JP5442986B2

JP5442986B2 - 水素・酸素混合ガス燃焼バーナ

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Publication number: JP5442986B2
Application number: JP2008309263A
Authority: JP
Inventors: 久慶 ▲福▼楊
Original assignee: ▲ふく▼楊久慶
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-12-04
Also published as: JP2010133624A

Description

本発明は、水素・酸素混合ガス燃焼バーナ、特に加熱された温風を広範囲の燃焼領域にわたって効率良く吹き出すことの出来る改良された水素・酸素混合ガス燃焼バーナの改良に関するものである。

燃焼バーナは、加熱炉、産業用ヒータなどに多用されている。特に、この様な燃焼バーナは加熱した温風を吹き出す装置としても広く用いられ、例えばビニールハウスなどの温度調節装置、寒冷地における暖房機、建物建設時の乾燥機などとして広く用いられている。

通常の燃焼バーナは、都市ガス、プロパンガスなどを燃料とし、これに空気を供給して所定の燃焼を継続し、一般的には燃焼室の内部にブロアによって圧送空気を送り込み、この圧送空気が燃焼を助けると共に、燃焼室内で加熱された温風を燃焼バーナから吹き出す事で、広範囲の燃焼領域を確保するようになっている。

しかしながら、近年においては、燃焼ガスとして、従来の都市ガスなどに代わって水素・酸素混合ガスが用いられるようになってきた。本発明者は特願２００６−１８７２４５として、電気分解を用いた水素・酸素混合ガスの製造装置を発明し、各種の用途に提供している。このような水素・酸素混合ガスは、燃焼効率が極めて良好であると共に、元々電気分解によって得られた水素および酸素を用いるため、燃焼の為に外部から供給される空気を必要とすることがないという特徴を有する。

しかしながら、このような水素・酸素混合ガス燃焼バーナは、高温の燃焼炎が微少領域に集中する燃焼状態で高効率を達成するという特徴があり、比較的少領域に集中した加熱を行う例えば溶接機などに好適な燃焼炎が得られる。一方において、このような集中燃焼炎は、比較的広い範囲の燃焼領域を必要とする、暖房機、乾燥機あるいはビニールハウスの温度調節装置としては必ずしも適当でなく、その用途に制限が与えられるという問題があった。

従って、本発明は、上記水素・酸素混合ガスを用いながら、広範囲の燃焼領域を確保することができる改良された燃焼バーナを提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は、燃焼筒と、燃焼筒内部に設けられ、水素・酸素混合ガスが供給されるノズルを保持するノズルホルダと、燃焼筒内に圧送空気を送り込むブロアと、を含む水素・酸素混合ガス燃焼バーナにおいて、燃焼筒とノズルホルダとの間には、圧送空気を導く第一の空気路が設けられ、ノズルホルダのノズル保持部周囲であってノズルホルダ外周には張出し部が設けられ、この張出し部には張出し部を貫通する第二の空気路が設けられ、第一及び第二の空気路を通った圧送空気により燃焼炎が燃焼筒前方に引き伸ばされ燃焼領域を拡大し、ノズルは、円筒状ノズル体からなり、ノズル体内部は少なくとも二段の円筒凹みを有し、底部側の第一の円筒凹みの底面は中央が盛り上がった形状を呈し、その頂上部に混合ガスを吐出するノズル孔が開口し、第一の円筒凹みに連なる第二の円筒凹みはその内径が第一の円筒凹みの内径より大きく設定されていることを特徴とする。

また、上記の水素・酸素混合ガス燃焼バーナにおいて、燃焼筒内には、圧送空気流に螺旋状の回転を与えるフィンが設けられていることを特徴とする。

図１には、本発明にかかる水素・酸素混合ガス燃焼バーナの好適な実施形態が示されている。この混合ガス燃焼バーナは、例えばビニールハウスなどの暖房に用いられ、燃焼筒１０をビニールハウス内の適当な位置に設置することによって、ビニールハウス内に暖房用に熱せられた空気を送り込み、所望の温度調節を行うことができる。

燃焼筒１０内部には、ノズルホルダ１２が設けられており、このノズルホルダ１２には、水素・酸素混合ガスが供給される複数のノズルが保持されている。

実施形態において、ノズルホルダ１２には５個のノズルが設けられ、これらのノズルはノズルホルダ１２の中心軸に沿って設けられた第一のタイプのノズル１４と、ノズルホルダ１２の側面にほぼ９０度間隔で設けられた４個の第二のタイプのノズル１６からなり、ノズル１４と１６とは異なる構造を有する。

