JP7001789B2 - ガス供給用マニホールド - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置の複数のバーナに向けて突設された複数のノズル部を有し、これら複数のノズル部に燃料ガスを分配するガス供給用マニホールドに関する。

給湯器などに搭載の燃焼装置には複数のバーナを有するものがあり、燃料ガスを燃焼させるバーナの数を切り換えることで生成熱量（給湯能力）を変更することが可能である。こうした燃焼装置には、複数のバーナに向けて突設された複数のノズル部を有し、これら複数のノズル部に燃料ガスを分配するガス供給用マニホールドが設置されている。ガス供給用マニホールドのノズル部の先端には、平坦面が形成されており、この平坦面に穿設されたノズル孔からバーナに向けて燃料ガスが噴出するようになっている（例えば、特許文献１）。

このようなガス供給用マニホールドでは、バーナでの消火後に暖かく湿った燃焼排気が逆流することによって結露することがあり、特にノズル部の平坦面で結露してノズル孔が水滴で塞がれてしまう水封が生じると、次回の点火時に燃料ガスが噴出しないことで点火不良を起こす。そこで、ノズル孔を塞ぐ水滴を燃料ガスの圧力で吹き飛ばして水封を突破するために、点火時にノズル部にかける燃料ガスの圧力を、燃焼に必要な燃料ガスの圧力よりも高くすることが行われている。

特開２００４－１９７９７１号公報

しかし、点火時の燃料ガスの圧力が高くなると、ノズル孔から過度の燃料ガスが噴出するため、バーナで爆発的な着火となることによって大きな音が発生することがあるという問題があった。

この発明は従来の技術における上述した課題に対応してなされたものであり、点火時にノズル部にかける燃料ガスの圧力を抑えつつ、ノズル部の水封を突破することが可能なガス供給用マニホールドの提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明のガス供給用マニホールドは次の構成を採用した。すなわち、
燃焼装置の複数のバーナに向けて突設された複数のノズル部を有し、該複数のノズル部に燃料ガスを分配するガス供給用マニホールドにおいて、
前記ノズル部は、先端に平坦面が形成されて、前記バーナに向けて前記燃料ガスが噴出するノズル孔が該平坦面に穿設されており、
前記ノズル部には、前記平坦面の外側に連続する外周面に形成されて、該平坦面の外縁の一部に繋がっており、該平坦面に付着した水滴を該外周面へと導く誘導部が設けられている
ことを特徴とする。

このような本発明のガス供給用マニホールドでは、ノズル部の平坦面に付着した水滴を誘導部で外周面へと導くことにより、平坦面でノズル孔を塞ぐ水滴の量を減らすことができるので、ノズル部にかける燃料ガスの圧力を抑えつつ、燃料ガスの噴出力でノズル部の水封を突破することが可能となる。

上述した本発明のガス供給用マニホールドでは、ノズル部を略水平方向に突設すると共に、平坦面をノズル部の突設方向に対して略垂直に形成することとして、外周面の下端側に形成された誘導部を、平坦面の外縁の下端側の一部と繋げてもよい。

このようにすれば、平坦面に付着した水滴の量が多くなると、重力の作用によって平坦面の水滴が下端側の誘導部に移動することで、外周面へと水滴を導くことができる。

また、上述した本発明のガス供給用マニホールドの誘導部は、ノズル部の径方向に突出した状態で外周面の先端側から後端側に延設された突条であってもよい。

このようにすれば、重力の作用によって平坦面から下端側の突条へと移動した水滴が突条を伝って流れていく。そして、一旦生じた流れが平坦面の水滴を引っ張ることにより、平坦面から外周面へと水滴を導くことができる。

また、前述した本発明のガス供給用マニホールドの誘導部は、ノズル部の外周面に窪んだ状態で外周面の先端側から後端側に延設された溝であってもよい。

このようにすれば、平坦面に付着した水滴が毛細管現象によって溝に浸透しようとするので、平坦面から溝を通じて外周面へと水滴を導くことができる。

給湯器１を例として燃焼装置１０の構成を示した説明図である。 本実施例のマニホールド３０およびバーナ２０の構造を示した説明図である。 第１実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。 ノズル部３１で水封が生じた状態を示した説明図である。 ノズル部３１の先端の形状と、ノズル部３１の水封を突破可能な燃料ガスの圧力との関係を示したグラフである。 ノズル部３１の先端の形状を半球面あるいは円錐面とした例を示す断面図である。 第２実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。 第３実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。

