JP2011256413A - 水素酸素ガス発生燃焼装置及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆火も爆発も起こりにくい水素酸素ガス発生燃焼装置及びその使用方法を提供する。
【解決手段】水素酸素ガス発生燃焼装置は、水を電気分解する電気分解槽３１と、電気分解により発生するガスとこれに混合される液体水分とを分離する第１の気液分離槽３４と、ガスを燃焼させるバーナー５３を含む水素酸素ガス発生燃焼装置であって、第１の気液分離槽３４内及び／又は第１の気液分離槽３４とバーナー５３との間にガスを冷却する冷却器３８を備え、冷却器３８より下流側かつバーナー５３までの間にガスを暖める加熱器５１を備える。この装置の使用方法は、加熱器５１で暖めるガス温度Ｔ２を、冷却器３８で冷却するガス温度Ｔ１及びバーナー５３が配置されている雰囲気温度Ｔ３より高い温度に維持して運転する。
【選択図】図４

Description

本発明は、水を電気分解し、水素ガスと酸素ガス又はこれらの混合ガス（酸水素ガス: oxyhydrogen）を発生させ、燃焼する装置及びその使用方法に関する。

水を電気分解すると水素ガスと酸素ガスが生成すること、水素ガス２モルと酸素ガス１モルを燃焼させると、最高約２８００℃の高温の炎が得られることは知られている。酸素と水素が１：２の混合ガス（水素爆鳴気）は、常圧において発火点が約５７０℃であり、いったん着火すると燃焼し続ける性質がある。電気分解と燃焼の化学式は次のとおりであり、２酸化炭素（炭酸ガス）は生成せず、自然環境を汚さない利点がある。
電気分解：２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ₂＋Ｏ₂
燃焼：２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ
酸水素ガスは照明用としてライムライトなどのガス灯、白金加工用トーチ、酸水素ガス吸管、ガラス工芸用バーナー、溶接用バーナーとして使用された例がある。しかし、酸水素ガスは爆発しやすく、取り扱いが極めて危険であり、実用化されているとは言い難い。特許文献１には気液分離方法が提案されており、特許文献２には逆火現象を防止する水タンクが提案されており、特許文献３には電解層の温度を調節することが提案されており、特許文献４には電解液の補充と炎を温度調節することが提案されており、特許文献５には気体漏れ探知機能付き発生器が提案されている。しかし、いずれの提案も酸水素ガスの逆火や爆発を防止するには、未だ十分ではなかった。

特開２００８−２９２０１１号公報 特開２００８−０４５１９９号公報 実用新案登録第３０６８２９３号公報 実用新案登録第３０６８８３７号公報 実用新案登録第３０９０１７７号公報

本発明は、前記従来の問題を解決するため、逆火も爆発も起こりにくい水素酸素ガス発生燃焼装置及びその使用方法を提供する。

本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置は、水を電気分解する電気分解槽と、前記電気分解により発生するガスと前記ガスに混合される液体水分とを分離する第１の気液分離槽と、前記ガスを燃焼させるバーナーを含む水素酸素ガス発生燃焼装置であって、前記第１の気液分離槽内及び／又は前記第１の気液分離槽と前記バーナーとの間にガスを冷却する冷却器を備え、前記冷却器より下流側かつ前記バーナーまでの間にガスを暖める加熱器を備えたことを特徴とする。

本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法は、前記の水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法であって、加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）を、冷却器で冷却するガス温度（Ｔ１）及びバーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高い温度に維持して運転することを特徴とする。

本発明は、第１の気液分離槽内及び／又は前記第１の気液分離槽と前記バーナーとの間にガスを冷却する冷却器を備え、前記冷却器より下流側かつ前記バーナーまでの間にガスを暖める加熱器を備えたことにより、ガスをいったん冷却し、ガス中の水蒸気量を低下させ、その後加熱することにより相対湿度をさらに下げ、ドライガスの状態とし、水の小さなミストの発生を防止し、逆火も爆発も起こりにくい水素酸素ガス発生燃焼装置及びその使用方法を提供できる。

図１は空気中における飽和水蒸気量と気温との関係を示すグラフ。 図２は気温を変化させた場合の水蒸気量の関係を示すグラフである。 図３は本発明の一実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。 図４は本発明の別の実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。 図５は本発明のさらに別の実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。 図６は本発明の一実施例におけるヒートポンプを用いた冷却−加熱装置の概略説明図である。 図７は同、異なる運転条件における超臨界蒸気圧縮サイクル装置における圧力及びエンタルピの関係を示すグラフである。

