(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】2024-10-01
(45)【発行日】2024-10-09
(54)【発明の名称】ガスノズル並びに燃焼装置
(51)【国際特許分類】
F23D 14/48 20060101AFI20241002BHJP
F23K 5/00 20060101ALI20241002BHJP
【ＦＩ】
F23D14/48 A
F23K5/00 301B
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021070766
(22)【出願日】2021-04-20
(65)【公開番号】P2022003290
(43)【公開日】2022-01-11
【審査請求日】2023-12-20
(31)【優先権主張番号】P 2020107804
(32)【優先日】2020-06-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000115854
【氏名又は名称】リンナイ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000305
【氏名又は名称】弁理士法人青莪
(72)【発明者】
【氏名】大稲 高裕
【審査官】礒部 賢
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－１９７９７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２２７４１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１３７０３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０１３５５１１０（ＥＰ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｄ １４／００ － １４／８４
Ｆ２３Ｋ ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーナに燃料ガスを供給する、板材料のプレス加工で成形されるガスノズルであって、燃料ガスが流入する内部空間を有する筒状のノズル本体と、燃料ガスの流入側であるノズル本体の基端とは反対側に位置する端壁部とを備え、端壁部に、ノズル本体の内部空間に流入した燃料ガスが噴出するノズル孔が形成されるものにおいて、ノズル本体の内部空間側に位置するノズル孔の基部に、ノズル本体の内部空間に向けて孔径が次第に拡大する拡径部が設けられることを特徴とするガスノズル。
【請求項2】
前記拡径部は、前記ノズル本体の内部空間に向けて孔径の拡大率が次第に増加するように形成されることを特徴とする請求項１記載のガスノズル。
【請求項3】
前記ノズル本体の基端から端壁部までの距離は、１回のプレス加工で絞り成形可能な距離に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のガスノズル。
【請求項4】
バーナと、バーナからの燃焼ガスにより加熱される熱交換器とを備える燃焼装置であって、バーナに燃料ガスを供給するガスノズルとして、請求項１～３の何れか１項記載のガスノズルが用いられることを特徴とする燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バーナに燃料ガスを供給するガスノズル並びにこのガスノズルを用いた燃焼装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種のガスノズルとして、板材料のプレス加工で成形されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このガスノズルは、燃料ガスが流入する内部空間を有する筒状のノズル本体と、燃料ガスの流入側であるノズル本体の基端とは反対側に位置する端壁部とを備えている。端壁部には、内部空間に流入した燃料ガスが噴出するノズル孔が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００４－１９７９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、コストダウンのため、ガスノズルの素材となる板材料の板厚を薄くすると、プレス加工によるノズル本体の絞り深さを深くした場合、割れを生じやすくなる。そのため、板厚の薄い板材料のプレス加工でガスノズルを成形する場合は、ノズル本体の絞り深さを浅くせざるを得ない。
