JP2010503824A - 放射熱伝達システム - Google Patents

Abstract

放射熱伝達システムは、放射源に挿入される一以上の放射要素を有している。放射要素は、燃焼燃料由来の燃焼生成物を放射エネルギーに変換する。放射要素は、一以上のセラミックから作製することができ、放射チューブ、浸漬チューブ、熱交換チューブ、ボイラー壁、及びその他放射熱アリケーション等の放射源内で使用することができる。各放射要素は、位置決め機構を挿入することができる長手方向の空洞が画定された芯部分を有する。各放射要素は、芯部分の外面に対し、垂直に及び／又は接線方向に取り付けられた一以上の翼部を有することができる。各放射要素は、放射源内における燃焼生成物の流れを層状にすることができる、又は当該流れの乱流を抑えることができる。

Description

本発明は、２００６年９月１８日に出願された「Radiant Heat Transfer System」と題する米国特許仮出願番号第６０／８２５９３９号の優先権を主張し、ここで明示したことによりこの米国特許仮出願の内容全体を包含する。

放射加熱システムは、スチール、セラミック又はその他の材料、水又はその他液体等の加熱に使用されている。多くの放射加熱システムは、放射源の内部に配置された放射要素を有している。放射要素は、燃料の燃焼から放射源への熱伝達を増大させるために使用される。放射要素は、温度及び／又は加熱サイクルにより時期尚早に又は不意に機能しなくなることがある。放射要素はまた、放射源の故障を招くホットスポット及びその他不均一な熱伝達部位を生じることがある。
一般に、燃料が燃焼（酸化）すると熱を生じる。一般的な燃料は、化石燃料、例えば天然ガス、石油、石炭、再生可能燃料、例えばバイオマス等である。生成された熱は、物体を加熱するためにオーブンに移されるか、又は流体、例えば液体又は気体に移される。熱は、伝導、対流、放射のうちの少なくとも一つにより伝達される。伝導は固体で起こり、この場合、熱は一の固体、又は固体の一部から別の固体又は同じ固体の一部に移動する。対流は水や空気等の流体で起こり、この場合加熱された流体が一の位置から第二の位置へ移動する。放射は、加熱された物体が発する放射エネルギーが別の物体によって吸収されるときに起こる。放射熱伝達は、熱の伝達に固体、液体、又は気体との接触が不要であるという点で伝導及び対流と異なる。Boyer, Howard E.によるPractical Heat Treating, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1984年、60-62頁を参照されたい。例えば、太陽は、宇宙の真空を通して放射エネルギーを伝達することにより地球を熱している。

プロセス加熱とも呼ばれる工業用加熱プロセスには、スチール又は他の金属部品の加熱処理と、液体を加熱して対流熱源とする浸漬加熱と、発電用の蒸気生成とが含まれる。一部の工業用加熱プロセスでは、チューブ等の封入物に燃焼生成物を含めることにより、加熱対象物から燃料の燃焼と関連する燃焼生成物とを隔離する。燃料及びオキシダントをチューブ又は封入物の一端から導入し、酸化炭素、水蒸気、及び窒素等の燃焼生成物をチューブ又は封入物の他方の端部から除去する。このようにして、熱は間接的に加熱対象物に伝達される。
図１は、燃焼燃料１１０から加熱炉１３０に収容される加熱ゾーン１２０に熱を間接的に伝達する、プロセス加熱用の従来式の放射熱伝達システム１００を示す。放射熱伝達システム１００は、空気と燃料の流入口を含む拡散フレームバーナー１０５を含むことができる。放射熱伝達システムに使用されるバーナーの詳細な説明は、例えば、R. F. Harder, R. Viskanta及びS. Ramadhyaniによる、Gas-Fired Radiant Tubes: A Review of Literature, 1987年12月（Gas research Institute）に見ることができる。図示しないが、加熱炉１３０は、加熱炉１３０内部の気体雰囲気を循環させるためのファン又はその他デバイスを含むことができる。気体雰囲気は、例えば、水素、窒素及び一酸化炭素を含むことができる。

従来式の放射熱伝達システム１００では、燃焼燃料１１０からフレーム１１４が形成される。フレーム１１４の放射熱伝達特性は通常良好である。また、燃焼の生成物とも呼ばれる燃焼生成物１１５が燃焼燃料１００から形成されて流出口１４２から出る。燃焼生成物１１５の放射熱伝達特性はフレーム１１４と比較して不良である。燃焼生成物１１５の放射率又は熱放射能力は通常０．１未満である。燃焼生成物１１５は、化石燃料が燃焼するとき、水蒸気、二酸化炭素、及び窒素を含みうる。燃焼生成物１１５の温度は、約摂氏２６０度（℃）（華氏５００度）〜約１３７１℃（華氏２５００度）で変化しうる。
加熱炉１３０の壁は、耐火レンガ等の絶縁体１３５を用いて絶縁することができる。放射熱伝達システム１００は、図示のＵ字型チューブのような放射源１４０を含む。チューブの内径は使用に適した大きさとすることができ、通常約７．６ｃｍ（３インチ）〜約２０ｃｍ（８インチ）である。加熱ゾーン１２０に加えて、放射源１４０は、加熱路１３０、絶縁体１３５等の放射源１４０に近いいずれかの表面を加熱することができる。Ｕ字型チューブを放射源１４０とする使用に関するこれ以上の説明は、米国特許第５６５５５９９号、同第５０７１６８５号、及び４７８９５０６号に見ることができる。他の放射熱伝達システムでは、放射源１４０は、直線的なチューブ又はその他の形状を有するチューブか、或いは燃焼燃料１１０、フレーム１１４、及び燃焼生成物１１５を含む何らかの構造とすることができる。

