CN102741613A - 对流燃烧器 - Google Patents

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Abstract

带有可自相反侧被供应以燃气(B)和氧化剂(O)的燃烧室(5)的对流燃烧器的杰出之处在于，其具有三个平面的重叠地彼此连接的基片(1，2，3)，中间的基片(2)具有燃烧室(5)，处在该基片的平面中的通道(4)从燃烧室(5)通向边缘，上部的基片(3)和下部的基片(1)是基本上封闭的，且至少中间的基片(2)以微系统技术方法来制造。

Description

对流燃烧器
本发明涉及一种带有燃烧室(Brennkammer)的对流燃烧器(Gegenstrombrenner)，燃气(Brenngas)和氧化剂(Oxidationsmittel)可从相反侧(von entgegen gesetzten Seiten)被供应给该燃烧室。
当燃气和氧化剂(例如氢气和氧气)自相反的方向相撞时，它们的冲量(Impulse)至少部分抵消。因此获得了能够不仅稍带长形地而且呈球形地成形的火焰形状。预混合火焰则不是这样，因为在其处两种气体基本上在一个方向上流动。扩散火焰同样是较少地有利的，因为在其处须进行扩散。火焰还具有与喷嘴的间距，从而使得经由喷嘴仅较少热量被排出。还可实现较小的气体速度、尤其较小的废气速度，由此热损失(由于强制的对流)被降低。
在此，这一切有助提高火焰温度。最后还获得待研究的样气在燃烧室中的较大的停留时间。对于火焰稳定性而言，球形由于与容积(在该容积中热量被产生)相比最小的表面积(经由该表面积热量被放出)而特别地有利。
如果将仅使用非常小的火焰，如举例而言在小型化的科学仪器或气体检测器中所需要的那样，则这是极其重要的。对于这样的研究而言已知了小型化的对流燃烧器，在其中燃烧室被由不锈钢制成的毛细管围绕(US2005/0287033A1，US2008/0213908A1)。相应的较小的毛细管的制造虽然是可能的。然而，由不同的零件组成的相应的对流燃烧器的装配造成巨大的困难和成本，尤其是当期望使用尽可能小的结构和其应被批量生产地制造时。此外，一毛细管仅在一个方向上延伸，即，是基本上一维的构型，从而使得仅存在相对较小的影响火焰的可能性。
该微型对流燃烧器例如应用于光度(fotometrische)气相色谱法(Gaschromatographie)和带有所产生的离子化的测量的气相色谱法。在此，相应的装置不仅可用于科学上的目的，而且举例而言还适合在环境技术中被使用，以便确定有害的气体。
本发明的目的在于创造一种小尺寸的、可成本低廉地制造的对流燃烧器。
根据本发明的解决方案在于，对流燃烧器具有三个平面的(planare)重叠地(übereinander liegend)彼此连接的基片(Substrate)，中间的基片具有燃烧室，处在该基片的平面(Ebene)中的通道在相反的方向上从燃烧室通向边缘(zum Rand führen)，上部的和下部的基片是基本上封闭的(geschlossen)，并且至少该中间的基片以微系统技术(Mikrosystemtechnik)方法来制造。
对流燃烧器于是不再基本上由毛细管构成，而是由平面的结构构成。这些结构可特别良好地被加工(尤其同样以微系统技术方法)，从而可获得非常小的对流燃烧器。在中间的基片中布置该燃烧室，处在该基片的平面中的通道沿相反方向自燃烧室通向边缘。带有燃烧室和通道的中间的基片然后被基本上封闭的上部的和下部的基片盖住。
最初敞开的通道和敞开的燃烧室(其通过已知的微系统技术的方法来制造)被这些上部的和下部的基片至少基本上封盖住。因为通道在相反的方向上从燃烧室通向边缘，所以通过这些通道而输入的气体自相反的方向相撞，由此，冲量至少部分地被抵消。
在一种优选的实施方式中设置有两个这样的朝向彼此而定向的通道，其中，燃气通过其中一个通道且氧化剂通过另一个通道被供应给燃烧室。
在另一优选的实施方式中，上部的和下部的基片完全地封盖住中间的基片。因此，燃气和氧化剂的供应以及废气的排出在中间的基片的平面中在其边缘处发生。在此，通过通道的布置确保了气体相应地以合适的方式相撞。废气然后可通过同样地在相反的方向上以燃烧室为出发点的相应的通道被排出。
一种优选的实施方式的杰出之处在于，处在基片的平面中的通道呈星形地从燃烧室通向边缘。由此不仅从两侧地而且从多侧地具有至燃烧室的进口，这可用于火焰的控制或者均匀化。
相比于在其中燃气和氧化剂自相反的方向撞击的情况，相撞的气体的净冲量则甚至被变为零。
如果氧气和两倍量的氢气相撞，以便作为氢氧气(Knallgas)被燃烧，则氧气由于较大的分子量(Molekulargewicht)具有大于氢气的冲量，从而使得冲量不完全地合计为零。然而，在本发明的呈星形的布置的情形中，可使气体自多侧相撞且在此总是使两个氧气流和使两个燃气流自精确相反的方向相撞，从而使得总冲量合计为零。
因此获得特别良好的球形且进而还获得特别高的火焰温度。然而，当待研究的试样是80％由氮气构成的空气时，冲量的抵消同样可由此实现。如果待研究的空气被与氢燃气混合，该气体大约具有与自相反的方向供应的氧气相同的分子量。在此，在呈星形的布置的情形中氧气过剩同样是可能的，这得出较高的离子产量。
在一种优选的实施方式的情形中，上部的和下部的基片完全封住中间的基片，从而使得所有气体在中间的基片的平面中流入燃烧室和离开燃烧室。在另一优选的实施方式的情形中，上部的和下部的基片具有通向燃烧室的孔，通过这些孔，气体可在垂直于基片的平面的方向上流入或者流出。显然，此处必须总是两个开口面对面，以使气体可在相反的方向上通过这两个开口流入或流出。
