JP2015014453A - 燃焼の改良を伴う固定燃料ストーブ - Google Patents

Abstract

【課題】きれいな燃焼プロセスを可能にする固体燃料ストーブを提供する。【解決手段】本発明は、燃焼燃料を収容するための燃焼室（１２）と、動作状態で燃焼室に入る空気流をもたらすよう構成されるブロア組立体（５０）とを含む固体燃料ストーブに関する。案内手段（４０）が実質的に下向きに燃焼室に入る空気流を確立するとき、ストーブの燃焼プロセスは極めてきれいであり且つ効率的である。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料の改良を伴う料理ストーブに関する。具体的には、本発明は、燃焼室内の強制吸気循環を使用して、木のような固定燃料を燃焼し得る料理ストーブに関する。

世界中の約２．５億人が料理のために木材を燃焼すると推定される。既知のストーブ及びプロセスは、典型的には、不十分であり、不完全な燃焼を有し、実質的な煙排出及び地球温暖化プロセスに対する寄与を招いている。多くの死は、そのような汚染された煙排出に起因すると考えられ得る。加えて、不十分な効率の木材ストーブは、より自然な材木源を使用し、森林伐採という結果を伴う。

木材の家庭内燃焼においては、木材から解放される揮発性物質の不完全な燃焼の故に、空気汚染が起こる。揮発性無機化合物は、室温と同じような温度で木材から解放され、実質的な急激な解放は、発熱反応が始まるとき（２５０℃）に開始するだけである。揮発性物質は、可燃性ガスの複雑な混合を形成する。可燃性ガス混合の開始温度は、約６００℃である。木材から解放される未燃揮発性物質の多くは、近周囲温度まで冷却されると、凝縮して精細な粒子を形成する。これは我々が木材煙と述べるものである。揮発性物質の不完全燃焼は、幾つかの理由のために起こる。木材の束が加えられると、石炭及び機器からの熱は、すぐにガスを木材から解放させる。火をつけると、燃焼する紙及び点火が熱をもたらす。もし揮発性物質が高温源（炎又は赤熱する木炭）に晒されないならば、それらは点火せず、煙路／煙突を通って上がり、汚染を引き越す。もしガスが点火するならば、それが冷却表面（例えば、冷却火室の金属壁）又は冷却燃焼空気によって冷却されるならば、それは消火され得る。もし可燃性ガスが空気（酸素）と良く混合されないならば、それは燃焼しない。もし燃焼空気が燃焼速度を遅くするよう減少されるならば、完全燃焼のために不十分な空気があり得る。

特許文献１は、燃焼用空気が、自然対流によって或いは手動操作空気ポンプ又は両者の組み合わせによって、ストーブの外部から引き込まれる、燃焼空気室を有する料理ストーブを記載している。空気は、燃焼室の底部内の１つ又はそれよりも多くの孔を通じて燃焼室に入る。

英国特許出願公開２１２５１６０号

きれいな燃焼プロセスを可能にする固体燃料ストーブを提供することを目的としている。

本発明によれば、燃料を収容するための下方側部と、上方側部とを含む、燃焼燃料を収容するための燃焼室と、動作状態において燃焼室に入る空気流を提供するよう構成されるブロア組立体と、空気流を燃焼室内に方向付ける案内手段とを含み、案内手段は、空気流を上方側部から下方側部に方向付け、案内手段は、開放上方側部で燃焼室の壁に設けられる複数の孔を含み、案内手段は、燃焼室の下方側部で空気流を構築し、案内手段は、燃焼室の下方側部に複数の孔を含み、空気の大部分は、開放上方側部で複数の孔を通じて入る、固体燃料木材ストーブが提供される。

