JP2007093179A - マイクロコンバスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 未燃焼ガスを高流速化した場合にも吹き飛び現象を防止して安定した燃焼を実現できるマイクロコンバスタを提供する。
【解決手段】 予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを伝熱壁１８，１９を挟んで形成し、予混合ガスＦを燃焼室１２で燃焼させると共に、燃焼ガスＥの熱で予混合ガスＦの予熱を行うマイクロコンバスタ１０において、前記燃焼室１２に触媒２１を設けた。
【選択図】 図５

Description

この発明は、小型高効率熱源であるマイクロコンバスタに関する。

上記マイクロコンバスタは、例えば下記特許文献１，２にて既に知られている。すなわち、マイクロコンバスタは、燃焼器本体の内部に、燃焼ガスからの熱を燃焼前のガス（未燃焼ガス、燃料及び酸化剤）に伝える伝熱壁を持つ燃焼器である。
特開２００４−２００８３号公報 特開２００５−７６９７３号公報

ところで、上記マイクロコンバスタは気相反応を利用したものであるが、気相反応のみでは未燃焼ガスの燃焼が安定しない条件も有り得る。すなわち、未燃焼ガスの流速と燃焼速度とがつり合っていると安定した火炎が形成されるが、前記流速と燃焼速度とがつり合っていないと極めて不安定な火炎が形成されることがある。これは、未燃焼ガスの流速が上昇し、該流速が燃焼速度を大きく上回ると、火炎が燃焼室から離れて浮き上がり、火炎を保持できずに消滅するという所謂吹き飛び現象が生じるからである。

このような吹き飛び現象は、被加熱物のさらなる加熱を図るべくマイクロコンバスタの高負荷運転を行う際に、未燃焼ガスの流量を増やしてその流速を上昇させる際の課題となるため、このような点の改善が要望されている。
そこでこの発明は、未燃焼ガスを高流速化した場合にも吹き飛び現象を防止して安定した燃焼を実現できるマイクロコンバスタを提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、燃焼器本体内の燃焼室に燃料及び燃焼用酸化剤ガスからなる未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタにおいて、前記燃焼器本体内に触媒を設けたことを特徴とする。なお、この発明において、「未燃焼ガス」とは燃料前のガスを意味し、「燃焼ガス」とは燃焼後のガスを意味する。

請求項２に記載した発明は、前記触媒が、前記燃焼室に配置されることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記触媒が、前記燃焼ガスを浄化することを特徴とする。

請求項１，２に記載した発明によれば、燃焼器本体内（燃焼室等）に触媒が配置されることで、燃焼器本体内に供給された未燃焼ガスが触媒反応により加熱されて燃焼する。この燃焼は触媒表面上で生じるため、気相反応が難しい高流速下においても未燃焼ガスの安定した燃焼を実現することができ、高負荷運転にも対応することが可能となる。

請求項３に記載した発明によれば、触媒を燃焼ガス（排ガス）対応とすることで、未燃焼ガスの燃焼と同時に燃焼ガスの浄化を行うことが可能となり、排ガス浄化装置を簡略化することができる。

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１に示すように、マイクロコンバスタ１０は、所謂スイスロール型の燃焼加熱器として構成される。具体的には、マイクロコンバスタ１０は、都市ガス等の燃料ガスと燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された状態で供給される所謂予混合タイプのもので、円柱状をなす燃焼器本体１１の内部に、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの予混合ガス（未燃焼ガス）Ｆ（図中実線矢印で示す）の流路（以下、予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）という）１３と、前記予混合ガスＦを本体中央部の燃焼室１２で燃焼させた後の燃焼ガスＥ（図中破線矢印で示す）の流路（以下、燃焼ガス流路という）１４とを、前記燃焼室１２を中心とした渦巻き状に配置してなる。

図２，３を併せて参照して説明すると、燃焼器本体１１は、円筒状の外周壁１５の上下を円盤状の上下壁１６，１７で閉塞してなるもので、その上下方向（軸方向）の厚さに対して直径が大きい扁平状とされる。外周壁１５は伝熱性が低く（保温性が高く）、上下壁１６，１７は伝熱性が高いものとされる。上壁１６の上面及び下壁１７の下面は、燃焼器本体１１の外表面の大部分を占める。この上下面がそれぞれ加熱面１６ａ，１７ａとされ、該加熱面１６ａ，１７ａから放出された熱により被加熱物を加熱する。なお、上壁１６上面又は下壁１７下面の一方を加熱面とした構成としてもよい。

