JP3588296B2

JP3588296B2 - Porous ceramic and vaporizing element using the same

Info

Publication number: JP3588296B2
Application number: JP2000027299A
Authority: JP
Inventors: 裕二小川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001215004A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種フィルターや担持体として用いられる多孔質アルミナセラミックス、特には石油ファンヒータ等の液体燃料気化式燃焼装置の気化器に用いられる気化素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石油ファンヒータ等の液体燃料気化式燃焼装置では、気化器によって、液体燃料を気化させ、これをバーナーで燃焼するようになっている。
【０００３】
気化器の構造は、図３に示すように、気化素子１０を内蔵した気化室２０に、液体燃料を供給する送油パイプ２１と気化した燃料をバーナー２３へ送るためのノズル２２を備えたものである。気化素子１０は多孔質の円筒状体であり、予熱器２４によって気化素子１０を加熱しながら送油パイプ２１より供給した液体燃料を滴下すれば、液体燃料は気化素子１０に拡散吸収されて蒸発気化し、ノズル２２からバーナー２３に供給されて燃焼するようになっている。
【０００４】
また、気化素子１０の材質としては、以前は焼結金属等の多孔質金属が使用されていたが、近年では耐熱性、耐食性に優れたアルミナ等の多孔質セラミックスが広く用いられている（特開平４−４３２０６号公報等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記気化素子１０を形成する多孔質アルミナセラミックスは熱伝導率が２．５Ｗ／ｍＫと低いため、使用開始時に気化素子１０が気化温度に到達して点火可能となるまでの時間が長いだけでなく、熱効率が悪いため消費電力が大きいという問題があった。また、熱伝導率が低いため、気化素子１０全体に熱ムラが生じ、長期使用中に気化素子ｌ０の一部に液体燃料がタール化して付着してしまうという不都合もあった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者はこれらに鑑みて、９０重量％以上のアルミナと、０．１〜５重量％の酸化鉄を含有し、平均気孔径を０．４〜２００μｍとして多孔質アルミナセラミックスを形成し、更にこれを用いて気化素子を形成したものである。
【０００７】
本発明によれば、多孔質アルミナセラミックスに所定量の酸化鉄を含有させたことによって、熱伝導率を大幅に向上させることができる。そのため、この多孔質アルミナセラミックスを気化素子に用いれば、気化温度に到達するまでの時間を短くし、熱効率を高くできる。しかも、熱ムラをなくして燃料のタール化を防止することができるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を石油ファンヒータの気化素子を例にとって図を用いて説明する。
【０００９】
気化器の構造は、図３に示すように、気化素子１０を内蔵した気化室２０に、液体燃料を供給する送油パイプ２１と気化した燃料をバーナー２３へ送るためのノズル２２を備えたものである。気化素子１０は多孔質の円筒状体であり、いま予熱器２４によって気化素子１０を加熱しながら送油パイプ２１より供給した液体燃料を滴下すれば、液体燃料は気化素子１０に拡散吸収されて蒸発気化し、ノズル２２からバーナー２３に供給されて燃焼するようになっている。
【００１０】
図１に示すように、気化素子１０は多孔質アルミナセラミックスからなる円筒状体であり、この多孔質アルミナセラミックスは、９０重量％以上のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、０．１〜５重量％の酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）を含有し、平均気孔径を０．４〜２００μｍとしたものである。
【００１１】
この多孔質アルミナセラミックスの製造方法は、まずアルミナ原料を２０００℃程度で溶融させたものを粉砕してアルミナ原料粒子とし、これに上記範囲の酸化鉄粉末及びガラス成分を添加し、押出成形やプレス成形によって円筒形状に成形した後、切削加工する。そして、この成形体を所定条件で焼成することによって、各アルミナ粒子をガラス成分で結合した焼結体を得ることができ、最後に所定の寸法となるように研削加工を施せばよい。
【００１２】
このようにして得られた多孔質アルミナセラミックスは、図２に概略の結晶構造を示すように、各アルミナ粒子１１がガラス成分１２によって部分的に結合し、その隙間に互いに連通する気孔１４が形成された構造となる。
【００１３】
また、添加した酸化鉄１３はアルミナ粒子１１の表面に存在して、多孔質アルミナセラミックス全体の熱伝導率を向上させる働きを成す。そして、酸化鉄１３の含有量を０．１〜５重量％とすることによって多孔質アルミナセラミックスの熱伝導率を２１Ｗ／ｍＫ程度と大幅に向上させることができる。
【００１４】
したがって、この多孔質アルミナセラミックスで構成した気化素子１０は熱伝導率を向上できるため、図３に示す気化器に用いれば、気化温度までの到達時を短くできるだけでなく、熱効率が向上し、気化素子１０全体の熱ムラがなくなることにより、液体燃料がタール化して付着することを防止できる。また、滴下した液体原料は気化素子１０の気孔１４に拡散吸収され、良好に気化させることができる。
【００１５】
なお、気化素子１０を構成する多孔質アルミナセラミックスの組成を上記範囲に限定したのは、アルミナが９０重量％未満では強度等の機械的特性が低くなってしまい、取扱時に破損しやすくなるためである。また、酸化鉄については、一般的なアルミナ原料中には不純物として微量に含まれているものであるが、０．１重量％未満では熱伝導率を向上させる効果に乏しく、一方５重量％を超えると成形性が悪くなりまた気孔を塞いでしまうため、０．１〜５重量％の範囲が良い。
【００１６】
さらに、この多孔質アルミナセラミックスは、上記成分以外に、ガラス成分あるいは不純物として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ等を１５重量％以下の範囲で含んでいる。
【００１７】
また、多孔質アルミナセラミックスの平均気孔径を０．４〜２００μｍとしたのは、０．４μｍ未満では燃料を気孔１４に拡散吸収させる効果に乏しく、一方２００μｍを超えると強度が低下してしまうためである。なお、平均気孔径は、上記製造工程における粉砕後のアルミナ原料粒子の粒径で決定され、上記範囲とするためにはアルミナセラミックスの原料粒子の平均径を１〜５００μｍの範囲内とすれば良い。
【００１８】
さらに、上記多孔質アルミナセラミックスの気孔率は３０〜４５％程度の範囲内とし、吸水率は１５〜２０％の範囲内とすることが好ましい。また、多孔質アルミナセラミックスの３点曲げ強度は２００〜４００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
以上の例では円筒形状の気化素子１０についてのみ述べたが、気化素子１０の形状は角筒状、柱状、板状などさまざまな形状とすることができる。また、本発明の気化素子１０は、石油ファンヒータに限らず、その他の液体燃料燃焼装置に好適に使用することができる。
【００２０】
さらに、本発明の多孔質アルミナセラミックスは、気化素子１０以外のさまざまな用途にも使用することができる。
【００２１】
例えば、その他の用途として、エアースライダーにおける気体噴出部材、各種フィルター、薬品や香料等の担持体、液状蚊取り器の吸い上げ芯、加熱用吸着プレート、バイオリアクター、バッチ用エアレーションフィルター等として使用することができる。
【００２２】
【実施例】
（実験例１）
上述した本発明の多孔質アルミナセラミックスにより石油ファンヒータ用の気化素子１０を作製した。
【００２３】
平均粒径が１８０μｍのアルミナ原料粒子を用い、最終的な組成がアルミナ９２重量％、酸化鉄１．０重量％、残部がガラス成分となるように原料を調合し、これを円筒状に成形して、焼成し、研削加工を施すことによって外径１３ｍｍ、全長７０ｍｍの気化素子１０を作製した。この気化素子１０の平均気孔径は９０μｍ、気孔率は３７％であった。
【００２４】
一方、比較例として、酸化鉄を添加せずに、その他は全く上記と同様にして気化素子１０を作製した。
【００２５】
それぞれの気化素子１０の熱伝導率を測定し、また図３に示すような気化器に実装してスイッチを入れてから気化温度に到達して点火可能となるまでの時間を測定した。
【００２６】
結果を表１に示すように、本発明実施例では、熱伝導率を大幅に向上させることができ、その結果点火可能となるまでの時間を大幅に短縮できることがわかる。
【００２７】
【表１】

