JP5520070B2 - 片端閉塞型管状火炎バーナ - Google Patents

Description

本発明は、一端が閉塞され他端が開口された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内に向けて、前記燃焼室に燃料ガス及び空気を、燃料ガスと空気との混合気を、空気及び燃料ガスと空気との混合気を、又は、燃料ガスと空気と燃料ガス及び空気の混合気を偏芯導入させて旋回燃焼させる片端閉塞型管状火炎バーナに関する。

近年、外形のコンパクト化が可能であり、且つ、工業用、業務用、及び家庭用の燃焼機器に適用可能な、気体、液体、又は微粉状固体等の各種燃料を汎用的に燃焼させることのできる燃焼器として、片端閉塞型管状火炎バーナが利用されている。このような片端閉塞型管状火炎バーナは、一端が閉塞され他端が開口された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内に向けて、前記燃焼室に燃料ガス及び空気を夫々単独で、或いは燃料ガスと空気との混合気を、又は、燃料ガスと空気とを夫々単独に且つ燃料ガス及び空気の混合気を組み合せて偏芯導入させて旋回燃焼させるように構成されている。かかる片端閉塞型管状火炎バーナとして、当該片端閉塞型管状火炎バーナの閉塞端にスペーサーを置き、燃焼量に応じてスペーサーの位置を移動させることで火炎形成位置を調整するように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３５８５２７号公報

燃焼室の管軸方向の両端部が開口された両端開放型管状火炎バーナは、その管軸方向の中央部に管軸方向の流れが無い断面（淀み点もどき）が必ず形成される。そのため、その管軸方向の流れが無い断面で形成される火炎は極めて安定で、それが一種の種火の役割を果たすため、一切の付加的な保炎機構が無い場合でも極めて安定な管状火炎が形成される。両端開放型の管状火炎バーナは、燃料ガスの可燃限界（例えば、空気比で０．５から２．０）とほぼ等しい範囲で燃焼が可能である。しかしながら、両端開放型管状火炎バーナは、燃焼室の両端から火炎と燃焼ガスが噴出されるため、実用的には応用範囲が限られる。

一方、片端閉塞型管状火炎バーナは、燃焼室の一端から火炎と燃焼ガスが噴出されるため、両端開放型管状火炎バーナに比較して、実用的には応用範囲が広い。しかしながら、片端閉塞型管状火炎バーナにおいては、閉塞端近傍に管軸方向の流れが無いとみなすことのできる火炎が形成されるが、その位置は閉塞側端部の壁面近傍であるため、壁からの冷却を受けたり、壁面との流体摩擦で十分な流速の旋回速度が得られないことがある。そもそも、管状火炎は、どこにも足を着けず、燃焼室空間に完全に浮いた状態で形成される火炎であるため、外乱を受けると影響されやすい。これらの原因によって、片端閉塞型管状火炎バーナは、両端開放型管状火炎バーナに比較して、安定燃焼範囲が制限される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、片端閉塞型管状火炎バーナの燃焼安定性を向上させ、両端開放型に迫る安定燃焼を確保することにある。

本発明の片端閉塞型管状火炎バーナは、一端が閉塞され他端が開口された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内に向けて、前記燃焼室に燃料ガス及び空気を、燃料ガスと空気との混合気を、空気及び燃料ガスと空気との混合気を、又は、燃料ガスと空気と燃料ガス及び空気の混合気を偏芯導入させて旋回燃焼させるものであって、その特徴構成は、前記燃焼室内部の管軸方向における閉塞端側の位置に保炎機構が設けられ、前記保炎機構として、前記燃焼室内部の管軸方向における閉塞端近傍に高温固体部が設けられ、前記高温固体部が、前記燃焼室の閉塞端である閉塞壁の燃焼室側の面の全体に亘って貼付けられた耐火物である点にある。

