JP4912170B2 - 濃淡燃焼バーナおよびこれを用いた燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、濃淡燃焼バーナおよびこれを用いた燃焼装置に関するものである。

近年、地球環境に対する関心が高まっていることから、例えば、家庭用・業務用ガス給湯器などの燃焼装置に用いられる比較的小型のガスバーナにおいてもＮＯｘ排出量の削減が求められている。

ＮＯｘ排出量を抑制できるガスバーナとしては、いわゆる、濃淡燃焼方式を利用した濃淡燃焼バーナが知られている。この種の濃淡燃焼バーナの構造としては、一般に、以下のような構造が挙げられる。

すなわち、図１１に示すように、濃淡燃焼バーナ１００は、その頂部中央付近に、燃料ガス濃度が希薄で火炎長さが長い淡火炎１０１が形成される淡用炎孔１０２を備えている。淡用炎孔１０２の両外側には、燃料ガス濃度が過濃で火炎長さが短い濃火炎１０３が形成される濃用炎孔１０４を備えている。淡用炎孔１０２と濃用炎孔１０４との間には、閉塞部１０５を備えている。濃用炎孔１０４の両外側には、２次空気を供給するための２次空気孔１０６を備えている。

他にも、特許文献１には、淡火炎と濃火炎との間の炎孔から、中間濃度の混合ガスを噴出させて火炎を形成し、淡火炎と濃火炎とを円滑に接続することにより、淡火炎のリフト燃焼を防止し、ＮＯｘ発生を低減させる濃淡燃焼バーナが開示されている。

特開平７−３１０９０６号公報

しかしながら、図１１に示すような従来構造の濃淡燃焼バーナは、未だ、ＮＯｘ排出量の低減が十分でなく、さらなる改良が求められている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の解決しようとする課題は、従来に比較して、ＮＯｘ排出量を低減可能な濃淡燃焼バーナ、また、これを用いた燃焼装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らは種々の実験を行い、鋭意検討を重ねた。その結果、濃淡燃焼バーナの濃火炎基部付近には、高温燃焼領域が存在し、この位置が、ＮＯｘ、さらには、ＣＯの主たる発生源となっていることを突き止めた。そこで、同位置へ流入される２次空気の量を増加させることができれば、従来に比較して、ＮＯｘ排出量、さらには、ＣＯ排出量をも併せて低減できるのではないかとの知見を得た。

本発明は、主に上記知見に基づきなされたものである。すなわち、本発明に係る濃淡燃焼バーナは、頂部略中央に設けられ、淡火炎用予混合気を噴出可能な淡用炎孔と、前記淡用炎孔の両外側に設けられ、濃火炎用予混合気を噴出可能な濃用炎孔と、前記濃用炎孔の両外側に設けられ、２次空気を噴出可能な２次空気孔とを備え、少なくとも一方の前記２次空気孔の開口部は、この孔の長手方向に沿って、前記濃用炎孔の外側に隣接する第一開口部と、この第一開口部の外側に隣接する第二開口部とに２分割されていることを要旨とする。

ここで、上記分割は、前記２次空気孔の孔内に板状部材を配置することにより行われていると良い。

また、上分割は、上記開口部に蓋部材を設け、この蓋部材に２つのスリットを形成することにより行われていても良い。

また、上記分割は、ほぼ等分であることが好ましい。

また、本発明に係る濃淡燃焼バーナは、複数の板状部材が互いに離間されて積層されてなることが好ましい。

一方、本発明に係る燃焼装置は、上記濃淡燃焼バーナを有することを要旨とする。

従来構造の濃淡燃焼バーナは、２次空気孔の開口部が１つである。そのため、この場合には、２次空気孔から噴出される２次空気の流速分布は、２次空気孔の幅中央付近に１箇所しか存在しえなかった。

これに対し、本発明に係る濃淡燃焼バーナは、２次空気孔の開口部が、当該孔の長手方向に沿って２分割されている。

そのため、２次空気孔から噴出される２次空気の流速分布は、２次空気孔の幅内に位置する分割部を中心として両側にシフトし、２箇所存在することになる。つまり、２次空気の流速の早い領域を、より濃火炎側に生成させることが可能になる。

