(57)【要約】【課題】供給する予混合ガスの圧力損失を低減可能な予混合燃焼方式の２層式燃焼器を提供すること。【解決手段】外部から中心部に向かって渦巻状に予混合ガスを導入する渦巻状流路を有する予混合室と、中心部から外部に向かって渦巻状に排気ガスを排出する渦巻状流路を有する燃焼室と、予混合室と燃焼室との間を区画する伝熱隔壁と、ほぼ中心部に設けられ、燃焼室側で着火を行う着火手段と、着火手段の周囲に配置され、予混合室と燃焼室とを連通する消炎孔とを備え、燃焼室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から中心部に向かって渦巻状に予混合ガスを導入する渦巻状流路を有する予混合室と、
中心部から外部に向かって渦巻状に排気ガスを排出する渦巻状流路を有する燃焼室と、
前記予混合室と前記燃焼室との間を区画する伝熱隔壁と、
ほぼ中心部に設けられ、前記燃焼室側で着火を行う着火手段と、
前記着火手段の周囲に配置され、前記予混合室と前記燃焼室とを連通する消炎孔とを備えた２層式燃焼器であって、
前記燃焼室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有していることを特徴とする２層式燃焼器。
【請求項２】
前記燃焼室の中心部に、
渦巻状流路隔壁によって取り囲まれ、かつ、最高温度を示す火炎領域が前記燃焼室のほぼ中心部に優勢に形成される広さの燃焼空間を有していることを特徴とする請求項１に記載の２層式燃焼器。
【請求項３】
前記予混合室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の２層式燃焼器。
【請求項４】
前記消炎孔は、前記着火手段の周囲に取り付けられたセラミック体に形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の２層式燃焼器。
【請求項５】
前記燃焼室と前記予混合室とは、異種金属材料より形成されており、前記燃焼室を形成する金属材料の熱伝導率は、前記予混合室を形成する金属材料の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の２層式燃焼器。
【請求項６】
前記燃焼室を形成する金属材料は、銅または銅合金であり、前記予混合室を形成する金属材料は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項５に記載の２層式燃焼器。
【請求項７】
その運転時に、前記予混合室内の温度が２５０℃以上にされることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の２層式燃焼器。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載の２層式燃焼器を有するガス器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２層式燃焼器に関し、さらに詳しくは、電気ヒータなどの代替品として用いて好適な２層式燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、家庭用・業務用の加熱機器として、例えば、電気ヒータが広く用いられている。一般に、この種の電気ヒータは、化石燃料の持つエネルギーの多くを発電・送電時に失っているため、化石燃料に対するエネルギー利用効率は約４割程度であると言われている。
【０００３】
近年、地球環境に対する負荷を抑制するなどの観点から、一層の省エネ化が進められており、加熱機器についてもエネルギーの有効利用を図る試みが盛んに行われるようになっている。
【０００４】
このような背景の下、電気ヒータの代替品として、マイクロコンバスタと呼ばれる燃焼器が提案されている。このマイクロコンバスタは、化石燃料の燃焼熱を直接利用することができるので、約６割ものエネルギーを失う発電過程を省略することができる。そのため、大幅な省エネルギー化を図ることができる技術として期待されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１および特許文献１には、予混合ガスと排気ガスの流路が交互に配置された渦巻状の管の入口から、予混合ガスを送り込み、その中心部で燃焼させた後、高温の排気ガスを外へ放出する過程で、排熱により予混合ガスを予熱する１層構造の燃焼器が開示されている。
【０００６】
この種の燃焼器は、上下両面が加熱される両面加熱構造になっている。そのため、これを例えば、コンロなどの片面加熱機器の熱源として適用すると、無効加熱が生じ、加熱効率を損なうことが考えられる。
【０００７】
