JP7010151B2 - 熱風加熱装置におけるヒータユニット - Google Patents

Description

本発明は、炉内に配置された被処理部材を加熱する熱風加熱装置におけるヒータユニットに関する。

従来、被処理部材を加熱する加熱装置としての加熱炉は種々のタイプが知られている。例えば特許文献１に記載される加熱装置は、電気ヒータが配置されたハウジングの内部の加熱領域に、遠心ファンにより熱風を供給して、熱交換器のヘッダなどの被処理部材を加熱する熱処理炉である。

その他、加熱対象物を雰囲気ガスにて熱風加熱する炉においては、内部の雰囲気ガス濃度を維持する為に、空気が炉内に侵入しないよう発熱体の周囲に大型の保護チューブを有するラジアントチューブヒータが用いられているものがある。

特開２００５－２０１５４７号公報

こうしたヒータは、チューブ状で長い形状となっているので、炉内にコンパクトに配置する場合、循環風の流れに対して平行に配置せざるを得ない。流れに平行に配置すると熱伝達率が低くなるため、発熱量を確保する為に、伝熱面積を大きくとる方法を取っていた。このため、装置の小型化には制限があった。発熱量を確保する為に、放熱フィンを付ける方法もあるが、高温になると熱変形で性能を維持することができないので、多数のヒータを配置することで伝熱面積を確保する必要が生じ、やはり設備が大型化するという課題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、熱伝達率を向上させ、コンパクト化が可能な熱風加熱装置におけるヒータユニットを提供することにある。

本発明の熱風加熱装置におけるヒータユニットは、軸方向を循環風の風流れ方向または風流れ方向と直交する方向に一致させた状態で設けられる複数の発熱体（１１，１３）により炉内（８）を雰囲気加熱し、送風部（３）により循環風を発生させて炉内の被処理部材（Ｗ）を加熱する熱風加熱装置に用いられる。ヒータユニットは、発熱体と、複数の風路（３０，３１，３２）と、複数の撹乱構造物（２０－２６，１３）と、を備える。発熱体は、互いに直交する２方向に並列して複数設けられる。風路は、隣り合う発熱体の間に形成される。撹乱構造物は、風路に配され、発熱体まわりの循環風の流れに乱れを発生させる。

本構成の熱風加熱装置におけるヒータユニットは、発熱体間に形成される風路に、循環風の流れに乱れを発生させる撹乱構造物を有している。このため、循環風は、風路を真っ直ぐに進むのではなく、撹乱構造物にぶつかって流れ方向が変更される。こうした撹乱構造物が風路に複数設けられることで、発熱体まわりの流れに乱れが発生し、発熱体と循環風との間での熱伝達率を向上させることができる。これにより、従来と比較して保護管径の小さい発熱体を採用でき、さらに、発熱体数を削減できるため、ヒータユニット自体およびヒータユニットが設けられる熱風加熱装置をよりコンパクトにすることができる。

本発明の第１実施形態による熱風加熱装置の全体図である。 本発明の第１実施形態によるヒータユニットの斜視図である。 図２のＩＩＩ矢視図である。 本発明の第２実施形態によるヒータユニットの正面図である。 本発明の第３実施形態によるヒータユニットの正面図である。 本発明の第４実施形態によるヒータユニットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 本発明の第５実施形態によるヒータユニットの正面図である。 本発明の第６実施形態によるヒータユニットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第７実施形態によるヒータユニットを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の構成について、図１、図２を参照しつつ説明する。本実施形態の熱風加熱装置１は、図１に示すように、ハウジング２、送風ファン３、バッフル６、ヒータユニット１０１、および整流機構部７を主に備えている。

ハウジング２は、箱体であり内部に空間を形成する。ハウジング２の内部を、以下、単に「炉内８」と言う。送風ファン３は、炉内中央でバッフル６の上部に位置しており、ハウジング２の天井部分を構成する内壁に固定されている。送風ファン３は、図示しないモータの駆動により、炉内８に循環風を発生させる遠心送風機である。送風ファン３は、「送風部」の一例に相当する。

バッフル６は、送風ファン３の下方であって、炉内８の中央付近に形成されている。バッフル６の上壁は、送風ファン３と対応する部分が開放されている。バッフル６内に、被処理部材に相当するワークＷが、搬送コンベア９によって搬送される。

ヒータユニット１０１は、炉内８において、バッフル６の両側及び下方の３箇所に設けられている。バッフル６の下方に設けられるヒータユニット１０１の上方には、整流機構部７が設けられている。

