JP3881985B2 - 石英ガラス製流体送給用単穴ノズル及び石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、流体送給通路が削成されてなり、気体、液体、粉体等の流体を定量的に送給可能な新規な石英ガラス製流体送給用単穴ノズル及びその単穴ノズルを具備した熱加工用バーナ並びに石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド及びその多穴バーナヘッドを具備した熱加工用バーナに関する。
【０００２】
（背景技術）
従来、先端部や流通通路部分において燃焼に伴い発生する高温に対する耐久性や、気相反応等の化学反応に伴う汚染・劣化に対する耐久性を確保するために、とくには熱加工用の燃焼バーナにおいては、石英ガラスを素材として製造されたバーナが知られている。石英ガラスからなるバーナにおいては、しかし、流通通路を設けるためには、石英ガラス管を出発素材として、熟練した加工職人が、手加工で長時間をかけて製造せざるをえなかった。とくに、多数の流通通路を有するバーナにおいては、加工職人が、多数の石英ガラス管を出発素材として、１本、１本入念に加工製作したうえでその多数の石英ガラス管を巧妙に束ねて、精度よく一体化させて石英ガラス製バーナとして製造していた。
【０００３】
しかし、手加工によるものであったため、製品ロット間の寸法精度でのバラツキは避けられず、そのためバーナのロット毎にバーナを使用する作業者の勘で熱加工のための設定や調整を行わなければならなかった。
【０００４】
そこで、たとえば特開２０００−１０４９０８号公報で開示されたようなドリルを用いた穿設方法で機械的に、石英ガラスロッド材から一体加工でバーナヘッドを製造する方法が提案されている。
【０００５】
本発明者らは、上記製造方法の継続的な用途展開を検討してきた中で、従来、ステンレスや鉄、真鍮、銅などの金属製が主流だった単穴式のバーナノズルとストレートタイプの多数穴式バーナにこれを応用するために鋭意検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。
【０００６】
すなわち、局所的に熱加工する場合にとくに使用される単穴式バーナにおいては、従来、金属からなるバーナでは、作業者にとっては重く鋭敏な作業性に欠ける点があったところに問題があり、何よりも長時間連続して熱加工を行った場合には、金属バーナでは、被加工物から反射してくる反射熱などのためにバーナ先端部分が過度に加熱することで、先端部分等から金属単体の飛沫や金属イオンが被加工物に付着ないしマイグレーションしてしまう現象が避けられなかった。
【０００７】
また、熱加工しない場合であっても、腐食性・反応性の大きな液体、例えば塩酸等の強酸類、カセイソーダ等の強アルカリ類をノズルに通じさせる場合や、四塩化珪素等の反応性の高い気体をノズルに通じさせる場合には、金属そのものを侵食する不都合が避けられなかった。
【０００８】
これに対しては、石英ガラス製の単穴式バーナがすでに特定分野で使用されているが、本発明のように、まず高純度合成石英ガラスロッドに直接、精密に加工径を設定してドリリング加工して製造されたものではないため、流量制御が必ずしも高精度にできるものとはいえず、バーナを使用する作業者の勘による種々の調整作業などを必要としていた。とくに、最近では、ロボットを利用した熱加工も試みられてきており、この場合、定位置にバーナを設定してその他の操作条件を設定して加工を行うような場合には、バーナ自体の製品としての、性能面での均一性や再現性が厳しく要求されてくるが、これに完全に対応することが求められていた。
【０００９】
さらには、被加工物との接触により先端部分が破損した場合には、高価な石英ガラス製バーナを全体で交換しなければならず、種々の面で解決策が待たれていた。微細加工分野では、たとえば、医療用の注射器薬剤ガラスアンプルを封じる際などに、特にノズルの径が小径となりわずかな寸法誤差が、流体の送給量の違いをきたし、定量的に正確な規格仕様が求められていた。通常の微細溶接加工分野でも同様に精密な仕様が求められていた。
【００１０】
