JP2023097035A - リジェネバーナ装置、蓄熱体、及び、蓄熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱体としてセラミックス製のハニカム構造体を使用していても、隔壁の損傷に起因して燃焼用空気と排気ガスとが混合するおそれが低減されているシングル型のリジェネバーナ装置を提供する。【解決手段】蓄熱体５０の構成を、セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁３１により区画された複数のセル３２を備えるハニカム構造を有するハニカムセグメント３０の複数を集合させてあり、ハニカムセグメントの側周面ではセルが開口することなく、隔壁の壁面によって側周面が形成されていると共に、隣接しているハニカムセグメントの間に、耐熱性布地４２が挟み込まれていることにより、隣接しているハニカムセグメントの境界部４０では、耐熱性布地４２を挟んで隔壁３１が二重となっている構成とし、各ハニカムセグメントを流通するガスを燃焼用空気と排ガスとの間で切り換える。【選択図】図１

Description

本発明は、シングル型のリジェネバーナ装置、これに使用される蓄熱体、及び、蓄熱体の製造方法に関するものである。

鍛造炉、熱処理炉、溶解炉、焼成炉、圧延加熱炉などの工業炉で使用されるリジェネバーナは、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空気（燃焼用空気）とを、交互に蓄熱体に流通させるべく、ガスの流通方向が切り換えられるバーナである。排ガスの熱は蓄熱体で回収され、新たに供給される燃焼用空気を予熱するために利用される。このようなリジェネバーナは、一対のバーナを備えるバーナシステム（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換えるシングル型リジェネバーナ（セルフリジェネバーナ）とに大別される。

一対のバーナを備えるバーナシステムでは、一方のバーナに新たな燃焼用空気を供給して燃焼させている間、他方のバーナから高温の排ガスを排出して蓄熱体で排熱を回収する動作を、数十秒間隔で交互に繰り返す。蓄熱体で排熱を回収したバーナを次に燃焼させる際、高温となっている蓄熱体によって燃焼用空気が加熱される。一対のバーナ間で切り換えを行うたびにメインバーナの消火及び再点火を行う必要があるため、ロスタイムが不可避に生じ、ガスの流通方向を切り換える時間間隔を短縮することが難しい。

一方、シングル型リジェネバーナは、バーナと蓄熱体とが組み込まれたバーナ装置が一つで足りるため、設置のために要するスペースが小さい利点がある。また、メインバーナの消火及び再点火を行う必要がなく、蓄熱体における燃焼用空気及び排ガスの流通を切り換える時間間隔を短くすることが可能であるため、熱効率を高めることができる利点がある。

このようなシングル型リジェネバーナとして、蓄熱体における燃焼用空気及び排ガスの流通を切り換えるために、回転する部材を使用したものが提案されている（例えば、特許文献１、及び、特許文献２参照）。特許文献１のバーナ装置では、複数に区画したケースに蓄熱体を充填すると共に、蓄熱体の区画に合わせて複数の流通路からなる分流管を設けている。そして、回転によって複数の流通路の何れかと連通する孔部が穿設された回転仕切板を使用して、各流通路への燃焼用空気と排ガスとの流通を切り換えている。しかしながら、特許文献１のバーナ装置では、蓄熱体としてアルミナのボールを使用している。蓄熱体がボール状である場合、ガスはボール間の空隙を流通するため、圧力損失が大きいというデメリットがある。また、ボール状の蓄熱体では、中心部分が熱交換に寄与しないため、熱効率が低い。

一方、特許文献２のバーナ装置では、蓄熱体としてセラミックス製のハニカム構造体を使用している。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、ガスの流通に伴う圧力損失が小さいというメリットがある。また、ハニカム構造体は比表面積が非常に大きく、流通するガスに接触する面積が非常に大きいため、熱効率が高い。また、ハニカム構造体では隔壁も薄いために、蓄熱体の全容積が熱交換に寄与しやすいという利点がある。

特許文献２のバーナ装置では、ハニカム構造の蓄熱体に円筒体が接続されており、円筒体の内部は仕切壁によって等分に仕切られることによって、周方向に複数の小通路が形成されている。一方、燃焼用空気を蓄熱体に供給するための空気ダクトの先端には空気ノズルが設けられており、この空気ノズルには円筒体における小通路の一つおきに対応する位置に開口部が形成されている。つまり、燃焼用空気は、空気ノズルの開口部と連通する小通路を介して空気ダクトから蓄熱体に供給され、開口部のない部分では小通路を介して蓄熱体から排気ダクトに排気ガスが流通する。従って、空気ダクトを間欠的に回転させることにより、燃焼用空気を蓄熱体に供給する小通路と、蓄熱体から排出される排気ガスを流通させる小通路が切り換えられる。

ここで、特許文献２のバーナ装置では、円筒体を複数の小通路に区画している仕切壁と対応する位置で区画されている仕切板を、ハニカム構造の蓄熱体の端面に当てることが望ましいとされている。その理由は、仕切板を蓄熱体に当てることにより、蓄熱体が機械的に補強されると共に、円筒体の小通路を介して空気ノズルから蓄熱体に至るガスの通路が確実に形成されるため、と説明されている。

しかしながら、特許文献２のバーナ装置では、蓄熱体の端面に仕切板を当てたとしても、“ハニカム構造の蓄熱体自体は一体もの”である。そのため、ハニカム構造の蓄熱体において、燃焼用空気を流通させる小通路と連通しているセルと、そのセルと隣接しているセルであって、排気ガスを流通させる小通路と連通しているセルとの間の隔壁に亀裂などの損傷が生じると、燃焼用空気と排気ガスとが混合してしまうという問題があった。上記のように、ハニカム構造体においてセルとセルとを区画している隔壁は非常に薄く、セラミックスは脆性材料であるため、亀裂などの損傷が生じるおそれをゼロとすることは現実的ではない。そのため、蓄熱体としてセラミックス製のハニカム構造体を使用していても、燃焼用空気と排気ガスとが混合してしまうおそれが低減されているシングル型リジェネバーナが要請されていた。