【0005】
然し、この場合は、ノズル本体の内部空間で燃焼ガスの流れが十分に整流されなくなる。その結果、燃焼性能が安定しなくなったり、所謂笛吹き音が発生するといった不具合を生じやすくなる。
【0006】
本発明は、以上の点に鑑み、ノズル本体の絞り深さが浅くても、燃焼性能が安定すると共に笛吹き音の発生も抑制できるようにしたガスノズル並びにこのガスノズルを用いた燃焼装置を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本願の第１発明は、バーナに燃料ガスを供給する、板材料のプレス加工で成形されるガスノズルであって、燃料ガスが流入する内部空間を有する筒状のノズル本体と、燃料ガスの流入側であるノズル本体の基端とは反対側に位置する端壁部とを備え、端壁部に、内部空間に流入した燃料ガスが噴出するノズル孔が形成されるものにおいて、ノズル本体の内部空間側に位置するノズル孔の基部に、ノズル本体の内部空間に向けて孔径が次第に拡大する拡径部が設けられることを特徴とする。
【0008】
また、本願の第２発明は、バーナと、バーナからの燃焼ガスにより加熱される熱交換器とを備える燃焼装置であって、バーナに燃料ガスを供給するガスノズルとして、上述した第１発明のガスノズルが用いられることを特徴とする。
【0009】
本発明（第１発明）によれば、ノズル本体の絞り深さが浅く、ノズル本体の内部空間で燃料ガスの流れが十分に整流されなくても、ノズル孔の基部の拡径部によって燃料ガスの流れが整えられる。その結果、燃焼性能が安定すると共に笛吹き音の発生も抑制できる。
【0010】
尚、本発明において、拡径部は、ノズル本体の内部空間に向けて孔径の拡大率が次第に増加するように形成されることが望ましい。これによれば、拡径部を孔径の拡大率が一定になるように形成したものに比し、ノズル孔から噴出した燃料ガスが速い速度のまま到達する距離が長くなり、更に、ノズル孔への外部からの空気の流れ込みが少なくなる。
【0011】
また、本発明においては、ノズル本体の絞り深さが浅くても性能が悪化しない。そのため、ノズル本体の絞り深さ、即ち、ノズル本体の基端から端壁部までの距離を、１回のプレス加工で絞り成形可能な距離に設定することが可能になる。これによれば、プレス加工の回数を減らして、コストを可及的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明（第２発明）の実施形態の燃焼装置の斜視図。
【図3】実施形態の燃焼装置のマニホールドを分離した状態の斜め下方から見た斜視図。
【図4】本発明（第１発明）の実施形態のガスノズルを備えるマニホールドの斜め後方から見た斜視図。
【図8】本発明の第１実施形態のガスノズルにおける燃料ガスの噴出速度分布を示す線図。
【図9】本発明の第２実施形態のガスノズルにおける燃料ガスの噴出速度分布を示す線図。
【図10】比較例のガスノズルにおける燃料ガスの噴出速度分布を示す線図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１、図２を参照して、本発明（第２発明）の実施形態の燃焼装置は、燃焼筐１と、燃焼筐１内の下部に並設した複数のバーナ２と、これらバーナ２に燃料ガスを供給するマニホールド３と、燃焼筐１内の上部に配置した、バーナ２からの燃焼ガスにより加熱される熱交換器４とを備えている。
【0014】
バーナ２の並設方向を横方向として、各バーナ２は、横方向に直交する水平方向である前後方向に細長い炎口部を上端に有する偏平バーナである。各バーナ２の下部には、混合管部２１が設けられている。混合管部２１の前端には、前方に開口する流入口２２が設けられている。そして、マニホールド３の後述する各ガスノズル３１から噴出する燃料ガスが各バーナ２の流入口２２に流入すると共に、一次空気が流入口２２に流入して、混合管部２１で燃料ガスと一次空気との混合気が生成され、この混合気がバーナ２の炎口部から噴出して燃焼するようにしている。
【0015】
図３も参照して、燃焼筐１の底板１１の前部には、上方に立上る段差部１１１が形成されている。この段差部１１１には、各バーナ２の混合管部２１の流入口２２に臨む開口１１２が開設されている。本実施形態では、６個のバーナ２が並設されるため、開口１１２が横方向に６個並設されている。尚、底板１１には、各バーナ２の下縁を横方向両側から挟む、上方への窪み１１３が複数形成されている。また、燃焼筐１の前板１２には、バーナ２に点火するための点火電極５１と、バーナ２の火炎検知のためのフレームロッド５２とを有する電極部品５が装着されている。
