JP5719300B2 - 浸漬燃焼バーナー - Google Patents

Description

関連出願の説明

本願は、２００８年１０月１３日付けで提出された米国特許出願第１２／２５０,１５１号に優先権を主張した出願である。

本発明は、一般的には浸漬燃焼溶融の分野に関するものである。より詳細には、本発明は、浸漬燃焼溶融に用いられるバーナーに関するものである。

浸漬燃焼溶融においては、溶融状態にある材料の溜まり内に火炎を注入するためにバーナーが用いられる。火炎は溶融状態の溜まりを通って上方へ拡散され、溶融状態の溜まりを直接加熱するための熱エネルギーを火炎とともに運ぶ。

場合によっては、この火炎が上記溶融状態の溜まり内に注入される時点で、溶融状態の溜まりが凝固し始める。この凝固は、溶融状態の溜まりの頂面に向かって上方へ広がり、「コールドフィンガ(cold finger)」として知られているものを形成する。一旦コールドフィンガが溶融状態の溜まり内に形成されると、それは一般的に非可逆的であり、通常は溶融工程の再起動を必要とすることが多い。

一つの態様において、本発明はバーナー装置に関し、この装置は、第１の縦の内腔を有する第１のパイプと、第２の縦の内腔を有する第２のパイプとを備えている。この第２のパイプは、第２のパイプと第１のパイプとの間に環状空間が画成されるように、上記第１の縦の内腔内に配置されている。このバーナー装置は、第２のパイプの先端に形成されたノズルをさらに備えている。このノズルは、それの内部に形成された複数の側孔を備えている。これらの側孔は、上記ノズルの縦方向軸線に対して外方へ傾斜しており、かつ上記第２の縦の内腔と連通している。

別の態様において、本発明は浸漬燃焼溶融装置に関し、この装置は、溶融状態の溜まりを収容するための溶融室を備えている。この溶融室はそれの壁に形成されたオリフィスを有する。上述のようなバーナー装置が上記オリフィスに位置決めされて上記溶融室内へ火炎を注入する。

本発明のその他の特徴および効果は、下記の説明および添付の請求項から明らかであろう。

以下に説明する図面は、本発明の典型的な実施の形態を示すものであって、本発明は他の同様に効果的な実施の形態を容認し得るものであるために、本発明の範囲を限定するものと考えられるべきものではない。図面は必ずしも等寸ではなく、かつ図面の特徴部分および視る角度によっては寸法が誇張され、あるいは明快かつ簡潔にするために概略化して示されている。

バーナー装置を示す縦断面図である。 バーナー装置の第２の実施例を示す縦断面図である。 図１および図２のバーナー装置に備えられたノズルを示す拡大縦断面図である。 ノズルの第２の実施例を示す縦断面図である。 ノズルの第３の実施例を示す縦断面図である。 図１および図２のバーナー装置を示す平面図である。 中心保持部材を備えた図１および図２のバーナー装置の内側パイプを示す斜視図である。 図１および図２のバーナー装置を備えた浸漬燃焼溶融システムを示す縦断面図である。

以下、添付図面に示されたいくつかの実施の形態を参照して本発明を説明する。これらの実施の形態を完全に理解するために、数値的な詳細説明がなされている。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細の一部または全てを用いなくても実施が可能であることが当業者には明らかであろう。他の事例において、本発明を不必要に曖昧にしないために、周知の特徴および／または工程は、詳細には説明していない。さらに、共通または類似の要素には、類似または同一の参照番号が用いられている。

