JPH09203501A

JPH09203501A - 小型貫流ボイラ

Info

Publication number: JPH09203501A
Application number: JP8011639A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Matsuo; 護松尾; Ryoichi Tanaka; 良一田中; Kazuhisa Mitani; 和久三谷
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1997-08-05
Also published as: KR100215577B1; EP0786624A3; EP0786624A2; US5791299A; KR970059652A

Abstract

(57)【要約】【課題】水管の過熱による焼損特にバーナの焚き口周
辺での焼損を防止し、尚かつ従来のボイラよりも燃焼室
熱負荷を大きくしてコンパクト化を可能とする。【解決手段】蓄熱体２２を通して燃焼用空気Ａの供給
及び燃焼ガスＥの排出を行いかつ蓄熱体２２に対する燃
焼ガスＥ及び燃焼用空気Ａの流れを相対的に切替えて燃
焼ガスの熱で加熱された蓄熱体２２を通して燃焼用空気
Ａを供給するようにした蓄熱型バーナシステム２０を燃
焼室１に少なくとも１システム以上配置し、水管４，
…，４群を燃焼室壁面３から離して設置し水管４，…，
４群の背面と燃焼室壁面３との間に流路１２を形成する
一方、水管４，…，４群の上端と下端部分に隣り合う水
管４の間に燃焼ガスＣが通過する連通口１０，１１をそ
れぞれ形成して燃焼ガスＣの一部が水管４，…，４群の
裏側の流路１２を通過するように設け、燃焼ガスＣの一
部が下方の連通口１１より流路１２に流入して上昇し上
方の連通口１０より再度燃焼室１内に流入するようにし
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は小型貫流ボイラに関
する。更に詳述すると、本発明は、小型貫流ボイラの燃
焼室の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の小型貫流ボイラの燃焼室は、例え
ば図６に示すように、縦長の円筒形の炉体１０１の炉壁
（内周壁）１０２の内側に水管１０３，１０４を二重に
環状に配置することによって伝熱面を構成すると共に炉
壁１０２の冷却を図るようにしている。外側に配置され
る水管１０３は、図示のようにフィン１０９で連結され
て炉壁１０２に半分埋め込まれるか、あるいは図示して
いないがフィンを使わずに隙間なく配置されて半分埋め
込むようにして若しくは炉壁１０２と接するように設置
されている。また、内側に配置される水管１０４は外側
の水管１０３との間に排ガスが流れる程度の隙間をあけ
て設置されている。内側の水管１０４と外側の水管１０
３とはそれぞれ環状に配置されてフィン１０９で相互に
連結されるか密に配置されているため、内側の水管１０
４と外側の水管１０３との間の隙間は排ガスが流れる流
路１０５として構成される。そこで、このボイラの燃焼
室構造は、内側の水管１０４の内側の面がふく射伝熱面
として機能し、外側の水管１０３の内側の面と内側の水
管１０４の外側の面とが対流伝熱面として機能する。

【０００３】そして、従来の一般的なボイラは、燃焼室
底部付近の水管１０４，１０４の間に流路１０５と繋が
る連通口１０６が設けられると共に燃焼室頂部付近の水
管１０３，１０３の間に排気手段１０７と繋がる排気口
１０８がそれぞれ設けられ、燃焼室１１０内で発生した
燃焼ガスを燃焼室底部の連通口１０６から内側の水管１
０４と外側の水管１０３との間の流路１０５に導入して
ボイラ上部の排気口１０８から排出するように設けられ
ている。即ち、バーナ１１１の燃焼によって燃焼室１１
０内に発生した燃焼ガスを燃焼室底部の連通口１０６か
ら内側の水管１０４と外側の水管１０３とを通して排出
する間にふく射伝熱と対流伝熱とによってボイラ水と熱
交換させて蒸気を得るようにしている。ふく射伝熱部で
は火炎温度も高く火炉熱負荷も高いが、この部分だけで
は燃焼ガスの熱を十分利用し切れない。そこで、従来の
ボイラはふく射伝熱部だけでは内側の水管群と外側の水
管群との対流伝熱部によって燃焼ガスの熱を回収しなけ
れば排ガス温度が極めて高くなり周辺環境へ与える熱に
因る影響も大きくなると共にボイラの熱経済も悪化する
ことから、大きな対流伝熱部が通常併設されている。例
えば、ボイラの頂部でバーナ１１１を焚いて得られる燃
焼ガスは燃焼室１１０内でのふく射伝熱によってボイラ
底部で１２００℃程度にまで下がり、さらに内側の水管
１０４群と外側の水管１０３群との対流伝熱部を通過す
る間に３００℃程度にまで下がってから排気される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃焼室構造では、バーナ１１１の焚き口付近が最も燃焼
ガスの温度が高くなるため、燃焼室熱負荷を大きくでき
ないという問題を有している。即ち、貫流ボイラの場
合、水が水管内を下から上へ通過する間に加熱されて蒸
気となるため、水管内１０３，１０４には水・湯の状態
の領域１１２と沸騰領域１１３及びドライアウトした蒸
気領域１１４とが下から上へ順に形成される。このた
め、バーナ１１１の焚き口付近には蒸気領域１１４が位
置してしまう。ところが、水や蒸気は伝熱係数が小さく
大きな熱を与えても水や蒸気が受け入れず、火炎にさら
される水管を過熱することとなる。このため、水管の焼
損を防ぐためにはバーナ１１１の焚き口付近での燃焼ガ
ス温度を下げるしかなく、従来は燃焼室熱負荷を小さく
し、ボイラの大型化によって必要な蒸気量を確保してい
た。

