JP2018014202A - 水素トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】火炎長さを長く認知させることができる水素トーチを提供する。
【解決手段】実施の形態の水素トーチは、筒状の筐体と、前記筐体内に設けられ、水素燃料を供給する水素タンクと、前記筐体の先端に設けられ、前記水素燃料を噴出するノズルと、前記水素タンクと前記ノズルとを連結し、前記水素タンク内の前記水素燃料を前記ノズルに供給する水素流路と、前記水素流路に設けられ、前記水素タンクから前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を調整する調整バルブと、前記調整バルブの下流側の前記水素流路に設けられ、前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を変動させる流量変動発生機構とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水素トーチに関する。

オリンピックで用いられる聖火トーチや国体で用いられる炬火トーチなどのトーチは、先端側に火炎を形成している。トーチランナーは、先端側に火炎を形成した状態のトーチを把持しながら走り、トーチをリレーする。

このようなトーチには、炭化水素系の液体燃料が使用されている。そして、トーチは、その内部に液体燃料を充填した燃料タンクを備える。燃料タンク内の燃料は、燃料流路を介してトーチの先端に設けられたノズルに供給される。そして、トーチは、ノズルの先端に形成した火炎を保持する。

特許第４１７７９２５号明細書

上記したように、従来のトーチには、炭化水素系の燃料が用いられている。炭化水素系の燃料が燃焼すると、二酸化炭素や煤などの微粒子が生成される。そのため、トーチランナーの健康や環境に悪影響を与えることがある。

このような問題を受けて、二酸化炭素や煤などの微粒子を排出しないクリーンな水素トーチが検討されている。水素トーチは、従来の炭化水素系の燃料に代えて、水素を燃料として用いる。このような水素トーチは、ノズルに供給された水素を大気中に噴出しながら、火炎を保持する。しかしながら、水素の燃焼速度が速いので、水素トーチの火炎長さを長くすることは困難である。

本発明が解決しようとする課題は、火炎長さを長く認知させることができる水素トーチを提供することである。

実施の形態の水素トーチは、筒状の筐体と、前記筐体内に設けられ、水素燃料を供給する水素タンクと、前記筐体の先端に設けられ、前記水素燃料を噴出するノズルと、前記水素タンクと前記ノズルとを連結し、前記水素タンク内の前記水素燃料を前記ノズルに供給する水素流路と、前記水素流路に設けられ、前記水素タンクから前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を調整する調整バルブと、前記調整バルブの下流側の前記水素流路に設けられ、前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を変動させる流量変動発生機構とを備える。

第１の実施の形態の水素トーチの構成を模式的に示す図である。 第１の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第１の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第１の実施の形態において、流量変動発生機構によってパルス状に変動した水素燃料の流量と時間との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態において、図４に示す条件で水素燃料の流量をパルス状に変動させたときの火炎長さと時間との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態において、流量変動発生機構によってパルス状に変動した水素燃料の流量の変動周期と火炎長さとの関係を示すグラフである。 第２の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第３の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す概略図である。 第３の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第３の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構の構成を模式的に示す断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の水素トーチ１の構成を模式的に示す図である。図１では、説明の便宜上、部分的に断面を示している。

図１に示すように、水素トーチ１は、筒状の筐体２と、筐体２内に設けられ、水素燃料を供給する水素タンク３とを備える。さらに、水素トーチ１は、筐体２の先端に設けられ、水素タンク３内の水素燃料を大気中に噴出するノズル４と、筐体２内に設けられ、水素タンク３とノズル４とを連結し、水素タンク３内の水素燃料をノズル４に供給する水素流路５とを備える。さらに、水素トーチ１は、水素流路５に設けられ、水素タンク３からノズル４に供給される水素燃料の流量を調整する調整バルブ６と、調整バルブ６の下流側の水素流路５に設けられ、水素タンク３からノズル４に供給される水素燃料の流量を変動させる流量変動発生機構７とを備える。さらに、水素トーチ１は、ノズル４の先端部に設けられ、ノズル４の下流に形成される水素トーチ１の火炎８によって炎色反応を起こす炎色反応部材９を備える。

筐体２は、例えば、図１に示すように、細長い筒体で構成される。筐体２の先端部および後端部は、それぞれ閉鎖されている。例えば、筐体２の先端部は、筐体２の内部に構成部品を収容後、閉鎖される。

筐体２について、例えば、先端部の先端面２ａの面積は、後端部の後端面２ｂの面積よりも大きい。すなわち、図１に示す筐体２の中心軸方向に平行な断面において、筐体２は、逆円錐台状の形状を有している。なお、当該断面における筐体２の形状は、これに限られたものではない。

また、筐体２の中心軸方向に垂直な断面における筐体２の形状は、特に限定されるものではない、当該断面における筐体２の形状として、例えば、円形、楕円形、三角形、四角形、多角形などが挙げられる。

水素タンク３は、水素トーチ１の燃料となる水素燃料を蓄積している。そして、水素燃料のタイプに応じて、水素タンクの形態は適宜選択される。水素タンクが水素燃料を貯蔵している場合、水素タンクは、例えば、水素燃料としての気体の水素（以下、水素ガスともいう）や液体の水素を収容している低圧タンクや高圧タンク、水素燃料としての水素ガスを吸蔵している水素吸蔵合金を収容しているタンクなどが挙げられる。

水素吸蔵合金としては、マグネシウム合金などの既知の水素吸蔵合金を使用することができる。水素吸蔵合金から水素燃料である水素ガスを放出する方法は、特には限定されず、既知の放出方法を用いることができる。

