JP4161204B2 - ラジアントチューブ内部状態検出機構及びシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブ - Google Patents

Description

本発明は、給気と排気の流れを交互に切替えると共に、排気の熱を蓄熱体に蓄熱し、蓄熱体に蓄熱された熱を給気の予熱に利用する蓄熱バーナを用いた雰囲気熱処理炉等の加熱炉に用いられるラジアントチューブ内部状態検出機構及びシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブに関する。

例えば雰囲気熱処理炉のように、炉内雰囲気が可燃性ガスである場合、燃焼ガスを直接炉内に入れることなく、Ｕ型やＷ型のラジアントチューブタイプのヒーターやバーナを用いて、間接的に加熱を行うようにしている。
上述したラジアントチューブタイプのヒーターやバーナの例として、ラジアントチューブの両端にそれぞれ蓄熱燃焼バーナ（リジェネバーナ）を配置して構成されるツイン型リジェネバーナ（特許文献１参照）や、ラジアントチューブの一端に一つのリジェネバーナが配置されるシングル型リジェネバーナがある。
シングル型リジェネバーナは、例えば、単一のバーナ本体と、複数の給排気通路を有する蓄熱体と、給気用ブロワと、給排気切換弁装置と、から構成され、給排気切換弁装置によって蓄熱体の複数の給排気通路に給排気を交互に流通させて熱交換することにより、給気(燃焼用エア)を予熱すると共に排気温度を低下させて熱効率を高めるようにしている。

ところで、上述したリジェネバーナを用いたラジアントチューブ（以下、適宜、チューブという。）内が不完全燃焼状態になったり、異常燃焼を起こしたり、燃焼量が多すぎたり等すると、チューブの穴開きが起こり、寿命の安定が阻害される事態を招きかねない。この対策として、チューブ内の温度又は排ガスを計測する計測部品を、一端部がチューブ内に挿入され、他端部が炉内空間を通して炉外に引出されるように配置し、計測部品（又はこの計測部品を収納する検出用筒部）及びリジェネバーナの蓄熱体等を収納し、内側に断熱材を装入した耐熱鋳鋼製ボックスを、内部が炉内空間と仕切られるように炉内空間に設け、計測部品によりチューブ内の温度又は排ガスの成分を検出し、その検出結果に基づいて、燃焼状態を把握し、上記事態の発生を防止することが考えられる。

しかしながら、上述したように構成した場合、耐熱鋳鋼製ボックスからの熱伝導で断熱性が低下し、炉外への熱放散が多くなり、その分、省エネ効果が低下するという問題点があった。この対策として、耐熱鋳鋼製ボックスを廃止し、計測品を収納する検出用筒部を断熱材に挿通してその先端側部分を炉体に引き出して固定し、炉外への熱放散を抑制することが考えられる。
特開２００２−１４７７５７

しかしながら、上述したように断熱材を設けた場合、検出用筒部におけるチューブとの接続側は、高温度が維持される一方、炉外すなわち大気中に配置される先端部分は相対的に温度が低い状態になっており、検出用筒部は、熱歪を生じる。一方、検出用筒部は、固定されていることから、前記熱歪により割れてチューブ内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうことが起こり得た。

また、チューブは、リジェネバーナによる火炎部近傍は温度が高く、排ガスの流れ方向の先端側で温度が低くなり、チューブ全体として熱歪を生じ、これに伴い検出用筒部には上下又は左右などの方向の力が作用する。そして、この検出用筒部は、固定されていることから、前記力を受けて、上述したのと同様に、割れてチューブ内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうことが起こり得た。
本発明は，上記事情に鑑みてなされたもので、良好な断熱性を確保して省エネ効果を向上させ、かつラジアントチューブの熱歪の影響を抑制できるラジアントチューブ内部状態検出機構及びシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、炉内に収納されバーナを装着したラジアントチューブと、該ラジアントチューブに基端部が連通し、かつ前記炉を構成する炉体の孔に装入された断熱材を挿通してその先端側部分が前記炉外に引き出された検出用筒部と、該検出用筒部の内側に収納され前記ラジアントチューブ内の温度又は前記ラジアントチューブ内の排ガスを計測する計測部品と、を備え、ラジアントチューブ内温度又は排ガスを検出するラジアントチューブ内部状態検出機構であって、前記炉外における前記検出用筒部の前記炉から引き出された部分には、前記検出用筒部の前記炉に対する変位を可能とするスライド機構を設け、該スライド機構は、前記炉体の外側に断熱材を覆うように配置され前記検出用筒部を通すフランジ孔が形成された板状の上部フランジと、上部フランジに前記検出用筒部を挿入するように垂設された立上り筒体と、前記検出用筒部との間に隙間を持ってこれを挿入するように前記立上り筒体の上部に取付けられた環状の蓋部材と、検出用筒部の先端側部分における前記立上り筒体内の部分に固定された環状の鍔と、前記立上り筒体、前記検出用筒部の間に形成される空間部における前記鍔と前記蓋部材との間に配置され、前記検出用筒部と立上り筒体との間をシールするゴム製のシール部材と、からなることを特徴とする。
請求項２に係るシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブの発明は、請求項１記載のラジアントチューブ内部状態検出機構を備えたことを特徴とする。

