JP4730924B1 - ノズル装置および該ノズル装置が設置されたバーナー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃粒子が発生せずに完全燃焼させることができるノズル装置を提供することである。
【解決手段】中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部（１４）および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部（１６）を有する２流体噴霧ノズル（１２）と、噴射口の側に、中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップ（１８）とを備え、キャップには、２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口（１８ｃ１）が設けられ、２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁（１８ｃ）が設けられており、キャップの周壁に１又は複数の空気流入口が設けられているノズル装置（１０）が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ノズル装置および該ノズル装置が設置されたバーナー装置に関する。本発明のノズル装置は、燃焼用としてのみならず、オゾン霧の生成、塗料の塗布、水噴霧冷却などの液体を霧にして用いる広範な分野において利用することができる。

液体を気体と混合させることによって微細な霧状にして噴射する２流体噴霧ノズルが知られている（例えば、特許文献１参照）。２流体噴霧ノズルは、１流体ノズルと比較して、液体を微細な粒子径にして噴射できる等の種々の特徴を有している。図５は、２流体噴霧ノズルから噴霧されて円錐状になった液霧を示した図である。

特開２００５−３１３０４９号公報

しかしながら、従来の２流体噴霧ノズルは、下記のような課題を有している。
（１）ノズルから噴出した液体燃料を燃焼させるために、液霧に向けて外部から燃焼に必要な空気を供給すると、 液霧の外周は混合燃焼するが、液霧円錐の中央付近は、空気不足の燃焼となり、完全燃焼しない。
（２）ノズルからの燃料噴出速度が速いため、ノズル近傍に火炎を保持することが困難である。
（３）ノズルの噴霧に空気ではなく水酸素ガスを使用しようとする場合、水酸素ガスの供給圧力が噴霧に必要な圧力以上であれば、油脂の霧化をすることはできるが、燃焼させることができない。
（４）ノズルの噴霧に空気ではなく水酸素ガスを使用しようとする場合、水酸素ガスの供給圧力が噴霧に必要な圧力以下であれば、ノズルに供給しても油脂の霧化をすることはできない。

本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、未燃粒子が発生せずに完全燃焼させることができるノズル装置および該ノズル装置が設置されたバーナー装置を提供することを目的としている。

本願請求項１に記載のノズル装置は、中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部を有する２流体噴霧ノズルと、前記噴射口の側に、前記中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップと、前記キャップの前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、所定間隔へだてて中心軸線上に配置されたフレームホルダとを備え、前記キャップには、前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口が設けられ、前記２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が徐々に拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁が設けられており、前記キャップの周壁に１又は複数の空気流入口が設けられており、前記フレームホルダが、キャップから遠ざかる側に向かって径が拡大するようになったドーム状又は円錐状に形成され、中央に開口が設けられていることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載のバーナー装置は、前記請求項１に記載されたノズル装置が、燃焼炉に向かって開放した空気ガイドチューブ内に設置されていることを特徴とするものである。

本発明のノズル装置では、キャップを取り付けたことにより、キャップを介して空気が供給されるので、燃焼に必要な空気を補充することができるとともに、液霧の流速を遅くすることができるので、液霧と空気の混合を容易にすることができ、これにより未燃粒子を発生させず完全燃焼させることができる。また、本発明のノズル装置では、フレームホルダを配置したことにより、燃焼時に火炎を保持し、吹き消えを防止することができる。さらに、二次空気の代わりに、或いは噴霧用空気の代わりに、水酸素ガスを使用することにより、燃料消費量を削減することができる。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置を模式的に示した断面図、図２は、図１のノズル装置の分解断面図である。図１において全体として参照符号１０で表される本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置は、２流体噴霧ノズル１２を備えている。

２流体噴霧ノズル１２は、中心軸線Ｘ−Ｘ上に配置された液体噴射部１４と、液体噴射部１４の周囲に配置された気体噴射部１６とを有している。

液体噴射部１４は、全体として中空のダクト状に形成されており、一方の端部に液体噴射口１４ａが設けられ、他方の端部に液体供給口１４ｂが設けられている。気体噴射部１６は、液体噴射部１４の周囲を被覆するように中空のダクト状に形成されており、液体噴射口１４ａが設けられている側の端部に気体噴射口１６ａが設けられ、所望の箇所に気体供給口１６ｂが設けられている。

液体噴射部１４の液体供給口１４ｂは、導管（図示せず）を介して液体供給源（図示せず）に連結されている。また、気体噴射部１６の気体供給口１６ｂは、導管（図示せず）を介して気体供給源（図示せず）に連結されている。なお、図１では、１個の気体供給口１６ｂが示されているが、複数個の気体供給口１６ｂを設けてもよい。

