JP3707265B2

JP3707265B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP3707265B2
Application number: JP29219798A
Authority: JP
Inventors: 稔佐藤; 浩昭重岡; 憲朗光田; 真史田村; 聡丹沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JP2000121009A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼空気と燃料とを予混合して燃焼させる燃焼装置、特に表面燃焼といわれる平面火炎を利用した燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用赤外線ストーブや食品加熱などの熱源として、例えば特開平２−２７９９０８号公報に示されるような表面燃焼を利用した燃焼装置が利用されている。表面燃焼では、バーナ板の出口表面に密接した平面火炎を形成するため、火炎の熱はバーナ板へと伝わり、火炎温度が低下して燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の量が少なくなるという特徴がある。また、バーナ板へ伝わった熱は表面から赤外線として放出されるため、均一な分布をした加熱熱源として利用できる。
【０００３】
一方、特開平１０−１６９９７５号公報に示されるような、気化室の上部に設置されたバーナヘッドの炎口部に噴流火炎を形成する燃焼装置も利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の平面火炎を利用した燃焼装置においては、バーナ板の材料に熱容量の大きな多孔質材料を使用するために、バーナが冷たい状態での着火性が悪かったり、長時間使用している間にホコリが詰まったりする問題があった。即ち、通気性を有するバーナ板は、逆火（火炎がバーナ板の入口側に移動する現象）を防止するために空隙を小さくする必要があるが、空隙を小さくすると燃焼空気に混入しているほこりが徐々につまり、通気損失が大きくなるという問題がある。また、平面火炎による表面燃焼では、逆火を防止するためにバーナ板の入口部の温度を低く抑えており、綿ぼこりが入口部に付着しても、それが燃焼熱で燃えて無くなることはない。また、砂ぼこりも付着するという問題があった。
また、ほこりの付着により通気損失が大きくなった場合、ポンプから供給される灯油等の液体燃料の量はほぼ一定であるのに対して、燃焼用送風機から供給される燃焼空気の量は減少する。その結果、通気損失の増大に伴い、混合気における燃料と燃焼空気との比率が変化し、空気比が徐々に小さくなって、一酸化炭素（ＣＯ）やススが排出されるようになるという問題があった。
さらに、表面燃焼の平面火炎はバーナ材料に非常に近接した位置に形成されるため、火炎中を流れる炎電流の検出が非常に難しいという問題もあった。
【０００５】
これに対して、噴流火炎を利用した燃焼装置においては、噴流火炎が形成される炎口部が大きいため、砂ぼこり等で閉塞することが無く、バーナヘッドの通気損失が大きくなることはない。従って、通気損失が経時的に変化せず、燃焼空気と燃料との混合比率（＝空気比）が常時一定であり、一酸化炭素（ＣＯ）やススが排出される恐れがない。
しかしながら、噴流火炎を利用した燃焼装置においては、バーナヘッドの炎口部に形成された噴流火炎は、通常、円錐状の火炎となり、その基部（火炎の根本）のみが炎口部の円周に付着し、その他の部分はバーナヘッドから離れている。
そのため、噴流火炎の熱はバーナヘッドへ伝わりにくく、火炎の熱損失が小さく、火炎温度は高くなる。その結果、噴流火炎から発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の量が多くなるという問題があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、窒素酸化物や一酸化炭素の排出の少ない燃焼装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃焼装置は、火炎が形成されるバーナ部に金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部にバーナ部に着火するための着火装置を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したものである。
【０００８】
この発明に係る燃焼装置は、火炎が形成されるバーナ部に、金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部に炎電流を検出する燃焼検知電極を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したものである。
【００１０】
この発明に係る燃焼装置は、噴流火炎形成部を相当直径２ｍｍ以上の炎孔で形成したものである。
【００１２】