放射源１４０の第１部分１４４は、放射源１４０の第２部分１４６より大きな熱を加熱ゾーン１２０に放射することができる。第１部分１４４は、１時間当たり約６８，６００キロジュール（ｋｊ／時）（１時間当たり６５，０００イギリス熱単位（ＢＴＵ／時））を放射することができ、第２部分１４６は約４７，５００ｋｊ／時（４５，０００ＢＴＵ／時）を放射することができる。このように、放射源１４０の第２部分１４６は、第１部分１４４の約３０％〜約４５％だけ少ない放射しか行えない。燃焼燃料１１０に近く、フレーム１１４を含む第１部分１４４の領域は、第２部分１４６より大きな熱を加熱ゾーン１２０に放出することとなり、第２部分１４６には燃焼生成物１１５が含まれる。放射源１４０からのこのような不均一な熱伝達により、加熱炉１３０内において対象物の加熱が不均一となることがあり、これはコストの増大と熱処理製品の質の低下を招く。
放射源１４０の第２部分１４６における熱伝達が小さいことの一の理由は、燃焼生成物１１５の大部分が気体であるために、燃焼燃料１１０と比較して放射源１４０の壁に熱を伝達する燃焼生成物１１５の能力が低いことである。実質的な熱量、例えば約１７４，０００ｋｊ／時（１６５，０００ＢＴＵ／時）が、流出口１４２から放射源１４０を出てゆく燃焼生成物１１５に捕捉されうる。燃焼生成物の熱損失は、放射熱伝達システム１００の運転費を増大させうる。

このような失われた熱を放射源１４０の第２部分１４６で放射熱に転換する従来の試みが混在する。米国特許第４８６９２３０号に開示されているような従来技術による一の方法では、熱放射のための表面積を増大させ、ガス状の燃焼生成物１１５の運動を増大させて放射源１４６内でのその対流を大きくするために、波形の合金片を使用する。更に、このようなガス状の燃焼生成物１１５の運動、又は乱流の増大は、放射源１４０の第２部分１４６内に燃焼燃料１１０が残っている場合にその燃焼率を上昇させうる。乱流は、放射源１４０の長さ方向に沿ってホットスポットを生じる場合があり、その場合は温度の変化が約１５０℃（華氏３００度）にもなりうる。よって、対流によって熱を吸収し、放射によって熱を伝達するために、金属製のインサートが使用されていた。
短期的には有効であるものの、金属インサートは耐久性でないという欠点を有し、もっと高い温度に対して良好な耐性を有するセラミック製のインサートに置換された。従来のセラミックインサートは、例えば、米国特許第２８６１５９６号、同第４１５３０３５号、及び同第６４８４７９５号に記載されている。一部の従来式インサートは、長手方向に延びる固体の芯から外側へ放射方向に広がり、よって芯の中心点と交差する翼部を有する。しかしながら、金属より高温に対する耐性が良好である一方、セラミック製のインサートは本質的に脆弱であるので、熱サイクル及び使用中に放射熱伝達システム１００内で発生する振動により破損又は粉砕するという欠点を有する。セラミック製インサートの破損により、放射源１４０の破壊が起こりうる。

従って、現在、放射熱システムの改良、特に熱伝達を増大させる及び／又は熱伝達の均一性を向上させることができるシステムに対する需要がある。本発明のシステム、デバイス、及び方法は、従来の放射加熱システムに関する欠点の少なくとも一つを克服する。

本発明は、放射源に挿入される一以上の放射要素を備えた放射熱伝達システムを提供する。各放射要素は、縦方向の空洞を画定する芯部分に、垂直方向に及び／又は接線方向に取り付けられた一以上の翼部を有することができる。
本放射熱伝達システムは、放射源及び放射源の内部に配置される一以上のセラミック製放射要素を含むことができる。少なくとも一つのセラミック製放射要素は、芯部分から延びる一以上の翼部を有する。芯部分は縦方向の空洞を形成する。
放射源に挿入されるセラミック製放射要素は、芯部分及び一以上の翼部を有することができる。芯部分は縦方向の空洞を形成する。各翼部は芯部分から延びる。

添付図面及び後述の説明により本発明に対する理解を深めることができる。図中の構成要素は必ずしも実寸に比例して描かれてはおらず、本発明の原理を説明する部分が強調されている。更に、図では、同様の参照番号は、複数の異なる図面に亘って対応する部分を示している。

