JP2014514521A - 燃料および酸化剤を同時に計量するための燃料および酸化剤の複合型計量ジェット、システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

単一または多燃料バーナへ送達するための液体燃料および／またはＬＧ燃料ならびに酸化剤の流量を選択的に同時に計量するための、燃料および酸化剤の複合型計量ジェット構成、システムおよび方法。特定の物品および構成を知的に選択することにより、使用者が酸化剤の流量を動的に調整することなく、単一種類の燃料送達導管および混合チューブを様々な燃料に対して最適化することができる。発明実施形態は、結合型および分離型ジェット−混合チューブ構成ならびに内因的な酸化剤計量能力を有する燃料ジェットおよび／または所望の酸化剤計量構成を確立するために外因的構造と協働する燃料ジェットを包含する。様々な実施形態の特徴として、速度および／またはベクトルなどの燃料−酸化剤流入特性の調整ならびに混合チューブに対して計量ジェットを再配置（交換ではない）するためのスペーサーの使用による燃料−酸化剤比の調整の向上が挙げられる。

Description

歴史的に、液体燃料および液化ガス（「ＬＧ」）燃料の両方を燃焼させるストーブ（以下、「多燃料ストーブ」と呼ぶ）は、燃料柔軟性および簡素化を優先して燃焼効率および／または性能を犠牲にしてきた。この犠牲は、エネルギー含有量および酸化要件が燃料間で全く異なることから生じる。つまり、無鉛ガソリン、ケロシンまたはディーゼルなどの液体燃料は各々異なる燃料流量を必要とするが、いずれの燃料も、所与の燃料流量に対して、液化ブタンまたはプロパンなどのＬＧ燃料よりも大きい容量の酸化剤を必要とする。故に、多くの多燃料ストーブは、適切に燃料流量を計量するまたは制御するための複数のジェット（使用者は、特定の種類の燃料にとって望ましいジェットを選択する）を使用者に与えるが、同様の空気流量の計量または制御は、主に費用、複雑さ、安全性および／または規制的制約のため、燃料−空気混合に対する「万能サイズ」手法に含まれない場合が多かった。

例えば、カナダ規格協会（ＣＳＡ）の規制機関は、使用者が調節可能な空気取入ルーバまたは他のこのような装置を、ＬＰ燃料を燃焼させるストーブに組み込むことを明確に却下している（ＣＳＡ１１．２ａ ２００１ §１．５．４参照）。この規制的制限により、ストーブ製造業者は、（１）液体燃料のみまたはＬＧ燃料のみ（両方ではない）を燃焼させるストーブを製造・販売している（２）使用者が調節可能な一次空気取入口を伴う多燃料ストーブ（例えば、Ｂｒｕｎｔｏｎ社のＶａｐｏｒ ＡＦストーブ）を製造・販売しているが、ＣＳＡにより規制される市場においてはそれらの製品を販売していない、または（３）両方の種類の燃料を燃焼させるが、一次空気調節手段を付与しないことにより性能を犠牲にするストーブを製造・販売している。

費用または複雑さに関する問題を無視または緩和することにより、燃料および空気流を計量するための手段を備える装置を可能にすることができるが、規制的禁止は絶対的であるため、空気流を制御するための使用者が操作可能な手段を使用することができない。その結果、燃料および空気流の両方を計量することによって効率が最適化され、それでいて空気流を調節するための使用者が操作可能な手段に関する規制的制約に合致する多燃料ストーブを如何に有し得るかが問題になる。

（特になし）

本発明は、単一または多燃料バーナに送達するための液体燃料および／またはＬＧ燃料ならびに酸化剤の流量を同時に計量するための燃料および酸化剤の複合型計量ジェットと、上述の複合型計量ジェットを備えるシステムと、燃料および酸化剤の流量を同時に計量するための方法とに関する。燃料および酸化剤計量機能の両方を単一の物品内で組み合わせることにより、使用者が酸化剤の流量を動的に調節することなく、単一種類の燃料送達導管および混合チューブを有する多燃料バーナを様々な燃料に対して最適化することができる。

