JP6031157B1 - ノズル装置が設置された燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘性で高引火点の燃料を使用する場合であっても燃焼炎を短炎にするノズル装置を提供する。【解決手段】中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部を有する２流体噴霧ノズルと、噴射口の側に、中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップとを備え、キャップには、２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口が設けられ、２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が徐々に拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁が設けられていることを特徴とするノズル装置が提供される。【選択図】 図１

Description

本発明は、ノズル装置および該ノズル装置が設置された燃焼装置に関する。

液体を気体と混合させることによって微細な霧状にして噴射する２流体噴霧ノズルが知られている。２流体噴霧ノズルは、１流体ノズルと比較して、液体を微細な粒子径にして噴射できる等の種々の有用な特徴を有している。本発明者は、このような２流体噴霧ノズルに対する開発研究を鋭意実施し、新規な特徴をもつ２流体噴霧ノズルを提案している（特許文献１および２）。

特許第４７３０９２４号公報 特許第５６９７２０５号公報

特許文献１および２に記載された２流体噴霧ノズルは、幸いにして好評を博しているが、高粘性で高引火点の燃料（例えば、植物油）を使用する場合には、不都合を生ずることがある。すなわち、これらの２流体噴霧ノズルにおいて高粘性で高引火点の燃料を使用する際に燃焼可能な粒径と噴出速度を維持しようとすると、ノズル先端から空気が噴出するときノズル先端近傍の二次空気入口からも空気が引き込まれるため、霧化空気量が増加する。したがって、増加した空気量に対応して燃焼領域を維持するだけの燃料の量を維持しようとすると、燃焼炎が長炎になり、火炎先端付近で未燃粒子が発生することとなる。

本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、高粘性で高引火点の燃料を使用する場合であっても燃焼炎を短炎にするノズル装置および該ノズル装置が設置された燃焼装置を提供することを目的としている。

本願請求項１に記載の、中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部を有する２流体噴霧ノズルと、前記噴射口の側に、前記中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップとを備えたノズル装置が設置された燃焼装置は、前記キャップに、前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口が設けられ、前記２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が徐々に拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁が設けられており、円筒形の周壁、前記ノズル装置の側に設けられた第１端壁、および前記ノズル装置の側と反対側に設けられた第２端壁を有する燃焼炉と、前記燃焼炉内の前記ノズル装置からの燃焼炎の先端が到達するほどの距離に、円板および前記円板の外周に前記第１端壁の方へ延びるように取り付けられた鍔を有する蒸発皿とを備えており、前記燃焼炉の内壁に接するように湾曲したベース板を前記燃焼炉内に配置し、前記ベース板に固定された支持部材に前記蒸発皿を固定することによって、前記蒸発皿が、前記ノズル装置の中心軸線とほぼ同一線上に中心が位置するように前記燃焼炉内に配置されていることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載の燃焼装置は、前記請求項１に記載された装置において、突起状の第１ストッパが、前記ベース板の前記ノズル装置が位置する側の端から前記ノズル装置の方に向かって所定距離の箇所の前記燃焼炉の内壁に配置され、前記蒸発皿が過度に移動するのを防止するように構成されていることを特徴とするものである。

本願請求項３に記載の燃焼装置は、前記請求項１に記載された装置において、突起状の第２ストッパが、前記ベース板の最下端の僅かに上方に位置するように前記燃焼炉の前記第２端壁に取り付けられ、前記蒸発皿が跳ね上がるのを防止するように構成されていることを特徴とするものである。

本発明のノズル装置では、燃料の到達距離が短くなり、短炎が得られ、これにより火炎先端付近での未燃粒子の発生を回避することができる。また、本発明の燃焼装置では、燃焼炉内に蒸発皿を設けたことにより、未燃粒子が熱交換器排気管に到達するのが防止されるので、燃焼装置の良好な運転が可能になる。また、燃焼炉内にストッパを設けたことにより、蒸発皿の過度の移動や跳ね上がりを防止することができる。