図１は、給湯器１を例として燃焼装置１０の構成を示した説明図である。図示されるように本実施例の燃焼装置１０は、燃焼室１１内に収容された複数（図示した例では１５本）のバーナ２０を有している。また、燃焼室１１には、バーナ２０に向けて突設された複数のノズル部３１に燃料ガスを分配するマニホールド３０や、バーナ２０に下方から燃焼用空気を供給する燃焼ファン１２や、高電圧の放電で火花を飛ばす点火プラグ１３などが設けられている。尚、本実施例のマニホールド３０は、本発明の「ガス供給用マニホールド」に相当している。

マニホールド３０に燃料ガスを供給するガス通路４０には、ガス通路４０を開閉する元弁４１と、元弁４１よりも下流側でマニホールド３０に供給される燃料ガスの流量を調節する比例弁４２とが設けられている。また、図示した例では複数（１５本）のバーナ２０が３つのバーナ群に分けられていることと対応して、比例弁４２よりも下流側でガス通路４０が３つに分岐しており、３本のバーナ２０で構成される第１バーナ群に対応する分岐を開閉する第１切換弁４３ａと、５本のバーナ２０で構成される第２バーナ群に対応する分岐を開閉する第２切換弁４３ｂと、７本のバーナ２０で構成される第３バーナ群に対応する分岐を開閉する第３切換弁４３ｃとを備えている。

燃焼装置１０では、３つの切換弁４３ａ～４３ｃの開閉を制御して何れのバーナ群で燃料ガスを燃焼させるかによって、生成熱量（給湯能力）を切り換えることが可能である。例えば、必要とされる熱量が最小の場合は、第１切換弁４３ａのみを開弁する。一方、必要とされる熱量が最大の場合は、３つの切換弁４３ａ～４３ｃの全てを開弁する。その間の熱量が必要な場合は、３つの切換弁４３ａ～４３ｃの中から適宜に１つ又は２つを選択して開弁する。

燃焼室１１の上方には、熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０の一端には給水通路５１が接続されており、熱交換器５０の他端には給湯通路５２が接続されている。給水通路５１を通じて供給された上水は、熱交換器５０でバーナ２０の燃焼排気との熱交換によって加熱された後、湯となって給湯通路５２に流出する。給水通路５１には、給水通路５１内の水の流れを検知する水流センサ５３が設けられており、給湯器１の使用者が給湯通路５２に設けられたカラン５４を開けるなどして熱交換器５０に水が供給されると、水流センサ５３で水の流れが検知されることによって、バーナ２０で燃焼が開始される。

また、熱交換器５０の上方には、排気口６０が設けられている。バーナ２０の燃焼排気は、燃焼ファン１２の送風によって上方に送られ、熱交換器５０を通過すると、排気口６０から給湯器１の外部に排出される。

図２は、本実施例のマニホールド３０およびバーナ２０の構造を示した説明図である。まず、図２（ａ）には、マニホールド３０をバーナ２０側から見た斜視図が示されている。本実施例のマニホールド３０は、アルミニウム合金を用いてダイカストで形成された板状の本体３２と、板金で形成された蓋板３３とを合わせて構成されている。本体３２には、蓋板３３で覆われる面とは反対側の面からバーナ２０に向けて突出したノズル部３１が、上下一対でバーナ２０と同数組（本実施例では１５組）設けられている。これらノズル部３１の先端には、ノズル孔３１ａが開口している。尚、ノズル部３１の詳細な形状については別図を用いて後述する。また、ノズル部３１の下方には、ガス通路４０の３つの分岐を開閉する前述した３つの切換弁４３ａ～４３ｃが設けられている。

