JP2020008244A - 水素燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の色を放つ大きな水素炎を長時間にわたって燃焼させることが手間をかけずにできるようにする。【解決手段】水素を燃焼させて水素炎Ｆを発するバーナ１５と、水素炎Ｆを着色する着色部１７を備えた水素燃焼装置１１において、着色部１７に、バーナ１５に隣接する位置に設けられて、炎色反応を呈する着色液を噴霧する噴霧ノズル７１を備える。噴霧ノズル７１の径方向の周囲には、噴霧ノズル７１が噴霧する際に生じる空気巻き込み流路に位置する鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４を備えて、空気巻き込み流路を遮断する。【選択図】図３

Description

この発明は、透明の水素炎を視認できるように燃焼させる水素燃焼装置に関する。

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。

水素炎の着色は、下記特許文献１のように、バーナノズルの先端に炎色反応を呈する塩類を保持して行うものがある。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が可視光を放つ。

しかし、炎色反応を呈する塩類が円筒状のノズルの先端に保持された構造であるため、火炎の外炎部のみが着色して見える。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で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、長時間にわたって発色を維持させることは困難である。このため、イベントにおいて演出目的で大きな水素炎を見せることはできなかった。

このため、下記特許文献２のように、炎色反応を呈する発色材を担持した多孔質体からなる発色部材を、水素炎の発せられる方向の先に置いた水素炎着色装置を提案した。この装置は、所望の色を放つ大きな水素炎を長時間にわたって燃焼させることができ、イベント等において使用するのに好適なものである。

しかしながら、発色部材を得たうえで、それを運搬したり装置に仕込んだり交換したりする管理作業が必要であって、使用しにくい場合があった。

特公昭５９−３３８０５号公報 特許第６２２５２１９号公報

そこでこの発明は、所望の色を放つ大きな水素炎を長時間にわたって燃焼させることが、手間をかけずに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、前記水素炎を着色する着色部を備えた水素燃焼装置であって、前記着色部に、前記バーナに隣接する位置に設けられて、炎色反応を呈する着色液を噴霧する噴霧ノズルを備え、前記噴霧ノズルの径方向の周囲に、前記噴霧ノズルが噴霧する際に生じる空気巻き込み流路に位置する巻き込み抑制手段を備えた水素燃焼装置である。

この構成では着色部の噴霧ノズルから噴霧された着色液は、周囲の空気を巻き込みながら霧となって適宜の噴霧角で以て飛散する。このときに巻き込み抑制手段が、噴霧に際して生じる空気巻き込み流路に位置して、巻き込む空気の流れを遮断したり減速させたり、空気の量を低減させたりして、空気の巻き込みを抑制する。これにより、噴霧角の狭まりが抑制され、または噴霧角が広げられて広角の噴霧がなされる。噴霧された着色液は、バーナから発せられた水素炎と接触・加熱され炎色反応を呈して水素炎を着色する。

以上のように、この発明によれば、着色液の広角な噴霧ができるので、着色液と水素炎の接触を広範囲に及ぼすことができる。このため、所望の色を放つ大きな水素炎を得ることが可能である。しかも、水素炎の着色は、着色液の噴霧で行うので、着色した燃焼状態を長時間にわたって継続させることができる。また、多孔質体からなる発色部材を用いる場合とは異なり、着色液を供給できればどこでも使用でき、取扱いが容易である。

水素燃焼装置の一部破断正面図。 水素燃焼装置の斜視図。 作用状態を示す説明図。 バーナの斜視図。 作用状態を示す説明図。 試験方法を示す説明図。 試験で用いる巻き込み抑制手段の平面図と断面図。 他の例に係る巻き込み抑制手段の平面図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１に、燃焼状態にある水素燃焼装置１１の一部破断正面図を示している。この水素燃焼装置１１は、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、かがり火などの火炎Ｆａを灯す装置として好適に用いられる。

水素燃焼装置１１は、外装体１２の内部に備えられている。外装体１２は適宜の形状に形成されており、上面が開口した形状である。水素燃焼装置１１は、図２にも示したように、外装体１２内に形成された平面視円形の隔壁１３で囲まれた内側に設けられ、水素を燃焼させて水素炎Ｆ（図３参照）を発するバーナ１５と、水素炎Ｆを着色する着色部１７を備えている。