片端閉塞型管状火炎バーナは、上述のように、保炎の作用をする管軸方向の流れが無い断面（淀み点もどき）の安定燃焼面が、燃焼室における管軸方向の閉塞側端部（閉塞壁）の壁面で冷却されたり乱されるために、安定燃焼範囲が縮小される。そこで、本特徴構成によれば、燃焼室内部の管軸方向における閉塞端側の位置に保炎機構を設けることで、淀み点もどきに形成される火炎に加えて、保炎機構を付加して、火炎の安定性が増して両端開放型の管状火炎の燃焼性能に近づく。
したがって、片端閉塞型管状火炎バーナの燃焼安定性を向上させ、両端開放型に迫る安定燃焼を確保することができるものとなった。さらに、保炎機構を付加することによって、火炎形成位置が固定しかつその位置が予測可能になるため、バーナの用途範囲が広がる。
また、片端閉塞型の管状火炎バーナの設計においては、燃料ガスや空気を燃焼室に導入させるスリットよりも管軸方向の閉塞端側に空間を設けることで管状火炎から閉塞側端部（閉塞壁）を遠ざけ、その影響を回避する方法が採られることがあったが、保炎機構を設けることで空間確保の必要が無くなり、コンパクトにバーナを構成できる利点も副生するものとなった。

また、高温固体部を保炎機構として利用すれば、簡便に管状火炎を安定化させることができ、また、火炎形成位置も高温固体部下流に形成されることになり、応用設計が容易になるものとなった。さらに、高温固体部を燃焼室内部の管軸方向における閉塞端近傍に設けるので、閉塞側端部の閉塞壁からの冷却を受けたり、その壁面との流体摩擦で十分な流速の旋回速度が得られなくても、閉塞端近傍に的確に火炎を形成することができ、より一層の安定燃焼を図ることができる。

本発明の第１実施形態における管状火炎バーナの斜視図 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図 本発明の第１実施形態における管状火炎バーナの組立斜視図 本発明の第１実施形態における混合気用スリット形成部材を示す図 本発明の第１実施形態における空気用スリット形成部材を示す図

〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて本発明に係る片端閉塞型管状火炎バーナの第１実施形態を説明する。
本発明に係る片端閉塞型管状火炎バーナ１は、図１〜図３に示すように、一端がエンドプレート４０（閉塞壁）にて閉塞され、他端がフロントフランジ５０に設けられた開口部にて開口された円筒状の燃焼室Ｎと、その円筒状の燃焼室Ｎの側面に管軸方向（図中Ｙ方向）に沿って開口する空気用スリット２２ｓ及びガス用スリット３２ｓとを備えている。そして、空気用スリット２２ｓとガス用スリット３２ｓとから燃焼室Ｎの側壁の接線方向に向けて、燃料ガスと空気と各別に偏芯導入させて旋回燃焼させるように構成されている。

ここで、燃焼室Ｎの管軸方向に沿う方向を、単に管軸方向（図中Ｙ方向）と表現し、その管軸方向と直交する方向を管周方向（図中Ｘ方向）と表現する。また、形成される管状火炎においては、基端側となる燃焼室Ｎの閉塞側端部側を管軸方向上流側、火炎噴出側となる燃焼室Ｎの開放端側を管軸方向下流側と称する。

円筒状の燃焼室Ｎは、図４に示すように、空気用スリット形成部材２２とガス用スリット形成部材３２とを組み合せて取り付けることで形成されている。この実施形態では、２つの空気用スリット形成部材２２と２つのガス用スリット形成部材３２とを組み合わせている。そして、空気用スリット形成部材２２とガス用スリット形成部材３２とを組み合せることで形成された円筒状の燃焼室Ｎに対して、管軸方向の一端側にエンドプレート４０を取り付け、他端側に開口部５０ｈを備えるフロントフランジ５０を取り付けることで、管軸方向の一端が閉塞され他端が開口された燃焼室Ｎが形成されている。エンドプレート４０は円板状に形成されている。尚、フロントフランジ５０は、バーナを熱利用機器に取付けるためのフランジを兼ねている。

