JP5445691B2 - 燃焼加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する複数の燃焼加熱器を互いに連結した燃焼加熱システムに関する。
本願は、２０１０年１１月４日に日本に出願された特願２０１０−２４７３７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、燃料ガスの燃焼により生じる燃焼熱で輻射体を加熱し、輻射体の輻射面からの輻射熱で、工業材料や食品等を加熱する燃焼加熱器が広く普及している。このような燃焼加熱器について、例えば、輻射強度を向上させるために輻射面に輻射率の高い材料や形状を適用する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

上述した従来の燃焼加熱器では、輻射面の表面に設けた燃料ガス排出口で燃料ガスを燃焼させ、排気ガスを回収せずに周囲の環境に排気している。したがって、排熱を回収できず熱効率が低くなり、また、燃料ガス排出口の形成により輻射面の面積が小さくなることから、輻射強度を向上させることが難しい。さらに、排気ガスの熱によって装置周辺の温度が上昇したり、排気ガスが充満したりして、周囲の環境の改善を図れない可能性がある。

そのため、熱効率を向上させたマイクロコンバスタと呼ばれる燃焼加熱器が提案されている。この燃焼加熱器は、燃料ガスの導入路、燃焼室、および燃焼後の排気ガスの導出路に亘る範囲を密閉構造とし、導入路と導出路とを隣接させ、排気ガスの熱で燃焼前の燃料ガスを予熱して熱効率を高めている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−３２４９２５号公報 特開２００７−２１２０８２号公報

上述した特許文献２のような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を効率的に利用すると共に排気ガスを回収するための密閉構造を備えている。ここで、燃焼加熱器の熱量や加熱面積を増加させるために、単純に２次元方向（加熱面に平行する方向）に燃焼加熱器を大きくしようとすると、密閉性を安定的に維持するために製造コストが増大する可能性がある。また、燃焼加熱器内の導入路と導出路を仕切っている仕切板の熱変形が大きくなって、温度分布が偏ったり、不完全燃焼によるＣＯ（一酸化炭素）排出濃度が増加したりして、燃焼加熱器の性能を十分に発揮できない可能性がある。そのため、本願発明者は、複数の燃焼加熱器を互いに連結して、その熱量や加熱面積を増加させることを試みた。

複数の燃焼加熱器を連結する燃焼加熱システムでは、１回の点火で連結するすべての燃焼加熱器を点火する機能が求められる。しかしながら、特許文献２のような燃焼加熱器では、密閉性を保たなければならないので、火移り構造（複数の燃焼加熱器間で燃焼を伝播させるための構造）を安易に形成できない可能性がある。また、燃焼加熱器において外周壁は保炎機能を有するので、火移り構造の設置のために外周壁を欠落させると保炎性が低下し、ＣＯ排出濃度の増加や本来の熱効率を得ることができない可能性がある。

本発明は、このような課題に鑑み、複数の燃焼加熱器を連結した場合においても、火移り性と保炎性とを両立させることが可能な、燃焼加熱システムを提供することを目的としている。

本発明の燃焼加熱システムは、加熱板と、加熱板に対向配置された配置板と、加熱板と配置板との間に配置された環状の外周壁と、加熱板と配置板との間に配置された仕切板と、外周壁に沿って位置し外周壁の一部である保炎部位に燃料ガスを衝突させて保炎する燃焼室と、配置板と仕切板とを側壁とし燃焼室に向けて燃料ガスを流動させる導入路と、加熱板と仕切板とを側壁とし燃焼室から排気ガスを外部に向けて流動させると共に仕切板を介して排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路と、を備える燃焼加熱器を複数連結した構造を有する。また、本発明の燃焼加熱システムは、複数の燃焼加熱器の連結部に配置されると共にそれぞれの燃焼室を互いに連通させる連通路を備える。また、保炎部位と連通路とが、加熱板と配置板との対向方向に並設されている。

この場合、外周壁の高さは、保炎に必要とされる保炎部位の高さと、連通路の消炎距離に基づいて決定される連通路の高さの和であってもよい。

また、連通路は、連結した複数の燃焼加熱器のそれぞれの燃焼室間の距離が最短となる位置に配置されてもよい。

また、本発明の燃焼加熱システムは、導入路に接続されて燃料ガスを燃焼加熱器内に向けて流動させる第１配管部と、導出路に接続されて排気ガスを燃焼加熱器の外部に向けて流動させる第２配管部と、複数の燃焼加熱器のそれぞれの第２配管部を互いに連通させる連通管と、をさらに備えてもよい。また、連通管は、第２配管部よりも流路面積が大きな拡大部を有してもよい。

