JP2019086176A

JP2019086176A - 工業炉

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Publication number: JP2019086176A
Application number: JP2017212496A
Authority: JP
Inventors: 雄一大野; Yuichi Ono; 内田　和秀; Kazuhide Uchida; 和秀内田; 卓哉布施; Takuya Fuse; 基紘白井; Motohiro Shirai; 大輔加藤; Daisuke Kato; 秀和坂齊; Hidekazu Sakasai
Original assignee: Denso Corp; Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-06-06
Also published as: WO2019087952A1

Abstract

【課題】時期にかかわらずに廃熱の有効利用効果を高めることができる工業炉を提供する。【解決手段】工業炉１は、通年で稼働する炉設備１００において発生する廃熱を通す排気管１０１、１０２、１０３を含む。また、工業炉１は、排気管１０１、１０２、１０３を通る廃熱を入力して温度勾配を発生させることで熱音響自励振動による音波を発生させる第１変換部２００と、第１変換部２００で生成された音波を通過させる接続配管３００と、接続配管３００を通過する音波から冷熱及び電力のいずれか一方または両方を発生させる第２変換部４００と、を含む。第２変換部４００は、接続配管３００から音波を入力する環状の入力ループ配管４０１と、入力ループ配管４０１の途中に配置され、入力ループ配管４０１を通る音波を入力して温度勾配を発生させることで冷熱を発生させる冷凍機４０２と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、通年で稼働する炉設備において発生する廃熱から冷熱あるいは電力を発生させる工業炉に関する。

従来より、排気源の排熱を利用して冷熱を生成する冷却システムが、例えば特許文献１で提案されている。冷却システムで生成される冷熱は、例えば空調に利用される。

特開２０１６−８０３１０号公報

しかしながら、上記従来の技術では、冷熱が空調に不要な時期では、そもそも冷熱の生成が不要になる。このため、排熱源の排熱が有効利用されない時期が生じてしまう。

また、通年で稼働する炉設備においては、常時、廃熱が炉施設から排出される。このため、時期にかかわらずに廃熱を有効利用することが望まれている。

本発明は上記点に鑑み、時期にかかわらずに廃熱の有効利用効果を高めることができる工業炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、工業炉は、通年で稼働する炉設備（１００）において発生する廃熱を通す排気管（１０１、１０２、１０３）と、排気管を通る廃熱を入力して温度勾配を発生させることで熱音響自励振動による音波を発生させる第１変換部（２００）と、第１変換部で生成された音波を通過させる接続配管（３００）と、接続配管を通過する音波から冷熱及び電力のいずれか一方または両方を発生させる第２変換部（４００）と、を備えている。

これによると、第１変換部が排気管の廃熱から熱音響自励振動による音波を発生させる構成になっているので、通年で廃熱から冷熱あるいは電力を発生させることができる。したがって、排気管を備えた工業炉において、時期にかかわらずに廃熱の有効利用効果を高めることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る工業炉を示した図である。第２実施形態に係る工業炉を示した図である。第３実施形態に係る工業炉を示した図である第３実施形態に係る変形例を示した図である。第３実施形態に係る変形例を示した図である。第３実施形態に係る変形例を示した図である。第４実施形態に係る工業炉を示した図である。第５実施形態に係る工業炉を示した図である。第６実施形態に係る工業炉を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る工業炉は、製品の製造過程で加熱を行うための炉設備を備えた施設である。

図１に示されるように、工業炉１は、炉設備１００、排気管１０１、１０２、１０３、第１変換部２００、接続配管３００、及び第２変換部４００を備えている。

炉設備１００は、通年で稼働する工業施設である。炉設備１００は、例えば熱交換器等のろう付けを行う施設として構成されている。

炉設備１００は、脱脂設備１０４、バインダ除去設備１０５、断気設備１０６、１０７、ろう付け設備１０８、除冷設備１０９、冷却設備１１０を含んでいる。各設備１０４〜１１０は、ろう付けを行うための一般的な設備である。各設備１０４〜１１０は、製品を導入し、移動させつつ、各部品のろう付けを完成させるように構成されている。各設備１０４〜１１０には、工程に応じて、加熱のための設備が備えられている。

例えば、各設備１０４〜１１０のうち脱脂設備１０４、バインダ除去設備１０５、断気設備１０７には、製品の製造過程において発生する廃熱を通す排気管１０１〜１０３が接続されている。廃熱は、気体あるいは液体に含まれた状態で工業炉１から排出される。例えば、加熱されたガスが大気に放出される。各排気管１０１〜１０３は、例えば３００℃前後の廃熱を常時排出する。もちろん、排気管１０１〜１０３毎に異なる温度の廃熱が排出されることがある。

