KR101462096B1

KR101462096B1 - 연소기

Info

Publication number: KR101462096B1
Application number: KR1020117015345A
Authority: KR
Inventors: 소이치로 가토; 다쿠 미즈타니; 가츠요시 다카하시
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2014-11-17
Also published as: US20110244409A1; BRPI0923233A2; EP2372240A1; EP2372240A4; RU2011127542A; TWI465675B; RU2482394C2; WO2010067596A1; CN102245968A; CA2746361C; KR20110096565A; TW201033546A; CA2746361A1; CN102245968B

Abstract

연료(G1)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 연료를 분출 가능한 연료 유로(10)와, 공기(G2)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 공기를 분출 가능한 공기 유로(20)와, 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역(R)을 가짐과 아울러 연소에 의해 생긴 연소 가스의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로(30)를 구비하고, 연소 가스의 열에 의해 연료 유로 내부의 연료 및 공기 유로 내부의 공기를 가열함과 아울러, 연료 유로로부터 분출되는 연료와 공기 유로로부터 분출되는 공기를 배기 가스 유로에서 혼합하여 혼합기로 한다.

Description

연소기{Combustor}

본 발명은, 제1 배관으로부터 분출된 연료와 제2 배관으로부터 분출된 산화제가 혼합된 혼합기를 연소시킴과 아울러 이 연소에 의해 생긴 연소 가스의 열을 상기 제3 배관을 통해 상기 산화제에 전열(傳熱)함으로써 연소용 가스의 가열을 행하는 연소기에 관한 것이다. 본원은 2008년 12월 10일에 일본 출원된 일본특허출원 2008-314691호 및 2008년 12월 15일에 일본 출원된 일본특허출원 2008-318537호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래부터 소형화가 가능한 연소기로서, 제1 배관으로부터 소염 거리 이하의 개구부를 통해 분출된 연소용 가스(연료와 산화제가 혼합된 혼합기)를 제2 배관 내부의 연소 영역에서 연소시키는 연소기가 알려져 있다.

이러한 연소기에 의하면, 소염 거리 이하가 된 개구부에 의해 제1 배관에 화염이 전파하는 것이 방지되고, 또한 적당한 연소용 가스의 공급을 행함으로써 제2 배관 내부의 매우 좁은 연소 영역에서 연소용 가스를 안정하게 연소시킬 수 있다.

이러한 연소기로서는, 연소용 가스의 보다 안정된 연소, 연소기의 더욱 소형화 및 에너지 효율의 향상을 목적으로 하여, 연소용 가스의 연소에 의해 생긴 연소 가스의 열을 제1 배관을 통해 연소용 가스에 전열하여 연소용 가스를 연소 전에 가열하는 연소기가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).

특허문헌 1: 일본 공개특허 2004-156862호 공보

그러나, 연소용 가스는 상술한 바와 같이 연료와 산화제가 미리 혼합되어 있기 때문에, 자착화(自着火) 온도 이상으로 가열되면 자연 발화한다. 이 때문에, 연소 가스의 열을 연소용 가스에 전열하는 연소기에서는, 연소 가스로부터 연소용 가스로 전열되는 열을 제한하기 위해, 열교환 경로의 거리가 제한되거나, 열교환 경로의 재질이 제한되거나, 또는 연소 에너지의 제한 등이 생겨, 연소기의 설계 자유도가 저감된다.

또한, 연소 가스의 열을 효율적으로 연소용 가스에 공급하기 위해, 연소용 가스의 유로가 되는 배관은 열전도율이 높은 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.

그러나, 열전도율이 높은 재료는 내열성이 낮다. 이 때문에, 상기 배관을 열전도율이 높은 재료에 의해 형성한 경우에는, 연소 영역 근방의 고온 환경에 노출되는 상기 배관의 영역이 산화 취약에 의해 열화되어 연소기의 수명이 짧아진다.

한편, 상기 배관을 내열성이 높은 재료에 의해 형성하는 경우도 생각할 수 있다. 그러나, 내열성이 높은 재료는 열전도율이 낮기 때문에, 연소 가스의 열을 효율적으로 연소용 가스에 전열할 수 없게 되어 연소용 가스의 가열이 불충분해질 가능성이 있다.

본 발명은 상술하는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 연소 가스의 열에 의해 혼합기를 가열하는 소형화 가능한 연소기에 있어서, 혼합기의 자착화를 방지함과 아울러 연소기의 설계 자유도를 향상시키는 것 및 연소용 가스를 충분히 가열 가능하게 함과 아울러 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 이하의 구성을 채용한다.

제1 발명은, 연료의 유로임과 아울러 자신의 외부로 상기 연료를 분출 가능한 연료 유로; 산화제의 유로임과 아울러 자신의 외부로 상기 산화제를 분출 가능한 산화제 유로; 상기 연료와 상기 산화제가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역을 가짐과 아울러 연소에 의해 생긴 연소 가스의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로;를 구비하는 연소기에 관한 것이다. 그리고, 제1 발명은, 상기 연소 가스의 열에 의해 상기 연료 유로 내부의 상기 연료 및 상기 산화제 유로 내부의 상기 산화제 중 적어도 어느 하나를 가열함과 아울러, 상기 연료 유로로부터 분출되는 상기 연료와 상기 산화제 유로로부터 분출되는 산화제를 상기 배기 가스 유로에서 혼합하여 상기 혼합기로 하고 있다.

