(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒と、この外筒の内部に存在する内筒とを複数のリブによって連結してなる構造を有する本体部と、
この本体部の一開放面における前記外筒と前記内筒との間の領域に被さるリング状の皿部を共同で形成する複数のセラミックス片とを具備してなるバーナディフューザであって、
前記セラミックス片は、扇形の主面部と、この主面部に立設された、前記リブとの接合に用いられる脚部とを有する断面Ｔ字形のものであって、一つの前記リブに対して互いに隣接して立設された２本の軸が前記セラミックス片の脚部を挿通してなり、
前記セラミックス片は、その脚部を挿通した前記軸が更に挿通する押さえ板を用いて、前記皿部の周方向に前記脚部を前記リブに圧着させることにより、前記皿部の周方向に対して互いに正規の位置関係を維持するように前記リブに接合されてなり、
前記リブは、前記セラミックス片の座面を有しない単なる平板で形成され、
前記本体部の熱膨張により前記隣接して立設された軸同士が最大限に離間した際にも、少なくとも一方の軸と、この軸が挿通するセラミックス片の脚部貫通孔の内周面とが接触しない状態となり得るよう構成され、
前記セラミックス片は、前記脚部の前記リブへの圧着のみにより前記本体部に接合されてなることを特徴とするバーナディフューザ。
【請求項２】
本体部を構成する外筒と内筒との間の空間を流動する空気が、セラミックス片の主面部における脚部が立設された側の面に直接衝突し、前記主面部の外縁側から前記本体部の外に噴出するよう構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のバーナディフューザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばボイラに設置されるバーナの構造、特に、その先端側に装着されるバーナディフューザに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ボイラに設置されるバーナの先端側には、燃料を燃焼させた際に生じる火炎の形状を所期のものとし、かつ、それを安定させるため、バーナディフューザ（保炎器またはフレイムスタビライザとも言う）と呼ばれる器具が取り付けられる。
【０００３】
これまでバーナディフューザとしては、全体が耐熱金属からなるものが用いられてきた。しかし燃料油中には、微量ながらも、不純物としてバナジウムやイオウなどの腐食性成分が混じっている。このため従来型の金属製バーナディフューザは高温腐食されやすく、短期間のうちに甚大な焼損が生じる。そこで、特に高熱に晒される部位すなわち皿部をセラミックス製のものに置き換えてなる（正確には皿部を複数のセラミックス製部材から構成してなる）バーナディフューザが提案された（例えば実開昭５６−１３２４１７号）。
【０００４】
ところで、周知のように、金属とセラミックスとでは熱膨張率が著しく相違する。具体的に言うと、バーナディフューザの材料として使用される一般的な金属の熱膨張率は、１．１５×１０−５／℃程度であり、他方、セラミックスのそれは３〜７×１０−６／℃である。このため、上記バーナディフューザにおいて広い面積で拘束されることになるセラミックス製の部材には、材料の熱膨張率の相違に起因した損壊が起きやすい。それゆえ、このセラミックス製の部材（皿部分割片）を金属製の部材（筒状の本体部）に対して、どのように取り付けるかが大きな課題となっていた。
【０００５】
そこで、こうした不具合を解消するべく、構成材料の熱膨張率の相違によるバーナディフューザ（特にセラミックス部材）の損壊を効果的に抑止できる技術が提案された（例えば実開昭６１−３４３１８号）。
【０００６】
同技術では、共同で皿部を形成するセラミックス片を、扇形の主面部および脚部（凸条）からなる断面Ｔ字形のものとしている。そして更に、脚部の断面形状を主面部側に向かって閉縮する台形状とし、一方、本体部の頂面には、この脚部断面に対応した溝（凹条）を形成している。つまり、上記提案になるバーナディフューザは、セラミックス片個々の脚部を本体部頂面の溝に嵌合（一種のあり継ぎ）させることにより構成されている。
【０００７】
こうした構造が採用されてなるバーナディフューザにあっては、上述したような構成材料間の熱膨張率の差異に起因したトラブルは起きにくい。だが、高温時には、セラミックス片の脚部と本体部頂面の溝との間の空隙が過度に大きくなるため、セラミックス片の定着状態が悪化する（すなわちガタが発生する）。この結果、複数のセラミックス片から形成される皿部は本来の形状ではなくなる。つまり、セラミックス片同士の微妙な位置関係が正規のものではなくなり、所期の火炎形状を得られなくなる。
