(57)【要約】【課題】  薪などの植物性燃焼材料を燃料として用いるストーブにおいて、着火し易く、煤、煙、タールを発生することなく、完全燃焼させることができる植物性燃焼材料、植物性燃焼材料を使用する焚き付け方法及びストーブを提供することを目的とする。【解決手段】  ストーブの燃料である植物性燃焼材料として、酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料を焚き付けに使用する。ストーブの燃焼室にて着火され、酸素の存在下、酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して植物性燃焼材料の有機物が完全分解されるため、着火がし易く、煤、煙、タールを発生せずに完全燃焼する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストーブの焚き付け時に使用される植物性燃焼材料であって、前記植物性燃焼材料は酸化物半導体により被覆されており、前記ストーブの燃焼室にて着火されると、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解されることを特徴とするストーブ焚き付け用植物性燃焼材料。
【請求項２】
前記植物性燃焼材料を被覆する前記酸化物半導体は赤錆である酸化鉄粉末であることを特徴とする請求項１に記載のストーブ焚き付け用植物性燃焼材料。
【請求項３】
前記植物性燃焼材料は広葉樹または針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項１または２に記載のストーブ焚き付け用植物性燃焼材料。
【請求項４】
前記薪は針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項３に記載のストーブ焚き付け用植物性燃焼材料。
【請求項５】
酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料をストーブの燃焼室に配置し、焚き付けのために着火し、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解されることを特徴とするストーブの焚き付け方法。
【請求項６】
前記植物性燃焼材料を被覆する前記酸化物半導体は赤錆である酸化鉄粉末であることを特徴とする請求項５に記載のストーブの焚き付け方法。
【請求項７】
前記植物性燃焼材料は広葉樹または針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項５または６に記載のストーブの焚き付け方法。
【請求項８】
前記薪は針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項７に記載のストーブの焚き付け方法。
【請求項９】
酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料を焚き付け時に使用するストーブであって、前記ストーブの燃焼室に配置した前記酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料に焚き付けのために着火し、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解され、前記薪ストーブは排気口を有し、前記燃焼室内の前記排気口に近い領域に酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体が配置され、前記燃焼室から発生するガスが前記構造体を通過する際に、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記ガスが、煤、煙、タールを含まないガスに完全分解されることを特徴とするストーブ。
【請求項１０】
前記植物性燃焼材料を被覆する前記酸化物半導体は赤錆である酸化鉄粉末であることを特徴とする請求項９に記載のストーブ。
【請求項１１】
前記植物性燃焼材料は広葉樹または針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項９または１０に記載のストーブ。
【請求項１２】
前記薪は針葉樹から切り出された薪であることを特徴とする請求項１１に記載のストーブ。
【請求項１３】
前記排気口に近い領域に配置される前記構造体は前記酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体を複数段重ねたものであることを特徴とする請求項９ないし１２に記載のストーブ。