バーナ１５は円筒状であり、平面視円形の炎口５１を上に向けている。このようなバーナ１５を複数備え、これらバーナ１５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。具体的には円を描く円周部１５Ａと、円周部１５Ａの内側に位置して十文字を描く内側部１５Ｂを有している。複数のバーナ１５によって形成される円形の面の大きさは、外装体１２の収容空間１２ａの上部における隔壁１３に収まる大きさである。バーナ１５には適宜の径の炎口５１を有するものが使用され、バーナ１５の数や配置間隔は、全体として所望の大きさの水素炎Ｆが得られるように適宜設定される。

すべてのバーナ１５にはガス供給管５２から水素が供給される。水素は、バーナ１５を出るまで水素１００ｖｏｌ％の状態で供給され、バーナ１５において拡散燃焼する。

またバーナ１５には、上端の炎口５１の噴射方向に、図４に示したように間隔をあけて邪魔板５３を備えるとよい。邪魔板５３は水素炎Ｆの出る方向や態様を、邪魔板５３なしの場合と異なるものとする。

図４の（ａ）に示した邪魔板５３ａは、図５に示したように主に水素炎Ｆの出る方向に変化を付けるものであって、バーナ１５の炎口５１に斜めの姿勢で対向する円板で構成されており、支持金具５４でバーナ１５に保持されている。邪魔板５３ａの角度や大きさは適宜設定される。

図４の（ｂ）に示した邪魔板５３ｂは、主に水素炎Ｆの出方に変化を付けるものであって、バーナ１５の炎口５１に真っ直ぐに対峙する板状であり、支持金具５４でバーナ１５に保持されている。邪魔板５３ｂの大きさや形状は適宜設定される。図４の（ｂ）に示した邪魔板５３ｂは円板形状であり、平面視で炎口５１を塞ぐ大きさに形成されている。水素炎Ｆは、矢印で示したように、支持金具５４を有する部位を除く全周から上方へ上がることになる。

着色部１７は、炎色反応を呈する着色液を噴霧する噴霧ノズル７１で構成され、バーナ１５に隣接する位置に複数設けられる。噴霧ノズル７１は円環状に配設された複数の噴霧口７１ａを有しており、噴霧口７１ａを上に向けて備えられる。

着色部１７の配設位置は、バーナ１５に囲まれた位置であって、この例では、複数のバーナ１５が形成する円周部１５Ａと内側部１５Ｂの間の４箇所に配設されている。噴霧ノズル７１には、図３に概略構造を示したように、着色液を貯蔵するタンク７２が、給液路７３を介して接続されており、噴霧ノズル７１からは適宜の圧搾空気圧力と適宜の液圧力で噴霧がなされるように構成されている。

給液路７３には少なくとも１個のタンク７２が備えられる。複数のタンク７２を備える場合には、タンク７２には、それぞれ異なる色の炎色反応を示す着色液が貯蔵されるとよい。そしてこの場合、給液路７３には供給する着色液を切り替える電磁弁等からなる適宜の切り替え手段（図示せず）が備えられる。

着色液の例をあげると、黄色に着色するためには炭酸ナトリウムを、青紫色に着色するためは炭酸セシウムを、赤色に着色するには炭酸リチウムを、赤紫色に着色するには炭酸カリウムを、緑色に着色するにはホウ酸アンモニウムを、橙色に着色するには酢酸カルシウムを水溶液にしたものが用いられる。このように着色液に、主に炭酸塩を用い、従来のような塩化物を用いないので、燃焼によって発生する有害な塩素系ガスや微小粒子状物質を抑制できる。

噴霧ノズル７１の径方向の周囲には、噴霧ノズル７１が噴霧する際に生じる空気巻き込み流路に位置する巻き込み抑制手段７４が設けられている。空気巻き込み流路は、図３に矢印で示したように、主に噴霧ノズル７１の外周面に形成され、空気巻き込み流路の空気は噴霧ノズル７１の先端の噴霧口７１ａに向けて流れる。

巻き込み抑制手段７４は、外周方向に張り出す形状の鍔状部７４ａ又は外周を囲む形状の壁状部の少なくとも一方で構成される。図１、図２、図３に示した巻き込み抑制手段７４は鍔状部７４ａである。鍔状部７４ａは、適宜大で適宜形状の板状であり、空気巻き込み流路において、噴霧ノズル７１の外周面に沿って噴霧口７１ａ方向に移動する空気を遮断するとともに、外周方向から流入する巻き込み空気を減少させる。

