JP2005076973A - マイクロコンバスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料及び燃焼用酸化ガスからなる予混合ガスをマイクロチャネルの燃焼室(4)で燃焼させるマイクロコンバスタ(1)であって、予混合ガスを燃焼室に導入させる予混合ガス流路(6)と、燃焼ガスを燃焼室から排出させる燃焼ガス流路(8)と、予混合ガス流路と燃焼ガス流路との間に形成され、燃焼ガスの熱を回収させて予混合ガスを加熱する伝熱壁(10)とを備え、予混合ガス流路と燃焼ガス流路とが燃焼室を中心にして渦巻き状に配置されてマイクロチャネルが形成されるとともに、燃焼室は、予混合ガス流路に連通する複数個の流入部(18,19)を有し、かつ、消炎等価径で表される各流入部の形状が、燃焼作動時における予混合ガスの消炎距離よりも小さく設定されてなる。
【選択図】 図4
Description
当該マイクロコンバスタは、直径が数cm程度の小型の燃焼加熱器であり、通常では火炎が伝ぱできない消炎距離よりも小さい隙間の中で燃焼させるものである。消炎距離程度の隙間たるマイクロチャネル内で燃焼を行わせる前に十分に予熱して燃焼を可能ならしめている。マイクロコンバスタには、燃焼の分類によって予混合燃焼方式によるものと、拡散燃焼方式によるものとが存在する。
ここで、上記予混合燃焼方式の火炎は、予混合ガスの流速と火炎の層流燃焼速度(燃焼速度)とがつり合った点では、安定な火炎が形成される。しかし、予混合ガスの流速と燃焼速度とがつり合わなければ、極めて不安定な火炎が形成されてしまうとの問題がある(例えば、非特許文献1参照)。
丸田薫、他6名,「Extinction Limits of Catalytic Combustion in Microchannels」,第29回国際燃焼シンポジウム講演論文集,p.957−963
また、このマイクロコンバスタでは、被加熱物の更なる加熱を図るべく、高負荷運転を実現することが要求されている。この場合には、予混合ガスの流速をより上昇させれば燃焼室で多くの燃料を燃やすことができ、マイクロチャネル内の燃焼の高負荷運転を達成できるとも考えられる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、マイクロチャネル内の予混合燃焼において、予混合ガスを効率良く高温に予熱できるとともに、逆火現象と同時に火炎の吹き飛び現象を防止して、火炎の安定化を図りつつ、小型化及び高負荷運転を実現することができるマイクロコンバスタを提供することを目的とする。
さらに、上述のように、流入部の消炎等価径で表される形状が小さく設定されても、燃焼室への流入部を複数設けることから、流入部における予混合ガスの流速を低下させて火炎を安定に保持することができる。換言すれば、高負荷化を図るために、従来に比してより多くの予混合ガスを燃焼室側に向かわせても、流入部の合計面積が大きくなっているので、その予混合ガスの流速は低く抑えることができ、火炎の吹き飛び現象が生じない。したがって、マイクロチャネル内の燃焼において高負荷運転を実現することができる。
図1乃至図4は、本実施形態のマイクロコンバスタ1を示す。当該マイクロコンバスタ1は、直径が数cm程度の円柱形をなす燃焼器本体2の内部にマイクロチャネルが形成された、いわゆるスイスロール型の燃焼器である。当該スイスロール型とは、予混合ガス流路6と燃焼ガス流路8とが燃焼室4を中心にして渦巻き状に配置される形状を意味する。つまり、図2の断面図に示されるように、予混合ガス流路6と燃焼ガス流路8とは伝熱壁10を介して交互に配される。なお、図4は、渦巻き状に二次元或いは三次元で表された図1乃至図3の予混合ガス流路6及び燃焼ガス流路8の流れを、説明の都合上一次元カウンタフローの燃焼器及び熱交換器を概念的に表したものである。