本発明者は、従来の水素酸素ガス発生燃焼装置がなぜ逆火し、爆発するか検討を重ね、次の推論を立てた。
（１）水の電気分解で発生する分解ガスには水分が含まれる
水の電気分解に伴い、発生ガスには液体の水分ないしは高い湿度の水分が不可避的に含まれる。飛沫同伴、又は電気分解時の温度におけるガスに含まれる飽和水蒸気などの状態で、電気分解されたガスには不可避的に液体の水分ないしは高い湿度の水分が含まれる。とくに電気分解中に電気を通電することにより、電解液（水）が発熱し、高温となる。電解液の温度における飽和水蒸気量又はそれに近い水分は必然的に分解ガスに含まれることになる。
（２）分解ガスの供給時に温度が下がり、水蒸気は液体水のミストとなる
分解ガスはバーナーまで送られる間に雰囲気温度まで冷却される。そうすると、水の露点又はそれ以下の温度になる場合があり、この場合、水蒸気は液体の水ミストになる。
（３）水ミストが起こす問題
分解ガスに含まれる液体の水分（水ミスト）がガスとともにバーナーの燃焼ゾーンに入ると、たとえ小さなミストであっても水の液体は水蒸気爆発を起こすのではないかと考えられる。水蒸気爆発は火山の水蒸気爆発と同様、きわめて危険である。水蒸気爆発を起こすと、体積は大きく膨張し、空間の開いているバーナーの前又はガス供給パイプの後ろ側に急激に膨張する。逆火現象は水蒸気爆発によって引き起こされているのではないかと推察される。万一水蒸気爆発でないとしても、液体の水１モル（１８ｇ）は２２．４リットルの気体となるので体積は著しく膨張する。この体積膨張が一瞬にして起こる場合は、水蒸気爆発と同様にきわめて危険である。
（４）解決手段を導く着想
この推察が正しいとすれば、電気分解によって発生するガスを徹底して乾燥し、小さな液体水のミストすら発生させないようにすれば、爆発も体積膨張も逆火も起こらないのではないかと考えられる。

空気中における飽和水蒸気量と気温との関係は図１に示される。より具体的にはTetens(1930)の式
Ｅ（ｔ）＝６．１１×１０^{(7.5t/(t+237.3))}
により、温度ｔ℃における飽和水蒸気圧Ｅ（ｔ）ｈＰａを求め、絶対湿度ａの値は、水蒸気の状態方程式から導かれる次式
ａ＝２１７×ｅ／（ｔ＋２７３．１５）
により算出できる。０℃〜１００℃の範囲における５℃ごとの飽和水蒸気量を算出すると表１のとおりとなる。

本発明においては、電気分解ガス中における水蒸気量を問題にしており、空気中における前記表１の飽和水蒸気量とは厳密には異なるが、説明の都合上、前記表１を前提として温度変化させた場合の水蒸気の挙動について説明する。図２は気温を変化させた場合の水蒸気量の関係を示すグラフである。まず電気分解槽の温度をＡとすると、電気分解ガスの飽和水蒸気量はｗ１点である。このガスを温度Ｂまで下げるとそのときの飽和水蒸気量はｗ２点となる。水蒸気量ｘは液体の水となって回収される。次にガスの温度をＡまで上げると、ガス中の水蒸気量はｗ２のままであり、温度Ａにおける飽和水蒸気量ｗ１よりかなり少ない量の水蒸気量となる［相対湿度は（ｗ２／ｗ１）×100 %RH］。これにより乾燥ガス（ドライガス）が得られる。また、ガスの温度をＣまで上げると、ガス中の水蒸気量はｗ２のままであり、温度Ｃにおける飽和水蒸気量ｗ３よりかなり少ない量の水蒸気量となる［相対湿度は（ｗ２／ｗ１）×100 %RH］。これによりさらに相対湿度の低い乾燥ガス（ドライガス）が得られる。

具体的に説明すると、電気分解槽の水の温度が例えば４０℃の場合、そのときの飽和水蒸気量は５１．１ｇ／ｍ³であり、発生する電気分解ガスをいったん５℃まで冷却すると、そのときの飽和水蒸気量は６．８ｇ／ｍ³となる。この冷却ガスを再度４０℃まで加熱しても水蒸気量は６．８ｇ／ｍ³のままであるので、相対湿度は約１３．３％ＲＨとなる。電気分解槽の水の温度が例えば５０℃であるとし、冷却及び加熱を同様な条件とすると、相対湿度は８．２％ＲＨとなる。両ケースともきわめて乾燥した状態の電気分解ガス（ドライガス）となる。このような乾燥状態の電気分解ガス（ドライガス）であれば、水の小さなミストの発生もなく、逆火も爆発も起こりにくい。

本発明において、水を電気分解する電気分解槽からの電気分解ガスは、Ｈ₂とＯ₂を別々に取り出してもよいし、Ｈ₂とＯ₂を混合して取り出してもよい。取り出したガスには飛沫同伴などにより多量の液体水分が含まれているので、取り出したガスをガスと液体水分とに分離する第１の気液分離槽に導く。

