(57)【要約】【課題】  衝撃波を用いて反応性物質を衝撃加熱することにより反応させる装置において、反応効率を高めることを目的とする。【解決手段】  外部から圧力媒体としてのガスの供給を受けるガス受室１２Ａと、入口開口１６Ａ側で開閉手段を介して該ガス受室１２Ａと連通し出口開口１６Ｂ側に向け収束する流路を形成する収束室１６と、該収束室１６の出口開口側に連通する反応室４１とを有し、該反応室４１は外部から反応性物質の供給を受けるための供給口４２が形成され、該反応室内の反応性物質が上記開閉手段の開放時にガス受室１２Ａから流入するガスにより上記収束室１６で生じた衝撃波を受けて衝撃加熱されて反応する衝撃反応装置において、ガス受室１２Ａは、該ガス受室内に収容されたガスの圧力を高める昇圧手段３０が接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から圧力媒体としてのガスの供給を受けるガス受室と、入口開口側で開閉手段を介して該ガス受室と連通し出口開口側に向け収束する流路を形成する収束室と、該収束室の出口開口側に連通する反応室とを有し、該反応室は外部から反応性物質の供給を受けるための供給口が形成され、該反応室内の反応性物質が上記開閉手段の開放時にガス受室から流入するガスにより上記収束室で生じた衝撃波を受けて衝撃加熱されて反応する衝撃反応装置において、ガス受室は、該ガス受室内に収容されたガスの圧力を高める昇圧手段が接続されていることを特徴とする衝撃反応装置。
【請求項２】
圧力媒体としてのガスは水蒸気であることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【請求項３】
圧力媒体としてのガスが水蒸気で、反応性物質が該水蒸気と反応する炭化水素もしくは炭素を含有していることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【請求項４】
昇圧手段は、一端が開口され他端が閉じられた被熱管と、加熱器とを有し、上記被熱管は上記一端でガス受室に接続されかつ上記加熱器内に収められていると共に、外部から所定時に水もしくは水蒸気を受けるようになっていることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【請求項５】
圧力媒体としてのガスが水蒸気であり、昇圧手段がガス受室内からドレイン水もしくは水蒸気を受けるポットであり、該ポットが該ポットを所定時に加熱する加熱手段を有していることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【請求項６】
昇圧手段は、燃焼器からの排ガスを受けこれを収容するガス収容室であることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【請求項７】
昇圧手段は、燃料を間欠的に燃焼させて高圧ガスを生ずる爆轟装置であることとする請求項１に記載の衝撃反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応室内に収容された反応性物質を衝撃波により衝撃加熱して反応させる衝撃反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の反応性物質を収容せる反応室たる管体内のガスを衝撃波で急激圧縮して高温として反応性物質とガスとを反応させて所望のガスを生成する装置が、特許文献１に開示されている。この公知の装置は、反応器として回転軸まわりに該回転軸と平行な複数の管体を有しており、一つの管体へ一端側から原料たる反応性物質が供給され、上記回転軸まわりに回転して上記管体が所定角度位置にくるとそこで管体内に反応性の高圧ガスが瞬間的に供給されて衝撃波を生じ、この衝撃波によってガスを急激圧縮して反応温度以上に昇温せしめて反応性物質を反応させ、所望のガスが生成される。他の管体には、上記一つの管体での反応の間に、次のガス生成に備えて反応性物質が供給される。
【０００３】
かかる装置には、複数の管体のそれぞれに、回転軸の回転位置に対応して該管体の両端で所定のプロセスを行なうように開閉弁を備え、又その開閉のための制御装置をも有している。さらには、複数の管体が回転軸周りに回転することを許容しつつ、反応性の高圧ガスや反応性物質の供給、生成ガスの取出そして排気を各管体と次々に行なうための機構をも有する。
