JP2006523815A - 炭化ケイ素・多孔性体を有する多孔性バーナ - Google Patents

Abstract

高温の煙道ガス（２２）を発生させるため燃料・空気混合体を燃焼させるための多孔性バーナであって、ハウジング（１２）を含み、ハウジング内に多孔性で耐高温性の炭化ケイ素（SiC）からなる多孔性材料（１６）が燃焼のために設けられている多孔性バーナ（１０）において、多孔質体がケイ化された炭素織物を含み、この織物が秩序正しい、規則的な構造を有する。炭化ケイ素からなる織物（１６）は、平らな面から外れた形状、例えば波形を有してもよく、複数の織物部分（２８、３０）が層をなして重なり合うようになっていてよい。

Description

本発明は、高温の煙道ガスを発生させるため燃料・空気混合物を燃焼させるための多孔性バーナであって、ハウジングを含み、そのハウジング内に燃焼のため多孔性で耐高温性の炭化ケイ素（SiC）からなる多孔性材料が設けられた多孔性バーナに関する。

このような多孔性バーナは、例えば高温の煙道ガスを蒸気過熱器に送り込むために使用される。蒸気過熱器内で生ずる蒸気は高い温度を有し、強い圧力下にある。蒸気中に蓄えられたエネルギーはさらに機械的ないし電気的エネルギーの形で、例えば膨張機関内で弛緩により発電機を駆動するため利用することができる。蒸気の温度が高いほど、また圧力が高いほど、かかる機関の効率は良好である。対応して煙道ガス流ができるだけ高い温度を持つことが必要である。典型的な温度は850℃〜1400℃の範囲にある。

高温の煙道ガスを発生するための多孔性バーナは純粋の放射バーナとは特に区別され、この放射バーナにおいてはバーナの放射熱のみが使用され、発生する煙道ガスは副産物として煙突又は排気管を介して排出される。このような放射バーナは、例えば人工の暖炉の火又はラッカーの乾燥のための放射バーナである。たしかに多孔性バーナの放射熱も利用され得るものであるが、蒸気発生器に伝えられるエネルギーの主要部分は煙道ガスから発する。

従来技術
独国特許第19939951 C2号明細書から、燃料・酸化剤混合物を燃焼させるための多孔性バーナは知られている。その多孔性バーナは球状の充填物で満たされている。生ずる細孔の大きさは充填物の大きさによって決定される。既知の多孔性バーナは、付加の冷却ガスによって反応室中の温度が高くなり過ぎることが回避されるように構成されている。

独国特許第19527583 C2号明細書から、多孔質の材料を含む多孔性バーナが知られており、その多孔性の材料は空間的につながった空所を有し、これらの空所は耐熱性の針金材、箔材又は薄板材からなる詰め物によって形成されている。これらの空所中には決まった火炎領域が生じる。その材料は高温には適していない。

さらに、多数の空所を有するセラミックで充填された多孔性バーナが例えば米国特許第5890886号明細書から知られている。他の多孔質セラミック、多孔質金属又は海綿状金属も、例えば独国特許出願公開第19621638 A1号明細書から知られている。これらの多孔質体又は海綿状体は、製造に費用がかさむという欠点を有する。さらにそれらは機械的、熱的負荷に対し極めて損傷しやすい。それらは過度の負荷において裂けたり又は破裂し、そのことは性能の低下及び有害物質放出の増加に導く。

独国特許出願公開第19847042 A1号明細書から高多孔性のバーナマットが知られており、このマットは金属又はセラミックの繊維からなり、これらの繊維は不規則な構造に相互に溶接されている。マットは穴を有し、その穴を通してガスが流れる。種々の流れ速度の領域を生じ、それらの速度により不規則な火炎じゅうたんが生じ、この火炎じゅうたんがマットの表面から浮揚する。

発明の開示
本発明の課題は、均一な燃焼を有し、その多孔性構造を直接製造プロセスにおいて制御し得る多孔性バーナを提供することにある。

本発明によればこの課題は、多孔性体がケイ化された炭素織物を含み、この織物が秩序正しい、規則的な構造を有することによって解決される。本発明は、多孔性構造に目標を定めて製造し得る場合には多孔性バーナの特性を制御し得るという認識に基づく。堅くてもろい材料の炭化ケイ素を織り合せることは不可能である。しかしながら適切に形成された炭素織物のケイ化によって、SiCから対応して形成された織物構造を造り出すことは可能である。ケイ化された織物は費用をかけないで製造することができる。その織物は機械的、熱的負担に極めて良好に耐える。織物のメッシュサイズ及び平たい形状は、その大きさ及び輪郭と同じように個々に適合可能であり、その結果このような材料を多孔性バーナに対する多孔性体として用いる場合に、燃焼特性の最適化が可能である。

