CN1732358A - 微型燃气燃烧器 - Google Patents

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Abstract

提供一种稳定、预先混合火焰的微型燃气燃烧器，该火焰产生很少或没有烟灰或未燃烧碳氢化合物。燃气燃烧器包括燃料入口、喷嘴、具有至少一个空气入口的氧化腔室、具有截顶锥形内壁的混合腔室、至少一个可穿透阻挡件和火焰稳定器。燃气燃烧器完全混合燃料和携带空气以便在燃烧之前形成几乎化学计量的混合物。燃气燃烧器完全混合燃料和空气，与产生稳定、预先混合的火焰所需相比，使其需要较低的燃料流动速度。燃气燃烧器包括任选的火焰管，其中火焰容纳其中并与扩散空气隔离。

Description

微型燃气燃烧器
技术领域
本发明总体涉及一种燃气燃烧器。特别是，本发明涉及一种用于通过预先混合气体燃料进行燃烧的吸烟器具的整体式燃气燃烧器。
背景技术
例如用于香烟打火机的小型燃气燃烧器是本领域公知的。大多数香烟打火机使用浮力以便携带用于扩散燃烧的空气。燃料气体和空气在引燃点相遇并同时燃烧。因此，在这种打火机中，燃料和空气没有在引燃点上游混合。由于不需要用于预先混合的装置，扩散火焰式打火机的长度可以非常短。不幸的是，扩散火焰燃烧器趋于产生由于未燃烧的碳氢化合物产生的烟灰以及由于气体燃料的未完全燃烧造成的吡咯产品。另外，由扩散燃烧器产生的火焰趋于不稳定，并在燃烧器转动时趋于弯曲。
在燃气燃烧器中形成预先混合的火焰在本领域中是公知的。预先混合火焰是燃烧过程的产品，其中在引燃点上游燃料和空气混合。在燃料/空气混合物达到引燃点时，可以得到足够化学计量的氧，使得燃烧反应继续到几乎完成为止。燃料和空气预先混合产生的火焰是稳定的并在燃烧器转动时不弯曲。另外，由于燃料/空气混合物趋于完全燃烧，预先混合燃气燃烧器产生很少烟灰或未反应的碳氢化合物。在这种燃气燃烧器中产生的化学计量或富含氧的火焰主要只留下CO2、H2O和N2作为燃烧副产品。
在预先混合火焰的产生过程中，燃烧之前燃料和空气的混合通常采用文氏管进行，文氏管在燃料通过其中时将空气抽吸到燃烧器中。但是，设置有效的文氏管添加了燃烧器装置的总体长度。另外，燃烧器的燃料质量流速度要求影响了燃烧器和燃料存储容器的组合体的总体尺寸。例如，对于可以经受稳定预先混合火焰的丁烷打火机来说，最小的燃料流速是0.71mg/s。减小流速要求由此可以减小燃烧器和燃料存储容器的总体尺寸。
减小燃烧器和容纳容器的尺寸扩展了这种燃烧器可能的应用范围。
因此，希望提供一种产生稳定预先混合火焰的燃气燃烧器，该燃烧器足够小以便用于例如吸烟器具的多种应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低燃料质量流速度要求并产生稳定预先混合火焰的燃气燃烧器。
本发明的另一目的在于提供一种可以用于吸烟器具并且其尺寸小于传统打火机的燃气燃烧器。
本发明的又一目的在于提供一种用于燃气燃烧器并在小容积内提供燃料和空气高度充分混合的混合腔室。
尤其特别是，本发明针对一种燃烧气体燃料的燃烧器组件。燃烧器组件包括燃烧器入口、喷嘴、具有一个空气入口的氧化腔室、混合腔室、至少一个可穿透阻挡件、火焰稳定器、任选的火焰管以及任选的燃烧器壳体。燃料入口将燃烧器组件连接到气体燃料存储容器上。任选的流速调节机构可连接到燃料入口上，以便调节来自燃料存储容器的燃料质量流速度。喷嘴和燃料入口流体连通并影响流过其中的燃料流的静压力和速度。喷嘴将燃料从燃料入口供应到氧化腔室。喷嘴的内直径显著小于燃料入口的直径，由此加速流过其中的燃料流。燃料流的静压力在其从限制喷嘴流入较大的氧化腔室时下降。至少一个空气入口布置在氧化腔室的一个或多个壁内。通过减小经由喷嘴进入氧化腔室内的气体燃料造成的静压力，空气经由空气入口抽吸到氧化腔室内。喷嘴的尺寸影响经由空气入口抽吸到文氏管内的空气质量流速度。
混合腔室和氧化腔室流体连通。混合腔室设置成在相对小的容积内有效地混合空气和气体燃料。混合腔室或者具有包括截顶锥形部分的内壁，或者套环可布置在混合腔室内，以便为内壁提供截顶锥形。在任何情况下，混合腔室内部从靠近氧化腔室的近端扩张到远端。混合腔室的发散侧壁提供其中燃料和空气可以有效混合的内部空间。至少一个可穿透阻挡件布置在混合腔室下游并与其流体连通。可穿透阻挡件布置在混合腔室的出口处，或者与其隔开。可穿透阻挡件可以是多孔金属或者陶瓷板，或者防止燃料/空气从混合腔室流动的另一可穿透材料或结构。可穿透阻挡件限制燃料/空气混合物的流动并且造成混合物的静压力减小。流动限制的结果是燃料/空气流的一部分在混合腔室内的循环。循环涡流趋于在混合腔室内围绕混合物流形成。这种循环用来在引燃之前更加完整地混合燃料/空气流。
