JP2015215285A - 燃料物性試験装置及び燃料物性試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料が供給される反応管に対してヒータを用いて温度分布を付与する燃料物性試験装置において、反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することで測定精度を向上させる。
【解決手段】燃料が流れる内部流路を有する反応管２と、上記反応管２と並行して設けられると共に上記反応管２に対して上記内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与するヒータ３ａとを備える燃料物性試験装置であって、上記ヒータ３ａは、上記燃料の着火温度以上の温度に発熱する発熱部３ｄＢと、上記発熱部３ｄＢから上記内部流路の上流側に延在すると共に上記発熱部３ｄＢの熱を上記内部流路の上流側に伝熱する熱伝導部３ｄＣとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料物性試験装置及び燃料物性試験方法に関するものである。

例えば、燃料の着火温度を測定する試験装置として、特許文献１のように、下流に向けて昇温する温度分布が付与された細い反応管に対して燃料を供給する装置が提案されている。このような試験装置では、反応管内を流れる燃料が反応管内を進むに連れて徐々に加熱され、着火温度を超えたときに発火するため、発火位置から燃料の着火温度を知ることができる。

特開２０１０−１１２８９２号公報

ところで、特許文献１に示すように、従来の試験装置においては、反応管に並行してヒータを設置し、このヒータによって反応管を加熱する方法がとられている。しかしながら、通常ヒータは、全域において同一の温度とされることから、ヒータの設置範囲において、上述のような温度分布を形成することは難しい。一方、ヒータ単独での出力ではヒータ設置範囲の外部まで反応管を加熱することは難しく、ヒータの設置範囲を超えると、急激に反応管の温度が低下してしまう。したがって、現実的には、従来のヒータを用いた方法では、反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することは難しく、より高い測定精度を実現することができない。

このため、水素バーナ等を用いて、反応管を加熱する方法も提案されている。水素バーナによる火炎は、中心部から外縁部に向かうに連れて温度が徐々に低下する。このため、水素バーナにより形成された火炎内に反応管を通すことで、火炎内において反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することができる。しかしながら、火炎を用いた場合であっても、温度勾配を形成することができる範囲は狭く、測定精度を十分に高くすることはできない。また、水素バーナの火炎は、ヒータと比較して温度を任意に設定することが難しく、反応管に対して付与する温度分布を微調整することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃料が供給される反応管に対してヒータを用いて温度分布を付与する燃料物性試験装置において、反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することで測定精度を向上させ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、燃料が流れる内部流路を有する反応管と、上記反応管と並行して設けられると共に上記反応管に対して上記内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与するヒータとを備える燃料物性試験装置であって、上記ヒータが、上記燃料の着火温度以上の温度に発熱する発熱部と、上記発熱部から上記内部流路の上流側に延在すると共に上記発熱部の熱を上記内部流路の上流側に伝熱する熱伝導部とを有す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、上記ヒータが導電性の焼結体からなり、上記熱伝導部が、上記発熱部よりも断面積が広い部位からなる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、上記ヒータが、上記反応管を半径方向外側から囲う管形状とされてい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、上記熱伝導部が、上記反応管を露出するスリットを有するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記熱伝導部に対して上記内部流路の上流側に配置されると共に上記ヒータの発熱部よりも低い温度で発熱する第２ヒータを備えるという構成を採用する。

第６の発明は、燃料が流れる内部流路を有する反応管に対して、ヒータによって上記内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与し、上記内部流路に上記燃料を流すことで燃料の着火温度を計測する燃料物性試験方法であって、上記ヒータが、上記燃料の着火温度以上の温度に発熱する発熱部と、上記発熱部から上記内部流路の上流側に延在すると共に上記発熱部の熱を上記内部流路の上流側に伝熱する熱伝導部とを有するという構成を採用する。

本発明によれば、ヒータの熱伝導部により、発熱部の熱量が反応管の上流側に向けて伝熱される。このため、反応管の温度は、発熱部の設置範囲を上流側に超えても直ぐに低下せず、上流側に向かうに連れて徐々に低下する。したがって、本発明によれば、ヒータを用いて、反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することが可能となる。よって、本発明によれば、燃料が供給される反応管に対してヒータを用いて温度分布を付与する燃料物性試験装置において、反応管に対して緩やかな温度勾配を形成することで測定精度を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態における燃料物性試験装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における燃料物性試験装置が備えるヒータユニット３の概略構成図であり、（ａ）が撮像装置側から見た側面図であり、（ｂ）が（ａ）の左側から見た正面図であり、（ｃ）が（ａ）の右側から見た背面図である。 本発明の一実施形態における燃料物性試験装置が備えるヒータの説明図であり、（ａ）が図２（ａ）に示すヒータの拡大図であり、（ｂ）がヒータの本体部を展開した模式図である。 熱伝導部を備えていないヒータを用いた従来の燃料物性試験装置と、本発明の一実施形態における燃料物性試験装置を用いた実験結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態における燃料物性試験装置の変形例が備えるヒータユニットの模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃料物性試験装置及び燃料物性試験方法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、各部材を認識可能とするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の燃料物性試験装置１の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の燃料物性試験装置１は、反応管２と、ヒータユニット３と、燃料供給装置４と、酸化剤供給装置５と、撮像装置６と、処理装置７とを備えている。

