JP2016007613A - 酸素溶断装置用のランスパイプ - Google Patents

Abstract

【課題】先端から送出される酸素流を安定させ、対象材に対して集中的に当たるようにすることで、優れた溶断性能を発現すると共に、低コストで製造することができる酸素溶断装置用のランスパイプを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の酸素溶断装置９用のランスパイプ１は、円筒長尺状で金属製の外筒体２と、外筒体２の内部に挿入される長尺状で金属製の中芯体３とを有し、外筒体２の内側に形成される空隙部４に、外筒体２の基端側から他方端側に向かって酸素が供給され、供給された酸素と外筒体２及び中芯体３とにおける酸化反応熱を利用して、対象材Ｗを溶断する酸素溶断装置９用のランスパイプ１であって、中芯体３の外周面には、周方向に沿って、凸条部５と凹条部６とが交互に形成されていて、中芯体３の断面略中央に軸心方向に沿って中空部８が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、対象材などを溶断する際に用いられるランスパイプに関する。

従来より、ガス切断や機械的切断では困難を伴う対象材（板厚の厚い鋼材など）を切断する際には、酸素溶断装置を用いた溶断を行っている。
酸素溶断装置は、内孔に酸素が送り込まれた金属製のランスパイプに対して、外部（例えば、ガス切断機等）より一定以上の熱源を先端部に与えて、ランスパイプを溶融させ、内孔に送り込まれている酸素とランスパイプとで、連続的に酸化反応を起こさせて自己燃焼させ、その先端部の酸化反応熱によって対象材（被溶断物）を溶断、穿孔せしめる溶断装置であり、対象材を溶断するランスパイプと、ランスパイプを保持するホルダーと、ランスパイプに酸素を供給する酸素ボンベと、ランスパイプが保持されたホルダーと酸素ボンベとを連結し、ランスパイプに酸素を案内する酸素ホースとを有している。

ランスパイプは、一般的に、外筒体（鋼管）の内部に、その外筒体の内周径より小さい外周径を有する線材（助燃材鋼）を、数本から数十本を組み合わせて挿入したものである。なお、ランスパイプの助燃材として多孔管を有する異形管、凹凸のある異形棒を使用する場合もある。
ランスパイプの内部に送り込まれた酸素は、複数の助燃材鋼の組み合わせにより形成された空隙を通って着火（溶融）した先端部に届き、その先端部において助燃材鋼及び外筒体（主燃材鋼）と酸素反応を連続的に起こし酸化反応熱を生じさせる。つまり、ランスパイプは、この酸化反応熱をもって対象材を溶断、穿孔するものである。

上述した酸素溶断装置に用いられているランスパイプの技術としては、例えば、特許文献１、２に開示されているようなものがある。
特許文献１には、ランスパイプ本体に複数の金属線が内装されたランスパイプを備えた酸素溶断用ランスパイプにおいて、前記金属線として、径の異なる金属線が用いられている酸素溶断用ランスパイプが開示されている。

特許文献２には、適宜金属パイプ内に基端がわから酸素を供給し、適宜金属パイプ先端がわを燃焼せしめ、その酸化反応熱または酸化還元反応熱によって、適宜被溶断物を溶断せしめられるようにしたランスパイプであって、適宜金属製で丸パイプ状の燃焼消耗外管と、この外管に内装される適宜金属製の燃焼消耗異形内管とを備え、異形内管の周壁には、周方向に沿って所定間隔毎に外方に向って湾出する複数の湾曲突条を設け、この湾曲突条の頂部が、外管内表面に夫々当接するよう形成し、外管内表面と異形内管外表面とで囲繞される複数の空間を副酸素流路とし、異形内管中央部分に形成される空間を主酸素流路として構成したランスパイプが開示されている。

