JP2015210064A - 蓄熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換の効率が高い蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体を提供すること。
【解決手段】 本発明の蓄熱体１は、バーナの燃焼により加熱された排ガス及びバーナの燃焼のために供給されるガスを交互に流通させて熱交換を行う蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体１であって、各ガスがその内部を通過する、軸方向に沿ってのびる貫通孔２を備えた柱状の部材よりなり、貫通孔２を区画する隔壁３の厚さ（ｄ）が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体に関する。

鍛造炉、熱処理炉、溶解炉、焼成炉などでは、バーナの燃焼により空間内温度を高温とするために、蓄熱式バーナ（リジェネバーナ）が使用されることがある。蓄熱式バーナは、バーナの燃焼により高温となった排ガスと、バーナの燃焼のために供給されるガスとを、交互に蓄熱体に流通させるべく、ガスの流通方向が数十秒間隔で切り換えられるバーナである。この流通方向の切り替えを行うことで、排ガスの熱は蓄熱体で回収され、回収された熱がバーナの燃焼のために新たに供給されるガスを予熱するために利用される。

したがって、蓄熱式バーナは、燃焼効率が高く、燃料を節減することができるため、省エネルギーに資するとともに、排出される二酸化炭素を削減することができる。このような蓄熱式バーナには、それぞれ蓄熱体と組み合わせられた一対のバーナを用いるタイプ（ツインリジェネバーナ）と、一つのバーナでガスの流通方向を切り替えるタイプ（セルフリジェネバーナ）とがある。

蓄熱式バーナ用の蓄熱体としては、従来、特許文献１に記載のように、ボールが多用されている。しかしながら、この場合、ガスはケーシング内に充填されたボールの間の空隙を流通するため、圧力損失が大きいという問題があった。また、ボールの表面積は小さいため、熱交換が不十分となるという問題もあった。

一方、特許文献２に記載のように、アルミナ、コーディエライト、ムライト等のセラミックスのハニカム構造体を、蓄熱式バーナ用蓄熱体として使用する技術も提案されている。ハニカム構造体は、多数の隔壁により区画されたセルを備え、セルは単一の方向に延びているため、ガス流通に伴う圧力損失が小さいという利点がある。また、ハニカム構造体は、ボールに比べて表面積が非常に大きいという利点もある。

しかしながら、ハニカム構造体の表面積を非常に大きなものとしている多数の隔壁は、非常に薄いものである。そのため、ハニカム構造の蓄熱体は強度が低いという問題があった。また蓄熱と放熱との繰り返しに伴う急激な温度変化により、亀裂や割れを生じ易いという問題、すなわち、耐熱衝撃性が低いという問題があった。さらには、アルミナ、コーディエライト、ムライト等のセラミックスは熱伝導率が低い。そのため、数十秒という短い間隔でガスの流通方向が切り換えられる蓄熱式バーナにおいて、短時間で蓄熱と放熱とを交互に繰り返す材料として適しているとは言えず、熱交換の効率の点で課題を有していた。

この問題に対して、特許文献３に記載のように、炭化珪素質セラミックス焼結体の基体と、基体の表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層と、を具備するハニカム構造体を使用する技術も提案されている。

しかしながら、特許文献３では、特許文献２に記載されたハニカム構造体と同等の形状のハニカム構造体を記載するのみであり、蓄熱と放熱との繰り返しに伴う急激な温度変化により亀裂や割れを生じ易いという問題、すなわち、耐熱衝撃性が低いという問題が残っていた。

更に、特許文献３では、表面に形成された珪酸系ガラスの酸化防止層は、基体を形成する炭化珪素質セラミックスよりも熱伝導率が低く、熱交換の効率が低くなるという問題もあった。

特開２００３−３４３８２９号公報 特開２００３−２８７３７９号公報 特開２０１３−１００９６６号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、強度、耐熱衝撃性が高く、かつ熱交換の効率が高い蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体について検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

本発明の蓄熱体は、バーナの燃焼により加熱された排ガス及びバーナの燃焼のために供給されるガスを交互に流通させて熱交換を行う蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体であって、各ガスがその内部を通過する、軸方向に沿ってのびる貫通孔を備えた柱状の部材よりなり、貫通孔を区画する隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明の蓄熱体は、ガスがその内部を通過する貫通孔を区画する隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上である。すなわち、隔壁の厚さが厚くなっている。これにより、隔壁自身の強度（耐熱衝撃性）が高くなっている。
更に、本発明の蓄熱体は、隔壁の厚さが厚くなったことで、隔壁自身の熱容量が増加している。すなわち、より多くの熱量の授受が可能となっている。

