(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）酸化剤の流路のための第１の導管と、
ｂ）この第１の導管内に位置された、燃料の流路のための第２の導管と、
ｃ）前記第１の導管の前端部に装着された酸化剤用ノズルと、
ｄ）前記第２の導管の前端部に装着された燃料用ノズルと、
ｅ）この燃料用ノズル内に設けられた燃料のための燃料旋回体とを具備し、この燃料旋回体は、前記燃料用ノズル内の燃料により、燃料用ノズル内で空気力学的に中心付けされる細長い部材を有し、
この細長い部材は、捩じられたドリルを有し、
前記燃料用ノズルは、後方に向かうのに従って外方に広がるようにテーパが形成された後部を備えたボアを有し、また、前記捩じられたドリルは、前記ボア内に位置しており、そして、前記燃料旋回体は、捩じられたドリルの後端部近くに配置された支持体を有し、この支持体は、前記テーパが形成された後部内に配置されていることを特徴とする低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項２】
前記細長い部材は、これの長手方向の一部に沿う少なくとも１つの螺旋状の溝を有することを特長とする請求項１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ
【請求項３】
前記支持体は、燃料の通過を可能にする、互いに離間した複数の流路用開口が形成されたワッシャー部材を有することを特徴とする請求項１もしくは２の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項４】
前記酸化剤用ノズル内に配置された酸化剤旋回体をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項５】
前記酸化剤旋回体は、螺旋形ばねであることを特徴とする請求項４の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項６】
ａ）入口並びに出口を備えた横方向バー部と入口を備えたステム部とを有するＴ字部材と、
ｂ）このＴ字部材の横方向バー部の出口に装着された、酸化剤の流路のための酸化剤用導管と、
ｃ）この酸化剤用導管内に位置され、前記Ｔ字部材の横方向バー部を通った、前記燃料の流路のための燃料用導管と、
ｄ）前記酸化剤用導管の前端部に装着された酸化剤用ノズルと、
ｅ）前記燃料用導管の前端部に装着され、前記酸化剤用ノズル内に位置された燃料用ノズルと、
ｆ）前記Ｔ字部材のステム部の入口に酸化剤用ラインを接続させるためのカップリングと、
ｇ）前記Ｔ字部材の横方向バー部の入口から延出した、前記燃料用導管の端部に燃料用ラインを接続するためのカップリングとを具備し、
前記燃料用ノズル内に配置された燃料のための燃料旋回体をさらに具備し、
この燃料旋回体は、捩じられたドリルを有し、
前記燃料用ノズルは、後方に向かうのに従って外方に広がるようにテーパが形成された後部を備えたボアを有し、また、前記捩じられたドリルは、前記ボア内に位置しており、そして、前記燃料旋回体は、捩じられたドリルの後端部近くに配置された支持体を有し、この支持体は、前記にテーパが形成された後部内に配置されていることを特徴とする低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項７】
前記Ｔ字部材は、一体的なＴ字形状のパイプであることを特徴とする請求項６の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項８】
前記Ｔ字部材は、溶接により形成されたＴ字形状のパイプであることを特徴とする請求項６の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項９】
前記燃料旋回体は、前記燃料用ノズル内の燃料により、燃料用ノズル内で空気力学的に中心付けされる細長い部材を有することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１０】
前記支持体は、燃料の通過を可能にする、互いに離間した複数の流路用開口が形成されたワッシャー部材を有することを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１１】
前記酸化剤用ノズル内に配置された酸化剤旋回体をさらに具備することを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１２】
前記酸化剤旋回体は、前記燃料用ノズルの周りで、前記酸化剤用ノズル内に配置された螺旋形ばねであることを特徴とする請求項１１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１３】
前記燃料用導管は、細長いチューブを有し、また、前記燃料用ノズルは、高圧アダプターを有することを特徴とする請求項６ないし１２のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１４】
前記酸化剤用導管は、パイプを有し、また、前記酸化剤用ノズルは、雄と雌とのアダプターを有することを特徴とする請求項６ないし１３のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【請求項１５】
