CN1467404A - 具有释放辐射热的加热表面的微燃烧加热器 - Google Patents

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Abstract

一种可以实现可靠燃烧的小的微燃烧加热器。加热器具有延伸到燃烧腔的预混气体通道，通道用于从燃烧腔吸出燃气。通道以加热壁设置在通道之间的方式设置为螺旋形式。预混气体通道的宽度为熄火距离或更小，其中熄火距离取决于预混气体。加热器具有两个外表面，用于从加热壁的上下边缘的两侧保持螺旋通道，至少一个外表面是用于释放辐射热的加热表面。尤其是，螺旋通道置于耐热加热板和绝热板之间，且耐热加热板的外表面作为加热表面使用。

Description

具有释放辐射热的加热表面的微燃烧加热器
技术领域
本发明涉及一种具有1到几厘米直径的微燃烧加热器。
背景技术
为了生产半导体等，在加热包含在玻璃管中的物体的工艺中，玻璃管被几个小的加热器包围以形成合适的盘状加热器，且控制每个小的加热器的加热率以控制被加热物体的温度分布。
如果此种小的加热器是燃烧型的(即燃烧加热器)，通常它很难实现稳定的燃烧。因此，小的电加热器用于制造半导体。
另一方面，被称为Swiss-roll的小的加热器是已知的，现说明如下：
图5A是表示一维的逆流燃烧加热交换器的结构图。在图中，参考数字1表示加热壁，参考数字2表示绝热壁。加热壁1具有高的热传导能力，绝热壁2的热传导能力低于加热壁。所以，当这些壁由相同材料制成时，加热壁1制作得较薄而绝热壁2制作得较厚。
参考数字3表示的箭头表示燃气和空气的预混气体的流动方向，参考数字4表示的箭头表示燃烧气体的流动方向。参考数字6表示预混气体的入口，参考数字7表示燃烧气体的出口。预混气体的流动方向和燃气的流动方向彼此相对，加热壁1设置在它们中间。即，通过燃气和加热壁1，预混气体被燃气加热，接着在燃烧腔8中燃烧，由此产生火焰9。
参考数字10表示预混气体的通道，参考数字11表示燃气的通道。预混气体通道10的宽度是特定的熄火距离(下面解释)或更小。因此，即使当通过燃气加热的通道10的温度大大增加时，火焰9也不向后流过通道10。
另外，用于启动燃烧的火花塞(未示出)设置在燃烧腔8中。
下面解释熄火距离。
众所周知，燃烧是由在空气中的氧和燃料反应引起的并产生燃气的加热现象。如果使用气体燃料，气体燃料和氧反应，因此产生火焰。由于在氧气和在高温下产生的作为自由基的燃气之间迅速反应，所以产生火焰。火焰引起连锁反应并立即释放。然而，自由基当撞到固体壁时自由基钝化；所以，火焰不能通过固体壁之间的窄的通道。熄火距离表示窄间隙的限宽，即，如果间隙的宽度为熄火距离或更窄，火焰不能通过间隙。熄火距离和取决于预混气体种类的燃烧速度有关。
下面的表1表示预混气体的燃烧速度和熄火直径(它用于具有圆形截面的通道)之间的关系。如果通道的横截面的形状不是圆的，可以使用下面的等同的直径。
等同直径＝(窄间隙的横截面面积)×4/(间隙截面的所有侧边的总数)
                    表1
    预混气体     燃烧速度(cm3/cm2/s)     熄火直径(mm)
    丙烷-空气     45.7     2.7
    己烷-空气     39.6     3.0
    乙烯-空气     70.1     1.9
    乙炔-空气     176.8     0.79
    氢气-空气     335.3     0.86
图5B是二维燃烧器5的截面图，被称为Swiss-roll燃烧器的燃烧器5通过设置上面解释的一维燃烧器的通道成螺旋形式制成，其中燃烧腔8位于螺旋的中心。
Swiss-roll燃烧器5是一个再生的热交换器，即使装置的尺寸很小，它也具有小的热损失。在燃烧之前预混气体被预热以实现可靠的燃烧，甚至在具有规定的理论燃料-空气比例(或等同比例)大约1/3的贫预混气体的情况下，也可以进行燃烧。