また、水素タンク３は、水素タンク３の内部で加水分解等の化学変化を利用して水素燃料としての水素ガスを生成する構成を有してもよい。

また、水素タンク３の周囲には、水素タンク３を加熱する図示しないヒータ部を設けてもよい。ヒータ部が水素タンク３を加熱することによって、水素タンク３が水素ガスをノズル４に供給し続ける場合であっても、水素タンク３の温度低下が抑制され、水素タンク３が水素ガスを安定に供給することができる。

また、水素トーチ１は、ヒータ部の周囲を覆う図示しない断熱部材を設けてもよい。断熱部材は、加熱されたヒータ部や水素タンク３を保温するため、水素タンク３の温度低下を抑制できる。

筐体２の先端に設けられるノズル４は、水素流路５内を通って水素タンク３から供給される水素燃料を筐体２の外部に向かって噴出する。ノズル４の形状は、特に限定されるものではない。例えば、ノズル４として、水素燃料の出口である先端部に単一の孔を備えた単孔ノズル、先端部に複数の孔を備えた多孔ノズル、２重管によって形成される環状の噴出口を有するノズルなどを用いることができる。また、ノズル４の先端部は、複数に分割されてもよい。

また、ノズル４の先端部には、炎色反応部材９が設けられる。炎色反応部材９は、火炎８によって炎色反応を起こす合金などの化合物から形成される。炎色反応部材９による炎色反応が起こると、水素トーチ１の火炎８は、炎色反応部材９を構成する材料に応じた色に着色される。また、ノズル４自体が火炎８によって炎色反応を起こす合金などの化合物から構成されてもよい。また、図示しないタンクから、炎色反応を起こす化合物の溶液を火炎８に霧化して噴射してもよい。

また、水素トーチ１には、水素トーチ１の火炎８の基部を包囲する図示しない包囲部材を備えてもよい。包囲部材は、水素トーチ１の外部からの横風などから火炎８を防ぐ。

水素流路５は、例えば、水素タンク３の先端面２ａ側とノズル４の後端面２ｂ側とを連結している。この水素流路５は、水素タンク３からノズル４に水素燃料を流通できればよく、例えば、配管などで構成される。

調整バルブ６は、水素流路５に設けられる。この調整バルブ６の構成は、特には限定されず、水素流路５内を通って水素タンク３からノズル４に供給される水素燃料の流量を調整できればよい。調整バルブ６は、例えば、水素タンク３内の圧力を一定に保ち、水素流路５内の圧力を制御する、保圧弁などから構成される。

調整バルブ６は、筐体２の内部に設けられてもよい。また、調整バルブ６の調整部は、使用者が外部から直接調整できるように設けられてもよい。この場合、調整バルブ６の調整部は、例えば、筐体２の側面から外部に露出している。さらに、調整バルブ６は、例えば、センサなどの外部からの出力信号に基づいて、電子的に制御されてもよい。

図２および図３は、第１の実施の形態の水素トーチ１に設けられる流量変動発生機構７の構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、水素燃料の流量を減少させる前の流量変動発生機構７の状態を示し、図３は、水素燃料の流量を減少させているときの流量変動発生機構７の状態を示す。流量変動発生機構７は、図１に示すように、調整バルブ６の下流側の水素流路５、すなわち、調整バルブ６とノズル４との間の水素流路５に設けられる。

図２および図３に示すように、筐体２の内部に設けられる流量変動発生機構７は、水素流路５の側面と接触する押さえ部材２１と、水素流路５を介して押さえ部材２１と対向配置される回転部材２２とを備える。

押さえ部材２１は、筐体２の内面に設けられる図示しない支持部材によって支持されてもよいし、筐体２と一体化してもよい。押さえ部材２１の形状は、水素流路５の一部の側面である接触部５ａに接触する面２１ａを有する形状であれば、限定されない。ここでは、押さえ部材２１の形状は直方体である。

回転部材２２は、筐体２の内面に設けられる図示しない支持部材によって、回転軸２３を中心に回転自在に設けられる。回転部材２２の回転軸２３は、水素流路５の長手方向に対して垂直である。ここでは、回転部材２２の回転軸２３が水素流路５の長手方向に対して垂直である一例を示しているが、回転部材２２の回転軸２３は水素流路５の長手方向に対して平行であってもよい。

回転部材２２は、モータ、ゴム、ゼンマイなどを用いて既知の方法で回転される。回転部材２２の回転速度は、水素燃料の流量の変動の程度に応じて、適宜調整することができる。

回転部材２２の形状は、略円盤状である。具体的には、回転部材２２は、円盤状の部材の一部を回転軸２３に平行に切断した形状であり、円弧面２２ａと、円弧面２２ａの端を平面的に連結する弦面２２ｂとを有する。また、図２および図３に示すように、回転軸２３に垂直な回転部材２２の断面は、略円状であり、円弧面２２ａを構成する円弧部と、弦面２２ｂを構成し、円弧部の端を直線的に連結する弦部とを有する。ここでは、回転部材２２の形状が略円盤状である一例を示しているが、回転部材２２の形状は略円筒状、略円柱状などであってもよい。

円弧面２２ａは、円盤状の部材の側面に相当する。また、弦面２２ｂは、円盤状の部材の切断面に相当する。回転部材２２を構成する円弧面２２ａの数と弦面２２ｂの数とは同じである。ここでは、１つの円弧面２２ａと１つの弦面２２ｂとを有する回転部材２２を示しているが、回転部材２２は、例えば２つの円弧面２２ａと２つの弦面２２ｂとを有してもよい。

