(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素及び液体燃料を燃焼させるためのバーナーであって、
前記バーナーは、外側ジャケットを有しており、
外側ジャケットは、第１の入口端と、燃焼炎を放出させ且つ燃焼室を形成するための第２の出口端と、長手方向の軸線Ｘとを備えており、
前記バーナーは、また、霧状の燃料の流れを前記入口端に導入し且つ該霧状の燃料の流れを前記出口端に向けて案内するための燃料供給手段と、
酸素を前記入口端に導入し且つ該酸素を前記出口端に向けて案内するための酸素供給手段とを備えおり、
前記酸素供給手段は、複数の酸素出口を備えており、
前記複数の酸素出口は、前記燃料供給手段の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて設けられており、また、前記複数の酸素出口は、前記出口端に向けて径方向内側に角度が付けられ、軸線Ｘに対して傾斜しており、それによって、酸素が円錐状にスワールしながら収束し、この円錐状にスワールしながら収束する酸素は、第１の上流ゾーンで前記燃料の流れに交差し、
前記燃料供給手段は、実質的に中心にある中心出口を備えており、その中心出口は、発散円錐形の内面を有しており、
前記燃料は、その中心出口から流出するとき、前記発散円錐形の内面上を通過し、
前記発散円錐形の内面は、第１の発散円錐面と、第２の発散円錐面とを備えている。前記第１の発散円錐面は、前記中心出口に隣接しており、前記第２の発散円錐面にも隣接しており、また、前記第１の発散円錐面は、前記第２の発散円錐面よりも大きな角度で軸線Ｘから発散する形状となっていることを特徴とするバーナー。
【請求項２】
請求項１に記載のバーナーにおいて、
前記第１の円錐面は、前記第２の円錐面に対して、１５°ないし３０°の間の角度βとなっていることを特徴とするバーナー。
【請求項３】
請求項１または２に記載のバーナーにおいて、
前記第１の円錐面は、前記第２の円錐面に対して、２０°ないし２５°の間の角度βとなっていることを特徴とするバーナー。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
前記第２の円錐面は、軸線Ｘに対して３０°ないし４０°の間の角度φで発散する形状になっていることを特徴とするバーナー。
【請求項５】
請求項４に記載のバーナーにおいて、
角度φは、３０°ないし３５°の間にあることを特徴とするバーナー。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
前記酸素供給出口は、軸線Ｘに対して５°と１０°の間の角度αで径方向内側に向いて角度が付けられていることを特徴とするバーナー。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
前記酸素供給出口は、軸線Ｘに対して２０°ないし３０°の間の角度Θで傾斜していることを特徴とするバーナー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
前記燃料及び酸素供給手段は、前記燃焼室内のバーナープレートに取り付けられており、
前記バーナープレートは、軸線Ｘに沿って軸線方向に変位可能であり、それによって、前記燃焼室内で前記燃料出口及び酸素出口の前記軸線位置を変えることができることを特徴とするバーナー。
【請求項９】
請求項８に記載のバーナーにおいて、
前記中心燃料出口と前記第１の発散円錐面とが、前記バーナープレートに取り外し可能に取り付けられた一体要素の一部を形成していることを特徴とするバーナー。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
前記出口端から燃焼炎の放出方向に空気を放出するための空気放出手段をさらに備えていることを特徴とするバーナー。
【請求項１１】
請求項１０に記載のバーナーにおいて、
前記空気放出手段は、前記酸素出口の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて設けられた複数の空気出口を備えていることを特徴とするバーナー。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバーナーにおいて、
