JPH11211353A

JPH11211353A - ラジアントチューブを熱源とする加熱炉

Info

Publication number: JPH11211353A
Application number: JP10019169A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Matsuo; 護松尾; Kiyobumi Kurita; 清文栗太; Koichi Fukuda; 耕一福田; Masahiko Inuzuka; 昌彦犬塚; Akio Tamura; 彰男田村; Masao Hattori; 雅夫服部; Toshiharu Shimizu; 敏春清水
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JP3505076B2

Abstract

(57)【要約】【課題】チューブ長さ方向だけでなくチューブ間方向
にも均一加熱が実現可能なラジアントチューブの配列関
係を求める。【解決手段】蓄熱体を通して排ガスの排気と燃焼用空
気の供給とを交互に行う蓄熱型バーナをラジアントチュ
ーブの両端にそれぞれ備え、その一対のバーナを交互に
燃焼させる蓄熱バーナシステムを装備したラジアントチ
ューブを加熱源とし、かつ隣り合うラジアントチューブ
間におけるチューブの有効表面積率ψと（チューブのピ
ッチ／チューブの直径）^1/4との比が最大値近傍の値で
あると共に２本のラジアントチューブからの直接放射に
よって与えられるチューブ直下にある被加熱物の熱流束
とチューブの中間にある被加熱物の熱流束の比ξが１近
傍の値であることを同時に満足する範囲にあるチューブ
ピッチＬｐを有するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ラジアントチュー
ブの両端に一対の蓄熱型バーナを備え、これを交互に燃
焼させてチューブを加熱して熱源とする加熱炉に関す
る。更に詳述すると、本発明はラジアントチューブの炉
内での配置の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】汚染雰囲気を嫌う加熱炉例えば鉄系磁性
材料の粉末冶金に用いられる焼結炉における熱源として
は、圧粉体の加熱は水素ガスや窒素、水素、炭酸ガスな
どの混合気を封入した還元性の雰囲気の中で行われるこ
と、１１００〜１２００℃の炉温を必要としかつ精密な
温度制御が要求されること、などから一般には電気加熱
が採用されている。

【０００３】また、ラジアントチューブとこのチューブ
内で長炎燃焼を起こす１基のラジアントチューブバーナ
が熱源として採用されることもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電気加
熱は、エネルギーコストが高いという問題を有してい
る。また、ラジアントチューブバーナを熱源とする場合
には、コスト的には安くなるが、以下のような技術上の
問題点があり、精密な温度制御が要求される焼結炉への
適用を困難にしている。即ち、ラジアントチューブの一
端から他端の排気口に向けてチューブ内を一方向に燃焼
が進行するので、図３に示すように焚き口部付近のチュ
ーブ表面温度が最も高くなり、燃焼量を増やし過ぎる
と、焚き口付近が過熱により焼損する。そのため、炉の
温度が１１００〜１２００℃という高温で操業する焼結
炉では、チューブの焚き口付近が過熱のため焼損する。

【０００５】チューブの焼損を防止するには、焚き口付
近のチューブ温度をチューブ材料の使用限界温度以下に
することが必要となるために、燃焼量を減らさなければ
ならない。このため、チューブ表面積当たりの伝熱量が
制限され、所定の炉温を維持するにはチューブの本数を
増やしてチューブ表面積を確保しなければならない。ま
た、場合によっては所定の炉温を維持することが困難と
なることも生じる。

【０００６】また、チューブ内の燃焼ガス温度は、排気
口に向かうにつれて低下し、伝熱量がチューブの長さ方
向に減少する。そして、チューブの長さ方向に大きい温
度勾配を持つことになり、チューブの寿命を短くする。
また、均一でかつ精密な温度制御を必要とする材料への
均一加熱を行うことができない。

