JP5872703B2 - 改善された渦流式燃焼混合気トーチ - Google Patents

Description

本発明の請求項１及び６と一致する装置、システム及び方法はトーチに関し、特に、改善された渦流式燃焼混合気トーチに関する。

ガストーチは、可燃性燃料と空気とを組み合わせるために使用される。当該トーチは、燃料と空気とを組み合わせ適切な混合比を生じて、加熱炎又は切断炎を提供するよう試み、加熱炎又は切断炎は、次に、金属等の材料を加熱又は切断するために使用される。しかし、異なる燃料タイプ及び密度、流速等の種々の要因のため、燃料／空気の混合を最適化して安定且つ最適な炎を提供するトーチを提供することは困難であり得る。

この背景に対して、上記の問題を克服することが本発明の目的である。

本願による問題は、請求項１及び６に記載のトーチによって解決される。本発明のさらなる実施形態は、従属クレームの発明特定事項である。本発明の例証的な実施形態は、トーチ本体を有するトーチであり、トーチ本体は、上流キャビティ、混合キャビティ、及び、混合キャビティの下流にある管接続部分を有する。混合キャビティは、混合キャビティの側壁を通る複数の円錐形の穴を有して、混合キャビティ内への空気の流れを可能にし、さらに、管接続部分は、穴を有して、混合キャビティからの流れを受け、且つ、その流れを前記管接続部分の出口へと方向づける。先端のオリフィス構造体が、上流キャビティ内に挿入され、さらに、先端のオリフィス構造体は、その中心を通る穴を有する。穴は、第１の直径を有し、さらに、穴は、燃料を混合キャビティへと方向づける。管接続部分からの流れを受ける管が、管接続部分に連結され、さらに、その管は内径を有する。管は、その流れを炎まで送り、さらに、管の内径に対する第１の直径の比が、アセチレントーチに対して５から７％の範囲にあり、さらに、プロパン及びプロピレントーチに対して２から３％の範囲にある。

本発明の上記及び／又は他の態様が、付随の図面を参考にして本発明の例証的な実施形態を詳細に記載することによってより明らかになる。

本発明の例証的な実施形態に従ってトーチを描写した概略図である。 本発明の例証的な実施形態に従って先端のオリフィスを描写した概略図である。 本発明の例証的な実施形態に従ってトーチ本体を描写した概略図である。

次に、本発明の例証的な実施形態が、付随の図を参考にして以下に記載される。記載される例証的な実施形態は、本発明の理解に寄与するように意図され、さらに、いかなる方法においても本発明の範囲を限定するとして意図されない。類似の参照番号は始終、類似の要素を意味する。

図１Ａ／１Ｂは、本発明の例証的な実施形態に従ってトーチ１００を描写した概略図である。トーチ１００は、多くの構成要素から作製され、主として、先端の管１０１、トーチ本体１０３、先端のオリフィス１０７及び渦流式の先端のインサート１１２を含む。これらの構成要素のそれぞれが次に論議される。

先端のオリフィス１０７は、トーチ本体１０３におけるキャビティ１１０内に挿入されることになる真鍮のインサートである。オリフィス１０７は、真鍮等の金属材料から作製することができる。先端のオリフィス１０７は、本体１０３内にオリフィス１０７がしっかりと挿入されるのを可能にするねじやまを切った部分１０８も有し得る。先端のオリフィス１０７の中心線を通って、注入穴１０９が提供される。穴１０９は、その長手方向に沿って一定の直径及び円筒形を有する。トーチ１００に対する適用に基づき、穴は、異なる直径を有し得る。すなわち、一部の施行に対して、より小さな穴１０９が必要とされる一方、他の施行に対して、より大きな穴１０９が必要とされる。穴は、穴１０９を通る滑らかなガスの流れを確実にするように、可能な限り滑らかに作製するべきである。例証的な実施形態において、穴は、０．００７から０．０４インチ（０．０１７７８から０．１０１６ｃｍ）の範囲の直径を有し得る。

