(57)【要約】【課題】本発明は、非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維で構成された多孔性のバーナエレメントにその燃焼特性に適した輻射グリッドを設けることにより、熱効率がより高い隙間・表面燃焼バーナを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る隙間燃焼バーナは、繊維径８〜２５μｍの非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維を空隙率６０〜９８％となるように積層したバーナエレメントと、該バーナエレメントの表面から１〜１５ｍｍ離れて設けられた輻射グリッドを有している。ここにＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維の組成中のＭは、安定な酸化物、炭化物、珪化物を形成するアルカリ金属、アルカリ土類金属、多価金属、遷移金属、貴金属、稀土類金属、アクチナイド金属から選ばれる１又は２以上の金属元素である。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維径８〜２５μｍの非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維を空隙率６０〜９８％となるように積層したバーナエレメントと、該バーナエレメントを覆う輻射グリッドを有し、該輻射グリッドが前記バーナエレメントの表面から１〜１５ｍｍ離れて設けられていることを特徴とする隙間・表面燃焼バーナ。ここにＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維の組成中のＭは、安定な酸化物、炭化物、珪化物を形成するアルカリ金属、アルカリ土類金属、多価金属、遷移金属、貴金属、稀土類金属、アクチナイド金属から選ばれる１又は２以上の金属元素である。
【請求項２】
輻射グリッドは、目開き寸法が０．１〜５ｍｍである網目状構造体であることを特徴とする請求項１記載の隙間・表面燃焼バーナ。
【請求項３】
輻射グリッドは、開口率が２５〜８５％の穴明き板状体であるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の隙間・表面燃焼バーナ。
【請求項４】
輻射グリッドは、耐熱金属からなるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の隙間・表面燃焼バーナ。
【請求項５】
輻射グリッドは、その表面がＳｉーＣーＭーＯ系セラミックスからなるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の隙間・表面燃焼バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、隙間・表面燃焼方式を利用した隙間・表面燃焼バーナに係り、特にセラミック繊維製の多孔性バーナエレメントに輻射グリッドを設けた隙間・表面燃焼バーナに関する。本発明にいう、隙間・表面燃焼とは、ほぼ理論燃焼酸素を含む予混合気が主としてバーナエレメントの表面直下の隙間において燃焼するが、一部の予混合気（全予混合気の１０％以下）がバーナエレメント表面において二次空気とともに燃焼するものをいう。
【０００２】
【従来の技術】
隙間・表面燃焼方式を利用した隙間・表面燃焼バーナは、高熱効率であることが知られている。また、その熱効率は主としてバーナエレメントの材質、構造に起因するバーナエレメントの燃焼特性に左右されることが知られている。
【０００３】
一方、隙間・表面燃焼バーナの熱効率を向上する方法として、バーナエレメントの表面を網目状あるいは格子状の部材で覆う方法が知られている。例えば、特許文献１には、商業的に入手可能な多孔質金属マットバーナに設けた、波形をつけた輻射バーナー格子であって、少なくとも１つの耐火性材料からなる複数のセグメントを含む骨組み構造又は網状構造を含み、該セグメントの交差部がそれらの間の開口を定め、前記構造は、波形のしわを更に含む、前記波形をつけた格子セラミック複合材料からなる輻射グリッドの発明が提案されている。このような部材は、輻射グリッドと称され、輻射グリッドとバーナエレメントの相互作用によりバーナエレメント表面温度を一層高め、バーナエレメント表面から発する輻射熱を増大させるので熱効率を向上させる効果がある。このような輻射グリッドは、セラミック繊維製の多孔性バーナエレメントを用いた隙間・表面燃焼バーナにも適用できる。例えば、特許文献２又は３で提案されている非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維（この代表例として、宇部興産株式会社製のチラノ（商標）、日本カーボン株式会社製のニカロン（商標）が知られている）製の多孔性バーナエレメントにも適用できる。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００１−５０９２４８号公報
