JP2019113211A - 炭素／炭素複合材料製の円筒炉用マッフル構造 - Google Patents

炭素／炭素複合材料製の円筒炉用マッフル構造 Download PDF

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Abstract

【課題】耐久性に優れ、熱容量が小さく、大型の製造設備を必要とせず、運用コストを大幅に低減することのできる円筒炉（縦型円筒炉および横型円筒炉を含む）用のマッフル構造の提供。【解決手段】円筒炉用マッフル構造１０であって、複数の炭素／炭素複合材料製の板部材１１と、複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材１２から成り、複数の板部材１１を、複数の連結部材１２を介して結合することにより形成された多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造１０。【選択図】図１（ａ）−（ｃ）

Description

本発明は、高温円筒炉用の炭素／炭素複合材料製のマッフル構造に関するものであり、更に詳細には、炭素／炭素複合材料製の板部材を結合して形成した多角形柱状体のマッフル構造に関係する。
熱処理設備の１種である円筒炉（縦型円筒炉および横型円筒炉を含む）であって間接加熱方式の炉（間接加熱炉またはマッフル炉ともいう）においては、熱源あるいは発熱体と焼成室との間に、熱伝導性のよい耐火物による隔壁（マッフル）が設けられる。
従来は、この隔壁構造（マッフル構造）として耐熱鋼等の金属材料が使用されていたが、金属製のマッフル構造では耐熱性が十分ではなく、また熱膨張係数が大きいため、加熱・冷却を繰り返すうちに金属製のマッフルは熱変形によって大きく変形し、長期間の使用に耐えることができないという問題があった。
そこで、金属製のマッフル構造に代えて、炭素またはグラファイト製（以下、これらを併せてグラファイト製と呼ぶ）のマッフル構造が使用されるようになってきた（特許文献１参照）。 グラファイト材料は耐熱性と化学的安定性が高く、熱膨張係数も金属材料よりは低いため、高温環境下で繰り返し使用することが可能となった。
しかしながら、グラファイト材料の強度、剛性はそれほど大きくなく、脆性な材料であるため、グラファイト材料をマッフル構造として使用するためには、非常に肉厚の厚い状態のグラファイト材料を使用する必要があるという問題があった。 このため、マッフル構造の重量が非常に大きくなり、炉の熱容量が過大になってしまう結果、炉体そのものの昇温に多くの熱エネルギーが必要になり、炉の熱効率が大きく低下してしまうという問題があった。
また、円筒炉においてグラファイト製のマッフル構造を採用する場合、マッフル構造を円筒状にする必要があるが、グラファイト材料の特性（強度、脆性）上の理由から、円筒状に一体成型したマッフル構造とする必要があった。 これは、強度、剛性が十分ではなく、脆性的な特性を持つグラファイト材料の場合、いくつかに分割されたピースを機械的に結合することによって円筒状のマッフル構造として構成したとしても、十分な強度、剛性を有するマッフル構造を構築するのが困難なためである。
従って、円筒炉が大型化すると、肉厚が大で、大きな円筒状のグラファイトが必要になる結果、グラファイトの製造設備の大型化が要求され、マッフル構造のコストが増大してしまうという問題もあった。
特開平９−１０１０８６号公報
本発明は、上述したような技術的背景に鑑みなされたものであり、耐久性に優れ、熱容量が小さく、大型の製造設備を必要とせず、運用コストを大幅に低減することのできる円筒炉（縦型円筒炉および横型円筒炉を含む）用のマッフル構造を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、耐熱性、強度、剛性が高く、靱性に富んだ炭素／炭素複合材料であって、最も単純な基本形態である平板状からなる複数の炭素／炭素複合材料を機械的に結合することにより疑似的な円筒形状を有する多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造を考案した。
すなわち、第１の観点にかかる発明では、円筒炉用マッフル構造であって、複数の炭素／炭素複合材料製の板部材と、複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材から成り、当該複数の板部材を、当該複数の連結部材を介して結合することにより形成された多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造とした。