予混合ガス流路6は、燃焼器本体2の外周側から燃焼室4に向けて予混合ガスを送るための通路であり、上述した両側の伝熱壁10、上側加熱板12及び下側加熱板14とで区画されて渦巻き状に形成される。本体2の外壁には、予混合ガスを導入するためのガス導入口20が設けられている。このガス導入口20には、ガス燃料(メタン)と空気の予混合ガスが、その燃料と空気の混合割合(等量比)と流量が調整されて図示しない燃料源から導入される。
予混合ガス流路6と燃焼ガス流路8との間に形成される金属製の伝熱壁10は未燃の予混合ガスと既燃の燃焼ガスとを分離するための分離壁であると同時に、燃焼ガスの廃熱を回収して予混合ガスを予熱するための熱交換壁でもある。したがって、伝熱壁10には、伝熱性に優れた材質を選定し、その板厚も可能な限り薄く設定した方が良い。予混合ガス流路6を流れる予混合ガスMの流れ(図中実線の矢印で示す)と燃焼ガス流路8を流れる燃焼ガスKの流れ(図中破線の矢印で示す)は、伝熱壁10を挟んで対向流となり、ガス導入口20から導入される予混合ガスMは予混合ガス流路6を燃焼室4に向かって流れるにしたがって、より高温の燃焼ガスKから加熱され、燃焼室4に至る時点では、後述するように着火可能温度以上に加熱される。
また、使用する燃料ガスも特に限定しないが、本実施形態においては、メタンと空気との予混合ガスが用いられており、この他にもプロパン、ブタン、エチレン、アセチレン、水素等の燃料ガスに空気を混合させた予混合ガスであっても良い。なお、燃焼用酸化ガスとして本実施形態では空気を用いたが、これに限定されず、空気に代えて酸素濃度と窒素濃度を調整して人工的に作った空気であっても良いし、酸素とアルゴン等の不活性ガスであっても良く、場合によっては酸素のみを使用しても良い。
ここで、本実施形態のマイクロコンバスタ1では、マイクロチャネル内での燃焼を行う燃焼室4と予混合ガス流路6を連通させ、予混合ガスを燃焼室4に流入させる複数の流入部18、19が設けられている。より具体的には、図4に示されるように、予混合ガス流路6が燃焼室4を介して燃焼ガス流路8に折り返すカウンタフロー部22には、2つの伝熱壁10の間に第一の流入部18が、また、第一の流入部18の近傍の伝熱壁10には第二の流入部19が、それぞれ設けられている。二つの流入部18,19の形状は同じ形状であってもよいが、それぞれ異なる形状に形成することもできる。いずれにしても、各流入部の形状は、後述するように、消炎等価径で表して燃焼室4から予混合ガス流路6に火炎の逆火現象が生ずることのない、形状に形成されなければならない。
ところで、一般に、予混合ガスの消炎距離(Quenching Distance)dは、管壁モデルの径の大きさで表されるものであり、次の式(1)のように求められる。
消炎等価径De=通路断面積×4/通路のぬれ縁周辺長 ・・・・・式(2)
換言すれば、本実施形態のマイクロコンバスタ1において、予混合ガス流路6及び燃焼ガス流路8は、常温時においては、予混合ガスの消炎距離よりも小さい消炎等価径形状を有しており(本実施形態では2mmに設定されている)、例えば600Kにおいては予混合ガスの消炎距離dより大きい消炎等価距離を有しているから、予混合ガスの火炎伝ぱが可能になる。一方、本実施形態の第一の流入部18及び第二の流入部19は、いずれもその消炎等価径で表される形状が予混合ガス流路6の消炎等価径で表される形状よりも小さくなるよう設定されている(例えば、1mm)。つまり、図4に示されるように、予混合ガス流路6が常温の予混合ガスの消炎距離よりも小さい等価径DeBを有し、各流入部18、19は、予混合ガス流路6の等価径DeBよりも小さい等価径Debを有するよう設定される。
ガス導入口20から予混合ガス流路6に導入された予混合ガスMは、伝熱壁10を介して燃焼ガス流路8を流れる燃焼ガスに加熱されながら、外側から内側(中心部)の燃焼室4に向かい、徐々に高温に加熱されて、最終的には吹き飛び現象が生じない温度以上に加熱され、流入部18、19を介して燃焼室4に達する。この吹き飛び現象が生じないガス温度は燃焼室4に達する予混合ガスの速度に依存し、ガス速度が低い程吹き飛び現象が生じ難い。
