JP7319621B1

JP7319621B1 - バーナ

Info

Publication number: JP7319621B1
Application number: JP2022169945A
Authority: JP
Inventors: 洋二郎石野; 益雄安田; 文康江口; 有則高田; 雅彦加藤
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2022-10-24
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2023-08-02
Anticipated expiration: 2042-10-24
Also published as: JP2024062141A

Abstract

【課題】燃焼管外に噴出される火炎の保炎性を高めることが可能なバーナを提供する。【解決手段】バーナ１は、バーナユニット部１０を複数または単数有している。バーナユニット部１０は、先端部が開放された燃焼管１００を備え、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料の旋回燃焼により生じる管状火炎Ｆを噴出可能に構成されている。バーナ１は、管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されている。バーナ１は、複数のバーナユニット部１０を有しており、主ダクト部１１内において、各管状火炎Ｆ同士が衝突するように構成されていることが好ましい。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用第３２回環境工学総合シンポジウム２０２２のＨＰ「ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｅｎｖ２２／ｔｏｐ」、令和４年４月１５日第３２回環境工学総合シンポジウム２０２２［１３０１－０６－０３］「ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ－ｉｍｇ／ｅｎｖ２２／１３０１－０６－０３／ｐｕｂｌｉｃ／ｐｄｆ？ｔｙｐｅ＝ｉｎ」、令和４年６月３０日

本発明は、バーナに関する。

従来、特許文献１に記載されるように、小径部と小径部に連結されたテーパ部とテーパ部に連結された大径部とを備える燃焼管を有するガスバーナが知られている。同文献には、燃焼管のテーパ部内において、旋回する予混合ガスに点火して火炎を形成する点が記載されている。

特許第６８４６７１３号

上述した従来のガスバーナは、燃焼管内にて火炎を形成し、燃焼管外に燃焼ガスのみを噴出するものである。そのため、上記特許文献は、燃焼管外に噴出される火炎の保炎性の向上について何ら開示や示唆をするものではない。

近年、二酸化炭素の排出を伴わない燃料としてアンモニアが注目されている。今後、アンモニアのような難燃性燃料を燃料として活用する取り組みが進んでくると、燃焼管外に火炎を噴出させるバーナにおいては、火炎の保炎性を高めることが重要になってくる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃焼管外に噴出される火炎の保炎性を高めることが可能なバーナを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
先端部が開放された燃焼管を備え、上記燃焼管における先端開口部から外側に、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料の旋回燃焼により生じる管状火炎を噴出可能なバーナユニット部を複数または単数有しており、
上記管状火炎の内部空間が上記管状火炎の外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されている、
バーナにある。

上記バーナのバーナユニット部は、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料を旋回燃焼させることにより、燃焼管における先端開口部から外側に管状火炎を噴出させることができる。ここで、管状火炎の内部空間が外部空間と繋がった開放状態で燃焼するように構成されている場合には、旋回流によって形成される管状火炎の内部空間は通常負圧になるために、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎の内部空間に流入し、管状火炎の保炎性が悪くなる。これに対し、上記バーナは、管状火炎の内部空間が管状火炎の外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されているので、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎の内部空間に流入し難くなり、燃焼管における先端開口部から外側に噴出される管状火炎の保炎性を高めることができる。

図１は、図２に示したＩ－Ｉ線矢視方向から見て、一部を断面で示した実施形態１のバーナの模式的な正面図である。図２は、実施形態１のバーナの模式的な平面図である。図３は、一部を断面で示した実施形態１のバーナの模式的な右側面図（左側面図）である。図４は、実施形態２のバーナの模式的な平面図である。図５は、図６に示したＶ－Ｖ線矢視方向から見て、一部を断面で示した実施形態３のバーナの模式的な正面図である。図６は、実施形態３のバーナの模式的な平面図である。図７は、一部を断面で示した実施形態３のバーナの模式的な右側面図（左側面図）である。図８は、実施形態４のバーナの模式的な平面図である。図９は、一部を断面で示した実施形態５のバーナの模式的な正面図である。図１０は、一部を断面で示した実施形態５のバーナの模式的な右側面図（左側面図）である。図１１は、一部を断面で示した実施形態６のバーナの模式的な正面図である。図１２は、一部を断面で示した実施形態６のバーナの模式的な右側面図（左側面図）である。図１３は、一部を断面で示した実施形態７のバーナの模式的な正面図である。図１４は、一部を断面で示した実施形態７のバーナの模式的な右側面図（左側面図）である。図１５は、図１６に示したＸＶ－ＸＶ線矢視方向から見て、一部を断面で示した実施形態８のバーナの模式的な正面図である。図１６は、実施形態８のバーナの模式的な平面図である。図１７は、一部を断面で示した実施形態９のバーナの模式的な平面図である。図１８は、一部を断面で示した実施形態１０のバーナの模式的な正面図である。図１９は、実施形態１０のバーナの模式的な右側面図である。図２０は、実験例１にて作製したバーナユニットの形状、寸法を説明するための説明図である。図２１は、実験例１にて作製したバーナユニットにおける燃焼状態の確認結果（マッピング図）を示した図である。図２２は、実験例１にて作製したバーナユニットにおいて、空気流量を２Ｌ／ｍｉｎに固定した場合の、当量比の変化に伴う火炎の外観写真をまとめて示した図である。図２３は、実験例２にて作製したバーナと形成火炎の様子を示した写真である。図２４は、実験例２にて作製したバーナと形成火炎の様子を示した、図２３とは別の写真である。図２５は、実験例３にて作製したバーナに適用した保炎ガードの外観写真である。図２６は、実験例３にて作製したバーナと形成火炎の様子を示した写真である。図２７は、実験例３にて作製したバーナにおける燃焼状態の確認結果（マッピング図）を示した図である。

