JP7361007B2 - ラジアントチューブバーナ - Google Patents

Description

本発明は、シングルエンド型のラジアントチューブバーナに関するものである。

ラジアントチューブバーナは、金属やセラミック製のチューブ内でバーナを燃焼させ、加熱されたチューブからの放射熱によって、被処理物を間接的に加熱する装置である。ラジアントチューブバーナは一般的に、鉄材の浸炭処理を行う浸炭炉や、焼鈍処理を行う焼鈍炉など、炉内の雰囲気が制御される工業炉に使用されている。

ラジアントチューブバーナには、チューブが両端で開口しており、一端から燃焼用空気を供給すると共に他端から排ガスを排出するタイプとして、チューブの形状がストレートであるもの、Ｕ字形をなすもの、Ｗ字形をなすもの等が存在する。一方、チューブの一端が炉内側で閉じており、燃焼用空気を導入するための給気口と排ガスを排出するための排気口との双方が、開端側に設けられているタイプ、いわゆるシングルエンド型のラジアントチューブバーナも存在する。シングルエンド型のラジアントチューブバーナは、炉内空間が大きくない場合でも使用できる利点を有している。

しかしながら、シングルエンド型ラジアントチューブバーナの場合、チューブの端部が閉じていることから、この閉端の近傍でバーナの火炎によってチューブが損傷を受けやすいという問題があった。チューブに損傷が生じると、チューブ内の雰囲気と炉内の雰囲気とが連通してしまい、炉内の雰囲気を制御することができなくなる。

ここで、シングルエンド型ラジアントチューブバーナには、一端が閉じている外管と、両端が開放している内管の二重管構造とされ、内管の内部にバーナが挿入されているタイプが存在する（例えば、特許文献１参照）。このようなタイプでは、内管がある部分ではバーナの火炎が外管に直接的に吹き付けられることがないため、外管の損傷が抑制されるという利点がある。しかしながら、このような二重管構造であっても、内管については、バーナの燃焼によって損傷を受けるおそれがある。このような内管の損傷は、バーナの火炎の放射を受ける炉内側の端部近傍において、特に顕著である。内管が損傷した場合は、外管が損傷した場合とは異なり、チューブ内の雰囲気が炉内の雰囲気と連通することはないため、炉内の雰囲気制御に影響を及ぼすことはないが、内管を交換する頻度が高くなるため、工業炉における被処理物の処理効率が低下するという問題がある。

実開昭５８－１１９０２０号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、外管と内管を備える二重管構造であって、バーナの燃焼により内管における炉内側の端部近傍が損傷を受けるおそれが低減されているシングルエンド型のラジアントチューブバーナの提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるラジアントチューブバーナは、
「一端が開放し他端が閉じている外管、両端が開放し前記外管に挿入されている内管、及び、該内管に挿入されているバーナを備え、前記外管の閉じている端部側が炉内に挿入された状態で使用されるシングルエンド型のラジアントチューブバーナであり、
炉内側の端部を内端とし、反対側の端部を外端とし、前記外管の内端から前記内管の外端までの距離をＬとしたとき、
前記外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内で、前記内管と前記外管との間の空隙に、内管から外管へ伝熱させるセラミックス製の伝熱体が配設されているものであり、
前記伝熱体として、前記内管の内端と前記外管の内周面との間の空隙に配設されている中実ボール状の伝熱体を備えていると共に、
通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の内端を被覆している円盤部材と、
通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の外周面と前記外管の内周面との間の空隙に配設されていることにより、前記中実ボール状の伝熱体の移動を妨げている孔部付き円盤部材と、を備えている
ことを特徴とする」ものである。

「伝熱体」を構成するセラミックスの種類は特に限定されるものではなく、炭化珪素質セラミックス、ムライト質セラミックス、アルミナ質セラミックス、コージェライト質セラミックス、を例示することができる。