【０００５】本発明は、水管の過熱による焼損特にバー
ナの焚き口周辺での焼損を防止し、尚かつ従来のボイラ
よりも燃焼室熱負荷を大きくしてコンパクト化が可能と
なる小型貫流ボイラを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の小型貫流ボイラは、蓄熱体を通して燃焼用
空気の供給及び燃焼ガスの排出を行いかつ蓄熱体に対す
る燃焼ガス及び燃焼用空気の流れを相対的に切替えて燃
焼ガスの熱で加熱された蓄熱体を通して燃焼用空気を供
給するようにした蓄熱型バーナシステムを燃焼室に少な
くとも１システム以上配置し、水管群を燃焼室壁面から
離して設置し水管群の背面と燃焼室壁面との間に流路を
形成する一方、水管群の上端と下端部分に隣り合う水管
の間に燃焼ガスが通過する連通口をそれぞれ形成して燃
焼ガスの一部が水管群の裏側の前記流路を通過するよう
に設け、燃焼ガスの一部が下方の連通口より流路に流入
して上昇し上方の連通口より再度燃焼室内に流入するよ
うにしている。

【０００７】したがって、燃焼室内に噴射された燃焼ガ
スのふく射熱によって燃焼室内に面した水管の内側の面
が加熱される。そして、燃焼ガスの一部は炉底部で反転
上昇してそのまま蓄熱型バーナシステムの蓄熱体を経て
排気される。また残りの燃焼ガスは燃焼室底部の連通口
から水管の背部の流路側へ流入し、上方の連通口より再
び燃焼室内に流入する。そして一部が燃焼用空気に随伴
されて再循環されると共に一部が蓄熱型バーナシステム
の蓄熱体を経て排気される。これによって、水管内を流
れるボイラ水は内側の伝熱面で火炎および燃焼ガスから
の輻射伝熱によって加熱されると同時に、外側の伝熱面
で水管群と燃焼室炉壁との間の流路を流れる燃焼ガスか
らの対流熱伝達によって加熱される。しかも、上方の連
通口から再び燃焼室内へ流入する燃焼ガスの一部が燃焼
室内に噴射される燃焼用空気に随伴されて燃焼ガスの容
量を増大させ、燃焼室が深くても、火炎の浮き上がりを
防いで燃焼室の底部まで燃焼ガスを到達させて燃焼室底
部までふく射伝熱による加熱を可能とする。同時に、こ
のとき燃焼ガスの再循環によって低ＮＯｘ化が図られ
る。また、ふく射伝熱と対流伝熱とに使われて温度が下
がったガスでバーナ焚き口付近の火炎及び燃焼ガスが希
釈され、火炎及び燃焼ガス温度が平均化される。

【０００８】更に、高温の燃焼排ガスを蓄熱体を通過さ
せて排気する際に、その顕熱が直接熱交換によって蓄熱
体に回収される。そして、蓄熱体に回収された熱は直接
熱交換によって極めて高い効率で燃焼用空気の予熱に使
われて再び燃焼室内へ戻される。燃焼用空気の温度は蓄
熱体へ流出する燃焼排ガスの温度に近い高温とできるの
で、この高温の燃焼用空気を使って少ない燃料で燃焼を
維持できかつ燃焼室内温度を急速に昇温させ得る。

【０００９】ここで、本発明の小型貫流ボイラは、燃料
を切り替えずに連続的に同じ燃料ノズルから噴射し、蓄
熱体に対する燃焼排ガス及び燃焼用空気の流れを相対的
に切り替えるようにした蓄熱型バーナシステムを使用す
ることが好ましい。この場合、燃料を切り替えずに燃焼
排ガスと燃焼用空気の流れを切り替えるだけで燃焼を途
切らせることがない。そして、燃焼室内に直接別々に噴
射される燃焼用空気と燃料とは、燃焼室内へ噴射された
後に混合されるが、燃焼用空気が極めて高温（例えば１
０００℃近いあるいはそれ以上）であることから、安定
した燃焼を起こす。

