JP4766497B2 - ジェットバーナー - Google Patents

Description

本発明は、衝撃波を生成するジェットバーナーに関する。

従来、内部に燃焼室を有し、その燃焼室の一方側に取り付けられた燃料注入部材の燃料注入口より液体燃料を注入してガス化し、そのガス化された燃料に点火して、高温高圧状態で噴出口から衝撃波として噴出させるジェットバーナーが存在する（例えば、非特許文献１参照）。このような従来のジェットバーナーは、燃焼室の一方側が基板で塞がれ、その基板より点火プラグが突き出すように配置されている。
島田 荘平 "フレームジェット・エンジニアリング入門"、初版、産業図書株式会社 １９９５年４月３日 ｐ．２−３

この従来のジェットバーナーにおいては、燃焼を続けると基板の内面及び点火プラグの周囲に煤が多量に付着してくる。煤の付着量が増加すると、再点火が困難となり、また、燃焼にも影響がでるという問題がある。

本発明の課題は、燃料注入口及びその周辺の煤の付着量を低減させることである。

本発明は、上記課題を解決するために、内部に第２燃焼室を有する内筒と、前記内筒の基端側に配置される基端部材と、注入口を先端に有し、前記基端部材に取り付けられるインジェクタと、前記基端部材に取り付けられ、前記注入口から注入される燃料に点火する点火プラグと、前記内筒の先端側に取り付けられるとともに、前記内筒の内部において燃焼された気体を高圧噴出する噴出口が設けられた先端部材と、前記注入口よりも前記先端側において前記燃焼室に燃焼用の空気を流入するとともに、燃焼した気体を前記先端側に送り出す第１流入部と、前記注入口よりも前記基端側において前記インジェクタの外周側から前記インジェクタ側に空気を流入する第２流入部を備え、前記基端部材は円筒部を含み、該円筒部は、その内径が、前記内筒の内径よりも小さく且つインジェクタの外径よりも大きな第３開口部分と、前記第３開口部分の先端から前記内筒側に向かうにしたがって漸次内径が拡大するようにテーパー状の内面を有する第４開口部分を備え、前記第２流入部は、前記円筒部の外周側から前記第３開口部分の内径側に開口していること、を特徴とするジェットバーナーを提供する。

上記発明によると、第２流入部より流入した空気は、全てインジェクタの外周と第３開口部分の内周との間の隙間を流れる。したがって、インジェクタの側部の流速及び流量が増加し、燃料注入部材の側部に付着する煤の量を更に氏減させることができる。また、インジェクタの側部からの放熱が促進され、インジェクタの耐久性を高めることができる。
また、円筒部の先端側はテーパー状に形成されているため、円筒部の先端側における空気の流れが停滞する部分が減少され、基端部材の煤の付着が更に低減される。

前記ジェットバーナーにおいて、前記第２流入部は、前記基端部材の軸線方向に対して垂直な断面において、径方向に対して傾いて配置されていてもよい。

上記発明によると、第2流入部は、軸線方向に対して垂直な断面において径方向に対して傾いて配置されているので、混合された気体は、第１燃焼室において高速渦流となるとなることができる。この高速渦流の混合気体は、点火プラグより点火されるとともに、第１流入部から吐出される高温高圧空気によって高速撹搾されて第２燃焼室に送り込まれ、第２燃焼室において高熱火炎が生成される。この際、第２流入部１４３より流入した空気は、更に自らが燃焼ガスとなって未燃ガスを燃焼させる。

前記第３開口部分における、前記インジェクタの前記注入口付近は、他の部分に比べて内径が小さくなっていてもよい。

第３開口部において、インジェクタの注入口付近が狭くなっているので、インジェクタ４２の注入口付近において、第２流入部より流入してインジェクタの外周と第３開口部分の内周との間の隙間を流れる空気の流れが第２実施形態より速くなる。したがって、インジェクタの注入口４２に付着する煤の量をより低減させることができる。また、注入口付近における燃料と空気との空気の撹搾が促進されることにより、燃焼域が増加し、基端部材の燃焼室側の煤の付着量が更に低減される。

本発明によれば、燃焼室の基端側に取り付けられた燃料注入部材の燃料注入口より液体燃料を注入してガス化し、そのガス化された燃料に点火して、高温高圧状態で噴出口から衝撃波として噴出させるジェットバーナーにおいて、燃焼時における燃料注入口とその周辺に付着する煤の量を低減させることができる。

（第１実施形態）
以下、図面等を参照して、本発明のジェットバーナーの第１実施形態について説明する。なお、本明細書において、ジェットバーナーにおける燃料注入側を基端側、衝撃波を噴出する側を先端側という。