ノズルホルダ１２の後端には、鎖線で示されるようにガス供給管１８の一端が気密に接続されており、このガス供給管１８は接続管１７を介して燃焼筒１０の側壁を貫通して図示していないが外部に設けられた水素・酸素混合ガス発生装置に接続され、この混合ガス発生装置から、水素・酸素混合ガスＨ／Ｏが接続管１７及びガス供給管１８を通ってノズルホルダ１２から各ノズル１４，１６に供給されている。

ガス供給管１８と接続管１７とはＴ字プラグ１９によって機密に接続されており、また接続管１７の封止側端１７ａは燃焼筒１０の他方側面にしっかりと位置決め固定されている。

ガス供給管１８の筒端は燃焼筒１０の側壁において、支持部材２０により内壁に固定されている。

ノズルホルダ１２を燃焼筒１０内に固定支持するために、燃焼筒１０内には支持アーム体２２が配置されている。

また、燃焼筒１０の後方にはブロア２４が配置され、圧送空気がノズル１４，１６に供給されている。この圧送空気は、ノズル１４，１６による燃焼領域を拡大して、広範囲に加熱された空気をビニールハウス内に供給するために有用である。

図示した実施形態において、燃焼筒１０は略円筒形状を有し、その内部に配置されるノズルホルダ１２も略円筒形状からなり、その内部構造が図２に示されている。ノズルホルダ１２はフロントホルダ２６とリアホルダ２８とに二分割されており、内部にガス供給路を形成した状態で両フロントホルダ２６及びリアホルダ２８が一体に結合され一体のノズルホルダ１２を形成している。

フロントホルダ２６は前端に張出し部２６ａを持ったほぼ円筒形状からなり、その前縁には、その中心軸に沿って第一のノズル受入口２６ｂが穿孔され、さらにフロントホルダ２６の前縁側周には同一円周に沿って略９０度の間隔を持った４個の第二のノズル受入口２６ｃが穿孔配置されている。

また、図３に示されるように、フロントホルダ２６内部には、ガス供給路が彫り込まれ、図示していないガス発生装置から供給される水素・酸素混合ガスが各ノズルに供給されている。

フロントホルダ２６の中心軸に沿って設けられた中央ガス供給路３０ａはノズル受入口２６ｂに連通し、ノズル１４に混合ガスを供給している。

各ノズル１６を受け入れるノズル受入口２６ｃには、図３で示されるようにほぼ９０度間隔を設けた４個の周辺ガス供給路３０ｂが連設され、これらの４個の周辺ガス供給路３０ｂは、フロントホルダ２６の後方側縁に彫り込まれた半月状の円環溝３０ｃによって連結されている。そして、前記中央ガス供給路３０ａとこの円環溝３０ｃとは半月状断面を有する渡り溝３０ｄによって連結されている。従って、外部に設けられたガス発生装置から供給された混合ガスはフロントホルダ２６の中央ガス供給路３０ａから直接ノズル１４に供給されるとともに、渡り溝３０ｄそして円環溝３０ｃを通って各ノズル１６に周辺ガス供給路３０ｂを介して供給されることとなる。

図２から明らかなように、フロントホルダ２６の前方側縁では、ノズル１４および４個のノズル１６がそれらの根元部を各ノズル受入口２６ｂおよび２６ｃに挿入固定されており、各ノズル１４，１６の中心軸に沿って設けられたノズル穴１４ａ，１６ａが各中央ガス供給路３０ａおよび周辺ガス供給路３０ｂと連通している。

一方、リアホルダ２８は、後端にガス受入プラグ２８ａが突出した円盤形状からなり、その中心軸に沿って前記フロントホルダ２６の中央ガス供給路３０ａと連通する中央ガス供給路３２ａを有している。また、リアホルダ２８の前方側縁には、前記フロントホルダ２６の円環溝３０ｃと重ね合わされる円環溝３２ｂおよびフロントホルダ２６の渡り溝３０ｄと重ね合わされる渡り溝３２ｃが設けられており、フロントホルダ２６とリアホルダ２８が所定位置で重ね結合された時に所望の断面円形の円環溝および渡り溝が完成される。また、ガス受入プラグ２８ａの中心軸に沿ってガス受入路３４が設けられ、このガス受入路３４から前述した中央ガス供給路３２ａに混合ガスが供給されることとなる。

