(57)【要約】  液中燃焼溶融のためのバーナであって、第１のガス及び第２のガスをバーナの内側で混合し、ノズルを通して混合ガスを放出して、溶融される材料の表面の下側で混合ガスを燃焼させる、バーナ。このバーナは、中空管及び上記管内の静的ミキサを含み、上記静的ミキサは、第１のガス及び第２のガスが管を通って移動する際に第１のガス及び第２のガスを混合する。混合された第１及び第２のガスは、管の上端のノズルを出て点火され、ガラス材料であってよい溶融される材料の表面の下側で火炎を生成する。
2016518576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端及び下端を有する中空管；
前記管を通って前記管の前記上端から出るように第１のガスの流れを送達するための、前記管の内部と連通した第１のガス供給ライン；
前記管を通って前記管の前記上端から出るように第２のガスの流れを送達するための、前記管の前記内部と連通した第２のガス供給ライン；並びに
混合ガスが前記管の前記上端から放出されるように、前記第１のガス及び前記第２のガスが前記管を通って移動する際に前記第１のガスと前記第２のガスとを混合する、前記管内のミキサ
を備える、液中燃焼溶融のためのバーナ。
【請求項２】
前記管の前記上端上にノズルを更に備え、
複数のガス排出口は、前記ノズルを通過して前記管の前記内部と連通し、これによって前記複数のガス排出口を前記混合ガスが通過して、複数の前記混合ガスの噴射が前記ノズルから放出される、請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記ミキサは、前記第１のガス及び前記第２のガスを混合する複数の羽根を含む静的ミキサであり、
前記複数のガス排出口は、前記管の長手方向軸に対して２５°〜６５°の範囲の角度で外向きに傾斜しており、
前記複数のガス排出口は、前記管の前記長手方向軸の周囲に円状に配設され、前記円の接線方向に、垂直に傾斜するか、又はそれぞれ円錐状螺旋のセグメントとして形成される、請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記複数の羽根はそれぞれ、螺旋の一部に近い形状であり、
前記複数の羽根は、螺旋状にねじれた右向きの前記羽根と螺旋状にねじれた左向きの前記羽根とが交互になっている、請求項３に記載のバーナ。
【請求項５】
隣接する前記羽根の前縁部及び後縁部は、互いに対して略垂直である、請求項３又は４に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年２月２８日に出願された米国特許出願第６１／７７０５９３号の優先権の利益を主張するものであり、上記出願の内容は参照によりその全体が本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本開示は液中燃焼溶融に関する。より具体的には、本開示は、液中燃焼溶融のためのバーナに関し、より詳細には、バーナの内側で酸化剤と燃料ガスとを混合する、液中燃焼溶融のためのバーナに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来のガラス溶融炉では、バーナは、溶融炉内のガラス材料（例えばガラスバッチ材料及び後の溶融ガラス材料、又はまとめて「ガラス溶融物」）の表面の上側に配置され、かつガラス溶融物の上面に向けて下向きに配向されている。ガラス溶融炉の熱効率を上昇させるための努力において、バーナは溶融物の表面の下側にも配置され、液中燃焼溶融炉（「ＳＣＭ」）と呼ばれる炉内のガラス溶融物に点火する。ＳＣＭ内において、燃焼の火炎及び生成物（主に二酸化炭素及び水）はガラス溶融物中を進み、かつガラス溶融物に直接接触するため、ガラス溶融物に直接熱が伝達され、その結果従来のガラス溶融炉よりも効率的にガラス溶融物に熱が伝達される。従ってＳＣＭ内では、従来のガラス溶融炉と比べてより多くの燃焼からのエネルギがガラス溶融物に伝達される。ＳＣＭ内のガラス溶融物を通って進む燃焼の火炎及び生成物はガラス溶融物を振盪及び混合するため、従来のガラス溶融炉において典型的に必要とされる機械式ミキサを使用することなく、ガラス溶融物を効果的に混合できる。従来のガラス溶融炉内のガラス溶融物は、機械式ミキサの補助なしでは、ガラス材料の表面の上側のバーナ及び火炎の存在によって有意に攪拌されない。しかしながら、従来のガラス溶融炉内での機械式ミキサの使用には問題がある。ガラス溶融物の高温及び腐食性のために、ガラス溶融炉内の機械式ミキサは高価となり、かつ耐用年数が短い傾向がある。ガラス溶融炉内の機械式ミキサが劣化するにつれて、ミキサ由来の物質はガラス溶融物を汚染する。ＳＣＭは、従来のガラス溶融炉と比べて少ない容量かつ短い時間で、ガラス溶融物を溶融及び均質化できる。ＳＣＭの改善された熱伝達及びより小さなサイズによって、従来のガラス溶融炉と比較してエネルギ消費及び資本コストを低減できる。
