JP3246632U

JP3246632U - 加熱装置

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Publication number: JP3246632U
Application number: JP2024000599U
Authority: JP
Inventors: 昌樹渋谷; 直人田渕; 義也田渕; 浩典阿部
Original assignee: 公益財団法人特殊無機材料研究所; 新潟ファーネス工業株式会社
Priority date: 2024-02-29
Filing date: 2024-02-29
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2034-02-28

Abstract

【課題】安定して熱損失の抑制が可能な加熱装置を提供する。【解決手段】加熱装置は、排気口１１１を有する炉１１と、排気口と連通し、排気口から排出されるガスが通過する排気管１２と、排気口を覆う放熱性セラミックスの多孔質部材１３と、を備えている。加熱装置は、炉の側面部から炉内に向けて燃料ガスを燃焼させるバーナー１４をさらに備えている。炉は、矩形の内部空間を有し、一側面部が開放されており、当該一側面部には開閉自在な扉が配置されている。炉の内側の天面には開口形状が円形の排気口が開口している。炉の内部の底面には、被加熱物１００を支持する支持部材１１２が配置されている。【選択図】図１

Description

本考案は、加熱装置に関する。

工業加熱炉では熱損失の抑制が求められている。工業加熱炉における最も顕著な熱損失は、高温排ガスにより系外に持ち出される顕熱によるものであり、この高温排ガスの顕熱を工業加熱炉内において直接回収し、工業加熱炉内に還元するための技術として、工業加熱炉内に炭化ケイ素（ＳｉＣ）系繊維で構成されるマットを配置することが従来技術として知られている（例えば特許文献１参照）。

実用新案登録第３１３６８７３号公報

ＳｉＣ系繊維のマットには、当該繊維の織布またはフェルトなどの不織布が用いられる。当該ＳｉＣ系繊維の繊維径が１０～２０μｍと細い。そのため、工業加熱炉で劣化することがあり、特に排ガスに水蒸気を多く含むガス燃焼炉において劣化しやすい。また、当該マットは布材であるため固定が難しい。そして高耐熱金属メッシュなどのマット用支持部材によって保形して工業加熱炉内に配置しても、使用時の炉内環境によって当該マット用支持部材内で当該マットが、あるいはマット用支持部材ごと変形することがある。さらに、スラグなどの粉塵が発生する熱処理を実施する工業加熱炉内に当該マットを配置すると、当該マットが短期間で目詰まりを起こすことがある。このように、従来技術には工業加熱炉内での熱の回収するための構成の耐久性の観点から改善の余地が残されている。

本考案の一態様は、炉における熱損失を安定して抑制可能な加熱装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本考案の一態様に係る加熱装置は、排気口を有する炉と、前記排気口と連通し、前記排気口から排出されるガスが通過する排気管と、前記排気口および前記排気管の内壁面の少なくとも一方を覆う、放熱性セラミックスの多孔質部材と、を備える。

本考案の一態様によれば、炉における熱損失を安定して抑制可能な加熱装置を実現することができる。

本考案の一実施形態に係る加熱装置の構成を模式的に示す図である。本考案の一実施形態における多孔質部材の一例の写真を示す図である。本考案の他の実施形態に係る加熱装置の構成を模式的に示す図である。排気口の位置が異なる工業用加熱炉の排気温度およびその時の燃料ガス削減率の一一例を示す図である。排気口を覆うＳｉＣ多孔質部材の有無の場合の加熱処理運転時間およびその時の燃料ガス使用量の一例を示す図である。排気口を覆うＳｉＣ多孔質部材の有無の場合の加熱処理運転時間およびその時の炉内温度の一例を示す図である。実施例１の加熱装置における加熱処理運転前後でのＳｉＣ多孔質部材の曲げ強度の測定結果の一例を示す図である。実施例２の電気炉における炉内温度と排気温度との差およびその時の電力削減率の一例を示す図である。

本考案の一実施形態に係る加熱装置は、炉と、排気管と、多孔質部材とを備える。以下、加熱装置の構成を説明する。

〔炉〕
炉は、被加熱物を目的の温度で熱処理（加熱または溶解など）するための装置である。炉の加熱の様式は限定されず、炉は、燃料ガスの燃焼による加熱を実施する燃焼炉であってもよいし、電気ヒータへの通電による加熱を実施する電気炉であってもよい。また、炉は、用途に応じてさまざまに分類され、そのいずれであってもよい。たとえば、炉は、材料を溶かす溶解炉であってもよいし、金属加工に供される鋼材に前処理として熱を加える加熱炉であってもよいし、金属あるいはセラミックスなどに強度、じん性または耐性などを持たせるために熱処理する熱処理炉であってもよい。

