KR20140040105A - 레이저 가스 분석 - Google Patents

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KR20140040105A
KR20140040105A KR1020137020891A KR20137020891A KR20140040105A KR 20140040105 A KR20140040105 A KR 20140040105A KR 1020137020891 A KR1020137020891 A KR 1020137020891A KR 20137020891 A KR20137020891 A KR 20137020891A KR 20140040105 A KR20140040105 A KR 20140040105A
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KR1020137020891A
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로렌조 카노바
마티에 로뇽
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쌩-고벵 글래스 프랑스
쌩-고벵 앙발라쥬
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Abstract

본 발명은 챔버에서 1200℃ 위의 온도로 가스 대기에서 분자의 농도를 측정하는 디바이스에 관한 것으로서, 상기 분자는 4 내지 8㎛의 파장에서 흡수 라인을 갖고, 상기 디바이스는 흡수 라인의 파장에 대응하는 파장을 갖는 레이저 복사선을 방출하는 방출기(2)를 포함하고, 상기 방출기(2)는 제 1 윈도우(4)를 통해 레이저 복사선을 방출하고, 그런 후에 상기 대기(7)를 통해 방출하고, 상기 윈도우(4)는 1mm의 물질 두께에 대해, 레이저 복사선의 파장에서 50%보다 큰 투과율을 갖는 고체 물질로 만들어지고, 레이저 복사선은 분석기(11)가 상기 대기(7)를 통과한 후에 분석되고, 상기 분석기는 가스 대기(7)에서의 분자에 의해 레이저 복사선의 흡수를 결정하고, 윈도우(4)는, 고온 대기(7)가 그로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 적절한 경우, 삽입부(insert)를 통해, 외피의 벽(6, 10) 상에 또는 그 안에 위치된다. 본 발명은 장착되는 기기가 연속적으로 및 정상 동작 동안 측정되도록 한다. 본 발명에 따른 디바이스는 유리 로 상에 제공될 수 있고, 로(1)의 정상 동작 동안 고온 대기(7)에서의 가스 종의 농도를 연속적으로 측정하여, 로 버너가 동작 동안 조정되도록 할 수 있다.

Description

레이저 가스 분석{LASER GAS ANALYSIS}
본 발명은 로(furnaces)들, 특히 유리 로들의 것과 같은 고온 대기에서의 가스 농도를 분석하는 분야에 관한 것이다.
유리 로의 각 버너에 의해 발생된 연소 가스(CO, NO, NO2, 등)의 농도는 채취 기술에 의해 일반적으로 측정된다. 이 기술에 따라, 공기는 재생기 챔버의 후방에서 또는 벽을 통과하는 덕트를 통해 냉각 파이로미터(cooled pyrometer)에 의해 이산 지점에서 추출된다. 이 공기는 그런 후에 필터링되고, 건조되고, 전기 화학 센서에 의해 분석된다. 가스 농도측정은 연소를 조절하는데 사용될 수 있다. 파이로미터에서 냉각되고 응축된 스트림의 문제로 인해, 추출 측정은 한정된 시간 기간 동안에만 수행될 수 있다. 이것은 연소 가스의 연속적인 측정을 방해하고, 그러므로 로에서의 연소의 효과적이고 연속적인 제어를 방해한다.
고온 가스를 측정하기 위한 이러한 추출 기술에 대한 대안적인 해결책으로서, 본 발명자는 현재 해당 분자 종의 흡수 라인 주위에 방출하는 하나 이상의 레이저를 이용하는 개념을 갖는다. 특히 NO, NO2, CO 또는 유리 로의 가스 종의 일반적인 온도(일반적으로 1200℃보다 높은)에서 다른 가스 종을 측정하기 위해, 중간 적외선 스펙트럼 범위(3㎛ 내지 24㎛)에서 방출하는 양자 케스케이드(cascade) 레이저라 불리는, 하나의 특정한 유형의 반도체 레이저를 사용하는 것이 제안된다. 측정을 수행하기 위해, 빔은 대기를 통과하기 위해 분석될 고온 대기를 함유하는 챔버의 벽(특히 로 또는 플루 가스 덕트의 벽)을 통해 발송된다. 용어 “챔버”는 넓은 의미에서, 분석될 대기의 임의의 컨테이너인 것으로 취해질 것이다. 예를 들어, 이러한 챔버는 연소 플루 가스를 로의 외부로 발송하는 덕트, 즉 예를 들어 로를 발생기(generator)에 결합시키고 대안적으로 버너에 대한 공기 흡기 덕트 및 플루 가스 수집부(collector) 덕트로서 작용하는 덕트일 수 있다. 