JP4106553B2 - マイクロコンバスタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロコンバスタに係り、詳しくは、電気ヒータの代替製品として用いられるいわゆるスイスロール型のマイクロコンバスタに関する。

一般に、半導体の製造技術等の分野では、ガラス管内に載置された被加熱物を加熱するにあたり、ガラス管の周囲を覆う複数個の電気ヒータが用いられている。一方、近年では、この電気ヒータの代替製品としてスイスロール型のマイクロコンバスタの開発が進められている。
当該マイクロコンバスタは、直径が数ｃｍ程度の小型の燃焼加熱器であり、通常では火炎が伝ぱできない消炎距離よりも小さい隙間の中で燃焼させるものである。消炎距離程度の隙間たるマイクロチャネル内で燃焼を行わせる前に燃焼用空気や燃料と空気との予混合ガスを十分に予熱して燃焼を可能ならしめている。マイクロコンバスタには、燃焼の分類によって予混合燃焼方式によるものと、拡散燃焼方式によるものとが存在する。

後者の拡散燃焼方式によるものでは、燃料と空気とを別々に燃焼室に導入し、燃料と空気を拡散によって出会わせて混合し燃焼させる。これにより、前者の予混合燃焼方式に比して火災爆発に対する安全性が高く、容易に利用することができる利点を有する。
ここで、上記拡散燃焼方式では、反応物質を予め混合する必要がないことを鑑み、一様な断面積を持つマイクロチャネル内の燃焼において、燃焼室に燃料を直接に供給するマイクロコンバスタのモデルが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
Weinberg,F.J、他３名，「On thermoelectric power conversion from heat re-circulating combustion systems」，第２９回国際燃焼シンポジウム講演論文集，２００２

ところで、マイクロコンバスタは、体積に対して表面積の大きな小型の燃焼器であり、燃焼器を小型にするに連れて消炎が生じやすくなるので、燃焼室で燃料ガスと空気とを拡散混合し安定して燃焼させるにはこれらのガスをより高温に予熱する必要がある。
ここで、上述の非特許文献１に記載された拡散燃焼方式を利用したマイクロコンバスタでは、空気は燃焼ガスの熱を用いて予熱することが可能である。しかしながら、上述の非特許文献１に記載されたマイクロコンバスタでは、燃料は燃焼室に直接に供給されている。すなわち、燃焼室には低温の燃料がそのまま供給されており、この燃料が空気と混合する際に混合気の温度は低下し、燃焼させても火炎の安定性が悪くなるとの問題がある。

換言すれば、上述の非特許文献１のマイクロコンバスタでは、安定した燃焼が得られ難いことから、電気ヒータの代替製品として被加熱物の適切な加熱を図ることに関して依然として課題が残されている。
また、このマイクロコンバスタでは、被加熱物の更なる加熱を図るべく、高負荷運転を実現することが要求されている。この場合には、燃焼室に供給される燃料ガスや空気の流速をより高めれば燃焼室で多くの燃料を燃やすことができ、マイクロチャネル内の燃焼の高負荷運転を達成できるとも考えられる。

しかし、燃焼室に特別な保炎機構を設けずに、燃焼室に供給される燃料ガスや空気の流速を単に上昇させると、吹き飛び現象が生ずるという別の問題が存在する。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、マイクロチャネル内の拡散燃焼において、火炎の安定化を図ることができ、さらに上述の目的に加えて高負荷運転を行わせることができるマイクロコンバスタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のマイクロコンバスタは、燃料と燃焼用酸化ガスを拡散により混合させてマイクロチャネル内での燃焼を行う燃焼室、燃焼用酸化ガスを燃焼室に導入させる燃焼用酸化ガス流路、燃焼ガスを燃焼室から排出させる燃焼ガス流路、及び燃焼用酸化ガス流路と燃焼ガス流路との間に形成され、燃焼ガスの熱を回収して燃焼用酸化ガスを予熱させる伝熱壁を有し、燃焼用酸化ガス流路と燃焼ガス流路とが燃焼室を中心にして渦巻き状に配置されてマイクロチャネルが形成される燃焼部と、燃焼部と伝熱板を介して並設され、燃焼部の熱を回収して燃料を予熱させる燃料予熱室、及び燃料予熱室の燃料を燃焼室に供給させる燃焼室供給孔を有する燃料供給部とを備えることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、燃料予熱室は、この燃料予熱室の外周に沿って設けられた外周壁と、燃料を外周壁に沿わせるように燃料予熱室に導入させるための燃料導入口とを備えることを特徴としている。
さらに、請求項３記載の発明では、燃料供給部は、燃料予熱室の燃料を燃焼用酸化ガス流路に供給させる燃焼用酸化ガス流路供給孔をさらに有することを特徴としている。

