(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記排気管は、その先端部が閉塞されたラジアントチューブとして形成されており、かつ、前記ガス管から噴出された燃料ガスと、前記空気管から噴出された燃焼用空気との燃焼が行われた後の排ガスを通過させるよう構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスバーナ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1の直熱式バーナにおいては、空気管が、径方向に重なる環状通路を有していることにより、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収しつつ、排熱によってガス管内の燃料ガスが、炭化水素が分解される温度までは加熱されないようにしている。しかし、特許文献1の直熱式バーナにおいては、燃焼用空気が蛇行して通過する環状通路を形成するために、空気管を構成する管状隔壁を径方向に複数段に重ねて形成する必要がある。
【0006】
そのため、特許文献1の直熱式バーナによると、空気管の形状が複雑になるだけでなく、バーナが大型化する。また、この直熱式バーナにおける空気管の構造を適用できるバーナの形状に制約が生じ、種々のバーナに汎用的に適用することはできない。従って、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制するためには、バーナの構造に更なる工夫が必要とされる。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制することができるガスバーナを提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、燃料ガスを通過させるガス管と、
前記ガス管が内部に挿通されるとともに、前記ガス管の外周側において燃焼用空気を通過させる空気管と、
前記ガス管の先端部に設けられ、前記ガス管を通過する燃料ガスを噴出させるためのガスノズルと、
前記空気管が内部に挿通されるとともに、前記空気管の外周側において排ガスを通過させる排気管と、を備え、
前記排気管内の排ガスから前記空気管を介して前記空気管内の燃焼用空気へ排熱を回収するよう構成されたガスバーナにおいて、
前記ガス管の外周には、前記ガス管の外周との間に環状の断熱空間を形成して、前記空気管からの伝熱によって高温となった前記空気管内の燃焼用空気から前記ガス管への伝熱を抑制する伝熱抑制材が設けられて
おり、
前記断熱空間は、前記伝熱抑制材によって前記空気管内の燃焼用空気よりも低温な燃焼用空気の断熱層として形成されている、ガスバーナにある。
【発明の効果】
【0009】
前記一態様のガスバーナは、ガス管、空気管、ガスノズル及び排気管を備える構造において、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスが過熱されないようにする構成を有する。
【0010】
具体的には、ガス管の外周には、ガス管の外周との間に環状の断熱空間を形成する伝熱抑制材を設けている。そして、伝熱抑制材の内側に形成された断熱空間によって、空気管からの伝熱によって高温となった空気管内の燃焼用空気からガス管への伝熱が抑制される。また、排ガスの排熱によってガス管内の燃料ガスが加熱される温度は、燃料ガスに含まれる炭化水素が分解しない温度の範囲内に留めることができる。
【0011】
また、伝熱抑制材は、環状の断熱空間を形成するものであればよいため、その構造を極めて簡単にすることができる。そして、伝熱抑制材は、例えば、既存のガスバーナにおけるガス管の外周に設けることもできる。そのため、伝熱抑制材を設けるガスバーナに特別な制約は生じず、伝熱抑制材は、種々のガスバーナに汎用的に適用することができる。
【0012】
それ故、前記一態様のガスバーナによれば、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスの排熱を燃焼用空気に回収するとともに、燃料ガスの加熱を抑制することができる。
