JP2013174380A

JP2013174380A - 加熱炉

Info

Publication number: JP2013174380A
Application number: JP2012038530A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hanzawa; 茂半澤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP5989357B2

Abstract

【課題】加熱炉内の雰囲気の温度が均一でない場合であっても、被加熱物の受ける熱量が加熱炉内の場所ごとにばらつくことを抑制する技術を提供する。
【解決手段】炉壁３０と炉床５０とを有し、炉壁３０および炉床５０に囲まれ、被加熱物３５０ａ〜３５０ｃを収容するための収容空間７０が形成された収容部２０と、収容空間７０内の雰囲気の温度を昇温する加熱部１００と、を備え、収容部２０の炉壁３０および炉床５０の表面においては、一部の領域の表面を形成する部材の熱放射率が、他の領域の表面を形成する部材の熱放射率とは異なる加熱炉１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉に関する。本発明は、例えば、セラミックス製品を製造する際の加熱処理（例えば、乾燥や焼成）に用いることが可能である。

種々の製品を製造する際には、加熱炉を用いて加熱処理を行うことがある。例えば、セラミックス製品を製造する際には、まず、セラミックスの粉末を所望の形状に成形することによって成形体を作製し、次いで、この成形体を加熱炉内に入れ、加熱炉内の雰囲気の温度を高温にすることにより、成形体を加熱処理（焼成）することが広く行われている。

加熱炉を用いた加熱処理では、加熱炉内の雰囲気の温度を均一にすることが望まれている。加熱炉内の場所ごとで雰囲気の温度に差がある場合には、加熱の対象物（以下、「被加熱物」という）が雰囲気から受ける熱量は、その被加熱物の置かれる場所ごとに異なるという事態が生じうる。こうした事態が生じた場合、被加熱物の品質にばらつきが生じてしまうおそれがある。そこで、加熱炉内の雰囲気の温度を均一化する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特開平１１−３０４３６７号公報特開２００４−２７８９４０号公報

ところが、上述の技術では、加熱炉内の雰囲気の温度を完全に均一にすることができない場合があり、その結果として、被加熱物の受ける熱量が加熱炉内の場所ごとにばらつく恐れがある。

上記の問題に鑑みて、本発明の目的は、加熱炉内の雰囲気の温度が均一でない場合であっても、被加熱物の受ける熱量が加熱炉内の場所ごとにばらつくことを抑制する技術を提供することにある。

本発明によれば、以下に示す加熱炉が提供される。

［１］炉壁と炉床とを有し、前記炉壁および前記炉床に囲まれ、被加熱物を収容するための収容空間が形成された収容部と、前記収容空間内の雰囲気の温度を昇温する加熱部と、を備え、前記収容部の前記炉壁および前記炉床の表面においては、一部の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、他の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率とは異なる加熱炉。

［２］前記収容部の前記炉壁および前記炉床の前記表面は、第一の領域と、前記第一の領域に接する雰囲気よりも高温の雰囲気に接する第二の領域とを有し、前記第一の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、前記第二の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率よりも大きい前記［１］に記載の加熱炉。

［３］前記加熱部は、前記炉壁または前記炉床に開口し、高温のガスを前記収容空間内に流入させるガス流入口を有し、前記収容部の前記炉壁および前記炉床の前記表面においては、前記ガス流入口に隣接する領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、前記ガス流入口に隣接しない領域の前記表面を形成する部材の熱放射率よりも大きい前記［１］または［２］に記載の加熱炉。

本発明の加熱炉によれば、加熱炉内の雰囲気の温度が均一でない場合であっても、被加熱物の受ける熱量が加熱炉内の場所ごとにばらつくことを抑制することが可能になる。

本発明の加熱炉の一実施形態を示す模式図である。本発明の加熱炉の他の実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明の加熱炉は、炉壁と炉床とを有し、炉壁および炉床に囲まれ、被加熱物を収容するための収容空間が形成された収容部と、収容空間内の雰囲気の温度を昇温する加熱部と、を備える。よって、本発明の加熱炉では、収容部の収容空間内に被加熱物を収めておき、加熱部によって収容空間内の雰囲気の温度を昇温することにより、被加熱物を加熱することが可能である。

さらに、本発明の加熱炉では、収容部の炉壁および炉床の表面においては、一部の領域の表面を形成する部材の熱放射率が、他の領域の表面を形成する部材の熱放射率とは異なる。こうして熱放射率の異なる部材の組み合わせによって収容部の炉壁および炉床の表面を形成する場合には、収容部の収容空間内の場所ごとで、炉壁および炉床からの放射伝熱によって被加熱物が受ける熱量の大きさを異なるようにすることが可能になる。

