JP5451138B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

本願は、空気を流量調整してバーナに供給する空気供給ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとを備え、燃料ガス供給ラインには均圧弁が設けてあり、空気供給ラインにおける空気流量調整機構より下流に設けられたパイロット圧取得部より均圧空気を均圧弁に導いて、空気比が制御された予混合ガスをバーナで燃焼させるガス燃焼装置に関する。

バーナに空気及び燃料ガスを供給して燃焼を行うガス燃焼装置における空気比制御方式として、均圧弁方式がよく知られている。この均圧弁方式の構成を図５（ａ）に示した。
均圧弁方式では、バーナに空気を流量調整して供給する空気供給ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとを設け、当該燃料ガス供給ラインに均圧弁を設け、この均圧弁に、空気供給ラインに設けられる空気流量調整機構より下流側の空気圧を導いて、この空気圧に対応して燃料ガス供給ラインからの燃料ガス圧を調整することで、空気圧と燃料ガス圧との関係を一定することで、空気比を一定に調整する。特許文献１には、この均圧弁方式の改良案が提案されている。

ガス燃焼装置における空気比制御方式として、上記の均圧弁方式の他に、リンケージ方式もよく知られている。このリンケージ方式の構成を、図５（ｂ）に示した。
リンケージ方式では、空気供給ラインと燃料ガス供給ラインにそれぞれ空気流量調整機構及び燃料ガス流量調整機構を設け、両流量調整機構をリンクにより連結して、両方の流量調整機構の開度を同期して調整することで、バーナの燃焼量が変化した場合にも、一定の空気比を維持できる形態で、空気比を制御する。

均圧弁方式及びリンケージ方式は、比較的簡便な構造であり、設備コストのかからない空気比制御の方式であるが、設備コストを気にしないのであれば、空気供給ラインと燃料ガス供給ラインに、それぞれ圧力若しくは流量を計測する計測機器を設けるとともに、これら計測機器から計測情報を得て、電気信号に基づいて稼動する空気流量調整機構及び燃料ガス流量調整機構を設け、これら両流量調整機構を独立に制御することで、燃焼量の可変範囲全体で、任意の空気比を調整する方式も知られている。

特開２００２−１３０６５９号公報

ガス燃焼装置におけるバーナの燃焼において、その燃焼量と空気比との関係は、図６のような関係にある。これらの図は、横軸に燃焼量を縦軸に空気比を取ったものであり、図上斜線で囲む領域が、バーナが良好に燃焼できる領域である。さらに詳細に説明すると、燃焼量が比較的低い領域（図上左側の領域）では空気比を比較的高く設定する（空気比を１よりかなり高くする）のが好ましいのであり、燃焼量が比較的高い領域（図上右側の領域）では空気比を比較的低く設定する（空気比を１に近い値とする）のが好ましい。

同図において、燃焼量について０％、１００％と示しているのは、一般的なバーナに関して、空気比を適切に選択することにより、そのバーナを好適に燃焼させることができる下限と上限である。このバーナの場合も、燃焼量０％の近傍では空気比を比較的高い値とすることが必要であり、１００％の近傍では空気比を比較的低い値とすることが必要である。

バーナを良好に燃焼するには、上述のように空気比をその燃焼量の高低に応じて適切に設定する必要があるが、上記の均圧弁方式或いはリンケージ方式は、基本的に、どの燃焼量でも空気比を一定に保つ方式のため、上記の燃焼量０％から１００％の全域をカバーすることができない。従って、普通、空気比を調整した場合に良好な燃焼が可能となる燃焼量０％から１００％の全域に対して、例えば、４０％〜１００％の燃焼量領域を一のガス燃焼装置でカバーしているというのが実情である。

図６（ｃ）（ｄ）に、「良好燃焼領域」と記載しているのが、均圧弁方式及びリンケージ方式で良好な燃焼状態が実現できる領域であり、「不使用領域」と記載しているのが、それぞれの方式での燃焼では無理があり、通常、使用されることがない領域である。このような無理とは、例えば、良好な保炎状態を維持できないことを意味する。

均圧弁方式を改良した特許文献１に開示の技術では、空気比制御のために別個の流量調整機構である流量制御弁をそれぞれ空気供給ライン及び燃料ガス供給ラインに設けており、設備コストが上昇する。

先に説明した、空気供給ラインと燃料ガス供給ラインに、それぞれ圧力若しくは流量を計測する計測機器を設けるとともに、これら計測機器から計測情報を得て、電気信号に基づいて稼動する空気流量調整機構及び燃料ガス流量調整機構を設け、これら両流量調整機構を独立に制御することで、燃焼量の可変範囲全体で、任意の空気比を調整する方式でも、設備コストが上昇する。