また、第１配管部および第２配管部の一方が、他方の内部に配されて二重管を形成してもよい。

本発明によれば、複数の燃焼加熱器を連結した場合においても、火移り性と保炎性とを両立させることが可能となる。

燃焼加熱器の構造を説明するための組立図である。 図１のＡ−Ａ線での断面図である。 図２Ａの領域Ｘ１での拡大図である。 複数の突起部を説明するための斜視図である。 図３ＡのＢ−Ｂ線での斜視断面図である。 燃焼加熱システムの外観例を示す斜視図である。 燃焼加熱システムの構造を説明するための平面図である。 図５ＡのＣ−Ｃ線での断面図である。 図５Ｂの領域Ｘ２での拡大図である。 火移り部を説明するための斜視図である。 火炎の伝播を説明するための平面図である。 連通管を説明するための斜視図である。 図８ＡのＤ−Ｄ線での断面図である。 圧力波の伝播を説明するための垂直断面図である。 圧力波の伝播を説明するための垂直断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。下記実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示であり、特に断る場合を除き、これらの特徴によって本発明は限定されない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

燃焼加熱器は、燃焼室と、燃料ガス（未燃焼ガス：燃焼前のガス）の導入路と、排気ガス（燃焼ガス：燃焼後のガス）の導出路とが密閉された状態で形成された本体容器を備える。また、この燃焼加熱器は、導出路を流れる排気ガスの熱で導入路を流れる燃料ガスを予熱することで、燃焼室において超過エンタルピ燃焼を実現する。このような燃焼加熱器は、排気ガスの熱を回収しているので、熱効率が高く、排気ガスも回収されるため、周囲の環境を損なわない。また、燃料ガス排出口を輻射面に形成する必要が無いため、輻射面の面積は減少せず輻射強度が高い。

このような燃焼加熱器のうち、特に、ディスク型の燃焼加熱器では、伝熱を担う仕切板が、本体容器を構成する一対の平板（加熱板、配置板）よりも小型の平板からなる。また、ディスク型の燃焼加熱器は、一対の平板の間に空隙を設けて配置するといった簡易な構成で、導入路と導出路との間における熱交換を実施している。さらに、ディスク型の燃焼加熱器は、輻射面を有する平板の形状の自由度が高い。

このような高い熱効率と排気ガスの回収機能を両立できる使い勝手の良さから、今後、燃焼を終えた排気ガスをそのまま周囲の環境に排気する従来の燃焼加熱器を、本実施形態のようなディスク型の燃焼加熱器に置き換える機会が増えることが見込まれる。しかし、上記従来の燃焼加熱器は比較的大型のものが多い一方で、現在のディスク型燃焼加熱器は比較的小型のものが多く、従来の大型燃焼加熱器を比較的小型のディスク型燃焼加熱器にすぐに置き換えるということが難しい。

ディスク型燃焼加熱器の熱量や加熱面積を増加させるために、単純に２次元方向（加熱面に平行する方向）に燃焼加熱器を大きくしようとすると、密閉性を安定的に維持するために製造コストが増大する可能性がある。また、燃焼加熱器内の導入路と導出路を仕切っている仕切板の熱変形が大きくなって、温度分布が偏ったり、不完全燃焼によるＣＯ排出濃度が増加したりして、燃焼加熱器の性能を十分に発揮できない可能性がある。そのため、本願発明者は、複数の燃焼加熱器を連結する燃焼加熱システムに着目した。なお、連結とは、燃焼加熱器を連なった状態に設けることを言い、複数の燃焼加熱器を一体的に形成することも含む。しかし、燃焼加熱器では、密閉性を保たなければならないので、火移り構造（複数の燃焼加熱器間で燃焼を伝播させるための構造）を安易に形成できない可能性がある。また、燃焼加熱器において外周壁は保炎機能を有するので、火移り構造の設置のために外周壁を不用意に取り除いてしまうと保炎性が低下し、ＣＯ排出濃度の増加や本来の熱効率を得ることができない可能性がある。

本実施形態における複数の燃焼加熱器を連結した燃焼加熱システムは、火移り性と保炎性とを両立させることを目的とする。以下、理解を容易にするため、まず、燃焼加熱システム１００を構成する個々の燃焼加熱器１１０を説明し、その後、燃焼加熱システム１００の、特に火移り機能について詳述する。

（燃焼加熱器１１０）
図１は、燃焼加熱器１１０の構造を説明するための組立図である。図２Ａは、図１のＡ−Ａ線での断面図である。図２Ｂは、図２Ａの領域Ｘ１での拡大図である。なお、図２Ａの紙面上下方向は、燃焼加熱器１１０の鉛直方向である。図２Ａに示すように、燃焼加熱器１１０は、加熱板１１８と、配置板１２０と、外周壁１２２と、仕切板１２４と、燃焼室１２６と、導入路１２８と、導出路１３０と、第１配管部１３２と、第２配管部１３４とを含む。なお、本実施形態では、燃焼加熱器１１０は、２次元方向での外形が２２０ｍｍ×１４０ｍｍ（後述するように長手方向に２つ連結すると４４０ｍｍ×１４０ｍｍ）程度のものを例に挙げて説明する。ただし、燃焼加熱器１１０の外形は、かかる大きさに限定されず、任意の大きさに設定することができる。