従来のバーナ（液体燃料用であれ、ＬＧ燃料用であれ）は、本明細書中では一般に燃料計量ジェットと呼ばれる燃料計量物品の方に向いている流入端と、バーナの方に向いている流出端とを有するチューブを備える。このジェットは、第１端オリフィス（入口）を通って第２端オリフィス（出口）へと燃料を移動させることによって、単独で、または他の構成要素および／または装置と組み合わせて、上流の燃料源から下流のバーナへと送達される燃料の流量を計量する機能を果たす。周囲空気などの酸化剤は、ジェット出口から噴出する燃料流内に、通常は一次酸化剤取入口を介して取り込まれ、その後、チューブを介してバーナへと送達される。一次酸化剤取入口を経た酸化剤の取り込みが、チューブの上流端の前またはそれに近接して行われる場合、チューブは、燃料−空気混合チューブとして機能的に特徴付けられる。

一次取入口の一つの一般的な形態は、燃料計量ジェット出口と混合チューブの上流端との間に、高度に機械的に分離した空間を含む（分離型軸構成）。一次取入口の別の一般的な形態は、上流端に近接している混合チューブによって画定される一つまたは複数のオリフィスまたはポートを含み、当該一つまたは複数のオリフィスまたはポートは、調節可能な閉塞部材を有していても有していなくてもよく、燃料計量ジェットは、通常はその上流端で混合チューブに機械的に連結されている（結合型または放射状構成）。機能的には、分離型構成は、酸化剤の取り込みが通常は混合チューブの上流端で軸方向に行われるものであるが、一方、結合型構成は、酸化剤の取り込みが通常は混合チューブの上流端の下流で放射状に行われるものである。

当然のことながら、燃料計量ジェットは全て、それらを通る所定の燃料流量を確立するための手段を備える。しかしながら、本発明による複合型計量ジェットの実施形態は、所定の酸化剤流量を確立するための手段を更に備えており、当該複合型計量ジェットは、単独で（内因的）および／またはこのようなジェットを受容するように適合される混合チューブなどの補助構造と組み合わせて（外因的）、所定の酸化剤流量を確立するための手段を備える。故に、結合型構成において常にではないが通常見られる内因的な複合型計量ジェットは、所定の酸化剤流量を確立するための手段全体を実質的に備え、結合型または分離型構成において見られ得る外因的な実施形態は、所定の酸化剤流量を確立するための手段の一部を、通常は当該手段の別の部分を含む混合チューブと共に備える。

本発明の新規態様に一部起因して、本発明による複合型計量ジェットの実施形態はまた、結合型および分離型計量ジェット構成双方の特徴および態様を含み得る。例えば、第１のハイブリッド複合型計量ジェットは、混合チューブの上流端で酸化剤を軸方向に取り込む（一般に、分離型構成と関連する特徴）が、一方でこの計量ジェットは、それと機械的に連結している（当然のことながら、結合型構成）。別の例として、第２のハイブリッド複合型計量ジェットは、混合チューブの上流端で酸化剤を軸方向に取り込み（一般に、分離型構成と関連する特徴）、その下流での放射状取り込みを調整する（一般に、結合型構成と関連する特徴）。

前記事項を要約すると、複合型計量ジェットは、一般に、混合チューブに機械的に連結されている（結合型構成）か、または、混合チューブから機械的に分離している（分離型構成）ものとして特徴付けることができ、所定の酸化剤流量を確立するための手段は、流量が複合型計量ジェットのみによって実質的に独占的に測定される内因的なもの、および／または、複合型計量ジェットと、混合チューブなどの更なる構造の両方によって実質的に測定される外因的なものとして特徴付けることができる。

最後に、発明実施形態は全て燃料計量体を含み、この燃料計量体は、長さ“Ｌ_Ｂ”を有し、燃料計量体の第１端によって画定される入口オリフィスから燃料計量体の第２端によって画定される出口オリフィスまでの流体通路を画定する。発明実施形態は、前述の所定の酸化剤流量を確立するための手段を更に含み、この手段は、酸化剤計量体として特徴付けることができる。

