JP2012193879A - 雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱効率を容易に得ることのできる雰囲気熱処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを提供する。
【解決手段】雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ１は、バーナボディ１１と、ガスノズル１２１と、内管１４とを有している。ガスノズル１２１の先端において発生させた燃料ガスＧ１の流通方向を内管１４の先端において反転させ、外管１３と内管１４との間の排気流路１５を通してバーナボディ１１内に導出させる。円筒状の挿入円筒部２１と、閉塞部とを有する挿入部材２を有している。挿入部材２の挿入円筒部２１が外管１３と内管１４との間に挿入配置され、挿入部材２の閉塞部が外管１３の基端側開口部１３２の一部を閉塞するよう配置されている。挿入部材配設部分においては、排気流路１５が挿入円筒部２１と内管１４との間の空隙に制限されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、雰囲気熱処理炉内における雰囲気を加熱するための雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナに関する。

従来、浸炭などの工業用間接加熱に用いられるバーナとしては、シングルエンド型ラジアントチューブバーナが知られている。このシングルエンド型ラジアントチューブバーナは、バーナボディを通過させて噴出させる燃焼用空気と、上記バーナボディの内周側に配設したガスパイプより噴出させる燃焼用ガスと、を混合させて燃焼を行う。そして、燃焼により生じる排気ガスを上記バーナボディに連結した外管内を通過させると共に、燃焼により熱せられた外管からの放射熱により、熱処理炉内の雰囲気を加熱する。

特許文献１に示されたシングルエンド型ラジアントチューブバーナ９は、図５に示すごとく、一端（先端）９７１が閉塞された外管９７を有し、燃焼用空気８１及び燃焼用ガス８２の流入と、排気ガス８９の放出とを、バーナボディ９２において行うことができる二重管構造になっている。
すなわち、シングルエンド型ラジアントチューブバーナ９は、バーナボディ９２から伸びるガスパイプ９４及びその先端に設けられたノズル９５と、さらにその先に形成される火炎８８を囲うようにして設けられた内管９６を有すると共に、この内管９６を囲う外管９７を有している。そして、内管９６内に形成された火炎８８より生じた排気ガス８９は、外管９７の先端をＵターンし、内管９６と外管９７との間を通って、バーナボディ９２から外部に排出されるよう構成されている。

上記の二重管構造を有するシングルエンド型ラジアントチューブバーナにおいては、内管とガスパイプとの間を流通する燃焼空気と、内管と外管との間を流通する排気ガスとの間において、熱交換を行うことで燃焼空気を予熱し、シングルエンド型ラジアントチューブバーナにおける熱効率の向上を図っている。

特開平０７−２１７８２７号公報

特許文献１に示されたシングルエンド型ラジアントチューブバーナのごとく、排気ガスと燃焼空気との間において熱交換を行い、燃焼空気を予熱することにより、シングルエンド型ラジアントチューブバーナの熱効率が向上することは事実である。しかしながら、より高い熱効率を得ることのできるシングルエンド型ラジアントチューブバーナの構造が要求されている。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、高い熱効率を容易に得ることのできる雰囲気熱処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを提供しようとするものである。

本発明は、燃料ガス、燃焼空気及び排気ガスの流路を設けたバーナボディと、
該バーナボディから突出させたガスノズルと、
該ガスノズルの外周側に配され、先端を閉塞させた外管と、
該外管と上記ガスノズルの間に配置され、上記外管の先端近傍において開口させた内管とを有し、上記ガスノズルの先端において噴出させた燃料ガスの流通方向を上記内管の先端において反転させ、上記外管と上記内管との間の排気流路を通して上記バーナボディ内に導出させるよう構成され、上記外管を雰囲気熱処理炉の炉壁を貫通させて炉内に挿入して使用する雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナにおいて、
円筒状の挿入円筒部と、該挿入円筒部の基端側において外周側に配設された閉塞部とを有する挿入部材を有し、
該挿入部材の上記挿入円筒部が上記外管と上記内管との間における基端側に挿入配置され、
上記挿入部材の上記閉塞部が上記外管の基端側開口部の一部を閉塞するよう配置されており、
上記挿入部材配設部分においては、上記外管と上記内管との間の上記排気流路が、上記挿入円筒部と上記内管との間の空隙に制限されていることを特徴とする雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナにある（請求項１）。

