(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃焼に必要な燃焼用空気のほぼ全てを燃料ガスと混合させ、送風機を用いてこの混合気体をバーナに供給して燃焼させる予混合強制燃焼式バーナにおいて、バーナの炎口は多数の小孔ないし細溝または小孔と細溝を組み合わせた形状とし、炎口部で燃焼した炎からの高温の排気を、バーナの下流にバーナとは別に設けた排気の噴出体に多数開口する噴出口より、被加熱物の主な吸熱面に対してほぼ直角に近い方向に噴出させて吸熱面に衝突するような形態で燃焼加熱部を構成し、噴出口からの燃焼排気の流速が定格最大発熱量による燃焼時に５ｍ／秒以上になるよう、送風機の能力、バーナの発熱量および噴出口面積を設定し、バーナからの燃焼排気が噴出体の噴出口に至る空間部を気密構造にすると共に、噴出体が前記空間部を介してバーナの上方に位置する構成においては、噴出口から噴出する排気が吸熱面にて冷却されることにより生成する凝縮水が、バーナの炎口部に滴下することを防ぐ手段として、炎口と噴出体の中間に位置する空間に水受けとなる遮蔽板を設ける構成、又は噴出体において炎口部の垂直方向投影面積に相当する部分には噴出口を無くするか個々の噴出口の孔面積を表面張力によって水が滴下しない程度に小さくする構成にしたことを特徴とするガス燃焼加熱装置。
【請求項２】
燃料ガスは電気的に制御されるガス比例電磁弁を経て燃焼空気の混合部に供給されて燃焼に必要なほぼ全ての空気と混合し、この混合気体は燃焼および燃焼排気の噴出に必要な風圧と風量を有する送風機によってバーナに送られるが、バーナの炎口に至る混合気の通路には燃焼を均一にするための分布板を設け、バーナへの点火装置、失火検知器、および空燃比制御用検知センサーをバーナと噴出体とで構成する気密空間内のバーナ炎口部に比較的近い位置に配設し、点火および燃焼の制御をそれら装置や検知器と連絡して作動する電子制御装置を具えたことを特徴とする請求項１に示すガス燃焼加熱装置。
【請求項３】
被加熱物が水等の液体であって、筒状の貯水タンクの下部に噴出体を収納する筒型の切り欠き部と貯水タンクの一部を貫通する燃焼排気の上方への排出通路を設けた水缶加熱装置の構成に対して適用できるように、噴出体、バーナおよび炎口、送風機、制御装置を配し、水等の液体の加熱温度を検知するセンサーの信号によって、燃焼加熱量を制御する装置を有し、それらの構成要素がまとまって貯湯式湯沸器としての単一ユニットとなるよう本体ケース内に収納したことを特徴とする請求項１および請求項２に示すガス燃焼加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス等の気体燃料を燃焼させて被加熱物を加熱する手段に関し、吸熱面への熱伝達率を飛躍的に向上させ、比較的簡単な構成で熱利用効率の向上と大気汚染の防止を図る燃焼加熱技術についてのものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のバーナと加熱装置は、一般に一次空気を４０ないし７０％吸入し、バーナの炎口で燃焼する際周囲の二次空気に接触して完全燃焼させるいわゆるブンゼン式バーナを用い、被加熱体への加熱も吸熱面に自然に直接炎からの熱気を当てる方式であった。また、予め燃焼に必要なすべての空気を燃料ガスと混合させてバーナの炎口部に供給し燃焼させる全一次空気式予混合バーナや、送風機によって強制的に高負荷燃焼させるブラストバーナおよび一次空気を使わない赤火式等幾多の種類のバーナが存在するが、これらのバーナの燃焼炎からの熱気は自然に直接吸熱部に接触して被加熱物を加熱するようになっていた。さらに、一部の調理機器において、燃焼排気の熱をファンによって食品に吹き付け熱伝達性の向上を図った装置も存在する。また、局所加熱のために燃焼高温排気を超高速で吹き付けその部のみを加熱する装置も出現している。
【０００３】