【０００７】更に、伝熱量は燃焼ガス温度とワーク温度
の対数平均温度差に比例するから、排気温度を下げて省
エネルギーを図ろうとすると膨大な伝熱面積（チューブ
表面積）を必要とする。そこで、レキュペレータを設備
して、排気熱を回収して燃焼空気を予熱することも考え
られるが、この場合でも、焚き口付近のチューブ温度は
制限温度以下にしなければならず、伝熱量を増すことは
できない。更に、レキュペレータをチューブ排気口・他
端側へ備えて排ガスと燃焼用空気との熱交換を行うこと
によって熱回収を図っても、多少の省エネルギーは達成
されるものの、用いられるレキュペレータの温度効率は
６０％以下の低率のため、その効果は低い。

【０００８】斯様に、従来のラジアントチューブバーナ
は、焼結炉などの加熱炉の熱源として利用することは困
難であった。

【０００９】本発明はチューブ長さ方向だけでなくチュ
ーブ間方向にも均一加熱が実現可能なラジアントチュー
ブを熱源とする加熱炉を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、蓄熱体を通して排ガスの排
気と燃焼用空気の供給とを交互に行う蓄熱型バーナをラ
ジアントチューブの両端にそれぞれ備え、その一対のバ
ーナを交互に燃焼させる蓄熱バーナシステムを装備した
ラジアントチューブを加熱源とし、かつ隣り合うラジア
ントチューブ間におけるチューブの有効表面積率と（チ
ューブのピッチ／チューブの直径）^1/4との比が最大値
近傍の値であると共に２本のラジアントチューブからの
直接放射によって与えられるチューブ直下にある被加熱
物の熱流束とチューブの中間にある被加熱物の熱流束の
比が１近傍の値であることを同時に満足する範囲にある
チューブピッチを有するようにしている。

【００１１】この場合、ラジアントチューブの両端に装
備された蓄熱型バーナの高周期交互燃焼によって、チュ
ーブ内の燃焼ガスの流れが一定周期で反転するので、チ
ューブ温度が全域で平均化し、被加熱材料への管軸方向
への均一加熱を実現できる。他方、隣り合う２本のチュ
ーブ間では、ラジアントチューブの有効表面積率と（チ
ューブのピッチ／チューブの直径）^1/4の逆数の双方が
最大値近傍であるため、ラジアントチューブの表面が有
効に利用されると共にチューブの表面温度が低下しチュ
ーブの表面熱負荷が同じであればチューブの焼損防止上
有利である。しかも、チューブ直下の被加熱物への熱流
束とチューブの中間にある被加熱物への熱流束の比は１
近傍であり、２本のチューブ間の被加熱物への熱流束分
布は平均化し均熱性が高いといえる。したがって、上述
の比の範囲を満足するチューブピッチとチューブ直径と
を選択すれば、チューブの表面を有効に活用してチュー
ブの温度を下げ、かつ、被加熱物の均一な加熱を可能と
する。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、隣り合うラ
ジアントチューブ間におけるチューブの有効表面積率と
（チューブのピッチ／チューブの直径）^1/4の比が最大
値の９０％以上を示す範囲にあって、かつ、２本のラジ
アントチューブからの直接放射によって与えられるチュ
ーブ直下にある被加熱物の熱流束とチューブの中間にあ
る被加熱物の熱流束の比が０．９〜１．１の範囲にある
ことを同時に満足する範囲にあるチューブピッチを有す
るようにしている。この場合、実用上問題とならない程
度の均一加熱性が実現できる。

【００１３】更に、請求項３記載の発明は、加熱炉は焼
結炉であり直管型ラジアントチューブを加熱源とするよ
うにしている。この場合、還元性の雰囲気を形成してそ
の中で１１００〜１２００℃の炉温でかつ精密な温度制
御が可能となり、粉末冶金の焼結に好適な加熱条件を形
成しかつ維持できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の一形態に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１に本発明のラジアントチューブを熱源
とする加熱炉の一実施形態として焼結炉を示す。この焼
結炉は鉄系磁性材料の粉末冶金に用いられて好適なもの
であり、その熱源として蓄熱型ラジアントチューブバー
ナシステム２を採用している。尚、本実施形態の焼結炉
は、熱源として蓄熱型ラジアントチューブバーナシステ
ム２を採用し、ラジアントチューブ３の配列を特定の関
係に設定したことを除いて従来の焼結炉と特に構成上の
差異はないので、その詳細な説明は省く。図中の符号１
１は予熱部、１２は高熱部、１３は冷却部、１４は入り
口扉、１５は中間扉、１６は熱電対、１７は不活性ガス
等を供給するガス入り口、１８はメッシュコンベア、１
９は水冷ジャケット、２０は出口扉である。