押さえ部材２１と回転部材２２とに挟まれている水素流路５の接触部５ａは、シリコンチューブなどの弾性体で構成される。なお、水素流路５の全体が弾性体で構成されてもよい。

図２に示すように、水素燃料の流量を減少させる前の流量変動発生機構７において、弦面２２ｂの全面は直線的な形状を維持している接触部５ａに接触する。また、図３に示すように、水素燃料の流量を減少させているときの流量変動発生機構７において、円弧面２２ａは湾曲している接触部５ａに接触する。

次に、第１の実施の形態の水素トーチ１の作用について説明する。

水素タンク３を流出した水素燃料は、水素流路５内を流れ、調整バルブ６に供給される。調整バルブ６は、供給された水素燃料の圧力を調整することによって、水素燃料の流量を調整する。続いて、調整バルブ６によって流量を調整した水素燃料は、流量変動発生機構７に供給される。

水素燃料の流量を減少させる前の状態であり、接触部５ａに接触している状態の弦面２２ｂを備える回転部材２２が回転すると、流量変動発生機構７は図２から図３に示す状態になり、回転部材２２の円弧面２２ａが接触部５ａに接触する。図３に示すように、回転部材２２が回転して、水素流路５の接触部５ａに接触している回転部材２２の部分が弦面２２ｂから円弧面２２ａに変わると、弾性体で構成されている接触部５ａが弾性変形して湾曲する。具体的には、回転部材２２と接触している側の接触部５ａが押さえ部材２１側に湾曲する。接触部５ａが湾曲すると、水素流路５の接触部５ａにおける流路断面積（以下、単に断面積ともいう）が局所的に減少する。そして、水素流路５の断面積が減少することによって、水素燃料の流量が減少する。

続いて、水素燃料の流量を減少させている状態であり、接触部５ａに接触している状態の円弧面２２ａを備える回転部材２２が回転すると、流量変動発生機構７は図３から図２に示す状態になり、回転部材２２の弦面２２ｂが接触部５ａに接触する。図２に示すように、回転部材２２が回転して、水素流路５の接触部５ａに接触している回転部材２２の部分が円弧面２２ａから弦面２２ｂに変わると、回転部材２２の円弧面２２ａと接触していた側の接触部５ａが、弾性変形して、押さえ部材２１側に湾曲していた状態から元の形状の状態に戻る。接触部５ａが直線的な元の形状に戻ると、水素流路５の接触部５ａの断面積は、増加して、接触部５ａ以外の水素流路５の断面積と同じになる。そして、水素流路５の断面積が元に戻ることによって、水素燃料の流量が増加する。

ここで、図３に示す流量変動発生機構７の状態、すなわち円弧面２２ａが湾曲している接触部５ａに接触している状態では、接触部５ａの断面積が一定に維持されるので、水素燃料の流量減少は一定に維持される。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も少ない。また、接触部５ａに接触している回転部材２２の部分が円弧面２２ａから弦面２２ｂに変わるとき、および弦面２２ｂから円弧面２２ａに変わるとき、接触部５ａの断面積の変化が生じるので、水素燃料の流量は変化する。また、図２に示す流量変動発生機構７の状態、すなわち弦面２２ｂが直線的な元の形状の接触部５ａに接触している状態では、接触部５ａの断面積は減少していないので、水素燃料の流量は減少しない。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も多い。

なお、流量変動発生機構７が水素燃料の流量を変動するとき、湾曲する接触部５ａは水素流路５を完全に塞ぐことはない。水素流路５が完全に塞がれると、水素燃料がノズル４に供給されなくなり、水素トーチ１の火炎８は消える。

このようにして、流量変動発生機構７は、回転部材２２を回転して水素流路５の断面積を変動させることによって、水素流路５を流れる水素燃料の流量を変動させる。

また、水素燃料の流量の変動の程度に応じて、回転部材２２の径、円弧面２２ａおよび弦面２２ｂの大きさ、円弧面２２ａおよび弦面２２ｂの数、回転部材２２の回転速度などは適宜設定される。

流量変動発生機構７によって流量を変動した水素燃料は、水素流路５を介してノズル４に供給され、ノズル４の先端部から筐体２の外部に噴出される。そして、ノズル４の下流側に点火源を近づけて、大気中に拡散する水素燃料に点火することによって、水素と大気中の酸素とによる拡散燃焼が生じる。そして、ノズル４の下流には、火炎８が形成される。

また、火炎８を長くすると共に水素燃料の消費量を減少させるという観点から、流量変動発生機構７は水素燃料の流量をパルス状に変動させることが好ましい。

図４は、第１の実施の形態において、流量変動発生機構７によってパルス状に変動した水素燃料の流量と時間との関係を示すグラフである。また、図５は、第１の実施の形態において、図４に示す条件で水素燃料の流量をパルス状に変動させたときの火炎長さと時間との関係を示すグラフである。なお、図４には、水素燃料の流量を変動させずに一定にしたとき（以下、比較例ともいう）の水素燃料の流量と時間との関係を示すグラフも表示する。ここでは、比較例における水素燃料の平均流量に比べて、水素燃料の流量を変動させたときの単位時間当たりの水素燃料の平均流量が少ない場合を例示している。また、図５には、図４に示す比較例のときの火炎長さ（以下、平均火炎長さともいう）と時間との関係を示すグラフも表示する。