これらの公知のバーナおよび加熱方法においては、熱利用効率の向上手段が難しかったり、装置が複雑で汎用性に難があり且つコスト的にも問題が多かったりして種々の課題が発生していた。とくに高温の炎や排気がそのまま周辺の空気と接触するため、有害な窒素酸化物についても削減の手段が容易ではなかった。
【０００４】
これに対して、燃焼室の体積を少なくし高負荷燃焼させ、熱交換器を工夫して高効率を得る手段が開発されているが排気の凝縮水によるバーナ等への悪影響があり、さらにブンゼンバーナにていわゆる濃淡燃焼をさせることによって窒素酸化物の生成を減少させる技術も近年開発されているが、前記の従来技術の持つ幾多の課題は完全には解決されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、従来の技術による燃焼加熱方法において前述のような問題点があるため、それらの欠点を解決するもので、とくに比較的簡単な吸熱面の構成において、一般の自然直接加熱方式の数倍以上の熱伝達効果を得さしめて熱効率の上昇を策すと共に、燃焼時に発生する窒素酸化物の発生を抑え、汎用的に使用できる燃焼加熱装置の提供を目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために請求項１の発明は、ガス燃焼に必要な燃焼用空気のほぼ全てを燃料ガスと混合させ、送風機を用いてこの混合気体をバーナに供給して燃焼させる予混合強制燃焼式バーナにおいて、バーナの炎口は多数の小孔ないし細溝または小孔と細溝を組み合わせた形状とし、炎口部で燃焼した炎からの高温の排気を、バーナの下流にバーナとは別に設けた排気の噴出体に多数開口する噴出口より、被加熱物の主な吸熱面に対してほぼ直角に近い方向に噴出させて吸熱面に衝突するような形態で燃焼加熱部を構成し、噴出口からの燃焼排気の流速が定格最大発熱量による燃焼時に５ｍ／秒以上になるよう、送風機の能力、バーナの発熱量および噴出口面積を設定し、バーナからの燃焼排気が噴出体の噴出口に至る空間部を気密構造にすると共に、噴出体が前記空間部を介してバーナの上方に位置する構成においては、噴出口から噴出する排気が吸熱面にて冷却されることにより生成する凝縮水が、バーナの炎口部に滴下することを防ぐ手段として、炎口と噴出体の中間に位置する空間に水受けとなる遮蔽板を設ける構成、又は噴出体において炎口部の垂直方向投影面積に相当する部分には噴出口を無くするか個々の噴出口の孔面積を表面張力によって水が滴下しない程度に小さくする構成にしたことを特徴とするガス燃焼加熱装置についてのものである。
【０００７】
請求項２の発明は、燃料ガスは電気的に制御されるガス比例電磁弁を経て燃焼空気の混合部に供給されて燃焼に必要なほぼ全ての空気と混合し、この混合気体は燃焼および燃焼排気の噴出に必要な風圧と風量を有する送風機によってバーナに送られるが、バーナの炎口に至る混合気の通路には燃焼を均一にするための分布板を設け、バーナへの点火装置、失火検知器、および空燃比制御用検知センサーをバーナと噴出体とで構成する気密空間内のバーナ炎口部に比較的近い位置に配設し、点火および燃焼の制御をそれら装置や検知器と連絡して作動する電子制御装置を具えたことを特徴とする請求項１に示すガス燃焼加熱装置についてのものである。
【０００８】
請求項３の発明は、被加熱物が水等の液体であって、筒状の貯水タンクの下部に噴出体を収納する筒型の切り欠き部と貯水タンクの一部を貫通する燃焼排気の上方への排出通路を設けた水缶加熱装置の構成に対して適用できるように、噴出体、バーナおよび炎口、送風機、制御装置を配し、水等の液体の加熱温度を検知するセンサーの信号によって、燃焼加熱量を制御する装置を有し、それらの構成要素がまとまって貯湯式湯沸器としての単一ユニットとなるよう本体ケース内に収納したことを特徴とする請求項１および請求項２に示すガス燃焼加熱装置についてのものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のガス燃焼加熱装置では、先ず燃料となるガスは通常ガス供給量を制御するガス遮断弁およびガス制御弁や供給圧力調整器を経て燃焼用空気と混合する部処に供給される。