(57)【要約】【課題】燃焼で発生する排気ガスのエネルギーを容易に効率よく吸収できる燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼装置１００は、燃焼部１０と、熱伝導部材２０と、熱変換層３０とを備える。燃焼部１０の周辺に配置された熱伝導性を有する部材である。熱変換層３０は、燃焼部１０の燃焼により発生する排気ガス１１が放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルＳ１を吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーＥとして熱伝導部材２０へ熱伝導するものである。熱変換層３０は、自発分極を持つ粉体、及び所定の励起剤により形成される電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）により、熱伝導部材２０の表面に形成される。熱変換層３０は、熱伝導部材２０の表面のうち排気ガス１１が放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部と、
前記燃焼部の周辺に配置された熱伝導部材と、
前記熱伝導部材の表面のうち前記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に形成される熱変換層と、
を備え、
前記熱変換層は、前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして前記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする、
燃焼装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材は、前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを反射し、
前記熱変換層は、前記熱伝導部材が反射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする、
請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記熱変換層は、少なくとも遠赤外線領域の電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする、
請求項１乃至２のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記熱変換層は、少なくともＣＯ２が発する電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記熱変換層は、遠赤外線領域の電磁スペクトルを放射する電磁放射体を含有することを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記燃料は、炭素数が３以上の化石燃料であることを特徴とする、
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記熱変換層は、自発分極を持つ粉体により形成されることを特徴とする、
請求項１乃至６に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記熱変換層は、前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収させるよう前記自発分極を持つ粉体を励起する励起剤をさらに含むことを特徴とする、
請求項７に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記自発分極を持つ粉体がトルマリンであることを特徴とする、
請求項７及び８のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記トルマリンが鉄電気石であることを特徴とする、
請求項９に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記熱変換層は、耐熱塗料をさらに含むことを特徴とする、
請求項７乃至１０のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項１２】
前記自発分極を持つ粉体及び／又は前記励起剤は、粒子径が０．５〜３（μｍ）の範囲にあることを特徴とする、
請求項７乃至１１のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項１３】
前記自発分極を持つ粉体及び前記励起剤の混合物中の前記自発分極を持つ粉体の混合比率が略８０％以上であることを特徴とする、
請求項８乃至１２に記載の燃焼装置。
【請求項１４】
前記耐熱塗料１ｋｇ当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）の比率で前記自発分極を持つ粉体が混合されることを特徴とする、
請求項１１乃至１３に記載の燃焼装置。
【請求項１５】
前記耐熱塗料１ｋｇ当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）の比率で前記自発分極を持つ粉体及び前記励起剤が混合されることを特徴とする、
請求項１１乃至１３に記載の燃焼装置。
【請求項１６】
燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部の周辺に配置される熱伝導部材であって、
前記熱伝導部材の表面のうち前記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に熱変換層が形成され、
前記熱変換層は、前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして前記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする、
熱伝導部材。
【請求項１７】
燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部の周辺に配置される熱伝導部材の表面に形成される層を構成する組成物であって、
