JP4908854B2 - 液体燃料式ｈｖｏｆ溶射ガンとバーナーデザイン - Google Patents

Description

本発明は、ＨＶＯＦ溶射ガンのための改善された方法と装置に関し、具体的には、溶射ガンの燃焼室の内部における酸素と液体燃料の燃焼を改善するためのバーナーデザインに関する。

ＨＶＯＦプロセスは、さまざまな基板の上に緻密で硬質の被覆構造を生成するため、及びクロム置換などのさまざまな適用のために使用されている。ＨＶＯＦ被覆は、低い残留引張り応力を、又はある場合には、他のプロセスによって一般的に可能である被覆よりも厚い被覆の付着を可能にする圧縮応力を有する傾向がある。基板面を打つ粒子の高い運動エネルギーが、溶射された粒子が完全に溶解されていないときでさえも、高品質のＨＶＯＦ被覆の形成を可能にする。

高速溶射を達成するために、さまざまな方法を使用する多くのＨＶＯＦガンが存在する。一般に、これらのガンの使用には気体燃料又は液体燃料のいずれかの使用が必然的に伴う。液体燃料ガンのためには、一般に液体燃料（主として、市販のケロシン、しかし＃１ディーゼル、＃２ディーゼル、及び類似の軽油も使用される）及び酸素がバーナーを通じて燃焼室の中に噴射され、被覆材料が、燃焼室の下流及び先細／末広ノズルの下流にある出口筒の中に７００ｍ／秒超までの速度で放射状に噴射される。

現存のバーナー技術を使用するＨＶＯＦプロセスの限界の１つは、効率の悪い燃焼による燃焼プロセスにおける過剰な炭素である。燃料が濃厚な混合物区域の存在が炭素粒子を形成し、これらの炭素粒子が完全に燃焼せず、燃焼室の壁の上に積層するか、又はトーチから放射されて被覆の中に入り込む可能性がある。

従来のＨＶＯＦガンの設計は、同軸混合管を利用して液体燃料の霧化と、その後の燃焼を達成している。いくつかの別の設計では、液体燃料と共に気体燃料の噴射を利用して、燃焼室における霧化と火炎定着を支援している。しかし当技術分野においては、効率が改善され、炭素の付着が減少し、装置のサイズが小さくなったＨＶＯＦ溶射システムの必要性が残っている。

本発明は、乱流霧化を発生させ、液体燃料と酸素のための噴射方法として１つ又は複数のジェットを使用して燃焼室内の燃焼を改善する、液体燃料式ＨＶＯＦガンのバーナーデザインを提供することによって、上記の必要性に応えるものである。本発明の一態様は、改善されたバーナーデザインの使用によって可能になる、燃焼室とガンの全長とを短くするためのガンデザイン全体の変更である。あるいくつかの実施例では、従来のＨＶＯＦガンのデザインよりも燃焼室の長さを５０％以上も減少することができる。

一つの態様によれば、本発明は、酸素と液体燃料とを事前混合する少なくとも１つの射出ポートと、この射出ポートの下流側に位置する燃焼室とを有するＨＶＯＦ溶射ガンにおいて使用するためのバーナーを提供する。このバーナーは事前加熱された酸素と事前加熱された燃料とを使用して、燃料が燃焼する前の気化を改善する。液体燃料を小さな滴に霧化するための手段を含む複数の射出ポートが使用されてもよい。

本発明の別の態様によれば、ＨＶＯＦ溶射ガンは改善された燃焼プロセスを備え、この燃焼プロセスは、被覆内の炭素付着物を減少又は除去することによって、及び燃焼効率の向上（すなわち、より速くより完全な燃焼によるより高い燃焼温度）を通じて燃焼室圧力を高めることによって、被覆プロセスの動作を有利に改善する。この溶射ガンはＨＶＯＦバーナーを含み、このバーナーは事前加熱された酸素及び／又は事前加熱された液体燃料を使用して、燃料の燃焼前の気化を改善する。燃料の燃焼から得られる熱が酸素及び／又は燃料の事前加熱に使用されてもよい。

