辐射管式加热设备的制作方法

本发明涉及这样的辐射管式加热设备：其例如能够在保持热处理炉中的清洁气氛的同时实施加热，并且热效率和耐用性优良。

背景技术：

已经提出了用于包含以下部分的辐射管燃烧器的热交换器：辐射管，其穿透退火炉的炉壁并且在侧视图中具有躺倒的u形形状；燃烧器(combustionburner)，其布置在辐射管的末端(上游)侧的内部；以及热交换器，其布置在辐射管的后端(下游)侧的内部。热交换器利用包含在燃烧废气中的热量对要供应至燃烧器的燃烧空气进行预热。热交换器包括热交换器主体以及在热交换器主体与后端侧的辐射管之间的热交换促进单元。热交换器主体由这样的金属双管道制成：其从中央侧抽吸燃烧空气，在其末端部中使燃烧空气进行u形转弯，然后将燃烧空气抽吸到外部。热交换促进单元由铜基热导体或散热器制成并且具有螺旋形状(参见，例如，专利文献1)。

还提出了包含以下部分的辐射管式加热设备：类似如上文所述的辐射管；连接管，其布置在辐射管的一端(上游)侧；以及燃烧器，其设置在连接管的中间(中央)部分中。辐射管式加热设备还包含：废气回流管，其连接至辐射管的另一端(下游)；sic(陶瓷)基螺旋状热交换器，其围绕燃烧器并将燃烧用空气导入sic(陶瓷)基螺旋状热交换器的螺旋板形状的(helicalplate-shaped)通风腔室中。废气回流管与连接管连通，并且热交换器布置在连接管内部(参见，例如，专利文献2)。

在根据专利文献2的辐射管式加热设备中使用的陶瓷(sic等)基螺旋状热交换器耐热性和抗热震性优良。因此，该陶瓷(sic等)基螺旋状热交换器可以如根据专利文献1的辐射管燃烧器的热交换器的情况那样，以布置在辐射管的后端(下游)侧内部的方式使用。

然而，例如，在侧视图中具有躺倒的u形形状的金属管基辐射管的情况下，当诸如由于随时间的变化而导致炉内部部分的向下下沉形式的变形等畸变，辐射管在多个部位与布置在辐射管内部的sic基热交换器接触并且在sic基热交换器上施加局部应力和压力。结果，在某些情况下在sic基热交换器的后端侧的凸缘附近可能产生脆性断裂。

专利文献1：jp-a-2014-92329

专利文献2：jp-a-2013-194977

技术实现要素：

本发明是为解决上述问题而作出的。本发明的目的在于提供这样的辐射管式加热设备：布置在辐射管的另一端(下游)侧的内部的陶瓷热交换器即使在金属辐射管因基于时间的变化等而发生畸变的情况下也不易脆性断裂。

为了达到该目的，已基于以下构思作出本发明。构思中的一个是给予下述填料相对大的厚度：所述填料从两个管道端面对位于陶瓷热交换器的后端侧的凸缘进行压紧，使得陶瓷热交换器固定于辐射管中的另一个端部(下游)侧。另一构思是防止下述金属管道比凸缘更多地插入到热交换器中：所述金属管道接收从热交换器的中央部分抽吸的已预热的燃烧用空气。

根据本发明的辐射管式加热设备(方面1)包括：

辐射管，其在突出到炉中的末端侧具有转弯部分，并且两个端部均穿透炉体；

燃烧器，其设置在所述辐射管的一个端部侧的中空部分的中央部分中，并且与所述中空部分同轴地布置；以及

热交换器，其设置在所述辐射管的另一个端部侧的中空部分中，并且利用废气的热量对燃烧用空气进行预热，

其中，所述热交换器包括：

陶瓷主体，其具有筒状形状；

环形凸缘，其位于所述热交换器的基端部；

用于废气的散热用流动路径，其沿所述主体的外周表面螺旋状地形成；

用于燃烧用空气的热吸收用流动路径，其螺旋状地形成在所述主体中；以及

用于已预热的燃烧用空气的回流路径，其在所述主体的中央部分中沿所述主体的轴向形成，

其中，所述环形凸缘经由位于所述辐射管的另一个端部侧的相对厚的一对环形填料而被夹紧在彼此相向的一对管道端面之间，并且

具有挠性和绝热性的管状体与所述热交换器中的所述回流路径的基端侧的开口部分连续并同轴地设置。

利用具有上述构造的辐射管式加热设备可以实现以下效果(1)和(2)。

(1)在陶瓷热交换器中，位于其基端部中的环形凸缘经由位于辐射管的另一个端部中的彼此相向的一对管道端面之间的相对厚的一对环形填料基于例如螺栓和螺母紧固而受到夹紧。因此，即使在炉内部的辐射管的一部分发生畸变(诸如因基于时间的变化而等向下弯曲)的情况下，热交换器也可以经由填料容易地采取跟随弯曲的姿态，并且因此可以在很大程度上消除或抑制在凸缘附近热交换器的脆性断裂的可能性。

