(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に露出され、内部に燃焼室を形成するセラミック製のラジアントチューブと、前記ラジアントチューブを接着剤を介して内挿接合し、炉壁に穿設された炉壁穴に内挿されるスリーブ部とを備えたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブの径φ及び長さＬと、前記スリーブ部の長さｌとから求められる前記ラジアントチューブと前記スリーブ部との接合部における最大応力が、前記接合部の温度Ｔから求められる前記接着剤の許容応力以下となる、前記ラジアントチューブの径φ及び長さＬと、前記スリーブ部の長さｌと、前記接合部の温度Ｔとの４つのパラメータ値の相関関係を示すデータ構造。
【請求項２】
炉内に露出され、内部に燃焼室を形成するセラミック製のラジアントチューブと、前記ラジアントチューブを接着剤を介して内挿接合し、炉壁に穿設された炉壁穴に内挿されるスリーブ部とを備えたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブの径φ、前記ラジアントチューブの長さＬ、前記スリーブ部の長さｌ、及び前記スリーブ部の温度Ｔの４つのパラメータ値の内、３つの既知のパラメータ値を構造情報依頼者から受付け、
前記請求項１に記載のデータ構造に示された前記４つのパラメータ値の相関関係に基づいて、前記３つの既知のパラメータ値から、残りの１つのパラメータ値を決定し、
前記決定した構造に関する構造情報を前記構造情報依頼者へ提供するセラミックラジアントチューブバーナの構造情報提供方法。
【請求項３】
請求項１記載のデータ構造を記憶し、コンピュータ読み取り可能なデータ記憶媒体。
【請求項４】
請求項１記載のデータ構造をグラフ化してなるデータシート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
炉内に露出され、内部に燃焼室を形成するセラミック製のラジアントチューブと、前記ラジアントチューブを接着剤を介して内挿接合し、炉壁に穿設された炉壁穴に内挿されるスリーブ部とを備えたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、その構造情報を提供する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のラジアントチューブバーナは、加熱炉や熱処理炉等の間接的な加熱に利用される。
このようなラジアントチューブバーナにおいて、最も一般的なものは、炉壁を貫通して炉内に露出されるラジアントチューブが金属製のものであった。しかし、近年、炉内における処理温度の上昇の要望に伴い、ラジアントチューブの耐熱性等を向上させ長期間安定して使用することを可能にするためにラジアントチューブの材質として、ＳｉＣ（炭化珪素）やＳｉ3 Ｎ4 （窒化珪素）等の耐熱性の高いセラミックの利用が検討、実用化されている。
一般にセラミック製のラジアントチューブは、従来の金属製のラジアントチューブと同様にフランジ部においてつば付きの形状であるが、単純に金属製のラジアントチューブをつば付きのセラミック製のラジアントチューブに置き換えた場合、炉壁との固定部はセラミックチューブのフランジ部を挟み込むいわゆる二重フランジ構造となり、従来の金属製のフランジ部で固定していた場合と比較して、その構造が複雑となるため、炉壁との固定部の改造に多大な費用が必要となる。このような事態を避け、固定部の構造の単純化、及び既設品との互換性を図るために、セラミック製のラジアントチューブをつば無しの直管型とし、そのラジアントチューブが炉壁に固定される金属製のフランジ固定部材等に設けられ、炉壁穴に内挿されるスリーブ部に耐熱接着材を介して内挿され、炉内に露出される構造とする場合がある。このように構成することで、フランジ固定部及びスリーブ部を従来通りの金属製としたまま、ラジアントチューブのみをセラミック製とし、両者を耐熱接着剤を利用して簡便に固定接合することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、ラジアントチューブの自重等によりラジアントチューブと接着剤との界面において発生する応力が、その接合部の許容応力以上となるとラジアントチューブの脱落や破損の虞があり、特に、ラジアントチューブの長手方向を水平方向とする場合、上記界面の特にスリーブ部の炉内側の縁部付近において、局所的に大きな応力が発生するので、その応力が許容応力以下であるかどうかを判定する必要があった。しかし、スリーブ部の長さが、セラミックラジアントチューブバーナを設置しようとする顧客側の炉壁の厚さ以上であると、炉内にスリーブ部が晒され破損する虞があり、スリーブ部の構造を適切なものに設定する必要がある。
