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JP4908584B2 - ボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステム - Google Patents

ボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステム Download PDF

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Description

主に本開示は耐熱タイルに関し、特に廃棄物熱源転換システムで用いる熱伝導性タイルに関する。
燃焼の浸食効果及び腐食効果から構造要素を保護するためには、耐火レンガ、セメント又はタイルシースで地方自治体の廃棄物焼却場などの施設の炉壁を保護するのが一般的な方法であった。今では、これらの施設の多くは、主に廃棄物熱源転換システム（又はＷＴＥシステム）と呼ばれる、燃焼工程中に発生した熱を回収する働きをするエネルギー回収システムを含む。多くの場合に、エネルギー回収システムは、炉又は焼却炉の周辺に、典型的には水のような流体が伝熱媒体として循環している壁に設置された多くの管を含むボイラーを用いる。炉の苛酷な環境を考慮すれば、耐熱材料で熱交換器アレイを保護することが望ましい。しかし、一般の炉に用いられる典型的な断熱された耐熱レンガとは違って、熱交換器を覆う耐熱タイルは、熱を伝導することを目的とする。
独特な熱特性に加えて、主にそのような耐熱タイルの取り付け機構は、熱交換器の近くに耐熱タイルを置くために、標準的な炉のレンガと異なっている。これまで、タイルの取り付け機構は、金属の支点から、又はＪ形ボルトアンカーを用いてＩ形梁からレンガをつるす工程を含んでいた。他の機構は、垂直の金属枠を用いる部品を結合させているさねはぎを含む。つい最近になって、この取り付け機構は、耐熱タイル又はレンガが壁の熱交換器アレイ自体に付設され得るように製造された。
多くの熱交換管の組織上に保護用耐熱レンガを取り付ける多くの方法の中で、一の方法はタイルの中に及ぶボルトから耐熱タイルをつるす工程、及びタイルを熱交換器の壁に固定する工程を含む。この技術は、比較的安価であるが、レンガにひび割れを起こして最終的にレンガの障害を招く圧縮応力をレンガにかける。これらの特別の問題に応えて、異なる固定機構が調査された。例えば、「Ｔ字」形のアンカー受容部をレンガの本体内に形成して、管組織の熱交換器の壁から伸びているＴ字形のアンカーにレンガを固定する独自の沈下アンカースロット機構が設計された（米国特許第５，２４３，８０１号明細書を参照）。
ＷＴＥ用の耐熱タイルシステムの絶え間ない改良にもかかわらず、依然として産業界は、改良された設計、特に、改良された耐久性、効率、安全性、及び修理の容易さを必要としている。
一態様によれば、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含むボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示される。各タイルは前面及び背面を有する本体（本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合体を含む）を含み、各タイルは、タイルの背面から伸びていて、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れるための第一の係合用空隙を有する第一の係合構造体も含む。各タイルは、複数の空隙点（空隙点は前面に最も近く、第一の係合用空隙に沿って伸びる第一の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面も含む。各タイルは、空隙面と並行であり、また各加熱面点が空隙面に最も近い前面上の点であり、Ｄs≧０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である複数の加熱面点によって定義される複数の加熱面点も含む。
