JP6921664B2 - 水素トーチ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水素トーチに関する。

オリンピックで用いられる聖火トーチや国体で用いられる炬火トーチなどのトーチは、その先端側に火炎が形成される。トーチランナは、火炎の形成されたトーチの基端側を手で持ちながら走り、トーチをリレーする。

このようなトーチとしては、火炎の燃料として例えば気体状態の水素が吸蔵された水素吸蔵合金を燃料タンク内に備える水素トーチなどが知られている。水素吸蔵合金に吸蔵されている水素は、燃料タンク内から燃料流路を介して水素トーチの先端に設けられたノズルに供給され、このノズルの先端側に火炎を形成する。

特許第４１７７９２５号公報

ここで、上記した水素吸蔵合金は、温度に対する依存性が高く、例えば温度が大きく低下した際には水素の吸蔵作用なども生じ、このような場合、ノズル側への必要な水素の供給量を確保できないおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、水素燃料の供給の安定化を図ることができる水素トーチを提供することである。

実施の形態に係る水素トーチは、筒状の筐体、水素タンク、ノズル、バルブ、水素供給流路及び伝熱部材を備えている。水素タンクは、筐体内に設けられており、水素燃料を収容する。ノズルは、筐体の先端部分に設けられており、水素燃料を噴出させる。バルブは、筐体内においてノズルとの間で水素タンクを挟む位置に配置されている。水素供給流路は、水素タンクからバルブを経由しつつノズルへとつながる。伝熱部材は、ノズルの先端側に形成される火炎の熱を水素タンクへと伝熱する。

第１の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 図１の水素トーチを先端側から観た図。 図１の水素トーチが備えた伝熱部材の先端部分の構造を概略的に示す図。 第２の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 第３の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 第４の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 第５の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 図７の水素トーチが備えた口径拡縮部材の構造を示す図。 第６の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 図９の水素トーチを先端側から観た図。 第７の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 図１１の水素トーチを先端側から観た図。 第８の実施形態に係る水素トーチの構成を模式的に示す図。 図１３の水素トーチが備えたリング状部材の直径が縮小された状態を模式的に示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施形態に係る水素トーチ１０の構成を模式的に示す図であり、図２は、水素トーチ１０を先端側から観た図である。なお、図２では、水素トーチ１０が備える筐体１２の図示を省略している。また、図３は、水素トーチ１０が備えた伝熱部材１５の先端部分の構造を概略的に示す図である。

図１、図２に示すように、水素トーチ１０は、上記した筐体（ケーシング）１２、円柱状の水素タンク１８、ノズル１７、着色部材１６、バルブ１９、水素供給流路１４及び上記した伝熱部材１５を備えている。筐体２は、筒状に構成されている。筐体１２の先端部（上端部）側は開口し、基端部（下端部）側は閉鎖されている。筐体１２の基端部側は、トーチランナが手で持つグリップ部となる。なお、筐体１２の基端部側を閉鎖させる構成に代えて、筐体１２の基端部側に開口（逃げ穴）を設けてもよい。筐体１２の基端部側に開口を設けることにより、配管（水素供給流路１４）の破損時などにおいて、水素トーチ１０が例えば天地逆向きに持たれた場合でも、筐体１２内に水素が滞留してしまうことを回避できる。

筐体１２は、基端側筐体部１２ａと先端側筐体部１２ｂとの２ピース構造をなしている。先端側筐体部１２ｂは、その先端側が筐体２の中心側に傾けられた形状（略円錐台形状）を有する。なお、この構成に代えて、先端側筐体部は、その先端側が当該筐体２の直径が拡大する方向に傾けられた形状（略逆円錐台形状）を成していてもよい。水素トーチ１０の内部部品を主に基端側筐体部１２ａ内に収容した後、基端側筐体部１２ａに対して先端側筐体部１２ｂが接合されて筐体１２が構成される。