本実施形態では、第１変換部２００、接続配管３００、及び第２変換部４００は、熱音響機関を構成している。本実施形態では、第１変換部２００、接続配管３００、及び第２変換部４００は、熱音響冷凍機を構成している。第１変換部２００は、外部から廃熱のエネルギーの入力が行われる装置である。第２変換部４００は、外部に冷熱のエネルギーを出力する装置である。

第１変換部２００は、炉設備１００の排気管１０１、１０２、１０３を通る廃熱を入力して温度勾配を発生させることで熱音響自励振動による音波を発生させる。つまり、第１変換部２００は、廃熱を音波に変換する機能を有する。本実施形態では、脱脂設備１０４に接続された排気管１０１の廃熱を利用する。

第１変換部２００は、出力ループ配管２０１及び原動機２０２を含んでいる。出力ループ配管２０１は、接続配管３００に接続されていると共に、生成された音波を接続配管３００に出力する環状の管である。

原動機２０２は、廃熱を音波に変換可能となっている。原動機２０２は、高温側熱交換器２０３、蓄熱器２０４、及び低温側熱交換器２０５を含んでいる。

原動機２０２は、出力ループ配管２０１の途中に長手方向に沿って配置されている。蓄熱器２０４は、高温側熱交換器２０３と低温側熱交換器２０５とに挟まれている。すなわち、蓄熱器２０４の一端側に高温側熱交換器２０３が接続され、蓄熱器２０４の他端側に低温側熱交換器２０５が接続されている。

高温側熱交換器２０３は、炉設備１００の脱脂設備１０４に設置された排気管１０１に接続されている。これにより、高温側熱交換器４０３は、排気管１０１を通る廃熱を入力する。

蓄熱器２０４は、温度勾配を発生させるものである。蓄熱器２０４は、温度境界層厚さと同程度以下の径を有する流路が多数形成されたものである。蓄熱器２０４としては、例えばセラミックスハニカムのような細かい流路が設けられた構造体、あるいはステンレスメッシュのような目の細かい金網が積層された構造体等を用いることができる。

低温側熱交換器２０５は、自然放熱とするか、または冷却水が循環することで低温を維持するように構成されている。

接続配管３００は、第１変換部２００で生成された音波を通過させて第２変換部４００に伝達するための管である。接続配管３００は長さや形状等を任意に構成することができるので、第１変換部２００及び第２変換部４００を炉設備１００に設置する際のレイアウトの自由度を高めることができる。

第２変換部４００は、接続配管３００を通過する音波から冷熱を発生させる。つまり、第２変換部４００は、音波を冷熱に変換する機能を有する。

第２変換部４００は、入力ループ配管４０１及び冷凍機４０２を含んでいる。入力ループ配管４０１は、接続配管３００に接続されていると共に、接続配管３００から音波を入力する環状の管である。

冷凍機４０２は、各配管２０１、３００、４０１を介して入力された音波を冷熱に変換可能となっている。冷凍機４０２は、高温側熱交換器４０３、蓄熱器４０４、及び低温側熱交換器４０５を含んでいる。

高温側熱交換器４０３、蓄熱器４０４、及び低温側熱交換器４０５は、入力ループ配管４０１の途中に長手方向に沿って配置されている。蓄熱器４０４の一端側に高温側熱交換器４０３が接続され、蓄熱器４０４の他端側に低温側熱交換器４０５が接続されている。

蓄熱器４０４の構成は、第１変換部２００の蓄熱器２０４と同じである。高温側熱交換器４０３及び低温側熱交換器４０５は、自然放熱とするか、または冷却水が循環することで所定の温度を維持するように構成されている。

出力ループ配管２０１、接続配管３００、及び入力ループ配管４０１は密閉空間を構成している。各配管２０１、３００、４０１として、例えば円筒形状のステンレス製配管を用いることができる。

また、各配管２０１、３００、４０１は、内部空間に作動流体を封入している。各配管２０１、３００、４０１は、作動流体を介して音波の音響エネルギーを伝達可能となっている。作動流体としては、１種類以上の気体、または気体と水等の液体との混合物を用いることができる。気体としては、例えばヘリウム、窒素、アルゴン等の低分子量の不活性ガスや空気を用いることができる。

接続配管３００は共鳴管を構成する。つまり、熱音響冷凍機は、熱音響原動機用の出力ループ配管２０１と熱音響冷凍機用の入力ループ配管４０１が接続配管３００で接続されたダブルループ型として構成されている。以上が、工業炉１の構成である。

