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発明の名称 燃焼装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−65805(P2001−65805A)
公開日 平成13年3月16日(2001.3.16)
出願番号 特願平11−241587
出願日 平成11年8月27日(1999.8.27)
代理人 【識別番号】100100480
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 隆
【テーマコード(参考)】
3K017
3K065
3K091
【Fターム(参考)】
3K017 AA06 AB08 AC01 AD09 AD11 AD12 AF02 AF03 
3K065 TA01 TB08 TB10 TB16 TC02 TD05 TF01 TG01 TH02 TP09
3K091 AA01 BB03 BB26 CC06 CC22 DD01 FB03 FB22 FB32 FB42
発明者 亀山 修司 / 城出 浩作 / 忽那 良治
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 周壁を有してその内部に燃焼室を有するハウジングと、該ハウジング内で当該燃焼室と連通する通風雰囲気中に配置された多孔質体とを有し、燃焼室内に燃料と空気が導入されて燃料が燃焼し、燃焼室から排出された燃焼ガスは多孔質体へ導かれ、ハウジングの壁に設けられた開口から多孔質体の内部又は近傍へ空気が供給されることによって多孔質体の内部又は近傍で燃焼が行われることを特徴とする燃焼装置。
【請求項2】 周壁を有してその内部に燃焼室を有するハウジングと、該ハウジング内で当該燃焼室と連通する通風雰囲気中に配置された多孔質体とを有し、燃焼室内に燃料と空気が、理論混合比よりも燃料の比率が高くなるように導入されて燃料の一部が燃焼し、燃焼室から排出された未燃成分を含有する燃焼ガスは多孔質体へ導かれ、ハウジングの壁に設けられた開口から多孔質体の内部又は近傍へ空気が供給されることによって多孔質体の内部又は近傍で当該未燃成分が燃焼することを特徴とする燃焼装置。
【請求項3】 多孔質体の可燃ガス供給側においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口からハウジング内に供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1又は2記載の燃焼装置。
【請求項4】 多孔質体の燃焼ガス排出側においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口からハウジング内に供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の燃焼装置。
【請求項5】 多孔質体の側面においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口から多孔質体の内部へ供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の燃焼装置。
【請求項6】 ハウジングの壁に設けられた前記開口から供給される空気には燃料が混合されていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の燃焼装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼装置に係り、詳しくは、給湯器等の加熱に用いられる燃焼装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ガス燃料等の燃料を用いて湯を沸かす等の加熱を行う燃焼装置では、炎によって熱交換器等の被加熱体を直接加熱するのが普通であった。このような燃焼装置においては、炎から被加熱体への輻射伝熱と、高温の燃焼ガスが被加熱体と接触することによる対流伝熱により、被加熱体が加熱される。しかし、実際には、燃焼ガスが有する熱エネルギーのうちごく一部しか被加熱体に伝えられないので、残りの熱エネルギーは燃焼ガスとともに無駄に大気中に放出され、そのため、燃焼により発生した熱のうち実際に被加熱体の加熱に利用される熱は僅かであり、熱エネルギーの利用効率が低かった。
