JP2005226920A - Liquid fuel combustion equipment using porous element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質エレメントで液体燃料と燃焼用空気の均一混合相を作る液体燃料の燃焼装置に係り、とくに装置を小型化し、製造コストやランニングコストを安くするための多孔質エレメントの構造に関する。 The present invention relates to a liquid fuel combustion apparatus for producing a homogeneous mixed phase of liquid fuel and combustion air with a porous element, and more particularly to a structure of a porous element for miniaturizing the apparatus and reducing manufacturing costs and running costs. .
多孔質エレメントの表面に薄膜状の液体相を形成し、これを連続的に燃焼させる技術としては、従来、例えば特開平05−203117号がある。この装置の原理は、多孔質エレメントの上流から空気と液体燃料を送り、多孔質エレメントの表面に泡化した薄膜状の燃料相を形成し、これを連続的に燃焼させるようになっている。 As a technique for forming a thin film-like liquid phase on the surface of the porous element and continuously burning it, there is a conventional technique such as JP-A-05-203117. The principle of this apparatus is that air and liquid fuel are sent from the upstream side of the porous element to form a foamed thin film fuel phase on the surface of the porous element, which is continuously burned.
この種のタイプの燃焼装置は、燃料の比表面積を飛躍的に増加でき、一般的な蒸発燃焼における応答性の悪さや、噴霧燃焼における空気比が高いという問題を解消できる利点をもつ。 This type of combustion apparatus has the advantage that the specific surface area of the fuel can be dramatically increased, and the problem of poor response in general evaporative combustion and high air ratio in spray combustion can be solved.
しかしながら、基本的な原理を示す特開平05−203117号等の装置では、多孔質エレメント1の全範囲に均一に液体燃料を噴射することがノズルコントロールの点で難しいという問題があった。 However, an apparatus such as Japanese Patent Laid-Open No. 05-203117 showing the basic principle has a problem that it is difficult to inject liquid fuel uniformly over the entire range of the porous element 1 in terms of nozzle control.
これを解消する提案としては、例えば、多孔質エレメントを前後二段に直列に設けたもの(特開平05−203116号公報記載の装置)が知られていた。しかし、二枚の多孔質エレメントの隙間に液体燃料を送り込む構造をとるため、燃焼面が上向きに限定され、燃焼面を横向きにさせた使用が出来ないという不利があった。液体燃料が重力によって沈降するからである。 As a proposal for solving this problem, for example, a device in which porous elements are provided in series in two stages in the front and rear (a device described in Japanese Patent Laid-Open No. 05-203116) has been known. However, since the liquid fuel is fed into the gap between the two porous elements, the combustion surface is limited to the upward direction, and there is a disadvantage that the combustion surface cannot be used sideways. This is because the liquid fuel sinks due to gravity.
これを解決するため、本出願人は、二枚の多孔質エレメントを接合させて、その間に液体燃料を拡散させるシートを挟み込む技術を提案した(特開2002−147715号公報)。液体燃料の拡散シートを利用することにより、重力による液体燃料の沈降がなく多孔質エレメントの表面に薄膜状の燃料相を均一に形成できるようになった。しかし、2枚の多孔質エレメントを使用することは、燃焼用空気の通気抵抗が上昇し、それを供給する送風機が大型化し、費用が高くなる不利があった。
問題は、従来の焼結金属のような多孔質エレメントでは、装置の小型化が難しく、コストの低減にも限界が生じる点にある。その理由は、以下の通りである。 The problem is that with a conventional porous element such as sintered metal, it is difficult to reduce the size of the apparatus, and there is a limit to cost reduction. The reason is as follows.
多孔質エレメントを用いた燃焼装置は、燃料の比表面積を確実に増大できる利点がある一方で、多孔質エレメントが小型化すると、燃焼の安定性の確保が難しくなる。 The combustion device using the porous element has an advantage that the specific surface area of the fuel can be surely increased. On the other hand, when the porous element is downsized, it is difficult to ensure the stability of combustion.