前記Ｔ字部材は、入口並びに出口を備えた前記横方向バー部と入口を備えた前記ステム部とを有するＴ字形状のパイプであり、また、前記燃料用導管の周りに装着され、大気から横方向バー部の前記入口をシールするように、横方向バー部の入口に取着された、貫通ボア付の圧縮管継手を有することを特徴とする請求項６ないし１４のいずれか１の低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低燃焼速度の酸素ー燃料バーナに関し、特に、反応炉、レトルト、るつぼ、溶融ガラス分配システム、フィーダ、精練装置等の低燃焼速度の応用分野で使用される低燃焼速度の酸素ー燃料バーナに関する。
【０００２】
【従来技術】
低燃焼速度の酸素ー燃料バーナ（１，０００，０００Ｂｔｕ／Ｈｒ：Ｂｔｕはイギリス熱単位であり、１気圧下で、１ポンドの水を６０°Ｆから６１°Ｆに上げるのに要する熱量）は、多くの形式の加熱応用分野で使用され得る。このようなバーナの特に有用な１つの使用は、ガラス炉の前炉のような溶融ガラス分配システムにおいてである。
【０００３】
ガラス製品の製造において、溶融ガラスが、ガラスをつくるための原料を溶融するガラス溶融炉で形成される。このガラス溶融炉から、溶融されたガラスは、ガラス分配システムを通って、成形機のための処理部もしくはフィーダに供給される。そして、この成形機で、溶融ガラスは、所望のガラス成型品もしくは物品に成形される。
【０００４】
前記ガラス分配システムは、分配チャンネルと、フィーダと、前炉とを有し得る。代表的な前炉は、炉から溶融ガラスを受け取ってガラス処理部もしくは処理機に搬送し、ガラスが搬送されるのに従って、ガラスが処理されるのに適するような状態にするようにデザインされている。一般的に、前炉は、絶縁屋根で覆われた耐火トラフを有し、この耐火トラフに沿って溶融ガラスが流れる。
【０００５】
また、前記前炉は、２つの部分、即ち、溶融ガラスを受入れる冷却セクションと、溶融ガラスを処理部もしくはフィーダに供給する平衡セクションとを有し得る。前記冷却セクションは、溶融ガラスを処理するための所望の温度に冷却もしくは加熱する。しかし、ガラスの温度は、冷却セクションを通る間、断面で見て均一ではないことが知られている。即ち、ガラスは、チャンネルの側壁の冷却作用により、外側で冷たく、中側で熱い傾向がある。このために、ガスバーナのような加熱手段が、ガラスを加熱するように、冷却セクションの側部に設けられている。また、冷却空気が、ガラスを特にその中心部で冷却するように、溶融ガラス上で、前炉の冷却セクションに吹き付けられ得る。このような加熱と冷却との割合を調節することにより、前炉の冷却セクションでのガラスの断面に渡るガラス温度の均一性が改良され得る。
【０００６】
溶融ガラスは、前炉の冷却セクションから平衡セクションの中に流れる。この平衡セクションは、冷却セクションを離れた後のガラスが非常に冷たい場合には、溶融ガラスを、特にその外面を、再加熱する機能を有する。この平衡セクションは、前炉の平衡セクションの壁内に配置されたバーナのような加熱手段により果たされる加熱のみを代表的には使用している。平衡セクション内の温度は、冷却セクションでの温度とは独立して制御される。
【０００７】
前炉システムでのガラスを加熱するための代表的なシステムは、燃料、例えば、天然ガスと燃焼空気とが、これらがバーナに入る前に正しい化学量論比で事前に混合される、前混合形式の燃焼バーナを有する。例えば、米国特許Ｎｏ．５，１６９，４２４は、ガスー空気バーナが前炉を流れる溶融ガラスに熱を与えるような前炉構造を一般的に開示している。また、米国特許Ｎｏ．４，６６２，９２７は、ガラス分配チャンネルを加熱するための前混合燃料ー空気バーナの使用を示唆している。これでは、バーナは、中に同軸的に配置され、燃料ー空気混合物の中に酸化剤を供給するようにバーナの一端から突出したキャピラリーチューブを備えている。
【０００８】
しかし、チャンネルや前炉のようなガラス分配システムのための前混合バーナの使用は、全体的に見て満足できない。即ち、このようなバーナは、燃焼効率が非常に悪く、大きい体積の燃焼ガスのために、関連した射出が非常に高い。さらに、燃焼空気の温度が常時変わるので、全火炎温度に揺らぎが生じる。かくして、処理温度が常時変化してしまう。ほとんどの前炉システムは、１ないし２°Ｆもしくはこれ以下のような狭い範囲でのガラスの高精度の温度制御が必要であるが、空気ー燃料バーナでは、これを達成することが難しい。
【０００９】
前混合空気ー燃料バーナシステムの他の欠点は、非常に限定された応答性（ターンダウン比）であるために、燃料の供給を増減するように温度制御信号に応答したときに、前炉での制御レベルを限定している。この前混合空気ー燃料バーナにおけるターンダウン比、即ち、バーナの低燃焼比で割られたバーナの高燃焼比は、非常に低い前混合空気ー燃料バーナの速度が、フラッシュバックを生じさせるので、せいぜい約４：１であり、一方、速度が非常に高いと、ノズルから火炎を吹き飛ばしてしまう。
【００１０】
