JP6102009B2 - 気体燃料バーナ、及び気体燃料バーナによる加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加熱物を対流伝熱によって加熱するのに適した気体燃料バーナ、及び気体燃料バーナによる加熱方法に関する。

気体燃料バーナにより形成される火炎を被加熱物に直接衝突させて対流伝熱により加熱する場合、火炎温度が高いこと、及び火炎の軸方向速度が速いことが要求される。
また、被加熱物が酸化するような材質の場合において、火炎が被加熱物に衝突する際、未反応の酸素が多く存在すると、被加熱物の酸化が促進されてしまうという問題が発生する。
さらに、冷間圧延鋼板のめっき工程の前処理として脱脂処理をバーナ火炎によって行う場合、バーナを非水冷にする必要がある。

被加熱物に火炎を直接衝突させて加熱する気体燃料バーナとしては、例えば、特許文献１に開示されたバーナがある。
特許文献１のバーナは、環状部材が同心円状に配置された三重管構造体とされており、中心から酸素、気体燃料、酸素の順でノズル先端部からバーナの軸方向に対して平行に噴出させる構造とされている。特許文献１のバーナは、酸素及び気体燃料の噴出口が同一平面上に配置された構造とされている。

被加熱物に火炎を直接あてて加熱する気体燃料バーナの別の形態として、例えば、特許文献２に開示されたバーナがある。
特許文献２に開示されたバーナは、電気炉用の助燃バーナとして用いられる。特許文献２に開示されたバーナは、鉄屑に火炎を直接衝突させて加熱・溶解するとともに、酸素により鉄屑を強制的に酸化させ、その酸化熱により溶解（カッティング）する機能を有する。

特許文献２に開示されたバーナは、中心部から酸素ガスを噴出させ、該酸素ガスの外周部から燃料を噴出させ、さらにその外周部から酸素ガスを噴出させる三重管構造体とされている。
特許文献２に開示されたバーナは、中心から酸素ガスを高速で噴出させることにより、高速火炎を形成する。また、特許文献２に開示されたバーナでは、最外周の酸素ガスに旋回を与え、短炎化させている。

欧州特許出願公開第１８５００６６号明細書 特開平１０−９５２４号公報

特許文献１に開示されたバーナは、保炎機能を有していない。このため、火炎の流速を速くする目的で酸素及び／または気体燃料の噴出速度を速くすると、火炎の吹き飛びが生じるため、火炎の流速を速くすることができない。
また、特許文献１に開示されたバーナでは、気体燃料と酸素とを平行に噴出させる構造とされているため、燃焼速度が遅くなってしまう。これにより、被加熱物に衝突する際の酸素濃度が高くなるため、酸化しやすい材料を加熱する場合、酸化スケールの発生等が問題となってしまう。

一方、特許文献２に開示されたバーナは、中心から噴出される酸素により、火炎の軸方向速度が高まるものの、カッティングを主な機能としているため、火炎の中心の酸素濃度が高くなり、被加熱物の酸化を抑えながら加熱する用途には適さないという問題があった。

そこで、本発明は、燃焼効率を損なうことなく、火炎の軸方向の速度が高く、高温の火炎が得ることが可能であり、被加熱物の酸化を抑制しつつ対流伝熱効率を向上させることの可能な気体燃料バーナ、及び気体燃料バーナによる加熱方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、所定の方向に延在し、先端部に被加熱物を加熱する火炎が形成されるバーナ本体と、前記バーナ本体の先端部に配置され、前記バーナ本体の基端部から該先端部に向かう方向に対して幅が広くなる円錐台形状とされた燃焼室と、前記燃焼室を構成する直径の異なる第１及び第２の円形面のうち、前記第２の円形面よりも直径の小さい第１の円形面の中心に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に第１の酸化剤を噴出する第１の酸化剤噴出口と、前記第１の円形面のうち、前記第１の酸化剤噴出口の外側に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に対して交差する方向に気体燃料を噴出する気体燃料噴出口と、前記燃焼室の側面に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に対して交差する方向に第２の酸化剤を噴出する第２の酸化剤噴出口と、を有し、前記第１の円形面の第１の直径の値は、前記第１の酸化剤噴出口の開口径の３〜６倍の範囲内の大きさであり、前記バーナ本体の中心軸の延在方向における前記燃焼室の長さの値は、前記第１の直径の０.５〜２倍の範囲内であることを特徴とする気体燃料バーナが提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記燃焼室の側面のうち、前記第２の酸化剤噴出口の配設位置よりも前記第２の円形面側に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向と交差する方向に第３の酸化剤を噴出する第３の酸化剤噴出口を有し、前記バーナ本体の中心軸の延在方向と前記第３の酸化剤の噴出方向とが成す角度は、前記バーナ本体の中心軸の延在方向と前記第２の酸化剤の噴出方向とが成す角度よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記気体燃料噴出口は、複数の気体燃料噴出孔で構成され、前記第２の酸化剤噴出口は、複数の酸化剤噴出孔で構成されており、前記複数の気体燃料噴出孔、及び前記複数の酸化剤噴出孔は、前記第１の円形面の中心に対して同心円状に配置することを特徴とする請求項１または２記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記第３の酸化剤噴出口は、複数の酸化剤噴出孔で構成されており、前記第３の酸化剤噴出口を構成する前記複数の酸化剤噴出孔は、前記第１の円形面の中心に対して同心円状に配置することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記燃焼室の側面と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、０度以上２０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記気体燃料の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、０度以上３０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項７に係る発明によれば、前記第２の酸化剤の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、１０度以上４０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項８に係る発明によれば、前記第３の酸化剤の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、５度以上３０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項２ないし７のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナが提供される。

