JP7567496B2

JP7567496B2 - 流動加熱炉及び加熱方法

Info

Publication number: JP7567496B2
Application number: JP2021007847A
Authority: JP
Inventors: 大輔山下; 浩庸渡邉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2024-10-16
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: JP2022112156A; US20220226889A1; CN114811954A

Description

本発明は、流動加熱炉及び加熱方法に関する。

特許文献１には、鋳造に使用した中子に用いられた砂（以下、「中子砂」と称する）を回収し、中子砂に付着している不純物やバインダを取り除くことにより当該中子砂を再利用することが記載されている。具体的には、特許文献１には、中子を備える金型によって鋳造された鋳造品を５００℃で熱処理して、中子の表面を被覆している有機バインダを焙焼することにより中子を崩壊させ、有機バインダがある程度取り除かれた中子砂を回収することが記載されている。

特開２０１３－１４６７４１号公報

近年、鋳造工程において中子に用いられる有機バインダが加熱されることによって生じるヤニ、煤、異臭（ガス）等を防ぐため、水ガラス等の無機バインダを用いて形成された中子が用いられている。無機バインダを用いて形成された中子から中子砂を再生する場合にも、加熱によって無機バインダが中子砂から取り除かれる。そして、当該無機バインダが加熱炉内で再凝固することを防ぐため、流動気体によって前記中子砂を流動させながら加熱する流動槽が必要となる。このような流動槽において加熱を行う加熱炉を流動加熱炉と称し、当該流動加熱炉では、高温の排気が発生するため、熱効率が悪いという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、熱効率が改善された流動加熱炉及び加熱方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る流動加熱炉は、中子に用いられた中子砂を再生する流動加熱炉であって、流動気体によって前記中子砂を流動させながら加熱する流動槽と、前記流動槽と連通し、前記流動気体を排気する排気流路と、を備え、前記排気流路は、前記排気流路を介して前記流動槽内に前記中子砂を投入するための投入部を備える。

本発明に係る加熱方法は、中子に用いられた中子砂を流動気体によって流動させながら加熱する流動槽を備える流動加熱炉を用いて、前記中子砂を加熱する加熱方法であって、前記流動加熱炉は、前記流動槽と連通し、前記流動気体を排気する排気流路をさらに備え、前記排気流路は、当該排気流路を介して前記流動槽内に前記中子砂を投入するための投入部を備え、前記排気流路において、前記排気流路内を通って排気される前記流動気体が、前記投入部から前記排気流路内に投入された前記中子砂を加熱し、前記流動槽において、前記排気流路において加熱された前記中子砂をさらに加熱する。

本発明に係る流動加熱炉及び加熱方法によれば、排気流路の投入部から中子砂が排気流路を通って流動槽に投入されるため、排気流路を通って排気される流動気体によって中子砂が流動槽に到達する前に加熱される。そのため、流動気体から熱が中子砂に伝達される分、流動加熱炉の熱効率が向上される。よって、熱効率が改善された流動加熱炉及び加熱方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る流動加熱炉を側方から見た断面を模式的に示す図である。本発明の実施の形態１に係る流動加熱炉の排気流路の内部を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る排気流路の分散板の一例を説明する図である。本発明の実施例１における砂温度及び排気温度を示すグラフである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態１に限定されるものではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１は、本実施の形態１に係る流動加熱炉１００を側方から見た断面を模式的に示す図である。流動加熱炉１００は、鋳造に使用された中子に用いられた中子砂２００を再生するために、当該中子砂２００を加熱する。例えば、鋳造に使用された中子は砕かれ、中子砂２００が生じる。そして、流動加熱炉１００は、当該中子砂２００を加熱することにより、無機バインダを中子砂２００から取り除いて、中子砂２００を再生する。流動加熱炉１００は、図１に示すように、流動槽１０１、排気流路１０２を備える。排気流路１０２は、流動槽１０１の上側に設けられている。

流動槽１０１は、流動気体によって中子砂２００を流動させながら加熱する加熱槽である。ここで、流動気体とは、流動加熱炉１００内において流動する気体であって、当該気体の流動に伴って、流動槽１０１内部の中子砂２００も流動する。具体的には、流動気体は流動槽１０１の下部から流動槽１０１内部に供給され、流動槽１０１において加熱されることによって上昇し、排気流路１０２を通って外部へと排気される。流動槽１０１は、図１に示すように、ヒータ１０１Ａ、エアーチャンバー１０１Ｂ、焼結金網１０１Ｃ、仕切り板１０１Ｄ、出口部１０１Ｅ等を備える。

