JP4653082B2 - 携帯式熱伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は自らエネルギー源を持ち、電力ガスの供給が困難な屋外で利用可能な暖房器や暖房服等へ熱を供給する為の携帯式熱伝達装置に関する。

従来屋外用可搬暖房器としてガスストーブ、懐炉などが広く普及している。しかしこれらのものは身体の一部分しか暖まらなかったり、暖かさのコントロールができなかったり不便なものであった。またバッテリーを使い、そのバッテリーからの電気エネルギーによって発熱を行う電気抵抗体を内部に分布させた暖房服やマット等が実用化されている。しかし、現在でもバッテリーの質量エネルギー密度はあまり高くなく暖房に必要なエネルギーを十分な時間供給できない。

これらの問題を解決すべくこの出願の発明者は特許第３０８８１２７号明細書に開示された発明を提案している。また特開平９−１２６４２３号公報が知られていて、そこに開示された発明は実用化されている。これらの発明はＬＰＧをエネルギ源とする事でバッテリーの欠点を克服し、触媒でＬＰＧを燃焼させ熱を取出すようになっている。取り出された熱は、前者の場合には、熱駆動ポンプを動かし、水によって熱を伝達させ、後者の場合には、空気の対流によりそれを達成している。

触媒燃焼は、火炎燃焼と比較すると、ある程度の高温環境が維持され、燃料と空気さえ供給してやれば、風が吹いたり、燃料と空気の混合比が少し変化しても、途切れのないタフな燃焼反応であり、また火炎燃焼におけるよりも低温で燃焼するという特徴がある。しかし理論混合比で長時間反応させると燃焼温度が上り過ぎて触媒が劣化してしまう。したがって薄い混合比（空気が過剰）で反応させる必要があり、これによって必然的に燃焼温度が低下し、熱駆動ポンプを動かす為の伝熱面積を多く取らなくてはならず燃焼室が大きくなり、携帯用としては問題が残る。さらに大量の過剰空気を導入する為には大気圧式バーナーでは無理である。これに対して火炎燃焼では、元々高温の為に必要な伝熱面が減少し、小型化し易くなるとともに、発熱部の表面積が減少し表面から外部へ逃げる熱が少なくなり熱効率も良くなる。

しかしながら完全予混合気の燃焼を周囲壁で囲まれた小さな空間で行わせることは困難である。しかもＬＰＧをノズルから噴出させ、その運動量で空気を吸引させる大気圧バーナではさらに困難で、濃い混合比では、火炎を保持できるが、薄くして行くと、理論混合比に近づく前に吹飛んでしまう。通常はファンを使い強制給気でこれを実現している。強制給気ファンはモーターで回さねばならず、電池等の電源が必要になり、小型化を追及する携帯装置としては利用できない。

本発明の目的は、小さな燃焼室で完全予混合気の火炎燃焼を大気圧バーナーで行なわせ、かつ外乱に対して吹き消えしたりしない安定した燃焼を行なわせることができ、外部への熱損失を少なくして熱駆動ポンプへ十分な熱を供給し、可搬に適した小型・軽量の携帯式熱伝達装置を提供することにある。

本発明によれば、ガスと空気の混合気を作るための混合気形成・供給装置と、集熱容器内に設置された燃焼器を含む加熱部と、を有し、燃焼器は、平坦面を有する燃焼室を構成し、且つその上流側に平坦面まで開孔して炎孔として機能し、混合気を燃焼室で燃焼させるため混合気を燃焼室へ噴出する多数の穴、及び平坦面に形成されるべき火炎面の直近で、その少なくとも対向面において、燃焼室内での燃焼によって生じた燃焼排気の熱エネルギーを輻射熱エネルギーに一部変換するための多孔性固体輻射変換体を有し、集熱容器に結合され、燃焼器内での混合気の燃焼によって発生した熱を集熱容器を通して受ける熱駆動ポンプを更に含む携帯式熱伝達装置を提供する。

混合気形成・供給装置は、吸気ダクトを有し且つ燃焼器に連結されるベンチュリー管からなる。集熱容器は、１つの実施例では、燃焼器を完全に包囲する形態をなし、且つ上流側熱交換部及び下流側熱交換部を構成する多数の孔を有する。排気ダクトが下流側熱交換部と連通して集熱容器に連結され、風等の外乱、天地等からの影響を防止するために、吸気ダクトの吸気孔及び排気ダクトの排気孔に隣接して風防板が配置される。