本発明の雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナは、上記のごとく、上記挿入部材配設部分において、上記外管と上記内管との間の上記排気流路が、上記挿入円筒部と上記内管との間の空隙に制限してある。すなわち、上記挿入部材配設部分においては、上記排気流路の一部を上記挿入部材の閉塞部によって閉塞することにより、上記排気流路の断面積が縮小される。これにより、上記挿入部材配設部分においては、上記挿入部材を配していない上記排気流路に比べて排気ガスの流速が増加する。それゆえ、上記排気流路を流通する排気ガスと、上記内管の内側を流通する燃焼空気との間における熱交換を促進し、上記雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナの熱効率を向上することができる。

また、既存の雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナにおいても、上記内管と上記外管の間に上記挿入部材を配することにより上述の効果を得ることができる。したがって、雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナにおいて、大がかりな改修を必要とせず、容易に熱効率を向上することができる。
また、上記挿入部材は、シンプルな形状とすることができるため、生産性に優れる。したがって、材料コスト及び生産コストに優れ、部品コストを低減する事ができる。

上記のごとく、本発明によれば、高い熱効率を容易に得ることのできる雰囲気熱処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを提供することができる。

実施例１における、雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを示す断面図。 図１の要部拡大図。 実施例１における、挿入部材を示す説明図。 図３のＡ−Ａ線矢視断面図。 背景技術における、雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを示す断面図。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ（以下、バーナ１という。）について、図１〜図４を用いて説明する。
本例のバーナ１は、図１に示すごとく、燃料ガスＧ１、燃焼空気Ｇ２及び排気ガスＧ３の流路を設けたバーナボディ１１と、該バーナボディ１１から突出させたガスノズル１２１と、該ガスノズル１２１の外周側に配され、先端を閉塞させた外管１３と、該外管１３とガスノズル１２１の間に配置され、外管１３の先端近傍において開口させた内管１４とを有している。ガスノズル１２１の先端において噴出させた燃料ガスＧ１の流通方向を内管１４の先端において反転させ、外管１３と内管１４との間の排気流路１５を通してバーナボディ１１内に導出させるよう構成され、外管１３を雰囲気熱処理炉７の炉壁７１を貫通させて炉内に挿入して使用するものである。

また、バーナ１は、円筒状の挿入円筒部２１と、該挿入円筒部２１の基端側において外周側に配設された閉塞部とを有する挿入部材２を有している。該挿入部材２の挿入円筒部２１が外管１３と内管１４との間における基端側に挿入配置され、挿入部材２の閉塞部が外管１３の基端側開口部１３２の一部を閉塞するよう配置されている。挿入部材配設部分においては、外管１３と内管１４との間の排気流路１５が、挿入円筒部２１と内管１４との間の空隙に制限してある。

以下、本例に示すバーナ１についてさらに詳細に説明する。
本例において、外管１３の閉塞した端部が配される側を先端側とし、その反対側を基端側として説明する。

バーナ１は、図１に示すごとく、燃焼空気Ｇ２、燃料ガスＧ１及び排気ガスＧ３を流通する流路を設けたバーナボディ１１と、該バーナボディ１１の先端側に配設された外管１３と、を有している。
バーナボディ１１は、図１に示すごとく、略円筒状をなしており、その中心軸線上に、燃料ガスＧ１を流通するガスパイプ１２を設けてあり、該ガスパイプ１２の先端部には、燃料ガスＧ１を噴出する噴出口を有するガスノズル１２１が配してある。ガスパイプ１２は、バーナボディ１１の先端側に形成されたボディ開口部１１１から突出しており、バーナ１を雰囲気熱処理炉７の炉壁７１に取付けた際に、ガスノズル１２１が炉壁７１の厚さ範囲内の位置に配されている。尚、本例における雰囲気熱処理炉７の炉壁７１の厚さはｔ（ｍｍ）とした。

ガスパイプ１２の外周には、図１及び図２に示すごとく、内管１４が配してあり、ガスパイプ１２と内管１４との間には、燃焼空気流路１６が形成されている。内管１４は、バーナボディ１１の先端側に形成されたボディ開口部１１１から突出しており、内管１４の先端部は、外管１３の先端の外管閉塞部１３４近傍に配してある。本例における内管１４の寸法は、内径をＲ₁（ｍｍ）とし、外径をＲ₂（ｍｍ）とした。また、内管１４の材質は、ＳＵＳ３１０ＳとＳＵＳ３０４とからなるステンレス合金を用いた。

