JP6099452B2 - 赤外線燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、調理、暖房、乾燥、熱処理などの各種用途に使用可能な赤外線燃焼装置に関するものである。

従来、赤外線燃焼装置としては、セラミックなどの耐火材からなる燃焼プレート上に多数の予混合火炎を形成させることにより燃焼プレートを赤熱させるものが知られている（下記特許文献１参照）。

この従来技術は、燃焼プレートを貫通する形で多数の炎孔が設けられており、燃焼プレートの上流側で予め燃料ガスと燃焼用空気を混合した予混合気を形成し、この予混合気を燃焼プレートの炎孔に供給して、単一の炎孔上或いは複数の炎孔上に一つの予混合火炎を形成させるものである。

このような従来の赤外線燃焼装置は、燃焼プレート面上に前述した予混合火炎を複数形成して平面燃焼させると同時に、火炎の燃焼により燃焼プレートを赤熱させる。これにより火炎の燃焼による加熱と赤熱された燃焼プレートからの赤外線放射によって被加熱対象物を加熱する。

特開２００３−３５４０３号公報

前述した従来の赤外線燃焼装置は、燃焼プレート面を均一に赤熱させるために、火炎長を短くすることができ且つ平面上に均一に火炎形成が可能な予混合火炎を用いている。しかしながら、赤熱状態になった燃焼プレートはプレート温度が８００℃以上となるため、予混合火炎による燃焼を用いている従来の赤外線燃焼装置では、加熱運転条件によっては逆火が発生してしまう懸念があった。

逆火とは、炎孔に至る予混合気供給経路に火炎が伝播する現象であり、通常は予混合気の噴出速度を適正に調整して、予混合気の噴出速度と火炎の燃焼速度との釣り合いを保つことで逆火現象を防いでいる。しかしながら、何らかの不具合や不適正な使用条件がなされると予混合気の噴出速度と火炎の燃焼速度の釣り合いが崩れて逆火現象が発生することがある。

逆火現象は予混合燃焼方式の燃焼装置における宿命的な問題であり、一般にはこれに対する十分な対策が検討されているが、この逆火現象が頻繁に発生することがあると、予混合気供給経路の加熱による損傷など、装置の不具合に繋がる虞がある。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、赤外線燃焼装置において、逆火発生の問題を根本的に解決すること、燃焼火炎を安定化させ、良好な状態での赤熱燃焼を継続することができること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による赤外線燃焼装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

赤外線燃焼装置は、装置本体と該装置本体の加熱対象側に配備される赤熱輻射板を備え、前記赤熱輻射板は、当該赤熱輻射板の表面に凹部を形成した炎孔部を複数備え、前記炎孔部には、前記凹部の内面に当該炎孔部を上方に向けて徐々に拡げるテーパー角度を有するテーパー部が設けられ、前記炎孔部には、前記赤熱輻射板を厚さ方向に貫通する貫通孔の先端が連通すると共に、前記テーパー部には、前記貫通孔内に配置されるガス供給路のガス出射口が臨んでおり、前記装置本体には、前記貫通孔に連通する燃焼用空気供給部と前記ガス供給路に連通する燃料ガス供給部が分別して配備され、前記炎孔部の前記凹部内に、前記ガス出射口から放出される燃料ガスと前記貫通孔を通って供給される燃焼用空気の混合空間を形成することを特徴とする。

このような特徴を有する赤外線燃焼装置によると、赤熱輻射板の表面に複数形成される炎孔部の凹部内に燃料ガスと燃焼用空気の混合空間を形成する先混合方式を採用することで、予混合燃焼方式で問題となる逆火現象を根本的に解消することができる。赤熱輻射板の表面の凹部内で燃料ガスと燃焼用空気を混合して火炎を生じさせるので、凹部形態によって火炎燃焼の安定化を図ることができ、また、火炎長の短い安定した微小火炎を赤熱輻射板の表面に複数形成することができる。これによって赤熱輻射板から均一な赤外線の平面輻射を得ることができる。赤熱輻射板の貫通孔によって空気供給路を形成することで、構成部品の簡略化が可能になる。

