(57)【要約】【課題】燃焼器に流入する流量に係わらず、燃焼器内に常時安定した渦を発生させ、最適な燃焼効率を保てる燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼器の一端に燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口を備え、第一のガス流入口からガスの流れる方向において下流にガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源を、圧力波発生源より下流にガス流入口からのガスを乱流にする乱流発生源を、乱流発生源より下流にガスを燃焼させる燃焼部を夫々取付けることを夫々取付けた。【選択図】      図１
2005030639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器において、前記燃焼器の一端に前記燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口を備え、前記第一のガス流入口からガスの流れる方向において下流にガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源を、前記圧力波発生源より下流にガス流入口からのガスを乱流にする乱流発生源を、前記乱流発生源より下流にガスを燃焼させる燃焼部を夫々取付けることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１の燃焼器において、前記第一のガス流入口の中心線上に前記乱流発生源を取付けることを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の燃焼器において、前記第一のガス流入口からガスの流れる方向において下流で且つ前記燃焼部より上流に第二のガス流入口を備え、前記第一及び第二のガス流入口のどちらか一方を酸化剤ガス導入口とし他方を燃料ガス導入口とすることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項３の燃焼器において、前記第二のガス流入口を前記乱流発生源とし、前記第一のガス流入口からのガスの流れ方向と同一の方向に向かってガスを流入させることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の燃焼器において、前記第一及び／又は第二の流入口から流入するガスの流速又は流量を測定する測定手段を備え、前記測定手段の測定値に基づき前記圧力波発生源の圧力波周波数を調整することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項５の燃焼器において、前記燃焼器内側の断面を円形とすることを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項６の燃焼器において、前記測定手段で測定された気体の流速に所定係数をかけて求められる圧力波周波数となるように前記圧力波発生源を制御することを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項７の燃焼器において、前記燃焼器内で流入ガスにより発生する渦の直径が、前記燃焼器の半径の半分以下となるように前記圧力波周波数を制御することを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項７の燃焼器において、前記燃焼部の温度を測定する温度測定手段を備え、前記温度測定手段の温度に基づいて前記圧力波周波数を変更することを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
請求項７の燃焼器において、前記燃焼器起動時の前記圧力波周波数を通常運転での前記圧力波周波数より大きくすることを特徴とする燃焼器。
【請求項１１】
請求項７の燃焼器において、前記測定手段より求められた空燃比が高くなった場合には前記圧力波周波数を大きくし、低い場合には前記圧力波周波数を小さくすることを特徴とする燃焼器。
【請求項１２】
請求項７の燃焼器において、前記燃焼器の他端に排気ガスを排出する排気配管を取付け、前記排気配管に排気ガスの成分分析が可能な成分分析器を備え、前記成分分析器の結果に基づいて前記圧力波周波数を変更することを特徴とする燃焼器。
【請求項１３】
請求項１の燃焼器において、前記燃焼部をガスを燃焼させる燃焼触媒とし、前記燃焼触媒はガスの流れる方向と垂直方向一面に備えることを特徴とする燃焼器。
【請求項１４】
請求項１３の燃焼器において、前記燃焼触媒と前記第二のガス流入口の間に前記第一及び第二のガス流入口より流入するガスに含まれる水分を除去可能な遮蔽物を取付けることを特徴とする燃焼器。
【請求項１５】
