(57)【要約】【課題】熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を提供する。【解決手段】蓄熱式バーナの蓄熱体を構成するハニカム構造体がガスの流れ方向に複数個積層されると共に、ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、ハニカム構造体は、下記表４で規定される関係を有している。但し、表４において、Ｔ：ハニカムの使用温度、ｈ：ハニカムの高さ、Ｗ：ハニカムの幅、ｄ：ハニカムの奥行き、ｗ×ｄ：ハニカムのガス通過断面の投影面積、ｗ×ｄ×ｈ：ハニカムの体積を示す。【表９】2004286232.tif 000011【選択図】  図２
2004286232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性に優れた材料で作られた、多数の細管の集合体によって形成されたハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内には、高温の一次ガスと前記一次ガスより低温の二次ガスとが一定時間間隔で互いに逆向きに通過し、前記ハニカム構造体は、前記高温の一次ガスの通過によって加熱され、前記二次ガスは、加熱された前記ハニカム構造体によって加熱され、かくして、前記一次ガスの顕熱を前記二次ガスの顕熱として回収する、蓄熱作用を有する蓄熱体において、
前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れ方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表１
【表１】
2004286232.tif 000009
で規定される関係を有していることを特徴とする蓄熱体。
【請求項２】
耐熱性に優れた材料で作られた、多数の細管の集合体によって形成されたハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内には、高温の一次ガスと前記一次ガスより低温の二次ガスとが一定時間間隔で互いに逆向きに通過し、前記ハニカム構造体は、前記高温の一次ガスの通過によって加熱され、前記二次ガスは、加熱された前記ハニカム構造体によって加熱され、かくして、前記一次ガスの顕熱を前記二次ガスの顕熱として回収する、蓄熱作用を有する蓄熱体において、
前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れ方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表２
【表２】
2004286232.tif 000010
で規定される関係を有していることを特徴とする蓄熱体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄熱体に関し、特に、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは、この発明に係わる蓄熱体の使用目的の一つである蓄熱式バーナ用蓄熱体を例にあげて、従来技術を説明する。
【０００３】
蓄熱式バーナは、個々のバーナに付随して蓄熱体を取り付け、燃焼排気ガスと燃焼空気との間で熱交換を行ない、これにより高温予熱空気を得て熱効率の高い燃焼を行なうことのできるバーナである。
【０００４】
以下に、この蓄熱式バーナについて、これを加熱炉に設置した態様を例をあげて、図面を参照しながら説明する。図４は、蓄熱式バーナが設置された加熱炉を示す概略断面図である。
【０００５】
図４において、１は、加熱炉、２ａ、２ｂは、加熱炉１の炉壁に対向して設置された一対の蓄熱式バーナ、３ａ、３ｂは、蓄熱式バーナ２ａ、２ｂ内に設けられた蓄熱体である。蓄熱体３ａ、３ｂは、比表面積の大きなものが良く、特開平４−２５１１９０号公報に開示されるように、複数個のハニカム構造体によって構成されている。４ａ、４ｂは、燃料遮断弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない燃料供給源より加圧された燃料が所定流量でバーナ２ａ、２ｂに供給される。
【０００６】
５ａ、５ｂは、燃焼空気弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない空気供給源より加圧された空気が所定流量でバーナ２ａ、２ｂに供給される。６ａ、６ｂは、燃焼排ガス弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない排気ブロワにより蓄熱体３ａ、３ｂを通過した燃焼排ガス（以下、炉内ガスという）が所定流量で吸引され、大気に放出される。７は、加熱炉１内の鋼スラブ等の被加熱物である。Ｔ１およびＴ２は、それぞれ温度計であり、Ｔ１は、高温側（燃焼側）温度計、Ｔ２は、低温側（反燃焼側）温度計である。
【０００７】
図４において、例えば、一方のバーナ２ａが燃焼状態にある場合には、燃料遮断弁４ａが開いて燃料が供給される。また、燃焼空気弁５ａが開き、燃焼排ガス弁６ａが閉じて一方の蓄熱体３ａに空気が押し込まれる。蓄熱体３ａを通過した空気は、蓄熱体３ａより熱を奪って高温の予熱空気となってバーナ２ａに供給される。
【０００８】
