マイクロコンバスタ及びマイクロ発電装置

【課題】消炎直径以下の微小空間で安定に予混合気の燃焼を行うことが可能であり、小型化が容易であり、装置形状が単純で製造コストの低廉なマイクロコンバスタを提供する。
【解決手段】外径１ｍｍφ、内径０．４ｍｍφの多孔質のムライト管１の端部近くの内壁に、Ｐｔ粉が焼き付けられた約３ｍｍのＰｔ触媒ゾーン２が形成されている。ムライト管１にメタンと空気からなる予混合ガスを供給し、着火させることにより、消炎直径以下の燃焼が持続される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造が簡単で小型化の容易なマイクロコンバスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、既存の燃焼器に比べて燃焼容積が格段に小さな超小型燃焼器（以下「マイクロコンバスタ」という）の開発が注目を浴びている。マイクロコンバスタとバッテリーとを比較した場合、マイクロコンバスタの方がはるかに高いエネルギー密度を有するという特徴がある（図７参照）。例えば炭化水素燃料を用いたマイクロコンバスタのエネルギー密度は、リチウムイオン電池のエネルギー密度の約８０倍である。また、マイクロコンバスタで取り出した熱エネルギーを電気エネルギーに変換できれば、既存の電池よりも高性能（高負荷・長寿命）な小型電源となる。このため、マイクロコンバスタを携帯可能な発電機の熱源とし、モバイル機器をはじめとするMEMS等のためのマイクロ発電装置の研究も進められている。また、マイクロコンバスタで発生する熱エネルギーを直接熱源として利用することも行われている。例えば、半導体製造における局所加熱用の熱源に用いる等の提案がなされている(特許文献１、２)。
【０００３】
しかし、マイクロコンバスタのように、火炎の占める空間（以下「燃焼空間」という）が小さくなると、燃焼空間の体積に対する表面積の割合（すなわち比表面積）が増大する。このため、燃焼空間で発生する熱量に対して壁面を通して外へ逃げていく熱量の割合が大きくなり、その結果燃焼領域の温度低下を招き、ついには消炎に至る。つまり、比表面積が大きい条件においては、火炎の維持が困難となるのである。このように狭い空間を伝播する予混合火炎において、炎が消えることなく維持できる最小の距離、すなわち「消炎距離」という概念がある。２枚の平板に挟まれた空間を伝播する火炎を考えたとき、この消炎距離以下の距離においては、火炎は熱損失および壁面での失活により消炎し、安定に保炎することができない。このとき消炎距離は以下の式で表すことができる。
【数１】

【０００４】
消炎距離ｄは混合気の熱伝導率、燃焼速度、ヌセルト数などの関数であるが、同様の概念を円管内の火炎に適用したものとして「消炎直径」がある。この消炎直径も消炎距離と係数が異なる同様の式で表され、例えば化学量論比のメタン空気混合気の消炎直径は３mm程度である。消炎直径は、予混合ガス温度や管壁温度の上昇に伴って低下する。このため、流路径が室温状態における消炎直径より小さい場合、一般に火炎は伝播することなく消炎を生じるが、管壁を高温化して予混合ガスを予熱することで、消炎直径以下の管内において反応を維持することができる。そして、このとき必要となる管壁温度は、例えばメタン燃料の場合は以下の式で与えられる（非特許文献３）。この式によれば、例えば内径1.0mmの管内で火炎を維持するために必要な管壁温度は約800Kとなり、内径0.4mmでは約1100Kとなる。
【０００５】
消炎直径よりも小さい燃焼空間での燃焼を維持するために、既燃ガスの流路と予混合ガスの流路とを近接させることにより、既燃ガスの熱によって予混合ガスを燃焼前に予め加熱しておくという、カウンターフロー方式のマイクロコンバスタが提案されている。
【０００６】
例えば特許文献１では、図８に示すように、燃料ガスと空気とを混合した予混合ガスの流路９１と、予混合ガスが燃焼した既燃ガスの流路９２とを渦巻状で並列に並べ、燃焼室９３を渦巻の中心部に設けるというスイスローバーナ９０について記載されている。このスイスロールバーナ９０は、既燃ガスの熱が予混合ガスに効率よく伝わるため、消炎直径よりも小さな燃焼空間での燃焼を安定に維持することができる。