如上所述，通常用于加热半导体的小加热器是电加热器，并且电加热器消耗昂贵的被转换成热能的电能。因此，此种加热器不经济。
另一方面，上述的Swiss-roll燃烧器5是-种燃烧器，它不期望作为具有加热表面的装置被使用，其中目标物体通过从加热表面释放的辐射热被加热。
发明内容
考虑到上述情况，本发明的一个目的是改进Swiss-roll燃烧器以提供一种微燃烧加热器，它虽然小，但它可以通过设置加热表面作为燃烧器的外表面而获得可靠的燃烧。
所以，本发明提供一种微燃烧加热器，它具有用于燃料和空气的预混气体的预混气体通道，其中通道延伸到燃烧腔，且燃烧气体通道用于从燃烧腔吸出燃气，其中：
预混气体通道和燃烧气体通道以加热壁设置在通道之间的方式设置为螺旋形状；
预混气体通道的宽度为熄火距离或更小，其中熄火距离取决于预混气体的种类；
微燃烧加热器具有两个外表面，在两个外表面之间设置螺旋通道，用于从加热壁的上下边的两侧保持螺旋通道；和
至少一个外表面为用于释放辐射热的加热表面。
微燃烧加热器在平面视图中可以基本上为圆形或多边形。
作为一个优选实施例，螺旋通道设置在耐热加热板和绝热板之间，耐热加热板的外表面作为加热表面使用。
根据上述结构，预混气体的流动方向和燃烧气体的流动方向是彼此相对的，以在相对流动之间进行充分的热交换。所以，吸入燃烧腔8的预混气体被充分地预热，并进行可靠地燃烧。另外，当燃烧气体被排出时，气体的温度足够的低；所以，由燃烧气体的排出引起的热量损失就小。因此，尽管装置很小，但微燃烧加热器具有高的热效率和优越的燃烧稳定性。
而且，预混气体通道的宽度为熄火距离或更小。所以，火焰不向后流过预混气体通道，由此安全性提高。
另外，在微燃烧器的表面之间形成螺旋通道，微燃烧器的其中一个表面为释放辐射热的加热表面。所以，当准确控制目标物体温度分布的时候，通过辐射热可以有效地加热目标物体。相应地，尽管此装置很小，微燃烧加热器具有高的热效率，并且微燃烧加热器的性能是稳定的；所以，微燃烧加热器可以用作代替电加热器。
附图说明
图1A和1B是表示作为本发明实施例的微燃烧加热器的结构图，其中图1A是在平面方向的剖面图，图1B是沿中心线的横截面图。
图2是用于模型分析的在平面方向的微燃烧加热器的剖面图。
图3是表示模型分析的结果的曲线图，其中曲线图表示热流量与温度之间的关系。
图4是表示模型分析的结果的曲线图，其中曲线图表示温度与可以有效使用的热量与各热损失之比之间的关系。
图5A和5B是用于解释Swiss-roll燃烧器的图，其中图5A表示一维燃烧器，图5B表示具有螺旋形式的通过设置图5A的结构产生的二维燃烧器。
具体实施方式
此后，将参考附图说明根据本发明的实施例。
图1A和1B是表示作为本发明的一个实施例的微燃烧加热器的结构图。图1A是和加热表面(下面将解释)平行的平面方向的剖面图，图1B是沿中心线的横截面图。在这些图中，对应于上述的图5A和5B的部分使用相同的参考数字，并且相同的解释将被简化或省略。
在图1A和1B中，参考数字1表示加热壁，参考数字2表示绝热壁。
如图中所示，用于空气和被吸入燃烧腔8的燃气的预混气体的通道10和用于从燃烧腔8吸出的燃气的通道11以加热壁1设置在通道10和11之间的方式形成。这些通道10和11以螺旋形式设置，其中燃烧腔8位于螺旋的中心。图1A示出基本上为圆形的螺旋；然而，通道也可以形成为方形螺旋形式，另外，预混气体通道10的宽度为熄火距离或更小。
微燃烧器12(其作为微燃烧加热器使用的解释如下)通过燃烧腔8和上面的通道10和11制作。优选地，微燃烧器12具有1到5厘米的直径的圆形，或者每边为1到5厘米的方形。
加热板13和绝热板15分别附着在微燃烧器12的顶面和底面。
