JP6288844B2 - 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。

近年、例えば特許文献１に示すように、下流に向けて昇温する温度勾配が付与された反応管に可燃性の試験流体を流し、火炎が形成された位置に基づいて着火温度等を測定する燃焼実験装置が提案されている。例えば、特許文献１においては、反応管の周囲にヒータを設置し、このヒータで加熱することによって反応管に対して上記温度勾配を付与している。

特開２０１２−１０８０３６号公報

ところで、ヒータによる加熱では、反応管に付与できる温度は１０００℃程度が上限となる。このため、より高い温度域における燃焼特性について実験を行おうとする場合には、バーナ等で火炎を形成し、外部から反応管を炙ることによって加熱することが考えられる。

しかしながら、バーナ等で形成された火炎により反応管を炙る場合には、一般的には一方向から反応管を炙ることになる。例えば、反応管を内部流路が水平となるように配置し、この反応管を下方から炙ることによって反応管を加熱することになる。このため、反応管のバーナ側が反対側よりも温度が高くなり、反応管の内部において径方向に温度の偏りが生じる。

試験流体の着火温度等を正確に測定するためには、反応管にどのような温度勾配が与えられているかを予め知っておく必要があるが、このように反応管の径方向に温度の偏りが生じると、予め記憶する温度勾配のデータと実際の温度とに差が生じる。このため、反応管内部の火炎位置と反応管の実際の温度との関係に僅かなずれが生じ、測定精度が低下することになる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、反応管に温度勾配を付与して試験流体の燃焼特性を測定する燃焼実験装置において、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高め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、燃焼実験装置であって、内部に試験流体が流されると共に下流側に向かうに連れて昇温する温度勾配が付与される反応管と、上記反応管の下流側から上流側に向けて上記反応管に沿ってかつ上記反応管の周囲に燃焼性ガスを流すと共に上記反応管を径方向外側から囲む火炎を維持するバーナ部と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、上記バーナ部が、上記燃焼性ガスとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスを流す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、上記バーナ部が、上記反応管を径方向外側から覆うと共に上記燃焼性ガスを噴出するノズル部と、上記ノズル部に接続されると共に上記ノズル部に対して上記燃焼性ガスを供給する供給管とを備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、複数の上記供給管が、上記反応管の周方向において上記ノズル部に対して接続されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第３または第４の発明において、上記供給管の内部を径方向に分割する隔壁を備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記燃焼性ガスが流される領域よりも上記反応管の径方向外側において、上記反応管に沿って助燃性ガスを含む補助ガスを流す補助ガス供給部を備えるという構成を採用する。

第７の発明は、上記第６の発明において、上記補助ガスに不燃性ガスが含まれるという構成を採用する。

第８の発明は、上記第７の発明において、上記補助ガスに含まれる上記助燃性ガスと上記不燃性ガスとの割合を調整する成分調整部を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、バーナ部によって反応管の下流側から上流側に向けて反応管の周囲に燃焼性ガスが流され、これによって反応管を径方向外側から囲む火炎が形成される。このため、反応管は、周方向の全域において径方向外側から火炎によって加熱される。したがって、本発明によれば、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止することができる。よって、本発明によれば、反応管に温度勾配を付与して試験流体の燃焼特性を測定する燃焼実験装置において、反応管の内部において反応管の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高めることができる。また、本発明によれば、バーナ部で形成される火炎によって反応管を加熱することができ、ヒータでは実現できないような高温域まで反応管を昇温させることができる。このため、当該高温域に至るまで反応しないような試験流体の評価を行うことも可能である。