前記空気出口は、軸線Ｘに対して径方向内側に角度が付けられていることを特徴とするバーナー。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のバーナーにおいて、
前記空気出口は、軸線Ｘに対して傾斜していることを特徴とするバーナー。
【請求項１４】
請求項１３に記載のバーナーにおいて、
前記空気出口は、前記酸素出口と同じ方向に軸線Ｘを中心に傾斜していることを特徴とするバーナー。
【請求項１５】
請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
空気を前記バーナーに供給し、また、前記バーナーから空気を放出する流量を変えるための手段を備えていることを特徴とするバーナー。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のバーナーにおいて、
酸素及び／または燃料を前記バーナーに供給し、また、前記バーナーから酸素及び／または燃料を放出する流量を変えるための手段を備えていることを特徴とするバーナー。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のバーナーを作動させる方法において、
前記方法は、
（ａ）層流になっているまたは実質的に層流になっている比較的高い速度の燃料の流れが生じる態様で、燃料を前記燃料供給手段から流出させ、また、前記燃焼室の第２の端から放出するように前記燃料を案内するステップと、
（ｂ）比較的低い速度の酸素の流れを生じる態様で、前記酸素供給手段から酸素を流出させるステップとを備えており、前記酸素の流れは、前記長手方向の軸線Ｘに収束し且つ前記長手方向の軸線Ｘの周囲で循環し、それによって、前記酸素の流れは、第１の上流ゾーンで前記燃料の流れに交差し、前記第１の上流ゾーンで燃料の含有率が高い領域が生成され、また、燃料の含有率が低い領域を生成する態様で、前記燃料の流れの下流ゾーン内に任意の残りの酸素を導入することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、
前記第１のゾーンと前記第２のゾーンとが出合う箇所で、燃料の速度と酸素の速度とがおおよそ等しくなるような速度比で、燃料出口から燃料を流出させ、酸素出口から酸素を流出させることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
前記速度比は、１：１ないし１０：１の間にあることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
前記速度比は、約２：１であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載の方法において、
前記燃料は、油であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、液体燃料を燃焼させるためのバーナーに関し、特に、ＮＯxエミッションが低く、また、スワール（渦巻き）技術によって完全燃焼または実質的に完全燃焼させるのに役立つオイル（油）バーナーに関するものである。しかし、もっぱら、オイルバーナーだけに関するものではない。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＳ−Ａ−３６８５７４０は、ロケットバーナー型式の酸素−燃料バーナーを開示している。その酸素−燃料バーナーは、開口放出端を有する円筒形の燃焼室と、バーナープレートとを備えている。バーナープレートには、前記燃焼室の対向端を構成する別体の酸素ポートと燃料ポートとが設けられている。前記酸素ポートの突出した長手方向軸線は、前記燃焼室の長手方向軸線に向けて収束方向に伸長している。しかし、オフセットされ、互いに対して交差しておらず、その結果、前記燃焼室の軸線に最も接近するそれぞれの軸線上でのポイントは、バーナープレートと排気燃焼室との間に、交差して位置決めされた平面を形成している。前記燃料ポートの前記突出した長手方向軸線は、前記最も接近した平面で、または前記最も接近した平面を越えて、酸素と燃料とを混合する燃焼室軸線に実質的に平行になっている。前記燃焼室軸線上で前記バーナープレートの長手方向の位置を調節するための手段が設けられている。