KR20100015488A - 내부 연소 버너 - Google Patents

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KR20100015488A
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올레그 볼라노브
크리스토퍼 엘리슨
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쌩-고벵 이조베르
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Abstract

본 발명은 연료와 산화제가 공급되는 연소 챔버(2)와, 산화제와 연료가 공급되는 적어도 두 개의 연소 디바이스(3a 및 3b)를 포함하는 내부 연소 버너에 관한 것이다. 두 다른 유형의 화염을 개별적으로 발생시키기 위하여 다른 구성을 갖는 두 연소 디바이스와, 버너의 벽을 따라 공기를 주입하여 버너 벽(24,25)을 냉각시키는 시스템과의 결합은, 최대 1700℃의 연소 기체 온도를 공급할 수 있고, 쉽게 냉각되고, 특히 암면 또는 유리솜의 제조를 위한 종래 설비에 되도록 충분히 작은 치수를 갖는 버너를 초래한다.

Description

내부 연소 버너 {INTERNAL COMBUSTION BURNER}
본 발명은 고온 및 고속으로 기체의 흐름을 생성할 수 있는 내부 연소 버너에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 광물성 섬유를 형성하는 방법에서 사용되는 버너를 다루며, 여기에서 섬유는 상기 버너 단독으로 또는 스피닝(spinning) 수단 또는 부싱(bushing) 유형의 인출(draw) 수단과 같은 다른 수단과의 결합에 의해 방출되는 기체의 흐름의 결과로 뽑아내어진다.
유리 섬유를 위해 일반적으로 사용되는 섬유화 방법은 내부 원심분리 프로세스로 알려진 방법이다. 이것은 또한 섬유화 스피너(spinner)로 알려진 원심분리기 내로 용융된 상태의 한 묶음의 뽑아내어질 수 있는 물질을 주입하고, 고속으로 회전하고 그 주변에 매우 많은 구멍이 관통되며, 상기 구멍을 통해서 원심력의 효과 하에 필라멘트의 형태로 인출된다. 환상의 버너(annular burner)를 사용함으로써, 이러한 필라멘트는 그 후에, 상기 필라멘트를 더욱 가늘게 뽑아내고 이들을 섬유로 변환시키는 원심분리기의 벽을 감싸는(hugging) 고온 및 고속의(온도의 경우 1000℃를 초과하고, 속도의 경우 약 250m/s임), 기체 환상 인출 흐름의 작용이 가해진다. 내부 원심 분리 프로세스를 이용하는 섬유화 방법에 대한 그 이상의 상세는 국제특허출원 WO 99/65835 및 WO 97/15532를 참조할 수 있다.
암면 섬유를 위해 일반적으로 사용되는 섬유화 방법은 외부 원심분리 프로세스로 알려진 방법이다. 섬유화될 물질은 용융된 상태로 회전 스피너 휠(wheel) 둘레 주위의 밴드(band) 위에 주입되고, 이러한 휠에 의해 가속되어 상기 물질 자체가 그로부터 분리되고 부분적으로 원심력의 효과 하에서 섬유로 변환되며, 기체의 흐름은 섬유화된 물질을 집어내기 위하여 휠 둘레 주위의 밴드의 접선 방향으로 방출되고, 비섬유화된 물질로부터 섬유화된 물질을 분리하고, 수용부(receiving member)로 상기 물질을 운반한다. 외부 원심분리 프로세스에 의한 섬유화에 대한 정보는, 예를 들면 유럽특허출원 EP 195 725를 참조할 수 있다.
외부 원심분리 프로세스를 이용하는 섬유화의 방법에서, 스피너 휠의 둘레에서 방출된 접선방향의 기체 흐름은 일반적으로 예를 들면 100㎧의 평균 속도로 상온(20 내지 40℃)에 근접한 온도로 냉각되는 차가운 공기 또는 연도 기체의 흐름으로 구성된다. 그렇지만, 섬유가 휠로부터 배출될 때의 섬유의 온도와 섬유에 도달하는 기체 흐름의 차가운 온도 사이의 실질적인 온도 변화로 인해, 섬유의 인출 품질이 영향을 받는다.
이와 같은 설비에 의해 생산된 섬유의 품질을 매우 현저하게 향상시키고, 특히 섬유를 더욱 가늘게하고 또한 비섬유화된 물질에서의 더욱 낮은 입자 함량("입자"라는 용어는, 최종 제품 내에 잔류하는 크기가 100㎛보다 큰 입자를 의미하도록 사용됨)을 성취하기 위해서, 더욱 뜨거운 기체의 흐름을 송풍(blowing)하는 것의 이점이 증명되었다. 이것은 특히 유럽특허 EP 465 310의 주제이며, 상기 특허는 250 내지 900℃의 범위, 바람직하게는 300 내지 600℃의 범위 및 더욱 바람직하게 는 약 500℃의 온도인 기체 흐름의 사용을 제안한다.
더욱이, 예를 들면 표준 내부 연소 버너의 제조에 관한 유럽특허출원 EP 0 091 380을 참조할 수 있으며, 다른 한편으로 상기 표준 내부 연소 버너는 내부 원심분리 프로세스에 대해 일반적으로 사용된다.