일단 흡수 길이, 온도 및 압력이 알려져 있으면, 해당 분자 종의 농도는 각 파장에 대한 투과 측정램버트-비어 법칙(lambert-beer law)을 이용함으로부터 얻어진다. 용어 “벽”은 넓은 의미에서 임의의 벽, 즉 레이저 빔이 너무 많이 흡수하는 임의의 장애물에 부딪히지 않고도, 챔버의 고온 대기를 통과할 수 있게 하는 경우에, 챔버(로의 루프를 포함)의 임의의 물리적 경계를 의미하는 것으로 이해된다. 바람직하게, 레이저 빔은 본 발명에 따른 윈도우를 통해 주입되고, 또한 본 발명에 따른 윈도우를 통해 배출하도록 이루어지고, 레이저는 챔버의 고온 대기에서만 이들 2개의 윈도우들 사이에서 부딪힌다. 레이저가 유리 로를 통과하면, 유리 위에서 가스 대기를 통과한다. 이러한 대기는 미세 입자를 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 해결책은 장착되는 설비의 정상 동작 동안 연속적인 측정을 허용한다. 특히, 본 발명에 따른 디바이스는 유리 로를 설치할 수 있고, 로의 정상 동작 동안 고온 대기에서 가스 종의 농도를 연속적으로 측정할 수 있다. 특히, 이러한 로는 연속적으로 동작할 수 있다. 레이저 복사선이 (예를 들어 로와 같이) 모니터링될 시스템의 동작 전체에 연속적으로 존재하는 것이 필요하지 않다. 이것은, 가스 농도에서의 변동이 충분히 낮아서, 1초 또는 수초만큼 이격된 측정이 가스 농도에서의 변동을 평가할 정도로 충분하기 때문이다. 그러한 측정은 펄싱된(pulsed) 레이저에 의해 수행된다.
특히, 본 발명에 따른 디바이스는 오버헤드(overhead) 버너 또는 침지된 버너를 갖는 용융 로, 편자형-발화 로(horseshoe-fired furnace), 아마 재생기 또는 회복기(recuperator)가 설치되는 크로스-발화 로(cross-fired furnace), 및 플랫 유리를 형성하기 위한 부유 유리 로와 같은, 유리-형성 로와 같은 임의의 유형의 유리 로의 대기를 분석하도록 적용될 수 있다.
일반적으로, 하나 이상의 레이저 빔을 주입하고 추출하기 위해, 분석될 가스를 함유하는 챔버의 벽에 위치된 2개의 윈도우를 가질 필요가 있다. 중간 적외선에서 작용하는 것은 윈도우의 설계에 제약을 가한다. 특히, 윈도우가 이들 파장에서 충분히 투명해지고, 가스 대기의 고온을 견디는 것이 필요하다. 융합된 실리카와 같은 매우 낮은 열 팽창을 갖는 물질은 이들 파장에서 그리 투명하지 않기 때문에 이상적인 물질을 구성하지 않는다.
US 3 154 821은 그 사이의 공간에서 물이 나아가는 2개의 평행 유리 플레이트를 포함하는 윈도우를 포함하는 로의 내부를 검사하는 디바이스를 기재한다. 종래 기술의 다른 문헌으로서, 다음과 같은 것이 언급될 수 있다: JP 3274385 (A), JP 8014522 (A), US 2004/156420 및 US 7 283 243. US 5 984 998dms 레이저 빔을 이용하여 챔버에서의 연소 가스를 분석하는 디바이스를 기재하고, 이 디바이스는 챔버로부터 특정 거리에 있고, 열 보호 플레이트에 의해 보호된다.
본 발명은 특히, 예를 들어 CO, NO 또는 NO2와 같은 연소 가스의 농도를 측정하기 위해, 고온 대기를 함유하는 챔버의 벽을 통해 중간 적외선에서 레이저 복사선의 적어도 하나의 빔을 투과시킬 수 있는 광학 시스템을 제안한다. 이러한 연속적인 도량형의 시스템은 연소를 최적화하여, 로의 에너지 효율 및 해로운 가스의 감소를 개선시킬 수 있게 한다. 시스템은 측정 스펙트럼 범위에 비교적 투명한 윈도우를 포함하고, 상기 윈도우가 챔버(로와 같은)의 정상 동작 상태를 오랫동안 견디기 위해 이중 물/공기 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있게 하고, 이것은 양호한 온도 저항 및 양호한 열 충격 저항을 수반한다. 윈도우는 특히, 적절한 경우 삽입부(insert)를 통해, 챔버의 벽 상에 또는 그 안에 있을 수 있다. 따라서, 윈도우는 특히 삽입부에 병합될 수 있고, 상기 삽입부는 챔버의 벽 상에 또는 그 안에 위치된다. 이러한 유형의 광학 삽입부로 인해, 동일한 윈도우 또는 상이한 윈도우를 통해 하나 이상의 레이저 빔을 챔버로 방출할 수 있고, 벽에서의 오리피스(orifice)는 밀봉 상태로 남아있다. 이러한 오리피스의 밀봉은 고온 대기의 (아마도 해로운) 가스가 챔버 내부로부터 빠져나가는 것을 방지한다. 측정 길이는 정확히 결정될 수 있는데, 이는, 이것이 입구 윈도우와 출구 윈도우 사이의 거리에 실질적으로 대응하기 때문이다. 그 결과, 가스 농도 측정이 정밀하다. 용어 “밀봉”은, 특히 챔버 내부의 대기의 가스가 윈도우를 구비한 오리피스를 통해 빠져나가는 것으로부터 방지되는 것을 의미한다. 이러한 밀봉은 경우에 따라 부분적이거나 완전할 수 있다.
