JP5383054B2 - 熱処理システム - Google Patents

Description

本発明は、ワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理システムに関し、特に廃熱の有効利用が可能な熱処理システムに関する。

燃焼炉や電気炉等の熱処理システムにおいては、熱処理時にワークに供給された熱エネルギーを廃熱時になるべく多く回収することが好ましい。特に現在のように省エネルギー化が重要視されている状況下においては、降温部で廃棄される熱を可能な限り回収し、有効に再利用するための技術が開発されている。

例えば、従来技術の中には、リジェネレイティブバーナ燃焼システムを採り入れた熱処理装置が存在する（例えば、特許文献１参照。）。リジェネレイティブバーナ燃焼システムを採り入れた熱処理装置では、一方のバーナが燃焼しているときには、他方のバーナから燃焼排ガスを排気して熱交換器の蓄熱体を加熱するとともにバーナの燃焼と排気とを切換えることによって、燃焼用空気を高い温度まで予熱し、高効率で廃熱回収をしながら燃焼させることが可能になる、とされている。
特開２００１−１５２２４４号公報

上述のリジェネレイティブバーナ燃焼システムは、その用途が燃焼炉に限られており、電気炉等の燃焼炉以外の炉に用いることができない。このため、リジェネレイティブバーナ燃焼システムは、一般的な熱処理装置において広く使用可能な技術にはなり得ていないと言える。

この発明の目的は、一般的な熱処理システムにおいて広く使用可能であり、かつ、降温部で廃棄される熱を可能なかぎり多く回収し有効に再利用することを可能にする熱処理システムを提供することである。

この発明に係る熱処理システムは、ワークに対して熱処理を行うように構成される。この熱処理システムは、ワークの温度を降温させる第１の炉体と、ワークの温度を昇温させる第２の炉体と、複数の蓄熱材、複数の第１のヒートパイプ及び複数の第２のヒートパイプを含む熱輸送手段と、を備える。
前記複数の第１のヒートパイプのそれぞれは、蒸発部が前記第１の炉体に配置され、凝縮部が前記複数の蓄熱材のそれぞれに配置され、前記蒸発部から前記凝縮部への熱の輸送を個別に且つ選択的に遮断する開閉自在のバルブを有している。
前記複数の第２のヒートパイプのそれぞれは、蒸発部が前記複数の蓄熱材のそれぞれに配置され、凝縮部が前記第２の炉体に配置され、前記蒸発部から前記凝縮部への熱の輸送を個別に且つ選択的に遮断する開閉自在のバルブを有している。
この熱処理システムは、前記第１の炉体内のワークを降温させる際に、前記第１の炉体の温度に応じて、前記複数の第１のヒートパイプのそれぞれのバルブのうち対応する単一の第１のヒートパイプのバルブのみを、順次開放することで、前記複数の蓄熱材のそれぞれが互いに異なる温度の熱を蓄熱した状態にする処理と、前記第２の炉体内のワークを昇温させる際に、前記第２の炉体の温度に応じて、前記複数の第２のヒートパイプのそれぞれのバルブのうち対応する単一の第２のヒートパイプのバルブのみを、順次開放することで、前記複数の蓄熱材のうち蓄熱温度の低いものから順に熱を前記第２の炉体へ輸送する処理と、をこの順に行う。

第１の炉体および第２の炉体は、連続熱処理炉であっても良いし、バッチ炉であっても良い。この発明に係る熱処理システムを連続熱処理装置に適用する場合には、第１の炉体および第２の炉体は、異なる２つの熱処理装置に属するものであっても良いし、リターン搬送経路を有する同一の熱処理装置に属するものであっても良い。

熱輸送手段は、複数の蓄熱材と、第１の炉体から複数の蓄熱材へ選択的に熱を輸送する第１の熱輸送部と、複数の蓄熱材から第２の炉体へ選択的に熱を輸送する第２の熱輸送部と、を有し、
第１の炉体を降温させる際に、第１の炉体の温度に応じて複数の蓄熱材のそれぞれに第１の炉体から第１の熱輸送部により順に熱を輸送して複数の蓄熱材をそれぞれ異なる温度で蓄熱した状態にし、
第２の炉体を昇温させる際に、第２の炉体の温度に応じて第２の炉体へ蓄熱した状態の複数の蓄熱材のうち温度の低いものから第２の熱輸送部により順に熱を輸送する。

