(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを、その内部の一方向を流れ方向として流すラジアントチューブ本体と、該ラジアントチューブ本体に配置されて前記燃焼ガスを発生するバーナーと、該バーナーの配置位置と前記ラジアントチューブ本体における前記燃焼ガスの排出口との中間位置よりも該排出口に近い位置に配置される伝熱促進体とを備えるラジアントチューブであって、
前記伝熱促進体は、セラミックハニカムからなり、当該セラミックハニカムは、その貫通孔の延設方向が前記流れ方向と略平行になるように配置され、
前記排出口近傍に配置されているレキュペレータからチューブ本体側へ向けて支持棒が延設されており、前記支持棒が前記セラミックハニカムと該セラミックハニカムを固定する管状の固定具とに貫挿されるとともに前記固定具および前記支持棒が固定されていることを特徴とするラジアントチューブ。
【請求項２】
前記伝熱促進体は、前記燃焼ガスの流れ方向へ互いに離間して複数個配置される請求項１に記載されたラジアントチューブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたラジアントチューブを備える加熱炉であって、該ラジアントチューブは、前記伝熱促進体が当該加熱炉の内壁面よりも炉内側に位置するように、配置されることを特徴とする加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアントチューブとこれを備える加熱炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラジアントチューブは、ストレート型、Ｕ型、Ｌ型、Ｔ型、Ｗ型さらにはＯ型といった各種形状を有するチューブ本体の内部に配置されるバーナーによってチューブ本体を加熱し、チューブ本体の表面からの放射熱によって被加熱物を間接的に加熱する放射伝熱管である。
【０００３】
ラジアントチューブは、炉内雰囲気ガスを汚染しないという特長を有することから、例えば、雰囲気ガスを使用する熱処理炉等の加熱炉に賞用される。チューブ本体の内部の燃焼ガスは、エゼクターで吸引されて外部へ排出される。排出された排ガスと空気とを熱交換して燃焼用空気を予熱するレキュペレータ付きラジアントチューブもある。
【０００４】
図６は、ラジアントチューブ本体の表面温度の一例を示すグラフであり、バーナー先端からの距離（ｍｍ）とラジアントチューブ本体の表面温度（℃）との関係を示す。
図６にグラフで示すように、ラジアントチューブ本体の表面温度は、バーナー先端の近傍、例えばバーナー先端からの距離が４００ｍｍ付近では１１７０℃超に達するのに対し、バーナー先端からの距離が３０００ｍｍ付近では１０８０℃程度にしか達せず、約９０℃程度の温度差を生じる。一般的に、ラジアントチューブ本体の表面温度は、バーナーが設置されている位置から排気側へ向かって低下していく。この理由は、バーナー側から排気側へ向かって流れる燃焼ガスの温度が、ラジアントチューブ本体へ伝熱する過程で低下していくためである。このため、ラジアントチューブ本体の排気側ほど燃焼ガスの熱をラジアントチューブ本体に効率よく伝えることが、ラジアントチューブの熱利用効率を高めるために有効である。
【０００５】
燃焼ガスからラジアントチューブ本体への伝熱を促進する手段として、ラジアントチューブ本体の内部に伝熱促進体を配置することが知られている。
例えば、特許文献１には、レンガ製の断面十字型の伝熱促進体をラジアントチューブ本体の内部に配置することが開示され、また、特許文献２には、セラミック製のスパイラル形状の伝熱促進体をラジアントチューブ本体の内部に配置することが開示されている。
【０００６】
これら伝熱促進体は、ラジアントチューブ本体の内部における燃料ガスの流れを撹拌又は旋回させることによって、燃料ガスからラジアントチューブ本体への対流伝熱の促進を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６３−１７３６１３号公報
【特許文献２】特開昭５７−１１２６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１により開示された発明は、伝熱促進体１個の質量が比較的大きく、熱伝導率が低い。つまり、特許文献１により開示された伝熱促進体は重くて冷め難い。このため、例えばバーナーの燃焼量が高負荷から低負荷に変化した場合には、ラジアントチューブ本体と伝熱促進体とが接触している位置、及びそれ以外の位置の間で、ラジアントチューブ本体の表面温度に大きな差が不可避的に生じてしまい、ラジアントチューブ本体に局所的に熱応力が作用する。さらに、伝熱促進体の質量による応力もラジアントチューブ本体に局所的に作用する。その結果、伝熱促進体の周辺部でラジアントチューブ本体の変形や亀裂が発生し易くなり、ラジアントチューブ本体が短命化し易い。また、断面十字形状では比表面積（単位体積当たりの表面積）が小さいことから、放射伝熱の促進効果が小さい。