【０００４】
従来技術のＳＣＭバーナ１０が図１に示されている。図示したＳＣＭバーナ１０は２つの同心管、即ち中央管１２及び外管１４を備える。中央管１２は燃料ガスＧをノズル１８に送達する。管１２と外管１４との間の管状空間１６は、ノズルから出る燃料ガスＧを燃焼させるために酸素Ｏをバーナに送達する。外管１４は内管１２及び外管１４を取り囲む冷却ジャケット１３の一部を形成する。ノズル１８は中央ガス排出口２２と、中央ガス排出口２２の周囲にリング状に配設された複数の（例えば６穴の）外側ガス排出口２４とを有する。外側ガス排出口２４に通じる通路は、中央管１２の長手方向中心軸から外向きに２５°〜６５°のガス出口角度Ａで傾いている。酸素は外管１４と中央管１２との間に形成された環状の酸素排出口２６を通ってバーナを出る。ガス出口角度Ａ１に沿ってガス排出口２４から出る燃料ガスを、酸素排出口２６から出る酸素に向けて配向してこれと混合することで、ガスは燃焼し、ガラス溶融物（図示せず）に向かって垂直上方に燃えてガラス溶融物を通過する火炎（図示せず）を生成する。ガスがバーナの上端２８に到達する前にガスを酸素と混合できるよう、図１の従来技術のバーナ１０は典型的には、ノズル１８の上部と、外管の上部と同一平面の又は外管１４の上部（及びバーナの上端２８）の下側で約１．５インチ（約３．８ｃｍ）凹んだ中央管１２とを用いて操作される。冷却流体Ｆは冷却ジャケット１３を通って循環し、バーナを冷却する。
【０００５】
図１に示すように、バーナ１０から上述のようなＳＣＭ内のガラス溶融物を通って垂直に進む火炎は、大量のガラス溶融物を取り込み、ガラス溶融物を溶融炉の側部（図示せず）に噴霧する傾向がある。取り込まれたガラス溶融物の一部は溶融炉の排気システムへと噴霧されることさえある。取り込まれたガラス溶融物は、観察窓、センサ位置、排気ダクト等を含む溶融炉及び排気システムの上壁で硬化してこれらを被覆する。取り込まれた溶融ガラス材料はまた、汚染低減システム（バッグハウス、フィルタ等）のフィルタシステム中及びフィルタシステム上で回収されるため、フィルタが詰まることがある。燃焼生成物はガラス溶融物の一部を上向きに飛ばす大きな「バープ（ｂｕｒｐ）」の際にガラス溶融物の表面を突き破ることがあり、これは未溶融及び／又は十分に混合されていない溶融ガラス材料をタップ（図示せず）と呼ばれる溶融炉のガラス出口に向けて飛ばし得る。時折、この未溶融又は十分に混合されていないガラス溶融物の一部は、所望の完全に溶融されて混合されたガラス溶融物と共にタップを出ることがあり、これは極めて望ましくない。図１に示す典型的なＳＣＭバーナにおける高速の燃焼生成はまた、溶融物中に多数の気泡の形成をもたらし得る。多数の用途では、「清澄」段階においてこれらの気泡を除去する必要がある。清澄中、ガラス溶融物から気泡を除去するためにガラス溶融物中で気泡を上昇させるのに十分に高い温度でガラス溶融物を保持しなければならず、大きなエネルギ需要が発生する。このようなＳＣＭバーナはまた、特定のいくつかのガラス組成物を用いて作動させた際に、極めて大きな甲高い音を生成することがある。騒音レベルは、耳栓及び耳あての両方を着用していないと操作者の聴覚に対する大きな脅威を発生させる約９−ｄＢ又は１００ｄＢに到達し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様は、燃料及び酸化物を、ガラス溶融物中に入る前にバーナ内で予備混合することを含む。
【０００７】
本開示のある態様によると：上端及び下端を有する中空管；上記管を通って上記管の上端から出るように第１のガスの流れを送達するための、上記管の内部と連通した第１のガス供給ライン；上記管を通って上記管の上端から出るように第２のガスの流れを送達するための、上記管の内部と連通した第２のガス供給ライン；並びに混合ガスが管の上端から放出されるように、第１のガス及び第２のガスが管を通って移動する際に第１のガスと第２のガスとを混合する、管内のミキサを含んでよい、ＳＣＭ用のバーナについて説明されている。