一方、このとき他方のバーナ２ｂでは、燃料遮断弁４ｂおよび燃焼空気弁５ｂが共に閉じ、燃焼排ガス弁６ｂが開いており、炉内ガスは、バーナ２ｂより吸引され、蓄熱体３ｂを経てこれを加熱した後、排気ブロワにより排気される。
【０００９】
上記蓄熱式バーナ２ａ、２ｂを用いた加熱炉１において蓄熱燃焼を行う場合には、一定時間毎にバーナ２ａと２ｂとの燃焼を交互に切り替える交番燃焼が行われる。切り替え時間は、概略３０秒〜２分間と短いのが普通である。
【００１０】
そして、燃焼が切り替わり、他方のバーナ２ｂが燃焼状態になった場合には、燃料遮断弁４ｂおよび燃焼空気弁５ｂが共に開き、燃焼排ガス弁６ｂが閉じて他方の蓄熱体３ｂに空気が供給される。高温の蓄熱体３ｂを通過した空気は、蓄熱体３ｂより熱を奪って高温の予熱空気となってバーナ２ｂに供給される。
【００１１】
一方、このとき一方のバーナ２ａでは、燃料遮断弁４ａおよび燃焼空気弁５ａが共に閉じ、燃焼排ガス弁６ａが開いており、炉内ガスは、バーナ２ａより吸引され、蓄熱体３ａを経てこれを加熱した後、排気ブロワにより排気される。
【００１２】
このような蓄熱式バーナを用いた加熱炉においては、蓄熱バーナが蓄熱状態にある場合には、バーナに炉内ガスが吸引されるので、蓄熱体の高温側は、短時間で概略、炉内ガス温度まで加熱される。蓄熱体を通過した炉内ガスは、蓄熱体に熱を与えて低温となる。炉内ガスの吸引を継続すれば、蓄熱体の内部まで炉内ガス温度まで加熱することが可能であるが、炉内ガスの吸引を継続すると、やがて蓄熱体を通過した炉内ガスが流出する蓄熱体の低温側でのガス温度が上昇する。蓄熱体を通過した炉内ガスは、燃焼排ガス弁を経て系外に排出されるので、蓄熱体の低温側でのガス温度は、燃焼排ガス弁の耐熱温度、例えば、経済的な値段で入手できる弁では３５０℃程度を越えることはできない。
【００１３】
なお、蓄熱体の低温側での炉内ガス温度は、低すぎても問題がある。即ち、燃焼排気ガス中には、水分の他、燃料成分中に硫黄分等が含まれると、１５０℃程度の温度以下で燃焼排ガスの一部が凝縮して燃焼水が生じることがある。燃焼水は、配管や燃焼排ガス弁を腐蝕させるために、蓄熱体の低温側での炉内ガス温度は、最高３５０℃以下、平均１８０℃程度に維持されることが好ましい。
【００１４】
一方、蓄熱式バーナが燃焼状態にある場合には、蓄熱体の低温側に常温の燃焼空気が供給され、これが蓄熱体を通過する間に高温の蓄熱体がら熱を奪い予熱されて、バーナに供給される。蓄熱バーナの運転にあたっては、できるだけ高温の予熱空気を得ることのできる運転をすることが好ましい。蓄熱式バーナでは、得られる予熱空気の温度は、炉内ガス温度が上限である。現実的には、炉内ガス温度より５０〜１００℃程度低い予熱空気温度が得られれば良い。
【００１５】
即ち、適切に設計され、操業している蓄熱式バーナの蓄熱体にあっては、蓄熱体の高温側における蓄熱体通過ガスの温度は、炉内ガス温度と炉内ガス温度より１００℃程度低い予熱空気温度との範囲内で変化し、一方、その低温側にあっては、蓄熱状態完了時において炉内ガスの流出温度の最高温度である３５０℃程度から燃焼状態完了時において常温空気の温度である３０℃程度の温度範囲内で変化する。
【００１６】
さて、従来の蓄熱式バーナ用蓄熱体にあっては、上述したように、蓄熱体は、比表面積の大きなものが良いことは経験的に知られており、比表面積の大きなハニカム構造体が用いられる。
【００１７】
例えば、燃焼容量が１００万ｋｃａ１／Ｈの蓄熱式バーナにあっては、図５に示すように、蓄熱体３の大きさは、ガスの通過断面の寸法が縦４００ｍｍ×横４００ｍｍで、蓄熱体の高さが４００ｍｍ程度である。従来は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１００ｍｍの直方体ハニカム構造体をガスの通過断面には、４×４＝１６個配列し、高さ方向には４段積み重ねていた。そして、蓄熱体を構成するハニカム構造体のガス通過流路（細管）の断面積は、何れのハニカム構造体おいても同一であった。
【００１８】
図６は、蓄熱体を構成する一個のハニカム構造体８を示す概略斜視図であり、ここでは、ハニカム構造体の縦、横、高さ方向寸法をそれぞれ、記号ｄ、ｗ、ｈで示す。また、図７は、ハニカム構造体８のガス通過流路を拡大して示したもので、ハニカム構造体８の壁厚を記号ｔ、壁間距離（ピッチ）を記号Ｐで示す。
【００１９】
本願発明者等の研究によれば、例えば、壁厚ｔ＝１．５ｍｍ以下、ピッチＰ＝５ｍｍ以下のハニカム構造体であれば、蓄熱体の比表面積が６００ｍ２／ｍ３以上となり、熱交換性能が良く、また、壁厚ｔが１．５ｍｍ程度であれば、壁中心部まで熱伝導で熱が伝わり均熱化するのに１ｓ程度しかかからないので、温度変化に対する応答性に優れていることが分かった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の蓄熱式バーナ用蓄熱体にあっては、上述したように、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ程度の直方体ハニカム構造体を組み合わせて蓄熱体を形成していたが、この形成方法では、特に、炉内ガスの流入する高温側のハニカム構造体が加熱時の熱応力によって割れる問題があり、蓄熱体の交換周期が短く、保全費用の増大と、交換のために設備を止めることによる生産機械損失の増大を招いていた。