したがって、本発明の加熱炉によれば、熱放射率の異なる部材の組み合わせによって収容部の炉壁および炉床の表面を形成することにより、炉壁および炉床からの放射伝熱以外の態様により被加熱物が受ける熱量が小さい場所では、炉壁および炉床からの放射伝熱量を大きくすることが可能になる。また、本発明の加熱炉によれば、熱放射率の異なる部材の組み合わせによって収容部の炉壁および炉床の表面を形成することにより、炉壁および炉床からの放射伝熱以外の態様により被加熱物が受ける熱量が大きい場所では、炉壁および炉床からの放射伝熱量を小さくすることが可能になる。これらの結果、本発明の加熱炉では、炉壁および炉床からの放射伝熱による熱量と当該放射伝熱以外の態様による熱量とを合計した熱量は、収容空間内の場所ごとで差が拡がりにくくなる。すなわち、本発明の加熱炉によれば、被加熱物の受ける熱量が加熱炉内の場所ごとにばらつくことを抑制することが可能になる。

本発明の加熱炉では、収容部の炉壁および炉床の表面は、第一の領域と、第一の領域に接する雰囲気よりも高温の雰囲気に接する第二の領域とを有し、第一の領域の表面を形成する部材の熱放射率が、第二の領域の表面を形成する部材の熱放射率よりも大きいことが好ましい。

こうした熱放射率についての条件を満たすように、第一の領域の表面を形成する部材および第二の領域の表面を形成する部材を選択する場合、第一の領域の表面の近傍にある被加熱物においては、収容部の炉壁および炉床からの放射伝熱によって受ける熱量が大きくなり、かつ、当該被加熱物の周囲の雰囲気から受ける熱量は小さくなる。また、第二の領域の表面の近傍にある被加熱物においては、収容部の炉壁および炉床からの放射伝熱によって受ける熱量が小さくなり、かつ、当該被加熱物の周囲の雰囲気から受ける熱量は大きくなる。よって、第一の領域の表面の近傍にある被加熱物と第二の領域の表面の近傍にある被加熱物との間では、炉壁および炉床からの放射伝熱による熱量と被加熱物の周囲の雰囲気から受ける熱量とを合計した熱量の差を小さくすることができる。すなわち、第一の領域の表面の近傍にある被加熱物と第二の領域の表面の近傍にある被加熱物との間において、被加熱物の受ける熱量の差を小さく抑えることが可能になる。

本発明の加熱炉では、加熱部は、炉壁または炉床に開口し、高温のガスを収容空間内に流入させるガス流入口を有するものであってもよい。こうした加熱部を本発明の加熱炉が有する場合、収容部の炉壁および炉床の表面においては、ガス流入口に隣接する領域の表面を形成する部材の熱放射率が、ガス流入口に隣接しない領域の表面を形成する部材の熱放射率よりも大きいことが好ましい。

高温のガスを収容空間内に流入させることにより、収容空間内の雰囲気を昇温する場合、ガス流入口から流入した高温のガスは、熱を奪われながら収容空間内を流れ、再びガス流入口に戻るように環流する傾向がある。よって、ガス流入口の周辺には、収容空間内を環流したガスが戻ってくる場所、言い換えると、熱を奪われたガス、すなわち他の場所を流れるガスの温度よりも低温のガスが流れる場所がある。上述したように、ガス流入口に隣接する領域の表面を形成する部材の熱放射率が、ガス流入口に隣接しない領域の表面を形成する部材の熱放射率よりも大きい場合、ガス流入口の周辺の低温のガスが流れる場所において、炉壁および炉床からの放射伝熱による熱量を大きくすることが可能になる。その結果、収容空間内における低温のガスが流れる場所と、高温のガスの流れる場所との間において、被加熱物の受ける熱量の差を小さく抑えることが可能になる。

以下、本発明に関する理解をより深めるべく、本発明の加熱炉の具体的な実施形態について図面を参照しつつ述べる。

図１は、本発明の加熱炉の一実施形態を示す模式図である。本実施形態の加熱炉１０ａでは、収容部２０が炉壁３０および炉床５０によって作られている。そして、炉壁３０および炉床５０によって収容空間７０が形成されている。

ここで、本実施形態の加熱炉１０ａでは、図示されるように、上下方向に沿って複数段ある棚３００を収容空間７０内に設置し、この棚３００の各段に被加熱物３５０ａ〜３５０ｃを置くとよい。この棚３００を用いることにより、収容空間７０内で被加熱物３５０ａ〜３５０ｃを上下に並べることができ、その結果、収容空間７０内を無駄なく利用することが可能になる。

