JP6655578B2 - 気体混合装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、気体混合装置に関する。

燃焼器には、予め燃料と空気を混合した混合気を燃焼領域に導入して燃焼させるものがある。このような予混合燃焼方式の燃焼器では、何らかの原因で燃焼用空気の流量が減少して空気比が設定範囲を逸脱すると、燃料と空気の混合比である当量比が設定範囲から逸脱することとなる。この当量比の設定範囲からの逸脱は、例えば、燃焼不安定や燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の増大などを引き起こす。

燃焼器に予混合気を供給する従来の混合気供給装置において、燃料と空気の混合が不十分で、混合気供給装置の出口流路断面において燃料濃度分布を有することがある。すなわち、混合気供給装置の出口流路断面において燃料濃度分布を有するとは、混合気供給装置の出口流路断面において燃料濃度の濃淡を有し、燃料と空気の混合が均一でないことをいう。

また、混合気供給装置の形状などによっては、混合気供給装置の出口流路断面において、速度分布を有することもある。すなわち、混合気供給装置の出口流路断面において、混合気の流速が均一でない場合がある。

このような混合気供給装置において、混合気が燃焼器に供給されるまでに、混合気における燃料濃度の均一化を図る必要がある。

一般に、燃料と空気の混合を促進する混合装置において、混合に使用する混合流路が長いほど混合は促進されるが、装置が大型化する。そこで、従来の混合装置では、混合流路に抵抗体を設けて混合促進を図ることが検討されている。

特開２０１４−２１４８８２号公報

従来の混合装置では、抵抗体を設けることによって、流路における抵抗（以下、流路抵抗という）を増加させている。この流路抵抗の増加によって、流れが乱れて混合が促進される。しかしながら、流路抵抗の増加は、流れの圧力損失を増加させる。

従来の混合装置では、抵抗体が設けられているところの流路の開口率を５０％以下にして流路抵抗を増加させることも検討されている。この開口率は、抵抗体が設けられていないところの流路の流路断面積に対する、抵抗体が設けられているところの流路の流路断面積の割合である。

このように、従来の混合装置においては、抵抗体によって流路抵抗を増加させて流れを乱すことで、燃料と空気の混合促進が図られている。そのため、従来の混合装置において、抵抗体による流路抵抗を減少させると、燃焼と空気の混合がしにくくなる。

また、混合を促進するために流路抵抗を増加させた場合、ファンなどの空気供給源の能力を増大させる必要がある。そのため、流路抵抗の増加は、装置の大型化や製造コストの上昇につながる。

本発明が解決しようとする課題は、流路抵抗の増加を抑制しつつ、燃料と空気の混合を促進することができる気体混合装置を提供することにある。

実施形態の気体混合装置は、燃料と空気を混合する。この気体混合装置は、燃料濃度分布を有する燃料と空気の混合気が供給される混合管と、前記混合管の内壁面から対向する内壁面側に向かって突出して、前記混合管内の流路の一部を遮断する混合促進板とを具備する。そして、前記混合促進板は、前記混合管内に一つだけ設けられ、前記混合管内の流路において、前記混合促進板が設けられているところの流路の開口率が０．６０〜０．８５である。

本発明の気体混合装置によれば、流路抵抗の上昇を抑制しつつ、燃料と空気の混合を促進することができる。

第１の実施の形態の気体混合装置を備えた混合気供給装置の概要を模式的に示した図である。 混合気供給装置の一部の断面を拡大して模式的に示した図である。 第１の実施の形態の気体混合装置の断面を模式的に示した図である。 図３のＡ−Ａ断面を示す図である。 図３のＡ−Ａ断面における燃料濃度分布の一例を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の気体混合装置において、上半側に混合促進板が設けられた場合の、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 第２の実施の形態の気体混合装置における、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 第２の実施の形態の気体混合装置において、上半側に混合促進板が設けられた場合の、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。 混合管の入口における、混合管の中心軸を通る鉛直方向における相対燃料濃度を示す図である。 混合管の入口における、混合管の中心軸を通る鉛直方向における相対速度を示す図である。 混合管の入口における、混合管の中心軸を通る鉛直方向における異なる相対速度を示す図である。 混合促進板またはオリフィスが設けられているところの流路の開口率を変化させたときの混合管における混合気の圧力損失の数値解析の結果を示す図である。 開口率が０．７、Ｍ／Ｄが４の場合における混合度の数値解析の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の気体混合装置１０を備えた混合気供給装置１５の概要を模式的に示した図である。なお、図１には、混合気供給装置１５によって形成された混合気が供給される燃焼器８０も示している。図２は、混合気供給装置１５の一部の断面を拡大して模式的に示した図である。

ここでは、混合気供給装置１５の一部に気体混合装置１０が備えられた構成を例示して説明する。なお、気体混合装置１０が備えられる構成は、図１に示された構成に限られるものではない。

まず、混合気供給装置１５の構成について説明する。

混合気供給装置１５は、燃料（ガス燃料）と空気を混合して混合気を形成する。混合気供給装置１５は、図１に示すように、気体混合装置１０、ファン２０と、ミキサ３０と、燃料供給管４０と、筒体５０と、全圧検出部６０と、燃料流量調整部７０とを備える。

ファン２０は、図２に示すように、ケーシング２１を備え、このケーシング２１内には、例えば、回転羽根２２が設けられている。さらに、ファン２０は、回転羽根２２を回転させるモータ２３を備える。ファン２０のケーシング２１には、ファン２０の内部に空気などを吸引する吸引口２４、吸引した空気などを排出する吐出口２５が形成されている。なお、ファン２０は、例えば、シロッコファンやターボファンなどで構成される。

気体混合装置１０は、ファン２０の吐出口２５と、後述する燃焼器８０のケーシング８１との間に設けられている。そして、ファン２０の吐出口２５は、気体混合装置１０を介して、燃焼器８０の混合気導入空間８２に連通している。