実開昭６２－９０８号公報 特開平８－２３３２５１号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、蓄熱体としてセラミックス製のハニカム構造体を使用していても、ハニカム構造体の隔壁の損傷に起因して燃焼用空気と排気ガスとが混合するおそれが低減されているシングル型リジェネバーナ装置、これに使用される蓄熱体、及び、該蓄熱体の製造方法の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるシングル型リジェネバーナ装置は、
「本体外郭を貫通するバーナと、
該バーナによる燃料ガスの燃焼のための燃焼用空気を前記本体外郭の内部に供給するための給気口と、
前記燃料ガスの燃焼により高温となった排ガスを前記本体外郭から排出するための排気口と、
セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントの複数が、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合している蓄熱体であり、前記バーナを挿通させた状態で前記本体外郭に収容されている蓄熱体と、
前記蓄熱体に対して前記セルの軸方向に平行な軸周りに回転することにより、それぞれの前記ハニカムセグメントに流通させるガスを前記燃焼用空気と前記排ガスとの間で切り換える回転切り換え盤とを具備し、
それぞれの前記ハニカムセグメントの側周面では前記セルが開口することなく、前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されていると共に、
隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地が挟み込まれていることにより、
隣接している前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている」ものである。

ハニカムセグメントを構成する「セラミックス」の材質は特に限定されるものではなく、例えば、炭化ケイ素質セラミックス、アルミナ質セラミックス、コージェライト質セラミックス、ムライト質セラミックス、チタン酸アルミニウム質セラミックスとすることができる。また、「耐熱性布地」を形成している「耐熱性繊維」は、セラミックス繊維や炭素系繊維とすることができる。セラミックス繊維としては、非晶質のアルミナシリカ繊維（ＲＣＦ）、結晶質のアルミナとムライトからなる繊維（ＡＦ）を使用することができる。ＲＣＦはアルミナやシリカを主成分とし、その他の成分としてジルコニア、酸化クロム、天然鉱物などを原料に含むものがある。ＡＦにおけるアルミナとシリカの重量比は、７２：２８～９７：３である。

本構成では、回転切り換え盤が回転することにより、一つの蓄熱体を構成する複数のハニカムセグメントのそれぞれを流通するガスが、排ガスと燃焼用空気との間で切り換えられる。従って、それぞれのハニカムセグメントにおいて、排ガスを流通させた際に高温の排ガスから回収した熱で、次に流通させる燃焼用空気を予熱することができる。

本構成では、複数のハニカムセグメントによって蓄熱体が構成されており、隣接しているハニカムセグメントの境界部では、耐熱性布地の層を挟んで隔壁が二重となっている。そのため、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメントと排気ガスとを流通させるハニカムセグメントが隣接しており、仮に、何れかのハニカムセグメントにおいて境界面を構成する隔壁に損傷が生じたとしても、他方のハニカムセグメントにおいて境界面を構成する隔壁が残存しているため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが有効に防止されている。

また、仮に、ハニカムセグメントが押出成形されたハニカム構造体を複数に分割したものである場合、それぞれのハニカムセグメントにおいて側周面にセルが開口している。そのため、隣接しているハニカムセグメントの間に介在させている層が通気性を有していると、その部分を介して隣接しているハニカムセグメント間で燃焼用空気と排ガスとが混合してしまう。これに対して、本構成のシングル型リジェネバーナ装置では、隣接しているハニカムセグメントの間に介在させている層が通気性を有しているとしても、隣接しているハニカムセグメントそれぞれが外周に隔壁を有しているため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが有効に防止されている。

そして、本構成では、隣接しているハニカムセグメントの間に介在させている層は、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地の層である。不織布または織布である耐熱性布地は、弾力性に富んだ材料、換言すれば、クッション性の高い層である。そのため、放熱と吸熱を繰り返すことによりハニカムセグメントにおいて不可避に生じる熱応力が、隣接しているハニカムセグメントの間に介在させている耐熱性布地の層によって吸収される。これにより、ハニカムセグメントの耐熱衝撃性が高められるため、それぞれのハニカムセグメントが外周に有している隔壁に亀裂などの損傷が生じにくく、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメントと排気ガスとを流通させるハニカムセグメントが隣接していても、吸収燃焼用空気と排ガスとが混合することを、有効に抑制することができる。

本発明にかかる蓄熱体は、
「セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントの複数が、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合している蓄熱体であり、
該蓄熱体は、中心に前記セルより大きく前記セルの軸方向に貫通しているバーナ用貫通孔を備えていると共に、
それぞれの前記ハニカムセグメントの側周面では前記セルが開口することなく、前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されていると共に、
隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地が挟み込まれていることにより、
隣接している前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている」ものである。

これは、上記のシングル型リジェネバーナ装置に使用される蓄熱体の構成である。

本発明にかかる蓄熱体は、上記構成に加え、
「前記ハニカムセグメントの前記側周面のうち、少なくとも隣接している前記ハニカムセグメントとの境界面において前記耐熱性布地の層との間に、ケイ酸系ガラスがコーティングされている」ものとすることができる。