反応管２は、内部流路を有する直管であり、撮像装置６によって内部が観察できるように例えば石英ガラス等の透明な材料によって形成されている。この反応管２の内部流路の直径は、常温において内部流路に形成される火炎が伝播できない大きさ（すなわち消炎距離以下）とされている。

この反応管２は、上流側（図１における左側）の開口端から燃料と空気とが一定の比率で混合された混合気が極めて低流速で供給される。また、反応管２は、ヒータユニット３によって下流側（図１における右側）に向けて燃料の着火温度以上にまで昇温する温度分布が付与されている。このため、反応管２の内部では、下流側に進むに連れて混合気の温度が上昇し、燃料の着火温度となったところで発火し、これによって火炎が形成される。

図２は、ヒータユニット３の概略構成図であり、（ａ）が撮像装置６側から見た側面図であり、（ｂ）が（ａ）の左側から見た正面図であり、（ｃ）が（ａ）の右側から見た背面図である。なお、ヒータユニット３の内部構造の視認性を高めるため、図２（ａ）では後述する断熱材３ｂの一部を省略して図示している。

図２に示すように、ヒータユニット３は、ヒータ３ａと、断熱材３ｂと、温度センサ３ｃとを備えている。図３は、ヒータ３ａの説明図であり、（ａ）が図２（ａ）に示すヒータ３ａの拡大図であり、（ｂ）がヒータ３ａの後述する本体部３ｄを展開した模式図である。これらの図に示すように、ヒータ３ａは、炭化ケイ素からなる本体部３ｄと、端子部３ｅとを備えている。

本体部３ｄは、導電性の焼結体である炭化ケイ素からなり、図３（ａ）に示すように、反応管２を半径方向外側から囲うと共に反応管２と並行に配置される管形状とされている。このような本体部３ｄは、図３（ｂ）に示すように、正電極パッド部３ｄ１と、負電極パッド部３ｄ２と、第１発熱部３ｄ３と、第２発熱部３ｄ４と、熱伝導部３ｄ５とを備えている。

正電極パッド部３ｄ１は、端子部３ｅの正極端子３ｅ１と接続されている。負電極パッド部３ｄ２は、端子部３ｅの負極端子３ｅ２と接続されている。これらの正電極パッド部３ｄ１及び負電極パッド部３ｄ２は、シリコンが含浸されることによって電気抵抗が減少されており、通電による発熱が生じにくいように構成されている。

第１発熱部３ｄ３は、正電極パッド部３ｄ１と接続されており、図３（ｂ）に示すように、電流の流れ方向における幅Ｄ１が熱伝導部３ｄ５の同幅Ｄ３よりも狭く設定される。これによって第１発熱部３ｄ３は、熱伝導部３ｄ５よりも断面積が小さい部位とされている。第２発熱部３ｄ４は、負電極パッド部３ｄ２と接続されており、図３（ｂ）に示すように、電流の流れ方向における幅Ｄ２が熱伝導部３ｄ５の同幅Ｄ３よりも狭く設定される。これによって第２発熱部３ｄ４は、熱伝導部３ｄ５よりも断面積が小さい部位とされている。なお、この第２発熱部３ｄ４の幅Ｄ２は、第１発熱部３ｄ３の幅Ｄ１と同一である。

このような第１発熱部３ｄ３及び第２発熱部３ｄ４は、断面積が小さいことから、電気抵抗が高く、通電により発熱する。なお、これらの第１発熱部３ｄ３及び第２発熱部３ｄ４における発熱量が、燃料の着火温度よりも高くできるように、第１発熱部３ｄ３及び第２発熱部３ｄ４の断面積は設定されている。