また、前記した特開２０００−１０４９０８号公報においては、ガスの収束性を必須とする構成であったため、たとえば火あぶり加工する場合に用いられている、非収束性の多数穴式バーナ（各送給通路が平行となっているバーナ）の製造も要請されていたが、これに対しては、穿削ドリリングの正確な直進性を確保しつつ製造することがこれまでは困難だったために、かかる多数穴式バーナの製造には困難が伴うという問題があった。
【００１１】
本発明者らは、上記製造方法の継続的な用途展開を検討してきた中で、従来、ステンレスや銅などの金属製が主流だった単穴式のバーナヘッドとストレートタイプの多数穴式バーナにこれを応用することを見出し、本発明をなすに至った。
【００１２】
（発明の開示）
本発明は、流量制御を高精度に行うことができ、被加工物との接触等により先端部分、即ちノズルが破損したような場合でもそのノズルのみを交換すればよく高価な石英ガラス製バーナ全体を交換する必要がなく、また金属製バーナに適用すれば耐熱性や耐汚染性という石英ガラスのもつ有用性を享受できるようにした石英ガラス製流体送給用単穴ノズル及びそのノズルを具備した熱加工用バーナ並びに火あぶり加工等に好適に用いられる石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド及びその多穴バーナヘッドを具備した熱加工用バーナを提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルは、石英ガラス材によって形成されたノズル本体部と該ノズル本体部の基端部に設けられた装着部とを有し、該ノズル本体部の内部に流体送給通路が削成され、該装着部が雄型又は雌型に螺子加工され、かつ該装着部を介して石英ガラス製又はセラミックス製熱加工用バーナ本体の先端に着脱自在に装着可能であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、削成加工し石英ガラスに加工歪みが生じこれを除去する必要がある場合には、ノズル全体の歪みをアニールによって除去してもよい。不純物の混入可能性の観点からは、この石英ガラス材としては合成石英ガラスを用いるのが好ましい。上記石英ガラス製流体送給用単穴ノズルの端部を熱加工用バーナ本体の先端に着脱自在に装着可能とすれば、ノズルのみが破損したような場合や汚染してしまった場合に簡単に交換できる利点がある。なお、この単穴ノズルの先端装着部に雄型又は雌型の螺子加工を施した形状とすれば、着脱操作が容易となる。
【００１５】
本発明の石英ガラス製熱加工用バーナは、石英ガラス製バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられた石英ガラス製バーナヘッド部とを有し、上記した本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを該バーナヘッド部に具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明のセラミックス製熱加工用バーナは、セラミックス製バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられたセラミックス製バーナヘッド部とを有し、上記した本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを該バーナヘッド部に具備することを特徴とする。
【００１７】
これらの熱加工用バーナにおいては必要に応じてバーナヘッド部を屈曲させる形状としてもよい。本発明のハンドバーナは、本発明の石英ガラス製熱加工用バーナ又はセラミックス製熱加工用バーナであって、作業者が手で持って操作できるようにしたものである。本体全部を石英ガラス製とした場合は、ステンレス製バーナ重量の約１／５の重量となり、全体の軽量性により、精微な操作性が確保されるようになる。
【００１８】
本発明のハンドバーナによれば、長柄部分の破損を防止するために必要に応じて収縮性、可撓性のシリコーン・ゴムや他の合成樹脂フィルムをバーナ本体部分に装着、被覆してもよい。
【００１９】