図１および図２は、内側パイプ１０２および外側パイプ１０４を備えたバーナー装置１００を示す。上記内側パイプ１０２および外側パイプ１０４は、例えば３０４、３１２またはその他の耐熱性ステンレス鋼、および例えばインコネル(登録商標)等のオーステナイト系ニッケル・クローム鉄合金から作製されるのがよい。外側パイプ１０４は、内側パイプ１０２が内部に配置される縦の内腔１０６を有する。内側パイプ１０２も縦の内腔１０８を有する。一般に、内腔１０６の縦方向軸線は、内腔１０８の縦方向軸線と一致しており、すなわち外側パイプ１０４と内側パイプ１０２は同軸または同心的である。内側パイプ１０２の外径は外側パイプ１０４の内径よりも小さく、その結果、外側パイプ１０４と内側パイプ１０２との間には環状空間１１０が存在する。このバーナー装置１００の動作時には、ガス、例えば燃料およびオキシダントが環状空間１１０および内腔１０８に供給される。一般に、内腔１０８内のガスは、環状空間１１０内のガスと異なっている。例えば、天然ガスが内腔１０８内に流され、酸素が環状空間１１０内に流されるが、その逆でもよい。内側パイプ１０２の先端１１３にはノズル１２６が設けられている。図１に示された実施例においては、ノズル１２６が、バーナー装置１００の頂面よりも窪んでいる。ノズル１２６の上方の空間１１２は、内腔１０８および環状空間１１０からのガスが内部で混合して燃焼する燃焼室１１２を画成している。図２に示された実施例においては、ノズル１２６が、バーナー装置１００の頂面に対して同一平面上またはほぼ同一平面上にある。したがって、内腔１０８内のガスおよび環状空間１１０内のガスの収束および燃焼は、バーナー装置１００の外部で行なわれる。図１に戻って、燃焼室１１２を画成する壁１２７の角部は、図示のように険しい角部でもよいが、隅肉が付いているか、あるいは曲率半径を有しているかの方が多い。

図１および図２を参照すると、内側パイプ１０２は、これらの実施例における内腔１０８の底を密閉する閉塞された底端部１１４を有する。この底端部１１４の近傍に、内側パイプ１０２の内腔１０８に連通する１個のポート１１６を備えている。外部ガス源(不図示)、例えば燃料源は、内腔１０８にガスを供給するために、上記ポート１１６に接続されることができる。別の実施例においては、内腔１０８内にガスを導入するためのポートが、閉塞された底端部１１４に設けられていてもよい。外側パイプ１０４は、内側パイプ１０２を収容するための開口部１２０を備えた、部分的に閉塞された底端部１１８を有する。この底端部１１８は、外側パイプ１０４と内側パイプ１０２との間に広がることによって、環状空間１１０の底部を密閉している。図１および図２に示された実施例においては、ポート１１６を備えた内側パイプ１０２の下部１２２が、外側パイプ１０４の底端部１１８の下方に延出している。例えば上記燃焼室１１２のサイズを調節するために、外側パイプ１０４の位置に対する内側パイプ１０２の位置の調節が可能なように、内側パイプ１０２は、上記開口部１２０に対して摺動可能であるのがよい。外側パイプ１０４は、その底端部１１８の近傍に、環状空間１１０に連通するポート１２４を備えている。環状空間１１０にガスを供給するために、例えばオキシダント源である外部ガス源(不図示)がポート１２４に接続可能である。あるいは、内腔１０８にガスを供給するためのポートが底端部１１８に設けられていてもよい。