【０００８】
静的ミキサは、第１のガス及び第２のガスを混合する複数の羽根を含んでよい。複数の羽根はそれぞれ螺旋の一部に近い形状であってよく、螺旋状にねじれた右向きの羽根と螺旋状にねじれた左向きの羽根とが交互になっていてよい。隣接する羽根の前縁部及び後縁部は互いに対して略垂直に配設してよい。
【０００９】
本開示の代替的な態様では、ミキサは、混合ガスが管から出る際に混合ガスを旋回させる静的ミキサであってよい。
【００１０】
本開示の一態様によると、管の上端にノズルを設けてよい。複数のガス排出口はこのノズルを通過して管の内側と連通してよく、これによって混合ガスは複数のガス排出口を通過し、複数の混合ガス噴射がノズルから放出される。本開示の一態様によると、複数のガス排出口は、管の長手方向軸に対して２５°〜６５°の範囲の角度で外向きに傾斜していてよい。複数のガス排出口はまた、管の長手方向軸の周囲に環状に配設してよい。ガス排出口はまた、上記環の接線方向に、垂直に傾斜してよい。上述の静的ミキサは、混合ガスをノズルへと送達するために管内に配置してよい。
【００１１】
本開示の代替的な態様によると、複数のガス排出口は、管の長手方向軸の周囲に環状に配設してよく、またそれぞれ円錐状又は円柱状螺旋のセグメントとして形成してよい。ガス排出口はまた、管の長手方向軸に対して２５°〜６５°の範囲の角度で外向きに傾斜するか、又はおおよそ垂直であってよい。上述の静的ミキサは、混合ガスをノズルへと送達するために管内に配置してよい。
【００１２】
本開示の別の態様によると：溶融プールを収容するための溶融チャンバであって、その壁に形成されたオリフィスを有する、溶融チャンバ；及び溶融チャンバ内に火炎を噴射するためにオリフィス内に位置決めされたバーナを含んでよい、ＳＣＭ装置について説明されている。このバーナは：上端及び下端を有する中空管；上記管を通って上記管の上端から出るように第１のガスを送達するための、上記管の内部と連通した第１のガス供給ライン；上記管を通って上記管の上端から出るように第２のガスを送達するための、上記管と連通した第２のガス供給ライン；並びに混合ガスが管の上端から放出されるように、第１のガス及び第２のガスが管を通って移動する際に第１のガスと第２のガスとを混合する、管内のミキサを含んでよい。上記ミキサは、混合ガスが管から出る際に混合ガスを旋回させる静的ミキサであってよい。上記ミキサは、第１のガス及び第２のガスを混合する複数の羽根を含む静的ミキサであってよい。
【００１３】
管の上端にノズルを配置してよく、複数のガス排出口はこのノズルを通過して管の内側と連通してよく、これによって混合ガスは複数のガス排出口を通過し、複数の混合ガス噴射がノズルから放出される。複数のガス排出口は、管の長手方向軸に対して２５°〜６５°の範囲の角度で外向きに傾斜していてよく、管の長手方向軸の周囲に環状に配設してよく、また上記環の接線方向に、垂直に傾斜してよい。あるいは複数のガス排出口は、管の長手方向軸の周囲に環状に配設してよく、またそれぞれ円錐状螺旋のセグメントとして形成してよい。
【００１４】
本開示の別の態様では、ガラスを溶融させる方法について説明されており、この方法は：ガラス溶融物をガラス溶融チャンバに供給するステップ；第１のガスの流れを提供するステップ；第１のガスと混合された場合に燃焼可能となる第２のガスの流れを提供するステップ；第１のガスの流れと第２のガスの流れとを混合して、燃焼可能な混合ガスの流れを生成するステップ；混合ガスの流れが溶融チャンバに入るにつれて膨張するような様式で、混合ガスの流れを、溶融チャンバ内のガラス溶融物の表面の下側において、溶融チャンバ内へと放出するステップ；及び混合ガスに点火して、溶融チャンバ内のガラス溶融物の表面の下側において膨張する火炎を生成し、ガラス溶融物を溶融させるステップを含んでよい。このプロセスはまた、混合ガスが溶融チャンバに入る際に混合ガスを旋回させるステップを含んでもよい。
【００１５】
以下の詳細な説明において、更なる特徴及び利点について述べるが、その一部は当業者には本説明から容易に明らかとなり、又は以下の詳細な説明、請求項及び添付の図面を含む本出願において説明されているように実施形態を実施することにより、当業者には容易に理解されるだろう。
