燃焼実験装置

本発明は、燃焼実験装置に関するものである。

近年、例えば特許文献1に示すように、下流に向けて昇温する温度勾配が付与された反応管に可燃性の試験流体を流し、火炎が形成された位置に基づいて着火温度等を測定する燃焼実験装置が提案されている。例えば、特許文献1においては、反応管の周囲にヒータを設置し、このヒータで加熱することによって反応管に対して上記温度勾配を付与している。

特開2012−108036号公報

ところで、ヒータによる加熱では、反応管に付与できる温度は1000℃程度が上限となる。このため、より高い温度域における燃焼特性について実験を行おうとする場合には、バーナ等で火炎を形成し、外部から反応管を炙ることによって加熱することが考えられる。

しかしながら、バーナ等で形成された火炎により反応管を炙る場合には、一般的には一方向から反応管を炙ることになる。例えば、反応管を内部流路が水平となるように配置し、この反応管を下方から炙ることによって反応管を加熱することになる。このため、反応管のバーナ側が反対側よりも温度が高くなり、反応管の内部において径方向に温度の偏りが生じる。

試験流体の着火温度等を正確に測定するためには、反応管にどのような温度勾配が与えられているかを予め知っておく必要があるが、このように反応管の径方向に温度の偏りが生じると、予め記憶する温度勾配のデータと実際の温度とに差が生じる。このため、反応管内部の火炎位置と反応管の実際の温度との関係に僅かなずれが生じ、測定精度が低下することになる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、反応管に温度勾配を付与して試験流体の燃焼特性を測定する燃焼実験装置において、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高めることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第1の発明は、燃焼実験装置であって、内部に試験流体が流されると共に下流側に向かうに連れて昇温する温度勾配が付与される反応管と、上記反応管の下流側から上流側に向けて上記反応管に沿ってかつ上記反応管の周囲に燃焼性ガスを流すと共に上記反応管を径方向外側から囲む火炎を維持するバーナ部とを備えるという構成を採用する。

第2の発明は、上記第1の発明において、上記バーナ部が、上記燃焼性ガスとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスを流すという構成を採用する。

第3の発明は、上記第1または第2の発明において、上記バーナ部が、上記反応管を径方向外側から覆うと共に上記燃焼性ガスを噴出するノズル部と、上記ノズル部に接続されると共に上記ノズル部に対して上記燃焼性ガスを供給する供給管とを備えるという構成を採用する。

第4の発明は、上記第3の発明において、複数の上記供給管が、上記反応管の周方向において上記ノズル部に対して接続されているという構成を採用する。

第5の発明は、上記第3または第4の発明において、上記供給管の内部を径方向に分割する隔壁を備えるという構成を採用する。

第6の発明は、上記第1〜第5いずれかの発明において、上記燃焼性ガスが流される領域よりも上記反応管の径方向外側において、上記反応管に沿って助燃性ガスを含む補助ガスを流す補助ガス供給部を備えるという構成を採用する。

第7の発明は、上記第6の発明において、上記補助ガスに不燃性ガスが含まれるという構成を採用する。

第8の発明は、上記第7の発明において、上記補助ガスに含まれる上記助燃性ガスと上記不燃性ガスとの割合を調整する成分調整部を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、バーナ部によって反応管の下流側から上流側に向けて反応管の周囲に燃焼性ガスが流され、これによって反応管を径方向外側から囲む火炎が形成される。このため、反応管は、周方向の全域において径方向外側から火炎によって加熱される。したがって、本発明によれば、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止することができる。よって、本発明によれば、反応管に温度勾配を付与して試験流体の燃焼特性を測定する燃焼実験装置において、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高めることができる。また、本発明によれば、バーナ部で形成される火炎によって反応管を加熱することができ、ヒータでは実現できないような高温域まで反応管を昇温させることができる。このため、当該高温域に至るまで反応しないような試験流体の評価を行うことも可能である。

本発明の第1実施形態における燃焼実験装置の全体を示す模式図であり、(a)が斜視図であり、(b)が縦断面図である。

(a)が本発明の第1実施形態における燃焼実験装置が備える反応管とノズル部を含む断面図であり、(b)が本発明の第1実施形態における燃焼実験装置が備える供給管4bの断面図である。

本発明の第2実施形態における燃焼実験装置の全体を示す模式図であり、(a)が斜視図であり、(b)が縦断面図である。

(a)が本発明の第1実施形態の燃焼実験装置において反応管に付与される温度勾配を示す模式図であり、(b)が本発明の第2実施形態の燃焼実験装置において反応管に付与される温度勾配を示す模式図である。