気液分離槽で液体水分を分離したガスは、次に冷却器に導き冷却する。冷却温度は０℃を超え、気液分離槽内における気体の温度未満とするのが好ましい。この温度範囲であれば、ガス中の湿度を下げる効果がある。冷却温度が０℃以下では、冷却器の表面に氷が付着するようになり、冷却効果に支障が出る傾向となる。好ましい冷却温度は０℃を超え１０℃以下、さらに好ましくい冷却温度は０℃を超え５℃以下である。冷却後の電気分解ガスは、さらに第２の気液分離槽に入れて、液体の水分を除去するのが好ましい。冷却した状態で液体の水分を除去することにより、乾燥ガスが得られる。

冷却したガスは、次に加熱器で暖める。加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）は、冷却器で冷却したガス温度（Ｔ１）以上であることが好ましく、さらにＴ２はＴ１より５℃以上高いことが好ましく、より好ましくはＴ１より１０℃以上高くする。前記の温度に加熱すれば、ガスの相対湿度は下がり、乾燥状態に保たれる。また、加熱装置で暖めるガス温度（Ｔ２）は、バーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高いことが好ましく、さらに好ましくはＴ２はＴ３より５℃以上高いことが好ましい。これは寒冷地において、冬季の気温が低い場合、雰囲気温度によりバーナー付近のガス供給パイプの温度が下がり、ガス中の相対湿度が上がり、水蒸気ミストの発生が起こるのを防ぐためである。すなわち、いったん冷却したガスであっても、外気温が冷却温度より低いと水蒸気ミストの発生が起こり得る。これを防ぐためにガス温度（Ｔ２）は、バーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高いことが好ましい。より好ましくは、加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）は１５℃以上２００℃以下の範囲、さらに好ましくは１５℃以上１００℃以下である。相対湿度は１〜９０％ＲＨが好ましく、さらに好ましくは５〜８０％ＲＨである。加熱装置は任意のものを適用できる。例えば、ガス供給パイプの外側にヒーターを配置する。ヒーターは巻き付けヒーターで構成するのが安価で好ましい。別の手段としては、２重管（ジャケット管）とし、内管にはガスを通し、内管と外管の間にはスチームを通してガスを加熱する。さらに別の手段としては、ガスの前記冷却器と前記加熱器とを例えば炭酸ガスを冷媒とする閉ループのパイプでつなぎ、前記加熱器の直前に圧縮機を設けてヒートポンプとし、前記加熱器側サイドを炭酸ガスの超臨界状態で運転するシステムも採用できる。

冷却され加熱された電気分解ガスは、最後にバーナーで燃焼させる。この燃焼用バーナーは任意のものを使用できる。安全性をより高くする観点から、前記加熱装置とバーナーとの間に逆火防止弁をさらに備えることが好ましい。

本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法は、加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）を、冷却器で冷却するガス温度（Ｔ１）及びバーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高い温度に維持して運転する。この使用方法により、年間を通じて安全性を確保できる。

次に図面を用いて説明する。図３は本発明の一実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。この装置は電気分解ガスを酸素ガスと水素ガスに分離して取り出すタイプの装置である。電解セル（電気分解槽）１の中には電解水が充填されており、多数の電極板に電源２から直流電流を流す。水が電気分解されて発生するガスは液体水分を伴っている。パイプ３ａからはＨ₂Ｏ＋Ｏ₂を第１の気液分離槽４ａに取り出し、パイプ３ｂからはＨ₂Ｏ＋Ｈ₂を第１の気液分離槽４ｂに取り出す。第１の気液分離槽４ａでは液体水分５ａと気体の酸素ガス（Ｏ₂）６ａに分離され、気体の酸素ガス（Ｏ₂）６ａはパイプ７ａから冷却器８ａに供給される。冷却器８ａで冷却された酸素ガス（Ｏ₂）はパイプ９ａから第２の気体分離層１０ａに供給され、再度液体水分１１ａと気体の酸素ガス（Ｏ₂）１２ａに分離される。第２の気体分離層１０ａは必須のものではなく、冷却器８ａ内で冷却することにより、液体水分とガスに分離することもできる。この場合は冷却器８ａの上方の気相部に酸素ガス取り出しパイプをつなぎ、下方のボトム部に液体水分取り出しパイプをつなげる。気体の酸素ガス（Ｏ₂）１２ａは酸素ガス供給パイプ２０ａに取り出され、加熱器２１によって加熱され、乾式逆火防止弁２２ａを通過してバーナー２３で燃焼され、炎２４となる。

第２の気体分離層１０ａで分離された液体水分１１ａはドレインパイプ１３ａから取り出され、第１の気液分離槽４ａから取り出される液体水分５ａのドレインパイプ１４と合体し、ドレインパイプ１５から電解液冷却器１６に送り込まれて冷却され、パイプライン１７から電解セル（電気分解槽）１に戻される。

