JP4720396B2

JP4720396B2 - マイクロコンバスタ

Info

Publication number: JP4720396B2
Application number: JP2005273729A
Authority: JP
Inventors: 壮一郎加藤; 邦雄松井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007085618A

Description

この発明は、いわゆるマイクロコンバスタに関するものである。

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いる。
近年では、この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小型の燃焼加熱器で、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焼させるものであり、例えば予混合式のマイクロコンバスタにおいては、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前の予混合ガス（未燃焼ガス）を十分に予熱することにより、燃焼を可能ならしめている。このマイクロコンバスタでは、予混合ガスの流速と火炎の燃焼速度とが釣り合ったところで安定な火炎が形成される。

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るが、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、燃焼室で予混合ガスを安定して燃焼させるには予混合ガスをより高温に予熱する必要がある。しかしながら、予混合ガス温度を高くしすぎると、燃焼室から予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）側に逆火し易くなるという問題がある。

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の要求があり、マイクロコンバスタの高負荷運転は、予混合ガスの流速を上昇させて燃焼室で多くの燃料を燃やすことにより実現可能である。しかしながら、予混合ガスの流速が燃焼速度を上回ると、火炎が燃焼室から離れて浮き上がり、火炎が伝播できずに消滅するという所謂吹き飛び現象が生じ、火炎が不安定になるという問題が生じる。

これらの問題を解決するために、特許文献１に開示されたマイクロコンバスタでは、燃焼室と予混合ガス流路とを複数の流入口（流入部）で連通し、各流入口の消炎等価径を燃焼作動時における予混合ガスの消炎距離よりも小さく設定している。つまり、流入口の消炎等価径を予混合ガスの消炎距離よりも小さく設定することにより、予混合ガス温度の高温化に伴う逆火の発生を防止し、流入口を複数設けることにより流入口における予混合ガスの流速を低下させ、予混合ガス流量の増加に伴う吹き飛び現象の発生を防止している。なお、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。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。
ｄ＝２λ・Ｎｕ^１／２／Ｃ_ｐ・ρ_ｕ・Ｓ_ｕ・・・式（１）
また、消炎等価径は式（２）で定義される。
消炎等価径＝通路断面積×４／通路の周辺長・・・式（２）
特開２００５−７６９７３号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されたマイクロコンバスタのように、燃焼室と予混合ガス流路との間に複数の流入口を形成すると、構造が複雑になり、生産性が悪くなってしまう。
そこで、この発明は、構造が簡単ながら、逆火および吹き飛び現象を防止して火炎の安定化を図ることができ、しかも、生産性に優れたマイクロコンバスタを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室から燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させるとともに、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタにおいて、前記未燃焼ガス流路の消炎等価径を、燃焼作動時のガス温度における前記未燃焼ガスの消炎距離よりも大きい値に設定し、前記未燃焼ガス流路から前記燃焼室への流入部に、燃焼作動時のガス温度における前記未燃焼ガスの消炎距離よりも小さい消炎等価径の流路を多数有する多孔質体を設けたことを特徴とする。
なお、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１に係る発明によれば、流入部及び未燃焼ガス流路の消炎等価径が燃焼作動時のガス温度における未燃焼ガスの消炎距離よりも大きくても、多孔質体は前記消炎距離よりも小さい微細な流路を多数有しているので、未燃焼ガスを高温に加熱した場合にも、火炎が燃焼室から未燃焼ガス流路側に入り込む逆火を防止することができる。
また、多孔質体が内包する前記流路は径は小さいながら極めて多数存在するので、流入部における未燃焼ガスの流速を比較的に低く抑えて火炎を安定に保持することができる。したがって、未燃焼ガス流量を増加してマイクロコンバスタを高負荷運転しても、火炎を安定させることができる。

さらに、多孔質体内部の微細な前記流路内では、熱伝導が非常に活発に行われるため、未燃焼ガスの温度をより高めることができ、火炎の安定性が飛躍的に向上する。
しかも、未燃焼ガス流路から燃焼室への流入部に多孔質体を設置するだけであるので、構造が簡単で、生産性が向上する。

以下、この発明に係るマイクロコンバスタの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１に示すように、マイクロコンバスタ１０は、所謂スイスロール型の燃焼加熱器として構成されている。具体的には、マイクロコンバスタ１０は予混合タイプのマイクロコンバスタであり、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ガスとしての空気とを予め混合させた燃焼前の予混合ガス（未燃焼ガス）Ｆ（図中実線矢印で示す）の流路（以下、予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）という）１３と、前記予混合ガス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とを、前記燃焼室１２を中心とした渦巻き状に配置してなる。

図２，３を併せて参照して説明すると、燃焼器本体１１は、円筒状の外周壁１５の上下を円盤状の上下壁１６，１７で閉塞してなるもので、その上下方向（軸方向）の厚さに対して直径が大きい扁平状とされている。外周壁１５は伝熱性が低い（保温性が高い）材料で形成され、上下壁１６，１７は伝熱性が高い材料で形成されている。上壁１６の上面及び下壁１７の下面は、燃焼器本体１１の外表面の大部分を占めており、この上下面がそれぞれ加熱面１６ａ，１７ａとされ、加熱面１６ａ，１７ａから放出された熱により被加熱物を加熱する。ただし、加熱面は上壁１６と下壁１７のいずれか一方だけにしてもよい。