この実施形態では、図示はしていないが、各部材をネジ止めによって固定するように構成している。しかしながら、取付け方法はそのような方法に限定されるものではなく、各部材に嵌合部と被嵌合部とを設け、嵌合取付けする形態や、嵌合取付けとネジ止めを複合的に用いる形態等、耐熱強度を損なわない限りにおいて各種の取付け方法が適用可能である。
以下、管軸方向において、エンドプレート４０が取付けられる端部側を閉塞端側、フロントフランジ５０が取付けられる端部側を開放端側と称し、エンドプレート４０で閉塞される端部を閉塞側端部と称する。

また、空気用スリット形成部材２２の燃焼室Ｎの径方向外側には、エアオリフィス２１が嵌め込まれた状態でエアチャンバー２０が取り付けられ、ガス用スリット形成部材３２の燃焼室Ｎの径方向外側には、ガスオリフィス３１が嵌め込まれた状態でガスチャンバー３０が取り付けられている。図示は省略するが、エアチャンバー２０には、空気を供給する供給管が接続されており、その供給管には送風ファン又はブロワ等が取付けられ、酸素含有気体としての外部空気を取り込んで空気供給管に圧送するように構成されている。なお、前記酸素含有気体は、燃料ガスを燃焼させる為の酸化剤として用いるものであり、外部空気以外の酸素含有気体を用いることも可能である。図示は省略するが、ガスチャンバー３０には、燃料ガスを供給する供給管が接続されている。

燃焼室Ｎに噴出する空気については、図３に示すように、エアチャンバー２０に導入された空気が、エアオリフィス２１に設けられた貫通孔２１ｈより空間２２ｖに導かれ、空気用スリット２２ｓを通して、円筒状の燃焼室Ｎの接線方向に噴出される。燃焼室Ｎに噴出する燃料ガスについては、ガスチャンバー３０に導入された燃料ガスが、ガスオリフィス３１に設けられた貫通孔３１ｈより空間３２ｖに導かれ、ガス用スリット３２ｓを通して、円筒状の燃焼室Ｎの接線方向に噴出される。このようにして、燃焼室Ｎに燃料ガスと空気とを各別に偏芯導入させて旋回燃焼させるように構成されている。

空気用スリット形成部材２２及びガス用スリット形成部材３２について説明する。
空気用スリット形成部材２２は、図６に示すように、円筒状の燃焼室Ｎにおける周壁の１／４に対応する部分である周壁形成部分２２ａとそれ以外の直線状部分２２ｂとを備えて構成されている。また、ガス用スリット形成部材３２は、図５に示すように、円筒状の燃焼室Ｎにおける周壁の１／４に対応する部分である周壁形成部分３２ａとそれ以外の直線状部分３２ｂとを備えて構成されている。そして、図３及び図４に示すように、対を成す各部材２２、３２が対向する状態で４つが組み合わされることによって、円筒状の燃焼室Ｎが形成されている。以下、空気用スリット形成部材２２とガス用スリット形成部材３２とを組み合せて燃焼室Ｎを形成した部材を、燃焼室形成部Ｍと称することがある。

図５に示すように、ガス用スリット形成部材３２における周壁形成部分３２ａの周壁外方側の面にはガス導入路となる凹部が設けられ、ガス用スリット形成部材３２における周壁形成部分３２ａの端部にはスリット形成凹部３２ｃが設けられている。
また、図６に示すように、空気用スリット形成部材２２における周壁形成部分２２ａの周壁外方側の面には、空気導入路となる凹部が設けられ、空気用スリット形成部材２２における周壁形成部分２２ａの端部にはスリット形成凹部２２ｃが設けられている。
スリット形成凹部２２ｃ及び３２ｃは、図４に示すように空気用スリット形成部材２２とガス用スリット形成部材３２とを組み合せて燃焼室形成部Ｍを構成した際に、燃焼室Ｎとなる周壁面にその管軸方向に沿って開口する。すなわち、スリット形成凹部２２ｃによって形成される開口が空気用スリット２２ｓとなり、スリット形成凹部３２ｃによって形成される開口がガス用スリット３２ｓとなる。

