(57)【要約】  本発明に係る熱交換器においては、ラジアントチューブに内包される中空状の熱交換器本体と、熱交換器本体の外周面に設けられた熱伝導体とを備えており、ラジアントチューブと熱交換器本体との間を流れる第一気体と、熱交換器本体の中空内部を流れる第二気体との間で熱交換を行う熱交換器において、ラジアントチューブと熱交換器本体との間を流れる第一気体に対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進手段を、熱交換器本体の外周面に溶接をしないで設けた。
2018061531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアントチューブに内包される中空状の熱交換器本体と、
前記熱交換器本体の外周面に設けられた熱伝導体とを備えており、
前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる第一気体と、前記熱交換器本体の中空内部を流れる第二気体との間で熱交換を行う熱交換器において、
前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる前記第一気体に対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進手段を、前記熱交換器本体の外周面に溶接をしないで設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記熱伝導体は環状であって、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数配置されており、
前記熱伝導体を前記乱流発生促進手段として兼用することを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器において、
前記熱伝導体は周方向で分割された複数の分割部材で構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項３に記載の熱交換器において、
前記熱伝導体の熱交換器本体軸線方向と平行な断面が、柱形状、平板形状または半円形状であることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項３または４に記載の熱交換器において、
前記複数の分割部材の周方向端部を連結する連結手段を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離よりも、前記熱伝導体の前記外周面からの高さが小さいことを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離をＰ［ｍｍ］とし、前記熱伝導体の前記外周面からの高さをＨ［ｍｍ］とし、前記熱交換器本体及び各熱伝導体の全伝熱面積をＡ［ｍｍ２］とし、前記熱伝導体の伝熱面積をＡｆ［ｍｍ２］としたとき、０．１０≦（Ｈ／Ｐ）０．８・｛（Ａ−Ａｆ）／Ａ｝≦０．２０の関係を満たすことを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項２乃至５のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記熱伝導体は一端部が開放された環状部材であって、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数配置されており、
前記熱伝導体を前記乱流発生促進手段として兼用することを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項２に記載の熱交換器において、
環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を追加で設置したことを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の熱交換器において、
前記熱交換器本体よりも耐熱性の高い材料で前記熱伝導体を構成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項１２】
ラジアントチューブ内に挿入された、該ラジアントチューブ内を流れる燃焼ガスと該ラジアントチューブを加熱するために用いられる燃焼空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えるラジアントチューブ式加熱装置において、
前記熱交換手段として、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の熱交換器を用いたことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項１３】
ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
熱交換を促進する熱伝導体が設置されていない中空状の熱交換器本体の外周面に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を設けたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱交換器の製造方法において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１５】
ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
熱交換を促進する熱伝導体が設置された熱交換器本体に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を追加して設けたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の熱交換器の製造方法において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、ラジアントチューブ式加熱装置及び熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料などの熱処理を行う熱処理炉に用いられる加熱手段として、ラジアントチューブ内にバーナと熱交換器とが設けられたラジアントチューブ式加熱装置が知られている。【０００３】
特許文献１に記載のラジアントチューブ式加熱装置においては、バーナに燃料ガスと燃焼空気とを供給して燃料ガスを燃焼させることにより、ラジアントチューブ内で燃焼ガスを生成し、その生成した燃焼ガスによってラジアントチューブを加熱する。また、熱交換器本体の外周面には、螺旋状の熱伝導体が設けられており、ラジアントチューブを加熱した後の燃焼ガスである排ガスが、熱伝導体にガイドされながら熱交換器本体の外周面に沿って、熱交換器本体の外周面とラジアントチューブの内周面との間を通過する。この際、排ガスの熱が熱交換器本体の外周面で吸熱され熱交換器本体が加熱されるとともに、排ガスの熱が熱伝導体でも吸熱され、熱伝導体からの熱伝導によっても熱交換器本体が加熱される。そして、このように加熱された熱交換器本体により、熱交換器本体の中空内部を流れる、バーナに供給される前の燃焼空気が予熱され、この予熱された燃焼空気をバーナに供給することによって、バーナにおける燃料ガスの燃焼効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−９２３２９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、熱交換器本体と熱伝導体との温度差が大きくなり過ぎると、互いに接触している熱交換器本体と熱伝導体との熱膨張差により発生する熱応力によって、熱伝導体が破損してしまうといった問題が生じる。【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱交換器本体と熱伝導体との温度差を小さくして、熱伝導体の破損を抑制することができる熱交換器、ラジアントチューブ式加熱装置及び熱交換器の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る熱交換器は、ラジアントチューブに内包される中空状の熱交換器本体と、前記熱交換器本体の外周面に設けられた熱伝導体とを備えており、前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる第一気体と、前記熱交換器本体の中空内部を流れる第二気体との間で熱交換を行う熱交換器において、前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる前記第一気体に対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進手段を、前記熱交換器本体の外周面に溶接をしないで設けたことを特徴とするものである。【０００８】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記熱伝導体は環状であって、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数配置されており、前記熱伝導体を前記乱流発生促進手段として兼用することを特徴とするものである。【０００９】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記熱伝導体は周方向で分割された複数の分割部材で構成されていることを特徴とするものである。【００１０】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記熱伝導体の熱交換器本体軸線方向と平行な断面が、柱形状、平板形状または半円形状であることを特徴とするものである。【００１１】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記複数の分割部材の周方向端部を連結する連結手段を有することを特徴とするものである。【００１２】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離よりも、前記熱伝導体の前記外周面からの高さが小さいことを特徴とするものである。【００１３】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離をＰ［ｍｍ］とし、前記熱伝導体の前記外周面からの高さをＨ［ｍｍ］とし、前記熱交換器本体及び各熱伝導体の全伝熱面積をＡ［ｍｍ２］とし、前記熱伝導体の伝熱面積をＡｆ［ｍｍ２］としたとき、０．１０≦（Ｈ／Ｐ）０．８・｛（Ａ−Ａｆ）／Ａ｝≦０．２０の関係を満たすことを特徴とするものである。【００１４】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とするものである。【００１５】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記熱伝導体は一端部が開放された環状部材であって、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数配置されており、前記熱伝導体を前記乱流発生促進手段として兼用することを特徴とするものである。【００１６】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を追加で設置したことを特徴とするものである。【００１７】
