JP2009063222A - 携帯型管状火炎バーナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】管状火炎をより身近なものにすべく、空気供給設備を必要とせず、持ち運び可能な携帯型管状火炎バーナシステムを提供する。
【解決手段】本発明の携帯型管状火炎バーナシステムは、液化した燃料を貯蔵するボンベ１と、管状の内壁面を有し、内部に管状火炎を形成するためのバーナ３と、蒸発した燃料の噴流を作り、噴流の負圧を利用して空気を吸い込み、管状火炎を形成できるように燃料と空気を混合する混合気形成装置１４と、バーナ３の内壁面に沿って混合気を吹き出し、バーナ３内に混合気の旋回流れをつくる吹き出し部３ａと、混合気に着火する着火装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バーナの内部に管状火炎(Tubular Flame)を形成するための管状火炎バーナシステムに関し、特に持ち運び可能な携帯型管状火炎バーナシステムに関する。

管状火炎は、円筒座標系の火炎素として基礎燃焼学の立場から研究されてきた。特に回転伸長場に形成される管状火炎は、利便性のある形状と、予混合気を管内に接線方向に吹き出すだけで形成できるといった簡易性から実用燃焼器への応用が進められている。

火炎は中空の管状である。管状火炎を形成するためには、管状の内壁面を有するバーナに燃料と空気を混合した予混合気を接線方向に吹き込むか、あるいは、バーナに吹き出し口を複数用意し、燃料と空気を別々の吹き出し口から接線方向に吹き込むことが行われていた（特許文献１参照）。
特開平１１−２８１０１５号公報

しかし、管状火炎を形成するには高速で混合気を吹き出す必要があり、その付帯設備のため装置が大型化する傾向があった。具体的には、従来の管状火炎バーナシステムにおいては、高速で混合気を吹き出す必要性からコンプレッサなどの空気供給設備を必要とした。そして、「空気の供給圧」を利用して、燃料と空気の混合気をバーナ内に吹き込んでいた。空気供給設備の必要性は、管状火炎バーナシステムの大型化を招くから、実験室や工場でしか管状火炎を形成することができない。

そこで本発明は、管状火炎をより身近なものにすべく、空気供給設備を必要とせず、持ち運び可能な携帯型管状火炎バーナシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液化した燃料を貯蔵するボンベと、管状の内壁面を有し、内部に管状火炎を形成するためのバーナと、蒸発した気体燃料の噴流を作り、噴流の負圧を利用して空気を吸い込み、管状火炎を形成できるように気体燃料と空気を混合する混合気形成装置と、前記バーナの内壁面に沿って混合気を吹き出し、前記バーナ内に混合気の旋回流れをつくる吹き出し部と、前記混合気に着火する着火装置と、を備える携帯型管状火炎バーナシステムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記混合気形成装置は、理論混合気よりも濃い濃度に気体燃料と空気を混合することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記吹き出し部は、バーナの周方向に位置をずらして複数設けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記吹き出し部は、バーナの軸線方向に位置をずらして複数設けられることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記バーナの内部の管状火炎を視認できるように、前記バーナが透明な材料を含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記バーナの内径が、直径１０ｍｍ以下の円筒状又は径１０ｍｍ以下の多角形状であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステムにおいて、前記バーナの内壁面は、軸線方向の一端が開放されると共に、軸線方向の他端が閉鎖され、前記着火装置は、バーナの軸方向において、前記吹き出し部と閉鎖された端面との間で、前記混合気に着火することを特徴とする。

本発明によれば、「燃料の蒸気圧」を利用し、管状火炎に適した量の空気を取り込んで、燃料及び空気の混合気をバーナ内に吹き出す。管状火炎を形成するにあたり必要とされてきた空気供給設備を不要とした結果、容易に持ち運び可能な携帯型管状火炎バーナを製作することが可能になる。

管状という利便性のある形状の火炎が作れるだけでなく、ハンディ、且つ、上向き下向きに無関係に（強遠心力場中に）火炎が安定に形成できるので、パイロットフレーム、トーチフレーム、微細加工作業、それに観賞用炎、として多方面での用途が期待できる。

この管状火炎には、理論混合気よりも燃料過剰側で小さな直径の火炎が形成できるという特異性がある。

さらに、直径１０ｍｍ以下の円筒状のバーナを用いるならば、直径２ｍｍ以下の火炎を形成することも可能になる。従来、直径２ｍｍ程度の火炎を形成することは困難であり、直径１ｍｍ程度の火炎は世界的にも形成されていなかった。