図３を参照すると、ノズル１２６（図１および図２において内側パイプ１０２の先端に形成されている）は、中心孔１３０および複数の側孔１３２を有するノズル本体１２８を備えている。孔１３２はノズル本体１２８の中心から外れているために「側」孔と呼ばれている。側孔１３２は、ガス流のためにノズル本体１２８に設けられている。一つの実施の形態において、中心孔１３０もガス流のためにノズル本体１２８に設けられている。別の実施の形態においては、中心孔１３０が存在しないか、または（図４Ｂに示されているように）施栓されており、側孔１３２のみがガス流のために残されて開口している。ノズル本体１２８に中心孔１３０が存在する場合には、この中心孔１３０はガス流のための開口部として、あるいは紫外線安全センサ等の機器のための容器または通路として機能する。図５を参照すると、複数の側孔１３２がノズル本体１２８の中心１２９の周りに配置されている。図示の実施の形態においては、複数の側孔１３２がノズル本体１２８の中心１２９からほぼ等距離にある。別の実施の形態においては、複数の側孔１３２がノズル本体１２８の中心１２９から等距離にはない（例えば、線Ｚがノズル本体１２８の中心を示している図４Ｂを参照されたい）。図３、図４Ａおよび図４Ｂにおいては、側孔１３２が垂直線（すなわちノズル１２６の縦方向軸線）Ｚに対して傾斜している。ノズル１２６の縦方向軸線は、ノズル本体１２８の注入口面１３４からノズル本体１２８の吐出口面１３６まで延びる方向を向いており、かつノズル１２６のほぼ中心の位置を占めている。一つの実施の形態において、各側孔１３２と垂直線Ｚとの間の角度αは約２５°〜６５°の範囲内にある。別の実施の形態において、各側孔１３２と垂直線Ｚとの間の角度αが約３０°〜６０°の範囲内にある。さらに別の実施の形態においては、各側孔１３２と垂直線Ｚとの間の角度αが約４５°〜５０°の範囲内にある。図４Ａに示されている実施の形態においては、各側孔１３２と垂直線Ｚとの間の角度αが４５°または約４５°である。複数の側孔１３２は、垂直線Ｚに対して同じ角度傾斜していても、異なる角度傾斜していてもよい。

ノズル本体１２８の注入口面１３４は内腔１０８に面しているが、ノズル本体１２８の吐出口面１３６は内側パイプ１０２の外部に面している。図３および図４Ａにおいて、中心孔１３０は、ノズル本体１２８の注入口面１３４から吐出口面１３６まで延び、かつ内腔１０８に連通している。図３、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、側孔１３２は、注入口面１３４から吐出口面１３６まで延び、かつ注入口面１３４において内腔１０８に連通している。ノズル本体１２８の吐出口面１３６において、側孔１３２および中心孔１３０が、円形、正方形、長方形または卵形等の如何なる所望の形状を有していてもよい。一つの実施の形態においては、吐出口面１３６の過熱を軽減または排除するために、図５に、より明快に示されているように、吐出口面１３６において側孔１３２が、例えば卵形等の細長い形状をもって終端している。側孔１３２が円形の断面形状を有する（あるいは、正方形等のその他の何れかの細長くない断面形状を有する）図３、図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、吐出口面１３６における細長い形状は、側孔１３２を備えた吐出口面１３６の部分１３５を、側孔１３２の縦方向軸線Ｌに対して傾斜させる（すなわち、平行でも垂直でもない）ことによって得られている。一つの実施の形態において、上記部分１３５は、垂直線（すなわち、ノズル１２６の縦方向軸線）Ｚに対して水平またはほぼ水平にされていて、吐出口面１３６のおける側孔１３２の細長い形状を得ている。

図１および図２を参照すると、環状空間１１０の断面の流動面積と、ノズル１２６の断面の流動面積とは、環状空間１１０内の圧力と内腔１０８の圧力とが等化されまたはほぼ等化されるように選択されるべきである。例えば、内側パイプ１０２が天然ガスを運び、環状空間１１０が酸素を運ぶ場合に、環状空間１１０の断面の流動面積をノズル１２６の断面の流動面積の約２倍にして、上述の圧力の等化を可能にすることができる。ノズル１２６の断面の流動面積は、側孔１３２の断面の流動面積と、存在してガス流のための開口部として用いられる場合の中心孔１３０の断面の流動面積とを併せることによって決定される。