別の態様によれば、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含み、各タイルが前面及び背面を有する本体（ただし、本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合材料である）を含むことを特徴とするボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示される。各タイルの前面は、約０．７５ｍｍ以下の外形の平均変動（Ｐa）を有する。さらに各タイルは、タイルの背面から伸びていて、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れる係合用空隙を有する係合構造体を有する。
一態様によれば、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含むボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示される。各タイルは前面及び背面を有する本体を含み、本体は１２００℃で約１８Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、各タイルは、タイルの背面から伸びていて、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れる個別の第一及び第二の係合用空隙を有する第一及び第二の係合構造体も含む。各タイルは、複数の空隙点（ただし、空隙点は前面に最も近く第一及び第二の係合用空隙に沿って伸びる第一及び第二の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面も含む。各タイルは、空隙面と並行であり、また複数の加熱面点（各加熱面点は空隙面に最も近い前面の点であり、Ｄs≧０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である）によって定義される加熱面も含む。
一態様によれば、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含むボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示される。各タイルは前面及び背面を有する本体を含み、また各タイルは、タイルの背面から伸びていて、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れる個別の第一及び第二の係合用空隙を有する第一及び第二の係合構造体も含む。各タイルは、複数の空隙点（ただし、空隙点は、前面に最も近く第一及び第二の係合用空隙に沿って伸びる第一及び第二の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面も含む。各タイルは、空隙面と並行であり、複数の加熱面点（ただし、各加熱面点は空隙面に最も近い前面上の点であり、Ｄs≧０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である）によって定義される加熱面も含む。
添付の図面を参照することで当業者にとって本開示がより理解しやすくなり、その多くの性質及び効果が明らかになるであろう。
異なる図面中の同一の参照記号の使用は、類似の又は同一の要素を示す。
図１は従来技術の成形された耐熱タイルシステムの断面図である。 図２Ａは一実施形態の耐熱タイルシステムの断面図である。 図２Ｂは一実施形態の係合構造体及び相補的スタッド構造体の図である。 図２Ｃは一実施形態の耐熱タイル及び係合構造体の背面の平面図である。 図３は一実施形態の耐熱タイルシステムの断面図である。 図４は一実施形態の耐熱タイルシステムの断面図である。 図５は一実施形態の熱交換管に隣接して集成した複数の耐熱タイルの斜視図である。 図６は一実施形態の耐熱タイル及び係合構造体の背面の平面図である。 図７Ａは一実施形態の耐熱タイル及び係合構造体の背面の平面図である。 図７Ｂは一実施形態の耐熱タイル及び係合構造体の側面図である。
