(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料若しくは空気又は燃料空気混合気の流体を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記流体の少なくとも１つの流路に開閉弁を備え、前記開閉弁を周期的に開閉させ、開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備え、
前記開閉弁を流れる流体を一次的貯蔵可能なバッファータンクを前記開閉弁の上流側に備えた加熱装置。
【請求項２】
燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料若しくは空気又は燃料空気混合気の流体を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記流体の少なくとも１つの流路に開閉弁を備え、前記開閉弁を周期的に開閉させ、開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備え、
前記開閉弁の周期的な開閉動作の周波数を１以上且つ１０Ｈｚ以下の範囲内とした加熱装置。
【請求項３】
燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料若しくは空気又は燃料空気混合気の流体を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記流体の少なくとも１つの流路に開閉弁を備え、前記開閉弁を周期的に開閉させ、開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備え、
前記開閉弁を流れる流体の流量を調整可能な定流量弁若しくは流量制御弁を前記開閉弁の上流側に備え、前記流体の流量を一定にする加熱装置。
【請求項４】
燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料と空気を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記燃料の流路と前記空気の流路に開閉弁をそれぞれ備え、前記それぞれの開閉弁を周期的に開閉させ、それぞれの開閉動作の位相差を変更可能とする位相差制御手段を備えた加熱装置。
【請求項５】
前記開閉弁の開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備えた請求項４記載の加熱装置。
【請求項６】
前記開閉弁の周期的な開閉動作の周波数を１Ｈｚ以上且つ２００Ｈｚ以下の範囲内とした請求項４又は５に記載の加熱装置。
【請求項７】
前記開閉弁を流れる流体の流量を調整可能な定流量弁若しくは流量制御弁を前記開閉弁の上流側に備えた請求項４から６のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項８】
前記開閉弁を流れる流体を一次的貯蔵可能なバッファータンクを前記開閉弁の上流側に備えた請求項４から７のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項９】
前記開閉弁を流れる流体の圧力を調整可能な圧力調整弁を前記開閉弁の上流側に備えた請求項１から８のいずれか１項に記載の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用加熱炉、ボイラ、家庭用給湯器等の加熱装置において、加熱用バーナに供給される燃料若しくは空気又は空気と燃料の混合気の流量を正確に供給し、ＮＯｘ生成抑制が可能な加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱装置に備えられたバーナの燃焼量の制御は、開度を連続的に可変できる流量調整弁を用いて、燃料若しくは燃料と空気の混合気の流量を調整することにより行っている。その流量調整弁は、主に、制御モータ若しくは空圧機器を使用してバタフライ弁をアナログ制御にて回転させ、燃料若しくは混合気の流路の開度を調整することにより流量を調整するものであり、この場合、回転角と開度は線形関係にはならず、バタフライ弁の圧損等やバタフライ弁の反応速度等を考慮する必要があったため、正確に燃料若しくは混合気の流量を制御することは困難であった。
また、空気と燃料の混合比の調整は供給される空気を流量調整弁の開度で調整するか、ブロアやファンの回転数を変更して調整して行っていた。これも正確な流量の調整は行えず、ＮＯｘ生成の抑制を行う上で正確且高速に空気燃料比を設定することは困難であった。
正確な流量制御をバルブポートの形状を工夫した流量制御弁も一部で使用されているが、高価であるためコスト的に不利であった。
以上の構成はすべてアナログ信号による制御であって、燃焼量若しくは燃料と空気の混合比を瞬時に変化させることは困難であった。