炉は、排気口を有する。炉内における当該排気口の位置および数は限定されない。排気口は、排気ガスが炉内から円滑に排出される観点から、炉内の天面に開口することが好ましい。

〔排気管〕
加熱装置は、炉の排気口と連通し、当該排気口から排出されるガスが通過する排気管を有する。排気管は、一般に、排気ガスを円滑に排気するのに十分に大きい管径（内径）を有するが、一方で排気管の管径が大きすぎると炉内の熱が放出されやすくなる。排気管の大きさおよび数は限定されないが、これらは円滑な排気と炉内の熱の放出の抑制との観点から適宜に決められ得る。

〔多孔質部材〕
加熱装置は、炉の排気口および上記の排気管の内壁面、の少なくとも一方を覆う多孔質部材を有する。

多孔質部材は、保形性、通気性および放熱性を有する。多孔質部材の保形性とは、多孔質部材の所期の形状（板状など）がその取り扱い時に維持される性質である。保形性を有する多孔質部材は、例えば、多孔質部材の端部を把持したときに多孔質部材の所期の形状が維持されるのに十分な剛性を有する。多孔質部材がこのような保形性を有することは、多孔質部材の炉内への設置を容易にする観点から好ましい。

多孔質部材の通気性とは、多孔質部材にガスを通すときの供給側の圧力の上昇が十分に抑制される程度にガスを通す性質である。通気性を有する多孔質部材は、例えば、供給側の圧力が特定の値を超えない程度にガスを通す連続気泡または貫通孔を有する。多孔質部材がこのような通気性を有することは、炉内の圧力上昇を抑制する観点、および炉における（より高い内圧となる）より高温の処理を可能にする観点から好ましい。

多孔質部材の放熱性とは、多孔質部材が吸収した熱を外方へ放出する性質である。多孔質部材は放熱性セラミックスで構成されており、多孔質部材の放熱性は、このような放熱性セラミックスによって発現される。多孔質部材がこのような放熱性を有することは、炉から吸収した熱を炉に放出（炉における熱を炉に還元）して炉の熱源の省力化を実現する観点から好ましい。

［材料］
多孔質部材の材料は、放熱性セラミックスを含む。放熱性セラミックスは、金属および有機物を除く材料であって、十分に高い放熱性を有する材料である。たとえば、放熱性セラミックスは、高い熱伝導性を有し、吸熱性および放熱性のいずれもが優れている無機材料であり得る。放熱性セラミックスの放熱性は、炉における熱損失の抑制が得られる範囲において適宜に決められ、このような放熱性を有する放熱性セラミックスは、熱損失の所望の抑制量に応じて、実験またはコンピュータシミュレーションに基づいて適宜に選択され得る。放熱性セラミックスは、一種でもそれ以上でもよい。放熱性セラミックスの例には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、チタン酸アルミニウム、窒化ほう素、グラファイトおよびその類縁体が含まれる。

中でも、放熱性および耐熱性に優れる観点、および多孔質構造であっても十分な保形性を発現し得る観点から、放熱性セラミックスは、炭化ケイ素およびその類縁体（「炭化ケイ素系材料」とも言う）であることが好ましい。炭化ケイ素系材料は、炭化ケイ素そのものの他、炭化ケイ素に数％程度の金属元素を含む組成物であり得る。当該金属元素の例には、Ａｌ、ＴｉおよびＺｒが含まれる。炭化ケイ素系材料においてこのような金属元素が添加されていることは、多孔質部材の熱伝導性を高める観点から好ましい。

多孔質部材の材料は、多孔質部材の所望の特性を発現し得る範囲において、前述した放熱性セラミックス以外の材料を含んでいてもよい。たとえば、多孔質部材は、前述した金属元素の他、炭素およびほう素などをさらに含んでいてもよい。

［形態］
多孔質部材の形態は、所望の保形性および通気性を発現し得る形態であればよい。たとえば多孔質部材は、連続気泡を含むスポンジ状の形態であってもよいし、特定の開口形状の管状構造が束ねられて規則的に配列する構造を有するハニカム構造体であってもよい。あるいは、多孔質部材は、粒子を焼結してなる焼結体であってもよい。多孔質部材は、公知の技術を利用して製造した製造品であってもよいし、あるいは市販品であってもよい。