従って、本発明の目的は、低い設備コストで、ガス燃焼装置に備えられるバーナに対して、そのバーナが良好に燃焼できる空気比を適切に制御することができるガス燃焼装置を得ることにある。

上記の目的を達成するための、本願発明が共通して備える構成（以下、本共通構成と呼ぶ）についてまず説明する。ここで、本共通構成とは、正圧状態の空気を空気流量調整機構で流量調整してバーナに供給する空気供給ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとを備え、前記燃料ガス供給ラインには均圧弁が設けてあり、前記空気供給ラインにおける前記空気流量調整機構より下流に設けられたパイロット圧取得部より均圧空気を前記均圧弁に導いて、空気比が制御された予混合ガスをバーナで燃焼させるガス燃焼装置の特徴構成は、前記バーナの燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする空気比制御機構を設け、
前記空気比制御機構が、前記空気流量調整機構の開度及び前記均圧弁に導かれる均圧空気の圧力に基づいて、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする機構として構成されていることである。

このガス燃焼装置は、燃料ガス供給ラインに均圧弁を設け、この均圧弁のパイロット圧として、空気供給ラインにおける空気流量調整機構より下流側の均圧空気を導く。しかしながら、本共通構成では、空気比制御機構を設け、この空気比制御機構が、空気流量調整機構の開度及び均圧弁に導かれる均圧空気の圧力に基づいて、バーナの燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、低燃焼量側空気比を高燃焼量側空気比より高くする。
従って、本共通構成のガス燃焼装置では、高燃焼量側での燃焼状態と低燃焼量側での燃焼状態とにおいて、両状態における空気比を、後者を前者より高くすることにより、バーナの燃焼制御として本来好ましい運転状態を実現することができ、バーナの燃焼可能範囲内で、実用的に燃焼に使用できる範囲を大幅に増加できる。

本願では、上記の空気比制御機構の構成として、１．均圧弁のパイロット圧を低下する構成（第１構成）と、２．燃料ガス供給ラインの均圧弁より下流側に燃料ガス流量調整機構を設ける構成（第２構成）を紹介する。
１．第１構成
この第１構成では、パイロット圧取得部と均圧弁の均圧空気導入部との間に設けられる均圧空気導入路に、空気流量調整機構に於ける流量減少調整に伴って均圧弁に導かれる均圧空気の圧力である均圧用空気圧を低下させる均圧用空気圧低下機構を設け、空気比制御機構が均圧用空気圧低下機構で構成されるものとする。
このガス燃焼装置では、均圧用空気圧低下機構を設けることにより、空気流量調整機構に於ける流量減少調整に伴って均圧弁に導かれる均圧空気の均圧用空気圧が低下される。従って、空気供給ラインから供給される空気量を低下させる流量調整（実質的な燃焼量の低下調整）を行った場合、均圧弁に導かれる均圧空気圧は、パイロット圧取得部の空気圧に対して、当該圧力より低下する。即ち、従来の均圧方式で使用されていた均圧圧力（パイロット圧取得部の空気圧）より低下する。この低下は、バーナに供給される燃料ガス量を従来の低下割合より低下させることとなるため、低燃焼量側で、その空気比が大きくなることとなる。よって、この圧力均圧用空気圧が低下割合をバーナの特性に合わせて調整設定することで、バーナの燃焼可能範囲全域で良好な燃焼状態を実現できる。

さらに具体的には、以下の構成を採用できる。
即ち、前記均圧空気導入路に路内の均圧空気を開放する開放路を設けるとともに、前記開放路に当該開放路を介して開放される均圧空気の量を調整する開放流量調整機構を設け、
前記空気流量調整機構の流量減少側への調整に伴って前記開放流量調整機構を流量増加側に、前記空気流量調整機構の流量増加側への調整に伴って前記開放流量調整機構を流量減少側に連動させる開放連動制御機構を備える。