ミキサ３０は、内部に通路３１を有する筒体で構成される。ミキサ３０の一端３２は、ファン２０の吸引口２４に接続されている。具体的には、ミキサ３０の通路３１が吸引口２４を介してファン２０の内部と連通するように、ミキサ３０の一端３２は、例えば、ファン２０のケーシング２１に接続されている。そのため、ミキサ３０を通過した空気と燃料の混合気は、ファン２０の内部に吸引され、さらに混合される。

通路３１は、例えば、空気流れ方向（図２に示す矢印方向）に流路断面積が徐々に減少してスロート部３３を有するベンチュリ構造を有している。そして、スロート部３３の下流の通路３１は、例えば、流れ方向に流路断面積が徐々に増加している。

燃料供給管４０は、燃料供給源４１から供給された燃料（ガス燃料）をミキサ３０の通路３１に供給する。燃料供給管４０の一端４０ａは、図２に示すように、通路３１のスロート部３３の内部に連通している。

また、燃料供給管４０において、図１に示すように、燃料流量調整部７０よりもミキサ３０側、および燃料流量調整部７０よりも燃料供給源４１側には、燃料供給管４０の燃料の流れを遮断する遮断弁４２、４３が介在している。また、例えば、遮断弁４３と燃料供給源４１との間には、燃料供給管４０を流れる燃料の流量を検出する燃料流量計４４が介在している。

ミキサ３０の他端３４に連結された筒体５０は、図２に示すように、例えば、円筒状の両端開口の筒体である。ミキサ３０側と異なる側の筒体５０の開口端部には、整流板５１が備えられている。すなわち、整流板５１は、筒体５０における、空気流れ方向の上流側の開口端部に備えられる。

整流板５１は、ファン２０の送風に伴って筒体５０内に吸引される空気の流れを整流する。整流板５１は、例えば、多孔質体、ハニカム構造体、パンチングメタルなどの平板で構成される。

全圧検出部６０は、筒体５０内に吸引された燃焼用空気の全圧を検出する。全圧検出部６０は、図１および図２に示すように、例えば、管状のプローブ６１と、このプローブ６１で検出した全圧を燃料流量調整部７０に伝達する伝達管６２を備える。プローブ６１は、図２に示すように、燃焼用空気の流れ方向に対向して開口する全圧検出口６３を有する。そして、全圧検出口６３では流れがせき止められ、全圧が検出される。

プローブ６１は、例えば、筒体５０の中心軸上に全圧検出口６３の中心が位置するように配置される。プローブ６１は、空気の流れを阻害しないように、管径が小さいことが好ましい。また、ここでは、一つのプローブ６１を備えた一例を示しているが、複数のプローブ６１を備えてもよい。

複数のプローブ６１を備える場合、例えば、筒体５０の中心軸上に全圧検出口６３の中心が位置するように配置されたプローブ６１と、このプローブ６１よりも半径方向外側に配置された他のプローブ６１とを備えてもよい。すなわち、筒体５０の中心軸上に一つのプローブを備えるとともに、筒体５０の中心軸から半径方向外側に離れた位置に他のプローブ６１を備えてもよい。

なお、複数のプローブ６１を備える場合、各プローブ６１に連通する伝達管６２を下流側で一つの集合管とし、この集合管を燃料流量調整部７０に連通させてもよい。この場合、複数のプローブ６１で検出された全圧の平均圧が燃料流量調整部７０に伝達される。

燃料流量調整部７０は、図１に示すように、燃料供給管４０に介在する。燃料流量調整部７０は、全圧検出部６０において検出された全圧に基づいて、一次圧で供給された燃料を二次圧に調整してミキサ３０側に排出する。燃料流量調整部７０は、例えば、均圧弁、ゼロガバナなどによって構成される。すなわち、全圧検出部６０において検出された全圧が信号圧として、均圧弁やゼロガバナに伝達される。

燃焼器８０は、図１に示すように、ケーシング８１と、バーナ８３とを備える。

ケーシング８１内の下方側には、気体混合装置１０を通過した燃料と空気の混合気を導入する混合気導入空間８２を備える。この混合気導入空間８２の上方に、バーナ８３が備えられる。なお、図示しないが、混合気導入空間８２には、導入された混合気の流れを整流する整流板がバーナ８３の上流側に設けられている。この整流板としては、上述した整流板５１と同様の部材が使用される。

バーナ８３の出口には、混合気導入空間８２に導入された混合気を燃焼領域８７に噴出する燃料噴出孔８４を有する。バーナ８３は、燃料噴出孔８４から噴出された混合気に着火する着火装置８６を備える。なお、着火装置８６は、例えば、イグナイタなどで構成される。火炎８５は、図１に示すように、燃料噴出孔８４の下流側に形成する。

次に、第１の実施の形態の気体混合装置１０について説明する。

ここで、混合気供給装置１５におけるファン２０の吐出口２５の流路断面において、燃料濃度分布を有することがある。燃料濃度分布を有するとは、ファン２０の吐出口２５の出口断面において、燃料濃度の濃淡を有し、燃料と空気の混合が均一でないことをいう。特に、混合気の流量が少ないときには、燃料と空気の混合が不均一な状態になりやすい。

また、ファン２０の吐出口２５の出口断面においては、速度分布を有することもある。速度分布を有するとは、ファン２０の吐出口２５の出口断面において、混合気の流速が均一でないことをいう。

そこで、図１に示した混合気供給装置１５では、例えば、ファン２０の吐出口２５の下流に、気体混合装置１０を備えることで、混合気の混合促進を図っている。

図３は、第１の実施の形態の気体混合装置１０の断面を模式的に示した図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す図である。

図３に示すように、気体混合装置１０は、混合管９０と、混合促進板１００とを備える。

混合管９０は、筒状の配管で構成される。すなわち、混合管９０内の流路９３の断面形状は、円形である。この配管において、流路断面形状は、例えば、入口９１から出口９２に亘って一様である。なお、ここでは、流路９３の断面形状として、円形を例示したが、流路９３の断面形状は、楕円であってもよい。

混合管９０の入口９１は、例えば、ファン２０の吐出口２５に連結されている。この場合、ファン２０の吐出口２５の流路断面形状と、混合管９０の入口９１の流路断面形状とが同じであることが好ましい。これによって、吐出口２５から混合管９０内に混合気がスムーズに流れ、流れの圧力損失が抑制される。