［物性］
多孔質部材における隙間（細孔）の程度は、セル数で表し得る。セル数とは、１インチあたりに存在するセル（気泡）の数を意味する。多孔質部材のセル数が小さすぎると、多孔質部材における通気路が狭くなり、通気時の給気側の圧力が高くなりすぎることがあり、あるいは多孔質部材の剛性が不十分になることがある。多孔質部材のセル数が大きすぎると排気ガスと多孔性物質との接触性が不十分となり、多孔質部材による炉内の熱の回収が不十分となることがある。多孔質部材のセル数は、給気側の圧力上昇を抑制する観点および所望の保形性を発現するのに十分な剛性を備える観点から、５個／２５ｍｍ以上であることが好ましく、８個／２５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、多孔質部材のセル数は、炉内の熱を十分に吸収し、かつ当該熱を炉内に十分に放出する観点から、２０個／２５ｍｍ以下であることが好ましく、１５個／２５ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、多孔質部材の隙間の程度は、密度で表し得る。当該密度が低すぎると多孔質部材の剛性が不十分になることがあり、当該密度が高すぎると多孔質部材における通気路が狭すぎて、通気時の給気側の圧力が高くなりすぎることがあり、あるいは多孔質部材の剛性が不十分になることがある。多孔質部材の材料にもよるが、良好な通気性を発現させる観点から、例えば多孔質部材が炭化ケイ素である場合、その密度は０．１０ｇ／ｃｍ^３以上であってよく、０．１５ｇ／ｃｍ^３以上であってよい。また、多孔質部材が同様に炭化ケイ素である場合、良好な保形性を発現させる観点から、多孔質部材の密度は２．５ｇ／ｃｍ^３以下であってよく、２．０ｇ／ｃｍ^３以下であってよい。

また、多孔質部材の剛性は、曲げ強度で表し得る。当該曲げ強度が低すぎると、炉内へ多孔質部材を取り付けることが困難になることがある。炉内への多孔質部材の取付を容易にする観点から、多孔質部材の曲げ強度は、０．５ＭＰａ以上であることが好ましく、０．８ＭＰａ以上であることがより好ましい。多孔質部材の曲げ強度は、上記の観点によれば高すぎても問題ないが、前述した具体例の多孔質部材であれば、概ね１０ＭＰａ以下であればよい。多孔質部材の曲げ強度は、日本産業規格ＪＩＳＲ１６０１に準拠し測定することができる。

また、多孔質部材における剛性および隙間の程度は、骨の太さで表され得る。「骨の太さ」とは、多孔質部材を構成する物質の骨格部分の太さを意味する。多孔質部材の骨の太さが細すぎると保形性が不十分となることがあり、太すぎると通気性が不十分となることがある。良好な保形性を発現させる観点から、多孔質部材の骨の太さは０．３ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、良好な通気性を発現させる観点から、多孔質部材の骨の太さは１ｍｍ以下であることが好ましい。多孔質部材の骨の太さは、通常のノギス等を使用することによって求めることが可能である。

また、多孔質部材の好ましい物性は、多孔質部材の形態に応じて決めることができる。たとえば、多孔質部材がハニカム構造体である場合では、多孔質部材の開口径は、大きすぎると熱の吸収および放出が不十分になることがあり、小さすぎると通気性が不十分になることがある。多孔質部材の開口径は、多孔質部材における開口の大きさを代表値であればよく、開口部の長径であってもよいし、短径であってもよいし、あるいは平均径であってもよい。良好な通気性を発現させる観点から、多孔質部材（ハニカム構造体）の開口径は１．０ｍｍ以上であることが好ましく、１．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、良好な放熱性を発現させる観点から、多孔質部材（ハニカム構造体）の開口径は５．０ｍｍ以下であることが好ましく、３．０ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、多孔質部材がハニカム構造体である場合では、ハニカム構造を構築する隔壁（通気孔間の壁）の厚さは、薄すぎると放熱性および保形性が不十分になることがあり、厚すぎると通気性が不十分になることがある。多孔質部材における隔壁の厚さは、良好な放熱性および保形性を発現させる観点から、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２ｍｍ以上であることがより好ましい。また、多孔質部材における隔壁の厚さは、良好な通気性を発現させる観点から、１．５ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、多孔質部材の全体の厚さ（通気方向における長さ）は、多孔質部材に形成される通気路の長さを表し得る。多孔質部材の全体の厚さは、多孔質部材に形成される通気路の広さ（例えばセル数あるいは開口径）によるが、薄すぎると放熱性が不十分となることがあり、厚すぎると通気性が不十分となることがある。多孔質部材の全体の厚さは、良好な放熱性を発現させる観点から、５ｍｍ以上であることが好ましく、８ｍｍ以上であることがより好ましい。また、多孔質部材の全体の厚さは、良好な通気性を発現させる観点から、２０ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、多孔質部材の空隙率が低すぎると通気性が不十分になることがあり、高すぎると保形性および放熱性が不十分になることがある。多孔質部材の空隙率は、良好な通気性を発現させる観点から、容積基準で８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。また、多孔質部材の空隙率は、良好な保形性および放熱性を発現させる観点から、容積基準で９８％以下であることが好ましく、９６％以下であることがより好ましい。当該空隙率は、多孔体部材を構成する物質の真比重と、実際に使用する多孔体部材の見かけ密度から算出することができる。。

