(57)【要約】【課題】可燃限界近くまで空気過剰率を低くした過濃混合気を用いつつも、炎孔火炎の保炎を図ることにより可及的な低ＮＯx化を図り得る二段燃焼装置を提供する。【解決手段】炎孔部５ｂを構成する混合気噴出口５１の燃焼空間３側を覆うように多孔質の保炎部材９を配設する。混合気噴出口から噴出される過濃混合気が保炎部材の連続細孔を通過して上面位置に炎孔火炎５２が形成される。炎孔火炎から生じる高温の燃焼ガスにより保炎部材を赤熱させて炎孔火炎を保炎する。炎孔火炎から発生した未燃成分を含む燃焼ガスが誘導壁により誘導され空気噴出部に流され、空気噴出口からの二次空気により完全燃焼される。過濃混合気の噴出流の衝突、端縁での巻き込みにより渦流を生じさせたり、流路を急拡大させたりして保炎してもよい。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えた二段燃焼装置であって、
上記炎孔部には過濃混合気が噴出される混合気噴出口に相対向して覆うように保炎部材が配設されている
ことを特徴とする二段燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の二段燃焼装置であって、
上記炎孔部から、可燃限界よりも大値側であって可燃限界近傍の空気過剰率を有する過濃混合気が噴出されるように構成されている、二段燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の二段燃焼装置であって、
上記保炎部材は、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気と衝突することにより渦流を発生させ、この渦流となった過濃混合気により炎孔火炎が形成されるように構成されている、二段燃焼装置。
【請求項４】
請求項３に記載の二段燃焼装置であって、
上記保炎部材は、上記混合気噴出口からの過濃混合気の噴出流に対し交差する衝突壁面と、渦流を発生させる端縁とを有するように形成されている、二段燃焼装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の二段燃焼装置であって、
上記保炎部材は、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気により形成される炎孔火炎から生じる燃焼ガスとの接触により加熱されて赤熱し、赤熱することにより上記炎孔火炎の保炎を行うように構成されている、二段燃焼装置。
【請求項６】
請求項５記載の二段燃焼装置であって、
上記保炎部材は、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気が通過し得る連続細孔を有する多孔質部材により形成されている、二段燃焼装置。
【請求項７】
先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えた二段燃焼装置であって、
上記炎孔部には、過濃混合気が噴出される混合気噴出口を囲む壁部と、この壁部の先端において過濃混合気の渦流を生じさせる凹部とを備えた保炎手段が付設されている
ことを特徴とする二段燃焼装置。
【請求項８】
先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えた二段燃焼装置であって、
上記炎孔部には過濃混合気が噴出される混合気噴出口に隣接して空気供給口が配設され、
上記空気供給口は上記混合気噴出口からの過濃混合気の噴出流の外表面部近傍に少量の空気を吐出供給するように構成されている
ことを特徴とする二段燃焼装置。
【請求項９】
請求項８に記載の二段燃焼装置であって、
上記空気供給口は上記混合気噴出口の周囲を囲むように配設されている、二段燃焼装置。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の二段燃焼装置であって、
上記炎孔部はその混合気噴出口から可燃限界近傍の空気過剰率を有する過濃混合気が噴出されるように構成され、
上記空気供給口から吐出供給される空気量は上記混合気噴出口から噴出される過濃混合気に含まれる空気量の１０％程度の少量に設定されている、二段燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１段階目で炎孔面において燃料濃度が過濃な過濃混合気を燃焼させ、この燃焼により生じる未燃成分を多く含む燃焼ガスに対し２段階目において二次空気を吹き出させて完全燃焼させるようにした二段燃焼装置に関し、特に上記過濃混合気による上記炎孔面における炎孔火炎を確実に保炎させることにより可及的な低ＮＯx化を図るための技術に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブンゼン式バーナでは燃焼振動（燃焼騒音）が発生し難く、又、高いＴＤＲ（Turn Down Ratio：ターンダウン比又は絞り比）を実現し得るものの、ＮＯx排出量が多いといわれている。低ＮＯx化のために、ブンゼン火炎の外炎に二次空気を吹き出して外炎温度を下げつつ未燃成分の完全燃焼化を図り、これにより低ＮＯx化を図ることが考えられており、このような二次空気の吹き出しを行う燃焼装置も知られている（例えば特許文献１参照）。このものでは、炎孔面に形成される炎孔火炎に対し平行に二次空気を吹き出させている。
