(57)【要約】【課題】排気熱を効率良く利用することができる熱処理装置を得る。【解決手段】熱処理装置１を構成する熱処理炉２の排気部４０に排気部熱交換器（第一の熱交換器）６を、吸気部３０に吸気部熱交換器（第二の熱交換器）５を設け、熱処理炉２の排気熱を排気部熱交換器６において熱媒体を昇温させることで回収し、昇温した熱媒体を吸気部熱交換器５に循環させ、熱処理炉２内に導入する外気に熱媒体の熱を放熱する構成とし、熱処理炉２の排気熱を回収し、熱処理炉２内に導入する外気を予熱することで、排気熱を効率良く再利用することが可能な熱処理装置１を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を加熱する熱処理炉、上記熱処理炉に外気を導入する吸気部、上記熱処理炉の内部の空気を外部に排出する排気部、上記排気部において排出される上記空気の熱を熱媒体に伝導させる第一の熱交換器、上記熱媒体の熱を、上記吸気部において導入される上記外気に伝導させる第二の熱交換器を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
上記第一の熱交換器と上記第二の熱交換器は、上記熱媒体を循環させる輸送路にそれぞれ接続配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
上記熱媒体の流量を制御する熱媒体流量制御部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱処理装置。
【請求項４】
上記熱媒体の流量は、上記熱処理炉に設置された計測器から得られる計測信号に基づいて制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の熱処理装置。
【請求項５】
上記計測信号は、上記熱処理炉の消費電力量に基づく信号であることを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項６】
上記計測信号は、上記熱処理炉の内部に設けられた風速計によって得られる信号であることを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項７】
上記計測信号は、上記熱処理炉の内部の温度に基づく信号であることを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項８】
上記計測信号は、上記第二の熱交換器に導入される上記熱媒体の温度と、上記第二の熱交換器から排出される上記熱媒体の温度に基づく信号であることを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項９】
上記計測信号は、上記熱処理炉の内部を加熱するヒータの消費電力量に基づく信号を含むことを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品の製造等に用いられる熱処理炉を含み、排気から熱を回収して利用する熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱処理炉等の排気から熱を回収して利用する装置として、例えば、工業炉から排出されるガスの熱を熱交換器により熱媒体と交換し、熱媒体を予熱炉に供給することで、被加熱物の予熱に用いている装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
また、熱処理炉等の排気から熱を回収して熱処理炉にて再利用する装置として、例えば、断熱容器から排気される気体の熱を排気管の周囲に配置した熱電素子にて電気エネルギーに変換して蓄電池に蓄え、この蓄電池からの電流によってヒータを作動させることにより、装置が利用する電力を低減している装置がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−５３７８１号公報
【特許文献２】特開平６−１５４５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来例の装置において、排気から回収した熱を熱媒体に吸熱させ、この熱媒体にて他の容器内の被加熱物を加熱する場合には、利用対象が排気から回収できる温度、熱量に適した熱処理に限られる。また、熱媒体の温度が高温となりすぎる場合には、回収する熱量を制限することや、熱媒体の温度を下げるよう放熱する必要があるなど、回収した熱の利用において制約があり、効率良く熱を再利用できない。また、熱を回収する熱処理炉の排気部の位置と、この熱を利用する他の装置の位置は構造上の制約や、作業性の制約により、一般に離れて配置される。このため、熱媒体を輸送する必要があり、輸送路での放熱によるエネルギーの損失が発生していた。
【０００５】