ここで、火炎長さとは、火炎８の先端と筐体２の先端面２ａとを最短距離で結ぶ直線の長さをいう。

図４に示すように、ここでは、流量変動発生機構７からノズル４に供給される水素燃料の流量を２．０Ｈｚのパルス状に変動させたときの一例を示す。図４および図５に示すように、流量変動発生機構７によって流量をパルス的に変動させた水素燃料がノズル４に供給されると、水素燃料の流量の変動に対して一定の時間遅れを伴いながら、火炎長さが繰り返し増減した。ここでは、火炎長さは、水素燃料の流量の変動に対して約０．３秒の遅れを伴いながら、水素燃料の流量の変動周期と同様に、２．０Ｈｚの変動周期で増減した。

また、図５に示すように、平均火炎長さと比較して、水素燃料の流量を変動させたときの単位時間当たりの火炎長さの平均値はほぼ同じであるものの、水素燃料の流量を変動させたときの火炎長さが一時的に長くなる時間帯が現れた。このように、比較例の水素燃料の平均流量より少ない平均流量の水素燃料をパスル的に変動させて形成した火炎の長さは、一時的に平均火炎長さよりも長くなった。

ここで、人間の眼は、輝度の高い火炎が残像として残る性質を有する。そのため、長さの変動した火炎について、人間には、長いときの火炎、換言すると火炎長さが最大値のときの火炎が残像として残る。そのため、人間は、長さの変動する火炎を平均火炎長さよりも長く認知する。たとえ長さの変動した火炎の長さが平均火炎長さよりも短い時間帯があっても、このような残像効果によって、人間には変動する火炎の長さを長く認知させることができる。さらには、変動する火炎の長さを、常に平均火炎長さ以上にすることなく、一時的に平均火炎長さ以上にすれば、変動する火炎を長い火炎として認知させることができる。このように、一定流量の水素燃料の供給量を増加せずに火炎長さを長く認知させることができるため、水素タンク３からノズル４に供給される水素燃料の流量を減少させることができ、水素トーチ１における水素燃料の消費量を抑制させることができる。さらに、水素タンク３の大きさを小さくすることや、火炎８を長時間維持することができる。

図６は、第１の実施の形態において、流量変動発生機構７によってパルス状に変動した水素燃料の流量の変動周期と火炎長さとの関係を示すグラフである。ここで、図６中の火炎長さとは、平均火炎長さに対する水素燃料の流量を変動して形成した火炎長さの最大値の相対値（火炎長さの最大値／平均火炎長さ）である。また、ここでは、単位時間当たりの水素燃料の平均流量を変えずに、水素燃料の流量の変動周期を変えて、火炎長さを評価した。

単位時間当たりの水素燃料の平均流量を一定にしながら流量の変動周期を増加させると、火炎長さの最大値は、徐々に減少して、平均火炎長さに次第に近づく。流量の周期変動が５．０Ｈｚ以上になると、上記相対値が１．１以下になる。平均火炎長さよりも火炎長さを長く認知させるという観点から、水素燃料の流量の周期変動は、４．０Ｈｚ以下であることが好ましい。また、火炎を揺らめかせるという観点、および人間の視覚の残像効果を活用するという観点から、水素燃料の流量の周期変動は、最低でも１．０Ｈｚ以上であることが好ましい。

また、図４に示すように、ここでは、時間に対してパスル状に変動させた水素燃料の流量の波形が三角波であるときの一例を示したが、当該波形は矩形波や正弦波であってもよい。水素燃料の消費量を抑えるという観点から、当該波形は三角波であることが好ましい。

上記したように、第１の実施の形態の水素トーチ１によれば、ノズル４に供給する水素燃料の流量を流量変動発生機構７で変動することによって、火炎８の長さを変動させることができる。そして、流量変動発生機構７によって水素燃料の流量を変動させて形成した火炎８の長さは、平均火炎長さに比べて一時的に長くすることができる。そのため、残像効果によって、火炎８の長さを平均火炎長さよりも長く認知させることができる。

さらに、残像効果によって大きく認知させた火炎８の長さは、一時的に平均火炎長さ以上であればよい。このように、水素タンク３からノズル４に供給される水素燃料の量を減少させることができるので、水素トーチ１の消費する水素燃料の量を抑制させることができる。

（第２の実施の形態）
図７および図８は、第２の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構７ａの構成を模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の水素トーチの構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図７は、水素燃料の流量を減少させているときの流量変動発生機構７ａの状態を示し、図８は、水素燃料の流量を減少させる前の流量変動発生機構７ａの状態を示す。

図７および図８に示すように、流量変動発生機構７ａは、水素流路５に介在し、調整バルブ６を介して供給される水素燃料を溜める溜まり部３１と、溜まり部３１の下流側の水素流路５に連通する連通孔３２ａをその側面に備えるシリンダ３２と、シリンダ３２の閉口端３２ｂに接続するばね部３３と、シリンダ３２内に摺動自在に設けられるピストン３４とを備える。ここでは、流量変動発生機構７ａは、溜まり部３１、シリンダ３２、ばね部３３、およびピストン３４からなるいわゆるブローオフバルブの構成を備える。さらに、流量変動発生機構７ａは、溜まり部３１と水素流路５とを連通する連通孔３７を備える。

溜まり部３１は、水素流路５を介して調整バルブ６から排出される水素燃料を溜める。例えば、水素流路５の長手方向に対して垂直な方向における、溜まり部３１の断面積は、水素流路５の断面積よりも大きい。

シリンダ３２の開口端３２ｃは、溜まり部３１の下流側の面に連結する。溜まり部３１を排出した水素燃料は、シリンダ３２内に供給される。ここでは、シリンダ３２の側面を貫通する連通孔３２ａと溜まり部３１の下流側の水素流路５の側面を貫通する貫通孔５ｂとを連通する連通管３６によって、シリンダ３２に形成される連通孔３２ａが溜まり部３１の下流側の水素流路５に連通する一例を示すが、シリンダ３２の側面が溜まり部３１の下流側の水素流路５の側面と一体化され、水素流路５の側面と一体化したシリンダ３２の側面を貫通する連通孔３２ａが直接的に水素流路５に連通してもよい。シリンダ３２内の水素燃料は、連通孔３２ａを通り、溜まり部３１の下流側の水素流路５に供給される。