［配置］
加熱装置において、多孔質部材は炉の排気口を覆うように配置され得る。あるいは、多孔質部材は排気管の内壁面を覆うように配置され得る。この場合、多孔質部材は炉から排出される排気ガスに十分に接触し、通過する排気ガスから熱を吸収して吸熱後の排気ガスを下流側に放出する熱フィルタとして機能する。

また、加熱装置において、多孔質部材は炉の内壁面を覆うように配置され得る。この場合、多孔質部材は、炉内の雰囲気に接するため、当該雰囲気の熱を吸収し、吸収した熱を炉内に放出する熱リフレクタとして機能する。

［取り付け方］
多孔質部材の炉または排気管への取り付けは、炉内または排気管内における多孔質部材の所望の取り付け位置に応じた適当な形状を有する多孔質部材を用意し、それを当該取り付け位置に応じた適当な方法で取り付けることによって実施可能である。たとえば、多孔質部材は、板状を有し、炉の内壁にボルトまたは釘で取り付け位置に固定されてもよいし、取り付け位置に接着剤で貼り付けられてもよい。排気管が垂直である場合には、簡単な受けジグを製作しその上に乗せるだけでもよい。あるいは、多孔質部材は、円筒形に形成されて排気管に挿入されてもよい。この場合、必要に応じて接着剤などによってさらに固定されてもよい。

〔その他の構成〕
加熱装置は、本考案の効果が得られる範囲において、前述した構成以外の他の構成をさらに有していてもよい。他の構成の例には、炉内に被加熱物を支持する支持部材、炉内を加熱するための電気ヒータ、および、燃料ガスを炉内に供給するとともに被加熱物に向けて燃焼させるバーナー、が含まれる。なお、燃料ガスは、炉の用途に応じて適宜に決められればよく、例えばプロパンガスであってよく、あるいは水素ガスであってよい。

〔用途〕
加熱装置は、炉内温度が高い温度となる炉に適用可能であり、そのような種々の用途の工業炉に適用可能である。加熱装置に適用可能な工業炉の例には、溶解炉、加熱炉、熱処理炉、焼結炉、焼成炉および乾燥炉が含まれる。また、乾燥装置は、焼却炉にも適用可能である。

〔具体的な態様１〕
本考案の一態様に係る加熱装置の構成を図１に模式的に示す。

［構成］
図１に示されるように、加熱装置１０は、排気口１１１を有する炉１１と、排気口１１１と連通し、排気口１１１から排出されるガスが通過する排気管１２と、排気口１１１を覆う放熱性セラミックスの多孔質部材１３と、を備えている。加熱装置１０は、炉１１の側面部から炉１１内に向けて燃料ガスを燃焼させるバーナー１４、１４をさらに備えている。

炉１１は、矩形の内部空間を有し、一側面部が開放されており、当該一側面部には開閉自在な扉が配置されている。炉１１の内側の天面には開口形状が円形の排気口１１１が開口している。炉１１の内部の底面には、被加熱物１００を支持する支持部材１１２、１１２が配置されている。

炉１１の排気口１１１は、多孔質部材１３で覆われている。図２は多孔質部材１３の一例の写真を示す図である。多孔質部材１３は、ＳｉＣ製のスポンジ状の部材であり、平面視したときの形状が正方形である板状の部材である。多孔質部材１３は、そのセル数が８個／２５ｍｍ程度と、比較的粗い多孔質構造を有している。また、多孔質部材１３は、その骨の太さが０．５ｍｍ程度であり、またその曲げ強度が４ＭＰａ程度と、板状の形状を維持するのに十分に高い剛性を有している。多孔質部材１３は、例えば接着剤によって炉１１の天面に接着されて固定されている。

炉１１の内部における天面の多孔質部材１３以外の部分、および側面には、放熱性セラミックスの多孔質部材１５がさらに配置されている。多孔質部材１５は、例えば多孔質部材１３と同じＳｉＣ製のスポンジ状の部材である。多孔質部材１５も、例えば接着剤によって炉１１の天面および側面に接着されて固定されている。このように加熱装置１０では、上記の多孔質部材がさらに炉１１の内壁面を覆うように配置されている。

［加熱処理運転］
加熱装置１０では、バーナー１４による燃焼ガスの燃焼によって炉内温度を特定の温度に上昇させ、また維持し、被加熱物１００を加熱する。燃焼ガスの燃焼による排気ガスは、多孔質部材１３および排気口１１１を介して排気管１２を通って炉１１外に排出される。

多孔質部材１３は、通過する高温の排気ガスから熱を吸収し、放出する。こうして多孔質部材１３が吸収した排気ガスの熱は、炉１１内に放出され、炉１１内の温度の昇温または維持に供される。したがって、多孔質部材１３から熱が供給される分だけ、加熱装置が多孔質部材１３を有さない場合に比べてバーナー１４の出力が削減される。