その理由としては、多孔質エレメントが焼結金属のように熱伝導率が比較的大きく、放射率の低い材料では、火炎から多孔質エレメントへの伝熱量が減少し、且つ、多孔質エレメントからその支持部材への伝熱量が増加し、小型化による熱放散割合の増大が挙げられる。つまり、多孔質エレメントが小さくなればなるほど、多孔質エレメントの外周を支持する金属部材に逃げる熱量割合が大きくなり、多孔質エレメントの表面温度が低下し、燃料の蒸発量が減少して、結果的に、安定燃焼に必要な燃料蒸発のバランスが崩されるからである。このようになると、表面の火炎は部分的に短くなったり長くなったりして均整化せず、燃焼状態を安定させることが出来ない。 The reason for this is that the porous element has a relatively large thermal conductivity, such as sintered metal, and a material with a low emissivity reduces the amount of heat transferred from the flame to the porous element, and from the porous element to the porous element. The amount of heat transfer to the support member increases, and an increase in the heat dissipation rate due to downsizing can be mentioned. In other words, the smaller the porous element, the greater the rate of heat escape to the metal member that supports the outer periphery of the porous element, the lower the surface temperature of the porous element, and the lower the amount of fuel evaporation. In addition, the balance of fuel evaporation necessary for stable combustion is lost. In this case, the surface flame is partially shortened or lengthened and is not leveled, and the combustion state cannot be stabilized.
従来構造のままで燃焼の不安定を改善するには、原理的には、上流側から送り込む液体燃料と空気の圧力を高めることが必要である。しかし、この方法に従うと、空気を送り込む装置が大型化して、装置全体の小型化という課題に反するし、また装置コストが却って高騰する。 In order to improve combustion instability with the conventional structure, in principle, it is necessary to increase the pressure of liquid fuel and air fed from the upstream side. However, if this method is followed, the apparatus for sending in air becomes larger, which is against the problem of downsizing the entire apparatus, and the cost of the apparatus increases on the contrary.
そこで、本発明の目的は、多孔質エレメントが小型化しても燃焼を安定改善しつつ、液体燃料および空気を送り込む燃料系統の機構の簡素化を図る点にある。 Accordingly, an object of the present invention is to simplify the mechanism of a fuel system for feeding liquid fuel and air while stably improving combustion even when the porous element is downsized.
前記目的を達成するため、本発明に係る多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置は、前記多孔質エレメントを、多数のセラミックス繊維を耐熱性のあるバインダーを介して結合させて成形する(請求項1)。 In order to achieve the above object, a combustion apparatus for liquid fuel using a porous element according to the present invention forms the porous element by bonding a large number of ceramic fibers via a heat-resistant binder (claim). Item 1).
また、多孔質エレメントは、気孔率を60〜95%とする場合があり(請求項2)、かさ密度を0.2〜0.7g/cm3とする場合がある(請求項3)。また多孔質エレメントは、その内部にセラミックス繊維で成形したネット材を備える場合がある(請求項4)。 The porous element may have a porosity of 60 to 95% (Claim 2) and a bulk density of 0.2 to 0.7 g / cm 3 (Claim 3). In some cases, the porous element includes a net material formed of ceramic fibers therein.
セラミックス繊維は、平均繊維径を2.5〜50μmとする場合があり(請求項5)、繊維の平均の長さを0.01〜50mmの範囲とする場合がある(請求項6)。 Ceramic fibers may have an average fiber diameter of 2.5 to 50 μm (Claim 5) and an average fiber length of 0.01 to 50 mm (Claim 6).
請求項1に係る燃焼装置は、多孔質エレメントとしてセラミックス繊維を用いるため、ポーラスな焼結金属を用いる場合よりも高い気孔率を実現でき、同時に熱放散を抑えて下流表面における燃料の蒸発を高い次元で保証することが出来る。上流側から空気とともに送り込む液体燃料は、セラミックス繊維の隙間を通って素早く下流表面で均一に拡散し、好ましい燃料相を形成する。空気とともに送り込まれる霧化した液体燃料はセラミックス繊維の間の微小空隙を毛細管現象類似の作用で移動するため、多孔質エレメントの下流表面に燃料と空気の均質な混合相を形成する。従って、燃焼面を上、下、横向きにしても燃焼が安定化し、装置の使用環境の自由化を図ることが出来る。尚、本発明でいう上流/下流は、液体燃料と燃焼用空気の流れを基準とする。 Since the combustion apparatus according to claim 1 uses ceramic fibers as the porous element, it can achieve a higher porosity than the case of using porous sintered metal, and at the same time, suppresses heat dissipation and increases the evaporation of fuel on the downstream surface. Can be guaranteed in dimension. The liquid fuel fed together with air from the upstream side diffuses quickly and uniformly on the downstream surface through the gap between the ceramic fibers to form a preferable fuel phase. Since the atomized liquid fuel fed together with air moves through the microscopic voids between the ceramic fibers by an action similar to capillary action, a homogeneous mixed phase of fuel and air is formed on the downstream surface of the porous element. Therefore, even if the combustion surface is directed upward, downward, or sideways, the combustion is stabilized, and the use environment of the apparatus can be liberalized. In the present invention, upstream / downstream is based on the flow of liquid fuel and combustion air.
