(57)【要約】【課題】燃焼装置の燃焼室内から、イオン濃度の測定のための電極を省く。【解決手段】本発明に係る燃焼装置は、混合室と、ケーシングと、スワラーと、電源部と、測定装置と、を備える。混合室は、開口部を有し、燃焼させられるガスを開口部から出す。ケーシングは、少なくともその内壁に導電性を有し、混合室の開口部から出されたガスを燃焼させる燃焼室を形成する。スワラーは、混合室の開口部に、混合室から出されたガスを燃焼室に噴出させる。測定装置は、ケーシングの内壁と前記スワラーとの間にイオン電流を生じさせる電源部と、ケーシングの内壁とスワラーとの間のイオン電流の値に基づいて、燃焼室のイオン濃度を測定する。【選択図】図２
2020183833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも主燃料を含有する混合ガスを燃焼させる燃焼室を有する燃焼装置であって、
前記混合ガスの流れを形成するスワラーと、
前記燃焼室の一体構造部または付属構造部を成す導電性構造物と、
前記スワラーと前記導電性構造物との間に電位差を生じさせて前記スワラーと前記導電性構造物との間にイオン電流を生じさせる電源部と、
前記イオン電流を電圧に変換するイオン電流変換部とを備えた燃焼装置。
【請求項２】
前記変換された電圧の値に基づいて、前記燃焼室内のイオン濃度を測定する測定部をさらに備えた請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記導電性構造物及び前記スワラーとは金属から形成される請求項１または２記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記導電性構造物と前記スワラーとを電気的に絶縁する絶縁部材をさらに備えた請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記導電性構造物の表面積は、前記スワラーの前記燃焼室側の表面積よりも大きい請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量を削減する観点から、燃焼しても二酸化炭素を生成しないアンモニアが次世代の燃料として注目されている。しかしながら、アンモニアは、炭素系の燃料と比較して燃えにくい上に、層流燃焼速度が低いので完全燃焼しにくい。そのため、アンモニアを燃料とする燃焼装置からは、窒素酸化物および未燃のアンモニアが排出されてしまうことがある。そこで、アンモニアを効率よく燃焼させるための様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の燃焼装置においては、アンモニアなどの燃料と空気などの酸化ガスとの混合ガスと、酸化ガスとが別々に燃焼室に供給され、燃焼室に配設された電極間の放電により着火される。これにより、燃焼のあとにアンモニアが残っても、残ったアンモニアと、酸化ガスとが二次的に燃焼するので、燃焼効率が良くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−１５５４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃焼により燃焼室が高温になるので、燃焼室内にイオン濃度の検出のための電極を配置すると、イオン濃度検出用の電極が損傷しやすいという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は上記の問題点を解決し、燃焼装置の燃焼室の中から、イオン濃度を検出するための電極を省いた燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するため、本発明に係る燃焼装置は、少なくとも主燃料を含有する混合ガスを燃焼させる燃焼室を有する燃焼装置であって、前記混合ガスの流れを形成するスワラーと、前記燃焼室の一体構造部または付属構造部を成す導電性構造物と、前記スワラーと前記導電性構造物との間に電位差を生じさせて前記スワラーと前記導電性構造物との間にイオン電流を生じさせる電源部と、前記イオン電流を電圧に変換するイオン電流変換部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃焼装置によれば、燃焼室のケーシングと、混合室から燃焼室につながる開口部に設けられたスワラーとの間に流れるイオン電流が測定できるので、燃焼室内にイオン濃度を検出するための電極を配置する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃焼装置の斜視図である。
