JPH07332619A - 高温型ラジアントチューブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各部の耐熱性や耐熱衝撃性の向上を図ること
によって、高温下での信頼性に優れかつ高効率の高温型
ラジアントチューブを提供する。 【構成】 燃焼室１ａを構成する SiC質チューブ本体１
の両端部近傍に、それぞれ SiC質熱交換器２を挿入配置
する。 SiC質熱交換器２内には、 SiC質細管２ｂが充填
されている。 SiC質熱交換器２を介して燃焼室１ａに達
するように燃料ガス供給系３を配置し、この燃料ガス供
給系３の先端にそれぞれバーナー４を設ける。燃焼室１
ａと SiC質熱交換器２との間は、予熱された空気と燃料
ガスとの比率に濃淡が形成されるように設けられた開孔
８ａを有する SiC質仕切り板８で仕切られている。そし
て、バーナー４を交互に切り替えつつ燃焼させるよう構
成した高温型ラジアントチューブである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温下での使用時の信
頼性の向上を図った高温型ラジアントチューブおよびそ
の使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ラジアントチューブとして
は、シングルエンド型やＵ、Ｗ型等が用いられている。
また、ラジアントチューブの構成材としては、セラミッ
クチューブや金属チューブが用いられている。

【０００３】セラミックチューブを用いたラジアントチ
ューブのうち、 SiC質ラジアントチューブではシングル
エンド型が主流で、高効率化のための熱交換、すなわち
燃焼用空気と排ガスとの熱交換は、金属製バーナーヘッ
ド部で行うような構造となっている。しかし、このよう
な構造では、材質、寸法、形状等の制約が大きく、必ず
しも満足できるものではなかった。また特に、金属製部
品の耐熱性が不十分であることから、高温下で使用する
ことはできず、主に炉温の低い場合に使用されている。

【０００４】一方、金属チューブを用いたラジアントチ
ューブでは、高効率化を図るために、蓄熱器を設けたも
のも知られているが、材質的に高温用途には使用できな
いという欠点があった。また、上記したようなラジアン
トチューブにおいて、構成部品をセラミック化すること
も検討されているが、このような構造では金属材とセラ
ミック材、異種類のセラミック材間の熱膨張差に起因し
て、クラックや割れ等が発生しやすくなり、安定して高
温下で使用することはできず、実用化には至っていな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の高効率化を図ったラジアントチューブは、いずれも高
温下で安定に使用することはできないという問題を有し
ていた。このようなことから、高温下で安定にかつ効率
よく使用することを可能にしたラジアントチューブの開
発が強く望まれている。

【０００６】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、各部の耐熱性や耐熱衝撃性の向上を
図ることによって、高温下での信頼性に優れかつ高効率
の高温型ラジアントチューブを提供することを目的とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の高温型ラジアン
トチューブにおいて、請求項１記載の高温型ラジアント
チューブは、 SiC質チューブ本体の両端部それぞれに、
中央にバーナーを配置した SiC質熱交換器を挿入配置
し、前記バーナーを交互に切り替えつつ燃焼させて、前
記 SiC質チューブ本体の中央部に燃焼室を構成した高温
型ラジアントチューブにおいて、前記 SiC質熱交換器に
は多数の SiC質充填物が充填され、かつ前記燃焼室と前
記 SiC質熱交換器との間には燃焼空気を導入する多数の
開孔を有する SiC質仕切り板が設けられていることを特
徴としている。

【０００８】また、請求項２記載の高温型ラジアントチ
ューブは、請求項１記載の高温型ラジアントチューブに
おいて、前記開孔は、予熱された前記燃焼空気と燃料ガ
スとの比率に濃淡が形成されるように、同心状に多段に
設けられていることを特徴としている。

【０００９】

【作用】請求項１記載の高温型ラジアントチューブにお
いては、チューブ本体、熱交換器等の主要部をいずれも
SiCで構成していると共に、熱交換器内に充填する充填
物および燃焼室と熱交換器との仕切り板を SiCで構成し
ているため、各部の耐熱性や耐熱衝撃性を大幅に向上さ
せることができ、かつ熱膨張差に起因する熱歪みの発生
も極めて小さくすることができる。また構造自体も、 S
iC質チューブ本体の両端部近傍に SiC質熱交換器を挿入
配置した熱衝撃等に強い単純な構造としている。これら
によって、例えば1350℃以上というような高温下で使用
した際においても、十分な信頼性を得ることができる。