通过使用耐热铜焊填充金属，例如熔化的镍，加热板13铜焊到加热壁1和绝热壁2的上边缘。在此，加热板13和加热壁1和绝热壁2的上边缘的接触不必完全的气密。所以，如果燃烧器用在耐热铜焊填充金属的耐热性不起作用的高温下，通过使用耐热合金，仅加热板13的周边部分可以焊接到壁的接触部分，其中加热板13的内面只接触壁的上边缘。
耐热不锈钢，例如SUS316和SUS310，或者耐热合金，例如铬镍铁合金，可以用于制造微燃烧器12和加热板13。
微燃烧器12是小的；因此，优选在纯的材料上开凿通道10和11。在使用不锈钢的优选实施例中，加热壁1的厚度为大约0.3mm，绝热壁2的厚度为大约1mm。
在图1B中，参考数字13a表示作为加热板13的顶面的加热表面，它释放使目标物体加热的辐射热。参考数字16表示的曲线表示加热表面13a的温度分布。
另外，用于启动燃烧的火花塞(未示出)设置在燃烧腔8中。
下面将解释本实施例的工作原理。
如上所述，在微燃烧器12中，燃烧腔8设置在燃烧器的中心，用于空气和被吸入燃烧腔8的燃气的预混气体的通道10和用于从燃烧腔8吸出的燃气的通道11以螺旋形式设置，其中加热壁1设置在通道10和11之间。因此，预混气体的流动方向和燃气的流动方向是彼此相对的，以使在相对流动之间进行充分的热交换。
相应地，吸入燃烧腔8中的预混气体被充分地预热，并进行可靠地燃烧。另外，当燃气被排出时，气体的温度足够的低；因此，由燃气的排出而引起的热损失很小。而且，预混气体通道的宽度为熄火距离或更小。所以，火焰不向后流过预混气体通道10，因而安全性很高。
另外，螺旋通道形成在微燃烧器12的面之间，其中的一个面是加热表面，以获得加热器14(见图1B)。所以，尽管装置很小，但微燃烧加热器具有高的热效率。相应地，微燃烧加热器的性能是稳定的，且燃烧加热器可以用作替代电加热器。
模型分析
下面将解释根据本发明对于微燃烧加热器进行的模型分析。
图2为用在模型分析上的微燃烧加热器的剖面图，它在平面方向平行于微燃烧加热器的加热表面。微燃烧加热器具有50mm的直径，每个通道的宽度和深度分别为4mm和6mm。每个壁的厚度为1mm。预混气体为甲烷和空气的混合气体，当量比率为0.6。
图3是表示模型分析结果的曲线图。在图中，纵轴表示热流量(W)，横轴表示温度(℃)。图中线的说明如下。
在上面画上标志“x”的点线表示燃烧产生的热量。
在上面画上白矩形标志的实线，表示能被有效利用的辐射的热量。
上面画上黑矩形标志的长短交替的虚线，表示热传递的损失，由于通过加热表面13a产生的自然的对流，热量被释放到大气中。
上面画上白圆形标志的虚线，表示作为燃气的排出的被排放到燃烧器的外部的热损失。
图4是表示可以有效利用的热量和各热损失之比的曲线图。在图中，纵轴表示比率(在此总的热量为1)，横轴表示温度(℃)。和图3相对应的每条线具有与上述相同的含义。
在图中清楚地表明，当加热表面13a的温度为700℃或更高时，由燃烧产生的热量的大约60％到65％可以有效地作为用于加热目标物体的辐射热。
本发明不限于上述实施例，在本发明的精神和范围内的变化和修改是可能的。

Claims (4)

1.一种具有用于燃料和空气的预混气体的预混气体通道的微燃烧加热器，其中通道延伸到燃烧腔，燃烧气体通道用于把燃烧气体从燃烧腔中吸出，其中：
预混气体通道和燃烧气体通道以加热壁设置在通道之间的方式设置为螺旋形式；
预混气体通道的宽度为熄火距离或更小，其中熄火距离取决于预混气体的种类；
微燃烧加热器具有两个外表面，螺旋通道置于两个外表面间，用于从加热壁的上下边缘的两侧保持螺旋通道；和
至少一个外表面是用于释放辐射热的加热表面。
2.如权利要求1所述的微燃烧加热器，其特征在于，在平面视图中基本上为圆形。
3.如权利要求1所述的微燃烧加热器，其特征在于，在平面视图中为多边形。
4.如权利要求1所述的微燃烧加热器，其特征在于，螺旋通道置于耐热加热板和绝热板之间，且耐热加热板的外表面作为加热表面使用。
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