本発明によれば、高い気孔率に起因して燃料相の均質化、すなわち多孔質エレメントの面積を小さくしても燃焼の安定性を保証でき、同時に空気供給装置の簡素化を図ることが出来る。 According to the present invention, the fuel phase can be homogenized due to the high porosity, that is, the combustion stability can be ensured even if the area of the porous element is reduced, and at the same time, the air supply device can be simplified. .
図1は、本発明に係る燃焼装置の一実施形態を例示するものである。装置構成事態は従来装置と同様でよいので、例えば、適宜位置にホルダ11を介してセラミックス繊維で形成した多孔質エレメント20を装着する一方、その上流側に燃料噴射ノズル14と整流板15とを配し、霧化させた液体燃料を送り込むことで多孔質エレメント20の下流表面に符号Fで示す燃料相を形成する。17は、燃焼部分の外周を包むケース体、18は、ホルダ11の表面リング、19は、表面リング18を固定するための固定金具(例えばビス)である。多孔質エレメント20の外周部にはシール材16を配し、ホルダ11と多孔質エレメント20との間を封密して燃料の漏出を防止する。
FIG. 1 illustrates one embodiment of a combustion apparatus according to the present invention. Since the configuration of the apparatus may be the same as that of the conventional apparatus, for example, the
図2、図3は、多孔質エレメント20を断面で例示するもので、多孔質エレメント20はセラミックス繊維と無機バインダーを水中分散し、高分子凝集剤を加えて凝集体を形成後、紙漉の要領でメッシュ上に凝集体を吸引濾過して堆積させて成形する。成形後、乾燥し、高温焼成することにより、セラミックス繊維同士の接点を無機バインダーが焼結してセラミックス繊維同士を結合させ、一定の強度とする。セラミックス繊維の平均繊維径と平均繊維長を変化させることにより、多孔質エレメントを目的の密度(空隙率)及び目開き(気孔径)に制御し、必要な通気性を確保することができる。
2 and 3 exemplify the
燃焼装置に適用し耐熱性を保証できるようにするため、セラミックス繊維22としては例えば、アルミナ(酸化アルミニウム;Al2O3)を使用する。アルミナは単独では1400℃程度の耐熱性をもつ。バインダー23には、シリカ(二酸化珪素;SiO2)を用いることが出来る、シリカ(SiO2)は単独で使用する場合は耐熱温度が1000℃を下回ることもあるが、アルミナ(Al2O3)とともに使用する場合は1200℃程度の高温に耐える性能がある。バインダー23は、セラミックス繊維の重量あたり1〜20%である。
For example, alumina (aluminum oxide; Al 2 O 3) is used as the
霧化した液体燃料を空気とともに送り込んで多孔質エレメント20の下流表面に燃料相を形成するタイプの燃焼装置では、1000〜1200℃の耐熱性を保証できれば実用に耐える。従って、燒結金属に代えてセラミックス繊維22を用いたパネル構造体が利用可能となる。
In a combustion apparatus of a type in which atomized liquid fuel is fed together with air to form a fuel phase on the downstream surface of the
アルミナ(Al2O3)のように耐熱性のあるセラミックス繊維22を、例えばシリカ(SiO2)を主成分とするバインダーを介して結着させたときには、パネル材の内部に多量の空隙を形成でき、しかも空隙率も自由に可変出来る。本発明に係る燃焼装置の場合、気孔率(空隙率)は出来るだけ高くすることが好ましい。例えば、60〜95%の気孔率であるアルミナを使用すると、この場合のかさ密度は0.2〜0.7g/cm3程度となる。
When the heat-resistant
以上のように、本発明に係る多孔質エレメント20は、パネルの気孔率を高くすることが出来るため、上流側から送り込む空気の流動抵抗が小さくなり、より少ない送風圧でも多孔質エレメント20の下流表面に均質な燃料相を形成出来る。この結果、空気圧力を高めて強制送風する必要がなくなり、例えばファンのような小型の空気供給装置によっても安定した燃焼を実現することが可能となる。気孔率が均一であれば、多孔質エレメント20の中央部も外周部も均質な燃料相が形成されるので、同時に、燃料相の状態のばらつきによる不安定要因も解消される。
As described above, since the
また多孔質エレメント20を、熱伝導率が小さいセラミックス繊維22およびセラミックス系のバインダー23によって成形するため、従来の燒結金属に比して燃焼面の熱放散が抑えられる。外周部を支持するホルダ11及び表面リング18への伝熱量が小さいからである。このため多くの熱量が燃焼面に保留され、燃料相の燃料気化率が安定向上し、連続的に安定した燃焼現象を継続させることが可能となる。またセラミックス繊維22およびセラミックス系のバインダー23を用いるため、多孔質エレメント20の軽量化を図ることが出来る。
Further, since the
本発明に係る多孔質エレメント20に使用するセラミックス繊維22は、アルミナに限定されない。少なくとも800℃以上、好ましくは1000℃以上の耐熱性があるセラミックス繊維であればアルミナ以外のセラミックス繊維を使用しても構わない。例えば40〜60%のアルミナに60〜40%のシリカ(二酸化珪素)を混合したセラミックス繊維(商品名イソウール;イソライト工業株式会社)である。このセラミックス繊維は1200℃の耐熱性をもつ。平均繊維径は2.5〜3μmである。