【0003】ガス燃料を用いて湯を沸かす等の加熱を行う燃焼装置において熱の利用効率を高めるため、多孔質体を利用した燃焼装置を用いることが提案されている。このような燃焼装置として、図7のような構成のものが考えられていた。この燃焼装置は軸対称な構造を有し、円板状の多孔質体105が円筒状のケース111によって保持されてガス流路内に設けられている。燃料ガス及び燃焼ガスの流れる方向はほぼ鉛直上向きである。燃料ガス及び空気は多孔質体105の上流側(可燃ガス供給側)の空間に流入してそこで燃焼する。燃焼によって生じた燃焼ガスは多孔質体105を通過し、その上面から放出される。被加熱体である熱交換器140は多孔質体105の上方に設けられる。
【0004】このような装置によって燃焼を行えば、多孔質体が燃焼ガスにより加熱されて高温となって赤外線を輻射し、その赤外線が被加熱体の加熱に用いられる。つまり、燃焼熱の一部が一旦多孔質体に蓄えられた後、加熱に用いられるので、燃焼ガスとともに無駄に大気中に放出される熱量が減少し、燃焼熱の利用効率が高められることが期待される。なお、被加熱体が燃焼ガスとの接触によっても加熱される点は従来と同様であり、燃焼ガスが有する熱エネルギーの一部も加熱に用いられることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような燃焼装置は、下記のような問題点を有するため、実用に至っていなかった。すなわち、このような燃焼装置を使用すると、多孔質体の下流側の面から下流側へ向けて熱輻射が生じるばかりでなく、多孔質体の上流側の面から上流側へ向けても熱輻射が生じるが、この熱輻射は上流側のハウジングや機器を不必要に温度上昇させるのみでほとんど利用されず、熱損失が生じていた。さらに、上流側への熱輻射により未燃ガスの温度が徐々に上昇し、火炎が定位置よりも上流側へ移動(逆火)してしまいやすいという問題点もあった。また、未燃ガスが予熱されることになるため、火炎の温度が上昇しすぎてNOx(窒素酸化物)が発生しやすくなっていた。
【0006】本発明は、かかる問題点に鑑み、多孔質体を利用した燃焼装置において燃焼熱の利用効率を高めてエネルギー資源の有効利用に資し、また、NOx発生量を低減することを、解決すべき課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための請求項1記載の燃焼装置は、周壁を有してその内部に燃焼室を有するハウジングと、該ハウジング内で当該燃焼室と連通する通風雰囲気中に配置された多孔質体とを有し、燃焼室内に燃料と空気が導入されて燃料が燃焼し、燃焼室から排出された燃焼ガスは多孔質体へ導かれ、ハウジングの壁に設けられた開口から多孔質体の内部又は近傍へ空気が供給されることによって多孔質体の内部又は近傍で燃焼が行われることを特徴とする燃焼装置である。
【0008】本発明においては、燃焼ガスと共に多孔質体に導かれた未燃焼状態の燃料や、燃焼ガスに混在するCO等の未燃成分が、多孔体の内部等で燃焼する。また場合によっては、ハウジングの壁に設けられた開口から空気と共に燃料が供給され、当該燃料が多孔体の内部等で燃焼する。この燃焼装置においては、燃焼が二段に分けて行われるため、燃料が全て燃焼室内で燃焼する場合と比べて多孔質体の上流側のハウジングや機器の温度上昇が小さく、熱損失が低減され、逆火が生じがたい。また、燃焼室内の火炎温度が低下するのでNOxの発生も低減される。
【0009】上記課題を解決するための請求項2記載の燃焼装置は、周壁を有してその内部に燃焼室を有するハウジングと、該ハウジング内で当該燃焼室と連通する通風雰囲気中に配置された多孔質体とを有し、燃焼室内に燃料と空気が、理論混合比よりも燃料の比率が高くなるように導入されて燃料の一部が燃焼し、燃焼室から排出された未燃成分を含有する燃焼ガスは多孔質体へ導かれ、ハウジングの壁に設けられた開口から多孔質体の内部又は近傍へ空気が供給されることによって多孔質体の内部又は近傍で当該未燃成分が燃焼することを特徴とする燃焼装置である。
【0010】なお、本明細書において、「未燃成分」には、未燃焼の燃料(メタン等)のほか、燃料の不完全燃焼により生じたCO、スス等の可燃性物質も含む。
【0011】この燃焼装置においても、燃焼が二段に分けて行われるため、燃料が全て燃焼室内で燃焼する場合と比べて多孔質体の上流側のハウジングや機器の温度上昇が小さく、熱損失が低減され、逆火が生じがたい。また、燃焼室内の火炎温度が低下するのでNOxの発生も低減される。