また、排気される気体の熱を排気管の周囲に配置した熱電素子にて電気エネルギーに変換して利用する場合には、熱と電気の変換においてエネルギーの損失が発生する。これらの理由により、従来の熱処理炉の排気から熱を回収して利用する装置においては、排気される熱を効率良く利用できないという課題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、排気される熱を効率良く利用する熱処理装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる熱処理装置は、被加熱物を加熱する熱処理炉、上記熱処理炉に外気を導入する吸気部、上記熱処理炉の内部の空気を外部に排出する排気部、上記排気部において排出される上記空気の熱を熱媒体に伝導させる第一の熱交換器、上記熱媒体の熱を、上記吸気部において導入される上記外気に伝導させる第二の熱交換器を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の熱処理装置によれば、排気部の第一の熱交換器により回収した熱を、吸気部の第二の熱交換器で導入される外気に戻すことで再利用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる熱処理装置の要部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係わる熱処理装置の消費電力量を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態６に係わる熱処理装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１の熱処理装置について図１〜図３を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係わる熱処理炉２を含む熱処理装置１の構成図である。熱処理装置１は、被加熱物１２を加熱処理する処理室となり断熱容器で構成された熱処理炉２、熱処理炉２に外気を導入する吸気ダクト３、熱処理炉２内から空気を排出する排気ダクト４、吸気ダクト３に接続された吸気部熱交換器（第二の熱交換器に相当する。）５、排気ダクト４に接続された排気部熱交換器（第一の熱交換器に相当する。）６、吸気部熱交換器５および排気部熱交換器６を繋ぐ熱媒体管８（熱媒体管８ａ、８ｂよりなる。）内の熱媒体を循環させるためのポンプ７、吸気ダクト３から吸気した外気を熱処理炉２内に送るファン９、熱処理炉２内に設置されたヒータ１０、ヒータ１０を制御するヒータ制御装置１１、熱処理炉２内の温度を計測する温度センサ（計測器）１３ａ、各構成部に給電する電源１４から主に構成されている。なお、吸気ダクト３と吸気部熱交換器５によって吸気部３０が、排気部熱交換器６と排気ダクト４によって排気部４０が構成されている。
【００１１】
図１に例示するように、熱処理炉２となる断熱容器の内部にはヒータ１０が設置されており、被加熱物１２はこのヒータ１０上に設置されて加熱処理される。また、ヒータ１０はヒータ制御装置１１に接続されている。熱処理炉２内には温度センサ１３ａが設置されており、ヒータ制御装置１１に接続されている。また、ヒータ１０、ヒータ制御装置１１、および、ファン９は電源１４に接続されている。
【００１２】
図２は、本実施の形態１に係わる熱処理炉２と吸気部熱交換器５、および、排気部熱交換器６の構成を含む熱処理装置１の要部をあらわす斜視図である。熱処理炉２の断熱容器は金属板と断熱材からなる断熱壁２１で形成されており、前面には被加熱物１２を出し入れするための扉２２を有している。熱処理炉２を構成する断熱容器内には図示しない電気抵抗体と加熱台で構成されたヒータ１０が外部から通電可能に設置されている。また、熱処理炉２の断熱容器の側面部には吸気口２３、天面部には排気口２４がそれぞれ設けられている。吸気口２３には吸気部熱交換器５、排気口２４には排気部熱交換器６がそれぞれ接続され、吸気口２３の内部には図示しないファン９が通電可能に設置されている。吸気部熱交換器５、排気部熱交換器６の熱処理炉２との反対側にはそれぞれ吸気ダクト３、および、排気ダクト４が配置され、吸気ダクト３は大気に開放、排気ダクト４は工場の排気配管（工場排気系）に接続されている。
【００１３】
図３は本発明の実施の形態１に係わる熱交換器の構成を示す斜視図であり、吸気部熱交換器５、排気部熱交換器６は同じ形状である。熱交換器は、内部に熱媒体が流れる複数の管５１と曲げ管５２、熱交換用のフィン５３、天板５４、底板５５、および、側板５６で構成されている。直管である管５１はフィン５３、および、側板５６を貫通し、かつ、それぞれと接触するように配置されている。複数の管５１の端部は曲げ管５２で接続されており、管５１につながれた一方の接続部５７ａから他方の接続部５７ｂまで、分岐の無い一続きの流路を構成している。また、吸気部３０側で接続部５７ａ（または５７ｂ）が、第一の熱媒体管８ａに接続され、接続部５７ｂ（または５７ａ）が、第二の熱媒体管８ｂに接続され、排気部４０側においても同様に配管が接続されて、熱媒体が一方向に循環する輸送路が構成される。
【００１４】
