JP6395364B2 - 燃焼方法及び燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させる燃焼方法、及び、その燃焼方法を実施する燃焼装置に関する。

燃料を燃焼させる燃焼方法としては、予め燃料と酸化剤（一般には空気）とを混合させた予混合ガスを噴出ノズル等の噴出部から噴出させて燃焼させる予混合燃焼と、燃料を噴出ノズル等の噴出部から噴出させて、噴出させた燃料を別途供給した酸化剤（一般には空気）にて燃焼させる拡散燃焼とがあり、本発明の燃焼方法は、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させるものであるため、予混合燃焼に属するものであるといえる。

予混合燃焼の従来例として、予混合気（予混合ガス）を噴射する混合気噴射ノズルが、燃焼室の内部に予混合気を噴射するように設けられ、混合気噴射ノズルから噴出される予混合気の流速が、燃焼室内での混合気の燃焼速度の１．５倍以上になるように、空気流量調節弁及び燃料圧力調節弁を調節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）。

特許文献１には、予混合燃焼が適用されたコンロが開示されており、上述の燃焼室が、鍋等の被加熱物を載置する天板と、天板の下方に配設された燃焼室形成部材とによって囲まれた状態で、天板の下方側箇所に形成され、混合気噴射ノズルが燃焼室の底部から上方に向けて予混合気を噴出するように設けられている。
そして、混合気噴射ノズルから燃焼室に噴出された予混合気が、高速で噴射されているため、燃焼室を横断して天板の下面に衝突し、平面状の火炎を天板の下方に形成する形態で燃焼して、被加熱物を間接加熱するために天板を加熱するように構成されている。

特開２００４−２８６３５１号公報

予混合燃焼は、燃料と酸化剤ガスとの混合割合を、酸化剤ガスが過剰となる状態に設定することや、混合ガスに不活性ガスを混合させることが行い易いものであることにより、火炎の温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる利点を備えるものであるが、予混合燃焼には、逆火の危険が本質的に存在することになる。

すなわち、特許文献１においては、混合気噴射ノズルから噴出される予混合気の流速が、燃焼室内での混合気の燃焼速度の１．５倍以上になるようにすることにより、逆火の発生を抑制することになる。
しかしながら、例えば、火力調整（混合気流量低減）の必要性や、機器類の故障や誤作動等により、混合気噴射ノズルから噴出される予混合気の流速が、混合気の燃焼速度よりも低下する可能性がある等、予混合燃焼には、逆火の危険が本質的に存在することになる。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、逆火の発生を回避した状態で、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させることができる燃焼方法を提供する点にある。
本発明の別の目的は、逆火の発生を回避した状態で、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させることができる燃焼装置を提供する点にある。

本発明の燃焼方法は、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させる方法であって、その第１特徴は、
前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃料を噴出する燃料噴出ノズルと当該燃料噴出ノズルの周囲の前記酸化剤ガスを噴出する空気噴出孔とから同じ方向に向けて各別に燃焼空間に噴出して、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間にて混合させ、かつ、前記燃料と前記酸化剤ガスとの混合ガスが前記燃焼空間を流動する流速が、前記燃焼空間における前記混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件にて、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間に供給し、
前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流速が前記燃焼速度以下に減速した後に、前記混合ガスを着火させて火炎を形成して燃焼させ、
前記燃焼空間を流動する前記混合ガスを、被加熱物に衝突させて、前記混合ガスの流速を前記燃焼速度以下に減速させることを特徴とする。

本願において「燃料」とは燃焼空間に供給可能な燃料を意味し、気体状の所謂燃料ガスの他、液体燃料（燃焼空間への導入前に予蒸発させて燃料ガスとして燃焼空間に導入するもの、及び液体のまま燃焼空間に噴霧した後蒸発して燃料ガスとなるもの）をも含む。
本願の燃焼方法では、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃焼空間にて、燃料と酸化剤ガスとを混合させて混合ガスを生成することになるが、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件にて、燃料と酸化剤ガスとが燃焼空間に供給されているため、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなり、混合ガスは燃焼を開始することなく、燃焼空間を流動することになる。
ちなみに、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度は、燃焼空間における混合気の濃度（当量比）、温度、及び圧力、並びに混合ガスの流動状態（層流であるか、乱流であるか）から、推算される。この推算においては、層流火炎に対しては燃焼の詳細反応ソフト「ＣＨＥＭＫＩＮ」（Reaction Design社製）を、乱流火炎に対しては「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」（ANSYS社製）等のＣＦＤソフトに組み込まれた燃焼計算パッケージを使用する。このようにして予め推算される燃焼空間における混合ガスの燃焼速度を基準に、本願に於ける混合ガスの燃焼空間を流動する流速を設定する。

