JP6356438B2 - バーナ、燃焼装置および燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスを燃焼させるバーナなどの燃焼技術に関する。

ガス燃焼において、淡混合気では燃料ガスに対して空気の比率が高く、濃混合気では燃料ガスに対して空気の比率が低い。淡混合気の燃焼では、燃焼排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減できる反面、燃焼の安定性が低い。これに対し、濃混合気の燃焼では燃焼の安定性が高い。このような両者の特性から、ＮＯｘの低減とともに燃焼の安定性を高め、淡混合気の火炎を濃混合気の火炎で保炎することが知られている。

このようなガス燃焼に関し、バーナの淡炎孔の両側に備えられた濃炎孔で袖火を形成し、この袖火により淡炎孔側の主炎を保炎することが知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２０１０−２６１６１５号公報

燃料ガスを燃焼させるバーナには金属板をプレス加工して形成される、所謂プレスバーナがある。このプレスバーナの炎孔部は金属板で成形されており、バーナ中央に淡炎孔を配置し、この淡炎孔の側部に濃炎孔が配置される。淡炎孔から淡混合気を流出させて燃焼させる。これに対し、濃炎孔から濃混合気を流出させて燃焼させる。淡炎孔を挟んで濃炎孔が形成されたバーナでは、複数の金属板の積層構造で複数の炎孔が形成されている。このため、金属板の成形上、炎孔の形状や配置が制限される課題がある。

バーナ中央に淡炎孔を配置し、この淡炎孔を挟んで濃炎孔を配置すれば、濃炎孔の配置側での保炎効果が得られるものの、淡炎孔から濃炎孔が離れると、淡燃焼火炎に対する濃燃焼火炎による保炎効果が低下すると、淡炎孔では、その縦方向や斜め方向の保炎機能が低く、淡燃焼火炎側の燃焼が不安定になる。

淡炎孔から流出する淡混合気の燃焼が主炎を形成し、この主炎側の燃焼に対し、極端に低い濃淡比や、過剰な空気や空気不足は、安定した火炎形成ができない。そのため、安定した燃焼を維持するには、使用可能な燃焼制御領域が狭小化する。その結果、過剰なＣＯやＮＯｘが排出し、燃焼排ガスの基準をクリアしても、燃焼排ガスに対する燃焼仕様に余裕がない。

そこで、本発明の第１の目的は上記課題に鑑み、ＣＯやＮＯｘの低減を図るとともに、淡火炎に対する保炎機能を高め、燃焼の安定化を図ることにある。

また、本発明の第２の目的は上記課題に鑑み、ＣＯやＮＯｘの低減および燃焼の安定化を図り、燃焼の制御性を高めることにある。

上記目的を達成するため、本発明のバーナの一側面によれば、淡火炎を生成する複数の淡炎孔と、前記淡炎孔を挟んで設置された第１の濃炎孔と、隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置された第２の濃炎孔とを含み、前記淡炎孔の周囲に配置されて濃火炎を生成する複数の濃炎孔と、前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれて、前記淡炎孔と前記濃炎孔とを絶縁する絶縁域とを備え、前記濃炎孔で生成される前記濃火炎が連結されて前記淡火炎を囲い込み保炎する。

前記バーナにおいて、前記第２の濃炎孔は、前記淡炎孔の幅より狭い間隔で対向してもよい。

前記バーナにおいて、前記間隔部に前記第２の濃炎孔を張り出させてもよい。

前記バーナにおいて、前記淡炎孔は多角形状、長円形状または円形であり、前記淡火炎の円形状または長円形状の淡燃焼面を生成し、この淡燃焼面の周囲に前記濃火炎で環状の濃燃焼面を生成する。

前記バーナにおいて、前記濃炎孔が前記淡炎孔の孔端より高い外壁部を備え、この外壁部で前記濃火炎を前記淡火炎側または対向する前記濃火炎側に誘導させてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の燃焼装置の一側面によれば、淡火炎を生成する淡炎孔と、前記淡炎孔を挟んで設置された第１の濃炎孔および隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置された第２の濃炎孔を含み、前記淡炎孔の周囲で配置されて濃火炎を生成する複数の濃炎孔と、前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれて、前記淡炎孔と前記濃炎孔を絶縁する絶縁域とを有する複数のバーナユニットを備え、前記濃炎孔で生成される前記濃火炎が連結されて前記淡火炎を囲い込み保炎する。

上記目的を達成するため、本発明の燃焼方法の一側面によれば、淡炎孔により淡混合気を燃焼させて淡火炎を生成し、前記淡炎孔を挟んで設置した第１の濃炎孔および隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置した第２の濃炎孔により、濃混合気を燃焼させて濃火炎を生成し、前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれた絶縁域により、前記淡炎孔と前記第１の濃炎孔および前記第２の濃炎孔とを絶縁し、前記濃火炎を連結させて前記淡火炎を囲い込み保炎する。

本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) 淡火炎に対する濃火炎の保炎機能が高められ、淡火炎の燃焼の安定化を図ることができるとともに、淡火炎および濃火炎の燃焼によりＣＯやＮＯｘを低減できる。

