JP5588512B2 - 向流燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室を有する向流燃焼器であって、可燃ガス及び酸化剤が対向側から供給される向流燃焼器に関する。

可燃ガスおよび酸化剤(例えば水素と酸素)が対向方向から接触する場合、それらの衝撃は少なくとも部分的に相殺される。このため、火炎全面、細長い形状だけでなく球形状もありうる火炎全面が達成される。このことは、予混合火炎の場合ではない、というのはそこでは両方のガス流が基本的に１つの方向であるためである。また、拡散火炎は都合が悪い、というのはそこに拡散が発生しなければならないためである。火炎もノズルから離れており、少量の熱のみがノズルから散逸する。より低いガス速度、特に排気ガス速度よりも低いガス速度も可能である、というのは強制対流の結果として熱損失の効果が減少するためである。

このことの全てが、プロセスにおける火炎温度を増加させることに寄与する。最終的に、燃焼室で分析される試料ガスのより長い滞留時間も達成される。球形状は、熱が生み出される体積に比べて熱が散逸されるのが極小表面のため火炎安定性にとって特に好都合である。

このことは、例えば、小型化された科学器具やガス検出器において必要とされるように、目的が非常に小さい火炎だけを用いることであるならば、極めて重要である。小型化された向流燃焼器は、ステンレス鋼からなる毛細管に取り囲まれる燃焼室内にあり、次のような分析(US2005/0287033A1、US2008/0213908A1)で知られている。対応する小さな毛細管の製造は確かに可能である。しかし、異なる部分を含んでいる対応する向流燃焼器の組立体は、相当な困難とコストとを生じさせる、特に、できるだけ小さな構造を用いることが望みであるとき及びバッチ生産でそれらが製造されるときに。その上、毛細管が１つの方向にのみ延びている、すなわちそれが一次元構造であって、比較的にわずかな方法のみが火炎に影響するようになっている。

これらのマイクロ向流燃焼器は、例えば測光のガスクロマトグラフィー及びイオン化の計測に用いるガスクロマトグラフィーのために、用いられる。対応する装置は、この場合、科学的な用途のためだけでなく適当な用途のために役立っており、例えば、有害ガスを特定するために環境技術において用いられる。

本発明の目的は、低費用で製造される小寸法の向流燃焼器の製造にある。

本発明に係る解決策は、向流燃焼器が相互に連結された３つの平面基板を備えており、一つが他の上に位置しており、中基板は燃焼室を有しており、燃焼室からの通路が基板の平面内に位置し、対向方向で端部に通じており、上基板及び下基板は基本的に閉じられており、少なくとも中基板はマイクロシステム技術の方法を利用して製造されている。

このため、向流燃焼器は、基本的にはもはや毛細管ではなく平面基板からなっている。これらは特によく処理されており、特にマイクロシステム技術の方法を用いて処理されており、非常に小さな向流燃焼器が達成されるようになっている。燃焼室からの通路が基板の平面内に位置し、対向方向で端部に通じており、中基板に配置されている。それから、燃焼室及び通路を有する中基板は、基本的に閉じられた上基板及び下基板によって、覆われている。

当初の開放通路及び開放燃焼室は、マイクロシステム技術の既知の方法によって製造されるが、少なくとも基本的に上基板及び下基板によって閉じられる。通路が燃焼室から端部へ対向方向で通じており、対向方向からこれらの通路を通って導入されているので、通路が衝突し、その結果として衝撃が少なくとも部分的に相殺される。

好ましい実施形態では、互いの方に通じるような２つの通路のために条件が作られており、可燃ガスは１つの通路を通って燃焼室に供給されており、酸化剤は別の通路を通って供給される。

更に好ましい実施形態では、上基板及び下基板は完全に中基板を閉じている。このため、可燃ガス及び酸化剤の供給及び排気ガスの排出も、中基板の平面内でその端部で発生する。通路の配置の結果として、いずれの場合にも適当な方法でガスが接触することがこの場合保証されている。そのとき、排気ガスは、対向方向で燃焼室から延びている対応する通路を通って排出される。

好ましい実施形態は、基板の平面内に位置する通路が星形の配置で燃焼室から端部へ通じているという事実によって、識別される。結果として、燃焼室への接近は、１つの側だけでなく複数の側から提供されており、このことは火炎の制御及び均質化に役立つ。

可燃ガス及び酸化剤が対向方向から接触する場合とは対照的に、接触するガスの究極的な衝撃をゼロに至る量にさえ作ることができる。

酸水素ガスとして燃焼するように酸素及び２倍の量の水素が接触する場合、そのとき酸素は、より大きな分子量のため、水素よりも大きな衝撃を持っており、衝撃が完全に合計ゼロになることはない。しかし、本発明の星型配置では、ガスは複数の側から接触することが許容されており、２つの酸素流れ及び２つの可燃ガス流れが正確に対向方向から常に接触するように許容されており、全体の衝撃が合計ゼロになる。