【0012】上記課題を解決するための請求項3記載の燃焼装置は、多孔質体の可燃ガス供給側(上流側)においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口からハウジング内に供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1又は2記載の燃焼装置である。
【0013】このような燃焼装置において多孔質体より下流側に火炎が立ち昇ると使用者に不安を与えるおそれがあったが、請求項3記載の燃焼装置において、未燃成分は主として多孔質体より上流側で燃焼するため、多孔質体より下流側に火炎が目立たず、使用者に不安を与えるおそれがない。
【0014】上記課題を解決するための請求項4記載の燃焼装置は、多孔質体の燃焼ガス排出側(下流側)においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口からハウジング内に供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の燃焼装置である。
【0015】この燃焼装置において、未燃成分は多孔質体よりも下流側で燃焼するため、多孔質体の上流側の面の温度上昇は小さく、上流側への熱輻射は低減されるので、下流側にある被加熱体を効率良く加熱できる。
【0016】上記課題を解決するための請求項5記載の燃焼装置は、多孔質体の側面においてハウジングの壁に開口が設けられ、該開口から多孔質体の内部へ供給される空気により未燃成分が燃焼することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の燃焼装置である。
【0017】この燃焼装置において、未燃成分は主として多孔質体の内部で燃焼するため、燃焼熱が直ちに多孔質体に伝えられ、下流側に火炎を目立たせることなく効率の良い加熱ができる。
【0018】上記課題を解決するための請求項6記載の燃焼装置は、ハウジングの壁に設けられた前記開口から供給される空気には燃料が混合されていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の燃焼装置である。
【0019】この燃焼装置において、燃焼室内に導入された燃料が一旦完全に燃焼しても、多孔質体の内部又は近傍で再び燃焼を行うことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態である燃焼装置1を図1、図2に示す。この燃焼装置1は、ほぼ軸対称な構造を有しており、燃料ガス及び燃焼ガスの流れる方向はほぼ鉛直上向きである。この燃焼装置1は、送風機30が取り付けられたバーナケース9内に燃焼ケース(ハウジング)11が設けられた構造であり、両ケース間には二次空気通路10が形成されている。燃焼ケース11は、開口13,14をそれぞれ有する仕切板15,20によって下方(上流)から順に混合室2、第一燃焼室3、第二燃焼室4に区分されている。
【0021】送風機30の送風口はバーナケース9に接続され、バーナケース9内の空間は燃焼室ケース11の開口12により同ケース11内の混合室2と連通している。燃料供給源(図示せず)からの燃料ガスの配管が混合室2に接続されている。混合室2の下流(上方)に設けられた第一燃焼室3内には点火装置(図示せず)が設けられている。
【0022】第一燃焼室3の下流(上方)には第二燃焼室4が設けられている。第一燃焼室3と第二燃焼室4との間には中央に開口14を有する仕切板20が設けられている。この仕切板20は、厚さが3mm〜10mm程度の円板形状であり、輻射遮蔽板の役割を果たす。第二燃焼室4内には円板状の多孔質体5が燃焼室ケース11によって保持されて設けられている。多孔質体5の下面中央部にはガスが通過できない閉塞部16が設けられている。第二燃焼室4には、多孔質体5の下面のすぐ下と上面のすぐ上に該当する高さに二次空気通路10に連通する空気供給孔17,18がそれぞれ設けられている。被加熱体である熱交換器40は多孔質体5の上方に設けられる。
【0023】多孔質体5は、具体的にはセラミック製のポーラス体である。すなわち多孔質であって通気性を保つ。多孔質体5の材質は、チタン酸アルミニウム、ムライト、コージライト(コージェライト)或いはこれらの混合材料が使用可能であるが、耐熱性が優れるという点で、チタン酸アルミニウムが最も適切である。多孔質体5の厚さは3mm〜20mm程度、より好ましくは3mm〜10mm程度である。また多孔質体5の気孔率は、75%〜85%である。