(2) ＣＯやＮＯｘの低減および燃焼の安定化により、使用可能な空気比の幅が広がり、空気比を低減できる。これにより、ファンなどの給気能力を低減できる。

(3) 淡火炎に対する濃火炎の保炎機能が高められるので、淡混合気の流出速度を上昇させ、空気比の低減と相まって単位面積当たりの発熱量を高めることができる。

(4) 燃焼の制御性が高められるとともに、バーナのコンパクト化や高出力化を図ることができる。

燃焼装置の一部を切り欠いて示す斜視図である。 燃焼装置を示す縦断面図である。 一実施の形態に係るバーナユニットを示す斜視図である。 リボンを分離させたバーナユニットを示す斜視図である。 バーナユニットの炎孔面部を示す平面図である。 図５のVI部を拡大して示す図である。 図６のVII−VII線切断端面を示す端面図である。 図６のVIII −VIII 線切断端面を示す端面図である。 淡混合気および濃混合気の流出を説明するための平面図である。 バーナの淡火炎および濃火炎を説明するための平面図である。 淡火炎および濃火炎を説明するための図１０のXI−XI線切断断面を示す端面図である。 淡火炎および濃火炎を説明するための図１０のXII−XII線切断断面を示す端面図である。 淡火炎および濃火炎を説明するための図１０のXIII −XIII 線切断断面を示す端面図である。 淡火炎を説明するための図１０のXIV−XIV線切断端面を示す端面図である。 燃焼ガス濃淡比とＣＯ％の関係を示す図である。 燃焼ガス濃淡比とＮＯｘとの関係を示す図である。 濃淡比の相違によるＣＯ％の変化を示す図である。 炎孔負荷とＣＯ％の関係を示す図である。 他の実施の形態のバーナユニットの炎孔部を示す図である。

図１は、一実施の形態に係る燃焼装置の一部を切り欠いて示している。この燃焼装置２は、本発明の燃焼装置の一例である。

この燃焼装置２は燃料ガスなどを燃料に用いる給湯装置や暖房給湯装置の熱源機として用いられる。この燃焼装置２には、装置筐体４が備えられ、この装置筐体４には燃焼室６が形成されている。この燃焼室６は、装置筐体４の側壁部８によって包囲されている。この燃焼室６には燃料ガスを燃焼させるバーナ１０が設置されている。このバーナ１０は複数のバーナユニット１２を備え、一例として一様な炎孔面が形成されている。

側壁部８の上部には燃焼室６の周囲側に突出させた支持部１４が形成されている。この支持部１４の上面には図示しない熱交換器が設置される。燃料ガスの燃焼により得られる燃焼排気の熱が熱交換器で熱交換される。

装置筐体４の側壁部８には複数の第１の燃料供給口１６−１および第２の燃料供給口１６−２が形成されている。燃料供給口１６−１は、バーナユニット１２の淡炎孔側に燃料ガスを供給するための開口である。燃料供給口１６−２は、バーナユニット１２の濃炎孔側に燃料ガスを供給するための開口である。

これら燃料供給口１６−１、１６−２の外側には共通の燃料供給部１８が設置されている。この燃料供給部１８には複数の第１の燃料噴射ノズル２０−１および第２の燃料噴射ノズル２０−２が備えられている。各燃料噴射ノズル２０−１は燃料供給口１６−１側に配置され、各燃料噴射ノズル２０−２は燃料供給口１６−２側に配置され、バーナユニット１２の内部に燃料ガスが供給される。この例では、燃料供給口１６−１がたとえば、長円形であり、燃料供給口１６−２はたとえば、円形である。燃料供給口１６−１の開口面積が燃料供給口１６−２より大きく、この開口面積により燃料ガスの供給に対して空気の導入量を異ならせることにより、燃料供給口１６−１側で淡混合気、燃料供給口１６−２側で濃混合気が生成される。

装置筐体４の底面側は底面板２２によって塞がれている。この底面板２２には給気口２４が形成されている。この底面板２２の下面側には給気ファン２６が設置され、この給気ファン２６が給気口２４に連結されている。給気ファン２６にはモータ２８が備えられ、このモータ２８の回転により給気ファン２６から給気口２４に燃焼用空気が供給される。この燃焼用空気は燃料ガスの噴射に応じてバーナユニット１２内に導入され、燃料ガスの燃焼に用いられる。

図２は、燃焼装置２の垂直断面を示している。装置筐体４の内部には各バーナユニット１２が炎孔部３８（図５）を上面にして配置されている。各バーナユニット１２には独立した混合部３２−１、３２−２が備えられている。混合部３２−１では燃料噴射ノズル２０−１から供給された燃料ガスと燃焼用空気とが混合され、淡混合気が形成される。混合部３２−２では燃料噴射ノズル２０−２から供給された燃料ガスと燃焼用空気とが混合され、濃混合気が形成される。

そして、装置筐体４では、燃料供給口１６−１、１６−２側の側壁部８を装置筐体４の内側に窪ませて燃料供給室２７が形成されている。この燃料供給室２７には燃料供給部１８が設置され、この燃料供給部１８のノズル本体部２９で燃料供給室２７が閉じられている。燃料供給部１８は側壁部８内に収められ、装置筐体４のコンパクト化が図られている。

図３は、燃焼装置２におけるバーナユニット１２の一例を示している。このバーナユニット１２は本発明のバーナの一例である。

このバーナユニット１２はステンレス板などの耐熱性金属板でプレス加工されたプレート部材によって形成される所謂プレスバーナである。このバーナユニット１２には下側から炎孔側に向かって本体部３４、整流部３６および炎孔部３８が備えられ、これら各部はプレート部材で一体に形成されている。

本体部３４には混合気導入口４０−１、４０−２が上下二段に配置、形成されている。混合気導入口４０−１は偏平な六角形状や長孔などの開口であり、燃料供給口１６−１に連結されて淡混合気ｆ１が導入される。混合気導入口４０−２は円形の開口であり、燃料供給口１６−２に連結されて濃混合気ｆ２が導入される。

整流部３６は本体部３４に導入された淡混合気ｆ１、濃混合気ｆ２を整流し、炎孔部３８に導く。整流部３６には淡混合気排出部４２にリボン４４が設置されている。このリボン４４は淡混合気ｆ１を整流する整流ユニットの一例である。リボン４４はバーナユニット１２の淡混合気排出部４２に設置されている。このバーナユニット１２では、図４に示すように、淡混合気排出部４２とリボン４４が着脱可能である。