図１に関して、従来技術の耐熱タイルシステム１００の断面図を説明する。図に示すように、耐熱タイル１０１は前面１０３及び背面１０５を有し、両方とも曲線を付けて作られている。表面に曲線を設けることは一般的であり、典型的には、耐熱タイルを管にごく接近させて置くだけでなく、管の表面積の範囲を耐熱タイルまで増やして効率的な伝熱を促進するために行われる。一般に前面１０３は、それが焼却炉からの直火に最も近いので、加熱面という。一般に背面１０５は、それが前面１０３のように直火に曝されないので冷却面といわれ、したがって、一般に前面１０３よりも冷えている。また、従来技術の耐熱タイルでは空隙１０７が、タイルの本体中まで及び、タイルの全長に沿って伸びる耐熱タイルの背面内の溝の形で説明されている。この空隙は、管１１１間の壁から伸びているアンカー１０９を係合するのに適している。
従来技術の耐熱タイルシステム１００によれば、このタイルは並べて重ねられる。空隙１０７は各タイルの垂直方向の全長に沿って垂直方向に伸び、また空隙１０７の反対側は開いているので、タイルは一連の水平方向の柵（図示せず）及び／又は炉の床のような二次的な構造によって垂直に拘束されている。この空隙／アンカー配列はタイルを水平に（横方向に）拘束するしかない。
ところで本実施形態に関しては、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含むボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示される。一実施形態によれば、各タイルは前面及び背面を有する本体を含み、本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合体を含む。各タイルは、タイルの背面から伸びていて、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れる個別の第一及び第二の係合用空隙を有する第一及び第二の係合構造体も含む。各タイルは、複数の空隙点（ただし、空隙点は、前面に最も近く第一及び第二の係合用空隙に沿って伸びる第一及び第二の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面も含む。各タイルは、空隙面に平行であり、各加熱面点が空隙面に最も近い前面上に位置し、Ｄs≧０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である複数の加熱面点によって定義される加熱面も含む。
図２に関しては、一実施形態によって耐熱タイル及びボイラー管システム２００の断面図を説明する。耐熱タイル２０１は、熱伝導性の耐熱セラミック材料から作ることができる。一実施形態によれば、耐熱タイル２０１は、約８０質量％以上の炭化ケイ素、例えば約８５質量％以上の炭化ケイ素を含むことができる。別の実施例によれば、耐熱タイル２０１は、約９０質量％以上の炭化ケイ素、例えば約９５質量％以上の炭化ケイ素を含むことができる。
一実施形態によれば、耐熱タイル２０１は、金属ケイ素、多くの場合にはケイ素元素のような金属相を含む複合材料でよい。一実施形態によれば、耐熱タイル２０１の本体は約３０質量％以下のケイ素、例えば約２５質量％以下のケイ素、又は約２０質量％以下のケイ素、さらには約１５質量％以下のケイ素を含むことができる。特定の実施形態によれば、耐熱タイル２０１の本体は、約４．０〜２５質量％の範囲内、例えば約５．０〜２０質量％の範囲内、特に約６〜２０質量％の範囲内の量のケイ素を含むことができる。
また、ケイ素含有量は、例えば、炭化ケイ素を主成分とする本体内での遊離ケイ素と遊離炭素のその場反応などの耐熱タイル材料の処理を考慮して、減らすことができる。そのようなものとして、ある特定の実施形態では、本体は、ケイ素含有量が約３．０質量％以下、又は約２．０質量％以下、さらには約１．０質量％以下になるように、ケイ素‐炭化ケイ素反応の組成（すなわち、Ｓｉ／ＳｉＣ／ＳｉＣ）を含む。特定の実施形態では、耐熱タイル２０１の本体は、約０．０５〜３．０質量％の範囲内、例えば約０．０５％〜１．０質量％の範囲内のケイ素含有量を有することができる。
さらに耐熱タイル２０１の材料に関して、別の実施例によれば、タイルの本体は、１２００℃で約１８Ｗ／ｍＫ以上、例えば１２００℃で約２０Ｗ／ｍＫ以上、又は１２００℃で約２５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を含む。また、別の実施形態では、タイル材料の熱伝導率は、１２００℃で約３０Ｗ／ｍＫ以上、又は１２００℃で約３５Ｗ／ｍＫ以上のように、より大きい。上述の特定の特性を満たす材料としては、アドバンサー(登録商標ADVANCER)ＣＮ‐７０３、窒化物結合炭化ケイ素、クライスター(登録商標CRYSTAR)ＲＢ、ケイ素結合反応物、ＳＩＬＩＴ（登録商標）ＳＫ、ケイ素‐湿潤炭化ケイ素結合反応物（ＳｉＳｉＣ）が挙げられる。