図１は、第１実施形態のジェットバーナー１の断面図である。図示するように、ジェットバーナー１は、多筒構造を有し、最も内側に配置される内筒１０と、最も外側に配置される外筒２０と、内筒１０と外筒２０との間に配置される中間筒３０とを備える。

ジェットバーナー１は、更に、内筒１０における基端側に取り付けられるとともに、軸線上にインジェクタ用開口部４１が設けられた基端部材４０と、内筒１０の内周面に開口し、点火された混合気体を更に旋回させて空気を攪拌しつつ先端側に送り込む第１流入部１５と、内筒１０の先端側に取り付けられるとともに内筒１０内において燃焼した燃料を高圧噴出する噴出口５１が設けられた先端部材５０と、を備える。

図２は内筒１０の側面図である。図１及び図２に示すように、内筒１０は、その外周面より径方向外方に延びる所定高さの帯状部材を外周面において螺旋状に巻回してなる羽根部１１を有する。

内筒１０の基端側には、径方向に延在するフランジ部１２が設けられている。また、第１流入部１５は、内筒１０における基端側であって、フランジ部１２よりもわずかに先端よりの部分に内筒１０を貫通して設けられている。第１流入部１５は、図１及び図２（ａ）に示すように、内筒１０の長手方向断面において内筒１０の外周面から内周面へ向かう方向において基端側から先端側へと傾いている。また、図２（ｂ）に示すように、内筒１０の軸線と垂直な断面においても、第１流入部は、径方向に対して一定の角度傾いて形成されている。これは、内筒１０内部を通過する後述の混合気体を、旋回させて空気を攪拌しつつ先端側に送り込むためである。

図１に戻り、中間筒３０は、内筒１０の外側に内筒１０と同軸状に配置される筒体である。中間筒３０の径は、その内面が、上述の羽根部１１の先端と接触しない大きさに設定されている。また、中間筒３０の基端側には、第１フランジ部３１と、第１フランジ部３１よりも若干先端側に位置するとともに後述する蛇腹部材６０と接続される第２フランジ部３２とが設けられている。第１フランジ部３１は内筒１０のフランジ部１２とボルトにより接続されている。

第１フランジ部３１と第２フランジ部３２との間には、圧縮空気を流入するための圧縮空気流入口３５が設けられ、その圧縮空気流入口３５からはコンプレッサ配管部３６が延びている。また、第２フランジ部３２における中間筒３０外周面近傍には、圧縮空気流入口３５からコンプレッサにより送り込まれた圧縮空気を外筒２０と内筒１０との間の隙間に流入させる流入口３７が設けられている。

外筒２０は内筒１０及び中間筒３０と同軸且つその外側に配置される筒状体である。その先端側には先端部材５０のフランジ部５２との接続される円環部材２１が内周側に向かって設けられている。また外筒２０の基端側には、後述の蛇腹部材６０と接続される外筒フランジ部２４が設けられている。また、外筒２０の先端部は中間筒３０の先端部よりも更に先端側に延び、内筒１０の先端側の外周においては、中間筒３０が存在せずに外筒２０のみ存在する部分が設けられている。この部分は後述する冷却空気が方向転換する転換部２３となる。

中間筒３０の第２フランジ部３２と、外筒２０の外筒フランジ部２４との間には、外筒２０と略同径の蛇腹部材６０が配置されている。この蛇腹部材６０は、筒状蛇腹体の基端側にフランジ部６１ａ、先端側にフランジ部６１ｂが取り付けられた部材であり、フランジ部６１ａと中間筒３０の第２フランジ部３２とはボルトにより接続され、フランジ部６１ｂは外筒２０の外筒フランジ部２４にボルトにより接続されている。

先端部材５０は円柱状部材で、その中央部に内筒１０の内径から漸次径を縮小してなる所定径の噴出口５１が設けられている。また先端部材５０の外周にはフランジ部５２が設けられている。フランジ部５２と円環部材２１とはボルトで固定されている。更に先端部材５０の長手方向に設けられた開口部５３にはボルトが挿入されて内筒１０に固定されている。

基端部材４０は、内筒１０の基端側に取り付けられており、円筒部４０ａと、その円筒部４０ａの基端部を覆う円板部４０ｂと、円筒部４０ａの先端に設けられたフランジ部４０ｃとを備え、フランジ部４０ｃと前述の内筒１０のフランジ部１２とは、ボルトによって接続されている。