【特許文献１】米国特許第２８３２６６６号（Ｆｉｇ．２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１の装置にあっては、多くの管体及びそれぞれ開閉弁を必要とすること、これらを回転させる装置を必要とすること、回転位置に合わせて開閉動作を行なわなくてはならないこと、さらには、管体との相対回転を許容しつつ原料や高圧ガスの供給そして生成ガスの取出や排気を行なわなくてはならないこと、に起因して、機構が複雑化、大型化し、ひいては装置そして生成ガスのコストアップにつながる。
【０００５】
又、反応性物質の反応は、温度が高い程、換言すれば、衝撃波による圧縮圧力が高い程、高能率に行われる。この圧縮圧力は、管体の一端側から供給される高圧ガスの圧力により定まってしまう。したがって、反応室への高圧ガスの供給時のガス消費によっても、圧力が低下せず十分に高い圧力を維持できる能力をもった圧力源が必要となる。その結果、装置が大型化する。仮に、かかる装置の大型化を図らずに、常設の設備から得られる圧力による場合には、高圧化ができず、反応効率の低いものとなってしまう、ということを意味する。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、構成が簡単で小型化を可能とし、可動部の少ない装置で衝撃波を発生して、反応性物質の反応を行い、かつ高温化してその反応を高めることができる衝撃反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る衝撃反応装置は、外部から圧力媒体としてのガスの供給を受けるガス受室と、入口開口側で開閉手段を介して該ガス受室と連通し出口開口側に向け収束する流路を形成する収束室と、該収束室の出口開口側に連通する反応室とを有し、該反応室は外部から反応性物質の供給を受けるための供給口が形成され、該反応室内の反応性物質が上記開閉手段の開放時にガス受室から流入するガスにより上記収束室で生じた衝撃波を受けて衝
撃加熱されて反応するようになっている。
【０００８】
かかる衝撃反応装置において、本発明では、ガス受室は、該ガス受室内に収容されたガスの圧力を高める昇圧手段が接続されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成の本発明装置によると、圧力媒体としてのガスはガス受室に導入されると、該ガス受室に接続されている昇圧手段によって、ガス圧が高められる。このガス圧が高められたガスは、開閉手段の開放時に収束室へ流入して衝撃波を生じ、該衝撃波は収束に伴って圧力をさらに高めて反応室内の反応性物質を衝撃的に圧縮して反応温度以上に加熱して、反応が行われる。
【００１０】
本発明において、加圧ガスは圧力媒体としてのガスと同種であっても異種であってもよいが、反応性物質の反応を阻害するものであってはならない。
【００１１】
本発明において、圧力媒体としてのガスは水蒸気とすることができる。さらに、圧力媒体としてのガスが水蒸気である場合、反応性物質が該水蒸気と反応する炭化水素もしくは炭素を含有していることとするならば、反応の結果、水素やＣＯを得ることができる。
【００１２】
本発明において、他の形態として、一端が開口され他端が閉じられた被熱管と、加熱器とを有し、上記被熱管は上記一端がガス受室に接続されかつ上記加熱器内に収められていると共に、外部から所定時に水もしくは水蒸気を受けるようになっているようにすることができる。
【００１３】
かかる形態では、ガス受室に収容されたガスは該ガス受室と連通せる被熱管に入り込み、加熱器で加熱されているこの被熱管から熱を受けて昇温する。上記加熱器は例えば焼却炉等の燃焼器とすることができる。
【００１４】
本発明において、圧力媒体としてのガスは水蒸気であり、昇圧手段がガス受室内からドレイン水もしくは水蒸気を受けるポットであり、該ポットが該ポットを所定時に加熱する加熱手段を有しているようにすることもできる。かかる形態とすれば、ガス受室の水蒸気は凝縮水としてあるいは水蒸気としてそのまま上記ポット内で加熱を受けて、高圧蒸気となる。加熱手段としては種々可能であるが、例えば、アーク放電、プラズマ、電流の通電等の電気的手段が可能である。
【００１５】