天板５４、底板５５、および、側板５６は気密が取れるよう互いに接触、または、接合されており、囲まれた空間は管５１の外側を通過する空気の流路を形成している。また、天板５４、底板５５、および、側板５６にはフランジ５８とねじ穴５９が形成されており、前後の吸気ダクト３、排気ダクト４、吸気口２３、排気口２４に形成された同様のフランジ形状、および、ねじ穴とねじ等の部品にて接続されている。管５１の内部は熱媒体が流動し、熱媒体と気体（外気または排気）が熱交換するよう構成されている。吸気部熱交換器５と排気部熱交換器６の管の接続部５７ａ、５７ｂは、互いの熱交換器の接続部と熱媒体管８で接続されており、管の内部に封入された液体の熱媒体がポンプ７によって循環するように構成されている。
【００１５】
このように構成された熱処理装置１において、被加熱物１２と熱処理炉２内の空気はヒータ１０により加熱される。このとき、熱処理炉２内は被加熱物１２から発生する気体が高濃度となり、熱処理に悪影響を与えないよう、ある一定の風量でファン９により換気されている。この換気によって、吸気する空気（外気）は、熱処理炉２から排気される空気より温度が低いため、この温度差分の熱量が熱処理炉２の断熱容器内から失われる。熱処理炉２の断熱容器内は、換気による損失熱量や、断熱壁２１からの放熱、被加熱物１２の加熱に必要な熱量とヒータ１０による発熱量がつりあう温度となる。ヒータ制御装置１１は、設定した温度と温度センサ１３ａの検出温度（計測信号）を一定の周期で比較し、この比較結果に応じてヒータ１０の発熱量を更新する。ヒータ１０には決定された発熱量に対応する電流が通電される。このようにして熱処理炉２内は設定された温度となるよう制御される。
【００１６】
熱処理炉２から排気された高温の気体（空気）は、排気部熱交換器６を通過し、このとき、排気部熱交換器６の管５１内の熱媒体は、フィン５３および管５１を介して、排気の熱によって加熱される。熱媒体はポンプ７によって熱媒体管８および二つの熱交換器の間を循環しており、排気部熱交換器６で加熱された熱媒体は熱媒体管８を通して吸気部熱交換器５に輸送される。吸気部熱交換器５では、熱媒体管８ｂから輸送されてきた高温の熱媒体によって、導入された外気が加熱される。このように熱処理炉２に吸気する空気が予熱されるため、熱処理炉２内の空気との温度差が小さくなり、換気による損失熱量は低減される。よって、熱処理炉２内の気体を設定した温度にするために必要なヒータ１０の消費電力を小さく抑制することができる。吸気部熱交換器５で放熱した熱媒体は温度が低下し、熱媒体管８を通して排気部熱交換器６に輸送される。
【００１７】
このような構成によれば、熱処理炉２から排出される排気から回収した熱は熱処理装置１自体で再利用されるため、熱を効率良く回収し、再利用して、運転中の消費電力を低減することができる。また、一つの熱処理装置１内で、熱を再利用できるため、離れた位置の別の設備まで回収した熱を輸送する必要が無く、放熱による熱損失を小さくすることが出来る。また、回収した熱は電気等の種類の異なるエネルギーに変換する必要がないため、エネルギーのロスを無く利用することが出来る。
【００１８】
このように、本発明の熱処理装置１は、被加熱物１２を加熱する熱処理炉２、この熱処理炉２に外気を導入する吸気部３０、熱処理炉２の内部の空気を外部に排出する排気部４０、排気部４０に設けられ、炉外に排出される空気の熱を熱媒体に伝導させる排気部熱交換器（第一の熱交換器）６、吸気部３０に設けられ、熱媒体の熱を、炉内に導入される外気に伝導させる吸気部熱交換器（第二の熱交換器）５を備え、排気部熱交換器（第一の熱交換器）６と吸気部熱交換器（第二の熱交換器）５は、熱媒体を循環させる輸送路（熱交換器内の管５１、曲げ管５２、および熱媒体管８より構成される。）にそれぞれ接続配置された構成であるため、熱処理炉２の排気から熱を効率良く回収し、対象の制約なく熱の再利用をすることができ、運転中の消費電力量を低減することができる。
【００１９】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係わる熱処理装置１の構成図である。本実施の形態２の熱処理装置１は、基本的な構成においては上述の実施の形態１と同様であるが、付加的に、ポンプ７の制御を行う熱媒体流量制御部７０が設けられている。熱媒体流量制御部７０は、インバータ１５と周波数制御装置１６によって主に構成され、ポンプ７の入力にはインバータ１５が接続され、インバータ１５には周波数制御装置１６が接続されている。
このように構成された熱処理装置１において、インバータ１５の出力周波数は、周波数制御装置１６により設定される。そして、ポンプ７の回転数は、インバータ１５の出力周波数に応じて決定され、熱媒体の流量はポンプ７の回転数に従い決定される。
【００２０】
図５は、熱処理装置１の消費電力量を示した図である。図５に示すように、熱媒体の流量を変化させると、排気部熱交換器６で回収され、吸気部熱交換器５で気体に放熱して再利用される熱量、および、ポンプ７の消費電力量は変化する。図５において、縦軸は、電力量、熱量を示しており、横軸は熱媒体流量を示している。  
また、図５に併せて示すように、破線で示す熱処理装置１の消費電力の低減量（電力低減量）は、吸気部熱交換器５で再利用される熱量とポンプ７の消費電力量との差分である。