熱伝導部３ｄ５は、第１発熱部３ｄ３と第２発熱部３ｄ４とを接続するように設けられており、上述のように、幅Ｄ３が第１発熱部３ｄ３の幅Ｄ１及び第２発熱部３ｄ４の幅Ｄ２よりも広く設定されている。このような熱伝導部３ｄ５は、断面積が第１発熱部３ｄ３及び第２発熱部３ｄ４よりも大きく、通電による発熱が第１発熱部３ｄ３と第２発熱部３ｄ４よりも低く抑えられる。また、熱伝導部３ｄ５は、第１発熱部３ｄ３と第２発熱部３ｄ４で生じた熱が伝導される。

実際の本体部３ｄの形状は、図３（ｂ）に示された展開図に示す形状を、紙面上側と紙面下側とが対向配置されるように図３（ｂ）に示す軸Ｌを中心として全体を管状に丸め、さらに第１発熱部３ｄ３と第２発熱部３ｄ４とを軸Ｌを中心として螺旋状に捩じった形状を有している。ここで、正電極パッド部３ｄ１と負電極パッド部３ｄ２とは、隙間を空けて配置されており、正電極パッド部３ｄ１と負電極パッド部３ｄ２とにおいて短絡が生じないようにされている。また、熱伝導部３ｄ５は、軸Ｌと直交する方向の端部３ｄ６と端部３ｄ７との間に隙間が設けられるように丸められている。これによって、熱伝導部３ｄ５には、反応管２が視認可能なスリット３ｄ８が設けられている。

このような形状を有する本体部３ｄは、図３（ａ）に示すように、反応管２の下流側から順に、電極パッド部３ｄＡ、発熱部３ｄＢ、及び熱伝導部３ｄＣを備えるものとなっている。電極パッド部３ｄＡは、隙間を空けて上下に対向配置された正電極パッド部３ｄ１と負電極パッド部３ｄ２とからなり、不図示の電源と接続される。なお、図１においては、本体部３ｄが備える電極パッド部３ｄＡを省略して図示している。発熱部３ｄＢは、隙間を空けて螺旋状に巻回された第１発熱部３ｄ３及び第２発熱部３ｄ４からなり、燃料の着火温度以上に発熱する。熱伝導部３ｄＣは、反応管２を露出させるスリット３ｄ８が設けられるように丸められた熱伝導部３ｄ５からなる。このような熱伝導部３ｄＣは、発熱部３ｄＢから反応管２の内部流路の上流側に向けて延在し、発熱部３ｄＢの熱を、反応管２の上流側に向けて伝熱する。

端子部３ｅは、正電極パッド部３ｄ１に接続される正極端子３ｅ１と、負電極パッド部３ｄ２に接続される負極端子３ｅ２とからなり、不図示の電源と接続され、本体部３ｄに対して通電可能とする。

このようなヒータ３ａは、反応管２を径方向から囲むように配置され、熱伝導部３ｄＣで囲む反応管２の一部に、内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与する。なお、反応管２の熱伝導部３ｄＣで囲まれた部分は、スリット３ｄ８によって内部が視認可能とされている。以下の説明において、このように熱伝導部３ｄＣで囲まれた反応管２の部分の範囲を観察領域２ａと称する。

図２に戻り、断熱材３ｂは、ヒータ３ａを支持する円筒状の支持部である。この断熱材３ｂは、ヒータ３ａを囲むように円筒形状とされており、スリット３ｄ８が露出するように開口３ｂ１が設けられている。また、温度センサ３ｃは、ヒータ３ａの発熱部３ｄＢの温度を測定する。

図１に戻り、燃料供給装置４は、反応管２の上流側の一端に接続された供給配管１１に対して、燃料を供給するためのものであり、燃料を収容するタンク４ａと、タンク４ａから供給配管１１への燃料の供給量を調整するための流量制御装置４ｂとを備えている。酸化剤供給装置５は、供給配管１１に対して、必要量の空気を供給するためのものである。

撮像装置６は、スリット３ｄ８を介して反応管２の内部に形成される火炎を撮像して撮像データとして取得するものであり、火炎を撮像する。この撮像装置６は、可視光の波長域での撮像を行うものであっても良いが、可視光の波長域以外の領域（例えば紫外線の波長域）での撮像を行うものであっても良い。

処理装置７は、撮像装置６と電気的に接続されており、撮像データから得られる反応管２内に形成された火炎の位置に基づいて、燃料の着火温度を求める。このような処理装置７は、例えば反応管２の温度分布を示すデータ（以下温度分布データと称する）が予め作業者によって入力されており、この温度分布データと撮像データとから着火温度を求める。このような処理装置７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置や、メモリ等の記憶装置等を備えるパーソナルコンピュータによって構成されている。

