WO2023228441A1

WO2023228441A1 - 水素燃焼バーナ

Info

Publication number: WO2023228441A1
Application number: PCT/JP2022/042076
Authority: WO
Inventors: 貴大小野; 誠朝原; 武志宮坂; 勝雄安里
Original assignee: リンナイ株式会社; 国立大学法人東海国立大学機構
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2023-11-30
Also published as: AU2022459866A1; JP2023173900A

Abstract

燃料ガスを水素ガスとし、水素ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室（１１）を有するバーナボディ（１）と、混合気室に面するバーナボディの開放面（１２）を覆う燃焼板部（２）とを備え、混合気が燃焼板部から噴出して燃焼する水素燃焼バーナにて逆火を効果的に抑制することができるように構成する。燃焼板部として、金属繊維を織成したり、編成したりすることなく積層した積層体を焼結した焼結体シートを有するものを用いる。

Description

水素燃焼バーナ

　本発明は、水素ガスと空気との混合気を燃焼ガスとして用いる水素燃焼バーナに関する。

　上記種の水素（表面）燃焼バーナは、例えば特許文献１で知られている。このものは、水素ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、混合気室に面するバーナボディの開放面を覆う燃焼板部とを備える。そして、混合気が燃焼板部から噴出して燃焼する。燃焼板部としては、耐高温性材料である金属繊維を織成或いは編組して布帛状に形成したシート材が用いられる。　

　然しながら、上記従来例のようなシート材では、繊維同士の接触箇所が多く、それらの接触箇所の面積も大きい。このため、燃焼速度が非常に速い水素ガスと一次空気との混合気を燃焼させることで、燃焼板部の表面近くで混合気が燃焼して燃焼板部の表面側が高温になったときに、その熱が混合気室に面するシート材の裏面側へと伝わり易くなる。このようにシート材の裏面側まで高温になると、火炎が混合気室内に伝播する逆火を生じ易くなるという問題がある。

特開２０００－１８５２５公報

　本発明は、以上の点に鑑み、逆火を効果的に抑制することができる水素燃焼バーナを提供することをその課題としている。

　上記課題を解決するために、本発明は、燃料ガスを水素ガスとし、当該水素ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、前記混合気室に面する前記バーナボディの開放面を覆う燃焼板部とを備え、前記混合気が前記燃焼板部から噴出して燃焼する水素燃焼バーナにおいて、前記燃焼板部が、金属繊維を織成したり、編成したりすることなく積層した積層体を焼結した焼結体シートを有することを特徴とする。　

　本発明によれば、焼結体シートは、その焼結時に金属繊維がランダムに絡み合って結合（溶着）することで複雑で且つ所謂逆火限界の孔径より小さい無数の微小隙間が形成されたものとなり、しかも、上記従来例のものと比較して金属繊維同士の接触箇所が少なく、また、接触箇所の面積も小さくなる。このため、燃焼板部の表面近くで混合気が燃焼して燃焼板部の表面（燃焼面）側が高温になったとしても、その熱が混合気室に面する焼結体シートの裏面側へと伝わり難くすることができる。しかも、無数の微小隙間を通って常温の混合気が噴出される際に、当該混合気との接触面積が大きくなることで、焼結体シート自体の温度上昇も抑制される。このように本発明では、燃焼板部の焼結体シートには微小隙間しかないことと、焼結体シートの裏面側が高温になり難いこととが相俟って、逆火を効果的に抑制することができる。なお、本発明における金属繊維は、構成材料として半金属を含んでいる。

　本発明において、前記金属繊維がＦｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成され、前記焼結体シートの焼結時の目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定されることが好ましい。この場合、目付量が１２００ｇ／ｍ^２より少ないと、各微小隙間が大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある一方で、１８００ｇ／ｍ^２より多くなると、混合気の通過抵抗が大きくなる。　

　また、本発明において、前記金属繊維として、その線径が５０μｍ～１００μｍの範囲のものを用いることが好ましい。線径が５０μｍより小さいと、焼結時に金属繊維同士が絡み合う（接触する）面積が増加して焼結体シートの裏面側へ熱が伝わり易くなる一方で、その線径が１００μｍより大きくなると、各微小隙間が大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある。　

　更に、本発明において、前記焼結体シートが６０％～８０％の範囲の空隙率を持つことが好ましい。これにより、混合気が焼結体シートを通過するときの圧力損失を抑制することができる。　

　また、本発明において、前記焼結体シートが前記混合気の流れ方向下流側に向けて凸の湾曲形状に成形されることが好ましい。これにより、焼結体シートの表面側が加熱されたときに、焼結体シート自体が歪み難くでき、焼結体シートが局所的に高温になって逆火することを抑制することができる。

本実施形態の水素燃焼バーナを燃焼筐への設置状態で示す断面図。図１に示す水素燃焼バーナの斜視図。燃焼板部を分解状態で示す斜視図。図１のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図。

　以下、図面を参照して、燃料ガスとして水素ガスを用いる本発明の水素燃焼バーナＣＢの実施形態を説明する。なお、本発明にいう「水素」は、純水素に限定されるものではなく、例えば、臭い付けのための腐臭剤を少量で添加するような場合も含む。　