本発明の一実施形態においては、炭化ケイ素からなる織物は平面から外れた形状を有する。そうすれば複数の織物部分が層をなして重なり合うようにすることができる。このようにして付加のスペーサー等なしに三次元配置が造り出され、その配置で多孔性バーナを満たすことができる。

織物は波状に形成することができる。しかしまた他の形、断面が鋸の歯状又は箱形のプロフィルも可能である。小さな孔サイズを得るため、一方では織物パラメータが小さく保持され、他方では波形が多数の小さな波から構成されるようにすることができる。

織物は完全にケイ化された繊維から構成することができる。しかしまた、若干の用途に対しては、織物が部分的にケイ化され、純粋の炭素からなる核を含むようにすることも有効であり得る。

本発明の特に好ましい形態においては、種々の多孔性の領域が形成されるように秩序正しい構造が定められる。その際バーナの多孔性体は種々の孔サイズの２つ又はそれ以上の領域に形成することができる。そうして多孔性体の入口側部分は出口側の多孔性体より小さい孔サイズを有する。この形態においては火炎は孔の大きい領域で形成され、一方小さい孔の領域では燃料・空気混合体の混合と予熱が行われる。このことは、天然ガス、ガソリンなどのような通常の燃料を燃焼させる場合に煙道ガスの特に低い有害物質量に導く。孔サイズは、選択された織物及びその例えば堆積のような配置を通して特に良好に形成され得る。

本発明の代替になる形態においては、孔の小さい部分が従来の孔を形成する材料から作られ、一方孔の大きい部分がケイ化された炭素織物から構成される。小さい孔の部分の材料は好ましくは伝導性が悪く、その結果燃焼領域から予混合領域への熱伝達が回避される。このようにして火炎の後退が防止される。

織物部分の波の湾曲軸は一平面内にあり、波の法線の投影が湾曲軸によって定められるような平面に互いに垂直に走るように織物部分が重なり合って配置されるようにすることができる。そうして好ましくは波の法線がそれぞれ煙道ガスの流れ方向に約４５°の角度を形成する。この場合波の法線は波の前面に垂直な線である。それは湾曲軸によって定義される平面内にある。本発明のこの形態においては、多孔性構造は積み重ねられた波状のSiCマットから形成される。その際個々の平面は約90°の角度で相互にねじられて配置されている。この配置はバーナの燃焼作用に対し特に有利である。そのような貫流構造は、静止型混合器といわれる。その場合燃料と燃焼空気とが互いに混合され、燃料は特に有害物質少なくかつ完全に燃焼される。

バーナのハウジングは好ましくは絶縁層が備えられる。そのようにしてハウジングを通してバーナの周辺への望ましくない対流性の熱伝達が回避される。

それとは異なり、ハウジング壁を冷却媒体が貫流するようにすることができ、その冷却媒体は分けて環境に排出されるか、又はバーナの出口領域において高温の煙道ガスと混合される。

本発明の実施形態は従属請求項に記載されている。以下に一実施例を添付図面に関連して詳細に説明する。

実施例の説明
図１には多孔性バーナ１０が概略的に示されている。多孔性バーナはハウジング１２を含み、このハウジング内には燃料ガス・空気混合体が導入される。流入するガスの流れ方向は矢印１４で示されている。ハウジング１２内には多数の織物部分１６が互いに積み重ねられている。第１の領域１８において細孔は比較的小さく、第２の領域２０において細孔は比較的大きい。第１の領域１８の多孔性材料は図示されていない。第２の領域においては真の火炎形成なしに細孔内で酸化が行われる。その際図１に矢印２２で示される煙道ガスが生ずる。煙道ガスは蒸気発生器を熱するために利用される。その際、蒸気発生器を多孔性バーナ１０の放射性領域の内部に配置することができ、その結果煙道ガスによって伝達される熱のみならず、付加的に放射熱も利用される。