このような問題を解決するために、前混合空気ー燃料バーナを１００％酸素ー燃料バーナに交換することが行われている。例えば、米国特許Ｎｏ．５，５００，０３０と、５，４０５，０８２と、５，２５６，０５８と、５，１９９，８６６とは、前炉での適用のための、チューブ・イン・チューブ（２重チューブ）形式の酸素ー燃料バーナの種々の構造を示している。しかし、同心的な燃料ノズルと酸素ノズルとの使用は、低い燃焼速度に対しては、以下に示す幾つかのプロセス的並びに技術的問題がある。
【００１１】
チューブ・イン・チューブ形式の酸素ー燃料バーナ派、環状の酸素流のより囲まれた中心で、燃料リッチ火炎を生じる。この燃料リッチ中心コアは、外側の酸素流と非常にゆっくりと混合され得る。中心を流れる燃料と外側の酸素との間の混合が遅いと、燃料（天然ガス）の一部は、クラック並びに解離が生じて、煤粒子となる。このような煤リッチ燃料は、酸素により後で燃焼されて、高発光性火炎を生じさせる。ほとんどの前炉の設備は、負荷における火炎姿勢を最小にするように放射の変動の少ない非発光性火炎を必要としている。はっきりと見ることのできる放射の発光性火炎は、不均一な加熱と、溶融ガラスでの好ましくない温度勾配とを生じる。前炉のバーナ火炎の目的は、非発光性火炎から熱火炎ガスを単に与えることであり、この熱火炎ガスは、紫外線並びに赤外線波長の均一な熱フラックスを前炉構造体に与えることが可能である。溶融ガラスへこの熱を与えることにより、間接的で均一な加熱がなされ、発光性火炎での火炎とガラスとの直接の加熱がなされない。均一な加熱は、良質の最終ガラス製品を得るに際して、溶融ガラスバスを均一にするために必要である。
【００１２】
さらに、天然ガス用ノズルのための単一の中心孔と酸素用ノズルのための環状流路とを利用したチューブ・イン・チューブ形式のバーナは、非常に長い火炎を生じさせる。しかし、前炉のデザインの観点から、長い火炎は、好ましくない。また、前炉は、比較的狭いチャンネルを有している。対向する耐火壁もしくは構造体に当たることがなしに、非常に長い火炎でバーナを動作させることは難しく、従って、耐火壁もしくは構造体を損傷する可能性がある。さらに、前炉のデザインに応じて、長い火炎は、対向する側壁の対応する位置にバーナを設置させる可能性をなくす場合がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決するための１つの選択は、混合を高めかつ火炎の長さを減じさせるために、非常に早い燃料ー酸化剤速度を有するようにデザインすることである。しかし、この試みは、実用上制限がある。速度を高めるように燃料ノズルの径を細く形成すると、煤粒子もしくは他の粒子状物により、孔が詰まりやすくなる。また、酸素のための環状流路は、燃料用ノズルと酸素用ノズルとの同心性の問題が生じないで、狭くすることは、実用上できない。前述したように、詰まった燃料用ノズルもしくは不均一な環状流路は、揺れる熱フラックスの不安定な火炎を生じ、この結果、加熱プロセス並びに最終製品の質に悪影響を与える。
【００１４】
さらに、レーザドリルにより狭い孔を形成し、また、非常に狭い環状流路を形成するためにマシーン加工された面を使用することは、バーナのために比較的高価な製造コストとなる。大容量のバーナは、多くの前炉の適用分野で必要とされており、また、バーナのための比較的高い製造コストは、このような適用分野での使用に対して非常に高価となる。経済的な観点から、比較的安価で短く、非発光性の火炎を発生させる能力を有する簡単なバーナは、前炉の応用分野で広範囲に使用するために必要である。
【００１５】
上記観点から、本発明の目的は、改良された低い燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。
本発明の他の目的は、小型の反応炉、レトルト、るつぼ、炉、前炉、並びに精練装置等の低い燃焼速度の応用分野で使用される改良された低燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、溶融ガラス分配システムで使用される低燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、比較的安価に製造できる低燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、非発光性火炎から熱い火炎ガスを生じさせる、溶融ガラス分配システムで使用される低燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。  さらなる本発明の目的は、分配システム内で均一な熱フラックスを発生させることの可能な、溶融ガラス分配システムで使用される低燃焼速度の酸素ー燃料バーナを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係わる酸素ー燃料バーナは、酸化剤の流路のための第１の導管と、この第１の導管内に位置された、燃料の流路のための第２の導管と、前記第１の導管の前端部に装着された酸化剤用ノズルと、前記第２の導管の前端部に装着された燃料用ノズルと、この燃料用ノズル内に設けられた燃料のための燃料旋回体とを具備し、この燃料旋回体は、前記燃料用ノズル内の燃料により、燃料用ノズル内で空気力学的に中心付けされる細長い部材を有する。この細長い部材は、捩じられたドリルを有し、  前記燃料用ノズルは、後方に向かうのに従って外方に広がるようにテーパが形成された後部を備えたボアを有し、また、前記捩じられたドリルは、前記ボア内に位置しており、そして、前記燃料旋回体は、捩じられたドリルの後端部近くに配置された支持体を有し、この支持体は、前記にテーパが形成された後部内に配置されている。
