(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との水平距離Ｔ１が実質的に均一でかつ１５〜４０ｍｍの範囲内であり、さらに、積層状態でみたとき、耐火物積層体の壁面の頂部と低部の段差をＤとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、隣接する内壁部の頂部のピッチ（隣接する内壁面の頂部間の距離）をＳとしたとき、Ｄ／Ｗが０．０３〜０．５であり、Ｓ／Ｄが７〜１３であることを特徴とする熱交換用耐火物。
【請求項２】
数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との最短距離Ｔ２が実質的に均一でかつ１５〜４０ｍｍの範囲内であり、さらに、耐火物単体でみたとき、耐火物の壁面の頂部と低部の段差をｄとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、隣接する内壁面の頂部のピッチ（隣接する内壁面の頂部間の距離）をＳとしたとき、ｄ／Ｗが０．０３〜０．５であり、Ｓ／ｄが７〜１３であることを特徴とする熱交換用耐火物。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱交換用耐火物を数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱回収をするための熱交換用耐火物組立構造において、流路を画成する耐火物壁面の頂部と底部との段差をＤとし、隣接する２つの頂部のピッチをＳとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、Ｄ／Ｗを０．０３〜０．５とし、Ｓ／Ｄを７〜１３とし、かつ、流路を蛇行させたことを特徴とする熱交換用耐火物積層構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガラス工業や鉄鋼業等において蓄熱式に熱回収を行うために用いられる熱交換用耐火物及びその積層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス工業や鉄鋼業等の燃焼炉においては、排ガスの熱回収により熱効率を向上し、燃焼温度を高めている。
【０００３】
この目的のために、蓄熱室内に熱交換用耐火物を積層して、時間を限って排ガスと燃焼用空気を交互に通過させ、熱交換用耐火物を媒体として熱の授受を行わせる。
【０００４】
一般に、このような熱交換用耐火物においては、形状の改良により熱交換用耐火物と気体との熱交換効率の向上を図り、さらに蓄熱室全体の改善を図ることが研究課題である。
【０００５】
このような熱交換効率の向上のための形状の改良に関する提案は従来から幾つもなされている。
【０００６】
例えば、蓄熱室の上下方向に開口して配置される多数の凹凸を有する４つの壁体からなる角筒状の形状が特開平４−１２４０３４号公報に示されている。
【０００７】
また、特開平２−８５６９１号公報には、横断面が十字形を形成する４つの壁体に多数の突起部を有する形状が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の、壁体に複雑な突起部を設けた熱交換用耐火物においては、表面積の増加と突出部によって気体の流れに乱流が生じることによって、熱交換効率が向上した。
【０００９】
しかし、突起部によって気体が流れる流路面積が狭められて、気体の圧力損失が大きかった。
【００１０】
このため、気体圧力を大きくする必要が生じた。十分な圧力が得られない場合は、流速が不足して熱交換用耐火物の性能を十分に生かせなかった。
【００１１】