また、別の態様として、前記複数の蓄熱材、第１のヒートパイプ及び第２のヒートパイプを含む熱輸送手段と、を備える。
前記第１のヒートパイプは、前記第１の炉体に配置された単一の蒸発部と、それぞれが前記複数の蓄熱材のそれぞれに択一的に配置された複数の凝縮部と、前記蒸発部からの熱の輸送を遮断又は前記複数の凝縮部の何れかに選択的に切り替えるバルブを有している。
前記第２のヒートパイプは、それぞれが前記複数の蓄熱材のそれぞれに択一的に配置された複数の蒸発部と、前記第２の炉体に配置された単一の凝縮部と、前記凝縮部への熱の輸送を遮断又は前記複数の蒸発部の何れかからに選択的に切り替えるバルブを有している。
この熱処理システムは、前記第１の炉体内のワークを降温させる際に、前記第１の炉体の温度に応じて、前記第１のヒートパイプのバルブによって前記蒸発部の熱を前記複数の凝縮部のうち対応する単一の凝縮部のみに、順次輸送することで、前記複数の蓄熱材のそれぞれが互いに異なる温度の熱を蓄熱した状態にする処理と、前記第２の炉体内のワークを昇温させる際に、前記第２の炉体の温度に応じて、前記複数の第２のヒートパイプのバルブによって、前記複数の蒸発部のうち対応する単一の蒸発部のみの熱を、順次前記凝縮部に輸送することで、前記複数の蓄熱材のうち蓄熱温度の低いものから順に熱を前記第２の炉体へ輸送する処理と、をこの順に行う。

第１の炉体においてワークを所定温度まで降下させるタイミングと、第２の炉体においてワークを所定温度まで上昇させるタイミングと、がずれることを想定すると、熱輸送手段が蓄熱材を有し、一定時間だけ熱を蓄積できるようにすることが好ましい。

本発明によれば、一般的な熱処理システムにおいて広く使用可能であり、かつ、降温部で廃棄される熱を可能なかぎり多く回収し有効に再利用することが可能になる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて本発明の第１の実施形態に係る熱処理システム１を説明する。熱処理システム１は、第１の炉体８０および第２の炉体８２をワーク搬送方向に直交する方向、ここでは上下方向に近接配置して構成される。第１の炉体８０は、ワーク１００の温度を所定値まで上昇させる昇温部１２を内部に有する。第２の炉体８２は、ワーク１００の温度を所定値まで降下させる降温部１４を内部に有する。

第１の炉体８０では、図１（Ａ）の紙面に直交する方向であって紙面奥方向にワーク１００が搬送されるように構成される。一方で、第２の炉体８２では、図１（Ａ）の紙面に直交する方向であって紙面手前方向にワーク１００が搬送されるように構成される。要するに、この実施形態では、図１（Ｂ）の矢印９８、９６に示すように、第１の炉体８０におけるワーク１００の搬送方向と第２の炉体８２におけるワーク１００の搬送方向とは逆向きにされている。ただし、ワーク１００の搬送方向はこれに限定されるものではない。また、この実施形態では、ワーク１００の搬送手段として複数のローラ（図示せず）を用いているが、ローラ以外の搬送手段を用いることも可能である。