パイプ３ｂから取り出されたＨ₂Ｏ＋Ｈ₂は第１の気液分離槽４ｂで液体水分５ｂと気体の水素ガス（Ｈ₂）６ｂに分離され、気体の水素ガス（Ｈ₂）６ｂはパイプ７ｂから冷却器８ｂに供給される。冷却器８ｂで冷却された水素ガス（Ｈ₂）はパイプ９ｂから第２の気体分離層１０ｂに供給され、再度液体水分１１ｂと気体の水素ガス（Ｈ₂）１２ｂに分離される。第２の気体分離層１０ｂは必須ではないことは前記のとおりである。気体の水素ガス（Ｈ₂）１２ｂは水素ガス供給パイプ２０ｂに取り出され、加熱器２１によって加熱され、乾式逆火防止弁２２ｂを通過してバーナー２３で燃焼され、炎２４となる。第２の気体分離層１０ｂで分離された液体水分１１ｂはドレインパイプ１３ｂから取り出され、第１の気液分離槽４ｂから取り出される液体水分５ｂのドレインパイプ１４と合体し、ドレインパイプ１５から電解液冷却器１６に送り込まれて冷却され、パイプライン１７から電解セル（電気分解槽）１に戻される。電気分解に必要な新たな水（電解水）は水供給タンク１８から供給ライン１９を通じて第１の気液分離槽４ａ又は４ｂに送り込まれる。各槽には安全弁を設けるのが好ましい。これは以下の実施例においても同じである。

図４は本発明の別の実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。この装置は電気分解ガスを酸素ガスと水素ガスの混合ガスのまま取り出すタイプの装置である。電解セル（電気分解槽）３１の中には水が充填されており、多数の電極板に電源２２から直流電流を流す。水が電気分解されて発生するガスは液体水分を伴っている。パイプ３３からＨ₂Ｏ＋Ｈ₂＋Ｏ₂を第１の気液分離槽３４に取り出す。第１の気液分離槽３４では液体水分３５と気体の水素ガス（Ｈ₂）と酸素ガス（Ｏ₂）の混合ガス３６に分離される。この混合ガスは酸水素ガスとも言う。混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）３６はパイプ３７から冷却器３８に供給される。冷却器３８で冷却された混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）はパイプ３９から第２の気体分離層４０に供給され、再度液体水分４１と気体の混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）４２に分離される。第２の気体分離層４０は必須のものではなく、冷却器４８内で冷却することにより、液体水分と混合ガスに分離することもできる。この場合は冷却器３８の上方の気相部に混合ガス取り出しパイプをつなぎ、下方のボトム部に液体水分取り出しパイプをつなげる。気体の混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）４２は混合ガス供給パイプ５０に取り出され、加熱器５１によって加熱され、乾式逆火防止弁５２を通過してバーナー５３で燃焼され、炎５４となる。

第２の気体分離層４０で分離された液体水分４１はドレインパイプ４３から取り出され、第１の気液分離槽３４から取り出される液体水分３５のドレインパイプ４４と合体し、ドレインパイプ４５から電解液冷却器４６に送り込まれて冷却され、パイプライン４７から電解セル（電気分解槽）３１に戻される。電気分解に必要な新たな水は水供給タンク４８から供給ライン４９を通じて第１の気液分離槽３４に送り込まれる。

図５は本発明のさらに別の実施例における水素酸素ガス発生燃焼装置の概略説明図である。図５の実施例は、第１の気液分離槽内に冷却器を備えた例である。図５では混合ガスの例を示したが、図４に示す水素ガスと酸素ガスに分離した装置にも適用できる。電解セル（電気分解槽）６１の中には水が充填されており、多数の電極板に電源６２から直流電流を流す。水が電気分解されて発生するガスは液体水分を伴っている。パイプ６３からＨ₂Ｏ＋Ｈ₂＋Ｏ₂を第１の気液分離槽６４に取り出す。第１の気液分離槽６４には冷媒を循環させる冷却パイプ６７を設けて液体水分６５を冷却する。冷却パイプ６７は簡略化して１つのスパイラルで示しているが、２重以上の多重スパイラルとしてもよい。冷却器６８からポンプで冷媒をパイプ６９から第１の気液分離槽６４内の冷却パイプ６７に供給し、パイプ７０から回収する。第１の気液分離槽６４では液体水分６５と気体の水素ガス（Ｈ₂）＋酸素ガス（Ｏ₂）の混合ガス６６に分離される。混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）６６は混合ガス供給パイプ７１に取り出され、加熱器７２によって加熱され、乾式逆火防止弁７４を通過してバーナー７５で燃焼され、炎７５となる。加熱器７２と乾式逆火防止弁７４との間のパイプ７３は、外気によって冷やされないように保温しておいてもよい。電気分解に必要な新たな水７８は水供給タンク７７から供給ライン７９を通じて第１の気液分離槽６４に送り込まれ、第１の気液分離槽６４の液体水分６５とともにパイプライン８０から電解セル（電気分解槽）６１に供給される。

