JPH0715324B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、石油強制気化燃焼式燃焼器等に用いられる燃
焼装置に関するものである。

〈従来の技術〉 従来から、この種の石油気化式燃焼装置は、例えば第15
図に示すように、装置10下部一側に１次空気Ａの吸い込
み口12を備えたベンチュリー付混合管11と、このベンチ
ュリー付混合管11の吸い込み口12に近接して設けられ気
化燃料Ｂを前記ベンチュリー付混合管11内に１次空気Ａ
とともに送給する気化器13と、前記ベンチュリー付混合
管11上部に配設されベンチュリー管11内に導入された１
次空気Ａと気化燃料Ｂとの混合ガスＣを均一に混合して
装置上部に供給する整流板14と、この整流板14上面に位
置し前記混合ガスＣの動圧を静圧にするとともに、燃焼
速度が過速されることにより発生する逆火を防止するた
めのバックネット15と、このバックネット15上面で混合
ガスＣの燃焼部となる炎孔金網16とで構成されている。

そして、前記炎孔金網16上面で形成される燃焼火炎中に
図中17で示す熱電対を挿入して、この熱を感知するとと
もに、変換器18によりこの熱を電気信号に変換し、検出
器19により燃焼火炎の検出を行っていた。

〈発明が解決しょうとする課題〉 ところが、前記従来の燃焼装置10においては、その吸い
込み口12から気化燃料Ｂとともに導入される１次空気
Ａ、たとえば室内等に滞留する糸状くず或いは綿状くず
等の塵埃を含んだ空気を利用する場合には、これらの塵
埃等が混合管11内に入り込み次第にバックネット15に絡
みつくようになる。この状態が継続されると、やがてネ
ット15の網目が閉塞されるようになるので炎孔金網16へ
の１次空気Ａの送給量が低下し燃焼に必要な１次空気量
が不足して赤火を伴う異常燃焼をきたし支障となる。ま
た、燃焼部が炎孔金網16で構成されているため、必然的
に炎孔間距離を小さくなりすぎ１次燃焼炎同士が接触し
て燃焼部全体の火炎長を長くさせるため燃焼部の構造を
大きくさせねばならないといった問題があった。

さらに金属製の炎孔金網16では、単位面積当たりの炎孔
開口率が高く全体の燃焼面積が小さいだけでなく、金属
製であるため熱放射効率が低いことから燃焼面の温度が
高くなりすぎ、NOxの発生を助長するといった欠点があ
る。

このため、前記熱電対17を用いて燃焼火炎中の発生熱を
検出するといった手段を用いても好適な燃焼火炎の形成
がむつかしく、また、熱電対17による検出は感度が緩慢
なことから火炎検出時間が長くなり、また、前記異常燃
焼時のような赤火燃焼に対しても、その火炎の変化に鋭
敏な反応を示すものでもないので、この検出、制御手段
の改良が望まれる状況にあった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みなされたもの
で、バーナーをリチア系セラミックスプレートで形成し
て、イオン電流によりバーナの燃焼火炎を検知、制御で
きるようにした新規の燃焼装置を提供することを目的と
している。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、バーナー上方に配設された燃焼火炎監視用電
極と、前記バーナー面に装着された対向電極とからな
り、前記バーナーは基材がリチア系セラミックスプレー
トで形成されており、前記対向電極は燃焼火炎監視用電
極と対向して前記基材に密着されており、かつ、前記燃
焼火炎監視用電極と対向電極間の印加電圧により前記燃
焼火炎監視用電極と前記バーナとの間で前記バーナーの
燃焼火炎レベルに対応するイオン電流を発生させ、この
イオン電流を検知することにより前記バーナーヘッドの
燃焼火炎を制御する手段を備えてなる燃焼装置である。

