(57)【要約】【課題】燃焼ガスを旋回流にし、加熱対象を均一に加熱することができる拡散燃焼バーナーを提供する。【解決手段】本開示の拡散燃焼バーナーは、水素製造装置等の加熱源として用いる拡散燃焼バーナーであって、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備える。【選択図】図１
2016118353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、
前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、
前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、
前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、
前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、
を備える、拡散燃焼バーナー。
【請求項２】
前記旋回流形成手段は、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された旋回板であり、
前記旋回板は、旋回流を形成する旋回流路を備える、
請求項１に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項３】
前記旋回板の旋回流路の出口における流路断面積は、前記空気噴出孔が位置する部分の前記炎孔板の側壁面と前記バーナー筒との間における空気流路の流路断面積と比べて、同等又は大きい、請求項２に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項４】
前記旋回板の旋回流路は、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔である、請求項２または３に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項５】
前記旋回板の旋回流路の出口に、空気の流れを円周方向に傾斜させるように案内するガイドを設けた、請求項２〜４のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項６】
前記旋回板は、複数の羽根板を有するプロペラ形状を有し、
前記旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成される、
請求項２または３に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項７】
前記炎孔板の空気噴出孔の孔径は、前記炎孔板の板厚以上である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項８】
前記旋回流形成手段は、前記炎孔板の空気噴出孔であり、
前記空気噴出孔は、前記バーナー筒の円周方向に傾斜している、請求項１に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項９】
前記空気噴出孔は、前記炎孔板の側壁面に対して前記炎形成室の下流側に向かって傾斜している、請求項８に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項１０】
更に、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された、複数の拡散孔を有する拡散板を備え、
前記拡散板は、前記炎孔板と前記バーナー筒との間の流路に、前記炎孔板の内部空間よりも圧力の高い加圧空気層を形成する、
請求項８または９に記載の拡散燃焼バーナー。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナーを備える、水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池発電装置に水素を供給する水素製造装置内の改質触媒の加熱等に使用される、均一な加熱を得られるようにした拡散燃焼バーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置用の水素製造装置としては、一般に水蒸気改質反応を行う装置が用いられている。この水素生成装置の動作と構成について説明する。水素製造装置においては、炭化水素からなる原料ガスに、水蒸発部で改質水を蒸発させた水蒸気を混合し、混合ガスを生成する。その混合ガスを６００〜８００℃程度の温度にした改質部で改質反応させて、水素を主成分としたガス（改質ガス）を生成する。改質ガス中の一酸化炭素を低減するために、２００〜３００℃程度の温度にした変成部で、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素を生成する。変成部で残った一酸化炭素は、１００〜２００℃程度の温度にした選択酸化部にて酸化される。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数ｐｐｍまで低減する。