特開２０１１−９２９４８号公報 特開２０００−７１０６９号公報

特許文献１の図１〜図４に示すように、従来の酸素溶断装置用のランスパイプは、金属製の外筒体の内部に、外筒体の内径よりも細い径の線材（中芯体）が複数本、所定の配置で挿入されているものである。
しかしながら、特許文献１に示すようなランスパイプは、助燃材鋼に数本から数十本の線材を使用するため、外筒体（長さ、内径）に合わせた線材を加工準備して、外筒体内部に極めて複雑な組み合わせをしたものを挿入する必要がある。また、ランスパイプ内部に送り込まれる酸素流の圧力によって、全ての線材（助燃材鋼）が外筒体から飛び出さないようにするため、外筒体外部から適宜な圧下力をかける作業（プレス加工）が必要となる。

このように、特許文献１に示すようなランスパイプは、多数の製造工程が必要となりため、製造コストが嵩む問題が生じる。
また、特許文献１の如く、金属製の線材を助燃材鋼とする場合、１本１本が独立した線材の組み合わせであるため、副流孔（助燃材鋼の外周側と外筒体内周側とで形成される空間）は吹き込まれる酸素の圧力により、組み合わせた形状を一定に維持することが難しくなるので、独立した複数の線材が互いに干渉してしまう虞がある。

その結果、ランスパイプ内の酸素流が偏ったり、拡散したりしてしまい、ランスパイプの溶断能力が低下してしまう。
上述した問題を解消するために、特許文献２に開示されているランスパイプを採用することも考えられるが、特許文献２の図１、図２からわかるように、このランスパイプの断面形状は非常に複雑な形状であるため、ランスパイプの中芯体を加工（製造）する際にかなりの時間や手間がかかり、コストが嵩むといった問題が生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたものであり、先端から送出される酸素流を安定させ、対象材に対して集中的に当たるようにすることで、優れた溶断性能を発現すると共に、低コストで製造することができる酸素溶断装置用のランスパイプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の酸素溶断装置用のランスパイプは、円筒長尺状で金属製の外筒体と、前記外筒体の内部に挿入される長尺状で金属製の中芯体と、を有し、前記外筒体の内側に形成される空隙部に、前記外筒体の基端側から他方端側に向かって酸素が供給され、前記供給された酸素と外筒体及び中芯体とにおける酸化反応熱を利用して、対象材を溶断する酸素溶断装置用のランスパイプであって、前記中芯体の外周面には、周方向に沿って、凸条部と凹条部とが交互に形成されていて、前記中芯体の断面略中央に軸心方向に沿って中空部が形成されていることを特徴とする。

好ましくは、前記中空部は、前記中芯体の一方端及び他方端において外部へ開放状に形成されているとよい。
好ましくは、前記中芯体の外周径は、前記外筒体の内周径と略同径であるとよい。
好ましくは、前記中芯体が外筒体に挿入された状態の断面視において、前記空隙部の比率が、前記外筒体の内周径の断面積に対して、３０％以上６０％以下とされているとよい。

好ましくは、前記中芯体が外筒体に挿入された状態の断面視において、前記中芯体の外周面と外筒体の内周面との間に形成される外空隙部と、前記中芯体の中空部で形成される中空隙部との比率が所定範囲とされているとよい。
好ましくは、前記中芯体の凸条部は、当該中芯体の外周壁側に少なくとも２つ以上形成されているとよい。

本発明の酸素溶断装置用のランスパイプによれば、先端から送出される酸素流を安定させ、対象材に対して集中的に当たるようにすることで、優れた溶断性能を発現すると共に、低コストで製造することができる。

（ａ）は本発明に係る酸素溶断装置用のランスパイプの断面図であり、（ｂ）は本発明に係る酸素溶断装置用のランスパイプの外形斜視図である。 ランスパイプの構成を示す図である。 酸素溶断装置の構成を模式的に示した図である。 （ａ）は空隙部の比率を説明するための図であり、（ｂ）は外空隙部と中空隙部の比率を説明するための図である。

以下、本発明の酸素溶断装置用のランスパイプについて、図面に基づき説明する。
その前に、本発明のランスパイプ１が備えられる酸素溶断装置９についての概略を説明
する。
図３は、対象材Ｗを溶断する際に用いられる酸素溶断装置９（酸素ランス溶断装置）を模式的に示したものである。