【００２８】
（実験例２）
次に、上記製造工程におけるアルミナ原料粒子の粒径やアルミナ含有量等を変化させて、平均気孔径等の異なるさまざまな多孔質アルミナセラミックスを作製した。
【００２９】
その特性を表２に示すように、アルミナ原料粒子の粒径を小さくすれば平均気孔径を小さくすることができ、平均気孔径０．４〜２００μｍで、気孔率３０〜４５％の多孔質アルミナセラミックスを得ることができた。また、いずれも３点曲げ強度が２００〜４００ｋｇ／ｃｍ^２であり、通常の取扱時に破損等が生じることはなかった。
【００３０】
なお、表２において、平均気孔径とは、多孔質アルミナセラミックスの開気孔径を水銀圧入法によって測定した時の平均値（累積５０％値）のことである。またアルミナ原料粒径とは、多孔質体を構成するアルミナ原料の平均粒径のことである。
【００３１】
さらに、嵩比重、見掛比重、吸水率、気孔率とは、
嵩比重＝多孔質体重量／（多孔質体物質部分の容積＋気孔部分の容積）
見掛比重＝多孔質体重量／多孔質体物質部分の容積
吸水率＝気孔内に侵入する水の重量／多孔質体重量×１００（％）
気孔率＝気孔部分の容積／（多孔質体物質部分の容積＋気孔部分の容積）×１００（％）
によって、それぞれ定義される値である。
【００３２】
【表２】

