NL1001511C2

NL1001511C2 - Catalytic burner element, combustion engine comprising such a burner element and device provided with such a combustion engine.

Info

Publication number: NL1001511C2
Application number: NL1001511A
Authority: NL
Inventors: Michael Johannes Franc Verhaak; Ariejan Bos
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-05-02
Also published as: AU7342696A; WO1997015379A1

Description

Katalytisch branderelement, verbrandingsmotor omvattende een dergelijk branderelement alsmede inrichting voorzien van een dergelijke verbrandingsmotor.Catalytic burner element, combustion engine comprising such a burner element and device provided with such a combustion engine.

5 De uitvinding heeft betrekking op een branderelement omvattende een verbrandingskamer met een brandstoftoevoer, een brandstofafvoer en een warmtewisselende wand, waarbij de verbrandingskamer een veelheid van katalysatordeeltjes bevat voor katalytische verbranding van aan de verbrandingskamer toegevoerde brandstof, welke 10 katalysatordeeltjes zijn verbonden met een drie-dimensionale drager van warmtegeleidingsmateriaal omvattende een metaal, een metaalverbinding, een carbide of een nitride voor warmtegeleiding van de katalysatordeeltjes naar de warmtewisselende wand.The invention relates to a burner element comprising a combustion chamber with a fuel supply, a fuel discharge and a heat-exchanging wall, wherein the combustion chamber contains a plurality of catalyst particles for catalytic combustion of fuel supplied to the combustion chamber, which catalyst particles are connected to a three-dimensional heat conducting material support comprising a metal, a metal compound, a carbide or a nitride for heat conduction of the catalyst particles to the heat exchanging wall.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een verbrandingsmotor 15 omvattende een dergelijk branderelement.The invention also relates to a combustion engine 15 comprising such a burner element.

De uitvinding betreft verder een inrichting voor verwarming of koeling van overdekte of afgesloten ruimten en voor opwekking van elektrische en/of mechanische energie.The invention further relates to a device for heating or cooling covered or enclosed spaces and for generating electrical and / or mechanical energy.

Uit EP-A-0416710 zijn een aantal verschillende inrichtingen be-20 kend voor het uitvoeren van endotherme of exotherme katalytische reacties in een reactorkamer. Hierbij kunnen katalysatordeeltjes zijn aangebracht op keramische honingraatstructuren die in de reactorkamer zijn geplaatst, waardoor reactiegassen worden geleid. Om de thermische geleiding van katalytische reactoren te verbeteren kan als 25 drager van de katalysatordeeltjes een poreus metaal worden genomen. In een andere uitvoeringsvorm zijn de katalysatordeeltjes aangebracht op honingraatstructuren die zijn opgerold om een reactor te vormen met een groot aantal kanalen voor doorvoer van de reactanten. In een weer andere uitvoeringsvorm worden de katalysatordeeltjes verbonden 30 met een drager uit gesinterde metaaldeelt jes die in goed warmtegeleidend contact staan met een wand van de reactorkamer. Hierdoor kan de temperatuur toe- en afvoer van en naar de reactorkamer op betere wijze worden beheerst. Volgens EP-A-0416710 worden metaaldeeltjes met een minimale afmeting van 0.3 mm aan -elkaar 35 gesinterd en thermisch geleidend verbonden met een wand van de reactorkamer. De metalen van de gesinterde metaaldeeltjes kunnen nikkel, ijzer, chromium, mangaan, vanadium, cobalt, koper, titanium, zirconium, hafnium, tin, molybdeen, zilver, goud, platinum, 10 015 11.From EP-A-0416710 a number of different devices are known for carrying out endothermic or exothermic catalytic reactions in a reactor chamber. Here, catalyst particles can be applied to ceramic honeycomb structures placed in the reactor chamber, through which reaction gases are passed. In order to improve the thermal conductivity of catalytic reactors, a porous metal can be used as the carrier of the catalyst particles. In another embodiment, the catalyst particles are applied to honeycomb structures that are coiled to form a reactor with a large number of channels for the passage of the reactants. In yet another embodiment, the catalyst particles are bonded to a sintered metal particle support which is in good heat conducting contact with a wall of the reactor chamber. As a result, the temperature supply and discharge to and from the reactor chamber can be better controlled. According to EP-A-0416710, metal particles with a minimum size of 0.3 mm are sintered together and thermally conductively connected to a wall of the reactor chamber. The metals of the sintered metal particles can be nickel, iron, chromium, manganese, vanadium, cobalt, copper, titanium, zirconium, hafnium, tin, molybdenum, silver, gold, platinum, 10 015 11.

2 palladium, tungsten, tantaal, en dergelijke omvatten.2 include palladium, tungsten, tantalum, and the like.