제2 발명은, 상기 제1 발명에 있어서, 일단이 폐색단으로 된 제1 배관; 제1 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제2 배관; 제2 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제3 배관;을 구비한다. 그리고, 제2 발명은, 상기 제1 배관의 내부가 상기 연료 유로 및 상기 산화제 유로의 한쪽이 되고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이의 공간이 상기 연료 유로 및 상기 산화제 유로의 다른 쪽이 되며, 상기 제2 배관과 상기 제3 배관 사이의 공간이 상기 배기 가스 유로로 되어 있다.

제3 발명은, 상기 제2 발명에 있어서, 상기 제1 배관이 분출공을 구비하고, 상기 제2 배관이 상기 제1 배관의 상기 분출공에 대해 관통 방향에서 겹쳐서 형성되는 분출공을 구비한다.

제4 발명은, 상기 제3 발명에 있어서, 상기 제2 배관의 상기 분출공의 개구 면적이 상기 제1 배관의 상기 분출공의 개구 면적보다도 넓다.

제5 발명은, 상기 제3 발명에 있어서, 상기 제1 배관의 상기 폐색단이 상기 제2 배관의 상기 폐색단에 접합되고, 상기 제1 배관의 상기 분출공과 상기 제2 배관의 상기 분출공의 위치 관계가 어긋나지 않도록 상기 제1 배관의 열 신축을 흡수하는 흡수 수단을 구비한다.

제6 발명은, 상기 제2 발명에 있어서, 상기 제1 배관의 상기 폐색단이 상기 제2 배관의 상기 폐색단보다 상기 제3 배관의 상기 폐색단측에 위치하도록 상기 제1 배관이 상기 제2 배관으로부터 돌출되고, 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관이 분출공을 구비하며, 상기 제1 배관의 상기 분출공이 상기 제2 배관의 상기 폐색단보다도 상기 제1 배관의 상기 폐색단측에 형성되어 있다.

제7 발명은, 상기 제6 발명에 있어서, 상기 제1 배관의 둘레면(周面)과 상기 제2 배관의 상기 폐색단의 경계 영역에 적어도 이산(離散)적으로 간극이 형성되어 있다.

제8 발명은, 상기 제1 내지 제6 발명에 있어서, 상기 제2 배관이, 형성 재료의 산화 부식 온도 이하의 환경에 노출됨과 아울러 상대적으로 열전도율이 높고 상대적으로 내열성이 낮은 전열 영역; 전열 영역의 상기 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출됨과 아울러 상기 전열 영역과 비교하여 상대적으로 내열성이 높은 내열 영역;을 구비한다.

제9 발명은, 상기 제8 발명에 있어서, 상기 내열 영역이, 제2 배관의 표면에 실시되는 코팅에 의해 상대적으로 높은 내열성을 가진다.

제10 발명은, 상기 제8 발명에 있어서, 상기 내열 영역이, 상기 전열 영역의 상기 형성 재료보다도 내열성이 높은 재료에 의해 형성되어 있다.

제12 발명은, 상기 제8 내지 제10 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 전열 영역을 구비하는 제1 부재와, 상기 내열 영역을 가지는 제2 부재가 별체(別體)로 형성되고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 접합되어 상기 제2 배관이 구성되어 있다.

본 발명에 의하면, 연료의 유로임과 아울러 연료를 분출 가능한 연료 유로와, 산화제의 유로임과 아울러 산화제를 분출 가능한 산화제 유로가 별체로 마련되어 있다. 그 때문에, 연료 유로로부터 분출된 연료와 산화제 유로로부터 분출된 산화제가, 연소 영역을 구비하는 배기 가스 유로에서 혼합된다. 또한, 연소 가스의 열에 의해, 혼합되기 전의 연료 혹은 산화제가 가열된다.

그리고, 본 발명에 의하면, 연료 유로 및 산화제 유로에서 혼합기가 존재하지 않기 때문에, 연료 유로 및 산화제 유로에서 혼합기가 자착화하지 않는다. 또한, 연료 혹은 산화제는, 통상, 혼합되지 않는 한은 자착화하지 않는다. 이 때문에, 연료 유로 및 산화제 유로에서 화염이 형성되는 일이 없다.

따라서, 연소 가스로부터 연료 및 산화제로의 열의 다소에 관계없이, 연소 영역을 구비하는 배기 가스 유로 이외에서 연소가 생기는 것을 방지할 수 있고, 혼합기의 자착화를 방지할 수 있다. 이 때문에, 열 교환 경로의 거리가 제한되거나, 열 교환 경로의 재질이 제한되거나, 또는 연소 에너지의 제한 등이 생기지 않는다.

따라서, 본 발명에 의하면, 연소 가스의 열에 의해 혼합기를 가열하는 소형화 가능한 연소기에 있어서, 혼합기의 자착화가 방지됨과 아울러 연소기의 설계 자유도가 향상된다.

또한, 본 발명에 의하면, 내관(2)의 전열 영역에서 연소 가스의 열이 연소용 가스에 전열됨으로써 연소용 가스를 가열할 수 있다. 또한, 내관(2)의 내열 영역에서는 연소 가스의 열에 의해 내관(2)이 산화 취약하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 연소 가스의 열을 연소용 가스에 전열하여 가열하는 연소기에 있어서, 연소용 가스가 충분히 가열될 수 있음과 아울러 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태에서의 연소기의 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시형태에서의 연소기의 개략 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시형태에서의 연소기가 구비하는 내관의 분해 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 연소기의 일실시형태에 대해 설명한다.

또, 이하의 도면에서 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다.

(제1 실시형태)

도 1 및 도 2는 본 실시형태의 연소기(100)의 개략 구성을 모식적으로 도시한 도면으로, 도 1이 사시도, 도 2가 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연소기(100)는 동심원형상으로 배치된 제1 배관(1), 제2 배관(2), 제3 배관(3)을 구비한 이른바 삼중관 구조를 가지고 있다.