【０００３】
改質反応に必要な熱を改質部に供給する方法としては、原料と同じガス、又は生成した水素のうち燃料電池で発電に使用されなかった残りのガス（オフガス）を、バーナーで燃焼し、その燃焼ガスを改質部の周囲に流して熱交換するのが一般的である。
【０００４】
このような方法の例として、改質反応器と燃焼ガス流との間の熱交換効率を高めつつ、周方向での温度分布を均一化するため、燃焼ガスに対して旋回流を付与するガイドベーンを炉体内の底部に配置した改質装置が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
また、水素製造装置用のバーナーとしては、燃焼室の中央部に比べて周辺部への空気供給量を多くして濃淡燃焼させることで、熱の利用効率を上げて、ＮＯｘの発生を抑制することができる、拡散燃焼バーナーが提案されている（特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１１５０１号公報
【特許文献２】特開２００９−１２０４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の拡散燃焼バーナーを特許文献１の改質装置等で使用する場合、燃焼ガスを旋回流にすることができず、加熱対象を均一に加熱することができないという課題がある。
【０００８】
本開示は、前記課題を解決するもので、燃焼ガスを旋回流にし、加熱対象を均一に加熱することができる拡散燃焼バーナー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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本開示の一態様の拡散燃焼バーナーは、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本開示の拡散燃焼バーナーによれば、拡散バーナーの燃焼ガスを旋回させて加熱対象を均一に加熱する機構を、熱に対する耐久保証が容易な形で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態１における拡散燃焼バーナーを備えた水素製造装置の構成図
【図２】本開示の実施の形態１における拡散燃焼バーナーの構成図
【図３】本開示の実施の形態１における旋回板の斜視図
【図４】図３の旋回板のＢ−Ｂ断面図
【図５】図２の拡散燃焼バーナーのＡ−Ａ断面図
【図６】本開示の実施の形態１における旋回板の変形例の斜視図
【図７】図６の旋回板のＣ−Ｃ断面図
【図８】本開示の実施の形態１における旋回板の別の変形例の斜視図
【図９】本開示の実施の形態２における拡散燃焼バーナーの構成図
【図１０】図７の炎孔板のＤ−Ｄ断面図
【図１１】本開示の実施の形態２における炎孔板の断面図
【図１２】特許文献１に記載された改質装置の構成図
【図１３】特許文献２に記載された拡散燃焼バーナーの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本開示に係る一形態を得るに至った経緯）
図１２は、特許文献１に記載された改質装置の構成図である。図１２に示すように、特許文献１の改質装置においては、バーナー１０２によって燃焼された高温の燃焼ガスは、燃焼室１０３の下方に設けられたガイドベーン１１１によって旋回させられている。旋回させられた燃焼ガスは、改質反応器１０８の周囲に形成された流路１０６を流れることによって、熱伝導により加熱対象である改質反応器１０８を均一に加熱している。
【００１３】
図１３は、特許文献２に記載された拡散燃焼バーナーの構成図である。図１３中の破線は、火炎を示す。図１３に示すように、特許文献２の拡散燃焼バーナーにおいては、カップ状に形成された炎孔板２０１の孔２０７の直径が、カップ状の中心から周囲（外側）に向かって大きくなっている。これにより、特許文献２の拡散燃焼バーナーは、カップ状中心部は小流量の濃燃焼、カップ状周辺部は大流量の淡燃焼という濃淡燃焼を実現している。この構成により、特許文献２の拡散燃焼バーナーは、燃焼室２０４内の中心部の燃焼ガスの熱を周辺部の大流量の燃焼ガスで効率よく伝達すると共に、燃焼室２０４内の温度を下げてＮＯｘの発生を抑制する効果を得ている。
