JP2020190329A - 水素トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】水素吸蔵合金から水素を取り出して燃焼させる水素トーチにおいて、水素吸蔵合金を加熱するための熱伝達のロスを低減し、速やかな加熱を可能にする。【解決手段】水素吸蔵合金１２を収容する水素タンク１３と、水素タンク１３から供給される水素を燃焼させるバーナ１４を備えた水素トーチ１１において、水素タンク１３の内部に、水を流す流路を有した熱交換器３１を備える。熱交換器３１に、熱交換器３１に対して水を循環させる循環路１７を接続し、循環路１７の一部に、バーナ１４の熱を回収する熱回収部１７ａを形成する。【選択図】図２

Description

この発明は、水素ガスを燃焼する水素トーチに関し、より詳しくは水素吸蔵合金に貯蔵した水素を用いる水素トーチに関する。

水素吸蔵合金の水素放出時には吸熱反応が生じる。吸熱反応によって水素吸蔵合金の温度が低下すると、水素放出のための反応が停滞してしまい、連続して水素を取り出そうとしても、水素を放出させることができない。このため、必要な流量の水素を連続して放出させるためには、水素吸蔵合金に対して外部から熱を供給する必要がある。

下記の特許文献１の図１５には、水素吸蔵合金を収容する水素タンクをヒートパネルによって加熱することが開示されている。つまり、火炎の近傍に設けられた伝熱部材と、伝熱部材の端部に連結されて水素タンクの周囲に設けられるカバー部材を備えている。火炎の熱は伝熱部材からカバー部材に伝わり、カバー部材はその熱を水素タンクに伝えて、水素タンクを加熱する。

しかし、熱は伝熱部材からカバー部材を経て水素タンクに伝わり、水素タンクから水素タンク内の水素吸蔵合金に伝わる。このため、熱伝達のロスが生じる。また、水素吸蔵合金は前述のような迂遠な熱伝達によって加熱されるので、加熱の開始には時間がかかる。このため、早期に目的の水素流量を得るのが難しく、十分な熱伝達がなされる前に放出反応が停滞して、水素流量が著しく低下してしまうおそれがある。

特許第６１０５１３１号公報

そこで、この発明は、水素タンク内の水素吸蔵合金への熱伝達のロスを低減し、速やかな加熱を可能にすることを主たる課題とする。

そのための手段は、水素吸蔵合金を収容する水素タンクと、前記水素タンクから供給される水素を燃焼させるバーナを備えた水素トーチであって、前記水素タンクの内部に、加熱媒体を流す流路を有した熱交換器が備えられるとともに、前記熱交換器に、前記熱交換器に対して前記加熱媒体を循環させる循環路が接続され、前記循環路の一部に、前記バーナの熱を回収する熱回収部が形成された水素トーチである。

この構成では、熱交換器の流路に流れる加熱媒体が、循環路の熱回収部においてバーナから回収した熱を水素タンク内の水素吸蔵合金に対して直接的に伝達して、水素吸蔵合金を加熱する。

この発明によれば、水素タンクの中に備えられて水素吸蔵合金に接している熱交換器で水素吸蔵合金を直接的に加熱するので、熱伝達のロスを極力低減できる。また、加熱開始までの時間を短縮できる。このため水素吸蔵合金の加熱は、水素ガスの着火後に速やかに効率よく行われ、この結果、目的の水素流量を得られる。

水素トーチの燃焼状態の概略構成図。 水素トーチの内部構造を示す断面図。 他の例に係る水素トーチの内部構造を示す断面図。 他の例に係る熱交換器の断面図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１に水素トーチ１１の燃焼状態の概略を示す。この発明の水素トーチ１１は、燃焼させる水素ガスを水素吸蔵合金１２（図２参照）から取り出す構成であり、水素吸蔵合金１２を収容する水素タンク１３と、水素タンク１３から供給される水素（水素ガス）を燃焼させるバーナ１４を備えている。バーナ１４は水素トーチ１１の上方部に設けられており、水素トーチ１１は火炎Ｆを上方へあげる構造である。

水素を放出させるために、この水素トーチ１１は、水素タンク１３内の水素吸蔵合金１２に対して直接的に熱を供給する構成を採用している。また、熱は火炎Ｆを出すバーナ１４から取る構造である。

具体的に説明すると、水素トーチ１１は本体ケース１５の内部に、図２に示したように前述の水素タンク１３とバーナ１４のほかに、調圧弁１６と、循環路１７と、ポンプ１８と、バッテリ１９を備えている。

本体ケース１５は、筒状をなす適宜の形状であり、火炎Ｆを出す開口部１５ａを上端に有している。開口部１５ａには、開口部１５ａを通気可能に塞ぐカバー部材２１と、カバー部材２１の下方で火炎Ｆに着色を行う着色部材２２が備えられている。カバー部材２１は、開口部１５ａを通気可能な形状であり、多数の貫通穴２１ａを有している。着色部材２２は金属線からなる網体２２ａと、網体２２ａの金属線の表面に付着されて炎色反応を呈する適宜の着色物質２２ｂで構成されている。