〈作用〉 本発明は以上の構成にて、リチア系セラミックスプレー
トはアルカリ金属であるリチウム元素を含有しているた
め、特に高温域において他のチタン酸アルミ、コージラ
イト系のセラミックスと異なり比較的高い導電性を示
し、また対向電極はその基材がリチア系セラミックスプ
レートで形成されたバーナーに密着しているため、イオ
ン電流は燃焼火炎火炎電極から火炎を通して直接対向電
極に流れるものの他、火炎を通してセラミックス製のバ
ーナーにも流れ、セラミックスの基材を通して対向電極
に集められ、イオン電流の検知の感度レベルを簡単な構
成で確実に向上させることができ、短時間に炎の変化を
精確に検知することができる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る燃焼装置の平面図、第２図は同燃
焼装置の縦断面図、第３図は同燃焼火炎検出回路図、第
４図は同バーナー部における炎孔形成態様を示す平面
図、第５図は第４図におけるＸ部分の拡大図、第６図は
バーナーの炎孔間距離と火炎抵抗値との関係を示す特性
図、第７〜11図は各々バーナーにおけるプレート厚さ、
炎孔径、炎孔間距離および炎孔数量を変化させた場合の
１次空気量と火炎抵抗との関係を示す特性図、第12図は
強燃焼時における酸素濃度と火炎レベルとの関係を示す
特性図、第13図は弱燃焼時における酸素濃度と火炎レベ
ルとの関係を示す特性図、第14図はバーナー基材となる
セラミックスプレート材料による火炎検知状態図であ
る。

第１〜２図において、本発明に係る燃焼装置１は、混合
管２の下部一側に１次空気Ａの吸い込み口３をそなえ、
この吸い込み口３に近接して気化燃料Ｂを前記混合管２
内に送給する気化器４を設け、前記１次空気Ａと気化燃
料Ｂとの混合ガスＣを混合管２内に導入するようになっ
ている。この混合ガスＣは混合管２上部の混合室20に送
給され、混合室20内に配設された整流板５により拡散さ
れて混合室20上部のセラミックス製プレート状バーナー
６側に送られる。

このセラミックス製プレート状バーナー６は、例えばリ
チア系セラミックスを基材として用いて図示のようにそ
の両端側を耐熱パッキン８を介して押さえ金具10により
押圧され前記混合室20のバーナー受け７上に固定されて
いる。そして、その厚さ方向には第４図、第５図に示す
ような孔径、孔径間距離、孔間距離および孔数を特定さ
れた多数の炎孔61が形成されている。すなわち、本発明
においては、特に発熱量が4000〜1000kcal/hのカロリー
幅を有する石油強制気化式燃焼装置に適用させるため、
この炎孔61の孔径を0.9〜1.5mmφの範囲に設定してい
る。なお、さらにその範囲内でも最適径は1.2〜1.4mmφ
である。

この理由は、炎孔径を0.8mmφ未満とすると、孔径が小
さいため混合ガスＣの燃焼速度が速くなりカルマン渦が
起こり易くなるので、これから、燃焼音は著しく増大
し、時には笛吹音を発生することによる。なお、この孔
径において特に孔数を増やしても常に高周波域の騒音を
呈するのでその効果はみられない。一方、孔径が1.5mm
φを超えると、１次空気Ａを増大させ、この場合にはよ
ほど混合室20のガス圧を均一にしていないと部分的にリ
フティングを起こして未燃焼臭を発生する。また、この
リフティングを解消するために孔数を増やして炎孔負荷
を小さくさせても逆火を起こしやすくなるので不適当で
ある。このように炎孔径を1.5mmφ以上とすると１次空
気Ａ量をシビアに制御しなければならず燃焼安定域が非
常に狭いといえる。

また、本発明において前記炎孔61の各炎孔間距離は0.4
〜0.7mmとする。この炎孔61間距離の設定は燃焼性能上
大きな要素となるものであり、この点について第６図を
参照しながら説明する。

すなわち、第６図は炎孔間距離とフレームセンサーの火
炎抵抗との関係を示したもので、図示のように強燃焼時
と弱燃焼時とに分けてその特性を表している。第２図に
おいて吸い込口３の１次空気Ａの吸い込み量を調整する
ために、図外の１次空気Ａの採取部にダンパーを設け、
その開度を調節できる構造となっている。

このダンパー開度即ち吸い込み口３における一次空気Ａ
の吸い込み量が燃焼に大きな影響を及ぼすため、第６図
〜第11図において横軸にダンパー開度を示している。こ
の図からも判るように、炎孔間距離が0.8mmを超えると
炎孔径を大きくしても炎孔間の板壁が抵抗となって１次
空気Ａの吸引が非常に悪くなつており、この結果１次空
気Ａの不足をきたし火炎抵抗値を増大させている。これ
に対し炎孔間距離が0.4〜0.7mmの範囲では火炎抵抗値が
安定しており、この範囲が最適となる。