ヒータ１０１Ａは、例えば、流動槽１０１の側面及び底面に設けられ、流動槽１０１内部の中子砂２００を加熱する。また、ヒータ１０１Ａは、流動槽１０１の下部に設けられたエアーチャンバー１０１Ｂ内に供給された流動気体を加熱する。また、ヒータ１０１Ａによって、流動槽１０１内部において、中子砂２００とともに当該中子砂２００を流動させる流動気体も加熱される。

エアーチャンバー１０１Ｂは、流動槽１０１の底部側に設けられ、所定の気体供給源（不図示）から当該エアーチャンバー１０１Ｂ内に所定の気体が供給される。また、エアーチャンバー１０１Ｂの上部は、焼結金網１０１Ｃを介して、流動槽１０１内部に通じている。そのため、エアーチャンバー１０１Ｂ内に供給された気体は、焼結金網１０１Ｃを通って、流動槽１０１内部へと移動する。

焼結金網１０１Ｃは、流動槽１０１内部からエアーチャンバー１０１Ｂへの中子砂２００の通過を防ぐとともに、エアーチャンバー１０１Ｂから流動槽１０１内部への気体の通過を可能にする大きさの孔部を複数有する金網である。

仕切り板１０１Ｄは、流動槽１０１の内部に立設された板状部材である。また、仕切り板１０１Ｄと流動槽１０１の少なくとも１つの内壁との間は離間している。そして、流動槽１０１の内部に投入された中子砂２００は、当該仕切り板１０１Ｄによって形成された流動槽１０１内の通路を通って、出口部１０１Ｅに向かう。

出口部１０１Ｅは、例えば、流動槽１０１の所定の高さに設けられた、中子砂２００を排出する通路である。図１に示す例では、出口部１０１Ｅは、流動槽１０１の上部側に設けられている。

排気流路１０２は、流動槽１０１と連通し、流動槽１０１から流動気体を排気する流路である。排気流路１０２は、流動槽１０１の上側に設けられており、流動槽１０１において加熱され上昇気流となった流動気体を流動加熱炉１００の外部へと排気する。排気流路１０２は、図１に示すように、筒状の本体部１０２Ｂ、投入部１０２Ａ、集塵機１０２Ｃ等を備える。

投入部１０２Ａは、本体部１０２Ｂの上部に設けられる、所定量の中子砂２００を収容可能な容器であって、投入部１０２Ａの底部は少なくとも一部が開口されており、投入部１０２Ａは本体部１０２Ｂと通じている。これにより、投入部１０２Ａから、本体部１０２Ｂを介して流動槽１０１内に中子砂２００を投入することができる。
そして、本実施の形態１に係る排気流路１０２において、排気流路１０２内を通って排気される流動気体が、投入部１０２Ａから排気流路１０２内に投入された中子砂２００を加熱する。さらに、流動槽１０１において、排気流路１０２において加熱された中子砂２００がさらに加熱される。

本体部１０２Ｂは、流動槽１０１の上側に、流動槽１０１内部と本体部１０２Ｂの内部とが通じるように立設されている。図２に、排気流路１０２の本体部１０２Ｂの内部の一例を示す。図２に示すように、本体部１０２Ｂは、矩形形状の断面を有する角筒である。

また、本体部１０２Ｂの内部には、１枚以上の分散板１０２Ｄが傾いて架け渡されている。当該分散板１０２Ｄには、中子砂２００が通過可能な複数の孔部１０２Ｇが形成されている。例えば、本体部１０２Ｂの内部には、本体部１０２Ｂの内壁の一方の側から他方の側へ所定の角度で傾くように、１枚以上の分散板１０２Ｄが架け渡されている。分散板１０２Ｄによって、投入部１０２Ａから投入された中子砂２００が分散されるため、本体部１０２Ｂを通る流動気体と接触する中子砂２００の面積が増え、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率が向上する。
具体的には、図１に示すように、流動槽１０１から本体部１０２Ｂへと流入した流動気体は、分散板１０２Ｄに沿って、本体部１０２Ｂ内部を上昇する。一方、投入部１０２Ａから本体部１０２Ｂ内部へと投入された中子砂２００は、分散板１０２Ｄに沿って下降するとともに、分散板１０２Ｄの設けられた孔部１０２Ｇを通過して、下側の分散板１０２Ｄ上に落下する。このようにして、分散板１０２Ｄによって、分散されて下降する中子砂２００は、分散板１０２Ｄに沿って上昇する流動気体と接触し、流動気体と中子砂２００との間で熱交換が行われる。