それによって、前記排気燃焼室に関して前記最も接近した平面が位置決めされ、バーナーの放出炎のパターンを決定することができる。そのようなバーナーは、また、冷却水ジャケットを備えている。冷却水ジャケットは、バーナーの先端に向けて伸長し、それによって、バーナーの作動の間、前記先端を冷却することができる。このバーナーは多数の異なった炎パターンを生成できるが、これらのパターンは乱流傾向となり、そのため、ある用途に関しては適切ではない。なお、このバーナーは、酸素／燃料を完全に混合できるように設計されており、それによって、完全燃焼した温度の高い炎ガスが前記バーナーを離れるようになている。その結果、前記バーナーの先端には冷却が必要になり、この故に、燃焼の一部が、前記冷却ジャケットの冷却流体によって失われ、全体に亘るバーナーの効率が減少する。さらに、このバーナーは比較的ノイズを発生するが（すなわち、比較的騒がしいが）、（いわゆる、チューブ−イン−チューブバーナーのような）他の一般的なバーナーよりもＮＯxのような有害なエミッションの発生を低くすることができる。しかしながら、このロケットバーナー型式の酸素−燃料バーナーが採用する酸素／燃料の混合方法により、これらのエミッションは、心配を引き起こすのに未だ十分な量である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、上記構造に関連した問題を減少させ可能な限り除去できる液体燃料バーナーを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
したがって、一つの特徴において、本願発明は、酸素及び液体燃料を燃焼させるためのバーナーを提供することである。前記バーナーは、外側ジャケット(すなわち、外被筒）を有している。外側ジャケットは、第１の入口端と、燃焼炎を放出させ且つ燃焼室を形成するための第２の出口端と、長手方向の軸線Ｘとを備えている。前記バーナーは、また、霧状の燃料の流れを前記入口端に導入し且つ該霧状の燃料の流れを前記出口端に向けて案内するための燃料供給手段と、酸素を前記入口端内に導入し且つ該酸素を前記出口端に向けて案内するための酸素供給手段とを備えている。前記酸素供給手段は、複数の酸素出口を備えている。前記複数の酸素出口は、前記燃料供給手段の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて設けられており、また、前記出口端に向けて径方向内側へ角度が付けられ、軸線Ｘに対して傾斜している。それによって、酸素が円錐状にスワールしながら収束し（すなわち、円錐状にスワールしながら一点に向かって集り）、この円錐状にスワールしながら収束する酸素は、第１の上流ゾーンで前記燃料の流れに交差する。前記燃料供給手段は、実質的に中心にある出口を備えている。その出口は、発散する（換言すれば、放射状に広がる）ような形状の発散円錐形の内面を有している。前記燃料は、その出口から流出するとき、前記発散円錐形の内面上を通過する。前記発散円錐形の内面は、第１の発散円錐面と、第２の発散円錐面とを備えている。前記第１の発散円錐面は、前記中心出口に隣接しており、また、前記第２の発散円錐面に隣接している。また、前記第１の発散円錐面は、前記第２の発散円錐面よりも大きな角度で軸線Ｘから発散している。
【０００５】
そのような「段差付き円錐形」面によって、前記中心出口から流出する少なくともいくらかの量の液体燃料が、前記第１の円錐面に沿って移動し、その後、前記第１の円錐面が前記第２の円錐面に出合う不連続点で、前記液体燃料の主な流れ内に噴出される。それによって、酸素と液体燃料との混合が高められる。流れの混合を空力的に制御することによって遅延させ、また、流れを層流化（ｌａｍｉｎａｒｉｓａｔｉｏｎ）させると共に、さらに、燃焼ガス及びオキシダントを内部で（すなわち、炎内で）再循環させることによって、そのようなバーナーでは、生成されるＣＯ及びＮＯxが低く、すす（煤煙）のエミッションも低くなるということがわかった。また、円錐形のノズルの設計によって、従来技術の１２０ｄｂからノイズ量を著しく低減できるということがわかった。バーナーによって放射される炎の形状を迅速に変えることが容易になる。また、バーナーの使用によりすす（煤煙）が減少することによって（というのは、スワール効果により、燃焼ガス及びオキシダントが炎内で内部再循環されるので、形成されたすすは、炎の後ろの方の部分で残留することなく燃焼されるからである）、生成される炎が大変明るくなる。