(57)【要約】【課題】  高温の製品、高温の素材、或いは設備の高温部位などを冷却対象物として冷却水或いは空気などの熱媒体によって冷却する際に、冷却能を損なうことなく冷却前後の熱媒体の温度差を大きくすることにより、熱媒体が得た熱量を回収しやすくして冷却対象物の熱を回収する方法を提供する。【解決手段】  冷却対象物１を、該冷却対象物に設けられた流路２を流れる熱媒体４によって冷却し、冷却後の熱媒体の有する熱を利用する排熱回収方法であって、前記流路の伝熱面に接触させて多孔質金属体３を配置し、前記熱媒体を、該多孔質金属体の内部を通過させて冷却前後の熱媒体の温度差を大きくし、その後、熱媒体の有する熱を利用する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象物を、該冷却対象物に設けられた流路を流れる熱媒体によって冷却し、冷却後の熱媒体の有する熱を利用する排熱回収方法であって、前記流路の伝熱面に接触させて多孔質金属体を配置し、前記熱媒体を、該多孔質金属体の内部を通過させて冷却前後の熱媒体の温度差を大きくし、その後、熱媒体の有する熱を利用することを特徴とする排熱回収方法。
【請求項２】
冷却対象物に設けられた流路と、前記流路の伝熱面に接触させて配置される多孔質金属体と、前記流路に熱媒体を供給する供給配管と、前記流路から流出する熱媒体を排出する排出配管と、を備えることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項３】
更に、前記排出配管を通る熱媒体の熱を回収するための熱交換器を備えることを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の製品、高温の素材、或いは設備の高温部位などを冷却対象物として冷却水或いは空気などの熱媒体によって冷却する際に、冷却能を損なうことなく冷却前後の熱媒体の温度差を大きくすることによって熱媒体が得た熱量を回収しやすくして、冷却対象物の熱を回収する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2 などの温暖化ガスによる地球温暖化が世界的な問題となっており、温暖化対策の必要性が急激に高まっている。製鉄を始めとする各種プラントにおいては、ＣＯ2排出量を減らすために、排熱回収を行い、エネルギー再利用の取り組みを進めている。
【０００３】
例えば、鉄鋼業においては高温の排熱は回収利用が進んでいるが、低温の排熱は回収利用が困難であり、改善の余地がある。低温排熱が回収利用しにくい原因は温度レベルが低いことにあり、ガスや温水といった熱媒体の温度レベルを上げることが効果的な方法の一つとして考えられている。
【０００４】
鉄鋼業における低温排熱の例の一つとして、連続鋳造設備における鋳型（モールド）の水冷機構が挙げられる。連続鋳造設備では、溶鋼を鋳型に注入し、鋳型による抜熱効果によって溶鋼の周囲を凝固させ、連続的に鋳片を製造している。この連続鋳造設備では、鋳型に設けられたスリット状或いは管状の冷却水流路に冷却水を流して鋳型を冷却し、この鋳型によって溶鋼を間接的に冷却している。
【０００５】
一般的に水冷における伝熱形態としては、対流熱伝達域、核沸騰域、膜沸騰域の３つに分類される。対流熱伝達域は水の顕熱による伝熱であり、核沸騰域は水が液相から気相に変化する時の潜熱を利用した伝熱になるため、熱流束が対流熱伝達域に比較して１０〜１００倍大きくなり、伝熱効率が非常に高い領域である。これに対して膜沸騰域は、発生した気泡が成長して、伝熱面に空気膜を形成し、水に比べて熱伝達率が低い空気層が伝熱面にできることで伝熱効率が低下するという問題がある。従って、伝熱効率が高い核沸騰域を利用する条件設定が求められる。
【０００６】
しかしながら、連続鋳造工程においては冷却対象となる溶鋼の温度は１５００〜１６００℃と非常に高温であるために入熱が大きく、膜沸騰域にしないようにするためには冷却水の流速を大きくする必要があるため、冷却水の鋳型冷却前後の水温差は１０℃以下にしかならず、冷却後の冷却水の温度レベルが低過ぎて、排熱として利用できないという問題があった。一方、冷却前後の水温差を大きくしようとして冷却水の流速を下げると、伝熱形態が膜沸騰域になり、伝熱効率は低下してしまう。
【０００７】