【００１６】蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム
２は、炉体１の側壁を貫通して被加熱物の搬送方向と直
交する水平方向に炉内を横切るように配置された直管形
ラジアントチューブ３と、その両端の炉外に設置された
部分に接続されて交互に燃焼する一対のラジアントチュ
ーブバーナ（以下単にバーナと呼ぶ）４ａ，４ｂ及びこ
れら一対のバーナ４ａ，４ｂを交互に燃焼させるために
燃焼用空気と燃料を選択的に供給する燃焼用空気供給系
５と排気系６並びに燃料供給系７から構成されている。
バーナ４ａ，４ｂは、特にガン構造などには限定される
ものではないが、ハニカムセラミックスなどから成る蓄
熱体８を内装しあるいは外部に直に接続し、排ガスと燃
焼用空気とを四方弁９を介して交互に蓄熱体８に通過さ
せることによって得られる高温（排ガス温度に近い温
度）の燃焼用空気を用いてラジアントチューブ３内の密
閉空間で燃焼させるものである。ここで、作動させるバ
ーナの交換の周期は燃焼の有無に拘わらず一定時間とさ
れている。例えば、２０〜３０秒程度の短時間で周期的
に燃焼するバーナが切り替えられる。

【００１７】このように構成された焼結炉によれば、バ
ーナ４ａ，４ｂの燃焼は、蓄熱体８を通過して高温例え
ば８００℃以上に予熱された二次空気を使用してチュー
ブ３の両端で短時間に交互に行われる。そして、例えば
一方のバーナ４ａの燃焼で発生した燃焼ガスは、ラジア
ントチューブ３を加熱しながら他端側のバーナ４ｂの蓄
熱体８を経てから排気系６へ誘引され、所定の排気処理
が施された後大気に排出される。このため、排ガスの熱
は、蓄熱体８で回収される。そして、蓄熱体８に回収さ
れた熱は、他方のバーナ４ｂを燃焼させる際の燃焼用空
気の予熱に使用され、再びチューブ３内に戻される。こ
れによって図３に示すようなチューブ表面温度分布を形
成し、チューブ長手方向に均一加熱する。

【００１８】ここで、蓄熱体８は、例えば、通路断面積
が一定でかつ直線的に流路が貫通しているハニカム形状
のセラミックス例えばアルミナやコージライト、ムライ
ト等の使用が好ましいが、これに特に限定されるもので
はなく、細管を束ねたものやボール状あるいはナゲット
状のものでも使用可能である。最も、ハニカム形状のセ
ラミックスは熱容量が大きく耐久性が高い割に比較的圧
力損失が低く、排気と給気とが交互に淀みなく行われる
ので好ましい。また、セラミック以外の材質、例えば耐
熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例え
ばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融
した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるい
は窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋め尽く
したＡｌ ₂Ｏ₃−Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａ
ｌ複合体などを用いて製作しても良い。