側孔１３２は、ノズル１２６から流出する流れを横に広げる目的を果たす。ノズル１２６の吐出口面１３６において、広がった流れは環状空間１１０からの流れと合流して、広がった火炎を形成する。バーナー装置１００によって生成された火炎は、ノズル１２６の外側に設けられた複数の凸部１３８によってさらに広げられることができる。これらの凸部１３８は、ノズル１２６の外側において流れを広げる。凸部１３８はノズル１２６上に形成されるか、さもなければノズル１２６に取り付けられる。一つの実施例において、図５に、より明快に示されているように、ノズル１２６上に取り付けられた多角形のフランジ１４０の角部が凸部１３８として機能する。これらの角部１３８は鋭利であっても丸められていてもよい。図１および図２に戻ると、凸部１３８は、ノズル１２６の吐出口面１３６の外縁に対して同一平面上にあるか、またはほぼ同一平面上にあるがために、凸部１３８によって提供された流れの拡張がノズル１２６の吐出口面１３６に十分に近くで生じ、バーナー装置１００によって生成された火炎の質に影響を与える。上述のように、ノズル１２６は、短い、広い火炎がバーナー装置１００によって生成されるのを可能にする。この短い、広い火炎により、バーナー装置１００が浸漬燃焼溶融に用いられるときに、コールドフィンガの生成を排除または軽減させることができる。火炎の中心部に低圧領域が形成されないようにするためには、バーナーの火炎が広がり過ぎないようにすることが重要である。側孔１３２のサイズおよび角度、存在する場合の中心孔１３０のサイズ、ならびに、存在する場合の凸部のサイズおよび位置によって火炎の拡張の少なくとも一部が決定される。

図１および図２に戻って、対称的な火炎を提供しかつ維持するためには、内側パイプ１０２が、外側パイプ１０４の縦の内腔１０６内の中心に位置決めされていることが好ましい。このことは、内側パイプ１０２の外部に結合され得る１個または複数の中心保持部材１４２によって達成される。これらの中心保持部材１４２は、バーナー装置の作動時に内側パイプ１０２が外側パイプ１０４に対して固定された位置に留まることを確実にするために、比較的剛直であることが好ましい。一つの実施例において、図６に示されているように、各中心保持部材１４２は、内側パイプ１０２上に形成されたテーパー付きスロット１４４と、このテーパー付きスロット１４４内に配置された調整可能な楔１４６とを含む。図５に、より明快に示されているように、中心保持部材１４２は、内側パイプ１０２の周縁の周りに配置されて、所望の中心保持機能を提供する。図１および図２に戻ると、調整可能な楔１４６は、内側パイプ１０２から半径方向外方に外側パイプ１０４の内壁面まで延びている。内側パイプ１０２を内腔１０６内の中心に保持することに加えて、調整可能な楔１４６は、外側パイプ１０４に対する内側パイプ１０２の縦方向の位置を規定しかつ調整するのに用いることができる。このような調整は、燃焼室１１２のサイズを調整するのに用いられる。１本の管状部材を他の管状部材内の中心に保持するための当業者に知られている他の形式の中心保持部材が用いられてもよい。

冷却ジャケット１５０は、内側パイプ１０２を取り囲む外側パイプ１０４を取り囲んでいる。この冷却ジャケット１５０は、外側パイプ１０４上に取り付けられている。冷却ジャケット１５０は、外側パイプ１０４上に取り付けられたときに、あるいは外側パイプ１０４の近傍に配置されたときに、この冷却ジャケット１５０と外側パイプ１０４との間に環状空間１５４が画成されるようにポケット１５２を備えている。この環状空間１５４は、バーナー装置１００の動作時に外側パイプ１０４の周囲に循環せしめられる冷却用ガスが流れる導管として機能する。冷却ジャケット１５０は、注入流路１６０と排出流路１６２とを形成するために環状空間１５４内に配置された環状仕切り１５５を備えることができる。上記注入流路１６０は注入ポート１５６に連通しているが、上記排出流路１６２は排出ポート１５８に連通している。上記仕切り１５５は、注入流路１６０内のガスが排出流路１６２内へ流入することが可能なように環状空間１５４内に配置されている。この配置において、冷却用ガスは、注入ポート１５６を通って冷却ジャケット１５０内に流入し、注入流路１６０を流れ抜けて排出流路１６２内へ入り、排出流路１６２を流れ抜けて排出ポート１５８へ入り、次いで冷却ジャケット１５０外へ流出する。一つの実施例において、注入流路１６０の方が外側パイプ１０４に接近している状態で、注入流路１６０および排出流路１６２の双方が外側パイプ１０４を取り囲んでいる。