ところで、冷却水を用いて高温物体を冷却する際に、冷却水の有する熱をエネルギーとして再利用するに好適な蓄熱性ヒートシンクが特許文献１に提案されている。このヒートシンクは、金属繊維と金属製流路とが高密着性で接合して構成されたものであり、金属製流路内を流れる流体の量、或いは金属繊維または金属製流路の材質や大きさを調製することによってヒートシンクから排出される熱量を制御可能としたものである。但し、この技術を連続鋳造用鋳型に適用する場合には、鋳型背面に多数の蓄熱性ヒートシンクを取り付ける必要があり、設備コストが嵩み、実現化は困難といわざるを得ない。
【特許文献１】特開２００６−２５３３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高温の製品、高温の素材、或いは設備の高温部位などを冷却対象物として冷却水或いは空気などの熱媒体によって冷却する際に、冷却能を損なうことなく冷却前後の熱媒体の温度差を大きくすることにより、熱媒体が得た熱量を回収しやすくして冷却対象物の熱を回収する方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための第１の発明に係る排熱回収方法は、冷却対象物を、該冷却対象物に設けられた流路を流れる熱媒体によって冷却し、冷却後の熱媒体の有する熱を利用する排熱回収方法であって、前記流路の伝熱面に接触させて多孔質金属体を配置し、前記熱媒体を、該多孔質金属体の内部を通過させて冷却前後の熱媒体の温度差を大きくし、その後、熱媒体の有する熱を利用することを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明に係る排熱回収装置は、冷却対象物に設けられた流路と、前記流路の伝熱面に接触させて配置される多孔質金属体と、前記流路に熱媒体を供給する供給配管と、前記流路から流出する熱媒体を排出する排出配管と、を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明に係る排熱回収装置は、第２の発明において、更に、前記排出配管を通る熱媒体の熱を回収するための熱交換器を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多孔質金属体によって熱媒体への伝熱を促進させるので、従来と同等或いは同等以上の冷却性能を確保しつつ、冷却前後での熱媒体の温度差を大きくすることができ、これにより熱回収がしやすくなり、これまで利用できなかった排熱を再利用することが可能となる。その結果、工場などにおける省エネルギーの推進とともにＣＯ2 の発生を抑制することが達成され、地球温暖化を抑止する効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態例を示す図であって、本発明に係る排熱回収装置の全体構成を示す概略図である。尚、図１では冷却対象物を冷却するための熱媒体として水を使用した場合を示している。
【００１４】
図１において、冷却対象物である高温体１には、該高温体１を冷却するための熱媒体である冷却水４の通る流路２が設けられており、この流路２の内部に、該流路２の内壁面つまり高温体１から熱媒体への伝熱面に接して、多孔質金属体３が配置されている。流路２には、冷却水４を供給するための供給配管５と、高温体１を冷却した後の冷却水４を排出するための排水配管６とが接続されている。供給配管５は貯水部８につながり、その途中にポンプ９が備えられている。一方、排水配管６は貯水部８に至り、その途中に熱交換器７が備えられている。
【００１５】
ポンプ９の作動により貯水部８に収容された冷却水４が供給配管５を経由して高温体１に送られ、この冷却水４が流路２に配置された多孔質金属体３の内部を通って高温体１を冷却し、高温体１を冷却した冷却水４が、熱交換器７で熱交換した後に、排水配管６を通って貯水部８に戻るように構成されている。
【００１６】
図１では、多孔質金属体３が高温体１と直接接触しているが、図２に示すように、高温体１に設けられた流路２と密に嵌合する、断面が円形の金属製流路１０を準備し、この金属製流路１０の内部を冷却水４の流路２ａとしてもよい。つまり、この金属製流路１０の内部に、該金属製流路１０の内壁面つまり高温体１から熱媒体への伝熱面に接して多孔質金属体３を配置し、ここに冷却水４を流すようにしても構わず、却って、このようにすることが好ましい。本発明においては、多孔質金属体３が、高温体１から熱媒体への伝熱面と密に接触することが重要であり、金属製流路１０の内部に多孔質金属体３を配置する場合には、オフラインの作業であることから、高温体１に直接多孔質金属体３を取り付けるオンラインの作業に比べて、伝熱面つまり金属製流路１０の内壁と、多孔質金属体３との接触を密にすることができるからである。高温体１と金属製流路１０との接触は、どちらも「面」であることから、高温体１及び金属製流路１０を密に接触させることは、多孔質金属体３を高温体１に直接且つ密に接触させる場合に比較して極めて容易である。金属製流路１０としては、銅、銅合金などを使用することができる。金属製流路１０の断面形状は、円形に限るものではなく、四角形、多角形、楕円形などであっても構わない。
