JP2008241194A

JP2008241194A - 加熱炉

Info

Publication number: JP2008241194A
Application number: JP2007084825A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Asaoka; 直広朝岡; Yuichiro Tsuji; 裕一郎辻; Hirotaka Takimoto; 弘孝滝本; Izumi Furuya; 泉古谷; Koji Miyazaki; 康次宮崎; Masahiro Kihara; 正裕木原
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Hitachi Ltd
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】加熱炉の熱反射板としては、反射率の大きい金属板が使用できるが、高温では酸化により、反射率は大きく低下してしまうため、高温でも使用できる熱反射板であって、熱伝導によって外壁に伝わる熱輸送を抑制できる熱反射板を備えた加熱炉を提供する。
【解決手段】セラミック粒子の粒子径及びそれぞれの並べ方を制御して、面内周期性及び積層周期性を持つように積層した微細構造１を表面に形成して、特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備える加熱炉。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業上広く使用される溶解炉、保持炉、焼鈍炉、焼結炉等に用いられる加熱炉に関するものである。

加熱炉は電気ヒータあるいはバーナー等を熱源とし、周囲を断熱材及び炉壁で囲った構造が一般的である。炉内温度は乾燥を目的とした数十℃程度からステンレス鋼の固溶化熱処理、焼結および金属の溶解等を目的とした千数百℃までの広い範囲にわたる。特に高温炉の場合は消費エネルギーも大きく、炉外への放熱を抑えることが省エネルギーを図る上では非常に重要となる。

大気中への放熱量を低減するためには、一般的には断熱材を取り付ける。断熱材は熱伝導率の小さいものが用いられ、炉内面から炉外面への熱流束を低下、すなわち炉外壁温度を低下させ炉外への放熱を抑制するものである。作業性、断熱効果共に比較的良いが、既設炉に適用する場合は以下が問題となる。
（１）炉壁周りに断熱材を追設するスペースが必要となる。
（２）炉壁外面に断熱材を取り付けた場合、その保温効果により炉壁外面が高温になり、材料劣化、強度低下を引き起こす場合がある。
そこで、この改善策として、断熱材に代わって内面に熱反射板を取り付けることが提案されている。

関連する従来の技術としては、下記の特許文献１、特許文献２、特許文献３がある。特許文献１ではアルミニウムまたはアルミニウム合金を反射板として用いる技術が記載されている。この中では、炉壁外側に冷却ジャケットを設置することにより、炉内温度千℃付近まで、アルミニウム板の金属光沢は劣化しないことが報告されている。特許文献２にはステンレス鋼からなる薄板と空気層を多層に組み合わせ熱反射板として用いることが記載されている。これに対して特許文献３では準結晶合金を反射材として用いる加熱炉が記載されている。

特開平8-14764号公報特開平11-221616号公報特開2002-310561号公報

熱反射板とは、電気ヒータあるいはバーナー等の熱源から発せられるふく射エネルギーを炉内へ反射し閉じ込めるものである。反射板を取り付けることにより、炉内壁の吸収エネルギーは減少する。すなわち、断熱材を取り付けたときと同様に炉内から大気中へ伝わる熱流束が低下し、放熱量を低減させることができる。ふく射エネルギーの強度は熱源温度の4乗に比例するため、高温で稼動する炉は、その効果が特に大きくなる。

また、新設炉についても、一般的な繊維質やレンガ等の単一材料の断熱材と比較して、熱反射板を組み合わせることにより同厚さでの熱抵抗が大きくなり、炉サイズを大きくすることなく断熱性を上げることができる。

ふく射エネルギーを炉内面に反射するために、熱反射板には高反射率が要求される。そのため、常温では反射率の高い材料は良く磨かれた金属など数多く存在し使用されるが、千℃以上もの高温に晒される場合、多くの金属は表面が酸化し反射率が低下する傾向を示す。

一部プラチナのように酸化されず、高反射率を維持する金属もあるがコストが高い。一方セラミック板（例えばアルミナ等）は高温でも反射率の低下は少ないが、元来反射率がそれほど良くない。