【００１６】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は単なる例示であり、かつ特許請求の範囲の性質及び特徴を理解するための概観又は構成を提供することを意図していることを理解されたい。添付の図面は更なる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部に組み込まれ、かつこれを構成する。図面は１つ以上の実施形態を示し、説明と共に、様々な実施形態の原理及び作用を説明する役割を果たす。
【００１７】
以下に記載の添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を例示するものであり、本発明はその他の同等に有効な実施形態を許容し得るものであるため、上記図面は本発明の範囲を限定するものと考えられるべきではない。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、特定の特徴及び図面の特定の図は、明瞭化及び簡略化を目的として、縮尺に関して又は図式的に誇張して示されている場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術の液中燃焼溶融炉バーナの側断面図
【図２】本開示の第１の実施形態による液中燃焼溶融炉用のバーナの部分側断面図
【図３】図２のバーナのノズルの斜視図
【図４】図３のノズルの上面図
【図５】図４の線５‐５に沿ったノズルの断面図
【図６】図４の線６‐６に沿ったノズルの断面図
【図７】図２のバーナと共に使用するためのノズルの第２の実施形態の斜視図
【図８】図７のノズルの上面図
【図９】図８の線９‐９に沿ったノズルの断面図
【図１０】図８の線１０‐１０に沿ったノズルの断面図
【図１１】図８の線１１‐１１に沿ったノズルの断面図
【図１２】図２〜１０のバーナ装置を含む液中燃焼溶融システムの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ここで、添付の図面に示されるようないくつかの実施形態を参照しながら、本発明を詳細に説明する。本実施形態の説明では、本発明の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、これらの特定の詳細の一部又は全てを含まずに、及び本明細書に記載されていない追加の又は代替的な詳細又は特徴を含んで、本発明を実施できることは当業者には明らかであろう。他の例では、周知の特徴及び／又は処理ステップは、本発明を不必要に曖昧にしないために、詳細に説明しない。更に共通又は類似の要素を識別するために、同様又は同一の参照番号を使用する。
【００２０】
図２に示すように、本開示の第１の実施形態によるＳＣＭ用のバーナ１００は、閉鎖された下端１１３を有する中空管１１２を含む。管１１２は、管１１２の内部と連通する、下端１１３付近の第１のポート１１４及び第２のポート１１６を含む。他の実施形態では、第１のポート１１４及び第２のポート１１６のうちの１つ以上は、管１１２の閉鎖された下端１１３に配置してよい。ノズル１１８は、管１１２の上端に設置するか又は形成される。静的ミキサ１２０は、管１１２内の第１のポート１１４及び第２のポート１１６とノズル１１８との間に配置される。静的ミキサ１２０は、第１のガス及び第２のガスが管及び静的ミキサを通って移動する際に第１のガスと第２のガスとを混合するよう構成される。
【００２１】
第１のガスの外部源（図示せず）、例えば天然ガス等の燃料ガスの源を、第１のガス供給ライン又は導管（図示せず）によって第１のポート１１４に接続でき、これによって第１のガスの流れを管に供給できる。第２のガスの外部源（図示せず）、例えば酸素等の酸化剤ガスの源を、第２のガス供給ライン又は導管（図示せず）によって第２のポート１１６に接続でき、これによって第２のガスの流れを管１１２に供給できる。当該技術分野においてよく理解されるように、流れ調節器（図示せず）は、第１のガスの流れ及び第２のガスの流れを、それぞれ所望の第１の圧力及び第１の流量並びに所望の第２の圧力及び第２の流量に制御する。冷却流体Ｆは、冷却ジャケット１１３に供給される。
【００２２】
図３〜５に最もよく示すように、本開示の一実施形態によると、ノズル１１８は、管１１２の中心軸の周囲の第１のリング内に配設された複数の内側又は第１のガス排出口１３２（例えば６つの排出口）と、管１１２の中心軸の周囲の第２のリング内に配設された複数の外側又は第２のガス排出口１３４（例えば６つの排出口）とを有してよい。第１のガス排出口１３２は、管１１２の中心軸から外向きに、約４５°である第１の出口角度Ａ１で傾斜していてよい（図６参照）。同様に第２のガス排出口１３４は、管１１２の中心軸から外向きに、約７０°である第２の出口角度Ａ２で傾斜していてよい（図５参照）。