そのため、本件出願人は、図１９に模式的に示すように、それぞれ渦巻状流路１０２ａ、１０４ａを形成した予混合室１０２および燃焼室１０４の２室を積層し、燃焼室１０４内からの予熱を予混合室１０２の予熱に利用し、片面を高効率で加熱することができる２層式燃焼器１００を開発し、既に特許出願も行っている（特願２００５−３５１３８６号）。
【０００８】
上記２層式燃焼器１００では、外部より供給される予混合ガスＦは、予混合室１０２内の渦巻状流路１０２ａを通って予混合室１０２の中心部に至る。予混合室１０２の中心部に至った予混合ガスＦは、伝熱隔壁１０６に形成された消炎孔１０５より、燃焼室１０４の中心部に噴出される。噴出された予混合ガスＦは、着火手段１１０により着火されて燃焼する。燃焼により生じた排気ガスＥは、燃焼室１０４内の渦巻状流路１０４ａを通って燃焼室１０４の外部に排出される。
【０００９】
【非特許文献１】“「エネルギー使用合理化技術戦略的開発  エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発  熱源用マイクロコンバスタの研究開発」  平成１５年度〜平成１６年度成果報告書  受託先  東北大学  委託先  石川島播磨重工業株式会社”、検索バーコード番号100005086、［online］、独立行政法人  新エネルギー・産業技術総合開発機構、成果報告書データベース、［平成１７年１１月８日検索］、インターネット＜URL:http://www.nedo.go.jp/database/index.html＞
【特許文献１】特開２００５−７６９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記２層式燃焼器は、以下の点で改良の余地があった。
【００１１】
すなわち、上記２層式燃焼器は、供給する予混合気の圧力損失が比較的大きく、汎用の燃焼器用空気ファン（例えば、１００Ｖ電源、０．５ｋＰａ（約５０ｍｍＡｑ）を用いることができず、吐出圧力が高く、かつ、流量も多い特別なファンを用いて予混合気の圧力を高くせざるを得ないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、供給する予混合ガスの圧力損失を低減可能な予混合燃焼方式の２層式燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る２層式燃焼器は、外部から中心部に向かって渦巻状に予混合ガスを導入する渦巻状流路を有する予混合室と、中心部から外部に向かって渦巻状に排気ガスを排出する渦巻状流路を有する燃焼室と、上記予混合室と上記燃焼室との間を区画する伝熱隔壁と、ほぼ中心部に設けられ、上記燃焼室側で着火を行う着火手段と、上記着火手段の周囲に配置され、上記予混合室と上記燃焼室とを連通する消炎孔とを備え、上記燃焼室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有していることを要旨とする。
【００１４】
ここで、上記２層式燃焼器は、上記燃焼室の中心部に、渦巻状流路隔壁によって取り囲まれ、かつ、最高温度を示す火炎領域が上記燃焼室のほぼ中心部に優勢に形成される広さの燃焼空間を有していると良い。
【００１５】
また、上記予混合室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有していると良い。
【００１６】
また、上記消炎孔は、上記着火手段周囲に取り付けられたセラミックス体に形成されていると良い。
【００１７】
また、上記燃焼室と上記予混合室とは、異種金属材料より形成されており、上記燃焼室を形成する金属材料の熱伝導率は、上記予混合室を形成する金属材料の熱伝導率よりも大きくされていると良い。
【００１８】
また、上記燃焼室を形成する金属材料は、銅または銅合金であり、上記予混合室を形成する金属材料は、ステンレス鋼であることが好ましい。
【００１９】
また、その運転時に、上記予混合室内の温度は２５０℃以上にされることが好ましい。
【００２０】
一方、本発明に係るガス器具は、上記２層式燃焼器を有していることを要旨とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る２層式燃焼器は、燃焼室内の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有している。そのため、予混合気の圧力損失を低減することができる。
【００２２】
これは、以下の理由によるものと推察される。すなわち、未燃焼ガスや既燃ガスは、火炎が形成される燃焼空間に近いほど、つまり、渦巻状流路の中心部に近いほど、高温に曝されて熱膨張する。そのため、燃焼室内の渦巻状流路が等間隔（流路断面積が一定）であると、排気ガスが排出され難くなり、供給する予混合ガスの圧力損失が大きくなる。