炎孔部３８は、バーナユニット１２の上面に形成され、リボン４４によって形成された複数の淡炎孔４６を一定の間隔で備えるとともに、本体部３４側に複数の第１および第２の濃炎孔４８−１、４８−２を規則的に一定の間隔で備える。この例では、淡混合気排出部４２に少なくとも一個のリボン４４により、１２個の淡炎孔４６が一列に形成、配列されている。既述の燃焼装置２では、複数のバーナユニット１２が併設されることにより、淡炎孔４６が複数行複数列に配列され、一様な面部を成す炎孔部３８が形成されている。リボン４４は複数に分割されて淡混合気排出部４２に設置されてもよい。

そして、このバーナユニット１２では、混合気導入口４０−１、４０−２、燃料供給口１６−１、１６−２および炎孔部３８を除き、プレート部材を密着させた縁部５０が形成されている。この縁部５０によってバーナユニット１２が補強されている。

図５は、炎孔部３８を示している。この炎孔部３８には、バーナユニット１２の長手方向に淡混合気排出部４２が形成され、この淡混合気排出部４２にリボン４４が設置されている。このリボン４４には一定の間隔で淡炎孔４６および絞り部５２が交互に形成されている。これにより、淡混合気排出部４２は絞り部５２を挟んで形成された複数の淡炎孔４６に区画されている。各淡炎孔４６は多角形状の一例である偏平な六角形状や長孔である。

各濃炎孔４８−１は淡炎孔４６を挟んで形成され、各濃炎孔４８−２は絞り部５２を挟んで形成されている。

図６は、図５のVI部を拡大して示している。このVI部は、バーナユニット１２の炎孔部３８から淡炎孔４６および濃炎孔４８−１、４８−２の一部を抜き出して記載したものであり、この構成は他の炎孔部３８と共通するものである。

リボン４４はステンレスなどの金属プレートによりたとえば、プレス加工によって形成され、この実施の形態では、６枚の金属プレートで構成されている。このリボン４４には淡炎孔４６と絞り部５２が交互に形成されている。淡炎孔４６には、各金属プレートの屈曲角度を異ならせることにより、一例として６枚の金属プレートで淡炎孔４６の配列方向と直交する方向に５つの長炎孔部５４が形成されている。各長炎孔部５４の形状は、リボン４４の長手方向に中心線を取れば、この中心線を挟んで左右対称形である。このような複数の長炎孔部５４を形成したことにより淡混合気ｆ１が整流され、平行流となって淡炎孔４６から流出する。

このリボン４４の淡炎孔４６および絞り部５２の周囲には、淡混合気ｆ１の通過を遮断する遮断部５６が形成されている。図６では遮断部５６に斜線が付され、遮断部５６の所在を明らかにしている。この遮断部５６は、淡炎孔４６と濃炎孔４８−１、４８−２とを絶縁する絶縁域であるとともに、区画域を形成している。

この遮断部５６の外側には、ひとつの淡炎孔４６に対し、この淡炎孔４６を挟んで一対の濃炎孔４８−１が淡炎孔４６の長手方向の中心位置に形成されている。各濃炎孔４８−１の長手方向の幅は淡炎孔４６の各長炎孔部５４の幅より小さく、各濃炎孔４８−１の開口面積はひとつの長炎孔部５４の開口面積より小さい。これにより、濃炎孔４８−１から流出する濃混合気ｆ２の流出速度を濃混合気ｆ２の燃焼速度より速い速度に設定できる。

絞り部５２側には、絞り部５２を挟んで一対の濃炎孔４８−２が絞り部５２の長手方向の中心位置に形成されている。濃炎孔４８−１、４８−２は共通の金属プレートで形成された内壁プレート６０と外壁プレート６２とを接合して形成されている。内壁プレート６０はたとえば、台形状に屈曲させて絞り部５２側に突出させ、外壁プレート６２も同様に濃炎孔４８−２内に屈曲させて屈曲部６４を突出させている。これにより、各濃炎孔４８−２はほぼ台形状の開口形状であり、外壁プレート６２の屈曲部６４だけ開口面積を小さくしている。このように形成されて配置された濃炎孔４８−２は、濃炎孔４８−１の開口面積より大きく、濃混合気ｆ２の流出量が濃炎孔４８−１より多い。しかも、各濃炎孔４８−２は、遮断部５６に張り出し絞り部５２に近づけられている。これにより、一対の濃炎孔４８−２から流出する濃混合気ｆ２による濃火炎Ｆ２（図１０）の結合化が図られる。濃炎孔４８−１、４８−２の面積比は前者が大きくてもよく、後者が大きくてもよい。

図７は、図６のVII−VII線切断面を示している。このバーナユニット１２の炎孔部３８にはリボン４４で形成された淡炎孔４６を挟んで一対の遮断部５６が形成され、各遮断部５６の外側に濃炎孔４８−１が形成されている。濃炎孔４８−１の内壁プレート６０の開口縁部は淡炎孔４６と同一面に設置されている。これに対し、外壁プレート６２は内壁プレート６０より高さｈ１だけ高く設定されている。これにより、炎孔部３８は高さｈ１だけ高い外壁プレート６２の開口縁部によって包囲されている。

遮断部５６は、内壁プレート６０の中途部からリボン４４側に突出させた突出部６６をリボン４４に当接させることにより形成されている。

各濃炎孔４８−１には濃混合気ｆ２が濃混合気供給路６８を通して本体部３４側から導かれる。

図８は、図６のVIII −VIII 線断面を示している。バーナユニット１２の炎孔部３８にはリボン４４の絞り部５２を挟んで一対の遮断部５６が形成され、各遮断部５６の外側に一対の濃炎孔４８−２が形成されている。

リボン４４の中途部には金属プレートを外側に屈曲させた突出部６６が形成されている。各突出部６６は内壁プレート６０に当接されている。この内壁プレート６０の中途部はリボン４４の絞り部５２側に張り出している。これにより、各濃炎孔４８−２の対向間隔が狭められている。また、屈曲部６４によって濃炎孔４８−２の開口面積が狭められている。各濃炎孔４８−２においても、高さｈ１だけ高い外壁プレート６２によって包囲されている。