【0016】
熱交換器４は、横方向に積層した多数の吸熱フィン４１と、これら吸熱フィン４１を貫通する複数の吸熱パイプ４２とを有するフィンアンドチューブ型熱交換器で構成されている。これら吸熱パイプ４２は、燃焼筐１の上部外面のＵ字状に湾曲した複数の接続管４３により直列に接続されている。そして、上流端の吸熱パイプ４２に給水管４４を接続し、下流端の吸熱パイプ４２に出湯管４５を接続している。
【0017】
燃焼筐１の上端には、排気フード６を介してファン７が接続されている。ファン７には、ファンモータ７１が付設されている。熱交換器４を通過した燃焼ガスは、ファン７に吸引される。ファン７に吸引された燃焼ガスは、ファン７の出口７２に接続される図示省略した排気筒を介して外部に排出される。また、図３に示す如く、燃焼筐１の底板１１には、多数の小孔１１４が形成されている。そして、ファン７の吸引力により各バーナ２に燃焼用空気が供給される。即ち、各開口１１２を介して流入口２２から吸引される空気が各バーナ２に燃焼用の一次空気として供給されると共に、小孔１１４から吸引される空気が各バーナ２に燃焼用の二次空気として供給される。
【0018】
燃焼筐１の横方向両側の側板１３の下部前端には、底板１１の段差部１１１よりも前方に突出する舌片部１３１が設けられている。そして、マニホールド３を、横方向両側の端部に設けられた固定部３４において、舌片部１３１にネジ３４ａで固定している。
【0019】
図４乃至図６を参照して、マニホールド３は、各バーナ２の混合管部２１の流入口２２に向けて燃料ガスを噴出する、本発明（第１発明）の実施形態のガスノズル３１が複数のバーナ２に対応して複数（本実施形態では６個）突設されたマニホールド本体３ａと、マニホールド本体３ａとの間に燃料ガスの分配室３２を画成するカバー３ｂとで構成されている。カバー３ｂは、その周縁部において、マニホールド本体３ａにシーム溶接されている。マニホールド３は、更に、流入口３３を有している。上述した固定部３４及び流入口３３は、マニホールド本体３ａに設けられている。流入口３３には、これに接続したバルブユニット８を介して燃料ガスが流入する。そして、流入口３３から流入した燃料ガスは、分配室３２を介して各ガスノズル３１に分配されて、各ガスノズル３１から各バーナ２の混合管部２１の流入口２２に向けて噴出する。
【0020】
マニホールド本体３ａは、板厚が比較的薄いステンレス鋼板等の板材料のプレス加工により形成されている。また、カバー３ｂも、マニホールド本体３ａの素材よりも薄い板材料のプレス加工により形成されている。マニホールド本体３ａに突設する各ガスノズル３１は、当然のことながら、マニホールド本体３ａの素材となる板材料のプレス加工で成形されることになる。各ガスノズル３１は、図６に示す如く、分配室３２から燃料ガスが流入する内部空間３１１ａを有する筒状のノズル本体３１１と、燃料ガスの流入側であるノズル本体３１１の基端とは反対側に位置する端壁部３１２とを備えている。端壁部３１２には、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａに流入した燃料ガスが噴出するノズル孔３１３が形成されている。
【0021】
ここで、コストダウンを図るために、ガスノズル３１の素材、即ち、マニホールド本体３ａの素材となる板材料の板厚を薄くすると、プレス加工によるノズル本体３１１の絞り深さを深くした場合、割れを生じやすくなる。そのため、板厚の薄い板材料のプレス加工でガスノズル３１を成形する場合は、ノズル本体３１１の絞り深さを浅くせざるを得ない。特に、コストを可及的に削減するには、ノズル本体３１１の絞り深さ、即ち、ノズル本体３１１の基端から端壁部３１２までの距離Ｌを、１回のプレス加工で絞り成形可能な小さな距離に設定することが望まれる。例えば、マニホールド本体３ａの素材である板材料が板厚１．２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）である場合、１回のプレス加工で絞り成形可能な上記距離Ｌは４ｍｍ程度になる。然し、この場合は、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａで燃焼ガスの流れが十分に整流されず、燃焼性能が安定しなくなったり、所謂笛吹き音が発生するといった不具合を生じやすくなる。
【0022】