熱処理システム１はさらに、複数のヒートパイプ１６、１８を備える。ヒートパイプ１６、１８は、ワークの搬送経路を挟んで両側に複数配置される。ヒートパイプ１６は、その凝縮部１６Ａが第１の炉体８０の昇温部１２に配置され、その蒸発部１６Ｂが第２の炉体８２の降温部１４に配置される。同様に、ヒートパイプ１８は、その凝縮部１８Ａが第１の炉体８０の昇温部１２に配置され、その蒸発部１８Ｂが第２の炉体８２の降温部１４に配置される。ヒートパイプ１６、１８は、凝縮部１６Ａ、１８Ａおよび蒸発部１６Ｂ、１８Ｂの表面に放射吸収効率を高くする黒体処理を施すことが好ましいため、この実施形態では、ヒートパイプ１６、１８に黒体処理を施している。ただし、ヒートパイプ１６、１８の熱伝達を促進させる手法は、黒体処理等の高放射率コーティングに限定されるものではなく、フィンを用いることも可能である。

ヒートパイプ１６、１８は、外部に露出する部分を断熱材で覆うことが好ましい。このため、この実施形態では、ヒートパイプ１６、１８に断熱材９０を取り付けている。なお、この実施形態では、ヒートパイプ１６、１８および断熱材９０が本発明の熱輸送手段に対応する。

熱処理システム１は、昇温部１２に、熱源となるヒータ（図示せず）と、ヒートパイプ１６の凝縮部１６Ａと、ヒートパイプ１８の凝縮部１８Ａとを配置し、昇温部１２の温度検知結果に基づきヒータの出力を制御するように構成される。

この実施形態の構成によれば、熱交換効率が高いヒートパイプ１６、１８を利用して熱交換を行うことが可能である。また、連続熱処理炉の降温部においてワークが放出する熱を吸収し、昇温部まで輸送し、昇温部においてワークの昇温に必要な熱エネルギーの一部として利用することが可能である。ヒートパイプ１６、１８は可動部を含まない部材であり、炉への設置も比較的容易に行うことができる。このため、簡単な構成で、従来は廃棄せざるを得なかったワーク１００や炉体８０、８２自身のもつ熱エネルギーを有効に回収することが可能となる。さらに、ヒートパイプ１６、１８は、作動液体の種類を適宜選択することによって、広範囲の使用温度（−２７１〜２３００℃）を享受することが可能になる。なお、ヒートパイプ１６、１８の作動液体の種類は作動温度領域と効率とに配慮し、設置箇所にとって最適なものを適宜選定することが可能である。

図２を用いて、第２の実施形態に係る熱処理システム２を説明する。熱処理システム２では、昇温部１２２および降温部１４２が横方向に並ぶように配置されている。このため、ヒートパイプ１６２、１８２は水平方向に沿って配置されている。

このように、この発明の熱処理システムは、炉体を縦２段に配置した場合と同様に、炉体を横２列に配置する場合であっても、従来は廃棄せざるを得なかったワーク１００や炉体８０、８２自身のもつ熱エネルギーを有効に回収することが可能となる。

図３を用いて、第３の実施形態に係る熱処理システム３を説明する。熱処理システム３では、第１の炉体８０および第２の炉体８２を上下２段に併設するとともに、熱流方向の熱の分布を相殺できるようにヒートパイプ１６４、１８４を配置している。この結果、昇温部１２４および降温部１４４をより均温化し易くなる。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）を用いて、第４の実施形態に係る熱処理システム４を説明する。熱処理システム４では、図４（Ａ）に示すように、第１の炉体８０および第２の炉体８２を左右２列に併設するとともに、熱流方向の熱の分布を相殺できるようにヒートパイプ１６６、１８６を配置している。この結果、昇温部１２６および降温部１４６をより均温化し易くなる。また、図４（Ｂ）に示すように、ヒートパイプ１６６、１８６を矢印９４に示すワーク搬送方向において交互に配置すると、昇温部１２６および降温部１４６をさらに均温化し易くなる。

図５を用いて、第５の実施形態に係る熱処理システム５を説明する。熱処理システム５では、第１のバッチ炉２２および第２のバッチ炉２４によって構成される。また、熱処理システム５では、上述の第１〜第４の実施形態と熱輸送手段の構成を変えている。具体的には、第５の実施形態では、熱輸送手段として蓄熱材８５、８６、８７、第１のヒートパイプ２６、３０、３４、および第２のヒートパイプ２８、３２、３６を用いている。蓄熱材８５、８６、８７は、第１のバッチ炉２２および第２のバッチ炉２４における昇温と降温のタイミングのずれを吸収するために設けられており、廃熱をバッファする役割を果たす。蓄熱材８５、８６、８７は、図示しない断熱材によって覆われている。