前記バーナーは、２つの燃焼領域を有する炎（フレーム）を発生する。第１のゾーンの炎は、前記燃料出口に隣接しており、燃料の含有率が高いゾーンになっている。第２のゾーンは第１のゾーンの後ろにあり、その第２のゾーンでは、主な燃焼が行われ、熱の大部分が発生する。バーナーから主な燃焼ゾーンを引き離すことによって、バーナーや隣接する耐火物の過熱を防止でき、それによって、バーナーや隣接する耐火物を水冷する必要がなくなる。炎を２つの領域に分けることは、「ステージング（ｓｔａｇｉｎｇ：段階分け）」として公知になっている。２つの領域が出合うポイントは、「ステージングポイント」と呼ばれている（一般に、前記第２のゾーンに対して前記第１のゾーンの長さが長くなるほど、ステージングポイントは高くなり、前記第２のゾーンに対して前記大のゾーンの長さが短くなるほど、ステージングポイントは低くなる）。ステージングは、燃料出口及び／または酸素出口の寸法に反比例して減少する。
【０００６】
前記第１の円錐面は、前記第２の円錐面の角度に対して１５°ないし３０°の間の角度β（あるいは、より好適には、２０°ないし２５°の間の角度）にすることができる。角度βを変えることによって、炎の全体の長さに影響が与えられ、粘度、濃度、及び温度などのような燃料特性にしたがって、燃料／酸素の混合を増加させたり、または減少させたりすることができる。
【０００７】
前記第２の円錐面を、軸線Ｘに対して３０°ないし４０°の間の角度φで発散させる（放射状に広げる）ことが効果的である。
【０００８】
角度φは、３０°ないし３５°の間にあることが好ましい。
【０００９】
酸素供給出口は、軸線Ｘに対して５°ないし１０°の間の角度αで径方向内側に向けて角度が付けられていることが好ましい。
【００１０】
前記酸素供給出口は、軸線Ｘに対して２０°ないし３０°の間の角度Θで傾斜させることが好ましい。一般に、剪断角θが大きくなればなるほど、炎の全体の長さは長くなり、逆に、剪断角θが小さくなればなるほど、炎の全体の長さは短くなる。
【００１１】
特定の効果的な構造において、前記バーナーは、前記燃焼室内の燃料出口及び酸素出口の軸方向位置を変えるための手段を備えている。それによって、前記バーナーの放出パターンを変えることができる。前記燃料及び酸素供給手段は、例えば、前記燃焼室内のバーナープレートに取り付けることができる。前記バーナープレートは、軸線Ｘに沿って軸線方向に変位可能であり、それによって、前記燃焼室内での前記燃料出口及び酸素出口の前記軸線に対する位置を変えることができる。
【００１２】
前記燃料出口は、燃料油出口を備えることができる。また、前記酸素供給手段は、酸素、空気、または、酸素の含有率が高い空気を供給できる。
【００１３】
ある用途においては、燃焼のために、空気や酸素の含有率が高い空気を追加的に供給することが効果的である。これは、前記酸素出口の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて複数の空気出口を設けることによって達成することが好ましい。前記空気出口は、軸線Ｘに対して径方向内側に向けて空気流を案内するように形成され、また、軸線Ｘに対して空気流を送出するように形成されている。前記空気出口は、前記酸素出口同じ方向に傾斜することが好ましい。
【００１４】
本願発明は、また、上述したようなバーナーを操作する方法を提供するものである。前記方法は、
（ａ）層流となっているまたは実質的に層流になっている比較的高い速度の燃料の流れが生じる態様で、燃料を前記燃料供給手段から流出させ、また、前記燃焼室の第２の端から放出させるように前記燃料を案内するステップと、
（ｂ）比較的低い速度の酸素の流れを生じる態様で、前記酸素供給手段から酸素を流出させるステップとを備えており、前記酸素の流れは、前記長手方向の軸線Ｘに収束し且つ前記長手方向の軸線の周囲で循環（回転）し、それによって、前記酸素の流れは第１の上流ゾーンで前記燃料の流れに交差し、前記第１の上流ゾーンで燃料の含有率が高い領域が生成され、また、燃料の含有率が低い領域を生成する態様で、前記燃料の流れの下流ゾーン内に任意の残りの酸素が導入される。
【００１５】