【００２０】
本発明の他の態様に係わる酸素ー燃料バーナは、入口並びに出口を備えた横方向バー部と入口を備えたステム部とを有するＴ字部材と、このＴ字部材の横方向バー部の出口に装着された、酸化剤の流路のための酸化剤用導管と、この酸化剤用導管内に位置され、前記Ｔ字部材の横方向バー部を通った、前記燃料の流路のための燃料用導管と、前記酸化剤用導管の前端部に装着された酸化剤用ノズルと、前記燃料用導管の前端部に装着され、前記酸化剤用ノズル内に位置された燃料用ノズルと、前記Ｔ字部材のステム部の入口に酸化剤用ラインを接続させるためのカップリングと、前記Ｔ字部材の横方向バー部の入口から延出した、前記燃料用導管の端部に燃料用ラインを接続するためのカップリングとを具備し、 前記燃料用ノズル内に配置された燃料のための燃料旋回体をさらに具備し、この燃料旋回体は、捩じられたドリルを有し、前記燃料用ノズルは、後方に向かうのに従って外方に広がるようにテーパが形成された後部を備えたボアを有し、また、前記捩じられたドリルは、前記ボア内に位置しており、そして、前記燃料旋回体は、捩じられたドリルの後端部近くに配置された支持体を有し、この支持体は、前記にテーパが形成された後部内に配置されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図、特に、図１示すように、本発明の酸素ー燃料バーナ１０は、酸化剤用導管１２と、この酸化剤用導管１２内に同心的に配置された燃料用導管１４とを有する。酸化剤用導管１２の前端部には、酸化剤用先端部、即ち、酸化剤用ノズル１６が設けられており、このノズル１６を通って酸化剤は、吐出される。燃料用導管１４の先端部には、燃料用先端部、即ち、燃料用ノズル１８が設けられており、このノズル１８を通って酸素は、排出される。
【００２２】
さらに、前記酸化剤用導管１２は、好ましくは商業的に入手可能な、ステンレススチールのパイプで形成され、雄ねじが外周面に形成された後端部２２を有するチューブ形状のパイプ２０を有する。この後端部２２は、Ｔ字部材２８の横方向バー部の一端で、出口部２６の雌ねじが形成されたボア２４の中にねじ込まれている。このＴ字部材２８は、好ましくは、標準の商業的に入手可能な、雌の一体的にＴ字パイプである。別のデザインとして、Ｔ字部材２８は、標準の商業的に入手可能な、雌の溶接されたＴ字パイプでありまた、前記酸化剤用導管１２は、後端部にねじが形成されていない真っ直ぐなパイプで良い。この酸化剤用導管１２の前端部３０には、外周に雄ねじが形成されており、これには、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６がねじにより接続されている。このねじは、パイプねじでもマシーンねじでも良い。
【００２３】
前記燃料用導管１４は、前記酸化剤用導管１２内にこれと同心的に配置された細長いチューブ状部材３２を有する。そして、この燃料用導管１４は、好ましくは、ステンレススチールのチューブであり、酸化剤用導管１２の内径よりも小さい外径を有する。この結果、燃料用導管１４と酸化剤用導管１２との間には、軸方向に延びた環状の酸化剤用流路３４が形成されており、この中を酸化剤が流れる。
【００２４】
前記燃料用導管１４は、前記Ｔ字部材２８を貫通し、Ｔ字部材２８の横方向バー部の入口３６の所から延出している。貫通孔を有する圧縮管継手３８が、酸化剤用導管１２を囲むようにして、Ｔ字部材２８の横方向バー部の入口３６の内周面に形成された雌ねじに螺合されている。この圧縮管継手３８は、燃料用導管１４の外周面とＴ字部材２８の入口３６との間の領域がシールされるように、燃料用導管１４の外周面に対して密な圧縮シールをなしている。この結果、Ｔ字部材２８の入口３６は、大気に対して効果的にシールされている。代わって、貫通孔を有する溶接された圧縮管継手が、前記管継手３８の代わりに使用され得、管継手３８とＴ字部材２８との間の接続は、溶接によりなされ得る。
【００２５】
前記Ｔ字部材２８の横方向バー部の入口３６から突出した燃料用導管１４の後端部には、燃料用導管１４を燃料用ライン４４にクイックに、即ち迅速に接続する接続体４０が装着されている。この接続体４０の一方の部品は、チューブ状の圧縮管継手４１により前記燃料用導管１４に接続されている。そして、接続体の他方の部品４２は、燃料用ライン４４に螺合されている。この接続体４０は、接続されているときに、燃料用ライン４４をバーナ１０に装着させるように機能する。この燃料用ライン４４は、適当な燃料源（図示せず）に接続されている。
【００２６】
前記酸化材用導管１２を酸化材用ライン５０にクイックに、即ち迅速に接続する別の接続体４６は、図１に示されるように、Ｔ字部材２８のステム部のねじ付き入口４８の中に螺合されている第１の部品４７を有する。代わって、溶接接続体が溶接Ｔ字部材に溶接され得る。この接続体４６の第２の部品４９は、酸化剤用ライン５０に螺合されている。この酸化剤用ラインの他端部は、適当な酸化剤源（図示せず）に接続されている。かくして、この接続体４６の２つの部品４７，４９が接続されているときに、接続体４６は、酸化剤用ライン５０をバーナ１０に装着させるように機能する。前記両接続体４０，４６は、好ましくは、標準の商業的に入手可能なステンレススチール製の接続体で良い。
