JP7359379B2 - combustion device - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼装置に関する。 The present invention relates to a combustion device.
流体容器内に配置された伝熱管内にバーナによって発生された高温の燃焼ガスを吹き込んで、流体容器内の流体と熱交換させることで、流体を加熱する燃焼装置が提案されている。 A combustion device has been proposed that heats a fluid by blowing high-temperature combustion gas generated by a burner into a heat transfer tube arranged in a fluid container and exchanging heat with the fluid in the fluid container.
このような燃焼装置として、例えば、燃料ガスと空気との混合ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼器を収容し、燃焼器の外周面との間に、燃焼器内で混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスを通過させる燃焼ガス通路を形成する伝熱管と、燃焼ガス通路に配置され、燃焼器の外周面と伝熱管の内周面との双方と接触する熱伝導体とを有する流体加熱用燃焼器付熱交換器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。 Such a combustion device may include, for example, a combustor that combusts a mixed gas of fuel gas and air, and a combustor that accommodates the combustor and is connected to the outer peripheral surface of the combustor. For fluid heating, the heat transfer tube has a heat transfer tube forming a combustion gas passage through which combustion gas is passed, and a heat conductor arranged in the combustion gas passage and in contact with both the outer circumferential surface of the combustor and the inner circumferential surface of the heat transfer tube. A heat exchanger with a combustor has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
特許文献１の流体加熱用燃焼器付熱交換器では、被加熱流体を収容する流体容器内に設置される煙管等の燃焼ガス通路を燃焼器と一体化させて燃焼器の燃焼室の外側に配置している。燃焼器の燃焼室からの熱と、燃焼ガス通路を通過する燃焼ガスが有している熱との双方を、燃焼ガス通路を形成する伝熱管に伝え、被加熱流体と熱交換している。
In the heat exchanger with a combustor for heating a fluid disclosed in
ここで、特許文献１に記載の流体加熱用燃焼器付熱交換器のような燃焼装置を用いる場合、混合ガスを燃焼させた時に生じる燃焼熱と流体とを安定して熱交換させるためには、混合ガスをより安定して燃焼させて燃焼ガスを生じさせることが重要である。
Here, when using a combustion device such as a heat exchanger with a fluid heating combustor described in
本発明の一態様は、混合ガスをより安定して着火させて燃焼させることができる燃焼装置を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide a combustion device that can more stably ignite and burn a mixed gas.
本発明に係る燃焼装置の一態様は、燃料ガスと空気とを混合した混合ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器を収容する伝熱管とを備え、前記混合ガスを燃焼させることで生じる燃焼ガスにより流体を加熱する燃焼装置であって、前記燃焼器は、前記混合ガスが供給されるバーナ管と、前記バーナ管よりも前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記混合ガスが通過する連通孔を有する絞り部と、前記絞り部の前記混合ガスの流れ方向の下流側に連結され、前記混合ガスが流出可能な孔とを有し、前記連通孔の下流側に空間である混合ガス室を形成する燃焼部と、前記燃焼部の外周面のうち、前記絞り部につながる前記混合ガス室の着火領域の外側に設けられる、セラミックヒータ又はスパークロッドを備える着火部と、を有し、前記連通孔の断面積が、前記バーナ管及び前記燃焼部の内径の断面積よりも小さく形成された。 One aspect of the combustion device according to the present invention includes a combustor that combusts a mixed gas of fuel gas and air, and a heat exchanger tube that houses the combustor, and the combustion that occurs by combusting the mixed gas. The combustor is provided with a burner pipe to which the mixed gas is supplied, and the combustor is provided downstream of the burner pipe in the flow direction of the mixed gas. a constriction portion having a communication hole through which the gas mixture passes; and a hole connected to the downstream side of the constriction portion in the flow direction of the mixed gas through which the mixed gas can flow out, and a space on the downstream side of the communication hole. A combustion section forming a mixed gas chamber; and an ignition section provided with a ceramic heater or a spark rod provided outside an ignition area of the mixed gas chamber connected to the throttle section on the outer peripheral surface of the combustion section. However, the cross-sectional area of the communicating hole is smaller than the cross-sectional area of the inner diameter of the burner tube and the combustion section.
本発明の一態様に係る燃焼装置は、混合ガスをより安定して着火させて燃焼させることができる。 The combustion device according to one aspect of the present invention can ignite and burn mixed gas more stably.
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複する説明は省略する。また、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書では、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の３次元直交座標系を用い、燃焼装置の中心軸Ｊに平行な方向をＺ軸方向とし、中心軸Ｊに直交する面において、互いに直交する２つの方向のうち一方をＸ軸方向とし、他方をＹ軸方向とする。なお、燃焼装置を構成する部材が円筒以外の形状である場合には、これらの幅方向をＸ方向とし、高さ方向をＹ方向とし、長さ方向をＺ方向とする。以下の説明において、＋Ｙ軸方向を上といい、－Ｙ軸方向を下という場合がある。なお、本明細書において数値範囲を示すチルダ「～」は、別段の断わりがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. In order to facilitate understanding of the explanation, the same components in each drawing are denoted by the same reference numerals, and redundant explanation will be omitted. Further, the scale of each member in the drawings may differ from the actual scale. In this specification, a three-dimensional orthogonal coordinate system with three axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) is used, and the direction parallel to the central axis J of the combustion device is defined as the Z-axis direction, and In the orthogonal planes, one of two mutually orthogonal directions is defined as the X-axis direction and the other as the Y-axis direction. In addition, when the members constituting the combustion device have a shape other than a cylinder, the width direction thereof is set as the X direction, the height direction is set as the Y direction, and the length direction is set as the Z direction. In the following description, the +Y-axis direction may be referred to as upper and the -Y-axis direction may be referred to as lower. In this specification, the tilde "~" indicating a numerical range means that the lower limit and upper limit include the numerical values written before and after the tilde, unless otherwise specified.