前記ステージングポイントでの前記燃料の速度と前記酸素の速度とを概ね等しくして、混合を高め、それによって、燃焼が最適になり（且つエミッションが最小になり）、及び／または、炎の全体の形状や長さを変えることができるように、前記バーナーを作動させことが最も好ましい。これは、前記バーナーの出口での酸素の速度と燃料の速度の比を、１：１から約１０：１（効果的には約２：１）の間で変えることによって達成することができる。
【００１６】
本願発明は、添付された図面のみを参照した具体例によってより詳細に説明される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１の例によって示されている酸素−燃料バーナー１０は、管状または円筒形状の被筒（すなわち、ジャケット）１２を備えている。被筒１２は、第１の入口端１２ａと、燃焼炎を放出するための第２の出口端１２ｂと、長手方向の軸線Ｘとを有している。酸素−燃料バーナー１０は、また、第１の入口端１２ａと第２の出口端１２ｂとの間で伸長する中心燃料供給管１４を備えている。第２の出口端１２ｂで、中心燃料供給管１４は、図２ないし図６に最も良く示されているステンレス鋼製のバーナーブロック１６に連結されている。中心燃料供給管１４は、軸線Ｘの実質的に中心に位置決めされた中心出口１８で終端している。中心出口１８は、概ね発散している（換言すれば、放射状に広がっている）円錐形内面２０を有している。燃料が中心出口１８から流出するとき、燃料は円錐形内面２０上を通過する。また、複数の酸素出口２２が、バーナーブロック１６に設けられている。酸素出口２２は、中心出口すなわち燃料供給出口１８の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて設けられ、第２の出口端１２ｂに向けて径方向内側に角度が付けられ伸長し、また、軸線Ｘに対して傾斜しており、それによって、酸素は、円錐状にスワールしながら収束するように（すなわち、 一点に向かって集まるように）流れる（換言すれば、渦を巻きながら円錐形状になるように収束して流れる）。この酸素の流れは、第１の上流ゾーンＺ１において燃料の流れに交差する。図１をもう一度参照すると、前記酸素供給手段は、さらに、被筒（ジャケット）としてのハウジング１２と中心燃料供給管としての燃料供給ダクト１４との間に形成される通路２４を備えていることが理解される。酸素は、入口２６を通して供給され、次いで、通路としてのダクト２４に沿って案内される。それによって、酸素は、バーナーブロックとしてのバーナープレート１６の後部面１６ａに直面する。その後部面１６ａで、酸素は、複数の酸素供給出口２２内に入り込む。酸素供給出口２２は、各々、円錐形内面すなわち円錐面２０内に位置決めされた箇所（ポイント）で終端する。
【００１８】
「概ね発散する」円錐形内面２０は、事実上、発散する（放射状に広がる）２つの円錐面２０ａと２０ｂ（図２参照）とを備えている。上流側の円錐面２０ａは、下流側の円錐面２０ｂよりも軸線Ｘに対して大きな角度で発散している（２つの円錐面２０ａと２０ｂとの間の角度は、βとなっている）。図２において、βは、おおよそ２３°になっており、軸線Ｘに対する円錐面２０ｂの発散角度φは、約３５°になっている。円錐面２０ａと２０ｂは、（図に示されているように、酸素供給出口２２の中心点の周囲に沿うような）酸素供給出口２２に隣接していることが好ましい円に沿って境を接している。
【００１９】
作動時、液体燃料のうち少なくてもある量の液体燃料が、上流側の円錐面２０ａに沿って流れ、その後、下流側の円錐面２０ｂとの接合部で、上流側の円錐面２０ａから離れる。それによって、上流側の円錐面２０ａから離れた液体燃料は、液体燃料の本流内への導入が遅れ、これによって、液体燃料と酸素との混合を高めることができる。
【００２０】