また、本実施例のバーナ２０は、板金で形成された一対の板状部材を合わせて構成され、扁平な形状になっている。このバーナ２０は、上端部に複数の炎口２１が設けられているとともに、マニホールド３０側の端部に上下一対のガス流入口２２が設けられており、一対の板状部材の間に形成された混合通路２３によって、ガス流入口２２と炎口２１とが接続されている。そして、マニホールド３０およびバーナ２０を燃焼装置１０に設置した状態では、マニホールド３０の上下一対のノズル部３１と、バーナ２０の上下一対のガス流入口２２とが向き合うように配置されている。尚、図２（ａ）では、バーナ２０を１つだけ例示したが、上下一対のノズル部３１の各組にバーナ２０が設けられている。

図２（ｂ）には、バーナ２０と平行な面でマニホールド３０を切断した断面図が示されている。マニホールド３０の本体３２と蓋板３３とは、ゴムなどの弾性部材で形成されたパッキン３４を間に介在させることで気密性が保たれ、ネジなどで固定される。こうして合わされた本体３２と蓋板３３との間には、分配通路３５が形成されており、本実施例のマニホールド３０では、前述した３つのバーナ群に対応して３つの分配通路３５が形成されている。各分配通路３５は、ガス流通孔３６を介してガス通路４０と連通しており、前述した３つの切換弁４３ａ～４３ｃが、対応するガス流通孔３６を開閉するようになっている。従って、３つの切換弁４３ａ～４３ｃの開閉を制御することによって、燃料ガスを供給する分配通路３５を切り換えることが可能である。

複数のノズル部３１は分配通路３５と連通しており、切換弁４３を開弁すると、ガス流通孔３６から流入した燃料ガスが分配通路３５を通ってノズル部３１に供給される。ノズル部３１から噴出した燃料ガスは、エジェクタ―効果によって周囲から燃焼用空気を吸い込みながらバーナ２０のガス流入口２２に流入し、混合通路２３を通過する燃料ガスと燃焼用空気とが混合されて、バーナ２０の上端部の炎口２１で混合ガスの燃焼が行われる。

図３は、第１実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。図３（ａ）には、ノズル部３１をバーナ２０側から見た斜視図が示されており、図３（ｂ）には、ノズル部３１の中心軸を含む平面でノズル部３１を切断した断面図が示されている。ノズル部３１は、マニホールド３０が燃焼装置１０に設置された状態で、バーナ２０に向けて略水平方向に突設されており、ノズル部３１の外周面は、先端に向かって外径が小さくなるテーパー形状に形成されている。また、燃料ガスが流れるノズル部３１の内周面も、先端に向かって内径が小さくなるテーパー形状に形成されている。そして、ノズル部３１の先端には、ノズル部３１の突設方向に対して略垂直に平坦面３１ｂが形成されており、この平坦面３１ｂに、ノズル孔３１ａがノズル部３１の突設方向に貫通して設けられている。

本実施例のマニホールド３０の本体３２は、前述したようにダイカストで形成されており、ノズル部３１の外周面および内周面の形状もダイカストで本体３２と一体に形成される。ただし、燃料ガスが噴出するノズル孔３１ａについては、精密さが求められることから、ドリル等による穿孔加工で後から形成される。この場合、ノズル孔３１ａが穿設されるノズル部３１の先端を平坦面３１ｂにしておくことによって、ノズル部３１の先端が球面や円錐面である場合に比べて穿孔加工が容易となり、ノズル孔３１ａの位置ずれを小さくすることができる。

こうしたノズル部３１を有するマニホールド３０では、バーナ２０での消火後に暖かく湿った燃焼排気が熱交換器５０側からマニホールド３０側に逆流してくることによって、結露することがある。特に、ノズル部３１の平坦面３１ｂで結露してノズル孔３１ａが水滴で塞がれてしまう水封が生じると、次回の点火時にノズル孔３１ａから燃料ガスが噴出しないことで、対応するバーナ２０では点火不良となる。

図４は、ノズル部３１で水封が生じた状態を示した説明図である。図では、ノズル部３１の中心軸を含む平面でノズル部３１を切断した断面を表している。ノズル部３１の平坦面３１ｂで結露すると、平坦面３１ｂに付着した水滴が表面張力によって半球状になってノズル孔３１ａを覆うと共に、水滴の一部がノズル孔３１ａに浸透する。