これらの結果、本発明の蓄熱体を利用した蓄熱式バーナは、燃焼効率が高く、燃料を節減することができ、省エネルギーに資するとともに排出される二酸化炭素を削減することができる。

実施例の蓄熱体の軸方向の端面を示した図である。 実施例の蓄熱体の構成を示した部分断面図である。 第一変形形態の蓄熱体の軸方向の端面を示した図である。 第二変形形態の蓄熱体の軸方向の端面を示した図である。 第三変形形態の蓄熱体の軸方向の端面を示した図である。 第四変形形態の蓄熱体の軸方向の端面を示した図である。

本発明の蓄熱体は、バーナの燃焼により加熱された排ガス及びバーナの燃焼のために供給されるガスを交互に流通させて熱交換を行う蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体である。そして、各ガスがその内部を通過する、軸方向に沿ってのびる貫通孔を備えた柱状の部材よりなり、貫通孔を区画する隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上である。

本発明の蓄熱体は、各ガス（バーナの燃焼により加熱された排ガス，バーナの燃焼のために供給されるガス）がその内部を通過する、軸方向に沿ってのびる貫通孔を備えた柱状の部材である。貫通孔は、その内部を各ガスが通過するときに、貫通孔を区画する隔壁と各ガスが接触し、熱の授受（熱交換）が行われる。

そして、本発明の蓄熱体は、貫通孔を区画する隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上である。隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上と厚くなることで、隔壁自身の強度が高くなる。また、隔壁の強度の増加は、耐熱衝撃性の増加も示す。隔壁の厚さが０．５ｍｍ未満では強度が低くなり、耐熱衝撃性も不十分となる。

更に、本発明の蓄熱体は、隔壁の厚さが厚くなることで、隔壁自身の熱容量が増加する。すなわち、より多くの熱量の回収が可能となり、その結果、より多くの熱量の回収・供給（熱交換）が可能となる。これにより、本発明の蓄熱体を蓄熱式バーナに使用したときに、蓄熱式バーナは、燃焼効率が高く、燃料を節減することができ、省エネルギーに資するとともに排出される二酸化炭素を削減することができる。

隔壁の厚さの上限は限定されるものではない。隔壁の厚さは、厚くなるほど強度及び熱容量の増加の効果を発揮できるが、過剰に厚くなりすぎると、各ガスの流通を阻害するようになる。すなわち、蓄熱体を通過するときの圧力損失の増加を招く。このため、隔壁の厚さは、０．５〜１．５ｍｍであることがより好ましい。

ここで、隔壁の厚さとは、貫通孔を区画する隔壁の最も薄い部分の厚さを示す。すなわち、隣接する二つの貫通孔を隔てる隔壁の最も薄い部分の厚さを示す。隔壁の厚さは、柱状の軸方向に垂直な断面での厚さであることがより好ましい。

本発明の蓄熱体では、貫通孔の形状（隔壁により区画されるセル空間の形状）についても、蓄熱体の軸方向にのびる状態で貫通した形状であること以外は限定されるものではない。すなわち、軸方向に垂直な断面でのセル空間の外周形状が、軸方向での位置によらずに同じ形状であっても、異なる形状であっても、いずれでもよい。好ましくは、軸方向に垂直な断面形状が一定の形状である。

更に、軸方向に垂直な断面でのセル空間の外周形状についても、真円や楕円等の円形形状、正方形や長方形等の方形形状、多角形形状、矩形形状等の一種以上の形状とすることができる。好ましい断面形状は、正方形状又は円形形状である。

本発明の蓄熱体の最も好ましい形状は、複数の貫通孔（セル）を有するハニカム形状である。蓄熱体を形成するハニカム体のより好ましい形状は、軸方向の垂直な断面での形状が一定の貫通孔が、等間隔で配された（すなわち、隔壁の厚さが均一な）形状のハニカム形状である。