図３は基端部材４０の断面図である。また、図４は基端部材４０を基端側から見た図である。円板部４０ｂには、後述するインジェクタ４２が配置されるインジェクタ用開口部４１と、インジェクタ４２から噴射される燃料に点火する点火プラグ４４が配置される点火プラグ用開口部４５とが設けられている。また、円筒部４０ａの基端部側、すなわち円板部４０ｂよりの部分には、インジェクタ４２の外周側からインジェクタ４２側に空気を流入する第２流入部４３が設けられている。第２流入部４３は、図４に示すように基端部材４０の軸線方向に対して垂直な断面において、径方向に対して傾いて配置されている。この第２流入部４３は、コンプレッサ（図示せず）に接続され、少量の高圧空気が第２流入部４３より基端部材４０の内部に流入される。

更に基端部材４０には、長手方向沿って、例えばウルトラビジョン４９（図１に図示）が取り付けられる第１センサ用開口部４８ａ、圧力計が挿入される第２センサ用開口部４８ｂ及び温度計が取り付けられる第３センサ用開口部４８ｃが設けられている。

次に、本実施形態のジェットバーナー１の動作について説明する。まず、液体燃料がインジェクタ４２より基端部材４０内の第１燃焼室４７内に高圧状態で噴出されて噴霧化される。なお燃料は灯油、石油等の液体燃料に限定されず、プロパンガス、都市ガス等の空気燃料でもよい。

この噴霧と同時に、第２流入部４３によってインジェクタ４２の注入口４２ｂよりも基端側において、インジェクタ４２の外周側よりインジェクタ４２に向かって空気が流入される。この空気は基端部材４０の円板部４０ｂの内面及びインジェクタ４２の側面に沿って注入口側へと流れる。このため、基端部材４０の内面近傍に停滞していた未燃焼ガスの注入口４２ｂ側への流れが確立される。

そして噴霧化された燃料に対し、第２流入部４３から流入した高圧空気が混入される。この際、第２流入部４３は、軸線方向に対して垂直な断面において径方向に対して傾いて配置されているので、混合された気体は、第１燃焼室４７において高速渦流となる。この高速渦状の混合気体は、点火プラグ４４より点火されるとともに、第１流入部１５から吐出される高温高圧空気によって高速攪拌されて第２燃焼室１３に送り込まれ、第２燃焼室１３において高熱火炎が生成される。この際、第２流入部４３より流入した空気は、更に自らが燃焼ガスとなって未燃ガスを燃焼させる。

内筒１０内においては、高熱火炎が生成されるので、内筒１０は高温になる。この内筒１０を冷却するために、コンプレッサ配管部３６に接続されたコンプレッサより常温圧縮空気を圧縮空気流入口３５、及び流入口３７を通して外筒２０と中間筒３０との間の隙間に送り込む。常温圧縮空気は外筒２０と内筒１０との間の隙間を基端側から先端側に向かって流れる。そして、先端側の転換部２３において空気は方向を１８０度転換して、中間筒３０と内筒１０との間の羽根部１１が設けられている空間内を流れる。この場合、空気は螺旋状に設けられた羽根部１１によって流れが導かれ、中間筒３０と内筒１０との間を螺旋状に旋回しつつ内筒１０の熱を吸収し、内筒１０は冷却される。

一方、中間筒３０と内筒１０との間を流れる高圧空気は、内筒１０の冷却に伴い、温度が上昇する。この温度が上昇した高温高圧空気は、中間筒３０と内筒１０の基端部において第１流入部１５から内筒１０の内部に突出されて、上述したように燃料ガスを攪拌するために用いられる。

高熱火炎は第２燃焼室１３内において爆発膨張して先端部材５０の噴出口５１より外部に噴出される。その際、爆発により高速火炎の速度は音速を超え、音速を超えるとノズルからは衝撃波となって噴出される。

（第２実施形態）
以下、図面等を参照して、本発明の第２実施形態のジェットバーナー１０１について説明する。図５はジェットバーナー１０１の基端部材１４０の断面図である。また、図６は基端部材１４０を基端側から見た図である。第２実施形態のジェットバーナー１０１は、第１実施形態のジェットバーナー１と、基端部材１４０以外の構成は同様であるので同様な部分の説明は省略する。

基端部材１４０は、第1実施形態と同様に、円筒部１４０ａと、その円筒部１４０ａの基端部を覆う円板部１４０ｂと、円筒部１４０ａの先端に設けられたフランジ部１４０ｃとを備える。