【図２】燃焼装置のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図３】燃焼装置のバーナーの展開斜視図である。
【図４】第１のイオン濃度測定装置の構成を示す図である。
【図５】燃焼装置のスワラーおよびノズル部材の突出部の上面図である。
【図６】燃焼装置の動作を説明する図である。
【図７】第２のイオン濃度測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態が、図面の参照により説明される。各図および以下の説明においては、相互に直行するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を含むＸＹＺ座標系が適宜、用いられる。また、図示の明確化のために、構成要素は、各図において適宜、省略される。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る燃焼装置１０の斜視図である。図２は、図１における燃焼装置１０のＡ−Ａ断面を示す図である。燃焼装置１０は、燃焼室Ａ１内において、少なくとも主燃料を含有する混合ガスを燃焼させる。例えば、気体のアンモニアを主燃料ガスとし、空気を酸化ガスとして燃焼させる。図１，図２に示されるように、燃焼装置１０は、フレーム２０と、フレーム２０に支持されるケーシング３０と、バーナー４０と、イオン濃度測定装置５０とを備えて構成される。ここで、ケーシング３０は、燃焼室Ａ１の一体構造部を成す導電性構造物である。
【００１２】
また、フレーム２０は、ベース２１と、ベース２１の上方に４本の支柱２２により支持される支持板２３と、支持板２３の上方に４本の支柱２４により支持される支持部材２５とを備えて構成される。
【００１３】
ベース２１は、鉄またはステンレス鋼などの金属が環状に形成された部材である。ベース２１は、燃焼装置１０の設置面としての床などに載置される。
【００１４】
支柱２２は、鉄またはステンレス鋼などの金属が、長手方向をＺ軸方向とする円柱状に形成された部材である。支柱２２は、ボルトまたはネジなどにより、ベース２１の上面（＋Ｚ側の面）に固定される。
【００１５】
支持板２３は、鉄またはステンレス鋼などが正方形の板状に形成された部材である。支持板２３は、ベース２１の上方に、支柱２２により水平に支持される。支持板２３の下面の四隅には、支柱２２の上端がボルトなどにより固定され、ベース２１と支持板２３とは一体化される。支持板２３の中央部には、鉛直方向（Ｚ軸方向）に貫通する円形の開口２３ａが形成される。
【００１６】
支柱２４は、鉄またはステンレス鋼などの金属が、長手方向をＺ軸方向とする円柱状に形成された部材である。支柱２４は、ボルトまたはネジなどにより、支持板２３の上面の四隅に固定される。
【００１７】
支持部材２５は、鉄またはステンレス鋼などの耐熱性がある金属が、環状部２５ａと、環状部２５ａから放射状にＸＹ面に平行に伸びる４本のアーム２５ｂとを有するように形成された部材であり、その環状部２５ａの中心には、開口２５ｃが形成される。４本のアーム２５ｂそれぞれの一端は支柱２４により支持され、支持部材２５は、支持板２３の上方に水平の状態で支持される。
【００１８】
図３は、燃焼装置１０のバーナー４０の展開斜視図である。図３に示されるように、バーナー４０は、ノズル部材４１と、底板４２と、スワラー４６とを備え、図１，図２に示されるように、支持板２３の下面に固定される。ここで、スワラー４６は燃料および空気の混合ガスの流れを形成する。
【００１９】
図４は、第１のイオン濃度測定装置５０の構成を示す図である。図４のイオン濃度測定装置５０は、電源部５１０と、電流／電圧（Ｉ／Ｖ）変換部５１２と、測定部５１４とを備えて構成される。電源部５１０は、スワラー４６とケーシング３０との間に、スワラー４６からケーシング３０の内壁の方向のイオン電流を生じさせ得る電圧を印加する。すなわち、電源部５１０は、スワラー４６とケーシング３０との間に電位差を生じさせてスワラー４６とケーシング３０との間にイオン電流を生じさせる。Ｉ／Ｖ変換部５１２は、イオン電流の値を電圧の値に変換するイオン電流変換部である。測定部５１４は、該変換された電圧に基づいて、ケーシング３０の内部のイオン濃度を測定する。