請求項１３の燃焼器において、前記第一のガス流入口から流れるガス方向において前記乱流発生源より下流で且つ前記燃焼器の内径の半分の以上距離に前記燃焼触媒を設置することを特徴とする燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器、特に燃焼効率に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃焼器は、一定形状の燃焼器内に空気及び燃料を夫々別々の箇所から導入し、燃料と空気の速度差で渦を発生させ空気と燃料を混合させて燃焼していた（特許文献１参照。）。また、同様に、空気と燃料を旋回する多孔板に流すことにより空気と燃料を混合させ燃焼していた（特許文献２及び特許文献３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２６０１４８号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−３６４８４９号公報（第４・５頁、第１図）
【特許文献３】
特開平１０−３３２１１５号公報（第３―５頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の燃焼器では、一定の形状の燃焼器や旋回多孔板を用いると、燃焼器内に流入する空気及び燃料の一定流量のときにしか安定した渦を発生できない。したがって、燃焼器内に流入する空気及び燃料の流量が変化すると、渦の形状が安定しなくなり、常時最適な燃焼効率を達成することが困難である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、燃焼器の一端に燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口を備え、第一のガス流入口からガスの流れる方向において下流にガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源を、圧力波発生源より下流にガス流入口からのガスを乱流にする乱流発生源を、乱流発生源より下流にガスを燃焼させる燃焼部を夫々取付けることを夫々取付けた。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、燃焼器の一端に燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口を備え、第一のガス流入口からガスの流れる方向において下流にガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源を、圧力波発生源より下流に第一のガス流入口からのガスを乱流にする乱流発生源を、乱流発生源より下流にガスを燃焼させる燃焼部を夫々取付けたなので、燃焼器内に流入する空気及び燃料の流量に応じて渦の形状を制御でき、常時最適な燃焼効率に近づけることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第一実施形態）
本発明の構成について、図１を用いて説明する。本発明は、図１（１ａ）に示すように、燃焼器１、ガス流入部２（第一のガス流入口）、ガス噴出部３  （第二のガス流入口）、圧力波発生器４（圧力波発生源）、渦発生部（乱流発生源）、着火部６（燃焼部）、排気ガス出口７（排気配管）、図示しない流量測定装置（測定手段）により構成されている。また、燃焼器１内に書かれた一点鎖線は燃焼器１の中心線を、中心線上に書かれた矢印はガスの流れ方向を夫々示す。なお、本実施形態では、ガス流入部２より酸化剤ガスを、ガス噴出部３より酸化剤ガスの流入方向と同じ方向に燃料ガスを夫々燃焼器１内に送る。また、ガス噴出部３を渦発生部として用いている。
【０００８】
また、図１（１ｂ）は、（１ａ）におけるＡ−Ａ断面であり、中心線から反重力方向側のみ示す。燃焼器１は、重力方向と垂直に円断面及び中心線を有する円筒状であり、中心線上において燃焼器１の一端にガス流入部２を他端に排気ガス出口７を、内部のガス流入部２付近にはガス噴出部３を、ガス噴出部３よりガスの流れる方向において下流Ｄに着火部６（例えば、スパークプラグ等）を、またガス流入部２とガス噴出部３の排気ガス出口７側の一端との間Ｃに位置し燃焼器１外周の一部に圧力波発生器４（例えば，スピーカ等の制御可能な振動板やダイヤグアム等）を、ガス流入部２に燃焼器１に流入する酸化剤ガスの流量を検出する流量測定装置を夫々取付ける。なお、圧力波発生器４は、図２（２ｂ−１）から（２ｂ−３）に示すように渦発生部５の排気ガス出口７側の一端Ｃよりガスの流れる方向において上流に設置すればよい。一方、ガス噴出部３は、図２  （２ａ−１）及び（２ａ−２）に示すように、燃焼器１内の中心線上に、或いはガス噴出部３から重力方向及び重力方向と垂直方向に棒状のものを取付け固定する。なお、固定に用いる棒状のものは、渦の発生に影響が少ない大きさのものとする。
【０００９】
まず、本発明の概念を図３から図５を用いて説明する。
図３は、大規模乱流渦による燃料粒の影響を示す。円弧状の矢印は大規模乱流渦を、丸印は燃料粒を、直線で示した矢印及びこれに平行な線は気体流を夫々示す。大規模乱流渦による燃料粒の影響は、Ｓｔｏｋｅｓ数により明らかになる。なお、Ｓｔｏｋｅｓ数は下記式１のように定義されている。
式１
2005030639.tif 000003
