(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風機に接続され当該送風機からの送風を受ける空気ケースと、当該空気ケース内に配された端部開放の筒体と、燃料噴射ノズルと燃焼ケースとを有し、前記筒体は少なくとも小径部と大径部とを備え、前記小径部は前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射を受け、前記小径部と前記大径部には開口が設けられていて当該開口を経て前記空気ケースから前記筒体の内部に空気が導入されるバーナにおいて、前記筒体は、前記小径部と大径部の側面にそれぞれ前記開口があり、小径部と大径部との間に段部が設けられており当該段部にも前記開口があり、前記空気ケースは、第１空気室と第２空気室とからなり、第１空気室は小径部の側面に設けられた開口と前記段部に設けられた開口と燃焼ケース内の空間とに連通し、第２空気室は大径部の側面に設けられた開口と連通し、さらに、第１空気室と第２空気室に送風される空気流量の比率を変更する流量比率変更手段が設けられていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記流量比率変更手段は、燃料噴射量の増加に応じて第２空気室に送風される空気の流路を段階的に開く可動ダンパで構成された開閉手段を有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
第２空気室に送風される空気の流路を複数有し、当該複数の空気流路のうち少なくとも１つに前記可動ダンパが設けられ、他の少なくとも１つは常に開放されていることを特徴とする請求項２に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナに関し、詳しくは液体燃料等の流体燃料を用いて燃焼量を増減できるバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油給湯機等において、いわゆる二段燃焼筒によって液体燃料の燃焼を行う燃焼量可変式ガンタイプバーナは、従来から知られていた。
このような従来技術によるバーナの一例を図７に一部断面立面図により示す。このバーナは、その下方に設けられた熱交換器を加熱するためのもので、バーナにおける気流はほぼ下向きである。このような形態は、消音機（図示せず）をコンパクトに設けてスペースを節約するためによく用いられる。
このバーナにおいて、燃料は電磁ポンプ４で加圧されて燃料噴射ノズル７から噴射される。噴射された燃料は送風機１からの空気と混合し、点火プラグ８により点火されて主として燃焼筒６内で燃焼する。燃焼筒６は、図４，５に示すように、ともに円筒状である小径部（第１内筒）６ａと大径部（第２内筒）６ｂとからなる。燃料噴射ノズル７と点火プラグ８を内蔵するノズル収納筒３は、燃料噴射ノズル７を直接内蔵するノズル収納内筒３ａと、その外側に設けられたノズル収納外筒３ｂとの二重構造になっている。
【０００３】
詳しくは、送風機１からの空気は、空気ケース２に送られた後、下記のように燃焼に用いられる。
ノズル収納内筒３ａの側面に設けられた空気孔１０からノズル収納内筒３ａの内部に流入した空気は、燃料噴射ノズル７の周囲を通り、噴射された燃料と混合して燃焼筒６内に送られる。
点火プラグ８によって燃焼反応が開始され、前記空気孔１０から流入した空気が最初に燃料に酸素を供給する。気流が燃焼筒６へ向かっているため、燃焼反応は主として燃焼筒６の内部で行われる。
ノズル収納外筒３ｂの側面に設けられた空気孔１１からノズル収納外筒３ｂの内部に流入した空気は、第１内筒６ａの上面を放射状に切り欠いて構成された旋回器１５から第１内筒６ａ内に送られて燃焼筒６内のガスに旋回による保炎効果を加えながら燃料に酸素を供給する。
第１内筒６ａの側面に設けられた空気孔１２から小径部６ａの内部に流入した空気は、いわゆる二次空気として燃焼に用いられる。
小径部６ａと大径部６ｂとの間の段部９に設けられた空気孔１３から大径部６ｂの内部に流入した空気は、段部９の内面を放射状に切り欠いて構成された旋回器２５から大径部６ｂ内に送られて燃焼筒６内のガスに旋回による保炎効果を加えながら燃料に酸素を供給する。
大径部６ｂの側面に設けられた空気孔１４から大径部６ｂの内部に流入した空気も、いわゆる二次空気として燃焼に用いられる。