本構成では、ハニカムセグメントの側周面において、少なくとも隣接するハニカムセグメントとの境界面を構成している隔壁には、ケイ酸系ガラスがコーティングされている。そのため、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメントと排気ガスを流通させるハニカムセグメントが隣接している場合に、万一、隣接するハニカムセグメントそれぞれにおいて境界面を構成している隔壁の双方に損傷が生じたとしても、隔壁間に二つのケイ酸系ガラスの層と耐熱性布地の層とが存在するため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが、有効に防止される。特にケイ酸系ガラスの層は、緻密で気密性の高い層であるため、それぞれのハニカムセグメントの隔壁に損傷が生じたとしても、損傷を介してガスが流出することがケイ酸系ガラスの層によって防止され、燃焼用空気と排ガスとが混合することが防止される。

更に、ケイ酸系ガラスは、高温下で軟化し塑性変形する性質を有しているため、隔壁に損傷が生じたとしても、その伸展が抑制されると共に、セラミックス製であるハニカムセグメントの脆性的な破壊が抑制される。そのため、吸熱と放熱を繰り返す蓄熱体を構成するハニカムセグメントの耐熱衝撃性を、ケイ酸系ガラスの層によって更に高めることができる。また、ケイ酸系ガラスが高温下で軟化して粘着性を有する性質により、ケイ酸系ガラスの層に耐熱性布地が積層されている状態で一度加熱されると、ケイ酸系ガラスの層に耐熱性布地が粘着する。これにより、隣接するハニカムセグメントの間に耐熱性布地が挟み込まれている状態が安定する。

ここで、ケイ酸系ガラスは、ハニカムセグメントの側周面において、少なくとも隣接するハニカムセグメントとの境界面を構成している隔壁にコーティングされるが、側周面の全面にわたりコーティングすることもできる。これにより、ハニカムセグメントの側周面を構成する隔壁に何れかの部分で損傷が生じたとしても、ハニカムセグメントのセル内を流通させるガスが漏れ出ることが防止される。また、緻密で気密性の高いケイ酸系ガラスの層が全側周面に積層されていることにより、ハニカムセグメントを構成するセラミックスが、炭化ケイ素など非酸化物セラミックスである場合であっても、その酸化が有効に防止される。

本発明にかかる蓄熱体の製造方法は、
「押出成形により、セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントであって、前記セルが側周面に開口することなく前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されているハニカムセグメントを成形し、
前記ハニカムセグメントの複数を焼成した後、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合させることにより、中心に前記セルより大きく前記セルの軸方向に貫通しているバーナ用貫通孔を備える蓄熱体を製造するに当たり、
前記ハニカムセグメントを集合させる際に、隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地を挟み込むことにより、
隣接する前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている蓄熱体を製造する」ものである。

これは、上記のシングル型リジェネバーナ装置に使用される蓄熱体の製造方法である。複数のハニカムセグメントは、それぞれ押出型を使用して押出成形することにより、セルが側周面に開口することなく隔壁の壁面によって全側周面が形成されているハニカムセグメントが成形される。

本発明にかかる蓄熱体の製造方法は、上記構成に加え、
「前記耐熱性布地に、セラミックス粉末を含むスラリーまたは加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させる」ものとすることができる。

耐熱性布地に、セラミックス粉末を含むスラリー、または、加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させた後、加熱するとスラリーが固化する。これにより、耐熱性布地の層は、セラミックス繊維間にセラミック成分またはケイ酸系ガラスが担持されている構成となる。これにより、耐熱性布地が有する弾力性をある程度保持したまま、耐熱性布地の通気性を低下させることができる。耐熱性布地の通気性が低下する結果、仮に、隣接しているハニカムセグメントの双方において、境界面となる隔壁に損傷が生じたとしても、この損傷を介してハニカムセグメントのそれぞれからガスが漏れ出ることが耐熱性布地の層により抑制され、燃焼用空気と排ガスとが混合するおそれが低減される。

以上のように、本発明によれば、蓄熱体としてセラミックス製のハニカム構造体を使用していても、ハニカム構造体の隔壁の損傷に起因して燃焼用空気と排気ガスとが混合するおそれが低減されているシングル型のリジェネバーナ装置、これに使用される蓄熱体、及び、該蓄熱体の製造方法を提供することができる。

図１（ａ）はハニカムセグメントの斜視図であり、図１（ｂ）は蓄熱体の斜視図であり、図１（ｃ）は蓄熱体をセルの軸方向に直交する方向に切断した断面図であり、図１（ｄ）はＡ－Ａ間及びＢ－Ｂ間における拡大断面図である。 図２（ａ）は変形例の蓄熱体ついて図１（ｄ）に相当する範囲を示した拡大断面図であり、図２（ｂ）は別の変形例の蓄熱体ついて図１（ｄ）に相当する範囲を示した拡大断面図である。 図３（ａ），（ｂ）は図２（ａ）に示す蓄熱体の製造方法の説明図である。 図４（ａ），（ｂ）は図２（ｂ）に示す蓄熱体の製造方法の説明図である。 図５（ａ）は本発明の一実施形態であるシングル型リジェネバーナ装置を内端側から見た斜視図であり、図５（ｂ）は外端側から見た斜視図である。 図６（ａ）は図５のシングル型リジェネバーナ装置を本体外郭の中心軸を含む平面で切断した断面図であり、図６（ｂ）は回転切り換え盤を回転させた状態で図６（ａ）と同じ平面で切断した断面図である。 図７は複数のハニカムセグメントに流通させるガスの切り換えを説明する図である。 図８は形状の異なるハニカムセグメントを使用した蓄熱体の製造方法の説明図である。

以下、本発明の実施形態であるシングル型リジェネバーナ装置１（以下、「バーナ装置１」と称する）、及び、これに使用される蓄熱体５０について、図面を用いて具体的に説明する。