ばね部３３は、シリンダ３２内に設けられる。シリンダ３２の内部に設けられるばね部３３の下流側の一端は、シリンダ３２の開口端３２ｃの下流側に位置する閉口端３２ｂに接続する。そして、ばね部３３は、シリンダ３２の開口端３２ｃの方向にピストン３４を付勢している。

ピストン３４の下流側の面は、ばね部３３の上流側の一端に接続される。そして、ピストン３４は、シリンダ３２の内部を往復摺動しながら、シリンダ３２の側面に形成される連通孔３２ａをシリンダ３２側から開閉する。ピストン３４が図７に示す状態であるとき、連通孔３２ａは閉じ、ピストン３４が図８に示す状態であるとき、連通孔３２ａは開く。

溜まり部３１の下流側の面には、連通孔３７が設けられる。連通孔３７は、溜まり部３１の下流側の面を貫通して、溜まり部３１と水素流路５とを連通する。連通孔３７の流路断面積は、水素流路５の流路断面積よりも小さい。そのため、調整バルブ６から溜まり部３１に排出される水素燃料の流量に比べて、連通孔３７を流れて溜まり部３１から排出される水素燃料の流量は少ない。溜まり部３１内の水素燃料は、連通孔３７またはシリンダ３２を通り、水素流路５に供給される。

また、ピストン３４によって区画され、ばね部３３を収容しているシリンダ３２内の空間に水素燃料が漏れて、当該空間の圧力と溜まり部３１の圧力とが同じになると、ピストン３４がシリンダ３２内を往復摺動しなくなる。そのため、流量変動発生機構７ａは、シリンダ３２の閉口端３２ｂと連通孔３７の下流側の水素流路５とを連通する均圧管３８を備えてもよい。ばね部３３を収容しているシリンダ３２内の空間に漏れた水素燃料は、均圧管３８を介して溜まり部３１の下流側の水素流路５に流れるので、シリンダ３２内におけるピストン３４の往復摺動を維持することができる。

次に、第２の実施の形態の水素トーチの作用について説明する。

図７に示すように、水素流路５を介して調整バルブ６から排出される水素燃料は、流量変動発生機構７ａの溜まり部３１に流入する。連通孔３７を介して溜まり部３１から水素流路５に流出する水素燃料の流量に比べて、調整バルブ６から溜まり部３１に流入する水素燃料の流量は多いので、溜まり部３１の圧力は徐々に増加する。溜まり部３１の圧力が増加するにつれて、シリンダ３２の閉口端３２ｂの方向に押す力がピストン３４にかかる。

溜まり部３１の圧力がピストン３４に働いているばね部３３の付勢力よりも大きくなると、ピストン３４は、シリンダ３２の閉口端３２ｂの方向に摺動し、図７から図８に示す状態になる。図８に示すように、ピストン３４が閉口端３２ｂの方に摺動すると、ピストン３４によって閉じていた連通孔３２ａが開く。そして、調整バルブ６から溜まり部３１に流入した水素燃料は、連通孔３７に加えて連通孔３２ａを介して、水素流路５に流出する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は増加する。

続いて、溜まり部３１の圧力がピストン３４に働いているばね部３３の付勢力よりも小さくなると、ピストン３４は、シリンダ３２の開口端３２ｃの方向に摺動し、図８から図７に示す状態になる。図８に示すように、開いていた連通孔３２ａは、ピストン３４によって閉じる。そして、調整バルブ６から溜まり部３１に流入した水素燃料は、連通孔３７を介して水素流路５に流出する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少する。

ここで、図７に示す流量変動発生機構７ａの状態、すなわち連通孔３２ａが完全に閉じている状態では、水素燃料が連通孔３７のみを介して水素流路５に流出するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量減少は一定に維持される。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も少ない。また、ピストン３４が連通孔３２ａを開きながら閉口端３２ｂに向かって摺動するとき、およびピストン３４が連通孔３２ａを閉じながら開口端３２ｃに向かって摺動するとき、連通孔３２ａの流路断面積が変化するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は変化する。また、図８に示す流量変動発生機構７ａの状態、すなわち連通孔３２ａが完全に開いている状態では、連通孔３２ａの流路断面積が変化しないので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少しない。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も多い。

なお、図７に示すように、連通孔３２ａが完全に閉鎖しても、溜まり部３１内の水素燃料は連通孔３７を介して水素流路５に流れる。そのため、水素燃料は必ずノズル４に供給される。

このようにして、流量変動発生機構７ａは、ピストン３４を摺動して連通孔３２ａの流路断面積を変動させることによって、水素流路５を流れる水素燃料の流量を変動させる。流量変動発生機構７ａは、外部からの動力を供給せずに、水素流路５内を流通している水素燃料の圧力を利用して、ピストン３４による連通孔３２ａの開閉を行う。このように、流量変動発生機構７ａへの動力の供給は不要であるので、流量変動発生機構７ａはメンテナンス性に優れている。

また、水素燃料の流量の変動の程度に応じて、溜まり部３１の大きさ、ばね部３３のばね定数などは適宜設定される。

上記したように、第２の実施の形態の水素トーチによれば、ノズル４に供給する水素燃料の流量を流量変動発生機構７ａで変動することによって、火炎８の長さを変動させることができる。そのため、残像効果によって、火炎８の長さを平均火炎長さよりも長く認知させることができる。