本発明の第１実施形態における燃焼実験装置の全体を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が縦断面図である。 （ａ）が本発明の第１実施形態における燃焼実験装置が備える反応管とノズル部を含む断面図であり、（ｂ）が本発明の第１実施形態における燃焼実験装置が備える供給管４ｂの断面図である。 本発明の第２実施形態における燃焼実験装置の全体を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が縦断面図である。 （ａ）が本発明の第１実施形態の燃焼実験装置において反応管に付与される温度勾配を示す模式図であり、（ｂ）が本発明の第２実施形態の燃焼実験装置において反応管に付与される温度勾配を示す模式図である。 （ａ）が本発明の第１実施形態における燃焼実験装置の第１変形例の縦断面図であり、（ｂ）が本発明の第１実施形態における燃焼実験装置の第２変形例の斜視図であり、（ｃ）が本発明の第１実施形態における燃焼実験装置の第３変形例の斜視図である。

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１の全体を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が縦断面図である。これらの図に示すように、燃焼実験装置１は、反応管２と、試験評価ガス供給装置３と、バーナ部４と、カメラ５とを備えている。

反応管２は、不図示の支持部によって軸方向（流れ方向）が鉛直方向に沿うように配置された直管である。この反応管２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。この反応管２は、バーナ部４によって下流側（図１における下側）に向けて昇温する温度勾配が付与され、試験評価ガス供給装置３によって上流側（図１における上側）から試験評価ガスＸ（試験流体）が供給される。

この反応管２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ている。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。ここで、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。

試験評価ガス供給装置３は、反応管２の上端と接続されており、反応管２の上端から下端に向けて試験評価ガスＸを供給する。この試験評価ガス供給装置３は、燃料と酸化剤とが混合された混合気を試験評価ガスＸとして、反応管２に供給する。

バーナ部４は、ノズル部４ａと、供給管４ｂと、水素ガス供給装置４ｃとを備えている。ノズル部４ａは、反応管２を当該反応管２の径方向外側から覆う円筒形状の部位である。このノズル部４ａは、上側端部が開放端とされており、下側端部が閉塞端とされている。このようなノズル部４ａは、反応管２の上流側（上側）に向けて燃焼性ガスＹを噴出する。つまり、バーナ部４は、反応管２の下流側から上流側に向けて反応管２に沿ってかつ反応管２の周囲に燃焼性ガスＹを流す。

図２（ａ）は、ノズル部４ａ及び反応管２の断面図である。この図に示すように、ノズル部４ａは、反応管２の軸Ｌに対して中心が重ねられるように配置された円管である。これによって、反応管２とノズル部４ａとの間に、周方向に均等な大きさの環状流路Ｒ１が形成される。このため、この環状流路Ｒ１を流れてノズル部４ａの上側端部から噴射される燃焼性ガスＹは、反応管２の軸Ｌに沿う方向から見て、反応管２の周囲に均等に噴射される。

供給管４ｂは、ノズル部４ａに対してノズル部４ａの径方向外側から接続されており、ノズル部４ａの内部に対して燃焼性ガスＹを供給するための管である。図２（ｂ）は、供給管４ｂの断面図である。この図に示すように、供給管４ｂの内部には、燃焼性ガスＹを案内する流路Ｒ２が設けられている。この流路Ｒ２の断面積は、図２（ａ）に示す環状流路Ｒ１の断面積よりも大きく設定されている。これによって、ノズル部４ａにおける燃焼性ガスＹの出口面積よりも入口面積の方が大きくなり、ノズル部４ａ内部において燃焼性ガスＹが均等に行き亘り易くなる。したがって、反応管２の周囲により均等に燃焼性ガスＹを噴射することができる。

水素ガス供給装置４ｃは、水素ガスを燃焼性ガスＹとして供給管４ｂに供給する。このため、本実施形態においては、燃焼性ガスＹとして可燃性ガスの水素ガスが用いられている。つまり、このような燃焼性ガスＹには、酸素等の助燃性ガスが含まれていない。

このようなバーナ部４は、水素ガス供給装置４ｃから水素ガスを燃焼性ガスＹとして、供給管４ｂを通じてノズル部４ａに供給し、ノズル部４ａから反応管２の周囲に燃焼性ガスＹを流す。このようにバーナ部４は、燃焼性ガスＹを流し続けることにより、後述する火炎Ｆを維持する。