それ故、従来構造に比較して、濃火炎上方の２次空気の流入速度を大きくすることができる。この２次空気の流れにより、濃火炎基部付近の高温燃焼領域は局所的に希薄燃焼される。

そのため、その部分における燃焼ガス温度が低下し、その結果、ＮＯｘ排出量、さらには、ＣＯ排出量をも併せて低減することが可能となる。

ここで、２次空気孔の孔内に板状部材を配置することにより上記分割が行われている場合には、２次空気孔から噴出される前に、層流として徐序に発達してきた２次空気の流速分布を整流し難い。そのため、２次空気の流速の早い領域を、より濃火炎側に生成させやすくなる。

他にも、従来構造の濃淡燃焼バーナの２次空孔内に板状部材を配置するだけで済む。そのため、バーナの製造性を損ない難く、製造コストの上昇を抑制することができる。

一方、２次空気孔の開口部に蓋部材を設け、この蓋部材に２つのスリットを形成することにより上記分割が行われている場合には、従来構造の濃淡燃焼バーナの２次空孔内に上記蓋部材を設置するだけで良い。そのため、バーナの製造性を損ない難く、製造コストの上昇を抑制することができる。

また、上記濃淡燃焼バーナが、複数の板状部材が互いに離間されて積層されてなる場合には、例えば、２次空気孔に連通する２次空気供給流路内に、新たに板状部材を一枚設けるなどして、本発明に係る濃淡燃焼バーナを製造することができる。そのため、製造コストの上昇を抑制しやすい。

一方、本発明に係る燃焼装置は、上記濃淡燃焼バーナを有しているので、従来に比較して、低廉なコストで、ＮＯｘ排出量、さらには、ＣＯ排出量をも併せて低減することが可能となる。

以下に、本実施形態に係る濃淡燃焼バーナ（以下、「本バーナ」という。）およびこれを備えた本実施形態に係る燃焼装置（以下、「本燃焼装置」という。）について説明する。

１．本バーナ
図１は、本バーナの一例を模式的に示した本バーナの上面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿って切断したときの、本バーナの頂部付近の一例を模式的に示した断面図である。

図１および図２に示すように、本バーナ１０は、必要に応じてプレス加工された金属板などの板状部材１１が複数枚、所定間隔を隔てて積層されてなり、その頂部には、バーナ厚み方向とほぼ垂直な方向に長い長孔状の淡用炎孔１２、濃用炎孔１４、２次空気孔１６を備えている。

なお、これら各炎孔１２、１４、１６は、図１では、スペーサ部材１８を用いて、５つのブロックに分けられた状態を例示しているが、これに限定されるものではない。本バーナ１０は、スペーサ部材１８はなくても良いし、５以外の複数のブロックに分けられていても良い。

淡用炎孔１２は、バーナ略中央に、バーナ厚み方向とほぼ垂直な方向に沿って配設されており、理論空気比以上の淡火炎用予混合気Ｌを噴出できるようになっている。淡用炎孔１２の上方には、淡火炎ＬＦが形成される。淡用炎孔１２の下方には、淡火炎用予混合気Ｌを淡用炎孔１２まで導く淡用流路２０が連通されている。図２では、淡用炎孔１２をバーナ厚み方向に３つ有する場合を例示している。

濃用炎孔１４は、淡用炎孔１２の両外側に配設されており、理論空気比以下の濃火炎用予混合気Ｒを噴出できるようになっている。濃用炎孔１４の上方には、濃火炎ＲＦが形成される。濃用炎孔１４の下方には、濃火炎用予混合気Ｒを濃用炎孔１４まで導く濃用流路２２が連通されている。

２次空気孔１６は、濃用炎孔１４の両外側に配設されており、２次空気２Ａを噴出できるようになっている。２次空気孔１６の下方には、２次空気２Ａを２次空気孔１６まで導く２次空気用流路２４が連通されている。