本発明では、バーナの燃焼によって内管が損傷を受けやすい部分である炉内側の端部近傍において、内管と外管との間の空隙にセラミックス製の伝熱体が配されている。この伝熱体の存在により、バーナの燃焼によって加熱されて高温となった内管から外管まで速やかに伝熱するため、内管が過熱により損傷するおそれが低減されている。

なお、従来のラジアントチューブバーナには、排ガスから熱を回収し、その熱で燃焼用空気を予熱するために熱交換部を設け、セラミックス製の蓄熱体を配しているものがある。このようなタイプのラジアントチューブバーナでは、排ガスと燃焼用空気とを交互に流通させるために、熱交換部は給気口や排気口がある端部近くに配置される。そのため、本発明の伝熱体それ自体は、蓄熱体としても使用できるものであったとしても、バーナの燃焼によって損傷を受けやすい部分である“炉内側の端部近傍”、すなわち、炉内側の端部を内端とし、反対側の端部を外端とし、外管の内端から内管の外端までの距離をＬとしたときに、「外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内」に伝熱体を配置するという構成は、従来のラジアントチューブバーナにはない構成である。

本発明にかかるラジアントチューブバーナは、上記構成に替えて、
「一端が開放し他端が閉じている外管、両端が開放し前記外管に挿入されている内管、及び、該内管に挿入されているバーナを備え、前記外管の閉じている端部側が炉内に挿入された状態で使用されるシングルエンド型のラジアントチューブバーナであり、
炉内側の端部を内端とし、反対側の端部を外端とし、前記外管の内端から前記内管の外端までの距離をＬとしたとき、
前記外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内で、前記内管と前記外管との間の空隙に、内管から外管へ伝熱させるセラミックス製の伝熱体が配設されているものであり、
前記伝熱体として、前記内管の内端と前記外管の内周面との間の空隙に配設されている中実ボール状の伝熱体、及び、前記内管の外周面と前記外管の内周面との間の空隙に配設されているハニカム構造の伝熱体を備えていると共に、
通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の内端を被覆している円盤部材を備えており、
前記ハニカム構造の伝熱体は、前記中実ボール状の伝熱体の移動を妨げている」ものとすることができる。

本構成では、「外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内」において、且つ、「内管の外周面と外管の内周面との間の空隙」に伝熱体が配される。従って、バーナの燃焼によって内管が最も加熱される部分で、内管から外管に伝熱されるため、内管の過熱による損傷を効率的に抑制することができる。

本発明にかかるラジアントチューブバーナは、
「前記伝熱体は、前記内管の内端と前記外管の内周面との間の空隙に配設されている」も
のである。

ラジアントチューブバーナによっては、バーナの火炎が外管の閉端（内端）近傍まで吹き付けられてしまう場合があり、外管の閉端近傍が損傷を受けるおそれがある。本構成では、内管の内端と外管の内周面との間の空隙に伝熱体が配されているため、バーナの火炎が外管に直接吹き付けられることを伝熱体の存在によって防止しつつ、バーナの燃焼による熱を外管に伝熱することができる。

以上のように、本発明によれば、外管と内管を備える二重管構造であって、バーナの燃焼により内管における炉内側の端部近傍が損傷を受けるおそれが低減されているシングルエンド型のラジアントチューブバーナを提供することができる。

図１（ａ）は第一実施形態のラジアントチューブバーナの断面図であり、図１（ｂ）は伝熱体の断面図であり、図１（ｃ）は変形例の伝熱体の製造を説明する図である。 図２（ａ）は第二実施形態のラジアントチューブバーナの断面図であり、図２（ｂ）は伝熱体を収容する容器の斜視図である。 図３は第三実施形態のラジアントチューブバーナの断面図である。 図４は第四実施形態のラジアントチューブバーナの断面図である。

