(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントガスジェットを発生させるための方法であって、
（Ａ）ランスフェースを有し且つ該ランスフェース位置で射出容積内の再循環帯域と流通するランスに格納した少なくとも１つのノズルから、少なくとも１つのガスジェットを前記射出容積内の再循環帯域に送ること、
（Ｂ）ランスフェースの、前記ノズルの周囲の凹所内に液体燃料を送ること、
（Ｃ）モチーフガスを凹所に送り込み該凹所内に液体流れを発生させて該液体流れを霧化し、霧化した該液体燃料を、ガスジェットに対して環状をなす状態で凹所から射出容積内の再循環帯域に送ること、
（Ｄ）射出容積内の再循環帯域に酸化体を送り込み、該酸化体と、霧化した液体燃料とを燃焼させてガスジェットの周囲に火炎シュラウドを発生させること、
を含む方法。
【請求項２】
モチーフガスが酸素を含むようにした請求項１の方法。
【請求項３】
１つのノズルから射出容積内に１つのガスジェットが提供される請求項１の方法。
【請求項４】
液体燃料が燃料油を含むようにした請求項１の方法。
【請求項５】
ガスジェットが超音速下に射出容積内に提供される請求項１の方法。
【請求項６】
凹所内の液体燃料の流れが旋回流れであるようにした請求項１の方法。
【請求項７】
液体燃料がランスフェースと実質的に平行方向で凹所内に送られる請求項１の方法。
【請求項８】
モチーフガスが、凹所の底部の垂直線に関して６０°までの角度で提供される請求項１の方法。
【請求項９】
モチーフガスが音速下に凹所内に提供される請求項１の方法。
【請求項１０】
コヒーレントジェットランス装置であって、
（Ａ）ランスフェースを有し、該ランスフェース位置に開口を有する少なくとも１つのノズルを有するランスと、
（Ｂ）該ランスの、ノズルの単数或いは複数の開口の周囲における凹所と、
（Ｃ）液体燃料を凹所に提供するための手段と、モチーフガスを凹所内に提供し、該凹所内で液体燃料を霧化させるための手段と、
（Ｄ）凹所の半径方向外側に位置決めした、ランスから酸化体を送り出すための手段と、
（Ｅ）ランスフェースから伸延し、凹所の半径方向外側でランスに位置決めされた延長部と、
を含むコヒーレントガスジェットランス装置。
【請求項１１】
凹所が、単数或いは複数のノズル開口の周囲を完全に取り巻く請求項１０の装置。
【請求項１２】
凹所が、６．３５ミリメートル〜５０．８ミリメートルの範囲内の深さを有する請求項１０の装置。
【請求項１３】
モチーフガスを凹所内に提供するための手段が、該凹所の垂直線に関して６０°までの角度で凹所内に提供する請求項１０の装置。
【請求項１４】
液体燃料を凹所に提供するための手段が、ランスフェースと実質的に平行な方向で凹所内に液体燃料を提供する請求項１０の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にコヒーレントジェット技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体力学上の最近の著しい進歩によって、全初速を実質的に保ちつつもジェット径の増大が極めて僅かである状態下に長距離を移動することのできる、レーザー状のガスジェットを創出するコヒーレントジェット技法が開発された。コヒーレントジェット技法の重要な商業用途は、溶融金属のような液体中にガスを導入することである。これにより、ガスランスを液体表面から遠ざけて安全に作業を行えるのみならず、殆どのガスが液体表面から逸れて液体に入らない従来方法よりも液体に入るガス量が増えるので作業効率もずっと向上する。
【０００３】
コヒーレントジェット技法では１つ以上のガスジェットが火炎エンベロープ或いは火炎シュラウドに包囲され、射出ランスから長距離にわたり単数或いは複数のガスジェットの一貫性が保たれる。火炎シュラウドは酸化体をメタン或いは天然ガスのようなガスと燃焼させることにより発生させる。気体燃料に代えて液体燃料を使用して火炎シュラウドを生じさせることが望ましい場合がある。例えば、気体燃料を定期的に安定入手することができない地域及びあるいは気体燃料コストが液体燃料のそれと比較して高い地域では液体燃料を用いる方が好ましい。残念なことに、コヒーレントガスジェットシステムでは液体燃料をそのまま気体燃料に代替させても、コヒーレントジェットに関して満足できる結果は得ることはできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