又、本発明において、昇圧手段は、燃焼器からの排ガスを受けこれを収容するガス収容器とすることができ、該排ガスをガス受室内のガスに導入してガス温度を上昇させる。さらには、昇圧手段は、燃料を間欠的に燃焼させて高圧ガスを生ずる爆轟装置とすることができ、爆轟の高圧ガスをガス受室内のガスに導入してガス温度を上昇させる。その際爆轟は間欠的に生じその圧力が高いので、これによって収束部の入口開口側の開閉弁を開放することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、昇圧手段をガス受室に接続することにより、圧力媒体としてのガスの圧力を供給源での圧力よりも高めることとしたので、反応時に反応性物質の温度を高められ、反応効率が向上する。又、上記昇圧手段は、ガスを反応室への供給量だけ供給時に加圧すればよいので、上記供給源で全ガス量の元圧を高めるような大型な設備を必要とせず、装置の小型化そして簡易化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面にもとづき本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１に示される本実施形態の衝撃反応装置は、衝撃波発生装置１０と、昇圧手段としての昇圧装置３０と、反応装置４０とを有している。
【００１９】
図１において、衝撃波発生装置１０は、軸線１１を中心とする円筒形状の密閉されたシリンダ１２を有し、内部にピストン１３が上記軸線１１方向に摺動自在に配されており、シリンダ１２内の空間を加圧空間と背圧空間とに区分している。本実施形態では、シリンダ１２の加圧空間の周囲が環状のガス受室１２Ａを構成している。
【００２０】
上記ガス受室１２Ａは、蒸気供給管１４で、弁１４Ａを経て外部の蒸気供給源（図示せず）から蒸気を受けるように、例えば、廃熱ボイラ（図示せず）に接続されている。
【００２１】
上記シリンダ１２内には、軸線１１に沿った流路をなす収束室１６が貫通形成されている収束体１５が取り付けられている。該収束室１６は上記ピストン１３の側に向け入口開口１６Ａがそして他の側に出口開口１６Ｂを有している。上記収束室１６は入口開口１６Ａが大径で、出口開口１６Ｂに向け次第に小径となるように収束されている。上記収束体１５はシリンダ１２との間の気密性を得るためにＯリング１７が設けられている。
【００２２】
上記ピストン１３は、本実施形態では、金属板をプレス加工し一部切削加工して軽量に作られており、シリンダ１２に対し瞬時に移動するのに好都合な低質量となっている。このピストン１３は、シリンダ１２の内壁と摺接するスカート部１３Ａと、上記加圧空間と背圧空間を区分する部分の中央域にテーパ部１３Ｂとを有している。上記ピストン１３のテーパ部１３Ｂの周囲部（基部）は上記軸線１１に直角な環状平面とこれに対し垂立する円筒面とで段状部１３Ｃを形成し、上記収束体１５の収束室１６入口開口１６Ａ側の端面と密に接触可能となっている。
【００２３】
上記シリンダ１２の端壁１２Ｂには、背圧調整体１８が取り付けられている。この背圧調整体１８は、ピストン１３との対向面が該ピストン１３に沿った形状をなしており、該ピストン１３との間の距離を定めて該ピストン１３に対する背圧空間の容積を所定のものとしている。該背圧調整体１８を交換することにより、上記背圧空間の容積を可変とする。さらに、該背圧調整体１８には、軸線１１方向に貫通するばね収容孔１８Ａが複数形成されていて、該ばね収容孔１８Ａ内に弾性体としてのコイルばね１９が収められている。該コイルばね１９は上記ピストン１３とシリンダ１２の端壁１２Ｂとの間で作用し、ピストン１３に背圧を与えて該ピストン１３を収束体１５の入口開口１６Ａ側の端面に密着させ、収束室１６の入口開口１６Ａを閉じている。さらに、シリンダ１２には、背圧空間に通ずる背圧蒸気供給管２０が接続されている。該背圧蒸気供給管２０は、背圧空間の圧力が一定に保たれるように蒸気を補給している。又、上記端壁１２Ｂとシリンダ１２との間には気密性のためのＯリング２２が、そしてピストン１３にはシリンダ１２との間の摺動が気密性をもって行われるようにウェアリング２３がそれぞれ設けられている。
【００２４】
上記シリンダ１２に接続されている蒸気供給管１４は、弁１４Ａによりシーケンスに則り開閉される。
【００２５】
衝撃波発生装置１０の収束体１５には、その収束室１６の出口開口１６Ｂ側で、反応装置４０が接続されている。この反応装置４０は、特にその形態に限定はなく、衝撃波発生装置１０からの高圧蒸気による衝撃波を受けて反応性物質が瞬時に圧縮されるに適した反応室４１を有していればよい。該反応室４１には、反応性物質を反応室４１内へ供給する供給管４２と反応後の生成ガスを取り出す取出管４３と、排ガス管４４とが接続されており、取出管４３と排ガス管４４とはそれぞれの弁４３Ａ，４４Ａにより所定時にシーケンスにしたがい開閉する。