酸素溶断装置９は、ランスパイプ１内に送り込まれた高圧の酸素を先端側から噴出させておいて、その先端側に例えばアセチレン酸素切断機の切断炎を用いて着火してランスパイプ１の先端側を燃焼させて、ランスパイプ１の先端側における酸素との酸化反応熱により、耐火物や鋼材等の対象材Ｗ（被溶断物）の溶断や穿孔等を行うものである。
図３に示すように、酸素溶断装置９は、対象材Ｗを溶断するランスパイプ１と、ランスパイプ１を保持するホルダー１０と、ランスパイプ１に酸素を供給する酸素ボンベ１２と、ランスパイプ１が保持されたホルダー１０と酸素ボンベ１２とを連結すると共に、酸素ボンベ１２からの酸素をランスパイプ１に案内する酸素ホース１１とを有している。

酸素ボンベ１２には、酸素の流量を調整する流量調整弁と、酸素の圧力を把握することができる圧力計とが備えられており、オペレータはその圧力計を見ながら流量調整弁を開閉することで、ランスパイプ１に供給する酸素の流量を調整することができる。このようにして流量が調整された酸素は、酸素ホース１１を通過してランスパイプ１に供給される。

ホルダー１０は、ランスパイプ１を保持し、且つ酸素流量の調整と酸素漏洩を完全に防ぐ機能を持つ治具であって、その内部にランスパイプ１の基端側を内挿して保持すると共に、このホルダー１０は、着脱自在であって、ランスパイプ１が消耗した場合に新しいランスパイプ１に取り替えることができるようになっている。オペレータは、対象材Ｗを溶断する際にこのホルダー１０を握る。

ランスパイプ１は、円筒長尺状で金属製の外筒体２と、外筒体２の内部に挿入される長尺状で金属製の中芯体３（助燃材鋼）と、を有している。外筒体２の内側には空隙部４が形成され、その空隙部４に、外筒体２の基端側から他方端側に向かって酸素が供給され、供給された酸素と外筒体２及び中芯体３とにおける酸化反応熱を利用して、対象材Ｗを溶断するものである。

ところで、ランスパイプ１の断面は、燃焼効率の向上を意図し、従来より様々な断面形状に形成されている。本発明のランスパイプ１は断面形状が従来にない特徴的な構成を有している。
以下、本発明のランスパイプ１について、図を基に詳細に説明する。
本願発明は、酸素溶断装置９に採用されるランスパイプ１に関するものであり、その形状に特徴がある。

図１、図２に示すように、本願発明のランスパイプ１は、長尺の軸体であって、断面が丸状で長尺の外筒体２と外筒体２の内部に装入される細径の中芯体３とで構成されており、中芯体３の外周面で周方向に沿って凸条部５と凹条部６とが交互に形成されていて、軸心方向に沿って中芯体３の中央に中空部８が形成されている。
まず、外筒体２は、金属製の管材（例えば、鋼管材）で形成されていて、厚みが１ｍｍ〜５ｍｍ程度の薄肉のパイプ材である。

中芯体３は、外筒体２の内部に挿入可能な外径を有した長尺状で金属製の棒材（例えば、異形線材）で形成されていて、外筒体２に挿入可能なように外周径が外筒体２の内周径と略同径である。この中芯体３は、助燃材鋼、すなわちランスパイプ１の燃焼を補助する鋼材とされている。
中芯体３の中央に形成された中空部８は、ランスパイプ１の内部に送り込まれる酸素を、当該ランスパイプ１の先端から安定的、且つ直線的に送出する主流孔である。ランスパイプ１の先端から直線的に送出された酸素は、酸化反応熱によって対象材Ｗ（被溶断物）を溶融させて溶断すると共に、その溶融した対象材Ｗを外部に排出する。このように、中空部８が軸心方向に沿って直線的に形成されることで、ランスパイプ１の溶断性能を向上させている。

