JPH08507363A - バーナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料として使用されるガス／空気混合物用の吸気口（２）及び燃焼ガス用の排気口（３）を有する燃焼室を取り囲むハウジング（１）を備えたバーナーについて記載している。燃焼室は有孔性材料（５）で充填される。気孔寸法がガス／空気混合物の流れの方向に増大するように、有孔性材料の気孔率は燃焼室の長手方向に沿って変動する。気孔寸法の、従って火炎発生の臨界ペクレ数が有孔性材料（５）の境界面又は特定の領域（Ｂ）にて生じ、火炎はこのペクレ数において存在可能であり、この数値より小さいと抑止される。

Description

【発明の詳細な説明】 バーナー 本発明はガス／空気燃料混合物用の吸気口及び排気ガス用の排気口を備えた燃 焼室を有するハウジングを備えたバーナーに関する。 従来、この種のバーナーは燃焼室にてガス／空気混合物を燃焼させる自由燃焼 火炎とともに作動し、その熱源として高温燃焼ガスが使用されている。特に、熱 伝達をするため高温燃焼ガスが水搬送パイプを通過して案内され、これらのパイ プにて熱湯及び熱蒸気が生成される。 ＮＯｘ及びＣＯのような汚染物質がこのバーナーにて生成される。これらの有 害で健康を脅かすガスは不安定な火炎における不完全燃焼により高火炎温度にて 、或いは低下可能性のある低火炎温度にて生じるが、不安定な火炎という代償を 払っている。更に、ガス／空気混合物の不完全燃焼が生じ、効率が低下すること も予想される。 こうした問題点を解決するため多種類のバーナーが開発されている。エッセン （Essen）のヴルカーン・フェルラーク社発行（誌名不詳）、１９９１年、Ｖｏ ｌ．４０、Ｎｏ．７−８、３３６〜３４２頁、アー．ザウル（A．Saul）及びデ ー．アルテマルク（D．Altemark）著「ガスタービン燃焼室における希薄空気予 混合燃焼」（Lean-Burn Premixed Combustion in Gas Turbine Combusters）に 研究報告が記載されている。この文献の記載によると、汚染物質低減のためなさ れた改良の特徴は、主に低火炎温度であり、燃料をできる限り完全燃焼させるた め、種々の処置が講じられている。より効率的な燃焼を行うために最も重要な方 法は超化学量論及び触媒である。例えば、上記引用文献はゼネラルエレクトリッ ク社による「ＬＭ２５００」型の濃混合物・消炎・希薄混合物燃焼室を示す。こ れは未だ改良段階にあり、第１工程において濃燃料混合物が燃焼させられる。中 間工程にお いて、第１工程にて一部燃焼させられたガスに空気が供給され、この結果生じる 希薄混合物が第２工程にて燃焼させられる。同著者らはこのバーナーのガス中に おけるＮＯｘ含有量が１９０ｍｇ／ｍ³であることを示している。 上記文献は触媒による燃焼についても記載し、これにより低温にて完全燃焼が 可能である。同文献は触媒燃焼のＮＯｘ含有量が２０ｍｇ／ｍ³以下であること を示している。触媒燃焼は幾つかの研究施設において開発中であるが、研究段階 の域を出ていない。著者らの見解によると、この種のバーナーが現在から５年の 間に市販されることはない。 同文献では安定性の問題について詳細には考察していない。しかし、選択され る火炎温度が低くなるほど、この問題は重要性を増す。 低温における安定燃焼の可能性については、「ガス／天然ガス」（gwf Gas/Er dgas）誌、１９８９年、第１３０巻、第７号、３３５〜３６４頁、ガス工業界か ら環境保護団体への寄稿文である、オットー メンツェル（OttoMenzel）著「新 規のガスバーナー及びガスバーナー装備技術」（Neue Gasbrenner-und-gerate t echnic）及びエッセンのヴルカーン・フェルラーク社発行「国際ガス燃焼」（Ga s Warme International）誌、１９８９年、第３８巻、第１号、２８〜３４頁、 ハー．ベルク（H．Berk）及びテーハー．ヤンネマン（Th．Jannemann）著「円筒 状燃焼室を備えた家庭用ガス熱ボイラーに使用する低汚染性プレミックスバーナ ーの開発」（Entwicklung eines schadstoffarmen Vormischbrenners fuer den Einsatz in Haushalts-Gasheizkesse1nmlt zylindrischer Brennkammer）に記載 されている。ここに記載された「サーモマックス」（Thermomax）バーナーのＮ Ｏｘ出力は非常に低い。このバーナーにおける保炎性は丸孔を有する孔あきプレ ートからなる熱伝導性バーナープレートによって確保され、燃焼されるガスがこ れら丸孔の中を流れる。孔あきプレートを介して熱を排除することにより、火炎 はバーナープレート内にほぼ納まって、安定した火炎となる。 しかし、バーナープレートはあらゆる稼動パラメータのもとで充分に保炎性を 保証するものでもない。