(57)【要約】【課題】効率的な燃焼を行うことができ、バーナノズルの噴出口が炉内空間に直接露出されているタイプの炉における燃焼温度よりも高温の燃焼動作が可能であるバーナユニット及び蓄熱式バーナ炉を提供する。【解決手段】交互に燃焼動作が行われる一対のバーナを備え、一方のバーナの燃焼動作時には、燃焼ガスが、前記一方のバーナから下流側の被加熱空間に放出され、更に前記被加熱空間から他方のバーナを通って排気され、前記他方のバーナの上流に配置された蓄熱体が前記燃料ガスによって加熱される蓄熱式バーナ炉のバーナユニットであって、前記一対のバーナの各々の上流側に流通接続され、蓄熱体を有する蓄熱ユニットを備え、前記各バーナには、燃料ガス供給管が接続され、更に前記燃料ガス供給管よりも下流に点火バーナが接続されているバーナユニットが提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に燃焼動作が行われる一対のバーナを備え、一方のバーナの燃焼動作時には、燃焼ガスが、前記一方のバーナから下流側の被加熱空間に放出され、更に前記被加熱空間から他方のバーナを通って排気され、前記他方のバーナの上流に配置された蓄熱体が前記燃料ガスによって加熱される蓄熱式バーナ炉のバーナユニットであって、
前記一対のバーナの各々の上流側に流通接続され、蓄熱体を有する蓄熱ユニットを備え、
前記各バーナには、燃料ガス供給管が接続され、更に前記燃料ガス供給管よりも下流に点火バーナが接続されている、
ことを特徴とするバーナユニット。
【請求項２】
前記燃料ガス供給管内には、燃料ガスを噴出するためのガスノズルが配置されており、前記ガスノズルは、先端部が前記バーナと前記燃料ガス供給管との接続部から離れて配置されている、請求項１に記載のバーナユニット。
【請求項３】
請求項１または２に記載のバーナユニットを備える蓄熱式バーナ炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱式バーナ炉に関し、詳細には、バーナの排気熱を利用して吸入空気を加熱する蓄熱式バーナ炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対のバーナを備え、一定時間経過毎に、燃焼動作を行うバーナを２つのバーナ間で切り替える蓄熱式バーナ炉が知られている。このような蓄熱式バーナ炉では、一方のバーナが燃焼動作を行うとき、一方のバーナに燃料ガスと燃焼用空気が吹き込まれて燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、被加熱空間内に放出されて坩堝等の加熱対象を加熱した後、他方のバーナを通して排気され、排気流路中に設けられた蓄熱体を通過するとき、蓄熱体が加熱される。一定時間経過後、燃焼動作を行わせるバーナを他方のバーナに切り替える。他方のバーナが燃焼動作を行い、一方のバーナが排気を行うように動作が切り替わると、他方のバーナで使用される燃焼空気が、一方のバーナの燃焼時に既に加熱されている蓄熱体を通過するときに加熱されるので、排熱を利用した燃焼が可能となる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、従来の蓄熱式バーナ炉のバーナユニットの構成を示す図である。バーナユニット５１は、燃料ガスを炉内空間５２に向って放出するためのバーナノズル５４と、バーナノズル５４の左右両側に配置された、燃焼用空気を炉内空間５２に供給し且つ燃焼ガスを炉内空間５２から排気するための流路５６ａ、５６ｂと、流路５６ａ、５６ｂに流通する空間に配置された蓄熱体５８ａ、５８ｂとを備えている。バーナノズル５４内には、燃料ガスに点火するためのパイロットバーナ（図示せず）が設けられている。
【０００４】