空気供給ラインには、正圧で空気が流れているため、この空気を開放する（ブリーズ）と当該部位の空気圧を低下できる。そこで、本願のガス燃焼装置では、均圧空気導入路に開放路を接続して設けるとともに、この開放路に、空気流量調整機構の流量減少側への調整に伴って開放流量調整機構を流量増加側に、空気流量調整機構の流量増加側への調整に伴って、開放流量調整機構を流量減少側に連動させる開放連動制御機構を設ける。
この構成では、空気流量が流量減少側への調整（燃焼量低下側への調整）に伴って、均圧空気の一部は均圧空気導入路から開放路を介して開放（放出）され、均圧弁に導かれる均圧空気の量が減少し、バーナに供給する燃料ガス量が従来の均圧弁方式で供給される燃料ガス量より低下する。結果、バーナに供給される燃料ガス量を従来の低下割合より低下させることとなるため、低燃焼量側で、その空気比が大きくなることとなる。よって、この圧力均圧用空気圧が低下割合をバーナの特性に合わせて調整設定することで、バーナの燃焼可能範囲全域で良好な燃焼状態を実現できる。
２．第２構成
第２構成では、前記均圧弁の下流側に燃料ガス流量調整機構を設けるとともに、前記空気流量調整機構の流量減少側への調整に伴って前記燃料ガス流量調整機構を流量減少側に連動させ、前記空気流量調整機構の流量増加側への調整に伴って前記燃料ガス流量調整機構を流量増加側に連動させる燃料ガス連動制御機構を備え、
前記空気比制御機構が前記燃料ガス流量調整機構及び燃料ガス連動制御機構で構成されるものとする。
この構成のガス燃焼装置では、空気流量調整機構の開度が低下され、燃料ガス流量調整機構の開度も低下される。この状態では、均圧弁により、均圧弁より下流側の燃料ガス圧が調整されるが、本実施形態に示すように燃料ガス流量調整機構が設けられ、この機構の開度が制限されるため燃料ガス供給ラインから供給される燃料ガス量がさらに低下される。従って、燃料ガス供給ラインから供給される燃料ガス量が低下するため、この状態では従来採用されてきた均圧弁方式で実現していた空気比に対して、空気比を高く制御できる。

第一実施形態のガス燃焼装置の構成を示す図 第一実施形態のガス燃焼装置の燃焼量に応じた作動状態を示す図 第二実施形態のガス燃焼装置の構成を示す図 第二実施形態のガス燃焼装置の燃焼量に応じた作動状態を示す図 従来の空気比制御方式の説明図 本願及び従来技術での空気比の変化を示す説明図

以下、図面に基づいて、本願に係るガス燃焼装置１を説明する。
本願では、第一実施形態と第二実施形態とを紹介するが、これらの実施形態は、上記した均圧弁方式の空気比制御構造に改良を加えて、低燃焼量側で空気比を高く設定することができるようにしたものである。

１．第一実施形態
ガス燃焼装置の構成
図１に、第一実施形態のガス燃焼装置１の構成を示した。
同図に示すように、本願に係るガス燃焼装置１は、ブロアー２で押し出された正圧状態（大気圧より高い圧力状態にある状態）の空気を空気流量調整機構３で流量調整してバーナ４に供給する空気供給ライン５と、バーナ４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ライン６とを備えて構成されている。ここで、空気流量調整機構３としては、バタフライ弁、ボール弁等を使用する。バーナ４では、空気供給ライン５から供給される空気と、燃料ガス供給ライン６を介して供給される燃料ガスとは混合されて先混合形態で、バーナ４で燃焼される。この空気流量調整機構３には、燃焼量に応じてその開度を制御する制御装置８が設けられている。この制御装置８は、燃焼量の増加に従って空気流量調整機構３の開度を増加させ、燃焼量の減少に従って空気流量調整機構３の開度を減少させる。

先にも説明したように、本願のガス燃焼装置１は均圧弁方式を踏襲するため、燃料ガス供給ライン６には均圧弁７が設けてあり、空気供給ライン５における空気流量調整機構３より下流に設けられたパイロット圧取得部９より均圧空気を、当該均圧弁７に導いて、空気比が制御された予混合ガスをバーナ４で燃焼させる形態が採用されている。

従来型の均圧弁形式では、パイロット圧取得部９から取得された均圧空気がそのまま均圧弁７に導かれて、パイロット圧取得部９の空気圧がそのまま均圧弁７のパイロット圧とされるが、本実施形態では、そのパイロット圧がバーナ４の燃焼量に応じて制御される構成が採用されている。

即ち、本願に係るガス燃焼装置１には、バーナ４の燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、低燃焼量側空気比を高燃焼量側空気比より高くする空気比制御機構１０を設け、この空気比制御機構１０が、空気流量調整機構の開度及び均圧弁７に導かれる均圧空気の圧力に基づいて、低燃焼量側空気比を高燃焼量側空気比より高くする構成とされている。