【００１４】
そこで、本発明者らは、燃焼ガスを旋回流にして加熱対象を均一に加熱しつつ、ＮＯｘを低減することを実現すべく、特許文献１の構成の改質装置に特許文献２の拡散燃焼バーナーを適用することを試みた。
【００１５】
しかしながら、特許文献１の構成の改質装置に特許文献２の拡散燃焼バーナーを適用した場合、燃焼ガスを旋回させるために、燃焼ガスの流速を増大させたり、又は燃焼室内の圧力を高めたりすると、燃焼室内に乱流が生じて、炎の吹き消えが生じる。そのため、特許文献１の構成に特許文献２の拡散燃焼バーナーを適用した場合、高速の燃焼ガスをガイドベーンに当てることが難しく、旋回流を形成することができないという問題がある。
【００１６】
また、特許文献１の改質装置では、高温の燃焼ガスをガイドベーンに当てることにより、旋回流を形成しているため、高温での長時間連続運転、及び装置の起動停止における温度変化による繰り返し応力への耐久性の問題がある。
【００１７】
上記問題を解決するため、本発明者は、旋回流を形成する旋回流形成手段をバーナー側に設けることにより、燃焼ガスを旋回させて加熱対象を均一に加熱しつつ、熱に対する耐久性を向上させることが可能な拡散燃焼バーナーの構成を見出した。
【００１８】
本開示に係る第１の態様の拡散燃焼バーナーは、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備えてもよい。
【００１９】
本開示に係る第２の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第１の態様における前記旋回流形成手段は、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された旋回板であり、前記旋回板は、旋回流を形成する旋回流路を備えてもよい。
【００２０】
本開示に係る第３の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第２の態様における前記旋回板の旋回流路の出口における流路断面積は、前記空気噴出孔が位置する部分の前記炎孔板の側壁面と前記バーナー筒との間における空気流路の流路断面積と比べて、同等又は大きくてもよい。
【００２１】
本開示に係る第４の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第２又は３の態様における前記旋回板の旋回流路は、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔であってもよい。
【００２２】
本開示に係る第５の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第２〜４のいずれかの態様における前記旋回板の旋回流路の出口に、空気の流れを円周方向に傾斜させるように案内するガイドを設けてもよい。
【００２３】
本開示に係る第６の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第２又は３の態様における前記旋回板は、複数の羽根板を有するプロペラ形状を有し、前記旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成されてもよい。
【００２４】
本開示に係る第７の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第１〜６のいずれかの態様における前記炎孔板の空気噴出孔の孔径は、前記炎孔板の板厚以上であってもよい。
【００２５】
本開示に係る第８の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第１の態様における前記旋回流形成手段は、前記炎孔板の空気噴出孔であり、前記空気噴出孔は、前記バーナー筒の円周方向に傾斜していてもよい。
【００２６】
本開示に係る第９の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第８の態様における前記空気噴出孔は、前記炎孔板の側壁面に対して前記炎形成室の下流側に向かって傾斜していてもよい。
【００２７】
