JP5735410B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと燃焼用空気（一次空気）との混合気を全一次燃焼方式で燃焼させる燃焼装置に関する。

燃料ガスと一次空気とを混合させて二次空気を用いることなく燃焼させる全一次燃焼方式は、燃焼排気中のＮＯｘ濃度を低減可能な燃焼方式として知られており、給湯器を初めとして様々な用途の燃焼装置に採用されている。例えば特許文献１には、全一次燃焼方式の燃焼装置が熱交換器と共にハウジング内に搭載された給湯器が開示されている。全一次燃焼方式の燃焼装置の内部には混合室が設けられており、燃料ガスのノズルから噴射された燃料ガスと、送風ファンから供給された一次空気とが混合室内で混合されて混合気が形成される。そして、得られた混合気を燃焼プレートの炎口から噴出させて全一次燃焼させる。こうして発生させた燃焼排気が熱交換器に導かれて、熱交換器内を通過する水と熱交換することによって温水が生成される。

ここで、全一次燃焼方式は、ブンゼン式などのような二次空気を用いる燃焼方式に比べて燃焼温度が高くなるため、燃焼装置に対する熱負荷が高くなる。このため、燃料ガスを供給するための電磁弁などに熱が伝わってダメージを受けることがないように、燃焼プレートの周りをセラミックス製の断熱部材で囲ったり、燃焼プレートの周りにエアカーテンと呼ばれる空気の流れを形成したりすることによって熱対策が行われている（たとえば、特許文献２）。

特開２０００−２７４６６７号公報 特開２００７−２９２３４２号公報

しかし、燃焼プレートの周りに断熱部材を設けたり、エアカーテンを設けたりしたのでは、燃焼装置が大きくなってしまうという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題に対応してなされたものであり、全一次燃焼方式の燃焼プレートの周りに断熱部材やエアカーテンを設ける必要がなく、小型化することが可能な燃焼装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の燃焼装置は次の構成を採用した。すなわち、
燃料ガスと一次空気との混合気を全一次燃焼させる燃焼装置であって、
前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給孔と、前記一次空気が供給される一次空気供給孔と、供給された該燃料ガスおよび該一次空気が混合する混合室とが設けられた混合部と、
前記混合部に取り付けられて、前記混合室で形成された前記混合気を炎口から噴出させて全一次燃焼させる燃焼プレートが収容された燃焼部と、
前記燃料ガス供給孔に供給される前記燃料ガスの供給通路が内部に形成され、前記混合部に取り付けられた燃料ガスマニホールドと、
を備え、
前記燃料ガスマニホールドの側面側には、前記混合部に取り付けられるフランジが形成され、該フランジの前記混合部に向いた側に対して反対側の面には、複数の冷却フィンが立設されていることを特徴とする。

かかる本発明の燃焼装置においては、燃焼プレートで混合気を燃焼させることによって生じた熱は、燃焼部および混合部を経由して、フランジから燃料ガスマニホールドに伝達される。そして、フランジの混合部に向いた側に対して反対側の面には、複数の冷却フィンが立設されている。このため、混合部からフランジに伝わった熱は、直ちに冷却フィンから放熱されることとなり、燃料ガスマニホールドが高温になることがない。その結果、燃料ガスマニホールドに取り付けられた電磁弁などが高温になることがないので、燃焼プレートの周りに断熱部材を設けたりエアカーテンを設けたりする必要がなく、燃焼装置を小型化することが可能となる。

また、上述した本発明の燃焼装置においては、鉛直方向に伸びる板状部材を、フランジから立設させることによって、冷却フィンを形成してもよい。

こうすれば、自然対流によって燃焼装置の周囲を上昇する空気の流れを、冷却フィンが妨げることがない。その結果、冷却フィンが効率よく冷却されるので、燃料ガスマニホールドが高温になることを回避することができる。

また、上述した本発明の燃焼装置においては、次のようにしても良い。先ず、燃料ガスマニホールドの供給通路が内部に形成された部分である通路部から、通路部の長手方向に対して垂直方向の両側に向けてフランジを延設する。そして、フランジの面積が、通路部の混合部に対する投影面積よりも大きくなるように形成する。

