JP5453221B2 - 燃焼実験装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼実験装置に関するものである。

従来、燃料として用いられる可燃性液体の着火温度を測定する際には、いわゆるＡＳＴＭ（American Standard of Testing Method）法が用いられる場合が多い。しかしながら、ＡＳＴＭ法（ＡＳＴＭ Ｄ２１５５−６６、ＡＳＴＭ Ｅ６５９−７８）では、燃焼空間が広いことから測定誤差が大きい。
これに対して、特許文献１には、長さ方向に温度勾配が付与された管の内部にて燃料を燃焼させて火炎を形成し、当該火炎の位置に基づいて燃料の着火温度を測定する方法が提案されている。

特開２０１０−１１２８９２号公報

ところで、特許文献１では、管に対して長さ方向の温度勾配を付与するにあたり、管の一端寄りに配置した熱源を用いて管を加熱している。この結果、管の部位によって熱源からの距離が異なることになり、熱源に近い側で温度が高く、熱源から遠い側で温度が低くなる温度勾配が管に対して長さ方向に付与されることになる。
しかしながら、燃料の着火温度を精度高く測定するためには、火炎の形成位置と、当該火炎形成位置における管の温度との関係を正確に取得する必要がある。これに伴い、管に付与される長さ方向の温度勾配を実験者側から調節することが好ましい場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、管内部に形成された火炎の位置を取得するための燃焼実験装置において、管に付与する長さ方向の温度勾配を調節可能とす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、内部流路が常温における消炎径よりも小さな直径とされると共に内部に火炎が形成される試験管と、当該試験管内に燃料と酸化剤とが混合された予混合ガスを供給する供給手段と、上記試験管内の火炎の位置を取得する火炎位置取得手段とを備える燃焼実験装置であって、上記試験管に沿って温調流体を流す温調流体供給手段を備え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、上記温調流体供給手段が、上記温調流体の流量を調節可能とされてい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、上記試験管が鉛直に配設された直管であり、上記温調流体供給手段が下方から上方に向けて上記温調流体を流すという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記温調流体供給手段が、流体を生成する流体生成部と、上記流体生成部によって生成された流体を温度調節して上記温調流体とするヒータと、上記温調流体を上記試験管の一端から他端に向けて案内するガイド部とを備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記ガイド部が、上記試験管を囲うと共に上記試験管の上記火炎位置取得手段による測定領域を露出する開口部を有するという構成を採用する。

第６の発明は、上記第４の発明において、上記試験管が上記火炎から発せられる光に対して透明であり、上記火炎位置取得手段が上記試験管を外部から撮像する撮像装置である場合に、上記ガイド部は、上記試験管を囲うと共に上記火炎から発せられる光に対して透明な透明管であるという構成を採用する。

本発明においては、温調流体供給手段によって、試験管に沿って温調流体を流すことが可能に構成されている。
そして、温調流体の流量、温度、流速等を変化させることによって、試験管の加温状態を変化させることができる。
したがって、本発明によれば、温調流体の流量、温度、流速等を変化させることによって、試験管の長さ方向の温度勾配を任意に調節することが可能となる。

また、本発明においては、温調流体を流すのみで試験管に対して長さ方向の温度勾配を付与することができる。このため、高圧力環境においても試験管に長さ方向の温度勾配を付与し、またこの長さ方向の温度勾配を調節することができる。
例えば、試験管に対して長さ方向の温度勾配を付与する熱源として水素バーナを用いた場合には、火炎の逆流が発生する可能性があり、高圧環境において燃料の燃焼実験を行うことが困難となる。
これに対して、本発明によれば、高圧環境においても、容易に燃料の燃焼実験を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態における燃焼実験装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における燃焼実験装置において温調ガスの流量を変化させた場合における試験管の長さ方向の温度勾配を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における燃焼実験装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における燃焼実験装置の概略構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼実験装置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、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１の概略構成を示す模式図である。
本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１は、燃料の着火温度を測定するにあたり、当該燃料を含む試験評価ガスを燃焼させて火炎を形成し、その火炎の位置を取得するためのものである。
そして、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１は、図１（ａ）に示すように、試験管１と、温調ガス供給部２（温調ガス供給手段）と、試験評価ガス供給部３（供給手段）と、カメラ４（火炎位置取得手段）とを備えている。

試験管１は、内部流路が常温における消炎径よりも小さな直径とされると共に内部に火炎が形成される管である。なお、流路中において火炎を伝播させるためには、当該流路の断面積がある程度必要であり、流路断面積が小さい場合には火炎は伝播することはない。そして、上述の消炎径とは、形成された火炎が伝播できない断面積となる径を意味する。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１において試験管１は、直線状に延在する直管とされており、不図示の支持装置によって鉛直に配設されている。
また、試験管１は、内部に形成される火炎から発せられる光に対して透明な材料（例えば、石英ガラス）によって形成されている。