本体１０３も、真鍮から作製することができ、さらに、先端のオリフィス１０７の適切な収容を可能にするキャビティ１１０を有し得る。この収容は、ガスが接続部分から漏れることができないようにあるべきである。オーリングを使用して、十分な密閉が提供されることを確実にすることができる。本体１０３の中心線に沿って、先端のオリフィス１０７からのガスの流れが、本体１０３における内部キャビティ１１３まで、さらに、管１０１の中まで本体１０３を通り抜けるのを可能にする穴１１４がある。穴１１４は、キャビティ１１３によって分けられる上流部分１１４Ａ及び下流部分１１４Ｂから構成される。本発明の例証的な実施形態において、上流部分１１４Ａは第１の直径を有し、さらに、下流部分１１４Ｂは、第１の直径よりも大きい第２の直径を有する。例証的な実施形態において、上流部分１１４Ａは、先端のオリフィス内の穴１０９の直径と同じ直径を有する。さらなる例証的な実施形態において、上流部分１１４Ａは、穴１０９の直径よりもわずかに大きい直径を有する。しかし、直径の差は、穴１０９からキャビティ１１３の中へのガスの流れに対して悪影響を及ぼすほど大きくあるべきではない。

アセチレン燃料と共に使用される本発明の例証的な実施形態において、穴１０９は、０．０１から０．０４インチ（０．０２５４から０．１０１６ｃｍ）の範囲の一定の直径を有する。プロパン又はプロピレン燃料と共に使用される本発明の例証的な実施形態において、穴１０９は、０．００７から０．０２インチ（０．０１７７８から０．０５０８ｃｍ）の範囲の一定の直径を有する。

別の例証的な実施形態において、キャビティ１１３は、先端のオリフィス１０７の穴１０９がキャビティ１１３まで燃料を直接送るように大きさが決められ、そこには、穴１１４の上流部分１１４Ａは存在しない。それどころか、キャビティ１１０及び１１３は、先端のオリフィス１０７の中でも下流の先端がキャビティ１１３に直接接触するように大きさが決められる。

本体１０３は、ガス供給ライン（図示せず）に接続する第１の接続末端１０６を有し、ガス供給ラインは、典型的に、ガス供給源（同様に図示せず）に接続される。第１の接続１０６は、本体１０３がガス供給ラインに適切に固定されるのを可能にするいかなる既知のタイプの接続でもあり得る。本発明の例証的な実施形態において、接続１０６は、本体の迅速な放出及び接続を可能にする「クイックタイプ」の接続末端である。そのような接続は、末端１０６が供給ライン内に挿入される場合に気密封止が提供されてガスがそのジョイントを介して流れ出るのを防ぐように、滑らせることができる軸つば及び圧力フィッティングを使用する。そのような接続タイプは、一般的には既知であり、本明細書において詳細に記載する必要はない。本体１０３の側面には、少なくとも４つの円錐形の穴１０４があり、それらは全て、本体１０３の外表面から内部のキャビティ１１３まで延びる。４つの穴１０４がある実施形態において、穴１０４はそれぞれ、互いから９０度で放射状に置かれる。この内部のキャビティ１１３は、穴１１４の上流及び下流部分１１４Ａ／１１４Ｂと、本体１０３の側面上の円錐形の穴１０４とを連結する。

図２は、本発明の例証的な実施形態に従った本体１０３の断面図を描写している。示されている実施形態において、（先に論議した）穴１１４の上流部分１１４Ａはないが、キャビティ１１０は、キャビティ１１３に直接連結される。この実施形態において同様に示されているのは、管接続部分１０２の出口にて設けられた広がり領域１１６である。本体１０３から管１０１までの移動が、渦流等と共に流れにおいて重大な混乱を生じないように、広がり領域１１６は、混合物が管１０１に近づくのに従って徐々に広がるのを可能にする。広がり領域１１６は、円錐形の出口を生じるように下流部分１１４Ｂの内表面をある角度に方向転換することによって形成される。本発明の例証的な実施形態において、円錐部分の角度Ａは、３から３０°の範囲にある。上記の範囲にある角度は、本体１０３から管１０１までの移動において最適な性能を提供するということが発見されてきた。

トーチ１００の使用中、燃料ガスは、ホースを介して供給源から本体１０３まで提供される。ガスは、次に、先端のオリフィス１０７内の穴１０９を通って、本体１０３における穴１１４の上流部分１１４Ａの中に流れる。次にガスは、穴１１４の下流部分１１４Ｂに向かってキャビティ１１３内に流れるに従い、円錐形の穴１０４にてベンチュリ効果を生じ、円錐形の穴を介して且つキャビティ１１３内に大気を引き込む原因となる。このように、キャビティ１１３において、燃料と大気との混合物が生じる。この混合物は、次に、穴１１４の下流部分１１４Ｂを下に向かって且つ管１０１内に通過する。本体１０３は、本体１０３と管１０１との接続を可能にする管接続部分１０２を有する。この接続は、フリクションフィット又はねじ式接続等を含めたいかなる数の方法でも作製することができる。しかし、その接続は、燃料と大気との混合物が接続ポイントから流出しないように気密であるべきでもある。下流部分１１４Ｂは、混合物の流れを制限することなく大気と燃料との組み合わされた容量を送るのに十分な直径を有するべきである。本体における穴及びキャビティの全てが、燃料と大気が流れるのに滑らかな表面を提供するように可能な限り滑らかになる。