따라서, 본 발명은 제 1 경우에, 1200℃보다 높은 온도로 가스 온도에서의 분자의 농도를 측정하는 디바이스에 관한 것으로, 상기 분자는 4 내지 8㎛ 사이의 파장에서 흡수 라인을 갖고, 상기 디바이스는 흡수 라인의 파장에 대응하는 파장을 갖는 레이저 복사선을 방출하는 방출기를 포함하고, 상기 방출기는 제 1 윈도우를 통해 그리고 상기 대기를 통해 레이저 복사선을 방출하고, 상기 윈도우는 1mm의 두께에 대해, 레이저 복사선의 파장에서 50%보다 높은, 바람직하게 80%보다 높은 투과율을 갖는 고체 물질로 만들어지고, 레이저 복사선은 가스 대기에서의 분자에 의해 레이저 복사선의 흡수를 결정하는 분석기에 의해 상기 대기를 통과한 후에 분석된다. 방금 언급된 것은, 윈도우가 1mm의 두께를 반드시 갖는다는 것을 의미하지 않고, 이것은 간단히 1mm의 물질 두께의 경우에, 물질의 고유 투과율 값을 정의하는 문제이다. 특히, 두께 및 고유값에 따른 투과율 감소는 주어진 두께에 대해 주어질 수 있다. 윈도우는 예를 들어 0.5 내지 20mm의 두께를 가질 수 있다. 두께가 더 작아질수록, 윈도우는 더 깨지기 쉽다. 두께가 더 커질수록, 투과율은 더 낮아진다. 내부 대기가 대기압에 가까운 압력에 있는 유리 로에 대해, 2 내지 5mm(한계 포함)의 범위에서의 윈도우 두께는 일반적으로 적합하다. 일반적으로, 본 발명에 따른 디바이스는, 1mm의 두께에 대해, 레이저 복사선의 파장에서 50%보다 높은, 바람직하게 80%보다 높은 투과율을 갖는 고체 물질로 만들어진 2개의 윈도우를 포함한다. 레이저 빔은 고온 대기를 통과하기 전에 제 1 윈도우를 통과한다. 고온 대기를 통과한 후에 레이저 빔은 제 2 윈도우를 통과한다. 그러므로, 제 1 윈도우를 통해 레이저 빔이 방출되고, 제 2 윈도우를 통해 레이저 빔이 수용된다. 일반적으로, 이들 2개의 윈도우는 동일한 물질로 만들어지도록 선택된다.
유리하게, 레이저 빔은, 나오는(emerging) 신호가 그 경로를 따라 입자가 때때로 존재하는 것에 의해 방해되지 않도록 충분히 넓다. 따라서, 레이저 빔에 직교하는 윈도우의 단면이 적어도 10cm2의, 심지어 적어도 15cm2의 영역을 갖는 것이 바람직하다. 윈도우의 영역은 전체 레이저 빔이 그를 통과하도록 하는데 충분하다. 먼저, 고온 대기를 통과한 후에 레이저 빔을 수용하도록 위치된 윈도우에 대해, 상기 윈도우는 바람직하게, 레이저 빔의 단면적보다 적어도 30%, 심지어 적어도 50%보다 큰 영역을 갖는다. 이것은, 로의 고온 대기가 조성물, 온도 및 그 경로를 따라 놓인 입자의 임의의 요동에 따라 레이저 빔의 방향을 약간 편향시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 수용 윈도우가 더 커질수록, 전체 레이저 빔을 수집할 기회는 더 커진다. 예를 들어, 25 내지 100 cm2의 윈도우 영역이 일반적으로 필요하다. 레이저 빔의 ㎛파장은 분자의 특성에 따라 달라지고, 분자의 농도를 결정하는 것이 바람직하다. 아래의 표 1은 바람직한 분자에 사용될 레이저 빔의 파장을 제공한다.
