(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナであって、
（Ａ）長手方向に対向する第１及び第２の端部と、前記第１の端部を通る火炎開口部と、を有するチャンバと、
（Ｂ）前記チャンバ内にあり、前記チャンバの内表面に隣接する外縁を有するバッフルであって、前記チャンバの前記第１の端部に面する第１のバッフル表面と、前記チャンバの前記第２の端部に面する第２のバッフル表面と、を有し、前記第２のバッフル表面が前記チャンバの前記第２の端部の前記内表面から５〜１０インチになるように前記チャンバ内に位置する、バッフルと、
（Ｃ）前記チャンバの外側の導管入口から前記チャンバ内に延在し、前記第１のバッフル表面と前記火炎開口部との間に形成される前記チャンバの燃焼セクションにおいて導管出口で終わる導管であって、前記導管出口が、前記火炎開口部に向かって開いている、導管と、
（Ｄ）前記チャンバの外側の通路入口から延在し、前記第１のバッフル表面と前記火炎開口部との間に形成される前記チャンバの前記燃焼セクションにおいて通路出口で終わる通路と、を備え、
前記バッフルが、（１）前記火炎開口部に面する第１のプレート表面と前記チャンバの前記第２の端部に面する第２のプレート表面とを有する金属プレートと、（２）前記第２のプレート表面に接触する金属フィラメントの層と、を備え、
前記金属プレートが、１／８〜１／２インチの厚さであり、１／８〜１／２インチの直径の複数の穴が、前記第１のプレート表面と第２のプレート表面との間で前記金属プレートを貫通するように、また各プレート表面の全ての穴の開口部の合計面積が前記金属プレートの表面積の３０％〜５０％であるように形成され、
前記金属フィラメントの層が、少なくとも０．２５インチの厚さであり、１立方インチあたり最大０．５オンスの密度を呈し、最大０．００５インチの直径のフィラメントで構成されている、バーナ。
【請求項２】
前記金属プレートが、黄銅又は鋼で作製されている、請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記バッフルの前記外縁の全てが、前記チャンバの前記内表面と連続的に接触している、請求項１に記載のバーナ。
【請求項４】
前記バッフルの前記外縁の全て未満が、前記チャンバの前記内表面に接触し、前記バッフルの前記外縁と前記チャンバの前記内表面上の最も近い点との間の間隙が、最大１／４インチである、請求項１に記載のバーナ。
【請求項５】
前記金属プレートが、前記バッフルの前記外縁によって包囲される全範囲にわたって延在している、請求項１に記載のバーナ。
【請求項６】
前記金属フィラメントが、鋼ウール又は黄銅ウールで作製されている、請求項１に記載のバーナ。
【請求項７】
前記金属フィラメントの層が、最大６インチの厚さである、請求項１に記載のバーナ。
【請求項８】
前記バッフルが、前記金属フィラメントの層と接触する第２の金属プレートを更に備え、前記層が前記第２の金属プレートと前記金属プレートとの間に挟まれるようになっており、前記第２の金属プレートが、１／８〜１／２インチの厚さであり、１／８〜１／２インチの直径の複数の穴が、前記第２の金属プレートの表面間で前記第２の金属プレートを貫通するように、また前記第２の金属プレートの各表面の全ての穴の開口部の合計面積が前記第２の金属プレートの表面積の３０％〜５０％であるように形成されている、請求項１に記載のバーナ。
【請求項９】
前記第２の金属プレートが、黄銅又は鋼から作製されている、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１０】
前記第２の金属プレートが、前記バッフルの前記外縁によって包囲される全範囲にわたって延在している、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１１】
前記金属プレートが、黄銅又は鋼で作製されている、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１２】
前記バッフルの前記外縁の全てが、前記チャンバの前記内表面に連続的に接触している、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１３】
前記バッフルの前記外縁の全て未満が、前記チャンバの前記内表面に接触し、前記バッフルの前記外縁と前記チャンバの前記内表面上の最も近い点との間の間隙が、最大１／４インチである、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１４】
