JP2582728B2 - 耐振動型低窒素酸化物バーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本願は、1993年 5月27日に出願された米国
特許出願第08/068,372号の一部継続出願である。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的に言って、バー
ナに関するものであり、一層詳しく言えば、火炎の安定
を高め、振動の発生を最小に抑え、炉ランブル（低周波
騒音）を伴う構造を有する低窒素酸化物バーナに関す
る。

【０００３】

【従来技術】一般的に言って、窒素酸化物の放出量は燃
焼温度と共に指数的に増大する。或る場合には、これは
燃料を過剰空気量を増大させながら（希薄混合気）燃焼
させることによって生じる。

【０００４】過剰空気を用いて窒素酸化物放出量を減ら
すシステムの一例が、1992年国際ガス学術調査会議の発
行した「直接空気用天然ガス燃焼器の開発」という論文
に開示されている。このバーナ・システムでは、燃料と
ガスを予め混合し、それを燃焼室へ射出する。空気・燃
料混合気は、温度を低下させて窒素酸化物放出量を最小
限に抑えるのに望ましい過剰空気量を得るべく調節す
る。しかしながら、このシステムの欠点の１つは、たと
えば、バーナの燃焼室から上流側で爆発が生じるという
危険があるということである。

【０００５】米国特許第5,102,329 号に開示されている
低窒素酸化物バーナでは、バーナ内での燃焼に必要な程
度までの燃料ガスと燃焼空気との混合を阻止するように
なっている。このバーナでは、燃料チューブまたはスパ
ッドをバーナ・プレートにあるスロットを覆うように配
置し、そこを通して燃料ガスを高速で吐出するようにな
っている。燃焼空気もこれらのスロットを通してバーナ
から吐出される。各円錐形の燃料ガス噴流と空気との境
界線に沿って或る程度の燃料ガスと燃焼空気の混合（も
っぱら燃焼空気の燃料ガス噴流連行によって制御され
る）は生じるが、この混合が生じるスペース体積は無視
できる。加えて、この領域での流れパターンは、下流方
向における、火炎の伝播速度の何倍にも及ぶ速度成分を
有する。したがって、燃焼室からのいかなる火炎フラッ
シュバックも阻止される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のシステムは窒素
酸化物放出量を減らし、火炎フラッシュバックの可能性
を最小にするという利点を有するが、火炎フロントの燃
焼または空気流駆動脈動を受け易く、炉に強い振動とラ
ンブリングを生じさせる。一般的に言って、バーナで
は、代表的には空気供給ファンまたはダクトワークある
いはたとえば炉の共振モードの特定の特性により約８−
２００Ｈｚの周波数で生じる脈動を燃焼が増強する。燃
焼の熱が急速かつ均一にバーナの下流側の燃焼領域にお
ける燃料、空気の流れに伝えられるとき、これらの脈動
がより容易に増強され得るということがわかっている。
その結果、火炎フロントがシステムで決まる周波数でバ
ーナ・プレートに対して前後方向に揺れる。これはやが
て振動となり、ランブリングとして知られる、炉のハー
ドウェアの共振を生じさせる。これらの振動および共振
問題は大型の燃焼装置で特に顕著である。

【０００７】火炎温度を低下させ、したがって、窒素酸
化物放出量を減らす別の方法は、空気、燃料の流れの運
動エネルギを用いることによって、炉内がらの比較的冷
たい酸素不足のガスの伴出を増強することである。この
方法の一例がＨａｇｕｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
の製作する「ｔｒａｎｓｊｅｔ」バーナである。この設
計の欠点は過剰空気の増大では窒素酸化物放出量を効果
的に制御することができず、所与の熱入力および高空気
圧に対して大きなサイズを必要とすることである。この
システムでは、高価な耐熱材料、耐腐食材料も必要とす
る。

【０００８】本発明は、従来技術の問題および欠点を回
避し得るバーナに関するものである。この目標は、バー
ナから下流側の燃焼室内で同期しない異なった振動数で
火炎フロントの局部的振動を生じさせるバーナ構造を提
供することによって達成される。こうすれば、振動がか
なり減衰され、共振問題も最小限に抑えられるかあるい
は排除される。同時に、このバーナ構造は、炉内部から
燃焼領域へガスを迅速に伴出することによって窒素酸化
物放出量をさらに低減するという利点もある。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、バーナは燃焼室へ空気、燃料ガスを導入するための
複数のスロットを有するバーナ・プレートを備える。ス
ロットは、隣り合ったスロット間の再循環帯域がバーナ
中心と周縁とではかなり異なるように配置する。たとえ
ば、スロットは、隣り合ったスロットの距離がバーナ・
プレートの中心部とバーナ・プレートの周縁との間でか
なり異なる（すなわち、非平行となる）ように配置す
る。スロットは、それらがほぼ半径方向に配置される三
角形あるいは星形のような種々の形態で配置できる。好
ましい実施例では、バーナのスロットはほぼ半径方向に
配置され、それらの内端部がバーナ・プレートの中心部
に隣接する。それぞれが外端部と内端部を有する複数の
ほぼ半径方向配置のバーナ・チューブまたはバーナ・ス
パッドがスロットから隔たりかつそれらと整合するよう
に設けられる。各バーナ・チューブは、スロットの１つ
と整合し、燃料ガスを送るようになっている複数の吐出
口を包含する。スロットは、隣り合ったスロットの外端
部の距離がこれら隣り合ったスロットの内端部の距離よ
りもかなり大きくなるような向きとなっている。続い
て、隣り合ったバーナ・チューブの外端部の距離もこれ
ら隣り合ったチューブの内端部の距離よりもかなり大き
い。好ましくは、外端部間の距離と内端部間の距離の比
は少なくとも約２：１である。