以下添付図面に基づいて、本発明の管状火炎バーナシステムの一実施形態を説明する。図１は、管状火炎バーナシステムの概略構成図を示す。ボンベ１には、プロパン、ブタン、又はプロパンとブタンの混合ガスの燃料が加圧・液化されている。ボンベ１の燃料開閉用のつまみ２をひねり、着火装置で火をつければ、管状のバーナ３内に管状火炎を形成することができる。

まず、管状火炎の幾何学的な特徴を説明する。図２は、バーナ３内に形成される管状火炎４を示す。バーナ３は管状の内壁面を有する。バーナ３の軸方向の一端は閉鎖され、多端は開放されている。バーナ３の接線方向に吹き出された混合気は、管状火炎４の中に移動し、燃焼する。バーナ３内には旋回流れが形成されるので、遠心力によって、燃焼前の重いガスがバーナ３の周囲に、燃焼後の軽いガスがバーナ３の中央に同心円状に分離される。そして、燃焼後のホットな軽いガスは、バーナ３の軸方向に排出される。

混合気の流線５は、火炎面に垂直な成分５ａと、火炎面の接線方向の成分５ｂとに分けられる。火炎面の垂直方向の流速と燃焼速度がつりあって、バーナ３内の一定の位置に管状火炎４が形成される。

携帯型管状火炎バーナシステムの開発にあたって、バーナ径１０ｍｍ以下の場合の管状火炎の形成限界や火炎直径、火炎長さを基礎的に調べ、次に、この火炎形成に適した燃料・空気混合気を燃料ジェットの負圧を利用して形成させるための装置を製作し、最後に、これを実際のバーナに装着して携帯型管状火炎バーナとしての成否を確認した。以下に実験装置、火炎外観、火炎形成限界、混合気形成装置、バーナ、着火装置、携帯型管状火炎バーナシステムとしての成否について順番に説明する。

［実験装置］
図３は、基礎実験のための装置の概略を示す。バーナ内径としては、耐熱硬質ガラス管の規格に合わせて、１０，７．６，６，４ｍｍの４種類を採用した。耐熱硬質ガラス管の長さは１００ｍｍで一定とした。一方、混合気を接線方向に吹き出すために、接線方向に直径１．５ｍｍの吹き出し孔を対称位置に２箇所取り付けて吹き出し部とした。この吹き出し部の下端には、石英ガラスの窓を設け、内部に形成される火炎を下方および側面より観察できるようにした。吹き出し部下端からパイレックス（登録商標）管出口までの長さは、１０７．５ｍｍである。

携帯型バーナで使用する燃料としては、カセットボンベに充填されているプロパン、ブタン、あるいは、ブタンとプロパンの混合燃料を想定する。そこで、基礎実験には、実験データが豊富なプロパンを用いることにした。空気およびプロパンは、それぞれ、コンプレッサ６、ボンベ７より供給され、流量測定用オリフィス８ａ，８ｂおよび流量調節バルブ９ａ，９ｂを経た後に混合され、バーナ３に供給される。

[火炎外観]
適当な組み合わせの空気流量・燃料流量に対し、バーナ３内に管状火炎が形成される。バーナ３の外観、および、水平方向・下方から撮影した火炎の外観を図４に示す。理論混合気（図４(b)）では火炎は短いが、当量比をより希薄あるいは過濃にしていくと火炎直径は減少し、また、火炎が長くなる。若干不安定な領域を経た後、さらに混合気を希薄あるいは過濃とすると、火炎はバーナ根元から吹き飛んで消炎する。

[火炎形成限界]
内径１０ｍｍのバーナを用い、系統的に空気流量と燃料流量を変化させ求めた火炎形成限界を図５に示す。希薄・過濃可燃限界近くの燃料濃度まで管状火炎が形成されることがわかる。

参考に、空気流量を５３．４ｍｌ／Ｓと一定に保ちつつ燃料流量を減少または増加させて求めた火炎直径の変化を図６に示す。希薄にしていった場合は、火炎直径はさほど変化せず消炎するが、過濃にしていくと火炎直径は徐々に減少し、この場合は、約４．５ｍｍで消炎する。プロパン・空気混合気で、希薄側では火炎直径が小さくなれないのに対し、過濃側では小さくなれるのは、いわゆる不足成分のルイス数効果により、以前観察された結果と一致する。