図９は、バーナユニット１２の炎孔部３８から淡混合気ｆ１および濃混合気ｆ２の流出形態を示している。淡混合気ｆ１は各淡炎孔４６から流出させ、濃混合気ｆ２は各濃炎孔４８−１、４８−２から流出させることができる。淡混合気ｆ１は濃混合気ｆ２に比較し流出量が多く、その流出速度が速い。淡炎孔４６から流出する各淡混合気ｆ１は複数の濃炎孔４８−１、４８−２から流出する濃混合気ｆ２によって包囲される。

＜淡混合気ｆ１および濃混合気ｆ２の燃焼＞

図１０は、各淡混合気ｆ１および各濃混合気ｆ２の燃焼場を示している。各淡混合気ｆ１および濃混合気ｆ２が着火により燃焼状態に入ると、図１０に示すように、各燃焼場が形成される。各淡混合気ｆ１では、淡混合気ｆ１の流速と燃焼により、淡炎孔４６ごとに独立した淡火炎Ｆ１が生成される。この例では、水平断面が長円状の淡火炎Ｆ１が形成されているが、円形であってもよい。

各濃混合気ｆ２を吹き出す濃炎孔４８−１、４８−２に併設された遮断部５６では、圧力が各濃混合気ｆ２よりも低くなる。このような圧力関係を設定すれば、濃炎孔４８−１、４８−２ごとに独立することなく、濃火炎Ｆ２が遮断部５６にまわり込み、淡混合気ｆ１から二次空気の供給をうけ、濃火炎Ｆ２が生成される。この濃火炎Ｆ２は、水平断面が長円状の淡火炎Ｆ１を包囲する連鎖状態の環状火炎を形成する。これにより、淡火炎Ｆ１が濃火炎Ｆ２によって保炎される。

図１１は、図１０のXI−XI線断面における淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２の状態を示している。淡火炎Ｆ１を挟んで一対の濃火炎Ｆ２が生成される。この場合、濃混合気ｆ２は淡火炎Ｆ１との間の遮断部５６では圧力が濃混合気ｆ２よりも低い。これにより、濃混合気ｆ２が遮断部５６にまわり込むことになる。この遮断部５６上の濃混合気ｆ２は、遮断部５６の近傍に流れる淡混合気ｆ１から二次空気の供給をうけ、各濃火炎Ｆ２が生成される。これにより、淡火炎Ｆ１が各濃火炎Ｆ２によって保炎される。

図１２は、図１０のXII−XII線断面における淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２の状態を示している。この濃火炎Ｆ２は、各淡火炎Ｆ１の間隔部に形成される。この濃火炎Ｆ２では、各濃炎孔４８−２の部位で炎長が伸びて高くなる。各濃火炎Ｆ２は隣接した遮断部５６の圧力が濃混合気ｆ２よりも低く、既述の通り、濃混合気ｆ２で生成される濃火炎Ｆ２が遮断部５６にまわり込み、さらに、閉塞した絞り部５２にまわり込む。このようにまわり込んだ濃火炎Ｆ２が、絞り部５２近傍の淡混合気ｆ１から二次空気の供給をうけて中央部が接触した濃火炎Ｆ２を生成する。各濃炎孔４８−２で形成される濃火炎Ｆ２は外壁プレート６２によって包囲されて連結が促進される。これにより、淡火炎Ｆ１の周囲部は間断なく濃火炎Ｆ２で周回状態に囲い込まれ保炎される。

図１３は、図１０のXIII −XIII 部の淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２の状態を示している。ひとつの淡火炎Ｆ１に対し、濃炎孔４８−１、複数の濃炎孔４８−２によって濃火炎Ｆ２が形成されている。各濃火炎Ｆ２は濃炎孔４８−１、４８−２間の遮断部５６の圧力が濃混合気ｆ２よりも低く、遮断部５６側にまわり込む。まわり込んだ濃火炎Ｆ２は、絞り部５２近傍及び長炎孔部５４近傍の淡混合気ｆ１から二次空気の供給をうけて濃炎孔４８−１、４８−２間で接触した濃火炎Ｆ２を生成する。濃火炎Ｆ２は、濃炎孔４８−１、４８−２の部位で炎長が伸びることから、凹凸状に波打った炎形状が生成される。

そして、図１４は、図１０のXIV−XIV線断面における淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２の状態を示している。各淡火炎Ｆ１は淡炎孔４６ごとに独立して形成されるのに対し、各淡火炎Ｆ１の間隔部に濃火炎Ｆ２が存在するので、各淡火炎Ｆ１が隣接する濃火炎Ｆ２によって全周保炎される。

＜燃焼空気量（空気比：ＡＦＲ（Air/fuel ratio））と濃火炎Ｆ２による保炎＞

このバーナユニット１２における燃料量に対する燃焼空気量（空気比）と、保炎の関係は次の通りである。

(a) 燃焼空気量

燃料ガスをたとえば、メタン（天然ガス１３Ａの主成分）とし、インプット：５８．１〔ｋＷ〕のガス燃焼機器を想定すれば、理論空気量は式(1) に示す反応式から求めることができる。

ＣＨ₄ ＋２Ｏ₂ ＋２* ７９／２１* Ｎ₂
→ ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋２* ７９／２１* Ｎ₂ ・・・(1)

ＣＨ₄ ＋λ* ２Ｏ₂ ＋λ（２* ７９／２１* Ｎ₂ ）
→ ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋λ（２* ７９／２１* Ｎ₂ ）＋（λ−１）* ２Ｏ₂
・・・(2)
式(1) は、メタンを理論空気量で燃焼させた場合の反応式、式(2) は、空気比（λ）を考慮した場合の反応式である。メタンの高位発熱量を３９．８〔ＭＪ／ｍ³〕とすれば、メタンのガス流量は、
５８．１〔ｋＷ〕／３９．８〔ＭＪ／ｍ³〕
＝５．２６〔ｍ³ ／ｈ〕 ・・・(3)
であり、理論空気量（λ＝１）は、式(1) より、
２＋２* ７９／２１＝９．５２〔ｍ³ ／ｍ³ 〕 ・・・(4)
となる。そこで、５８．１〔ｋＷ〕時の理論空気量は、
５．２６〔ｍ³ ／ｈ〕* ９．５２〔ｍ³ ／ｍ³ 〕＝５０．３〔ｍ³ ／ｈ〕
・・・(5)
となる。