【０００９】
特許文献２により開示された発明は、伝熱促進体の熱伝導率が高く、かつ比較的軽量であり、チューブの局所的変形は発生し難い。また、比表面積も比較的大きいことから放射伝熱の効果も期待される。しかしながら、伝熱促進体の形状が複雑であることから伝熱促進体の製作費がかなり嵩み、設置時のイニシャルコストの大幅な上昇は避けられない。
【００１０】
本発明の目的は、燃焼ガスの熱をラジアントチューブ本体に効率的に伝熱しながら、ラジアントチューブ本体の局所的変形を生じることなく、さらには、設置時のイニシャルコスト面でも有利なラジアントチューブと、これを用いる加熱炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、軽量であって、かつ熱伝導率も高い構造を有する伝熱促進体として、セラミックハニカムに注目した。セラミックハニカムは、広範囲の用途向けの市販品として大量生産されており、比較的安価であり、入手も容易である。そこで、市販のセラミック製のハニカムを、ラジアントチューブの伝熱促進体として用いたところ、非常に有効に伝熱できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。
【００１２】
本発明は、燃焼ガスを、その内部の一方向を流れ方向として流すラジアントチューブ本体と、ラジアントチューブ本体に配置されて燃焼ガスを発生するバーナーと、バーナーの配置位置とラジアントチューブ本体における燃焼ガスの排出口との中間位置よりも排出口に近い位置に配置される伝熱促進体とを備えるラジアントチューブであって、伝熱促進体は、セラミックハニカムからなり、セラミックハニカムは、その貫通孔の延設方向が前記流れ方向と略平行になるように配置され、排出口近傍に配置されているレキュペレータからチューブ本体側へ向けて支持棒が延設されており、支持棒がセラミックハニカムとセラミックハニカムを固定する管状の固定具とに貫挿されるとともに固定具および支持棒が固定されていることを特徴とするラジアントチューブである。
【００１３】
この本発明に係るラジアントチューブでは、伝熱促進体が、燃焼ガスの流れ方向へ互いに離間して複数個配置されることが好ましい。
別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係るラジアントチューブを備える加熱炉であって、ラジアントチューブは、伝熱促進体が加熱炉の内壁面よりも炉内側に位置するように、配置されることを特徴とする加熱炉である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃焼ガスの熱をラジアントチューブ本体に効率的に伝熱しながら、ラジアントチューブ本体の局所的変形を生じることなく、さらには、設置時のイニシャルコスト面でも有利であり、例えば工業用加熱炉の熱源として有効に適用することができるラジアントチューブが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係るラジアントチューブにおける、セラミックハニカムからなる伝熱促進体の配置を示す二面図である。
【図２】図２は、市販のセラミックハニカムの外観を示す説明図である。
【図３】図３は、セラミックハニカムからなる伝熱促進体の支持具を示す説明図である。
【図４】図４は、本発明に係るラジアントチューブを加熱炉に設置した状況を示す説明図である。
【図５】図５は、ラジアントチューブ本体の表面温度を比較して示すグラフである。
【図６】図６は、従来のラジアントチューブ本体の表面温度の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について、図面や実施例を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るラジアントチューブ１における、セラミックハニカムブロック２からなる伝熱促進体３の配置を示す二面図である。図２は、市販のセラミックハニカム４の外観を示す説明図である。図３は、セラミックハニカムブロック２からなる伝熱促進体３の支持具５を示す説明図である。さらに、図４は、本発明に係るラジアントチューブ１を加熱炉６に設置した状況を示す説明図である。