そして、燃焼空間を流動する混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速した後に、混合ガスを着火させて火炎を形成して燃焼させるようにする。
ちなみに、流動する混合ガスを減速させる要因は、混合ガスが衝突する物体を燃焼空間に存在させて、強制的に減速させるようにしてもよい。

また、混合ガスの着火の形態は、点火プラグ等を用いて強制着火させる形態や、パイロットバーナを設けて着火させる形態を採用することができ、また、燃焼空間内の温度や圧力を高くして、自発着火させる形態を採用することもできる。

このように、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃料と酸化剤ガスとを燃焼空間にて混合させたのち、混合ガスを燃焼させるものであるから、予混合燃焼に類似する形態で、燃料を燃焼させることができるのであり、そして、燃料と酸化剤ガスとの混合割合を、酸化剤ガスが過剰となる状態に設定すること等によって、火炎の温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる。また、混合ガスは燃焼空間内にあるガスとも混合するが、このような混合による火炎の温度低下と燃焼速度低下（局所高温防止）の効果によって、窒素酸化物の生成を抑制することが可能となる。

また、燃料が予混合燃焼に類似する形態で燃焼されるものの、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃焼空間にて、燃料と酸化剤ガスとを混合させて混合ガスを生成するものであるから、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなる供給条件を外れても、つまり、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも遅くなっても、燃料を噴出する噴出部に付着する火炎を形成する状態（通常の拡散燃焼状態）で燃焼が行われるものであるため、予混合燃焼に本質的に存在する逆火の危険を回避することができる。

要するに、本発明の第１特徴によれば、逆火の発生を回避した状態で、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させることができる燃焼方法を提供できる。

また、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速い速度で燃焼空間を流動する混合ガスが、被加熱物と衝突することにより、混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速されることになり、その後、混合ガスを着火させて火炎を形成して燃焼させる。

このように、混合ガスを被加熱物と衝突させて、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させるものであるから、燃焼空間内に存在する雰囲気ガスとの接触による要因のみにて減速させるようにする場合に較べて、燃焼空間の小型化を図ることができる。

また、混合ガスを被加熱物と衝突させて、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させた場合には、被加熱物の近傍に火炎を形成する状態で、混合ガスを燃焼させることができるため、被加熱物を効率良く加熱でき、加えて、火炎の熱が被加熱物に効率良く移動されることにより、結果的に、火炎の温度を低下させて、窒素酸化物の生成を一層抑制することが可能となる。

ちなみに、混合ガスを被加熱物と衝突させることにより、火炎の温度を十分に低下できる場合には、燃料と酸化剤ガスとの混合割合を、理論空気量に近い比となるように定めるようにしながら、窒素酸化物の生成を抑制する形態で燃焼させることが可能となるのであり、この場合には、排ガス量の減少により省エネルギー化を図ることができるものとなる。

要するに、本発明の第１特徴は、上記作用効果に加えて、燃焼空間の小型化、被加熱物の加熱効率の向上、及び、窒素酸化物の生成の低下を図ることができる燃焼方法を提供できる。

本発明の燃焼方法の第２特徴は、上記第１特徴に加えて、
前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流動方向を、前記被加熱物の平坦状の衝突面と直交する方向に定めて、前記混合ガスを前記衝突面に衝突させるようにして、前記衝突面に沿った平面火炎を形成することを特徴とする。

すなわち、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速い速度で燃焼空間を流動する混合ガスが、被加熱物の平坦状の衝突面に対して直交する方向から衝突して、混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速されることになり、その後、混合ガスを着火させて、衝突面に沿った平面火炎を形成して燃焼させることになる。

被加熱物の衝突面に沿った状態に形成される平面火炎は、衝突面の全体を効率良く加熱し、また、衝突面を均一に加熱することになるため、被加熱物の全体を均一に加熱するのに有効となる。

要するに、本発明の第２特徴によれば、上記第１特徴による作用効果に加えて、被加熱物の全体を均一に加熱するのに有効な燃焼方法を提供できる。

本発明の燃焼方法の第３特徴は、上記第１又は第２特徴に加えて、
前記燃焼空間が、断熱的な固体壁で囲繞されていることを特徴とする。

すなわち、燃焼空間が、断熱的な固体壁で囲繞されているから、燃焼空間の内部を、十分な高温状態に維持することができる。
これにより、被加熱物による火炎の急冷に伴って起きる燃焼反応の停止（クエンチング）で発生する不完全燃焼ガスを、その高温空間にて完全燃焼（酸化）し、その熱で空間の温度を上昇させることで不完全燃焼ガスの保有熱を有効に回収することができるとともに、安全を確保することができる。その結果、燃焼空間内に存在する被加熱物を高温状態に良好に加熱することができる。