(2)具有挠性和绝热性的管状体与热交换器中的用于已预热的燃烧用空气的回流路径的基端侧的开口部分同轴地连接。不存在与回流路径的内部连通的金属管道。因此，即使在如上文所述发生辐射管道畸变的情况下，热交换器也可以经由管状体容易且可靠地跟随热交换器的凸缘附近的位移。因此，可以消除或可靠地防止脆性断裂的可能性。

辐射管可以是由铸钢等制成的金属管道，并且辐射管的末端部可以具有躺倒的u形形状或横向w形形状。

炉体例如是烧结炉的主炉壁、热处理炉(诸如退火炉等)等。炉体也可以是热处理炉的炉顶等。

燃烧器使已预热空气和燃料的混合气体燃烧，并且从燃烧器的末端处的开口部分沿辐射管的中空部分的轴向将细长的火焰发射(排放)到中空部分。

构成热交换器的陶瓷的实例包括sic、wc、b4c、氧化铝(al2o3)、氮化铝、tin和莫来石。从优良的热传递系数和优良的抗热震性方面考虑尤其推荐sic。

即使在需要复杂的内部和外部形状的情况下，通过使用三维(3d)打印机也可以容易地生产热交换器。

热交换器的主体的外周表面可以与辐射管的中空部分的内壁表面接触或在该内壁表面附近。

热交换器的主体具有在辐射管的转弯部分侧的末端部，末端部具有例如半球形形状。与多个散热用流动路径连通的气体引入槽可以位于该末端部中。

热交换器的散热用流动路径和热吸收用流动路径可以是螺旋状槽或螺旋状中空部分(孔)中的任何一者。

填料例如是由多个环形形状的包含纸基陶瓷纤维的绝热材料堆叠成的密封材料。

本发明还包括这样的辐射管式加热设备(方面2)：其中，所述一对环形填料中的每一个具有至少9mm的无载荷厚度，并且在夹紧所述热交换器的所述环形凸缘的状态下具有4mm到8mm的厚度。

根据该构造，陶瓷热交换器的环形凸缘经由环形填料而被夹紧，该环形填料具有至少9mm的厚度，该厚度为具有数毫米(约2mm至约3mm)厚度的普通环形填料的厚度的至少两倍，并且在夹紧环形凸缘时该厚度范围为4mm到8mm。因此，即使在如上文所述炉内部的辐射管的一部分发生向下畸变的情况下，也可以可靠地确保上述效果(1)。

本发明还包括这样的辐射管式加热设备(方面3)：其中，相同数量的所述散热用流动路径和所述热吸收用流动路径分别在所述主体的外周表面和内周表面中螺旋状地并且彼此相邻地形成，并且所述管状体的外周表面由金属覆盖件包围，所述金属覆盖件具有从其末端表面突出的多个爪状件，并且所述爪状件分别锁定到所述热吸收用流动路径的基端侧的开口部分中。

根据该构造，通过覆盖件允许热吸收用流动路径的基端侧和管状体同轴并且彼此可靠地连通。因此，即使在如上文所述辐射管发生畸变的情况下，已预热的燃烧用空气也可以在所述一端侧可靠地供给至燃烧器侧(效果(3))。

覆盖件由例如通过对薄不锈钢板进行冲压和弯曲然后通过焊接等使薄不锈钢板整体成型为筒状形状而得到。

本发明还包括这样的辐射管式加热设备(方面4)：其中，所述管状体是由包含粘合剂树脂和陶瓷粉末的材料制成的筒状体，或是由彼此同轴地连接的由所述材料制成的多个环状件形成。

