(57)【要約】  【課題】  歪み等の発生を抑制し、長期間に亘って信頼性を維持することができる熱交換部材、ラジアントチューブおよびこれを備える熱処理炉を提供するものである。  【解決手段】  内部に流体が流れる複数の管状部材１と、管状部材１と接続され、一の管状部材１ａを流れた流体Ｆを、他の管状部材１ｂに流すための流路を有する接続部材２とを備えるとともに、接続部材２は、一の管状部材１ａと他の管状部材１ｂとの間における外面の少なくとも一部が平坦面とされている熱交換部材10である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体が流れる複数の管状部材と、
該管状部材と接続され、一の前記管状部材を流れた流体を、他の前記管状部材に流すための流路を有する接続部材とを備えるとともに、
該接続部材は、一の前記管状部材と他の前記管状部材との間における外面の少なくとも一部が平坦面とされていることを特徴とする熱交換部材。
【請求項２】
前記接続部材は、
前記管状部材が接合され、かつ該管状部材と連通する連通孔を有する板状部材と、
該板状部材と接続されるとともに、一の前記管状部材を流れた流体を、他の前記管状部材に流すための流路を有する連通部材とを備えるとともに、
前記板状部材または前記連通部材のうち、一の前記管状部材と他の前記管状部材との間における外面の少なくとも一部が平坦面とされていることを特徴とする請求項１記載の熱交換部材。
【請求項３】
前記接続部材は、
前記管状部材と接続されるとともに、一の前記管状部材を流れた流体を、他の前記管状部材に流すための流路を有する連通部材と、
該連通部材の表面を覆う封止部材とを備えるとともに、
前記管状部材は、前記連通部材に固定されているとともに、前記封止部材は、一の前記管状部材と他の前記管状部材との間における外面の少なくとも一部が平坦面とされていることを特徴とする請求項１記載の熱交換部材。
【請求項４】
前記連通部材は、内周面が湾曲してなる凹部を有するとともに、前記凹部の最大深さが、前記管状部材の内径よりも大きいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換部材。
【請求項５】
一の前記管状部材の一端と他の前記管状部材の他端とが順に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の熱交換部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の熱交換部材からなることを特徴とするラジアントチューブ。
【請求項７】
請求項６に記載のラジアントチューブを備えてなることを特徴とする熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換部材、ラジアントチューブおよびこれを備えてなる熱処理炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換部材であるラジアントチューブは、熱処理炉内において、熱処理炉の炉壁に取り付けられる管状の部材であって、バーナ等によりラジアントチューブの内部に高温の燃焼ガス（流体）が供給され、供給された燃焼ガス（流体）の熱がラジアントチューブの外部に放射されることで、熱処理炉の内部を間接加熱するために用いられている。
【０００３】
近年、互いに平行に配置された４つの直管領域とこれらの直管領域を接続する３つの曲管領域とからなるＷ字状に構成されたラジアントチューブが使われるようになっており、このようなラジアントチューブとして、特許文献１では、セラミックス製の直管材と曲管材を順に接続してなるラジアントチューブであって、同一肉厚で同一管径に形成した直管材及び曲管材の端部部分同士が管の全周に亘って厚み方向に重なり合って嵌合するように、両管材の各端部部分の肉厚を薄くして各端部部分に嵌合部を形成し、且つ、その嵌合部で嵌合している両管材の接当部分を耐熱接着剤にて接合しているラジアントチューブが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003−65503号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたラジアントチューブは、高温の燃焼ガス（流体）から受ける熱により、曲管材における曲率の大きい部分で内側と外側に温度差が生じ、それに伴って曲管材の内側を起点として歪み