本実施形態における燃焼加熱器１１０は、本体容器に、都市ガス等と燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された燃料ガス（予混合ガス）が供給される予混合タイプである。なお、かかる場合に限定されず、燃焼加熱器１１０が、燃焼室１２６や燃焼室１２６の直前の導入路１２８において両者が混合して拡散燃焼を行う拡散タイプであってもよい。

加熱板１１８および配置板１２０は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ：Stainless Used Steel）や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅（真鍮）等で形成されている。加熱板１１８および配置板１２０は、互いに対向して配置されると共に、互いに略平行（本実施形態における超過エンタルピ燃焼を起こさせるための実質的な平行）に配置される。また、加熱板１１８および配置板１２０は、燃焼室１２６で生成された燃焼熱で加熱される輻射体としても機能する。ただし、配置板１２０は、輻射体として機能する構成に限らず、例えば、断熱構造としてもよい。

外周壁１２２は、平面視において、内周がトラック形状（略平行な２つの線分と、その２つの線分をつなぐ２つの円弧（半円）からなる形状）に、外周が矩形に形成されている。外周壁１２２は、加熱板１１８および配置板１２０の間に配される。また、外周壁１２２の外周面を輻射面として用いることもできる。外周壁１２２は、加熱板１１８と配置板１２０との間に配置され、平面視において環状に形成されている。

燃焼加熱器１１０の本体容器は、外周壁１２２と、外周壁１２２を上下から閉塞する加熱板１１８、配置板１２０とからなる。この本体容器において、外周面（外周壁１２２の外周面）の面積よりも上下壁面（加熱板１１８、配置板１２０の板面）の面積が大きい。つまり、上下壁面は、本体容器の外表面の大部分を占める。この上下壁面のうち、例えば上側の面（加熱板１１８の上面）が輻射面となり、燃焼室１２６で燃料ガスが燃焼すると、まず、この燃焼により加熱板１１８が加熱され、次に、輻射や空気の対流によって輻射面から熱が伝達して燃焼加熱器１１０の外部の被加熱物が加熱される。また、燃焼加熱システム１００のように燃焼加熱器１１０が複数連結される場合、その複数の燃焼加熱器１１０すべての輻射面において、ほぼ同等の輻射熱を得ることができる。本実施形態においては、上下壁面のうち上側の面（加熱板１１８の上面）を輻射面とするが、かかる場合に限定されず、下側の面（配置板１２０の下面）のみを輻射面としたり上下壁面の両面を輻射面としたりしてもよい。

仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０よりも外形が小さく、且つ外周壁１２２の内周面に沿った形状に形成されている。仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０の間で、加熱板１１８および配置板１２０と略平行に配置される。仕切板１２４と加熱板１１８との間、および仕切板１２４と配置板１２０との間には、それぞれ空隙が形成される。また、仕切板１２４は、耐熱性および耐酸化性が高い素材、例えば、ステンレス鋼や、熱伝導率が高い素材、例えば、黄銅等で形成される。仕切板１２４は、加熱板１１８および配置板１２０との間にそれぞれ空隙が形成されれば、傾いて対向配置されてもよい。また、仕切板１２４、加熱板１１８、および配置板１２０は、その厚みに制限はなく、平板に限らず凹凸に形成されてもよい。

図１の組立図を用いて、加熱板１１８、配置板１２０、外周壁１２２、および仕切板１２４の位置関係を説明する。配置板１２０には、仕切板１２４と外周壁１２２とが上方から重ねられる。詳細には、図２Ａに示すように、配置板１２０が第１配管部１３２の端部に固定されるのに対し、仕切板１２４は第１配管部１３２より上方に突出している第２配管部１３４の端部に固定される。そのため、第１配管部１３２の端部と第２配管部１３４の端部との間の距離だけ、配置板１２０と仕切板１２４とが離間する。また、仕切板１２４は、外周壁１２２の内部に配置される。このとき、仕切板１２４の外周端部と、外周壁１２２の筒状の内周面との間には、燃焼室１２６としての空隙が形成される。最後に、外周壁１２２に加熱板１１８が上方から重ねられる。