【００２３】
これに対して、本発明に係る２層式燃焼器は、燃焼室の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成されている部位を有する。このように、本発明では、温度による排気ガスの体積膨張が考慮されているので、排気ガスが排出されやすくなり、予混合ガスの圧力損失が低減されるものと考えられる。
【００２４】
この際、上記２層式燃焼器が、燃焼室の中心部に、渦巻状流路隔壁によって取り囲まれ、かつ、最高温度を示す火炎領域が燃焼室のほぼ中心部に優勢に形成される広さの燃焼空間を有している場合には、以前の２層式燃焼器に比較して、排気ガス中に含まれるＣＯ濃度を低減することが可能になる。
【００２５】
これは、以下の理由によるものと推察される。すなわち、以前の２層式燃焼器では、燃焼室内の火炎の高温域が、燃焼室の中心部を取り囲む渦巻状流路隔壁の近傍に存在していた。
【００２６】
そのため、高温な火炎は、渦巻状流路隔壁との接触により熱を奪われ、これによって、酸化反応が抑制されて反応速度が低下し、燃焼温度も低下する。それ故、高濃度のＣＯが排出されていたものと考えられる。
【００２７】
これに対して、上記燃焼空間を有している場合には、高温の火炎が渦巻状流路隔壁に接触し難くなるため、燃焼室内での安定燃焼が達成され、ＣＯ濃度の低減を図ることが可能になるものと考えられる。
【００２８】
また、上記予混合室の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成されている部位を有している場合には、予混合室の中心部に行くほど、高温になるので、上記とほぼ同様の原理によって、予混合ガスを導入しやすくなり、予混合ガスの圧力損失の低減に寄与しやすくなる。
【００２９】
また、上記消炎孔が、上記着火手段の周囲に取り付けられたセラミック体に形成されている場合には、消炎孔周辺の耐熱性が向上する。そのため、燃焼室内の高温により、比較的小さな消炎孔が、酸化されたり、変形が生じたりし難くなり、耐久性を向上させることができる。さらに、着火時の燃焼騒音も低減しやすくなる。
【００３０】
また、上記燃焼室と上記予混合室とが、異種金属材料より形成されており、上記燃焼室を形成する金属材料の熱伝導率が、上記予混合室を形成する金属材料の熱伝導率よりも大きい場合には、受熱効率を向上させることができる。また、排気ガス中のＣＯ濃度の低減にも寄与しやすい。
【００３１】
また、その運転時に、予混合室内の温度が２５０℃以上にされる場合には、排気ガス中のＣＯ濃度の低減効果に優れる。
【００３２】
一方、本発明に係るガス器具は、上記２層式燃焼器を有している。そのため、予混合ガスの供給に汎用の燃焼器用空気ファンを用いることが可能となり、低コスト化などに寄与することが可能になる。
【００３３】
また、上記２層式燃焼器が上記燃焼空間を有する場合には、排気ガス中のＣＯ低減による燃焼性能にも優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、本発明の一実施形態に係る２層式燃焼器（以下、「本燃焼器」ということがある。）について説明する。
【００３５】
図１は、本燃焼器の外観を模式的に示した斜視図である。図２は、本燃焼器の正面図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面図である。図５は、図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【００３６】
本燃焼器１０は、例えば、外形が数十センチから数センチ程度の小型燃焼器とすることができ、主として、ステンレス鋼、銅、銅合金などの金属材料を１種または２種以上組み合わせて、密閉構造に形成されている。
【００３７】
本燃焼器１０は、図１〜５に示すように、その基本構成として、燃焼室１２と、予混合室１４と、伝熱隔壁１６と、着火手段１８と、消炎孔２０とを有している。以下、これら構成につき詳細に説明する。
【００３８】
本燃焼器１０において、燃焼室１２は、略円柱状に形成されており、底板２２と、外周壁２４と、予混合室１４の底板３４（後述する）とにより囲まれた密閉空間を有している。
【００３９】
燃焼室１２の外周壁２４には、接線方向に向かって排気ガスＥを排出する排気ガス排出口２６が設けられている。なお、排気ガス排出口２６は、図では２つとされているが、これに限定されるものではなく、１つまたは複数個形成されていても良い。
【００４０】