以下、本実施形態のバーナについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態のバーナは、以下の例示によって限定されるものではない。

（実施形態１）
実施形態１のバーナについて、図１～図３を用いて説明する。図１～図３に例示されるように、本実施形態１のバーナ１は、バーナユニット部１０を有している。

バーナユニット部１０は、先端部が開放された管状の燃焼管１００を備えている。燃焼管１００は、例えば、ステンレスなどの金属材料やセラミックなどより構成することができる。なお、燃焼管１００の両端部のうち、管状火炎Ｆを噴出させる側の端部が先端部であり、先端部と反対側の端部が基端部である。

バーナユニット部１０は、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に、管状火炎Ｆを噴出可能に構成されている。管状火炎Ｆは、管状の火炎であり、スワール火炎、旋回火炎などと称されることもある。管状火炎Ｆは、空気や酸素などの燃焼用酸素含有ガスをはじめとする燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料の旋回燃焼により生じさせるものである。燃料としては、例えば、アンモニア、水素、各種炭化水素などのガス燃料、重油、灯油などの噴霧液体燃料や揮発性燃料、ならびに、微粉炭などの粉体燃料などを例示することができ、これらは１種または２種以上併用することができる。本実施形態１は、難燃性ガスの一つであって二酸化炭素の排出を伴わないアンモニアが燃料とされる例である。

バーナユニット部１０は、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に、管状火炎Ｆを噴出可能に構成されておれば、特に限定されるものではない。なお、管状火炎Ｆの噴出は、可視火炎面や輝炎形状にて判断する。水素炎など可視発光の少ない火炎の場合には、カメラ等の映像機器により判断する。本実施形態１では、バーナユニット部１０は、図１～図３に例示されるように、燃焼管１００内に第１ガス体Ｇ１を供給するための第１供給管１０１と、燃焼管１００内に第２ガス体Ｇ２を供給するための第２供給管１０２と、点火プラグ１０３とを備えている。

第１供給管１０１は、燃焼管１００の内壁面の接線方向から燃焼管１００内に第１ガス体Ｇ１を旋回的に供給できるように燃焼管１００に接続されている。同様に、第２供給管１０２は、燃焼管１００の内壁面の接線方向から燃焼管１００内に第２ガス体Ｇ２を旋回的に供給できるように燃焼管１００に接続されている。但し、第１ガス体Ｇ１が供給される接線方向と第２ガス体Ｇ２が供給される接線方向とは異なっており、これにより燃焼管１００内の旋回流を増強することができる。本実施形態１では、これら両接線方向が互いに平行となるように、第１供給管１０１および第２供給管１０２が配置されている。なお、図２および図３では、第１供給管１０１、第２供給管１０２の接続部が平たく形成され、流路形状が円形から細長い長方形に変化し、流路面積を減少させている例が示されている。これは、流速を増加させ、強い旋回流を燃焼管１００内に形成するためである。

第１ガス体Ｇ１、第２ガス体Ｇ２は、燃料、燃焼用酸化剤ガス、燃料と燃焼用酸化剤ガスとが予混合された予混合ガスのいずれかから、それぞれ選択することができる。本実施形態１では、例えば、第１ガス体Ｇ１を燃料とし第２ガス体Ｇ２を燃焼用酸化剤ガスとする第１の組み合わせ、第１ガス体Ｇ１を燃焼用酸化剤ガスとし第２ガス体Ｇ２を燃料とする第２の組み合わせ、第１ガス体Ｇ１および第２ガス体Ｇ２を両方とも予混合ガスとする第３の組み合わせなどを選択することができる。なお、第１の組み合わせおよび第２の組み合わせを選択した場合には、燃焼管１００内において形成される旋回流により燃料と燃焼用酸化剤ガスとが混合される。なお、第１供給管１０１、第２供給管１０２は、個数を増減することができる。また、他の供給管からの流れで旋回が得られていれば、旋回を伴わない供給方法でも、燃焼管１００に対して所定のガス体を供給することができる。

点火プラグ１０３は、燃焼管１００の基端部に設けられている。図１～図３では、燃焼管１００の基端開口部から点火プラグ１０３の着火部（不図示）が挿通され、点火プラグ１０３によって燃焼管１００の基端開口部が閉塞されている例が示されている。なお、上述した第１供給管１０１および第２供給管１０２は、良好な保炎性をもたらす長い管状火炎Ｆを得るために、燃焼管１００の基端部寄りに取り付けられている。点火プラグ１０３は、中心絶縁電極だけを第１供給管１０１、第２供給管１０２の取り付け位置付近まで長めに突き出し、中心絶縁電極先端から燃焼管１００の内壁への放電により、点火を実現すると良い。

バーナユニット部１０は、第１供給管１０１および第２供給管１０２を介して上述の組み合わせによる第１ガス体Ｇ１および第２ガス体Ｇ２を燃焼管１００内に供給し、燃焼管１００の内壁面に沿って旋回する燃料に点火プラグ１０３にて着火することにより、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料を旋回燃焼させ、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に管状火炎Ｆを噴出させることができる。なお、後述の実験例に示すように、上記構成によるバーナユニット部１０によれば、空気などの燃焼用酸化剤ガスの存在下にて難燃性ガスであるアンモニアガスを燃料に用いた場合でも、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に管状火炎Ｆを噴出させることができる。

