JPH10259906A - 表面燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い表面温度で長時間安定して使用できる表
面燃焼バーナをセラミックス系の素材で安価に提供する
こと。 【解決手段】 三次元網目構造のチタン酸アルミニウム
多孔質体で形成されたバーナプレート１０を，バーナケ
ース３０とパンチングメタル３６とによりブランケット
３７とともに挟持し，それらの裏面側から混合ガスが供
給されるようにした。チタン酸アルミニウムの高温特
性，低熱膨張性，低熱伝導性により，高い表面温度で長
時間安定して逆火のおそれなく使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，あらかじめ空気と
混合された燃料ガスを，通気性のある多孔質セラミック
スの表面で燃焼させる表面燃焼バーナに関する。さらに
詳細には，燃焼部分に金属性繊維や触媒を用いたバーナ
並に高い燃焼部の表面温度と耐久性とを得られるように
した表面燃焼バーナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から，例えばセラミック部品等の加
熱のような高温加熱用途では，燃焼部分に金属性繊維を
用いたバーナ（以下，「金属バーナ」という）が用いら
れている。金属バーナでは，金属質のファイバにより形
成されたバーナプレートの表面であらかじめ空気と混合
された燃料ガスを燃焼させるようにしている。そして，
ファイバの材質としてはＣｒ，Ａｌ，Ｙを含有する鉄合
金を用いている。これは，鉄合金が金属系材料としては
比較的に高融点であることを利用して１１００℃程度の
高い表面温度を実現するとともに，表面に燃焼時の高温
域でも強固な不導体皮膜を形成させる元素を添加して耐
久性の向上を図ったものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，前記し
た金属バーナでは，ファイバに使用している鉄合金の繊
維が高価であるために実用上普及しにくいという問題点
があった。これは，添加元素（特にＹ）が高価であり，
また，その合金に他に用途がないため供給が限定される
からである。また，ファイバが金属性であるために，熱
伝導率が高く予混合方式のバーナとして用いる場合には
逆火しやすかったり，さらには重くなりがちであるとい
う問題もあった。金属性繊維の代わりに触媒を用いるも
のもあったが，同様に触媒が高価で実際の普及は困難で
あった。

【０００４】このため，金属性のファイバに代えてアル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やシリカ（ＳｉＯ₂ ）等を主成分とす
るセラミックスのファイバもしくは多孔体を使用する試
みもあった（例．特開昭６２−１１２９０７号公報
等）。しかし従来のセラミックバーナは，燃焼部の表面
温度の点で金属バーナに及ばず，高い燃焼温度を必要と
しない限定された用途にしか使用できなかった。

【０００５】本発明は，従来の技術が有する前記の問題
点を解決するためになされたものである。すなわちその
課題とするところは，表面温度の点で金属バーナに匹敵
しうるとともに安価で軽量な表面燃焼バーナをセラミッ
クス系の素材で提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題の解決を目的と
してなされた本発明は，チタン酸アルミニウム（Ａｌ₂
ＴｉＯ₅）により形成され裏面から表面に連通する多孔
質体のバーナプレートを有し，前記バーナプレートの裏
面側に供給される予混合燃料ガスを表面側で燃焼させる
表面燃焼バーナであることを特徴として特定される。こ
こにおいて，前記バーナプレートを構成する多孔質体
は，三次元網目構造を有するものであることが望まし
い。

【０００７】この表面燃焼バーナでは，バーナプレート
の裏面側に予混合燃料ガスが供給されると，バーナプレ
ートが多孔質体であり裏面と表面とが連通しているため
に，予混合燃料ガスがこれを透過して表面側へ向けて厚
さ方向に移動する。そしてバーナプレートの表面側で予
混合燃料ガスが燃焼し，バーナプレートの表面が高温と
なる。この高温の表面からの熱放射により，対象物が加
熱される。ここにおいて，バーナプレートがチタン酸ア
ルミニウムで形成されていることにより，次のような効
果が得られる。

【０００８】まず，チタン酸アルミニウムが高い耐熱性
を有することから，１１００℃以上の高い表面温度で安
定して燃焼を行うことができる。この温度は，金属バー
ナの燃焼時の表面温度に遜色ないものであり，例えばセ
ラミック部品の加熱等の用途に良好に用いることができ
る。また，チタン酸アルミニウムの熱膨張率が低い（約
１．２×１０^-6／Ｋ）ことから熱衝撃が少なく，そのよ
うな高い表面温度で使用しても耐久性が高く実用上十分
に長い寿命が得られる。さらに，チタン酸アルミニウム
は熱伝導率が低い（約１．２Ｊ／(ｍ・ｓ・Ｋ)）ので，そ
のような高い表面温度で使用しても裏面側の温度はさほ
ど高くなく，逆火のおそれがほとんどないため安全性が
高い。また，チタン酸アルミニウムは鉄合金より密度が
小さいので，その分軽量にできる。