【００２３】
ノズル１１８は、第１の出口角度Ａ１に対して垂直な（あるいは第１の出口角度に対してある角度であってよい）ノズル１１８の第１の円錐台状セクション１４２に配置された、第１のガス排出口１３２、及び第２の出口角度Ａ２に対して垂直な（あるいは第２の出口角度に対してある角度であってよい）ノズル１１８の第２の円錐台状セクション１４４に配置された、第２のガス排出口１３４と共に図示されている。しかしながら、代替としてノズル１１８は第１及び第２のガス排出口両方を含む単一の円錐台状セクションのみを有してもよい。あるいはノズルは単に管１１２の円筒形延長部分であってよく、第１及び第２のガス排出口はノズルの外周表面内に配置される。別の代替実施形態では、ノズル１１８の周囲の単一のリング内だけに配設された６〜１２個の第１のガス排出口のセットが存在してよい。
【００２４】
管１１２を通って移動する第１のガスＧ及び第２のガスＯは、静的ミキサ１２０によって混合され、第１のガス及び第２のガスの混合物は、第１のガス排出口１３２及び第２のガス排出口１３４を通って、第１の出口角度Ａ１及び第２の出口角度Ａ２に沿ってノズル１１８を出る。ノズルを出た混合ガスは点火され、火炎を生成する。この火炎は、第１の出口角度Ａ１及び第２の出口角度Ａ２に沿って、ノズルから離れるようにガラス溶融物内を移動し、これによって火炎は管の中心軸から離れるように燃え上がる。この火炎の燃え上がりによって、燃焼ガスの運動量は、典型的な従来技術のＳＣＭバーナと比較して、より水平に拡散されてガラス溶融物中に広がる。これにより典型的なＳＣＭバーナと比較して、ガラス溶融物を通って進む燃焼ガスの垂直の速度及び運動量が減少し、ガラスの飛散が減少する。ノズル付近で強い火炎を生成するバーナによって、溶融プール中でのコールドフィンガの形成の低減又は排除を補助して、火炎がガラス溶融物中に噴射される地点におけるガラス溶融物の凝固を回避できる。
【００２５】
静的ミキサ１２０は、多様な構成を取ってよい。図２に示す本開示のある実施形態によると、静的ミキサ１２０は、例えばＳｔａＭｉｘＣｏ，ＬＣＣから購入できる、単一部品の螺旋状ねじれ静的又は無運動ミキサ（又は単に螺旋状静的ミキサ）である。螺旋状静的ミキサ１２０は、管１１２の内径を横切るよう直径方向に延在し、かつ管１１２の長手方向軸Ｌの周囲で対称に螺旋状に湾曲した又はねじれた、複数の螺旋状バッフル又は羽根（例えば３つの羽根１２１、１２２及び１２３）で形成される。あるいはこれら羽根は、右向き（羽根１２１、１２３）及び左向き（羽根１２２）に螺旋状にねじれている。隣接する羽根の前縁部及び後縁部は互いに対して略垂直である。静的ミキサを通って流れるガス中で乱流を発生させる非螺旋状の羽根を有する静的ミキサを採用してもよい。例えばＷｅｓｔｆａｌｌ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙが製造しているＷｅｓｔｆａｌｌ  Ｍｏｄｅｌ３０５０静的ミキサを採用してよい。図２に示す湾曲した羽根１２１、１２２及び１２３と同様に配設された、平坦で傾斜した湾曲していない羽根を有する、Ｒｏｓｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇが製造している低圧ドロップ静的ミキサ等の、螺旋に近い形状の羽根を有する静的ミキサを採用してもよい。
【００２６】
動作時、第１のガスＧ及び第２のガスＯは、静的ミキサ１２０の前方又は第１の羽根１２１の対向する側において、管１１２内へと導入される。第１の羽根１２１の後縁部に対して垂直に配設された第２の羽根１２２の前縁部は、第１のガスＧの流れを２つに分割し、また第２のガスＯの流れを２つに分割する。第１のガスの半分及び第２のガスの半分は、第２の羽根１２２の第１の側において混合され、第１のガスのもう半分及び第２のガスのもう半分は、第２の羽根の第２の側において混合される。これと同様に、続いて第３の羽根１２３の前縁部は、第２の羽根１２２を出た混合ガスの流れを分割及び混合し、更に第１のガス及び第２のガスを混合する。ガスの混合を増強するために、４つ以上の羽根を静的ミキサに設けてよい。管を通って流れるガスを繰り返し分割して再統合すると共に羽根によってガスに付与される、交互の螺旋状運動及び／又は乱流は、第１のガスと第２のガスとを効果的に混合する。このようにして、羽根は第１のガス及び第２のガスの混合物を静的ミキサ１２０から出し、ノズル１１８に入れ、第１のガス排出口１３２及び第２のガス排出口１３４から出す。