前記金属プレートが、前記バッフルの前記外縁によって包囲される全範囲にわたって延在している、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１５】
前記金属フィラメントが、鋼ウール又は黄銅ウールで作製されている、請求項８に記載のバーナ。
【請求項１６】
前記金属フィラメントの層が、最大６インチの厚さである、請求項８に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナに関し、より具体的には、ガラス溶融炉、焼却機、セメントキルン、及び発電プラントなどの工業用途に利用されるバーナに関する。このようなバーナでは、燃料がガス状酸化剤と燃焼されて、工業用途において材料を加熱、溶融、又は燃焼するために利用される熱を生成する。
【背景技術】
【０００２】
燃料及びガス状酸化剤の流れがバーナ内に供給され、バーナ内で燃焼される工業用バーナの動作は、いくつかの欠点を有する顕著な音響共鳴を発生する場合がある。燃焼器の安定性を評価するために、「レイリー基準」（Ｒａｙｌｅｉｇｈ，Ｊ．Ｌ．，Ｎａｔｕｒｅ１８（１８７８）３１９−３２１）が一般的に使用されている。これは、圧力及び熱放出の変動が同相である場合、火炎及び音響の結合によって不安定性が与えられることを提示している。
【０００３】
音響共鳴は、不快であり、更には近くの作業者にとって安全ではないノイズレベルとして呈し得る。また、音響共鳴とバーナの火炎との相互作用は、例えば火炎を不安定にさせることによってバーナを損傷させる可能性があり、これは、バーナの特定の表面の過熱につながり得る。これらの現象は、バーナの密閉チャンバ内で火炎が形成され、バーナの開放端部から出てくるバーナにおいて特に顕著である。
【０００４】
本発明は、バーナが呈し得る音響共鳴の低減を可能にするバーナの発見である。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様は、バーナあって、
（Ａ）長手方向に対向する第１及び第２の端部と、第１の端部を通る火炎開口部と、を有するチャンバと、
（Ｂ）チャンバ内にあり、チャンバの内表面に隣接する外縁を有するバッフルであって、チャンバの第１の端部に面する第１の表面と、チャンバの第２の端部に面する第２の表面と、を有し、第２のバッフル表面がチャンバの第２の端部の内表面から５〜１０インチになるようにチャンバ内に位置する、バッフルと、
（Ｃ）チャンバの外側の導管入口からチャンバ内に延在し、第１のバッフル表面と火炎開口部との間のチャンバのセクションの導管出口で終わる導管であって、導管出口が、火炎開口部に向かって開いている、導管と、
（Ｄ）チャンバの外側の通路入口から延在し、第１のバッフル表面と火炎開口部との間の前記チャンバのセクションの通路出口で終わる通路と、を備え、
バッフルが、（１）火炎開口部に面する第１のプレート表面とチャンバの第２の端部に面する第２のプレート表面を有する金属プレートと、（２）第２のプレート表面に接触する金属フィラメントの層と、を備え、
金属プレートが、１／８〜１／２インチの厚さであり、１／８〜１／２インチの直径の複数の穴が、各プレート表面の全ての穴の開口部の合計面積が金属プレートの表面積の３０％〜５０％であるのに十分な穴の数で、第１のプレート表面と第２のプレート表面との間で金属プレートを貫通し、
金属フィラメントの層が、少なくとも１／４〜４インチの厚さ、好ましくは少なくとも１．５インチの厚さであり、１立方インチあたり最大０．５オンスの密度を呈し、最大０．００５インチの厚さのフィラメントで構成されている、バーナである。
【０００６】
本発明の更に別の態様では、バッフルは、金属フィラメントの層と接触する第２の金属プレートを更に備え、この層が第２の金属プレートと金属プレートとの間に挟まれるようになっており、第２の金属プレートは、１／８〜１／２インチの厚さであり、１／８〜１／２インチの直径の複数の穴が、第２の金属プレートの各表面の全ての穴の開口部の合計面積が第２の金属プレートの表面積の３０％〜５０％であるのに十分な穴の数で、その表面間で第２の金属プレートを貫通している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明を組み込んだバーナの一実施形態の断面図である。
【図２】図１に示される実施形態の外面の斜視図である。
【図３】本発明において有用なバッフルの一実施形態の側断面図である。
【図４】本発明において有用なバッフルの一実施形態の正面平面図である。