バーナ１は、上述したバーナユニット部１０を複数または単数有している。本実施形態１は、バーナ１が、同構成のバーナユニット部１０を２個有している例を示している。ここで、バーナ１は、管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されている。本実施形態１では、２個のバーナユニット部１０によって２個の管状火炎Ｆが形成されるが、その２個の管状火炎Ｆの内部空間がいずれも外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されている。なお、上記「管状火炎Ｆの内部空間がいずれも外部空間から閉ざされた状態」とは、外部空気や冷却燃焼ガスやその成分が管状火炎Ｆの内部に逆流しない状態のことをいう。以下、これについて具体的に説明する。

本実施形態１において、バーナ１は、図１～図３に例示されるように、筒状の主ダクト部１１を有している。主ダクト部１１は、一端部が開放されている。図１～図３では、主ダクト部１１は、バーナユニット部１０の燃焼管１００よりも大径に形成されている例が示されている。主ダクト部１１は、例えば、ステンレスなどの金属材料あるいはセラミックなどの耐熱材料などより構成することができる。なお、主ダクト部１１の両端部のうち、燃焼ガスＣを噴出させる側の端部が一端部であり、一端部と反対側の端部が他端部である。主ダクト部１１の他端部は、閉塞されていてもよいし、開放されていてもよい。本実施形態１では、図１～図３に例示されるように、主ダクト部１１の他端部がキャップ部１１１により閉塞されている。

バーナ１が有する複数または単数のバーナユニット部１０（具体的には２個のバーナユニット部１０）は、主ダクト部１１の筒壁に取り付けられている。具体的には、主ダクト部１１内に複数または単数のバーナユニット部１０（具体的には２個のバーナユニット部１０）の燃焼管１００の先端開口部１００ａが連通されている。バーナ１は、主ダクト部１１内において、各管状火炎Ｆ同士が衝突するように構成されている。図１～図３では、２個の管状火炎Ｆ同士が正面で衝突する例が示されている。本実施形態１では、このような構成を採用することにより、管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態とされる。

ここで、管状火炎Ｆの内部空間が外部空間と繋がった開放状態で燃焼するように構成されている場合には、旋回流によって形成される管状火炎Ｆの内部空間は通常負圧になるために、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎Ｆの内部空間に流入し、管状火炎Ｆの保炎性が悪くなる。これに対し、本実施形態１のバーナ１は、上記のように管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されているので、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎Ｆの内部空間に流入し難くなり、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に噴出される管状火炎Ｆの保炎性を高めることができる。

本実施形態１では、各バーナユニット部１０は、各燃焼管１００の管軸線が主ダクト部１１の筒軸線上またはその近傍において交わるように配置されている。なお、上記近傍とは、各燃焼管１００の管軸線が厳密に主ダクト部１１の筒軸線上において交わることを要求するものではないことを意図するものである。また、各燃焼管１００の管軸線は、いずれも同一面内に配置されている。上記各構成によれば、主ダクト部１１内における各管状火炎Ｆ同士の衝突をより確実なものとすることができる。図１～図３では、２個のバーナユニット部１０が、主ダクト部１１の筒壁周方向において互いに対向するように配置されている例が示されている。この２個のバーナユニット部１０は、各燃焼管１００の管軸線が主ダクト部１１の筒軸線と垂直に交わるとともに、各管軸線が同軸となるように配置されているといえる。

なお、後述する他の実施形態も含めて本開示のバーナ１において、バーナユニット部１０の個数が複数の場合、各バーナユニット部１０同士は、全く同じものでなくともよい。例えば、各バーナユニット部１０は、同一の寸法である必要はなく、また、第１供給管１０１および第２供給管１０２の個数や、第１供給管１０１および第２供給管１０２に供給するガス体の種類、旋回方向、ガス体の供給方法も同一である必要はなく、主ダクト部１１への取り付け方も同じである必要はない。

また、本実施形態１では、主ダクト部１１の他端部をガス密に閉塞するキャップ部１１１における主ダクト部１１内側の表面に、衝突した管状火炎Ｆの逃げ場となる溝部１１１ａが形成されている。この構成によれば、各管状火炎Ｆ同士の衝突によって広がる衝突火炎ＣＦがキャップ部１１１に当たるのを抑制することができ、衝突火炎ＣＦの形成を阻害し難くなる。

なお、衝突火炎ＣＦがキャップ部１１１に当たらないように衝突火炎ＣＦとキャップ部１１１との間の空間を十分にとることもできる。しかしながら、この場合には、燃焼管１００の管長さを長くする必要があるため、バーナ１が大型化する。上記構成によれば、燃焼管１００の管長さを短くしてバーナ１の小型化を図りつつ、衝突火炎ＣＦの形成がキャップ部１１１によって阻害されないようにすることができる。

（実施形態２）
実施形態２のバーナについて、図４を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図４に例示されるように、本実施形態２のバーナ１は、３個以上の複数のバーナユニット部１０を有している。複数のバーナユニット部１０は、主ダクト部１１の筒壁周方向に配置されている。図４では、具体的には、バーナ１が３個のバーナユニット部１０を有しており、主ダクト部１１の筒壁周方向を三等分する位置に各バーナユニット部１０がそれぞれ配置されている例が示されている。

本実施形態２のバーナ１は、複数のバーナユニット部１０の各管状火炎Ｆ同士が主ダクト部１１内において衝突し、衝突火炎ＣＦが形成される。本実施形態２のバーナ１は、各管状火炎Ｆの内部空間が外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されているので、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が各管状火炎Ｆの内部空間に流入し難くなり、各燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に噴出される各管状火炎Ｆの保炎性を高めることができる。

なお、本実施形態２では、主ダクト部１１の筒壁周方向に複数のバーナユニット部１０を配置した例を示したが、各バーナユニット部１０が噴出する各管状火炎Ｆ同士を衝突させ、各管状火炎Ｆの内部空間が外部空間から閉ざされた状態で燃焼させることができれば、複数のバーナユニット部１０の配置は、特に限定されるものではない。