さて、バーナ内径が４ｍｍと小さくなった場合の火炎形成限界を求めた結果を図７に示す。火炎は希薄混合気ではほとんど形成されず、理論混合気の燃料濃度Ω＝４％よりも燃料過濃側で形成される。しかし、過濃可燃限界である燃料濃度９．５％よりかなり小さい燃料濃度約７％以下でないと火炎が形成できないことがわかる。

以上の結果より、内径が１０ｍｍのバーナにおいてはプロパンの可燃範囲のほぼ全域で燃焼が可能であるが、内径が４ｍｍのバーナにおいては、可燃範囲は狭く、燃料過濃側の４〜７％の燃料濃度で管状火炎が形成可能であることがわかった。管状火炎の特性として、燃焼後のホットガスの外周側に未燃ガスが存在し、ホットガスが直接バーナの壁面に触れることがないことが挙げられる。断熱性がよく、熱損失が少ないので、内径が４ｍｍ以下のバーナにも火炎を形成しても、熱損失によって消炎に至ることがない。

［混合気形成装置］
図８は混合気形成装置の外観図を示し、図９は断面図を示す。携帯型管状火炎バーナでは、カセットボンベ１に充填された液体燃料を用い、空気の導入には、燃料の噴流の負圧を利用する。そこで、例えば内径１ｍｍのパイプ１１内にオリフィス板１２を挿入し，そこを通過させることで燃料の噴流を作り、一方、オリフィス板１２下流に適当な大きさの空気導入孔１３を設けて空気を吸い込み、もって、管状火炎形成に適した可燃性混合気を作った。すなわち、燃料は混合気形成装置１４へ一定の圧力で供給され、フィルタ１５を通過し、オリフィス板１２より噴出する。このとき、流れの圧力が低下し、オリフィス１２直後に設けられた空気が引き込まれる。その後、燃料と空気は自然に混合されてバーナ３内へと噴出される。

プロパンを用いた場合の結果の一例を図１０に示す。なお、この混合気形成装置をバーナに取り付けた場合、バーナ径により圧力抵抗が変わるので、実際に１０，７．６，６，４ｍｍのバーナに取り付けた状態で、プロパンの供給圧力を変化させ、空気導入孔１３を塞いで燃料のみを吹き出した場合、空気導入孔１３を開けて空気を引き込んだ場合の双方についてバーナ出口におけるそれぞれの流量を石鹸膜流量計で測定し、総流量と燃料濃度を求めた。また、参考に、図１０には、内径１０ｍｍおよび４ｍｍのバーナについて求められた火炎形成限界を示す。

［バーナ］
バーナ３には、(1)単吸い込みバーナ、(2)垂直３吸い込みバーナ及び水平３吸い込みバーナ、(3)水平２吸い込みバーナを用意した。

(1) 単吸い込みバーナ
図１１に示されるように、混合気の吹き出し部である吹き出し孔３ａが一箇所のバーナ３である。火炎の構造をバーナ側面より観察するため、バーナ上部をガラス管で製作し、火炎の断面構造を観察するためにバーナ下部をガラス円盤で製作した。バーナ３の内壁面は、一端が閉鎖された円筒形状である。

この単吸い込みバーナに管状火炎を形成したところ、火炎断面がひずんだ円形であり、火炎に明るさのむらがあることが見て取れた。火炎断面のひずみは試作バーナの場合と同様に吹き出し孔３ａが一箇所であるためにバーナ内部の流れの軸対称性が悪いことや、混合気の量が少ないために未燃の混合気の流路が狭くなったことなどが原因と考えられる。また、火炎のむらは吹き出し孔３ａからバーナ出口３ｂへ混合気が螺旋状に流れることが予想されるため、その流れる軌跡に沿って火炎の明るい部分が存在していると考えられる。従来の予混合気を使用する管状火炎バーナにおいて、火炎に明るさのむらが観察されることは稀であるが、これはそのほとんどが混合気をスリットから供給するため、スリットからバーナ出口まで混合気が螺旋状に流れたとしても混合気が供給されにくい場所が生じにくいためであると考えられる。

