JP6551947B2 - 螺旋形状熱交換器の製造方法および螺旋形状熱交換器並びに直火型熱交換器一体バーナー - Google Patents

Description

本発明は、直火型加熱炉において炉壁に設置される直火型熱交換器一体バーナーに用いられる螺旋形状熱交換器の製造方法および螺旋形状熱交換器並びに直火型熱交換器一体バーナーに関する。

例えば、鋼帯等の被加熱物を加熱する直火型加熱炉においては、被加熱物を挟む対向した炉壁に蓄熱式の直火型バーナーを配置し、一方の直火型バーナーを燃焼させている際に対向する他方の直火型バーナーから炉内の燃焼ガスを吸引し、蓄熱ユニットに蓄熱し、燃料の燃焼と炉内の燃焼ガスの吸引による蓄熱とをそれぞれの直火型バーナーにより交互に行う蓄熱式直火型バーナーが広くされている。

しかしながら、この蓄熱式直火型バーナーでは、燃料の燃焼と炉内の燃焼ガスの吸引による蓄熱とを交互に行うため、燃料を燃焼させる際の燃焼用空気の加熱効率に限界があるとともに、直火型バーナーの運転制御を断続的に行うために複雑な制御装置を必要とする。また、この蓄熱式直火型バーナーを設置して直火型加熱炉では、直火型バーナーの運転を断続的に行うためにバーナー数が２倍となり、設備費が高くなるという問題がある。

そこで、上記従来の蓄熱式直火型バーナーを設置した直火型加熱炉のように直火型バーナーを断続的に燃料の燃焼と炉内燃焼ガスの吸引を行わなくても、燃焼用空気の予熱温度を効率的に上昇させて連続運転が可能で熱効率が良好な直火型熱交換器一体バーナーが開発されている。

例えば、特許文献１には、流体燃料が供給される流体燃料供給管が挿入貫通される貫通孔を中央に有し、両端に燃焼用空気が通過する通気孔が穿設されているフランジ状部が設けられており、両端のフランジ状部間に一方の通気孔から他方の通気孔に燃焼用空気を導くための中央の貫通孔を構成する管状部の外壁に設けられた２枚で一組の螺旋板状の側壁とこの螺旋板状の側壁の前記管状部の反対側を連結封鎖する封鎖壁で囲まれた通気室が軸方向に隣接する通気室側壁間に間隙を設けて形成されており炉内側のフランジ状部の炉内側にはノズルが取り付けられており、炉外側のフランジ状部の炉外側には炉外側のフランジ状部を炉内側に押圧するスプリングが内蔵されている燃焼用空気の流入用空間を形成する空気室形成用ハウジングが設けられているシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器の軸方向の外周には炉内側の先端部の炉内ガス吸引部を除いて外筒が固定されており、この外筒の炉外側に炉内ガス排出口が設けられている構造の直火型熱交換器一体バーナーが開示されている。

この直火型熱交換器一体バーナーでは、燃焼用空気を２枚で一組の螺旋板状の側壁間に形成した螺旋状の通気室を経て炉内方向に導く耐熱性が優れ且つ高熱伝導率を有するシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器の螺旋状の通気室の外面を燃焼用空気の流動方向と逆方向に吸引されて流動する炉内燃焼ガスで加熱することによって、燃焼用空気温度を効率良く高温に上昇させることができ、従来の蓄熱式の直火型バーナーを設置した直火型加熱炉のようにバーナーを２台１組にして設置する必要もなく、設備費や工事費を大幅に削減することができるというものである。そして、この直火型熱交換器一体バーナーに用いられているシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器としては、非特許文献１に開示されている製品がある。

特開２０１４−１６３５８１号公報

"ヒートコア（HEATCOR）"，［online］，スピンワークス インターナショナル コーポレーション（Spin-Works International Corporation），［平成２９年７月６日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.spin-works.com/wp-content/uploads/2015/06/HeatCorOnlyUS.pdf＞

上記非特許文献１のシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器について検証したところ、この螺旋形状熱交換器はインクジェット印刷方式の三次元プリンターにより一体造形されたものであると思われ、強度的に弱く、破損し易いということが分かった。また、強度的な問題から通気室側壁をあまり薄くできないため、螺旋形状熱交換器が大きくなることから、質量も大きくなり、取り扱いが難しいという問題がある。

そこで、本発明においては、高強度で通気室側壁を薄くすることが可能なシリコンカーバイト製の螺旋形状熱交換器の製造方法および螺旋形状熱交換器並びに直火型熱交換器一体バーナーを提供することを目的とする。