図２から、酸素出口２２は、各々、軸線Ｘに対して５°ないし１０°の間の角度αで、径方向内側に向けて角度が付けられているということが理解される。その結果、どの酸素の流れも、燃料供給出口としての燃料排出出口１８の流れに交差するように、径方向内側に向けて案内される。図３の平面図から、各酸素出口２２は、また、軸線Ｘに対して２０°ないし３０°の間の角度Θで傾斜しているということが理解される。図４は、後部面１６ａから円錐形内面２０に伸長する酸素供給出口２２の隠れた通路を点線で詳細に図示している。酸素出口２２の角度と、ノズル２０の発散円錐形状と、酸素と燃料との間の速度比は、大変に重要になっており、エミッションの量と炎の形状とを規定する。さて、特に図２ないし図６を参照すると、３０°ないし４０°（好ましくは、３０°ないし３５°）の間にある下流側の円錐面２０ｂの発散角度φによって、燃料供給出口１８から流出する燃料は、なめらかな態様で伸長するように流れ、実質的に層流状態になる比較的長くて狭い真っ直ぐな流れが生成されるということが理解される。この点が、乱流状態の領域（ｒｅｇｉｍｅ）を生成するように特にねらいをつけた態様で燃料を導入する多くの従来技術の構造と際だった差違である。複数の（酸素供給出口としての）酸素ダクト２２が、軸線Ｘに対して５°ないし１０°の間にある角度αで径方向内側に向けて酸素の流れを案内できるように位置決めされているので、酸素と燃料の流れとの混合が遅らされ、それによって、第１の上流ゾーンＺ１は、実質的に燃料の含有率が高い領域（ｒｅｇｉｍｅ）に維持され、一方、ゾーンＺ２は燃料の含有率が低い領域として維持される。この構造によって、明るい領域の生成が遅らされて、明るい領域はバーナーからおおよそ３００ｍｍないし５００ｍｍ離れた位置で始まるようになり、これによって、バーナーの過熱や炎を放出するバーナーの出口端に隣接する耐熱性材料の過熱を防止することができるという効果が生じる。その結果、この設計により、初期の炎の温度を１２００°Ｃより下に維持することができ、これ故、バーナーの水冷が不要になる。ＩＮＣＯＡＬＬＯＹ、ＣｕｐｒｏＮｉｃｋｅｌ、またはＭｏｎｅｌ４００のような合金を使用し、また、水で冷却することにより、より高温の炎を取り扱うことができる。しかし、キュープロニッケル（ｃｕｐｒｏ−ｎｉｃｋｅｌ）のような、熱伝導率が高く腐蝕の低い材料をバーナー全体に用いることにより、水冷を不要にできる。燃料の含有率が高い第１の上流ゾーンＺ１は、おおよそ３００ｍｍないし５００ｍｍの長さだけ伸長し、第１の上流ゾーンＺ１よりもいくらか大きい第２のゾーンＺ２が開始する箇所で終端している。第２のゾーンＺ２では、主燃焼が行われる。第２のゾーンＺ２の大きさ（範囲）は、角度αを変えることによって、また、当該技術において公知なように被筒（ジャケット）すなわちケーシング１２内でのノズルすなわちバーナープレート１６の引き込み位置を変えることによって、制御することができる。角度αは特定のバーナーの設計に応じて概ね設定されることが理解されるが、バーナープレート１６の位置は、モータ３６（図１）の作動によって軸線Ｘに沿って変えることができる。モータ３６は、順��、燃料供給ダクト１４とバーナープレート１６とを軸線Ｘに沿って軸方向に移動させる。バーナープレート１６が引き込められほど、第２の出口端１２ｂが炎の形状に与える影響が大きくなる。したがって、バーナープレート１６の引き込み量が大きくなるにつれて、スワール効果は減少する。そのようにスワールが減少することによって、関連する炎の長さと再循環とが変化する。これ故に、炎のパターンが変わって、特定の顧客の要求に適合させることができる。バーナーブロック１６が第２の出口端１２ｂと同一平面になるように終端して位置決めされた場合、第２の出口端１２ｂとの間の干渉はほとんど生じない。そうした場合に、炎の形状は、燃料出口と酸素出口とのそれ自身の形状、位置及び角度によってほぼ決まる。
【００２１】
さて、図３及び図４をより詳細に参照すると、酸素出口２２は、また、長手方向の軸線Ｘに対して角度Θで傾斜しており、これによって、酸素流にある程度のスワール（渦巻き）が生じ、この結果、酸素流は、中心の燃料の流れの周囲で矢印Ｒの方向に回転（または、循環）するということが理解されるであろう。２０°ないし３０°（好ましくは、２０°ないし２５°）の間にある角度Θによって、十分なスワールが加えられ、これにより、燃焼ゾーンＺ２において再循環効果が発生する。その結果、望ましくないどの残りの燃焼生成物も再循環され、残りのＯ2と混合して、完全燃焼または実質的に完全燃焼させることができる。したがって、炎が燃焼ゾーンＺ２を出る前に、ＮＯx、ＣＯ及び煤をかなり減らすことができる。
【００２２】