燃焼室１２６は、外周壁１２２、加熱板１１８、配置板１２０、および仕切板１２４の外周端部に囲まれており、外周壁１２２より内側に外周壁１２２に沿って形成される。このように外周壁１２２に沿って燃焼室１２６を形成するため、燃焼室１２６の体積を十分に確保でき、燃焼負荷率を低くできる。

図２Ａに示すように、本体容器内では、厚み方向（加熱板１１８の上面に直交する方向）に、導入路１２８と導出路１３０とが重ねて形成される。導入路１２８は、配置板１２０と仕切板１２４とを側壁とし、配置板１２０と仕切板１２４とに挟まれた空間である。導入路１２８は、本体容器中央に流入した燃料ガスを燃焼室１２６に向けて放射状に流動させる。

導出路１３０は、加熱板１１８と仕切板１２４とを側壁とし、加熱板１１８と仕切板１２４とに挟まれた空間である。導出路１３０は、燃焼室１２６から排気ガスを本体容器中央に集約して燃焼加熱器１１０の外部に向けて流動させる。また、図２Ａに示すように、本体容器内では、厚み方向に、導入路１２８と導出路１３０とが重なって形成されているので、仕切板１２４を介して排気ガスの熱を伝達し、燃料ガスを予熱することができる。

第１配管部１３２は、導入路１２８に接続され、燃料ガスを燃焼加熱器１１０内に向けて流動させる。具体的に、配置板１２０の中心部には、第１配管部１３２の内径と同一径の孔１５８が設けられており、この孔１５８に第１配管部１３２が接続されている。

第２配管部１３４は、第１配管部１３２の内側に配される。即ち、第１配管部１３２と第２配管部１３４とで二重管を形成する。また、第２配管部１３４は、導出路１３０に接続され、排気ガスを燃焼加熱器１１０の外部に向けて流動させる。具体的に、仕切板１２４の中心部には、第２配管部１３４の外径と同一径の孔１６０が設けられており、この孔１６０に第２配管部１３４が接続される。さらに、第２配管部１３４は、その内部を流動する排気ガスの熱を、第１配管部１３２を流れる燃料ガスに伝達する役割も担う。

本実施形態においては、第１配管部１３２の内側に第２配管部１３４が配されるが、かかる場合に限定されず、第２配管部１３４の内側に第１配管部１３２が配されると共に、第１配管部１３２および第２配管部１３４を加熱板１１８側から導入路１２８および導出路１３０にそれぞれ接続させてもよい。

次に、燃料ガスおよび排気ガスの流れを具体的に説明する。図２Ａの領域Ｘ１を拡大した図２Ｂにおいて、薄い灰色で塗りつぶした矢印は燃料ガスの流れを、濃い灰色で塗りつぶした矢印は排気ガスの流れを、黒色で塗りつぶした矢印は熱の移動を示す。第１配管部１３２に燃料ガスを供給すると、燃料ガスは配置板１２０の中心部から導入路１２８に流入し、水平方向に放射状に広がりながら燃焼室１２６に向けて流れる。燃料ガスは、燃焼室１２６において外周壁１２２に衝突し、燃焼した後、高温の排気ガスとなる。排気ガスは、燃焼室１２６から導出路１３０を通じて第２配管部１３４に流入する。

仕切板１２４は比較的熱伝導し易い素材で形成されており、導出路１３０を通過する排気ガスの熱は、仕切板１２４を介して導入路１２８を通過する燃料ガスに伝わる（伝熱する）。本実施形態では、導出路１３０を流れる排気ガスと導入路１２８を流れる燃料ガスとが、仕切板１２４を挟んで対向流（カウンタフロー）となっているため、排気ガスの熱で燃料ガスを効率的に予熱することが可能となり、高い熱効率を得ることができる。このように燃料ガスを予熱してから燃焼する、所謂、超過エンタルピ燃焼によって、燃料ガスの燃焼を安定化し、不完全燃焼によって生じるＣＯの濃度を極低濃度に抑えることができる。

さらに、燃焼室１２６における安定した燃焼を可能とするために、導入路１２８の燃焼室１２６との接続部において、燃料ガスの流れに垂直な断面形状（以下、流路断面形状と称す）における代表寸法は、火炎の導入路１２８側への進入を防止できる（燃焼反応が導入路１２８内に伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮し、消炎距離以下とすることが好ましい。なお、代表寸法は、燃料ガスが燃焼室１２６に流入する直前の流路の断面形状によって定まる寸法である。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合には、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。水力相当直径は、４×流路断面積／ぬれ縁長さで求められる。ぬれ縁長さは、流路断面における、燃料ガスが接触する壁（配置板１２０、仕切板１２４）部分の長さを示す。