【００２６】
反応性物質としては、例えば、炭化水素もしくは炭素を含有する物質として、廃プラスチック粉等が供給される。
【００２７】
本実施形態装置において、昇圧装置３０として、図２に示される装置が弁３０Ａを介して接続されている。図１のシリンダ１２のガス受室１２Ａには、図２に見られる長い被熱管３１が接続されている。該被熱管３１は、一端（上端）が開口され他端（下端）が閉じられていて、上記一端で上記ガス受室１２Ａに連通している。該被熱管３１はその大部分が加熱器３２内に収められている。該加熱器３２としては、例えば廃棄物焼却炉、ボイラ等の燃焼機器、製鉄設備等の高温排ガスを発生する機器、内燃機関を用いる。
【００２８】
又、上記被熱管３１には、本実施形態では、弁３３Ａを介して水供給管３３が接続されていて、適宜、水あるいは水蒸気が上記被熱管３１に供給される。
【００２９】
次に、衝撃波を用いて水蒸気と反応性粒子としての廃プラスチック粉とを反応させて、水素ガスを生成する例のもとに、本実施形態についての作動を説明する。
【００３０】
図１において、蒸気供給管１４からは開状態の弁１４Ａを経てシリンダ１２のガス受室１２Ａ内に蒸気が供給されている。
【００３１】
（１）かかる状態で、シリンダ１２のピストン１３の両側に区分された加圧空間（ガス受室１２Ａ）は蒸気供給管１４からの蒸気でそして背圧空間は背圧蒸気供給管２０からの蒸気で充満しており、ピストン１３はこの蒸気の背圧とコイルばね１９の付勢力によって流路１６の入口開口１６Ａに圧せられていて、この入口開口１６Ａはピストン１３によって閉じられている（図１参照）。
【００３２】
（２）被熱管３１は、加熱器３２で熱せられており、したがって、水供給管３３から供給された被熱管３１内の水又は蒸気は加熱されて昇温し昇圧する。かかる状態で弁３０Ａを開くとガス受室１２Ａ内の蒸気は上記被熱管３１からの高圧高温蒸気と混合されて供給管１４を経て供給される蒸気供給源からの蒸気の圧力よりも一段と高いものとなる。その結果、加圧空間（ガス受室１２Ａ）の圧力が背圧空間の圧力及びばねの付勢力に勝って、ピストン１３は背圧に抗して後退（図１にて左方へ移動）し、収束室１６の入口開口１６Ａとの間に隙間が形成される。この隙間を経てガス受室１２Ａから高圧蒸気が収束室１６内に流入する。この瞬時の高圧蒸気の流入によって収束室１６内では衝撃波が発生する。
【００３３】
（３）一方、上記蒸気の供給と共に、あるいはこれに先立ち、反応装置４０の反応室には供給管４２から原料（反応性物質）たる反応性粒子としての廃プラスチック粉が供給充填されている。したがって、上記収束室１６内で発生した衝撃波は収束室１６の出口開口１６Ｂへ伝播され、反応装置４０の反応室４１内へ入って水蒸気と共に廃プラスチック粉を瞬時に圧縮して昇温せしめ、この瞬時に反応が行なわれ、水素ガスが生成される。この水素ガスは、生成ガスの取出管４３から取り出されると共に、反応装置４０では、反応室内の水蒸気等の排ガスが排気管４４から排出される。
【００３４】
（４）高圧蒸気の収束室１６への流入後、加圧空間の圧力が低下して背圧空間の圧力の方が勝るようになり、ピストン１３は再び流路１６の入口開口１６Ａを閉じる。
【００３５】
次に、本実施形態としての変形例を説明する。図３には、昇圧装置３０としてポット３４が使用されている。ポット３４は、その開口側３４Ａが図１のガス受室１２に接続されており、その本体３４Ｂに電気ヒータ３５が取り付けられている。該ヒータ３５はスイッチ３６を介して電源３７に接続されている。該ポット３４には、ピストン１３が収束体１
５の収束室１６の入口開口１６Ａを閉塞しているとき、すなわち蒸気の収束室１６への非流入時に、ガス受室１２Ａ内に残留した蒸気が冷却・凝縮して滴下する水を受け、これを上記ヒータ３５で加熱し再び高圧の蒸気としてガス受室１２Ａへ戻すようになっている。したがって、ヒータ３５のオンのタイミングは、上記の入口開口１６Ａの閉塞と同期して設定するとよい。
【００３６】
図４の変形例では、ガス収容器３８に弁３８Ｃを経てエンジン等からの排ガスを受けるようになっている。エンジンの排ガスはそのままでも高圧であり、弁３８Ｃを開放した場合には、高圧排ガスが脈動状態で導入される。又、弁３８Ｃを適宜開閉する場合、排ガスの元圧が一定値以上になったとき、あるいは、ガス受室１２Ａ内の蒸気の収束室１６への非流入時に同期して開とすることができる。この高圧排ガスは上記ガス受室１２Ａ内の蒸気に混入してガス圧を高め、収束室１６を経て反応室へ至る。