【００１７】
また、多孔質金属体３を配置する場合に、流路２或いは流路２ａの全部を多孔質金属体３で充填する必要はなく、図３に示すように、流路２或いは流路２ａの一部分に配置してもよく、また、図４に示すように、流路２或いは流路２ａの長手方向に分割させても構わない。
【００１８】
本発明で使用する多孔質金属体３とは、内部に大小様々な気孔を持つ固体の総称であり、熱伝導率の高い金属、例えば銅や銅合金などが一般的である。高温体１からの入熱は流路２或いは流路２ａの伝熱面を介して多孔質金属体３に伝わる。多孔質金属体３は伝熱表面積が大きいために、高効率の伝熱が実現される。
【００１９】
また、多孔質金属体３は、材料と気孔とが入り組んだ形状をしているため、生成した気泡同士が連結しにくく、そのために伝熱形態が膜沸騰域になりにくく、また、伝熱面近傍で水が気泡になった場合に、毛細管現象により多孔質金属体３の内部の水が伝熱面近傍に吸い上げられ、連続的な抜熱が可能であるという特性を有している。多孔質金属体３を配置しない場合には膜沸騰にしないようにするために大きな流速が必要であるが、多孔質金属体３を用いた場合には低流速即ち低流量での高抜熱が実現できる。
【００２０】
即ち、多孔質金属体３を用いた場合には、低流量であっても膜沸騰域になりにくく、従来と同等の冷却能を維持した上で、高温体１を冷却する前後の冷却水４の温度差を大きくすることが可能となる。高温体１を冷却した後の冷却水４の温度が高くなることで、熱交換器７による熱交換が容易になる。
【００２１】
このように、本発明で使用する多孔質金属体３は抜熱性能に優れた冷却デバイスであり、多孔質金属体３としては、気孔が連続しており通水性があるものであれば、粒状或いは繊維状の金属を焼結したものや、発泡金属など、製造方法は問わない。また、材質は一般的には熱伝導率の高い材料である、銅、銅合金が用いられることが多いが、その他の材料であっても使用可能である。複数の材料を用いたものであってもよい。
【００２２】
多孔質金属体３の材質、形状、表面性状、気孔径、気孔率（＝気孔の全体積／多孔質金属体３の体積）、製造時の粒子径／繊維径に応じて、冷却水４を流した時の冷却特性が変化するが、熱回収に必要な冷却水４の温度を満足する範囲でこれらを決めればいい。
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、多孔質金属体３によって冷却水４への伝熱を促進させるので、冷却水４の流量が減少した状態であっても従来と同等或いは同等以上の冷却性能を確保しつつ、高温体１を冷却する前後の冷却水４の温度差を大きくすることができ、これにより熱回収がしやすくなり、これまで利用できなかった排熱を再利用することが可能となる。
【００２４】
尚、本発明は上記説明の範囲に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図１では熱交換器７を設置しているが、熱交換器７は必ずしも必要ではなく、高温体１を冷却した後の高温の冷却水４を蒸気などにして直接利用する場合には、熱交換器７は設置しなくても構わない。また、熱交換器７における熱交換を容易とするために、冷却後の冷却水４の温度を更に高めるための加熱装置を熱交換器７の前に設けてもよい。また更に、熱媒体として水を利用した例で説明したが、熱媒体は水に限るものではなく、水以外の液体や、空気などの気体であっても構わない。
【実施例１】
【００２５】
本発明の実施例として、図５に示す、製鉄プロセスにおける連続鋳造設備へ本発明を適用する例を説明する。本発明を連続鋳造設備に適用した場合、最も排熱回収効果が顕著となるは、鋳型冷却水の排熱を回収することであり、従って、ここでは鋳型冷却に本発明を適用する例を説明する。尚、図５は、スラブ連続鋳造機全体の概略図である。
【００２６】