Uit US-A-4.285.665 is een Stirling-motor bekend met een katalytisch branderelement omvattende een metalen drager waarvan katalysa-tordeeltjes zijn bevestigd. De drager kan zijn gevormd door een ge-5 golfde metalen plaatstructuur of een metalen gaasstructuur.US-A-4,285,665 discloses a Stirling engine with a catalytic burner element comprising a metal support from which catalyst particles are attached. The support can be formed by a corrugated metal sheet structure or a metal mesh structure.

De bovengenoemde branderelementen hebben als nadeel dat de dragers voor katalysatordeeltjes een relatief slechte warmte-overdracht hebben bij de hoge porositeit van de dragers die nodig is voor het verkrijgen van een lage stromingsweerstand en voor minimalisering van 10 compressieverliezen in de brandstof en dat zij veelal een complexe configuratie omvatten. Bij de bekende Stirlingmotoren is verder de warmte-overdracht van het branderelement naar de zuiger niet optimaal.The abovementioned burner elements have the drawback that the catalyst particle carriers have a relatively poor heat transfer due to the high porosity of the carriers which is required to obtain a low flow resistance and to minimize compression losses in the fuel and that they often have a complex configuration. Furthermore, with the known Stirling engines, the heat transfer from the burner element to the piston is not optimal.

Het is een doel van de uitvinding te voorzien in een 15 branderelement waarmee een hoge temperatuurstroom door een warmtewisselende wand met een relatief klein oppervlak kan worden opgewekt.It is an object of the invention to provide a burner element with which a high temperature flow can be generated through a heat-exchanging wall with a relatively small area.

Het is een verder doel van de uitvinding een katalytisch branderelement te verschaffen dat een drager omvat met een relatief 20 grote warmte-overdracht en een hoge porositeit.It is a further object of the invention to provide a catalytic burner element comprising a support with a relatively high heat transfer and a high porosity.

Het is een verder doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een branderelement voor katalytische verbranding van gassen waarbij een relatief grote mate van warmtegeleiding tussen de katalysatordeeltjes en een warmtewisselende wand plaatsvindt.It is a further object of the present invention to provide a burner element for catalytic combustion of gases in which a relatively high degree of heat conduction takes place between the catalyst particles and a heat-exchanging wall.

25 Het is een weer verder doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een branderelement waarbij tevens een hoog verbrandings-rendement wordt verkregen en waarbij een doorstroomweerstand relatief gering is.It is a still further object of the present invention to provide a burner element which also provides a high combustion efficiency and wherein a flow resistance is relatively small.

Het is een verder doel van de onderhavige uitvinding te 30 voorzien in een verbrandingsmotor waarbij door een relatief klein oppervlak een grote uitwendige warmtestroom kan worden toegediend.It is a further object of the present invention to provide a combustion engine in which a large external heat flow can be administered through a relatively small area.

Het is weer een verder doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een inrichting voor verwarming of koeling van overdekte of afgesloten ruimten en voor opwekking van mechanische en/of 35 elektrische energie op een goedkope wijze en op een relatief onderhoudsvrije wijze.It is yet a further object of the present invention to provide a device for heating or cooling covered or enclosed spaces and for generating mechanical and / or electrical energy in a cheap manner and in a relatively maintenance-free manner.

Hiertoe heeft een branderelement volgens de uitvinding als kenmerk dat de drie-dimensionale drager van warmtegeleidingsmateriaal 1001511: 3 een schuimvormige celstructuur omvat met open cellen.To this end, a burner element according to the invention is characterized in that the three-dimensional support of heat conducting material 1001511: 3 comprises a foam-like cell structure with open cells.

Door toepassing van een celvormige structuur in het branderele-ment wordt een drager gevormd van de katalysatordeeltjes met een voldoende groot inwendig oppervlak met zeer goede warmtegeleidende 5 eigenschappen. Verder is de stroming van de gasvormige brandstof door de branderelementen volgens de uitvinding turbulent, hetgeen de warmte-overdracht via deze gassen naar de warmtewisselende wand verbetert. Hierdoor is het mogelijk bij relatief kleine afmetingen van het branderelement, een grote warmteflux door de warmtewisselende 10 wand op te wekken.By using a cellular structure in the burner element, a support is formed of the catalyst particles with a sufficiently large internal surface and very good heat-conducting properties. Furthermore, the flow of the gaseous fuel through the burner elements according to the invention is turbulent, which improves the heat transfer via these gases to the heat exchanging wall. This makes it possible to generate a large heat flux through the heat-exchanging wall with relatively small dimensions of the burner element.