＜燃焼装置＞
一実施形態に係る燃焼装置について説明する。図１は、一実施形態に係る燃焼装置の構成を示す断面図であり、図２は、図１のI－I断面図である。図１及び図２に示すように、燃焼装置１は、燃焼器１０、伝熱管２０、熱伝導体３０及び炎検出部４０を有する。燃焼装置１は、流体容器５０の側面に連結されており、流体容器５０内には水Ｗが貯留されているものとする。燃焼装置１を構成する、燃焼器１０、伝熱管２０、熱伝導体３０及び炎検出部４０について説明する。
<Combustion device>
A combustion device according to one embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a combustion device according to one embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the
［燃焼器］
燃焼器１０は、燃料ガスと空気とを混合した混合ガスＧ１を燃焼させるものである。燃料ガスとしては、液化石油ガス、液化天然ガス又は都市ガス（メタン）等が挙げられる。
[Combustor]
The
図１に示すように、燃焼器１０は、バーナ管１１、絞り部１２、燃焼部であるバーナ１３及び着火部１４を備える。バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３は、混合ガスＧ１のガス流れ方向に対して、上流側（－Ｚ軸方向）から、バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３の順に直列に配置されている。図２に示すように、バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３は、いずれも、断面が円形の筒状に形成されている。図１及び図２に示すように、バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３は、いずれも同軸に配置されている。
As shown in FIG. 1, the
図１に示すように、バーナ管１１は、伝熱管２０の内部に設けられる。バーナ管１１は、バーナ管１１の基端部１１ａが開口しており、基端部１１ａが伝熱管２０の基端部２０ａとボルト６１でネジ止めされることで、基端部２０ａに密着した状態で設けられている。基端部１１ａには、混合ガスＧ１を供給する混合ガス供給管Ｌ１０と連結されるガス導入口１１１を有する。基端部１１ａの中心は、ガス導入口１１１の中心軸に対応する位置にある。
As shown in FIG. 1 ,
バーナ管１１は、内部に、混合ガスＧ１を予熱するための伝熱促進板１１２を有する。
The
混合ガス供給管Ｌ１０から供給される混合ガスＧ１が、ガス導入口１１１からバーナ管１１内を流れると、バーナ管１１内に設けられる伝熱促進板１１２により乱流となり、バーナ管１１の内壁に沿って流れる。そして、混合ガスＧ１は、バーナ管１１の壁面を介して燃焼ガス（燃焼排気ガス）Ｇ２と熱交換して加熱されながら絞り部１２に向かって流れることができる。
When the mixed gas G1 supplied from the mixed gas supply pipe L10 flows through the
混合ガス供給管Ｌ１０は、その流路の途中に、混合ガスＧ１を作製しつつその流量を調整する混合ガスの生成ユニット１６を有する。混合ガスの生成ユニット１６は、外部の空気を供給すると共にその流量を調整する送風機１６１と、空気と燃料ガスとを混合して混合ガスＧ１とするベンチュリーミキサ１６２とを備える。混合ガスの生成ユニット１６は、混合ガスＧ１を作製し、かつその流量を制御できるものであればよい。混合ガスの生成ユニット１６は、例えば、有線の通信回線又は無線通信回線を介してインターネット等のネットワークに接続される、図示しない制御部により制御可能に構成されている。
The mixed gas supply pipe L10 has a mixed
バーナ管１１は、その管壁に２つの貫通孔１１３ａ及び１１３ｂを有し、貫通孔１１３ａ及び１１３ｂ内に保護管１４２が挿通された状態で保持されている。保護管１４２は、バーナ管１１の基端部１１ａにボルト６２Ａ及び６２Ｂでネジ止めして固定され、閉鎖構造となっている。
The
バーナ管１１は、例えば、鉄、Ｎｉ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、ステンレス等の耐熱性金属やキャスタブル等で形成することができる。Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金としては、例えば、インコネル等を用いることができる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金として、例えば、コバール等を用いることができる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４等を用いることができる。
The
絞り部１２は、バーナ管１１とバーナ１３とを連結する連結管である。絞り部１２は、バーナ管１１の先端部１１ｂ側にバーナ管１１と同軸に設けられる。絞り部１２は、筒状に形成され、混合ガスＧ１が通過する連通孔１２１を有する。連通孔１２１の中心は、バーナ管１１及びバーナ１３の中心軸に対応する位置にある。絞り部１２は、連通孔１２１の断面積Ｓ１がバーナ管１１の断面積Ｓ２及びバーナ１３の断面積Ｓ３よりも小さく形成されている。
The
絞り部１２の断面積Ｓ１のバーナ管１１の断面積Ｓ２に対する比（Ｓ１／Ｓ２）は、適宜設計可能であり、絞り部１２の連通孔１２１を通過する混合ガスＧ１の流速を速くできればよい。
The ratio (S1/S2) of the cross-sectional area S1 of the
絞り部１２の連通孔１２１の断面積Ｓ１のバーナ１３の断面積Ｓ３に対する比（Ｓ１／Ｓ３）は、適宜設計可能であり、例えば、混合ガスＧ１が絞り部１２の連通孔１２１から噴出する際の流速を適切な範囲として、混合ガスＧ１がバーナ１３の先端部１３ｂ側に向かって優先して流れ、メタルマット部１３２の燃焼面で混合ガスＧ１が燃焼できればよい。
The ratio (S1/S3) of the cross-sectional area S1 of the
絞り部１２は、バーナ管１１で用いられる材料と同様の材料を用いることができるため、詳細は省略する。
The