【００２７】
前記酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６は、図２に示すように、雌ねじが形成されたカウンターボア５２を有し、前記酸化剤用導管１２の前端部３０の雄ねじに螺合されている。小径のボア５４が、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６の先端部に、これと同心的に形成されている。この小径のボア５４は、大径の前記カウンターボア５２よりも小さい内径を有し、このボア５２と連通している。好ましくは、この酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６は、上述した形状で、商業的に入手可能で、標準の雄ねじと雌ねじとの結合アダプターを構成している。そして、この酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６は、同様のねじが形成された、酸化剤用導管１２の先端部３０と螺合するように、パイプねじもしくはマシーンねじが形成され得る。
【００２８】
前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８は、前記燃料用導管１４の前端部に装着され、前記酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６の小径ボア５４内にこれと同心的に位置された細長いノズル部材５６を有する。この細長いノズル部材５６は、これを貫通するように延びた円形断面の軸ボア５８を有する。この軸ボア５８の後端部は、円錐台形を規定しているテーパ面６０によって、外方に広がっている。この燃料用先端部、即ち、ノズル１８は、燃料用導管１４の前端部に装着するための圧縮管継手を有し、好ましくは、標準の商業的に入手可能なステンレススチールの高圧縮アダプターである。この高圧縮アダプターは、前記ボア５８とテーパ面６０が形成されたノズル部材５６と、圧縮管継手６２とを有する。
【００２９】
前記燃料用導管１４のための中心付け部材６４が、酸化剤用導管１２内で、燃料用導管１４の前端部に設けられている。この中心付け部材６４は、好ましくは、燃料用導管１４に前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８を装着するのに使用される圧縮管継手６２の部品である六角ナットである。この中心付け部材６４は、酸化剤用導管１２の内径よりも僅かに小さい最大外径を有する。この結果、中心付け部材６４は、酸化剤用導管１２内に適合するように設けられ、酸化剤用導管１２に対して同心的なアラインメントで燃料用導管１４を維持する支持体として機能する。また、この中心付け部材６４は、酸化剤を流すために、軸方向流路３４を連続させなければならない。このような連続した流路を、図３に示されるように、六角ナット６６は、これの断面形状によって、固有的に、維持している。
【００３０】
燃料に螺旋流を生じさせるための燃料旋回体６８が、前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８のボア５８内に配置されている。この燃料旋回体６８は、これがボア５８内で流体力学的に支持され、燃料旋回体６８に沿って燃料がボア５８内を流れるのに従って、自身で中心付けするように、空気力学的な形状を有する。この燃料旋回体６８は、燃料がボア５８内を軸方向に燃料旋回体６８に沿って流れて燃料用先端部、即ち、ノズル１８から出るのに従って、燃料に回転動を与えるように、軸方向に延びた少なくとも１つの螺旋溝、即ち、チャンネル７０を備えた細長い部材の形状である。この燃料旋回体６８の前端部に設けられた支持体７２は、前記ボア５８のテーパ面６０と係合して、燃料旋回体６８を軸方向前方に移動しないように支持している。
【００３１】
特に、図４並びに５に示されるように、前記燃料旋回体６８は、好ましくは、前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８のボア５８の内径よりも小さい所定の外径の標準的な捩じられたドリル７４を有する。この燃料旋回体６８の螺旋溝、即ち、チャンネル７０は、捩じられたドリル７４の通常の溝（１もしくは複数）７６により形成されている。このチャンネルは、燃料が捩じられたドリル７４に沿って軸方向に移動するのに従って、ドリルの回りで旋回動を燃料に生じさせる。
【００３２】
前記支持体７２は、好ましくは、燃料を通す複数の開口８０が互いに所定間隔を有して環状に配置された標準の留めワッシャー７８の形態である。この留めワッシャー７８は、捩じられたドリル７４が貫通した中心ボア８２を有する。また、この留めワッシャー７８は、中心ボア８２から径方に外方に延び、互いに周方向に離間した複数のスリット８４を有する。これらスリットは、捩じられたドリル７４が装入されたときに、捩じられたドリル７４を把持するばねフランジ８６を形成し、中心ボア８２の回りの領域は、捩じられたドリル７４を弾性的に支持する。浅い環状溝（図示せず）が、捩じられたドリル７４の外周面に形成され得る。この溝中に、留めワッシャー７８が捩じられたドリル７４に装着されたときに、ばねフランジ８６の自由端部が入り込む。