図１（ａ）、図２に示すように、中芯体３の外周面には、所定の幅及び深さの凹形状の溝（凹条部６）が、等間隔で中芯体３の外周全体に形成されている。本実施形態では、７
つの凹条部６が形成されている。この凹条部６は、断面視でＵ字形状であり、且つその上方が放射状に開いた形状である。また、凹条部６の底部は、外方膨出状の円弧、つまり中芯体３の外周囲と略同心円の円弧となっている。

凹条部６とそれに隣接する凹条部６との間には、凸形状の突起（凸条部５）が形成されている。すなわち、中芯体３の外周面には、所定の幅及び高さの凸形状の膨出部（凸条部５）が、等間隔で中芯体３の外周全体に形成されている。本実施形態では、７つの凸条部５が形成されている。
凸条部５は、断面視で略矩形形状であり、底辺と上辺（頂部の幅）とがほぼ同じ幅のものとなっている。凸条部５の頂部は、凹条部６の底部と相似した外方膨出状の円弧（外筒体２の内周径とほぼ同径）となっており、中芯体３が外筒体２の内部に挿入される際に外筒体２の内周面に面接触するようになっている（図１参照）。なお、面接触といえども、凸条部５の頂部（中芯体３の外周面）と外筒体２の内周面との間には、若干の隙間（クリアランス）があってもよい。すなわち、凸条部５の頂部と外筒体２の内周面とが、非面接触であってもよい。

これら凸条部５及び凹条部６は、中芯体３の一方端側から他方端側に亘って筋状（条）で形成されている。
以上述べた凹条部６と凸条部５とを交互、且つ均等に形成することで、各凹条部６に流れる酸素が均一な流れとなり、ランスパイプ１の片燃えを防止することができる。
ところで、ランスパイプ１の溶断性能は、対象材Ｗを溶断する際に、ランスパイプ１の内部に送り込まれる酸素の流れが、安定し且つ直線的になっていることが重要である。

そこで、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、酸素が流れる空隙部４の比率、外空隙部７と中空隙部８との比率、外空隙部７と凸状部５との比率、外筒体２に外径と肉厚との比率を所定の範囲内にすると、ランスパイプ１の内部に送り込まれる酸素の流れが安定し且つ直線的になり、優れた溶断性能を備えることを知見した。
まず、本願発明者らによって導出されたランスパイプ１の空隙部４の比率について、述べる。

空隙部４の比率は、中芯体３が外筒体２に挿入された状態（ランスパイプ１）の断面視において、外筒体２の内周径で規定される断面積（外筒体２の内周囲より内側の断面積）に対する空隙部４（後に説明する外空隙部７（副流孔）と中空隙部８（主流孔）とを足したもの）の比率であり、３０％以上６０％以下の範囲内とされている。好ましくは、空隙部４の比率が３３％前後であるとよい。すなわち、図４に示すように、斜線部の面積（外筒体２の内周径で規定される断面積、図４(ａ)）に対する点描部（粗い点描部と細かい点描部を合わせた空隙部４の面積、図４(ｂ)）の面積の割合である。

次に、本願発明者らによって導出されたランスパイプ１の外空隙部７と中空隙部８との比率について、述べる。
上述した中芯体３の外周囲の凹条部６と外筒体２の内周面とで形成される複数の外空隙部７は、酸素を当該ランスパイプ１の先端から安定的、且つ直線的に送出する副流孔である。

凹条部６と外筒体２の内周面とで形成される複数の外空隙部７と、中空部８で形成される中空隙部８との比率、すなわち、図４（ｂ）に示すように、粗い点描部（中空隙部８の断面積）の面積に対する細かい点描部（外空隙部の断面積）の面積比は、０．２以上０．７以下の範囲内とされている。好ましくは、外空隙部７と中空隙部８との面積比が０．３以上０．５以下の範囲内であるとよい。