内管１４の外周には、後述する外管１３と内管１４との間に形成される排気流路１５と連通したボディ内排気流路１１２が形成されており、バーナボディ１１の外周面上に形成された排気排出口（図示略）と連通している。また、バーナボディ１１内において、ボディ内排気流路１１２の外側の位置には、燃焼空気流路１６と連通したボディ内空気流路１１３を形成してある。該ボディ内空気流路１１３は、バーナボディ１１の外周面上に形成された空気流入口（図示略）と連通している。

また、バーナボディ１１の先端側にはボディ開口部１１１が形成されており、該ボディ開口部１１１の外周には、バーナボディ１１を炉壁７１に取付けるためのバーナ取付けフランジ１１７が形成してある。

図１に示すごとく、バーナボディ１１のボディ開口部１１１には、該ボディ開口部１１１から突出した内管１４の外周を覆うように外管１３を配してある。該外管１３は、先端部が閉塞した円筒形状の外管円筒部１３１と、基端側開口部１３２の外周側に外側に向かって突出した外管取付けフランジ１３３とを有している。外管１３は、外管円筒部１３１を雰囲気熱処理炉７の炉壁７１に配したバーナ挿通穴７２に挿通すると共に、外管円筒部１３１が雰囲気熱処理炉７内に露出するように配してある。尚、本例における、外管１３の外管円筒部１３１の寸法は、内径をＲ₃（ｍｍ）とし、外径をＲ₄（ｍｍ）とした。外管１３の材料には、耐熱鋳鋼を用いた。このとき、外管の内径Ｒ₁と、内管の外径Ｒ₂とは、Ｒ_１＞Ｒ₂の関係にあり、外管１３と内管１４との間には、燃焼時に発生する排気ガスＧ３を流通する排気流路１５が形成されており、ボディ内排気流路１１２と連通している。

また、外管１３と内管１４との間には、図１及び図２に示すごとく、挿入部材２が配してある。該挿入部材２は、図３及び図４に示すごとく、貫通した円筒状の挿入円筒部２１と、該挿入円筒部２１の基端側において外周側に配された閉塞部とを有する。挿入部材２は、外管１３と内管１４との間における基端側の位置に、挿入円筒部２１を挿入配置してある。

また、挿入円筒部２１の寸法は、内径をＲ₅（ｍｍ）とし、外径をＲ₆（ｍｍ）とし、挿入円筒部２１の材質は、ニッケルを主成分とした高耐熱耐食合金を用いた。また、挿入円筒部２１の長さはＬ（ｍｍ）とした。尚、挿入円筒部２１の内径Ｒ₅（ｍｍ）と、内管の外径Ｒ₂（ｍｍ）とは、Ｒ₅＞Ｒ₂の関係にあり、挿入円筒部２１の外径Ｒ₆（ｍｍ）と、外管の内径Ｒ₃（ｍｍ）とは、Ｒ₆＞Ｒ₃の関係にある。
また、挿入円筒部２１の先端位置が、炉壁７１の厚さｔの範囲内に位置するように挿入円筒部２１の長さＬ（ｍｍ）を設定している。そのため、挿入部材２にかかる熱を低減し、挿入部材２が熱劣化し、損傷することを防止することができる。すなわち、バーナ１の外管１３内側における内部温度は、雰囲気熱処理炉７内に配される部分に比べて、炉壁７１の厚さの範囲内に位置する部分が低くなる。したがって、挿入部材２にかかる熱の影響を低減し、部品寿命を延ばすことができる。

上記のごとく、挿入円筒部２１の外径は、外管１３の内径よりも小さく、挿入円筒部２１の外周面と外管１３の内周面との間には空隙を形成してある。挿入円筒部２１と外管１３とを接するように構成した場合、互いの膨張量の差により熱応力が生じやすく、挿入円筒部２１と外管１３とのいずれか一方又は両方の部品寿命の低下や損傷を招くおそれがある。特に、挿入円筒部２１と外管１３とで異なる材料を使用した場合には膨張量の差が大きくなりやすい。それに対して、上記の構造とすることにより、挿入円筒部２１及び外管１３を加熱し熱膨張した際に生じる熱応力を低減し、挿入円筒部２１及び外管１３の損傷を防止することができる。

