JP5462526B2 - 管状火炎バーナ - Google Patents

Description

本発明は、家庭用、業務用及び産業用の加熱に汎用的に用いることができる管状火炎バーナの構造に関する。

従来の管状火炎バーナは、円筒状の燃焼室内面の接線方向に向けて細いスリット状の導入路を通じて燃料ガスと空気との混合気又は燃料ガス及び空気を別個に燃焼室に導入して旋回燃焼を行い、管状火炎を形成するものであった（例えば、特許文献１参照。）。
また、特許文献１に記載の管状火炎バーナでは、スリット状の導入路に入る前に燃料ガスと空気との予混合を行うことが示されている。
管状火炎バーナは、燃料ガスと空気を予め混合してから燃焼室に供給する予混合燃焼方式でも燃料ガスと空気を別個に供給して燃焼させる拡散燃焼（非予混合燃焼）方式のいずれでも燃焼させることは可能である。拡散燃焼方式であっても、燃料ガスと空気の燃焼室への吹出流速を大きくして急速に混合すれば予混合方式の管状火炎に近づくため、希薄燃焼によるＮＯｘの低減が可能となることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

特許第３３５８５２７号公報

「久保 力他、第４２回燃焼シンポジウム論文集、ｐｐ４５７−４５８、２００４」

拡散燃焼方式の管状火炎バーナは、逆火しないという拡散燃焼方式の安全上及び混合器が不要という経済状の特徴を維持しながら、予混合方式の管状火炎バーナの特徴を併せもつ。しかしながら、さらにＮＯｘや燃焼騒音の低減等を図ろうとする場合には、吹出流速（正確にはスワール比）を増大して（着火前に）燃焼室内近傍で急速混合を行う必要がある。吹出流速が増すと圧損が増加し、高圧力の燃焼用ファン・ブロアが必要になり、コストと省エネルギーに問題を生じていた。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃料ガスと空気の吹出流速を大きくしなくても燃料ガスと空気の混合を促進でき、急速混合型に近い管状火炎バーナを提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る管状火炎バーナの特徴構成は、円筒状の燃焼室の管軸方向に沿って開口されたスリットから、前記燃焼室に燃料ガスと空気を偏芯導入させて旋回燃焼させる管状火炎バーナにおいて、
空気導入路にて前記スリットに導く空気の一部に、燃料ガス導入路にて前記スリットに導く燃料ガスの全量を合流させた混合気を前記燃焼室に導入させると共に、前記空気導入路にて前記スリットに導く空気の残りをそのまま単独で前記燃焼室に導入させる点にある。

本特徴構成によれば、空気導入路にてスリットに導く空気の一部に、燃料ガス導入路にてスリットに導く燃料ガスの全量を合流させた混合気を燃焼室に導入させると共に、空気導入路にてスリットに導く空気の残りをそのまま単独で燃焼室に導入させる構成を採用しているから、燃焼室に導く燃料ガスの全量と空気の全量を合流させて予混合するわけではなく、その一部分を予混合している。これにより、燃料ガスとその燃焼に必要な理論空気量の半分程度を予混合して燃焼させる部分予混合燃焼（ブンゼン燃焼）を行うことができ、燃料ガスと空気の吹出流速を大きくしなくても燃料ガスと空気の混合を促進できる。したがって、高負荷、低騒音、低ＮＯｘ等の予混合燃焼特有のメリットと、混合器が不要等の拡散燃焼特有のメリットとの両方のメリットを得ることができる管状火炎バーナを実現できる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記燃料ガスと前記空気を合流させる合流箇所を前記燃焼室への混合気の導入箇所の直上流としている点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室への導入箇所の直上流において燃料ガスと空気とを混合させることができるので、逆火しないという拡散燃焼特有のメリットを確実に得ることができる。ここで、燃料ガスと空気との混合距離として十分な距離を取れないので十分な混合は期待できない可能性があるが、バーナ内で行われる（急速）予混合を補完することができる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記混合気が混合気用の前記スリットに供給され、前記空気の残りが前記混合気用のスリットとは別に備えられた単独用の前記スリットに供給されている点にある。

本特徴構成によれば、混合気については混合気用のスリットにて燃焼室に導入させることができ、空気の残りについては単独用のスリットにて燃焼室に導入させることができる。これにより、異なるスリットを用いて混合気と燃料ガスや空気を的確に燃焼室に分散導入させることができる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、 前記空気導入路は、前記燃料ガス導入路の合流により燃料ガスと空気を混合させた混合気を導く混合導入部位と、前記空気の残りを合流させずに単独で導く単独導入部位とに区画され、
前記スリットは、前記混合導入部位にて導かれる前記混合気を前記燃焼室に導入させる混合スリット部位と、前記単独導入部位にて導かれる前記空気の残りを前記燃焼室に導入させる単独スリット部位とに区画されている点にある。