また、本発明に係る熱交換器は、上記の発明において、前記熱交換器本体よりも耐熱性の高い材料で前記熱伝導体を構成したことを特徴とするものである。【００１８】
また、本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、ラジアントチューブ内に挿入された、該ラジアントチューブ内を流れる燃焼ガスと該ラジアントチューブを加熱するために用いられる燃焼空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えるラジアントチューブ式加熱装置において、前記熱交換手段として、上記の発明の熱交換器を用いたことを特徴とするものである。【００１９】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、熱交換を促進する熱伝導体が設置されていない中空状の熱交換器本体の外周面に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を設けたことを特徴とするものである。【００２０】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、上記の発明において、熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とするものである。【００２１】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、熱交換を促進する熱伝導体が設置された熱交換器本体に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された前記熱伝導体を追加して設けたことを特徴とするものである。【００２２】
また、本発明に係る熱交換器の製造方法は、上記の発明において、熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る熱交換器、ラジアントチューブ式加熱装置及び熱交換器の製造方法においては、熱交換器本体と熱伝導体との温度差を小さくして、熱伝導体の破損を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施形態に係るラジアントチューブ式加熱装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、ラジアントチューブ式加熱装置における熱交換器近傍の拡大図である。
【図３】図３は、熱交換器において熱伝導体が設置されていない熱交換器本体を示した図である。
【図４】図４は、従来例に係る熱交換器の構成を示す模式図である。
【図５】図５は、実施形態に係る熱交換器に設けられるフィンの一例を示す模式図である。
【図６】図６は、上部フィン及び下部フィンの周方向両端部を連結した状態を示す図である。
【図７】図７は、実施形態に係る熱交換器に設けられる熱伝導体の例を示す模式図である。
【図８】図８は、実施形態に係る熱交換器におけるフィンのピッチ及び高さについての説明図である。
【図９】図９は、フィンの寸法パラメーターと、熱交換効率及び排ガス圧損余裕率との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、熱交換器において熱交換器本体の外周面に熱伝導体を熱交換器本体軸線方向に一定の高さで凹凸させて設置した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明を適用した熱交換器及びその熱交換器を備えたラジアントチューブ式加熱装置の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、この実施形態により、本発明が限定されるものではない。図１は、実施形態に係るラジアントチューブ式加熱装置１の構成を示す模式図である。図２は、ラジアントチューブ式加熱装置１における熱交換器１３近傍の拡大図である。ラジアントチューブ式加熱装置１は、筒状のラジアントチューブ１１を備え、ラジアントチューブ１１を内部から加熱し、ラジアントチューブ１１の外周面からの放射熱によって鋼板や鋼材を加熱するものである。
【００２６】
ラジアントチューブ１１の一方の端部には、バーナ１２が挿入されている。バーナ１２は、燃焼空気を利用して燃料ガスを燃焼させることによって燃焼ガスを生成し、ラジアントチューブ１１内を流通する燃焼ガスを利用してラジアントチューブ１１を内部から加熱する。ラジアントチューブ１１の他方の端部には、熱交換器１３が挿入されている。熱交換器１３は、ラジアントチューブ１１を加熱した燃焼ガス（以下、排ガスともいう）と、外部から供給された燃焼空気との間で熱交換を行い、加熱された燃焼空気をバーナ１２側に供給する。
【００２７】