De drukval over de driedimensionale drager volgens de uitvinding is relatief klein, zodat compressieverliezen beperkt blijven.The pressure drop over the three-dimensional support according to the invention is relatively small, so that compression losses remain limited.

Bij voorkeur bedraagt de porositeit van de drie-dimensionale 15 drager ten minste 60%, bij voorkeur ten minste 80%, bij een gemiddelde celafmeting tussen 0,1 mm en 1 cm, bij voorkeur tussen 0,5 mm en 5 mm. Hierbij wordt de porositeit gedefinieerd als 1 minus de verhouding tussen de dichtheid van de drie-dimensionale drager (pd) en de dichtheid van het warmtegeleidingsmateriaal waaruit de drager 20 is gevormd (pb). Hierin is de verhouding (pd/pb) de relatieve dichtheid en is dus 1-(pd/pb) de porositeit. Met een drie-dimensionale drager volgens de uitvinding verlopen exotherme reacties zeer gunstig, is de weerstand voor gasdoorstroming door de verbran-dingskamer relatief gering en bedraagt de warmtegeleiding van de ver-25 brandingskamer naar de warmtewisselende wand via het warmtegeleidingsmateriaal tussen 0,01 en 50 W/mk.Preferably, the porosity of the three-dimensional support is at least 60%, preferably at least 80%, with an average cell size between 0.1 mm and 1 cm, preferably between 0.5 mm and 5 mm. Here, the porosity is defined as 1 minus the ratio between the density of the three-dimensional support (pd) and the density of the heat conduction material from which the support 20 is formed (pb). Here the ratio (pd / pb) is the relative density and therefore 1- (pd / pb) is the porosity. With a three-dimensional support according to the invention, exothermic reactions proceed very favorably, the resistance to gas flow through the combustion chamber is relatively small and the heat conduction from the combustion chamber to the heat exchanging wall via the heat conduction material is between 0.01 and 50 W / mk.

Bij voorkeur omvatten de katalysatordeeltjes een keramische ondergrond met een oppervlak van enkele honderden m2 per mm3 volumen, waarop de katalysatordeeltjes zijn gedispergeerd. Bij een oppervlak 30 van de drie-dimensionale drager volgens de uitvinding van tussen 0,1m2/l en 5m2/l verschaft de anorganische laag, die bijvoorbeeld tussen 5 en 100 micrometer dik is, een voldoende groot oppervlak voor de katalytische verbranding.Preferably, the catalyst particles comprise a ceramic substrate with a surface of several hundred m2 per mm 3 of volume, on which the catalyst particles are dispersed. At a surface of the three-dimensional support according to the invention of between 0.1 m 2 / l and 5 m 2 / l, the inorganic layer, which is, for example, between 5 and 100 micrometers thick, provides a sufficiently large surface area for the catalytic combustion.

De anorganische laag met groot oppervlak wordt bijvoorbeeld 35 gevormd door een op de metalen celstructuur aangebrachte laag van γ-alumina, silica, zirconia, koolstof, e.d.. De celvormige drager en de anorganische laag volgens de uitvinding vormen een drie-dimensionale configuratie die stabiel is van vorm en waaraan de katalysatordeel- 1001511 4 tjes gedurende bedrijf stevig bevestigd blijven.The high-surface inorganic layer is formed, for example, by a layer of γ-alumina, silica, zirconia, carbon, etc., applied to the metal cell structure. The cellular carrier and the inorganic layer according to the invention form a three-dimensional configuration which is stable of shape and to which the catalyst particles 1001511 remain firmly attached during operation.