また、請求項９に係る発明によれば、請求項１ないし８のうち、いずれか１項記載の前記気体燃料バーナが形成する火炎を用いて被加熱物を加熱する気体燃料バーナによる加熱方法であって、前記燃焼室に噴出させる前記第１の酸化剤の噴出速度を５０〜３００ｍ／ｓとし、前記気体燃料の噴出速度を２０〜１００ｍ／ｓとし、前記第２の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓとし、前記第１の酸化剤噴出口に供給する第１の酸化剤の流量が、前記燃焼室に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％〜９０％の範囲として前記火炎を形成し、該火炎により前記被加熱物を加熱することを特徴とする気体燃料バーナによる加熱方法が提供される。

また、請求項１０に係る発明によれば、前記火炎を形成する際、前記燃焼室に噴出させる第３の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓの範囲内とすることを特徴とする請求項９記載の気体燃料バーナによる加熱方法が提供される。

本発明によれば、燃焼効率を損なうことなく、火炎の軸方向の速度が高く、高温の火炎を得ることができると共に、被加熱物の酸化を抑制しつつ対流伝熱効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る気体燃料バーナの主要部の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る気体燃料バーナの主要部の概略構成を模式的に示す断面図である。 特許文献１に開示されたバーナの概略構成を示す断面図である。 試験例１による実施例１及び比較例のバーナと水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。 火炎衝突位置から水冷式伝熱面上の半径方向の距離と衝突対流熱流束との関係を示すグラフである。 実施例１，２及び比較例のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。 （第１の酸素の流量）／（全ての酸素の流量）と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の気体燃料バーナの寸法関係とは異なる場合がある。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る気体燃料バーナの主要部の概略構成を模式的に示す断面図である。図１において、Ｘ方向はバーナ本体１１の延在方向（言い換えれば、所定の方向）、Ｙ方向はＸ方向と直交する方向をそれぞれ示している。
また、図１において、Ｐ_１は第１の酸化剤が噴出される方向（以下、「第１の酸化剤噴出方向Ｐ_１」という）、Ｐ_２は気体燃料が噴出される方向（以下、「気体燃料噴出方向Ｐ_２」という）、Ｐ_３は第２の酸化剤が噴出される方向（以下、「第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３」という）をそれぞれ示している。

図１を参照するに、第１の実施の形態の気体燃料バーナ１０は、バーナ本体１１と、気体燃料供給路１２と、燃焼室１３と、第１の酸化剤噴出口１７と、気体燃料噴出口１８と、第２の酸化剤噴出口１９と、を有する。

バーナ本体１１は、Ｘ方向に延在しており、その先端部には図示していない被加熱物（例えば、鋼材や非鉄材料等）を加熱する火炎（図示せず）が形成される。バーナ本体１１は、第１の環状部材２１と、第２の環状部材２２と、を有する。
第１の環状部材２１は、先端部の肉厚が燃焼室１３に向かうにつれて薄くなるような環状部材である。これにより、第１の環状部材２１の先端部の外周面は、テーパ形状とされている。

第１の環状部材２１は、その中心軸がバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１と一致するように配置されている。第１の環状部材２１は、その内部にＸ方向に延在する第１の酸化剤供給路２４を有する。第１の酸化剤供給路２４の形状は、例えば、円柱形状とすることができる。第１の酸化剤供給路２４は、第１の酸化剤を供給する酸化剤供給源（図示せず）と接続されている。

第２の環状部材２２は、隙間を介在させた状態で、第２の環状部材２２の中心軸がバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１と一致するように、第１の環状部材２１の外側に配置されている。第２の環状部材２２の内径は、第１の環状部材２１の外径よりも大きくなるように構成されている。
第２の環状部材２２は、第１の環状部材２１の先端面からＸ方向に突出して配置される先端部２６を有する。
先端部２６の内面は、第１の環状部材２１の先端面から第２の環状部材２２の先端面に向かうにつれて燃焼室１３の幅が広くなるような傾斜面２６ａ（言い換えれば、燃焼室１３の側面１３ａ）とされている。

第２の環状部材２２のうち、第１の環状部材２１のテーパ形状とされた先端部と対向する内面は、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１に向かう方向に傾斜している。
第２の環状部材２２は、その内部に、Ｘ方向に延在し、かつ先端部２６に第２の酸化剤を供給する第２の酸化剤供給路２８を有する。第２の酸化剤供給路２８の形状は、例えば、円筒形状とすることができる。第２の酸化剤供給路２８は、第２の酸化剤を供給する酸化剤供給源（図示せず）と接続されている。

気体燃料供給路１２は、第１の環状部材２１と第２の環状部材２２とで区画された略円筒形状の空間である。気体燃料供給路１２は、気体燃料を供給する気体燃料供給源（図示せず）と接続されている。