【００２０】
ノズル部材４１は、導電性および腐食および熱に対する耐性を有するステンレス鋼などの金属が、上端部と下端部とが開放された内部を有する形状に形成された部材である。ノズル部材４１は、フランジ部４１１と、大径部４１２と、突出部４１３とを有する。
【００２１】
フランジ部４１１は、上面（＋Ｚ側の面）および下面（−Ｚ側の面）が平坦な環状に形成される。大径部４１２は、円筒状に形成され、フランジ部４１１の下面側に設けられる。また、突出部４１３は、円筒状に形成され、フランジ部４１１の上面側に設けられる。ノズル部材４１の内部（図２）は、下端部の内径が大きく上端部の内径が小さい空間とされる。
【００２２】
ノズル部材４１には、外部空間と混合室Ａ２とを連絡する開口４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、スワラー４６とが形成される。
【００２３】
底板４２は円形板状の部材である。底板４２の外径は、ノズル部材４１に設けられる大径部４１２の外径とほぼ等しい。
【００２４】
図５は、燃焼装置１０のスワラー４６およびノズル部材４１の突出部４１３の上面図である。図３，図５に示されるように、スワラー４６は、ステンレス鋼などの金属が、ハブ４６ａと、ハブ４６ａを中心に放射状に延びる複数、例えば８枚の羽根４６ｂとを有する形状に形成された部材である。
【００２５】
バーナー４０の組み立ての際、まず、図５に示されるように、スワラー４６が、ノズル部材４１の突出部４１３の開口部内に設けられた絶縁部材４１４を介して配置される。絶縁部材４１４は、スワラー４６と突出部４１３の開口部とを電気的に絶縁し、さらに、スワラー４６とケーシング３０の内壁とを電気的に絶縁する。また、図示されるように、ケーシング３０の内壁の表面積は、スワラー４６の燃焼室Ａ１側の表面積に比べて非常に大きい。この構成により、電子より移動速度の遅い陽イオンを表面積の広いケーシング３０の内壁で捉えることができるので、精度良く燃焼室Ａ１内のイオン濃度を測定することが可能となる。
【００２６】
このように配置されたスワラー４６は、ノズル部材４１に設けられる支持部材（図示せず）により支持される。さらに、ノズル部材４１の下面に、底板４２が、例えばネジなどにより取り付けられる。ノズル部材４１と底板４２とにより、混合室Ａ２が形成される。
【００２７】
開口４１ｃを介して混合室Ａ２内に導かれる絶縁電線５３の心線により、イオン濃度測定装置５０の電源部５１０の正電圧側とスワラー４６とが接点５３ａにおいて電気的に接続される。絶縁電線５３と開口４１ｃの内壁との間の空間は、エポキシ樹脂系またはセラミック系などの封止材（図示せず）により充填され、密閉される。
【００２８】
絶縁電線５２の心線により、接続部５２ａにおいて、イオン濃度測定装置５０（図４）の負電圧側と、ノズル部材４１の大径部４１２とが接続される。イオン濃度測定装置５０の電源部５１０は、燃焼室Ａ１において燃焼が行われ、燃焼炎（図２）が生じているときに、スワラー４６とケーシング３０の内壁との間の全体に渡って、スワラー４６からケーシング３０への方向のイオン電流が生じるように電圧が印加されるように構成される。
【００２９】
上端部がフレーム２０を構成する支持板２３の開口２３ａに挿入された状態で、ノズル部材４１のフランジ部４１１が、支持板２３の下面にボルトまたはネジにより固定されることにより、バーナー４０がフレーム２０に取り付けられる。
【００３０】
ケーシング３０は、導電性および腐食および熱に対する耐性を有するステンレス鋼などの金属が、長手方向をＺ軸方向とする円筒状に形成された部材である。ケーシング３０は、ノズル部材４１のフランジ部４１１に載置され、バーナー４０を構成するノズル部材４１の突出部４１３が、その下方から挿入される。
【００３１】
ケーシング３０と、ノズル部材４１の突出部４１３とは電気的に接続される。これにより、ノズル部材４１の大径部４１２および突出部４１３と、絶縁電線５２とを介して、イオン濃度測定装置５０の電源部５１０の負電圧側とケーシング３０の内壁との間もまた、電気的に接続される。
