(57)【要約】【課題】フラッパバルブ等の高速作動部品を要せず、簡単な構造で高周波数のパルス燃焼により高出力を得ることができるパルス燃焼装置及びパルス燃焼方法を提供する。【解決手段】本発明に係るパルス燃焼装置は、一端が閉塞され他端が開口された燃焼筒10と、燃焼筒10の閉塞端部に設けられた燃料供給管13及び酸素供給管15と、燃料供給管13及び酸素供給管15から供給された燃料と酸素の混合を促進させる混合手段20と、混合気の点火を行う点火プラグ25と、を有するパルス燃焼装置であって、燃料供給管13及び酸素供給管15は、それぞれ燃料又は酸素の供給方向が前記燃焼筒10の閉塞端側に向くように配設されるとともに、供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される圧力調整手段141、161を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が閉塞され他端が開口された燃焼筒と、該燃焼筒の閉塞端部に設けられた燃料供給管及び酸素供給管と、該燃料供給管及び酸素供給管から供給された燃料と酸素の混合を促進させる混合手段と、混合気の点火を行う点火プラグと、を有するパルス燃焼装置であって、
前記燃料供給管及び酸素供給管は、それぞれ燃料又は酸素の供給方向が前記燃焼筒の閉塞端側に向くように配設されるとともに、供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される圧力調整手段を有するパルス燃焼装置。
【請求項２】
燃焼筒は、その下流側にバッファを有することを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
【請求項３】
バッファは、そのガス排出口における断面積Ｓ、排出ガスの流速ｕ、パルス燃焼の周波数をｆとするとき、その容積Ｖが、Ｖ＞(Ｓ・ｕ)/ｆなる式に関係づけられるものであることを特徴とする請求項２に記載のパルス燃焼装置。
【請求項４】
燃焼筒に燃料と酸素を供給し、その混合気の間欠的な爆発燃焼を行うパルス燃焼方法において、燃料の供給が、供給される酸素のガス圧よりも低い状態で行われることを特徴とするパルス燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料又は酸素の間欠的な供給を行うための特殊バルブを要しないパルス燃焼装置及びパルス燃焼方法に係り、特に燃料及び酸素のガス圧が調整された状態で供給されるパルス燃焼装置及びパルス燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス燃焼装置は、簡単な構造で高温高圧のガスや高出力を得ることができるので、その応用分野が拡大している。しかし、パルス燃焼装置は、燃料又は酸素の供給を間欠的に行うために又は燃焼ガスの逆流を防止するために、フラッパバルブ等の特殊な高速作動バルブを要するという問題がある。
【０００３】
このような問題に対し、特許文献１に、空気を主体とする希薄混合ガスが貫流する第１の供給管路内に燃料ガスを主体とする濃厚混合ガスが前記第１の供給管路内のガスの流れと同方向に貫流する第２の供給管路を設け、該第２の供給管路の下流側開口端にその下流方向に向けて漸次拡径をなすうず流発生部材を設け、該うず流発生部材と前記第１の供給管路との間隙を介して貫流してくるガスと前記第２の供給管路を介して貫流してくるガスとの混合ガスを間欠的に燃焼させる燃焼領域が前記うず発生部材の下流側少し距離を隔てた部位に形成されるように点火部材を前記燃焼領域の下流側に設けてなるパルスバーナが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２に、燃料導管を通り圧送されてくる燃料をノズルから噴射させ、燃焼室内で爆発燃焼させるパルス燃焼装置において、所定圧の燃料が連続して前記ノズルに供給されるように構成するとともに、前記燃焼室側からの爆発燃焼による圧力が前記ノズル側に作用した時に、ノズルからの燃料噴射が停止されるように、ノズルの外周に、燃焼室側へ先端を開口させてフードを覆設したパルス燃焼装置が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平05-187616号公報
