| 【発明の名称】 |
ガスバーナの燃焼方法及び装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】瀬尾 敦子
【氏名】天野 寿二
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| 【要約】 |
【課題】ガスバーナのノズルの向きと被加熱物との位置関係を燃焼目的に応じた最適の位置関係にセットできない場合であっても、従来の燃焼方法と比較して、より高い目的達成率を得ることを可能としたガスバーナの燃焼方法及び装置を得る。
【解決手段】ガスバーナ２からの燃焼火炎９の形成側に電極板となりうる部材１を配置し、ガスバーナからの燃焼火炎中に一方の電荷を持つ電極４を挿入し、前記電極板となりうる部材に他方の電荷を持たせた状態でガスバーナの燃焼を行う。それにより、燃焼火炎９は電極板となりうる部材１に向けて整形される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガスバーナからの燃焼火炎形成側に電極板となりうる部材を配置し、ガスバーナからの燃焼火炎中に一方の電荷を持つ電極を挿入し、前記電極板となりうる部材に他方の電荷を持たせた状態でガスバーナの燃焼を行い、それにより、燃焼火炎を前記電極板となりうる部材に向けて整形することを特徴とするガスバーナの燃焼方法。
【請求項２】 前記電極板となりうる部材が被加熱物であり、燃焼火炎を当該被加熱物に向けて整形させることにより、被加熱物に対する加熱効率を高めることを特徴とする請求項１記載のガスバーナの燃焼方法。
【請求項３】 被加熱物が溶解炉の被溶解物であることを特徴とする請求項２記載のガスバーナの燃焼方法。
【請求項４】 前記電極板となりうる部材が鋳型であり、燃焼火炎を当該鋳型面に向けて整形させることにより、鋳型面に対する保護膜としての煤の付着量を高めることを特徴とする請求項１記載のガスバーナの燃焼方法。
【請求項５】 燃料ガスとして、都市ガス単独又は都市ガスとアセチレンとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項４記載のガスバーナの燃焼方法。
【請求項６】 ガスバーナと、該ガスバーナからの燃焼火炎が照射される被照射物と、該燃焼火炎中に挿入される電極とを備え、前記被照射物は電極板となりうる物質で構成されており、かつ、前記被照射物と前記電極とは、それぞれ極性の違う電極端子に接続されていることを特徴とするガスバーナ燃焼装置。
【請求項７】 前記ガスバーナ燃焼装置が溶解炉の一部を構成する燃焼装置であり、かつ、前記被照射物が溶解炉の被溶解物であることを特徴とする請求項６記載のガスバーナ燃焼装置。
【請求項８】 前記ガスバーナ燃焼装置が、鋳型面への煤付着装置の一部を構成する燃焼装置であり、かつ、前記被照射物が鋳型であることを特徴とする請求項６記載のガスバーナ燃焼装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスバーナの燃焼方法及び装置に関し、特に、ガスバーナからの燃焼火炎の形状や向きを整形することを可能としたガスバーナの燃焼方法と該燃焼方法を用いるガスバーナの燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスバーナの燃焼において、バーナノズルの先端に形成される燃焼火炎の形状は、原則的に、ノズルの径やノズル角度、燃焼ガスの噴射速度、種別、空気比、などの燃焼要因によって定まるものであり、燃焼条件が与えられると、自ずとそれに応じた一つの火炎形状でもって燃焼は進行する。従って、何らかの目的で燃焼火炎の形状や向きを変える場合には、その目的に応じて上記の各種燃焼要因のいずれかを変更し、所要の火炎を得るようにしている。
【０００３】すなわち、ある燃焼条件のもとで、それに応じた燃焼火炎がバーナノズルの先端に形成されるときに、該火炎により高い加熱効率で被加熱物を加熱しようとすれば、ガスバーナと被加熱物との相対位置関係を調整して高い効率を得るようにしており、燃焼装置あるいは被加熱物の置かれている環境から、ガスバーナと被加熱物との位置関係を最適な加熱条件が得られる位置関係にセットできない場合には、加熱効率が低下するのは避けられない。