【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、９０重量％以上のアルミナと、０．１〜５重量％の酸化鉄を含有し、平均気孔径を０．４〜２００μｍとして多孔質アルミナセラミックスを構成したことによって、機械的特性や耐熱性等の特性を維持したまま熱伝導率を大幅に向上させた多孔質アルミナセラミックスを得ることができる。
【００３４】
また、本発明によれば、上記多孔質アルミナセラミックスで気化素子を構成したことによって、熱伝導率が高いために点火可能となるまでの到達時間を短くすることができるとともに、熱効率を高くして消費電力を小さくできる。また、熱ムラをなくして燃料のタール化を防止できることから、長期間良好に使用することが可能となるなど、優れた特長を有する気化素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気化素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の多孔質アルミナセラミックスの結晶構造を示す概略図である。
【図３】一般的な石油ファンヒータ用気化器を示す概略図である。
【符号の説明】
１０：気化素子
１１：アルミナ粒子
１２：ガラス成分
１３：酸化鉄
１４：気孔
２０：気化室
２１：送油パイプ
２２：ノズル
２３：バーナー
２４：予熱器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a porous alumina ceramic used as various filters and supports, and more particularly to a vaporizing element used in a vaporizer of a liquid fuel vaporizing combustion device such as a petroleum fan heater.
[0002]
[Prior art]
In a liquid fuel vaporization type combustion device such as an oil fan heater, a liquid fuel is vaporized by a vaporizer and burned by a burner.
[0003]
As shown in FIG. 3, the structure of the vaporizer is provided with an oil feed pipe 21 for supplying a liquid fuel and a nozzle 22 for feeding the vaporized fuel to a burner 23 in a vaporization chamber 20 containing a vaporizing element 10. It is. The vaporizing element 10 is a porous cylindrical body. If the liquid fuel supplied from the oil supply pipe 21 is dropped while heating the vaporizing element 10 by the preheater 24, the liquid fuel is diffused and absorbed by the vaporizing element 10 and evaporates. It is vaporized and supplied from the nozzle 22 to the burner 23 for combustion.
[0004]
As a material of the vaporizing element 10, porous metal such as sintered metal has been used before, but in recent years, porous ceramics such as alumina having excellent heat resistance and corrosion resistance have been widely used. See Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 4-43206).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the porous alumina ceramics forming the vaporizing element 10 has a low thermal conductivity of 2.5 W / mK, it takes only a long time for the vaporizing element 10 to reach the vaporization temperature and become ignitable at the start of use. In addition, there is a problem that power consumption is large due to poor thermal efficiency. In addition, since the thermal conductivity is low, heat unevenness occurs in the entire vaporizing element 10, and there is a disadvantage that the liquid fuel is tarified and adheres to a part of the vaporizing element 10 during long-term use.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above, the present inventor has formed porous alumina ceramics containing 90% by weight or more of alumina and 0.1 to 5% by weight of iron oxide and having an average pore diameter of 0.4 to 200 μm. Further, a vaporizing element is formed by using this.
[0007]
According to the present invention, the thermal conductivity can be significantly improved by including a predetermined amount of iron oxide in the porous alumina ceramics. Therefore, if this porous alumina ceramic is used for a vaporizing element, the time required to reach the vaporizing temperature can be shortened, and the thermal efficiency can be increased. In addition, the fuel can be prevented from tarring by eliminating heat unevenness.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a vaporizing element of an oil fan heater as an example.
[0009]
As shown in FIG. 3, the structure of the vaporizer is provided with an oil feed pipe 21 for supplying a liquid fuel and a nozzle 22 for feeding the vaporized fuel to a burner 23 in a vaporization chamber 20 containing a vaporizing element 10. It is. The vaporizing element 10 is a porous cylindrical body. If the liquid fuel supplied from the oil supply pipe 21 is dropped while heating the vaporizing element 10 by the preheater 24, the liquid fuel is diffused and absorbed by the vaporizing element 10. The fuel is vaporized and supplied from the nozzle 22 to the burner 23 for combustion.
[0010]
As shown in FIG. 1, the vaporizing element 10 is a cylindrical body made of porous alumina ceramics. The porous alumina ceramics contains 90% by weight or more of alumina (Al ₂ O ₃ ) as a main component, and 0.1% by weight. It contains about 5% by weight of iron oxide (Fe ₂ O ₃ ) and has an average pore diameter of 0.4 to 200 μm.
[0011]
The method for producing porous alumina ceramics is as follows. First, a material obtained by melting an alumina raw material at about 2000 ° C. is pulverized into alumina raw material particles, and iron oxide powder and a glass component in the above range are added thereto, and extrusion molding or pressing is performed. After forming into a cylindrical shape by molding, cutting is performed. Then, by firing this molded body under predetermined conditions, it is possible to obtain a sintered body in which each alumina particle is bonded with a glass component, and finally, it is sufficient to perform a grinding process to have a predetermined size.
[0012]
In the porous alumina ceramics thus obtained, as shown in a schematic crystal structure in FIG. 2, the alumina particles 11 are partially bonded by the glass component 12, and pores 14 communicating with each other are formed in the gaps. The structure is as follows.
[0013]
The added iron oxide 13 is present on the surface of the alumina particles 11 and functions to improve the thermal conductivity of the entire porous alumina ceramic. By setting the content of the iron oxide 13 to 0.1 to 5% by weight, the thermal conductivity of the porous alumina ceramic can be greatly improved to about 21 W / mK.
[0014]
Therefore, since the vaporization element 10 made of the porous alumina ceramic can improve the thermal conductivity, if it is used for the vaporizer shown in FIG. 3, not only can the time to reach the vaporization temperature be shortened, but also the thermal efficiency improves, Since the heat unevenness of the entire element 10 is eliminated, it is possible to prevent the liquid fuel from being tarified and adhered. Further, the dropped liquid raw material is diffused and absorbed in the pores 14 of the vaporizing element 10 and can be well vaporized.
[0015]
The reason why the composition of the porous alumina ceramic constituting the vaporizing element 10 is limited to the above range is that if the alumina content is less than 90% by weight, mechanical properties such as strength are reduced and the material is easily broken during handling. is there. In addition, iron oxide is contained in trace amounts as impurities in general alumina raw materials. However, if it is less than 0.1% by weight, the effect of improving thermal conductivity is poor. If the amount exceeds the above range, the moldability deteriorates and pores are closed, so that the range of 0.1 to 5% by weight is good.
[0016]
Further, in addition to the above components, the porous alumina ceramic contains 15% by weight or less of SiO ₂ , MgO, CaO and the like as glass components or impurities.
[0017]
The reason why the average pore diameter of the porous alumina ceramics is set to 0.4 to 200 μm is that the effect of diffusing and absorbing the fuel into the pores 14 is poor when the average diameter is less than 0.4 μm, and the strength is reduced when the average diameter exceeds 200 μm. It is. Incidentally, the average pore diameter is determined by the particle size of the alumina raw material particles after pulverization in the above manufacturing process, in order to make the above range, the average diameter of the raw material particles of alumina ceramics may be in the range of 1 to 500 μm. .
[0018]
Further, the porosity of the porous alumina ceramic is preferably in the range of about 30 to 45%, and the water absorption is preferably in the range of 15 to 20%. Further, the three-point bending strength of the porous alumina ceramic is preferably in the range of 200 to 400 kg / cm ² .
[0019]
Although only the cylindrical vaporizing element 10 has been described in the above example, the vaporizing element 10 can have various shapes such as a rectangular tube, a column, and a plate. Further, the vaporizing element 10 of the present invention can be suitably used not only for the oil fan heater but also for other liquid fuel combustion devices.
[0020]
Further, the porous alumina ceramics of the present invention can be used for various uses other than the vaporization element 10.
[0021]
For example, as other uses, it can be used as a gas ejection member in an air slider, various filters, a carrier for chemicals and fragrances, a suction core of a liquid mosquito trap, a heating adsorption plate, a bioreactor, a batch aeration filter, and the like. it can.
[0022]
【Example】
(Experimental example 1)
A vaporizing element 10 for a petroleum fan heater was manufactured from the above-described porous alumina ceramics of the present invention.
[0023]
Using alumina raw material particles having an average particle diameter of 180 μm, raw materials were prepared so that the final composition was 92% by weight of alumina, 1.0% by weight of iron oxide, and the remainder was a glass component, and this was formed into a cylindrical shape. Then, it was baked and subjected to a grinding process to produce the vaporized element 10 having an outer diameter of 13 mm and a total length of 70 mm. The average pore diameter of the vaporizing element 10 was 90 μm, and the porosity was 37%.
[0024]
On the other hand, as a comparative example, a vaporization element 10 was produced in the same manner as described above except that iron oxide was not added.
[0025]
The thermal conductivity of each vaporizing element 10 was measured, and the time from when it was mounted on a vaporizer as shown in FIG. 3 and when the switch was turned on until the vaporization temperature was reached and ignition was possible was measured.
[0026]
As shown in Table 1, it can be seen that in the example of the present invention, the thermal conductivity can be greatly improved, and as a result, the time until ignition becomes possible can be greatly reduced.
[0027]
[Table 1]