以下、具体的な実施形態であるラジアントチューブバーナ１～４について、図面を用いて具体的に説明する。ラジアントチューブバーナ１～４は、何れもシングルエンド型であり、基本的構成として、外管１０と、内管２０と、バーナ３０とを備えている。第三実施形態のラジアントチューブバーナ３及び第四実施形態のラジアントチューブバーナ４は、本発明の実施形態であり、第一実施形態のラジアントチューブバーナ１及び第二実施形態のラジアントチューブバーナ２は参考例であるが、第三実施形態または第四実施形態が第一実施形態または第二実施形態と共通している点については、第一実施形態及び第二実施形態に関する記載は、本発明の実施形態に関する記載である。

外管１０は一端が開放され他端が閉じている有底円筒状である。外管１０の開端の近傍には、外周面から外方に張り出したフランジ部１０ｆが設けられている。このフランジ部１０ｆは、工業炉の炉壁９０に外管１０を固定するためのものである。外管１０は、閉端側が炉内に位置するように、炉壁９０に固定される。ここでは、ラジアントチューブバーナ１～４において、炉内に位置させる側の端部を「内端」と称し、炉外に位置させる側の端部を「外端」と称している。

外管１０には、フランジ部１０ｆよりは外端側で、燃焼用空気を内部に供給するための給気口１１と、排ガスを外部に排出するための排気口１２が設けられている。

内管２０は、両端が開放している円筒状であり、外管１０に挿入された状態で、支持体１０ｓによって外管１０に固定されている。この支持体１０ｓにより、内管２０の外周面と外管１０の内周面との間に、所定の距離があけられた状態が維持されている。そして、内管２０には、外端側からバーナ３０が挿入されている。

ここで、支持体１０ｓは、外管１０において給気口１１よりフランジ部１０ｆ側で、且つ、排気口１２より外端側に位置している。これにより、給気口１１から供給された燃焼用空気は、内管２０と外管１０との間の空隙Ｓに導入されることなく内管２０の内部に流入する。また、内管２０と外管１０との間の空隙Ｓを流通した空気は、排気口１２から排出される。

本実施形態のラジアントチューブバーナ１～４は、上記の基本的構成に加えて、セラミックス製の伝熱体４１，４２を備えている。伝熱体４１，４２は、内端側において内管２０と外管１０との間の空隙Ｓに配されている。ここで、ラジアントチューブバーナ１～４において、伝熱体が配される「内端側」は、外管１０の内端（閉端）から内管２０の外端までの距離をＬとしたときに、外管１０の内端から距離Ｌ／２までの範囲内を指している。この範囲は、バーナ３０の燃焼によって、より損傷しやすい内端近傍として、外管１０の内端から距離Ｌ／３～Ｌ／４までの範囲内とすることができる。

第一実施形態のラジアントチューブバーナ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ハニカム構造を有する伝熱体４１を備えている。ハニカム構造は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画されたセルの多数を備える構造である。伝熱体４１は、中心に貫通孔４１ｈが形成されている円柱状であり、円柱の中心軸はセルの軸方向と平行で、貫通孔４１ｈの中心は円柱の中心軸である。伝熱体４１は、貫通孔４１ｈに内管２０を挿通させた状態で、内管２０の外周面と外管１０の内周面との間に配されている。

内管２０は、耐熱性の高いセラミックス製とすることが望ましく、伝熱体４１を構成するセラミックスと熱膨張率が同一または近似しているセラミックス製とすればより望ましい。これは、他の実施形態でも同様である。この場合、伝熱体４１の貫通孔４１ｈの直径は、内管２０の外径より僅かに大きく設定し、貫通孔４１ｈの内周面を内管２０の外周面に接触させる。例えば、内管２０及び伝熱体４１を共に、熱伝導率が高く熱膨張率の小さい炭化珪素質セラミックス製とすることができる。

外管１０が、内管２０と同様に伝熱体４１を構成するセラミックスと熱膨張率が同一または近似しているセラミックス製である場合は、伝熱体４１の外径を外管１０の筒部の内径より僅かに小さく設定し、伝熱体４１の外周面を外管１０の筒部における内周面と接触させる。この場合、バーナ３０の燃焼及び停止を繰り返す際に、内管２０、熱伝導体４１、及び、外管１０が同じように熱膨張・熱収縮するため、熱応力の作用が問題となることなく、内管２０と熱伝導体４１、熱伝導体４１と外管１０が、それぞれ接触している状態が維持される。