윈도우의 물질
분자 4 내지 8㎛ CaF2 사파이어 ZnSe 용융된 실리카
CO 4.86㎛ 94% 70% 62% 0%
NO 5.26㎛ 95% 52% 62% 0%
NO2 6.13㎛ 92% <10% 62% 0%
윈도우는 특히 칼슘 플루오라이드(CaF2), 사파이어(Al2O3) 또는 아연 셀레나이드(ZnSe)로 만들어질 수 있다. 본 발명의 정황에서, 전술한 3가지 화합물은 유리하게 단결정 화합물이다. 단결정 화합물인 경우에, 레이저 빔이 CaF2 및 ZnSe의 경우에서 <111> 결정 평면에 직교하고, 사파이어의 경우에 <0001> 결정 평면(c-축을 따라)에 직교하는 단결정을 통과하는 것이 바람직하다.
윈도우는 분석될 고온 대기를 함유하는 챔버의 벽에서 오리피스(즉 그 축을 따라)를 향하게 위치된다. 따라서, 방출된 레이저 빔은 윈도우를 통과하고, 그런 후에 벽에서의 오리피스를 통과한다. 벽에서의 오리피스는 예를 들어 챔버를 세척하기 위해 제공된 오리피스일 수 있거나, 특히 측정을 위해 제공된 오리피스일 수 있다.
윈도우는, 바람직하게 윈도우의 물질에 대해 비활성이고 윈도우와 고온 대기 사이에 주입된 가스(예를 들어, 공기 또는 질소)의 스트림에 의해 가스 대기로부터 보호된다. 비활성 가스의 이러한 주입은 윈도우가 챔버 내부로부터 나오는 먼지로 덮이는 것을 방지하고, 세척되지 않고도 오랜 기간 동안 사용될 수 있게 한다.
윈도우는 삽입부에 병합될 수 있고, 상기 삽입부는 바람직하게 밀봉된 방식으로 벽(벽에서의 오리피스에서)에 고정되어, 챔버의 고온 대기가 대항하여 위치된 오리피스를 통해 그로부터 빠져나가는 것을 방지한다. 특히, 이러한 밀봉은 특히 삽입부를 챔버에 본딩하는 내열 시멘트를 이용하여, 얻어질 수 있다. 하지만, 챔버에서의 대기가 실질적으로 대기압인 경우에, 완전한 밀봉이 반드시 필요하지 않다. 따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 디바이스를 구비한 챔버에 관한 것으로, 디바이스는 챔버에서 적어도 부분적으로 밀봉되거나, 심지어 완전히 밀봉되는 방식으로 장착된다.
특히, 윈도우는 삽입부의 금속 부분에 고정될 수 있다. 이러한 금속 부분은 레이저 빔이 통과하는 오리피스를 포함한다. 그러므로, 금속 부분에서의 이러한 오리피스는 금속 파트를 통해 정확히 통과한다. 삽입부는 챔버의 벽 두께에 수용되도록 설계된 관형 부분을 포함할 수 있다. 관형 부분(관형 부분의 튜브의 내부)의 중공 영역은 레이저 빔이 통과하는 오리피스를 구성한다. 이러한 관형 부분은 특히 윈도우를 포함하는 다른 부분에 연결될 수 있다. 이들 2개의 부분 사이의 결합은 플랜지를 이용하여 달성될 수 있다. 삽입부의 관형 부분은 로 내부의 온도에 가까운 온도가 가해지고, 그러므로, 이러한 온도 및 열 충격에 내성인 물질로 만들어져야 한다. 유리하게, 이러한 물질은, 표준 스틸일 수 있는, 금속 부분이 만들어지는 금속보다 더 내열성이다. 이것은 내열 세라믹 특히 뮬라이트(mullite) 또는 내열 콘크리트 또는 내열 금속일 수 있다. 삽입부는 윈도우의 물질에 대해 비활성이어서, 사용될 때 챔버의 고온 챔버로부터 윈도우를 보호하는 가스용 입구(inlet)를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 가스의 스트림은 윈도우(윈도우의 그 면은 챔버의 내부를 향함)와 분석될 고온 대기 사이에 도달한다. 낮은 흐름 속도(예를 들어, 0.1 내지 50 Nm3/h)를 갖는 이러한 가스는 챔버 내부의 가스 조성물을 고온 대기로 향하게 되고 실질적으로 변형하지 않고도 그와 혼합될 수 있다. 따라서, 윈도우는 삽입부의 금속 부분에 병합될 수 있고, 상기 금속 부분은, 레이저 복사선이 통과하는 오리피스를 포함하고, 선택적으로 냉각 방수 박스(cooling water box)를 포함한다. 금속 부분의 오리피스는 이에 따라 윈도우에 의해 숨겨지고, 레이저 빔이 이를 통과할 수 있다. 그러므로, 레이저 빔은 삽입부를 통해 정확히 통과하여, 윈도우에서만 고체 물질로서 부딪힌다. 윈도우를 보호하기 위한 비활성 가스의 입구는 냉각 방수 박스와 윈도우 사이에 위치될 수 있다. 또한 반대로도 가능한데, 즉 비활성 가스 입구와 윈도우 사이에 냉각 방수 박스가 위치될 수 있다. 따라서, 삽입부는 금속 부분에 고정된 세라믹 부분을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 부분은 관형이고, 레이저 복사선이 그 축을 따라 통과하도록 하고, 관형 부분의 축은 금속 부분의 오리피스를 통과하고, 삽입부는, 세라믹 부분이 가스 대기쪽으로 향하게 되도록 배향된다. 따라서, 본 발명은 또한 칼슘 플루오라이드 또는 사파이어 또는 아연 셀레나이드로 만들어진 윈도우, 오리피스를 갖는 금속 부분, 및 금속 부분보다 더 내열성인 물질로 만들어진 관형 부분을 포함하는 삽입부에 관한 것으로, 관형 부분은 금속 부분에 고정되고, 윈도우는 금속 부분에 병합되어, 오리피스를 차단하고, 관형 부분의 축은 금속 부분의 오리피스 및 윈도우를 통과하고, 금속 부분은 아마도 방수 박스를 포함하고, 금속 부분은 아마도 윈도우와 관형 부분 사이에 금속 부분의 오리피스 안으로 개방된 가스 입구를 포함한다.