このように、特に良好な球形状が達成され、結果として特に高い火炎の温度が達成される。解析される試料が実際窒素８０％からなる空気である場合、衝撃の補償もそれに続いて達成される。解析される空気が水素可燃ガスに加えられるならば、このガスは対向方向から供給される酸素と略同一の分子量を有する。星形配置では、酸素過剰がプロセスにおいて可能であり、これはより高いイオン収量を提供する。

好ましい実施形態では、上基板及び下基板は完全に中基板を閉じ、中基板の平面内の全てのガスが燃焼室に入り且つそこを去るようになっている。更に好ましい実施形態では、上基板及び下基板は、燃焼室に通じる開口と、ガスが基板の平面に対して垂直な方向で入り且つ出る開口とを備えている。当然、ここで、いずれの場合にも２つの開口は、対向して配置されなければならず、ガスが対向方向で２つの開口を通って入り且つ出ることができるようになっている。

これらのすべての実施形態は、それらが位置に関係なく作動するという利点を有している。このため、作動のために正確に配向される必要はなく、逆に配置さえされてもよい。

中基板は、有利には、マイクロシステム技術を用いて特に良く処理されたシリコンからなっている。

更に好ましい実施形態では、上基板及び／又は下基板は、ホウケイ酸ガラスからなっている。一方、このホウケイ酸ガラスも、マイクロシステム技術を用いて構造化できる。陽極接合プロセスを用いてシリコンを接合でき、本発明の向流燃焼器の製造に問題がないようになっている。最後に、それは低い熱伝導度を有しており、その結果として熱損失が減少し、それは火炎安定性及び火炎温度を増加させる。通路は、マイクロシステム技術を用いて中基板に所望されるように形成される。それらはこの場合にも形成されており、熱交換器が排気ガス通路によって形成され、排気ガス通路が、燃焼ガス又は酸化剤用の通路に大変近い中基板の端部上に少なくとも設けられ、且つ中基板内にだけ星形配置で燃焼室に延びている。

ガス流のための少なくとも１つの通路は、向流燃焼器を囲む圧力補償室に便宜的に接続されており、同じ速度で全ての通路を通って、可燃ガス及び酸化剤が実際に入るか又は排気ガスが出ることを確実にしている。

有利な実施形態において、燃焼室において火炎が安定する要素は、上基板及び／又は下基板に取り付けられている。これらは円筒状の要素であり、例えば、実際の火炎を円筒状に包む。

星形配置において、通路は燃焼室の中間点へ便宜的に向けられており、入ってくるガス流れの衝撃が合計ゼロになるようになっている。しかし、仮想的なシリンダーの外周の接線方向に通路を向けることも可能であり、仮想的なシリンダーは燃焼室と同軸に配置されている。このように、渦火炎が達成される。

上基板及び／又は下基板を、燃焼室の領域において、燃焼を加速化する材料で覆うことができ、その材料は、例えばプラチナであり、陰極スパッタリング又は蒸着のようなマイクロシステム技術の方法を用いて設けられる。

上述したように、等しい量の酸素及び水素が接触すると、全体でゼロの衝撃が結果として起こることはない。このことは少なくとも同一の流速で適用可能である。この問題を避ける又は少なくとも減少させるように前述の処置に加えての処置が、酸素が水素よりも低速で燃焼室に入ることを許容する。これを、終端領域で異なる断面積を有する通路によって特に達成でき、この通路は燃焼室の方に向かっており、特に酸素のために設けられる通路よりも大きな断面積である。

上述したように、上基板及び下基板をも、燃焼室がこれらの基板内に到達できるように、例えば、通路の断面積を増大させるように、マイクロシステム技術の方法を用いて構造化できる。

マイクロシステム技術は、特別な適用の目的のために重要な多くの特徴及び形状を達成できるという利点を、さらに提供する。

導入部で述べたように、低いガス消費を伴う向流燃焼器の多くの適用の一つは、火炎イオン化検出器である。実際、マイクロシステム技術を用いた火炎イオン化検出器を製造することが知られている(WO 2009/036854 A1)。しかし、この検出器では、可燃ガス及び酸化剤は、別々に供給されておらず、特に対向側からではなく、酸水素ガス混合物として既に燃焼室に入る。

通常、火炎イオン化検出器は、酸素供給量の１０倍で高水素流を用いて作動されており、酸素必要量及び遮蔽のために必要である。平面のマイクロ燃焼器において、火炎は、火炎自体によって遮蔽され、空気供給なしで済み且つ火炎が酸水素ガスで作動されるようになっている(WO 2009/036854 A1)。本発明に係る、マイクロ燃焼器の向流方法を用いて、火炎がイオン化力を失うことなく、水素及び酸素の消費量を更に減少できる。