【０００９】チタン酸アルミニウムの特性と他のセラミ
ックスの特性との比較を表１に示す。表１によれば，チ
タン酸アルミニウムの実用表面温度が他のセラミックス
の場合と比較してより高いことが理解できる。例えば他
のセラミックスの一つであるコージェライト（ＳｉＯ₂
＋Ａｌ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ） は，チタン酸アルミニウムと比
較して素材の耐熱性が低いために実用表面温度を上げら
れないのである。ムライト（ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）やア
ルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃） については，素材自体の耐熱性は
チタン酸アルミニウムとあまり変わらず（ムライト），
あるいはむしろ高い（アルミナ）が，熱膨張率が大きい
ため熱衝撃に弱く，このために実用表面温度が低いもの
と考えられる。またこれらは，熱伝導率の点でもチタン
酸アルミニウムより大きく逆火防止の点で不利である。
これらのことから，チタン酸アルミニウムがバーナプレ
ートの材質として優れていることが理解できる。

【００１０】

【表１】

【００１１】かかる優れた特性を奏するバーナプレート
は前記の通り，チタン酸アルミニウムの多孔質体（望ま
しくは三次元網目構造）で形成されている。ここでバー
ナプレートの材質については，必ずしも純粋なチタン酸
アルミニウムであることを要求するものではなく，特性
を失わない範囲内で不純物を含んでいてもよいことはも
ちろんである。また，多孔質体とは，固形体の中に固相
（チタン酸アルミニウム）の他に気孔が多く含まれてお
り，しかもそれらの気孔が裏面から表面まで連通してい
て気体の透過が可能であるものをいう。そして，三次元
網目構造とは，多孔質体の代表的な構造であり，筋状ま
たは面状の固相が三次元に絡み合って全体で気孔（固相
間の隙間）を含む固形体をなしている構造をいう。喩え
ていえばスポンジやフェルトのような構造がこれに該当
する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下，本発明を具体化した実施の
形態について，図面を参照しつつ詳細に説明する。本実
施の形態に係る表面燃焼バーナ１は，図１の断面図に示
すように，バーナプレート１０を中心に構成され，バー
ナケース３０と基板７０とにより外形をなしている。

【００１３】バーナプレート１０は，チタン酸アルミニ
ウムで形成された三次元網目構造の多孔質体であり，そ
の外形は四角形平板状である。このバーナプレート１０
は，前記の説明の通り，気孔部分を通って気体が裏面か
ら表面へ透過できるようになっている。チタン酸アルミ
ニウムをこのような三次元網目構造の多孔質体に形成し
たものは，冶金の分野において，溶融金属の濾過用フィ
ルターとして多く使用されている。このため，汎用品が
安価に安定して供給されているので，これを用いれば好
都合である。図２に，そのような汎用の多孔質チタン酸
アルミニウムの外観を示す。

【００１４】バーナケース３０は，表面燃焼バーナ１の
外形の主要部をなすものであって，バーナプレート１０
が外部に面するように上面に開口部３１が設けられてい
る。また，底面側は開放面であり，基板７０と組み合わ
されて箱体をなすようになっている。そして底面側の各
辺には，基板７０に対し固定するための鍔部３２が設け
られている。このバーナケース３０の材質は，適度な耐
熱性，低熱伝導性，耐食性，および機械的強度を備えた
ものであれば何でもよく，ここでは炭化珪素（ＳｉＣ）
の板材を使用している。

【００１５】基板７０は，バーナケース３０等を支持す
る四角形の台である。基板７０の中央には，円筒形のガ
スポート７１が形成されており，あらかじめ空気と混合
された燃料ガス（以下，「混合ガス」という）Ｇを表面
燃焼バーナ１の内部に導入できるようにされている。

【００１６】この基板７０の上面側には，四角形筒状の
インナーケース３５が固定して設けられている。インナ
ーケース３５の位置およびサイズは，基板７０にバーナ
ケース３０を取り付けた状態でバーナケース３０のすぐ
内側に位置するが接触しないように定められている。そ
してインナーケース３５の内側には，多数の穴が開けら
れ通気性のあるパンチングメタル３６が固定して設けら
れている。このパンチングメタル３６は，バーナプレー
ト１０および後述するブランケット３７をバーナケース
３０との間に通気性を確保しつつ挟持するものである。