【請求項１４】
前記ストーブの前記燃焼室内の六方の壁付近には酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体が前記植物性燃焼材料を包囲するように配置され、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料が燃焼されて発生するガスが前記構造体を通過する際に、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記ガスが、煤、煙、タールを含まないガスに完全分解されることを特徴とする請求項９ないし１３に記載のストーブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薪などの植物性燃焼材料に工夫を凝らして、着火し易く、煤、タール、臭気の出ない植物性燃焼材料、植物性燃焼材料を用いた焚き付け方法、及び植物性燃焼材料を焚き付けに用いるストーブに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年薪などを燃料とするストーブが見直されて普及している。しかしながら、不完全燃焼による煤、タール、臭気の発生が使いやすさを妨げている。薪ストーブにはこれらを軽減するために様々な構造が提案されている。特許文献１はその工夫のひとつで、一次燃焼室と二次燃焼室の境界に多数の通孔を有する燃焼促進板を垂設することによって、一次燃焼室の熱が逃げるのを防いで高温に保たれるようにしている。これらの工夫によっても煤、タール、臭気の発生を完全に抑え込むことはできない。これらに加えて薪の焚き付け時には特に問題がある。薪は多くの水分が含まれていることが多く、十分乾燥させることなく用いた場合には薪には着火しにくく、着火した後温度が上がるのに時間がかかってその間に大量の煤、煙が発生してしまう。さらに、安定した燃焼状態に入った後でも、薪を注ぎ足す際には同様の問題が発生する。また、冬シーズンの前後に短時間暖房する場合にも着火時間に起因する問題が多い。
ストーブに使用するには薪の湿量基準含水率は２０％以下が望ましいとされている（非特許文献１，２）。非特許文献１には、薪の乾燥速度を調査した結果、当初の含水率がスギ６４％前後、ヒノキ５３％前後であったものが、含水率２０％以下に乾燥するまで、スギで３ヶ月以上、ヒノキで４ヶ月以上は必要であったと記載されている。従って、従来薪をストーブの燃料として使いこなすためには、乾燥に多大な手間と時間を要していたのが実情であった。
また、薪は代表的な植物性燃焼材料であるが、広葉樹から切り出された薪は着火は遅いが熾き火としての時間が長い為、使いやすいとされていた。これに対し、油分の多い針葉樹から切り出された薪は、着火時間が短いことが長所とされる一方、煤、タール、臭気の問題を抱え、さらに急激な温度上昇により炉を傷める場合があるなどの理由で使いにくいとされてきた。この為、価格も広葉樹の薪の半値くらいであった。針葉樹の場合には、広葉樹（セルロース、ヘミセルロース、リグニン等から構成）の成分に松脂成分［テルピン油、ロジンと言う名称の天然ポリマー（主成分はアビエチン酸等の樹脂酸）］が加わるために急激な温度上昇が起こる。しかし、日本の人口林の主体である針葉樹の建築材利用とその端材利用のバランスをとる為には、油分の多い針葉樹を、広葉樹の薪と同等に使いこなせるように工夫することが望まれている。
【０００３】
特許文献２には煙突の付け根に、多孔質の筒体を２重筒としてストーブ本体に内設した簡単な構成を付加するだけで、煙の発生を最小限に止められる軽量で安価な薪ストーブを提供できると記載されている。特許文献１及び２の方法はいずれも燃焼室の熱が逃げにくい構造とすることで燃焼室温度上昇を狙ったものであり、着火時から高温状態に達する時間を短くすることはできても、煙の発生を根本的に抑制することはできない。
特許文献３には一般的に薪ストーブに用いられる薪として、着火は速いが激しく燃焼する針葉樹を由来とする薪と、着火は遅いがゆっくり燃焼する広葉樹を由来とする薪とが使用される。薪ストーブを傷めないためにも、理想的には広葉樹を由来とする薪を使用することが好ましいが、専門店で薪を購入する場合でない限り、針葉樹を由来とする薪と広葉樹を由来とする薪とを選別することは困難である。また、一方で、針葉樹の間伐材を薪として有効利用することも所望されている。このため、薪ストーブにおいて、広葉樹を由来とする薪だけでなく、針葉樹を由来とする薪を使用しても広葉樹を由来とする薪と同様に薪が燃えた後に赤くなる熾き火を長持ちさせられる薪ストーブが望まれている、と記載されている。この課題の解決方法は板状部材に貫通孔を有する複数の突起部を備えるロストルを燃焼室の底面に載置することであり、これにより針葉樹を由来とする薪を使用した場合においても、熱による劣化を抑制し、使用の寿命を延ばすことができる、と記載されている。これもストーブの構造の工夫に係る解決方法である。