本発明は、炉の運転および熱交換効率の観点から最適な形状および大きさについて検討し、気体の流れにおける圧力損失をできるだけ少なくし、しかも気体が熱交換用耐火物によって構成された流路を通過するときに乱流を促進せしめて熱交換効率をさらに向上させることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本願の第１発明は、数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との水平距離Ｔ１が実質的に均一でかつ１５〜４０ｍｍの範囲内であり、さらに、積層状態でみたとき、耐火物積層体の壁面の頂部と低部の段差をＤとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、隣接する内壁部の頂部のピッチ（隣接する内壁面の頂部間の距離）をＳとしたとき、Ｄ／Ｗが０．０３〜０．５であり、Ｓ／Ｄが７〜１３であることを特徴とする熱交換用耐火物を要旨とする。
【００１３】
本願の第２発明は、数多く積層して多数の流路を形成して蓄熱式に熱を回収するために使用される熱交換用耐火物において、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との中心線がどこでも実質的に同一の形および寸法になり、少なくとも壁体は底部と頂部を有し、底部と頂部に段差を設け、かつ、流路がほぼ同じ断面積を有し、耐火物の角部を除いて、耐火物の壁体の任意の水平断面における外壁面と内壁面との最短距離Ｔ２が実質的に均一でかつ１５〜４０ｍｍの範囲内であり、さらに、耐火物単体でみたとき、耐火物の壁面の頂部と低部の段差をｄとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、隣接する内壁面の頂部のピッチ（隣接する内壁面の頂部間の距離）をＳとしたとき、ｄ／Ｗが０．０３〜０．５であり、Ｓ／ｄが７〜１３であることを特徴とする熱交換用耐火物を要旨としている。
【００１４】
本願の第３発明は、本願の第１発明又は第２発明の熱交換用耐火物を数多く積層してほぼ垂直方向に多数の流路を形成した蓄熱式熱回収のための熱交換用耐火物組立構造において、流路を画成する耐火物壁面の頂部と底部との段差をＤとし、隣接する２つの頂部のピッチをＳとし、任意の水平断面における対向する内壁間距離をＷとし、Ｄ／Ｗを０．０３〜０．５とし、Ｓ／Ｄを７〜１３としたことを特徴とする熱交換用耐火物積層構造を要旨としている。
【００１５】
【実施例】
本発明による熱交換用耐火物は、数多く積層することによって連続するほぼ垂直方向の流路を数多く形成するための熱交換用耐火物である。
【００１６】
流路を形成する壁面は単数又は複数の頂部１２と底部９を有する。さらに、頂部１２は、一つの熱交換用耐火物に一つ以上設けても良いし、また、複数の熱交換用耐火物を積層することによって一つの頂部を構成しても良い。
【００１７】
また、図９〜図１０に示すように、Ｔ１  は、熱交換用耐火物における壁体の内壁面とその裏側の外壁面との水面断面における水平距離、Ｔ２  は熱交換用耐火物における壁体の厚み、つまり外壁面とその裏側の内壁面の最短距離を意味する。壁面が正確に垂直方向に延びているときはＴ１  とＴ２  は同一であるが、そうでないときは両者（Ｔ１  ，Ｔ２  ）は相違する。
【００１８】
また、耐火物の角部は、壁体と壁体の接合部や頂部の曲がり部分を意味する。
【００１９】
また、本発明においては、角部を除いて壁体が均一な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  であれば良く、例えば、角部を含む熱交換用耐火物の全体が均一な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  でも良いし、含まない部分だけが均一な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  でも良い。
【００２０】
本発明は、壁体の水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  を１５〜４０ｍｍとすることにより、大きい表面積が得られ、しかも熱交換に必要かつ十分な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  を得られる。しかも、角部を除いて均一な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  とすることにより、壁体の温度分布をより均一に保持できて、熱交換が効率良く行われる。