バーナ装置１は、本体外郭１０と、バーナ２０と、給気口１１と、排気口１２と、蓄熱体５０と、回転切り換え盤６０と、回転機構と、バーナタイル８０とを、主な構成とする。このバーナ装置１は、工業炉の内部雰囲気を加熱するために炉壁を貫通するように取り付けられるものである。ここでは、バーナ装置１及びその構成について、工業炉の内部側となる端部を内端Ｅ１、外部側となる端部を外端Ｅ２と称して説明する。

まず、蓄熱体５０について説明する。蓄熱体５０は、同一構成のハニカムセグメント３０の複数から形成されている。それぞれのハニカムセグメント３０は、セラミックス製で、ハニカム構造を有している。ハニカム構造は、単一の方向に延びて列設された隔壁３１により区画された複数のセル３２を備える構造である。本実施形態では、ハニカムセグメント３０を構成するセラミックスは、炭化ケイ素質セラミックスである。

それぞれのハニカムセグメント３０は、セル３２の軸方向に直交する断面（以下、「横断面」と称する）の外形が扇形の柱状であり、複数のハニカムセグメント３０を集合させ一体化することにより、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、中央にバーナ用貫通孔５５を有し、複数のハニカムセグメント３０が放射状に集合している円柱状の蓄熱体５０、すなわち、横断面の外形が円形である蓄熱体５０が製造される。バーナ用貫通孔５５は、セル３２より開口が大きく、円形孔である。

従って、それぞれのハニカムセグメント３０の側周面は、隣接させるハニカムセグメント３０の境界面となる平面３５（隣接させるハニカムセグメント３０と対面する平面３５）と、蓄熱体５０におけるバーナ用貫通孔５５の内周面を構成する曲面３６と、蓄熱体５０の外周面を構成する曲面３７によって構成されている。

それぞれのハニカムセグメント３０は、側周面を構成する何れの面（平面３５、曲面３６、曲面３７）にもセル３２が開口することなく、隔壁３１の壁面によって側周面が形成されているものである。すなわち、セル３２の横断面は、扇形をなす隔壁３１によって外周が囲まれており、その内部で交差する隔壁３１によってセル３２が区画されている形状である。本実施形態では、扇形の中心角は６０度である。セル３２は、横断面における形状が正方形であるが、ハニカムセグメント３０の横断面の外形が扇形であることから、外周に沿う部分のセル３２の形状は台形や三角形である。ここでは、セル密度が１００セル／平方インチである場合を例として図示している。なお、セルの形状及びセル密度は、ここで例示しているものに限定されるものではない。

このようなハニカムセグメント３０は、セラミックス材料に水及びバインダを添加し混練した混練物を、押出成形した後で、焼成することにより形成される。押出成形では、上記のようなハニカムセグメント３０の横断面形状に対応した押出型を使用する。つまり、押出成形体を分割してハニカムセグメント３０とするのではなく、ハニカムセグメント３０を個々に押出成形により成形する。ハニカムセグメント３０の成形体は、焼成によりハニカムセグメント３０の焼結体とする。

ハニカムセグメント３０の焼結体の複数は、隣接するハニカムセグメント３０の間に耐熱性布地４２を挟み込みつつ、ハニカムセグメント３０それぞれのセル３２の軸方向が一致するように集合させる。その際、隣接させるハニカムセグメント３０それぞれにおいて、平面３５、曲面３６、及び曲面３７から構成される側周面のうち、少なくとも平面３５に重ね合わせるように、耐熱性布地４２を挟み込む。集合させるハニカムセグメント３０の個数は、蓄熱体５０の横断面の外形が円形となるように設定され、ここでは六個である。

ここで、耐熱性布地４２としては、セラミックス繊維同士を交絡させた不織布を、好適に使用することができる。セラミックス繊維同士を交絡させる方法としては、ニードルを繰り返し突き刺すことによって繊維同士を交絡させるニードルパンチ法、高圧の水流を吹き付けることによって繊維同士を交絡させる水流交絡法を、挙げることができる。

耐熱性布地４２を挟み込みつつ、複数のハニカムセグメント３０の焼結体を集合させることにより製造された蓄熱体５０において、隣接しているハニカムセグメント３０の境界部４０では、図１（ｄ）に拡大断面図を示すように、耐熱性布地４２の層を挟んで隔壁３１が二重となっている。つまり、境界部４０は、隔壁３１－耐熱性布地４２の層－隔壁３１の三層構造である。ここでは、耐熱性布地４２の層が単層である場合を例示しているが、耐熱性布地４２を折り返して重ねたり複数枚を重ねたりすることにより、複数層とすることもできる。

変形例として、図３（ａ），（ｂ）に示すように、複数のハニカムセグメント３０それぞれについて、全側周面（平面３５、曲面３６、曲面３７）をくるむように耐熱性布地４２を巻き付けた後、集合させた蓄熱体５０ｂとすることができる。この場合、隣接しているハニカムセグメント３０の境界部４０は、図２（ａ）に拡大断面図を示すように、隔壁３１－二つの耐熱性布地４２の層－隔壁３１の積層構造となる。

別の変形例として、複数のハニカムセグメント３０それぞれについて、それぞれの側周面のうち少なくとも平面３５にケイ酸系ガラスの層４１を積層した上で、隣接するハニカムセグメント３０間に耐熱性布地４２を挟み込みつつ集合させた蓄熱体とすることができる。ケイ酸系ガラスの層４１は、二酸化ケイ素を含有するコーティング剤を使用して形成する。