本発明のノズル装置１０はまた、２流体噴霧ノズル１２の液体噴射口１４ａおよび気体噴射口１６ａの側に、中心軸線Ｘ−Ｘ上に配置されたキャップ１８を備えている。

キャップ１８は、周壁１８ａによって全体として円筒形の形状に形成されている。キャップ１８には、周壁１８ａに１個又は複数個（図１では１個のみ図示）の二次空気流入口１８ｂが設けられており、二次空気流入口１８ｂは、導管（図示せず）を介して二次空気供給源（図示せず）に連結されている。また、キャップ１８には、２流体噴霧ノズル１２の位置する側と反対側に、中央に開口１８ｃ１をもつ隔壁１８ｃが設けられている。隔壁１８ｃは、２流体噴霧ノズル１２の側が中心軸線Ｘ−Ｘに対してほぼ直交するように形成され、２流体噴霧ノズル１２と反対の側が開口１８ｃ１から離れるに従って徐々に径が拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成されている。なお、２流体噴霧ノズル１２の先端と隔壁１８ｃの開口１８ｃ１との距離Ｄ₁ （図１参照）は、約２ｍｍ〜約１５ｍｍとすることが好ましい。

本発明のノズル装置１０はさらに、キャップ１８の先端の側に、キャップ１８から所定間隔Ｄ₂ へだてて中心軸線Ｘ−Ｘ上に配置されたフレームホルダ２０を備えている。間隔Ｄ₂ は、約５ｍｍ〜約１０ｍｍとすることが好ましい。

フレームホルダ２０は、キャップ１８に隣接する側からキャップ１８から遠ざかる側に向かって径が拡大するようになったドーム状又は円錐状に形成されており、中央に開口２０ａが設けられている。開口２０ａは、キャップ１８の外径よりも大きくなるように形成するのが好ましい。

図４は、ノズル装置１０が設置されたバーナー装置３０を概略的に示した模式図である。図４に示されるように、燃焼炉に向かって開放した空気ガイドチューブ３２の先端部分にノズル装置１０が設置されている。そして、２流体噴霧ノズル１２の液体噴射部１４に燃料油又は燃焼ガスが供給され、２流体噴霧ノズル１２の気体噴射部１６に噴霧用空気又は酸水素ガスが供給され、キャップ１８に二次空気又は酸水素ガスが供給されるようになっている。なお、図４において、参照符号３４、３６は、ガスバーナー、燃焼空気送風機をそれぞれ示している。

次に、以上のように構成されたノズル装置１０の作動について説明する。まず、２流体噴霧ノズル１２の液体噴射部１４の液体噴射口１４ａから燃料油を噴射するとともに、２流体噴霧ノズル１２の気体噴射部１６の気体噴射口１６ａから噴霧用空気を高速で噴射する。すると、燃料油が微細な霧状になって噴射される。このようにして噴射された霧（以下「油霧」という）に含まれる空気は、霧を完全燃焼させるのに必要な量の５〜１０％程度である。

ノズル装置１０には、２流体噴霧ノズル１２の先端にキャップ１８が配置されているため、油霧が噴射されると、エゼクタ効果により、二次空気流入口１８ｂを介してキャップ１８内に二次空気が吸引される。これにより、吸引された二次空気が油霧と混合されるため、油霧の不完全燃焼が防止される。なお、キャップ１８の開口１８ｃ１は、２流体噴霧ノズル１２から噴射される油霧が支障なく通過することができるような寸法を有しているのが好ましい。

キャップ１８の開口１８ａ１から噴射された油霧／二次空気が、フレームホルダ２０の開口２０ａを通過する際、その気流の流れにより、周囲の空気が開口２０ａに引き込まれるため、油霧／二次空気の速度が低下するとともに、油霧／二次空気に含まれる空気量が増加することとなる。したがって、この段階で油霧／二次空気に点火すると、フレームホルダ２０の中央に向かって高温の気流が発生し、この高温気流が、開口２０ａを通って吹き込まれてくる油霧／二次空気と混合して燃焼炎が形成される。

上記の例において、二次空気の代わりに、水酸素ガスが吸引されるように構成してもよい。すなわち、導管を介して水酸素ガス供給源とキャップ１８の二次空気流入口１８ｂとを連結することにより、キャップ１８内に水酸素ガスが吸引されることとなる。すると、水酸素ガスが混合された油霧がキャップ１８の開口１８ｃ１から噴射された直後に、燃焼する。そして、その燃焼熱のため、油霧は高温燃焼して急速に空気と混合され、燃焼温度が高くなるため、燃料消費量を低減することができるという効果も得ることができる。