레이저 빔은 로의 실험 부피를 통과될 수 있고, 상기 레이저 복사선은 제 1 측면 벽(측벽)으로부터 제 1 벽을 향하는 제 2 측면 벽으로 지나간다. 레이저 빔은 또한 상류 벽과 하류 벽 사이의 로의 전체 대기를 통과하도록 이루어질 수 있다. 그러나, 로의 유형에 따라, 레이저 빔의 요구된 경로는 약간 너무 길어서, 나오는 빔은 이를 통해 약간 너무 감쇠된다. 특히, 고온 대기를 통해 레이저에 의해 이동하는 거리가 1 내지 3 미터(한계 포함)의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이것은 본 발명에 따른 2개의 윈도우 사이의 거리일 수 있다 - 레이저 빔이 방출되는 윈도우와, 레이저 빔이 수용되는 윈도우 - 2개의 윈도우는 분석될 가스 대기에 접한다. 그러므로, 스택 또는 버너 덕트, 즉 재생기와 로 사이의 링크를 형성하는 덕트와 같이, 플루 가스가 적어도 부분적으로 수집되는 위치에 레이저 빔을 위치시키는 것에 관심있을 수 있고, 상기 덕트(또한 포트라 지칭됨)는 버너를 위한 공기 흡기 덕트로, 그리고 플루 가스를 재생기로 전달하는 플루 가스 방출 덕트로 교대로 작용한다. 이러한 경우에, 물론, 본 발명에 따른 레이저 측정은, 덕트가 플루 가스를 복구하도록 작용할 때만(그리고, 덕트가 버너를 위한 산화제로서 공기의 흡기를 위해 작용할 때가 아닌) 수행된다. 본 발명에 따른 레이저 디바이스는 또한 로와 회복기 사이의 플루 가스 덕트{또한 증기(fume) 덕트라 지칭됨}에 위치될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 디바이스에 의해, 1200℃보다 높은, 하지만 일반적으로 1700℃ 아래의 온도로 가스 대기에서 분자의 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 이 분자는 특히 CO 또는 NO 또는 NO2 분자일 수 있다. 여러 분자는 동시에 분석될 수 있다. 이와 같이 행하기 위해, 일반적인 실시는 여러 레이저 소스를 사용하는 것이고, 각 레이저 소스는 분석될 분자의 흡수 라인을 갖고, 다양한 레이저 빔은 분석될 고온 대기를 통과하도록 이루어진다. 다양한 레이저 빔은 고온 대기를 통과하기 전에 단일 빔으로 조합될 수 있다.
본 발명은 또한 버너가 설치된 유리 로에서 유리를 가열하는 방법에 관한 것으로, 그 연소 플루 가스는 본 발명에 따른 측정 방법에 의해 분석된다.
본 발명은 또한 버너가 설치된 유리 로에서 유리를 가열하는 방법에 관한 것으로, 그 연소 플루 가스는 본 발명에 따른 측정 방법에 의해 분석되는 것에 효과있다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스가 설치된 로(1)를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광학 삽입부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 정황에서 사용될 수 있는, 위에서 보여진 편자-발화 로를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 로의 동작을 반대로 한 도면.
도 5는 위에서 보여진 크로스-발화 로를 도시한 도면.