前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして前記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする、
組成物。
【請求項１８】
燃料を燃焼して発生する排気ガスの熱エネルギーを吸収する排気ガスの熱エネルギー吸収方法であって、
前記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く所定の領域に、前記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーに変換する熱変換層を形成することにより前記排気ガスの熱エネルギーを吸収することを特徴とする、
排気ガスの熱エネルギー吸収方法。
【請求項１９】
前記排気ガス中のＣＯ２が発する電磁スペクトルと、
前記熱変換層が発する電磁スペクトルと、
を共鳴させることで前記ＣＯ２の電磁スペクトルを熱エネルギーに変換することを特徴とする、
請求項１３に記載の排気ガスの熱エネルギー吸収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼で発生する排気ガスのエネルギーを効率よく吸収できる燃焼装置、熱伝導部材、組成物及び排気ガスの熱エネルギー吸収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、施設園芸用温室に用いる温風暖房機の熱交換効率を高めるため、以下のような排熱回収蓄熱ユニットが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。その排熱回収蓄熱ユニットは、施設園芸用温風暖房機の煙管と、排気部との間の燃焼ガス通路に取付け、中空の円板体と軸中央に煙突に接続する円筒を設けた中空のドーナツ状円板体とを間に空隙を残して相対峙させ、円板体とドーナツ状円板体の上部および下部を上部連絡管および下部連絡管によってそれぞれ連通させる蓄熱ユニットであって、蒸気管の一端を上部連絡管の上端またはドーナツ状円板体の放熱面上端付近に接続し他端を温風暖房機の送風機の吸込口付近で開口せしめ、給水制御装置に連結する給水パイプを上記放熱面に連結して温風暖房機のＯＮ時に該パイプより蓄熱ユニットの中空体内へ水を供給しかつ貯水し、また、円板体とドーナツ状円板体との間の空隙の上方かつ上部連絡管に近接して洗浄水放出管を配置し、その放出管には水を放出する洗浄水放出口を設け、洗浄水源から洗浄給水パイプ介して洗浄水放出口から放出された水を受けるドレーン受けを蓄熱ユニットの下側に配置し、温風暖房機のＯＦＦ後に洗浄水源は時限的にＯＮとなり洗浄水放出口より水を放出し伝熱面および第２伝熱面を洗浄することを特徴とするものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６４９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記排熱回収蓄熱ユニットは、排気ガスの熱を水に熱交換して蓄熱・放熱させるものである。したがって、排気ガスの熱エネルギーを一旦水の加熱に用いており、そこで熱エネルギーの損失がある。また、上記排熱回収蓄熱ユニットは、煙管と排気部との間に水を貯水させる構造を設けた複雑な構造になっている。また、上記排熱回収蓄熱ユニットが組み込めるのは煙管と排気部との間に取り付け可能な構造となっている機種だけであり、従来機種に後から上記排熱回収蓄熱ユニットを組み込むことはできない。従来機種であっても排気ガスのエネルギーを効率よく利用できる技術が望まれる。
【０００５】
本発明は、斯かる実情に鑑み、燃焼で発生する排気ガスのエネルギーを容易に効率よく吸収できる燃焼装置、熱伝導部材、組成物、及び、排気ガスの熱エネルギー吸収方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、本発明の燃焼装置は、燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部と、上記燃焼部の周辺に配置された熱伝導部材と、上記熱伝導部材の表面のうち上記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に形成される熱変換層と、を備え、上記熱変換層は、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして上記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱伝導部材は、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを反射し、上記熱変換層は、上記熱伝導部材が反射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、少なくとも遠赤外線領域の電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、少なくともＣＯ２が発する電磁スペクトルを吸収する物質により形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、遠赤外線領域の電磁スペクトルを放射する電磁放射体を含有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃焼装置において、上記燃料は、炭素数が３以上の化石燃料であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、自発分極を持つ粉体により形成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収させるよう上記自発分極を持つ粉体を励起する励起剤をさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の燃焼装置において、上記自発分極を持つ粉体がトルマリンであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の燃焼装置において、上記トルマリンが鉄電気石であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の燃焼装置において、上記熱変換層は、耐熱塗料をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の燃焼装置において、上記自発分極を持つ粉体及び／又は上記励起剤は、粒子径が０．