本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドは、石英ガラス材を切穿加工して製造されかつ流体が非収束性の状態で流出するようにした石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドであって、外筒と、該外筒の内部に所定間隔をおいて設けられかつ内部を流体送給通路とした内筒と、該内筒の内部に所定間隔をおいて設けられかつ内部を流体送給通路とした中心筒とを有し、該内筒と中心筒の先端部には多数の貫通孔を穿設したノズル部を一体的に設け、該ノズル部の先端部前方に所定間隔をおいて位置する該外筒の先端部には多数の流体通路出口を穿設した火口部を設け、前記各流体送給通路、貫通孔及び流体通路出口が互いに平行に位置し、流体の排出の際に流体の流れが収束されず、流体が非収束性の状態で流出するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の熱加工用バーナは、バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられたバーナヘッド部とを有し、上記した本発明の多穴バーナヘッドをバーナヘッド部として具備することを特徴とする。
【００２１】
すなわち、局所的に熱加工する場合にとくに使用される単穴式バーナにおいては、石英ロッド材の端面円の中心部分に精度よくドリリング加工して、同心円状に一定の径で流通通路を穿設形成させることで、流通通路を通じる流体の流量コントロールが正しく制御できるようになった。さらには、本発明のノズルの端部を雄型又は雌型にねじ込み式に加工することなどによって、金属製のバーナの先端部に簡単に装着できるようにすることで、とくに長時間の熱加工を行った場合にノズル先端部分から金属不純物等が飛散し、被加工物に付着、汚染させてしまうといった従来品の不都合を一気に解決することが可能になった。着脱可能なため、金属やセラミックス等異種の材質からなるバーナであっても、簡単に単穴式石英ガラス製ノズルが有する素材上の利点、つまり高耐熱性や耐汚染性を享受させることができる。
【００２２】
（発明を実施するための最良の形態）
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明の技術思想から逸脱しない限り図示例以外にも種々の変形例を採用可能なことはいうまでもない。
【００２３】
図１は本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを示す図面である。図２は本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルと該単穴ノズルが装着される石英ガラス製熱加工用バーナ本体（ハンドバーナ）とを示す分解断面説明図である。図３は図２の状態から石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを石英ガラス製熱加工用バーナ本体に装着した状態（ハンドバーナとした状態）を示す断面説明図である。このようにハンドバーナの状態とすると、同形状の従来型のステンレス製バーナに比べて１／４〜１／５の重量となる。図４は本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナを示す図面である。
【００２４】
図１において、１０は本発明に係る石英ガラス製流体送給用単穴ノズルである。該単穴ノズル１０は、先端方向に向ってやゝ先細状に形成されたノズル本体部１０ａと該ノズル本体部１０ａの基端部に設けられた装着部となる径大なる段部１０ｂとから構成されている。このノズル本体部１０ａの形状としては、図示例の他に直胴状や必要に応じて様々な形状としてもよいことはいうまでもない。１２はガス等（気体、液体、粉体等）の流体を送給する流体送給通路で、該ノズル本体部１０ａの内部に穿設され、その先端は流体排出口１２ａとなっている。該段部１０ｂの内部には雌型螺子部１４が形成されている。なお、段部１０ｂとしてはノズル本体部１０ａよりも径大なる形状を図示したが、ノズル本体部１０ａと同径でもよいし、場合によっては径小であってもよい。これは、送給の態様によって必要に応じて設計されうる。
【００２５】
図示例では、雌型螺子部１４を形成した例を示したが、後述するように、この雌型螺子部１４は単穴ノズル１０をバーナ本体の先端部に着脱自在に螺着可能とするために用いられるもので、段部１０ｂの外周に螺子部を形成し、雄型螺子部とすることもできる。
【００２６】
