JPH1082505A

JPH1082505A - 燃焼装置

Info

Publication number: JPH1082505A
Application number: JP23657196A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Kato; 博久加藤; Mitsuyoshi Nakamoto; 充慶中本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】振動燃焼のない燃焼装置を提供する。【解決手段】炎孔部と燃焼室を有する燃焼部、燃焼部
へ燃焼用空気を供給する送風部、送風部の上流側に設け
た吸気管、燃焼部の下流側に設けた排気管、炎孔部と吸
気管との間に設けた入口反射面、燃焼部と排気管との間
に設けた出口反射面、および前記入口反射面と前記出口
反射面とで形成される音響的な固有振動数を持つ音響空
間を具備し、前記入口反射面および出口反射面の少なく
とも一方に、高さが前記音響的な固有振動数から定まる
波長の約１／４以上で、幅が前記波長の約１／８の断面
略三角形の山を略同心円状または略並列に配列した反射
特性変更装置を設けた燃焼装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼装置の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、産業用および民生用の燃焼装置で
は、その大きさをより小型にすること、燃焼ガスをより
クリーンにするため窒素酸化物（以下ＮＯ_x）や炭化水
素の排出を減少すること、さらには、ターンダーンレシ
オ（燃焼熱量の可変幅）をより拡大することなどが要求
されている。そして、これらの要求を満足するため、高
負荷燃焼や可燃限界近傍で燃焼することが要求されてい
る。その結果、火炎の変動が大きくなり、振動燃焼がし
ばしば発生していた。一方、振動燃焼を防止するため
に、従来、予混合燃焼では、燃料と空気の予混合割合の
調節により火炎を長くしたり、あるいは炎孔面積を大き
くしたりして、燃焼反応を弱くすることにより、振動燃
焼を防止することが行われていた。さらに、燃焼装置内
の流れの抵抗を増加させたり、振動を吸収するために防
振材を挿入したり、あるいは消音器を設置することも行
われてきた。しかしながら、高負荷燃焼や、低ＮＯ_x燃
焼を行う場合、反応時間が短いので火炎は短いほうが良
く、また高負荷燃焼に限ると炎孔面積は小さい方が良い
から、これらの方法と振動燃焼を防止する方法とを両立
させることが難しくなってきた。特に、給排気管の長さ
が変化する強制給排気型の燃焼装置（ＦＦ式燃焼装置）
あるいは煙突を用いる燃焼装置では、これらの長さが変
わると、燃焼装置の持つ音響特性が変わるため、発生す
る振動周波数や振動圧力が変化したり、あるいは振動燃
焼が発生したり発生しない場合があった。そのため振動
燃焼を防止することがいっそう困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の燃焼装置の課題を考慮し、高負荷燃焼や低ＮＯ_x
燃焼などの燃焼装置の高性能化に伴う振動燃焼を防止す
ることを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の燃焼装置は、炎
孔部と燃焼室を有する燃焼部、前記燃焼部へ燃焼用空気
を供給する送風部、前記送風部の上流側に設けた給気
管、前記燃焼部の下流側に設けた排気管、前記炎孔部と
前記給気管との間に設けた入口反射面、前記燃焼部と前
記排気管との間に設けた出口反射面、および前記入口反
射面と前記出口反射面との間の空間で形成される音響的
な固有振動数を持つ音響空間を具備し、前記入口反射面
および出口反射面の少なくとも一方に、高さが前記音響
的な固有振動数から定まる波長の約１／４以上で、幅が
前記波長の約１／８の断面略三角形の山を略同心円状ま
たは略並列に配列した反射特性変更装置を設けたことを
特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明は、前記のように、炎孔部
と給気管との間に設けた入口反射面と、燃焼部と排気管
との間に設けた出口反射面とで、音響的な固有振動数を
持つ音響空間を形成し、この入口反射面および出口反射
面の少なくとも一方に、反射特性変更装置を設けるもの
である。この反射特性変更装置は、高さが前記音響的な
固有振動数から定まる波長の約１／４以上で、幅が前記
波長の約１／８の断面略三角形の山を同心円状または並
列に配列した構成を有する。さらに、前記の音響空間内
部に、必要に応じて前記反射特性変更装置と同様の構成
の補助反射特性変更装置を設ける。