도 6은 재생기를 갖는 크로스-발화 로(41)를 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스가 설치된 로(1)를 도시한다. 3 내지 24㎛에서 방출하는 레이저 방출기(2)는 삽입부(5)에 고정된 윈도우(4)를 통해 레이저 복사선(3)을 방출하고, 상기 삽입부(5)는 로(1)의 측벽(6)을 통과한다. 레이저 복사선(3)은 로의 고온 대기(7)를 통과하고, 로의 측벽(10)을 통과하는 삽입부(9)에 위치된 윈도우(8)를 통해 이러한 대기로부터 나와서, 측벽(6)을 향하게 된다. 기존의 레이저 빔은 레이저 복사선의 흡수량으로부터 로의 대기(7)에서 주어진 가스의 농도를 결정하기 위해 분석기(11)에 의해 사용된다. 레이저 복사선은 미러(12)의 세트에 의해 방출기로부터 분석기로 향하게 되고 발송된다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 삽입부를 도시한다. 광학 삽입부는 내열 시멘트(Licofest MW95C 또는 Licofest H195C)로 만들어진 관형 부분(20) 및 금속 부분(21)을 포함한다. 이들 2개의 부분은 플랜지 시스템(22)에 의해 함께 고정된 상태로 유지된다. 내열 시멘트 부분(20)은 로 벽의 두께에 삽입되도록 의도된다. 이러한 관형 부분(축에 가까운)의 중공 영역은 레이저 빔의 통과를 위해 작용한다. 금속 부분(21)은 윈도우(23)를 유지하고 냉각시키기 위해 작용하고, 이것은 예를 들어 50mm의 직경 및 3mm의 두께를 갖는 칼슘 플루오라이드(CaF2)의 원통형 단결정으로 만들어질 수 있다. 이러한 금속 부분은 레이저 빔이 통과하는 오리피스(축에 가까운)를 포함한다. 금속 부분의 오리피스는 윈도우(23)에 의해 숨겨지고, 이를 통해 레이저 빔이 통과한다. 윈도우(23)는 방수 박스(24) 및 공기 냉각 시스템에 의해 로로부터 나타나는 고온 가스로부터 보호된다. 방수 박스는 고리형 유형인데, 즉 삽입부의 축에 가까운 중심을 차단하지 않고도 금속 부분의 오리피스를 둘러싼다. 방수 박스는 파이프(25)를 통해 물이 공급되고, 물은 파이프(26)를 통해 나온다. 공기는 파이프(27)를 통해 주입된다. 윈도우(23)의 전면에서 주입된 공기의 흐름 속도는 예를 들어 약 5Nm3h이다. 주입된 공기는 로의 고온 대기로 지나간다. 공기의 이러한 흐름은 먼지가 삽입부에서 축적되는 로로부터 나오는 것을 방지한다. 삽입부로부터 나타나고 로에 주입된 공기의 양은 로의 내부 대기의 부피에 비해 무시할 만하다. 공기 입구는 금속 부분의 오리피스로 개방되고, 윈도우와 관형 부분 사이에 위치된다. 도 2에서, 윈도우를 보호하기 위한 공기의 유입량(inflow)은 가스 대기와 방수 박스 사이에 위치한다. 또한 반대로도 가능한데, 즉 공기 입구와 가스 대기 사이에 윈도우(23) 및 방수 박스에 가능한 한 가깝게 보호 공기의 유입량을 위치시키는 것이 가능하다. 도 2에서의 삽입부는 레이저 빔을 방출하거나 레이저 빔을 수용하기 위해 작용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 정황에서 사용될 수 있는, 위에서 보여진 편자-발화 로를 도시한다. 이러한 로는 상류 면(31), 2개의 측부 면(32 및 32’) 및 하류 면(33)을 포함한다. 이것은 2개의 동일한 병치된 재생기(34 및 34’)를 구비하며, 이 재생기 양쪽은 상류 면 뒤에 위치된다. 공급 포트(36 및 36’)는 배치(batch) 물질을 도입하기 위해 측벽(32 및 32’)에 제공된다. 이들 공급 포트는 측벽의 1/3의 제 1 상류에 위치된다. 용융부(melt)에서의 침지된 댐(35)은 로의 절반의 하류에 제공된다. 도 3에 도시된 경우에, 상류 면의 절반부(1a)로부터 불꽃이 방출된다. 이것은 로의 대기에서 편자를 형성하여, 상류 면의 다른 절반부(1b)로 되돌아간다. 그런 후에 플루 가스는 상류 면의 절반부(1b) 뒤에 위치한 재생기(34’)를 통과한다. 본 발명에 따른 디바이스의 레이저 빔(38)은 로와 재생기(34’) 사이의 덕트를 통과하고, 연소 가스를 분석하기 위해 작용한다. 재생기(34’)에서의 내열 벽돌이 충분히 고온일 때, 로의 동작은 도 4에 도시된 바와 같이 반대로 된다. 이 경우에, 상류 면의 절반부(1b)로부터 불꽃이 배출되고, 플루 가스의 열은 다른 재생기(34)에서 회복된다. 본 발명에 따른 다른 디바이스는 레이저 빔(39)을 생성하고, 로와 재생기(34’) 사이의 덕트를 통과하도록 위치되도록 사용된다. 불꽃을 위한 산화제는 재생기(34’)를 통과할 때 재가열된 공기이다. 유리는 로의 하류 면(33)에 제공된 포트(37)를 통해 흐른다. 연료 주입기는 도시되지 않는다.