また、複数の分散板１０２Ｄが傾く方向は異なる。例えば、図２に示すように、複数の分散板１０２Ｄには、本体部１０２Ｂの内壁の一方の側から他方の側に向かって下側に傾く第１の分散板１０２Ｅと、本体部１０２Ｂの内壁の一方の側から他方の側に向かって上側に傾く第２の分散板１０２Ｆとがある。
また、本体部１０２Ｂの内部には、傾く方向の異なる分散板１０２Ｄが交互に架け渡されている。例えば、本体部１０２Ｂの内壁には、第１の分散板１０２Ｅと第２の分散板１０２Ｆとが交互に架け渡されている。
このように分散板１０２Ｄが配置されることにより、中子砂２００がさらに分散され、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率がさらに向上する。

また、本体部１０２Ｂの内壁に分散板１０２Ｄが架け渡される角度（分散板１０２Ｄが傾く角度）は、中子砂２００の安息角度以上であることが好ましい。これにより、分散板１０２Ｄ上に滞留してしまうことを防ぐことができる。

なお、本体部１０２Ｂの形状や分散板１０２Ｄの架け渡され方は上記に限定されるものではない。例えば、本体部１０２Ｂが円筒形状を有する場合、分散板１０２Ｄは、当該円筒の内壁に沿って螺旋状に設けられてもよい。

集塵機１０２Ｃは、本体部１０２Ｂを通過した流動気体から、当該流動気体に含まれる異物、例えば、中子砂２００等、を取り除いて、流動気体を流動加熱炉１００の外部へと排出する。

次に、図３を参照しながら、分散板１０２Ｄに設けられる複数の孔部１０２Ｇについて説明する。図３に示す例では、分散板１０２Ｄは、複数の孔部１０２Ｇが千鳥状に設けられたパンチングメタルである。具体的には、分散板１０２Ｄには、第１の方向Ｄ１に沿って、所定のピッチＰで複数の孔部１０２Ｇが形成されている。また、孔部１０２Ｇは、所定の半径φの円形形状を有する。また、互いに隣接する３つの孔部１０２Ｇは、三角形の頂点の位置に配置されている。具体的には、第１の方向Ｄ１に沿って隣接する２つの孔部１０２Ｇと当該２つの孔部１０２Ｇの双方に隣接する１つの孔部１０２Ｇは、三角形の頂点の位置に配置されている。ここで、第１の方向Ｄ１に沿って隣接する２つの孔部１０２Ｇの双方に隣接する１つの孔部１０２Ｇが位置する三角形の角部の角度をθとする。当該三角形は二等辺三角形でもよく、θが６０°のとき、当該三角形は正三角形である。
なお、分散板１０２Ｄは、所定の大きさの孔部を複数有する金網であってもよい。

次に、本実施の形態１に係る流動加熱炉１００における中子砂２００の加熱方法について説明する。
まず、投入部１０２Ａから排気流路１０２の本体部１０２Ｂ内へ中子砂２００が投入される。
次に、排気流路１０２において、排気流路１０２内を通って排気される流動気体が、投入部１０２Ａから排気流路１０２内に投入された中子砂２００を加熱する。具体的には、本体部１０２Ｂの内部において、流動気体と中子砂２００とが接触することによって、流動気体が中子砂２００を直接加熱する。また、流動気体によって加熱された本体部１０２Ｂの壁部や分散板１０２Ｄに中子砂２００が接触することによって、中子砂２００が間接的に加熱される。
さらに、流動槽１０１において、排気流路１０２において加熱された中子砂２００がさらに加熱される。