同様に、炉１１の内壁面を覆う多孔質部材１５も、炉１１内の高温の雰囲気に曝され、当該雰囲気から熱を吸収し、そして放出する。多孔質部材１５が吸収した雰囲気の熱は、炉１１内に放出され、炉１１内の温度の昇温または維持に供される。したがって、多孔質部材１５から熱が供給される分だけ、加熱装置が多孔質部材１５を有さない場合に比べてバーナー１４の出力がさらに削減される。

［作用効果］
本態様では、放熱性のセラミックスであるＳｉＣの多孔質部材１３が排気口１１１を覆っている。そのため、上記のように排気ガス中の熱の一部が炉１１内に還元されるため、加熱源であるバーナー１４の出力が抑制され、その結果燃費が向上する。本態様によれば、炉内温度にもよるが、バーナー１４での燃料ガスの使用量を、多孔質部材１３を配置しない場合に比べて約１０％削減することが可能である。

また、本態様において、多孔質部材１３および多孔質部材１５はいずれも板状の部材である。多孔質部材１３および多孔質部材１５は、いずれも端部を把持しても部材の形状が維持される。一方、前述した特許文献１に記載されているようなＳｉＣ系繊維のマットは、それ単独では形状が維持されないため、炉１１内に配置するためには金属ワイヤで固定するなどの下準備を要する。よって、本態様は、上記マットを用いる従来技術に比べて、多孔質部材１３および多孔質部材１５の取り付けおよび取り外し（交換）などの取り扱いが容易である。

また、本態様において、多孔質部材１３および多孔質部材１５は、いずれもその骨の太さが０．５ｍｍ程度であり、またその曲げ強度が４ＭＰａ程度である。よって、当初の板状の形状が維持され、高温環境下でも変形せず、また所望の熱的特性（吸熱と放熱）を十分に発揮し続けることができる。

これに対して、上記マットを用いる従来技術では、取り付け後に保形用のワイヤが曲がってしまって平面形状を維持できないことがあり、あるいは高温環境下での使用によって繊維が劣化し、飛散して当該マットの部分的な欠損が生じることがある。このような変形または欠損が生じると、排気ガスが炉内から当該マット内を通過せずに排気口から排気管へ到達し、このように炉内から直接外部に排出されることがある。

また、従来のマットを構成するＳｉＣ繊維の繊維径は十数μｍ程度であるのに対して、本態様における多孔質部材１３、１５の構造部の厚さ（骨の太さ）は数百μｍから数ｍｍ程度であり得る。よって、ＳｉＣが酸化などで劣化する場合、従来技術では劣化した部分の深さの繊維径に対する割合は小さくなく、劣化の影響が大きい。これに対して、本態様では、ＳｉＣが劣化する場合、劣化した部分の深さの繊維径に対する割合は上記の従来技術に比べて１／１０以下であり、劣化の影響は十分に小さい。よって、本態様では、ＳｉＣが劣化する場合の多孔質部材の強度および熱的特性への影響が十分に抑制され、強度および熱的特性について高い耐久性を示す。

さらに、本態様において、多孔質部材１３、１５の多孔質構造は上記の従来技術に比べて十分に粗い。そのため通気性に優れ、多孔質部材１３を通過する排気ガスの流量をより多くすることができ、また炉１１内の圧力の上昇が抑制される。本態様は、上記の従来技術に比べて、排気ガスの放熱性セラミックス（ＳｉＣ）に対する接触性は低いが、多孔質部材における排気ガスが通る隙間が十分に大きいため、排気ガスの流量を大きくすることが可能である。また前述したように、本態様は、上記の従来技術に比べて多孔質部材の変形および劣化が生じにくい。よって、本態様は、上記の従来技術に比べて、より高温での運転条件に適用することができ、また排気ガスの流量がより大きい運転条件に適用することができる。

したがって、本態様は、燃料ガスの使用量の削減率が低くても、より高温で、あるいはより多量の排気ガスを処理する条件で使用することにより、燃料ガスの削減量をより増やすことが可能である。たとえば、上記の従来技術が１０ｍ^３の排気ガスから燃料ガスの２０％の削減率を達成し得るとすれば、本態様は１００ｍ^３の排気ガスから燃料ガスの１０％の削減率を達成し得る。よって、本態様は、上記の従来技術に比べて、燃料ガスの削減率を長期間安定してより高めるのに有利である。