特許文献１に示されているように冷却ジャケットを設置すると、アルミニウム板を冷やすために、炉内温度とアルミニウム板の温度差が大きくなる。その結果、冷却水により炉内の内部エネルギーが取り去られ、省エネという点で課題があった。

また、特許文献２はステンレス板と空気層を組み合わせたものであり、ステンレス板でふく射熱を閉じ込め、さらに空気層の断熱効果により熱が外部へ伝わるのを抑制したものである。しかし、空気層を断熱層として利用するには実機適用上困難を伴う。空気層は静止空気ならば熱伝導率は低く、一般的な断熱材を上回る断熱効果を持つが、実際には対流による熱輸送が支配的になり、断熱効果を得ることは困難である。また、反射板間の空気層にコイルボックス内の空気が対流で流入してしまう構造では、反射板間の空気温度はコイルボックス内の温度に近くなってしまい、ふく射伝熱を抑えることができても、結局は反射板への熱伝達により外部へ放熱してしまうという課題があった。さらに、ステンレス鋼は酸化すると、著しく反射率が低下するため、実際の反射板として使用可能な温度は、せいぜいステンレス鋼の温度が800℃までである。

また、特許文献３では準結晶合金を用いているが、金属であるためセラミックに比べ耐熱性に課題があった。

そこで、本発明では、ステンレス鋼が酸化してしまう温度でも使用できる熱反射板を備えた加熱炉を提供することを目的とする。

さらに、本発明は空気層の代わりに中空粒子を用いることにより、熱伝導によって外壁に伝わる熱輸送を抑制する熱反射板を備えた加熱炉を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本発明の加熱炉は、
セラミック粒子の粒子径及びそれぞれの並べ方を制御して積層することにより、特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする。
また、前記セラミック粒子を均一な粒子径とし、面内周期性及び積層周期性を持つように積層することにより、前記特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする。
また、前記特定波長をヒータの放射スペクトルピークに合わせた熱反射板を備えることを特徴とする。
また、前記セラミック粒子として、誘電率の異なる何種類かの粒子を用いて形成することにより、前記特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする。
また、前記セラミック粒子として、中実粒子の層と中空粒子の層で形成することにより、前記特定波長の反射率を向上させ、かつ熱伝導率も低減させた熱反射板を備えることを特徴とする。
さらに、前記中実粒子は直径1〜１０μm程度、前記中空粒子は直径300nm以下程度の中空を持つ直径１μm程度以下の粒子であることを特徴とする。

本発明によれば、特にステンレス鋼に代表される金属反射板が、酸化してしまう800℃程度以上の高温においても放熱量を低減させることができ、省エネルギーかつ低コストの加熱炉を実現できる。

以下、発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら説明する。

はじめに、本発明の実施例１を図に基づき詳細に説明する。図１(a)は本発明におけるサンプルの平面図（光学顕微鏡写真）、図１(b)はその断面図である。直径がマイクロメーターのシリカ粒子１を鏡面仕上げした基板２の上に、例えば直径２μｍまたは３μｍ粒子を３層〜１０層程度に薄く周期的に並べて、周期構造を成すように積層させている。ここで、周期構造とはある層の平面内の並べ方の周期性を示す面内周期性と層の積層方向の積層の仕方の周期性を示す積層周期性をもつ構造のことをいう。

シリカ粒子１の周期構造を表面に形成した基板２の赤外領域における鏡面垂直反射スペクトルをFT-IR（フーリエ赤外分光装置）により測定した結果を図２に示す。図２(a)は直径２μｍのシリカ粒子を並べた周期構造の鏡面垂直反射スペクトルで、周期構造の厚さが３層の鏡面垂直反射スペクトル３（１点鎖線）、周期構造の厚さが５層の鏡面垂直反射スペクトル４（破線）、周期構造の厚さが８層の鏡面垂直反射スペクトル５（点線）、周期構造の厚さが１０層の鏡面垂直反射スペクトル６（実線）を示す。図２(b)は直径３μｍの粒子を並べた周期構造の垂直鏡面反射スペクトルで、周期構造の厚さが３層の鏡面垂直反射スペクトル７（１点鎖線）、周期構造の厚さが５層の鏡面垂直反射スペクトル８（破線）、周期構造の厚さが８層の鏡面垂直反射スペクトル９（点線）、周期構造の厚さが１０層の鏡面垂直反射スペクトル１０（実線）を示す。

