TWI223047B - Microcombustion heater having heating surface which emits radiant heat - Google Patents

Description

玖 發明說明： 【發明所屬之技術領域】

本發明係關於直徑為— 公分至數公分的小型燃燒加熱 【先前技術】 制在用於加熱玻璃管中之材料以製做半導體或類似物的 :程中，該玻璃管可為多數個小型加熱器所圍繞而形成適 田的壁板加熱器’且各小型加熱器的加熱速率係經控制而 控制加熱物體的溫度分佈。 、倘右该小型加熱器為燃燒式（亦即燃燒加熱器），則通 常難以進行穩定的燃燒。因A，製造半導體係使用小型電 氣加熱器。 另一方面’被稱為瑞士捲式燃燒器（Swiss-r011 combustor)的小型燃燒器已為所熟知，茲將其說明如下。 第5A圖係表示一維（olle_dimensional)逆流式燃燒熱 交換器之結構。在該圖式中，元件符號1代表加熱壁，而 符號2代表熱絕緣壁。加熱壁1具有高傳熱能力，而熱絕 緣壁2的傳熱能力低於加熱壁。因此，當這些壁面由相同 材料製做時，加熱壁1會做得較薄，而熱絕緣壁2會做得 較厚。 符號3所示的箭號代表燃料氣體與空氣之預混合氣體 的氣流方向，而符號4所示的箭號代表燃燒氣體的氣流方 向。符號6代表預混合氣體的入口，而符號7代表燃燒氣 體的出口。預混合氣體的氣流方向與燃燒氣體的氣流方向 6 314641 1223047 (其間配置有加熱壁1)係彼此相反。亦即，預混合氣體係藉 由燃燒氣體而以加熱壁1進行加熱，並接著在燃燒室8中 燃燒，而產生火焰9。 符號10代表預混合氣體的通道，而符號u代表燃燒 氣體的通道。預混合氣體通道1 〇的寬度具有特定的泮熄距 離（quenching distance，說明如下）或更小距離。因此，火 焰9不會穿經通道10而逆流，即使當為燃燒氣體所加熱之 通道1 0的溫度大幅升高時亦然。 此外，用於引發燃燒的火星塞（未表示於圖式中）係設 置於燃燒室8中。 以下說明淬熄距離。 如所周知，燃燒為空氣中的氧氣與燃料反應所引起並 產生燃燒氣體的加熱現象。倘若使用氣相燃料，則氣相燃 料與氧氣反應而產生火焰。火焰係因氧氣與燃料氣體之自 由基間的直接反應所產生，且該自由基係於高溫下產生。 火焰會造成連鎖反應，並因而立即傳導。然而，當自由基 碰撞堅實的壁面時會產生鈍化；因此，火焰無法穿經位於 堅實壁面間的窄通道進行傳導淬熄距離代表有限寬度的窄 間隙，亦即，倘若間隙寬度為淬熄距離或更小距離，則火 焰無法穿經間隙流動。該淬熄距離係與依存於預混合氣體 種類的燃燒速度相關。 下列表1代表預混合氣體之燃燒速度與淬熄直徑（用 於具有圓形剖面的通道）之間的關係。倘若通道的橫剖面不 是圓形，則可使用下列的有效直徑。 314641 7 有效直徑=(窄間隙的橫剖面面積）χ 4/(間隙剖面各邊 的總和） 表1 預混合氣體 燃燒速度 (cm3/cm2/s) 淬媳直徑（mm) 空氣 口 ---— 45.7 2.7 空氣 39.6 3.0 空氣 7 " --- 70.1 1.9 空氣 " 一 ' -— 176.8 0.79 空氣 335.3 0.86 第5B圖為所謂瑞士捲式燃燒器之二維燃燒器$的剖 面圖，其係藉由將前揭—維燃燒器的通道排列成螺旋狀而 成’其中燃燒室8係定位於螺旋中心。 瑞士捲式燃燒器5的裝置尺寸雖然很微小，但是其為 具：微小熱損失的蓄熱式熱交換器。預混合氣體係於燃燒 ^前先予預熱，以便可執行可靠的燃燒，且甚至可以具有 約1 . 3之特定理論燃料_空氣比例（或當量比例）的非易燃 性預混合氣體來進行燃燒。 如前所述，通常用於加熱半導體的小型加熱器為電氣 加熱器，而電氣加熱器會消耗昂貴的電能（該電能會轉換為 熱能）。因此，該類型的加熱器並不經濟。 另一方面，前述瑞士捲式燃燒器5無法作為具有加熱 面之裝置的燃燒器；在具有加熱面的裝置中，標的物係由 加熱面發射的輻射熱所加熱。 314641 8 1223047 【發明内容】 考量前揭狀況，本發明之目的在於藉由提供加熱面作 為燃燒器的外表面而改良瑞士捲式燃燒器，以便提供小型 但可執行可靠燃燒的小型燃燒加熱器。 因此，本發明提供一種具有預混合氣體通道用於導通 燃料與空氣之預混合氣體，並且連通至燃燒室，同時具= 燃燒氣體通道用於自燃燒室抽取燃燒氣體的小型燃燒加熱 器，其中， 70 …、 該預混合氣體通道與該燃燒氣體通道係以加熱壁設置 於通道之間的方式排列成螺旋狀； 該預混合氣體通道的寬度為淬熄距離或更小距離，而 該淬熄距離係依據預混合氣體的種類而定； 小型燃燒加熱器具有二個外表面，該二個外表面用於 由加熱壁之上下緣的二端固定螺旋通道，且螺旋通道 置於其間；以及 至少-個該外表面w於發射㈣熱的加熱面。 該小型燃燒加熱器在平面圖上可 形 口上J具有貫質圓形或多ϋ 在一較佳實例中，螺旋通道係安置於耐熱加熱板㈣ 絶緣板之間，且耐熱加熱板的外表面作用為加埶面。 根據前揭結構’預混合氣體的氣流方向與燃燒氣體, 乳流方向彼此相反，以使相反氣流間進行充分㈣交換 因此’抽入燃燒室8中的預混合氣體係經充分地預敎，, 可進行可靠的燃燒。此外，當燃燒氣體釋出時，氣體 314641 9 夠低。因此，由燃燒氣體釋出 小型燃燒加熱器的裝置雖小 佳的燃燒穩定度。 