【００３３】
留めワッシャー７８が装着された捩じられたドリル７４は、留めワッシャー７８の前面がボア５８のテーパ面６０と対面するように位置されるように、前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８のボア５８内に配置される。留めワッシャー７８は、溝７６の後端部の後方の所で、捩じられたドリル７４に装着され、また、捩じられたドリル７４に沿って長手方向に位置される。この結果、留めワッシャー７８がボア５８のテーパ面６０に対面するように位置されるようにして、捩じられたドリル７４が前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８内に組み入れられたときに、捩じられたドリル７４の先端部８８は、燃料用先端部、即ち、ノズル１８の前端部９０の前端面と同一面となるように位置される。
【００３４】
酸化剤に螺旋動を与えるための酸化剤旋回体９２が、酸化剤用導管１２の前端部の所で、前記酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６内に設けられている。この酸化剤旋回体９２は、好ましくは、所望のワイヤー径と所定の巻き数とを有する通常の螺旋ばね部材９４を有する。この螺旋ばね部材９４は、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６のボア５４内に装着されて、前記燃料用先端部、即ち、ノズル１８を囲んでいる。この螺旋ばね部材９４のワイヤー径は、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６のボア５４の内壁と燃料用先端部、即ち、ノズル１８の細長い部材５６の外周面との間の距離と実質的に等しくなるように設定されている。この結果、酸化剤は、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６中を真っ直ぐ流れることが阻止されて、適当な回転力が与えられる。設定ねじ９６が、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６の中へと、これの先端部近くでねじ込まれている。この設定ねじ９６は、螺旋ばね部材９４のための前方ストッパーとして機能する。また、この螺旋ばね部材９４の後端部は、燃料用先端部、即ち、ノズル１８の大径の六角部９８と当接している。
【００３５】
動作において、燃料用ライン４４が適当な燃料源に接続される。この燃料は、天然ガス、メタンガス、プロパンガス等の適当なガス状の炭化水素で良い。また、燃料源は、適当な貯蔵用コンテナーでも良いし、燃料用ラインが引き込まれたパイプラインもしくは燃料用マニホールドに直接接続されても良い。
【００３６】
酸化剤用ライン５０が適当な酸化剤源に接続される。この酸化剤は、２１％ないし１００％の酸素を含む適当な酸化剤で良い。従って、この明細書で使用されている“酸化”もしくは“酸化剤”という用語は、少なくとも２１％の酸素を含むガス状の酸化剤に対してである。１つの酸化剤源は、好ましくは、操業場所で利用でき、適当なコンテナーに収容された、工業等級の酸化剤用である。また、この酸化剤は、空気で希釈された工業上の酸化剤のような他の酸化剤の源から供給され得る。
【００３７】
前記燃料源からの燃料用ライン４４は、第１の接続体（カップリン）４０によってバーナ１０に接続される。また、酸化剤源からの酸化剤用ライン５０は、第２の接続体（カップリン）４６によってバーナ１０に接続される。
【００３８】
ガス状の燃料はライン４４からバーナ１０の中に流れ、燃料用導管１４を通って燃料用先端部、即ち、ノズル１８に流れ、ここからバーナ１０を出る。燃料螺旋体６８は、燃料が先端部１８から出るまでに、燃料に回転もしくは螺旋動を与える。特に、捩じられたドリル７４の形態の燃料螺旋体６８の重量が、螺旋形の溝７６を流れる燃料流により生じる空力的揚力と比較して小さいので、燃料螺旋体６８は、ガス状の燃料流内で空気力学的に支持され、ボア６４内で中心付けられる。
【００３９】
また、前記燃料螺旋体６８は、燃料用ノズルのオリフィスのサイズを減じて、低燃焼速度で燃焼速度を早める機能を有する。かくして、高速の燃料速度が、ノズルに非常に小さいオリフィスを形成するために必要な比較的高価なレザー穿孔もしくはマシーン加工製造方法を必要としないで、比較的低コストで果たされる。さらに、ノズルでの小さいオリフィスの使用は、煤もしくは粒子が詰まる傾向がある。しかし、上述した燃料用先端部、即ち、ノズル１８と燃料螺旋体６８とは、低コストで製造され得、また、煤もしくは粒子による詰まりの可能性を減じる。
【００４０】