請求項１、２に係る発明によれば、ラジアントチューブに基端部が連通し、かつ炉を構成する炉体の孔に装入された断熱材を挿通してその先端側部分が前記炉外に引き出された検出用筒部の内側に計測部品を収納しており、この計測部品により、ラジアントチューブ内の温度又は前記ラジアントチューブ内の排ガスを計測できると共に、検出用筒部を挿通する断熱部材を設けていることにより、断熱性が確保されて炉外への熱放散が抑制され、その分、省エネ効果を向上させることができる。
また、炉内外で大きな温度差があることに伴って生じる検出用筒部の熱歪分について、検出用筒部が、スライド機構を介して移動することにより吸収されるので、検出用筒部の破損を招くことがなく、ひいてはラジアントチューブ内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうようなことも回避できます。
さらに、バーナによる燃焼によりラジアントチューブ全体として生じる熱歪に伴って検出用筒部に作用する上下又は左右などの方向の力も、検出用筒部が、スライド機構を介して移動することにより吸収され、これにより、検出用筒部の破損及び排ガスの炉内雰囲気への流出を回避できます。

以下、本発明に係る第１実施の形態のラジアントチューブ内温度検出機構１（ラジアントチューブ内部状態検出機構）を図１及び図２に基づいて説明する。
図１及び図２において、ラジアントチューブ内温度検出機構１は、耐熱性のＵ型のラジアントチューブ２（シングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブ）に用いられるようになっている。ラジアントチューブ２は、１つの蓄熱バーナ（シングル型リジェネバーナ。以下、リジェネバーナ３という。）を装着し、可燃性雰囲気ガスが封入された雰囲気熱処理炉４の炉体５内（図１の下側）に収納され、前記可燃性雰囲気ガスを加熱するようにしている。前記炉体５には孔６が形成され、この孔６に断熱材７が装入されている。炉体５の外側には、断熱材７を覆うように板状のフランジ（以下、上部フランジという。）８が取付けられている。
断熱材７には、リジェネバーナ３及び後述する検出用筒部９が装入されている。
ラジアントチューブ２は、リジェネバーナ３を装着する排ガス循環ボックス１０と、排ガス循環ボックス１０に連通されるＵ字形のチューブ本体１１と、からなっている。

リジェネバーナ３は、先端１２から燃料ガスおよびパイロットエアを吐出するバーナ本体１３と、複数の給排気通路１４を有する蓄熱体１５と、給気用ブロワ１６と、給排気切換弁装置１７とを備え、給排気切換弁装置１７によって蓄熱体１５の複数の給排気通路１４に給排気を交互に流通させて熱交換することにより、給気(燃焼用エア)を予熱すると共に排気温度を低下させて熱効率を高めるようにしている。図１の矢印Ａは、排ガスの流れを示している。

排ガス循環ボックス１０は、リジェネバーナ３を装着する略筒状のバーナ装着部１８と、バーナ装着部１８と共に略Ｌ字形をなすようにバーナ装着部１８に連接された延長管路１９と、を備えている。バーナ装着部１８の先端部に形成された開口部（以下、ボックス第１開口部という。）２０には、チューブ本体１１の一端部が連接される。延長管路１９には、ボックス第１開口部２０と並ぶように開口部（以下、ボックス第２開口部という。）２１が形成されている。ボックス第２開口部２１には、チューブ本体１１の他端部が連接されている。