【0013】
なお、ガス管を通過する燃料ガスには、ガスバーナに供給される前に、燃料ガスと可燃範囲に入らないごく微量の燃焼用空気が混合されていてもよい。
【発明を実施するための形態】
【0015】
前述したガスバーナにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態>
本形態のガスバーナ1は、
図1及び
図2に示すように、ガス管3、空気管4、ガスノズル5及び排気管6を備える。ガス管3は、燃料ガスFを通過させるものである。空気管4は、ガス管3が内部に挿通されるとともに、ガス管3の外周側において燃焼用空気Aを通過させるものである。ガスノズル5は、ガス管3の先端部31に設けられており、ガス管3を通過する燃料ガスFを噴出させるためのものである。排気管6は、空気管4が内部に挿通されるとともに、空気管4の外周側において排ガスGを通過させるものである。
【0016】
ガスバーナ1は、排気管6内の排ガスGから空気管4を介して空気管4内の燃焼用空気Aへ排熱を回収するよう構成された排熱回収型のものである。ガス管3の外周には、空気管4内の燃焼用空気Aからガス管3への伝熱を抑制する伝熱抑制材35が設けられている。伝熱抑制材35の内周とガス管3の外周との間には、環状の断熱空間36が形成されている。
【0017】
以下に、本形態のガスバーナ1について詳説する。
(ガスバーナ1)
図3に示すように、本形態のガスバーナ1は、加熱炉、熱処理炉等の工業炉7に設けられ、燃料ガスFと燃焼用空気Aとを燃焼させて火炎を形成し、火炎及び燃焼ガスによって工業炉7内を加熱するために用いられる。本形態のガスバーナ1は、ラジアントチューブ61を用い、工業炉7内の雰囲気ガスHをラジアントチューブ61からの放射熱(輻射熱)によって加熱するよう構成されている。本形態のガスバーナ1の排気管6の一部は、ラジアントチューブ61によって形成されている。ラジアントチューブ61の先端部611は閉塞されている。本形態のガスバーナ1は、自ら燃焼を行った後の排ガスGにおける排熱によって、燃焼用空気Aを加熱するシングルエンドバーナを構成する。
【0018】
同図に示すように、ガスバーナ1は、ラジアントチューブ61の先端部611付近の内部にガスノズル5が配置された構造にすることができる。この場合には、ラジアントチューブ61の先端部611付近の内部に形成される火炎及び燃焼ガスによって工業炉7内の雰囲気ガスHを加熱し、燃焼ガスが排ガスGとしてラジアントチューブ61内を通過するときに、排ガスGの排熱を空気管4へ回収することができる。
【0019】
なお、
図1〜
図3は、ガスバーナ1の構成を概略的に示すものである。ガスバーナ1の細部は、組付性等を考慮して適宜変更される。
【0020】
(バーナボディ2)
図3に示すように、ガスバーナ1は、燃料ガスF及び燃焼用空気Aが供給されるとともに、排ガスGが排出されるバーナボディ2を備える。バーナボディ2は、金属製であり、工業炉7の外部に配置される。ガス管3は、バーナボディ2内に挿通されて、バーナボディ2に支持されている。バーナボディ2には、空気管4に連通された燃焼用空気Aの空気入口部21と、排気管6に連通された排ガスGの排ガス出口部22とが形成されている。バーナボディ2は排気管6の一部を構成する。
【0021】
(ガス管3)
図1〜
図3に示すように、ガス管3は、金属製のパイプによって構成されている。ガス管3の基端部32には、燃料ガスFを受け入れるガス入口部が形成されている。ガス管3の先端部31には、燃料ガスFを噴出させるガスノズル5が設けられている。ガス管3は、ガスバーナ1の径方向の中心部に挿通されている。ガス管3内には、燃料ガスFを通過させるためのガス流路33が形成されている。ガス管3の周囲には、伝熱抑制材35及び空気管4が配置されており、ガス管3は、排気管6を通過する排ガスGから隔離されている。
【0022】
(空気管4)
図1〜