また、この数値範囲においては、燃焼性能が向上するだ
けでなく、量産時における加工性（ドリルマシンによる
開孔）もよく、かつセラミックスプレート材料の強度を
低下させるものではないので好適となる。

次に、バーナー６における炎孔61の開孔数量について説
明する。この炎孔61の数量は炎孔負荷としてバーナー６
自体に大きな影響を与えるものであり、また、強燃焼時
或いは弱燃焼時ともに良好な燃焼火炎を形成させるもの
でなければならない。

本発明においては、以下のテスト等に基づき前記炎孔数
量を900〜1100個として設ける。

すなわち、第７〜11図に示すようにバーナー６における
プレート厚さを2.0〜3.0mm、炎孔径を0.9〜1.5mmφ、炎
孔間距離を0.47〜0.59の範囲に設定し、各々これらの試
料に対し750〜1610個の範囲で開孔して、ダンバーの開
閉に伴って送給される１次空気Ａ量とフレームセンサー
における火炎抵抗値との関係を調べてみた。

この結果、炎孔数が1100個を超えた状態ではダンパーを
全開にして１次空気Ａ量を増加させるとガス噴出速度よ
りも燃焼速度の方が速くなって逆火を起こす傾向がみら
れる。これは、炎孔数が多すぎ炎孔負荷が小さくなるこ
とに起因するものと考えられる。一方炎孔数を1100個、
980個、870個と順次減らして反対に炎孔負荷を上げてい
くと弱燃焼のフレーム抵抗値は炎孔負荷に対応しながら
平行移動するが、強燃焼の場合は炎孔数が900位になる
とダンパー開度、つまり１次空気Ａ量の変化に対して追
随しにくくなり炎孔負荷は限界となっている。したがっ
て、この数量よりも炎孔が少なくなると１次空気Ａが不
足し赤火燃焼が起こるようになるので、これから前記90
0個が孔数の下限となる。

さらに本発明においては、上述したバーナー６の上面に
燃焼火炎監視用電極９と、前記バーナー６下面に対向電
極90を設け燃焼火炎を制御させるようにしている。

この燃焼火炎監視用電極９としては、例えば電極棒を用
い、対向電極90としては図示したような金網を用いるこ
とができる。なお、この金網は第２図に示すような整流
板５の上部に固着させるだけでなく、燃焼火炎監視用電
極９と対向しプレート状バーナー６に密着できる位置で
あればどこに設けてもよい。

そして、これらの両電極９、90は第３図に示すマイクロ
コンピュータＭを備えた燃焼火炎検出制御電気回路Ｅと
連係され、電圧を印加されたのち、前記バーナー６ヘッ
ドの燃焼火炎レベルをそのレベルに対応したイオン電流
により検知させ火炎レベルの変化を制御する。すなわ
ち、第３図の回路は、燃焼火炎レベル値に対応するイオ
ン電流が変化するとその都度マイクロコンピュータＭの
入力に読みこまれる電圧が変化することによって火炎レ
ベル値を判別するようになっている。

なお、図中Ｖは電圧電源、R₁〜R₄は抵抗体、FLは燃焼火
炎レベルを示す。第12図は前記燃焼火炎レベルの検出機
能により強燃焼時における酸素濃度と火炎レベルとの関
係を、第13図には弱燃焼時における酸素濃度と火炎レベ
ルとの関係を示す。

このように本発明の装置においては、酸欠状態となって
酸素濃度が減少すると火炎状態の変化とともにイオン電
流の値が変化し、ある火炎レベル値（マイクロコンピュ
ータに入力した値）以上になれば燃焼を停止させる構造
にすることができる。

一般に、石油ファンヒータのように大きなカロリー幅
（本発明では4,000〜1,000Kcal/h）を有し、フレームロ
ッド方式を用いてセラミックバーナで燃焼させる燃焼装
置に於ては、次の条件を満足しなければならない。即
ち、 （１）強及び弱燃焼安定時のフレーム抵抗が出来るだけ
小さくなること。つまり、炎の変化に対してフレームセ
ンサの感度が良くなること。

