JP4689425B2 - マイクロコンバスタ - Google Patents

Description

この発明は、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ものあり、特に、被加熱物を効率よく加熱できるマイクロコンバスタに係るものである。

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きたが、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が提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。このマイクロコンバスタはいわゆる予混合タイプであって、直径が数ｃｍ程度の小型の燃焼加熱器であり、通常では火炎が伝播できない消炎距離よりも小さい隙間の中で燃料ガスを燃焼させることで被加熱物を加熱するものである。具体的には、燃焼器本体の燃焼室に燃料と燃焼用酸化ガスからなる予混合ガス（未燃焼ガス）を導く予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）と、燃焼室から流出する燃焼ガスを機外に排出する燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで形成し、これら予混合ガス流路と燃焼ガス流路とを前記燃焼室を中心にして渦巻き状に旋回配置したものである。
特開２００４−２００８３号公報 特開２００５−７６９７３号公報

このようなマイクロコンバスタは、予混合ガス流路と燃焼ガス流路を同一平面内で渦巻き状に配置し通常円盤状に形成されているため、被加熱物の加熱面が平面である場合には、予混合ガス流路と燃焼ガス流路により形成される平面に整合するため問題はないが、被加熱物の形状によっては、加熱面が被加熱物の被加熱面に対して均等に配置できず、その分だけ熱損失が生じてしまうという問題がある。

そこで、この発明は、被加熱物を効率よく加熱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。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、燃焼器本体（例えば、実施形態における燃焼器本体１１）の燃焼室（例えば、実施形態における燃焼室１２）に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路（例えば、実施形態における予混合ガス流路１３）と、燃焼室から流出する燃焼ガスを機外に排出する燃焼ガス流路（例えば、実施形態における燃焼ガス流路１４）とを伝熱壁（例えば、実施形態における伝熱壁１８）を挟んで形成し、これら未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを前記燃焼室を中心にして渦巻き状に旋回配置したマイクロコンバスタ（例えば、実施形態におけるマイクロコンバスタ１０）であって、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とによって構成される前記燃焼器本体の一側面を加熱面（例えば、実施形態における加熱面１６ａ）として構成し、前記加熱面を構成する前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路との上面を前記燃焼室の位置から上下方向にオフセットするように、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを渦巻き状に配置したことを特徴とする。
このように構成することで、前記燃焼室の位置から上下方向にオフセットするように渦巻き状に配置された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路との上面により被加熱物の形状に整合する加熱面を形成して、被加熱物の被加熱面への伝熱及び放熱効果を一様に作用させることが可能となる。
尚、この発明において、「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。
請求項２に記載した発明は、前記加熱面の中央部は凹設されていることを特徴とする。
このように構成することで、加熱面の中央部に向かって熱を集中させることが可能となる。

請求項１に記載した発明によれば、前記燃焼室の位置から上下方向にオフセットするように渦巻き状に配置された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路との上面により被加熱物の形状に整合する加熱面を形成して、被加熱物の被加熱面への伝熱及び放熱効果を一様に作用させることが可能となるため、被加熱物を効率よく加熱できる効果がある。
請求項２に記載した発明によれば、加熱面の中央部に向かって熱を集中させることが可能となるため、熱損失が少なく、より一層被加熱物を効率よく加熱できる効果がある。

次に、この発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、マイクロコンバスタ１０は、いわゆるスイスロール型で、かつ、予混合タイプの燃焼加熱器であって、円柱状をなす燃焼器本体１１の内部に、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を予め混合させた予混合ガスＦ（図中実線矢印で示す）の流路（以下、予混合ガス流路という）１３と、予混合ガスＦを本体中央部の燃焼室１２で燃焼させた後の燃焼ガスＥ（図中破線矢印で示す）の流路（以下、燃焼ガス流路という）１４とが、燃焼室１２を中心として渦巻き状に配置されたものである。

燃焼器本体１１は、円筒状の外周壁１５の上下を上下壁１６，１７で閉塞して構成され、その上下方向（軸方向）の厚さに対して直径が大きい形状に形成されている。外周壁１５及び下壁１７は伝熱性が低く（保温性が高く）、上壁１６は伝熱性が高い材質で形成され、上壁１６の上面は加熱面１６ａとして構成され、ここからの熱により被加熱物を加熱する。尚、下壁１７も伝熱性の高い材質で成形し、上下壁１６、１７の上下面を加熱面１６ａ，１７ａとしてもよい。