次に、様々な発明実施形態に目を向けると、分離型構成用の第１シリーズの複合型計量ジェットは、所定の酸化剤流量を確立するための外因的手段を備える。これら外因的手段を有する複合型計量ジェットは、酸化剤流低減部分として特徴付けることができる酸化剤計量体を備えており、これにより、混合チューブを通る酸化剤の流量が、一次取入口との酸化剤計量体の近さ（分離型構成においては、混合チューブの上流端である）の関数として変化する。大半のバーナシステムでは、計量ジェットを受容するための受座と、混合チューブの上流端との相対距離が一定であるため、混合チューブの上流端に対する酸化剤計量体の近さは、複合型計量ジェットの全長“Ｌ_ＯＡ”を増減することによって変更可能である。

この第１シリーズ内の第１発明実施形態グループにおいて、酸化剤計量体は、中空の、好ましくは円筒形または角柱形（プリズム状）の側板を備えており、この側板は、燃料計量体の第２端から延長して遠位端で終結することで長さ“Ｌ_Ｓ”を規定し、これと燃料計量体の長さ“Ｌ_Ｂ”を加えることで、複合型計量ジェットの全長“Ｌ_ＯＡ”を規定する。故に、“Ｌ_Ｓ”および／または“Ｌ_Ｂ”を変更することによって、当該複合型計量ジェットが導入されるバーナシステムの操作中に、側板の遠位端と、混合チューブの上流端との距離が変更される。結果として、混合チューブの第１端で混合チューブに進入する酸化剤の流量も変更される。この第１グループにおける中空側板の実施形態は、燃料計量体と一体であっても、それに対して取り外し可能にまたは永久的に取付け可能であってもよい。

本明細書で使用する際、用語「中空の円筒形側板」または「中空の角柱形側板」または派生語は、各々が楕円形（円形を含む）または多角形の断面を有する一般に薄い壁を備えたチューブまたはパイプを意味する。更に、幾何学的形状は円錐形またはテーパー状であってもよく、例えば、中空円錐の切頭体も、やはりこれらの用語に準拠すると考えられる。更に、側板の外径は、燃料計量体の外径と同じである必要はなく、本明細書に記載される幾つかの実施形態においては、意図的に異なっている。

現在好ましい構成は、均一な寸法で作製された様々な燃料流量の燃料計量体と、各々が独自の長さ“Ｌ_Ｓ”を有する複数の中空側板とを有することであり、それにより、燃料計量体および側板は、意図した燃料の性質（例えば、エネルギー含有量）に基づき、必要に応じて「適合および取付け」可能である。このような手法により、所与の燃料計量体は、より長い側板またはより短い側板をそれぞれ再度取り外し可能にまたは永久的に取り付けることによって、酸化剤が豊富な環境および酸化剤が乏しい環境のいずれにおいても使用することが可能となる。

この第１シリーズ内の第２発明実施形態グループにおいて、酸化剤計量体は、燃料計量体の延長部分を含む。そのため、当該延長本体部分は第２または出口端を包含し、これが燃料通路の第２または出口オリフィスを画定しており、複合型計量ジェットの全長“Ｌ_ＯＡ”は、当該複合型計量ジェットが導入されるバーナシステムの操作中、混合チューブ上流端からのジェットの第２端の近さを決定する。このグループにおける実施形態の延長部分は、燃料計量体と一体であっても、それに対して取り外し可能にまたは永久的に取付け可能であってもよい。このシリーズ内の第１グループと同様、この第２実施形態グループの非一体型実施形態は、「適合および取付け」の機会を利用し得る。最後に、補助的な燃料通路部材（内径が同じであれ、異なるものであれ）の一時的または永久的取付けにより燃料計量体が「延長」されている実施形態は、この第２実施形態グループの範囲内であると考えられる。

最後に、この第１シリーズ内の第３発明実施形態グループにおいて、酸化剤計量体は、第１グループのものと同じであるか、または同様の、燃料計量体の第２端から延長する中空の側板を備えており、複合型計量ジェットは、側板によって画定される少なくとも一つの穴またはポートを更に備え、それにより、酸化剤は、この第３グループによる複合型計量ジェットが導入されるバーナシステムの操作中、分離型の混合チューブ上流端に加えて、そこで燃料流内に取り込まれる。