Een verbrandingsmotor volgens de uitvinding omvat het hierboven beschreven uitwendige branderelement. Door toepassing van een katalytisch branderelement in een zogenaamde "Stirling-motor" kan bij rela-5 tief lage temperaturen tussen 200°C en 800°C een warmteflux van ten minste 1 kW per m2 worden opgewekt, bijvoorbeeld rond 50 kW per m2 of hoger. Hierdoor kan een grote warmtestroom op een relatief klein oppervlak van de cilinderkop (dat bijvoorbeeld 10 cm2 bedraagt) worden geconcentreerd. Met een Stirlingmotor wordt hierin bedoeld een 10 verbrandingsmotor met een buiten een cilinder gelegen verbranding. De Stirling-motoren met uitwendige verbranding kunnen bij relatief lage temperaturen werken waardoor de uitstoot van schadelijke gassen zoals NOX zeer gering is. Voorts zijn dergelijke motoren zeer weinig onderhoudsgevoelig. Bij de verbrandingsmotor volgens de onderhavige 15 uitvinding, kan de drie-dimensionale drager van het warmtegeleidingsmateriaal op eenvoudige wijze worden aangepast aan de geometrie van de cilinderkop door bijvoorbeeld frezen of boren, zodat een optimaal contact ontstaat tussen het warmtegeleidingsmateriaal en de cilinderkop. In een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding omvat 20 de cilinderkop een kopvlak en een omtreksvlak, waarbij de drie dimensionale drager aanligt tegen het kopvlak en het omtreksvlak. Bij aanliggend contact van de warmtewisselende wand van het branderelement met de cilinderkop, kan in plaats van een schuimvormige celstructuur van de drager ook een celstructuur gevormd 25 door een stapeling van gecorrugeerde platen, een poreuze gesinterde metaalstructuur, een warmtegeleidende draadkluwenstructuur of een honingraatstructuur worden toegepast. Hierbij wordt een efficiënt warmtetransport vanuit de brander naar de cilinderkop verkregen door warmtegeleiding via de geleidende drager.A combustion engine according to the invention comprises the external burner element described above. By using a catalytic burner element in a so-called "Stirling engine", a heat flux of at least 1 kW per m2, for example around 50 kW per m2 or higher, can be generated at relatively low temperatures between 200 ° C and 800 ° C. . This allows a large heat flow to be concentrated on a relatively small surface of the cylinder head (which is, for example, 10 cm2). By a Stirling engine is meant herein a combustion engine with a combustion located outside a cylinder. The external combustion Stirling engines can operate at relatively low temperatures, resulting in very low emissions of harmful gases such as NOX. Furthermore, such motors are very little maintenance sensitive. In the combustion engine according to the present invention, the three-dimensional support of the heat conducting material can be adapted in a simple manner to the geometry of the cylinder head by, for example, milling or drilling, so that an optimum contact is created between the heat conducting material and the cylinder head. In an embodiment according to the invention, the cylinder head comprises a head surface and a peripheral surface, wherein the three-dimensional support rests against the head surface and the peripheral surface. In the case of abutting contact of the heat-exchanging wall of the burner element with the cylinder head, instead of a foam-like cell structure of the support, a cell structure formed by a stacking of corrugated plates, a porous sintered metal structure, a heat-conducting thread-lock structure or a honeycomb structure can also be used. Hereby an efficient heat transfer from the burner to the cylinder head is obtained by heat conduction via the conductive carrier.

30 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening, waarin:The invention will be further elucidated with reference to the annexed drawing, in which:

Fig. 1 een schematische dwarsdoorsnede toont van een branderelement volgens de onderhavige uitvinding;Fig. 1 shows a schematic cross section of a burner element according to the present invention;

Fig. 2 een detail toont van de drie-dimensionale schuimvormige 35 celstructuur met open cellen van het warmtegeleidingsmateriaal van fig. 1;Fig. 2 shows a detail of the three-dimensional, open-cell foam cell structure of the heat conduction material of FIG. 1;

Fig. 3 en 4 een detail tonen van het warmtegeleidingsmateriaal volgens fig. 2 waarbij de katalysatordeeltjes via een anorganisch, 10 01 5'1.Fig. 3 and 4 show a detail of the heat conduction material according to Fig. 2, wherein the catalyst particles are transferred via an inorganic, 10 01 5'1.

5 keramisch materiaal met het warmtegeleidingsmateriaal zijn verbonden, enCeramic material is connected to the heat conducting material, and

Fig. 5 een schematische langsdoorsnede van een verbrandingsmotor toont met een branderelement volgens de onderhavige 5 uitvinding.Fig. 5 shows a schematic longitudinal section of a combustion engine with a burner element according to the present invention.

Fig. 1 toont een branderelement 1 volgens de onderhavige uitvinding omvattende een toevoer 3 voor gasvormige brandstof en zuurstof, een afvoer 4 voor verbrandingsgassen en een warmtegeleidingsmateriaal 6 met een relatief groot volume omvattende 10 katalysatordeeltjes. De bij de katalytische verbranding in de verbrandingskamer 2 vrijkomende warmte wordt via een warmtewisselende wand 9 afgevoerd naar bijvoorbeeld een uitwendige verbrandingsmotor of naar een ander te verwarmen object.Fig. 1 shows a burner element 1 according to the present invention comprising a supply 3 for gaseous fuel and oxygen, a discharge 4 for combustion gases and a heat conduction material 6 with a relatively large volume comprising catalyst particles. The heat released in the combustion chamber 2 during the catalytic combustion is discharged via a heat-exchanging wall 9 to, for example, an external combustion engine or to another object to be heated.