【００１０】燃焼は、バーナ・プレートから下流側の１
点で生じる。この地点で、燃料ガスが充分な過剰空気と
混合され、燃焼温度が高くなりすぎるのを防ぎ、窒素酸
化物生成を抑制する。これは次の段階の組み合わせによ
って行われる。すなわち、ガスをスパッドからスロット
までの距離に沿って空気で包み込むことによってガスが
バーナ・チューブから出るとすぐにガスが点火するのを
防ぐ段階と、乱流を誘発する段階とである。乱流は、ガ
スと空気を高速で吐出することによって生じる。ガスと
空気がバーナ・プレートから流出するとき、吐出した空
気とガスは遅くなる。こうして生じたエネルギ損失は望
ましい乱流に変換される。ガス流が下流へ移動するにつ
れて、それは円錐形に広がり、漸次空気、そして、再循
環熱ガスと混合する。これらの条件の下に、バーナ・プ
レートのスロットから吐出する円錐形の噴流の周縁から
着火が始まる。ここで、燃料ガス濃度は希薄可燃限度に
近く、再燃焼ガスの乱流混合によって噴流中心へ伝播す
る。こうして、燃焼中の局部的な燃料・空気比は、バー
ナへの全燃料・空気入力に基づいて平均値を越えること
はなく、窒素酸化物生成が低下する。このバーナ・チュ
ーブとスロットの構成の結果として、スロット間の再循
環空気帯域の幅は半径方向において有意に変化する。こ
うして、スロット間のプレートに沿った熱い燃焼生成物
の再循環領域が半径方向において有意に変化し、局部的
な着火パターンも変化する。その結果、火炎フロントの
局部的振動が異なった振動数で生じ易くなり、同期する
ことはない。こうして、振動がかなり減衰され、共振問
題が最小限に抑えられるかあるいは排除される。

【００１１】さらなる実施例では、スロット（またはバ
ーナ・チューブ）は、隣り合ったスロット（またはバー
ナ・チューブ）のなす角が有意に変化するように配置し
てもよい。この配置は、各スロットで生じる火炎フロン
ト・パターンを変化させ、振動をさらに低下させる。た
とえば、バーナ・チューブおよびスロットはバーナ・プ
レートの中心軸線について非対称的に位置させて同じ結
果を得ることができる。

【００１２】好ましくは、中心ガス・ノズルを設け、よ
り複雑な火炎フロント形状を作り、望ましくない振動の
可能性をさらに減らし、火炎の安定性を向上させるとよ
い。一例として、ガス・ノズルをバーナ・プレ・ートの
中心に配置し、ノズルに対して接線方向に燃料ガスを送
るような向きの燃料ガス吐出口を設け、そこから出るガ
スをバーナ・プレートから下流側の渦流へ変化させる。
中央ガス・ノズルまわりにスピナも配置し、中央ガス・
ノズルまわりを流れる燃焼空気をノズルから下流側で渦
流としてもよい。この配置では、火炎の安定が天然ガス
燃焼のための過剰空気の１１０％までの過剰空気で空気
の予熱なしに達成される。

【００１３】上記の設計では、バーナは、スロートが非
常に短い場合でもより安定している。代表的なスロート
長の限度はバーナ直径の３０％である。部分燃焼した燃
料と空気の流れがスロートを出るにつれて、スポーク形
または星形のパターンの扁平な噴流が生じる。この流れ
は、従来のバーナがら出る流れよりも急速に炉内部から
のガスを伴出する。こうして、新しい熱い燃焼生成物の
流れが急速に冷却され、窒素酸化物が最小限に抑えられ
る。

【００１４】前記のバーナ形態は、バーナ・プレートの
スロットを通して供給される大量の過剰燃焼空気、すな
わち、理論量よりも多い過剰燃焼空気と共に、火炎を比
較的低温に保ち、窒素酸化物の生成量を最小限に抑え
る。過剰空気バーナはダクトヒータにとっては有用であ
るが、加熱炉、ボイラ等にとっては一般に比較的効率が
悪い。後者の用途では、上述したバーナは、二次燃料ガ
ス・煙道ガス射出組立体を設けて２段バーナ組立体を形
成することによって改造する。この実施例によれば、バ
ーナ組立体は、上述したようなバーナ・チューブ・スロ
ット配置のような一次空気・燃料ガス吐出組立体を有
し、一次燃料ガス・空気混合気を燃焼室へ吐出するよう
になっており、また、複数の個別の二次燃料ガス射出チ
ューブ、強制再循環煙道ガス射出チューブを備える。こ
れらは共に一次空気・燃料ガス吐出組立体まわりに配置
する。各射出チューブは一次空気・燃料ガス吐出組立体
から半径方向に隔たった吐出端部を有する。二次燃料ガ
ス射出チューブは二次燃料ガス源に接続するようになっ
ている入口部を有し、煙道ガス射出チューブは煙道ガス
再循環管路に接続するようになっている入口部を包含す
る。

【００１５】２段バーナ組立体の作動中、燃焼室内で生
じた煙道ガスは煙道ガス・スタックへ流れ、そこにおい
て、これらのガスの一部が煙道ガス射出チューブへ供給
を行うファンを含む再循環管路へ引かれる。二次煙道ガ
スは、再循環する煙道ガスと共に、燃焼火炎内へその或
る特定の領域で圧力下で射出される。再循環煙道ガスな
らびに二次煙道ガスは強制気流で吐出されるので、煙道
ガス射出チューブおよび二次燃料ガス・チューブから吐
出される煙道ガスおよび燃料ガスの噴流の方向は燃焼火
炎に所望の地点で到達するように制御され得る。こうし
て、燃焼室内に２つの燃焼帯域が生じ、窒素酸化物の生
成が抑えられ、後により詳しく説明するように、過剰空
気バーナの低入力が要求されるときに比較的高い熱容量
を保たれる。