図５に示すように、スラブ連続鋳造機１１には、溶鋼２０を冷却して凝固させ、鋳片２１の外殻形状を形成するための鋳型１５が設置され、この鋳型１５の上方所定位置には、取鍋（図示せず）から供給される溶鋼２０を鋳型１５に中継供給するためのタンディッシュ１２が設置されており、一方、鋳型１５の下方には、鋳型１５の直下にクーリンググリッド設備１６が設置され、クーリンググリッド設備１６の下方には、対抗する複数対の鋳片支持ロール１７が設置されている。クーリンググリッド設備１６及び鋳片支持ロール１７は、鋳型１５から引き抜かれる鋳片２１を支持しながら下方に案内するための鋳片支持・案内装置であり、鋳片支持ロール１７には鋳片２１を引き抜くためのピンチロール（図示せず）が含まれる。隣り合う鋳片支持ロール１７の間隙には、水スプレーノズル或いはエアーミストスプレーノズルなどのスプレーノズル（図示せず）が配置され、これらのスプレーノズルから噴霧される冷却水により、鋳片２１は引き抜かれながら冷却される。
【００２７】
タンディッシュ１２の底部にはスライディングノズル１３が設置され、このスライディングノズル１３の下面には浸漬ノズル１４が設置されている。また、鋳片支持ロール１７の下流側には、鋳造された鋳片２１を搬送するための複数の搬送ロール１８が設置されており、この搬送ロール１８の上方には、鋳造される鋳片２１から所定の長さの鋳片２１ａを切断するための鋳片切断機１９が配置されている。
【００２８】
使用する鋳型１５は、一対の長辺銅板と一対の短辺銅板とを組み合わせた構造であり、長辺銅板２４は、図６に示すように、背面にスリット状の冷却水流路２５を有し、この冷却水流路２５を冷却水が流れて長辺銅板２４を冷却するようになっている。長辺銅板２４の下端側から導入された冷却水は、冷却水流路２５を通って排出される。ここで、長辺銅板２４の背面側には、バックプレート（図示せず）が設置されており、このバックプレートによって各冷却水流路２５は覆われて分離されている。図示はしないが、短辺銅板も長辺銅板２４と同様の構造となっている。尚、図６は、鋳型長辺銅板の概略斜視図である。また、本発明を鋳型冷却に適用する場合には、冷却水流路２５に多孔質金属体を配置することになる。
【００２９】
この構成のスラブ連続鋳造機１１を用いて、タンディッシュ１２に滞留する溶鋼２０を、スライディングノズル１３により流量を調整しながら浸漬ノズル１４を介して鋳型１５に注入する。鋳型１５に注入された溶鋼２０は、鋳型１５と接触して冷却され、凝固シェル２２を形成する。鋳型１５における溶鋼湯面位置をほぼ一定位置に保ちながら、表面を凝固シェル２２とし、内部を未凝固相２３とする鋳片２１を鋳型１５の下方に連続的に引き抜き、溶鋼２０の連続鋳造を実施する。鋳型１５から引き抜かれた鋳片２１は、クーリンググリッド設備１６及び鋳片支持ロール１７で支持されながら冷却され、やがて内部まで完全に凝固する。鋳造される鋳片２１を鋳片切断機１９によって切断し、所定の長さの鋳片２１ａを製造する。
【００３０】
このような連続鋳造操業において、冷却水流路２５に多孔質金属体を配置しない通常の冷却では、伝熱効率の悪い膜沸騰伝達を避けるために、冷却水条件としては、冷却水流路２５における流速が１０ｍ／秒程度となるように冷却水が供給されている。この場合、冷却水の入口温度は常温、即ち２０℃程度、出口温度は３０℃以下となっており、冷却前後の温度差は１０℃程度である。また、抜熱効率は３〜５ＭＷ／ｍ2 となっている。
【００３１】
この鋳型１５の冷却に本発明を適用するべく、鋳型１５の冷却水流路２５に多孔質金属体を配置した模擬試験を実施した。鋳型冷却模擬試験装置を図７に示す。
【００３２】
図７に示すように、試験用円筒鋳型２６は、ルツボ３４に収容された溶鋼３５に浸漬され、その外周に溶鋼３５の凝固シェル（図示せず）を形成する円筒状銅部２７と、この円筒状銅部２７を把持するとともに、円筒状銅部２７への冷却水の流路を形成する支持部２８とで構成されており、円筒状銅部２７及び支持部２８が一体となって、ルツボ３４に対して昇降可能に構成されている。支持部２８の中心部には、冷却水導入流路３０となる貫通する孔が形成され、この冷却水導入流路３０の外側に、円筒状銅部２７を冷却するための冷却水流路２９が形成されている。この冷却水流路２９は、実機スラブ連続鋳造機１１の長辺銅板２４に設けられるスリット状の冷却水流路２５を模して、隣り合う冷却水流路２９の間に隔壁（図示せず）が設置されている。
【００３３】
冷却水送水装置（図示せず）によって冷却水導入流路３０の上端部の供給口３１から冷却水導入流路３０に供給された冷却水は、冷却水導入流路３０の下端部に至り、この下端部で反転して冷却水流路２９に流入し、冷却水流路２９を通過した後、冷却水流路２９の先端部の排出口３２から排出されるようになっている。冷却水流路２９の内部には、該冷却水流路２９の内壁面つまり円筒状銅部２７から冷却水への伝熱面に接触させて多孔質金属体３を配置した。用いた多孔質金属体３は、銅合金製であり、平均気孔径は１００μｍ、気孔率は７０％である。尚、図中、符号３３は、円筒状銅部２７の温度を測定するための熱電対であり、この熱電対３３の測温値から、円筒状銅部２７の熱流束などを求めることができる。