燃焼室１３は、バーナ本体１１の先端部に配置されており、第１の環状部材２１の先端面、及び第２の環状部材２２の先端部２６の傾斜面２６ａで区画されている。燃焼室１３は、バーナ本体１１の基端部（図示せず）から先端部（言い換えれば、第２の環状部材２２の先端部２６）に向かう方向に対して幅が広くなる円錐台形状とされた空間である。
このように、バーナ本体１１の基端部（図示せず）から先端部に向かう方向に対して幅が広くなる円錐台形状とされた燃焼室１３を設けることで、火炎の拡がりを抑制できると共に、火炎の軸方向速度を速くすることができる。

なお、ここでの「火炎の軸方向速度」とは、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ１に対して平行な方向における速度成分のことをいう。火炎が広がると、火炎の断面積が大きくなるため、火炎の軸方向速度が低下してしまう。
よって、火炎を被加熱物に衝突させて加熱する場合には、衝突させる火の軸方向速度が速ければ速いほど対流熱伝達率（単位面積・単位時間・単位温度差（被加熱物と火炎との温度差）あたりの伝熱量）が高くなるため、伝熱効率を高くすることが可能となる。

燃焼室１３は、バーナ本体１１の内部に配置された第１の円形面１３−１と、気体燃料バーナ１０の先端面と同一平面上に配置された第２の円形面１３−２と、を有する。
第１及び第２の円形面１３−１，１３−２は、第１の直径Ｄ_１及び第２の直径Ｄ_２が異なる円形面であり、Ｘ方向において対向配置されている。第１の円形面１３−１の第１の直径Ｄ_１は、第２の円形面１３−２の第２の直径Ｄ_２よりも小さくなるように構成されている。

第１の円形面１３−１の第１の直径Ｄ_１の値は、例えば、第１の酸化剤噴出口１７の開口径ｄの３〜６倍の範囲内の大きさにするとよい。
第１の直径Ｄ_１／開口径ｄが３よりも小さいと、燃焼室１３の側面１３ａを区画する先端部２６の傾斜面２６ａに火炎が接触しやすくなり、該火炎によりバーナ本体１１の先端部が加熱させるため、バーナ本体１１の先端部が損傷してしまう。このため、バーナ本体１１の先端部を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環経路をバーナ本体１１の先端部に設けることが必修となってしまう。

一方、第１の直径Ｄ_１／開口径ｄが６よりも大きいと、燃焼室１３の燃焼室としての機能が低下し、火炎の軸方向速度が遅くなるため、対流伝熱効果が低下してしまう。
したがって、第１の円形面１３−１の第１の直径Ｄ_１の値を、第１の酸化剤噴出口の開口径ｄの３〜６倍の範囲内の大きさにすることで、冷却水循環経路を設けることなく、バーナ本体１１の先端部の破損を抑制できると共に、対流伝熱効果の低下を抑制することができる。

また、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向（Ｘ方向）における燃焼室１３の長さＬの値は、例えば、第１の直径Ｄ_１の０.５〜２倍の範囲内にするとよい。
バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向における燃焼室１３の長さＬの値が、第１の直径Ｄ_１の０.５倍よりも小さいと、火炎の拡がりを抑制する効果が小さくなってしまう。
一方、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向における燃焼室１３の長さＬの値が、第１の直径Ｄ_１の２倍よりも大きいと、火炎が燃焼室１３の側面１３ａに接し、溶損する恐れがある。
したがって、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向（Ｘ方向）における燃焼室１３の長さＬの値を第１の直径Ｄ_１の０.５〜２倍の範囲内にすることで、火炎の拡がりを抑制できると共に、火炎の軸方向速度を速くすることができる。

燃焼室１３の側面１３ａ（言い換えれば、傾斜面２６ａ）とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向（Ｘ方向）とが成す角度θ_１は、例えば、０度以上２０度以下の範囲内で設定するとよい。
燃焼室１３の側面１３ａとバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_１が０度よりも小さいと、燃焼室１３の形状を図１に示すような円錐台形状にすることができないため、火炎が燃焼室１３に接し、溶損する恐れがある。
一方、燃焼室１３の側面１３ａとバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_１が２０度よりも大きいと、火炎の拡がりを抑制する効果が小さくなってしまう。
したがって、燃焼室１３の側面１３ａとバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_１を０度以上２０度以下の範囲内で設定することで、燃焼室１３を構成するバーナ本体１１が溶損することを抑制でき、かつ火炎の拡がりを抑制することができる。

第１の酸化剤噴出口１７は、第１の円形面１３−１の中心に配置されており、第１の酸化剤供給路２４と一体に構成されている。
第１の酸化剤噴出口１７は、第１の酸化剤供給路２４により輸送された第１の酸化剤（例えば、純酸素、酸素富化空気等）をＸ方向（言い換えれば、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１方向）に噴出させる。
燃焼室１３に噴出させる第１の酸化剤の噴出速度は、例えば、５０〜３００ｍ／ｓの範囲内で適宜設定することができる。

第１の酸化剤噴出口１７の開口径ｄは、例えば、第１の酸化剤供給路２４の直径と略等しくすることができる。
また、第１の酸化剤噴出口１７を１つの噴出孔で構成することで、燃焼室１３から離間した遠くの位置まで、噴出された第１の酸化剤の軸方向速度（言い換えれば、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１方向の速度）の速度を保つことが可能となるので、対流伝熱効率を向上させることができる。