本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の一構成例を示した説明図（同図（ａ）が平面図、同図（ｂ）が同図（ａ）におけるＸ−Ｘ部分断面図）である。 本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の炎孔部の特性を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の空気供給経路を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の空気供給経路を示す説明図である（（ａ）が図３におけるＸ１−Ｘ１断面図、（ｂ）が図３におけるＸ２−Ｘ２断面図）。 本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の空気供給経路における他の例を示す説明図である（図３におけるＸ１−Ｘ１断面図）。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の一構成例を示した説明図である。図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が図１（ａ）におけるＸ−Ｘ部分断面図を示している。

本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置１は、装置本体１０と装置本体１０の加熱対象側に配置される赤熱輻射板２０を備えている。図示の例では、赤熱輻射板２０は装置本体１０の天井面に配置されているが、加熱方向が側方に向く場合などはそれに対面するように赤熱輻射板２０が配置されることになる。

赤熱輻射板２０は、例えば、セラミックなどの耐火材で形成され、赤熱燃焼によって赤外線を輻射熱として放射するものである。図示の例では所定板厚の平面板によって構成されている。この赤熱輻射板２０は、その表面に凹部２１Ａを形成した炎孔部２１を複数備えている。図示の例では炎孔部２１がマトリクス状に配置されているが、配列形態はこれに限定されるものではない。炎孔部２１は、その凹部２１Ａ内で火炎長の短い微小火炎を形成するものであり、表面に形成された複数の炎孔部２１のそれぞれに微小火炎を形成することで赤熱輻射板２０が平面的且つ均一に赤熱燃焼される。

個々の炎孔部２１には、赤熱輻射板２０の厚さ方向に貫通する貫通孔２２の先端が連通している。また、個々の炎孔部２１には、貫通孔２２内に配置されるガス供給路２３のガス出射口２３Ａが臨んでいる。

装置本体１０は、燃焼用空気供給部１０Ａと燃料ガス供給部１０Ｂを備えている。燃焼用空気供給部１０Ａと燃焼ガス供給部１０Ｂは分別して装置本体１０内に配置されている。これによって、装置本体１０内では燃焼用空気と燃料ガスが混合することがないようにしている。

図示の例では、燃焼用空気供給部１０Ａは空気室１１を備えており、燃料ガス供給部１０Ｂはガス室１２を備えている。空気室１１は空気流入路１１Ａを介して装置本体１０の外部に連通している。ガス室１２は燃焼ガス導入路１２Ａを介して燃料ガス供給源に連通している。

前述した赤熱輻射板２０の貫通孔２２は、燃焼用空気供給部１０Ａに連通しており、燃焼用空気供給部１０Ａから供給される空気の流通路になっている。このように赤熱輻射板２０の貫通孔２２を空気流路にすることで、部品点数を削減でき構成部品の簡略化が可能になる。また、貫通孔２２内に配置されるガス供給路２３は燃料ガス供給部１０Ｂに連通しており、燃料ガス供給部１０Ｂから供給される燃料ガスの供給流路になっている。

図示の例では、貫通孔２２は空気室１１に連通しており、ガス供給路２３はガス室１２に連通している。また、空気室１１とガス室１２は仕切板１３で気密に分別されており、ガス供給路２３は、空気室１１を通り、仕切板１３を貫通してガス室１２に連通している。

赤外線燃焼装置１は、前述した構成を備えることで、先混合方式で赤熱輻射板２０の表面に形成された炎孔部２１に微小火炎を形成することができる。すなわち、炎孔部２１の凹部２１Ａ内に、ガス供給路２３のガス出射口２３Ａから放出される燃料ガスが供給され、更に凹部２１Ａ内には燃焼用空気の供給路となる貫通孔２２から燃焼用空気が供給される。これによって、炎孔部２１の凹部２１Ａ内に燃料ガスと燃焼用空気の混合空間が形成される。