【０００６】レーリーとパットナムは、振動燃焼の発生
条件は、燃焼装置の持つ音響特性と火炎とのフィードバ
ック作用により判断できるとし、燃焼器内部の流体の流
れ方向に対して音響的圧力変動の節と腹の間に火炎があ
る場合に振動燃焼が発生し、圧力変動の腹と節の間に火
炎がある場合には振動燃焼は発生しないことを明らかに
した。ただし、振動条件になっていても、圧力変動が小
さいと、流れ抵抗などの減衰作用により振動燃焼には至
らない場合がある。本発明は、仮に火炎の上流側と下流
側に音響的反射面を形成して圧力変動の定在波が発生す
るように燃焼装置を設計する。そして、音響反射面の形
状を変更することにより、定在波を発生しにくくし、こ
れにより振動燃焼を防止するものである。従って、入口
反射面と出口反射面とは、両者で形成される音響空間の
固有振動数が、給気管および／または排気管の大きさ、
長さ等の変更によって影響を実質上受けないように配置
する。そして、入口反射面および出口反射面の少なくと
も一方に、高さが前記音響的な固有振動数から定まる波
長の約１／４以上で、幅が前記波長の約１／８の断面略
三角形の山を同心円状または並列に配列した反射特性変
更装置を設けることにより、音響空間内の反射波の位相
関係がずれ、定在波が発生しにくくなる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。《実施例１》図１は、本発明による燃焼装置の構成例を
示す。この燃焼装置は、給気管１０１、送風部１０２、
燃焼部１０３、熱交換器１０４、および排気管１０５か
ら構成されている。送風部１０２は、モータケース１０
６、絞り部１０７、モータ２０７で駆動されるファン１
０８、および気化筒１００から構成されている。気化筒
１００は、ヒータ１１０を有し、内部の混合室１２０に
は、モータ２０７で駆動されるロータリ１３０を配し、
燃料供給路１４０の先端が臨ませてある。燃料供給路１
４０から液体状の燃料２４０が混合室１２０に供給さ
れ、回転するロータリ１３０で微粒化され、気化筒１０
０の壁に衝突して気化し、混合室１２０中で燃料２４０
と燃焼用空気２５１が混合され、予混合気２５０とな
る。ロータリ１３０を使用した気化筒１００は流れ抵抗
が小さいため、ファン１０８の能力を小さくでき、騒音
が小さい。また、音響的にも抵抗は小さい。

【０００８】燃焼部１０３は、炎孔部１５０、燃焼板１
６０、および燃焼室１８０からなる。燃焼室１８０は、
炎孔部１５０と燃焼板１６０からなる一次燃焼室１９０
と、二次燃焼室２００および燃焼筒１７０から構成され
る。燃焼部１０３にはリターンヘッダ２１０が連結され
ている。リターンヘッダ２１０の内部には、出口反射面
２２０が置かれ、燃焼室１８０に面している。炎孔部１
５０には多数の炎孔が穿孔され、燃焼板１６０に向かっ
て予混合気が吹き出される。燃焼板１６０には二次空気
孔２３０が設けられている。炎孔部１５０は一次燃焼室
１９０に突出している。炎孔の開口面積は、他の部分に
比べて小さいので閉端面に近づき、音響的に圧力変動の
腹になりやすい。場合によっては閉端面のふるまいをす
ることもある。火炎は、炎孔部より下流に存在するの
で、音響的な腹と節の間に位置し、レイリーとパトナム
の条件により振動しない場所に位置する。燃焼装置の音
響空間は多数の固有振動数を持つが、ほとんどは上記条
件に含まれるので、この場合は振動燃焼しない。しか
し、いくつかの固有振動数（振動モード）では炎孔部が
腹にならず、火炎が節と腹の間に存在し、振動条件に入
ってしまう。

【０００９】送風部１０２において、燃焼用空気２５１
はモータ２７０で駆動されるファン１０８により給気管
１０１から吸入され、入口緩衝室２８０を通って混合室
１２０で燃料と混合される。そして、予混合気２５０と
なり炎孔部１５０に送られる。予混合気２５０は、炎孔
部１５０から燃焼室１８０に流入し、着火すると一次燃
焼室１９０で予混合火炎３１１を形成する。燃焼板１６
０の下流側には多数の二次空気孔２３０が穿孔されてお
り、二次空気孔２３０からは二次空気３００が供給さ
れ、拡散燃焼する二次火炎３１０を形成する。予混合気
２５０は、一次燃焼室１９０、二次燃焼室２００、およ
び一部燃焼筒１７０で完全燃焼した後、燃焼ガス３２０
となる。燃焼ガス３２０は、燃焼筒１７０、リターンヘ
ッダ２１０、連通筒３５０を通って熱交換器１０４へと
流入する。高温となった燃焼ガス３２０は、燃焼筒１７
０、リターンヘッダ２１０、熱交換器１０４を通過する
際に熱交換され、低温となって排気管１０５から給排気
筒を介して大気に放出される。