また、第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量は、例えば、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計（第１の実施の形態の場合、第１の酸化剤の流量と第２の酸化剤の流量との合計）の４０％〜９０％の範囲内にするとよい。

第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量が、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％よりも少ないと、火炎の軸方向速度が低下し、対流伝熱効率が低くなってしまう。また、この場合、燃焼室１３内において火炎が広がるため、バーナ本体１１の先端部が加熱されて損傷する恐れがある。
したがって、バーナ本体１１の先端部の損傷を抑制するために、バーナ本体１１の先端部を冷却可能な水冷機構を別途設ける必要がある。

一方、第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量が、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計の９０％を超えると、第２の酸化剤の流量が少なくなりすぎるため、保炎効果が低下すると共に、気体燃料及び酸化剤の混合具合が悪くなるため、実用的な火炎を得ることが困難となる。
また、このような場合、燃焼性が悪くなるため、残存酸素の高い火炎が形成されてしまう。よって、酸化するような被加熱物を加熱すると、被加熱物が酸化されてしまう。

したがって、第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量を、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％〜９０％の範囲内にすることで、水冷機構を別途設けることなく、バーナ本体１１の先端部の損傷を抑制できると共に、被加熱物が酸化されやすい材料である場合でも被加熱物が酸化されることを抑制できる。

気体燃料噴出口１８は、第１の環状部材２１の先端部の傾斜した部分と、Ｙ方向において該傾斜した部分と対向する第２の環状部材２２と、の間に設けられている。
これにより、気体燃料噴出口１８は、第１の円形面１３−１のうち、第１の酸化剤噴出口１７の外側に配置されている。
気体燃料噴出口１８は、複数の気体燃料噴出孔（図示せず）で構成されている。複数の気体燃料噴出孔（図示せず）は、第１の円形面１３−１の中心Ｃ_１に対して同心円状に配置されている。
気体燃料噴出口１８は、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に対して交差する方向に気体燃料（例えば、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇａｓ）等）を噴出する。気体燃料噴出口１８から噴出される気体燃料の噴出速度は、例えば、２０〜１００ｍ／ｓの範囲内で適宜選択することができる。

気体燃料噴出方向Ｐ_２とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_２は、例えば、０度以上３０度以下の範囲内で設定するとよい。
このように、気体燃料噴出方向Ｐ_２とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_２を、０度以上３０度以下の範囲内で設定することで、気体燃料と第１の酸化剤との混合を促進させることができる。

第１の実施の形態の気体燃料バーナ１０では、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１方向に第１の酸化剤を噴出させる単孔で構成された第１の酸化剤噴出口１７と、第１の酸化剤噴出口１７を囲むように配置され、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に対して交差する方向に気体燃料を噴出する気体燃料噴出口１８と、を有することで、高速で噴出させた第１の酸化剤がその周りから噴出される気体燃料を巻き込みながら燃焼するため、軸方向速度の速い火炎を形成することができる。

第２の酸化剤噴出口１９は、燃焼室１３の側面１３ａを構成する先端部２６を貫通するように設けられている。第２の酸化剤噴出口１９は、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に対して交差する方向に第２の酸化剤（例えば、純酸素、酸素富化空気等）を噴出する。
第２の酸化剤噴出口１９は、複数の酸化剤噴出口を有する。第２の酸化剤噴出口１９を構成する複数の酸化剤噴出孔は、第１の円形面１３−１の中心Ｃ_１に対して同心円状に配置されている。
燃焼室１３に噴出させる第１の酸化剤の噴出速度を５０〜３００ｍ／ｓとし、気体燃料の噴出速度を２０〜１００ｍ／ｓとした場合、第２の酸化剤の噴出速度は、例えば、２０〜８０ｍ／ｓの範囲内で適宜選択することができる。
このように、第１の酸化剤の噴出速度、気体燃料の噴出速度、及び第２の酸化剤の噴出速度を上記数値範囲内に設定することで、燃焼効率が高く、かつ軸方向速度の速い火炎を形成できる。

第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_３は、例えば、１０度以上４０度以下の範囲内で設定するとよい。
第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_３を１０度よりも未満にすると、気体燃料と第２の酸化剤との混合が悪くなるため、燃焼効率が低下してしまう。
第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_３を４０度よりも大きくなると、第１の酸化剤の流れ、及び気体燃料の流れを遮蔽することとなり、火炎の軸方向速度が遅くなってしまう。

したがって、第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_３を、１０度以上４０度以下の範囲内で設定することで、気体燃料が第２の酸化剤で囲まれるため、気体燃料の逸脱を抑制可能になると共に、気体燃料と第２の酸化剤との混合が促進され、より早期に燃焼が完結されるので、高温の短炎を形成することが可能となる。
これにより、酸化しやすい被加熱物に火炎を衝突させて加熱する場合において、被加熱物の酸化を抑制しながら、被加熱物に熱を効率良く伝えることができる。

また、燃焼室１３の側面１３ａを構成する先端部２６を貫通する第２の酸化剤噴出口１９を設けることで、火炎がノズル本体１１の先端部の内壁に沿って流れることを抑制することが可能となるので、ノズル本体１１の焼損を抑制できる。

