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技術 液体燃料の火炎シュラウドを用いるコヒーレントジェットシステム

出願人 プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド
発明者 ウィリアム・ジョン・マホーニージョン・アーリング・アンダーソン
出願日 2002年10月2日 (17年0ヶ月経過) 出願番号 2002-289835
公開日 2003年10月10日 (16年0ヶ月経過) 公開番号 2003-287203
状態 特許登録済
技術分野 空気の供給 噴霧式バーナ一般 液体燃料噴霧ノズル
主要キーワード 直角線 環状帯域 気体力学 ガスランス ランス面 射出容積 直径変化 主軸線
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この項目の情報は公開日時点(2003年10月10日)のものです。
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図面 (4)

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。

解決手段

ランス3を出たガス再循環帯域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。ランスフェース6の単数或いは複数のノズル開口4の周囲に位置決めした凹所10に液体燃料通路12を通して液体燃料11が提供される。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、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提供される。この旋回流れが液体燃料を分配し且つ凹所内にカーボン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

概要

背景

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。

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。

概要

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。

ランス3を出たガスが再循環帯域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。ランスフェース6の単数或いは複数のノズル開口4の周囲に位置決めした凹所10に液体燃料通路12を通して液体燃料11が提供される。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、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提供される。この旋回流れが液体燃料を分配し且つ凹所内にカーボン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

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
1件

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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。

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、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

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を含んでいる請求項10の装置。

請求項15

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。

技術分野

0001

本発明は一般にコヒーレントジェット技術に関する。

背景技術

0002

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。

発明が解決しようとする課題

0004

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。

課題を解決するための手段

0005

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。

発明を実施するための最良の形態

0009

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。

発明の効果

0020

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

0021

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。

--

0022

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

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