【００１０】入口緩衝室２８０の燃焼部１０３に向かう
面は、入口反射面３３０となっている。入口緩衝室２８
０の入口である絞り部１０７、リターンヘッダ２１０の
出口である連通筒３５０は、入口反射面３３０、出口反
射面２２０とほぼ垂直、あるいは内部流体の流れ方向が
反対となっており、できるだけその断面積は小さい方が
よい。燃焼室１８０と熱交換器１０４はリターンヘッダ
２１０と連通筒３５０で接続されている。音響的に出口
反射面２２０を閉端にするには連通筒３５０の断面積を
できるだけ小さくする方がよい。しかし、小さくし過ぎ
ると、燃焼ガス３２０の流れ抵抗が大きくなり、送風部
１０２の能力を上げるため騒音が大きくなる。従って、
音響的空間の閉端を満足するように連通筒３５０の断面
積を確保しなければならない。入口緩衝室２８０とファ
ン１０８はファン絞り部２０７を介して接続されてい
る。入口緩衝室２８０の入口には給気管１０１が接続さ
れており、その接続部には絞り部１０７がある。また、
給気管１０１は長さを変えることができる。給気管１０
１は入口緩衝室２８０に対してほぼ直角に位置してい
る。

【００１１】このような燃焼装置において、入口反射面
３３０、出口反射面２２０の形状が適当でないと、例え
ば、反射特性変更装置を置かない図４のような形状であ
ると、振動燃焼が発生する。本発明は、このような場合
に振動燃焼を防止するものである。振動燃焼が発生する
と、燃焼装置内には単一周波数の圧力変動が、また燃焼
室１８０の外には同じ周波数の騒音がそれぞれ検知され
る。図４のように、入口反射面、出口反射面ともに固定
端の場合は、定在波は給気管１０１および排気管１０５
を除いた部分で発生するので、従来のように燃焼装置全
体で振動する場合よりも振動周波数は高く、比較的高周
波の振動が発生する。この場合、入口反射面３３０およ
び出口反射面２２０では圧力変動の極大値が観測され、
両者の間が音響空間となる。この音響空間の全長が５０
０ｍｍの場合、振動周波数は、着火時の燃焼装置の温度
が低い場合には７７０Ｈｚ程度に、また、安定燃焼時に
は８１０Ｈｚまで次第に上昇する。燃焼装置内は複雑な
構造であるため、音響的長さは５００ｍｍより大い。こ
の振動燃焼の発生状況は、給気管１０１および排気管１
０５の長さを５０ｃｍから１０ｍまで変化させても変わ
らない。従って、給気管１０１および排気管１０５の長
さは振動燃焼に影響しないことがわかる。振動燃焼は、
音響空間内部に定在波が存在するため発生する。本燃焼
装置においては、上述のように出口反射面２２０と入口
反射面３３０との間で定在波が存在している。そこで、
定在波を存在できなくすれば、振動燃焼は防止できる。

【００１２】本発明では、これを実現するために、図１
のように、出口反射面２２０及び入口反射面３３０にく
さび状の反射特性変更装置３３５および２２５を設置す
る。これらの反射特性変更装置は、図２または図３に示
されるような構成を有する。図２の反射特性変更装置３
４０は、高さが約λ／４以上、幅が約λ／８の断面略三
角形の山３４１を同心円状に配列したものである。ま
た、図３の（ａ）および（ｂ）に示す反射特性変更装置
３４０ａおよび反射特性変更装置３４０ｂは、高さが約
λ／４以上、幅が約λ／８の断面略三角形の山を並列に
配列したものである。ここで、λは、音響空間内部の固
有振動数をｆとし、音速をｃとしたときに、λ＝ｃ／ｆ
で与えられる。このようにすることで振動燃焼を防止で
きるが、そのメカニズムは以下の通りである。音波が反
射する場合、反射面からλ／４離れた場所でもう一つ反
射面を設けると、経路差がλ／２となるため、圧力の変
動は、もとのに比べ振幅は同一で位相が逆位相となる。
従って、この２つの場所に同じ強さの反射をする反射面
を設置すると、その合成波は０となり、理論上反射波は
存在せず、したがって定在波は発生しない。また、反射
が同じ強さでなくとも定在波の強度が弱くなり、結果的
に振動燃焼に至らなくなる。この反射特性変更装置を設
ける場合、山３４１の高さｈと幅ｗのバランスが崩れる
と、音波の反射が平面波としての性質をおび、平面状の
物を置いたのと同じになってしまう。そうならないため
には、幅を高さの約半分にすればよい。また、高さは上
記理由で、約λ／４以上なければ反射波をなくす作用が
弱く、適切ではない。