燃焼室１２の内部には、中心部から外部に向かって渦巻状に排気ガスＥを排出する渦巻状流路２８が形成されている。この渦巻状流路２８は、渦巻状流路隔壁３０または外周壁２４と、底板２２と、予混合室１４の底板３４（後述する）とにより囲まれた空間によって形成されている。
【００４１】
ここで、本燃焼器１０では、燃焼室１２内の渦巻状流路２８は、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有している。つまり、渦巻状流路２８は、その流路断面積が、中心部側の開口端部において最大となるように形成されている。
【００４２】
なお、渦巻状流路２８の断面形状は、特に限定されるものではない。渦巻状流路２８の断面形状としては、例えば、台形状、長方形状、正方形状などを例示することができる。また、流路長さについても、特に限定されるものではなく、本燃焼器１０の大きさなどを考慮して選択することができる。
【００４３】
燃焼室１２は、その中心部に、渦巻状流路隔壁３０によって取り囲まれた燃焼空間３２を有している。この燃焼空間３２は、上述した渦巻状流路２８の中心部側の開口端部と連通されている。
【００４４】
燃焼空間３２は、最高温度を示す火炎領域が、燃焼室１２のほぼ中心部に優勢に形成される広さとされていることが好ましい。渦巻状流路隔壁３０の近傍に高温の火炎が形成され難くなり、排気ガスＥ中に含まれるＣＯ濃度を低減することが可能になるからである。
【００４５】
なお、燃焼空間３２の広さは、本燃焼器１０の大きさなどを考慮して可変させることが可能なものである。また、最高温度を示す火炎領域が、燃焼室１２のほぼ中心部に優勢に形成されているか否かは、燃焼室１２の中心からの距離と火炎温度との関係（燃焼室１２内の温度分布）を、熱電対などを用いて測定すれば判断することができる。
【００４６】
上記最高温度としては、好ましくは、１８００〜６００℃の範囲、より好ましくは、１７００〜８００℃の範囲などを例示することができる。
【００４７】
本燃焼器１０において、予混合室１４は、上記燃焼室１２と同様に、略円柱状に形成されており、底板３４と、外周壁３６と、蓋部３８とにより囲まれた密閉空間を有している。
【００４８】
予混合室１４の外周壁３６には、接線方向から予混合ガスＦを導入する予混合ガス導入口４０が設けられている。なお、予混合ガス導入口４０は、図では３つとされているが、これに限定されるものではなく、１つまたは複数個形成されていても良い。
【００４９】
予混合室１４の内部には、外部から中心部に向かって渦巻状に予混合ガスＦを導入する渦巻状流路４２が形成されている。この渦巻状流路４２は、渦巻状流路隔壁４４または外周壁３６と、底板３４と、蓋部３８とにより囲まれた空間によって形成されている。
【００５０】
予混合室１４は、その中心部に、渦巻状流路隔壁４４によって取り囲まれた空間４８を有している。この空間４８は、上述した渦巻状流路４２の中心部側の開口端部と連通されている。
【００５１】
ここで、本燃焼器１０では、予混合室１４内の渦巻状流路４２は、燃焼室１２内の渦巻状流路２８と同様に、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有していても良いし、隣接する渦巻状流路隔壁４４の間隔が一定（流路断面積が一定）となるように形成されていても良い。
【００５２】
もっとも、予混合室１４内は、これに接して積層されている燃焼室１２からの熱によって予熱され、その温度は中心部ほど高くなる傾向がある。そのため、前者のように、予混合室１４内の渦巻状流路４２を、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成されている場合には、予混合ガスＦの導入がスムーズになり、供給する予混合ガスＦの圧力損失の低減に寄与しやすくなり好ましい。
【００５３】
なお、渦巻状流路４２の断面形状、流路長さについては、上記した燃焼室１２内の渦巻状流路２８と同様である。また、予混合ガスＦに適用する燃料の種類は、特に限定されるものではなく、都市ガス、メタン、プロパンなどの種々の可燃燃料を用いることができる。
【００５４】
本燃焼器１０において、燃焼室１２と予混合室１４（各室１２、１４の渦巻状流路２８、４２の形成材料も含む、以下省略）とは、上述したように、各種の金属材料を用いて形成することができる。
【００５５】
好ましくは、受熱効率を向上させるなどの観点から、燃焼室１２と予混合室１４とは、異種金属材料により形成されており、燃焼室１２を形成する金属材料の熱伝導率が、予混合室１４を形成する金属材料の熱伝導率よりも大きく設計されていると良い。
【００５６】
具体的には、上記燃焼室１２を形成する金属材料として、銅または銅合金などを、上記予混合室１４を形成する金属材料として、ステンレス鋼などを好適に用いることができる。