燃焼燃料から加熱炉に含まれる加熱ゾーンへと熱を間接的に伝達するプロセス加熱に使用される従来の放射熱伝達システムを示す。 燃焼燃料から加熱炉に含まれる加熱ゾーンへと熱を間接的に伝達するプロセス加熱に使用される放射熱伝達システムを示す。 二つの放射要素と一つのスペーサとを含む放射源の、軸に垂直な断面図である。 二つの放射要素と一つのスペーサとを含む放射源の、軸に沿った断面図である。 放射源内部に放射要素を保持するための保持デバイス及び位置決めロッドの、軸に垂直な図である。 放射源内部において位置決めロッドにより保持されて垂直に位置する放射要素を示す図である。 放射要素を示す図である。 放射要素を示す別の図である。 放射要素を示すまた別の図である。 放射要素を示すまた別の図である。 約４５°のほぼ一定のピッチの翼部を有する放射要素の斜視図である。 各翼部の移行部のピッチがそれぞれ、端部における約９０°から中央部における約４５°に変化する放射要素の斜視図である。 レイノルズ数を求めるための計算を示す。 レイノルズ数を求めるための計算を示す。 長手方向に延びる芯に、接線方向に取り付けられた翼部の、軸に垂直な断面図を示す。 長手方向に延びる芯に、接線方向に取り付けられた別の翼部の、軸に垂直な断面図を示す。 長手方向に延びる芯に、接線方向に取り付けられたまた別の翼部の、軸に垂直な断面図を示す。 芯に垂直に取り付けられた翼部の、軸に垂直な断面図を示す。 芯に垂直な翼部を有する放射要素の斜視図である。 芯に垂直な翼部を有する別の放射要素の斜視図である。 芯に垂直な翼部を有するまた別の放射要素の斜視図である。 芯に垂直な翼部を有するまた別の放射要素の斜視図である。 芯に垂直な翼部を有するまた別の放射要素の斜視図である。 燃焼燃料から、容器に収容される流体に熱を伝達する浸漬加熱用の、放射熱伝達システムを示す。 固体燃料の燃焼により蒸気を生成するボイラー用の放射熱伝達システムを示す。

放射要素は燃焼燃料由来の燃焼生成物を放射エネルギーに変換する。放射要素は、一以上のセラミックから形成することができ、放射チューブ、浸漬チューブ、熱交換チューブ、ボイラー壁、及びその他放射熱アプリケーション等の放射源に使用することができる。各放射要素は長手方向に延びる空洞を画定する芯部分を有する。長手方向の空洞は、放射源内における放射要素の位置を制御するために使用することができる位置決め機構の挿入を可能にする。各放射要素は、芯部分の外面に垂直に及び／又は接線方向に取り付けられた翼部を有することができる。これら翼部は、放射源内部における燃焼生成物の流れの層状部分を大きくする（乱流を抑える）ことができる。流れが層状になる程、燃焼生成物から放射要素への熱伝達が向上し、よって燃焼生成物から放射源への熱伝達が向上する。流れが層状になる程、放射要素及び／又は放射源の故障を引き起こしうる乱流が減少する。

図２は、燃焼燃料２１０及びフレーム２１４から加熱炉２３０に収容される加熱領域２２０に間接的に熱を伝達するプロセス加熱用の放射熱伝達システム２００を示す。放射熱伝達システム２００は、第１部分２４４と第２部分２４６とを有する放射源２４０を含む。図１に示す従来式の放射熱伝達システム１００とは異なり、図２の放射熱伝達システム２００は、放射源２４０の第２部分２４６に挿入される少なくとも一つの放射要素２６０を含む。放射熱伝達システム２００は、放射源２４０の第１部分２４４に接続されたバーナー２０５を有する。第１部分２４４は、放射源２４０において燃料の大部分又は全部が燃焼する部分である。第２部分２４６は、放射源２４０を出る前に燃焼ガスが流れる部分である。図２には三つの放射要素２６０が示されているが、放射源２４０の第２部分２４６に配置される放射要素の数は、一又は複数とすることができる。更に、放射要素２６０は、放射源２４０の第２部分２４６の、一部、ほぼ全部、又は縦方向の長さ全体を占める単一の要素でもよい。好ましくは、一以上の放射要素２６０は、放射源２４０の第２部分２４６の縦方向の長さの約５０％を超える部分を占める。更に好ましくは、一以上の放射要素２６０は、放射源２４０の第２部分２４６の縦方向の長さの約７０％〜約８０％を占める。
放射要素２６０は、いずれかのセラミックから、好ましくは放射熱伝達システム２００内において熱応力に対する耐性の大きなセラミックから形成することができる。セラミックには、本物のセラミックの他に、金属などの添加材料を含むセラミック様材料が含まれる。放射要素２６０は、炭化ケイ素を含む粉末と、粉末を所望のセラミック構造に融合させる温度に加熱される結合剤と結合したケイ素とを含む、粉末から形成することができる。従って、点火されるセラミックは、シリコン化した炭化ケイ素とすることができる。窒化ケイ素、シリコン−ムライト、アルミナ等のセラミックの形成に、他の材料を使用することができる。好ましくは、放射要素の形成に用いられるセラミックは、約０．４を上回る放射率、好ましくは約０．４〜約０．９の放射率を有する。放射要素２６０の形成に用いられる材料の放射率性能が良好であると、燃料消費が低減される。