また、ＮＯｘ生成の抑制を行うためには、空気と燃料の混合比を正確に行うことが必要で、燃焼量を変化させる場合は、それに対応させて正確且高速に混合比を制御することが必要であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みて、加熱装置に備えられたバーナに供給される燃料、空気、若しくは燃料空気混合気の流量を簡単な構造で精密に制御し、燃焼量の正確な調整や、ＮＯｘ削減等に対して最適な空気燃料比の正確な制御を実現する加熱装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る加熱装置は、燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料若しくは空気又は燃料空気混合気の流体を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記流体の少なくとも１つの流路に開閉弁を備え、前記開閉弁を周期的に開閉させ、開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備える。
この構成により、前記開閉弁のデューティー比を制御することにより、それぞれの流量を正確に調整することができる。また、開閉弁にソレノイドバルブを使用し、デジタル制御することにより高速な制御が可能となり、Ｄ−Ａ変換器の必要もなくコスト的にも有利である。燃料若しくは燃料空気の混合気の流路に前記開閉弁を設けた場合は、正確な燃焼量の調整が可能となり、空気の流路に前記開閉弁を設けた場合は、燃焼量に応じた最適な空気比を設定することが可能になる。
また、本発明に係る加熱装置は、燃焼室に加熱用のバーナを備え、前記バーナに燃料と空気を供給し燃焼させる加熱装置であって、前記燃料の流路と前記空気の流路に開閉弁をそれぞれ備え、前記それぞれの開閉弁を周期的に開閉させ、それぞれの開閉動作の位相差を変更可能とする位相差制御手段を備える。
この構成によると、ＮＯｘ生成を抑制するための最適な位相差を設定し燃焼させることが可能であり、例えば、燃料用開閉弁に対して空気用開閉弁の開閉動作の遅れ周期として位相差を４０％程度にすると、位相差０％、すなわち開閉を同期で行うときよりもＮＯｘ生成量を半分程度に抑制することができる。
さらに、前記開閉弁の開時間比率としてデューティー比を変更可能とするデューティー比制御手段を備えることもでき、燃料又は空気の流量を正確に調整することができる。
【０００５】
それぞれの構成で、前記開閉弁の周期的な開閉動作の周波数を１Ｈｚ以上且つ２００Ｈｚ以下の範囲内とすることができ、前記開閉弁を例えば自動車等に使用されているソレノイド式の燃料噴出器を使用することで、２００Ｈｚ程度の高周波数の開閉動作が可能で、耐久性にも優れている。また、燃焼室内の温度が燃料の自着火温度以上の場合は、連続運転可能であるが、燃焼室内の温度が自着火温度以下の場合は、燃焼室に連続火花放電可能なスパークロッドや連続的に燃焼しているパイロットバーナ等を設置し、連続的に再点火を行うことで連続運転可能となる。
さらに、前記周波数が約２０Ｈｚ以上の場合は、前記開閉弁の周期的な開閉動作による流体の脈動は配管経路の抵抗で整流されるので、安定した燃焼を発生することができ、前記周波数が１０Ｈｚ以下の場合は、ＮＯｘ生成抑制が期待される。すなわち、燃料若しくは混合気の供給が休止中に前に供給された燃料若しくは燃料と空気の混合気が燃焼室内で炉気にて希釈され、燃料濃度や酸素濃度が低下してからゆっくりと燃焼する緩慢燃焼となり、ＥＧＲ（排ガス再循環）の作用があるからである。
【０００６】
前記開閉弁を流れる流体の圧力又は流量を調整可能な圧力調整弁又は定流量弁若しくは流量制御弁を前記開閉弁の上流側に備えることも好ましい。たとえば前記開閉弁の上流側の燃料若しくは空気又は燃料と空気の混合気の圧力を一定にすることで、より正確にデューティ比制御にて流量を調整できる。流量を一定にすれば、デューティ比制御にてバーナ入圧力を変えることができ、ひいては混合気の流速を変えることができるのでＮＯｘ生成を制御できる。
前記開閉弁を流れる流体を一次的貯蔵可能なバッファータンクを前記開閉弁の上流側に備えることで、前記開閉弁の周期的な開閉動作による、上流側の機器等への変動圧力による影響を緩和することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る加熱装置について、実施の形態を図面に基いて説明する。
図１において、燃焼室４内にバーナ５を備え、燃料１０と空気１１をそれぞれバーナ５に供給し予混合燃焼する加熱装置であり、詳しくは、空気１０をバッファータンク８、定流量弁６、空気開閉弁１を介しバーナ５に供給する空気流路と、燃料１１をバッファータンク９、定流量弁７、燃料開閉弁２を介しバーナ５に供給する燃料流路を備えている。前記空気開閉弁１と前記燃料開閉弁２は周期的な開閉動作可能なソレノイド式燃料噴出弁の中でも、特に許容流量が大きいものとして天然ガス自動車用に使用されているソレノイド式燃焼噴出弁を使用している。
【０００８】
前記空気開閉弁１と前記燃料開閉弁２は制御器３によってそれぞれ制御されており、周期的開閉動作の開閉周波数、開時間比率としてデューティー比が変更可能であり、制御器３は、デューティー比制御手段であり、位相差制御手段であるといえる。