【００３２】
ケーシング３０の上端部は、フレーム２０を構成する支持部材２５により支持される。ケーシング３０と支持部材２５とにより、バーナー４０から供給される燃料の燃焼が行われる燃焼室Ａ１が構成される。
【００３３】
以下、燃焼装置１０の動作が説明される。図６は、燃焼装置１０の動作を説明する図である。燃焼装置１０が稼働するときには、図６に示されるように、バーナー４０の混合室Ａ２に、燃料（第１のガス）として気体のアンモニアが開口４１ｂを介して供給され、燃料を燃焼させるための酸化ガスとして空気が開口４１ｂを介して供給される。
【００３４】
混合室Ａ２において、開口４１ａを介して供給された燃料と、開口４１ｂを介して供給された空気とが混合される。燃料および空気の混合ガスは、ノズル部材４１に設けられる支持部材（図示せず）により支持されたスワラー４６を介して、図６において矢印付きの２本の点線により示されるように、渦を巻きながら（旋回しながら）燃焼室Ａ１内に噴出される。
【００３５】
着火装置（図示せず）により、スワラー４６から燃焼室Ａ１に吹き出す混合ガスに火が着き、火種が生成される。火種は、スワラー４６を介して混合室Ａ２から燃焼室Ａ１に向かって噴き出す混合ガスに燃え移り、さらに、燃焼室Ａ１内に充満する混合ガスに燃え移る。混合ガスは、混合室Ａ２から燃焼室Ａ１に継続的に噴出されるので、燃焼室Ａ１内において混合ガスの燃焼が維持される。
【００３６】
燃焼室Ａ１において燃焼が行われているときには、燃焼炎が生じ、スワラー４６とケーシング３０との間に、電源部５１０により電圧が印加されると、これらの間にイオン電流が流れる。イオン電流の値とケーシング３０の内部のイオン濃度の値との間には正の相関性があるので、イオン電流の値の測定により、ケーシング３０の内部のイオン濃度を測定することが可能となる。
【００３７】
Ｉ／Ｖ変換部５１２は、スワラー４６とケーシング３０の内壁との間に流れるイオン電流の値を電圧の値に変換し、測定部５１４に出力する。測定部５１４は、Ｉ／Ｖ変換部５１２から入力された電圧の値に基づいて、燃焼室Ａ１の内部のイオン濃度を測定する。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に係る燃焼装置１０においては、スワラー４６とケーシング３０の内壁との間に電圧が印加され、これらの間に、燃焼室Ａ１の内部のイオン濃度に応じた値のイオン電流が発生する。スワラー４６は、混合ガスの燃焼により高温になる燃焼室Ａ１内に位置していないので、混合ガスの燃焼熱に起因する損傷をあまり受けない。また、燃焼装置１０においては、燃焼室Ａ１の内部に、イオン濃度を測定するための電極を配置する必要がない。また、ケーシング３０の内壁の表面積は、スワラー４６の燃焼室Ａ１側の表面積に比べて非常に大きい。従って、電子より移動速度の遅い陽イオンを表面積の広いケーシング３０の内壁で捉えることができるので、精度良く燃焼室Ａ１内のイオン濃度を測定することが可能となる。
【００３９】
また、混合室Ａ２内の混合ガスの温度は、燃焼室Ａ１内で燃焼する混合ガスの温度よりも低い。従って、スワラー４６が燃焼室Ａ１内に配置された場合に比べ、スワラー４６の温度は低い状態で維持される。
【００４０】
また、スワラー４６とケーシング３０の内壁とが、イオン濃度を測定するための電極の機能を兼ねるので、燃焼装置１０の部品点数は少なくて済む。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、気体のアンモニアを第１の燃料（第１のガス）とし、気体のメタンなどを第２の燃料（第２のガス）とし、これらの混合ガスが開口４１ａを介して供給されるように構成されてもよい。ここで、第２の燃料は、燃焼室Ａ１における副次的な燃料とされ、第２の燃料としては、燃焼室Ａ１において主に燃焼される第１の燃料よりも燃焼しやすい物質が用いられる。また、例えば、空気の代わりに酸素が酸化ガスとして用いられてよい。
【００４２】
この場合において、ノズル部材４１には、開口４１ａ，４１ｂ，４１ｃの他にさらに４個目の開口（図示せず）が設けられてよく、この４個目の開口を介して空気が供給され、開口４１ａ，４１ｂを介して第１の燃料と第２の燃料とが別々に供給されるように構成されてもよい。また、燃焼室Ａ１の内部が第１の燃料（アンモニア）の燃焼に適した状態となった後は、混合室Ａ２への第２の燃料（メタン）の供給が停止されるように構成されてもよい。