本発明の別の一態様は、霧化の前に酸素と液体燃料とを事前加熱することによって、霧化中及び燃焼前の液体燃料の気化を達成するための新しい方法に向けられている。この方法は、酸素及び／又は液体燃料を事前加熱し、事前加熱された酸素を使用して液体燃料を小滴に霧化し、霧化された燃料を燃焼することによって、ＨＶＯＦ溶射ガンにおける連続燃焼を提供する。燃焼工程からの熱が酸素の事前加熱に使用されてもよく、さらに液体燃料の事前加熱に使用されてもよい。

本発明のさらなる目的及び利点は、下記の説明の中に述べられ、部分的にこの説明から明らかになり、また本発明の実施によって学ぶこともできよう。本発明の目的及び利点を、特に以下に指摘されるさまざまな手段と組合せによって実現し取得することもできよう。

本発明をさらに理解するために提供され、本明細書の中に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の各実施例を図示するものであり、以下の説明と共に本発明の原理の説明に役立つものである。

次に、本発明の好ましい実施例を詳細に言及するが、これらの実施例の数例が添付の図面に示されている。

図１は、本発明の一実施例によるバーナー部分を含む液体燃料式ＨＶＯＦ溶射ガンの断面図を示している。図２は、バーナー部分の一実施例の詳細な断面図を示している。

図２に示されたバーナーデザインは、酸素と燃料を事前混合する射出ポート１を使用して、熱伝達室３を含む燃焼室２の中に入るジェットを形成する、燃料及び酸素の射出プロセスを改善する。熱伝達室３は、燃焼室２の小区画又は別の隣接区画であってもよい。このデザイン実施例に使用されている射出ポート１の数は８個であり、これらの射出ポート１は中心軸線の周辺に等間隔に離隔している。この個数は過度の複雑さをもたらすことなく良好な結果を提供することがわかっている。しかし、ガンの軸線に沿って中心を置く一つの射出ポートを含む他の個数の射出ポートが使用されてもよい。中心軸線から異なる間隔を有する、及び／又は異なる半径にある複数のポートを含む別の配置も考えられる。

図３は、射出ポート１の周りの区域のさらに詳細な図を示す。好ましい実施を示す図２及び図３を参照すると、各ポートは、燃料と酸素が出会うポート１の開口部９においてせん断酸素流を生成する。この酸素流は、ポート１の中心に軸線方向に射出される液体燃料４の狭い流れに放射状に突き当たる。液体燃料は燃料通路５からポートへ供給される。酸素流は実質的にすべての方向から燃料流に突き当たる。液体燃料流に対する酸素の結果的に生じる乱流せん断作用は、燃料を破砕して非常に細かい液体小滴にし、気化のための表面積を増加させる。

各ポート１は、液体燃料の小滴のための混合ゾーンを提供して、乱流酸素流と共に混合して気化する。各混合ポート１における気体流の速度は酸素燃料混合物の燃焼速度以上であり、火炎を作り出す。この火炎は混合ポート１の出口に達し、燃焼室２／熱伝達室３の中に入る。

図２を参照すると、主燃焼室２に入る前に、ポート１を出る火炎は短い熱伝達室３を通過することができ、この熱伝達室３は、燃焼熱の一部分を（１つ又は複数の）ポート１に入る前に捕捉して流入する酸素に戻し伝達するために使用される。酸素は取入れ口１０においてバーナー部分に入り、バッフル１１を通り過ぎ、熱伝達室３から熱を導く本体８を通り過ぎる。この効果は、流入する酸素を液体燃料の気化温度に近いかそれ以上の温度にまで事前加熱することである。図３を参照すると、事前加熱された酸素は、燃料が酸素に接触する前に液体燃料配送管６を通過して、混合の前に燃料の温度を上昇させる。事前加熱された酸素の事前加熱された燃料との接触は、燃料を熱伝達室３／燃焼室２の中に射出される前に容易に気化させる。

酸素及び／又は液体燃料を事前加熱する他の方法も使用することができる。例えば、流入する酸素のために別の熱源を備えながら、上述のように燃料を事前加熱するために酸素を使用することもできる。代替案として、酸素と液体燃料の両方のために１つの別熱源を備えることもできよう。