よって、上記の顧客からセラミックラジアントチューブバーナの設置の検討依頼があったときに、これらの事情を踏まえて、顧客側の炉に設置可能なセラミックラジアントチューブバーナの構造を決定し、そのバーナの構造が顧客の要望にあったものかを判断する必要があるが、従来、このような判断を適切且つ瞬時に行う手段はなく、セラミックラジアントチューブを設置しようとする顧客から、その設置の可否等の問合せがあっても、瞬時に対応することは困難であった。
【０００４】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、上記のセラミックラジアントチューブにおいて、スリーブ部の長さ等の構造が適切なものかを瞬時に判断するのに利用することができるデータ構造及びその技術を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るデータ構造は、請求項１に記載したごとく、炉内に露出され、内部に燃焼室を形成するセラミック製のラジアントチューブと、前記ラジアントチューブを接着剤を介して内挿接合し、炉壁に穿設された炉壁穴に内挿されるスリーブ部とを備えたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブの径φ及び長さＬと、前記スリーブ部の長さｌとから求められる前記ラジアントチューブと前記スリーブ部との接合部における最大応力が、前記接合部の温度Ｔから求められる前記接着剤の許容応力以下となる、前記ラジアントチューブの径φ及び長さＬと、前記スリーブ部の長さｌと、前記接合部の温度Ｔとの４つのパラメータ値の相関関係を示すことを特徴とする。
【０００６】
セラミック製のラジアントチューブをフランジ固定部材のスリーブ部に内挿し、接着剤で接合してなるセラミックラジアントチューブバーナにおいて、スリーブ部に充填された接着剤とラジアントチューブとの界面にかかる最大応力は、ラジアントチューブの径φとラジアントチューブの長さＬとであるラジアントチューブの構造に関する値とスリーブ部の長さｌに依存性を持ち、ラジアントチューブの径φ及び長さＬが大きくなるほど、若しくはスリーブ部の長さｌが小さくなるほど、上記界面にかかる最大応力は大きくなる。また、このような最大応力は、夫々の値から、実験若しくはコンピュータシュミレーション等で求めることができる。
また、接着剤の許容応力は、スリーブ部の温度Ｔに依存し、温度Ｔが大きくなるほど、許容応力は小さくなる。
よって、本構成のごとく、本発明のデータ構造は、上記の最大応力が、上記の許容応力以下となるような、上記の４つのパラメータ値（φ，Ｌ，ｌ，Ｔ）の相関関係を示すように構成され、このデータ構造は、ラジアントチューブバーナの４つのパラメータ値が適正な値となっているかを判断することに利用することができ、例えば、ラジアントチューブの径φとラジアントチューブの長さＬとスリーブ部の温度Ｔとの既知のパラメータ値から、スリーブ長さｌの下限界値を導出して、その下限界値に基づいてスリーブ部の長さを決定することができる。
【０００７】
本発明に係るセラミックラジアントチューブバーナの構造情報提供方法は、請求項２に記載したごとく、炉内に露出され、内部に燃焼室を形成するセラミック製のラジアントチューブと、前記ラジアントチューブを接着剤を介して内挿接合し、炉壁に穿設された炉壁穴に内挿されるスリーブ部とを備えたセラミックラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブの径φ、前記ラジアントチューブの長さＬ、前記スリーブ部の長さｌ、及び前記スリーブ部の温度Ｔの４つのパラメータ値の内、３つの既知のパラメータ値を構造情報依頼者から受付け、
前記請求項１に記載のデータ構造に示された前記４つのパラメータ値の相関関係に基づいて、前記３つの既知のパラメータ値から、残りの１つのパラメータ値を決定し、
前記決定した構造に関する構造情報を前記構造情報依頼者へ提供することを特徴とする。
【０００８】