本特徴構成によれば、例えば、１つの空気導入路を混合導入部位と単独導入部位とに区画するとともに、その空気導入路にて流体を導く１つのスリットを混合スリット部位と単独スリット部位とに区画することができる。これにより、混合気については、混合導入部位及び混合スリット部位にて燃焼室に導入できるとともに、空気については、単独導入部位及び単独スリット部位にて単独で燃焼室に導入することができる。よって、１つの導入路及び１つのスリットを各部位に区画するという簡易な構成を用いながら、混合気と燃料ガスや空気を的確に燃焼室に導入させることができる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記空気導入路には、前記混合導入部位と前記単独導入部位とに区画するとともに、前記スリットを前記混合スリット部位と前記単独スリット部位とに区画する区画体が備えられている点にある。

本特徴構成によれば、燃料ガス導入路及び前記空気導入路の一方を混合導入部位と単独導入部位とに区画するとともに、スリットを混合スリット部位と単独スリット部位とに区画するに当たり、単に、区画体を備えるだけでよく、より一層構成の簡素化を図ることができる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記燃料ガス導入路の途中と前記空気導入路の途中とを連通する連通部を備え、前記空気導入路から前記燃料ガス導入路へ前記連通部を通して空気の一部を通流させて燃料ガスと空気を混合させた混合気を混合気用の前記スリットに供給させるとともに、前記空気導入路における前記空気の残りを前記混合気用のスリットとは別に備えられた単独用の前記スリットに供給させる点にある。

本特徴構成によれば、例えば、空気導入路の空気の一部を連通部にて燃料ガス導入路に通流させて燃料ガスと空気とを混合させて混合気を生成し、その混合気を燃料ガス導入路にて混合気用のスリットに供給して燃焼室に導入することができる。また、空気導入路の空気の残りをそのまま空気導入路にて単独用のスリットに供給して燃焼室に導入することができる。これにより、混合気を燃焼室に導入できるとともに、空気の残りも単独で燃焼室に導入することができ、予混合燃焼特有のメリットと拡散燃焼特有のメリットとの両方のメリットを的確に得ることができる。

第１実施形態における管状火炎バーナを示す図 第２実施形態における管状火炎バーナを示す図 第３実施形態における管状火炎バーナを示す図

本発明に係る管状火炎バーナの実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る管状火炎バーナの第１実施形態を示すものである。図１（ａ）は、本発明に係る管状火炎バーナの側断面図であり、図１（ｂ）は、本発明に係る管状火炎バーナの管軸方向での断面図である。ちなみに、図中白抜き矢印は、管状火炎を例示している。
管状火炎バーナ１は、例えば、直方体形状に形成されており、円筒状の燃焼室２と、燃焼室２の側面に管軸方向に沿って開口するスリット３とを備え、スリット３から燃焼室２内面の接線方向に向けて燃料ガスＧ（例えば天然ガス等の燃料ガス）と空気Ａを偏芯導入させて旋回燃焼させている。燃焼室２の管軸方向の両端はフランジ（図示省略）で閉塞されており気密が保たれているが、一端のみ燃焼ガスの通路として燃焼室２の内径と同径の円形状の開口部が同心で開口されている。

管状火炎バーナ１は、スリット３にて燃料ガスＧ及び空気Ａを燃焼室２に導入させるために、燃料ガスＧを受け入れる燃料ガスヘッダー４、空気Ａを受け入れる空気ヘッダー５、燃料ガスヘッダー４の燃料ガスＧを燃焼室２に導く燃料ガス導入路６、空気ヘッダー５の空気Ａを燃焼室２に導く空気導入路７を備えている。ここで、空気導入路７及び燃料ガス導入路６の流路幅については一定幅としている。

管状火炎バーナ１は、燃料ガス導入路６にてスリット３に導く燃料ガスＧと空気導入路７にてスリット３に導く空気Ａの一部を合流させて燃料ガスＧと空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋを燃焼室２に導入させるとともに、スリット３に導く空気Ａの残りを合流させずに単独で燃焼室２に導入させている。

スリット３として、燃料ガスＧと空気Ａとの混合気Ｋを燃焼室２に導入する混合気用のスリット８と、空気Ａの残りを燃焼室２に導入する単独用のスリット９とが各別に備えられている。この第１実施形態では、混合気用のスリット８と単独用のスリット９とが、円筒状の燃焼室２の周方向に一定間隔を隔てて２つずつ設けられている。そして、混合気用のスリット８と単独用のスリット９との夫々に各流体を導くために、燃料ガスヘッダー４、空気ヘッダー５、燃料ガス導入路６、及び、空気導入路７の夫々も、２つずつ設けられている。