【００５７】
本燃焼器１０は、燃焼室１２および予混合室１４の中心部がほぼ一致するように、燃焼室１２の片面側に予混合室１４が並設されて２層構造とされている。具体的には、本実施形態では、一端面が開口した有底略円柱状の燃焼室形成部材と、一端が開口した有底略円柱状の予混合室形成部材とが、両開口面を同方向にして順に積層されることで２層構造とされている。
【００５８】
そのため、予混合室１４の底板３４が、燃焼室１４で発生した熱を予混合室１４側に伝えるとともに、予混合室１４と燃焼室１２との間を区画する伝熱隔壁１６としての役割を果たしていることになる。
【００５９】
本燃焼器１０は、上記以外にも、例えば、一端面が開口した有底略円柱状の燃焼室形成部材と、一端が開口した有底略円柱状の予混合室形成部材とを、両開口面を対峙させて配置し、この開口面間に別体の伝熱隔壁を介在させるなどして、２層構造とされていても構わない。
【００６０】
本燃焼器１０において、両渦巻状流路２８、４２のほぼ中心部には、着火手段１８が設けられている。
【００６１】
この着火手段１８としては、具体的には、例えば、イグナイタ、セラミックヒータなどを例示することができるが、特に限定されるものではない。
【００６２】
着火手段１８は、その着火点５０が燃焼室１２側になるように配置されている。図１〜５では、予混合室１４側から燃焼室１２側に向かって着火手段１８が挿通され、その着火点５０が燃焼室１２の燃焼空間３２のほぼ中心部に配置された場合を例示している。
【００６３】
本燃焼器１０において、消炎孔２０は、着火手段１８の周囲（ここでは、予混合室１４の底部３４）に取り付けられたセラミックス体５２に複数形成されている。この場合には、消炎孔２０周辺の耐熱性が向上するため、燃焼室１２内の高熱により、比較的小さな消炎孔２０が、酸化されたり、変形が生じたりし難くなり、耐久性が向上するなどの利点がある
【００６４】
この消炎孔２０は、予混合室１４と燃焼室１２とを連通し、予混合室１４内に導入された予混合ガスＦを、燃焼室１２の燃焼空間３２に流入させる役割を有している。
【００６５】
したがって、消炎孔２０は、上記役割を果たすことができれば、上記セラミックス体５２ではなく、伝熱隔壁１６（予混合室１４の底板３４など）に直接形成されていても構わない。
【００６６】
本燃焼器１０において、消炎孔２０とは、消炎直径以下の直径を有する孔を意味する。予混合室１４と燃焼室１２とを連通する孔の直径が、消炎直径以下であれば、燃焼室１２で生じた火炎が予混合室１４側へ逆火することを防止することができる。
【００６７】
なお、消炎孔２０の数は、特に限定されるものではく、使用する燃料の種類、インプット量などに応じて、種々調節することができる。また、具体的な消炎直径については、燃料の種類、予混合ガスＦの吹き出し速度、想定される予混合ガスＦの温度などを考慮して決定することができるものである。
【００６８】
次に、上記構成を備えた本燃焼器１０の作用効果について説明する。
【００６９】
本燃焼器１０では、予混合ガス導入口４０から導入された予混合ガスＦは、予混合室１４内の渦巻状流路４２に沿って外部から予混合室１４の中心部に至る。予混合室１４の中心部に至った予混合ガスＦは、消炎孔２０より燃焼室１２の燃焼空間３２に噴出される。噴出された予混合ガスＦは、着火手段１８により着火されて、火炎が形成されて燃焼が始まる。
【００７０】
火炎が一旦形成されると、中心部から熱くなり始め、やがて一定温度の定常状態に至る。そして、燃焼室１４の底板２２からの熱伝導あるいは輻射熱により、被加熱物（図示されない）を加熱することができる。
【００７１】
また、燃焼により生じた排気ガスＥは、燃焼室１２内の渦巻状流路２８に沿って、中心部から外部に向かって流れ、排気ガス排出口２６から排出される。
【００７２】
なお、予混合室１４では、予混合室１４の底板３４（伝熱隔壁１６）を介して伝わる燃焼室１２の熱を回収して、予混合ガスＦが十分に予熱される。
【００７３】
ここで、本燃焼器１０では、燃焼室１２内の渦巻状流路２８が、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成された部位を有している。そのため、予混合ガスＦの圧力損失を低減することができる。これは、主に、火炎が形成される燃焼空間３２に近い部分では、高温に曝されて排気ガスＥが熱膨張するが、上記構成を採用したことによって、排気ガスＥが排出されやすくなるためであると考えられる。
【００７４】
また、本燃焼器１０が、燃焼室１２の中心部に、渦巻状流路隔壁３０によって取り囲まれ、かつ、最高温度を示す火炎領域が燃焼室１２のほぼ中心部に優勢に形成される広さの燃焼空間３２を有している場合には、排気ガスＥ中に含まれるＣＯ濃度を低減することができる。これは、主に、高温な火炎が、渦巻状流路隔壁３０と接触し難くなるためなどの理由によるものと考えられる。
