JPS6316005B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は給湯機器、暖房機器などでフアン等を
用いた強制空気供給の燃焼装置に係り、以下の項
目を満足する燃焼装置を提供することを目的とす
るものである。

(1) 燃焼室負荷が10⁷Kcal／hm³オーダの高負荷
燃焼を実現し、燃焼室の小型化を図る。

(2) 機器への応用の際、使い勝手を向上させるた
め、燃焼量が広範囲で変化しても良好な燃焼の
維持を図る。

(3) 特性の異なる種々の燃料を用いても良好な燃
焼を維持し燃焼装置のユニバーサル化を図る。

(4) 燃焼装置を簡単な構成にするとともにフアン
も含めた燃焼システム全体の小型化を図る。

一般の家庭用燃焼機器において、バーナの炎口
から噴出された予混合気は炎口上に一次炎を形成
し、その下流域に周囲の空気を巻き込んで燃焼す
る二次炎が形成される。一般に炭化水素系燃料で
は二次炎はCOやH₂を多量に含む未燃成分の酸化
過程で、酸素供給はいわゆるエントレメント（周
囲空気巻き込み）と分子拡散によつておこなわれ
るため反応速度も遅く、火炎は後流に向つて伸長
する。一次空気比を増すと反応はほとんど一次炎
で生じるため、二次炎が短かくなる。一次空気を
増して理論空気を越えた燃焼、いわゆる全一次燃
焼では二次炎がほとんど見られなくなるが、反面
振動燃焼を発生し易く、又火炎が炎口に密着する
ため、炎口が加熱されフラツシユバツクを生じる
ことが多い。また燃焼範囲が比較的狭いため、高
精度の予混合空気量の制御が要求される。更に給
湯や暖房においては季節による水温、気温変化、
又負荷（多栓給湯、多室暖房時）変動に対応して
燃焼量を大きく可変することが要求される。即ち
良好な燃焼状態を維持できる最大燃焼量と最小燃
焼量の比、いわゆるTDR（Turn Down Ratio）
と大きくとることが要求される。従つてTDRを
大きく設定すれば、微少流量で高精度の流量制御
が必要になり、装置が複雑で大型化する欠点を有
している。

一方、一次空気量を理論空気量以下に設定する
ブンゼン燃焼では燃焼範囲が広くなつている。従
つて一次及び二次空気量を前記、全一次燃焼ほど
高精度の制御を用いなくても、TDRを大きくす
ることが可能である。しかし、二次炎が大きく伸
長するため、このままの方式では高負荷燃焼を実
現できない。そこでフアン等を用いて強制的に空
気を送り込み、燃焼反応を促進させ短炎化を図つ
て高負荷燃焼を実現させようとする試みが多くな
されてきた。

その一つの従来例として第７図に示す如くバー
ナ１０１の近傍にフアン１０２より供給された二
次空気をガイド板１０３によつて偏向させ火炎に
導入する構成を持つ燃焼装置がある。この場合、
供給空気量を増すとバーナ１０１の炎口基部に空
気が高速で供給され火炎そのものが不安定とな
る。逆に供給量を少なくするとガイド板１０３の
偏向効果が少なくなり大部分が燃焼ガスと平行流
になり、火炎中への供給量が減少し火炎は短かく
ならない。さらにガイド板１０３は高温となるた
め、その材質や耐久性が問題となり、火炎近傍ま
で延長するのが困難となるなど高負荷化には限界
がある。

同様な構成を持つものに第８図に示す他の従来
例がある。これはバーナ１０４の近傍を通過した
二次空気がバツフル１０５によつて偏向され火炎
に供給されるものである。この場合には第７図の
場合より構造が複雑になるとともにバツフル１０
５を含む燃焼室の熱容量が大きくなる。従つて火
炎を冷却して不完全燃焼を生じ易く燃焼範囲が狭
くなる。このため各部の加工寸法条件や供給空気
量制御に制約があり、TDRを大きくとれない。

又第９図に示す他の実施例では水冷された燃焼
室壁１０６に沿つて火炎を形成し、燃焼室の中央
部の二次空気噴出口１０７から火炎に向つて空気
を供給する構成を持つている。この方式は構造が
比較的簡単で高負荷燃焼が実現できる。しかし燃
焼室壁１０６により、火炎が常に冷却されるため
燃焼量を絞つていくと発熱量よりも燃焼室壁１０
６に奪われる熱量が増し、火炎冷却が発生し燃焼
反応が凍結されCOなどの未燃分がそのまま排出
されることがある。従つてTDRは大きく設定で
きない。