延長管路１９におけるボックス第２開口部２１の反対側部分（図１上側）には、バーナ装着部１８と平行（図１上方向）に延び、内側にラジアントチューブ２内の温度を計測する熱電対２２（計測部品）を収納する検出用筒部９が形成されている。
前記熱電対２２は、その先端側部分が排ガス循環ボックス１０（延長管路１９）内に配置され、基端部が検出用筒部９の開口端部から外部に突出され、端子箱２３に接続されている。
リジェネバーナ３は、バーナ本体１３の先端１２がボックス第１開口部２０に略達するように装着されており、ボックス第１開口部２０に連接されるチューブ本体１１の一端部側部分の内側にバーナ本体１３による燃焼ガスの燃焼に伴う火炎部を生じさせる。この火炎部では、温度バラツキも大きく、排ガスも完全燃焼時の成分になっていない。また、前記燃焼ガスの燃焼に伴い発生する排ガスは上述したように矢印Ａ方向に流れ、チューブ本体１１の他端部から排ガス循環ボックス１０に入り、蓄熱バーナ側に進む。前記排ガスの温度は排ガス循環ボックス１０（延長管路１９）に入った段階で、十分安定したものとなり、また、前記燃焼ガスの燃焼反応が完結し排ガスの成分も、完全燃焼時の成分に極めて近いものとなる。

本実施の形態では、上述したように排ガスの温度が排ガス循環ボックス１０に入った段階で、十分安定したものとなることから、排ガス循環ボックス１０に検出用筒部９を設けている。

検出用筒部９は、その先端側部分２５が断熱材７及び上部フランジ８に形成され内径寸法が検出用筒部９の外径寸法よりも大きい孔（以下、フランジ孔という。）２６を通してその上方に突出している。上部フランジ８には、フランジ孔２６を形成した部分に検出用筒部９を挿入する筒体（以下、立上り筒体という。）２７が垂設されている。立上り筒体２７の上部には、径方向外方に延びるリング状のフランジ（以下、筒体側フランジという。）２８が形成されている。筒体側フランジ２８には、環状の蓋部材２９が筒体側フランジ２８に取付けられている。環状の蓋部材２９の内径寸法は、検出用筒部９の外径寸法よりも大きくされており、両者間に隙間（以下、蓋側隙間という。）３０が形成されている。

立上り筒体２７に挿入される検出用筒部９の先端側部分２５の途中には、環状の鍔３１が固定されている。鍔３１の外径寸法は、立上り筒体２７の内径寸法より小さく、両者間に隙間（以下、上部フランジ側隙間という。）３２が形成され、検出用筒部９の先端側部分２５が横方向に移動可能になっている。立上り筒体２７及び検出用筒部９の先端側部分２５の間に形成される空間部における鍔３１との蓋部材２９との間には環状のゴムパッキン３３（シール部材）が配置され、検出用筒部９と立上り筒体２７（ひいては炉体５）との間をシールし、検出用筒部９が上下方向に移動しても、炉内の可燃性雰囲気ガスが漏れることがない。また、上述したようにゴムパッキン３３を設けることにより、検出用筒部９の先端側部分２５が横方向に弾力をもって移動し得るようになっている。本実施の形態では、蓋側隙間３０、上部フランジ側隙間３２、フランジ孔２６、ゴムパッキン３３並びに前記隙間３０、３２及びフランジ孔２６を形成する部材がスライド機構３５を構成している。

上述したように構成されたラジアントチューブ内温度検出機構１（ラジアントチューブ内部状態検出機構）によれば、検出用筒部９を挿通する断熱材７を設けていることにより、耐熱鋳鋼製ボックスを通した炉外への熱放散を招く上述した従来技術に比して、前記断熱材７により良好な断熱性が確保されて炉外への熱放散が抑制され、その分、省エネ効果を向上させることができる。

また、検出用筒部９が、炉内側の部分と上部フランジ８側の部分で大きな温度差があることに伴い熱歪を生じるものの、この熱歪分については、検出用筒部９が、スライド機構３５を介して移動することにより吸収される。このため、検出用筒部９を固定するように構成した上述した従来技術で起こり得た熱歪による検出用筒部９の破損を招くことがなく、ひいてはラジアントチューブ２内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうようなことも回避できることになる。

さらに、リジェネバーナ３による燃焼によりラジアントチューブ２に温度差が生じ、ラジアントチューブ２全体として熱歪を生じ、これに伴い検出用筒部９に上下又は左右などの方向の力が作用するが、この力も、上述したのと同様に、検出用筒部９がスライド機構３５を介して移動することにより吸収され、これにより、検出用筒部９の破損及び排ガスの炉内雰囲気への流出を回避できる。