混合管９０の出口９２は、燃焼器８０のケーシング８１に接続され、混合気導入空間８２に連通している。

混合管９０の入口９１から、例えば、燃料濃度分布を有する、燃料と空気の混合気が供給される。すなわち、混合管９０の入口９１から、例えば、ファン２０の吐出口２５から吐出された、燃料と空気の混合が不十分な混合気が供給される。

ここで、図４に示すように、混合管９０の中心軸Ｏに沿って水平面Ｐで混合管９０を区画したときの上部側を上半側といい、下部側を下半側という。また、ここでは、説明の便宜上、上半側の混合管９０を上半側混合管９０ａといい、下半側の混合管９０を下半側混合管９０ｂという。

混合管９０には、混合管９０内の流路９３の一部を遮断する一つの混合促進板１００が設けられている。この混合促進板１００は、図３および図４に示すように、下半側混合管９０ｂの内壁面から対向する内壁面側である上半側に突出している。

図４に示すように、混合気の流れ方向に見たとき、混合促進板１００は、例えば、弓型形状を有している。具体的には、混合促進板１００は、例えば、下半側混合管９０ｂの底部の内壁面に沿って接触する内壁面接触部１００ａと、水平面Ｐに平行な平面部１００ｂとを有している。なお、内壁面接触部１００ａは、底部の内壁面に沿って湾曲している。

また、混合促進板１００は、例えば、図４において、中心軸Ｏを通る鉛直線に対して線対称な形状である。なお、混合促進板１００の厚さは、混合気の流れによって変形しない程度の厚さであればよい。混合促進板１００の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、１〜３ｍｍ程度である。

ここで、図５は、図３のＡ−Ａ断面における燃料濃度分布の一例を模式的に示した図である。なお、図５には、混合促進板１００の流路断面における燃料濃度分布を構成する燃料濃度層Ｃ１〜Ｃ４の一例が模式的に示されている。

混合管９０に導入される混合気の燃料濃度分布は、図５に示すように、例えば、混合促進板１００の流路断面において、中心軸Ｏを通る直線（ここでは鉛直線）の方向に燃料濃度分布を有していることが好ましい。さらに、この燃料濃度分布の方向が、図５に示すように、例えば、混合促進板１００の平面部１００ｂに対して垂直となる方向であることが好ましい。換言すれば、流路断面における燃料濃度分布は、混合促進板１００の平面部１００ｂにほぼ平行な複数の燃料濃度層Ｃ１〜Ｃ４が、中心軸Ｏを通る直線（ここでは鉛直線）の方向に積層されたような状態となる。

なお、各燃料濃度層Ｃ１〜Ｃ４における燃料濃度は異なる。また、各燃料濃度層Ｃ１〜Ｃ４における燃料濃度の濃淡は、特に限定されるものではなく、いずれの燃料濃度層の燃料濃度が最も高くてもよい。

混合促進板１００の下流側に形成される渦流れは、例えば、図３に示した渦流れＥのように、混合促進板１００の平面部１００ｂよりも上半側混合管９０ａ側の流れを巻き込む。そのため、平面部１００ｂに対して垂直方向に燃料濃度分布を有する流れにおいては、混合気における燃料と空気の混合がより促進されやすい。

なお、上記した燃料濃度分布の方向は、流路断面において、混合促進板１００の平面部１００ｂに対して垂直となる方向であることに限定されるものではない。燃料濃度分布の方向が、流路断面において、混合促進板１００の平面部１００ｂに対して垂直ではない方向であっても、混合促進板１００を備えることで、混合気における燃料と空気の混合は促進される。

ここで、混合促進板１００が設けられているところの流路９３の開口率は、０．６０〜０．８５であることが好ましい。この開口率とは、混合促進板１００が設けられていないところの流路９３の流路断面積Ｓ１に対する、混合促進板１００が設けられているところの流路９３の流路断面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）である。

混合促進板１００が設けられているところの流路９３の開口率を、上記した範囲とすることで、混合気の圧力損失の増加を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

例えば、図４に示した弓型形状の混合促進板１００において、開口率を大きくする場合には、平面部１００ｂの位置は、図４に示した位置よりも下半側（中心軸Ｏから離れる側）となる。一方、図４に示した弓型形状の混合促進板１００において、開口率を小さくする場合には、平面部１００ｂの位置は、図４に示した位置よりも上半側（中心軸Ｏに近づく側）となる。

ここで、図３に示すように、混合管９０の入口９１から混合促進板１００までの中心軸Ｏ方向の距離をＬとし、混合管９０内の流路断面に係る代表長さをＤとしたとき、Ｌ／Ｄの値が０〜２であることが好ましい。混合管９０が図４に示すような円管で構成される場合、混合管９０の流路断面に係る代表長さＤは、混合管９０の内径（口径）となる。なお、Ｌ／Ｄの値が０の場合、混合促進板１００は、混合管９０の入口９１に配置される。

そして、混合促進板１００は、このＬ／Ｄの範囲を満たすように、混合管９０内に設けられる。なお、距離Ｌは、図３に示すように、混合管９０の入口９１から、混合促進板１００の入口９１側の表面１００ｃまでの距離である。

Ｌ／Ｄの値を上記した範囲とすることで、気体混合装置１０の大型化を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

また、混合促進板１００から混合管９０の出口９２までの中心軸Ｏ方向の距離をＭとしたときに、Ｍ／Ｄの値が３〜５であることが好ましい。なお、距離Ｍは、図３に示すように、混合促進板１００の入口９１側の表面１００ｃから、混合管９０の出口９２までの距離である。そして、混合管９０の長さは、上記したＬ／Ｄの値およびＭ／Ｄの値に基づいて設定される。

Ｍ／Ｄの値を上記した範囲とすることで、気体混合装置１０の大型化を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

次に、気体混合装置１０を備えた混合気供給装置１５の作用について説明する。

ファン２０が作動すると、外気が整流板５１を通り筒体５０内に吸引される。筒体５０内は、負圧となる。なお、ここでいう負圧とは、大気圧を０気圧としたゲージ圧で大気圧より低い圧力をいう。吸引された空気は、ミキサ３０に導かれる。

