JP2017040461A - 蓄熱器及び蓄熱バーナー - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構造で高い熱交換性能を有し、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られる蓄熱機構を提供する。
【解決手段】蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを備え、流体が蓄熱部Ａを一方向に通過することで当該流体から蓄熱体への蓄熱がなされ、流体が蓄熱部Ａを逆方向に通過することで蓄熱体から当該流体への放熱がなされる蓄熱器であって、蓄熱部Ａを流体の流れ方向で複数の領域ａに区画し、これら複数の領域ａには異なる種類の蓄熱体を充填するとともに、複数の領域ａのうちの少なくとも１つは、カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して構成された潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘとする。
【選択図】図５

Description

本発明は、排ガスなどの高温流体から熱回収を行って蓄熱する蓄熱器と、これを用いた蓄熱バーナーなどに関する。

従来、鋼材などを加熱するための加熱炉に設置される燃焼バーナーとして、二酸化炭素削減や省エネルギーの観点から、蓄熱式バーナーが用いられている。この蓄熱式バーナーは、燃焼排ガスと支燃ガス（燃焼用空気など）を交互に通過させる蓄熱器を備えており、この蓄熱器で燃焼排ガスの熱を回収・蓄熱するとともに、その熱を放出して支燃ガスを予熱することにより、燃焼排ガスの熱を有効利用して燃焼効率の改善を図るようにしている。

蓄熱式バーナーの蓄熱器としては、バーナーの燃焼容量に応じて容積が決められた蓄熱室（蓄熱体収納容器）内に、蓄熱体であるセラミックボールを充填し、そこに燃焼排ガスと支燃ガスを交互に流して蓄熱・放熱を行うようにしたものが知られている。特許文献１には、このような蓄熱器を備えた蓄熱式バーナーのとして、熱交換性能を向上させるために大きさの異なる蓄熱体を備えたものが示されている。

特開２００３−３４３８２９号公報 国際公開第２０１３／０６１９７８号

しかしながら、従来の蓄熱器は熱交換性能が十分でなく、熱回収量（蓄熱量）が少ないという問題がある。熱回収量を多くするために蓄熱室（蓄熱体収納容器）を大きくすることが考えられるが、コンパクトな設備構成ができなくなり、設備費も高くなる。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、コンパクトな構造で高い熱交換性能を有し、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られる蓄熱器を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのような高性能の蓄熱器を備えた蓄熱式バーナーや排熱回収システムなどを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］蓄熱体が充填された蓄熱部（Ａ）を備え、流体が蓄熱部（Ａ）を一方向に通過することで当該流体から蓄熱体への蓄熱がなされ、流体が蓄熱部（Ａ）を逆方向に通過することで蓄熱体から当該流体への放熱がなされる蓄熱器であって、
蓄熱部（Ａ）が流体の流れ方向で複数の領域（ａ）に区画され、これら複数の領域（ａ）には異なる種類の蓄熱体が充填されるとともに、複数の領域（ａ）のうちの少なくとも１つは、カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して構成された潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された領域（ａ_ｘ）であることを特徴とする蓄熱器。
［2］上記［1］の蓄熱器において、複数の領域（ａ）のうちの少なくとも１つは、顕熱蓄熱体（ｙ）が充填された領域（ａ_ｙ）であることを特徴とする蓄熱器。
［3］上記［2］の蓄熱器において、顕熱蓄熱体（ｙ）が充填された２つの領域（ａ_ｙ）間に、潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された１つ以上の領域（ａ_ｘ）が設けられることを特徴とする蓄熱器。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの蓄熱器において、潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材が固液相変態する金属又は合金からなることを特徴とする蓄熱器。

［5］上記［1］〜［4］のいずれかの蓄熱器において、潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された複数の領域（ａ_ｘ）が設けられるとともに、該複数の領域（ａ_ｘ）の潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材は、蓄熱体への蓄熱を行う流体の流れ方向における上流側の領域（ａ_ｘ）ほど相変態温度が高いことを特徴とする蓄熱器。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかの蓄熱器において、潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材の固液相変態する際の融解点（但し、固相状態にある潜熱蓄熱材の一部が融解し始める温度）をＴ_Ｍ（℃）、凝固開始点（但し、液相状態にある潜熱蓄熱材の一部が凝固し始める温度）をＴ_Ｓ（℃）とした場合において、
蓄熱部（Ａ）における流体流れ方向において、流体から蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｍ±５０℃となる位置と、蓄熱体から流体への放熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｓ±５０℃となる位置との間の任意の範囲に、前記潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された領域（ａ_ｘ）が設けられることを特徴とする蓄熱器。