上述の分離型構成の各場合において、複合型計量ジェットと混合チューブとの近さの変化は、酸化剤の流入量を変更する。しかしながら、得られる流入酸化剤の質は、流入特性調整手段を備える酸化剤計量体によっても調整することができる。例えば、酸化剤計量体はまた、混合チューブ（最適化または補助的内面機構も備え得る）の上流端と共に、流入速度を上げるためのベンチュリ手段および／または一つ以上の好ましい流入ベクトルを混合チューブ内に確立するためのベクトル化手段、例えば、混合チューブ内通過時に取り込まれた酸化剤中での燃料の分散を増加させるための渦巻パターンを形成する外面機構を備え得る。追加的にまたは代替的に、この第１シリーズ内の第３発明実施形態グループに関して上述した酸化剤計量体はまた、一次取入口上流の中空側板により画定される少なくとも一つのポートを介して酸化剤を導入することによって流入する酸化剤の質に影響を与える。更に、中空側板の内面機構は、酸化剤取り込み前に燃料流の特性を調整するために選択され得る。

これら第１実施形態シリーズの複合型計量ジェットは混合チューブから分離されるため、その非同軸配向が可能であり、これは同様に、流入する酸化剤の量および質に影響を与える。故に、これら第１実施形態シリーズの空間的配向は、単独でまたは他の流入特性調節手段と組み合わせて、流入する酸化剤の構成を調整するために知的に選択され得る。

次に、結合型構成に目を向けると、第２シリーズの複合型計量ジェットは、一次および／または二次酸化剤取入口の操作可能領域を画定すべく混合チューブの一部分と機能的かつ機械的に結合することによって、所定の酸化剤流量を確立するための外因的および／または内因的手段を備える。これら外因的手段を有する複合型計量ジェットは、酸化剤流閉塞部分として特徴付けることができる酸化剤計量体を備えるが、一方、これら内因的手段を有する複合型計量ジェットは、少なくとも一つの酸化剤取入口を画定するものとして特徴付けることができる酸化剤計量体を備える。先に述べたように、外因的実施形態は、計量ジェットが機械的に連結している混合チューブにより画定される一つ以上の一次酸化剤取入口と機能的に協働するが、純粋な内因的実施形態は協働しない。幾つかの第１実施形態グループと同様、幾つかの第２実施形態グループは、以下に記載されるように、本発明の独自の態様に起因して、従来の結合型および分離型計量ジェット構成の両方の特徴および態様を組み合わせている。

この第２シリーズ内の第１発明実施形態グループにおいて、酸化剤計量体は、ａ）燃料計量体の第２端から延長して遠位端で終結することで長さ“Ｌ_Ｓ”を規定する、中空の、好ましくは、円筒形またはプリズム状の側板、または、ｂ）その第２または出口端を包含する燃料計量体の延長部分の一つとして特徴付けられる酸化剤流閉塞部分を備える。いずれの場合にも、複合型計量ジェットの全長“Ｌ_ＯＡ”は、長さ“Ｌ_Ｓ”または延長部分の変化に影響を受ける。

その第１端にまたはその第１端に近接して一つ以上の放射状一次取入口を有する混合チューブと共に使用する際、複合型計量ジェットの全長“Ｌ_ＯＡ”は、一次取入口の閉塞の程度を決定する。つまり酸化剤計量体の全長が長くなるにつれ、一つ以上の放射状一次取入口はより閉塞され、酸化剤流量が低下する。このことから、酸化剤計量体と混合チューブ（内部的であれ、外部的であれ）とが実質的に密接に嵌合していると推測される。このグループにおける中空側板の実施形態は、燃料計量体と一体であっても、それに対して取り外し可能にまたは永久的に取付け可能であってもよい。同様に、延長本体部分の実施形態もまた、燃料計量体と一体であっても、それに対して取付け可能であってもよいが、一体型の実施形態が好ましい。