所有这些实施方式具有如下优点，即，其不依赖于位置地工作。其于是对于运行而言不须被精确地取向且甚至可被倒置。
有利地，中间的基片由硅制成(Silizium)，其可借助微系统技术特别良好地被加工。
在另一优选的实施方式的情形中，上部的和/或下部的基片由硼硅玻璃(Borosilikatglas)制成。一方面，硼硅玻璃同样可借助微系统技术而被结构化(strukturiert)。其还可利用阳极键合工艺(anodischenBondverfahren)与硅相连接，从而使得本发明的对流燃烧器的制造不成问题。最后，其还具有较低的热传导性，由此热损失被减少，这提高了火焰稳定性和火焰温度。通道可借助微系统技术在中间的基片中任意地被成形。在此其同样可如此地构造，即，使得以如下方式形成热交换器，即，废气通道至少在中间的基片的边缘处非常靠近地设置在用于燃气或氧化剂的通道旁且仅在中间的部分中呈星形地通入到燃烧室。
适宜地，用于气体流中的至少一种的通道与围绕对流燃烧器的压力平衡室相连接，以便确保，实际上，通过所有通道，燃气和/或氧化剂以相同的速度流入或者废气流出。
在一种有利的实施方式的情形中，在燃烧室中稳定火焰的元件安装在上部的和/或下部的基片上。这可例如是呈圆柱形的元件，其呈圆柱形地包围实际的火焰。
适宜地，在呈星形的布置的情形中通道朝向燃烧室的中心定向，以使流入的气流的冲量合计为零。然而如下同样是可能的，即，使通道切向地朝向一假想的同轴地布置在燃烧室中的圆柱体的周缘而定向。以该方式实现呈漩涡状的火焰。
上部的和/或下部的基片可在燃烧室的区域中被涂覆以使燃烧加速的材料(例如被涂覆以铂)，其利用微系统技术的方法(例如阴极溅射或气化渗镀)来施加。
如在上面所提及的那样，在相同量的氢气和氧气相撞的情形中合成的总冲量不为零。这至少在相同的流动速度的情形中是适用的。除前述措施之外的用于避免或至少减少该问题的一种措施在于，使氧气以小于氢气的速度流入到燃烧室中。这可尤其地由此实现，即，通道在朝燃烧室定向的端部区域中具有不同的横截面，即，在设置用于氧气的通道中具有较大的横截面。
如已提及的那样，上部的和下部的基片同样可以微系统技术方法来结构化，以便例如使燃烧室延伸到这些基片中或扩大通道的横截面。
微系统技术进一步提供了如下优点，即，还可实现另外的对于特定的应用目的而言重要的特征和形状。
如先前所提及的那样，带有较低的气体消耗的对流燃烧器的许多应用中的其中一个是火焰离子化检测器。虽然已知了，借助微系统技术来制造火焰离子化检测器(WO 2009/036854A1)。然而在该检测器的情形中，燃气和氧化剂不被分开且更加不自相反侧而被供应，而是已作为氢氧气混合物流入到燃烧室中。因此无法获得呈球形的火焰的特别的优点。
通常，火焰离子化检测器以较高的氢气流量(在辅助气(Stützluft)的十倍量下)运行，由于氧气需求和隔离(Abschirmung)，这是必需的。在一种平面的微型燃烧器中，火焰被燃烧器本身隔离，从而使得辅助气可被取消且火焰可用氢氧气来操作(WO 2009/036854A1)。利用根据本发明的微型燃烧器的对流方法，氢气和氧气消耗还可进一步被降低，而火焰不失去其离子化效力(lonisationskraft)。
对于火焰离子化检测器的功能而言，平面的微型燃烧器须装备有三个电极：经由其提供电压的阳极和阴极，和防止流过玻璃的漏电流被一同探得的保护电极。
对流燃烧器同样可被用于火焰频谱分析(Flammenspektrometrie)。依赖于分析方法，额外地要么仅需要一个光学的频谱仪(原子发射频谱仪、化学发光频谱仪)要么还需要一个辐射源(原子吸收频谱分析、原子荧光频谱分析)。
对于气体分析而言，火焰与环境的隔离是重要的，以便避免干扰信号。为此，气体排出部的开口须设计得足够小。为了防止燃烧室中的降低火焰稳定性的压力上升，气体可被泵出。同时，在室中形成的负压可被用于抽样。
下面，根据有利的实施方式参照附图示例性地描述本发明。
其中：
图1-5以示意性的视图形式显示了五种不同的实施方式。
如在图1-5中所显示的那样，本发明的对流燃烧器具有三个基片，在当前情况中为下部的基片1(由硼硅玻璃制成)、中间的基片2(由硅制成)和上部的基片3(由硼硅玻璃制成)。在中间的基片2中布置有通道4，其呈星形地朝向燃烧室5定向。气体相应地在箭头的方向上流入到燃烧室5中或者从其中流出。在此，利用“B”标明燃气的流动方向，利用“O”标明氧化剂的流动方向且利用“A”标明废气的流动方向。在图1的实施方式的情形中，相应地两个燃气流相撞，相应地两个氧化剂流相撞且相应地两个相反地定向的废气流A离开燃烧室5。以该方式，火焰的冲量总计为零。
在图2的实施方式的情形中燃气B和氧化剂O同样通过通道相应地相反地在燃烧室5中合流。然而，废气在垂直于基片的平面的方向上通过相应的开口离开燃烧室，这通过虚线的箭头A来显示。
在图3的实施方式的情形中，燃气B和氧化剂O自上方或者下方在垂直于基片的平面的方向上流入到燃烧室中，而废气A通过在中间的基片2中的通道离开燃烧室。
在图4的实施方式的情形中，又如在图1和2的实施方式的情形中那样，两个燃气流相撞、两个氧化剂流相撞且两个废气流A在相反的方向上离开燃烧室5。然而，额外地还预先给定布置在下部的基片1或上部的基片3上的较小的圆柱体，其包围在其中发生燃烧的实际的空间。这些竖立的圆柱体布置在绕燃烧室中心的圆柱侧表面上。
在图5的实施方式的情形中，气体不是朝向燃烧室5的中心地定向或自其离开地定向，而是切向地流入到其中，由此产生稳定的火焰漩涡。如在上文已进一步提及的那样，呈星形的布置具有一定的优点。然而，在许多其它情况中取消呈星形的布置，且例如仅使用两个自相反的方向朝向彼此而定向的通道，通过其一面供应燃气且另一面供应氧化剂。