本発明の蓄熱体がハニカム形状であるとき、蓄熱体は、一つのハニカム体であっても、複数のハニカム体（ハニカム分体）を組み合わせて形成されたものであっても、いずれでもよい。複数のハニカム体を組み合わせて形成された場合には、隣接する二つハニカム体が同じ構成（材質，形状）であっても、異なる構成（材質，形状）であっても、いずれでもよい。
本発明の蓄熱体の最も好ましい形状の一つは、正方形の外形をもつ柱状（角柱）であって、断面形状が正方形の貫通孔を、均一な間隔で備えた形状である。

また、本発明の蓄熱体の最も好ましい形状の別の一つは、円形の外形をもつ柱状で（円柱）あって、断面形状が円形の貫通孔を、均一な間隔（周方向や径方向で等間隔）で備えた形状である。

本発明の蓄熱体は、その材質が限定されるものではない。すなわち、本発明の蓄熱体を形成する材質は、従来の蓄熱体を形成する材質（セラミックス）を用いることができる。この材質としては、たとえば、アルミナ，コーディエライト，ムライト，炭化ケイ素等からなるセラミックスをあげることができる。

これらのセラミックスのうち、熱伝導率が高い炭化ケイ素を主成分としてなる炭化ケイ素質セラミックスが最も好ましい。すなわち、熱伝導率が高くなることで、バーナからの排ガスの熱を短時間で回収し、回収した熱を短時間で供給ガスに付与することができ、熱交換の効率が高い。具体的には、それぞれのセラミックス（緻密体）の熱伝導率として、炭化ケイ素（１００〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ），アルミナ（３０Ｗ／ｍ・Ｋ），コーディエライト（４Ｗ／ｍ・Ｋ），ムライト（５Ｗ／ｍ・Ｋ）であることが知られている。

加えて、炭化ケイ素の熱膨張率は、約４×１０^−６／℃と小さい。これは、アルミナの熱膨張率の約１／２である。すなわち、炭化ケイ素は、熱伝導率が高いとともに熱膨張率が小さいため、耐熱衝撃性に優れる。したがって、炭化ケイ素は、蓄熱と放熱との繰り返しに伴って急激な温度変化を受け続ける、蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体として適している。

本発明の蓄熱体を形成するセラミックスは、多孔質セラミックスであることが好ましい。多孔質セラミックスは、微細な細孔を有しており、広い表面積を形成する。この結果、熱交換性が向上する。加えて、多孔質セラミックスが熱膨張を生じたときに、細孔容積が減少することで熱膨張を許容することとなり、蓄熱体の耐熱衝撃性も向上する。

蓄熱体を形成する多孔質セラミックスの具体的な特性は限定されるものではなく、たとえば、気孔率が２０〜５０％であることが好ましい。

本発明の蓄熱体が炭化ケイ素質セラミックスよりなる場合に従来と同様にガラス質の表面層を形成していてもよいが、熱伝導率の低下を招くことから、ガラス質の表面層を有しないことが好ましい。

本発明の蓄熱体は、蓄熱式バーナに用いられる。本発明の蓄熱体が用いられる蓄熱式バーナは、特に限定されるものではなく、従来公知の構成の蓄熱式バーナをあげることができる。

本発明の蓄熱体がガラス質の表面層を有していない炭化ケイ素質セラミックスよりなる場合に、蓄熱式バーナは、８００〜１１００℃の加熱に用いられることが好ましい。

以下、本発明の実施例として、ハニカム形状の蓄熱体を用いて具体的に説明する。
［実施例１］
本例の蓄熱体は、図１〜２に概略形状を示した、炭化ケイ素質セラミックスよりなるハニカム体である。図１は蓄熱体の上面（軸方向端面）を示した図であり、図２は図１中のＩＩ線における断面を示した部分断面図である。
本例の蓄熱体１は、図１〜２に示したように、多数の貫通孔２が軸方向に貫通した角柱状のハニカム体１０である。

ハニカム体１０は、軸方向にのびる柱状をなすように形成されている。ハニカム体１０は、見かけの外形が、５０×５０×１００ｍｍの正方形の角柱をなしている。

貫通孔２は、外形（開口部及び断面の外形）が正方形状をなすように形成されている。この貫通孔２は、軸方向で均一な形状をなしている。貫通孔２は、７．７５セル／ｃｍ^２（５０セル／ｉｎｃｈ^２）の密度で形成されている。