温調ガス供給部２は、試験管１の周囲に、当該試験管１に沿って温調ガスを流すことによって試験管１に長さ方向の温度勾配を付与すると共に、当該温調ガスの流量を調節することによって試験管１の長さ方向の温度勾配を調節するものである。

この温調ガス供給部２は、図１（ａ）に示すように、試験管の一端１ａ寄りに配置されており、流体噴射部２ａと、ヒータ２ｂと、ガイド部２ｃとを備えている。

温調ガス供給部２は、温調ガスとされる原ガスを噴出して当該原ガスの流れを作るものであり、本発明における流体を生成する流体生成部に相当するものである。
また、図１（ａ）に示すように、試験管１は、一端１ａが開口端とされており、当該一端１ａ側がヒータ２ｂによって囲まれている。そして、温調ガス供給部２は、試験管１とヒータ２ｂとの間に上記原ガスを噴出する。
なお、温調ガス供給部２から噴出する原ガスとしては、熱伝導率が高いものを選択することが好ましく、例えば、ヘリウムガスを用いることができる。

そして、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、温調ガス供給部２は、噴出する原ガスの流量を調節可能とされている。温調ガス供給部２から噴出する原ガスの流量を調節することによって、原ガスが加熱されて生成される温調ガスの流量を調節することができる。
つまり、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、温調ガス供給部２が温調ガスの流量を調節可能となっている。

ヒータ２ｂは、温調ガス供給部２から噴出された原ガスを加熱して温度調節することによって温調ガスとするものである。
本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においてヒータ２ｂは、円筒形状に形状設定されており、試験管１の一端１ａ側を囲うようにして不図示の支持部によって支持されて配置されている。

ガイド部２ｃは、ヒータ２ｂと接続されており、ヒータ２ｂによって原ガスが温められることによって生成された温調ガスを試験管１の周囲に、当該試験管１に沿って案内するものである。

このガイド部２ｃは、試験管１を内部に収容する管状断熱部材から成り、その長さが試験管１のカメラ４によって撮像される領域に跨るように設定されている。ただし、図１（ｂ）の断面図に示すように、ガイド部２ｃは、カメラ４によって撮像される領域を露出する開口部２ｃ１を有し、これによって断面Ｃ形に形状設定されている。

試験評価ガス供給部３は、図１（ａ）に示すように、試験管１の他端１ｂに対して接続されており、試験管１に対して試験評価ガスを供給するものである。
なお、試験評価ガス供給部３は、試験評価ガスとして燃料と酸化剤とが予め混合された予混合ガスを供給する。また、試験評価ガス供給部３は、当該試験評価ガスを試験管１の温度に近くまで加温する。

カメラ４は、試験管１を撮像することによって試験管１内の火炎の位置を取得するものであり、不図示の支持部によって試験管１の側方に配置されている。
なお、試験管１内に形成される火炎の発光量は微弱であるため、カメラ４は必要に応じて露光時間を長く設定して撮像することが好ましい。

このような構成を有する本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１では、試験評価ガス供給部３から試験管１内に試験評価ガスを供給する前に、温調ガス供給部２によって、試験管１の周囲に当該試験管１に沿って温調ガスを供給する。

より詳細には、流体噴射部２ａから原ガスが噴射され、当該原ガスがヒータ２ｂによって加熱されて温調ガスとされ、当該温調ガスがガイド部２ｃに案内されることによって、試験管１の周囲に当該試験管１に沿って温調ガスが供給される。

このように試験管１の周囲に当該試験管１に沿って温調ガスが供給されることによって、試験管１が温調ガスによって加熱される。
なお、当然ながら、温調ガスの温度は、ヒータ２ｂに近いほど高い。このため、温調ガスによって加熱される試験管１の温度は、ヒータ２ｂ側で高く、ヒータ２ｂから離れるだけ低くなる。この結果、試験管１には、ヒータ２ｂ側の一端１ａから他端１ｂ側に向かうに連れて低下する温度勾配が長さ方向に付与される。

試験管１に付与される長さ方向の温度勾配は、温調ガスの流量を調節することによって変更（すなわち調節）することができる。
図２は、温調ガスの流量を変化させた場合に試験管１に付与される長さ方向の温度勾配について示すグラフである。なお、図２において、縦軸が試験管１内における位置を示し、横軸が試験管１の温度を示している。また、図２における縦軸において原点Ｏは、試験管１の長さ方向の中央を示している。また、図２において、グラフＡが最も温調ガスの流量が少ない場合の結果を示し、グラフＢ、グラフＣ、グラフＤの順で温調ガス流量を徐々に多くしていった結果を示している。
そして、図２から分かるように、温調ガスの流量が多くなる程、試験管１の他端１ｂ側に伝達される熱量が増大し、試験管１の長さ方向の温度勾配が小さくなることが分かる。