Claims (15)

1.一种带有燃烧室(5)的对流燃烧器，燃气(B)和氧化剂(O)能够自相反侧供应给该燃烧室(5)，其特征在于，该对流燃烧器具有三个平面的、重叠地彼此连接的基片(1，2，3)，中间的基片(2)具有所述燃烧室(5)，处在该基片的平面中的通道(4)自所述燃烧室(5)在相反的方向上通向边缘，上部的基片(3)和下部的基片(1)是基本上封闭的，并且至少所述中间的基片(2)以微系统技术方法来制造。
2.根据权利要求1所述的对流燃烧器，其特征在于，设置有两个朝向彼此而定向的通道(4)，其中，能够通过其中一个来供应所述燃气且能够通过另一个来供应所述氧化剂。
3.根据权利要求1所述的对流燃烧器，其特征在于，处在基片的平面中的通道(4)呈星形地通向边缘。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，上部的基片(3)和/或下部的基片(1)同样以微系统技术方法而被结构化。
5.根据权利要求1，3或4中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，上部的基片(3)和下部的基片(1)是完全封闭的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，上部的基片(3)和下部的基片(1)具有朝所述燃烧室定向的开口，通过所述开口，气体能够垂直于基片(1，2，3)的平面地流入或流出。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，所述中间的基片(2)由硅制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，上部的基片(3)和/或下部的基片(1)由硼硅玻璃制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，其具有热交换器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，用于至少其中一种流的通道(4)与围绕所述对流燃烧器的压力平衡室相连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，在上部的基片(3)和/或下部的基片(1)上安装稳定火焰的元件(6)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，通道(4)朝向所述燃烧室(5)的中心而定向。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，通道(4)切向地朝向一假想的圆柱体的周缘而定向，该圆柱体与所述燃烧室(5)同轴地布置。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，通道(4)在朝所述燃烧室(5)定向的端部区域中具有不同的横截面。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的对流燃烧器，其特征在于，上部的基片(3)和/或下部的基片(1)在所述燃烧室(5)的区域中涂覆有使燃烧加速的材料。
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