５〜３（μｍ）の範囲にあることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の燃焼装置において、上記自発分極を持つ粉体及び上記励起剤の混合物中の上記自発分極を持つ粉体の混合比率が略８０％以上であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の燃焼装置において、上記耐熱塗料１ｋｇ当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）の上記自発分極を持つ粉体が混合されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の燃焼装置において、上記耐熱塗料１ｋｇ当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）の上記自発分極を持つ粉体及び上記励起剤が混合されることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の熱伝導部材は、燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部の周辺に配置される熱伝導部材であって、上記熱伝導部材の表面のうち上記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に熱変換層が形成され、上記熱変換層は、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして上記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の組成物は、燃料を燃焼して排気ガスを発生させる燃焼部の周辺に配置される熱伝導部材の表面に形成される層を構成する組成物であって、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーとして上記熱伝導部材へ熱伝導することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の排気ガスの熱エネルギー吸収方法は、燃料を燃焼して発生する排気ガスの熱エネルギーを吸収する排気ガスの熱エネルギー吸収方法であって、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルが届く所定の領域に、上記排気ガスが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーに変換する熱変換層を形成することにより上記排気ガスの熱エネルギーを吸収することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の排気ガスの熱エネルギー吸収方法において、上記排気ガス中のＣＯ２が発する電磁スペクトルと、上記熱変換層が発する電磁スペクトルと、を共鳴させることで上記ＣＯ２の電磁スペクトルを熱エネルギーに変換することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃焼装置、及び熱伝導部材によれば、燃焼で発生する排気ガスのエネルギーを容易に効率よく吸収できるという優れた効果を奏し得る。また、本発明の燃焼装置、及び熱伝導部材によれば、熱交換領域での温度上昇率を向上させ、省エネ率を向上させるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態における燃焼装置１００の簡略図である。
【図２】本発明の燃焼装置を用いて構成したボイラー装置２００を示す図である。
【図３】電磁波スペクトル熱吸収技術の基礎検証に用いられる実験装置３００を示す断面図である。
【図４】実施例１の条件下で、電磁放射体の塗布の有無による温度変化を表すグラフである。
【図５】実施例１の条件下で、燃焼管３２０の出口面の半径方向での温度分布の測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例３の条件下で、農業用ハウスボイラー（ネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ））における時間経過に対する温度比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２８】
＜１．本発明の概要＞
本発明の技術の基本は、新機能素材極性結晶体を基軸とした電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体という）を中心とし、それらから醸し出される波長特性を利用して、燃焼ガス中のＣＯ２等からの電磁スペクトルを吸収して熱変換する点にある。この技術を「電磁波スペクトル熱吸収技術」と呼ぶ。
【００２９】
化石燃料の燃焼において、その燃焼の際の排気ガス中に含まれる高温の炭酸ガス（ＣＯ２）等は、遠赤外線領域の電磁スペクトルの放射が支配的である。この遠赤外線領域の電磁スペクトルを十分に吸収でき、熱伝導率が比較的大きく、かつ、それとレゾナンス（共鳴）現象を生じる波長帯を有する電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）を熱交換領域に用いれば、効率よくそのエネルギーを吸収し、その熱交換領域の温度上昇率をさらに上昇させることができる。
【００３０】
本発明は、燃料燃焼の省エネルギー化を実現するため、燃焼装置の熱交換領域での温度上昇率を増大させること、すなわち、熱効率を上昇させることを主眼としたものである。以上の本発明の技術の基本的な考えを反映させた燃焼装置、及びボイラー装置を以下において説明する。
【００３１】
＜１−１．燃焼装置＞