The
また炭化珪素(SiC)の複合材(SiC−SiC複合材)を繊維化させて用いることも出来る。炭化珪素複合材のうち、最も耐熱性と強度保持に優れる素材は、例えば、酸化珪素の繊維束(例えば直径15μm、500本/束)を二次元に編んだSiC強化繊維に、珪素高分子(例えばポリカルポシランPCS、ポリビニルシランPVS、SiC微粉末等)を真空中で溶融充填し、電子線照射不溶化法に基づいて珪素高分子を固定化し、その後、不活性ガス中で高温(例えば1200℃程度)焼成し、珪素高分子をセラミックスに転換して得ることが出来る。このようにして得たセラミックス繊維は、高温環境下においても強度の低下が少ない。炭化珪素複合材は、成形時には織布状であるが細かく裁断することにより、本発明に係るセラミックス繊維として使用することが出来る。このときセラミックス繊維は束になってあらわれるが、気孔率を調整することにより、燃焼装置の多孔質エレメント20の構成材料として単独繊維とまったく同じ機能を営む。また、このようにして得られるネット状の炭化珪素複合材は、多孔質エレメント20の間に挟み込むことにより、多孔質エレメント20の強度を向上させることが出来る。炭化 珪素複合織布(ネット)を使用するときは、一枚を挟むだけでなく複数枚を挟み込んでも良いし、また二次元的な拡がりをもつ炭化珪素複合織布を小片に分割してセラミックス繊維23とともにバインダー(23)によって固化させても良い。確実に強度を高めることが出来るからである。
Further, a silicon carbide (SiC) composite material (SiC-SiC composite material) may be used as a fiber. Among the silicon carbide composite materials, the most excellent material for heat resistance and strength retention is, for example, a silicon polymer (SiC reinforced fiber obtained by two-dimensionally knitting a fiber bundle of silicon oxide (for example, 15 μm in diameter, 500 pieces / bundle), and a silicon polymer ( For example, polycarbosilane PCS, polyvinylsilane PVS, SiC fine powder, etc. are melt-filled in a vacuum, the silicon polymer is fixed based on the electron beam irradiation insolubilization method, and then heated to a high temperature (for example, 1200 ° C. in an inert gas). About) it can be fired to convert the silicon polymer into ceramics. The ceramic fibers thus obtained are less likely to lose strength even in a high temperature environment. The silicon carbide composite material is in the form of a woven fabric at the time of molding, but can be used as the ceramic fiber according to the present invention by finely cutting. At this time, the ceramic fibers appear in a bundle, but by adjusting the porosity, the ceramic fibers serve exactly the same function as the individual fibers as the constituent material of the
耐熱性と強度に優れるセラミックス繊維は、一本一本糸状に成形された製品に限らず炭化珪素複合材のように二次元に編み込んで成形されたものもあり、いずれも本発明に係る多孔質セラミックス20を構成するセラミックス繊維として使用できる。本発明の場合、一本一本の好ましい繊維径(2.5〜50μm)は目安にすぎない。セラミックス繊維が束になって見かけ上の繊維径が大きくなっても、霧化した液体燃料を下流表面に均等に導出させる気孔率と空隙構造が実現され十分な耐熱性と強度をもつならば、それらを耐熱性のある好ましいバインダーを介して決着させ多孔質エレメント(20)とすることが出来る。またセラミックス繊維の好ましい長さ(0.01〜50mm)も一応の目安である。例えば炭化珪素の織布を細かく裁断してセラミックス繊維とする場合は、繊維束の長さが2cm以下となる場合もあるし、5cm以上となる場合もある。これは一本繊維として成形されたセラミックス繊維を用いる場合も同じである。 