(57)【要約】【課題】燃焼用空気の流路断面積を可変するバーナを有する燃焼装置において、汚れや高温にさらされる環境下においても、流路断面積の可変機構の異常を簡易な構成で検知する。【解決手段】燃料ノズル３，４は、燃料を噴霧する。空気ノズル２７は、燃料ノズル３，４の先端部を取り囲む位置に設けられ、燃焼用空気を噴出させる。流速調整手段２８は、空気ノズル２７の入口開口もしくは出口開口、または空気ノズル２７の流路断面積を変更することで、空気ノズル２７を介して燃焼室２９内へ供給する燃焼用空気の流速を調整する。流速調整手段２８の前後の差圧（４７ａ，４７ｂ）に基づき、流速調整手段２８の異常を検知する異常検知手段４６を設けた。【選択図】図１
2013029266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴霧する燃料ノズルと、
この燃料ノズルの先端部を取り囲む位置に設けられ、燃焼用空気を噴出させる空気ノズルと、
この空気ノズルの入口開口もしくは出口開口、または前記空気ノズルの流路断面積を変更することで、前記空気ノズルを介して燃焼室内へ供給する燃焼用空気の流速を調整する流速調整手段と、
この流速調整手段の前後の差圧に基づき、前記流速調整手段の異常を検知する異常検知手段と
を備えることを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
ノズルパイプの先端部にノズルチップが設けられ、燃料を噴霧する前記燃料ノズルと、
この燃料ノズルを取り囲むように設けられる円筒状の整流筒と、
この整流筒を取り囲むように設けられる円筒状のエアレジスタと、
前記整流筒と前記エアレジスタとの間の円筒状空間の下部開口を閉塞するよう設けられる空気開口形成板と、
この空気開口形成板に周方向等間隔に下方へ突出して設けられると共に筒状に形成され、前記空気開口形成板に形成された開口を介して燃焼用空気を下方へ噴出させる前記空気ノズルと、
この空気ノズルの入口開口もしくは出口開口、または前記空気ノズルを構成する筒体の流路断面積を変更することで、前記空気ノズルを介して燃焼室内へ供給する燃焼用空気の流速を調整する前記流速調整手段と、
前記整流筒および前記エアレジスタの上部を取り囲むよう設けられ、前記整流筒および前記エアレジスタの上部から燃焼用空気を下方へ送り込むウィンドボックスと、
このウィンドボックス内の圧力と、前記燃焼室内の圧力との差圧に基づき、前記流速調整手段の異常を検知する前記異常検知手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記ウィンドボックス内の圧力および前記燃焼室内の圧力、または両者の差圧は、燃焼用空気の給気温度に基づき補正される
ことを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラに代表される各種燃焼装置に関し、特に、燃焼量の変更に合わせて燃焼用空気の流路断面積を可変するバーナを備えた燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、先に、下記特許文献１や特願２０１１−８５４８として、大きなターンダウン比（ターンダウン比＝最小燃焼量：最大燃焼量）で燃焼させたり、低い空気比（空気比＝実際燃焼空気量／理論燃焼空気量）で燃焼させたりするために、燃焼用空気の流路断面積を可変するバーナを提案している。この種のバーナでは、バーナ下端部の空気ノズルの流路断面積を可動部材で調整するが、その可動部材は、典型的には歯車のかみ合わせによって動かされる。
【０００３】
ところが、流路断面積の可変機構は、高温部に配置されるため、グリース潤滑が難しく表面処理で対応せざるを得ない。それ故、使用に伴い、歯車の摩耗などが生じ、前記可動部材のアクチュエータ出力と実際の可動とが一致しなくなり、燃焼不良となるおそれがある。可動部材の位置検出のために光学センサや磁気センサを用いることも考えられるが、これらセンサは、汚れや高温にさらされるバーナ内の使用には適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７５１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、燃焼用空気の流路断面積を可変するバーナを有する燃焼装置において、汚れや高温にさらされる環境下においても、流路断面積の可変機構の異常を簡易な構成で検知することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、燃料を噴霧する燃料ノズルと、この燃料ノズルの先端部を取り囲む位置に設けられ、燃焼用空気を噴出させる空気ノズルと、この空気ノズルの入口開口もしくは出口開口、または前記空気ノズルの流路断面積を変更することで、前記空気ノズルを介して燃焼室内へ供給する燃焼用空気の流速を調整する流速調整手段と、この流速調整手段の前後の差圧に基づき、前記流速調整手段の異常を検知する異常検知手段とを備えることを特徴とする燃焼装置である。