なお、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１における試験管１を用いて着火温度の測定を行う場合には、別途試験管１の長さ方向の温度勾配（すなわち温度分布）を測定する必要がある。この測定は、例えば、試験評価ガスの供給を停止した状態で、試験管１に熱電対を通すことによって行うことができる。そして、この熱電対を用いた温度測定は、火炎の形成位置の取得前に行ってもよいが、熱電対を通過させることによる試験管１への影響を考慮すると火炎の形成位置を取得した後に行うことが好ましい。
また、火炎がある場合とない場合とでの試験管１の流路長さ方向の温度分布の違いは十分小さく、実験を行うにあたり無視することができる。

なお、試験管１の長さ方向の温度勾配が小さくなる程、試験管１の長さ方向の移動量に対する温度変化が小さいことなる。このため、試験管１の位置と温度との関係を精度高く取得することができ、正確な燃料の着火温度を得ることができる。
一方で、例えば、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１を高圧力環境に配置して、高圧力環境における火炎の位置を取得する場合には、高圧力環境の維持のために温調ガスの流量が少ないことが好ましい場合もある。この際には、高圧力環境を維持できる範囲で、試験管１の長さ方向の温度勾配がより小さくなるように温調ガスの流量を設定することになる。
そして、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１では、燃焼実験に求められる条件によって、温調ガスの流量を調節する。

なお、例えば、ディーゼルエンジンやガスエンジンにおいては、燃料は、最大１０ＭＰａ程度の高圧力環境で燃焼される。このため、ディーゼルエンジンやガスエンジンに用いられる燃料の燃焼特性を得ようとする場合には、同様の高圧力環境にて実験を行うことが好ましい。したがって、ディーゼルエンジンやガスエンジンにおける燃料の燃焼特性をシミュレーションにて得ようとする場合には、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１を、ディーゼルエンジンやガスエンジンにおける燃焼空間と同程度の高圧力環境に配置して実験を行うことが好ましい。

このようにして試験管１に対して長さ方向の温度勾配が付与されると、続いて、試験評価ガス供給部３から試験管１の他端１ｂに対して試験評価ガスが供給される。
そして、長さ方向の温度勾配が付与された試験管１に供給された試験評価ガスは、試験管１内を進行することによって加熱されて高温となり、着火温度以上に加熱されることによって着火する。この結果、試験管１の内部に火炎が形成される。
なお、火炎の形成位置は、試験評価ガス供給部３から試験管１に供給する試験評価ガスの流量に依存して変化する。ただし、試験管１に供給する試験評価ガスの流量が多い場合には、流量を一定とした場合であっても火炎の形成位置が変動する。このため、試験評価ガス供給部３から試験管１に供給する試験評価ガスの流量は、流量一定とした場合に試験管１内で火炎の位置が変位しない流量に抑えることが好ましい。

そして、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１では、上述のようにして試験管１内において火炎を形成し、その位置をカメラ４で撮像することによって取得する。

以上のような本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１によれば、温調ガスの流量を任意に調節し、試験管１の長さ方向の温度勾配を任意に調節することが可能となる。このため、実験環境に適した範囲で高精度の測定を行うことが可能となる。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１によれば、高圧力環境においても試験管に長さ方向の温度勾配を付与し、またこの長さ方向の温度勾配を調節することができる。このため、高圧環境においても、容易に燃料の燃焼実験を行うことが可能となる。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１によれば、温調ガスを用いることによって試験管１に対して効率的に熱量を伝えることができ、例えば水素バーナを用いる場合と比較して、試験管１に対して長さ方向の温度勾配を付与するためのエネルギを１００分の１程度に削減することができる。
このようなエネルギの削減により、周囲への放熱量も低減することができるため、例えば、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１を耐圧チャンバ内に設置した場合であっても、耐圧チャンバの温度上昇を抑えることができる。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、試験管１が直管とされ、さらに鉛直に配設され、さらに温調ガス供給部２が下方から上方に向けて温調ガスを流している。
このため、自然対流により、自然と温度の高い温調ガスが上昇し、温度が低い試験評価ガスが下降する。
したがって、温調ガス及び試験評価ガスを流すためのエネルギを削減することが可能となる。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、温調ガスを試験管１の一端１ａから他端１ｂに向けて案内するガイド部２ｃを備えている。
このため、温調ガスが拡散すること抑制し、効率的に試験管１を加熱することが可能となる。