等の変形が生じることで、ラジアントチューブに破壊が生じる場合があり、信頼性が低いという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、歪み等の変形が生じることを抑制し、長期間に亘って信頼性を維持することができる熱交換部材，ラジアントチューブおよびこれを備える熱処理炉を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換部材は、内部に流体が流れる複数の管状部材と、該管状部材と接続され、一の前記管状部材を流れた流体を、他の前記管状部材に流すための流路を有する接続部材とを備えるとともに、該接続部材は、一の前記管状部材と他の前記管状部材との間における外面の少なくとも一部が平坦面とされていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のラジアントチューブは、上記構成の熱交換部材からなることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の熱処理炉は、上記構成のラジアントチューブを備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱交換部材によれば、内部に流体が流れる複数の管状部材と、管状部材と接続され、一の管状部材を流れた流体を、他の管状部材に流すための流路を有する接続部材とを備えるとともに、接続部材は、一の管状部材と他の管状部材との間における外面の少なくとも一部が平坦面とされていることから、温度差に伴う歪み等の変形を抑制することができ、長期間に亘って信頼性を維持することができる。
【００１１】
また、本発明のラジアントチューブによれば、本発明の熱交換部材からなることから、長期間に亘って信頼性を維持することができる。
【００１２】
また、本発明の熱処理炉によれば、本発明のラジアントチューブを備えてなることから、長期間に亘って信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の熱交換部材の一例を示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態の熱交換部材の他の例を示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態の熱交換部材のさらに他の例を示す分解斜視図である。
【図４】本実施形態の熱交換部材のさらに他の例を示す分解斜視図である。
【図５】本実施形態の熱交換部材を構成する管状部材および連通部材の断面図であり、それぞれ（ａ）は管状部材の一例を、（ｂ）は連通部材の一例を、（ｃ）は連通部材の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の熱交換部材の一例を示す分解斜視図である。また、図２〜４は、本実施形態の熱交換部材の他の例を示す分解斜視図である。
【００１５】
図１に示す例の熱交換部材10は、内部に流体Ｆが流れる複数の管状部材１と、管状部材１と接続され、一の管状部材１ａを流れた流体Ｆを、他の管状部材１ｂに流すための流路を有する接続部材２とを備えている。そして、本実施形態の熱交換部材10においては、接続部材２において、一の管状部材１ａと他の管状部材１ｂとの間における外面２ｓ（内側の外面）の少なくとも一部が平坦面とされていることを特徴とする。
【００１６】
例えば、管状部材１の内部にバーナ等を設けて、高温の流体Ｆ（空気等）を流して熱交換するにあたり、管状部材１の内部を流れた流体Ｆが接続部材２を流れる場合に、流体Ｆが接続部材２の形状に沿って流れることとなる。それゆえ、接続部材２において外側は流体Ｆが直接接しやすく高温となりやすいのに対し、内側は流体が直接接する量が外側に比べて少なくなる。それゆえ、接続部材２において、外側と内側とで温度差が生じ、この内側を起点として、例えば管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みを生じる可能性がある。
【００１７】
それゆえ、本実施形態の熱交換部材10においては、接続部材２における一の管状部材１ａと他の管状部材１ｂとの間における外面２ｓ（内側の外面、以下単に内側の外面や外面という場合がある。）の少なくとも一部を平坦面とすることにより、接続部材２の内側の強度を向上することができることから、接続部材２の外側と内側とで温度差が生じたとしても、管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みを抑制することでき、熱交換部材が破損することを抑制することができる。それにより、長期間に亘って信頼性を向上させることができる。