空気開閉弁１と燃料開閉弁２の開閉周波数が同じ場合、後者の開閉に対する前者の開閉の遅れ周期を位相差として変更可能となっている。すなわち、図２の（イ）に示すように燃料開閉弁２の開閉動作を周期Ｔ、開時間ＴGo、閉時間ＴGcで行い、（ロ）に示すように空気開閉弁１の開閉動作を周期Ｔ、開時間ＴAo、閉時間ＴAcで行ったときのデューティー比ＤG、ＤAと位相差Ａは以下のようになる。
ＤG（％）＝ＴGo／（ＴGo＋ＴGc）×１００＝ＴGo／Ｔ×１００
ＤA（％）＝ＴAo／（ＴAo＋ＴAc）×１００＝ＴAo／Ｔ×１００
Ａ（％）＝（ｔA−ｔG）／Ｔ×１００
また、制御器３により、前記定流量弁６、７は定流量設定可能となっており、スパークロッド１７は連続点火放電可能となっている。
以上の構成により、空気１０と燃料１１がバーナ５に供給される流量は、定流量弁６、７で設定した流量とデューティー比に比例し、制御器３によりデューティー比をデジタル制御することにより正確且高速に流量を制御できる。また、それぞれの開閉の周波数を約２０Ｈｚ以上に設定すると、開閉動作による流体の脈動は配管経路の抵抗で整流されるので、ほぼ一定の流量でバーナ５に供給することができ、初期にスパークロッド１７により点火すると連続的に燃焼し、約２０Ｈｚ以下のときでも、スパークロッド１７を連続的に点火放電することにより連続的に燃焼させることが可能である。
【０００９】
ここで、燃焼室４内が９００℃で、空気開閉弁１の開閉周波数を約２０Ｈｚ以上、燃料開閉弁２の開閉周波数を約５Ｈｚとすると、空気１０は安定してバーナ５に供給されるが、燃料１１は断続的に供給され、このことで、燃料１１が休止中に前に供給された燃料１１が燃焼室４内で希釈され、燃料濃度や酸素濃度が低下してからゆっくりと燃焼し、ＮＯｘ生成濃度３０ｐｐｍ程度に削減することができる。逆に、燃料開閉弁２の開閉周波数を約２０Ｈｚ以上、空気開閉弁２の開閉周波数を約５Ｈｚとすると、燃料１１は安定してバーナ５に供給されるが、空気１０は断続的に供給され燃料を希薄状態で燃焼することができ、ＮＯｘ生成濃度を２５ｐｐｍ程度にすることができる。
さらに、それぞれの開閉弁の開閉周波数を約１０Ｈｚ、デューティー比３０％とし、位相差を０％すなわち同時に開閉した場合のＮＯｘ生成濃度は約５０ｐｐｍであることに対し、位相差を６０％にすると２５ｐｐｍ、位相差を４０％にするとＮＯｘ生成濃度は最低値の約２０ｐｐｍとなり、燃焼状態は図２（ハ）に示すように断続的になり、適切な位相差を持たせた開閉動作がＮＯｘ生成を削減するのに有効であることがいえる。このことは、本願の目的である、デューティー比にて燃料流量、及び空気燃料比を精密に制御し、それに対応した最適の位相差を制御することで、幅広い燃焼負荷に対して低ＮＯｘ燃焼が可能である加熱装置を提供することができ、これは、開閉弁としてソレノイド式の燃料噴射弁を使用し、開閉弁の開閉動作をデジタル信号で制御可能としたことで簡単に実現することがでる。
【００１０】
また、図３に示す加熱装置は、燃焼室４内にバーナ５を備え、燃料と空気の混合気１５をバッファータンク１４、調圧弁１３、混合気開閉弁１２を介しバーナ５に供給する流路と、混合気開閉弁１２の上流側より分岐しパイロットバーナ１６に供給する流路を備えている。この構成によると、混合気開閉弁１２の開閉を低周波数で行っても、パイロットバーナ１６による火炎がバーナ５の火炎を常時再点火するため、連続的な燃焼を行うことができる。よって、混合気１５がバーナ５に断続的に供給され、このことで、混合気１５が休止中に前に供給された混合気１５が燃焼室４内で希釈され、燃料濃度や酸素濃度が低下してからゆっくりと燃焼し、ＮＯｘ生成濃度を削減することができ、本発明の目的を達成する加熱装置を提供することができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る加熱装置においては、例えば、工業用加熱炉、ボイラ、家庭用給湯器等に使用され、供給される燃料、空気、若しくは燃料空気混合気のそれぞれの流路に備えられた開閉弁のデューティー比及び位相差を制御することにより、簡単な構造で流量及び供給状態を精密に制御し、燃焼量を正確に調整することや、ＮＯｘ生成抑制に対して最適な空気燃料比及び位相差を正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態で燃料と空気を供給する加熱装置の系統図
【図２】図１に示す加熱装置の燃料と空気の供給状態と燃焼状態を示すグラフ
【図３】本発明に係る実施の形態で燃料と空気の混合気を供給する場合の加熱装置の系統図
【符号の説明】
１      空気開閉弁
２      燃料開閉弁
３      制御器
４      燃焼室
５      バーナ
６、７  定流量弁
１０    バッファータンク
【図１】
0003781910.tif 000002
【図２】
0003781910.tif 000003
【図３】
0003781910.tif 000004