現在好ましい構成は、均一な寸法で作製された様々な燃料流量の燃料計量体と、各々が独自の長さ“Ｌ_Ｓ”を有する複数の中空側板とを有することであり、それにより、燃料計量体および側板は、意図した燃料の性質（例えば、エネルギー含有量）に基づき、必要に応じて「適合および取付け」可能である。このような手法により、所与の燃料計量体は、より長い側板またはより短い側板をそれぞれ再度取り外し可能にまたは永久的に取り付けることによって、酸化剤が豊富な環境および酸化剤が乏しい環境のいずれにおいても使用することが可能となる。より頑強なおよび／またはより低費用の用途のために、燃料計量体および側板に対してであれ、延長した燃料体部分に対してであれ、様々な全長のモノリシックな（一体型の）複合型計量ジェットが好ましい場合がある。

この第２シリーズ内の第２発明実施形態グループにおいて、第１グループの酸化剤流閉塞部分は、軸方向に配向された取入口を有する混合チューブとの併用に対して最適化され、この取入口は、一次取入口であってもよく、または補助的な取入口として作製されてもよい。後者の場合は、一つ以上の放射状一次取入口が全ての実施形態においておよび／または全ての燃料種類で十分な酸化剤取り込みを提供することができない。追加の取入口は必要であるが、追加の費用も伴う。この要件に対応するように第１グループの複合型計量ジェットを調整することによって、単一の混合チューブを使用することができる。代替的に、更なる取入口は、流入する酸化剤の特性を調整するための手段であると考えることができる。

第１グループの実施形態と同様に、酸化剤流閉塞部分の最大外径は、その第１または上流端での混合チューブの内径よりも名目上小さく、内部嵌合が推測される。しかしながら、酸化剤流閉塞部分はまた、混合チューブ内面と協働して少なくとも一つの酸化剤取入口を作製する、溝などの少なくとも一つの外面機構を備えている。

この第２シリーズ内の第３発明実施形態グループにおいて、所定の酸化剤流量を確立するための手段は、燃料計量体の第２端から延長して遠位端で終結する長さ“Ｌ_Ｓ”を規定する、中空の、好ましくは、円筒形または角柱形の側板によって画定される少なくとも一つの一次酸化剤取入口を含み、それにより、混合チューブを通過する酸化剤の流量が、結合型構成の混合チューブが一次取入口を有さない、すなわち、無ポート混合チューブである際に、延長部分により画定された一次酸化剤取入口全てを組み合わせた面積の関数として変化する。これら第３グループの実施形態は、少なくとも一つの放射状取入口を有する混合チューブ、すなわちポート付き混合チューブと共に使用し得ることに留意されたい。前者の場合、中空の側板により画定される少なくとも一つの一次酸化剤取入口の構成は、流入する酸化剤の容量パラメータならびに質を排他的に決定し、後者の場合、その作用は非排他的である。

最後に、この第２シリーズ内の第４発明実施形態グループにおいて、所定の酸化剤流量を確立するための手段は、第１グループのものと同じまたは同様の酸化剤流閉塞部分を備えており、延長部分により画定される少なくとも一つの穴またはポートを更に備え、それにより、酸化剤は、この第３グループによる複合型計量ジェットが導入されるバーナシステムの操作中、分離型の混合チューブ上流端に加えて、そこで燃料流内に取り込まれる。

分離型構成と同様に、結合型構成における流入する酸化剤の質は、これら第２複合型計量ジェットシリーズにおいて調整可能である。例えば、酸化剤流閉塞部分は、一つ以上の一次取入口（最適化または補助的表面機構も備え得る）と共に、流入速度を上げるためのベンチュリ手段および／または一つ以上の好ましい流入ベクトルを混合チューブ内に確立するためのベクトル化手段、例えば、混合チューブ内通過時に取り込まれた酸化剤中での燃料の分散を増加させるための渦巻パターンを形成する表面機構を備え得る。

複合型計量ジェットに関する発明実施形態シリーズのいずれにおいても、所定の酸化剤流量を確立するための手段は、複合型計量ジェットの全長Ｌ_ＯＡを調整することに向けられている。しかしながら、上述のように、混合チューブに対する、複合型計量ジェットの相対的な空間的位置はまた、酸化剤流量に影響を及ぼす。本発明の態様は、計量ジェットの受座および／または混合チューブの空間的配置の変形または改変なく、燃料計量ジェット（複合型または従来のもの）の軸方向変位を調整するための軸方向調節手段を付与する。