所造成的熱損失很小。因此， ’但疋具有高度的熱效率與極 +再者，預混合氣體通道的寬度為淬媳距離或更小距 離。因此’火焰不會穿經預混合氣體通道逆流，安全性高。 此外’小型燃燒器的表面之—為發射輕射熱的加熱 八中累旋通迢係形成於該表面之間。因此，可以輻射 熱有效地加熱標的物，並同時精確控制標的物的溫度分 佈。因此，該小型燃燒加熱器的裝置雖小，但是具有高熱 效=，且該小型燃燒加熱器的性能穩定。因此，該燃燒加 熱為可作為電氣加熱器的替代物。 【實施方式】 茲芩考圖式將本發明的實施例說明如下。 弟1A圖與第1B圖為本發明實施例之小型燃燒加熱器 結構圖。帛1A圖為平行於加熱面(說明如下)之平面方向的 剖面圖，而第1B圖為沿著中心線的橫剖面圖。在這些圖 式中，與前揭第5A圖及第5B圖相當的部位係以相同的參 考數子表示，並簡化或省略相同的說明。 在第1A圖與第1B圖中，元件符號1代表加熱壁，而 元件符號2代表熱絕緣壁。 如圖所示，用於空氣與燃料氣體之預混合氣體的通道 1〇及用於燃燒氣體的通道u係以加熱壁i安置於通道 10、11之間的方式形成，其中預混合氣體被抽入燃燒室8 中’而燃燒氣體係由燃燒室8抽出。這些通道Μ 3]464】 10 舍所 係疋位於螺旋中心。第1A圄矣- 焉質圓形的螺旋狀；然而 圖表不 .. 而通逼可形成為長方形的螺旌妝 此外，預混合氣體诵指]η ΑΑ〜 $敌狀。 的覓度為淬熄距離或更小距籬 小型燃燒器12(其作 巨離。 揭诵、曾】〇、， , 為况明如下）係由燃燒室s與前 1至广、、1所形成。較佳方式係小型燃燒器12為直秤 至5公分的圓形，或各邊為公分的正方形直仏 的頂面與底面。 土人、、乂杰12 力=板13錢㈣如鎳㈣耐熱硬烊料金屬 辟加熱壁！與熱絕緣壁2的上緣。在此，加熱板 土1及熱絕緣壁2上缘之η & & 一加熱 倘若燃燒器在（耐埶硬焊料今 "口此， 高溫下使用，則僅有力熱性變成無效)的非常 更用則僅有加熱板13的外緣部位可 焊接於壁面的接觸部位 …、D至 緣接觸。 力°熱板13的内部區域僅與壁面上 諸如S_6、SUS310之耐熱不鐵鋼或諸如英㈣ lnconel)之耐熱合金可用於製做小型；^哭丨7 β Λ 。 13。 i Μ粍杰12與加熱板 小型燃燒器12很小；因此，較佳 挖掘通道10、丨1。在使料㈣^切'於純的材料上 使料鏽鋼的Μ實例巾，加熱壁i 為〇·3_，而熱絕緣壁2的厚度約為“。 力埶^弟甘1Β圖中，符!虎⑴代表作為加熱板U之頂面的 …面，其發射出可加熱標的物的輻射埶。 曲線代表加熱S13a的溫度分佈。·、…㈠虎16所不的 31464] 1】 1223047 此外，用於引發燃燒的火星塞（未示於圖中）設置於燃 燒室8中。 以下說明本實施例的功能。 如前所述，在小型燃燒器12中，燃燒室8設置於燃燒器的 中心，且用於空氣與燃料氣體之預混合氣體（被抽入燃燒室 8中）的通道1 0及用於燃燒氣體（由燃燒室8抽出）的通道丄i 係排列成螺旋狀，而加熱壁1係安置於通道1 〇、1 1之間。 因此’預此合氣體的氣流方向與燃燒氣體的氣流方向彼此 相反，以使相反氣流間進行充分的熱交換。 因此，抽入燃燒室8中的預混合氣體係經充分地預 熱，而可進行可靠的燃燒。此外，當燃燒氣體釋出時，氣 體溫度夠低；因此，由燃燒氣體釋出所造成的熱損失很小。 再者，預混合氣體通道的寬度為淬熄距離或更小距離。因 此，火焰不會穿經預混合氣體通道1〇逆流，所以安全性 句刀。热囟，以便形 =熱器叫見第_);纟中螺旋通道係形成於該表面： J因此，該小型燃燒加熱器的裝置雖小，但是具有言 效率。因此，該小型烬燒加埶 〇 埶界可作… 為的性能穩定，且該燃燒 …u 了作為电氣加熱器的取代物。 分析以下說明根據本發明之小型燃燒加熱器所進行的模: 弟2圖為用於模型分析之小型燃燒加熱器在平面方f 31464] 12 1223047 上的剖面圖，纟中該平面方 加熱面。該小龍^ +仃於小型燃燒加熱器的 - “ 的直徑為5〇_，而夂i… 覓度與深度則分別為4mm與 d通遏的 、bmm。各壁面的厚度A 1r^ 該預混合氣體為甲烷與空氣 又為lnm。 〇·6。 札立田里比例為 平田η表 舳汰曰〜,、 肛成圆八甲，縱輛， 孕代表，皿度（c )。圖中曲線說明如下 繪有符號“X，，的虛螝冲本说& r 扪显、、杲代表燃燒所產生的熱量。 繪有白色矩形符號的竇的 量。 寸㈣λ、線代表可有效使用的輕射熱 /繪有黑色矩形符號的交錯長短虛線代表熱傳損失，並 係因加熱面13a所產生的自然對流而釋出至大氣。/、 繪有圓形符號的虛線代表當燃燒氣體排出時，釋 燃燒器外部的熱損失。 至 第4圖為可有效率利用的熱能與各熱能損失間之比例 圖。在該圖式中，縱軸代表比例（在此，總熱量為丨），而= 軸代表溫度（°C )。與第3圖中之曲線相當的各曲線具有如、 前所述的相同意義。 如圖所明示，當加熱面13a的溫度為70(rc或更高時 約60至65%之燃燒熱量可有效地作用為加熱標的物的1 射熱。 本發明並非僅限於前揭實施例，而得以在本發明的精 神與範*壽中進行變更與修改。 【圖式簡單說明】 31464] 13 ^223047 第1A圖與第1B圖為本發明每μ 結構的圖式，其中第1 A圖為平 y、^燃燒加熱器 岡达— 方向的剖面圖，而楚^

