JP6225219B1 - 水素炎着色装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明の水素炎に対する着色が高輝度で良好に行えるとともに長期間にわたって発色状態を継続させることができるようにする。【解決手段】水素を燃焼させて水素炎Ｆを発する複数のバーナ２１と、バーナ２１の炎口２１ａより水素炎Ｆが発せられる方向の先に置かれた着色部３１を備える。着色部３１は、発色部材３２と水素炎Ｆを通す貫通部３３で構成し、発色部材３２は炎色反応を呈する発色材３２ａを溶岩からなる塊状の多孔質体３２ｂに担持させて形成する。貫通部３３は発色部材３２を並べたときに発色部材３２の間にできる空間で形成する。【選択図】図１

Description

この発明は、水素を燃焼させて発生する透明の水素炎を、見える火炎や魅せる火炎にする水素炎着色装置に関する。

水素炎は可視光が少なく、ほぼ透明であるため目視では捉えにくい。このため目視による水素炎の燃焼状態の確認や検知は困難であるので、水素炎を着色することが提案されていた。

下記特許文献１、２に開示の技術は、バーナノズルの先端に炎色反応を呈する塩類を充填によって、また塗布と乾燥によって保持する構成である。この構成では、バーナから水素炎を発生させると、水素炎がノズル先端の塩類に接して、塩類の炎色反応で水素炎に着色がなされる。

このような構成で着色された火炎は、炎色反応を呈する塩類が円筒形のノズルの先端に保持されているため、火炎の外炎部のみが着色されて見える。また、特許文献１に記載されているように、拡散燃焼するため塩類の塗布量を増大すると火炎の輝度レベルを上昇させることができるが、火炎の輝度レベルの急激な減衰が生じる。この難点を、特許文献１の発明はノズルの先端に溝を形成して、火炎の立ち上がり部をノズルの内部に引き込むことで解決しているが、それでも、長時間あるいは長期間にわたった発色を維持させることは困難である。このため、例えばイベントにおいて演出目的で火炎の大きな水素炎を使用するようなことはできなかった。付言すれば、水素炎を使って演出を行う装置や、大きな水素炎を扱う装置はこれまでになかった。

特公昭５９−３３８０５号公報 特公昭６０−９２０６号公報

そこでこの発明は、水素炎に対する着色が高輝度かつ安定して行えるとともに、長期間にわたって発色状態を継続させることができるようにすることを主な目的とする。

そのための手段は、水素を燃焼させて水素炎を発するバーナと、該バーナの炎口より前記水素炎が発せられる方向の先に置かれた着色部を備え、該着色部が、炎色反応を呈する発色材を多孔質体に担持させた発色部材と、前記水素炎を通す貫通部で構成され、前記多孔質体が溶岩である、水素炎着色装置である。

この構成では、バーナから発せられる水素炎は、その外炎部だけでなく内炎部も含めた全体が着色部に接する。着色部においては水素炎が発色部材を熱するとともに、貫通部を通って先方に抜ける。このときに、燃焼速度が速いため本来シャープな火炎形状である水素炎は、発色部材に行く手を遮られる一方で発色部材をなめるようにして貫通部を通ってのびるため、ゆらぐ火炎形状に変質させられる。熱せられた着色部材の発色材は、熱で一部が気化、励起して、炎色反応による発色を行い、無色の水素炎全体を着色する。発色部材を構成する溶岩からなる多孔質体はより多くの発色材を担持して、着色作用の長期化をはかる。

この発明によれば、水素炎全体に対し高輝度な着色が良好に行えるうえに、長期間にわたって発色状態を継続させることができる。このため水素炎を、たとえば各種のイベントなどにおいて雰囲気を盛り上げる演出などに好適に使用させることができる。

水素炎着色装置を搭載した演出装置の断面図。 発色部材の断面図。 着色部の斜視図。 作用状態を示す説明図。 他の例に係る着色部の斜視図。

図１に、水素炎着色装置１１を用いた演出装置１２の一例、たとえば各種イベントや式典、店舗営業、神社仏閣、庭園などで用いられる聖火や炬火、かがり火などを灯す演出装置１２を示している。この図に示すように演出装置１２は、外装体１３に水素炎着色装置１１を搭載して構成されている。

外装体１３は、聖火などの火炎を出す方向、図示例では上方に開口１３ａを有し、内部に収容空間１３ｂを有する。外装体１３の形状は、使用目的に応じて適宜設定される。図示例の外装体１３は、上端の開口１３ａが最も大径となる平面視円形の筒状である。