【００２７】
管１１２、ノズル１１８、静的ミキサ１２０は、例えば３０４、３１２若しくは他の高温ステンレス鋼等のステンレス鋼、例えばＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）等のオーステナイト系ニッケル‐クロム‐鉄合金、融解シリカ等の高温ガラス、又はポリ塩化ビニル若しくはポリイミド等の高温可塑性物質といった、任意の適切な耐熱材料で作製してよい。管の長手方向軸に対する第１のガス排出口１３２及び第２のガス排出口１３４の角度はそれぞれ、４        ５°及び７０°から変化してよい。例えば、第１のガス排出口は、管の中心軸から（例えば垂直方向から）約０°〜約７５°の範囲、又は約４５°の第１の出口角度を画定してよく、第２のガス排出口は、管の中心軸から約４５°〜約９０°の範囲、又は約７０°の出口角度を画定してよい。
【００２８】
本開示のバーナ１１０用のノズル２１８の代替実施形態を、図７〜１１に示す。図２〜６のノズル１１８と同様、ノズル２１８は、約４５°の第１の出口角度Ａ１において複数の内側の第１のガス排出口２３２と、約７０°の第２の出口角度Ａ２において複数の外側の第２のガス排出口２３４とを有する。ノズル２１８は更に、垂直方向から７０°である出口角度Ａ３において、複数の比較的小さなパイロット孔又はガス排出口（例えば１２個の小さなガス用パイロット孔２３６）を有する（図９参照）。ノズル２１８は、管１１２の長手方向軸に対して平行に垂直方向を向いたノズルの上端に、追加の小さなパイロット孔又はガス排出口２３８を任意に含んでよい。この追加の小さなパイロット孔２３８は任意に、垂直方向に対してある角度であってよく、かつ管の垂直軸からオフセットされていてよい。
【００２９】
ガス混合物が、ガスが燃えることができるよりも速くガス排出口を出ることが重要である。ガスが燃えるよりもゆっくりとガスが移動している場合、火炎は排出口内へ、そしてバーナ内へと「火炎が戻る（ｂｕｒｎ  ｂａｃｋ）」ことになり、バーナの爆発を引き起こすおそれがある。天然ガス及び酸素の化学量論的混合物は、約３．４ｍ／秒の速さで燃える。典型的にはガスは、均一でない速度プロファイルでガス排出口から出る。ガス排出口の壁付近のガスは、排出口の中心のガスよりもゆっくりと移動する。従って平均速度が上記値よりも高くなければならない。ガス排出口が相当な長さを有する孔からなる場合、速度プロファイルは、層流条件のための放物線状プロファイルに近づく。排出口の壁付近にクエンチ層を生成することによって、上述のような火炎の戻りは部分的に阻害される。ガスはノズル内のガス排出口の壁付近で燃えるため、燃焼の熱の一部はノズルの金属又はその他の材料中へと失われる。このようなガス排出口の壁付近での火炎の冷却は、火炎又は排出口を出るガス混合物の外周の周囲に「クエンチ層（ｑｕｅｎｃｈ  ｌａｙｅｒ）」を生成し、これは火炎を消す又は抑制する補助となる。化学量論的ガス／酸素混合物に関して、クエンチ層の厚さは僅か約０．０１５ｃｍである。この薄い境界領域又はクエンチ層では、ガス混合物を燃える速度より速く移動させる必要がない。いずれの場合においても、直径０．２５ｃｍのガス排出口における放物線状プロファイルのために必要な速度は、燃える速度の２．２５倍である。乱流条件に関しては、これらの関係はより複雑である。速度プロファイルはより急峻となるが、速度は一定でない。このより急峻な速度プロファイルにより、平均速度を燃える速度より有意に高くする必要が低減される。しかしながら、乱流中のガスの速度の変動性により、必要な平均速度は上昇する。また圧力の上昇により、燃える速度は上昇する。上述のような火炎の戻りを防止するために、安全率及び例えば３０ｍ／秒の最低速度を採用してよい。
【００３０】