酸化剤は、ライン５０からＴ字部材２８の中に流れ、さらに、酸化剤用導管１２の内壁と燃料用導管１４の外壁との間の流路３４の中に、酸化剤用導管１２を通って流れる。酸化剤は、酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６の中を流れてからバーナ１０を出る。酸化剤が酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６中を流れるのに従って、螺旋ばね部材９４の形態の酸化剤旋回体９２は、酸化剤に回転もしくは螺旋動を与え、酸化剤は、バーナ１０の先端部から出る。かくして、旋回して噴射された燃料は、周囲の旋回している酸化剤と混合されて、迅速な燃焼のための良くかき混ぜられた状態となる。比較的大きい火炎が必要な場合には、バーナ１０は、酸化剤旋回体９２を装着しないで、動作され得る。酸化剤旋回体９２がない場合には、バーナ１０は、意図した混合が少ないので、比較的大きい火炎を生じさせる。
【００４１】
上述したように本発明に係わるバーナ１０は、標準の商業的に入手可能な在庫部品で形成され得る。前記Ｔ字部材２８は、標準の商業的に入手可能なパイプ管継手もしくは溶接管継手で良い。前記燃料用導管１４は、１／４，３／８，１／２，５／８，もしくは３／４インチ（１インチは、ほぼ２．５４ｃｍ）の直径を有する標準のステンレススチール製のチューブで良い。酸化剤用導管１２は、好ましくは、３０もしくは４０等級で、１／４，３／８，３／４，１，もしくは１ｘ１／４の呼び寸法の標準のステンレススチール製のパイプで良い。酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６は、標準の雄と雌とのアダプターで良く、また、燃料用先端部、即ち、ノズル１８は、チューブ圧縮管継手を有する標準の高圧アダプターで良い。前記Ｔ字部材２８をシールするのに使用される圧縮管継手３８は、容易に商業的に入手可能な標準のボア付き圧縮管継手で良く、また、接続体４０、４６は、商業的に入手可能な在庫品で良い。燃料チャンネル７０のための捩じられたドリル７４と、酸化剤旋回体９２のための標準の商業的に入手可能な螺旋ばね部材９４との使用は、容易に入手可能な部品の使用である。この結果、バーナの如何なる部品も溶接もしくはマシーン加工しないで良く、コスト的に有効なバーナデザインとすることが可能である。しかし、製造コストがあまり重要でない場合には、Ｔ字部材２８と圧縮管継手３８との接続は、溶接によりなされ得る。これら接続を溶接で行った場合にでも、酸化剤用導管１２への酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６の接続は、好ましくは、ねじによるものであり、また、燃料用先端部、即ち、ノズル１８と燃料用導管１４との間の接続は、異なる流れの状態に適するようにノズル１６，１８を交換するために圧縮管継手によることが望ましい。
【００４２】
一例として、２０００ないし１２０００Ｂｔｕ／Ｈｒ（２ないし１２ｓｃｆｈの燃料流速、並びに４ないし２４ｓｃｆｈの酸化剤流速）の燃焼速度のためにデザインされた特定のバーナ１０は、１２として１／４インチの４０等級で、１／４インチの直径で、０．０３５インチの壁厚のパイプを使用することができる。燃料用先端部、即ち、ノズル１８のために使用される高圧アダプターは、０．０６０インチのボア径を有するＳｗａｇｅｌｏｋ  ＳｎｏＴｒｉｋ  Ｐａｒｔ  ＃ＳＳ−４４１−Ａ−４００で良い。酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６のために使用される雄と雌とのアダプターは、Ｓｗａｇｅｌｏｋ  Ｐａｒｔ  ＃ＳＳ−８−Ａで良い。燃料螺旋体６８は、３／６４インチの直径の捩じられたドリル７４で形成され得る。捩じられたドリル７４の直径と、燃料ノズル１８のボア５８の直径とは、適当な空力揚力が酸化剤用先端部、即ち、ノズル１６のボア５８内で捩じられたドリル７４を完全に中心付けするように、適切な環状の燃料流路を形成している。酸化剤旋回体９２は、７／１６インチの直径であり、５／８インチの長さを有する０．０８０インチのワイヤー径の螺旋ばね体で良い。
【００４３】
上述したように構成されたバーナ１０が、２ないし２ｓｃｆｈの天然ガス燃焼速度と４ないし２４ｓｃｆｈの酸化剤流で燃焼された場合、バーナの火炎は、非発光性で、燃焼範囲に渡って５ないし７インチの長さであった。高いモーメントの酸素−燃料火炎色は、燃焼範囲の下端に少しの黄色いちらつきがある状態で、燃焼範囲全体に渡って青色であった。バーナの燃料用チップと酸化剤用チップとは、接触すると冷たかった。また、天然ガスの噴射流は、チップの出口の所で旋回流れパターンに、明らかに目で見ることができた。軸方向に対して正接の天然ガス噴射流は、外側の旋回した酸化剤と直接混わり、迅速な燃焼のための良い撹拌状態をつくった。このような火炎は、完全燃焼によって、比較的長さが短く、青色を示した。火炎は、捩じられたドリル７４に留められていたが、高い燃焼速度のために、僅かの燃焼がドリルの先端で生じ、ドリルの先端部は、決して熱くなかった。さらに、天然ガス流内で片持ち支持された（吊された）捩じられたドリル７４による軸方向の良好な導伝と対流とにより、燃料用チップは、全燃焼範囲に渡って熱を溜めなかった。捩じられたドリル７４は、これの先端部に火炎が留められているので、安定した火炎を生じさせた。かくして、流体により積極的に中心付けされたドリルの先端部は、非発光性火炎の形成のために必要な旋回流を発生させながら、天然ガス用のオリフィスのサイズを制御するように完全な中心付けを与えると共に、火炎の安定部材として機能した。
【００４４】