【００２１】
同一体積の材料で壁体を製作する場合、壁体の水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  を４０ｍｍ以下に薄くすることによって、材料の単位体積当たりの表面積が広くなって熱交換効率の良い壁体が得られる。しかし、壁体の水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  が１５ｍｍより薄い場合は、蓄熱量が少なくなる。
【００２２】
また、角部を除いた壁体の水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  が不均一である場合は、温度も不均一な部分が生じて熱交換効率が悪くなりがちである。
【００２３】
本発明による熱交換用耐火物においては、任意の水平断面における壁体の中心線は同一の形状及び寸法を有する。従って、これにより構成される流路は、ほぼ同じ断面積を有することになる。このため、気体の圧力損失が少ない。この点は次に説明する風洞実験からも明らかである。
【００２４】
頂部のない熱交換用耐火物と、本発明による頂部１２を有する熱交換用耐火物と、従来の突起部を有する熱交換用耐火物について、それぞれ風洞実験を行って圧力係数Ｃｐを測定した。
【００２５】
ただし、本発明による熱交換用耐火物においては、頂部１２と底部９との段差Ｄを１０ｍｍとし、測定位置の高さを２５ｍｍとし、隣接する２つの頂部のピッチＳと段差Ｄの比Ｓ／Ｄを９とし、流路をはさんで向かい合う壁体の内壁面が互いに平行になるようにし、任意の位置における流路の水平方向の断面積が同一であって変化しないようにした。また、従来の熱交換用耐火物においては、流路をはさんで向かい合う壁体の表面の一方の表面にだけ突起部を設け、流路の水平方向の断面積が変化するようにした。
【００２６】
図７のグラフに、頂部のない熱交換用耐火物の測定結果を記号○でプロットし、本発明による熱交換用耐火物の測定結果を記号●でプロットし、従来の熱交換用耐火物の測定結果を記号□でプロットする。
【００２７】
図７に示す各風洞実験の測定結果は、突起部による圧力損失を示す。
【００２８】
この結果からも明らかなように、本発明においては、従来の突起部を設けた流路に比して遥かに流路内の圧力損失が小さい。
【００２９】
しかも、本発明によれば、頂部を有すること、すなわち段差Ｄを適当に設けることによって表面積が増大すると共に気体の乱流が促進されて熱交換効率が大きく向上する。特に、ピッチＳと段差Ｄの比Ｓ／Ｄが７〜１３である場合に、気体の乱流を促進する点で最大の効果がある。
【００３０】
図８は、別の風洞実験によって頂部で測定した乱れ強さＵ２  ／Ｕ１  ２  を縦軸とし、それとＳ／Ｄの関係を表したグラフである。ただし、図８において記号○、△、□、●は、それぞれ比Ｄ／Ｗを０．１、０．２、０．３、０．４にした場合の測定結果を示す。
【００３１】
Ｄ／Ｗの値に関係なく、頂部における乱れ強さＵ２  ／Ｕ１  ２  は、Ｓ／Ｄ＝９の場合に極大となる。また、頂部によって乱れ強さＵ２  ／Ｕ１  ２  の値が大きくなるという効果が、Ｄ／Ｗ＝０．１の場合は、さほど顕著ではないが、Ｄ／Ｗを０．３〜０．４とした場合は顕著な効果が現れる。
【００３２】
図示しないが、Ｄ／Ｗが０．５を越えると、流路の曲がりが大きくなり過ぎて、実際に使用したときに流路の閉塞が心配されるので採用できない。Ｄ／Ｗが０．０３未満である場合は、頂部１２と底部９の段差が小さくて効果が少ない。
【００３３】
以上の説明をまとめると、乱れ強さが実用上十分な大きさになるような流路を形成する熱交換用耐火物の条件は、Ｄ／Ｗを０．０３〜０．５とし、かつＳ／Ｄを７〜１３とすることである。
【００３４】
次に、図１〜１６を参照して、本発明の実施例をさらに詳しく説明する。
【００３５】
積層された本発明の熱交換用耐火物においては、流路が同じ断面積を持ち、上下方向に積まれた壁体が一定の間隔で頂部を有する。
【００３６】