　図１及び図２に示すように、水素燃焼バーナＣＢは、全一次燃焼式のものであり、燃料ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室１１を有するバーナボディ１と、混合気室１１に面するバーナボディ１の開放面１２を覆う燃焼板部２とを備える。そして、水素燃焼バーナＣＢは、バーナボディ１の開放面の１２の周縁部、即ち、下面周縁部１３にて図外の給湯用の熱交換器が収納される燃焼筐Ｆｂのフランジ部Ｆｂ１にネジ（図示せず）により締結され、熱交換器を加熱するために使用される。バーナボディ１にはまた、図外のファンによって混合気が供給される流入口１４が開設されている。　

　図３も参照して、燃焼板部２は、一方向に長手の額縁状で板金製のバーナ枠２１と、バーナ枠２１で囲われる矩形の第１開口２２をバーナボディ１側（上方）から覆うように設けられる第１の焼結体シート２３と、第１の焼結体シート２３の混合気の流れ方向上流側の面である裏面（上面）に重ねて配置される、多数の分布孔２４ａが形成された分布板２４とで構成される。バーナ枠２１は、第１開口２２と同一面上に位置する開口周縁部２１ａと、開口周縁部２１ａからバーナボディ１側（上方）に屈曲した側板部２１ｂと、側板部２１ｂの上端から外方に張出す枠フランジ部２１ｃとを有する。そして、第１の焼結体シート２３の裏面に分布板２４を重ねた状態でこれらの周縁部をバーナ枠２１の開口周縁部２１ａに一定間隔でスポット溶接することで組み立てられている。この状態で、枠フランジ部２１ｃを介してバーナボディ１の下面周縁部１３に取り付けられる。なお、第１開口２２は、前後方向に沿う断面形状が円弧状に湾曲している。同様に、第１の焼結体シート２３及び分布板２４も前後方向に沿う断面形状が円弧状に湾曲、言い換えると、混合気の流れ方向下流側に向けて凸の湾曲形状に成形されている。　

　第１の焼結体シート２３は、金属繊維２３ａを織成したり、編成したりすることなく積層した積層体を焼結したものである。金属繊維２３ａとしては、Ｆｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成されるもの、例えば、Ｆｅを主成分とするステンレス系のものが用いられ、その線径が５０μｍ～１００μｍの範囲のものが用いられる。第１の焼結体シート２３の製作には、例えば、加圧成形と焼結とを同時に実施するホットプレス（熱間加工法）や、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）といった公知の方法を利用することができる。例えば、ホットプレスにより製作する場合には、特に図示して説明しないが、金型のキャビティ内に、金属繊維２３ａを織成したり、編成したりすることなく積層して積層体とする。このとき、目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定される。次に、パンチによって積層体に対して一軸方向から圧力を加え、この状態で金型を介して積層体を所定温度に加熱保持する。このとき、第１の焼結体シート２３は混合気の流れ方向下流側に向けて凸の湾曲形状に成形される。　

　以上のように製作される第１の焼結体シート２３は、図３中に一部拡大して示すように、焼結時に金属繊維２３ａがランダムに絡み合って結合（溶着）することで、複雑で且つ逆火限界の孔径より小さい無数の微小隙間２３ｂが形成されたものとなり、上記従来例のものと比較して金属繊維２３ａ同士の接触箇所が少なく、また、接触箇所の面積も小さくなる。この場合、第１の焼結体シート２３が６０％～８０％の範囲の空隙率を持つと共に０．５ｍｍ～３．０ｍｍの板厚を持つ。なお、金属繊維の線径が５０μｍより小さいと、焼結時に金属繊維同士が絡み合う（接触する）面積が増加して第１の焼結体シート２３の裏面側へ熱が伝わり易くなる一方で、その線径が１００μｍより大きくなると、各微小隙間２３ｂが大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある。また、目付量が１２００ｇ／ｍ^２より少ないと、各微小隙間２３ｂが大きくなり過ぎて逆火を抑制できない虞がある一方で、１８００ｇ／ｍ^２より多くなると、上記範囲内の空隙率が得られず、混合気の通過抵抗が大きくなる。また、空隙率が上記範囲から外れると、混合気が第１の焼結体シート２３を通過するときの圧力損失が大きくなってしまう。　

　図４も参照して、混合気室１１内には、逆火抑制板部３が配置されている。逆火抑制板部３は、一方向に長手の額縁状で板金製の支持枠３１と、支持枠３１で囲われる、第１開口２２と同等の輪郭を持つ第２開口３２を燃焼板部２と反対側（上方）から覆うように設けられる第２の焼結体シート３３とを備える。第２の焼結体シート３３としては、第１の焼結体シート２３と同様に製作したものを利用することができる。そして、支持枠３１を介して、混合気室１１内に形成される額縁状の座面１５にネジ（図示せず）により締結される。逆火抑制板部３の締結状態では、第２の焼結体シート３３が第１の焼結体シート２３に対し隙間Ｇｐを存して対向するようになる。第１及び第２の両焼結体シート２３、３３相互の間の隙間Ｇｐは５ｍｍ～３０ｍｍの範囲に設定される。上記間隔が５ｍｍより短いと、燃焼板部２が火炎で加熱されたときに燃焼板部２からの輻射熱が優勢となって逆火抑制板部３が過熱される虞がある一方で、３０ｍｍより長くなると、燃焼板部２と逆火抑制板部３との間の隙間Ｇｐに留まる混合気の量が多くなり、当該隙間Ｇｐに火炎が伝播したときに大きな音が発生してしまう。　