水素炎着色装置１１は、水素を燃焼させて水素炎Ｆを発するバーナ２１と、バーナ２１の炎口２１ａより水素炎Ｆが発せられる方向の先、つまり上方に置かれた着色部３１を備えている。

バーナ２１は円筒状で、円形の炎口２１ａを上に向けている。このようなバーナ２１を複数備え、これらバーナ２１が、間隔をあけて全体として平面視円形の面を形成するように配設されている。複数のバーナ２１によって形成される円形の面の大きさは、外装体１３の収容空間１３ｂの上部に収まる大きさである。バーナ２１には適宜の径の炎口２１ａを有するものが使用され、バーナ２１の配設間隔も適宜設定される。

すべてのバーナ２１にはガス供給管２２より水素が供給される。水素は、バーナ２１を出るまで水素１００ｖｏｌ％の状態で供給され、バーナ２１において拡散燃焼する。

これらのバーナ２１は炎口２１ａの高さＨをすべて同じにして支持台２３に支持され、外装体１３の収容空間１３ｂ内に保持される。外装体１３内におけるバーナ２１の炎口２１ａの高さＨは、これよりも上方に置かれる着色部３１底部との間に所定の距離Ｌをとれる位置に設定される。

着色部３１は発色部材３２と、水素炎Ｆを通す貫通部３３で構成されている。発色部材３２は、図２に示したように炎色反応を呈する発色材３２ａを多孔質体３２ｂに担持させたものである。

図１に示した例の着色部３１は、発色部材３２を複数設け、水素炎Ｆを通す貫通部３３を、複数の発色部材３２を並べたときに発色部材３２間におのずとできる空間で構成した例である。図３にも示したように、複数の発色部材３２はそれぞれ異なる形の塊状である。特に、ゆらぐ火炎形状とする場合には、発色部材３２の形状は、並べたときにバラエティに富んだ形状の隙間ができるように多様な形状にするのが好ましい。

発色部材３２の大きさは適宜設定されるが、バーナ２１の炎口２１ａの大きさやバーナ２１の配設間隔を考慮して設定するとよい。すなわち、たとえば発色部材３２の大きさがバーナ２１の炎口２１ａの径、つまり水素炎Ｆの横断面の大きさに比べて大きすぎると、水素炎Ｆが発色部材３２の底面に広がりすぎることとなり、貫通部３３を通って上昇する火炎が小さなものとなってしまう。逆に、発色部材３２の大きさがバーナ２１の炎口２１ａの径に比して小さすぎると、発色部材３２の必要数が多くなって扱いが煩雑になるほか、貫通部３３が小さくなって貫通部３３を通過する水素炎Ｆが細くなってしまう。このため、図１に示した例のように、水素炎Ｆを通す貫通部３３を、複数の発色部材３２を並べたときに発色部材３２間にできる空間で構成する場合には、発色部材３２の平面視の大きさはバーナ２１の炎口２１ａの径に対応する程度から、それよりも数倍くらいまでの大きさであるのが好ましい。

発色材３２ａを担持する多孔質体３２ｂは、耐熱性があるものであれば適宜使用できるが、既存のものでは、たとえば溶岩を用いる。溶岩のなかでも、鹿児島県産の桜島の溶岩（大隅降下軽石）は、白色である上に非常に多孔質であり、温度変化があっても割れない性質を有するので、好適に使用できる。

発色材３２ａには、着色する色に応じて適宜の金属塩を使用する。例えば黄色に着色する場合には塩化ナトリウムを、緑色に着色する場合には塩化銅（Ｉ）を、赤色に着色する場合には塩化ストロンチウムを使用する。これらのような発色材３２ａを水に溶かして水溶液とし、これを多孔質体３２ｂに含浸させて乾燥させる。含浸と乾燥を複数回繰り返すことで、図２に示したように多くの発色材３２ａを多孔質体３２ｂに担持させることができる。

このような発色部材３２は、図１に示したように相互間に貫通部３３ができるように、また複数のバーナ２１ですべての発色部材３２の全体が水素炎Ｆにさらされるように、金属網３４の上に適宜並べて構成される。金属網３４は平板状であり、バーナ２１の上方に支持される保持筒３５内に水平に、換言すればバーナ２１の炎口２１ａが形成する面と平行に保持される。

保持筒３５は上下両端に開口を有した短円筒状であり、外装体１３の収容空間１３ｂに保持される。保持筒３５の内周面に載置段部３５ａが形成され、金属網３４はその外周部を載置段部３５ａにのせて保持される。