【０００３】
他の例として、ボイラ火炉を対象として炎孔火炎から生じる燃焼ガスと二次空気との混合促進を図るために、燃焼空間内の中央に障害物を設置し、この障害物により上記燃焼ガス及び二次空気の双方に渦流を発生させて積極的に乱流化させるようにしている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平４−３２２８７号公報
【特許文献２】
特開平１０−１６９９１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特許文献１で提案の燃焼装置においては、炎孔火炎に二次空気が直接に接触するとＮＯx発生の増大化を招くという不都合がある上に、未燃成分と二次空気との混合促進は図り得ない。一方、上記の特許文献２で提案の燃焼装置においては、渦流の積極的形成により著しい燃焼騒音が発生することになる。ボイラ火炉であれば問題とはならないものの、このような技術を例えば給湯器等の燃焼騒音を極力抑制すべき燃焼装置に適用することはできない。
【０００６】
そこで、本出願人は先に出願した特願２００２−２５３５８４号において、燃焼ガスの乱流化を極力抑制して燃焼騒音の発生を抑制しつつも、未燃成分と二次空気との混合促進を図り低ＮＯx化を図り得る二段燃焼装置を提案した。
【０００７】
そして、本出願人は、上記提案の二段燃焼装置と同等以上の所定の作用・効果を得つつも、さらに低ＮＯx化を図り得る二段燃焼装置の開発・実験を進めてきたところ、次の知見を得るに至った。すなわち、二段燃焼において不完全燃焼火炎である一次火炎を形成するための過濃混合気（一次混合気）の燃料濃度をある所定の高濃度域にすれば、言い換えると空気過剰率をできるだけ低くすれば可及的な低ＮＯx化を図り得ることを見いだした。
【０００８】
図１５は燃料としてメタンガスを用いた場合の実験結果を示し、この実験結果によれば上記一次混合気の空気過剰率（ｍ値）が０．６５付近まではＮＯxの発生濃度が極めて低い領域で推移するものの、ｍ値が０．６５付近よりも大きくなるとＮＯxの発生濃度はｍ値の増加と共に高率で増加する。つまり、ＮＯxの発生濃度とｍ値との関係においてはｍ値に変曲点（ｍ値＝約０．６５）が存在し、その変曲点までの低ｍ値域ではＮＯxの低濃度域であり、変曲点で極小のＮＯx発生濃度となり、変曲点よりもｍ値が増大するとＮＯxの発生濃度は飛躍的に増加する。このような傾向はメタンガス以外の燃料においても同様傾向を示すと考えられる。なお、以上の実験は同じ送風ファンからの空気供給により一次混合気の生成と二次空気の供給との双方を行うようにしている。このため、一次混合気に含まれる空気量と二次空気量との合計値に基づく全体空気過剰率ｍtは一次混合気の空気過剰率ｍの増加と共にほぼ線形に増加することになるものの、この全体空気過剰率ｍtにおいても弱いながらも変曲点が存在していることが図１５より把握される。
【０００９】
以上より、一次混合気として上記の可燃限界近くの変曲点付近のかなり低いｍ値を有する過濃混合気とすれば、炎孔火炎の低温化と共に可及的な低ＮＯx化が図られる上に、全体の空気供給必要量も低減化して送風ファンの小型化にも寄与することにもなると考えられる。その反面、このようにかなり低いｍ値にすると炎孔火炎の燃焼速度が著しく遅くなってしまい、これに伴いリフトや吹き飛び等が生じて保炎が困難になったり、炎孔火炎の長大化が生じて炎孔火炎と二次空気との分離のために二段燃焼装置の大型化を招いたりするという不都合の発生が予想される。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、かなり低い空気過剰率にした過濃混合気を用いつつも、炎孔火炎の保炎を図ることにより可及的な低ＮＯx化を図り得る二段燃焼装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明では、二段燃焼装置として、先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えたものとする。そして、上記炎孔部に、過濃混合気が噴出される混合気噴出口に相対向して覆うように保炎部材を配設することとした（請求項１）。
【００１２】