例えば、複数のバーナユニット部１０は、例えば、各バーナユニット部１０が噴出する各管状火炎Ｆ同士が衝突するように、主ダクト部１１の筒軸線方向などに配置することもできる。

その他の構成および作用効果については、実施形態１のバーナ１と同様であり、また、他の実施形態のバーナ１の説明も適宜参照することが可能である。

（実施形態３）
実施形態３のバーナについて、図５～図７を用いて説明する。

図５～図７に例示されるように、本実施形態３のバーナ１において、各バーナユニット部１０は、各燃焼管１００の管軸線が主ダクト部１１の一端開口部側に向かって斜めに傾斜するように配置されている。したがって、各燃焼管１００の管軸線は、同一面内にはない。

本実施形態３のバーナ１によれば、各バーナユニット部１０による各管状火炎Ｆは、主ダクト部１１の一端開口部側に向かって斜めに傾斜して形成される。そして、上記斜めに傾斜して形成された各管状火炎Ｆ同士が衝突し、衝突火炎ＣＦが形成される。

そのため、本実施形態３のバーナ１によれば、実施形態１のバーナ１に比べ、主ダクト部１１内の燃焼ガスＣが一端開口部に向かって流れやすくなる。それ故、本実施形態３のバーナ１は、主ダクト部１１内の燃焼ガスＣの排出（噴出）を効率良く実施することが可能になる。

（実施形態４）
実施形態４のバーナについて、図８を用いて説明する。

図８に例示されるように、本実施形態４のバーナ１において、各バーナユニット部１０は、各燃焼管１００の管軸線が段違いとなるように配置されている。図８では、各バーナユニット部１０が、主ダクト部１１の筒軸線に垂直な面内において２つの管軸線が段違いとなるように配置されている例が示されている。より具体的には、主ダクト部１１の筒軸線に垂直な面内において２つの管軸線は平行に配置されており、２つの管軸線の間に主ダクト部１１の筒軸線が配置されている。

本実施形態４のバーナ１によれば、主ダクト部１１内において、各バーナユニット部１０による各管状火炎Ｆが段違いに形成される。そして、上記段違いに形成された各管状火炎Ｆ同士が衝突し、衝突火炎ＣＦが形成される。この場合、上記段違いに形成された各管状火炎Ｆに起因して、主ダクト部１１内において燃焼ガスＣが旋回して流れるようになる。

そのため、本実施形態４のバーナ１によれば、主ダクト部１１内における各管状火炎Ｆ、衝突火炎ＣＦの燃焼状態を改善する効果が得られ、燃料の燃え残りを低減させることが可能になる。

（実施形態５）
実施形態５のバーナについて、図９および図１０を用いて説明する。

図９および図１０に例示されるように、本実施形態５のバーナ１は、主ダクト部１１の他端部が開放されている。つまり、本実施形態５のバーナ１は、主ダクト部１１の両端部が開放されており、主ダクト部１１の他端部はキャップ部１１１により閉塞されていない。

この構成によれば、図９および図１０に例示されるように、主ダクト部１１の他端部から一端部に向かって、燃料、燃焼用酸化剤ガス、または、これらが予混合された予混合ガスより構成される主ガスＭＧが流れるように構成することができる。この構成によれば、主ダクト部１１内に形成される衝突火炎ＣＦを種火として保持して火炎のボリュームを増加させることが可能となり、主ダクト部１１の一端部から噴出される燃焼ガスＣの噴出力を増大させることが可能となる。

また、本実施形態５のバーナ１は、主ダクト部１１の他端部が開放されるとともに、主ダクト部１１内を主ガスＭＧが流れるように構成された状態において、図９および図１０に例示されるように、主ダクト部１１内を流れる主ガスＭＧから、各管状火炎Ｆ同士の衝突によって形成される衝突火炎ＣＦを守る保炎ガード１１２が設けられている。

主ダクト部１１内に主ガスＭＧの流れがある場合には、主ガスＭＧによって衝突火炎ＣＦの形成が妨げられることが生じうる。これに対して、本実施形態５のバーナ１によれば、保炎ガード１１２により主ガスＭＧの流れから衝突火炎ＣＦが守られ、衝突火炎ＣＦの形成が妨げられ難くなる。そのため、本実施形態５のバーナ１によれば、主ダクト部１１から噴出される燃焼ガスＣの出力を調整しやすくなる。

保炎ガード１１２は、例えば、ステンレスなどの金属材料やセラミックなどより構成することができる。保炎ガード１１２の形状は、上記作用効果が得られる限り、特に限定されるものではない。

図９および図１０では、一方のバーナユニット部１０における燃焼管１００の先端部から主ダクト部１１の他端部側に傾斜する第１傾斜面１１２ａと、他方のバーナユニット部１０における燃焼管１００の先端部から主ダクト部１１の他端部側に傾斜して第１傾斜面１１２ａの先端部に連結される第２傾斜面１１２ｂとを有する保炎ガード１１２が例示されている。図９および図１０に例示される保炎ガード１１２によれば、主ガスＭＧの流れから衝突火炎ＣＦを守ること以外にも、保炎ガード１１２に当たった主ガスＭＧを第１傾斜面１１２ａ側と第２傾斜面１１２ｂ側とに分けて流すことが可能となり、主ガスＭＧの流れを極力妨げないようにすることができる。