ρ＝燃料の密度、ｄ＝燃料粒径、μ＝燃料の粘度、Ｄ＝燃焼器内径、Ｕ＝平均気体流速Ｓｔｏｋｅｓ数は、燃料粒の物性、粒径、気体流速、及び燃焼器形状により決まる。また、気体流によって運ばれる燃料粒のＳｔｏｋｅｓ数による影響についてはＣｒｏｗｅらの研究結果により公知となっている。
【００１０】
Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１の時は、白丸で示すように大規模乱流に沿って流れ、Ｓｔｏｋｅｓ数〜１の時は、二重丸で示すように大規模乱流渦に影響されて渦径よりも外側に弾かれ、Ｓｔｏｋｅｓ数＞＞１の時は、黒丸で示すように大規模乱流渦の影響をまったく受けずに気体流に沿って流れる。
気体燃料の分子径は、オングストロームオーダーであるため、Ｓｔｏｋｅｓ数の定義からＳｔｏｋｅｓ数は０であり、白丸で示す燃料径と同じ状態となり、Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１のため大規模乱流渦に沿って流れる。一方、燃料が液体及び固体の場合、燃料粒の物性、粒径、酸化剤ガス気体流速、及び燃焼器１の形状によりＳｔｏｋｅｓ数は異なる。
【００１１】
現在の技術では、燃焼器１に供給される燃料の多くは気体（Ｓｔｏｋｅｓ数＝０）、又は液体及び固体の微細な燃料粒のため、Ｓｔｏｋｅｓ数＜＜１となり大規模乱流渦に沿って燃料が流れ、大規模乱流渦によって燃料分布が影響される。また、ここでは大規模乱流渦による燃料粒の影響を説明したが、同様に大規模乱流渦による水粒の影響もＳｔｏｋｅｓ数により明らかになっている。
【００１２】
図４（４ａ）〜（４ｃ）は、燃焼器１内における大規模乱流渦のでき方を示す。大規模乱流渦は渦発生部５により形成されるが、圧力波発生器４により発生する圧力波周波数により形状、発生数等が制御される。燃焼器１内における大規模乱流渦のでき方は、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数により明らかになる。なお、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数は下記式２のように定義されている。
式２
2005030639.tif 000004
Ｄ＝燃焼器内径、ｆ＝圧力波周波数、Ｕ＝平均気体流速
【００１３】
Ｓｔｒｏｕｈａｌ数は、燃焼器内径、圧力波周波数、平均気体流速により決まる。一般的に安定した大規模乱流渦を得られるＳｔｒｏｕｈａｌ数は流れ場に依存するが、０．２から０．５程度が良いことがＧｕｔｍａｒｋとＨｏの研究論文より公知となっている。また、同じＳｔｒｏｕｈａｌ数においても、圧力波の振幅によって、大規模乱流渦の発生数は異なり、振幅が大きいほど多くの渦が発生する。しかし、振幅が大き過ぎたり小さ過ぎたりすると安定した大規模乱流渦は発生しない。なお、【特許請求の範囲】で用いた所定係数とは、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数÷Ｄである。
【００１４】
以下で用いるα、２α、３αとは、燃焼器１内に発生する渦の最大の直径が燃焼器１の半径の半分程度になるＳｔｒｏｕｈａｌ数を２αとした時のＳｔｒｏｕｈａｌ数を示す。
（４ａ）は、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数をαとした時に発生する大規模乱流渦である。（４ｂ）は、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を２αとした時に発生する大規模乱流渦である。渦径が（４ａ）の時の約半分の大規模乱流渦が２倍発生することを示す。（４ｃ）は、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を３αとした時に発生する大規模乱流渦である。渦径が（４ａ）の時の約１／３の大規模乱流渦が３倍発生することを示す。
【００１５】
図５に、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数による燃料濃度分布への影響を示す。（５ｂ）には、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数をαとした時のＦ２−Ｆ２断面における燃料濃度分布を示す。縦軸は燃焼器１の断面の中心から外周方向の位置を示し、横軸は燃料濃度を示す。燃焼器１中心から外周方向まで燃料濃度ほぼ均一に分布している。（５ａ）に示すように、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数をαより小さくすると、大規模渦乱流渦の渦径が大きくなり、Ｆ１−Ｆ１断面に示す燃料濃度分布のように燃料が燃焼器１の外周方向に多く分布し、中心部の燃料濃度が小さくなる。また、（５ｃ）に示すように。Ｓｔｒｏｕｈａｌ数をαより大きくすると、大規模乱流渦の渦径が小さくなり、Ｆ３−Ｆ３断面に示す燃料濃度分布のように燃焼器１の中心部分に集中し、外周部分に広がる燃料分布は広くなる。
【００１６】
次に、本実施形態の作用について、図１、図６及び図１１を用いて説明する。