根据该构造，即使在如上文所述辐射管发生畸变的情况下，也允许热吸收用流动路径的基端侧和管状体彼此可靠地连通。因此，可以可靠地确保上述效果(2)和(3)。

管状体可以是以同轴连续的方式同时地使用由包含粘合剂树脂和陶瓷粉末的材料制成的筒状体以及由该材料制成的多个环状件的管状体。

附图说明

图1是示出根据本发明的辐射管式加热设备的实施例的竖直截面图。

图2是布置在辐射管的另一个端侧的内部的热交换器的透视图。

图3是从热交换器的后端侧观看的热交换器的透视图。

图4是示出辐射管式加热设备的另一个端侧的放大竖直截面图。

图5是示出管状体和覆盖件安装在热交换器的后端侧的实施例的透视图。

图6a和图6b是示出将热交换器的凸缘经由一对环形填料夹紧在辐射管的另一个端侧上之前和之后的状态的局部放大视图。

附图标记和符号的说明

1辐射管式加热设备

2辐射管

2a一个端部(上游侧)

2b另一个端部(下游侧)

2c转弯部分

3中空部分

13、14管道端部(管道端面)

20热交换器

21主体

21a回流路径

24散热用流动槽(散热用流动路径)

25热吸收用流动孔(热吸收用流动路径)

27凸缘

28开口部分

30管状体

30r环状件

32覆盖件

33爪状件

w炉壁(炉体)

p环形填料

t1、t2环形填料的厚度

in炉内部

out炉外部

具体实施方式

下面，将描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的辐射管式加热设备(在下文中，被简单地称为加热设备)1的实施例的竖直截面图。

如图1所示，加热设备1包括：辐射管2，其沿水平方向穿透竖直炉壁(炉体)w；燃烧器4，其与辐射管2的一个端部(上游)2a侧的中空部分3的中央部分同轴地设置；以及热交换器20，其被设置在辐射管2的另一个端部(下游)2b侧的中空部分3中。

炉壁w例如是构成诸如退火炉等热处理炉的炉体。

辐射管2例如是由铸钢制成并且具有管道形状的一体件。辐射管2在侧视图中整体上具有大致躺倒的u形形状，辐射管2从炉外部out朝向炉内部in横向穿透炉壁w，并且辐射管2在炉内部in侧在辐射管2的末端处具有以半圆形形状(u形形状)突出的转弯部分2c。中空部分3沿辐射管2的全长连续形成，涵盖转弯部分2c以及端部2a和2b两端。

如图1所示，由陶瓷制成的热辐射器17(将在后文中描述)在辐射管2的中空部分3中布设在转弯部分2c与热交换器20之间。热辐射器17由沿中空部分3的中央部分设置的中间轴18以及围绕中间轴18螺旋地缠绕的热辐射框架19制成。

由燃烧器4中燃料和已预热的燃烧用空气的燃烧而产生的已燃烧气体在其穿过转弯部分2c的同时经由辐射管2的管壁对炉内部in进行加热。即使在已燃烧气体穿过转弯部分2c之后，通过允许已燃烧气体沿热辐射框架19螺旋状地流动，热辐射器17还进一步将已燃烧气体的热量传递到炉内部in侧。

热交换器20由例如同时具有优良的导热性和优良的抗热震性的碳化硅(sic：碳基陶瓷)制成。热交换器20具有图2和图3所示的外观以及图1和图4所示的截面。热交换器20例如由3d打印机制造。

如图2和图3所示，热交换器20具有筒状主体21、半球形的末端部22以及位于主体21的后端侧的盘形凸缘27。主体21、末端部22和凸缘27彼此成一体。气体引入槽23沿径向方向对称地形成在末端部22中。在本实施例中气体引入槽23的数量为作为实例的六个(多个)。具有螺旋形状并且分别与六个气体引入槽23连通的六个(多个)散热用流动槽(散热用流动路径)24彼此平行地形成在主体21的外周表面中。

使用气体引入槽23和散热用流动槽24，从而利用包含在废气(已穿过热辐射器17的已燃烧气体)中的热量对刚刚供给到燃烧器4中的燃烧用空气进行预热。各个散热用流动槽24的凸缘27侧设有与主体21的轴向平行的六个凹槽24a。

具有沿主体21的轴向的柱状形状的回流路径(通孔)21a形成在主体21的中央部分中。六个(多个)热吸收用流动孔(热吸收用流动路径)25在主体21的围绕回流路径21a的内部部分中形成为彼此平行。热吸收用流动孔25中的每一个整体上具有螺旋形状并且具有细长矩形形状的截面。

如图1和图4所示，六个热吸收用流动孔25和六个散热用流动槽24沿主体21的轴向交替地布置。六个热吸收用流动孔25中的每一个与末端部22内部的中空部分中的回流路径21a连通。在凸缘27侧，六个热吸收用流动孔25中的每一个是与主体21的轴向平行的流动孔25a。流动孔25a和凹槽24a沿主体21的周向交替地形成。六个热吸收用流动孔25分别与六个开口部分28连通，六个开口部分28是沿凸缘27的基端侧表面上的圆形形状布置的开口。