実施例１
次に、本発明の実施例１について説明する。実施例１として、分散板１０２Ｄが設けられた本体部１０２Ｂにおける流動気体と中子砂２００との熱交換効率を調べた。実施例１に係る分散板１０２Ｄは、図３に示す半径φ＝５ｍｍ、ピッチＰ＝８ｍｍ、角度θ＝６０°の孔部１０２Ｇが設けられたパンチングメタルであった。また、排気流路１０２の本体部１０２Ｂの内部に設けられた分散板１０２Ｄの枚数は８枚であり、分散板１０２Ｄの傾く角度は水平方向を基準として３０°であり、排気流路１０２のサイズは、幅３０ｃｍ、奥行２１ｃｍ、及び高さ１５０ｃｍであった。また、８枚の分散板１０２Ｄは、図２に示すように、本体部１０２Ｂの内部に、等間隔に、交互に傾く方向が異なるように架け渡されていた。また、実施例１では、中子砂２００として、ＡＣアルミナサンド（瓢屋社製）の新砂及び再生砂及びグリーンビーズ（キンセイマテック社製）の人工球形砂の新砂及び再生砂を用いた。また、本体部１０２Ｂの下部から本体部１０２Ｂ内に供給する流動気体の温度は３４０℃であり、当該流動気体の流量は０．４５リットル／分であった。また、本体部１０２Ｂの上部から本体部１０２Ｂ内に投入される中子砂２００の温度は２５℃であり、当該中子砂２００の投入量は１６５ｋｇ／時間であった。また、実施例１において、熱交換効率を以下の式（１）に基づいて算出した。
熱交換率＝（（加熱後の砂温度－加熱前の砂温度)×砂の比熱）／入熱量×１００
・・・・・（１）

図４に、実施例１における、本体部１０２Ｂ内の様々な位置（図１に示す位置Ｐ１～Ｐ５）における流動気体の温度、本体部１０２Ｂを通った後の（図１に示す位置Ｐ５における）中子砂２００の温度を示す。具体的には、図４の縦軸は温度（℃）を示し、横軸は時間（秒）を示す。また、図４の凡例で示すシンボル（Ｉ）は、本体部１０２Ｂの上部から排気された（図１に示す位置Ｐ１の）流動気体の温度を示し、シンボル（ＩＩ）～（ＩＶ）は、それぞれ、図１に示す本体部１０２Ｂ内の位置Ｐ２～Ｐ４における流動気体の温度を示し、シンボル（Ｖ）は、図１に示す位置Ｐ５における中子砂２００の温度を示し、シンボル（ＶＩ）は、流動槽１０１の上部から本体部１０２Ｂ内に入る前（図１における位置Ｐ５）の流動気体の温度を示す。なお、図４に示すデータは、グリーンビーズの新砂のデータである。

図４に示すように、流動槽１０１の上部から本体部１０２Ｂ内に入る前の流動気体の温度（シンボル（ＶＩ））は、３４０℃程度であり、本体部１０２Ｂ内において当該流動気体と中子砂２００との間で熱交換が行われることにより、本体部１０２Ｂから排気された流動気体の温度（シンボル（Ｉ））は、３５℃程度まで低下している。一方、本体部１０２Ｂの上側から本体部１０２Ｂ内に投入される中子砂２００の温度は、上述した通り、２５℃であり、本体部１０２Ｂを通り過ぎ、流動槽１０１内に投入される中子砂２００の温度（シンボル（Ｖ））は、１５０℃程度まで上昇している。そして、本体部１０２Ｂにおける、流動気体と中子砂２００との熱交換効率は９４％程度と高い効率であることが分かった。

以上に説明した本実施の形態１に係る流動加熱炉１００及び加熱方法によれば、排気流路１０２の投入部１０２Ａから中子砂２００が排気流路１０２を通って流動槽１０１に投入されるため、排気流路１０２を通って排気される流動気体によって中子砂２００が流動槽１０１に到達する前に加熱される。そのため、流動気体から熱が中子砂２００に伝達される分、流動加熱炉１００の熱効率が向上される。よって、熱効率が改善された流動加熱炉１００及び加熱方法を提供することができる。

また、排気流路１０２の本体部１０２Ｂの内部に傾いて架け渡された、中子砂２００が通過可能な複数の孔部１０２Ｇを有する板状の分散板１０２Ｄによって、投入部１０２Ａから投入された中子砂２００が分散される。そのため、本体部１０２Ｂを通る流動気体と接触する中子砂２００の面積が増え、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率が向上する。