一方、外管１０が金属製である場合、セラミックス製である伝熱体４１と熱膨張率が大きく相違する。この場合は、図１（ｃ）に示すように、複数のセグメント４１ｓの接合により形成された伝熱体４１ｂを使用することが望ましい。具体的には、セグメント４１ｓは、セルの軸方向に直交する断面が扇形のハニカム構造体であり、複数を接合材で接合することにより、中心に貫通孔４１ｈ’を有する円柱状の伝熱体４１ｂが形成される。このように、複数のセグメント４１ｓの接合により形成された伝熱体４１ｂとすることにより、外管１０と伝熱体４１ｂを構成する材料の熱膨張率の差に起因して、それぞれの熱膨張・熱収縮の程度が相違しても、接合材の層によって熱応力が吸収される。これにより、例えば、伝熱体より外管が大きく熱収縮することによって伝熱体に割れが生じるおそれが低減される。

上記構成のラジアントチューブバーナ１では、燃料ガスの供給（図示、矢印ｇ）を受けると共に、給気口１１から燃焼用空気の供給を受けたバーナ３０が燃焼すると、この燃焼により高温となった空気は、内管２０と外管１０との間の空隙Ｓを流通しつつ外管１０を加熱する。そして、加熱された外管１０からの放射熱によって、炉内の雰囲気が加熱される。外管１０に熱を与えた空気は、排気口１２から排出される。

ここで、バーナ３０が燃焼すると内管２０も加熱される。特に、内管２０の内端近傍は、バーナ３０の火炎が吹き付けられることにより、加熱される度合いが大きい。本実施形態のラジアントチューブバーナ１では、バーナ３０の燃焼によって特に加熱される部分である「内端側」において、内管２０と外管１０との間に伝熱体４１が配されているため、高温となった内管２０から外管１０へ、伝熱体４１を介して速やかに伝熱される。従って、バーナ３０の燃焼によって内管２０が過度に加熱されることにより損傷を受けるおそれが、有効に低減される。加えて、伝熱体４１がない場合は、加熱された空気の“対流”のみによって外管１０が加熱されるところ、本実施形態では内管２０と外管１０との間に介在させている伝熱体４１を介した“伝熱”によって主に熱が移動するため、外管１０が速やかに加熱される。

そして、伝熱体４１はハニカム構造体であるため、内管２０と外管１０との間の空隙Ｓを、排気口１２に向かって空気が流通することを妨げることがない。

次に、第二実施形態のラジアントチューブバーナ２について、図２を用いて説明する。第一実施形態のラジアントチューブバーナ１との相違は、伝熱体の態様である。第二実施形態の伝熱体４２は、第一実施形態の伝熱体４１と同様に、内管２０の外周面と外管１０の内周面との間に配されているが、伝熱体４１がハニカム構造体であったのに対し、伝熱体４２はセラミックス製の中実ボールである。伝熱体４２は伝熱体４１と同様に、熱伝導率が高く熱膨張率の小さい炭化珪素質セラミックス製とすることができる。

このようなボール状の伝熱体４２は、図２（ｂ）に示すような、カゴ状の容器５０に充填した状態で、内管２０の外周面と外管１０の内周面との間に配設することができる。容器５０は、円筒状に形成されている通気性外筒５１ａと、円筒状に形成されており通気性外筒５１ａの内部に同心に設けられている通気性内筒５１ｂと、通気性外筒５１ａ及び通気性内筒５１ｂそれぞれの一端を同じ側で連結している通気性底部５１ｃと、通気性底部５１ｃとは反対側で通気性外筒５１ａと通気性内筒５１ｂとの間の空間を開閉する通気性蓋部５２とを有している。通気性外筒５１ａ、通気性内筒５１ｂ、通気性底部５１ｃ、及び通気性蓋部５２は何れも、ステンレス鋼など金属製の網体やパンチングメタルなど、通気性を有する材料で形成されている。