（２）酸欠時と燃焼安定時とのフレーム抵抗値の間に差
があり、換気警告から失火域までにおいても同様に差が
あることが必要である。そして強燃焼、弱燃焼、換気警
告、失火域におけるフレーム抵抗値のバランスが良好で
あること。

（３）燃焼中は基材の電気伝導率が良いことである。即
ち、直流電圧の印加された対向電極から、密着した基材
を通り、燃焼火炎そして燃焼火炎監視用電極へとフレー
ム電流が流れるからである。

本発明は数多くの実験の結果、前記条件を満足し、さら
に加工性、生産性、生産コストに優れたセラミックとし
てリチア系が適材であることが判明した。換言すれば電
気伝導性の悪い一般セラミック（例えばシュバンクバー
ナに使用するコージライト等）ではフレームロッド方式
が使用できないことが判明した。以下第14図を参照して
説明する。

第14図は前記バーナー６の基材となる耐熱耐衝撃性セラ
ミックス製プレート状材料を変化させた場合における火
炎検知状態図を示したものであるが、これによるとリチ
ア系セラミックスはアルカリ金属であるリチウム元素を
含有することにより、他のセラミックス（チタン酸アル
ミ、コージライト系）と異なり比較的高い電気伝導性を
有し、（特に高温域において）図示のように検知時間15
〜30secにても検知レベルに到達し燃焼を継続すること
が可能となる。しかし、チタン酸アルミ、コージライト
系は検知レベルに到達しなく燃焼の継続が不可能であ
り、したがって、前記バーナー６の基材としてはリチア
系のセラミックスが最適となる。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明の燃焼装置は、リチア系セラミッ
クスプレートはアルカリ金属であるリチウム元素を含有
しているため、特に高温域において他のチタン酸アル
ミ、コージライト系のセラミックスと異なり比較的高い
導電性を示し、また対向電極はその基材がリチア系セラ
ミックスプレートで形成されたバーナーに密着している
ため、イオン電流は燃焼火炎監視用電極から火炎を通し
て直接対向電極に流れるものの他、火炎を通してセラミ
ックス製のバーナーにも流れ、セラミックスの基材を通
して対向電極に集められ、イオン電流の検知の感度レベ
ルを簡単な構成で確実に向上させることができ、短時間
に炎の変化を精確に検知することができるという格別な
効果を奏するものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃焼装置の平面図、第２図は同燃
焼装置の縦断面図、第３図は同燃焼火炎検出回路図、第
４図は同バーナー部における炎孔形成態様を示す平面
図、第５図は第４図におけるＸ部分の拡大図、第６図は
バーナーの炎孔間距離と火炎抵抗値との関係を示す特性
図、第７〜11図は各々バーナーにおけるプレート厚さ、
炎孔数、炎孔間距離および炎孔数量を変化させた場合の
１次空気量と火炎抵抗との関係を示す特性図、第12図は
強燃焼時における酸素濃度と火炎レベルとの関係を示す
特性図、第13図は弱燃焼時における酸素濃度と火炎レベ
ルとの関係を示す特性図、第14図はバーナー基材となる
セラミックスプレート材料による火炎検知状態図、第15
図は従来の燃焼装置を示す縦断面図である。 １…燃焼装置、２…混合管、３…吸い込み口、４…気化
器、５…整流板、６…バーナー、９…燃焼火炎監視用電
極、61…炎孔、90…対向電極、Ｅ…電気回路、FL…火炎
レベル、Ｍ…マイクロコンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナー上方に配設された燃焼火炎監視用
   電極と、前記バーナー面に装着された対向電極とからな
   り、前記バーナーは基材がリチア系セラミックスプレー
   トで形成されており、前記対向電極は燃焼火炎監視用電
   極と対向して前記基材に密着されており、かつ、前記燃
   焼火炎監視用電極と対向電極間の印加電圧により前記燃
   焼火炎監視用電極と前記バーナとの間で前記バーナーの
   燃焼火炎レベルに対応するイオン電流を発生させ、この
   イオン電流を検知することにより前記バーナーヘッドの
   燃焼火炎を制御する手段を備えてなることを特徴とする
   燃焼装置。