本発明に従ったストーブは、極めてきれいな燃焼プロセスをもたらすことが証明された。よりきれいな燃焼プロセスは、一酸化炭素（ＣＯ）のような有害な燃焼ガス及び凝縮された揮発性無機化合物の両方の排出を削減する。案内手段によって創成されるような特殊な空気流は、熱い燃焼室内の燃焼ガスが最終的に燃焼室を出る前に完全に燃焼することを可能にし、よって、燃焼プロセスの清浄度を向上する。燃焼室内に横方向又は上向きの空気流が構築されるとき、燃焼ガスが完全に燃焼される前に、燃焼ガスが室の外側のそのような空気流によって引き起こされる危険性がある。そのようなガスが、温度が比較的低い燃焼室のより高い部分に到達するとき、それは特に当て嵌まる。本発明に従った空気流は、ある種の乱流混気を生成し、それは完全燃焼に関して明らかに極めて有利である。燃焼室内の燃焼ガスが最終的に燃焼室から出る前に完全に燃焼するより多くの時間がある。一般的に知られるように、完全燃焼は、きれいな燃焼を意味する。本発明に従ったストーブを用いた詳細な測定は、減少されたレベルの残留煙及び揮発性無機物質を示す。追加的な利点は、炎がストーブ上に配置される料理容器により長く触れず、料理容器上の煤レベルの有意な削減を可能にする。案内手段は、ストーブの設計を複雑にしない比較的簡単な構造を有し得る。もちろん、ブロア組立体とは別に、空気は自然対流によって（部分的）開放上方側部を通じて或いは下方側部の開口を通じて入るように、他の空気源が燃焼室に入り得る。もし燃焼内の空気流が実質的に上方側部から下方側部に向けられるならば、幾つかの実験によって示されたように、燃焼プロセスは極めて清浄である。

好適実施態様によれば、案内手段は、上方側部で燃焼室の壁内に設けられる複数の孔を含む。孔を設けることによって、単純でありながら効果的な案内手段を得ることができる。もし孔の上方縁部が燃焼室に対して内向きに傾斜し、孔の下方縁部が燃焼室に対して外向きに傾斜するならば特に好ましい。この構造は、比較的薄い壁の場合には、製造性に関して有利である。何故ならば、それは孔の周りで壁を変形するのがより容易だからである。他の好適実施態様において、孔は、壁に対して傾斜ピッチを有する穿孔を含む。そのような孔は、比較的厚い壁の場合に、製造するのがより容易である。

さらに、もし孔が燃焼室の外形に沿って実質的に均等に分配されるならば好ましい。これは対向する空気の流れが、燃焼室の中心のどこかで衝突し、乱流混気をもたらすと同時に、燃焼プロセスを向上する。

また、もし各孔が上方側部から離れて配置されるならば有利である。これは炎がストーブ上に配置される調理具に直接的に接触せず、それによって、そのような調理具での煤の形成を防止するという利点を有する。

他の好適実施態様によれば、案内手段は、燃焼室の下方側部で空気流を構築する。案内手段は、このために、好ましくは、燃焼室の下方側部に複数の孔を含む。実験は、燃焼室の下方側部に空気流を加えることが、木炭のように、ガス化するのが普通困難な成分のガス化を助けることを証明した。これは燃焼プロセスに利益をもたらす。

予熱室が燃焼室の周りに配置されるとき、その予熱室がブロア組立体から燃焼室内への空気流連絡をもたらし、燃焼室から放射される熱を反射して燃焼室に戻すよう構成される熱反射器を含む空気分配体を含むことが好ましい。空気分配体は空気流を案内し、熱を反射して燃焼室内に戻す。燃焼室に入る空気は予熱されるのに対し、外側表面は、触れても安全であるよう、動作中に十分に冷却されたままである。

好適実施態様において、ブロア組立体及び熱電素子を駆動するための充電可能な電力源が提供され、熱電素子は、ブロア組立体に並びに充電可能な電源に電力をもたらすよう構成される。これはブロア組立体を駆動するための（電気）電源に関するより多くの自由をもたらし、木材ストーブを主電力グリッド(main power grid)に或いは外部電池への接続から独立させる。その上、本発明に従った木材ストーブが、典型的には、起動電池のような、充電可能なエネルギ源によって電力供給されるという事実に鑑みると、それは総エネルギ消費に関して極めて有利である。熱電素子を備える木材ストーブは、ここに参照として引用される未公開出願ＩＢ２００６／０５０９２０号に詳細に記載されている。