要するに、本発明の第３特徴によれば、上記第１又は第２特徴による作用効果に加えて、被加熱物を高温状態に良好に加熱するのに有効な燃焼方法を提供できる。

本発明の燃焼装置は、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させるものであって、その特徴構成は、
前記燃料と前記酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給する各別供給手段が、前記燃料と前記酸化剤ガスとの混合ガスが前記燃焼空間を流動する流速が、前記燃焼空間における前記混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件を満足させる状態で、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃料を噴出する燃料噴出ノズルと当該燃料噴出ノズルの周囲の前記酸化剤ガスを噴出する空気噴出孔とから同じ方向に向けて各別に燃焼空間に噴出して、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間にて混合させるように設けられて、
前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流速が前記燃焼速度以下に減速した後に、前記混合ガスが着火して火炎を形成して燃焼するように構成され、
前記燃焼空間を流動する前記混合ガスを、被加熱物に衝突させて、前記混合ガスの流速を前記燃焼速度以下に減速させるように構成されている点を特徴とする。

すなわち、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃焼空間にて、燃料と酸化剤ガスとを混合させて混合ガスを生成することになるが、各別供給手段が、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件を満足させる状態で、燃料と酸化剤ガスとを燃焼空間に供給するため、燃焼空間を流動する混合ガスの流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなり、混合ガスは燃焼を開始することなく、燃焼空間を流動することになる。
燃焼空間における混合気の濃度（当量比）、温度、及び圧力、並びに混合ガスの流動状態（層流であるか、乱流であるか）から推算される。このようにして予め推算される燃焼空間における混合ガスの燃焼速度を基準に、本願に於ける混合ガスの燃焼空間を流動する流速を設定する。

そして、燃焼空間を流動する混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速した後に、混合ガスが着火して火炎を形成して燃焼することになる。
ちなみに、流動する混合ガスを減速させる要因は、混合ガスが衝突する物体を燃焼空間に存在させて、強制的に減速させるようにしてもよい。

また、混合ガスの着火の形態は、点火プラグ等を用いて強制着火させる形態や、パイロットバーナを設けて着火させる形態を採用することができ、また、燃焼空間内の温度や圧力を高くして、自発着火させる形態を採用することもできる。

このように、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃料と酸化剤ガスとを燃焼空間にて混合させたのち、混合ガスを燃焼させるものであるから、予混合燃焼に類似する形態で、燃料を燃焼させることができるのであり、そして、燃料と酸化剤ガスとの混合割合を、酸化剤ガスが過剰となる状態に設定すること等によって、火炎の温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる。

また、燃料が予混合燃焼に類似する形態で燃焼されるものの、燃料と酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給して、燃焼空間にて、燃料と酸化剤ガスとを混合させて混合ガスを生成するものであるから、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも速くなる供給条件を外れても、つまり、混合ガスが燃焼空間を流動する流速が、燃焼空間における混合ガスの燃焼速度よりも遅くなっても、燃料を噴出する噴出部に付着する火炎を形成する状態で燃焼が行われるものであるため、予混合燃焼に本質的に存在する逆火の危険を回避することができる。

要するに、本発明の特徴構成によれば、逆火の発生を回避した状態で、燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させることができる燃焼装置を提供できる。

第１実施形態の連続炉の縦断側面図 第１実施形態の連続炉の縦断正面図 第２実施形態のガスコンロの縦断側面図 第３実施形態の給湯器の加熱部分を示す縦断正面図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
（連続炉の全体構成）
図１及び図２に示すように、例示する連続炉は、被加熱物Ｄとしての直方体状の鋼塊１を加熱処理するものであって、トンネル状の炉体２の底部２Ｔに、被加熱物搬送部３が、炉体２の入口部２ｉと出口部２ｅとに亘る状態で設けられて、プッシャ４にて順次送り込まれる鋼塊１を被加熱物搬送部３にて連続的に搬送しながら、鋼塊１を加熱処理するように構成されている。

炉体２の天井壁部２Ｕ及び両横側壁部２Ｓには、コークス炉ガス（COG）やメタンを主成分とする都市ガス等の燃料ガスＧ(燃料の一例)と酸化剤ガスとしての燃焼用空気Ａとを炉体２の内部の燃焼空間Ｎに各別に噴出する複数の噴出体Ｂが、炉体２の長手方向に沿って、間隔を隔てて設けられている。
ちなみに、炉体２の内部の温度、つまり、燃焼空間Ｎの温度は、目的によって異なるものの本例では定常運転状態においては、９００℃〜１０００℃程度であり、燃料ガスＧが自己着火する温度である。

燃焼用空気Ａを送風する送風ブロア５が設けられ、送風ブロア５にて送風される燃焼用空気Ａを案内する空気供給路７が、空気予熱用熱交換器６を経由して噴出体Ｂに接続されている。
炉体２の天井壁部２Ｕに形成した排ガス流路８を通して炉外に導かれた燃焼排ガスが、空気予熱用熱交換器６を経由する排ガス排出路９を通して排気用煙突（図示せず）に導かれている。