一般に、省力化を実現する技術においては省力化の効率がより高いことが有利と考えられる。一方で、技術の適用では効率以外に利便性および耐久性も重要な要素である。本態様では、使用ガスの削減率（炉内への熱の還元量）の最高値は上記の従来技術よりも低いが、上記の従来技術に比べて耐久性に優れ、所期の削減率を長期にわたって実現でき、かつより高温の運転条件にも適用可能である。その結果、本態様は、長期的には上記の従来技術よりも使用ガスの高い削減率を実現することができ、本技術分野の当業者に対してより高い価値を発揮し得る。

〔具体的な態様２〕
本考案における他の態様に加熱装置の構成を図３に模式的に示す。図３に示されるように、加熱装置２０は、多孔質部材１３に代えて多孔質部材２３を有する以外は、前述した加熱装置１０と実質的に同じ構成を有している。なお、説明の便宜上、上記の態様１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

多孔質部材２３は、位置および形状が異なる以外は、前述の多孔質部材１３と同様に構成されている。多孔質部材２３は、排気管１２における炉１１側の開口部において排気管１２内に収納されている。多孔質部材２３は排気管１２の内径と実質的に同じ径を有する円筒形状を有している。多孔質部材２３は、例えばその周面に塗布された接着剤によって排気管１２の開口部に接着されて固定されている。このように、加熱装置２０は、排気管１２の内壁面を覆う多孔質部材２３を備えている。

本態様において、多孔質部材２３には排気管１２に向かう排気ガスが通過し、多孔質部材２３は当該排気ガスの熱を吸収する。そして吸収した熱の一部は多孔質部材２３から炉１１内へ放出される。こうして多孔質部材２３が吸収した排気ガスの熱は、炉１１内に放出され、炉１１内の温度の昇温または維持に供される。よって、加熱装置２０では、加熱装置１０と同様に、排気ガスの熱を吸収した多孔質部材２３から炉１１内へ熱が放出される分だけ、加熱装置が多孔質部材２３を有さない場合に比べてバーナー１４の出力がさらに削減される。

〔具体的態様の変形例〕
排気口１１１は炉１１内の天面に開口していなくてもよい。たとえば排気口１１１は、炉１１内の背面、側面または底面に開口していてもよい。

多孔質部材１５は、炉１１内の底面にもさらに配置されていてもよい。あるいは多孔質部材１５は炉１１内に配置されていなくてもよい。

加熱装置１０、２０の熱源はバーナー１４でなくてもよい。たとえば当該熱源は、炉１１内に面して配置される電気ヒータでもよい。

多孔質部材２３は排気管１２の断面の全域を覆うように配置されていなくてもよい。たとえば多孔質部材２３は、排気管１２の内周壁を排気管１２の内径未満の特定の厚さで覆う（排気管１２の中心部を開放する）ように配置されていてもよい。

多孔質部材１３、１５、２３はスポンジ状の部材でなくてもよい。たとえば多孔質部材１３、１５、２３は、ハニカム構造体であってもよい。また、これらの多孔質部材は、いずれも同種の部材であってもよいし、材料または形態が異なる別種の部材であってもよい。

〔まとめ〕
本考案の第一の態様は、排気口（１１１）を有する炉（１１）と、排気口と連通し、排気口から排出されるガスが通過する排気管（１２）と、排気口および排気管の内壁面の少なくとも一方を覆う、放熱性セラミックスの多孔質部材（１３）と、を備える加熱装置（１０）である。第一の態様によれば、安定して熱損失の抑制が可能な加熱装置を実現することができる。

本考案の第二の態様は、第一の態様において、多孔質部材のセル数が８～２０個／２５ｍｍである。第二の態様は、排気ガスの通気性を高める観点、および排気ガスからの熱の総回収量を増やす観点からより一層効果的である。

本考案の第三の態様は、第一の態様または第二の態様において、多孔質部材がさらに炉の内壁面を覆うように配置されている。第三の態様は、加熱装置の熱源の省力化の観点からより一層効果的である。

本考案によれば、炉内を加熱する加熱装置の熱損失を長期間にわたって安定して抑制することが可能である。このような効果を奏する本考案は、省エネルギー化およびよりクリーンなエネルギーへの代替の促進に寄与することが期待され、国連が提唱する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」等の達成にも貢献することが期待される。

本考案は上述した各実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本考案の技術的範囲に含まれる。

〔実施例１〕
炉内の天面に開口する排気口を有する小型水素バーナー炉を用意し、炉内の排気口を図１に示されるように板状の第一のＳｉＣ多孔質部材で覆った。第一のＳｉＣ多孔質部材は、炉内の天面における排気口の周縁部に、接着剤によって接着されて固定されている。これを第一の加熱装置とする。第一のＳｉＣ多孔質部材の物性を以下に示す。
［物性］
セル数：８個／２５ｍｍ
厚さ：１０ｍｍ
密度：０．４５ｇ／ｃｍ^３