次に、工業炉１における廃熱の利用について説明する。上述のように、工業炉１の炉設備１００は通年で稼働する。これに伴い、排気管１０１から廃熱が常時排出される。つまり、第１変換部２００の高温側熱交換器２０３には廃熱が常時入力される。これにより、当該高温側熱交換器２０３に接続された蓄熱器２０４に温度勾配が形成される。

蓄熱器２０４では、作動流体の流通方向に温度勾配が形成されることで、内部に存在する作動流体の圧縮、加熱、膨張、冷却が行われ、熱音響自励振動である音波が発生する。つまり、蓄熱器２０４では、廃熱から音波への変換が行われる。

第１変換部２００で生成された音波は、出力ループ配管２０１から接続配管３００を介して第２変換部４００の入力ループ配管４０１に伝達される。

第２変換部４００の蓄熱器４０４では、第１変換部２００で生成された音波が伝達されることで、両端に温度勾配が生じる。蓄熱器４０４は、低温側熱交換４０５側が高温側熱交換器４０３側よりも低温になる。これにより、蓄熱器４０４では、音波から熱への変換が行われる。つまり、冷熱が生成される。

第１変換部２００への廃熱の入力を停止しない限り、一年を通して、冷凍機４０２は入力ループ配管４０１を通る音波を入力して温度勾配を発生させることで冷熱を発生させる。このように、廃熱から冷熱を発生させることができるので、冷熱を冷房や冷却工程等に有効利用することができる。

以上説明したように、工業炉１に設置された第１変換部２００が排気管１０１の廃熱から熱音響自励振動による音波を発生させる構成になっている。これにより、通年で廃熱から冷熱を発生させることができる。すなわち、外に排出される廃熱によって熱音響冷凍機を駆動することができる。したがって、排気管１０１を備えた工業炉において、時期にかかわらずに廃熱の有効利用効果を高めることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図２に示されるように、第２変換部４００は、発電機４０６として構成されている。発電機４０６は、接続配管３００の終端に接続されている。

また、発電機４０６は、接続配管３００から音波を入力して音波の振動から電力を発生させるように構成されている。本実施形態では、第１変換部２００、接続配管３００、及び発電機４０６は、熱音響発電機を構成している。

発電機４０６としては、音波の振動流をコイルの起電力に変換するリニア型や、音波の振動流を一方向の回転力に変換する衝動タービン型を用いることができる。

以上の構成により、廃熱から電力を発生させることができるので、廃熱を電気として工業炉１の各施設に有効利用することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図３に示されるように、第２変換部４００は、冷凍機４０２及び発電機４０６の両方を備えた構成になっている。

発電機４０６は、接続配管３００の途中に配置されている。例えば、発電機４０６は、音波が通る配管、音波の伝達方向に振動可能な振動子、及び振動子の周囲に配置されたコイルを含んでいる。これにより、発電機４０６は、接続配管３００から音波を入力して振動子を振動させることにより電力を発生させる。音波のエネルギーの一部は振動子の振動に変換されるが、音波のうち振動子の振動に寄与しない分は発電機４０６を通過していく。

冷凍機４０２は、入力ループ配管４０１の途中に配置されている。したがって、冷凍機４０２は、入力ループ配管４０１を通る音波を入力して冷熱を発生させる。

以上の構成によると、発電機４０６は、接続配管３００を通る音波の一部から電力を発生させ、冷凍機４０２は、発電機４０６で電力に変換されなかった音波から冷熱を発生させている。このように、廃熱から冷熱及び電力の両方を発生させることができる。また、冷熱及び電力を利用の要求に応じた使い分けが可能になる。すなわち、発生させる電力量と冷熱量を可変にすることができる。

第１の変形例として、図４に示されるように、発電機４０６は入力ループ配管４０１の途中に配置されていても良い。この構成では、発電機４０６は入力ループ配管４０１を通る音波から電力を発生させる。冷凍機４０２は、入力ループ配管４０１を通る音波のうち発電機４０６の発電に寄与しない音波から冷熱を発生させる。

第２の変形例として、図５に示されるように、発電機４０６は出力ループ配管２０１の途中に配置されていても良い。この構成では、発電機４０６は出力ループ配管２０１を通る音波から電力を発生させる。音波のうち発電機４０６の発電に寄与しない音波は、接続配管３００及び入力ループ配管４０１を介して冷凍機４０２に入力する。