【００１６】１５％の過剰空気（たとえば、理論酸素濃
度よりも約３％より多い）を一次空気・燃料ガス吐出組
立体と共に用いた場合、空気の若干量が希薄燃焼が生じ
る第１の上流側燃焼帯域で消費されず、過剰空気は火炎
を比較的低い温度に保つ。再循環煙道ガスおよび二次燃
料ガスをバーナ・プレートの中心線に向かって傾斜させ
ることによって、バーナ・プレートのスロットを通して
流入する燃焼空気と混合させて、二次ノズルからの燃料
ガスがバーナ・プレートの下流側若干の距離のところ
で、すなわち、二次燃焼帯域において燃焼するようにす
る。第１帯域の空気の過剰分は稀釈流として作用し、燃
焼ガスの温度を下げ、したがって、第１帯域での窒素酸
化物の生成を低減させる。しかしながら、二次燃料ガス
が空気と共に供給されず、代わりに再循環煙道ガス（非
常に少ない、たとえば、３％の酸素を含む）と共に供給
されるので、燃焼は遅延し、バーナの下流側の未反応ガ
スの体積が増大する。二次燃料ガスの燃焼の遅延と煙道
ガスを加熱する必要性とで全燃焼温度が低下し、これが
第２、すなわち、下流側燃焼帯域での窒素酸化物生成量
を減らす。

【００１７】この２段バーナ組立体は、また、炉内の表
面を冷却する必要性なしに比較的低い温度の再循環煙道
ガスで作動するという利点を有する。まず、煙道ガスは
煙道ガス・スタックから吸引され、煙道ガス温度は比較
的低く、すなわち、約華氏３００度となる。さらに、煙
道ガスは外部まわりに燃焼室へ流れ、煙道ガス射出チュ
ーブを経て燃焼室へ再循環させられる前にさらに冷却さ
れる。比較的冷たい再循環煙道ガスは煙道ガスを所望温
度まで冷却するのに炉内面に依存する必要性をなくす。
これは、このような冷却面がボイラ装置におけるように
容易に利用できない場合には、特に重要である。

【００１８】上述した単段バーナは窒素酸化物生成量を
８０％以上低減できるが、二次燃料ガス吐出組立体（再
循環煙道ガス、二次燃料ガスの射出チューブを含む）を
加えることによって、窒素酸化物の生成量を９５％まで
低減できることがわかった。

【００１９】２段バーナ組立体も比較的簡単な構造であ
る。一般的には、これは燃焼室の高温にさらされなけれ
ばならない複雑なバーナ部分を必要としない。二次燃料
ガス、煙道ガスの射出チューブの簡単な構造は別の利点
を与える。これらの射出チューブはたいていのバーナ形
態に順応するように設置できる。

【００２０】従来技術のいくつかの欠点と本発明の利点
を簡単に説明してきた。本発明の他の特徴、利点および
具体例は以下の説明、添付図面および添付の特許請求の
範囲から当業者には明らかとなろう。

【００２１】

【実施例】添付図面（同様の符号は同様の構成要素を示
す）を詳しく参照して、ここには本発明の原理に従うバ
ーナ２が示してある。後述するバーナはほぼ半径方向に
配置したバーナ・スロットおよびチューブを包含する
が、他の非平行スロット（またはバーナ・チューブ）形
態、たとえば、三角形の配置も使用できる。

【００２２】図１を参照して、バーナ２は、大雑把に言
って、ハウジング４を包含し、このハウジングは一端に
バーナ・プレート６を有し、このバーナ・プレートを貫
いて燃料ガスおよび燃焼空気の流れがその下流側の燃焼
室へ流れる。バーナのハウジングの反対側はバーナの内
部に接近するための普通のドア組立体（図示せず）を包
含する。バーナ・ハウジング４は普通のウィンドボック
ス８内に設置してあり、このウィンドボックスは、従来
と同様に、バーナ・ハウジングに形成した孔（図示せ
ず）を通してバーナ内へ燃焼空気を供給する。ウィンド
ボックス８は取付けフランジ９を包含し、バーナ組立体
を設置することができる。バーナ組立体の一端部まわり
には耐火バーナ・スロート１０が設けてあり、炉内への
燃焼生成物の流れを正しい形にし、安定性を高め、燃焼
室内に生じた熱からバーナを保護する。燃料ガス供給管
路１２がバーナを貫いて延びており、マニホルド１４へ
燃料ガスを供給する燃料供給源に接続するようになって
いる。このマニホルドは、燃料ガスを半径方向に延びる
バーナ・チューブ（またはバーナ・スパッド）１６、な
らびに、普通の環状空気スピナ２０で囲まれた中央バー
ナ１８へ分配する。貫通孔２４を有する普通の絞り、す
なわち、円筒壁面がバーナ組立体内に設けてあり、外側
バーナ・チューブ帯域および内側中央バーナ帯域に達す
るウィンドボックスからの空気の量を制御する。絞りは
燃焼空気の外側環体と内側コアを形成する。

【００２３】バーナ・プレート６の前面は、好ましく
は、たとえば、１−１／２インチの厚みを有する耐火材
料２６で覆われる。耐火材料２６は、ワイヤアンカ（プ
レートが外面にワイヤアンカを備えている場合）を用い
ることによって、あるいは、耐火材料を予め成形し、ナ
ット、ボルトでバーナ・プレートへ取り付けることによ
って、バーナ・プレートへ直接取り付けることができ
る。ボルト、ナットは耐火材料に埋め込んでもよく、耐
火プラグを用いて生じた孔を塞ぎ、過剰な温度からこれ
らの留め具を保護するとよい。