【図５】本発明において有用なバッフルの別の実施形態の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、多様なバーナ構成に適用可能である。燃料及び酸化剤の燃焼によって形成される火炎の一端部がバーナのチャンバ又は密閉物内にあるバーナでは特に有用であり、その端部から延在する火炎の一部がバーナのチャンバ又は密閉物の内側にあり、火炎の残部がバーナの開口部から外に延出する。
【０００９】
図は、本発明が特に有用であるバーナのいくつかの実施形態を示す。
【００１０】
最初に図１を参照すると、この図は、そのようなバーナのうちの１つの断面図である。バーナ１００は、概ね長手方向の形状であり、バーナ内にチャンバ１を共に画定する側壁９、第１の端部２、及び第２の端部３を備える。端部２及び３は、互いに長手方向に対向している。端部２と端部３との間の長手方向軸に垂直に取られた断面では、チャンバ１は、円形又は矩形であってもよく、好ましくは、別の形状であってもよい。
【００１１】
第１の端部２は、開いており、それにより、チャンバ１内に一端を有する火炎２２が、火炎開口部４を通ってバーナ１００の外側の空間まで延出することができる。火炎開口部４は、側壁９の端部によって画定される開口部全体を含むことができる。しかしながら、本発明は、第１の端部２が端部プレート２０によって部分的に閉じられ、それにより、火炎開口部４の面積が、側壁９の両端部によって画定される第１の端部２の合計面積よりも小さい実施形態で特に有効である。第２の端部３は閉じており、本明細書に記載の１つ以上の導管を、第２の端部３とそのような導管との間の接合部が接合部を通過するガスに対して密封されるという条件で、通過させることができる。
【００１２】
図２は、端部２と端部３との間に延在する軸に垂直な断面が円形である、１つのこのようなバーナの外観を示す。
【００１３】
再び図１を参照すると、導管１０は、外部バーナ１００の外側からチャンバ１内へと通過し、導管１０は、火炎開口部４に向かって開くチャンバ１内の導管出口１２で終わり、これは、導管出口１２から外に通過する物質が必然的に火炎開口部４に向かって移動することを意味する。好ましくは、導管出口１２の中心軸は、火炎開口部４を通過する。導管１０は、バーナ１００の外側にある導管入口１１を含む。導管入口１１は、チャンバ１内で燃焼される燃料源に接続され得る。好適な燃料としては、天然ガス、メタン、又は他の可燃性炭化水素、及びこれらの混合物などの任意の可燃性ガス状材料が挙げられる。バーナの動作では、導管出口１２から出てくる燃料が、火炎２２の一端部が導管出口１２にあるように火炎２２内で燃焼する。
【００１４】
通路１５も提供される。これは、バーナ１００の外側にある通路入口１６から、チャンバ１の内部にある通路出口１７まで延在する。通路入口１６は、チャンバ１内で燃焼されるガス状酸化剤源に、導管１０を通して供給される燃料と接続することができる。好適なガス状酸化剤としては、空気、酸素富化空気、及び市販の高純度酸素が挙げられる。したがって、ガス状酸化剤の酸素含有量は、空気（約２１体積％）から最大９５体積％以上、更には９９体積％以上であり得る。
【００１５】
本発明のバーナはまた、バッフル５を含む。図１に見られるように、バッフル５は、第１の端部２に面する第１の表面４２を含み、バッフル５は、第２の端部３に面する第２の表面４３を含む。バッフル５は、バッフル５の周囲に完全に延在する外縁４１（図３に見られる）を含む。外縁４１は、チャンバ１の内表面１３に隣接しており、これは、外縁４１の全てが内表面１３に連続的に接触するか、又は外縁４１の全て未満の部分が内表面１３に接触するかのいずれかであることを意味する。外縁４１が内表面１３と接触していない場合、外縁４１と表面１３上の最も近い点との間の間隙は、最大１／４インチ（０．２５インチ）であるべきである。バッフル５は、チャンバ１の内部を２つのセクション、すなわち、導管出口１２から出てくる燃料が燃焼される燃焼セクション７と後方セクション８とに分離する。したがって、導管出口１２及び通路出口１７の両方が、チャンバ１の燃焼セクション７内に位置する。
【００１６】
図１に示すように、バーナ１００は、導管１０及び通路１５がバーナ１００の側壁９を通過する場所が燃焼セクション７にあるように構成することができる。しかしながら、所望であれば、導管１１及び／又は（より好ましくは）通路１５は、後方セクション８を通過するように位置することができ、その場合、ケースとしての導管又は通路は、そのそれぞれの出口が燃焼セクション７内にあるように、バッフル５を通過し得る。