空気導入路７として、空気ヘッダー５の空気Ａを単独用のスリット９に供給する第１空気導入路１０と、空気ヘッダー５の空気Ａを燃料ガス導入路６の燃料ガスＧに合流させる第２空気導入路１１とが設けられている。そして、燃料ガス導入路６は、燃料ガスヘッダー４の燃料ガスＧと第２空気導入路１１の空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋを混合気用のスリット８に供給している。第２空気導入路１１が燃料ガス導入路６に合流する合流箇所は、燃料ガス導入路６において燃料ガスヘッダー４から燃焼室２に至るまでの流路のいずれかに設定されているが、この第１実施形態では、燃料ガス導入路６において燃焼室２への混合気Ｋの導入箇所の直上流としている。ここで、直上流とは、燃焼室２からの距離が十分な混合には不十分な距離（例えば混合気用のスリット８のスリット幅の３０倍以下）であることを意味する。

燃料ガスＧと空気Ａの圧力は、合流箇所において、ほぼ同じに設定される。燃料ガスＧと空気Ａの一方の圧力が高すぎて他方のヘッダーに逆流が生じる場合には、導入路あるいはそれよりも上流に絞り機構を設ける等して、燃料ガスＧと空気Ａのうち、高い側の圧力を低下させて合流部直上流の燃料ガスＧの圧力を空気Ａの圧力よりもわずかに低く保っている。

管状火炎バーナ１は、燃焼室２に導く空気Ａの一部を第２空気導入路１１にて燃料ガス導入路６の燃料ガスＧに合流させて燃料ガスＧと空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋを混合気用のスリット８に供給して燃焼室２に導入している。また、燃焼室２に導く空気Ａの残りを第１空気導入路１０にて燃料ガスＧに合流させずにそのまま単独で単独用のスリット９に供給して燃焼室２に導入している。そして、例えば、第１空気導入路１０を通過する空気量は、第２空気導入路１１を通流する空気量より過剰空気量だけ多くして、燃料ガスＧとその燃焼に必要な理論空気量の半分程度を予混合して燃焼させる部分予混合燃焼を行うことができる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る管状火炎バーナの第２実施形態を示すものであり、本発明に係る管状火炎バーナの管軸方向での断面図を示している。
この第２実施形態は、上記第１実施形態において、燃焼室２に導く空気Ａの一部と燃料ガスＧとを混合させて燃焼室２に導入させるとともに、燃焼室２に導く空気Ａの残りを燃焼室２に導入させるための構成についての別実施形態である。その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

空気導入路７には、その終端部から上流側に延びるように板状の区画体１２が備えられている。そして、空気導入路７の終端部位が、区画体１２によって、燃料ガス導入路６の合流により燃料ガスＧと空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋをスリット３に導く混合導入部位７ａと、空気Ａの残りをスリット３に導く単独導入部位７ｂとに区画されている。燃料ガス導入路６は、燃焼室２への混合気Ｋの導入箇所の直上流で空気導入路７に合流されている。

燃料ガス導入路６の終端部が空気導入路７に合流されているので、スリット３は、空気導入路７の終端部のみに形成されており、２つの空気ヘッダー５及び２つの空気導入路７の夫々に対応して２つ設けられている。各スリット３は、区画体１２によって、混合導入部位７ａにて導かれる混合気Ｋを燃焼室２に導入させる混合スリット部位３ａと、単独導入部位７ｂにて導かれる空気Ａの残りを燃焼室２に導入させる単独スリット部位３ｂとに区画されている。

管状火炎バーナ１は、空気導入路７にて燃焼室２に導く空気Ａの一部に燃料ガス導入路６にて燃料ガスＧを合流させて燃料ガスＧと空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋを混合導入部位７ａにて混合スリット部位３ａに供給して燃焼室２に導入している。また、管状火炎バーナ１は、空気導入路７にて燃焼室２に導く空気Ａの残りを単独導入部位７ｂにて単独スリット部位３ｂに供給して燃焼室２に導入している。そして、例えば、空気導入路７において単独導入部位７ｂを通流する空気量は、混合導入部位７ａを通流する空気量より過剰空気量だけ多くして、燃料ガスＧとその燃焼に必要な理論空気量の半分程度を予混合して燃焼させる部分予混合燃焼が行われる。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明に係る管状火炎バーナの第３実施形態を示すものであり、本発明に係る管状火炎バーナの管軸方向での断面図を示している。
この第３実施形態は、上記第１実施形態において、燃焼室２に導く空気Ａの一部と燃料ガスＧとを混合させて燃焼室２に導入させるとともに、燃焼室２に導く空気Ａの残りを燃焼室２に導入させるための構成についての別実施形態である。その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