【００２４】図２を参照して、ここには、好ましいバー
ナ構造を示す正面図でバーナが示してある。バーナ・チ
ューブ１６は、中央カットアウト部２９を有する環状バ
ーナ・プレート６の中心軸線２８まわりに対称的に設置
したものとして示してある。各バーナ・チューブ１６は
同じサイズ、数の複数の吐出口３０を包含し、これらの
吐出口は６つ示したスロット３２のうちの１つと整合
し、バーナ・プレートを通しで燃料ガスおよび空気を送
ることができるようにしている。バーナ・プレートの外
面で隣り合ったスロット間に形成した燃焼再循環帯域
は、全体的に参照符号３４で示してある。バーナ・チュ
ーブはマニホルドによって支持されており、スロットに
対して心合わせされ、バーナ・プレートから隔たってい
てスロットを通して燃料ガス流を流し、バーナ内で燃料
ガスと空気の或る程度の混合を行うようになっている。
これについては以下により詳しく説明する。バーナ・プ
レート６は環状のものとして示してあるが、本発明の範
囲から逸脱することなく他の形態も可能である。

【００２５】図３はバーナ・プレートのための別のスロ
ット形態、すなわち、くさび状のスロット３７を示して
いる。この形態は、バーナ・プレートの周縁３８に向か
って大きくなる横断面積を有し、ウィンドボックスのと
ころでの所与の空気圧力でより多くの空気を燃焼室へ流
入させ、ガスの流量を高めてバーナ能力を高めることが
できるという利点を有する。一方、バーナ能力を一定に
保ちたいならば、この形態はウィンドボックス空気圧力
要求を低下させる。

【００２６】図４はさらに別のバーナ・チューブ−スロ
ット構造を概略的に示している。ここでは、スロットな
らびに対応するバーナ・チューブはバーナ・プレートま
わりに等距離に隔たっておらず、より複雑な火炎フロン
トを生じさせ、脈動を低減する。これについては以下に
より詳しく説明する。均等なスロット間隔では、或る例
では各スロットからの個別の火炎は互いから「歩み去
る」（直径方向であるかも知れない）傾向を持つ。図４
に示す例では、隣り合ったスロットの中心線３３間の角
度は、それぞれ、αとβで示すように、５０度と７０度
の間で変化する。この不均等な間隔は流れパターンをよ
り強固で安定したものとするのに役立つ。図１、２を参
照して、バーナ・チューブのバーナ・プレートに対する
位置を説明する。燃料ガス噴流はバーナ・スロット中心
線（たとえば、図２における中心線３３を参照された
い）と正確に一致していることが重要である。そうしな
いと、燃料ガスが空気流を不均一に横切って分布させら
れ、バーナ性能の低下および窒素酸化物生成量の増大を
招くことになる。燃料チューブまたはスロットの不整合
が大きい場合には、燃料噴流がバーナ・プレート６の縁
と衝突する可能性がある。このような衝突は流れがバー
ナ・プレート６を通過する前に燃焼を生じさせ、付加的
な流れのひずみならびにバーナ・プレートのスロット縁
の過熱を生じさせ、反りやフラッシュバックの問題を惹
起することになる。

【００２７】燃料供給チューブはバーナ・プレートに極
めて接近して設置して燃料ガスの偏向を避けることがで
きるが、このような構成は燃料ガスと燃焼空気との混合
をプレート６のもっとも下流（高い乱流がある）で生じ
させることになる。この場合、燃料の一部が充分な量の
空気と混合する前に燃焼し、窒素酸化物放出量を増大さ
せることになる。また、燃料ガスおよび燃焼空気がバー
ナ・プレート６を出た瞬間から若干の着火遅れも生じ
る。この遅延は、再循環帯域３４の下方での熱い燃焼生
成物の必要な再循環を確保するには、スロット間により
大きなスペースを設けることを求めることになる。スペ
ースの増大は最高の達成し得る火炎強度を有意に低下さ
せることになる。バーナ・プレートのスロットからの、
バーナ・プレートの外面付近の点での垂直方向距離とそ
れぞれの燃料供給チューブ吐出口とバーナ・プレートの
スロットの幅の比は約１．５：１から４：１であり、好
ましくは、２〜３：１であり、高い燃料速度を用いて所
望の燃焼特性を得ることができる。

【００２８】半径方向に向いたスロット３２間の距離も
火炎強度に影響を与え得る。スロット３２が互いに近す
ぎる場合、スロット間の再循環帯域のサイズおよび再循
環帯域間を通るときの燃料ガス・空気混合気の滞留時間
が火炎吹き消しが生じる程度まで低下し、負荷が所望レ
ベルより低くなる。換言すれば、この燃料ガス・空気混
合気が再循環帯域がらのガスの伴出に晒されたままであ
る時間は燃焼を生じさせ、したがって、着火を持続する
熱い燃焼生成物を再循環帯域へ供給するには不充分であ
る。一方、隣り合ったスロットが離れすぎているときに
は、火炎強度が低下し、バーナ単位横断面あたりの燃
料、空気の量を減少させる。これは、一般に、望ましく
ない。上記のバーナ構造を備えた米国特許第５，１０
２，３２９号（ここに参考資料として援用する）に開示
されているように、非常に高いガス流速および高い空気
速度を用い、燃焼室内に高い乱流を生じさせることがで
きる。その結果、燃焼室内の火炎は高い強度で短い火炎
となる可能性がある。