【特許文献２】特開2002-39508号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に提案されたパルス燃焼装置は、フラッパバルブ等の特殊なバルブを要しないという点では優れるが、高出力を得るためにパルス燃焼の単位時間当たりの燃焼数を増大させるにはその構造上から制限があるという問題がある。すなわち、まず、燃料と酸素との混合のための積極的な乱流化機構を有していないため、運転周波数を数十Hz以上に上げることは非常に難しい。また、構造上、燃料供給口の下流部分において前サイクルの残留既燃ガスをパージすることが困難であり、運転周波数を上げて残留既燃ガスの冷える時間がなくなってしまうと、燃料と酸素とが混ざった部分から高温のガスに触れて着火してしまい、強い爆発的な燃焼を起こすことができなくなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、フラッパバルブ等の特殊なバルブを要せず、簡単な構造で高周波数のパルス燃焼により高出力を得ることができるパルス燃焼装置及びパルス燃焼方法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】
【０００８】
本発明に係るパルス燃焼装置は、一端が閉塞され他端が開口された燃焼筒と、該燃焼筒の閉塞端部に設けられた燃料供給管及び酸素供給管と、該燃料供給管及び酸素供給管から供給された燃料と酸素の混合を促進させる混合手段と、混合気の点火を行う点火プラグと、を有するパルス燃焼装置であって、前記燃料供給管及び酸素供給管は、それぞれ燃料又は酸素の供給方向が前記燃焼筒の閉塞端側に向くように配設されるとともに、供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される圧力調整手段を有する。
【０００９】
上記発明において、燃焼筒は、その下流側にバッファを有するのがよい。また、そのバッファは、そのガス排出口における断面積Ｓ、排出ガスの流速ｕ、パルス燃焼の周波数をｆとするとき、その容積Ｖが、Ｖ＞(Ｓ・ｕ)/ｆなる式に関係づけられるものであるのがよい。
【００１０】
本発明に係るパルス燃焼方法は、燃焼筒に燃料と酸素を供給し、その混合気の間欠的な爆発燃焼を行うパルス燃焼方法において、燃料の供給が、供給される酸素のガス圧よりも低い状態で行われる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るパルス燃焼装置は、フラッパバルブ等の特殊なバルブを要せず、簡単な構造で高周波数のパルス燃焼により高出力を得ることができる。また、脈動の少ない出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係るパルス燃焼装置の構成を示す概要図である。本パルス燃焼装置は、図１に示すように、一端が閉塞され他端が開口された燃焼筒10と、燃焼筒10の閉塞端部に設けられた燃料供給管13及び酸素供給管15と、燃料供給管13及び酸素供給管15から供給された燃料と酸素の混合を促進させる混合手段20と、混合気の点火を行う点火プラグ25と、を有する。
【００１３】
そして、燃料供給管13及び酸素供給管15は、それぞれ燃料又は酸素の供給方向が燃焼筒10の閉塞端側に向くように配設されている。このような構成により、燃料と酸素の混合が促進されるとともに、燃焼ガスの排気を促進することができる。
【００１４】
また、本パルス燃焼装置は、それぞれ燃料ガス及び酸素ガスの供給を調整する燃料調整手段14、酸素調整手段16を有している。そして、燃料調整手段14に組み込まれた圧力調整手段141と、酸素調整手段16に組み込まれた圧力調整手段161とにより、燃焼筒10へ供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される。燃料調整手段14、酸素調整手段16には、さらに、燃焼筒10へ燃料又は酸素を供給するための、供給／停止手段、流量調整手段が組み込まれているのがよい。
【００１５】
圧力調整手段141、161は、手動で供給圧力の調整を行うものであっても、プログラム制御により供給圧力の調整を行うものであってもよい。プログラム制御により圧力調整を行うものは、温度センサ、圧力センサ等と組み合わせ、最適状態でパルス燃焼を行うことができるので好ましい。
【００１６】
本パルス燃焼装置においては、上述のように、燃焼筒10へ供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される。したがって、燃焼筒10へ供給される燃料及び酸素は気体状態のものを対象とする。燃料は、例えば、水素ガス、プロパンガス、エチレンガス等を使用することができる。酸素は、燃料の燃焼を行うための酸素含有ガスであればよく、例えば、純酸素ガス、空気を使用することができる。
【００１７】
本パルス燃焼装置において、燃焼筒10及び燃料供給管13、酸素供給管15は冷却されるのがよい。このような部位の冷却は、高周波数の連続運転を安定して行うのに好ましい。
【００１８】
混合手段20は、燃料と酸素の均一な混合気を生成することができるものであればよく、例えば、燃焼筒10の下流側に向かって次第に径が大きくなる渦型のものを燃焼筒10内に設けるのがよい。
【００１９】
点火プラグ25は、混合手段20のやや下流に配設するのがよい。燃料の供給量、パルス燃焼装置の運転周波数等により最適な位置が選ばれる。
【００２０】