つまり、送風ブロア５にて送風される燃焼用空気Ａが、空気予熱用熱交換器６によって、炉体２の内部から排出される排ガスによって予熱されたのち、噴出体Ｂに供給されるように構成されている。

また、燃焼用空気Ａを噴出体Ｂに供給する空気供給路７には、燃焼用空気Ａの供給量を調整する空気調整ダンパ１０が設けられ、噴出体Ｂに燃料ガスＧを供給する燃料供給路１１には、燃料供給を断続する開閉弁１２及び燃料ガスＧの供給量を調整する燃料調整弁１３が設けられて、噴出体Ｂから噴出される燃料ガスＧの噴出量や燃焼用空気Ａの噴出量を調整できるように構成されている。

連続炉の燃焼を制御する燃焼制御部Ｃ１が、燃焼開始、燃焼停止等の燃焼指令情報を指令する手動設定器１４の指令情報に基づいて、空気調整ダンパ１０、開閉弁１２及び燃料調整弁１３の作動を制御して、噴出体Ｂから噴出される燃料ガスＧの燃焼状態を制御するように構成されている。

すなわち、燃焼制御部Ｃ１は、燃焼開始が指令されると、燃料ガスＧを初期燃焼状態で燃焼させる立ち上げ運転を行い、立ち上げ運転の終了後に、燃料ガスＧを定常燃焼状態で燃焼させる定常運転を行うことになり、また、燃焼停止指令が指令されると、燃焼を停止させる停止運転を行うことになる。

ちなみに、初期燃焼状態では、噴出体Ｂに付着する火炎を生成する状態で燃料ガスＧを燃焼させ、定常燃焼状態では、鋼塊１の上面や横側面に沿った平面火炎Ｆｔ（図２参照）を形成する状態で燃料ガスＧを燃焼させることになり、その詳細は後述する。

（噴出体の詳細）
噴出体Ｂには、燃料ガスＧを噴出する燃料噴出ノズルＢｇと、燃焼用空気Ａを噴出する一対の空気噴出孔Ｂａとが、燃料噴出ノズルＢｇの周囲に複数個の空気噴出孔Ｂａを対照的に位置させる状態、または環状路を形成する状態で設けられている。
また、燃料噴出ノズルＢｇと空気噴出孔Ｂａとは、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａと同じ方向に向けて噴出するように形成されている。

複数の噴出体Ｂのうちの、炉体２の天井壁部２Ｕに装備された噴出体Ｂにて燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを噴出する方向が、鋼塊１の上面と直交する方向となり、炉体２の横側壁部２Ｓに装備される噴出体Ｂにて燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを噴出する方向が、鋼塊１の横側面と直交する方向となるように、複数の噴出体Ｂが炉体２に設置されている。

（燃焼制御の詳細）
燃焼制御部Ｃ１は、初期燃焼状態においては、噴出体Ｂから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度以下となる状態で、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎに噴出させて、噴出体Ｂに付着する火炎を生成する状態で燃料ガスＧを燃焼させることになる。

また、燃焼制御部Ｃ１は、定常燃焼状態においては、噴出体Ｂから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも速くなる供給条件を満足させる状態で、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎに供給することになり、そして、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速した後に、混合ガスを着火させて火炎Ｆを形成して燃焼させることになる。

ちなみに、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度は、燃焼空間Ｎ内における混合気の濃度（当量比）、温度、及び圧力、並びに混合ガスの流動状態（層流であるか、乱流であるか）から推算される。
そして、噴出体Ｂから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速を、燃焼速度の１.５〜４．５の範囲に定めることが好ましい。

この第１実施形態においては、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを、鋼塊１に衝突させることにより、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させて、混合ガスを着火させて燃焼させることになる。
具体的には、上述の如く、炉体２の天井壁部２Ｕに装備された噴出体Ｂにて燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを噴出する方向が、鋼塊１の上面と直交する方向となり、炉体２の横側壁部２Ｓに装備される噴出体Ｂにて燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを噴出する方向が、鋼塊１の横側面と直交する方向となるように定められるものであるから、鋼塊１の上面及び横側面が、混合ガスが衝突する平坦状の衝突面Ｑとして機能することになる。なお、炉体の底面からも同様にして火炎を形成し、加熱してより均一に鋼塊１を加熱することも可能である。

そして、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを鋼塊１の衝突面Ｑに衝突させるようにして、火炎Ｆとして、衝突面Ｑに沿った平面火炎Ｆｔを形成する状態で、混合ガスを燃焼させるようになっている。