本開示に係る第１０の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第８又は９の態様における前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された、複数の拡散孔を有する拡散板を備え、前記拡散板は、前記炎孔板と前記バーナー筒との間の流路に、前記炎孔板の内部空間よりも圧力の高い加圧空気層を形成してもよい。
【００２８】
本開示に係る第１１の態様の水素製造装置は、前記第１〜１０のいずれかの態様における拡散燃焼バーナーを備えてもよい。
【００２９】
以下、本開示の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１に係る拡散燃焼バーナーを備えた水素製造装置の構成図を示す。図１に示すように、実施の形態１における水素製造装置１は、拡散燃焼バーナー２と、拡散燃焼バーナー２により加熱される改質部３と、を備える。拡散燃焼バーナー２は、燃料と空気とを混合させて燃焼するバーナーであり、旋回流を形成することが可能なバーナーである。改質部３は、拡散燃焼バーナー２から排出された燃焼ガスの熱によって加熱されることによって、水素を主成分としたガス（改質ガス）を生成する。なお、水素製造装置１は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素を生成する変成部と、変成部で残った一酸化炭素を酸化する選択酸化部を備えるが、周知の構成を利用できるため、説明を省略する。
【００３１】
拡散燃焼バーナー２について説明する。
図２は、本開示の実施の形態１に係る拡散燃焼バーナー２の構成図を示す。図２に示すように、拡散燃焼バーナー２は、炎を形成する炎形成室２０を画定する炎孔板２１と、燃料を噴出するディストリビューター２２と、炎孔板２１への空気流路を形成するバーナー筒２３と、旋回流を形成する旋回板２４と、燃料を供給する燃料パイプ２５と、を備える。なお、拡散燃焼バーナー２には、着火するためのイグナイター、燃焼を検知するためのフレームロッドを備える構成とするが、周知の構成を利用できるため、その詳細の図示および説明は省略する。
【００３２】
炎孔板２１は、燃料と空気とを混合して炎４を形成する炎形成室２０を画定する板である。炎孔板２１は、カップ状に形成されており、カップの内側に炎形成室２０が形成されている。カップ状の炎孔板２１は、改質部３が配置される側に開口しており、炎形成室２０が改質部３の内部と繋がっている。炎形成室２０では、燃料と空気とが混合され、混合されたガスをイグナイター等により着火して炎４を形成している。この炎４によって混合ガスが燃焼し、燃焼ガスが改質部３に送られる。炎孔板２１の側壁面には、炎孔板２１の外側（バーナー筒２３内の空気流路）から炎形成室２０へ空気を噴出する多数の空気噴出孔２６が設けられている。空気噴出孔２６の孔径ｄｅは、炎孔板２１の板厚ｔｅ以上であるのが好ましい。実施の形態１において、空気噴出孔２６の孔径ｄｅは、約２〜３ｍｍであり、炎孔板２１の板厚ｔｅは、約１〜２ｍｍである。また、空気噴出孔２６は、千鳥状に炎孔板２１の側壁面に設けられている。
【００３３】
ディストリビューター２２は、炎形成室２０において周方向均一に燃料を噴射する装置である。ディストリビューター２２は、カップ状に形成された炎孔板２１の中心（炎形成室２０の中央）に取り付けられている。ディストリビューター２２の先端には、燃料を噴出する孔が設けられている。
【００３４】
バーナー筒２３は、その内部に炎孔板２１へ空気を供給する空気流路を形成する筒である。バーナー筒２３は、拡散燃焼バーナー２の外部から空気を取り入れるための空気供給口を有する。また、バーナー筒２３内の空気流路には、旋回板２４が配置されている。
【００３５】
旋回板２４は、バーナー筒２３内の空気流路に旋回流を形成するための旋回流形成手段である。図３は、旋回板２４の斜視図である。図４は、図３の旋回板２４のＢ−Ｂ断面図である。図３及び図４に示すように、旋回板２４は、円板形状を有し、その中心に燃料パイプ２５が通る孔を設けている。また、旋回板２４は、旋回流を形成する旋回流形成流路として、旋回板２４の中心から同心円上に複数の傾斜孔２７が設けられている。傾斜孔２７は、旋回板２４の上面（空気が流入する面）に対して斜め方向に設けられており、空気をバーナー筒２３の軸方向から円周方向に斜めに傾けて噴出することにより旋回流を形成している。図４に示すように、傾斜孔２７の孔深さｈが傾斜孔２７の孔径ｄよりも長くなるように、傾斜孔２７の孔径ｄは、板厚ｔ以下にするのが好ましい。実施の形態１において、傾斜孔２７の孔径ｄは約２〜４ｍｍであり、板厚ｔは約３〜５ｍｍである。
【００３６】