金属網３４とバーナ２１の炎口２１ａとの間の距離Ｌは、着色部３１に触れる水素炎Ｆの温度が、おおよそ特定の範囲になるように設定される。つまり、水素炎Ｆの温度が、発色部材３２における発色材３２ａの融点以上で沸点より低い温度となるようにする。水素炎Ｆの温度は、金属網３４とバーナ２１の炎口２１ａとの間の距離のほか、エアの巻き込み具合やバーナ２１の形状、水素の流量によっても調節できる。

発色材３２ａのうち、たとえば塩化ナトリウムの融点は８００℃、沸点は１４１３℃、塩化銅（Ｉ）の融点は４３０℃、沸点は１４９０℃であるので、水素炎Ｆのうち着色部３１に触れる部分の温度は９５０℃〜１０００℃くらい、高くても１２５０℃くらいまでにするとよい。これは火炎の温度には幅があるためである。着色部３１に触れる水素炎Ｆの温度は高くても発色材３２ａの沸点より５０度以上は低い方が好ましい。

以上のように構成された演出装置１２はつぎのように使用される。

まず、水素炎着色装置１１の保持筒３５に金属網３４をセットして、その上に発色部材３２を並べて、貫通部３３を形成する。発色部材３２は複数有するが並べるだけで貫通部３３も形成できるので、着色部３１の形成は容易である。しかも、発色部材３２は溶岩からなる多孔質体３２ｂで構成されており、すべての発色部材３２がそれぞれ異なる形であるので、適宜並べるだけで多様な形状の貫通部３３が得られる。

このようにして準備した後、水素をバーナ２１に供給して燃焼させる。逆火を防止する為、水素の流速は水素の燃焼速度よりも速くする。水素を燃焼させると図４に破線で示したようにシャープな火炎形状の水素炎Ｆが発生する。この水素炎Ｆは透明であり色を認識することはできない。

着色部３１を、水素炎Ｆの温度が発色材３２ａの融点以上で沸点未満の温度となる図４に仮想線で示した箇所に配置する。こうすることで、着色部３１全体が水素炎Ｆにさらされ、着色部３１に担持された発色部材３２が加熱されるとともに、発色部材３２間の貫通部３３を水素炎Ｆが通過して上昇する。

発色部材３２が熱せられることによって、担持されている発色材３２ａは加熱されて一部が気化、励起して炎色反応を示して水素炎Ｆが所定の色で発光する。この光は発色部材３２間の貫通部３３を通って上昇した火炎Ｆａ全体を着色する。つまり、間隔をあけて配設された複数のバーナ２１で燃焼される透明の水素炎Ｆは、着色部３１の全体に接して、全体が着色された大きな火炎Ｆａとなる（図４の仮想線、図１参照）。

発色材３２ａを担持している多孔質体３２ｂは白色の溶岩であるので、火炎Ｆａを発色部材３２が見える角度から見た場合でも、火炎Ｆａの色を良好に視認できる。

そのうえ、発色材３２ａを担持しているのは多孔質体３２ｂであり、図２に一部を拡大して示したように、より多くの発色材３２ａを内部にまで含浸させ保持することができるので、長期間にわたって着色作用を得られる。また水素炎Ｆが複数の発色部材３２全体にまんべんなく接触することは、担持された発色材３２ａを無駄になく有効に使用することであり、これによっても着色作用の長期継続をはかることができる。

水素炎Ｆにおける着色部３１に接する部分の温度は、発色材３２ａの融点以上沸点未満の特定の温度であるので、発色材３２ａは水素炎Ｆの熱で溶けるものの気化により飛散する発色材３２ａの量を抑えることができる。この点からも、発色材３２ａが蒸発する場合と比べて着色作用を長く持続させることができる。

このように、構造面のほか温度面からも着色作用の長寿命化をはかれる。

そして、着色された火炎Ｆａは、水素炎Ｆが発色部材３２で上昇を部分的に遮られ、発色部材３２の表面をなめるように伝わって貫通部３３を通って上方へのぼる過程で得られるので、火炎Ｆａは速度がゆっくりで、全体として大きな、ゆらめく火炎Ｆａとなる。

以上のように水素炎Ｆを着色して得られた火炎Ｆａは、高輝度で、全体が着色された大きな火炎であるので、演出に好適に使用できる。担持させる発色材３２ａを変えれば火炎Ｆａの色を変化させることもできるので、この点でも演出に好適である。また、燃料が水素であるので、燃焼させても一酸化炭素や炭酸ガスを発生させることはなく、この点で安全で環境にもよい。