【００７５】
本燃焼器１０は、排気ガスＥ中のＣＯ濃度の低減効果に優れるなどの観点から、その運転時における予混合室１４内の温度が２５０℃以上にされることが好ましい。より好ましくは、２７０℃以上、さらに好ましくは、３００℃以上にされると良い。
【００７６】
本燃焼器１０は、燃焼室１２における底板２２が加熱面となっているので、片面加熱に適している。本燃焼器１０は、例えば、電気コンロや電気フライヤーなどの加熱源、スチームコンベクションやオーブンなどの熱源などの代替として、好適に用いることができる。
【００７７】
以上、実施形態に係る２層式燃焼器について説明したが、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、種々の変形・改良などが可能なものである。
【００７８】
例えば、燃焼室１２の底板２２は、例えば、燃焼室１２内を気密にできれば、被加熱物自体、あるいは、それを入れる容器（なべ底、鉄板など）などの一部などにより代用することも可能である。
【００７９】
また、例えば、本燃焼器１０は、予混合室１４の内壁面のうち、伝熱隔壁１６を除いた部分または予混合室１４の外壁面（外周壁４６と蓋部３８）、あるいは、その両壁面を、セラミックス層により被覆しても良い。
【００８０】
セラミックス層の材料としては、具体的には、例えば、コージェライト、炭化珪素などを例示することができる。
【００８１】
このような構成とした場合には、予混合室１４内の断熱性能が向上するので、予混合室１４に伝わった熱が外部に放出され難くなる。そのため、より片面加熱に適し、熱交換効率を向上させることができるなどの利点がある。
【実施例】
【００８２】
以下、本発明に係る２層式燃焼器を実施例を用いて説明する。
【００８３】
１．実施例および比較例に係る２層式燃焼器の作製
（実施例１）
ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を用いて、図１〜図５に示す構造を有する実施例１に係る２層式燃焼器（直径約１６０ｍｍ）を作製した。各部位の寸法は、図６に示した通りである。
【００８４】
この際、燃焼室における渦巻状流路の最大流路断面積は、約３１５ｍｍ２、最小流路断面積は、約２１０ｍｍ２であり、流路長さは、約６１０ｍｍである。また、予混合室における渦巻状流路の流路断面積は、約２１０ｍｍ２一定であり、流路長さは、約８３０ｍｍである。
【００８５】
なお、着火手段にはイグナイタを用い、予混合ガスに用いる燃料ガスには１３Ａを用いた。
【００８６】
上記実施例１に係る２層式燃焼器は、燃焼室の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって、その流路断面積が漸次減少するように形成されている。一方、予混合室の渦巻状流路は、中心部から外部に向かって、その流路断面積がほぼ一定となるように形成されている。また、消炎孔（直径０．９ｍｍ）は、予混合室が有する中心空間の底板面に取り付けたコージェライトセラミック円板に形成されている。
【００８７】
（実施例２）
ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）に代えてリン脱酸銅（Ｃ１２２０）を用いた以外は、実施例１に係る２層式燃焼器と同様にして、実施例２に係る２層式燃焼器を作製した。
【００８８】
（比較例１）
ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を用いて、図７に示す構造を有する比較例１に係る２層式燃焼器（直径約１２０ｍｍ）８０を作製した。８２が燃焼室、８４が予混合室、８６が伝熱隔壁、９０が消炎孔、８８が着火手段である。なお、各部位の寸法は、図８に示した通りである。
【００８９】
この際、燃焼室８２における渦巻状流路８２ａの流路断面積は、約９７．５ｍｍ２一定であり、流路長さは、約６８３ｍｍである。また、予混合室８４における渦巻状流路８４ａの流路断面積は、約９７．５ｍｍ２一定であり、流路長さは、約８５７ｍｍである。
【００９０】
なお、着火手段８８にはイグナイタを用い、予混合ガスに用いる燃料ガスには１３Ａを用いた。
【００９１】
上記比較例１に係る２層式燃焼器は、燃焼室と予混合室の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって、その流路断面積がほぼ一定となるように形成されている。また、消炎孔（直径０．９ｍｍ）は、予混合室が有する中心空間の底板面に取り付けたコージェライトセラミック円板に形成されている。