図１及び図２に示すように、旋回板２４は、バーナー筒２３内の空気流路において、炎孔板２１に対して所定の距離を有して配置される。所定の距離とは、旋回板２４と、旋回板２４に最も近い炎孔板２１の空気噴出孔２６との間に、旋回流（例えば、１旋回程度の旋回流）を発生させることが可能な距離である。
【００３７】
また、空気噴出孔２６が位置する部分の炎孔板２１の側壁面とバーナー筒２３との間における空気流路の流路断面積Ｓｆは、旋回板２４の傾斜孔２７の流路断面積Ｓｓと同等程度、又は小さくすることが好ましい。流路断面積Ｓｆについて、図５を用いて説明する。図５は、図２の拡散燃焼バーナーのＡ−Ａ断面図である。図５に示すように、流路断面積Ｓｆは、拡散燃焼バーナー２のＡ−Ａ断面における炎孔板２１とバーナー筒２３との間の空気の流路の断面積である。即ち、流路断面積Ｓｆは、空気噴出孔２６が位置する部分の炎孔板２１の側壁の外周（図５中の点線）とバーナー筒２３の内壁との間における空気流路の断面積である。また、旋回板２４の傾斜孔２７の流路断面積Ｓｓは、傾斜孔２７の流路断面積Ｓｂ×傾斜孔２７の数ｎで計算される。実施の形態１においては、Ｓｆ≦Ｓｓを実現するために、バーナー筒２３の内径を炎孔板２１の最大外径に合わせてできるだけ小さくし、旋回板２４の傾斜孔２７の数、大きさ、又は形状等を調整して、傾斜孔２７の流路断面積を大きくしてもよい。
【００３８】
燃料パイプ２５は、ディストリビューター２２に燃料を供給するパイプである。燃料パイプ２５は、ディストリビューター２２と接続されている。
【００３９】
次に、改質部３について説明する。
改質部３は、燃焼室３１と、燃焼室３１内に設けられた燃焼筒３２と、燃焼筒３２の外周に形成された燃焼ガス流路３３と、燃焼筒３２の外周を、燃焼ガス流路３３を挟んで囲うように配置される改質反応器３４と、を備える。
【００４０】
燃焼室３１は、拡散燃焼バーナー２の下流に設けられており、拡散燃焼バーナー２から送られてきた燃焼ガスが旋回しながら流れる。
【００４１】
燃焼筒３２は、燃焼室３１を囲うように設けられた中空円筒状の筒である。燃焼筒３２は、燃焼室３１内を旋回する燃焼ガスを下壁面に当て、燃焼ガス流路３３へ供給する。このように、燃焼筒３２を設けることで、燃焼筒３２と改質反応器３４との間で形成される燃焼ガス流路３３を流れる燃焼ガスの流速を大きくすることができるため、燃焼ガスの熱をより効果的に利用することができる。
【００４２】
燃焼ガス流路３３は、燃焼筒３２と改質反応器３４との間に形成される流路である。燃焼ガス流路３３は、燃焼ガスが通過するガス流路であり、燃焼ガスの熱によって改質反応器３４を加熱する流路である。
【００４３】
改質反応器３４は、内部に改質触媒３５を含むものである。改質反応器３４は、燃焼ガス流路３３を流れる燃焼ガスの熱によって加熱されることにより触媒３５を加熱し、改質反応を行っている。
【００４４】
次に、拡散燃焼バーナー２の動作について説明する。
拡散燃焼バーナー２において、燃料は、燃料パイプ２５からディストリビューター２２へ供給される。燃料を供給されたディストリビューター２２は、先端に設けられた燃料噴出孔から炎孔板２１の炎形成室２０（カップの内側）へ周方向均一に燃料を噴射する。
【００４５】
空気は、バーナー筒２３の空気供給口からバーナー筒２３内に供給される。バーナー筒２３内に供給された空気は、空気供給口と旋回板２４との間の空気流路を流れることによって、旋回板２４の流入面、即ち上面に対して均一な流れの状態で、旋回板２４に供給される。旋回板２４に供給された空気は、傾斜孔２７から斜め方向に噴出されることにより、旋回板２４と炎孔板２１との間の空気流路で旋回流を形成する。旋回流となった空気は、炎孔板２１の空気噴出孔２６を通って炎形成室２０に、旋回流の勢いを残した状態で噴出される。
【００４６】
炎形成室２０では、ディストリビューター２２から噴出された燃料と、炎孔板２１の空気噴出孔２６から噴出された空気と、が混合されることにより、混合ガスが形成される。混合ガスは、旋回流の勢いを残した状態の空気の流れによって、旋回させられる。また、炎形成室２０ではイグナイターにより混合ガスに着火し、炎４を形成する。この炎４により、混合ガスが旋回しながら燃焼し、燃焼ガスが改質部３の燃焼室３１内に送られる。
【００４７】
改質部３においては、拡散燃焼バーナー２から送られてきた燃焼ガスが燃焼筒３２の内部（燃焼室３１）を旋回しながら流れる（図１中の黒矢印）。燃焼室３１を流れる燃焼ガスは、燃焼筒３２の下端で折り返し、燃焼ガス流路３３を旋回しながら流れる（図１中の破線黒矢印）。燃焼ガス流路３３を流れる燃焼ガスは、改質反応器３４を加熱することにより、その内部の触媒３５を加熱する。
【００４８】