本発明の螺旋構造の通気室を有する螺旋形状熱交換器の製造方法であって、当該螺旋形状熱交換器を構成する複数の部分成形体であり、当該螺旋形状熱交換器を少なくとも螺旋構造の中心軸に沿う第１方向の面を含む分割面で分割された形状の複数の部分成形体を、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形すること、複数の部分成形体のそれぞれの通気室内のシリコンカーバイト粉末を分割面側から除去すること、複数の部分成形体の分割面を無機接着剤により接着することを含むことを特徴とする。

本発明の螺旋形状熱交換器の製造方法によれば、螺旋構造の通気室を有する螺旋形状熱交換器であって、当該螺旋形状熱交換器を構成する複数の部分成形体であり、当該螺旋形状熱交換器を少なくとも螺旋構造の中心軸に沿う第１方向の面を含む分割面で分割された形状に、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形された複数の部分成形体が得られ、レーザー焼結法による三次元造形後に、それぞれの部分成形体の分割面を通気室内に残留するシリコンカーバイト粉末の排出口としてシリコンカーバイト粉末を除去することが可能となり、それぞれの部分成形体の分割面で無機接着剤により接着された螺旋形状熱交換器が得られる。

ここで、分割面は、螺旋構造の中心軸に直交する第２方向の面を含むものとすることができる。これにより、螺旋構造の中心軸方向にも分割面を設けて部分成形体を造形することで、螺旋構造の中心軸方向の長さが長い螺旋形状熱交換器であっても分割数を増やすことで対応することが可能となる。

また、当該螺旋形状熱交換器が、螺旋構造の中心軸を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁に設置されるものである場合、当該螺旋形状熱交換器に鉛直方向の曲げモーメントが作用する。このとき、螺旋構造の中心軸より上の分割面（無機接着剤による接着面）には引張力が作用し、螺旋構造の中心軸より下の分割面（無機接着剤による接着面）には圧縮力が作用するので、第２方向の分割面が第１方向の分割面を挟んで同じ位置にある場合には、引張力が作用する面と圧縮力が作用する面とが同一面にある場合には、これらの分割面で割れやすくなるが、この第２方向の分割面を第１方向の分割面を挟んで異なる位置とすることで、引張力が作用する面と圧縮力が作用する面とが異なる面となり、分割面での割れを防止することが可能となる。

（１）螺旋構造の通気室を有する螺旋形状熱交換器であって、当該螺旋形状熱交換器を構成する複数の部分成形体であり、当該螺旋形状熱交換器を少なくとも螺旋構造の中心軸に沿う第１方向の面を含む分割面で分割された形状に、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形された複数の部分成形体が、分割面で無機接着剤により接着された螺旋形状熱交換器は、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形されたものであるため、強度が高く、螺旋構造の通気室側壁を薄くすることが可能であり、これにより熱交換性能が高くなるので、燃焼燃料の削減率も高くなる。

（２）分割面が螺旋構造の中心軸に直交する第２方向の面を含むものとすることで、螺旋構造の中心軸方向の長さが長い螺旋形状熱交換器であっても分割数を増やすことで対応することが可能となり、螺旋形状熱交換器の大きさに制限なく製造することが可能となる。

（３）螺旋形状熱交換器が、螺旋構造の中心軸を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁に設置されるものである場合、第２方向の分割面を第１方向の分割面を挟んで異なる位置とすることで、分割面での割れを防止することが可能となり、耐久性が向上する。

本発明の実施の形態における直火型熱交換器一体バーナーの透視斜視図である。 図１の螺旋形状熱交換器の斜視図である。 図２の螺旋形状熱交換器を左前方からみた斜視図である。 図２の螺旋形状熱交換器を右後方からみた斜視図である。 図２の螺旋形状熱交換器の側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 通気室および排ガス流路のそれぞれの１流路モデルを示す説明図である。 図２の螺旋形状熱交換器の分割面の位置の一例を示す説明図である。 図２の螺旋形状熱交換器の分割面の位置の一例を示す説明図である。

図１は本発明の実施の形態における直火型熱交換器一体バーナーの斜視図、図２は図１の螺旋形状熱交換器の斜視図、図３は図２の螺旋形状熱交換器を左前方からみた斜視図、図４は図２の螺旋形状熱交換器を右後方からみた斜視図、図５は図２の螺旋形状熱交換器の側面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における直火型熱交換器一体バーナー１は、直火型加熱炉の炉壁を貫通して設置される螺旋形状熱交換器（以下、「熱交換器」と称す。）２を備える。図２〜図６に示すように、熱交換器２は、中央にＬＰＧ（液化石油ガス）などの流体燃料が供給される流体燃料供給管３が挿入貫通される貫通孔２０を有する。熱交換器２は、この貫通孔２０を中心軸とする多条螺旋状の通気室２１および排ガス流路２２を有する。

