JP4494345B2

JP4494345B2 - 燃焼加熱器

Info

Publication number: JP4494345B2
Application number: JP2006033644A
Authority: JP
Inventors: 壮一郎加藤; 薫丸田
Original assignee: Tohoku University NUC; IHI Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; IHI Corp
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP2007212081A

Description

本発明は、燃焼加熱器に関する。

電気ヒータの代替製品として、マイクロコンバスタの開発が進められている。
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って、本体容器内に燃焼室と未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを有する。そして、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの熱で未燃焼ガス流路を流れる未燃焼ガスを予熱すると共に、未燃焼ガス流路における燃焼室に臨む部位の寸法を燃焼作動時には火炎が伝播できない消炎距離よりも小さく形成することで、燃焼室において超過エンタルピ燃焼を実現するものである。
マイクロコンバスタとしては、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渦巻状に配置した、所謂スイスロール型が提案されている。スイスロール型は、未燃焼ガスを十分に予熱することが可能であり、これにより燃焼室での安定した超過エンタルピ燃焼を実現している。
特開２００４−２００８３号公報特開２００５−７６９７３号公報

ところで、スイスロール型マイクロコンバスタは、本体容器内の中央部の狭い空間（燃焼室）で未燃焼ガスを燃焼させている。このため、燃焼負荷率（燃焼室内の単位体積あたりの発熱量）が極めて大きくなり、本体容器が局所的に劣化・損傷してしまうという問題がある。
また、流路の形状が複雑（渦巻状）であるために装置コストが高くなってしまうという問題があり、安価な装置の実現が要請されている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、燃焼室の体積を容易に増大させることで燃焼負荷率を抑えることが可能な燃焼加熱器を提案することを目的とする。また、簡単な構造の燃焼加熱器を提案することを目的とする。

本発明に係る燃焼加熱器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、平行に配置された同一形状の一対の平板及び該一対の平板の外周を取り囲む外周壁とで構成される本体容器内に、燃焼室と、前記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本体容器外に導く燃焼ガス流路と、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔て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伝熱壁と、を備える燃焼加熱器において、前記未燃焼ガス流路及び前記燃焼ガス流路をそれぞれ複数備えると共に、前記未燃焼ガス流路及び前記燃焼ガス流路を前記外周壁に沿う方向に重ねて配置し、前記外周壁に沿って燃焼室を配置したことを特徴とする。
この発明によれば、複雑な流路を形成する必要なく、熱交換が可能な流路を有する装置を安価に実現することができる。
また、燃焼室の体積を増大させることができるので、燃焼負荷率が低くなり、本体容器が局所的に劣化・損傷するという不具合が回避できる。

前記本体容器が、前記平板側から見て、円形に形成されたり、矩形に形成されたりするものでは、被加熱物体の加熱に適した燃焼加熱器を得ることができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本体容器内の燃焼室の体積を容易に増大させることができるので、燃焼負荷率を低くすることができる。また、本体容器内に未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを容易に形成することができ、安価な装置が実現できる。
なお、「未燃焼ガス」とは、燃焼前のガスを意味し、「燃焼ガス」とは、燃焼後のガスを意味する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃焼加熱器１０の構成を示す斜視図及び断面図である。
燃焼加熱器１０は、閉塞された本体容器１１の内部空間で、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（予混合ガスＧ１）で供給される、所謂予混合タイプの燃焼加熱器である。
燃焼加熱器１０の本体容器１１は、円筒状の外周壁１５の上下を円盤状の上壁１６及び下壁１７（以下、上下壁１６，１７ともいう）で閉塞してなるもので、外周壁１５の高さに対して上壁１６及び下壁１７の直径が大きく形成される。
上下壁１６，１７は、本体容器１１の外表面の大部分を占める。そして、この上下壁１６，１７が予混合ガスＧ１の燃焼によりそれぞれ加熱され、上下壁１６，１７から放出された熱により被加熱物（不図示）を加熱するようになっている。
なお、上下壁１６，１７は、伝熱性が高い材料（例えば、黄銅（真鍮）等）で形成される。また、外周壁１５を上下壁１６，１７と同一の材料とすることで熱を放出する面として用いてもよい。