管１０１は、ステンレス鋼材料だけでなく、高温に耐える能力を持つ他の金属からも作製することができる。管１０１は、適切な操作に対して選択される内径ＩＤを有する。すなわち、より速い混合物の流速には、より大きな直径ＩＤが要求される。内径ＩＤは、管１０１の長手方向に沿って一定であるようになり、さらに、最適な流れを定めるために滑らかな表面であるべきである。直径ＩＤは、０．２から０．７インチ（０．５０８から１．７７８ｃｍ）の範囲にあり得る。

図１Ａにおいて示されているように、管１０１は曲がった管であり得る。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されず、まっすぐな構造も有し得る。管１０１が曲がったものである範囲で、その曲がりは、管１０１を通る混合物の流れに悪影響を及ぼすか又は管１０１の直径ＩＤにかなり影響を与えるまでには劇的であるべきではない。管１０１内の末端１１５近くで、渦流式のインサート１１２が提供される。渦流式のインサート１１２は、真鍮、ステンレス鋼又は類似の材料から作製することができ、さらに、その中に一連のらせん形のチャネル又はみぞ（図示せず）を有し、ガスと大気との混合物が先端１１５を出る前にその混合物に渦を巻かせる。本発明の例証的な実施形態において、チャネル／溝の数は、３から５の範囲にあり得る。チャネル／溝は、管１０１を通る混合物の流れのいかなる測定可能な閉塞も生じないように大きさが決定されるべきである。さらに、溝のらせんパターンは、燃料及び大気が、混合物が先端１１５を出た後の最適な燃焼のために十分に混ぜ合わされるようにあるべきである。インサート１１２は、管１０１内にプレスばめ又はフリクションフィットされるのを可能にする外径を有し得る。インサート１１２を固定する他の手段を利用することもできる。

管１０１の内径ＩＤに対する先端のオリフィス１０７内の穴１０９の直径の比は、トーチ１００の最適な操作に対して重要であるということが意外にも発見されてきた。この比はこれまで正しく認識又は理解されてきていない。さらに、この比は、操作に対して利用されている燃料のタイプ次第であるということが発見されてきた。例えば、この比は、使用される燃料がアセチレン又はプロパン及びプロピレンであるかどうかに依存する。これは、以下においてより完全に説明される。

本発明の例証的な実施形態において、トーチ１００がアセチレン燃料と共に使用されることになる場合に、管の内径に対する穴１０９直径の比は、５から７％の範囲にあるべきであるということが発見されてきた。アセチレンと共に使用されることになるさらなる例証的な実施形態において、前記比は５．４から６．６％の範囲にあるべきであるということが発見されてきた。しかし、プロパン又はプロピレン燃料と共に使用されることになるトーチに対して、例証的な実施形態は２から３％の範囲の比を有することになる。プロパン又はプロピレンを使用するさらなる例証的な実施形態において、前記比は、２．５から３％の範囲にある。これらの比は、適切な燃料に対して、驚くほどに改善された性能を提供するということが発見されてきた。前記比は、上記のように、使用される燃料のタイプ次第であるということも発見されてきた。

例えば、例証的なトーチ１００がアセチレン燃料と共に使用されることになり、さらに、管１０１の内径ＩＤが１／４’’である場合、先端のオリフィス内の穴１０９の直径は、０．０１２５’’から０．０１７５’’（５から７％）の範囲にあるべきである。しかし、例証的なトーチがプロパン又はプロピレンと共に使用されることになる場合、穴１０９の直径は、０．００５’’から０．００７５’’（２から３％）の範囲にあることになる。これらのそれぞれの比を維持することによって、最適な性能をトーチのために得ることができる。

これらの比を用いて、アセチレンと共に使用されるトーチ１００の例証的な実施形態は、最適な炎を依然として提供しながら、１４ＰＳＩの燃料圧力にて２から３０ＳＣＦＨ（標準立方フィート／時）という範囲の全体的な混合物の流速を提供することができる。同様に、プロパン又はプロピレンと共に使用される例証的な実施形態において、最適な炎を依然として提供しながら、２から１２ＳＣＦＨという範囲の流速を２８ＰＳＩの燃料圧力にて得ることができる。当然ながら、より大きな直径の管１０１及び穴１０９を使用することによって、より速い流速が得られるということが理解される。先に論議された比は、最適な炎を得るために、最適な流れ及び最適な燃料と大気（例えば空気）の混合を可能にする。