バーナ１３は、伝熱管２０の内部に設けられる。バーナ１３は、絞り部１２よりも混合ガスＧ１の流れ方向の下流側（－Ｚ軸方向）にバーナ管１１と同軸に設けられる。バーナ１３は、その内側に空間である混合ガス室Ａを有する。
バーナ１３は、支持部１３１と、混合ガスが流出可能な孔を有するメタルマット部１３２とを有する表面燃焼バーナ（メタルマットバーナ）である。バーナ１３は、支持部１３１で絞り部１２と連結されている。
The
バーナ１３を構成する各部材は、ステンレス等の耐熱性金属で形成することができる。
Each member constituting the
支持部１３１は、円板状に形成され、その主面の中心部に絞り部１２の連通孔１２１の孔径と略同じ大きさのガス導入口１３１ａを有する。ガス導入口１３１ａから混合ガス室Ａ内に混合ガスＧ１が供給される。
The
メタルマット部１３２は、円筒状に形成され、その先端開口を塞ぐように形成されている。メタルマット部１３２の内部に混合ガス室Ａが形成され、メタルマット部１３２の外側と伝熱管２０との間には燃焼室Ｂが形成される。
The
メタルマット部１３２は、繊維径が数ミクロン～数百ミクロンの耐熱金属繊維を編み込んで形成された織布であり、内部に空隙を有する。メタルマット部１３２は、前記空隙を介して、混合ガス室Ａと燃焼室Ｂとの間の通気性を確保しつつ、混合ガス室Ａと燃焼室Ｂとを仕切っている。
The
メタルマット部１３２は、メタルマット部１３２の表面（バーナ１３の外周面１３ｃ）に炎Ｆを発生させることで、メタルマット部１３２の表面には燃焼面が形成される。そして、炎Fは、後述するように、絞り部１２の連通孔１２１から混合ガス室Ａ内に流れる混合ガスＧ１は、バーナ１３の先端部１３ｂ側に内周面１３ｄ側よりも優先して流れ易い。そのため、混合ガス室Ａ内には混合ガスＧ１が支持部１３１から先端部１３ｂ側にかけて混合ガスＧ１の流速が速くなるような流速の勾配が形成される。よって、炎Ｆは、メタルマット部１３２の絞り部１２側から先端部１３ｂ側にかけて大きくなるように形成される。メタルマット部１３２から発生する炎Ｆの大きさは、メタルマット部１３２への混合ガスＧ１の供給量、混合ガスＧ１中の燃料ガス（例えば、メタン等）と空気との空気比を制御することにより、調整できる。
The
混合ガス室Ａからメタルマット部１３２の外側に流出する混合ガスＧ１は、メタルマット部１３２の表面に発生する炎Ｆで加熱されて燃焼することで、燃焼ガスＧ２となる。
The mixed gas G1 flowing out from the mixed gas chamber A to the outside of the
バーナ１３の内径（メタルマット部１３２の内径）Ｄ１は、絞り部１２の連通孔１２１の内径Ｄ２よりも大きく形成されている。これにより、混合ガスＧ１は、連通孔１２１からバーナ１３の先端部１３ｂ側に内周面１３ｄ側よりも優先して流れ易くなる。そのため、混合ガス室Ａ内には、絞り部１２の連通孔１２１から混合ガス室Ａ内に噴出する混合ガスＧ１が支持部１３１からバーナ１３の先端部１３ｂ側にかけて混合ガスＧ１の流速が速くなるような流速の勾配が形成される。そのため、炎Ｆは、メタルマット部１３２の絞り部１２側から先端部１３ｂ側にかけて大きくなり、先端部１３ｂとその近傍に形成される炎Ｆは、伝熱管２０の先端部２０ｂ側の内面に接する位置まで伸びる。
The inner diameter D1 of the burner 13 (the inner diameter of the metal mat portion 132) is larger than the inner diameter D2 of the
バーナ１３の内径Ｄ１の、絞り部１２の連通孔１２１の内径Ｄ２に対する比（Ｄ１／Ｄ２）は、適宜設計可能である。例えば、Ｄ１／Ｄ２は、着火部１４で混合ガスＧ１を安定して着火させることができ、混合ガスＧ１をバーナ１３の先端部１３ｂ側に向かって噴出させ、メタルマット部１３２の表面に形成される炎Ｆが支持部１３１側から先端部１３ｂ側にかけて大きくなるように形成できればよい。
The ratio (D1/D2) of the inner diameter D1 of the
バーナ１３（メタルマット部１３２の外径）の外径は、バーナ管１１の外径よりも小さく形成されている。
The outer diameter of the burner 13 (the outer diameter of the metal mat portion 132) is smaller than the outer diameter of the
着火部１４は、バーナ１３の外周面１３ｃのうち、絞り部１２につながるバーナ１３内の混合ガス室Ａの着火領域Ｒ（図１参照）の外側と、絞り部１２の外側との近傍に設けられ、本実施形態では、着火部１４は、絞り部１２及びバーナ１３の上方（＋Ｙ軸方向）に設けられる。
The
着火領域Ｒとは、混合ガス室Ａ内のうち、混合ガスＧ１の流入側の領域であって、絞り部１２から混合ガス室Ａ内に流入する混合ガスＧ１がバーナ１３の内周面１３ｄ側に流れて流速が低下する領域である。着火領域Ｒは、バーナ１３の混合ガス室Ａ内の内径Ｄ１の大きさ等にもよるが、例えば、バーナ１３の基端部１３ａからバーナ１３の混合ガス室Ａ内の長さ方向（Ｚ軸方向）の全長の３０％程度の範囲をいう。
The ignition region R is a region in the mixed gas chamber A on the inflow side of the mixed gas G1, where the mixed gas G1 flowing into the mixed gas chamber A from the
着火部１４は、セラミックヒータ１４１と、保護管１４２とを備える。
The
セラミックヒータ１４１は、保護管１４２の先端部に、バーナ１３の外周面１３ｃの近傍まで突出した状態で設けられる。セラミックヒータ１４１は、バーナ１３の外周面１３ｃのうち、混合ガス室Ａの着火領域Ｒ（図１参照）の外側と絞り部１２の外側とに位置する。セラミックヒータ１４１の先端部１４１ａは、バーナ１３の外周面１３ｃのうち、混合ガス室Ａの着火領域Ｒ（図１参照）の外側に位置する。
The
セラミックヒータ１４１は、不図示の給電部に不図示のケーブル等により連結されており、前記給電部より電流が給電される（電圧の印加）。セラミックヒータ１４１に電流を給電して、セラミックヒータ１４１を加熱することで、メタルマット部１３２の表面でメタルマット部１３２の空隙から流出する混合ガスＧ１に含まれる燃料ガス（例えば、メタン）を点火させる。
The
セラミックヒータ１４１を形成する材料としては、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4及びＡｌ2Ｏ3等を用いることができる。
