特許 7035828 燃焼装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-07

(45)【発行日】2022-03-15

(54)【発明の名称】燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   F23K 5/06 20060101AFI20220308BHJP

   F23N 5/00 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

F23K5/06

F23N5/00 C

F23N5/00 R

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018111016

(22)【出願日】2018-06-11

(65)【公開番号】P2019215098

(43)【公開日】2019-12-19

【審査請求日】2021-03-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100142365

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 宏紀

(72)【発明者】

【氏名】久野 兼資

(72)【発明者】

【氏名】越智 克幸

(72)【発明者】

【氏名】網田 勇祐

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１４６１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４９－２８７４７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１２－７７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－１０７１４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００５－１４７５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００６８９７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実公昭５０－２６６３１（ＪＰ，Ｙ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｋ ５／０６

Ｆ２３Ｎ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料を噴出する第１噴出部と、
第１噴出部に供給する燃料を制御する燃料制御弁と、
燃料を噴出する第２噴出部および第３噴出部と、
前記第２噴出部および前記第３噴出部に供給する燃料の流量を調整する多方調整弁と、
前記燃料制御弁の開閉および前記多方調整弁の開度を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
第１燃焼段階においては、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部に燃料を供給し、
前記第１燃焼段階から、前記第１燃焼段階よりも燃焼量が大きい第２燃焼段階へ移行する場合、前記第１噴出部への燃料供給を維持しつつ前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部への燃料供給を開始した後、前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度となるまでの間に、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部への燃料供給を停止する、燃焼装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記第２燃焼段階よりも燃焼量が大きい第３燃焼段階においては、前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部に最大量の燃料を供給しつつ、前記第３噴出部に供給する燃料の流量を制御する、請求項１に記載の燃焼装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１燃焼段階から前記第２燃焼段階へ移行する場合、前記多方調整弁の開度が前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度未満の予め定められた開度に到達した後においては、当該開度に到達するまでの間に、前記多方調整弁が開く速度よりも速い速度で開くように、前記多方調整弁の開度を制御する、請求項１または請求項２に記載の燃焼装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第２燃焼段階から前記第１燃焼段階へ移行する場合、前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度から閉じた状態となるまでの間に、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部に燃料を供給する、請求項１～請求項３のいずれかに記載の燃焼装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼室に燃料を噴出して燃焼させる燃焼装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、燃料を噴射するノズルとして燃料の噴射量が異なる３つのノズルを備え、蒸気圧力に応じて、全てのノズルから燃料を噴射して燃焼させる１００％燃焼、２つのノズルから燃料を噴射して燃焼させる６５％燃焼、および１つのノズルから燃料を噴射して燃焼させる３０％燃焼のうちのいずれかに制御するボイラ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平６－１４７４０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の燃焼装置では、１００％燃焼および６５％燃焼などの燃焼状態において複数のノズルから燃料が噴射される。この場合、各ノズルから噴射される燃料が重なり合った状態で燃焼するために、燃焼不良が生じ、例えば煤やＮｏｘ等の発生量が多くなってしまう虞があった。

【0005】

この点を解消すべく、燃料を噴射するノズルの平均的な数を少なくするために、例えば、燃焼状態を移行する際に移行先の燃焼状態に対応するノズルに火移りさせて、移行元のノズルからの噴射を停止させることが考えられる。しかし、この場合には、失火させることなく火移りさせるために、移行先の燃焼状態に対応するノズルから燃料を少しずつ噴射させる必要がある。このため、ノズルから燃料を噴射させる燃料供給ラインとは別に燃料を少しずつ噴射させるための火移り専用の燃料供給ラインを設けことや、各ノズルに対応させて燃料の流量を調整する調整弁を設ける必要がある。その結果、部品点数が増加するとともに、製造コストが上昇してしまう虞がある。

【0006】

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、部品点数の増加および製造コストの上昇を抑えつつ、燃焼性が低下してしまうことを防止できる燃焼装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある局面に従う燃焼装置は、燃料を噴出する第１噴出部と、第１噴出部に供給する燃料を制御する燃料制御弁と、燃料を噴出する第２噴出部および第３噴出部と、前記第２噴出部および前記第３噴出部に供給する燃料の流量を調整する多方調整弁と、前記燃料制御弁の開閉および前記多方調整弁の開度を制御する制御部とを備え、前記制御部は、第１燃焼段階においては、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部に燃料を供給し、前記第１燃焼段階から、前記第１燃焼段階よりも燃焼量が大きい第２燃焼段階へ移行する場合、前記第１噴出部への燃料供給を維持しつつ前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部への燃料供給を開始した後、前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度となるまでの間に、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部への燃料供給を停止する。