特許文献４には円柱状の丸太薪において、その丸太は、外周面からその直径の３分の２以上の深さで木口面と平行に切り込んでなるスリットが、その直径よりも短い所定のピッチで木口面から長さ方向に亘って連設されており、乾燥工程において両端の木口面に加え前記複数のスリットによる切断面を介して水分の放出・乾燥が行われたことを特徴とする発明が開示されている。
このように、水分を多く含む薪は着火しにくく大量の煙を発生するとの問題があり、また、針葉樹の薪は松脂に起因する諸問題を抱えていた。これらの諸問題に対し、これまでのアプローチは、薪をしっかりと乾燥させること、さらに技術的にストーブの構造を工夫することにより完全燃焼しやすくする試みであった。しかし、薪そのものに視点を置いた解決策は従来検討されていなかった。
【０００４】
本発明者の一人はポリマー、ガス体等の有機物からなる被処理物を分解する方法として、半導体を真性電気伝導領域となる温度に加熱して電子・正孔キャリアーを大量に発生させ、被処理物を加熱処理により発現した強力な酸化力を持つ正孔に接触させ、酸素の存在下において被処理物を完全分解する「半導体の熱活性」（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｅｍｉ−Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ：  以下ＴＡＳＣと略称）による処理方法について提案した（特許文献５、非特許文献３）。この現象は、半導体を３５０−５００℃に加熱すると強い酸化作用（結合電子を引き抜く力が強い）を発現する効果で、ポリマーから結合電子を引き抜くと、不安定なラジカルがポリマー内に生成し、これがポリマー内を伝播してさらに増殖し、ポリマー全体を不安定化する。不安定化したポリマーは安定性を維持できずに、自滅するような形で裁断化が誘起され、プロパン等の小分子に裁断化される。続いて、裁断化された小分子は空気中の酸素と反応して、炭酸ガスと水に完全分解される。つまり、あらゆるポリマー（熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー）はＴＡＳＣ触媒により、酸素の存在下で、一瞬にして炭酸ガスと水に分解される。以上のように、ＴＡＳＣ分解過程は、（１）酸化力によるラジカルの生成する過程、（２）ラジカルの伝播により、巨大分子が不安定化され小分子に分解される過程、（３）小分子化された分子が空気中の酸素と完全燃焼する過程の３つの素過程から構成されている。
ここで重要なことはＴＡＳＣ法により小分子化された分子が酸素と反応し、完全分解した際に発生する反応熱を被分解物（本件では薪などの植物性燃焼材料）の加熱に直接的に寄与することである。
ＴＡＳＣ法で使用できる半導体は高温、酸素雰囲気で安定な半導体であれば良い。従って、酸化物半導体が好んで用いられる。酸化物半導体の例として、ＢｅＯ、ＣａＯ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＳｒＯ２、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣｅＯ２、ＭｎＯ、ＧｅＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＰｄＯ、Ａｇ２Ｏ、ＴｉＯ２、ＭｏＯ２、ＰｂＯ２、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＷＯ２、ＳｎＯ２、Ｃｏ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、Ｔａ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｎＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ２Ｓ、ＭｇＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＭｇＣｒ２Ｏ４、ＦｅＣｒＯ４、ＣｏＣｒＯ４、ＣｏＣｒＯ４、ＺｎＣｒ２Ｏ４、ＣｏＡｌ２Ｏ４、ＮｉＡｌ２Ｏ４等がある。この中で、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）は高温安定性（融点：約２２００℃）に優れ、さらに飲料用のガラス瓶の染色にも使われる安全な材料である。また、酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３：ヘマタイト）は、安定性はＣｒ２Ｏ３には及ばないが、安全で廉価な材料であるので実用性が高い。