次に、本願発明者らによって導出されたランスパイプ１の外空隙部７と凸条部５との比率について、述べる。
外空隙部７と凸条部５との比率、すなわち、中芯体３の外周囲に形成される、全ての外空隙部７の断面積に対する全ての凸条部５の断面積の面積比は、１．５以上３．０以下の範囲内とされている。好ましくは、全ての外空隙部７と全ての凸条部５との面積比が１．６以上２．５以下の範囲内であるとよい。

また、一つの外空隙部７（副流孔）の断面積と一つの凸条部５の断面積との比率も上記
の範囲内とし、外空隙部７と凸条部５とがランスパイプ１全体の断面視で均等に形成されているとよい。
本願発明者らによって導出された外筒体２の外径と肉厚との比率について、述べる。
外筒体２の外径と肉厚（１〜５ｍｍ）との比率、外筒体２の外径に対する肉厚の比は、０．０６以上０．５以下の範囲内とされている。好ましくは、外筒体２の外径に対する肉厚の比が０．０７以上０．４以下の範囲内であるとよい。

本実施形態のランスパイプ１に内挿される中芯体３においては、凹条部６と凸条部５とが中芯体３の外周面に交互に形成され、中芯体３は断面視で星形状に形成されており、凸条部５と凹条部６の数は等しい。また、凸条部５の頂部を結ぶ円（外接円）は、外筒体２の内周径と略同径であると共に、凹条部６の底部を結ぶ外接円と略同中心となっている。図１（ｂ）、図２に示すように、上記した中芯体３は、凸条部５の頂部が外筒体２の内周面に沿いながら、外筒体２の内部に嵌り込むように内挿されている。

このように、中芯体３の外周面には、複数の凹条部６と凸条部５が等間隔且つ交互に形成され、複数の凸条部５が中芯体３の径方向に沿って放射状に並んでいることで、中芯体３の径方向に開放された空隙が形成されることとなる。それ故、中芯体３の凹条部６（中芯体３の外周面）と外筒体２の内周面との間に複数の外空隙部７（副流孔）が形成される。この外空隙部７は、凸条部５及び凹条部６の数と等しい（７個）。

なお、本実施形態では、凹条部６と凸条部５の数（膨出部の数）を７つずつ配置し、凸条部５の形状を矩形状としたが、空隙部４の比率が、３０％以上６０％以下の範囲内とされているのであれば、凸条部５と凹条部６（外空隙部７）の数及び形状（例えば、断面視で台形状）を変更してもよい。例えば、凹条部６と凸条部５の数（膨出部の数）を８つずつ配置してもよい。凹条部６と凸条部５の数（膨出部の数）を６個や９個、１０個としてもよい。

また、凹条部６及び凸条部５は、外周に沿って等間隔（等ピッチ）に形成されていてもよいが、不等間隔（不等ピッチ）で形成されていても何ら問題はない。すなわち、ランスパイプ１（外筒体２）の片燃えを防止することができるのであれば、凹条部６及び凸条部５の間隔を、厳密に等間隔（等ピッチ）に形成しなくともよい。
また、凸条部５の頂部の両端は、面取りがなされていてもよい。凸条部５と凹条部６とが交互に連結される部分も小径のＲとされていてもよい。

さらに、図１、図２に示すように、中芯体３の断面でその略中央には、中空部８（中空隙部）が形成されている。詳細は後述するが、この中空部８は、中芯体３の軸心に沿って貫通状に設けられている。
図２に示すように、中芯体３は軸心に中空部８（主流孔）が形成された長尺のスプライン状の軸体であって、中空部８は酸素ボンベ１２から供給される酸素が通過するようになっている。中芯体３の中空部８は、その一方端及び他方端が開放状に形成されていて、中芯体３の一方端から他方端へほぼ直線状に連通するように形成された貫通孔である。中芯体３の一方端及び他方端のおける開放状の孔が、断面視で現れる中空部８である。