また、燃焼筒６内に流入せずに同筒６の周囲から下方の燃焼ケース６０内へ送風される空気（いわゆる三次空気）は、燃焼ガス中に二次空気によってもまだ完全燃焼していない成分があるとき、その未燃成分の完全燃焼に寄与する。
【０００４】
送風機１の送風量は、電磁ポンプ４による燃料供給量（すなわち燃料噴射ノズル７による燃料噴射量）に応じて制御される。小負荷のとき、すなわち要求される熱量が小さく入力（燃料供給量）が小さいときは、送風量（空気供給量）も少なくされて燃焼はほとんど小径の第１内筒６ａの内部で行われ、大負荷のとき、すなわち要求される熱量が大きく入力（燃料供給量）が大きいときは、送風量（空気供給量）も多くされて燃焼は第１内筒６ａの内部のみならず大径の第二内筒６ｂの内部でも行われるので、小負荷域から大負荷域まで良好な燃焼状態が得られることが期待される。
送風量の制御は、比例制御等の方式により送風機１のファンモータの回転数を制御することによって行われている。また、小径部と大径部への送風量の比率は、それぞれの開口面積の比率によって定まるので、開口部の具体的な位置、数、面積、形状等は、燃焼状態が良好になるように、実験によって経験的に定められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなバーナにおいては、下記のような問題点があった。
まず、小負荷時において大径部の開口からの流入空気は燃焼に寄与しないので、空気を有効に利用するために小径部の開口面積の比率を大きくしたとすれば、小負荷時において良好な燃焼範囲を最大限に得ることはできるが、大負荷時に送風量を上げると小径部内の流速が過大となって火炎が吹き消えることがあった。また、吹き消えを防止するために大負荷時の送風量を低めに抑えると、大径部への空気供給量が不足して、スス、ＮＯｘ、ＣＯ等が発生する惧れがあった。
反対に大径部の開口面積の比率を大きくしたとすれば、大負荷時において良好な燃焼範囲を最大限に得ることはできるが、小負荷時に小径部への送風量が小さくなりすぎて小径部にスス、ＮＯｘ、ＣＯ等が発生する惧れがあった。仮にこれらの生成物の発生を防止すべく小負荷時にも送風量を多くすれば、燃焼に寄与しない大径部の開口からの送風空気量が大きくなりすぎて無駄があった。
【０００６】
すなわち、小径部の開口面積の比率を大きくすれば大負荷時に問題が生じやすく、大径部の開口面積の比率を大きくすれば小負荷時に問題が生じやすかった。
そのため、従来のバーナでは、最小から最大までの負荷範囲において性能上何とか妥協できる程度の開口面積比を選択していたのが現実であって、全負荷範囲で良好な燃焼性能を得ることができなかった。また、そのために実用可能な負荷範囲が制約され、燃焼量制御幅（最大出力と最小出力との比）を広く取ることが困難であった。
【０００７】
本出願人の先願である特願平９−３６７１３０号においては、上記のような問題点の解決を図り、大径部に導入される空気量を制限する制限部材をバーナに設けることを提案している。しかし、単に制限部材を設けたのみでは大径部の開口面積の比率を小さくしたのと同等であり、上記の問題点を解決することができなかった。
また、同出願においては、薄片状の弁部を備えることにより送風量が多いときのみ大径部への通気を許容することも提案している。しかし、このような構成のバーナは、構造が簡単で安価ではあるが、精密な制御が困難であり、負荷に応じて最適な送風量を得ることにより最適な燃焼性能を得ることはできなかった。
また、同出願においては、空気ケースを仕切る形状の制限部材に開口を設けて弁を備えることも提案している。しかし、単に弁を備えることを記載したのみであり、運転条件に応じて最適な送風量を得るための具体的な構成は全く開示されていないため、上記の問題点を十分解消するには至っていない。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、小負荷から大負荷に至るまで全負荷範囲で燃焼性能が良好で、かつ負荷範囲（燃焼量制御幅）が広いバーナを提供することを、解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載のバーナは、送風機に接続され当該送風機からの送風を受ける空気ケースと、当該空気ケース内に配された端部開放の筒体と、燃料噴射ノズルと燃焼ケースとを有し、前記筒体は少なくとも小径部と大径部とを備え、前記小径部は前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