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼用空気路に流速調整手段が設けられ、その前後の差圧に基づき流速調整手段の異常を検知することができる。差圧による検知であるから、汚れや高温環境下においても適切に検知することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、ノズルパイプの先端部にノズルチップが設けられ、燃料を噴霧する前記燃料ノズルと、この燃料ノズルを取り囲むように設けられる円筒状の整流筒と、この整流筒を取り囲むように設けられる円筒状のエアレジスタと、前記整流筒と前記エアレジスタとの間の円筒状空間の下部開口を閉塞するよう設けられる空気開口形成板と、この空気開口形成板に周方向等間隔に下方へ突出して設けられると共に筒状に形成され、前記空気開口形成板に形成された開口を介して燃焼用空気を下方へ噴出させる前記空気ノズルと、この空気ノズルの入口開口もしくは出口開口、または前記空気ノズルを構成する筒体の流路断面積を変更することで、前記空気ノズルを介して燃焼室内へ供給する燃焼用空気の流速を調整する前記流速調整手段と、前記整流筒および前記エアレジスタの上部を取り囲むよう設けられ、前記整流筒および前記エアレジスタの上部から燃焼用空気を下方へ送り込むウィンドボックスと、このウィンドボックス内の圧力と、前記燃焼室内の圧力との差圧に基づき、前記流速調整手段の異常を検知する前記異常検知手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、ウィンドボックス内の圧力と、燃焼室内の圧力との差圧に基づき、簡易に流速調整手段の異常を検知することができる。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記ウィンドボックス内の圧力および前記燃焼室内の圧力、または両者の差圧は、燃焼用空気の給気温度に基づき補正されることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、燃焼用空気の温度に基づき圧力を補正して、より正確に、流速調整手段の異常を検知することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃焼用空気の流路断面積を可変するバーナを有する燃焼装置において、汚れや高温にさらされる環境下においても、流路断面積の可変機構の異常を簡易な構成で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃焼装置としてのボイラの一実施例を示す概略縦断面図であり、バーナが設置されたボイラ上部を示している。
【図２】図１におけるバーナのノズル先端側の拡大図である。
【図３】図２におけるIII−III断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例では、燃焼装置がボイラである場合について説明するが、本発明の燃焼装置は、ボイラに限らず、給湯器の他、吸収式冷凍機の再熱器などにも同様に適用可能である。
【００１５】
図１は、本発明の燃焼装置としてのボイラ１の一実施例を示す概略縦断面図であり、バーナ２が設置されたボイラ上部を示している。また、図２は、図１におけるバーナ２のノズル先端側の拡大図であり、図３は、図２におけるIII−III断面図である。
【００１６】
本実施例のボイラ１は、油焚きのボイラであり、液体燃料を燃焼させるバーナ２を備える。具体的には、本実施例では、リターンフローノズル３と着火用ノズル４との二つ燃料ノズルを備える。各ノズル３，４は、それぞれ、ノズルパイプ５，６の先端部にノズルチップ７，８が設けられて構成される。
【００１７】
各ノズル３，４は、それぞれ、軸線を上下方向へ沿って配置され、近接して並列に設けられる。この際、各ノズル３，４のノズルチップ７，８同士は、近接してほぼ同一高さに配置される。なお、リターンフローノズル３は、バーナ２の中心軸に沿って配置される。
【００１８】
着火用ノズル４には、点火装置９が設けられる（図３）。具体的には、着火用ノズル４に近接して着火碍子が設けられ、その下端部の電極１０，１０間にスパークを発生させることで、着火用ノズル４からの噴霧燃料に点火することができる。