また、第２の観点にかかる発明では、円筒炉用マッフル構造であって、複数のシェル構造要素と、複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材から成り、当該シェル構造要素は、複数の炭素／炭素複合材料製の板部材を剛に結合することにより形成され、断面山形の形状を有するシェル構造をなし、当該複数のシェル構造要素を、当該複数の連結部材を介して結合することにより形成された多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造とした。
また、第３の観点にかかる発明では、第１又は第２の観点にかかる発明の円筒炉用マッフル構造であって、前記複数の板部材の内の少なくとも１の板部材の板厚が、他の板部材の板厚と異なる構成の多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造とした。
また、第４の観点にかかる発明では、第１乃至第３の観点のいずれかにかかる発明の円筒炉用マッフル構造であって、前記複数の板部材の内の少なくとも１の板部材の断面多角形の周方向長さが、他の板部材の断面多角形の周方向長さと異なる構成の多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造とした。
本発明では、上述したような構成の多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造とすることにより、耐久性に優れ、熱容量が小さく、大型の製造設備を必要とせず、運用コストを大幅に低減することのできる円筒炉用のマッフル構造を提供することが可能となった。
特に、本発明に係る円筒炉用のマッフル構造は、複数の炭素／炭素複合材料製の板部材を使用し、複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材により、複数の板部材を機械的に結合することにより疑似円筒状の多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造としたため、炭素／炭素複合材料の持つ耐熱性、寸法安定性をそのまま利用することができ、耐久性に優れたマッフル構造とすることが可能となった。
また、炭素／炭素複合材料は、高強度、高剛性、高靱性という特性を有するため、マッフル構造の薄肉化、軽量化を図ることができ、マッフル構造の熱容量を最小化することが可能となった。 その結果、炉体全体の熱慣性を小さくするこができ、炉体の熱効率を飛躍的に高めることが可能となった。
また、本発明に係るマッフル構造では、主要部材として平板状の炭素／炭素複合材料を使用するため、既存の製造設備をすることができ、特別に大型の製造設備を必要としない。
本発明に係るマッフル構造では、以上のような効果を有する結果、マッフル構造の製造コストを低減することができるだけでなく、炉体の消費電力（炉体の運用コスト）を低減し、炉体の補修コスト（マッフル構造の更新コスト）についても低減を図ることが可能となった。
図１は、本発明の第１の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造を示したものである。 詳細には、図１(a)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造組立の斜視図であり、図１(b)は図１(a)の矢視Ｘを示したものであり、図１(c)は図１(a)の矢視Ｙを示したものである。 また、図１(d)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造の分解斜視図であり、図１(e)は図１(d)の矢視Ｘを示したものであり、図１(f)は図１(d)の矢視Ｙを示したものである。 図２は、本発明の第２の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造を示したものである。 詳細には、図２(a)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造組立の斜視図であり、図２(b)は図２(a)の矢視Ｘを示したものであり、図２(c)は図２(a)の矢視Ｙを示したものである。 また、図２(d)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造の分解斜視図であり、図２(e)は図２(d)の矢視Ｘを示したものであり、図２(f)は図２(d)の矢視Ｙを示したものである。 図３は、本発明の第３の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造を示したものである。 詳細には、図３(a)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造組立の斜視図であり、図３(b)は図３(a)の矢視Ｘを示したものであり、図３(c)は図３(a)の矢視Ｙを示したものである。 また、図３(d)は多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造の分解斜視図であり、図３(e)は図３(d)の矢視Ｘを示したものであり、図３(f)は図３(d)の矢視Ｙを示したものである。