As a material for forming the
保護管１４２は、伝熱管２０の基端部２０ａとバーナ管１１の管壁とを貫通して伝熱管２０内に突出させた状態で設けられ、基端部２０ａに固定されている。保護管１４２は、基端部２０ａにセラミック接着剤による接着等の公知の取り付け方法により固定される。
The
保護管１４２は、外部の熱を遮断できる材料で形成することができ、絶縁碍子等の不導体を使用する。保護管１４２としては、例えば、酸化アルミニウム等の金属酸化物や断熱材を用いることができる。
The
［伝熱管］
伝熱管２０は、流体容器５０の側面、上面又は下面に取付け可能で、混合ガスＧ１のガス流れ方向の下流側である、伝熱管２０の先端部２０ｂが流体容器５０の側壁を貫通して流体容器５０の内部に突出するように設けられている。伝熱管２０は、内部に燃焼器１０を収容するための空間を有する。
[Heat transfer tube]
The
伝熱管２０は、円筒状に形成され、その先端開口を塞ぐように形成され、基端部２０ａには、バーナ管１１が挿入される導入口２１を有する。伝熱管２０の基端部２０ａでバーナ管１１の基端部１１ａとボルト６１でネジ止めして固定されている。
The
伝熱管２０は、その先端部２０ｂがバーナ１３の先端部１３ｂと間隔をあけて対向している。伝熱管２０は、バーナ管１１及びバーナ１３の外径よりも大きな内径を有する。伝熱管２０は、バーナ管１１及びバーナ１３と同軸に配置される。
The
伝熱管２０の内周面２０ｃと燃焼器１０の外周（バーナ管１１の外周面１１ｃ及びバーナ１３の外周面１３ｃ）との間に、燃焼室Ｂが形成される。
A combustion chamber B is formed between the inner
伝熱管２０は、その外周面２０ｄの基端部２０ａ側の円周上に、燃焼ガス排出口２２を有する。燃焼ガス排出口２２は、混合ガスＧ１が燃焼して生じる燃焼ガスＧ２を排出する、不図示の燃焼ガス排出ラインと連結されている。
The
伝熱管２０は、その外周面２０ｄに、流体容器５０等の壁面に取り付ける際に利用される取付け用のフランジ２３を有する。伝熱管２０は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又はロウ材等の高温での耐熱性を有する接合材を用いることにより、フランジ２３で流体容器５０の壁面に固定できる。これにより、伝熱管２０をフランジ２３で流体容器５０と一体化させることができる。
The
［熱伝導体］
熱伝導体３０は、伝熱管２０の内周面２０ｃに、バーナ管１１の外周面１１ｃと接触するように、伝熱管２０の周方向に亘って所定間隔で複数回折り返すようにして形成されている（図２参照）。熱伝導体３０は、伝熱管２０の軸方向視（Ｚ軸方向視）において複数の略台形が連結されるように形成されている。なお、熱伝導体３０は、伝熱管２０の軸方向視（Ｚ軸方向視）において形状が全て略同一の略台形となるように折り返されているが、互いに異なる形状となるように折り返されていてもよい。また、熱伝導体３０は、バーナ管１１の外周面１１ｃに、伝熱管２０の内周面２０ｃと接触するように、バーナ管１１の周方向に亘って複数回折り返すようにして形成されていてもよい。
[Thermal conductor]
The
熱伝導体３０としては、熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましく、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、鉄、及びチタン等の金属を用いることができる。これらは、一種単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、銅又はアルミニウムを用いるのが好ましい。
As the
熱伝導体３０は、伝熱管２０と、不図示の接合材で接合されている。接合材としてはロウ材等を用いることができる。熱伝導体３０は、熱伝導体３０を用いることで、バーナ管１１を伝熱管２０に固定して保持できる。なお、接合材として、ロウ材の他に、高温での耐熱性を有する他の接合材を用いてもよい。また、熱伝導体３０を用いずに、ねじ止めや焼きばめ等により、バーナ管１１を伝熱管２０に固定してもよい。
The
熱伝導体３０の長さは、バーナ管１１の長さ等に応じて適宜設計可能であり、燃焼ガスＧ２の放熱効果が得られると共に、バーナ管１１や伝熱管２０への伝熱効果が得られればよい。また、熱伝導体３０を長くし過ぎても放熱効果はそれほど向上せず、費用が増大するだけであるため、伝熱効果の発揮と費用負担とのバランスを考慮して決定されることが好ましい。
The length of the
［炎検出部］
炎検出部４０は、バーナ管１１及び絞り部１２の外周の近傍に設けられている。炎検出部４０は、炎Ｆの有無を検知できればよく、例えば、セラミックヒータ１４１のセラミックヒータの固有抵抗値や紫外線を測定して、炎Ｆの有無を検知してもよい。
[Flame detection part]
The
炎検出部４０は、有線の通信回線又は無線通信回線を介してインターネット等のネットワークにより図示しない制御部に接続され、測定結果を図示しない制御部に送る。
The
次に、燃焼装置１を用いて、流体容器５０内の水Ｗを加熱する場合について説明する。
Next, a case will be described in which the
燃焼装置１では、図１に示すように、燃料ガスに空気を混合した混合ガスＧ１は、混合ガス供給管Ｌ１０を通って、ガス導入口１１１からバーナ管１１の内部に供給される。混合ガスＧ１は、ガス供給ラインＬ１に設けられた混合ガスの生成ユニット１６に供給された空気にベンチュリーミキサ１６２で燃料ガスを混合することで生成される。混合ガスＧ１の流量は、送風機１６１で適宜調整される。混合ガスの生成ユニット１６の運転は、例えば、図示しない制御部により制御される。
In the
ガス導入口１１１から供給された混合ガスＧ１は、伝熱促進板１１２により、バーナ管１１の内壁に沿って流れる。そして、混合ガスＧ１は、バーナ管１１の壁面を介して燃焼ガスＧ２と熱交換して加熱されながら、バーナ管１１内を絞り部１２に向かって流れる。絞り部１２の連通孔１２１の内径の断面積Ｓ１はバーナ管１１の内径の断面積Ｓ２よりも小さいため、連通孔１２１に流入する混合ガスＧ１の流速は増大する。連通孔１２１を通過した混合ガスＧ１は、混合ガス室Ａ内を絞り部１２からバーナ１３の先端部１３ｂに向かって流出する。バーナ１３の内径の断面積Ｓ３は絞り部１２の内径の断面積Ｓ１よりも大きいため、混合ガスＧ１が絞り部１２から混合ガス室Ａに流出する際、混合ガスＧ１が直進方向に流れやすい。混合ガスＧ１が先端部１３ｂの内面に当たることで、先端部１３ｂに流れた混合ガスＧ１の圧力は上昇する。そのため、先端部１３ｂには内周面１３ｄよりも多くの混合ガスＧ１が流れる。そして、混合ガスＧ１は、バーナ１３の先端部１３ｂ側に優先して流れながら内周面１３ｄ側に拡散する。