水素タンク１８は、水素トーチ１０の燃料となる水素燃料を収容している。水素タンク１８は、この水素燃料として、気体状態の水素（水素ガス）を吸蔵した水素吸蔵合金を収容している。水素吸蔵合金として、マグネシウム合金などを選択することができる。なお、これに代えて、水素タンク１８は、液体の水素や気体状態の水素を収容している高圧タンクや低圧タンクなどで構成されていてもよい。

ノズル１７は、筐体１２の先端部分に設けられており、水素燃料を噴出させる。ノズル１７は、水素燃料の出口である最先端部に、単一の孔を備えた単孔ノズルや、複数の孔を備えた多孔ノズルなどを使用することができる。多孔ノズルの場合、ノズル先端面を閉鎖して、ノズル先端側側面に噴出孔が形成されていてもよい。また、ノズル１７は、２重管によって形成される環状の噴出口を有するものであってもよい。

図１に示すように、着色部材１６は、ノズル１７の先端側に設けられている。着色部材１６は、炎色反応によって火炎１１を着色する。具体的には、着色部材１６は、炎色反応にて火炎を着色可能な試薬が焼結された着色試薬網などで構成されている。なお、着色部材１６を設けることに代えて、炎色反応物質を材料として適用したノズルを構成してもよい。

図１に示すように、バルブ１９は、筐体１２内においてノズル１７との間で水素タンク１８を挟む位置に配置されている。水素供給流路１４は、例えば配管などで構成されており、水素タンク１８からバルブ１９を経由しつつノズル１７へとつながる。水素供給流路１４の上流側の端部（一端部）は、筐体１２の後端（基端）側から水素タンク１８につなげられている。一方、水素供給流路１４の下流側の端部（他端部）は、ノズル１７につなげられている。

バルブ１９は、水素供給流路１４内を通る水素の流れをオン（開通）、オフ（遮断）する例えばボールバルブである。ここで、図１に示すように、筐体１２には、バルブ１９を開閉操作するためのアクセス部１２ｃが設けられている。アクセス部１２ｃは、筐体１２の外側から筐体１２内のバルブ１９を、例えば六角レンチなどで回すための開口部として構成されていてもよい。またこれに代えて、アクセス部１２ｃは、筐体１２内のバルブ１９を回すために、筐体１２の外形部分に取り付けたツマミ（ダイアル）などとして構成されていてもよい。さらにこれに代えて、バルブ１９の開閉操作は、例えばセンサなどの外部からの出力信号に基づいて電子的に制御されてもよい。

図１、図２に示すように、伝熱部材１５は、筐体内においてノズル１７（及び着色部材１６）の先端側に形成される火炎１１の周縁側から水素タンク１８側へ架け渡されており、火炎の熱を水素タンク１８へと伝熱する。伝熱部材１５は、筐体１２内に複数個設けられている。筐体１２内には、例えば３つの伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃが設けられている。なお、伝熱部材１５は、例えば４つ以上設けられていてもよい。

上記した伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、例えばウィックや作動流体を内蔵する板状の湾曲したヒートパイプなどによって構成されている。また、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、ヒートパイプに代えて、湾曲した銅板によって構成することも可能である。

図１、図２に示すように、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、筐体１２の軸心の周りを水素タンク１８の外側から包囲（水素タンク１８の例えば外周面に密着）するように配置されている。さらに、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、火炎１１の周縁側から水素タンク１８側へと、筐体１２のほぼ軸方向（長さ方向）に沿って、それぞれ架け渡されている。

また、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、火炎１１の周縁側に向けられている先端部分が、火炎１１の中心側にそれぞれ傾けられた形状を有する。さらに、図３に示すように、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、前記の傾けられた先端部分から火炎１１側に向けて突出するフィン１５ｄを備えている。このような構成により、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃ（伝熱部材１５）は、火炎１１の熱を水素タンク１８へ効率良く伝達することができる。

また、図１に示すように、バルブ１９は、上記したように、筐体１２内においてノズル１７との間で水素タンク１８を挟む位置に配置されている。つまり、ノズル１７と水素タンク１８との間の位置にバルブ１９が存在しないことから、ノズル１７と水素タンク１８とを近接して配置し、これに伴い、伝熱部材１５ａ、１５ｂ、１５ｃの長さを短くすることができ、火炎１１の熱を効率的に水素タンク１８側へ伝達できる。