以下、実施例により説明すると、図１に示す実施例では、ガス制御弁と供給圧力調整器は符号１で示され、混合部は符号２で示されている。  本発明の装置は予混合強制燃焼式バーナによる燃焼方式であるから、混合部２にて作られた空気とガスの混合気体は送風機３によって供給管４を経てバーナ５に圧送される。バーナの形態は均一な炎を形成する必要があるため、バーナ構成の要素の１つである炎口６の上流側に適当な容積のチャンバー室を設け、この中に請求項２に示すような分布板７，７’，８を挿入するのが好ましい。
【００１０】
燃料ガスと空気の混合気体は、多数の小孔ないし細溝または小孔と細溝を組み合わせた板状の形態からなる炎口６に到達し、点火器９（点火用口火でもよい）にて混合気体に点火され炎が形成される。炎の形態は比較的短炎でなお且つ逆火しないように供給混合気体の空気と燃料の混合比率すなわち空燃比と噴出速度を制御する必要があり、通常炎口自体の温度は９００℃以下になるように制御するのが望ましい。
【００１１】
炎の温度は１０００℃あるいはそれ以上となり、排気の噴出体１０の内部空間１１における排気温度はこれより若干低い温度となって、噴出体に開口する多数の噴出口１２から噴出する。この際各噴出口の孔面積は排気の噴出速度が高速となるよう比較的小面積にて設計する。噴出排気は被加熱物の主な吸熱面１３に対してほぼ直角に近い方向に噴出されて吸熱面に衝突するようなこの部の構成とするが、噴出体の形状や吸熱面の形状が必ずしも平面にする必要はないので、噴出排気の噴出方向もミクロ的には直角とは限らない。しかしながら本発明の眼目が、高温排気の吸熱面への衝突による断熱性境界膜の破壊により、通常のバーナによる加熱方式の数倍ないし数１０倍の熱伝達率を得ることにあるので、この概念に従ってマクロ的にはほぼ直角に近い方向で衝突することが必要である。
【００１２】
なお、噴出体と吸熱面の距離は実験上、排気に外部への放出に差し支えない程度に接近するのが好ましいが、噴出速度や噴出量および排気の外部通路の形状とも関係するので、適当な値に設計すべきものである。一方噴出速度については、吸熱面の断熱性境界膜の破壊を前提にすると、ある程度の速度が必要であり、本発明の効果を発揮するためには、定格最大発熱量を示す燃焼時において５ｍ／秒以上になるよう、送風機の能力、バーナの発熱量および噴出口の面積その他関係する要素の構成を図るべきである。
【００１３】
バーナ５と噴出体１０との関係は、先ず噴出体からの排気の噴出圧力を維持し且つ燃焼排気が空気と接触して有害な窒素酸化物が生成するのを防止するため、気密構造になるよう接続すべきで、さらに噴出体からの輻射熱がバーナの炎口に強く当たらないための配慮が、炎口の過熱によって逆火現象の防止と炎口の耐久性維持のために必要であるから、噴出体１０のバーナへの対向面を適当な距離に離すための噴出体内部空間１１は適当な空間体積を設けるべきである。
【００１４】
また、実施例のように噴出体の噴出口がバーナの炎口の上方に位置する場合は、排気が吸熱面に接触して冷却することによって生成される排気中の水蒸気の凝縮作用からの水滴が炎口６に滴下して炎口およびバーナに悪影響が発生するので、これを防止する目的で、炎口と噴出体の中間に凝縮水の水受けとなる遮蔽板を設けるか、少なくとも炎口の垂直方向の投影面積に相当する噴出体の部分には噴出口を無くする構成とすべきであるが、やむを得ずその部分に噴出口が必要な場合は、燃焼停止時においても噴出口からバーナの炎口面に凝縮水が滴下しないように、水の表面張力を考慮した小面積の噴出口個々の開口形状や噴出口周辺部の形状とすべきである。なお、実施例の図は噴出体の部分には噴出口を無くした形態の場合のみを示す。
【００１５】