【0008】

上記の構成によれば、多方調整弁により第２噴出部および第３噴出部に供給する燃料の流量を調整でき、燃焼装置の部品点数の増加および製造コストの上昇を抑えることができる。また、第２燃焼段階においては第１噴出部への燃料供給を停止し第２噴出部から噴出する燃料を燃焼させるため、燃焼不良の発生を低減することができる。

【0009】

好ましくは、前記制御部は、前記第２燃焼段階よりも燃焼量が大きい第３燃焼段階においては、前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部に最大量の燃料を供給しつつ、前記第３噴出部に供給する燃料の流量を制御する。

【0010】

上記の構成によれば、多方調整弁の開度を制御することにより、第２燃焼段階および第３燃焼段階における燃焼量を調整できる。このため、制御部による処理を簡略化できるとともに処理負担を軽減できる。

【0011】

好ましくは、前記制御部は、前記第１燃焼段階から前記第２燃焼段階へ移行する場合、前記多方調整弁の開度が前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度未満の予め定められた開度に到達した後においては、当該開度に到達するまでの間に、前記多方調整弁が開く速度よりも速い速度で開くように、前記多方調整弁の開度を制御する。

【0012】

上記の構成によれば、第１噴出部から第２噴出部に火移りさせる際の失火を防止するとともに、火移りさせた後においては第２噴出部のみにより第２燃焼段階の燃焼量となるように急速に制御できる。

【0013】

好ましくは、前記制御部は、前記第２燃焼段階から前記第１燃焼段階へ移行する場合、前記多方調整弁の開度を制御して前記第２噴出部に最大量の燃料が供給される開度から閉じた状態となるまでの間に、前記燃料制御弁を制御して前記第１噴出部に燃料を供給する。

【0014】

上記の構成によれば、第２噴出部から第１噴出部に火移りさせる際の失火を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】燃焼装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】燃焼装置の動作を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜概略構成について＞
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態に係る燃焼装置１の概略構成について説明する。燃焼装置１は、油焚きボイラやガス焚きボイラなどに搭載される。

【0017】

燃焼装置１は、燃料を噴出する第１ノズル４、第２ノズル２、および第３ノズル３と、複数のバルブ４１～４５と、これらのバルブ４１～４５の開閉（あるいは開度）を制御する制御部５とを備える。なお、燃料は、油などの液体であってもよく、ガスなどの気体であってもよい。

【0018】

第１ノズル４、第２ノズル２、および第３ノズル３は、それぞれ、燃焼室９に燃料を噴出するための第１～第３噴出部を構成する。なお、噴出部としてノズルを例示するが、噴出部は、燃料を噴出できる部材であればノズルに限らず他の部材により構成されるものであってもよい。

【0019】

第１ノズル４は、燃焼開始時に燃料を噴出し、噴出した燃料が着火装置（例えば点火トランスなど）により着火される。そのため、第１ノズル４は着火ノズルとしても機能する。第２ノズル２は、燃料を噴出して、第１ノズル４により着火される。第３ノズル３は、燃料を噴出して、第２ノズル２により着火される。

【0020】

燃焼室９における燃料の燃焼段階は、これらのノズル２～４各々から噴出させる燃料の量、すなわち燃料の噴出量に応じて変化する。具体的には、第１ノズル４が噴出する燃料を燃焼させる第１燃焼段階と、第２ノズル２から噴出される燃料を燃焼させる第２燃焼段階と、第２ノズル２および第３ノズル３各々から噴出される燃料を燃焼させる第３燃焼段階とが設けられている。燃焼量は、第１燃焼段階、第２燃焼段階、第３燃焼段階の順に大きくなるため、以下の説明では、第１燃焼段階を低燃焼段階、第２燃焼段階を中燃焼段階、第３燃焼段階を高燃焼段階ともいう。