ちなみに、この第１実施形態においては、定常燃焼状態において上記供給条件で燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給する各別供給手段Ｈが、複数の噴出体Ｂ及び燃焼制御部Ｃ１を主要部として構成されることになる。

（第１実施形態の補足説明）
以上の通り、この第１実施形態によれば、定常燃焼状態においては、燃料ガスＧと酸化剤ガスしての燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎにて混合させたのち、混合ガスを燃焼させるものであるから、予混合燃焼に類似する形態で、燃料ガスＧを燃焼させることができる。
したがって、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合割合を、燃焼用空気Ａが過剰となる状態に設定すること等によって、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる。

また、燃料ガスＧが予混合燃焼に類似する形態で燃焼されるものの、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃焼空間Ｎにて、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを混合させて混合ガスを生成するものであるから、混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも遅くなっても、燃料ガスＧを噴出する噴出体Ｂに付着する火炎を形成する状態で燃焼が行われるものであるため、予混合燃焼に本質的に存在する逆火の危険を回避することができる。

また、混合ガスを被加熱物Ｄとしての鋼塊１に衝突させて、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させるものであるから、燃焼空間Ｎの小型化を図ることができ、しかも、被加熱物Ｄとしての鋼塊１の近傍に火炎Ｆを形成する状態で、混合ガスを燃焼させることができるため、被加熱物Ｄとしての鋼塊１を効率良く加熱でき、加えて、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を一層抑制することが可能となる。小型化できる特徴は、必要に応じて、底面から鋼塊を加熱する際には特に有利な条件になる。

また、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスが、被加熱物Ｄとしての鋼塊１の平坦状の衝突面Ｑに対して直交する方向から衝突して、衝突面Ｑに沿った平面火炎Ｆｔを形成して燃焼することになるから、衝突面Ｑの全体を効率良く加熱し、また、衝突面Ｑを均一に加熱することになるため、被加熱物Ｄとしての鋼塊１の全体を均一に加熱するのに有効となる。

さらに、燃焼空間Ｎが、断熱的な固体壁としての炉体２で囲繞されているから、燃焼空間Ｎの内部を、十分な高温状態にすることができるため、被加熱物Ｄとしての鋼塊１を高温状態に良好に加熱することができる。同時に、不完全燃焼を抑えることができ、不完全燃焼に伴う燃焼損失を抑制できるとともに安全を確保することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の参考の実施形態である第２実施形態を図面に基づいて説明する。
（ガスコンロの全体構成）
図３に示すように、例示するガスコンロは、天板１６の上面に五徳１７を設けて、被加熱物Ｄとしての鍋１８を五徳１７にて載置するように構成されている。
天板１６における五徳１７の内方側部分には、メタンを主成分とする都市ガス等の燃料ガスＧを噴出する燃料噴出体１９が設けられ、燃料噴出体１９の下方には、燃焼用空気Ａの流動を許容する間隙を隔てた状態で皿状の汁受体２０が設けられている。

燃料噴出体１９は、環状に形成されて、その内方側部分には、複数の燃料噴出孔２１が周方向に間隔を隔てて並ぶ状態に形成されている。
燃料噴出体１９に燃料ガスＧを供給する燃料供給路２２には、燃料供給を断続する開閉弁２３及び燃料ガスＧの供給量を調整する燃料調整弁２４が設けられて、燃料噴出体１９から噴出される燃料ガスＧの噴出量を調整できるように構成されている。

ガスコンロの燃焼を制御する燃焼制御部Ｃ２が、燃焼開始、燃焼停止、火力の大きさ等の燃焼指令情報を指令する燃焼設定器２５の指令情報に基づいて、開閉弁２３及び燃料調整弁２４の作動を制御して、燃料噴出体１９から噴出される燃料ガスＧの燃焼状態を制御するように構成されている。

すなわち、燃焼制御部Ｃ２は、燃焼開始が指令されると、燃料ガスＧを燃料噴出体１９から噴出させて、燃焼を開始し、燃焼停止が指令されると、燃料噴出体１９からの燃料ガスの噴出を停止することになり、また、設定された火力の大きさに基づいて、燃料噴出体１９からの燃料ガスＧの噴出量を調整することになる。

この第２実施形態においては、鍋１８の下方側の空間が、燃焼空間Ｎとして機能するものであって、燃料噴出体１９の複数の燃料噴出孔２１から噴出された燃料ガスＧは、互いに衝突しながら上方に向けて流動する形態で、燃焼空間Ｎを流動することになり、この燃焼に伴い発生する高温状態に於ける密度差で炉内に形成される対流により、燃焼用空気Ａが燃料ガスＧの流れに向けて流動する形態で、燃焼用空気Ａが燃焼空間Ｎを流動することになる。