上記実施の形態では、検出用筒部９内に熱電対２２を設け、ラジアントチューブ内部状態検出機構がラジアントチューブ内温度検出機構１である場合を例にしたが、これに代えて、検出用筒部９内に排ガスの成分を検出するガスセンサ（計測部品）を設け、これによりラジアントチューブ内部状態検出機構としてのラジアントチューブ内排ガス検出機構を構成するようにしてもよい。上述したことと同様にして後述する第２、第３実施の形態のラジアントチューブ内温度検出機構１Ａ，１Ｂ（ラジアントチューブ内部状態検出機構）に代えて、ラジアントチューブ内排ガス検出機構を構成してもよい。

次に、本発明に係る第２実施の形態のラジアントチューブ内温度検出機構１Ａ（ラジアントチューブ内部状態検出機構）を図３及び図４に基づいて説明する。
このラジアントチューブ内温度検出機構１Ａは、第１実施の形態に比して、Ｕ型のラジアントチューブ２に代えて、Ｗ型のラジアントチューブ２Ａを用いたこと、上部フランジ８とラジアントチューブ２Ａ（チューブ本体１１Ａ）とを支持部材４０を介して連結していることが主に異なっている。
Ｗ型のラジアントチューブ２Ａは、蓄熱バーナを装着する排ガス循環ボックス１０Ａと、排ガス循環ボックス１０Ａに連通される略Ｗ字形のチューブ本体１１Ａと、からなっている。

排ガス循環ボックス１０Ａは、蓄熱バーナを装着する略筒状のバーナ装着部１８と、バーナ装着部１８と共に略Ｌ字形をなすようにバーナ装着部１８に連接された延長管路１９と、を備えている。バーナ装着部１８の先端部に形成されたボックス第１開口部２０には、チューブ本体１１Ａの一端部が連接される。延長管路１９には、その先端に開口部（以下、延長管路先端開口部という。）４１が形成されている。延長管路先端開口部４１には、チューブ本体１１Ａの他端部が連接されている。

延長管路１９における延長管路先端開口部４１の近傍には、バーナ装着部１８と平行（図４上方向）に延び、内側にラジアントチューブ２Ａ内の温度を計測する熱電対２２（図１参照）を収納する検出用筒部９が形成されている。
前記支持部材４０は、上部フランジ８に図４下方に延びて固定されたフランジ側固定板４２と、チューブ本体１１Ａにおける延長管路１９の近傍部分に図４上方に延びて固定されたチューブ側固定板４３と、フランジ側固定板４２及びチューブ側固定板４３に揺動可能に軸支された中間部材４４と、から構成され、揺動可能となっている。支持部材４０は、チューブ側固定板４３の上側部分、中間部材４４及びフランジ側固定板４２を断熱材７内に収納している。支持部材４０は、リジェネバーナ３側で支持されているＷ型のラジアントチューブ２Ａの支持を補強する機能を有している。また、支持部材４０は、上述したように揺動可能となっており、ラジアントチューブ２Ａ（チューブ本体１１Ａ）が熱歪により水平方向又は上下方向に変位しても、この変位に追従してラジアントチューブ２Ａ（チューブ本体１１Ａ）を適切に支持するようにしている。

上述したように構成された第２実施の形態に係るラジアントチューブ内温度検出機構１Ａによれば、第１実施の形態と同様に、検出用筒部９を挿通する断熱材７を設けていることにより、炉体５外への熱放散が抑制され、その分、省エネ効果を向上させることができる。
また、炉体５内側の部分と上部フランジ８側の部分で大きな温度差があることに伴って生じる検出用筒部９の熱歪分については、検出用筒部９がスライド機構３５を介して移動することにより吸収されるので、検出用筒部９の破損を招くことがなく、ひいてはラジアントチューブ２Ａ内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうようなことも回避できる。
さらに、リジェネバーナ３による燃焼によりラジアントチューブ２Ａ全体として生じる熱歪に伴って検出用筒部９に作用する上下又は左右などの方向の力も、検出用筒部９が、スライド機構３５を介して移動することにより吸収され、これにより、検出用筒部９の破損及び排ガスの炉内雰囲気への流出を回避できる。

