JP5164227B2

JP5164227B2 - バーナー

Info

Publication number: JP5164227B2
Application number: JP2010048255A
Authority: JP
Inventors: 三男戸松; 新也 ▲ひばり▼野
Original assignee: 株式会社横井機械工作所
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: JP2011185458A

Description

本発明は、炉壁等に設置するバーナーに関する。

従来のバーナーとして、下記特許文献１に記載の溶解非鉄金属保持用浸漬管バーナーが知られている。この浸漬管バーナーは、浸漬管との間で中心エアー通路を形成するように設けた燃焼筒と、燃焼筒との間で中心エアー通路を形成するように設けたバーナーを備えており、浸漬管の上部外周面に内側エアー通路、外側排気通路、外側エアー通路を順に形成し、外側エアー通路に吸引口を形成するとと共に外側排気通路に排気口を形成し、ノズル部で発生した排ガスを内側排気通路及び外側排気通路を通して排気口から排出し、吸引口から吸引した吸引したエアーを、外側エアー通路、内側エアー通路、中心エアー通路を通して、排ガスで予熱しながらノズル部へ供給する。

このような浸漬管バーナーでは、外側エアー通路及び内側エアー通路が外側排気通路に隣接して熱を受けると共に、内側エアー通路及び中心エアー通路が内側排気通路に隣接して熱を受けるため、熱交換面積を増加させることができる。

特開２００３−２６２３０５号公報

しかし、外側排気通路に至った排気は、内側排気通路における熱交換後であり又バーナーから離れるために熱をさほど有しておらず、従来の浸漬管バーナーにおいては外側排気通路との熱交換が十分に行われていないとみることができる。

そこで、請求項１に記載の発明は、シンプルな構造ながら熱交換量の多い状態で燃焼エアーの予熱を行えるバーナーを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内筒及び外筒を有するバーナー本体と、前記内筒の内側に配置される燃焼筒と、前記内筒と前記外筒の間において放射状で交互に設けられた、前記燃焼筒の先端部から基端部手前に亘る複数の第１壁体、及び前記燃焼筒の先端部手前から基端部に亘る複数の第２壁体と、前記第１壁体、前記第２壁体、前記内筒及び前記外筒により形成された往復通路における、前記外筒に設けられた燃焼空気吸気口及び前記内筒に設けられた燃焼空気内部導入孔とを備えており、前記燃焼筒と前記内筒の間に排ガスを受け入れる一方、前記燃焼空気吸気口からの燃焼空気を、前記往復通路の間に通して往復させ、前記燃焼空気内部導入孔へ案内することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、上記目的に加えて、対称的な燃焼空気路を形成することができ、効果的に予熱された燃焼空気をスムーズに導入する目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼空気吸気口が、前記第１壁体の何れかの基端側に配置されていると共に、前記燃焼空気内部導入孔が、前記燃焼空気吸気口の反対側における前記第１壁体の基端側に配置されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、上記目的に加えて、排ガスとの熱交換量を増加して、燃焼空気をより一層効果的に予熱する目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒は、セラミック製であることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、上記目的に加えて、伝熱面積を増加させ、又温度の均一化を図ることができ、効果的な熱交換を実現して燃焼空気を十分に予熱する目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒と前記内筒の間に、螺旋状壁体が設けられていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、上記目的に加えて、保炎用の燃料を減らし、火炎長を長くし、ＮＯｘ発生量をより一層低減する目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒の内側に、燃料筒が配置されていると共に、当該燃料筒の先端に、筒状で内孔先端部を他より小径としたノズルが設けられており、当該ノズルの前記内孔先端部の基端側に、筒状で内径が前記ノズルの前記内孔先端部の径と同等であるオリフィスが設置されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、上記目的に加えて、排出される排ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）含有量を低減させる目的を達成するため、上記発明にあって、前記内筒から放射状に、前記バーナー本体を貫通する排ガス出口が設けられていると共に、当該排ガス出口における前記内筒と前記外筒の間の部分に、再循環排ガス導入孔が開けられていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、上記目的に加えて、排ガスの再循環やその量の調整を円滑に行う目的を達成するため、上記発明にあって、前記再循環排ガス導入孔に、突出体が付設されていることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、上記目的に加えて、直線熱交換部を形成し排ガスの入口温度を下げて効果的な燃焼空気の予熱を行う目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒の先端部が、前記バーナー本体から突出していることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明は、上記目的に加えて、直線熱交換部における熱交換部分を増やす目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒の先端部及び前記バーナー本体の先端部が、炉壁の孔に入れられており、当該炉壁の孔の先端部が、前記燃焼筒の先端部及び前記バーナー本体の先端部に合わせ、基端部より小径とされていることを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、上記目的に加えて、直線熱交換部における熱交換を整える目的を達成するため、上記発明にあって、前記燃焼筒の先端部が、炉壁の孔に入れられており、当該炉壁の孔と前記燃焼筒の先端部の間に、螺旋体が挿入されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、燃焼空気につき排ガス流路の外側における一重の往復通路を通すので、シンプルな構造ながら熱交換量の多い状態で燃焼空気の予熱を行うことができる、という効果を奏する。