（燃焼制御の詳細）
燃焼制御部Ｃ２は、燃料噴出体１９から噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも速くなる供給条件を満足させる状態で、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎに供給することになり、そして、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速した後に、混合ガスを着火させて火炎Ｆを形成して燃焼させることになる。

ちなみに、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度は、燃焼空間Ｎ内における混合気の濃度（当量比）、温度、及び圧力、並びに混合ガスの流動状態（層流であるか、乱流であるか）等から推算されるが、本条件では常温常圧の層流として問題ない。
そして、噴出体Ｂから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速を、燃焼速度の１．５〜４．５の範囲に定めることが好ましい。

この第２実施形態においては、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを、鍋１８の底部に衝突させることにより、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させて、混合ガスを着火させて燃焼させることになる。
具体的には、上述の如く、燃料噴出体１９から噴出された燃料ガスＧと燃料ガスＧの流れに吸引された燃焼用空気Ａとの混合ガスが、燃焼空間Ｎの内部を上方に向けて流動することになるため、混合ガスの流動する方向が、鍋１８の底面と直交する方向となるように定められるものであるから、鍋１８の底面が、混合ガスが衝突する平坦状の衝突面Ｑとして機能することになる。

そして、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを鍋１８の衝突面Ｑに衝突させるようにして、火炎Ｆとして、衝突面Ｑに沿った平面火炎Ｆｔを形成する状態で、混合ガスを燃焼させるようになっている。

ちなみに、この第２実施形態においては、上記供給条件で燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給する各別供給手段Ｈが、燃料噴出体１９及び燃焼制御部Ｃ２を主要部として構成されることになる。

（第２実施形態の補足説明）
以上の通り、この第２実施形態によれば、燃料ガスＧと酸化剤ガスしての燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎにて混合させたのち、混合ガスを燃焼させるものであるから、予混合燃焼に類似する形態で、燃料ガスＧを燃焼させることができる。
したがって、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合割合を、燃焼用空気Ａが過剰となる状態に設定すること等によって、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる。

また、燃料ガスＧが予混合燃焼に類似する形態で燃焼されるものの、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃焼空間Ｎにて、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを混合させて混合ガスを生成するものであるから、混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも遅くなっても、燃料ガスＧを噴出する燃料噴出体１９に付着する火炎を形成する状態で燃焼が行われるものであるため、予混合燃焼に本質的に存在する逆火の危険を回避することができる。
なお、コンロの場合、正常な状態での燃料ガス噴出速度の低下は小火に絞ったときに起きるが、火炎が燃料噴出体１９に付着し鍋から離れる状態は、焦げ付きを抑えるのに都合がよい。

また、混合ガスを被加熱物Ｄとしての鍋１８に衝突させて、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させるものであるから、燃焼空間Ｎの小型化を図ることができ、しかも、被加熱物Ｄとしての鍋１８の近傍に火炎Ｆを形成する状態で、混合ガスを燃焼させることができるため、被加熱物Ｄとしての鍋１８を効率良く加熱でき、加えて、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を一層抑制することが可能となる。

また、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスが、被加熱物Ｄとしての鍋１８の底部の平坦状の衝突面Ｑに対して直交する方向から衝突して、衝突面Ｑに沿った平面火炎Ｆｔを形成して燃焼することになるから、衝突面Ｑの全体を効率良く加熱し、また、衝突面Ｑを均一に加熱することになるため、被加熱物Ｄとしての鍋１８の全体を均一に加熱するのに有効となる。

尚、この第２実施形態においては、燃焼空間Ｎを流動する燃料ガスＧの流れによる吸引作用や、鍋１８の周囲の燃焼ガスの上昇流Ｅの流れによる吸引作用にて、燃焼用空気Ａを燃焼空間Ｎに供給する場合を例示したが、燃焼用空気Ａを燃焼空間Ｎに強制的に供給する送風手段を設ける形態で実施してもよい。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の参考の実施形態である第３実施形態を図面に基づいて説明する。
（給湯器の全体構成）
図４に示すように、例示する給湯器は、ケーシング２７の内部にフィンチューブ式熱交換器Ｋを備える形態に構成されている。
フィンチューブ式熱交換器Ｋは、伝熱フィン２８ｆが外周部に付設された複数の本体側伝熱管２８を備える本体部と、その本体部に接続された湯水導入及び出湯用の一対の伝熱管２９とを備えており、一対の伝熱管２９の一方から供給された湯水を本体部の本体側伝熱管２８を流動させたのち、一対の伝熱管２９の他方から出湯する形態で湯水を流動させて、一般給湯栓等に給湯するように構成されている。

一対の伝熱管２９が、本体部の下方側箇所に、左右に並ぶ状態で設けられ、ケーシング２７における一対の伝熱管２９を覆う下方部分２７Ａが、伝熱管２９の外周に沿った半円筒状となるように形成されて、被加熱物Ｄとしての一対の伝熱管２９の夫々と下方部分２７Ａとの間に、横断面形状が円弧状の燃焼空間Ｎが形成されている。