図示例の鍔状部７４ａは円板形状であり、噴霧ノズル７１の先端の噴霧口７１ａよりも反噴霧方向側であって噴霧口７１ａに近接した位置に備えられている。

このような巻き込み抑制手段７４によって、噴霧ノズル７１から噴霧される着色液の噴霧角の狭まりが抑制され、または噴霧角が広げられて広角の噴霧がなされる（このような噴霧角の狭まりの抑制と噴霧角の広げを、以下、「噴霧角の広角化」という）。この結果、噴霧ノズル７１による噴霧範囲（噴霧径または噴霧幅）が広くなる。
このことを検証するため、次のような複数の試験を行った。

図６に示したように噴霧ノズル７１を上方に向けて水を噴霧し、種々の条件で噴霧角θ°を調べた。

噴霧ノズル７１には、加圧式二流体の形式のものを使用した。具体的には、株式会社いけうち製の空円錐ノズルＢＩＭＫ６００４を用い、液（水）圧力を０．１ＭＰａ（大気圧基準。以下同じ）とした。

この噴霧ノズル７１を用いて水を噴霧して、図６に示したように噴霧口７１ａから１００ｍｍ先の位置での噴霧径Ｌｍｍを測定し、これに基づいて噴霧角θ°を算出する。演算式は次のとおりである。
θ＝２・ａｒｃｔａｎ（ｂ／ａ）
ここで、ａは、噴霧口７１ａから噴霧径Ｌｍｍを測定する位置までの距離＜１００＞であり、ｂは噴霧径Ｌｍｍの半分＜Ｌ／２＞である。

次に試験内容を示す。
＜試験１＞ 噴霧ノズル７１の圧搾空気圧力ＭＰａ（０．２、０．３、０．４）と巻き込み抑制手段７４、ここでは図７の（ａ）に示す平面視円形の鍔状部７４ａ（径φ１００ｍｍ）の有無。
＜試験２＞ 巻き込み抑制手段７４、ここでは図７の（ａ）に示す鍔状部７４ａの有無と鍔状部７４ａ（径φ１００ｍｍとφ１２０ｍｍ）の噴霧ノズル７１の噴霧口７１ａを基準とした高さ。

ただし、図６に示したように、噴霧口７１ａを有する部位の全体を露出して噴霧口７１ａから数ｍｍ下を「高」とし、「高」位置よりも４ｍｍ低い位置を「中」とし、「中」位置よりも８ｍｍ低い位置を「低」とする。高位置、中位置、低位置は、鍔状部７４ａの上面の位置である。
＜試験３＞ 巻き込み抑制手段７４、ここでは鍔状部７４ａの有無と鍔状部７４ａの径φｍｍ（２０、３０、４０、５０、６０、７０、９０、１００、１２０）。
＜試験４＞ 巻き込み抑制手段７４、具体的には図７の（ｂ）に示す鍔状部７４ａと、鍔状部７４ａ（径φ１００ｍｍ）における噴霧ノズル７１の噴霧方向側の面の外周縁で外周を囲む短円筒形状の壁状部７４ｂを有するものの、壁状部７４ｂの高さｈｍｍ（１５、２０、３０）と壁状部７４ｂの有無。

ただし、図７の（ｂ）に示したように、壁状部７４ｂの高さｈｍｍは鍔状部７４ａの上面からの高さである。

各試験の結果はつぎのとおりである。

＜試験１＞
圧搾空気圧は、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａの３種類で行った。鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４（径φ１００）の噴霧口７１ａからの高さは「高」位置とした。

その結果、表１に示したように、鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４なしの場合、圧搾空気圧が０．２ＭＰａの場合には噴霧角は５３°であり、０．３ＭＰａの場合も噴霧角は５３°である。０．４ＭＰａの場合には噴霧角は狭くなり４３°であった。

一方、鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４（径φ１００）を有する場合は、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．４ＭＰａの場合においてそれぞれ、８４°、７７°、７７°であった。