図１は、本発明の実施の形態における燃焼装置１００の簡略図である。本発明の実施の形態における燃焼装置１００は、燃焼部１０と、熱伝導部材２０と、熱変換層３０とを備える。燃焼部１０は、燃料を燃焼するものである。燃焼部１０で燃焼される燃料は、液体燃料、気体燃料、固体燃料のいずれであってもよい。ただし、上記燃料は、ＣＯ２のスペクトルを吸収するものなので、炭素含有の燃料であることが好ましい。燃焼部１０は、これらの燃料の種類に応じて、例えば、芯火炎タイプ、バーナ拡散火炎タイプのものなど様々な態様のものが想定される。そして、燃焼部１０は、燃焼過程で排気ガス１１を発生させる。
【００３２】
熱伝導部材２０は、燃焼部１０の周辺に配置された熱伝導性を有する部材である。熱伝導部材２０は、例えば、管形状の燃焼管としての態様が一例として想定される。また、熱伝導部材２０は、燃焼部１０の燃焼により加熱されて、自身の温度が上昇して熱交換部材としての態様も一例として想定される。熱伝導部材２０は、燃焼部１０からの燃焼エネルギーや、排気ガス１１中のエネルギーを享受するため、燃焼部１０の周囲を囲む態様が一例として想定されるが、これに限るものではなく、その他の態様であってもよい。すなわち、熱伝導部材２０は、この燃焼装置１００の用途に応じて様々な形状、及び、周辺配置態様が想定され、そのようなもの全てが本発明に含まれる。
【００３３】
熱変換層３０は、燃焼により発生する排気ガス１１が放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルＳ１を吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーＥへ変換して熱伝導部材２０へ熱伝導するものである。熱変換層３０は、熱伝導部材２０の表面に形成される。ただし、熱変換層３０は、熱伝導部材２０の表面のうち排気ガス１１が放射する電磁スペクトルが届く領域でないとそのエネルギーを吸収できない。このため、熱変換層３０は、熱伝導部材２０の表面のうち少なくとも排気ガス１１が放射する電磁スペクトルが届く領域の一部、又は全部に形成される。図１においてその領域は、熱伝導部材２０が燃焼部１０と相対する面になる。
【００３４】
特に、排気ガス１１が放射する電磁スペクトルを反射してしまう材質で熱伝導部材２０が形成される場合、その電磁スペクトルを吸収して熱に変換することが可能な熱変換層３０がないと、その電磁スペクトルのエネルギーを無駄にしてしまう。この点を改良するのに熱変換層３０は有用である。
【００３５】
また、熱変換層３０は、例えば、上記本発明の概要で説明した電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）により形成されることが一例として想定される。上記説明したように、電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）は、遠赤外線領域の電磁スペクトルを十分に吸収でき、熱伝導率が比較的大きく、かつ、それとレゾナンス（共鳴）現象を生じる波長帯に電磁波を放射して排気ガスの電磁スペクトルと共鳴するという性質を有している。このような電磁放射体として、例えば、その放射能強度は密着測定において約０．３（ｍＳｖ／ｙｅａｒ）で、かつ波長帯は遠赤外線分子振動領域に属し、光子エネルギーは約１２（ｋＪ／ｍｏｌ）と小さく、きわめて安全な領域に位置している電磁放射体が一例として想定される。なお、電磁放射体は、放射能強度は密着測定において約１．０（ｍＳｖ／ｙｅａｒ）以下で、かつ波長帯は遠赤外線分子振動領域に属し、光子エネルギーは約３０（ｋＪ／ｍｏｌ）以下の範囲が一例として想定される。その範囲内であれば、電磁放射体は、きわめて安全な領域に位置していると言える。熱変換層３０としての上記電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）は、効率よく排気ガス１１中の遠赤外線領域の電磁スペクトルを吸収して、熱交換部材としての熱伝導部材２０の温度上昇率をさらに上昇させることができる。
【００３６】
図１において電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）は、主に燃焼ガス中に含まれている高温のＣＯ２等からの電磁スペクトルを吸収し、熱伝導部材２０の温度Ｔ２をさらに上昇させることができる。熱伝導部材２０の温度Ｔ２がさらに上昇すると、熱伝導部材２０の外部周辺にある作動流体１２（空気や水など）の温度Ｔ１も上昇する。したがって、電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）は、作動流体１２である空気や水などの流体への伝熱量Ｑ（∝（Ｔ２―Ｔ１））の増大を可能にし、温度上昇率を向上させることができる。このメカニズムが上記説明した「電磁波スペクトル熱吸収技術」である。
【００３７】
このような電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）を用いれば、今まで有効利用してこなかった燃焼排気ガス１１中に含まれる高温の炭酸ガス（ＣＯ２）等が放射する電磁スペクトルを吸収できるため、燃焼装置１００の熱交換領域での温度上昇率を増大させることができる。
【００３８】
熱変換層３０を形成する電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）として、例えば、自発分極を持つ粉体が一例として想定される。また、熱変換層３０を形成する電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）として、例えば、上記自発分極を持つ粉体と、その自発分極を持つ粉体に所定範囲の電磁スペクトルを吸収させるよう励起する励起剤の粉体とを混合した粉体（以下において、熱変換混合粉体と呼ぶ。）が一例として想定される。所定範囲の電磁スペクトルとして、例えば、排気ガス１１が放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルが一例として想定される。自発分極を持つ粉体のみでも電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）としての機能を発揮するが、さらにそれに上記励起剤を加えると、より一層電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）としての機能を発揮することができる。すなわち、さらに効率よく電磁スペクトルを吸収することができる。自発分極を持つ粉体として、例えば、トルマリンが一例として想定されるが、これに限るものではなく、その他のものであってもよい。その他の自発分極を持つ粉体として、例えば、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３、ＬｉＮｂＯ３や、ロッシェル塩や硫酸グリシン、りん酸カリ、プロピオン酸カルシウムストロンチウムなどの強誘電体が挙げられる。また、トルマリンとして、鉄電気石（ｓｃｈｏｒｌ：ＮａＦｅ３Ａｌ６（ＢＯ３）３Ｓｉ６Ｏ１８（ＯＨ）４）を用いることが好ましい。