【００１０】また、請求項２記載の高温型ラジアントチ
ューブにおいては、 2つのバーナーを交互に燃焼させる
構成としていると共に、 SiC質熱交換器内で予熱された
空気と燃料ガスとの比率に濃淡が形成されるように、 S
iC質仕切り板に同心状かつ多段の燃焼空気を導入する開
口を設けているため、上記信頼性の向上に加えて、ラジ
アントチューブの高温化および高効率化を図ることがで
きる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例による高温型ラ
ジアントチューブの構造を模式的に示す断面図である。
同図において、１は燃焼室１ａを構成する SiC質チュー
ブ本体である。この SiC質チューブ本体１としては、例
えばφ150mm 以上の内径を有するストレート型の SiC質
パイプが用いられる。また、 SiC質チューブ本体１の構
成材料としては、フリーSi含有量が20重量% 以下の SiC
焼結体を用いることが好ましい。フリーSi含有量が20重
量% を超えると、例えば1350℃以上というような高温下
での使用時の信頼性が低下する。

【００１３】上記 SiC質チューブ本体１の両端部近傍に
は、 SiC質熱交換器２がそれぞれ挿入配置されている。
これら SiC質熱交換器２は、全て SiC質で作製されてい
るものであり、具体的には SiC質ケース２ａ内に充填物
として例えば SiC質細管２ｂを充填して構成したものが
用いられる。この SiC質熱交換器２の寸法や形状は、特
に制約されるものではなく、 SiC質チューブ本体１に挿
入可能なものであれば種々のものを使用することができ
るが、コンパクトなものが望まれる。ただし、後に詳述
するが、本発明の高温型ラジアントチューブは厳しい熱
衝撃を受けるため、各部品は単純形状であることが望ま
しい。 SiC質熱交換器２の構成材料としては、 SiC質チ
ューブ本体１と同様な SiC焼結体を用いることが好まし
い。

【００１４】このような SiC質熱交換器２を用いること
により、従来のラジアントチューブで特に問題となって
いた耐熱性不足を解消することができ、高温下での使用
が可能となる。また、 SiC質チューブ本体１に SiC質熱
交換器２を挿入配置した構造とすると共に、 SiC質ケー
ス２ａに SiC質細管２ｂを充填した SiC質熱交換器２を
用いることによって、熱膨張差に起因する熱歪みの発生
を極めて小さくすることができ、製造時並びに使用時に
有利となる。

【００１５】上記 SiC質熱交換器２の中央付近には、そ
れぞれ燃料ガス供給系としてガス供給管３が燃焼室１ａ
に達するように配設されている。この燃料ガス供給管３
の先端には、それぞれバーナー４が設置されている。 S
iC質熱交換器２には、それぞれ燃焼用空気の供給配管５
が接続されていると共に、燃焼後の排ガスを排出する排
ガス排出配管６が接続されている。これら配管５、６
は、燃焼時には燃焼用空気供給配管５がオンとなり、排
ガス排出配管６がオフとなる。一方、他方側の燃焼時に
は、オン、オフが逆になる弁（図示せず）がそれぞれ配
置されている。また、燃料ガス供給管３には、それぞれ
燃料ガスの供給配管７が接続されている。そして、排ガ
スとの熱交換により予熱された燃焼用空気は、 SiC質チ
ューブ本体１により形成される燃焼室１ａ内に供給さ
れ、燃料ガスと共に燃焼される。

【００１６】また、上記した燃焼室１ａと SiC質熱交換
器２との間は、 SiC質仕切り板８により仕切られてい
る。この SiC質仕切り板８は、図２に示すように、 SiC
質熱交換器２内で予熱された空気と燃料ガスとの比率に
濃淡が形成されるように設けられた複数の開孔８ａを有
している。このように、燃焼室１ａ内での予熱された空
気と燃料ガスとの比率に濃淡を形成することによって、
燃料ガスが急激に燃焼せず、長い火炎を形成することが
できる。また、これら開孔８ａの個々の大きさは、 SiC
質熱交換器２の充填物、すなわち SiC質細管２ｂが脱落
しない範囲で、燃焼用空気等が十分に通過し得るように
設定されており、かつ開孔率を考慮して形成されてい
る。なお、 SiC質熱交換器２の他方の端部にも、同様な
開孔８ａを有する SiC質仕切り板８が設置されている。