積層したときに、頂部のピッチＳと段差Ｄの比Ｓ／Ｄが７〜１３であり、かつ段差Ｄと壁体の間隔Ｗの比Ｄ／Ｗが０．０３〜０．５となるのが良い。間隔Ｗは好ましくは１４０〜２２０ｍｍであるが、特にこれに制限されない。
【００３７】
頂部の形状は、図２および図４に示す台形や、図３および図５に示す三角形を採用できるが、これらの形状に限らず、その他の形状、例えば円の一部や楕円の一部などの形状でも良い。
【００３８】
図２に示す頂部１２は、右に傾斜する面と左に傾斜する面を有し、両方の傾斜は等しいが、これに限らず、一方の傾斜が他方の傾斜より小さくても良い。
【００３９】
図１〜図５は、本発明の実施例による熱交換用耐火物の単体を示す。
【００４０】
図１は、図２〜図５に示す耐火物に共通の上面図である。一点鎖線１は任意の水平断面における外壁面と内壁面との仮想の中心線である。
【００４１】
図２〜図５は、各々異なる形状の底部９と頂部１２を持つ熱交換用耐火物を示す縦断面図である。図１１〜図１６は、図３の耐火物を１ピッチ分だけ積層した状態を示す。
【００４２】
ただし、図１３、１４、１５、１６の例では、耐火物単体では突起も、頂部も全く存在しない壁体１１ａが介在している。
【００４３】
図１〜図５の熱交換用耐火物１０は４つの壁体１１からなり、このうちの２つの壁体１１には頂部１２が設けてある。頂部１２は同じ方向に突出している。
【００４４】
壁体の高さＨと、一つの熱交換用耐火物における頂部１２の高さｄ（つまり底部９と頂部１２との高低差）の比Ｈ／ｄは、３．５〜６．５または７〜１３である。
【００４５】
比Ｈ／ｄを３．５〜６．５とした場合は、例えば図６のように積層することにより、比Ｓ／Ｄを７〜１３とした頂部を有する流路を構成することができる。図６は、図２と同様の形状をした熱交換用耐火物を積層した一例である。図６において一番下に記載されている４つの熱交換用耐火物をｎ段目として、その上に積層されたものを順次、ｎ＋１段目、ｎ＋２段目、ｎ＋３段目とする。ｎ＋１段目は、ｎ段目の熱交換用耐火物に対して反時計方向に９０度回転して積層したものである。ｎ＋２段目、ｎ＋３段目も順次同様に積層したものである。この積層方法は４段で１単位（つまり１ピッチ）を構成する。
【００４６】
この積層構造において上下に連なる壁体が形成する隣接する２つの頂部のピッチＳと、頂部と底部９との段差Ｄについて説明する。
【００４７】
上下に連なる壁体は互いに反対方向に突出した頂部を有するので、図６の積層方法によって構成された頂部と底部９の段差Ｄは、１つの熱交換用耐火物の頂部の高さｄの２倍であり、Ｄ＝２ｄとなる。頂部のピッチＳは４つの熱交換用耐火物で１単位を構成するから、Ｓ＝４Ｈとなる。
【００４８】
故に、Ｓ／Ｄ＝４Ｈ／２ｄ＝２Ｈ／ｄという等式が成り立つ。ここでＨ／ｄ＝３．５〜６．５だから、Ｓ／Ｄ＝７〜１３となる。
【００４９】
比Ｈ／ｄが７〜１３の場合は、各段をその下の段と同じ向きにして積層するか、または１８０度回転して積層する。それによって、Ｓ／Ｄ＝７〜１３となる。
【００５０】
次に積層構造の理解を容易にするために、上下に連なる一つの流路について別の例を説明する。
【００５１】
ｎ段目とｎ＋１段目の２段で１個の左手前向きの頂部があり、ｎ＋２段目とｎ＋３段目の２段で１個の右奥向きの頂部がある場合、それらの頂部の向きに差があるが、各頂部が中心面に及ぼす効果は同一にすることができる。
【００５２】
従って２個の熱交換用耐火物で１単位を構成することもできる。
【００５３】
さらに、上下に連なる一つの流路について別の例を説明する。
【００５４】
ｎ段目に左奥方向の頂部があり、ｎ＋１段目に左手前向きの頂部がある場合は、それらの突出方向に９０度の差があるが、各頂部が中心線に及ぼす効果は同一にすることができる。
【００５５】
従って１個の熱交換用耐火物で１単位を構成することもできる。
【００５６】
４つの外側角部１３を図１に示すように欠いておくと、積層したときに安定性が良い。
【００５７】
また、４つの内側角部１４を円弧形状にしておくと、製作する点で好都合である。
【００５８】