[0028]
(Experimental example 2)
Next, various porous alumina ceramics having different average pore diameters and the like were produced by changing the particle size of the alumina raw material particles, the alumina content, and the like in the above-described production process.
[0029]
As shown in Table 2, the average pore diameter can be reduced by reducing the particle size of the alumina raw material particles. The porous alumina having an average pore diameter of 0.4 to 200 μm and a porosity of 30 to 45% is obtained. Ceramics could be obtained. In addition, the three-point bending strength was 200 to 400 kg / cm ² , and there was no breakage during normal handling.
[0030]
In Table 2, the average pore diameter is an average value (cumulative 50% value) when the open pore diameter of the porous alumina ceramics is measured by a mercury intrusion method. Further, the alumina raw material particle size is an average particle size of the alumina raw material constituting the porous body.
[0031]
Furthermore, bulk specific gravity, apparent specific gravity, water absorption, and porosity are:
Bulk specific gravity = weight of porous material / (volume of porous material portion + volume of pore portion)
Apparent specific gravity = weight of porous body / volume water absorption of porous material portion = weight of water penetrating into pores / weight of porous body × 100 (%)
Porosity = volume of pore portion / (volume of porous material portion + volume of pore portion) × 100 (%)
Is a value defined by
[0032]
[Table 2]

