(57)【要約】【課題】  多孔質エレメントの面積を小さくしたときの燃焼の安定を図る。また空気供給装置の小型化を実現する。【解決手段】  セラミックス繊維２２を耐熱性のあるバインダー２３を介して結合させて成形し、多孔質エレメント２０を得る（請求項１）。セラミックス繊維を用いるため、ポーラスな燒結金属を用いる場合よりも高い気孔率を実現でき、同時に熱放散を抑えて下流表面における燃料の蒸発を高い次元で保証することが出来る。上流側から空気とともに送り込む液体燃料は、セラミックス繊維の隙間を通って素早く下流表面で均質に拡散し、好ましい燃料相を形成する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質エレメントの上流側から霧化させた液体燃料と燃焼用空気を送り込み、多孔質エレメントの上流側表面に液体燃料の薄膜を形成させ液体燃料と空気の混合相を燃焼させる燃焼装置において、
前記多孔質エレメントは、セラミックス繊維を耐熱性のあるバインダーを介して結合させて成形したことを特徴とする多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【請求項２】
多孔質エレメントは、気孔率を６０〜９５％とすることを特徴とする請求項１記載の多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【請求項３】
多孔質エレメントは、かさ密度を０．２〜０．７ｇ／ｃｍ３とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【請求項４】
多孔質エレメントは、その内部にセラミックス繊維で成形したネット材を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【請求項５】
セラミックス繊維は、平均繊維径を２．５〜５０μｍとすることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【請求項６】
セラミックス繊維は、平均の長さを０．０１〜５０ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質エレメントで液体燃料と燃焼用空気の均一混合相を作る液体燃料の燃焼装置に係り、とくに装置を小型化し、製造コストやランニングコストを安くするための多孔質エレメントの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔質エレメントの表面に薄膜状の液体相を形成し、これを連続的に燃焼させる技術としては、従来、例えば特開平０５−２０３１１７号がある。この装置の原理は、多孔質エレメントの上流から空気と液体燃料を送り、多孔質エレメントの表面に泡化した薄膜状の燃料相を形成し、これを連続的に燃焼させるようになっている。
【０００３】
この種のタイプの燃焼装置は、燃料の比表面積を飛躍的に増加でき、一般的な蒸発燃焼における応答性の悪さや、噴霧燃焼における空気比が高いという問題を解消できる利点をもつ。
【０００４】
しかしながら、基本的な原理を示す特開平０５−２０３１１７号等の装置では、多孔質エレメント１の全範囲に均一に液体燃料を噴射することがノズルコントロールの点で難しいという問題があった。
【０００５】
これを解消する提案としては、例えば、多孔質エレメントを前後二段に直列に設けたもの（特開平０５−２０３１１６号公報記載の装置）が知られていた。しかし、二枚の多孔質エレメントの隙間に液体燃料を送り込む構造をとるため、燃焼面が上向きに限定され、燃焼面を横向きにさせた使用が出来ないという不利があった。液体燃料が重力によって沈降するからである。
【０００６】
これを解決するため、本出願人は、二枚の多孔質エレメントを接合させて、その間に液体燃料を拡散させるシートを挟み込む技術を提案した（特開２００２−１４７７１５号公報）。液体燃料の拡散シートを利用することにより、重力による液体燃料の沈降がなく多孔質エレメントの表面に薄膜状の燃料相を均一に形成できるようになった。しかし、２枚の多孔質エレメントを使用することは、燃焼用空気の通気抵抗が上昇し、それを供給する送風機が大型化し、費用が高くなる不利があった。