제1 배관(1)은 일단이 폐색단(1a)으로 된 원통형상을 가지고 있고, 내열성을 가지는 금속 재료에 의해 형성되어 있다.

그리고, 상기 제1 배관(1)의 폐색단(1a) 근방의 둘레면에는 복수의 관통공이 형성되어 있다. 그리고, 상기 관통공은 제1 배관(1) 내부의 유체를 제1 배관(1)의 외부로 분출하는 분출공(1b)으로 되어 있다.

제2 배관(2)은 제1 배관(1)을 둘러쌈과 아울러 제1 배관(1)의 폐색단(1a)측의 일단이 폐색단(2a)으로 된 원통형상을 가지고, 제1 배관(1)과 마찬가지로 내열성을 가지는 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 또, 제2 배관(2)의 폐색단(2a)과 제1 배관(1)의 폐색단(1a)은 이격하여 배치되어 있다.

그리고, 상기 제2 배관(2)의 폐색단(2a) 근방의 둘레면에는 복수의 관통공이 형성되어 있다. 그리고, 상기 관통공은 제2 배관(2) 내부의 유체를 제2 배관(2)의 외부로 분출하는 분출공(2b)으로 되어 있다.

또한, 제2 배관(2)의 분출공(2b)은 제1 배관(1)의 분출공(1b)에 대해 관통 방향에서 겹치도록 형성되고, 제1 배관(1)의 분출공(1b)과 동수 설치되어 있다. 또, 본 실시형태에 있어서 제2 배관(2)의 분출공(2b)의 개구 면적은 제1 배관(1)의 분출공(1b)의 개구 면적보다도 넓게 설정되어 있다.

제3 배관(3)은 제2 배관(2)을 둘러쌈과 아울러 제2 배관(2)의 폐색단(2a)측의 일단이 폐색단(3a)으로 된 원통형상을 가지며, 제1 배관(1) 및 제2 배관(2)과 마찬가지로 내열성을 가지는 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 또, 제3 배관(3)의 폐색단(3a)과 제2 배관(2)의 폐색단(2a)은 이격하여 배치되어 있다.

그리고, 본 실시형태의 연소기(100)에 있어서, 제1 배관(1)의 내부가 연료(G1)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 연료(G1)를 분출 가능한 연료 유로(10)로 되어 있다.

이 연료 유로(10)는, 폐색단(1a)과 반대쪽으로부터 제1 배관(1)의 내부에 공급된 연료(G1)를 폐색단(1a)측에 도출함과 아울러 분출공(1b)을 통해 연료를 자신의 외부로 분출한다.

또, 연료(G1)로서는, 예를 들면 메탄 가스나 프로판 가스 등을 이용할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 연소기(100)에서는, 제1 배관(1)과 제2 배관(2) 사이의 공간이, 공기(G2)(산화제)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 공기(G2)를 분출 가능한 공기 유로(20)(산화제 유로)로 되어 있다.

이 공기 유로(20)는, 폐색단(2a)과 반대쪽으로부터 제1 배관(1)과 제2 배관(2) 사이에 공급된 공기(G2)를 폐색단(2a)측에 도출함과 아울러 분출공(2b)을 통해 공기(G2)를 자신의 외부로 분출한다.

또한, 본 실시형태의 연소기(100)에서는, 제2 배관(2)과 제3 배관(3) 사이의 공간이, 연료(G1)와 공기(G2)가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역(R)을 가짐과 아울러 연소에 의해 생긴 연소 가스(G3)의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로(30)로 되어 있다.

이 배기 가스 유로(30)는, 연소 영역(R)에서 혼합기가 연소됨으로써 생긴 연소 가스(G3)를 폐색단(3a)과 반대쪽에 도출하여 자신의 외부로 배출한다.

다음에, 상기 구성의 본 실시형태의 연소기(100)의 동작에 대해 설명한다.

또, 이하의 설명에서는, 도시하지 않은 착화 장치에 의해 이미 혼합기로의 착화가 행해지고, 배기 가스 유로(30) 내의 연소 영역(R)에서 혼합기가 연소되어 있는 상태로서 설명한다.

연소 영역(R)에서 혼합기가 연소되고 있으면, 혼합기의 연소에 의해 생긴 고온의 연소 가스(G3)가 배기 가스 유로(30)를 폐색단(3a)과 반대쪽으로 도출된다.

이 때, 연소 가스(G3)의 열이 제2 배관(2)을 통해 공기 유로(20)를 흐르는 공기(G2)에 전열됨으로써 공기(G2)를 가열한다. 또, 연소 가스(G3)가 제1 배관(1)을 통해 연료 유로(10)를 흐르는 연료(G1)에 전열됨으로써 연료(G1)를 가열한다. 특히, 연소 가스(G3)와 제2 배관(2)만을 사이에 두고 흐르는 공기(G2)에 많은 열이 전열되어 공기(G2)가 가열된다.

연료(G1)는, 연료 유로(10)를 폐색단(1a)으로 향하여 흐르는 동안에 상술한 바와 같이 가열되고, 제1 배관(1)에 형성된 분출공(1b)으로부터 연료 유로(10)의 외부로 분출된다. 여기서, 제1 배관(1)에 형성된 분출공(1b)과 제2 배관(2)에 형성된 관통공(2b)은 관통 방향에서 겹쳐 있다. 이 때문에, 연료(G1)는 제1 배관(1)에 형성된 분출공(1b)으로부터 분출된 후, 제2 배관(2)에 형성된 분출공(2b)을 통해 배기 가스 유로(30)에 공급된다.