例えば、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下とすれば、火炎が導入路１２８内に進入することが防止され、燃焼が安定化される。しかし、配置板１２０と仕切板１２４との距離を消炎距離以下で均一にするためには、配置板１２０と仕切板１２４の面精度や取り付け精度を高める必要があり、製造コストが増加する可能性がある。本実施形態においては、配置板１２０と仕切板１２４との距離が消炎距離よりも大きくなることを許容するために、仕切板１２４の燃焼室１２６近傍の下面（配置板１２０側）に配置板１２０と当接する複数の突起部１５２を所定の間隔Ｌ（図３Ｂ参照）を空けて配置する。

図３Ａは、複数の突起部１５２を説明するための斜視図である。また、図３Ａは、燃焼加熱器１１０の透視図である。図３Ｂは、図３ＡのＢ−Ｂ線での断面を矢印の方向から見た斜視断面図である。図３Ｂにおいて、複数の突起部１５２の構造の理解を容易にするため、突起部１５２のうち、仕切板１２４で隠されている部分を破線で示す。また、矢印１５４は燃料ガスの流れの向きを示す。導入路１２８は、仕切板１２４に設けられた複数の突起部１５２によって、その流路断面が狭められている。図２Ｂおよび図３Ｂに示すように、燃料ガスは、導入路１２８のうち、隣接する突起部１５２の間の空隙を通じて燃焼室１２６に流入する。このとき、突起部１５２同士の間隔Ｌが流路断面形状の代表寸法となる。すなわち、配置板１２０と仕切板１２４との距離を厳密に設定することなく、間隔Ｌによって流路断面形状の代表寸法を設定することが可能となる。

燃料ガスの消炎距離ｄは、管壁モデルの径の大きさで表され、式（１）により求められる。
ｄ＝２λ・Ｎｕ ^１／２ ／Ｃｐ・ρｕ・Ｓｕ …式（１）
式（１）において、λは熱伝導率、Ｎｕはヌセルト数、Ｃｐは定圧比熱、ρｕは燃料ガスの密度、Ｓｕは燃焼速度である。

本実施形態の燃焼加熱器１１０は、上述した代表寸法（突起部１５２同士の間隔Ｌ）が消炎距離ｄ以下となるように設計されているため、燃焼室１２６における安定した燃焼が可能となる。また、複数の突起部１５２を設ける構成に限定されず、仕切板１２４の燃焼室１２６近傍の下面に、１つの円環形の突起部を設けてもよい。この場合、突起部と配置板１２０との距離が代表寸法となる。かかる構成により、より簡易な構造で導入路１２８の代表寸法を消炎距離ｄ以下とすることができる。

以上、説明したように、燃焼加熱器１１０単体においては、導出路１３０から導入路１２８に対して熱を伝達するので熱効率を非常に高くできる。また、第２配管部１３４を通じて排気ガスを回収するので、周囲の環境を損なうことも防止できる。
続いて、このような燃焼加熱器１１０を、要求される熱量や加熱面積に応じた数だけ複数連結して構成される、燃焼加熱システム１００を説明する。

（燃焼加熱システム１００）
図４は、燃焼加熱システム１００の外観例を示す斜視図である。図５Ａは、燃焼加熱システム１００の構造を説明するための平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＣ−Ｃ線での断面図である。図５Ｃは、図５Ｂの領域Ｘ２での拡大図である。図６は、火移り部１７０を説明するための斜視図である。ただし、図６では、説明の便宜上、燃焼加熱システム１００の図中手前側に延長されている部位を省略し、また、省略した部分の断面に関する詳細な記載を省いている。
図４に示すように、燃焼加熱システム１００は、複数の燃焼加熱器１１０を互いに連結した構造を有し、供給される燃料ガスを燃焼させて、それぞれの燃焼加熱器１１０を加熱し、その排気ガスを回収する。

本実施形態では、大きな熱量や加熱面積を得るため、熱量や加熱面積の比較的小さい燃焼加熱器１１０を複数組み合わせる。比較的小さな燃焼加熱器１１０を用いることができるため、燃焼加熱器１１０単体を大きく設計した場合と比較して、燃焼時における個々の熱変形を抑制することができる。また、熱量や加熱面積の増加要求に伴って、燃焼加熱器１１０をさらに連結したとしても、個々の燃焼能力は、燃焼加熱器１１０の連結数増加の影響を受けない。そのため、その安定性や耐久性を維持することができる。
本実施形態では、説明の便宜のため、燃焼加熱器１１０を２つのみ連結する場合を挙げているが、燃焼加熱器１１０の長手方向および短手方向に任意に燃焼加熱器１１０を連結することができ、様々な縦横比の燃焼加熱システム１００を構成することができる。