The mixed gas G1 supplied from the
絞り部１２から混合ガス室Ａ内に流れる混合ガスＧ１の流速は、着火領域Ｒのガス流出速度によって適宜決定される。
The flow rate of the mixed gas G1 flowing into the mixed gas chamber A from the
混合ガス室Ａに流入した混合ガスＧ１は、混合ガス室Ａ内をバーナ１３の先端部１３ｂ側に向かって流れながら、混合ガスＧ１の一部は、バーナ１３の内周面１３ｄに流れる。バーナ１３の内周面１３ｄに流れた混合ガスＧ１は、バーナ１３のメタルマット部１３２の空隙を通って、メタルマット部１３２の外側に流出する。
The mixed gas G1 that has flowed into the mixed gas chamber A flows inside the mixed gas chamber A toward the
セラミックヒータ１４１に不図示の給電部から電圧を印加すると、セラミックヒータ１４１が急激に加熱される。加熱されたセラミックヒータ１４１に、メタルマット部１３２の空隙を通る混合ガスＧ１が触れることで、混合ガスＧ１中に含まれる燃料ガス（例えば、メタン）に着火する。そして、メタルマット部１３２の表面でメタルマット部１３２の空隙を通る混合ガスＧ１中に含まれる燃料ガス（例えば、メタン）にも着火する。メタルマット部１３２の空隙を通過する混合ガスＧ１は、バーナ１３の表面に発生させた炎Ｆによって加熱されることにより、メタルマット部１３２の表面全域において燃焼を継続する。
When a voltage is applied to the
バーナ１３の内径の断面積は絞り部１２の内径の断面積よりも大きいため、絞り部１２から流出した直後の混合ガスＧ１のバーナ１３の周方向（図１中のＹ軸方向）への流速は、混合ガス室Ａ内を流れる、主に軸方向（図１中のＺ軸方向）の他の混合ガスＧ１の流速に比べて小さい。そのため、バーナ１３の絞り部１２付近の側面（図１中のＹ軸方向）からメタルマット部１３２を通過した混合ガスＧ１には着火し易く、かつメタルマット部１３２の表面に炎Ｆが形成され易い。
Since the cross-sectional area of the inner diameter of the
混合ガスＧ１は、主に、先端部１３ｂ側に向かって流れ、メタルマット部１３２の先端部１３ｂとその側面近傍を通過する。そのため、メタルマット部１３２の表面に発生する炎Ｆは、メタルマット部１３２の絞り部１２側から先端部１３ｂ側にかけて大きくなるように形成される。また、先端部１３ｂとその近傍に形成される炎Ｆは、伝熱管２０の先端部２０ｂ側の内面に接する位置まで形成される。
The mixed gas G1 mainly flows toward the
メタルマット部１３２の表面に発生させる炎Ｆの大きさは、バーナ１３への混合ガスＧ１の供給量、混合ガスＧ１中の燃料ガスと空気との空気比等を調整することにより調整できる。メタルマット部１３２の表面に発生させた炎Ｆの大きさを調整して、混合ガスＧ１を適切な温度に加熱することで、混合ガスＧ１は炎Ｆで安定して燃焼させられる。
The size of the flame F generated on the surface of the
また、セラミックヒータ１４１を加熱して、メタルマット部１３２の表面で混合ガスＧ１に着火させる際には、送風機１６１の回転数を低くして、混合ガスＧ１の流速を抑え、メタルマット部１３２の表面で混合ガスＧ１に着火させ易くなるように制御してもよい。
In addition, when heating the
混合ガスＧ１の燃焼により発生した高温の燃焼ガスＧ２は、伝熱管２０内の燃焼室Ｂを、伝熱管２０の先端部２０ｂ側から燃焼ガスＧ２の進行方向に沿って、基端部２０ａ側に向かって流れる。燃焼ガスＧ２は燃焼室Ｂを通りながら燃焼ガスＧ２の保有する熱が伝熱管２０に伝達される。伝熱管２０に伝達された熱は伝熱管２０の壁面を伝熱面として、流体容器５０中の伝熱管２０の周囲に存在する水Ｗと熱交換させる。燃焼ガスＧ２は、流体容器５０内の水Ｗよりも高温であるため、流体容器５０内の水Ｗは燃焼ガスＧ２と熱交換することで加熱される。
The high-temperature combustion gas G2 generated by the combustion of the mixed gas G1 moves the combustion chamber B in the
また、燃焼ガスＧ２は熱伝導体３０と接触することで、燃焼ガスＧ２の保有する熱を熱伝導体３０に伝達できる。熱伝導体３０に伝達された熱は、伝熱管２０に伝達され、伝熱管２０の周囲に存在する水Ｗを加熱できる。
Furthermore, the combustion gas G2 comes into contact with the
また、熱伝導体３０に伝達された熱は、バーナ管１１に伝達することで、伝達された熱は、バーナ管１１の管壁を介して、バーナ管１１内を流れる混合ガスＧ１を予熱できる。バーナ管１１内を流れる混合ガスＧ１は、燃焼室Ｂを通過する燃焼ガスＧ２によって予熱されることで、温度が上昇した状態でバーナ１３に供給され、メタルマット部１３２の表面で燃焼させることができる。そのため、メタルマット部１３２の表面で混合ガスＧ１の燃焼効率がより高められる。
Furthermore, the heat transferred to the
燃焼室Ｂ内を通過し、熱交換され、低温となった燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス排出口２２から不図示の燃焼ガス排出ラインを通って、外部に排出される。
The combustion gas G2 that has passed through the combustion chamber B, has undergone heat exchange, and has become low temperature is discharged to the outside from the combustion