さらに、本実施形態の加熱炉１０ａでは、炉壁３０および炉床５０が、耐熱材１１０の内側に内張材１５０を張り付けて作られた二重構造になっている。したがって、本実施形態の加熱炉１０ａでは、炉壁３０および炉床５０の表面が内張材１５０により形成されていることになる。

また、本実施形態の加熱炉１０ａでは、ヒーター８０が側方の炉壁３０の手前に設置されている。このヒーター８０は、収容空間７０内の雰囲気を昇温し、加熱部１００としての役割を担う。

ここで、ヒーター８０によって収容空間７０内の雰囲気を昇温すると、収容空間７０内の雰囲気に対流が生じ、収容空間７０内の上方の場所の雰囲気の温度が下方の場所の雰囲気の温度よりも高くなる。

図１には、収容空間７０内における温度Ｔ_１（℃）および温度Ｔ_２（℃）（但し、Ｔ_１＜Ｔ_２）の等温線を示す。図示されるように、本実施形態の加熱炉１０ａでは、収容空間７０内が、下方から上方に向かって、雰囲気の温度がＴ_１（℃）未満の場所、雰囲気の温度がＴ_１〜Ｔ_２（℃）の場所、雰囲気の温度がＴ_２（℃）超の場所、という大きく３つの場所に区分される。

よって、本実施形態の加熱炉１０ａの収容空間７０内に棚３００を設置し、この棚３００の下段に被加熱物３５０ａを置き、棚３００の上段に被加熱物３５０ｃを置く場合、被加熱物３５０ａの周囲の雰囲気の温度がＴ_１（℃）未満となり、その一方で、被加熱物３５０ｃの周囲の雰囲気の温度がＴ_１（℃）以上、特に被加熱物３５０ｃの周囲の大半の雰囲気の温度がＴ_２（℃）超となる。そのため、被加熱物３５０ａが雰囲気から受ける熱量は、被加熱物３５０ｃが雰囲気から受ける熱量よりも小さくなる。

そこで、本実施形態の加熱炉１０ａでは、炉床５０および下部の炉壁３０［Ｔ_１（℃）未満の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ａの熱放射率が、上部の炉壁３０［Ｔ_２（℃）超の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ｃの熱放射率よりも大きくなっている。

こうして内張材１５０ａの熱放射率を内張材１５０ｃの熱放射率よりも大きくすることにより、内張材１５０ａの近くにある被加熱物３５０ａにおいては、内張材１５０ｃの近くにある被加熱物３５０ｃに比べ、炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱によって受ける熱量を大きくすることができる。

その結果、雰囲気から受ける熱量と炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量との総和という観点からみた場合、被加熱物３５０ａと３５０ｃとの間における雰囲気から受ける熱量の差は、炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量の差によって相殺される。すなわち、本実施形態の加熱炉１０ａでは、棚３００の下段に置かれた被加熱物３５０ａと、棚３００の上段に置かれた被加熱物３５０ｃとの間で、雰囲気から受ける熱量と炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱による熱量との総和については差を小さく抑えることが可能になる。

なお、本実施形態の加熱炉１０ａでは、中間部の炉壁３０［Ｔ_１〜Ｔ_２（℃）の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ｂの熱放射率については、内張材１５０ａの熱放射率と比べて大きくても、あるいは小さくても構わない。上述したように、棚３００の下段に置かれた被加熱物３５０ａと、棚３００の上段に置かれた被加熱物３５０ｃとの間で、それぞれが受ける熱量の差を小さく抑えることが可能になれば、少なくとも、本発明の目的は達成されるからである。

特に、本実施形態の加熱炉１０ａでは、雰囲気の温度の分布と対応する形で、炉床５０および下部の炉壁３０［Ｔ_１（℃）未満の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ａ、中間部の炉壁３０［Ｔ_１〜Ｔ_２（℃）の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ｂ、および上部の炉壁３０［Ｔ_２（℃）超の雰囲気に接する部分］の内張材１５０ｃの熱放射率については、内張材１５０ａの熱放射率が最も大きく、次に内張材１５０ｂの熱放射率が２番目に大きく、残る内張材１５０ｃの熱放射率が最も小さくなっていることが好ましい。

すなわち、炉壁３０や炉床５０の内張材１５０（換言すると、炉壁３０や炉床５０の表面）において領域ごとに接している雰囲気の温度が異なる場合、各領域の内張材１５０（表面）に接する雰囲気の温度の昇順と、各領域の内張材１５０（表面）の熱放射率の降順とが一致することが好ましい。