【０００５】
また、繊維強化プラスチックに同じＴＡＳＣ法を用いて、プラスチックを完全分解し、カーボン・ファイバーやグラス・ファイバー等の強化繊維をほぼ無傷で完全回収する方法を提案した（特許文献６、非特許文献４）。この方法は特にコストの高いカーボン・ファイバー等の繊維を切断するなどのダメージを与えることなく強化繊維を回収して再使用することができるので、非常に有用であり、強化繊維に限らず、無機物とポリマーを混合した複合材料から無機物だけを回収できる普遍性のある方法である。
さらに、加熱処理室にＶＯＣ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、揮発性有機化合物）浄化装置を連結し、合わせガラスなどのプラスチックまたはプラスチック複合材料をＴＡＳＣ法により分解し、無害のガスに浄化する処理装置についても提案した（特許文献７）。
ＴＡＳＣ法で用いる酸化物半導体をＴＡＳＣ触媒と呼ぶが、この触媒は「何回でも使うことが出来る」と言う意味で「触媒」に分類される。しかし、通常の化学触媒とは全く異なる機能を有する。化学触媒は、触媒物質と反応物質が活性錯合体を形成し、活性化エネルギーを下げて反応をより低温で進行させるものである。これに対し、ＴＡＳＣ触媒は、上述のメカニズムにより、ポリマー等の被分分解物を不安定化し、さらに小分子化して十分な酸素下で完全燃焼させるものである。
【０００６】
このように、ＴＡＳＣ効果を利用した有機物の気体（ＶＯＣ、排煙、悪臭など）あるいはミスト状のタール、ＰＭ等の完全分解を実現してきた。さらに、固体では、ポリマー複合化合物のポリマーのみを分解し、中から有価物を回収することに利用してきた。その例として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）から炭素繊維、太陽電池パネルから、ガラス、シリコン・ウェーファー、電極、さらにボンド磁石からレアアース粉体、合わせガラスからガラスの回収に及んでいる。
これらの応用例は、ポリマー（重合体）等の巨大分子をＴＡＳＣ法により裁断化し、裁断化されたて分子を空気中の酸素と反応させて水とを炭酸ガスに分解するものであった。このポリマー分解は原則として、薪のような植物性ポリマー（植物性巨大分子）にも適用されるはずであり、ＶＯＣ、排煙、悪臭などを発生させずに植物性ポリマーを完全分解すると共に、薪の焚き付け時の問題も解決できる可能性がある。このような観点から実験を重ね、本発明をなすに至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０６６０６６号
【特許文献２】特開２０１６−８４９５０号公報
【特許文献３】特開２０１５−１７５５７７号公報
【特許文献４】特開２０１５−８１３３２号公報
【特許文献５】特許第４５１７１４６号
【特許文献６】特許第５９０４４８７号
【特許文献７】特開２０１６−１７２２４６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】古川邦明、“針葉樹薪の乾燥過程を調べました”、［ｏｎｌｉｎｅ］、２０１３年１２月、岐阜県森林研究所森林のたより、［平成２９年１１月２８日検索］、インターネット，＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｏｒｅｓｔ．ｒｄ．ｐｒｅｆ．ｇｉｆｕ．ｌｇ．ｊｐ／ｒｄ／ｋａｎｋｙｏｕ／ｍｏｒｉ１３１２０１．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】“薪の種類と薪に適した木”、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２９年１１月２８日検索］、インターネット，＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐｌｕｓｉｎｃ．ｊｐ／ｗｏｏｄｓｔｏｖｅ−ｇｕｉｄｅ／ｆｉｒｅｗｏｏｄ／＞