ここで、本バーナ１０は、２次空気孔１６の開口部が、当該孔の長手方向に沿って２分割されている。本バーナ１０では、何れか一方側の２次空気孔１６の開口部だけ上記分割がなされていても良いし、両側の２次空気孔１６の開口部ともに上記分割がなされていても良い。なお、図２では、後者の場合を例示している。

上記分割形態としては、具体的には、例えば、図２に示すように、２次空気孔１６の孔内に板状部材２６を配置した形態などを例示することができる。なお、図１では、板状部材２６は図示されていない。

この場合、板状部材２６は、その平面が、２次空気用流路２４の側壁（２次空気用流路２４と濃用流路２２とを隔てる隔壁）とほぼ平行となるように当該流路内に設けられている。また、板状部材２６は、バーナ頂面から２次空気用流路２４の上流側に向かって一定距離の長さとされている。

このような板状部材２６は、例えば、各炎孔１２、１４、１６の形成時に板状部材１１を複数積層して加締める際に、所定箇所に介在させたり、板状部材２６のない濃淡燃焼バーナの２次空気孔１６内に後付で設置したりするなどして設けることができる。

また、上記分割形態以外としては、例えば、図３に示すように、２次空気孔１６の開口部に蓋部材２８を設け、この蓋部材２８に２つのスリット２８ａ、２８ｂを形成する形態などを例示することができる。さらには、上記分割形態は、上記板状部材２６と、上記蓋部材２８との組み合わせなどであっても良い。

本バーナ１０において、上記分割は、２次空気孔１６の開口部が、当該孔の長手方向に沿って２分割されておれば、それぞれの分割孔は、濃用炎孔１４側の分割孔が広く、それと反対側の分割孔が狭くても良いし、その逆であっても良い。また、両分割孔はほぼ等分されていても良い。

好ましくは、それぞれの分割孔から、ほぼ同様にして２次空気２Ａを噴出することが可能であるなどの観点から、両分割孔がほぼ等分されていても良い。

なお、図２および図３では、淡用炎孔１２と濃用炎孔１４との間の境界領域は、閉塞部３０とされている場合を例示している。もっとも、この閉塞部３０を開口し、境界領域用炎孔とすることもできる。この場合、境界領域用炎孔からは、予混合気や空気などを噴出させることができる。

本バーナ１０において、上記淡用炎孔１２、濃用炎孔１４の幅は、基本的には、単位面積当たりの燃焼量が１〜１０ｋｃａｌ／ｍｍ^２程度で、かつ、各予混合気の消炎距離以下となるように最適な幅に形成すれば良い。また、上記２次空気孔１６の幅についても、特に限定されることはなく、噴出させる２次空気２Ａの速度などを勘案して最適な幅に形成すれば良い。

なお、本バーナ１０に用いられる燃料ガスとしては、具体的には、例えば、都市ガス、ＬＰＧ、Ｈ_２、メタンなどを例示することができる。

２．本燃焼装置
本燃焼装置は、本バーナを少なくとも備えている。本燃焼装置は、本バーナを１つ有していても良いし、本バーナを複数並列したバーナユニットを有していても良い。

また、本燃焼装置は、本バーナに対して、淡火炎用予混合気、濃火炎用予混合気および２次空気を供給する供給系統が接続されている。この供給系統は、特に限定されるものではなく、種々の供給系統を適用することが可能である。

例えば、ボンベなどの燃料供給源から供給される燃料ガスを、適当な圧力・流量に調節し、淡用混合室、濃用混合室へ送る。また、コンプレッサーなどの空気供給源から供給される空気を、適当な圧力・流量に調節し、一次空気として淡用混合室、濃用混合室へ送る。

そして各混合室で所定の空気比に混合された燃料と一次空気とを、淡火炎用予混合気、濃火炎用予混合気とし、濃淡燃焼バーナの淡用流路の上流側に形成した淡用流入口、濃用流路の上流側に形成した濃用流入口へそれぞれ導入するなどすれば良い。一方、２次空気については、空気供給源から供給される空気を、適当な圧力・流量に調節し、これを２次空気用流路の上流側に形成した２次空気用流入口へ導入するなどすれば良い。