こうすれば、フランジから立設する冷却フィンの面積を十分な面積とすることができる。その結果、冷却フィンの冷却能力が十分に確保されるので、燃料ガスマニホールドが高温になることを回避することが可能となる。

本実施例の燃焼装置１０を搭載した給湯器１の構成を示す説明図である。 燃焼装置１０の構造を示す分解組立図である。 燃料ガスマニホールド１２０の詳細な構造を示す分解組立図である。 燃焼装置１０が燃料ガスと一次空気との混合気を全一次燃焼させる様子を示した断面図である。 運転終了後に燃料ガスマニホールド１２０の昇温が防止されるメカニズムを概念的に示した説明図である。

図１は、本実施例の燃焼装置１０を搭載した給湯器１の構成を示す説明図である。図示されるように給湯器１は、略直方体形状に形成されたハウジング９０と、ハウジング９０内の中央上部寄りの位置に搭載された燃焼装置１０と、燃焼装置１０の下側に取り付けられた熱交換器２０と、燃焼装置１０の上部側面に取り付けられた送風ファン３０と、燃焼装置１０や熱交換器２０の背面側に搭載された排気ダクト４０等から構成されている。

送風ファン３０を回転させると、ハウジング９０内の空気が吸気ダクト３２から取り込まれて燃焼装置１０に供給される。また、燃焼装置１０には、燃料ガスを供給するガス管１２も接続されている。ガス管１２には、ガス管１２の開閉を行う図示しない主電磁弁や、燃料ガスの供給量を開弁量によって制御する図示しない比例弁が介設されている。また、燃焼装置１０の内部構造については後述するが、燃焼装置１０内では、送風ファン３０から供給された燃焼用空気（一次空気）とガス管１２からの燃料ガスとが混合して混合気が形成されて、全一次燃焼方式で燃焼された後、燃焼排気が熱交換器２０に供給される。

熱交換器２０の内部には、図示しない複数枚の熱交換フィンと、複数枚の熱交換フィンを何度も貫くように蛇行する一本の通水通路２６とが設けられており、通水通路２６の一端側は給水管２２に接続され、通水通路２６の他端側は給湯管２４に接続されている。従って、燃焼装置１０で混合気を燃焼させながら給水管２２から水を供給すると、通水通路２６の内部を通過する水が、熱交換フィンの間を通過する燃焼排気と熱交換して加熱され、温水となって給湯管２４から流出する。こうして得られた温水が、台所や浴室などに給湯される。

熱交換器２０で熱交換して冷やされた燃焼排気は、熱交換器２０の背面下部に設けられた図示しない連通口から排気ダクト４０に流入する。そして、排気ダクト４０内を上昇して、上部に設けられた排気通路４２からハウジング９０の外部に排出される。また、燃焼排気が熱交換器２０で冷やされると、燃焼排気中に含まれていた水蒸気が結露して熱交換器２０内を流れ落ちる。そこで、熱交換器２０の下部にはドレンチューブ５２が取り付けられており、結露した水蒸気がドレンとなってドレンチューブ５２から流出してドレントラップ５０内に溜められる。また、ハウジング９０の下部には、給湯器１の動作を制御するための電装ユニット６０も搭載されている。

図２は、燃焼装置１０の構造を示す分解組立図である。燃焼装置１０は、大まかに言うと、燃料ガスと一次空気とを混合させて混合気を生成する混合部１００と、混合部１００の下側に取り付けられて混合気を全一次燃焼させる燃焼部１３０と、混合部１００の上方に取り付けられて送風ファン３０からの一次空気を混合部１００に導く送風ダクト１４０と、混合部１００の前面側に取り付けられてガス管１２からの燃料ガスを混合部１００に導く燃料ガスマニホールド１２０などから構成されている。