例えば、燃焼率を上げ、火炎の浮上性を低下させるとい う理由により、混合物を約３００℃に予熱する場合は高空気比にて実施するのが 良いと述べられている。 引用した先行技術から明らかなように、低火炎温度によって汚染物質を低減す ることが可能であるが、保炎性については未解決の重大な問題が提示されている 。 従って、本発明の目的は火炎が低温にて定常状態で燃焼し、汚染物質排出量が 少ないバーナーを提供することにある。 従来の技術を改良して、この目的を達成するためには、ハウジングが接触空隙 を有する有孔性材料を備え、同有孔性材料の気孔率は気孔寸法がガス／空気混合 物の流れ方向に吸気口から排気口へと大きくなるように燃焼室に沿って変化し、 燃焼室における有孔性材料の領域又は境界面における気孔寸法に対して火炎発生 の臨界ペクレ数が生じ、この数値以上であると火炎が発生し、これ以下の時は火 炎発生が抑止されるようにする。 従来の技術から外れた見地において、本発明は燃焼に使用可能なガス量を削減 すべく、ガス／空気混合物の流れに抵抗性を付与する有孔性材料でハウジングを 充填することを提案している。更に、燃焼室における有孔性材料の熱容量により 燃焼熱の吸収が向上し、先行技術よりも効果的に燃焼熱を再利用できる。有孔性 材料は火炎温度を低下させる冷却手段も提供する。 所定の気孔寸法にて、火炎の化学反応及び熱緩和は同一規模であるため、火炎 はこの気孔寸法以下では発生できないが、この気孔寸法を越えると自然発火が起 こる。この状態は搬送による熱流と伝導による熱流との比を付与するペクレ数を 用いて適切に記載される。点火が生じ得る気孔率に応じた火炎発生の臨界超過ペ クレ数が存在する。火炎は臨界ペクレ数を有する領域のみにて存在可能であるた め、有孔性材料において自己安定化火炎面が生成される。 燃焼室において有孔性材料を使用することによって高熱容量が生じ、有孔性材 料において局所的に蓄積される高エネルギー及び高効率値を効果的に生じさせる ことができる。更に、この高熱容量の更なる利点は、例えば加熱或いは熱湯又は 熱蒸気発生のための熱交換器を燃焼室にて一体化でき、熱交換のための熱伝導が 従来の技術よりも向上している点にある。高出力密度は有孔性媒体における燃焼 率の上昇に起因し、火炎面の拡大は気孔率に起因する。 有孔性材料の別の利点は、ガス／空気混合物の流れにおいて高乱流が生成され 、通常より５０倍まで高い燃焼率を達成できる点にある。特に、これにより燃焼 率が向上し、出力密度が大きくなる。以下に記載する実施例において、９５％以 上の熱を効率的に使用できることを示す測定結果が得られた。 有孔性材料自体が火炎を冷却するため、これに応じて火炎温度が低くなり、引 き続いて排出量が減少する。従って、先行技術における超化学量論又は燃焼ガス の再利用などによる冷却を必要としない。有孔性材料がガス流そのものに抵抗を 付与するため、本発明によるバーナーは広範囲の圧力下にて稼動する。従って、 広範囲の圧力下、更には高圧下にてバーナーは稼動可能である。これにより本発 明によるバーナーの用途が拡大する。 本発明の更なる改良によると、臨界ペクレ数は６５＋／−２５であり、特に天 然ガス／空気混合物では６５である。この数値は各種のガス／空気混合物を試験 することにより確定された。しかし、ガスの種類によって結果にばらつきがある 。しかし、混合比及び天然ガスの成分組成に関わらず、天然ガス／空気混合物の 臨界ペクレ数は６５とすることに決定した。本発明によるバーナーにおいて選択 される素材の気孔率を確定するのに、ペクレ数が適正なパラメータを示すという ことを、これらの結果は示している。上記の示唆するところにより、当業者は事 前に幅広く実験することなく、その稼動様式に関し、有孔性材料の気孔率によっ て本発明のバーナーの臨界ペクレ数６５を設定することができる。 本発明の示唆に基づくバーナーは燃焼空間において低気孔率から高気孔率へ連 続的に遷移することができ、火炎発生は臨界ペクレ数を有する気孔率にて開始す る。しかし、既に考察したように、臨界ペクレ数はガス／空気混合物の相違によ り変動し得る。ボディー、即ちシェルにおける有孔性材料の連続気孔率曲線に関 し、これでは火炎が異なる条件下で転位する可能性があるという問題点が生じる 。火炎発生の規定位置を付与すべく、本発明の効果的な更なる改良により、ガス ／ 空気混合物の流れの方向にて交互にシェル内に配置され、異なる気孔寸法を有す る２つの領域が設けられる。吸気口に続く第１領域は臨界ペクレ数より小さな火 炎発生ペクレ数を有し、吸気口から遠距離にある第２領域は臨界ペクレ数より大 きなペクレ数を有する。 こうした工程の結果、２領域間の表面即ち領域にて、言い換えると臨界ペクレ 数の変動につながり得る稼動パラメータに関わらず、火炎が発生する。こうして 、火炎源位置を確定する前記工程により、更に安定性が高まり、広範囲の用途を 有するバーナーの製造が可能となる。 好ましい更なる改良により、第１領域は４０以下のペクレ数が生じる気孔寸法 を有し、第２領域は９０以上のペクレ数が生じる気孔寸法を有する。 