以下、本発明にかかる炭素／炭素複合材製の多角形柱状体からなる円筒炉（縦型円筒炉および横型円筒炉を含む）用マッフル構造について説明する。
炭素／炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジットとも呼ぶ）は、強化繊維である炭素繊維を黒鉛または炭素のマトリックスで固めた繊維強化複合材料であって、従来の炭素材料、あるいは黒鉛材料に比べ数倍の強度、弾性率を備えると共に、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を有する材料である。 また、炭素／炭素複合材料は、比重が小さく、強度、剛性（弾性率）が高いことから、高比強度、高比剛性な材料としても知られている。
さらに、炭素／炭素複合材料は、熱伝導率が高く、また熱膨張係数も小さいため、構造部材として使用した場合、熱的安定性が高く、加熱、冷却を繰り返したりしたとしても熱的安定性が高く、変形しにくいという特性を有している。
本発明にかかるマッフル構造では、主に平板状の炭素／炭素複合材料が使用され、炭素繊維を平面的に２方向に配向したもの、炭素繊維（短繊維）を平面的にランダムに配向したもの、炭素繊維を織布（平織あるいは朱子織）としこれを板厚方向に積層したもの等を利用することができる。
また、炭素／炭素複合材料の製造方法についても、レジンチャー法、ＣＶＤ法、プリフォームドヤーンを使用した製造方法などの他、短繊維状炭素繊維と、バインダーピッチ粉末と、コークス粉末と、粘結剤とからなるシート状の中間材料を使用した製造方法を採用することができる。
図１は、本発明の第１の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造１０を示したものである。
このマッフル構造１０では、８枚の炭素／炭素複合材料製の板部材１１と、８本の炭素／炭素複合材料製の連結部材１２とから構成されている。
各板部材１１は、その両側端において連結部材１２とファスナーを介して結合されている。 また、連結部材１２は、隣接する板部材１１の側端部を互いに連結するための部材であり、マッフル構造１０の軸心方向に伸びた部材である。 連結部材１２の断面形状は、例えば三角形状であっても良いが、これに限定されるものではない。
各板部材１１と各連結部材１２を結合するためのファスナーとしては、例えば、耐熱鋼製のボルト・ナットを使用することもできるし、炭素／炭素複合材料製のボルト・ナットを使用することもできる。
また、ボルト・ナットと耐熱接着剤（例えば、セラミック接着剤）を併用したり、あるいは、耐熱接着剤単独で結合するようにしても良い。 ファスナーとしてボルト・ナットを使用する場合には、１の板部材１１と１の連結部材の結合部に対して、マッフル構造の中心軸に沿って１列複数箇所、または複数列複数箇所を固定するようにしても良い。
このようにマッフル構造を構築することにより、円筒炉の内径に沿った疑似円筒状のマッフル構造を得ることができる。 なお、ここで説明したマッフル構造１０は、本発明のマッフル構造の一例を示したものであり、板部材１１と連結部材１２の個数、寸法等は自由に選択することができる。
図２は、本発明の第２の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造２０を示したものである。
このマッフル構造２０では、４組の炭素／炭素複合材料製のシェル構造要素１００と、４本の炭素／炭素複合材料製の連結部材２２とから構成されている。
本発明の第２の実施例にかかるシェル構造要素１００は、２枚の炭素／炭素複合材料製の板部材２１と、１本の炭素／炭素複合材料製の剛接合部材２３とから構成されている。 この剛接合部材２３は、２枚の炭素／炭素複合材料製の板部材２１を互いに所定の角度をもって突き合わせるような形態で剛に結合するための部材であり、マッフル構造２０の軸心方向に伸びた部材である。
シェル構造要素１００の剛接合部材２３の断面形状は、連結部材２２と同様、例えば三角形状であっても良いが、これに限定されるものではない。 また、剛接合部材２３によって２枚の板部材２１を剛に結合するために、剛接合部材２３を連結部材２２よりも幅広にすることが望ましい。 また、図２に示すように、剛接合部材２３には周方向に伸びた１又は複数のスティフナー２３−１を備えるようにしても良い。
２枚の板部材２１と剛接合部材２３およびスティフナー２３−１とを結合するためのファスナーとしては、例えば、耐熱鋼製のボルト・ナットを使用することもできるし、炭素／炭素複合材料製のボルト・ナットを使用することもできる。