［7］上記［1］〜［6］のいずれかの蓄熱器において、蓄熱部（Ａ）が通気性のある仕切壁を介して複数の領域（ａ）に区画されることを特徴とする蓄熱器。
［8］燃焼排ガスと支燃ガスを交互に通過させる蓄熱器として、上記［1］〜［7］のいずれかの蓄熱器を備えることを特徴とする蓄熱式バーナー。
［9］排ガスからの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器として、上記［1］〜［7］のいずれかの蓄熱器を備えることを特徴とする排熱回収システム。
［10］熱媒体の循環路において熱媒体からの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器として、上記［1］〜［7］のいずれかの蓄熱器を備えることを特徴とする熱媒体の循環システム。

本発明の蓄熱器で用いる潜熱蓄熱体ｘは、封入された潜熱蓄熱材に固有の限られた温度域で高い蓄熱性能を発揮する。本発明の蓄熱器は、蓄熱部Ａを流体の流れ方向で複数の領域ａに区画し、これら複数の領域ａに異なる種類の蓄熱体を充填するとともに、複数の領域ａのうちの少なくとも１つを、特定の潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘとしたものであるため、潜熱蓄熱体ｘを、その性能を最大限に発揮できる温度領域（領域ａ）に選択的に配置できることができ、また、その他の領域ａにも、その温度域に適した蓄熱体を選択的に配置することができる。すなわち、少なくとも潜熱蓄熱体ｘを含む異なる種類の蓄熱体を、その性能を最大限に発揮できる温度領域（領域ａ）に対して適材適所に配置することができる。このため、コンパクトな構造で高い熱交換性能を有し、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られる蓄熱器とすることができる。
また、本発明の蓄熱器を備えた蓄熱式バーナーは、燃焼排ガスからの高い熱回収量（蓄熱量）が得られ、この熱で支燃ガスを予熱できるため、バーナー温度が安定化し、従来の蓄熱式バーナーに較べて被加熱物をより均一に加熱することができる。
さらに、本発明の蓄熱器を備えた排熱回収システムや熱媒体の循環システムは、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られ、効率的な運転、操業を行うことができる。

本発明の蓄熱器に使用する潜熱蓄熱体ｘの一実施形態を示す半断面図 潜熱蓄熱材であるＡｌ−Ｓｉ共晶合金の共晶二元系状態図 本発明の蓄熱器において、蓄熱部Ａを構成する領域ａの配置例を示す説明図 蓄熱式バーナーが設置された加熱炉の一実施形態と、その操業状況を示す説明図 本発明の蓄熱器を備える蓄熱式バーナーの一実施形態において、蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを模式的に示す断面図 図５に示す蓄熱式バーナーの蓄熱部Ａに充填された蓄熱体の温度分布と、蓄熱体（潜熱蓄熱体、顕熱蓄熱体）の融解潜熱、凝固潜熱を含めたみかけ比熱を示すグラフ 本発明の蓄熱部を備える蓄熱式バーナーの他の実施形態において、蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを模式的に示す断面図 図７に示す蓄熱式バーナーの蓄熱部Ａに充填された蓄熱体の温度分布と、蓄熱体（潜熱蓄熱体）の融解潜熱、凝固潜熱を含めたみかけ比熱を示すグラフ

本発明の蓄熱器は、高温流体の熱を蓄熱し、その熱を低温流体に放出するための装置であり、蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを備え、流体（高温流体）が蓄熱部Ａを一方向に通過することで当該流体から蓄熱体への蓄熱がなされ、流体（低温流体）が蓄熱部Ａを逆方向に通過することで蓄熱体から当該流体への放熱がなされる。
本発明の蓄熱器は、蓄熱部Ａを流体の流れ方向で複数の領域ａに区画し、これら複数の領域ａに異なる種類の蓄熱体を充填するとともに、複数の領域ａのうちの少なくとも１つを、カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して構成された潜熱蓄熱体ｘ（以下、単に「潜熱蓄熱体ｘ」という）が充填された領域ａ_ｘとする。
ここで、蓄熱体への蓄熱、蓄熱体からの放熱がなされる流体は、通常はガスであるが、ガス以外の流体（例えば、熱媒や冷媒として用いられる水、溶液、溶融塩など）であってもよい。

潜熱蓄熱材は、相変態（例えば固相と液相間での相変態）する際に蓄熱・放熱する材料であり、このような材料を封入したカプセル体が潜熱蓄熱体ｘである。この潜熱蓄熱体ｘも、従来から用いられているセラミックボールなどの顕熱蓄熱体と同様、流体が通過する蓄熱用空間（領域）に多数個充填され、流体との間で熱交換することにより蓄熱、放熱がなされる。
図１は、潜熱蓄熱体ｘの一実施形態を示す半断面図であり、カプセル１内に潜熱蓄熱材２が封入された構造を有する。本実施形態のカプセル１は球形であるが、カプセル１の形状に特に制限はない。潜熱蓄熱体ｘの大きさ（径）は、蓄熱部Ａに充填する関係上、体積の球形換算で１０〜３０ｍｍ程度であるのが普通である。通常、カプセル１は半割状のカプセル部材を連結（例えば、ネジによる連結）又は接合することで構成される。

潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材２の種類に特に制限はなく、例えば、金属又は合金、無機塩、無機水和塩、有機化合物などを用いることができる。これらの大部分は固液相変態する際に蓄熱・放熱するものであるが、固固相変態する際に蓄熱・放熱するものなどもある。また、カプセル１は、金属又は合金やセラミックなどで構成される。
また、潜熱蓄熱材２としては、特に金属又は合金からなるものが好ましく、なかでも、特許文献２に示されるような、Ｓｉ及び／又はＢｉと、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｂの中から選ばれる１種以上の金属元素を含む合金が好ましい。この潜熱蓄熱材は、固液相変態する材料であり、周囲から熱を吸収した際に固相から液相に相変態して熱を潜熱として蓄え、周囲に熱を放出した際に液相から固相に相変態する（潜熱の放出）。この潜熱蓄熱材は、金属であるため熱エネルギーの迅速な入出力が可能であるとともに、相変態する際の体積膨張率（融解時体積膨張率）が小さいため、蓄熱密度を高くできる利点がある。また、合金を構成する各元素の組成比を変えることで、合金の相変態温度（凝固開始点など）を調整でき、幅広い温度帯の熱回収に適用することができる。

また、上記合金のなかでも、カプセルと蓄熱材の膨張、収縮の親和性の観点から、特にＡｌ−Ｓｉ共晶合金が好ましい。図２は、Ａｌ−Ｓｉ共晶合金の共晶二元系状態図であり、横軸はＳｉ含有量である。図中、Ｌは液相領域、α＋βは固相領域、Ｌ＋αとＬ＋βは液相・固相の共存領域である。ここで、Ｓｉ含有量が数％以上の合金では、融解点（但し、固相状態にある合金の一部が融解し始める温度。以下同様。）は約５８０℃であり、また、Ｓｉ含有量が約１３mass％以上の合金では、Ｓｉ含有量が多いほど凝固開始点（但し、液相状態にある合金の一部が凝固し始める温度。以下同様。）は高くなる。したがって、Ｓｉ含有量が約１３mass％以上の合金では、融解点と凝固開始点間の温度範囲で、固液相変態によって周囲の熱を潜熱として蓄え、また潜熱として蓄えた熱を放出することができる。例えば、Ａｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金の凝固開始点は約７７０℃、Ａｌ−４０mass％Ｓｉ共晶合金の凝固開始点は約９６０℃、Ａｌ−６０mass％Ｓｉ共晶合金の凝固開始点は約１１６０℃であり、したがって、Ａｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金では約５８０〜７７０℃の温度範囲、Ａｌ−４０mass％Ｓｉ共晶合金では約５８０〜９６０℃の温度範囲、Ａｌ−６０mass％Ｓｉ共晶合金では約５８０℃〜１１６０℃の温度範囲において、特に高い蓄熱性能を発揮できる。ただし、Ａｌ−Ｓｉ共晶合金の場合には、これらの温度範囲の中でも低温側の温度範囲おいて、より高い蓄熱性能を発揮する。
また、潜熱蓄熱材２としては上記以外に、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｇＣｌ_２なども使用できる。ここで、Ａｌ−９２mass％Ｃｕ合金では１０３０〜１０５０℃の温度範囲で、Ｃｕでは１０８５℃で、Ａｌでは６６０℃、ＭｇＣｌ_２では７１０℃で、それぞれ高い蓄熱性能を発揮できる。

本発明の蓄熱器では、蓄熱部Ａの複数の領域ａに異なる種類の蓄熱体を充填するとともに、複数の領域ａのうちの少なくとも１つを潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘとするものであり、したがって、他の領域ａのうちの少なくとも１つを顕熱蓄熱体ｙが充填された領域ａ_ｙとしてもよい。この場合、例えば、顕熱蓄熱体ｙが充填された２つの領域ａ_ｙ間に、潜熱蓄熱体ｘが充填された１つ以上の領域ａ_ｘを設けてもよい。顕熱蓄熱体ｙは、通常、粒状ないし塊状（ボール状など）の金属、合金、セラミックなどからなるもので、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３ボールなどのセラミックボールを用いることができる。顕熱蓄熱体ｙの大きさ（径）は、蓄熱部Ａに充填する関係上、体積の球形換算で１０〜３０ｍｍ程度であるのが普通である。
また、潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘを複数設けてもよいが、この場合、効率的な蓄熱を行うために、その複数の領域ａ_ｘの潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材は、蓄熱体への蓄熱を行う流体（高温流体）の流れ方向における上流側の領域ａ_ｘほど相変態温度が高いことが好ましい。なお、この場合の相変態温度の定義は、後述する通りである。