火焰稳定器布置在可穿透阻挡件下游的燃气燃烧器内并与其流体连通。火焰稳定器其中包括进一步限制燃料/空气流流动的至少一个开口。引燃装置布置在火焰稳定器下游并在启动时有助于燃料/空气流的燃烧。火焰稳定器防止燃料/空气流燃烧产生的火焰经由燃烧器出现逆火现象。火焰管定位火焰并防止空气扩散到火焰上。由燃烧器产生的火焰是稳定的预定混合火焰，该火焰至少具有充分的化学计量空气以便完成燃料的燃烧。
燃气燃烧器内产生的火焰将不弯曲，并且因此不受到燃烧器取向的影响。另外，在燃烧器内进行的燃烧过程不需要扩散空气来帮助完成反应。因此，火焰可在封闭在火焰管内。封闭火焰使得燃气燃烧器可用于多种应用中，例如整体式香烟打火机，其中依赖扩散空气的其它火焰是不适当的。与传统香烟打火机所需相比，通过显著减小的燃料流速，燃烧器产生稳定、预先混合的火焰。例如，传统丁烷打火机通常需要至少0.71mg/s的燃料质量流速度，由此本发明的燃气燃烧器以大约0.14mg/s-0.28mg/s的燃料流速度产生持久的预先混合火焰。在此特定范围内，采用本发明燃气燃烧器的打火机产生大约6-12瓦的热量输出。这种能量输出使得这种燃气燃烧器用于吸烟器具的整体式打火机。
将明白的是本领域普通技术人员在阅读此后提出的优选实施例的详细描述时将明白本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1是所选部分以虚线表示的本发明燃气燃烧器的透视图；
图1a是其中插入香烟并且所选部分以虚线表示而其它所选部分剖去的图1燃气燃烧器的透视图；
图2是沿着图1的线2-2截取的燃气燃烧器的截面图；
图3是连接到燃料存储容器上并封装在燃烧器壳体内的本发明燃气燃烧器的截面图；
图4是本发明燃气燃烧器的另一实施例的截面图；
图5是本发明燃气燃烧器的又一实施例的截面图；
图6是图5燃气燃烧器的燃烧器壳体的端视图；
图7是沿着线7-7截取的图6燃烧器壳体的截面图；
图8是图5的燃气燃烧器的喷嘴的端视图；
图9是所选部分以虚线表示的图8喷嘴的侧视图；
图10是沿着线10-10截取的图8喷嘴的截面图；
图11是图10喷嘴的区域10的分解视图；
图12是图5的燃气燃烧器的套环的端视图；
图13是沿着线13-13截取的图12套环的截面图；
图14是图5燃气燃烧器的垫片的端视图；
图15是图14垫片的侧视图；
图16是所选部分以虚线表示的图5燃气燃烧器的可穿透阻挡件的前视图；
图17是图16的可穿透阻挡件的侧视图；
图18是图5燃气燃烧器的火焰稳定器的前视图；
图19是所选部分以虚线表示的图18火焰稳定器的侧视图；
图19a是本发明燃气燃烧器的可穿透阻挡件的另一实施例的前视图；
图20是图5燃气燃烧器的火焰稳定器的另一实施例的前视图；
图21是沿着线21-21截取的图20火焰稳定器的截面图；
图22是本发明燃气燃烧器的可穿透阻挡件的另一实施例的前视图；
图23是图22的可穿透阻挡件的侧视图；
图24是所选部分以虚线表示的本发明燃气燃烧器的燃烧器壳体的另一实施例的侧视图；
图25是沿着线25-25截取的图24燃烧器壳体的截面图；以及
图26是沿着线26-26截取的图24燃气燃烧器的另一截面图。
具体实施方式
如附图所示，燃气燃烧器10包括燃料入口20、包括喷嘴30和具有至少一个空气入口45的氧化腔室40的文氏管、混合腔室50、至少一个可穿透阻挡件或混合筛网60以及火焰稳定器70。与传统燃烧器相比，燃气燃烧器10以较低的燃料质量流速度产生稳定的预先混合的火焰。因此，采用本发明燃气燃烧器的打火机的尺寸小于传统商业燃气打火机。
图1表示本发明的燃气燃烧器10。燃料入口20将燃料存储容器15和喷嘴30连接在一起，如图3所示。燃料入口20提供气体燃料从包括其中的存储容器15经由其中供应到燃气燃烧器10的通路。燃料可以是本领域公知的任何气体燃料，包括低分子重量的碳氢化合物，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙炔。喷嘴30使得燃料可以运行通过燃气燃烧器10的所得空间变窄。喷嘴30具有孔口35，如图11所示，孔口通向氧化腔室40。喷嘴30的内壁32可包括截顶锥形33，如图9-11所示。孔口35可具有圆形边缘或者使得燃料流过的任何其它适当的边缘。