コーティング剤は、二酸化ケイ素の供給源を、水などの液媒体やバインダと混合したスリーである。二酸化ケイ素の供給源としては、シリカ粉末、ガラス粉末（ガラスフリット）、粘土を単独で使用し、或いは、複数を併用することができる。また、コーティング剤の原料には、上記の成分に加えて、他の成分を含有させることができる。酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）の添加により、ガラスの粘性（流動性）や耐久性を調整することができる。アルカリ金属の酸化物（Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏなど）は、ガラスの粘性を低下させると共に、ガラス転移点を低下させる。アルカリ土類金属の酸化物（ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯなど）は、ガラスの化学的耐久性を高めると共に、ガラスの非結晶化・結晶化に影響を及ぼす。酸化アルミニウムは、ガラスの化学的耐久性を高める効果がある。

ハニカムセグメント３０の焼結体の側周面のうち少なくとも平面３５にコーティング剤を塗布、スプレーすることによりコーティングした後、１０００℃～１２００℃の所定温度で所定時間加熱して二酸化ケイ素を溶融させ、その後、ガラス転移点より低い温度まで冷却する。これにより、緻密で気密性の高いケイ酸系ガラスの層４１が形成される。

例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、各ハニカムセグメント３０において、平面３５、曲面３６、及び曲面３７から構成される側周面の全面にケイ酸系ガラスの層４１を積層してから、各ハニカムセグメント３０それぞれの全側周面を耐熱性布地４２でくるみ、その状態で複数のハニカムセグメント３０を集合させた蓄熱体５０ｃとすることができる。この場合、隣接しているハニカムセグメント３０の境界部４０は、図２（ｂ）に拡大断面図を示すように、隔壁３１－ケイ酸系ガラスの層４１－二つの耐熱性布地４２層－ケイ酸系ガラスの層４１－隔壁３１積層構造である。

上記の蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃにおいて、耐熱性布地４２にセラミックス粉末を含むスラリーまたは加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させてもよい。セラミックス粉末を含むスラリーとしては、セラミックス粉末にコロイダルシリカ等のバインダを加え、水と混合したスラリーを使用することができる。ケイ酸系ガラスとなるスラリーとしては、上述したコーティング剤と同様の成分を含有し、コーティング剤よりは粘性の低いスラリーを使用することができる。

セラミックス粉末を含むスラリーが加熱されると、スラリーが固化し、セラミックス繊維間にセラミック成分が担持されている構成の耐熱性布地４２となる。または、加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させた耐熱性布地４２を加熱して二酸化ケイ素を溶融させ、その後、ガラス転移点より低い温度まで冷却すると、スラリーが固化し、セラミックス繊維間にケイ酸系ガラスが担持されている構成の耐熱性布地４２となる。このようにスラリーを固化することにより、耐熱性布地４２の有する弾力性をある程度は保持したまま、耐熱性布地４２の通気性を低下させることができる。

ここで、セラミックス粉末を含むスラリーまたは加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを固化させる加熱は、複数のハニカムセグメント３０を集合させた後で行うことができる。また、全側周面が耐熱性布地４２でくるまれているハニカムセグメント３０を集合させた蓄熱体５０ｂ，５０ｃの場合は、複数のハニカムセグメント３０を集合させる前に、ハニカムセグメント３０を単位として加熱することができる。

なお、図３及び図４では、三つのハニカムセグメント３０を集合させる場合の二つの境界部４０の構成のみを図示し、他は省略しているが、六個のセグメント３０を集合させる場合の五つの境界部４０は何れも同じ構成である。

次に、蓄熱体５０以外のバーナ装置１の構成について説明する。本体外郭１０は略円筒状であり、中途の位置でフランジ部１３が外方に張り出している。このフランジ部１３は、工業炉の炉壁に貫設されている孔部にバーナ装置１を挿通した状態で、バーナ装置１を炉壁に固定する際に使用される。本体外郭１０には、蓄熱体５０とバーナ２０とが、蓄熱体５０のバーナ用貫通孔５５をバーナ２０が挿通している状態で収容されている。略円筒状の本体外郭１０の軸心を「中心軸Ｘ」と称すると、蓄熱体５０は、セル３２の軸方向が中心軸Ｘと平行となる向きで、本体外郭１０に収容されている。

フランジ部１３より内端Ｅ１側で、本体外郭１０には二重円筒状のバーナタイル８０が嵌め込まれており、バーナタイル８０の内端Ｅ１側は本体外郭１０から露出している。バーナタイル８０の内端Ｅ１は、中心孔部８５及び複数の通気口８３を除き閉じている。中心孔部８５は中心軸Ｘの延長上でバーナタイル８０及び本体外郭１０を貫通しており、この中心孔部８５の内端Ｅ１側の開口にバーナ２０の内端Ｅ１側の端部が臨んでいる。複数の通気口８３は、中心軸Ｘ周りに等角度間隔で設けられており、この角度は３６０度をハニカムセグメント３０の数で除した角度である（本実施形態では、６０度）。また、これらの通気口８３の位置は、蓄熱体５０を構成する複数のハニカムセグメント３０それぞれの中心を、延長した線上となるように設定されている。

フランジ部１３より外端Ｅ２側で、本体外郭１０からは中心軸Ｘに直交する方向に枝分かれするように、二つの排気口１２が設けられている。二つの排気口１２は、中心軸Ｘに対して線対称に設けられている。本体外郭１０の外端Ｅ２は、バーナ２０を挿入するための孔部１５、給気口１１、及び、後述の回転機構のために必要な孔部を除いて閉じている。バーナ２０の外端Ｅ２は孔部１５より外方に露出しており、この部分に燃料ガスを導入するための燃料導入口２５が開口している。給気口１１は、中心軸Ｘに平行な線上に設けられている。