本発明に係るバーナーの中央断面説明図である。図１のバーナーの（ａ）Ａ−Ａ線断面説明図，（ｂ）バーナー本体の内筒と外筒の間における往復通路の展開説明図である。（ａ）は図１のバーナーに係るノズルの前面説明図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面説明図であり、（ｃ）は比較例のノズルに係る（ｂ）同等図である。図１のバーナーとその他の比較例としての炉温と排気温度の関係を示すグラフである。図１のバーナーとその他の比較例としての炉温とバーナーの効率の関係を示すグラフである。図３（ａ），（ｂ）のノズルを設置した場合と図３（ｃ）のノズルを設置した場合における炉温と窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の関係を示すグラフである。本発明の変更例における排ガス出口及びその周辺の断面説明図である。

以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。

図１は本発明に係るバーナー１（レキュバーナー）の中央断面図である。バーナー１は、筒状のバーナー本体２と、その内側後部から前方に亘って延びたセラミック製の燃焼筒４と、バーナー本体２の後側に取り付けられた燃料導入部６と、燃料導入部６内部からバーナー本体２の内側後部ないし燃焼筒４の内側に配置された燃料筒８と、その先端部に取り付けられており燃焼筒４の先端部内側に配置されたノズル１０と、燃焼筒４の先端部に隣接させた図示しない点火プラグを備えており、炉壁Ｆの孔Ｈにバーナー本体２及び燃焼筒４の前半が挿入された状態で設置されている。

図２（ａ）はバーナー本体２についての図１のＡ−Ａ線の断面図である。バーナー本体２は、外筒２０と内筒２２を有する二重筒状であり、その間には、放射方向に沿って（放射状に）立てられ、長手方向に延びている壁体２４ａ，２４ｂが複数配置されている。

図２（ｂ）はバーナー本体２についての展開図である。外筒２０と内筒２２の間の前側（先端側）は円状の前蓋２６によって塞がれており、外筒２０の後側（基端側）は燃料導入部６の前面によって塞がれている。壁体２４ａ，２４ｂとしては、前側の前蓋２６から後側の燃料導入部６前面の手前までに亘る壁体２４ａ（第１壁体）と、前蓋２６の手前から燃料導入部６前面までに亘る壁体２４ｂ（第２壁体）が存在し、これらが交互に配置されることで、端部で周方向にずれつつ反転して長手方向に往復する通路が形成されている。

