JP6819498B2 - 二重断熱壁構造加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、二重断熱壁構造加熱炉に関する。

外管の内側に内管を配置して二重管とし、外管と内管の間の空間の開口部を封止して内管と外管との間に真空空間が形成された真空断熱構造体が知られている。特許文献１には、外管と内管とが低温焼鈍されたステンレス鋼素材により形成された真空断熱構造体が記載されている。

特開平６−１８９８６１号公報

ところで、上述した真空断熱構造体を加熱炉に適用したもの（二重断熱壁構造加熱炉）が知られている。すなわち、二重断熱壁構造加熱炉では、内管の内側が加熱空間となり、内管と外管との間に形成された真空空間により加熱空間が外部から遮熱される。内管の内側に収容された非加熱物は、内管の内側に設置されたヒータなどの加熱源によって加熱温度まで加熱される。

図７は、本発明が解決しようとする課題にかかる二重断熱壁構造加熱炉５０１について模式的に説明する断面図である。なお、図７に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図７において、上段には非加熱状態、下段には加熱状態の二重断熱壁構造加熱炉５０１を示す。

図７に示すように、二重断熱壁構造加熱炉５０１は、外管５０２と、内管５０３と、を備えている。内管５０３は、外管５０２の内側に配置されている。外管５０２および内管５０３の材質はステンレス鋼などの金属である。内管５０３と外管５０２とは、両端部分においてベローズ５０５を介して結合され、外管５０２と内管５０３との間には密閉空間５０８が形成されている。密閉空間５０８は減圧された真空空間で、外管５０２と内管５０３との間は真空空間によって断熱されている。内管５０３の内側の空間は加熱空間５１３である。

図７の上段に示す非加熱状態から、ヒータなどの加熱源５１４によって加熱空間５１３を１０００℃程度の高温の加熱温度まで加熱すると、金属製の内管５０３は、径方向および軸方向に熱膨張するとともに軟化して強度が低下する。このため、図７の下段に示すように、内管５０３は、内管５０３の内側に配置された被加熱物Ｗから受ける荷重ｍｇによって損傷するおそれがある。また、内管５０３の外周は減圧された密閉空間５０８と接しているので、内管５０３には、外管５０２の内周に向かう方向に応力が及ぼされているが、高温での加熱により内管５０３の強度が低下していると、この応力によって内管５０３が破損されるおそれもある。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、高温で加熱されて強度が低下した内管が損傷するのを抑制することができる二重断熱壁構造加熱炉を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる二重断熱壁構造加熱炉は、外管と、前記外管の内側に配置された内管と、を備え、前記外管と前記内管との間の密閉空間が減圧され、前記内管の内側の空間が加熱温度まで加熱される二重断熱壁構造加熱炉であって、前記内管の素材よりも前記加熱温度において高い強度を有する素材で形成された管状の補強部材が前記内管の外周を覆うように配置されているものである。

二重断熱壁構造加熱炉の内管は、１０００℃程度の高温の加熱温度まで加熱されると、径方向および軸方向に熱膨張するとともに軟化して強度が低下する。内管の素材よりも加熱温度において高い強度を有する素材で形成された管状の補強部材が、内管の外周を覆うように配置されていることで、高温で加熱され強度が低下した内管が、補強部材によって良好に補強される。これにより、内管の内部に配置された非加熱物などの物体から受ける荷重によって内管が損傷されるのを抑制することができる。また、内管の外周は減圧された密閉空間と接しているので、内管には、外管の内周に向かう方向に応力が及ぼされているが、内管の外周を覆う補強部材によって内管の径方向への熱膨張は規制される。これにより、高温で加熱された内管が上記応力によって破損するのを抑制することができる。

さらに、前記補強部材は、非加熱状態では内径が前記内管の外径よりも大きく、前記加熱温度のときに内径が前記内管の外径と実質的に一致するように構成されていてもよい。内管の熱膨張率は補強部材の熱膨張率よりも大きい。補強部材を、非加熱状態では内径が内管の外径よりも大きく、加熱温度のときに内径が内管の外径と実質的に一致するように構成することで、高温で加熱されて強度が低下した内管は撓むことなく補強部材によって良好に補強される。

さらに、前記補強部材は、素材に黒鉛を含むものであってもよい。黒鉛は、耐熱性が高くかつ高強度な素材であり、安価であるため、補強部材の素材として好ましい。

さらに、前記内管と前記補強部材との間にはセラミックス製薄膜を有してもよい。補強部材が黒鉛を含む素材や炭素繊維強化炭素複合材料などの炭素を含有する素材で形成されている場合、内管の外周面と補強部材の内周面との間にはセラミックス製薄膜を挿入することで、高温での加熱時に金属製の内管と補強部材とが接触して金属製の内管が浸炭するのを防止することができる。