그렇지만 이와 같은 버너의 연소 챔버의 외부 벽은 냉각되고 적합한 냉각 수단을 설치할 필요가 있으며, 예를 들면 너무 얇지 않은 두께를 갖는 내화성 물질을 첨가하거나, 냉각 수단을 병합하는 버너의 크기의 최적화에 반하는 챔버 주위의 물 재킷(water jacket)을 포함하는 것이다.
특히 이와 같은 버너는 외부 원심분리 프로세스를 사용하는 디바이스 내에 위치되어야만 하는 기체 흐름 송풍 시스템의 협소한 범위 내에 수용될 수 있기에는 여전히 너무 부피가 크다.
따라서 본 발명의 목적은 뜨거운 공기(700 내지 1700℃)를 제공하는 내부 연소 버너를 제안하는 것이며, 이것은 버너의 벽으로부터의 열의 방사를 제한하는 냉각 수단을 가지며, 상기 버너는 그것의 한 면을 따르는 치수가 바람직하게는 약 5㎝로 제한되는 작은 공간을 차지한다.
본 발명에 따라, 내부 연소 버너는 연료 및 산화제가 공급되는 연소 챔버를 포함하고, 상기 챔버는 폐쇄된 제1 단부와, 개방되고 그것을 통해서 연소 기체가 이탈하는 반대편 배출 제2 단부가 장치된 케이스(casing)를 포함하고, 상기 케이스는 상기 두 단부에 연결되는 적어도 두 개의 마주보는 벽을 갖고, 상기 버너는 챔버 내에 그리고 폐쇄된 제1 단부에, 산화제와 연료가 공급되고, 개별적으로 두 개의 다른 유형의 화염을 발생시키기 위하여 다르게 구성되는 적어도 두 개의 연소 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하며, 측벽을 따라 공기와 같은 냉각 기체를 주입함으로써 버너의 벽을 냉각하기 위한 시스템이 설치되는 것을 특징으로 한다.
두 개의 다른 유형의 화염을 발생시키는 두 개의 다른 연소 디바이스의 존재는, 버너가 지속적으로 짧고 안정된 화염을 갖도록 보장하는 것을 가능하도록 한다.
구체적으로, 상기 연소 디바이스 중 하나가 짧지만 특정 속도에서 다소 불안정한 화염을 제공하도록 구성된다면, 그로 인해 제2 연소 디바이스는 제1 디바이스가 지속적으로 점화되는 것을 보장하도록 구성될 수 있다. 대신에 제2 디바이스는 길고 부드러우며 부분적으로 모든 속도에서 안정적인 화염을 갖는다.
더욱이, 길고 부드러운 화염을 제공하는 연소 디바이스는, 여러 짧은 화염 제공 디바이스와 상호작용을 하여, 작은 체적 내에서 완전한 연소와 버너 내에 열의 균일한 분포를 보장하고, 만약 그렇지 않다면 단일한 연소 디바이스로는 불가능할 수 있는 상당한 것을 보장한다. 단일 연소디바이스에서 화염은 비록 안정적이지만 매우 길 수 있어서, 열의 불균일(중앙은 매우 뜨겁고, 가장자리는 차가운)을 유도하고, 상기 버너 내에서 연소가 완결되지 않게 할 수 있다.
최종적으로, 냉각 시스템은 냉각 기체가, 버너로부터 벽의 내면을 차단하는 차단 커튼의 형태로 버너의 벽을 따라 주입되도록 허용한다. 이러한 시스템은 부담이 되는 냉각 수단에 대한 필요를 증가시키는 일 없이, 연소 챔버의 케이스의 효과적인 열적 보호를 구성한다.
냉각 시스템은 버너의 벽을 통과하는 다수의 관통구멍(through-hole) 및 연소 챔버에 대해 내부로의 편향 스트립(deflecting strip)을 포함하며, 상기 관통구멍을 통하여 공기가 몰리도록 의도되고, 상기 편향 스트립 각각은 한편으로는 여러 구멍을 마주하고 상기 구멍으로부터 공기를 수용하도록 의도되는 캐비티를 형성하고, 다른 한편으로는 공기를 캐비티로부터 챔버의 내부로 향해 유도하도록 의도되는 가이드 슬롯(guide slot)을 형성한다.
한 특징에 따라, 챔버의 벽은 연소 챔버 외부의 상기 벽의 외면에 복수의 단(step)을 갖고, 상기 단은 벽의 가장 짧은 면을 따라 확장하고, 여기에 관통구멍이 만들어진다.
상기 단 사이에 형성된 것은, 옥수수자루 모양으로 구성된 랜딩(landing)이며, 이것은 버너의 배출 단부를 향하여 기울어있다.
따라서 챔버의 내부에서 벽을 따라 분포되고, 비스듬한 랜딩 및 편향 스트립에 의해 경계가 정해진 캐비티는, 관통구멍을 통해 캐비티에 들어가는 공기 내에 난류(turbulence)를 도입하는 것을 가능하게 하며, 가이드 슬롯을 향한다. 이러한 난류 공기는 챔버의 내부와 직접으로 접촉하는 편향 스트립을 냉각시키고, 그로 인해 상기 챔버에서 열을 방출시켜 연소가 발생한다.
게다가, 가이드 슬롯을 통해서 공기가 캐비티를 이탈하는데, 이러한 가이드 슬롯은 챔버 내부의 직접적인 냉각에 또한 기여한다.