そして、下方に筒状に突出した状態で外筒２０の下側に設けられた燃焼空気吸気口２８が、バーナー本体２の後部における壁体２４ｂの間に通じていると共に、内筒２２の後部上側であって壁体２４ｂの間に、燃焼空気内部導入孔２９が開けられており、当該通路が、それぞれ二往復しつつ下側から上側まで半周する、外部から燃焼筒４の後方にかけての２本の燃焼空気の流路とされている（２本の往復通路）。各流路は長手方向中心線に沿う鉛直面を中心に対称となっており、燃焼空気が均等に流れるものとなっている。なお、壁体２４ａ，２４ｂの間はそれぞれほぼ同一であるが、上側の壁体２４ａとその両側の壁体２４ｂの間のみ他より大きくされており、その上側の壁体２４ａの後方において燃焼空気内部導入孔２９が開けられている。

更に、燃焼筒４の後側には、図示しない孔の開いた後蓋３０が嵌められており、燃焼空気はその孔を通って燃焼筒４（と燃料筒８との間）に導入される。

又、バーナー本体２と燃焼筒４の間は、前方に開放されると共に、後部上側においてバーナー本体２を貫通して上方に筒状に突出させた排ガス出口３１とつながっている。更に、バーナー本体２と燃焼筒４の間に、螺旋状壁体３２が配置されている。従って、バーナー本体２と燃焼筒４の間（から排ガス出口３１にかけて）は、炉壁Ｆの孔Ｈの前側から後方へ流れて来る排ガスを受け、バーナー本体２の内側（及び燃焼筒４の外側）において螺旋状に導く排ガス流路となっている。

排ガス出口３１は、燃焼空気内部導入孔２９に隣接して（これと上側の壁体２４ａの間において）配置されており、その両側であってバーナー本体２内部（外筒２０と内筒２２の間）には、再循環排ガス導入孔３４がそれぞれ開けられている。

一方、燃料導入部６は、下側から上方に延び又前方へ延びて前面に至る燃料導入孔４０を有しており、その前面開口部に、燃料筒８が接続されている。燃料筒８と燃焼筒４の間は、燃焼空気内部導入孔２９を通った燃焼空気の流路となっており、燃料筒８の内側は、燃料の流路となっている。燃料は、ノズル１０を介して燃料筒８の前方へ吹き付けられ、燃料筒８と燃焼筒４の間から前方へ流された燃焼空気と混合される。

このように燃料と燃焼空気が供給された状態で上述の点火プラグを作動させると、燃焼筒４の前側における燃焼が開始され、炉壁Ｆ内に熱を与えると共に、排ガスが孔Ｈを経てバーナー本体２と燃焼筒４の間を螺旋状に通過し、排ガス出口３１に導かれる。

排ガスは、燃焼筒４のすぐ外側を通過し、燃焼筒４の内壁側における燃焼直前の燃焼空気を熱交換により予熱する。又、バーナー本体２（の内筒２２）のすぐ内側を通過し、バーナー本体２内部の燃焼空気を熱交換により予熱する。バーナー本体２内部の燃焼空気は、放射方向においては一重であるが、（端部で周方向に移動し反転しつつ）長手方向に往復し、排ガスとの距離が接近した状態を保ちながら熱交換距離（排ガスとの間接的な接触時間・接触部分）が長いものとされている。

又、排ガスは、排ガス出口３１から排出されるが、その一部は、燃焼空気供給圧に引っ張られることにより再循環排ガス導入孔３４を経て内筒２２と外筒２０の間に入り、燃焼空気に対して僅かに混合される。

一方、ノズル１０は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、フランジ５０を有する筒状の部材であり、その内孔５２の先端部には、後部より小径の小径部５４、及びこれと後部をつなぐテーパ部５６が形成されている。加えて、テーパ部５６の後側には、放射方向に沿う保炎用孔５８が（フランジ５０の前方において複数）開けられており、更にその後側には、筒状のオリフィス６０が設置されている。なお、フランジ５０には、保炎用孔５８の開口位置に対応する（保炎用孔５８の中心線に向かう）前後方向の孔５０ａが設けられている。

オリフィス６０は、筒状の部材であり、外径が内孔５２の径と同じであり、内径が小径部５４の径と同等にされている。なお、オリフィス６０の内孔６２の後部は、テーパ状の開口部６４とされている。