本発明によれば、高温で加熱されて強度が低下した内管が損傷するのを抑制することができる。

実施の形態１にかかる二重断熱壁構造加熱炉の構成について説明する模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 実施の形態１にかかる二重断熱壁構造加熱炉において、加熱空間での加熱がなされる前後の状態について説明する模式図である。 実施の形態１にかかる二重断熱壁構造加熱炉の構成について説明する模式図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 実施の形態２にかかる二重断熱壁構造加熱炉において、加熱空間での加熱がなされる前後の状態について説明する模式図である。 本発明が解決しようとする課題にかかる二重断熱壁構造加熱炉について模式的に説明する断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

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。
まず、図１および図２を参照して実施の形態１にかかる二重断熱壁構造加熱炉の構成について説明する。
図１は、二重断熱壁構造加熱炉１の構成について説明する模式図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１および図２に示すように、二重断熱壁構造加熱炉１は、外管２と、内管３と、補強部材６と、を備えている。

外管２および内管３は、両端が開口した円筒状の部材である。内管３は、外管２の内側に配置されている。外管２および内管３の材質は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌなど）や鉄鋼である。外管２の両端部分には、外管２の開口面に沿って内側に延びる環状壁が形成されている。内管３における軸方向の両端にはベローズ５が連結されている。ベローズ５における、内管３が連結された一端とは反対側の他端は、外管２の環状壁に連結されている。すなわち、内管３と外管２とは、両端部分においてベローズ５を介して結合され、外管２と内管３との間には密閉空間８が形成されている。ベローズ５は、可撓性を有する伸縮管であり、弾性体として作用するので、内管３が熱膨張することによる変形を吸収することが可能である。ベローズ５の材質は、例えば、ステンレス鋼、鉄鋼、チタンなどである。

密閉空間８は減圧された真空空間である。すなわち、密閉空間８は真空ポンプなどによって真空引きされて真空状態に維持される。これにより、外管２と内管３との間は、真空空間である密閉空間８によって断熱される。外管２の外側は外気である。内管３の内側の空間は、加熱空間１３である。すなわち、外管２の外周面は外気と接し、内管３の内周面は加熱空間１３と接している。外管２と内管３との間に真空空間である密閉空間８が存在することで、加熱空間１３の熱が外気へ放出されるのを抑制することができる。

補強部材６は、内管３の外周を覆うように配置されている。ここで、補強部材６が“内管３の外周を覆う”とは、補強部材６が内管３の外周を完全に覆っている場合に限定するものではない。内管３の外周の一部が補強部材６から露出していてもかまわない。補強部材６は、管状で、内管３の素材よりも耐熱性が高くかつ高強度な素材で形成されている。補強部材６は、例えば、黒鉛を含む素材、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）、アルミナを含む素材で形成されている。なお、炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素材料の強度、耐衝撃性などの向上を目的に、高強度炭素繊維で補強された炭素複合材料である。

二重断熱壁構造加熱炉１の内管３は、１０００℃程度の高温の加熱温度まで加熱されると、径方向および軸方向に熱膨張するとともに軟化して強度が低下する。内管３の素材よりも耐熱性が高くかつ高強度な素材で形成された管状の補強部材６が、内管３の外周を覆うように配置されていることで、高温で加熱され強度が低下した内管３が、補強部材６によって良好に補強される。これにより、内管３の内部に配置された非加熱物などの物体から受ける荷重によって内管が損傷されるのを抑制することができる。また、内管３の外周は減圧された密閉空間８と接しているので、内管３には、外管２の内周に向かう方向に応力が及ぼされるが、内管３の外周を覆う補強部材６によって内管３の径方向への熱膨張は規制される。これにより、高温で加熱された内管３が上記応力によって破損するのを抑制することができる。

次に、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造加熱炉１における、加熱空間１３での加熱がなされる前後の状態について説明する。
図３は、二重断熱壁構造加熱炉１において、加熱空間１３での加熱がなされる前後の状態について説明する模式図である。図３において、上段には非加熱状態、下段には加熱状態の二重断熱壁構造加熱炉１を示す。ここで、加熱状態とは、二重断熱壁構造加熱炉１の加熱空間１３が高温の加熱温度（例えば１０００℃程度）のときの状態である。