【００３７】
図５の変形例では、昇圧装置３０として爆轟装置３９がガス受室１２Ａに接続されている。爆轟装置３９自体は公知であり、例えば特許第２７１３１１１号に開示されている。この特許では、爆轟圧を被加工物の成形加工に用いているが、本発明ではこの爆轟圧をそのまま、もしくは適宜減圧してガス受室１２Ａへ導入するものである。該爆轟装置３９は、簡単に説明すると、一端部（図５にて右端部）から他端部へ向け通路断面積が小さくなる燃焼室３９Ａと、燃料供給管３９Ｃから燃料そして酸化剤供給管３９Ｄから空気等の酸化剤をそれぞれ受け点火栓３９Ｆが配設された着火室３９Ｂとを有している。上記着火室３９Ｂと燃焼室３９Ａとは、該着火室３９Ｂから分岐して延びる路程の等しい複数の誘導路（図示せず）によって連通されている。着火室３９Ｂで間欠的に着火された燃料は、その燃焼が上記誘導路を経て燃焼室３９Ａへ至り、その他端部（左端部）に達したときには圧力が非常に高い爆轟となる。この爆轟は、本実施形態のガス受室１２Ａに誘導され、該ガス受室１２Ａ内の蒸気に混入してそのガス圧を高め、収束室１６へ流入する。爆轟は元々間欠的に生ずるので、ピストン１３の背圧の制御によって上記収束室１６の開閉を行わなくとも、爆轟圧自体で開とすることができる。
【００３８】
本実施形態では、反応装置における反応性物質は、圧力媒体としての蒸気と反応したが、これらをさらに例示すると、反応が、
ＣｍＨ２ｍ＋ｍＨ２Ｏ→ｍＣＯ＋２ｍＨ２
とする炭化水素、そして
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
とする炭素系を反応性物質として、反応の結果、水素、ＣＯを得る。
【００３９】
さらには、蒸気を単なる圧力媒体とし蒸気とは反応しない例としては、反応性物質として、Ｆｅ３Ｏ４とＣを供給して、
Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｃ→３Ｆｅ＋４ＣＯ
の反応のもとで、ＣＯを得ることができる。
【００４０】
又フロン、ダイオキシン類等の有害物を高温で分解することができる。
【００４１】
本発明において、反応結果を高めるために、収束室で衝撃波を十分に発生させるには、衝撃波を発生させる場合の反応室側とガス受室側の圧力比を少なくとも１５以上、望ましくは２５以上、さらに望ましくは４０以上とする。すなわち、反応室側の初期圧力が大気圧の場合には、ガス受室内の蒸気圧力として少なくとも１５気圧以上、望ましくは２５気圧以上、さらに望ましくは４０気圧以上が必要ということになる。圧力比を１５以上とすると収束衝撃波が安定して得られ、２５以上だと、反応物質の温度を９００℃以上に上昇することができ、例えば水蒸気改質反応が促進されて効率的に水素が生成され、又、４０以上だと反応物質の温度を１０００℃以上に上昇することができ、例えばダイオキシン類
等の有害物の分解が可能となる。
【００４２】
圧力比を増大させるにしたがって、その瞬間的開放により収束室で発生する衝撃波は、伝播速度が大きいものとなり、収束室での収束衝撃波の形成が、収束室内を進行する衝撃波の進行時間のより早い時期から開始するので、収束室内部の断面積減少に伴い形成される収束衝撃波は、より速度の大きい、到達温度・圧力の高い結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態装置の概要構成図である。
【図２】図１装置に用いられる一例としての昇圧装置の概要構成図である。
【図３】図１装置に用いられる他の例としての昇圧装置の概要構成図である。
【図４】図１装置に用いられるさらに他の例としての昇圧装置の概要構成図である。
【図５】図１装置に用いられるさらに他の例としての昇圧装置の概要構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１２Ａ  ガス受室
１６  収束室
１６Ａ  入口開口
１６Ｂ  出口開口
３０  昇圧手段
３１  被熱管
３２  加熱器
３４  ポット
３５  加熱手段
３８  ガス収容器
３９  爆轟装置
４１  反応室
４２  供給口（供給管）
【図１】
2005152791.tif 000003
【図２】
2005152791.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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