なお、図９および図１０に図示はされていないが、保炎ガード１１２は、例えば、第１傾斜面１１２ａおよび第２傾斜面１１２ｂにおける燃焼管１００側の各基端部に、燃焼管１００の外周壁の周方向に篏合させる篏合部をそれぞれ設け、ばね弾性力など利用して、各篏合部を各燃焼管１００の外周壁に取り付けることができる（例えば、実験例で示す図２５参照）。この構成によれば、バーナユニット部１０に保炎ガード１１２を着脱自在とすることができるので、必要に応じて保炎ガード１１２の取り付け、取り外しを行うことができる。

（実施形態６）
実施形態６のバーナについて、図１１および図１２を用いて説明する。

図１１および図１２に例示されるように、本実施形態６のバーナ１は、実施形態５のバーナ１と同様に、主ダクト部１１の他端部が開放されるとともに、主ダクト部１１内を主ガスＭＧが流れるように構成されている。

本実施形態６のバーナ１は、このように構成された状態において、図１１および図１２に例示されるように、各管状火炎Ｆ同士の衝突によって形成される衝突火炎ＣＦよりも主ガスＭＧの流れの上流側に循環流生成器１１３が設けられている。循環流生成器１１３は、主ガスＭＧの循環流を生成するものである。

主ダクト部１１内に主ガスの流れがある場合には、主ガスＭＧによって衝突火炎ＣＦの形成が妨げられることが生じうる。これに対して、本実施形態６のバーナ１によれば、衝突火炎ＣＦよりも主ガスＭＧの流れの上流側に循環流生成器１１３を設けたことにより、循環流生成器１１３の下流側に（循環流生成器１１３と衝突火炎ＣＦとの間）に、主ガスＭＧの循環流が生成し、主ガスＭＧの流れの穏やかな領域ができる。そのため、勢いの強い主ガスＭＧが直接、衝突火炎ＣＦにぶつかることがなくなり、主ガスＭＧの流れから衝突火炎ＣＦが守られ、衝突火炎ＣＦの形成が妨げられ難くなる。そのため、本実施形態６のバーナ１によれば、主ダクト部１１から噴出される燃焼ガスＣの出力を調整しやすくなる。

循環流生成器１１３は、例えば、ステンレスなどの金属材料やセラミックなどより構成することができる。循環流生成器１１３の形状は、上記作用効果が得られる限り、特に限定されるものではない。

図１１および図１２では、主ガスＭＧの流れを主ダクト部１１の内壁側寄りに流れるように分ける傾斜面部１１３ａと、傾斜面部１１３ａにおける主ダクト部１１の一端部側に設けられた本体部１１３ｂとを有する循環流生成器１１３が例示されている。図１１および図１２に例示される循環流生成器１１３によれば、傾斜面部１１３ａにより主ガスＭＧの流れが主ダクト部１１の内壁側寄りに流れるように分けられ、分流した主ガスＭＧの一部は、傾斜面部１１３ａの後段部にある本体部１１３ｂの下流側の空間に流れ込む。そのため、この循環流生成器１１３を有するバーナ１によれば、循環流生成器１１３の下流側における主ガスＭＧの循環流の生成を確実なものとすることができる。この際、図１１および図１２に例示されるように、本体部１１３ｂにおける衝突火炎ＣＦ側の面が、主ガスＭＧの流れの上流側に窪んでいる場合には、その窪みによって形成される空間に循環流を保持しやすくなり、上述した作用効果を高めることが可能となる。

なお、図１１および図１２に図示はされていないが、循環流生成器１１３は、例えば、循環流生成器１１３を支持可能な支持部材を介して主ダクト部１１の内壁面などに取り付けることができる。

その他の構成および作用効果については、実施形態５のバーナ１と同様であり、また、他の実施形態のバーナ１の説明も適宜参照することが可能である。

（実施形態７）
実施形態７のバーナについて、図１３および図１４を用いて説明する。

図１３および図１４に例示されるように、本実施形態７のバーナ１は、実施形態５のバーナ１と同様に、主ダクト部１１の他端部が開放されるとともに、主ダクト部１１内を主ガスＭＧが流れるように構成されている。

本実施形態７のバーナ１は、このように構成された状態において、図１３および図１４に例示されるように、各管状火炎Ｆ同士の衝突によって形成される衝突火炎ＣＦよりも主ガスＭＧの流れの上流側に、旋回羽根１１４が設けられている。旋回羽根１１４は、主ダクト部１１の他端部から主ダクト部１１内に流入する主ガスＭＧを旋回させるものである。

本実施形態７のバーナ１によれば、旋回羽根１１４により、旋回羽根１１４を通過した主ガスＭＧは、旋回して流れるようになる。そのため、本実施形態７のバーナ１によれば、主ダクト部１１内における各管状火炎Ｆ、衝突火炎ＣＦの燃焼状態を改善する効果が得られ、燃料の燃え残りを低減させることが可能になる。

旋回羽根１１４は、例えば、ステンレスなどの金属材料やセラミックなどより構成することができる。旋回羽根１１４の形状は、上記作用効果が得られる限り、特に限定されるものではない。

図１３および図１４では、中心部にボス部１１４ａを有する旋回羽根１１４が例示されている。ボス部１１４ａの中心軸（旋回羽根１１４の中心軸）は、主ダクト部１１の筒軸線と同軸に配置されている。図１３および図１４に例示されるバーナ１は、旋回羽根１１４のボス部１１４ａにより、ボス部１１４ａの下流側に主ガスＭＧの循環流を生成させることができる。この構成によれば、旋回羽根１１４のボス部１１４ａを、実施形態６にて説明した循環流生成器１１３として作用させることができる。そのため、この構成によれば、主ダクト部１１内に流入する主ガスＭＧに旋回を与えることができるとともに、ボス部１１４ａによる循環流生成作用により、ボス部１１４ａの下流側に（ボス部１１４ａと衝突火炎ＣＦとの間）に、主ガスＭＧの循環流を生成させて主ガスＭＧの流れから衝突火炎ＣＦを守ることが可能となる。