このとき、平坦面３１ｂに付着した水滴の量が僅かであれば、バーナ２０の点火時にノズル孔３１ａから噴出する燃料ガスの噴出力で水滴を吹き飛ばして水封を突破することが可能である。しかし、水滴の量が多くなると、水封を突破し難くなり、平坦面３１ｂの面積が大きいほど、平坦面３１ｂに付着し得る水滴の最大量も多くなるので、水封を突破するには、燃料ガスの噴出力を強くする必要がある。そこで、従来例のマニホールド３０を搭載した燃焼装置１０では、バーナ２０の点火時に比例弁４２の弁開度を大きくしてマニホールド３０に供給する燃料ガスの流量を増やすことにより、ノズル部３１にかける燃料ガスの圧力を高くすることが行われていた。ただし、点火時の燃料ガスの圧力が高くなると、バーナ２０で爆発的な着火となることによって大きな音が発生することがある。

また、ノズル孔３１ａから噴出する燃料ガスの噴出力は、ノズル部３１にかかる燃料ガスの圧力と、ノズル孔３１ａの開口面積とに比例することから、燃料ガスの噴出力を確保するには、ノズル孔３１ａの開口面積が小さいほど、燃料ガスの圧力を高くする必要がある。

図５は、ノズル部３１の先端の形状と、ノズル部３１の水封を突破可能な燃料ガスの圧力との関係を示したグラフである。図５のグラフでは、ノズル部３１における燃料ガスの圧力を横軸に取り、ノズル部３１の平坦面３１ｂの面積をノズル孔３１ａの開口面積で除した面積比の値を縦軸に取って、ノズル孔３１ａの開口面積は固定したまま平坦面３１ｂの面積を異ならせた場合に、平坦面３１ｂの全体を覆う最大量の水滴が付着したノズル部３１で水封の突破に必要な燃料ガスの圧力を実験的に求めた結果が示されている。図中の曲線で示されるように、面積比の値が大きくなると、水封の突破に必要な燃料ガスの圧力が高くなっており、曲線よりも右下方の領域では、最初の加圧で確実に水封を突破できるのに対して、曲線よりも左上方の領域では、水封を突破できない場合があり、加圧を繰り返す（点火処理を繰り返す）必要がある。

例えば、ノズル部３１の平坦面３１ｂの直径が４．５ｍｍで、ノズル孔３１ａの直径が１．０５ｍｍである従来例のマニホールド３０の場合は、面積比の値が１８．４であるため、バーナ２０の点火時に最初の加圧で確実に水封を突破するには、ノズル部３１にかける燃料ガスの圧力を１．１ｋＰａ以上に高く設定する必要があるところ、この圧力では、燃料ガスの過度の供給による爆発的な着火となって大きな音が発生することがある。こうした爆発的な着火は、燃料ガスの圧力を０．８ｋＰａまで抑えることによって防止できることが経験上分かっている。

そこで、第１実施例のマニホールド３０では、ノズル部３１の平坦面３１ｂの面積を、ノズル孔３１ａの開口面積との関係で面積比の値が１０以下となるように、小さく設定している。これにより、燃料ガスの圧力を０．８ｋＰａまで抑えながら、平坦面３１ｂに付着する水滴の最大量を、燃料ガスの噴出力で吹き飛ばすことができる程度にとどめることができる。そのため、バーナ２０で爆発的な着火となることなく、ノズル部３１の水封を突破することが可能となる。

そして、平坦面３１ｂの面積を小さくするほど、平坦面３１ｂに付着する水滴の最大量が減少して水封を突破し易くなることから、実質的に平坦面３１ｂをなくしてノズル孔３１ａの外縁を、図６（ａ）に示すような半球面、あるいは図６（ｂ）に示すような円錐面にしてもよい。この場合は、平坦面３１ｂの全体にノズル孔３１ａが形成されたと捉えることができ、平坦面３１ｂの面積とノズル孔３１ａの開口面積とが一致するので、面積比の値は１となる。こうすれば、ノズル部３１の先端にノズル孔３１ａを覆うように水滴が付着する余地をなくすことができるので、ノズル部３１にかかる燃料ガスの圧力にかかわらず、水封によって燃料ガスの噴出が妨げられること自体を防ぐことができる。