更に他の従来例として第１０図に示す燃焼装置
がある。これは燃焼室を形成する内筒１０８内に
炎口板１０９が挿入されており、内筒１０８の外
周には外筒１１０を設け二次空気室１１１を構成
する。ここに供給された二次空気は内筒１０８に
設けられた二次空気噴出口１１２から炎口板１０
９上に形成された火炎に向つて噴出供給され、強
制混合により短炎化を図り、高負荷燃焼を実現し
ようとするものである。この場合火炎が燃焼室の
中央部だけでなく内筒１０８近傍にも形成される
ことになる。従つて内筒１０８が高温になり耐熱
性、耐久性が問題になると同時に二次空気室１１
１内の空気が加熱されて膨張し、二次空気室１１
１内圧が上昇する。よつて必要空気量を二次空気
噴出口１１２を通つて燃焼室内に送り込むために
は、送風圧の大きなフアンが必要となり、フアン
が大型化し、騒音レベルも高くなる欠点を有し、
高負荷化への対応力は十分でない。

以上説明した如く、従来の高負荷を目的とした
燃焼装置にあつては、いずれも高負荷燃焼と
TDRの拡大を同時に満足するものではなかつた。
又燃焼装置が複雑になりフアンも含めた燃焼器全
体としての小型化は十分追究されていなかつた。

本発明は燃焼室壁をフアンと水管によつて構成
し熱交換器としその一部に二次空気噴出口を多段
に設け、二次空気温度の安定化（常温レベル）と
負荷に応じた空気供給を行うことにより、上記従
来欠点を解消するものである。以下本発明の一実
施例について第１図〜第６図に基づいて説明す
る。

第１図〜第２図において、１は燃焼用空気を供
給するフアンであり、その供給口１′は一次空気
通路２と二次空気供給通路の第１通路３、第２通
路４と連通している。それぞれの通路２，３，４
内には空気調整用の可動ダンパー５，６，７を途
中に設けている。第１通路３はその下流部に設け
られた均圧室を兼ねた二次空気室８に連通し、第
２通路は同じく二次空気室９に至つている。二次
空気室８，９は燃焼室１５を形成するフイン、パ
イプ一体化熱交換器部１６に密着しその一部に設
けた二次空気噴出口１０，１１と連通している。

１３はバーナ本体で炎口１４は燃焼室１５に臨
む構成であり、炎口１４の下流の側方に二次空気
噴出口１０，１１と段階的に位置している。バー
ナ本体１３の上流は一次空気通路２が連通し、通
路内には燃料噴射用ノズル１２を設置している。
１７はフイン熱交換器１６の水通路であり、１８
は燃焼室１５の下流に設ける排気出口である。

上述の構成よりなる本発明の燃焼装置における
動作、作用について述べる。フアン１により供給
される燃焼用空気はその一部が一次空気通路２を
通り可動ダンパー５で適切な供給量に調整された
後、途中に設けられた燃料噴射ノズル１２より噴
出された燃料と混合して混合気となり、バーナ本
体１３に送り込まれる。バーナ本体１３に供給さ
れた混合気はさらに混合を促進し整流された後、
炎口１４より均一に燃焼室１５内部に噴出され火
炎を形成する一方、第１通路３及び第２通路を通
つて供給される二次空気は可動ダンパー６，７で
それぞれ適切な供給量に調整された後、二次空気
８，９に入り、二次空気噴出口１０，１１を通つ
て均一に燃焼室１５内に形成される火炎に向つて
噴出する。火炎はこの二次空気噴流のため燃焼室
１５全域に渡つて広がり、フイン熱交換器１６と
熱交換を行つた後、排気出口１８より排出され
る。１７の水通路内の熱媒体は通常、水を用いる
が目的に応じて油、フレオンガスなどの搬送可能
な熱媒体なら問題はない。

次に上記燃焼装置の作用について第３図〜第６
図を用いて説明する。燃焼量が大きい場合には第
３図に示すように第１通路３、第２通路４の途中
に設けられた可動ダンパー６，７を開き上流側及
び下流側の二次空気噴出口１０，１１から二次空
気を燃焼室１５内に形成されている火炎に向つて
噴射させる。ここで前述した如く、二次炎はCO
やH₂などの未燃成分が多量に含まれているが、
この火炎への二次空気噴射による強制空気供給及
び強制混合により酸化反応が著しく促進される。
このように二次炎Ａは第３図に示すように、二次
空気噴流のため燃焼室１５のほぼ全域に広げら
れ、燃焼室１５の空間を十分に利用してその全域
で燃焼反応が行なわれる。従つて燃焼室１５が小
さくても大容量の燃焼が可能となり、燃焼室の負
荷が１〜2Kcal×10⁷／hm³程度を可能となる。又
燃焼室１５内のほぼ全域に広げられた火炎はフイ
ン熱交換器１６で十分に熱交換を行うため、二次
空気室８，９内の二次空気温度上昇を大幅に減少
すると同時に二次空気噴出口１０，１１の温度上
昇も少なく安定した二次空気供給を維持する。従
つて二次空気供給のための送風圧は小さくても可
能でフアン１も小型化となり騒音も小さくなる。