この発明に係る燃焼装置は、噴流火炎形成部を導電性材料で構成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による燃焼装置を示す断面構成図である。図において、１は灯油燃料を気化させるための部屋である気化室、２はその気化室１の側壁に埋設され、その気化室１を加熱する電熱ヒータである。３は気化室１の上部に嵌合固定された絞り部、４はその絞り部３の上部に設けられたバーナヘッド、５は平面火炎６が形成される金属ファイバーマット、７は噴流火炎８が形成される炎孔である。金属ファイバーマット５は、線径２０μｍの耐熱金属繊維を厚さ５ｍｍに積層焼結したものである。また、炎孔７は直径が４ｍｍの円形の貫通孔である。なお、気化室１、電熱ヒータ２、絞り部３により、空気と燃料とを予混合して混合気を作る予混合室を構成する。金属ファイバーマット５により構成される平面火炎形成部と、炎孔７により構成される噴流火炎形成部とは、図１に示すように、同一の上記予混合室に連通している。
【００１５】
平面火炎６と噴流火炎８が形成される各々の面積は、バーナの暖房出力（燃焼量）によって異なる。例えば、３．０ｋＷ用のバーナであれば、平面火炎６が形成される面積は３１０ｍｍ^２（φ２０ｍｍに相当）〜１２６０ｍｍ^２（φ４０ｍｍに相当）程度、また、噴流火炎８が形成される面積は１２６ｍｍ^２（炎口７が１０個）〜３８０ｍｍ^２（炎孔７が３０個）程度の範囲で良好に燃焼することを確認した。この実際に確認した範囲は一例であり、この範囲以外の面積であっても、良好に燃焼する範囲は存在する。
【００１６】
９は気化室１の側壁に設置され、その気化室１内に開口している空気ノズルであり、この空気ノズル９は燃焼用送風機（図示せず）に接続されている。１０は空気ノズル９と同軸上に、且つ先端部が空気ノズル先端から突出するように配置された灯油供給管であり、灯油タンク（図示せず）の灯油はこの灯油供給管１０を介して灯油ポンプ（図示せず）によって気化室１に供給されるようになっている。１１は着火用プラグであり、着火用トランスなどの電源（図示せず）でバーナヘッド４の炎口７の外周部に火花を放電する。
【００１７】
次に、動作について説明する。電熱ヒータ２に通電することにより、灯油燃料の気化に必要な温度（２５０〜３００℃）まで気化室１が予熱される。予熱完了後、燃焼用送風機から送られた燃焼空気が、ノズル９から気化室１に供給される。また、燃料供給管１０からは、所定量の灯油燃料が常に気化室１に供給される。燃焼空気の供給量は灯油が理論的に完全燃焼する空気量（＝理論空気量）の０．８倍程度、つまり空気比が０．８に相当する量である。燃焼に必要な残りの空気（２次空気）としては、バーナ上部の大気を使用する。
【００１８】
供給された灯油燃料は、燃焼空気の流れにより微粒化され、予熱された気化面で気化する。気化した灯油燃料は、絞り部３を通過する際に、更に燃焼空気と予混合されて濃度分布が均一な混合気になる。このようにして形成された混合気は、金属ファイバーマット５の空隙率が大きくその圧力損失は比較的小さいため、金属ファイバーマット５と炎孔７の両方に流れて流出する。炎孔７から流出した予混合気は、着火用プラグ１１から炎孔７の外周部へ放電された火花により着火されて噴流火炎８を形成し、着火後瞬時に金属ファイバーマット５から流出した混合気へと火移りして平面火炎６を形成する。
【００１９】
ノズル９から気化室１に供給される燃焼空気は、２５０〜３００℃に加熱された気化室１に接触しながら上方へと流れるため、炎孔７から流出する時点では大気温度が低い条件でも混合気は２００℃程度の温度になる。更に炎孔７には混合気と接触する部材がないため混合気の温度が低下せず、放電火花による着火性は良好であった。これに対して、金属ファイバーマット５から流出する混合気に放電火花で着火する場合、２００℃程度に昇温された混合気が金属ファイバーマット５を通過する際に、熱容量が比較的大きな多孔体材料に接触することで混合気温度が低下するため着火性は悪化した。混合気に着火する際、パイロット火炎と呼ばれる小火炎を使用した場合は、火炎からの熱に加えて火炎中の活性化学種も供給されるため、放電火花を使用する場合より着火性が優れている。ここでは噴流火炎８がそのパイロット火炎の役目をはたすため、平面火炎６の着火性は向上した。
【００２０】
また、噴流火炎８は浮力の影響で上向きに形成されるため、図１のように、平面火炎６を噴流火炎８より上方に位置させると、火移り性能は更に良好になった。逆に、平面火炎６を下方に、噴流火炎８を上方に設置した場合は、流出する混合気の流れ方向を平面火炎６に向けると良い。
【００２１】
更に、金属ファイバーマット５へ着火する場合は、着火用プラグ１１から放電される火花で金属ファイバーマット５の繊維が破損することもあるが、ここでは炎孔７が設置されているバーナヘッド４へ放電するため、破損の心配も無い。
【００２２】