さらに耐熱タイル２０１の特性に関して、タイルは高密度物質でよい。一実施形態によれば、耐熱タイル２０１は約５．０体積％以下、例えば約３．０体積％以下、さらには約１．０体積％以下の多孔度を有する一の特定の実施形態では、耐熱タイル２０１の多孔度は１．０体積％未満である。
上記の通り、耐熱タイル２０１は高密度物質でよく、上記の多孔度に加えて、一実施形態によれば、物質のかさ密度は約２．８５ｇ／ｃｍ3以上である。別の実施形態では、本体に含まれる物質は約２．９０ｇ／ｃｍ3以上、例えば約２．９５ｇ／ｃｍ3以上、又は約３．００ｇ／ｃｍ3以上のかさ密度を有する。そのような密度は、改良された機械抵抗及び耐薬品性を有し、それによってタイルの熱伝導率及び動作可能寿命を改良できる耐久性のある耐熱タイルを提供する。
主に耐熱タイル２０１の本体は、前面２０３と背面２０５の間の材料として説明できる。図２Ａで示すように、本体は外形を有することができるし、そのようなものとして、耐熱タイル２０１の厚さの説明では、平均厚さ（Ｔa）の基準がふさわしい。分かりやすい説明として、平均厚さ（Ｔa）は、ある長さのタイルに亘る前面２０３と背面２０５との間の測定距離の平均である。一般に、耐熱タイル２０１の本体は約３０ｍｍ以下の、例えば約２０ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。また、一実施形態によれば、平均厚さは約１５ｍｍ以下、又は約１２ｍｍ以下のように、より小さくてよい。一般に耐熱タイル２０１の平均厚さは約３．０ｍｍ以上、例えば約５．０ｍｍ以上の、又は約７．０ｍｍ以上である。
上記の性質に加えて、図２Ａの耐熱タイル２０１は、耐熱タイル２０１をボイラーの壁２１５に取り付けるための係合構造体２１１及び２１３も有する。上記のように、係合構造体２１１及び２１３は耐熱タイル２０１の背面２０５から伸びていてよく、またボイラーの壁２１５から伸びる相補的スタッド構造体２２１及び２２３と係合する係合用空隙２１７及び２１９を有することができる。相補的スタッド構造体２２１及び２２３は、係合構造体２１１及び２１３の係合用空隙２１７及び２１９と係合するように設計されたスタッド及び結合された又は取り付けられたスタッドヘッド、ワッシャ、ナットなどのような１つ又は複数の部品を含むことができる。一の特定の実施形態によれば、係合構造体２１１及び２１３のそれぞれは、単一の相補的スタッド構造体２２１及び２２３と係合するように構成されている。単一の係合構造体による単一の相補的スタッド構造体の係合は、幾つかの方向のタイルの動きを制限する一方で、他の方向に自由に動くことを可能にする。特に、単一の相補的スタッドと係合するように構成された係合構造体を有するタイルを利用すると、熱応力及び機械的応力の下でタイルが個別に動くことを可能にするが別のタイル又は二次的な拘束システムと結合していない固定点を備えることができる。また、そのような配列は、異なる用途及び目的のために独自に形成された係合構造体及びスタッドでよい。
それ故に、係合構造体２１１及び２１３は、相補的スタッド構造体２２１及び２２３と接してそれらを固定する複数の係合面を有することができる。図２Ｂによって特定の係合構造体２８０が説明される。図に示すように、係合構造体２８０には、相補的スタッド構造体（図示せず）を受け入れるように構成された閉鎖構造を有する係合用空隙２８１がある。特定の実施形態によれば、係合構造体２８０は、係合用空隙２８１を縁取り、かつ相補的スタッド構造体と接するように構成されている少なくとも３つの係合面２８２、２８３及び２８４のような複数の係合面を有することができる。係合面２８２及び２８３は、横方向のタイルの動きを制限するのに適しているが、係合面２８４は、タイル方向（垂直方向）の重量によって相補的スタッド構造体に働く荷重の方向と同軸の方向のタイルの動きを制限するのに適する。また、係合構造体２８０は、４つ以上の面のような多重の面に沿った相補的スタッド構造体と係合するように構成できる。図示した実施形態では、一実施形態によればタイルの背面２９０と隣接している面である係合面２８５は、タイルの背面２９０の平面と垂直な方向のボイラー壁から離れているタイルの動きを制限することができる。係合面２８６及び２８７も、タイルの背面２９０の平面と垂直な方向のボイラー壁から離れているタイルの動きを制限することができる。特定方向のタイルの動きを制限することが望ましい実施形態では、係合用空隙は、係合構造体と相補的スタッド構造体の間に実質的に隙間が無いように、相補的スタッド構造体と適合するように成形してよい。