したがって、請求項１記載の本発明のマイクロコンバスタによれば、マイクロチャネルが、燃焼用酸化ガス流路と燃焼ガス流路とを、燃焼室を中心にして渦巻き状に配置されて形成されるので、伝熱壁を介して燃焼ガスから燃焼用酸化ガスに、極めて効率良く熱回収を行わせることができる。そしてまた、燃料予熱室において燃焼部の熱を伝熱板を介して効率良く回収し燃料を予熱させ、高温に予熱された燃料が燃焼室に供給されていることから、燃焼室に導入される前に既燃の燃焼ガスによって予熱された燃焼用酸化ガスと予熱された燃料との拡散燃焼が可能になり、加熱による消炎距離が低下するとともに、燃料と燃焼用酸化ガスの拡散混合気による燃焼可能な空燃比範囲が広がり、火炎の安定性が良く、マイクロチャネル内での燃焼の安定化を考慮した拡散燃焼を実現することができる。

そして、被加熱物の適切な加熱を図ることが可能となり、電気ヒータの代替製品として十分に機能することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、燃料予熱室の燃料導入口から外周壁に沿わせるように燃料を供給すると、燃料予熱室に渦流が形成され、伝熱板における熱伝達率が改善されて燃焼部の熱を伝熱板を介して極めて効率良く回収することができ、その分だけ燃料を高温に予熱させることができる。

さらに、請求項３記載の発明によれば、高温の燃料が燃焼用酸化ガス流路にも供給されるので、燃焼室には十分に予熱されて混合された混合気が導入され、マイクロチャネル内での燃焼の更なる安定化を図ることができる。また、燃焼用酸化ガス流路に燃料が供給される分、燃焼室に直接供給される燃料量が減少し、燃焼室供給孔から吹き出す燃料速度を低下させることができるので、拡散火炎の吹き飛び現象を防止することができる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１乃至図３は、本実施形態のマイクロコンバスタ１を示す。当該マイクロコンバスタ１は、直径が数ｃｍ程度の円柱形をなす燃焼器本体（燃焼部）２の内部にマイクロチャネルが形成された、いわゆるスイスロール型の燃焼器である。当該スイスロール型とは、空気流路６と燃焼ガス流路８とが燃焼室４を中心にして渦巻き状に配置される形状を意味する。そして、当該マイクロコンバスタ１は、燃焼器本体２と、該燃焼器本体２の上面側に伝熱板１２を介して並設される燃料供給部３とから構成される。

当該燃料供給部３は、燃焼器本体２と略同一の直径を有する中空の円筒形をなし、燃料予熱室５となる内部の密閉空間を、外周に沿って設けられた外周壁３ａと天井板３ｂとで仕切っている。外周壁３ａには外周壁面に沿うように外部からの燃料を導入する燃料導入口７が設けられている。燃料導入口７は、燃焼器本体２の接線方向に向かって燃焼予熱室５に開口するので、燃料予熱室５内でその中心に向かう高速の旋回流を形成させる。燃料予熱室５は、燃料導入口７から導入される燃料を一時的に貯留させるとともに、伝熱板１２を介して燃焼器本体２の熱を回収して燃料を予熱させる。伝熱板１２には、燃料予熱室５と燃焼室４とを連通させる燃焼室供給孔１１と、燃料予熱室５と空気流路（燃焼用酸化ガス流路）６とを連通させる空気流路供給孔（燃焼用酸化ガス流路供給孔）１３とを有している。この燃焼室供給孔１１及び空気流路供給孔１３は、拡散燃焼方式では予混合燃焼方式よりも逆火現象のおそれは少ないものの、消炎距離よりも小さな径で形成される。なお、本実施形態においては、燃料としてメタンが用いられている。