図３（ア）〜（ウ）は、本発明の蓄熱器における蓄熱部Ａを構成する複数の領域ａの配置例を示すものである。３は蓄熱部Ａが設けられる容器であり、この容器３の両端に流体の出入口３０、３１が設けられている。蓄熱部Ａは流体流れ方向において複数の領域ａに区画されている。この実施形態では、蓄熱部Ａ（容器内部）が網などの通気性のある仕切壁４で仕切られることで、複数の領域ａに区画されている。
蓄熱体への蓄熱を行う流体ｆ1（高温流体）は、出入口３０から蓄熱部Ａに導入され、蓄熱部Ａを通過した後、出入口３１から排出される。一方、蓄熱体からの放熱を行う流体ｆ2（低温流体）は、出入口３１から蓄熱部Ａに導入され、蓄熱部Ａを通過した後、出入口３０から排出される。
なお、図３の実施形態では、蓄熱部Ａ（容器内部）が網などの通気性のある仕切壁４で仕切られることで、複数の領域ａに区画されているが、例えば、複数の領域ａをそれぞれ独立した容器に設け、これら容器を連通させるような構造にしてもよい。

図３（ア）の実施形態では、蓄熱部Ａは流体流れ方向において３つの領域ａに区画され、中央が潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘ、両端が顕熱蓄熱体ｙが充填された領域ａ_ｙ１，ａ_ｙ２となっている。
図３（イ）の実施形態では、蓄熱部Ａは流体流れ方向において３つの領域ａに区画され、異なる潜熱蓄熱材を備えた潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘ１〜ａ_ｘ３となっている。これら３つの領域ａ_ｘ１〜ａ_ｘ３の潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材は、蓄熱体への蓄熱を行う流体ｆ1（高温流体）の流れ方向における上流側の領域ａ_ｘほど相変態温度が高くなっている。すなわち、潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材の相変態温度は、領域ａ_ｘ１＞領域ａ_ｘ２＞領域ａ_ｘ３となっている。

図３（ウ）の実施形態では、蓄熱部Ａは流体流れ方向において４つの領域ａに区画され、中央の２つが潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘ１，ａ_ｘ２、両端が顕熱蓄熱体ｙが充填された領域ａ_ｙ１，ａ_ｙ２となっている。中央の２つの領域ａ_ｘ１，ａ_ｘ２の潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材の相変態温度は、領域ａ_ｘ１＞領域ａ_ｘ２となっている。
ここで、潜熱蓄熱材の相変態温度とは、融解点（但し、固相状態にある潜熱蓄熱材の一部が融解し始める温度。以下、「融解点」という場合は、この意味である。）、凝固開始点（但し、液相状態にある潜熱蓄熱材の一部が凝固し始める温度。以下、「凝固開始点」という場合は、この意味である。）などの１つ以上を指す。例えば、図３（イ）、（ウ）において潜熱蓄熱材として用いられるＡｌ−Ｓｉ共晶合金の場合は、相変態温度が高いとは凝固開始点が高いという意味である。

潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘを設ける温度域については、当該潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材の潜熱蓄熱特性に応じて、以下のようにすることが好ましい。すなわち、潜熱蓄熱体ｘが固液相変態する潜熱蓄熱材を備える場合において、その潜熱蓄熱材の固液相変態する際の融解点をＴ_Ｍ（℃）、凝固開始点をＴ_Ｓ（℃）とした場合において、蓄熱部Ａにおける流体流れ方向において、流体から蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｍ±５０℃となる位置と、蓄熱体から流体への放熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｓ±５０℃となる位置との間の任意の範囲に、前記潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘが設けられることが好ましい。なお、上記のようにＴ_Ｍ、Ｔ_Ｓに対して±５０℃とするのは、若干の許容温度範囲を考慮したものである。
ここで、流体から蓄熱体への蓄熱期間、蓄熱体から流体への放熱期間は、蓄熱器が適用される装置や設備・システムにおいて、それぞれの必要に応じて決められる。

例えば、潜熱蓄熱材がＡｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金の場合、上述したように融解点Ｔ_Ｍは約５８０℃、凝固開始点Ｔ_Ｓは約７７０℃なので、蓄熱部Ａにおける流体流れ方向において、流体（例えば、蓄熱バーナーでは燃焼排ガス）から蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度が５８０℃±５０℃となる位置と、蓄熱体から流体（例えば、蓄熱バーナーでは支燃ガス）への放熱期間の終点での蓄熱体温度が７７０℃±５０℃となる位置との間の任意の範囲に、前記潜熱蓄熱体ｘ（Ａｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金）が充填された領域ａ_ｘが設けられることが好ましい。
潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘを以上のように設けることにより、潜熱蓄熱材の潜熱蓄熱性能を最大限に発揮させることができる。