混合気形成・供給装置から炎孔を通して燃焼室に供給されたガスと空気の混合気は燃焼室に臨んだ点火プラグの火花によって着火され、燃焼室の平坦面に火炎が形成され、燃焼排気が多孔性固体輻射変換体の中を通るとき、燃焼排気の熱エネルギーの一部が多孔性固体輻射変換体によって輻射熱エネルギーに変換され、火炎方向へ戻され、そのことによって混合気の燃焼反応が促進され、火炎は「吹き飛び」など起きにくい安定した火炎面として形成される。

図１は本発明の携帯式熱伝達装置の一実施形態を示している。熱伝達装置は、基本的には、混合気形成・供給装置Ａと、加熱部Ｂと、熱駆動ポンプＰと、を含む。混合気形成・供給装置は、供給ダクト１とガス噴出ノズル２とを有するベンチュリー管３からなる。吸気ダクト１には絞り弁４があり、レバー５で外部から絞り弁４の開度を調整して吸込み空気量を任意に変える事が出来る。ボンベ６からのガス（ＬＰＧ）が圧力レギュレータ７で一定圧にされた後ガス噴出ノズル２に供給される。ガス噴出ノズル２の内径はφ４０μｍ〜φ６０μｍ程度でノズルに加わる圧力は２．９×１０⁴ 〜１９．６×１０⁴Ｐａゲージ圧位が適当で、圧力レギュレータツマミ８を回して調圧される。ガスはベンチュリー管３のエゼクターで吸気ダクト１から空気を吸引し、ディフュ−ザー９で速度を弱めながら空気と混合する。こうしてできる混合気は、レバー５を操作して絞り弁４の開度を調整することにより混合比を変えることができる。着火時は濃い混合比が必要であるが、定常運転時には理論混合比より少し薄い混合比が不完全燃焼も無く良い。

加熱部Ｂは、燃焼室１２を構成する燃焼器１１を取り囲む、アルミ等の熱良導体で作られた集熱容器１０を含む。燃焼器は、燃焼室１２の上流側に、平坦面１３まで開孔して炎孔１４として機能する多数の間隔を隔てた穴１５を有する。燃焼室１２は内容積が１０ｃｃ以下の大変小さいものである。燃焼器Ｂには、また燃焼室１２内へ延びる点火プラグ１６が設けられている。

燃焼器１１には、燃焼室１２の出口に多孔性固体輻射変換体１７が設けられ、多孔性固体射変換体１７は、ここではφ０．１〜φ０．３程度の耐熱金属の針金を網目に編んだ金網からなる。

先ず、着火のために、レバー５により絞り弁を調整して空気量を少なくすることで濃い目に設定された混合気が燃焼器１１の多数の穴１５から燃焼室１２内へ噴出する。穴１５から噴出した混合気は急激に拡大した平坦面１３の為に出口近くに渦を作る。次に点火プラグ１６の火花で混合気が爆発、渦にも着火し多数の炎孔１４からの炎が合体して一つの火炎面が形成され、そして平坦面近くで安定する。燃焼により燃焼室１２の壁面温度は上昇し、この熱は炎孔１４の上部も暖めこれにより混合気は予熱される。これにより混合気の燃焼速度が上昇する。一方燃焼による高温の排気ガスは多孔性固体輻射変換体１７を通過する。多孔性固体輻射変換体１７を構成する金網の針金の直径が細いので熱容量が小さくすぐに昇温、数百度になり電磁波として輻射エネルギーを四方八方へ放射する様になる。輻射エネルギーの一部は上流側すなわち火炎面を加熱して燃焼が大幅に促進される。また多孔性固体輻射変換体の位置も重要で、火炎面から離れ過ぎると熱輻射の効果が小さくなり、逆に火炎面から近過ぎると、着火時の火炎形成ができなくなることが分かった。このことから、多孔性固体輻射変換体を燃焼室の平坦面から下流方向に５〜１５ｍｍ程の距離に設置するのが適当である。この様に排気ガスの持つ熱エネルギーを輻射エネルギーという形で火炎へ熱還流させる事ができる。混合気は強く熱せられている為燃焼速度はしだいに早くなってくる。この状態をしばらく時間的に維持する必要がある。これは、多孔性固体輻射変換体１７や燃焼器１１の温度が上昇し、燃焼機能を発揮するまでの加熱時間である。その後、レバー５を動かし絞り弁４の開度を大きくして多くの空気を導入する。混合気の流量が増加し燃焼室１２内の流速も速くなる。通常の燃焼室であればここで火炎面は下流へ吹飛んでしまう。しかし予熱と熱還流で加熱された混合気はこの流速に対応する燃焼速度を持つ為、吹飛ぶこと無く安定した状態で燃焼室内に保持される。混合気は理論混合比より少し空気過剰になっている為燃焼は完全燃焼で多くの熱エネルギーが発生し還流、予熱に回る為火炎の安定度はどんどん高まって行く。この様に火炎の燃焼速度を高めることにより、小さな燃焼室で大量のガスを燃やすことができるため、同出力の触媒燃焼器よりも小型化でき、携帯式の熱伝達装置用の燃焼器としては最良のものである。