【非特許文献３】Ｔ．  Ｓｈｉｎｂａｒａ，  Ｔ．  Ｍａｋｉｎｏ，  Ｋ．  Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｍｉｚｕｇｕｃｈｉ：  Ｃｏｍｐｌｅｔｅ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ｂｙ  ｍｅａｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｈｏｌｅｓ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ９８，  ０４４９０９  １−５  （２００５）
【非特許文献４】水口  仁：半導体の熱活性によるＦＲＰの完全分解とリサイクル技術、加工技術  ４７巻，  ３７−４７  （２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は薪などの植物性燃焼材料を燃料として用いるストーブにおいて、焚き付け時に着火し易く、煤、煙、タールを発生することなく、完全燃焼させることができる植物性燃焼材料、植物性燃焼材料を使用する焚き付け方法及びストーブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るストーブの焚き付け用植物性燃焼材料は、前記植物性燃焼材料は酸化物半導体により被覆されており、焚き付け時に前記ストーブの燃焼室にて着火されると、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るストーブの焚き付け方法は、酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料をストーブの燃焼室に配置し、焚き付けのために着火し、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解されることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明に係る酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料を焚き付け時に使用するストーブは、前記ストーブの燃焼室に配置した前記酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料に焚き付けのために着火し、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記植物性燃焼材料の有機物が完全分解され、前記薪ストーブは排気口を有し、前記燃焼室内の前記排気口に近い領域に酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体が配置され、前記燃焼室から発生するガスが前記構造体を通過する際に、酸素の存在下、前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度で、前記正孔の酸化力を利用して前記ガスが、煤、煙、タールを含まないガスに完全分解されることを特徴とする。
【００１３】
本発明において植物性燃焼材料には薪、竹、枯れ草などが含まれる。従来ストーブの燃料としては大量の煙が発生するなどの理由で使われなかった植物性燃焼材料であっても、本発明の酸化物半導体被着により、着火しやすく、煙などを発生しない燃料として使用し得る。従来ストーブに使われる薪は広葉樹由来が主であり、針葉樹由来の薪は使いづらいとされてきたが、針葉樹の薪でも本発明のＴＡＳＣ法で分解すると、薪は着火し易く全般に燃えやすくなるが、燃焼は（爆発的では無く）穏やか、あるいは定常的であるので急激な温度上昇は発生しない。そのため、問題なく針葉樹から切り出した薪を使用することができる。これは、日本の人口林の主体である針葉樹の建築材利用とその端材利用のバランスをとることに大いに貢献する。
【００１４】
前述したように種々の酸化物半導体が利用可能であるが、本発明においては最も安価な酸化鉄（α−Ｆｅ２Ｏ３：ヘマタイト）を用いるのが良い。酸化鉄にはα−Ｆｅ２Ｏ３，  γ−Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４があるが、α−Ｆｅ２Ｏ３は赤錆、ないしは弁柄（弁柄）と呼ばれる赤色無機顔料として広く知られている。酸化鉄粉末で薪を被覆する方法は酸化鉄の懸濁液に薪を浸すディッピング法、酸化鉄を含む液を噴霧するスプレー法などいくつかあるがそのいずれでも良い。酸化物半導体である酸化鉄と薪表面の接触点でラジカルが発生し、これがポリマー内を伝播・増殖するので、被覆膜がチップ全体を覆っている必要もなく、付着膜の一様性も問題にならない。着火により一部分で火がつけば、薪の表面横方向、深さ方向のいずれにもラジカルが急速に伝播して薪全体で反応が進むから、薪を細かなチップに寸断しておく必要はなく、燃焼室に配置しやすい形状であればよい。