実際の燃焼では、ＣＯの酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ ₂ →ＣＯ ₂ ）の促進やサーマルＮＯｘの生成を考慮し、淡混合気の燃焼では、理論空気量よりも過剰な空気量を使用する。一般的な淡混合気燃焼での空気比は１．３＜λ＜１．６である。ここで、仮にλ＝１．３の時の空気量を計算すると、

１．３* （２＋２* ７９／２１）＝１２．４〔ｍ³ ／ｍ³ 〕 ・・・(6)
となる。５８．１〔ｋＷ〕時のλ＝１．３の空気量は、
５．２６〔ｍ³ ／ｈ〕* １２．４〔ｍ³ ／ｍ³ 〕＝６５．４〔ｍ³ ／ｈ〕
・・・(7)
となる。式(5) および式(7) からも明らかなように、空気比を増やせば、燃焼空気量はその比に比例して増加する。その結果、炎孔部３８におけるガスおよび空気の混合気の流出速度も同様に増加するが、燃焼速度とのバランスにより火炎の安定度が決定される。

一般的に燃焼空気量が増加（空気比が増加）するほど、燃焼場は火炎にとって安定状態にある炎孔面上から離れた位置に形成される。また、空気量の増大により火炎温度が低下するので、火炎はより不安定な方向へ進む。更に空気量が増加すると、最終的には、火炎はリフトおよび失火を来たす。

このバーナユニット１２は、濃淡プレスバーナであるから、淡火炎Ｆ１が主火炎となる。そのため、淡火炎Ｆ１の安定化を求め、淡火炎Ｆ１の空気比を下げれば、ＣＯおよびＮＯｘが過剰に発生し、空気比の低減が困難となる。そこで、濃火炎Ｆ２による保炎を利用し、淡火炎Ｆ１側の空気比の増大化を図ることができる。

このバーナユニット１２の濃火炎Ｆ２の保炎機能が高いので、空気比の高い燃焼領域においても、淡火炎Ｆ１が安定化する。ＣＯの発生が低減され、空気比の高い燃焼領域での安定化が図られている。

(b) 燃焼速度

メタンに代表される炭化水素の燃焼速度は空気比と密接に関係する。その燃焼速度は空気比１の付近で最大となり、その前後で遅くなる。淡火炎Ｆ１の空気比は、１．３以上が一般的である。仮に空気比１．３における燃焼速度は、空気比１の燃焼速度と比較すると遅くなり、３７〔ｃｍ／ｓ〕から１８〔ｃｍ／ｓ〕となる。これは、燃焼場形成位置が安定した炎孔面上から離れるので、不安定な火炎となる。燃焼速度は空気比が増加するほど遅くなるので（λ＞１の範囲）、淡火炎Ｆ１には安定した濃混合気による保炎が必要不可欠である。

＜バーナユニット１２における濃淡比バランスおよび炎孔形状＞

このバーナユニット１２では、従来の濃炎孔形状が淡火炎Ｆ１を平行方向のみで保炎するのに対し、濃炎孔４８−２が淡炎孔４６間に設置され、燃焼時に濃火炎Ｆ２が疑似的な円周火炎を生じ、淡火炎Ｆ１を保炎できる。

このため、バーナユニット１２に形成される円形状の濃火炎Ｆ２による保炎は、従来の平行面で接触させる保炎に比較し、炎の接触領域（つまり、面積）が拡大され、これにより、効率的な保炎が得られる。この保炎形態は疑似的な全周保炎であり、理想な保炎形態である円形の淡火炎Ｆ１を円形の濃火炎Ｆ２で取り囲む形態を形成している。

＜淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２＞

一般的に、濃淡燃焼の濃火炎Ｆ２では空気比が１よりも低く設定される。燃焼負荷も淡火炎Ｆ１のそれと比較して、少なく設定される。この場合、濃火炎Ｆ２は主力火炎を形成しておらず、炎を維持する補助的な火炎であり、これにより、淡火炎Ｆ１が保炎される。この濃火炎Ｆ２は、淡火炎Ｆ１からの二次空気の供給も可能である。一次空気および二次空気の供給方法により、濃火炎Ｆ２から排出されるＣＯやＮＯｘ量が左右される。

淡火炎Ｆ１および濃火炎Ｆ２の平行配置では、淡火炎Ｆ１側に位置する濃火炎Ｆ２は、淡火炎Ｆ１から十分な二次空気の供給がある。淡火炎Ｆ１から遠ざかった濃火炎Ｆ２は淡火炎Ｆ１側に位置する濃火炎Ｆ２に比較し、空気不足となる。このため、濃火炎Ｆ２から排出されるＣＯやＮＯｘ量が高くなる。濃火炎Ｆ２の空気比を単純に高めれば、空気比が１に近づき、サーマルＮＯｘの発生が顕著となり、濃淡燃焼のメリットが損なわれる。これに対し、このバーナユニット１２では全周保炎であり、淡火炎Ｆ１と濃火炎Ｆ２との接触領域が広くなり、淡火炎Ｆ１から濃火炎Ｆ２に対する二次空気の供給が行われ易く、ＣＯやＮＯｘ量の低減が図られる。