【００１０】更には、蓄熱型バーナシステムは、周方向
に３室以上に均等に区画され各室内を軸方向に流体が通
過可能とした蓄熱体と、この蓄熱体の中心を貫通して燃
焼室内に燃料を直接噴射する燃料ノズルと、燃焼用空気
供給系に接続される給気室と燃焼ガス排気系に接続され
る排気室とを有する出入口手段と、この出入口手段と蓄
熱体との間に介在されて蓄熱体と出入口手段との間を遮
断する一方、連続的あるいは間欠的に回転して出入口手
段の排気室と給気室とを３室以上に区画された蓄熱体の
いずれかの区画に重複させずに順次連通させる切替手段
とから構成され、燃焼室内に燃料を連続的に噴射すると
共にその周りに高温の燃焼用空気を蓄熱体から燃焼室内
に噴射箇所を周方向に移しながら直接噴射することが好
ましい。

【００１１】この場合、出入口手段の給気室と排気室と
はそれぞれ間欠的あるいは連続的に回転する切替手段を
介して蓄熱体の異なる室・区画に連通され、燃焼用空気
と燃焼排ガスとが互いに交わることなく蓄熱体内に同時
に流れる。このため、燃焼用空気と燃焼排ガスとが蓄熱
体の同じ室・区画を時間を異にして流れることとなり、
例えば、燃焼排ガスを流した後の蓄熱体に燃焼用空気が
流れることとなり、燃焼排ガスの通過で加熱された蓄熱
体の熱を使って燃焼用空気が燃焼排ガスの温度に近い高
温まで予熱されて供給される。また、蓄熱体の熱が低下
すると、切替手段の回転によって燃焼用空気の噴射位置
を円周方向に移動させて今まで燃焼ガスを排気していた
燃焼用空気供給手段の蓄熱体を利用して燃焼用空気を供
給する。依って、燃料ノズルの周囲を回転するように場
所を移して供給される燃焼用空気と中心に噴射される燃
料とで形成される火炎は燃焼室内を円周方向に回転して
燃焼室を均一に加熱する。

【００１２】また、本発明の小型貫流ボイラは、蓄熱体
を各々装備した一対のバーナを短時間に交互に燃焼させ
て燃焼していない方のバーナの蓄熱体を経て排気させる
蓄熱型バーナシステムを使用することが好ましい。この
場合、火炎位置が頻繁に移り変わるために燃焼室内の温
度分布がより均一化できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施例に基づいて詳細に説明する。

【００１４】図１〜図５に本発明の小型貫流ボイラの一
実施例を示す。この小型貫流ボイラは、例えば燃焼室１
を形成する縦長の円筒形の炉体２の内周壁面３から離し
て一群の水管４，４，…，４が設置されている。一群の
水管４，４，…，４は、下ヘッダ５と上ヘッダ６によっ
て連結されている。更に、上ヘッダ６と下ヘッダ５とは
気液分離器７を介して連結されている。下ヘッダ５から
給水されたボイラ水１５は、水管４，…，４内を上昇す
る間に加熱され、沸騰しかつ蒸気となって上ヘッダ６に
集められてから気液分離器７へ移され、気液分離器７に
おいて蒸気のみが取り出され、温水はボイラ水１５とし
て還流管１４を経て再び給水される。炉体２の内周壁面
（燃焼室壁面）３と多数の水管４，…，４によって構成
される管壁との間には円筒形の流路１２が形成される。
そして、水管４の上端および下端付近即ち炉頂部８およ
び炉底部９の付近には流路１２と管壁の内側の燃焼室１
とを連通させて燃焼ガスＣの出入りを可能とする上連通
口１０と下連通口１１とが設けられている。これら連通
口１０，１１は、例えば図３に示すように、水管４の上
端と下端部分の口径を絞って隣の水管との間に隙間を形
成することによって形成される。水管４は両端を除いて
ほぼ隙間なく配置され、上連通口１０と下連通口１１と
を介して燃焼室１内と連通する流路１２が燃焼室壁面３
との間で形成されかつ燃焼室１を囲繞する管壁を形成す
る。また、連通口１０，１１は例えば図４に示すよう
に、水管４の上端と下部を除く部分にフィン１３を固着
し、このフィン１３同士を溶接ないしリベット止めなど
によって連結することによって形成される。いずれの場
合においても、水管４と水管４との間は、上連通口１０
と下連通口１１を除いてほぼ隙間なく連結されている
が、全く隙間を排除しようとするものではなく、少し位
は隙間が生じて洩れが起きても支障はない。

【００１５】炉体２は、通常、鋼板製ケーシングの内側
を耐火断熱材で内張りしたり、空冷層を設けることによ
って形成されている。そして、この炉体２の炉頂部８に
は熱源として蓄熱型バーナシステム２０が装備されてい
る。本実施例では燃焼室１に１セットの蓄熱型バーナシ
ステム２０を設けているが、場合によっては２セット以
上のバーナシステムを装備しても良い。