燃焼器本体２は、その略中央部分に配設された燃焼室４と、空気（燃焼用酸化ガス）を燃焼室４に導入させる空気流路６と、既燃の燃焼ガスを燃焼室４から排出させる燃焼ガス流路８と、空気流路６と燃焼ガス流路８との間に形成される金属製の伝熱壁１０と、燃焼器本体２の上面側に位置する円板状の伝熱板１２と、燃焼器本体２の下面側に位置する円板状の加熱板１４とから構成され、空気流路６と燃焼ガス流路８とが燃焼室４を中心にして渦巻き状に配置されてマイクロチャネルを形成させている。

なお、燃料室４には燃料を点火する点火手段（図示省略）が設けられているが、本発明の要旨に特に関係しないのでその詳細な説明を省略する。
空気流路６は、燃焼器本体２の外周側から燃焼室４に向けて空気を送るための通路であり、上述した両側の伝熱壁１０、伝熱板１２、及び加熱板１４とで区画されて渦巻き状に形成され、燃焼器本体２の外壁には、空気を導入するための空気導入口２０が設けられている。なお、この空気の流速は、燃焼室４において拡散火炎の吹き飛び現象が生じない速度に設定されている。拡散燃焼方式でも燃焼伝ぱ速度の限界があるからである。

これに対し、燃焼ガス流路８は、燃焼室４から燃焼器本体２の外周側に向けて燃焼ガスを送るための通路であり、この燃焼ガス流路８も、上述した両側の伝熱壁１０、伝熱板１２、及び加熱板１４とで区画されて渦巻き状に形成され、燃焼器本体２の外壁には、燃焼ガスを排出するためのガス排出口１６が設けられている。そして、燃焼ガス流路８は、伝熱壁１０を挟んで空気流路６と並んで配設される。換言すれば、空気流路６と燃焼ガス流路８とが燃焼室４を中心にして渦巻き状に配置されている。つまり、図２の断面図に示されるように、空気流路６と燃焼ガス流路８とは交互に配される。

空気流路６と燃焼ガス流路８との間に形成される金属製の伝熱壁１０は、空気と既燃の燃焼ガスとを分離するための分離壁であると同時に、燃焼ガスの廃熱を回収して空気を予熱するための熱交換壁でもある。したがって、伝熱壁１０には、伝熱性に優れた材質を選定し、その板厚も可能な限り薄く設定した方が良い。空気流路６を流れる空気Ａの流れ（図中実線の矢印で示す）と燃焼ガス流路８を流れる燃焼ガスＫの流れ（図中破線の矢印で示す）は、伝熱壁１０を挟んで対向流となり、空気導入口２０から導入される空気Ａは空気流路６を燃焼室４に向かって流れるにしたがって、より高温の燃焼ガスＫから加熱され、燃焼室４に至る時点では、後述するように拡散火炎を保持可能温度以上に加熱される。

一方、燃料と空気を拡散によって混合させ、燃焼室４で燃焼された燃焼ガスＫは、燃焼室４から排出された後、伝熱壁１０を挟んで空気の流れに対向して移動する。具体的には、燃焼ガスＫは燃焼ガス流路８に導入され、燃焼室４から遠ざかるにしたがって燃焼ガスＫが有する熱を空気に放出しながら移動し、ガス排出口１６からマイクロコンバスタ１の外部に達する。

燃焼ガスＫは、所定の熱量を加熱板１４に与え、加熱板１４からの熱伝導或いは輻射熱により、例えば半導体の製造技術におけるガラス管内に載置された被加熱物を加熱する。さらに、燃焼ガスＫは、この所定の熱量を上記伝熱壁１０にも与えており、伝熱壁１０が燃焼ガスＫの熱を回収し、再生予熱により空気をも加熱する。
しかも、本発明においては、燃焼ガスＫは、この所定の熱量を伝熱板１２を介して燃料供給部３にも与えており、燃料予熱室５に貯留された燃料は、この熱を回収して加熱され、燃焼室供給孔１１を介して燃焼室４に供給されるとともに、空気流路供給孔１３を介して空気流路６に供給される。