このバーナユニット１２では淡火炎Ｆ１が主火炎を構成しており、燃焼量が濃火炎Ｆ２に比較して、数倍以上である。そのため、淡火炎Ｆ１の炎孔面積は濃火炎Ｆ２のそれと比較しても、大きく設定されている。バーナ全体の面積の制約たとえば、コストや製品の設計サイズによる制限を受けるとしても、燃焼量（ガス消費量・インプット）を高め、淡火炎Ｆ１の燃焼負荷は高くしつつ、かつ、安定した燃焼性能が要求される。

淡火炎Ｆ１は、燃焼火炎の温度を下げてサーマルＮＯｘを低減させ、空気比をたとえば、１．４以上とし、空気過剰（エアリッチ）な状態に維持される。より多くの熱量を確保するには、淡火炎Ｆ１の燃焼負荷が高くなる傾向にあり、混合気の噴出速度＞燃焼速度の関係から火炎温度が低く、淡火炎Ｆ１の保炎ないし燃焼維持の性能が低く、リフトを生じやすい。

濃火炎Ｆ２側に位置する淡火炎Ｆ１が濃火炎Ｆ２から保炎される従来のバーナの濃淡平行配置では、淡火炎Ｆ１が炎孔上近傍から離れることなく、安定した火炎が形成される。しかし、濃火炎Ｆ２側から離れた淡火炎Ｆ１では淡火炎Ｆ１同士のみの保炎となり、淡火炎長が長くなるので、リフトや過剰ＣＯが発生しやすい。空気比が高くなる場合や濃淡比が極端に低い場合（たとえば、２０：８０以下）では、その傾向が顕著となる。このため、このような燃焼では使用可能な燃焼領域（空気比、燃焼負荷）が制限されてしまう。このバーナユニット１２では疑似的な全周保炎であるので、斯かる不都合はない。

ところで、淡炎孔４６の開口面積を小さくする場合には、空気比や淡混合気ｆ１の流出速度によっては、同一炎孔部３８の単位面積当たりの熱量は少なくなる。この熱量を増加するには、空気比を下げるか淡混合気ｆ１の流出速度を上昇させればよい。

図１５は、従来バーナと本実施例バーナであるバーナユニット１２における燃焼ガス濃淡比とＣＯ％の関係を示している。このような関係から、従来バーナであれば、淡火炎Ｆ１の割合が高くなる程、保炎性が下り、ＣＯ％は高くなる。これに対し、本実施例バーナであれば、淡火炎Ｆ１の割合が高くなっても、保炎性は維持され、ＣＯ％は下がる。したがって、本実施例バーナであれば、淡火炎Ｆ１の割合が高い状態での燃焼が可能であることを示している。

図１６は、従来バーナと本実施例バーナであるバーナユニット１２における燃焼ガス濃淡比とＮＯｘとの関係を示している。いずれのバーナも淡火炎Ｆ１の割合が高くなる程、ＮＯｘの値は下がるが、本実施例バーナであれば、淡火炎Ｆ１の割合が高い状態での燃焼が可能である。なお、これらの関係を確認するための実験に用いたバーナにおける炎孔部３８の形状は、図３に記載した通りである。燃焼条件は一例として、インプットが５８．１〔ｋＷ〕、濃淡比（ノズル径比）は２０：８０である。

この測定結果から明らかなように、本実施の形態のバーナユニット１２では、ＣＯ％が全空気比において低い。高い空気比においては、淡火炎Ｆ１が濃火炎Ｆ２の全周保炎により安定火炎が形成され、その火炎長が短くなり、過剰ＣＯの発生が抑えられる。火炎長が長くなると、ＣＯがＣＯ₂となる酸化反応帯が上昇し、この反応が終結する前に、火炎がたとえば、熱交換器のフィンに接触すると、燃焼反応が強制的に終了し、過剰なＣＯが発生する。低空気比（λ＜１．６）側では、淡火炎Ｆ１からの濃火炎Ｆ２への二次空気の供給は、平行保炎よりも全周保炎の方がより効率的に行われているので、過剰なＣＯの発生が抑制されている。一般的に、高空気比側のＣＯ％は淡火炎Ｆ１より発生し、低空気比側のＣＯ％は濃火炎Ｆ２から発生する。

ＮＯｘについては、ＣＯ％と同様の傾向であるが、ＮＯｘの場合は主に、濃火炎Ｆ２側で生じる。濃火炎Ｆ２では火炎温度が高く（サーマルＮＯｘの発生源）、空気不足（プロンプトＮＯｘの発生源）になりやすく、この濃火炎Ｆ２よりＮＯｘが発生する。よって、淡火炎Ｆ１からの二次空気の供給具合、つまり、濃火炎Ｆ２温度の低下や濃空気比の上昇によりＮＯｘ排出量が影響を受ける。

このようにＮＯｘは、濃火炎Ｆ２から排出（濃淡比によるが、８から９割近くは濃火炎Ｆ２より排出）されるが、淡火炎Ｆ１からも排出される。仮に、淡の空気比を１．６に設定すると理論的にはＮＯｘ（Ｏ ₂ ３％換算）では、１０〔ｐｐｍ〕未満である。仮に、淡燃焼側のガス・空気混合具合が悪く、全体の淡燃焼の空気比が１．６であっても、部分的に空気比が１．２よりも低くなる場合には、淡燃焼からのＮＯｘが増大する。このようなＮＯｘの排出低減には、炎孔形状と同様に混合気の混合性能が重要となる。

＜濃淡比バランス＞

濃淡燃焼における濃淡比は、バーナユニット１２の性能や目的に応じて決定される。たとえば、騒音値の抑制や、振動燃焼の防止を高める場合には、濃淡比を高める（濃燃焼側の負荷の増加）設定を行い、安定火炎である濃火炎Ｆ２の割合を増大させる。また、排気ガス中のＣＯやＮＯｘなどの有害排気成分を下げたい場合には、濃淡比を下げる設定が必要である。淡混合気ｆ１の燃焼である淡燃焼は、濃混合気ｆ２の燃焼である濃燃焼と比較して、過剰空気比側で燃焼を行うので、これらの有害成分の発生が抑えられる。