さらに、流量変動発生機構７ａに動力を供給しなくても、流量変動発生機構７ａはノズル４に供給する水素燃料の流量を変動することができる。そのため、流量変動発生機構７ａはメンテナンス性に優れている。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構７ｂの構成を模式的に示す概略図であり、図１０および図１１は、流量変動発生機構７ｂの構成を模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の水素トーチの構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

また、図１０および図１１は、回転部材５３側からみたときの流量変動発生機構７ｂの構成を示す断面図である。図１０は、水素燃料の流量を減少させる前の流量変動発生機構７ｂの状態を示し、図１１は、水素燃料の流量を減少させているときの流量変動発生機構７ｂの状態を示す。

図９に示すように、流量変動発生機構７ｂは、水素流路５に介在する弁箱５１と、その回転軸を中心に回転自在に弁箱５１内に設けられる弁体５２と、弁箱５１の外部に設けられ、弁体５２の回転軸を中心に回転自在に設けられる回転部材５３とを備える。さらに、流量変動発生機構７ｂは、弁箱５１の内縁と弁体５２の外縁との間に設けられる流路５４を備える。

調整バルブ６とノズル４との間の水素流路５に介在する弁箱５１には、水素流路５を介して調整バルブ６から水素燃料が流入する。弁箱５１は、例えば円筒状である。

弁箱５１の内部に設けられる円柱状の弁体５２は、弁体５２の中心を通る回転軸を中心に、弁箱５１の内部で回転自在に設けられる。弁体５２の回転軸は、水素流路５の長手方向に対して垂直である。この弁体５２は、弁体５２の内部を貫通して弁体５２の回転軸に交差する貫通路５５を備える。貫通路５５の断面形状および断面積は、貫通路５５を流れる単位時間当たりの水素燃料の流量が流路５４を流れる単位時間当たりの水素燃料の流量よりも多ければ限定されず、水素燃料の流れやすさの観点から、水素流路５の断面形状および断面積とそれぞれ同じであることが好ましい。また、弁体５２は磁石からなる。

図１０に示すように、流量変動発生機構７ｂが水素燃料の流量を減少させないとき、貫通路５５と水素流路５とは直線上に接続される。また、図１１に示すように、流量変動発生機構７ｂが水素燃料の流量を減少させているとき、貫通路５５は水素流路５に接続されない。

図９に示すように、円柱状の回転部材５３は、弁体５２の回転軸の方向に沿って、弁箱５１の外部で弁体５２と対向配置される。弁体５２に対向する回転部材５３の対向面は、回転部材５３に対向する弁体５２の対向面に対して互いに平行である。この回転部材５３は磁石からなる。また、回転部材５３は、モータなどの動力部５６と接続し、動力部５６によって回転することができる。動力部５６は、筐体２の内面に設けられる図示しない支持部材によって支持される。回転部材５３の回転軸は、弁体５２の回転軸と同一である。

図１０および図１１に示すように、磁石で構成される弁体５２は、回転部材５３の対向面と対向する弁体５２の対向面において、貫通路５５の長手方向に平行で弁体５２の回転軸に交差する直線で区画される第１の面５２ａに第１の磁極を有する。また、弁体５２は、対向面において、当該直線で区画され、第１の面５２ａと異なる第２の面５２ｂに、第１の磁極の極性と異なる極性を有する第２の磁極を有する。例えば、第１の極性はＮ極であり、第２の極性はＳ極である。

図９に示すように、磁石で構成される回転部材５３は、弁体５２の対向面と対向する回転部材５３の対向面において、弁体５２の回転軸に交差する直線で区画される第３の面５３ａに第３の磁極を有する。また、回転部材５３は、対向面において、当該直線で区画され、第３の面５３ａと異なる第４の面５３ｂに、第３の磁極の極性と異なる極性を有する第４の磁極を有する。例えば、第１の極性はＮ極であり、第２の極性はＳ極である。

このような第３の極性および第４の極性を有する回転部材５３が回転すると、第３の極性および第４の極性によって形成される回転部材５３の磁力と第１の極性および第２の極性によって形成される弁体５２の磁力とが作用することによって、弁体５２が回転する。

図９に示すように、弁箱５１の内縁と弁体５２の外縁との間に設けられる流路５４内には、調整バルブ６を介して供給される水素燃料が流れる。流路５４は、円柱状の殻のような形状である。流路５４の最も狭い部分における水素燃料の流れ方向に垂直な断面積は、貫通路５５における水素燃料の流れ方向に垂直な断面積よりも小さい。そのため、流路５４内を流れる単位時間当たりの水素燃料の流量は、貫通路５５内を流れる単位時間当たりの水素燃料の流量よりも少ない。

次に、第３の実施の形態の水素トーチの作用について説明する。

図９に示すように、水素流路５を介して調整バルブ６から排出される水素燃料は、流量変動発生機構７ｂの弁箱５１に流入する。回転部材５３の回転によって、弁体５２が回転して図１１に示す状態になると、弁体５２に形成される貫通路５５は水素流路５に接続しない。調整バルブ６を介して供給される水素燃料は、貫通路５５には流入せずに、流路５４に流入する。貫通路５５の流路断面積に比べて、流路５４の流路断面積は小さい。そして、水素燃料は、流路５４を通過して水素流路５に流出する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少する。

続いて、回転部材５３の回転によって、弁体５２が回転して図１０に示す状態になると、弁体５２に形成される貫通路５５は水素流路５と直線的に接続する。調整バルブ６を介して供給される水素燃料は、流路５４に加えて、貫通路５５にも流入する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は増加する。