中空状の熱交換器本体１３ａの外周面には、熱交換器本体１３ａを内包する環状の熱伝導体であるフィン１４が、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数並んで配置されている。なお、本実施形態においては、フィン１４の径方向が熱交換器本体軸線方向と直交するように、熱交換器本体１３ａに対してフィン１４を設けているが、フィン１４の径方向が熱交換器本体軸線方向と斜交するように、熱交換器本体１３ａに対してフィン１４を傾けて設けてもよい。
【００２８】
また、本実施形態に係る熱交換器１３においては、図３に示すような熱伝導体が設置されていない熱交換器本体１３ａの外周面に、フィン１４を溶接しないで設置している。これにより、熱交換器本体１３ａとフィン１４との温度差に基づく破損を抑制することができ、フィン１４の伝熱機能を長く維持することができる。
【００２９】
熱交換器本体１３ａの外周面とラジアントチューブ１１の内周面との間を排ガスが通過する際、排ガスの熱が熱交換器本体１３ａの外周面で吸熱され熱交換器本体１３ａが加熱される。また、フィン１４は、排ガスが有する熱を吸熱し、その吸収した熱を熱伝導によって熱交換器１３に伝熱し熱交換器１３を加熱する。これにより、熱交換器１３の外周面にフィン１４を設けない場合よりも、排ガスから熱交換器１３への伝熱を促進させることができ、熱交換器１３への伝熱量を増加させることができる。そして、このように加熱された熱交換器本体１３ａにより、熱交換器本体１３ａの中空内部を流れる、バーナ１２に供給される前の燃焼空気が予熱され、この予熱された燃焼空気をバーナ１２に供給することによって、バーナ１２における燃料ガスの燃焼効率を高めている。その結果、バーナ１２での燃料ガスの使用比率を削減することができる。このように、実施形態に係る熱交換器１３においては、フィン１４が排ガスから熱交換器本体１３ａへの伝熱を促進させる伝熱促進体として機能している。
【００３０】
熱交換器本体１３ａの外周面とラジアントチューブ１１の内周面との間を通過し、熱交換器本体１３ａやフィン１４に吸熱された排ガスは、ラジアントチューブ１１に設けられた排気口６から排出される。
【００３１】
実施形態に係る熱交換器１３においては、ラジアントチューブ１１の内周面と熱交換器本体１３ａの外周面との間で、ラジアントチューブ１１内を熱交換器本体軸線方向と平行に流れる排ガスが、フィン１４とぶつかることにより乱流が発生する。このように、実施形態に係る熱交換器１３では、フィン１４が、ラジアントチューブ１１の内周面と熱交換器本体１３ａの外周面との間を流れる排ガスに対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進体としても機能している。
【００３２】
図４は、従来例に係る熱交換器１１３の構成を示す模式図である。図４に示すように、従来例に係る熱交換器１１３においては、熱交換器本体１１３ａの外周面に熱交換器本体軸線方向にわたって螺旋状フィン１１４が設けられており、螺旋状フィン１１４にガイドされながら熱交換器本体１１３ａの外周面に沿って、熱交換器本体１１３ａの外周面とラジアントチューブ１１の内周面との間を排ガスが通過する。そのため、熱交換器本体１１３ａの外周面とラジアントチューブ１１の内周面との間を流れる排ガスに対して、螺旋状フィン１１４により乱流は発生するものの熱交換器本体１１３ａの外周面近傍での乱流の発生効果は小さく、熱交換器本体１１３ａの外周面近傍を流れる熱交換器本体１１３ａに吸熱された温度の低い排ガスと、ラジアントチューブ１１の内周面近傍を流れる温度の高い排ガスとの入れ替えが盛んには行われない。
【００３３】
これに対して、実施形態に係る熱交換器１３においては、上述したように排ガスに対してフィン１４により乱流を積極的に発生させることで、ラジアントチューブ１１の内周面と熱交換器本体１３ａの外周面との間で、熱交換器本体１３ａの外周面近傍を流れる熱交換器本体１３ａに吸熱された温度の低い排ガスと、ラジアントチューブ１１の内周面近傍を流れる温度の高い排ガスとの入れ替えが盛んに行われる。これにより、ラジアントチューブ１１の内周面と熱交換器本体１３ａの外周面との間で、フィン１４によって排ガスに対し熱交換器本体１１３ａの外周面近傍での乱流の発生効果が小さい場合よりも、排ガスから熱交換器１３に伝熱される熱量を増加させることができる。よって、その分、熱交換器本体１３ａとフィン１４との温度差を小さくすることができ、熱交換器本体１３ａとフィン１４との熱膨張差によるフィン１４の破損を抑制することができる。また、このようにフィン１４の破損を抑制できることで、フィン１４の寿命を延ばすことができ、フィン１４が破損することによる、排ガスから熱交換器本体１３ａへの伝熱効率改善効果の悪化が抑えられる。
【００３４】
図５は、実施形態に係る熱交換器１３に設けられるフィン１４の一例を示す模式図である。図５に示すフィン１４は、周方向で半分ずつに分割された２つの分割部材である上部フィン１４ａと下部フィン１４ｂとで構成されている。なお、フィン１４を周方向で３つ以上に分割して構成してもよい。このようにフィン１４が、周方向で複数に分割されていることにより、熱交換器本体１３ａに対してフィン１４を取り付けたり取り外したりする作業性を向上させることができる。また、フィン１４が周方向で複数に分割されていることで、熱膨張による熱応力の発生を抑えられ、フィン１４の長寿命化を図ることができる。
【００３５】