在热交换器20中，如图4所示，在主体21的外周表面与辐射管2的另一个端部2b侧之间围绕主体21的外周表面缠绕有由绝热材料形成的筒状片材26。因此，防止了相邻散热用流动槽24之间的泄漏。另外，耐热金属管道16基本上沿着回流路径21a的除回流路径21a的末端部22侧以外的全长插入回流路径21a中。

与六个散热用流动槽24连通的排放用分支部分15形成在辐射管2的另一个端部2b侧。排气管道6竖直地连接至分支部分15。

如图1和图4所示，热交换器20的凸缘27的周部经由在辐射管2的另一个端部2b侧的管道端部(管道端面)14与连接至空气供应管道11的l形管道12的管道端部(管道端面)13之间的一对环形填料p而被压紧(夹紧)，该一对环形填料p相对厚并且沿附图中的左右(前后)方向设置。

环形填料p例如是由多个环形形状的由纸基陶瓷纤维形成的绝热材料堆叠成的密封材料。如图6a所示，环形填料p在无载荷时具有至少9mm的厚度t1。

如图6b所示，当在管道部分13与管道部分14之间使用多个螺栓b和多个螺母n紧固热交换器20的凸缘27时，环形填料p中的每一个的厚度的范围在大约4mm到大约8mm。

与轴向平行的多个通孔13h和14h形成为贯穿管道端部13和14。在凸缘27的周部与一对环形填料p叠加的状态下，一旦将螺栓b插入通孔13h和14h中并且将螺母n与螺栓b的外螺纹部分的末端侧螺纹联接，就可以从凸缘27的周部两侧经由环形填料p紧固凸缘27的周部。结果，在辐射管2的另一个端部2b侧的中空部分3中将热交换器20置于固定状态。

如图6b所示，理想的是在凸缘27的外周侧与管道端部13和14的内周部之间形成微小的间隙。

如图1所示，用于供应燃烧用空气的供应管道8的水平部分7铺设在l形管道12内部。具有挠性和绝热性的管状体30同轴地布设在水平部分7的内部与热交换器20的回流路径21a之间。如图4和图5所示，管状体30是多个环状件30r彼此同轴地连接的筒状体，其中，环状件30r中的每一个是通过使包含粘合剂树脂的陶瓷粉末成型而得到的。管状体30内部具有中空部分31，并且中空部分31与热交换器20的回流路径21a连通。多个环状件30r通过彼此粘合形成管状体30。

如图4和图5所示，管状体30插入围绕管状体30的外周表面的金属覆盖件32的内侧35并由金属覆盖件32的内侧35支撑。覆盖件32具有六个(多个)从覆盖件32的末端表面34侧突出的爪状件33。通过将六个(多个)爪状件33分别地插入并锁定在热交换器20的凸缘27的后端面中开口的六个开口部分28中，将覆盖件32安装在凸缘27的外部。

换言之，插入在热交换器20的回流路径21a中的金属管道16与用于供应燃烧用空气的供应管道8的水平部分7经由管状体30彼此连通。

如图1所示，用于供应燃烧用空气的供应管道8能够经由波纹管10与由端板5支撑的保持件9连通。端板5遮挡辐射管2的一个端部2a侧的管道端，并且波纹管10由耐热材料制成且能够沿竖直方向拉伸。保持件9穿透遮挡一个端部2a中的管道端面的端板5，并且燃烧器4安装在保持件9的末端处。保持件9将燃烧用气体抽吸到燃烧器4中并且实施点火，燃烧用气体是通过将预先雾化的燃料与已预热的燃烧用空气进行混合而得到。结果，从燃烧器4喷射出图1所示的火焰f。

下面，将对加热设备1的效果进行描述。

如图1所示，一旦火焰f从辐射管2的一个端部2a侧的中空部分3中的燃烧器4喷射出，就生成被火焰f加热的已燃烧气体。已燃烧气体如图1所示的白色箭头表示的那样流过转弯部分2c以及热辐射器17的附近，并且被供给到另一个端部2b侧的热交换器20。在已燃烧气体的该供给期间，包含在已燃烧气体中的热量作为辐射热经由辐射管2的管壁被辐射到炉内部in，并且被用于加热炉内部in以保持预定的温度范围。通过螺旋地穿过热辐射器17的已燃烧气体促进辐射热的辐射。