【００２９】この構造の別の利点は、有意量の過剰空気
の場合に、バーナが窒素酸化物量を非常に低くするとい
うことにある。これは、着火前にバーナから燃焼室へ送
られる空気のすべてと燃料とを混合させ、理論比に近い
混合気の燃焼に伴う熱スポットを火炎内で避けたことを
原因とする。特に、燃料ガスは、まず、充分な過剰空気
と混合する位置で着火され、燃焼温度が高くなりすぎる
ことがなく、それによって、窒素酸化物生成量を制限す
る。これは、次の段階の組わせによって行われる。すな
わち、スパッドからスロットまでの距離に沿ってガスを
空気で包み込むことによってスパッドから出てすぐのガ
スの着火を阻止する段階と、ガス、空気を高速で吐出す
ることによって達成される乱流を生じさせる段階とであ
る。ガス流が下流へ移動するにつれて、それは円錐形に
広がり、その周辺に沿って流れる空気および再循環する
熱いガスと漸次混合する。これらの条件の下に、着火は
スロットから吐出する円錐形噴流の周面から始まり、乱
流混合によって噴流中心へ伝播する。噴流周面（着火が
開始する）での燃料の局部的な濃度は希薄可燃限度に近
い。噴流中心への火炎の伝播に必要な付加的な時間は着
火前の噴流中心で燃料・空気の比率を平均することがで
きる。こうして、高い局部的な過剰空気状態でのみ燃焼
がバーナの下流側で生じ、燃焼温度を制限し、窒素酸化
物生成量を最小限に抑える。

【００３０】上述したように着火遅延を備える低窒素酸
化物バーナは公知であるが、これらのシステムで発生し
た火炎フロントがバーナ・システムの構造全体で決まる
振動数（たとえば、供給空気流脈動の周波数は８−２０
０Ｈｚであり得る）でバーナ・プレートに対して前後方
向に振動することがわかった。熱エネルギの解放におけ
る脈動は供給空気周波数と同期するとき、火炎フロント
脈動の増幅が生じ、これが振動およびランブリングとし
て知られる炉のハードウェアの共振を招く。

【００３１】上述した望ましくない振動および共振は、
以下に詳しく説明するバーナ・チューブ、スロットの構
成のために、本発明のバーナではほとんど生じない。こ
の構成は再循環帯域の形態に影響を与えて火炎フロント
の局部的な振動が異なった振動数で生じ、同期せず、そ
の結果、振動が大きく減衰され、共振問題がほとんど生
じない。

【００３２】図２に戻って、ここには、バーナが６つの
半径方向に延び、等距離で隔たったバーナ・チューブま
たはバーナ・スパッド１６を持つものとして示してある
（すなわち、互いに隣接する各バーナ・チューブ対が約
６０度の角をなす）。隣り合ったバーナ・スロット３２
の外端部間の距離は隣り合ったスロットの内端部間の距
離よりもかなり大きくなっている。バーナ・チューブ１
６がスロット３２と整合しているので、それらも同様に
配置される。この構成によれば、バーナ・プレート６の
外周方向から中央領域の方向へ向かって再循環帯域３４
をがなり狭くさせることになる。好ましくは、隣り合っ
たバーナ・スロット（またはチューブ）の外端部間の距
離と内端部間の距離の比は少なくとも約２．５：１であ
り、バーナ・プレートの中央部からその周辺への再循環
帯域の充分な変化を与え、隣り合った火炎フロントの着
火が同期することがない。

【００３３】バーナを６つのバーナ・チューブを持つも
のとして図示したが、バーナ・チューブの数は本発明の
範囲内で変え得る。さらに、他のスロット−バーナ・チ
ューブ構成を用いて再循環帯域の幅すなわち面積をバー
ナ・プレート中心軸線２８間で有意に変え、局部的着火
パターンを変えて火炎フロントの局部的な振動を異なっ
た振動数で生じさせ、同期させないようにすることもで
きる。たとえば、スロットを非平行構成、たとえば、三
角形に配置してもよい。上述したように、スロットおよ
びバーナ・スパッドもバーナ中心軸線２８について非対
称的に配置してもよい。すなわち、バーナ・スパッドが
バーナ・プレートについて等間隔で隔たっておらず、よ
り複雑な火炎フロントを形成し、パルスの同期を最小限
に抑えることができる。一例が図４に示してあり、ここ
では、隣り合ったバーナ・スロット（またはスパッド）
間の角度は記号α、βで示すように５０度と７０度の間
で変化する。

【００３４】バーナ・プレート６は中央カット部すなわ
ち開口２９を包含し、ここでは、中央バーナ・ノズル１
８とスピナ２０が配置してある。好ましくは、開口２
９、ノズル１８およびスピナ２０はバーナ中心軸線２８
まわりに同心に位置している。中央ノズル１８とスピナ
２０は火炎フロント形状をさらに複雑にし、バーナでの
脈動供給空気への感度を低下させ、ランブリングを最小
限に押させる。中央バーナ・ノズル１８は、複数の接線
方向に穿孔したガス吐出ポート４２（図１、５に示す）
を備え、燃焼室の中央に渦流を生じさせる。テストによ
れば、かなり優れた機能を備えていた。しかしながら、
図５に示すものと異なった吐出ポート構成を含む他のノ
ズル設計も同等に作動すると考えられる。

【００３５】上述したバーナ・スパッド構成を中央バー
ナ・ノズル１８と組み合わせて用いたとき、火炎安定性
が向上することもわかった。すなわち、火炎吹き消しは
約１１０％の過剰空気まで生じない。この比較的広範囲
についての利点の１つは、上記の比較的広い範囲に鑑み
て比率がそれほど重要でないので、燃料対空気比を制御
する制御システムの要件を減らすということである。