織物部分１６は図２にさらに詳細に表されている。その織物部分はほぼ長方形状で網状の織物からなっている。これらの織物部分１６の多数が重なり合って層をなしている。各織物部分１６は波状に湾曲軸３７の周りに曲げられている。織物部分は、湾曲部の山２４と谷２６とが常に交互に９０度互いにずれて位置するように層状に積み重ねられる。このことは図３で明らかである。そのように、例えば織物部分３０は９０度だけずれて織物部分２８上にのっている。多孔性バーナは完全に織物部分１６で満たされる。それによって、特に良好で均一の火炎発生を可能にする多孔性構造が生じる。多孔性体は、個々の織物層の面に平行に、かつ層の波の法線３５と波の法線３９との間のねじれ角の角二等分線３４の方向に、燃料・空気混合物によって貫流される。

当面のケースにおいては、多孔性バーナ１０は長方形の断面を有し、それ故また長方形の織物部分１６で満たされている。多孔性バーナ１０が別の状態に形成された断面を有する場合には、もちろん織物部分の形も相応に合わせられる。

さらに、多孔性バーナのハウジング１２は冷却材によって貫流される。冷却空気はこの場合別にハウジング１２の冷却チャネル３８（図４）中に供給され、出口４０で煙道ガスと混合される。

織物の目３２の大きさ、波の谷及び山の曲率半径及び織物部分あたりの湾曲部の数によって、孔サイズは左右される。本実施例においては、孔サイズは領域１８（図１）では小さく、領域２０では大きい。

織物部分は炭化ケイ素からなる。炭化ケイ素は炭化されたセラミック材料であり、そのようなものとしては織り合わせることができない。それ故そのような織物を製造するため炭素織物が使用され、この織物は適切な形になされ、次いでケイ化される。ケイ化のためには種々のプロセスが適している。液体ケイ化法においては、溶融したケイ素が、炭素繊維で強化された炭素（Ｃ/Ｃ）からなる多孔性の基板に注入され、マトリックスの炭素と直接SiCに反応する。この方法は知られており、例えばインターネットのホームページ
http://www.fz-juelich.de/iwv/iwv1/index.php?index=8
に記され、それ故詳細に説明することは省略する。

ケイ化された織物部分１６はこの工程後は堅く、バーナ内へそれ以上変形することなく組み込まれる。その材料は耐高温性である。平たいSiC構造に対する製造法は、海綿状のセラミック体に比較して費用がかからず、機械的及び熱的負荷耐性がセラミック海綿状体に比しはるかに高い。

多孔性バーナの概略図である。 炭化ケイ素からなる波状に形成された織物部分の断面図を示す。 概略的に示された多孔性バーナの断面図である。 図３のA-A線に沿う断面図で、多孔性バーナの出口を示す。

Claims (8)

1. 高温の煙道ガス（２２）を発生させるため燃料・空気混合体を燃焼させるための多孔性バーナであって、ハウジング（１２）を含み、ハウジング内に多孔性で耐高温性の炭化ケイ素（SiC）からなる多孔性材料（１６）が燃焼のために設けられている多孔性バーナ（１０）において、多孔質体がケイ化された炭素織物を含み、この織物が秩序正しい、規則的な構造を有することを特徴とする多孔性バーナ。
2. 炭化ケイ素からなる織物（１６）が平らな面から外れた形状を有し、複数の織物部分（２８、３０）が層をなして重なり合っていることを特徴とする請求項１記載の多孔性バーナ（１０）。
3. 織物（１６）が波状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の多孔性バーナ（１０）。
4. 織物（１６）が完全にケイ化された繊維からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の多孔性バーナ（１０）。
5. 織物が部分ケイ化されており、純粋の炭素からなる核を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の多孔性バーナ（１０）。
6. 種々の多孔性の領域が形成されるように秩序正しい構造が作られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の多孔性バーナ（１０）。
7. 織物部分の波の湾曲軸が一平面内にあり、波の法線の投影が湾曲軸によって定められるような平面に互いに垂直に走るように織物部分が重なり合って配置されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の多孔性バーナ（１０）。
8. 波の法線がそれぞれ煙道ガスの流れ方向に約４５°の角度を形成することを特徴とする請求項７記載の多孔性バーナ。

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