さて、もう一度簡単に図１を参照すると、モータ３６の形態のアクチュエータと、ラック構造体３８と、ピニオン構造体４０とが、燃料供給ダクト１４の末端に設けられており、作動することにより、燃料供給ダクト１４及びバーナープレート１６を軸線Ｘに沿って軸線方向に移動させることができる。それによって、燃焼室内での燃料供給出口１８と酸素供給出口２２との軸線方向の位置を変えることができる。また、これ故に、当該技術において公知なように、バーナーそれ自身の放出パターンを変えることができる。図１のポンプ３４及び４２を作動させることにより、ステージングポイントでの酸素の速度と燃料の速度をおおよそ等しくできるのに十分な速度比と必要な流量とで、燃料及び酸素を燃焼室内に供給できる。実際、酸素供給出口２２と燃料供給出口１８とでの、酸素：燃料の速度比を、１：１ないし１０：１の間にすることにより、図示されたバーナーにおけるステージングポイントでの酸素速度と燃料速度とが等しくなる。この速度比は、おおよそ２：１であることが好ましい。
【００２３】
作動時、本実施例のバーナーは、燃料／酸素の混合の遅延と、流れの層流化（ｌａｍｉｎａｒｉｓａｔｉｏｎ）及び内部再循環とを組み合わせることによって、窒素酸化物の発生を減少させる。そのような方法によって、「ステージング（段階分け：ｓｔａｇｉｎｇ）」され、すなわち、燃焼が２つの領域（第１のゾーンＺ１と第２のゾーンＺ２）で行われる。すなわち、約３００ｍｍないし５００ｍｍの長さの第１の上流ゾーンＺ１は、燃料の含有率が高いゾーンとなり、第１の上流ゾーンＺ１よりも大きな第２のゾーンでは、主燃焼が行われる。第１のゾーンＺ１と第２のゾーンＺ２は、それら自身の特性を備えている。第１のゾーンＺ１では、温度が低く、光度も低くなっている。したがって、ＮＯxの発生が防止されると共に、バーナー及び／またはバーナーに隣接する任意の耐熱性材料の過熱が防止される。一方、第１の上流ゾーンＺ１に隣接する第２のゾーンＺ２は、第１の上流ゾーンＺ１よりもやや温度が高くなっている。上述したように、第２のゾーンＺ２の範囲は、酸素供給出口（換言すれば、酸素ポート）２２の角度と、被筒（ジャケット）１２内のノズルバーナープレート１６の後退とによって、制御することができる。第２のゾーンＺ２は大変明るくなっており、燃料の主要な部分が完全燃焼する。その理由の少なくとも一部は、燃料の流れの周囲で酸素がスワールすることによって生じる再循環の影響があるからである。従って、ＮＯxの発生が防止され、形成された煤は、残留することなく燃焼されて、光度が増加する。さらに、ノズルをこのように設計することによって、ノイズレベルを、従来の１２０ｄＢから著しく減少させることができる。
【００２４】
酸素供給出口２２の径方向の角度αによって、混合の遅れ特性が調節され、炎の最初の部分の温度が低くなって、透明な青色となる。傾斜角度φによってスワール量の特性とそれぞれの内部循環の程度が調節されて、炎の煤の量を調整できる。角度αを変化させることによって、炎の長さとＮＯxの発生を制御することができる。一方、角度φを変えることによって、炎の幅と、光度と、ＮＯxの発生に影響が及ぼされる。燃料供給出口１８は、通常のバーナーに対して径方向に大きく、酸素の速度と燃料の速度との間に所望の速度比を少なくとも部分的に与えている。３０°ないし４０°の間、好適には約３０°ないし約３５°の間が好ましい、円錐形内面２０の角度φによって、作動ノイズレベルの減少と共に、広範囲に流れる（すなわち、幅広く折り返して流れる）炎を安定化させる。
【００２５】
本願発明の別の実施例が図７ａないし図７ｃに図示されている。図７ａないし図７ｃにおいて、既に説明した要素と同じ要素は、プライム記号によって示されている。
【００２６】
空気または酸素の含有率が高い空気を燃焼領域に供給するための複数の空気出口５０が、酸素出口２２’の周囲で円周方向に沿って間隔をあけて設けられている。空気出口５０は、軸線Ｘに対して内側に向けて角度が付けられている。しかし、その角度は、αよりもいくらか小さくなっている。その結果、空気出口５０は、第１のゾーンＺ１と第２のゾーンＺ２（図５参照）との交差部分に向けて収束している。空気出口５０は、また、酸素出口２２’と同じ方向に傾斜しており（図７ｂ参照）、これにより、空気出口５０からの空気が、酸素出口２２’の傾斜によって生成されるスワールに加えられる。酸素出口２２’の傾斜と反対の方向に空気出口５０を傾斜させることも、乱流をさらに増進させる上で同様に効果的である。
【００２７】