【特許文献２】
特開２００３−９０５１５号公報
【特許文献３】
特開平９−１４６１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、輻射グリッドの効果は、輻射グリッドとバーナエレメントの相互作用により得られるものであるから、高い効果の得られる隙間・表面燃焼バーナを実現するには、バーナエレメントと輻射グリッドの材質、構造等を考慮して最適な組み合わせのものを選ぶ必要がある。
【０００６】
本発明は、繊維径８〜２５μｍの非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維を空隙率６０〜９８％となるように積層して構成したバーナエレメントを用いる隙間・表面燃焼バーナが、簡単な構造で安定した燃焼特性を示し、高熱効率であるという特徴を利用し、この隙間・表面燃焼バーナの有用性をさらに高めることを目的とする。特に本発明は、非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維を空隙率６０〜９８％となるように積層したバーナエレメントにその燃焼特性に適した輻射グリッドを設けることにより、熱効率のより高い隙間・表面燃焼バーナを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る隙間・表面燃焼バーナは、繊維径８〜２５μｍの非晶質ＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維を空隙率６０〜９８％となるように積層したバーナエレメントと、該バーナエレメントを覆う輻射グリッドを有し、該輻射グリッドは前記バーナエレメントの表面から１〜１５ｍｍ離れて設けられているものである。ここにＳｉーＣーＭーＯ系セラミック無機長繊維の組成中のＭは、安定な酸化物、炭化物、珪化物を形成するアルカリ金属、アルカリ土類金属、多価金属、遷移金属、貴金属、稀土類金属、アクチナイド金属から選ばれる１又は２以上の金属元素である。
【０００８】
上記隙間・表面燃焼バーナにおいて、輻射グリッドは、目開き寸法が０．１〜５ｍｍである網目状構造体であるのがよく、開口率が２５〜８５％の穴明き板状体であるのがよい。また、輻射グリッドは、耐熱金属からなるものがよいが、さらに、その表面がＳｉーＣーＭーＯ系セラミックスからなるものが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の平面図を示す。図２は図１のＡＡ断面図を示す。この例では、バーナケース２内に配設されたバーナエレメント１０の表面上にバーナエレメント１０を覆う輻射グリッド２０が設けられている。
【００１０】
バーナケース２は一方に開口面を有する箱状又は筒状であって、その内部は、多数の小孔４を有する多孔板３により開口面側と閉塞面側とに仕切られている。バーナエレメント１０は、多孔板３のバーナケース２の開口面側に配設され多孔板３とバーナケース２の縁部とで保持されている。バーナケース２と多孔板３とで囲まれたバーナケース２の閉塞面側には給気室５が構成され、給気室５には、バーナケース２の底面又は側面から予混合気を導入する供給管６が開口している。
【００１１】
バーナエレメント１０は、繊維径８〜２５μ、長さ１００〜１０００ｍｍの非晶質Ｓｉ−Ｃ−Ｍ−Ｏ系のセラミック無機長繊維（以下セラミック繊維という）を積層して空隙率６０〜９８％のマット状にしたものである。ここにセラミック繊維の組成中のＭは、安定な酸化物、炭化物、珪化物を形成するアルカリ金属、アルカリ土類金属、多価金属、遷移金属、貴金属、稀土類金属、アクチナイド金属から選ばれる１又は２以上の金属元素である。マットの厚みは１〜２０ｍｍであり、空隙は連続貫通している。セラミック繊維は、例えばチラノ繊維を利用することができる。チラノ繊維は、比熱が約０．７ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、比重が約２．５ｇ／ｃｍ３、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、繊維径が８〜１５μであり、本バーナエレメントに好適である。なお、本バーナエレメント１０は、セラミック繊維を積層してマット状に形成したものであるが、セラミック繊維を気流中で堆積させながら層状に積み上げてマット状に形成したものでもよい。
【００１２】
バーナエレメント１０の空隙率は、６０〜９８％とすることができるが、バーナエレメント１０を着火後直ちに赤熱させるためには８５％以上が好ましい。しかし空隙率を９８％以上にすると安定した隙間・表面燃焼状態が得られない。バーナエレメント１０の厚みは、１〜５ｍｍ程度で足るが、１〜２０ｍｍとすることができる。コスト上からはバーナエレメントは薄い方が有利である。