本発明において、燃焼を安定的にしかも完全に行い、且つ燃焼排気が噴出口から所定の噴出速度と噴出排気の形状、すなわちなるべく針状の形状にて吸熱面に衝突するように構成することは極めて重要な技術であるから、請求項２に示すように送風機の性能や燃料供給の制御を電子制御装置１４を用いて迅速精密に行うと共に、失火検知器１５や空燃比制御用の検知センサー１６をバーナと噴出体とで構成する気密空間内の比較的バーナの炎口に近い位置に設け、これらの検知装置からの信号により、前記電子制御装置に所定の制御機能を具備させることも、本発明の装置を比較的高級な製品へ適用する場合において必要である。
【００１６】
実施例の図１は本発明のガス燃焼加熱装置を貯湯式湯沸器に適用した場合の総体的な構成を示すもので、この場合被加熱物は水等の液体であり、筒状の貯水タンク１７の下部に噴出体１０を収納する筒型の切り欠き部１８と、貯水タンクの一部を貫通する排気の上方への排出通路１９を設け、貯水タンク１７内の液体が効果的に加熱できるよう、下部に本発明の燃焼加熱装置を配置したものである。
【００１７】
この実施例においては、貯水タンク内の液体の温度を検知するセンサー２０や水位の検知センサー２１からの信号によって、燃焼加熱量を制御する機能を有し、配管の一部を除く送風機、電子制御装置、燃焼部等の貯湯式湯沸器を構成する全ての要素を単一ユニットとなるよう本体ケース（図示せず）内に収納して製品構成としたものである。
【００１８】
なお、１実施例を示す図１において、２２は過熱防止センサー、２３は排気の排出通路１９内に設けたバッフル板で排気温度を減少させ熱効率の上昇に若干の効果がある。
また、２４は貯水タンクへの給水管、２５は同じく出湯管、２６は過圧安全装置、２７は炎の逆火検知器である。
【００１９】
本発明の実施形態は、以上の実施例に示すものに止まらず、本発明の概念の範囲において、種々の実施形態が考えられる。例えば、被加熱物は液体でなくてもよく、噴出体の形状も円錐形、角筒形、ドーム形、釣り鐘形等のものが想定でき、噴出体の表面も平坦にする必要はなく例えば波形、階段形等種々の応用形が可能である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような構成で実施され、以下に示すような効果を奏する。
【００２１】
バーナの燃焼による高温排気が、噴出体の多数の噴出口から高速で被加熱物の吸熱面に衝突するので、熱伝達率が飛躍的に向上し吸熱部の面積が少なくできると共に、高い熱利用効率が得られる。従って比較的コストの安い簡単な構造で高効率の加熱が可能となり、経済的に優れているほか二酸化炭素の排出量を削減できる。
【００２２】
全一次空気を用いた予混合燃焼方式で二次空気を用いないことと、バーナの燃焼炎が噴出体とバーナ部で構成する気密室を通り、炎の温度より低温の噴出体の噴出口から噴出させる構成のため途中で空気との接触がなく、且つある程度冷却されることおよび燃焼が短炎で短時間で完結すること等により、有害な窒素酸化物の発生を大幅に抑制できる。
【００２３】
被加熱物の殆どの種類に対して、この発明のガス燃焼加熱装置を適用できるので、種々の用途への応用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施例を示す一部断面の構成図である。
【符号の説明】
１            ガス制御弁と供給圧力調整器
２            混合部
３            送風機
４            供給管
５            バーナ
６            炎口
７，７’，８  分布板
９            点火器
１０            噴出体
１２            噴出口
１３            吸熱面
１４            電子制御装置
１７            貯水タンク
【図１】
0003891531.tif 000002