【００３６】バーナの動作を図６を参照しながら説明す
る。燃料ガスは、燃料ガスのバーナ・チューブ１６にお
いて約１０ｐｓｉｇの圧力で、燃料ガス・チューブ吐出
口３０を通して非常に高い速度で吐出される。すなわ
ち、全負荷で、燃料ガスはプレート６のスロットの方向
へ２００〜４００ｍ／ｓでスパッドを出る。燃焼空気
（全体的に参照符号４６で示す）は、約３０〜４０ｍ／
ｓの速度でバーナ・スパッドを通って流れる。燃料ガス
および燃焼空気の速度が非常に高いということは、燃焼
室内に非常に高い乱流を発生させ、所望の高強度火炎を
達成すると共に、燃料の着火をバーナ・プレートから下
流側の位置まで遅らせ、そこにおいて、充分な過剰空気
と混合させて燃焼温度が高くなりすぎることがなく、窒
素酸化物生成量を制限する。円錐形の燃料ガス噴流４４
が下流で膨張するにつれて、空気はその周縁で漸次に消
費される。火炎フロント４７はバーナ・プレートから下
流の位置で確立され、充分な量の再循環する熱いガスが
円錐形噴流に進入して点火する。図６に示すように、こ
うしてできた火炎はバーナ・プレート耐火材２６に固定
される。再循環帯域内の再循環ガスの周縁渦流が全体的
に参照符号４８で示してある。再循環帯域の幅がバーナ
・プレートの中心軸線２８からの距離と共に有意に変化
するので、局部的な着火パターンも変化する。その結
果、火炎フロントの局部的な振動が異なった振動数で生
じ、同期することがない。こうして、振動がかなり減衰
し、共振問題が最小限に押させられるか排除される。

【００３７】テストし、上記の結果を得たバーナの構成
を例示するためだけに、以下の例を引用する。この例は
説明のために記載するものであり、本発明の範囲を限定
するつもりはない。バーナ・プレートの外径は２０イン
チであり、中央バーナ・ノズルおよびスピナを配置した
中央孔は８インチの直径を有する。図２に示すように、
６つの半径方向のスロット、バーナ・チューブを中央バ
ーナ・ノズルおよびスピナのまわりに配置した。スロッ
ト幅は約２インチであり、過剰空気バーナの吐出口と対
応するバーナ・プレートのスロットの最外方点との距離
は約４インチであった。空気は９８：２の比で半径方向
スロットおよび環状スピナを通って流れた。中央バーナ
・ノズルはほぼ理論状態で作動し、半径方向スロットは
７０〜１１０％の過剰空気を受け入れた。これらのパラ
メータは特に空気ヒータに適している。多量の過剰空気
がボイラ・システムの効率をかなり低下させるボイラ用
途では、全過剰空気量は二次燃料噴射によって低下させ
ることができる。二次燃料噴射システムを包含する本発
明のさらに別の実施例が図７、８に示してある。

【００３８】図７を参照して、ここに示す２段バーナ組
立体２′は、それが２段燃焼火炎を発生する二次燃料ガ
ス組立体を包含するという点でバーナ２とは実質的に異
なる。さらに、中央バーナすなわち円錐形バーナ５０を
中央バーナ１８およびスピナ２０の代わりに使用され、
耐火材２２を除くと好ましい。

【００３９】中央すなわち円錐バーナ５０は中空のチュ
ーブまたはシリンダ５２とバッフル５４、５６とを包含
する。各バッフル５４、５６は環状、すなわち、リング
状であり、支持部材５８によってチューブまたはシリン
ダ５２内に同心に設置してあると好ましい。支持部材５
８は、円筒形であると好ましく、少なくとも一端が閉じ
ており、燃料ガス流を阻止するようになっている。燃料
ガスは燃料ガス供給管路１２′を経てシリンダ５２の内
部に供給される。燃料ガス供給管路１２′はバーナ５０
の端壁５９を貫いて延びており、燃料供給源（図示せ
ず）に接続するようになっている。全体的に参照符号６
０で示す燃料ガスは下流へ流れ、バッフル５４に形成し
たポート６２に入る。この図では隠れているが、ポート
６２はバッフル５４まわり３６０度にわたって設けてあ
る。燃料ガスがポート６２を出るとき、バッフル５６が
燃料ガス流に乱流を生じさせ、これがバッフル５６上を
流れ、シリンダ５２を貫いて形成した周方向に隔たった
孔６６を通る燃焼空気と混合する。燃料ガス、燃焼空気
の混合気は、シリンダ５２の下流側開口端から吐出して
着火し、一次燃料ガスと燃焼空気の混合気のための直立
パイロットを形成する。これについては後により詳しく
説明する。

【００４０】中央バーナ５０はバーナ・ハウジング４′
内に設置してある。バーナ・ハウジング４′はほぼ円筒
形であり、普通のウィンドボックス８′内に設置してあ
る。このウィンドボックスは、従来と同様に、バーナ・
ハウジングに形成した孔６８によってバーナ・ハウジン
グ４′に燃焼空気を供給する。ウィンドボックス８′
は、さらに、従来と同様に、その中に加圧空気を供給す
る空気入口導管７０を包含する。こうして、空気入口導
管７０は空気流量を調節するための普通のダンパ（図示
せず）を包含し得る。加圧空気はハウジング４′を通っ
て流れ、パイロット孔６６およびバーナ・プレートのス
ロット３２を通って流出する。バーナ組立体２′はボイ
ラに接続した状態で示してあり、従来と同様に、ボイラ
・プレート７１がバーナ組立体の端壁を形成している。
この例では、ハウジング４′の一端はボイラ・プレート
７１に固着してある。たとえば、この連結は留め具ある
いは溶接で行える。ハウジング４′のバーナ・プレート
６と反対の端はハウジングの内部に接近するための普通
のドア組立体（図示せず）を包含する。