火炎シュラウドを発生させるために液体燃料を有効使用するコヒーレントガスジェット発生システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、コヒーレントガスジェットを発生させるための方法であって、
（Ａ）ランスフェースを有し且つ該ランスフェース位置で射出容積と流通するランスに格納した少なくとも１つのノズルから、少なくとも１つのガスジェットを前記射出容積内に送ること、
（Ｂ）ランスフェースの、前記ノズルの周囲の凹所内に液体燃料を送ること、（Ｃ）モチーフガスを凹所に送り込み、該凹所内に液体流れを発生させて該液体流れを霧化し、霧化した該液体燃料を、ガスジェットに対して環状をなす状態で凹所から射出容積内に送ること、
（Ｄ）射出容積内に酸化体を送り込み、該酸化体と、霧化した液体燃料とを燃焼させてガスジェットの周囲に火炎シュラウドを発生させること、
を含む方法が提供される。
【０００６】
本発明の他の様相によれば、コヒーレントジェットランス装置であって、
（Ａ）ランスフェースを有し、該ランスフェース位置に開口を有する少なくとも１つのノズルを有するランスと、
（Ｂ）該ランスの、ノズルの単数或いは複数の開口の周囲における凹所と、
（Ｃ）液体燃料を凹所に提供するための手段と、モチーフガスを凹所内に提供し、該凹所内で液体燃料を霧化させるための手段と、
（Ｄ）凹所の半径方向外側に位置決めしたランスから酸化体を送り出すための手段と、
を含むコヒーレントガスジェットランス装置が提供される。
【０００７】
ここで“ランスフェース”とは、射出容積と接触するランス面を意味し、
“コヒーレントガスジェット”とは、ガスをノズルから射出させることで形成されるガスジェットを意味する。このガスジェットは、ノズルの出口径を“ｄ”とした場合に、少なくとも２０ｄの長さに沿って、ノズルから射出される際の速度及びモーメントプロファイルと類似する速度及びモーメントプロファイルを有する。コヒーレントジェットとは、少なくとも２０ｄの距離に関してはその直径変化が僅かな、あるいは全くないガスジェットであるということもできる。
【０００８】
ここで、“長さ”とは、コヒーレントガスを参照する場合は、ガスを射出するノズルから、コヒーレントガスジェットを衝突させる位置、若しくはガスジェットのコヒーレント性が無くなるまでの距離を意味する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面を参照して詳しく説明する。
図１、２、３を参照するに、矢印１で示されるガス流れが、収斂／拡開ノズルであることが好ましいノズル２を通して送られ、ランスフェース６のノズル開口４を通してランス３を通して射出容積７内に射出されてコヒーレントガスジェット流れ５（以下、単にガス流れ５とも称する）を形成する。ガス流れ５の速度は代表的には毎秒２１０メートル〜９００メートル（７００〜３０００ｆｐｓ）であるが、ランスフェースからの射出時に形成される際のガス流れ速度は超音速であり、少なくとも前述の距離２０ｄにおいて維持されることが好ましい。
【００１０】
図には１つのノズルを通してランスから１本のコヒーレントガスジェットのみを射出させる実施例が例示されるが、本発明を実施するに際しては各ノズルを通してランスから１本以上のコヒーレントガスジェットを射出させることができる。ランスから１本以上のコヒーレントガスジェット射出する場合のコヒーレントガスジェットの数は２〜６本である。
【００１１】
本発明の実施に際してはコヒーレントガスジェットを形成するために有効な任意のガスを使用することができる。そうしたガスには、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、蒸気及び炭化水素ガスが挙げられる。２種或いは３種のガスを含む混合物、例えば空気をそうしたガスとして使用することもできる。