【００１７】
本発明に係るラジアントチューブ１は、ラジアントチューブ本体７と、バーナー８と、伝熱促進体３と、レキュペレータ９とを備えるので、これらの構成要素を説明する。
ラジアントチューブ本体７は、Ｕ型をなしており、その一端でバーナー８により加熱された燃焼ガスを他端へ向けて一方向（図１、４における白抜き矢印方向）へ流す構造をなっている。
【００１８】
ラジアントチューブ本体７はＵ型には限定されず、例えば、ストレート型、Ｌ型、Ｔ型、Ｗ型さらにはＯ型といった各種形状を有していてもよい。Ｕ型のラジアントチューブ本体の場合には、ラジアントチューブ本体７の後流側直管部に伝熱促進体３がほぼ均等な間隔で互いに離間して複数配置されることが好ましい。
【００１９】
ラジアントチューブ本体７は、この種のものとして当業者にとっては周知であるので、これ以上の説明は省略する。
バーナー８は、ラジアントチューブ本体７の一部（図示例では一端部）に配置されて燃焼ガスを発生する。バーナー８はこの種のものとして当業者にとっては周知であるので、これ以上の説明は省略する。
【００２０】
伝熱促進体３は、ラジアントチューブ本体７のガス流れ方向の後半部、すなわちバーナー８の配置位置とラジアントチューブ本体における燃焼ガスの排出口７ａとの中間位置７ｂよりも排出口７ａに近い位置に、望ましくは、燃焼ガスの流れ方向へ互いに離間して複数個（図示例では４個）、配置される
伝熱促進体３は、市販のセラミックハニカム４を加工したセラミックハニカムブロック２により構成される。図２に示すように、市販のセラミックハニカム４は、多数の貫通孔４ａが一方向を指向して配列した構造を有する。セラミックハニカムブロック２は、断面四角形の市販のセラミックハニカム４の角を落として断面八角形に加工される。セラミックハニカムブロック２の断面は、例えば四角形のままでも円筒状でもよいが、ラジアントチューブ本体７の内壁面と僅かな隙間を有して挿入可能な形状、大きさであることが好ましい。
【００２１】
伝熱促進体３は、格子面をガス流れ方向へ相対させて貫通孔４ａがガスの流れ方向と略平行になるように配置される。すなわち、セラミックハニカムブロック２は、その貫通孔４ａの延設方向が燃焼ガスの流れ方向と略平行になるように、配置される。
【００２２】
セラミックハニカムブロック２からなる伝熱促進体３を、ラジアントチューブ本体７の内部へ配置する形態は、例えば配置される位置が水平であれば単に配置するだけでもよいが、ラジアントチューブ本体７に固定されることが好ましい。たとえば、図１、２に示されるように、ラジアントチューブ本体７のガス排気側に取り付けられているレキュペレータ９からチューブ本体側へ向けてセラミック製の支持棒１０を取り付け、この支持棒１０を、セラミックハニカムブロック２とこれを挟むように管状の固定具１１に貫挿し、支持具５を構成する固定具１１および支持棒１０を溶接して固定することが例示される。固定の方法は溶接以外にボルト止めやリベット止め等でもよい。
【００２３】
表１に、図２に示す市販のセラミックハニカム４の放射率の測定結果の一例を示す。
【００２４】
【表１】
0005788727.tif 000002
【００２５】
表１に示すように、セラミックハニカム４は、外壁面よりも格子面からの放射が大きい。つまり、ラジアントチューブ本体７の内部により多くの格子面を露出させることによって、放射によるラジアントチューブ本体７への伝熱効果が大きくなる。また、厚さが比較的薄いセラミックハニカムブロック２を燃焼ガスの流れ方向へ離間して複数配置することによって、燃焼ガスの流れが随所で撹拌されるため、燃焼ガスからラジアントチューブ本体７への対流伝熱も促進される。
【００２６】
セラミックハニカムブロック２の厚さ、材質、セル数、配置される個数及び間隔等は、適用するラジアントチューブ１において所定の性能が得られるように、材料コストや加工コストとのバランスで適宜決定すればよい。例えば、セラミックハニカムブロック２の厚さは、あまり厚いとかえって伝熱し難くなることも考えられ、一方、薄すぎるとセラミックハニカムブロック２自体の強度が低下したり、加工性やラジアントチューブ本体７の内部への設置性が低下することも考えられる。
【００２７】