また、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、ガイド部２ｃが管状断熱部材から成っているため、より効率的に試験管１を加熱することが可能となる。
さらに本実施形態の燃焼実験装置Ｓ１においては、ガイド部２ｃが、試験管１のカメラ４による撮像領域（測定領域）を露出する開口部２ｃ１を備えている。このため、確実に火炎の位置を取得することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ２の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ２においては、上記第１実施形態の燃焼実験装置Ｓ１が備える管状断熱部材から成るガイド部２ｃに換えて、試験管１を囲うと共に火炎から発せられる光に対して透明なガラス管（透明管）からなるガイド部２ｄを備えている。

このような構成を採用する本実施形態の燃焼実験装置Ｓ２によれば、ガイド部２ｄが火炎から発せられる光に対して透明であるため、ガイド部２ｄに対して開口部を設ける必要がない。
このため、試験管１の周囲に均等に温調ガスを流すことができ、試験管１の周面方向に温度ムラが生じることを防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ３の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ３においては、上記第１実施形態の燃焼実験装置Ｓ１が備える管状断熱部材から成るガイド部２ｃに換えて、カメラ４側と当該カメラ４側と反対側とに開口部２ｅ１が設けられた断熱部材から成るガイド部２ｅを備えている。

このような本実施形態の燃焼実験装置Ｓ３によれば、ガイド部２ｅのカメラ４側に設けられた開口部２ｅ１によって確実に火炎の位置を取得することができる。
さらに、試験管１の加熱によってガイド部２ｅが同様に加熱され、これによってガイド部２ｅが発光する場合もある。これに対して、本実施形態の燃焼実験装置Ｓ３によれば、ガイド部２ｅのカメラ４側と反対側に開口部２ｅ１が設けられているため、カメラ４から見て火炎の裏側にガイド部２ｅが加熱されたことに起因する発光領域が発生しないため、より確実に火炎の位置を取得することが可能となる。

以上、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るものではない。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、本発明の主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。

例えば、上記実施形態においては、温調ガス供給部２が、流体噴射部２ａと、ヒータ２ｂと、ガイド部２ｃとを備え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、温調ガス供給部２の構成は、試験管１に沿って温調ガスを流せる構成であれば特に限定されるものではない。
例えば、ヒータが流体噴射部と一体化された構成、ヒータを備えない構成、または、ガイド部を備えない構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、試験管が直管であり、鉛直に配設された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、湾曲した試験管を用いたり、直管であっても鉛直方向と異なる方向に向けて配設される試験管を用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、火炎位置取得手段としてカメラを用い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、火炎位置取得手段として、火炎が形成された状態の試験管の管壁温度を測定し、この測定値から火炎の位置を特定可能な温度センサを用いることも可能である。

また、例えば、操作部からの指令や周囲環境を測定するセンサからの指令に基づいて、温調ガスの流量を調節する制御装置を設置しても良い。

また、上記実施形態においては、温調ガスの流量を変化させることによって、試験管１に付与する長さ方向の温度勾配を調節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、温調ガスの温度や流速を変化させることによって、試験管１に付与する長さ方向の温度勾配を調節することも可能である。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３……燃焼実験装置、１……試験管、１ａ……一端、１ｂ……他端、２……温調ガス供給部（温調流体供給手段）、２ａ……流体噴射部（流体生成部）、２ｂ……ヒータ、２ｃ……ガイド部、２ｃ１……開口部、２ｄ……ガイド部、２ｅ……ガイド部、２ｅ１……開口部、３……試験評価ガス供給部（供給手段）、４……カメラ（火炎位置取得手段）

Claims (5)

1. 内部流路が常温における消炎径よりも小さな直径とされると共に内部に火炎が形成される試験管と、当該試験管内に燃料と酸化剤とが混合された予混合ガスを供給する供給手段と、前記試験管内の火炎の位置を取得する火炎位置取得手段とを備える燃焼実験装置であって、
   前記試験管に沿って温調流体を流す温調流体供給手段を備え、
   前記温調流体供給手段は、
   流体を生成する流体生成部と、
   前記流体生成部によって生成された流体を温度調節して前記温調流体とするヒータと、
   前記温調流体を前記試験管の一端から他端に向けて案内するガイド部と
   を備える
   ことを特徴とする燃焼実験装置。
2. 前記温調流体供給手段は、前記温調流体の流量を調節可能とされていることを特徴とする請求項１記載の燃焼実験装置。
3. 前記試験管が鉛直に配設された直管であり、前記温調流体供給手段が下方から上方に向けて前記温調流体を流すことを特徴とする請求項１または２記載の燃焼実験装置。
4. 前記ガイド部は、前記試験管を囲うと共に前記試験管の前記火炎位置取得手段による測定領域を露出する開口部を有する管状断熱部材であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の燃焼実験装置。
5. 前記試験管が前記火炎から発せられる光に対して透明であり、前記火炎位置取得手段が前記試験管を外部から撮像する撮像装置である場合に、
   前記ガイド部は、前記試験管を囲うと共に前記火炎から発せられる光に対して透明な透明管であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の燃焼実験装置。

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