本発明による熱交換用耐火物の各寸法の一例を示すと、壁体の最短距離（つまり厚み）Ｔ２  は２８ｍｍ、壁体の高さＨは２５２ｍｍ、１つの熱交換用耐火物における頂部の高さｄは２８ｍｍ、互いに向かい合う壁体の間隔Ｗは一定で１６０ｍｍである。
【００５９】
図２は、１個の頂部１２を有する壁体１１を２つ持つ熱交換用耐火物１０の例を示す。
【００６０】
図３および図４は、頂部の一部分を有する壁体１１を２つ持つ熱交換用耐火物１０の例を示す。この場合は、例えば２個の熱交換用耐火物１０を上下対称に積層することにより１個の頂部を構成できる。
【００６１】
図５は、２個の頂部１２を有する壁体１１を２つ持つ熱交換用耐火物１０の例を示す。この場合は、Ｄ＝ｄであり、頂部１２のピッチＳと、頂部１２と底部９との段差Ｄの比Ｓ／Ｄが７〜１３である。
【００６２】
以上説明した本発明の実施例は、４つの壁体を有し、この内の２つの壁体に頂部を持つ熱交換用耐火物である。
【００６３】
しかし、本発明はこれに限らず、この他の形状、例えば２つの壁体（たとえば水平断面がＬ形のもの）を有しそのうちの１つの壁体に頂部を持つ形状、３つの壁体を有し（たとえば水平断面が凹形のもの）１つまたは２つの壁体に頂部を持つ形状、あるいは２つないし４つの壁体を有しそれらの全ての壁体に頂部を持つ形状の熱交換用耐火物でも良い。
【００６４】
また、熱交換用耐火物の材質としては、通常の耐火物が使用できるが、熱伝導率や蓄熱性を考慮すると、マグネシア質、またはＡＺＳ（アルミナ・ジルコニア・シリカ）質あるいはアルミナ質の電鋳耐火物がより好ましい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の熱交換用耐火物によれば、任意の積層方法によって、一種類の同じ形状の熱交換用耐火物を使用して流路を構成し、かつ流路を前後左右の方向あるいは螺旋に沿った方向またはこれらの組み合わせの方向などの任意の方向に自由に蛇行させることができる。
【００６６】
このように蛇行させることによって、壁体の表面積を大きくすると共に、流体の乱流を促進させて、熱交換効率を向上させることができる。
【００６７】
さらに、流路の断面積がほとんど変化しないので、流体の圧力損失が少なく、炉の運転が簡便である。
【００６８】
しかも、角部を除いて均一な水平距離Ｔ１  又は最短距離Ｔ２  の壁体を有する耐火物であるために、亀裂などの欠陥が発生しにくくて製作が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による熱交換用耐火物の上面図である。
【図２】図１に示す熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図３】本発明による別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図４】本発明によるさらに別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図５】本発明によるさらに別の形状の熱交換用耐火物の縦断面図である。
【図６】図２に示す熱交換用耐火物を積層した組立構造を示す図である。
【図７】風洞実験の結果を示すグラフ。
【図８】風洞実験の結果を示すグラフ。
【図９】水平距離Ｔ１  を示す。
【図１０】最短距離Ｔ２  を示す。
【図１１】図３の耐火物を２個を単位として積層する例を示す。
【図１２】図３の耐火物を４個を単位として積層する例を示す。
【図１３】図３の耐火物を３個を単位として積層する例を示す。
【図１４】図３の耐火物を３個を単位として積層する例を示す。
【図１５】図３の耐火物を４個を単位として積層する例を示す。
【図１６】図３の耐火物を７個を単位として積層する例を示す。
【符号の説明】
１    内壁面と外壁面との中心線
９    底部
１０  熱交換用耐火物
１１  壁体
１２  頂部
１３  外側角部
１４  内側角部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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