同図(a)、(b)の破線は、1気圧常温の下でガス導入口20の予混合ガスの流速がそれぞれ0.5m/s、1.0m/sであったものが、ガス温度の上昇に伴って予混合ガスの流速がいかに変化するかを示したもので、図中の実線は燃焼速度を示している。この予混合ガスの流速は、ガス導入口20では0.5m/sで一定であるが、燃焼ガスの熱を回収することで膨張し、燃焼室4に到達する時点において加熱された予混合ガス温度に対応するガス速度を示しており、図示の如く加熱されてガス温度が上昇すると燃焼室4に流入する速度も次第に大きくなる。
同図(b)は、1気圧常温の下でガス導入口20の予混合ガスの流速が1.0m/sの場合を示したものである。なお、この場合の予混合ガスの流速も、ガス導入口20では1.0m/sで一定であるが、燃焼ガスの熱を回収することで膨張し、燃焼室4に到達する時点ではその時点でのガス温度に対応して図示の如く次第に大きくなる。
そして、この場合には、一点鎖線で示される消炎距離dが燃焼室4の消炎等価径DeB(2mm)以下となれば、燃焼室4での火炎伝ぱができないことによる消炎現象に関する着火可能条件をクリアすることができる。しかし、このときには、実線で示される燃焼速度が破線で示される予混合ガスの流速U0を超えていないので、吹き飛び現象に関する着火可能条件を未だクリアしていない。
次に本実施形態のマイクロコンバスタ1によるカウンタフロー部22に設けた複数の流入部18、19の作用をより具体的に説明する。
しかも、各流入部18、19は、予混合ガス流路6の等価径DeBよりも小さなスロットとされているので、二つの流入部18、19を用いる場合であっても、予混合ガスMの流速が燃焼速度よりも過度に小さくなることがあっても、これにより、複数個の流入部の設置に伴う逆火現象をも防止することができ、広い流速範囲での火炎のより一層の安定保持を達成できる。
例えば、上記実施形態では、予混合ガス流路6と燃焼ガス流路8とが燃焼室4を中心にして円を描く如くの渦巻き状に配置されているが、この配置の他、4角形や6角形の多角形を描く如くの渦巻き状に配置されていても良く、この場合にも火炎の安定化を図りつつ、高負荷運転を実現することができる。また、このような形状のマイクロコンバスタは、多数個を稠密に配列させることができ、被加熱物の加熱をより正確に制御することができる。
また、本発明のマイクロコンバスタは、上記半導体の製造技術の分野の他、各種の技術分野にて利用が可能である。一例としては、中小型の電気炉の代替製品としても用いることができる。この場合には、熱効率が良いのでCO2排出量の削減が可能となる。さらに、例えば、スチームリフォーマ等の熱源、熱電変換素子と組み合わせた携帯電源としても用いることが可能であり、また、給湯器、ガスコンロ、暖房器具や、コンクリート養生、熱加工、投げ込みヒータ等にも適用できる可能性がある。
4 燃焼室
6 予混合ガス流路
8 燃焼ガス流路
10 伝熱壁
18 流入部
19 流入部
Claims (2)
- 燃料及び燃焼用酸化ガスからなる予混合ガスをマイクロチャネルの燃焼室で燃焼させるマイクロコンバスタであって、
前記予混合ガスを前記燃焼室に導入させる予混合ガス流路と、
燃焼ガスを前記燃焼室から排出させる燃焼ガス流路と、
前記予混合ガス流路と前記燃焼ガス流路との間に形成され、前記燃焼ガスの熱を回収させて前記予混合ガスを加熱する伝熱壁とを備え、
前記予混合ガス流路と前記燃焼ガス流路とが前記燃焼室を中心にして渦巻き状に配置されて前記マイクロチャネルが形成されるとともに、前記燃焼室は、前記予混合ガス流路に連通する複数個の流入部を有し、かつ、消炎等価径で表される各流入部の形状が、燃焼作動時における予混合ガスの消炎距離よりも小さく設定されることを特徴とするマイクロコンバスタ。 - 消炎等価径で表される前記予混合ガス流路の形状が、常温時の前記予混合ガスの消炎距離よりも小さく設定され、かつ、前記設定された流入部の消炎等価径が前記予混合ガス流路の消炎等価径よりも小に設定されることを特徴とする請求項1記載のマイクロコンバスタ。
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