図２において、２０は本発明に係る石英ガラス製熱加工用バーナである。該バーナ２０は、バーナ本体部２０ａと該バーナ本体部２０ａの先端部に設けられたバーナヘッド部２０ｂを有している。２２はガス等の流体を送給する流体送給通路で、該バーナ２０の内部に穿設されている。なお、該バーナヘッド部２０ｂの先端部を屈曲させた形状とすることによってその操作上の利便性を向上させることができる。
【００２７】
２５は上記バーナヘッド部２０ｂの先端に突設された取付部で、その外周部には雄型螺子部２５ａが形成されている。２６ａ，２６ｂはバーナ本体部２０ａの基端部に連設された流体導入管である。該流体導入管２６ａ，２６ｂは、その先端の流体導入口２７ａ，２７ｂから導入されるガス等の流体を流体送給通路２２に導入する作用を行う。なお、バーナ２０のタイプとしてはハンドバーナ形式でもよく、特別の限定はない。
【００２８】
図３に示したように、上記取付部２５の雄型螺子部２５ａに単穴ノズル１０の雌型螺子部１４を螺着せしめることによって、該バーナヘッド部２０ｂの先端に単穴ノズル１０が装着される。この単穴ノズル１０は取付部２５に着脱自在に螺着されているので、単穴ノズル１０が破損した場合等には簡単に取り外して新品と交換することができる。したがって、従来のようにノズル部分が破損しただけで高価なバーナ全体を交換するというような不経済なことは回避することが可能となった。なお、前述したように、前記単穴ノズル１０の雌型螺子部１４を雄型螺子部とした場合には、それに対応して取付部２５の雄型螺子部２５ａを雌型螺子部とすればよいことは勿論である。
【００２９】
本発明における単穴ノズル１０及びバーナ２０における流体送給通路１２，２２は穿設されたものであることが本発明の特徴の一つである。特に、石英ガラス材料として、高純度合成石英ガラスロッドを用い、直接、精密に加工径を設定し、ドリリング加工によって、同心円状に流体送給通路１２，２２を穿設形成させることで、流体送給通路１２，２２を通じる流体の流量コントロールが正しく制御することが可能となった。
【００３０】
さらに、図２及び図３の例では、石英ガラス製熱加工用バーナ２０の先端に本発明の石英ガラス製単穴ノズル１０を装着した例を示したが、バーナとしては石英ガラス製以外の材料を用いた、例えば、金属バーナを対象とすることもできる。即ち、図２及び図３に示した石英ガラス製熱加工用バーナ２０と同様の形状の金属バーナ（図示は省略）の先端取付部に本発明の石英ガラス製単穴ノズル１０を着脱自在に装着する構成を採用することもできる。従来の金属バーナを用いて、特に長時間の熱加工を行った場合にノズル先端部から金属不純物等が飛散し、被加工物に付着、汚染させてしまうという不都合が、本発明の石英ガラス製単穴ノズルの使用によって一挙に解決するという利点がある。つまり、本発明の石英ガラス製単穴ノズル１０は着脱自在な構造としたもので、金属等の石英ガラスとは異なる材料を用いたバーナであっても、石英ガラス製単穴ノズルの有する素材上の利点、つまり高耐熱性や耐汚染性を享受させることが可能となる。
【００３１】
上記した説明では、石英ガラス製単穴ノズル１０を別体として作製し、それをバーナ２０に着脱自在に装着する例を示したが、上述した単穴ノズル１０と同様の構造のノズル部分を石英ガラス製熱加工用バーナ２０の先端部に一体的にドリリング加工によって精密に切穿加工によって形成することもできる。この場合にも、流通通路を通る流体の流量コントロールを予め正確に制御できるという利点がある。
【００３２】
次に本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドについて図４に基づいて説明する。図４において、３０は本発明に係る石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドである。該バーナヘッド３０は外筒３２、該外筒３２の内部に所定間隔をおいて設けられた内筒３４及び該内筒３４の内部に所定間隔をおいて設けられた中心筒３６を有している。該内筒３４の基端部には基端をガス等の流体導入口３４ａとした流体導入管３４ｂが取り付けられ、流体導入口３４ａから該内筒３４の内部の流体送給通路３５に流体を導入することができるようになっている。該中心筒３６の基端部は外方に延出しており、その基端は流体導入口３６ａとなっている。該流体導入口３６ａから該中心筒３６の内部の流体送給通路３７に流体を導入することができるようになっている。
【００３３】
