JP4261753B2 - 酸素バーナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素バーナに関し、特に、ガラス溶解炉の加熱源として用いるのに適した火炎を形成する酸素バーナに関する。
【0002】
【従来の技術】
被加熱物をバーナによって加熱する場合、被加熱物に直接火炎を吹付ける強制対流伝熱方式と、火炎からの熱を輻射によって伝える輻射伝熱方式とがあり、被加熱物の性状等によって使い分けることが行われている。例えば、ガラス溶解炉においては、火炎をガラス溶湯に直接吹付けると、局所過熱によってガラス中の蒸発しやすい成分が蒸発してしまったり、ガラスが火炎により汚染されたりするおそれがあるため、強制対流伝熱方式は好ましくなく、輻射伝熱方式のバーナを用いるようにしている。
【0003】
また、バーナの燃焼火炎は、一般に、高輝度火炎と低輝度火炎とに分類され、高輝度火炎中には、浮遊するすすの粒子が多く、これが高輝度火炎の発生源となり、被加熱物に輻射熱を伝えることになる。このような高輝度火炎は、還元性の強い雰囲気を形成し、一方の低輝度火炎は、酸化性の雰囲気を形成する。さらに、高輝度火炎は、火炎長の比較的長い火炎を得やすく、低輝度火炎は火炎長の長い火炎を得ることが困難であった。
【0004】
一方、ガラス溶解炉において均質な製品品質を得るためには、溶湯を均一に加熱する必要があり、局所過熱防止のために火炎長の長い火炎が望ましいとされている。したがって、従来のガラス溶解炉では、比較的長い火炎を得やすい構造の多重管バーナを使用して、通常、高輝度火炎を形成するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ガラスの種類によっては、例えば低アルカリガラスでは、酸化物であるガラス原料が還元性雰囲気を嫌うことや、すすによる汚染を嫌うことから、従来のような高輝度火炎は不適当であり、すすの発生が無く、酸化性雰囲気を形成する低輝度火炎が望まれている。
【0006】
ところが、低輝度火炎は、長い火炎を得ることが困難であり、また、高輝度火炎に比べて燃料の燃焼速度が速く、バーナ先端(ノズル)近傍の温度が高くなりやすいため、ノズル部へのカーボンの付着が問題となっていた。
【0007】
そこで本発明は、すすの発生しない低輝度火炎又は不輝炎でありながら長い火炎長を得ることができ、ノズル部へのカーボンの付着も防止できる酸素バーナを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の酸素バーナは、中心管の内部に一次酸素流路を、該中心管とその外側の内管との間に燃料ガス流路を、該内管とその外側の外管との間に二次酸素流路をそれぞれ形成した三重管構造を有する酸素バーナであって、前記内管の先端を前記中心管の先端より前方に突出させ、前記中心管先端外周と前記内管内周との間に前記燃料ガス噴出口を形成し、前記内管の先端部内面に、前記燃料ガス噴出口の開口径が前記内管の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面を設けるとともに、前記中心管の先端外面に、前記内管の円錐面に対応した円錐面を設け、両円錐面により、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの噴出方向を、前記中心管の軸線上で焦点を結ぶように形成し、前記外管の先端を前記内管の先端より前方に突出させ、前記内管先端外周と前記外管内周との間に二次酸素噴出口を形成し、前記内管の先端外面と前記外管の内面とにそれぞれ設けた円錐面により、前記二次酸素噴出口から噴出する二次酸素の噴出方向を、前記中心管の軸線上で、かつ、前記燃料ガスの焦点よりも先で焦点を結ぶように形成し、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定されていることを特徴としている。
【0009】
なお、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、0℃、1気圧換算で50〜340m/sの範囲であることが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1乃至図3は、本発明の酸素バーナの一形態例を示すもので、図1は断面側面図、図2はノズル部の断面側面図、図3は図2のIII−III線断面図である。
【0011】
この酸素バーナは、中心管11と、その外側の内管12と、さらにその外側の外管13とを同心状に配置した三重管構造を有するものであって、中心管11の内部に一次酸素流路14が、中心管11と内管12との間に燃料ガス流路15が、内管12と外管13との間に二次酸素流路16がそれぞれ形成されており、一次酸素流路14の先端に一次酸素噴出口17が、中心管先端外周と内管内周との間に燃料ガス噴出口18が、内管先端外周と外管内周との間に二次酸素噴出口19がそれぞれ設けられている。