【００１３】なお、反射特性変更装置の反射面は、吸音
作用を持つ材質で作ってもよい。その場合は、山形形状
の効果で反射波が弱められるのと、吸音効果とで定在波
がほとんど存在しなくなり、従って振動燃焼が発生しづ
らい。また、反射面は、流れ抵抗を減少させるため、開
口部を有していてもよい。さらに、反射面を形成する山
は、図２のように、同心円状に配列する他、複数を並列
に配列してもよい。ただし、図１の構成においては、反
射面２２０を形成する反射特性変更装置は、山を燃焼ガ
スの流れ方向に配列するのが好ましい。また、山の形状
は、先端および谷部が尖っている必要はなく、図３
（ａ）のように楕円形や、図３（ｂ）のように台形状に
なっていてもよい。さらに、図１中の補助反射面３３１
のように、必要に応じて音響空間内部に別の反射面とし
て、補助反射特性変更装置を設けてもよい。

【００１４】《実施例２》図５は、本発明の燃焼装置の
他の構成例を示す。図１と同じ構成要素には同じ番号を
付し、説明は省略する。本燃焼装置の図１と相違する点
について説明する。二次燃焼室２００と燃焼筒１７０と
の間には開口１７１を有し、二次燃焼室２００が開口１
７１に面している面が出口反射面２２２となっている。
また、気化筒１００には絞り部１１７があり、ここを通
じて燃焼用空気２５１が流入する。混合室１２０に流入
した燃焼用空気は、燃料供給路１４０から供給される燃
料２４０と混合され、炎孔部１５０から燃焼室１８０に
送られる。ここで、燃焼用空気２５１から予混合気２５
０への流れ方向が曲がっており、かつ絞り部１１７があ
るので、燃焼部１０３に対する面が入口反射面３３２と
なっている。この燃焼装置においては、気化筒１００内
の入口反射面３３２と、開口１７１を有する部分の出口
反射面２２２とで音響空間を構成している。そして、こ
れらの反射面にそれぞれ反射特性変更装置３３６、２２
６を設けることによって、入口反射面３３２と出口反射
面２２２との間に定在波が存在できないようにしてい
る。

【００１５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動燃焼
のない燃焼装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における燃焼装置の構成を示
す縦断面図である。

【図２】反射特性変更装置を示し（ａ）は平面図、
（ｂ）は同縦断面図である。

【図３】他の反射特性変更装置を示す断面図である。

【図４】従来例の燃焼装置の構成を示す縦断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例の燃焼装置の構成を示す縦
断面図である。

【図６】図５のＶーＶ’線断面図である。

【符号の説明】

１００気化筒１０１給気管１０２送風部１０３燃焼部１０４熱交換器１０５排気管１０６モータケース１０７、１１７絞り部１０８ファン１１０ヒータ１２０混合室１３０ロータリ１４０燃料供給路１５０炎孔部１６０燃焼板１７０燃焼筒１７１開口１８０燃焼室１９０一次燃焼室２００二次燃焼室２０７ファン絞り部２１０リターンヘッダ２２０、２２２出口反射面２２５、２２６反射特性変更装置２３０二次空気孔２４０液体状燃料２５０予混合気２５１燃焼用空気２７０モータ２８０入口緩衝室３００二次空気３１０二次火炎３１１予混合火炎３２０燃焼ガス３３０、３３２入口反射面３３１補助反射特性変更装置３４０、３４０ａ、３４０ｂ反射特性変更装置３４１山３５０連通筒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炎孔部と燃焼室を有する燃焼部、前記燃
焼部へ燃焼用空気を供給する送風部、前記送風部の上流
側に設けた給気管、前記燃焼部の下流側に設けた排気
管、前記炎孔部と前記給気管との間に設けた入口反射
面、前記燃焼部と前記排気管との間に設けた出口反射
面、および前記入口反射面と前記出口反射面との間の空
間で形成される音響的な固有振動数を持つ音響空間を具
備し、前記入口反射面および出口反射面の少なくとも一
方に、高さが前記音響的な固有振動数から定まる波長の
約１／４以上で、幅が前記波長の約１／８の断面略三角
形の山を略同心円状または略並列に配列した反射特性変
更装置を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】音響空間内部に、前記反射特性変更装置
と同様の断面略三角形の山を略同心円状または略並列に
配列した補助反射特性変更装置を設けた請求項１記載の
燃焼装置。