バーナユニット１２では濃淡比がたとえば、２０：８０から４０：６０の範囲で設定される。燃焼騒音を防止するにはたとえば、３０：７０以上を設定すればよい。超低ＮＯｘ規制たとえば、濃火炎Ｆ２からのプロンプトＮＯｘの排出を抑制するには、低濃淡比である２０：８０付近に設定すればよい。しかし、低濃淡比の設定は、濃火炎Ｆ２の保炎能力の低下や淡炎孔負荷の増大を招き、淡火炎Ｆ１のリフト、振動燃焼、過剰ＣＯなどの発生が予想される。

＜一実施の形態の効果および特徴事項＞

(1) 燃焼機能

濃炎孔４８−１、４８−２は、濃火炎Ｆ２を生成し、淡火炎Ｆ１を保炎する。濃火炎Ｆ２は、安定火炎であり、ＣＯ、ＮＯｘ量が許される範囲で使用する。淡炎孔４６が主熱源となる淡火炎Ｆ１を生成する。淡火炎Ｆ１は不安定な火炎であり、濃炎孔４８−１、４８−２の濃燃焼の保炎が不可欠である。

(2) 使用空気比の領域

濃炎孔４８−１、４８−２側の使用空気比の領域は、０．６＜λ＜０．８とし、空気不足に設定する。淡炎孔４６側の使用空気比の領域は、１．３＜λとし、空気過剰に設定する。

(3) 炎の安定度

濃炎孔４８−１、４８−２の燃焼は非常に安定しており、空気不足となり、混合気の流出速度が遅く、燃焼速度とのバランスが良い。淡炎孔４６の淡燃焼は、空気過剰で噴出速度が燃焼速度よりも速く、火炎温度が低いのでリフトを生じやすい。

(4) 火炎形態

濃炎孔４８−１、４８−２の濃燃焼は、噴出速度が燃焼速度に近く、濃火炎Ｆ２の火炎長が短く、小さい。淡炎孔４６の淡燃焼は、噴出速度が速くおよび高空気比（燃焼速度は遅くなる）で燃焼させる。このため、淡燃焼では火炎長が長く、大きい火炎になる。

(5) ＣＯの発生

淡炎孔４６の淡燃焼でＣＯ発生を低減することができる。

(6) ＮＯｘの発生

１．３＜λの空気過剰で燃焼をさせれば、ＮＯｘ量は、１０〔ｐｐｍ〕未満となる。火炎温度を低下させるほど、サーマルＮＯｘの発生を低減できる。

(7) リフト・バック

濃炎孔４８−１、４８−２の濃燃焼ではリフトは発生しにくい。

(8) 以上から、この実施の形態のバーナユニット１２によれば、次のような効果が得られる。

a 淡火炎に対する濃火炎の保炎機能が高められ、淡火炎の燃焼の安定化を図ることができるとともに、淡火炎および濃火炎の燃焼によりＣＯやＮＯｘの低減を図ることができる。

b ＣＯやＮＯｘの低減および燃焼の安定化により、使用可能な空気比の幅が広がり、空気比の低減ができるので、給気ファン２６の給気能力を抑えることができる。

c 淡火炎に対する濃火炎の保炎機能が高められるので、淡混合気の流出速度を上昇させ、空気比の低減と相まって単位面積当たりの発熱量が高められる。

d 燃焼の制御性が高められるとともに、バーナのコンパクト化や高出力化が図られる。

＜濃淡比バランス（空気比を考慮）＞

各濃炎孔４８−１、４８−２には、炎孔形状、炎孔面積、濃淡比などの制御項目が含まれる。濃淡比の決定には、濃火炎Ｆ２および淡火炎Ｆ１の空気比を考慮する必要がある。たとえば、濃炎孔４８−１、４８−２の空気比を１以上とすれば、濃火炎Ｆ２は淡火炎Ｆ１に近い燃焼となる。この濃火炎Ｆ２は、ＣＯ、ＮＯｘ（空気比１．２以上でＮＯｘは低減可能）の排出を低下させる反面、濃火炎Ｆ２を形成する濃混合気の噴出速度の増加や火炎温度の低下を生じ、リフト傾向が強くなる結果、淡火炎Ｆ１に対する保炎性が低下する。これは、濃淡比バランスを取れば、ＣＯとＮＯｘの排出を同時に抑えた濃火炎Ｆ２の生成が可能である。

各濃炎孔４８−１、４８−２では、淡火炎Ｆ１に対して濃火炎Ｆ２で全周保炎を行うので、濃火炎Ｆ２の空気比を淡火炎Ｆ１寄りに設定可能である。濃火炎Ｆ２の空気比を増大し、濃火炎Ｆ２自身がリフト方向に推移しても、保炎機能が高くなる。この結果、主に濃火炎Ｆ２で発生していたＣＯおよびＮＯｘを低減できる。濃火炎Ｆ２の空気比を理論空気量のλ＝１付近に設定をすれば、サーマルＮＯｘが顕著となるので、サーマルＮＯｘの生成速度が低下する火炎温度たとえば、１，８００℃未満とし、空気比は１．２以上に設定すればよい。

＜実験結果＞

図１７および図１８は、バーナユニット１２を備える燃焼装置２を給湯器に搭載し、実際に燃焼排ガス（ＮＯｘおよびＣＯ）を測定した結果を示している。Ａは、本発明に係る燃焼装置２の実験結果であり、Ｂは比較例として従来のバーナによる測定結果を示している。なお、濃淡比は２０：８０で、インプット：５８．１〔ｋＷ〕である。

図１７に示すように、空気比とＮＯｘの関係において、基準値のラインは国際的にも大変厳しい排出基準であるアメリカのカリフォルニア州のＮＯｘ規制値である。従来のバーナでは、高空気比にすれば、基準に達することができるが、バーナユニット１２を用いれば、広い空気比幅で基準値を下回るＮＯｘ排出量が実現される。