このように本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置１は、炎孔部２１の上流側では燃焼混合気が形成されない構造になっており、火炎の燃焼は炎孔部２１の凹部２１Ａ内でのみ生じることになる。これによって、予混合燃焼方式で問題となる逆火現象を根本的に解消することができる。また、炎孔部２１を赤熱輻射板２０の表面に複数設けることで、赤熱輻射板２０の表面で短火炎長の微小火炎を複数形成して平面燃焼させることができ、赤熱輻射板２０の表面を効率的且つ均一に加熱することができる。

図２は、本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の炎孔部の特性を示した説明図である。図２（ａ）に示した例では、炎孔部（テーパー部）２１は、凹部２１Ａの内面に炎孔部２１を上方に向けて徐々に拡げるテーパー角度θを設けている。このような形態の炎孔部（テーパー部）２１によると、凹部２１Ａ内及びその上の空間に図示のような微小火炎Ｍｆが形成される。そして、テーパー角度θを適正に設定することで、微小火炎Ｍｆの燃焼安定性を向上させることができる。

図２（ｂ）には、炎孔部２１のテーパー角度θを変えた場合の、吹き飛び限界空気比λの値を示している。空気比とは、燃料ガスを完全燃焼させる必要最低限の理論空気量Ａと実際に供給されている空気量Ｂの比（λ＝Ｂ÷Ａ）で定義される。空気比が１に近い燃焼が理想であるが、空気比λを高くした場合にも火炎の吹き飛びが生じないことで燃焼の安定性を評価することができる。図２（ｂ）から明らかなように、炎孔部２１のテーパー角度θを変化させると、吹き飛びが生じる限界の空気比（吹き飛び限界空気比）が変化し、テーパー角度θを２０〜４０°、更に好ましくは２５〜３５°の範囲にすることで、吹き飛び限界空気比を最大にすることができる。すなわち、炎孔部２１のテーパー角度θを２０〜４０°（好ましくは２５〜３５°）の範囲にすることで、微小火炎の安定性を向上させることができる。

図３及び図４は、本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の空気供給経路を示す説明図である。図４（ａ）が図３におけるＸ１−Ｘ１断面図、図４（ｂ）が図３におけるＸ２−Ｘ２断面図を示している。前述の説明と重複する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。

赤熱輻射板２０の面積を比較的大きくした赤外線燃焼装置１Ａにおいては、赤熱輻射板２０全体で均一な燃焼を行うためには、赤熱輻射板２０の表面に複数配置される炎孔部２１に均一に空気を供給することが求められる。このための空気供給経路として、図３に示した例では、装置本体１０内に、空気室１１の周囲を囲むように空気流入路１１Ａを形成し、この空気流入路１１Ａと空気室１１とを空気室１１の周囲に所定間隔で配置される空気噴出口１１Ａ１を介して連通している。このような赤外線燃焼装置１Ａによると、空気室１１には空気室１１の周囲に所定間隔で配置される空気噴出口１１Ａ１を介して空気が供給されることになる。

各炎孔部２１に貫通孔２２を介して連通する空気室１１の周囲から空気供給を行う場合には、比較的面積の広い赤熱輻射板２０の中央部における炎孔部２１にも十分な空気を供給するために、空気供給経路から空気室１１内への噴出流速を高めることが必要になる。赤外線燃焼装置１Ａは、前述した空気噴出口１１Ａ１を設けることで、空気室１１内への噴出流速を高め赤熱輻射板２０の中央部における炎孔部２１にも十分な空気供給を行っている。

また、図５には、本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置の空気供給経路における他の例を示している。図５に示した例は、図３及び図４に示した例と同様に、装置本体１０内に、空気室１１の周囲を囲むように空気流入路１１Ａを形成し、この空気流入路１１Ａと空気室１１とを空気室１１の周囲に所定間隔で配置される空気噴出口１１Ａ１を介して連通している。そして、この例では、互いに対向配置される空気噴出口１１Ａ１が、空気室１１内への空気の噴出方向が衝突しない位置にずれて配置されている。