【０００４】例えば、燃料ガスとして都市ガスを用いるガスバーナの場合、火炎（拡散火炎）は浮力によって上方に持ち上がる傾向にあるために、被加熱物を下に置き、上方からガスバーナの火炎を照射して加熱するやり方で高い加熱効率を得ることは困難であり、そのために、都市ガスは、例えば金属熔着用の火炎源としてアセチレンのようには頻繁には用いられない。また、金属溶解炉などにおいては、上方から火炎を溶解面に高い加熱効率で照射できるように、燃料噴射ノズル径の調整により流速を速める、又は、ノズル角度を調整するなどのような特別の工夫をすることが求められる。
【０００５】さらに、溶融金属を鋳型に鋳込んで種々の鋳物物品を製造する場合に、鋳物物品の離型性を確保し、また鋳型の鋳型面の保護をするために、鋳型面にバーナ火炎を照射して煤を離型剤として塗布することが行われるが（例えば、特開昭５６−１６５５５５号公報、特開平５−１０４２０４号公報など）、都市ガスを燃料ガスとする火炎は、通常の燃焼状態では煤の発生が少ないと共に、前記のように上方に持ち上がる傾向があるために、煤を付着させるべき面がバーナノズルの下方や側方にある場合には、十分な量の煤を付着させることが困難となる。
【０００６】そのために、例えば図８ａに示すような溶融銅２０から銅線２１を連続鋳形する装置においては、従来、燃料ガスとして、燃焼速度が高く、高流速で下方や側方へ火炎を噴き出すことのできるアセチレンが用いられ、アセチレン＋空気（燃料過剰条件）予混合バーナ１０からの火炎で大量の煤を発生させて、図８ｂに示すように、鋳型１１の鋳型面１２へ煤による保護膜１３を形成するのが普通となっている。なお、図８において、１５は溶融銅流し込み用の鋳口であり、１６は溶融銅案内用の金属ベルトである。しかしアセチレンは自爆性があり取り扱いに細心の注意が必要とされ、かつ高価である。また、発生する大量の煤のすべてが付着するわけではなく、対流や浮力により広範囲に飛散してしまい、捕捉効率が高いとはいえない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はガスバーナからの燃焼火炎が抱えている上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ガスバーナのノズルの向きと被加熱物との位置関係を燃焼目的に応じた最適の位置関係にセットできない場合であっても、従来の燃焼方法と比較して、より高い目的達成率を得ることを可能としたガスバーナの燃焼方法を得ることを目的とする。また、その燃焼方法を用いる燃焼装置を得ることを目的とする。
【０００８】本発明による燃焼方法及び装置によれば、例えば加熱の目的でガスバーナを燃焼させる場合には、燃焼火炎の持つ熱量を被加熱物へ伝熱する割合を効果的に高めることができ、また、鋳型面に煤を付着させようとする場合には、例え都市ガスを燃料ガスとする場合であっても、煤の付着量を確実に増加させることができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課題を解決すべく、ガスバーナからの燃焼火炎の態様について多くの観察と実験を行う過程において、燃焼火炎の中に電極を挿入したときに、火炎の形状や向きに変化が生じることを知見し、本発明をなすに至った。
【００１０】すなわち、本発明によるガスバーナの燃焼方法は、基本的に、ガスバーナからの燃焼火炎形成側に電極板となりうる部材を配置し、ガスバーナからの燃焼火炎中に一方の電荷を持つ電極を挿入し、前記電極板となりうる部材に他方の電荷を持たせた状態でガスバーナの燃焼を行い、それにより、燃焼火炎を前記電極板となりうる部材に向けて整形することを特徴とする。
【００１１】また、本発明によるガスバーナの燃焼装置、ガスバーナと、該ガスバーナからの燃焼火炎が照射される被照射物と、該燃焼火炎中に挿入される電極とを備え、前記被照射物は電極板となりうる物質で構成されており、かつ、前記被照射物と前記電極とは、それぞれ極性の違う電極端子に接続されていることを特徴とする。