一方のバーナの流路５６ａから燃焼用空気が炉内空間５２に供給されると、燃焼用空気が炉内空間５２でバーナノズル５４からの燃料ガスと混合して燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは炉内空間５２を循環した後、他方のバーナの流路５６ｂを経て排出される。燃焼ガスが、蓄熱体５８ｂの内部を通過して排出される際に、燃焼ガスの熱によって蓄熱体５８ｂが加熱される。一定時間、一方のバーナによる燃焼を行うと、即ち流路５６ａから燃焼用空気が供給されると、流路５６ａからの燃焼用空気の供給が停止され、他方のバーナによる燃焼が開始され、他方の流路５６ｂから燃焼用空気が供給される。このとき流路５６ｂの上流に配置されている蓄熱体５８ｂが一方のバーナによる燃焼ガスの排気動作によって加熱されているため、他方のバーナに供給される燃焼用空気は加熱されて、高い予熱温度を達成することができ、バーナの熱効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７８６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５に示すようなバーナユニットでは、バーナノズル５４からの燃料ガスと流路５６ａまたは５６ｂからの燃焼用空気とが炉内空間５２で混合されるため、燃料ガスと燃焼用空気の一部が炉内空間５２に拡散してしまい、最適な混合比で混合することが難しい。そのため、完全燃焼が行われず、所望の加熱温度に到達するために、最適な混合比におけるよりも多くの燃焼用空気と燃料が消費され、ＮＯｘ発生量が増加するという問題があった。
また、バーナノズル５４の噴出口が、炉の燃焼動作時に高温となる炉内空間５２に露出しているため、バーナノズル５４の噴出口が劣化しない温度範囲内で炉の燃焼温度を設定しなければならず、燃焼温度を高くすることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、効率的な燃焼を行うことができ、バーナノズルの噴出口が炉内空間に直接露出されているタイプの炉における燃焼温度よりも高温の燃焼動作が可能であるバーナユニット及び蓄熱式バーナ炉を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
交互に燃焼動作が行われる一対のバーナを備え、一方のバーナの燃焼動作時には、燃焼ガスが、前記一方のバーナから下流側の被加熱空間に放出され、更に前記被加熱空間から他方のバーナを通って排気され、前記他方のバーナの上流に配置された蓄熱体が前記燃料ガスによって加熱される蓄熱式バーナ炉のバーナユニットであって、
前記一対のバーナの各々の上流側に流通接続され、蓄熱体を有する蓄熱ユニットを備え、
前記各バーナには、燃料ガス供給管が接続され、更に前記燃料ガス供給管よりも下流に点火バーナが接続されている、
ことを特徴とするバーナユニットが提供される。
【０００９】
このような構成によれば、蓄熱ユニットからバーナに流出する空気と燃料ガス供給管からの燃料ガスとがバーナ内で混合されるので、最適な混合比で混合することができ、効率的な燃焼を行うことができる。また、燃料ガス供給管が被加熱空間に直接露出されないため、燃料ガス供給管が燃焼ガスに曝されることがないので、高温での燃焼が可能である。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃料ガス供給管内には、燃料ガスを噴出するためのガスノズルが配置されており、前記ガスノズルは、先端部が前記バーナと前記燃料ガス供給管との接続部から離れて配置されている。
【００１１】
このような構成によれば、ガスノズルが燃焼ガスに曝されないため、高温での燃焼が可能となる。
【００１２】
本発明によれば、上記バーナユニットを備える蓄熱式バーナ炉が提供される。
このような構成によれば、効率的な燃焼を行うことができる。また、高温での燃焼が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、効率的な燃焼を行うことができるバーナユニット及び蓄熱式バーナ炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態のバーナユニットを備えた蓄熱式バーナ炉の側面図である。
【図２】図１の蓄熱式バーナ炉の背面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるバーナユニットの構成を示す図である。
【図４】図１のバーナ炉における燃焼ガスの流れを模式的に示す図である。