このように、燃焼装置１は、燃焼器１０が、バーナ管１１と絞り部１２とバーナ１３とを備えると共に、バーナ１３の外周面１３ｃのうち、絞り部１２につながる混合ガス室Ａの着火領域Ｒの外側にセラミックヒータ１４１を有する着火部１４を備える。そして、絞り部１２の連通孔１２１の内径の断面積Ｓ１はバーナ１３の内径の断面積Ｓ３よりも小さく形成されている。そのため、絞り部１２の連通孔１２１から混合ガス室Ａ内に流れる混合ガスＧ１は、バーナ１３の先端部１３ｂ側に流れるようにしつつ、先端部１３ｂ近傍の内周面１３ｄ側に拡散させることができる。そのため、バーナ１３の側面（内周面１３ｄ）には、混合ガスＧ１の流速がバーナ１３の絞り部１２側のバーナ１３面で遅く、先端部１３ｂ側に行くにしたがって速くなる流速勾配を形成できる。
As described above, in the
これにより、燃焼装置１は、メタルマット部１３２の表面に生じる炎Ｆを、メタルマット部１３２の絞り部１２側から先端部１３ｂ側にかけて大きくなるように形成できる。また、セラミックヒータ１４１は、一般に暖まり難い傾向にあるため、セラミックヒータ１４１に流れる混合ガスＧ１の流速は極力小さくすることが重要である。バーナ１３の絞り部１２側に近いほど、混合ガスＧ１の流速は小さくなるため、セラミックヒータ１４１を暖め易い利点を有する。
Thereby, the
燃焼装置１は、バーナ１３の外周面１３ｃのうち着火領域Ｒの外側にセラミックヒータ１４１を設けているので、セラミックヒータ１４１でバーナ１３の外周面１３ｃのうち着火領域Ｒにあるメタルマット部１３２を通過した混合ガスＧ１を容易に着火させることができる。よって、燃焼装置１は、メタルマット部１３２で混合ガスＧ１を安定して着火させて燃焼させることができる。したがって、燃焼装置１は、伝熱管２０が混合ガスＧ１の燃焼により生じた燃焼ガスＧ２により加熱されることで、伝熱管２０の外側に存在する、流体容器５０内の水Ｗを安定して加熱することができる。
Since the
また、燃焼装置１は、バーナ１３をメタルマット部１３２を有する表面燃焼バーナとすることで、メタルマット部１３２で混合ガスＧ１を容易に燃焼させることができるため、混合ガスＧ１の燃焼効率を高めることができる。
In addition, the
さらに、燃焼装置１は、着火部１４をバーナ１３の外側に設けているので、着火部１４、特にセラミックヒータ１４１の着脱を容易にすることができる。また、着火部１４はバーナ管１１の管壁の貫通孔１１３ａ及び１１３ｂに挿入して固定しており、製造が容易であるため、燃焼装置１の製造コストを低減できる。さらに、バーナ１３は表面燃焼バーナであるため、着火部１４、特にセラミックヒータ１４１が炎Ｆに晒されるのを抑えることができる。そのため、セラミックヒータ１４１が炎Ｆによって過度に加熱されるのを抑制することで、セラミックヒータ１４１の破損や寿命の低下を軽減することができる。
Furthermore, since the
燃焼装置１は、混合ガス室Ａ内に、絞り部１２から混合ガス室Ａに噴出する混合ガスＧ１が絞り部１２から混合ガスＧ１の流れ方向の下流側に向かって大きくなる流速勾配を形成することができる。これにより、絞り部１２から噴出した混合ガスＧ１がバーナ１３の側面（内周面１３ｄ）から流出が減少し、絞り部１２付近のメタルマット部１３２の表面での混合ガスＧ１の着火性を向上させることができる。この結果、メタルマット部１３２の表面に炎Ｆが生じさせ易くなるので、混合ガスＧ１の燃焼効率を向上させることができる。
The
燃焼装置１は、バーナ管１１の外周面の周方向に、伝熱管２０と接触するように熱伝導体３０を複数設けることができる。熱伝導体３０は混合ガスＧ１が燃焼して生じた燃焼ガスＧ２と接触することで、燃焼ガスが保有する熱をバーナ管１１及び伝熱管２０の両方に伝達できる。これにより、伝熱管２０の周囲の水Ｗの加熱効率を向上させることできると共に、バーナ管１１の内部を流れる混合ガスＧ１の予熱することができる。混合ガスＧ１を予熱することで、バーナ１３には予熱された混合ガスＧ１が供給されるので、メタルマット部１３２の表面での混合ガスＧ１の着火性をより高めることができる。
The
以上の通り、燃焼装置１は、上述の通り、伝熱管２０が被加熱流体と接触するように被加熱流体を収容する容器に取り付けるか、被加熱流体内に浸漬するだけで、被加熱流体を安定して加熱することができる。そのため、燃焼装置１は、例えば、食洗機、ボイラー、ヒータ、貯湯式湯沸器、瞬間式湯沸器、茹で麺器、フライヤー等の液体加熱用燃焼器等において、水、油、及び空気等の流体の加熱に有効に用いることができる。
As described above, the
燃焼装置１を加熱源として使用した食器洗浄機について説明する。図３は、一実施形態に係る燃焼装置１を適用した食器洗浄機の一例を示す図である。図３に示すように、食器洗浄機７０は、燃焼装置１、本体７１、洗浄槽７２、貯水槽７３、及びポンプ７４を備える。燃焼装置１は、伝熱管２０が貯水槽７３内に位置するように、フランジ２３によって食器洗浄機７０の壁面に取り付けられている。洗浄槽７２は、食器等を設置する槽である。貯水槽７３は、水Ｗを貯留し、水Ｗを加熱する槽である。ポンプ７４は、貯水槽７３で加熱された水Ｗ（温水）を洗浄槽７２に供給する。食器洗浄機７０では、ガス導入口１１１から供給される混合ガスＧ１は燃焼装置１内で燃焼し、伝熱管２０を介して貯水槽７３内の水Ｗを加熱した後、燃焼ガスＧ２となって燃焼ガス排出口２２から外部に排気される。
A dishwasher using the
燃焼装置１は、燃焼器１０を伝熱管２０内に備え、小型にできるため、貯水槽７３内の水Ｗを加熱する際には、伝熱管２０が貯水槽７３内に位置するように食器洗浄機７０の本体７１に取り付けるだけで使用できる。このように、燃焼装置１は、食器洗浄機７０の加熱源として本体７１内に組み込んで使用することができ、従来のように加熱源として用いられていたガスブースタを食器洗浄機７０の本体７１外に外付けする必要がない。よって、食器洗浄機７０は、燃焼装置１を本体７１内に組み込んでいるため、その外観をシンプルにできると共に大きさを抑えることができ、例えば、厨房等の設置場所に容易に配置できる。
The
（変形例）
燃焼装置１の変形例について説明する。
(Modified example)
A modification of the
本実施形態では、バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３は、いずれも、軸方向視において、断面が楕円形や矩形等の多角形に形成されていてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、バーナ管１１、絞り部１２及びバーナ１３は、いずれも、同軸に配置されているが、これらのうちのいずれか１つは他の２つと同軸に配置されていなくてもよいし、いずれも同軸でなくてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、バーナ１３は、先端部が半球状、ドーム状、又は円錐状等に形成されていてもよい。