また、図５Ａおよび図６に示すように、燃焼加熱システム１００における複数の燃焼加熱器１１０の連結部位には、連結された複数の燃焼加熱器１１０内の密閉空間（燃焼室１２６、導入路１２８、導出路１３０）を互いに連通する火移り部１７０が形成されている。なお、この密閉空間は、燃焼加熱システム１００を気体中で用いる場合、必ずしも完全に密閉する必要はない。また、加熱板１１８と配置板１２０と外周壁１２２との間を完全密閉すると、燃焼加熱器１１０は、液体中においても使用することができる。

複数の燃焼加熱器１１０を互いに連結する燃焼加熱システム１００では、例えば、イグナイタ等の点火装置による１回の点火によって、連結するすべての燃焼加熱器１１０を点火する機能が求められる。燃焼加熱器１１０は、密閉性を保ちつつ火移り部１７０を形成する必要がある。また、燃焼加熱器１１０において外周壁１２２は保炎機能を有するので、火移り部１７０の形成に際して外周壁１２２を安易に取り除いてしてしまうと、外周壁１２２において淀み点（ガスの流動が滞る箇所）が形成されず、保炎性の悪化に伴いＣＯ排出濃度が増加して、本来の熱効率を得ることができなくなる可能性がある。

本実施形態の火移り部１７０は、外周壁１２２の一部である保炎部位１７２と、連結された複数の燃焼加熱器１１０におけるそれぞれの燃焼室１２６同士を連通させる連通路１７４と、を備える。保炎部位１７２と連通路１７４とは、加熱板１１８の直交方向（加熱板１１８と配置板１２０との対向方向、すなわち外周壁１２２の高さ方向）に並設されている。保炎部位１７２は配置板１２０側に設けられ、連通路１７４は加熱板１１８側に設けられている。

（保炎部位１７２）
本実施形態では、図６に示すように、外周壁１２２の高さ方向すべてに渡って連通路１７４を形成せず、保炎に必要とされる高さの保炎部位１７２として、外周壁１２２の一部を残している。そのため、導入路１２８を流れてきた燃料ガスは、図５Ｂの領域Ｘ２を拡大した図５Ｃに示すように、燃焼室１２６において保炎部位１７２に衝突し燃焼する。保炎部位１７２は、燃焼室１２６において保炎性を確保するのに十分な高さを有しているので、連通路１７４が形成されていない燃焼室１２６と同様の燃焼が可能であり、ＣＯを排出することなく熱効率の維持を図ることが可能となる。なお、燃焼室１２６は、外周壁１２２の配置板１２０側の内周面に燃料ガスを衝突させて、その流動を滞らせることにより保炎する。すなわち、燃焼室１２６は、外周壁１２２の一部である保炎部位１７２に燃料ガスを衝突させて保炎する。

（連通路１７４）
図５Ｃに示すように、連通路１７４は、保炎部位１７２の上方に、連結された複数の燃焼加熱器１１０の燃焼室１２６を互いに連通する貫通孔として形成される。かかる構成により、点火によって一方の燃焼加熱器１１０で生じた火炎が連通路１７４を通って他方にも伝播し、連結されたすべての燃焼加熱器１１０を短時間で点火することが可能となる。本実施形態では、連通路１７４を保炎部位１７２の上方に形成する例を挙げたが、保炎部位１７２として保炎性を確保できれば、保炎部位１７２の下方に形成することもできる。また、本実施形態では、連通路１７４の断面形状を矩形に形成する例を挙げているが、かかる場合に限られず、円形や多角形等様々な形状を用いることができる。

また、導入路１２８の代表寸法とは異なり、火炎が連通路１７４を通るように（燃焼反応が連結された複数の燃焼加熱器１１０間で伝播するように）連通路１７４の断面形状を設計する必要がある。そのため、連通路１７４の代表寸法は、上述した式（１）の消炎距離ｄより大きく設定する。例えば、消炎距離ｄが３ｍｍであった場合に、連通路１７４の断面形状を高さ３ｍｍ×幅１０ｍｍの矩形とすると、その代表寸法は、４．６ｍｍとなって火炎を十分に伝播することが可能となる。したがって、図５Ｃに示すように、燃焼加熱システム１００を構成する燃焼加熱器１１０の外周壁１２２の高さｈ_１は、保炎に必要とされる保炎部位１７２の高さｈ_２と、連通路１７４の消炎距離ｄに基づいて決定される連通路１７４の高さｈ_３の和となる。