第３実施形態における管状火炎バーナ１では、円筒状の燃焼室２の周方向に間隔を隔てて複数枚の金属板が径方向外側に延びるように配設されている。そして、複数枚の金属板の夫々を燃焼室２の周方向の一定方向に曲げており、複数の金属板を燃焼室２の外周部位に巻き付けるように設けている。これにより、燃焼室２の周方向に隣接する一対の金属板の間に、円弧状の燃料ガス導入路６及び円弧状の空気導入路７が形成されている。

燃料ガス導入路６と空気導入路７とを隔てる隔壁は１枚の金属板となっているため、その金属板に連通部としての開口１３を設けている。この開口１３の配設位置については、燃料ガス導入路６にて燃料ガスＧを燃焼室２に導入する導入箇所の直上流としている。この第３実施形態では、燃料ガス導入路６を通流する燃料ガスＧよりも空気導入路７を通流する空気Ａの圧力をやや高く設定している。これにより、管状火炎バーナ１は、空気導入路７から燃料ガス導入路６に開口１３を通して空気Ａの一部を通流させて燃料ガスＧと空気Ａとを混合させて混合気Ｋを生成し、その混合気Ｋを混合気用のスリット８に供給して燃焼室２に導入している。開口１３について、管軸方向に一連に開口するスリットを設けると、金属板が分断されることになるため、例えば、管軸方向に間隔を隔てて丸穴を配設してそれら複数の丸穴にてスリットを形成するのが適当である。また、管状火炎バーナ１は、空気導入路７における空気Ａの残りを単独用のスリット９に供給して燃焼室２に導入している。このようにして、管状火炎バーナ１では、燃料ガスＧとその燃焼に必要な理論空気量の一部を予混合して燃焼させる部分予混合燃焼が行われる。

本発明は、燃料ガスと空気の吹出流速を大きくしなくても燃料ガスと空気の混合を促進でき、急速混合型に近くすることができる各種の管状火炎バーナに適応可能である

１ 管状火炎バーナ
２ 燃焼室
３ スリット
３ａ 混合スリット部位
３ｂ 単独スリット部位
６ 燃料ガス導入路
７ 空気導入路
７ａ 混合導入部位
７ｂ 単独導入部位
８ 混合気用のスリット
９ 単独用のスリット
１２ 区画体
１３ 連通部（開口）
Ａ 空気
Ｇ 燃料ガス
Ｋ 混合気

Claims (6)

1. 円筒状の燃焼室の管軸方向に沿って開口された複数のスリットから、前記燃焼室に燃料ガスと空気を偏芯導入させて旋回燃焼させる管状火炎バーナであって、
   空気導入路にて前記スリットに導く空気の一部に、燃料ガス導入路にて前記スリットに導く燃料ガスの全量を合流させた混合気を前記燃焼室に導入させると共に、前記空気導入路にて前記スリットに導く空気の残りをそのまま単独で前記燃焼室に導入させる管状火炎バーナ。
2. 前記燃料ガスと前記空気を合流させる合流箇所を前記燃焼室への混合気の導入箇所の直上流としている請求項１に記載の管状火炎バーナ。
3. 前記混合気が混合気用の前記スリットに供給され、前記空気の残りが前記混合気用のスリットとは別に備えられた単独用の前記スリットに供給されている請求項１又は２に記載の管状火炎バーナ。
4. 前記空気導入路は、前記燃料ガス導入路の合流により燃料ガスと空気を混合させた混合気を導く混合導入部位と、前記空気の残りを合流させずに単独で導く単独導入部位とに区画され、
   前記スリットは、前記混合導入部位にて導かれる前記混合気を前記燃焼室に導入させる混合スリット部位と、前記単独導入部位にて導かれる前記空気の残りを前記燃焼室に導入させる単独スリット部位とに区画されている請求項１又は２に記載の管状火炎バーナ。
5. 前記空気導入路には、前記混合導入部位と前記単独導入部位とに区画するとともに、前記スリットを前記混合スリット部位と前記単独スリット部位とに区画する区画体が備えられている請求項４に記載の管状火炎バーナ。
6. 前記燃料ガス導入路の途中と前記空気導入路の途中とを連通する連通部を備え、前記空気導入路から前記燃料ガス導入路へ前記連通部を通して空気の一部を通流させて燃料ガスと空気を混合させた混合気を混合気用の前記スリットに供給させるとともに、前記空気導入路における前記空気の残りを前記混合気用のスリットとは別に備えられた単独用の前記スリットに供給させる請求項１又は２に記載の管状火炎バーナ。

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