Het warmtegeleidingsmateriaal 6 omvat in een uitvoeringsvorm 15 een celstructuur met open cellen, zoals getoond in fig. 2, dat bijvoorbeeld verkrijgbaar is van Energy Research and Generation Inc., 900 Stanford Avenue, Oakland, California 94608, onder de handelsnaam Duocel. Dit warmtegeleidingsmateriaal kan voordelig worden toegepast bij temperaturen beneden 600°C.In one embodiment, the heat conduction material 6 comprises an open cell cell structure, as shown in Fig. 2, which is available, for example, from Energy Research and Generation Inc., 900 Stanford Avenue, Oakland, California 94608, under the tradename Duocel. This heat conduction material can be used advantageously at temperatures below 600 ° C.

20 Het materiaal van de drie-dimensionale structuur 6 kan een metaal of een metaallegering omvatten zoals aluminium, koper, zink en dergelijke. Voor verbrandingstemperaturen tot 600°C kan een Cu-Al legering met een laag aluminium gehalte (1 tot 5 gew.%) worden toegepast. Voor verbrandingstemperaturen tussen 600°C en 900°C kan 25 een Ni-Cr legering worden toegepast, evenals een legering die is samengesteld uit 4-5% Al, 0,05-0,40% Y, 15-22% Cr, 0-0,03% C, 0,2-0,4% Si en Fe balans.The material of the three-dimensional structure 6 may comprise a metal or a metal alloy such as aluminum, copper, zinc and the like. For combustion temperatures up to 600 ° C, a Cu-Al alloy with a low aluminum content (1 to 5% by weight) can be used. For combustion temperatures between 600 ° C and 900 ° C, a Ni-Cr alloy can be used, as well as an alloy composed of 4-5% Al, 0.05-0.40% Y, 15-22% Cr, 0 -0.03% C, 0.2-0.4% Si and Fe balance.

Als materiaal voor de drie-dimensionale structuur 6 kan eveneens een carbide worden toegepast zoals siliciumcarbide of een 30 nitride, zoals boornitride.As the material for the three-dimensional structure 6, a carbide such as silicon carbide or a nitride such as boron nitride can also be used.

Dergelijke materialen hebben warmtegeleidingscoëfficiënten in de orde van grootte van 25-400 W/mk, en zijn resistent tegen de verbrandingsatmosfeer in de verbrandingskamer zowel als tegen oxiderende en reducerende omstandigheden die heersen bij het 35 opbrengen van een laag keramisch materiaal met een groot oppervlak op de drie-dimensionale structuren.Such materials have heat conduction coefficients of the order of 25-400 W / mk, and are resistant to the combustion atmosphere in the combustion chamber as well as to oxidizing and reducing conditions prevailing when applying a large area ceramic layer to the three-dimensional structures.

Bij voorkeur bevat het materiaal van de drie-dimensionale drager aluminium en/of chroom, dat een corrosiebestendige laag 1001511.Preferably, the material of the three-dimensional support contains aluminum and / or chrome, which is a corrosion resistant layer 1001511.

6 aluminiumoxide en/of chroomoxide vormt op zijn oppervlak, en dat via de aluminiumoxidelaag goed hecht aan een anorganische laag uit aluminia, waarop de katalysatordeeltjes zijn gedispergeerd.6 forms aluminum oxide and / or chromium oxide on its surface and which adheres well via the aluminum oxide layer to an inorganic layer of aluminum on which the catalyst particles are dispersed.

De celvormige structuur, zoals getoond in fig. 2, heeft 5 gemiddelde celafmetingen van ongeveer 0,05 cm en heeft een porositeit van 90 vol.% (90% van het volume van het materiaal 6 is leeg). Hierbij is de relatieve dichtheid gedefinieerd als de verhouding van de dichtheid van de celvormige structuur (pd) en de dichtheid van het bulkmateriaal (pb) waaruit de celvormige structuur is gevormd. De 10 porositeit is gegeven door 1- (pd/pb).The cellular structure, as shown in Figure 2, has 5 average cell dimensions of about 0.05 cm and has a porosity of 90% by volume (90% of the volume of material 6 is empty). Here, the relative density is defined as the ratio of the density of the cellular structure (pd) and the density of the bulk material (pb) from which the cellular structure is formed. The porosity is given by 1- (pd / pb).

Een oppervlak van de celvormige structuur bedraagt in dit voorbeeld 5 m2/liter, en een diameter van de celwanden bedraagt 0,1 mm. De structuur heeft een warmtegeleidingsvermogen van 12 W/mk wanneer de structuur is gevormd uit een Al-legering 6101, welke legering kan 15 worden toegepast bij temperaturen beneden 600°C.In this example, an area of the cellular structure is 5 m2 / liter, and a diameter of the cell walls is 0.1 mm. The structure has a thermal conductivity of 12 W / mk when the structure is formed from an Al alloy 6101, which alloy can be used at temperatures below 600 ° C.