本発明に係るパルス燃焼装置の作動について、図２を基に説明する。上述のように、本パルス燃焼装置においては、燃焼筒10へ供給される燃料のガス圧が酸素のガス圧よりも低くなるように調整される。例えば、酸素の供給圧力を0.56 MPaGとし、燃料の供給圧力を0.2 MPaGとする。図２において、斜線部分がそれぞれの設定された供給圧力を示す。
【００２１】
先ず燃焼筒10へ燃料及び酸素の供給を始め、燃料及び酸素の供給を続ける。そして、所定のタイミングで点火プラグ25により燃料と酸素の混合気に点火し、爆発燃焼を起こさせる。
【００２２】
混合気の爆発燃焼により、燃焼筒10内の燃料供給管13及び酸素供給管15の出口近傍の圧力は、図２に示すように、急上昇し、その後、徐々に低下してくる。このとき、燃焼筒10内の燃料供給管13及び酸素供給管15の出口近傍の圧力が0.56 MPaGよりも高い時間帯においては、酸素及び燃料の供給は停止される。しかし、燃焼筒10内の燃料供給管13及び酸素供給管15の出口近傍の圧力が0.56 MPaGよりも低くなると、先ず酸素の供給が始まり、そして、燃焼筒10内の燃料供給管13及び酸素供給管15の出口近傍の圧力が0.2 MPaGまで下がると、さらに、酸素と燃料とが同時に供給され始める。次に所定のタイミングで点火プラグ25により燃料と酸素の混合気に点火し、爆発燃焼を起こさせ、パルス燃焼が繰り返し行われる。
【００２３】
本パルス燃焼装置においては、爆発燃焼後に先ず酸素のみの供給が行われるので、この酸素の燃焼筒10内への流入により、残留排ガスの排気を自動的に行うことができる。また、先ず酸素のみが供給されて残留排ガスを燃焼筒10の下流側に押しやり、次に酸素と燃料とが同時に供給されるので、燃料と酸素との混合気が直接に高温度の残留排ガスに接触することがない。これにより、燃焼は点火プラグ25により確実に制御することができ、異常燃焼を防止することができる。
【００２４】
パルス燃焼の燃焼タイミングは、図２から分かるように、混合気の燃焼圧力曲線と、燃料及び酸素の供給圧力とにより定められるが、理想的な燃焼を行うには、燃料と酸素の所定混合比の混合気を所定量だけ生成することが必要である。このため、所定流量で燃料及び酸素の供給を行うために燃料調整手段14、酸素調整手段16に流量制御手段を組み込むのがよい。
【００２５】
パルス燃焼装置の出力は、燃焼圧力、単位時間内のパルス燃焼数により定まる。本パルス燃焼装置においては、燃料及び酸素の供給が燃焼筒10内の燃焼ガス圧により自動的に制御され機械的な制御手段を要しないから、従来のパルス燃焼装置と異なって高周波数のパルス燃焼を行うことができ、高出力を得ることができる。例えば、本パルス燃焼装置においては、100〜200 Hzのパルス燃焼運転を行うことができる。
【００２６】
以上、本発明に係るパルス燃焼装置について説明した。本パルス燃焼装置は、上記の実施例に限定されない。例えば、図１に示すように、燃焼筒10の下流側にバッファ30を設けるのがよい。これにより、より圧力変動の少ない出力を得ることができる。
【００２７】
バッファ30は、図１に示すように、燃焼筒10の後端部に連接して設けられ、燃焼筒10内の燃焼後の排ガスは、ガス排出口35から排出され利用に供される。このバッファ30は、ガス排出口35における断面積Ｓ、排出ガスの流速ｕ、パルス燃焼の周波数をｆとするとき、バッファ30の容積Ｖが、ほぼＶ＞(Ｓ・ｕ)/ｆなる式を満たすようにするのがよい。
【実施例１】
【００２８】
図１において、バッファ30を有しないパルス燃焼装置の燃焼試験を行った。燃焼筒10のサイズは、内径29.8 mm、長さ1165 mmであった。燃料として水素を用い、供給圧力は0.2 MPaGに設定した。酸素の供給は空気を用いて行い、供給圧力は0.56 MPaGに設定した。燃焼試験結果を図３に示す。図３は、160 Hzで運転したときの燃焼筒閉塞端部の圧力変化を示し、横軸が時間、縦軸が圧力を示す。
【００２９】
図３によると、パルス燃焼のモードは、爆発的な燃焼の中でも最も理論熱効率の高いデトネーションモードになっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るパルス燃焼装置の構成を示す概要図である。
【図２】図１のパルス燃焼装置の作動説明図である。
【図３】実施例の燃焼試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
10    燃焼筒
13    燃料供給管
14    燃料調整手段
141    圧力調整手段
15    酸素供給管
16    酸素調整手段
161    圧力調整手段
20    混合手段
25    点火プラグ
30    バッファ
35    ガス排出口
【図１】
2009198036.tif 000003
【図２】
2009198036.tif 000004
【図３】
2009198036.tif 000005