(a)が本発明の第1実施形態における燃焼実験装置の第1変形例の縦断面図であり、(b)が本発明の第1実施形態における燃焼実験装置の第2変形例の斜視図であり、(c)が本発明の第1実施形態における燃焼実験装置の第3変形例の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼実験装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

(第1実施形態) 図1は、本実施形態の燃焼実験装置1の全体を示す模式図であり、(a)が斜視図であり、(b)が縦断面図である。これらの図に示すように、燃焼実験装置1は、反応管2と、試験評価ガス供給装置3と、バーナ部4と、カメラ5とを備えている。

反応管2は、不図示の支持部によって軸方向(流れ方向)が鉛直方向に沿うように配置された直管である。この反応管2は、内部に形成される火炎から発せられる光に対して透明な材料(例えば石英ガラス)によって形成されている。この反応管2は、バーナ部4によって下流側(図1における下側)に向けて昇温する温度勾配が付与され、試験評価ガス供給装置3によって上流側(図1における上側)から試験評価ガスX(試験流体)が供給される。

この反応管2は、内部流路が常温における消炎径よりも小さな直径とされている。なお、流路中において火炎を伝播させるためには、当該流路の断面積がある程度必要であり、流路断面積が小さい場合には火炎は伝播することはない。ここで、上述の消炎径とは、形成された火炎が伝播できない断面積となる径を意味する。

試験評価ガス供給装置3は、反応管2の上端と接続されており、反応管2の上端から下端に向けて試験評価ガスXを供給する。この試験評価ガス供給装置3は、燃料と酸化剤とが混合された混合気を試験評価ガスXとして、反応管2に供給する。

バーナ部4は、ノズル部4aと、供給管4bと、水素ガス供給装置4cとを備えている。ノズル部4aは、反応管2を当該反応管2の径方向外側から覆う円筒形状の部位である。このノズル部4aは、上側端部が開放端とされており、下側端部が閉塞端とされている。このようなノズル部4aは、反応管2の上流側(上側)に向けて燃焼性ガスYを噴出する。つまり、バーナ部4は、反応管2の下流側から上流側に向けて反応管2に沿ってかつ反応管2の周囲に燃焼性ガスYを流す。

図2(a)は、ノズル部4a及び反応管2の断面図である。この図に示すように、ノズル部4aは、反応管2の軸Lに対して中心が重ねられるように配置された円管である。これによって、反応管2とノズル部4aとの間に、周方向に均等な大きさの環状流路R1が形成される。このため、この環状流路R1を流れてノズル部4aの上側端部から噴射される燃焼性ガスYは、反応管2の軸Lに沿う方向から見て、反応管2の周囲に均等に噴射される。

供給管4bは、ノズル部4aに対してノズル部4aの径方向外側から接続されており、ノズル部4aの内部に対して燃焼性ガスYを供給するための管である。図2(b)は、供給管4bの断面図である。この図に示すように、供給管4bの内部には、燃焼性ガスYを案内する流路R2が設けられている。この流路R2の断面積は、図2(a)に示す環状流路R1の断面積よりも大きく設定されている。これによって、ノズル部4aにおける燃焼性ガスYの出口面積よりも入口面積の方が大きくなり、ノズル部4a内部において燃焼性ガスYが均等に行き亘り易くなる。したがって、反応管2の周囲により均等に燃焼性ガスYを噴射することができる。

水素ガス供給装置4cは、水素ガスを燃焼性ガスYとして供給管4bに供給する。このため、本実施形態においては、燃焼性ガスYとして可燃性ガスの水素ガスが用いられている。つまり、このような燃焼性ガスYには、酸素等の助燃性ガスが含まれていない。

このようなバーナ部4は、水素ガス供給装置4cから水素ガスを燃焼性ガスYとして、供給管4bを通じてノズル部4aに供給し、ノズル部4aから反応管2の周囲に燃焼性ガスYを流す。このようにバーナ部4は、燃焼性ガスYを流し続けることにより、後述する火炎Fを維持する。

カメラ5は、反応管2の側方に不図示の支持部で支えられて配置されており、反応管2の外側から反応管2の内部に形成された火炎を撮像することによって、反応管2における火炎の位置を取得する。なお、反応管2の内部に形成される火炎の発光量は微弱であるため、カメラ5は必要に応じて露光時間を長く設定して撮像することが好ましい。

このような本実施形態の燃焼実験装置1では、水素ガス供給装置4cから供給管4bを通じてノズル部4aに燃焼性ガスYが供給され、この燃焼性ガスYが反応管2を囲うノズル部4aの上側端部より噴出される。つまり、バーナ部4によって、反応管2の下流側から上流側に向けて反応管2に沿ってかつ反応管2の周囲に燃焼性ガスYが流される。

