(57)【要約】【課題】外部からのエネルギー投入量を必要最小限とし、省エネルギーを図る液体燃料燃焼装置を提供する。【解決手段】液体燃料燃焼器において、アルミナ耐熱性多孔体の平均孔径の大きさを上下各部で２種類に区分することにより、任意の最適孔径を持つアルミナ耐熱性多孔体内に直接空気が供給される位置に取り付けることができ、さらに、燃焼容器最下部の中心軸上に超音波発振素子を取り付ける事により、供給空気の圧力損失低減、確実な着火および補助熱源を必要としない液体燃料気化燃焼の自己的な継続、さらに一酸化炭素排出を十分に低減しうる安定燃焼を同時に提供できる構造にした。【選択図】図1
2006052887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部が開口している燃焼器内底部にて液体燃料が溜まり、液体燃料が前記燃焼器上流側の表面で接触するように平板状に形成された赤外光透過性物質から成る第一段目耐熱性多孔体と、前記第一段目耐熱性多孔体の燃焼器下流側の表面に接触するように設置した平板状に形成された赤外光透過性物質から成る第二段目耐熱性多孔体と、燃焼用空気を燃焼器の中心軸線上に対して一定の回転方向に旋回する旋回流を形成するように、前記第二段目耐熱性多孔体の側面位置に設置され、前記第二段目耐熱性多孔体の内部に流入させる燃焼用空気供給口を備えていることを特徴とする液体燃料燃焼装置
【請求項２】
定常燃焼継続時に少なくとも燃焼熱の6.0パーセントを赤外輻射として液体燃料の気化潜熱へ還流し、液体燃料の気化のための補助熱源を省くとともに安定燃焼が継続できるように、細孔半径分布8.0から100マイクロメートルに調整した前記第一段目耐熱性多孔体と、細孔半径分布が1000から3500マイクロメートルに調整した前記第二段目耐熱性多孔体を備えていることを特徴とする請求項１の液体燃料燃焼装置
【請求項３】
燃焼開始時のみ燃焼器最上流部に設置する超音波発振素子の高周波振動を利用して、前記耐熱性多孔体下部より前記液体燃料の細孔内移動を促進し、前記多孔体表面上を可燃雰囲気に至らしめることにより、確実な初期着火手段を設けたことを特徴とする請求項１の液体燃料燃焼装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラバーナ、石油ファンヒータ、石油給湯器等の液体燃料燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料燃焼装置として多孔体をバーナ部に用い、その液体燃料を滴下し多孔体の孔内にて気化および燃焼用空気との強制混合により燃焼を行っている（例えば、特許文献１）。また液体燃料の瞬時的な気化を目的として、超音波素子を燃焼装置に設け高周波振動エネルギーで燃料気化を促進し、非燃焼時における気化用の電気ヒータへの通電を不要にすることで予熱に要するエネルギーを節約している。(例えば、特許文献２)。
【特許文献１】特開平７−９８１０５
【特許文献２】特開平１０−２４６４０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の多孔体をバーナとして備えた液体燃料燃焼装置にあっては、多孔体が燃料や空気を予熱し更に孔内にてそれらが均一に分散するため、噴霧燃焼と比して局所的な燃焼反応が抑制され、燃焼ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の排出を低減しうる。しかし多孔体の孔径が緻密な場合、燃焼用空気の導入に関して圧力損失を伴うため送風機動力が増大するだけでなく、多孔体の孔内における燃料の物質移動が阻害されるため拡散燃焼になりやすく、すすや一酸化炭素の排出が十分に抑制できない。一方多孔体の孔径が粗大な場合、圧力損失が低減され孔内での予混合は促進されるが、燃焼速度が気体流速を上回ることにより逆火の危険性を有するという問題があった。
【０００４】