도 5는 위에서 보여진 크로스-발화 로를 도시한다. 배치 물질은 측벽에서의 상류에 위치한 공급 포트(15 및 15’)를 통해 도입된다. 많은 횡방향 버너(16)는 측벽에 설치된다. 플루 가스는 덕트(18)를 통해 수집되고, 회복기(17)에 전달된다. 유리는 출구(18)를 통해 복구된다. 회복기가 열 교환기의 모델에 따라 동작하고, 플루 가스가, 다른 채널을 통과하고 횡방향 버너를 공급하는 공기를 재가열하는 채널을 통과한다는 것이 상기될 것이다. 본 발명에 따른 디바이스의 레이저(19)는 연소 가스를 분석하기 위해 덕트(18)를 통과한다.
도 6은 재생기를 갖는 크로스-발화 로(41)를 도시한다. 로(41)는 상류 벽(43), 하류 벽(44) 및 2개의 측벽(45 및 45’)을 포함한다. 배치 물질은 표준 디바이스(미도시)를 통해 상류 벽(43)에서 정확히 도입된다. 용융된 배치 물질은 화살표로 표시된 바와 같이, 상류로부터 하류로 흐른다. 가스는 변환 유닛(미도시)으로 및 아마도 플랫 유리를 생산하기 위한 부유 유리 설비로 이어지기 전에 유리를 열 조정하기 위해 컨디셔너(conditioner)(47)를 통과한다. 로(41)는 4개의 오버헤드 버너 중 2개의 행이 차례로 동작하는 2개의 측벽을 통해 설치된다. 각 오버헤드 버너는 라인(68 및 68’)을 통해 가스가 공급되는 적어도 하나의 연료 주입기와, 고온 공기 흡기부(69 및 69’)를 포함한다. 각 측벽 중 처음 2개의 버너가 로의 1/3의 제 1 상류{이러한 제 1의 1/3의 경계는 횡방향의 점선(48)으로 표시됨}에 있다는 것을 알 수 있다. 개구부(69 및 69’)는 고온 공기 입구 및 플루 가스 수집기로서 교대로 작동한다. 이들 각각은 재생기(50, 50’)에 연결된다. 벽(45)에서의 주입기들이 동작 중 일때, 벽(45’)에서의 주입기는 동작 중이 아니다. 플루 가스는 측벽(45’)에서 덕트(69’)를 통과하여, 이들을 향하게 되고, 열은 재생기(50)에서 회복된다. 수 십분 후에, 로의 동작은 반대로 이루어지는데, 즉 벽(45)에서의 버너의 동작은 정지되고 라인(68)을 통해 연료 가스를 정지시키고 덕트(69)를 통해 공기를 정지시킴으로써, 벽(45’)에서의 오버헤드 버너는 라인(68’)을 통해 가스가 주입기에 공급되고, 라인(69’)에 고온 공기가 공급됨으로써 턴 온된다. 수십분 이후에, 로의 동작은 다시 반대로 이루어지는 등이 된다(역전 사이클의 반복). 재생기(50)가 벽(45’)에 위치된 버너에 의해 방출된 플루 가스를 수용하는 시간이 지남에 따라, 연소 가스는 본 발명에 따라 일련의 디바이스(70)에 의해 분석될 수 있고, 그 레이저 빔은 덕트(69)를 통과한다. 본 발명에 따른 디바이스는 각 덕트(69)에 위치될 수 있다. 재생기(50’)가 벽(45)에 위치된 버너에 의해 방출된 플루 가스를 수용하는 시간이 지남에 따라, 연소 가스는 본 발명에 따라 일련의 디바이스(70’)에 의해 분석될 수 있고, 그 레이저 빔은 덕트(69’)를 통과한다. 본 발명에 따른 디바이스는 각 덕트(69’)에 위치될 수 있다. 이 시스템은 이에 따라 각 버너를 위한 개별적인 가스 분석을 제공하여, 개별적으로 조정되도록 한다.
유리 로 상에서 수행된 실제 상태 하의 시도는, 윈도우가 삽입부에 설치될 때 파손되지 않고, 투명도를 잘 유지한다는 것을 보여준다. 윈도우는, 냉각 공기가 윈도우에 걸쳐 흐르면서 방수 박스를 갖는, 도 2에 도시된 삽입부에 장착되었다. 시도 동안 측정된 윈도우의 온도는 1500℃의 로 온도에 대해 60℃였다.