【０００８】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、部材間の熱膨張率の相違に起因した損壊が起きにくく、しかも皿部を構成する部材が常に正規の位置関係となるよう確実に保持されるバーナディフューザを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、
外筒と、この外筒の内部に存在する内筒とを複数のリブによって連結してなる構造を有する本体部と、
この本体部の一開放面における前記外筒と前記内筒との間の領域に被さる皿部を共同で形成する複数のセラミックス片と
を具備してなるバーナディフューザであって、
前記セラミックス片は、扇形の主面部と、この主面部に立設された、前記リブとの接合に用いられる脚部とを有する断面Ｔ字形のものであって、前記リブに立設された軸が前記セラミックス片の脚部を挿通してなり、
前記セラミックス片は、その脚部を挿通した前記軸が更に挿通する押さえ板を用いて前記脚部を前記リブに圧着させることにより、前記リブに接合されてなることを特徴とするバーナディフューザによって解決される。
【００１０】
すなわち、上記のごとく構成されたバーナディフューザにあっては、セラミックス製の部材すなわちセラミックス片を広い面積で拘束しない。つまり、本体部の熱膨張に追従する形で、無理にセラミックス片が変形させられることがない。したがって、このセラミックス片には、本体部との熱膨張率の相違（部材間の熱膨張率の相違）に起因した損壊が極めて起きにくい。これに加えて、上記構成のバーナディフューザにあっては、高温時においても、セラミックス片と本体部との間には、無用な空隙が生じない（すなわちセラミックス片のガタが発生しない）。したがって、セラミックス片の定着状態が悪化することはなく、皿部を構成する複数のセラミックス片が常に正規の位置関係となるよう確実に保持される。この結果、所期の火炎形状が長期間にわたって安定的に維持される。
【００１１】
なお、本発明のバーナディフューザにおいては、一つのリブに対して２本の軸（例えばボルト）が互いに隣接して立設されてなり、本体部の熱膨張により前記軸同士が最大限に離間した際にも、少なくとも一方の軸と、この軸が挿通するセラミックス片の脚部貫通孔の内周面とが接触しない状態となり得るよう構成されてなることが好ましい。つまり、軸同士が最大限に離間した状態においても、それらが上記脚部貫通孔の内周面に圧接しないよう構成（具体的には、脚部貫通孔の径とその中心間距離および軸の径とその間隔などの最適化による）されてなることが望ましい。
【００１２】
更に正確に言うと、本体部の熱膨張により軸同士が最大限に離間した際にも、一方の脚部貫通孔の内周面上の点と他方の脚部貫通孔の内周面上の点との最大間隔（リブ表面と平行な直線に沿った間隔）が、一方の軸の周面上の点と他方の軸の周面上の点との最大間隔（同じくリブ表面と平行な直線に沿った間隔）よりも大きなものであるよう構成されてなることが好ましい。こうすることによって、軸同士の間隔が拡大した際、セラミックス片の脚部には、それを破断しようとする引張り応力が発生しなくなり、セラミックス片の損壊が更に起きにくくなる。
【００１３】
また、セラミックス片したがって皿部の冷却効率を高めるため、本体部を構成する外筒と内筒との間の空間を流動する空気が、セラミックス片の主面部における脚部が立設された側の面に直接衝突し、前記主面部の外縁側から前記本体部の外に噴出するよう構成されてなることが好ましい。ちなみに、この主面部外縁側から本体部の外に、ある広がりを持って噴出する空気流が、燃焼火炎の形状を所期のものとし、かつ、それを安定させる役割を果たす。
【００１４】
なお、上記セラミックス片については、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、アルミナ、ムライトなどから、あるいはこれらの複合材から構成できる。但し、最も好ましいのは、窒化珪素系のセラミックスである。これは次のような理由による。
【００１５】