【００１８】
なお、接続部材２における内側の外面の少なくとも一部を平坦面とするにあたり、接続部材２を切削等により内側の外面の少なくとも一部を平坦面とするほか、後述するように
平坦状の部材を接続部材２に取り付けることもできる。なお、図１においては、接続部材２を切削等により内側の外面の少なくとも一部を平坦面とした例を示している。
【００１９】
図２に示す例の熱交換部材11は、管状部材１を４本（１ａ〜１ｄ）、接続部材２（２ａ〜２ｃ）を３個備えてなる熱交換部材11を示しており、一の管状部材１の一端と、他の管状部材１の他端とが、接続部材２を介して順に接続されて、いわゆるＷ形状となっている例を示している。
【００２０】
１つの熱交換部材11を構成するにあたり、一の管状部材１の一端と、他の管状部材１の他端とを接続部材２を介して連結することにより、蛇行状の熱交換部材とすることができ、それにより、目的に応じた長さの流路を備える熱交換部材を容易に作製することができる。
【００２１】
ここで、管状部材１の長さが長い場合や、熱交換部材を構成する管状部材の本数が多い場合には、外側と内側とで温度差を有する接続部材２が連続して接続されることから、図１に示すような２本の管状部材１を備える熱交換部材10に比べて、管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みがより生じやすくなる。
【００２２】
これに対し、本実施形態の熱交換部材11においては、接続部材２の内側の外面の少なくとも一部を平坦面とすることにより、接続部材２の内側の強度を向上することができることから、管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みを抑制することできる。それゆえ、図２においては、管状部材１を４本備える熱交換部材11を用いて説明したが、それ以上の本数を備える熱交換部材としても、熱交換部材が破損することを抑制でき、長期間に亘って信頼性を向上させることができる。
【００２３】
図３に示す例の熱交換部材12は、管状部材１を４本（１ａ〜１ｄ）、接続部材２（２ａ〜２ｃ）を３個備えている。なお、図３に示す例の熱交換部材12は、管状部材１と連通する連通孔５を有する板状部材３（３ａ〜３ｃ）と、板状部材３と接続されるとともに、一の管状部材１を流れた流体Ｆを、他の管状部材１に流すための流路を有する連通部材４ａ〜４ｃとを備えて構成されている。それにより、管状部材１と接続部材２とを容易に接合することができる。
【００２４】
また、板状部材３にて連通部材４の内側を覆う形状とする（連通孔５は除く）ことで、接続部材２の内側の外面を容易に平坦面とすることができる。それにより、接続部材２の内側の強度を向上することができることから、管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みを抑制することでき、長期間に亘って信頼性を向上させることができる。
【００２５】
なお、図３に示す例の熱交換部材12において、管状部材１の外径を連通孔５よりも大きくして、連通孔５の外側に接合する構成とするほか、管状部材１の外径を連通孔５とほぼ同じかそれより少し小さくして、管状部材１を連通孔５に挿入して固定してもよい。なおこの場合、管状部材１と連通孔５との隙間から高温の流体が漏出しないよう、管状部材１と連通孔５との接合部は、耐熱性のあるシール材（例えばガラス等）で接合することが好ましい。
【００２６】
なお、上記の説明においては、連通部材４の内側全体を板状部材３で覆う形状の例を説明したが、必ずしも板状部材３にて連通部材４の内側全体を覆う必要はなく、各管状部材１と対応する連通孔５を有する板状部材３の２つを間をあけて連通部材４に接合し、連通部材４の板状部材３の間となる部分を平坦面としてもよい。
【００２７】
図４に示す例の熱交換部材13では、管状部材１を４本（１ａ〜１ｄ）、接続部材２（２
ａ〜２ｃ）を３個備えている。ここで、図４に示す例の熱交換部材13においては、図３に示す例の熱交換部材12と比べて、板状部材３の代わりに、連通部材４（４ａ〜４ｃ）の内側の外面を覆う封止部材６を備えており、封止部材６は連通部材４の内側の外面（表面）に固定されている。