燃焼燃料２１０が燃焼生成物とフレーム２１４を形成するとき、ほぼ完全な燃焼ゾーン２５０が形成される。ほぼ完全な燃焼ゾーン２５０では、燃焼燃料の少なくとも約８０％〜約８５％が燃焼生成物２１５に変換される。好ましくは、ほぼ完全な燃焼ゾーン２５０において、燃焼燃料２１０の少なくとも約９０％が燃焼生成物２１５に変換される。燃焼しなかった燃料の残りは、放射源２４０のほぼ完全な燃焼領域の下流で燃焼される。
放射要素２６０は、ほぼ完全な燃焼領域２５０の下流に配置することができる。放射要素２６０は、燃焼燃料２１０の約９０％が燃焼生成物２１５に変換済みである燃焼領域２５０に配置することができる。放射要素２６０の配置位置が燃焼燃料２１０に近すぎると、放射要素は役に立たない。放射要素２６０が放射源２４０の絶縁部分に配置される場合同様の故障が起こりうる。放射要素２６０の配置位置がほぼ完全な燃焼領域２５０から離れすぎていると、燃焼生成物２１５に捕捉された熱を放射エネルギーに変換する放射要素２６０の能力が低下することがある。従って、放射源２４０内における一又は複数の放射要素２６０の位置決めを適切に行うことが好ましい。

放射源２４０の軸に垂直な断面の面積における放射要素２６０の占有率が大きすぎる場合、燃焼生成物の乱流及び／又は逆圧が、放射要素２６０及び／又は放射源２４０が故障するまで上昇する可能性がある。放射源２４０の軸に垂直な断面の面積における放射要素２６０の占有率は約２０％未満、好ましくは約５％〜約１０％とする。同様に、放射要素２６０が燃焼生成物２１５の流れを十分に方向付けしないと、燃焼生成物２１５の熱は効率よく放射エネルギーに変換されない。従って、放射要素２６０が燃焼生成物２１５から熱を放射する一方、放射要素２６０又は放射源２４０の機械的故障を発生させうる燃焼生成物２１５の流れにおける乱流を増大させないことが望ましい。
燃焼生成物２１５内部の熱の一部を放射エネルギーに変換することにより、放射要素２６０は、放射源２４０の第１部分２４４及び第２部分２４６からの熱伝達の均一性を向上させることができ、且つ燃焼燃料２１０から加熱領域２２０に伝達される放射熱を増大させることができる。例えば、約１７４，０００ｋｊ／時（１６５，０００ＢＴＵ／時）の熱が、図１に示す従来式の放射熱伝達システム１００の出口１４２から失われる。図２の放射熱伝達システム２００では、放射要素２６０が、燃焼生成物２１５から約１５，８００ｋｊ／時（１５，０００ＢＴＵ／時）の熱を回収して放射源２４０の第２部分２４６に放散することができる。従って、図１の放射源１４０の第１部分１４０と第２部分１４６との間で約２１，１００ｋｊ／時（２０，０００ＢＴＵ／時）であった差異は、放射要素２６０を有する図２では、５，３００ｋｊ／時（５，０００ＢＴＵ／時）に低減する。

図３Ａは、放射源３４０の軸に垂直な断面図である。図３Ｂは、放射源３４０内に配置された二つの放射要素３６０の長手方向に沿った断面図である。各放射要素３６０は中央に長手方向に延びる芯部分３７０を含む。芯部分３７０の内部には、長手方向に延びる空洞３７５が画定されている。芯部分３７０の外面には少なくとも一つの翼部３９０が取り付けられる外面３７２が画定されている。端面３９２は、軸に沿って長手方向に延びる芯部分３７０から最も離れた位置にあり、放射源３４０の内壁に接触しても接触していなくともよい。端面３９２は、放射源３４０の内壁に接触する場合を含めて放射要素３６０の位置決めの精度、又は別の放射要素に対する位置決めの精度を向上させるような形状を有することができる。等しい内径を有するチューブより放射要素３６０の表面積を大きくすることにより、放射要素３６０の熱放射率を同じ外径及び長さを有する円形チューブより大きくすることができる。放射要素３６０は、放射源３４０内の全放射要素の表面積に等しい要素表面積を有している。放射源３４０が持つ放射源表面積は、放射要素３６０に対向する放射源の内壁の面積であるか、又は放射要素３６０の長さに対応する面積である。放射源表面積に対する要素表面積の比は、約１．１：１より大きい。放射源表面積に対する要素表面積の比は、約１．１：１〜約３：１とすることができる。放射源表面積に対する要素表面積の比は、約１．２：１〜約１．５：１とすることができる。これら表面積を他の比とすることもできる。このように、放射要素３６０は、エネルギーの吸収及び放射を増大させることにより、放射源３４０への熱伝達を増大させることができる。
空洞３７５は、放射要素３６０の長手方向の各端部から到達可能である。図３Ｂには基本的に円形のチューブとして示したが、空洞３７５の形状はどのようなものでもよく、例えば球状、三角形、多角形、長方形、楕円形、これらの組み合わせ又はその他の形状とすることができる。空洞３７５の大きさと形状は、放射要素３６０の長手方向の長さに沿って変化させることができる。よって、空洞３７５の軸に垂直な断面は、放射要素３６０の長手軸に沿って対称でも非対称でもよい。空洞３７５の直径は、少なくとも約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）であり、好ましくは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）〜約１．９１ｃｍ（０．７５インチ）である。別の態様では、空洞３７５と外面３７２の間の芯部分３７０の厚さは少なくとも約０．３１７ｃｍ（０．１２５インチ）であり、好ましくは０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）〜約１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。空洞の直径及び芯の厚さに他の値を使用することもできる。