以上説明したように、外部に設けられたガス発生装置からは、混合ガスが、ガス供給管１８を通ってガス受入路３４、中央ガス供給路３２ａ，３０ａを経てノズル１４のノズル孔１４ａに供給されている。また同様に、中央ガス供給路３２ａからは、渡り溝３０ｄ，３２ｃ及び円環溝３０ｃ，３２ｂを経て周辺ガス供給路３０ｂから各ノズル１６のノズル孔１６ａに混合ガスが供給されている。

図示した実施形態において特徴的なことは、上記ガス供給路の供給断面積がガス供給源から最終的なノズル孔に向かって順次狭く設定されていることである。具体的には、ガス供給管１８の内径よりガス受入路３４の内径は小さく設けられ、またノズルホルダ１２内部に彫り込まれた中央ガス供給路３２ａ，３０ａ、円環溝３０ｃ，３２ｂ、渡り溝３０ｄ，３２ｃそして周辺ガス供給路３０ｂの供給路面積は前述したガス受入路３４の面積よりも小さく設定されている。そして、これらのノズルホルダ１２内に設けられた供給路面積よりも各ノズル１４，１６のノズル孔１４ａ，１６ａの孔面積は小さく設定されている。

このような供給路面積の選択により、本実施形態で用いられる水素・酸素混合ガスのように、容易に逆火現象を起こし、分離している水素と酸素とが急激に反応し、極端な場合ガス発生装置までこのような逆火が到達するような事態を確実に防止している。

すなわち、上記供給路面積の設定により、ガス供給路の内圧はガス供給管から各ノズル孔まで順次圧力が高く設定されることとなり、常にノズル孔に向かって高い圧力で混合ガスが押し出されるので、水素と酸素とが急激に反応してこの反応が供給源にさかのぼるいわゆる逆火現象の発生を効果的に抑制することが可能となる。

本実施形態において、ノズルは二種類のノズル１４，１６を含み、第２のタイプのノズル１６は中心軸に長いノズル孔１６ａを有する。一方、第一のタイプのノズル１４は図４に拡大図が示されるように、全体として円筒状ノズル体３６からなり、ノズル体３６の内部には少なくとも二段の円筒凹みを有する。底部側の第一の円筒凹み３８はその底面中央が盛り上がった形状を呈し、その頂上部に混合ガスを吐出するノズル孔１４ａが開口している。また、第一の円筒凹み３８に連なる第二の円筒凹み４０はその内径が第一の円筒凹み３８の内径より大きく設定されている。この結果、ノズル孔１４ａから第一及び第二の円筒凹み３８，４０に押し出された混合ガスはその流路が順次拡張する円筒凹み内を引き出され、これによってノズル１４の先端からノズル孔１４ａに向かって生じやすい逆火現象を防止することができる。

図示した実施形態においては、ノズルホルダ１２に異なるタイプのノズル１４と１６が組み合わされて保持されているが、いずれかのタイプのノズル１４あるいは１６のみをノズルホルダ１２に配置しても良い。

前述したノズルホルダ１２は燃焼筒１０内に固定配置されるが、このために支持アーム体２２がノズルホルダ１２の支持を行う。支持アーム体２２は二分割された支持フランジ４２を有し、この支持フランジ４２によってリアホルダ２８のガス受入プラグ２８ａをしっかりと保持することができる。支持アーム体２２は支持フランジ４２から円周方向に延びた４つの支持アーム４４が燃焼筒１０の内壁に固定される受け板４６に接続されている。従って、この支持アーム体２２によってノズルホルダ１２は燃焼筒１０の内部にしっかりと固定されることとなる。

本発明において特徴的なことは、燃焼筒１０とノズルホルダ１２との間にブロア２４による圧送空気を導く第一の空気路５０が設けられていることであり、この第一の空気路によってブロア２４で発生した圧送空気は各ノズル１４，１６の周囲から燃焼炎を前方に導き、このようにして燃焼筒１０の前方に引き伸ばされた燃焼炎の燃焼領域が効果的に拡大されている。

さらに、本発明においては、前記第一の空気路５０に加えて前記ノズルホルダ１２にも第二の空気路が設けられ、これによって、ノズルの周囲にも燃焼炎を燃焼筒１０の前方に引き伸ばす空気路を形成することができる。本発明において、この第二の空気路はノズルホルダ１２のノズル１６保持部周囲であってノズルホルダ１２の外周に設けられた張出し部２６ａに設けられた１２個の貫通孔５２からなる。