【００１６】本実施例では１基のバーナを構成する蓄熱
型バーナシステムの場合を示す。この蓄熱型バーナシス
テム２０は、燃料Ｆを燃焼室１内に直接噴射する燃料ノ
ズル２１を蓄熱体２２の中心に貫通させ、燃料Ｆの噴流
の周りからほぼ平行に高温とされた燃焼用空気Ａを噴射
させるようにしている。

【００１７】ここで、燃焼用空気Ａの供給と排ガスＥの
排気とを図るシステムは、基本的には、周方向に均等に
３室以上例えば本実施例の場合符号３０，３１，３２で
示される３室に区画されて軸方向に流体が通過可能とさ
れた蓄熱体２２と、空気供給系４１に接続される給気室
２３ａと排気系４３に接続される排気室２３ｂとを有す
る出入口手段２３と、この出入口手段２３と蓄熱体２２
との間に介在されて蓄熱体２２と出入口手段２３との間
を遮断する一方、同時に同じ区画に存在しない給気用連
通孔２５と排気用連通孔２６とを有し連続的あるいは間
欠的に回転して出入口手段２３の排気室２３ｂと給気室
２３ａとを蓄熱体２２の室３０，３１，３２のいずれか
に順次に連通させる切替手段２４とから構成されてい
る。

【００１８】蓄熱体２２としては、特定の形状や材質に
限定されるものではないが、１０００℃前後の排ガスと
２０℃前後の燃焼用空気との熱交換には、例えばコージ
ライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出
し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が
好ましい。ここで、蓄熱体２２，２２としては比較的圧
力損失が低い割に熱容量が大きく耐久性の高い材料、例
えばセラミックスで成形されたハニカム形状のセル孔を
多数有する筒体の使用が好ましい。この場合、排ガスＥ
から熱を回収する際に排ガスが酸露点温度以下に低下し
てもセラミックス内に燃料中のイオウ分やその化学変化
物質が捕捉され、下流の排気系のダクトなどを低温腐食
させることがない。勿論、特にこれに限定されるもので
はなくセラミックボールやナゲットなどの他の蓄熱体を
使用しても良い。また、ハニカム形状の蓄熱体２２は、
場合によってはセラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等
の金属で製作しても良い。また、５００〜６００℃前後
の中高温では、セラミックスよりも比較的安価なアルミ
ニウムや鉄、銅などの金属の使用が好ましい。尚、ハニ
カム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味している
が、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角
形のセルを無数にあけたものを含む。また、上述の如く
一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形
状の蓄熱体２２を得るようにしても良い。本実施例の場
合、蓄熱体２２はその前後に配置された分配室２７，２
７によって周方向に３室に区画されている。例えば、本
実施例の場合、仕切り２８によって３室２９ａ，２９
ｂ，２９ｃに区画された分配室２７，２７によって、蓄
熱体２２内が図２に示すように流体が流れない空室３０
と排ガスＥを流す室３１と空気Ａを流す室３２との３室
に区画される。即ち、蓄熱体２２そのものは、１つ１つ
が独立した流路を構成するセルの集合から成るハニカム
形状を成していることから、分配室２７の仕切り２８に
よって仕切られた範囲が１つの区画された室を形成する
こととなる。分配室２７を設ける場合、連通孔２５，２
６を経て流入する流体を分散させて蓄熱体２２の全域に
均一に分流させることができる。また、蓄熱体２２の形
状も特に図示のハニカム形状に限定されず、図示してい
ないが平板形状や波板形状の蓄熱材料を筒状のケーシン
グ内に放射状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を軸
方向に流体が通過するように筒状のケーシング内に充填
したものであっても良い。更には、本実施例では分配室
２７によって単一の蓄熱体２２が実質的に３室３０，３
１，３２に区画されているが、これに特に限定されるも
のではなく、蓄熱体２２そのものをあらかじめ３室に区
画形成しても良い。例えば、図示していないが隔壁によ
って周方向に３室に区画形成され、軸方向に流体が通過
可能とした筒状のケーシングを用意し、これの各室に球
状、短管、短棒、細片、ナゲット状、網状などの蓄熱材
料の塊りを充填することによって構成されたものでも良
い。コージライトやムライトなどよりもはるかに高温で
使用可能なＳｉＮ等の蓄熱材料を使用する場合には、複
雑なハニカム形状に成形することは容易ではないが、単
純なパイプ形状や棒、ボールなどに成形することは容易
である。

【００１９】ここで、蓄熱体２２に区画される室の数は
空気Ａを流す室（以下給気用の室という）３２と排ガス
Ｅを流す室（以下排気用の室という）３１とを１組とし
て最低１組に１つの空室（流体が流れない室）３０を組
み合わせたものであり、３室を最低室数とする。また、
給気用の室３２と排気用の室３１との間にそれぞれ流体
が流れない室３０を介在させることによっても上述のシ
ステムは構成される。この場合には最低室数は４室とな
る。