背景技術において述べたように、以前の液体燃料式ＨＶＯＦ溶射システムにおける燃料が濃厚な混合区域の存在は、炭素粒子の形成を引き起こし、この炭素粒子は完全に燃焼せず、燃焼室の壁の上に積層するか、又はトーチから放射されて被覆の中に入り込む可能性がある。本発明においては、酸素と気化した燃料との実質的に均質の混合物が、混合物内における濃厚な燃料／酸素区域と希薄な燃料／酸素区域との存在を最小限に抑えるので、燃焼を改善させることができる。改善された燃焼が、短い燃焼室の長さで起こるので、燃焼室の全体長を著しく短くする（例えば、これまで使用されてきた長さの約半分又はそれ以下にする）ことができるのは有利である。図１及び図２に示す実施例では、燃焼室は従来の液体燃料式トーチにおいて使用されてきた長さの半分に短縮されている。

図１〜図３に示す中心すなわち軸線方向に位置するポート７は、ガンの点火を助ける水素口火のためである。水素は、広い化学量論的範囲にわたって酸素の燃焼において容易に発火し、高い発火速度を有するので、一般的に使用されている。標準的なスパーク点火器はガンの前面において水素を点火させ、水素は燃焼室の中へ逆燃焼して、液体燃料が導入されたときにこれを点火させる。例えば燃焼室の近く又はこの中に入り込んだ電極を有する中央に位置するスパーク・プラグなどの、他の技法も使用することができる。

図４は、本発明の一実施例によるＨＶＯＦ燃焼プロセスの方法１００のためのフローチャートを示す。工程Ｓ１０２では、液体燃料と酸素が燃焼プロセスの前に加熱される。次に工程Ｓ１０４では、液体燃料は、酸素が液体燃料流に衝突して燃料が気化されるときに、事前加熱された酸素の乱流せん断作用によって霧化される。工程Ｓ１０６では、霧化された燃料と酸素の混合物が燃焼する。燃焼プロセス中、工程Ｓ１０８では、燃焼プロセスからの熱の一部分が回収されて、工程Ｓ１０２における方法１００の継続のための酸素の事前加熱のために使用される。代替案として、工程Ｓ１０２を副工程（図示せず）に分割して、工程Ｓ１０２の第１副工程において酸素が事前加熱され、次いで燃焼の前にも事前加熱された酸素が工程Ｓ１０２の別の副工程において液体燃料を事前加熱するために使用されるようにすることができる。

本発明による一実施例によるバーナーデザインを前節において詳述したように作り上げ、比較のために２つの液体燃料式ガンにおける標準的バーナーデザインに対して試験した。原型のガンは従来のバーナーデザインと標準的長さの燃焼室とを使用するが、改善されたガンは、本明細書に開示された新しいバーナーデザインと長さが短くなった燃焼室とを使用する。参考のために、ポートへの径方向酸素開口部の液体燃料ポートの直径に対する比は約１であった。データを記録し、被覆サンプルを両方のガンによって、同じ制御とパラメータを使用して正規の条件の下で生成した。

火炎特性の相違は、原型のバーナーデザインが黄とオレンジの配色を呈する火炎を発生し、新しいバーナーデザインはかなり青みがかった配色を呈する火炎を発生したので、はっきり明確であった。青色の火炎は黄色の火炎よりも熱くて、より効率的である。黄色は反応していない炭素の存在を示すものである。両方のガンについて、酸素の流量は２０００ＳＣＦＨ（５６．７ｍ^３／時）であり、燃料の流量は７ガロン（２６．５リットル）／時であった。

上記の同じ流量によって６０分間動作した両方のバーナーデザインによる長時間の試験によって、燃焼室の中に付着した炭素の量に測定可能な相違が示された。本発明のバーナーデザインでは、燃焼室の壁の内部に付着した厚くて黒い炭素の層を残した従来のバーナーデザインと比較すると、付着炭素のないきれいな燃焼室が得られた。

さらなる利点及び変形が、当業者には容易に理解されよう。したがって、本発明はそのより広い態様において、本明細書に図示及び説明された特定の詳細及び代表的実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びこれらの等価物によって定義されるような本発明の一般概念の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな変形を行なってもよい。