このように、燃焼室４に導入される燃料及び空気が、いずれも燃焼ガスＫによる再生予熱を利用することにより高温に加熱され、消炎し難くなって拡散燃焼の安定化が図られる。
次に本実施形態のマイクロコンバスタ１による作用をより具体的に説明する。
図４（ａ）は、従来の如く燃料を燃焼室に直接に供給する場合を示した図である。この場合には、空気Ａについては、燃焼ガスＫの温度によって予熱することが可能であるが、燃料Ｆは、燃焼室に直接に供給され、燃焼室には低温の燃料が供給されている。つまり、燃焼時の燃料Ｆの温度と空気Ａの温度との平均温度が低くなり、火炎の安定性が悪くなってしまう。なお、図４（ａ）における燃料Ｆも図示しない加熱装置によって所望の温度に加熱することはできるが、別途加熱装置が必要になる。

これに対し、図４（ｂ）のように、本実施形態のマイクロコンバスタ１では、燃焼器本体２の上面側に燃料予熱室５を有する燃料供給部３が接続されている。したがって、燃料導入口７から導入された燃料Ｆは、まず一時的に燃料予熱室５において高速の旋回流が形成されて室内に蓄えられる。これにより熱伝達率が高められる。この間、伝熱板１２を介して燃焼器本体２の熱を効率良く回収して予熱される。そして、この燃料Ｆは、燃焼室供給孔１１を介して燃焼室４に供給されると、燃焼ガスＫにより伝熱壁１０を介して予熱された空気Ａと火炎温度を下げることなく拡散して燃焼され、燃焼安定性を高めることができる。

しかも、この燃料Ｆは、空気流路供給孔１３を介して空気流路６に供給されると、燃焼室４に供給される前に、燃焼ガスＫにより予熱された空気Ａと燃料予熱室５内で予熱された燃料Ｆとが空気流路６内で予め混合されることになり、このような混合気が燃焼室４に導入されるので、火炎保持がさらに容易になり、燃焼安定性をより高めることができる。
また、燃焼室４に燃料ガスＫが供給される量の一部が空気流路供給孔１３を介して供給されるので、その分、燃焼室供給孔１１を介して燃焼室４に供給される燃料量が減り、燃焼室供給孔１１からの燃料吹き出し速度を低下させることができるので、吹き飛び現象の防止にも役立ち、換言すれば高負荷燃焼を可能にする。

なお、空気流路供給孔１３を介して空気流路６に供給する燃料量は、燃焼室４に到達する前に燃焼することのできない空燃比（等量比）域の量に留めるべきであり、リーン燃焼限界以下となる燃料量が好ましい。
このように、本実施形態の拡散燃焼方式を用いたマイクロコンバスタ１では、燃焼器本体２に燃料供給部３をアダプタのように接続し、容積の大きな中空の燃料予熱室５を有する燃料供給部３内の燃料が、燃焼器本体２からの熱を回収するとともに、複数の供給孔１１、１３から燃焼器本体２側に流入する如く燃焼室４への燃料供給方法を改良している。よって、供給される空気の他、供給される燃料も十分に予熱され、燃焼安定性を損なうことなく、拡散燃焼方式を用いたマイクロコンバスタを確実に実現することができる。

そして、加熱板１４により被加熱物の適切な加熱が可能となり、片面加熱用の電気ヒータの代替製品として十分に機能することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、燃焼室供給孔１１及び空気流路供給孔１３による複数の供給孔から燃焼器本体２側に燃料を供給しているが、必ずしもこの実施形態に限定されるものではなく、例えば、燃焼室供給孔１１のみを介して燃焼室４に予熱された燃料を供給するものであっても良く、この場合にも、燃焼安定性の良い拡散燃焼方式を用いたマイクロコンバスタを実現することができる。