本発明のセラミックラジアントチューブバーナの構造情報提供方法は、本構成のごとく、例えばセラミックラジアントチューブバーナを設置しようとする顧客（構造情報依頼者）から、前記炉の加熱温度や炉壁の厚さ、若しくは従来設置していたラジアントチューブバーナの構造等から求められる、前記ラジアントチューブの径φ、前記ラジアントチューブの長さＬ、前記スリーブ部の長さｌ、及び前記スリーブ部の温度Ｔの４つのパラメータ値の内の３つの既知のパラメータ値を、直接若しくはインターネット等を介して受付け、その３つのパラメータ値と、上記の請求項１記載のデータ構造に示された前記４つのパラメータ値の相関関係から、ラジアントチューブと接着剤との界面にかかる最大応力が、接着剤の許容応力以下となるような、前記残りの１つのパラメータ値を決定して、セラミックラジアントチューブバーナの構造を決定することができ、その決定されたパラメータ値若しくはバーナ構造の情報、又はその決定されたパラメータ値又はバーナ構造と、顧客側の炉の仕様又は顧客の要求仕様等とを比較して得ることができる、セラミックラジアントチューブバーナの設置可否を判断情報等の前記構造情報を、直接若しくはインターネット等を介して瞬時に顧客側に提供することができ、この構造情報を提供された顧客は瞬時にセラミックラジアントチューブバーナの設置の判断を行うことができる。また、上記の決定されたバーナ構造は設置の際の設計基準とすることができる。
また、勿論、このようなデータ構造は、前記データ構造を記憶し、コンピュータ読み取り可能なデータ記憶媒体若しくは前記データ構造をグラフ化してなるデータシートとして利用することもできる。
【０００９】
本発明に係るデータ記憶媒体は、請求項３に記載したごとく、請求項１記載のデータ構造を記憶し、コンピュータ読み取り可能なことを特徴とする。
本構成のごとく、本発明のデータ記憶媒体は、上記請求項１記載のデータ構造を記憶し、コンピュータによって読み取り可能に構成されているので、そのデータ記憶媒体に記憶されているデータ構造を瞬時にパーソナルコンピュータ等で読み取って、ラジアントチューブバーナの４つのパラメータ値が適正な値となっているかを瞬時に判断することに利用することができことができる。
【００１０】
本発明に係るデータシートは、請求項４に記載したごとく、請求項１記載のデータ構造をグラフ化してなることを特徴とする。
本構成のごとく、本発明のデータシートは、上記請求項１記載のデータ構造をグラフ化してなるので、例えばそのデータシートをセラミックラジアントチューブバーナが設置されている現場に持ち込んで、その場で、ラジアントチューブバーナの４つのパラメータ値が適正な値となっているかを判断することに利用することができことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すセラミックラジアントチューブバーナ１００は、一端を封止したＳｉＣセラミック製のラジアントチューブ１と、ラジアントチューブ１の他端を耐熱性の接着剤４を介して内挿接合し、炉壁１１に穿設された炉壁穴１１ａに内挿されるＳＵＳ３１０Ｓ製のスリーブ部２とを備え、スリーブ部２を、炉壁１１の外側にネジ等によって固定されるＳＵＳ３１０Ｓ製のフランジ固定部３に接合している。さらに、ラジアントチューブ１内には、同じくＳｉＣセラミック製の内管７と、その内管内に設けられたバーナ部材６とが備えられており、バーナ部材６内に燃料を供給すると共に、バーナ部材６と内管７との間に燃焼用空気を供給して、ラジアントチューブ１と内管７との間に形成された燃焼室８内において燃料を燃焼させてラジアントチューブ１を加熱し、炉内１０の加熱対象物（図示せず）を間接的に加熱する。また、ラジアントチューブ１を加熱後の排ガスは、ラジアントチューブの他端側から排出され、熱交換器を通じて燃焼用空気の予熱に利用される。
【００１２】
このラジアントチューブバーナ１００は、ラジアントチューブ１の長手方向、即ちスリーブ部２のラジアントチューブ１の挿入方向が水平方向であるので、ラジアントチューブ１と接着剤４との界面４ａの特にスリーブ部２の炉内１０側の縁部付近において、局所的に大きな応力が発生し、この界面４ａにおける最大応力が、接着剤４の許容応力以上になると、ラジアントチューブ１の脱落や破損の虞がある。
【００１３】