放射源３４０内部における放射要素３６０の位置を制御するために位置決め機構を使用することができる。この位置決め機構は、位置決めロッド３８０、停止デバイス３８６、及び保持デバイス３８７を含む。位置決めロッド３８０は、一以上の放射要素３６０の長手方向に延びる空洞３７５内に配置される。空洞３７５内にロッド３８０を通すことにより、放射要素３６０を保持することができる。ロッド３８０は、スチール、セラミック、合金、これらの組み合わせ又は同様の材料で作製することができる。ロッド３８０は、空洞３７５の第１端から第２端までその長さ全体に亘って通すことができる。一以上の放射要素３６０がロッド３８０を塞いでいる場合、放射要素３６０の芯部分３７０の接触を防ぐのに十分に大きな外径を有するスペーサ３８２をロッド３８０上に配置することができる。このスペーサは、長さ約２．５ｃｍ（１インチ）〜３２ｃｍ（１２．５インチ）とすることができる。スペーサの長さは、放射源３４０の内径に応じて選択することができる。他の長さのスペーサも使用可能である。ロッド３８０の一部を含むことに加えて、空洞３７５は、燃料ガス以外のガス等の流体を放射要素３６０に注入することができる。
ロッド３８０の第１端３８４には、芯部分３７０がロッド３８０の第１端３８４から滑り落ちてしまうことを防ぐのに十分な停止デバイス３８６を設けることができる。ロッド３８０の第１端３８４にはネジ山を設けることができる。ワッシャとボルト、又はワッシャとナットをロッド３８０に配置することにより、放射要素３６０がロッド３８０の第１端３８４から滑り落ちてしまうことを防ぐことができる。ロッド３８０の第１端３８４を曲げて停止デバイス３８６を設けることにより、放射要素３６０のスライドを防止することができる。放射要素３６０がロッド３８０から滑り落ちることを防ぐために、他の停止デバイスを使用することもできる。

図３Ｃに示すように、ロッド３８０の第２端３８８に保持デバイス３８７を設けることができる。保持デバイス３８７は、ロッド３８０を放射源３４０に固定又は接続する一以上の横断片、キャップ、金属バー等とすることができる。保持デバイス３８７内にロッド３８０を保持するために、ロッド３８０の第２端３８８は曲げることができるか、或いはロッド３８０の第２端３８８にワッシャ及び／又はナット３８９を設けることができる。保持デバイス３８７は、放射源３４０に対してロッド３８０を固定する何らかの装置を含むことができる。このようにして、ロッド３８０は、特定の位置に放射要素３６０を配置することができるか、又は放射源３４０内部において放射要素３６０を特定の方向に向けることができる。
放射源３４０内で放射要素３６０が水平に配置される場合、ロッド３８０は、放射要素３６０に圧縮力をかけるのに十分な数の放射要素及び／又はスペーサを含むことができる。例えば、ロッド３８０の第１端３８４及び第２端３８８のボルトを締めることにより、一又は複数の放射要素３６０を圧縮された状態で保持することができる。ボルトを締めることにより印加されるこの水平方向の圧縮力により、重力によって放射要素３６０に垂直方向に掛かる張力に耐えることができる。

図３Ｄでは、放射源３４０内で放射要素３６０が垂直に配置されている。垂直に配置された場合、放射要素３６０は、ロッド３８０をスペーサと放射要素で満たすことなく、圧縮力下に配置することができる。この態様では、保持デバイス３８７を用いてロッド３８０を放射源３４０の上部に保持すること、及び停止デバイス３８６を用いて一又は複数の放射要素３６０をロッド３８０上に保持することにより、放射要素３６０上に掛かる圧縮力が重力によって維持される。
図３Ｄでは、一又は複数の放射要素３６０は、張力に相反して圧縮力下に保持されている。放射要素３６０の材料であるセラミックの機械的強度は、圧縮力下では良好であるが、張力下では不良である。上述したように、従来のセラミック製インサートは、振動及び熱衝撃によりしばしば機能しなくなる。従って、放射源３４０内で垂直であるか水平であるかに関わらず、圧縮力下に放射３６０を保持することにより、熱的及び／又は機械的衝撃に対する耐性に関するセラミック材料の要件は低減する。圧縮力下に放射３６０を保持することにより、当該要素の故障率を下げることができる。