上記熱風加熱装置１では、送風ファン３により、白抜き矢印Ａ１（以下、「風流れ方向Ａ１」とも言う）に示すように、炉内８には、垂直断面で見たとき、炉内８の右半分を時計回りに循環する循環風と、炉内８の左半分を反時計回りに循環する循環風が発生する。循環風は、循環中、複数のヒータユニット１０１を通過することで熱風となり、バッフル６下部の開口部からバッフル６内に送風される。

（ヒータユニットの詳細構成）
次に、ヒータユニット１０１の構成について、図２を参照して説明する。なお、バッフル６の下方に位置するヒータユニットと、バッフル６の両側に位置するヒータユニットとでは、サイズは異なるものの、その構成については同様であるため、同一の符号を付して説明する。図２に示すように、ヒータユニット１０１は、複数のヒータ１０と複数の撹乱構造物２０とを備えて構成されている。

ヒータ１０は、金属シース内に、コイル状の発熱線を有し、金属シース内に無機絶縁物が充填されたシーズヒータである。一つのヒータ１０は、棒状のシーズヒータを適宜湾曲させて波状に形成されており、直線状をなすヒータ軸部１１と、湾曲部１２とを有している。図２に示すように、ヒータ軸部１１の並列方向であり互いに直交する２方向を、第１方向及び第２方向とする。

ヒータ軸部１１は、ヒータユニット１０１が炉内８に設置されるとき、風流れ方向Ａ１に直線状に延びて形成されている部分である。湾曲部１２は、第２方向に並列するヒータ軸部１１同士を接続する。ヒータ軸部１１と湾曲部１２とは第２方向に交互に連続しており、全体として波形状となるように一体に形成されている。そして、この波形状のヒータ１０が、第１方向に積層されている。すなわち、ヒータ軸部１１は、第１方向および第２方向に複数並列して３次元的に設けられている。

図３に示すように、隣り合うヒータ軸部１１間には、風路３０が形成されている。風路３０には、撹乱構造物２０が設けられている。撹乱構造物２０は、軸方向断面が矩形状をなす柱状部材である。撹乱構造物２０は、長尺をなす軸方向を第２方向に一致させた状態で、一つの風路３０に、風流れ方向Ａ１に所定間隔を空けて複数配置されている。各風路３０に配置される撹乱構造物２０の風流れ方向Ａ１の離間距離は、いずれの撹乱構造物２０においても同一である。

撹乱構造物２０は、第１方向において並列する風路ごとに交互となる位置に配置されている。撹乱構造物２０の材質は、カーボンである。カーボンは輻射熱吸収性が高く、高温における耐食性にも優れている。その他、こうした同様の特性を有するセラミック等の材質でも良い。また、ヒータ１０及び撹乱構造物２０の配置間隔や配置数などは、循環風の抵抗や、異物の詰まりなどを考慮して適宜設定される。

上記ヒータユニット１０１は、炉内８において、ヒータ軸部１１の軸方向を循環風の風流れ方向Ａ１と一致させた状態で配置される。ヒータ１０と撹乱構造物２０とは、図示しないケース内に一体に形成され、一つのユニットとして熱風加熱装置１内の所定箇所に配置可能となっている。

［作用］
本実施形態の熱風加熱装置１におけるヒータユニット１０１は、ヒータ軸部１１間に形成される風路３０に、循環風の流れに乱れを発生させる撹乱構造物２０を有している。そして、風流れ方向Ａ１と直交する第１方向において隣り合う風路３０に配される撹乱構造物２０は、互いに位置が異なるように交互に配置されている。

このため、循環風は、ヒータ軸部１１の軸方向に沿って風路３０を真っ直ぐに進むのではなく、撹乱構造物２０にぶつかって流れ方向が変更され、矢印Ａ２に示すように、ヒータ軸部１１と直交する方向または交差する方向で当たる。こうした撹乱構造物２０が風路３０に複数設けられることで、ヒータ軸部１１まわりの流れに乱れが発生し、ヒータ軸部１１と循環風との間での熱伝達率を向上させることができる。

これにより、従来と比較して保護管径の小さいヒータ１０を採用でき、さらに、ヒータ数を削減できるため、ヒータユニット１０１自体およびヒータユニット１０１が設けられる熱風加熱装置１をよりコンパクトにすることができる。

さらに、撹乱構造物２０を交互に設けているため、循環風が流れる箇所が制約されることなく熱伝達率を向上させることができる。

さらに、撹乱構造物２０の材質は、輻射熱吸収率の高いカーボンである。輻射熱吸収率の高い材料にすることで、さらに伝熱量は高くなる。輻射熱を吸収した撹乱構造物２０からも循環風へ熱伝達することになり、熱伝達率が向上する。また、本実施形態のように、熱風雰囲気加熱を行う炉において、５００℃～１０００℃といった耐食性が要求される炉内環境下であっても、耐腐食性の高い撹乱構造物２０として実施することができる。ヒータユニット１０１自体の耐久性を向上させることができる。

〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態のヒータユニット１０２について、図４を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。また、以下の図４～図９では、構成の特徴を分かり易くするため、ヒータユニットのヒータ軸部周辺の一部分のみを簡略化して模式的に図示している。また、図４～図９の各図では、ヒータ１０にハッチを示して図示している。第２実施形態では、第１実施形態に対し、撹乱構造物の形状が異なる。図４に示すように、撹乱構造物２１の軸方向断面形状は、循環風の風流れ方向Ａ１の上流側に凸となる三角形状をなしている。

第２実施形態のヒータユニット１０２においても、矢印Ａ３に示すように、循環風をヒータ軸部１１と直交する方向または交差する方向で当てることができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

〈第３実施形態〉
次に、本発明の第３実施形態のヒータユニット１０３について、図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第３実施形態では、第１実施形態に対し、撹乱構造物の形状が異なる。図５に示すように、撹乱構造物２２の軸方向断面形状は、円形状をなしている。

第３実施形態のヒータユニット１０３においても、矢印Ａ４に示すように、循環風をヒータ軸部１１と直交する方向または交差する方向で当てることができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

〈第４実施形態〉
次に、本発明の第４実施形態のヒータユニット１０４について、図６（ａ）～（ｃ）を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第４実施形態では、第３実施形態に対し、撹乱構造物の配置形態が異なる。撹乱構造物自体の形状については第３実施形態と同様である。

図６（ａ）～図６（ｃ）に示すように、撹乱構造物２２，２３は、平面視において格子状に設けられている。すなわち、第３実施形態における撹乱構造物２２に加え、さらに別の撹乱構造物２３が、長尺をなす軸方向を第１方向に一致させた状態で、風流れ方向Ａ１に所定間隔を空けて複数配置されている。

第４実施形態のヒータユニット１０４においても、矢印Ａ５に示すように、循環風をヒータ軸部１１と直交する方向または交差する方向で当てることができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、撹乱構造物２２，２３を段違いに格子状に配置することで、循環風の風流れの抵抗をそれほど増大させることなくヒータ１０まわりの流れに乱れを生じさせ、さらに熱伝達率を向上させることができる。

〈第５実施形態〉
次に、本発明の第５実施形態のヒータユニット１０５について、図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第５実施形態では、第１実施形態に対し、撹乱構造物の形状が異なる。

図７に示すように、撹乱構造物２４，２５は、プレート状であって、長尺をなす軸方向を第２方向（図７において紙面奥方向）に一致させた状態で、一つの風路３０に、風流れ方向Ａ１に所定間隔を空けて複数配置されている。

便宜上、任意の風路を第１風路３１とし、第１方向において第１風路３１の隣りの風路を第２風路３２とする。第１風路３１に配置される第１撹乱構造物２４の一端（図７において右端）には、半円形状の切り欠き２４１が、第２方向に複数適宜形成されており、切り欠き２４１の内側にヒータ軸部１１が位置するようになっている。第２風路３２に配置される第２撹乱構造物２５の他端（図７において左端）には、同様に半円形状の切り欠き２５１が、第２方向に複数適宜形成されており、切り欠き２５１の内側にヒータ軸部１１が位置するようになっている。なお、第１撹乱構造物２４の一端と第２撹乱構造物２５の他端は、ヒータ軸部１１の中心軸ｌに一致している。

図７（ａ）に示すように、第１撹乱構造物２４と第２撹乱構造物２５とは、風流れ方向Ａ１において交互となるように配置されているため、矢印Ａ６で示すように、循環風は各撹乱構造物２４，２５にぶつかって向きを変えながらヒータ１０間を通過する。

第５実施形態のヒータユニット１０５においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

〈第６実施形態〉
次に、本発明の第６実施形態のヒータユニット１０６について、図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。上記各実施形態のヒータユニット１０１～１０５では、ヒータ軸部１１は風流れ方向Ａ１に一致していたが、第６実施形態では、図８に示すように、ヒータ軸部１１，１３が風流れ方向Ａ１と直交する第２方向と一致する。

また、ヒータ１０は、通常用ヒータと撹乱用ヒータの２種類で構成され、風流れ方向Ａ１に交互に、かつ、第１方向における位置が重ならないようにずらして設けられている。波形状のヒータ１０単体の構成は上記第１実施形態と同一である。ヒータユニット１０６は、ヒータ軸部１１，１３の軸方向を循環風の風流れ方向Ａ１と直交する第２方向に一致させた状態で炉内８に配置される。