また図２Ａに関して、係合構造体の設計によって特定方向のタイルの動きを制限できるが、係合構造体２１１及び２１３は、幾つかのタイルの動きを可能にして動作中に生じる応力を取り除くように構成することができる。一実施形態によれば、相補的スタッド構造体２２１及び２２３はＴ字形の断面の外形を有し、実質的に同じ形状（図２Ｂの一部分に示した）を有する係合用空隙２１７及び２１９の中に受け入れられる。一般に、Ｔ字形の係合用空隙２１７及び２１９並びに相補的スタッド構造体２２１及び２２３は、タイルの重量を支えるのに十分な係合面を備える一方で、各タイルを異なる動作中に動かすか、又は移動させて、タイルを隣接タイル又は他の二次的構造体に固定しない単一の浮動固定点を備える。特に、Ｔ字形の設計は、十分なタイルの動きを許容するが、タイルの重量を十分に支え続けてタイルがスタッド構造体を離す可能性を減らす。
さらに係合構造体２１１及び２１３に関して、明らかなように、係合構造体２１１及び２１３のそれぞれは耐力構造体でよく、耐熱タイル２０１の重量の少なくとも一部を支持するように構成されている。一の特定の実施形態では、係合構造体２１１及び２１３は耐熱タイル２０１の重量の約半分以上を支えるように構成されている。一実施形態によれば、係合構造体２１１及び２１３のそれぞれはタイルの重量の約７５％以上を支えることができる。また、他の実施形態では、係合構造体２１１及び２１３のそれぞれは耐熱タイル２０１の全重量を支えることができる。当然のことながら、図２Ａは、耐熱タイル２０１の背面２０５に沿って離して均一に間隔をあけた２つの係合構造体を示しているが、タイルの寸法、ボイラー壁２１５の形状、及び管２２５の間隔に応じて、より多数の又はより少数の係合構造体を使用してよい。
さらに係合構造体２１１及び２１３に関して、一実施形態によれば、係合構造体２１１及び２１３は、耐熱タイルの長さ及び幅のそれぞれよりも小さい個別の長さ及び幅を含む分離した外形寸法を有する。参照しやすいように、係合構造体２９６及び２９７を有する耐熱タイルの背面２９５の平面図として図２Ｃを示す。図に示すように、各係合構造体２９６及び２９７の個々の長さ（ｌ）及び幅（w）だけでなく、タイルの長さ（Ｌ）及びタイルの幅（Ｗ）も示す。一実施形態によれば、各係合構造体の長さ（ｌ）及び幅（w）は、耐熱タイル２０１の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）のそれぞれの約５０％以下である。また、係合構造体２９６及び２９７は、係合構造体２９６及び２９７の長さ（ｌ）及び幅（w）が耐熱タイルの長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）のそれぞれの約２５％以下、例えば約２０％以下、さらには約１５％以下であるように、より小さな寸法を有することができる。タイルの長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）の一部である個々の長さ（ｌ）及び幅（w）の係合構造体を有すると、固定点の周囲でタイルが動くことを可能にする一点でタイルを固定することが容易になる。当然のことながら、この特定の実施形態は２つの係合構造体２９６及び２９７を示しているが、耐熱タイルの背面２９５に沿って間隔をあけて係合構造体を配列するために（１から始まる）異なった数の係合構造体を使用してよい。
ここで示した耐熱タイルは特定の寸法を有してよい。典型的には、耐熱タイルの長さ（Ｌ）は主に約１０ｃｍを超える。他の実施形態は、長さ（Ｌ）が約１５ｃｍ以上の、又は約２０ｃｍ以上、さらには約５０ｃｍ以上であるような、より大きな耐熱タイルを利用する。また、耐熱タイル６０１の長さ（Ｌ）は、典型的には約６０ｃｍ以下である。