【００１９】また、ラジアントチューブ３としては、通
常耐熱鋳鋼などの金属が使用されるがこれに特に限定さ
れるものではなく、ＳｉＣ等のセラミックス製チューブ
を使用することもある。セラミックス製チューブの場
合、酸化しないばかりか軽量で含有熱も小さい（比重が
小さく薄肉にできるから）という利点がある。また、ラ
ジアントチューブ３としては、直管（Ｉ形）、Ｕ形、Ｗ
形などが挙げられるが、殊に、炉温が１１００℃以上の
高温で操業する高温部１２に用いるものとしては、直管
型ラジアントチューブが望ましい。高温部１２では、チ
ューブ３の表面熱負荷（ラジアントチューブの表面積当
たりの伝熱量）を増やして炉温を高め被加熱物Ｗに多く
の熱を与えるようにする。ラジアントチューブ３から被
加熱物Ｗへの伝熱量は、ラジアントチューブ３の断面熱
負荷（チューブ３の断面積当たりの入熱量：入熱量=燃
焼熱量+燃焼空気顕熱）に依存する。即ち、被加熱物に
多くの伝熱量を与えようとするには、燃焼量を増して断
面熱負荷を大きくし、少なくてよければ、燃焼量を減ら
して断面熱負荷を小さくする。そして、断面熱負荷の大
きいものほどバーナ焚き口付近の過熱により焼損しやす
い。したがって、焼損防止の観点から、断面熱負荷には
自ずと制限を設けることになる。一方で、被加熱物への
伝熱量は、ラジアントチューブの表面熱負荷にも依存す
る。表面熱負荷は断面熱負荷とチューブ直径に比例し、
チューブ長さに反比例する関係にあるから、チューブ長
さが短いものほど断面熱負荷当たりの表面熱負荷が大き
くなり、チューブ焼損の恐れのなく一本当たりの伝熱量
を増やすことができる。

【００２０】ここで、直管型ラジアントチューブの長さ
は、Ｕ型の約半分、Ｗ型の約１／４に相当するから、同
一の直径では、断面熱負荷当たりＵ型の約２倍、Ｗ型の
約４倍の表面熱負荷を与えることができ、チューブ焼損
の恐れなく炉温を上げて、大きな熱を被加熱物に与える
ことができる。また、Ｕ型ラジアントチューブやＷ型ラ
ジアントチューブでは、直管をＵベントで接合して形成
されているため、ベント部で管内の燃焼ガスが反転する
ためベント部の温度が直管部より高くなり、温度の均一
性が損なわれ、精密な均一加熱を困難にする場合もあ
る。

【００２１】依って、高温部１２に用いる蓄熱型ラジア
ントチューブ３としては直管型ラジアントチューブが望
ましい。

【００２２】また、直管型ラジアントチューブでは、ベ
ントの存在がないためチューブ間のピッチを自由に設定
でき、被加熱物Ｗに対する最適熱流束分布を与えるため
の最適ピッチを選ぶことができる。Ｕ型やＷ型ラジアン
トチューブでは、ベント部の曲率半径の制限のためチュ
ーブ３，３間のピッチＬｐがチューブ直径Ｄの約１．５
〜１．７倍の一定範囲に限定されており、被加熱物Ｗが
必要とする熱流束（被加熱物の表面積当たりの伝熱量）
分布を与えるための最適ピッチを選ぶことができない場
合も起こり得る問題を有している。これに対し、直管型
ラジアントチューブは、このようなベント部を持たない
から、チューブ間のピッチを自由に設定できる。