また、図５に示したように、ノズル孔３１ａの開口面積を固定して平坦面３１ｂの面積を異ならせた場合だけでなく、図示は省略するが、反対に平坦面３１ｂの面積を固定してノズル孔３１ａの開口面積を異ならせた場合でも、面積比の値と、ノズル部３１の水封の突破に必要な燃料ガスの圧力との関係には図５と同様の傾向が見られる。そのため、ノズル孔３１ａの開口面積を、平坦面３１ｂの面積との関係で面積比の値が１０以下となるように、大きく設定してもよい。これにより、燃料ガスの圧力を０．８ｋＰａまで抑えながら、平坦面３１ｂに付着した最大量の水滴を吹き飛ばす燃料ガスの噴出力を確保できるので、ノズル部３１の水封を突破することが可能となる。

図７は、第２実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。図では、ノズル部３１をバーナ２０側から見た状態を斜視図で表している。前述した第１実施例と同様に、第２実施例のノズル部３１も、マニホールド３０が燃焼装置１０に設置された状態で、バーナ２０に向けて略水平方向に突設されており、この突設方向に対して略垂直な平坦面３１ｂに、ノズル孔３１ａが形成されている。また、図示されるように第２実施例のノズル部３１の下端側には、円錐面に形成された外周面から突出した状態で母線方向に延びた突条３１ｄが設けられている。この突条３１ｄは、ノズル部３１の先端側の端面３１ｅで平坦面３１ｂと繋がっており、端面３１ｅは平坦面３１ｂと同一平面上に配置されている。

このような第２実施例のノズル部３１では、平坦面３１ｂに付着した水滴の量が多くなると、重力の作用によって平坦面３１ｂから下方の端面３１ｅへと移動した水滴が突条３１ｄを伝って流れていく。そして、一旦生じた流れが平坦面３１ｂの水滴を引っ張ることにより、平坦面３１ｂから水滴がノズル部３１の外周へと導かれる。尚、第２実施例の突条３１ｄは、本発明の「誘導部」に相当している。

このように第２実施例のマニホールド３０では、ノズル部３１に突条３１ｄを設けておき、平坦面３１ｂに付着した水滴を突条３１ｄでノズル部３１の外周へと導くことにより、平坦面３１ｂでノズル孔３１ａを塞ぐ水滴の量を減らすことができるので、点火時にノズル部３１にかける燃料ガスの圧力を抑えつつ、燃料ガスの噴出力でノズル部３１の水封を突破することが可能となる。

図８は、第３実施例のノズル部３１の形状を拡大して示した説明図である。図では、ノズル部３１をバーナ２０側から見た状態を斜視図で表している。前述した第１実施例と同様に、第３実施例のノズル部３１も、マニホールド３０が燃焼装置１０に設置された状態で、バーナ２０に向けて略水平方向に突設されており、この突設方向に対して略垂直な平坦面３１ｂに、ノズル孔３１ａが形成されている。また、図示されるように第３実施例のノズル部３１の下端側には、円錐面に形成された外周面に窪んだ状態で母線方向に延びた溝３１ｇが設けられている。この溝３１ｇは、平坦面３１ｂと繋がっている。

このような第３実施例のノズル部３１では、平坦面３１ｂに付着した水滴が毛細管現象によって溝３１ｇに浸透しようとする。そのため、平坦面３１ｂから水滴が溝３１ｇを通ってノズル部３１の外周へと導かれる。尚、第３実施例の溝３１ｇは、本発明の「誘導部」に相当している。

このように第３実施例のマニホールド３０では、ノズル部３１に溝３１ｇを設けておき、平坦面３１ｂに付着した水滴を溝３１ｇでノズル部３１の外周へと導くことにより、平坦面３１ｂでノズル孔３１ａを塞ぐ水滴の量を減らすことができるので、点火時にノズル部３１にかける燃料ガスの圧力を抑えつつ、燃料ガスの噴出力でノズル部３１の水封を突破することが可能となる。