この第１の発明の場合、混合気噴出口から噴出される過濃混合気の燃焼により形成される炎孔火炎が上記保炎部材により確実に保炎されるため、その過濃混合気が極めて低い空気過剰率に設定されていても、炎孔火炎を安定的に保炎して維持させることが可能になる。そして、炎孔火炎から発生する未燃成分を多く含む燃焼ガスが上記誘導手段により誘導されて空気噴出部の突出端部まで誘導され、この突出端部から吹き出される二次空気と混合されて上記の未燃成分が完全燃焼されることになる。以上により、上記炎孔部から噴出させる過濃混合気の空気過剰率を極めて低くしてＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、安定的に二段燃焼を実現させ得ることになる。特に、上記炎孔部から、可燃限界よりも大値側であって可燃限界近傍の空気過剰率を有する過濃混合気が噴出される構成を採用することにより（請求項２）、可及的な低ＮＯx化を図ろうとする場合であっても、炎孔火炎を安定的に保炎して二段燃焼を確実に継続させることが可能になる。
【００１３】
以上で採用する保炎部材のより具体的な構成として、次の種々のものを採用し得る。第１には、上記保炎部材として、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気と衝突することにより渦流を発生させ、この渦流となった過濃混合気により炎孔火炎が形成される構成とする（請求項３）。この場合には、流体中に物体を配置してその物体に衝突させた場合にその物体の後流領域に乱流渦が生じることを利用して、保炎部材の後流領域で生じる過濃混合気の渦流により炎孔火炎の基部が安定的に保炎されることになる。このような構成の保炎部材としては、上記混合気噴出口からの過濃混合気の噴出流に対し交差する衝突壁面と、渦流を発生させる端縁とを有するように形成すればよい（請求項４）。すなわち、衝突壁面に衝突した噴出流が端縁において渦流を生じさせることになる。上記衝突壁面としては噴出流に対し直交する壁面にしてもよいし、傾斜方向に拡がる壁面でもよく、噴出流の流れを非流線型にし得る壁面であればよい。
【００１４】
第２には、上記保炎部材として、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気により形成される炎孔火炎から生じる燃焼ガスとの接触により加熱されて赤熱し、赤熱することにより上記炎孔火炎の保炎を行う構成とする（請求項５）。この場合には、保炎部材が炎孔火炎から生じる高温の燃焼ガスと接触して加熱されて赤熱し、この赤熱状態を維持するため、この赤熱状態の保炎部材により炎孔火炎が安定的に形成されて維持されることになる。このような構成の保炎部材としては、金属又はセラミックス等の良好な熱伝導性及び耐熱性を有する材質のもので形成すればよいが、上記混合気噴出口から噴出された過濃混合気が通過し得る連続細孔を有する多孔質部材により形成するのが好ましい（請求項６）。この場合には、保炎部材の連続細孔出口から炎孔火炎が形成される一方、その炎孔火炎からの燃焼ガスにより加熱されて保炎部材自体が赤熱することになる。例えば多孔質セラミックスや金属繊維を不織布様に絡み合わせたものなどが該当する。
【００１５】
第２の発明では、二段燃焼装置として、先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えたものとする。そして、上記炎孔部に、過濃混合気が噴出される混合気噴出口を囲む壁部と、この壁部の先端において過濃混合気の渦流を生じさせる凹部とを備えた保炎手段を付設することとした（請求項７）。
【００１６】
この第２の発明の場合、混合気噴出口からの過濃混合気の噴出流の外側部分が上記壁部に沿って流れ、その先端において凹部側に巻き込まれて渦流が生じて減速されることになる。このため、この過濃混合気の渦流により炎孔火炎の基部が安定的に保炎されることになる。これにより、過濃混合気が極めて低い空気過剰率に設定されていても、炎孔火炎を安定的に保炎して維持させることが可能になる。そして、炎孔火炎から発生する未燃成分を多く含む燃焼ガスが上記誘導手段により誘導されて空気噴出部の突出端部まで誘導され、この突出端部から吹き出される二次空気と混合されて上記の未燃成分が完全燃焼されることになる。以上により、この第２の発明においても、上記炎孔部から噴出させる過濃混合気の空気過剰率を極めて低くしてＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、安定的に二段燃焼を実現させ得ることになる。
【００１７】
第３発明では、二段燃焼装置として、先端が開口し基端が閉塞された筒状内面により区画形成された燃焼空間と、この燃焼空間の基端側に配設され空気量が理論燃焼空気量よりも少なく燃料濃度の高い過濃混合気を上記燃焼空間に向けて燃焼させる炎孔部と、この炎孔部よりも上記燃焼空間の先端開口側に向けて突出するように配設されその突出端部から二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記炎孔部に形成される炎孔火炎から発生する燃焼ガスを上記空気噴出部の突出端部に向けて誘導する誘導手段とを備えたものとする。そして、上記炎孔部に、過濃混合気が噴出される混合気噴出口に隣接して空気供給口を配設し、この空気供給口として上記混合気噴出口からの過濃混合気の噴出流の外表面部近傍に少量の空気を吐出供給する構成とする（請求項８）。