本体容器１１内には、上下壁１６，１７と同様に伝熱性が高い材料で形成された伝熱壁１８が、上壁１６と下壁１７とに挟持されて配置されている。そして、この伝熱壁１８によって、本体容器１１内に、燃焼室１２と、複数の予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４が形成されている。
伝熱壁１８は、外周壁１５から離間して配置されており、これにより、外周壁１５、上壁１６、下壁１７、伝熱壁１８に囲まれた円環形の空間、すなわち本体容器１１内の外周壁１５に沿った空間が燃焼室１２として形成される。なお、燃焼室１２の一部には、着火装置（不図示）が設けられている。
また、伝熱壁１８の中心部には、円形の空間１８ｈが形成されており、この空間１８ｈから外周部に向けて略放射状に複数の予混合ガス流路１３が形成される。
更に、各予混合ガス流路１３の間には、略放射状に複数の燃焼ガス流路１４が形成されている。
つまり、図１（ｂ）に示すように、複数の予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４が外周壁１５に沿う方向に、交互に重なるように配置されている。

また、本体容器１１の下壁１７の中心部には、内側流路３１と外側流路３２とを備えた二重管３０が接続される。
下壁１７の中心部には、外側流路３２の内径と同一径の穴１７ｈが設けられており、この穴１７ｈの外周部分に外側流路３２が接続される。
また、下壁１７には、穴１７ｈの外周領域に各燃焼ガス流路１４に連通する複数の穴１７Ｋが設けられており、この各穴１７Ｊを取り囲むように内側流路３１が接続される。
これにより、内側流路３１と各燃焼ガス流路１４とが連結され、外側流路３２と各予混合ガス流路１３とが連結される。

なお、図１において、予混合ガス流路１３に比べて燃焼ガス流路１４の断面積を大きく形成しているのは、燃焼ガスＧ２を効率よく排出するためであるが、必ずしも燃焼ガス流路１４の断面積の方を大きくする必要はなく、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを略同一の断面積としてもよい。
また、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の数をそれぞれ８本としているが、更に多い方が好ましい。本体容器１１内の外周壁１５に沿って形成された燃焼室１２の全体において予混合ガスＧ１の燃焼を可能とするためである。

このような構成により、二重管３０の内側流路３１に予混合ガスＧ１を供給すると、予混合ガスＧ１は、本体容器１１の中心部から複数の予混合ガス流路１３に流入し、更に本体容器１１の外周壁１５に沿って形成された円環形の燃焼室１２に向けて放射状に流れる。
そして、予混合ガスＧ１が燃焼室１２において燃焼することにより、燃焼ガスＧ２が発生する。この燃焼ガスＧ２は、燃焼室１２から各燃焼ガス流路１４を介して本体容器１１の中心部に向けて流れ、二重管３０の外側流路３２に流入する。

この際、燃焼ガスＧ２の熱で予混合ガスＧ１が予熱される。上述したように、伝熱壁１８は伝熱性が高い材料で形成されているため、燃焼ガスＧ２の熱は伝熱壁１８を介して予混合ガスＧ１に伝えられる。特に、燃焼ガス流路１４を流れる燃焼ガスＧ２と予混合ガス流路１３を流れる予混合ガスＧ１とが、伝熱壁１８を挟んで対向流（カウンタフロー）となっているので、燃焼ガスＧ２の熱で予混合ガスＧ１を効率的に予熱することが可能となっている。
このように、予混合ガスＧ１が燃焼室１２に導入される前に十分に予熱されているので、燃焼室１２において安定した燃焼が得られる。

更に、燃焼室１２において安定した燃焼を可能とするために、予混合ガス流路１３の断面形状における代表寸法は、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）を考慮したものとなっている。
一般に、予混合ガスの消炎距離ｄは、管壁モデルの径の大きさで表されるものであり、式（１）により求められる。
ｄ＝２λ・Ｎｕ^１／２／Ｃ_ｐ・ρ_ｕ・Ｓ_ｕ・・・式（１）
式（１）において、ｄは消炎距離、λは熱伝導率、Ｎｕはヌセルト数、Ｃ_ｐは定圧比熱、ρ_ｕは予混合気密度、Ｓ_ｕは燃焼速度である。
予混合ガス流路１３の断面形状の代表寸法は、燃焼室１２に臨む部位の断面形状によって異なる。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、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には、代表寸法は断面の水力相当直径を指す。

ここで、水力相当直径は、以下の式（２）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（２）
なお、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。

具体的には、図１（ｂ）に示すように、予混合ガス流路１３における燃焼室１２に臨む部位（出口部分）の寸法Ｌを消炎距離以下に規定する。これにより、火炎が予混合ガス流路１３内に侵入することがなくなり、燃焼室１２における安定燃焼が実現される。

以上のような構成により、燃焼加熱器１０では、予混合ガスＧ１の燃焼が燃焼室１２において安定して行われる。また、予混合ガスＧ１の流量を調整することにより、燃焼温度の正確な制御が可能となる。