混合部１００はアルミダイカスト製で、内部が隔壁１０２で３つに仕切られることによって、それぞれ混合室１０４ａ〜１０４ｃが形成されている。また、混合部１００の前面側には、混合室１０４ａ〜１０４ｃに対応する位置に凹形状の燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃが形成されており、燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃと混合室１０４ａ〜１０４ｃとを隔てる壁面には、複数の燃料ガス供給孔１０８が貫通している。本実施例の燃焼装置１０では、燃料ガス供給室１０６ａおよび１０６ｂには、それぞれ３つずつの燃料ガス供給孔１０８が設けられており、燃料ガス供給室１０６ｃには８つの燃料ガス供給孔１０８が設けられている。尚、これら３つの混合室１０４ａ〜１０４ｃを特に区別する必要がない時は、単に混合室１０４と表記する。同様に、３つの燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃを特に区別する必要がない時は、単に燃料ガス供給室１０６と表記する。

混合部１００の前面側には、燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃを塞ぐようにして燃料ガスマニホールド１２０が取り付けられる。燃料ガスマニホールド１２０の詳細な構造については後述するが、燃料ガスマニホールド１２０内には供給通路が形成されており、ガス管１２からの燃料ガスが供給通路を経由して燃料ガス供給室１０６に供給される。また、燃料ガスマニホールド１２０には電磁弁１２２ａ〜１２２ｃが取り付けられており、それぞれの電磁弁１２２ａ〜１２２ｃをＯＮにした時にだけ、対応する燃料ガス供給室１０６に燃料ガスが供給されるようになっている。電磁弁１２２ａ〜１２２ｃについても、これらを区別する必要がない時には、単に電磁弁１２２と表記する。

混合部１００の上面側には、遮蔽板１１０が取り付けられ、その上に送風ダクト１４０が取り付けられる。遮蔽板１１０には、混合部１００の混合室１０４ａ〜１０４ｃに対応する位置に、一次空気供給孔１１２ａ〜１１２ｃが形成されている。尚、一次空気供給孔１１２ａ〜１１２ｃについても、これらを特定する必要がない時は単に一次空気供給孔１１２と表記する。また、送風ダクト１４０には、送風ファン３０（図１参照）が取り付けられる送風口１４２が形成されている。送風ファン３０を回転させると、送風ダクト１４０内を通って、遮蔽板１１０の一次空気供給孔１１２から、混合部１００の混合室１０４に一次空気が供給される。また、電磁弁１２２ａ〜１２２ｃの何れかをＯＮにすると、燃料ガスマニホールド１２０からの燃料ガスが、対応する燃料ガス供給室１０６に供給されて燃料ガス供給孔１０８から混合室１０４に流入する。その結果、一次空気供給孔１１２からの一次空気と、燃料ガス供給孔１０８からの燃料ガスとが混合室１０４で混合して混合気が形成される。こうして形成された混合気は、一次空気供給孔１１２から供給される一次空気に押し出されるようにして、混合部１００の下面側に取り付けられた燃焼部１３０に流入する。尚、混合室１０４ａ〜１０４ｃは隔壁１０２によって仕切られており、燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃは、混合室１０４ａ〜１０４ｃ毎に設けられている。このため、ＯＮにされた電磁弁１２２に対応する混合室１０４にだけ燃料ガスが供給されて混合気が形成され、他の混合室１０４には一次空気のみが供給されて混合気が形成されることはない。

燃焼部１３０も混合部１００と同様にアルミダイカストによって形成されている。燃焼部１３０の上面側には、分布板１３２ａ〜１３２ｃが取り付けられており、分布板１３２ａ〜１３２ｃの下方には、図示しない燃焼プレートが搭載されている。分布板１３２ａ〜１３２ｃについても、これらを区別する必要がない時には、単に分布板１３２と表記する。分布板１３２には複数の小孔１３４が開口しており、混合室１０４から供給された混合気は、分布板１３２の小孔１３４を通って燃焼プレートに供給される。燃焼プレートについては後述する。また、燃焼部１３０の前面側からは、燃焼プレートの下方に向けて、混合気に点火するための点火プラグ１３６と、混合気の燃焼による火炎を検知するためのフレームロッド１３８とが挿入されている。