図７は通気室２１および排ガス流路２２のそれぞれの１流路モデルを示している。通気室２１の１流路２１Ａは、図６に示すように、貫通孔２０を構成する管状部２０Ａの外壁に設けられる２枚１組の螺旋状の側壁２１Ｂと、この螺旋状の側壁２１Ｂの管状部２０Ａの反対側を連結封鎖する封鎖壁２１Ｃとで囲まれた螺旋構造の空間である。通気室２１は、この流路２１Ａが螺旋構造の中心軸方向に隣接する側壁２１Ｂ間に間隙を設けて形成された構造である。なお、この間隙は炉内燃焼ガスを螺旋状に旋回しながら排出する排ガス流路２２を構成する。

熱交換器２の両端には、通気室２１内を通過する燃焼用空気の通気孔２３Ａ，２３Ｂが形成されている。熱交換器２の炉内側には、貫通孔２０に挿入貫通された流体燃料供給管３から供給される流体燃料と通気室２１を経て通気孔２３Ｂから供給される燃焼用空気とが混合されて着火された燃焼ガスを炉内に噴出させるノズル４が設けられている。一方、熱交換器２の炉外側には、通気孔２３Ａを経て通気室２１に供給する燃焼用空気の流入用空間を形成する空気室形成用ハウジング５が設けられている。空気室形成用ハウジング５には、空気入口５０から燃焼用空気が供給される。

また、熱交換器２の外周には、炉内側の先端部の排ガス入口２２Ａを除いて前述の通気室２１の流路２１Ａの間隙を覆うように断熱材６が設けられ、排ガス流路２２を形成している。熱交換器２の炉外側には、この排ガス流路２２を通過して炉内燃焼ガスを排出する排ガス出口２２Ｂが設けられている。

次に、上記構成の熱交換器２の製造方法について説明する。
上記構成の熱交換器２は、図８に示すように複数の部分成形体２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆから構成される。複数の部分成形体２Ａ〜２Ｆは、熱交換器２を少なくとも螺旋形状の中心軸Ｃ１に沿う第１方向の面Ｘ１を含む分割面で分割された形状とする。なお、本実施形態においては、分割面として螺旋構造の中心軸Ｃ１に直交する第２方向の面Ｙ１−１，Ｙ１−２，Ｙ２−１，Ｙ２−２を含んでいる。

これらの複数の部分成形体２Ａ〜２Ｆは、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形する。より詳しくは、造形ステージにシリコンカーバイト粉末を敷き詰めてレーザービームを照射して焼結させ、各部分成形体２Ａ〜２Ｆの形状に従って一層ずつ造形していく。各部分成形体２Ａ〜２Ｆの造形後、それぞれの部分成形体２Ａ〜２Ｆに残留する余分なシリコンカーバイト粉末を除去するが、それぞれの部分成形体２Ａ〜２Ｆの通気室２１内のシリコンカーバイト粉末については、分割面Ｘ１，Ｙ１−１，Ｙ１−２，Ｙ２−１，Ｙ２−２を排出口として除去する。

その後、各部分成形体２Ａ〜２Ｆの脱脂処理を行い、反応焼結させる。そして、部分成形体２Ａ〜２Ｆの分割面Ｘ１，Ｙ１−１，Ｙ１−２，Ｙ２−１，Ｙ２−２を無機接着剤により接着する。無機接着剤は膨張係数がシリコンカーバイト粉末に近い耐熱性のもの、例えば、接着剤アロンセラミックＥ（東亞合成株式会社）を使用することができる。

なお、無機接着剤は圧縮力に対して強く、引張力に対して弱いという性質を有する。そして、本実施形態における熱交換器２は、図８に示すように、螺旋構造の中心軸を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁７に設置されるものであるため、この熱交換器２に鉛直方向の曲げモーメントが作用する。このとき、螺旋構造の中心軸Ｃ１より上の分割面Ｙ１−１には引張力Ｚ１が作用し、螺旋構造の中心軸Ｃ１より下の分割面Ｙ１−２には圧縮力Ｚ２が作用する。そのため、図８に示すように、第２方向の分割面Ｙ１−１，Ｙ１−２が第１方向の分割面Ｘ１を挟んで同じ位置にある場合には、引張力が作用する面と圧縮力が作用する面とが同一面にあり、分割面Ｙ１−１，Ｙ１−２で割れやすくなる。

そこで、これを防止するために、図９に示すように、第２方向の分割面Ｙ１−１，Ｙ１−２を第１方向の分割面Ｘ１を挟んで異なる位置とすることが望ましい。これにより、引張力Ｚ１が作用する分割面Ｙ１−１と圧縮力Ｚ２が作用する分割面Ｙ１−２とが同一面ではない異なる面となり、分割面Ｙ１−１での割れを防止することが可能となる。