潜熱蓄熱体ｘは、封入された潜熱蓄熱材２（例えば、上記のような共晶合金）に固有の限られた温度域で高い蓄熱性能を発揮する。本発明の蓄熱器は、蓄熱部Ａに設けられた複数の領域ａに異なる種類の蓄熱体を充填するとともに、複数の領域ａのうちの少なくとも１つを潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘとするものであり、上記の通り、潜熱蓄熱体ｘを、その性能を最大限に発揮できる温度領域（領域ａ）に選択的に配置できることができる。また、その他の領域ａにも、その温度域に適した蓄熱体を選択的に配置することができる。すなわち、少なくとも潜熱蓄熱体ｘを含む異なる種類の蓄熱体を、その性能を最大限に発揮できる温度領域（領域ａ）に対して適材適所に配置することができる。このため、コンパクトな構造で高い熱交換性能を有し、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られる蓄熱器とすることができる。

以下、本発明の蓄熱器を適用した蓄熱バーナーの実施形態について説明する。
図４は、蓄熱式バーナーが設置された加熱炉の一実施形態と、その操業状況を示している。
図４において、加熱炉５の両側部には、蓄熱式バーナー６a，６bが設置され、その燃焼により炉内の被加熱物Ｓ（鋼材など）が加熱される。各バーナー６a，６bのバーナー本体７には、本発明の蓄熱器８が付設されている。この蓄熱器８は、例えば、図３（ア）〜（ウ）に示すような蓄熱部Ａを有している。
各バーナー６a，６bは交互に使用され（例えば、０．５〜１分毎に交互に使用される）、一方のバーナー６a又は６bの使用時に生じた高温の燃焼排ガスが、使用されていない他方のバーナー６b又は６aを通じて排気され、この際、燃焼排ガスが蓄熱器８内の蓄熱部Ａを通過することで、燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱がなされる。また、バーナー６a又は６bの使用時には、燃焼用空気などの支燃ガス（通常、常温）が蓄熱器８の蓄熱部Ａを通過してバーナー本体７内に供給され、この際、蓄熱体から支燃ガスへの放熱がなされ、支燃ガスが予熱される。

各バーナー６a，６bにおいて、蓄熱器８の両端のガス出入口のうち、一方のガス出入口はバーナー本体７に通じ、他方のガス出入口には、支燃ガスの供給と燃焼排ガスの排出を行う配管９a，９bが接続される。各配管９a，９bの末端には、支燃ガス供給用の配管１０a，１０bと燃焼排ガス排出用の配管１１a，１１bが接続されている。また、各バーナー６a，６bのバーナー本体７には、配管１２a，１２bを通じて燃料ガスが供給される。各バーナー６a，６bに対応した配管１０a〜１２a，１０b〜１２bには、それぞれ開閉弁１３a〜１５a，１３b〜１５bが設けられている。

以下、図４の加熱炉の操業形態について説明するが、図示した配管９a〜１２a、９b〜１２bのうち、太線で表している部分はガスが流れている配管部、細線で表している部分はガスが流れていない配管部である。また、開閉弁１３a〜１５a、１３b〜１５bのうち、白抜きで表したものが開状態、黒で表したものが閉状態のものである。
蓄熱式バーナーを備えた加熱炉で蓄熱燃焼を行う場合には、一定時間毎にバーナー６a，６bの燃焼を切り替える交番燃焼が行われる。切り替え時間は、概ね０．５〜５分間程度と短いのが普通である。

図４（ア）に示すように、バーナー６aが燃焼状態にある場合は、配管１０a、配管９aを通じて供給される燃焼用空気などの支燃ガス（通常、常温）が蓄熱状態にある蓄熱部Ａを通過し、その際に蓄熱体から支燃ガスへの放熱がなされることで支燃ガスが予熱され（例えば、予熱温度１０００℃）、この予熱された支燃ガスがバーナー本体７に導入される。炉内ガスであるバーナー６aの燃焼排ガス（例えば、排ガス温度１２００℃）は、バーナー６b内に吸引され、その蓄熱部Ａを通過することで蓄熱体への蓄熱がなされた後、この燃焼排ガス（例えば、排ガス温度２００℃）は配管１１bを通じて排気ブロワ（図示せず）により排気される。

所定時間後、バーナー６a，６bの燃焼の切り替えが行われ、図４（イ）に示すように、バーナー６aの燃焼が停止され、バーナー６bを燃焼させる。このバーナー６bでは、配管１０b、配管９bを通じて供給される燃焼用空気などの支燃ガス（通常、常温）が蓄熱状態にある蓄熱部Ａを通過し、その際に蓄熱体から支燃ガスへの放熱がなされることで支燃ガスが予熱され（例えば、予熱温度１０００℃）、この予熱された支燃ガスがバーナー本体７に導入される。炉内ガスであるバーナー６bの燃焼排ガス（例えば、排ガス温度１２００℃）は、バーナー６a内に吸引され、その蓄熱部Ａを通過することで蓄熱体への蓄熱がなされた後、この燃焼排ガス（例えば、排ガス温度２００℃）は配管１１aを通じて排気ブロワ（図示せず）により排気される。