【００９２】
２．燃焼試験
２層式燃焼器を用いた燃焼試験装置の概略について説明する。すなわち、図９に示すように、２層式燃焼器１０の予混合ガス導入口４０に、予混合ガス導入配管５４を接続するとともに、排気ガス排出口２６に、排気ガス排出配管５６を接続する。
【００９３】
燃料源５８、空気源６０から供給される燃料（最大２０Ｌ／ｍｉｎ）、空気（最大２００Ｌ／ｍｉｎ）は各流量計６２、６４にて調節され、所定の空気比を有する予混合ガスＦとされる。また、予混合ガスＦは、圧力計６６にて調圧され、所定のインプット量にて予混合ガス導入口４０に供給される。
【００９４】
燃焼室１２の上部（加熱面）には、冷却ジャケット６８が積載されており、流量計７０にて調節された水道水７２を、入口７４から出口７６に向かって通水可能とされている。なお、２層式燃焼器１０の受熱効率は、水温が８０℃となる水道水の流量をＶ、入口の水温をＴ１、出口の水温をＴ２とすると、（Ｔ２−Ｔ１）×Ｖ／（テストガスの発熱量）×１００の計算式により算出することができる。テストガスには、１３Ａ（ＣＨ４８８％、Ｃ２Ｈ４６％、Ｃ３Ｈ８４％、Ｃ４Ｈ１０２％、１１，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）を用いている。
【００９５】
排気ガスＥ中のＣＯ濃度および排気ガスＥの温度は、排気ガス排出口２６から５０ｍｍ離れた位置でサンプリングした排気ガスＥから測定した。なお、圧力損失は、予混合ガスＦの圧力と排気ガスＥの出口圧力との差から求めることができる。
【００９６】
各２層式燃焼器１０には、火炎形成状態を確認するため、それぞれ図１０および図１１に示す位置に、Ｒ型熱電対６６（０．３ｍｍφ）が複数本取り付けられており、燃焼室１０の中心部から距離と温度との関係を測定できるように設定されている。
【００９７】
なお、上記燃焼試験は、予混合ガスＦのインプット量を、３ｋＷ、５ｋＷ、６ｋＷとした。また、各インプット量において、空気比を約０．９〜１．７の間で変化させた。
【００９８】
３．評価結果
図１２は、実施例１および比較例１に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と圧力損失との関係を示したものである。
【００９９】
図１２によれば、何れの空気比、インプット量の範囲においても、実施例１に係る２層式燃焼器の方が、比較例１に係る２層式燃焼器よりも、予混合気の圧力損失が小さいことが分かる。
【０１００】
これは、実施例１に係る２層式燃焼は、燃焼室の渦巻状流路が、中心部から外部に向かって流路断面積が漸次減少するように形成されており、温度による排気ガスの体積膨張が考慮されているので、排気ガスが排出されやすくなり、予混合ガスの圧力損失が低減されたものと考えられる。
【０１０１】
図１３は、実施例１および比較例１に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示したものである。
【０１０２】
図１３によれば、何れの空気比、インプット量の範囲においても、実施例１に係る２層式燃焼器の方が、比較例１に係る２層式燃焼器よりも、ＣＯ濃度が低減されていることが分かる。
【０１０３】
これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、図１４は、比較例１に係る２層式燃焼器における、燃焼室中心部からの距離と温度との関係（燃焼室内の温度分布：インプット量＝５ｋＷ）を示したものである。図１５は、実施例１に係る２層式燃焼器における、燃焼室中心部からの距離と温度との関係（燃焼室内の温度分布：インプット量＝６ｋＷ）を示したものである。
【０１０４】
図１４によれば、比較例１に係る２層式燃焼器は、燃焼室内の火炎の高温域が、燃焼室の中心部を取り囲む渦巻状流路隔壁の近傍に存在していることが分かる。したがって、高温な火炎は、渦巻状流路隔壁に接触していると考えられる。
【０１０５】
それ故、渦巻状流路隔壁との接触により火炎は熱を奪われ、これによって、酸化反応が抑制されて反応速度が低下し、燃焼温度も低下して、高ＣＯ濃度の排気ガスが排出されたものと考えられる。
【０１０６】
これに対し、図１５によれば、実施例１に係る２層式燃焼器は、燃焼室内の火炎の高温域は、燃焼室の中心部を取り囲む渦巻状流路隔壁の近傍には存在しておらず、燃焼室のほぼ中心部に優勢に存在していることが分かる。
【０１０７】
つまり、実施例１に係る２層式燃焼器は、高温の火炎が、ほぼ中心部に優勢に形成されるのに十分な広さの燃焼空間を有していることから、高温の火炎が渦巻状流路隔壁に接触し難くなり、燃焼室内での安定燃焼が達成され、ＣＯ濃度を低減を図ることができたものと考えられる。