燃料は、ノズル１０を通過して、主に図３（ｂ）に示すように噴出される。即ち、燃料は、より小径となるオリフィス６０の内孔６２を通過し、慣性により直進性が増し又流速が増した状態で先端部の小径部５４に達し、そのまま殆どが直線的に噴出される。このような直進性や流速の増加した燃料噴出により、燃焼時に火炎長が長くなり、又完全燃焼を促進して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が抑制される。

一方、一部の燃料はテーパ部５６とオリフィス６０の前面との間（オリフィス６０の前側）に回り込み、保炎用孔５８を通じて燃焼筒４に至る。この燃料は保炎用孔５８の開口部で燃焼空気と混合し、火炎維持等のための種火を点す。

なお、炉壁Ｆの孔Ｈは、バーナー本体２から燃焼筒４が出ていることに対応して、前部が内筒２２の内径と同等の大きさとされ、後部が外筒２０と同等の大きさとされている（炉壁Ｆの孔Ｈの先端側が、燃焼筒４の先端部及びバーナー本体２の先端部に合わせ、基端側より小径にされている）。即ち、孔Ｈの前部Ｈ１と燃焼筒４の間は、直線的に排ガスが通過する排ガス路とされ、燃焼筒４前部内の燃焼空気の熱交換による予熱を行わせ、排ガスをバーナー本体２の内筒２２と燃焼筒４の間に導く（直線熱交換部）。前部Ｈ１と燃焼筒４の間は、排ガスの流通を阻害しない限度で可及的に小さくされ、前部Ｈ１（バーナー本体２から飛び出した燃焼筒４の前部）の長さは、排ガスの流通や燃焼空気の予熱を阻害しない限度で可及的に長くされる。

以上のバーナー１では、内筒２２及び外筒２０を有するバーナー本体２と、内筒２２の内側に配置される燃焼筒４と、内筒２２と外筒２０の間において放射状で交互に設けられた、燃焼筒４の先端部（前蓋２６）から基端部（燃料導入部６の前側）手前に亘る複数の壁体２４ａ、及び燃焼筒４の先端部手前から基端部に亘る複数の壁体２４ｂと、壁体２４ａ，２４ｂ並びに内筒２２及び外筒２０により形成された往復通路における、外筒２０に設けられた燃焼空気吸気口２８及び内筒２２に設けられた燃焼空気内部導入孔２９とを備えており、燃焼筒４と内筒２２の間に排ガスを受け入れる一方、燃焼空気吸気口２８からの燃焼空気を、前記往復通路の間に通して往復させ、燃焼空気内部導入孔２９へ案内する。従って、排ガスとの距離を十分に近いものとしながら熱交換距離を十分に長くすることができ、シンプルな構成によって燃焼空気を効果的に予熱することが可能となる。

又、燃焼空気吸気口２８が、下の壁体２４ａの基端側に配置されていると共に、燃焼空気内部導入孔２９が、燃焼空気吸気口２８の反対側における上の壁体２４ａの基端側に配置されているため、両側において対称的な燃焼空気路を形成することができ、効果的に予熱された燃焼空気をスムーズに導入することができる。

更に、燃焼筒４がセラミック製であるため、耐熱性を有しつつ、金属等に比較して熱伝導率の高い状態とすることができ、排ガスとの熱交換量を増加して、燃焼空気をより一層効果的に予熱することができる。

又、燃焼筒４と内筒２２の間に、螺旋状壁体３２が設けられるため、排ガスを螺旋状に導いて、伝熱面積を増加させ、又燃焼筒４外面側と内筒２２内面側での温度の均一化を図ることができ、効果的な熱交換を実現して燃焼空気を十分に予熱することが可能となる。