【００１２】本発明者らの実験によれば、上記本発明による燃焼方法に従ってガスバーナを燃焼させた場合に、燃料ガスの種類にかかわらず、その燃焼火炎は、前記他方の電荷を持たせた電極板となりうる部材（燃焼火炎が照射される被照射物）に向けてその形状を整形し、バーナノズルの向きと電極板となりうる部材とが垂直状態から多少ずれた状態とされている場合でも、火炎先端はほぼ垂直な状態で前記電極板となりうる部材に衝接させることができた。また、燃料ガスとして都市ガスを用い、ガスバーナを電極板となりうる部材の上方に置き、バーナノズルを下向きとして燃焼させた場合にも、火炎は上方に持ち上がることなく、ノズルと電極板となりうる部材との距離を調整することにより、電極板となりうる部材の表面に沿って平面状に広げることができた。
【００１３】本発明によるガスバーナの燃焼方法及び装置において、燃焼火炎が前記電極板となりうる部材（燃焼火炎が照射される被照射物）に向けて整形される理由は必ずしも明らかでないが、次のように考えられる。もともと火炎中には陽イオン、陰イオン、自由電子が存在している。火炎中に正極直流放電を行うと、火炎中の自由電子（負電荷を帯びている）は他のイオンよりも質量がはるかに軽く、動きやすいため、放電電極に容易に集まることができる。その結果として、火炎全体として正に帯電することになり、その流れが主流を引っ張ることによると思われる。
【００１４】電流の種別、極性、電極間の電圧は、絶縁破壊を起こさないことを条件に任意であるが、本発明者らの実験では、好ましくは、火炎側に挿入する電極側を正極とした直流電流であり、電圧が３ｋＶ程度以上であれば十分に所期の目的が達成された。
【００１５】本発明によるガスバーナの燃焼方法及び装置は、多くの分野で有意に利用できる。例えば、前記電極板となりうる部材（燃焼火炎が照射される被照射物）が、溶解炉の被溶解物（例えば、金属鉛）のような被加熱物である場合には、バーナノズルと当該被加熱物の位置関係が加熱に最適な関係とされていない場合であっても、燃焼火炎が被加熱物に向けて整形されることにより、燃焼火炎を被加熱物表面に沿って平面状に広げることが可能となり、加熱効率は確実に高められる。
【００１６】また、前記電極板となりうる部材（燃焼火炎が照射される被照射物）が鋳型である場合に、本発明によるガスバーナの燃焼方法及び装置は、鋳型面に保護膜（離型膜）としての煤を付着させるのに有効となる。例えば、図８ａに示したような連続鋳形装置に本発明の燃焼方法を適用する場合に、ガスバーナ１０からの燃焼火炎は、能動的に鋳型１１に向けて整形され、その鋳型面１２に沿って広がる。そのために、燃料ガスがアセチレンの場合には、生成される煤のほぼ全量が鋳型面１２に付着して離型面を形成し、外部に飛散する量は極めて少量となる。それにより、アセチレンの使用量も最小化することができる。
【００１７】燃料ガスとして都市ガスを用いる場合には、バーナノズルの向きが下向きであっても、火炎の浮き上がりは能動的に防止され鋳型面１２に案内される。そのために、従来は使用が極めて困難であった都市ガスを、鋳型における保護膜（離型膜）生成用の燃料ガスとして有効に利用することが可能となる。また、本発明者らの実験では、電極を挿入しない場合と比較して、煤の生成量も増加した。
【００１８】都市ガスはアセチレンに比べて安価でありまた安全であることから、鋳型への煤による保護膜（離型膜）生成の分野で、本発明の燃焼方法は極めて有効に用いられる。その際に、燃料ガスとしては都市ガス単独であってもよいが、煤の発生量を多くするために都市ガスとアセチレンとの混合ガスを用いてもよい。その場合でも、アセチレンの使用量が低減される分だけ、安価となり安全性も向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明者らが行った実験に基づいて、本発明を詳細に説明する。図１及び図２は、金属板の加熱を目的としてガスバーナを燃焼させるときに、本発明を適用した場合を説明するものであり、図１は電圧を印加した場合、図２は印加しない場合（従来の燃焼方法）を示している。