Door de toevoer 3 van de verbrandingskamer 1 worden te verbranden gassen (zoals bijvoorbeeld methanol-zuurstofmengsels of zuurstofhoudende mengsels, benzine-zuurstofmengsels, methaan, propaan, LPG e.a.) de verbrandingskamer binnengeleid bij een druk die 20 bij voorkeur gelijk is aan de atmosferische druk, maar die bijvoorbeeld tot 3 a 5 bar kan oplopen. Binnen de verbrandingskamer 2 vindt katalytische verbranding van de reactanten plaats zonder vlamvorming. Door de afvoer 4 worden de verbrandingsgassen, die voornamelijk C02 en H20 omvatten afgevoerd. De verbranding in de 25 verbrandingskamer vindt plaats bij drukken tussen 1 en 20 bar en bij temperaturen van tussen 200 en 800°C.Gases (such as, for example, methanol-oxygen mixtures or oxygen-containing mixtures, petrol-oxygen mixtures, methane, propane, LPG and others) are introduced into the combustion chamber at a pressure which is preferably equal to atmospheric pressure, through the feed 3 of the combustion chamber 1. but which can rise to 3 to 5 bar, for example. Within the combustion chamber 2, catalytic combustion of the reactants takes place without flame formation. The combustion gases, which mainly comprise CO2 and H2O, are discharged through the discharge 4. The combustion in the combustion chamber takes place at pressures between 1 and 20 bar and at temperatures between 200 and 800 ° C.

Door de warmtewisselende wand 9, die bijvoorbeeld een oppervlak van 10 cm2 kan omvatten, wordt de bij verbranding gevormde warmte afgevoerd, waarbij een warmteflux bijvoorbeeld 100 kw/m2 bedraagt.The heat formed during combustion is dissipated through the heat-exchanging wall 9, which can for instance comprise a surface of 10 cm2, wherein a heat flux is, for example, 100 kw / m2.

30 Fig. 2 toont een vergroot detail van een drager uit een voor- keurswarmtegeleidingsmateriaal 6 volgens de onderhavige uitvinding dat wordt gevormd door een schuimvormig metaal met open cellen. Hierbij bedraagt een gemiddelde celdiameter tussen 1 mm en 1 cm. Het schuimvormige metaal kan worden gevormd door menging van 35 metaaldeeltjes met een polymeer. Vervolgens wordt het polymeer met de daarop aanwezige metaaldeeltjes geschuimd. Vervolgens wordt het polymere schuim bij hoge temperatuur verwijderd waarbij de metaaldeeltjes uitvloeien langs de celstructuur van het schuim.FIG. 2 shows an enlarged detail of a carrier of a preferred heat conduction material 6 of the present invention formed by an open cell foamed metal. The average cell diameter is between 1 mm and 1 cm. The foamed metal can be formed by mixing 35 metal particles with a polymer. The polymer with the metal particles thereon is then foamed. Then, the polymeric foam is removed at a high temperature with the metal particles flowing out along the cell structure of the foam.

10 01511.10 01511.

77

Fig. 3 toont een detail van een deel van de celwand van een cel van het warmtegeleidingsmateriaal van fig. 2. Op de metaallaag 12 is een laag keramisch materiaal 13 aangebracht. Het keramische materiaal 13 kan bijvoorbeeld worden gevormd door aluminiumoxide. Het 5 keramische materiaal kan worden opgebracht door bijvoorbeeld de werkwijze zoals beschreven in EP-A-0.021.736, GB-A-1.471.138 en GB-A-1.603.821. Katalysatordeeltjes 14, zoals bijvoorbeeld platinumdeeltjes zijn ingebed in het keramische materiaal 13. De laag 13 is tussen 5 en 100 μπ> dik en kan γ-alumina, silica, zirconia, 10 koolstof en dergelijke omvatten.Fig. 3 shows a detail of a part of the cell wall of a cell of the heat conduction material of FIG. 2. A layer of ceramic material 13 is applied to the metal layer 12. The ceramic material 13 can, for example, be formed by aluminum oxide. The ceramic material can be applied by, for example, the method as described in EP-A-0.021.736, GB-A-1.471.138 and GB-A-1.603.821. Catalyst particles 14, such as, for example, platinum particles, are embedded in the ceramic material 13. The layer 13 is between 5 and 100 µm thick and may comprise γ-alumina, silica, zirconia, 10 carbon and the like.