回転切り換え盤６０は、本体外郭１０の外端Ｅ２と蓄熱体５０との間に配置されており、回転切り換え盤６０の内端Ｅ１側の端部は、蓄熱体５０の外端Ｅ２側の端部と対面している。回転切り換え盤６０は、蓄熱体５０を構成する複数のハニカムセグメント３０それぞれに対応して区画壁６１を有している。区画壁６１は、回転切り換え盤６０が中心軸Ｘ周りに一方向に回転することにより、二つの排気口１２及び一つの給気口１１が、複数のハニカムセグメント３０のうちの一つにおけるセル内空間と連通するように、傾斜・屈曲させた壁体である。

回転機構は、回転切り換え盤６０の回転を駆動する機構であり、モータ７１の出力軸７１ｐの回転が伝達される軸７２と、軸７２と一体回転する歯車７３と、歯車７３に従動して回転する歯車７４を主な構成とし、歯車７４の回転軸と回転切り換え盤６０は一体回転する。回転切り換え盤６０は、中心孔部８５の近傍で、軸受け７９を介して本体外郭１０に支持されている。

次に、上記構成のバーナ装置１における動作を説明する。バーナ装置１を工業炉の炉壁に取り付け、燃料導入口２５から燃料ガスを導入すると、給気口１１から供給される燃焼用空気に含まれる酸素を支援性ガスとして燃料ガスが燃焼し、バーナ２０の内端Ｅ１から火炎が放出される。このような燃料ガスの燃焼により、炉内の雰囲気は高温となる。

回転切り換え盤６０を、中心軸Ｘ周りに一方向に連続回転せると、二つの排気口１２及び一つの給気口１１のうちの何れかが、複数のハニカムセグメント３０のうちの一つにおけるセル内空間と連通する。図６（ａ）は、排気口１２の一つがハニカムセグメント３０のうちの一つと連通しており、給気口１１が閉じている場合を示している。この状態では、炉内で高温となった排ガスが、このハニカムセグメント３０のセル内空間を流通して、排気口１２から排出される。その際、ハニカムセグメント３０の中心の延長上にある通気口８３を介して、炉内雰囲気から排ガスが取り込まれる。そして、排ガスがハニカムセグメントのセル内空間を流通する過程で、このハニカムセグメント３０は高温の排ガスから熱を回収し、高温となる。

図６（ｂ）は、回転切り換え盤６０の回転により、給気口１１が複数のハニカムセグメント３０のうちの一つにおけるセル内空間と連通しており、排気口１２が閉じている状態を示している。この状態では、給気口１１を介して新たに供給される燃焼用空気が、このハニカムセグメント３０のセル内空間を流通する。ハニカムセグメント３０内を流通した燃焼用空気は、このハニカムセグメント３０の中心の延長上にある通気口８３から炉内雰囲気に供給され、バーナ２０における燃料ガスの燃焼を支援する。このハニカムセグメント３０は、先に排ガスを流通させた際に排熱を回収して高温となっているため、燃焼用空気を流通させる際に燃焼用空気を予熱する。

このように回転切り換え盤６０が回転することにより、一つの蓄熱体５０を構成する複数のハニカムセグメント３０のそれぞれを流通するガスは、排ガスと燃焼用空気との間で切り換えられ、排ガスから回収した熱で燃焼用空気が予熱される。具体的には、炉内で高温となった排ガスの温度が１０００℃のとき、排熱をハニカムセグメント３０に与えることにより、排気口１２から排出される排ガスの温度は２５０℃となり、その分だけ燃焼用空気が予熱される。

本実施形態のバーナ装置１では、回転切り換え盤６０が１２秒間で一回転する。そのため、蓄熱体５０を流通するガスを排ガスと燃焼用空気との間で切り換える時間間隔は、一対のバーナを使用する従来のリジェネバーナシステムに比べて極めて短い。そのため、排ガスから回収した熱を、直後に燃焼用空気に与えることができる。

本実施形態では、蓄熱体５０が六個のハニカムセグメント３０からなるが、回転切り換え盤６０の回転による流通ガスの切り換えは、次のように行うことができる。すなわち、燃焼用空気を流通させる状態を「Ｉｎ」、排ガスを流通させる状態を「Ｏｕｔ」、燃焼用空気及び排ガスの何れも流通させない状態を「Ｎ」で表すと、図７に示すように、六個のハニカムセグメント３０が、Ｉｎ－Ｉｎ－Ｏｕｔ－Ｏｕｔ－Ｏｕｔ－Ｎの順番で切り換えられるように、回転切り換え盤６０における区画壁６１の形状を設定することができる。切り換えをこのようにすると、回転切り換え盤６０の回転一回あたり、蓄熱体５０を介して供給される燃焼用空気と、蓄熱体５０を介して排出される排ガスの体積は２対３となる。気体の圧力は体積と反比例するため、炉内雰囲気において燃焼用空気の供給により増加する圧力より、排ガスの排出により減じる圧力の方が大きく、一見するとアンバランスである。しかしながら、炉内の気体の圧力は、バーナ２０への燃料ガスの供給によっても増加する。そのため、蓄熱体５０に流通させる燃焼用空気の体積より排気ガスの体積を大きくすることにより、炉内に供給される気体と炉内から排出される気体の圧力とをバランスさせることができる。

なお、上記のように燃焼用空気及び排ガスの何れも流通させない状態を介するとしても、それぞれのハニカムセグメント３０には燃焼用空気と排ガスとを交互に流通させるため、本実施形態の回転切り換え盤６０は「それぞれのハニカムセグメントに流通させるガスを燃焼用空気と排ガスとの間で切り換える」という本発明の要件を満たしている。