混合ガスの大部分は、比較的大きな第１のガス排出口２３２及び第２のガス排出口２３４を通って流れ、混合ガスの僅かな部分は、パイロット火炎を生成するために使用される比較的小さなガス用パイロット孔又は排出口２３６を通って流れる。比較的小さなガス排出口及び比較的大きなガス排出口を通る流れの相対的な速度は、孔の直径及び長さに左右される。直径０．２５ｃｍの比較的大きな排出口／孔及び直径０．１２５ｃｍの比較的小さなパイロット排出口／孔に関して、孔の長さを０．５ｃｍ〜１．５ｃｍと仮定すると、パイロット孔を通る速度は、比較的大きな孔を通るガスの速度より、約１５％遅いだけである。比較的小さなパイロット孔２３６から放出される比較的小さく遅いガス噴射は、比較的大きな排出口／孔２３２、２３４から放出される比較的大きく速い噴射よりも迅速にそのモーメントを失うため、比較的小さなパイロット孔２３６は、火炎の噴出を防止するパイロット火炎を提供する。このような構成を用いると、比較的大きな孔２３２、２３４を通る速度が２２０ｍ／秒を超えていてもバーナ２１８の噴出が起こらないことが分かった。従来技術によるバーナは、空気中で動作させた場合、このように高いガス速度では噴出を起こし得る。本開示に記載のバーナは、ノズル及び管の内部への火炎の戻りを回避するために、排出口のサイズと、排出口を通って流れるガスの速さ／速度との間のバランスを取ることによって、最適化しなければならない。
【００３１】
本開示の代替実施形態（図示せず）では、ＳＣＭバーナは図２に示すような静的ミキサ１２０を含むが、管１１２の上端にノズルを含まない。このような構成における静的ミキサは、管の頂部又はその付近まで延在する。この構成を用いると、第１及び第２のガスは静的ミキサによって混合され、静的ミキサの最後の羽根によって、混合ガスが管の頂部を出る際に混合ガスが旋回する。その結果として、旋回及び膨張する火炎が得られる。
【００３２】
更に別の実施形態では、静的ミキサが配置され、旋回誘発ノズルが管１１２の頂部に設けられる。このような旋回誘発ノズルは、図２の排出口１３２及び１３４並びに図７の排出口２３２及び２３４のようなガス排出口を有してよく、これらは管の長手方向軸Ｌから離れるように外向きに傾斜しているだけでなく、長手方向軸Ｌの周囲の円に対する接線方向にも傾斜しており、これによって、ガスがノズルを出る際に、ガスに時計回り方向又は反時計回り方向の旋回が付与される。このような構成を用いると、ガスは旋回し、混合され、バーナの外側で燃焼されて、旋回及び膨張する火炎が生成される。あるいは、ガス排出口はそれぞれ、ノズルが放出するガスに対して旋回を誘発するために、螺旋のセグメントとして形成してよい。第１及び第２のガスの適切な混合を保証するために、本開示において上述したような静的ミキサを管１１２の内側に配置して、この段落で説明したような旋回誘発ノズルと組み合わせて使用してよい。
【００３３】
図１２は、ガラス溶融物の溶融プール４７４を含む溶融チャンバ４７２を含む、液中燃焼溶融装置４７１を示す。溶融チャンバ４７２は、ホッパー４７５から溶融チャンバ４７２にバッチガラス溶融物材料を供給するためのポート４７６を備える。バッチガラス溶融物材料は、液化、粒子又は粉末形態で提供してよい。溶融チャンバ４７２はポート４７８も備え、このポート４７８を通って排気ガスは溶融チャンバ４７２を脱出できる。溶融装置４７１は、流路４８２によって溶融チャンバ４７２に接続された調整チャンバ４８０も備える。溶融プール４７４からの溶融したガラス溶融物材料は、溶融チャンバ４７２から流路４８２を通って調整チャンバ４８０に流れ、その後、溶融装置４７１を出る。オリフィス４８６は溶融チャンバ４７２の壁に形成される。オリフィス４８６は溶融チャンバ４７２の底壁４８８内に示されている。代替構成では、オリフィス４８６は溶融チャンバ４７２の側壁４９０に設けられてもよい。オリフィス４８６は溶融チャンバ４７２の壁に対して垂直であるか、又は傾斜していてよい。ＳＣＭバーナ装置１００はオリフィス４８６に配設され、火炎をガラス溶融物の溶融プール４７４に噴射する。
【００３４】
モーメントの下向き垂直成分を有することによって、溶融炉内で上向きに激しく動くガラス溶融物の量が低減される。これらＳＣＭバーナに望ましい別の特徴は、より迅速な燃焼である。非予備混合火炎（燃料及び酸素が予備混合されていない火炎）は、これらのガスをバーナの外側で混合する速さによってその燃焼の速さが制限される。予備混合火炎は、混合物の燃える速度が燃料及び酸素の混合の速さより速いため、より速く燃えることができる。より迅速な燃焼によって、比較的小さな容積又は領域内においてより激しい熱交換が可能となる。これによりＳＣＭシステム内でのより効率的な熱伝達が可能となる。
【００３５】