【００１９】
各ノズル３，４には、それぞれ、オイルタンク１１からの燃料が、給油路１２を介して供給可能とされる。具体的には、オイルタンク１１からの給油路１２は、燃料ポンプ１３と第一燃料元弁１４とを介した後、二股に分岐され、一方の給油路１２ａはリターンフローノズル用燃料弁１５を介してリターンフローノズル３に接続され、他方の給油路１２ｂは着火ノズル用燃料弁１６を介して着火用ノズル４に接続される。
【００２０】
リターンフローノズル３は、オイルタンク１１からの燃料の送り路（給油路１２）の他、オイルタンク１１への燃料の戻り路１７も接続される。戻り路１７には、リターンフローノズル３の側から順に、流量調整弁１８、第二燃料元弁１９および逆止弁２０が設けられる。
【００２１】
各燃料元弁１４，１９は、ボイラ１の運転時には開放状態に維持される。従って、燃料ポンプ１３を作動させた状態で着火ノズル用燃料弁１６を開くと、着火用ノズル４へ燃料が供給され、そのノズルチップ８から下方へ燃料が略円錐状に噴霧される。一方、燃料ポンプ１３を作動させた状態でリターンフローノズル用燃料弁１５を開くと、リターンフローノズル３へ燃料が供給され、そのノズルチップ７から下方へ燃料が略円錐状に噴霧される。この際、流量調整弁１８の開度を調整して、戻り路１７を介してオイルタンク１１へ戻す流量、言い換えれば戻り路１７の油圧を調整することにより、リターンフローノズル３からの噴霧量を変化させることができる。
【００２２】
バーナ２は、さらに、各ノズル３，４を取り囲むように、整流筒２１とエアレジスタ２２とを備える。整流筒２１とエアレジスタ２２とは、それぞれ円筒状であり、その軸線を上下方向へ沿って配置されると共に、同心円筒状に配置される。そして、各ノズル３，４は、整流筒２１の径方向中央部において、整流筒２１の上部開口から下端部まで差し込まれた状態で保持される。これにより、各ノズル３，４を取り囲むように整流筒２１が設けられ、その整流筒２１を取り囲むようにエアレジスタ２２が設けられる。
【００２３】
整流筒２１の下部開口には、バッフル板２３が設けられる。このバッフル板２３は、整流筒２１の下部開口を塞ぐように設けられる邪魔板であるが、図２および図３に示すように、各ノズルチップ７，８および点火装置９の下端部と対応した箇所に開口２４が形成されている。
【００２４】
整流筒２１とエアレジスタ２２との間の円筒状空間の下端部には、空気開口形成板２５が設けられる。本実施例では、円環状の板材からなる空気開口形成板２５が設けられ、この空気開口形成板２５には周方向等間隔に同一形状の複数（図示例では８個）の円形の開口２６が形成されている。
【００２５】
空気開口形成板２５には、前記各開口２６と対応した位置に、下方へ突出して空気ノズル２７が設けられる。よって、整流筒２１とエアレジスタ２２との間の円筒状空間は、周方向等間隔に配置された複数の空気ノズル２７の中空穴を介して、下方へ開口する。各空気ノズル２７は、断面円形の筒状に形成されている。
【００２６】
各空気ノズル２７の入口開口もしくは出口開口、または空気ノズル２７の流路断面積を変更可能に、後述する流速調整手段２８が設けられる。流速調整手段２８により、空気ノズル２７を介して燃焼室２９内へ供給する燃焼用空気の流速を調整することができる。
【００２７】
バーナ２の燃焼量の調整は、燃焼量の増減に合わせて、燃料の供給量と燃焼用空気の供給量とを調整することでなされる。仮に、燃焼用空気の流路断面積が燃焼量に拘わらず一定であるとすると、燃焼負荷が小さく燃焼用空気の流量を減らした場合、燃焼用空気の流速も低下し、燃料と燃焼用空気との混合が悪化する。ところが、本実施例のボイラ１のように、流速調整手段２８により、燃焼用空気の流路断面積を変えることができれば、燃焼負荷が小さくても燃焼用空気の流速を確保することができる。これにより、大きなターンダウン比や、低い空気比で燃焼させることも可能となる。
【００２８】
流速調整手段２８の構成は、特に問わないが、本実施例では回転板３０から構成される。具体的には、整流筒２１とエアレジスタ２２との間の円筒状空間の下端部には、空気開口形成板２５の上に重ね合わされて、回転板３０が設けられる。この回転板３０には、空気開口形成板２５と同様に、空気開口形成板２５の各開口２６（つまり空気ノズル２７の上部開口）と対応して開口３１が形成されている。また、回転板３０は、空気開口形成板２５の上を、周方向に回転可能である。空気開口形成板２５と回転板３０の開口同士を対応させた状態では、空気ノズル２７の上部開口が全開となる。一方、図３に示すように、空気開口形成板２５の開口２６と回転板３０の開口３１とをずらすことで、空気ノズル２７の上部開口の大きさを変更することができる。これにより、燃焼用空気の流路断面積を変化させることができる。