【００１７】
本明細書に記載されるようなバッフル５が、本明細書に記載されるバーナの構造及び動作に含まれる場合、バーナの動作は、バッフルなしの燃焼時に観察されるよりもはるかに少ない騒音及び音響共鳴を伴うことが見出されている。バッフル５は、第２の端部３の内表面６からバッフル５の第２の表面４３までの距離が、５〜１０インチ、好ましくは約６インチとなるように、チャンバ１内に位置するべきであることが見出されている。驚くべきことに、この特徴的な距離は、バーナの他の寸法及びバーナの動作条件とは無関係であることが見出されている。
【００１８】
バッフルは、図３、４及び図５を参照して本明細書で更に説明される。
【００１９】
図３は、上述したような第１の表面４２及び第２の表面４３を備える、好ましい実施形態におけるバッフル５の断面図を示す。バッフル５のこの実施形態では、２つの構成要素、すなわち金属プレート４４及び金属フィラメントの層４６が存在する。
【００２０】
金属プレート４４は、燃焼セクション７において生成される燃焼温度でその形状を保持する任意の金属で作製されている。好適な金属の例としては、黄銅及び鋼が挙げられる。金属プレート４４は、好ましくは、１／８〜１／２インチの厚さであり、この厚さは、金属プレート４４の表面４２と後表面４５との間の距離として定義される。金属プレート４４は、バッフル５の直径方向の幅、すなわち、バッフル５の周囲の全ての縁４１までの全ての方向に延在するべきである。
【００２１】
図３及び図４に見られるように、多数の穴４７は、表面４２から表面４５まで金属プレート４４を貫通する。各穴は、好ましくは直径１／８〜１／２インチである。穴は全て同じ直径であってもよく、又は直径が変化してもよい。表面４２内の全ての穴の開口部の面積の合計が、表面４２の全表面積の３０％〜５０％、好ましくは約４０％となるのに十分な穴４７が存在するべきである。
【００２２】
バッフル５はまた、金属フィラメントの層４６を含む。層４６は、表面４５と接触するべきであるが、当然のことながら、層４６が形成される材料の全てが表面４５と接触する必要はない。４８として示される金属フィラメントは、各最大０．００５インチの直径であり、材料の単一マットを形成するのに十分に互いにランダムに絡み合っている。そのようなマットは、その１つの支持点からぶら下がるように単一の単一量のマットが１点で保持され、他の方法で支持されないとき、１つの単一量として残り、付加的な破片に分解しない場合に、単一とみなされる。層４６は、固体ブロックではないが、絡み合ったフィラメントの間に空間も含有する。層の密度（非圧縮）は、立方インチあたり最大０．５オンスであるべきである。層４６の材料の好適な例としては、鋼ウール又は黄銅ウールなどの「金属ウール」として知られる製品が挙げられる。
【００２３】
バッフル５に組み込まれたときの層４６は、チャンバ１の端部２と３との間に延在する軸に沿って少なくとも１／４インチ（０．２５インチ）の厚さであるべきである。この厚さは、好ましくは最大６インチの厚さであるべきである。後表面４３と内表面６との間の距離が、本明細書に記載されるようなままであることを条件として、より厚い層が許容可能である。音響共鳴の低減における利益は、層４６の厚さが１インチ追加されるごとに減少し得る。
【００２４】
図５は、本明細書に記載される金属プレート４４及び層４６を含み、また層４６の表面４３と接触している第２の金属プレート４９も含む、バッフル５の代替的な実施形態を示す。第２の金属プレート４９（それが作製される材料、厚さ、幅、穴の存在、穴の面積、及びプレート４９の表面の表面積に対する穴の合計面積）は、金属プレート４４について本明細書に記載される特性と同じである。
【００２５】
バーナの動作では、燃料が、導管出口１２を通ってチャンバ１の燃焼セクション７内に供給され、酸化剤が、通路出口１７からチャンバ１の燃焼セクション７内へと通過し、着火され燃焼される。燃焼は、その基部が出口１２にある火炎を形成する。火炎は、火炎開口部４を通ってチャンバ１から延出する。燃料及び酸化剤は、酸化剤中の酸素が、燃料を完全に燃焼させるのに必要な酸素の量の３００〜２０，０００％を構成するように、相対質量流量で供給されるべきである。燃焼前の各流れの速度は、好ましくは、毎秒５〜２０フィート、及び毎秒３０〜５０フィートの燃料流量である。
【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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