基端部材１４０の円板部１４０ｂには、インジェクタ用開口部１４１の一部を成す第１開口部１４１ａ及び第１開口部１４１ａよりも径の小さな第２開口部１４１ｂが設けられている。また基端部材１４０の円筒部１４０ａは、その内径が、内筒１１０の内径よりも小さく且つインジェクタ４２の外径よりも大きな第３開口部分１４１ｃと、第３開口部分１４１ｃの先端から内筒１１０側に向かうにしたがって漸次内径が拡大するようにテーパー状の内面を有する第４開口部分１４１ｄとを備える。

インジェクタ用開口部１４１、及びセンサ用開口部１４８ａ，１４８ｂは基端部材１４０の円板部１４０ｂより円筒部１４０ａを貫通して第４開口部のテーパー状の内面まで延びている。点火プラグ用開口部１４５は、円筒部１４０ａの側面から第４開口部分１４１ｄに向かって斜めに形成されている。第２流入部１４３は、円筒部１４０ａの外周側から第３開口部分１４１ｃの内径側に開口している。

次に、本実施形態のジェットバーナー１０１の動作について説明する。なお、動作の説明においても、第１実施形態と同様の部分の説明は省略する。液体燃料がインジェクタ４２より第１燃焼室１４７内に高圧状態で噴出されて噴霧化され、この噴霧と同時に、第２流入部１４３により、インジェクタ４２の注入口４２ｂよりも基端側において、第３開口部分１４１ｃにおけるインジェクタ４２の外周側よりインジェクタ４２に向かって空気が流入される。

第２流入部１４３より流入した空気は、全てインジェクタ４２の外周と第３開口部分１４１の内周との間の隙間を流れる。したがって、第１実施形態と比較してインジェクタ４２の側部の流速及び流量が増加し、燃料注入部材の側部に付着する煤の量を更に低減させることができる。また、インジェクタ４２の側部からの放熱が促進され、インジェクタ４２の耐久性を高めることができる。

そして噴霧化された燃料に対し、この第２流入部１４３を介して流入した高圧空気が混入される。この際、第２流入部１４３は、軸線方向に対して垂直な断面において径方向に対して傾いて配置されているので、混合された気体は、第１燃焼室１４７において高速渦流となる。この高速渦状の混合気体は、点火プラグ１４４より点火されるとともに、第１流入部１５から吐出される高温高圧空気によって高速攪拌されて第２燃焼室１３に送り込まれ、第２燃焼室１３において高熱火炎が生成される。この際、第２流入部１４３より流入した空気は、更に自らが燃焼ガスとなって未燃ガスを燃焼させる。

また、円筒部１４０ａの先端側はテーパー状に形成されているため、円筒部１４０ａの先端側における空気の流れが停滞する部分が減少され、基端部材１４０の煤の付着が更に低減される。

（第３実施形態）
以下、図面等を参照して、本発明の第３実施形態のジェットバーナー２０１について説明する。図７は本発明の第３実施形態の基端部材２４０の断面図である。また、図８は基端部材２４０を基端側から見た図である。第３実施形態のジェットバーナー２０１は、第２実施形態のジェットバーナー１０１と、第３開口部分２４１ｃにおいて、インジェクタ４２の燃料の注入口付近２４１ｅが狭くなっている以外、同様であるので同様な部分の説明は省略する。

図示するように、第３開口部分２４１ｃにおいて、インジェクタ４２の注入口付近２４１ｅが狭くなっているので、インジェクタ４２の注入口付近２４１ｅにおいて、第２流入部２４３より流入して、インジェクタ４２の外周と第３開口部分２４１ｃの内周との間の隙間を流れる空気の流れが第２実施形態より速くなる。したがって、インジェクタ４２の注入口４２ｂに付着する煤の量をより低減させることができる。また、注入口４２ｂ付近における燃料と空気との空気の攪拌が促進されることにより、燃焼域が増加し、基端部材の燃焼室側の煤の付着量が更に低減される。

上述の第２及び第３実施形態で説明したジェットバーナーにおいて実際に燃料を燃焼させ、煤の付着状態を測定した結果について説明する。なお、各実施形態との比較のために、第１実施形態の構成において第３流入部が設けられていない比較例について燃焼を行った結果についても併せて説明する。

図９（ａ），（ｂ）は第１実施形態の構成において第３流入部が設けられていない比較例において、着火後２時間経過後の基端部の円板部とインジェクタの写真である。写真で示すように、着火後２時間で円板部とインジェクタとには煤が多量に付着し、煤を除去しない限り再付着はできなかった。