図１に示す例では、内張材１５０ａ〜１５０ｃのそれぞれが接している雰囲気の温度の昇順は、内張材１５０ａ［Ｔ_１（℃）未満の雰囲気に接する部分］、内張材１５０ｂ［Ｔ_１〜Ｔ_２（℃）の雰囲気に接する部分］、内張材１５０ｃ［Ｔ_２（℃）超の雰囲気に接する部分］という順番となる。よって、内張材１５０ａ〜１５０ｃの熱放射率の降順については、内張材１５０ａ、内張材１５０ｂ、内張材１５０ｃの順番になる形にして、上述の内張材１５０ａ〜１５０ｃが接している雰囲気の温度の昇順と一致させることが好適である。

このように内張材１５０ａ〜１５０ｃの熱放射率の降順を定めることにより、雰囲気から受ける熱量と炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量との総和という観点からみた場合、被加熱物３５０ａ〜３５０ｃの間では、雰囲気から受ける熱量の差を、炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量の差によって相殺させることが可能になる。すなわち、本実施形態の加熱炉１０ａでは、棚３００の下段、中段、上段に置かれた被加熱物３５０ａ〜３５０ｃの間で、雰囲気から受ける熱量と炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量との総和については差を小さく抑えることが可能になる。

したがって、本実施形態の加熱炉１０ａによれば、複数段ある棚３００を収容空間７０内に設置して収容空間７０内を無駄なく利用した場合であっても、棚３００の各段に置かれた各被加熱物３５０が受ける熱量をばらつきにくくすることが可能である。

なお、本実施形態の加熱炉１０ａでは、炉壁３０や炉床５０の耐熱材１１０としては、耐熱性の高い材質で作られていれば特に制限されないが、例えば、アルミナ質材料や、酸化チタン（ＴｉＯ_２，ＴｉＯなど）と酸化珪素（ＳｉＯ_２）との複合材料から作られたものを挙げることができる。

本実施形態の加熱炉１０ａでは、内張材１５０ａ〜１５０ｃとしては、耐熱性が高くかつそれぞれの熱放射率を異なるようにできる材質で作られていれば特に制限されないが、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２，ＴｉＯなど）、およびシリカ（ＳｉＯ_２）（クリストバライト、トリジマイト、シリカなど）からなる群より選ばれる１種または２種以上を成分とする材質で作られているものを挙げることができる。

さらに、本実施形態の加熱炉１０ａでは、内張材１５０としては、複数枚の板状の部材からなり、さらに、これらの複数枚の板状の部材が、熱放射率の異なる板状の部材の群を構成するとともに、炉壁３０および炉床５０に張り替え可能な状態で設けることが好ましい。こうして内張材１５０を張り替え可能にする場合には、収容空間７０内に被加熱物３５０を収める態様によって、収容空間７０内の温度分布が異なる事態が生じてしまっても、内張材１５０を構成する複数枚の板状の部材を張り替えることにより、炉壁３０や炉床５０の表面の各領域における熱放射率を自在に最適化することが可能になる。

本実施形態の加熱炉１０ａでは、例えば、焼結ＳｉＣの板状部材を内張材１５０として用いることが好ましい。焼結ＳｉＣは、加熱を繰り返しても、熱放射率が変化しにくい性質があるためである。

図２は、本発明の加熱炉の他の実施形態の模式図である。本実施形態の加熱炉１０ｂでは、収容部２０が炉壁３０および炉床５０によって作られている。そして、炉壁３０および炉床５０によって収容空間７０が形成されている。さらに、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、炉壁３０および炉床５０が、耐熱材１１０の内側に内張材２００を張り付けて作られた二重構造になっている。したがって、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、炉壁３０および炉床５０の表面が内張材２００により形成されていることになる。

さらに、図示されるように、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、炉壁３０のうちの一箇所にバーナー２５０が挿入されており、バーナー２５０のガス流入口２７０が炉壁３０の表面に開口している。そして、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、バーナー２５０のガス流入口２７０から高温のガスを収容空間７０内に流入させることにより、収容空間７０内の雰囲気を昇温することができる。よって、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、バーナー２５０が加熱部１００としての役割を担う。

本実施形態の加熱炉１０ｂのように、バーナー２５０から発した高温のガスによって収容空間７０内の雰囲気を昇温する場合、高温のガスは、図２に示されるように、ガス流入口２７０から収容空間７０内を巡り、再びガス流入口２７０の周辺に戻るように環流する傾向がある。