편향 스트립은 벽의 내면과의 동일 평면과 같이 적합하게 배향되는 것이 유리하고, 그로 인해 가이드 슬롯으로부터의 공기는 챔버 벽에 대해 실질적으로 평행한 지향성 흐름을 나타내어, 최적의 냉각을 보장한다.
구멍의 수와 구멍의 크기 및 그로 인해 벽을 통하는 공기의 통로에 대한 표면적이, 버너의 벽을 정확하게 냉각시키기 위하여, 버너의 벽두께 및 높이에 특히 적합하게 조정된다. 특히 연소 디바이스의 치수가 커질 경우에, 연소 디바이스 부근의 구멍의 크기가 확장될 수 있다.
본 발명에 따라, 각 연소 디바이스는 제1면과 상기 제1면을 마주보는 연소 면 상의 제2면을 갖는 몸체를 포함하고, 상기 몸체는 한 면으로부터 다른 면으로 두께를 통과하는 몸체의 면에 수직인 축 Y의 여러 산화제 공급 덕트(duct) 및 한 연료 공급 덕트를 갖고, 상기 연료 공급 덕트는 상기 산화제 공급 덕트에 대해 중앙에 위치되고, 몸체의 제2면 너머로, 그리고 상기 산화제 공급 덕트 너머로 돌출하는 확장부를 포함하고, 상기 돌출하는 부분에는 복수개의 구멍이 장치된다.
연소 디바이스의 한 실시형태에 따라, 몸체는 산화제 공급 덕트의 배출구(outlet)를 부분적으로 또는 완전하게 둘러싸기 위하여, 몸체의 제2면 너머로 돌출하는 주변 둘레를 포함한다.
상기 동일한 실시형태에 따라, 연소 디바이스의 한 경우에서, 상기 덕트는 중앙 덕트의 축 Y에 대해 비스듬하고, 각 산화제 공급 덕트는 디바이스 몸체의 제1면 위의 주입구(inlet)와, 디바이스 몸체의 제2 면의 표면 위로 개방되는 배출구를 갖고, 상기 덕트의 주입구 및 배출구는 산화제 공급 덕트 주위에 동일한 직경의 원으로 배열된다.
연소 디바이스의 다른 실시형태에 따라, 연소 디바이스의 한 경우에서, 산화제 공급 덕트는 중앙의 연료 공급 덕트의 축 Y에 대해 비스듬하고, 각 덕트는 디바이스의 몸체의 제1 면 위에 주입구와 디바이스 몸체의 제2 면의 표면 위로 개방되는 배출구를 갖고, 상기 덕트의 주입구 및 배출구는 산화제 공급 덕트 주위에 다른 직경의 원으로 배열되고, 배출구에 의해 형성된 원이 더 작은 직경을 갖는다.
연소 디바이스는 버너 케이스가 실질적으로 사다리꼴 형상인 경우에 실질적인 직선으로 배열되고, 버너 케이스가 환상의 형상인 경우에 원으로 배열된다. 실질적인 직선은 완전하게 정렬되거나, 예를 들면 엇갈리는 것과 같이 어긋날(misaligned) 수 있는 선형의 전체 방향을 갖는 배열을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
한 특징에 따라, 산화제는 가압된 공기(pressurized air)로 이루어지는 반면에 연료는 예를 들면 기체 또는 기체의 혼합으로 구성된다.
다른 특징에 따라 버너의 벽은 최대 5㎝로 이격되는 것이 유리하다.
버너 케이스는 금속제인 것이 바람직하다.
버너는, 기밀 케이스로 구성된, 밀봉된 공간에 배열되도록 의도되는데, 기밀 케이스는 적어도 하나의 가압된 공기 공급 주입구와 그것을 통과하는 연료 공급 파이프를 갖고, 연료 공급 파이프는 연소 디바이스에 연결된다. 상기 기밀한 케이스는 적절한 경우에 암면의 제조를 위한 장치의 수용과 같이, 적어도 부분적으로 종래의 광물면 제조 설비를 구성하는 요소로 형성될 수 있다.
본 발명의 버너는 예를 들면 광물면, 특히 암면 또는 유리솜을 섬유화하기 위한 설비에 사용된다. 이러한 설비는 당연히 복수개의 버너가 장착될 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 특히 표준 형태로 본 발명의 버너의 적어도 하나를 사용하는 외부 또는 내부 원심분리 프로세스를 이용하는 디바이스를 사용하는, 광물면 제조 방법에 관한 것이다. 표준 형태의 디바이스는 종래 설비에서 통상적인 구성 및 치수를 구비한 디바이스를 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명의 버너는 따라서 종래 디바이스에 수용되도록 조정된다.
상기 방법의 한 특징에 따라, 특정한 속도에서 불안정한 제1 유형의 화염과 제1 유형의 화염이 지속적으로 점화되도록 보장하는 제2 유형의 화염이 버너의 내부에서 생성된다.
다른 특징에 따라, 가압된 공기로 구성되는 냉각 기체는 버너의 벽을 냉각시키기 위해 제공된다.
본 발명의 다른 상세 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 버너의 사시도.
도 2는 도1의 버너의 단면도.
도 3은 외부 원심분리 프로세스를 이용하는 섬유화 디바이스 내에 수용되도록 의도된 도 1의 버너의 대안적인 형태의 개략 사시도.
도 4는 여러 열의 연소 디바이스를 구비한 본 발명에 따른 버너의 환상의 구성인 다른 대안적인 형태의 단면도.