図４Ａ〜４Ｄは、放射要素４６０を示す異なる図である。図４Ｅは、約４５°のほぼ一定のピッチを有する翼部を備えた放射要素の斜視図である。図４Ｆは、各翼部のピッチが端部における約９０°から中央における約４５°に変化する放射要素の斜視図である。燃焼生成物は層状になって又は乱流となって、放射要素４６０を通過する。放射要素４６０の表面積は、表面全体に亘って燃焼生成物が乱流となることを抑え、燃焼生成物を層状に方向付けると同時に、燃焼生成物から吸収された熱を放射するような大きさにすることができる。好ましくは、放射要素４６０上の燃焼生成物の流れは、層状又はほぼ層状の流れである。放射要素４６０により乱流のレベルが従来のセラミック製インサートより低くなることで、ホットスポット及び故障に繋がりうる乱流によるその他の欠点を回避しながら、熱放射を増大させることができる。
レイノルズ数（Ｒｅ）は、流れが層状であるか、乱流であるか、移行性であるか、又は混合性であるかを示す。例えば、チューブ内において２３００を下回るＲｅは層状であると考えられる一方、４５００を上回るＲｅは乱流と考えられる。２３００〜４５００のＲｅは、移行性又は混合性と考えられる。このように、レイノルズ数が小さいほど層状に流れていることが示される。別の実施例では、内径１０．１６ｃｍ（４インチ）の放射チューブ内を移動する燃焼生成物のＲｅは３７４２であり、よって層状であるというよりは移行性であるか、又は乱流に近い。これと比べて、内径約１０．１６（４インチ）の放射チューブ内で三つの翼部を有する放射要素を通過して流れる燃焼生成物は１９１４というＲｅを有し、層状に流れる。これらのレイノルズ数を求めるための計算を図４Ｇ−１及び４Ｇ−２に示す。これらの計算は、三つの翼部を有する放射要素に関するもので、二つの翼部の間の流れについて計算されたレイノルズ数を示す。層状の流れ、乱流、又は混合流を示す他のレイノルズ数を有するチューブを使用することもできる。このように、本発明の放射要素は、放射源を通過する燃焼生成物の層状の流れを増大させることができる。本放射要素は、放射源を通って流れる燃焼生成物のＲｅを２３００未満とすることができ、更に好ましくは１５００〜２３００とすることができる。本放射要素により燃焼生成物の流れに達成されるレイノルズ数は他の数値でもよい。

図４Ａの斜視図と図４Ｄの軸に垂直な断面図に示すように、放射要素４６０は長手方向に延びる中央の芯部分４７０を有し、この芯部分には、長手方向に延びる空洞４７５と、三つの翼部４９０が取り付けられた外面４７２が画定されている。翼部４９０は、外面４７２又は芯部分４７０の外側表面に対し、垂直に、接線方向に、これらの組み合わせで、又は別の形状で取り付けることができる。好ましくは、翼部４９０は、垂直に、接線方向に、又はこれらの形状の組み合わせで取り付けられる。更に好ましくは、翼部４９０は、接線方向に取り付けられる。
翼部４９０は、放射要素４６０の表面積を増大させることができる。図示の放射要素４６０は三つの翼部を有しているが、一又は複数の翼部を使用することができる。放射要素４６０が五つ以上の翼部を含む場合、これにより放射源のオープンな断面積が減少して、燃焼生成物の流れの速度に望ましくない低下をもたらしうる。芯部分４７０は翼部４９０を有する部分と有さない部分を持つことができる。

図４Ｂは、約４５°のピッチ角を持つ螺旋形状の翼部４９０を示す。翼部４９０のピッチ角は、放射要素４６０の中心軸又は芯部分４７０に対する翼部の方向である。約２０°〜約９０°のピッチ角が好ましく、約３０°〜約６０°の角度が更に好ましい。他のピッチ角も使用可能である。翼部４９０のピッチ角は、一定に維持されても、又は放射要素４６０の長手方向の長さに沿って変化してもよい。例えば、図４Ｅは、約４５°のほぼ一定のピッチを有する翼部を備えた放射要素４６０の斜視図である。対照的に、図４Ｆは、端部で約９０°である翼部のピッチが中央で約４５°に移行する放射要素の斜視図である。中央で約４５°のピッチ角と端部で約９０°のピッチ角の間の遷移が滑らかであると、角度間の移行が段階的に行われる設計と比較して乱流を減少させることができる。
図４Ｃは、放射要素４６０の長手方向に沿った断面図である。図４Ｄは、翼部４９０の厚みが、終端部４９２よりも外面４７２に接続する部分で大きいことを示している。このように翼部４９０の厚みは不均一でよく、外面４７２から終端部４９２に向かって次第に小さくすることができる。一又は複数の翼部に関し、芯部分４７０の直径に対する翼部の高さ（外面４７２から終端部４９２までの距離）の比は、約４：１より大きくすることができる。芯部分４７０の直径に対する翼部の高さの比は、４：１〜５０：１とすることができる。芯部分４７０の直径に対する翼部の高さの比は、約５：１〜１１：１とすることができる。芯部分４７０の直径に対する翼部の高さの他の比も使用可能である。