この特徴の結果として、前述したように臨界ペクレ数の全周知変動範囲は６５ ＋／−２５であり、この全てを包括する。以下の実施例において明らかなように 、４０以下又は９０以上のペクレ数の領域を設計するための表示値は容易に具現 でき、広範に異なるガス／空気混合物を有し、かつ広範に使用可能なバーナーの 設計を可能にする。 好ましい更なる改良により、有孔性材料は耐火性の発泡プラスチック、セラミ ック或いは金属又は金属合金である。こうした有孔性材料の製造方法は従来の技 術より周知である。 しかし、一般家庭用バーナーにおける抵抗温度性は、火炎が有孔性材料そのも のによって冷却されるため、特に高い必要はない。９０ＫＷの出力容量を有する 本発明によるバーナーにおいて、温度は１４００℃以下に維持されることを試験 結果が示している。従って、本発明の好ましい更なる改良では、有孔性材料が１ ５００℃までの抵抗温度を有するようにしている。 この特徴により、本発明によるバーナーに使用可能な素材は多数存在し、素材 の選択についは技術的理由のみに基づく必要はなく、製造経済性及び低製造コス トを目的にバーナーを最適化できる。 本発明の好ましい更なる改良により、有孔性材料は、必要とあれば、焼結等に よって硬化可能な、例えば固体材料の形態を呈する充填材からなる。 気孔率は表示材料型を用いて容易に得られる。有孔性材料は疎粒体層からなり 得るが、硬化されて凝集性有孔性材料をなすことも可能である。 固体材料の主たる利点は、ハウジングに容易に導入可能であり、製造時の技術 的取扱いが非常に容易なことにある。例えば洗浄等を行ってバーナーを保守点検 するのに、ハウジングから固体材料を取り外すことも容易である。 本発明の好ましい更なる改良により、固体材料には金属、金属合金又はセラミ ック、特にステアタイト、ステマロックス（Stemalox）又はＡｌ₂Ｏ₃がある。こ れらの素材はあらゆる点において本発明によるバーナーの技術的要件を満たして いる。提示した固体材料は容易に入手でき、手ごろな価格である。従って、この 更なる改良により、製造技術の点から経済的かつ容易に本発明のバーナーを製造 することが可能となる。 本発明の好ましい更なる改良により、臨界ペクレ数を得るのに必要な粒径が５ 〜１１ｍｍ、特に９ｍｍである時、排気口に近接した固体材料は平均粒径が５ｍ ｍの球状粒からなり、次の領域においては１１ｍｍ以上の平均粒径を有する球状 粒からなる。 固体材料の粒体が球状である時、固体材料の均一性を製造中に容易に監視でき る。特に、これは得られる気孔率にも当てはまり、この気孔率は球状粒径及び同 粒体の固体材料における配置によってのみ確定される。スチール、ステアタイト 、ステマロックス又はＡｌ₂Ｏ₃並びに天然ガス／空気混合物を使用する時、９ｍ ｍの粒径を有する球体では６５のペクレ数が得られ、約１１ｍｍ及び５ｍｍの粒 径を有する球体では４０及び９０のペクレ数がそれぞれ得られることが示された 。このように、この更なる改良において、必要な気孔率が容易に得られ、特にそ の理由は表示型であって適正寸法を有する固体材料が容易に得られるためである 。本発明によるバーナーに必要な気孔率はそれほどの費用をかけることなく得ら れる。 従来の技術に関して前記したように、触媒材を用いることによってＮＯｘ、特 にＣＯの排出量を低減できる。この理由により、好ましい更なる改良において、 有孔性材料の空隙内面、即ち固体材料の粒体表面が触媒材料に被覆される。 本発明によるバーナーにおいて、気孔率に起因してガスと相互作用するための 大きな表面が得られる。従って、先行技術より周知の構成よりも本発明のほうが 大きな触媒効果を有することが予想できる。更に、更なる改良により本発明のバ ーナーはより容易に触媒を備えることが可能となり、連続的製造に適した触媒バ ーナーの量産型が迅速に実施可能となる。 本発明の効果的な更なる改良により、少なくとも部分的に冷却装置を備えたハ ウジングが設けられる。原理的にはハウジング中に流れる熱を絶縁材によって外 部環境から遮断することも可能である。しかし、この冷却効果は熱が冷却剤に吸 収され、かつ再利用可能である点にある。こうして、本発明によるバーナーの効 率が更に高まる。 効果的な更なる改良により、冷却装置はハウジングを取り囲み、即ち形成する 冷却コイルとして構成され、この冷却コイル中を冷却剤、特に水が流れる。更に 、冷却剤が不具合となった際に燃焼室への燃料供給を阻止すべく、監視装置を設 けることができる。 この特徴により、流動冷却剤は別の位置に転移可能な熱を搬送するため、冷却 によって吸収される熱は再利用可能である。しかし、バーナーの外壁が加熱して 火災又は燃焼を引き起こし得るような、断流に起因する冷却剤の流れの停止又は 冷却コイルにおける障害が起こり得ることを否定することはできない。従って、 冷却剤の不具合の際に燃焼室への燃料供給を阻止する監視装置を設けることが好 ましい。 