ここで、図１１に示す流量変動発生機構７ｂの状態、すなわち貫通路５５が水素流路５に完全に接続していない状態では、水素燃料が流路５４のみを介して水素流路５に流出するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量減少は一定に維持される。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も少ない。また、貫通路５５と水素流路５とが直線状に接続している状態から弁体５２が回転するとき、および弁体５２が回転して貫通路５５と水素流路５とが直線状に接続するとき、水素流路５に接続する貫通路５５の流路断面積が変化するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は変化する。また、図１０に示す流量変動発生機構７ｂの状態、すなわち貫通路５５と水素流路５とが直線状に接続している状態では、水素燃料が貫通路５５および流路５４を介して水素流路５に流出し、水素流路５に接続する貫通路５５の流路断面積が変化しないので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少しない。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も多い。

なお、図１１に示すように、貫通路５５が水素流路５に完全に接続していなくても、調整バルブ６から流入する水素燃料は流路５４を介して水素流路５に流れる。そのため、水素燃料は必ずノズル４に供給される。

このようにして、流量変動発生機構７ｂは、弁体５２を回転させて、水素流路５に接続する貫通路５５の流路断面積を変動させることによって、水素流路５を流れる水素燃料の流量を変動させる。

また、水素燃料の流量の変動の程度に応じて、弁体５２の回転速度、貫通路５５の断面積などは適宜設定される。

上記したように、第３の実施の形態の水素トーチによれば、ノズル４に供給する水素燃料の流量を、磁力を利用した流量変動発生機構７ｂで変動することによって、火炎８の長さを変動させることができる。そのため、残像効果によって、火炎８の長さを平均火炎長さよりも長く認知させることができる。

（第４の実施の形態）
図１２および図１３は、第４の実施の形態の水素トーチに設けられる流量変動発生機構７ｃの構成を模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の水素トーチの構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図１２は、水素燃料の流量を減少させているときの流量変動発生機構７ｃの状態を示し、図１３は、水素燃料の流量を減少させる前の流量変動発生機構７ｃの状態を示す。

図１２および図１３に示すように、流量変動発生機構７ｃは、水素流路５に介在する弁箱７１と、弁箱７１内に設けられるばね部７２と、ばね部７２に接続される弁体７３と、弁箱７１の外部に設けられ、弁体７３と対向配置される電磁石部７４とを備える。

調整バルブ６とノズル４との間の水素流路５に介在する弁箱７１には、水素流路５を介して調整バルブ６から水素燃料が流入する。弁箱７１は、例えば筒状である。

ばね部７２は、弁箱７１の内部に設けられる。ばね部７２の一端は、弁箱７１における水素流路５と接続しない面に接続される。また、ばね部７２の他端は、弁体７３に接続される。そして、ばね部７２は、弁箱７１においてばね部７２に接続している面と対向する面の方向に、弁体７３を付勢している。

ばね部７２の他端に接続する弁体７３は、弁箱７１内に設けられる。弁体７３は磁石からなる。図１２に示すように、弁体７３の外縁と弁箱７１の内縁との間には、隙間が区画される。

電磁石部７４は、筐体２の内面に設けられる図示しない支持部材によって支持されてもよいし、筐体２の内面に直接設けられてもよい。弁箱７１の外部に設けられる電磁石部７４が図示しない電力供給部から電力を供給されると、電磁石部７４は磁力を発生する。

次に、第４の実施の形態の水素トーチの作用について説明する。

水素流路５を介して調整バルブ６から排出される水素燃料は、流量変動発生機構７ｃの弁箱７１に流入する。電磁石部７４が磁力を発生しないとき 図１２に示すように、弁体７３はばね部７２からの付勢力によって水素流路５を遮る。そして、弁体７３は、水素流路５の流路断面積を減少させる。調整バルブ６を介して流入する水素燃料は、弁体７３の外縁と弁箱７１の内縁との間の隙間を介して水素流路５に流出する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少する。

電磁石部７４が磁力を発生すると、この磁力はばね部７２からの付勢力の方向と逆方向に弁体７３を付勢する。そして、電磁石部７４からの付勢力がばね部７２からの付勢力よりも大きくなると、図１３に示すように、弁体７３は、ばね部７２からの付勢力の方向と逆方向に移動し、電磁石部７４からの付勢力によって水素流路５を遮ることを解消する。そして、弁体７３は、水素流路５の流路断面積を増加させる。調整バルブ６を介して流入する水素燃料は、弁箱７１内を流通して水素流路５に流出する。そのため、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少する。

ここで、図１２に示す流量変動発生機構７ｃの状態、すなわち弁体７３が水素流路５を遮る状態では、水素燃料が弁箱７１内の上記隙間を介して水素流路５に流出するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量減少は一定に維持される。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も少ない。また、弁体７３が電磁石部７４からの付勢力によって水素流路５を遮ることを解消するとき、および弁体７３がばね部７２からの付勢力によって水素流路５を遮ることを開始するとき、弁体７３によって遮られる水素流路５の流路断面積が変化するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は変化する。また、図１３に示す流量変動発生機構７ｃの状態、すなわち弁体７３が水素流路５を遮らない状態では、水素流路５の流路断面積が変化せずに、水素燃料が弁箱７１内を流れて水素流路５に流出するので、ノズル４に供給される水素燃料の流量は減少しない。このとき、ノズル４に供給される水素燃料の流量は最も多い。