【００２１】
本願発明者等は、上述した目的を達成するために、特開平８−２４７６７１号公報および特開平９−３３０３４号公報に開示される蓄熱体を提案した。この蓄熱体は、図８に示すように、燃焼空気が送り込まれる方向にハニカム構造体を複数層積層すると共に、空気の流れに直交する断面においても複数個に分割し、且つ、ハニカム構造体の高温側（燃焼側）のガス通過流路の面積を、低温側（反燃焼側）に比べて広く形成したものである。このように構成した理由は、下記の通りである。
【００２２】
ハニカム構造体の割れは、蓄熱体の高さ方向（細管の軸線方向）温度偏差に起困して発生する熱応力が材料強度限界を超えると発生するものである。従って、高温ではハニカム構造体の強度が低下することを勘案し、その大きさに制約を与えて、ハニカム構造体に発生する温度偏差を小さくすれば、割れを防止することができる。
【００２３】
上述した先行発明によれば、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を得ることができるが、ハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状、即ち、ハニカム構造体の高さ（ｈ）、幅（ｗ）、奥行き（ｄ）、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（ｗ×ｄ）および体積（ｗ×ｄ×ｈ）との関係を定量的に規定するには至っていなかった。
【００２４】
従って、この発明の目的は、上記先行発明に更に改良を加えて、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を得るためのハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状との関係を定量的に規定した蓄熱体を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、耐熱性に優れた材料で作られた、多数の細管の集合体によって形成されたハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内には、高温の一次ガスと前記一次ガスより低温の二次ガスとが一定時間間隔で互いに逆向きに通過し、前記ハニカム構造体は、前記高温の一次ガスの通過によって加熱され、前記二次ガスは、加熱された前記ハニカム構造体によって加熱され、かくして、前記一次ガスの顕熱を前記二次ガスの顕熱として回収する、蓄熱作用を有する蓄熱体において、前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れ方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表３
【００２６】
【表３】
2004286232.tif 000003
【００２７】
で規定される関係を有していることに特徴を有するものである。
【００２８】
請求項２記載の発明は、耐熱性に優れた材料で作られた、多数の細管の集合体によって形成されたハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内には、高温の一次ガスと前記一次ガスより低温の二次ガスとが一定時間間隔で互いに逆向きに通過し、前記ハニカム構造体は、前記高温の一次ガスの通過によって加熱され、前記二次ガスは、加熱された前記ハニカム構造体によって加熱され、かくして、前記一次ガスの顕熱を前記二次ガスの顕熱として回収する、蓄熱作用を有する蓄熱体において、前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れ方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表４
【００２９】
【表４】
2004286232.tif 000004
【００３０】
で規定される関係を有していることに特徴を有するものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる、蓄熱体におけるハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状、即ち、ハニカム構造体の高さ（ｈ）、幅（ｗ）、奥行き（ｄ）、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（ｗ×ｄ）および体積（ｗ×ｄ×ｈ）との関係を定量的に規定すべく下記試験を行なった。
【００３２】
即ち、図４に示すような蓄熱式バーナを設置した加熱炉において、図８に示す蓄熱体の高温側に、寸法ｗ、ｄ、ｈの異なるセラミック製ハニカム構造体をテストピースとして組み込み、蓄熱式バーナの燃焼負荷を変えて温度計Ｔ１で測定される炉内ガス温度の平均値を１３００℃から４００℃まで変化させ、同時に、温度計Ｔ２で測定される炉内ガス温度の平均値がほぼ２００℃で一定になるように炉内ガス流量を調節して、蓄熱体の長期耐久性試験を行なった。テストピースの材質は、アルミナを９０％以上含むセラミックスであった。
【００３３】
この結果、図１に示すような結果を得た。図１において、横軸は、温度計Ｔ１で測定した炉内ガスの平均温度、縦軸は、ハニカムテストピースの寸法、ｗ、ｄ、ｈを示す。また、図中の実線は、ハニカム構造体が割れなかった温度範囲を示す。