なお、第６実施形態では、説明の都合上、通常用ヒータの軸部を「通常用ヒータ軸部１１」とし、撹乱用ヒータの軸部を「撹乱用ヒータ軸部１３」とする。風流れ方向Ａ１に隣り合う通常用ヒータ軸部１１間には、撹乱構造物としての機能を兼用する撹乱用ヒータ軸部１３が位置する。撹乱用ヒータ軸部１３は、第１方向における位置が通常用ヒータと重ならないように設けられている。すなわち、通常用ヒータ軸部１１と撹乱用ヒータ軸部１３は、互いに直交する２方向（第１方向と風流れ方向）に並列して３次元的に複数設けられている。撹乱用ヒータ軸部１３は、「発熱体」および「撹乱構造物」の一例に相当する。

第６実施形態のヒータユニット１０６では、撹乱用ヒータ軸部１３が撹乱構造物として作用し、矢印Ａ７に示すように循環風に乱れを生じさせるため、ヒータ１０と循環風との間での熱伝達率を向上させることができる。また、撹乱用ヒータ軸部１３と循環風との間でも熱伝達が行われるため、さらに熱伝達率を向上させることができる。

〈第７実施形態〉
次に、本発明の第７実施形態のヒータユニット１０７について、図９を参照して説明する。なお、第６実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第７実施形態では、第６実施形態に対して、撹乱用ヒータとは別部材の撹乱構造物２６（第３実施形態と単体としては同一）がさらに設けられている点が異なる。第７実施形態の撹乱構造物２６は、軸方向断面が円形状をなす棒状部材である。

図９に示すように、撹乱構造物２６は、長尺方向である軸方向を第１方向に一致させた状態で、第２方向と風流れ方向Ａ１とに並列して複数設けられている。風流れ方向Ａ１において、撹乱構造物２６は、第２方向における位置が連続して重ならないように交互となる位置に配置されている。

第７実施形態のヒータユニット１０７では、撹乱用ヒータ軸部１３及び撹乱構造物２６により、矢印Ａ８に示すように循環風に乱れを生じさせることができる。これにより、第６実施形態と同様の効果を奏するとともに、別に撹乱構造物２６を設けているため、さらに熱伝達率を向上させることができる。

〈他の実施形態〉
上記各実施形態における攪乱構造物の材質は、カーボンやセラミックの他、炉内８の腐食環境に応じて、ステンレス合金系やニッケル合金系の材料としても良い。ステンレス合金系の材料であれば、８５０℃以下、通常の腐食環境であれば使用可能である。ニッケル合金系の材料であれば、１０００℃以下、腐食性雰囲気の環境下でも使用可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１ ・・・熱風加熱装置
３ ・・・送風ファン（送風部）
１０ ・・・ヒータ
１１ ・・・ヒータ軸部（発熱体）
２０ ・・・撹乱構造物
３０ ・・・風路
１０１ ・・・ヒータユニット

Claims (8)

1. 軸方向を循環風の風流れ方向または前記風流れ方向と直交する方向に一致させた状態で設けられる複数の発熱体（１１，１３）により炉内（８）を雰囲気加熱し、送風部（３）により前記循環風を発生させて炉内の被処理部材（Ｗ）を加熱する熱風加熱装置に用いられるヒータユニットであって、
   互いに直交する２方向に並列して複数設けられる前記発熱体と、
   隣り合う前記発熱体の間に形成される複数の風路（３０，３１，３２）と、
   前記風路に配され、前記発熱体まわりの前記循環風の流れに乱れを発生させる複数の撹乱構造物（２０－２６，１３）と、
   を備える熱風加熱装置におけるヒータユニット。
2. 前記発熱体の並列方向であり互いに直交する前記２方向を、第１方向及び第２方向とすると、
   前記撹乱構造物は、前記第１方向または前記第２方向において隣り合う前記風路において、互いに位置が異なるように設けられている請求項１に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
3. 前記撹乱構造物は、前記第１方向または前記第２方向において隣り合う前記風路ごとに交互となる位置に設けられている請求項２に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
4. 前記撹乱構造物は、棒状部材である請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
5. 前記撹乱構造物は、軸方向断面形状が円形状または矩形状である請求項４に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
6. 前記撹乱構造物は、軸方向断面形状が三角形状である請求項４に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
7. 前記発熱体はシーズヒータである請求項１～請求項６のうちうちいずれか一項に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。
8. 前記撹乱構造物は、カーボン、セラミックのうちいずれかの材料で形成されている請求項１～請求項７のうちいずれか一項に記載の熱風加熱装置におけるヒータユニット。

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