本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置を模式的に示した断面図である。 図１のノズル装置の各構成要素を示した分解断面図である。 図１の線３−３に沿って見た側面図である。 図１のノズル装置の作動状態を示した模式図である。 図５（ａ）は変形形態のノズル装置を示した図、図５（ｂ）は図５（ａ）の線５ｂ−５ｂに沿って見た図である。 図１のノズル装置が設置された燃焼装置を概略的に示した模式図である。 図６の燃焼装置を排気口の方から見た概略斜視図である。 燃焼炉内に配置される蒸発皿、ベース部材および支持部材を示した斜視図である。 図９（ａ）は蒸発皿の斜視図、図９（ｂ）は図６の部分９ｂの拡大図であって、蒸発皿の配置状態を示した断面図である。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置を模式的に示した断面図、図２は、図１のノズル装置の分解断面図である。図１において全体として参照符号１０で表される本発明の好ましい実施の形態に係るノズル装置は、２流体噴霧ノズル１２を備えている。

２流体噴霧ノズル１２は、中心軸線Ｘ−Ｘ上に配置された液体噴射部１４と、液体噴射部１４の周囲に配置された気体噴射部１６とを有している。

液体噴射部１４は、全体として中空のダクト状に形成されており、一方の端部に液体噴射口１４ａが設けられ、他方の端部に液体供給口１４ｂが設けられている。気体噴射部１６は、液体噴射部１４の周囲を被覆するように中空のダクト状に形成されており、液体噴射口１４ａが設けられている側の端部に気体噴射口１６ａが設けられ、所望の箇所に気体供給口１６ｂが設けられている。

液体噴射部１４の液体供給口１４ｂは、導管（図示せず）を介して液体供給源（図示せず）に連結されている。また、気体噴射部１６の気体供給口１６ｂは、導管（図示せず）を介して気体供給源（図示せず）に連結されている。なお、図１では、１個の気体供給口１６ｂが示されているが、複数個の気体供給口１６ｂを設けてもよい。

本発明のノズル装置１０はまた、２流体噴霧ノズル１２の液体噴射口１４ａおよび気体噴射口１６ａの側に、中心軸線Ｘ−Ｘ上に配置されたキャップ１８を備えている。

キャップ１８は、周壁１８ａによって全体として円筒形の形状に形成されている。キャップ１８には、２流体噴霧ノズル１２の位置する側と反対側に、中央に開口１８ｂ１をもつ隔壁１８ｂが設けられている。隔壁１８ｂは、２流体噴霧ノズル１２の側が中心軸線Ｘ−Ｘに対してほぼ直交するように形成され、２流体噴霧ノズル１２と反対の側が開口１８ｂ１から離れるに従って徐々に径が拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成されている。

なお、２流体噴霧ノズル１２とキャップ１８は、一体に形成してもよいし、それぞれ別の部品として形成し両者を合体させてもよい。

次に、図４を参照して、以上のように構成されたノズル装置１０の作動について説明する。まず、２流体噴霧ノズル１２の液体噴射部１４の液体噴射口１４ａから燃料（例えば、植物油）を噴射するとともに、気体噴射部１６の気体噴射口１６ａから空気を高速で噴射する。すると、気体噴射口１６ａから噴射された空気は、液体噴射口１４ａの周囲から円錐形状又は多角錐形状の隔壁１８ｂ内に渦流状に噴出される。このとき、液体噴射口１４ａの付近は負圧となり、負圧が維持される程度の燃料を供給すると、空気の渦流により粒径の小さな油霧が得られる。油霧の粒径は小さいが空気の量が少ないためで、燃料の到達距離は短くなり、短炎が得られる。

なお、燃料の量を増やそうとする場合には、複数のノズル装置１０を使用すればよい。図５は、２基のノズル装置１０を並列に配置した状態を示した図であるが、３基以上のノズル装置１０を組み合わせて使用してもよい。ノズルホルダは、複数基のノズル装置１０を組み合わせて固定するためのアダプタである。