具体的には、図に示すように、パイロット圧取得部９と均圧弁７の均圧空気導入部７ａとの間に設けられる均圧空気導入路１１に、空気流量調整機構３に於ける流量減少調整に伴って均圧弁７に導かれる均圧空気の圧力均圧用空気圧を低下させる均圧用空気圧低下機構１０ａを設けている。

均圧用空気圧低下機構１０ａは、均圧空気導入路１１に路内の均圧空気を開放する開放路１２を設けるとともに、開放路１２に当該開放路１２を介して開放される均圧空気の量を調整する開放流量調整機構１３を設け、空気流量調整機構３の流量減少側への調整に伴って、開放流量調整機構１３を流量増加側に連動させる開放連動制御機構１４を備えている。
ここで、開放連動制御機構１４は、空気流量調整機構３と開放流量調整機構１３との間に設けられるリンク機構であり、このリンク機構は空気流量調整機構３が開側に設定される高流量側設定状態で、開放流量調整機構１３が閉側に設定される低流量側設定状態となり、空気流量調整機構３が閉側に設定される低流量側設定状態で、開放流量調整機構１３が開側に設定される高流量側設定状態となるように、両機構を連動させる。この連動関係は、ガス燃焼装置１の運転開始時に一度調整しておけば良い。

ガス燃焼装置の燃焼
本願のガス燃焼装置１には空気比制御機構１０が設けられているが、この空気比制御機構１０の働きについて、図２を使用して説明する。
図２（ａ）は、ガス燃焼装置１が高燃焼量で燃焼している状態を示し、図２（ｂ）は、ガス燃焼装置１が低燃焼量で燃焼している状態を示している。

図２（ａ）に示す高燃焼量の燃焼状態にあっては、空気流量調整機構３の開度が大きい状態に維持され、開放流量調整機構１３の開度が小さい状態に維持される。この状態では、開放流量調整機構１３が実質的に閉状態に維持されるため、均圧空気導入路１１から均圧空気が開放されることはなく、パイロット圧取得部９の空気圧がそのまま均圧弁７に導入される。
従って、この状態では従来採用されてきた均圧弁方式と同様に、空気比が低い状態（１に近い状態）に維持される。

図２（ｂ）に示す低燃焼量の燃焼状態にあっては、空気流量調整機構３の開度が低下され、開放流量調整機構１３の開度が大きい状態とされる。この状態では、開放流量調整機構１３が開状態とされるため、均圧空気導入路１１から均圧空気の一部が大気側に開放され、パイロット圧取得部９の空気圧が、かなり低下して均圧弁７に導入される。
従って、燃料ガス供給ライン６から供給される燃料ガス量が低下するため、この状態では従来採用されてきた均圧弁方式で実現していた空気比に対して、空気比を高く制御できる。
即ち、空気比制御機構１０により、バーナ４の燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、低燃焼量側空気比を高燃焼量側空気比より高くすることができる。
この構成における、燃焼量と空気比との関係を図６（ａ）に右下がりの実線で示した。

２．第二実施形態
ガス燃焼装置の構成
図３に、第二実施形態のガス燃焼装置１の構成を示した。
第一実施形態と同様な構成に関しては説明を省略する。
この第二実施形態では、第一実施形態に設けられる開放路１２及び開放流量調整機構１３は設けられていない。
それに対して、第二実施形態では、均圧弁７の下流側に燃料ガス流量調整機構１５を設けるとともに、空気流量調整機構３の流量減少側への調整に伴って燃料ガス流量調整機構１５を流量減少側に連動させ、空気流量調整機構３の流量増加側への調整に伴って燃料ガス流量調整機構１５を流量増加側に連動させる燃料ガス連動制御機構１６を備え、空気比制御機構２０が燃料ガス流量調整機構１５及び燃料ガス連動制御機構１６で構成されている。この連動関係も、ガス燃焼装置１の運転開始時に一度調整しておけば良い。

ガス燃焼装置の燃焼
図４（ａ）は、本実施形態のガス燃焼装置１が高燃焼量で燃焼している状態を示し、図４（ｂ）は、ガス燃焼装置１が低燃焼量で燃焼している状態を示している。

図４（ａ）に示す高燃焼量の燃焼状態にあっては、空気流量調整機構３の開度が大きい状態に維持され、燃料ガス流量調整機構１５の開度も大きい状態に維持される。従って、この状態では従来採用されてきた均圧弁方式で実現してきたと同様な空気比が実現される。