上記に記載される実施態様又はそれらの特徴は組み合わせられ得ることが認識されるべきである。

本発明の実施態様が付属の図面を参照して一例によって今や記載される。

料理に適した固体燃料ストーブを示す斜視図である。 図１のストーブの内部詳細を概略的に示す斜視図である。 図２の線Ｉ−Ｉに沿う断面を概略的に示す断面図である。

図１を参照すると、固体燃料ストーブ１０は、実質的に円筒形の筐体１１と、筐体の上方部分内に形成され且つ料理表面としての使用のための概ね開放の上方側部１５とを有する燃焼室１２とを含む。概ね開放の上方側部１５は、パンのような調理具を頂部で支持するために、多数の支持支柱（ストラット）又は類似部材を含む。概ね開放の上方側部１５は、料理容器をさらに支持しながら、熱が上向き方向に効率的に出ることを可能にするために、網目、格子、又は、その他の開放構造（図示せず）によって少なくとも部分的に覆われ得る。ストーブ１０は、好ましくは、平坦で安定的な表面５の上に配置される。

開放上方側部１５の反対では、燃焼室１２の下方側部１７（図１中に破線で示されている）が、固体燃料のための収容部を提供している。燃料は、典型的には、燃料の新鮮な供給が必要とされるときにはいつでも、手によって開放上方側部１５を通じて燃焼室１２内に投げ込まれる。「上方側部」及び「下方側部」という用語は、ここでは、燃焼室が図１に示されるような通常の直立動作位置にあるときに、燃焼室の典型的な部分の間の区別を可能にするために使用されているに過ぎない。

筐体１１は、空気を入れるために、その下方端部に一連の空気入口１４を含み、それは、以下に記載されるように、燃焼室１２を通じる強制空気対流のために使用される。ストーブ１０は、好ましくは、可搬式ストーブであり、従って、筐体１１上のブラケット（図示せず）に取り付けられ得る取り外し可能な運搬ハンドル（同様に図示せず）を備え得る。燃焼室１２の一連の上方孔２３も、図１中に見られる。

図２は、ストーブ１０の好適実施態様の内部構成を示している。内部円筒形壁２１が、燃焼室１２を定めている。燃焼室１２の案内手段４０が、一連の下方孔又は空気出口２２と、一連の上方孔又は空気出口２３とを含む。上方孔は、燃焼室内に流れ込む空気が、開放上方側部から下方側部に、或いは、支持表面５に対して下向きに方向付けられるよう成形される。孔は、上方側部から下方側部に方向付けられる空気流成分を少なくとも生み出す。下向き成分の隣で、燃焼室内の空気流速度は、好ましくは、壁２１から室の中心に向かって方向付けられる速度成分も有する。

上方孔及び下方孔のそれぞれを通じて燃焼室に入る空気を考慮すると、空気の大部分が上方孔を通じて入るならば好ましい。好適な分配は、７５％の空気が上方孔を通じて入るのに対し、残余の２５％が下方孔を通じて入ることであるように思われる。これは底部側部及び下方側のそれぞれにある総孔表面の間の適切な比率を選択することによって容易に確定され得る。

上方孔２３は、燃焼室１２の外形に沿う２列内に配置されている。好ましくは、列内の孔は、この外形に沿って実質的に均等に分配される。さらに、両方の列内の孔は、図１に示され、且つ、図２により明らかに示されるように、ある種類の交互穿孔を提供するならば好ましい。これは燃焼室から出る空気に関して有利であるようである。その上、小さな表面内に出来る限り多くの孔を有することに関して有利である。

環状空間１８が、円筒形壁２１と筐体１１との間に形成され、その空間は予熱室として作用する。環状空間は、空気分配体２４を充填され、空気分配体は、好ましくは、空気導管をもたらすようシート間の分離を維持する打抜きリブ２４ｂを備える一連の円筒形金属シート２４ａを含む。金属シート２４ａは、空気流を案内し、熱を反射して燃焼室１２内に戻し、上方空気出口２３を通じて燃焼室に入る空気を予熱し、筐体１１の外表面が、触れても安全であるよう、動作中に十分に冷たい状態であることを保証する。円筒形金属シートは、支持構造２４ｃによって所定位置に保持される。

下方側部２７には、固体燃料を保持するための支持表面２９が配置されている。

燃焼室内の空気流は、固体粒子の規則的な燃焼プロセスが発生するようである。これらの粒子は、如何なる種類の固体燃料であり得るが、好ましくは、木材を使用する。本発明は、流動床型の燃焼プロセスには関係しない。