【0024】多孔質体の上流側(可燃ガス供給側)の中心には、円形の閉塞部16が設けられており、当該部分は通気性が無い。閉塞部16には、円形の金属板や、円形の耐熱性セラミック、あるいはアルミナやシリカ等の耐熱性の無機粉末を適当なバインダーで固めて成形した成形物が活用できる。閉塞部16の取付け方法は、鋲や耐熱性の高い接着剤による方法の他、多孔質体5の一部と閉塞部16を嵌合させる方法が可能である。
【0025】輻射遮蔽板20の素材は、耐熱性に優れたものであることが必要である。この点から、輻射遮蔽板20の素材は、アルミナやシリカを高温で溶融し、高速気体流で繊維化した非結晶質のセラミックファイバーや、ゾルゲル法の技術により製造された多結晶ムライト質のセラミックファイバー等が適当である。
【0026】輻射遮蔽板20に要求される性質としては、前記した耐熱性の他、熱線の反射効果又は断熱作用を持つことが望ましい。熱線の反射効果は、例えば赤外線の反射率が0.5以上であることが望ましく、より好ましくは0.8以上であることが推奨される。また断熱作用としては、熱伝導率が0.6W/m℃以下、より好ましくは0.2W/m℃以下であることが推奨される。輻射遮蔽板20は、前記した様に熱線の反射効果が優れることが望ましいため、表面に白色系の耐熱塗料を塗布したり、表面を鏡面仕上げすることが望ましい。また表面が汚れて熱反射作用が劣化することを防ぐために、表面にガラス層を設けることが推奨される。これらの点を満足する輻射遮蔽板20の構成例として、剛性を有する耐熱層に耐熱白色塗料等の反射層を積層し、さらにその上に酸化・汚れ防止層としてガラス層を設けた構成が挙げられる。
【0027】この燃焼装置において、送風機30からの空気はバーナケース9に流入し、その一部は開口12を通過して燃焼室ケース11内の混合室2に、他は両ケース間の二次空気通路10に流入する。混合室2には燃料ガスも流入する。混合室2で燃料ガスと空気が混合されて可燃性混合気が調製される。このとき、可燃性混合気は理論混合比よりやや燃料過剰(空気不足)にしておく。
【0028】可燃性混合気は複数の開口13より第一燃焼室3に送り込まれ、ここで点火されて燃焼する。この燃焼により高温の燃焼ガスが生成するが、この燃焼ガスは、なお未燃焼の燃料ガス、CO、スス等の未燃成分を含有する。
【0029】この燃焼ガスは仕切板(輻射遮蔽板)20の開口14を通過して第二燃焼室4へ流入し、第二燃焼室4内の多孔質体5へ下面から供給される。燃焼室ケース11に設けられた空気供給孔17から求心方向に供給される空気により、燃焼ガス中の未燃成分は多孔質体5のすぐ下方(上流)または多孔質体5内で燃焼する。燃焼ガスは多孔質体5の上面から放出される。燃焼ガス中になお残存する未燃成分は、燃焼室ケース11に設けられた空気供給孔18から求心方向に供給される空気により、多孔質体5のすぐ上方(下流)で燃焼する。
【0030】ここで、多孔質体5の下面中央部にはガスが通過できない閉塞部16が設けられているので、開口14を通過した燃焼ガスは多孔質体5の下面中央部(閉塞部16)に衝突した後に方向を転じて多孔質体5内にその下面周辺部から流入し、多孔質体5内で主として周辺部を流れる。そのため、燃焼ガスは、多孔質体5の外側にある空気供給孔17,18から求心的に流入する空気と良く接触するので、不完全燃焼を生じがたく、COやススの発生も抑制される。
【0031】多孔質体5は高温のガスとの接触によって赤熱し、その上面から上方(燃焼ガス排出側)に向けて熱輻射線を発する。多孔質体5の上方に設けられた被加熱体(熱交換器等)は多孔質体からの熱輻射により加熱されるほか、高温の燃焼ガスとの接触によっても加熱される。
【0032】なお、熱輻射線は多孔質体5の下面から下方(上流側)へも向かうが、多孔質体5と第一燃焼室3との間に仕切板(輻射遮蔽板)20を設けたことにより、多孔質体5の下面から上流側へ向かう熱輻射線はほとんど遮断されるので、上流側への熱輻射を効率的に低減することができる。なお、仮に燃料の全量を第一燃焼室3内で燃焼させるのであれば輻射遮蔽板20は極めて高温となるので輻射遮蔽板20自体からの上流部への輻射による伝熱が無視できなくなってくるが、本実施形態では輻射遮蔽板20より下流の第二燃焼室4内でも燃焼を起こさせるので、輻射遮蔽板より上流で発生する熱量が相対的に小さく、対流により輻射遮蔽板に伝えられる熱量が小さくなって輻射遮蔽板の温度が相対的に低温になり、上記輻射による伝熱は相対的に小さくなる。