【０００７】
また、特許文献２では、図９に示すように、２重管方式のマイクロコンバスタが提案されている。このマイクロコンバスタは、先端が閉じた外管９４に、先端が開いた内管９５が挿入されており、内管95の先端内壁に白金触媒９６が付着されている。外管９４と内管９５の間から予混合ガスを流すと予混合ガスは外管９４の先端まで達し、さらに内管９５の先端から内管９５の内側を通って戻る途中に、白金触媒９６の作用により予混合ガスが燃焼する。こうして高温の既燃ガスが内管９５内を通って戻る際に、既燃ガスの熱が内管９５の壁を伝って予混合ガスに伝熱される。こうして、既燃ガスの熱が予混合ガスに効率よく伝わるため、内管９５の白金触媒９６が付着した部分において、消炎直径よりも小さな燃焼空間での燃焼を安定に維持することができる。
【特許文献１】特開２００４−２００８３号公報
【特許文献２】特開２００５−７６９７３号公報
【非特許文献１】平成16年度岐阜大学大学院工学研究科機械システム工学専攻井本吉紀学位論文「メゾスケールチャンネル内での予混合火炎伝播機構の解明」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記スイスロールバーナや２重管方式のマイクロコンバスタのような、カウンターフロー方式のマイクロコンバスタでは、既燃ガスの流路と予混合ガスの流路とを近接させるために形状が複雑となり、製作工程が煩雑で、製造コストが高騰化するという問題があった。また、燃焼空間の他に、既燃ガスの流路と予混合ガスの流路とを近接させる空間も必要となるため、装置が大きくなるという問題点もある。さらには、燃焼室が二重管の内側であったり、渦巻き状の一部であったりするために、熱電変換素子と組み合わせてマイクロ発電装置とする場合、燃焼室と熱伝変換素子とを広い面積で接触させることが難しく、熱エネルギーを効率良く熱伝変換素子に伝えられないという問題もある。
を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、消炎直径以下の微小空間で安定に予混合ガスの燃焼を行うことが可能であり、小型化が容易であり、装置形状が単純で製造コストの低廉なマイクロコンバスタを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、上記２重管方式のマイクロコンバスタを用い、内管の内径及び予混合ガスの流速が燃焼持続に必要な壁面温度に与える影響について研究を行っていた際、消炎直径が内管の多孔度にも大きく依存することを発見した。そして、さらに研究を行った結果、驚くべきことに多孔性の内管を用いれば、外管がなくても消炎直径以下の微小空間で燃焼を持続できるということを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明のマイクロコンバスタは、燃料ガスと酸素含有ガスとからなる予混合ガスを細管内の燃焼室で燃焼させるマイクロコンバスタにおいて、
前記細管は多孔質の管からなり、該細管の内壁には前記予混合ガスの燃焼を促進する触媒が付着した触媒ゾーンが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のマイクロコンバスタでは、予混合ガスを細管内に流した場合、触媒ゾーンを通過する際に、予混合ガスの一部が触媒作用によって燃焼し、高温の既燃ガスが発生し、細管の触媒ゾーンが加熱される。さらには、既燃ガスの一部が多孔質の細管壁を浸透することによっても、細管の触媒ゾーン部分が加熱される。この既燃ガスの浸透に伴う熱移動は、単なる熱伝導による熱移動よりも大きいため、細管の触媒ゾーン部分は高温に保たれ、燃焼室に入る前の予混合ガスはこの高温となった触媒ゾーン部分であらかじめ加熱されることとなる。そして、こうして加熱された予混合ガスは燃焼室で燃焼し、そこで発生した既燃ガスの一部も細管壁に浸透するため、燃焼室における細管壁軸方向の温度の低下が抑えられる。これにより、燃焼室近傍のみで限定的に高い壁温が得られ、消炎直径以下の微小空間で安定な燃焼が維持される。しかも、細管は多孔質であるために断熱効果を有し、細管の軸方向へ熱が伝わり難い。このため、細管における触媒ゾーン部分や燃焼室部分での局部的な高温部を保持されやすい。また、細管が多孔質管とされているために、触媒を細管の内部にまで浸透させることができる。こうして細管の内部まで触媒を浸透させた場合には、多孔質の細管の内部を通る気体の一部が管壁内部を通り、その細管内部においても予混合ガスを触媒に接触させることができ、細管の触媒ゾーン部分における局部的な高温部をさらに保持し易くすることができる。