【００１７】そして，基板７０とインナーケース３５と
パンチングメタル３６とにより区画される空間内には邪
魔板７３が設けられている。邪魔板７３は，四隅の支柱
７２を介して基板７０に固定されている。この邪魔板７
３自体は通気性を有するものではないが，邪魔板７３は
基板７０に対して四隅の支柱７２で支えられているだけ
なのでその間には十分な隙間がある。したがって，ガス
ポート７１から導入された混合ガスＧは，邪魔板７３を
迂回してパンチングメタル３６へ向かうことができる。
この邪魔板７３は，混合ガスＧの流れを屈曲させて乱流
を生じさせ，空気と燃料ガスとの混合をより均一化させ
る役割を有している。

【００１８】この基板７０等の材質については，必要な
機械的強度を備えていれば何でもよいが，ここでは基板
７０，ガスポート７１，邪魔板７３，支柱７２について
は通常の鋼材を用いている。そして，これらより若干高
温となるインナーケース３５およびパンチングメタル３
６についてはステンレス鋼材を用いている。かかる基板
７０に対して，止め具３８をネジ止めすることによりバ
ーナケース３０の鍔部３２が固定され，表面燃焼バーナ
１の全体形をなしている。

【００１９】このバーナケース３０では，パンチングメ
タル３６とバーナケース３０との間にバーナプレート１
０が挟持されている。より詳細には，パンチングメタル
３６とバーナプレート１０との間にはブランケット３７
が挟持され，バーナプレート１０とバーナケース３０と
の間にはウールキャスト３９が挟持されている。ブラン
ケット３７は，パンチングメタル３６とバーナプレート
１０との直接接触を避けるスペーサであるとともに，混
合ガスＧの流れを整え，バーナプレート１０の裏面の各
部分（厳密には，バーナケース３０の開口部３１に相当
する範囲内の部分）への混合ガスＧの供給を均一化させ
る役割を有している。さらに，バーナプレート１０の表
面側での燃焼熱がガス供給側へ伝わって逆火が起こるの
を防止する役割をも有している。したがってブランケッ
ト３７としては，多孔質体やハニカム構造体等の通気性
のあるものであって熱伝導率の低い材質のものを用い
る。ウールキャスト３９は，バーナプレート１０やブラ
ンケット３７にバーナケース３０から過度の圧縮が掛か
らないようにするための緩衝材であり，可撓性を有して
いる。

【００２０】このように組み立てた状態での表面燃焼バ
ーナ１においては，バーナプレート１０およびブランケ
ット３７は，バーナケース３０とインナーケース３５お
よびパンチングメタル３６によって確実に固定されてい
る。

【００２１】上記の構成を有する表面燃焼バーナ１にお
いて，ガスポート７１から内部に導入された混合ガスＧ
は，支柱７２の隙間を通って邪魔板７３を迂回しその上
方へ進入する。この迂回により混合ガスＧの流れに乱流
が生じて空気と燃料ガスとの混合状況がより均一とな
る。そして混合ガスＧは，パンチングメタル３６の穴を
通ってブランケット３７に進入し，バーナプレート１０
の裏面の各部分に均一に供給される。そしてバーナプレ
ート１０を透過して表面側に出て，そこで燃焼する。

【００２２】ここで，燃焼時におけるバーナプレート１
０の表面温度は，ガスポート７１からのガスインプット
量や燃料ガスの種類などにより変化するが，表面燃焼バ
ーナ１で使用しているバーナプレート１０は特性の優れ
たチタン酸アルミニウムであるため，１１００℃以上の
高い温度で安定して混合ガスＧを燃焼させることができ
る。このため，金属バーナの通常の使用状況での面負荷
を凌ぐ１０００ｋＷ／ｍ²以上２０００ｋＷ／ｍ²程度ま
での高い面負荷で使用することができる。また，ブラン
ケット３７により混合ガスＧの供給が均一化されている
ので，開口部３１内のどの部分でも燃焼状態は均一であ
る。さらに，バーナプレート１０の熱伝導率が低いこと
から，その裏面側，すなわち表面燃焼バーナ１の内部の
温度はさほど高くなく，逆火がおこることはない。