円筒形容器２１の基部は、断熱構造２５を含み、断熱構造は、筐体１１の中間室２６及び下方室２７に向かう熱の下向きの放射を減少する熱遮蔽体として作用する。中間室２６及び下方室２７は、開口（図示せず）を有する壁２８によって分離されている。これらの孔に隣接して、ブロア組立体５０が取り付けられ、好ましくは、中心モータ５２と、壁２８内の開口を通じて空気を方向付ける羽根車を形成する一体的に外向きに放射するブレード５３とを有する。中心モータ５２は、好ましくは、さらなる熱遮蔽体５１によって保護され、熱遮蔽体は、モータ上に配置されるアルミニウム箔のような熱反射性材料の薄層であり得る。下方室２７は、空気入口１４を含む筐体１１によって境界付けられている。

使用中、ブロア組立体５０は、空気入口１４から空気を引き、壁２８の開口を通じて中間室２６内に空気を吹き入れる。中間室２６は、環状空間１３及び空気分配体２４内に空気を送り込む分配室として作用する。空気を暖め、燃焼室１２の下方及び上方の空気入口２２，２３に空気を方向付けるよう、空気は空気分配体２４のシート２４ａの間を流れる。

１つの実施態様において、ブロア組立体又はファン５０は、５Ｖモータと適合性のある３〜７Ｖ電源（図示せず）によって駆動される１ＷブラシレスＤＣファンを含む。他の実施態様において、ファンは、６〜１４Ｖ電源で駆動される１２Ｖである。電源は、典型的には、ストーブの基部からアクセス可能な内部的に取り付けられる電池である。代替的に、入手可能である場合にはいつでも、外部電源が使用され得る。ストーブ１１は、１０００℃よりも上の燃焼温度で、有意な煤及び煙を伴わずに、４リットルの水を４分で沸騰し得る。食品は、より低い電圧範囲でぐつぐつ沸かされ、或いは、より高い電圧範囲で沸騰され得ることによって、良好な料理制御をもたらす。

中間室２６は、好ましくは、燃焼室１２に近接近する第一活性表面と、ブロア組立体５０から冷却通風を受け取るよう位置付けられる第二活性表面とを有する熱電素子を備える。図示される好適実施態様において、熱電素子の第二活性表面は、ファンによって冷却されるヒートシンク構成３２と直接的な熱関係にあり、或いは、そのようなヒートシンク構成の一部を形成する。熱電素子の第一活性表面は、燃焼室１２の下方壁又は絶縁構造２５と近接して直接的に接触し得る。熱電素子３１は、第一活性表面で利用可能な温度を増大するよう絶縁構造２５内に埋設され得る。熱電素子３１及びヒートシンク３２の熱遮蔽効果の観点から、モータ５２のための別個の熱遮蔽体は、この構成では必要とされないかもしれない。

熱電素子３１は、熱電対又はペルティエ素子のような、熱エネルギを電気エネルギに変換するあらゆる適切な装置である。そのような熱電素子は、従来的には、その第一活性表面及び第二活性表面の間で装置に亘る温度勾配に基づき電圧を生成する。熱電素子はブロア組立体５０に電力をもたらす。使用中、ブロア組立体５０は、ヒートシンク３２及び熱電素子３１へ並びに空気分配体２４へ空気流をもたらす。このようにして、熱電素子の第二活性表面は、そうでない場合よりも実質的に低い温度に維持され、それは素子から利用可能な電力出力を増大し、よって、燃焼室１２への利用可能な空気流を増大する。

電子制御ユニット３３が、ブロア組立体又はファンを制御し、下方室２７内にも収容され、そこでは、それはストーブの熱からも保護される。電子制御ユニット３３は、充電可能な電池と、ストーブを動作するよう構成されるコントローラとを含む。熱電素子は、ファン５０及び充電可能な電池に電力をもたらし、それで電池の寿命を延長する。好適実施態様において、電子制御ユニットは、起動モード又は停止モードのような木材ストーブの利用可能なモードのそれぞれを通じて自動的に順序に適合される。好ましくは、電子制御ユニットは、感知動作条件、例えば、火の熱に従った後続ステップを採用する。燃焼の熱を決定するために、温度センサ（図示せず）が使用され得るし、或いは、これは熱電素子３１の電気出力から推論され得る。