これら第一の空気路５０及び第二の空気路５２によって生じた空気流はノズル１４，１６の燃焼炎を燃焼筒１０の前方に引き伸ばし、これによって、効果的に広い範囲の燃焼領域を生じさせることができる。

実施形態において、第一の空気路５０はその空隙長すなわち燃焼筒１０の内壁から張出し部２６ａの外周までの空隙長が燃焼筒１０の内径半径の１／１０から５／１０の範囲であることが好適である。また、ノズルホルダ１２に設けられた第二の空気路５２は第一の空気路５０を補助し、これによって、各ノズル特に周辺のノズル１６に対して効果的に燃焼炎を引き伸ばす作用を有する。

実験によれば、燃焼炎を効果的に前方に引き伸ばし、周囲の空気を広い範囲で加熱して例えばビニールハウスなどに送り出すためには、前述した第一の空気路５０及び第二の空気路５２が極めて有用であるが、さらに、この空気流を螺旋状に循環して燃焼炎の周囲に送り込むことがさらに良好な効果を奏した。このために、本実施形態においては、図５に示すように、支持アーム４４の受け板４６との固定部にフィン５４を設け、このフィンを支持アーム体２２の軸から所定角度ずらし、例えば５度から１５度の偏角を与えることによって、４つのフィン５４が燃焼筒１０内に効果的な螺旋状の空気流回転を与えることができた。これによって、ブロア２４の空気流はノズル１４，１６で発生する燃焼炎の周囲を包み込むとともに、これに螺旋回転による乱流を与え、燃焼炎を、燃焼筒１０から確実に周辺の空気を幅広く広範囲に加熱する燃焼炎とすることができた。

図６には、前述した図２のノズルホルダ１２の変形例が示され、同一もしくは対応部材には同一符号を付して説明を省略する。

図２のノズルホルダにおいては、フロントホルダ２６とリアホルダ２８の両対向端面に円環溝３０ｃおよび３２ｂが彫り込まれているが、図６の実施形態においては、これらの円環溝の彫り込みが省略されている。

そして、円環溝の代わりに、フロントホルダ２６とリアホルダ２８との間には、ホルダリング２７が設けられている。このホルダリング２７は中心にある大きな開口穴２７ａによって、リアホルダ２８の中央ガス供給路３２ａと、フロントホルダ２６の中央ガス供給路３０ａおよび周辺ガス供給路３０ｂをすべて連通することができる。そして、このホルダリング２７とフロントホルダ２６およびリアホルダ２８とは、図示していない貫通ボルトなどでしっかりと締結固定され、２本のＯリングによって機密に封止されている。

図７には、本発明に係る混合ガス燃焼バーナの他の実施形態が示され、この実施形態によれば、水素・酸素混合ガスを燃焼するとともに、これに加えて石油や天然ガスあるいはプロパンガス等の可燃ガスを燃料として用いるハイブリット型の燃焼バーナを示す。燃焼筒１０内にノズルホルダ１２が設けられ、水素・酸素混合ガスを燃焼することは図１の実施形態と同様である。本実施形態では、この水素・酸素混合ガスの燃焼に加えて、燃焼筒１０内には石油噴霧ノズル６０が設けられ、石油供給タンク６２から石油管６４を通って、ノズル６０に供給された石油が燃焼筒１０内に霧状に噴霧される。そして、この石油霧は、ノズルホルダ１２の炎あるいは温度によって燃焼し、図７のように、燃焼筒１０から外部に広範囲の燃焼炎を出現させることができる。この実施形態においても、ノズルホルダ１２には第二の空気路が設けられ、また燃焼筒１０とノズルホルダ１２との間には第一の空気路が設けられている。石油供給タンク６２内には、前述した石油管６４の先端に設けられたフィルタ６６が底部に挿入され、空気導入孔６２ａから導入される空気圧によって石油が所定量霧状に燃焼筒１０内に噴霧される。また、燃焼せずに液化した石油は、燃焼筒１０の内側面に設けられた受け皿６８によって集められ、ドレイン管７０から石油供給タンク６２へ戻される。この戻し経路には逆止弁７２が設けられている。このように、本発明に係る混合ガス燃焼バーナは、水素・酸素混合ガス以外の他の燃料である、例えば石油、アルコールなどの液体燃料とともに、燃焼を行うことができ、このようなハイブリット型の燃焼により、使用対象に最適な効率の良い燃焼炎を得ることができる。また、液体燃料ばかりでなく、他の可燃ガス燃料も利用可能である。