ここで、上壁１６と下壁１７とは渦巻き状に旋回配置された予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４の一側面として構成されるが、この実施形態では上壁１６が断面弧状の凹部として形成され、下壁１７は断面弧状の凸部として形成されている。具体的には、加熱面１６ａを構成する上壁１６の上面を被加熱物Ｈの形状に整合させるべく断面弧状に凹設するために予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを燃焼室１２の位置から上側に徐々にオフセットするように渦巻き状に旋回配置している。つまり、内側に対して外側に向かうほど徐々に上側に軌跡がずれるように変化させて（オフセット）いる。また、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを対にして構成する関係で下壁１７の下面は前記上壁１６の加熱面１６ａに対応して断面弧状に凸設されている。したがって、この上壁１６の上面である加熱面１６ａには、底が球状の被加熱物Ｈを隙間なく収容できる収容凹部Ｓが形成されることとなる。

燃焼器本体１１内には、その略中央部に燃焼室１２が配置され、該燃焼室１２を中心に前述した予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４が上下方向に一定の高さをもって平面視略円形で渦巻き状に旋回配置され、予混合ガス流路１３の予混合ガス供給口１３ａと燃焼ガス流路１４の燃焼ガス排出口１４ａとが燃焼器本体１１の外周壁１５に沿うようにして突出した状態で開口している。ここで、予混合ガス供給口１３ａと燃焼ガス排出口１４ａは外周壁１５に沿うような方向に限らず、それ以外の方向に向かって開口させてもよい。尚、燃焼室１２には図示しない着火装置が配置されている。

予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４は、予混合ガス流路１３を外周側、燃焼ガス流路１４を内周側として伝熱壁１８を挟んで対をなすように形成され、この対をなす２つのガス流路１３，１４同士を隔てる壁も伝熱壁１９として構成されている。尚、予混合ガス流路１３を内周側、燃焼ガス流路１４を外周側に配置してもよい。

図４は、渦巻き状に配置される各ガス流路１３，１４を直線状に展開した場合の説明図であり、予混合ガス流路１３内の予混合ガスＦの流れと、燃焼ガス流路１４内の燃焼ガスＥの流れとは、伝熱壁１８あるいは伝熱壁１９を挟んだ対向流（カウンタフロー）にされており、これら両ガス間において十分な熱交換がなされるようになっている。

すなわち、予混合ガスＦは、燃焼室１２に導入される前の段階で燃焼ガス流路１４を流れる燃焼ガスＥから伝熱壁１８，１９を介して十分に予熱されており、燃焼器本体１１内の比較的小さな燃焼室１２において、小規模ながらも安定した燃焼を可能としている。尚、少なくとも予混合ガス流路１３の代表寸法は、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（消化等価径を含む）を考慮して設定されている。ここで、代表寸法は、当該部位の形状、つまり流路断面形状によって変化するが、例えば、流路断面形状が円形状である場合、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、代表寸法とは断面の水力相当直径を指す。流路断面形状が円形状である場合は、燃焼室に臨む部位の代表寸法は円形断面の直径を消炎距離以下とし、流路断面形状が円形状以外である場合は、燃焼室に臨む部位の代表寸法を消炎等価距離以下とする。
尚、代表寸法を採る部位は、未燃焼ガスの流路のうち、本燃焼現象を支配する部位とする。
水力相当直径＝４×断面積／ぬれ縁週辺長

また、前記燃焼は燃焼器本体１１の内部で行われるため、該燃焼が周辺雰囲気に左右され難く、また燃焼器本体１１の表面温度も抑えられると共に、燃焼室１２からの燃焼ガスＥは温度を十分低下させた後に燃焼器本体１１外部に導出される。これにより、小型で正確な温度制御を可能とし、かつ燃焼ガスＥの排熱を有効利用して熱損失を抑え、しかも燃焼ガスＥの処理をも容易にした燃焼加熱器を実現している。