図２には、収容空間７０内における温度Ｔ_１（℃）および温度Ｔ_２（℃）（但し、Ｔ_１＜Ｔ_２）の等温線を示す。本実施形態の加熱炉１０ｂの場合、高温のガスは熱を奪われながら収容空間７０内を環流するので、収容空間７０内における高温のガスの流れの中で、上流の場所では雰囲気の温度が高く、中流の場所、さらに下流の場所へと行くにつれて雰囲気温度が低くなっていく傾向にある。より詳しく述べると、収容空間７０内におけるガスの流れの中で、上流の場所は雰囲気の温度がＴ_２（℃）超、中流の場所は雰囲気の温度がＴ_１〜Ｔ_２（℃）、下流の場所は雰囲気の温度がＴ_１（℃）未満、という形でおおよそ区分することができる。

特に、バーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の周辺は、高温のガスが収容空間７０内を一通り巡った後に辿り着く場所に該当する。よって、このバーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の周辺の場所では、雰囲気の温度がＴ_１（℃）未満という具合に、収容空間７０内の他の場所よりも雰囲気の温度が低くなり易い。これにより、バーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の周辺の場所（内張材２００ａの周辺の場所）では、収容空間７０内の他の場所と比べ、雰囲気から被加熱物が受ける熱量が小さくなる。

そこで、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、バーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の表面を形成する内張材２００ａの熱放射率が、他の領域の炉壁３０および炉床５０の表面を形成する内張材２００ｂの熱放射率よりも大きくされている。これにより、バーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の周辺の場所（内張材２００ａの周辺の場所）では、収容空間７０内の他の場所と比べ、炉壁３０および炉床５０からの放射伝熱によって被加熱物が受ける熱量が大きくなる。

その結果、雰囲気から受ける熱量と炉壁３０や炉床５０からの放射伝熱量との総和という観点からみた場合、バーナー２５０のガス流入口２７０に隣接する領域の炉壁３０の周辺の場所［内張材２００ａの周辺の場所、雰囲気の温度がＴ_１（℃）未満の場所］と、収容空間７０内の他の場所［雰囲気の温度がＴ_１（℃）以上の場所］との間では、被加熱物が受ける総熱量の差を小さく抑えることが可能である。

なお、本実施形態の加熱炉１０ｂでは、炉壁３０や炉床５０の耐熱材１１０としては、耐熱性の高い材質で作られていれば特に制限されないが、例えば、アルミナ質材料や、酸化チタン（ＴｉＯ_２，ＴｉＯなど）と酸化珪素（ＳｉＯ_２）との複合材料から作られたものを挙げることができる。

本実施形態の加熱炉１０ｂでは、内張材２００ａ，２００ｂとしては、耐熱性が高くかつそれぞれの熱放射率を異なるようにできる材質で作られていれば特に制限されないが、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２，ＴｉＯなど）、およびシリカ（ＳｉＯ_２）（クリストバライト、トリジマイト、シリカなど）からなる群より選ばれる１種または２種以上を成分とする材質で作られているものを挙げることができる。

本発明は、例えば、セラミックス製品を製造する際の加熱処理（例えば、乾燥や焼成）に用いる加熱炉として利用できる。

１０，１０ａ，１０ｂ：加熱炉、２０：収容部、３０：炉壁、５０：炉床、７０：収容空間、８０：ヒーター、１００：加熱部、１１０：耐熱材、１５０，１５０ａ〜１５０ｃ：内張材、２００，２００ａ，２００ｂ：内張材、２５０：バーナー、２７０：ガス流入口、３００：棚、３５０，３５０ａ〜３５０ｃ：被加熱物。

Claims

炉壁と炉床とを有し、前記炉壁および前記炉床に囲まれ、被加熱物を収容するための収容空間が形成された収容部と、
前記収容空間内の雰囲気の温度を昇温する加熱部と、を備え、
前記収容部の前記炉壁および前記炉床の表面においては、一部の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、他の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率とは異なる加熱炉。
前記収容部の前記炉壁および前記炉床の前記表面は、第一の領域と、前記第一の領域に接する雰囲気よりも高温の雰囲気に接する第二の領域とを有し、
前記第一の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、前記第二の領域の前記表面を形成する部材の熱放射率よりも大きい請求項１に記載の加熱炉。
前記加熱部は、前記炉壁または前記炉床に開口し、高温のガスを前記収容空間内に流入させるガス流入口を有し、
前記収容部の前記炉壁および前記炉床の前記表面においては、前記ガス流入口に隣接する領域の前記表面を形成する部材の熱放射率が、前記ガス流入口に隣接しない領域の前記表面を形成する部材の熱放射率よりも大きい請求項１または２に記載の加熱炉。