【００１２】
図示されるように、ランス３は、このランス３から外側に伸延してランス３からの液体燃料及びガスを受ける再循環帯域９を形成する延長部８を射出容積７の内部に有することが好ましい。ランス３を出たガスはこの再循環帯域９に軸線方向から入り、コヒーレントガスジェット５を形成する。図３の実施例ではガスはランス３の中心線或いは主軸線と絶対一致する状態下に提供される。ランス３の中心線或いは主軸線は、番号１で示す矢印をランス３の長手方向全体に延長させたものと仮定することができる。
【００１３】
ランスフェースの単数或いは複数のノズル開口４の周囲には、図１に示されるように、これらのノズル開口４を完全に取り巻く円であることが好ましい凹所１０が位置決めされる。ピッチ、タール、任意及び全等級の燃料油、ケロシン、並びにジェット燃料のような液体燃料１１が、少なくとも１つの液体燃料通路１２から成る手段により溝、即ち凹所１０に提供される。一般に１〜１６の燃料通路を使用して凹所１０に液体燃料１１が提供される。液体燃料通路は凹所１０の周囲に等間隔に配置することができる。液体燃料１１は、液体燃料通路１２から一般に毎時１８．９２〜５６７．７５リットル（５〜１５０ｇｐｈ）の範囲内の合計流量下に凹所１０内に提供される。液体燃料はランスフェース６と実質的に平行な方向で液体燃料通路１２から凹所１０に提供され得る。“実質的に平行な”とは、絶対平行状態から±３０°の範囲内の状態を言うものとする。しかしながら、液体燃料は任意の有効角度下に凹所１０に提供され得る。一般に、ランスフェース６はランス３の中心線或いは主軸線と実質的に直交する方向を有する。
【００１４】
１本以上のモチーフガス通路１４を通して凹所１０内にモチーフガス１３が送られる。１本以上のモチーフガス通路１４を使用する場合はこれらのモチーフガス通路１４を凹所１０の周囲に等間隔で配置することが好ましい。モチーフガスは、凹所内部に液体燃料の旋回流れを発生させるに十分な角度下に凹所１０内に好ましく提供される。この旋回流れは、液体燃料を分配し且つ凹所内にカーボンが堆積しない状態を維持する。モチーフガス１３は代表的には、凹所１０の底壁の直角線に関して０〜６０°の範囲内の角度下にモチーフガス通路１４から凹所１０内に提供される。
【００１５】
モチーフガス１３は、一般に毎時５．６６〜１１３．２８標準立方メートル（２００〜４０００ｓｃｆｈ）の範囲内の合計流量下にモチーフガス通路１４から凹所１０内に提供される。本発明の実施に際しては任意の有効なガスをモチーフガスとして使用することが可能であるが、モチーフガスとしては酸化体、例えば空気、空気よりも酸素濃度の大きな酸素富化空気、あるいは、酸素濃度が少なくとも９０モルパーセントの工業用酸素を使用することが好ましい。モチーフガスとして最も好ましいガスは、酸素濃度が少なくとも２５モルパーセントのものである。窒素や蒸気のようなその他のガスをモチーフガスとして使用しても良い。凹所に提供される際のモチーフガスの速度は音速であることが最も好ましい。
【００１６】
モチーフガスを角度を付けて凹所に提供することにより液体燃料に旋回流れが生じ、液体燃料は凹所内で霧化し且つ実質的に一様に分布される。これにより、ガスジェットの周囲に連続的に形成される火炎シュラウドあるいは火炎エンベロープの一体性が増長され、また、凹所の有効性を低下させるところの、溝、即ち凹所１０内でのカーボン堆積が最小化あるいは排除される。溝、即ち凹所１０の深さは代表的には６．３５〜５０．８ミリメートル（０．２５〜２インチ）の範囲内である。
【００１７】
液体燃料とモチーフガスとは射出容積７内、好ましくはこの射出容積７の環状帯域、即ち、ガスジェット５の周囲の再循環帯域９内に送られる。図３に例示する本発明の好ましい実施例ではモチーフガスは酸化体であり、液体燃料及びこの酸化体は再循環帯域９の内部で燃焼してガスジェット５の周囲に火炎エンベロープ１５を形成する。代表的にはランスフェース６から２．５４〜２５．４センチメートル（１〜１０インチ）伸延するランス延長部８を使用することにより、霧化した液体燃料のガス化と、ガス化した液体燃料が燃焼して形成される火炎エンベロープの安定性とが促進される。