【特許文献１】特開平０５−２０３１１７号公報
【特許文献２】特開２００２−１４７７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
問題は、従来の焼結金属のような多孔質エレメントでは、装置の小型化が難しく、コストの低減にも限界が生じる点にある。その理由は、以下の通りである。
【０００８】
多孔質エレメントを用いた燃焼装置は、燃料の比表面積を確実に増大できる利点がある一方で、多孔質エレメントが小型化すると、燃焼の安定性の確保が難しくなる。
【０００９】
その理由としては、多孔質エレメントが焼結金属のように熱伝導率が比較的大きく、放射率の低い材料では、火炎から多孔質エレメントへの伝熱量が減少し、且つ、多孔質エレメントからその支持部材への伝熱量が増加し、小型化による熱放散割合の増大が挙げられる。つまり、多孔質エレメントが小さくなればなるほど、多孔質エレメントの外周を支持する金属部材に逃げる熱量割合が大きくなり、多孔質エレメントの表面温度が低下し、燃料の蒸発量が減少して、結果的に、安定燃焼に必要な燃料蒸発のバランスが崩されるからである。このようになると、表面の火炎は部分的に短くなったり長くなったりして均整化せず、燃焼状態を安定させることが出来ない。
【００１０】
従来構造のままで燃焼の不安定を改善するには、原理的には、上流側から送り込む液体燃料と空気の圧力を高めることが必要である。しかし、この方法に従うと、空気を送り込む装置が大型化して、装置全体の小型化という課題に反するし、また装置コストが却って高騰する。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、多孔質エレメントが小型化しても燃焼を安定改善しつつ、液体燃料および空気を送り込む燃料系統の機構の簡素化を図る点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本発明に係る多孔質エレメントを用いた液体燃料の燃焼装置は、前記多孔質エレメントを、多数のセラミックス繊維を耐熱性のあるバインダーを介して結合させて成形する（請求項１）。
【００１３】
また、多孔質エレメントは、気孔率を６０〜９５％とする場合があり（請求項２）、かさ密度を０．２〜０．７ｇ／ｃｍ３とする場合がある（請求項３）。また多孔質エレメントは、その内部にセラミックス繊維で成形したネット材を備える場合がある（請求項４）。
【００１４】
セラミックス繊維は、平均繊維径を２．５〜５０μｍとする場合があり（請求項５）、繊維の平均の長さを０．０１〜５０ｍｍの範囲とする場合がある（請求項６）。
【００１５】
請求項１に係る燃焼装置は、多孔質エレメントとしてセラミックス繊維を用いるため、ポーラスな焼結金属を用いる場合よりも高い気孔率を実現でき、同時に熱放散を抑えて下流表面における燃料の蒸発を高い次元で保証することが出来る。上流側から空気とともに送り込む液体燃料は、セラミックス繊維の隙間を通って素早く下流表面で均一に拡散し、好ましい燃料相を形成する。空気とともに送り込まれる霧化した液体燃料はセラミックス繊維の間の微小空隙を毛細管現象類似の作用で移動するため、多孔質エレメントの下流表面に燃料と空気の均質な混合相を形成する。従って、燃焼面を上、下、横向きにしても燃焼が安定化し、装置の使用環境の自由化を図ることが出来る。尚、本発明でいう上流／下流は、液体燃料と燃焼用空気の流れを基準とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高い気孔率に起因して燃料相の均質化、すなわち多孔質エレメントの面積を小さくしても燃焼の安定性を保証でき、同時に空気供給装置の簡素化を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明に係る燃焼装置の一実施形態を例示するものである。装置構成事態は従来装置と同様でよいので、例えば、適宜位置にホルダ１１を介してセラミックス繊維で形成した多孔質エレメント２０を装着する一方、その上流側に燃料噴射ノズル１４と整流板１５とを配し、霧化させた液体燃料を送り込むことで多孔質エレメント２０の下流表面に符号Ｆで示す燃料相を形成する。１７は、燃焼部分の外周を包むケース体、１８は、ホルダ１１の表面リング、１９は、表面リング１８を固定するための固定金具（例えばビス）である。多孔質エレメント２０の外周部にはシール材１６を配し、ホルダ１１と多孔質エレメント２０との間を封密して燃料の漏出を防止する。