【００３４】
供給口３１から冷却水流路２９に冷却水を通水した状態で、円筒状銅部２７を１５５０〜１６００℃に加熱され、ルツボ３４に収容された溶鋼３５に浸漬させ、多孔質金属体３の冷却性能を検証した。
【００３５】
その結果、冷却水の流速即ち流量は、従来の冷却方法の１／１０〜１／２となったが、抜熱効率は３〜５ＭＷ／ｍ2 であり、通常と同等以上を保つことができた。また、冷却後の冷却水の温度は約９０℃となった。冷却前は常温であったことから、冷却前後の水温差は７０〜８０℃となり、熱回収しやすい温度レベルであることを確認した。
【００３６】
この実験結果によって、多孔質金属体３を実機スラブ連続鋳造機１１の鋳型１５に用いた場合にも同等の冷却性能が確保されることが推測できた。本発明を実機鋳型１５に適用する場合には、例えば図８に示すように、長辺銅板２４の冷却水流路２５の全体に、冷却水流路２５の内壁に接触させて多孔質金属体３を配置すればよい。また、短辺銅板の冷却水流路にも長辺銅板２４と同様に多孔質金属体３が配置することが好ましい。配置する多孔質金属体３は、上記と同等の仕様、つまり、銅合金製で、平均気孔径が１００μｍ程度、気孔率が７０％程度とすればよいが、これと同等以上の性能が確認できれば他の材質、気孔径、気孔率であってもよい。尚、図８は、多孔質金属体を設置した鋳型長辺銅板の概略斜視図である。
【００３７】
多孔質金属体３が配置された鋳型１５を用いて溶鋼２０及び鋳片２１を冷却することで、鋳片２１の冷却効率は従来と同等以上を保つことができると同時に、これまで熱回収が困難であった冷却前後の水温差を大きくすることが可能となり、工場などにおける省エネルギーの推進とともにＣＯ2 発生を抑制することとなり、地球温暖化を抑止する効果がもたらされる。
【００３８】
本実施例は、製鉄プロセスの連続鋳造への適用例であるが、本発明は製鉄プロセスに限定されるものではなく、高温製品、高温素材、高温部位を冷却する機構であれば、適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態を示す図であって、本発明に係る排熱回収装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す図であって、金属製流路の内部に多孔質金属体を配置し、この金属製流路の内部を流路とした例を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す図であって、金属製流路の内部の一部分に多孔質金属体を配置した例を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す図であって、金属製流路の内部に分割させて多孔質金属体を配置した例を示す図である。
【図５】本発明が適用されるスラブ連続鋳造機全体の概略図である。
【図６】多孔質金属体を設置していない鋳型長辺銅板の概略斜視図である。
【図７】鋳型冷却模擬試験装置の概略図である。
【図８】多孔質金属体を設置した鋳型長辺銅板の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  高温体
２  流路
３  多孔質金属体
４  冷却水
５  供給配管
６  排水配管
７  熱交換器
８  貯水部
９  ポンプ
１０  金属製流路
１１  スラブ連続鋳造機
１２  タンディッシュ
１３  スライディングノズル
１４  浸漬ノズル
１５  鋳型
１６  クーリンググリッド設備
１７  鋳片支持ロール
１８  搬送ロール
１９  鋳片切断機
２０  溶鋼
２１  鋳片
２２  凝固シェル
２３  未凝固相
２４  長辺銅板
２５  冷却水流路
２６  試験用円筒鋳型
２７  円筒状銅部
２８  支持部
２９  冷却水流路
３０  冷却水導入流路
３１  供給口
３２  排出口
３３  熱電対
３４  ルツボ
３５  溶鋼
【図１】
2009006395.tif 000003
【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】
2009006395.tif 000009
【図８】
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