【0021】

第１ノズル４、第２ノズル２および第３ノズル３の径（内径）は、いずれも同じであってもよいし、異なっていてもよい。後者の場合、それぞれの最大噴出量（流量）が、「第１ノズル４＜第２ノズル２＜第３ノズル３」の関係となるようにしてもよい。

【0022】

本実施の形態では、燃料タンク８から第１ノズル４、第２ノズル２、および第３ノズル３への燃料の供給は、主経路６から分岐した３つの経路６１，６２ａ，６２ｂを介して行われる。具体的には、主経路６は、途中位置において第１および第２経路６１，６２に分岐しており、第２経路６２がさらに、途中位置において２つの経路６２ａ，６２ｂに分岐している。第１ノズル４は第１経路６１に接続されている。第２ノズル２は、第２経路６２のうちの一方の経路６２ａに接続され、第３ノズル３は、第２経路６２のうちの他方の経路６２ｂに接続されている。

【0023】

バルブ４１は、主経路６上に設けられ、たとえば、開状態および閉状態の２つの状態に切り替え可能なバルブ、すなわち切り替えバルブである。バルブ４２は、第１経路６１上に設けられた切り替えバルブである。バルブ４３は、第２経路６２の分岐点に設けられた多方調整弁（三方弁）である。バルブ４４は、第２経路６２の一方の経路６２ａ上に設けられた切り替えバルブである。バルブ４５は、第２経路６２の他方の経路６２ｂに設けられた切り替えバルブである。

【0024】

多方調整弁としてのバルブ４３は、開度調整が可能な絞り弁であり、たとえばモータバルブにより構成される。切り替えバルブとしてのバルブ４１，４２，４４，４５は、たとえば電磁弁により構成されるが、バルブ４３と同様にモータバルブにより構成されるものであってもよい。以下の説明においては、これらの区別を容易にするために、バルブ４１をメイン電磁弁、バルブ４２を第１電磁弁、バルブ４４を第２電磁弁、バルブ４５を第３電磁弁、バルブ４３を多方調整弁と称する。

【0025】

制御部５は、電磁弁４１，４２，４４，４５の開閉を制御するとともに、多方調整弁４３の開度を制御（調整）する。制御部５は、多方調整弁４３の開度を比例制御できる。制御部５は、内部にメモリ、タイマ、および演算処理部を含むコンピュータにより実現される。

【0026】

＜動作について＞
図２を参照して、本実施の形態に係る燃焼装置１の動作について説明する。図２には、各ノズルの噴出量の変化が時間軸に沿って示されている。なお、燃焼前においては、全てのバルブ４１～４５は閉状態となっている。

【0027】

制御部５は、燃焼を開始する際（ｔ１）に、メイン電磁弁４１を開状態とし、その後（または同時に）、第１電磁弁４２を開状態として第１ノズル４に燃料を供給する。これにより、第１ノズル４から燃料が最大噴出量（１００％）で噴出される。この状態で着火装置から事前に発生しているスパークにより着火が行われる。制御部５は、低燃焼段階においては、第１ノズル４のみから燃料を噴出させる。高燃焼段階において第２ノズル２および第３ノズル３からの燃料の噴出量を「１００」とした場合、低燃焼段階における第１ノズル４からの燃料の噴出量は、「２５」となるように定められている。このため、低燃焼段階における燃焼量は、高燃焼段階における燃焼量の２５／１００となる。

【0028】

低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する場合、制御部５は、第１ノズル４への燃料供給を維持しつつ第２ノズル２への燃料供給を開始する（ｔ２）。すなわち、制御部５は、メイン電磁弁４１を開状態としたままで、第２電磁弁４４を開状態にするとともに、多方調整弁４３の開度を比例的に大きくしていく。このように、燃焼室９における燃焼状態を低燃焼段階から中燃焼段階へ移行させる場合に、制御部５は、第１ノズル４への燃料供給を維持しつつ多方調整弁４３の開度を制御して第２ノズル２への燃料供給を開始する。これにより、第２ノズル２への燃料供給を徐々に増加させることができるため、部品点数を増加させることなく、低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する場合の失火を防止できる。