なお、図１３および図１４に図示はされていないが、旋回羽根１１４は、例えば、旋回羽根１１４を支持可能な支持部材を介して主ダクト部１１の内壁面などに取り付けることができる。また、図１３および図１４に例示するように、必要に応じて、実施形態５にて説明した保炎ガード１１２を設けることも可能である。

（実施形態８）
実施形態８のバーナについて、図１５および図１６を用いて説明する。

図１５および図１６に例示されるように、本実施形態８のバーナ１は、バーナユニット部１０を単数（１個）有している。そして、本実施形態８のバーナ１では、主ダクト部１１内において、管状火炎Ｆが主ダクト部１１の筒内壁に衝突するように構成されている。

本実施形態８のバーナ１によれば、管状火炎Ｆの先端部が主ダクト部１１の筒内壁によって蓋をされたような状態となる。そのため、本実施形態８のバーナ１は、管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態で燃焼することができる。したがって、本実施形態８のバーナ１は、バーナユニット部１０が単数であっても、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎Ｆの内部空間に流入し難くなり、管状火炎Ｆの内部空間は高温の燃焼ガスで満たされるため、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に噴出される管状火炎Ｆの保炎性を高めることができる。また、本実施形態８のバーナ１は、比較的簡単な構成であるため、比較的低コストで、管状火炎Ｆの保炎性を高めることができる。

なお、図１５では、主ダクト部１１の他端部を閉塞するキャップ部１１１に溝部１１１ａが形成されていない例が示されている。本実施形態８においても、実施形態１と同様に、キャップ部１１１に溝部１１１ａが形成されていてもよい。

また、本実施形態８では、主ダクト部１１の他端部が開放され、主ガスＭＧが流れる構造であっても良いが、このとき管状火炎Ｆと主ダクト部１１の内壁面との間に主ガスＭＧが流れ込み、保炎性が低下するのを防ぐため、実施形態５の保炎ガード１１２や実施形態６の循環流生成器１１３を衝突火炎ＣＦの上流部に設置すると良い。

また、図１５では、バーナユニット部１０が単数の場合を図示したが、図示したバーナユニット部１０と主ダクト部１１の内壁との関係を有するバーナユニット部１０が複数個配置されても良い。

また、図１５では、主ダクト部１１の内壁への管状火炎Ｆの衝突を用いて、バーナユニット部１０からの管状火炎Ｆの保炎性の向上を図っているが、管状火炎Ｆを衝突させる対象は主ダクト部１１の内壁だけでなく、主ダクト部１１内に存在する他の固体壁であっても良い。例えば、上述のように複数のバーナユニット部１０が存在する場合には、主ダクト部１１の内壁の代わりに、例えば、他のバーナユニット部１０の燃焼管１００に管状火炎Ｆを衝突させて、保炎性を向上させることもできる。つまり、上記固体壁とは、主ダクト部１１の内壁以外にも、他のバーナユニット部１０の燃焼管壁などを含みうるものである。

（実施形態９）
実施形態９のバーナについて、図１７を用いて説明する。

図１７に例示されるように、本実施形態９のバーナ１は、複数のバーナユニット部１０と、炉壁１２とを有している。炉壁１２は、炉内と炉外とを隔てる隔壁である。バーナ１は、炉壁１２に各バーナユニット部１０が所定の交差角θで向き合うように取り付けられている。各バーナユニット部１０の交差角θは、互いに交差する各燃焼管１００の管軸線のなす角であり、例えば、４５度以上１２０度以下とすることができる。

図１７では、バーナ１が、同構成のバーナユニット部１０を２個有している例が示されている。また、図１７では、各燃焼管１００の管軸線と炉壁１２との間のなす角が４５度とされており、各燃焼管１００の管軸線同士が交差角θ＝９０度で交差する例が示されている。

本実施形態９のバーナ１は、炉内において、各管状火炎Ｆ同士が衝突するように構成されている。そのため、本実施形態９のバーナ１は、炉内において、各管状火炎Ｆの内部空間が管状火炎Ｆの外部空間から閉ざされた状態で燃焼することができる。したがって、本実施形態９のバーナ１は、外部空気や冷却燃焼ガスあるいはその成分が管状火炎Ｆの内部空間に流入し難くなり、管状火炎Ｆの内部空間は高温の燃焼ガスで満たされるため、燃焼管１００における先端開口部１００ａから外側に噴出される管状火炎Ｆの保炎性を高めることができる。また、管状火炎Ｆ同士の衝突後の燃焼ガスＣは、炉内に噴出される。

なお、本実施形態９では、複数のバーナユニット部１０を炉壁１２における水平方向に配置した例を示したが、複数のバーナユニット部１０は、炉壁１２における垂直方向など、その他の方向に配置することができ、また、各方向の組み合わせで配置することもできる。

（実施形態１０）
実施形態１０のバーナについて、図１８および図１９を用いて説明する。

図１８および図１９に例示されるように、本実施形態１０のバーナ１は、バーナユニット部１０を複数有している。図１８および図１９では、バーナ１が、同構成のバーナユニット部１０を２個有している例が示されている。本実施形態１０のバーナ１では、各燃焼管１００の基端部同士が連通状態で接続され、当該管接続部１０５において単数の火炎センサ１０４にて火炎監視を行うように構成されている。なお、図１８および図１９に例示されるように、本実施形態１０では、管接続部１０５に点火プラグ１０３が設けられ、管接続部１０５において着火が行われるように構成されている。