図５に示した例では、互いに対向配置される空気噴出口１１Ａ１から空気室１１内に流入する空気が中央付近で互いに衝突し合って赤熱輻射板２０の中央付近に存在する炎孔部２１において空気の過剰供給がなされるのを抑止することが可能になる。これによって、赤熱輻射板２０に複数配置されている各炎孔部２１への空気供給量の均一化を図ることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る赤外線燃焼装置１は、赤熱輻射板２０の表面に形成される炎孔部２１で燃料ガスと燃焼用空気の混合を行うことで、逆火発生の問題を根本的に解決することができる。また、炎孔部２１の形態を適正に設定し、特に、炎孔部２１にテーパー角度θを設け、そのテーパー角度を２０〜４０°の範囲に設定することで、燃焼火炎を安定化させることができ、良好な状態での赤熱燃焼を継続することができる。これによって、安全且つ良好な赤外線燃焼を実現することができ、赤熱輻射板２０から均一な赤外線の平面輻射を得ることができる。

また、比較的広い面積の赤熱輻射板２０を有する赤外線燃焼装置１Ａにおいては、赤熱輻射板２０の各炎孔部２１に供給する空気を均一に供給することができるので、赤熱輻射板２０上での各炎孔部２１の燃焼空気比が均一となり、且つ適正な設定空燃比での燃焼が可能になるため、排出ＣＯを低減させた安定燃焼が可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１，１Ａ：赤外線燃焼装置，
１０：装置本体，１０Ａ：燃焼用空気供給部，１０Ｂ：燃料ガス供給部，
１１：空気室，１１Ａ：空気流入路，１１Ａ１：空気噴出口，
１２：ガス室，１２Ａ：燃焼ガス導入路，１３：仕切板，
２０：赤熱輻射板，２１：炎孔部，２１Ａ：凹部，２２：貫通孔，
２３：ガス供給路，２３Ａ：ガス出射口，θ：テーパー角度

Claims (6)

1. 装置本体と該装置本体の加熱対象側に配備される赤熱輻射板を備え、
   前記赤熱輻射板は、当該赤熱輻射板の表面に凹部を形成した炎孔部を複数備え、
   前記炎孔部には、前記凹部の内面に当該炎孔部を上方に向けて徐々に拡げるテーパー角度を有するテーパー部が設けられ、
   前記炎孔部には、前記赤熱輻射板を厚さ方向に貫通する貫通孔の先端が連通すると共に、前記テーパー部には、前記貫通孔内に配置されるガス供給路のガス出射口が臨んでおり、
   前記装置本体には、前記貫通孔に連通する燃焼用空気供給部と前記ガス供給路に連通する燃料ガス供給部が分別して配備され、
   前記炎孔部の前記凹部内に、前記ガス出射口から放出される燃料ガスと前記貫通孔を通って供給される燃焼用空気の混合空間を形成することを特徴とする赤外線燃焼装置。
2. 前記テーパー角度は、垂直軸に対して２０〜４０°に設定されることを特徴とする請求項１記載の赤外線燃焼装置。
3. 前記燃焼用空気供給部は装置本体の外部に連通する空気室を備え、前記燃料ガス供給部は燃料ガス供給源に連通するガス室を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線燃焼装置。
4. 前記空気室と前記ガス室は仕切板で分別されており、前記ガス供給路は、前記空気室を通り、前記仕切板を貫通して前記ガス室に連通することを特徴とする請求項３記載の赤外線燃焼装置。
5. 前記空気室には、当該空気室の周囲に所定間隔で配置される空気噴出口を介して空気が供給されることを特徴とする請求項３又は４に記載の赤外線燃焼装置。
6. 互いに対向配置される前記空気噴出口は、前記空気室内への空気の噴出方向が衝突しない位置にずれて配置されていることを特徴とする請求項５記載の赤外線燃焼装置。

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