図６は、上部フィン１４ａ及び下部フィン１４ｂの周方向両端部を連結した状態を示す図である。図６に示すように、上部フィン１４ａ及び下部フィン１４ｂの周方向両端部は、それぞれボルト２０Ａ，２０Ｂとナット２１Ａ，２１Ｂとによって締結されて連結している。これにより、熱交換器１３及びフィン１４が熱膨張することで互いが押し合うことにより発生する応力が大きくなり過ぎないように、ボルト２０Ａ，２０Ｂの締め付け量によって、フィン１４と熱交換器本体１３ａとの接触により発生する応力を事前に調整することが可能となる。よって、熱交換器１３及びフィン１４が熱膨張したときに、互いが押し合うことにより発生する応力が大きくなり過ぎて、フィン１４が破損してしまうのを抑制することができる。
【００３６】
なお、上部フィン１４ａ及び下部フィン１４ｂの周方向端部を連結する連結手段としては、ボルト２０Ａ，２０Ｂ及びナット２１Ａ，２１Ｂなどの締結部材を用いたものに限らず、例えば、クリップなどの挟持部材によって上部フィン１４ａ及び下部フィン１４ｂの周方向端部を挟んで固定して連結するようにしてもよい。
【００３７】
また、実施形態に係る熱交換器１３では、図２に示すように、熱交換器本体軸線方向と平行な断面が柱形状のフィン１４を用いているが、前記断面の形状が、前記柱形状よりも厚みが薄い平板形状や、半円形状などのフィン１４を用いても良い。
【００３８】
図７は、実施形態に係る熱交換器１３に設けられる熱伝導体の例を示す模式図である。熱交換器１３に設けられる熱伝導体としては、図７に示すような一端部１４Ａ１が開放された環状部材（Ｃ型形状部材）によって構成されたフィン１４Ａを用いてもよい。フィン１４Ａにおいては、一端部１４Ａ１が開放されていることにより、図３に示すような熱伝導体が設置されていない熱交換器本体１３ａに対する、フィン１４Ａの取り付けや取り外しを行う作業性を向上させることができる。また、フィン１４Ａの一端部１４Ａ１が開放されていることにより、熱膨張による熱応力の発生を抑えられ、フィン１４Ａの長寿命化を図ることができる。
【００３９】
また、フィン１４，１４Ａに用いる材料としては、熱交換器本体１３ａに用いる材料よりも耐熱性の高い材料を使用するのが望ましい。本実施形態においては、熱交換器本体１３ａに耐熱鋳鋼を用いているが、熱交換器本体１３ａに用いられる耐熱鋳鋼よりもＮｉ比率が高く耐熱特性の高い耐熱材料をフィン１４，１４Ａに用いる。これにより、熱交換器本体１３ａよりも高温となるフィン１４，１４Ａの寿命を延ばすことができ、フィン１４，１４Ａが破損することによる伝熱効率の悪化を、さらに抑えることができる。
【００４０】
図８は、実施形態に係る熱交換器１３におけるフィン１４のピッチ及び高さについての説明図である。図９は、フィン１４の寸法パラメーターと、熱交換効率及び排ガス圧損余裕率との関係を示すグラフである。また、表１に、フィン１４の寸法パラメーターと、熱交換効率及び排ガス圧損余裕率との関係を示す。
【００４１】
【表１】
2018061531.tif 000003
【００４２】
実施形態に係る熱交換器１３においては、図８に示すように、熱交換器本体軸線方向で隣り合うフィン１４間の距離であるフィンピッチをＰとし、熱交換器本体１３ａの外周面からのフィン高さをＨとし、熱交換器本体１３ａ及び各フィン１４の排ガスと接触し得る表面積の合計である全伝熱面積をＡとし、各フィン１４の排ガスと接触し得る表面積の合計であるフィン伝熱面積をＡｆとしたとき、図９及び表１から後述するように熱交換効率及び排ガス圧損余裕率を考慮して、フィン１４の寸法パラメーター（Ｈ／Ｐ）０．８・｛（Ａ−Ａｆ）／Ａ｝が、下記数式（１）を満たすように構成している。
【００４３】
【数１】
2018061531.tif 000004
【００４４】
なお、表１から、フィンピッチＰが同じ場合には、フィン高さＨが高いほど熱交換効率が高くなるのがわかる。一方、フィン高さＨが同じ場合には、フィンピッチＰが短いほど熱交換効率が高くなるのがわかる。また、フィンピッチＰの長さによらず、フィン高さＨが高くなるほど排ガス圧損余裕率が小さくなるのがわかる。排ガス圧損余裕率が小さくなり過ぎると、言い換えれば、排ガスの圧損が大きくなり過ぎると、フィン１４が外周面に設けられた熱交換器本体１３ａとラジアントチューブ１１との間で排ガスが流れ難くなる。そのため、排ガス圧損余裕率としては１００［％］以上とするのが好ましい。また、このとき、熱交換効率が１．０［％］以上となるようなフィン高さＨやフィンピッチＰとするのが好ましい。
【００４５】
フィン１４の寸法パラメーターが、上記数式（１）の関係を満たすことにより、十分な熱交換効率や排ガス圧損余裕率を確保しつつ、フィン１４と熱交換器本体１３ａとの熱膨張差を小さくして、フィン１４の破損を抑制することができる。
【００４６】
表２に、フィン１４の寸法パラメーターが上記数式（１）の関係を満たす実施例１〜３と、フィン１４の寸法パラメーターが上記数式（１）の関係を満たさない比較例とにおける、熱交換器本体１３ａ及びフィン１４の表面温度と発生熱応力比との関係を示す。なお、実施例１は表１の「Ｎｏ．２」の条件を、実施例２は表１の「Ｎｏ．５」の条件を、実施例３は表１の「Ｎｏ．３」の条件を、比較例は表１の「Ｎｏ．１」の条件を適用したものである。また、「発生熱応力比」とは、熱交換器本体１３ａとフィン１４との間で発生する熱応力に関するものであって、実施例１〜３及び比較例において、フィン１４と熱交換器本体１３ａとの表面温度の差を求め、比較例における前記表面温度の差を基準（１．０）としたときの比率として算出したものである。