次に、このような構成を有する本実施形態の燃料物性試験装置１で燃料の着火温度を計測するため動作（燃料物性試験方法）について説明する。

まずは、ヒータ３ａに給電する。これによって発熱部３ｄＢが発熱し、この熱が熱伝導部３ｄＣに伝わる。発熱部３ｄＢの温度が所定の温度となると、反応管２の観察領域２ａには、内部流路の下流側に向けて昇温する温度分布が付与される。なお、発熱部３ｄＢの温度は、温度センサ３ｃによって計測される。

発熱部３ｄＢが所定の温度となると、例えば、作業者が反応管２に熱電対を挿入し、これによって観察領域２ａに付与された温度分布を取得する。この取得された温度分布は、作業者によって処理装置７に入力される。続いて、燃料供給装置４から燃料が供給配管１１に供給され、酸化剤供給装置５から空気が供給配管１１に供給され、これによって供給配管１１内において混合気が生成される。この混合気が反応管２に対して極めて低流量にて供給される。反応管２に供給された混合気は、反応管２を下流側に流れるに連れて徐々に昇温し、着火温度以上となったところで発火する。これによって、反応管２の観察領域２ａには、燃料の着火温度に応じた位置に火炎が形成される。

このように反応管２の観察領域２ａに火炎が形成されると、撮像装置６によって撮像データが取得され、この撮像データが処理装置７に入力される。処理装置７は、予め入力された温度分布データと、撮像データとを比較し、火炎が形成されている位置の温度を燃料の物性値である着火温度として求め、必要に応じて出力する。

以上のような本実施形態の燃料物性試験装置１及び燃料物性試験方法によれば、ヒータ３ａの熱伝導部３ｄＣにより、発熱部３ｄＢの熱量が反応管２の上流側に向けて伝熱される。このため、反応管２の温度は、発熱部３ｄＢの設置範囲を上流側に超えても直ぐに低下せず、上流側に向かうに連れて徐々に低下する。したがって、本実施形態の燃料物性試験装置１及び燃料物性試験方法によれば、ヒータ３ａを用いて、反応管２に対して緩やかな温度勾配を形成することが可能となり、より正確な着火温度を得ることができる。したがって、本実施形態の燃料物性試験装置１及び燃料物性試験方法によれば、測定精度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の燃料物性試験装置１においては、ヒータ３ａが導電性の焼結体からなり、発熱部３ｄＢが熱伝導部３ｄＣよりも断面積が小さな部位からなる。このため、ヒータ３ａ全体に通電することで、容易に発熱部３ｄＢを高温にすることが可能となる。

また、本実施形態の燃料物性試験装置１においては、ヒータ３ａは、反応管２を半径方向外側から囲う管形状とされている。このため、反応管２を周方向の全域から加熱することができ、反応管２の周方向に温度ムラが生じることを防止することができる。

また、本実施形態の燃料物性試験装置１においては、熱伝導部３ｄＣは、反応管２を露出するスリット３ｄ８を有する。このため、撮像装置６を用いた撮像データの取得が可能となり、火炎の位置を容易に取得することが可能となる。

続いて、図４の実験結果を用いて本実施形態の燃料物性試験装置１の作用及び効果について説明する。図４は、熱伝導部３ｄＣを備えていないヒータを用いた従来の燃料物性試験装置による実験結果を示すグラフ（グラフＡ）と、熱伝導部３ｄＣの長さを４０ｍｍとした本実施形態の燃料物性試験装置１による実験結果を示すグラフ（グラフＢ）と、熱伝導部３ｄＣの長さを６０ｍｍとした本実施形態の燃料物性試験装置１による実験結果を示すグラフ（グラフＣ）とを示している。

図４に示すように、従来の燃料物性試験装置では、ヒータの端面（発熱部端面）よりも上流側において急激な温度低下が生じ、なおかつ観察領域の温度分布が湾曲していることが分かる。一方、本実施形態の燃料物性試験装置１によれば、発熱部端面よりも上流側において、明らかに温度勾配が緩やかかつ均一となっている。したがって、本実施形態の燃料物性試験装置１によれば、より正確な着火温度を得ることができ、測定精度を向上させることができると分かる。また、グラフＢとグラフＣとの比較から分かるように、熱伝導部３ｄＣを長くすることにより、温度勾配が均一な領域（温度分布）を長くすることができることが分かった。

以上、添付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ないことは言うまでもない。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。