【００４１】好ましい実施例では、図１−６について説
明したバーナ・プレート、スパッドの構成のうちの１つ
が一次燃焼空気・燃料ガス吐出組立体を形成する。しか
しながら、簡略化のために、バーナ組立体２′は図２に
示すバーナ・スパッド構成に関連して説明する。図２と
同様に、バーナ・プレート６は中央またはコア・バーナ
を受け入れるための中央カットアウト２９を包含する。
しかしながら、バーナ組立体２′では、このカットアウ
ト２９はバーナ・プレートの中央部を貫いて延び、支え
となるチューブまたはシリンダ５２を収容するような寸
法となっている。バーナ・チューブ１６のための燃料ガ
ス供給システムもやや改造してあって、中央バーナ５０
の形態に順応するようになっている。特に、燃料ガスは
環状のマニホルド７２によってバーナ・チューブ１６に
供給される。このマニホルドは、バーナ・チューブ１６
の先端部に接続してある。マニホルド７２はバーナ・チ
ューブ１６のための支えとしても投立ち、図１、２に関
連して説明したように、バーナ・チューブ１６をスロッ
ト３２に対して位置決めし、バーナ・プレート６から隔
てるようになっている。

【００４２】図７を参照して、バーナ組立体２′は二次
燃料ガス吐出組立体８０も備える。この二次燃料ガス吐
出組立体８０は、大雑把に言って、複数の二次燃料ガス
射出チューブ８２を包含し、これらの二次燃料ガス射出
チューブ８２は、バーナ・プレート６の円周方向外側に
隔たっており、耐火バーナ・スロート１０を貫いて延び
ている。各二次燃料ガス射出チューブ８２は環状マニホ
ルド８４に流体接続してある。マニホルド８４、７２
（上述した）は普通の制御弁を介して加圧燃料ガス源８
６（図７に概略的に示す）に接続してある。個別のマニ
ホルド７２、８４が示してあるが（非常に急激な絞りの
ために好ましい）、単一のマニホルドを使用して燃料ガ
スを一次、二次燃料ガス吐出組立体に分配するようにし
てもよい。燃料ガス源８６は、従来と同様に、レギュレ
ータ（図示せず）を経て管路１２′に流体接続してあ
る。

【００４３】図７、８を参照して、各二次燃料ガス射出
チューブ８２の吐出端はノズル８８を包含し、このノズ
ルは矢印９２（図７）で示すようにバーナ・プレート６
の中心線２８に向かって燃料ガスを送るような向きの吐
出ポート９０（図８）を有する。 二次燃料ガス吐出組
立体８０は、複数の再循環煙道ガス射出チューブ９４も
包含する。これらの再循環煙道ガス射出チューブ９４も
バーナ・プレート６の円周方向外側に隔たっており、バ
ーナ・スロート１０を貫いて延びていてバーナ・プレー
ト６の下流の燃焼火炎へ再循環煙道ガスを射出するよう
になっている。各再循環煙道ガス射出チューブ９４はそ
の基端部で環状マニホルド９６に流体接続してあり、こ
のマニホルドは煙道ガス管路１００によって普通の煙道
ガス・スタック９８（概略的に示してある）に流体接続
してある。煙道ガス・スタックは、従来と同様に、ボイ
ラに接続してある。煙道ガス管路１００はファン９９
（概略的に示してある）を包含し、スタック９８から煙
道ガスを引き、これを強制気流として射出チューブ９４
を通して射出する。各再循環煙道ガス射出チューブ９４
の先端は複数の吐出ポート１０４（図８）を有するノズ
ル１０２を包含する。これらの吐出ポートは、参照符号
１０６（図７）で示すようにバーナ・プレート６の中心
線２８に向かって煙道ガス流を吐出するような向きとな
っている。

【００４４】ノズル８８、１０２からバーナ・プレート
６の中心線に向かって吐出されるガス流に角度を付ける
が、それを燃焼室の充分下流側で行うことによって、２
つの燃焼帯域を作ることができる。たとえば、１５％の
過剰空気（たとえば、理論酸素濃度を越えた約３％）を
一次空気・燃料ガス吐出組立体と共に用いるとき、第１
燃焼帯域では空気はなんら消費されず、希薄燃焼が生じ
る。再循環煙道ガスと二次燃料ガスをバーナ・プレート
６の中心線に向かって傾けることによって、これらの流
体がバーナ・プレートのスロット３２を通って流入する
燃焼空気と混合し、ノズル８８からの燃料ガスがバーナ
・プレートの下流側或る距離のところ、すなわち、二次
燃焼帯域で燃焼するようになっている。二次燃料ガスを
空気ではなくて煙道ガス（酸素含有量は非常に少ない、
たとえば、３％）と共に供給することによって、燃焼が
遅れ、バーナ下流側の未反応ガスの体積が大きくなる。
ノズル８８から流出されるガスが燃焼する結果としての
燃焼の遅延および追加した煙道ガスを加熱する必要性に
より、第２燃焼帯域での全燃焼温度が低下し、これが窒
素酸化物生成量を低減する。

【００４５】好ましい実施例では、各二次燃料ガス射出
チューブ８２は再循環煙道ガス射出チューブ９４のうち
の１つの中に同心的に設置され、最適な性能を与える。
しかしながら、両者それぞれの吐出ノズル８８および１
０２が互いに接近し過ぎるように燃料ガスおよび煙道ガ
スのチューブが設けられている場合には、二次燃料ガス
射出チューブ８２は再循環煙道ガス射出チューブ９４の
外側に設置してもよい。燃料ガス、煙道ガスの射出チュ
ーブ対は、好ましくは、隣り合ったスロット３２の中間
に設置するとよい。低過剰空気用途では窒素酸化物放出
量と振動を低下させるという最適の性能を得ることがで
きる。こうして、６つの燃料ガス、煙道ガス対を、図８
に示すように、６つの半径方向に延びるバーナ・スロッ
トを有する一次燃料・空気吐出組立体と一緒に用いると
好ましい。ここで、二次燃料ガス吐出組立体８０の向き
が図７のものと異なり得るということに注目されたい。
たとえば、燃料ガス、煙道ガスの射出チューブ８２、９
４は、半径方向内向きに傾いていてバーナ・プレート６
の中心線２８と角（たとえば、１５度）をなしてもよ
い。この角度は、煙道ガスおよび二次燃料ガスを上述し
たように二次燃焼帯域に流入させるに充分なものであ
る。したがって、この角度は特定のバーナ寸法に依存す
る。また、二次燃料ガス吐出組立体８０をボックス８′
の外側に設置してもよいことも了解されたい。