図４（ｂ）に示す低燃焼量の燃焼状態にあっては、空気流量調整機構３の開度が低下され、燃料ガス流量調整機構１５の開度も低下される。この状態では、均圧弁７により、均圧弁７より下流側の燃料ガス圧が調整されるが、本実施形態に示すように燃料ガス流量調整機構１５が設けられ、この機構１５の開度が制限されるため燃料ガス供給ライン６から供給される燃料ガス量がさらに低下される。従って、燃料ガス供給ライン６から供給される燃料ガス量が低下するため、この状態では従来採用されてきた均圧弁方式で実現していた空気比に対して、空気比を高く制御できる。
即ち、空気比制御機構２０により、バーナ４の燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、低燃焼量側空気比を高燃焼量側空気比より高くすることができる。
この構成における、燃焼量と空気比との関係を図６（ｂ）に右下がりの実線で示した。
従って、従来型の均圧弁方式より、広い燃焼量範囲でバーナ４を良好に燃焼させることができる。
〔別実施形態〕
（１）上記の第一の実施形態において、均圧弁に送られる均圧空気の圧力を低燃焼量側で圧力を開放して低下させたが、絞り弁等を使用して圧力を低下させても良い。

低い設備コストで、ガス燃焼装置に備えられるバーナに対して、そのバーナが良好に燃焼できる空気比を適切に制御することができるガス燃焼装置を得ることができた。

１ ：ガス燃焼装置
３ ：空気流量調整機構
４ ：バーナ
５ ：空気供給ライン
６ ：燃料ガス供給ライン
７ ：均圧弁
８ ：制御装置
９ ：パイロット圧取得部
１０ ：空気比制御機構
１２ ：開放路
１３ ：開放流量調整機構
１４ ：開放連動制御機構
１５ ：燃料ガス流量調整機構
１６ ：燃料ガス連動制御機構
２０ ：空気比制御機構

Claims (3)

1. 正圧状態の空気を空気流量調整機構で流量調整してバーナに供給する空気供給ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとを備え、前記燃料ガス供給ラインには均圧弁が設けてあり、前記空気供給ラインにおける前記空気流量調整機構より下流に設けられたパイロット圧取得部より均圧空気を前記均圧弁に導いて、空気比が制御された予混合ガスをバーナで燃焼させるガス燃焼装置であって、
   前記バーナの燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする空気比制御機構を設け、
   前記空気比制御機構が、前記空気流量調整機構の開度及び前記均圧弁に導かれる均圧空気の圧力に基づいて、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする機構として構成され、
   前記パイロット圧取得部と前記均圧弁の均圧空気導入部との間に設けられる均圧空気導入路に、前記空気流量調整機構に於ける流量減少調整に伴って前記均圧弁に導かれる均圧空気の圧力である均圧用空気圧を低下させる均圧用空気圧低下機構を設け、
   前記空気比制御機構が前記均圧用空気圧低下機構で構成されているガス燃焼装置。
2. 前記均圧空気導入路に路内の均圧空気を開放する開放路を設けるとともに、前記開放路に当該開放路を介して開放される均圧空気の量を調整する開放流量調整機構を設け、
   前記空気流量調整機構の流量減少側への調整に伴って、前記開放流量調整機構を流量増加側に、前記空気流量調整機構の流量増加側への調整に伴って、前記開放流量調整機構を流量減少側に連動させる開放連動制御機構を備えた請求項１記載のガス燃焼装置。
3. 正圧状態の空気を空気流量調整機構で流量調整してバーナに供給する空気供給ラインと、バーナに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとを備え、前記燃料ガス供給ラインには均圧弁が設けてあり、前記空気供給ラインにおける前記空気流量調整機構より下流に設けられたパイロット圧取得部より均圧空気を前記均圧弁に導いて、空気比が制御された予混合ガスをバーナで燃焼させるガス燃焼装置であって、
   前記バーナの燃焼可能範囲内に於ける、低燃焼量側での空気比である低燃焼量側空気比と高燃焼量側での空気比である高燃焼量側空気比との間において、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする空気比制御機構を設け、
   前記空気比制御機構が、前記空気流量調整機構の開度及び前記均圧弁に導かれる均圧空気の圧力に基づいて、前記低燃焼量側空気比を前記高燃焼量側空気比より高くする機構として構成され、
   前記均圧弁の下流側に燃料ガス流量調整機構を設けるとともに、前記空気流量調整機構の流量減少側への調整に伴って前記燃料ガス流量調整機構を流量減少側に連動させ、前記空気流量調整機構の流量増加側への調整に伴って前記燃料ガス流量調整機構を流量増加側に連動させる燃料ガス連動制御機構を備え、
   前記空気比制御機構が前記燃料ガス流量調整機構及び燃料ガス連動制御機構で構成されているガス燃焼装置。

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