도 5는 도4의 환상 버너의 단면도 내의 다른 개략도.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 버너의 일부를 형성하는 연소 디바이스의 두 개별적인 대안적 형태의 단면도.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 6의 (a) 및 (b) 각각의 디바이스의 연소 면의 평면도.
도 8은 도 1의 버너를 병합한 암면의 제조를 위한 디바이스의 부분개략 단면도.
도 9는 도 4의 버너를 병합한 유리솜의 제조를 위한 디바이스의 부분개략도.
도 1 내지 도 3에 도시된 내부 연소 버너(1)는 도 8에 부분적으로 도시되고, 외부 원심분리 프로세스를 이용하는 섬유를 뽑아내는 디바이스(10)를 포함하는 암면의 제조를 위한 설비와 같은 광물면의 제조를 위한 설비에 사용되도록 의도된다.
도 4 및 도 5에 도시된 상기 버너(1)는 도 9에 부분적으로 도시되고, 내부 원심 분리 프로세스를 이용하는 섬유의 인출을 위한 디바이스(11)를 포함하는, 유리솜과 같은 광물면의 제조를 위한 설비에 사용되도록 의도된다.
본 발명의 버너는 그 작동을 위해 가압된 공기로 채워진 밀폐된 공간 내에 밀봉되도록 의도된다. 상기 공기는 버너를 냉각하는데 사용된다. 상기 공기는 또한 산화제를 버너에 공급하는데 사용되는 것이 유리하다.
도 1 내지 도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명의 버너(1)는 연소 챔버(2)와 복수개의 연소 디바이스 (3a) 및/또는 (3b)를 포함하며, 상기 연소 디바이스들로부 터 연소 기체를 형성하기 위하여 화염이 발생된다.
연소 챔버(2)는 두 개의 마주보는 단부가 장치된 케이스(20)를 가지며, 하나의 단부(21)는 산화제 및 연료의 공급을 위한 것이고, 하나의 단부(22)는 연소 기체를 배출시키기 위한 것이다. 케이스는 바람직하게는 금속제이고, 예를 들면 1㎜ 두께의 금속 시트로 구성된다. 케이스의 두께가 두꺼울수록, 냉각이 더욱 어려워질 것이다.
도 1의 버너(상기 버너의 단면도가 도 2에 도시됨)는 외부 원심 분리 프로세스를 이용하는 디바이스 내에 위치될 수 있도록, 실질적으로 사다리꼴의 케이스를 갖는다.
도 3은 도 1의 대안적인 형태의 개략도를 도시하며, 여기에서 케이스는 실질적으로 사다리꼴의 전체적인 형상을 갖고, 그것의 말단(21 및 22)은 원형 호의 형태이다. 이러한 형상은 버너가, 외부 원심분리 프로세스를 이용하는 표준 디바이스의 기체 흐름을 운반하는 시스템 내에서 이용 가능한 종래의 공간 내에 수용되도록 허용한다.
도 4의 개략 단면도는 버너의 케이스(20)를 도시한다. 그 환상의 형태(도 5에 단면도로 도시됨)는 내부 원심분리 프로세스를 이용하는 디바이스 내에 케이스(20)가 수용되도록 허용한다.
연소 디바이스(3a 및 3b)는 연소 챔버의 단부 중 하나(21)에 위치되고, 상기 챔버를 폐쇄한다. 도 1은 연소 디바이스의 후면(31)을 도시하고, 상기 후면은 챔버에 대해 내부인 연소면(32)에 대해 반대편에 있다.
연소 챔버의 맞은편 배출 단부(22)는 연소 기체가 배출되도록 허용하기 위해 개방된다. 챔버는 연소에 필요한 체적을 제공하기 위하여, 이미 알려진 것과 같이 특정 길이에 걸쳐 확장된다.
챔버 외부의 배출 단부(22)에, 연소 기체가 챔버를 이탈할 때 연소 기체의 인도를 돕는 스노트(snout)(23)가 있는 것이 바람직하다.
케이스(20)는 두 개의 마주보는 벽(24와 25)을 갖고, 이 벽은 챔버의 가장 긴 면을 따라 확장하고 두 단부(21과 22)를 연결한다. 이러한 벽은 그 두께 내에 다수의 관통구멍(26)이 장치되고, 후술될 것과 같이 상기 관통구멍(26)은 연소 챔버(2)를 냉각하는데 사용된다.
벽의 외면(24a 및 25a)은 비평면이다; 상기 벽의 외면은 다수의 단(27)을 나타내고, 이들은 사다리꼴 케이스(도 1 또는 도 2)의 경우에 각 벽의 너비를 따라 확장하고, 환상 케이스(도 4)의 경우에 각 벽의 전체 둘레를 따라 확장한다. 이러한 단은 외면에 일련의 랜딩(27a)을 부여하고, 이러한 랜딩은 옥수수자루와 같이 구성되고 버너의 세로 대칭축 X에 대해 대칭이다. 각 단 사이의 랜딩(27a)은 축 X와 배출 단부(22)에 대해 비스듬하다.
관통구멍(26)은 단(27)내에 만들어진다.
챔버(2) 내부에 내면(24b 및 25b)은 스트립의 말단 중 하나에 의해 고정되고 단(27) 및 랜딩(27a)을 마주하는 연속하는 스트립(28)을 포함한다. 이러한 스트립은 캐비티가 발생되게 하며, 상기 캐비티 내로 구멍(26)이 개방된다.