図６は、ノズル装置１０が設置された燃焼装置２０を概略的に示した模式図である。図６に示されるように、燃焼炉３０に向かって開放した空気ガイドチューブ２２の先端部分にノズル装置１０が設置され、ノズル装置１０の先端と燃焼炉３０との間にフレームホルダ２４が配置されている。フレームホルダ２４は、キャップ１８に隣接する側からキャップ１８から遠ざかる側に向かって径が拡大するようになったドーム状又は円錐状に形成されており、中央に開口２４ａが設けられている。なお、図６において、参照符号２６、２８は、ガスバーナー、燃焼空気送風機をそれぞれ示している。

燃焼炉３０は、円筒形の周壁３０ａ、ノズル装置１０の側に設けられた端壁３０ｂ、およびノズル装置１０の側と反対側に設けられた端壁３０ｃを有している。端壁３０ｂには、空気ガイドチューブ２２との接続箇所に開口３０ｂ１が設けられ、空気ガイドチューブ２２と燃焼炉３０は、開口３０ｂ１を介して連通している。

燃焼装置２０はまた、燃焼炉３０の端壁３０ｃの側に配置された熱交換器排気管３２と、熱交換器排気管３２の燃焼炉３０と反対側に配置された煙室３４とを備えている。熱交換器排気管３２は、図７に示されるように、燃焼炉３０と煙室３４とを連通させる多数のパイプ材であり、煙室３４には、排気口３４ａが設けられている。

燃焼炉３０内には、端壁３０ｂからＬ１の箇所に（換言すれば、端壁３０ｃからＬ２（＝Ｌ−Ｌ１）の箇所に）、蒸発皿３６が配置されている。Ｌ１は、燃焼炎の先端が到達するほどの距離に選定され、Ｌ２は、燃焼量によって決まる排出ガスの排出を阻害しない程度の距離に選定される。蒸発皿３６は、図９（ａ）に最も良く示されるように、円板３６ａと、円板３６ａの外周にノズル装置１０の方へ延びるように取り付けられた鍔３６ｂとを有している。蒸発皿３６は、金属、セラミック又はキャスタブル等の適当な材料で形成され、その中心がノズル装置１０の中心軸線Ｘ−Ｘとほぼ同一線上に位置するように配置されている。

図８は、蒸発皿３６の配置状態を説明するための斜視図である。燃焼炉３０内の所定箇所に蒸発皿３６を配置するため、燃焼炉３０の内壁に接するように湾曲したベース板３８が燃焼炉３０内に配置されており、ベース板３８にねじ又は溶接で固定された支持部材４２に、蒸発皿３６がねじ又は溶接で固定されている。燃焼炉３０が膨張収縮を繰り返すため、ベース板３８は、上述のように、燃焼炉３０に固定されておらず、燃焼炉３０内に置かれているにすぎない。

蒸発皿３６は、未燃粒子が熱交換器排気管３２に到達するのを防ぐために設けられる。すなわち、ノズル装置１０から噴出された油滴は、加熱された蒸発皿３６に衝突し蒸発燃焼して完全にガス化されるため、未燃粒子が熱交換器排気管３２に到達することはない。蒸発皿３６には、鍔３６ａが設けられているため、燃焼初期の油滴が燃焼炉３０内に落下するのが防止される。蒸発皿３６で燃焼を完結した排気ガスは、蒸発皿３６の背面に流入してから熱交換器排気管３２に流れ込むので、燃焼炉３０の通気性に悪影響を及ぼすことはない。従来は、植物油等を燃焼する際、燃焼炉の長さによっては、未燃粒子が熱交換器排気管に到達して熱交換器排気管に油滴が付着し、未燃油の状態で燃焼炉内に逆流したり煙室内に滞留したりして運転不能になることがあったが、蒸発皿３２を設けたことにより、このような事態の発生が回避される。