このことから、噴霧ノズル７１の圧搾空気圧が小さいほど噴霧角が大きくなることと、鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４を備える方が噴霧角を大きくできることがわかる。ただし、圧搾空気圧を下げると噴霧量も大きくなる。

＜試験２＞
圧搾空気圧は０．３ＭＰａで行った。鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４の噴霧口７１ａからの高さは「高」位置とした。

その結果、表２に示したように、鍔状部７４ａの径φが１００ｍｍの場合には、位置が「高」であると噴霧角が７７°で、「中」であると６１°、「低」であると５３°であった。鍔状部７４ａの径φが１２０ｍｍの場合には、位置が「高」であると噴霧角が７７°、「中」、「低」となるとそれぞれ７０°、６１°となった。

このことから、鍔状部７４ａからなる巻き込み抑制手段７４の高さ（取り付け位置）が、噴霧ノズル７１の噴霧口７１ａに近いほど、噴霧角が大きくなることが判る。

また、試験１における結果と照らし合わせると、圧搾空気圧０．３ＭＰａで鍔状部７４ａなしの場合に噴霧角が５３°であって、表２の径φ１００ｍｍの鍔状部７４ａで取り付け位置「低」の場合の噴霧角と同じであることが判る。このことから、鍔状部７４ａが径φ１００ｍｍで取り付け位置が「低」の場合には噴霧角の広角化にはほとんど寄与しないと判断できる。

＜試験３＞
圧搾空気圧は０．３ＭＰａで、鍔状部７４ａの取り付け位置は「高」で行った。

その結果、表３に示したように、鍔状部７４ａなしの場合には噴霧角が５３°で、鍔状部７４ａの径φが２０ｍｍの場合には噴霧角が６１°となった。以下同様に、径φ３０ｍｍ、径φ４０ｍｍ、径φ５０ｍｍ、径φ６０ｍｍの場合に噴霧角は７０°であり、径φ７０ｍｍ、径φ９０ｍｍ、径φ１００ｍｍ、径φ１２０ｍｍの場合に噴霧角は７７°であった。

このことから、少なくとも鍔状部７４ａの取り付け位置が「高」の場合には、鍔状部７４ａの径が大きいほど、噴霧角が大きくなることが判る。

＜試験４＞
圧搾空気圧は０．３ＭＰａで、鍔状部７４ａの取り付け位置は「高」で行った。

その結果、表４に示したように、壁状部７４ｂなし（ｈ＝０ｍｍ）の場合は、噴霧角が７７°であって、１５ｍｍの場合には９５°、２０ｍｍの場合には１００°、３０ｍｍの場合にも１００°であった。３０ｍｍの場合には、噴霧液が壁状部７４ｂに衝突した結果、巻き込み抑制手段７４内に液溜まりが見られた。

このことから、壁状部７４ｂを有し、壁状部７４ｂが高い方が、噴霧角が大きくなることが判る。また、壁状部７４ｂの高さが高くなると、噴霧液が壁状部７４ｂに衝突して巻き込み抑制手段７４内に液溜まりが発生するので、壁状部７４ｂの高さは噴霧角を考慮して設定すると良いことも判る。

以上の試験結果から、巻き込み抑制手段７４によって、噴霧ノズル７１の噴霧角の広角化が図れるといえる。

以上のような巻き込み抑制手段７４を備えた着色部１７では、噴霧角の広角化がはかれるので、噴霧範囲を拡大することができ、水素炎Ｆの着色が広く確実に行える。このため、火炎Ｆａを大きく見せることができるとともに、炎色濃度を向上させることもでき、図１に示したように、所望の色を放つ大きな火炎Ｆａを得ることが可能である。

しかも、水素炎Ｆの着色は着色液の噴霧で行うので、着色液の供給が続く限り長時間にわたって着色した燃焼状態を継続させることができる。また、多孔質体からなる発色部材を用いる場合には、固形物であるので運搬や装置に対する仕込みなども必要であるが、本発明では液体の着色液を用いるので、着色液を供給できればどこでも使用でき、取扱いが容易である。
上記試験では、空円錐状で噴霧するノズルを使用したが、扇形状や充円錐状等で噴霧するノズルを使用しても良い。扇形状で噴霧するノズルの場合には、水素燃焼装置１１外へ着色液を噴霧することを低減できる。また、着色液を水素炎に対してより絞った形で噴霧できることから、バーナとの位置関係により一対バーナのみ着色することもでき、空円錐状のものと異なる水素炎Ｆの演出を行うことができる。