【００２３】以上のように構成された蓄熱型ラジアント
チューブバーナシステム２は、必要に応じてその数や配
置方向等が選定されるが、ラジアントチューブ３のチュ
ーブ間ピッチＬｐとチューブ径Ｄとの間には一定の関係
が要求される。即ち、隣り合う前記ラジアントチューブ
間におけるチューブの有効表面積率と（チューブのピッ
チ／チューブの直径）^1/4との比が最大値近傍であると
共に２本のラジアントチューブからの直接放射によって
与えられるチューブ直下にある被加熱物の熱流束とチュ
ーブの中間にある被加熱物の熱流束の比が１近傍である
ことを同時に満足する範囲にあるチューブピッチを有す
ることが、軸方向の均一加熱と幅方向の均一加熱の双方
を同時に満足する上で必要である。この配管条件に従う
とき、被加熱物Ｗに対する均一加熱が実現できる。以下
に管軸方向並びにチューブ間方向での加熱について説明
する。（１）チューブ管軸方向の加熱蓄熱型バーナをラジアントチューブの両端に装備し２０
〜３０秒程度の短い切換時間で交互に燃焼と排気とを切
換ることによって、チューブ内の燃焼ガスの流れが短時
間の一定周期で反転するので、チューブ温度が図３に示
すように局所的なピークを作らずに概ねチューブ長さ方
向全域で平均化し、チューブ３よりワークＷへの伝熱量
はチューブ長さ方向に均一で被加熱材料への精密な均一
加熱を実現できる。しかも、チューブ３の局部過熱も回
避されるから、チューブの焼損の恐れなくチューブ全域
の温度を高くして、チューブ一本当たりの伝熱量を増や
すことも可能である。また、局所的高温域が発生しない
ので低ＮＯｘ化を実現できる。加えて、蓄熱型熱交換で
は９０％以上の温度効率が容易に得られ、チューブ出口
の排気温度に近い高温の空気が得られるから燃焼ガスと
ワーク間で均一で、かつ、高い温度落差が得られ、高い
省エネルギーが達成される。即ち、電気加熱に匹敵する
熱効率を得ることができる。したがって、電気の発電効
率を３５％としたときの、６０％以上の原燃料節約を果
たすことになり、地球温暖化防止に一役買うばかりか、
約８０％以上のエネルギーコストを低減することにな
る。また、チューブの制限温度で均一加熱したとき、従
来型と同一表面積では伝熱量を約２倍にできるし、従来
型と同じ伝熱量とする場合には表面積を約半分にでき
る。従来型と同一表面積、同一伝熱量ではチューブのピ
ーク温度が下がるため耐熱性に劣る安価な低級材が使用
できる。尚、本明細書において使用する温度効率とは、
排気と空気の熱交換において排気の入口温度に対して、
空気の得られる温度の割合を示すもので次の数式１で与
えられる。

【００２４】

【数１】

【００２５】（２）チューブ間方向での加熱従来、ラジアントチューブからワークへの均一な熱伝達
は、ラジアントチューブのピッチを小さくして密に配列
するほど良く、ピッチを大きくしてラジアントチューブ
を離すにつれてチューブ間の中間点の熱伝達が遅れ、ワ
ークの均一熱伝達が阻害されると考えられていた。そこ
で、可能な限り密にチューブを配置することを前提に主
として経済性の観点からのみチューブのピッチが決めら
れて来た。しかし、実際にはワークのチューブとチュー
ブとの間での均一加熱が難しく、さらにチューブのピッ
チを経済上の要請を無視して小さくしても伝熱の均一性
が保たれないことを見いだした。

【００２６】このことについて、本発明者等が更に種々
研究検討した結果、ラジアントチューブの配列ピッチＬ
ｐとチューブ直径Ｄとの間には相関関係を有することを
知見した。即ち、チューブからワークへの伝熱を仔細に
検討した結果、従来言われてきたように単にチューブの
ピッチを小さくするほど伝熱の均一性が保たれるもので
はなく、チューブ直径Ｄとチューブ間ピッチＬｐとの関
係がある範囲で加熱の均一性が最も保たれる領域が存在
し、それよりもピッチとチューブ直径との関係が小さく
ても、また逆に大きくても伝熱の均一性が阻害されるこ
とを見いだした。

【００２７】（Ａ）（ａ）ラジアントチューブ３から被
加熱物Ｗへの伝熱は、主に直接被加熱物Ｗに達する直接
放射熱と炉壁に反射して与えられる反射熱（一部は炉壁
から放散熱として大気に放散するが大半は炉壁に反射し
て被加熱物に反射熱として与えられる）で構成される。

【００２８】ここで、隣り合うラジアントチューブ３，
３間において、チューブ３から直接被加熱物Ｗに向かう
放射熱のうち、隣り合うチューブ３の死角となる部分
は、チューブ３，３間に作用し、直接被加熱物Ｗには届
かないから、被加熱物Ｗに有効に熱を与えるのは、チュ
ーブ中心角のα₁＝π−２・Ｓｉｎ^-1｛０．５／（Ｌ_p
／Ｄ）｝に相当する部分が代表すると考えて良い（図４
参照）。

