JP7260365B2 - 予混合燃焼バーナ - Google Patents
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Description
本発明は、ガス燃料と空気を予め混合して噴出する予混合燃焼バーナに関する。
従来、予め燃料と酸素とを最適な比率で混ぜ合わせた予混合気を、火口で燃焼させる予混合燃焼バーナが知られている。予混合燃焼バーナは、燃料に空気を予め混合させていることにより安定した火炎を作れるというメリットがある。一方で、予混合燃焼バーナは、水素ガスなどの燃焼速度の速いガス燃料を燃焼すると、火口の近傍まで火炎が近づくことによって部品の高温化や酸化減肉や溶損が生じたり、逆火が生じたりするという課題がある。なお、逆火とは、火炎が火口からガスの供給側へ戻る現象である。
そこで、特許文献1では、予混合燃焼バーナにおいて逆火を防止する技術が提案されている。特許文献1の予混合燃焼バーナは、基端側と末端側との間で燃料を折り返し流通させる折返部を含む燃料通路と、燃料通路を囲む予混合気通路と、燃料通路を通過した燃料を予混合気通路の基端側から末端側に向けて導入する燃料導入部と、基端側において予混合気通路に空気を供給する空気供給部とを備える。この予混合燃焼バーナでは、燃料通路内に設けた折返部を低温の燃料が通過することによって、燃料通路の外周が冷却される。予混合気通路に進入した火炎は、低温の燃料通路の外周に干渉して消炎される。
特許文献1の予混合燃焼バーナでは、前述の予混合燃焼バーナの課題のうち、逆火を防ぐことができるが、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損については十分に解決されているとはいえない。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、予混合燃焼バーナにおいて、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損を防ぐ技術を提案することにある。
本発明の一態様に係る予混合バーナは、
バーナ軸を中心とする第1周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、前記第1周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、
前記混合部の先端側に設けられ、前記バーナ軸を中心とする第2周壁を有し、前記第2周壁の内周に前記混合領域と連続する予混合気通路が形成され、前記第2周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、
前記混合部の基端側に設けられ、第1ヘッダ室、前記第1ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第2ヘッダ室、及び、前記第2ヘッダ室と前記混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備え、
前記第1周壁の内部に、前記第1ヘッダ室と前記冷却通路の入口とを接続する往路と、前記冷却通路の出口と前記第2ヘッダ室とを接続する復路とが形成されているものである。
バーナ軸を中心とする第1周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、前記第1周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、
前記混合部の先端側に設けられ、前記バーナ軸を中心とする第2周壁を有し、前記第2周壁の内周に前記混合領域と連続する予混合気通路が形成され、前記第2周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、
前記混合部の基端側に設けられ、第1ヘッダ室、前記第1ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第2ヘッダ室、及び、前記第2ヘッダ室と前記混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備え、
前記第1周壁の内部に、前記第1ヘッダ室と前記冷却通路の入口とを接続する往路と、前記冷却通路の出口と前記第2ヘッダ室とを接続する復路とが形成されているものである。