第１の実施の形態の気体燃料バーナによれば、Ｘ方向に延在し、先端部に被加熱物（図示せず）を加熱する火炎が形成されるバーナ本体１１と、バーナ本体１１の先端部に配置され、バーナ本体１１の基端部から該先端部に向かう方向に対して幅が広くなる円錐台形状とされた燃焼室１３と、燃焼室１３を構成する直径の異なる第１及び第２の円形面１３−１，１３−２のうち、第２の円形面１３−２よりも直径の小さい第１の円形面１３−１の中心Ｃ_１に配置され、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に第１の酸化剤を噴出する第１の酸化剤噴出口１７と、第１の円形面１３−１のうち、第１の酸化剤噴出口１７の外側に配置され、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に対して交差する方向に気体燃料を噴出する気体燃料噴出口１８と、を有することで、高速で噴出させた第１の酸化剤がその周りから噴出される気体燃料を巻き込みながら燃焼するため、軸方向速度の速い火炎を形成することができる。

また、燃焼室１３の側面１３ａに配置され、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向に対して交差する方向に第２の酸化剤を噴出する第２の酸化剤噴出口１９と、を有することにより、気体燃料が第２の酸化剤で囲まれるため、気体燃料の逸脱を抑制可能になると共に、気体燃料と第２の酸化剤との混合が促進され、より早期に燃焼を完結させることが可能となるので、高温の短炎を形成することが可能となる。
これにより、酸化しやすい被加熱物に火炎を衝突させて加熱する場合において、被加熱物の酸化を抑制しながら、被加熱物に熱を効率良く伝えることができる。
つまり、第１の実施の形態の気体燃料バーナによれば、燃焼効率を損なうことなく、火炎の軸方向の速度が高く、高温の火炎が得ることができ、かつ被加熱物の酸化を抑制しつつ対流伝熱効率を向上させることができる。

上記気体燃料バーナ１０が形成する火炎を用いて被加熱物を加熱する気体燃料バーナによる加熱方法では、燃焼室１３に噴出させる第１の酸化剤の噴出速度を５０〜３００ｍ／ｓとし、気体燃料の噴出速度を２０〜１００ｍ／ｓとし、第２の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓの範囲として火炎を形成し、該火炎により被加熱物を加熱するとよい。
このような条件を用いて、気体燃料バーナによる加熱方法を行うことで、気体燃料と第２の酸化剤との混合が促進され、より早期に燃焼を完結させることが可能となるので、高温の短炎を形成することができる。

また、先に説明したように、第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量は、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％〜９０％の範囲内にするとよい。
これにより、水冷機構を別途設けることなく、バーナ本体１１の先端部の損傷を抑制できると共に、被加熱物が酸化されやすい材料である場合でも被加熱物が酸化されることを抑制できる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る気体燃料バーナの主要部の概略構成を模式的に示す断面図である。図２において、Ｐ_４は、第３の酸化剤が噴出される方向（以下、「第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４」という）を示している。
また、図２において、図１に示す第１の実施の形態の気体燃料バーナ１０と同一構成部分には、同一符号を付す。

図２を参照するに、第２の実施の形態の気体燃料バーナ４０は、第１の実施の形態の気体燃料バーナ１０の構成に、さらに第３の酸化剤噴出口４１を設けたこと以外は、気体燃料バーナ１０と同様に構成される。
第３の酸化剤噴出口４１は、燃焼室１３の側面１３ａのうち、第２の酸化剤噴出口１９の配設位置よりも第２の円形面１３−２側に配置されている。
第３の酸化剤噴出口４１は、複数の酸化剤噴出孔（図示せず）で構成されている。第３の酸化剤噴出口４１を構成する複数の酸化剤噴出孔は、第１の円形面１３−１の中心Ｃ_１に対して同心円状に配置されている。

第３の酸化剤噴出口４１は、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と交差する方向（つまり、第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４）に第３の酸化剤を噴出する。
バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４とが成す角度θ_４は、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とが成す角度θ_３よりも小さくなるように構成されている。
このように、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４とが成す角度θ_４を、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とが成す角度θ_３よりも小さくすることで、火炎の軸方向の流れを阻害することなく、火炎の拡がりを抑制できる。

第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_４は、例えば、５度以上３０度以下の範囲内で適宜設定するとよい。
このように、第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４とバーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向とが成す角度θ_４を５度以上３０度以下の範囲内で適宜設定することで、さらに、気体燃料の逸脱を抑制することが可能となる。
これにより、火炎が先端部２６の内壁（言い換えれば、燃焼室１３の側面１３ａ）に沿って、流れることを抑制可能となるので、ノズル本体１１の焼損を抑制することができる。

上記構成とされた第２の実施の形態の気体燃料バーナによれば、燃焼室１３の側面１３ａのうち、第２の酸化剤噴出口１９の配設位置よりも第２の円形面１３−２側に配置された第３の酸化剤噴出口４１を有すると共に、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第２の酸化剤噴出方向Ｐ_３とが成す角度θ_３よりも小さくなるように、バーナ本体１１の中心軸ＣＬ_１の延在方向と第３の酸化剤噴出方向Ｐ_４とが成す角度θ_４が設定することで、火炎が先端部２６の内壁（言い換えれば、燃焼室１３の側面１３ａ）に沿って、流れることを抑制可能となるので、ノズル本体１１の焼損を抑制できる。