한편, 공기(G2)는 공기 유로(20)를 폐색단(2a)으로 향하여 흐르는 사이에서 상술한 바와 같이 가열되고, 제2 배관(2)에 형성된 분출공(2b)으로부터 공기 유로(20)의 외부, 즉 배기 가스 유로(30)로 분출된다.

여기서, 연료(G1)와 공기(G2)는 모두 자신이 흐르는 유로(연료 유로(10) 및 공기 유로(20))의 유로 면적보다도 매우 작은 개구인 분출공(1b, 2b)을 통해 분출된다. 그 때문에, 분출공(1b, 2b)으로부터 분출될 때에 빠른 유속으로 난류(亂流) 상태로 분출된다.

따라서, 분출공(1b)으로부터 분출된 연료(G1)와 분출공(2b)으로부터 분출된 공기(G2)는 배기 가스 유로(30)에 공급되는 과정에서 급속하게 혼합되어 고온의 혼합기가 되어 배기 가스 유로(30)의 연소 영역(R)에 공급된다.

그리고, 연소 영역(R)에 공급된 연료(G1)와 공기(G2)는 미리 연소 영역(R)에 존재하는 화염에 닿음으로써 연소한다.

즉, 본 실시형태의 연소기(100)는, 연료(G1)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 연료(G1)를 분출 가능한 연료 유로(10), 공기(G2)의 유로임과 아울러 자신의 외부로 공기(G2)를 분출 가능한 공기 유로(20), 연료(G1)와 공기(G2)가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역(R)을 가진다. 또, 본 실시형태의 연소기(100)는 상기 연소에 의해 생긴 연소 가스(G3)의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로(30)를 구비한다.

그리고, 본 실시형태의 연소기(100)는, 연소 가스(G3)의 열에 의해 연료 유로(10) 내부의 연료(G1) 및 공기 유로(20) 내부의 공기(G2)를 가열한다. 또, 본 실시형태의 연소기(100)는, 연료 유로(10)로부터 분출되는 연료(G1)와 공기 유로(20)로부터 분출되는 공기(G2)를 배기 가스 유로(30)에서 혼합하여 혼합기로 한다.

상기 구성의 연소기(100)에 의하면, 연료(G1)의 유로임과 아울러 연료(G1)를 분출 가능한 연료 유로(10)와 공기(G2)의 유로임과 아울러 공기(G2)를 분출 가능한 공기 유로(20)가 별체로 마련되어 있다. 그리고, 상기 구성의 실시형태의 연소기(100)에서는, 연료 유로(10)로부터 분출된 연료(G1)와 공기 유로(20)로부터 분출된 공기(G2)가 연소 영역(G)을 구비하는 배기 가스 유로(30)에서 혼합된다. 또한, 연소 가스(G3)의 열에 의해 혼합되기 전의 연료(G1) 및 공기(G2)가 가열된다.

그리고, 본 실시형태의 연소기(100)에 의하면, 연료 유로(10) 및 공기 유로(20)에서 혼합기가 존재하지 않기 때문에, 연료 유로(10) 및 공기 유로(20)에서 혼합기가 자착화하는 현상은 일어나지 않는다. 또한, 연료(G1) 혹은 공기(G2)는 통상 혼합되지 않는 한은 자착화하지 않는다. 이 때문에, 연료 유로(10) 및 공기 유로(20)에서 화염이 형성되지 않는다.

따라서, 연소 가스(G3)로부터 연료(G1) 및 공기(G2)로의 열의 다소에 관계없이 연소 영역(R)을 구비하는 배기 가스 유로(30) 이외에서의 연소가 생기는 것을 방지할 수 있고, 혼합기의 자착화를 방지할 수 있다. 이 때문에, 열 교환 경로의 거리가 제한되지 않는다. 또한, 열 교환 경로의 재질이 제한되지 않는다. 또, 연소 에너지의 제한 등이 생기지 않는다. 예를 들면, 연소 영역(R)에 다량의 혼합기를 공급함으로써 다량의 연소 에너지가 생겨 연소기(100)의 출력이 향상된다.

따라서, 본 실시형태의 연소기(100)에 의하면, 연소 가스의 열에 의해 혼합기를 가열하는 소형화 가능한 연소기에 있어서 혼합기의 자착화를 방지할 수 있다. 또, 본 실시형태의 연소기(100)에 의하면, 연소기의 설계 자유도가 향상된다.

또한, 본 실시형태의 연소기(100)에서는, 제2 배관(2)의 분출공(2b)의 개구 면적은 제1 배관(1)의 분출공(1b)의 개구 면적보다도 넓게 설정되어 있다.

이 때문에, 제1 배관(1)과 제2 배관(2)의 위치 관계가 열 신축에 의해 변화한 경우도, 제1 배관(1)의 분출공(1b)과 제2 배관(2)의 분출공(2b)을 관통 방향으로 항상 겹쳐 두는 것이 가능하게 된다.

또, 제1 배관(1)과 제2 배관(2)은 주로 연장 방향으로 열 신축한다. 이 때문에, 예를 들면 제2 배관(2)의 분출공(2b)의 형상을, 상기 연장 방향으로 긴 장공으로 함으로써, 불필요하게 제2 배관(2)의 분출공(2b)의 개구 면적이 증대하는 것을 방지할 수 있다.

(제2 실시형태)

다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 대해 설명한다. 또, 본 제2 실시형태의 설명에 있어서, 상기 제1 실시형태와 마찬가지 부분에 대해서는 그 설명을 생략 혹은 간략화한다.