【0012】
中心管11の内部は、実質的に同一径の直管構造となっており、一次酸素流路14に供給された一次酸素は、中心管内を通って一次酸素噴出口17から直線状に噴出する。内管12は、その先端が中心管11の先端よりも前方(火炎噴出方向)に突出しており、先端部内面には、燃料ガス噴出口18の開口径が内管12の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面12aが設けられている。また、中心管11の先端外面には、内管12の円錐面12aに対応した円錐面11aが設けられており、両円錐面11a,12aにより、燃料ガス噴出口18から噴出する燃料ガスの噴出方向を、中心管11の軸線C上で焦点F1を結ぶように形成している。
【0013】
外管13の先端は、前記内管12の先端よりさらに前方に突出しており、内管12の先端外面と外管13の内面とには、燃料ガス噴出口18と同様の円錐面12b,13aが設けられており、両円錐面12b,13aにより、二次酸素噴出口19から噴出する二次酸素の噴出方向を、中心管11の軸線C上で焦点F2を結ぶように形成している。
【0014】
すなわち、この酸素バーナのノズル部からは、一次酸素噴出口17から一次酸素が中心管11の軸線Cに沿って直線状に、燃料ガス噴出口18から燃料ガスが焦点F1に向かって収斂するように、二次酸素噴出口19から二次酸素が焦点F2に向かって収斂するように、それぞれ噴出する状態に形成されている。
【0015】
このとき、各部の寸法は、該酸素バーナの燃焼量や燃料の種類、一次、二次酸素の流量割合等の条件によって異なってくるが、一般的な条件において、中心管11の軸線Cに対する前記円錐面11aの角度α、円錐面12aの角度β、円錐面12bの角度γ、円錐面13aの角度δは、それぞれ45度以下であることが好ましい。これらの角度を45を超える角度にすると、燃料ガス噴出口18から噴出した燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなるため、中心管11や内管12の先端部分が加熱されて高温になることがあり、ノズル部の損傷の原因となる。
【0016】
また、、燃料ガス噴出口18を形成する円錐面11a,12aの角度αと角度βとにおいては、角度βを角度αと同じかそれ以上としておくことが好ましく、二次酸素噴出口19を形成する円錐面12b,13aの角度γと角度δとにおいては、角度δを角度γと同じかそれ以上としておくことが好ましい。これにより、燃料ガスや二次酸素を過度に拡散させることなく、焦点F1,F2に向けて噴出させることができる。
【0017】
さらに、中心管11の先端と内管12の先端との距離L1は、燃料ガス噴出口18の径D1と密接な関係があり、L1/D1が0.3〜0.5の範囲になるように設定することが好ましい。L1/D1が0.3未満の場合は、燃料ガスと一次酸素との混合が不十分になってバーナ出口部で火炎の一部が輝炎となることがあり、高温場においては、ノズル先端にカーボンが生成する原因となる。また、L1/D1が0.5を超えると、燃料ガス噴出口18から噴出した燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなり、中心管11や内管12の先端部分が加熱されるため、ノズル部を損傷する原因となることがある。
【0018】
同様に、内管12の先端と外管13の先端との距離L2は、二次酸素噴出口19の径D2と密接な関係があり、L2/D2が0.3〜1.0の範囲になるように設定することが好ましい。L2/D2が0.3未満の場合は、燃料ガスと二次酸素との混合が不十分になって低輝度火炎や不輝炎を形成することが困難になることがある。また、L2/D2が1.0を超える場合は、燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなるため、内管12や外管13の先端部分が加熱されてノズル部損傷の原因となることがある。
【0019】
さらに、一次酸素噴出口17における一次酸素の流速は、0℃、1気圧換算(以下同様)で50〜340m/sの範囲になるように設定するとともに、燃料ガス噴出口18から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定しておくことが望ましい。この流速が50m/s未満だと、燃料ガス噴出口18からの燃料ガスを同伴する力が弱くなって燃料との混合状態が不十分になり、低輝度火炎の形成が困難になることがある。また、一次酸素の流速が340m/sを超えると、一次酸素を噴出させるための圧力損失が増大し、低輝度火炎や不輝炎を形成するのに十分な酸素を供給することが困難になることがある。また、燃料ガスの流速に対して一次酸素の流速が遅くなると、一次酸素による燃料ガスの同伴効果が失われてしまうことがあり、低輝度火炎の形成が困難になる。