【００１８】
この第３の発明の場合、空気供給口において、空気供給口から吐出供給される空気と、過濃混合気の噴出流の外表面部とが拡散混合されながら補炎が形成されることになる。そして、この補炎は空気供給口からの空気の供給を受けながら安定火炎として形成されることになる。このため、この補炎により炎孔部の炎孔火炎を確実に保炎された状態に維持させることが可能になる。これにより、過濃混合気が極めて低い空気過剰率に設定されていても、炎孔火炎を安定的に保炎して維持させることが可能になる。そして、炎孔火炎から発生する未燃成分を多く含む燃焼ガスが上記誘導手段により誘導されて空気噴出部の突出端部まで誘導され、この突出端部から吹き出される二次空気と混合されて上記の未燃成分が完全燃焼されることになる。以上により、この第３の発明においても、上記炎孔部から噴出させる過濃混合気の空気過剰率を極めて低くしてＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、安定的に二段燃焼を実現させ得ることになる。
【００１９】
このような第３の発明における空気供給口としては上記混合気噴出口の周囲を囲むように配設することができる（請求項９）。この場合には炎孔火炎の基部周囲を囲むように補炎が形成されるため、炎孔火炎の保炎をより一層安定的かつ確実に維持させ得る。
【００２０】
また、上記炎孔部の混合気噴出口から可燃限界近傍の空気過剰率を有する過濃混合気が噴出される構成とし、上記空気供給口から吐出供給される空気量を上記混合気噴出口から噴出される過濃混合気に含まれる空気量の１０％程度の少量に設定することができる（請求項１０）。この場合には、空気供給口から吐出供給する空気量が特定され、第３の発明での補炎の形成による炎孔火炎の保炎と、可及的な低ＮＯx化との両立がより確実に実現されることになる。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１〜請求項６のいずれかの二段燃焼装置によれば、混合気噴出口から噴出される過濃混合気により炎孔部に形成される炎孔火炎を保炎部材により確実に保炎することができる。このため、過濃混合気の空気過剰率を極めて低く設定してＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、炎孔火炎を安定的に保炎して維持させることができ、安定的に二段燃焼を実現させることができる。
【００２２】
特に、請求項２によれば、可及的な低ＮＯx化を図ることができると同時に、炎孔火炎を安定的に保炎して二段燃焼を確実に継続させることができる。
【００２３】
請求項３によれば、保炎部材の後流領域で生じる過濃混合気の渦流により炎孔火炎の基部を安定的に保炎することができ、請求項４によれば、請求項３の保炎部材をより具体的に特定することができる。
【００２４】
請求項５によれば、保炎部材を炎孔火炎自身からの輻射熱により赤熱させて赤熱状態を維持することができ、この赤熱状態の保炎部材により炎孔火炎を安定的に形成して維持させることができる。また、請求項６によれば、多孔質部材により構成された保炎部材の連続細孔出口に炎孔火炎を形成させることができる一方、その炎孔火炎により加熱されて保炎部材自体を赤熱することができる。
【００２５】
請求項７の二段燃焼装置によれば、混合気噴出口から噴出されて保炎手段の壁部に沿って流れた過濃混合気を壁部の先端において凹部側に巻き込ませて渦流を生じさせることができ、この過濃混合気の渦流により炎孔火炎の基部を安定的に保炎させることができる。これにより、炎孔部から噴出させる過濃混合気の空気過剰率を極めて低く設定してＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、炎孔火炎を安定的に保炎して安定的に二段燃焼を実現させることができるようになる。
【００２６】
請求項８〜請求項１０のいずれかの二段燃焼室装置によれば、過濃混合気が噴出される混合気噴出口に隣接した空気供給口において補炎を形成することができ、この安定火炎として形成される補炎により炎孔部の炎孔火炎を確実に保炎された状態に維持させることができる。これにより、過濃混合気が極めて低い空気過剰率に設定してＮＯx発生量を低く抑えるようにしたとしても、炎孔火炎を安定的に保炎して安定的に二段燃焼を実現させることができるようになる。
【００２７】
特に、請求項９によれば、炎孔火炎の基部周囲を囲むように補炎を形成することができ、炎孔火炎の保炎をより一層安定的かつ確実に維持させることができる。
【００２８】