図3に示すように、空気管4は、金属製又はセラミックス製のパイプによって構成されている。空気管4の基端部42には、バーナボディ2の空気入口部21が連通されている。空気管4は、ガス管3の外周側に、ガス管3と同心状になるように配置されている。空気管4の先端部41は開口されている。空気管4内、言い換えれば空気管4の内周と伝熱抑制材35の外周との間には、空気管4からの伝熱によって高温となった燃焼用空気Aを通過させるための空気流路43が形成されている。
【0023】
空気管4を通過する燃焼用空気Aは、空気管4とガスノズル5との隙間S1から噴出されて、ガス管3から噴出された燃料ガスFと混合される。空気管4は、排気管6を通過する排ガスGと、空気管4を通過する燃焼用空気Aとの熱交換を行うための伝熱壁を構成する。空気管4内には、ガスノズル5の周辺においてスパークを発生させるためのスパークロッド(図示略)が挿通されている。
【0024】
(ガスノズル5)
図1〜
図3に示すように、ガスノズル5は、ガス管3を通過する燃料ガスFを噴出させるガス噴出孔51を有する。ガスノズル5は、空気管4の内周側に配置されている。ガス管3を通過する燃料ガスFと空気管4を通過する燃焼用空気Aとは、ガスノズル5の周辺においてスパークロッドによって着火されて燃焼し、ガスノズル5から先端側に向けて火炎を形成する。
【0025】
ガスノズル5は、種々の構成とすることができる。例えば、ガスノズル5における燃料ガスFと燃焼用空気Aとが混合される位置に、金属製の網状体等を配置し、この網状体等の表面において、燃料ガスFと燃焼用空気Aとを燃焼させるようにしてもよい。
【0026】
(排気管6)
図1〜
図3に示すように、本形態の排気管6は、バーナボディ2とラジアントチューブ61とによって形成されている。バーナボディ2とラジアントチューブ61とは、それぞれに形成されたフランジ部23,64によって連結されている。ラジアントチューブ61は、先端部611が閉塞された有底円筒体として形成されている。
【0027】
排気管6内、言い換えればバーナボディ2の内周及びラジアントチューブ61の内周と空気管4の外周との間には、排ガスGを通過させるための排ガス流路63が形成されている。ラジアントチューブ61は、耐熱性に優れたセラミック製のチューブとして形成されている。ラジアントチューブ61は金属製のチューブとしてもよい。
【0028】
(伝熱抑制材35)
図1〜
図3に示すように、伝熱抑制材35は、筒形状(円筒形状)を有しており、ガス管3の外周に、所定の間隔を空けて配置されている。伝熱抑制材35の先端部351は、ガスノズル5に支持されている。伝熱抑制材35の基端部352とバーナボディ2との間には、隙間S2が形成されている。そして、空気管4内に流入する燃焼用空気Aの一部は、隙間S2から伝熱抑制材35内に流入することがある。
【0029】
伝熱抑制材35は、ガス管3の外周側に仮置きの状態、つまり完全に固定しない自由な状態で配置することができる。また、伝熱抑制材35の先端部351とガスノズル5との間には隙間が形成されていてもよい。この場合には、伝熱抑制材35内の燃焼用空気Bが、伝熱抑制材35の先端部351とガスノズル5との隙間から空気管4内へ流出することがある。また、伝熱抑制材35の基端部352は、ガス管3の基端部32の外周又はバーナボディ2に支持されていてもよい。
【0030】
伝熱抑制材35の先端部351及び基端部352は、いずれもガス管3の外周に支持されていてもよい。伝熱抑制材35は、ガス管3の外周に環状の断熱空間36を形成することができれば、ガス管3等の周囲の部材に、いかなる状態で支持されていてもよい。
【0031】
本形態の筒形状の伝熱抑制材35は、ガス管3における、空気管4内に挿通された部分の全長を覆っている。「全長」とは、必ずしも完全な全長のみを意味するのではなく、例えば両端部を除くほぼ全長であってもよい。この構成により、伝熱抑制材35の内側に、断熱空間36を適切に形成することができる。
【0032】