【0020】
このように形成することにより、内管12の突出部内周側に一次混合室20が形成され、該一次混合室20により、一次酸素噴出口17から噴出する一次酸素と、燃料ガス噴出口18から焦点F1に向かって噴出する燃料ガスとの混合を促進してすすの発生を抑えることができる。さらに、外管13の突出部内周側には、二次混合室21が形成され、該二次混合室21により、二次酸素噴出口19から焦点F2に向かって噴出する二次酸素と、一次混合室20から噴出する燃料酸素混合流との混合を促進することができるとともに、ノズル部で循環流が発生しにくくなるのでカーボンの生成を抑制することができる。また、燃料ガスや二次酸素を、一次酸素の噴出流に向かって収斂するように噴出させるので、一次酸素の流速を速めに設定することによって火炎長を長くすることができる。これにより、すすの発生しない低輝度火炎や不輝炎を得られるとともに長い火炎長を得ることができ、ノズル部へのカーボンの付着も防止することができる。
【0021】
一次酸素と二次酸素との流量割合は任意であるが、通常は一次酸素が全酸素量の10〜50%程度になるようにすることが好ましい。一次酸素が多すぎると、燃料ガスが一次酸素噴出口17付近で燃焼する割合が大きくなるため、中心管11や内管12が加熱されてノズル部の損傷原因となることがある。逆に二次酸素が多すぎると、燃料流の中心部分と酸素との混合が十分に行えなくなって不輝炎あるいは低輝度火炎を形成することが困難になるという不都合がある。
【0022】
また、二次酸素噴出口19における二次酸素の流速は、20〜50m/sの範囲が適当であり、遅すぎると火炎の推進力が失われて巻き上がりなどの不具合が発生することがあり、速すぎると、二次酸素噴出口19付近における燃焼が促進され、ノズル出口を加熱するという不都合がある。
【0023】
酸素の純度は任意であり、酸素含有ガスならば任意のものを使用できるが、純酸素あるいは酸素濃度90%以上の酸素富化ガスを使用することが好ましい。また、燃料としては、天然ガス、LPG、ブタンガス等の気体燃料を使用することができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の酸素バーナによれば、燃料ガスと酸素とを効率よく混合して燃焼させることができるので、すすの発生しない低輝度火炎又は不輝炎で、かつ、長い火炎長を得ることができる。また、ノズル部へのカーボンの付着も防止できる。したがって、被加熱物に直接火炎を吹付けることなく、火炎からの輻射熱によって被加熱物を広い範囲で加熱することができるので、すすによる汚染や還元作用を嫌う被加熱物を加熱するためのバーナとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の酸素バーナの一形態例を示す断面側面図である。
【図2】 ノズル部の断面側面図である。
【図3】 図2のIII−III線断面図である。
【符号の説明】
11…中心管、12…内管、13…外管、14…一次酸素流路、15…燃料ガス流路、16…二次酸素流路、17…一次酸素噴出口、18…燃料ガス噴出口、19…二次酸素噴出口
Claims (1)
- 中心管の内部に一次酸素流路を、該中心管とその外側の内管との間に燃料ガス流路を、該内管とその外側の外管との間に二次酸素流路をそれぞれ形成した三重管構造を有する酸素バーナであって、前記内管の先端を前記中心管の先端より前方に突出させ、前記中心管先端外周と前記内管内周との間に前記燃料ガス噴出口を形成し、前記内管の先端部内面に、前記燃料ガス噴出口の開口径が前記内管の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面を設けるとともに、前記中心管の先端外面に、前記内管の円錐面に対応した円錐面を設け、両円錐面により、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの噴出方向を、前記中心管の軸線上で焦点を結ぶように形成し、前記外管の先端を前記内管の先端より前方に突出させ、前記内管先端外周と前記外管内周との間に二次酸素噴出口を形成し、前記内管の先端外面と前記外管の内面とにそれぞれ設けた円錐面により、前記二次酸素噴出口から噴出する二次酸素の噴出方向を、前記中心管の軸線上で、かつ、前記燃料ガスの焦点よりも先で焦点を結ぶように形成し、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定されていることを特徴とする酸素バーナ。
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