本開示の実施の形態１に係る拡散燃焼バーナー２によれば、以下の効果を奏することができる。
【００４９】
本開示の実施の形態１に係る拡散燃焼バーナー２は、バーナー筒２３内の空気流路において、炎孔板２１の手前に旋回流を形成する旋回板２４を備える。拡散燃焼バーナー２は、旋回板２４によって、バーナー筒２３内の空気流路を流れる空気に旋回流を付与している。旋回された空気は、炎孔板２１の空気噴出孔２６から旋回流の勢いを残した状態で、炎孔板２１の内側の炎形成室２０へ噴出される。このような構成により、拡散燃焼バーナー２においては、燃料と空気との混合ガスを旋回させながら、その中で炎４を形成するため、旋回した燃焼ガスを得ることができる。その結果、拡散燃焼バーナー２は、低流速の燃焼ガスであっても旋回流にすることができるため、加熱対象である改質部３の改質反応器３４等を均一に加熱することができる。また、拡散燃焼バーナー２は、旋回流を形成するためのガイドベーン等の機構を高温となる改質部３の燃焼室３１に設けなくてもよいため、熱に対する耐久性を向上させることができる。
【００５０】
実施の形態１において、旋回板２４は、バーナー筒２３内の空気流路において、炎孔板２１に対して所定の距離（例えば、１旋回程度の旋回流が発生する空間を確保することができる距離）を有して配置されている。この構成により、旋回板２４で形成された旋回流を、炎孔板２１の外周で均一に旋回させることができる。
【００５１】
実施の形態１において、炎孔板２１の空気噴出孔２６とバーナー筒２３の内壁との間における炎孔板２１の空気噴出孔２６の手前の流路断面積Ｓｆは、旋回板２４の傾斜孔２７の流路断面積Ｓｓと同等程度、又は小さくなっている。この構成により、旋回板２４で形成された旋回流が、流速を落とさないようにすることができ、又は流速を増大させることができる。そのため、炎孔板２１の外周付近（炎孔板２１とバーナー筒２３の内壁との間の流路）で旋回流の勢いを保持することができる。
【００５２】
実施の形態１において、炎孔板２１は、カップ状に形成されており、炎孔板２１の空気噴出孔２６は、炎孔板２１の外側に向かうほど孔径が大きくなっている。また、流路断面積Ｓｆは、炎孔板２１の外側（バーナー筒２３の下流）に向かうほど小さくなっている。このため、カップ状の炎孔板２１の中心に近い流路断面積Ｓｆが大きい領域では、旋回空気の流速が遅くなる。これにより、旋回空気の流速が遅くなる領域（流路断面積Ｓｆが大きい領域）では、孔径の小さい空気噴出孔２６から噴出される空気の量を抑えることができる。一方、炎孔板２１の外側（バーナー筒２３の下流）に近い流路断面積Ｓｆが小さい領域では、旋回空気の流速が速くなる。これにより、旋回空気の流速が速くなる領域（流路断面積Ｓｆが小さい領域）では、孔径の大きい空気噴出孔２６から、旋回の勢いが強い空気を炎形成室２０内に噴出することができる。
【００５３】
実施の形態１において、炎孔板２１の空気噴出孔２６の孔径ｄｅは、炎孔板２１の板厚ｔｅ以上となっている。このような構成により、空気が炎孔板２１の外側から空気噴出孔２６を通って噴出する際に、孔の内壁によって空気の流れる方向が変更されることを抑制できる。したがって、空気噴出孔２６は、炎孔板２１の外側の空間で旋回する空気の勢いを残した状態で、炎形成室２０に空気を噴出することができる。
【００５４】
実施の形態１において、バーナー筒２３内の空気流路においては、空気供給口と旋回板２４との間の流路が、所定の長さを有するように形成されていてもよい。所定の長さとは、旋回板２４に流入する空気の流れが均一になるために必要な長さである。このように構成することにより、旋回板２４において旋回流を形成しやすくなる。
【００５５】
なお、実施の形態１において、旋回流形成手段としての旋回板２４について、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔２７を設けた構成を説明したが、これに限定されない。旋回板２４は、旋回流を形成する構成を有していればよい。例えば、図６〜８に示す旋回板であってもよい。
【００５６】
図６は、旋回板の変形例を示す。図７は、図６の旋回板のＣ−Ｃ断面図を示す。図６及び図７に示すように、旋回板２４ａは、旋回流路の出口に空気の流れを円周方向に傾けて案内するガイド２７ａを設けた構成としてもよい。ガイド２７ａは、例えば、空気の流れる方向を傾ける囲い又は小坂である。ガイド２７ａは、旋回流路の出口で空気の流れをバーナー筒２３の円周方向に斜めに傾けている。そのため、図３及び図４に示す旋回板２４と比べて、旋回板２４ａでは、板厚ｔを薄くすることができる。また、ガイド２７ａは、プレス加工で切り起こすことにより、旋回板２４ａの旋回流路を形成するのと同時に形成することができる。そのため、旋回板２４ａは、低いコストで製造することができる。