【００３９】
励起剤は、例えば、放射線を放出する粉体が一例として想定される。放射線を放出する物質として、例えば、放射線を放出する天然鉱石であるデービド鉱、ブランネル石、センウラン鉱、ニンギョウ石、リンカイウラン石、カルノー石、ツャムン石、メタチャムン石、フランセビル石、トール石、コフィン石、サマルスキー石、トリウム石、トロゴム石、モナズ石等が一例として想定される。そして、励起剤として、例えば、上記放射線を放出する物質の微粉末、あるいは、これらを一部含む鉱石の微粉末をシリカなどに混合して焼結後再び微粉末にしたものが一例として想定される。なお、上記自発分極を持つ粉体、及び励起剤を構成する粉体は、その粒子径が０．５〜３（μｍ）の範囲が好ましく、特に、平均粒子径が１（μｍ）とすることが好ましい。また、上記トルマリン（鉄電気石）に励起剤やシリカを混合する場合、その混合比率は、上記トルマリン（鉄電気石）を略８０％、特に好ましくは、約９０％以上とし、その他の励起剤やシリカ等はそれぞれ約１％程度とすることが好ましい。その混合比率ならば、電磁放射体の機能を十分に発揮させることができるからである。
【００４０】
トルマリンは、先の尖った方がプラス極、平らな方がマイナス極に分極している。粒子径が３（μｍ）程度になると結晶表面が電気的中和がなければ、プラス極からマイナス極に向かって１０の４乗（Ｖ／ｍ）から１０の７乗（Ｖ／ｍ）の電界が発生する。通常は、トルマリンの表面は電気的中和のためにイオンが吸着していると思われる。トルマリンの中を励起剤から放出された放射線が通過したり、トルマリンの表面近くを励起剤から放出された放射線が通過するとき、放射線によってトルマリン結晶内の電界が乱れる。その結果としてトルマリン結晶の表面でイオンを発生したり、励起剤からの放射線がイオンを発生しながらトルマリンの極近くを通過することで、トルマリンの表面の電気的中和条件が乱れてイオンが発生すると思われる。トルマリンと励起剤との間で上記のような現象が発生している。
【００４１】
熱変換混合粉体を熱伝導部材２０の表面に塗布する場合、例えば、熱変換混合粉体を耐熱塗料に混ぜて熱伝導部材２０の表面に塗布することが一例として想定される。なお、熱変換混合粉体を熱伝導部材２０の表面に塗布する場合、熱変換混合粉体を混ぜ込むのは耐熱塗料に限るものではなく、その他の耐熱性のあるものであってもよい。
【００４２】
なお、上記挙げた様々な種類の自発分極を持つ粉体と、上記挙げた様々な種類の励起剤とを様々に組み合わせて構成された組成物も熱変換層３０を形成するものとして本発明の範囲に含まれる。
【００４３】
以上のような燃焼装置１００によれば、従来、無駄にしていた排気ガス１１の電磁スペクトルを熱変換層３０に吸収させて、それを熱伝導部材２０へ熱伝導することができる。これにより、熱伝導部材２０の温度が上昇するため、熱伝導部材２０を熱交換部材として用いれば有用である。
【００４４】
また、燃焼装置１００によれば、例えば、遠赤外線分子振動領域の電磁波及び極性結晶体の特性を利用して、化石燃料を主体とする燃焼機器の熱交換領域における温度変換効率を上昇させ省エネ技術の確立を達成することができる。
【００４５】
＜１−２．ボイラー装置＞
図２は、本発明の燃焼装置を用いて構成したボイラー装置２００を示す図である。ボイラー装置２００は、燃焼装置２１０と、排気ガス排出部２２０と、空気取入れ部２３０と、空気排出部２４０とを備える。
【００４６】
燃焼装置２１０は、燃焼部２１１と、燃焼室２１２と、送風ファン２１３と、熱変換層２１４とを備える。燃焼部２１１は、燃料を燃焼させるものである。そして、燃焼部１０は、燃焼過程で排気ガス２１１ａを発生させる。燃焼室２１２は、燃焼部２１１における燃焼が行われる空間である。燃焼室２１２は、燃焼部２１１の周囲を囲む態様をしている。そして、燃焼室２１２は、図１における熱伝導部材２０に対応する部分であり、熱伝導性の材質により形成される。送風ファン２１３は、排気ガス２１１ａを排気ガス排出部２２０へ送風するものである。
【００４７】
熱変換層２１４は、燃焼により発生する排気ガス２１１ａが放射する電磁スペクトルのうち少なくとも一部範囲の電磁スペクトルを吸収して、その吸収した電磁スペクトルを熱エネルギーへ変換して燃焼室２１２へ熱伝導するものである。熱変換層２１４は、燃焼室２１２の内壁に形成される。なお、図２において熱変換層２１４は、燃焼室２１２の一部の内壁に形成されているが、燃焼室２１２の内壁全部に形成される態様であってもよい。
【００４８】
以上により、燃焼室２１２は、燃焼部２１１における燃焼による加熱に加え、熱変換層２１４からの熱伝導により、従来以上の熱エネルギーを享受することができる。したがって、燃料から取り出す熱エネルギーを従来よりも増やせるため、本発明は省エネ化に貢献することができる。特に、ボイラー装置２００において燃焼室２１２は熱交換部として機能するため、本発明を適用するのに最適である。
【００４９】
排気ガス排出部２２０は、燃焼部２１１における燃焼過程で発生した排気ガス２１１ａを外部へ誘導するものである。排気ガス排出部２２０は、例えば、図２に示すように、３つの排出管２２１乃至２２３と、集合管２２４と、熱変換層２２５乃至２２７とにより構成される。
【００５０】
排出管２２１乃至２２３の入口は、それぞれ燃焼室２１２と接続される。集合管２２４の入口は、排出管２２１乃至２２３の出口それぞれと接続される。集合管２２４の出口は、外部へ開放されている。