通常、充電可能な電子は、起動段階において電力を供給するために使用されるだけである。通常動作において、電池は、次に、次の起動のために熱電素子によって再充電され得る。

図３は、孔の１つをより詳細に示す、図２の線Ｉ−Ｉに従った断面を示している。それは円筒形壁の一部を詳細に示し、孔の上方縁部６１が燃焼室１２に対して内向きに傾斜していることを例証している。下方縁部６２は、燃焼室に対して外向きに傾斜している。好ましくは、円筒形壁は、ステンレス鋼のような、耐熱金属性シートを含む。これは孔を通じて入って来る如何なる空気流も下向きに、即ち、燃焼室の上方側部からその下方側部に方向付けられることを可能にする。これは、比較的薄い壁の場合に特に有利であり、その場合には、孔の周りで壁を変形するのがより容易である。壁が幾らかより厚いときには、孔は壁に対して傾斜ピッチを有する穿孔を含み得る。この場合には、燃焼室の壁は、実質的に平坦なままである。

代替的な有利な実施態様は、上方側部から下方側部に方向付けられる出口を有するノズルを含む案内手段を有するべきである。ノズルの出口が、燃焼室の壁を通じて延び得る。代替的に、そのようなノズルは、その上方側部で燃焼室の外側に配置され得る。

図３中の空気流Ａが、対向する孔を通じて流れる空気流Ｂと衝突すると、両方の流れは互いに影響を及ぼし合うと共に、円環形状であると考えられる乱流混気を生み出す。実験は空気流がよりきれいな燃焼プロセスに有意に寄与することを示した。

図３に示される孔を創成する最も簡単な方法は、金属棒のような工具を、直線縁部を有する孔を通じて突き刺すことである。引き続き、工具を傾斜させると共に、燃焼室の外側の部分は上向きに傾斜する。これによって、孔の縁部を可塑的に変形する。好ましくは、金属棒の直径は、孔の直径よりも僅かに小さい。これは適切な孔を創成する簡単で確実な方法をもたらす。

所要の空気流を展開するために、特定のサイズ及び数の孔が好ましい。ストーブは料理が意図されるという事実に鑑みれば、要望される熱電力は、２〜５ｋＷの範囲内である。次いで、それは１分当たりグラム木材に関する燃焼率を決定する。次いで、それは所要の空気流を決定する。きれいな燃焼を保証するために、空気の極めて有意な余剰が使用される。注意深い実験の後、所要の空気流は、低い電力設定のためには１００ １／分の範囲内にあり、高い電力設定のためには２００ １／分の範囲内にあることが分かった。空気の約７５％が二次燃焼空気として使用される。

より多くの数の小さい穴が、少ない数の大きな孔よりも好ましい。最適は、直径２．５ｍｍの６４個の孔であることが分かった。

数ｍｍだけ垂直に配置される２列の３２個の孔を使用することによって燃焼特性の小さな向上が発見された。各列は、上方側部から幾らかの距離に配置される。好ましくは、両方の列は、交互構造に配置される。この構成は、燃焼ガスと利用可能な空気とのより一層良好な混合をもたらすように思われる。木材ストーブの典型的な外径は、３０センチメートルの高さ、及び、２０センチメートルの直径である。

本発明に従った木材ストーブは、典型的には、家庭内料理において適用され、きれいな燃焼プロセスから利益を享受する。しかしながら、木材ストーブは、キャンピングのようなアウトドアにも適用され得る。何故ならば、それは普通（充電可能な）電池で動作し得るからである。他の可能な適用の分野は災害地域であり、人々が火を必要とするとき、それは（緊急）料理及び暖かさを提供することに関して確立することが容易である。

上述されたストーブの設計の有意な利点は、ファンが熱の直接源から十分に保護されること、燃焼室から短い距離で配置されるに過ぎないとしても、プラスチック構成部品を備える安価な大量生産モータが使用され得ることであり、その結果、コンパクトなストーブがもたらされる。そのようなモータは、より一層信頼性があり、より長い設計寿命を有することも分かった。供給空気流内のモータの位置付けは、モータが自動冷却し、熱電素子の冷たい側を冷却するために便利に利用され得ることである。