上述した特別なバーナは、２０００ないし１２０００Ｂｔｕ／Ｈｒの燃焼速度のためにデザインされているが、本発明のバーナは、１，０００，０００Ｂｔｕ／Ｈｒまでの燃焼速度での燃焼に使用され得る。ファイバーグラスのための前炉で使用されるバーナは、代表的には、３０，０００Ｂｔｕ／Ｈｒ以下で燃焼させ、また、コンテナーガラスのための前炉で使用されるバーナは、１００，０００Ｂｔｕ／Ｈｒ以下で燃焼させる。他の工業上の加熱応用分野において、本発明のバーナは、１，０００，０００Ｂｔｕ／Ｈｒまでの比較的高い燃焼速度での燃焼に使用され得る。
【００４５】
異なる燃焼速度で燃焼させるようにバーナをデザインするためのデザイン原理は、燃料に対して“類似の速度”のアプローチを使用することである。燃料の速度は、燃料の旋回噴射のために、複雑であるので、実際の軸方向の燃料の速度を計算することは難しい。しかし、仮定の軸方向の燃料の速度は、全ての燃料の流れる方向が軸方向であるとみなして、計算することができる。上記例において、燃料用ノズルの出口の所での仮定の軸方向の燃料の噴射速度は、毎秒約４３５フィート（１フィートは、３０．４８ｃｍ）である。この速度は、比較的高い燃焼速度で燃焼させるためのバーナのデザインにおける最大仮定軸方向噴射速度として使用され得る。かくして、酸素用ノズル、燃料用ノズル並びに／もしくは燃料旋回体のサイズは、燃料の流速を上記最大仮定軸方向燃料噴射速度に維持しながら、燃焼速度を高めるために、燃料と酸化剤との体積流速を早くするように選定され得る。
【００４６】
低燃焼速度の本発明の酸素ー燃料バーナ１０は、小型の反応炉、レトルト、るつぼ、炉、溶融ガラス分配システム、フィーダ、精練装置等の多くの形式の工業上の燃焼応用分野で使用され得る。本発明の酸素ー燃料バーナ１０は、前炉や分配チャンネル等の溶融ガラス分配システムに熱を与えるために使用するのに特に適している。
【００４７】
本発明のバーナ１０が使用され得る代表的な前炉１００が、図６に示されている。この前炉１００は、金属製の超構造体１０４により支持され、耐火材で形成されたほぼＵ字形状のチャンネル、即ち、溝形成体１０２を有し得る。この溝構成体１０２は、絶縁性レンガ１０６により囲まれると共に、この上に位置されている。そして、これらレンガは、超構造体１０４により支持されている。
【００４８】
屋根部１０８が、前記チャンネル、即ち、溝１０２を覆っている。この屋根部は、バーナブロック１１２により形成され、互いに対向して位置する側部１１２と、これら側部１１２間に位置する溝１０２の上方で延びている屋根ブロック１１４とを有する。熱絶縁ブロック１１６が、前記屋根ブロック１１４の外周を囲むように設けられている。溶融ガラス１１７は、図示のように、溝１０２に沿って流れ得る。前記屋根ブロック１１４は、溶融ガラス１１７に向かってバーナブロックの中心線以下まで延びると共に、互いに所定間隔離間した２つの突出部１１８を有し得る。これら突出部１１８は、溶融ガラス１１８の流れの中心部上方に位置する中心チャンネル１２０と、を溶融ガラスの流れの側部上方に夫々位置する側方チャンネル１２２，１２４とを形成している。前炉のデザインで代表的なように、冷却空気が、前記中心チャンネル１２０に沿って与えられ得る。
【００４９】
本発明に係わる酸素ー燃料バーナは、各バーナの前端部１２６が各バーナブロック１１２に形成された開口１２８の中に延出するようにして、バーナブロック１１２に装着されている。そして、各バーナ１０の両接続体４０、４６は、夫々燃料用ライン４４並びに酸化剤用ライン５０が接続可能なように、対応したバーナブロック１１２の外側に位置されている。バーナ１０は、溶融ガラスの流れの外側の部分を加熱するように、側方チャンネル１１２の中に延出する、非発光性の火炎を発生させる機能を果たす。
【００５０】
本発明は、特定の実施の形態について上述されたけれども、多くの交換、変形並びに変更が開示された概念から逸脱しないでなされ得る。従って、請求項の精神並びに広い範囲内での全ての交換、変形並びに変更を含むことが意図されている。上述した全ての特許は、参照として記入されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に従って構成された酸素ー燃料バーナを示す一部切欠側面図である。
【図２】  図２は、図１に示すバーナの先端部の拡大部分断面図である。
【図３】  図３は、図２の３−３線に沿って切断された断面図である。
【図４】  図４は、図１に示すバーナの先端部の中に位置される、燃料のための燃料旋回体の拡大側面図である。
【図５】  図５は、図４の５−５線に沿って切断された断面図である。
【図６】  図６は、本発明のバーナが使用され得る前炉を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０…酸素ー燃料バーナ、１２…酸化剤用導管、１４…燃料用導管、１６…酸化剤用ノズル、１８…燃料用ノズル、２８…Ｔ字部材、３８…圧縮管継手、６４…中心付け部材、６８…燃料旋回体、７０…螺旋溝（チャンネル）、７２…支持体、７４…ドリル、９２…酸化剤旋回体。
【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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