【図５】従来の蓄熱式バーナ炉のバーナユニットの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態の蓄熱式バーナ炉について説明する。
図１は、本発明の一実施形態のバーナユニットを備えた蓄熱式バーナ炉１の側面図であり、図２は、蓄熱式バーナ炉１の背面図である。
【００１６】
図１及び２に示されているように、蓄熱式バーナ炉１は、有底円筒形の坩堝２と、坩堝２を収容する有底円筒形状の炉体４とを備えている。坩堝２は、アルミ等の金属を溶融するための容器であり、黒鉛、鋳物等の耐火材料で形成されている。また、炉体４は、煉瓦、ファイバーボート等の耐火、断熱材料で形成され、坩堝２の円筒状の外周面との間に環状の空間を形成するように配置されている。
【００１７】
蓄熱式バーナ炉１は、坩堝２の下方で炉体４の後部にバーナ取付部６を備えている。このバーナ取付部６には、一対のバーナ８、１０が並列配置されている。バーナ取付部６の後方側には、蓄熱体ケース１２が取付けられている。蓄熱体ケース１２は、内部が上下に延びる２つの空間に仕切られた箱状部材であり、それぞれの空間１４、１６は、一端（下端）側が、各バーナ８、１０にそれぞれ流体連通している。各空間１４、１６には、２つの蓄熱体１８、１８が上下に離間して配置されている。
【００１８】
各蓄熱体１８は、断熱材によって囲まれた空間１４、１６内に、上下に離間して配置されている。各蓄熱体１８は、網または多孔板等で作られた仕切部材２０上に載置されている。蓄熱材２２としては、セラミック（アルミナ、コージライト、ムライト）、耐熱鋼、またはセラミックと耐熱鋼との複合体などをハニカム状、細管状、ナゲット状、またはボール状に成形したもの等が使用される。本実施形態では、各蓄熱体は同じ材質の蓄熱材から構成され、同じ形状及び厚さを有するが、各蓄熱体の材質、形状、厚さが異なっていても良い。
【００１９】
各空間１４、１６は、他端（上端）側が、連結パイプ２４、２６を介して、四方弁２８の２つの開口にそれぞれ流体連通されている。四方弁２８の他の２つの開口の一方には、燃焼ガスを炉外に排出する排気パイプ３０が、他方にはブロア３２を介して外気を導入するための吸気パイプ３４が接続されている。
【００２０】
本実施形態の四方弁２８は、一方のバーナ８を吸気パイプ３４に連通させ且つ他方のバーナ１０を排気パイプ３０に連通させる第１位置と、一方のバーナ８を排気パイプ３０に連通させ且つ他方のバーナ１０を吸気パイプ３４に連通させる第２位置との間で切り換え可能とされている。
【００２１】
蓄熱ケース１２の底部には、蓄熱ユニット内で結露した水等を排出するためのドレン抜き口（図示せず）が設けられている。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態によるバーナユニット７の構成を示す図である。
【００２３】
図３に示されているように、２つのバーナ８、１０は、対称的な構成を備えているので、以下においては、一方のバーナ８の構成についてのみ説明する。
【００２４】
バーナ８は、一端（先端）側が坩堝２と炉体４との間の環状空間に連通し、他端（後端）側が蓄熱体ケース１２の一方の内部空間１４の下端に連通している略円筒形状のバーナ本体４０を備えている。
【００２５】
上述したように、バーナ本体４０の後端が蓄熱体ケース１２の内部空間１４に連通しているので、バーナ８は、四方弁２８の切り換えによって、排気パイプ３０及び吸気パイプ３４のいずれかと選択的に連通されることになる。
【００２６】
図３に示されているように、バーナ本体４０の側部には、バーナ本体４０内に燃料ガスを供給するための略円筒形状の燃料供給管４２と、燃料ガスへの点火時に使用されるパイロットバーナ４４が内部に配置された管４５が接続されている。更に、パイロットバーナ４４には、バーナ本体４０内の火炎の状態を監視するための紫外線検知機（図示せず）が設けられている。パイロットバーナ４４が内部に配置された管４５は、燃料供給管４２とバーナ本体４０との接続部からバーナ本体４０の先端方向（即ち下流方向）に間隔をあけた箇所でバーナ本体４０と接続されており、パイロットバーナ４４の種火が噴出する先端部は、バーナ本体４０と管４５との接続部から離れて管４５内に配置されている。燃料供給管４２内には、燃料ガスを噴出するガスノズル４６が配置されている。ガスノズル４６は、その先端が燃料供給管４２とバーナ本体４０との接続部から間隔をあけて配置されている。ガスノズル４６は、例えば、ＳＵＳ３１０で作られている。