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、燃焼室１２を中心に上下の加熱面１６ａ，１７ａに沿って平面視略円形に巻回するように、予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４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、常温時における予混合ガスの消炎距離よりも小さい消炎等価径を有している（例えば２ｍｍ）。なお、消炎距離は同じ予混合ガスにおいてもガス温度に応じて異なり、この実施例の予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４の消炎等価径は、燃焼作動時（例えば６００Ｋ）のガス温度における予混合ガスの消炎距離よりも大きくなる。したがって、燃焼ガス流路１４においては燃焼作動時に予混合ガスの火炎伝播が可能になる。ただし、後述するように予混合ガス流路１３に逆火することはない。

図中符号１３ａ，１４ａは予混合ガス供給口及び燃焼ガス排出口を示し、これらがそれぞれ燃焼器本体１１の外周部に例えばその接線方向に沿うように突設されている。ただし、予混合ガス供給口１３ａと燃焼ガス排出口１４ａは外周壁１５の接線方向に沿う方向に限らず、それ以外の方向に向かって開口させてもよい。
予混合ガス流路１３及び燃焼ガス流路１４は、例えば予混合ガス流路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配置されており、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。

予混合ガス流路１３から燃焼室１２への流入部（換言すると、予混合ガス流路１３の終端）には、予混合ガス流路１３の軸線方向に沿って所定の厚みを有する多孔質体２０が、予混合ガス流路１３と燃焼室１２との間を塞ぐように隙間なく設けられている。この実施例における多孔質体２０は例えば燒結金属、セラミック、金網、パンチングメタル、波板を組み合わせたものなどからなり、燃焼作動時における予混合ガスの消炎距離よりも十分に小さい消炎等価径の微細な流路を多数内包していて、この微細な流路を介して予混合ガス流路１３と燃焼室１２とが連通されている。

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、本図を併せて参照して説明すると、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の流れは、伝熱壁１８，１９を挟んで対向流（カウンタフロー）となり、これら両ガス間において十分な熱交換がなされる。すなわち、予混合ガス供給口１３ａから導入される予混合ガスＦは予混合ガス流路１３を燃焼室１２に向かって流れるにしたがって、より高温の燃焼ガスＥによって予熱され、燃焼室１２に至る時点では着火可能温度以上に加熱されて、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。

特に、このマイクロコンバスタでは、予混合ガス流路１３から燃焼室１２への流入部に多孔質体２０を設けているので、前記流入部及び予混合ガス流路１３の消炎等価径が燃焼作動時における予混合ガスＦの消炎距離より大きくても、多孔質体２０に内包されている流路の消炎等価径が前記消炎距離よりも十分に小さいので、予混合ガスＦを高温に加熱した場合にも、火炎が燃焼室１２から予混合ガス流路１３側に入り込むことがなく、すなわち逆火を防止することができる。

また、多孔質体２０が内包する前記流路は径は小さいながら極めて多数存在するので、流入部における予混合ガスＦの流速を比較的に低く抑えることができ、その結果、火炎の吹き飛びを防止することができ、火炎を安定に保持することができる。したがって、予混合ガスＦの流量を増加してマイクロコンバスタ１０を高負荷運転しても、特別な保炎機構を設けることなく、火炎を安定させることができる。
さらに、多孔質体２０内部の微細な流路内では、熱伝導が非常に活発に行われるため、予混合ガスＦの温度をより高めることができ、火炎の安定性が飛躍的に向上する。
しかも、予混合ガス流路１３から燃焼室１２への流入部に多孔質体２０を設置するだけであるので、構造が簡単で、生産性が向上する。

また、上記燃焼が燃焼器本体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。

前述した実施例では燃料ガスとして都市ガスを用いたが、特にこれに限定されず、例えば、メタン、プロパン、ブタン、エチレン、アセチレン、水素等を用いてもよい。また、前述した実施例では燃焼用酸化ガスとして空気を用いたが、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混合気であってもよいし、酸素とアルゴン等の不活性ガスとの混合気であってもよいし、場合によっては酸素のみを使用してもよい。
また、前述した実施例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。
また、前述した実施例で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伝熱壁を挟んで渦巻き状に形成したが、このような形態に限るものではなく、伝熱壁を介して燃焼ガスの熱で未燃焼ガスを加熱することができればいかなる形態であってもよい。例えば、燃焼室を燃焼器本体の外周側に配置し、伝熱壁を挟んで形成された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路を燃焼器本体に放射状に設け、未燃焼ガスは未燃焼ガス流路を燃焼器本体の中央部から燃焼室に向かって流れ、燃焼ガス流路は燃焼ガス流路を燃焼室から燃焼器本体の中央部に向かって流れるようにしてもよい。

この発明に係るマイクロコンバスタの斜視図である。図１におけるＡ−Ａ断面図である。図２におけるＢ−Ｂ断面図である。上記マイクロコンバスタの作用説明図である。

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（未燃焼ガス流路）
１４燃焼ガス流路
１８，１９伝熱壁
２０多孔質体
Ｆ予混合ガス（未燃焼ガス）
Ｅ燃焼ガス

Claims

燃焼器本体内の燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路と、前記燃焼室から燃焼ガスを前記燃焼器本体外に導く燃焼ガス流路とを、伝熱壁を挟んで形成し、前記未燃焼ガスを前記燃焼室で燃焼させるとともに、前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱するマイクロコンバスタにおいて、
前記未燃焼ガス流路の消炎等価径を、燃焼作動時のガス温度における前記未燃焼ガスの消炎距離よりも大きい値に設定し、
前記未燃焼ガス流路から前記燃焼室への流入部に、燃焼作動時のガス温度における前記未燃焼ガスの消炎距離よりも小さい消炎等価径の流路を多数有する多孔質体を設けたことを特徴とするマイクロコンバスタ。