燃焼器本体１１内には、その略中央部に前記燃焼室１２が配置され、該燃焼室１２を中心に上下の加熱面１６ａ，１７ａに沿って平面視略円形に巻回するように、前記予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４が配置される。なお、図中符号１３ａ，１４ａは予混合ガス供給口及び燃焼ガス排出口を示し、これらがそれぞれ燃焼器本体１１の外周部に例えばその接線方向に沿うように突設される。なお、予混合ガス供給口１３ａ及び燃焼ガス排出口１４ａは、前記接線方向以外の方向に開口させてもよい。

予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４は、例えば予混合ガス流路１３を外周側、燃焼ガス流路１４を内周側として伝熱壁１８を挟んで対をなすように配置される。また、前記対をなすガス流路とその内周側又は外周側に隣接する他の対をなすガス流路との間（この場合、外周側に位置する燃焼ガス流路１４と内周側に位置する予混合ガス流路１３との間）を隔てる壁も、伝熱壁１９として構成されている。なお、予混合ガス流路１３を内周側、燃焼ガス流路１４を外周側に配置してもよい。

図４は、渦巻き状に配置される各ガス流路１３，１４を直線状に展開した場合の説明図であり、本図を併せて参照して説明すると、予混合ガス流路１３内の予混合ガスＦの流れと、燃焼ガス流路１４内の燃焼ガスＥの流れとは、伝熱壁１８，１９を挟んだ対向流（カウンタフロー）とされており、これら両ガス間において十分な熱交換がなされる。

すなわち、予混合ガスＦは、燃焼室１２に導入される前の段階で十分に予熱されており、燃焼器本体１１内の比較的小さな燃焼室１２において、小規模ながらも安定した燃焼を可能としている。なお、少なくとも予混合ガス流路１３の代表寸法は、火炎を通さない（燃焼反応が伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮したものとされる。

ここで、上記予混合ガス流路１３の代表寸法とは、燃料室１２に臨む部位の流路断面形状によって変化する。例えば前記流路断面形状が円形状である場合、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。この水力相当直径は、以下の式（１）によって求められる。
水力相当直径Ｄ＝４×流路断面積／ぬれ縁周辺長・・・式（１）
なお、上記代表寸法を採る部位は、燃焼室１２に臨む部位に限らず、予混合ガス流路１３のうち、本燃焼現象を支配する部位とする。

また、上記燃焼が燃焼器本体１１の内部で行われるため、該燃焼が周辺雰囲気に左右され難く、燃焼室１２からの燃焼ガスＥは温度を十分低下させた後に燃焼器本体１１外部に導出される。これにより、小型で正確な温度制御を可能とし、かつ燃焼ガスＥの排熱を有効利用して熱損失を抑え、しかも燃焼ガスＥの処理をも容易にした燃焼加熱器を実現している。

ここで、図５に示すように、燃焼室１２内及びその近傍には、例えばペレット状の触媒２１が挿入されている。この触媒２１は例えば白金であり、燃焼器本体１１内に挿入された状態で金網等を用いて所定位置に保持されている。この触媒２１を予混合ガスＦが通過することで、触媒反応（表面反応）により予混合ガスＦが加熱されて燃焼する。すなわち、触媒２１が電気を用いない保炎手段として用いられている。なお、予混合ガスＦが燃焼するには、該予混合ガスＦが所定時間だけ触媒２１内に滞留する必要があるが、この滞留時間は触媒２１の量で調整すればよい。

この触媒燃焼は、スパークプラグ等の電気的な点火手段により予混合ガスＦを気相燃焼させる場合と比べてピーク温度が低い燃焼であり、排ガス中のＮＯｘ（Nitrogen Oxides：窒素酸化物）生成量が抑えられると共に、ＣＯ（一酸化炭素）や未燃焼ガスの発生も抑えられる。しかも、燃焼器本体１１を、耐熱性が高く伝熱性が低いステンレス等ではなく、耐熱性が低く伝熱性が高いアルミニウム等で形成することが可能となり、比較的大きい加熱面１６ａ，１７ａにおける温度の均等化が容易になる。