【０１０８】
次に、図１６は、実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と受熱効率との関係を示したものである。図１７は、実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示したものである。図１８は、実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と予混合室内の温度との関係を示したものである。
【０１０９】
これらの図から以下のことが分かる。すなわち、図１６に示すように、銅材で形成した実施例２に係る２層式燃焼器は、ステンレス鋼材で形成した実施例１に係る２層式燃焼器に比較して、受熱効率が約７％程度向上していることが分かる。
【０１１０】
もっとも、図１７に示すように、実施例２に係る２層式燃焼器は、排気ガス中のＣＯ濃度も若干高めとなる。これは、図１８に示すように、予混合室内の温度が低下したためであると考えられる。
【０１１１】
これらのことから、上記燃焼室を形成する金属材料の熱伝導率を、上記予混合室を形成する金属材料の熱伝導率よりも大きくすれば、受熱効率を向上させることができ、排気ガス中のＣＯ濃度の低減にも寄与しやすいことが分かる。
【０１１２】
また、その運転時に、予混合室内の温度を約２５０℃以上にされる場合には、排気ガス中のＣＯ濃度の低減効果に優れることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本実施形態に係る２層式燃焼器の外観を模式的に示した斜視図である。
【図２】本実施形態に係る２層式燃焼器の正面図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図６】実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器の各部位の寸法を示した図である。
【図７】比較例１に係る２層式燃焼器の断面図（図１におけるＡ−Ａ断面に相当）である。
【図８】比較例１に係る２層式燃焼器の各部位の寸法を示した図である。
【図９】２層式燃焼器を用いた燃焼試験装置の概略図である。
【図１０】実施例に係る２層式燃焼器における熱電対の取り付け位置を示した図である。
【図１１】比較例に係る２層式燃焼器における熱電対の取り付け位置を示した図である。
【図１２】実施例１および比較例１に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と圧力損失との関係を示した図である。
【図１３】実施例１および比較例１に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示した図である。
【図１４】比較例１に係る２層式燃焼器における、燃焼室中心部からの距離と温度との関係（燃焼室内の温度分布：インプット量＝５ｋＷ）を示した図である。
【図１５】実施例１に係る２層式燃焼器における、燃焼室中心部からの距離と温度との関係（燃焼室内の温度分布：インプット量＝６ｋＷ）を示した図である。
【図１６】実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と受熱効率との関係を示した図である。
【図１７】実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と排気ガス中のＣＯ濃度との関係を示した図である。
【図１８】実施例１および実施例２に係る２層式燃焼器における、予混合気の空気比と予混合室内の温度との関係を示した図である。
【図１９】改良前に係る２層式燃焼器の断面構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０  ２層式燃焼器
１２  燃焼室
１４  予混合室
１６  伝熱隔壁
１８  着火手段
２０  消炎孔
２２  底板（燃焼室側）
２４  外周壁（燃焼室側）
２６  排気ガス排出口
２８  渦巻状流路（燃焼室側）
３０  渦巻状流路隔壁（燃焼室側）
３２  燃焼空間
３４  底板（予混合室側）
３６  外周壁（予混合室側）
３８  蓋部
４０  予混合ガス導入口
４２  渦巻状流路（予混合室側）
４４  渦巻状流路隔壁（予混合室側）
４６  外周壁（予混合室側）
４８  空間
５０  着火点
５２  セラミックス体
Ｆ    予混合ガス
Ｅ    排気ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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