【００１３】
本発明のマイクロコンバスタでは、細管を二重管とする必要はなく、一重管で構成することができる。また、一重管を複数本併設してもよい。また、予混合ガスが流れる細管の外面と既燃焼ガスが流れる細管の外面とを接触するような構成とする必要はなく、燃焼室を境として予混合ガスが流れる細管の外面と既燃焼ガスが流れる細管の外面とを非接触とすることができる。
【００１４】
以上のように、本発明のマイクロコンバスタは、二重管構造や渦巻き型構造等のように、既燃ガスの流路と予混合ガスの流路とを近接させるといった複雑な構造を必要とせず、単なる多孔質の細管内壁に触媒を付着させた触媒ゾーンを形成するだけで、予混合ガスの持つ熱エネルギーの一部が燃焼室に入る直前の予混合ガスにフィードバックされるという熱回収機構が達成さる。このため、消炎直径以下の微小空間においても安定に燃焼を行うことができる。さらには、小型化も容易であり、装置形状が単純で、製造コストも低廉となる。発明者らは、外直径1mm以下、内直径0.4mm以下という細管内で火炎が保持されることを確認している。しかも，この火炎は裸火ではなく，多孔質壁により構成される燃焼器内部に閉じ込められているため、長時間かつ安定、安全に火炎を維持することが可能である。
【００１５】
細管はセラミックス多孔体とすることができる。セラミックス多孔体であればセラミックス粉末の焼結等の手法によって多孔性の細管を容易に製造することができ、耐熱性及び耐久性にも優れたものとなる。
【００１６】
また、本発明のマイクロコンバスタは、消炎直径以下の微小空間で燃焼を行うことができるため、細管の内径を消炎直径よりも小さくすることもでき、マイクロコンバスタの超小型化が可能となる。
【００１７】
さらに、本発明のマイクロコンバスタに熱電変換素子を接触又は近接させてマイクロ発電装置とすることもできる。予混合ガスの燃焼によって得られるエネルギーは、同じ質量の電池によって得られるエネルギーに比べてはるかに高いため（図７参照）、熱電変換素子のエネルギー変換効率を考慮しても、マイクロ発電装置の単位質量当たりの発電量は優れたものとなる。このため、電池に替わる小型軽量の電気エネルギー源として用いることができる。熱電変換素子はマイクロコンバスタの燃焼室に直接接触させてもよいが、熱伝変換素子の耐熱性を考慮して、金属板などの介在物を介して間接的に接触させることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のマイクロコンバスタに用いられる細管としては、多孔質であって燃焼時の高温に耐える耐熱性を有する材料であれば、どのようなものでも用いることができる。細管として、セラミックス多孔体を用いることも好ましい。セラミックス多孔体からなる細管は、セラミックス粉末の焼結等の手法によって容易に製造することができ、耐熱性及び耐久性にも優れたものとなる。このようなセラミックス多孔体としては、例えばムライト焼結体、アルミナ焼結体、炭化ケイ素焼結体、チタニア焼結体、ジルコニア焼結体等が挙げられる。
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
＜マイクロコンバスタの作製＞