したがって、上記実施形態によれば、燃焼器本体１１の上壁１６には被加熱物Ｈの形状に整合すべく断面弧状の凹部が形成され、ここが被加熱物Ｈを隙間なく収容できる収容凹部Ｓとされているため、被加熱物Ｈの被加熱面への伝熱及び放熱効果を一様に作用させることが可能となり、被加熱物Ｈを効率よく加熱できる。また、収容凹部Ｓは加熱面の中央部に向かって熱を集中させることが可能となるため、熱損失が少なく、より一層被加熱物Ｈを効率よく加熱できる。

とりわけ、渦巻き状に旋回配置された予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４の上面側が被加熱物Ｈを加熱するための加熱面１６ａとして構成されているため、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４の旋回軌跡を徐々に変化させるだけで、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４の隣接状態を各周回毎に大きく変化させることなく、熱交換をさせなくてはならない両ガス流路１３，１４の位置関係を確保した上で被加熱物Ｈの形状に合わせて形成できる点で有利である。

次に、この発明の第二実施形態を図５に基づいて説明する。
この第二実施形態において、燃焼器本体１１の燃焼室１２に到る燃料と燃焼用酸化ガスの予混合ガスＦを導入する予混合ガス流路１３と、燃焼室１２から流出する燃焼ガスＥを機外に排出する燃焼ガス流路１４とを伝熱壁１８，１９を挟んで形成し、これら予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを燃焼室１２を中心にして渦巻き状に旋回配置した点等の基本的構成は前記第一実施形態と同様であるので同一態様部分に同一符号を付して説明する。

ここで、この実施形態のマイクロコンバスタ１０’では、燃焼器本体１１の上壁１６’の加熱面１６ａ’の形状が異なっている。この加熱面１６ａ’は被加熱物Ｈ’の形状に合わせて断面くの字状に凹設された収容凹部Ｓ’として形成されたもので、下壁１７’の下面は安定した設置を確保するために平坦な形状に形成されている。このように第一実施形態に比べて上壁１６’の加熱面１６ａ’の外周部分が急激に立ち上がるように形成されたこの実施形態では、伝熱壁１８，１９を挟んで対をなす予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４ができるだけ内外での上下の変位が少なくなるように、予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４は上方がやや中心に向かって傾倒するように配置されている。具体的には、上壁１６’の上面、つまり加熱面１６ａ’に対して直角方向となるように傾斜して配置されているいる。

このようにして各ガス流路１３，１４が配置されていることで、第一実施形態のように予混合ガス流路１３と燃焼ガス流路１４とを共に上下方向に形成した場合に比較して、各ガス流路１３，１４を上下方向でずれなくより均等に隣接できることとなり、急激に外周部分が立ち上がっていても熱交換を効果的に行うことができる。
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、加熱面１６ａの形状は被加熱物Ｈの形状に合わせて凸設するなど自由に設定することができる。また、各ガス流路１３，１４を削り出し加工により形成してもよい。
また、上述したマイクロコンバスタは、キャンプ用コンロや金型を加熱する加熱装置として用いることができるが、この場合には、キャンプ用コンロであれば被加熱物であるコッフェルの底の形状に合わせた加熱面としたり、金型の加熱装置の場合には、被加熱物である金型面に合わせた加熱面とすることで効率よく加熱ができる。
また、前述した実施形態では燃料と燃焼用酸化剤ガスを予め混合する「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」のマイクロコンバスタにも適用できる。

この発明の第一実施形態の斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図３の展開説明図である。 この発明の第二実施形態の図２に相当する断面図である。

符号の説明

１０ マイクロコンバスタ
１１ 燃焼器本体
１２ 燃焼室
１３ 予混合ガス流路
１４ 燃焼ガス流路
１６ａ 加熱面
１８ 伝熱壁
Ｈ 被加熱物
Ｓ 収容凹部

Claims (2)

1. 燃焼器本体の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室から流出する燃焼ガスを機外に排出する燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで形成し、これら未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを前記燃焼室を中心にして渦巻き状に旋回配置したマイクロコンバスタであって、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とによって構成される前記燃焼器本体の一側面を加熱面として構成し、前記加熱面を構成する前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路との上面を前記燃焼室の位置から上下方向にオフセットするように、前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを渦巻き状に配置したことを特徴とするマイクロコンバスタ。
2. 前記加熱面の中央部は凹設されてい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。

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