請求項１０によれば、空気供給口から吐出供給する空気量を特定して、補炎の形成による炎孔火炎の保炎と、可及的な低ＮＯx化との両立をより確実に実現させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る二段燃焼装置を示す。図１において、２は先端（同図の上端）が開口２１とされ基端（同図の下端）側が閉塞された筒状内面２２を有する筒状本体、３はこの筒状本体２の筒状内面２２により区画形成された燃焼空間、４はこの燃焼空間３の基端位置であって燃焼空間３の中央軸Ｘ寄りの中央範囲から燃焼空間３の先端開口２１側に所定量突出させた空気噴出部、５ａ及び５ｂは上記燃焼空間３の基端位置であって上記空気噴出部４の外側位置でこの空気噴出部４を取り囲むように配設された炎孔部、６は上記空気噴出部４の先端部（図１の上端部）よりも燃焼空間３の先端開口２１側位置の筒状内面２２から燃焼空間３の内側に突出された誘導手段としての誘導壁である。上記先端開口２１の図１の上方側には図示省略の加熱対象が配設されるようになっており、例えば給湯器の場合であると、内部を通過する水を熱交換加熱するための熱交換器が加熱対象として配設される。
【００３１】
なお、二段燃焼装置は円筒状又は角筒状等の種々の筒形状に構成することが可能であり、円筒状の場合であれば上記筒状内面２２は円筒内面に、中央軸Ｘは中心軸に、空気噴出部４は円筒状となって中心範囲に、炎孔部５ａ，５ｂは空気噴出部４を取り囲んで外周側位置に、誘導壁６はドーナッツ板状にそれぞれなり、角筒状の場合であれば上記筒状内面２２は角筒内面に、空気噴出部４はその幅方向中央位置に、炎孔部５ａ，５ｂはこれを挟んで両外側位置に、誘導壁６は両側からの張り出し板状にそれぞれなる。以下、二段燃焼装置が円筒状に構成されているものとして説明する。
【００３２】
上記燃焼空間３は、基端側が上記両炎孔部５ａ，５ｂ及び空気噴出部４により、外周側が上記筒状内面２２によりそれぞれ区画されたものである。そして、上記誘導壁６の内端縁６１により上記燃焼空間３に狭窄部７が形成されている。この誘導壁６は基端側位置の炎孔部５ｂよりも燃焼空間３の先端開口２１側位置においてその炎孔部５ｂと相対向するように配設される一方、上記狭窄部７の開口位置に臨んで上記空気噴出部４が配設されている。
【００３３】
上記空気噴出部４は、内部に空気が圧送されるようになっており、突出端部４０に開けられた空気噴出口４１，４１，…から上記空気を二次空気として燃焼空間３に噴出させて後述の燃焼ガスに吹き出させるようになっている。上記各空気噴出口４１は上記狭窄部７に向けて開口し、二次空気を燃焼空間３の中心軸Ｘ寄りの中心領域に対し先端開口２１側に向けて吹き出させるようになっている。
【００３４】
上記炎孔部５ａ，５ｂには所定の過濃混合気が供給されて噴出させることにより炎孔部５ａ，５ｂにおいて過濃混合気の一次燃焼により空気不足状態の不完全燃焼火炎である炎孔火炎５１，５１，…が形成されるようになっている。上記炎孔部５ａは燃焼空間３の基端外周側を区画する筒状内面２２において空気噴出部４側（内周側）に臨む位置に配設され、上記炎孔部５ｂは上記燃焼空間３の基端側において燃焼空間３の先端開口２１側に臨む位置に配設されたものである。
【００３５】
上記過濃混合気とは空気過剰率が１．０（１００％）未満に設定された燃料濃度の高い過濃燃料混合気のことであり、空気過剰率を燃料ガスの可燃限界の空気過剰率に近い値（例えば０．６〜０．７）に設定した過濃混合気が望ましい。例えば燃料ガスがメタンガスであれば可燃限界の空気過剰率０．６３に対し０．６４〜０．７０の範囲あるいは０．７０を挟んでプラス・マイナス０．０５の範囲、好ましくは０．６５程度の空気過剰率を有する過濃混合気とする。
【００３６】
また、上記誘導壁６の付け根位置近傍であって燃焼空間３の先端開口２１側又は基端側の一側又は両側位置（図１には一側位置を例示）には噴出口２３が開口し、この各噴出口２３から筒状内面２２の背後に沿って供給された空気が誘導壁６に沿って燃焼空間３の内側に向けて吹き出されるようになっている。
【００３７】
以上の構成に加え、上記炎孔部５ａ，５ｂには図２に炎孔部５ｂの場合の詳細を示すようにこの炎孔部５ｂを構成する各混合気噴出口５１に相対向してこの各混合気噴出口５１を覆うように保炎部材８が配設されている。この各保炎部材８はＶの字状の断面形状を有する板状部材により形成されており、この下側の尖端８０を挟んだ両側に過濃混合気の噴出流が衝突する衝突壁面８１，８１と、両側端の端縁８２，８２とを有している。そして、上記各衝突壁面８１に過濃混合気の噴出流が衝突して強制的に向きを変えた後、各端縁８２において一部が巻き込まれて渦流５２１を生じさせ、この乱流渦状態の渦流５２１領域を基部として炎孔火炎５２（図１参照）が形成されるようになっている。なお、図１では炎孔部５ａに対する上記の保炎部材８の図示を省略しているが、図２に示すものと同様の保炎部材８が配設されている。
【００３８】