Fig. 4 toont een detail waarbij op de laag keramisch materiaal 13 afzonderlijke keramische deeltjes 15 zijn aangebracht met bijvoorbeeld een lengte van ongeveer 3 mm en een diameter van ongeveer 1 mm van een keramisch materiaal waarin de platinum deeltjes 15 14 zijn gevat. De keramische deeltjes worden in de cellen van de drager 6 gestrooid, waarna de drager 6 wordt samengedrukt. De keramische deeltjes 15 worden door mechanische inklemming binnen de open ruimten van de drager 6 vastgehouden, en toepassing van een bedekkende laag 13 is in dit geval niet beslist noodzakelijk.Fig. 4 shows a detail in which on the layer of ceramic material 13 separate ceramic particles 15 are applied, for instance with a length of about 3 mm and a diameter of about 1 mm of a ceramic material in which the platinum particles 14 are contained. The ceramic particles are sprinkled into the cells of the support 6, after which the support 6 is compressed. The ceramic particles 15 are retained by mechanical clamping within the open spaces of the carrier 6, and the use of a covering layer 13 is not absolutely necessary in this case.

20 Fig· 5 toont een schematische langsdoorsnede van een uitwendige verbrandingsmotor 16 omvattende een branderelement 17 volgens de onderhavige uitvinding. Een cilinder 21 is met een warmtegeleidende cilinderkop 20 binnen de verbrandingskamer van het branderelement 17 gelegen.Fig. 5 shows a schematic longitudinal section of an external combustion engine 16 comprising a burner element 17 according to the present invention. A cylinder 21 with a heat conducting cylinder head 20 is located within the combustion chamber of the burner element 17.

25 De cilinderkop 20 omvat een kopvlak 35 en een omtreksvlak 36 en ligt met deze vlakken aan tegen een geleidende wand van het branderelement 17. in een alternatieve uitvoeringsvorm zijn ter plekke van het kopvlak 35 en het omtreksvlak 36 van de cilinderkop 20, de wanden van het branderelement 17 achterwege gelaten en liggen de vlakken 35 30 en 36 direkt aan tegen de drie-dimensionale drager 37.The cylinder head 20 comprises an end face 35 and a peripheral surface 36 and abuts with these surfaces against a conductive wall of the burner element 17. In an alternative embodiment, at the location of the end face 35 and the peripheral surface 36 of the cylinder head 20, the walls of the burner element 17 has been omitted and the surfaces 35, 30 and 36 lie directly against the three-dimensional support 37.

De cilinder 21 omvat een verdringer 22 en een zuiger 23. De cilinder 21 is gevuld met een warmtegeleidend gas zoals bijvoorbeeld helium bij een druk van 20 bar. De diameter van de cilinderkop 20 bedraagt ongeveer 10 cm. Het warme, bovenste gedeelte van de cilinder 35 21 is via een warmtewisselaar 24 met het koele, onderste gedeelte van de cilinder verbonden. Aan een as 28 van de cilinder 23 is een magneet 26 verbonden, die zich binnen een spoel 27 heen en weer beweegt. Hierdoor wordt in de spoel 27 een spanning opgewekt met een 1 0 C 1 5 1 .The cylinder 21 comprises a displacer 22 and a piston 23. The cylinder 21 is filled with a heat-conducting gas such as, for example, helium at a pressure of 20 bar. The diameter of the cylinder head 20 is about 10 cm. The warm upper part of the cylinder 21 is connected to the cool lower part of the cylinder via a heat exchanger 24. A magnet 26 is connected to an axis 28 of the cylinder 23, which moves back and forth within a coil 27. As a result, a voltage is generated in the coil 27 with a 1 0 C 1 5 1.

8 vermogen van bijvoorbeeld 500 Watt. Bij een rendement van de verbrandingsmotor 16 van 25%, wordt voor een elektrisch vermogen 500 Watt door het branderelement 17 een vermogen aan de cilinderkop 20 toegevoerd van 2 kW. Oe verbrandingstemperatuur binnen de ver-5 brandingskamer van het branderelement 17 bedraagt ongeveer 700°C.8 power of, for example, 500 watts. At an efficiency of the combustion engine 16 of 25%, for an electrical power of 500 watts, a power of 2 kW is supplied by the burner element 17 to the cylinder head 20. The combustion temperature within the combustion chamber of the burner element 17 is about 700 ° C.