バーナディフューザの皿部は、長期間にわたって燃焼火炎からの輻射熱を受ける極めて過酷な環境下にて使用される。その上、バーナ点火時あるいは消火時には熱衝撃を受け、更に燃料の燃焼中にあっても、その裏面側は絶えず空気で冷却されるので、これによる熱衝撃も無視できない。このためバーナディフューザの皿部には、優れた耐熱性、高温耐食性、耐熱衝撃性が要求される。上記窒化珪素系のセラミックスは、こうした要求を他の材料よりも高いレベルで満足するものであるから、皿部を形成するセラミックス片としては、上述したように、この窒化珪素系セラミックスから構成されたものが最も理想である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用い、本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、図１は本実施形態に係るバーナディフューザの外観図、図２は同バーナディフューザの平面図、図３は図２におけるＸ−Ｘ線でのバーナディフューザの断面図、図４はセラミックス片の接合部分の正面図、図５はセラミックス片の接合部分を分解状態にて示す斜視図である。
【００１７】
本実施形態に係るバーナディフューザ（以下、本バーナディフューザと言う）は、バーナの先端側に装着されて、重油などの燃料を燃焼させてできる火炎を所期の形状となるよう調整する役割（およびそれを安定させる役割）を果たすものである。すなわち、図１や図２において一点鎖線で示す位置には、バーナノズルが配置され、このバーナノズルから燃料がある広がりを持って噴射される。これが燃焼してできる火炎が、本バーナディフューザによって所期の形状となるよう調整されるのである。
【００１８】
さて、本バーナディフューザは、図１に加えて図２や図３からも判るように、主要な構成要素として、本体部１と、複数（本実施形態では６個）のセラミックス片２とを具備する。特に、セラミックス片２は共同で、リング状であって、かつ、断面が逆ハ字形の皿部を形成している。したがって本バーナディフューザは、概して、本体部１と、複数のセラミックス片２より構成される皿部とからなる構造物である、と言うこともできる。
【００１９】
上記構成要素のうち本体部１は、耐熱金属（例えばステンレス鋼）から構成された二重円筒状のものである。すなわち本体部１は、円筒状の外筒１１と、この外筒１１の内部に存在する、同じく円筒状の内筒１２とを、複数（本実施形態では６個）のリブ１３によって同心円状に連結してなる構造を有する。
【００２０】
なお、外筒１１および内筒１２の高さは、ほぼ等しい。一方、リブ１３は、その上端側の三角形部分が、外筒１１および内筒１２に挟まれた本体部１の開放面から突出しており、この突出部分に、後に詳述するごとく、上記セラミックス片２が接合されている。
【００２１】
次にセラミックス片２は、上述したように、本体部１の一開放面（正確には同開放面における外筒１１と内筒１２との間の領域）に被さるリング状の皿部を、共同で形成する。但し、セラミックス片２同士は接触していない。すなわち、セラミックス片２同士の間には、適度の空隙が形成されている。これは、セラミックス片２が熱膨張した際に、その向き合う端面同士が接触して、押し合うような状況となるのを回避するためである。なお本実施形態では、このセラミックス片２として、窒化珪素系のセラミックスから構成されたものを用いている。
【００２２】
上記セラミックス片２は、外筒１１の一部を破断した状態にて示す図４からも判るように、断面がＴ字形のものである。すなわち、扇形の主面部２１と、この主面部２１に立設された、上記リブ１３との接合に用いられる脚部２２とを有する。特に脚部２２には、図５に示すごとく、セラミックス片２をリブ１３に対して、ボルト締めにより接合するのに使用される貫通孔（図５中、その径はＲ１で、また、その中心間距離はＤ１で示す）２２ａが二つ形成されている。
【００２３】
一方、上記本体部１を構成するリブ１３個々の上端部分（三角形部分）には、２本のボルト（軸）１４ａ，１４ｂが、互いに隣接した状態で立設されている。但し本実施形態では、このボルト１４ａ，１４ｂの頭部をリブ１３に固定してはいない。すなわち、リブ１３には貫通孔（図５中、その径はＲ２で、また、その中心間距離はＤ２で示す）１３ａが並んで二つ形成されており、リブ１３にセラミックス片２を接合するまで上記ボルト１４ａ，１４ｂは、この貫通孔１３ａに納まっただけの状態となっている。しかし、リブ１３にセラミックス片２を完全に接合した状態（ナットを締め込んだ状態）を考えれば、ボルト１４ａ，１４ｂはリブ１３に立設されていると見なすことができる。
【００２４】
さて、本バーナディフューザにあっては、このボルト１４ａ，１４ｂが、上記セラミックス片２の脚部２２を、正確にはこの脚部２２に形成された貫通孔２２ａを挿通している。そしてセラミックス片２は、その脚部２２を挿通したボルト１４ａ，１４ｂが更に挿通する押さえ板（図５中、その貫通孔１５ａの径はＲ３で、また、その中心間距離はＤ３で示す）１５を用いて、脚部２２をリブ１３に圧着させることにより同リブ１３に接合されている。すなわち本実施形態では、矩形状の押さえ板１５を介して、ボルト１４ａ，１４ｂのそれぞれにナット１６ａ，１６ｂを螺着させ、それを十分に締め込むことにより、セラミックス片２をリブ１３に対して分離可能に連結している（全てのセラミックス片２に共通）。