【００４６】バーナ組立体２′は、燃料ガスの代わりに
燃料オイルと用いるようにも容易に改造できる。この場
合、支持部材５８をハウジング４′の全長にわたって延
びて普通のオイルガンを支持するような寸法とする。し
たがって、支持部材は中空であり、両端開放となる。説
明のために、オイルガン１０７が図７に仮想線で示して
ある。オイルガンを使用する場合、すべての燃料ガス供
給管路を閉鎖するが、再循環煙道ガス管路は開いてお
く。オイルガンからの燃料オイルはバーナ・スロット３
２を通って燃焼室に流入した燃焼空気と共に一次燃焼帯
域において燃焼することになる。再循環煙道ガスは煙道
ガス・ノズル１０２を経て燃焼室の二次燃焼帯域に入
り、上述したように火炎の全温度を低下させる。

【００４７】二重燃料系（オイルまたはガス）を得るた
めに、燃焼空気入口ポートを煙道ガス射出チューブ９４
に設けると共に、用途の要件に依存してこれらのポート
を開閉する機構も設けるとよい。一般的には、これらの
ポートはガス点火のときに閉ざし、オイル点火のときに
開く。すなわち、燃料ガス射出チューブ９４がウィンド
ボックス８′から燃焼空気を受けるように入口ポート
（図示せず）と備え、二次燃焼帯域に付加的な燃焼空気
を与え、オイル燃焼時の窒素酸化物を低減するとよい。
この構成は、また、ガスおよびオイルのためのバーナの
気流損失係数を同じ程度にすることによって制御を簡単
にもする。

【００４８】上記の説明は好ましい実施例のものであ
り、開示した実施例からの逸脱が発明の範囲内で可能で
あり、当業者には変更が容易であることは了解された
い。本発明の全範囲は以下の特許請求の範囲に記載され
ている。したがって、特許請求の範囲および明細書の記
載は、発明が意図した全保護範囲を不当に狭くするもの
ではないと解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理に従うバーナの断面図である。

【図２】本発明の第１実施例による図１のバーナの正面
図である。

【図３】図１のバーナの別のバーナ・スロット構成を示
す図である。

【図４】図２に示すバーナ・チューブ、バーナ・プレー
トのスロットの別の配置を示す概略図である。

【図５】図１に示すバーナ中央ノズルの断面図である。

【図６】本発明による円錐形燃料噴流およびそれに伴う
火炎フロントを示す図である。

【図７】本発明による別のバーナ構成の断面図である。

【図８】図７のバーナの正面図である。

【符号の説明】

２ バーナ ４ ハウジング ６ バーナ・プレート ８ ウィンドボックス １０ バーナ・スロート １２ 燃料ガス供給管路 １４ マニホルド １６ バーナ・チューブ １８ 中央バーナ ２０ スピナ ２２ 絞り ２４ 孔 ２６ 耐火材 ３０ 吐出口 ３２ スロット ３７ スロット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−38310（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−26308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−122930（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−17217（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に対面する外面と、内面と、なら
   びに前記燃焼室に空気および燃料ガスを導入するために
   前記外面および内面を貫いて形成してあり、各々ほぼ半
   径方向に伸びるように周方向に所定間隔で配置された複
   数のスロットとを有するバーナ・プレートと、各々ほぼ
   半径方向に伸びるように周方向に所定間隔で配置された
   複数のバーナ・チューブとを具備し、各バーナ・チュー
   ブが燃料ガス源に接続するようになっている内端部と外
   端部とを有し、また各バーナ・チューブが複数の吐出口
   を有し、これらの吐出口が前記スロットの１つと整合し
   てそこを通して燃料ガスを送ることができるような向き
   になっており、さらに、前記バーナ・チューブが、隣り
   合ったバーナ・チューブの外端部間の距離がこれら隣り
   合ったバーナ・チューブの内端部間の距離よりもかなり
   大きくなるような向きとなっていることを特徴とするバ
   ーナ。
2. 【請求項２】 複数の非平行の半径方向に伸びる貫通ス
   ロットが形成してあり、これらのスロットを介して燃焼
   室内へ空気、燃料ガスが導入されるように中央部の半径
   方向外側周囲に配置されたバーナ・プレートであり、前
   記燃焼室内で燃料ガスおよび空気が燃焼し、火炎および
   煙道ガスを生成するようになっており、隣り合ったスロ
   ットの外端部と隣り合ったスロットの内端部の距離の比
   が少なくとも約２：１であるバーナ・プレートと、燃料
   源に接続するようになっている複数のバーナ・チューブ
   であり、各々が燃料ガスを通すように前記スロットの１
   つと整合する向きとなっている複数の吐出口を有するバ
   ーナ・チューブと、複数の個別の二次燃料ガス射出チュ
   ーブであり、各々が前記スロットに対して直角に伸びる
   部分を有し、かつ、前記スロットを取り囲んでいる環状
   マニホルドから半径方向外方に位置した吐出端部を有
   し、さらに前記燃焼室に接続するようになっている二次
   燃料ガス吐出組立体と接続される出口を有する二次燃料
   ガス射出チューブと、燃料ガス源に接続するようになっ
   ており、各々が前記複数の二次燃料ガス射出チューブの
   うちの１つの二次燃料ガス射出チューブの前記吐出端部
   に隣接した吐出端部を有する複数の再循環煙道ガス射出
   チューブとを具備することを特徴とするバーナ組立体。