【００２８】
そして、図４より明らかなように、封止部材６は連通部材４に接続される管状部材１の間に配置され、管状部材１の形状にあわせた曲面部を有しており、この曲面部に管状部材１の一部が接合される。これにより、封止部材６が、一の管状部材１ａと他の管状部材１ｃとの間、一の管状部材１ｄと他の管状部材１ｂとの間に配置されることとなることから、封止部材６の内側面（連通部材４と反対側の面）を平坦面とすることで、接続部材２の内側の強度を向上することができることから、管状部材１のそれぞれが逆方向に傾斜するなどの歪みを抑制することでき、長期間に亘って信頼性を向上させることができる。
【００２９】
なお、上記図１〜図４に示した熱交換部材10，11，12，13をそれぞれ構成する管状部材１は、内径および肉厚が、例えば、それぞれ120ｍｍ〜140ｍｍ，４ｍｍ〜８ｍｍであり、管状部材１ａ，１ｂおよび管状部材１ｃ，１ｄの各長さは、例えば、1000ｍｍ〜1200ｍｍ，250ｍｍ〜300ｍｍである。また、板状部材３および封止部材５は、厚みが、例えば、５ｍｍ〜10ｍｍである。
【００３０】
なお、図１に示す例の熱交換部材10および図２〜４に示す例の熱交換部材11，12，13は、正面視した形状がそれぞれＵ字状，Ｗ字状であるが、これらの形状に拘わらず、Ｖ字状、Ｌ字状であっても何等差し支えない。すなわち、複数の管状部材１を接続部材を介して接続するにあたり、これらの管状部材１の間における接合部材の内側の外面の少なくとも一部が平坦面となっていればよい。
【００３１】
図５は、本実施形態の熱交換部材を構成する管状部材および連通部材の断面図であり、それぞれ（ａ）は管状部材の一例を、（ｂ）は連通部材の一例を、（ｃ）は連通部材の他の例を示す断面図であり、図５（ｂ）は内周面全体が湾曲してなる凹部を有する連通部材を、図５（ｃ）は内周面の底部が平坦面であり、底部以外は湾曲してなる凹部を有する連通部材を示している。
【００３２】
図５に示すように、本実施形態の熱交換部材では、連通部材４は、内周面が湾曲してなる凹部を有するとともに、凹部の最大深さＤ４が、管状部材１の内径Ｄ１よりも大きいことが好適である。このような構成であると、高温の流体が連通部材４を流れる際の圧力損失を低減させることができ、熱交換効率を向上することができる。
【００３３】
なお、連通部材４の凹部の最大深さＤ４は、例えば、150ｍｍ〜200ｍｍであり、特に、凹部の最大深さＤ４は、管状部材２の内径Ｄ２よりも40ｍｍ以上大きいことがより好適である。
【００３４】
また、管状部材１、接続部材２（板状部材３、連通部材４、封止部材６）は、非酸化物、例えば、炭化珪素，窒化珪素，窒化アルミニウム，炭化硼素または窒化硼素のいずれかを主成分とするセラミック焼結体からなることが好適である。特に、管状部材１および接続部材２は、熱伝導率が180Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭化珪素を主成分とするセラミック焼
結体からなることがより好適である。なお、ここでいう主成分とは、セラミック焼結体を構成する成分100質量％のうち、50％以上を占める成分のことである。
【００３５】
そして、各部材の成分については、同定を必要とするときにはＸ線回折法を用い、含有量については蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析法により求めればよい。具体的には、Ｘ線回折法により同定された成分が炭化珪素である
ときには、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法で珪素の比率を求め、炭化物（ＳｉＣ）に換算すれば炭化珪素の含有量を求めることができる。
【００３６】
そして、上述した熱交換部材10〜13をラジアントチューブとして用いる、またはこのラジアントチューブの内部に、例えばバーナを配置して、熱処理炉に配置することにより、信頼性の向上した熱交換部材を備えることから、信頼性を向上することができる。
【００３７】
次に、本実施形態の熱交換部材の製造方法の一例について説明する。
【００３８】