また、挿入部材２の閉塞部は、図３及び図４に示すごとく、挿入円筒部２１の基端部の外周に径方向外側に向かって延びる閉塞フランジ部２２であり、該閉塞フランジ部２２が外管１３の基端側開口部１３２の一部を閉塞するよう配置してある。すなわち、挿入部材配設部分において、挿入円筒部２１と内管１４との間には、外管１３の軸方向における断面積が排気流路１５よりも小さい縮小排気流路１７が形成されている。尚、本例における、縮小排気流路１７の断面積Ａ₁（ｍｍ²）と、排気流路１５の断面積Ａ₂（ｍｍ²）とは、２Ａ₂＝Ａ₁の関係にある。

このとき、外管１３の軸方向と直交する平面の断面における外管１３と内管１４との間の排気流路１５の断面積Ａ₁と、挿入円筒部２１と内管１４との間の空隙の断面積Ａ₂とは、２Ａ₂≦Ａ₁≦４Ａ₂の関係にあることが好ましい。この場合には、上記挿入部材配設部分に形成される縮小排気流路１７を流通する排気ガスＧ３の流速を適当な速度とし、排気ガスＧ３と燃焼空気Ｇ２との間における熱交換の効率を向上することができる。

断面積Ａ₁と断面積Ａ₂とが２Ａ₂＞Ａ₁の関係にある場合、挿入部材配設部分を流通する排気ガスＧ３の流速が遅く、排気ガスＧ３と燃焼空気Ｇ２との間における熱交換の効率が低下するおそれがある。
また、断面積Ａ₁と断面積Ａ₂とがＡ₁＞４Ａ₂の関係にある場合、上記挿入部材配設部分における排気ガスの通気抵抗が大きくなり圧力損失が増大することにより、排気ガスの排気効率が低下するおそれがある。

また、挿入部材２は、図２に示すごとく、バーナボディ１１のバーナ取付けフランジ１１７と外管１３の外管固定フランジ１３３との間に、閉塞フランジ部２２を配し、該閉塞フランジ面に設けたボルト挿通穴２３に固定ボルト（図示略）を挿通し、固定ナット（図示略）により共締めすることにより固定される。

次に、上記のごとく構成したバーナ１を雰囲気熱処理炉７へ取付ける手順を説明する。
まず、雰囲気熱処理炉７の外壁に設けたバーナ挿通穴７２へ外管１３を挿入する。このとき、雰囲気熱処理炉７の炉壁７１に設けたボルト（図示略）を外管取付けフランジ１３３に設けたボルト挿通穴（図示略）へと挿通する。次いで、炉壁７１に配された外管１３の内側に挿入部材２の挿入円筒部２１を挿入しつつ、挿入部材２を配する。このとき、雰囲気熱処理炉７の炉壁７１に設けた固定ボルトを閉塞フランジ部２２に設けたボルト挿通穴（図示略）へと挿通し、外管取付けフランジ１３３上に閉塞フランジ部２２が重なるように配設する。

次いで、バーナボディ１１を配設する。バーナボディ１１は、その開口部から突出した内管１４を挿入部材２の挿入円筒部２１の内側へ挿入しつつ配する。このとき、バーナ取付けフランジ１１７に設けたボルト挿通穴（図示略）へ、雰囲気熱処理炉７の炉壁７１に設けた固定ボルトを挿通し、閉塞フランジ部２２上にバーナ取付けフランジ１１７が重なるように配設する。
上記のごとく、外管１３、挿入部材２及びバーナボディ１１を配した後、炉壁７１に設けた固定ボルトに対して固定用ナット（図示略）を締め付け共締めすることにより、雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ１の取付けが完了する。

上記のごとく、雰囲気熱処理炉７に取り付けられたバーナ１において、燃焼を行う際には、内管１４に燃焼空気Ｇ２を流入させると共に、ガスパイプ１２に燃料ガスＧ１を流入させる。
燃焼空気Ｇ２は、バーナボディ１１の空気流入口に流入した後、ボディ内空気流路１１３を経由し、内管１４内の空気供給路へと流通し、ガスノズル１２１の先端へと燃焼空気Ｇ２が供給される。ガスノズル１２１の噴出口からは、ガスパイプ１２内を流通した燃料ガスＧ１が噴出されており、内管１４内の空気供給路から供給される燃焼空気Ｇ２と混合されて混合ガスとなる。該混合ガスは、ガスパイプ１２の内部に設けられたスパークプラグ（図示略）によって着火されると内管１４内で燃焼し火炎６となる。