また、排気流路１０２の本体部１０２Ｂの内部に複数の分散板１０２Ｄが架け渡されていることにより、中子砂２００がさらに分散され、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率がさらに向上する。

また、本体部１０２Ｂの内部に、傾く方向の異なる複数の分散板１０２Ｅ、１０２Ｆが設けられることにより、中子砂２００がさらに分散され、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率がさらに向上する。

また、本体部１０２Ｂの内壁に、傾く方向の異なる複数の分散板１０２Ｅ、１０２Ｆが交互に架け渡されていることにより、中子砂２００がさらに分散され、中子砂２００と流動気体との熱交換の効率がさらに向上する。

また、本体部１０２Ｂの内壁に分散板１０２Ｄが架け渡される角度は、中子砂２００の安息角度以上であることにより、分散板１０２Ｄ上に滞留してしまうことを防ぐことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本体部１０２Ｂの内壁に分散板１０２Ｄが架け渡される角度は、本体部１０２Ｂの内部における位置に応じて、変化させてもよい。分散板１０２Ｄが傾く角度を変化させることより、分散板１０２Ｄ上を中子砂２００が通過する時間を変えることができる。例えば、本体部１０２Ｂの下部から上部に向かうにつれて、分散板１０２Ｄの傾く角度を小さくすることにより、本体部１０２Ｂの上部においては、温度が低下した流動気体と中子砂２００とが接触する時間を長くして、熱交換効率を向上することができる。

１００流動加熱炉
１０１流動槽
１０１Ａヒータ
１０１Ｂエアーチャンバー
１０１Ｃ焼結金網
１０１Ｄ仕切り板
１０１Ｅ出口部
１０２排気流路
１０２Ａ投入部
１０２Ｂ本体部
１０２Ｃ集塵機
１０２Ｄ分散板
１０２Ｅ第１の分散板
１０２Ｆ第２の分散板
１０２Ｇ孔部
２００中子砂

Claims

中子に用いられた中子砂を再生する流動加熱炉であって、
流動気体によって前記中子砂を流動させながら加熱する流動槽と、
前記流動槽と連通し、前記流動気体を排気する排気流路と、
を備え、
前記排気流路は、
筒状の本体部と、
前記本体部の内部を介して前記流動槽内に前記中子砂を投入するための投入部と、
前記本体部の内部に傾いて架け渡された、前記中子砂が通過可能な複数の孔部を有する板状の分散板と、
を備え、
前記分散板は、複数の前記孔部が千鳥状に設けられたパンチングメタルである、
流動加熱炉。
前記排気流路の前記本体部の内部には、複数の前記分散板が架け渡されている、請求項１に記載の流動加熱炉。
複数の前記分散板が傾く方向は異なる、請求項２に記載の流動加熱炉。
前記本体部の内部には、傾く方向の異なる前記分散板が交互に架け渡されている、請求項３に記載の流動加熱炉。
前記分散板が傾く角度は、前記中子砂の安息角度以上である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の流動加熱炉。
前記排気流路は、前記本体部を通過した前記流動気体から、当該流動気体に含まれる前記中子砂を含む異物を取り除いて、前記流動気体を前記流動加熱炉の外部へと排出する集塵機をさらに備える、請求項１乃至５の何れか一項に記載の流動加熱炉。
中子に用いられた中子砂を流動気体によって流動させながら加熱する流動槽を備える流動加熱炉を用いて、前記中子砂を加熱する加熱方法であって、
前記流動加熱炉は、前記流動槽と連通し、前記流動気体を排気する排気流路をさらに備え、
前記排気流路は、
筒状の本体部と、
当該本体部の内部を介して前記流動槽内に前記中子砂を投入するための投入部と、
前記本体部の内部に傾いて架け渡された、前記中子砂が通過可能な複数の孔部を有する板状の分散板と、
を備え、
前記分散板は、複数の前記孔部が千鳥状に設けられたパンチングメタルであり、
前記排気流路において、前記排気流路内を通って排気される前記流動気体が、前記投入部から前記排気流路内に投入された前記中子砂を加熱するとともに、前記流動気体によって加熱された前記本体部の壁部や前記分散板に前記中子砂が接触することによって、前記中子砂が加熱され、
前記流動槽において、前記排気流路において加熱された前記中子砂をさらに加熱する、
加熱方法。