図３は、燃料ガスマニホールド１２０の詳細な構造を示す分解組立図である。燃料ガスマニホールド１２０は、大まかには、耐熱材料を用いて矩形形状に形成されたインシュレーター１２４と、アルミダイカスト製のマニホールド本体１２６とが重ね合わされて、その間に燃料ガスの供給通路１２６ｃが形成された構造となっている。インシュレーター１２４には、混合部１００の燃料ガス供給室１０６ａ〜１０６ｃに対応する位置に連通孔１２５ａ〜１２５ｃが貫通している。これら連通孔１２５ａ〜１２５ｃについても、これらを区別する必要がない時には、単に連通孔１２５と表記する。また、マニホールド本体１２６には、コの字型断面形状に形成されてインシュレーター１２４との間で燃料ガスの供給通路１２６ｃを形成する通路部１２６ｇと、通路部１２６ｇの周囲から外側に向けて延設されたフランジ１２６ｆと、フランジ１２６ｆから複数箇所に立設された板状の冷却フィン１２６ｈなどが設けられている。電磁弁１２２は、軸端が通路部１２６ｇに形成された取付穴１２６ｐに挿入されて、耐熱ゴム製のシールリング１２６ｓを介して通路部１２６ｇに取り付けられる。

図４は、何れかの電磁弁１２２の位置で燃焼装置１０の断面を取ることによって、燃料ガスと一次空気との混合気を燃焼装置１０が全一次燃焼させる様子を示した説明図である。前述したように送風ファン３０（図１参照）を回転させると、送風ダクト１４０から一次空気供給孔１１２を通って一次空気が混合室１０４に供給される。図中に示した白抜きの矢印は一次空気の流れを表している。また、電磁弁１２２をＯＮにすると、供給通路１２６ｃ内の燃料ガスが連通孔１２５から燃料ガス供給室１０６に流入した後、燃料ガス供給室１０６に設けられた複数の燃料ガス供給孔１０８から混合室１０４に供給される。図中に太い実線で示した矢印は燃料ガスの流れを表している。燃料ガス供給孔１０８は、一次空気が流入する一次空気供給孔１１２の直ぐ近くに設けられており、このため燃料ガス供給孔１０８から供給された燃料ガスは、一次空気供給孔１１２からの一次空気の流れに乗って混合室１０４内を進行し、その途中で燃料ガスと一次空気とが混合して均一な混合気が形成される。

こうして混合室１０４で形成された混合気は、混合室１０４の下方に形成された分布室１０９に流入する。分布室１０９の下方には燃焼部１３０が接続されているが、分布室１０９と燃焼部１３０との間には分布板１３２が設けられている（図２参照）。このため分布室１０９に流入した混合気は、分布板１３２に沿って分布室１０９内を流れていく。図中に示した斜線を付した矢印は、混合室１０４および分布室１０９内での混合気の流れを表している。また、前述したように分布板１３２には複数の小孔１３４が形成されており、分布室１０９内の混合気は小孔１３４を通って下方の燃焼プレート１３９に供給される。燃焼プレート１３９は、セラミックス製の板状部材であり、小径の貫通孔１３９ｈが複数形成されている。このため、燃焼プレート１３９に供給された混合気は、貫通孔１３９ｈを通って燃焼プレート１３９の下面側に噴出する。燃焼プレート１３９の下面側には、図示しない点火プラグ１３６が挿入されており（図２参照）、点火プラグ１３６を用いて混合気に点火する。すると、燃焼プレート１３９の下面側で貫通孔１３９ｈが開口する部分が炎口１３９ｆとなって、混合気の燃焼が開始される。