燃焼室１２で発生した熱は燃焼器１１をとり囲む集熱容器１０で集められ、これに結合された熱駆動ポンプＰへ伝えられ、外部の熱負荷へ伝達移送される。

多孔性固体輻射変換体１７として使われる金網は一層でも効果があり、複数枚重ねるとより効果的だが、流路抵抗が増加してしまうため非力な大気圧バーナでは吸込空気量とのかねあいで決める必要がある。また金網の目の粗さも同様で＃８０〜＃４０程度が使われる。また金網にセラミックスコーティングすることで熱による焼損を防ぐとともにセラミックスが良好な輻射能を持つため金網にとって効果的である。さらに金網の代わりに発泡セラミックスを使用してもよい。

図２は本発明の熱伝達装置のもう１つの実施形態を示している。この実施形態では、加熱部Ｂの集熱容器１０は図１に示す実施形態と同様にアルミ等の熱良導体で作られ、そして燃焼器１１を完全に取り囲み、且つ燃焼器１１との間に空間を構成するような寸法形状になっている。両者の結合は、混合気が入ってくる燃焼器１１の上部を取囲む様に配置された断熱材で作られた断熱材シール２１のみで行なわれる。集熱容器１０には上流側熱交換部１８と下流側熱交換部１９を構成する多数の孔２０がそれぞれ明けられている。上流側熱交換部の周囲は断熱材シール２２でベンチュリー管３と結合されている。そして燃焼器１１には、実施形態１と同様に、燃焼室１２の出口部分に多孔性固体輻射変換体１７が設置されている。燃焼器１１と集熱容器１０の間が空気の断熱層となっているため、燃焼状態では、燃焼室１２で発生した熱は燃焼器１１の壁を通して伝熱で集熱容器１０には伝わらない。よって燃焼器１１自体が実施形態１より高温になることで、燃焼がより促進される。しかも混合気の予熱には上流側熱交換部１８が加わり２段となって燃焼室１２内の火炎はより吹飛びにくく安定する。また高温の排気は下流側熱交換部１９で熱が回収されて熱駆動ポンプＰに吸収されるため、実施形態１よりも低くなり結果としてより多くの熱をムダなく熱駆動ポンプＰに供給するとともに火炎の一層の安定化も達成できる。

この実施形態で使われる燃焼器１１は、輻射能に優れた耐熱性のセラミックスで形成されるのが良いが、ステンレス等の耐熱性金属でも十分使用可能である。

図３は本発明の熱伝達装置のもうひとつの実施形態を示す。この実施形態例では、図２の実施形態の下流側熱交換部１９から出る排気ガスを装置外へ排出する為の排気ダクト２３と、その排気孔２３’の外方近傍に設けられた風よけ用の防風板２４と、がある。そして吸気ダクト１の吸気孔１’の外方近傍にも防風板２５が設置してある。吸・排気孔は装置のある同一平面に互いに離して位置している。これは風を受けた時吸・排気孔に同一の風圧が加わる様にして火炎の吹消えが起らない様にするためで、大気圧バーナー式の風呂ガマなどで実用になっている技術である。風呂ガマの場合には、吸・排気孔が一体で作られ互いに熱交換することで排気損失を少なくするようになっている。この実施例でもこのようにする事で損失を減少する事ができる。しかしなが本発明の燃焼室は風呂ガマ等のそれの数百分の一程度の内容積しかなく燃焼室負荷（燃焼室発熱量／燃焼室内容積ｃｍ³）が高い。これは燃焼室温度が高くなり火炎が安定する反面、燃焼騒音が大きくなる。この騒音はデフューザー、ベンチュリー管、吸気孔へと向うものと排気ダクトへ向うものとに分かれる。そして大気に開放され減衰、消滅してしまう。ここでもし吸・排気孔が近接していると、吸・排気孔が音響学的に結合して、ある特定の周波数が強められる共振が発生し易くなる。そして騒音が圧力変動へ変化して行き火炎は吹き消されてしまう。これを防止する為吸気孔と燃焼室、排気孔と燃焼室の気体の通る道の距離をできるだけ短くするとともに互いにある距離、離して設置する必要がある。どうしても近接させなければならない場合、両者の間に壁を設けて音響学的結合をしゃ断する必要がある。防風板は吸・排気孔に直接風圧が加わらない様に孔を完全に覆う大きさを持つ必要がある。防風板は吸・排気孔の面より間隔をあけて設置して、その間隔から吸気、排気が行なわれる。