一方この状態のまま絞つていくと、第４図に示
すように二次炎Ｂは二次空気噴出口１０から供給
される二次空気の影響を強く受け、炎口１４に近
接していく。ここで燃焼室負荷とCO濃度の関係
を示した第６図に基づいて説明する。燃焼速度の
小さい燃料や拡散速度の小さい燃料の場合には、
火炎基部への二次空気噴出口１０から二次空気噴
射による急冷却のため燃焼反応による発熱速度と
のバランスが崩れ、燃焼反応の凍結やリフテイン
グを生じる。そのため曲線ａに示したように、低
燃焼室負荷になると急激にCOなどの未燃成分が
発生する。又燃焼速度の大きな燃料では火炎が炎
口１４に密着し曲線ｂの斜線部b′の領域で炎口１
４を赤熱する場合があり、フラツシユバツクを誘
発することがある。しかしながら本発明のように
第１通路３内に設けられた可動ダンパー６を閉じ
て、二次空気室８への空気供給を減少させれば第
５図に示すように、二次炎Ｃは下流側の二次空気
を供給する二次空気噴出口１１に位置まで酸素不
足のため伸長し且つ広がる。この場合、第４図の
時のような火炎基部の急冷がないため、一次炎は
安定した火炎になる。このため二次空気噴出口１
１よりも上流側は安定した高温度領域となるた
め、二次空気による急激な火炎冷却が避けられ、
燃焼速度の小さい燃料や拡散速度の小さい燃料の
時でも燃焼室１５内で広がつた火炎Ｃは安定した
燃焼を継続する。更に燃焼速度の大きな燃料の場
合でも二次炎Ｃは燃焼室１５で大きく広がるた
め、炎口１４から離れこれを加熱する効果は著し
く低下する。従つて前述した炎口１４の赤熱、フ
ラツシユバツク現象を完全に防止できる。このよ
うな条件を満すことによつて、いずれの燃料の場
合でも第６図に示す曲線Ｃの特性を得ることが可
能であり、広い燃焼室負荷の範囲、即ちTDRの
大きな領域で良好燃焼を実現することができる。

以上の説明から明らかのように、本発明の燃焼
装置によれば次の効果が得られる。

(1) 火炎に対して二次空気を噴射し、強制空気供
給と強制混合により燃焼室空間のほぼ全域で燃
焼反応を行い、且つこれを促進して小さな燃焼
室で大容量の燃焼を実現できるので燃焼装置の
小型化を実現する。

(2) 燃焼ガスの流れ方向に互いに独立した複数の
二次空気室を設け、火炎への二次空気供給を大
燃焼量時は全空気噴出口より空気を供給し、小
燃焼時には下流側の空気供給を少なくすること
により、高負荷時燃焼の実現と低負荷時の安定
燃焼を可能としTDR燃焼の制御範囲をより広
くすることができる。

(3) 上記の二次空気供給法の制御と合わせて、燃
焼室内にガイド板やバツフルを設けなくてもよ
いため、燃焼室は簡単な構成となると共に特性
の異なる種々の燃料に対して、いずれも良好な
燃焼を維持でき燃焼装置のユニバーサル化が図
れる。

(4) 燃焼室壁を熱交換部として構成し且つ噴出口
を設けることにより、二次空気室の温度上昇の
防止と空気加熱が減少し、内圧を低下させるこ
とが実現でき、送風圧の小さい小型のフアンが
使用できるため、騒音が小さくなると共に燃焼
器システム全体の小型、軽量化を図ることがで
きる。更にコストメリツトも十分である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼装置の一実施例を示す全
体構成断面図、第２図は同燃焼装置の一断面を示
す斜視図、第３図〜第５図は同燃焼装置により形
成される火炎を説明するための構成断面図、第６
図は同燃焼装置におけるTDR特性の一つを示す
もので、燃焼室負荷に対するCO濃度を示した各
燃焼方式の比較特性図、第７図〜第１０図は従来
の断面図である。 １……フアン、３……第１通路、４……第２通
路、８，９……二次空気室、１０，１１……二次
空気噴出口、１３……バーナ本体、１４……炎
口、１５……燃焼室、１６……フイン・パイプ一
体型熱交換部器、Ａ，Ｂ，Ｃ……二次炎。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼室と燃焼用空気を供給する装置と、前記
   燃焼室内に炎口を臨ませ前記燃焼室の壁をフイン
   とパイプ等の加工にて形成した熱交換器とを有
   し、前記炎口下流側方において前記熱交換器に複
   数の二次空気噴出口を段階的に設けたことを特徴
   とする燃焼装置。