上記構成の予混合燃焼バーナでは、第1ヘッダ室、往路、冷却通路、復路、及び第2ヘッダ室からなる一連の燃料流路が形成されており、この燃料通路を低温のガス燃料が流れる。これにより、ノズル部の周壁、及び、混合部の周壁は、内部を流れる低温のガス燃料との熱交換によって冷却される。
上記構成の予混合燃焼バーナでは、ノズル部の周壁が冷却されており、周壁の表面の高温化が抑制されている。よって、ノズル部の周壁の表面での酸化物スケールの生成が抑制され、ひいては、ノズル部の酸化減肉が抑制される。
上記構成の予混合燃焼バーナでは、ノズル部の冷却により、予混合気通路を通過する予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を抑えることができる。更に、混合部の周壁の冷却によっても予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を更に効果的に抑えることができる。
このように予混合燃焼バーナでは、予混合気の燃焼速度の上昇が抑えられているので、ノズル部を冷却しない場合と比較して、火口から火炎を遠ざけることができる。これによって、ノズル部の高温化が更に抑制されるとともに、火炎によるノズル部の溶損を防ぐことができる。更に、上記構成の予混合燃焼バーナでは、前述の通り燃焼速度の上昇が抑えられることによって、逆火の発生が抑制される。
本発明によれば、予混合燃焼バーナにおいて、火口の近傍まで火炎が近づくことによって生じる部品の高温化や酸化減肉や溶損を防ぐ技術を提案することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る予混合燃焼バーナ1の断面斜視図であり、図2は、図1に示す予混合燃焼バーナ1の断面図である。図3~9は、それぞれ、図2に示す予混合燃焼バーナ1の図番と対応する符号III~IXの断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1は、その中心にバーナ軸Aが規定され、バーナ軸Aの延伸方向が軸方向A1と規定される。軸方向A1は、ガス燃料と空気との予混合気の噴出方向と平行である。予混合燃焼バーナ1は、全体として、バーナ軸Aを軸心とする基端閉塞・先端開放の厚肉円筒状を呈する。
予混合燃焼バーナ1は、ノズル部11と、ノズル部11の基端側にある混合部12と、混合部12の基端側にあるヘッダ部13とを有する。
図1,2,7及び8に示すように、ノズル部11は、バーナ軸Aを中心とする厚肉円筒状を呈する。ノズル部11の内周には、予混合気通路18が形成されている。ノズル部11の先端は、予混合気通路18を軸方向A1に流れた予混合気が噴き出す火口14である。
ノズル部11の第2周壁111の内部には、ガス燃料が通過する冷却通路4が張り巡らされている。冷却通路4は、ノズル部11の基端部に複数の入口41及び出口42を有する。入口41と出口42は、ノズル部11の周方向C1に交互に並ぶ。本実施形態では、4組の入口41及び出口42が交互に周方向に並んでいる。
図9は、ノズル部11の第2周壁111の周方向断面の展開図である。図9に示すように、冷却通路4は、ノズル部11の周方向C1に並ぶ複数の直線部45と、ノズル部11の先端部において隣接する直線部45を接続する折返部46と、ノズル部11の基端部において隣接する直線部45を接続する折返部47とを有する。先端部の折返部46と、基端部の折返部47とは、一連の冷却通路4において交互に設けられている。つまり、冷却通路4は、直線部45、折返部46、直線部45、及び折返部47を順に繰り返す。このような冷却通路4は、軸方向A1に蛇行しながらノズル部11の周方向C1に進む。
図1,2及び6に示すように、混合部12は、バーナ軸Aを中心とする厚肉円筒状を呈する。混合部12の内周側には、ガス燃料と空気とが混合する混合領域15が形成されている。混合領域15と予混合気通路18とは軸方向A1に連続している。
混合部12の第1周壁121には、空気を導入するための複数の空気供給口51が開口している。複数の空気供給口51は、周方向に並んでいる。隣接する空気供給口51の間は、軸方向A1に延びる柱部52となっている。各柱部52内には、軸方向A1に延びる往路53又は復路54が設けられている。往路53は、冷却通路4の入口41と接続される。復路54は、冷却通路4の出口42と接続される。よって、冷却通路4の入口41及び出口42と同様に、往路53及び復路54は交互に周方向に並ぶ。
図1~5に示すように、ヘッダ部13には、第1ヘッダ室61、第1ヘッダ室61へガス燃料を供給する燃料供給口64、第2ヘッダ室62、及び、第2ヘッダ室62と混合領域15を連通する燃料噴射口65が形成されている。第1ヘッダ室61と第2ヘッダ室62とは、軸方向A1に並び、第1ヘッダ室61は第2ヘッダ室62の基端側にある。