なお、第２の実施の形態の気体燃料バーナ４０は、第１の実施の形態の気体燃料バーナ１０と同様な効果を得ることができる。

上記気体燃料バーナ４０が形成する火炎を用いて被加熱物を加熱する気体燃料バーナによる加熱方法では、燃焼室１３に噴出させる第１の酸化剤の噴出速度を５０〜３００ｍ／ｓとし、気体燃料の噴出速度を２０〜１００ｍ／ｓとし、第２の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓの範囲とし、第３の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓの範囲として火炎を形成し、該火炎により被加熱物を加熱するとよい。
このような条件を用いて、気体燃料バーナによる加熱方法を行うことで、気体燃料と第２及び第３の酸化剤との混合が促進され、より早期に燃焼を完結させることが可能となるので、高温の短炎を形成することができる。

また、第１の酸化剤噴出口１７に供給する第１の酸化剤の流量は、燃焼室１３に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％〜９０％の範囲内にするとよい。
これにより、水冷機構を別途設けることなく、バーナ本体１１の先端部の損傷を抑制できると共に、被加熱物が酸化されやすい材料である場合でも被加熱物が酸化されることを抑制できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、気体燃料噴出口１８、第２の酸化剤噴出口１９、及び第３の酸化剤噴出口４１は、１つのリング状の噴出口で構成してもよい。

以下、試験例１〜３について説明する。

（試験例１）
試験例１では、実施例１として、図１に示す気体燃料バーナ１０と、特許文献１に開示された図３に示す従来のバーナ１００と、を用いて２つのバーナの伝熱効率を評価した。
この際、２つのバーナの先端と水冷式伝熱面との距離を１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍとした。
なお、ここでの「伝熱効率」とは、水冷式伝熱面に流す水の流量、該水の入口温度、及び該水の出口温度を測定し、その後、これらの測定値を用いて、下記（１）式から算出した値のことをいう。
伝熱効率＝水流量×（出口温度−入口温度）×水の比熱÷（燃料流量×低位発熱量）・・・（１）

図３は、特許文献１に開示されたバーナの概略構成を示す断面図である。
ここで、図３を参照して、従来のバーナ１００の構成について説明する。
従来のバーナは、ノズル１０３，１０４（２つのノズル）を有する構造となっている。ノズル１０３，１０４には、燃料導入部１０９と、第１の酸素ガス導入部１１０ａと、第２の酸素ガス導入部１１０ｂと、燃料チャンバ１０７と、第１の酸素ガスチャンバ１０８ａと、第２の酸素ガスチャンバ１０８ｂと、燃料供給管１０５と、酸素ガス供給管１０６と、を有する。

バーナ１００の中心には、円筒形状とされた第１の酸素ガス導入部１１０ａが配置されており、その外側に円筒形状とされた燃料導入部１０９が配置されている。また、燃料導入部１０９の外側には、円筒形状とされた第２の酸素ガス導入部１１０ｂが配置されている。
燃料導入部１０９は、燃料チャンバ１０７と接続されている。第１の酸素ガス導入部１１０ａは、第１の酸素ガスチャンバ１０８ａと接続されている。
また、第２の酸素ガス導入部１１０ｂは、第２の酸素ガスチャンバ１０８ｂと接続されている。第１及び第２の酸素ガスチャンバ１０８ａ，１０８ｂは、連結管を介して、接続されている。
燃料供給管１０５は、燃料チャンバ１０７と接続されている。酸素ガス供給管１０６は、第１の酸素ガスチャンバ１０８ａと接続されている。

燃料噴出口１１１は、燃料導入部１０９の先端に配置されている。第１の酸素ガス噴出口１１２ａは、第１の酸素ガス導入部１１０ａの先端に配置されている。第２の酸素ガス噴出口１１２ｂは、第２の酸素ガス導入部１１０ｂの先端に配置されている。
燃料噴出口１１１の先端、第１の酸素ガス噴出口１１２ａの先端、及び第２の酸素ガス噴出口１１２ｂの先端は、同一平面上に配置されている。
燃料噴出口１１１、第１の酸素ガス噴出口１１２ａ、第２の酸素ガス噴出口１１２ｂは、それぞれ円筒形状とされており、かつ中心軸が一致するように配置されている。

燃料供給管１０５は、燃料供給源（図示せず）と接続されている。酸素ガス供給管１０６は、酸素ガス供給源（図示せず）と接続されている。
燃料は、燃料供給管１０５を介して、燃料チャンバ１０７に供給される。燃料チャンバ１０７に供給された燃料は、ノズル１０３，１０４の燃料導入部１０９に供給され、燃料噴出口１１１から噴出される。

酸素ガスは、酸素ガス供給管１０６を介して、第１の酸素ガスチャンバ１０８aに供給され、更に連結管を介して、第２の酸素ガスチャンバ１０８ｂに供給される。
酸素ガスは、第１の酸素ガスチャンバ１０８aからノズル１０３、１０４の第１の酸素ガス導入管１１０aを介して、第１の酸素ガス噴出口１１２aから噴出される。
また、酸素ガスは、第２の酸素ガスチャンバ１０８ｂからノズル１０３、１０４の第１の酸素ガス導入管１１０ｂを介して、第２の酸素ガス噴出口１１２ｂから噴出される。