伝熱抑制材35は、環状の断熱空間36を形成するものであればよく、その構成を極めて簡単にすることができる。本形態の伝熱抑制材35は、厚みが100μmである金属製の膜体によって形成されている。伝熱抑制材35は、例えば、50〜200μmの厚みを有する膜体によって構成することができる。また、伝熱抑制材35は、ガス管3と空気管4との間に収まる寸法の範囲内において、パイプ体として形成することもできる。伝熱抑制材35は、種々のガス管3の寸法に合わせて形成することができる。そして、例えば、既存のガスバーナ1のガス管3に合わせて、伝熱抑制材35の形状を決定することもできる。
【0033】
なお、伝熱抑制材35は、1mm超過の厚みに形成される場合には、例えば、金属製又はセラミック製のパイプによって形成することができる。
【0034】
伝熱抑制材35は、50〜200μmの膜体としての、弾性変形可能な板状体として形成される場合には、板状体を円筒状に弾性変形させるとともに、板状体の端部同士を溶接等によって接合して、円筒形状に形成することができる。伝熱抑制材35は、弾性変形可能な板状体から構成することにより、その形状を維持することが容易である。
【0035】
伝熱抑制材35は、塑性変形させて、必要とする円筒形状に加工されていてもよい。伝熱抑制材35は、種々の金属材料によって構成することができる。本形態の伝熱抑制材35は、ステンレス鋼鋼材によって形成されている。
【0036】
(断熱空間36)
図1〜
図3に示すように、断熱空間36は、伝熱抑制材35によって燃焼用空気Bの断熱層として形成されている。燃焼用空気Bの温度は、空気管4によって加熱される燃焼用空気Aの温度よりも低い。断熱空間36とは、完全に断熱できる空間を示すのではなく、熱の移動を弱めるための空間を示す。断熱空間36内には、燃焼用空気Aとほとんど混合されない、燃焼用空気Aよりも低温な燃焼用空気Bが常に存在し、断熱空間36による、燃焼用空気Aとガス管3との断熱効果を良好に維持することができる。
【0037】
(ガスバーナ1の燃焼)
ガスバーナ1において燃焼が行われる際には、ガス管3内に、その基端部32から燃料ガスFが導入されるとともに、バーナボディ2の空気入口部21から空気管4内に燃焼用空気Aが導入される。そして、ガス管3内を流れる燃料ガスFはガスノズル5のガス噴出孔51から噴出され、空気管4内を流れる燃焼用空気Aは、空気管4とガスノズル5との隙間S1から噴出される。ガスノズル5の周囲においては、燃料ガスFと燃焼用空気Aとが混合されるとともに、この混合気がスパークロッドによって着火され、ガスノズル5から先端側に火炎が形成される。
【0038】
そして、燃料ガスFと燃焼用空気Aとが燃焼された後の燃焼ガスがラジアントチューブ61内を通過する。このとき、ラジアントチューブ61からの放射熱によって工業炉7内の雰囲気ガスHを加熱することができる。そして、ラジアントチューブ61内を通過する燃焼ガスは排ガスGとなって空気管4の周囲を通過する。このとき、排ガスGから、空気管4及び空気管4内の燃焼用空気Aへ伝熱が生じ、排ガスGが有する排熱が、空気管4を介して燃焼用空気Aに回収される。
【0039】
また、加熱された燃焼用空気Aの熱は、ガス管3及びガス管3内の燃料ガスFへ移動しようとする。このとき、伝熱抑制材35の配置によって、ガス管3の外周に断熱空間36が形成されていることにより、燃焼用空気Aからガス管3及び燃料ガスFへの熱の移動が抑制される。これにより、ガス管3内を通過する燃料ガスFが過熱されることを防止することができる。
【0040】
(作用効果)
本形態のガスバーナ1は、ガス管3の外周に、ガス管3の外周との間に環状の断熱空間36を形成する伝熱抑制材35を備える。そして、伝熱抑制材35の内側に形成された断熱空間36によって、空気管4内の燃焼用空気Aからガス管3への伝熱が抑制される。言い換えれば、ガス管3の外周に断熱空間36が形成されていることにより、燃焼用空気Aからガス管3への、熱伝達、熱放射(熱輻射)等による伝熱を抑制することができる。また、排ガスGの排熱によってガス管3内の燃料ガスFが加熱される温度は、燃料ガスFに含まれる炭化水素が分解しない温度の範囲内に留めることができる。
【0041】