この中空部８は、断面視で中央に形成されていることが好ましい。なお、送り込まれる酸素を直線的、且つ安定的に送出することができるのであれば、中空部８を断面視中央よりやや偏心して形成してもよい。
つまり、本実施形態の中芯体３は、断面視において凸部、凹部が等間隔で形成され、この凸部、凹部が略同じ形状をもって、凸条部５の外周面と外筒体２の内周面ができるだけ接している状態で中芯体３（助燃材鋼）の長手方向に連続的に形成されることで、凸条部５（筋状の凸部）、凹条部６（筋状の凹部）となっている。

このように、中芯体３の外周囲の凹条部６と外筒体２の内周面とで形成される各外空隙部７を独立した状態とし、且つ中芯体３の中央に中空隙部８（中空部）を形成することで、酸素流の集中性と平均化が向上するようになり、中心体３（助燃材鋼）の燃焼と外筒体２（ランスパイプ１）の片燃えを防止することができる。つまり、中心体３と外筒体２との燃焼速度のバランスを保つことが可能となる。

なお、本実施形態の中空部８の断面は略丸形状で説明したが、中空部８の断面について
は様々な形状（例えば、多角形状、略楕円形状など）であってもよい。また、中芯体３の両端部は、面取りがなされていてもよい。
以上まとめれば、本発明のランスパイプ１によれば、中芯体３の外周面に複数の外空隙部７を完全に独立もしくはほぼ独立した状態で形成し、中芯体３の中央に中空隙部８（中空部）を完全に独立した状態で形成すると共に、上記した各比率を満たすようにすることで、送り込まれた酸素をランスパイプ１の先端から安定して送出することができ、その送出された酸素が対象材Ｗに対して集中的に当たるようにすることができる。それ故、本発明のランスパイプ１は、バランスよく、且つ強力に燃焼するようになり、優れた溶断性能を備えたものとなる。

また、本発明のランスパイプ１は、複雑な線材の挿入が不要となり、プレス加工の簡便化が可能となるため、低コストで製造可能である。 なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。

また、本実施形態では、ランスパイプ１を構成する材料を鋼管材及び棒鋼を例に挙げて説明したが、所望とされる酸化反応熱（火力）が得られるものであれば、どのような金属材料であってもよい。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ ランスパイプ
２ 外筒体
３ 中芯体（助燃材鋼）
４ 空隙部
５ 凸条部（突起、膨出部）
６ 凹条部（溝）
７ 外空隙部（副流孔）
８ 中空部（中空隙部、主流孔）
９ 酸素溶断装置
１０ ホルダー
１１ 酸素ホース
１２ 酸素ボンベ
Ｗ 対象材（被溶断物）

Claims (6)

1. 円筒長尺状で金属製の外筒体と、前記外筒体の内部に挿入される長尺状で金属製の中芯体と、を有し、前記外筒体の内側に形成される空隙部に、前記外筒体の基端側から他方端側に向かって酸素が供給され、前記供給された酸素と外筒体及び中芯体とにおける酸化反応熱を利用して、対象材を溶断する酸素溶断装置用のランスパイプであって、
   前記中芯体の外周面には、周方向に沿って、凸条部と凹条部とが交互に形成されていて、前記中芯体の断面略中央に軸心方向に沿って中空部が形成されている
   ことを特徴とする酸素溶断装置用のランスパイプ。
2. 前記中空部は、前記中芯体の一方端及び他方端において外部へ開放状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素溶断装置用のランスパイプ。
3. 前記中芯体の外周径は、前記外筒体の内周径と略同径であることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素溶断装置用のランスパイプ。
4. 前記中芯体が外筒体に挿入された状態の断面視において、前記空隙部の比率が、前記外筒体の内周径の断面積に対して、３０％以上６０％以下とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸素溶断装置用のランスパイプ。
5. 前記中芯体が外筒体に挿入された状態の断面視において、前記中芯体の外周面と外筒体の内周面との間に形成される外空隙部と、前記中芯体の中空部で形成される中空隙部との比率が所定範囲とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素溶断装置用のランスパイプ。
6. 前記中芯体の凸条部は、当該中芯体の外周壁側に少なくとも２つ以上形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸素溶断装置用のランスパイプ。

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