図示しないガス流入部２に取付けられた流量測定装置により、燃焼器１に流入する酸化剤ガスの流量を測定する。測定された流量及び本発明で用いる燃焼器１の内径より、流速を求める。求められた流速を式２に当てはめ、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を設定値、例えば２αとすると、圧力波周波数が求められる。その値の圧力波周波数を圧力波発生器４より起こす。圧力波を受けた酸化剤ガスは、渦発生部５により、ガスの流れに速度差が生じる。また、渦発生部５の下流側が真空となり渦が発生する。また、ガス噴出部３より導入される燃料ガスと混合する。混合された酸化剤ガス及び燃料ガスは、ガス噴出部３により渦状の気流を描く。その後、着火部６により燃料ガスに着火し、燃焼させる。
【００１７】
また、図６はＳｔｒｏｕｈａｌ数を設定値にして、ガス流入口２から流入する酸化剤ガスの流量を変化させた時の図である。縦軸は燃焼器１の断面の中心から外周方向の位置を示し、横軸は燃料濃度を示す。酸化剤ガスの流入量が多い順に（６ａ）、（６ｂ）、（６ｃ）とする。いずれも燃料濃度はほぼ均一に分散している。
【００１８】
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図１１を用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００１９】
ステップ１００では、このシステムフローチャートを開始する。
ステップ１０１では、ガス流入部２に取付けられた流量測定装置により、酸化剤ガスの流量を測定する。
ステップ１０２では、ステップ１０１で測定された流量から流速を算出する。
【００２０】
ステップ１０３では、ステップ１０２で算出された流速を式２に代入し、例えばＳｔｒｏｕｈａｌ数＝２αがとなる圧力波周波数を圧力波発生器４より発生させる。
ステップ１０４では、圧力波発生器４により、ステップ１０３で求められた圧力波周波数を発生させる。
ステップ１０５では、このシステムフローチャートを終了する。
【００２１】
このように本実施形態では、以下の効果を得る。
燃焼器１の一端にガス流入口２を備え、ガス流入口２からガスの流れる方向において下流に圧力波発生器４を、圧力波発生器４より下流に渦発生部を、渦発生部乱より下流に着火部６を夫々取付けることで、ガス噴出部３より噴霧された燃料ガスは圧力波によって流動を制御された酸化剤ガスと共に大規模乱流の渦に沿って流れ、効率的に燃料ガスと酸化剤ガスが混合し、効率的な燃焼が可能である。
【００２２】
ガス噴出部３を燃焼器１の中心線上に設置することにより、ガス噴出部３と渦発生部５との役割を同時に持たすことが可能であり、部品点数の削減、設計効率の向上等が可能となる。
ガス噴出部３より下流方向に燃料ガスを噴出することにより、効率的に燃料を中心付近に噴出できる。
【００２３】
燃焼器１に流入する酸化剤ガスの流量を問わず設定されたＳｔｒｏｕｈａｌ数にすることにより、圧力波発生器４の運転周波数を気体流量に対して一定の比率に保持すればよく、圧力波発生器４の制御系を簡素にでき、且つ図６に示すように気体流量を問わずに設定された渦を発生できるので、一定の燃料分布を得られ、これにより効率的な燃焼が可能である。
【００２４】
燃焼器１内で発生する渦の直径を燃焼器１の半径の半分（Ｓｔｒｏｕｈａｌ数＝２α）となるように圧力波周波数を制御することで、噴霧された燃料ガスを燃焼器１の内壁付近まで広く分布させ、燃焼器１内の混合気の燃料濃度を全体的に均一にでき、それにより効率的かつ燃焼温度が全体的に均一な燃焼が可能である。
【００２５】
（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で用いた燃焼器１のガス噴出部３に、燃焼器１に流入する燃料ガスの流量を検出する流量測定装置を取付けた実施形態である。
【００２６】
次に、本実施形態の作用について、図４、図７及び図１２を用いて説明する。
本実施形態は、通常、図７（７ｂ）に示すように運転し、燃料ガス量に比べ酸化剤ガス量が極端に増えた場合は、（７ａ）に示すようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を上げ、また逆に、燃料ガス量に比べ酸化剤ガス量が極端に少なくなった場合は、（７ｃ）に示すようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を下げる。なお、グラフは燃焼器１のＨ１−Ｈ１断面からＨ３−Ｈ３断面の燃料濃度分布であり、縦軸は燃焼器１の断面の中心から外周方向の位置を示し、横軸は燃料濃度を示す。
【００２７】
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図１２を用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。なお、以下で用いるＳｔｒｏｕｈａｌ数ＢはＳｔｒｏｕｈａｌ数Ａより大きいものとする。例えば、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｂを図４（４ａ）で用いたＳｔｒｏｕｈａｌ数＝αとし、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ａを（４ｃ）で用いたＳｔｒｏｕｈａｌ数＝３αとする。