次に、バーナを長時間使用した場合について述べる。金属ファイバーマット５は２０μｍ程度の繊維を積層しているため、そのガス流路は非常に小さくなっているのに対し、炎孔７は直径が４ｍｍであるため、金属ファイバーマット５のガス流路に比較して大きい。したがって、この燃焼器を長時間にわたって使用した場合、金属ファイバーマット５にホコリが堆積して詰まると混合気が流れなくなり、平面火炎６は形成されなくなったのに対し、炎孔７にはホコリが詰まらないため使用初期と変わらず、噴流火炎８は継続して形成された。また、平面火炎形成部と噴流火炎形成部とは、同一の予混合室に連通しているので、ほこりの付着により平面火炎形成部における通気損失が大きくなっても、混合気は噴流火炎形成部に流れるため、通気損失が経時的に変化せず、燃焼空気と燃料との混合比率（＝空気比）が常時一定となり、一酸化炭素（ＣＯ）やススが排出されることはなかった。
また、噴流火炎８の炎孔７を上述したような個数にすると、平面火炎６が無くなり噴流火炎８だけになった場合でも、火炎がリフトすることなく安定して燃焼し、一酸化炭素（ＣＯ）などを排出することはなかった。
【００２３】
炎孔７の直径を変化させてホコリ詰まりの可否を調査した結果、直径が２ｍｍ程度以上であればホコリは詰まらないことがわかった。燃焼装置に入ってくるホコリは、燃焼空気に混入して流れてくるものがほとんどである。燃焼空気は燃焼用送風機から供給されるため、比較的大きな繊維状のホコリは送風機入口に付着し、燃焼装置まで到達するのは小さな砂状のホコリである。試験を実施した結果、炎孔７の直径が２ｍｍ程度以上であれば、ホコリが堆積することがなかった。また、形状についても円形に限る必要はなく、三角形、正方形、長方形、多角形など種々の形状が可能である。
【００２４】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による燃焼装置を示す断面構成図であり、図１と同一部品には同一符号を付してある。１２は火炎中の炎電流を検出するための正極電極であり、１３が負極電極である。両電極の材料にはイットリウム成分を混入した耐熱性金属線を利用した。正極電極１２と負極電極１３の間には、着火動作の前から炎電流検出回路（図示せず）より直流１０Ｖが印加されている。噴流火炎８が形成される前は両極間には電流が流れないが、噴流火炎８が形成されるとマイクロアンペアオーダの炎電流が流れるようになる。着火後にこの炎電流が検出され、その値が事前に定めた値以上の場合に炎電流検出回路は「正常着火」と判断する。
【００２５】
燃焼用送風機の故障で燃焼空気が減少する場合や、部屋の酸素濃度が減少する場合などは、空気比が減少していくが、炎電流値も減少するため、これらの検知が可能である。また、金属ファイバーマット５にホコリが詰まり混合気が流れなくなると、炎孔７に流れる混合気が増加、すなわち燃焼量が増加するため、炎電流の値も大きくなり、この値をモニターすることでホコリの詰まりを検知することも可能となった。具体的には、まず、使用初期の炎電流値、つまり正常な状態での空気比０．８の炎電流値を炎電流検出回路の中のマイコンに記憶させておく。炎電流値が何らかの要因で減少した場合には、燃焼用送風機の回転数を若干増加させ、炎電流値が初期値に近くなるように制御する。この制御を行う際に、予め設定してあった送風機回転数の変化範囲で炎電流が初期値まで回復しない場合は、異常燃焼と判断して燃焼を停止させる。一方、炎電流値が初期値より増加する場合は、金属ファイバーマット５にホコリが堆積しているため、予め設定しておいた上限値を上回った時点で燃焼を停止させる。
【００２６】
噴流火炎８を形成しない平面火炎６だけで炎電流を検出する場合、平面火炎６は金属ファイバーマット５などの多孔質部材に近接して形成されるため、電極の設置が難しい。つまり、電極を火炎から離すと炎電流値が小さくなり、一方、金属ファイバーマット５に近づけすぎると電極が金属ファイバーマット５に接触して炎電流検出回路が短絡してしまう。これに対して、図２のように併設した噴流火炎８で炎電流を検出すると、正極電極１２、負極電極１３ともに設置が容易であり、また検出できる炎電流の値も大きくなった。
【００２７】
図２のように正極電極１２と負極電極１３を両方設置する場合は、バーナヘッド４が電導性のないセラミックなどであっても、導電性のある金属などであっても、材質を問わずに炎電流の検出ができる。バーナヘッド４の材料が電導性を有する金属などの場合には、図３に示すように、炎電流を検出する電極を正極電極１２のみとして、バーナヘッド４を負極電極として利用することも可能であり、部品点数を減少させることができる。
【００２８】
電極の線径を２ｍｍ程度とすると、経時的に高温酸化による減肉が生じてもその耐久性は十分である。この線径は２ｍｍに限ることはなく、電極の置かれる温度と必要とされる耐久性に応じて線径を変更すれば良い。
【００２９】
電極の材質としてイットリウム成分を混入した耐熱性金属線の例を示したが、これに限ることはなく、耐熱性の導電材料であれば使用可能である。
【００３０】
また、炎電流検出回路の電源として直流１０Ｖの例を示したが、電流値は１０Ｖに限ることはない。交流電源についても、炎電流検出回路に整流機能を持たせて、検出される炎電流を直流にすることで使用可能である。