本実施形態１０のバーナ１によれば、各バーナユニット部１０に火炎センサ１０４をそれぞれ設けるように構成したバーナに比べ、高価な火炎センサ１０４の個数を減らすことができる。そのため、本実施形態１０のバーナ１によれば、より少ない個数の火炎センサ１０４により低コストで火炎監視を行うことができる。

なお、図１８および図１９では、主ダクト部１１に干渉しないように各バーナユニット部１０の燃焼管１００を延長し、各燃焼管１００の基端部を集合させて接続する構成が例示されている。つまり、本開示において、燃焼管１００は、必ずしも直管である必要はなく、曲がっていてもよい。各バーナユニット部１０の燃焼管１００の延長経路は、特に限定されるものではなく、主ダクト部１１に干渉しないよう適宜設定することができる。

（実験例１）
図２０に、本実験例１にて作製したバーナユニットの形状、寸法を示す。なお、図２０において、寸法の単位はｍｍである。本実験例１では、具体的には、図２０に示されるように、先端開口内径１４．３ｍｍ、先端開口外径１６ｍｍ、管長さ２２．３ｍｍの円管状の燃焼管に対し、燃焼管の内壁面の接線方向から燃焼管内にアンモニアガスと空気とが予混合された予混合ガスを流入させて約２．０４のスワール数の旋回流を得ることが可能なバーナユニットを作製した。

図２１に、上記作製したバーナユニットにおける燃焼状態の確認結果（マッピング図）を示す。図２１において、横軸は当量比φを表しており、縦軸は、燃焼管の内部流路面積（内径１４．３ｍｍ）に対する予混合ガスの管軸方向平均流速である。また、空気流量一定の状態を斜め破線で示した。燃焼状態は目視により確認され、安定燃焼（白丸記号）、不安定燃焼（短時間での消炎）（黒丸記号）、保炎不可（×記号）に分類された。図２１によれば、上記作製したバーナユニットでは、バーナユニット出口での予混合ガスの平均流速が約０．４５ｍ／ｓ以下では幅広い当量比で燃焼が達成され、予混合ガスの流速の増加にともない保炎可能範囲が狭まり、約０．８ｍ／ｓ以上の条件では火炎が得られないことがわかる。

図２２に、上記作製したバーナユニットにおいて、空気流量を２Ｌ／ｍｉｎに固定した場合の、当量比φの変化に伴う火炎の外観写真を示す。図２２によれば、当量比φ＝０．９以下では、オレンジ色の可視火炎の大部分が管状火炎として燃焼管内に存在するが、燃焼管の先端開口部から外側に、管状の管状火炎を噴出することができており、保炎性が確保されていることがわかる。なお、図２２はカラー写真をグレースケールとしたものであるが、カラー写真では、可視火炎はオレンジ色を呈している。アンモニア火炎は、炭化水素系燃料の場合と異なり、オレンジ色に発光する。当量比φ＝１．０以上では、管状火炎の下端部分における細い円錐状の部分のほとんどが燃焼管の先端開口部下流に存在し、浮き上がり火炎となるが、当量比φ＝１．０～１．２程度の場合には、保炎性が確保されていることがわかる。

上記作製したバーナユニットによれば、燃焼管における先端開口部から外側に、空気存在下にて難燃性のアンモニアガスを旋回燃焼させて管状火炎を噴出させることが可能であることが確認された。なお、本実験例１では、燃料としてアンモニアガスを用いたが、上記実験結果によれば、アンモニアガス以外の難燃性の燃料ガスや、好燃焼性の水素や炭化水素などの燃料ガスを用いた場合であっても、燃焼管における先端開口部から外側に、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料の旋回燃焼により生じる管状火炎を噴出させることができるといえる。

（実験例２）
実験例１にて作製したバーナユニットをバーナユニット部として用い、図１～図３に示されるバーナを作製した。本実験例２のバーナは、主ダクト部の筒壁に燃焼管の先端開口が対向するように取り付けた２個のバーナユニット部による各管状火炎を主ダクト部の中央部で衝突させて衝突火炎を形成するものである。図２３および図２４に、作製したバーナと形成火炎の様子を示す。

図２３および図２４に示されるバーナによれば、互いに逆方向に旋回する管状火炎同士の衝突火炎が形成されていることがわかる。また、このバーナのアンモニア燃焼ガス量は、実験例１の単独バーナユニットのアンモニア燃焼ガス量の４倍以上と計測され、保炎性の向上が達成されていることがわかる。

（実験例３）
上述した実験例２では、広い当量比にわたる燃焼確認実験は行われなかったので、本実験例３では実験例２と同じ装置を用いて，広い当量比にわたる燃焼状態確認実験が実施された。但し、今後の主ガスＭＧを流入させる実験に備えて、図９および図１０に図示した実施形態５にて説明した保炎ガード１１２を使用した。図２５に使用した保炎ガードの写真を示す。この保炎ガードを、主ダクト部内に対向して突出する各バーナユニット部の各燃焼管の先端部に、主ダクト部の基端部側から装着した。但し、本実験例３では、主ダクト部の基端部側は閉鎖状態とした。また、本実験例３では、４つのガス供給管に対してアンモニアガスと空気とが予混合された予混合ガスを供給した。図２６に、作製したバーナと形成火炎の様子を示す。

図２７に、上記作製したバーナにおける燃焼状態の確認結果（マッピング図）を示す。図２７において、横軸（当量比φ）や燃焼状態の記号などは、実験例１にて説明した図２１と同様に描かれている。一方、図２７において、縦軸は、燃焼管の内部流路面積（内径１４．３ｍｍ）に対する予混合ガスの管軸方向平均流速がとられているが、本実験例３において作製したバーナでは、バーナユニット部が２個設置されていることに注意を要する。