【0029】

制御部５は、多方調整弁４３の開度が所定の開度に達したときに、電磁弁４２を閉状態として第１ノズル４への燃料供給を停止する。所定の開度は、第２ノズル２に最大量の燃料が供給される開度（以下「最大供給開度」という）未満である。制御部５は、中燃焼段階においては、多方調整弁４３の開度を最大供給開度として、第２ノズル２から最大量の燃料を噴出させる。中燃焼段階における第２ノズル２からの燃料の噴出量は、「５５」となるように定められている。所定の開度は、例えば、第２ノズル２からの燃料の噴出量と第１ノズル４からの燃料の噴出量（２５）との合計が、中燃焼段階における第２ノズル２からの燃料の最大噴出量（５５）となる開度に定められている。より具体的に、所定の開度は、第２ノズル２からの燃料の噴出量が「３０（＝５５－２５）」となり、第２ノズル２からの最大量の約５４．５％（＝３０／５５）となる開度である。このように、多方調整弁４３の開度が最大供給開度となるまでに、つまり、燃焼状態が中燃焼段階となるよりも前に、第１ノズル４への燃料供給が停止される。これにより、低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する過程において中燃焼段階であるときよりも燃焼量が大きくなり過ぎてしまうことを防止できる。

【0030】

また、制御部５は、低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する場合、多方調整弁４３の開度が所定の開度に到達した後においては、当該開度に到達するまでに多方調整弁４３が開く速度よりも速い速度で開くように、多方調整弁４３の開度を制御することが望ましい。すなわち、多方調整弁４３が開く速度は、所定の開度になるまでの速度よりも、所定の開度から最大供給開度になるまでの速度の方が速いことが望ましい。具体的に、多方調整弁４３について比例的に開く制御を開始してから所定の開度となり第２ノズル２からの燃料の噴出量が最大の５４．５％となるまでに要する時間をＴ１とし、所定の開度から最大供給開度となるまでに要する時間をＴ２とした場合に、５４．５／Ｔ１＜（１００－５４．５）／Ｔ２の関係が成り立つものであればよい。これにより、失火を防止しつつ第１ノズル４から第２ノズル２へ火移りさせ、第１ノズル４への燃料供給を停止した後においては急速に中燃焼段階の燃焼量に制御できる。

【0031】

多方調整弁４３の開度調整（拡大）に伴って最大供給開度に達すると（ｔ３）、第２ノズル２の噴出量が最大噴出量となる。つまり、第２ノズル２に最大量の燃料が供給される。制御部５は、この時点で多方調整弁４３の開度調整を停止する。これにより、燃焼室９における燃焼状態は中燃焼段階となる。なお、中燃焼段階から低燃焼段階へ移行する場合には、制御部５は、多方調整弁４３の開度が最大供給開度から閉じた状態（０）となるまでの間に、第１電磁弁４２を開状態として第１ノズル４に燃料を供給する。この場合においては、低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する場合とは逆の動きとなるように多方調整弁４３の開度が制御される。つまり、中燃焼段階から低燃焼段階へ移行する場合、制御部５は、Ｔ２の間において多方調整弁４３の開度が最大供給開度から所定の開度となるように制御した後、第１電磁弁４２を開状態にするとともにＴ１に亘って多方調整弁４３の開度が所定の開度から閉状態となるように、多方調整弁４３の開度を制御する。

【0032】

中燃焼段階から高燃焼段階へ移行する場合、制御部５は、多方調整弁４３の開度調整を再開するとともに、第３電磁弁４５を開状態とする（ｔ４）。このとき、第２電磁弁４４を開状態のままとする。すなわち、制御部５は、多方調整弁４３の開度を制御して第２ノズル２に最大量の燃料を供給しつつ、第３ノズル３に供給する燃料の流量を制御する。これにより、第２ノズル２の噴出量を一定（最大噴出量）としながら、第３ノズル３からの燃料の噴出量を比例的に増加させることができる。

【0033】

多方調整弁４３の開度調整は、第３ノズル３からの噴出量が最大噴出量に達するまで行われる。多方調整弁４３の開度が全開（１００）となったときに、第３ノズル３からの噴出量が最大噴出量となる（ｔ５）。これにより、燃焼室９における燃焼状態は高燃焼段階となる。