さらに、連通路１７４は、連結された複数の燃焼加熱器１１０のそれぞれの燃焼室１２６間の距離が最短となる位置に形成される。例えば、図５Ａにおいて、連通路１７４は、連結する複数の燃焼加熱器１１０の連結部分、且つ燃焼加熱システム１００の短手方向略中央に形成される。本実施形態では、燃焼加熱器１１０の外周壁１２２の内周がトラック形状に形成されているため、そのトラック形状の円弧の中心同士を結ぶ直線上に連通路１７４を位置させることで、複数の燃焼室１２６間の距離が最短となる。このように複数の燃焼室１２６間の距離を短くすることで、連通路１７４の消炎距離ｄを短くすることができる。よって、連通路１７４の代表寸法を小さく設定した場合でも、火炎を確実に伝播させ、点火の信頼性を向上させることが可能となる。なお、連通路１７４の位置は、複数の燃焼室１２６間の距離が最短となる位置に限定されず、火移りが可能な範囲で任意に設定することができる。このような連通路１７４の設置により、燃焼加熱システム１００の運用条件下において安定した火移りを確認できた。

また、連通路１７４近傍の燃焼室１２６における燃焼に基づく火炎の伝播のみならず、燃焼加熱器１１０内に生じる圧力波によっても、火炎の伝播が助けられる。

図７は、火炎の伝播を説明するための平面図である。例えば、点火装置１７６が近傍の燃焼室１２６に点火すると、図７において矢印で示したように、外周壁１２２の内周面に沿って、順次燃焼室１２６内で火炎が伝播される。燃料ガスに点火したときに燃焼室１２６内に生じる圧力によって、連結された他の燃焼加熱器１１０に向かう方向（図７の紙面右方向）の圧力波が生じ、その圧力波によって火炎の伝播速度が高くなる。また、このような圧力波が、平面視半円形状となっている外周壁１２２の内周面によって集約され、さらに加速して連通路１７４に流入するので、火炎は連結された他の燃焼加熱器１１０に容易に伝播される。

このように、保炎部位１７２と連通路１７４とを上下方向に並設する構成により、点火時において、火移り性と保炎性とを両立させることができる。また、燃焼加熱器１１０の連結数に拘わらず１回の点火のみですべての燃焼加熱器１１０を点火し、コスト低減と作業性の向上を図ることができる。また、定常燃焼時には、燃焼加熱システム１００を構成するそれぞれの燃焼加熱器１１０において、上述したように高い熱効率の維持と周囲の環境の向上を図ることが可能となる。

図８Ａは、連通管１８０を説明するための斜視図である。また、図８Ａは、燃焼加熱システム１００の配管部分の斜視図である。図８Ｂは、図８ＡのＤ−Ｄ線での断面図である。図８Ａ、図８Ｂおよび後述する図９Ａ、図９Ｂでは、理解を容易とするため配管部分のみを示すが、かかる配管部分は燃焼加熱器１１０の本体容器に接続されている。

また、以下では、第１配管部１３２および第２配管部１３４のうち、点火装置１７６が配された燃焼加熱器１１０の本体容器に接続されている配管を、第１配管部１３２ａおよび第２配管部１３４ａとする。また、連通路１７４を通じて火移りする側の燃焼加熱器１１０の本体容器に接続されている配管を、第１配管部１３２ｂおよび第２配管部１３４ｂとする。

燃焼加熱システム１００は、図８Ｂに示すように、複数の燃焼加熱器１１０の第２配管部１３４ａ、１３４ｂを連通させる連通管１８０を備える。かかる連通管１８０は、流路面積が第２配管部１３４ａ、１３４ｂより大きな拡大部１８２を有する。この流路面積は、排気ガスの流れ方向に直交する方向での、流路の断面積である。本実施形態では、図８Ａ、図８Ｂに示すように、連通管１８０の流路全体が、第２配管部１３４ａ、１３４ｂの流路よりも広く形成されている。すなわち、連通管１８０全体にわたって拡大部１８２が形成されている。なお、連通管１８０の一部の流路面積を第２配管部１３４ａ、１３４ｂの流路面積よりも大きくし、拡大部１８２を連通管１８０の一部にのみ設けてもよい。

燃焼加熱システム１００では、点火装置１７６によって一方の燃焼加熱器１１０が点火されると、上記したとおり、外周壁１２２の内周面に沿って順次燃焼室１２６内で火炎が伝播され、燃料ガスに点火したときに生じる圧力波が連通路１７４に流入し、火炎は連結された他の燃焼加熱器１１０に伝播される。このとき、点火された燃焼加熱器１１０から、第２配管部１３４ａ、連通管１８０、第２配管部１３４ｂ、火移りする側の燃焼加熱器１１０の順で圧力波が伝わる場合がある。この圧力波の伝播について図９Ａ、図９Ｂを用いて詳述する。