스트립이 챔버의 내면에 부착된 말단에 대한 스트립의 맞은편 말단은 자유로 워, 캐비티(29)의 출구에서 상기 스트립과 벽의 내면 사이에 얇은 가이드 슬롯(29a)을 남긴다.
관통구멍(26), 캐비티(29) 및 가이드 슬롯(29a)은 따라서 연소 챔버의 벽 (24 및 25)에 대한 냉각 시스템을 형성하고, 상기 연소 챔버 내에서 연소의 결과로 열이 퍼지도록 의도된다.
가압된 공기는 구멍(26)을 통해서 캐비티(29)내로 몰려 들어가도록 의도되어, 편향기(deflector)로서 작용하는 스트립(28)의 존재로 인해 캐비티 내에서 난류를 형성하고, 그리고 가이드 슬롯(29a)을 통해서 이탈하여 스트립(28)의 면(28a)에 의해 챔버의 벽의 내부(24b 및 25b)를 대부분 채운다.
캐비티 내에 존재하는 공기는 스트립(28)을 냉각시키고, 스트립의 면(28a)은 연소와 직접적으로 접촉한다.
스트립(28)은 이 경우에 축 X에 실질적으로 평행하게 조정된 배향을 가지며, 그로 인해 슬롯(29)을 이탈한 공기는 벽의 내면(24b 및 25b)에 대해 평행한 흐름을 향하고, 이것은 상기 벽의 내면을 냉각시키기 위한 것이다.
한편으로, 챔버의 벽을 스치는 공기는 뜨거운 연소 기체가 챔버의 내부 체적을 채우는 것을 방지하며, 이것은 챔버의 벽이 과열로부터 보호되는 것을 의미한다. 다른 한편으로는 연소 디바이스(3a 및 3b) 부근에서 수집된 공기는 부가적인 산화제를 공급함으로써 연소에 기여한다. 최종적으로 연소 디바이스의 화염의 하류에서, 수집된 공기는 1700℃만큼 높은 온도에서 배출되는 연소 기체를 냉각하는데 사용될 수 있다.
관통구멍(26)을 통해서 들어가는 공기는 의도된 디바이스 내 버너(1)의 적합한 배열에 의해 공급된 가압된 공기이다. 이러한 배열은 도 8 및 도 9를 참조하여 후술될 것이다.
지금부터 연소 디바이스가 기술된다.
연소 디바이스의 수 및 배열은 버너의 사용에 적합하게, 즉 외부 원심분리 방법을 위해 또는 내부 원심분리 방법을 위해 의도되는지에 따라 설계된다.
연소 디바이스 (3a) 및 (3b)의 실시형태의 두 개별적인 대안적 형태는 도 6의 (a), 도 7의 (a) 및 도 6의 (b), 도 7의 (b)를 각각 참조하여 주어진다. 이러한 두 개별적인 대안적 형태는 두 개의 다른 화염의 종류에 대응한다.
버너 작동을 위해, 버너의 구성 내에 각 대안적 형태의 적어도 하나의 연소 디바이스를 갖는 것이 중요하다.
각 디바이스(3a 및 3b)는 금속성분이고, 이것은 일반적으로 제1 면(31)과 제1 면의 맞은편 면에 연소 면 위에 있도록 의도되는 제2 면(32)을 갖는 고체 몸체(30)를 포함한다.
몸체의 두께를 한 면으로부터 다른 면까지 통과하는 것은, 몸체의 면(31 및 32)에 수직하는 축 Y의 여러 산화제 공급 덕트(33) 및 원통형 연료 공급 덕트(34)이다. 덕트는 몸체(30)의 덩어리로부터 기계가공(mahcined)된다.
연료 공급 덕트(34)는 산화제 공급 덕트(33)에 대해 중심에 위치된다.
상기 덕트(34)는 원통이고 공동인 확장부(35)를 갖고, 이것은 몸체의 제2면(32) 너머와 산화제 공급 덕트(33) 너머로 돌출된다. 예를 들면 몸체(30)의 면(32) 위에서 용접되거나 상기 덕트(33)의 벽 내로 나사 고정된다.
상기 확장부(35)는 면(32)에 대해 맞은편 말단인 자유로운 말단(35a)에 근접한다. 부가적으로, 확장부의 벽에 다수의 구멍(36)이 장치되고, 상기 구멍을 통해서 연료가 이탈하도록 의도된다.
덕트(34)는 면(31)에서 연료 공급 파이프에 밀폐하여 연결되도록 의도되는 반면에, 상기 공급 덕트(33)는 가압된 공기를 수용하도록 의도되며, 상기 가압된 공기는 주입부(33a)를 통해 면(31)에서 밀려들고, 배출부(33b)를 통해서 면(32) 상에 다시 노출된다.
덕트(33)는 배출부(33b)에서 가압된 산화제(바람직한 공급모드)를 함유하는 캐비티와 면(31)에서 직접적으로 연결되게 위치되거나 가압된 산화제 공급 파이프에 연결되도록 의도된다.