【００２７】
バーナ本体４０の長手方向軸線は、坩堝２の円筒状の外周面の接線方向（ｘ）に向け水平に配置されている。更に、一対のバーナ８、１０は、バーナ本体４０の長手方向軸線が平面視で「ハ」の字型に開くように配置されている。したがって、一対のバーナ８、１０のそれぞれから放出される火炎及び燃焼ガスは、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間内に、坩堝２の円筒状の外周面の接線方向に沿って互いに反対方向に向けて放出される。放出された火炎及び燃焼ガスは、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間内を上昇し、環状空間の上端部まで上昇し温度が低下した燃焼ガスは、環状の空間内を降下してくることになる。
【００２８】
次に、本実施形態の蓄熱式バーナ炉１の動作について説明する。
先ず、坩堝２内に溶解する金属（例えばアルミニウム）材料を所定量投入し、ブロア３２を作動させる。
次いで、四方弁２８を、第１位置に配置し、一方のバーナ８を吸気パイプ３４に連通させ且つ他方のバーナ１０を排気パイプ３０に連通させる。この状態で、吸気パイプ３４に連通している一方のバーナ８に燃料ガスを供給し、このバーナ８を作動させ、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間にバーナ８の火炎及び燃焼ガスを放出させる。
【００２９】
バーナ８内では、上流側から炉内に向ってバーナ本体４０内に空気が流され、燃料ガスが、ガスノズル４６から噴出して燃料供給口４２からバーナ本体４０内に供給される。燃料ガスは、バーナ本体４０内で空気と混合され、下流に向って流れて、パイロットバーナ４４によって点火されて燃焼し、火炎が炉内に放出される。燃料ガスと空気とがバーナ本体４０内で混合されるので、低空気比燃焼を行うことができ、Ｎｏｘの発生が抑制され、また、効率のよい燃焼が実現される。パイロットバーナ４４は、バーナ本体４０の通路を横切るように種火を放出するため、バーナ本体４０の通路内の燃料ガスと空気の混合ガスが完全に燃焼される。また、パイロットバーナ４４は、バーナ本体４０内に種火を放出するため、種火が炉内の火炎や燃焼ガスの流れの影響を受けることなく、確実に燃料ガスに点火することができる。
【００３０】
バーナ８からの火炎及び燃焼ガスは、環状の空間内を坩堝２の外周に沿って図４に鎖線で示されるように上昇し、坩堝２を加熱し、環状の空間の最上部から図４に一点鎖線で示されるように坩堝２の外周に沿って降下してくる。
【００３１】
他方のバーナ１０は、排気パイプ３０に連通されているので、降下してきた燃焼ガスは、他方のバーナ１０及びその上流側の内部空間１６内に配置された蓄熱体１８を通って排気パイプ３０に送られ、炉外に排出される。このとき、内部空間１６内に配置された蓄熱体１８は、他方のバーナ１０からの燃焼ガスによって加熱される。上述したように、ガスノズルの先端がバーナ本体との接続部から離れて位置するため、燃焼ガスがバーナ１０内を通過するときに、ガスノズルの先端が燃焼ガスと接触しにくくなるので、燃焼ガスがＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱金属の使用限度を超える高温の場合にも、ガスノズルの損傷を防ぐことができる。
【００３２】
一方のバーナ８を一定時間（例えば、１５秒）燃焼させると、バーナ８への燃料ガスの供給を停止し、四方弁２８を第２位置に切り換え、一方のバーナ８を排気パイプ３０に連通させ且つ他方のバーナ１０を吸気パイプ３４に連通させる。
【００３３】
次いで、吸気パイプ３４に連通させられた他方のバーナ１０に燃料ガスを供給し、他方のバーナ１０に点火し、坩堝２と炉体４の間に形成された環状の空間にバーナ１０からの火炎及び燃焼ガスを放出させる。このとき、吸気パイプ３４から他方のバーナ１０に供給される空気は、一方のバーナ８の燃焼ガスによって加熱されていた蓄熱体１８を通過することによって加熱され、バーナ１０の燃焼効率が向上する。