図１８に示すように、空気比とＣＯ％の関係において、基準値のラインは国際的にも大変厳しい排出基準であるＡＮＳＩ Ｚ２１．１０．３（北米給湯器基準）の規制値である。ＮＯｘの結果と同様に、バーナユニット１２では、広い空気比幅で、基準以下のＣＯ排出量となることがわかる。従来のバーナでは規制値以下にはならない。

従来のバーナでは、最良の空気比としてＣの近傍値が使用されているが、既述のバーナユニット１２では、第１の手段として空気比を下げればよい。また、淡混合気ｆ１の流出速度が上昇するとＣＯの発生率も上昇するが、図１８のグラフから明らかなように、淡混合気ｆ１の流出速度が上昇しても（空気比が増えると燃焼速度が増す）、ＣＯ％はある程度の低い値を維持するので、第２の手段として淡混合気ｆ１の流出速度を上昇させればよい。従って、これら第１および第２の手段の組合せ、または、いずれか一方の実施により、炎孔部３８の単位面積あたりの熱量を維持ないし上昇させながら、ＣＯおよびＮＯｘなどの排出を低減することができる。

〔他の実施の形態〕

(1) 第１の濃炎孔４８−１は、図１９のＡに示すように、濃炎孔４８−１１、４８−１２のように複数で形成してもよい。

(2) 第２の濃炎孔４８−２は、図１９のＢに示すように、リボン４４の絞り部５２側に張出先端部を当接する配置としてもよい。このようにすれば、絞り部５２を挟む濃火炎Ｆ２を密着させ、淡火炎Ｆ１に対する保炎機能を高めることができる。

(3) 上記実施の形態では、淡炎孔４６の孔形状を偏平な六角形状としているが、長円形または円形としてもよい。

(4) 上記実施の形態では、濃炎孔４８−１の孔形状を偏平な長方形としているが、長円形または円形としてもよい。

(5) 上記実施の形態では、濃炎孔４８−２の孔形状を台形状としているが、長円形または円形としてもよい。

(6) 上記実施の形態の濃炎孔４８−２の間にある遮断部５６に第３の濃炎孔を形成し、淡火炎を保炎する形態としてもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明のバーナ、燃焼装置または燃焼方法によれば、濃淡バーナによる保炎機能を高めることができ、安定性の高い燃焼が得られ、窒素酸化物の排出量が削減されるなど有益である。

２ 燃焼装置
４ 装置筐体
６ 燃焼室
８ 側壁部
１０ バーナ
１２ バーナユニット
１４ 支持部
１６−１ 第１の燃料供給口
１６−２ 第２の燃料供給口
１８ 燃料供給部
２０−１ 第１の燃料噴射ノズル
２０−２ 第２の燃料噴射ノズル
２２ 底面板
２４ 給気口
２６ 給気ファン
２７ 燃料供給室
２８ モータ
３２−１、３２−２ 混合部
３４ 本体部
３６ 整流部
３８ 炎孔部
４０−１、４０−２ 混合気導入口
４２ 淡混合気排出部
４４ リボン
４６ 淡炎孔
４８−１ 第１の濃炎孔
４８−２ 第２の濃炎孔
４８−１１、４８−１２ 第１の濃炎孔
５０ 縁部
５２ 絞り部
５４ 長炎孔部
５６ 遮断部
６０ 内壁プレート
６２ 外壁プレート
６４ 屈曲部
６６ 突出部
６８ 濃混合気供給路

Claims (7)

1. 淡火炎を生成する複数の淡炎孔と、
   前記淡炎孔を挟んで設置された第１の濃炎孔と、隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置された第２の濃炎孔とを含み、前記淡炎孔の周囲に配置されて濃火炎を生成する複数の濃炎孔と、
   前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれて、前記淡炎孔と前記濃炎孔とを絶縁する絶縁域と、
   を備え、
   前記濃炎孔で生成される前記濃火炎が連結されて前記淡火炎を囲い込み保炎することを特徴とするバーナ。
2. 前記第２の濃炎孔は、前記淡炎孔の幅より狭い間隔で対向することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 前記淡炎孔は多角形状、長円形状または円形であり、前記淡火炎の円形状または長円形状の淡燃焼面を生成し、この淡燃焼面の周囲に前記濃火炎で環状の濃燃焼面を生成することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
4. 前記間隔部に前記第２の濃炎孔を張り出させていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載のバーナ。
5. 前記濃炎孔が前記淡炎孔の孔端より高い外壁部を備え、この外壁部で前記濃火炎を前記淡火炎側または対向する前記濃火炎側に誘導させることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載のバーナ。
6. 淡火炎を生成する淡炎孔と、前記淡炎孔を挟んで設置された第１の濃炎孔および隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置された第２の濃炎孔を含み、前記淡炎孔の周囲で配置されて濃火炎を生成する複数の濃炎孔と、前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれて、前記淡炎孔と前記濃炎孔を絶縁する絶縁域とを有する複数のバーナユニットを備え、
   前記濃炎孔で生成される前記濃火炎が連結されて前記淡火炎を囲い込み保炎することを特徴とする燃焼装置。
7. 淡炎孔により淡混合気を燃焼させて淡火炎を生成し、
   前記淡炎孔を挟んで設置した第１の濃炎孔および隣接する前記淡炎孔の間隔部を挟んで設置した第２の濃炎孔により、濃混合気を燃焼させて濃火炎を生成し、
   前記淡炎孔および前記間隔部の周囲に設けられ、前記淡炎孔および前記第１の濃炎孔に挟まれるとともに前記間隔部および前記第２の濃炎孔に挟まれた絶縁域により、前記淡炎孔と前記第１の濃炎孔および前記第２の濃炎孔とを絶縁し、
   前記濃火炎を連結させて前記淡火炎を囲い込み保炎する
   ことを特徴とする燃焼方法。

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