されている。
これにより、断熱材１１の仕様と使用条件を差異的にすることができる。
図１、図２に示すように、燃焼室９に近い側の断熱材１１aの前側（断熱材１１aの燃焼室９に対向する面）には円盤状のファインセラミック製の耐熱部材１５が設けられている。耐熱部材１５にはパイプ５の先端が貫通する孔１５aが形成され、耐熱部材１５は外リング１６及び内側円盤１７に分割されて熱膨張による割れが防止されている。
耐熱部材１５としては、ファインセラミック製に限らず多孔質セラミック板等他の耐熱性部材を用いることも可能である。
即ち、外リング１６の正面を示す図４（a）及び外リング１６の断面を示す図４(b)に示すように、外リング１６には外側のパイプ５の先端が貫通する１０個の孔１５aが形成され、内周側は内側円盤１７が嵌合する中心穴１８が形成されている。
内円盤１７の正面を示す図５（a）及び内円盤１７の断面を示す図５(b)に示すように、内円盤１７には内側のパイプ５の先端が貫通する６個の孔１５aが形成されている。内円盤１７は外リング１６の中心穴１８に嵌合して一体の耐熱部材１５とされる。
図２乃至図９に基づいてイグニッションロッド７が備えられたパイプ５群を含む狭流路６の構成を説明する。
狭流路６の先端は燃焼室９を臨む状態に設けられ、パイプ５の数及びパイプ５群の狭流路６の断面積は、流通する混合ガスの流速が燃焼速度（火炎の伝播速度）よりも速くなるように設定されている。
パイプ５はバーナ本体２の外周側には同一円周上に１０本設けられると共に、同心状態で中心側に６本が同一円周上に設けられている。外周側の１０本のパイプ５の内の最上部に位置するパイプ５にイグニッションロッド７が設けられている。
図２及び図６に示すように、イグニッションロッド７が設けられていないパイプ５は一本のパイプ５で構成され、燃焼室９側のパイプ５の先端部位は耐熱処理（耐熱材）が施されている。例えば、パイプ５の先端部を耐熱合金製にしたり、パイプ５の先端部を溶射等の表面処理を施してコストを上げることなく酸化による減肉量を抑える機能を持った構造とすることが可能である。
イグニッションロッド７は先端部以外が硝子管１２で覆われ、イグニッションロッド７の外周と硝子管１２の内周との間はシールが施され、イグニッションロッド７と硝子管１２の間への予混合ガスの流入が阻止されている。
イグニッションロッド７が設けられているパイプ５は、イグニッションロッド７が設けられていないパイプ５よりも太く長さが短い支持パイプ５aと、支持パイプ５aの先端側に嵌合し燃焼室９に先端部が臨む先端パイプ５bとで構成されている。
図６に示すように、イグニッションロッド７の後端側はイグニッションプラグ１３に接続され、イグニッションプラグ１３に取り付けられたイグニッションロッド７はバーナ本体２の上流側（図中右側）から挿入される。イグニッションプラグ１３をバーナ本体２に固定することでイグニッションロッド７は支持パイプ５a内の所定位置に配置され、イグニッションロッド７の後端側はガスシール１４を介してバーナ本体２に嵌合している。
ガスシール１４を介してイグニッションロッド７をバーナ本体２に嵌合したことにより、イグニッションプラグ１３側と予混合ガスの流路とが遮断されている。イグニッションロッド７が設けられたパイプ５は予混合ガスの流速が低下するおそれがあり、流速が低下すると逆火が生じるおそれがある。
本実施形態例ではガスシール１４によりイグニッションプラグ１３側と予混合ガスの流路とが遮断されているので、万一、イグニッションロッド７と硝子管１２の間隙に火炎が形成されても火炎がバーナ本体２側に流入することがない。
尚、イグニッションロッド７と硝子管１２との隙間をガスシールしても同様の効果が得られる。
イグニッションロッド７が設けられている支持パイプ５aと先端パイプ５bの太さの関係を説明する。
図６、図７、図８に示すように、硝子管１２で覆われたイグニッションロッド７が存在する部位（支持パイプ５a）の断面積から、硝子管１２で覆われたイグニッションロッド７の断面積を減じた断面積（図７中網目部分）Ａは、先端パイプ５bの断面積Ｂより大きく設定されている。且つ、硝子管１２で覆われたイグニッションロッド７の断面積を減じた断面積（図７中網目部分）Ａは、予混合ガスの流速が燃焼速度よりも速くなる状態に設定されている。
そして、図６、図８、図９に示すように、先端パイプ５bの断面積Ｂは、イグニッションロッド７が設けられていないパイプ５の断面積Ｃと略同じか若干大きく設定されている。
従って、イグニッションロッド７が配置された支持パイプ５aの先端パイプ５b部の予混合ガスの流速がイグニッションロッド７が設けられていないパイプ５の予混合ガスの流速と同等となり、且つ、燃焼速度よりも速くなる状態に流路６を形成することが可能になる。
上述した予混合バーナ１は、予混合ガス２１がバーナ本体２に送られ、パイプ５及び支持パイプ５a、先端パイプ５bで構成される流路６から燃焼筒３に噴出する。イグニッションロッド７を流路６内でスパークさせて予混合ガスに点火し、火炎１０を形成する。予混合ガスの流速が火炎の伝播速度よりも速く保たれるように流路６が形成されているので、逆火や流路６内での自然着火が生じることがない。
また、流路６は取り外し可能なパイプ５で構成されているので、個別の交換が可能となり、使用できなくなったパイプ５だけを交換することで、燃焼ノズル４の長期使用が可能になる。