また、２枚の板部材２１と剛接合部材２３およびスティフナー２３−１との結合をより剛にするために、ボルト・ナットと耐熱接着剤（例えば、セラミック接着剤）を併用するようにしても良い。 ファスナーとしてボルト・ナットを使用する場合には、１枚の板部材２１と１本の剛接合部材２３の結合部に対して、マッフル構造の中心軸に沿って１列複数箇所、または複数列複数箇所を固定するようにしても良い。
このように構成されたシェル構造要素１００は、断面山形の形状（三角形状の山形形状）となっている。
次に、４組のシェル構造要素１００と４本の連結部材２２とを結合してマッフル構造２０を構築する方法について説明する。
各シェル構造要素１００は、その両側端において連結部材２２とファスナーを介して結合されている。 また、連結部材２２は、隣り合うシェル構造要素１００の板部材２１の側端部を互いに連結するための部材であり、マッフル構造２０の軸心方向に伸びた部材である。 この連結部材２２は、第１の実施例にかかるマッフル構造１０において使用されている連結部材２１と同様のものを使用することができる。
各シェル構造要素１００と連結部材２２を結合するためのファスナーとしては、例えば、耐熱鋼製のボルト・ナットを使用することもできるし、炭素／炭素複合材料製のボルト・ナットを使用することもできる。
また、ボルト・ナットと耐熱接着剤（例えば、セラミック接着剤）を併用したり、あるいは、耐熱接着剤単独で結合するようにしても良い。 ファスナーとしてボルト・ナットを使用する場合の、ボルト・ナットの配置方法については、第１の実施例で説明した方法と同様な方法を採用することができる。
このようにマッフル構造２０を構築することにより、円筒炉の内径に沿った疑似円筒状のマッフル構造２０を得ることができる。 なお、ここで説明したマッフル構造２０では、４組のシェル構造要素１００を結合して構成したものであって、各シェル構造要素１００における２枚の板部材２１は剛接合部材２３によって強固に（剛に）結合されているため、マッフル構造２０の断面は４つのコーナー部を持つ、言い換えれば４角構造と力学的に等価な特性を有し、優れた構造的安定性を有している。
なお、ここではマッフル構造２０は、４組のシェル構造要素１００を結合して構成されるものとして説明してきたが、これに限定されるものではない。 たとえば、３組のシェル構造要素１００と３本の連結部材２２とを結合してマッフル構造２０を構築するようにしても良い。
この場合、マッフル構造２０の断面は３つのコーナー部を持つ、言い換えれば３角構造と力学的に等価な特性を有し、更に優れた構造的安定性を有することになる。
図３は、本発明の第３の実施例に係る多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造３０を示したものである。
このマッフル構造３０では、３組の炭素／炭素複合材料製のシェル構造要素２００と、３本の炭素／炭素複合材料製の連結部材３２とから構成されている。
本発明の第３の実施例にかかるシェル構造要素２００は、３枚の炭素／炭素複合材料製の板部材３１と２本の炭素／炭素複合材料製の剛接合部材３３とから構成されている。 この剛接合部材２３は、隣り合う２枚の炭素／炭素複合材料製の板部材３１を互いに所定の角度をもって突き合わせるような形態で剛に結合するための部材であり、マッフル構造３０の軸心方向に伸びた部材である。
シェル構造要素２００の剛接合部材３３の断面形状は、連結部材３２と同様、例えば三角形状であっても良いが、これに限定されるものではない。 また、剛接合部材３３によって隣り合う２枚の板部材３１を剛に結合するために、剛接合部材３３を連結部材３２よりも幅広にすることが望ましい。 また、図３に示すように、剛接合部材２３には周方向に伸びた１又は複数のスティフナー３３−１を備え、このスティフナー３３−１が隣り合う２本の剛接合部材３３に跨るように配置しても良い。
３枚の板部材３１と２本の剛接合部材３３およびスティフナー３３−１とを結合するためのファスナーとしては、例えば、耐熱鋼製のボルト・ナットを使用することもできるし、炭素／炭素複合材料製のボルト・ナットを使用することもできる。
また、３枚の板部材３１と２本の剛接合部材３３およびスティフナー３３−１との結合をより剛にするために、ボルト・ナットと耐熱接着剤（例えば、セラミック接着剤）を併用するようにしても良い。 ファスナーとしてボルト・ナットを使用する場合には、１の板部材３１と１の剛接合部材３３の結合部に対して、マッフル構造の中心軸に沿って１列複数箇所、または複数列複数箇所を固定するようにしても良い。
このように構成されたシェル構造要素２００は、断面山形の形状（台形状の山形形状）となっている。
次に、３組のシェル構造要素２００と３本の連結部材３２とを結合してマッフル構造３０を構築する方法について説明する。