如图1和2所示，空气入口45通向环境，并使得空气抽吸到氧化腔室40内。至少一个空气入口45与氧化腔室40流体连通。在两个优选实施例中，如图5-7和图24-26所示，燃气燃烧器10可具有将空气从环境引导到氧化腔室40的四个或多个空气入口45。另外，空气入口45可具有任何适当的构造。例如，空气入口45可具有延伸通过氧化腔室40的侧壁41的圆柱形侧壁47，如图5-7所示。作为空气入口45的选择，空气入口可以和孔口35同心布置在氧化腔室40的近壁42内。喷嘴30和氧化腔室40相互协作以便形成高效率文氏管。燃料经由喷嘴30和孔口35流入氧化腔室40造成氧化腔室40内流动静压力减小。静压力减小将空气经由空气入口45抽吸到氧化腔室45。在优选实施例中，氧化腔室40的长度是大约3-4毫米。
氧化腔室45与混合腔室50流体连通。燃料和携带空气从氧化腔室流入混合腔室50。混合腔室50可具有内侧壁51，其至少一部分52是截顶锥形。另外，如图5、12和13所示，具有截顶锥形内壁56的混合套环55可以包括在燃气燃烧器10内，并用作混合腔室。在优选实施例中，混合腔室50的截顶锥形部分52的长度是大约2-4毫米。
如图2所示，至少一个可穿透阻挡件60与混合腔室50流体连通。可穿透阻挡件60最好布置在混合腔室40的下游，如图1-4所示。可穿透阻挡件60的存在在其任一侧产生压力差，可穿透阻挡件60上游的静压力较高，并且其下游压力较低。压力差由此在混合腔室轴线的任一侧在燃料/空气流中形成循环涡流。空气和燃料混合以分子级别出现并直到在燃料/空气混合物离开混合腔室50之前几乎完全混合为止。
可穿透阻挡件60可以由多种材料制成，并具有多种构造。可穿透阻挡件60可以包括金属或聚合物材料形成的丝网，如图22-23所示。例如，在优选实施例中，由具有0.114毫米直径的镍丝形成的丝网包括在可穿透阻挡件中。形成丝网的其它金属包括黄铜和钢。另外，可穿透阻挡件60可以是由金属或陶瓷材料形成的多孔板。多孔板可以具有如图5、16和17所示的几个大孔或如图19a和19b所示的许多小孔。不管可穿透阻挡件60的构造和构成材料如何，燃料/空气混合物运行通过可穿透阻挡件60。可穿透阻挡件60设置成进一步混合通过其中的气体燃料和空气。燃料/空气混合物在运行通过可穿透阻挡件60时所经历的静压力降用来加速混合物流动，使得下游产生的火焰将不离开火焰稳定器70，如图1、5、18和19所示。
由可穿透阻挡件60形成的压力差不利地影响燃烧器10内空气携带的速度。更特别是，当可穿透阻挡件60造成的压力降增加时，文氏管携带的空气流速减小，由此使得燃料/空气混合物趋于更加富含燃料。因此，在选择提供使得燃料和空气比例的阻挡件过程中必须考虑可穿透阻挡件60的孔隙率。在引燃之前混合燃料和空气的目的在于获得接近化学计量或略微富含氧的燃料-空气混合比。燃料和空气化学计量均衡的混合物的结果在于混合物将在引燃时几乎完全燃烧，由此产生稳定的火焰，而没有烟灰或未燃烧的碳氢化合物。因此，可穿透阻挡件60的孔隙率或空隙度应该使得与特定尺寸的喷嘴30相结合时，可穿透阻挡件60提供在氧化腔室40内携带空气的一定质量流速度，该速度在气体燃料和空气之间造成近化学计量比例。
孔隙率是可穿透阻挡件内的开放区域的百分比。孔隙率表示燃料/空气混合物从混合腔室50流过其中的所得区域。在优选实施例中，对于30微米直径的喷嘴30来说，可穿透阻挡件具有35％和40％之间的孔隙率，以便实现化学计量或略微富含氧的燃料-空气比例。
喷嘴30的直径同样影响氧化腔室40内的空气携带。燃料流的压力降随着喷嘴直径减小而增加。在优选实施例中，喷嘴30的直径在30-60微米的范围内。但是，本发明考虑到此给定范围之外的喷嘴直径。对于接近50微米或更大的喷嘴直径来说，本发明氧化腔室140的可选择实施例表示在图4中。氧化腔室140具有球形侧壁141和近壁142内的凹入部分，近壁中布置与图11所示孔口35类似的通向喷嘴130的孔口。空气入口145可以布置在球形侧壁141和/或近壁142中。氧化腔室140与喷嘴130和具有截顶锥形侧壁151的混合腔室150两者流体连通。
如图1所示，火焰稳定器或燃烧器板70与可穿透阻挡件60流体连通。火焰稳定器70其中具有预先混合的燃料和空气流流过其中的至少一个开口71。对于可穿透阻挡件60来说，火焰稳定器70的孔隙率影响空气携带到氧化腔室40内的速度。开口71可以是圆形的，并且围绕火焰稳定器70中心布置。例如，三个大致圆形的开口71可以布置在火焰稳定器70内，如图1、5、18和19所示。三个圆形开口71围绕火焰稳定器70的中心隔开120°布置。作为选择，火焰稳定器70可以具有非圆形开口。例如，如图20和21所示，火焰稳定器270可具有燃料/空气流流过其中的三个肾脏形状的开口271。本发明考虑到火焰稳定器70其中具有一个或多个开口。火焰稳定器70使得燃料/空气混合物流过到引燃点。但是，火焰稳定器70防止燃料/空气混合物燃烧产生的预先混合的火焰经由燃气燃烧器10向上游运行。在优选实施例中，火焰稳定器70与混合腔室50的混合远端隔开大约1毫米。