【００５１】
燃焼室２１２内の排気ガス２１１ａは、送風ファン２１３により送風されて、排出管２２１乃至２２３へ移動する。排出管２２１乃至２２３へ移動した排気ガス２１１ａは、集合管２２４へさらに移動する。そして、排気ガス２１１ａは、集合管２２４の出口から外部へ排出される。
【００５２】
また、熱変換層２２５乃至２２７は、それぞれ排出管２２１乃至２２３の内周に設けられている。ここに熱変換層２２５乃至２２７が設けられたのは、熱変換層２１４で吸収しきれなかった排気ガス２１１ａが放射する電磁スペクトルを排出管２２１乃至２２３内の熱変換層２２５乃至２２７で吸収するためである。なお、熱変換層２２５乃至２２７の内容は、上記説明した熱変換層３０と同様であり、既に説明済みであるため、詳細は省略する。また、熱変換層は、上記挙げた以外に集合管２２４内壁にも設けるようにしてもよい。
【００５３】
空気取入れ部２３０は、外部から空気を取り入れるものである。空気取入れ部２３０は、例えば、空気取入れ口２３１と、吸入ファン２３２とを備える。吸入ファン２３２を回転させると、空気取入れ口２３１を通じて外部の空気がボイラー装置２００内部へ流れ込む。
【００５４】
図２において空気取入れ部２３０は２つ設けられている。１つは、燃焼室２１２の上方で、もう一つは排気ガス排出部２２０の上方に設けられている。ボイラー装置２００において、燃焼室２１２、及び排気ガス排出部２２０は、熱交換器としての役割を果たしている。燃焼室２１２、及び排気ガス排出部２２０の外側に外部から取り入れた空気を接触させて、その空気を加熱する。このため、燃焼室２１２、及び排気ガス排出部２２０それぞれの上方に空気取入れ部２３０が設けられている。
【００５５】
空気排出部２４０は、空気取入れ部２３０が外部から取り入れた空気を排出するものである。空気排出部２４０は、空気排出通路２４１と、空気排出口２４２及び２４３とにより構成される。
【００５６】
図２に示すように、ボイラー装置２００は、ケーシング２５０内に空間があり、その空間が空気排出通路２４１として空気の通路になっている。空気取入れ部２３０が外部から取り入れた空気は、熱交換器としての燃焼装置２１０、及び排気ガス排出部２２０を通過すると、空気排出通路２４１に誘導されて空気排出口２４２及び２４３へ導かれる。そして、熱風として外部へ排出される。
【００５７】
＜２．本発明に関する基礎検証実験＞
＜２−１．基礎検証実験概要＞
図３は、電磁波スペクトル熱吸収技術の基礎検証に用いられる実験装置３００を示す断面図である。実験装置３００は、燃焼部３１０と、燃焼管３２０とを図３に示すよう配置した。燃焼管３２０は、材質がアルミニウムで、矩形形状をしており、断面５０×５０×２（ｍｍ）、全長３００（ｍｍ）である。また、図３に示すように、燃焼管３２０は、燃焼部３１０の軸と同軸にし、かつ燃焼部３１０頂上部から６０（ｍｍ）上方に燃焼管３２０の下端部がくるように配置した。実験として、燃焼部３１０を燃焼させた際の燃焼管３２０の温度を測定した。その燃焼管３２０の温度測定位置３２１（以下、燃焼管温度測定位置と呼ぶ。）は、燃焼管下端部から１５０（ｍｍ）離れた燃焼管外壁部分である。なお、この温度測定位置３２１部分の温度を以下、燃焼管外壁温度と呼ぶ。以上を前提に以下の実施例１と実施例２の条件で実験を行った。
【００５８】
＜２−２．実施例１＞
実施例１において実験装置３００における燃焼部３１０として、拡散火炎を出すバーナタイプの燃焼器を用いた。使用燃料として気体燃料を用いた。その気体燃料は、イソブタン（Ｃ４Ｈ１０）である。この態様で、火炎の高さが６０（ｍｍ）になるように燃焼部３１０を調整して燃焼させた。そして、燃焼管３２０の内面に電磁放射体を塗布した場合（図３の熱変換層３３０参照）と、電磁放射体を塗布していない場合とについて、燃焼管外壁温度を所定時間測定した。その結果を図４、及び図５に示す。なお、電磁放射体の塗布は、燃焼管３２０の内壁全表面に亘って行われ、その塗布厚さは約０．２（ｍｍ）程度である。なお、本願明細書記載された実験で用いられる電磁放射体は、ＰｂＺｒＯ３、モナズ石、鉄粉、それぞれ約１％に対し、鉄電気石を約９７％混合したものを用いた。上記成分は粉体であり、その粒子径が０．５〜３（μｍ）の範囲にあるものを実験では用いた。そして、上記電磁放射体を耐熱塗料１（ｋｇ）当たり３００（ｇ）混ぜて塗料化してそれを燃焼管３２０の内壁全表面に亘って塗布した。なお、上記電磁放射体は、耐熱塗料１（ｋｇ）当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）程度混ぜることが特に効果的で好ましく、その中でも電磁放射体が多ければ多いほどよい。また、上記電磁放射体が自発分極を持つ粉体（例えば、トルマリン）のみで構成されていても、耐熱塗料１（ｋｇ）当たり略２５０（ｇ）〜７５０（ｇ）程度混ぜることが特に効果的で好ましく、その中でも電磁放射体が多ければ多いほどよい。また、ここの熱放射体にシリカを加えてもよい。また、上記電磁放射体は、以降で説明する実験においても、その放射能強度は密着測定において約０．３（ｍＳｖ／ｙｅａｒ）で、かつ波長帯は遠赤外線分子振動領域に属し、光子エネルギーは約１２（ｋＪ／ｍｏｌ）と小さく、きわめて安全な領域に位置しているものである。
【００５９】
図４は、実施例１の条件下で、電磁放射体の塗布の有無による温度変化を表すグラフである。グラフでは、横軸を点火してからの経過時間、縦軸を燃焼管外壁温度とした。このグラフから明らかなように、燃焼管外壁温度は、点火から約１０分程度で定常状態、すなわち、最終到達温度（熱平衡状態）に達している。図４から明らかなように、電磁放射体が塗布されている場合の方が、塗布されていない場合よりも、燃焼管外壁温度における最終到達温度は常に高いことがわかる。
【００６０】
図５は、実施例１の条件下で、燃焼管３２０の出口面の半径方向での温度分布の測定結果を示すグラフである。燃焼管３２０内壁に電磁放射体が塗布されている場合と塗布されていない場合の２通りの場合について温度分布の測定を行った。温度計測には微小Ｋ型熱電対を用いた。
【００６１】