以上のように、本実施形態のバーナ装置１では、複数のハニカムセグメント３０によって蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃが構成されており、隣接しているハニカムセグメント３０の境界部４０では、耐熱性布地４２の層を挟んで隔壁３１が二重となっている。そのため、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメント３０と排気ガスを流通させるハニカムセグメント３０が隣接しており、仮に、何れかのハニカムセグメント３０において境界面（平面３５）を構成する隔壁３１に損傷が生じたとしても、他方のハニカムセグメント３０においては境界面（平面３５）を構成する隔壁３１が残存しているため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが有効に防止される。

従来、円柱状のハニカム構造体を製造する場合、円形の押出型を使用して円柱状に押出成形していた。そのため、従来の当業者は、扇形の押出型でハニカムセグメントを成形してから、その複数を集合させて円柱状のハニカム構造体を製造することを想到しなかった。この点で、扇形の押出型で個々のハニカムセグメント３０を成形する本実施形態の製造方法は、非常に斬新である。

また、仮に、ハニカムセグメントが押出成形された一つのハニカム構造体を複数に分割したものである場合、それぞれのハニカムセグメントにおいて側周面にセルが開口している。そのため、隣接しているハニカムセグメントの間に介在させている層が通気性を有していると、その部分を介して隣接しているハニカムセグメント間で燃焼用空気と排ガスとが混合してしまう。これに対して、本実施形態のバーナ装置１では、隣接しているハニカムセグメント３０の間に介在させている層が通気性を有しているとしても、隣接しているハニカムセグメント３０それぞれが外周に隔壁３１を有しているため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが有効に防止されている。

そして、隣接しているハニカムセグメント３０の間に介在させている層は、セラミックス繊維で形成された耐熱性布地４２の層である。耐熱性布地４２は、非常に弾力性に富んだ材料、換言すれば、クッション性の高い層である。そのため、放熱と吸熱を繰り返すことによりハニカムセグメント３０において不可避に生じる熱応力が、耐熱性布地４２の層によって吸収される。これにより、ハニカムセグメント３０の耐熱衝撃性が高められるため、それぞれのハニカムセグメント３０が外周に有している隔壁３１に亀裂などの損傷が生じにくく、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメント３０と排気ガスとを流通させるハニカムセグメント３０が隣接していても、吸収燃焼用空気と排ガスとが混合することを、有効に抑制することができる。

また、本実施形態では、ハニカムセグメント３０を構成するセラミックスは炭化ケイ素質セラミックスである。炭化ケイ素は熱伝導率が高いため、流通させるガスとの間の熱交換が速やかに行われる利点がある。すなわち、排ガスから速やかに熱を回収できると共に、新たに供給される燃焼用空気に速やかに熱を与えることができる。特に、本実施形態のバーナ装置１では、回転切り換え盤６０の回転による流通ガスの切り換えが極めて短い時間間隔で行われるため、熱伝導率が高いことによるメリットは大きい。加えて、炭化ケイ素は熱膨張率が小さいため、吸熱と放熱との繰り返しを行う蓄熱体に不可避に作用する熱衝撃に対して、耐性が高い利点がある。

また、本実施形態では、ハニカムセグメント３０の横断面の外形が扇形であり、その複数を放射状に集合させた蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃの横断面の外形が円形である。つまり、蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃは、中心に円形のバーナ用貫通孔５５を有する円柱状である。これにより、ハニカムセグメント３０の横断面と同方向の断面の外形が円形であるバーナ２０をバーナ用貫通孔５５に通した状態で、円筒状の本体外郭１０に収容しやすい。本体外郭１０の形状が円筒状であると製造がしやすいことに加え、円柱状の蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃとの隙間を一定としやすく、その隙間に断熱材などを充填しやすい。また、蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃが円柱状であると、温度分布が生じにくい利点がある。なお、全側周面が耐熱性布地４２でくるまれている蓄熱体５０ｂ，５０ｃの場合は、本体外郭１０と蓄熱体５０ｂ，５０ｃとの間に充填させる断熱材の機能を、耐熱性布地４２に兼ねさせることができる。

更に、ハニカムセグメント３０の側周面において、少なくとも隣接するハニカムセグメントとの境界面（平面３５）を構成している隔壁３１にケイ酸系ガラスの層４１が積層されている蓄熱体では、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメント３０と排気ガスを流通させるハニカムセグメント３０が隣接している場合に、万一、隣接するハニカムセグメント３０それぞれにおいて境界面を構成している隔壁３１の双方に損傷が生じたとしても、隔壁３１間に、二つのケイ酸系ガラスの層４１と、耐熱性布地４２の層の一以上が存在するため、燃焼用空気と排ガスとが混合することが有効に防止される。特に、ケイ酸系ガラスの層４１は、緻密で気密性の高い層であるため、それぞれのハニカムセグメント３０の隔壁３１に損傷が生じたとしても、損傷を介してガスが流出することがケイ酸系ガラスの層４１によって防止され、燃焼用空気と排ガスとが混合することが防止される。

更に、ケイ酸系ガラスは、高温下で軟化し塑性変形する性質を有しているため、隔壁３１に損傷が生じたとしても、その伸展が抑制されると共に、セラミックス製であるハニカムセグメント３０の脆性的な破壊が抑制される。そのため、吸熱と放熱を繰り返す蓄熱体を構成するハニカムセグメントの耐熱衝撃性を、ケイ酸系ガラスの層４１によって更に高めることができる。また、ケイ酸系ガラスが高温下で軟化して粘着性を有する性質により、ケイ酸系ガラスの層４１に耐熱性布地４２が積層されている状態で一度加熱されると、ケイ酸系ガラスの層４１に耐熱性布地４２が粘着する。これにより、隣接するハニカムセグメント３０の間に耐熱性布地４２が挟み込まれている状態が安定する。