複数種類の着色液を備えた場合には、給液路７３の切り替えだけで火炎Ｆａの色の変更も容易である。このため、火炎Ｆａによる演出が効果的に行える。

また、噴霧ノズル７１は、複数備えられたバーナ１５に囲まれて設けられているうえに、噴霧ノズル７１は着色液を広角に噴霧するので、この点からもバーナ１５から発せられる水素炎Ｆを効果的に着色できる。
上記とは反対に、バーナを囲むように噴霧ノズルを配置しても良い。この場合、同種又は異なる種類の着色液を同時或は連続的に変化させることで、より多様な水素炎Ｆの着色を行うことができる。

水素炎Ｆを発するバーナ１５の炎口５１の噴射方向に邪魔板５３を備えた場合には、水素炎Ｆを噴霧ノズル７１側に移行させて噴霧された着色液との接触を促したり、発せられる水素炎Ｆの動きに変化を付けたりして、所望の態様の火炎Ｆａを得ることができる。

以上の構成はこの発明を実施するための一形態であって、この発明は前述の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することもできる。

例えば巻き込み抑制手段７４は、バーナ１５下部からの空気の巻き込みを低減できれば壁状部７４ｂのみで構成することもできる。壁状部７４ｂの形状は、前述の円筒状の他、角筒状、横断面形状が略円錐、台形、丸底などの他の形状にすることもできる。

また、巻き込み抑制手段７４の鍔状部７４ａは、前述のような平面視円形のほか、例えば図８に示したような様々な形状にすることができる。図８の（ａ）は平面視方形の鍔状部７４ａであり、図８の（ｂ）は、雲形定規のように曲線で囲まれた平面視雲形の鍔状部７４ａである。外形を様々にするほか、図８の（ｃ）に示したように、適宜位置に細長い三角形状のスリット７５を有する鍔状部７４ａとしてもよい。スリット７５を有する部位では、噴霧角の広角化が図れないので、周方向で部分的に噴霧の態様に変化を付けることができる。スリット７５の位置を噴霧口７１ａに対応させると、濃密な噴霧になりやすい部位の希薄化を図ることもできる。

バーナ１５に備える邪魔板５３は、すべてのバーナ１５に備えるほか、部分的に備えてもよい。

１１…水素燃焼装置
１５…バーナ
１７…着色部
５１…炎口
５３…邪魔板
７１…噴霧ノズル
７１ａ…噴霧口
７４…巻き込み抑制手段
７４ａ…鍔状部
７４ｂ…壁状部
Ｆ…水素炎

Claims (6)

1. 水素を燃焼させて水素炎を発するバーナと、前記水素炎を着色する着色部を備えた水素燃焼装置であって、
   前記着色部に、前記バーナに隣接する位置に設けられて、炎色反応を呈する着色液を噴霧する噴霧ノズルを備え、
   前記噴霧ノズルの径方向の周囲に、前記噴霧ノズルが噴霧する際に生じる空気巻き込み流路に位置する巻き込み抑制手段を備えた
   水素燃焼装置。
2. 前記巻き込み抑制手段が、外周方向に張り出す形状の鍔状部又は外周を囲む形状の壁状部の少なくとも一方である
   請求項１に記載の水素燃焼装置。
3. 前記巻き込み抑制手段が、外周方向に張り出す形状の鍔状部であり、
   前記鍔状部が、前記噴霧ノズルの先端の噴霧口より反噴霧方向側であって前記噴霧口に近接した位置に備えられた
   請求項１に記載の水素燃焼装置。
4. 前記巻き込み抑制手段として、外周方向に張り出す形状の鍔状部と外周を囲む形状の壁状部を備え、
   前記壁状部が前記鍔状部における前記噴霧ノズルの噴霧方向側の面に形成された
   請求項１に記載の水素燃焼装置。
5. 前記バーナが複数備えられ、
   前記噴霧ノズルが前記バーナに囲まれて設けられた
   請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の水素燃焼装置。
6. 前記バーナの炎口の噴射方向に、間隔をあけて邪魔板が備えられた
   請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の水素燃焼装置。
   

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