射を受け、前記小径部と前記大径部には開口が設けられていて当該開口を経て前記空気ケースから前記筒体の内部に空気が導入されるバーナにおいて、前記筒体は、前記小径部と大径部の側面にそれぞれ前記開口があり、小径部と大径部との間に段部が設けられており当該段部にも前記開口があり、前記空気ケースは、第１空気室と第２空気室とからなり、第１空気室は小径部の側面に設けられた開口と前記段部に設けられた開口と燃焼ケース内の空間とに連通し、第２空気室は大径部の側面に設けられた開口と連通し、さらに、第１空気室と第２空気室に送風される空気流量の比率を変更する流量比率変更手段が設けられていることを特徴とするバーナである。
【００１０】
このバーナによって、燃焼筒の小径部と大径部それぞれに負荷状態に応じて最適量の燃焼用空気を供給できるため、小負荷から大負荷に至るまで全負荷範囲で燃焼性能が良好で、かつ負荷範囲（燃焼量制御幅）が広くなる。
【００１１】
上記課題を解決するための請求項２記載のバーナは、前記流量比率変更手段は、燃料噴射量の増加に応じて第２空気室に送風される空気の流路を段階的に開く可動ダンパで構成された開閉手段を有することを特徴とする請求項１に記載のバーナである。
【００１２】
このバーナによって、燃料噴射量が増加するほど燃焼筒の大径部の必要空気量が増加することに対応でき、また、比較的簡単でコンパクトな構造により発明の目的を達成することができる。
【００１３】
上記課題を解決するための請求項３記載のバーナは、第２空気室に送風される空気の流路を複数有し、当該複数の空気流路のうち少なくとも１つに前記可動ダンパが設けられ、他の少なくとも１つは常に開放されていることを特徴とする請求項２に記載のバーナである。
【００１４】
このバーナにおいて、可動ダンパの位置に関わらず、燃焼筒大径部に最小限必要な空気は常に供給される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態であるバーナを図１に示す。図１におけるバーナは、燃焼筒６の構造自体においては従来技術において説明したバーナと異なるところがない。
液体燃料は電磁ポンプ４によって燃料噴射ノズル７へ送られる。燃料噴射ノズル７はリターンノズルであって、供給液体の一部を噴霧し、剰余の液体を電磁ポンプ４の吸入側へ戻すものである。噴射される液体燃料の流量は可変であり、制御弁（図示せず）により制御される。噴射される液体流量の増減に対応して従来どおりの制御機構により送風機１の送風量も増減する。
【００１６】
空気ケース２は、仕切板２０で仕切られることによって第１空気室２１と第２空気室２２とに分けられている。仕切板２０は、全体としては中央部においてくぼんだ形状であって、水平部２０ａと垂直部２０ｂからなる。水平部２０ａは略中央部に円孔を有する形状であり、垂直部２０ｂは円筒状であって水平部２０ａに接続する。垂直部２０ｂは、燃焼筒大径部６ｂの外径と略同一の内径を有し、燃焼筒小径部６ａの外表面を略一定間隔を隔てて環状に囲むように設けられ、その下端部の内表面は燃焼筒大径部６ｂの上部の外表面と接している。
仕切板２０の水平部２０ａには、比較的大面積の第１開口４１と比較的小面積の第２開口４２が設けられている。なお、第２開口４２は図１には表れず、第１開口４１と第２開口４２の詳細は図２、図３に示されている。
第１開口４１と第２開口４２の面積比は、８：１〜２０：１である。比較的大面積の第１開口４１は可動ダンパ３５により開閉されるが、比較的小面積の第２開口４２は常に開放されている。
【００１７】
第１空気室２１は送風機１と直結され、第２空気室２２は第１空気室２１及び開口４１，４２を介して間接的に送風機１からの送風を受ける。
第２空気室２２の下部は燃焼筒大径部６ｂの外表面を略一定間隔を隔てて環状に囲むように設けられている。
第２空気室２２の下部の外側には、環状の三次空気ガイド５０が設けられている。第１空気室２１は、三次空気孔３０、流路４０、開口４５によって三次空気ガイド５０と連通している。さらに三次空気ガイド５０は、その側面に設けられた複数の空気孔５５により燃焼ケース６０内の空間と連通している。バーナの運転時に第１空気室２１から三次空気ガイド５０に流入した空気は、複数の空気孔５５から吹き出し、燃焼ケース６０内で燃焼筒６の外方をほぼ軸対称の流量分布をもって流下しつつ補助的に燃焼を促進する。
【００１８】