図３の上段に示すように、非加熱状態において、二重断熱壁構造加熱炉１の補強部材６は、内径Ｄａ１が内管３の外径Ｄｂ１よりも大きくなるように構成されている。一方、図３の下段に示すように、加熱状態において、二重断熱壁構造加熱炉１の補強部材６は、内径Ｄａ２が内管３の外径Ｄｂ２と実質的に一致するように構成されている。

内管３の熱膨張率は補強部材６の熱膨張率よりも大きい。すなわち、加熱状態における内管３の外径Ｄｂ２と非加熱状態の内管３の外径Ｄｂ１との差は、加熱状態における補強部材６の外径Ｄａ２と非加熱状態の補強部材６の外径Ｄａ１との差よりも大きくなる。

例えば、内管３の素材がＳＵＳ３０４、補強部材６の素材が黒鉛であるとする。線膨張係数は、ＳＵＳ３０４では約１８×１０^−６／℃であるのに対し、黒鉛では約５．６×１０^−６／℃である。常温（２０℃）における内管３の外径Ｄｂ１が２００ｃｍとすると、１０００℃に加熱されたときの内管３の外径Ｄｂ２はＤｂ２［ｃｍ］＝２００［ｃｍ］＋２００［ｃｍ］×（１０００［℃］−２０［℃］）×１８×１０^−６［／℃］＝２０３．５［ｃｍ］である。一方、１０００℃に加熱されたときの補強部材６の外径Ｄａ２が２０３．５ｃｍになるようにするには、常温（２０℃）における補強部材６の外径Ｄａ１は２０２．４ｃｍにすればよい（補強部材６の外径Ｄａ１［ｃｍ］は、２０３．５［ｃｍ］＝Ｄａ１［ｃｍ］＋Ｄａ１［ｃｍ］×（１０００［℃］−２０［℃］）×５．６×１０^−６［／℃］より２０２．４ｃｍと求まる）。

補強部材６を、非加熱状態において内径が内管３の外径よりも大きく、加熱温度のときに内径が内管３の外径と実質的に一致するように構成することで、高温で加熱されて強度が低下した内管３は撓むことなく補強部材６によって良好に補強される。

以上より、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造加熱炉１に拠れば、高温で加熱されて強度が低下した内管３が損傷するのを抑制することができる。

実施の形態２
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。
まず、図４および図５を参照して実施の形態２にかかる二重断熱壁構造加熱炉の構成について説明する。
図４は、二重断熱壁構造加熱炉１０１の構成について説明する模式図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図４および図５に示すように、二重断熱壁構造加熱炉１０１は、底を有する外管１０２と、外管１０２の内側に配置され、底を有する内管１０３と、を備えている。

外管１０２および内管１０３の材質は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌなど）や鉄鋼である。外管１０２と内管１０３とは、底と反対側の端部において結合され、外管１０２と内管１０３との間には密閉空間１０８が形成されている。密閉空間１０８は減圧された真空空間で、外管１０２と内管１０３との間は、真空空間である密閉空間１０８によって断熱されている。外管１０２の外側は外気である。内管１０３の内側の空間は、加熱空間１１３である。内管１０３の底部には、密閉空間１０８の側において軸方向に延出する突起部１０３ａが形成されている。

補強部材１０６は、内管１０３の外周を覆うように配置されている。実施の形態１の場合と同様に、補強部材１０６が“内管１０３の外周を覆う”とは、補強部材１０６が内管１０３の外周を完全に覆っている場合に限定するものではない。内管１０３の外周の一部が補強部材１０６から露出していてもかまわない。補強部材１０６は、管状で、内管１０３の素材よりも耐熱性が高くかつ高強度な素材で形成されている。補強部材６は、例えば、黒鉛を含む素材、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）、アルミナを含む素材で形成されている。補強部材１０６には、底部において貫通穴１０６ａが形成されている。突起部１０３ａは、補強部材１０６の貫通穴１０６ａに貫挿され、貫通穴１０６ａを貫通した突起部１０３ａの先端にはワッシャ１１１および割ピン１１２が取り付けられている。これにより、補強部材１０６は、内管１０３と底部において連結されている。

二重断熱壁構造加熱炉１０１の内管１０３は、１０００℃程度の高温で加熱されると、径方向および軸方向に熱膨張するとともに軟化して強度が低下する。内管１０３の素材よりも耐熱性が高くかつ高強度な素材で形成された管状の補強部材１０６が、内管１０３の外周を覆うように配置されていることで、高温で加熱され強度が低下した内管１０３が、補強部材１０６によって良好に補強される。