第３の変形例として、図６に示されるように、接続配管３００は、当該接続配管３００から分岐した分岐部３０１を含んでいる。そして、発電機４０６は、分岐部３０１の終端に接続されている。よって、発電機４０６は、分岐部３０１を通る音波から電力を発生させる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図７に示されるように、炉設備１００は、冷却設備１１０に接続された通気管１１１と、通気管１１１内に配置された送風機１１２と、を含んでいる。冷却設備１１０は、製造過程の製品を冷却させる冷却工程を実施するための施設である。

第１変換部２００は複数の原動機２０２を含んでいる。本実施形態では、第１変換部２００は、３つの排気管１０１〜１０３にそれぞれ対応した３つの原動機２０２を含んでいる。各原動機２０２の各高温側熱交換器２０３は、各排気管１０１〜１０３に接続されている。

また、３つの原動機２０２は入力ループ配管４０１の途中に配置されていることで、直列に接続されている。これによると、各原動機２０２が低温度で発振するため、廃熱の温度が高い場合には入熱量を増やすことができる。具体的には、各原動機２０２の各高温側熱交換器２０３から熱音響機関へは廃熱の温度と原動機２０２の作動温度との温度差に応じた熱量が入熱される。複数の原動機２０２が直列に接続されていることで各原動機２０２の作動温度を低くできるので、熱音響装置への入熱量を増やすことができる。その結果、冷熱エネルギーや電気エネルギーを増やすことができるというメリットがある。

第２変換部４００の冷凍機４０２は、冷却設備１１０の通気管１１１に接続されている。具体的には、冷凍機４０２の低温側熱交換器４０５が、通気管１１１を通過する気体と熱交換可能に接続されている。例えば、低温側熱交換器４０５は、通気管１１１を通る気体がフィンと熱交換できるように構成されている。これにより、通気管１１１を通過する気体を外気温度以下に冷やすことができる。

以上の構成によると、冷凍機４０２で生成した冷熱から冷風を生成することができる。冷風は、通気管１１１内の送風機１１２によって冷却設備１１０に送風される。このため、冷却設備１１０の冷却効率が向上し、冷却工程を短縮することができる。また、冷風を作るための設備が不要になるので、冷却設備１１０を小型化できる。さらに、通気管１１１を通る冷風によって冷却設備１１０の冷却動力の一部を補うことができるので、冷却設備１１０の冷却動力を低減できるというメリットもある。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態〜第４と異なる部分について説明する。図８に示されるように、炉設備１００は、個室５００を含んでいる。個室５００は、例えば会議室等のように壁に囲まれた空間である。

第２変換部４００の冷凍機４０２の低温側熱交換器４０５は、冷熱を個室５００に供給可能に構成されている。もちろん、低温側熱交換器４０５で生成された冷熱が個室５００に直接供給されるのではなく、空調の冷風として個室５００に供給されるように、冷風の温度、冷風の吹き出し方向、冷風の風量等の調整が可能になっている。

以上の構成により、冷熱を個室５００の空調に利用することができる。このため、炉設備１００の空調動力を低減することができる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、炉設備１００は、加熱用ヒータ１１３を含んでいる。加熱用ヒータ１１３は、加熱を行うための設備の一つである。加熱用ヒータ１１３は、例えば脱脂設備１０４及びバインダ除去設備１０５に設けられている。

また、発電機４０６は、加熱用ヒータ１１３に接続された電線４０７を含んでいる。したがって、発電機４０６は、電線４０７を介して加熱用ヒータ１１３に電力を供給することにより加熱用ヒータ１１３を加熱する。

以上の構成によると、廃熱から生成された電力によって加熱用ヒータ１１３を加熱することができるので、炉設備１００の稼働動力を低減することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された工業炉１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、工業炉１は、排気管１０１〜１０３を備えた施設であれば良く、炉設備１００はろう付け装置以外の設備として構成されていても良い。

また、原動機２０２を複数直列接続する構成を第１〜第３、第６実施形態に適用しても良い。さらに、出力ループ配管２０１が接続配管３００に対して並列に接続されると共に、各出力ループ配管２０１に原動機２０２が設けられていても良い。同様に、入力ループ配管４０１が接続配管３００に対して並列に接続されると共に、各入力ループ配管４０１に冷凍機４０２が設けられていても良い。つまり、原動機２０２や冷凍機４０２を並列に設けても良い。この場合、発電機４０６は、全ての出力ループ配管２０１及び入力ループ配管４０１に設けられていても良いし、特定の出力ループ配管２０１や入力ループ配管４０１に設けられていても良い。それぞれの排気管１０１〜１０３に冷凍機４０２や発電機４０６を設置できるので、炉設備１００への熱音響機関の設置自由度が高くなるというメリットがある。