次に、水素トーチ１０の作用について説明する。水素供給流路１４上のバルブ１９を開くことによって、水素タンク１８からバルブ１９を経由して水素燃料が、ノズル１７側へと供給される。水素燃料は、ノズル１７の先端部から着色部材１６を介して筐体１２の外部へ噴出する。ノズル１７の先端側に点火源を近付けて、空気中に拡散する水素燃料に点火する。これによって、水素と大気中の酸素とによる拡散燃焼を生じ、図１に示すように、ノズル１７の先端側には、火炎（拡散火炎）１１が形成される。

ここで、水素タンク１８内の例えば水素吸蔵合金などは、温度に対する依存性が高く、例えば温度が大きく低下した際には水素の吸蔵作用などが生じる可能性があるものの、上述したように、本実施形態の水素トーチ１０では、火炎１１の熱を効率良く水素タンク１８側へ伝達できるので、水素吸蔵合金の温度の低下などを抑制することができる。これにより、所望の量の水素燃料が水素タンク１８内から水素供給流路１４へ吐出される。したがって、本実施形態の水素トーチ１０によれば、水素燃料の供給の安定化を図ることができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図４に基づき説明する。なお、図４において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図４に示すように、本実施形態に係る水素トーチ２０は、第１の実施形態に係る水素トーチ１０の構成に加え、オリフィス部材（オリフィス板）２１をさらに備えている。

オリフィス部材２１は、水素供給流路１４上における水素タンク１８とバルブ（ボールバルブ）１９との間に介在されており、水素供給流路１４の口径をオリフィス（穴）によって絞る。したがって、本実施形態の水素トーチ２０によれば、バルブ１９の開放直後（火炎の点火直後）に必要以上の水素燃料が流れ出すことを、オリフィスでの圧力損失によって抑えることができ、これにより、水素燃料を安定的に供給することが可能となる。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態を図５に基づき説明する。なお、図５において、図４に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図５に示すように、本実施形態に係る水素トーチ３０は、第２の実施形態に係る水素トーチ２０の構成に加え、圧力レギュレータ（調圧器）３１をさらに備えている。

圧力レギュレータ３１は、水素供給流路１４上における水素タンク１８とオリフィス部材２１との間に介在されている。したがって、本実施形態の水素トーチ３０では、水素燃料が流れる水素供給流路１４内の圧力（高圧）を、圧力レギュレータ３１によって、所望の圧力へ下げる（調整）することができ、水素燃料の供給のさらなる安定化を図ることが可能となる。

＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態を図６に基づき説明する。なお、図６において、図５に示した第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図６に示すように、本実施形態に係る水素トーチ４０は、第３の実施形態に係る水素トーチ３０のオリフィス部材２１に代えて、ニードルバルブ４１を備えている。

ニードルバルブ４１は、水素供給流路１４上における圧力レギュレータ３１とバルブ（ボールバルブ）１９との間に介在されている。本実施形態の水素トーチ４０によれば、圧力を固定的に変更するオリフィス部材２１に代えて、圧力の大きさを調整できるニードルバルブ４１を備えていることで、安定した水素燃料の供給が可能となる。

＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態を図７、図８に基づき説明する。なお、図７において、図５に示した第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図７、図８に示すように、本実施形態に係る水素トーチ５０は、第３の実施形態に係る水素トーチ３０のオリフィス部材２１に代えて、口径拡縮機構５１を備えている。口径拡縮機構５１は、口径拡縮部材５４及び支持部材５２、５３を有している。

口径拡縮機構５１は、筐体１２内でノズル１７と水素タンク１８との間に挟まれた位置における水素供給流路１４上に設けられている。具体的には、口径拡縮機構５１が備える口径拡縮部材５４は、水素供給流路１４の内部にリング状の支持部材５２、５３を介して固定されている。口径拡縮機構５１は、実質的に、水素供給流路１４内の口径を、温度の上昇に応じて拡大させる一方で温度の減少に応じて縮小させる。