着色部材２２の下方には前述したバーナ１４が備えられ、バーナ１４の下方には、調圧弁１６を介して前述した水素タンク１３が備えられる。

調圧弁１６は、開弁時に水素タンク１３から放出される水素ガスの圧力を所定値に安定させるものであり、減圧弁機能を有するとともに、水素ガスの圧力が一定以上に上がった場合にガスを放出する安全弁機能、ガスを止める遮断弁と流量を調節するオリフィスを備えている。

水素タンク１３はアルミ等の金属材料で円筒状に形成され、水素ガス放出口１３ａを上端に有している。水素ガス放出口１３ａは調圧弁１６を経てバーナ１４に接続される。

水素タンク１３の内部には、熱交換器３１と、水素を貯蔵させる前述の水素吸蔵合金１２が備えられる。熱交換器３１は、加熱媒体を流す流路を有しており、例えば銅管で構成される。熱交換器３１には、熱交換器３１に対して加熱媒体を循環させる循環路１７が接続され、その接続部分は水素タンク１３の下端部に相当する位置に設けられる。つまり、熱交換器３１は水素タンク１３の内部における下方寄りに固定され、水素タンク１３の下端部において循環路１７と接続される。

図２に示した熱交換器３１は、１本の銅管で構成されており、熱交換器３１の端部が、循環路１７との接続部分である入口３２と出口３３である。つまり、熱交換器３１の一端が循環路１７からの入口３２であり、他端が循環路１７への出口３３である。

熱交換器３１は、入口３２から上へ直線状に延びる直線状部３５と、直線状部３５の上端から折り返して直線状部３５の周りで下へらせん状に曲がって出口３３に延びるらせん状部３６を有している。直線状部３５は流路を真っすぐにしており、らせん状部３６は流路をらせん状に曲げて道程を長くする。直線状部３５は、水素タンク１３の中心に位置しており、直線状部３５の長さは、水素タンク１３内に収まる適宜長さに設定される。らせん状部３６は、直線状部３５を中心にして、直線状部３５との間に適宜の間隔あけて形成されている。らせん状部３６と直線状部３５の間隔と、らせん状部３６のらせん間隔は、水素吸蔵合金１２の膨張収縮を考慮して適宜設定される。なお、本実施例では直線状部３５を入口側に、らせん状部３６を出口側としているが、これに限らず入口側をらせん状部に、出口側を直線状部に入れ替えてもよい。

水素吸蔵合金１２は、熱交換器３１を備えた水素タンク１３内に所定量収容され、収容された状態において、水素吸蔵合金１２は、熱交換器３１を構成する銅管の周面に接触する。換言すれば、熱交換器３１は水素吸蔵合金１２に接した状態で水素タンク１３内に備えられる。

循環路１７は、熱交換器３１に対して加熱媒体を循環させる流路であり、管体で構成されている。循環路１７の一部には、バーナ１４の熱を回収する熱回収部１７ａが形成される。図２に示した循環路１７は、全体が銅管などの金属管で構成され、熱回収部１７ａはバーナ１４を取り巻くコイル状である。熱回収部１７ａのみを金属管で形成してもよい。本実施例では、熱回収部１７ａを火炎Ｆを取り巻くコイル状のものとして示したが、循環水の加熱・循環が適切にできれば熱回収部１７ａをバーナ１４の上方に配置してもよい。

循環路１７と熱交換器３１の内部には加熱媒体として水が充填されており、この加熱媒体は循環路１７の一部に備えたポンプ１８によって循環される。ポンプ１８は本体ケース１５内の下端部に備えられるとよく、具体的には、熱交換器３１の出口３３の下方に備えられるとよい。本体ケース１５内の下端部には、ポンプ１８を駆動するための乾電池などのバッテリ１９が備えられる。

以上のように構成された水素トーチ１１では、調圧弁１６に設けられた図示しないバルブを開弁して水素ガスがバーナ１４に送られると、着火により火炎Ｆが発生する。一方で、着火に先立って、または着火後すぐにポンプ１８を駆動すると、加熱媒体が一方向に循環する。この循環において、循環路１７の熱回収部１７ａでは、火炎Ｆを発するバーナ１４の熱で加熱媒体が加温され、加温された加熱媒体が熱交換器３１に入る。つまり、水素タンク１３内に入り、水素タンク１３内の水素吸蔵合金１２に対して直接的に熱を供給する。熱の供給を受けた水素吸蔵合金１２は、水素ガスを連続して放出する。