【００２５】
なお、セラミックス片２の脚部２２とリブ１３との間、および同じくセラミックス片２の脚部２２と押さえ板１５との間には、ナット１６ａ，１６ｂを締め込む際に一種の緩衝材として機能する、アルミナなどの無機質繊維から構成されたシート（図示せず）を介在させている。また、上記押さえ板１５については金属材料から構成されるが、当然のことながら、この押さえ板１５にも耐熱性や高温耐食性が要求される。このため押さえ板１５としては、本体部１と同様、ステンレス鋼から構成されたものを用いている。但し、これに替えて、４５Ｃｒ−３０Ｎｉ鋼やＣｒ５０−Ｎｉ５０鋼といった高クロム系耐熱鋳鋼あるいはＮｉ基合金などを使用してもよい。
【００２６】
ところで、上述したように、一つのリブ１３に対しては、計２本のボルト１４ａ，１４ｂが互いに隣接した状態で配されている。本バーナディフューザにあっては、本体部１の熱膨張により、ボルト１４ａとボルト１４ｂとが最大限（設計上の極限値）に離間した際にも、少なくとも一方のボルトと、このボルトが挿通する脚部貫通孔２２ａの内周面とが接触しない状態となり得るよう構成されている（接触しない状態となり得る位置関係であればよく、全ての中心が同一直線上に存在しない場合には、接触することもある）。
【００２７】
言い換えれば、本実施形態では、脚部貫通孔２２ａの径Ｒ１とその中心間距離Ｄ１およびボルト１４ａ，１４ｂの径（図５中、Ｒ４で示す）とその間隔（図５中、Ｄ４で示す）などを最適に設定している。この結果、本体部１の熱膨張によりボルト１４ａ，１４ｂ同士が最大限に離間した状態でも、一方の脚部貫通孔２２ａの内周面上の点と、他方の脚部貫通孔２２ａの内周面上の点との最大間隔（リブ１３の表面と平行な直線に沿った間隔。図５中、Ｌ１に対応）は、ボルト１４ａの周面（仮想周面）上の点と、ボルト１４ｂの周面（仮想周面）上の点との最大間隔（リブ１３の表面と平行な直線に沿った間隔。図５中、Ｌ２に対応）よりも大きなものとなっている。
【００２８】
また本実施形態では、本体部１を構成する外筒１１と内筒１２との間の空間を流動する空気が、セラミックス片２の裏面（主面部２１における脚部２２が立設された側の面）に直接衝突するようにしている。ちなみに、これは、リブ１３にセラミックス片２の主面部２１とオーバーラップするようなフランジ（いわばセラミックス片２の座面）を設けず、リブ１３を単なる平板としたことによる。したがって、本バーナディフューザに供給される冷却用の空気は、図３に破線で示すごとく、セラミックス片２の主面部２１に直接衝突した後、その外縁側から本体部１の外に噴出することになる。ちなみに、この空気流が、燃焼火炎の形状を所期のものとなるよう調整し、かつ、それを安定させる役割を果たす。
【００２９】
さて、上記のごとく構成された本バーナディフューザでは、皿部を形成するセラミックス片２を、本体部１が広い面積で拘束していない。すなわち、セラミックス片２は本体部１側の熱膨張の影響を受けにくく、したがって従来品のごとく本体部１の大きな熱膨張に追従する形で、セラミックス片２が過大変形（伸延）させられることはない。ゆえに本バーナディフューザ、特にそれを構成するセラミックス片２には、本体部１との熱膨張率の相違に起因した損壊が起きない。
【００３０】
これに加えて、本バーナディフューザにあっては、高温時においても、セラミックス片２と本体部１との間（接合面間）に空隙が生じない。つまり、セラミックス片２のガタが発生しない。したがって、セラミックス片２の定着状態が悪化することはなく、皿部を構成する複数のセラミックス片２は、常に正規の位置関係となるよう確実に保持される。その結果、本バーナディフューザは、所期の火炎形状を長期間にわたって安定的に維持できる。
【００３１】
【実施例】
以下の条件にて、上記実施形態に係るバーナディフューザ（以下、本実施例と言う）を製作した。
【００３２】
本体部の材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ−３１０Ｓ）
皿部の外周径：２００ｍｍ
皿部を形成するセラミックス片の材質：窒化珪素系セラミックス
セラミックス片の脚部貫通孔の径Ｒ１：７ｍｍ
セラミックス片の脚部貫通孔の間隔（貫通孔の中心間距離）Ｄ１：１５ｍｍ
リブの貫通孔の径Ｒ２：６ｍｍ
リブの貫通孔の間隔（貫通孔の中心間距離）Ｄ２：１５ｍｍ
ボルトの径Ｒ４（ネジ部の最大径）：６ｍｍ
ボルトの締込み：トルクレンチによる均等締込み
ボルトの間隔（中心間距離）Ｄ４：１５ｍｍ