ハニカム体１０は、それぞれの貫通孔２を隔壁３が区画している。そして、隣接する二つの貫通孔２，２の隔壁３の厚さ（ｄ）が０．６３５ｍｍ（２５ｍｉｌ）となっている。なお、隔壁３のうちハニカム体１０の外周面を区画する隔壁３’は、外周形状を形成するために隔壁３よりも厚く形成されている。

本例の蓄熱体１は、炭化ケイ素質セラミックスよりなる。炭化ケイ素質セラミックスは、炭化ケイ素粉末をその他の添加剤（バインダ等の焼成後のセラミックスの成分に影響を与えない添加剤）とともに成形し、焼成（焼結）することで製造される。

本例の蓄熱体１を形成する炭化ケイ素質セラミックスは、多孔質のセラミックスである。この多孔質セラミックスは、気孔率が４１％であった。

［実施例２］
本例の蓄熱体は、隔壁３の厚さ（ｄ）が１．０００ｍｍであること以外は、実施例１と同様なハニカム体である。

［比較例１］
本比較例の蓄熱体は、φ４０ｍｍのアルミナボールよりなる。

［比較例２］
本例の蓄熱体は、隔壁３の厚さ（ｄ）が０．３００ｍｍであること以外は、実施例１と同様なハニカム体である。

［比較例３］
本例の蓄熱体は、隔壁３の厚さ（ｄ）が２．０００ｍｍであること以外は、実施例１と同様なハニカム体である。
［評価］
（熱交換性）
実施例及び比較例の蓄熱体の評価として、まず、熱交換性能を評価した。

具体的には、まず、燃焼容量が１１６ｋＷ（１００，０００ｋｃａｌ／ｈ）の蓄熱式バーナにそれぞれの蓄熱体を組み付けた。比較例の蓄熱体は、カラムにアルミナボール１００個を充填して組み付けられた。実施例の蓄熱体は、比較例の場合と同じカラムに、２０個のハニカム体１０を、軸方向及び径方向で複数個が並んだ状態で組み付けた。実施例の蓄熱体は、隣接するハニカム体１０の側面同士が密着した状態で組み付けられた。

そして、蓄熱式バーナを稼働し、炉内温度が１０００℃になるまで１時間かけて加熱する。このとき、バーナの燃焼により高温となった排ガスと、バーナの燃焼のために供給されるガスと、を１５秒間隔で切り換えた。
その後、蓄熱式バーナの蓄熱体を通過して熱が回収された排出ガスの温度を測定した。測定された温度（排出ガス温度）を表１に示した。
あわせて、バーナの燃焼のために供給されるガスであって、蓄熱体を通過して予熱された後のガスの温度（予熱ガス温度）を求め、表１に合わせて示した。

さらに、熱交換性能の評価を行った蓄熱体の状態を観察した。観察結果を表１に耐割れ性としてあわせて示した。表１には、ハニカム体に割れ，クラックや欠け等の損傷が確認できなかった例には○で、微細な欠け（クラック）が確認された例には△で、ハニカム体に割れや欠けが発見された例には×で、それぞれ示した。

表１に示したように、比較例２では、ハニカム体に割れや、欠けが発見された。すなわち、比較例２の蓄熱体（ハニカム体）は、耐熱衝撃性が低い（蓄熱式バーナの蓄熱体の用途には不十分）であることがわかる。
また、他の例（実施例及び比較例）では、割れや、欠けが発見されなかった。すなわち、実施例１〜２の蓄熱体（ハニカム体）は、蓄熱式バーナの蓄熱体として十分な耐熱衝撃性を有していることがわかる。

表１に示したように、実施例１の蓄熱体での排出ガス温度は、２３１℃であった。実施例２では、２１０℃であった。同様に比較例１、２、３の蓄熱体での排出ガス温度は、それぞれ３２０℃、２４０℃、２１０℃であった。すなわち、実施例１、２の蓄熱体での排出ガス温度は、比較例１、２の蓄熱体での排出ガス温度よりも低い温度となっている。実施例及び比較例の蓄熱体に流れ込む排ガスの温度は１０００℃であることから、実施例１、２の蓄熱体の方が、比較例１、２の蓄熱体よりもより多くの熱量を吸熱（回収）していることがわかる。