通常、水素・酸素混合ガスと他の液体燃料との燃焼供給量は、一方が増加すれば他方が減少するという関係に制御することが好適である。

図８には、ハイブリット型混合ガス燃焼バーナのノズルホルダ１２の他の実施形態が示されている。図１、２の実施形態と同様に、ノズルホルダ１２にはその端面に同一円周に沿った９０度間隔の４個のノズル１６が設けられており、このノズルには、リアホルダ２８に設けられたガス受入プラグ２８ａから水素・酸素混合ガスが供給されている。４本のノズル１６に混合ガスを供給するために、リアホルダ２８の端面には円環溝３２ｂが設けられている。

そして、ノズルホルダ１２の前縁中心には、石油噴霧ノズル８０が設けられ、その噴霧量が調節ねじ８２によって調節可能である。この石油噴霧ノズル８０に連通してフロントホルダ２６の中心には石油導入路２６ｅが設けられ、同様にリアホルダ２８の中心にも石油導入路３２ｅが設けられている。したがって、リアホルダ２８に設けられた石油受入プラグ２８ｅに石油を供給し、その噴霧量を調節ねじ８２によって調整することによって所望の石油噴霧を得ることができ、ノズル１６から供給される水素・酸素混合ガスとともにハイブリットノズルホルダを提供することが可能となる。もちろん、石油の代わりに他の可燃ガスを利用する場合は、ノズルあるいは導管をガス用にすることが好適である。

本発明において、ブロア２４は、その圧送風量を任意に調節することができ、各種条件および混合ガスの供給量に応じて風量を最適に制御することによって、燃焼炎の燃焼領域を広範囲に制御することが可能となり、周辺の空気を確実に暖気することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、水素・酸素混合ガスを用いて周辺の空気を効果的に暖めるための広範囲の燃焼領域を持った改良された燃焼バーナを提供することが可能となった。

本発明にかかる混合ガス燃焼バーナの好適な実施形態を示す説明図である。図１に示したノズルホルダの断面図である。図２の３−３方向から見た断面図である。本実施形態における一方のノズルの詳細を示す断面図である。本実施形態における支持アームとフィンとの関係を示す拡大図である。本発明に好適な混合ガス燃焼バーナのノズルホルダの他の実施形態を示す断面図である。本発明に係る水素・酸素混合ガス燃焼バーナに石油燃焼装置を組み合わせたハイブリット混合ガス燃焼バーナの実施形態を示す概略説明図である。水素・酸素混合ガスと石油のハイブリット燃焼に好適なノズルホルダの他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０燃焼筒、１２ノズルホルダ、１４，１６ノズル、１８ガス供給管、２２支持アーム体、２４ブロア、２６フロントホルダ、２６ａ張出し部、２８リアホルダ、３８第一の円筒凹み、４０第二の円筒凹み、５０第一の空気路、５２第二の空気路。

Claims

燃焼筒と、
燃焼筒内部に設けられ、水素・酸素混合ガスが供給されるノズルを保持するノズルホルダと、
燃焼筒内に圧送空気を送り込むブロアと、
を含む水素・酸素混合ガス燃焼バーナにおいて、
燃焼筒とノズルホルダとの間には、圧送空気を導く第一の空気路が設けられ、
ノズルホルダのノズル保持部周囲であってノズルホルダ外周には張出し部が設けられ、この張出し部には張出し部を貫通する第二の空気路が設けられ、
第一及び第二の空気路を通った圧送空気により燃焼炎が燃焼筒前方に引き伸ばされ燃焼領域を拡大し、
ノズルは、
円筒状ノズル体からなり、ノズル体内部は少なくとも二段の円筒凹みを有し、
底部側の第一の円筒凹みの底面は中央が盛り上がった形状を呈し、その頂上部に混合ガスを吐出するノズル孔が開口し、
第一の円筒凹みに連なる第二の円筒凹みはその内径が第一の円筒凹みの内径より大きく設定されていることを特徴とする水素・酸素混合ガス燃焼バーナ。
請求項１に記載の水素・酸素混合ガス燃焼バーナにおいて、
燃焼筒内には、圧送空気流に螺旋状の回転を与えるフィンが設けられていることを特徴とする水素・酸素混合ガス燃焼バーナ。