また、上記の例において、二次空気の代わりに水酸素ガスを用いることに加えて更に、噴霧用空気の代わりに、水酸素ガスを使用して燃料油を噴射するようにしてもよい。このようにして噴射された油霧／水酸素ガスは、空気が含まれていないためそれ自体では燃焼しないが、フレームホルダ２０の開口２０ａに引き込まれる空気との混合により、燃焼可能な状態になる。この状態で点火すると、水酸素ガスは燃焼する。そして、その燃焼熱のため、油霧／水酸素ガスは高温燃焼して急速に空気と混合され、燃焼温度がさらに高くなり、燃料消費量を低減することができる。

既存設備において毎時６０リットルの灯油を消費するボイラー装置で燃焼実験を行った。同一負荷を与えて試験した結果、灯油燃焼時に毎時５０００リットルの水酸素ガスを混合して燃焼させたところ、灯油の消費量は４３リットルであったので、１７リットル消費量が減少したこととなる。
すなわち、水酸素ガスの熱量（簡易的に１ｍ³ ＝１０００リットルとして計算）は、
約２５５３．４cal/ｍ³ ×５ｍ³ ＝１２７６７kcal/hであり、
灯油消費量は、４３リットル/hであった（削減量１７リットル/h）。
灯油の熱量を８５００kcal/hとすると、
１７リットル×８５００kcal＝１４４５００kcal
のエネルギーを削減することができた。
この現象は、（１）水酸素ガスの燃焼熱により灯油がガス化したこと、（２）ガス化したことにより空気との混合比が向上したため未燃粒子が発生せずに完全燃焼したこと、によるものと推測される。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態では、噴射される燃料として油が用いられているが、気体（ガス）燃料を用いてもよい。また、前記実施の形態では、中心軸線上に配置された液体噴射部と液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部とを有する型式の２流体噴霧ノズルが示されているが、他の型式の２流体噴霧ノズル（例えば、中央の液体噴出部の外周に複数の気体噴出用スリットを設けたノズル）を使用してもよい。また、キャップを取り付けずに、２流体噴霧ノズルとフレームホルダとを組み合わせたノズル装置を空気ガイドチューブに設置してバーナー装置として用いてもよい。さらに、前記実施の形態では、燃焼に関連してノズル装置が説明されているが、燃焼以外の用途、例えばオゾン霧の生成、塗料の塗布、水噴霧冷却などの液体を霧にして用いる広範な分野において、本発明のノズル装置を適用することができる。

本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置を模式的に示した断面図である。 図１のノズル装置の各構成要素を示した分解断面図である。 図３（ａ）は図１の線３ａ−３ａに沿って見た側面図、図３（ｂ）は図１の線３ｂ−３ｂに沿って見た側面図である。 図１のノズル装置が設置されたバーナー装置を概略的に示した模式図である。 ２流体噴霧ノズルから噴霧されて円錐状になった液霧を示した図である。

１０ ノズル装置
１２ ２流体噴霧ノズル
１４ 液体噴射部
１４ａ 液体噴射口
１４ｂ 液体供給口
１６ 気体噴射部
１６ａ 気体噴射口
１６ｂ 気体供給口
１８ キャップ
１８ａ 周壁
１８ｂ 二次空気流入口
１８ｃ 隔壁
１８ｃ１ 開口
２０ フレームホルダ
２０ａ 開口
３０ バーナー装置
３２ 空気ガイドチューブ
３４ ガスバーナー
３６ 燃焼空気送風機

Claims (2)

1. 中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部を有する２流体噴霧ノズルと、
   前記噴射口の側に、前記中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップと、
   前記キャップの前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、所定間隔へだてて中心軸線上に配置されたフレームホルダとを備え、
   前記キャップには、前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口が設けられ、前記２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が徐々に拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁が設けられており、
   前記キャップの周壁に１又は複数の空気流入口が設けられており、
   前記フレームホルダが、キャップから遠ざかる側に向かって径が拡大するようになったドーム状又は円錐状に形成され、中央に開口が設けられている、
   ことを特徴とするノズル装置。
2. 前記請求項１に記載されたノズル装置が、燃焼炉に向かって開放した空気ガイドチューブ内に設置されていることを特徴とするバーナー装置。

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