この状態において、不図示の着火装置等によってノズル部4aから噴出された燃焼性ガスYに着火を行うと、図1に示すように、反応管2を径方向外側から囲うと共に反応管2の上端に向かうに連れて先細る火炎Fが形成される。この火炎Fは、バーナ部4から連続的に燃焼性ガスYが供給されることによって維持される。ここで、本実施形態においては、ノズル部4aから噴出される燃焼性ガスYは、助燃性ガスを含まない可燃性ガスである水素ガスとされている。このため、火炎Fは、火炎Fの外部から酸素が供給されることによって水素ガスが燃焼する拡散燃焼により形成された拡散火炎である。

このようにして火炎Fが形成されると、火炎Fの形成位置が高く、反応管2の上流側(上側)に向かうに連れて低くなる温度勾配が反応管2に付与される。このような温度勾配が付与された反応管2に対して、試験評価ガス供給装置3によって上流側から試験評価ガスXを供給する。反応管2に供給された試験評価ガスXは、反応管2の下流側に向かうに連れて昇温し、一定の温度を超えたところで着火する。これによって、反応管2の内部に火炎が形成される。そして、この反応管2の内部に形成された火炎をカメラ5によって撮像し、当該火炎の位置と反応管2に付与された温度勾配のデータとから試験評価ガスXの着火温度が求められる。

以上のような本実施形態の燃焼実験装置1によれば、バーナ部4によって反応管2の下流側から上流側に向けて反応管2の周囲に燃焼性ガスYが流され、これによって反応管2を径方向外側から囲む火炎Fが形成される。このため、反応管2は、周方向の全域において径方向外側から火炎Fによって加熱される。したがって、本実施形態の燃焼実験装置1によれば、反応管2の内部において反応管2の径方向に温度の偏りが生じることを防止することができる。よって、本実施形態の燃焼実験装置1によれば、反応管2の内部において反応管2の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高めることができる。

また、本実施形態の燃焼実験装置1においては、バーナ部4は、燃焼性ガスYとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスである水素ガスを流している。このため、火炎Fが拡散火炎となる。このため、ノズル部4aの内部に火炎が侵入することを防止することができる。したがって、例えば、燃焼実験装置1を圧力容器の内部に配置し、高圧力下において実験を行うことが可能となる。

また、本実施形態の燃焼実験装置1においては、バーナ部4は、反応管2を径方向外側から覆うと共に燃焼性ガスYを噴出するノズル部4aと、ノズル部4aに接続されると共にノズル部4aに対して燃焼性ガスYを供給する供給管4bとを備えている。このため、簡易な構成にて、反応管2の周囲に燃焼性ガスYを供給することが可能となる。

(第2実施形態) 次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第1実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図3は、本実施形態の燃焼実験装置1Aの全体を示す模式図であり、(a)が斜視図であり、(b)が縦断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の燃焼実験装置1Aは、補助ガス供給部6を備えている。

この補助ガス供給部6は、ノズル部6aと、供給管6bと、空気供給装置6cとを備えている。ノズル部6aは、バーナ部4のノズル部4aを反応管2の径方向外側から覆う円筒形状の部位である。このノズル部6aは、上側端部が開放端とされており、下側端部が閉塞端とされている。反応管2の上流側(上側)に向けて補助ガスZを噴出する。つまり、補助ガス供給部6は、燃焼性ガスYが流される領域よりも反応管2の径方向外側において、反応管2に沿って補助ガスを流す。

ノズル部6aは、反応管2の軸Lに対して中心が重ねられるように配置された円管である。これによって、補助ガス供給部6のノズル部6aとバーナ部4のノズル部4aとの間に、周方向に均等な大きさの環状流路が形成される。このため、この環状流路を流れてノズル部6aの上側端部から噴射される補助ガスZは、反応管2の軸Lに沿う方向から見て、反応管2の周囲に均等に噴射される。

供給管6bは、ノズル部6aに対してノズル部6aの径方向外側から接続されており、ノズル部6aの内部に対して補助ガスZを供給するための管である。供給管6bの断面積は、補助ガス供給部6のノズル部6aとバーナ部4のノズル部4aとの間に形成される環状流路の断面積よりも大きく設定されている。これによって、ノズル部6aにおける補助ガスZの出口面積よりも入口面積の方が大きくなり、ノズル部6a内部において補助ガスZが均等に行き亘り易くなる。したがって、反応管2の周囲により均等に補助ガスZを噴射することができる。