도 3은 본 실시형태의 연소기(200)의 개략 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연소기(200)는 제1 배관(1)의 분출공(1b)에 이젝터 노즐(4)이 설치되어 있다.

상기 구성을 가지는 본 실시형태의 연소기(200)에 의하면, 연료(G1)와 공기(G2) 중에서 유량이 큰 한쪽의 유체가 작동 유체가 되어 다른 쪽의 유체를 흡입하면서 배기 가스 유로(30)에 공급된다.

이 때문에, 연료(G1)와 공기(G2)의 혼합이 보다 촉진되어, 연소 영역(R)에서의 혼합기의 보다 안정된 연소를 실현할 수 있다.

(제3 실시형태)

다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 대해 설명한다. 또, 본 제3 실시형태의 설명에서도, 상기 제1 실시형태와 마찬가지 부분에 대해서는 그 설명을 생략 혹은 간략화한다.

도 4는 본 실시형태의 연소기(300)의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연소기(300)는 제1 배관(1)의 폐색단(1a)이 제2 배관(2)의 폐색단(2a)보다 제3 배관(3)의 폐색단(3a)측에 위치하도록 제1 배관(1)이 제2 배관(2)으로부터 돌출되어 있다.

또, 제1 배관(1)의 분출공(1b)이 제2 배관(2)의 폐색단(2a)보다도 제1 배관(1)의 폐색단(1a)측에 형성되어 있다.

상기 구성을 가지는 본 실시형태의 연소기(300)에 의하면, 연료 유로(10)로부터 분출되는 연료(G1)와 공기 유로(20)로부터 분출되는 공기(G2)를 완전히 다른 경로로 배기 가스 유로(30)에 공급할 수 있다.

이 때문에, 보다 확실히 배기 가스 유로(30) 이외의 영역에서 혼합기가 존재하는 것을 방지할 수 있고, 배기 가스 유로(30) 이외에서 연소가 생기는 것을 보다 확실히 방지할 수 있다.

또, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 배관(1)의 둘레면과 제2 배관(2)의 폐색단(2a)의 경계 영역에 적어도 이산적으로 간극(S)을 형성함으로써, 간극(S)을 통해 제2 배관(2)의 폐색단(2a)과 제3 배관(3)의 폐색단(3a) 사이의 공간에 공기(G2)가 공급되어도 된다.

상기 구성에 의하면, 제2 배관(2)의 폐색단(2a)과 제3 배관(3)의 폐색단(3a) 사이의 공간에 혼합기가 생긴다. 이 때문에, 예를 들면 제2 배관(2)의 폐색단(2a)과 제3 배관(3)의 폐색단(3a) 사이의 공간에서 혼합기에 대한 착화를 행하는 것이 가능하게 된다.

(제4 실시형태)

다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 대해 설명한다. 또, 본 제4 실시형태의 설명에서도, 상기 제1 실시형태와 마찬가지 부분에 대해서는 그 설명을 생략 혹은 간략화한다.

도 6은 본 실시형태의 연소기(400)의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연소기(400)는 제1 배관(1)의 폐색단(1a)이 제2 배관(2)의 폐색단(2a)에 접합되어 있다. 또, 제1 배관(1)의 분출공(1b)과 제2 배관(2)의 분출공(2b)의 위치 관계가 어긋나지 않도록 제1 배관(1)의 열 신축을 흡수하는 흡수부(401)(흡수 수단)가 제1 배관(1)의 도중 부위 및 제2 배관(2)의 도중 부위에 마련되어 있다. 흡수부(401)는, 예를 들면 내열성의 가요성 부재에 의해 구성된다.

상기 구성을 가지는 본 실시형태에서는, 제1 배관(1) 및 제2 배관(2)이 열 신축하는 경우에도, 제1 배관(1)의 폐색단(1a)이 제2 배관(2)의 폐색단(2a)에 접합된다. 또, 흡수부(401)에 의해 제1 배관(1) 및 제2 배관(2)의 열 신축이 흡수되기 때문에, 제1 배관(1)의 분출공(1b)과 제2 배관(2)의 분출공(2b)을 관통 방향으로 항상 겹쳐 두는 것이 가능하게 된다.

(제5 실시형태)

다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 대해 설명한다. 도 7은 본 실시형태의 연소기(500)의 개략 구성을 모식적으로 도시한 단면도이다.

또, 본 실시형태에 있어서, 제1 배관(101), 제2 배관(102), 제3 배관(103), 폐색단(101a, 102a 및 103a), 분출공(101b 및 102b)의 구조 및 위치 관계는 상기 제1 실시형태의 제1 배관(1), 제2 배관(2), 제3 배관(3), 폐색단(1a, 2a 및 3a), 분출공(1b 및 2b)과 각각 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.

이 실시형태의 연소기(500)에서는, 제2 배관(102)의 분출공(102b)이 제2 배관(102)의 둘레면에 형성되어 있기 때문에, 분출공(102b)으로부터 분출된 연료(G1)와 공기(G2)의 혼합기는 제3 배관(103)의 내벽면과 충돌하여 유속이 저하된다. 이 결과, 유속이 저하되는 영역, 즉 제3 배관(103)의 내벽면 근방에서 안정하게 연소 영역(R)이 형성된다.

또한, 연소 영역(R)에서 혼합기가 연소되어 생성된 연소 가스(G3)는, 도 7의 화살표로 도시된 바와 같이 제3 배관(103)의 일단측에 흐름과 아울러 혼합기의 제3 배관(103)에의 충돌의 반발력에 의해 제2 배관(102)의 외벽면으로 향한다.