遮断弁４２、４３が開かれ、燃料供給源４１から燃料が燃料供給管４０を通りミキサ３０内に導入される。燃料が燃料供給管４０を通過する際、燃料流量調整部７０によって流量が調整され、燃料流量計４４によって流量が計測される。

燃料流量調整部７０では、プローブ６１、伝達管６２を介して伝達された筒体５０内の全圧を信号圧として流量が調整される。ここで、前述したように、燃料流量調整部７０は、内部にダイヤフラムを備えた均圧弁やゼロガバナによって構成される。信号圧は、このダイヤフラムに作用して、燃料流量調整部７０から排出される燃料の二次圧を、信号圧に応じた圧力に調整するための圧力である。

このように、燃料流量調整部７０において筒体５０の全圧を信号圧として使用し、空気流量の変動に応じて燃料流量を変動させているため、燃焼器８０に供給する燃料と空気の混合比、すなわち当量比を一定に維持している。

ミキサ３０内に導入された空気および燃料は、ミキサ３０内の通路３１を通過する際に混合し、所定の空気比、換言すると所定の当量比の混合気となる。この混合気は、吸引口２４からファン２０内に流入する。

ファン２０内に流入した混合気は、ファン２０の吐出口２５から気体混合装置１０の混合管９０内に吐出される。混合管９０内に導入された混合は、混合促進板１００が設けられた流路９３を通過する際、流れが絞られる。そして、混合促進板１００が設けられた流路９３を通過した流れは、流路９３内に広がりながら、混合促進板１００の下流側に渦流れを形成する。なお、図３に、混合促進板１００の下流側に形成される渦流れＥの様子を模式的に示している。

この渦流れＥは、例えば、上半側混合管９０ａ側の流れも巻き込むように形成される。そのため、混合気における燃料と空気の混合が促進される。

そして、混合気は、混合を促進させながら混合管９０内を流れ、燃焼器８０の混合気導入空間８２に流入する。

なお、混合気導入空間８２に導入された混合気は、バーナ８３内を通り燃料噴出孔８４から燃焼領域８７に噴出する。燃焼領域８７に噴出した混合気は、着火装置８６によって着火され、燃焼して火炎８５を形成する。

上記した第１の実施の形態の気体混合装置１０によれば、混合管９０内の所定の位置に一つの混合促進板１００を備えることで、混合管９０内に導入された、燃料濃度分布を有する混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。また、気体混合装置１０では、混合促進板１００を一つ備えることで、混合の促進が図れるため、従来のように複数の抵抗体を備える場合に比べて、流れの圧力損失を抑制することができる。

すなわち、気体混合装置１０においては、混合管９０内の所定の位置に一つの混合促進板１００を備えることで、流路抵抗の上昇を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

ここで、上記した第１の実施の形態では、混合促進板１００を下半側に設けた一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、混合促進板１００を上半側に設けてもよい。図６は、第１の実施の形態の気体混合装置１０において、上半側に混合促進板１００が設けられた場合の、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

図６に示すように、混合促進板１００は、上半側混合管９０ａの内壁面から対向する内壁面側である下半側に突出している。また、図６に示すように、混合気の流れ方向に見たとき、混合促進板１００は、例えば、弓型形状を有している。具体的には、混合促進板１００は、例えば、上半側混合管９０ａの上部の内壁面に沿って接触する内壁面接触部１００ａと、水平面Ｐに平行な平面部１００ｂとを有している。なお、内壁面接触部１００ａは、上部の内壁面に沿って湾曲している。

ここで、混合促進板１００を下半側に設けた場合と同様に、流路断面において、中心軸Ｏを通る直線の方向に燃料濃度分布を有している場合、この燃料濃度分布の方向は、例えば、混合促進板１００の平面部１００ｂに対して垂直となる方向であることが好ましい。このように、平面部１００ｂに対して垂直方向に燃料濃度分布を有する流れにおいて、混合気における燃料と空気の混合をより促進することができる。

ここで、混合促進板１００が設けられているところの流路９３の開口率の範囲は、下半側に混合促進板１００が設けられた場合の開口率の範囲と同じである。

上半側に混合促進板１００が設けられた場合、例えば、図６に示した弓型形状の混合促進板１００において、開口率を大きくする場合には、平面部１００ｂの位置は、図６に示した位置よりも上半側（中心軸Ｏから離れる側）となる。一方、図６に示した弓型形状の混合促進板１００において、開口率を小さくする場合には、平面部１００ｂの位置は、図６に示した位置よりも下半側（中心軸Ｏに近づく側）となる。

なお、Ｌ／Ｄの値およびＭ／Ｄの値の範囲は、下半側に混合促進板１００が設けられた場合のこれらの値の範囲と同じである。

混合促進板１００を上半側に設ける場合においても、混合促進板１００を下半側に設ける場合と同様の作用効果が得られる。

ここで、上記した実施の形態では、混合促進板１００の平面部１００ｂにおける表面を平面構造とした一例を示したが、これに限られるものではない。

例えば、平面部１００ｂの表面において流れが乱れるように、平面部１００ｂの表面を凹凸構造にしてもよい。凹凸構造として、例えば、平面部１００ｂの表面に複数の突起部を設けてもよい。また、凹凸構造として、例えば、平面部１００ｂの表面に、厚さ方向に複数段の凹凸を備えてもよい。このように平面部１００ｂの表面を凹凸構造にすることで、平面部１００ｂの表面において流れが乱され、混合気における燃料と空気の混合をより促進することができる。

なお、凹凸構造は、これに限られるもではなく、平面部１００ｂの表面において流れを乱すことができる構造であればよい。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態の気体混合装置１１における、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