図１および図２を参照すると、オキシダント１６４は、ポート１２４を通って環状空間１１０内に供給され、かつ燃料１６６は、ポート１１６を通って内腔１０８に供給される。燃料はノズル１２６を通って内側パイプ１０２を出て、環状空間１１０内のオキシダントと混合して火炎(不図示)を形成する。このバーナー装置１００が動作するにつれて、冷却用ガス１６８がポート１５６を通って冷却ジャケット１５０に供給され、より暖かい冷却用ガスがポート１５８を通って冷却ジャケット１５０から排出される。浸漬燃焼溶融においては、バーナー装置１００の火炎が溶融状態の溜まり内へ注入される。図１に示されているバーナー装置１００が用いられる場合には、火炎はバーナーの内部で形成され、次いで溶融状態の溜まり内へ注入される。図２に示されているバーナー装置１００が用いられる場合には、火炎はバーナーの外部で形成される。この場合には、火炎が溶融状態の溜まり内で形成されるようにバーナー装置が位置決めされる。上述のように、バーナー装置によって生成された短く幅広い火炎は、この火炎が溶融状態の溜まり内へ注入される地点における凝固を軽減または排除するのに役立つことができる。これは最終的に溶融状態の溜まり内におけるコールドフィンガの形成を回避するのに役立つ。

図７は、溶融状態の溜まり１７４を収容している溶融室１７２を備えた浸漬燃焼溶融装置１７１を示す。上記溶融室１７２は、ホッパー１７５からバッチ材料を溶融室１７２内へ供給するためのポート１７６を備えている。上記バッチ材料は、液状で提供されるのがよい。上記溶融室１７２も、排気ガスがそこを通って溶融室１７２を脱出することができるポート１７８を備えている。この溶融装置１７１も、流路１８２によって溶融室１７２に連結された調整室１８０を備えている。溶融状態の溜まり１７４からの溶融された材料は、溶融室１７２から流路１８２を通って調整室１８０へ流れ、次いで溶融装置１７１を出る。溶融室１７２の底壁１８８には複数のオリフィス１８６が形成されている。これらのオリフィス１８６は溶融室１７２の底壁１８８に示されている。別の構成においては、オリフィス１８６が溶融室１７２の側壁１９０に設けられていてもよい。オリフィス１８６は溶融室１７２の壁に対して直角でも傾斜していてもよい。バーナー装置１００がオリフィス１８６内に配置されて、火炎を溶融状態の溜まり１７４内に注入する。

バーナー装置１００は、火炎が溶融状態の溜まり１７４内に注入される地点における凝固を防止して、最終的に溶融状態の溜まり１７４内におけるコールドフィンガの形成を回避するのに役立つ。コールドフィンガは、バーナーヘッドの上方の溶融状態の溜まりの深さと、バーナーヘッドにおけるガスの速度との組合せによって齎される。もしバーナーヘッドからの火炎が、この領域（すなわち、バーナーヘッドの上方）内で燃焼するのに十分な程速く移動できなければ、この領域内には熱が存在しなくなるであろう。その結果、この領域はそこを流れるガスによって冷却される。その結果、この領域はそこを通過するガスによって冷却され、かつパイプ状に凝固する。この凝固した溶融体に亀裂開口が生じると、そのパイプは指のように見えることが多く、これが「コールドフィンガ」の名前の由来である。

以上、限られた数の実施の形態について説明がなされたが、本明細書の恩恵に浴する当業者であれば、上述された本発明の範囲から離れることなしに他の種々の実施の形態が考えられることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきものである。