【００２８】
ステップ２００では、このシステムフローチャートを開始する。
ステップ２０１では、ガス流入部２及びガス噴出部３に取付けられた流量測定装置により、酸化剤ガス及び燃料ガスの流量を測定する。
ステップ２０２では、ステップ２０１で測定された夫々の流量から、空燃比及び酸化剤ガスの流速を算出する。
ステップ２０３では、ステップ２０２で算出された空燃比が許容値（α）か、許容値以上（β）か、許容値以下（γ）かを判断する。許容値（α）の場合はステップ２０６に進み、許容値以下（γ）の場合はステップ２０５に進む。
【００２９】
ステップ２０４では、ステップ２０２で算出された酸化剤ガスの流速を式２に代入し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数がＡとなる圧力波周波数を圧力波発生器４より発生させる。ステップ２０６に進む。
ステップ２０５では、ステップ２０２で算出された酸化剤ガスの流速を式２に代入し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数がＢとなる圧力波周波数を圧力波発生器４より発生させる。
ステップ２０６では、このシステムフローチャートを終了する。
【００３０】
一般に、燃焼器１に流入する酸化剤ガス及び燃料ガスの流量が変化し、指定条件とは大きく異なることがある。この場合において、空燃比が一定ではなく、条件によって変動し、燃料ガスが酸化剤ガスに比べ極端に少ない場合、燃焼が維持できずに吹き消える場合がある。しなしながら、本実施形態のような構成とし制御を行うことで、以下の効果を得る。
【００３１】
空燃比、及び気体の総流量に応じて、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を調整することにより、燃料分布を調整することができ、流れに合った効率的な燃焼が可能である。また、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を下げることで、壁面付近の燃料濃度が濃くなる可能性があるが、燃料濃度が濃すぎることによる過昇温の影響は壁面付近の方が体積も大きく、壁面への放熱等もあり、燃焼の中心部で過昇温する場合よりも、空燃比低下による過昇温の影響を受けるリスクを減らすことが可能となる。
【００３２】
本実施形態の使用例として、発電所及び燃料電池の燃焼器１、ターボプロット方式の飛行機エンジンコジェラーションシステムのガスタービン等が考えられる。
【００３３】
（第三実施形態）
本実施形態の構成は、第一実施形態で用いた燃焼器１の着火部６の中心温度を測定する温度検出器（温度測定手段）（例えば熱伝対やサーミスタ等）を取付けた実施形態である。
【００３４】
次に、本実施形態の作用について、図１３のシステムフローチャートを用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００３５】
ステップ３００では、このシステムフローチャートを開始する。
ステップ３０１では、着火部６の温度を測定する。
ステップ３０２では、ステップ３０１での温度が許容値かを判断する。許容値の場合は、ステップ３０４に進む。
【００３６】
ステップ３０３では、ステップ３０１での測定温度に基づき、圧力波周波数を調整する。測定温度が許容値より高い場合は、渦が大きくなるようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を小さくする。また、測定温度が許容値より低い場合は、渦が小さくなるようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を大きくする。
ステップ３０４では、このシステムフローチャートを終了する。
【００３７】
このように本実施形態では、以下の効果を得る。
燃焼器１の中心部の温度を測定しながら圧力波周波数を調整し、測定温度が高い時は渦を大きくして燃焼温度を下げ、逆に温度が低い時は渦を小さくして燃焼温度を上げることで、燃焼温度の調整が可能となり、燃焼温度を適切に保ち、燃焼温度の過昇温による窒素酸化物の発生、又は燃焼温度不足による不完全燃焼を防止できる。
【００３８】
（第四実施形態）
本実施形態は、第一実施形態で用いた燃焼器１の排気ガス出口７に排気ガスの成分を分析する排気ガス分析器（成分分析器）を取付けた実施形態である。
【００３９】
次に、本実施形態の作用について、図１４のシステムフローチャートを用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００４０】
ステップ４００では、このシステムフローチャートを開始する。
ステップ４０１では、排気ガスを測定し、排気ガス成分を分析する。
ステップ４０２では、排気ガスの分析結果が許容値かを判断する。許容値の場合は、ステップ４０３に進む。
【００４１】