直径２μmの粒子を並べた周期構造の鏡面垂直反射スペクトルは4.3μmにピークが現れ、直径３μmの粒子を並べた周期構造の鏡面垂直反射スペクトルは5.9μmにピークが現れる。このピークは周期構造の材質がもつ反射特性の物性値ではなく、周期構造によって人工的に生み出された特性である。ピークの現れる波長と粒子直径の関係は、スネルの法則により補正されたブラッグの反射の式により計算できる。スペクトルのピークは、周期構造の厚さ（層数）が増えるとともにピークの半値幅が小さくなり、高さが高くなった。

図３に示す装置により、シリカ粒子の周期構造を有する基板の熱ふく射による熱流束の反射特性を測定した。シリカ粒子の周期構造を持つ基板１１をセラミックヒーター１２とサーモパイル１３の間に設置し、スライダック１４により印加電力を調整して、セラミックヒーター１２を加熱し、シリカ粒子の周期構造を持つ基板１１を透過した熱流束をサーモパイル１３で測定する。サーモパイル１３で測定された結果をプリアンプ１５で増幅し、オシロスコープ１６に記録する。一方、セラミックヒーター１２の温度を熱電対１７で測定、データーロガー１８に記録した。

図４にデーターロガー１８に記録された温度８００℃とセラミックヒーター１２の放射率から計算される放射強度スペクトル１９（左縦軸参照）を示す。また、直径２μmの粒子を並べた周期構造（10層）の鏡面垂直反射スペクトル２０（右縦軸参照）と直径３μmの粒子を並べた周期構造（10層）の鏡面垂直反射スペクトル２１（右縦軸参照）をあわせて示す。セラミックヒーター１２の放射強度スペクトル１９のピークと直径２μmの粒子を並べた周期構造の鏡面垂直反射スペクトル２０のピークがほぼ一致しており、直径２μmの粒子を並べた周期構造の反射特性が熱源温度８００℃の使用に対して優れていることを示している。このように、粒子の粒子径や並べ方を制御することによって反射率を向上させた波長をヒータの放射スペクトルピークに合わせることにより反射特性の優れた構造とすることができる。

図５にセラミックヒーター１２が放射した熱ふく射がシリカ粒子の周期構造を有する基板を透過してサーモパイル１３に到達することで計測された熱流束の結果を示す。シリカ粒子の周期構造を持つ基板１１を設置しない場合、サーモパイル１３で415W/m²の熱流束２２が測定された。一方、シリカ粒子の周期構造を持つ基板１１を設置した場合、セラミックヒーター１２で放射された熱ふく射が周期構造を有する基板１１で反射され、透過熱流束が大幅に下がる。さらに、この結果から明らかなように、直径２μmの粒子を並べた周期構造（10層）のほうが、直径３μmの粒子を並べた周期構造（10層）よりも反射特性がよく、特に直径２μmの粒子を並べた周期構造（20層）では、測定された透過熱流束は153 W/m²であり、この波長選択的な赤外線反射により熱ふく射の透過熱流束を40%程度にまで下げられた。

次に、図６は周期構造による熱ふく射反射材の特性を高めるため、直径２μmの粒子を並べた周期構造（10層）２４の上に直径３μmの粒子並べた周期構造（10層）２３を積層した場合の断面図を示したもので、この積層周期構造の持つ鏡面垂直反射スペクトルの測定結果を図７に示す。図７から明らかなように、この積層周期構造は、直径２μmのシリカ粒子の周期構造２４と直径３μmのシリカ粒子の周期構造２３の反射スペクトル特性を重ね合わせた特性を示す。このような積層構造によって、任意の波長にピークを持たせることで基板の赤外線反射特性を高めることが可能である。

また、図８は周期構造による熱ふく射反射材の特性を高めるため、直径２μmの粒子と直径３μmの粒子を混ぜ合わせたランダム構造とした場合の平面図を示す。このランダム構造の持つ鏡面垂直反射スペクトルの測定結果を図９に示す。本ランダム構造は、上述した直径２μmのシリカ粒子の周期構造２３と直径３μmのシリカ粒子の周期構造２４の反射スペクトル特性のピークと同じ位置にピークをもつ特性を示し、完全な周期構造としなくても、サイズの異なる粒子を混ぜ合わせることで、それぞれの粒子の周期構造がもつ反射特性を重ね合わせたような反射スペクトル特性を得ることができる。