덕트(34) 내로 주입되도록 의도되는 기체 형태의 연료는, 축 Y에 실질적으로 수직인 분출(jets) 형태로 구멍(36)을 통과해 이탈하기 위해, 확장부(35)를 따라 연료의 경로를 지속한다. 연료의 분출은 예를 들면 덕트(33)으로부터의 공기와 같은 산화제와 혼합되도록 의도되며, 스파크(spark)의 효과 하에서, 연료 및 산화제의 결합은 화염 및 연소를 발생시킬 것이다.
(3b)와 다른 디바이스의 대안적인 형태(3a)는, 몸체(30)가 바람직하게는 환형이며, 몸체의 제2 면(32) 너머로 돌출되고, 산화제 공급 덕트의 배출부(33b)를 둘러싸는 주변부(37)를 더 포함한다.
주변부는 단편으로 성형되지만, 다수의 연속하거나 연속하지 않은 판(plate) 으로 쉽게 만들어질 수 있다. 그 기능은 연료 배출 영역에 산화제를 제한하는 것이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 디바이스의 평면도이다. 연속적인 선은 가시적인 연소 면(32)에 대응하는 반면 불연속적인 선은 맞은편 면(31)에 대응한다. 원통으로 성형된 산화제 공급 덕트(33)는 주입부(33a)와 배출부(33b)를 갖고, 이들의 단면은 형상과 크기가 동일하다.
반면에 연소 디바이스(3a 및 3b)는 중앙의 연료 덕트(34)에 대해 산화제 공급 덕트(33)의 기울기(agnling)가 다르다.
한 연소 디바이스 (3a){도 7의 (a)}에 대해, 주입부(33a) 및 배출부(33b)가 중앙 덕트(34) 주변에 원으로 배열되어 있고, 후면(31)과 전면의 연소면(32) 각각의 위에 동일한 직경의 원으로(불연속선의 참조번호 Ca) 개별적으로 배열되어 있다.
부가적으로 덕트(33)는 중앙 덕트(34)의 축 Y에 대해 비스듬한 축을 갖고, 그로 인해 주입부(33a) 및 배출부(33b)는 서로 정확히 대향하지 않는다. 이러한 기울기는 연소 면(32)을 이탈하는 공기 흐름이 Y축에 대해 나선형이고 대칭 형태를 갖는다.
최종적으로, 주변부(37)은 공기가 원통형 소용돌이(vortex)의 형태로 이탈되도록 덕트(33)를 떠나는 공기를 인도한다.
이러한 구성을 통한 디바이스 (3a)는 오랫동안 안정한 화염을 발생시킬 수 있도록 한다.
연소 디바이스 (3b){도 7의 (b)}의 경우, 공급 덕트(33)도 또한 축 Y에 대해 비스듬하지만, 산화제 공급 덕트(33)의 주입부(33a)는 그 위에 배출구(33b)가 위치한 원(불연속적선의 참조번호 Ca)보다 더 큰 직경의 원(불연속적선의 참조번호 Cb)으로 원형의 외각으로 배열된다.
덕트(33)의 이러한 배열은 면(32)에서 축 Y 주변에 공기 회전의 소용돌이를 발생시키고, 이것은 면(32) 위의 바닥부에 붙어있고, 사이클론(cyclone) 또는 회오리바람(whirlwind)과 연관된 소용돌이와 같이 면(32)으로부터 떨어져 확장된다.
이러한 구성을 통한 디바이스(3b)는 더욱 강하지만 다른 디바이스(3a)의 화염만큼 안정하지 못한 화염을 발생시키는 것을 가능하게 한다.
연소 디바이스(3a 및 3b)가 도 1의 실질적으로 사다리꼴인 버너를 구성하기 위해 실질적으로 서로 일직선으로 위치되는 경우에, 예를 들면 세 개의 연소 디바이스가 존재한다.
원통형 공기 소용돌이 디바이스(3a)는 두 사이클론 공기 소용돌이 디바이스 (3b) 사이의 중간에 위치되는 것이 유리하다. 예를 들면 스파크 플러그(spark plug)에 의해 일단 버너가 점화되면, 부드럽지만 안정적인 화염을 제공하는 버너(3a)는, 300 내지 500℃ 사이와 특히 100㎜H2O 정도 압력의 임계적인 낮은 온도 및 낮은 압력상(regime) 및 높은 온도 및 압력(특히 1700℃ 및 500 내지 600㎜H2O) 상에서 소화하는 경향을 갖는 디바이스(3b)가 지속적인 점화를 유지하는 것을 보장하기 때문이다.
도 4의 환상의 버너에서, 예를 들면 10개 정도의 연소 디바이스(3a 및 3b)가 원 내에 교대로 있다(도 5).
본 발명의 버너에 의해 전달되는 연소 기체의 온도는 1700℃만큼 높은 범위에 있다. 연소 기체의 속도는 산화제/연료 혼합체의 비율과 부과된 공급 흐름 속도에 근거해서 필요한 연소 상에 적합하게 조정된다.
지금부터 버너가 의도된 디바이스 내에 수용된 경우에, 버너에 대한 산화제 및 연료의 공급과 이러한 버너의 냉각을 개시한다.
도 8은 외부 원심분리 프로세스에 의해 섬유를 뽑아내기 위한 디바이스(10)를 포함하는 표준 형태의 암면 섬유화 설비의 부분 단면도를 도시한다.