図５Ａ〜５Ｃは、長手方向に延びる中央の芯部分５７０に対して接線方向に取り付けられた翼部５９０の、軸に垂直な断面図である。図５Ａでは、翼部５９０は真っ直ぐで、長手方向に延びる中央の芯部分５７０の外面を表わす円５９３に正接する。この図では、円５９３に対する翼部５９０の角度は約０°である。図５Ｂでも翼部５９０は円５９３に正接しているが、その形状は曲線をなしている。図５Ａの直線的な翼部とは異なり、図５Ｂの曲線的な翼部は、芯部分５７０から取り外されてもテーブル上で平坦になることがない。従って、曲線的な翼部の終端は、翼部の、長手方向に延びる中央の芯部分５７０に取り付けられる部分と直線状に並ぶことはない。図５Ｃでは、長手方向に延びる中央の芯部分５７０は三角形であり、よって曲線状の翼部が芯部分５７０の中心点５９３に正接することができる。図５Ａ〜５Ｃとは異なり、図５Ｄの翼部５９０は正接しておらず、長手方向に延びる芯部分５７０に対して垂直（ほぼ９０°）である。
図６Ａ〜６Ｅは、長手方向に延びる芯部分６７０の外面６９４又は外側の表面に垂直な翼部６９０を備える様々な放射要素の斜視図である。図６Ａは、放射要素の上部に、約９０°で垂直に取り付けられた翼部６９０を示す。図６Ｂは、長手方向に延びる芯部分６７０にやはり約９０°で垂直に取り付けられた曲線的な翼部６９０を示す。図６Ｃは、長手方向に延びる芯部分６７０に垂直な翼部６９０を示すが、この場合、翼部６９０のピッチは端部における約９０°から中央領域における約４５°まで変化する。図６Ｄは、長手方向に延びる芯部分６７０から、翼部６９１よりも遠くに延びる翼部６９２を示しており、これにより異なる高さの翼部を含む放射要素が構成されている。図６Ｅに示す放射要素の翼部は中心点６９４に垂直に取り付けられているが、この翼部６９０は複雑な曲線形状を有している。

図７は、燃焼燃料７１０から容器７３０に収容される流体７２０に熱を伝達する間接的浸漬加熱用の放射熱伝達システム７００を示す。流体７２０は、水、油、食塩水等の液体でよい。放射熱伝達システム７００は、排出部７４６を有する放射源７４０を含む。排出部７４６は少なくとも一つの放射要素７６０を含む。図７には複数の放射要素７６０が示されているが、放射源７４０の排出部７４６に配置する放射要素は一又は複数とすることができる。更に、放射要素７６０は、排出部の長手方向の長さの一部、ほぼ全部、又は全体を占める単一の要素でもよい。好ましくは、一又は複数の放射要素７６０は、放射源７４０の排出部７４６の長手方向の長さの約半分から全部を占める。
図８は、石炭又はバイオマス等の固体燃焼燃料８１０からなる土台から、チューブ８２０内に蒸気を生成するバイオマス又はその他ボイラー用の放射熱伝達システム８００を示す。例えば、燃焼燃料８１０の下方から空気を導入することができる。放射要素８６０は、燃焼燃料８１０の上方に位置する位置決めロッド８８０上に保持されている。好ましくは、複数の放射要素８６０は、燃焼燃料８１０の上方に、圧縮された状態で保持される。燃焼生成物８１５は、燃焼燃料８１０から放射要素８６０を越えて流れる。放射要素８６０は燃焼生成物８１５から熱を吸収し、蒸気チューブ８２０にエネルギーを放射する。

本明細書及び請求の範囲の明瞭且つ一貫した理解のために、下記のように定義する。
「放射率」とは、放射により熱を発する表面の相対的な力を意味し、同じ温度において、黒体（反射無しで全ての放射エネルギーを吸収する理想的表面）によって放出される放射エネルギーに対する、表面によって放出される放射エネルギーの比として表わすことができる。即ち、第１の材料の、第２の材料へ熱を伝達する能力である。WebsterのNew Collegiate Dictionary, G. & C. Merriam Company, Springfield, Massachusetts, 1977年、115、372頁を参照のこと。

「圧縮」という用語は、互いに圧迫し合う作用を意味する。
「張力」という用語は、引き伸ばす作用を意味する。

燃焼生成物の流れに関して「層状」という場合、この用語は、個々の粒子が規則的な又は安定した動きで運動することにより滑らかな流れのライン又は経路が形成されるときの流れの状態を指す。所定のポイントを通過する粒子が同じ経路を辿る。Pritchard, R.ら、Handbook of Industrial Cas Utilization, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1977、30-31頁参照。
燃焼生成物の流れに関して「乱流」という場合、この用語は、個々の粒子が不規則な又は不安定な動きで運動することにより不均一な流れのライン又は経路が形成されるときの流れの状態を指す。層状の流れから乱流への移行は、流体の速度又は速さが臨界値を超えたときに起こる。Pritchard, R.ら、Handbook of Industrial Cas Utilization, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1977、30-31頁参照。

「放射状」翼部とは、放射要素の中心点から半径に沿って外側へ延びる翼部を指す。
「垂直な」翼部とは、放射要素の長手方向に延びる芯の外側等の表面から、垂直に又はほぼ９０°の角度で延びる翼部を指す。翼部が放射要素の中心点から半径に沿って外側に延びる場合、「垂直な」翼部は「放射状」でありうる。
「接線方向の」又は「正接する」翼部とは、放射要素の長手方向に延びる芯の外側等の表面から、９０°以外の角度で延びる翼部を指す。