図９（ｃ），（ｄ）は第２実施形態のジェットバーナーにおいて、着火後１２時間経過後の基端部の円筒部１４０ａとインジェクタ４２の注入口４２ｂとを示した写真である。写真で示すように、円筒部１４０ａの第４開口部分１４１ｄの内面には、若干煤が付着するが、１２時間燃焼を行っても、比較例において２時間燃焼を行った場合ほど煤は付着しなかった。

図９（ｅ），（ｆ）は第３実施形態のジェットバーナーにおいて、着火後２４時間経過後の基端部の円筒部２４０ａとインジェクタ４２の注入口４２ｂとを示した写真である。写真で示すように、２４時間燃焼を行っても、円筒部２４０ａの第４開口部分２４１ｄの内面とインジェクタ４２の注入口４２ｂには、ほとんど煤は付着しなかった。

上記実施例に示すように、本発明の実施形態のジェットバーナーによると、第２流入部により流入される空気によって、基端部材の内面側に停滞していた未燃焼ガスのインジェクタの注入口付近への流れが確立される。また、第２流入部より流入した空気は、自らが燃焼ガスとなって未燃ガスを燃焼させる。このため、未燃ガスによる煤の発生が低減され、燃料注入口及びその周辺の煤の付着量を低減させることができる。

上記実施形態においては、ジェットバーナーを空冷式構造とした。空冷式では、火炎が高速マッハ衝撃に変わって先端部材が冷却されても、先端部材が結露温度まで下がることがない。したがって先端部材においても煤が付着しにくい。

燃料と燃焼空気との圧力が高いため、燃焼の点火と同時に火炎の伝播が速くなり、燃焼火炎が短くなる。

熱伝導係数が大きいため、狭いスペースで多量の燃料を燃焼させることができ、廃棄物の燃焼に用いた場合処理能力が高い。よって小規模のプラントで多量の処理が可能であり、敷地も狭くてすむ。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、これらの実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それも本発明の範囲内である。例えば本実施形態では空冷式のジェットバーナーについて説明したが、これに限定されず、水冷式のジェットバーナーであってもよい。

本発明の第１実施形態のジェットバーナーの断面図である。 第１実施形態の内筒の側面図である。 第１実施形態の基端部材の断面図である。 第１実施形態の基端部材を基端側から見た図である。 第２実施形態の基端部材の断面図である。 第２実施形態の基端部材を基端側から見た図である。 第３実施形態の基端部材の断面図である。 第３実施形態の基端部材を基端側から見た図である。 本発明の実施形態の実験結果を示す写真である。

符号の説明

１：ジェットバーナー、１０：内筒、１１：羽根部、１３：燃焼室、１５：第１流入部、２０：外筒、３０：中間筒、４０，１４１，２４１：基端部材、４０ａ，１４０ａ、２４０ａ：円筒部、４０ｂ，１４０ｂ，２４０ｂ：円板部、１４１ｃ，２４１ｃ：第３開口部分、１４１ｄ，２４１ｄ：第４回後部分、４２：インジェクタ、４３，１４３，２４３：第２流入部、４４：点火プラグ、５０：先端部材、５１：噴出口

Claims (3)

1. 内部に第２燃焼室を有する内筒と、
   前記内筒の基端側に配置される基端部材と、
   注入口を先端に有し、前記基端部材に取り付けられるインジェクタと、
   前記基端部材に取り付けられ、前記注入口から注入される燃料に点火する点火プラグと、
   前記内筒の先端側に取り付けられるとともに、前記内筒の内部において燃焼された気体を高圧噴出する噴出口が設けられた先端部材と、
   前記注入口よりも前記先端側において前記燃焼室に燃焼用の空気を流入するとともに、燃焼した気体を前記先端側に送り出す第１流入部と、
   前記注入口よりも前記基端側において前記インジェクタの外周側から前記インジェクタ側に空気を流入する第２流入部を備え、
   前記基端部材は円筒部を含み、該円筒部は、その内径が、前記内筒の内径よりも小さく且つインジェクタの外径よりも大きな第３開口部分と、前記第３開口部分の先端から前記内筒側に向かうにしたがって漸次内径が拡大するようにテーパー状の内面を有する第４開口部分を備え、
   前記第２流入部は、前記円筒部の外周側から前記第３開口部分の内径側に開口していること、を特徴とするジェットバーナー。
2. 前記第２流入部は、前記基端部材の軸線方向に対して垂直な断面において、径方向に対して傾いて配置されていること、を特徴とする請求項１に記載のジェットバーナー。
3. 前記第３開口部分における、前記インジェクタの前記注入口付近は、他の部分に比べて内径が小さくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載のジェットバーナー。