In this embodiment, the tip of the
本実施形態では、バーナ１３は、図４に示すように、バーナ１３を構成する支持部１３１のガス導入口１３１ａの周囲に、支持部１３１からバーナ１３の先端部１３ｂ側に向かって縮径するように形成されたノズル１５を備えてもよい。この場合でも、混合ガス室Ａ内には、絞り部１２から混合ガス室Ａ内に噴出する混合ガスＧ１の流速が絞り部１２から先端部１３ｂ側に向かって大きくなる流速勾配をより安定して形成できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 4, the
本実施形態では、バーナ１３は、図５に示すように、支持部１３１のメタルマット部１３２との連結部分を、先端部１３ｂ側の途中まで伸びるように形成されていてもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 5, the
本実施形態では、バーナ１３は、図６に示すように、支持部１３１に連結された、複数の孔１３２ａが形成されたメタルプレート１３３を有し、メタルプレート１３３の外側にメタルマット部１３２を設けるようにしてもよい。この場合でも、メタルプレート１３３の孔１３３ａを混合ガスＧ１が通って、メタルマット部１３２を通過して燃焼面で燃焼させることができる。
In this embodiment, the
本実施形態では、メタルマット部１３２は、混合ガスＧ１が流出可能な孔を有するものであればよく、メタルニットを用いてもよいし、耐熱金属繊維を編み込んで形成された織布に代えて、多孔質セラミック等を用いてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、熱伝導体３０は、伝熱管２０の内表面と接触しないように形成されていてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、熱伝導体３０は、バーナ管１１の軸方向視（Ｚ軸方向視）において蛇腹状に形成されていてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、熱伝導体３０が特に不要の場合には、設けなくてもよい。
In this embodiment, if the
本実施形態では、着火部１４は、セラミックヒータ１４１に代えてスパークロッドを備えてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、着火部１４は、保護管１４２が特に不要の場合にはなくてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、セラミックヒータ１４１は、保護管１４２の内部にも設けられていてもよい。
In this embodiment, the
本実施形態では、図７に示すように、燃焼装置１は、絞り部１２から混合ガス室Ａ内にガス案内管８１を有してもよい。ガス案内管８１は、着火部１４よりもガス流れ方向の下流側まで設けられる。ガス案内管８１が混合ガス室Ａ内に設けられることで、例えば、燃焼装置１の運転開始前等で、空気のみを燃焼器１０内に供給する際に、空気がセラミックヒータ１４１に直接接するのを防ぐことができる。セラミックヒータ１４１は、空気等で冷やされ易いため、燃焼装置１の運転開始前でも、極力空気等で冷やされないことが好ましい。燃焼装置１は、ガス案内管８１を混合ガス室Ａ内に設けることで、セラミックヒータ１４１が空気で冷やされるのを防ぐことができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the
本実施形態では、図８に示すように、燃焼装置１は、ガス案内管８１の外周面８１ａとバーナ１３の内周面１３ｄとの間に、複数の貫通孔８２ａを有する、板状のガス流速低減部材８２を設けてもよい。ガス案内管８１にガス流速低減部材８２を設けられることで、空気のみを燃焼器１０内に供給した際に、空気がセラミックヒータ１４１に直接接するのをより防ぐことができるので、セラミックヒータ１４１が空気で冷やされるのをより抑えることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the
本実施形態では、図９に示すように、燃焼装置１は、ガス案内管８１の先端８１ｂからバーナ１３の内周面１３ｄに向かって伸びる延設部８３を有し、延設部８３とバーナ１３の内周面１３ｄとの間に隙間を有するように形成してもよい。この場合でも、ガス案内管８１に延設部８３を設けられることで、空気のみを燃焼器１０内に供給した際に、空気がセラミックヒータ１４１に直接接するのをより防ぐことができる、セラミックヒータ１４１が空気で冷やされるのをより抑えることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 9, the
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiments have been described as above, the embodiments are presented as examples, and the present invention is not limited to the embodiments described above. The embodiments described above can be implemented in various other forms, and various combinations, omissions, substitutions, changes, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
１ 燃焼装置
１０ 燃焼器
１１ バーナ管
１２ 絞り部
１２１ 連通孔
１３ バーナ（燃焼部）
１３２ メタルマット部
１４ 着火部
１４１ セラミックヒータ
２０ 伝熱管
３０ 熱伝導体
４０ 炎検出部
Ａ 混合ガス室
Ｂ 燃焼室
Ｆ 炎
Ｇ１ 混合ガス
Ｇ２ 燃焼ガス（燃焼排気ガス）
Ｌ１０ 混合ガス供給管
1
132
L10 Mixed gas supply pipe
Claims (4)
前記燃焼器は、