実施例１のマイクロコンバスタは、図１に示すように、外径１ｍｍφ、内径０．４ｍｍφの多孔質のムライト管１（株式会社ニッカトー製の熱電対用絶縁管ＨＢ０１１）が用いられており、ムライト管１の端部近くの内壁には、Ｐｔ粉が焼き付けられた約３ｍｍのＰｔ触媒ゾーン２が形成されている。Ｐｔ触媒ゾーン２は次のようにして形成した。すなわち、試薬のＰｔ黒粉末を用意し、これをムライト管１の中に細いステンレス製のワイヤを用いて所定の位置に押し詰めた後、外部からバーナで熱してＰｔを焼き付ける。こうしてＰｔ触媒ゾーン２を形成した後、ムライト管１の端をたたいて余分なＰｔ粉末を除去し、これを実施例１のマイクロコンバスタとした。なお、Ｐｔを焼き付ける代わりに、２本のＰｔ線を互いに接触しないようにしてムライト管１内に挿入し、先端で火花放電を行うことによってＰｔ蒸着を行い、Ｐｔ触媒ゾーンを形成することもできる。
【００２０】
＜燃焼試験＞
上記のマイクロコンバスタを用いて燃焼装置を組み立て、燃焼試験を行った。燃焼装置は、図２に示すように、メタンガスボンベ３及び空気圧縮ボンベ４に接続された配管５、６がレギュレータ３ａ、４ａ、フィルター３ｂ、４ｂ、流量調節装置３ｃ、４ｃを経た後、合流されてムライト管１に接続されている。ムライト管１への配管の接続には図示しない熱収縮チューブを用いた。また、ムライト管１のＰｔ触媒ゾーン２付近の上下には、赤外線照射装置７を設置した。
この燃焼装置を用い、流量調節装置１によってメタンと空気とを当量比1となるように調節して予混合ガスを調製し、ムライト管１に１００ｃｃ／分の流量で供給した。そして、赤外線照射装置７を駆動してＰｔ触媒ゾーン２付近を加熱し、着火後、赤外線の照射を停止した。
【００２１】
（比較例１）
比較例１では実施例１におけるムライト管１の替わりに、外径２．０ｍｍφ、内径１．０ｍｍφの石英管を用いた。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２２】
（比較例２）
比較例２では実施例１におけるムライト管１の替わりに、同じ形状のステンレス管（ＳＵＳ３０４）を用いた。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２３】
（比較例３）
比較例２ではＰｔ触媒ゾーンを形成していないムライト管を用いた。他の構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。
【００２４】
＜結果＞
実施例１におけるマイクロコンバスタの燃焼の様子を図３に示す。この写真から分かるように、実施例１のマイクロコンバスタでは、Ｐｔ触媒ゾーン２付近において、安定した燃焼が持続させることができた。この場合の消炎直径は３mmであり、消炎直径以下の燃焼の持続が可能となったことになる。
これに対して比較例１〜比較例３では、燃焼を維持することができず、すぐに消火した。以上の結果は、次のように説明される。すなわち、図４に示すように、実施例１のマイクロコンバスタでは、予混合ガスがムライト管１に流入し、Ｐｔ触媒ゾーン２において予混合ガスの一部が触媒作用によって燃焼し、Ｐｔ触媒ゾーン２が加熱される。さらには、既燃ガスの一部がムライト管１の多孔質の壁を浸透することによっても、Ｐｔ触媒ゾーン２内部が直接加熱される。この既燃ガスの浸透に伴う熱移動は、単なる熱伝導による熱移動よりも大きいため、Ｐｔ触媒ゾーン２は高温に保たれ、燃焼室に入る前の予混合ガスが予め加熱されることとなる。そして、こうして加熱された予混合ガスはＰｔ触媒ゾーン２の出口付近で燃焼し、そこが燃焼室８となる。そして、燃焼室８で発生した既燃ガスの一部も細管壁に浸透する。このため、燃焼室８における細管壁軸方向の温度の低下が抑えられる。しかも、ムライト管１は多孔質であるために断熱性に優れ、ムライト管１の軸方向へ熱は伝わり難い。このため、ムライト管１における触媒ゾーン部分や燃焼室部分での局部的な高温部が保持されやすくなり、燃焼室８及びＰｔ触媒ゾーン２で限定的に高い壁温が得られ、消炎直径以下の微小空間で安定な燃焼が維持される。
【００２５】
これに対して比較例１や比較例２では多孔質ではない細管を用いているため、既燃ガスの細管壁への浸透はほとんど無く、その部分での温度上昇が実施例１の場合よりも小さい。しかも、細管は多孔質ではないため断熱効果が小さく、軸方向へ熱が伝わり易い。このため、Ｐｔ触媒ゾーン部分や燃焼室部分での局部的な高温部を保持され難くなり、消炎直径以下の微小空間で安定な燃焼が困難となるのである。