これらの工程の結果として、高い安全性を確保すべく外壁を冷却した高効率の バーナーを具現できる。 本発明の効果的な更なる改良により、素材の気孔開口部が相対的に大きな領域 において熱交換用の冷却装置が設けられる。冷却コイルとして構成可能なこの冷 却装置により、バーナーにおける熱は、例えば温水又は熱蒸気として搬送可能で あり、加熱又はタービン稼動するための更なる工程において再利用可能である。 先行技術とは対照的に、熱伝達は熱ガスと冷却装置との直接的な相互作用ではな く、先行技術と比較して熱伝達を確実に向上させるべく、主に有孔性材料を介し て行われる。この特徴は効率を高めるのにも有効である。 好ましい更なる改良により、熱伝達するためにハウジングは冷却装置に直列接 続された冷却手段を備える。この工程により、ハウジングの冷却時に冷却剤に吸 収されるエネルギーが冷却剤において熱伝達に使用される同一の循環路にて案内 される。好ましくは、まず冷却剤はハウジングを冷却するのに使用され、次にバ ーナーの内部に案内され、高温にて有孔性材料と相互作用する。この改良により 、バーナーが発生させた熱は更に効率を高めるべく、全て冷却剤に吸収される。 バーナーが発生させた熱がバーナー内部の冷却装置により効果的に伝達される ほど、熱伝達は効果的である。更に、バーナーにおける冷却装置は冷却装置の領 域における有孔性材料の設計上考慮され得る、更なる耐流性を生じさせる。そし て、冷却装置は有孔性材料と同様に作用する。冷却装置そのものが更なる改良に よって少なくとも部分的に有孔性材料として作用し、かつ／或いは有孔性材料に 取って代わるように構成される時、有孔性材料の量を削減でき、より効果的な熱 伝達も行われる。 バーナーを最適化すべく、冷却装置と火炎との距離を最も効果的に選択する。 火炎近辺にて最高温度に達するが、冷却装置が火炎領域の外側に配置されるので あれば、冷却装置を構成するのに低温に適した素材を選択することも可能である 。更に、冷却装置が火炎領域の外側に配置された時、火炎は冷却装置によって更 に冷却されることはなく、火炎の安定性が高まる。この理由により、本発明の効 果的な更なる改良では、冷却装置と臨界ペクレ数を有する領域との距離が、少な くとも冷却装置と火炎との接触を阻止するほどの長さに規定されている。有孔性 材料における優れた熱伝導に起因し、このことは火炎から冷却装置への熱伝導に は僅かな影響しか与えない。 外部ハウジングの冷却が火炎に影響を及ぼすのを阻止すべく、本発明の効果的 な更なる改良では、例えばインサートのような燃焼室における付加装置によって ハウジングの内壁と同インサートとの間に１ｍｍ以上の間隙を生じさせ、有孔性 材料をこの間隙内に配置するように規定している。従って、不完全燃焼、即ち不 安定燃焼から生じるＣＯの排出が更に抑制される。 実施例における試験では、最大効率が得られるのは気孔率が固体材料によって 得られ、冷却装置が臨界ペクレ数６５を有する境界領域から固体材料の２〜４個 分の粒体の寸法距離にて配置された時であることを示している。通常、更なる改 良により、最も好ましい状態が生じるのは、冷却装置が臨界ペクレ数に必要な気 孔率を有する領域から火炎領域に進入しない程度に離間している時であると予想 できる。 別の好ましい改良により、ガス／空気混合物の点火が臨界ペクレ数を有する気 孔率の領域において行われるように、点火装置がバーナーに配置される。 原理的に、ガス／空気混合物は可燃性ガス／空気混合物が存在するのであれば バーナーのいずれの位置にても点火可能であり、それは例えば排気口からである 。しかし、更なる改良により、点火が行われるのは気孔率が臨界ペクレ数を有す る領域である。従って、火炎点火させられるのは火炎が安定状態においても燃焼 する領域なのである。このように、既に点火時期において安定性が高くなってい る。それは、他の位置であると火炎はまず逆火せねばならず、これは燃料の流速 が速いと不可能であるためである。この場合、燃料流量を一時的に減少させるこ とによってのみ点火可能である。こうして、点火工程を調整する必要が全くない ため、この特徴により本発明によるバーナーの装置コストが大幅に低減する。 本発明の効果的な更なる別の改良により、吸気口と有孔性材料との間に火炎ト ラップが設けられる。有孔性材料により、吸気口領域におけるペクレ数が火炎発 生を許容しないため火炎は逆火しないものと考えられる。しかし、主に安全性の 点から火炎トラップが設けられる。これは、例えば保守管理としての清浄後に高 気孔率の固体材料が吸気口領域に反意図的に導入された場合に意味をなす。 火炎トラップは通常状態では必要でないため、できる限り単純に構成される。 効果的な更なる改良により、火炎トラップは各燃料の臨界消炎半径以下の径を有 する複数の孔を有するプレートである。この火炎トラップは天然ガス／空気混合 物に有効であることが示された。火炎トラップの大きな利点は、特に容易な製造 方法及び非常に経済的な構成にある。