また、本体容器１１内の外周壁１５に沿って燃焼室１２を配置したので、燃焼室１２の体積が増大する。これにより、燃焼負荷率が低くなるので、本体容器１１が局所的に劣化・損傷するという不具合が回避される。
また、燃焼加熱器１０は、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを容易に形成することができるので、スイスロール型に比べて、安価な装置の実現が可能である。

上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図２に示すように、予混合ガス流路１３を形成する伝熱壁１８の壁面に、放熱用突起２１を設けてもよい。予混合ガスＧ１が伝熱壁１８に触れる面積が増えるので、より効率的に予混合ガスＧ１との熱交換が可能となる。

同様に、図２に示すように、燃焼ガス流路１４を形成する伝熱壁１８の壁面に、吸熱用突起２２を設けてもよい。燃焼ガスＧ２が伝熱壁１８に触れる面積が増えるので、より効率的に燃焼ガスＧ２との熱交換が可能となる。
また、燃焼ガス流路１４を形成する上壁１６の壁面に吸熱用突起を設けることで、より効率的に上壁１６を加熱し、外部への放熱量を増やすようにしてもよい。

また、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の数は、必ずしも同一である必要はない。例えば、図３（ａ）に示すように、予混合ガス流路１３を途中で複数に分岐するようにしてもよい。
また、図３（ｂ）に示すように、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４を渦巻形（湾曲形）に形成することで、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の流路長を延ばし、予混合ガスＧ１と燃焼ガスＧ２との熱交換を更に効率的に行うようにしてもよい。
また、図３（ｃ）に示すように、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４をジグザグに屈曲させることで、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の流路長を延ばしてもよい。

また、本体容器１１をその厚み方向から見た形状は、円形や楕円形の場合に限らず、三角若しくは四角又はそれ以上の多角形、或いは星型等であってもよい。
例えば、本体容器１１をその厚み方向から見た形状が四角形の場合には、図４（ａ）に示すように、その四辺の全てに燃焼室１２を配置してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、対向する二辺にのみ燃焼室１２を配置してもよい。
更に、図４（ｃ）に示すように、特定の一辺にのみ燃焼室１２を配置してもよい。この場合には、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４に連結する二重管３０は本体容器１１の中心部に設ける必要はない。

また、本体容器１１は、図５に示すように、棒形であってもよい。被加熱物が長尺物である場合等に好適に用いることができる。なお、本体容器１１は、直棒形に限らず、湾曲した棒形であってもよい。

また、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」の燃焼加熱器にも適用できる。

なお、二重管３０の内側流路３１と予混合ガス流路１３とが連結され、外側流路３２と燃焼ガス流路１４とが連結される場合に限らない。すなわち、二重管３０の内側流路３１と燃焼ガス流路１４とが連結され、外側流路３２と予混合ガス流路１３とが連結されてもよい。
また、必ずしも二重管３０を用いる場合に限らず、下壁１７に予混合ガス流路１３に連結するガス供給管を接続し、上壁１６に燃焼ガス流路１４に連結するガス排出管を接続してもよい。

また、燃焼加熱器１０は、外形が数ｃｍ程度の小型のものに限らず、数十ｃｍから数ｍ程度のものであってもよい。

本発明の実施形態に係る燃焼加熱器１０を示す斜視図及び断面図である。伝熱壁１８の壁面に放熱用突起２１，吸熱用突起２２を設けた場合を示す図である。予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の変形例を示す図である。本発明の実施形態に係る燃焼加熱器１０の変形例を示す図である。本発明の実施形態に係る燃焼加熱器１０の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…燃焼加熱器
１１…本体容器
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
１５…外周壁
１６…上壁（平板）
１７…下壁（平板）
１８…伝熱壁
２１…放熱用突起
２２…吸熱用突起
３０…二重管
３１…内側流路（第一流路）
３２…外側流路（第二流路）
Ｇ１…予混合ガス（未燃焼ガス）
Ｇ２…燃焼ガス

Claims

平行に配置された同一形状の一対の平板及び該一対の平板の外周を取り囲む外周壁とで構成される本体容器内に、燃焼室と、前記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本体容器外に導く燃焼ガス流路と、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔て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伝熱壁と、を備える燃焼加熱器において、
前記未燃焼ガス流路及び前記燃焼ガス流路をそれぞれ複数備えると共に、前記未燃焼ガス流路及び前記燃焼ガス流路を前記外周壁に沿う方向に重ねて配置し、
前記外周壁に沿って燃焼室を配置したことを特徴とする燃焼加熱器。
前記本体容器は、前記平板側から見て、円形に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱器。
前記本体容器は、前記平板側から見て、矩形に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱器。