空気供給装置6cは、空気を補助ガスZとして供給管6bに供給する。このような補助ガスZとしては、酸素等の助燃性ガスと不燃性ガスとを含むガスを用いることができ、本実施形態では、その代表例として空気を用いている。

このような補助ガス供給部6は、空気供給装置6cから空気を補助ガスZとして、供給管6bを通じてノズル部6aに供給し、ノズル部6aから反応管2の周囲に補助ガスZを流す。これによって、火炎Fの周囲に反応管2の上流側に向かう補助ガスZの流れが形成され、火炎Fが反応管2の上流側に向けて伸びる。また、補助ガスZ中の窒素等の不燃性ガスの濃度を変化させることによって火炎Fの広がり方や長さを調整することができる。 なお、補助ガスZに含まれる助燃性ガスと不燃性ガスとの割合が変化することによって、火炎Fに与えられる酸素濃度が変化し、火炎Fの形状や温度を変化させることが可能となる。このため、空気供給装置6cに、助燃性ガスと不燃性ガスとの割合を調整する成分調整部としての機能を持たせても良い。これによって、火炎Fの形状を任意に変更することが可能となる。

図4(a)は、上記第1実施形態の燃焼実験装置1において反応管2に付与される温度勾配を示す模式図である。また、図4(b)は、本実施形態の燃焼実験装置1Aにおいて反応管2に付与される温度勾配を示す模式図である。これらの図に示すように、本第2実施形態の燃焼実験装置1Aのように火炎Fが伸びることにより、反応管2に付与される温度勾配が緩やかになり、反応管2の位置の変化量に対する温度の変化量が小さくなる。このため、反応管2の内部に形成される火炎の位置に対応した温度をより高精度に取得することが可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図5(a)に示すように、バーナ部4の供給管4bの内部に、供給管4bの内部を当該供給管4bの径方向に分割する隔壁7を設置しても良い。これによって、バーナ部4のノズル部4aに対して燃焼性ガスYが分散して供給されるため、ノズル部4aからより均一に燃焼性ガスYを噴出することが可能となる。

また、図5(b)に示すように、複数の供給管4bが、反応管2の周方向においてノズル部4aに対して接続された構成を採用することも可能である。このような場合にも、バーナ部4のノズル部4aに対して燃焼性ガスYが分散して供給されるため、ノズル部4aからより均一に燃焼性ガスYを噴出することが可能となる。

また、図5(c)に示すように、ノズル部4aの開放端とされた上側端部に、複数の貫通孔を有する分散板8を設置するようにしても良い。このような場合にも、ノズル部4aからより均一に燃焼性ガスYを噴出することが可能となる。

なお、図5(a)〜(c)に示す構成は、上記第2実施形態の補助ガス供給部6に対しても同様に、適用することが可能である。すなわち、供給管6bに隔壁7を設置する構成、ノズル部6aに供給管6bを複数接続する構成、及び、ノズル部6aに分散板8を設置する構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、燃焼性ガスYとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスを用いる構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、助燃性ガスを含んだ可燃性ガス(すなわち予混合ガス)を燃焼性ガスYとして用いることも可能である。この場合には、逆火を防止するために、ノズル部4aの上側端部に冷却機構を設けたり、ノズル部4aから噴出される燃焼性ガスYの流速を十分に高めたりする対策を行うことが望ましい。なお、可燃性ガスとしては、水素ガスに限られるものではない。

また、上記実施形態においては、ノズル部4aに対して径方向から燃焼性ガスYを供給する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズル部4aに対して反応管2の軸方向から供給管4bを接続し、ノズル部4aに対して軸方向から燃焼性ガスYを供給しても良い。なお、このような場合には、水素ガス供給装置4cが、反応管2の下端から排気される排気ガスに晒される恐れがあるため、反応管2の下側端部を曲げ、排気ガスの排出方向を水素ガス供給装置4cと異なる方向とすることも可能である。

また、上記実施形態においては、反応管2を軸方向が鉛直方向となるように配置し、上端側から試験評価ガスXを供給する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、下端側から試験評価ガスXを供給する構成を採用することもできる。このような場合には、バーナ部4は、下方に向けて可燃性ガスを噴出するように配置されることになる。

1……燃焼実験装置、1A……燃焼実験装置、2……反応管、3……試験評価ガス供給装置、4……バーナ部、4a……ノズル部、4b……供給管、4c……水素ガス供給装置、5……カメラ、6……補助ガス供給部、6a……ノズル部、6b……供給管、6c……空気供給装置、7……隔壁、8……分散板、F……火炎、L……軸、R1……環状流路、R2……流路、X……試験評価ガス(試験流体)、Y……燃焼性ガス、Z……補助ガス