そこで、本実施形態では、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａ側に位置するノズル孔３１３の基部に、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａに向けて孔径が次第に拡大する拡径部３１３ａを設けている。ここで、図６に示す第１実施形態のガスノズル３１において、拡径部３１３ａは、孔径の拡大率（孔径がＲの箇所から孔軸方向に単位長さΔＤ離れた箇所での孔径をＲ＋ΔＲとして、ΔＲ／ΔＤで表される値）が一定になるように、即ち、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａに向けて孔径が直線状に拡大するように形成されている。一方、図７に示す第２実施形態のガスノズル３１において、拡径部３１３ａは、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａに向けて孔径の拡大率が次第に増加するように、即ち、内部空間３１１ａに向けて孔径が曲線状に拡大するように形成されている。
【0023】
何れにしても、ノズル孔３１３の基部に拡径部３１３ａを設ければ、ノズル本体３１１の内部空間３１１ａで燃料ガスの流れが十分に整流されなくても、拡径部３１３ａによって燃料ガスの流れが整えられる。その結果、燃焼性能が安定すると共に笛吹き音の発生も抑制できる。
【0024】
以上の効果を確認するために、流体解析ソフトによるシミュレーションを行った。条件は、ノズル本体３１１の基端から端壁部３１２までの距離Ｌを４ｍｍ、端壁部３１２の板厚を０．８ｍｍ、ノズル孔３１３の直径を１．５ｍｍ、ガスノズル３１への供給ガス圧を１．０ｋＰａとした。ノズル孔３１３の基部の０．２ｍｍの範囲に、孔径が４５°の角度で直線状に拡大する拡径部３１３ａを設けた第１実施形態のガスノズル３１では、燃料ガスの噴出速度分布が図８に示すようになった。また、ノズル孔３１３の基部の０．５５ｍｍの範囲に、孔径が１．０ｍｍの曲率半径の曲線状に拡大する拡径部３１３ａを設けた第２実施形態のガスノズル３１では、燃料ガスの噴出速度分布が図９に示すようになった。一方、ノズル孔３１３の基部の拡径部を省略した比較例のガスノズル３１´では、燃料ガスの噴出速度分布が図１０に示すようになった。尚、図８～図１０において、ａ線の外側部分の速度は０～４．５ｍ／秒、ａ線とｂ線との間の部分の速度は４．５～９．０ｍ／秒、ｂ線とｃ線との間の部分の速度は９．０～１３．５ｍ／秒、ｃ線とｄ線との間の部分の速度は１３．５～１８．０ｍ／秒、ｄ線とｅ線との間の部分の速度は１８．０～２２．５ｍ／秒、ｅ線とｆ線との間の部分の速度は２２．５～２７．０ｍ／秒、ｆ線とｇ線との間の部分の速度は２７．０～３１．５ｍ／秒、ｇ線とｈ線との部分の速度は３１．５～３６．０ｍ／秒、ｈ線とｉ線との間の部分の速度は３６．０～４０．５ｍ／秒、ｉ線の内側部分の速度は４０．５～４５．０ｍ／秒である。
【0025】
本発明（第１と第２の両実施形態）のガスノズル３１では、ノズル孔３１３から噴出した燃料ガスが、比較例のガスノズル３１´に比べて、速い速度のままより遠くまで到達している。このように噴出ガスの流速の速い領域が遠くまで到達すれば、一次空気をバーナ２の混合管部２１の流入口２２に送り込む力が大きくなり、燃焼性能が安定する。また、ノズル孔３１３の孔壁面とａ線との間の部分は、ノズル孔３１３に外部から空気が流れ込む部分である。本発明のガスノズル３１では、ノズル孔３１３の孔壁面とａ線との間の部分が、比較例のガスノズル３１´に比べて狭く、ノズル孔３１３への外部からの空気の流れ込みが少なくなる。ノズル孔３１３への外部からの空気の流れ込みが笛吹き音の発生原因となるため、本発明のガスノズル３１では、笛吹き音の発生が抑制される。
【0026】
尚、ノズル孔３１３から噴出した燃料ガスが速い速度のまま到達する距離は、第２実施形態のガスノズル３１のほうが第１実施形態のガスノズル３１よりも長くなる。更に、図９からは明らかでないが、ノズル孔３１３への外部からの空気の流れ込みは、第２実施形態のガスノズル３１のほうが第１実施形態のガスノズル３１よりも少なくなる。
【0027】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態は、マニホールド３に複数設けられるガスノズル３１に本発明を適用したものであるが、単独で設けられるガスノズルにも同様に本発明を適用できる。
【符号の説明】
【0028】
２…バーナ、３１…ガスノズル、３１１…ノズル本体、３１１ａ…内部空間、３１２…端壁部、３１３…ノズル孔、３１３ａ…拡径部、Ｌ…ノズル本体の基端から端壁部までの距離、４…熱交換器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】