本発明による軸方向調節手段は、ある場合には、複合型計量ジェットの第１端とジェット受座とを密封嵌合するような大きさの少なくとも一つのシムワッシャーを備え、別の場合には、ジェット受座により密封して受容され、かつ、複合型計量ジェットと密封して連結されるような大きさの少なくとも一つのスペーサーを備えている。前者の場合、このようなミクロの軸方向調節手段は、このようなシムを積み重ねることによってバーナ構成の効率および／または性能を最適化する機会を与え、後者の場合、このようなマクロの軸方向調節手段（好ましくは軸受筒である）は、既存の燃料計量ジェットを取り換えることなく、所定の酸化剤流量を確立するための代替手段を提供する。

本明細書に記載される物品の実施形態による複合型計量ジェットを備えるシステムに関する発明実施形態は、本明細書に記載される様々な種類による混合チューブを更に含む。これらシステムの実施形態において、混合チューブは、それと共に使用される複合型計量ジェットの種類、例えば、結合型または分離型、内因的または外因的、ハイブリッドなどに適合するのが好ましい。

前記事項に加えて、本発明はキットの実施形態に適しており、これらキットの実施形態は、一つまたは複数の燃料計量体と、一つまたは複数の酸化剤計量体とを、それに対して取り外し可能にまたは永久的に取付けるように含む。このようなキットの実施形態は、シムおよび／または軸受筒などの一つまたは複数のミクロおよび／またはマクロな軸方向調節手段を更に含み得る。更に、このようなキットの実施形態は、所定の酸化剤流量を確立するための外因的手段を有する複合型計量ジェットの実施形態に対して最適化された混合チューブを更に含み得る。

方法に関する発明実施形態は、上述の物品およびシステムに関する使用の態様を全て包含する。例として、本発明の方法実施形態は、単一または多燃料バーナの燃料および酸化剤流量パラメータを同時に調整するための方法と、混合チューブ、燃料ジェット受座および燃料計量ジェットを備えるシステム（複合型であれ、従来型であれ）において、ジェット受座と混合チューブとの間に軸方向調節手段を導入することによって、酸化剤流量パラメータのみを軸方向に調節するための方法とを含む。

本特許の目的のため、本明細書中で例として使用され得るような、用語「領域」、「境界」、「部」、「部分」、「表面」、「域」およびそれらの類義語、同等の用語および複数形は、記載される物品および／またはプロセスに関する説明的言及または目印となることを意図している。これらの用語かつ同様のまたは同等の用語は、そのように特記されているか、または当該用語が使用される幾つかの図および／または内容から表面的に明らかでない限り、言及する物品および／またはプロセスの要素を本質的に区分するまたは定義することを意図するものでも、暗示するものでもない。

Claims (3)

1. 化石燃料バーナシステムにおいて混合チューブと共に使用するための、全長“Ｌ_ＯＡ”を有する燃料および酸化剤の複合型計量ジェットであって、当該複合型計量ジェットは、
   燃料計量体であって、長さ“Ｌ_Ｂ”を有し、かつ、燃料計量体の第１端によって画定される入口オリフィスから燃料計量体の第２端によって画定される出口オリフィスまでの流体通路を画定する燃料計量体と、
   前記燃料計量体の第２端から延長しているか、または前記燃料計量体の第２端を含む所定の酸化剤流量を確立するための手段であって、それにより、燃料および酸化剤の前記複合型計量ジェットの“Ｌ_ＯＡ”が前記燃料計量体の“Ｌ_Ｂ”を超えて選択的に増大される、所定の酸化剤流量を確立するための手段と、
   を備える、
   燃料および酸化剤の複合型計量ジェット。
2. 前記所定の酸化剤流量を確立するための手段が酸化剤計量体を備える、
   請求項１に記載の複合型計量ジェット。
3. 前記所定の酸化剤流量を確立するための手段がを備える、
   請求項１に記載の複合型計量ジェット。

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