如图3所示，燃气燃烧器10可包括定位在火焰稳定器70下游的引燃源99。引燃源99可具有本领域公知的任何来源，例如压电元件、电或火石引燃器。
如图1-5所示，燃气燃烧器10还可包括火焰管80或180，其中可以包括预先混合的火焰。火焰管80防止空气扩散到预先混合的火焰中。火焰管80可以由经受燃气燃烧器10内出现的燃烧过程产生的温度任何金属、陶瓷或聚合物材料形成。燃气燃烧器10内形成的火焰大致布置在火焰管80内部。
燃气燃烧器10可以容纳在燃烧器壳体90内，如图3和5所示燃烧器壳体90可以封闭某些或所有的燃料入口20、喷嘴30、氧化腔室40、混合腔室50、可穿透阻挡件60、火焰稳定器70和火焰管80以及气体燃料存储盒。燃烧器壳体90可以由金属、陶瓷、或聚合材料制成。
如图5-19所示，燃气燃烧器10可以设置成组件。图5表示燃气燃烧器10的一个实施例的分解视图。在此实施例中，喷嘴30、套环55、可穿透阻挡件60以及火焰稳定器70布置在燃烧器壳体90内。在此实施例中，燃烧器壳体90包括整体形成其中的氧化腔室40、空气入口45和火焰管80。垫片59布置在套环55、可穿透阻挡件60和火焰稳定器70之间。垫片59在这些部件之间提供足够的间隙。
本发明的燃气燃烧器10设置用来将例如丁烷低分子重量的碳氢化合物燃料和空气充分混合，与产生预先混合火焰的市场购买的丁烷燃烧器的长度相比，燃气燃烧器10的长度可以缩短大约50％。因此，本发明的燃气燃烧器10可以布置在吸烟器具中，其中通过包括其中的整体式打火机燃烧吸烟材料。图1a表示香烟4布置在火焰管80内的燃气燃烧器10。香烟4可以包括烟草5或本领域公知的产生任何气体气溶胶的吸烟材料。包括燃气燃烧器10的这种吸烟器具的尺寸可以接近传统香烟的尺寸。
为了便于理解，给出本发明优选实施例的详细描述，从中将理解到没有不必要的限制，这是由于在不偏离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下，本领域普通技术人员在阅读此说明书时将明白并进行多种变型。

Claims (37)

1.一种燃气燃烧器，包括：
具有入口、出口和从所述入口发散的内壁的截顶锥形部分的混合腔室；
布置在所述混合腔室的所述出口处并与所述混合腔室流体连通的至少一个可穿透阻挡件；以及
与所述至少一个可穿透阻挡件流体连通的火焰稳定器。
2.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述混合腔室流体连通的氧化腔室。
3.如权利要求2所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述氧化腔室流体连通的至少一个空气入口。
4.如权利要求3所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个空气入口通向环境。
5.如权利要求3所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个空气入口布置在所述氧化腔室的侧壁上。
6.如权利要求2所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述氧化腔室流体连通的喷嘴。
7.如权利要求6所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述喷嘴包括通向所述氧化腔室的孔口。
8.如权利要求7所述的燃气燃烧器，其特征在于，至少一个空气入口与所述氧化腔室近壁内的所述孔口流体连通。
9.如权利要求6所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述喷嘴与燃料入口流体连通。
10.如权利要求9所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述燃料入口与所述燃料存储容器流体连通。
11.如权利要求10所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述燃料存储容器包括气体燃料。
12.如权利要求11所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述气体燃料包括低分子重量的碳氢化合物。
13.如权利要求12所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述低分子重量的碳氢化合物选自包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和乙炔的一组。