Claims (20)

  1. 챔버에서 1200℃ 위의 온도로 가스 대기에서 분자의 농도를 측정하는 디바이스로서, 상기 분자는 4 내지 8㎛의 파장에서 흡수 라인을 갖고, 상기 디바이스는 흡수 라인의 파장에 대응하는 파장을 갖는 레이저 복사선을 방출하는 방출기를 포함하고, 상기 방출기는 제 1 윈도우를 통해 레이저 복사선을 방출하고, 그런 후에 상기 대기를 통해 방출하고, 상기 윈도우는 1mm의 물질 두께에 대해, 레이저 복사선의 파장에서 50%보다 큰 투과율을 갖는 고체 물질로 만들어지고, 레이저 복사선은 가스 대기에서의 분자에 의해 레이저 복사선의 흡수를 결정하는 분석기에 의해 상기 대기를 통과한 후에 분석되고, 윈도우는, 챔버의 고온 대기가 그로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 적절한 경우, 삽입부(insert)를 통해, 챔버의 벽 상에 또는 그 안에 위치되는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 1mm의 두께에 대해, 물질의 투과율은 레이저 복사선의 파장에서의 80%보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 윈도우는 가스의 스트림에 의해 가스 대기로부터 보호되고, 가스의 스트림은 윈도우의 물질에 대해 비활성이고, 윈도우와 고온 대기 사이에 주입되는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 윈도우는 챔버의 벽 상에 또는 그 안에 위치된 삽입부에 병합되는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서, 윈도우는 삽입부의 금속 부분에 병합되고, 상기 금속 부분은 레이저 복사선의 통과를 위한 오리피스(orifice), 및 아마도 냉각 방수 박스(colling water box)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 삽입부는 금속 부분에 고정된 세라믹 부분을 포함하고, 상기 세라믹 부분은 관형이고, 레이저 복사선이 그 축을 따라 통과하도록 하고, 관형 부분의 축은 금속 부분의 오리피스를 통과하고, 삽입부는, 세라믹 부분이 가스 대기쪽으로 향하도록 배향되는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 윈도우는 칼슘 플루오라이드 또는 사파이어 또는 아연 셀레나이드로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서, 제 1 윈도우는 단결정 윈도우인 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 윈도우는 0.5 내지 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 복사선은 10cm2보다 큰, 또는 심지어 15cm2보다 큰 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔은 상기 사파이어 뒤에 제 2 윈도우를 통과하고, 상기 제 2 윈도우는 레이저 빔의 단면적보다 30%보다 큰, 또는 심지어 50%보다 큰 영역을 갖는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 복사선은 가스 대기의 1 내지 3m를 통과하는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 디바이스.
  13. 칼슘 플루오라이드 또는 사파이어 또는 아연 셀레나이드로 만들어진 윈도우와, 오리피스를 갖는 금속 부분과, 금속 부분보다 더 내열성이 있는 물질로 만들어진 관형 부분을 포함하는 삽입부로서, 관형 부분은 금속 부분에 고정되고, 윈도우는 금속 부분에 병합되어, 오리피스를 차단하고, 관형 부분의 축은 금속 부분의 축 및 윈도우를 통과하고, 금속 부분은 아마도 방수 박스(water box)를 포함하고, 금속 부분은 아마도 윈도우와 관형 부분 사이에 금속 부분의 오리피스로 개방되는 가스 입구를 포함하는, 삽입부.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 디바이스가 설치된, 챔버, 특히 유리 로, 또는 유리 로에 연결된 플루(flue) 가스 덕트.
  15. 제 14항에 있어서, 디바이스는 챔버에 밀봉하여 장착되는 것을 특징으로 하는, 챔버.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 챔버는 유리 로를 재생기 또는 회복기에 연결시키는 플루 가스 덕트인 것을 특징으로 하는, 챔버.
  17. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 디바이스에 의해 챔버에서 1200℃ 위의 온도로 가스 대기에서 분자의 농도를 측정하는 방법으로서, 상기 분자는 4 내지 8㎛의 파장에서 흡수 라인을 갖고, 흡수 라인의 파장에 대응하는 파장의 레이저 복사선은 제 1 윈도우 및 상기 사파이어를 통해 디바이스의 방출기에 의해 방출되고, 상기 윈도우는 1mm의 물질 두께에 대해, 레이저 복사선의 파장에서 50%보다 큰 투과율을 갖는 고체 물질로 만들어지고, 레이저 복사선은 가스 대기에서의 분자에 의해 레이저 복사선의 흡수를 결정하는 분석기에 의해 상기 대기를 통과한 후에 분석되는, 분자의 농도를 측정하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 가스 대기는 1700℃ 아래의 온도에 있는 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 방법.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 분자는 CO 또는 NO 또는 NO2인 것을 특징으로 하는, 분자의 농도를 측정하는 방법.
  20. 버너가 설치된 가스 로에서의 유리를 가열하는 방법으로서,
    그 연소 플루 가스는 제 17 항 내지 제 19항 중 어느 한 항의 측정 방법에 의해 분석되는, 유리를 가열하는 방법.
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