図２７と図２１とを比較すると、最大保炎軸方向平均流速（縦軸）が、実験例１で作製したバーナユニット単独では０．８ｍ／ｓであるのに対して、本実験例３で作製したバーナでは１．８ｍ／ｓと２倍以上の保炎性を示すことがわかる。なお、バーナ全体としては、２個のバーナユニット部を有するバーナでは、約４倍の空気流量で保炎が行われていることがわかる。

（実験例４）
上述した実験例１～３は、各供給管にアンモニア・空気の予混合ガスを供給した実験（予混合式）であったが、産業用バーナとしては、一方の供給管に酸化剤ガスのみを供給し、もう一方の供給管に燃料のみを供給し、酸化剤ガスと燃料とを燃焼領域に別々に供給し逆火を防止する「先混合式」化が重要である。そこで、実験例３と同じバーナを用いて，各バーナユニット部の第１供給管に空気を、第２供給管にアンモニアガスを供給したところ、良好な燃焼が確認された。この結果から、本開示のバーナが、アンモニア・空気の「先混合式」燃焼も実現できることが確認された。

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。また、各請求項同士は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

１バーナ
１０バーナユニット部
１００燃焼管
Ｆ管状火炎

Claims

先端部が開放された燃焼管を備え、上記燃焼管における先端開口部から外側に、燃焼用酸化剤ガスの存在下にて燃料の旋回燃焼により生じる管状火炎を噴出可能なバーナユニット部を複数または単数有しており、
上記管状火炎の内部空間が上記管状火炎の外部空間から閉ざされた状態で燃焼するように構成されている、
バーナ。
一端部が開放された筒状の主ダクト部を有しており、
上記主ダクト部内に複数または単数の上記バーナユニット部の上記燃焼管の上記先端開口部が連通されている、
請求項１に記載のバーナ。
複数の上記バーナユニット部を有しており、
上記主ダクト部内において、各上記管状火炎同士が衝突するように構成されている、
請求項２に記載のバーナ。
各上記バーナユニット部は、各上記燃焼管の管軸線が上記主ダクト部の筒軸線上またはその近傍において交わるように配置されている、
請求項３に記載のバーナ。
各上記管軸線が、同一面内にある、
請求項４に記載のバーナ。
各上記バーナユニット部は、各上記管軸線が上記主ダクト部の一端開口部側に向かって斜めに傾斜するように配置されている、
請求項３に記載のバーナ。
各上記バーナユニット部は、各上記燃焼管の管軸線が段違いとなるように配置されている、
請求項３に記載のバーナ。
上記主ダクト部の他端部が開放されており、
上記主ダクト部の他端部から一端部に向かって、燃料、燃焼用酸化剤ガス、または、これらが予混合された予混合ガスより構成される主ガスが流れるように構成されている、
請求項３に記載のバーナ。
上記主ダクト部の他端部が開放されており、
上記主ダクト部の他端部から一端部に向かって、燃料、燃焼用酸化剤ガス、または、これらが予混合された予混合ガスより構成される主ガスが流れるように構成されており、
上記主ダクト部内を流れる上記主ガスから、各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎を守る保炎ガード、あるいは、
各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎よりも上記主ガスの流れの上流側に設置される、上記主ガスの循環流を生成する循環流生成器、のうち少なくともいずれか１つが設けられている、
請求項３に記載のバーナ。
上記主ダクト部の他端部が開放されており、
上記主ダクト部の他端部から一端部に向かって、燃料、燃焼用酸化剤ガス、または、これらが予混合された予混合ガスより構成される主ガスが流れるように構成されており、
上記主ダクト部内を流れる上記主ガスから、各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎を守る保炎ガード、あるいは、
各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎よりも上記主ガスの流れの上流側に設置される、上記主ダクト部の他端部から上記主ダクト部内に流入する上記主ガスを旋回させる旋回羽根、のうち少なくともいずれか１つが設けられている、
請求項３に記載のバーナ。
上記主ダクト部の他端部が開放されており、
上記主ダクト部の他端部から一端部に向かって、燃料、燃焼用酸化剤ガス、または、これらが予混合された予混合ガスより構成される主ガスが流れるように構成されており、
上記主ダクト部内を流れる上記主ガスから、各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎を守る保炎ガード、あるいは、
各上記管状火炎同士の衝突によって形成される衝突火炎よりも上記主ガスの流れの上流側に設置される、上記主ダクト部の他端部から上記主ダクト部内に流入する上記主ガスを旋回させる旋回羽根、のうち少なくともいずれか１つが設けられており、
上記旋回羽根は、中心部にボス部を有しており、上記ボス部がその下流側に上記主ガスの循環流を生成させる、
請求項３に記載のバーナ。
上記主ダクト部の他端部がキャップ部により閉塞されている、
請求項３に記載のバーナ。
上記キャップ部における上記主ダクト部内側の表面に、衝突した上記管状火炎の逃げ場となる溝部が形成されている、
請求項１２に記載のバーナ。
上記主ダクト部内において、上記管状火炎が上記主ダクト部内の固体壁に衝突するように構成されている、
請求項２に記載のバーナ。
複数の上記バーナユニット部と、
炉内と炉外とを隔てる炉壁と、を有しており、
上記炉壁に各上記バーナユニット部が所定の交差角で向き合うように取り付けられており、
上記炉内において、各上記管状火炎同士が衝突するように構成されている、
請求項１に記載のバーナ。
複数の上記バーナユニット部を有しており、
各上記燃焼管の基端部同士が連通状態で接続され、当該管接続部において単数の火炎センサにて火炎監視を行うように構成されている、
請求項１から請求項１５の少なくとも１つに記載のバーナ。