【００１７】そして、この実施例の高温型ラジアントチ
ューブでは、燃焼室１ａ内に予熱された空気を供給しつ
つ、 SiC質チューブ本体１の両端から挿入配置した 2つ
のバーナー４、４を交互に切り替えながら燃焼させる。
このように、 2つのバーナー４、４を交互に燃焼させる
ことによって、燃焼用空気を効率よく予熱することがで
き、ラジアントチューブの高温化および高効率化を図る
ことが可能となる。

【００１８】このような交互燃焼型のラジアントチュー
ブにおいては、各部が厳しい熱衝撃を受けることにな
る。このような高温下での熱衝撃に耐える材質として、
本発明では SiCを採用し、チューブ本体１、熱交換器２
（充填物（具体的には細管２ｂ）を含む）、仕切り板８
等の主要部の全てを SiCで構成している。また、上記し
たように、 SiCは高温下での熱衝撃に耐え得る材質では
あるが、曲折部や屈折部等を多く有する複雑形状の部品
を用いると、高温下では材質の変質、劣化等が避けられ
ず、メンテナンス上問題を引き起こす可能性が大きくな
る。よって、チューブ本体１、熱交換器２、仕切り板８
等は、いずれも熱衝撃に強い単純な形状とすることが好
ましい。このようなことからも、ストレート型の SiC質
チューブ本体１は本発明に好適であるといえる。さら
に、各部は耐久性が要求される構造材であることから、
寿命を考慮した肉厚とする。

【００１９】なお、 SiC質仕切り板８に設ける開孔８ａ
の形成位置やその大きさは、 SiC質チューブ本体１の温
度を均一化する上で重要である。例えば、図３に示すよ
うに、 SiC質仕切り板８を同心状に 3つの領域（Ａ、
Ｂ、Ｃ）に分け、それぞれの領域に形成する開孔８ａの
量と大きさ（各領域毎の開孔率）を変化させ、予熱され
た空気と燃料ガスとの比率に濃淡を生じさせて、1400℃
でのチューブ表面温度を測定した。その際のチューブ表
面温度の温度差（最高温度と最低温度との差）を表１に
示す。

【００２０】

【表１】 表１から明らかなように、各領域の開孔率により表面温
度差が変化し、この例では各領域の開孔率をＡ＞Ｃ＞Ｂ
に大きくするほど、表面温度差を小さくすることができ
た。

【００２１】上述したように、この実施例の高温型ラジ
アントチューブにおいては、チューブ本体１、熱交換器
２、仕切り板８等の主要部を、いずれも耐熱性および耐
熱衝撃性に優れる SiCで構成していると共に、各部の形
状を単純形状としているため、例えば1350℃以上という
ような高温下での信頼性（例えば熱衝撃や熱変形等に対
する信頼性）を大幅に向上させることができる。また、
ストレート型の SiC質チューブ本体１の両端部近傍に、
SiC質細管２ｂを充填した SiC質熱交換器２を挿入配置
した単純な構造としていると共に、これらを同材質で形
成していることから、熱膨張差に起因する熱歪みの発生
も極めて小さくすることができ、この点からも高温下で
の信頼性の向上を図ることができる。そして、 SiC質熱
交換器２内で予熱された空気と燃料ガスとの比率に濃淡
を形成しつつ、 2つのバーナー４、４を交互に燃焼させ
ることによって、ラジアントチューブの高温化および高
効率化を図ることが可能となる。このようなことから、
この実施例のラジアントチューブは、高温下で安定にか
つ効率よく使用することができる。

【００２２】次に、上記実施例による高温型ラジアント
チューブの具体例とその評価結果について述べる。

【００２３】実施例１ まず、外径 220mm×内径 200mm×長さ2000mmのストレー
ト型 SiC質パイプを、チューブ本体１として用意し、こ
の SiC質チューブ本体１の両端部近傍に、それぞれ SiC
質細管２ｂを SiC質ケース２ａ内に空隙率 30%で充填し
た熱交換器２を挿入配置して、高温型ラジアントチュー
ブを作製した。なお、 SiC質細管２ｂとしては、外径12
mm×内径 8mm×長さ20mmの細管と外径 8mm×内径 4mm×
長さ20mmの細管とを使用した。また、 SiC質仕切り板８
の開孔８ａは、表１の試料 No2と同様な開孔率とした。