如图1和图4所示的灰色箭头表示的那样，供给到辐射管2的另一个端部2b侧的中空部分3中的热交换器20的末端部22的已燃烧气体穿过六个气体引入槽23以及与六个气体引入槽23分别连通的六个螺旋状散热用流动槽24。然后，已燃烧气体从排气管道6排出到外部。

燃烧用新空气如以图1和图4所示的细的白色箭头表示的那样从空气供应管道11穿过l形管道12。然后，燃烧用新空气被抽吸进在热交换器20的凸缘27中开口的多个开口部分28中。燃烧用新空气穿过直线流动孔25a和螺旋状的热吸收用流动孔25，并且被送到末端部22内部的中空部分中。该燃烧用新空气在穿过多个热吸收用流动孔25期间被来自流过与多个热吸收用流动孔25彼此相邻的多个散热用流动槽24的已燃烧气体的热传递逐渐地预加热(加热)。

如以细的白色箭头表示的那样，已预热的燃烧用空气从位于热交换器20的末端部22的内部的中空部分通过被插入到回流路径21a中的金属管道16的内部被供给到与凸缘27的外部连通的管状体30的中空部分31中。在穿过管状体30之后，燃烧用空气穿过包括水平部分7的供应管道8、波纹管10和保持件9。然后，燃烧用空气被供给到燃烧器4中且与燃料混合，并且生成火焰f。

在长期重复上述运行的情况下，包括辐射管2的转弯部分2c的炉内部in侧在某些情况下产生诸如轻微向下下沉等畸变。例如，在某些情况下，产生这种形式的畸变变形：辐射管2的转弯部分2c附近经受朝下侧数毫米的位移。

在本实施例中，如图4和图6b所示，热交换器20的凸缘27被夹紧在位于辐射管2的另一个端部2b中的管道端部14与l形管道12的管道端部13之间的环形填料p之间。环形填料p具有相对较大的无载荷厚度t1以及由于被螺栓b和螺母n紧固而导致的减小了大约1mm到大约5mm的厚度t2。

结果，在辐射管2经受如上文所述的畸变变形的情况下，热交换器20的凸缘27和主体21在该对环形填料p的厚度的变化范围内能够容易地跟随受到畸变的辐射管2的另一个端部2b中的中空部分3。例如，与管道端部14相邻的环形填料p变化为使得其上部分侧显著地被压缩且其下部分侧稍微收缩，并且与管道端部13相邻的环形填料p变化为使得其上部分侧稍微收缩且其下部分侧显著地被压缩。

因此，利用加热设备1可以可靠地实现上述效果(1)至(3)。另外，即使在辐射管2的炉内部in侧受到引起竖直摇摆的相对大的地震的情况下，仍然可以实现上述效果(1)至(3)。就此而言，可以说加热设备1是耐用的，并且即使对于相对较大的地震来说也不易损坏。

本发明不限于上述实施例。

例如，辐射管2的转弯部分2c的外形可以是横向m形形状(大致∑形形状)或横向w形形状。

热交换器20可以由除sic以外的导热性和抗热震性优良的陶瓷制成。

热交换器20的末端部22的外形可以是锥形或半椭圆形。

热交换器20的散热用流动槽24可以是这样的散热用流动孔24：其是布置在主体21内部的螺旋状中空孔并且具有与前文所述类似的形状。

可以省略插入到热交换器20的回流路径21a中的金属管道16。作为选择，可以使用金属管道16，且热吸收用流动孔25可以是这样的热吸收用流动槽25：其向回流路径(通孔)21a侧敞开并且具有与前文所述类似的形状。

管状体30可以是这样的一体化筒状体：其由上述材料制成并且在筒状体的内部具有中空部分31。作为选择，可以同轴并且连续地布设筒状体和多个环状件30r。

管状体30可以以管状体30的一个端部(末端)侧插入热交换器20的回流路径21a中或金属管道16中的方式安装在凸缘27上。在这种情况下，使用具有缩小的外径的管状体30和具有缩小的内径的覆盖件32，并且爪状件33从覆盖件32的大直径部分突出。

工业实用性

根据本发明，可以可靠地提供这样的辐射管式加热设备：即使在金属辐射管因基于时间的变化等而发生畸变的情况下，布置在辐射管的另一端(下游)侧的内部的陶瓷热交换器也不易脆性断裂。

尽管上文已详细描述本发明的实施例，但本发明不应当被解释为以任何方式被限制于上述实施例，并且显而易见的是，在不背离本发明的要旨和范围的情况下可以作出各种修改和变型。

本申请基于2016年7月28日提交的日本专利申请no.2016-148912，并且该专利申请的内容以引用的方式并入本文。