【００２０】出入口手段２３は、本実施例の場合、矩形
状のケーシング３３の中に円筒状の仕切壁３４を設ける
ことによって、空気供給系４１と接続される給気室２３
と排気系統４３と接続される排気室２３ｂとに区画され
ている。本実施例の場合、仕切壁３４の外側に供給室２
３ａ、内側に排気室２３ｂが形成されている。本実施例
の場合、切替手段２４は出入口手段２３と分配室２７の
間で単独に回転するように設けられている。仕切壁３４
と切替手段２４の間には切替手段２４の回転を許容しか
つ流体が漏洩しないように密閉するシール部材３５が設
けられている。尚、切替手段２４は、例えば出入口手段
２３の仕切壁３４と中央の燃料ノズル２１によって回転
自在に支持され、その周縁にギア３６が形成され、ケー
シング３３のコーナ部分に配置されたドライブギア３７
と噛合してモータ３８で回転駆動される。勿論、これに
限定されるものではなく、切替手段２４の周縁に圧接さ
れる摩擦車やチェーン、ベルト等によって回転駆動させ
るようにしても良い。

【００２１】出入口手段２３の給気室２３ａと排気室２
３ｂとをそれぞれ対応する蓄熱体２２の室・区画３２，
３１にのみ連通させる切替手段２４は、流路と直交する
円板から成り、蓄熱体２２の或る１つの区画と給気室２
３ａとを連通させる給気用連通孔２５と、１つの区画と
排気室２３ｂとを連通させる排気用連通孔２６とを少な
くとも１個ずつ有している。そして、この排気用連通孔
２６と給気用連通孔２５とは、同じ室・区画に給気用
連通孔２５と排気用連通孔２６とが同時に存在し得ない
こと、空室３０の次の室・区画に位置する最前列の連
通孔から順次１つずつ前方の室・区画に移り変わるこ
と、給気用連通孔２６及び排気用連通孔２６の大きさ
は、半径方向に互いに重ならないように配置したときに
１室に全てが同時に収まる大きさであること、の３条件
を満たすように設けられている。このとき、給気用連通
孔２５と排気用連通孔２６とはほぼ同じ大きさ同じ形状
の孔に設定されているが、これに特に限定されるもので
はなく、給気用と排気用とで大きさや形状を変更しても
良いし、必要であれば連通孔１つ１つ毎に大きさや形状
を変更しても良い。一般に空気の量と排ガスの量とがほ
ぼバランスする関係に設定されるが、場合によっては一
方の連通孔を他方の連通孔よりも大きめに設定されるこ
ともある。

【００２２】燃料ノズル２１は、蓄熱体２２を貫通して
燃焼室１に直接露出ないし突出するように配置されてい
る。蓄熱体２２は耐火断熱材のケーシング３９によって
囲繞され、金属ケーシング３３に収容されている。ま
た、燃料ノズル２１も耐火断熱材ケーシング３９によっ
て抱持されている。ここで、耐火断熱材ケーシング３９
には、分配室２７の各室２９ａ，２９ｂ，２９ｃにそれ
ぞれ連通する３つの噴射口４０，４０，４０が軸方向に
開口するように設けられている。

【００２３】以上のように構成されたボイラによれば、
次のようにして水管の全周面を伝熱面として機能させ、
むらのない均一加熱を実現する。

【００２４】空気供給系４１と燃料供給系４２とを経て
燃焼室１内へ供給される空気Ａと燃料Ｆとを混合して燃
焼させる。燃焼用空気Ａは立ち上げ燃焼によって温めら
れた蓄熱型バーナシステム２０の蓄熱体２２を通過して
高温に予熱されてから燃焼室１内へ供給される。また、
燃料Ｆは燃料ノズル２１から燃焼室１内へ直接噴射され
る。

【００２５】ここで、高温の空気Ａと燃料ノズル２１か
ら噴射される燃料Ｆとは別々に燃焼室１内に噴射され、
燃焼室１に広がり、燃料ノズル２１から離れた所で混合
される。このとき、空気Ａと燃料Ｆはその流速を急速に
低下させかつ混合領域を広範囲に拡大していることか
ら、本来は燃焼し難い条件である。しかし、空気Ａその
ものが７００〜８００℃あるいはそれ以上の高温である
ため、このような条件でも容易に燃焼する。即ち、ＮＯ
ｘの発生の少ない緩慢燃焼を起こす。この緩慢燃焼で発
生する燃焼ガスＣのふく射熱によって燃焼室１に面した
水管４，…，４の内側の面が加熱される。その後、一部
の燃焼ガスＣは、炉底部９の下連通口１１から水管４の
背部の流路１２へ流入して上昇し（矢印Ｐで示す）、上
連通口１０から再び燃焼室１内へ戻るまでに水管４の背
面を対流熱伝達によって加熱する。また、残る燃焼ガス
Ｃは、炉底部９で反転し、燃焼室１内を上昇して（矢印
Ｂ）排気系４３と接続されている蓄熱体の室３１の噴射
口４０から炉外に排出される。