特に瞬時的な燃料気化および空気との予混合が要求されるため、その燃料気化において電気ヒータによる加熱や液体燃料への超音波照射法が採用されている。しかし前者は非燃焼時においても電気ヒータに通電等行い予熱する必要があるため、燃料気化に要するエネルギーに対して投入する電気エネルギーは損失を有するという問題があった。同様に、後者は燃料気化の優れた応答性を有する反面、燃焼時に液体燃料への定常的な超音波照射による燃料気化を継続させた場合、液体の音波吸収率が周波数の２乗に比例することから、燃料気化に要するエネルギーに対して高周波振動エネルギーは損失の増大を招くという問題があった。
【０００５】
本発明は、逆火や拡散燃焼が起こらず円滑に着火から定常燃焼へ移行でき、一酸化炭素の排出を抑制する多孔体バーナの構造と空気供給方法を提供することを目的としており、同時に非燃焼時における電気ヒータによる加熱や燃焼時に液体燃料への定常的な超音波照射を行うことなく、燃料気化に要するエネルギーを補うための外部からのエネルギー投入量を必要最小限とし、該空気供給方法により送風機動力の負荷を減少させることにより省エネルギーを図る液体燃料燃焼装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の液体燃料燃焼装置においては、燃焼容器内底部に液体燃料の滞留するプールを設け、溜められた液体燃料に下部が浸る耐熱性多孔体をバーナとするとともに、該燃焼容器側面に燃焼用空気の供給口を取り付け、該燃焼容器最低部に電歪型の超音波発振素子を取り付けたものである。
【０００７】
上記耐熱性多孔体には赤外光透過性物質を加工し多孔質に成形したものを用いる。該耐熱性多孔体の平均孔径の大きさは上下各部で少なくとも２種類ないしそれ以上に区分することが好ましく、それぞれ後記する条件範囲における最適な孔径を持つ。該耐熱性多孔体最下部には緻密な孔径を有する赤外透過性物質を用い、またその上部にはそれよりも十分に粗大な孔径を有する赤外透過性物質を用いる。
【０００８】
また、上記燃焼用空気の供給口取り付け位置は、燃焼容器側面の適当な箇所とすることが可能であるが、後記する理由により、特に燃焼容器円周における接線上に、かつ燃焼容器内底部に設置した耐熱性多孔体内に直接空気が供給される位置に取り付けることが効果的である。
【０００９】
さらに、上記燃焼容器最下部の中心軸上に取り付けられた超音波発振素子の上面は液体燃料に接し、該超音波発振素子と液体燃料の固液界面より超音波が液相を伝播する。燃焼器起動時には超音波発振を行い、着火が認められた後超音波発振は止め、かつ液体燃料供給口から上向きで連続的な液体燃料の供給を行うことで定常燃焼を継続する。該液体燃料供給口は上記耐熱性多孔体の下面と接しており、上記燃焼容器底部の該超音波素子取り付け位置中心より燃焼容器側面側に設置し、燃焼量に応じて少なくとも対角線上2つもしくはそれ以上の液体燃料供給口を設けることもできる。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成された液体燃焼器のコールドスタートにおいて、超音波発振素子に周期的な電圧を与えると超音波素子と液体燃料の固液界面より超音波が発振すると、耐熱性多孔体の下面より音圧と毛管圧の相乗効果により液体燃料の細孔へ上方向の浸透が開始する。超音波の伝播する媒体として液体燃料、多孔体、および空気の気液固３相が考えられるが、それぞれの音響インピーダンスから計算される音波の透過率は、一例として石油類からアルミナの場合0.043および石油類から空気の場合0.00010であり液相から他の気、固相への超音波の伝播は無視できうるゆえ、損失なくかつ高速に燃料の細孔内輸送が行われ瞬時的な可燃状態を形成する事を可能とする  。
【００１１】
さらに、上記した理由により超音波は超音波素子から直線的に液相のみに伝播するため、耐熱性多孔体上表面にて着火を行う場合、燃料濃度が超音波の伝播する直線方向以外には分散することなく、耐熱性多孔体表面での局所的な燃料過濃部を形成し確実な着火を提供する。