薪に含有される水分量が多少多くてもＴＡＳＣ作用によりラジカルが伝播して薪全体の温度が穏やかに上昇して反応が進む。従来の薪ストーブにおいては含水量が概ね２０％以上の場合に着火しにくく大量の煙が発生して安定状態に達するまでの時間が長くなるから、２０％以上の水分を有する市販の薪を燃料として用いた場合に、本発明は従来法に対して特に著しい効果をもたらす。
排気口に近い領域に配置される構造体は酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体を複数段重ねたものにするとより完全な浄化作用が得られる。また、燃焼室内の六方の壁付近に酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体を燃料である植物性燃焼材料を包囲するように配置しておくと、植物性燃焼材料の燃焼によって生ずるタールを含むガスが構造体を通過する際にＴＡＳＣ効果により完全に水と炭酸ガスに分解され、煙突から排気されるガスには煤、煙、タールは含まれなくなる。通気性を有する構造体に担持される酸化物半導体としてはより安定性に優れたＣｒ２Ｏ３を用いるのが良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、薪などの植物性燃焼材料をストーブの焚き付けに使用した時、着火が速く、材料全体が燃えやすくなり、しかも燃焼は穏やかに進むのでストーブを傷めることがなく、広葉樹由来の薪だけでなく油分を多く含む針葉樹由来の薪も問題なく使用することができ、日本の人口林の主体である針葉樹の端材利用に大いに貢献できる。また、２０％以上の水分を含む薪であっても、着火しやすく、煤、煙、タールを発生することなく、排気できる薪ストーブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料を焚き付け時に使用するストーブの構造を示す図である。
【図２】赤錆被着バイオチップの（ａ）燃焼前と（ｂ）燃焼中の状態を示す図である。
【図３】赤錆を被着しない無垢のバイオチップの（ａ）燃焼前と（ｂ）燃焼中の状態を示す図である。
【図４】赤錆を被着したスギ木片の（ａ）燃焼前の、（ｂ）電気炉内で燃焼させた際の、（ｃ）電気炉の出口に置いたビーカーに凝縮したタールの状態を示す図である。
【図５】赤錆を被着しない無垢のスギ木片の（ａ）燃焼前の、（ｂ）電気炉内で燃焼させた際の、（ｃ）電気炉の出口に置いたビーカーに凝縮したタールの状態を示す図である。
【図６】赤錆を被着したナラ薪を示す図である。
【図７】赤錆を被着しない無垢のナラ薪を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料を焚き付け時に使用するストーブ３の全体図を示す。酸化物半導体により被覆された植物性燃焼材料としてここでは赤錆である酸化鉄に被覆された薪１とする。まず、燃焼させる薪を酸化鉄粉末により被覆しておく。薪の表面に酸化物半導体を被着させる方法としては、酸化物半導体の懸濁液に被処理物をディップ・コーティングする方法、酸化物半導体を含む溶液を被処理物にスプレーする方法、酸化物半導体を含む溶液を被処理物に“はけ”で塗る方法などのいずれでも良い。薪１を燃焼させ、排気口６である煙突から排気する処理の流れは以下のようである。燃料である赤錆酸化鉄に被覆された薪１を燃焼室４内の燃料台２に設置する。燃料台には後述する酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体７と同じものを使用すれば、通気性があり有機物の分解を補助するので好ましい。燃焼室４には空気導入口５から新鮮な空気が導入される。赤錆被着薪１に着火すると、ＴＡＳＣ効果により着火が薪全体に素早く拡がり、有機物が分解されてガス化する。ストーブの排気側には排気口６である煙突が配置されており、排気口付近には酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体７が配置されている。通気性を有する構造体としては３次元セラミック体を用いるのが良く、酸化物半導体としては安定性に優れたＣｒ２Ｏ３を多くの場合に用いる。燃焼した薪から発生したガスが酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体７を通過するときにＴＡＳＣ効果が作用してガスは炭酸ガスと水に完全に分解されるため、排気口から排出されるガスには煤、煙、タールなどは一切発生しなくなる。酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体７は酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体を複数段重ねたものとすると良い。３次元セラミック体の通気性はメッシュ・ナンバーで自由に制御できるので、構造体段数と組み合わせて最適な通気性に設定しておけば、燃焼室で発生した熱を無駄に排気口に逃すことなく、ガスの完全分解を実現することができる。燃焼室４内の薪１の上下、左右、前後の六方の壁付近に酸化物半導体を坦持した通気性を有する構造体７を薪１を包囲するように配置すると効果がさらに高まり、燃焼室の壁の汚染防止の観点からも好ましい。
【実施例１】
【００１８】
木材を燃焼させるにあたり、バイオチップと半導体とを接触させるため、赤錆の懸濁液にバイオチップ（２０Ｗｘ３０Ｄｘ３Ｈ  ｍｍ）を浸漬させ、赤錆をチップの表面に塗布した（図２ａ）。これを３６０℃に加熱したホットプレート上で燃焼させて観察すると、図２ｂに示すように、ラジカルがバイオチップ内を伝播して小分子化が起こるため、試料全体がほのかに赤い状態を示した。この状態が数秒続くと、分子の小分子化が完了し、一瞬にしてバイオチップ全体が完全燃焼した。
比較例１
【００１９】
赤錆を塗布していない無垢のバイオチップ試料（２０Ｗｘ３０Ｄｘ３Ｈ  ｍｍ，図３ａ）を３６０℃に加熱したホットプレート上で加熱すると、図３ｂに示すようにチップは直ちに湾曲し、ホットプレートと接触している部分でのみ燃焼反応が進行している。このように、赤錆被着木片では無垢の木片に比べてＴＡＳＣ効果により着火が速く、しかも全体に広がることを確認できる。
【実施例２】
【００２０】
赤錆被覆のスギの木片（２０Ｗｘ３０Ｄｘ２０Ｈ  ｍｍ，図４ａ）を、電気炉内で、空気中３００℃下で３０分間熱処理をした際の燃焼状況（図４ｂ）、ならびに電気炉の出口にビーカーを置き、ビーカーに凝縮したタールの発生量を観察した結果（図４ｃ）を示す。赤錆被覆試料では、完全に燃焼し、灰色の無機残渣と赤錆の赤残渣が認められる。ＴＡＳＣ効果による小分子化の効果が顕著に認められている。赤錆被覆試料の場合には図４ｃでタールの凝縮は認められない。
比較例２
【００２１】
赤錆を被着しない無垢のスギの木片（２０Ｗｘ３０Ｄｘ２０Ｈ  ｍｍ，図５ａ）を、電気炉内で、空気中３００℃下で３０分間熱処理をした際の燃焼状況（図５ｂ）、ならびに電気炉の出口にビーカーを置きビーカーに凝縮したタールの発生量を観察した結果（図５ｃ）を示す。無垢の木片の場合には、木片は全体に縮み、黒色の炭素層が形成されて、燃焼に至っていない。また、図５ｃでは、無垢試料で大量のタールが発生していることを確認できる。
実施例３
【００２２】
ナラ薪に赤錆を被覆して、ストーブ内に配置して実験を行った。赤錆のコーティングに際し、赤錆の粉体と少量のバインダーからなる懸濁液を調製した。この中に薪（ナラ）を約１−３秒間浸漬し、引き上げて乾燥させた［図６］。焚きつけ用の赤錆を被覆した薪４本（３ｃｍ角、長さ３６ｃｍ）で井桁を組み、この上に２本の赤錆を被覆した薪（約１５ｃｍ径の半割り薪、長さ３６ｃｍ）を載せて着火ボンベ（Ｓｕｐｅｒ  Ａｃｅ  ＢＴ−２０ＬＹ：栄製機）で着火を開始すると赤錆を被覆した薪は１分１０秒で自燃を始める。着火は非常に速く、燃焼状態も、薪全体が赤くなり、薪の表裏から燃えていた。この燃焼挙動は実施例１の赤錆塗布試料の結果（図２ｂ）とほぼ同じであった。外部の煙突から臭気は認められなかった。煙突の途中に開けられた穴からガスを採取し、フィルター紙を通してガスの汚染度を観察した。評価方法はスモーク・テストと呼ばれる評価１−９段階の汚染度の評価テスト方法であり、評価１は無色（白：フィルターの色）、評価９は煤で真っ黒の状態である。薪を燃焼させたときに水蒸気が出るため、汚染が全く無くても、フィルターは僅かに黄色を帯びていて、これは評価２となる。本実施例の結果は黄色を帯びた水を含んだスポットが得られ、評価４であった。評価４は評価２よりやや黄色が濃くなった状態であるが、かなり良い状態と言える。被覆試料の着火の速さや薪全体に及ぶ燃焼挙動は、比較例３の無垢試料に比べて格段に顕著であった。これより、赤錆被覆の効果は十分にあったと判定した。つまり、煤、タール、臭気が抑制されること、さらにＴＡＳＣ効果により、小分子化が起こるので、着火が極めて速いことが確認された。また、燃焼は穏やかであり、急激な温度上昇は認められなかった。