図５に示すように、吸気部熱交換器５で再利用される熱量は熱媒体がある流量のときに最大となる。また、ポンプ７の消費電力量は熱媒体の流量が大きくなるに従って増大する。これらの差分である熱処理装置１の消費電力低減量は熱媒体がある流量のときに最大となる。この熱処理装置１の消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量は熱処理炉２内の温度等の条件によって変化する。
【００２１】
本実施の形態２によれば、熱処理炉２内温度等の条件に応じて、熱媒体流量制御部７０のインバータ１５の出力周波数を設定することで熱媒体の流量を制御することにより、ポンプ７の消費電力を含めて熱処理装置１の消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量に調整することができ、効率良く消費電力を低減することができる。
【００２２】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３に係わる熱処理装置１の構成図である。本実施の形態３は基本的な構成においては上述の実施の形態２と同じであり、インバータ１５とヒータ制御装置１１の入力には消費電力量を計測する電力計（計測器）１７が接続されている。電力計１７の計測信号は周波数制御装置１６に読み込まれるように接続されている。
【００２３】
このように構成された熱処理装置１において、熱処理装置１の運転中に電力計１７はポンプ７、ファン９、および、ヒータ１０の消費電力量の和を測定している。周波数制御装置１６は一定の周期で内部のメモリに消費電力を記録し、インバータ１５の周波数を一定量増加、または、減少させる。周波数制御装置１６は、変化前に記録された消費電力と変化後の消費電力を比較し、変化後の方が小さい場合はインバータ１５の周波数を前回の変化と同様に一定量増加、または、減少を繰り返す。変化後の方が大きい場合には、前回の変化が増加であった場合は周波数を減少、減少であった場合は増加させる。このようなインバータ１５の周波数の増加、減少とその前後での電力計１７の消費電力のモニタ値の比
較を、ヒータ制御装置１１によるヒータ発熱量の更新周期よりも短い周期で繰り返し、電力計１７の計測信号が最小となるように制御する。
【００２４】
熱処理装置１において、例えば稼動開始後等、熱処理炉２内の加熱条件を変化させた後、ある一定の時間においては、各点における熱媒体の温度は平衡状態に達しておらず、変化していく。このような状態において、排気からの熱回収による消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量は変化していく。
本実施の形態３によれば、加熱条件等が変化し、熱媒体の温度が平衡に達していない場合など、消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量が変化していく状態であっても、熱媒体の流量を自動的に調整することで、効率良く熱処理装置１の消費電力を低減することができる。
【００２５】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４に係わる熱処理装置１の構成図である。本実施の形態は基本的な構成においては実施の形態２と同様であり、排気部熱交換器６の熱処理炉２側には風速計（計測器）１８が設置されている。風速計１８は周波数制御装置１６に接続されている。また、温度センサ（計測器）１３ａも同様に周波数制御装置１６に接続されている。
このように構成された熱処理装置１において、周波数制御装置１６にはあらかじめ、メモリに熱処理装置１の消費電力の低減量が最も大きくなる風速、温度とインバータ１５の出力周波数の関係がテーブルとして記録されている。熱処理装置１の運転中に風速計１８は排気部熱交換器６を通過する気体の風速を計測する。周波数制御装置１６は風速計１８の計測値（計測器である風速計１８から得られる計測信号）と温度センサ１３ａの計測値（計測器である温度センサ１３ａから得られる計測信号）から、テーブルに従い、熱処理装置１の消費電力の低減量が最も大きくなるようインバータ１５の出力周波数を制御する。
【００２６】
熱処理装置１において、例えば、熱処理炉２の断熱容器内に設置される被加熱物１２の量や、吸気部熱交換器５、排気部熱交換器６に対する異物の堆積などにより、気体が通過する経路における流体抵抗が変化すると、吸気部熱交換器５や排気部熱交換器６を通過する気体の流速や流量は変化する。また、被加熱物１２や熱処理炉２内の加熱の進行等によって、気体の温度も変化する。このような状態において、排気からの熱回収による消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量は変化していく。
【００２７】
本実施の形態４によれば、熱処理装置１内の流体抵抗の変化や被加熱物１２、熱処理炉２の温度変化等によって、気体の流量や温度の変化により、消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量が変化していく状態であっても、熱媒体の流量を自動的に調整することで、効率良く熱処理装置１の消費電力を低減することができる。
【００２８】