そして、上述のような燃焼空気の効果的な予熱は、図４に示す排気温度の低減（熱交換量の増加）や、図５に示すバーナー効率により裏付けられる。

即ち、図４に示されるように、本発明のバーナー１では、これより予熱量が多く構成が複雑なリジェネバーナーよりは炉温に対する排気温度が高いものの、通常のバーナーや、シングルエンドバーナーよりも炉温に対する排気温度が低いものとなっている。

又、図５に示されるように、本発明のバーナー１では、通常のバーナーは勿論、シングルバーナーよりも効率が良好であり、本発明のバーナー１は、リジェネバーナーに迫るほどのバーナー効率を呈するものとなっている。

なお、燃焼の様子を本発明のバーナー１と通常のバーナーとで比較すると、本発明のバーナー１は、通常のバーナーに比べ、火炎長が長く、火炎基端部の青色部分も長く、同等の供給条件においても勢いが強かった。

加えて、内筒２２から放射状に、バーナー本体２を貫通する排ガス出口３１が設けられていると共に、排ガス出口３１における内筒２２と外筒２０の間の部分に、再循環排ガス導入孔３４が開けられているので、排ガスの一部を燃焼空気に混入させ再循環させて燃焼させることができ、排出される排ガスのＮＯｘ含有量を低減させることができる。

更に、燃焼筒４の内側に、燃料筒８が配置されていると共に、燃料筒８の先端に、筒状で内孔５２先端部を他より小径である小径部５４としたノズル１０が設けられており、ノズル１０の内孔５２先端部の基端側に、筒状で内径が内孔５２の径より小さいオリフィス６０が設置されているため、燃料を加速のうえで直進方向へ誘導することができ、保炎用の燃料を減らすことができるし、オリフィス６０を設けない場合と比べ同じ燃料供給量において火炎長を長くすることができ、更に燃焼状態を整えてＮＯｘ発生量を低減することができる。

又、オリフィス６０の内径は、ノズル１０の小径部５４（内孔５２先端部）の径と同等であるため、燃料の流通状態ないし燃焼状態が最適となり、図６に示すようにＮＯｘ発生量を効果的に低減することができる。

即ち、本発明に係るオリフィス６０を有するノズル１０と、これと比較するための、図３（ｃ）に示す、内径がオリフィス６０より大きいオリフィス７０を有するノズル７２（オリフィス７０以外はノズル１０と同等）の各設置時のＮＯｘ排出量を調べると、何れの炉温においても、本発明のノズル１０設置時の方が、ノズル７２設置時よりＮＯｘ濃度が低い結果となった。又、炉温５００〜１３００℃の間では、５００〜９００℃，１１００〜１３００において、ＮＯｘ濃度の低下が顕著であった。

なお、オリフィス６０の基端側におけるテーパ状の開口部６４（やノズル１０のテーパ部５６）により、燃料が円滑に案内され、より一層の燃焼状態良好化ないしＮＯｘ低減に寄与することができる。

加えて、燃焼筒４の先端部が、バーナー本体２から突出しているため、直線熱交換部を設けることができ、排ガスのバーナー本体２と燃焼筒４の間への導入温度（入口温度）を最大限に下げることができて、効果的な燃焼空気の予熱を行うことができる。

又、燃焼筒４の先端部及びバーナー本体２の先端部が、炉壁Ｆの孔Ｈに入れられており、炉壁Ｆの孔Ｈの前部Ｈ１が、燃焼筒４の先端部及びバーナー本体２の先端部に合わせ、基端部より小径とされているので、炉壁Ｆを燃焼筒４の先端部になるべく近づけて熱交換部分を増やすことができる。

［変更例］
なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。炉壁の孔に入った燃焼筒の先端部の周りに、螺旋体を挿入する。この場合、前述の螺旋状壁体と同様な効果を直線熱交換部にもたらすことができ、直線熱交換部における予熱状態を良好なものとすることができる。又、螺旋状壁体や螺旋体をセラミック製として、熱交換性能の更なる向上を図ることもできる。