以上に説明した全一次燃焼方式の燃焼装置１０は、混合室１０４および分布室１０９によって均一な混合気を生成することができるので、燃料ガスを効率よく燃焼させながら、燃焼排気中のＮＯｘ濃度を低減することができる。また、燃焼効率が高いことから熱負荷が高くなるため、燃焼プレート１３９は板金製ではなくセラミックスによって形成されている。ここで、従来の全一次燃焼方式の燃焼装置では、高温になった燃焼プレート１３９から燃焼部１３０に熱が伝わることを抑制するために、燃焼プレート１３９の周囲をセラミックスなどの断熱部材で囲ったり、あるいは燃焼プレート１３９と燃焼部１３０との間にエアカーテンを形成したりしていた。これに対して本実施例の燃焼装置１０では、図４に示すように、燃焼プレート１３９と燃焼部１３０との間に断熱部材やエアカーテンは設けられていない。このような構成では、燃焼プレート１３９の熱が、燃焼部１３０および混合部１００を経由して燃料ガスマニホールド１２０に流入する。特に、燃焼装置１０の運転終了後は、燃焼プレート１３９が高温であるにも拘わらず、一次空気や混合気の流れが止まって混合部１００や燃焼プレート１３９が冷却されなくなるので、燃焼プレート１３９からの熱が燃料ガスマニホールド１２０に伝わり易くなる。そして、図３に示したように燃料ガスマニホールド１２０には、電磁弁１２２やシールリング１２６ｓなどのように熱によるダメージを受け易い部品が取り付けられている。しかし、本実施例の燃焼装置１０では、以下に示す理由から、運転終了後の熱的に厳しい条件においても、電磁弁１２２やシールリング１２６ｓなどがダメージを受けることがない。

図５は、燃焼装置１０の運転終了後に燃焼プレート１３９の熱が燃料ガスマニホールド１２０に伝わる様子を概念的に示した説明図である。図中に太線で示した矢印は、熱の移動経路を表している。図示されるように、燃焼プレート１３９の熱は、燃焼部１３０および混合部１００を経由して、フランジ１２６ｆから燃料ガスマニホールド１２０に流入する。そして、フランジ１２６ｆから通路部１２６ｇに伝わって、最終的には電磁弁１２２やシールリング１２６ｓに達する。

ここで、本実施例の燃焼装置１０では、燃料ガスマニホールド１２０のフランジ１２６ｆに複数の冷却フィン１２６ｈが設けられている。このため、燃焼プレート１３９からの熱がフランジ１２６ｆに流入しても、フランジ１２６ｆの裏側に設けられた複数の冷却フィン１２６ｈから直ちに放熱されるのでフランジ１２６ｆの昇温が抑制される。加えて、冷却フィン１２６ｈによる放熱効果は、フランジ１２６ｆの温度が高くなるほど大きくなる。このため、燃料ガスマニホールド１２０の通路部１２６ｇが高温となって電磁弁１２２やシールリング１２６ｓが熱によるダメージを受けることを回避することができる。

また、図１に示したように、燃焼装置１０はハウジング９０内に搭載されており、燃焼装置１０の運転終了後は、ハウジング９０内に自然対流による空気の流れが発生する。そして、フランジ１２６ｆに立設された冷却フィン１２６ｈは、自然対流によって下から上に上昇する空気の流れに沿った方向（鉛直方向）に設けられている。このため、ハウジング９０内の空気の流れも冷却に利用することができる。加えて、冷却フィン１２６ｈは鉛直方向（すなわち、空気の流れに沿った方向）に設けられているのに対して、通路部１２６ｇは略水平方向に設けられている。このため、図中に太い破線で示したように、ハウジング９０内を上昇する空気の流れの向きが冷却フィン１２６ｈによって整えられて、真っ直ぐに通路部１２６ｇに衝突する。その結果、フランジ１２６ｆに流入した熱が電磁弁１２２やシールリング１２６ｓに伝わる経路を効果的に冷却することが可能となって、電磁弁１２２やシールリング１２６ｓが熱でダメージを受けることを回避することができる。