１００ バーナー装置
１０２ 内側パイプ
１０４ 外側パイプ
１０６ 外側パイプの縦の内腔
１０８ 内側パイプの縦の内腔
１１０ 環状空間
１１２ 燃焼室
１１４ 内側パイプの底端部
１１６ ポート
１１８ 外側パイプの底端部
１２０ 開口部
１２２ 外側パイプの下部
１２４ ポート
１２６ ノズル
１２８ ノズル本体
１３０ ノズルの中心孔
１３２ ノズルの側孔
１３４ ノズルの注入口面
１３６ ノズルの吐出口面
１３８ ノズルの
１４０ 多角形のフランジ
１４２ 中心保持部材
１４４ テーパー付きスロット
１４６ 楔
１５０ 冷却ジャケット
１５２ 冷却ジャケットのポケット
１５４ 環状空間
１５６ 注入ポート
１５８ 排出ポート
１６０ 注入流路
１６２ 排出流路
１６４ オキシダント
１６６ 燃料
１６８ 冷却用ガス
１７１ 溶融装置
１７２ 溶融室
１７４ 溶融状態の溜まり
１７５ ホッパー
１７６ ポート，１７８
１８０ 調整室
１８２ 流路
１８８ 溶融室の底壁
１９０ 溶融室の側壁

Claims (5)

1. バーナー装置において、
   第１の縦の内腔を有する第１のパイプ、
   第２の縦の内腔を有する第２のパイプであって、該第２のパイプと前記第１のパイプとの間に環状空間が画成されるように、前記第１の縦の内腔内に配置された該第２のパイプ、
   前記第２のパイプの先端に形成されたノズルであって、該ノズルは、前記第２の縦の内腔に面する注入口面および該注入口面に対向する吐出口面を有し、内部に形成された複数の側孔を備え、該側孔は、前記注入口面から前記吐出口面まで延び、前記ノズルの縦方向軸線に対して外方へ傾斜しており、かつ前記第２の縦の内腔と連通している、ノズル、および
   前記ノズル先端の外側の、それぞれ前記側孔に対応する位置から横方向に向かって突設された複数の凸部であって、該複数の凸部が、前記ノズルの外側に取り付けられた多角形のフランジの角部によって提供され、前記多角形のフランジの角部が、該多角形のフランジの中心に対して方向づけられる、複数の凸部、
   を備えたバーナー装置。
2. 前記複数の側孔のそれぞれは、前記ノズルの縦方向軸線に対して、２５°から６５°までの範囲内の角度をもって外方へ傾斜してなることを特徴とする請求項１記載のバーナー装置。
3. 前記ノズルは、それの内部に形成された中心孔をさらに備え、該中心孔は前記第２の縦の内腔と連通してなることを特徴とする請求項１記載のバーナー装置。
4. 前記複数の側孔が前記ノズルの中心の周りに分布せしめられてなることを特徴とする請求項１記載のバーナー装置。
5. 浸漬燃焼溶融装置であって、
   溶融状態の溜まりを収容するための溶融室を備え、該溶融室はそれの壁に形成されたオリフィス、および
   該オリフィスに位置決めされて前記溶融室内へ火炎を注入するバーナー、
   を備え、該バーナーは、
   第１の縦の内腔を有する第１のパイプ、
   第２の縦の内腔を有する第２のパイプであって、該第２のパイプと前記第１のパイプとの間に環状空間が画成されるように、前記第１の縦方向の内腔内に配置された第２のパイプ、
   前記第２のパイプの先端に形成されたノズルであって、該ノズルは、前記第２の縦の内腔に面する注入口面および該注入口面に対向する吐出口面を有し、内部に形成された複数の側孔を備え、該側孔は、前記注入口面から前記吐出口面まで延び、前記ノズルの縦方向軸線に対して外方へ傾斜しており、かつ前記第２の縦の内腔と連通している、ノズル、および
   前記ノズル先端の外側の、それぞれ前記側孔に対応する位置から横方向に向かって突設された複数の凸部であって、該複数の凸部が、前記ノズルの外側に取り付けられた多角形のフランジの角部によって提供され、前記多角形のフランジの角部が、該多角形のフランジの中心に対して方向づけられる、複数の凸部、
   を備えたことを特徴とする浸漬燃焼溶融装置。

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