第１空気室２１は、ノズル収納内筒３ａの側面に設けられた空気孔１０及びノズル収納外筒３ｂの側面に設けられた空気孔１１によってノズル収納筒３の内部と連通し、燃焼筒小径部６ａの側面に設けられた空気孔１２によって小径部６ａの内部と連通するほか、小径部と大径部の間の段部９に設けられた空気孔１３及び旋回器２５によって大径部６ｂの内部とも連通している。
一方、第２空気室は、大径部６ｂの側面に設けられた空気孔１４によって燃焼筒６の大径部６ｂの内部と連通している。
【００１９】
このように大径部６ｂの側面に設けられた空気孔１４への送風路のみを他から区別したのは、この空気孔１４への必要送風量は負荷の増減に従って大きく増減するが、他の空気孔への必要送風量は負荷の増減による増減が小さいからである。
すなわち、小径部６ａにおける燃料の燃焼量（酸素消費量や、燃焼に必要な空気量と対応する）は、負荷の大小によらずほぼ一定である。また、小径部と大径部の間の段部９に設けられた空気孔１３は、大径部６ｂに通じているが、小負荷時すなわち主として小径部６ａ内で燃焼が行われているときにも保炎効果によって燃焼に寄与するので、小径部６ａに対する送風とともに制御した方が都合が良い。また、いわゆる三次空気の必要量も負荷の大小による変化が少ないので、これも小径部６ａに対する送風とともに制御した方が都合が良い。
従って、これらをまとめて１つの空気室により送風を行うことにより、比較的簡単な構造で十分に目的を達することができる。
【００２０】
前記可動ダンパ３５は、その一端においてヒンジ３７により回転可能に支持されており、ステッピングモータ３６によって駆動され、全開から全閉までの間で数段階の位置をとることができる。なお、ステッピングモータ３６は、噴射される液体燃料の流量に応じ、図示しない制御装置により制御されている。
電磁ポンプ４による燃料供給量が最小のとき燃焼はほとんど小径部６ａ内で行われているが、このとき可動ダンパ３５は全閉される。そのため、送風機１により送風される空気の大部分は小径部６ａに供給され、大径部６ｂへの無駄な空気供給は防止される。
このときでも大径部６ｂへの空気供給がゼロになっているわけではない。まず、段部９に設けられた空気孔１３から流入した空気は、旋回器２５から大径部６ｂ内に送られて燃焼筒６内のガスに保炎効果を加えるほか、未燃成分があればそれに酸素を供給して燃焼させる。また、第２空気室２２は第２開口４２によって第１空気室２１と連通しているため、第２空気室２２から大径部６ｂ側面の空気孔１４を通じて大径部６ｂに小量の空気が導入される。この空気も、燃焼ガス中に未燃成分があればそれを燃焼させるといった補助的な役割を果たす。
【００２１】
燃料供給量の増加に応じて火炎は大きくなり、大径部６ｂにおける燃料の燃焼量、必要空気量が増大するため、ステッピングモータ３６は燃料供給量の増加に応じて可動ダンパ３５を次第に開かせ、第２空気室に送風される空気流量の比率を増加させる。送風機１による全送風量も増加するが、その増加分の大部分は第２空気室に送風される空気流量の増加分となり、第１空気室に送風される空気流量の増加分は小さい。燃料供給量が増減しても小径部６ａにおける酸素消費量の増減は小さいからである。
燃料供給量が最大になったとき、ステッピングモータ３６は可動ダンパ３５を全開させる。このとき、第２空気室に送風される空気流量の比率も最大となる。
【００２２】
本発明によれば、燃焼筒の小径部と大径部それぞれに負荷状態に応じて最適量の燃焼用空気を供給できるため、小負荷から大負荷に至るまで全負荷範囲で燃焼性能が良好で、かつ負荷範囲（燃焼量制御幅）が広くなる。
【００２３】
本発明の実施形態として、上記のもののほか、下記の如く種々の変形形態が実施できる。
【００２４】
可動ダンパとしては、図６（ａ）に３５' として図示したような中央部に軸３８を有して回動するものや、図６（ｂ）に３５''として図示したような引戸状にスライドするものを用いてもよい。
【００２５】
また、可動ダンパとして、開度を連続的に変更し得るものを用いてもよいし、開と閉の２位置しか取り得ないものを用いてもよい。
【００２６】
ステッピングモータ３６の制御は、送風量、燃料流量等のデータに応じて行えばよい。具体的には、燃料供給ラインに流量や圧力のセンサを設けてそのデータを制御装置に入力したり、送風機出口に風速センサを設けてそのデータを制御装置に入力したり、電磁ポンプ４や送風機１の回転数のデータを制御装置に入力したりすることによって、行うことができる。