ここで、図１を参照して、実施例１の気体燃料バーナ１０の条件について説明する。
実施例１では、第１の円形面１３−１の直径Ｄ_１を１０ｍｍ、燃焼室１３の長さＬを１０ｍｍ、角度θ_１を５度、角度θ_２を１０度、角度θ_３を１５度、第１の酸素の流量：第２の酸素の流量＝４：１、第１の酸素（第１の酸化剤）の噴出速度を３００ｍ／ｓ、第２の酸素（第２の酸化剤）の噴出速度を４０ｍ／ｓ、気体燃料であるメタンの噴出速度を８０ｍ／ｓ、第１及び第２の酸素の合計の流量を７．７Ｎｍ^３／ｈ、気体燃料であるメタンの流量を３．５Ｎｍ^３／ｈとした。

図３に示すバーナ１００の条件としては、下記条件を用いた。
バーナ１００では、第１の酸素の噴出速度を１００ｍ／ｓとし、第２の酸素の噴出速度を４０ｍ／ｓとし、気体燃料であるメタンの噴出速度を８０ｍ／ｓ、第１及び第２の酸素の合計の流量を７．７Ｎｍ^３／ｈ、気体燃料であるメタンの流量を３．５Ｎｍ^３／ｈとした。

上記条件を用いて、算出した実施例１及び比較例のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を図４に示す。
図４は、試験例１による実施例１及び比較例のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。なお、図４では、バーナの先端と水冷式伝熱面との距離が２００ｍｍの相対伝熱効率を１．０として、相対伝熱効率を示している。

図４を参照するに、実施例１では、比較例と比較して伝熱効率が高く、特に、バーナの先端と水冷式伝熱面との距離を２００ｍｍ以下としたときに高い伝熱効率が得られることが確認できた。

図１に示す気体燃料バーナ１０と、特許文献１に開示された図３に示す従来のバーナ１００と、を用いて、火炎衝突位置から水冷伝熱面上の半径方向の距離と衝突対流熱流束との関係を調べた。この結果を図５に示す。
図５は、火炎衝突位置から水冷伝熱面上の半径方向の距離と衝突対流熱流束との関係を示すグラフである。
なお、火炎衝突位置とは、バーナの中心軸と水冷伝熱面との交点のことをいう。
また、衝突対流熱流束とは、単位面積・単位時間あたりに伝わる熱量のことをいう。衝突対流熱流束は、水冷式伝熱盤の水量と、入口と出口との温度差から求められる水冷式伝熱盤に伝わった熱量を伝熱面の面積で割ることにより算出することができる。

図５を参照するに、実施例１では、比較例と比較して、火炎の衝突位置の中心付近において非常に高い熱流束を得られることが判った。特に、火炎の衝突位置の中心位置では、約１.６倍の熱流束を得ることができ、これは、被加熱物を急速に加熱できることを意味する。

（試験例２）
試験例２では、実施例２として、図２に示す気体燃料バーナ４０を用いて、先に説明した実施例１と同様な試験を行った。
具体的には、実施例２では、気体燃料バーナ４０を用いた場合において、バーナの先端と水冷式伝熱面との距離を１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍとした際の伝熱効率を調べた。

ここで、図２を参照して、実施例２の気体燃料バーナ４０の条件について説明する。
実施例２では、角度θ_４を１０度、第１の酸素（第１の酸化剤）の流量：第２の酸素（第２の酸化剤）の流量：第３の酸素（第３の酸化剤）の流量＝８：１：１、第３の酸素の噴出速度を４０ｍ／ｓ、第１ないし第３の酸素の合計の流量を７．７Ｎｍ^３／ｈとしたこと以外は、実施例１と同様な条件を用いた。

上記条件を用いて、試験例１において説明した相対伝熱効率の算出方法と同様な手法により算出した実施例２のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を図６に示す。図６には、実施例１、及び比較例のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係も示す。
図６は、実施例１，２及び比較例のバーナの先端と水冷式伝熱面との距離と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。なお、図６では、バーナの先端と水冷式伝熱面との距離が２００ｍｍの相対伝熱効率を１．０として、相対伝熱効率を示している。

図６を参照するに、実施例２では、実施例１と比較して、２５０ｍｍ以上の距離で高い伝熱効率が得られることが判った。また、バーナの先端からより離れた位置でも高い伝熱効率が得られることが確認できた。

（試験例３）
試験例３では、図２に示す気体燃料バーナ４０を用いて、（第１の酸素の量）／（全ての酸素の量）に対する相対伝熱効率を調べた。このとき、全ての酸素の流量に対する第１の酸素の流量の割合を変えた場合の衝突対流伝熱効率を測定した。全ての酸素の流量から第１の酸素の流量を差し引いた流量を、第１の酸素、及び第３の酸素として供給した。また、第１の酸素の流量と第３の酸素の流量は同じ流量とした。この結果を図７に示す。
図７は、（第１の酸素の流量）／（全ての酸素の流量）と相対伝熱効率との関係を示すグラフである。