【0033】なお、空気供給孔17,18の径及び個数は、燃焼反応が生じていないときに空気供給孔17から流入する空気が空気供給孔18から流入する空気より幾分多くなるように定めておく。すると、燃焼開始時には空気供給孔17から流入する空気が比較的多いので、燃焼ガス中の未燃成分は、主として多孔質体5の下方や内部で燃焼する。燃焼が始まると多孔質体5は比較的短時間で温度上昇する。一旦多孔質体5の温度が上昇すれば、空気供給孔17の通過抵抗が大きくなるので、空気供給孔17から第二燃焼室に供給される空気量は減り、代わって空気供給孔18から供給される空気量が増える。そのため、燃焼ガス中の未燃成分は、主として多孔質体5の上方で燃焼することになり、多孔質体5の上面は比較的高温となり、下面は比較的低温となる。このことは、多孔質体5の下面からの熱輻射を低減することに役立つ。
【0034】本発明の第二の実施形態として、多孔質体の付近の開口から第二燃焼室内に燃料ガスと空気の希薄な(燃料ガスの比率の低い)混合気を供給する燃焼装置1’を図3に示す。この場合、送風機30’からの空気と燃料ガス供給源31からの燃料ガスは、混合室2内で混合されるほか、第二混合室32内でも混合される。この第二混合室32内で調製された混合気がガス供給孔17’,18’から第二燃焼室内に導入される。
【0035】この実施形態において、第一燃焼室において希薄燃焼を行わせ、多孔質体より上流で燃焼反応を一旦ほぼ完結させておいてもよい。このとき、第二混合室32内で調製された混合気は常温における可燃範囲外または燃焼下限界ぎりぎりの希薄な混合気であっても構わない。多孔質体は高温化しており、可燃範囲は温度の上昇とともに広くなるので、常温における可燃範囲外の希薄な混合気であっても高温における可燃範囲内であれば燃焼する。
【0036】また、第一燃焼室において燃料過剰の条件で燃焼を行わせた場合も、第二混合室32内で調製した混合気中の可燃成分は、燃焼ガスに残存している未燃成分とともに燃焼するので、可燃範囲外の希薄な混合気であっても構わない。
【0037】このように第二燃焼室に燃料ガス含有混合気を導入すると、多孔質体の上面の温度が上昇するため、加熱における熱効率が向上する。
【0038】本発明には、他にも種々の変形実施形態が可能である。例えば、空気(ガス)供給孔に至る流路に流量調整手段を設けて空気(ガス)流量を積極的に調整すれば、空気(ガス)供給孔から流入する空気(ガス)流量の比率を適正値に設定しやすい。
【0039】空気(ガス)供給孔は、図4又は図5の如く多孔質体の上方または下方の一方だけに設けてもよい。このとき、図4の如く、空気(ガス)供給孔をハウジング壁に対して斜めに設けて当該供給孔から供給される空気(ガス)流が多孔質体に衝突するようにした方が、空気(ガス)が多孔質体内に入り込んで多孔質体内で燃焼を起こしやすいので好ましい。その傾斜角θは20°〜70°が好ましく、40°〜60°が最適である。また、図6の如く、空気(ガス)供給孔19を多孔質体5の側面に設けてもよい。さらに、多孔質体5の側面に設けた空気(ガス)供給孔を、多孔質体の上方、下方、又はその両方に設けた空気(ガス)供給孔と併用してもよい。
【0040】輻射遮蔽板は、中央部に一つの開口を有するものに限られず、周辺部に複数の開口を有するものとしたり、全面に多数の小開口を有するものとしてもよい。なお、構成の簡略化のため、輻射遮蔽板を省略してもよい。
【0041】上記の実施形態では、閉塞部として、通気性の無いものを使用したが、閉塞部は必ずしも通気性が全く無い部位である必要はなく、他の部位よりも通気性が弱いものであれば足りる。また、構成の簡略化のため、閉塞部を省略してもよい。
【0042】上記の実施形態では、送風機、混合室も燃焼装置と一体としたが、これらを燃焼装置と別体としてもよい。また、混合室を設けず、第一燃焼室に燃料と空気を直接供給してもよい。
【0043】以上、燃料としてガスを用いるものとして説明を行ったが、灯油等の液体燃料を用い、噴霧により空気と混合してもよい。
【0044】
【発明の効果】本発明により、多孔質体を利用した燃焼装置において燃焼熱の利用効率を高めてエネルギー資源の有効利用に資し、また、NOx発生量を低減することができる。




 

 


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