第1ヘッダ室61は、燃料供給口64を介してガス燃料供給源と接続されている。第1ヘッダ室61には、燃料供給口64を通じてガス燃料が供給される。また、第1ヘッダ室61には往路接続部53aが設けられている。往路接続部53aは、混合部12の往路53と接続される。これにより、第1ヘッダ室61のガス燃料は、往路接続部53aを介して往路53へ流れ出る。
第2ヘッダ室62には、復路接続部54aが設けられている。復路接続部54aは、混合部12の復路54と接続されている。これにより、第2ヘッダ室62には、復路54からガス燃料が流入する。また、第2ヘッダ室62には、複数の燃料噴射口65が開口している。各燃料噴射口65は、混合領域15へ向かって、軸方向A1と平行に開口している。これにより、第2ヘッダ室62のガス燃料は、燃料噴射口65を通じて予混合気通路18へ軸方向A1に噴出する。
上記構成の予混合燃焼バーナ1において、ガス燃料供給源から圧送されてきたガス燃料は、燃料供給口64を通じて第1ヘッダ室61へ流入する。第1ヘッダ室61に流入したガス燃料は、周方向に並ぶ複数の往路53に分配されて、往路53を軸方向A1に通過して、冷却通路4の入口41に至る。入口41から冷却通路4へ流入したガス燃料は、冷却通路4を通過して、出口42へ至る。冷却通路4を通過する低温のガス燃料によって、ノズル部11の第2周壁111が冷却される。冷却通路4の出口42から出たガス燃料は、復路54を軸方向A1に通過して、第2ヘッダ室62へ流入する。第2ヘッダ室62に流入したガス燃料は、複数の燃料噴射口65を通じて混合領域15へ噴出する。混合領域15では、空気供給口51から導入した空気とガス燃料とが混合して、予混合気が生成される。生成された予混合気は、予混合気通路18を軸方向A1に通過して、火口14から噴出する。
以上に説明したように、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1は、混合部12と、混合部12の先端側に設けられたノズル部11と、ノズル部11の基端側に設けられたヘッダ部13とを備える。混合部12は、バーナ軸Aを中心とする第1周壁121を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域15が形成され、第1周壁121に周方向に並ぶ複数の空気供給口51が開口している。ノズル部11は、バーナ軸Aを中心とする第2周壁111を有し、内周に混合領域15と連続する予混合気通路18が形成され、第2周壁111の内部に冷却通路4が形成されている。ヘッダ部13は、第1ヘッダ室61、第1ヘッダ室61へガス燃料を供給する燃料供給口64、第2ヘッダ室62、及び、第2ヘッダ室62と混合領域15を連通する燃料噴射口65が形成されている。混合部12の第1周壁121の内部に、第1ヘッダ室61と冷却通路4の入口41とを接続する往路53と、冷却通路4の出口42と第2ヘッダ室62とを接続する復路54とが形成されている。
上記構成の予混合燃焼バーナ1では、第1ヘッダ室61、往路53、冷却通路4、復路54、及び第2ヘッダ室62からなる一連の燃料流路が形成されており、この燃料通路を低温のガス燃料が流れる。これにより、ノズル部11の第2周壁111、及び、混合部12の第1周壁121は、内部を流れる低温のガス燃料との熱交換によって冷却される。
ノズル部11の酸化減肉は、高温の予混合気とノズル部11の第2周壁111との接触により第2周壁111の表面に酸化物スケールが生じて、このスケールの割れや剥離により進行する。本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1では、ノズル部11の第2周壁111が冷却されており、第2周壁111の表面の高温化が抑制されている。よって、ノズル部11の第2周壁111の表面での酸化物スケールの生成が抑制され、ひいては、ノズル部11の酸化減肉が抑制される。
ノズル部11が高温となると、予混合気通路18を通る予混合気の温度が高くなって、燃焼速度が速くなる。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1では、ノズル部11の冷却により、予混合気通路18を通過する予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を抑えることができる。更に、混合部12の第1周壁121の冷却によっても予混合気の昇温が抑制されるので、予混合気の燃焼速度の上昇を更に効果的に抑えることができる。