　上記水素燃焼バーナＣＢでは、バーナボディ１の流入口１４から混合気室１１内に供給された混合気が、第２の焼結体シート３３の無数の微小隙間３３ｂを通って燃焼板部２へと供給される。そして、逆火抑制板部３の第２の焼結体シート３３を通過した混合気が燃焼板部２と逆火抑制板部３との隙間Ｇｐを通って燃焼板部２の第１の焼結体シート２３の各微小隙間２３ｂから噴出して全一次燃焼（二次空気が不要な燃焼）する。これにより、燃焼板部２の表面近くで混合気が燃焼することで第１の焼結体シート２３の表面側が高温になったとしても、その熱が混合気室１１に面する第１の焼結体シート２３の裏面側へと伝わり難くすることができる。しかも、無数の微小隙間２３ｂを通って常温の混合気が噴出される際に、当該混合気との接触面積が大きくなることで、第１の焼結体シート２３自体の温度上昇も抑制される。結果として、第１の焼結体シート２３には微小隙間しかないことと、第１の焼結体シート２３の裏面側が高温になり難いこととが相俟って、逆火を効果的に抑制することができる。また、第１の焼結体シート２３を混合気の流れ方向下流側に向けて凸の湾曲形状に成形しておけば、第１の焼結体シート２３の燃焼面側が加熱されたときに、焼結体シート２３自体が歪み難くでき、焼結体シート２３が局所的に高温になって逆火することも抑制できる。　

　また、常温の混合気が第２の焼結体シート３３を通過する際には、同様に、混合気との接触面積が大きくなることで、第２の焼結体シート３３、即ち、逆火抑制板部３自体の温度上昇が抑制される。しかも、微小隙間３３ｂが無数に形成されていることで、圧力損失も抑制される。このため、仮に燃焼板部２と逆火抑制板部３との間の隙間Ｇｐに火炎が伝播したとしても、逆火抑制板部３の温度上昇が抑制されているため、逆火抑制板部３で消炎させることができる。更に、隙間Ｇｐに伝播した火炎が消炎されないで残る場合でも、逆火抑制板部３には微小隙間３３ｂしかないことで、その上流側への伝播が抑制される。結果として、逆火抑制板部３を更に配置しておけば、逆火を確実に抑制することができる。　

　更に、水素燃焼バーナＣＢでは、燃焼板部２と逆火抑制板部３との間に位置する混合気室１１の部分に温度センサ４が配置されている。温度センサ４としては、熱電対やバイメタルスイッチといった公知のものを利用することができる。これにより、仮に上記隙間Ｇｐに伝播した火炎が消炎されず、隙間Ｇｐに面する第２の焼結体シート３３表面（下面）で燃焼する場合に、これに伴う温度上昇を温度センサ４によって検知し、例えば、混合気の供給を停止することで、水素燃焼バーナＣＢの破損を招く燃焼を速やかに停止することができる。　

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、逆火抑制板部３やセンサ４を更に配置したものを例に説明したが、例えば、混合気に少量の還元剤を添加して火炎温度を低下させるような場合には、逆火抑制板部３やセンサ４といった部品は省略することができる。

　ＣＢ…水素燃焼バーナ、１…バーナボディ、１１…混合気室、１２…開放面、２…燃焼板部、２３…焼結体シート、２３ａ…金属繊維。

Claims

　燃料ガスを水素ガスとし、当該水素ガスと一次空気との混合気が供給される混合気室を有するバーナボディと、前記混合気室に面する前記バーナボディの開放面を覆う燃焼板部とを備え、前記混合気が前記燃焼板部から噴出して燃焼する水素燃焼バーナにおいて、

　前記燃焼板部が、金属繊維を織成したり、編成したりすることなく積層した積層体を焼結した焼結体シートを有することを特徴とする水素燃焼バーナ。
　前記金属繊維が、Ｆｅと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＳｉから選択される少なくとも１種またはこれらの炭化物とで構成され、前記焼結体シートの焼結時の目付量が１２００ｇ／ｍ^２～１８００ｇ／ｍ^２の範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の水素燃焼バーナ。
　前記金属繊維として、その線径が５０μｍ～１００μｍの範囲のものを用いることを特徴とする請求項２記載の水素燃焼バーナ。
　前記焼結体シートが６０％～８０％の範囲の空隙率を持つことを特徴とする請求項１記載の水素燃焼バーナ。
　前記焼結体シートが前記混合気の流れ方向下流側に向けて凸の湾曲形状に成形されることを特徴とする請求項１記載の水素燃焼バーナ。