図６は本発明の一実施例におけるヒートポンプを用いた冷却−加熱装置の概略説明図である。この装置は特公平７−１８６０２号によって知られている。電気分解ガスの冷却器と加熱器とを例えば炭酸ガスを冷媒とする閉ループのパイプでつなぎ、加熱器の手前に圧縮機を設けてヒートポンプとし、前記加熱器側サイドを炭酸ガスの超臨界状態で運転するシステムである。好適な作動流体は、たとえば、エチレン（C₂H₄）、ジボラン（B₂H₆）、炭酸ガス（CO₂）、エタン（C₂H₆）及び酸化窒素（N₂O）とすることができ、とくに好ましくは炭酸ガスである。流れ回路は、熱交換器８２に直列連結される圧縮機８１と、向流型熱交換器８３と、絞り弁８４とを含む。蒸発熱交換器８５と、液体分離器／レシーバ８７と、向流型熱交換器８３の低圧側とが、絞り弁８４と圧縮機８１の流入口９０の中間に、流通可能に連結されている。液体レシーバ８７は蒸発器流出口８６に連結され、またレシーバ８７のガス相流出口は向流型熱交換器８３に連結されている。向流型熱交換器８３はこの装置の機能を達成するために必須であるというものではないが、その効率、特に能力増大要件に対する応答速度を改善する。これはまた、油を圧縮機に戻す作用も有する。そのため、レシーバ８７からの液相ライン（図２に破線で示される）が、向流型熱交換器８３の前で点８８において、あるいはその後で点８９において、あるいはこれらの点の間の任意の位置において、吸引ラインに連結される。液体流量、すなわち冷媒および油は、適切な通常の液体流量制限装置（図示されない）により制御される。ある程度過剰の液体冷媒を蒸気ラインに流入させることにより、蒸発器流出口における液体過剰状態が達成される。この装置の熱交換器８５は冷却機能を発揮するので、例えば図３の冷却器８ａ，８ｂ，１６、図４の冷却器３８，４６、図５の冷却器６８に配置する。具体的には図６に示す熱交換器８５のコイル８５ｂ内の流体を冷却コイル８５ａ内の流体で冷却する。熱交換器８２は加熱機能を発揮するので、例えば図３の加熱器２１、図４の加熱器５１、図５の加熱器７２に配置する。具体的には図６に示す熱交換器８２のコイル８２ｂ内の流体を加熱コイル８２ａ内の流体で加熱する。

図７は異なる運転条件における超臨界蒸気圧縮サイクル装置における圧力及びエンタルピの関係を示すグラフである。冷媒は圧縮機８１において適切な超臨界圧力まで圧縮され、圧縮機流出口９１は、図７において状態「ａ」として示される。冷媒は熱交換器８２を通って循環され、そこで状態「ｂ」まで冷却されて、必要であれば熱を適切な冷却材、たとえば冷却空気又は水に放出する。所望により、冷媒は、状態「ｄ」まで絞り操作される前に、向流型熱交換器８３において状態「ｃ」まで、さらに冷却されても良い。絞り弁８４での圧力低下により、図７に状態「ｄ」として示されるように、ガス／液体の２相混合体が形成される。冷媒は熱交換器（蒸発器）８５において、液相の蒸発により熱を吸収する。蒸発器流出口８６における状態「ｅ」から冷媒の蒸気は、向流型熱交換器８３において、圧縮機流入口９０に流入する前に、状態「ｆ」まで加熱されても良く、圧縮機流入口９０の流入によりサイクルが完成される。好ましい実施例においては図２に示されるように、蒸発器流出口８６の状態「ｅ」は、蒸発器流出口における液体過剰状態により、２相領域状態にある。超臨界サイクル装置の能力調整は、蒸発器流入口、すなわち図７の点「ｄ」における冷媒の状態を変動させることにより達成される。冷媒の単位質量流量当たりの冷却能力、すなわち、所定の冷却能力は、状態「ｄ」および状態「ｅ」間のエンタルピ差に対応する。このエンタルピ差は、図７において、エンタルピ・圧力線図の水平長さとして示されている。絞り操作は定エンタルピ処理であり、従って点「ｄ」におけるエンタルピは、点「ｃ」におけるエンタルピに等しい。その結果、定冷媒質量流量における冷凍能力（kW）は、点「ｃ」におけるエンタルピを変動させることにより制御され得る。超臨界サイクルにおいては、高圧単相冷媒蒸気は凝縮されないが、熱交換器８２において温度が低下される。熱交換器（点「ｂ」）における冷媒の最終温度は、向流が利用される場合、流入冷却空気又は水温より数度高い。そして、高圧蒸気は向流型熱交換器において、数度低い点「ｃ」まで冷却されることができる。しかし、その結果、定冷却空気又は水流入温度において、点「ｃ」における温度は、高サイドにおける圧力レベルとは無関係に、主として一定になる。したがって、装置能力の調整は、点「ｃ」における温度をほぼ一定の状態として、高サイドにおける圧力を変動することにより達成される。臨界点付近での等温線のカーブは、図７に示されるように、圧力によるエンタルピの変動をもたらす。図7は基準サイクル（ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ）、高サイド圧力が低下されたことによる低能力のサイクル（ａ′−ｂ′−ｃ′−ｄ′−ｅ−ｆ）、及び高サイドにおける高圧による高能力のサイクル（ａ″−ｂ″−ｃ″−ｄ″−ｅ−ｆ）を示している。蒸発器圧力は一定であると仮定される。高圧サイドの圧力は、単相流体により充満されていることから、温度とは無関係である。圧力を変動させるには、高サイドにおける冷媒の質量を変動させること、すなわち、高サイドにおける瞬間的冷媒充填量の所定量を、付加又は除去することが必要である。これらの変動は液体のオーバーフロー又は蒸発器の乾燥化を避けるため、緩衝装置ないしバッファにより処理される。図６に示される好ましい実施例において、高サイドの冷媒質量は絞り弁８４の開度を一時的に低減することにより、増大され得る。蒸発器に対する付随して低減される冷媒流量により、蒸発器流出口８６における余剰液体量は低減される。しかし、レシーバ８７から吸引ラインへの液体冷媒流量は一定である。その結果、レシーバに流入及びそこから流出する液体流量間のバランスはシフトされ、その結果、レシーバの液体残量は減少し、対応して流れ回路の高圧サイドに冷媒が蓄積される。高サイド充填量の増大は、圧力の増大、したがって、冷凍能力の増大を伴う。この回路の低圧サイドから高圧サイドへの質量移転は、冷凍能力と負荷と間のバランスが見出されるまで継続される。絞り弁８４の開放により、冷媒の蒸発量はほぼ一定であることから、蒸発器流出口８６における余剰液体量が増大される。このレシーバへ流入する液体流量と、レシーバから吸引ラインへの液体流量との差の流量が、蓄積される。その結果、冷媒充填量が流れ回路の高サイドから低サイドへ移送され、レシーバにおいて液体状態で貯蔵され、高サイド充填量は低減される。高サイド充填量、したがって圧力を低減することにより、装置の能力は、バランスが見出されるまで減少される。レシーバから圧縮機吸引ラインへのある程度の液体移送が、レシーバの液相における潤滑剤の蓄積を避けるために必要になる。