なお、第２の実施の形態の気体混合装置１１は、第１の実施の形態の気体混合装置１０と、混合管の断面形状が異なる。第２の実施の形態におけるその他の構成は、第１の実施の形態のそれらに対応する構成と同じである。ここでは、この異なる形状について主に説明する。また、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図７に示すように、混合管１１０は、筒状の配管で構成される。混合管１１０の断面形状は、例えば、矩形などの多角形である。なお、図７には、断面形状が矩形の混合管１１０を示している。すなわち、混合管１１０内の流路９３の断面形状は、矩形である。この配管において、流路断面形状は、例えば、入口９１から出口９２に亘って一様である。

ここで、図７に示すように、混合管１１０の中心軸Ｏに沿って水平面Ｐで混合管１１０を区画したときの上部側を上半側といい、下部側を下半側という。また、ここでは、説明の便宜上、上半側の混合管１１０を上半側混合管１１０ａといい、下半側の混合管１１０を下半側混合管１１０ｂという。

混合管１１０には、混合管１１０内の流路９３の一部を遮断する一つの混合促進板１２０が設けられている。この混合促進板１２０は、図７に示すように、下半側混合管１１０ｂの内壁面から対向する内壁面側である上半側に突出している。

図７に示すように、混合気の流れ方向に見たとき、混合促進板１２０は、例えば、矩形形状を有している。混合促進板１２０は、下半側混合管１１０ｂの底部の内壁面に沿って接する内壁面接触部１２０ａと、水平面Ｐに平行な平面部１２０ｂとを有している。内壁面接触部１２０ａは、３つの面が下半側混合管１１０ｂの底部の内壁面に接している。

また、混合促進板１２０は、例えば、図７において、中心軸Ｏを通る鉛直線に対して線対称な形状である。なお、混合促進板１２０の厚さは、第１に実施の形態における混合促進板１００の厚さと同じである。

ここで、流路断面において、中心軸Ｏを通る直線の方向に燃料濃度分布を有している場合、この燃料濃度分布の方向は、例えば、混合促進板１２０の平面部１２０ｂに対して垂直となる方向であることが好ましい。

混合促進板１２０の下流側に形成される渦流れは、例えば、図３に示した渦流れＥのように、混合促進板１２０の平面部１２０ｂよりも上半側混合管９０ａ側の流れを巻き込む。そのため、平面部１２０ｂに対して垂直方向に燃料濃度分布を有する流れにおいては、混合気における燃料と空気の混合がより促進されやすい。

なお、上記した燃料濃度分布の方向が、流路断面において、混合促進板１２０の平面部１２０ｂに対して垂直となる方向であることに限定されるものではない。燃料濃度分布の方向が、流路断面において、混合促進板１２０の平面部１２０ｂに対して垂直ではない方向であっても、混合促進板１２０を備えることで、混合気における燃料と空気の混合は促進される。

ここで、混合促進板１２０が設けられているところの流路９３の開口率は、０．６０〜０．８５であることが好ましい。なお、開口率の定義は、前述したとおりである。また、混合促進板１２０が設けられているところの流路９３の開口率を、上記した範囲とすることで、混合気の圧力損失の増加を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

Ｌ／Ｄの値およびＭ／Ｄの値の範囲は、第１の実施の形態におけるこれらの値の範囲と同じであり、これらの範囲とする理由も第１の実施の形態における理由と同じである。ここで、混合管１１０が図７に示すような矩形の管で構成される場合、混合管１１０の流路断面に係る代表長さＤは、混合管１１０内の流路９３の流路断面における対角線の長さＷである。なお、ここでは、矩形には、長方形以外にも、正方形も含む。また、流路断面形状が矩形の場合、２本の対角線が引けるが、これらの対角線の長さは等しい。そして、混合促進板１００は、このＬ／Ｄの範囲を満たすように、混合管９０内に設けられる。

なお、Ｌは、混合管１１０の入口から、混合促進板１２０における混合管１１０の入口側の表面１２０ｃまでの距離である。Ｍは、混合促進板１２０の表面１２０ｃから、混合管１１０の出口までの距離である。

ここで、気体混合装置１１を備えた混合気供給装置１５の作用は、第１の実施の形態における作用と同様である。

すなわち、ファン２０内に流入した混合気は、ファン２０の吐出口２５から気体混合装置１１の混合管１１０内に吐出される。混合管１１０内に導入された混合は、混合促進板１２０が設けられた流路９３を通過する際、流れが絞られる。そして、混合促進板１２０が設けられた流路９３を通過した混合気は、流路９３内に広がりながら、混合促進板１２０の下流側に渦流れを形成する。

この渦流れは、図３に示した渦流れＥと同様に、例えば、上半側混合管１１０ａ側の流れも巻き込むように形成される。そのため、混合気における燃料と空気の混合が促進される。

そして、混合気は、混合を促進させながら混合管１１０内を流れ、燃焼器８０の混合気導入空間８２に流入する。

上記した第２の実施の形態の気体混合装置１１によれば、混合管１１０内の所定の位置に一つの混合促進板１２０を備えることで、混合管１１０内に導入された、燃料濃度分布を有する混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。また、気体混合装置１１では、混合促進板１２０を一つ備えることで、混合の促進が図れるため、従来のように抵抗体を複数備える場合に比べて、流れの圧力損失を抑制することができる。

すなわち気体混合装置１１においては、混合管１１０内の所定の位置に一つの混合促進板１２０を備えることで、流路抵抗の上昇を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができる。

ここで、上記した第２の実施の形態では、混合促進板１２０を下半側に設けた一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、混合促進板１２０を上半側に設けてもよい。図８は、第２の実施の形態の気体混合装置１１において、上半側に混合促進板１２０が設けられた場合の、図３のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。

図８に示すように、混合促進板１２０は、上半側混合管１１０ａの内壁面から対向する内壁面側である下半側に突出している。図８に示すように、混合気の流れ方向に見たとき、混合促進板１２０は、例えば、矩形形状を有している。混合促進板１２０は、上半側混合管１１０ａの上部の内壁面に沿って接する内壁面接触部１２０ａと、水平面Ｐに平行な平面部１２０ｂとを有している。内壁面接触部１２０ａは、３つの面が上半側混合管１１０ａの上部の内壁面に接している。