前記混合ガスが供給されるバーナ管と、
前記バーナ管よりも前記混合ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記混合ガスが通過する連通孔を有する絞り部と、
前記絞り部の前記混合ガスの流れ方向の下流側に連結され、前記混合ガスが流出可能な孔を有し、前記連通孔の下流側に空間である混合ガス室を形成する燃焼部と、
前記燃焼部の外周面のうち、前記絞り部につながる前記混合ガス室の着火領域の外側に設けられる、セラミックヒータ又はスパークロッドを備える着火部と、
を有し、
前記燃焼部は、前記絞り部において、前記混合ガスが通過可能となるように設けられた支持部と、前記支持部に設けられ、前記混合ガスが流出可能な孔を有するメタルマット部とを備え、
前記メタルマット部は、前記絞り部とは反対側の先端を塞ぐように有底円筒状に形成され、
前記連通孔の断面積が、前記バーナ管及び前記燃焼部の内径の断面積よりも小さく形成され、
前記伝熱管は、前記流体容器の外側に、前記混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口を有する燃焼装置。 A combustor that combusts a mixture of fuel gas and air, and a heat exchanger tube that protrudes into the inside of a fluid container and houses the combustor, and generates heat by combusting the mixed gas. A combustion device that heats a fluid with combustion gas,
The combustor is
a burner pipe to which the mixed gas is supplied;
a constriction part provided downstream of the burner pipe in the flow direction of the mixed gas and having a communication hole through which the mixed gas passes;
a combustion section that is connected to the downstream side of the throttle section in the flow direction of the mixed gas, has a hole through which the mixed gas can flow out, and forms a mixed gas chamber that is a space on the downstream side of the communication hole;
An ignition section including a ceramic heater or a spark rod provided on an outer peripheral surface of the combustion section outside an ignition region of the mixed gas chamber connected to the throttle section;
has
The combustion part includes a support part provided in the throttle part so that the mixed gas can pass therethrough, and a metal mat part provided in the support part and having a hole through which the mixed gas can flow out. Equipped with
The metal mat portion is formed in a cylindrical shape with a bottom so as to close a tip on the opposite side from the constriction portion,
The cross-sectional area of the communication hole is smaller than the cross-sectional area of the inner diameter of the burner tube and the combustion part,
The heat exchanger tube is a combustion device having a combustion gas exhaust port outside the fluid container that discharges combustion gas generated by combustion of the mixed gas.
前記ガス案内管は、前記着火部よりも前記混合ガスのガス流れ方向の下流側まで伸びる請求項１に記載の燃焼装置。 a gas guide pipe from the constriction part to the mixed gas chamber;
The combustion device according to claim 1, wherein the gas guide pipe extends to a downstream side of the ignition section in the gas flow direction of the mixed gas.
前記延設部と前記燃焼部の内周面との間に隙間を有する請求項２に記載の燃焼装置。 an extending portion extending from the gas guide pipe toward an inner circumferential surface of the combustion section;
The combustion device according to claim 2, further comprising a gap between the extending portion and the inner circumferential surface of the combustion portion.
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