フィンチューブ式熱交換器Ｋの両横側部には、メタンを主成分とする都市ガス等の燃料ガスＧと酸化剤ガスとしての燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎに各別に噴出する噴出部Ｍが設けられている。
つまり、一対の伝熱管２９のうちの一方と下方部分２７Ａとの間に形成された燃焼空間Ｎに対して、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に噴出する噴出部Ｍと、一対の伝熱管２９のうちの他方と下方部分２７Ａとの間に形成された燃焼空間Ｎに対して、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に噴出する噴出部Ｍとが設けられている。

噴出部Ｍには、空気噴出孔Ｍａが形成され、その空気噴出孔Ｍａの中央部に、燃料噴出ノズルＭｇが、空気噴出孔Ｍａを貫通する状態で設けられている。

燃焼用空気Ａを送風する送風ブロア３０にて送風される燃焼用空気Ａを案内する空気供給路３１が、噴出部Ｍに接続され、空気供給路３１には、燃焼用空気Ａの供給量を調整する空気調整ダンパ３２が設けられている。
また、噴出部Ｍに燃料ガスＧを供給する燃料供給路２２には、燃料供給を断続する開閉弁３４及び燃料ガスＧの供給量を調整する燃料調整弁３５が設けられている。
しがって、噴出部Ｍから噴出される燃料ガスＧの噴出量や燃焼用空気Ａの噴出量を調整できるように構成されている。

給湯器の燃焼を制御する燃焼制御部Ｃ３が、目標給湯温度等を設定する手動設定部３６の設定情報や一般給湯栓が開かれる等により指令される給湯指令等に基づいて、空気調整ダンパ３２、開閉弁３４及び燃料調整弁３５の作動を制御して、噴出部Ｍから噴出される燃料ガスＧの燃焼状態を制御するように構成されている。

すなわち、燃焼制御部Ｃ３は、燃給湯指令が指令されると、燃料ガスＧ及び燃焼用空気Ａを噴出部Ｍから噴出させて、燃焼を開始し、給湯指令の指令が停止すると、噴出部Ｍからの燃料ガスＧ及び燃焼用空気Ａの噴出を停止することになり、また、設定された目標給湯温度等の情報に基づいて、噴出部Ｍから噴出される燃料ガスＧの噴出量や燃焼用空気Ａの噴出量を調整することになる。

（燃焼制御の詳細）
燃焼制御部Ｃ１は、噴出部Ｍから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも速くなる供給条件を満足させる状態で、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎに供給することになり、そして、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスの流速が燃焼速度以下に減速した後に、混合ガスを着火させて火炎Ｆを形成して燃焼させることになる。

ちなみに、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度は、燃焼空間Ｎ内の温度や圧力、及び、混合ガスの流動状態（層流であるか、乱流であるか）等を考慮して定められることになる。
そして、噴出体Ｂから噴出された燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速を、燃焼速度の１.５〜４．５の範囲に定めることが好ましい。

この第３実施形態においては、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを、伝熱管２９の外周面に接触させることにより、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させて、混合ガスを着火させて燃焼させることになる。
つまり、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスを、伝熱管２９の外周面に接触させるようにして、火炎Ｆとして、伝熱管２９の外周面（表面）に沿った円弧状火炎Ｆｃを形成する状態で、混合ガスを燃焼させるようになっている。

そして、燃焼空間Ｎの燃焼ガスが、フィンチューブ式熱交換器Ｋの本体部に流動して、本体側伝熱管２８を加熱したのちに、外部に排出されるように構成されている。

ちなみに、この第３実施形態においては、上記供給条件で燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給する各別供給手段Ｈが、一対の噴出部Ｍ及び燃焼制御部Ｃ３を主要部として構成されることになる。

（第３実施形態の補足説明）
以上の通り、この第３実施形態によれば、燃料ガスＧと酸化剤ガスしての燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｎにて混合させたのち、混合ガスを燃焼させるものであるから、予混合燃焼に類似する形態で、燃料ガスＧを燃焼させることができる。
したがって、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとの混合割合を、燃焼用空気Ａが過剰となる状態に設定すること等によって、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を抑制することができる。

また、燃料ガスＧが予混合燃焼に類似する形態で燃焼されるものの、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを各別に燃焼空間Ｎに供給して、燃焼空間Ｎにて、燃料ガスＧと燃焼用空気Ａとを混合させて混合ガスを生成するものであるから、混合ガスが燃焼空間Ｎを流動する流速が、燃焼空間Ｎにおける混合ガスの燃焼速度よりも遅くなっても、燃料ガスＧを噴出する噴出部Ｍに付着する火炎を形成する状態で燃焼が行われるものであるため、予混合燃焼に本質的に存在する逆火の危険を回避することができる。