上記供給系統以外にも、例えば、他の供給系統を用いても良い。例えば、ボンベなどの燃料供給源から供給される燃料ガスを、各バーナの淡用流入口、濃用流入口に挿入した淡用燃料供給ノズル、濃用燃料供給ノズルより吹き込むとともに、送風ファンなどの空気供給源から供給される空気の一部を、一次空気として淡用流入口と濃用流入口から吸引させる。これにより、淡用流路、濃用流路内で淡火炎用予混合気、濃火炎用予混合気が生成されるようにするなどしても良い。一方、２次空気については、空気供給源から供給される空気の残部を、各バーナの２次空気用流入口へ導入するなどすれば良い。

本燃焼装置の用途としては、例えば、給湯装置、暖房装置、給湯暖房装置などの熱源などを例示することができる。以下では、本燃焼装置を、給湯装置に適用した場合について説明する。

図４は、本バーナが複数並列されたバーナユニットを有する本燃焼装置を適用した給湯装置の概略図である。

給湯装置３２は、本燃焼装置３４と、熱交換器３６と、ケース３８とを少なくとも備えている。

本燃焼装置３４のバーナユニット４０には、燃料ガス４２の供給量および送風ファン４４の回転数を制御可能な供給系統４６が接続されている。この供給系統４６には、湿式ガスメータ４８、ガス比例弁５０などが取り付けられている。

本給湯装置３２では、本燃焼装置３４の上方に熱交換器３６が設けられ、これらはケース３８内に収容されている。

熱交換器３６は、本燃焼装置３４の燃焼により生じる火炎によって加熱される。熱交換器３６には、給水路５２と出湯路５４とが接続されており、給水路５２より供給された低温水は、熱交換器３６により加熱され、高温水となって出湯路５４より出湯される。ケース３８の上方には、排気口５６が形成され、本燃焼装置３４の燃焼より生じた排気ガスが排気される。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形・改良が可能である。例えば、本バーナは、上述したように、通常、複数本を並列に並べて、バーナユニットとして使用することが多い。

この場合には、一つの濃淡燃焼バーナが有する２次空気孔は、隣接する他の濃淡燃焼バーナの２次空気孔と共有されていても良い。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、上記説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付してある。

（実施例に係る濃淡燃焼バーナの作製）
初めに、図５に示した形態を備えた濃淡燃焼バーナを作製した（図中の単位はｍｍである。）。すなわち、ＳＵＳ３０４製の薄い板状部材１１（厚み０．４ｍｍ）を所定間隔離間させて複数枚積層し、淡用炎孔１２、濃用炎孔１４および２次空気孔１６、ならびに、淡用流路２０、濃用流路２２および２次空気用流路２４を形成した。本実施例では、両側の２次空気用流路２４のほぼ中央に板状部材２６（厚み０．４ｍｍ）をそれぞれ配設することにより、２次空気孔１６の開口部を２等分した。また、淡用流路２０と濃用流路２２との間の境界領域には、閉塞部３０を形成した。

なお、各孔の幅は、淡用炎孔１２＝０．８ｍｍ、濃用炎孔１４＝０．８ｍｍおよび２次空気孔１６＝２．０ｍｍとした。

（給湯暖房装置）
次に、実施例に係る給湯暖房装置６０を図６に示す。給湯暖房装置６０は、給湯装置３２と、暖房装置６２と、複数の管路群から形成される温水循環路６４とを備えている。

給湯装置３２の熱源には、上記作製した濃淡燃焼バーナ１０を６個並べたバーナユニット４０を備えた燃焼装置３４を用いた。この燃焼装置３４のバーナユニット４０は、隣接する濃淡燃焼バーナ１０間の２次空気孔１６および２次空気用流路２４が、隣接するバーナ１０間同士で共有するように構成されている。