各シェル構造要素２００は、その両側端において連結部材３２とファスナーを介して結合されている。 また、連結部材３２は、各シェル構造要素２００の板部材３１の側端部を互いに連結するための部材であり、マッフル構造３０の軸心方向に伸びた部材である。 この連結部材３２は、第１の実施例にかかるマッフル構造１０において使用されている連結部材２１と同様のものを使用することができる。
各シェル構造要素２００と連結部材３２を結合するためのファスナーとしては、例えば、耐熱鋼製のボルト・ナットを使用することもできるし、炭素／炭素複合材料製のボルト・ナットを使用することもできる。
また、ボルト・ナットと耐熱接着剤（例えば、セラミック接着剤）を併用したり、あるいは、耐熱接着剤単独で結合するようにしても良い。 ファスナーとしてボルト・ナットを使用する場合の、ボルト・ナットの配置方法については、第１の実施例で説明した方法と同様な方法を採用することができる。
このようにマッフル構造３０を構築することにより、円筒炉の内径に沿った疑似円筒状のマッフル構造３０を得ることができる。 なお、ここで説明したマッフル構造３０では、３組のシェル構造要素２００を結合して構成したものであって、各シェル構造要素２００における３枚の板部材３１は剛接合部材３３によって強固に（剛に）結合されているため、マッフル構造３０の断面は３つのコーナー部を持つ、言い換えれば３角構造と力学的に等価な特性を有し、優れた構造的安定性を有している。
なお、ここではマッフル構造３０は、３組のシェル構造要素２００を結合して構成されるものとして説明してきたが、これに限定されるものではない。 たとえば、４組のシェル構造要素２００と４本の連結部材３２とを結合してマッフル構造３０を構築するようにしても良い。
この場合、マッフル構造３０の断面は４つのコーナー部を持つ、言い換えれば４角構造と力学的に等価な特性を有し、優れた構造的安定性を有することになる。
なお、以上説明した第１乃至第３の実施例にかかるマッフル構造１０、２０、３０において使用する板部材１１、２１、３１の板厚、並びに円周方向の長さ（幅寸法）は全て同一として図示しているが、これに限定されるものではない。 同一のマッフル構造１０、２０、３０に使用される複数の板部材１１、２１、３１の内の少なくとも１の板部材１１、２１、３１の板厚、及び／又は断面多角形の周方向長さが、他の板部材１１、２１、３１のそれらと異なるようにしても良い。
このようにすることによって、マッフル構造１０、２０、３０の断面多角形の周方向において、板部材１１、２１、３１の板厚を変えて、一部の領域の強度を高めることによって、マッフル構造１０、２０、３０に作用する非対象な荷重に耐えるようにしたり、あるいは、板部材１１、２１、３１の断面多角形の周方向長さを変えて、マッフル構造１０、２０、３０の断面多角形の形状をある程度扁平化させることによって、マッフル構造１０、２０、３０の外側であって円筒炉内に存在する構造物等との干渉を避けることが可能となる。
１０、２０、３０ マッフル構造
１１、２１、３１ 板部材
１２、２２、３２ 連結部材
２３、３３ 剛接合部材
２３−１、３３−１ スティフナー
１００、２００ シェル構造要素

Claims (4)

  1. 円筒炉用マッフル構造であって、
    複数の炭素／炭素複合材料製の板部材と、
    複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材から成り、
    当該複数の板部材を、当該複数の連結部材を介して結合することにより形成された多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造。
  2. 円筒炉用マッフル構造であって、
    複数のシェル構造要素と、
    複数の炭素／炭素複合材料製の連結部材から成り、
    当該シェル構造要素は、複数の炭素／炭素複合材料製の板部材を剛に結合することにより形成され、断面山形の形状を有するシェル構造をなし、
    当該複数のシェル構造要素を、当該複数の連結部材を介して結合することにより形成された多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造。
  3. 請求項１又は２に記載の円筒炉用マッフル構造であって、前記複数の板部材の内の少なくとも１の板部材の板厚が、他の板部材の板厚と異なることを特徴とする多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造。
  4. 請求項１乃至３の何れかに記載の円筒炉用マッフル構造であって、前記複数の板部材の内の少なくとも１の板部材の断面多角形の周方向長さが、他の板部材の断面多角形の周方向長さと異なることを特徴とする多角形柱状体からなる円筒炉用マッフル構造。


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