上記各保炎部材８の好ましい配設状態としては、各混合気噴出口５１の幅をＰ、各混合気噴出口５１との距離をＨとすると、Ｖの字状であればＨが０以上で４Ｐ以下の範囲になるようにする。これは、気体が噴出口から噴出される際に、その噴出エネルギーの及ぶ領域が上記噴出口の直径の数倍の距離までであることを考慮したものである。また、上記各衝突壁面８１の傾斜角度αとしては噴出流の方向（図２の上下方向）に対し０°〜４５°の範囲に設定する。つまり、Ｖの字状であっても上記噴出流に対し直交するものであってもよい。
【００３９】
図３は炎孔部５ｂにおける空気噴出口５１と保炎部材８との関係における種々の態様を示し、図３（ａ）はスリット状の空気噴出口５１の場合、図３（ｂ）は孔状の空気噴出口５１，５１，…の場合、図３（ｃ）は孔状の空気噴出口５１、５１，が円弧状に配置されて円弧状に湾曲した保炎部材８の場合をそれぞれ示している。これらは二段燃焼装置の全体形状等に応じて適宜選択すればよい。
【００４０】
この第１実施形態の場合には、保炎部材８により過濃混合気が渦流状態となり、この乱流渦の過濃混合気により炎孔火炎５２の基部が形成されるため、その炎孔火炎８を安定的に保炎することができる。このため、炎孔部５ａ，５ｂから噴出させる過濃混合気を可燃限界近くの空気過剰率まで極めて低く設定しても、その過濃混合気により形成される炎孔火炎５２の燃焼状態を安定的に維持することができ、これにより、可及的な低ＮＯx化を図ることができる。上記炎孔火炎５２から発生する未燃成分を多く含む燃焼ガス（図１の一点鎖線の矢印参照）が誘導壁６に誘導されて狭窄部７、すなわち、空気噴出部４の先端部側に流れ、流れてきた燃焼ガスに対し空気噴出部４の各空気噴出口４１から二次空気が吹き出され、この二次空気と混合されて燃焼ガス中の未燃成分が完全燃焼（二次燃焼）されることになる。この際、筒状内面２２及び誘導壁６に沿って流れる一部の燃焼ガスが噴出口２３から吹き出された二次空気によって完全燃焼され、これにより、完全燃焼されずに燃焼ガスのまま先端開口２１側に流れることが確実に防止される。これと同時に、噴出口２３から噴出する二次空気によって誘導壁６の燃焼空間３に露出している壁面の冷却をも行うことができる。
【００４１】
なお、上記の二段燃焼の際の誘導壁６の機能について補足すると、上記誘導壁６が炎孔部５ａ，５ｂの先端開口２１側を覆っているため炎孔火炎５２の伸長が抑制され、空気噴出部４の先端部に対し燃焼ガスのみを誘導させることができ、空気噴出部４からの二次空気を燃焼ガスのみに対して吹き出させることができる。つまり、上記誘導壁６が空気噴出部４からの二次空気と、炎孔火炎５２との直接の接触を分離・遮断する機能と、炎孔火炎５２から発生する燃焼ガスの流れを空気噴出部４から吹き出される二次空気に対し交差するように誘導する機能とを発揮する。そして、上記分離・遮断機能により二次空気が炎孔火炎５２に直接に接触することに起因するＮＯx増大を確実に回避して過濃混合気の空気過剰率の設定に基づく可及的な低ＮＯx化を実現することができる。また、上記誘導機能により、各空気噴出口４１から二次空気を狭窄部７の開口を貫通して燃焼空間３の先端開口２１側に向けて吹き出させていることと相俟って、燃焼ガスの乱流化を抑制しつつ燃焼ガスの内部まで二次空気を貫通供給させて燃焼ガスと二次空気との混合促進を図ることができる。
【００４２】
なお、本第１実施形態の保炎部材８の他の形態としては、図４（ａ）に示すように孔状の各混合気噴出口５１からの過濃混合気の噴出流に直交する衝突壁面を有し、相隣接する両混合気噴出口５１，５１間の部分を切り欠いたような保炎部材８ａとしてもよく、又、混合気噴出口５１内に一部が挿入されて噴出流を分流するようにした挿入片８３を一体に有する保炎部材８ｂとしてもよい。
【００４３】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る二段燃焼装置を示す。なお、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４４】
この第２実施形態においては、炎孔部５ｂを構成する各混合気噴出口５１の燃焼空間３側を覆うように保炎部材９を配設している。この保炎部材９は図６に詳細を示すように多数の連続細孔を有する所定厚みの多孔質セラミックス（多孔質部材）により構成されており、二段燃焼装置の燃焼運転中において炎孔火炎５２から発生する高温の燃焼ガスにより加熱されて赤熱体となって炎孔火炎５２の保炎を行うようになっている。なお、図５では炎孔部５ａには保炎部材９が配設されていない状態を図示しているが、炎孔部５ａに対しては炎孔部５ｂ側の保炎部材９からその赤熱の影響が及ぶことを期待できるため、保炎部材９を配設しても、配設しなくても、いずれでもよい。
【００４５】