【００４７】
【表２】
2018061531.tif 000005
【００４８】
表２に示すように、実施例１〜３においては、比較例よりもフィン１４と熱交換器本体１３ａとの表面温度の差が小さくなっており、発生熱応力比が比較例よりも小さくなるので、熱交換器本体１３ａとフィン１４との間で発生する熱応力を低減させて、フィン１４の破損を抑制することができるのがわかる。また、実施例１、実施例２、実施例３の順で、熱交換器本体１３ａ及びフィン１４の表面温度は高くなっているが、これはフィン１４による乱流促進効果が、実施例１、実施例２、実施例３の順で大きくなり、排ガスから熱交換器本体１３ａやフィン１４への伝熱効率が高まるためである。
【００４９】
また、本実施形態では、図１０に示すように、熱交換器本体１３ａの外周面に熱伝導体を熱交換器本体軸線方向に一定の高さで凹凸させて設置してもよい。例えば、熱交換器本体１３ａの外周面からのフィン高さＨ１が１０［ｍｍ］のフィン１４Ｈと、熱交換器本体１３ａの外周面からのフィン高さＨ２が５［ｍｍ］のフィン１４Ｌとを、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて交互に配置する。フィン１４Ｈ，１４Ｌとしては、例えば、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成された熱伝導体を用いることができる。これにより、フィン１４Ｈ，１４Ｌによる乱流促進効果が大きくなり、排ガスから熱交換器本体１３ａやフィン１４Ｈ，１４Ｌへの伝熱効率をさらに高めることができる。
【００５０】
また、図２に示すような熱交換器本体１３ａの外周面にフィン１４が設置された熱交換器１３に対して、環状であって周方向で分割された複数の分割部材（例えばフィン１４）、または、一端部が開放された環状部材（例えばフィン１４Ａ）、によって構成された熱伝導体を追加で設置しても良い。これにより、熱交換器本体１３ａに対して熱伝導体を追加で取り付けたり取り外したりするのを容易に行うことができる。そのため、ラジアントチューブ式加熱装置１に熱交換器１３を設置した後も、容易に熱交換効率の改善を図ることができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る熱交換器１３は、図３に示すような熱伝導体が設置されていない熱交換器本体１３ａの外周面に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成されたフィン１４，１４Ａなどの熱伝導体を設けることによって製造することができる。これにより、熱交換器本体１３ａへの熱伝導体の設置に係る作業性を大幅に改善して、熱伝導体が設置されていない熱交換器本体１３ａから伝熱効率の高い熱交換器１３を容易に製造することができる。
【００５２】
また、本実施形態に係る熱交換器１３は、すでに熱伝導体が設置された熱交換器本体１３ａに対して、環状であって周方向で分割された複数の分割部材、または、一端部が開放された環状部材、によって構成されたフィン１４，１４Ａなどの熱伝導体を設けることによって製造することができる。これにより、熱交換器本体１３ａに対して熱伝導体の追加設置が容易となり、より伝熱効率の高い熱交換器１３に変更することが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態に係る熱交換器１３を、熱伝導体が設置されていない熱交換器本体１３ａの外周面や、すでに熱伝導体が設置された熱交換器本体１３ａの外周面に、フィン１４，１４Ａなどの熱伝導体を設けて製造するにあたっては、上述したように熱伝導体を熱交換器本体軸線方向に一定の高さで凹凸させて設置してもよい。このように、熱伝導体の高さを熱交換器本体軸線方向で凹凸させることによって、乱流促進効果がさらに大きくなって伝熱効率が高まり、熱交換器１３の熱交換効率を高めることができる。
【００５４】
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。例えば、ラジアントチューブ１１の内周面と熱交換器本体１３ａの外周面との間を流れる排ガスに対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進体を、フィン１４とは別体で前記外周面に設けても良い。また、金属ストリップの加熱を行う焼鈍炉のラジアントチューブ式加熱装置に用いる熱交換器だけではなく、無機材料等、その他の熱処理を行う加熱炉のラジアントチューブ式加熱装置に用いる熱交換器についても、本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、熱交換器本体と熱伝導体との温度差を小さくして、熱伝導体の破損を抑制することができる熱交換器、ラジアントチューブ式加熱装置及び熱交換器の製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１        ラジアントチューブ式加熱装置
１１      ラジアントチューブ
１２      バーナ
１３      熱交換器
１３ａ    熱交換器本体
１４      フィン
１４ａ    上部フィン
１４ｂ    下部フィン
１４Ａ    フィン
１４Ａ１  一端部
１４Ｈ    フィン
１４Ｌ    フィン
２０Ａ    ボルト
２０Ｂ    ボルト
２１Ａ    ナット
２１Ｂ    ナット