【００３４】
図１から明らかなように、ハニカム構造体のガス通過断面積（ｗ×ｄ）およびハニカムの高さ（ｈ）が小さいほうが割れにくいことが判明した。また、使用温度が低いほど、（ｗ×ｄ）および（ｈ）はより大きくて良いことが判明した。なお、ここまでは、先行発明に開示されている。
【００３５】
この発明は、更に、具体的に、ハニカム構造体の使用温度と、ハニカム構造体の高さ（ｈ）、幅（ｗ）、奥行き（ｄ）、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（ｗ×ｄ）および体積（ｗ×ｄ×ｈ）との関係を、表５および表６に示すように規定して、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を得るものである。
【００３６】
表５は、最も割れが発生しやすい高温側領域（１１００℃＜Ｔ≦１２００℃、１２００℃＜Ｔ）の使用温度と、ハニカム構造体の高さ（ｈ）、幅（ｗ）、奥行き（ｄ）、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（ｗ×ｄ）および体積（ｗ×ｄ×ｈ）との関係を規定したものであり、表６は、最も割れが発生しやすい前記高温側領域およびそれより低温側の温度領域（９００℃＜Ｔ≦１０００℃、１０００℃＜Ｔ≦１１００℃）の使用温度と、ハニカム構造体の高さ（ｈ）、幅（ｗ）、奥行き（ｄ）、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（ｗ×ｄ）および体積（ｗ×ｄ×ｈ）との関係を規定したものである。表６のように規定すれば、表５のように、高温側領域のみを規定する場合に比べて、一層、蓄熱体の寿命を延ばすことができる。
【００３７】
【表５】
2004286232.tif 000005
【００３８】
【表６】
2004286232.tif 000006
【００３９】
なお、本発明者等は、ガス通過流路が上述した四角形状のハニカム構造体以外に、図３に示す六角形状ガス通過流路のハニカム構造体についても実験した。その結果、図３の寸法ｘをｗと読み替え、ｙをｄと読み替えれば、上記表５および表６の結果があてはまることを見出した。
【００４０】
【実施例】
次に、この発明を実施例によって更に説明する。
（実施例１）
炉内最高温度が１３５０℃の熱延用連続式スラブ加熱炉に、表７に示す組み合わせで、図２に示すような、縦４５０ｍｍ×横４５０ｍｍ×高さ４００ｍｍの蓄熱体を有する蓄熱式バーナを設置して２年間使用した。この結果、ハニカム構造体の割れ等による不具合は顕在化しなかった。
【００４１】
【表７】
2004286232.tif 000007
【００４２】
また、表７に示す蓄熱体を、鋼板塗装ラインの排気中に含まれる溶媒の燃焼脱臭処理をするための蓄熱式脱臭試験炉に適用したところ、やはり割れが発生せず実用可能であることが判明した。
（実施例２）
炉内最高温度が１３５０℃の熱延用連続式スラブ加熱炉に、表８に示す組み合わせで、実施例１と同様な寸法の蓄熱体を有する蓄熱式バーナを設置して３年間使用した。この結果、ハニカム構造体の割れ等による不具合は顕在化しなかった。
【００４３】
【表８】
2004286232.tif 000008
【００４４】
また、表８に示す蓄熱体を、鋼板塗装ラインの排気中に含まれる溶媒の燃焼脱臭処理をするための蓄熱式脱臭試験炉に適用したところ、やはり割れが発生せず実用可能であることが判明した。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、先行発明に更に改良を加えて、ハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状との関係を定量的に規定することによって、熱応力による割れが防止できることから、長期間安定して使用できる蓄熱体を得ることができ、しかも、ハニカム構造体の交換周期の延長により、保全費用の低減と、交換のために設備を止めることによる生産機械損失の低滅効果が得られるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハニカム構造体の耐久性の実験結果を示すグラフである。
【図２】この発明の実施例に使用した蓄熱体を示す概略斜視図である。
【図３】六角形状ガス通過流路のハニカム構造体を示す概略斜視図である。
【図４】蓄熱式バーナー加熱炉を示す概略断面図である。
【図５】ガス通過流路面積が同一のハニカム構造体からなる蓄熱体を示す概略斜視図である。
【図６】テストピースのハニカム構造体を示す概略斜視図である。
【図７】ガス通過流路を示す拡大図である。
【図８】先行発明の蓄熱体を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１：加熱炉
２ａ、２ｂ：蓄熱式バーナ
３、３ａ、３ｂ：蓄熱体
４ａ、４ｂ：燃料遮断弁
５ａ、５ｂ：燃焼空気弁
６ａ、６ｂ：燃焼排ガス弁
７：鋼スラブ
８：ハニカム構造体
【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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