図９Ａ、図９Ｂは、圧力波の伝播を説明するための垂直断面図である。図９Ａは本実施形態の構成を示し、図９Ｂは比較例の構成を示している。なお、理解を容易とするため、圧力波が強くなるに従い、複数の楕円の円弧１８４を互いに接近させて示す。図９Ｂに示す比較例では、連通管１０の流路面積は、第２配管部１３４ａ、１３４ｂの流路面積と等しい。この場合、発生した圧力波は、連通管１０内でほとんど弱まることなく、火移りする側の燃焼加熱器１１０の第２配管部１３４ｂを逆流する方向（排気ガスの流動方向と逆の方向）に伝播する。

このようにして、火移りする側の燃焼加熱器１１０内に圧力波が伝播すると、この火移りする側の燃焼加熱器１１０における排気ガスの流れが阻害されるため、連通路１７４における火炎の伝播が抑制され、火移り性が低下する。すなわち、火移りが可能となる条件の範囲が狭くなって火移りできない場合がある。

本実施形態の燃焼加熱システム１００では、図９Ａに示すように、連通管１８０が拡大部１８２を有する。火移りする側の燃焼加熱器１１０に第２配管部１３４ａ、１３４ｂを通じて伝播する圧力波は、第２配管部１３４ａから拡大部１８２に伝播したところで、流路の拡大によって減衰される。

また、拡大部１８２の流路の断面積が大きいため、圧力波が伝播する媒体（連通管１８０内の排気ガスや空気等の気体）の体積も大きい。そのため、図９Ｂの比較例よりも、連通管１８０内を伝播することで圧力波のエネルギーが弱まり易い。

また、連通管１８０と第２配管部１３４ｂとの接続部分では、流路面積が大きい配管から流路面積が小さい配管へ向けて圧力波が伝播するため、圧力波はさらに伝播し難くなる。

このように、燃焼加熱システム１００は、第２配管部１３４ａ、１３４ｂを介した圧力波の伝播の影響を抑え、連通路１７４を通して伝播する火炎による、連結する他の燃焼加熱器１１０への火移り性を一層向上できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態には限定されない。当業者は、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到でき、それらも当然に本発明の技術的範囲に属する。

例えば、上記実施形態では、外周壁１２２の内周面は平面視でトラック形状に形成されていたが、環状であればどのような形状であってもよい。外周壁１２２の内周面が平面視で円環状や矩形環状に形成されていてもよい。

本発明は、燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する複数の燃焼加熱器を互いに連結した燃焼加熱システムに利用することができる。

１００ …燃焼加熱システム
１１０ …燃焼加熱器
１１８ …加熱板
１２０ …配置板
１２２ …外周壁
１２４ …仕切板
１２６ …燃焼室
１２８ …導入路
１３０ …導出路
１３２、１３２ａ、１３２ｂ …第１配管部
１３４、１３４ａ、１３４ｂ …第２配管部
１７０ …火移り部
１７２ …保炎部位
１７４ …連通路
１７６ …点火装置
１８０ …連通管
１８２ …拡大部

Claims (5)

1. 加熱板と、前記加熱板に対向配置された配置板と、前記加熱板と前記配置板との間に配置された環状の外周壁と、前記加熱板と前記配置板との間に配置された仕切板と、前記外周壁に沿って位置し前記外周壁の一部である保炎部位に燃料ガスを衝突させて保炎する燃焼室と、前記配置板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室に向けて燃料ガスを流動させる導入路と、前記加熱板と前記仕切板とを側壁とし前記燃焼室から排気ガスを外部に向けて流動させると共に前記仕切板を介して排気ガスの熱で燃料ガスを予熱する導出路と、を備える燃焼加熱器を複数連結した燃焼加熱システムであって、
   複数の前記燃焼加熱器の連結部に配置されると共にそれぞれの前記燃焼室を互いに連通させる連通路を備え、
   前記保炎部位と前記連通路とが、前記加熱板と前記配置板との対向方向に並設されている燃焼加熱システム。
2. 前記外周壁の高さは、保炎に必要とされる前記保炎部位の高さと、前記連通路の消炎距離に基づいて決定される前記連通路の高さの和である請求項１に記載の燃焼加熱システム。
3. 前記連通路は、連結された複数の前記燃焼加熱器のそれぞれの前記燃焼室間の距離が最短となる位置に配置されている請求項１に記載の燃焼加熱システム。
4. 前記導入路に接続されて燃料ガスを前記燃焼加熱器に向けて流動させる第１配管部と、
   前記導出路に接続されて排気ガスを前記燃焼加熱器の外部に向けて流動させる第２配管部と、
   複数の前記燃焼加熱器のそれぞれの前記第２配管部を互いに連通させる連通管と、をさらに備え、
   前記連通管は、前記第２配管部よりも流路面積が大きな拡大部を有する請求項１に記載の燃焼加熱システム。
5. 前記第１配管部および前記第２配管部の一方が、他方の内部に配されて二重管を形成している請求項４に記載の燃焼加熱システム。

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