通気性外筒５１ａの径は外管１０の内径より僅かに小さく、通気性内筒５１ｂの径は内管２０の外径より僅かに大きく設定されている。また、通気性蓋部５２は円板状で、中心に孔部５２ｈを有しており、ヒンジによって通気性外筒５１ａに連結されている。このような容器５０において、通気性外筒５１ａ、通気性内筒５１ｂ、及び通気性底部５１ｃによって囲まれた空間にボール状の伝熱体４２を充填することにより、通気性内筒５１ｂ及孔部５２ｈに内管２０を通した状態で、内管２０の外周面と外管１０の内周面との間に伝熱体４２を容易な作業で配設することができる。

伝熱体４２によっても伝熱体４１と同様に、バーナ３０の燃焼により加熱された内管２０から外管１０へ速やかに伝熱することができ、内管２０が過度に加熱されることにより損傷を受けるおそれを有効に低減することができる。ボール状の伝熱体４２の間の空隙を通過した空気は、排気口１２から排出される。

ボール状の伝熱体４２は容器５０内で動くことができるため、それ自体の熱膨張や熱収縮が、その移動によって吸収される。また、ボール状の伝熱体４２を収容している容器５０は金属製であるため、仮に、内管２０と外管１０それぞれを構成する材料の熱膨張率の差に起因して熱応力が作用しても、容器５０自身の変形によって、その熱応力を吸収することができる。

次に、第三実施形態のラジアントチューブバーナ３について、図３を用いて説明する。第一実施形態及び第二実施形態のラジアントチューブバーナ１，２とは、伝熱体の態様及び配置位置において相違する。第三実施形態では第二実施形態と同様にボール状の伝熱体４２を使用しているが、第二実施形態では内管２０の内端を超えない位置に伝熱体４２が配されていたのに対し、第三実施形態では内管２０の内端を超えて外管１０の閉端まで充填するように、すなわち、内管２０の内端と外管１０の内周面との間に、伝熱体４２が配されている。

また、第三実施形態では第二実施形態とは異なり容器５０は使用せず、通気性を有する円盤６１、及び、通気性を有する孔部付き円盤６２によって、ボール状の伝熱体４２が保持されている。具体的には、通気性を有するがボール状の伝熱体４２は通過させない円盤６１で、内管２０の内端が被覆されている。また、孔部付き円盤６２は、同じく通気性を有するがボール状の伝熱体４２は通過させない材料で形成されており、外径が外管１０の内径より僅かに小さいと共に、孔部６２ｈは内管２０の外径より僅かに大きく形成されている。そして、孔部６２ｈに内管２０が嵌め込まれた状態で、内管２０と外管１０との間の空隙Ｓに充填された伝熱体４２の移動を防止している。なお、通気性を有する円盤６１、及び孔部付き円盤６２としては、多孔質のセラミックスの板材、ボール状の伝熱体４２より小さい貫通孔が多数穿設されたセラミックスの板材を使用することができる。

このような伝熱体４２によっても、バーナ３０の燃焼により加熱された内管２０から外管１０へ速やかに伝熱されるため、過熱による内管２０の損傷を抑制することができる。

加えて、バーナ３０の火炎は、内管２０の内端を超えて外管１０の閉端近傍まで吹き付けられることがあり、その場合は、外管１０の閉端近傍が損傷を受けるおそれがある。第三実施形態では、内管２０の内端を超えて外管１０の閉端まで伝熱体４２が充填されているため、外管１０の閉端近傍にバーナ３０の火炎が直接吹き付けられることを防止しつつ、バーナ３０の燃焼による熱を外管１０まで伝えることができる。