【００２９】
回転板３０を可動するために、円環状の回転板３０の径方向内側には、上方へ向けて円筒部３２が設けられている。この円筒部３２は、整流筒２１の下端部に適合してはめ込まれている。これにより、回転板３０は、整流筒２１の中心軸まわりに回転可能とされる。そして、回転板３０の円筒部３２の上端部には、径方向外側へ僅かに突出してツバ部３３が設けられており、このツバ部３３の外周部には歯車３４が設けられている。そして、この歯車３４の周方向一部には、駆動用の平歯車３５がかみ合わされており、この平歯車３５により回転板３０を周方向へ移動させることができる。
【００３０】
より具体的には、バーナ２には、上下方向へ沿って駆動軸３６が設けられ、この駆動軸３６の下端部には平歯車３５が固定されている。駆動軸３６は、上端部にモータ３７が設けられ、このモータ３７により回転可能である。また、前述したように、平歯車３５は、回転板３０の円筒部３２の上端部の歯車３４にかみ合わされている。従って、モータ３７により平歯車３５を介して回転板３０を回転させることができ、それにより空気ノズル２７の開口部、ひいては燃焼用空気の流路断面積を可変させることができる。
【００３１】
整流筒２１およびエアレジスタ２２の下方には、燃焼筒３８が設けられる。燃焼筒３８は、周方向に配置された複数の空気ノズル２７を取り囲む大きさの円筒状で、エアレジスタ２２と同等の直径を有する短円筒状である。また、燃焼筒３８は、整流筒２１およびエアレジスタ２２と同心に配置され、適宜の取付材（図示省略）によりエアレジスタ２２の下端部に保持され、図示例では、各空気ノズル２７の下端部が燃焼筒３８の上端部より若干上方に配置される。
【００３２】
バーナ２は、さらに、下方へのみ開口した略円筒状のウィンドボックス３９を備える。ウィンドボックス３９の下部開口付近に設けた円環状の取付板４０に、エアレジスタ２２の外周部に設けたフランジ４１が保持される。これにより、ウィンドボックス３９は、整流筒２１の下部開口２４、および空気ノズル２７の中空穴を介してのみ、下方へ開口する。
【００３３】
ウィンドボックス３９の周側壁上部には、送風機（図示省略）からの空気路４２が接続され、この空気路４２にはダンパ４３が設けられる。各ノズル３，４から燃料を噴霧して燃焼を図る際には、ダンパ４３や送風機を制御して、燃焼量に応じた量の空気が燃焼用空気として燃焼室２９内へ送り込まれる。
【００３４】
送風機からの空気は、ウィンドボックス３９内へ供給され、整流筒２１およびエアレジスタ２２の上部開口へ送り込まれる。そして、整流筒２１へ送り込まれた空気は、整流筒２１の内側を通りバッフル板２３の開口２４から吐出される。また、エアレジスタ２２へ送り込まれた空気は、整流筒２１とエアレジスタ２２との間の円筒状空間を通り、下部の空気ノズル２７から吐出される。
【００３５】
このようなバーナ２は、ボイラ１の缶体４４上部に設けられる。この缶体４４は、典型的には、多数の水管４５を円筒状に配列して構成される。そして、その円筒状の水管列の径方向中央上部に、バーナ２が下方へ向けて設けられる。バーナ２から吐出される燃料は、円筒状の水管列の内側で燃焼を図られる。つまり、円筒状の水管列の内側が、燃焼室２９として機能する。
【００３６】
本実施例のボイラ１は、まずは点火装置９を用いて着火用ノズル４からの噴霧燃料に点火し、その後、着火用ノズル４からの火炎をリターンフローノズル３からの噴霧燃料に移した後、着火用ノズル４からの燃料の噴霧を停止すればよい。そして、流量調整弁１８の開度を調整して、リターンフローノズル３からの噴霧量を調整して、燃焼量が制御される。この燃焼量の制御は、周知のとおり、ボイラ１からの蒸気圧に基づき、蒸気の使用負荷を監視して、圧力センサ（圧力スイッチを含む）により行うことができる。この際、たとえば、高燃焼、低燃焼および停止の三位置で制御してもよいし、高燃焼、中燃焼、低燃焼および停止の四位置などで制御してもよい。あるいは、燃焼量は比例制御されてもよい。
【００３７】
燃焼負荷に応じて、回転板３０を回転させて、回転板３０の開口３１と空気開口形成板２５の開口２６（つまり空気ノズル２７の上部開口）との位置関係により、空気ノズル２７の上部開口の大きさを変え、燃焼用空気の流路断面積を変えることができる。典型的には、空気ノズル２７から吐出される燃焼用空気の流速を、燃焼負荷、言い換えれば燃焼用空気の流量の増減にかかわらず略一定になるように、回転板３０の回転停止位置が調整される。これにより、燃焼用空気の流量の少ない低負荷時にも、燃焼用空気の流路断面積を絞って流速を確保することで、燃料と燃焼用空気との混合を図ることができる。よって、大きなターンダウン比や低空気比での燃焼も可能となる。