燃焼により生じる排気ガスＧ３は、内管の内側から外管１３先端へと向かった後、外管１３先端の閉塞部において先端側から基端側へと、Ｕターンし、内管１４と外管１３との間に形成された排気流路１５内を流通する。そして、外管１３の基端側においては、挿入部材配設部分に形成された縮小排気流路１７内を流通する。このとき、縮小排気流路１７を流通する排気ガスＧ３と、内管１４とガスパイプ１２の間に形成された燃焼空気流路１６を流通する燃料ガスＧ１との間において、熱交換を行うことにより、燃焼空気流路１６内の燃焼空気Ｇ２の温度が上昇する。また、縮小排気流路１７内を流通する排気ガスＧ３の流速Ｖ₁は、排気流路１５内を流通する排気ガスＧ３の流速Ｖ₂よりも速くなる。

次に、本例における作用効果を説明する。
本例の雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ（バーナ１）は、上記のごとく、挿入部材配設部分において、外管１３と内管１４との間の排気流路１５が、挿入円筒部２１と内管１４との間の空隙に制限してある。すなわち、挿入部材配設部分においては、排気流路１５の一部を挿入部材２の閉塞部によって閉塞することにより、排気流路１５の断面積が縮径される。これにより、挿入部材配設部分においては、挿入部材２を配していない排気流路１５に比べて排気ガスＧ３の流速が増加する。それゆえ、排気流路１５を流通する排気ガスＧ３と、内管１４の内側を流通する燃焼空気Ｇ２との間における熱交換を促進し、雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ１の熱効率を向上することができる。

また、既存のバーナ１においても、内管１４と外管１３の間に挿入部材２を配することにより排気流１５を縮径することができる。したがって、バーナ１において、大がかりな改修を必要とせず、容易に熱効率を向上することができる。
また、上記挿入部材２は、形状がシンプルであり生産性に優れる。そのため、材料コスト及び生産コストに優れ、部品コストを低減する事ができる。

上記のごとく、本例によれば、高い熱効率を容易に得ることのできる雰囲気熱処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナを提供することができる。

（比較例１）
実施例１に示すごとく構成されたバーナ１において、挿入部材２を配設することによる効果を定量的に評価するために、排気ガスＧ３の流速及び強制対流熱伝達率の数値計算を行い、流速及び強制対流熱伝達率を比較した。
本例においては、図２に示す計測点Ｐにおける流速を算出し、該流速に基づいて強制対流熱伝達率を算出した。

上記条件において数値計算を実施し、その結果を比較したところ、挿入部材２を配したバーナ１の計測点Ｐにおける排気ガスＧ３の流速Ｖ₁は、挿入部材２を配していないバーナ１の計測点Ｐにおける排気ガスＧ３流速Ｖ₂に比べ、約２．０倍の流速となることが明らかとなった。また、挿入部材配設部分における強制対流熱伝達率は、挿入部材２を配することにより、約１．７倍に増大することが明らかとなった。したがって、挿入部材２を配することにより、効率良く燃焼空気Ｇ２を加熱することができ、バーナ１における燃焼効率向上効果を確認することができた。

１ 雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ
１１ バーナボディ
１２１ ガスノズル
１３ 外管
１４ 内管
１５ 排気流路
７ 雰囲気熱処理炉
７１ 炉壁
２ 挿入部材
２１ 挿入円筒部
２２ 閉塞部、閉塞フランジ部
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ 燃焼空気
Ｇ３ 排気ガス

Claims (1)

1. 燃料ガス、燃焼空気及び排気ガスの流路を設けたバーナボディと、
   該バーナボディから突出させたガスノズルと、
   該ガスノズルの外周側に配され、先端を閉塞させた外管と、
   該外管と上記ガスノズルの間に配置され、上記外管の先端近傍において開口させた内管とを有し、上記ガスノズルの先端において噴出させた燃料ガスの流通方向を上記内管の先端において反転させ、上記外管と上記内管との間の排気流路を通して上記バーナボディ内に導出させるよう構成され、上記外管を雰囲気熱処理炉の炉壁を貫通させて炉内に挿入して使用する雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナにおいて、
   円筒状の挿入円筒部と、該挿入円筒部の基端側において外周側に配設された閉塞部とを有する挿入部材を有し、
   該挿入部材の上記挿入円筒部が上記外管と上記内管との間における基端側に挿入配置され、
   上記挿入部材の上記閉塞部が上記外管の基端側開口部の一部を閉塞するよう配置されており、
   上記挿入部材配設部分においては、上記外管と上記内管との間の上記排気流路が、上記挿入円筒部と上記内管との間の空隙に制限されていることを特徴とする雰囲気処理炉用シングルエンド型ラジアントチューブバーナ。

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