이러한 혼합기 및 연소 가스(G3)의 흐름의 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 배관(102) 중, 연소 영역(R)의 하류측이며 연소 영역(R)에 가까운 영역(A1)이 상대적으로 고온 환경에 노출되는 영역이 된다. 그리고, 제2 배관(102)은 영역(A1)보다도 연소 가스(G3)의 배출 방향에서의 하류로 향함에 따라 상대적으로 저온 환경에 노출된다. 또, 제2 배관의 영역(A1)보다도 연소 가스(G3)의 배출 방향에서의 상류측의 영역은 제2 배관의 분출공(102b)으로부터 분출되는 혼합기에 의해 냉각되기 때문에, 영역(A1)에 대해 저온 환경에 노출된다.

그리고, 본 실시형태의 연소기(500)에서는, 제2 배관(102)이 노출되는 온도 분포를 미리 실측 혹은 시뮬레이션에 의해 취득한다. 그리고, 제2 배관(102)이 상대적으로 열전도율이 높고 상대적으로 내열성이 낮은 전열 영역(210)과, 전열 영역(210)과 비교하여 상대적으로 내열성이 높은 내열 영역(220)으로 나누어진다.

구체적으로, 본 실시형태에서는, 전열 영역(210)은, 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이하의 온도 환경에 노출되는 영역이 된다. 또한, 내열 영역(220)은 상기 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 온도 환경에 노출되는 영역이 된다.

즉, 본 실시형태의 연소기(500)에 있어서, 제2 배관(102)은, 형성 재료의 산화 부식 온도 이하의 환경에 노출된다. 그리고, 제2 배관(102)은 상대적으로 열전도율이 높고 상대적으로 내열성이 낮은 전열 영역(210)과, 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출됨과 아울러 전열 영역(210)과 비교하여 상대적으로 내열성이 높은 내열 영역(220)을 구비한다. 이 내열 영역(220)은, 상술한 상대적으로 높은 온도 환경에 노출되는 제2 배관(102)의 영역(A1)을 반드시 포함한다.

또, 본 실시형태의 연소기(500)에 있어서, 제2 배관(102)의 영역(A1)보다도 연소 가스(G3)의 배출 방향에서의 상류측의 영역은 상기 전열 영역(210)과 마찬가지 재료에 의해 형성되어 있다. 즉, 본 실시형태의 연소기(500)에서는, 제2 배관(102)의 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출되는 영역만이 내열 영역(220)이 된다.

그리고, 본 실시형태의 연소기(500)에 있어서, 내열 영역(220)은 도 7에 도시된 바와 같이 제2 배관(102)의 표면에 실시되는 코팅(104)에 의해 상대적으로 높은 내열성을 가진다.

또, 제2 배관(102)의 형성 재료로서는 탄소강이나 스테인레스강(예를 들면, SUS321, SUS304)을 이용할 수 있다. 또한, 코팅(104)의 형성 재료로서는 세라믹스를 이용할 수 있다.

예를 들면, 제2 배관(102)의 형성 재료로서 스테인레스강, 코팅(104)의 형성 재료로서 세라믹스를 이용하는 경우에는, 전열 영역(210)이 스테인레스강으로만 형성되고, 내열 영역(220)이 스테인레스강과 세라믹스층의 2층 구조가 된다.

상기 구성을 가지는 본 실시형태의 연소기(500)에서는, 제2 배관에 공기(G2)가 공급되면, 공기(G2)는 제2 배관(102)을 흐르는 과정에서 제2 배관(102)의 외측을 흐르는 연소 가스(G3)의 열이 제2 배관을 통해 전열함으로써 가열된다. 그리고, 가열된 공기와 연료(G1)를 포함하는 혼합기는 제2 배관(102)의 분출공(102b)으로부터 제2 배관(102)과 제3 배관(103) 사이의 공간에 분출되고, 연소 영역(R)에서 연소된다.

연소 영역(R)에서 혼합기가 연소됨으로써 연소 가스(G3)가 생성된다. 그리고, 연소 가스(G3)는 제3 배관(103)의 내부를 통과하여 외부로 배출된다. 여기서, 본 실시형태의 연소기(500)에서는, 제2 배관(102)이, 형성 재료의 산화 부식 온도 이하의 환경에 노출된다. 그리고, 제2 배관(102)은 상대적으로 열전도율이 높고 상대적으로 내열성이 낮은 전열 영역(210)과, 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출됨과 아울러 전열 영역(210)과 비교하여 상대적으로 내열성이 높은 내열 영역(220)을 구비하고 있다. 이 때문에, 내열 영역(220)에서 제2 배관(102)의 산화 취약이 방지된다. 또, 전열 영역(210)에서 연소 가스(G3)의 열을 공기(G2)에 전열할 수 있다. 또, 제1 배관을 통해, 가열된 공기(G2)의 열을 연료(G1)에 전열할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태의 연소기(500)에 의하면, 제2 배관(102)의 전열 영역(210)에서 연소 가스(G3)의 열이 공기(G2)에 전열됨으로써 공기(G2)를 가열할 수 있다. 또, 제1 배관을 통해, 가열된 공기(G2)의 열을 연료(G1)에 전열할 수 있다. 또한, 제2 배관(102)의 내열 영역(220)에서는, 연소 가스의 열에 의해 제2 배관(102)이 산화 취약하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 실시형태의 연소기(500)에 의하면, 연소 가스의 열을 연소용 가스에 전열하여 가열하는 연소기에서 연소용 가스를 충분히 가열할 수 있다. 또, 내구성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태의 연소기(500)에 의하면, 제2 배관(102)의 전열 영역(210)의 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출되는 영역만이 내열 영역(220)이 되고, 내열 영역(220)에만 코팅(104)이 실시된다.