【００５７】
図８は、旋回板の別の変形例を示す。図８に示すように、旋回板２４ｂは、複数の羽根板を備えるプロペラ形状を有していてもよい。複数の羽根板は、それぞれ所定の角度に傾けて設けられている。旋回板２４ｂの旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成されている。したがって、旋回板２４ｂに供給された空気は、それぞれの傾斜した羽根板の上面に沿って、羽根板間を流れることによって旋回流となる。このような構成によって、旋回流を省スペースで形成することができるため、旋回板２４ｂと炎孔板２１との間の距離を短くすることができる。その結果、装置の小型化を実現できる。
【００５８】
なお、実施の形態１において、炎孔板２１は、カップ状に形成されていると説明したが、これに限定されない。炎孔板２１は、炎形成室２０を画定する形状であればよく、例えば、円筒形状や円錐形状であってもよい。
【００５９】
（実施の形態２）
本開示の実施の形態２に係る拡散燃焼バーナーについて、図９を参照して説明する。図９は、実施の形態２に係る拡散燃焼バーナー２ａの全体構成図である。実施の形態２においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
【００６０】
図９に示すように、拡散燃焼バーナー２ａは、炎孔板２１ａと、ディストリビューター２２と、バーナー筒２３と、燃料パイプ２５と、拡散板２８と、を備える。実施の形態２においては、実施の形態１と比べて、旋回板２４の代わりに拡散板２８を備える点と、炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａが炎孔板２１ａの側壁面に対して斜めに傾斜して設けられている点と、が異なる。拡散燃焼バーナー２ａは、炎孔板２１ａに設けられた空気噴出孔２６ａによって、旋回流を形成している。
【００６１】
拡散板２８は、炎孔板２１ａとバーナー筒２３との間の流路を流れる空気を整流すると共に加圧空気層を形成する板である。加圧空気層とは、炎孔板２１ａの内側の炎形成室２０よりも圧力が高くなっている層をいう。拡散板２８は、複数の拡散孔２９を設けた円板形状を有する。拡散板２８に設けられる複数の拡散孔２９は、バーナー筒２３の軸方向に向かって同一の孔径で形成されている。拡散板２８は、バーナー筒２３内の空気流路において、炎孔板２１ａの手前に配置されており、バーナー筒２３内の空気流路を流れる空気を、拡散孔２９を通すことによって、炎孔板２１ａへ流れる空気を整流するとともに加圧している。
【００６２】
炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａは、炎形成室２０に空気を噴出する際に、旋回流を形成するため、炎孔板２１ａの側壁面に対して斜めに傾けて設けられている。炎孔板２１ａを上から見たときの空気噴出孔２６ａの傾斜について、図１０を用いて説明する。図１０は、図９の炎孔板２１ａのＤ−Ｄ断面図である。図１０に示すように、空気噴出孔２６ａは、バーナー筒２３の円周方向（図１０中のＸ−Ｘ方向）に斜めに傾斜して設けられている。具体的には、空気噴出孔２６ａは、炎孔板２１ａを上から見たとき、図１０中のＸ−Ｘ方向において時計回りの方向に角度θ１傾斜して設けられている。そのため、空気噴出孔２６ａから噴出される空気は、炎形成室２０で旋回する。上記の構成とするためには、炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａの孔径ｄｅに対して、流路長となる孔の深さｈｅを大きくする必要がある。したがって、空気噴出孔２６ａの孔径ｄｅは、炎孔板２１ａの板厚ｔｅ以下にすることが好ましい。
【００６３】
炎孔板２１ａを側方からみたときの空気噴出孔２６ａの傾斜について、図１１を用いて説明する。図１１は、実施の形態２における炎孔板２１ａの空気噴出孔２６を示す断面図を示す。図１１に示すように、空気噴出孔２６ａは、炎孔板２１ａの側壁面に対して前記炎形成室２０の下流側に向かって角度θ２傾斜するように設けられている。このような構成にすることにより、空気噴出孔２６ａの流路が長くなり、燃焼室４内の旋回流の勢いを強めることができる。
【００６４】
拡散燃焼バーナー２ａの動作について説明する。