また、比較例３ではＰｔ触媒ゾーンが形成されていないため、予混合ガスの燃焼前にあらかじめ加熱しておくことができず、このため、消炎直径以下の燃焼の持続が不能となったのである。
【００２６】
＜マイクロ発電装置の作製＞
実施例１のマイクロコンバスタを用いて、マイクロ発電装置を作製した。このマイクロ発電装置は、図５に示すように、2本のマイクロコンバスタ１０ａ、１０ｂが平行に並び、Ｐｔ触媒ゾーン２どうしが隣接している。Ｐｔ触媒ゾーン２の外側面はコ字型の銅板１１が取り囲んで接合されており、銅板１１には２つの熱電変換素子１２、１３（４ｍｍ角）が長さ方向に並んで接合されている。熱電変換素子１２、１３の銅板１１と反対側には、コ字型の放熱フィン１４が背中合わせに接合されている。熱電変換素子１２、１３の側面の端子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂにはガラス保護管１２ｃ、１２ｄ、１３ｃ、１３ｄで熱的に保護されたリード線１２ｅ、１２ｆ、１３ｅ、１３ｆが接続されている。
【００２７】
＜発電試験＞
上記のマイクロ発電装置を用い、実施例１と同様の燃焼装置を組み立てて熱電変換による発電試験を行った。燃焼条件は、メタン流量が１２ｍｌ／分であり、空気流量は７２ｍｌ／分とした。このときの発熱量は、投入した空気とメタンが反応して平衡状態に達したとして計算すると約３．０Ｗとなる。燃焼時における熱電変換素子１２、１３の温度は高温側では２３０°Ｃ、低温側では１００°Ｃ以下となり、その温度差は約１５０°Ｃであった。
熱電変換素子１２、１３に与える負荷を変化させて、電圧と電力との関係を測定した結果を図６に示す。このグラフに示すように、熱電素子１つ当たり最大で３５ｍＷの出力が得られた。このとき効率はおよそ１．２％であった。
【００２８】
また、携帯ラジオ（単４電池１本で作動、２０ｍＡ）の電源としこのマイクロ発電装置を用い、安定化を図るために２２０μＦのコンデンサを接続したところ、問題なく受信することができた。以上の結果から、このマイクロ発電装置は、電池に変わる小型電源として利用可能であることが分かった。
【００２９】
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１のマイクロコンバスタの斜視図である。
【図２】実施例１のマイクロコンバスタを用いた燃焼装置の模式図である。
【図３】実施例１のマイクロコンバスタの燃焼時の写真である。
【図４】実施例１のマイクロコンバスタの燃焼時における断面模式図である。
【図５】実施例１のマイクロコンバスタを用いたマイクロ発電装置の斜視図である。
【図６】実施例１のマイクロコンバスタを用いたマイクロ発電装置を駆動したときの電圧と電力との関係を示すグラフである。
【図７】各種炭化水素燃料及び各種電池の単位重量当たりの発生エネルギーのグラフである。
【図８】スイスロール型マイクロコンバスタの斜視図である。
【図９】２重管方式のマイクロコンバスタの斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…ムライト管（細管）
２…Ｐｔ触媒ゾーン（触媒ゾーン）
１２、１３…熱電変換素子

【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとからなる予混合ガスを細管内の燃焼室で燃焼させるマイクロコンバスタにおいて、
前記細管は多孔質の管からなり、該細管の内壁には前記予混合ガスの燃焼を促進する触媒が付着した触媒ゾーンが形成されていることを特徴とするマイクロコンバスタ。
【請求項２】
前記細管はセラミックス多孔体からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロコンバスタ。
【請求項３】
前記細管の内径は消炎直径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロコンバスタ。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロコンバスタの燃焼室に熱電変換素子を接触又は近接させてなることを特徴とするマイクロ発電装置。

【図１】