本発明は図面及び前記記載中に詳細に例証され且つ記載されたが、そのような例証及び記載は、例証的或いは例示的であり、制限的ではないと考えられるべきである。本発明は、開示される実施態様に限定されない。図面、開示、及び、付属の請求項の研究から、開示される実施態様に対する他の変形が、請求項の発明を実施する当業者によって理解され且つ行われ得る。請求項中、「含む」という言葉は、他の素子又はステップを排除せず、不定冠詞は、複数を排除しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項中に引用される幾つかの品目の機能を充足し得る。特定の手段が相互に異なる従属項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示さない。請求項中の如何なる参照記号も、範囲を制限するものと解釈されてはならない。

本発明は、燃焼燃料を収容するための燃焼室（１２）と、動作状態で燃焼室内に入る空気流をもたらすよう構成されるブロア組立体（５０）とを含むための燃焼室を含む、固体燃料ストーブに関する。案内手段（４０）が実質的に下向きに燃焼室に入る空気流を確立するとき、ストーブの燃焼プロセスは極めてきれいであり且つ効率的である。

５ 支持表面
１０ 固体燃料ストーブ
１１ 筐体
１２ 燃焼室
１３ 環状空間
１４ 空気入口
１５ 上方側部
１５ 開放上方側部
１７ 下方側部
１８ 環状空間
２１ 内部円筒形壁
２２ 空気出口
２３ 上方空気出口
２４ 空気分配体
２４ａ 円筒形金属シート
２４ｂ リブ
２４ｃ 支持構造
２５ 断熱構造／絶縁構造
２６ 中間室
２７ 下方側部
２８ 壁
２９ 支持表面
３１ 熱電素子
３２ ヒートシンク構成
３３ 電子制御ユニット
４０ 案内手段
５０ ブロア組立体／ファン
５１ 熱遮蔽体
５２ 中心モータ
５３ ブレード
６１ 上方縁部
６２ 下方縁部
Ａ 空気流
Ｂ 空気流

Claims (7)

1. 燃料を収容するための下方側部と、開放上方側部とを含む、燃焼燃料を収容するための燃焼室と、
   動作状態において前記燃焼室に入る空気流を提供するよう構成されるブロア組立体と、
   前記空気流を前記燃焼室内に方向付ける案内手段とを含み、
   前記案内手段は、前記空気流を前記上方側部から前記下方側部に方向付け、
   前記案内手段は、前記開放上方側部で前記燃焼室の壁に設けられる複数の孔を含み、
   前記案内手段は、前記燃焼室の前記下方側部で空気流を構築し、
   前記案内手段は、前記燃焼室の前記下方側部に複数の孔を含み、
   空気の大部分は、前記開放上方側部で前記複数の孔を通じて入り、
   前記開放上方側部にある前記複数の孔の各々の孔の上方縁部は、前記燃焼室に対して内向きに傾斜し、前記開放上方側部にある前記複数の孔の各々の孔の下方縁部は、前記燃焼室に対して外向きに傾斜する、
   固体燃料ストーブ。
2. 前記孔は、前記壁に対する傾斜ピッチを有する穿孔を含む、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。
3. 前記孔は、前記燃焼室の外形に沿って実質的に均等に分配される、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。
4. 予熱室が前記燃焼室の周りに配置され、該予熱室は、前記ブロア組立体から前記燃焼室への空気流連絡をもたらし、前記燃焼室から放射される熱を反射して前記燃焼室に向かって戻すよう構成される熱反射器を含む、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。
5. 前記ブロア組立体を駆動するための充電可能な電力源及び熱電素子が設けられ、該熱電素子は、前記ブロア組立体に並びに前記充電可能な電源に電力をもたらすよう構成される、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。
6. 前記ブロア組立体は、ＤＣブラシレスモータと、該ＤＣブラシレスモータに結合される羽根車とを含む、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。
7. 電子制御ユニットが設けられ、該ユニットは、当該ストーブ内の燃焼温度を制御するために、可変の駆動電力を前記ブロア組立体に供給するよう構成される、請求項１に記載の固体燃料ストーブ。

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