図５から明らかなように、燃焼管３２０内壁に電磁放射体が塗布されていない場合の方が、塗布されている場合よりも燃焼ガス温度は高いことがわかる。このことは燃焼ガス中のＣＯ２等が放射する電磁スペクトルが、燃焼管３２０内壁に塗布された電磁放射体に吸収されて、その分だけ温度が下がったと考えられる。すなわち、燃焼管３２０の内壁に塗布された電磁放射体は、燃焼ガス中のＣＯ２等から多くの熱エネルギーを吸収していると言える。
【００６２】
＜２−３．実施例２＞
実施例２において燃焼部３１０として、芯火炎のタイプの燃焼器を用いた。使用燃料として液体燃料を用いた。その液体燃料は、高純度のメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）及び、白灯油である。この態様で、火炎の高さが６０（ｍｍ）になるように燃焼部３１０を調整して燃焼させた。そして、燃焼管３２０の内壁に電磁放射体を塗布して、燃焼管外壁温度を所定時間測定した。その結果を表１に示す。なお、電磁放射体の塗布は、燃焼管３２０の内壁全表面に亘って行われ、その塗布厚さは約０．２（ｍｍ）程度である。
【００６３】
【表１】
2017053541.tif 000003
【００６４】
上記温度上昇率θは以下の式（数１）で定義されるものである。ＴＡは燃焼管３２０の内面に電磁放射体を塗布した場合の燃焼管温度測定位置の平衡温度、ＴＡ０は燃焼管３２０の内面に電磁放射体を塗布した場合の燃焼管温度測定位置の初期温度、ＴＢは燃焼管３２０の内面に電磁放射体を塗布していない場合の燃焼管外壁温度における平衡温度、ＴＢ０は燃焼管３２０の内面に電磁放射体を塗布していない場合の燃焼管温度測定位置の初期温度を表す。
【００６５】
【数１】
2017053541.tif 000004
【００６６】
表１によれば、温度上昇率θの値はイソブタンでは、２１．７％（燃焼消費率ｍ＝０．１４６ｇ／ｍｉｎ）、白灯油では２５．９％（燃焼消費率ｍ＝０．１４ｇ／ｍｉｎ）、エタノールでは１２．５％（燃焼消費率ｍ＝０．２０４ｇ／ｍｉｎ）、メタノールでは１１．４％（燃焼消費率ｍ＝０．３１０ｇ／ｍｉｎ）で、比較的大きな値が得られることがわかる。
【００６７】
また、表１は各種燃料に対するＣ（炭素）／Ｈ（水素）比をも示している。この表によれば、Ｃ／Ｈ比が大きいほど温度上昇率θが大きいことが分かる。これはＣ／Ｈ比が大きくなれば、勿論、燃焼による炭酸ガス量が増える事に起因する結果と考えられる。なお、Ｃ／Ｈ比は４．８以上が好ましい。また、炭素数は２以上、特に４以上が好ましい。
【００６８】
＜２−４．基礎検証実験考察＞
一般に、熱伝達のメカニズムを考えれば、燃焼管３２０の内壁の障害物は、熱伝達を阻害する原因となる。その考えからすると、燃焼管３２０の内壁の電磁放射体の塗布は熱伝達を阻害すると言える。しかしながら、本発明で用いられる電磁放射体は、高放射率（ε＞０．９）を有し、かつ熱伝導率（λ≒１８０ｗ／ｍｋ、Ｆｅの約２倍）が高い。このため、本発明で用いられる電磁放射体は、ＣＯ２等を含む排気ガスから吸収した電磁スペクトルをよりよく燃焼管３２０に伝えることができる。また、本発明で用いられる電磁放射体は、ナノサイズに粉砕された極性結晶体を含む。そのナノサイズに粉砕された極性結晶体は、その特性を失うことなく、電磁放射体の表面に無数の微細な凹凸を形成し、これが表面積を増大させる。これも、電磁放射体が障害物は熱伝達を阻害することなく、更に多くの熱を吸収することが可能になる要因と考えられる。
【００６９】
＜３．本発明に関する農業用ハウスボイラーでの実機検証＞
＜３−１．農業用ハウスボイラーを用いた実験概要＞
実機検証において用いる農業用ハウスボイラーは、図２に示すボイラー装置２００（下吹きタイプ）に近い構造をしている。農業用ハウスボイラーに電磁放射帯を塗布する際、図２に示すボイラー装置２００における燃焼室２１２の内壁、及び排出管２２１乃至２２３の内周面に相当する部分に電磁放射体を塗布する。そして、電磁放射体は、空気や排気ガスの流れの摩擦抵抗をできるだけ受けないように極めて薄く（約０．２ｍｍ）一様に塗布される。
【００７０】
本実験においては農業用ハウスボイラーの省エネ率を算出する。一般に、機器の省エネ率の算出は、機器の熱交換領域表面（ボイラー装置２００では、例えば、ボイラー装置２００における燃焼室２１２の内壁、及び排出管２２１乃至２２３の内周面）に電磁放射帯が塗布されている場合と、塗布されていない場合において、熱交換領域から伝熱された作動流体（ボイラー装置２００では空気）の温度を測定することによって行われる。
【００７１】
農業用ハウスボイラーの省エネ率の決定の際しての温度計測は、農業用ハウスボイラーの熱交換領域表面に電磁放射体が塗布されている場合と、塗布されていない場合における空気排出口２４２及び２４３に相当する空気出口で行った。温度計測に際してＫ型熱電対を用い、上記空気出口にＫ型熱電対を設置した。
【００７２】
この温度計測から、式（数１）を用いて温度上昇率θを算出し、ボイラー装置２００の省エネ率が決定される。ここで、電磁放射体が塗布された場合の上記空気出口での空気温度の上昇は大きくても１０℃〜１５℃である。この場合の熱伝達機構における比熱（Ｃｐ）や温度伝導率（熱拡散係数ａ）あるいは動粘性係数（ν）等は、ほとんど変化せず、ほぼ一定とみなせる。このため、プラントル数（ｐｒ）及びレイノルズ数（Ｒｅ）の変化は、電磁放射体が塗布されている場合でも、塗布されていない場合との比較において極めて小さく無視できるものと考えられる。
【００７３】
したがって、ヌセルト数（Ｎｕ）、すなわち、熱伝達係数の変化はほとんど無視できることになるため、熱交換領域表面を通しての移動熱流束は、以下に示す式で表すことができる。
【００７４】
電磁波スペクトル熱吸収体が塗布されていない場合の熱流束ｑｎは以下の式で表される。
ｑｎ＝ｃｐ（Ｔｓ―Ｔ０）    （ｋＪ／ｋｇ）
【００７５】
電磁波スペクトル熱吸収体が塗布されている場合の熱流束ｑｒは以下の式で表される。
ｑｒ＝ｃｐ（Ｔｒ―Ｔ０）    （ｋＪ／ｋｇ）
【００７６】
ここで、Ｔｓは、電磁波スペクトル熱吸収体未塗布の場合の空気出口における最終到達温度、Ｔｒは、電磁波スペクトル熱吸収体塗布の場合の空気出口における最終到達温度で、Ｔ０は外気（ハウス内）の平均外気温度である。上記ｑｎ及びｑｒを用いて、省エネ率（η）は以下の式（数２）のように定義することができる。