【００１８】
図２、図３は、多孔質エレメント２０を断面で例示するもので、多孔質エレメント２０はセラミックス繊維と無機バインダーを水中分散し、高分子凝集剤を加えて凝集体を形成後、紙漉の要領でメッシュ上に凝集体を吸引濾過して堆積させて成形する。成形後、乾燥し、高温焼成することにより、セラミックス繊維同士の接点を無機バインダーが焼結してセラミックス繊維同士を結合させ、一定の強度とする。セラミックス繊維の平均繊維径と平均繊維長を変化させることにより、多孔質エレメントを目的の密度（空隙率）及び目開き（気孔径）に制御し、必要な通気性を確保することができる。
【００１９】
燃焼装置に適用し耐熱性を保証できるようにするため、セラミックス繊維２２としては例えば、アルミナ（酸化アルミニウム；Ａｌ２Ｏ３）を使用する。アルミナは単独では１４００℃程度の耐熱性をもつ。バインダー２３には、シリカ（二酸化珪素；ＳｉＯ２）を用いることが出来る、シリカ（ＳｉＯ２）は単独で使用する場合は耐熱温度が１０００℃を下回ることもあるが、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とともに使用する場合は１２００℃程度の高温に耐える性能がある。バインダー２３は、セラミックス繊維の重量あたり１〜２０％である。
【００２０】
霧化した液体燃料を空気とともに送り込んで多孔質エレメント２０の下流表面に燃料相を形成するタイプの燃焼装置では、１０００〜１２００℃の耐熱性を保証できれば実用に耐える。従って、燒結金属に代えてセラミックス繊維２２を用いたパネル構造体が利用可能となる。
【００２１】
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のように耐熱性のあるセラミックス繊維２２を、例えばシリカ（ＳｉＯ２）を主成分とするバインダーを介して結着させたときには、パネル材の内部に多量の空隙を形成でき、しかも空隙率も自由に可変出来る。本発明に係る燃焼装置の場合、気孔率（空隙率）は出来るだけ高くすることが好ましい。例えば、６０〜９５％の気孔率であるアルミナを使用すると、この場合のかさ密度は０．２〜０．７ｇ／ｃｍ３程度となる。
【００２２】
以上のように、本発明に係る多孔質エレメント２０は、パネルの気孔率を高くすることが出来るため、上流側から送り込む空気の流動抵抗が小さくなり、より少ない送風圧でも多孔質エレメント２０の下流表面に均質な燃料相を形成出来る。この結果、空気圧力を高めて強制送風する必要がなくなり、例えばファンのような小型の空気供給装置によっても安定した燃焼を実現することが可能となる。気孔率が均一であれば、多孔質エレメント２０の中央部も外周部も均質な燃料相が形成されるので、同時に、燃料相の状態のばらつきによる不安定要因も解消される。
【００２３】
また多孔質エレメント２０を、熱伝導率が小さいセラミックス繊維２２およびセラミックス系のバインダー２３によって成形するため、従来の燒結金属に比して燃焼面の熱放散が抑えられる。外周部を支持するホルダ１１及び表面リング１８への伝熱量が小さいからである。このため多くの熱量が燃焼面に保留され、燃料相の燃料気化率が安定向上し、連続的に安定した燃焼現象を継続させることが可能となる。またセラミックス繊維２２およびセラミックス系のバインダー２３を用いるため、多孔質エレメント２０の軽量化を図ることが出来る。
【００２４】