〔実施例２〕
小型水素バーナー炉に代えて、バーナーを有さずに炉内に電熱ヒータを備える電気炉を用い、実施例１と同様に、第一のＳｉＣ多孔質部材を炉内の天面における排気口の周縁部に接着剤によって接着して固定することによって、炉内の天面に開口する排気口を第一のＳｉＣ多孔質部材で覆った。これを第二の加熱装置とする。

〔実施例３〕
板状のＳｉＣ製のハニカム構造体を用意した。当該ハニカム構造体は、同じ開口形状を有する多数の貫通孔が当該構造体の表面に配列し、かつ当該構造体の厚さ方向に沿って延在する構成を有している。当該ハニカム構造体は、より具体的には、略三角系の開口形状を有する段ボール様のコルゲート構造体から製作されている。これを第二のＳｉＣ多孔質部材とする。第二のＳｉＣ多孔質部材の物性を以下に示す。開口径は、開口形状の中心（または重心）を通る直線のうち最も長い直線の長さである。
［物性］
開口形状：略三角系
開口径（長径）：３ｍｍ
隔壁の厚さ：０．２ｍｍ
構造体の厚さ：１０ｍｍ

小型水素バーナー炉に比べてより大型であり、大きさ以外は小型水素バーナー炉と実質的に同じ構成を有している大型のバーナー炉を用意した。当該大型バーナー炉は、大きさ以外は小型水素バーナー炉と実質的に同じ構成を有している。そして、実施例１と同様に、第二のＳｉＣ多孔質部材を炉内の天面における排気口の周縁部に接着剤によって接着して固定することによって、当該大型バーナー炉の炉内の排気口を第二のＳｉＣ多孔質部材で覆った。これを第三の加熱装置とする。

〔比較例１〕
実施例３の二枚の第二のＳｉＣ多孔質部材で一枚のＳｉＣ繊維のフェルトを挟んでＳｉＣ繊維のフェルトをシート状に保持してなる部材を用意した。これをＳｉＣ繊維マットとする。なお、ＳｉＣ繊維のフェルトの物性は以下の通りである。
［物性］
繊維径：１５μｍ
厚さ：６ｍｍ
密度：０．０１ｇ／ｃｍ^３

そして、実施例３の大型バーナー炉にＳｉＣ繊維マットを、実施例３と同様に炉内の天面における排気口の周縁部に接着剤によって接着して固定することによって、当該大型バーナー炉の炉内の排気口をＳｉＣ繊維マットで覆った。これを第四の加熱装置とする。

〔評価〕
（１）炉における排気温度と燃料ガスの削減率との関係
まず、炉における排気温度と燃料ガスの使用量の削減率とを確認する。前述の小型水素バーナー炉（これを「第一の小型水素バーナー炉」とも言う）と、炉内の背面に開口する排気口を有する以外は第一の小型水素バーナー炉と同様の構成を有する小型水素バーナー炉（これを「第二の小型水素バーナー炉」とも言う）とを用意した。

第一の小型水素バーナー炉および第二の小型水素バーナー炉のそれぞれについて、多孔体部材を装着した場合としない場合について、水素を含む燃料ガスを炉内に供給して燃焼させる加熱処理運転を同じ条件で実施した。そして、加熱処理運転の条件を適宜に調整して炉内温度を定められた温度に制御し、そのときの燃料ガスの使用量の削減率を求めた。当該削減率は、多孔体部材未装着時の燃料ガスの使用量（基準量）に対する、多孔体部材装着時の燃料ガスの使用量の削減量の割合である。基準量は、炉内温度を１１８０℃とする条件での加熱処理運転における燃料ガスの使用量である。

なお、実施例において、「排気温度」は、排気管における排気ガスが多孔質部材を通過した直後の温度である。また、「炉内温度」は、炉内の温度を制御するための熱電対の温度である。

第一の小型水素バーナー炉および第二の小型水素バーナー炉における排気温度とそのときの燃料ガスの削減率とを図４および下記表１に示す。図４中、「天井排気」は第一の小型水素バーナー炉の値を示し、「背面排気」は第二の小型水素バーナー炉の値を示している。また、表１中の値は、図４における同じ炉の直近の二点の測定点の中間値を示している。図４および表１より、炉内における排気口の位置に関わらず、小型水素バーナー炉の排気温度を下げることによって燃料ガスの削減率が高まることが確認される。

（２）運転時間と燃料ガスの使用量
第一の加熱装置について、炉内温度１１８０℃の加熱処理運転を９．５時間実施した。比較のため、第一の小型水素バーナー炉についても同様の加熱処理運転を実施した。加熱処理運転の運転時間における燃料ガスの使用量を図５に示す。図５中、「ＳｉＣ多孔体有り」は第一の加熱装置の値を示し、「ＳｉＣ多孔体無し」は第一の小型水素バーナー炉の値を示している。同じ炉内温度で同じ運転時間であっても、第一の加熱装置における燃料ガスの使用量は、第一の小型水素バーナー炉のそれを常に下回っている。９．５時間の運転における第一の加熱装置の燃料ガスの総使用量は、第一の小型水素バーナー炉のそれに対して約１１％減少していた。