以上説明したように、上記実施例におけるマイクロコンバスタ１０は、燃焼器本体１１内の燃焼室１２に予混合ガスＦを導く予混合ガス流路１３と、前記燃焼室１２からの燃焼ガスＥを前記燃焼器本体１１外に導く燃焼ガス流路１４とを、伝熱壁１８，１９を挟んで形成し、かつ該伝熱壁１８，１９及び前記各ガス流路１３，１４を前記燃焼室１２を中心に渦巻き状に配置し、前記予混合ガスＦを前記燃焼室１２で燃焼させると共に、前記燃焼ガスＥの熱で前記予混合ガスＦの予熱を行うものであって、前記燃焼室１２に触媒２１を設けたものである。

この構成によれば、燃焼室１２に触媒２１が配置されることで、燃焼器本体１１内に供給された予混合ガスＦが触媒反応により加熱されて燃焼する。この燃焼は触媒表面上で生じるため、気相反応が難しい高流速下においても予混合ガスＦの安定した燃焼を実現することができ、高負荷運転にも対応することが可能となる。

また、上記マイクロコンバスタ１０において、燃焼室１２の下流側に排ガス対応の触媒を設けて排ガスを浄化してもよい。このときの燃焼方式は、触媒燃焼であってもよいし、気相燃焼であってもよい。

次に、この発明の第二実施例について、図６を参照して説明する。
この第二実施例におけるマイクロコンバスタ１１０は、前記第一実施例のものに対して、ペレット状の触媒２１を燃焼器本体１１内に挿入することに代わり、主に触媒１２１（図中ハッチングで示す）を燃焼器本体１１内の壁面に塗布する点で異なるもので、第一実施例と同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。

触媒１２１は、燃焼室１２及びその近傍において、各伝熱壁１８，１９の両面に塗布、固着されている。この触媒１２１は、例えば壁面に設置された多孔質の支持部材（ハニカム構造体等）に担持されており、その表面積すなわち予混合ガスＦとの接触面積を増加させて良好な燃焼を可能としている。なお、触媒１２１が各伝熱壁１８，１９の片面に塗布される構成としてもよい。

この第二実施例におけるマイクロコンバスタ１１０においても、高流速下における予混合ガスＦの安定した燃焼を実現することができるため、高負荷運転にも対応して加熱性能の向上を図ることができる。

なお、この発明は上記各実施例に限られるものではなく、例えば、燃焼器本体１１は円柱状に限らず、三角若しくは四角又はそれ以上の多角柱状をなすものであってもよい。同様に、各ガス流路１３，１４の配置は略円形をなす渦巻き状に限らず、略三角若しくは四角又はそれ以上の多角形をなす渦巻き状としてもよい。
また、前述した実施例では燃料と燃焼用酸化剤を予め混合する「予混合タイプ」を例にして説明したが、燃焼室にて両者が混合して拡散燃焼を行う「拡散タイプ」のマイクロコンバスタにも適用できる。

さらに、前述した実施例では燃焼室を中心にして未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで渦巻き状に形成したが、このような形態に限るものではなく、伝熱壁を介して燃焼ガスの熱で未燃焼ガスを加熱することができればいかなる形態であってもよい。例えば、燃焼室を燃焼器本体の外周側に配置し、伝熱壁を挟んで形成された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路を燃焼器本体に放射状に設け、未燃焼ガスは未燃焼ガス流路を燃焼器本体の中央部から燃焼室に向かって流れ、燃焼ガスは燃焼ガス流路を燃焼室から燃焼器本体の中央部に向かって流れるようにしてもよい。
そして、上記実施例における構成はこの発明の一例であり、予混合ガスＦの燃焼にのみ対応する触媒を用いることも可能である等、該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

この発明の第一実施例におけるマイクロコンバスタの斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 上記マイクロコンバスタの作用説明図である。 図３の要部拡大図である。 この発明の第二実施例における図５に相当する要部拡大図である。

符号の説明

１０ マイクロコンバスタ
１１ 燃焼器本体
１２ 燃焼室
１３ 予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）
１４ 燃焼ガス流路
１８，１９ 伝熱壁
２１，１２１ 触媒
Ｆ 予混合ガス（未燃焼ガス）
Ｅ 燃焼ガス

Claims (3)

1. 燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させると共に、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタにおいて、
   前記燃焼器本体内に触媒を設けたことを特徴とするマイクロコンバスタ。
2. 前記触媒が、前記燃焼室に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロコンバスタ。
3. 前記触媒が、前記燃焼ガスを浄化することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロコンバスタ。
   
   

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