まず、炭化珪素を主成分とする複数の管状部材１ａ，１ｂと、管状部材１ａと管状部材１ｂとの間における外面２ｓの少なくとも一部が平坦面とされている炭化珪素を主成分とする接続部材２とを準備する。次に、管状部材１ａ，１ｂの接続部材２側端面に、炭素および炭化珪素の各粉末を含むペーストを塗布した後、図１に示すように各部材を載置し、各端面に対し、垂直な方向から自重を用いて加圧する。そして、加圧した状態で、珪素の粉末を含むペーストを接続部材２の外側から接合部を被覆するように塗布し、温度および保持時間をそれぞれ80℃以上200℃以下、８時間以上14時間以下として乾燥する。その後
、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、温度および保持時間をそれぞれ1400℃以上1500℃以下、30分以上90分以下として熱処理することにより、管状部材１と接続部材２とを接続する。最後に、一の管状部材１ａと他の管状部材１ｂとの間に生じる、接続部材２における隙間には耐熱性を有する材料を充填して、熱処理することにより、図１に示す例の熱交換部材10を得ることができる。
【００３９】
また、図２に示す例の熱交換部材11を得る場合には、炭化珪素を主成分とする複数の管状部材１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、管状部材１ａ，１ｃ間、管状部材１ｂ，１ｄ間および管状部材１ｃ，１ｄ間におけるそれぞれの外面２ｓの少なくとも一部が平坦面とされている炭化珪素を主成分とする接続部材２ａ，２ｂ，２ｃとを準備する。次に、管状部材１ａ，１ｂの接続部材２ａ，２ｂ側端面および管状部材１ｃ，１ｄの接続部材２ｃ側端面に、炭素および炭化珪素の各粉末を含むペーストをそれぞれ塗布した後、図２に示すように各部材を載置し、各端面に対し、垂直な方向から自重を用いて加圧する。そして、加圧した状態で、珪素の粉末を含むペーストを接続部材２の外側から接合部を被覆するように塗布し、上述した乾燥方法および熱処理方法を用いて、管状部材１と接続部材２とを接続する。最後に、各管状部材１間に生じる、接続部材２における隙間には耐熱性を有する材料を充填して、熱処理することにより、図２に示す例の熱交換部材11を得ることができる。
【００４０】
また、図３に示す例の熱交換部材12を得る場合には、複数の管状部材１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、連通部材４ａ，４ｂ，４ｃと、管状部材１ａ，１ｃ間、管状部材１ｂ，１ｄ間および管状部材１ｃ，１ｄ間におけるそれぞれの外面の少なくとも一部が平坦面とされている板状部材３ａ，３ｂ，３ｃとを準備する。次に、管状部材１ａ，１ｂの板状部材３ａ，３ｂ側端面および管状部材１ｃ，１ｄの両端面に、炭素および炭化珪素の各粉末を含むペーストをそれぞれ塗布した後、図３に示すように各部材を載置し、端面に対し、垂直な方向から自重を用いて加圧する。そして、加圧した状態で、珪素の粉末を含むペーストを管状部材１および連通部材４のそれぞれの外側から接合部を被覆するように塗布し、上述した乾燥方法および熱処理方法を用いて、管状部材１と連通部材４とを板状部材３を介して接続することにより、図３に示す例の熱交換部材11を得ることができる。
【００４１】
また、図４に示す例の熱交換部材13を得る場合には、複数の管状部材１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、連通部材４ａ，４ｂ，４ｃと、管状部材１ａ，１ｃ間、管状部材１ｂ，１ｄ間および管状部材１ｃ，１ｄ間におけるそれぞれの外面の少なくとも一部が平坦面とされている封止部材６ａ，６ｂ，６ｃとを準備する。次に、管状部材１ａ，１ｂの連通部材４ａ，４ｂ側端面および管状部材１ｃ，１ｄの両端面に、炭素および炭化珪素の各粉末を含む
ペーストをそれぞれ塗布した後、図４に示すように各部材を載置し、端面に対し、垂直な方向から自重を用いて加圧する。そして、加圧した状態で、珪素の粉末を含むペーストを管状部材１および連通部材４のそれぞれの外側から接合部を被覆するように塗布し、上述した乾燥方法および熱処理方法を用いて、管状部材１と連通部材４とが接続され、連通部材４の表面を覆う封止部材５を備えてなる、図４に示す例の熱交換部材13を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：管状部材
２：接続部材
３：板状部材
４：連通部材
５：連通孔
６：封止部材
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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