ここで、混合促進板１２０を下半側に設けた場合と同様に、流路断面において、中心軸Ｏを通る直線の方向に燃料濃度分布を有している場合、この燃料濃度分布の方向は、例えば、混合促進板１２０の平面部１２０ｂに対して垂直となる方向であることが好ましい。このように、平面部１２０ｂに対して垂直方向に燃料濃度分布を有する流れにおいて、混合気における燃料と空気の混合をより促進することができる。

ここで、混合促進板１２０が設けられているところの流路９３の開口率の範囲は、下半側に混合促進板１２０が設けられた場合の開口率の範囲と同じである。

なお、Ｌ／Ｄの値およびＭ／Ｄの値の範囲は、下半側に混合促進板１２０が設けられた場合のこれらの値の範囲と同じである。また、混合促進板１２０を上半側に設けた場合における混合気の流れは、上記した混合促進板１２０を下半側に設けた場合と同様である。

混合促進板１２０を上半側に設ける場合においても、混合促進板１２０を下半側に設ける場合と同様の作用効果が得られる。

なお、前述した混合促進板１００の平面部１００ｂと同様に、混合促進板１２０の平面部１２０ｂの表面を、平面部１２０ｂの表面において流れが乱れるように、凹凸構造にしてもよい。

（他の実施の形態）
ここで、上記した実施の形態では、下半側混合管９０ｂ、１１０ｂの内壁面から上半側に突出した混合促進板１００、１２０、または上半側混合管９０ａ、１１０ａの内壁面から下半側に突出した混合促進板１００、１２０について例示したが、混合促進板１００、１２０の配置位置はこれに限られない。

例えば、図４において、混合促進板１００を混合管９０の中心軸Ｏを中心として、時計回りに９０度回転させた位置に混合促進板１００を配置してもよい。この場合、混合促進板１００は、上半側混合管９０ａの内壁面および下半側混合管９０ｂの内壁面の双方から対向する内壁面側に向かって突出する。なお、回転させる角度は任意に設定できる。

例えば、図７において、混合促進板１２０を、矩形の混合管１１０の長辺側の内壁面から対向する内壁面側に向かって突出させてもよい。この場合、混合促進板１２０は、上半側混合管１１０ａの内壁面および下半側混合管１１０ｂの内壁面の双方から対向する内壁面側に向かって突出する。

すなわち、これらの混合促進板１００、１２０においては、平面部１００ｂ、１２０ｂは、水平面とはならない。

ここで、流路断面が円形の混合管９０の場合、流路断面において、混合管９０の中心軸Ｏを通る１本の直線の方向に燃料濃度分布を有しているとき、混合促進板１００の平面部１００ｂがこの直線（燃料濃度分布方向）に対して垂直となるように、混合促進板１００を配置することが好ましい。

混合促進板１００の下流側に形成される渦流れは、例えば、図３に示した渦流れＥのように、混合促進板１００と対向する内壁面側の流れを巻き込む。そのため、平面部１００ｂに対して垂直方向に燃料濃度分布を有する流れにおいては、燃料と空気の混合がより促進されやすい。

流路断面が矩形の混合管１１０の場合においても、同様のことが言える。すなわち、流路断面において、混合管１１０の中心軸Ｏを通る１本の直線の方向に燃料濃度分布を有している場合、混合促進板１２０の平面部１２０ｂがこの直線方向（燃料濃度分布方向）に対して垂直となるように、混合促進板１２０が配置されたときには、上記した渦流れによる混合促進の効果が得られる。

なお、上記した燃料濃度分布の方向が、流路断面において、混合促進板１００、１２０の平面部１００ｂ、１２０ｂに対して垂直となる方向であることに限定されるものではない。燃料濃度分布の方向が、流路断面において、混合促進板１００、１２０の平面部１００ｂ、１２０ｂに対して垂直ではない方向であっても、混合促進板１００、１２０を備えることで、混合気における燃料と空気の混合は促進される。

また、上記した実施の形態では、混合管１１０の流路断面形状が円形または矩形の場合について例示したが、混合管１１０の流路断面形状は、これらに限られるものではない。

混合管１１０の流路断面形状は、例えば、楕円などであってもよい。流路断面形状が楕円の場合、混合管１１０の流路断面に係る代表長さＤは、短軸の長さである。この場合においても、Ｌ／Ｄの値およびＭ／Ｄの値の範囲は、流路断面形状が円形の場合におけるこれらの値の範囲と同じである。

（圧力損失および混合度の比較）
ここで、混合促進板を備えた本実施の形態の気体混合装置１０と、オリフィスを備えた従来の気体混合装置において、圧力損失および混合度を比較した。ここでは、混合気における燃料と空気の混合促進の度合いを評価するために、混合度という指標を用いて評価した。なお、混合度の定義等については、後に詳しく説明する。

ここでは、図３を参照して、数値解析を行った解析モデルについて説明する。混合管９０において、内径（流路９３の直径）を１００ｍｍ、長さ（全長）を１１００ｍｍとした。混合を促進するための混合促進部材として、混合促進板またはオリフィスを使用した。

混合促進板として、第１の実施の形態において説明した弓型形状の混合促進板１００を使用した。なお、混合促進板１００は、図３および図４に示すように、下半側混合管９０ｂに設けた。オリフィスとしては、中央に所定の直径の貫通孔を有するオリフィスを使用した。混合促進板１００およびオリフィスともに、厚さが１．２ｍｍの金属製の板を使用した。混合促進部材は、Ｌ／Ｄが１となる位置に配置した。

数値解析では、混合促進板１００またはオリフィスが設けられているところの流路９３の開口率を変えて解析を行った。なお、開口率を変えるために、混合促進板１００においては、前述したように平面部１００ｂの位置を上下させて突出高さを調整した。一方、オリフィスにおいては、開口率を変えるために、中央の開口径を調整した。

数値解析において、混合気を、メタンと空気の混合気とした。混合管９０の入口９１において、混合気に燃料濃度分布および速度分布を与えた。図９は、混合管９０の入口９１における、混合管９０の中心軸Ｏを通る鉛直方向における相対燃料濃度を示す図である。図１０は、混合管９０の入口９１における、混合管９０の中心軸Ｏを通る鉛直方向における相対速度を示す図である。