この保炎部材９と各混合気噴出口５１との間隔Ｓはゼロ又はなるべく小さくして大きくしすぎないようにするのが好ましい。各混合気噴出口５１の幅又は径をＬとすると、例えば０＜Ｓ＜Ｌの範囲に抑えるようにすればよい。上記の間隔Ｓがあまり大きすぎると、その隙間に過濃混合気が流れ込んでから保炎部材９を通過することになり、通過後の過濃混合気の速度分布が平坦化してしまい、各炎孔火炎５２が個々の火炎とはならずに互いの基部で繋がってしまうことになる。この結果、保炎部材９の燃焼ガスに晒される面積が減って燃焼ガスからの受熱が減って赤熱作用が減る結果、保炎効果も低減化してしまうからである。また、上記保炎部材９の厚みＴは混合噴出口５１の幅又は径Ｌとの関係では０＜Ｔ＜３Ｌの範囲に設定すればよい。この厚みＴを余りに分厚くすると、保炎部材９を通過する際に過濃混合気の速度分布が各混合気噴出口からの噴出流との間で平坦化されてしまい、上記の間隔Ｓが大きすぎる場合と同様に保炎効果が低減化してしまうことになる。
【００４６】
この第２実施形態の場合、各混合気噴出口５１から噴出された過濃混合気はそのまま保炎部材９の連続細孔を通過してその上面において炎孔火炎５２を形成する。この過濃混合気が通過して炎孔火炎５２を形成する領域を通過領域９１と呼び、炎孔火炎５２が形成されずに燃焼空間３側に露出する領域を非通過領域９２と呼ぶ。この非通過領域９２は上記炎孔火炎５２から発生する高温の燃焼ガスに晒されて高温に加熱されて赤熱する一方、上記通過領域９１は低温の過濃混合気の噴出流が通過し続けるため炎孔火炎５２からの輻射熱を受けるもののそれほどには加熱されずに耐熱性に有利となる。そして、上記非通過領域９２が赤熱状態になるため、炎孔火炎５２が保炎され、この状態が維持される。
【００４７】
このため、炎孔部５ａ，５ｂから噴出させる過濃混合気を第１実施形態と同様に可燃限界近くの空気過剰率まで極めて低く設定しても、その過濃混合気により形成される炎孔火炎５２の燃焼状態を安定的に維持することができ、これにより、可及的な低ＮＯx化を図ることができる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係る二段燃焼装置を示す。なお、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４９】
この第３実施形態においては、炎孔部５ｂを構成する各混合気噴出口５１の燃焼空間３側に対し流路断面積が各混合気噴出口５１のそれよりも大きくなるように各混合気噴出口５１を囲む突壁部１０を付設したものである。各混合気噴出口５１が直径Ｌ（図８参照）の孔状であれば上記突壁部１０は内径Ｄ（Ｌ＜Ｄ）の筒状に構成すればよく、又、上記各混合気噴出部５１が幅Ｌのスリット状であれば上記突壁部１０は内幅Ｄ（Ｌ＜Ｄ）の溝状の両側壁により構成すればよい。
【００５０】
この第３実施形態の場合、各混合気噴出口５１から過濃混合気が燃焼空間３に向けて噴出される際に、その各混合気噴出口５１の流路断面積が突壁部１０により急拡大するため、突壁部１０内で渦流を生じ、火炎基部がこの渦流により保炎された状態で炎孔火炎５２が燃焼空間３に延びることになる。しかも、突壁部１０は燃焼空間３に突出しているため、炎孔火炎５２から生じた高温の燃焼ガスに晒されて加熱され、この加熱された突壁部１０内での渦流により炎孔火炎５２の火炎基部での燃焼速度が増大して保炎作用がより増強されることになる。
【００５１】
＜第４実施形態＞
図９は、本発明の第４実施形態に係る二段燃焼装置を示す。なお、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５２】
この第４実施形態においては、図１０に示すように炎孔部５ｂの各混合気噴出口５１がこれを囲む壁部１１により形成され、この壁部１１の背後に凹部１２が形成されている。各混合気噴出口５１が孔状であれば上記壁部１１は管状に構成され凹部１２はドーナッツ環状に配置され、又、上記各混合気噴出部５１がスリット状であれば上記壁部１１は一対のもので構成され凹部１２は両外側に形成される。上記壁部１１と凹部１２とにより保炎手段が構成される。
【００５３】
この第４実施形態の場合、各混合気噴出口５１から過濃混合気が燃焼空間３に向けて噴出される際に、その噴出流の外側部分が各混合気噴出口５１を構成する壁部１１に沿って流れ、その先端の各混合気噴出口５１を出る際に凹部１２側に巻き込まれて渦流を生じ、減速されることになる。そして、この渦流部分により火炎基部が安定的に形成されて炎孔火炎５２が保炎されることになる。
【００５４】
＜第５実施形態＞
図１１は、本発明の第５実施形態に係る二段燃焼装置を示す。なお、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５５】
この第５実施形態においては、炎孔部５ｂの各混合気噴出口５１に隣接して空気供給管１３が配設され、この空気供供給管１３の上記各混合気噴出口５１から所定量突出した先端開口により空気供給口１４が燃焼空間３に臨んで開口されている（図１２も併せて参照）。また、上記各空気供給口１４は図１３に示すように各混合気噴出口５１を囲むように周囲に複数個配設されている。そして、この各空気供給口１４からは空気供給管１３を通して供給される少量の空気が各混合気噴出口５１からの過濃混合気の噴出流の外表面近傍に吐出供給されるようになっている。