[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a porous alumina ceramic containing 90% by weight or more of alumina and 0.1 to 5% by weight of iron oxide and having an average pore diameter of 0.4 to 200 μm is formed. As a result, a porous alumina ceramic having significantly improved thermal conductivity can be obtained while maintaining characteristics such as mechanical characteristics and heat resistance.
[0034]
Further, according to the present invention, by constituting the vaporizing element with the porous alumina ceramics, it is possible to shorten the arrival time until ignition becomes possible due to high thermal conductivity, and to increase thermal efficiency. Power consumption can be reduced. Further, since the fuel can be prevented from tarring by eliminating heat unevenness, it is possible to provide a vaporizing element having excellent features such as being able to be used favorably for a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a vaporizing element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a crystal structure of a porous alumina ceramic of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a general vaporizer for a petroleum fan heater.
[Explanation of symbols]
10: Vaporization element 11: Alumina particles 12: Glass component 13: Iron oxide 14: Pores 20: Vaporization chamber 21: Oil supply pipe 22: Nozzle 23: Burner 24: Preheater

Claims

A porous ceramic containing 90% by weight or more of alumina and 0.1 to 5% by weight of iron oxide and having an average pore diameter of 0.4 to 200 µm.

A vaporization element used in a liquid fuel vaporization type combustion device or the like in which a vaporized liquid fuel is burned by a burner, wherein the vaporization element is formed of the porous ceramic according to claim 1.