圖為沿者中心線的橫剖面圖。 而弟1 B 第2圖為用於模型分析之小 上的剖面圖。 型燃燒加熱 益在平面方向 與溫度間的關係。 ’、μ圖式顯示熱流量 第4圖為模型分析的結果圖，其中 比例間的關係，該比例為可有 ^ *、'不/皿度與 間的比例。 “率利用的熱與各熱損失之 第5Α圖與第5Β圖為用於說 式，直中第5AFII-也 月％ 士捲式燃燒器的圖 式”中弟5Α圖表不一維燃燒器 第5Α圖的結構排列成 弟5Β圖表-精由將 旳衣做成的二維燃燒器。 1 加熱壁 3、4 氣流方向 6 預混合氣體入口 8 燃燒室 10 預混合氣體通道 12 小型燃繞器 13a 加熱面 15 熱絕緣板

2 熱絕緣壁 5 二維燃燒器 7 燃燒氣體出口 9 火焰 11 燃燒氣體通道 13 加熱板 14 加熱器 16 溫度分佈曲線 31464] ]4

Claims (1)

1223047 拾、 2. 3. 4. 申喷專利範圍： .小型燃燒加熱器’具有：用於導通燃料與空氣之預 =體，(且連通至燃燒室)的預混合氣體通道= 用於自該燃燒室抽取燃燒氣體的燃燒氣體通道，立中· =合氣體通道與該燃燒氣體通道係以加熱壁 °又置於该通逼之間的方式排列成螺旋狀； 該預混合氣體通道的寬度為淬熄距離或更小距 肖’其歹中該淬媳距離係依據該預混合氣體的種類而定，· 该小型燃燒加熱器具有二個外表面，該二個外表面 用：由:亥加熱壁之上下緣的二端固定該螺旋通道，且該 螺旋通道係安置於其間；以及 X 士申2 —個該外表面為用於發㈣射熱的加熱面。 如公專利範圍第1項之小型燃燒加熱器，其中，該加 熱益在平面圖上具有實質圓形。 如：請專利範圍第1項之小型燃燒加熱器，其中，該加 熱斋平面圖上具有多邊形。 如申請專利範圍第1項之小型燃燒加熱器，其中…亥螺 旋通道係安置於耐熱加熱板與熱絕緣板之間，^ 熱板的外表面作用為加熱面。 …加 3146J4 】5