【００５６】
上記炎孔部５ｂからは第１実施形態で説明したと同様の過濃混合気が噴出される一方、上記各空気供給口１４からはその過濃混合気に含まれる空気量の１０％近傍の少量の空気量が吐出供給されるように設定され、これにより、混合気噴出口５１からの過濃混合気と、空気供給口１４からの空気とを合わせた場合の空気過剰率が０．７０を挟んでプラス・マイナス０．０５の範囲になるようにされている。例えばメタンを燃料ガスとした場合には、上記過濃混合気の空気過剰率を０．６０〜０．６５に設定し、これの空気量の１０％の空気量を空気供給口１４から吐出供給させるようにする。
【００５７】
この第５実施形態の場合、空気供給口１４からの空気と、混合気噴出口５１からの噴出流の外側部分の過濃混合気とが拡散混合され、各空気供給口１４には比較的小さな補炎１５（図１２参照）が形成され、この補炎１５に囲まれて炎孔火炎５２が安定燃焼状態に保炎されることになる。このため、上記過濃混合気の空気過剰率を可燃限界近くまで低く設定したとしても、その炎孔火炎５２を確実に保炎することができ、可及的な低ＮＯx化を図ることができる。
【００５８】
図１４は上記第５実施形態と同じ原理を利用して構成した別の形態を示し、この場合では混合気噴出口５１と空気供給口１４との間に燃焼空間３側にのみ開口した凹部１６を形成している。この場合には、混合気噴出口５１からの過濃混合気の噴出及び空気供給口１４からの空気の吐出により凹部１６内が負圧傾向になり、過濃混合気の噴出の際にその過濃混合気の一部が凹部１６側に引き込まれて渦流を生じさせることになる。このため、補炎１５の形成に加え、渦流によっても炎孔火炎５２の保炎が図られることになる。
【００５９】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記各実施形態では誘導手段として誘導壁６を用いているが、この誘導壁６に代えて、誘導のための火炎を別に形成するようにしてもよい。すなわち、上記誘導壁６とほぼ同様位置の筒状内面に噴出口を設け、この噴出口から炎孔部からの過濃混合気と例えば同じ混合気を空気噴出部４の先端部側に向けて噴出させ、これにより、炎孔部の炎孔火炎から生じる燃焼ガスを先端部側に誘導するための誘導火炎を形成するようにする。このような誘導火炎により誘導手段が構成される。
【００６０】
さらに、上記の誘導壁６に代えて筒状内面を空気噴出部４の先端部の前方位置で狭窄部を形成するように内断面が徐々に低減する形状にしてもよい。この場合には、かかる筒状内面が誘導手段を構成することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す端面説明図である。
【図２】図１の保炎部材の拡大図である。
【図３】図１の混合気噴出口と保炎部材との各種形態の部分斜視図を示し、図３（ａ）は混合気噴出口がスリット状の場合、図３（ｂ）は混合気噴出口が孔状の場合、図３（ｃ）は混合気噴出口が円弧状配置の場合をそれぞれ示す。
【図４】図１の保炎部材の他の形態を示し、図４（ａ）は噴出流に対し直交する場合の部分斜視図を、図４（ｂ）は挿入片を一体に有する場合の端面図をそれぞれ示す。
【図５】第２実施形態の二段燃焼装置を示す端面説明図である。
【図６】図５の保炎部材の部分拡大図である。
【図７】第３実施形態の二段燃焼装置を示す端面説明図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】第４実施形態の二段燃焼装置を示す端面説明図である。
【図１０】図９の部分拡大図である。
【図１１】第５実施形態の二段燃焼装置を示す端面説明図である。
【図１２】図１１の部分拡大断面図である。
【図１３】図１１のＡ−Ａ線における拡大矢視図である。
【図１４】第５実施形態に属する他の形態を示す部分拡大端面図である。
【図１５】一次混合気の空気過剰率に対するＮＯx濃度及び全体空気過剰率の関係を示す図である。
【符号の説明】
３          燃焼空間
４          空気噴出部
５ａ，５ｂ  炎孔部
６          誘導壁（誘導手段）
８，８ａ，８ｂ      保炎部材
９          保炎部材（多孔質部材）
１０        突壁部（壁部）
１１        壁部
１２        凹部
１４        空気供給口
１５        補炎
２２        筒状内面
５２        炎孔火炎
８１        衝突壁面
８２        端縁
【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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