本発明に係る多孔質エレメント２０に使用するセラミックス繊維２２は、アルミナに限定されない。少なくとも８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の耐熱性があるセラミックス繊維であればアルミナ以外のセラミックス繊維を使用しても構わない。例えば４０〜６０％のアルミナに６０〜４０％のシリカ（二酸化珪素）を混合したセラミックス繊維（商品名イソウール；イソライト工業株式会社）である。このセラミックス繊維は１２００℃の耐熱性をもつ。平均繊維径は２．５〜３μｍである。
【００２５】
また炭化珪素（ＳｉＣ）の複合材（ＳｉＣ−ＳｉＣ複合材）を繊維化させて用いることも出来る。炭化珪素複合材のうち、最も耐熱性と強度保持に優れる素材は、例えば、酸化珪素の繊維束（例えば直径１５μｍ、５００本／束）を二次元に編んだＳｉＣ強化繊維に、珪素高分子（例えばポリカルポシランＰＣＳ、ポリビニルシランＰＶＳ、ＳｉＣ微粉末等）を真空中で溶融充填し、電子線照射不溶化法に基づいて珪素高分子を固定化し、その後、不活性ガス中で高温（例えば１２００℃程度）焼成し、珪素高分子をセラミックスに転換して得ることが出来る。このようにして得たセラミックス繊維は、高温環境下においても強度の低下が少ない。炭化珪素複合材は、成形時には織布状であるが細かく裁断することにより、本発明に係るセラミックス繊維として使用することが出来る。このときセラミックス繊維は束になってあらわれるが、気孔率を調整することにより、燃焼装置の多孔質エレメント２０の構成材料として単独繊維とまったく同じ機能を営む。また、このようにして得られるネット状の炭化珪素複合材は、多孔質エレメント２０の間に挟み込むことにより、多孔質エレメント２０の強度を向上させることが出来る。炭化  珪素複合織布（ネット）を使用するときは、一枚を挟むだけでなく複数枚を挟み込んでも良いし、また二次元的な拡がりをもつ炭化珪素複合織布を小片に分割してセラミックス繊維２３とともにバインダー（２３）によって固化させても良い。確実に強度を高めることが出来るからである。
【００２６】
耐熱性と強度に優れるセラミックス繊維は、一本一本糸状に成形された製品に限らず炭化珪素複合材のように二次元に編み込んで成形されたものもあり、いずれも本発明に係る多孔質セラミックス２０を構成するセラミックス繊維として使用できる。本発明の場合、一本一本の好ましい繊維径（２．５〜５０μｍ）は目安にすぎない。セラミックス繊維が束になって見かけ上の繊維径が大きくなっても、霧化した液体燃料を下流表面に均等に導出させる気孔率と空隙構造が実現され十分な耐熱性と強度をもつならば、それらを耐熱性のある好ましいバインダーを介して決着させ多孔質エレメント（２０）とすることが出来る。またセラミックス繊維の好ましい長さ（０．０１〜５０ｍｍ）も一応の目安である。例えば炭化珪素の織布を細かく裁断してセラミックス繊維とする場合は、繊維束の長さが２ｃｍ以下となる場合もあるし、５ｃｍ以上となる場合もある。これは一本繊維として成形されたセラミックス繊維を用いる場合も同じである。
【００２７】
霧化した液体燃料を多孔質エレメント（２０）の下流表面に燃料相として顕在化させる燃焼装置では、少ない空気圧で全域均等な燃料相を成形できることが大切であるから、繊維径と繊維長は大きさや空隙率との関係で決定するのが好ましいわけである。本発明に係る多孔質エレメント（２０）は、燃焼の均一安定と装置の小型化を目的として設計されたものであるが、燃焼面積の大きな大型装置に適用しても良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る燃焼装置の構造例を側面から示す図である。
【図２】本発明に係る多孔質エレメントを例示する断面図である。
【図３】図２に示す繊維の一部を拡大して例示する図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１  ホルダ
１４  燃料噴射ノズル
１５  整流板
１６  シール材
１７  ケース体
１８  表面リング
１９  固定金具
２０  多孔質エレメント
２２  セラミックス繊維
２３  バインダー
Ｆ  燃料相
【図１】
2005226920.tif 000003
【図２】
2005226920.tif 000004
【図３】
2005226920.tif 000005