【0034】

以上のように、一つの調整弁（多方調整弁）４３で第２ノズル２および第３ノズル３からの噴出量を調整できるため、第２ノズル２および第３ノズル３各々に調整弁を設ける形態に比べて、部品点数の増加および製造コストの上昇を抑えることができるとともに、制御部５による処理を簡略化できるとともに処理負担を軽減できる。

【0035】

また、低燃焼段階から中燃焼段階に移行する場合、多方調整弁４３により第２ノズル２から噴出される燃料を徐々に増加させることができるため、失火させることなく第１ノズル４から第２ノズル２に火移りさせることができる。また、中燃焼段階においては、第２ノズル２のみから燃料を噴出させる。また、低燃焼段階においても第１ノズル４のみから燃料を噴出させる。このため、複数のノズルから燃料を噴出させて燃焼させる燃焼範囲が少ないため、全体を通して燃焼不良の発生を低減することができる。さらに、多方調整弁４３の開度が所定の開度に到達するまでよりも所定の開度に到達した後の方が、多方調整弁４３の開度が速く開くように制御されるため、第１ノズル４からの燃料噴出が停止された後、第２ノズル２のみにより中燃焼段階の燃焼量となるように急速に制御できる。

【0036】

また、中燃焼段階から低燃焼段階へ移行する場合、制御部５は、Ｔ２の間において多方調整弁４３の開度が最大供給開度から所定の開度となるように制御した後、第１電磁弁４２を開状態にするとともにＴ１に亘って多方調整弁４３の開度が所定の開度から閉状態となるように多方調整弁４３の開度を制御する。このため、部品点数を増加させることなくかつ失火させることなく、第２ノズル２から第１ノズル４に火移りさせることができる。

【0037】

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

【0038】

上記実施の形態における燃焼装置１は、停止、低燃焼段階～高燃焼段階を含む４位置のいずれかに制御する例について説明したが、これに限らず、停止、低燃焼段階、および高燃焼段階（第２ノズルのみから燃料を噴出する状態）を含む３位置のいずれかに制御するものであってもよい。また、多方調整弁４３により制御される燃焼段階（中燃焼段階、高燃焼段階）については、任意の負荷率となるように多方調整弁４３の開度を調整することにより比例制御するものであってもよい。

【0039】

上記実施の形態における燃焼装置１は、低燃焼段階から中燃焼段階へ移行する場合に、多方調整弁４３の開度が、第２ノズル２からの燃料の噴出量と第１ノズル４からの燃料の噴出量との合計が中燃焼段階における第２ノズル２からの燃料の噴出量となる所定の開度となることにより、第１ノズル４への燃料供給を停止する例について説明した。しかし、第１ノズル４への燃料供給を停止する契機は、多方調整弁４３の開度が、第２ノズル２からの燃料の噴出量と第１ノズル４からの燃料の噴出量との合計が中燃焼段階における第２ノズル２からの燃料の噴出量となる所定の開度以下の開度となることにより成立するものであればこれに限らず、例えば、第２ノズル２からの燃料の噴出量が所定量（例えば、２５）となる開度であってもよく、多方調整弁４３について所定の速度で開く制御を開始してから所定時間経過したときに成り得る開度であってもよい。また、中燃焼段階から低燃焼段階へ移行する場合においても同様に、第１ノズル４への燃料供給を開始する契機は、多方調整弁４３の開度が、第２ノズル２からの燃料の噴出量と第１ノズル４からの燃料の噴出量との合計が中燃焼段階における第２ノズル２からの燃料の噴出量となる所定の開度以下の開度となることにより成立するものであればよい。

【0040】

上記実施の形態では、多方調整弁４３の下流側において第２および第３電磁弁４４，４５が設けられている例について説明したが、これに限らず、第２および第３電磁弁４４，４５を設けず、１つの電磁弁を多方調整弁４３の上流側の流路６２に設けても良い。

【0041】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0042】

１ 燃焼装置
２ 第２ノズル
３ 第３ノズル
４ 第１ノズル
５ 制御部
６ 主経路
８ 燃料タンク
９ 燃焼室
４１ メイン電磁弁
４２ 第１電磁弁
４３ 多方調整弁
４４ 第２電磁弁
４５ 第３電磁弁
６１ 第１経路
６２ 第２経路
６２ａ 経路
６２ｂ 経路

【図1】

【図2】