なお、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍとは、混合管９０の中心軸Ｏを通る鉛直線が、下半側混合管９０ｂの内壁面と交わる位置である。また、鉛直方向位置Ｈが１００とは、混合管９０の中心軸Ｏを通る鉛直線が、上半側混合管９０ａの内壁面と交わる位置である。

すなわち、図９に示した相対燃料濃度は、前述した、流路断面において混合管９０の中心軸Ｏを通る１本の直線（鉛直線）の方向（鉛直方向）に燃料濃度分布を有しているときに相当する。そして、数値解析における混合促進板１００は、平面部１００ｂがこの鉛直線に対して垂直となるように配置されている。

図９に示すように、燃料濃度は、２段の分布を有している。そして、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍ以上５０ｍｍ未満までの燃料濃度を１とし、鉛直方向位置Ｈが５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の燃料濃度を１．０７とした。なお、図９に示す相対燃料濃度は、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍ以上５０ｍｍ未満までの燃料濃度を１としたときの濃度比で示されている。

また、図１０に示すように、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍにおける速度を１とした。そして、相対速度を上半側に向かって単調に増加させ、鉛直方向位置Ｈが１００ｍｍにおける速度を１．４とした。なお、図１０に示す相対速度は、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍにおける速度を１としたときの速度比で示されている。

また、ここでは、相対速度の影響を調べるため、混合促進板１００を使用する場合において、図１０に示した相対速度とは異なる相対速度を有する場合についても、数値解析を行った。図１１は、混合管９０の入口９１における、混合管９０の中心軸Ｏを通る鉛直方向における異なる相対速度を示す図である。

図１１に示す相対速度は、図１０に示した相対速度と、鉛直方向位置Ｈに対する分布の傾きが正反対である。すなわち、図１１に示す相対速度は、上半側に向かって単調に減少している。鉛直方向位置Ｈが１００ｍｍにおける速度を１とし、鉛直方向位置Ｈが０ｍｍにおける速度を１．４とした。

なお、図１１に示す相対速度は、鉛直方向位置Ｈが１００ｍｍにおける速度を１としたときの速度比で示されている。図１１における鉛直方向位置Ｈが１００ｍｍにおける速度を、図１０における鉛直方向位置Ｈが０ｍｍにおける速度と等しくなるように設定した。

まず、混合促進板１００またはオリフィスが設けられているところの流路９３の開口率を変化させたときの混合管９０における混合気の圧力損失を解析した。

図１２は、混合促進板１００またはオリフィスが設けられているところの流路９３の開口率を変化させたときの混合管９０における混合気の圧力損失の数値解析の結果を示す図である。なお、図１２において、図１０に示す相対速度を相対速度Ａ、図１１に示す相対速度を相対速度Ｂと示す。

なお、ここでいう混合気の圧力損失は、混合気が、混合管９０の入口９１から流入して混合管９０の出口９２から流出するまでに生じる圧力損失である。

図１２に示すように、混合促進板１００およびオリフィスのいずれを備えたときでも、開口率の増加に伴う圧力損失の変化は、同様の傾向を示している。また、混合促進板１００における結果から、開口率の増加に伴う圧力損失の変化は、相対速度Ａの場合と相対速度Ｂの場合とで、同様の傾向を示している。

混合促進板１００を備えた場合、開口率が０．６０以上で、圧力損失は５００Ｐａ以下である。圧力損失が５００Ｐａ以下の場合、本実施の形態における気体混合装置１０に備えられるファン２０の能力を変更することなく、作動可能である。すなわち、混合促進板１００を備えた場合、開口率を０．６０以上とすることで、流路抵抗の増加を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進させることができる。

そこで、開口率が０．７の場合について、混合度の数値解析を行った。また、Ｍ／Ｄが１、Ｍ／Ｄが４の場合について、数値解析を行った。

図１３は、開口率が０．７、Ｍ／Ｄが４の場合における混合度の数値解析の結果を示す図である。

混合度（％）は、次の式（１）によって定義される。
（１−（Ｃ_{ｏｕｔｍａｘ}−Ｃ_{ｏｕｔｍｉｎ}）／（Ｃ_{ｉｎｍａｘ}−Ｃ_{ｉｎｍｉｎ}））×１００ …式（１）

ここで、Ｃ_{ｉｎｍａｘ}は、混合管９０の入口９１における最大燃料濃度（％）、Ｃ_{ｉｎｍｉｎ}は、混合管９０の入口９１における最小燃料濃度（％）である。Ｃ_{ｏｕｔｍａｘ}は、混合管９０の出口９２における最大燃料濃度（％）、Ｃ_{ｏｕｔｍｉｎ}は、混合管９０の出口９２における最小燃料濃度（％）である。

なお、混合度が大きいほど、混合気における燃料と空気の混合が促進されていることを意味する。

図１３に示すように、混合促進板１００を備える場合は、オリフィスを備える場合よりも混合度が高い。なお、混合促進板１００における結果から、相対速度Ａの場合と相対速度Ｂの場合において、混合度は、ほぼ同程度であることがわかる。

ここで、開口率が０．７、Ｍ／Ｄが１の場合についても混合度の数値解析を行ったが、混合促進板１００およびオリフィスのいずれを備えたときにおいても、混合度は、Ｍ／Ｄが４の場合のときと比べて低かった。すなわち、開口率が０．７のときでも、Ｍ／Ｄが１の場合には、混合気における燃料と空気の混合が促進されていないことがわかる。

（ＮＯｘ濃度の比較）
ここで、混合促進板を備えた本実施の形態の気体混合装置１０と、オリフィスを備えた従来の気体混合装置から供給された混合気を燃焼器で燃焼させて、排ガス中のＮＯｘ濃度を測定した。なお、混合促進部材を備えない場合についても、排ガス中のＮＯｘ濃度を測定した。

ＮＯｘ濃度の測定には、図１に示す気体混合装置１０を備えた混合気供給装置１５および燃焼器８０を使用した。混合管９０の内径（流路９３の直径）を１００ｍｍ、長さ（全長）を５００ｍｍとした。