第１のヒートパイプ２６、３０、３４は、第１のバッチ炉２２に蒸発部が配置されるとともに蓄熱材８５、８６、８７に凝縮部が配置される。第２のヒートパイプ２８、３２、３６は、蓄熱材８５、８６、８７に蒸発部が配置されるとともに第２のバッチ炉２４に凝縮部が配置されるように構成される。第１のヒートパイプ２６、３０、３４はそれぞれ、蒸発部から凝縮部への熱の輸送を選択的に遮断可能なバルブ２６、３０、３４を備える。また、第２のヒートパイプ２８、３２、３６はそれぞれ、蒸発部から凝縮部への熱の輸送を選択的に遮断可能なバルブ４４、４６、４８を備える。第１のヒートパイプ２６、３０、３４および第２のヒートパイプ２８、３２、３６はそれぞれ、外部に露出する部分が図示しない断熱材によって覆われている。

熱処理システム５では、第１のバッチ炉２２および第２のバッチ炉２４が交互にプログラム運転するように構成される。

ここで、第１のバッチ炉２２を約９５０℃から約８５０℃まで降温する際の熱を第２のバッチ炉において利用する例を説明する。第１のバッチ炉２２が、例えば、約９５０℃から降温し始める時、バルブ３８のみを開けるとともに他のバルブ（４０、４２、４４、４６、４８）を閉じることにより、第１のバッチ炉２２から第１のヒートパイプ２６を介して蓄熱材８５に熱を輸送する。この結果、約９５０℃からの降温に伴って廃熱による熱が蓄熱材８５に蓄熱される。

続いて、第１のバッチ炉２２が第１の温度（例えば、９１５℃とする。）まで降温した時、バルブ４０のみを開けるとともに他のバルブ（３８、４２、４４、４６、４８）を閉じることにより、第１のバッチ炉２２から第１のヒートパイプ３０を介して蓄熱材８６に熱を輸送する。この結果、第１の温度からの降温に伴って廃熱による熱が蓄熱材８６に蓄熱される。

続いて、第１のバッチ炉２２が第２の温度（例えば、８８０℃とする。）まで降温した時、バルブ４２のみを開けるとともに他のバルブ（３８、４０、４４、４６、４８）を閉じることにより、第１のバッチ炉２２から第１のヒートパイプ３４を介して蓄熱材８７に熱を輸送する。この結果、第２の温度から約８５０℃までの降温に伴って廃熱による熱が蓄熱材８７に蓄熱される。

続いて、第２のバッチ炉２４を昇温させる手順を説明する。第２のバッチ炉２４がワークの昇温過程において第３の温度（例えば、約８００℃とする。）に達した時、バルブ４８のみを開くとともに他のバルブ（３８、４０、４２、４４、４６）を閉じることによって蓄熱材８７の熱が第２のヒートパイプ３６を介して第２のバッチ炉２４に輸送される。この結果、第２の温度から約８５０℃までの温度域で回収された廃熱からの蓄熱による熱が蓄熱材８７から第２のバッチ炉２４に移動する。

第２のバッチ炉２４が第３の温度から第４の温度に昇温する時、バルブ４６を開くとともに他のバルブ（３８、４０、４２、４４、４８）を閉じることによって、蓄熱材８６の熱が第２のヒートパイプ３２を介して第２のバッチ炉２４に輸送される。この結果、第１の温度から第２の温度までの温度域で回収された廃熱からの蓄熱による熱が蓄熱材８６から第２のバッチ炉２４に移動する。