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５に係わる熱処理装置１の構成図である。本実施の形態５は基本的な構成においては上述の実施の形態２と同様であり、吸気部熱交換器５を通過する熱媒体の上流側の熱媒体管８ａ、および、下流側の熱媒体管８ｂに繋がる接続部には温度センサ（計測器）１３ｂ、１３ｃがそれぞれ設置されている。
【００２９】
このように構成された熱処理装置１において、熱媒体流量制御部７０の周波数制御装置１６には、メモリにあらかじめ、インバータ１５の出力周波数と、熱媒体の流量、および、ポンプ７の消費電力量の関係が記録されている。熱処理装置１の運転中に吸気部熱交換器５を通過する熱媒体の上流側の温度センサ１３ｂ、および、下流側の温度センサ１３ｃは、熱媒体管８ａ、８ｂ内を通過する熱媒体の温度を計測して計測値を得る。周波数制御
装置１６は計測した熱媒体の上流側の温度と下流側の温度の差分、熱媒体の流量、および、熱媒体の体積当たりの熱容量の積として、吸気部熱交換器５で空気に放熱された熱量を算出する。次に、この熱量とポンプ７の消費電力量の差をとり、熱処理装置１の消費電力の低減量を算出する。この消費電力の低減量が最大となるよう、運転中、常にインバータ１５の出力周波数を制御する。
【００３０】
本実施の形態５によれば、熱媒体流量制御部７０の周波数制御装置１６は、吸気部熱交換器５で再利用される熱量を直接参照して、熱媒体の流量を制御することができる。このため、消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量に精度良く保つことができ、熱処理炉２の排気から回収した熱によって、効率良く消費電力を低減することができる。
【００３１】
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６に係わる熱処理装置１の構成図である。本実施の形態６は基本的な構成においては上述の実施の形態５と同じであり、ヒータ制御装置１１の出力計測信号（計測信号）が周波数制御装置１６に読み込まれるように接続されている。
このように構成された熱処理装置１において、運転中に吸気部熱交換器５を通過する熱媒体の上流側の温度センサ１３ｂ、および、下流側の温度センサ１３ｃは、輸送路を通過する熱媒体の温度を計測する。周波数制御装置１６は計測した熱媒体の上流側の温度と下流側の温度の差分、熱媒体の流量、および、熱媒体の体積あたりの熱容量の積として、吸気部熱交換器５で空気に放熱された熱量を算出する。次に、この熱量をヒータ制御装置１１の出力計測信号から得られる、ヒータ１０の消費電力量で除し、熱の再利用量とヒータ１０の消費電力量の比を熱回収率として算出する。この熱回収率が最大となるよう、運転中、常にインバータ１５の出力周波数を制御する。
【００３２】
本実施の形態６によれば、熱処理装置１の加熱条件や断熱容器内の条件が変化する場合であっても、周波数制御装置１６はインバータ１５の出力周波数を熱回収率のみを参照して制御することができる。このため、消費電力の低減量が最大となる熱媒体の流量に容易かつ精度良く保つことができ、排気から回収した熱によって効率良く熱処理装置１の消費電力量を低減することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態６においては、熱媒体流量制御部７０の周波数制御装置１６は、ヒータ１０の消費電力量をヒータ制御装置１１の計測信号に基づいて読み込む例を示したが、実施の形態３に示した電力計１７によって、ヒータ１０、ポンプ７、および、ファン９の消費電力量の総和として測定した計測信号等を読み込む構成することも可能である。
【００３４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  熱処理装置、２  熱処理炉、３  吸気ダクト、４  排気ダクト、５  吸気部熱交換器（第二の熱交換器）、６  排気部熱交換器（第一の熱交換器）、７  ポンプ、８、８ａ、８ｂ  熱媒体管、９  ファン、１０  ヒータ、１１  ヒータ制御装置、１２  被加熱物、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  温度センサ（計測器）、１４  電源、１５  インバータ、１６  周波数制御装置、１７  電力計（計測器）、１８  風速計（計測器）、２１  断熱壁、２２  扉、２３  吸気口、２４  排気口、３０  吸気部、４０  排気部、５１  管、５２  曲げ管、５３  フィン、５４  天板、５５  底板、５６  側板、５７ａ、５７ｂ接続部、５８  フランジ、５９  ねじ穴、７０  熱媒体流量制御部。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図１】
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【図５】
2015014420.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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