また、上記バーナユニット４０には、燃料ガス４２の供給量および送風ファン４４の回転数を制御できるように構成した供給系統４６を接続した。なお、燃料ガス４２には、１３Ａ−１（ＣＨ_４：Ｃ_３Ｈ_８＝８５：１５）、空気には乾燥空気を用いた。

作製した給湯暖房装置６０では、給湯装置３２において、燃焼装置３４の火炎によって加熱された熱交換器３６により高温となった高温水は、第１管路６６を通って暖房装置６２に至る。

暖房装置６２では、循環する冷却水６８と高温水との間で熱交換が行われる。暖房装置６２から出た低温水は、第２管路７０を通って暖房シスターン７２に至る。暖房シスターン７２には、水道水供給路７４が接続されており、必要に応じて水道水７６を足すことができるようになっている。

暖房シスターン７２から出た低温水は、第３管路７８、暖房ポンプ８０を通って給湯装置３２に至り、燃焼装置４６により再び加熱される。

なお、第２管路７０の途中には、流量計８０が取り付けられており、循環水量を測定できるようになっている。

（比較例に係る濃淡燃焼バーナおよび給湯暖房装置）
比較例に係る濃淡燃焼バーナおよび給湯暖房装置は、上記実施例に係る濃淡燃焼バーナおよび給湯暖房装置において、濃淡燃焼バーナの２次空気孔内に、板状部材を設けず、２次空気孔の開口部を２等分しなかった以外はほぼ同様とした。

（給湯暖房装置の運転試験）
次に、実施例および比較例に係る給湯暖房装置の運転状態を比較して、本発明の効果を確認した。上記運転では、上記濃淡燃焼バーナに供給する淡火炎用予混合気の空気比は１．５、濃火炎用予混合気の空気比は０．５５とした。

また、上記濃淡燃焼バーナの淡用炎孔から噴出する淡火炎用予混合気の流速は、１．２３５ｍ／ｓ、濃用炎孔から噴出する濃火炎用予混合気の流速は、０．３２ｍ／ｓ、２次空気孔から噴出する２次空気の流速は０．５ｍ／ｓとした。

また、燃焼装置に投入するインプット量は６．５ｋＷ（５６００ｋｃａｌ／ｈ）とし、総空気比は１．６６とした。

図７は、実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナの速度分布を示した図である。図８は、実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナの温度分布を示した図である。図９は、実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナのＮＯ濃度分布を示した図である。

なお、これら図中における距離（ｍｍ）は、濃淡燃焼バーナの中央位置を基準（０ｍｍ）とし、この中央位置よりバーナ右方向を正方向の距離とし、バーナ左方向を負方向の距離としていることを意味する。

これら図７〜図９によれば、以下のことが分かる。すなわち、図７によれば、比較例に係る濃淡燃焼バーナでは、２次空気の流速の早い領域が、２次空気孔内に配置された板状部材の中央部分になっていることことが分かる。

これに対し、実施例に係る濃淡燃焼バーナでは、２次空気の流速の早い領域が、濃火炎側に移動していることが分かる。

そして、図８によれば、比較例に係る濃淡燃焼バーナでは、濃淡火炎基部付近の高温燃料領域の温度が１９７６Ｋであったのに対し、実施例に係る濃淡燃焼バーナでは、同温度が１９４７Ｋであり、約３０Ｋ程度温度が下がっていることが確認された。

これは、上記２次空気の流れの違いによりもたらされたものであり、実施例に係る濃淡燃焼バーナでは、濃火炎基部付近の高温燃焼領域を局所的に希薄燃焼させることができたため、燃焼ガス温度が低下したものと推察される。

そして、これにより、図９から分かるように、実施例に係る濃淡燃焼バーナは、濃火炎基部付近のＮＯ濃度（３２．１ｐｐｍ）を、比較例に係る濃淡燃焼バーナのＮＯ濃度（３８．１ｐｐｍ）に比較して、効果的に削減することができていることが分かる。