즉, 코팅(104)이 실시되는 영역이 최소한으로 억제된다. 이 때문에, 코팅(104)의 형성 재료(세라믹스 재료)와 제2 배관(102)의 전열 영역(210)의 형성 재료(금속 재료)의 열 신축 차에 기인하여 코팅(104)이 박리하는 것을 억제할 수 있다.

(제6 실시형태)

다음에, 본 발명의 제6 실시형태에 대해 설명한다. 또, 본 제6 실시형태의 설명에 있어서, 상기 제5 실시형태와 마찬가지 부분에 대해서는 그 설명을 생략 혹은 간략화한다.

도 8은 본 실시형태의 연소기가 구비하는 제2 배관(102)의 분해 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연소기가 구비하는 제2 배관(102)은 전열 영역(210)을 구비하는 제1 부재(105)와 내열 영역(220)을 구비하는 제2 부재(106)가 나사 구조에 의해 나사결합되어 접합되어 있다.

또, 본 실시형태의 연소기에서는, 제1 부재(105)에 암나사(4a)가 형성되고, 제2 부재(106)에 수나사(5a)가 형성되어 있다.

단, 제1 부재(105)에 수나사를 형성하고, 제2 부재(104)에 암나사를 형성해도 된다.

그리고, 본 실시형태의 연소기에서는, 제1 부재(105)가 상대적으로 전열성이 높고 상대적으로 내열성이 낮은 재료에 의해 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 전열 영역(210)은 높은 전열성을 가진다.

한편, 제2 부재(106)는 상기 전열 영역(210)의 형성 재료보다도 내열성이 높은 재료에 의해 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 내열 영역(220)은 높은 내열성을 가진다.

또, 제1 부재(105)의 형성 재료로서는 탄소강이나 스테인레스강(예를 들면, SUS321, SUS304, SUS316, SUS310)을 이용할 수 있다. 또한, 제2 부재(106)의 형성 재료로서는 세라믹스를 이용할 수 있다.

이상과 같은 본 실시형태의 연소기에서도, 상기 제5 실시형태와 마찬가지로 제2 배관(102)의 전열 영역(210)에서 연소 가스(G3)의 열이 공기(G2)에 전열함으로써 공기(G2)를 가열할 수 있다. 또, 제1 배관을 통해, 가열된 공기(G2)의 열을 연료(G1)에 전열할 수 있다. 또한, 제2 배관(102)의 내열 영역(220)에서는, 연소 가스의 열에 의해 제2 배관(102)이 산화 취약하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 실시형태의 연소기에 의하면, 연소 가스의 열을 연소용 가스에 전열하여 가열하는 연소기에서 연소용 가스를 충분히 가열할 수 있다. 또, 내구성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 연소기의 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않는 것은 물론이다. 상술한 실시형태에서 나타낸 각 구성부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 제1 배관(1)의 내부를 연료 유로(10), 제1 배관(1)과 제2 배관(2) 사이의 공간을 공기 유로(20)로 하는 구성에 대해 설명하였다.

그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 배관(1)의 내부를 공기 유로, 제1 배관(1)과 제2 배관(2) 사이의 공간을 연료 유로로 할 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 본 발명의 산화제로서 공기(G2)를 이용하는 구성에 대해 설명하였다.

그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 산화제로서 순산소 가스를 이용해도 된다. 또한, 공기와 다른 산소 분압의 산소 함유 가스를 이용해도 된다.

또한, 예를 들면 연료 및 산화제 중 어느 하나가, 연소 직전까지 가열이 바람직하지 않은 경우에는, 연료 혹은 산화제의 유로를 제1 배관(1)의 내부로 하고, 제1 배관(1)에 단열성을 부여해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 코팅(104) 및 제2 부재(106)의 형성 재료를 세라믹스로 하는 구성에 대해 설명하였다.

그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 내열 영역(220)의 형성 재료와 비교하여 내열성이 높은 다른 내열 재료에 의해 코팅(104) 및 제2 부재(106)가 형성되어도 된다.

본 발명에 의하면, 연소 가스의 열에 의해 혼합기를 가열하는 소형화 가능한 연소기에서, 혼합기의 자착화를 방지함과 아울러 연소기의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.

100, 200, 300, 400, 500 연소기
1, 101 제1 배관
1a, 2a, 3a, 101a, 102a, 103a 폐색단
1b, 2b, 101b, 102b 분출공
2, 102 제2 배관
3, 103 제3 배관
4 이젝터 노즐
10 연료 유로
20 공기 유로(산화제 유로)
30 배기 가스 유로
G1 연료
G2 공기(산화제)
G3 연소 가스
R 연소 영역
401 흡수부(흡수 수단)
104 코팅
105 제1 부재
106 제2 부재
210 전열 영역
220 내열 영역