カメラ５は、反応管２の側方に不図示の支持部で支えられて配置されており、反応管２の外側から反応管２の内部に形成された火炎を撮像することによって、反応管２における火炎の位置を取得する。なお、反応管２の内部に形成される火炎の発光量は微弱であるため、カメラ５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。

このような本実施形態の燃焼実験装置１では、水素ガス供給装置４ｃから供給管４ｂを通じてノズル部４ａに燃焼性ガスＹが供給され、この燃焼性ガスＹが反応管２を囲うノズル部４ａの上側端部より噴出される。つまり、バーナ部４によって、反応管２の下流側から上流側に向けて反応管２に沿ってかつ反応管２の周囲に燃焼性ガスＹが流される。

この状態において、不図示の着火装置等によってノズル部４ａから噴出された燃焼性ガスＹに着火を行うと、図１に示すように、反応管２を径方向外側から囲うと共に反応管２の上端に向かうに連れて先細る火炎Ｆが形成される。この火炎Ｆは、バーナ部４から連続的に燃焼性ガスＹが供給されることによって維持される。ここで、本実施形態においては、ノズル部４ａから噴出される燃焼性ガスＹは、助燃性ガスを含まない可燃性ガスである水素ガスとされている。このため、火炎Ｆは、火炎Ｆの外部から酸素が供給されることによって水素ガスが燃焼する拡散燃焼により形成された拡散火炎である。

このようにして火炎Ｆが形成されると、火炎Ｆの形成位置が高く、反応管２の上流側（上側）に向かうに連れて低くなる温度勾配が反応管２に付与される。このような温度勾配が付与された反応管２に対して、試験評価ガス供給装置３によって上流側から試験評価ガスＸを供給する。反応管２に供給された試験評価ガスＸは、反応管２の下流側に向かうに連れて昇温し、一定の温度を超えたところで着火する。これによって、反応管２の内部に火炎が形成される。そして、この反応管２の内部に形成された火炎をカメラ５によって撮像し、当該火炎の位置と反応管２に付与された温度勾配のデータとから試験評価ガスＸの着火温度が求められる。

以上のような本実施形態の燃焼実験装置１によれば、バーナ部４によって反応管２の下流側から上流側に向けて反応管２の周囲に燃焼性ガスＹが流され、これによって反応管２を径方向外側から囲む火炎Ｆが形成される。このため、反応管２は、周方向の全域において径方向外側から火炎Ｆによって加熱される。したがって、本実施形態の燃焼実験装置１によれば、反応管２の内部において反応管２の径方向に温度の偏りが生じることを防止することができる。よって、本実施形態の燃焼実験装置１によれば、反応管２の内部において反応管２の径方向に温度の偏りが生じることを防止し、これによって測定精度を高めることができる。

また、本実施形態の燃焼実験装置１においては、バーナ部４は、燃焼性ガスＹとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスである水素ガスを流している。このため、火炎Ｆが拡散火炎となる。このため、ノズル部４ａの内部に火炎が侵入することを防止することができる。したがって、例えば、燃焼実験装置１を圧力容器の内部に配置し、高圧力下において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１においては、バーナ部４は、反応管２を径方向外側から覆うと共に燃焼性ガスＹを噴出するノズル部４ａと、ノズル部４ａに接続されると共にノズル部４ａに対して燃焼性ガスＹを供給する供給管４ｂとを備えている。このため、簡易な構成にて、反応管２の周囲に燃焼性ガスＹを供給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１Ａの全体を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が縦断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の燃焼実験装置１Ａは、補助ガス供給部６を備えている。

この補助ガス供給部６は、ノズル部６ａと、供給管６ｂと、空気供給装置６ｃとを備えている。ノズル部６ａは、バーナ部４のノズル部４ａを反応管２の径方向外側から覆う円筒形状の部位である。このノズル部６ａは、上側端部が開放端とされており、下側端部が閉塞端とされている。反応管２の上流側（上側）に向けて補助ガスＺを噴出する。つまり、補助ガス供給部６は、燃焼性ガスＹが流される領域よりも反応管２の径方向外側において、反応管２に沿って補助ガスを流す。