【００１３】
なおここにいうバーナエレメント１０の空隙率は、平均体積空隙率をいう。製造されたマット状バーナエレメントに静かに樹脂を注入して固化させた後、数個の断面を切り出し、この各断面を光学顕微鏡によって観察し、観測された繊維の全視野に占める面積率から求めることができる。
【００１４】
上記構成のバーナにおいては、バーナエレメント１０の熱容量が非常に小さく熱伝導率が低く、さらにガス流に対する抵抗負荷が極めて小さいから、予混合気は主としてバーナエレメント１０の表面直下の隙間内で燃焼するが、一部の予混合気（全予混合気の１０％以下）はバーナエレメント表面において二次空気とともに燃焼する。このような燃焼状態でバーナエレメント表面は赤熱して輻射熱を放射するとともに、バーナエレメント表面には張り付くような小さな火炎が見られる。その火炎の高さは、燃焼負荷によって変わるが、燃焼負荷密度が３０Ｗ／ｃｍ２・ｈの場合には１ｍｍ以下である。
【００１５】
本発明は、このような燃焼状態において熱効率、特に輻射熱による加熱効率を更に高めるために輻射グリッドを設ける。この輻射グリッド２０は、バーナエレメント１０を覆うように設けられており、赤熱したバーナエレメント１０が発する輻射熱及びバーナエレメント１０表面に張り付いた小さな火炎により輻射グリッド２０が加熱され、加熱された輻射グリッド２０が発する輻射熱により再度バーナエレメント１０の温度が上昇する。このバーナエレメント１０と輻射グリッド２０の相互作用による温度上昇により熱効率が向上する。さらに、輻射グリッド２０を構成する物質（一般には耐熱金属である）の単位体積当たりの熱容量は、バーナエレメント１０を構成するセラミック繊維の単位体積当たりの熱容量に比べて極めて大きいから、輻射グリッド２０を設けることにより保熱・保炎効果が得られ、ガス流が変化しても、また、雨風等の外乱があっても消炎し難く均一な隙間・表面燃焼状態が保持される。このような目的を達成するには、輻射グリッドの形状構造、取り付け位置を以下のようにする必要がある。
【００１６】
輻射グリッド２０は、バーナエレメント１０の表面から１〜１５ｍｍ離れて取り付ける必要がある。１ｍｍ未満であると、先の述べたようにバーナエレメント表面上の小さな火炎が輻射グリッドに接触する範囲内であるため、燃焼熱の多くが輻射グリッドに奪われて消炎し熱効率が低下するからである。一方、１５ｍｍを超えると輻射グリッドの十分な効果が得られなくなるからである。高燃焼負荷密度、確実な効果等を得るには、輻射グリッド２０の取り付け位置は、バーナエレメント１０の表面から３〜８ｍｍの位置にするのが好ましい。なお、輻射グリッド２０の取り付け寸法とは、バーナエレメント１０の表面上からその直上の輻射グリッド２０下端間の距離をいい、図２に示す寸法ｈをいう。
【００１７】
輻射グリッド２０は、平板状のものでも曲面状のものでもよいが、上記のバーナエレメント１０と輻射グリッド２０との相互輻射効果が得られるとともに、燃焼排ガスを適当に排出する開口部を有するものであればよい。これには、網あるいは格子状の構造体、例えば碁盤目又は三角目を有する金網が適用でき、さらには、エキスパンドメタルやパンチングメタルも適用できる。
【００１８】
図３に本発明に係る輻射グリッドの斜視図を示す。輻射グリッド２０は、線材を縦、横に組み合わせて構成した碁盤目の網目状構造体であり、縁部には、バーナケース２取付用の脚部２１が設けられている。なお、輻射グリッド２０は、碁盤目の網目状構造体に限らず、三角目のものでもその他の形状のものでもよい。また、脚部２１は、図４に示すような輻射グリッドの縁部を折り曲げた構造のものでもよい。
【００１９】
碁盤目又は三角目の網目状形状の輻射グリッド２０は、容易に製造することができるので好ましい。この場合、輻射グリッド２０の目開き寸法は、０．１〜５ｍｍとするのがよい。０．１ｍｍ未満であると、燃焼排ガスの放出抵抗が増加し不完全燃焼を生じて熱効率が低下するからである。一方、５ｍｍを超えると十分な熱効率の向上が図れないからである。なお、目開き寸法とは輻射グリッドの開口部の平均寸法をいい、図５（ａ）に示すような碁盤目形状のものは図のａ寸法を，図５（ｂ）のような三角目形状のものは図のａ及びｂ寸法の平均値をいう。
【００２０】
また、輻射グリッド２０の開口率は、２５〜８５％とするのがよい。２５％未満であると、燃焼排ガスの放出抵抗が増加し不完全燃焼を生じて熱効率が低下するからである。一方、８５％を超えると十分な熱効率の向上が図れないからである。なお、開口率とは、輻射グリッド２０のバーナエレメント１０表面に対向する面の全面積に対する開口部の面積の割合をいう。
【００２１】
上記のような構成にすることにより、本発明に係るバーナ１の熱効率は６０％以上になる。本バーナ１においては、輻射グリッド２０を取り付けない場合の熱効率が５０〜５５％であるから、輻射グリッド２０を設けることによって、熱効率を１０〜２０％向上させることができる。また、上記に説明したように、輻射グリッド２０の熱容量はバーナエレメント１０の熱容量に比較して非常に大きいから、高い保熱・保炎効果が得られる。さらに輻射グリッドは、バーナエレメントのガード部材として機能し、過大なガス流や物の接触による損傷を防止することができる。