次に、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造加熱炉１０１における、加熱空間１１３での加熱がなされる前後の状態について説明する。
図６は、二重断熱壁構造加熱炉１０１において、加熱空間１１３での加熱がなされる前後の状態について説明する模式図である。図６において、上段には非加熱状態、下段には加熱状態の二重断熱壁構造加熱炉１０１を示す。

図６の上段に示すように、非加熱状態において、二重断熱壁構造加熱炉１０１の補強部材１０６は、内径Ｄｃ１が内管３の外径Ｄｄ１よりも大きくなるように構成されている。一方、図６の下段に示すように、加熱温度のときに、二重断熱壁構造加熱炉１０１の補強部材１０６は、内径Ｄｃ２が内管１０３の外径Ｄｄ２と実質的に一致するように構成されている。

内管１０３の熱膨張率は補強部材１０６の熱膨張率よりも大きい。すなわち、加熱状態における内管１０３の外径Ｄｄ２と非加熱状態の内管１０３の外径Ｄｄ１との差は、加熱状態における補強部材１０６の外径Ｄｃ２と非加熱状態の補強部材１０６の外径Ｄｃ１との差よりも大きくなる。補強部材１０６を、非加熱状態では内径が内管１０３の外径よりも大きく、加熱温度のときに内径が内管１０３の外径と実質的に一致するように構成することで、高温で加熱されて強度が低下した内管１０３は撓むことなく補強部材１０６によって良好に補強される。

以上より、本実施の形態にかかる二重断熱壁構造加熱炉１０１に拠れば、高温で加熱されて強度が低下した内管１０３が損傷するのを抑制することができる。

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。

上記実施の形態において、補強部材は、安価な黒鉛を含む素材で形成するのが好ましい。黒鉛を含む素材は、外気に触れた状態で１０００℃程度の高温の加熱温度まで加熱されると、大気中の酸素と反応して二酸化炭素となり消失してしまう。しかしながら、上記実施の形態にかかる二重断熱壁構造加熱炉では、補強部材は、真空空間である密閉空間に配置されているので、黒鉛を含む素材で形成しても、１０００℃程度の高温に加熱されても消失しない。

上記実施の形態において、補強部材が黒鉛を含む素材や炭素繊維強化炭素複合材料などの炭素を含有する素材で形成されている場合、内管の外周面と補強部材の内周面との間にはセラミックス製薄膜を挿入するのが好ましい。このようにすることで、高温での加熱時に金属製の内管と補強部材とが接触して金属製の内管が浸炭するのを防止することができる。

１、１０１ 二重断熱壁構造加熱炉
２、１０２ 外管
３、１０３ 内管
５ ベローズ
６、１０６ 補強部材
８、１０８ 密閉空間
１３、１１３ 加熱空間
１０３ａ 突起部
１０６ａ 貫通穴
１１１ ワッシャ
１１２ 割ピン

Claims (4)

1. 外管と、前記外管の内側に配置された内管と、を備え、前記外管と前記内管との間の密閉空間が減圧され、前記内管の内側の空間が加熱温度まで加熱される二重断熱壁構造加熱炉であって、
   前記内管の素材よりも前記加熱温度において高い強度を有する素材で形成された管状の補強部材が前記内管の外周を覆うように配置されており、
   前記補強部材は、非加熱状態では内径が前記内管の外径よりも大きく、前記加熱温度のときに内径が前記内管の外径と実質的に一致するように構成されている、
   二重断熱壁構造加熱炉。
2. 前記補強部材は、素材に黒鉛を含む、請求項１に記載の二重断熱壁構造加熱炉。
3. 外管と、前記外管の内側に配置された内管と、を備え、前記外管と前記内管との間の密閉空間が減圧され、前記内管の内側の空間が加熱温度まで加熱される二重断熱壁構造加熱炉であって、
   前記内管の素材よりも前記加熱温度において高い強度を有する素材で形成された管状の補強部材が前記内管の外周を覆うように配置されており、
   前記補強部材は、素材に黒鉛を含み、
   前記内管と前記補強部材との間にはセラミックス製薄膜を有する、
   二重断熱壁構造加熱炉。
4. 前記補強部材は、非加熱状態では内径が前記内管の外径よりも大きく、前記加熱温度のときに内径が前記内管の外径と実質的に一致するように構成されている、請求項３に記載の二重断熱壁構造加熱炉。

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