詳述すると、口径拡縮部材５４は、温度に応じて形状の変化する形状記憶合金を材料としている。口径拡縮部材５４は、リング状に構成されている。リング状の口径拡縮部材５４の内側穴５４ａは、水素供給流路１４の口径及びリング状の支持部材５２、５３の内側穴よりも穴径を小さくして構成されている。

このような口径拡縮部材５４は、火炎１１の例えば点火前や点火後における水素燃料の吐出量を制御するために、火炎１１が大きくノズル１７の近傍が比較的高温の場合には、水素供給流路１４の口径を実質的に拡大（流路の開度を大きく）させるように動作し、一方、火炎１１が小さくノズル１７の近傍が比較的低い温度の場合には、水素供給流路１４の口径を実質的に減少させるように動作する。

したがって、本実施形態の水素トーチ５０においても、水素燃料の供給の安定化を図ることが可能となる。

＜第６の実施の形態＞
次に、第６の実施の形態を図９、図１０に基づき説明する。なお、図９において、図５に示した第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図９、図１０に示すように、本実施形態に係る水素トーチ６０は、第３の実施形態に係る水素トーチ３０が備えていた水素タンク１８、伝熱部材１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）、水素供給流路１４に代えて、円柱状の水素タンク６８ａ、６８ｂ、６８ｃ及び伝熱部材６５（６５ａ、６５ｂ、６５ｃ）、水素供給流路６４を備えている。

図９、図１０に示すように、水素トーチ６０では、水素タンクは、筐体１２内に複数個（例えば３つ）設けられている。３つの水素タンク６８ａ、６８ｂ、６８ｃは、筐体１２の軸心の周りを包囲するように配置されている。また、伝熱部材６５は、筐体１２内に複数個（例えば３つ）設けられている。３つの伝熱部材６５ａ、６５ｂ、６５ｃは、筐体１２の軸心の周りを個々の水素タンク６８ａ、６８ｂ、６８ｃの外側から包囲（各タンクの外周にそれぞれ密着）するように配置されている。

さらに、伝熱部材６５ａ、６５ｂ、６５ｃは、火炎１１の周縁側から個々の水素タンク６８ａ、６８ｂ、６８ｃ側へ、筐体１２のほぼ軸方向（長さ方向）に沿ってそれぞれ架け渡されている。また、水素供給流路６４は、個々の水素タンク６８ａ、６８ｂ、６８ｃから合流して少なくともバルブ１９（圧力レギュレータ３１及びオリフィス部材２１及びバルブ１９）を経由しつつノズル１７へとつながる。

したがって、本実施形態の水素トーチ６０では、風などの影響で火炎１１が、筐体１２の径方向に傾いている場合などでも、伝熱部材６５ａ、６５ｂ、６５ｃのうちのいずれかが、対応する水素タンクへ、上記の傾いた火炎１１の熱を効率的に伝達できるので、このようにして伝熱された水素タンクから水素燃料を安定的に供給することが可能となる。

＜第７の実施の形態＞
次に、第７の実施の形態を図１１、図１２に基づき説明する。なお、図１１において、図９に示した第６の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図１１、図１２に示すように、本実施形態に係る水素トーチ７０は、第６の実施形態に係る水素トーチ６０が備えていた伝熱部材６５（６５ａ、６５ｂ、６５ｃ）に代えて、伝熱部材７５（７５ａ、７５ｂ、７５ｃ）を備えている。

複数の伝熱部材７５ａ、７５ｂ、７５ｃは、火炎１１の周縁側に向けられている先端部分の長さ（伝熱部材７５ａ、７５ｂ、７５ｃの全長）が、それぞれ異なっている。したがって、本実施形態の水素トーチ７０によれば、バルブ１９の開放直後（火炎の点火直後）の状況やバルブ１９を開放してからある程度時間が経過した状況において、火炎１１の長さ（高さ）が変化する場合でも、先端部分の長さ（全長）が異なる伝熱部材７５ａ、７５ｂ、７５ｃのうちのいずれかが、対応する水素タンクへ、上記の傾いた火炎１１の熱を効率良く伝達できるので、このようにして伝熱された水素タンクから、安定した水素燃料の供給が可能となる。