なお、本実施例においては、セラミック粒子の一例としてシリカ粒子について述べてきたが、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の他のセラミック粒子でも同様の効果が得られる。

また粒子の材質としてはジルコニア、アルミナ、チタニア、酸化鉄等の誘電率の異なる何種類かの粒子を用いても同様の効果が得られ、誘電率の異なる材料を用いることにより、使用温度に合わせて反射率の絶対値を向上させることができる。

このように、本実施例によれば、粒子径を変えたり、構造を周期構造（面内周期性、積層周期性）又はランダム構造にしたり、積層数を変えたり、異なる粒子径を積層したり混ぜ合わせたり等、粒子径と粒子の並べ方を制御することにより、特定のある波長に対し反射特性の優れた熱反射板を実現することができる。

この微細構造を形成した熱反射板を加熱炉に適用した模式図を図１０に示す。図１０(a)は加熱炉の正面断面図、図1０(b)は側面断面図である。炉壁２５は断熱材（セラミックウール、耐火断熱レンガ等）および最外壁の薄鋼板から構成される。炉内にはヒータ２６と炉芯管２７を有し、炉心管２７の内部には製品２８が置かれる構造である。なお、図１０はバッチ炉の模式図であるが、炉心管２７の左右フランジ３３を炉外に繋げ、製品をコンベア等で輸送することにより連続炉を構成することも可能である。

本実施例においては、熱反射板２９はボルト３０、ナット３１、３２により炉壁２５に固定されている。また、ヒータと垂直に取り付く熱反射板２９はヒータ２６を通す穴を設けており、その径は熱伸びを考慮してヒータ径に対して余裕を持たせてある。

本炉を構成することにより、ヒータ２６のふく射エネルギーを熱反射板２９で反射し炉内に閉じ込め、放熱量の低減を図ることが可能である。

以上述べたように、加熱炉は物体の温度によってふく射ピークの波長が異なるため、このふく射を反射させるためには特定のある波長を反射させる構造を作る必要がある。本実施例によれば、特定波長（用いる粒子の粒子径や並べ方を制御することによって反射率を向上させた波長）の反射率を向上させることが可能な熱反射板を備えることにより、金属が酸化してしまう温度域での熱反射板としての利用、及びヒータの放射スペクトル強度が大きくなる波長に反射スペクトルピークを合わせることが可能となる。また、材料として比較的安価なセラミックを用いるため、高温で反射率の高いプラチナに比べてもコストメリットがある。

この結果、特にステンレス鋼に代表される金属反射板が酸化してしまう800℃程度以上の高温になる加熱炉において、本熱反射板を備えることにより、熱ふく射による熱輸送を低減し、放熱量を低減させることができる加熱炉を実現することができる。

次に、本発明の実施例２について述べる。実施例２はセラミック粒子として、中実粒子と中空粒子を用いることにより、中実粒子で赤外線を反射し、さらに中空粒子を用いることにより、熱伝導率の低減をより図ることができるものである。図１１に中実粒子と中空粒子を並べた模式図を示す。本実施例は、実施例１と同様に中実粒子３４によりその積層構造によって特定波長の反射率を向上させるため、表面を鏡面仕上げした基板２の上に２層以上を１セットとし、さらに各セットの積層間に中空粒子３５を積層させる構造となっている。

ここで中実粒子３４は直径1〜１０μm程度、中空粒子３５は直径300nm以下程度の中空を持つ直径１μm程度以下の粒子を用いる。また中空粒子３５は炭酸カルシウムで核を作り、この核の周りにシリカを成長させ、最後に炭酸カルシウムを溶かすことによって作製される。

さらに、中空粒子３５は熱伝導率低減を目的としたもので、密に積層されていればその周期性は特に必要ない。ただし、空気の対流を防ぐため、積層厚さは中空粒子径の５倍程度以上とする必要がある。