そして、燃料ガスFにおける炭化水素がほとんど分解されないことにより、燃料ガスFから炭素等がほとんど発生しないようにすることができる。これにより、燃料ガスFから遊離した炭素等が、ガス管3の内面に煤として堆積することを抑制することができる。
【0042】
また、伝熱抑制材35は、環状の断熱空間36を形成するものであればよいため、その構造を極めて簡単にすることができる。そして、伝熱抑制材35は、例えば、既存のガスバーナにおけるガス管3の外周に設けることもできる。そのため、伝熱抑制材35を設けるガスバーナに特別な制約は生じず、伝熱抑制材35は、種々のガスバーナに汎用的に適用することができる。
【0043】
伝熱抑制材35は、ガス管3の外周に、断熱空間36を形成するために設けたものであり、形状を維持できるだけの強度があればよい。伝熱抑制材35は、板状の金属材料が加工された膜体とすることができ、加工が容易であるとともに、ガス管3の外周に配置することも容易である。そして、伝熱抑制材35を用いることによって、燃焼用空気Aよりも低温な燃焼用空気Bの断熱層としての断熱空間36を容易に形成することができる。
【0044】
それ故、本形態のガスバーナ1によれば、簡易的かつ汎用的な構造によって、排ガスGの排熱を燃焼用空気Aに回収するとともに、燃料ガスFの加熱を抑制することができる。
【0045】
<確認試験>
本確認試験においては、実施形態に示した、伝熱抑制材35及び断熱空間36を有するガスバーナ1(試験品)におけるガス管3の温度を測定した。また、比較のために、伝熱抑制材35及び断熱空間36を有しないガスバーナ(比較品)におけるガス管3の温度も測定した。燃料ガスFには、都市ガス(13A)を用い、燃料ガスFと燃焼用空気Aとの質量混合比率は、1:10とした。ガスノズル5から噴出させる燃料ガスFの流量は、1.8[Nm
3/h]と1.0[Nm
3/h]とに変化させた。そして、各ガスバーナの燃焼を行っているときに、ガス管3の各部における温度を測定した。
【0046】
図4に示すように、ガス管3の各部における温度の測定位置は、ガス管3内の径方向の中心位置である第1位置P1及び第2位置P2、並びにガス管3の外周の表面位置である第3〜第5位置P3,P4,P5の5箇所とした。また、第1位置P1及び第3位置P3は、ガス管3の軸線方向のガスノズル5に隣接する位置とし、第2位置P2及び第5位置P5は、第1位置P1からガス管3の軸線方向の基端側へ300mmずれた位置とした。また、第4位置P4は、第3位置P3からガス管3の軸線方向の基端側へ150mmずれた位置とした。
【0047】
温度を測定した結果を表1に示す。
【表1】
【0048】
同表において、比較品については、第2〜第5位置P2,P3,P4,P5における測定温度が高く、特に第3〜第5位置P3,P4,P5における測定温度は、燃料ガスFにおける炭化水素が分解される温度以上となっていた。一方、試験品においては、第1〜第5位置P1,P2,P3,P4,P5における測定温度が全般的に低くなり、特に第3〜第5位置P3,P4,P5における測定温度は、燃料ガスFにおける炭化水素が分解される温度には到達しなかった。
【0049】
この測定結果より、伝熱抑制材35及び断熱空間36を有する試験品のガスバーナ1によれば、ガス管3内の燃料ガスFの温度を、燃料ガスFにおける炭化水素が分解しない低い温度に維持できることが分かった。
【0050】
本発明は、実施形態のみ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さらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。
【解決手段】ガスバーナ1は、燃料ガスFを通過させるガス管3、燃焼用空気Aを通過させる空気管4、燃料ガスFを噴出させるガスノズル5、及び排ガスGを通過させる排気管6を備える。ガスバーナ1は、排気管6内の排ガスGから空気管4を介して空気管4内の燃焼用空気Aへ排熱を回収するよう構成されたものである。ガス管3の外周には、空気管4内の燃焼用空気Aからガス管3への伝熱を抑制する伝熱抑制材35が設けられている。伝熱抑制材35の内周とガス管3の外周との間には、環状の断熱空間36が形成されている。