本明細書では本発明の様々な実施形態について説明したが、当業者には、本発明の範囲内において他の実施形態及び実施方法が可能であることは明らかである。従って、本発明は、請求の範囲及びその均等物によってのみ制限されるものである。

Claims (41)

1. 放射源、及び
   放射源の内部に配置される少なくとも一つのセラミック製放射要素
   を備えた放射熱伝達システムであって、
   少なくとも一つのセラミック製放射要素が、芯部分から延びる少なくとも一つの翼部を有し、且つ
   芯部分に長手方向に延びる空洞が形成されている
   放射熱伝達システム。
2. 長手方向に延びる空洞内に配置される位置決め機構を備え、当該位置決め機構が放射源に接続される、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
3. 位置決め機構が、
   長手方向の空洞内に配置される位置決めロッド、
   位置決めロッドの一方の端部に接続される停止デバイス、及び
   位置決めロッドの他方の端部に接続される保持デバイス
   を備える、請求項２に記載の放射熱伝達システム。
4. 第１セラミック製放射要素、第２セラミック製放射要素及びそれら二つの要素の間のスペーサを備える、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
5. 少なくとも一つのセラミック製放射要素の、放射源の軸に垂直な断面積に占める割合が、約２０％未満である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
6. 少なくとも一つのセラミック製放射要素の、放射源の軸に垂直な断面積に占める割合が約５％〜約１０％である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
7. 少なくとも一つのセラミック製放射要素が要素表面積を有し、放射源が放射源表面積を有し、放射源表面積に対する要素表面積の比が約１．１：１より大きい、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
8. 放射源表面積に対する要素表面積の比が、約１．１：１〜約３：１である、請求項７に記載の放射熱伝達システム。
9. 放射源表面積に対する要素表面積の比が、約１．２：１〜約１．５：１である、請求項７に記載の放射熱伝達システム。
10. 少なくとも一つのセラミック製放射要素の放射率が約０．４〜約０．９である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
11. 放射源内における燃焼生成物の流れのレイノルズ数が約４５００未満である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
12. 放射源内における燃焼生成物の流れのレイノルズ数が約２３００未満である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
13. 放射源内における燃焼生成物の流れのレイノルズ数が約１５００〜約２３００である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
14. 放射源が放射チューブである、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
15. 第１部分と第２部分とを有する放射チューブ、
    第１部分に接続されたバーナー、及び
    第２部分に配置された少なくとも一つの放射要素
    を備える、請求項１４に記載の放射熱伝達システム。
16. 第１放射要素、第２放射要素、及びそれら二つの要素の間のスペーサを備える、請求項１５に記載の放射熱伝達システム。
17. 少なくとも一つの放射要素が第２部分の約５０％を上回る部分を占める、請求項１５に記載の放射熱伝達システム。
18. 少なくとも一つの放射要素が第２部分の約７０％〜約８０％を占める、請求項１５に記載の放射熱伝達システム。
19. セラミック製放射要素が、芯部分に垂直な少なくとも一つの翼部を有する、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
20. セラミック製放射要素が、芯部分に正接する少なくとも一つの翼部を有する、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
21. 少なくとも一つの翼部が、螺旋角度を画定する実質的な螺旋形状を有し、且つ螺旋角度が約２０°〜約９０°である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
22. 少なくとも一つの翼部が実質的に曲線形状である、請求項１に記載の放射熱伝達システム。
23. 長手方向に延びる空洞を形成する芯部分、及び
    芯部分から延びる少なくとも一つの翼部
    を備え、放射源内に挿入されるセラミック製放射要素。
24. 少なくとも一つの翼部が芯部分に垂直である、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
25. 少なくとも一つの翼部が芯部分に正接している、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
26. 少なくとも一つの翼部が螺旋角度を画定する実質的な螺旋形状を有する、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
27. 螺旋角度がほぼ一定である、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
28. 螺旋角度が約２０°〜約９０°である、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
29. 螺旋角度が約３０°〜約６０°である、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
30. 螺旋角度が約４５°である、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
31. 螺旋角度が約９０°である、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
32. 螺旋形状が一の螺旋角度から別の螺旋角度に移行する、請求項２６に記載のセラミック製放射要素。
33. 螺旋角度が約９０°から約４５°に移行する請求項３２に記載のセラミック製放射要素。
34. 螺旋角度が放射要素の一方の端部における約９０°から放射要素の中央部における約４５°に移行し、且つ螺旋角度が放射要素の他方の端部における約９０°から放射要素の中央部における約４５°に移行する、請求項３２に記載のセラミック製放射要素。
35. 少なくとも一つの翼部が実質的に曲線形状である、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
36. 少なくとも一つの翼部の高さが実質的に一定である、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
37. 芯部分の直径に対する翼部の高さの比が約４：１より大きい、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
38. 芯部分の直径に対する翼部の高さの比が約４：１〜約５０：１である、請求項３７に記載のセラミック製放射要素。
39. 芯部分の直径に対する翼部の高さの比が約５：１〜約１１：１である、請求項３７に記載のセラミック製放射要素。
40. 約０．４より大きい放射率を有する、請求項２３に記載のセラミック製放射要素。
41. 約０．４〜約０．９の放射率を有する、請求項４０に記載のセラミック製放射要素。

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