【００２６】また、下連通口１１を経て流路１２に流入
した燃焼ガスの一部は、流路１２を通過して上連通口１
０より再び燃焼室１内に流入し、その一部が噴射口４０
から噴射される空気Ａに随伴されて再循環すると共に残
部が燃焼室１内で反転上昇した燃焼ガスと混じり合って
蓄熱体２２を経て排気される。ここで、流路１２を経て
上連通口１０から再び燃焼室１内へ流入する燃焼ガスＣ
は、水管４，…，４の背部の流路１２を通過する間の対
流伝熱によって温度が下がっている。例えば、燃焼室底
部で１０００℃程度まで温度が下がった燃焼ガスは流路
１２を通過する間に更に温度が下がって上連通口１０か
ら燃焼室１内へ再び流入する際には２００℃程度にまで
下がっている。したがって、バーナ焚き口付近の燃焼ガ
スは温度が下がった燃焼ガスで希釈されて温度が下げら
れ、局部高温域を発生させずに全体的に燃焼ガス温度を
下げることができる。また、再び燃焼室１内へ流入する
燃焼ガスの一部がバーナシステム２０から噴射される燃
焼ガスＣに随伴されて燃焼ガスＣの容量を増大させ、燃
焼室１が深くても、火炎の浮き上がりを防いで燃焼室１
の底まで燃焼ガスＣを到達させ、燃焼室１の縦方向に均
一に加熱する。しかも、このとき燃焼ガスＣの再循環に
よって低ＮＯｘ化が図られる。加えて、燃焼室内を循環
する燃焼ガスの量の増大は、水管４，…，４の背部の流
路１２を流れる燃焼ガスＣの量も増やすため、下連通口
１１付近と上連通口１０付近とでのガス温度差が小さく
なり、水管４，…，４並びにボイラ水１５への伝熱量を
大きくできるので、伝熱面面積を小さくできる。一方、
水管４と燃焼室壁面３との間の流路１２を経て燃焼室１
の上部へ還流してきた２００℃程度の燃焼ガスＣの一部
は、燃焼室１の底部で反転上昇し炉内で還流してきた１
０００℃近くの大量の燃焼ガスＣの一部と混じり合って
約９００℃程度の排ガスとなって排気される。図示の状
態では、燃焼ガス排気系４３に接続された蓄熱体区画３
１に連通する噴射口４０から排気される。

【００２７】ここで、蓄熱体３２に流す燃焼用空気と燃
焼ガスの切替は、例えば１０秒〜９０秒、好ましくは１
０秒〜２０秒程度の間隔で行うか、あるいは蓄熱体２２
を経由して排出される排ガスＥが所定の温度例えば２０
０℃程度となったときに行う。

【００２８】まず、図２の状態において、出入口手段２
３の給気室２３ａに空気Ａが導入されると、この空気Ａ
は給気用連通孔３２を経て分配室２７の第２の室２９ｃ
に流入し、更に該当する蓄熱体２２の室・区画３２に流
入する。このとき、蓄熱体２２の該当する区画・室３２
は切替前に通過していた高温の排ガスＥの熱によって加
熱されているため、通過する空気Ａは蓄熱体２２の熱を
奪って高温即ち当該蓄熱体２２を加熱した排ガスの温度
近くの高温とされ、蓄熱体２２の中央に配置された燃料
ノズル２１の周りから、燃焼室１内へ直接燃料Ｆとほぼ
平行に噴射される（図５の（Ａ）の状態）。他方、出入
口手段２３の排気室２３ｂに排気用連通孔２６を介して
連通された蓄熱体２２の該当する区画３１には、排気系
４３の誘引ファンの働きによって燃焼室１内の排ガスＥ
が導入される。そして、この蓄熱体２２の区画３１部分
を加熱することによって温度が下がった排ガスＥは分配
室２７の第１の室２９ｂに流入してから排気用連通孔２
６を経て排気室２３ｂに排出される。