電気分解ガス（酸水素ガス）の燃焼の特徴を次の表２にまとめる。

表２から明らかなとおり、電気分解ガス（酸水素ガス）は以下の利点が挙げられる。
（１）電気分解ガス（酸水素ガス）は、通常の気体燃料、液体燃料より燃焼速度が速く燃焼気体体積当たりのエネルギー密度が高い。このことは、通常の気体燃料、液体燃料の燃焼を助長する機能が高いことを意味している。
（２）最小着火エネルギーが小さいため、燃料が着火に至るまでのエネルギーロスを最小限にできる。
（３）最小消炎距離が小さいことから、炎を集中してターゲットに当てることができ、金属の切断、溶接などの作業効率を高くできる。
（４）炭素を含まないため、ＣＯ₂は発生しない。
（５）用途
以上の利点があることにより、本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置は、溶接機、金属切断（溶断）・解体装置、燃焼炉、エンジン、火力発電所の燃焼装置、ごみ焼却設備の燃焼装置、ボイラー燃焼装置、タービンプラントなどに適用できる。また、溶接機、金属切断・解体装置などにおいては、オンデマンドシステム（必要な場合に電気分解からスタートして燃焼に使用する）としても好適である。

以下実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図３に示す装置を用いて運転した。容積が２５リットルの電解セル（電気分解槽）１の中に電解水を２０リットル充填し、垂直方向に多数配列させた電極板に電源２から４０アンペア、２２０ボルトの直流電流を流した。定常運転における電解セル（電気分解槽）１の温度は２０℃であった。パイプ３ａからＨ₂Ｏ＋Ｏ₂を第１の気液分離槽４ａに取り出し、パイプ３ｂからＨ₂Ｏ＋Ｈ₂を第１の気液分離槽４ｂに取り出した。第１の気液分離槽４ａ，４ｂの容積はそれぞれ３リットルとし、液体水分５ａ，５ｂの容積は５リットルとし、温度は２５℃であった。第１の気液分離槽４ａで液体水分５ａと気体の酸素ガス（Ｏ₂）６ａに分離し、気体の酸素ガス（Ｏ₂）６ａはパイプ７ａから冷却器８ａに供給した。冷却器８ａで５℃に冷却した酸素ガス（Ｏ₂）はパイプ９ａから第２の気体分離層１０ａに供給し、再度液体水分１１ａと気体の酸素ガス（Ｏ₂）１２ａに分離した。第１の気液分離槽４ｂで液体水分５ｂと気体の水素ガス（Ｈ₂）６ｂに分離し、気体の水素ガス（Ｈ₂）６ｂはパイプ７ｂから冷却器８ｂに供給した。冷却器８ｂで５℃に冷却した水素ガス（Ｈ₂）はパイプ９ｂから第２の気体分離層１０ｂに供給し、再度液体水分１１ｂと気体の水素ガス（Ｈ₂）１２ｂに分離した。第２の気体分離層１０ａ，１０ｂの容積は３リットルとした。第２の気体分離層１０ａ，１０ｂから取り出した気体の酸素ガス（Ｏ₂）１２ａと気体の水素ガス（Ｈ₂）１２ｂは供給パイプ２０ａ，２０ｂに取り出し、リボンヒーター加熱器２１によって３０℃に加熱し、相対湿度を約２２％ＲＨとした。次いで逆火防止弁２２ａ，２２ｂを通過させて両者を混合し、バーナー２３で燃焼し、酸素水素ガス炎２４とした。