第２のバッチ炉２４が第４の温度から第５の温度に昇温する時、バルブ４４を開くとともに他のバルブ（３８、４０、４２、４６、４８）を閉じることによって、蓄熱材８５の熱が第２のヒートパイプ２８を介して第２のバッチ炉２４に輸送される。この結果、約９５０℃から第１の温度までの温度域で回収された廃熱からの蓄熱による熱が蓄熱材８５から第２のバッチ炉２４に移動する。

以上のように、第１のバッチ炉２２を９５０℃から８５０℃まで降温する際の炉体やワーク１００からの放熱が、第２のバッチ炉２４において昇温過程にあるワークおよび炉体内部の加熱手段の一部として利用される。

この実施形態では、熱輸送手段が３つ設けられているが、熱輸送手段の数は適宜増減させることが可能である。この実施形態において、熱輸送手段や蓄熱材を複数設けた理由は、蓄熱温度を段階的にすることによって作動温度に応じて熱輸送の効率や蓄熱効率をできるだけ高くなるようにしエネルギー回収効率を向上させるためである。熱輸送手段を複数設けることによって、第１のバッチ炉２２から第２のバッチ炉２４に移動する熱をより多くすることができる。ただし、この発明を実施するに際して熱輸送手段を複数設けることは必須要件ではなく、単一の熱輸送手段および蓄熱材によっても本発明を実施することが可能である。

この実施形態の構成によれば、第１のバッチ炉２２における降温と第２のバッチ炉２４における昇温とのタイミングがずれても、中間部の蓄熱材８５、８６、８７で廃熱をバッファでき、廃熱を有効に利用することが可能なる。また、この実施形態では、バッチ炉について説明したが、熱輸送手段の一部に蓄熱材を用いる構成は、連続熱処理炉においても適切に利用することが可能である。

図６を用いて、第６の実施形態に係る熱処理システム６を説明する。熱処理システム６の基本的構成は、上述の熱処理システム５と同様であるので、ここでは説明を省略する。熱処理システム６では、多方向切替バルブ７０、７２を用いている点が熱処理システム５と相違する。

多方向切替バルブ７０は、熱輸送のオン／オフ切替機能に加えて、ヒートパイプ５０を介して輸送される熱の輸送先をヒートパイプ５２、５４、５８のいずれかに選択的に切り換えることが可能である。また、多方向切替バルブ７２は、熱輸送のオン／オフ切替機能に加えて、ヒートパイプ６８に熱を輸送する輸送元をヒートパイプ６０、６２、６６のいずれかに選択的に切り換えることが可能である。

この実施形態では、多方向切替バルブ７０、７２を適宜切替制御することによって、上述の第５の実施形態に係る熱処理システム５と同様の作用効果を奏することが可能になる。

上述の熱処理システム５および６について、第１のバッチ炉（２２、２２２）から第２のバッチ炉（２４、２４２）に熱を輸送する例を説明したが、第２のバッチ炉（２４、２４２）から第１のバッチ炉（２２、２２２）にも熱を輸送できるように熱輸送手段を構成することが好ましい。その理由は、第１のバッチ炉（２２、２２２）および第２のバッチ炉（２４、２４２）が交互運転する場合を想定すると、両方向に熱の輸送が可能な構成を備えていた方が廃熱回収の観点から有利だからである。両方向に熱の輸送を行うためには、原則として、第１のバッチ炉（２２、２２２）から第２のバッチ炉（２４、２４２）に熱を輸送する熱輸送手段と、第２のバッチ炉（２４、２４２）から第１のバッチ炉（２２、２２２）に熱を輸送する熱輸送手段とからなる２組の熱輸送手段を設けると良い。

ただし、この発明において、用いられるヒートパイプの蒸発部と凝縮部とは必ずしも固定的であることを要さず、構造的に両者を区別できないタイプのヒートパイプを利用することが可能である場合には、作動温度条件によりヒートパイプの蒸発部と濃縮部とが入れ替わる。このように構造的に蒸発部と凝縮部とを区別できないタイプのヒートパイプを利用する場合には、一組の熱輸送手段により、両方向に熱の輸送を行うことが可能となる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。 第２の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。 第３の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。 第４の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。 第５の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。 第６の実施形態に係る熱処理システムの概略を示す図である。