尚、上記空気用スリット形成部材２２、及びガス用スリット形成部材３２の夫々は、例えば鋳造等によって一体形成して構成されている。そして、夫々のスリット形成凹部２２ｃ、及び３２ｃは、その一体形成された空気用スリット形成部材２２、ガス用スリット形成部材３２の周壁形成部分２２ａ、及び３２ａの端部を切削することで形成されると共に、未切削部分が管軸方向に離間する状態で複数形成されている。この未切削部分は、空気用スリット形成部材２２とガス用スリット形成部材３２とを組み合せた状態において、空気用スリット２２ｓ及びガス用スリット３２ｓの流体流路を複数の流路に分割する隔壁２２ｋ、３２ｋとなる。

説明を加えると、図５に示すように、ガス用スリット形成部材３２の周壁形成部分３２ａの周壁外方側の面から周壁内方側の面に連続する状態で、周壁形成部分３２ａの端部にスリット形成凹部３２ｃを切削加工にて形成する。このとき、切削部分の幅をガス用スリット３２ｓのスリット形成凹部３２ｃ切削深さの約１０倍又はそれ以内とし、隣接する切削部分との間隔を約２ｍｍ又はそれ以下として、管軸方向と略直交する方向、つまり管周方向に流路が形成され、管軸方向に複数の隔壁３２ｋが離間して並設される状態に形成する。また、この隔壁３２ｋの周壁外方側及び周壁内方側の両端部は、その平面視において、図５（ｃ）に示すように角部分が曲線状に形成されると共に、周壁内方側の端部は気体通流方向の上流側に引退した状態となっている。

また、図６に示すように、空気用スリット形成部材２２の周壁形成部分２２ａの周壁外方側の面から周壁内方側の面に連続する状態で、周壁形成部分２２ａの端部にスリット形成凹部２２ｃを切削加工にて形成する。このとき、ガス用スリット形成部材３２と同様に、切削部分の幅を空気用スリット２２ｓのスリット形成凹部２２ｃ切削深さの約１０倍又はそれ以内とし、隣接する切削部分との間隔を約２ｍｍ又はそれ以下として、管軸方向と略直交する方向、つまり管周方向に流路が形成され、管軸方向に複数の隔壁２２ｋが離間して並設される状態に形成する。また、この隔壁２２ｋの周壁外方側及び周壁内方側の両端部は、その平面視において角部分が曲線状に形成されると共に、周壁内方側の端部は気体通流方向の上流側に引退した状態となっている。

尚、本実施形態では、上述のスリット形成凹部３２ｃの切削深さは、隣接する切削部分との間隔、つまり隣接する隔壁３２ｋの間隔の１／３程度とし、また、スリット形成凹部２２ｃの切削深さは、隣接する切削部分との間隔、つまり隣接する隔壁２２ｋの間隔の１／３程度としている。
尚、この隔壁２２ｋ又は３２ｋは、空気用スリット２２ｓ又はガス用スリット３２ｓから噴出する空気又は混合気を整流すると共に、後述するように、燃料ガス通路の一部を閉塞端及び開放端の冷却用の空気通路に利用する際に、燃料ガスと空気が混じり合うことを抑制するものである。

ガスオリフィス３１は、図４に示すように板状に形成されている。そして、このガスオリフィス３１におけるガス用スリット形成部材３２の周壁形成部分３２ａ側に、管軸方向に並ぶ状態で、且つガスオリフィス３１の管軸方向における両端部からは離間してその中央部分寄りとなるように３つの貫通孔３１ｈが等間隔に穿設されている。