【００７７】
【数２】
2017053541.tif 000005
【００７８】
ここで発生熱流束ｑｎ及びｑｒの大小は、燃料消費量の大小に比例すると考えられるので、式（数２）で定義された省エネ率は、燃料の削減率を表すとみなすことができる。
【００７９】
＜３−２．実施例３＞
実機検証として用いる農業用ハウスボイラーは、型式がネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）である。上吹きタイプとは、図２におけるボイラー装置２００において空気取入れ部２３０が装置下側に配置され、空気排出部２４０が装置上側に配置されたタイプのものである。ネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）の仕様は、熱出力：１１６Ｋｋｗ、伝熱面積：５．４２ｍ２、燃焼流量１２．６７Ｌ／ｈ（Ａ重油）である。実機検証に際して、ネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）の燃焼室内に電磁放射体を塗布してネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）を運転する場合と、塗布しないでネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）を運転する場合の２通りを行う。その両方の場合においてネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）の空気排出口（空気出口）の温度測定を行う。そして、式（数２）により省エネ率（η）を算出する。
【００８０】
電磁放射体を塗布しないでネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）を運転した場合の温度測定結果は、初期温度Ｔ０＝８．３℃、最終到達温度Ｔｓ＝３３．５℃であった。また、電磁放射体を塗布してネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ）を運転した場合の温度測定結果は、初期温度Ｔ０＝６．７℃、最終到達温度Ｔｓ＝３５．０℃であった。これを式（数２）に当てはめると、省エネ率（η）は、１２．３（％）になる。
【００８１】
図６は、実施例３の条件下で、農業用ハウスボイラー（ネポンＨＫ４０２７ＴＥＶ（上吹きタイプ））における時間経過に対する温度比を示すグラフである。ここで温度比Ｒとは、点火からあの任意の時刻における空気排出口（空気出口）の温度ｔ（℃）を空気排出口（空気出口）の初期温度ｔ０（℃）で除した値である。図６から明らかなように、電磁放射体が塗布されている場合の方が、塗布されていない場合よりも、温度比Ｒは常に高いことがわかる。さらに、時間が経過するにしたがって、電磁放射体が塗布されている場合と、塗布されていない場合との温度比Ｒの差が大きくなっていっている。これは、電磁放射体が排気ガスの電磁スペクトルをどんどん吸収していっているからであると考えられる。
【００８２】
＜３−３．実施例４＞
実機検証として用いる農業用ハウスボイラーをその他の機種にして実施例３で行ったのと同様のことを行った。その結果を表２に示す。
【００８３】
【表２】
2017053541.tif 000006
【００８４】
表２に示すように、ＮＥＰＯＮ／ＨＫ４０２７は省エネ率が１２．３％、ＮＥＰＯＮ／ＨＫ３０２７は省エネ率が１４．３％、ＮＥＰＯＮ／ＨＫ２０２７は省エネ率が１２．４％、ＮＥＰＯＮ／ＨＫ６０２７は省エネ率が１０．０％であった。以上のように、熱出力の異なる農業用ハウスボイラーの他の機種においても省エネ率は、１０％を超えている。
【００８５】
＜３−３．農業用ハウスボイラーでの実機検証考察＞
本発明は、化石燃料燃焼における排気ガス中のＣＯ２等の電磁スペクトル（特に、遠赤外線領域の電磁波）からのエネルギーを、燃焼室内に塗布された電磁放射体（電磁スペクトル熱吸収体）を介して、作動流体に伝達する技術が基本となっている。この技術は、本願出願人が電磁波スペクトル熱吸収技術として研究・開発している。本発明は、その技術によって熱交換領域での温度上昇率を高め、効果的で、かつ効率的な省エネ方法を確立したものである。
【００８６】
上記検証は、液体燃料に対しては芯火炎（拡散火炎）を用いた。その液体燃料は、白灯油、エタノール、メタノールある。また、気体燃料においてはバーナ拡散火炎を用いた。その気体燃料としてはイソブタンを用いた。また、実機検証では、農業用ハウスボイラー（Ａ重油）を用いた。検証結果から白灯油の芯火炎では温度上昇率は２５．９％であった。また、イソブタンのバーナ拡散火炎では２１．７％であった。また、農業用ハウスボイラーで得られた省エネ率は約１２．３％であった。
【００８７】
これらの結果から、本願出願人が研究・開発した電磁放射体を中心とした電磁波スペクトル熱吸収技術は、化石燃料燃焼における熱交換領域での温度上昇率の改善の観点から極めて効果的で効率的な省エネ法であることが判明した。
【００８８】
尚、本発明の燃焼装置、及び熱伝導部材は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００８９】
１０、２１１、３１０  燃焼部
１１  排気ガス
１２  作動流体
２０  熱伝導部材
３０、２１４、２２５，２２６，２２７、３３０  熱変換層
１００、２１０  燃焼装置
２００  ボイラー装置
２１１ａ  排気ガス
２１２  燃焼室
２１３  送風ファン
２２０  排気ガス排出部
２２１、２２２、２２３  排出管
２２４  集合管
２３０  空気取入れ部
２３１  空気取入れ口
２３２  吸入ファン
２４０  空気排出部
２４１  空気排出通路
２４２、２２４３  空気排出口
２５０  ケーシング
３００  実験装置
３２０  燃焼管
３２１  温度測定位置
【図１】
2017053541.tif 000007
【図２】
2017053541.tif 000008
【図３】
2017053541.tif 000009
【図４】
2017053541.tif 000010
【図５】
2017053541.tif 000011
【図６】
2017053541.tif 000012