押さえ板の材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ−３１０Ｓ）
押さえ板の寸法（長さ×幅×厚さ）：３５ｍｍ×１５ｍｍ×４ｍｍ
押さえ板の貫通孔の径Ｒ３：６ｍｍ
押さえ板の貫通孔の間隔（貫通孔の中心間距離）Ｄ３：１５ｍｍ
緩衝材：厚さ２ｍｍの高アルミナ質繊維シート
【００３３】
ここで参考までに言うと、セラミックス片を構成する窒化珪素系セラミックスの熱膨張率は、３×１０−６／℃程度であり、一方、本体部および押さえ板を構成するステンレス鋼の熱膨張率は、１７×１０−６／℃である。そして、本体部のリブとセラミックス片との接合部（ボルトの周囲）は、燃料の燃焼中、５００〜８００℃まで温度が上昇する。このため、常温時にボルト間隔が１５ｍｍであったとすれば、高温時、その間隔はリブの熱膨張により、更に０．１３〜０．２０ｍｍほど大きくなる。これに対して、セラミックス片側の対応する部位は、０．０２〜０．０４ｍｍほどしか伸延しない。よって、セラミックス片の脚部貫通孔の径とボルトの径との差は、０．１８ｍｍ必要となる（但し１箇所で伸延量の差を吸収する場合。２箇所で均等に吸収するのであれば半分の０．０９ｍｍ）。
【００３４】
しかし本実施例では、上記のごとく、脚部貫通孔の径とボルトの径との差の総和を２ｍｍとしている。したがって、両方のボルトが脚部貫通孔の周面に圧接して、セラミックス片の脚部に、その損壊（破断）を引き起こす引張り応力を発生させるといった問題は起きない。
【００３５】
さて、上記構成のバーナディフューザを自家発電用ボイラのバーナに装着し、その効用について調べた。その結果、燃焼火炎の形状には何ら異常が認められず、本実施例のバーナディフューザは、長期間にわたって安定した燃焼状態を維持できることが判った。更に、１年間使用した後、バーナディフューザを取り外し、それを構成する部材を精細に観察した。しかし、セラミックス片のガタや、亀裂などの損傷は一切認められなかった。更に言えば、セラミックス片が高温腐食された形跡は事実上、皆無であり、試験開始前と同等の健全性が維持されていた。
【００３６】
なお、比較のため、
▲１▼皿部が金属製のもの（比較例１）、
▲２▼皿部が複数のセラミックス片からなり、本体部に広い面積で拘束されているもの（比較例２）、
▲３▼皿部が複数のセラミックス片からなり、その脚部を嵌合させることにより本体部に接合されているもの（比較例３）
を準備し、先と同様の試験を行った。結果は以下のとおりである。
【００３７】
まず比較例１について、１年間使用した後に皿部を観察したところ、早急な交換が必要であるほど高温腐食が進行していた。一方、比較例２では、皿部を構成するセラミックス片に高温腐食は生じていなかったが、亀裂の発生が認められた。更に比較例３では、セラミックス片に高温腐食の跡や亀裂などの損傷は見付からなかったが、燃料の燃焼中、セラミックス片同士の位置関係に狂いが生じ、所期の火炎形状を安定的に維持することができなかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のバーナディフューザは、部材間の熱膨張率の相違に起因した損壊が起きにくく、しかも皿部を構成する部材が常に正規の位置関係となるよう確実に保持され、所期の火炎形状を長期間にわたって安定的に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るバーナディフューザの外観図
【図２】本発明の実施形態に係るバーナディフューザの平面図
【図３】図２におけるＸ−Ｘ線での、本発明の実施形態に係るバーナディフューザの断面図
【図４】セラミックス片の接合部分の正面図
【図５】セラミックス片の接合部分を分解状態にて示す斜視図
【符号の説明】
１                本体部
２                セラミックス片
１１                外筒
１２                内筒
１３                リブ
１３ａ              リブの貫通孔
１４ａ，１４ｂ      ボルト（軸）
１５                押さえ板
１５ａ              押さえ板の貫通孔
１６ａ，１６ｂ      ナット
２１                セラミックス片の主面部
２２                セラミックス片の脚部
２２ａ              セラミックス片の脚部貫通孔
【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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