尚、第３実施例のマニホールド３０では、溝３１ｇをノズル部３１の下端側に設けたが、溝３１ｇを設ける位置はノズル部３１の下端側に限られない。例えば、ノズル部３１の左右何れかに溝３１ｇを設けても、溝３１ｇが平坦面３１ｂと繋がっていれば、平坦面３１ｂの水滴を毛細管現象によって溝３１ｇを通じてノズル部３１の外周に導くことができる。ただし、第３実施例のように溝３１ｇをノズル部３１の下端側に設けておけば、重力の作用も加わるので、溝３１ｇをノズル部３１の左右何れかに設ける場合に比べて、平坦面３１ｂの水滴をノズル部３１の外周に導く効果を高めることができる。

以上、各種実施例のマニホールド３０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。

例えば、前述した第１実施例のように平坦面３１ｂの面積をノズル孔３１ａの開口面積で除した面積比の値が１０以下になるように設定したノズル部３１に、第２実施例の突条３１ｄあるいは第３実施例の溝３１ｇを設けておいてもよい。このようにすれば、前述した第１実施例の効果に加えて、第２実施例あるいは第３実施例の効果も得ることができるので、より確実にノズル部３１の水封を突破することが可能となる。

また、第２実施例では、円錐状に形成したノズル部３１に突条３１ｄを設けていたが、ノズル部３１の形状は円錐状に限定されず、三角錐や四角錐などの角錐状であってもよい。角錐状のノズル部３１の場合は、ノズル部３１の径方向に突出した状態でノズル部３１の先端から後端に向けて延びる稜線が、第２実施例の突条３１ｄに相当し、誘導部として機能する。

また、第３実施例では、円錐状に形成したノズル部３１に溝３１ｇを設けていたが、ノズル部３１の形状は円錐状に限定されず、三角錐や四角錐などの角錐状であってもよい。角錐状のノズル部３１の場合は、角錐の何れかの側面に窪んだ状態でノズル部３１の先端から後端に向けて延びた溝３１ｇを設けておけばよい。

１…給湯器、 １０…燃焼装置、 １１…燃焼室、
１２…燃焼ファン、 １３…点火プラグ、 ２０…バーナ、
２１…炎口、 ２２…ガス流入口、 ２３…混合通路、
３０…マニホールド、 ３１…ノズル部、 ３１ａ…ノズル孔、
３１ｂ…平坦面、 ３１ｄ…突条、 ３１ｅ…端面、
３１ｇ…溝、 ３２…本体、 ３３…蓋板、
３４…パッキン、 ３５…分配通路、 ３６…ガス流通孔、
４０…ガス通路、 ４１…元弁、 ４２…比例弁、
４３…切換弁、 ５０…熱交換器、 ５１…給水通路、
５２…給湯通路、 ５３…水流センサ、 ５４…カラン、
６０…排気口。

Claims (4)

1. 燃焼装置の複数のバーナに向けて突設された複数のノズル部を有し、該複数のノズル部に燃料ガスを分配するガス供給用マニホールドにおいて、
   前記ノズル部は、先端に平坦面が形成されて、前記バーナに向けて前記燃料ガスが噴出するノズル孔が該平坦面に穿設されており、
   前記ノズル部には、前記平坦面の外側に連続する外周面に形成されて、該平坦面の外縁の一部に繋がっており、該平坦面に付着した水滴を該外周面へと導く誘導部が設けられている
   ことを特徴とするガス供給用マニホールド。
2. 請求項１に記載のガス供給用マニホールドにおいて、
   前記ノズル部は略水平方向に突設されると共に、前記平坦面は前記ノズル部の突設方向に対して略垂直に形成されており、
   前記誘導部は、前記外周面の下端側に形成されて、前記平坦面の外縁の下端側の一部と繋がっている
   ことを特徴とするガス供給用マニホールド。
3. 請求項２に記載のガス供給用マニホールドにおいて、
   前記誘導部は、前記ノズル部の径方向に突出した状態で前記外周面の先端側から後端側に延設された突条である
   ことを特徴とするガス供給用マニホールド。
4. 請求項１または請求項２に記載のガス供給用マニホールドにおいて、
   前記誘導部は、前記ノズル部の前記外周面に窪んだ状態で該外周面の先端側から後端側に延設された溝である
   ことを特徴とするガス供給用マニホールド。

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