なお、図１２に示すように、弁体７３が水素流路５を遮るときでも、調整バルブ６を介して流入する水素燃料は、弁体７３の外縁と弁箱７１の内縁との間の隙間を介して水素流路５に流れる。そのため、水素燃料は必ずノズル４に供給される。

このようにして、弁体７３が電磁石部７４の磁力により水素流路５の流路断面積を変動させることによって、流量変動発生機構７ｂは水素流路５を流れる水素燃料の流量を変動させる。

また、水素燃料の流量の変動の程度に応じて、弁体７３の大きさ、ばね部７２のばね定数などは適宜設定される。

上記したように、第４の実施の形態の水素トーチによれば、ノズル４に供給する水素燃料の流量を、磁力を利用した流量変動発生機構７ｃで変動することによって、火炎８の長さを変動させることができる。そのため、残像効果によって、火炎８の長さを平均火炎長さよりも長く認知させることができる。さらに、流量変動発生機構７ｃは簡便な構成であるため、水素燃料の流量の変動調整が容易である。

以上説明した少なくとも一つの実施の形態によれば、水素トーチの火炎長さを長く認知させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…水素トーチ、２…筐体、２ａ…先端面、２ｂ…後端面、３…水素タンク、４…ノズル、５…水素流路、５ａ…接触部、５ｂ…貫通孔、６…調整バルブ、７，７ａ，７ｂ，７ｃ…流量変動発生機構、８…火炎、９…炎色反応部材、２１…押さえ部材、２１ａ…面、２２…回転部材、２２ａ…円弧面、２２ｂ…弦面、２３…回転軸、３１…溜まり部、３２…シリンダ、３２ａ…連通孔、３２ｂ…閉口端、３２ｃ…開口端、３３…ばね部、３４…ピストン、３６…連通管、３７…連通孔、３８…均圧管、５１…弁箱、５２…弁体、５２ａ…第１の面、５２ｂ…第２の面、５３…回転部材、５３ａ…第３の面、５３ｂ…第４の面、５４…流路、５５…貫通路、５６…動力部、７１…弁箱、７２…ばね部、７３…弁体、７４…電磁石部。

Claims (10)

1. 筒状の筐体と、
   前記筐体内に設けられ、水素燃料を供給する水素タンクと、
   前記筐体の先端に設けられ、前記水素燃料を噴出するノズルと、
   前記水素タンクと前記ノズルとを連結し、前記水素タンク内の前記水素燃料を前記ノズルに供給する水素流路と、
   前記水素流路に設けられ、前記水素タンクから前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を調整する調整バルブと、
   前記調整バルブの下流側の前記水素流路に設けられ、前記ノズルに供給される前記水素燃料の流量を変動させる流量変動発生機構と
   を備えることを特徴とする水素トーチ。
2. 前記流量変動発生機構は、前記水素燃料の流量をパルス状に変動させることを特徴とする請求項１に記載の水素トーチ。
3. 前記流量変動発生機構は、
   前記水素流路の側面と接触する押さえ部材と、
   前記水素流路を介して前記押さえ部材と対向配置され、その回転軸を中心に回転自在に設けられる回転部材と
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の水素トーチ。
4. 前記回転部材は、円弧面と、前記円弧面の端を連結する弦面とを有することを特徴とする請求項３に記載の水素トーチ。
5. 前記流量変動発生機構は、
   前記水素流路に介在し、前記調整バルブを介して供給される前記水素燃料を溜める溜まり部と、
   その開口端が前記溜まり部の下流側に連結し、前記溜まり部の下流側の前記水素流路に連通する連通孔をその側面に備えるシリンダと、
   前記シリンダ内に設けられ、前記シリンダの閉口端に接続するばね部と、
   前記ばね部に接続され、前記シリンダ内に摺動自在に設けられ、前記連通孔を開閉するピストンと
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の水素トーチ。
6. 前記流量変動発生機構は、前記溜まり部の下流側に設けられ、前記溜まり部と前記水素流路とを連通し、その断面積が前記水素流路の断面積よりも小さい連通孔をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の水素トーチ。
7. 前記流量変動発生機構は、
   前記水素流路に介在する弁箱と、
   その回転軸を中心に回転自在に前記弁箱内に設けられ、磁石からなり、その内部を貫通して前記回転軸に交差する貫通路を備える円柱状の弁体と、
   前記弁体と対向配置され、前記弁体の回転軸を中心に回転自在に設けられ、磁石からなる円柱状の回転部材と
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の水素トーチ。
8. 前記弁体は、前記回転部材と対向する前記弁体の面において、前記貫通路の長手方向に平行で前記弁体の回転軸に交差する直線で区画される第１の面に第１の磁極と、該直線で区画され、前記第１の面と異なる第２の面に、前記第１の磁極の極性と異なる極性を有する第２の磁極とを有し、
   前記回転部材は、前記弁体と対向する前記回転部材の面において、前記弁体の回転軸に交差する直線で区画される第３の面に第３の磁極と、該直線で区画され、前記第３の面と異なる第４の面に、前記第３の磁極の極性と異なる極性を有する第４の磁極とを有することを特徴とする請求項７に記載の水素トーチ。
9. 前記流量変動発生機構は、前記弁箱の内縁と前記弁体の外縁との間に設けられ、前記水素燃料が流れる流路をさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の水素トーチ。
10. 前記流量変動発生機構は、
    前記水素流路に介在する弁箱と、
    前記弁箱内に設けられるばね部と、
    前記弁箱内で前記ばね部に接続され、磁石からなり、前記水素流路の断面積を変動させる弁体と、
    前記弁体と対向配置される電磁石部と
    を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の水素トーチ。

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