【００２９】同様に、炉壁１０に反射して被加熱物Ｗに
与えられる反射熱のうち、被加熱物Ｗに有効に熱を与え
るのは、当該チューブ３の死角と隣り合うチューブ３の
死角との間を通過する放射熱が代表すると考えると、被
加熱物Ｗに有効に熱を与えるのは、チューブ中心角の α₂＝π-2・[Sin^-1{0.25/(L_r/D)}+tan^-1{2(L_r/D)/(L_p/
D)}+sin^-1[0.5/{(L_p/D)²+4(L_r/D)²}^0.5]] ＞０但し、Ｌ_r：チューブ中心から炉壁表面への距離に相当
する部分が反射熱を代表する（図５参照）。

【００３０】即ち、隣り合う２本のチューブ３，３間で
は、ラジアントチューブ３の有効表面積率（有効表面積
／チューブの全表面積）ψはψ＝（α₁＋α₂）／（２
π）で与えられ、この値の大きいものほどラジアントチ
ューブの表面が有効に利用されることになり、チューブ
の表面熱負荷が同じならチューブの温度が低下し有利で
ある。但し、チューブの長さは同じであるから省略して
いる。（ｂ）一方、被加熱物Ｗに対し等しい熱流束が与えら
れている場合には、被加熱物Ｗの受熱表面積に対するラ
ジアントチューブ３の表面積が小さいものほど、より大
きなチューブの表面熱負荷を必要とするから、チューブ
の温度が上がりチューブ焼損の恐れを生じる。

【００３１】ここで、チューブ３の表面積に対する被加
熱物Ｗの受熱面積の比は、Ｌ_p／（πＤ）で与えられる
から、チューブ温度Ｔは次の数式２で示される。

【００３２】

【数２】

【００３３】即ち、（Ｌ_p／Ｄ）^1/4の小さいものほど
チューブ温度が低くなり、チューブ焼損に対して有利で
ある。（ｃ）したがって、上述の（ａ），（ｂ）の双方の条
件、即ち有効表面積率が大きく、かつ（Ｌ_p／Ｄ）^1/4
が小さいもの（換言すれば逆数が大きいということ）ほ
ど良いということを同時に満たすことが必要である。そ
こで、これらの２条件を掛け合わせた数値の最大値が最
適条件となる。

【００３４】即ち、図７に示すように、ψ／（Ｌ_p／
Ｄ）^1/4の最大値付近を示す（Ｌ_p／Ｄ）が有効表面積
を増し、かつ、チューブ温度を低くするためのラジアン
トチューブのピッチと直径の比（Ｌ_p／Ｄ）の適性範囲
を示すことになる。ここで、ψ／（Ｌ_p／Ｄ）^1/4の値
は、最大値に限られず、その９０％程度以上が本発明者
の経験からいって実用上問題ない値として採用可能であ
る。

【００３５】（Ｂ）（ａ）また、一方では、２本のチュ
ーブ３，３間の被加熱物Ｗへの熱流束分布は、チューブ
３直下の被加熱物Ｗへの熱流束とチューブ３，３の中間
にある被加熱物Ｗへの熱流束の比を以て、その比が１に
近いものほど平均化し均熱性が高いといえる。

【００３６】この際、炉壁１０からの反射熱は乱反射に
よって、被加熱物Ｗに満遍なく与えられると考えれば、
被加熱物Ｗに与えられる熱流束の大きさは、チューブ３
よりの直接放射熱による熱流束を比較することで、熱流
束分布を評価できる。

【００３７】即ち、２本のチューブ３，３間における、
チューブ直下とチューブの中間にある被加熱物Ｗへのチ
ューブ３よりの直接放射によって与えられる熱流束の比
ξは次の数式３で与えられる（図６参照）。