（３）運転時間と排気温度
上記（２）における加熱処理運転での運転時間における炉内温度および排気温度を図６に示す。図６中、「ＳｉＣ有り」は第一の加熱装置の値を示し、「ＳｉＣ無し」は第一の小型水素バーナー炉の値を示している。同じ炉内温度で同じ運転時間であっても、第一の加熱装置における排気温度は、第一の小型水素バーナー炉のそれを常に下回っている。第一の加熱装置における運転終期（９．５時間）での炉内温度と排気温度との差は、約９０℃であり、第一の小型水素バーナー炉のそれは約４３℃であった。

（４）多孔質部材の経時的変化
実操業用の大型炉の炉内における複数箇所に、当該大型炉に合わせて準備したＳｉＣの多孔質部材を取り付け、約７か月間、工業用加熱炉として実操業を実施した。当該多孔質部材は、前述した小型のバーナー炉用の多孔質部材よりも、より密な構造を有し、またより高い強度を有している。実操業における炉内温度は概ね１，１００～１，２００℃であり、一回当たりの操業時間は５～７時間である。当該実操業期間の前後における当該多孔質部材の曲げ強度を測定した。当該曲げ強度は、インストロン社製の万能試験装置を用いて３点曲げ試験することによって求めた。測定結果を図７に示す。上記多孔質部材の曲げ強度では実操業後に比べて実操業前では多少のばらつきが見られるが、上記の実操業前後において実質的には変化していないことがわかる。

（５）電気炉での省エネルギー化
第二の加熱装置について、炉内温度が１２００℃となる条件で電熱ヒータに電力を供給する加熱処理運転を実施した。多孔質部材無し（図８中の三角のプロット）の場合、天井排気孔に第一のＳｉＣ多孔質部材を装着した場合（図８中の丸のプロット）、および第二の多孔質部材を装着した場合（図８中の四角のプロット）、のそれぞれの場合の電力量を測定した。結果を図８に示す。多孔質部材無しの場合に比べ、第一の多孔質部材装着時には約１２％、第二の多孔質部材装着時には約４％使用した電力量が減少した。第一のＳｉＣ多孔質部材装着時の炉内温度と排気温度の差は約４５０℃、第二の多孔質部材装着時には約３５０℃であった。なお、多孔質部材無しの場合は約１９０℃であった。

（６）炉内圧力
第一の加熱装置、第三の加熱装置および第四の加熱装置について、炉内温度１１８０℃の加熱処理運転を一定時間実施したときの炉内の圧力を測定した。比較のため、第一の小型水素バーナー炉と大型炉のそれぞれについても、同様の加熱処理運転を実施したときの炉内の圧力を測定した。結果を表２に示す。

表２より、第一のＳｉＣ多孔質部材、第二のＳｉＣ多孔質部材の設置による炉内圧力の上昇は２０～３０Ｐａ程度であった。これに対して、ＳｉＣ繊維マットでの設置による炉内圧力の上昇は４７７Ｐａであった。第四の加熱装置におけるＳｉＣ繊維マットは二枚の第二のＳｉＣ多孔質部材と一枚のＳｉＣ繊維のフェルトとから構成されていることから、第四の加熱装置におけるＳｉＣ繊維のフェルトによる炉内圧力は４８４Ｐａと推定される。

工業用の加熱炉における使用圧力は、耐圧仕様の炉でない限り、通常は３００Ｐａが上限と言われている。第一の加熱装置および第三の加熱装置はいずれも、排ガスから熱を回収し、その結果燃料ガスの使用量の削減を実現し、さらに炉内の圧力上昇を十分に抑制している。これは、ＳｉＣ多孔質部材に排気ガスが通気するように配置されており、またＳｉＣ多孔質部材の目が適度に粗いために圧力損失が抑制されるため、と考えられる。

１０、２０加熱装置
１１炉
１２排気管
１３、１５、２３多孔質部材
１４バーナー
１００被加熱物
１１１排気口
１１２支持部材

Claims

排気口を有する炉と、
前記排気口と連通し、前記排気口から排出されるガスが通過する排気管と、
前記排気口および前記排気管の内壁面の少なくとも一方を覆う、放熱性セラミックスの多孔質部材と、を備える加熱装置。
前記多孔質部材のセル数が８～２０個／２５ｍｍである、請求項１に記載の加熱装置。
前記多孔質部材が、さらに前記炉の内壁面を覆うように配置されている、請求項１または２に記載の加熱装置。