このように予混合燃焼バーナ1では、予混合気の燃焼速度の上昇が抑えられているので、ノズル部11を冷却しない場合と比較して、火口14から火炎を遠ざけることができる。これによって、ノズル部11の高温化が更に抑制されるとともに、火炎によるノズル部11の溶損を防ぐことができる。
予混合気の流速より燃焼速度が速い場合に、逆火が生じる。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1では、前述の通り燃焼速度の上昇が抑えられることによって逆火の発生が抑制される。更に、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1では、ノズル部11の第2周壁111が連続的に冷却されているので、たとえ火炎が火口14を通じて予混合気通路18内に進入したとしても、冷却された第2周壁111に接触して消化される。そのため、予混合燃焼バーナ1では、逆火を確実に防ぐことができる。
水素ガスは、天然ガスよりも燃焼速度が速い。このため、水素ガスを含む燃料を燃焼するバーナは、天然ガスのみを燃料として燃焼するバーナよりも逆火が生じる可能性が高い。これに対し、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1では、前述の通り逆火の発生が抑制されるので、通常のバーナでは使用できない高濃度水素ガスを燃料として使用することが可能となる。
また、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1において、冷却通路4は、ノズル部11の周方向C1に並ぶ複数の直線部45と、ノズル部11の先端部又は基端部において隣接する直線部45を接続する折返部46,47とを有し、軸方向A1に蛇行しながらノズル部11の周方向C1に進むものである。
このように、冷却通路4では、ノズル部11のうち最も高温となる先端部に折返部46が設けられている。折返部46では、ノズル部11の第2周壁111と冷却通路4を流れるガス燃料との衝突が生じるので、より効果的にノズル部11の第2周壁111を冷却することができる。また、冷却通路4は、ノズル部11の第2周壁111の内部を蛇行しており、これにより、第2周壁111にガス燃料をムラなく通過させることができる。よって、第2周壁111の冷却の偏りが生じたり、冷却通路4内でガス燃料の停滞が生じたりすることが抑制される。
また、本実施形態に係る予混合燃焼バーナ1において、混合部12はバーナ軸Aの軸方向A1に延びる複数組の往路53及び復路54を有し、往路53及び復路54が混合部12の周方向に交互に並んでいる。
このように、混合部12の第1周壁121には、冷却通路4に入る前のガス燃料が流れる往路53と、冷却通路4を通過した後のガス燃料が流れる復路54とが、周方向に交互に表れる。これにより、混合部12の第1周壁121を均一に冷却することができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び/又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の冷却通路4の構成は、例えば、以下のように変更することができる。
〔冷却通路4の変形例1〕
図10は、変形例1に係る冷却通路4Aを示す、ノズル部11Aの第2周壁111Aの周方向断面の展開図である。図10に示すように、変形例1に係る冷却通路4Aは、ノズル部11Aの第2周壁111A内を周方向C1に蛇行している。より詳細には、冷却通路4Aは、軸方向A1に延びる導入部81と、ノズル部11の先端部に設けられた折曲部82と、軸方向A1に並ぶ複数の円弧部83と、隣接する円弧部を接続する折返部84とを有する。そして、冷却通路4は、先ず、導入部81及び折曲部82によってノズル部11の先端部へ到達してから、円弧部83と折返部84とを繰り返すことによって、ノズル部11の周方向C1に蛇行しながら軸方向A1へ進む。
図10は、変形例1に係る冷却通路4Aを示す、ノズル部11Aの第2周壁111Aの周方向断面の展開図である。図10に示すように、変形例1に係る冷却通路4Aは、ノズル部11Aの第2周壁111A内を周方向C1に蛇行している。より詳細には、冷却通路4Aは、軸方向A1に延びる導入部81と、ノズル部11の先端部に設けられた折曲部82と、軸方向A1に並ぶ複数の円弧部83と、隣接する円弧部を接続する折返部84とを有する。そして、冷却通路4は、先ず、導入部81及び折曲部82によってノズル部11の先端部へ到達してから、円弧部83と折返部84とを繰り返すことによって、ノズル部11の周方向C1に蛇行しながら軸方向A1へ進む。