ステップ４０２では、ステップ４０１での分析結果に基づき、圧力波周波数を調整する。例分析結果に例えばＮＯｘやＣＯが許容値より多い場合は、渦が大きくなるようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を小さくする。また、分析結果に例えばＨＣが許容値より多い場合は、渦が小さくなるようにＳｔｒｏｕｈａｌ数を大きくする。
ステップ４０３では、このシステムフローチャートを終了する。
【００４２】
このように本実施形態では、以下の効果を得る。
排気分布を測定しながら燃料分布を調整することにより、適切な燃焼を保つことができる。例えば、ＮＯｘやＣＯが多い場合は、通常より渦径を大きくすることで、燃焼触媒の温度を低下させ、ＮＯｘやＣＯを低下させることができる。また、ＨＣが多い場合は、渦径を通常より小さくすることで、燃焼触媒の温度を上昇させ、燃料ガスを確実に燃焼させることができる。
【００４３】
（第五実施形態）
本実施形態は、第一実施形態で用いた燃焼器１を用いて、始動時における制御を加えた実施形態である。
【００４４】
次に、本実施形態の作用について、図１１及び図１５を用いて説明する。本実施形態は、燃焼器１を始動させる際、始動時にはＳｔｒｏｕｈａｌ数を通常より大きくし、燃焼が安定したら通常のＳｔｒｏｕｈａｌ数に戻すというものである。
【００４５】
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図１１及び図１５を用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から一回だけ実行される。なお、以下で用いるＳｔｒｏｕｈａｌ数ＣはＳｔｒｏｕｈａｌ数Ｄより大きいものとする。例えば、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｃを図４（４ｃ）で用いたＳｔｒｏｕｈａｌ数＝３αとし、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｄを（４ｂ）で用いたＳｔｒｏｕｈａｌ数＝２αとする。また、第一実施形態で用いた図１１のシステムフローチャートと同じところは省略する。
【００４６】
ステップ５００では、このシステムフローチャートを開始する。その後、燃焼器１に燃料ガス及び酸化剤ガス導入し、図１１のステップ１０１からステップ１０４の制御を行う。その際、ステップ１０３ではＳｔｒｏｕｈａｌ数をＣとして発生する圧力波周波数を決定する。
ステップ５０１では、燃料ガスに着火する。
【００４７】
ステップ５０２では、燃焼状態が安定しているかを判断する。安定していない場合は、ステップ５０２で再び判断する。
ステップ５０３では、ステップ１０２で算出された流速を式２に代入し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数がＤとなる圧力波周波数を圧力波数発生器４より発生させる。
ステップ５０４では、このシステムフローチャートを終了する。
【００４８】
このように本実施形態では、以下の効果を得る
着火時と安定時でＳｔｒｏｕｈａｌ数を変化させることにより、確実な着火を得つつ、高効率な安定燃焼を得ることができる。
【００４９】
着火と安定燃焼時に燃料ガスの流量を変更することなく、一定の燃料消費量を保持した状態で着火から安定燃焼の移行が可能であり、特に着火時においては渦を通常より小さくして燃焼温度を上げることで、燃料濃度の濃い排出ガスの発生を抑制できる。
【００５０】
（第六実施形態）
本実施形態の構成について、図８を用いて説明する。本実施形態で用いる燃焼器１は、第一実施形態で用いた燃焼器１の着火部６を、燃焼触媒８としたものである。なお、燃焼触媒８は、ガス噴出部３の燃焼触媒６側の一端から燃焼器１の半径Ｉ以上の距離Ｊで重力方向一面を覆うように取付けられている。
【００５１】
次に、本実施形態の作用について、図８及び図１１を用いて説明する。
図示しないガス流入部２に取付けられた流量測定装置により、燃焼器１に流入する酸化剤ガスの流量を測定する。測定された流量及び本発明で用いる燃焼器１の内径より、流速を求める。求められた流速を式２に当てはめ、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を例えばαとして設定すると、圧力波周波数が求められる。その値の圧力波周波数を圧力波発生器４より起こす。圧力波を受けた酸化剤ガスは、渦発生部（ガス噴出部３）により、ガスの流れに速度差が生じる。また、渦発生部の下流側が真空となり渦が発生する。ガス噴出部３より導入される燃料ガスと混合する。混合された酸化剤ガス及び燃料ガスは、ガス噴出部３により渦状の気流を描く。この際、酸化剤ガス及び燃料ガスに含まれた水分は、遠心力によって燃焼器１内壁面に付着する。その後、酸化剤ガス及び燃料ガスは燃焼触媒８により燃焼される。
【００５２】
図８のグラフ（Ｉ）（ＩＩ）は、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数をαとした時のＢ２−Ｂ２断面における燃料ガス濃度分布（Ｉ）及び水濃度分布（ＩＩ）を示す。縦軸は燃焼器１の断面の中心から外周方向の位置を示し、横軸は燃料濃度又は水分量を示す。燃料ガスは、燃焼器１壁面付近を最低値としそれ以外は均一に分布しており、また水は、燃焼器１壁面付近に集中している。