また、実施例１、２の蓄熱体での予熱ガス温度は、それぞれ７９０℃、８０５℃であった。同様に比較例１、２、３の蓄熱体での予熱ガス温度は、それぞれ７００℃、７６４℃、７６０℃であった。すなわち、実施例１、２の蓄熱体での予熱ガス温度は、比較例１、２、３の蓄熱体での予熱ガス温度よりも高い温度となっている。つまり、実施例の蓄熱体を用いる場合には、比較例の蓄熱体よりもより高温に予熱されているため、所定の炉内温度（１０００℃）まで上昇させるための燃料ガスの量を少なくすることができる。つまり、蓄熱式バーナの燃料消費量を削減することができる。
排出ガス温度及び予熱ガス温度から、実施例の蓄熱体は、比較例の蓄熱体よりも、熱交換性に優れていることがわかる。表１中、熱交換性に優れたものを○、優れていないものには×で示した。

（圧力損失）
蓄熱式バーナに組み付けられた状態での実施例及び比較例の蓄熱体を通過する前後のガスの圧力を測定し、その圧力差から、圧力損失を求めた。得られた圧力損失の値を表１に合わせて示した。

表１に示したように、実施例１、２の蓄熱体の圧力損失は、それぞれ０．８０ｋＰａ、０．８５ｋＰａであり、比較例１、３の蓄熱体の圧力損失の１．０５ｋＰａ、１．１０ｋＰａよりも低い値となっている。このことから、実施例の蓄熱体は、圧力損失を低減できることがわかる。表１中、圧力損失の小さい（１．０ｋＰａ以下）ものを○、大きい（１．０ｋＰａより大きい）ものには×で示した。

（重量）
実施例及び比較例の各蓄熱体の重量（質量）を測定した。実施例１、２の蓄熱体は、それぞれ３．２ｋｇ、５．２ｋｇであり、比較例１の蓄熱体は１４．０ｋｇであった。実施例１〜２の蓄熱体は、比較例１の蓄熱体と比較して、その重量が大幅に少ないことがわかる。このことは、蓄熱体の保持のために特別な装置を必要としなくなり、その結果、蓄熱式バーナを簡易に小型化できる。

［実施例の変形形態］
上記の実施例では、ハニカム体１０よりなる蓄熱体を例示したが、本発明の蓄熱体はこの形状に限定されるものではない。たとえば、下記の各変形形態であってもよい。

第一変形形態は、図３にその端面が示されたハニカム体１０である。本形態は、軸方向にのびる円柱状の外周形状と、外形（開口部及び断面の外形）が円形の貫通孔２と、を有する。

第二変形形態は、図４にその端面が示された円筒状の部材４である。本形態は、円筒状の部材４の軸心部が貫通孔２に相当する。本形態は、第一変形形態において貫通孔２を一つとした形態に相当する。

第三変形形態は、図５にその端面が示された小径の円筒状の部材５’を組み合わせてなる部材５である。本形態は、小径の円筒状の部材５’の軸心部、及び隣接する円筒状の部材５’に囲まれた部分が、貫通孔２に相当する。

第四変形形態は、図６にその端面が示されたハニカム体１０’である。本形態は、外周面に凹凸が形成されていること以外は、実施例と同様なハニカム体１０’である。図６では外周面の凸となっている部分が、隔壁３を延長した構成となっているが、本形態はこの構成に限定されない。すなわち、外周面の凸となっている部分の厚さは限定されるものではない。本形態では、実施例と同様に隔壁３に区画された貫通孔２だけでなく、外周面の凸となった部分と蓄熱体が組み付けられるケースの内表面との間で区画される空間も、貫通孔２として機能する。
各変形形態においても、実施例と同様な効果を発揮する。

１：蓄熱体
１０，１０’：ハニカム体
２：貫通孔
３：隔壁
４，５，５’：円筒状の部材

Claims (4)

1. バーナの燃焼により加熱された排ガス及びバーナの燃焼のために供給されるガスを交互に流通させて熱交換を行う蓄熱式バーナに用いられる蓄熱体であって、
   各該ガスがその内部を通過する、軸方向に沿ってのびる貫通孔を備えた柱状の部材よりなり、
   該貫通孔を区画する隔壁の厚さが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする蓄熱体。
2. 前記隔壁の厚さが０．５〜１．５ｍｍである請求項１記載の蓄熱体。
3. 複数の前記貫通孔を有するハニカム形状である請求項１〜２のいずれか１項に記載の蓄熱体。
4. 炭化ケイ素質セラミックスよりなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱体。

Images