【００３８】
流速調整手段２８が正常に機能しているかを監視するために、異常検知手段４６が設けられる。この異常検知手段４６は、燃焼用空気路の内、流速調整手段２８（回転板３０）の前後の差圧（バーナ圧損）により、流速調整手段２８の異常を検知する。すなわち、歯車部（３４，３５）の摩耗などにより、モータ３７の出力と、回転板３０の回転角度とが一致せず、所望の燃焼用空気量になっていないかを監視する。
【００３９】
本実施例では、異常検知手段４６は、ウィンドボックス３９内の圧力（４７ａ）と、燃焼室２９内の圧力（４７ｂ）との差を検出する差圧センサ４７を設けている。また、本実施例では、燃焼用空気の給気温度を検出するために、たとえばウィンドボックス３９内に給気温度センサ４８を設けている。そして、これら各センサ４７，４８および前記モータ３７は、制御器４９に接続されている。
【００４０】
制御器４９には、燃焼負荷に応じて（たとえば高燃焼、低燃焼および停止の三位置制御の場合には、高燃焼用と低燃焼用の燃焼負荷ごとに）、基準バーナ圧損が予め設定されている。この基準バーナ圧損は、流速調整手段２８の正常動作を前提に、基準給気温度（たとえば５０℃）におけるバーナ圧損としての差圧である。
【００４１】
そして、制御器４９は、ボイラ１の運転中、差圧センサ４７による実際の差圧（バーナ圧損）が、燃焼負荷に応じた基準差圧（基準バーナ圧損）の許容範囲内か否かを監視する。この際、差圧センサ４７による差圧（言い換えればウィンドボックス３９内の圧力および燃焼室３９内の圧力）は、給気温度センサ４８による給気温度に基づき補正される。温度により空気の密度は変化するので、燃焼用空気の流量は給気温度によっても調整され、ボイラ１は空気比を所望に維持するよう運転されるが、これにより、給気温度に応じて適正なバーナ圧損が異なるからである。
【００４２】
本実施例では、差圧センサ４７による差圧は、前記基準給気温度における差圧に換算される。そして、この換算したバーナ圧損が基準バーナ圧損からの許容範囲（たとえば基準値±２０％など）に収まるか否かを求め、逸脱した場合には、燃焼負荷に対応した位置に回転板３０が配置されていないおそれがあるため、流速調整手段２８の異常として異常信号を出し、ユーザに報知するなどすればよい。
【００４３】
本発明の燃焼装置は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、リターンフローノズル３の他に着火用ノズル４を設けたが、リターンフローノズル３に直接に点火する構成とすれば、着火用ノズル４の設置を省略することもできる。
【００４４】
また、前記実施例におけるリターンフローノズル３と着火用ノズル４の設置に代えて、燃料の噴霧の有無を切り替えるだけのノズルを複数本設置してもよい。たとえば、２本のノズルを設置して、低燃焼時には片方のノズルからだけ燃料を噴霧し、高燃焼時には両方のノズルから燃料を噴霧する。あるいは、低燃焼時には一方のノズルからだけ燃料を噴霧し、中燃焼時には他方のノズルからだけ燃料を噴霧し、高燃焼時には両方のノズルから燃料を噴霧する。
【００４５】
さらに、流速調整手段２８は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。つまり、燃焼負荷に応じて、燃焼用空気の流路断面積を可変できれば、その構成は特に問わず、たとえば、特開２０１０−１７５１４０号公報に開示される手段や、特願２０１１−８５４８号などとして出願中の手段を用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  ボイラ（燃焼装置）
２  バーナ
３  リターンフローノズル（燃料ノズル）
４  着火用ノズル（燃料ノズル）
５  （リターンフローノズルの）ノズルパイプ
６  （着火用ノズルの）ノズルパイプ
７  （リターンフローノズルの）ノズルチップ
８  （着火用ノズルの）ノズルチップ
２１  整流筒
２２  エアレジスタ
２５  空気開口形成板
２６  （空気開口形成板の）開口
２７  空気ノズル
２８  流速調整手段
２９  燃焼室
３９  ウィンドボックス
４６  異常検知手段
４７  差圧センサ
４８  給気温度センサ
【図１】
2013029266.tif 000003
【図２】
2013029266.tif 000004
【図３】
2013029266.tif 000005