인출 디바이스(10)는 도 8에 도시된 스피너 휠{참조번호 (12)}을 포함한다. 이러한 휠은 회전 샤프트(shaft)(13)에 의해 구동된다. 상기 디바이스는 그 주변에 특히 120 내지 300˚의 원주에 걸쳐 인출 립(drawing lip)(14)을 포함하며, 상기 인출 립으로부터 인출 기체가 송풍된다.
상기 설비는 도 3에서의 버너에 대응하는 본 발명에 따른 복수개의 버너(1)를 포함하고, 단지 그 중에 하나가 도 8의 단면도에 도시된다. 예를 들면 뜨거운 기체를 전체 인출 립(14)에 공급하기 위한 방법으로, 휠(12) 주변에 분포된 세 개의 버너가 있다. 바람직하게, 상기 버너는 적어도 휠 주변에 분포될 것이며, 상기 휠은 표준 설비에서 가장 많은 양의 비섬유화된 물질을 발생시킨다.
버너는 빈 공간에 수용되고, 상기 공간의 높이는 5㎝를 초과하지 않고 회전 샤프트(13)의 벽과 디바이스의 수용체 사이에 위치되는 것이 유리하다.
버너(1)로부터 이탈하는 연소 기체는 평면에 직각으로 방출되고, 여기에서 휠(12)은 P 방향으로 회전한다. 섬유화를 위한 용융된 물질은 휠 둘레 주변의 밴드(band) 위로 기울어서 주입되고, 휠의 회전의 결과로 상기 물질 자체가 그로부터 분리되며, 버너(1)와 인출 립(14)으로부터 이탈하는 기체의 흐름에 의해 인출된다.
도 9는 내부 원심분리 방법을 위해 본 발명에 따라 버너(1)의 다른 환상 형상을 도시한다. 섬유화 디바이스(11)는 또한 섬유화 스피너로도 알려져 있는 원심분리기를 포함하며, 상기 원심분리기 안으로 섬유화를 위한 용융된 물질이 주입된다. 스피너에 대해 부과된 원심력에 의해, 상기 물질은 스피너의 주변 벽에 장치된 구멍(orifice)을 통해 필라멘트의 형태로 이탈한다. 필라멘트는 도 4의 것과 같은 환상 버너(1)로부터의 기체에 의해 차례로 섬유의 형태로 인출되고, 상기 환상 버너(1)는 필라멘트의 방향에 대해 P'를 따라 실질적으로 접선방향으로 향한다.
도 8 및 도 9의 각각의 설비에 대한 버너(1)는, 유리하게는 디바이스 (3a 및 3b)에 산화제를 공급하고 버너의 벽에 냉각을 제공하기 위하여 가압된 공기가 공급된 밀봉된 공간(4)에 위치된다.
상기 공간(4)은 특히 도 8에서 하우징의 금속 시트와 샤프트(13)의 벽에 의해 경계가 정해진, 예를 들면 금속제의 밀폐형 케이스(40)로 구성된다. 상기 케이스는 적어도 하나의 공기 공급 주입부(41)를 갖는다.
연소 디바이스(3a 및 3b)를 위해 기체와 같은 연료를 공급하기 위한 파이프(42)는 케이스(40)를 기밀한 방식으로 통과하고, 공급 덕트(34)에 연결된다.
바람직하게는, 연소 디바이스에 산화제를 공급하기 위한 덕트(33)는 따라서 상기 공간(4)으로부터 가압된 공기가 직접적으로 공급된다.
최종적으로, 상기 공간(4)을 채우는 공기는 상술된 것과 같이 버너의 벽을 냉각시키기 위하여 버너의 벽에 있는 구멍을 통하여 몰려든다.
따라서 본 발명의 버너는 연소 디바이스의 각각의 대안적인 형태의 적어도 하나의 조합이 사용되는 복수개의 연소 디바이스에 의해, 연소 디바이스의 작은 크기로 인해, 그리고 버너의 벽의 관통 및 맞춤화된 프로파일(tailored profile)로 인해, 목적에 관계없이 작은 체적으로 그 연소 챔버 내에서의 완전한 연소를 허용하고, 버너 벽의 냉각을 허용한다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 고온 및 고속으로 기체의 흐름을 생성할 수 있는 내부 연소 버너에 관하여 사용 가능하다.