また、側周面の全面にわたりケイ酸系ガラスの層４１が積層されているハニカムセグメント３０を集合させた蓄熱体５０ｃでは、ハニカムセグメント３０の側周面を構成する隔壁３１に何れかの部分で損傷が生じたとしても、ハニカムセグメント３０のセル内を流通させるガスが、外郭本体１０の内部に漏れ出ることが防止される。また、ハニカムセグメント３０を構成している炭化ケイ素は、上記のような利点を有する一方で、酸素を含む雰囲気で加熱されると酸化してしまう問題があるところ、蓄熱体５０ｃではハニカムセグメント３０の全側周面に緻密で気密性の高いケイ酸系ガラスの層４１が積層されているため、炭化ケイ素の酸化が有効に防止される。

加えて、蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃの構成である耐熱性布地４２が、セラミックス粉末を含むスラリーまたは加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させた後、加熱によりスラリーを固化させたものである場合は、セラミックス繊維間にセラミックス成分またはケイ酸系ガラスが担持されており、耐熱性布地４２の通気性が低下している。そのため、仮に、隣接しているハニカムセグメント３０の双方において、境界面となる隔壁３１に損傷が生じたとしても、この損傷を介してハニカムセグメント３０のそれぞれからガスが漏れ出ることが耐熱性布地４２の層により抑制されるため、燃焼用空気と排ガスとが混合するおそれを低減することができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記では、一つの蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃが六個のハニカムセグメント３０を集合させることにより形成される場合を例示したが、一つの蓄熱体を構成するハニカムセグメントの数は、複数（二以上）であれば限定されない。一つの蓄熱体を構成するハニカムセグメントの数が奇数の場合、上述した理由により、回転切り換え盤の回転一回あたり、燃焼用空気を流通させるハニカムセグメントの数より排ガスを流通させるハニカムセグメントの数が多くなるように、回転切り換え盤における区画壁の形状を設定する。

また、上記では、横断面の外形が扇形であるハニカムセグメント３０を集合させることによって、横断面の外形が円形である蓄熱体５０，５０ｂ，５０ｃを形成する場合を例示した。蓄熱体及びハニカムセグメントの形状はこれに限定されず、例えば、図８に示すように、ハニカムセグメント３０ｂの横断面の外形を、二等辺三角形の頂角が円弧状に切り欠かれた形状とし、これらの間に耐熱性布地４２を挟み込みつつ集合させることによって、中心に円形のバーナ用貫通孔を有する多角柱状の蓄熱体を形成することもできる。

１ バーナ装置（シングル型リジェネバーナ装置）
１０ 本体外郭
１１ 給気口
１２ 排気口
２０ バーナ
３０，３０ｂ ハニカムセグメント
３１ 隔壁
３２ セル
３５ 平面（境界面）
４０ 境界部
４１ ケイ酸系ガラスの層
４２ 耐熱性布地
５０，５０ｂ，５０ｃ 蓄熱体
５５ バーナ用貫通孔
６０ 回転切り換え盤

Claims (5)

1. 本体外郭を貫通するバーナと、
   該バーナによる燃料ガスの燃焼のための燃焼用空気を前記本体外郭の内部に供給するための給気口と、
   前記燃料ガスの燃焼により高温となった排ガスを前記本体外郭から排出するための排気口と、
   セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントの複数が、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合している蓄熱体であり、前記バーナを挿通させた状態で前記本体外郭に収容されている蓄熱体と、
   前記蓄熱体に対して前記セルの軸方向に平行な軸周りに回転することにより、それぞれの前記ハニカムセグメントに流通させるガスを前記燃焼用空気と前記排ガスとの間で切り換える回転切り換え盤とを具備し、
   それぞれの前記ハニカムセグメントの側周面では前記セルが開口することなく、前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されていると共に、
   隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地が挟み込まれていることにより、
   隣接している前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている
   ことを特徴とするシングル型リジェネバーナ装置。
2. セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントの複数が、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合している蓄熱体であり、
   該蓄熱体は、中心に前記セルより大きく前記セルの軸方向に貫通しているバーナ用貫通孔を備えていると共に、
   それぞれの前記ハニカムセグメントの側周面では前記セルが開口することなく、前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されていると共に、
   隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地が挟み込まれていることにより、
   隣接している前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている
   ことを特徴とする蓄熱体。
3. 前記ハニカムセグメントの前記側周面のうち、少なくとも隣接している前記ハニカムセグメントとの境界面において前記耐熱性布地の層との間に、ケイ酸系ガラスがコーティングされている
   ことを特徴とする請求項２に記載の蓄熱体。
4. 押出成形により、セラミックス製で、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有するハニカムセグメントであって、前記セルが側周面に開口することなく前記隔壁の壁面によって前記側周面が形成されているハニカムセグメントを成形し、
   前記ハニカムセグメントの複数を焼成した後、それぞれの前記セルの軸方向が一致するように集合させることにより、中心に前記セルより大きく前記セルの軸方向に貫通しているバーナ用貫通孔を備える蓄熱体を製造するに当たり、
   前記ハニカムセグメントを集合させる際に、隣接している前記ハニカムセグメントの間に、耐熱性繊維による不織布または織布である耐熱性布地を挟み込むことにより、
   隣接する前記ハニカムセグメントの境界部では、前記耐熱性布地の層を挟んで前記隔壁が二重となっている蓄熱体を製造する
   ことを特徴とする蓄熱体の製造方法。
5. 前記耐熱性布地に、セラミックス粉末を含むスラリーまたは加熱によりケイ酸系ガラスとなるスラリーを含浸させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の蓄熱体の製造方法。

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