ノズル部６ａは、反応管２の軸Ｌに対して中心が重ねられるように配置された円管である。これによって、補助ガス供給部６のノズル部６ａとバーナ部４のノズル部４ａとの間に、周方向に均等な大きさの環状流路が形成される。このため、この環状流路を流れてノズル部６ａの上側端部から噴射される補助ガスＺは、反応管２の軸Ｌに沿う方向から見て、反応管２の周囲に均等に噴射される。

供給管６ｂは、ノズル部６ａに対してノズル部６ａの径方向外側から接続されており、ノズル部６ａの内部に対して補助ガスＺを供給するための管である。供給管６ｂの断面積は、補助ガス供給部６のノズル部６ａとバーナ部４のノズル部４ａとの間に形成される環状流路の断面積よりも大きく設定されている。これによって、ノズル部６ａにおける補助ガスＺの出口面積よりも入口面積の方が大きくなり、ノズル部６ａ内部において補助ガスＺが均等に行き亘り易くなる。したがって、反応管２の周囲により均等に補助ガスＺを噴射することができる。

空気供給装置６ｃは、空気を補助ガスＺとして供給管６ｂに供給する。このような補助ガスＺとしては、酸素等の助燃性ガスと不燃性ガスとを含むガスを用いることができ、本実施形態では、その代表例として空気を用いている。

このような補助ガス供給部６は、空気供給装置６ｃから空気を補助ガスＺとして、供給管６ｂを通じてノズル部６ａに供給し、ノズル部６ａから反応管２の周囲に補助ガスＺを流す。これによって、火炎Ｆの周囲に反応管２の上流側に向かう補助ガスＺの流れが形成され、火炎Ｆが反応管２の上流側に向けて伸びる。また、補助ガスＺ中の窒素等の不燃性ガスの濃度を変化させることによって火炎Ｆの広がり方や長さを調整することができる。 なお、補助ガスＺに含まれる助燃性ガスと不燃性ガスとの割合が変化することによって、火炎Ｆに与えられる酸素濃度が変化し、火炎Ｆの形状や温度を変化させることが可能となる。このため、空気供給装置６ｃに、助燃性ガスと不燃性ガスとの割合を調整する成分調整部としての機能を持たせても良い。これによって、火炎Ｆの形状を任意に変更することが可能となる。

図４（ａ）は、上記第１実施形態の燃焼実験装置１において反応管２に付与される温度勾配を示す模式図である。また、図４（ｂ）は、本実施形態の燃焼実験装置１Ａにおいて反応管２に付与される温度勾配を示す模式図である。これらの図に示すように、本第２実施形態の燃焼実験装置１Ａのように火炎Ｆが伸びることにより、反応管２に付与される温度勾配が緩やかになり、反応管２の位置の変化量に対する温度の変化量が小さくなる。このため、反応管２の内部に形成される火炎の位置に対応した温度をより高精度に取得することが可能となり、測定精度を向上させ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、本発明の趣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、図５（ａ）に示すように、バーナ部４の供給管４ｂの内部に、供給管４ｂの内部を当該供給管４ｂの径方向に分割する隔壁７を設置しても良い。これによって、バーナ部４のノズル部４ａに対して燃焼性ガスＹが分散して供給されるため、ノズル部４ａからより均一に燃焼性ガスＹを噴出することが可能となる。

また、図５（ｂ）に示すように、複数の供給管４ｂが、反応管２の周方向においてノズル部４ａに対して接続された構成を採用することも可能である。このような場合にも、バーナ部４のノズル部４ａに対して燃焼性ガスＹが分散して供給されるため、ノズル部４ａからより均一に燃焼性ガスＹを噴出することが可能となる。

また、図５（ｃ）に示すように、ノズル部４ａの開放端とされた上側端部に、複数の貫通孔を有する分散板８を設置するようにしても良い。このような場合にも、ノズル部４ａからより均一に燃焼性ガスＹを噴出することが可能となる。

なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示す構成は、上記第２実施形態の補助ガス供給部６に対しても同様に、適用することが可能である。すなわち、供給管６ｂに隔壁７を設置する構成、ノズル部６ａに供給管６ｂを複数接続する構成、及び、ノズル部６ａに分散板８を設置する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、燃焼性ガスＹとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスを用いる構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、助燃性ガスを含んだ可燃性ガス（すなわち予混合ガス）を燃焼性ガスＹとして用いることも可能である。この場合には、逆火を防止するために、ノズル部４ａの上側端部に冷却機構を設けたり、ノズル部４ａから噴出される燃焼性ガスＹの流速を十分に高めたりする対策を行うことが望ましい。なお、可燃性ガスとしては、水素ガスに限られるものではない。

また、上記実施形態においては、ノズル部４ａに対して径方向から燃焼性ガスＹを供給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、ノズル部４ａに対して反応管２の軸方向から供給管４ｂを接続し、ノズル部４ａに対して軸方向から燃焼性ガスＹを供給しても良い。なお、このような場合には、水素ガス供給装置４ｃが、反応管２の下端から排気される排気ガスに晒される恐れがあるため、反応管２の下側端部を曲げ、排気ガスの排出方向を水素ガス供給装置４ｃと異なる方向とすることも可能である。

また、上記実施形態においては、反応管２を軸方向が鉛直方向となるように配置し、上端側から試験評価ガスＸを供給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、下端側から試験評価ガスＸを供給する構成を採用することもできる。このような場合には、バーナ部４は、下方に向けて可燃性ガスを噴出するように配置されることになる。

１……燃焼実験装置、１Ａ……燃焼実験装置、２……反応管、３……試験評価ガス供給装置、４……バーナ部、４ａ……ノズル部、４ｂ……供給管、４ｃ……水素ガス供給装置、５……カメラ、６……補助ガス供給部、６ａ……ノズル部、６ｂ……供給管、６ｃ……空気供給装置、７……隔壁、８……分散板、Ｆ……火炎、Ｌ……軸、Ｒ１……環状流路、Ｒ２……流路、Ｘ……試験評価ガス（試験流体）、Ｙ……燃焼性ガス、Ｚ……補助ガス

Claims (8)

1. 内部に試験流体が流されると共に下流側に向かうに連れて昇温する温度勾配が付与される反応管と、
   前記反応管の下流側から上流側に向けて前記反応管に沿ってかつ前記反応管の周囲に燃焼性ガスを流すと共に前記反応管を径方向外側から囲む火炎を維持するバーナ部と
   を備えることを特徴とする燃焼実験装置。
2. 前記バーナ部は、前記燃焼性ガスとして、助燃性ガスを含まない可燃性ガスを流すことを特徴とする請求項１記載の燃焼実験装置。
3. 前記バーナ部は、前記反応管を径方向外側から覆うと共に前記燃焼性ガスを噴出するノズル部と、
   前記ノズル部に接続されると共に前記ノズル部に対して前記燃焼性ガスを供給する供給管と
   を備える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. 複数の前記供給管が、前記反応管の周方向において前記ノズル部に対して接続されていることを特徴とする請求項３記載の燃焼実験装置。
5. 前記供給管の内部を径方向に分割する隔壁を備えることを特徴とする請求項３または４記載の燃焼実験装置。
6. 前記燃焼性ガスが流される領域よりも前記反応管の径方向外側において、前記反応管に沿って助燃性ガスを含む補助ガスを流す補助ガス供給部を備えることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載の燃焼実験装置。
7. 前記補助ガスに不燃性ガスが含まれることを特徴とする請求項６記載の燃焼実験装置。
8. 前記補助ガスに含まれる前記助燃性ガスと前記不燃性ガスとの割合を調整する成分調整部を備えることを特徴とする請求項７記載の燃焼実験装置。

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