また、燃焼用酸化ガスとして本実施形態では空気を用いたが、これに限定されず、空気に代えて酸素濃度と窒素濃度を調整して人工的に作った空気であっても良いし、酸素とアルゴン等の不活性ガスであっても良く、場合によっては酸素のみを使用しても良い。
さらに、燃料もメタンに限定されるものではなく、エタン、プロパン等のメタン系列、その他炭化水素ガスの全般に亘って適用可能である。なお、拡散燃焼自体を鑑みれば、気体燃料のみならず、各種アルコールやブタン等の液体燃料も適用可能であり、燃料予熱室５においてガス化させれば良い。

また、燃焼室４は、燃焼器本体２内に一カ所存在する場合の他、複数個設置することも可能であり、この場合には、上記空気流路供給孔を燃焼室供給孔として用いることの他、容積の大きな燃料供給部３内のいずれの場所からも燃焼器本体２側に燃料を供給するが可能である。
さらに、上記実施形態では、空気流路６と燃焼ガス流路８とが燃焼室４を中心にして円を描く如くの渦巻き状に配置されているが、この配置の他、４角形や６角形の多角形を描く如くの渦巻き状に配置されていても良く、この場合にも、燃焼安定性を損なうことなく、拡散燃焼を実現することができる。また、このような形状のマイクロコンバスタは、多数個を稠密に配列させることができ、被加熱物の加熱をより正確に制御することができる。

さらにまた、本発明のマイクロコンバスタは、上記半導体の製造技術の分野の他、各種の技術分野にて利用が可能である。一例としては、中小型の電気炉の代替製品としても用いることができる。この場合には、熱効率が良いのでＣＯ₂排出量の削減が可能となる。さらに、例えば、スチームリフォーマ等の熱源、熱電変換素子と組み合わせた携帯電源としても用いることが可能であり、また、給湯器、ガスコンロ、暖房器具や、コンクリート養生、熱加工、投げ込みヒータ等にも適用できると考えられる。

本発明の一実施形態に係るマイクロコンバスタの斜視図である。 図１のマイクロコンバスタにおけるII−II線矢視断面図である。 図２のマイクロコンバスタにおけるIII−III線矢視断面図である。 図１のマイクロコンバスタによる作用を説明する図である。

符号の説明

１ マイクロコンバスタ
２ 燃焼器本体（燃焼部）
３ 燃料供給部
３ａ 外周壁
４ 燃焼室
５ 燃料予熱室
６ 空気流路（燃焼用酸化ガス流路）
７ 燃料導入口
８ 燃焼ガス流路
１０ 伝熱壁
１１ 燃焼室供給孔
１２ 伝熱板
１３ 空気流路供給孔（燃焼用酸化ガス流路供給孔）

Claims (3)

1. 燃料と燃焼用酸化ガスを拡散により混合させてマイクロチャネル内での燃焼を行う燃焼室、前記燃焼用酸化ガスを前記燃焼室に導入させる燃焼用酸化ガス流路、燃焼ガスを前記燃焼室から排出させる燃焼ガス流路、及び前記燃焼用酸化ガス流路と前記燃焼ガス流路との間に形成され、前記燃焼ガスの熱を回収して前記燃焼用酸化ガスを予熱させる伝熱壁を有し、前記燃焼用酸化ガス流路と前記燃焼ガス流路とが前記燃焼室を中心にして渦巻き状に配置されて前記マイクロチャネルが形成される燃焼部と、
   前記燃焼部と伝熱板を介して並設され、前記燃焼部の熱を回収して前記燃料を予熱させる燃料予熱室、及び該燃料予熱室の燃料を前記燃焼室に供給させる燃焼室供給孔を有する燃料供給部と、
   を備えることを特徴とするマイクロコンバスタ。
2. 前記燃料予熱室は、該燃料予熱室の外周に沿って設けられた外周壁と、燃料を該外周壁に沿わせるように前記燃料予熱室に導入させるための燃料導入口とを備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロコンバスタ。
3. 前記燃料供給部は、前記燃料予熱室の燃料を前記燃焼用酸化ガス流路に供給させる燃焼用酸化ガス流路供給孔をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロコンバスタ。

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