１１３    熱交換器
１１３ａ  熱交換器本体
１１４    螺旋状フィン
【図１】
2018061531.tif 000006
【図２】
2018061531.tif 000007
【図３】
2018061531.tif 000008
【図４】
2018061531.tif 000009
【図５】
2018061531.tif 000010
【図６】
2018061531.tif 000011
【図７】
2018061531.tif 000012
【図８】
2018061531.tif 000013
【図９】
2018061531.tif 000014
【図１０】
2018061531.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月22日(2018.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアントチューブに内包される中空状の熱交換器本体と、
前記熱交換器本体の外周面に設けられた熱伝導体とを備えており、
前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる第一気体と、前記熱交換器本体の中空内部を流れる第二気体との間で熱交換を行う熱交換器において、
前記ラジアントチューブと前記熱交換器本体との間を流れる前記第一気体に対して、乱流の発生を促進させる乱流発生促進手段を、前記熱交換器本体の外周面に溶接をしないで設けており、
前記熱伝導体は環状であって、熱交換器本体軸線方向に所定間隔をあけて複数配置されており、
前記熱伝導体を前記乱流発生促進手段として兼用しており、
前記熱伝導体は周方向で分割された複数の分割部材で構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記熱伝導体の熱交換器本体軸線方向と平行な断面が、柱形状、平板形状または半円形状であることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱交換器において、
前記複数の分割部材の周方向端部を連結する連結手段を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離よりも、前記熱伝導体の前記外周面からの高さが小さいことを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向で隣り合う熱伝導体間の距離をＰ［ｍｍ］とし、前記熱伝導体の前記外周面からの高さをＨ［ｍｍ］とし、前記熱交換器本体及び各熱伝導体の全伝熱面積をＡ［ｍｍ２］とし、前記熱伝導体の伝熱面積をＡｆ［ｍｍ２］としたとき、０．１０≦（Ｈ／Ｐ）０．８・｛（Ａ−Ａｆ）／Ａ｝≦０．２０の関係を満たすことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の熱交換器において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の熱交換器において、
前記熱交換器本体よりも耐熱性の高い材料で前記熱伝導体を構成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
ラジアントチューブ内に挿入された、該ラジアントチューブ内を流れる燃焼ガスと該ラジアントチューブを加熱するために用いられる燃焼空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えるラジアントチューブ式加熱装置において、
前記熱交換手段として、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の熱交換器を用いたことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項９】
ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
熱交換を促進する熱伝導体が設置されていない中空状の熱交換器本体の外周面に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材によって構成された前記熱伝導体を設けたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の熱交換器の製造方法において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
ラジアントチューブに取り付けられたバーナの排ガスを利用して燃焼空気と熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
熱交換を促進する熱伝導体が設置された熱交換器本体に、環状であって周方向で分割された複数の分割部材によって構成された前記熱伝導体を追加して設けたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の熱交換器の製造方法において、
熱交換器本体軸線方向に前記熱伝導体が一定の高さで凹凸を繰り返していることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【国際調査報告】
2018061531.tif 000016
2018061531.tif 000017
2018061531.tif 000018
2018061531.tif 000019