セラミックハニカムブロック２のセル数が小さ過ぎると排ガスの流れを阻害する可能性があり、一方大き過ぎると表面積が小さくなる。セル数は５〜７２セル／インチが適当である。実用上、セラミックハニカムブロック２の厚さは５〜１００ｍｍ程度が適当であり、セラミックハニカムブロック２の材質はムーライト、コージェライト、酸化チタン、アルミナ、ジルコン、シリコンカーバイド、ストーンウエア等が挙げられる。配置間隔は１０〜３００ｍｍ程度、配置個数は３個以上が適当である。
【００２８】
ラジアントチューブ本体７の排出口７ａには、レキュペレータ９が配置される。レキュペレータ９は、ラジアントチューブ本体７の内部の燃焼ガスを吸引して外部へ排出するとともに、排出された排ガスと空気とを熱交換して燃焼用空気を予熱する。
【００２９】
本発明に係るラジアントチューブ１は以上のように構成される。この本発明に係るラジアントチューブを加熱炉に適用する場合には、図４に示すように、伝熱促進体３が加熱炉６の内壁面よりも炉内側に位置するように、ラジアントチューブ１が配置されることが好ましい。
【実施例】
【００３０】
本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
図１〜４により示すラジアントチューブ１として、下記仕様のものを使用した。
（ｉ）ラジアントチューブ１
Ｕ字管：チューブ径＝１７８ｍｍ、直管部長さ２０１８ｍｍ、素材＝耐熱鋳鋼
（ｉｉ）バーナー８
大同特殊鋼製：容量２９３ＭＪ／ｈ、ＰＵＳＨ−ＰＵＬＬ方式
（ｉｉｉ）燃料
ＣＯＧ：１９．３ＭＪ／Ｎｍ３，空燃比＝１．２０
（ｉｖ）レキュペレ−タ９
住金マネジメント製、空気流量＝７５．２Ｎｍ３／ｈ、排ガス流量＝８６．３Ｎｍ３／Ｈ、空気予熱能力＝６００℃
（ｖ）燃焼条件
燃焼負荷１００％、炉温＝９５０℃
伝熱促進体３は下記仕様のものを使用した
（ｖｉ）セラミックハニカム４
市販品：素材＝コージェライト、４６セル／インチ、多孔部形状＝四角形
（ｖｉｉ）伝熱促進体３
縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ５０ｍｍにスライスしたセラミックハニカム４を、図１に示すように８角形の形状に加工したセラミックハニカムブロック２を３個使用した。これら３個のセラミックハニカムブロック２を、直径１０ｍｍのＳＵＳ３１０製の支持棒１０に貫挿し、同材質の管状の固定具１１を用いて、１５０ｍｍ間隔で図３に示すように固定した。セラミックハニカムブロック２の位置は、ラジアントチューブ本体７の排気側内部の、ガス流れ方向の後流側直管部の１／３長さに相当する範囲とした。
【００３１】
比較のため、特許文献１により開示された、耐火レンガ製の断面十字形状の伝熱促進体（長さ１００ｍｍで、６個使用）を用いたラジアントチューブと、特許文献２により開示された、ＳｉＣ製のスパイラル形状の伝熱促進体（長さ３０５ｍｍで、２個使用）を用いたラジアントチューブについても評価した。設置方法および設置範囲は、本発明に係るラジアントチューブと同様とした。
【００３２】
これら３種のラジアントチューブを加熱炉に設置した。図４に示すように、伝熱促進体３が加熱炉６の内壁面よりも炉内側に位置するように、ラジアントチューブ１を設置した。
【００３３】
表２に、ラジアントチューブの３種のラジアントチューブの伝熱促進体のスペックを示すとともに、表３および図６に試験結果を示す。
【００３４】
【表２】
0005788727.tif 000003
【００３５】
【表３】
0005788727.tif 000004
【００３６】
図５に示すように、本発明例のラジアントチューブ１は、伝熱促進体３を設置しなかった場合と比較して、伝熱促進体３を配置した範囲でのラジアントチューブ本体７の表面温度が２５〜３５℃上昇した。これは、燃料として４．０％削減の改善効果に相当する。
【００３７】
また、表３に示すように、本発明例のラジアントチューブ１は、１年間使用後もチューブ本体の局所変形は認めらなかったとともに、特許文献２のラジアントチューブの約１／９０の費用で設置できた。
【符号の説明】
【００３８】
１  本発明に係るラジアントチューブ
２  セラミックハニカムブロック
３  伝熱促進体
４  セラミックハニカム
４ａ  貫通孔
５  支持具
６  加熱炉
７  ラジアントチューブ本体
７ａ  排出口
７ｂ  中間位置
８  バーナー
９  レキュペレータ
１０  支持棒
１１  固定具
【図５】
0005788727.tif 000005
【図６】
0005788727.tif 000006
【図１】
0005788727.tif 000007
【図２】
0005788727.tif 000008
【図３】
0005788727.tif 000009
【図４】
0005788727.tif 000010