(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の一端に取り付けられ、前記燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口と、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取り付けられ、ガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源と、前記燃焼器内の圧力波発生源より下流に取り付けられ、渦を発生させる渦発生部と、前記渦発生部より下流に取り付けられ、ガスを燃焼させる燃焼部と、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取り付けられる第二のガス流入口と、前記第一及び／又は第二の流入口から流入するガスの流量を測定する測定手段と、を備える内側断面が円形の燃焼器において、
前記測定手段で測定された気体の流量に基づいて求めた流速の増加に応じて前記圧力波の圧力波周波数を増加させることで、前記燃焼器内で流入ガスにより発生する渦の直径を一定に保つように制御した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、前記燃焼器内で流入ガスにより発生する渦の直径をStrouhal数に基づき予め設定し、
前記測定手段で測定された気体の流量に基づいて求めた流速に前記Strouhal数をかけた値を前記燃焼器の内径で除し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の中心線上に前記渦発生部を取付けることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項の燃焼器において、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５】
請求項１〜４のうちいずれか１項の燃焼器において、前記第二のガス流入口を前記渦発生部とし、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６】
請求項１又は請求項２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７】
請求項１又は請求項２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８】
請求項１又は請求項２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９】
請求項１又は請求項２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１０】
請求項１又は請求項２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１１】
請求項１又は請求項２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１２】
請求項１１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１３】
請求項１１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渦発生部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、燃焼器の一端に取り付けられ、前記燃焼器内にガスを送る第一のガス流入口と、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取り付けられ、ガスに圧力波を与えることが可能な圧力波発生源と、前記燃焼器内の圧力波発生源より下流に取り付けられ、渦を発生させる渦発生部と、前記渦発生部より下流に取り付けられ、ガスを燃焼させる燃焼部と、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取り付けられる第二のガス流入口と、前記第一及び／又は第二の流入口から流入するガスの流量を測定する測定手段と、を備える内側断面が円形の燃焼器において、前記測定手段で測定された気体の流量に基づいて求めた流速の増加に応じて前記圧力波の圧力波周波数を増加させることで、前記燃焼器内で流入ガスにより発生する渦の直径を一定に保つように制御した。
【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
0004244731.tif 000002
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
0004244731.tif 000003
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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