【００１２】
着火と同時に行われる耐熱性多孔体側面からの燃焼用空気の供給は、耐熱性多孔体内にて燃料と良好な混合、予熱が行われ完全燃焼を促進するように働く。その際、多孔体での圧力損失が送風機動力の負荷に影響を与えない程度の大きさの孔径を用いる事が好ましいため、平均孔径サイズの異なった耐熱性多孔体をバーナ部にて組み合わせる事により、燃焼負荷に応じた所定の燃焼用空気流量に対して、最適な孔径サイズを適応する事が可能となる。
【００１３】
また、該燃焼容器の円周接線上方向に設置された燃焼用空気導入流路は、耐熱性多孔体内部にて旋回流れを能動的に発生させ、半径方向への予混合火炎の広がりを防ぎ該燃焼容器の側壁面と予混合火炎との隔離による断熱的な予混合火炎を形成することにより、反応帯の熱的密度を増大するように働く。
【００１４】
一方、輻射エネルギーはプランクの法則によると、その温度と波長によってエネルギー密度が決定される事が知られており、その最大輻射エネルギー密度を持つような波長をウィンの変位則にしたがって計算すると、一般的な液体燃料の燃焼反応によって得られる温度が1400から1600ケルビンとすれば、その最大輻射エネルギー密度を持つ波長は1.8から2.1マイクロメートルと算出できる。例えば、耐熱性多孔体の材料としてアルミナを選択すると、アルミナ多孔体は平均孔径分布にもよるが、およそ1.5から2.5マイクロメートルまでの近赤外域の波長透過性を有し、燃焼反応によって生じる輻射熱の一部である近赤外域の波長を持つエネルギーを選択的に透過させることができる。上記作用を利用すると、すくなくとも燃焼反応熱の6.0%を還流し、比較的大きな蒸発潜熱を有する液体燃料であるメタノール、エタノール、ディーゼルオイルおよびケロシンの気化潜熱に充てることができるため、補助的なエネルギー（例えば電気ヒータや超音波発振）を要せず、それら液体燃料の気化燃焼が継続するように働くことにより省エネルギー効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態について図面を参照して説明すると、図１において、円筒型容器1内の底部に蒸発皿3を設置し、該蒸発皿を貫通する燃料供給口4を設ける。また該蒸発皿3の中心部開口の下面より電歪式超音波発振素子5を固着し、液体燃料の液溜め6を設ける。液体燃料の上界面に下部が浸るようアルミナ耐熱性多孔体7を設置し、該円筒型容器の中心軸上、該アルミナ耐熱性多孔体の上面中央部に電気放電式イグナイタ9を設置する。
【００１６】
例えば、液体燃料としてエタノールを使用する場合、孔径サイズの異なる二種類のアルミナ耐熱性多孔体を用いると上記作用に対して効果的である。液体燃料と接触する第一段目アルミナ耐熱性多孔体7は、エタノールの表面張力から算出される毛管上昇の発現、および予混合燃焼速度を考慮した逆火が起こらない条件において、該第一段目アルミナ耐熱性多孔体7は細孔半径分布が8.0から100マイクロメートルのものを選定する。また該第一段目アルミナ耐熱性多孔体7の上表面に、第二段目アルミナ耐熱性多孔体8下面が接するように設置する。該第二段目アルミナ耐熱性多孔体8は細孔半径分布が1000から3500マイクロメートルのものを選定する。
【００１７】
供給される燃焼用空気が該円筒型容器の円周接線方向の線流速度を持てるような空気供給口2を、該第二段目アルミナ耐熱性多孔体8側面に当たる高さに調整し、図２に示すように該円筒型容器1の断面直径両端の位置に二箇所各々設置する。この場合、空気流速が1.0メートル毎秒において最大でも11パスカルの圧力損失となる通気性を確保する。  
【実施例】
【００１８】