拡散燃焼バーナー２ａにおいては、バーナー筒２３内の空気流路を流れる空気は、拡散板２８の拡散孔２９を通ると、炎孔板２１ａと拡散板２８との間の流路に均一に拡散されて整流される。整流された空気は、炎孔板２１ａと拡散板２８との間の流路から炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａへ流れる。このとき、炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａの孔径ｄｅは、拡散板２８の拡散孔２９の孔径よりも小さいため、炎孔板２１ａとバーナー筒２３との間の流路では、加圧空気層が形成される。加圧空気層は、炎孔板２１ａの内側の炎形成室２０よりも圧力が高くなっているため、空気噴出孔２６ａから炎形成室２０へ空気がスムーズに噴出される。
【００６５】
空気噴出孔２６ａは、バーナー筒２３の円周方向（図１０中のＸ−Ｘ方向）に斜めに傾斜して設けられている。そのため、空気噴出孔２６ａから噴出された空気は、炎孔板２１ａの内側の炎形成室２０内で旋回しながら流れる。
【００６６】
本開示に係る実施の形態２の拡散燃焼バーナー２ａによれば、以下の効果を奏することができる。
【００６７】
本開示の拡散燃焼バーナー２ａは、炎孔板２１ａの空気噴出孔２６ａを、バーナー筒２３の円周方向（図１０中のＸ−Ｘ方向）に斜めに傾斜させて設けることによって、空気噴出孔２６ａから噴出される空気を旋回流にしている。そのため、拡散燃焼バーナー２ａでは、旋回流を形成する手段を小型化でき、例えば、大きな燃焼室で旋回流を形成する場合に有利である。
【００６８】
拡散燃焼バーナー２ａは、空気噴出孔２６ａを、炎形成室２０の下流側に向かって傾斜するように設けている。そのため、拡散燃焼バーナー２ａは、空気噴出孔２６の流路を長くして旋回流を強めることができ、拡散燃焼バーナー２の下流に設けられる燃焼室３１において、燃焼ガスの温度を均一にすることができる。
【００６９】
なお、実施の形態２においては、拡散板２８を備える構成について説明したが、これに限定されない。拡散燃焼バーナー２ａは、炎孔板２１ａとバーナー筒２３との間の流路を流れる空気を整流し、炎孔板２１ａの内側の炎形成室２０の圧力よりも高くなる構成であれば、拡散板２８を備えなくてもよい。また、実施の形態２においては、拡散板２８に設けられる複数の拡散孔２９は、同一の孔径を有し、バーナー筒２３の軸方向に沿って形成されていると説明したが、これに限定されない。例えば、複数の拡散孔２９は、異なる方向に向かって形成されていてもよいし、それぞれの孔径が異なっていてもよい。
【００７０】
実施の形態２において、炎孔板２１ａの側壁面には、同一の傾斜角度θ２を有する複数の空気噴出孔２６ａが設けられているが、これに限定されない。複数の空気噴出孔２６ａの傾斜角度については、改質部３の燃焼室３１に応じて、それぞれ別々の角度に設定することができる。例えば、炎形成室２０の中央部に近い空気噴出孔と、炎形成室２０の周辺付近の空気噴出孔とで孔の傾斜角度を変更してもよい。保炎をしたい炎形成室２０の中央部（燃焼室３１の中央部）は、空気噴出孔の傾斜角度を緩やかにして旋回流を緩めることによって吹き消えを抑制することができる。一方、高温の大流量の燃焼ガス流が必要な炎形成室２０の周辺付近（燃焼室３１の周辺付近）は、空気噴出孔の傾斜角度を急峻にして旋回流を強めることによって、ガス温度を均一にすることができる。このように、空気噴出孔２６ａの傾斜角度θ２は、燃焼室３１の領域（燃焼ガスが通る領域）に応じて、調整してもよい。
【００７１】
本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本開示の拡散燃焼バーナーは、旋回流を形成する旋回流形成手段を備えることにより、燃焼ガスを旋回させて改質反応器を均一に加熱することができるため、ガスや物質の合成分解プロセスにおける加熱用途に適用できる。例えば、本開示の拡散燃焼バーナーは、水素製造装置、排ガス処理、ゴミの分解処理、化学薬品の合成分解等の用途に適用できる等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１  水素製造装置
２  拡散燃焼バーナー
２１  炎孔板
２２  ディストリビューター
２３  バーナー筒
２４  旋回板
２５  燃料パイプ
２６  空気噴出孔
２７  傾斜孔
２８  拡散板
２９  拡散孔
３  改質部
３１  燃焼室
３２  燃焼筒
３３  燃焼ガス流路
３４  改質反応器
３５  改質触媒
【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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