この構造を形成した熱反射板を、実施例１において述べた加熱炉に採用すれば、中実粒子による反射率の向上に加え、中空粒子も組み合わせて用いることで、粒子を伝わるフォノンによる熱輸送を人工的に抑え、放熱量をさらに低減させることができる加熱炉を実現できる。

加熱炉は溶解炉、保持炉、焼鈍炉、焼結炉等に用いられており、産業上、利用度も高い。したがって加熱炉の内面に熱反射板を取り付けることにより、低コストで省エネを図ることができる本発明の効果は非常に大きい。

図１(a)は直径２μmのシリカ粒子による周期構造の平面図、図１(b)は微粒子による周期構造を表面に作製した基板の断面図図２(a)は直径２μmのシリカ粒子の周期構造の鏡面垂直反射スペクトルを、図２(b)は直径３μmのシリカ粒子の周期構造の鏡面垂直反射スペクトルを示す図周期構造をもつ基板の赤外線反射測定装置の構成図セラミックヒーターから放射される熱流束と周期構造の反射スペクトルを示す図シリカ粒子の周期構造を有する基板を透過する熱流束を示す図直径２μmのシリカ粒子の周期構造と直径3μmのシリカ粒子の周期構造の積層周期構造の断面図直径２μmのシリカ粒子の周期構造と直径3μmのシリカ粒子の周期構造の積層周期構造の鏡面垂直反射スペクトルを示す図直径２μmのシリカ粒子と直径3μmのシリカ粒子の混合ランダム構造を示す図直径２μmのシリカ粒子と直径3μmのシリカ粒子の混合ランダム構造の鏡面垂直反射スペクトルを示す図図10(a)は熱反射板を有する本実施例の加熱炉の正面断面図、図10(b)は本実施例の加熱炉の側面断面中実粒子と中空粒子の積層構造模式図

符号の説明

１・・・微粒子の周期構造
２・・・表面を鏡面仕上げした基板
３・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが３層の反射スペクトル
４・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが５層の反射スペクトル
５・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが８層の反射スペクトル
６・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが１０層の反射スペクトル
７・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが３層の反射スペクトル
８・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが５層の反射スペクトル
９・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが８層の反射スペクトル
１０・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが１０層の反射スペクトル
１１・・・周期構造をもつ基板
１２・・・セラミックヒーター
１３・・・サーモパイル
１４・・・スライダック
１５・・・プリアンプ
１６・・・オシロスコープ
１７・・・熱電対
１８・・・データーロガー
１９・・・計算されたセラミックヒーターの放射強度スペクトル
２０・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが１０層の反射スペクトル
２１・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造の厚さが１０層の反射スペクトル
２２・・・セラミックヒーターからサーモパイルまで直接輸送される熱流束
２３・・・直径3μmのシリカ粒子による周期構造（厚さ１０層）
２４・・・直径2μmのシリカ粒子による周期構造（厚さ１０層）
２５・・・炉壁
２６・・・ヒータ
２７・・・炉心管
２８・・・被加熱物
２９・・・微粒子の微細構造を作製した熱反射板
３０・・・熱反射板固定用ボルト
３１・・・熱反射板固定用ナット１
３２・・・熱反射板固定用ナット２
３３・・・炉心管閉止用フランジ
３４・・・中実粒子の積層構造
３５・・・中空粒子の積層構造

Claims

セラミック粒子の粒子径及びそれぞれの並べ方を制御して積層することにより、特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする加熱炉。
前記セラミック粒子を均一な粒子径とし、面内周期性及び積層周期性を持つように積層することにより、前記特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
前記特定波長をヒータの放射スペクトルピークに合わせた熱反射板を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
前記セラミック粒子として、誘電率の異なる何種類かの粒子を用いて形成することにより、前記特定波長の反射率を向上させた熱反射板を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
前記セラミック粒子として、中実粒子の層と中空粒子の層で形成することにより、前記特定波長の反射率を向上させ、かつ熱伝導率も低減させた熱反射板を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
前記中実粒子は直径1〜１０μm程度、前記中空粒子は直径300nm以下程度の中空を持つ直径１μm程度以下の粒子であることを特徴とする請求項５に記載の加熱炉。