(2) 垂直３吸い込みバーナ及び水平３吸い込みバーナ
単吸い込みバーナにおいては、バーナ内の流れの軸対称性の悪さや予混合気が供給されにくい場所が存在することなどの問題点が発見された。そこで、これらの問題点を解決するために、バーナ３内に混合気を供給する吹き出し孔３ａを３箇所設けたバーナを製作した。このとき、吹き出し孔３ａの配置を二種類考え、一つは供給する位置を縦方向にずらせて配置する垂直３吸い込みバーナと、供給する位置を水平面内で周方向に１２０度ごとに設置した水平３吸い込みバーナをそれぞれ製作した。図１２及び図１３にこれらのバーナの概要を示す。なお、これらのバーナは混合気形成装置を３箇所に用いているため、単吸い込みバーナと比べ燃料流量が３倍になっている。

垂直３吸い込みバーナに火炎を形成したところ、単吸い込みバーナの火炎と比較すると、火炎長さが伸びていることがわかった。また、火炎断面は円に近づいていることも見て取れる。火炎長さは、単吸い込みバーナの場合に比べてバーナ３に供給される混合気の量が増加したために長くなったと考えられる。一方、火炎断面は混合気流量の増加によって火炎の周囲を十分な未燃の混合気が包み込む構造となったため、混合気の流れが軸対称に近づいてひずみが小さくなったと考えられる。火炎中の明るさのむらは、単吸い込みの場合と比較すると、少なくなっていた。これは、吹き出し孔３ａが３箇所になったことで、バーナ３内で混合気がより均一に供給されたためであると考えられる。

水平３吸い込みバーナにおいては、火炎がバーナ中心軸に対して非常に良い対称性を有していた。また、火炎のむらも少なく、均質な火炎であることも見て取れた。これは、混合気を吹き込む位置がバーナの軸に対してより対称な位置に配置してあるために、バーナ３内に形成される混合気の流れがより軸対称に近づいたためであると考えられる。

火炎のむらは、バーナ３内において混合気の供給量にむらがあるために生じていると考えられるが、混合気がバーナ内において供給されやすい場所は、バーナ３内に吹き出し孔３ａから燃料を供給した際にバーナ円周方向の速度が最大になるところであると予想され、その位置は、図１４に示すように螺旋構造をとっていることが予想される。この螺旋構造は、バーナのスワール数や燃焼時の体積膨張などの影響を受けるために一意的には定めることができないが、おおよそ単吸い込みバーナを（ａ），垂直３吸い込みバーナを（ｂ），水平３吸い込みバーナを（ｃ）として予想したものである。この図１４より、十分な混合気が火炎を包み込む構造であれば、混合気を最も均一に近い状態でバーナ内に供給するためには、図（ｃ）の構造が優れていることが予想される。

(3) 水平２吸い込みバーナ
混合気吹き出し孔の位置を図１４（ｃ）に示す水平位置に配置することが、火炎のむらを低減できることが明らかになったが、水平３吸い込みバーナは３方向から混合気を供給する必要があるために小型化に対して不利であるということができる。そこで、図１５に示されるように、混合気吹き出し孔３ａを水平の２方向に設置した水平２吸い込みバーナを製作した。このことにより、奥行き方向の大きさの削減が容易になるものと思われる。

［着火装置］
着火装置には、圧電着火装置又はイグナイタが用いられる。圧電着火装置は、衝撃ひずみを与えると高圧電気を発生する圧電素子を利用している。圧電素子には、超電性、耐久性に優れている、例えば、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、ニオブ酸マグネシウム酸鉛などの三元系圧電磁器、水晶、ロッシェル円を用いることができる。イグナイタは、バーナ内に挿入される電極の電気スパークを利用する。この他にも、発火石とヤスリをこすり合わせ、その時に生じる火花を混合気に着火してもよい。

着火装置は、バーナの軸方向における、吹き出し部と燃焼室の閉鎖された端面との間で、混合気に着火する。バーナ内径が１０，７．６，６ｍｍまでは、バーナの上部で着火しても火炎がバーナの内部に入っていく。しかし、バーナ内径が４ｍｍのときは、火炎がバーナの内部に入っていくことができない。バーナの軸方向における混合気の流速が速くなるからである。着火装置が着火する位置（着火装置が火花を形成する位置）は、吹き出し部と同一平面上であるか、わずかに下側が望ましい。