このような冷却通路4Aでは、ノズル部11のうち最も高温となる先端部から先にガス燃料が流れるので、ノズル部11の先端部が積極的に冷却される。
〔冷却通路4の変形例2〕
図11は、変形例2に係る冷却通路4Bを示す、ノズル部11Bの第2周壁111Bの周方向断面の展開図である。図11に示すように、変形例2に係る冷却通路4Bは、ノズル部11Bの第2周壁111B内に形成された、筒状又は分割筒状の空間86である。空間86内には、ノズル部11の基端部に設けられた入口41から入ったガス燃料を、ノズル部11の先端部に導く整流板87が適宜位置に設けられている。整流板87は第2周壁111Bを補強するリブとしても機能する。
図11は、変形例2に係る冷却通路4Bを示す、ノズル部11Bの第2周壁111Bの周方向断面の展開図である。図11に示すように、変形例2に係る冷却通路4Bは、ノズル部11Bの第2周壁111B内に形成された、筒状又は分割筒状の空間86である。空間86内には、ノズル部11の基端部に設けられた入口41から入ったガス燃料を、ノズル部11の先端部に導く整流板87が適宜位置に設けられている。整流板87は第2周壁111Bを補強するリブとしても機能する。
このような冷却通路4Bでは、実施形態に係る冷却通路4と比較してガス燃料の流れに幾分かの偏りが生じやすいが、冷却通路4Bの加工が容易である。
1 :予混合燃焼バーナ
4,4A,4B:冷却通路
11,11A,11B:ノズル部
12 :混合部
13 :ヘッダ部
14 :火口
15 :混合領域
18 :予混合気通路
41 :入口
42 :出口
45 :直線部
46 :折返部
47 :折返部
51 :空気供給口
52 :柱部
53 :往路
54 :復路
61 :第1ヘッダ室
62 :第2ヘッダ室
64 :燃料供給口
65 :燃料噴射口
81 :導入部
82 :折曲部
83 :円弧部
84 :折返部
86 :空間
87 :整流板
111,111A,111B:第2周壁
121 :第1周壁
A :バーナ軸
A1 :軸方向
C1 :周方向
4,4A,4B:冷却通路
11,11A,11B:ノズル部
12 :混合部
13 :ヘッダ部
14 :火口
15 :混合領域
18 :予混合気通路
41 :入口
42 :出口
45 :直線部
46 :折返部
47 :折返部
51 :空気供給口
52 :柱部
53 :往路
54 :復路
61 :第1ヘッダ室
62 :第2ヘッダ室
64 :燃料供給口
65 :燃料噴射口
81 :導入部
82 :折曲部
83 :円弧部
84 :折返部
86 :空間
87 :整流板
111,111A,111B:第2周壁
121 :第1周壁
A :バーナ軸
A1 :軸方向
C1 :周方向
Claims (3)
- バーナ軸を中心とする第1周壁を有し、内周にガス燃料と空気とを混合させる混合領域が形成され、前記第1周壁に周方向に並ぶ複数の空気供給口が開口した混合部と、
前記混合部の先端側に設けられ、前記バーナ軸を中心とする第2周壁を有し、前記第2周壁の内周に前記混合領域と連続する予混合気通路が形成され、前記第2周壁の内部に冷却通路が形成されたノズル部と、
前記混合部の基端側に設けられ、第1ヘッダ室、前記第1ヘッダ室へガス燃料を供給する燃料供給口、第2ヘッダ室、及び、前記第2ヘッダ室と前記混合領域を連通する燃料噴射口が形成されたヘッダ部と、を備え、
前記第1周壁の内部に、前記第1ヘッダ室と前記冷却通路の入口とを接続する往路と、前記冷却通路の出口と前記第2ヘッダ室とを接続する復路とが形成されている、
予混合燃焼バーナ。 - 前記冷却通路は、前記ノズル部の周方向に並ぶ複数の直線部と、前記ノズル部の先端部又は基端部において隣接する前記直線部を接続する折返部とを有し、前記バーナ軸の軸方向に蛇行しながら前記ノズル部の周方向に進む、
請求項1に記載の予混合燃焼バーナ。 - 前記混合部は前記バーナ軸の軸方向に延びる複数組の前記往路及び前記復路を有し、前記往路及び前記復路が前記混合部の周方向に交互に並ぶ、
請求項1又は2に記載の予混合燃焼バーナ。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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