従って、火炎トラップは低コストに維持さ れて価格が手ごろであり、妥当な費用にて更に追加して使用もできるが、通常、 本発明によるバーナーには必要でない。 高出力密度及び熱吸収用の多数の素材に起因し、本発明によるバーナーはコン デンシングボイラーとしても容易に稼動可能である。それは燃焼ガス温度がこの コンデンシングボイラーにおいて急激に低下するためである。しかし、生じた凝 縮物を除去せねばならない。これは本発明によるバーナーにおいて容易に実施可 能であり、テストモデルにて、これらバーナーは如何なる姿勢であっても、火炎 発生が重力に逆らうような姿勢であっても稼動可能であることが実証された。排 気口が下部にて配置されたバーナーにおいて、凝縮物はこの排気口を介して容易 に流出可能であり、工程を追加する必要はない。従って、本発明の好ましい更な る改良において、吸気口、排気口及び有孔性材料は生じた凝縮物が排気口を介し て流出可能であるように配置されると規定している。 本発明の更なる工程及び効果についても、図面とともに以下の実施例において 示している。 図１は３つの領域を有するバーナーの第１実施例を示す。 図２は２つの領域を有するバーナーの別の実施例を示す。 図３は球状固体材料における球状粒径の関数としてのペクレ数のグラフである 。 図４は図２の実施例における有孔性材料内の温度の曲線グラフである。 図５は図２に示す実施例に対応するものの、排気口が下部に配置され、湯沸器 又は蒸気発生器として設計されたバーナーの断面図である。 図６はインサートを備えたバーナーの断面図である。 有孔性材料における火炎発生については多くの科学者により既に研究され、 かつ刊行物に記載されている。特に、「燃焼及び火炎」（Combustion and Flame ） 誌、１９９１年、第８７巻、１８２〜１９０頁、ブイ．エス．バブキン（V.S．B abkin）、エー．エー．コルジャビン（A.A．Korzhavin）及びブイ．エー．ブネ ブ（V.A．Bunev）著「有孔性媒体における予混合ガス爆発炎の伝播」（Propagat ion of Premixed Gaseous Explosion Flames in Porous Media）を参照されたい 。この著者らは以下の火炎伝播機構を記載している。 有孔性材料において、燃料流中に乱流が生成される。火炎促進と乱流生成との 間の正のフィードバックは、乱流炎領域における強度の熱伝達に起因し、局所的 な化学反応の抑止によって減衰する。熱平衡の特性時間が化成よりも少ない時、 火炎形成が阻止される。更に、乱流においては様々な速度が生じるため、安定し た火炎を生成すべく、最大速度を有する火炎部分が抑止される。 同著者らが行った実験により、有孔性材料における火炎伝播に対して６５＋／ −２５の臨界ペクレ数が導出されたが、この場合、ガス組成が極度に異なること から差異が生じている。しかし、本質的には天然ガス／空気混合物において６５ というペクレ数を見込むことができる。 ペクレ数は以下の等式によって計算可能である。 Ｐ_e＝（Ｓ_Lｄ_mｃ_pφ）／λ、 ここでＳ_Lは層流炎速度、ｄ_mは有孔性材料の平均的空隙に相当する径、ｃ_pは混 合ガスの特定熱、φは混合ガスの密度、λは混合ガスの熱伝導率である。火炎発 生の条件がガスパラメータに依存するものであり、有孔性材料の特性がｄ_mを介 してのみ等式に算入可能であることを同等式は示している。このように、ペクレ 数は材料特性から独立したものであり、気孔率のみに依存している。こうして、 本発明のバーナーにおける有孔性材料には広範囲の素材及び幾何形状を用いるこ とができる。 その他については、等式中の全ての値は測定可能であるため、表示等式を用い て広範囲の混合ガスに利用可能な技術的指針が示されている。 図１はガス／空気混合物用の吸気口２及び燃焼ガス用の排気口３を有するハウ ジング１を備えたバーナーの概略図を示している。ハウジング１の内空間を分割 する火炎トラップ４が吸気口２から距離をおいて設けられている。火炎トラップ ４と排気口３との間に位置するハウジング１の内空間部は有孔性材料で充填され ている。更に、ガス混合気を発火させるため点火装置６が設けられている。 ガス／空気混合物は吸気口２を介して流入し、燃焼ガスが排気口６を介してバ ーナーから流出する。有孔性材料５は異なる陰影領域Ａ，Ｂ，Ｃに応じて局所的 に異なった気孔率を有する。領域Ａにおいて、気孔は非常に小さく、その結果生 じるペクレ数は臨界ペクレ数（天然ガス／空気混合物では６５）よりも小さい。 臨界ペクレ数は極限値であり、これ以上であると火炎が発生し、これ以下である と火炎は抑止される。領域Cにおいて、ペクレ数は臨界ペクレ数よりも確実に大 きく、従ってこの領域において火炎が発生し得る。領域Ｂは気孔率がペクレ数に 達する過度領域を表している。 有孔性材料における火炎発生に関する前記の発見により、火炎が発生するのは 領域Ｂにおいてのみであり、詳細には気孔率が臨界ペクレ数に達する位置におい てのみである。