【００３４】
一方のバーナ８は、排気パイプ３０に連通されているので、他方のバーナ１０からの燃焼ガスは、一方のバーナ８及びその上流側の内部空間１４内に配置された蓄熱体１８を通って排気パイプ３０に送られ、炉外に排出される。このとき、内部空間１４内に配置された蓄熱体１８は、一方のバーナ８からの燃焼ガスによって加熱される。
【００３５】
他方のバーナ１０を一定時間（例えば、１５秒）燃焼させると、四方弁を第１位置に切り換え、一方のバーナ８を作動させる。
このように２つのバーナを一定時間毎に交互に作動させる動作を繰り返し坩堝２内の金属を溶融させる。坩堝２内の金属があらかじめ設定した設定温度に達すると、ガスの供給を停止して、バーナを消火し溶融作業を終了する。
【００３６】
バーナ８、１０は低温時においては不完全燃焼による一酸化炭素の発生を防止するために、燃焼空気量を増大させ、過剰空気率（ｍ値）を高めに設定する。
【００３７】
炉内温度が所定温度、例えば８５０℃を超えた段階で、省エネ及びＮＯｘ発生を低減させるためにｍ値を下げる。また、炉内温度が８５０℃を超えるまでは排気温度が低いため蓄熱ユニットで排気が結露し、ドレン抜き口から水が排出される。
【００３８】
各空間１４、１６内に複数の蓄熱体１８、１８を設けることによって、１つの蓄熱体のみを設ける場合に比べて各蓄熱体１８の厚さが薄くなるので、蓄熱体の上部と下部での荷重の差が減少するので、均一な蓄熱が可能となるとともに、蓄熱体の部分的な破損を防止することができ、蓄熱体の寿命を長くすることができる。
【００３９】
また、複数の蓄熱体１８、１８の間に間隔を設けることによって、排気ガスが蓄熱体１８内で均一に広がり、蓄熱体１８の部分的な加熱を防止することができ、効率的な蓄熱が可能となる。また、吸入空気が蓄熱体１８内で均一に広がるので、蓄熱された熱をより有効に利用することが可能となる。
【００４０】
更に、蓄熱体１８を空間１４、１６内で上下に配置すると、設置面積が減少するので、十分なメンテナンススペースを確保することができる。
【００４１】
本発明のバーナユニットにおいては、パイロットバーナ４４が、燃料ガスと燃焼空気が下流に向けて一定方向に流れているバーナ本体４０内に向けて種火を噴射する。バーナ本体内では、炉内空間に比べ燃焼ガスの影響を受けにくいため、種火の混合比を最適な状態に保って安定燃焼させることができるので、失火、爆発等の事故の発生を防ぐことができ、燃料ガスと燃焼空気が様々な方向に流れる炉内空間に種火を噴射する従来のバーナユニットと比べると、安全なバーナユニットを提供することができる。
また、本発明の蓄熱式バーナ炉によれば、燃料供給管が、バーナ本体内に接続されており、炉内空間に直接露出されていないので、燃焼ガスとの直接接触が防止される。そのため、燃焼ガスが高温となる場合でも燃料供給管の劣化を防ぐことができるため、溶解温度が７００〜７５０℃であるアルミニウムだけでなく、溶解温度が１１００℃以上である真鍮や鉄等の金属も溶解することができる。
【００４２】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものである。
上記実施形態では、各空間１４、１６に蓄熱体１８を２つずつ配置したが、３つ以上の蓄熱体１８を配置してもよい。また、バーナ本体４０の通路の中心に向って燃料供給管４２から燃料ガスを噴出させたが、中心から離れた部分に向って燃料ガスを噴出させてもよいし、バーナ本体４０の通路の接線方向に燃料ガスを噴出させてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  蓄熱式バーナ炉
２  坩堝
４  炉体
８、１０  バーナ
１２  蓄熱体ケース
１４、１６  空間
１８  蓄熱体
２８  四方弁
３０  排気パイプ
３４  吸気パイプ
４０  バーナ本体
４２  燃料供給管
４４  パイロットバーナ
４６  ガスノズル
【図１】
2012189241.tif 000003
【図２】
2012189241.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012189241.tif 000006
【図５】
2012189241.tif 000007