In een toepassing volgens de onderhavige uitvinding wordt de verbrandingsmotor 16 gevoed via zijn toevoer 18 door een aardgasleiding, die tevens een verbrandingsketel voedt van een te verwarmen ruimte, zoals bijvoorbeeld een woonruimte. Bij een 10 verwarmingsketel met een vermogen van 30 kW voor verwarming van privehuishoudens, kan door middel van afname van 2 kW aan verbran-dingswarmte van het gas, 500 Watt aan elektrische energie worden opgewekt. Op een dergelijke wijze kan energietransport van een krachtcentrale naar de privehuishoudens worden bespaard, en zal de 15 prijs van de opgewekte elektriciteit aanzienlijk verminderen.In an application according to the present invention, the combustion engine 16 is fed via its supply 18 through a natural gas pipe, which also feeds a combustion boiler from a space to be heated, such as, for example, a living space. In a 10 boiler with a power of 30 kW for heating private households, 500 Watt of electrical energy can be generated by decreasing 2 kW of combustion heat from the gas. In such a way, energy transport from a power station to the private households can be saved, and the price of the electricity generated will be considerably reduced.

In een weer andere toepassing wordt de verbrandingsmotor volgens de uitvinding toegepast in een koelinrichting zoals bijvoorbeeld een ijskast of een mobiele koelinrichting zoals een koelbox of een koelwagen.In yet another application, the combustion engine according to the invention is used in a cooling device such as, for example, a refrigerator or a mobile cooling device, such as a cool box or a refrigerator truck.

20 Bij toepassing van een branderelement 17 dat in warmtegeleidend contact staat met een cilinderkop 20 zoals getoond in figuur 5, kan het schuimvormige warmtegeleidingsmateriaal 6 van figuur 2 worden vervangen door warmtegeleidingsmateriaal uit gestapelde gecorrugeerde platen, poreus gesinterde metaaldeeltjes (een monoliet), een 25 honingraatstructuur of een metaaldraad kluwenstructuur, welke structuren zodanig zijn uitgevoerd dat zij dezelfde porositeit en hetzelfde oppervlak bezitten als de schuimvormige structuur van figuur 2.20 When using a burner element 17 which is in heat conducting contact with a cylinder head 20 as shown in figure 5, the foamed heat conducting material 6 of figure 2 can be replaced by heat conducting material from stacked corrugated plates, porous sintered metal particles (a monolith), a honeycomb structure or a metal wire tangled structure, which structures are designed to have the same porosity and surface as the foam structure of Figure 2.

1 0 0 1 5 1 i1 0 0 1 5 1 i

Claims

Burner element (1,17) comprising a combustion chamber (2) with a fuel supply (3,18), a fuel discharge (4,19) and a heat exchanging wall (9), the combustion chamber containing a plurality of catalyst particles (14) for catalytic combustion of fuel fed to the combustion chamber, which catalyst particles are connected to a three-dimensional support (6,12) of heat conducting material comprising a metal, a metal compound, a nitride or a carbide for heat conduction of the catalyst particles to the heat exchanging wall, with the attribute. that the three-dimensional support (6,12) comprises a foamed cell structure with open cells.

Burner element (1,17) according to claim 1, characterized in. That the porosity of the foamed three-dimensional support is at least 60%, preferably at least 80%, wherein an average cell size is between 0.5 mm and 1 cm, preferably between 1 mm and 5 mm.

Burner element (1,17) according to claim 1 or 2, characterized in that the foam-shaped three-dimensional support has a heat conductivity between 0.01 and 50 W / mk.

Burner element (1,17) according to claim 1, 2 or 3, characterized. that the catalyst particles (14) are attached to the three-dimensional support (6,12) via a ceramic support (13,15).

Burner element (1,17) according to any one of the preceding claims, wherein the surface of the three-dimensional support (6.12) is between 0.1m2 / l and 10m2 / l, preferably between 0.5m2 / l and 5m2 / l.

Combustion engine (16) comprising a burner element (17) according to any one of claims 1 to 5, and a cylinder (21) at least partly located outside the combustion chamber, comprising an expansion gas, a piston (23) placed in the cylinder and a cylinder head (20) thermally conductively connected to the three-dimensional support.

The combustion engine (16) according to claim 6, wherein the heat exchanging wall is permanently bonded to the cylinder head (20) with an adhesive comprising a metal.

Combustion engine (16) according to claim 6 or 7, wherein the cylinder head (20) comprises a front face (35) and a circumferential face (36),

Combustion engine (16) according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the three-dimensional support (37) rests directly or via the heat-exchanging wall against the cylinder head (20), the three-dimensional support having a foam-shaped cell structure has been replaced by a correspondingly corrugated sheet structure, a porous sintered metal structure, a bobbin thread structure or a honeycomb structure.

Apparatus for heating covered spaces and for generating electrical and / or mechanical energy comprising a gas burner for heating a heat exchanging medium, a gas supply connected to the gas burner and a combustion engine connected to the gas supply according to claim 6, 7, 8 or 9 .

C15 'wherein the three-dimensional structure (37) abuts the end face (35) and the peripheral face (36).

Cooling device provided with a combustion engine according to claim 6,7,8 or 9. 1. c ':';