また、混合ガスを伝熱管２９に接触させて、混合ガスの流速を燃焼速度以下に減速させるものであるから、燃焼空間Ｎの小型化を図ることができ、しかも、被加熱物Ｄとしての伝熱管２９の近傍に火炎Ｆを形成する状態で、混合ガスを燃焼させることができるため、被加熱物Ｄとしの伝熱管２９を効率良く加熱でき、加えて、火炎Ｆの温度を低下させて、窒素酸化物の生成を一層抑制することが可能となる。

また、燃焼空間Ｎを流動する混合ガスが、被加熱物Ｄとしての伝熱管２９の外周面（表面）に接触して、伝熱管２９の外周面（表面）に沿った円弧状火炎Ｆｃを形成して燃焼することになるから、伝熱管２９の表面を効率良く加熱し、また、伝熱管２９の大きな範囲を加熱するのに有効となるため、伝熱管２９の全体を効率良く加熱するのに有効となる。
その結果、フィンチューブ熱交換器２８の伝熱面積を小さくできるので、熱交換器全体を小型化できる。

〔別実施形態〕
次に、別実施形態を列記する。
（１）上記第１〜第３実施形態においては、燃料として、都市ガス等の燃料ガスＧ（気体燃料）を用いるようにしたが、先にも示したように、例えば、液体燃料（燃焼空間への導入前に予蒸発させて燃料ガスとして燃焼空間に導入するもの、及び液体のまま燃焼空間に噴霧した後蒸発して燃料ガスとなるもの）も燃料とすることができる。

（２）上記第１〜第３実施形態においては、酸化剤ガスとして、燃焼用空気Ａを用いるようにしたが、例えば、空気に純酸素を加えた酸素富化空気を用いるようにする等、酸化剤ガスとしては、酸素を含有する種々のガスを利用することができる。

（３）本発明の燃焼方法は、上記第１実施形態の連続炉、第２実施形態のガスコンロ、及び、第３実施形態の給湯器に適用する他、種々の燃焼機器に適用できるものである。
例えば、蒸気ボイラに適用できるものであり、この場合、上記第３実施形態における本体側伝熱管２８及び一対の伝熱管２９に相当する蒸気生成用加熱管を上下方向に沿う姿勢で配置する形態で構成してもよい。

２ 固体壁
Ａ 酸化剤ガス
Ｄ 被加熱物
Ｆ 火炎
Ｆｔ 平面火炎
Ｇ 燃料ガス（燃料）
Ｈ 各別供給手段

Claims (4)

1. 燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させる燃焼方法であって、
   前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃料を噴出する燃料噴出ノズルと当該燃料噴出ノズルの周囲の前記酸化剤ガスを噴出する空気噴出孔とから同じ方向に向けて各別に燃焼空間に噴出して、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間にて混合させ、かつ、前記燃料と前記酸化剤ガスとの混合ガスが前記燃焼空間を流動する流速が、前記燃焼空間における前記混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件にて、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間に供給し、
   前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流速が前記燃焼速度以下に減速した後に、前記混合ガスを着火させて火炎を形成して燃焼させ、
   前記燃焼空間を流動する前記混合ガスを、被加熱物に衝突させて、前記混合ガスの流速を前記燃焼速度以下に減速させることを特徴とする燃焼方法。
2. 前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流動方向を、前記被加熱物の平坦状の衝突面と直交する方向に定めて、前記混合ガスを前記衝突面に衝突させるようにして、前記衝突面に沿った平面火炎を形成することを特徴とする請求項１記載の燃焼方法。
3. 前記燃焼空間が、断熱的な固体壁で囲繞されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼方法。
4. 燃料と酸化剤ガスとを混合させたのちに燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃料と前記酸化剤ガスとを各別に燃焼空間に供給する各別供給手段が、前記燃料と前記酸化剤ガスとの混合ガスが前記燃焼空間を流動する流速が、前記燃焼空間における前記混合ガスの燃焼速度よりも速くなるようにする供給条件を満足させる状態で、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃料を噴出する燃料噴出ノズルと当該燃料噴出ノズルの周囲の前記酸化剤ガスを噴出する空気噴出孔とから同じ方向に向けて各別に燃焼空間に噴出して、前記燃料と前記酸化剤ガスとを前記燃焼空間にて混合させるように設けられて、
   前記燃焼空間を流動する前記混合ガスの流速が前記燃焼速度以下に減速した後に、前記混合ガスが着火して火炎を形成して燃焼するように構成され、
   前記燃焼空間を流動する前記混合ガスを、被加熱物に衝突させて、前記混合ガスの流速を前記燃焼速度以下に減速させるように構成されている燃焼装置。

Images