【００２０】図において、１は、ガスバーナからの燃焼火炎が照射される被照射物としての金属板（アルミ板）であり、正の電極端子５１に接続されている。２は、ノズル径３．７ｍｍのバーナであり、ノズル３を金属板１側に向けて垂直下向きに配置されている。４は、負の電極端子５２に接続されたステンレス鋼からなる電極棒であり、先端を火炎９の中に位置するようにして配置されている。電極端子５１，５２には、電源用制御箱５３から、０〜１０ｋＶの直流電圧が１ｍＡ以下で印加されるようになっている。
【００２１】上記の装置を用いて燃焼実験を行った。燃料ガスとして都市ガスを用い、流量１．２Ｌ／ｍｉｎ、バーナノズル３先端からアルミ板１までの直線距離１６０ｍｍ、アルミ板１から電極棒先端までの距離５０ｍｍとし、電流を印加しない場合、電圧を３〜１０ｋＶの範囲で印加した場合、の火炎形状を観察した。図２に示すように、電圧を印加しない場合には、燃焼火炎９は上方に浮き上がる状態となり、火炎９がアルミ板１に衝接することはない。印加電圧を上げて行くに従い、火炎９の下端がアルミ板１に衝接する面積は広がっていき、５ｋＶでは、図１に示すように火炎の浮き上がりはなく、アルミ板１に衝接した火炎のほぼすべてがアルミ板１の表面に沿って拡がった。
【００２２】図３は、上記の燃焼方法を採用した溶解炉３０を示す概略図であり、ガスバーナからの燃焼火炎が照射される被照射物としての溶解炉及び被溶解物側を負電極端子５２に接続し、上方に位置させたバーナ２からの燃焼火炎内に正電極端子５１に接続した電極棒４を位置させるようにしている。このような溶解炉においては、投入口３１から投入される金属原料（被溶解物）３２の表面に対して燃焼火炎９を平面状に広げることが可能となり、高い熱効率の下で効率よく溶融金属３３を得ることができる。
【００２３】次に、燃焼火炎による煤の生成及び付着量についての実験を行った。用いた装置は、図４及び図５に示すように、冷却水入口４１と冷却水出口４２を持つアルミ製水冷缶体４０を有し、それを電源用制御箱５３の負電極端子５２に接続し。アルミ製水冷缶体４０の直上には、ノズル径３．７ｍｍのバーナ２をノズル３をアルミ製水冷缶体４０側に向けてほぼ垂直に配置した。また、アルミ製水冷缶体４０の上面には、図８ｂに示した煤による保護膜１３を形成すべき鋳型面１２に相当する部材としてアルミ薄板４３（ガスバーナからの燃焼火炎が照射される被照射物に相当する）を置いた。バーナノズル３とアルミ製水冷缶体４０との間には、先端を火炎９の中に位置するようにしてステンレス鋼からなる電極棒４を置き、電極棒４を電源用制御箱５３の正電極端子５１に接続し、０〜１０ｋＶ程度の直流電圧が１ｍＡ以下で印加できるようにした。上記の装置を用いて煤付着実験を行った。
【００２４】［実験１］燃料ガスとして都市ガスを用い、流量１．２Ｌ／ｍｉｎ、バーナノズル３先端からアルミ薄板４３までの直線距離１６０ｍｍ、アルミ薄板４３から電極棒４先端までの距離３０ｍｍとした。その条件で、電流を印加しない場合（図５）、電圧を５ｋＶ、電流１ｍＡの正電流を印加した場合、（図４）のそれぞれについて１分間燃焼を継続させた。それぞれについて、燃焼時の火炎形状を観察すると共に、１分間燃焼経過後のアルミ薄板４３の表面を目視により観察した。
【００２５】図５に示すように、電流を印加しない場合には、燃焼火炎９は上方に浮き上がる状態となり、火炎９がアルミ薄板１には衝接することはなかった。そして、１分間燃焼経過後のアルミ薄板４３の表面に色彩的な変化は見られなかった。５ｋＶの電圧を印加した場合では、図４に示すように火炎の浮き上がりはなく、アルミ薄板４３に衝接した火炎９のほぼすべてがアルミ薄板４３の表面に沿って拡がった。そして、１分間燃焼経過後のアルミ薄板４３の表面は一面均一に黒色となり、煤の付着が確認された。
【００２６】上記の結果から、前記図８に示したような装置において、燃料ガスとしてアセチレンに変えて都市ガスを用いた場合でも、本発明による燃焼方法に従えば、すなわち、バーナ１０と鋳型１１あるいは金属ベルト１６との間に正電極端子に接続した電極棒を配置し、鋳型１１及び金属ベルト１６を負電極端子側に接続させることにより、火炎が鋳型に向けて整形されることから、所要の煤による被膜１３を鋳型面１２などに確実に形成しうる鋳型装置が得られることがわかる。