次のような条件で水素燃焼試験を行ったところ、前述のように着色された火炎Ｆａが得られた。

水素燃焼試験で用いた炬火台の仕様は、国体等で使用されたものとほぼ同様であり、炬火台の直径は平面視円形でおよそ１ｍ、バーナ数は試験状況に合わせ数十個程度とした。水素燃焼はプロパン及びメタンの燃焼と比較して実施した。

着色部の発色部材は、鹿児島県桜島産の白色の溶岩を多孔質体として用い、これに食塩水を含浸して乾燥処理したものと、塩化銅溶液を含浸して乾燥処理したものを用意して使用した。含浸と乾燥は複数回行った。

バーナへのガス流量は、プロパンの燃焼カロリーをベースにメタン、水素の流量を設定した。水素は２００ｍ^３／ｈｒ、プロパンは８ｍ^３／ｈｒ、メタンは５０ｍ^３／ｈｒである。

この結果、水素炎はほぼ透明の火炎であり、プロパンは十分な輝度を有する火炎であった。

バーナの上方の所定位置に２種類の着色部を置いてそれぞれ燃焼させたところ、無色透明の水素炎を黄色（食塩水）と緑色（塩化銅溶液）に着色することができた。黄色は、プロパンと比較して遜色のない輝度であった。また、強い横風があっても大きな火炎の全体が着色されていた。

着色状態を比較すべく、この燃焼試験とは別に、バーナの近傍に炎の着色用に食塩水と塩化銅溶液を噴霧して、着色部を置くこと以外の条件を前述と同様にして燃焼試験を行った。

その結果、液を噴霧して着色した場合には、ムラのある部分的な着色しかできず、火炎全体が着色されることはなく、前述の着色部を用いて得た火炎と比べて見劣りするものであった。しかも、噴霧された溶液のすべてが着色に使用されることはなく、噴霧された溶液でバーナが汚れてしまうという難点もあった。この点、前述の着色部を用いた場合には、発色材が溶けても水滴のように垂れることはなかったので、バーナを汚すことなくきれいに保てた。

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

着色部３１は一つの発色部材３２で構成してもよい。この場合には、水素炎Ｆが通る穴や切り欠きからなる貫通部を有した発色部材（図示せず）が用いられる。複数の発色部材３２で着色部３１を構成する場合でも、穴や切り欠きからなる貫通部を有した発色部材（図示せず）を用いてもよい。

図５は、一つの発色部材３２で構成した着色部３１の一例を示す斜視図である。この着色部３１は、塊状をなす複数の溶岩（多孔質体）を、金属線（図示せず）を用いるなどして所望の形状になるように溶岩同士の間に空間を形成しながら適宜連結して、この状態で発色材を担持させて形成される。

このような発色部材３２を用いると、前述のような作用と効果を有するほか、準備に際して一つの発色部材３２を載置すればよいので、使用のための準備がより簡易迅速に行える利点がある。

着色部３１の貫通部３３、またはそれ以外の部分を何かの模造形状などにして、火炎Ｆａの横断面形状を適宜の形状にすることもできる。

また、水素炎Ｆは上方に噴き出すほか、たとえば横に噴き出すようにしてもよい。この場合には着色部はバーナ２１に対して横に置かれる。

複数のバーナ２１の炎口２１ａと、発色部材３２をのせる金属網３４は平行にせずともよく、バーナ２１の向きや発色材３２ａの種類などとの関係で適宜設定するとよい。複数のバーナ２１を配置するに際しても、すべての炎口２１ａの高さを同一にして面一状にするのではなく、曲面や段差を形成する配置などとしてもよい。

１１…水素炎着色装置
２１…バーナ
３１…着色部
３２…発色部材
３２ａ…発色材
３２ｂ…多孔質体
３３…貫通部
Ｆ…水素炎

Claims (3)

1. 水素を燃焼させて水素炎を発するバーナと、
   該バーナの炎口より前記水素炎が発せられる方向の先に置かれた着色部を備え、
   該着色部が、炎色反応を呈する発色材を多孔質体に担持させた発色部材と、前記水素炎を通す貫通部で構成され、
   前記多孔質体が溶岩である
   水素炎着色装置。
2. 前記着色部に触れる前記水素炎の温度が、前記発色材の融点以上で沸点より低い温度である
   請求項１に記載の水素炎着色装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水素炎着色装置に用いられる
   発色部材。

Images