本発明の一実施例による液体燃料式ＨＶＯＦ溶射ガンの断面図である。 本発明の一実施例による液体燃料式ＨＶＯＦ溶射ガンのバーナー部分の詳細断面図である。 本発明の一実施例によるバーナー部分の射出ポートと周辺部分の断面図である。 本発明によるＨＶＯＦ燃焼プロセスの方法のためのフローチャートである。

符号の説明

１ 射出ポート
２ 燃焼室
３ 熱伝達室
４ 液体燃料
５ 燃料通路
６ 液体燃料配送管
７ 中央に位置するポート
８ バーナー本体
９ 射出ポートの開口部
１０ 取入れ口
１１ バッフル

Claims (13)

1. ＨＶＯＦ溶射ガンにおいて使用するためのバーナーであって、
   少なくとも１つの液体燃料配送管（６）と酸素の流れを供給する装置とを有した本体（８）と、燃焼室（２）とを有するバーナーにおいて、
   液体燃料配送管（６）が液体燃料を下流の射出ポート（１）に放出し、
   該射出ポート（１）が前記酸素の流れを供給する装置に接続された開口部（９）を有しており、
   前記射出ポート（１）が該バーナー内において事前加熱された酸素と該バーナー内において事前加熱された液体燃料を予め混合するための前記開口部（９）に隣接した混合ゾーンを提供し、
   前記射出ポート（１）が該バーナー内において事前加熱された酸素と該バーナー内において事前加熱された液体燃料の混合物を前記射出ポート（１）の下流に位置した前記燃焼室（２）内に放出し、
   前記バーナーが該バーナー内において事前加熱された酸素と該バーナー内において事前加熱された液体燃料を使用して燃焼前の液体燃料の気化を改善し、
   前記酸素の流れを供給する装置と前記射出ポート（１）の前記開口部（９）が、前記射出ポート（１）の軸線方向下流に射出される液体燃料（４）の流れに酸素が放射状に衝突して液体燃料（４）を細かい小滴に霧化するように、配置されていることを特徴とするバーナー。
2. 前記バーナーが、該バーナーの長手方向中心軸線の周りに配置された複数の射出ポート（１）を有しており、各射出ポート（１）が酸素と液体燃料の混合物を前記燃焼室（２）内に放出する、請求項１に記載のバーナー。
3. 前記バーナーが８個の射出ポート（１）を有している、請求項２に記載のバーナー。
4. 前記複数の射出ポート（１）が前記バーナーの長手方向中心軸線の周りに等間隔に配置されている、請求項２又は３に記載のバーナー。
5. 前記酸素の流れを供給する装置が、酸素が液体燃料（４）に実質的に放射状の全ての方向から衝突するように、配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のバーナー。
6. 前記燃焼室（２）が熱伝達室（３）を含んでおり、前記本体（８）が伝熱材料で作られた熱交換体であり、前記熱伝達室（３）が前記本体（８）に隣接して下流側に位置していて、前記熱伝達室（３）と前記本体（８）が熱的に結合されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のバーナー。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のバーナーを備えた溶射ガン。
8. 前記溶射ガンが酸素及び／又は液体燃料を事前加熱するための少なくとも１つの別熱源を有している、請求項７に記載の溶射ガン。
9. 液体燃料配送装置と酸素の流れを提供する装置とを有したＨＶＯＦ溶射ガンにおいて連続燃焼を提供するための方法において、
   酸素と液体燃料（４）をＨＶＯＦ溶射ガンのバーナー内において事前加熱し、
   液体燃料配送装置（１、６）を通過した前記バーナー内において事前加熱された液体燃料（４）に前記バーナー内において事前加熱された酸素の流れを放射状に衝突させ、液体燃料を細かい小滴に霧化し、
   酸素と細かい小滴に霧化された液体燃料の混合物を燃焼室（２、３）内に放出することを特徴とする方法。
10. 酸素が液体燃料（４）に実質的に放射状の全ての方向から衝突する、請求項９に記載の方法。
11. 霧化された燃料が燃焼室（２、３）内に供給される前に気化される、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 事前加熱された酸素が液体燃料の事前加熱に使用される、請求項１１に記載の方法。
13. 酸素及び液体燃料が燃焼行程からの熱を利用して熱伝導によって事前加熱される、請求項１１に記載の方法。

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