そこで、図２に示すデータシートＳとしてグラフ化された本発明のデータ構造は、ラジアントチューブ１の径φ及び長さＬと、スリーブ部２の長さｌとから求められるラジアントチューブ１とスリーブ部２との接合部の界面４ａにおける最大応力が、界面４ａの温度Ｔから求められる接着剤４の許容応力以下となる、ラジアントチューブ１の径φ及び長さＬと、スリーブ部２の長さｌと、接合部の温度Ｔとの４つのパラメータ値の相関関係を示すものである。
即ち、このデータシートＳは、ラジアントチューブ１の数種類の径φ（φ１，φ２，φ３・・・）毎に作成されたものであり、また、接着剤４の許容応力がスリーブ部２の温度Ｔによって異なることから、数種類の温度Ｔ（例えば、Ｔ＝７４０℃，７２０℃，７００℃，６８０℃）毎に、上記界面４ａに発生する最大応力が接着剤４の許容応力となるラジアントチューブ１の長さＬとスリーブ部２の長さｌとの相関関係を示すものである。
このように求められた界面４ａに発生する最大応力は、図３に示すように、例えば、ラジアントチューブ１の径φ＝φ１（一定）とした場合、スリーブ長ｌが長くなるほど減少し、ラジアントチューブ１の長さＬをＬ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３）と変化させる、言換えれば長さＬを長くするほど増加する。また、長さＬと同様に、ラジアントチューブ１の径φを増加させても、上記の最大応力は増加する。
【００１４】
次に、上記のデータ構造に示された相関関係の求める方法について以下に説明する。
スリーブ部２に充填された接着剤４とラジアントチューブ１の界面４ａにかかる最大応力は、ラジアントチューブ１の径φとラジアントチューブ１の長さＬとであるラジアントチューブの構造に関するパラメータ値とスリーブ部２の長さｌであるパラメータ値とに依存性を持ち、ラジアントチューブ１の径φ及び長さＬが大きくなるほど、若しくはスリーブ部２の長さｌが小さくなるほど、大きくなる。そして、このような最大応力値を求めるに、夫々のパラメータ値から、有限要素法を利用したコンピュータシュミレーションによって、界面４ａの炉内１０側の変曲点となる縁部から例えば５ｍｍ程度手前の点に発生する応力を最大値として求めることができ、夫々のパラメータ値を変化させ、そのときの最大応力値を夫々求めた。
【００１５】
また、接着剤４の許容応力は、スリーブ部の温度Ｔに依存し、温度Ｔが大きくなるほど、小さくなる。このような許容応力値は、その使用条件によって変化するため、本実施の形態においては、実際の使用状況に極力近い試験によって求めた。
即ち、図４に示すように、上記のラジアントチューブ１と同じＳｉＣセラミック製の棒材２１と、上記スリーブ部２と同じＳＵＳ３１０Ｓ製のリング部材２２とを準備し、リング部材２２の内部に棒材２１を内挿して接着剤４によって接合したものを作成する。そして周囲温度を上記のスリーブ部２の温度となるように設定して、テーブル２５に載せられたリング部材２２に接合された棒材２１を、ロードセル２６の下方に設けられた押圧部２７によって下方に押圧し、ロードセル２６によって接着剤４による接合が破壊されたときのせん断破壊押圧力を測定し、その押圧力から接着剤４のせん断破壊応力を求めた。
このように求められた接着剤４のせん断破壊応力は温度Ｔに依存し、図５に示すように、例えば、温度Ｔが上昇するに連れて、せん断破壊応力は低下する。尚、図５に示すグラフの応力軸は、ある温度でのせん断破壊応力を基準とした比率を表わす対数軸である。
そして、周囲温度Ｔを変化させて同様の試験を行って、夫々の温度Ｔに対するせん断破壊応力を求め、それを基に夫々の温度Ｔに対する許容応力を求めた。
【００１６】
そして、このように求められた温度Ｔに対応する接着剤４の許容応力と、図３に示した界面４ａに発生する最大応力を比較し、その最大応力が許容応力となるような、ラジアントチューブ１の径φ及び長さＬと、スリーブ部２の長さｌと、接合部の温度Ｔとの４つのパラメータ値の相関関係を求めて、本発明のデータ構造として構成し、上記の図２に示すようなデータシートＳとすることができる。
【００１７】
以下に本発明のデータシートＳの利用した本発明のラジアントチューブバーナの構造情報提供方法の実施の形態について説明する。