次に、第四実施形態のラジアントチューブバーナ４について、図４を用いて説明する。
第四実施形態は、第三実施形態における孔部付き円盤６２に代替して、第一実施形態で説明したハニカム構造の伝熱体４１を配した態様に相当する。つまり、ハニカム構造の伝熱体４１に、ボール状の伝熱体４２の移動を妨げて保持する作用と、伝熱の作用とを、兼ねさせている。また、伝熱体４１の体積分だけ、第三実施形態に比べてボール状の伝熱体４２を減量している。

このような構成であっても、第三実施形態と同様に、バーナ３０の燃焼により高温となった内管２０から外管１０へ速やかに伝熱する作用と、バーナ３０の火炎が外管１０の閉端近傍に直接吹き付けられることを防止しつつ、バーナ３０の燃焼による熱を外管１０まで伝える作用とが発揮される。

加えて、第四実施形態では、ハニカム構造の伝熱体４１とボール状の伝熱体４２とを組み合わせていることにより、圧力損失が小さいハニカム構造の伝熱体４１の利点と、熱容量が大きいボール状の伝熱体４２の利点とを、バランスさせることができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、伝熱体４１，４２に、放射率（輻射率）を高めるコーティングを施すことができる。上記のように、伝熱体４１，４２は、バーナ３０の燃焼による熱を外管１０に伝える作用を主目的として配しているが、伝熱体自身が加熱されることにより、放射熱によっても外管１０が加熱される。放射率を高めるコーティングを伝熱体４１，４２に施すことにより、放射により外管１０を加熱する作用を高めることができる。

１ ラジアントチューブバーナ
２ ラジアントチューブバーナ
３ ラジアントチューブバーナ
４ ラジアントチューブバーナ
１０ 外管
１１ 給気口
１２ 排気口
２０ 内管
３０ バーナ
４１ 伝熱体
４２ 伝熱体
Ｓ 内管と外管との間の空隙

Claims (2)

1. 一端が開放し他端が閉じている外管、両端が開放し前記外管に挿入されている内管、及び、該内管に挿入されているバーナを備え、前記外管の閉じている端部側が炉内に挿入された状態で使用されるシングルエンド型のラジアントチューブバーナであり、
   炉内側の端部を内端とし、反対側の端部を外端とし、前記外管の内端から前記内管の外端までの距離をＬとしたとき、
   前記外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内で、前記内管と前記外管との間の空隙に、内管から外管へ伝熱させるセラミックス製の伝熱体が配設されているものであり、
   前記伝熱体として、前記内管の内端と前記外管の内周面との間の空隙に配設されている中実ボール状の伝熱体を備えていると共に、
   通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の内端を被覆している円盤部材と、
   通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の外周面と前記外管の内周面との間の空隙に配設されていることにより、前記中実ボール状の伝熱体の移動を妨げている孔部付き円盤部材と、を備えている
   ことを特徴とするラジアントチューブバーナ。
2. 一端が開放し他端が閉じている外管、両端が開放し前記外管に挿入されている内管、及び、該内管に挿入されているバーナを備え、前記外管の閉じている端部側が炉内に挿入された状態で使用されるシングルエンド型のラジアントチューブバーナであり、
   炉内側の端部を内端とし、反対側の端部を外端とし、前記外管の内端から前記内管の外端までの距離をＬとしたとき、
   前記外管の内端からの距離がＬ／２までの範囲内で、前記内管と前記外管との間の空隙に、内管から外管へ伝熱させるセラミックス製の伝熱体が配設されているものであり、
   前記伝熱体として、前記内管の内端と前記外管の内周面との間の空隙に配設されている中実ボール状の伝熱体、及び、前記内管の外周面と前記外管の内周面との間の空隙に配設されているハニカム構造の伝熱体を備えていると共に、
   通気性を有するが前記中実ボール状の伝熱体は通過させない材料で形成され、前記内管の内端を被覆している円盤部材を備えており、
   前記ハニカム構造の伝熱体は、前記中実ボール状の伝熱体の移動を妨げている
   ことを特徴とするラジアントチューブバーナ。

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