Claims

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일단이 폐색단으로 된 제1 배관과, 제1 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제2 배관과, 제2 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제3 배관을 구비하고,
상기 제1 배관의 내부가, 연료의 유로임과 아울러 외부로 상기 연료를 분출 가능한 연료 유로와, 산화제의 유로임과 아울러 외부로 상기 산화제를 분출 가능한 산화제 유로 중 한쪽이 되고,
상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이의 공간이 상기 연료 유로 및 상기 산화제 유로 중 다른 쪽이 되며,
상기 제2 배관과 상기 제3 배관 사이의 공간이, 상기 연료와 상기 산화제가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역을 가짐과 아울러 연소에 의해 생긴 연소 가스의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로로 되며,
상기 연소 가스의 열에 의해 상기 연료 유로 내부의 상기 연료 및 상기 산화제 유로 내부의 상기 산화제 중 적어도 어느 하나를 가열함과 아울러, 상기 연료 유로로부터 분출되는 상기 연료와 상기 산화제 유로로부터 분출되는 산화제를 상기 배기 가스 유로에서 혼합하여 상기 혼합기로 하며,
상기 연료가 상기 연료 유로로부터 분출되는 위치보다도 상기 연료 유로에 있어서의 상류측의 부분 및 상기 산화제가 상기 산화제 유로로부터 분출되는 위치보다도 상기 산화제 유로에 있어서의 상류측의 부분 중 적어도 하나의 부분과, 상기 연소 영역의 적어도 일부가 서로 인접하여 배치되며,
상기 제1 배관이 분출공을 구비하고, 상기 제2 배관은 상기 제1 배관의 상기 분출공과 관통 방향이 겹쳐서 형성되는 분출공을 구비하는 연소기.
제3항에 있어서,
상기 제2 배관의 상기 분출공의 개구 면적이 상기 제1 배관의 상기 분출공의 개구 면적보다도 넓은 연소기.
제3항에 있어서,
상기 제1 배관의 상기 폐색단이 상기 제2 배관의 상기 폐색단에 접합되고, 상기 제1 배관의 상기 분출공과 상기 제2 배관의 상기 분출공의 위치 관계가 어긋나지 않도록 상기 제1 배관과 상기 제2 배관의 열 신축의 차(差)를 흡수하는 흡수 수단을 구비하는 연소기.
제3항에 있어서,
상기 제1 배관의 상기 분출공에 이젝터 노즐이 설치되어 있는 연소기.
제4항에 있어서,
상기 제1 배관의 상기 분출공에 이젝터 노즐이 설치되어 있는 연소기.
제5항에 있어서,
상기 제1 배관의 상기 분출공에 이젝터 노즐이 설치되어 있는 연소기.
일단이 폐색단으로 된 제1 배관과, 제1 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제2 배관과, 제2 배관을 둘러쌈과 아울러 상기 제1 배관의 폐색단측의 일단이 폐색단이 되는 제3 배관을 구비하고,
상기 제1 배관의 내부가, 연료의 유로임과 아울러 외부로 상기 연료를 분출 가능한 연료 유로와, 산화제의 유로임과 아울러 외부로 상기 산화제를 분출 가능한 산화제 유로 중 한쪽이 되고,
상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이의 공간이 상기 연료 유로 및 상기 산화제 유로 중 다른 쪽이 되며,
상기 제2 배관과 상기 제3 배관 사이의 공간이, 상기 연료와 상기 산화제가 혼합된 혼합기를 연소시키는 연소 영역을 가짐과 아울러 연소에 의해 생긴 연소 가스의 배기 유로가 되는 배기 가스 유로로 되며,
상기 연소 가스의 열에 의해 상기 연료 유로 내부의 상기 연료 및 상기 산화제 유로 내부의 상기 산화제 중 적어도 어느 하나를 가열함과 아울러, 상기 연료 유로로부터 분출되는 상기 연료와 상기 산화제 유로로부터 분출되는 산화제를 상기 배기 가스 유로에서 혼합하여 상기 혼합기로 하며,
상기 연료가 상기 연료 유로로부터 분출되는 위치보다도 상기 연료 유로에 있어서의 상류측의 부분 및 상기 산화제가 상기 산화제 유로로부터 분출되는 위치보다도 상기 산화제 유로에 있어서의 상류측의 부분 중 적어도 하나의 부분과, 상기 연소 영역의 적어도 일부가 서로 인접하여 배치되며,
상기 제1 배관의 상기 폐색단이 상기 제1배관의 연장 방향에 있어서 상기 제2 배관의 상기 폐색단과 상기 제3 배관의 상기 폐색단 사이에 위치하도록 상기 제1 배관이 상기 제2 배관으로부터 돌출되고,
상기 제1 배관 및 상기 제2 배관이 분출공을 구비하고, 상기 제1 배관의 상기 분출공이 상기 제1배관의 연장 방향에 있어서 상기 제2 배관의 상기 폐색단과 상기 제1 배관의 상기 폐색단 사이에 형성되어 있는 연소기.
제9항에 있어서,
상기 제1 배관의 둘레면과 상기 제2 배관의 상기 폐색단의 경계 영역에 이산적으로 간극이 형성되어 있는 연소기.
제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 배관은 전열 영역과 내열 영역을 가지고,
상기 전열 영역은, 형성 재료의 산화 부식 온도 이하의 환경에 노출됨과 아울러 상기 내열 영역보다 열전도율이 높고 내열성이 낮으며,
상기 내열 영역은, 상기 전열 영역의 상기 형성 재료의 산화 부식 온도 이상의 환경에 노출됨과 아울러 상기 전열 영역보다 내열성이 높은 연소기.
제11항에 있어서,
상기 내열 영역은 제2 배관의 표면에 실시되는 코팅에 의해 상기 전열 영역보다 높은 내열성을 가지는 연소기.
제11항에 있어서,
상기 내열 영역은 상기 전열 영역의 상기 형성 재료보다도 내열성이 높은 재료에 의해 형성되어 있는 연소기.
제11항에 있어서,
상기 전열 영역을 구비하는 제1 부재와, 상기 내열 영역을 가지는 제2 부재가 별체로 형성되고,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 접합되어 상기 제2 배관이 구성되어 있는 연소기.