このようなデータ構造をグラフ化したデータシートＳを利用して、例えば、セラミックラジアントチューブバーナ１００を設置しようとする顧客等（構造情報依頼者の一例）から、ラジアントチューブの径φ、ラジアントチューブの長さＬ、スリーブ部の長さｌ、及びスリーブ部の温度Ｔの４つのパラメータ値の内の３つの既知のパラメータ値を、直接若しくはインターネットを介して受付け、その３つのパラメータ値と、データシートＳに示された前記４つのパラメータ値の相関関係から、ラジアントチューブ１と接着剤４との界面にかかる最大応力が、接着剤の許容応力以下となるような、残りの１つのパラメータ値を決定して、セラミックラジアントチューブバーナ１００の構造を決定して、セラミックラジアントチューブバーナ１００の構造を決定することができ、その決定されたパラメータ値若しくはバーナ構造の情報、又はその決定されたパラメータ値又はバーナ構造と顧客側の炉の仕様又は顧客の要求仕様等とを比較して得られる、セラミックラジアントチューブバーナ１００の設置可否の判断情報等の構造情報を、直接若しくはインターネットを介して瞬時に顧客側に提供することができる。また、この構造情報は、設置するセラミックラジアントチューブの設計基準として利用することができる。
具体的には、セラミックラジアントチューブバーナ１００の設置を検討している顧客から、炉内１０の必要加熱温度等から決定されるラジアントチューブ１の長さＬと径φと、その必要加熱温度から算出できるスリーブ部２の温度Ｔとを受け付ける。そして、受け付けたラジアントチューブ１の径φに対応するデータシートＳに示された、スリーブ部２の温度Ｔに対応するグラフによって、受け付けたラジアントチューブ１の長さＬに対応し、界面４ａに発生する最大応力が許容応力となるスリーブ部２の長さｌの値を求める。このように求められたスリーブ長さｌが、顧客側の炉壁１１の厚さ以下である場合に、セラミックラジアントチューブバーナ１００を設置可能と判断し、その判断を構造情報として瞬時に顧客に提供することができる。
【００１８】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉  上記の実施の形態において、本発明のデータ構造を、グラフ化したデータシートＳとして利用する構成を説明したが、別に、データ構造をフロッピーディスク等のデータ記憶媒体に記憶させて、そのデータ記憶媒体に記憶されているデータ構造を瞬時にパソコン等で取出して、ラジアントチューブバーナの４つのパラメータ値（φ，Ｌ，ｌ，Ｔ）が適正な値となっているかを瞬時に判断することに利用することができことができる。
【００１９】
〈２〉  上記の実施の形態において、顧客側の炉の加熱温度に対応するように、ラジアントチューブ１とスリーブ部２との接合部の温度Ｔを、複数点設定したデータ構造を利用する構成について説明したが、別に、本発明のデータ構造を、接合部の温度Ｔをセラミックラジアントチューブバーナを利用する際に想定できる最大温度として、その他のラジアントチューブの径φ及び長さＬと、スリーブ部の長さｌの相関関係を示すものとすることができる。また、炉内の温度を接合部の温度Ｔとみなして、本発明のデータ構造を構成することもできる。
【００２０】
〈３〉  上記の実施の形態において、本発明のラジアントチューブバーナの構造情報提供方法で、顧客からスリーブ部の長さｌ以外のパラメータ値を受け付けて、本発明のデータ構造を利用して、スリーブ部の長さｌの下限界値を求める構成について説明したが、別に、接合部温度Ｔ以外のパラメータ値を受け付けて、本発明のデータ構造を利用して、接合部の温度Ｔの上限界値を求めても構わず、勿論それ以外のパラメータ値の限界値を求めるように構成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックラジアントチューブバーナの構成を説明する概略断面図
【図２】本発明のデータシートの実施の形態を説明する図
【図３】ラジアントチューブの長さＬとスリーブ部の長さｌに対する界面に発生する最大応力を示すグラフ図
【図４】接着剤の破壊強度を測定する試験の構成を説明する概略図
【図５】接着剤の破壊強度と温度Ｔとの関係を示すグラフ図
【符号の説明】
１        ラジアントチューブ
２        スリーブ部
３        フランジ部
４        接着剤
６        バーナ部
７        内管
８        燃焼室
１０      炉内
１１      炉壁
１１ａ    炉壁穴
１００    セラミックラジアントチューブバーナ
【図１】
0004073154.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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