【００２９】次いで、切替手段２４を図２の状態から時
計回転方向へ連続的にあるいは間欠的に回転させると、
まず排気用連通孔２６が左隣りの分配室の第３の室２９
ａにかかり、第１の室２９ｂと第３の室２９ａとが同時
に排気室２３ｂと連通する。したがって、燃焼室２内の
排ガスＥは蓄熱体２２の２つの区画３１，３０を通過し
てから分配室２７の第１の室２９ｂと第３の室２９ａと
に流入してこれら両室２９ａ，２９ｂに排気用連通孔２
６を介して接続されている排気室２３ｂに流出する。そ
して排気される。その後、排気用連通孔２６が完全に第
３の室２９ａ（図２において符号３０で示される空室で
あった部分）に切り替えられてから、第２の室２９ｃに
占位していた給気用連通孔２５が第１の室２９ｂ（図２
において符号３１で示される室部分）に切り替えられ、
第２の室２９ｃ（図２において符号３２で示される室）
で区画される領域が空室となる。換言すれば、今まで流
体が流されていなかった空室３０に排ガスＥが流され、
今まで排ガスＥが流されていた室３１に空気Ａが流さ
れ、更に空気Ａが流されていた室３２には流体が流され
ない。依って、排ガスＥの熱によって蓄熱体２２が加熱
され、加熱された蓄熱体２２を通過する空気Ａが蓄熱体
２２の熱によって温められる。このとき、流体の流れの
切替は、空室３０を利用して２室に跨ったときにもそれ
ぞれの室と連通させながら行うので、流体の流れが途絶
えることがない。そして、排ガスＥの次に空気Ａと順次
流れを途切らすことなく切り替えられる。したがって燃
焼用空気Ａは、加熱された蓄熱体２２を通って排ガス温
度に近い高温の熱風となって燃焼室２内へ供給される
（図５の（Ｂ）の状態）。そこで、切替手段２４の連続
的あるいは間欠的な回転によって、図５の（Ａ）〜
（Ｃ）に示すように空気Ａが噴射する位置が順次円周方
向に移り変わり、燃焼室１内で火炎が円周方向に回る。

【００３０】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるが、本発明はこれに限定されるものではな
く本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施
可能である。例えば、本実施例では固定された蓄熱体２
２に対し空気供給系４１と排気系４３とを流路切替手段
２４で交互に切り替えて接続するようにしているが、蓄
熱体そのものを排気系と空気供給系との間で回転させる
ことによって、蓄熱体に対する排ガス及び空気の流れを
相対的に切り替えるようにした構造としても良い。

【００３１】また、燃焼用空気だけではなく燃料も同時
に切り替えることによって一対のバーナを交互に燃焼さ
せ燃焼させていない停止中のバーナの蓄熱体を通して排
気させるものでも良い。例えば、図示していないが、バ
ーナボディ内に蓄熱体を内蔵して蓄熱体とバーナとを一
体化したものを２基組合せ、一対のバーナを交互に燃焼
させて燃焼を停止している方のバーナ及び蓄熱体を通し
て燃焼ガスを排出し得るものも採用可能である。一対の
バーナの蓄熱体・バーナスロートには例えば四方弁など
を介して空気供給系と排気系とが接続され、四方弁の切
り替えによって空気供給系か排気系のいずれかに選択的
に接続される。そして、一方のバーナには蓄熱体を通し
て空気の供給を図る一方、他方のバーナからは蓄熱体を
通して燃焼ガスの排出を図るように設けられる。また、
燃料の供給も例えば三方弁などを用いて、一対のバーナ
に交互に供給される。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように本発明の
小型貫流ボイラは、燃焼ガスの一部が水管群の裏側の流
路を通過してから再び上方の連通口より燃焼室内に流入
するようにしたので、ふく射伝熱と対流伝熱とに使われ
て温度が下がったガスでバーナ焚き口付近の火炎及び燃
焼ガスが希釈されて温度が下げられ、局部高温度域を発
生させずに全体的に燃焼室内の燃焼ガス温度を上げるこ
とができる。そこで、燃焼室熱負荷量を大きくしてボイ
ラの小型化を可能とする。また、水管内を流れるボイラ
水は内側の伝熱面で火炎および燃焼ガスからの輻射伝熱
によって加熱される一方、外側の伝熱面で水管群と燃焼
室炉壁との間の流路を流れる燃焼ガスからの対流熱伝達
によって加熱される。このため、従来と同じ大きさの燃
焼室であっても、同じ蒸気量を得る場合には、従来のボ
イラに比べてコンパクトかつ安価にでき、また同じ広さ
の伝熱面面積を有する場合には従来のボイラよりも蒸気
量を増大させることが可能となる。

【００３３】更に、水管群と燃焼室炉壁との間の流路を
経て再び燃焼室内へ流入する燃焼ガスの一部が燃焼室内
に噴射される燃焼用空気に随伴されて燃焼ガスの容量を
増大させるので、燃焼室が深くても、火炎の浮き上がり
を防いで燃焼室の底部まで燃焼ガスを到達させて燃焼室
の縦方向に均一に加熱する。しかも、このとき燃焼ガス
の再循環によって低ＮＯｘ化が図られる。また、燃焼室
内と水管の背部の流路とを循環する燃焼ガスの量の増大
は、流路の入口側と出口側とでの温度差を小さくするの
で、水管への伝熱量を大きくでき、同じ蒸気量を得る場
合の伝熱面面積を小さくできる。

【００３４】加えて、本発明によれば、燃焼排ガスの熱
が蓄熱体において回収され、比較的低温で燃焼排ガスを
大気中に排気する一方、回収熱を利用して燃焼用空気を
高温に予熱して再び燃焼室内へ戻すことができるので、
熱収支がよい上に、少ない燃料でも蒸気を発生させ、従
来に比べてランニングコストを大幅に低減できる。