【００１８】
空気、酸素富化空気あるいは工業用酸素であり得る二次酸化体あるいはシュラウド酸化体が、ランス３から射出容積７内、好ましくはこの射出容積７の再循環帯域９内に、凹所１０の半径方向外側でランス３に位置決めされた１本以上の二次酸化体提供手段１６を通して提供される。ランス延長部８を使用する場合、このランス延長部８は凹所１０の半径方向外側に位置決めし、且つ、この二次酸化体提供手段１６の半径方向外側に位置決めする。二次酸化体は代表的には毎時１４．１６〜２８３．２０標準立方メートル（５００〜１０，０００ｓｃｆｈ）の範囲内の流量下にランス３から送り出される。二次酸化体は射出容積７内の霧化された液体燃料と混合し且つ燃焼して、代表的には炉帯域であるところの射出容積７の内部でガスジェット５の周囲に火炎エンベロープ１５を形成する。ガスジェット５の周囲の火炎エンベロープ１５は射出容積内にガスジェット５の流れが抜き出されないようにし、かくして、少なくとも前記２０ｄの距離に渡り、ガスジェット５の流速が著しく減少しないようにすると共に、ガスジェット５の流れの直径が著しく増大しないようにする。
【００１９】
図示されたそれと類似する装置を使用して一連の試験が実施された。試験条件及び結果は例示目的上提示されるものでこれに限定しようとするものではない。各試験において、主ガスは純度９９．５モルパーセントの工業用酸素であり、この工業用酸素が、スロート径１５．７ミリメートル（０．６２インチ）、出口径２０．５７ミリメートル（０．８１インチ）、流量毎時１０１９．５４標準立方メートル（３６０００ｓｃｆｈ）、流速毎秒４８７．６８メートル（１６００ｆｐｓ）である収斂／拡開ノズルから再循環帯域内に提供された。液体燃料はＮｏ．２燃料油であり、このＮｏ．２燃料油が毎時１３２．４７リットル（３５ｇｐｈ）の流量下に８本の液体燃料通路を通して凹所内に提供された。モチーフガスは工業用酸素であり、この工業用酸素が毎時２８．３２〜５６．６４標準立方メートル（１０００〜２０００ｓｃｆｈ）の流量下に、８本のモチーフガス通路を通して凹所内に提供された。二次酸化体は工業用酸素であり、この工業用酸素が、毎時２８．３２〜１６９．９２標準立方メートル（１０００〜６０００ｓｃｆｈ）の流量下に、ランスフェースの直径約９７．２ミリメートル（３．８３インチ）の円上の１６個の孔を通して射出容積内に提供された。延長部は内径が（３．５インチ）であり、ランスフェースからの長さは１５２．４ミリメートル（６インチ）であった。こうした条件下に確立されたコヒーレントガスジェットの長さは約１１４．３センチメートル（約４５インチ）であり、この長さは既知の構造を類似条件下でしかし天然ガスを使用して火炎エンベロープを形成した場合に確立されるコヒーレントガスジェットの長さに匹敵するものであった。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００２０】
【発明の効果】
火炎シュラウドを発生させるために液体燃料を有効使用する、コヒーレントガスジェット発生システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランスフェースの好ましい実施例の正面図である。
【図２】本発明を実施するに際して使用することのできるランスフェースを有するランスの好ましい実施例の断面図である。
【図３】作動上対での図１及び図２に例示する本発明の実施例の例示図である。
【符号の説明】
２  ノズル
３  ランス
４  ノズル開口
５  コヒーレントガスジェット流れ
６  ランスフェース
７  射出容積
９  再循環帯域
１０  凹所
１１  液体燃料
１３  モチーフガス
１４  モチーフガス通路
１５  火炎エンベロープ
【図１】
0004133185.tif 000002
【図２】
0004133185.tif 000003
【図３】
0004133185.tif 000004