本発明は、その例証的な実施形態を参考にして特に示され且つ記載されてきたけれども、本発明は、これらの実施形態に限定されない。形状及び詳細における種々の変化が、以下の請求項によって規定される本発明の真意及び範囲から逸脱することなく生じてもよいということが、当業者によって理解されることになる。

参照番号
１００ トーチ
１０１ 管
１０２ 管接続部分
１０３ トーチ本体
１０４ 穴
１０６ 接続
１０７ 先端のオリフィス
１０８ ねじやまを切った部分
１０９ 穴
１１０ キャビティ
１１２ 渦流式の先端のインサート
１１３ 内部キャビティ
１１４ 穴
１１４Ａ 上流部分
１１４Ｂ 下流部分
１１５ 末端
１１６ 広がり領域

Ａ 角度
ｉＤ 内径

Claims (20)

1. 上流キャビティ、
   該上流キャビティの下流に配置されるチャネル、
   該チャネルを第１のチャネル及び第２のチャネルに分ける混合キャビティであり、前記第１のチャネルは前記上流キャビティからの流れを受けるように配置され、当該混合キャビティは、当該混合キャビティの側壁を通る複数の円錐形の穴を有して、当該混合キャビティ内への空気の流れを可能にする、混合キャビティ、並びに、
   前記第２のチャネルの下流にある管接続部分であり、穴を有して、前記第２のチャネルからの流れを受け、且つ、前記第２のチャネルからの前記流れを当該管接続部分の出口へと方向づける、管接続部分、
   を有するトーチ本体と、
   前記上流キャビティ内に挿入される先端のオリフィス構造体であり、その中心を通る穴を有し、前記穴が、第１の直径を有し、さらに、前記第１のチャネルを介して燃料を前記混合キャビティへと方向づける、先端のオリフィス構造体と、
   前記管接続部分に連結される管であり、前記管接続部分からの前記流れを受け、さらに、内径を有し、前記管接続部分からの前記流れを当該管の出口にある炎まで送る、管と、
   を含むトーチであって、
   前記第２のチャネルの直径が、前記第１のチャネルの直径よりも大きく、
   前記管の前記内径に対する前記第１の直径の比が５から７％の範囲にあり、
   前記燃料がアセチレンであり、さらに、
   前記管接続部分内の前記穴が、該管接続部分内の穴の下流部分において広がりキャビティを有する、トーチ。
2. 前記比が５．４から６．６％の範囲にある、請求項１に記載のトーチ。
3. 前記広がりキャビティが、３から３０度の範囲にある角度を有する傾斜面を含む、請求項１に記載のトーチ。
4. 前記炎の近くの前記管内に置かれる渦流式のインサートをさらに含む、請求項１に記載のトーチ。
5. 前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径に等しい、請求項１に記載のトーチ。
6. 前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径よりも大きい、請求項１に記載のトーチ。
7. 前記第１の直径が、０．０１から０．０４インチ（０．０２５４から０．１０１６ｃｍ）の範囲にあり、さらに、前記管の前記内径が、０．２から０．７インチ（０．５０８から１．７７８ｃｍ）の範囲にある、請求項１に記載のトーチ。
8. 前記複数の円錐形の穴の数が３から５の範囲にある、請求項１に記載のトーチ。
9. １４ＰＳＩのアセチレン燃料圧力にて２から３０ＳＣＦＨの流速を提供することができる、請求項１に記載のトーチ。
10. 上流キャビティ、
    該上流キャビティの下流に配置されるチャネル、
    該チャネルを第１のチャネル及び第２のチャネルに分ける混合キャビティであり、前記第１のチャネルは前記上流キャビティからの流れを受けるように配置され、当該混合キャビティは、当該混合キャビティの側壁を通る複数の円錐形の穴を有して、当該混合キャビティ内への空気の流れを可能にする、混合キャビティ、並びに、
    前記第２のチャネルの下流にある管接続部分であり、穴を有して、前記第２のチャネルからの流れを受け、且つ、前記第２のチャネルからの前記流れを当該管接続部分の出口へと方向づける、管接続部分、
    を有するトーチ本体と、
    前記上流キャビティ内に挿入される先端のオリフィス構造体であり、その中心を通る穴を有し、前記穴が、第１の直径を有し、さらに、前記第１のチャネルを介して燃料を前記混合キャビティへと方向づける、先端のオリフィス構造体と、
    前記管接続部分に連結される管であり、前記管接続部分からの前記流れを受け、さらに、内径を有し、前記管接続部分からの前記流れを当該管の出口にある炎まで送る、管と、
    を含むトーチであって、
    前記第２のチャネルの直径が、前記第１のチャネルの直径よりも大きく、