ベース板３８のノズル装置１０が位置する側の端からノズル装置１０の方に向かって距離Ｌ３の箇所の燃焼炉３０の内壁に、第１ストッパ４２がねじ又は溶接で取り付けられている（図９（ｂ）参照）。第１ストッパ４２は、燃焼炉３０の膨張時にベース板３８（したがって、蒸発皿３６）が過度に移動するのを防止するために設けられている。距離Ｌ３は、例えば５ｍｍ程度が好ましい。

ベース板３８の熱交換器排気管３２が位置する側の端に、燃焼炉３０の膨張時にベース板３８が転倒する（跳ね上がる）のを防止するために、第２ストッパ４４が取り付けられている。第２ストッパ４４は、図９（ｂ）に示される形態では、ベース板３８の最下端の僅かに上方に位置するように、燃焼炉３０の端壁３０ｃにねじ又は溶接で取り付けられているが、ベース板３８が振動で跳ね上がってノズル装置１０の側に転倒するのを防止することができるものであれば、他の形態を採用してもよい。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態では、中心軸線上に配置された液体噴射部と液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部とを有する型式の２流体噴霧ノズルが示されているが、他の型式の２流体噴霧ノズル（例えば、中央の液体噴出部の外周に複数の気体噴出用スリットを設けたノズル）を使用してもよい。

１０ ノズル装置
１２ ２流体噴霧ノズル
１４ 液体噴射部
１４ａ 液体噴射口
１４ｂ 液体供給口
１６ 気体噴射部
１６ａ 気体噴射口
１６ｂ 気体供給口
１８ キャップ
１８ａ 周壁
１８ｂ 隔壁
１８ｂ１ 開口
２０ 燃焼装置
２２ 空気ガイドチューブ
２４ フレームホルダ
２４ａ 開口
２６ ガスバーナー
２８ 燃焼空気送風機
３０ 燃焼炉
３２ 熱交換器排気管
３４ 煙室
３６ 蒸発皿
３８ ベース板
４０ 支持部材
４２ 第１ストッパ
４４ 第２ストッパ

Claims (3)

1. 中心軸線上に配置され先端に噴射口が設けられた液体噴射部および液体噴射部の周囲に配置された気体噴射部を有する２流体噴霧ノズルと、
   前記噴射口の側に、前記中心軸線上に配置され、周壁によって円筒形の形状に形成されたキャップとを備えたノズル装置が設置された燃焼装置であって、
   前記キャップには、前記２流体噴霧ノズルの位置する側と反対側に、中央に開口が設けられ、前記２流体噴霧ノズルから離れるに従って径が徐々に拡大する円錐形状又は多角錐形状をなすように形成された隔壁が設けられており、
   円筒形の周壁、前記ノズル装置の側に設けられた第１端壁、および前記ノズル装置の側と反対側に設けられた第２端壁を有する燃焼炉と、
   前記燃焼炉内の前記ノズル装置からの燃焼炎の先端が到達するほどの距離に、円板および前記円板の外周に前記第１端壁の方へ延びるように取り付けられた鍔を有する蒸発皿とを備えており、
   前記燃焼炉の内壁に接するように湾曲したベース板を前記燃焼炉内に配置し、前記ベース板に固定された支持部材に前記蒸発皿を固定することによって、前記蒸発皿が、前記ノズル装置の中心軸線とほぼ同一線上に中心が位置するように前記燃焼炉内に配置されていることを特徴とする燃焼装置。
2. 突起状の第１ストッパが、前記ベース板の前記ノズル装置が位置する側の端から前記ノズル装置の方に向かって所定距離の箇所の前記燃焼炉の内壁に配置され、前記蒸発皿が過度に移動するのを防止するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載された燃焼装置。
3. 突起状の第２ストッパが、前記ベース板の最下端の僅かに上方に位置するように前記燃焼炉の前記第２端壁に取り付けられ、前記蒸発皿が跳ね上がるのを防止するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載された燃焼装置。

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