【００３８】

【数３】

【００３９】ここで、上式のξが１である条件が最も均
熱性を有するものと言えるが、実際には被加熱物Ｗにお
ける熱伝導などで１に近似する値例えば０．９〜１．１
の範囲を与えるチューブピッチと直径の比（Ｌ_p／Ｄ）
の範囲でも均熱性の適性ピッチと見ることができる（図
８参照）。

【００４０】（Ｃ）そこで、（Ａ）によって与えられる
ψ／（Ｌ_p／Ｄ）^1/4の適性範囲と（Ｂ）によって与え
られるξの適性範囲を同時に満足する（Ｌ_p／Ｄ）が、
チューブの表面を有効に活用してチューブの温度を下
げ、かつ、被加熱物の均一な加熱を可能とするラジアン
トチューブの最適ピッチの範囲を示すことになる（図９
参照）。（実施例１）ラジアントチューブ直径Ｄに対してチュー
ブ中心から炉壁（天井）までの距離Ｌｒと被加熱物Ｗま
での距離Ｌｗとの比がＬｒ／Ｄ＝１．５，Ｌｗ／Ｄ＝３
のケースでは、図９に示すような関係となった。ここ
で、チューブ径Ｄは、一般には加熱諸条件から必要とさ
れるチューブの表面熱負荷量が定まると、チューブ１本
当たりの燃焼量が定まることから、チューブ直径が求ま
る。そこで、このチューブ直径Ｄに対し４．３倍のピッ
チでチューブを配管することが、均一加熱を得る上で最
も好ましい。また、実用上好適な範囲と考えられるψ／
（Ｌ_p／Ｄ）^1/4の最大値の９０％以上を示す範囲にあ
って、かつ、ξが０．９〜１．１の範囲にあることを同
時に満足する場合における適正ピッチ範囲は、チューブ
直径Ｄの２．１〜５．３程度であった。

【００４１】尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施
の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施形態では主に焼結炉の例を挙げて説
明したが、これに特に限定されず、ラジアントチューブ
バーナを熱源とする加熱炉全般に適用可能であることは
言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１記載の発明によると、ラジアントチューブの両端に装
備された蓄熱型バーナの高周期交互燃焼によって、チュ
ーブ内の燃焼ガスの流れが一定周期で反転するので、チ
ューブ温度が全域で平均化し、被加熱材料への管軸方向
への均一加熱を実現できる。他方、隣り合う２本のチュ
ーブ間では、ラジアントチューブの有効表面積率と（Ｌ
_p／Ｄ）^1/4の逆数の双方が最大値近傍であるため、ラ
ジアントチューブの表面が有効に利用されると共にチュ
ーブの表面温度が低下しチューブの表面熱負荷が同じで
あればチューブの焼損防止上有利である。しかも、チュ
ーブ直下の被加熱物への熱流束とチューブの中間にある
被加熱物への熱流束の比は１近傍であり、２本のチュー
ブ間の被加熱物への熱流束分布は平均化し均熱性が高い
といえる。したがって、上述の比の範囲を満足するチュ
ーブピッチとチューブ直径とを選択すれば、チューブの
表面を有効に活用してチューブの温度を下げ、かつ、被
加熱物の均一な加熱を可能とする。ラジアントチューブ
の両端に装備される蓄熱型バーナの交互燃焼によって、
チューブ内の燃焼ガスの流れが一定周期で反転するの
で、チューブ温度が管軸方向で均一化し、被加熱材料へ
の精密な均一加熱を実現できる。また、チューブ間の加
熱も、均一性が保たれる。

【００４３】したがって、ワークの加熱がチューブの長
手方向のみならずそれと直交するチューブピッチ方向に
も温度差が少なくなるようにできる。

【００４４】また、請求項２記載の発明は、隣り合うラ
ジアントチューブ間におけるチューブの有効表面積率と
（チューブのピッチ／チューブの直径）^1/4の比が最大
値の９０％以上を示す範囲にあって、かつ、２本のラジ
アントチューブからの直接放射によって与えられるチュ
ーブ直下にある被加熱物の熱流束とチューブの中間にあ
る被加熱物の熱流束の比が０．９〜１．１の範囲にある
ことを同時に満足する範囲にあるチューブピッチを有す
るようにしている。この場合、実用上問題とならない程
度の均一加熱性が実現できる。