【００３５】また、請求項２の発明の場合、燃料を切り
替えずに燃焼排ガスと燃焼用空気の流れを切り替えるだ
けで燃焼を途切らせることがないので、燃焼室内の圧力
変動や温度分布のむらが少なくなる。

【００３６】更に、請求項３の本発明のボイラの場合、
燃焼用空気を燃料ノズルの周囲で円周方向に回転するよ
うに場所を移して供給し、火炎が燃焼室内を円周方向に
回転するようにしたので、燃焼室を均一に加熱すること
ができる。火炎位置が頻繁に移り変わるために燃焼室内
でのヒートパターンをより均一化でき、加熱むらが少な
くなる。

【００３７】また、本発明のボイラにおいて、一対のバ
ーナを短時間に交互に切り替えて燃焼させる場合、火炎
位置が頻繁に移り変わるために燃焼室内でのヒートパタ
ーンをより均一化でき、加熱むらを少なくできるので、
火炉熱負荷の変動が小さく水管内におけるボイラ水の状
態が均一となり、局部的に蒸気のみの状態となって水管
が破損するようなことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の小型貫流ボイラの一実施例を示す中央
縦断面図である。

【図２】図１の小型貫流ボイラに用いられている蓄熱型
バーナシステムの切替手段の原理図である。

【図３】本発明の小型貫流ボイラの水管の一実施例を示
す展開図である。

【図４】水管の他の実施例を示す展開図である。

【図５】図１の実施例において使用される蓄熱型バーナ
システムにおいて火炎が円周方向に回転する動作（Ａ）
〜（Ｃ）の説明図である。

【図６】従来のボイラの燃焼室の横断面図である。

【図７】従来のボイラの燃焼室に蓄熱型バーナシステム
を適用した場合を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１燃焼室２炉体３燃焼室壁面４水管１０上連通口１１下連通口１２流路２０蓄熱型バーナシステム２１燃料ノズル２２蓄熱体２４切替手段４１燃焼用空気供給系４２燃料供給系４３排気系Ａ燃焼用空気Ｃ燃焼ガスＥ排ガスＦ燃料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三谷和久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室の周壁に水管を設置してその中を
ボイラ水が流れるようにした小型貫流ボイラにおいて、
蓄熱体を通して燃焼用空気の供給及び燃焼ガスの排出を
行いかつ前記蓄熱体に対する燃焼ガス及び燃焼用空気の
流れを相対的に切替えて燃焼ガスの熱で加熱された蓄熱
体を通して燃焼用空気を供給するようにした蓄熱型バー
ナシステムを前記燃焼室に少なくとも１システム以上配
置し、前記水管群を燃焼室壁面から離して設置し前記水
管群の背面と燃焼室壁面との間に流路を形成する一方、
前記水管群の上端と下端部分に隣り合う水管の間に燃焼
ガスが通過する連通口をそれぞれ形成して燃焼ガスの一
部が水管群の裏側の前記流路を通過するように設け、燃
焼ガスの一部が下方の前記連通口より前記流路に流入し
て上昇し上方の前記連通口より再度燃焼室内に流入する
ようにしたことを特徴とする小型貫流ボイラ。
【請求項２】前記蓄熱型バーナシステムは燃料を切り
替えずに連続的に同じ燃料ノズルから噴射し、蓄熱体に
対する燃焼排ガス及び燃焼用空気の流れを相対的に切り
替えるようにしたものであることを特徴とする請求項１
記載の小型貫流ボイラ。
【請求項３】蓄熱型バーナシステムは周方向に３室以
上に均等に区画され各室内を軸方向に流体が通過可能と
した蓄熱体と、この蓄熱体の中心を貫通して前記燃焼室
内に燃料を直接噴射する燃料ノズルと、燃焼用空気供給
系に接続される給気室と燃焼ガス排気系に接続される排
気室とを有する出入口手段と、この出入口手段と蓄熱体
との間に介在されて蓄熱体と出入口手段との間を遮断す
る一方、連続的あるいは間欠的に回転して出入口手段の
排気室と給気室とを３室以上に区画された蓄熱体のいず
れかの区画に重複させずに順次連通させる切替手段とか
ら構成され、前記燃焼室内に燃料を連続的に噴射すると
共にその周りに高温の燃焼用空気を前記蓄熱体から前記
燃焼室内に噴射箇所を周方向に移しながら直接噴射する
ことを特徴とする請求項２記載の小型貫流ボイラ。
【請求項４】前記蓄熱型バーナシステムは蓄熱体を各
々装備した一対のバーナを短時間に交互に燃焼させて燃
焼していない方のバーナの蓄熱体を経て排気させること
を特徴とする請求項１記載の小型貫流ボイラ。