14.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括燃烧器壳体。
15.如权利要求14所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述混合腔室、所述可穿透阻挡件和所述火焰稳定器布置在所述燃烧器壳体内。
16.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述混合腔室包括布置其中的套环。
17.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述火焰稳定器其中具有三个开口。
18.如权利要求17所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述三个开口的每个开口大致是圆形的。
19.如权利要求18所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述三个开口围绕所述火焰稳定器的中心以120°隔开。
20.如权利要求17所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述三个开口的每个开口是肾脏的形状。
21.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个可穿透阻挡件包括丝网。
22.如权利要求21所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述丝网由金属形成。
23.如权利要求24所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述金属选自包括镍、黄铜和钢的一组。
24.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个可穿透阻挡件由陶瓷形成。
25.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个可穿透阻挡件具有大约35％和40％的空隙率。
26.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述火焰稳定器流体连通的引燃装置。
27.如权利要求26所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述引燃装置是压电引燃器。
28.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括具有大约30微米到大约60微米内直径的喷嘴。
29.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述混合腔室的长度是大约3毫米到大约4毫米。
30.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述混合腔室流体连通的氧化腔室，所述氧化腔室具有球形侧壁。
31.如权利要求30所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述氧化腔室包括其中具有凹入部分的近壁。
32.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征在于，包括与所述火焰稳定器流体连通的火焰管。
33.如权利要求32所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述火焰管由陶瓷材料形成。
34.一种燃气燃烧器，包括：
喷嘴；
与所述喷嘴流体连通的氧化腔室；
与所述氧化腔室流体连通的至少一个空气入口；
与所述氧化腔室流体连通的混合腔室，所述混合腔室具有截顶锥形内壁；以及
与所述混合腔室流体连通的火焰稳定器，所述火焰稳定器其中具有至少一个开口。
35.如权利要求34所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述至少一个空气入口通向环境。
36.如权利要求34所述的燃气燃烧器，其特征在于，所述喷嘴包括通向所述氧化腔室的孔口。
37.如权利要求7所述的燃气燃烧器，其特征在于，至少一个空气入口和所述氧化腔室近壁内的所述孔口同心布置。
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