蒸発皿底部に固着された超音波発振素子を駆動させる事により、液溜めに貯蔵されている液体燃料に超音波が伝播し、該液体燃料は第一段目アルミナ耐熱性多孔体中を、毛管上昇と超音波振動による圧力差の相乗効果により該超音波発振素子を駆動する。図３において、該超音波発振素子の駆動に要する消費電力と該二段目アルミナ耐熱性多孔体表面における燃料濃度の関係を示す。燃料にエタノール、超音波周波数は１．７メガヘルツとした場合、消費電力の増大とともに、該第二段目アルミナ耐熱性多孔体表面におけるエタノール濃度は増大する。一方、１．７メガヘルツ超音波の指向性が高いため、音波の伝播が広がることなく、該第一段目アルミナ耐熱性多孔体および該第二段目アルミナ耐熱性多孔体表面の中央部すなわち該超音波発振素子の取り付け位置から直進的かつ瞬時にして下面よりエタノールが浸透する。その結果、半径分布を見ると中央部、r' / R = 0（ここでr'は中心からの半径方向距離またRはアルミナ耐熱性多孔体の半径、すなわちr' / Rは無次元の半径方向位置を示す）、にエタノール濃度の極大が見られ、この位置のみに着火の際必要な可燃状態を形成する事および確実な着火を提供できる。
【００１９】
さらに、該第二段目アルミナ耐熱性多孔体の上面中央部に設けた電気放電式イグナイタにて着火を行うと同時に、燃焼用空気も供給を開始する。図４において、該第一段目アルミナ耐熱性多孔体および該第二段目アルミナ耐熱性多孔体の温度分布の着火時付近における時間履歴を示す。上記方法にて発振した１．７メガヘルツ超音波の照射と同時に燃焼が開始され、続いて超音波発振を止めても、蒸発皿下面より液体燃料が供給され、該第一段目アルミナ耐熱性多孔体が逆火を防ぐことで燃焼を継続させることができる。
【００２０】
これは、アルミナ多孔体の光学的性質である赤外透過効果によるものである。エタノールの燃焼温度に相当する1400ケルビンに対応する最大輻射強度を有する波長は、ウィンの変位則より計算すると2.1マイクロメートルとなる。一方、該第一段目アルミナ耐熱性多孔体および該第二段目アルミナ耐熱性多孔体は、その孔径とアルミナ結晶から決定される光学的厚さが近赤外域で薄くなり、主に1.5から2.5マイクロメートルの波長光をよく透過するので、燃焼場からの輻射エネルギーの一部を液体の気化熱へ効率よく変換しうることができ、上記に記述するように補助的な熱源を必要とせずに、燃料気化が自己継続的に行うことができ、燃焼プロセスにおいて省エネルギー効果を発揮する。
【００２１】
また、前記した燃焼空気供給方法を採用することによって、空気供給系における圧力損失が殆どなく、気化したエタノールは第二段目アルミナ耐熱性多孔体中にて旋回空気により、均質かつ断熱的な気化燃焼が行われる。この結果、図５に示すような安定燃焼範囲を得ることが可能となる。ここで燃焼排ガス中一酸化炭素濃度および二酸化炭素濃度の比[CO] / [CO2]で表し、該安定燃焼範囲は該比[CO] / [CO2]が0.0020を下回る燃焼状態と定義する。このとき上記条件にて該燃焼装置を用いる事で、操作当量比0.63から0.79に対して一酸化炭素排出量を低減させ安定燃焼を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】液体燃料燃焼装置の縦断面図である。
【図２】空気供給部の横断面図である。
【図３】アルミナ多孔体表面上の燃料濃度分布と超音波出力の相関に関する図である。
【図４】アルミナ多孔体表面上の温度分布と超音波出力の履歴に関する図である。
【図５】当量比に対する一酸化炭素、二酸化炭素排出濃度に関する図である。
【符号の説明】
【００２３】
空気供給口  
5  電歪式超音波発振素子
7  第一段目アルミナ耐熱性多孔体
第二段目アルミナ耐熱性多孔体
【図１】
2006052887.tif 000003
【図２】
2006052887.tif 000004
【図３】
2006052887.tif 000005
【図４】
2006052887.tif 000006
【図５】
2006052887.tif 000007