【００２４】このような高温型ラジアントチューブを用
いて、 SiC質熱交換器２内で予熱された空気と燃料ガス
との比率に濃淡を形成しつつ、チューブ表面温度1400℃
で 2つのバーナー４、４を交互に燃焼させた。この際の
チューブ表面温度の最高最低温度差は29℃と小さく、ま
た熱効率は 68%と良好な値を示した。また、 2つのバー
ナー４、４の交互燃焼を1000サイクル以上繰り返し行っ
た後においても、特にSiC質熱交換器２の各部等に割れ
や変形等の発生はなく、高温下での信頼性および安定性
に優れるものであった。

【００２５】実施例２ 実施例１における SiC質熱交換器２を、実施例１と同様
な SiC質細管２ｂをSiC質ケース２ａ内に空隙率 50%で
充填した熱交換器２とする以外は、実施例１と同様に高
温型ラジアントチューブを作製した。この高温型ラジア
ントチューブについても、実施例１同様に、チューブ表
面温度1400℃で 2つのバーナー４、４を交互に燃焼させ
た。この際のチューブ表面温度の最高最低温度差は75℃
で、また熱効率も 58%と良好な値を示した。また、 2つ
のバーナー４、４の交互燃焼を1000サイクル以上繰り返
し行った後においても、特に SiC質熱交換器２の各部等
に割れや変形等の発生はなく、信頼性および安定性に優
れるものであった。

【００２６】比較例１ 実施例１における SiC質熱交換器２を、直径約20mmのア
ルミナボールを充填した熱交換器とする以外は、実施例
１と同様にしてラジアントチューブを作製した。このラ
ジアントチューブをチューブ表面温度1400℃で 2つのバ
ーナー４、４を交互に燃焼させたところ、交互燃焼を 1
00サイクル行った時点で 13%のアルミナボールに割れが
発生し、さらに交互燃焼を 150サイクル行った時点で、
交互燃焼させる切り替え弁にアルミナボールの割れに伴
って発生したアルミナ粒子が食い込み、切り替え動作に
異常が認められた。

【００２７】比較例２ 実施例１における SiC質熱交換器２を、ハニカム状のア
ルミナシリカ系セラミックスを充填した熱交換器とする
以外は、実施例１と同様にしてラジアントチューブを作
製した。このラジアントチューブをチューブ表面温度14
00℃で 2つのバーナー４、４を交互に燃焼させたとこ
ろ、交互燃焼を 200サイクル行った時点で熱交換器に排
ガスの熱により変形が認められ、さらに交互燃焼を 250
サイクル行った時点で変形と変質により熱交換器に割れ
が発生した。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の高
温型ラジアントチューブによれば、各部の構成材料とし
て SiCを用いて、耐熱性や耐熱衝撃性の向上を図ってい
るため、高温下での信頼性を大幅に向上させることがで
き、よって高温下で安定に使用することが可能となる。
また、請求項２記載の高温型ラジアントチューブによれ
ば、上記信頼性の向上に加えて、高温化および高効率化
を図ることができ、よって高温下で安定にかつ効率よく
使用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による高温型ラジアントチ
ューブの構造を示す断面図である。

【図２】 図１に示すラジアントチューブに用いた熱交
換器の構造を示す断面図である。

【図３】 図１に示すラジアントチューブの燃焼室と熱
交換器との仕切り板の一例を示す断面図である。

【符号の説明】 １…… SiC質チューブ本体 ２…… SiC質熱交換器 ２ｂ… SiC質細管 ３……燃料ガス供給管 ４……バーナー ８…… SiC質仕切り板 ８ａ…開孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 直樹 山形県西置賜郡小国町大字小国町378番地 東芝セラミックス株式会社小国製造所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 SiC質チューブ本体の両端部それぞれ
   に、中央にバーナーを配置した SiC質熱交換器を挿入配
   置し、前記バーナーを交互に切り替えつつ燃焼させて、
   前記 SiC質チューブ本体の中央部に燃焼室を構成した高
   温型ラジアントチューブにおいて、 前記 SiC質熱交換器には多数の SiC質充填物が充填さ
   れ、かつ前記燃焼室と前記 SiC質熱交換器との間には燃
   焼空気を導入する多数の開孔を有する SiC質仕切り板が
   設けられていることを特徴とする高温型ラジアントチュ
   ーブ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の高温型ラジアントチュー
   ブにおいて、 前記開孔は、予熱された前記燃焼空気と燃料ガスとの比
   率に濃淡が形成されるように、同心状に多段に設けられ
   ていることを特徴とする高温型ラジアントチューブ。