次に、実施例および比較例に係る給湯暖房装置の排ガス特性を測定した。すなわち、図６に示すように、給湯装置３２の排気口５６より排出される排ガス濃度（ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ_２およびＯ_２）を測定した。

図１０は、実施例および比較例に係る給湯暖房装置が有する濃淡燃焼バーナのノズル頂面から上方への距離（ｍｍ）と、Ｏ_２０％換算したときのＮＯ濃度（ｐｐｍ）との関係を示した図である。

図１０によれば、実施例に係る濃淡燃焼バーナは、比較例に係る濃淡燃焼バーナに比較して、ノズル頂面から上方７０ｍｍ地点において、排ガス中のＮＯｘ濃度を、２９．７ｐｐｍから２３．５ｐｐｍ（Ｏ_２＝０％）へと、約２０％低下させることができていることが分かる。

また、同様にして、排ガス中のＣＯ濃度も、３２．７ｐｐｍから２６．５ｐｐｍ（Ｏ_２＝０％）へと、約２０％低下させることができていた。

したがって、本実施例に係る濃淡燃焼バーナ、本実施例に係る燃焼装置によれば、従来に比較して、ＮＯｘ排出量、さらには、ＣＯ排出量をも併せて低減可能であることが確認できた。

本バーナの一例を模式的に示した本バーナの上面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿って切断したときの、本バーナの頂部付近の一例を模式的に示した断面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿って切断したときの、本バーナの頂部付近の他の一例を模式的に示した断面図である。 本バーナが複数並列されたバーナユニットを有する本燃焼装置を適用した給湯装置の概略図である。 実施例に係る濃淡燃焼バーナの頂部付近の詳細を模式的に示した断面図である。 実施例に係る給湯暖房装置の概略図である。 実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナの速度分布を示した図である。 実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナの温度分布を示した図である。 実施例および比較例に係る濃淡燃焼バーナのＮＯ濃度分布を示した図である。 実施例および比較例に係る給湯暖房装置が有する濃淡燃焼バーナのノズル頂面から上方への距離（ｍｍ）と、Ｏ_２０％換算したときのＮＯ濃度（ｐｐｍ）との関係を示した図である。 従来の濃淡燃焼バーナの頂部付近の詳細を示した断面図である。

符号の説明

１０ 本バーナ
１２ 淡用炎孔
１４ 濃用炎孔
１６ ２次空気孔
２０ 淡用流路
２２ 濃用流路
２４ ２次空気用流路
２６ 板状部材
２８ 蓋部材
２８ａ、ｂ スリット
３０ 閉塞部
３２ 給湯装置
３４ 本燃焼装置
４０ バーナユニット
６０ 給湯暖房装置
Ｌ 淡火炎用予混合気
Ｒ 濃火炎用予混合気
２Ａ ２次空気

Claims (6)

1. 頂部略中央に設けられ、淡火炎用予混合気を噴出可能な淡用炎孔と、
   前記淡用炎孔の両外側に設けられ、濃火炎用予混合気を噴出可能な濃用炎孔と、
   前記濃用炎孔の両外側に設けられ、２次空気を噴出可能な２次空気孔とを備え、
   少なくとも一方の前記２次空気孔の開口部は、この孔の長手方向に沿って、前記濃用炎孔の外側に隣接する第一開口部と、この第一開口部の外側に隣接する第二開口部とに２分割されていることを特徴とする濃淡燃焼バーナ。
2. 前記分割は、前記２次空気孔の孔内に板状部材を配置することにより行われていることを特徴とする請求項１に記載の濃淡燃焼バーナ。
3. 前記分割は、前記開口部に蓋部材を設け、この蓋部材に２つのスリットを形成することにより行われていることを特徴とする請求項１に記載の濃淡燃焼バーナ。
4. 前記分割は、ほぼ等分であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
5. 複数の板状部材が互いに離間されて積層されてなることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の濃淡燃焼バーナ。
6. 請求項１から５の何れかに記載の濃淡燃焼バーナを有することを特徴とする燃焼装置。