上記第１、第２実施の形態は、蓄熱バーナがシングル型リジェネバーナ３であり、ラジアントチューブ２Ａがシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブである場合を例にしたが、これに代えて、図５に示すように、リジェネバーナ３としてツイン型リジェネバーナ３Ｂを用い、ラジアントチューブとして略Ｗ型のツイン型リジェネバーナ用ラジアントチューブ２Ｂ（以下、ラジアントチューブ２Ｂという。）を用いるように構成してもよい（第３実施の形態）。
この第３実施の形態に係るラジアントチューブ内温度検出機構１Ｂ（ラジアントチューブ内部状態検出機構）のラジアントチューブ２Ｂは、図５に示すように、リジェネバーナ３Ｂを両端にそれぞれ装着している。また、ラジアントチューブ２Ｂの中央の山形部分５０には、第１実施の形態と同様に構成される検出用筒部９が形成され、検出用筒部９の内側に熱電対２２（図１参照）を収納している。
この第３実施の形態も、第１実施の形態と同様に、ゴムパッキン３３及びスライド機構３５等が設けられている。

この第３実施の形態も、第１、第２実施の形態と同様に、検出用筒部９を挿通する断熱材７を設けていることにより、炉外への熱放散が抑制され、その分、省エネ効果を向上させることができる。
また、炉内側の部分と上部フランジ８側の部分で大きな温度差があることに伴って生じる検出用筒部９の熱歪分について、検出用筒部９が、スライド機構３５を介して移動することにより吸収されるので、検出用筒部９の破損を招くことがなく、ひいてはラジアントチューブ２Ｂ内の排ガスが炉内雰囲気に流出してしまうようなことも回避できる。

さらに、リジェネバーナ３Ｂによる燃焼によりラジアントチューブ２Ｂ全体として生じる熱歪に伴って検出用筒部９に作用する上下又は左右などの方向の力も、検出用筒部９が、スライド機構３５を介して移動することにより吸収され、これにより、検出用筒部９の破損及び排ガスの炉内雰囲気への流出を回避できる。

上記各実施の形態では、バーナが蓄熱バーナ（リジェネバーナ３、３Ｂ）である場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、他の種類のバーナを用いるように構成してもよい。

本発明の第１実施の形態のラジアントチューブ内温度検出機構を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の第２実施の形態のラジアントチューブ内温度検出機構を示す斜視図である。 図３のラジアントチューブ内温度検出機構を示す断面図である。 本発明の第３実施の形態に係るラジアントチューブ内温度検出機構を模式的に示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ ラジアントチューブ内温度検出機構、 ２，２Ａ ラジアントチューブ、 ３，３Ｂ リジェネバーナ、 ５ 炉体（炉）、７ 断熱材、 ９ 検出用筒部、 ２２ 熱電対（計測部品）、 ２６ フランジ孔、 ３０ 蓋側隙間、 ３２ 上部フランジ側隙間、 ３３ ゴムパッキン（シール部材）、 ３５ スライド機構。

Claims (2)

1. 炉内に収納されバーナを装着したラジアントチューブと、該ラジアントチューブに基端部が連通し、かつ前記炉を構成する炉体の孔に装入された断熱材を挿通してその先端側部分が前記炉外に引き出された検出用筒部と、該検出用筒部の内側に収納され前記ラジアントチューブ内の温度又は前記ラジアントチューブ内の排ガスを計測する計測部品と、を備え、ラジアントチューブ内温度又は排ガスを検出するラジアントチューブ内部状態検出機構であって、
   前記炉外における前記検出用筒部の前記炉から引き出された部分には、前記検出用筒部の前記炉に対する変位を可能とするスライド機構を設け、
   該スライド機構は、前記炉体の外側に断熱材を覆うように配置され前記検出用筒部を通すフランジ孔が形成された板状の上部フランジと、
   上部フランジに前記検出用筒部を挿入するように垂設された立上り筒体と、
   前記検出用筒部との間に隙間を持ってこれを挿入するように前記立上り筒体の上部に取付けられた環状の蓋部材と、
   検出用筒部の先端側部分における前記立上り筒体内の部分に固定された環状の鍔と、
   前記立上り筒体、前記検出用筒部の間に形成される空間部における前記鍔と前記蓋部材との間に配置され、前記検出用筒部と立上り筒体との間をシールするゴム製のシール部材と、
   からなることを特徴とするラジアントチューブ内部状態検出機構。
2. 請求項１記載のラジアントチューブ内部状態検出機構を備えたことを特徴とするシングル型リジェネバーナ用ラジアントチューブ。

Images