【００２７】［実験２］次に、都市ガスとアセチレンとの混合ガスを燃料ガスとする場合について実験を行った。実験条件は前記と同じとし、また、都市ガス流量は一定として、アセチレンの流量を０〜１．１Ｌ／ｍｉｎまで変化させた。１分間の燃焼経過後にアルミ薄板４３の表面に付着した煤の量を、燃焼前後の質量変化により測定した。その結果を図６に示す。図示のように、放電しない場合（電極棒４に電圧を印加しない場合：▽）には、アセチレンを加えても付着煤質量は観測されなかったが、放電あり（電極棒４に電圧を印加した場合：○）には、アセチレン流量にほぼ比例して付着量が増大している。ちなみに、同じ燃焼条件で、放電しないで、アセチレン燃焼のみで、１分間燃焼経過後にアルミ薄板１３の表面に煤２７ｍｇ（図６で◎の量、つまりアセチレン流量０．７Ｌ／ｍｉｎ）を付着させようとしたところ、アセチレンの流量１．１Ｌ／ｍｉｎを必要とした。このことから、本発明による燃焼方法に従えば、従来の燃焼方法と比較して、少ないアセチレン流量でもって、多くの煤付着量が得られることがわかり、安価でかつ安全性の高い鋳型面への煤による離型面形成方法として、本発明の燃焼方法はきわめて有効であることが示される。
【００２８】［実験３］さらに、本発明の有効性を確認すべく、従来の燃焼方法であるアセチレン−空気予混合バーナでの煤付着量の測定結果と図６に示す本発明の燃焼方法との比較を行った。図７は、従来技術（アセチレン−空気予混合バーナ）での煤付着量の測定結果であり、ここでは、アセチレン流量を１．５Ｌ／ｍｉｎで一定とし、空気流量を調節することによって空気比（ａｉｒ ｒａｔｉｏ）を変えている。図示のように空気比が低くなるほど煤付着量は増えている。また、図で、４，８，１２，１６ｍｍはバーナ出口（ノズル先端）とアルミ薄板との距離を示している。
【００２９】図６と図７とを比較すると、図６中のアセチレン流量０．７Ｌ／ｍｉｎのときの煤付着量は２７ｍｇ（◎）であり、一方、従来技術では、距離１６ｍｍの条件ではこれに見合う付着量は得ることができない。距離１２ｍｍのときに空気比ほぼ０．１８の条件で、距離４ｍｍ，８ｍｍのときに空気比ほぼ０．２の条件で、同等の煤付着量が得られるが、いずれにしろ、このときのアセチレン流量は１．１Ｌ／ｍｉｎと多く、本発明による燃焼方法を使用することにより、３０％以上のアセチレン消費量低下が図られることが、ここからも立証される。また、本発明による燃焼方法を使用する場合には、バーナノズルからの距離が離れていても高い煤付着量が得られており、鋳型装置の設計自由度が大きくなる利点ももたらされる。
【００３０】
【発明の効果】本発明のガスバーナの燃焼方法及び装置によれば、火炎の向きを電極板となりうる部材に向けて能動的に整形することができることから、ガスバーナのノズルの向きと被加熱物との位置関係を燃焼目的に応じた最適の位置関係にセットできないような場合であっても、従来の燃焼方法と比較して、高い目的達成率を得ることができる。
【００３１】例えば加熱の目的でガスバーナを燃焼させる場合には、燃焼火炎の持つ熱量を被加熱物へ伝熱する割合を効果的に高めることができ、また、鋳型面に煤を付着させようとする場合には、例え都市ガスを燃料ガスとする場合であっても、煤の付着量を確実に増加させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２０２６２
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月６日（１９９９．７．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】平木 祐輔 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２１１１０（Ｐ２００１−２１１１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月２６日（２００１．１．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１９１５８４ |
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