有孔性材料が火炎を冷却するため、少量のＮＯｘしか生成されな い。燃焼ガス中のＮＯｘ及びＣＯ成分を更に低減すべく、特にＢ領域において有 孔性材料の空隙の内面を触媒で被覆することもできる。 上記有孔性材料における火炎発生の物理法則の結果として、火炎は領域Ｂにお いて、即ちガス／空気混合物が丁度臨界ペクレ数に達する位置にて安定化する。 しかし、これは領域Ｂ内の物理パラメータが激しく変化した際に火炎が転位し、 原理的に局所保炎性が生じ得ないということでもある。他方、領域Ｂが付与する 過度層には火炎から有孔性材料への熱伝導を最適化すべく、極小の空隙を前にし て火炎面が安定化するという利点がある。 しかし、局所的に安定した火炎が意味をなすのであれば、図２に示す実施例に よるバーナーを使用できる。図１に示す実施例とは対照的に、この実施例におい ては領域Ｂが省略され、２つの領域Ａ，Ｃのみが存在する。この例において、前 記法則により、火炎が安定化するのは領域Ａと領域Ｃとの間の境界層においてで ある。こうして火炎は境界面によって決定づけられ、故に局所的に安定している 。 表示ペクレ数６５の差異＋／−２５に観がみて、ペクレ数が４０以下の気孔率を 領域Ａに付与し、９０以上のペクレ数に相当する気孔率を領域Ｃに付与すると効 果的である。この場合、広範囲にわたるガスパラメータの安定性を確保すべく、 境界層は広範囲にわたるガス／空気混合物に対しての火炎発生の位置を決定づけ ている。 異なる素材、例えばセラミックを有孔性材料として使用可能である。しかし、 耐火性発泡プラスチックを使用することもできる。本発明の目的のため、固体材 料は有孔性材料として使用されている。丸粒体を有する固体材料において、ペク レ数を算出するための等式において用いられる気孔率のパラメータｄ_mは、幾何 学的見地からｄ_m=δ／２．７７と計算可能であり、ここでδは固体材料の球状粒 径である。 上記等式に基づき、粒径δの関数として天然ガス／空気混合物に対するペクレ 数が図３に示すように計算された。計算するために層流炎速度SLは化学量論的に ０．４ｍｍ/秒と想定されている。６５のペクレ数が得られるのは球半径が９ｍ ｍの時であり、４０，９０というペクレ数が生じるのは半径がそれぞれ６ｍｍ、 １２．５ｍｍの時である。 図２によるテスト構成において、領域Ａにおいて５ｍｍ径の粒体が使用され、 領域Ｃにおいて１１ｍｍ径の粒体を使用した。この時、非常に異なるテスト材料 、例えばステアタイト、ステマロックス又はＡｌ₂Ｏ₃等の組成及び寸法に大きな 差がある磨き鋼球及びセラミック製粒体を用いた。本発明による効果は全ての材 料において実証された。 図４は異なる出力に対しての、この種のテストバーナーにおけるガス／空気混 合物の流れの方向に沿った温度曲線であり、シェルは外側から冷却された。最高 温度は９ｋＷという高出力であっても１５００℃以下であった。従って、１５０ ０℃までの温度に安定した素材は全て使用可能である。 図４は領域Ａと領域Ｃとの間の境界面を表す第１垂直線を示している。最高温 度に達するのは領域Ｃにおける境界面又は境界面の直後であることが明らかであ る。 更に、排気口３（第２垂直線）の方向に温度が急激に低下していることが図４ からわかる。このように、本発明によるバーナーにおいて、露点以下の燃焼ガス 温度が得られ、コンデンシングボイラーの効果が生じる。しかし、生じた凝縮物 を取り除かねばならない。バーナーの稼動は地球の重力場に対する姿勢に拘らず 安定しており、水平に、或いは排気口３を下部にしてもバーナーを稼動できるこ とが示された。排気口３を下部にした場合、凝縮物はバーナーから流出可能であ る。 排気口における低ガス温度は、燃焼されたガス／空気混合物の熱が高効率の熱 交換器の構成を可能にする有孔性材料に吸収されたことも示している。図２に示 す実施例によるバーナーについて、５ｋＷの出力、６０℃の燃焼ガス温度及び９ ５％の効率を有する湯沸器を構成することができる。この時、長さ僅か１５ｃｍ 、直径８ｃｍという全体的に小型のバーナーを維持することが可能であった。小 型化の原因は、主に有孔性材料によって得られる高出力密度によるものである。 図４は領域Ａと領域Ｃとの間の境界面の直後に最高温度に達するということも 示している。従って、熱蒸気を発生させるため、火炎から加熱水への熱伝達はこ の境界面に近接して行われるのが良い。従って、蒸気発生用に備えられた水を案 内する冷却装置は、境界面から約３ｃｍの距離にある有孔性材料の領域に延伸し ているのが良い。 いかなる場合でも、保炎性のため火炎そのものは冷却されないほうが良いため 、冷却装置を火炎に近づけ過ぎて配置しないのが概して好ましい。この理由によ り、冷却装置は火炎領域ではなく境界層の近辺にて効果的に配置されている。高 温に起因して冷却装置の構成において素材に関わる問題が生じるのであれば、よ り離間させるのが好ましい。 図５は水を加熱し、蒸気を発生させるのに適したバーナーの概略構成を示して いる。