本説明は多くの詳細を含み得るが、これらは本開示の範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、寧ろ特定の実施形態に固有であり得る特徴の説明として解釈されるべきである。別個の複数の実施形態に関連してこれまでに説明した特定の複数の特徴は、ある単一の実施形態において組み合わせて実装してもよい。反対に、ある単一の実施形態に関連して説明されている様々な複数の特徴を、複数の実施形態に別個に又はいずれの適切な部分的組合せにおいて実装してもよい。更に、上では複数の特徴が特定の組合せで説明され、更には初めにはこれらの組合せ自体が請求されているものの、場合によっては請求されている組合せからの１つ以上の特徴をこの組合せから実行してよく、請求されている組合せは部分的組合せ又は部分的組合せの変形も対象とし得る。
【００３６】
同様に、図面においては複数の操作が特定の順序で示されているものの、これは、所望の結果を達成するために、これらの操作を図示した特定の順序若しくは連続順序で実施すること、又は全ての図示した操作を実施することが要求されるものと解釈されるべきではない。特定の状況において、マルチタスク動作及び並列処理が有利となり得る。
【００３７】
本開示では、範囲は「約（ａｂｏｕｔ）」ある特定の値から、及び／又は「約」別の特定の値まで、として表現できる。このような範囲が表現されている場合、例は、上記ある特定の値から及び／又は上記別の特定の値までを含む。同様に、先行詞「約（ａｂｏｕｔ）」を用いて値を近似値として表現している場合、特定の値が別の態様を形成するものと理解されることになる。更に、各範囲の終端は、他の終端との相関においても他の終端とは独立しても重要であることが理解されるだろう。
【００３８】
また、本開示の詳細な記載は、本開示の構成要素が特定の様式で機能するよう「構成（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」又は「適合（ａｄａｐｔｅｄ）」されていることを意味するものであることにも留意されたい。これに関して、上記詳細な説明が使用目的の詳述ではなく構造に関する詳述である場合、上述のような構成要素は、特定の特性を具現化するよう、又は特定の様式で機能するよう、「構成」又は「適合」されている。より具体的には、構成要素が「構成」又は「適合」されている様式に関する本開示での言及は、構成要素の既存の物理的条件を示しており、それ自体が構成要素の構造的特徴の厳密な詳述として理解されるべきものである。
【００３９】
図示した様々な構成及び実施形態によって示されているように、液中燃焼のための様々なバーナについて説明した。
【００４０】
本開示の好ましい実施形態について説明したが、説明した実施形態は単なる例示であること、並びに本発明の範囲は、当業者が本開示を熟読した場合に当然発生することになる均等物、多数の変形例及び修正例の全範囲が与えられた場合に、添付の請求項によってのみ定義されることになることを理解するべきである。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１００  バーナ、ＳＣＭバーナ、ＳＣＭバーナ装置
１２  中央管、内管、管
１３  冷却ジャケット
１４  外管  
１６  環状空間
１８  ノズル
２２  中央ガス排出口
２４  外側ガス排出口
２６  酸素排出口
２８  上端
１１０  バーナ
１１２  中空管、管
１１３  下端、冷却ジャケット
１１４  第１のポート
１１６  第２のポート
１１８  ノズル
１２０  静的ミキサ
１２１、１２２、１２３  羽根
１３２  第１のガス排出口
１３４  第２のガス排出口
１４２  第１の円錐台状セクション
１４４  第２の円錐台状セクション
２１８  ノズル
２３２  第１のガス排出口
２３４  第２のガス排出口
２３６  ガス用パイロット孔
２３８  追加のパイロット孔又はガス排出口
４７１  液中燃焼溶融装置
４７２  溶融チャンバ
４７４  溶融プール
４７５  ホッパー
４７６  ポート
４７８  ポート
４８０  調整チャンバ
４８２  流路
４８６  オリフィス
４８８  底壁
４９０  側壁
Ａ１  第１の出口角度
Ａ２  第２の出口角度
Ａ３  出口角度
Ｆ  冷却流体
Ｇ  燃料ガス、第１のガス
Ｌ  管の長手方向軸
Ｏ  第２のガス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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