Claims (20)

  1. 연료 및 산화제가 공급되는 연소 챔버(2)를 포함하고, 상기 챔버(chamber)는 폐쇄된 제1 단부(21)와 개방된 맞은편의 제2 배출 단부(22)가 장치된 케이스(20)를 포함하고, 상기 제2 배출 단부(22)를 통해 연소 기체가 이탈하고, 상기 케이스(20)는 두 단부(21 및 22)에 연결된 적어도 두 개의 마주보는 벽(24 및 25)을 포함하는, 내부 연소 버너(1)에 있어서,
    상기 버너는 챔버(2) 내 및 폐쇄된 제1 단부(21)에, 개별적으로 두 개의 다른 유형의 화염을 발생시키기 위해 다르게 구성된 산화제와 연료가 공급되는 적어도 두 개의 연소 디바이스(3a 및 3b)를 포함하고, 버너의 벽을 따라 냉각 기체를 주입함으로써 버너의 벽들(24 및 25)을 냉각하기 위한 시스템이 장치되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  2. 제1항에 있어서, 냉각 시스템은 상기 화염으로부터 벽(24 및 25)의 내면을 차단하는 냉각 기체의 차폐 커튼(shielding curtain)을 발생시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 벽(24 및 25)을 통과하며, 공기가 밀려들도록 의도되는 다수의 관통구멍(26)과, 연소 챔버(2)의 내부로의 편향 스트립(deflecting strip)(28)을 포함하고, 상기 편향 스트립(28) 각각은 한편으로는 여러 관통구멍(26)을 마주하고, 상기 관통구멍으로부터 공기를 수용하도록 의도되는 캐비티(29)를 형성하고, 다른 한편으로는 챔버(2)의 내부로 향해 공기를 캐비티로부터 유도하도록 의도되는 가이드 슬롯(guide slot)(29a)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버의 벽(24 및 25)은 연소 챔버의 외부의 벽의 외면(24a 및 25a) 상에 벽의 가장 짧은 면을 따라 확장되는 복수개의 단(step)을 갖고, 상기 단에 관통구멍(26)이 만들어지는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  5. 제4항에 있어서, 단(27) 사이에 형성된 것은 옥수수자루 모양으로 구성된 랜딩(landing)(27a)이며, 상기 랜딩(27a)은 버너의 배출 단부(22)를 향해 비스듬한 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  6. 제3항에 있어서, 편향 스트립(28)은 가이드 슬롯(29a)으로부터의 공기가 연소 면 상의 챔버의 벽(24 및 25)의 내면(24b 및 25b)에 실질적으로 평행한 지향성 흐름을 나타내도록 적합하게 배향되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 연소 디바이스(3a 및 3b)는 제1 면(31)과 제1 면을 마주보는 연소 면 상의 제2 면(32)을 갖는 몸체(30)를 포함 하며, 상기 몸체(30)는 한 면으로부터 다른 면으로 그 두께를 통과하고, 몸체의 면(31 및 32)에 수직인 축(Y)의 여러 산화제 공급 덕트(33) 및 한 연료 공급 덕트(33)를 갖고, 한 연료 공급 덕트(34)는 산화제 공급 덕트(33)에 대해 중앙에 위치되고, 몸체의 제2 면(32) 및 산화제 공급 덕트(33) 너머로 돌출하는 확장부(35)를 포함하고, 상기 돌출하는 부분에는 복수개의 구멍(36)이 장치되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  8. 제7항에 있어서, 상기 몸체(30)는 산화제 공급 덕트의 배출부(outlet)(33b)를 부분적으로 또는 완전하게 둘러싸기 위해, 몸체의 제2 면(32) 너머로 돌출하는 둘레 주변부(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 연소 디바이스(3a) 중 한 경우에, 상기 덕트(33)는 중앙 덕트(34)의 축 Y에 대해 비스듬하고, 각각의 산화제 공급 덕트(33)는 디바이스의 몸체의 제1 면에 주입부(33a)와 디바이스의 몸체의 제2 면(32)의 표면 상에 개방된 배출부(33b)를 갖고, 상기 덕트의 주입부(33a) 및 배출부(33b)는 산화제 공급 덕트(34) 주변에 동일한 직경의 원으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  10. 제7항에 있어서, 연소 디바이스(3b) 중 한 경우에, 산화제 공급 덕트(33)는 중앙의 연료 공급 덕트(34)의 축(Y)에 대해 비스듬하고, 각각의 덕트(33)는 디바이 스의 몸체의 제1 면에 주입부(33a)와 디바이스의 몸체의 제2 면(32)의 표면 상에 개방된 배출부(33b)를 갖고, 상기 덕트의 주입부(33a) 및 배출부(33b)는 산화제 공급 덕트(34) 주변에 다른 직경의 원으로 배열되고, 배출부(33b)에 의해 형성된 원이 더 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 디바이스(3a 및 3b)는 실질적으로 사다리꼴 형상의 버너 케이스(20)의 경우에 실질적으로 직선으로 배열되거나, 환상 형상의 버너 케이스(20)의 경우에 원으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제는 가압된 공기의 형태인 반면, 연료는 기체 또는 기체의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벽(24 및 25)은 최대 5㎝로 이격되는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이스(20)는 금속제인 것을 특징으로 하는, 내부 연소 버너.
  15. 섬유화 설비로서,
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 버너가 장착된 섬유화 설비.
  16. 제15항에 있어서, 상기 섬유화 설비는 광물면, 특히 암면 또는 유리솜을 섬유화하기 위한 설비인 것을 특징으로 하는, 섬유화 설비.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 버너는, 기밀한 케이스(40)로 구성된 밀봉된 공간(4)에 배열되고, 기밀 케이스(40)는 적어도 하나의 가압된 공기 공급 주입부(41)와 기밀 케이스(40)를 관통하는 연료 공급 파이프(42)를 갖고, 연료 공급 파이프(42)는 연소 디바이스(3a 및 3b)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 섬유화 설비.
  18. 특히 표준 형태의 외부 또는 내부 원심분리 프로세스를 이용하는 디바이스를 사용하는 광물면을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 버너(1)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 광물면을 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 특정 속도에서 불안정한 제1 유형의 화염과 제1 유형의 화염을 지속적으로 점화되도록 유지하는 것을 보장하는 제2 유형의 화염이 버너 내에 서 생성되는 것을 특징으로 하는, 광물면을 제조하는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 가압된 공기로 구성된 냉각 기체가 버너의 벽을 냉각시키는데 제공되는 것을 특징으로 하는, 광물면을 제조하는 방법.
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