    前記管の前記内径に対する前記第１の直径の比が２から３％の範囲にあり、
    前記燃料がプロパン又はプロピレンであり、さらに、
    前記管接続部分内の前記穴が、該管接続部分内の穴の下流部分において広がりキャビティを有する、トーチ。
11. 前記比が２．５から３％の範囲にある、請求項１０に記載のトーチ。
12. 前記広がりキャビティが、３から３０度の範囲にある角度を有する傾斜面を含む、請求項１０に記載のトーチ。
13. 前記炎の近くの前記管内に置かれる渦流式のインサートをさらに含む、請求項１０に記載のトーチ。
14. 前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径に等しい、請求項１０に記載のトーチ。
15. 前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径よりも大きい、請求項１０に記載のトーチ。
16. 前記第１の直径が、０．００７から０．０２インチ（０．０１７７８から０．０５０８ｃｍ）の範囲にあり、さらに、前記管の前記内径が、０．２から０．７インチ（０．５０８から１．７７８ｃｍ）の範囲にある、請求項１０に記載のトーチ。
17. 前記複数の円錐形の穴の数が、３から５の範囲にある、請求項１０に記載のトーチ。
18. ２８ＰＳＩの燃料圧力にて２から１２ＳＣＦＨの流速を提供することができる、請求項１０に記載のトーチ。
19. 上流キャビティ、
    該上流キャビティの下流に配置されるチャネル、
    該チャネルを第１のチャネル及び第２のチャネルに分ける混合キャビティであり、前記第１のチャネルは前記上流キャビティからの流れを受けるように配置され、当該混合キャビティは、当該混合キャビティの側壁を通る複数の円錐形の穴を有して、当該混合キャビティ内への空気の流れを可能にする、混合キャビティ、並びに、
    前記第２のチャネルの下流にある管接続部分であり、穴を有して、前記第２のチャネルからの流れを受け、且つ、前記第２のチャネルからの前記流れを当該管接続部分の出口へと方向づける、管接続部分、
    を有するトーチ本体と、
    前記上流キャビティ内に挿入される先端のオリフィス構造体であり、その中心を通る穴を有し、前記穴が、第１の直径を有し、さらに、前記第１のチャネルを介して燃料を前記混合キャビティへと方向づける、先端のオリフィス構造体と、
    前記管接続部分に連結される管であり、前記管接続部分からの前記流れを受け、さらに、内径を有し、前記管接続部分からの前記流れを当該管の出口にある炎まで送る、管と、
    を含むトーチであって、
    前記第２のチャネルの直径が、前記第１のチャネルの直径よりも大きく、
    前記管の前記内径に対する前記第１の直径の比が５から７％の範囲にあり、
    前記燃料がアセチレンであり、さらに、
    前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径に等しい、トーチ。
20. 上流キャビティ、
    該上流キャビティの下流に配置されるチャネル、
    該チャネルを第１のチャネル及び第２のチャネルに分ける混合キャビティであり、前記第１のチャネルは前記上流キャビティからの流れを受けるように配置され、当該混合キャビティは、当該混合キャビティの側壁を通る複数の円錐形の穴を有して、当該混合キャビティ内への空気の流れを可能にする、混合キャビティ、並びに、
    前記第２のチャネルの下流にある管接続部分であり、穴を有して、前記第２のチャネルからの流れを受け、且つ、前記第２のチャネルからの前記流れを当該管接続部分の出口へと方向づける、管接続部分、
    を有するトーチ本体と、
    前記上流キャビティ内に挿入される先端のオリフィス構造体であり、その中心を通る穴を有し、前記穴が、第１の直径を有し、さらに、前記第１のチャネルを介して燃料を前記混合キャビティへと方向づける、先端のオリフィス構造体と、
    前記管接続部分に連結される管であり、前記管接続部分からの前記流れを受け、さらに、内径を有し、前記管接続部分からの前記流れを当該管の出口にある炎まで送る、管と、
    を含むトーチであって、
    前記第２のチャネルの直径が、前記第１のチャネルの直径よりも大きく、
    前記管の前記内径に対する前記第１の直径の比が２から１％の範囲にあり、
    前記燃料がプロパン又はプロピレンであり、さらに、
    前記第１のチャネルの前記直径は、前記第１の直径に等しい、トーチ。
    

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