通常、市販されている乾燥薪では含水率が２０−２５％と言われ、本実施例に用いた薪も該当する。この程度の含水率の薪でも赤錆被覆により着火が早く、燃焼が穏やかであるとのＴＡＳＣ効果の特徴は有効に作用することが実証された。
比較例３
【００２３】
実施例３と同様の実験を無垢のナラ薪［図７］で行った。着火には約４分２０秒かかり、自燃に入っても、炉床側（薪の下側）のみが燃焼し、薪の裏側にまで火が回ることは無かった。この挙動は、比較例１の無垢試料の挙動（図３ｂ）と非常に類似していた。また、外に据えてある煙突の出口からはかなりの臭気が観測された。スモーク・テストではフィルター紙は黒色であり評価９であった。
なお、実施例３及び比較例３におけるストーブには図１のストーブに配置した酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体７は配置されていない。そのため、比較例３においては赤錆被着薪によるＴＡＳＣ効果および酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体によるＴＡＳＣ効果のいずれも作用することはない。
実施例４
【００２４】
熾き火のある状態で、それぞれ、アカマツを赤錆で被覆した薪（約１５ｃｍ径の半割り薪、長さ３６ｃｍ）２本、ナラを被覆した薪２本、さらに無垢のナラ２本の薪をストーブに注ぎ足した実験をおこなった。アカマツを赤錆で被覆した薪は直ぐに燃焼状態に入り、スモーク・テストの結果は評価２であった。さらに、ナラを被覆した薪での燃焼の立ち上がりは速く、スモーク・テストの結果は評価３であった。
比較例４
【００２５】
これに対し、赤錆被覆のない無垢のナラでは立ち上がりが遅く、煙が認められ、スモーク・テストの結果は評価４であった。これらの結果から、無垢のナラ薪に比べて、赤錆被覆はアカマツ、ナラの薪にも有効であり、薪の注ぎ足し時にも煤、タール、臭気が格段に軽減されることが確認された。
実施例５
【００２６】
針葉樹の薪は、油分が多く、着火が速いが直ぐに燃え尽きる（つまり、熾き火の状態が短い）と言われている。針葉樹であるアカマツの無垢の薪と赤錆を被覆した薪で燃焼状態をつぶさに観察した。
薪の燃焼状況を如実に目視する為に、屋外（外気温３℃）で燃焼実験を行った。４ｃｍ角、長さ２０ｃｍの焚きつけ用のスギ薪を井桁形に組み、その上に、四つ割りにした１ｋｇの無垢ならびに赤錆被覆薪を載せて着火した。外気温が低いために、薪が自燃を始める立ち上がり時間はストーブ内に比べると長めで、無垢薪では５分、赤錆被覆薪では２分を要した。無垢と赤錆を施した薪の燃焼状況は顕著に異なっていた。赤錆を施した薪では、すぐに薪全体に炎が広がったのに対し、無垢の薪では、燃焼は焚きつけ薪と接触している部分にとどまった。さらに顕著な相違は、赤錆を施した薪では、薪の内部がほのかに赤味を帯び、内部からガスが噴き出し、燃焼していることが確認された。薪内部は、噴火中のマグマのような様相を呈していた。これに対し、無垢の薪では、主として、燃焼は焚きつけ薪に接する下部の表面でのみ起こっていた。約１時間後には無垢の薪の火は消え、冷えた状態では炭となった。これに対し、赤錆被覆薪ではその後も２０分程ゆっくり長時間にわたり燃焼が進行し、消えたが、残渣はほとんどが灰であった。以上の結果から、赤錆被覆薪では、無垢の薪に比べ、着火が速く、その後も安定した燃焼（穏やかな燃焼）が続き、さらに、燃焼時間が長く、炭として残存する残渣は格段に少なかった。つまり、完全燃焼に近いことが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、薪ストーブの燃料として用いる植物性燃焼材料に赤錆酸化鉄を被着させるだけの安価で簡単な処理により、着火がしやすく、短時間で安定状態に達して煙突から煤、煙、タールが発生しない。多少水分を含んでいても使用できるので、従来より使い勝手を大幅に改善できる。薪以外の広範囲の植物性燃焼材料を使用可能とする。広葉樹だけでなく安価な針葉樹も使えるので低コストが実現できて、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００２８】
１  赤錆酸化鉄に被覆された薪
２  燃料台
３  ストーブ
４  燃焼室
５  空気導入口
６  排気口
７  酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体
８  ガスの流れ  
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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