【００４５】更に、請求項３記載の発明は、加熱炉は焼
結炉であり直管型ラジアントチューブを加熱源とするよ
うにしている。この場合、還元性の雰囲気を形成してそ
の中で１１００〜１２００℃の炉温でかつ精密な温度制
御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を焼結炉に適用した一実施形態を示す概
略構成図である。

【図２】直管形ラジアントチューブを使用する蓄熱型ラ
ジアントチューブバーナシステムの一実施形態を示す概
略構成図である。

【図３】図２の蓄熱型ラジアントチューブバーナシステ
ムと通常のラジアントチューブバーナシステムとの管表
面温度の分布状態を比較するグラフである。

【図４】チューブと被加熱物との間の直接放射について
示す説明図である。

【図５】チューブと被加熱物との間の反射熱について示
す説明図である。

【図６】チューブ間における被加熱物の均熱性について
示す説明図である。

【図７】Ｌｐ／Ｄとψ／（Ｌ_p／Ｄ）^1/4の関係を示す
グラフである。

【図８】Ｌｐ／Ｄとξの関係を示すグラフである。

【図９】Ｌｐ／Ｄをψ／（Ｌ_p／Ｄ）^1/4とξの関係で
示すグラフである。

【符号の説明】

２蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム３ラジアントチューブ４ａ，４ｂ蓄熱型バーナ１０炉壁（天井）Ｗ被加熱物Ｄチューブ直径Ｌｐチューブ間ピッチ ψ 有効表面積率 ξ チューブ直下にある被加熱物の熱流束とチューブの
中間にある被加熱物の熱流束の比

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ２３Ｄ 14/12 Ｆ２３Ｄ 14/66 Ｃ 14/66 Ｆ２３Ｌ 15/02 Ｆ２３Ｌ 15/02 Ｂ２２Ｆ 3/10 Ｋ (72)発明者栗太清文神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53号日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者福田耕一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者犬塚昌彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者田村彰男愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者服部雅夫愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号東邦瓦斯株式会社内 (72)発明者清水敏春愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号東邦瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱体を通して排ガスの排気と燃焼用空
気の供給とを交互に行う蓄熱型バーナをラジアントチュ
ーブの両端にそれぞれ備え、その一対のバーナを交互に
燃焼させる蓄熱バーナシステムを装備したラジアントチ
ューブを加熱源とし、かつ隣り合う前記ラジアントチュ
ーブ間におけるチューブの有効表面積率と（チューブの
ピッチ／チューブの直径）^1/4との比が最大値近傍であ
ると共に２本のラジアントチューブからの直接放射によ
って与えられるチューブ直下にある被加熱物の熱流束と
チューブの中間にある被加熱物の熱流束の比が１近傍で
あることを同時に満足する範囲にあるチューブピッチを
有することを特徴とするラジアントチューブを熱源とす
る加熱炉。
【請求項２】隣り合うラジアントチューブ間における
チューブの有効表面積率と（チューブのピッチ／チュー
ブの直径）^1/4の比が最大値の９０％以上を示す範囲に
あって、かつ、２本のラジアントチューブからの直接放
射によって与えられるチューブ直下にある被加熱物の熱
流束とチューブの中間にある被加熱物の熱流束の比が
０．９〜１．１の範囲にあることを同時に満足する範囲
にあるチューブピッチを有することを特徴とする請求項
１記載のラジアントチューブを熱源とする加熱炉。
【請求項３】前記加熱炉は焼結炉であり直管型ラジア
ントチューブを加熱源とすることを特徴とする請求項１
または２記載のラジアントチューブを熱源とする加熱
炉。