第２の気体分離層１０ａ，１０ｂで分離した液体水分１１ａ，１１ｂはドレインパイプ１３ａ，１３ｂから取り出し、第１の気液分離槽４ａ，４ｂから取り出した液体水分５ａ，５ｂのドレインパイプ１４で合体し、ドレインパイプ１５から電解液冷却器１６に送り込み、２０℃に冷却し、パイプライン１７から電解セル（電気分解槽）１に戻した。電気分解に必要な新たな水（電解水）は水供給タンク１８から１．６リットル／Ｈｒの供給量で供給ライン１９を通じて第１の気液分離槽４ａに供給した。各槽には安全弁を設けた。

この装置を用いて、雰囲気温度０〜５℃で２４時間連続運転したが、逆火も爆発は１回も起こらなかった。

これに対して冷却装置８ａ，８ｂ及び加熱装置２１のない比較例の装置は、逆火による爆発は１０回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。また別の比較例として、冷却装置８ａ，８ｂを設け、加熱装置２１を設けない装置は、逆火による爆発は２回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。

（実施例２）
図４に示す装置を用いて運転した。容積が２５リットルの電解セル（電気分解槽）３１の中に電解を２０リットル充填し、垂直方向に多数配列させた電極板に電源３２から４０アンペア、２２０ボルトの直流電流を流した。定常運転における電解セル（電気分解槽）３１の温度は２０℃であった。パイプ３３からＨ₂Ｏ＋Ｈ₂＋Ｏ₂を第１の気液分離槽３４に取り出した。第１の気液分離槽３４の容積は５リットルとし、液体水分３５の容積は５リットルとし、温度は２５℃であった。第１の気液分離槽３４で液体水分３５と気体の水素酸素混合ガス３６に分離し、気体の水素酸素混合ガスはパイプ３７から冷却器３８に供給した。冷却器３８で５℃に冷却した水素酸素混合ガスはパイプ３９から第２の気体分離層４０ａに供給し、再度液体水分４１と気体の水素酸素混合ガス４２に分離した。第２の気体分離層４０の容積は５リットルとした。第２の気体分離層４０から取り出した気体の水素酸素混合ガス４２は供給パイプ５２に取り出し、リボンヒーター加熱器５１によって３０℃に加熱し、相対湿度を約２２％ＲＨとした。次いで逆火防止弁５２を通過させて混合ガスをバーナー５３で燃焼し、酸素水素ガス炎５４とした。

第２の気体分離層４０で分離した液体水分４１はドレインパイプ４３から取り出し、第１の気液分離槽３４から取り出した液体水分３５のドレインパイプ４４で合体し、ドレインパイプ４５から電解液冷却器４６に送り込み、２０℃に冷却し、パイプライン４７から電解セル（電気分解槽）３１に戻した。電気分解に必要な新たな水（電解水）は水供給タンク４８から１．６リットル／Ｈｒの供給量で供給ライン４９を通じて第１の気液分離槽３４に供給した。各槽には安全弁を設けた。

この装置を用いて、雰囲気温度０〜５℃で２４時間連続運転したが、逆火も爆発は１回も起こらなかった。

これに対して冷却装置３８及び加熱装置５１のない比較例の装置は、逆火による爆発は１２回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。また別の比較例として、冷却装置３８を設け、加熱装置５１を設けない装置は、逆火による爆発は５回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。