火炎イオン化検出器の機能にとって、平面のマイクロ燃焼器は３つの電極を備えることを必要とし、これらは、電圧が印加される陰極及び陽極、及びリーク流を妨げる保護電極であり、ガラスを通って流れており、その上検出される。

向流燃焼器も、火炎分光法のために用いられる。分析方法によって、光学分光計（原子発光スペクトロメーター、化学ルミネセンス・スペクトロメーター）又は放射源のいずれかだけが、更に用いられる（原子吸光分析法、原子蛍光分光法）。

ガス分析にとって、環境からの火炎の遮蔽は、誤った信号を避けるために、意義がある。この目的のために、ガス放電の開口は、十分に小さな設計でなければならない。火炎安定性を害する、燃焼室内での圧力増大を避けるために、ガスを排出することができる。同時に、室内で生じる負圧をサンプリングに用いることができる。

実施形態の概略図である。 実施形態の概略図である。 実施形態の概略図である。 実施形態の概略図である。 実施形態の概略図である。

本発明は、添付の図面を参照する有利な実施形態に基づく次のテキストにおいて、実施例を用いて記述されている。

図１−５に示されるように、本発明の向流燃焼器は３つの基板を備えており、今回の場合は、ホウケイ酸ガラスからなるより下基板１、シリコンからなる中基板２、及びホウケイ酸ガラスからなる上基板３である。通路４は、中基板２に配置されており、星形配置で燃焼室５の方を向いている。ガスは、いずれの場合にも矢印の方向で、燃焼室５内へ流れるか、燃焼室５から出る。この場合、可燃ガスの流れ方向は「Ｂ」と記されており、酸化剤の流れ方向は「Ｏ」と記されており、及び排気ガスの流れ方向は「Ａ」と記されている。図１の実施形態において、２つの可燃ガスの流れはいずれの場合にも接触し、２つの酸化剤の流れはいずれの場合にも接触し、２つの対向方向の排気ガスの流れＡはいずれの場合にも燃焼室５を出る。このように、火炎の衝撃は合計でゼロである。

また、図２の実施形態では、可燃ガスＢ及び酸化剤Ｏは、いずれの場合にも、通路により、燃焼室５内で対向する形で接触する。しかし、排気ガスは、対応する開口を通って基板の平面に垂直な方向で燃焼室を出ており、この方向は破線の矢印Ａで示されている。

図３の実施形態では、可燃ガスＢ及び酸化剤Ｏは、基板の平面に対して直交する方向で上側又は下側から燃焼室に入り、一方、排気ガスＡは、中基板２上の通路を通って燃焼室を出る。

図４の実施形態では、図１及び図２の実施形態において２つの可燃ガスの流れが接触するように、２つの酸化剤の流れが再度接触し、２つの排気ガスの流れＡが再度対向方向で燃焼室５を出る。しかし、小さなシリンダーが下基板１又は上基板３上に配置されており、燃焼が発生する実際の空間を囲んでいる。これらの直立したシリンダーは、燃焼室の中心の周りに形成される円筒状の表面上に配置されている。

図５の実施形態では、ガスは燃焼室５の中心の方に又は中心から離れる方に向けられているが、燃焼室に接線方向から入り、結果として安定した火炎渦が生成される。更に上述したように、星形配置は或る利点を有している。しかし、他の多くの場合において、星形配置なしで済まされており、例えば２つの通路のみからなっており、２つの通路に一つの側から可燃ガスが供給され、他の側から酸化剤が供給される。

Claims (3)

1. 燃焼室（５）を有しており、可燃ガス（Ｂ）及び酸化剤（Ｏ）が対向側から前記燃焼室に供給される向流燃焼器において、
   相互に連結され、他の上に一つが位置している３つの平面基板（１、２、３）を備えており、
   前記中基板（２）は燃焼室（５）を備えており、前記中基板（２）の平面内に位置する通路（４）が対向方向で前記燃焼室から端部へ通じており、対向方向から前記通路（４）を通って導入される前記可燃ガス（Ｂ）および前記酸化剤（Ｏ）が前記燃焼室（５）内で衝突しており、
   前記上基板（３）及び前記下基板（１）は基本的に閉じられており、
   少なくとも前記中基板（２）はマイクロシステム技術の方法を用いて製造されている、ことを特徴とする向流燃焼器。
2. 前記向流燃焼器が熱交換器である、ことを特徴とする請求項１に記載の向流燃焼器。
3. 前記上基板（３）及び／又は前記下基板（１）は、燃焼室（５）の領域において、燃焼を加速させる材料で覆われている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の向流燃焼器。

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