図４及び５はさらに効果的な防風システムを示している。吸気孔１’は開孔する面２６より距離Ｄだけ突出させた突出面２７に開孔する。これにより面２６に衝突し、面２６に平行に向きを変えて流れる風の影響を排除する。そして、防風板２５に相当する第１防風板２８とその外側に間隔を開けて図の様な第２防風板２９を設置する。これは突風などにより防風板端で発生する空気の渦による圧力変動を２段階で受け止める為やわらげる事ができる。そして斜め横方向からの風によって吸気孔１’が影響されるのを排除している。

この二重の防風板と突出面は排気孔にも実施されている。この効果は大きく風速２０ｍ／秒ほどの風況下でも火炎は吹き消える事なく安定し屋外で使用することを前提とした携帯式熱伝達装置用の燃焼装置には必要なものである。

図６は本発明の携帯式熱伝達装置に使われる加熱部の燃焼器一つの実施形態を示している。燃焼器１１は全体がセラミクスの様な高温に耐え断熱性に優れた材料で作られていて、図の様に燃焼室１２に接する平坦面１３まで開孔する多数の炎孔１４を有している。炎孔はある程度の長さがあり混合気に熱を伝える役目をするとともに逆火を阻止する。炎孔の径はφ０．８〜φ１．２程である。平坦面１３の下流に燃焼室断面を拡大する段３０があり、さらに間をおいて下流に多孔性固体輻射変換体１７としての金網が二層設置してある。定常状態で燃焼していて出力を増加させるには、ノズルに加わるガス圧を上げより多くのガスを噴出させる。するとそれに相当する量に空気が吸気孔から導入されより多くの混合気が燃焼室に導入される。混合気流速が増加すれば火炎面は下流に流される。この時段３０の所で流速が遅くなるとともに周辺部に発生する渦のおかげで火炎面はここに定着する。この段３０の内側が１ケの大きな炎孔となる。この為大量の混合気も燃やすことができる。出力の増減ができるようになる。

図７は加熱部の別の燃焼器の実施形態を示す。二層の金網は、そのうちの一段目の金網が山形に成形された山形成形金網を含む。これは、金網の表面積を増加させ流路抵抗を減少させる効果を有する。この場合、２段目も１段目に合せて山形にしてもよいが、流路抵抗を減少させる観点から、図のように平面で目を粗くするのがよい。

図８は、図７に示す燃焼器の断面斜視図であって、山形に成形した金網をより良く示している。

図９は、図２の実施形態の変形例を示している。この実施形態は、燃焼器１１の燃焼室１２の、火炎面との対向面を含む大部分が多孔性固体輻射変換体１７で構成されている以外は図２の実施形態と同様である。この多孔性固体輻射変換体１７は、図１０に明瞭に示されているように、カゴ状に成形されていて、燃焼器１１の周囲に形成された切欠部に嵌められて燃焼器１１に取付けられる。この構成では、多孔性固体輻射変換体の表面積が大幅に増すために全体としての流路抵抗が減少する効果がある。従って、多孔性固体輻射変換体として、金網の場合には先に述べた実施形態におけるよりも細かな目の金網の使用が可能であり、またより多層化も可能になる。多孔性固体輻射変換体は、その材料として、多層の金網の他、発泡セラミックス、マット状セラミックスファイバー、又はステンレス等の焼結マット状耐熱合金ファイバーを含むことができる。