以上のように、一方のバーナー６が燃焼状態にあるとき、加熱炉５内の燃焼排ガス（炉内ガス）は他方のバーナー６に吸引されてその蓄熱部Ａを通過し、蓄熱がなされるが、この際、蓄熱部Ａ内の蓄熱体の高温側（燃焼排ガス入側）は短時間で燃焼排ガス温度まで加熱される。蓄熱部Ａを通過した燃焼排ガスは蓄熱体に熱を与えるため降温する。ここで、燃焼排ガスの吸引を継続すれば、蓄熱部Ａの内部まで燃焼排ガス温度に加熱することが可能であるが、やがて蓄熱部Ａの低温側（燃焼排ガス出側）でのガス温度が上昇する。蓄熱部Ａを通過した燃焼排ガスは、開閉弁１４を有する燃焼排ガス排出用の配管１１を通じて系外に排出されるので、蓄熱部Ａの低温側（燃焼排ガス出側）でのガス温度は開閉弁１４の耐熱温度（通常、経済的な価格で入手できる弁では３５０℃程度）を超えることはできない。一方、蓄熱部Ａの低温側（燃焼排ガス出側）での燃焼排ガス温度は低すぎても問題がある。すなわち、燃焼排ガス中に水分とともに硫黄分（燃料成分に由来する硫黄分）が含まれる場合、燃焼排ガスが１５０℃程度以下になるとガスの一部が凝縮して燃焼水が生じ、この燃焼水は配管や開閉弁を腐食させる。したがって、蓄熱部Ａの低温側（燃焼排ガス出側）での燃焼排ガス温度は１５０〜３５０℃の範囲（例えば平均で１８０℃程度）に維持されることが好ましい。

一方、燃焼状態にあるバーナーでは、一般に常温の支燃ガス（燃焼用空気など）が蓄熱部Ａを通過することで蓄熱体からの放熱により予熱された後、バーナー本体７に供給される。この予熱温度は高いほど好ましいが、例えば、蓄熱状態の蓄熱部Ａの最高温度（炉内での燃焼排ガス温度）よりも２００℃程度低い予熱温度が得られればよい。
以上の観点から、蓄熱式バーナーの燃焼排ガス温度（炉内ガス温度）に応じて蓄熱器８の蓄熱期間（燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間。以下同様。）、放熱期間（蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間。以下同様。）の長さが決まり、これに基づく所定の切り替え時間でバーナー６a，６bの燃焼を切り替える。

図５は、図４に示す蓄熱式バーナーに本発明の蓄熱器を適用した場合の一実施形態において、蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを模式的に示した断面図である。また、図６は、その蓄熱部Ａに充填された蓄熱体の温度分布と、蓄熱体（潜熱蓄熱体、顕熱蓄熱体）の融解潜熱、凝固潜熱を含めたみかけ比熱を示すグラフである。蓄熱体の温度分布のうち、実線が燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での温度分布、破線が蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での温度分布である。
この実施形態の蓄熱部Ａは、図３（ア）の構成を有しており、蓄熱部Ａはガス流れ方向において３つの領域ａに区画され、中央が潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘ、両端が顕熱蓄熱体ｙが充填された領域ａ_ｙ１，ａ_ｙ２となっている。

蓄熱部Ａに流入する燃焼排ガス温度は約１１００℃であり、図６によると、蓄熱期間の終点での蓄熱体温度は、蓄熱部Ａの高温側（燃焼排ガス入側）で約１１００℃、低温側（燃焼排ガス出側）で約３２０℃である。また、放熱期間の終点での蓄熱体温度は、蓄熱部Ａの高温側（支燃ガス出側）で約１０００℃、低温側（支燃ガス入側）で約１２０℃である。
本実施形態の潜熱蓄熱体ｘは、セラミック製のカプセル内に潜熱蓄熱材（PCM）であるＡｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金が封入されたものであり、また、顕熱蓄熱体ｙはＡｌ_２Ｏ_３ボールである。Ａｌ−２５mass％Ｓｉ共晶合金は、固液相変態する潜熱蓄熱材であり、固液相変態する際の融解点Ｔ_Ｍが約５８０℃、凝固開始点Ｔ_Ｓ（℃）が約７７０℃である。この潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘは、蓄熱部Ａにおけるガス流れ方向において、燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度が約５４０℃となる位置と、蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での蓄熱体温度が約８００℃となる位置との間に設けられている。ガス流れ方向における蓄熱部Ａの厚さは２５０ｍｍであり、その上面位置を０ｍｍ、下面位置を２５０ｍｍした場合、１００ｍｍ〜２００ｍｍの位置に領域ａ_ｘが設けられている。