図７に示すように、排ガス出口３１における再循環排ガス導入孔３４の上側（排ガス下流側）に、排ガスに向かって（外筒２０に沿うように）張り出す突出体６６を付設する。この場合、排ガスの一部を突出体６６により再循環排ガス導入孔３４に積極的に導くことで排ガスの再循環がし易くなり、又再循環する排ガス量の調整が可能となる。なお、突出体６６は、板状を始めとする任意の形状とすることができる。

壁体や各種孔を増減したり、その間隔・大きさ・位置を変えたり、燃焼筒を鋼製としたりする等、各種部材の数や配置あるいは材質を変える。往復通路につき、往復数を１としたりあるいは３以上としたり、各側で幅や往復数等を変えたり、全部で１本としたりする。バーナー本体（の炉壁より基端側）を断熱材で覆い、放熱を減らして熱交換量を高める。本発明のバーナーをチューブ（間接加熱）用バーナー等として使用する。

１バーナー
２バーナー本体
４燃焼筒
８燃料筒
１０ノズル
２０外筒
２２内筒
２４ａ壁体（第１壁体）
２４ｂ壁体（第２壁体）
２８燃焼空気吸気口
２９燃焼空気内部導入孔
３１排ガス出口
３２螺旋状壁体
３４再循環排ガス導入孔
５２内孔（ノズル１０の）
５４小径部（内孔５２の先端部）
６０オリフィス
６２内孔（オリフィス６０の）
Ｆ炉壁
Ｈ孔（炉壁Ｆの）
Ｈ１前部（孔Ｈの先端部）

Claims

内筒及び外筒を有するバーナー本体と、
前記内筒の内側に配置される燃焼筒と、
前記内筒と前記外筒の間において放射状で交互に設けられた、前記燃焼筒の先端部から基端部手前に亘る複数の第１壁体、及び前記燃焼筒の先端部手前から基端部に亘る複数の第２壁体と、
前記第１壁体、前記第２壁体、前記内筒及び前記外筒により形成された往復通路における、前記外筒に設けられた燃焼空気吸気口及び前記内筒に設けられた燃焼空気内部導入孔とを備えており、
前記燃焼筒と前記内筒の間に排ガスを受け入れる一方、前記燃焼空気吸気口からの燃焼空気を、前記往復通路の間に通して往復させ、前記燃焼空気内部導入孔へ案内する
ことを特徴とするバーナー。
前記燃焼空気吸気口が、前記第１壁体の何れかの基端側に配置されていると共に、
前記燃焼空気内部導入孔が、前記燃焼空気吸気口の反対側における前記第１壁体の基端側に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のバーナー。
前記燃焼筒は、セラミック製である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバーナー。
前記燃焼筒と前記内筒の間に、螺旋状壁体が設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載のバーナー。
前記燃焼筒の内側に、燃料筒が配置されていると共に、
当該燃料筒の先端に、筒状で内孔先端部を他より小径としたノズルが設けられており、
当該ノズルの前記内孔先端部の基端側に、筒状で内径が前記ノズルの前記内孔先端部の径と同等であるオリフィスが設置されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載のバーナー。
前記内筒から放射状に、前記バーナー本体を貫通する排ガス出口が設けられていると共に、
当該排ガス出口における前記内筒と前記外筒の間の部分に、再循環排ガス導入孔が開けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載のバーナー。
前記再循環排ガス導入孔に、突出体が付設されている
ことを特徴とする請求項６に記載のバーナー。
前記燃焼筒の先端部が、前記バーナー本体から突出している
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れかに記載のバーナー。
前記燃焼筒の先端部及び前記バーナー本体の先端部が、炉壁の孔に入れられており、
当該炉壁の孔の先端部が、前記燃焼筒の先端部及び前記バーナー本体の先端部に合わせ、基端部より小径とされている
ことを特徴とする請求項８に記載のバーナー。
前記燃焼筒の先端部が、炉壁の孔に入れられており、
当該炉壁の孔と前記燃焼筒の先端部の間に、螺旋体が挿入されている
ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のバーナー。