熱交換器３１の出口３３から出た加熱媒体は、ポンプ１８を通って、再び熱回収部１７ａに至って加温される。このような循環で、水素吸蔵合金１２は連続して加熱され水素放出が継続される。しかも、加熱媒体としての水は比熱容量が高く、温まると冷めにくいうえに、熱伝導率が大きいので水素吸蔵合金１２の加熱は効率よく行える。そのうえ、加熱媒体が万一漏れた場合でも、水であるので安全である。

このため、図１に仮想線で示したように着火直後は水素流量が少なくて小さな火炎Ｆでも、その火炎Ｆが生じる熱は熱回収部１７ａで回収されてすぐに水素吸蔵合金１２の加熱に使用される。この結果、所望の水素流量が得られ、図１に実線で示したような大きな火炎Ｆを発生させることができる。

水素吸蔵合金１２の加熱は、加熱媒体を用いて直接的に行うので、熱伝達のロスを低減できる。また、着火から加熱開始までの時間が短い。このため、水素吸蔵合金１２は着火後すみやかに効率よく加熱され、必要な水素流量を連続して得ることができる。

また、水素吸蔵合金１２に接する熱交換器３１は、１本の銅管で構成され、らせん状部３６を有する構成である。特に、熱交換器３１は、直線状部３５とらせん状部３６を備えて、入り口側に設けた直線状部３５の周りに隙間をあけて、出口側に設けたらせん状部３６を備えた構造であるので、熱交換がなされる範囲を広く得ることができる。

しかも、水素タンク１３内に熱交換器３１を備えても、直線状部３５とらせん状部３６を有する熱交換器３１は、水素吸蔵合金１２の流動性を維持する。このため、水素吸蔵合金１２の交換などの作業は容易である。

また、水素吸蔵合金１２を加熱するための熱源はバーナ１４であるので、別途に熱源を設ける必要はなく、構成を簡素にできる。

以下、他の例について説明する。この説明において、前述の構成と同一の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

図３に示した水素トーチ１１は、熱交換器３１が、外周面にフィン３７を有するものである。すなわち熱交換器３１は、入口３２から延びる内管３８と、出口３３に延びる外管３９を備え、径方向の内外に二重の流路を有する二重管構造であり、水素吸蔵合金１２に接する外管３９の外周面にフィン３７が形成されている。フィン３７は外管３９の略全体にらせん状に設けられている。

熱交換器３１以外の構成は、前述の水素トーチ１１と同じである。

このような構成の水素トーチ１１においても、前述と同様の作用効果を有する。

図４は、水素タンク１３内に備えられる他の例に係る熱交換器３１のフィン３７を示している。このフィン３７は、図３の熱交換器３１と同様に二重管構造をなす外管３９の外周面に設けられており、フィン３７の形状は外管３９の長手方向に沿って延びる板状である。複数のフィン３７は、外管３９の外周面に放射状に配設されている。

この構成の熱交換器３１を備えた水素タンク１３では、前述と同様の作用効果を有する。特に、フィン３７は水素タンク１３を横断する方向に延びておらずに縦に延びているので、水素吸蔵合金１２の流動性をより良好にすることができる。

１１…水素トーチ
１２…水素吸蔵合金
１３…水素タンク
１４…バーナ
１７…循環路
１７ａ…熱回収部
３１…熱交換器
３２…入口
３３…出口
３５…直線状部
３６…らせん状部
３７…フィン
３８…内管
３９…外管

Claims (6)

1. 水素吸蔵合金を収容する水素タンクと、前記水素タンクから供給される水素を燃焼させるバーナを備えた水素トーチであって、
   前記水素タンクの内部に、加熱媒体を流す流路を有した熱交換器が備えられるとともに、
   前記熱交換器に、前記熱交換器に対して前記加熱媒体を循環させる循環路が接続され、
   前記循環路の一部に、前記バーナの熱を回収する熱回収部が形成された
   水素トーチ。
2. 前記熱交換器が、前記流路をらせん状に曲げるらせん状部を有する
   請求項１に記載の水素トーチ。
3. 前記熱交換器が、外周面にフィンを有する
   請求項１または請求項２に記載の水素トーチ。
4. 前記熱交換器が、前記水素タンクの下端部に相当する位置に、前記循環路からの入口と前記循環路への出口を有し、
   前記熱交換器が、前記水素タンクの下端部から上へ直線状に延びる直線状部と、前記直線状部の上端から折り返して前記直線状部の周りで下へ向けてらせん状に曲がって前記水素タンクの下端部に延びるらせん状部を有する
   請求項１に記載の水素トーチ。
5. 前記熱交換器が、前記水素タンクの下端部に相当する位置に、前記循環路からの入口と前記循環路への出口を有し、
   前記熱交換器が、前記入口から延びる内管と、前記出口に延びる外管を備え、径方向の内外に二重の前記流路を有する二重管構造であるとともに、
   前記外管の外周面にフィンが形成された
   請求項１に記載の水素トーチ。
6. 前記熱回収部が金属管で構成されるとともに、前記バーナを取り巻くコイル状に形成された
   請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の水素トーチ。

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