図１１のシステムフローチャートは、第一実施形態と同様の制御を行うので省略する。しかしながら、ステップ１０３で設定するＳｔｒｏｕｈａｌ数は２αより小さく、例えばＳｔｒｏｕｈａｌ数＝αとする。
【００５３】
このように本実施形態では、以下のような効果を得る。
燃焼触媒８を渦発生部から燃焼器１の半径Ｉ以上の距離Ｊに設置することにより、燃焼器１内で発生する最大の渦は燃焼触媒８に直接接触することなく、且つ燃焼器１内に噴出された凝縮水分の水滴は大規模乱流渦の影響によって燃焼器１内壁へ付着し、燃焼触媒８への水の付着による燃焼効率低下は発生しない。したがって、水滴が触媒に付着することを防止しつつ、燃料濃度分布を制御可能となる。
【００５４】
Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を第一実施形態で用いたＳｔｒｏｕｈａｌ数より小さくすることで、渦の直径が大きくなり、ガス中に含まれる水分を最大限に燃焼器１内壁に付着させることが出来る。
【００５５】
本実施形態では、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を設定値とし、圧力波周波数を制御したが、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を制御することにより、燃料濃度分布及び水滴濃度分布を制御することができる。また、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数を流量条件等に応じて変更することにより、燃料濃度分布及び水滴濃度分布を流量条件毎に設計者の意図する濃度分布に制御することができる。
【００５６】
（第七実施形態）
本実施形態を、図９（９ａ）〜（９ｄ）を用いて説明する。（９ａ−１）、（９ｂ−１）、（９ｃ）及び（９ｄ）は、図１のＡ−Ａ断面を、（９ａ−２）及び（９ｂ−２）は、図９におけるＫ−Ｋ断面を夫々示す。本実施形態は、第六実施形態で用いた燃焼器１に、酸化剤ガスの流れ方向に対してガス噴出部３より下流且つ燃焼触媒８より上流の図９（９ａ）〜（９ｄ）に示す位置に、ガス中の水分を除去することができる遮蔽物９を取付け構成である。
【００５７】
（９ａ）  は、（９ａ−１）及び（９ａ−２）に示すようにガス噴出部３直後に中心線に対して垂直方向一面に取付ける。（９ｂ）は、（９ｂ−１）及び  （９ｂ−２）に示すように、燃焼触媒８直前の燃焼器１内壁内周に燃焼器１半径Ｉの半分の高さＬで取付ける。（９ｃ）は、（９ｃ）及び（９ｂ−２）に示すように、燃焼触媒８と燃焼器１の半径Ｉの１／４の距離Ｍ離れた上流の燃焼器１内壁内周に燃焼器１半径Ｉの半分の高さＬで取付ける。（９ｄ）は、（２ａ−１）及び（２ａ−２）に示すのと同様に取付ける（ここでは，ガス噴出部３ではなく遮蔽物９）。（９ｄ）で用いる遮蔽物９は、ガス噴出部３直後に中心線に対して垂直方向に燃焼器１の半径Ｉと同じ半径Ｉを有する円状のものとする。
【００５８】
（９ａ）では、ガス流入口２及びガス噴出部３より燃焼器１内に送られた酸化剤ガス及び燃料ガスは、中心線と垂直方向一面を覆いメッシュ状の遮蔽物９により大規模乱流渦の影響を受けないような大型（Ｓｔｏｋｅｓ数＞＞１）の水滴を除去し、遮蔽物９と燃焼触媒８の間で渦を起こす。ここでは、例えばＳｔｒｏｕｈａｌ数＝αとして制御する。
（９ｂ）では、ガス流入口２及びガス噴出部３より燃焼器１内に送られた酸化剤ガス及び燃料ガスはガス噴出部３と遮蔽物９の間でのＳｔｒｏｕｈａｌ数＝αの渦を起こす。飛び散った水滴は燃焼器１の半径Ｉの１／４の長さＬの遮蔽物９により除去される。
【００５９】
（９ｃ）では、（９ｂ）と同様に遮蔽物９により大規模乱流渦の影響を受けないような大型（Ｓｔｏｋｅｓ数＞＞１）の水滴を除去し、遮蔽物９と燃焼触媒８の間Ｍで渦を起こし、酸化剤ガスと燃料ガスを混合させる。ここでは、例えばＳｔｒｏｕｈａｌ数＝１．５αとして制御する。
（９ｄ）では、（９ａ）と同様に中心線から燃焼器１の半径Ｉと同じ半径Ｉを有する円盤状でメッシュ状の遮蔽物９により大きい水滴は除去され、遮蔽物９と燃焼触媒８の間で渦を起こす。ここでは、例えばＳｔｒｏｕｈａｌ数＝２αして制御する。
【００６０】
このように本実施形態では、以下のような効果を得る。
（９ａ）〜（９ｄ）においては、大規模乱流渦の影響を受けないような大型（Ｓｔｏｋｅｓ数＞＞１）の水滴を除去し、燃焼触媒８への付着を防止する。
（９ｂ）においては、大規模乱流渦により内壁近辺まで弾かれた水滴をせき止め、燃焼触媒８への付着を防止できる。
（９ｃ）においては、大規模乱流渦の渦発生部となり、遮蔽物９により発生した渦により燃料ガスと酸化剤ガスの混合を促進する事が可能となる。
【００６１】
本実施形態では例示した遮蔽物９は、燃焼器１内の温度および圧力に耐えられる材質を用いる必要があり、例えばＳＵＳ等の金属やアルミナ等のセラミックス製を用いることができる。この遮蔽物９の形状により除去される水滴の量や大きさは異なる。なお、（９ａ）及び（９ｄ）は、ワイヤーメッシュやハニカム状メッシュ状の遮蔽物９を用いる。また、遮蔽物９の大きさ、取付け位置、使用部材等は、使用する燃焼器に応じて変更することができる。