（実施例３）
図５に示す装置を用いて運転した。容積が２５リットルの電解セル（電気分解槽）６１の中に電解水を２０リットル充填し、垂直方向に多数配列させた電極板に電源６２から４０アンペア、２２０ボルトの直流電流を流した。定常運転における電解セル（電気分解槽）６１の温度は２０℃であった。パイプ６３からＨ₂Ｏ＋Ｈ₂＋Ｏ₂を第１の気液分離槽６４に取り出した。第１の気液分離槽６４の容積は１０リットルとし、液体水分６５の容積は１５リットルとした。第１の気液分離槽６４には冷媒を循環させる冷却パイプ６７を設けて液体水分６５を２０℃に冷却した。冷却器６８からポンプで冷媒をパイプ６９から第１の気液分離槽６４内の冷却パイプ６７に供給し、パイプ７０から回収した。第１の気液分離槽６４で液体水分６５と気体の水素ガス（Ｈ₂）＋酸素ガス（Ｏ₂）の混合ガス６６に分離した。水素酸素混合ガス（Ｈ₂＋Ｏ₂）６６は混合ガス供給パイプ７１に取り出し、リボンヒーター加熱器７２によって３０℃に加熱し、相対湿度を約２２％ＲＨとした。次いで逆火防止弁７４を通過させて混合ガスをバーナー７５で燃焼し、酸素水素ガス炎７６とした。加熱器７２と逆火防止弁７４との間のパイプ７３は、外気によって冷やされないように保温した。電気分解に必要な新たな電解水７８は水供給タンク７７から１．６リットル／Ｈｒの供給量で供給ライン７９を通じて第１の気液分離槽６４に供給し、第１の気液分離槽６４の液体水分６５とともにパイプライン８０から電解セル（電気分解槽）６１に供給した。第１の気液分離槽６４には安全弁を設けた。

この装置を用いて、雰囲気温度０〜５℃で２４時間連続運転したが、逆火も爆発は１回も起こらなかった。

これに対して冷却装置６７，６８及び加熱装置７２のない比較例の装置は、逆火による爆発は１０回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。また別の比較例として、冷却装置６７，６８を設け、加熱装置７２を設けない装置は、逆火による爆発は６回認められ、その都度逆火防止弁が作動した。

以上の実施例から、本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置は、逆火も爆発も起こりにくいことが確認できた。

本発明の水素酸素ガス発生燃焼装置は、溶接機、金属切断・解体装置、燃焼炉、エンジン、火力発電所の燃焼装置、ごみ焼却装置の燃焼装置、タービンプラントなどに適用できる。また、溶接機、金属切断・解体装置、ボイラー燃焼装置などにおいては、オンデマンドシステム（必要な場合に電気分解からスタートして燃焼に使用する）としても好適である。

１，３１，６１ 電解セル（電気分解槽）
２，３２，６２ 電源
４ａ，４ｂ，３４，６４ 第１の気液分離槽
５ａ，５ｂ，１１ａ，１１ｂ，３５，４１，６５ 液体水分
６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂ，３６，４２，６６ 電気分解ガス
８ａ，８ｂ，１６，３８，４６，６８ 冷却器
１０ａ，１０ｂ，４０ 第２の気液分離槽
２１，５１，７２ 加熱器
２２ａ，２２ｂ，５２，７４ 逆火防止弁
２３，５３，７５ バーナー
２４，５４，７６ 炎

Claims (12)

1. 水を電気分解する電気分解槽と、
   前記電気分解により発生するガスと前記ガスに混合される液体水分とを分離する第１の気液分離槽と、
   前記ガスを燃焼させるバーナーを含む水素酸素ガス発生燃焼装置であって、
   前記第１の気液分離槽内及び／又は前記第１の気液分離槽と前記バーナーとの間にガスを冷却する冷却器を備え、
   前記冷却器より下流側かつ前記バーナーまでの間にガスを暖める加熱器を備えたことを特徴とする水素酸素ガス発生燃焼装置。
2. 前記加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）は、前記冷却器で冷却するガス温度（Ｔ１）を超える温度である請求項１に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
3. 前記加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）は、１５℃以上２００℃以下の範囲である請求項１又は２に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
4. 前記加熱装置で暖めるガス温度（Ｔ２）は、前記バーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高い請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
5. 前記加熱装置で暖めるガス温度（Ｔ２）は、前記バーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より５℃以上高い請求項４に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
6. 前記加熱装置は、ガス供給パイプの外側に配置したヒーターで構成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
7. 前記冷却器は、ガスを０℃を越え〜１０℃以下の範囲に冷却する請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
8. 前記電気分解槽から発生するガスは、酸素ガスと水素ガスを混合したままとするか、又は酸素ガスと水素ガスに分離して第１の気液分離槽に捕集する請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
9. 前記冷却器と前記加熱器との間に、さらに第２の気液分離槽を備えた請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
10. 前記加熱装置とバーナーとの間に逆火防止弁をさらに備えた請求項１〜９のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法であって、
    加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）を、冷却器で冷却するガス温度（Ｔ１）及びバーナーが配置されている雰囲気温度（Ｔ３）より高い温度に維持して運転することを特徴とする水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法。
12. 加熱器で暖めるガス温度（Ｔ２）が１５℃以上２００℃以下の範囲、かつ相対湿度が１〜９０％ＲＨの範囲である請求項１１に記載の水素酸素ガス発生燃焼装置の使用方法。

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