【００２３】

【実施例】上記の表面燃焼バーナ１の性能を説明する。
ここでは，燃料ガスとして都市ガスを用いた場合を例と
して挙げる。このためまず，混合ガスＧの混合比とバー
ナプレート１０の表面温度との関係を，図３のグラフに
示す。このグラフは，横軸に燃料ガス（都市ガス）の供
給量に対する空気の供給量の比（空気比：理想混合比の
場合を１.００としている）を示し，縦軸には面負荷１
４３４ｋＷ／ｍ²の条件で使用した場合の表面温度を示
している。最も燃焼状態のよい理想混合比の場合に１２
００℃を超える高い表面温度が得られている。

【００２４】次に，面負荷とバーナプレート１０の表面
温度との関係を，図４のグラフに示す。このグラフは，
横軸に面負荷（ｋＷ／ｍ²）を示し，縦軸には空気比が
１.０であった場合の表面温度を示している。面負荷を
１０００ｋＷ／ｍ² 以上とすれば１１００℃を超える表
面温度が得られ，さらに面負荷を１５００ｋＷ／ｍ² 程
度とすれば表面温度は１２００℃を超えることが理解で
きる。そして，このような高い表面温度で状態で長時間
にわたる連続運転が可能であった。

【００２５】以上詳細に説明したように，本実施の形態
および実施例に係る表面燃焼バーナ１では，バーナプレ
ート１０の素材として三次元網目構造のチタン酸アルミ
ニウム多孔質体を使用しているので，その最高可能温度
が高く，かつ熱膨張率が低く熱衝撃に強い。このため，
１１００℃以上の高い表面温度で長時間安定して使用す
ることができる優れた表面燃焼バーナが実現されてい
る。また，バーナプレート１０およびブランケット３７
の熱伝導率が低いことから，そのような高い表面温度で
使用してもパンチングメタル３６等はさほど高温にはな
らないので，予混合方式で使用しても逆火のおそれはほ
とんどない。

【００２６】そして，そのバーナプレート１０として
は，溶融金属の濾過用途に多用されており汎用品が供給
されているものをそのまま使用できるので，金属バーナ
や触媒を使用したバーナ等の従来品と比較して著しく安
価に提供できる。

【００２７】さらに，バーナプレート１０の裏面側には
ブランケット３７を備えているので，バーナプレート１
０の各部分に均一に混合ガスＧが供給され，燃焼状態が
均一である。また前記のようにブランケット３７は逆火
防止にも貢献している。また，バーナプレート１０とバ
ーナケース３０との間に可撓性のウールキャスト３９を
介在させているので，バーナプレート１０を破損するこ
となくバーナケース３０を基板７０に確実に固定でき
る。さらに，表面燃焼バーナ１の内部に邪魔板７３を備
えたので，混合ガスＧの流路が湾曲され，空気と燃料ガ
スとがより均一に混合された状態でバーナプレート１０
に供給され，燃焼状態が良好である。さらに，表面燃焼
バーナ１の内部構造部材のうち，インナーケース３５や
パンチングメタル３６についてはステンレス鋼材を用い
たので，使用中にこれらの部材の温度が若干上がってい
ても，その状態での強度や耐食性は十分に確保されてい
る。

【００２８】なお，本発明は前記実施の形態および実施
例に何ら限定されるものではなく，その要旨を逸脱しな
い範囲内で種々の改良，変形が可能であることはもちろ
んである。例えば，表面燃焼バーナ１の具体的な内部構
造，すなわち邪魔板７３やインナーケース３５，ブラン
ケット３７等は，単なる例示であって，本発明を特定す
る必須の要件をなすものではない。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば，メタリックファイババーナに匹敵する高い表面
温度で安定して長時間使用できる表面燃焼バーナが，セ
ラミックス系の素材により安価に提供されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る表面燃焼バーナの構造を説明
する断面図である。

【図２】チタン酸アルミニウムの多孔質であるバーナプ
レートの外観である。

【図３】表面燃焼バーナにおける空気比と表面温度との
関係を示すグラフである。

【図４】表面燃焼バーナにおけるガスインプットと表面
温度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 表面燃焼バーナ １０ バーナプレート

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【手続補正書】

【提出日】平成９年５月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】チタン酸アルミニウムの多孔質であるバーナプ
レートの組織である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 草深 隆道 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦ガス株 式会社総合技術研究所内 (72)発明者 遠藤 孝義 愛知県瀬戸市道泉町70番地 株式会社ナリ タテクノ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン酸アルミニウムにより形成され裏
   面から表面に連通する多孔質体のバーナプレートを有
   し，前記バーナプレートの裏面側に供給される予混合燃
   料ガスを表面側で燃焼させることを特徴とする表面燃焼
   バーナ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する表面燃焼バーナにお
   いて，前記バーナプレートが三次元網目構造を有するこ
   とを特徴とする表面燃焼バーナ。