符号の説明

１〜−熱処理システム
１２−昇温部
１４−降温部
１６、１８−ヒートパイプ
８０−第１の炉体
８２−第２の炉体
１００−ワーク

Claims (4)

1. ワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理システムであって、
   ワークの温度を降温させる第１の炉体と、
   ワークの温度を昇温させる第２の炉体と、
   複数の蓄熱材、複数の第１のヒートパイプ及び複数の第２のヒートパイプを含む熱輸送手段と、を備え、
   前記複数の第１のヒートパイプのそれぞれは、蒸発部が前記第１の炉体に配置され、凝縮部が前記複数の蓄熱材のそれぞれに配置され、前記蒸発部から前記凝縮部への熱の輸送を個別に且つ選択的に遮断する開閉自在のバルブを有し、
   前記複数の第２のヒートパイプのそれぞれは、蒸発部が前記複数の蓄熱材のそれぞれに配置され、凝縮部が前記第２の炉体に配置され、前記蒸発部から前記凝縮部への熱の輸送を個別に且つ選択的に遮断する開閉自在のバルブを有し、
   前記第１の炉体内のワークを降温させる際に、前記第１の炉体の温度に応じて、前記複数の第１のヒートパイプのそれぞれのバルブのうち対応する単一の第１のヒートパイプのバルブのみを、順次開放することで、前記複数の蓄熱材のそれぞれが互いに異なる温度の熱を蓄熱した状態にする処理と、
   前記第２の炉体内のワークを昇温させる際に、前記第２の炉体の温度に応じて、前記複数の第２のヒートパイプのそれぞれのバルブのうち対応する単一の第２のヒートパイプのバルブのみを、順次開放することで、前記複数の蓄熱材のうち蓄熱温度の低いものから順に熱を前記第２の炉体へ輸送する処理と、
   をこの順に行う熱処理システム。
2. ワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理システムであって、
   ワークの温度を降温させる第１の炉体と、
   ワークの温度を昇温させる第２の炉体と、
   複数の蓄熱材、第１のヒートパイプ及び第２のヒートパイプを含む熱輸送手段と、を備え、
   前記第１のヒートパイプは、前記第１の炉体に配置された単一の蒸発部と、それぞれが前記複数の蓄熱材のそれぞれに択一的に配置された複数の凝縮部と、前記蒸発部からの熱の輸送を遮断又は前記複数の凝縮部の何れかに選択的に切り替えるバルブを有し、
   前記第２のヒートパイプは、それぞれが前記複数の蓄熱材のそれぞれに択一的に配置された複数の蒸発部と、前記第２の炉体に配置された単一の凝縮部と、前記凝縮部への熱の輸送を遮断又は前記複数の蒸発部の何れかからに選択的に切り替えるバルブを有し、
   前記第１の炉体内のワークを降温させる際に、前記第１の炉体の温度に応じて、前記第１のヒートパイプのバルブによって前記蒸発部の熱を前記複数の凝縮部のうち対応する単一の凝縮部のみに、順次輸送することで、前記複数の蓄熱材のそれぞれが互いに異なる温度の熱を蓄熱した状態にする処理と、
   前記第２の炉体内のワークを昇温させる際に、前記第２の炉体の温度に応じて、前記複数の第２のヒートパイプのバルブによって、前記複数の蒸発部のうち対応する単一の蒸発部のみの熱を、順次前記凝縮部に輸送することで、前記複数の蓄熱材のうち蓄熱温度の低いものから順に熱を前記第２の炉体へ輸送する処理と、
   をこの順に行う熱処理システム。
3. 搬送されるワークに対して連続熱処理を行うように構成されており、
   前記第１の炉体と前記第２の炉体とはワークの搬送方向に直交する方向に並んで配置され、かつ近接配置された請求項１又は２に記載の熱処理システム。
4. 前記第１の炉体および前記第２の炉体は、ワークの搬送方向が互いに逆向きになるように構成された請求項３に記載の熱処理システム。

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