更に、本実施例の燃焼装置１０では、フランジ１２６ｆの面積が、通路部１２６ｇの面積よりも大きくなっている（図３を参照のこと）。尚、通路部１２６ｇの面積とは、燃料ガスマニホールド１２０が取り付けられる混合部１００の取り付け面に向かって通路部１２６ｇを投影した面積である。このため、フランジ１２６ｆに十分な大きさの冷却フィン１２６ｈを立設することができるので、冷却フィン１２６ｈ自体の輻射による放熱効果や、冷却フィン１２６ｈの周囲を流れる空気に対する熱伝達による放熱効果や、空気の流れの向きを整える効果などが十分に確保される。その結果、燃料ガスマニホールド１２０が加熱されて高温になることがない。

更に加えて、本実施例の燃焼装置１０では、通路部１２６ｇの下側の冷却フィン１２６ｈと上側の冷却フィン１２６ｈとは、ハウジング９０内を上昇する空気の流れに対して、水平方向に位置をずらして設けられている。このため、下側の冷却フィン１２６ｈによって暖められた空気は上側の冷却フィン１２６ｈの間を通過し、また、上側の冷却フィン１２６ｈには、下側の冷却フィン１２６ｈの間を通って暖められていない冷たい空気が供給される。このため、下側の冷却フィン１２６ｈおよび上側の冷却フィン１２６ｈによってフランジ１２６ｆを効率よく冷却することができるので、通路部１２６ｇが高温になることがない。その結果、電磁弁１２２やシールリング１２６ｓが熱によってダメージを受けることを回避することが可能となる。

以上、本実施例の燃焼装置１０について説明したが、本発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１…給湯器、 １０…燃焼装置、 １２…ガス管、
２０…熱交換器、 ２２…給水管、 ２４…給湯管、
２６…通水通路、 ３０…送風ファン、 ３２…吸気ダクト、
４０…排気ダクト、 ４２…排気通路、 ５０…ドレントラップ、
５２…ドレンチューブ、 ６０…電装ユニット、 ９０…ハウジング、
１００…混合部、 １０２…隔壁、 １０４…混合室、
１０６…燃料ガス供給室、 １０８…燃料ガス供給孔、 １０９…分布室、
１１０…遮蔽板、 １１２…一次空気供給孔、 １２０…燃料ガスマニホールド、
１２２…電磁弁、 １２４…インシュレーター、 １２５…連通孔、
１２６…マニホールド本体、 １２６ｃ…供給通路、 １２６ｆ…フランジ、
１２６ｇ…通路部、 １２６ｈ…冷却フィン、 １２６ｐ…取付穴、
１２６ｓ…シールリング、 １３０…燃焼部、 １３２…分布板、
１３４…小孔、 １３６…点火プラグ、 １３８…フレームロッド、
１３９…燃焼プレート、 １３９ｆ…炎口、 １３９ｈ…貫通孔、
１４０…送風ダクト、 １４２…送風口

Claims (3)

1. 燃料ガスと一次空気との混合気を全一次燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃料ガスが供給される燃料ガス供給孔と、前記一次空気が供給される一次空気供給孔と、供給された該燃料ガスおよび該一次空気が混合する混合室とが設けられた混合部と、
   前記混合部に取り付けられて、前記混合室で形成された前記混合気を炎口から噴出させて全一次燃焼させる燃焼プレートが収容された燃焼部と、
   前記燃料ガス供給孔に供給される前記燃料ガスの供給通路が内部に形成され、前記混合部に取り付けられた燃料ガスマニホールドと、
   を備え、
   前記燃料ガスマニホールドの側面側には、前記混合部に取り付けられるフランジが形成され、該フランジの前記混合部に向いた側に対して反対側の面には、複数の冷却フィンが立設されていることを特徴とする燃焼装置。
2. 請求項１に記載の燃焼装置であって、
   前記冷却フィンは、鉛直方向に伸びる板状部材が、前記フランジから立設されて形成されていることを特徴とする燃焼装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃焼装置であって、
   前記燃料ガスマニホールドは、前記供給通路が内部に形成された部分である通路部を備え、
   前記フランジは、前記通路部から、長手方向に対して垂直方向の両側に向けて延設されており、
   前記フランジの面積は、前記通路部の前記混合部に対する投影面積よりも大きく形成されていることを特徴とする燃焼装置。

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