［携帯型管状火炎バーナシステムとしての成否］
実際に混合気形成装置をバーナに取り付け、ブタンのカセットボンベから燃料を供給したときに形成される火炎の写真を図１６に示す。上側はバーナ側面より、下側は鏡を介してバーナ下方より撮影した火炎写真である。内径１０，７．６，６ｍｍのバーナでは、出口で着火すると火炎が上流端まで伝播して火炎が形成される。一方、内径４ｍｍのバーナでは、火炎は上流端まで伝播できないが、ガラス管長を半分にすると火炎は上流端まで伝播し、安定な管状火炎をえることができた。図より、バーナ内径の減少に伴って火炎長さが増加している。これは、バーナに供給している混合気の流量がほぼ等しいために、内径の小さいバーナでは同じ火炎面積を得るために軸方向の火炎長さが増加したためと考えられる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、バーナの内壁面の形状は、円筒に限られることはなく、八角形、六角形、四角形、三角形などの多角形でもよい。多角形の径が１０ｍｍ以下とは、多角形の一辺からこの一辺に対している辺又は角までの距離が１０ｍｍ以下のことをいう。実験により、四角形以上のときにも管状の火炎を形成することができた。

管内での燃焼になり、風等の外乱の影響で消炎することが無いことから、本発明の携帯型管状火炎システムは、屋外で使用されるライタ等の着火装置、登山やキャンプで使用されるカセットコンロやカセットバーナに適用できる。ライタに適用する場合には、手持ち可能なケース内にボンベ、バーナ、混合気形成装置、着火装置をコンパクトに収容するレイアウト設計をすればよい。また、これらの携帯型管状火炎システムの重量は、携帯可能なようにボンベまで入れて５００ｇ以下が望ましい。

本発明の一実施形態における管状火炎バーナシステムの概略構成図 バーナ内に形成される管状火炎を示す断面図 基礎実験のための装置の概略図 管状火炎の外観図（（ａ）は管状火炎バーナ（直径１０ｍｍ）を示し、（ｂ）は理論混合気の火炎を示し、（ｃ）は過濃のときの火炎を示す） 火炎形成限界を示すグラフ（バーナ直径１０ｍｍ、燃料：プロパン） 燃料濃度に伴う火炎直径の変化を示すグラフ 火炎形成限界を示すグラフ（バーナ直径４ｍｍ、燃料：プロパン） 混合気形成装置の外観図 混合気形成装置の断面図 燃料濃度と、混合気形成装置によって形成された混合気の総流量を示すグラフ 単吸い込みバーナを示す斜視図 垂直３吸い込みバーナを示す斜視図 水平３吸い込みバーナを示す斜視図 バーナの円周方向の最大速度の位置のモデル（図中（ａ）は単吸い込みバーナの場合，（ｂ）は垂直３吸い込みバーナの場合，（ｃ）は水平３吸い込みバーナの場合） 水平２吸い込みバーナの斜視図 携帯型管状火炎バーナシステムによって得られる管状火炎の外観図

符号の説明

１…ボンベ
３…バーナ
３ａ…吹き出し孔（吹き出し部）
４…管状火炎
１４…混合気形成装置

Claims (7)

1. 液化した燃料を貯蔵するボンベと、
   管状の内壁面を有し、内部に管状火炎を形成するためのバーナと、
   蒸発した気体燃料の噴流を作り、噴流の負圧を利用して空気を吸い込み、管状火炎を形成できるように気体燃料と空気を混合する混合気形成装置と、
   前記バーナの内壁面に沿って混合気を吹き出し、前記バーナ内に混合気の旋回流れをつくる吹き出し部と、
   前記混合気に着火する着火装置と、
   を備える携帯型管状火炎バーナシステム。
2. 前記混合気形成装置は、理論混合気よりも濃い濃度に気体燃料と空気を混合することを特徴とする請求項１に記載の携帯型管状火炎バーナシステム。
3. 前記吹き出し部は、バーナの周方向に位置をずらして複数設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯型管状火炎バーナシステム。
4. 前記吹き出し部は、バーナの軸線方向に位置をずらして複数設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステム。
5. 前記バーナの内部の管状火炎を視認できるように、前記バーナが透明な材料を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステム。
6. 前記バーナの内径が、直径１０ｍｍ以下の円筒状又は径１０ｍｍ以下の多角形状であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステム。
7. 前記バーナの内壁面は、軸線方向の一端が開放されると共に、軸線方向の他端が閉鎖され、
   前記着火装置は、バーナの軸方向において、前記吹き出し部と閉鎖された端面との間で、前記混合気に着火することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の携帯型管状火炎バーナシステム。