図５は、本発明の変形例が備えるヒータユニット３を示す模式図である。なお、図５においては、本体部３ｄが備える電極パッド部３ｄＡを省略して図示している。例えば、図５（ａ）に示すように、ヒータ３ａの本体部３ｄが、熱伝導部３ｄＣに対して内部流路の上流側に配置されると共にヒータ３ａの発熱部３ｄＢよりも低い温度で発熱する第２ヒータ３ｄＤを備えるようにしても良い。このような構成を採用することにより、熱伝導部３ｄＣの上流側の端部の温度をより高くすることができ、反応管２の温度勾配をより緩やかにすることができる。なお、熱伝導部３ｄＣと第２ヒータ３ｄＤとが接触すると、ヒータ３ａと第２ヒータ３ｄＤとの間で短絡が生じることから、電気絶縁材３ｄＥを挟んで第２ヒータ３ｄＤを設置することが好ましい。

また、図５（ｂ）に示すように、第２ヒータ３ｄＤに換えて、放熱部３ｄＦを設ける構成を採用することもできる。この場合には、反応管２の温度勾配が僅かに急になるものの、観察領域２ａでの温度差を僅かに広げることが可能となる。

また、図５（ｃ）に示すように、熱伝導部３ｄＣを断熱材３ｂよりも上流側に延ばし、熱伝導部３ｄＣの断熱材３ｂから突出した領域に、電気絶縁材３ｄＥを介して、放熱部３ｄＦを設けるようにしても良い。これによって、熱伝導部３ｄＣと放熱部３ｄＦとの熱の伝達面積を増加させ、放熱部３ｄＦからの放熱量を増加させることができる。

また、本実施形態においては、燃料の物性として着火温度を出力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、着火温度からオクタン価等の物性を求め、このオクタン価等を物性として出力するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、燃料供給装置４と、酸化剤供給装置５とを各々設け、供給配管１１において混合気と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い。例えば、１つの装置内部で混合気を生成し、この混合気を反応管２に供給するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、反応管２を直管とする構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、一部あるいは全部が湾曲した管を反応管として用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、断熱材３ｂが円筒形状であ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、断熱材の形状は任意である。

１……燃料物性試験装置、２……反応管、２ａ……観察領域、３……ヒータユニット、３ａ……ヒータ、３ｂ……断熱材、３ｂ１……開口、３ｃ……温度センサ、３ｄ……本体部、３ｄ１……正電極パッド部、３ｄ２……負電極パッド部、３ｄ３……第１発熱部、３ｄ４……第２発熱部、３ｄ５……熱伝導部、３ｄ６……端部、３ｄ７……端部、３ｄ８……スリット、３ｄＡ……電極パッド部、３ｄＢ……発熱部、３ｄＣ……熱伝導部、３ｄＤ……第２ヒータ、３ｄＥ……電気絶縁材、３ｄＦ……放熱部、３ｅ……端子部、３ｅ１……正極端子、３ｅ２……負極端子、４……燃料供給装置、４ａ……タンク、４ｂ……流量制御装置、５……酸化剤供給装置、６……撮像装置、７……処理装置、１１……供給配管

Claims (6)

1. 燃料が流れる内部流路を有する反応管と、前記反応管と並行して設けられると共に前記反応管に対して前記内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与するヒータとを備える燃料物性試験装置であって、
   前記ヒータは、前記燃料の着火温度以上の温度に発熱する発熱部と、前記発熱部から前記内部流路の上流側に延在すると共に前記発熱部の熱を前記内部流路の上流側に伝熱する熱伝導部とを有する
   ことを特徴とする燃料物性試験装置。
2. 前記ヒータが導電性の焼結体からなり、
   前記熱伝導部は、前記発熱部よりも断面積が広い部位からなることを特徴とする請求項１記載の燃料物性試験装置。
3. 前記ヒータは、前記反応管を半径方向外側から囲う管形状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料物性試験装置。
4. 前記熱伝導部は、前記反応管を露出するスリットを有することを特徴とする請求項３記載の燃料物性試験装置。
5. 前記熱伝導部に対して前記内部流路の上流側に配置されると共に前記ヒータの発熱部よりも低い温度で発熱する第２ヒータを備えることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の燃料物性試験装置。
6. 燃料が流れる内部流路を有する反応管に対して、ヒータによって前記内部流路の下流に向けて昇温する温度分布を付与し、前記内部流路に前記燃料を流すことで燃料の着火温度を計測する燃料物性試験方法であって、
   前記ヒータは、前記燃料の着火温度以上の温度に発熱する発熱部と、前記発熱部から前記内部流路の上流側に延在すると共に前記発熱部の熱を前記内部流路の上流側に伝熱する熱伝導部とを有する
   ことを特徴とする燃料物性試験方法。

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