＜第８の実施の形態＞
次に、第８の実施の形態を図１３、図１４に基づき説明する。なお、図１３、図１４において、図５に示した第３の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図１３、図１４に示すように、本実施形態に係る水素トーチ８０は、第３の実施形態に係る水素トーチ３０のオリフィス部材２１に代えて、リング状部材８１を備えている。

リング状部材８１は、温度に応じて形状を変化させる形状記憶合金によって構成されている。リング状部材８１は、複数の伝熱部材１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）の各先端部分を外周側から束ねるようにして嵌め込まれ、温度の上昇に応じて直径（内径部分）を拡大させる一方で温度の減少に応じて直径を縮小させる。

つまり、本実施形態に係る水素トーチ８０では、図１４に示すように、例えば火炎１１が小さく（細く）ノズル１７の近傍が、比較的低温である場合には、リング状部材８１の直径が縮小することによって、伝熱部材１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）の各先端部分に火炎１１近付くことになる。一方、火炎１１が大きく（太く）ノズル１７の近傍が、比較的高温である場合には、図１３に示すように、リング状部材８１の直径が拡大することによって、伝熱部材１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）の各先端部分が火炎１１から遠ざかることになる。

したがって、本実施形態に係る水素トーチ８０によれば、リング状部材８１の拡大動作及び縮小動作と連動する伝熱部材１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を通じて、火炎１１の熱を効率良く水素タンク１８に伝達できるので、水素燃料の供給の安定化を図ることができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、水素燃料の供給の安定化を図ることができる。

以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０…水素トーチ、１１…火炎、１２…筐体、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，６５，６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，７５，７５ａ，７５ｂ，７５ｃ…伝熱部材、１８，６８ａ，６８ｂ，６８ｃ…水素タンク、１４，６４…水素供給流路、１５ｄ…フィン、１６…着色部材、１７…ノズル、１９…バルブ（ボールバルブ）、２１…オリフィス部材、３１…圧力レギュレータ、４１…ニードルバルブ、５１…口径拡縮機構、５４…口径拡縮部材、８１…リング状部材。

Claims (8)

1. 筒状の筐体と、
   前記筐体内に設けられ、水素燃料を収容する水素タンクと、
   前記筐体の先端部分に設けられ、前記水素燃料を噴出させるノズルと、
   前記筐体内において前記ノズルとの間で前記水素タンクを挟む位置に配置されたバルブと、
   前記水素タンクから前記バルブを経由しつつ前記ノズルへとつながる水素供給流路と、
   前記ノズルの先端側に形成される火炎の熱を前記水素タンクへと伝熱する伝熱部材と、
   を備える水素トーチ。
2. 前記水素供給流路の上流側の端部は、前記筐体の後端側から前記水素タンクにつなげられている、
   請求項１に記載の水素トーチ。
3. 前記伝熱部材は、前記火炎側に向けて突出するフィンを有する、
   請求項１又は２に記載の水素トーチ。
4. 前記水素供給流路上に圧力レギュレータをさらに備える、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の水素トーチ。
5. 前記水素供給流路の口径を絞るオリフィス部材をさらに備える、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の水素トーチ。
6. 前記水素供給流路上にニードルバルブをさらに備える、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の水素トーチ。
7. 前記水素タンクは、前記筐体内に複数個設けられていると共に、複数個のこれらが前記筐体の軸心の周りを包囲するように配置され、
   前記伝熱部材は、前記筐体内に複数個設けられていると共に、複数個のこれらが前記筐体の軸心の周りを個々の水素タンクの外側から包囲するように配置され、かつ前記火炎の周縁側から前記個々の水素タンク側へそれぞれ架け渡されており、
   前記水素供給流路は、前記個々の水素タンクから合流して少なくとも前記バルブを経由しつつ前記ノズルへとつながる、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の水素トーチ。
8. 前記複数の伝熱部材は、前記火炎の周縁側に向けられている先端部分の長さが、それぞれ異なっている、
   請求項７に記載の水素トーチ。

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