【００６２】
（第八実施形態）
本実施形態について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０（１０ａ−１）は図１のＡ−Ａ断面を、（１０ａ−２）は（１０ａ−１）のＮ−Ｎ断面を夫々示す。本実施形態は、第六実施形態で用いた燃焼器１の燃焼触媒８の中心に水分吸着物１０（燃焼器１の中心線から例えば燃焼器１の半径Ｉの１／３の半径Ｏを有する円筒状）を取付ける構成である。水分吸着物１０は、例えばシリカ、アルミナ、多孔質シリコン、活性炭等を用いることが可能であり、さらに低温で水分を吸着し、温まると水蒸気として放出させると良い。
【００６３】
次に、本実施形態の作用について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０に示す水分吸着物１０に燃焼器１に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが流入するように燃焼器１内に起こる渦の最大の半径をＳｔｒｏｕｈａｌ数により調整する。
【００６４】
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図１１を用いて説明する。このシステムフローチャートは、システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。なお、第一実施形態と違うところのみを説明する。
【００６５】
ステップ１０３では、燃焼器１内で発生する渦の最大半径が水分吸着物１０の半径Ｏより小さくなるようなＳｔｒｏｕｈａｌ数（例えば、Ｓｔｒｏｕｈａｌ数＝３α＝１．５）として式２に代入し、圧力波周波数を決定する。
【００６６】
このように本実施形態では、以下のような効果を得る。
燃焼触媒８の中心部に水分吸着物１０を設置し、水滴がこの水分吸着物８に流れ込むように圧力波発生器５によりＳｔｒｏｕｈａｌ数を制御するので、燃焼触媒８に水滴が付着することを、第六実施形態より確実に防止する。
【００６７】
本実施形態では、水分吸着物１０を燃焼触媒８の中心に取付けたが、燃焼触媒８手前に燃焼器１の内径と同じ内径を持つ水分吸着物１０を取付けることも可能である。
【００６８】
本発明では、酸化剤ガス及び燃料ガスとしたが、酸化剤ガスの一例として空気、純酸素、その他酸化性物質を、また燃料ガスの一例として気体、液体、固体の何れの状態も可能である。また、本発明では渦発生部をガス噴出部３として用いたが、渦発生部を燃焼器１の中心線上に備え、ガス噴出部３下流に設置しても、同様の効果を得る。
【００６９】
第一実施形態から第五実施形態は、第六実施形態から第八実施形態と組合せ可能であり、第一実施形態から第五実施形態及び第六実施形態から第八実施形態の夫々で組合せも可能である。また、第六実施形態から第八実施形態を燃料電池システムに用いた場合、燃焼器１の内壁に水分吸着剤等を取付け、吸着された水を貯水タンク等に集めることも可能である。
【００７０】
なお、第一実施形態から第八実施形態は本発明を限定するものではなく、本発明の効果を逸脱しない範囲において、自由に設定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる燃焼器１の外観及び断面図である。
【図２】本発明に係わるガス噴出部３及び圧力波発生器４の取付図である。
【図３】本発明に係わるＳｔｏｋｅｓ数の説明図である。
【図４】本発明に係わるＳｔｒｏｕｈａｌ数の説明図である。
【図５】本発明に係わるＳｔｒｏｕｈａｌ数の説明図である。
【図６】第一実施形態に係わる説明図である。
【図７】第二実施形態に係わる説明図である。
【図８】第六実施形態に係わる説明図である。
【図９】第七実施形態に係わる説明図である。
【図１０】第八実施形態に係わる説明図である。
【図１１】第一実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【図１２】第二実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【図１３】第三実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【図１４】第四実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【図１５】第五実施形態に係わるシステムフローチャートである。
【符号の説明】
１    燃焼器
２    ガス流入部
３    ガス噴出部
４    圧力波発生器
６    着火部
７    排気ガス出口
８    燃焼触媒
９    遮蔽物
１０  水分吸着物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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