【００４３】
また、この場合において、開口４１ａから供給される第１の燃料は、アンモニアと空気とが混合された混合ガスであってよく、また、開口４１ｂから供給される第２の燃料は、メタンと空気とが混合された混合ガスであってよい。この場合には、燃焼室Ａ１の内部がアンモニアと空気との混合ガスの燃焼に適した状態となった後は、メタンと空気との混合ガスの供給が停止されるように構成されてもよい。
【００４４】
また、スワラー４６とイオン濃度測定装置５０とを接続する絶縁電線５３は、開口４１ｃではなく開口４１ａ，４１ｂのいずれかを介して混合室Ａ２内に導かれてもよい。また、ケーシング３０において、燃焼室Ａ１に面する内側は導電性を有し、絶縁電線５２の心線と導通する必要があるが、ケーシング３０の外側は絶縁電線５２との間で導電を有する必要はない。従って、ケーシング３０の外側は絶縁体で覆われるように構成されてもよい。また、ケーシング３０の内側において、イオン電流の測定のために必要な部分は導電性を有し、絶縁電線５２の心線と導通する必要があるが、イオン電流の測定のために必要でない部分は導電性を有する必要はない。従って、ケーシング３０の内側において、イオン電流の測定のために必要でない部分は絶縁体で覆われるように構成されてもよい。
【００４５】
図７は、第２のイオン濃度測定装置５４の構成を示す図である。図４などに示された第１のイオン濃度測定装置５０は、図７に示される第２のイオン濃度測定装置５４により置換され得る。イオン濃度測定装置５４は、イオン濃度測定装置５０のＩ／Ｖ変換部５１２が抵抗器５４０により置き換えられた構成をとる。
【００４６】
イオン電流が抵抗器５４０を流れると、抵抗器５４０の両端にはイオン電流の値に応じた電圧が生じる。つまり、抵抗器５４０は、簡易なＩ／Ｖ変換部として動作する。測定部５１４は、抵抗器５４０の両端に生じた電圧に基づいて、燃焼室Ａ１内のイオン濃度を測定する。
【００４７】
上述した実施形態では、混合室の開口部から出されたガスを燃焼させる燃焼室を形成するケーシングに導電性を持たせてスワラーからケーシングへの方向のイオン電流が検出されるように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、スワラーを構成する羽根に対面するように配置された導電性構造物、すなわち燃焼室の付属構造部を成す導電性構造物を用いてスワラーから該導電性構造物への方向のイオン電流が検出されるように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、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しうるものであり、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。これらの実施形態およびその変形は、発明の範囲および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。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃焼装置
２０  フレーム
２１  ベース
２２，２４  支柱
２３  支持板
２３ａ  開口
２５  支持部材
２５ａ  環状部
２５ｂ  アーム
２５ｃ  開口
３０  ケーシング
４０  バーナー
４１  ノズル部材
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  開口
４１１  フランジ部
４１２  大径部
４１３  突出部
４２  底板
４６  スワラー
４６ａ  ハブ
４６ｂ  羽根
５０，５４  イオン濃度測定装置
５１０  電源部
５１２  Ｉ／Ｖ変換部
５１４  測定部
５４０  抵抗器
Ａ１  燃焼室
Ａ２  混合室
【図１】
2020183833.tif 000003
【図２】
2020183833.tif 000004
【図３】
2020183833.tif 000005
【図４】
2020183833.tif 000006
【図５】
2020183833.tif 000007
【図６】
2020183833.tif 000008
【図７】
2020183833.tif 000009