これらの入力値とステッピングモータの停止位置（ダンパの開度）との具体的な関数的関係は実験により定めることができる。
【００２７】
負荷最小時にもダンパ３５を全閉しない構成を採用し、第２開口４２を設けない実施形態も可能である。また、負荷最小時にダンパを全閉し、しかも第２開口４２を設けないで、負荷最小時に第２空気室への送風を全く止める実施形態も可能である。
【００２８】
上記の如く第１空気室及び第２空気室を、１つのケースを仕切板で仕切ることにより形成するのは、製作が簡易であり、既製のバーナを改造するにも便利であるが、第１空気室及び第２空気室をこのようにして形成せず、全くの別体としてもよい。
その場合、第１空気室は送風機と接続され、第２空気室は第１空気室と接続され、第１空気室と第２空気室の間の流路に上記ダンパのような流量比率変更手段が設けられた構成も可能である。
また、送風機の下流の流路が分岐して第１空気室と第２空気室にそれぞれ接続され、送風機と第２空気室との間に上記ダンパのような流量比率変更手段が設けられた構成も可能である。
【００２９】
上記実施形態は、空気室を２つ設けるという比較的簡単な構造をとっているので、第１空気室２１は、ノズル収納内筒３ａの側面に設けられた空気孔１０、ノズル収納外筒３ｂの側面に設けられた空気孔１１、小径部６ａの側面に設けられた空気孔１２、小径部と大径部の間の段部９に設けられた空気孔１３、及び、三次空気孔３０の各々に送風を行い、いわば多目的の空気室となっている。それに対し、他の実施形態として、この第１空気室をさらに２以上に分割し、例えば三次空気孔３０へ送風を行う空気室を独立させる等、送風先によって異なる空気室を設けることもできる。そのような実施形態によれば、さらにきめ細かく送風量の制御を行うことができる。
なお、上記の空気孔１０，１１，１２，１３，３０等は全てが必須というわけではなく、何れかを省略することもできる。
【００３０】
以上の実施形態では送風機の送風量は可変とされているが、送風機の送風量を一定とし、過剰の空気を排出するための排気路を例えば第１空気室と接続しても実施は可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷状態に合わせて最適な位置に最適量の燃焼用空気を供給できるため、小負荷から大負荷に至るまで全負荷範囲で燃焼性能が良好で、かつ負荷範囲（燃焼量制御幅）が広くなる。
また、小負荷時にも燃焼状態が安定するため、小負荷時の耐風性能が向上して安全性が増し、風圧スイッチを廃止し得るので、構造が簡易になり、製造原価が低減される。
また、空気孔の設計に従来ほどの細心の注意を払う必要がなくなって製造が容易になり、かつ、製造ラインでの入力調整作業が省略又は簡易化できることにより、製造原価が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態であるバーナを示す一部破断立面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】  図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】  図１のバーナの一部分を示す一部破断立面図である。
【図５】  図１のバーナの一部分を示す斜視図である。
【図６】  本発明の他の実施形態のバーナのダンパを模式的に示す部分拡大図である。
【図７】  従来のバーナを示す一部破断立面図である。
【符号の説明】
１    送風機
２    空気ケース
３    ノズル収納筒
４    電磁ポンプ
６    燃焼筒
６ａ  小径部（第１内筒）
６ｂ  大径部（第２内筒）
７    燃料噴射ノズル
８    点火プラグ
９    段部
１０，１１，１２，１３，１４  空気孔
１５  旋回器
２０  仕切板
２１  第１空気室
２２  第２空気室
２５  旋回器
３０  三次空気孔
３５，３５' ，３５''  可動ダンパ
３６  ステッピングモータ
３７，３７'   ヒンジ
４０  流路
４１  第１開口
４２  第２開口
４５  開口
５０  三次空気ガイド
５５  空気孔
６０  燃焼ケース
【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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