ガスチャンバー３０には、ガス導入空間が設けられ、そのガス導入空間には、管軸方向に離間して２つのガス供給用孔が設けられている。そして、ガスチャンバー３０はガスオリフィス３１が嵌合する状態でガス用スリット形成部材３２に取付け可能に構成されている。
従って、ガスチャンバー３０のガス導入空間に導入された燃料ガスは、ガスオリフィス３１の３つの貫通孔３１ｈを介して、ガス用スリット形成部材３２の周壁形成部分３２ａ、ガスオリフィス３１、及び、空気用スリット形成部材２２の直線状部分２２ｂに囲まれる空間３２ｖに導入されることとなる。なお、上述のように、貫通孔３１ｈはガスオリフィス３１の管軸方向における中央部寄りに設けられるものであり、燃料ガスの分布は燃焼室Ｎの中央部が高濃度になるような分布を意図している。

エアオリフィス２１は、図４に示すように板状に形成されている。そして、このエアオリフィス２１における空気用スリット形成部材２２の周壁形成部分２２ａ側に、管軸方向に並ぶ状態で４つの貫通孔２１ｈが等間隔に離間して穿設されている。

エアチャンバー２０には、空気導入空間が設けられ、その空気導入空間の側面側に空気供給用開口２０ａが備えられている。そして、エアチャンバー２０はエアオリフィス２１が嵌合する状態で空気用スリット形成部材２２に取付け可能に構成されている。
従って、エアチャンバー２０のガス導入空間に導入された空気は、エアオリフィス２１に設けられた４つの貫通孔２１ｈを介して、空気用スリット形成部材２２の周壁形成部分２２ａ、エアオリフィス２１、及び、ガス用スリット形成部材３２の直線状部分３２ｂに囲まれる空間２２ｖに導入されることとなる。なお、上述のように、貫通孔２１ｈはエアオリフィス２１の管軸方向において均等に配置するように設けられるものであり、空気用スリット２２ｓから噴出する空気の量の分布は燃焼室Ｎの管軸方向に亘って均等となる。

このようにして、本発明に係る片端閉塞型管状火炎バーナ１では、図２中Ａ１にて示すように、エアチャンバー２０の空気導入空間に導入された空気の一部を、ガス側貫通小孔２１ｂ、貫通孔２２ｈ、空間３２ｖ、ガス用スリット３２ｓを通して燃焼室Ｎの管軸方向の閉塞側端部に導入することで、燃焼室Ｎにおける管軸方向の閉塞側端部に空気を導入している。また、図２中Ａ２に示すように、エアチャンバー２０の空気導入空間に導入された空気の一部を、ガス側貫通大孔２１ａ、貫通孔２２ｈ、空間３２ｖ、ガス用スリット３２ｓを通して燃焼室Ｎの管軸方向の開放側端部に導入している。

以下、本発明の第１実施形態に係る片端閉塞型管状火炎バーナの特徴構成について説明する。
上述の燃焼室形成部Ｍは、図２に示すように燃焼室Ｎの両開口の一方側にエンドプレート４０が取り付けられて閉塞端とされ、他方側にフロントフランジ５０が取り付けられて
開放端とするように構成されている。エンドプレート４０は、円板状に形成され、その燃焼室側の面に、例えばセラミックファイバー等の耐火物４１が貼付けられている。

片端閉塞型管状火炎バーナ１の閉塞端である閉塞壁（エンドプレート４０）近傍は、上述のようにセラミックファイバー等の耐火物４１が内張され、管状火炎の管軸方向上流側端部（最上流部）が、耐火物４１に接触するように燃焼する。その結果、耐火物４１の内面は赤熱し（例えば９００℃程度）、その高温により管状火炎から奪う熱を減じると共に、固体輻射によって低温部に熱を供給し、管状火炎を安定燃焼させる。つまり、この第１実施形態においては、耐火物４１が保炎機構Ｈとして燃焼室内部の管軸方向における閉塞端近傍に設けられる高温固体部となり、その保炎機構Ｈが燃焼室Ｎ内部の管軸方向における閉塞端側の位置に設けられていることとなる。ちなみに、エンドプレート４０が金属のままでは、金属の高い熱伝導率によって、内壁を高温に保つことはできず、また、活性化学種を火炎から奪うため、かえって燃焼を不安定にする。
なお、本実施形態では、耐火物４１の固体輻射を受けるため、エンドプレート４０の内面全体が昇温する。従って、本実施形態を適用するにおいては、燃焼室Ｎは、ある程度の耐熱性のある材料、例えばステンレス系の耐熱鋼やセラミックス等で製作することが望ましい。