混合促進板１００およびオリフィスともに、厚さが１．２ｍｍの金属製の板を使用した。混合促進板１００またはオリフィスが設けられているところの流路９３の開口率を０．８５とした。混合促進板１００およびオリフィスは、Ｌ／Ｄが１となる位置に配置した。すなわち、開口率を０．８５、Ｍ／Ｄを３とした。また、混合促進部材を備えない場合、開口率は１である。

燃料は、メタンを使用した。燃焼器８０の混合気導入空間８２に供給される混合気の当量比を０．７７とした。なお、ここでいう当量比は、混合気導入空間８２に供給される燃料流量と空気流量とに基づいて算出され、燃料と空気が完全に混合したものと想定したときの値である。

混合管９０の出口９２、すなわち混合気導入空間８２の入口における混合気の温度は、室温とした。

ここで、ミキサ３０に供給された空気と燃料の混合気は、ファン２０の内部を通り、 混合管９０内に流入する。混合管９０内に流入する際の、混合管９０の入口９１における混合気の平均流速は、１８ｍ／ｓとした。

燃焼器８０の出口において採取した排ガスを各種排ガス分析装置によって分析した。ここで、ＣＯ、ＣＯ_２は、非分散赤外分析法、ＨＣは水素炎イオン化検出法、ＮＯｘは、化学発光法、Ｏ_２は、磁気圧法によって分析した。なお、水素炎イオン化検出法で分析されるＨＣは、ＴＨＣ（全炭化水素）である。

なお、混合促進部材を備える場合および混合促進部材を備えない場合において、混合気の当量比、混合気導入空間８２の入口における混合気の温度、混合管９０の入口９１における混合気の平均流速、排ガスのガス分析方法などの実験条件は同じとした。

測定の結果、ＮＯｘ濃度は、混合促進板１００を備えた場合、１５ｐｐｍ、オリフィスを備えた場合、２３ｐｐｍ、混合促進部材を備えない場合、２３ｐｐｍであった。なお、ＮＯｘ濃度は、Ｏ_２を０％換算としている。また、いずれの場合も、排ガス中における未燃焼成分は検出下限界以下であり、高い燃焼効率が得られた。

ここで、混合気の当量比を０．７７に設定しているため、混合気の混合度が高いほど、局所的な火炎温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの排出は抑制できる。すなわち、混合気の混合度が高いほど、火炎温度が高温となる当量比１付近の燃焼が抑制され、ＮＯｘ濃度は低くなる。

上記したＮＯｘ濃度の測定結果から、混合促進板１００を備えた場合におけるＮＯｘ濃度は、最も低かった。このことから、混合促進板１００を備えた場合には、他の仕様の場合と比べて、混合気の混合度が高いものと考えられる。すなわち、混合促進板１００を備えた場合には、混合気における燃料と空気の混合が促進されていると考えられる。

ＮＯｘ濃度の測定結果から、開口率が０．８５、Ｍ／Ｄが３の条件においても、混合促進板１００を備える場合は、オリフィスを備える場合よりも混合度が高いと考えられる。

上記した混合度の数値解析およびＮＯｘ濃度の測定から、本実施の形態における、混合促進板１００が設けられているところの流路９３の開口率、Ｌ／Ｄの値、Ｍ／Ｄの値を前述した範囲とすることで、流路抵抗の上昇を抑制しつつ、混合気における燃料と空気の混合を促進することができることがわかる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１１…気体混合装置、１５…混合気供給装置、２０…ファン、２１…ケーシング、２２…回転羽根、２３…モータ、２４…吸引口、２５…吐出口、３０…ミキサ、３１…通路、３２、４０ａ…一端、３３…スロート部、３４…他端、４０…燃料供給管、４１…燃料供給源、４２、４３…遮断弁、４４…燃料流量計、５０…筒体、５１…整流板、６０…全圧検出部、６１…プローブ、６２…伝達管、６３…全圧検出口、７０…燃料流量調整部、８０…燃焼器、８１…ケーシング、８２…混合気導入空間、８３…バーナ、８４…燃料噴出孔、８５…火炎、８６…着火装置、８７…燃焼領域、９０、１１０…混合管、９０ａ、１１０ａ…上半側混合管、９０ｂ、１１０ｂ…下半側混合管、９１…入口、９２…出口、９３…流路、１００、１２０…混合促進板、１００ａ、１２０ａ…内壁面接触部、１００ｂ、１２０ｂ…平面部、１００ｃ、１２０ｃ…表面。

Claims (7)

1. 燃料と空気を混合する気体混合装置であって、
   燃料濃度分布を有する燃料と空気の混合気が供給される混合管と、
   前記混合管の内壁面から対向する内壁面側に向かって突出して、前記混合管内の流路の一部を遮断する混合促進板と
   を具備し、
   前記混合促進板は、前記混合管内に一つだけ設けられ、
   前記混合管内の流路において、前記混合促進板が設けられているところの流路の開口率が０．６０〜０．８５であることを特徴とする気体混合装置。
2. 前記混合促進板が、前記混合管の下半側の内壁面から上半側に突出していることを特徴とする請求項１記載の気体混合装置。
3. 前記混合促進板が、前記混合管の上半側の内壁面から下半側に突出していることを特徴とする請求項１記載の気体混合装置。
4. 前記混合管の入口から前記混合促進板までの距離をＬとし、前記混合管内の流路断面に係る代表長さをＤとしたとき、Ｌ／Ｄの値が０〜２であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気体混合装置。
5. 前記混合促進板から前記混合管の出口までの距離をＭとし、前記混合管内の流路断面に係る代表長さをＤとしたとき、Ｍ／Ｄの値が３〜５であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の気体混合装置。
6. 前記混合管の流路の断面形状が円形であって、前記代表長さＤが、前記混合管の流路の内径であることを特徴とする請求項４または５記載の気体混合装置。
7. 前記混合管の流路の断面形状が矩形であって、前記代表長さＤが、前記矩形の対角線の長さであることを特徴とする請求項４または５記載の気体混合装置。

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