本発明による携帯式熱伝達装置の断面図である。 本発明による携帯式熱伝達装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明による携帯式熱伝達装置の更に他の実施形態を示す断面図である。 本発明による携帯式熱伝達装置の別の風防装置の部分断面斜視図である。 図４に示す風防装置の部分断面側面図である。 本発明による携帯式熱伝達装置の燃焼器の別の実施形態を示す断面図である。 燃焼器の更に他の実施形態を示す断面図である。 図７に示す燃焼器の断面斜視図である。 図２に示す実施形態の変形形態である。 図９に示す実施形態において、燃焼器の一部切断して示す斜視図である。

Claims (12)

1. ガスと空気の混合気を作るための混合気形成・供給装置と、集熱容器内に設置された燃焼器を含む加熱部と、集熱容器に結合され、燃焼器内での混合気の燃焼によって発生した熱を集熱容器を通して受ける熱駆動ポンプと、を含む、携帯式熱伝達装置において、燃焼器は、平坦面を有する燃焼室を構成し、且つその上流側に平坦面まで開孔して炎孔として機能し、混合気を燃焼室で燃焼させるため混合気を燃焼室へ噴出する多数の穴、及び平坦面に形成されるべき火炎面の直近で、その少なくとも対向面において、燃焼室内での燃焼によって生じた燃焼排気の熱エネルギーを輻射熱エネルギーに一部変換するための多孔性固体輻射変換体を有し、集熱容器は、燃焼器との間に空間を構成するように間隔を隔てて完全に包囲する形態をなし、且つ上流側熱交換部及び下流側熱交換部を構成する多数の孔を有し、燃焼室からの排気が下流側熱交換部を通過するとき、熱交換が行われ、その熱が集熱容器を伝わって上流熱交換部で混合気を予熱するのに、また熱駆動ポンプを加熱するのに利用される、携帯式熱伝達装置。
2. 混合気形成・供給装置は、吸気ダクトを有し且つ燃焼器に連結されるベンチュリー管からなり、ベンチュリー管は、ガス噴出ノズルと、エゼクターと、デフューザと、を含み、ベンチュリー管の吸気ダクトに絞り弁を、ガス噴出ノズルの上流に圧力レギュレーターを設けた、請求項１に記載の携帯式熱伝達装置。
3. 燃焼器の燃焼室の、火炎面との対向面を含む大部分が多孔性固体輻射変換体で構成される、請求項１に記載の携帯式熱伝達装置。
4. 排気ダクトが集熱容器の下流熱交換部と連通して設けられている、請求項１に記載の携帯式熱伝達装置。
5. 多孔性固体輻射変換体は１層又は複数層の耐熱金属の金網からなる、請求項１又は３に記載の携帯式熱伝達装置。
6. 金網はその１ケ又は複数が山形形状をなしている、請求項５に記載の携帯式熱伝達装置。
7. 多孔性固体輻射変換体は、複数層の金網、発泡セラミックス、マット状セラミックスファイバー、焼結マット状耐熱合金ファイバーのいずれかからなる、請求項１又は３に記載の携帯式熱伝達装置。
8. 集熱容器はアルミ等の熱良導体で作られ、燃焼器は輻射能にすぐれた耐熱性セラミック等で作られている、請求項１又は４に記載の携帯式熱伝達装置。
9. 燃焼室は、炎孔の面より下流に保炎を目的とした段を有し、これにより、流れの断面積が急激に広がるような形状を呈している、請求項１、２、３及び８のいずれか１項に記載の携帯式熱伝達装置。
10. 燃焼室はその内容積が１０ｃｃ以下である、請求項１、２、３、８及び９のいずれか１項に記載の携帯式熱伝達装置。
11. 混合気形成・供給装置に設けられた吸気ダクトの吸気孔と集熱容器に設けられた排気ダクトの排気孔を互いに近接しない位置の同一面で、吸気及び排気孔の外方近傍に孔を完全に覆う大きさの防風板が設けられる、請求項１に記載の携帯式熱伝達装置。
12. 吸気孔と排気孔を互いに近接しない位置の同一面に設けるとともにそれぞれ独立した突出した面を作りそこにそれぞれ吸気孔、排気孔が位置し、それぞれの孔の外方近傍に孔を完全に覆う大きさの防風板を間隔をあけ二重に設置した、請求項１１に記載の携帯式熱伝達装置。

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