〔別実施形態〕
次に、本発明の管状火炎バーナの別実施形態を説明する。

（イ）上記第１実施形態においては点火プラグとフレームロッドとについては特に図示していないが、初期点火及び火炎検出のために、燃焼室Ｎ内に点火プラグ及びフレームロッド又はそれに相当する構成を備えていることは当然である。

（ロ）上記第１実施形態に加えて、別途保炎のための種火を形成する保炎用火炎形成部としてのパイロットバーナを備える構成としてもよい。例えば、閉塞端の壁面を貫通させて、パイロットバーナを設置することが簡便である。このとき、パイロットバーナの設置形態は、管状火炎の旋回方向と同一の接線方向にパイロット火炎が向くようにパイロットバーナを取り付けることが好適である。さらに、燃料ガスと空気との混合気を燃焼室に供給する予混合燃焼の管状火炎バーナでは、混合気を燃焼室に供給するスリットの一部を加工して、付着燃焼を行うパイロットバーナを形成することも可能である。

（ハ）上記第１実施形態においては、空気用スリット２２ｓから空気を、ガス用スリット３２ｓから燃料ガスと空気との混合気を各別に燃焼室Ｎに偏芯導入させて旋回燃焼させるように構成したが、このような構成に限定されるものではなく、例えば混合気のみを燃焼室Ｎに偏芯導入させて旋回燃焼させるようにしてもよい。
さらに、上記構成に限定されるものではなく、空気、燃料ガス、及びそれらの混合気を各別に燃焼室Ｎに偏芯導入させて旋回燃焼させるように構成してもよい。
すなわち、円筒状の燃焼室の側面に管軸方向に沿って開口されたスリットから、前記燃焼室の接線方向に向けて、燃料ガス及び空気、燃料ガスと空気との混合気、又は、燃料ガスと空気と燃料ガス及び空気の混合気のいずれかを対向して噴出させて旋回燃焼させるものとなる。

本発明を実施することで、片端閉塞型管状火炎バーナにおける燃焼の不安定性を解消して、格段の燃焼安定性を得ることができ、併せて、管状火炎の火炎形成位置（上流端）を保炎機構背後に保つことが可能となって、設計を容易化できる。さらには、従来設けられていたスリットの管軸方向における閉塞端側から閉塞側端部の閉塞壁（エンドプレート）までの間の空間を排除することができ、バーナをコンパクトに構成可能である。これらのことより、業務用や家庭用の燃焼機器への適用に利用価値の高いものである。

２２ 空気用スリット形成部材
２２ｓ 空気用スリット
３２ 混合気用スリット形成部材
４０ エンドプレート
４１ 耐火物
１００（Ｈ） 丸棒
Ｈ 保炎機構

Claims (1)

1. 一端が閉塞され他端が開口された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内に向けて、前記燃焼室に燃料ガス及び空気を、燃料ガスと空気との混合気を、空気及び燃料ガスと空気との混合気を、又は、燃料ガスと空気と燃料ガス及び空気の混合気を偏芯導入させて旋回燃焼させる片端閉塞型管状火炎バーナであって、
   前記燃焼室内部の管軸方向における閉塞端側の位置に保炎機構が設けられ、
   前記保炎機構として、前記燃焼室内部の管軸方向における閉塞端近傍に高温固体部が設けられ、
   前記高温固体部が、前記燃焼室の閉塞端である閉塞壁の燃焼室側の面の全体に亘って貼付けられた耐火物である片端閉塞型管状火炎バーナ。

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