【００３１】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による燃焼装置を示す断面構成図である。図において、図１と同一部品には同一符号を付してある。１４は噴流火炎８が衝突する受熱板である。
【００３２】
噴流火炎８は平面火炎６に比較して火炎温度が高いため、そこで生成されるＮＯｘの量も多くなる。例えば、炎孔７の総面積を５８０ｍｍ^２にし、平面火炎８を形成させずに噴流火炎８のみで燃焼装置を構成した場合は、燃焼量が３．０ｋＷでＮＯｘは約１３０ｐｐｍ（酸素濃度０％換算値＝ガス石油機器工業界の評価指標値）排出された。次に、上記炎孔７に加えて金属ファイバーマット５による平面火炎形成部を１２５６ｍｍ^２追加すると、同じ燃焼量でも平面火炎６が併設される効果でＮＯｘは約９０ｐｐｍまで減少した。次に、本実施の形態のように、噴流火炎８の対向位置に受熱板１４を設置すると、噴流火炎８が受熱板１４に接触して冷却されるため、火炎温度が低くなりＮＯｘ量も減少し、ＮＯｘ濃度は約６５ｐｐｍまで減少した。
【００３３】
噴流火炎８から受熱板１４に伝わった熱は、輻射で外部へ放出されたり、伝導で気化室１へ伝わるため、受熱板１４の温度は極端には上昇しない。受熱板１４から気化室１へ伝わった熱は灯油の気化に使用されるため、電熱ヒータ２への入力が不要となり、消費電力が低減できる効果がある。更に、噴流火炎８の対向面に受熱板１４を設置しているため、噴流火炎８が吹き飛ぶのを防止する効果もあり、火炎安定性が向上する。
【００３４】
なお、上記実施の形態１から３には、平面火炎形成用の多孔質材として金属ファイバーマットを示したが、金属のメッシュ、セラミック粒子の焼結プレート、セラミックフォームと称される三次元骨格構造をした多孔体、セラミックの繊維などを使用しても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、火炎が形成されるバーナ部に金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部にバーナ部に着火するための着火装置を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したので、窒素酸化物や一酸化炭素の排出の少ない燃焼装置が得られる効果がある。また、着火性が向上する効果がある。
【００３８】
この発明に係る燃焼装置は、噴流火炎形成部を相当直径２ｍｍ以上の炎孔で形成したので、長時間使用においてもホコリが詰まって異常燃焼を生じることがない。
【００３９】
この発明に係る燃焼装置は、火炎が形成されるバーナ部に、金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部に炎電流を検出する燃焼検知電極を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したので、窒素酸化物や一酸化炭素の排出の少ない燃焼装置が得られる効果がある。また、電極設置が容易になり、火炎の炎電流を確実に検出できる効果がある。
【００４０】
この発明に係る燃焼装置は、噴流火炎形成部を導電性材料で構成したので、部品点数を減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による燃焼装置を示す断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２による燃焼装置を示す断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態２による別の燃焼装置を示す断面構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３による燃焼装置を示す断面構成図である。
【符号の説明】
１気化室、２電熱ヒータ、３絞り部、４バーナヘッド、５金属ファイバーマット、６平面火炎、７炎孔、８噴流火炎、９空気ノズル、１０灯油供給管１１着火プラグ、１２正極電極、１３負極電極、１４受熱板。

Claims

火炎が形成されるバーナ部に、金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部にバーナ部に着火するための着火装置を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したことを特徴とする燃焼装置。
火炎が形成されるバーナ部に、金属ファイバーマットで構成された平面火炎形成部と噴流火炎形成部とを併設すると共に、上記平面火炎形成部の下方に上記噴流火炎形成部を設置し、かつ上記噴流火炎形成部に炎電流を検出する燃焼検知電極を設置し、上記平面火炎形成部と上記噴流火炎形成部とを、空気と燃料とを予混合して混合気を作る同一の予混合室に連通したことを特徴とする燃焼装置。
噴流火炎形成部を相当直径２ｍｍ以上の炎孔で形成したことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
噴流火炎形成部を導電性材料で構成したことを特徴とする請求項２記載の燃焼装置。