同様に、この構成はハウジング１、吸気口２、排気口３、火炎トラップ４ 、点火装置６及び有孔性材料５からなる。バーナーは凝縮物が容易に流出可能で あ るように排気口３が下部にくるように配置されている。有孔性材料５は同一寸法 の球体にて僅かに概略的に示されている。有孔性材料の気孔率がガス／空気混合 物の流れの方向に沿って変化し、排気口領域より吸気口領域のほうが球体の粒径 が小さいため、同図は実際の状態とは異なっている。 前記領域Ａと領域Ｃとの間の境界面を破線７で示している。既に説明したよう に、火炎は境界面７にて生じ、領域Ｃの数ｃｍの範囲内にて有孔性材料に熱を伝 達する。 ハウジング１を取り囲み、かつハウジング１を形成し得る外部冷却装置が更に 設けられている。この冷却装置８はハウジング１の周囲に配置された冷却コイル として構成可能であり、熱が逃げ去るのを阻止している。冷却剤に障害が発生し た際に吸気口２へのガス／空気混合物の流れを停止する水モニタを備えた冷却コ イルの中を水が流れ、ハウジング１はバーナーの稼動中、常時冷却されている。 これにより、外壁は過熱することなく、ハウジングに手を触れた時の火傷を防止 し、ハウジングからの発火を確実に阻止している。冷却コイルを介してハウジン グ壁から伝播された熱は再利用可能であり、温水又は熱蒸気の発生効率を高めて いる。 図５は排気口３から境界面７の直前にまで延び、領域Ｃの有孔性材料を貫通し た内部冷却装置９の配置を示している。 内部冷却装置９は概略的に示されている。実際のところ、有孔性材料５からの 熱伝達を最適化すべく、内部冷却装置９は、例えばコイル形状を呈することが可 能である。しかし、より複雑な態様の冷却装置９も勘案されている。内部冷却装 置９が、例えば熱伝達を更に向上させるべく、有孔性材料そのものを形成し、即 ち気孔率の一因をなすようにすることも可能である。 外部冷却装置８は内部冷却装置９に直列接続され、ハウジング１に予熱された 水が内部冷却装置９に案内され、湯沸又は蒸気発生に使用される。 燃焼室の火炎が外部冷却装置８の過度の冷却によって左右されないように、図 ６に示すように燃焼室の火炎領域にインサート１０が設けられている。適正な素 材にて形成されたインサート１０は有孔性材料５を受容し、ハウジング１の内壁 を直接熱放射から保護している。インサート１０はハウジング１の内壁から距離 をおいて配置されるようにも構成可能であり、内壁とインサート１０との間に可 燃性ガス／空気混合物を全く含有しない間隙１１が形成されている。燃焼室が火 炎領域にてこのように構成されることにより、不完全燃焼、即ち不安定燃焼の結 果として生じるＣＯ排出物質が更に低減している。 火炎トラップ４は火炎が逆火するのを防止している。領域Aにおける低ペクレ 数に起因して火炎が吸気口２を貫通しないため、原理的には本発明のバーナーに は火炎トラップ４は必要ない。火炎トラップ４を設けたのは単に安全性を高める ためである。図５に示す実施例において、火炎トラップは厚さ４ｍｍの鋼板から 製造され、１ｍｍ径の複数の孔があけられ、穴の密度は２０／ｃｍ²以下である 。 点火装置６は特に効果的な点火を可能にすべく、境界面７に近接して配置され ている。実施例において、火炎は自己安定的に境界面７において燃焼する。 排気口３から点火が行われるテストを実施した。しかし、この種の点火には問 題があった。それは自由炎の火炎速度が有孔性材料における火炎速度に比較して 低いためである。排気口３から境界面７への火炎の逆火が可能なのは、排気口３ におけるガス／空気混合物の平均速度が低く抑えられた時だけであった。このよ うに、排気口３からの点火には更なる調整が必要であり、ガス／空気混合物の流 量がまず削減され、次に境界面７にて発火後に再度増加させられる。これは境界 面７に近接した点火が効果的であることを示し、この場合、ガス／空気混合物に 複雑な調整用溶液を必要としない。 前記実施例は低温、優れた熱伝達及び保炎性を有する本発明のバーナーの基本 構成を示している。不完全燃焼の場合、本発明のバーナーを化学量論的に稼動し 、即ち燃焼ガス中の有害成分を更に低減する触媒材を有孔性材料に備えることに よって燃焼を向上させることも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 トリミス、ディモストヘニス ドイツ連邦共和国 デー―91058 エアラ ンゲン ビューヘンバッハー アンラーゲ ７ (72)発明者 ドゥルスト、フランツ ドイツ連邦共和国 デー―91094 ランゲ ンゼンデルバッハ アイヒェンシュトラー セ 12 (72)発明者 トリミス、ディモストヘニス ドイツ連邦共和国 デー―91058 エアラ ンゲン ビューヘンバッハー アンラーゲ ７ (72)発明者 ディマチェック、ゲロルト ドイツ連邦共和国 デー―91052 エアラ ンゲン ニュルンベルガーシュトラーセ 23