図７は、図４に示す蓄熱式バーナーに本発明の蓄熱器を適用した場合の他の実施形態において、蓄熱体が充填された蓄熱部Ａを模式的に示した断面図である。また、図８は、その蓄熱部Ａに充填された蓄熱体の温度分布と、蓄熱体（潜熱蓄熱体）の融解潜熱、凝固潜熱を含めたみかけ比熱を示すグラフである。蓄熱体の温度分布のうち、実線が燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での温度分布、破線が蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での温度分布である。
この実施形態の蓄熱部Ａは、図３（イ）の構成を有しており、蓄熱部Ａはガス流れ方向において３つの領域ａに区画され、これら３つの領域は、異なる潜熱蓄熱材を備えた潜熱蓄熱体ｘが充填された領域ａ_ｘ１〜ａ_ｘ３となっている。これら３つの領域ａ_ｘ１〜ａ_ｘ３の潜熱蓄熱体ｘが備える潜熱蓄熱材は、燃焼排ガスの流れ方向における上流側の領域ａ_ｘほど相変態温度（凝固開始温度）が高くなっている。

図５及び図６の実施形態と同様、蓄熱部Ａに流入する燃焼排ガス温度は約１１００℃であり、図８によると、蓄熱期間の終点での蓄熱体温度は、蓄熱部Ａの高温側（燃焼排ガス入側）で約１１００℃、低温側（燃焼排ガス出側）で約３２０℃である。また、放熱期間の終点での蓄熱体温度は、蓄熱部Ａの高温側（支燃ガス出側）で約１０００℃、低温側（支燃ガス入側）で約１２０℃である。

領域ａ_ｘ１は、蓄熱部Ａにおけるガス流れ方向において、燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度が約１０９０℃となる位置と、蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での蓄熱体温度が約７８０℃となる位置との間に設けられている。領域ａ_ｘ２は、蓄熱部Ａにおけるガス流れ方向において、燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度が約８８０℃となる位置と、蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での蓄熱体温度が約４００℃となる位置との間に設けられている。領域ａ_ｘ３は、蓄熱部Ａにおけるガス流れ方向において、燃焼排ガスから蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度が約５６０℃となる位置と、蓄熱体から支燃ガスへの放熱期間の終点での蓄熱体温度が約１５０℃となる位置との間に設けられている。

本実施形態の潜熱蓄熱体ｘも、セラミック製のカプセル内に潜熱蓄熱材（PCM）が封入されたものであり、例えば、領域ａ_ｘ１に充填する潜熱蓄熱体ｘは潜熱蓄熱材（PCM(1)）がＣｕからなり、領域ａ_ｘ２に充填する潜熱蓄熱体ｘは潜熱蓄熱材（PCM(2)）がＭｇＣｌ_２からなり、領域ａ_ｘ３に充填する潜熱蓄熱体ｘは潜熱蓄熱材（PCM(3)）がＡｌ−１３mass％Ｓｉ共晶合金からなる。
ガス流れ方向における蓄熱部Ａの厚さは２５０ｍｍであり、その上面位置を０ｍｍ、下面位置を２５０ｍｍした場合、０ｍｍ〜１００ｍｍの位置に領域ａ_ｘ１が、１００ｍｍ〜２００ｍｍの位置に領域ａ_ｘ２が、２００ｍｍ〜２５０ｍｍの位置に領域ａ_ｘ３が、それぞれ設けられている。

本発明の蓄熱器は、上述したように蓄熱式バーナーの蓄熱器として好適なものであるが、それ以外の種々の装置やシステムに適用できる。例えば、（i）排熱回収システムにおいて排ガスからの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器、（ii）熱媒体の循環システムにおいて熱媒体の循環路で熱媒体からの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器
などが挙げられる。また、上記（i）の排熱回収システムとしては、例えば、製鉄プロセスでの排熱回収などのためのシステムが挙げられ、上記（ii）の熱媒体の循環システムとしては、例えば、太陽熱発電システム、自動車や建設機械などのエンジン冷却システム、空調システムなどが挙げられる。
また、本発明の蓄熱器を備えた蓄熱式バーナーは、種々の被加熱物（例えば、鋼材など）の加熱設備に適用できる。この加熱設備は、本発明の蓄熱器を備えた蓄熱式バーナーを用いるため、バーナー温度が安定化し、従来の蓄熱式バーナーに較べて被加熱物をより均一に加熱することができる。
また、本発明の蓄熱器を備えた排熱回収システムや熱媒体の循環システムは、流体からの高い熱回収量（蓄熱量）が得られ、効率的な運転、操業を行うことができる。

図４に示すような蓄熱式バーナーを備えた加熱炉において、蓄熱式バーナーに従来例と本発明例の蓄熱器を適用し、蓄熱試験を実施して、それぞれの熱効率を測定した。
蓄熱式バーナーは、バーナー容量２００万kcal／ｈ／本とし、蓄熱器は、蓄熱部水平断面積０．５ｍ^２、蓄熱部高さ０．２７ｍとした。蓄熱式バーナーの使用条件としては、バーナー吸引率８０％、空気比１．１、炉内燃焼排ガス温度１１００℃、初期燃焼用空気温度３０℃とした。