Ceramic fibers excellent in heat resistance and strength are not limited to products formed into individual yarns, but are also two-dimensionally knitted like silicon carbide composites, both of which are porous according to the present invention It can be used as a ceramic fiber constituting the ceramic 20. In the case of the present invention, the preferable fiber diameter (2.5 to 50 μm) for each one is only a guide. Even if ceramic fibers are bundled and the apparent fiber diameter becomes large, if the porosity and void structure that allows the atomized liquid fuel to be uniformly led to the downstream surface are realized and have sufficient heat resistance and strength, They can be settled through a preferable heat-resistant binder to form a porous element (20). Moreover, the preferable length (0.01-50 mm) of ceramic fiber is also a temporary standard. For example, when a woven fabric of silicon carbide is cut into ceramic fibers, the length of the fiber bundle may be 2 cm or less, or may be 5 cm or more. The same applies to the case of using ceramic fibers formed as a single fiber.
霧化した液体燃料を多孔質エレメント(20)の下流表面に燃料相として顕在化させる燃焼装置では、少ない空気圧で全域均等な燃料相を成形できることが大切であるから、繊維径と繊維長は大きさや空隙率との関係で決定するのが好ましいわけである。本発明に係る多孔質エレメント(20)は、燃焼の均一安定と装置の小型化を目的として設計されたものであるが、燃焼面積の大きな大型装置に適用しても良いことは勿論である。 In the combustion device that makes the atomized liquid fuel appear as a fuel phase on the downstream surface of the porous element (20), it is important to be able to form a uniform fuel phase with less air pressure, so the fiber diameter and fiber length are large. It is preferable to determine the relationship with the sheath porosity. The porous element (20) according to the present invention is designed for the purpose of uniform combustion stability and miniaturization of the apparatus. Of course, the porous element (20) may be applied to a large apparatus having a large combustion area.
11 ホルダ
14 燃料噴射ノズル
15 整流板
16 シール材
17 ケース体
18 表面リング
19 固定金具
20 多孔質エレメント
22 セラミックス繊維
23 バインダー
F 燃料相
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記多孔質エレメントは、セラミックス繊維を耐熱性のあるバインダーを介して結合させて成形したことを特徴とする多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。 In a combustion apparatus that sends liquid fuel and combustion air atomized from the upstream side of the porous element, forms a thin film of liquid fuel on the upstream surface of the porous element, and burns the mixed phase of liquid fuel and air,
The porous element is formed by bonding ceramic fibers through a heat-resistant binder and molding the liquid fuel using the porous element.
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JP2018523080A (en) * | 2015-07-06 | 2018-08-16 | ベバスト エスエーWebasto SE | Porous fuel processing element |
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- 2004-02-12 JP JP2004035787A patent/JP2005226920A/en not_active Withdrawn
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