前記内筒３４及び中心筒３６の先端部には多数の貫通孔３８を穿設したノズル部４０が一体的に設けられている。また、該ノズル部４０の先端部前方に所定間隔をおいて位置する前記外筒３２の先端部には多数の流体通路出口４２を穿設した火口部４４が設けられている。
【００３４】
本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド３０の特徴は、各流体送給通路３５，３７、各貫通孔３８及び各流体通路出口４２は互いに平行に穿設されており、ガス等の流体の排出の際に流体の流れが収束されず、流体が非収束性の状態で流出するようにした点にある。このような、所謂ストレートタイプのものは火あぶり加工等の際に必要とされるが、従来の技術では穿削ドリリングの正確な直進性の確保が困難で製造されることはほとんどなかった。本発明者らは精密なドリリング工具の開発を行うとともにこのドリリング工具によって精密なドリリング加工を可能とし、上記した多穴バーナヘッド３０の製造が可能となった。この多穴バーナヘッド３０を前述した石英ガラス製熱加工用バーナ２０や金属バーナ、セラミックバーナの先端取付部に着脱自在に装着することによって、多穴バーナヘッド３０を備えた熱加工用バーナとして用いることができる。
【００３５】
（実施例）
以下に実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。まず、本発明の単穴ノズルを用いた実施例１と従来技術の金属（真鍮）ノズルを使用した比較例１を示す。
【００３６】
（実施例１及び比較例１）
被加工材として、太さ１５ｍｍφの溶融天然石英ロッドに対して、表１のような条件で合成石英ガラスからなる本発明の単穴ノズルと従来の真鍮製の単穴ノズルを使用してみた。
【００３７】
【表１】

【００３８】
（実施例２）
本発明の合成石英ガラスの単穴ノズルの先端に、直方体形状の石英ガラス製フタを装着して、単一のスリット穴（シングルスリット）から酸素−水素の燃焼反応による火炎（トーチ）を出させ、一定の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にシングルスリットを定置させ、着火テストのデータをとったものである。酸素−水素混合気の流量（Ｆ）、シングルスリットの断面サイズ（Ｓ）、スリットから測定用の熱電対までの距離（Ｄ）、を変えて、温度（Ｔ℃）を測定することによって温度分布、火炎の安定性を見た。これによれば、本発明ノズルの火炎の温度分布ばらつきは少なく良好な結果を示した。なお、酸素−水素の流量比は２：５とした。
【００３９】
【表２】

【００４０】
（産業上の利用可能性）
上述したごとく、本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを石英ガラス製熱加工用バーナに適用した場合、流量制御を高精度に行うことができ、被加工物との接触等により先端部分（ノズル）が破損したような場合でもそのノズルのみを交換すればよく高価な石英ガラス製バーナ全体を交換する必要がなく、また金属製バーナに適用した場合、石英ガラス製流体送給用ノズルの有する素材上の利点、つまり高耐熱性や耐汚染性を享受させることができる効果が達成される。また、本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドによれば、流体が非収束性の状態で流出するようにできるので、非収束性の燃焼用ガスを送給して熱加工に使用するバーナとしては、火あぶり加工等に好適に用いられる。
【００４１】
また、送給し通じさせる流体としては、熱加工用の用途であれば、燃焼反応に供する気体であればよく、新規な化合物や混合物を製造する際に多種多様な液体、混合気体、粉体、蒸気物質等があげられる。バーナ本体のすべてが石英ガラス製であれば、腐食性の強い液体や気体を安心して通じさせることができる。特に好適には、生成物や処理対象物に余分な不純物が混入することなく、超高純度な合成反応、化学反応に用いられることとなる。本体全部を石英ガラス製とした場合は、ステンレス製バーナ重量の約１／５の重量となり、全体の軽量性により、精微な操作性が確保されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを示す図面で、（ａ）は断面説明図及び（ｂ）は正面図である。