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス／空気燃料混合物用の吸気口（２）と、燃焼ガス用の排気口（３）とを 備えた燃焼室を有するハウジング（１）を備えたバーナーにおいて、 前記ハウジング（１）が接触空隙を有する有孔性材料（５）を備え、ガス／空 気混合物の流れ方向に吸気口（２）から排気口（３）へと気孔寸法が大きくなる ように有孔性材料（５）の気孔率が燃焼室に沿って変動し、燃焼室における有孔 性材料（５）の領域（Ｂ）又は境界面（７）における気孔寸法に対し火炎発生の 臨界ペクレ数が生じ、この数値より大きいと火炎発生が可能となり、これより小 さいと火炎発生が抑止されるバーナー。 ２．前記臨界ペクレ数が６５±２５であり、特に天然ガス／空気混合物では６５ とする請求項１に記載のバーナー。 ３．前記ガス／空気混合物の流れ方向に交互に配置され、異なる気孔寸法を有す る２つの領域（Ａ，Ｃ）がハウジング（１）に設けられ、吸気口（２）に続く第 １領域（Ａ）は臨界ペクレ数より小さなペクレ数を有し、吸気口（２）から遠距 離にある第２領域（Ｃ）は臨界ペクレ数より大きなペクレ数を有する請求項１又 は２に記載のバーナー。 ４．前記第１領域（Ａ）が４０以下のペクレ数となる気孔寸法を有し、第２領域 （Ｃ）が９０以上のペクレ数となる気孔寸法を有する請求項３に記載のバーナー 。 ５．前記有孔性材料を耐熱性の発泡性プラスチック、セラミック或いは金属又は 金属合金とした請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバーナー。 ６．前記有孔性材料が１５００℃までの抵抗温度性を有する請求項５に記載のバ ーナー。 ７．前記有孔性材料が必要とあれば焼結等によって硬化可能な、例えば固体材料 の形態を呈する充填材を備えた請求項１乃至４に記載のバーナー。 ８．前記固体材料が金属或いはセラミック、特にステアタイト、ステマロックス 又はＡｌ₂Ｏ₃を含有する請求項７に記載のバーナー。 ９．前記臨界ペクレ数を得るのに必要な粒径が大気圧下にて５〜１１ｍｍ、特に ９ｍｍである時、吸気口（２）に近接した固体材料は平均粒径が５ｍｍの球状粒 体からなり、次の領域においては１１ｍｍ以上の平均粒径を有する球状粒体から なる請求項７又は８に記載のバーナー。 １０．前記有孔性材料の空隙内面、即ち固体材料の粒体面を触媒材で被覆した請 求項１乃至９に記載のバーナー。 １１．前記ハウジング（１）が少なくとも部分的に冷却装置（８）を備えた請求 項１乃至１０に記載のバーナー。 １２．前記冷却装置（８）がハウジング（１）を取り囲み、即ちハウジング（１ ）を形成する冷却コイルとして構成され、同冷却コイル中に冷却剤、特に水を流 すようにした請求項１１に記載のバーナー。 １３．前記冷却剤が不具合になった際に燃焼室への燃料供給を阻止すべく、監視 装置を設けた請求項１２に記載のバーナー。 １４．前記有孔性材料の気孔開口部が相対的に大きな領域において熱交換用の冷 却装置（９）を設けた請求項１乃至１３に記載のバーナー。 １５．前記ハウジング（１）の冷却装置（８）を熱交換のために冷却装置（９） に直列接続した請求項１４に記載のバーナー。 １６．前記冷却装置（９）そのものを少なくとも部分的に有孔性材料として作用 し、かつ／或いは有孔性材料に取って代わるように構成した請求項１４又は１５ に記載のバーナー。 １７．前記冷却装置（９）と臨界ペクレ数を有する領域（Ｂ）又は境界面（７） との距離を、少なくとも冷却装置（９）と火炎との接触を阻止するほどの長さと した請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のバーナー。 １８．前記ハウジング（１）の内壁が付加的装置（１０）、例えば妥当な素材か らなるインサートによって少なくとも火炎領域において直接熱放射から保護され るようにした請求項１４乃至１６に記載のバーナー。 １９．前記ガス／空気混合物を含有しない間隙（１１）を生ずべく、ハウジング （１）の内壁から距離をおいて付加的装置（１０）を配置した請求項１８に記載 のバーナー。 ２０．前記冷却装置（９）を臨界ペクレ数に必要な気孔率を有する領域から火炎 領域に進入しない程度に離間させた請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の バーナー。 ２１．前記ガス／空気混合物の点火が臨界ペクレ数を有する気孔率の領域におい て行われるように点火装置を配置した請求項１乃至２０に記載のバーナー。 ２２．前記吸気口（２）と有孔性材料（５）との間に火炎トラップ（４）を配置 した請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のバーナー。 ２３．前記火炎トラップ（４）を各燃料混合物の臨界消炎半径以下の径の複数の 孔を有するプレートとした請求項２２に記載のバーナー。 ２４．前記吸気口（２）、排気口（３）及び有孔性材料（５）を、生じた凝縮物 が排気口（３）を介して流出可能であるように配置した請求項１乃至２３のいず れか１項に記載のバーナー。