上記各実施形態は、適宜組み合わせて実施することができる。例えば、第３実施形態に第４〜第５実施形態を組み合わせることができる。また、第４〜第６実施形態を相互に組み合わせても良い。この場合、第４、第５実施形態における接続配管３００の途中に発電機４０６を設けても良いし、第３実施形態のように出力ループ配管２０１や入力ループ配管４０１に発電機４０６を設けても良い。第４実施形態と第５実施形態とを組み合わせる場合は、入力ループ配管４０１を並列に構成しても良いし、１つの低温側熱交換器４０５を通気管１１１と個室５００の両方に接続しても良い。

１００炉設備
１０１〜１０３排気管
２００第１変換部
２０１出力ループ配管
３００接続配管
４００第２変換部
４０１入力ループ配管
４０２冷凍機
４０６発電機

Claims

通年で稼働する炉設備（１００）において発生する廃熱を通す排気管（１０１、１０２、１０３）と、
前記排気管を通る前記廃熱を入力して温度勾配を発生させることで熱音響自励振動による音波を発生させる第１変換部（２００）と、
前記第１変換部で生成された前記音波を通過させる接続配管（３００）と、
前記接続配管を通過する前記音波から冷熱及び電力のいずれか一方または両方を発生させる第２変換部（４００）と、
を備えている工業炉。
前記第２変換部は、
前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）と、
前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して温度勾配を発生させることで前記冷熱を発生させる冷凍機（４０２）と、
を含んでいる請求項１に記載の工業炉。
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力して前記音波の振動から前記電力を発生させる発電機（４０６）として構成されている請求項１に記載の工業炉。
前記第２変換部は、
前記音波を入力して前記音波の振動から前記電力を発生させる発電機（４０６）と、
前記音波を入力して温度勾配を発生させることで前記冷熱を発生させる冷凍機（４０２）と、
を含んでいる請求項１に記載の工業炉。
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）を含み、
前記発電機は、前記接続配管の途中に配置され、前記接続配管を通る前記音波から前記電力を発生させ、
前記冷凍機は、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して前記冷熱を発生させる請求項４に記載の工業炉。
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）を含み、
前記発電機は、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波から前記電力を発生させ、
前記冷凍機は、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波から前記冷熱を発生させる請求項４に記載の工業炉。
前記第１変換部は、前記接続配管に前記音波を出力する環状の出力ループ配管（２０１）を含み、
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）を含み、
前記発電機は、前記出力ループ配管の途中に配置され、前記出力ループ配管を通る前記音波から前記電力を発生させ、
前記冷凍機は、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して前記冷熱を発生させる請求項４に記載の工業炉。
前記接続配管は、当該接続配管から分岐した分岐部（３０１）を含み、
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）を含み、
前記発電機は、前記分岐部の終端に接続され、前記分岐部を通る前記音波から前記電力を発生させ、
前記冷凍機は、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して前記冷熱を発生させる請求項４に記載の工業炉。
前記炉設備は、製造過程の製品を冷却させる冷却設備（１１０）と、前記冷却設備に接続された通気管（１１１）と、を含み、
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）と、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して温度勾配を発生させることで前記冷熱を発生させる冷凍機（４０２）と、を含み、
前記冷凍機は、前記音波を入力する高温側熱交換器（４０３）と、前記冷熱を発生させる低温側熱交換器（４０５）と、前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器とに挟まれていると共に温度勾配を発生させる蓄熱器（４０４）と、を含み、
前記低温側熱交換器は、前記通気管を通過する気体と熱交換可能に接続されている請求項１、２、４ないし８のいずれか１つに記載の工業炉。
前記炉設備は、個室（５００）を含み、
前記第２変換部は、前記接続配管から前記音波を入力する環状の入力ループ配管（４０１）と、前記入力ループ配管の途中に配置され、前記入力ループ配管を通る前記音波を入力して温度勾配を発生させることで前記冷熱を発生させる冷凍機（４０２）と、を含み、
前記冷凍機は、前記音波を入力する高温側熱交換器（４０３）と、前記冷熱を発生させる低温側熱交換器（４０５）と、前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器とに挟まれていると共に温度勾配を発生させる蓄熱器（４０４）と、を含み、
前記低温側熱交換器は、前記冷熱を前記個室に供給可能に構成されている請求項１、２、４ないし９のいずれか１つに記載の工業炉。
前記炉設備は、加熱用ヒータ（１１３）を含み、
前記発電機は、前記加熱用ヒータに接続された電線（４０７）を含み、前記電線を介して前記電力を供給することにより前記加熱用ヒータを加熱する請求項３ないし８のいずれか１つに記載の工業炉。