図７ａの実施例において、燃料供給手段は、キャップアセンブリ５２ａ（そのキャップアセンブリ５２ａの前端は、第１の発散円錐面２０ａ’を提供している。）を備えている。キャップアセンブリ５２ａは、軸線Ｘと同軸になっており、バーナーブロック１６’内に解除可能に取り付けられている。これは、キャップアセンブリ５２ａを迅速に取り替える場合に特に有効な構造である。メンテナンスが必要な場合、修理が必要な場合、あるいは、バーナーに供給される燃料のタイプを変えるときに所望される可能のある第１の発散円錐面２０ａ’の角度を変える必要がある場合に、キャップアセンブリ５２ａが取り替えられる。図７ｃにおいては、例えば、他のキャップアセンブリ５２ｂが示されている。キャップアセンブリ５２ｂにおいては、軸線Ｘに対する第１の発散円錐面５４の角度は、軸線Ｘに対する第２の面２０ｂ’の角度βと同じになっている。そのような構造は、ガス状の燃料を燃焼させる場合に適切である。ガス状の燃料の場合、円錐形内面から燃料を強制的に引き離すために、円錐形内面に不連続的な構造を設ける必要はないからである。
【００２８】
当該技術において公知なように、特定の用途のために燃焼工程を精巧に調節するために、バーナー内に流入しまたはバーナーから流出する燃料、酸素、及び空気の流れを変えるための手段が設けられている。
【００２９】
一般的なバーナーは、２１％の酸素（すなわち、空気）が供給されるとき、通常、長く「ゆったり流れる  （ｌａｚｙ）」炎が生成され、１００％の酸素が供給されるとき、乱流の激しい長さの短い炎が生成される。我々は、試験で、酸素の含有率が高いレベルにある全範囲にわたって、本願発明のバーナーは炎の特性（特に、炎の長さ及び幅）を実質的に一定にできるということがわかった。酸素の含有率が高い範囲にわたるとき唯一認識できる変化は、炎の温度と、光度だけであった。
【００３０】
上述した効果に加えて、本願発明に係わるバーナーは、特に、鉄金属と非鉄金属を溶解する用途やガラス製造のような溶融用途に適合しており、また、概ね製鋼での使用に適合しており、さらに、特に、電気アーク炉での使用に適合している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明を具体化した酸素−燃料バーナーの一部破断した斜視図である。
【図２】図２は、図１に図示されたバーナーブロックの横断面図である。
【図３】図３は、図２において矢印Ｔの方向で見た平面図である。
【図４】図４は、図２において矢印Ａの方向で見たバーナーブロックの端面図である。
【図５】図５は、バーナーブロックの別の横断面図であり、バーナーブッロクに関連した流れパターンを図示している。
【図６】図６は、図５において矢印Ｗの方向で見たバーナーブロックの端面図である。
【図７】図７ａは、本願発明に係わるバーナーブロックのさらに別の実施例の横断面図である。図７ｂは、図７ａのバーナーブロックの端面図である。図７ｃは、ガス状の燃料を燃焼できるように変更した図７ａ及び図７ｂのバーナーブロックの横断面図である。
【符号の説明】
１０  酸素−燃料バーナー
１２  ジャケット（被筒、ケーシング、またはハウジング）
１２ａ  第１の入口端              １２ｂ  第２の出口端
１４  中心燃料供給管（燃料供給ダクト）
１６  バーナープレート（バーナーブロック）
１６ａ  後部面
１８  中心出口（燃料排出出口、燃料供給出口）
２０  円錐形内面（円錐面）      ２０ａ  上流側の円錐面
２０ｂ  下流側の円錐面          ２０ａ’  第１の発散円錐面
２０ｂ’  第２の発散円錐面
２２  酸素出口（酸素ダクトまたは酸素供給出口）
２２’  酸素出口                  ２４  通路（ダクト）
２６  入口                        ３４  ポンプ
３６  モータ                      ３８  ラック構造体
４０  ピニオン構造体              ４２  ポンプ
５０  空気出口                    ５２ａ  キャップアセンブリ
５２ｂ  キャップアセンブリ        ５４  第１の発散円錐面５４
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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