図７を参照するに、第１の酸素（第１の酸化剤）の割合を４０％以上とすることで、比較例よりも高い伝熱効率を得ることができることが確認できた。
ただし、第１の酸素（第１の酸化剤）の割合が９０％を超えると、第２の酸素（第２の酸化剤）及び第３の酸素（第３の酸化剤）の流量が少なくなりすぎるため、実用的な火炎が得られなくなった。これは、保炎効果が低下し、燃料・酸化剤の混合が悪くなることに起因すると推測される。

本発明は、被加熱物を対流伝熱によって加熱するのに適した気体燃料バーナ、及び気体燃料バーナによる加熱方法に適用可能である。

１０，４０…気体燃料バーナ、１１…バーナ本体、１２…気体燃料供給路、１３ａ…側面、１３…燃焼室、１３−１…第１の円形面、１３−２…第２の円形面、１７…第１の酸化剤噴出口、１８…気体燃料噴出口、１９…第２の酸化剤噴出口、２１…第１の環状部材、２２…第２の環状部材、２４…第１の酸化剤供給路、２６…先端部、２６ａ…傾斜面、２８…第２の酸化剤供給路、４１…第３の酸化剤噴出口、Ｃ_１…中心、ＣＬ_１…中心軸、ｄ…開口径、Ｄ_１…第１の直径、Ｄ_２…第２の直径、Ｌ…長さ、Ｐ_１…第１の酸化剤噴出方向、Ｐ_２…気体燃料噴出方向、Ｐ_３…第２の酸化剤噴出方向、Ｐ_４…第３の酸化剤噴出方向、θ_１〜θ_４…角度

Claims (10)

1. 所定の方向に延在し、先端部に被加熱物を加熱する火炎が形成されるバーナ本体と、
   前記バーナ本体の先端部に配置され、前記バーナ本体の基端部から該先端部に向かう方向に対して幅が広くなる円錐台形状とされた燃焼室と、
   前記燃焼室を構成する直径の異なる第１及び第２の円形面のうち、前記第２の円形面よりも直径の小さい第１の円形面の中心に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に第１の酸化剤を噴出する第１の酸化剤噴出口と、
   前記第１の円形面のうち、前記第１の酸化剤噴出口の外側に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に対して交差する方向に気体燃料を噴出する気体燃料噴出口と、
   前記燃焼室の側面に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向に対して交差する方向に第２の酸化剤を噴出する第２の酸化剤噴出口と、
   を有し、
   前記第１の円形面の第１の直径の値は、前記第１の酸化剤噴出口の開口径の３〜６倍の範囲内の大きさであり、
   前記バーナ本体の中心軸の延在方向における前記燃焼室の長さの値は、前記第１の直径の０.５〜２倍の範囲内であることを特徴とする気体燃料バーナ。
2. 前記燃焼室の側面のうち、前記第２の酸化剤噴出口の配設位置よりも前記第２の円形面側に配置され、前記バーナ本体の中心軸の延在方向と交差する方向に第３の酸化剤を噴出する第３の酸化剤噴出口を有し、
   前記バーナ本体の中心軸の延在方向と前記第３の酸化剤の噴出方向とが成す角度は、前記バーナ本体の中心軸の延在方向と前記第２の酸化剤の噴出方向とが成す角度よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の気体燃料バーナ。
3. 前記気体燃料噴出口は、複数の気体燃料噴出孔で構成され、
   前記第２の酸化剤噴出口は、複数の酸化剤噴出孔で構成されており、
   前記複数の気体燃料噴出孔、及び前記複数の酸化剤噴出孔は、前記第１の円形面の中心に対して同心円状に配置することを特徴とする請求項１または２記載の気体燃料バーナ。
4. 前記第３の酸化剤噴出口は、複数の酸化剤噴出孔で構成されており、
   前記第３の酸化剤噴出口を構成する前記複数の酸化剤噴出孔は、前記第１の円形面の中心に対して同心円状に配置することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナ。
5. 前記燃焼室の側面と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、０度以上２０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナ。
6. 前記気体燃料の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、０度以上３０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナ。
7. 前記第２の酸化剤の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、１０度以上４０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナ。
8. 前記第３の酸化剤の噴出方向と前記バーナ本体の中心軸の延在方向とが成す角度は、５度以上３０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項２ないし７のうち、いずれか１項記載の気体燃料バーナ。
9. 請求項１ないし８のうち、いずれか１項記載の前記気体燃料バーナが形成する火炎を用いて被加熱物を加熱する気体燃料バーナによる加熱方法であって、
   前記燃焼室に噴出させる前記第１の酸化剤の噴出速度を５０〜３００ｍ／ｓとし、前記気体燃料の噴出速度を２０〜１００ｍ／ｓとし、前記第２の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓとし、前記第１の酸化剤噴出口に供給する第１の酸化剤の流量が、前記燃焼室に供給する全ての酸化剤の流量の合計の４０％〜９０％の範囲として前記火炎を形成し、該火炎により前記被加熱物を加熱することを特徴とする気体燃料バーナによる加熱方法。
10. 前記火炎を形成する際、前記燃焼室に噴出させる第３の酸化剤の噴出速度を２０〜８０ｍ／ｓの範囲内とすることを特徴とする請求項９記載の気体燃料バーナによる加熱方法。

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