【図２】 本発明の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルと該単穴ノズルが装着される石英ガラス製熱加工用バーナ本体とを示す分解断面説明図である。
【図３】 図２の状態から石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを石英ガラス製熱加工用バーナ本体に装着した状態を示す断面説明図である。
【図４】 本発明の石英ガラス製流体送給用多穴バーナを示す図面で、（ａ）は断面説明図、（ｂ）は正面図及び（ｃ）は背面図である。
【符号の説明】
１０：石英ガラス製流体送給用単穴ノズル、１０ａ：ノズル本体部、１０ｂ：ノズル段部、１２，２２：流体送給通路、１２ａ：流体排出口、１４：雌型螺子部、２０：石英ガラス製熱加工用バーナ、２０ａ：バーナ本体部、２０ｂ：バーナヘッド部、２５：取付部、２５ａ：雄型螺子部、２６ａ，２６ｂ：流体導入管、２７ａ，２７ｂ：流体導入口、３０：石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド、３２：外筒、３４：内筒、３４ａ：流体導入口、３４ｂ：流体導入管、３５，３７：流体送給通路、３６：中心筒、３６ａ：流体導入口、３８：貫通孔、４０：ノズル部、４２：流体通路出口、４４：火口部。

Claims (9)

1. 石英ガラス材によって形成されたノズル本体部と該ノズル本体部の基端部に設けられた装着部とを有し、該ノズル本体部の内部に流体送給通路が削成され、該装着部が雄型又は雌型に螺子加工され、かつ該装着部を介して石英ガラス製熱加工用バーナ本体の先端に着脱自在に装着可能であることを特徴とする石英ガラス製流体送給用単穴ノズル。
2. 石英ガラス材によって形成されたノズル本体部と該ノズル本体部の基端部に設けられた装着部とを有し、該ノズル本体部の内部に流体送給通路が削成され、該装着部が雄型又は雌型に螺子加工され、かつ該装着部を介してセラミックス製熱加工用バーナ本体の先端に着脱自在に装着可能であることを特徴とする石英ガラス製流体送給用単穴ノズル。
3. 前記石英ガラスが合成石英ガラスであることを特徴とする請求項１又は２記載の石英ガラス製流体送給用単穴ノズル。
4. 石英ガラス製バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられた石英ガラス製バーナヘッド部とを有し、請求項１又は３記載の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを該バーナヘッド部に具備することを特徴とする石英ガラス製熱加工用バーナ。
5. セラミックス製バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられたセラミックス製バーナヘッド部とを有し、請求項２又は３記載の石英ガラス製流体送給用単穴ノズルを該バーナヘッド部に具備することを特徴とするセラミックス製熱加工用バーナ。
6. 前記バーナヘッド部を屈曲させてなることを特徴とする請求項４又は５記載の熱加工用バーナ。
7. 請求項４〜６のいずれか１項記載の熱加工用バーナであって、作業者が手で持って操作できるようにしたことを特徴とするハンドバーナ。
8. 石英ガラス材を切穿加工して製造されかつ流体が非収束性の状態で流出するようにした石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッドであって、外筒と、該外筒の内部に所定間隔をおいて設けられかつ内部を流体送給通路とした内筒と、該内筒の内部に所定間隔をおいて設けられかつ内部を流体送給通路とした中心筒とを有し、該内筒と中心筒の先端部には多数の貫通孔を穿設したノズル部を一体的に設け、該ノズル部の先端部前方に所定間隔をおいて位置する該外筒の先端部には多数の流体通路出口を穿設した火口部を設け、前記各流体送給通路、貫通孔及び流体通路出口が互いに平行に位置し、流体の排出の際に流体の流れが収束されず、流体が非収束性の状態で流出するようにしたことを特徴とする石英ガラス製流体送給用多穴バーナヘッド。
9. バーナ本体部と該バーナ本体部の先端部に設けられたバーナヘッド部とを有し、請求項８記載の多穴バーナヘッドを該バーナヘッド部として具備することを特徴とする熱加工用バーナ。

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