・従来例
蓄熱体としてＡｌ_２Ｏ_３ボールを使用し、このＡｌ_２Ｏ_３ボールを蓄熱部全体に充填した。バーナーの切替時間６０秒で実施した。この従来例の排熱回収量は３０Ｍcal／tonであった。
・本発明例１
図５に示すような構造の蓄熱器を用い、バーナーの切替時間は６０秒とした。
本発明例の排熱回収量は３１．５Ｍcal／tonであった。
・本発明例２
図７に示すような構造の蓄熱器を用いた。この蓄熱器は、領域ａ_ｘ１に潜熱蓄熱材（PCM(1)）がＣｕからなる潜熱蓄熱体ｘを、領域ａ_ｘ２に潜熱蓄熱材（PCM(2)）がＭｇＣｌ_２からなる潜熱蓄熱体ｘを、領域ａ_ｘ３に潜熱蓄熱材（PCM(3)）がＡｌ−１３mass％Ｓｉ共晶合金からなる潜熱蓄熱体ｘを、それぞれ充填した。バーナーの切替時間は６０秒とした。本発明例の排熱回収量は３２．５Ｍcal／tonであった。

１ カプセル
２ 潜熱蓄熱材
３ 容器
４ 仕切壁
５ 加熱炉
６a，６b バーナー
７ バーナー本体
８ 蓄熱器
９a，９b，１０a，１０b，１１a，１１b，１２a，１２b 配管
１３a，１３b，１４a，１４b，１５a，１５b 開閉弁
３０，３１ 出入口
Ａ 蓄熱部
ｘ 潜熱蓄熱体
ｙ 顕熱蓄熱体
ａ，ａ_ｘ，ａ_ｘ１，ａ_ｘ２，ａ_ｘ３，ａ_ｙ，ａ_ｙ１，ａ_ｙ２ 領域
ｆ1，ｆ2 流体

Claims (10)

1. 蓄熱体が充填された蓄熱部（Ａ）を備え、流体が蓄熱部（Ａ）を一方向に通過することで当該流体から蓄熱体への蓄熱がなされ、流体が蓄熱部（Ａ）を逆方向に通過することで蓄熱体から当該流体への放熱がなされる蓄熱器であって、
   蓄熱部（Ａ）が流体の流れ方向で複数の領域（ａ）に区画され、これら複数の領域（ａ）には異なる種類の蓄熱体が充填されるとともに、複数の領域（ａ）のうちの少なくとも１つは、カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して構成された潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された領域（ａ_ｘ）であることを特徴とする蓄熱器。
2. 複数の領域（ａ）のうちの少なくとも１つは、顕熱蓄熱体（ｙ）が充填された領域（ａ_ｙ）であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱器。
3. 顕熱蓄熱体（ｙ）が充填された２つの領域（ａ_ｙ）間に、潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された１つ以上の領域（ａ_ｘ）が設けられることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱器。
4. 潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材が固液相変態する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蓄熱器。
5. 潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された複数の領域（ａ_ｘ）が設けられるとともに、該複数の領域（ａ_ｘ）の潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材は、蓄熱体への蓄熱を行う流体の流れ方向における上流側の領域（ａ_ｘ）ほど相変態温度が高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蓄熱器。
6. 潜熱蓄熱体（ｘ）が備える潜熱蓄熱材の固液相変態する際の融解点（但し、固相状態にある潜熱蓄熱材の一部が融解し始める温度）をＴ_Ｍ（℃）、凝固開始点（但し、液相状態にある潜熱蓄熱材の一部が凝固し始める温度）をＴ_Ｓ（℃）とした場合において、
   蓄熱部（Ａ）における流体流れ方向において、流体から蓄熱体への蓄熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｍ±５０℃となる位置と、蓄熱体から流体への放熱期間の終点での蓄熱体温度がＴ_Ｓ±５０℃となる位置との間の任意の範囲に、前記潜熱蓄熱体（ｘ）が充填された領域（ａ_ｘ）が設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蓄熱器。
7. 蓄熱部（Ａ）が通気性のある仕切壁を介して複数の領域（ａ）に区画されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蓄熱器。
8. 燃焼排ガスと支燃ガスを交互に通過させる蓄熱器として、請求項１〜７のいずれかに記載の蓄熱器を備えることを特徴とする蓄熱式バーナー。
9. 排ガスからの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器として、請求項１〜７のいずれかに記載の蓄熱器を備えることを特徴とする排熱回収システム。
10. 熱媒体の循環路において熱媒体からの熱回収及び蓄熱を行う蓄熱器として、請求項１〜７のいずれかに記載の蓄熱器を備えることを特徴とする熱媒体の循環システム。

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