【００２２】
本発明においては、さらに、輻射グリッド２０は、その外周面をバーナケース２の側面から立ち上げた耐熱材でカバーするとよい。それにより、輻射グリッド２０の側面から高温燃焼排ガスが散逸するのを防止することができ、熱効率を更に数％向上させることができる。
【００２３】
輻射グリッド２０の材質は問わないが、耐熱ステンレス鋼、Ｎｉ−Ｃｒ系鋼、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系鋼などの耐熱金属が適用できる。このような金属製の輻射グリッドは、一般にセラミック系材料製のものより安価である点で優れる。しかし、セラミック系材料製の輻射グリッドは、金属製のものと異なり高温ガスに対する触媒作用がないから、環境保全上から好ましい。安価な鋼線に耐熱、耐酸化性に優れた、例えば、ＳｉーＣーＭーＯ系セラミックスをコーティングしたものの場合は、ＳｉーＣーＭーＯ系セラミックスが高輻射率であることから熱効率をより向上させることができる。輻射グリッド２０をＳｉーＣーＭーＯ系セラミック繊維（撚糸）より構成したものの場合は、輻射グリッドの耐久性がより向上する。また、金属線にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の金属酸化皮膜を被せたものとすることもできる。
【００２４】
本発明において、バーナケース２は金属製のものが適用できる。バーナエレメント１０は弾性を有しているから、バーナケース２の縁部を折り曲げて挟み込むことによってバーナエレメント１０を容易に押圧保持できる。多孔板３は、多数の小孔を有するものであればよく、例えば、市販のパンチングメタルやエキスパンドメタルが適用できる。また、市販の金網でもよい。例えば、目開き寸法２〜６ｍｍ、線形０．５〜０．８ｍｍの金網が使用できる。
【００２５】
供給管６は、小型ガスボンベ（図示せず）から供給された燃料ガスとともに空気を吸入して予混合気を生成し、その予混合気を給気室５に供給するものであればよい。供給管部で生成された予混合気は給気室５に供給・蓄積され、多孔板の小孔４を通じてバーナエレメント１０に供給され、隙間・表面燃焼に供される。
【００２６】
なお、本発明においてはバーナエレメントの発する輻射熱と輻射グリッドが発する輻射熱の相互作用により両者の温度を一層高めて熱効率を向上させているが、バーナエレメント１０は熱伝導度の小さいセラミック繊維で構成され高空隙率を有するから、バーナエレメント１０の高温度になる部分は表層部に限られ、多孔板３に接したバーナエレメント裏面側の温度はほとんど上昇しない。このため輻射グリッドを設けたことによって逆火の危険性が増大するということはない。
【００２７】
【実施例】
バーナ１において、バーナケース２は、厚さ１ｍｍのアルミ板からなる１５０ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍの一面が開口した六面体に作成した。バーナエレメント１０は、繊維径１０μのチラノ連続繊維からなる１５０ｍｍ×１００ｍｍ×６ｍｍのマットとし、空隙率９５％で構成した。輻射グリッド２０を、材質：Ｆｅ−２０Ｃｒ−３Ａｌ、線径：０．４ｍｍ、目開き寸法：１４メッシュ、バーナエレメント表面からの距離ｈ：８ｍｍ、で構成した。このバーナ１と、比較バーナとして上記バーナ１の輻射グリッド２０を取り外したバーナにおいて、熱効率を測定した。本バーナ１は比較バーナに比べて、熱効率が２０％向上した。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る隙間・表面燃焼バーナは、簡単な構造で、均一で安定な隙間・表面燃焼が可能で、従来のものより一層の熱効率の向上、および環境保全の向上を図ることができる。さらに、保熱・保炎力の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る隙間・表面燃焼バーナの平面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】図１の輻射グリッドの斜視図である。
【図４】輻射グリッドの他の実施例の斜視図である。
【図５】輻射グリッドの目開き寸法についての説明図である。
【符号の説明】
１：バーナ
２：バーナケース
３：多孔板
４：小孔
５：給気室
６：供給管
１０：バーナエレメント
２０：輻射グリッド
２１：脚部
【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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