上記熱交換器２を備えた直火型熱交換器一体バーナー１では、空気室形成用ハウジング５から多条螺旋状の通気室２１を経てノズル４へ供給する燃焼用空気を、通気室２１の外面を排ガス入口２２Ａから排ガス流路２２を経て排ガス出口２２Ｂまで逆方向に吸引されて流動する炉内燃焼ガスで加熱することによって、燃焼用空気温度を効率良く高温に上昇させることが可能である。そして、この高温に上昇させた燃焼用空気と流体燃料供給管３から供給される流体燃料とがノズル４内で混合されて着火され、燃焼ガスが炉内へ噴出される。

特に、本実施形態における熱交換器２が、耐熱性に優れ、かつ高熱伝導率を有するシリコンカーバイト製であり、さらにシリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形されて高強度な複数の部分成形体を無機接着剤により接着したものであるため、螺旋構造の通気室側壁を２．０〜２．５ｍｍ程度（従来製品は３．５ｍｍ程度）まで薄くすることができ、熱交換性能がさらに高くなるので、燃焼燃料の削減率も高くなる。また、通気室側壁を薄くして小型軽量化が可能であるため、取り扱いが容易となる。

また、本実施形態における熱交換器２は、螺旋構造の中心軸Ｃ１に直交する第２方向の面Ｙ１−１，Ｙ１−２，Ｙ２−１，Ｙ２−２で分割された複数の部分成形体２Ａ〜２Ｆを無機接着剤により接着する構成であるため、螺旋構造の中心軸Ｃ１方向の長さが長い熱交換器２であっても分割数を増やすことで対応することが可能となり、熱交換器２の大きさに制限なく製造することが可能である。

また、本実施形態における熱交換器２は、第２方向の分割面Ｙ１−１，Ｙ１−２を第１方向の分割面Ｘ１を挟んで異なる位置とすることで、螺旋構造の中心軸Ｃ１を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁に設置される熱交換器２であっても分割面Ｙ１−１での割れを防止することが可能となっており、耐久性が向上している。

本発明は、直火型加熱炉において炉壁に設置される直火型熱交換器一体バーナーに用いられる螺旋形状熱交換器の製造方法および螺旋形状熱交換器並びに直火型熱交換器一体バーナーとして有用である。

１ 直火型熱交換器一体バーナー
２ 熱交換器
２Ａ〜２Ｆ 部分成形体
３ 流体燃料供給管
４ ノズル
５ 空気室形成用ハウジング
６ 断熱材
７ 炉壁
２０ 貫通孔
２０Ａ 管状部
２１ 通気室
２１Ａ 流路
２１Ｂ 側壁
２１Ｃ 封鎖壁
２２ 排ガス流路
２２Ａ 排ガス入口
２２Ｂ 排ガス出口
２３Ａ，Ｂ 通気孔
５０ 空気入口

Claims (7)

1. 螺旋構造の通気室を有する螺旋形状熱交換器の製造方法であって、
   当該螺旋形状熱交換器を構成する複数の部分成形体であり、当該螺旋形状熱交換器を少なくとも前記螺旋構造の中心軸に沿う第１方向の面を含む分割面で分割された形状の複数の部分成形体を、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形すること、
   前記複数の部分成形体のそれぞれの通気室内のシリコンカーバイト粉末を前記分割面側から除去すること、
   前記複数の部分成形体の分割面を無機接着剤により接着すること
   を含む螺旋形状熱交換器の製造方法。
2. 前記分割面は、前記螺旋構造の中心軸に直交する第２方向の面を含むことを特徴とする請求項１記載の螺旋形状熱交換器の製造方法。
3. 当該螺旋形状熱交換器は、前記螺旋構造の中心軸を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁に設置されるものであり、
   前記第２方向の分割面は、前記第１方向の分割面を挟んで異なる位置にあることを特徴とする請求項２記載の螺旋形状熱交換器の製造方法。
4. 螺旋構造の通気室を有する螺旋形状熱交換器であって、
   当該螺旋形状熱交換器を構成する複数の部分成形体であり、当該螺旋形状熱交換器を少なくとも前記螺旋構造の中心軸に沿う第１方向の面を含む分割面で分割された形状に、シリコンカーバイト粉末からレーザー焼結法により三次元造形された複数の部分成形体が、前記分割面で無機接着剤により接着された螺旋形状熱交換器。
5. 前記分割面は、前記螺旋構造の中心軸に直交する第２方向の面を含むことを特徴とする請求項４記載の螺旋形状熱交換器。
6. 当該螺旋形状熱交換器は、前記螺旋構造の中心軸を水平方向に向けて直火型加熱炉の炉壁に設置されるものであり、
   前記第２方向の分割面は、前記第１方向の分割面を挟んで異なる位置にあることを特徴とする請求項５記載の螺旋形状熱交換器。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の螺旋形状熱交換器を含む直火型熱交換器一体バーナー。