予混合ガス２１の燃焼を継続すると、耐熱部材１５の先端は炉内及び火炎１０からの輻射熱を受けて温度上昇する。予混合バーナ１のパイプ５及び支持パイプ５a、先端パイプ５bは間に断熱材１１が充填され、且つ、内部を流れる混合ガスで冷却されているため、温度上昇が抑制され、炉内温度を高く設定したり高温予熱空気の使用により予混合ガス２１の温度を高く設定することが可能となっている。
このため、熱効率の改善に有効であり、燃焼ノズル４を高温にして火炎１０の保炎性を向上させることができる。
耐熱部材１５には、中心部の温度と外周部の温度に差が生じる。先端部の耐熱部材１５は外リング１６と内側円盤１７とに分割した構成となっているので、半径方向の熱応力を吸収して応力割れを防止することができる。
そして、イグニッションロッド７が配置された支持パイプ５a及び先端パイプ５bを含めてパイプ５の断面積は、予混合ガス２１の流速が燃焼速度以上になるように設定されているので、火炎１０が逆火することがなくなり、燃焼負荷の可燃範囲を拡大することができる。この結果、例えば、２５％の燃焼負荷を絞った運転が可能になる。
更に、流路６を形成するパイプ５の間に断熱材１１を充填して燃焼ノズル４を構成したので、燃焼ノズル４を軽量化することが可能になると共に、製造コストを低減することが可能になる。
本発明は、例えば、鋼板の連続焼鈍設備や連続亜鉛メッキ設備等の加熱帯で使用される予混合バーナで利用することができる。
本発明の一実施形態例に係る予混合バーナの全体構成を表す断面図である。 ノズル部の断面図である。 図２中のIII−III線矢視図である。 外周側の耐熱部材の説明図である。 内周側の耐熱部材の説明図である。 流路の概略断面図である。 図６中のVII−VII線断面図である。 図６中のVIII−VIII線断面図である。 図６中のIX−IX線断面図である。
符号の説明
１ 予混合バーナ
２ バーナ本体
３ 燃焼筒
４ 燃焼ノズル
５ パイプ
５a 支持パイプ
５b 先端パイプ
６ 流路
７ イグニッションロッド
８ 耐熱材
９ 燃焼室
１０ 火炎
１１ 断熱材
１２ 硝子管
１３ イグニッションプラグ
１５ 耐熱部材
１５a 孔
１６ 外リング
１７ 内側円盤
１８ 中心穴
２１ 予混合ガス

Claims (3)

  1. 燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、
    予混合ガスが供給される流路が燃焼室に臨む状態で複数設けられ、
    少なくとも一つの流路にはイグニッションロッドが備えられ、
    流路内を流通する予混合ガスの流速が火炎伝播速度である燃焼速度以上に設定され、
    イグニッションロッドの先端部を流路の途中に位置させて流路内でスパークさせるようにし、
    イグニッションロッドの先端を硝子管で覆い、
    硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位の流路径の断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位の流路の断面積より大きく設定されている
    ことを特徴とする予混合バーナ。
  2. 請求項１に記載の予混合バーナにおいて、
    イグニッションロッドが存在する流路の先端の、イグニッションロッドが存在しない部位の断面積が、イグニッションロッドが備えられていない流路の断面積と略同じか若干大きく設定されている
    ことを特徴とする予混合バーナ。
  3. 燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを燃焼させる予混合バーナであって、
    予混合ガスが供給される流路を形成する複数本のパイプが燃焼室を望む状態に取り外し可能に設けられ、
    パイプ群には外部からの入熱を防ぐためにパイプの長さ方向で断熱特性が変化する断熱材が充填され、
    パイプが貫通する孔が形成されたファインセラミック製の円盤状の断熱部材を断熱材の燃焼室と対向する面に設けると共に、断熱部材を外リングと内円盤とに分割して熱膨張による割れを防ぐようにし、
    複数本のパイプのうちの１本に先端部をパイプの途中に位置させてイグニッションロッドを挿入設置してパイプ内でスパークさせるようにし、
    イグニッションロッドの外周を硝子管で覆うと共にイグニッションロッドの外周と硝子管との内周との間をシールすることで硝子管の内周への混合ガスの流入を阻止するようにし、
    硝子管で覆われたイグニッションロッドが存在する部位のパイプの断面積から硝子管の断面積を減じた断面積が、その先端のイグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積より大きく設定され、
    イグニッションロッドが存在するパイプ先端の、イグニッションロッドが存在しない部位のパイプの断面積が、イグニッションロッドが備えられていないパイプの断面積と略同じか若干大きく設定されている
    ことを特徴とする予混合バーナ。
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