図２Ａ並びに係合構造体２１１及び２１３の設置に関して、一実施形態によれば、係合構造体２１１及び２１５は、耐熱タイル２０１の背面２０５から伸びていてよく、また耐熱タイル２０１の本体中には及ばない。そのようなものとして、本体の裏に、特に耐熱タイル２０１の背面２０５の裏に係合構造体２１１及び２１３の係合用空隙２１７及び２１９を配置できるので、空隙は耐熱タイル２０１の本体の中に及ばない。図２Ａに示すように、背面の一部には、管２２５の外形に付随して曲面を設けているが、係合構造体２１１及び２１３が備わった耐熱タイル２０１に沿った前記の配置では、係合用空隙２１７及び２１９は背面２０５よりもボイラー壁２１５に近くてよい。係合用空隙２１７及び２１９が耐熱タイル２０１の本体中に及ばないように、背面２０５から伸びている係合構造体２１１及び２１３を有することが望ましい。
前述の実施形態の他の態様に関しては、空隙面２０９（Ｐv）及び加熱面２０７（Ｐhf）が提供される。第一の態様によれば、空隙面２０９は、係合用空隙２１７及び２１９内に位置していて前面２０３に最も近い複数の空隙点２７１及び２７２によって定義される。領域２３１及び２３２に沿った点は、耐熱タイル２０１の本体の厚さによって計測したときに前面から等距離にあるから、そのような点は領域２３１及び２３２内に及ぶ。当然のことながら、ここでの仕様及び性質の観点から、用語「最も近い」は、定義した平面及び面と実質的に垂直な方向の耐熱タイル２０１本体の厚さによる計測であると解し、また前面に最も近い前記の点は、図２Ａの平面の外側にあり、空隙２１７及び２１９の長さ方向又は垂直方向に沿っていてもよい。
図２Ａで示した特定の実施形態で説明したように、空隙面２０９は、背面２０５の一部に沿って、タイルのこれらの部分が領域２３１及び２３２内の外形から交互に生じる外形を有する耐熱タイル２０１本体の部分を通って伸びることができる。
さらに空隙面２０９及び加熱面２０７に関しては、図２Ａに示すように、加熱面２０７は、空隙面２０９と平行な面であり、空隙面２０９に最も近い前面２０３上の複数の加熱面点によって定義される。図２Ａによれば、加熱面点２７５、２７６、及び２７７（２７５〜２７７）は、耐熱タイル２０１本体の厚さによって計測したときに空隙面２０９に最も近い領域２４０、２４１及び２４２内の前面２０３上の点である。図２Ａによれば、加熱面２０７は、領域２４０〜２４２の外形から外れている外形を有する本体部分を通って伸びる。そのようなものとして、加熱面２０７は、前面２０３の最も深い外形内にあって背面２０５に最も近いそれらの点２７５〜２７７によって定義される。上記の通り、ここでの実施形態によれば、空隙面２０９と加熱面２０７の間の距離Ｄsは約０．２５Ｔaより大きい。加熱面２０７及び空隙面２０９が同一面ではなく、また確かに空隙面２０９は加熱面２０７の背後にある（裏面と向きあっている）ことは明らかであろう。
上記で示した及び第一の態様で説明したように、空隙面２０９と加熱面２０７の間の最短距離Ｄsは０．２５Ｔaより大きい。他の実施形態によれば、Ｄsは約０．５０Ｔaを超え、例えば約０．７５Ｔaを超える。また、他の実施形態（図示及び後述されるもの）によれば、空隙面２０９と加熱面２０７の間の最短距離は本体の平均厚さの全計測値以上であり、言い換えれば、ＤsはＴa以上である。そのようなものでは、空隙面２０９は前面２０３上のいかなる点も通らない。
比較として、図１の先行技術に関しては、空隙面１２０が本体を通って伸びて、前面１０３上の点１２２及び１２３と交差する。前記の点１２２及び１２３は、空隙面１２０が前面１０３と交差する場所だけでなく、加熱面１３０を定義付ける場所である。すなわち、点１２２及び１２３は、空隙面１２０に最も近い前面１０３上の点であり、それらは空隙面１２０と交差するか、空隙面１２０内に位置する。それ故に、加熱面１３０及び空隙面１２０は同一平面である。
別の態様によれば、ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含み、各タイルが前面及び背面を有する本体（ただし、本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合材料である）を含むことを特徴とするボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステムが開示されている。各タイルの前面は約０．７５ｍｍ以下の外形の平均変動（Ｐa）を有する。さらに、各タイルは、タイルの背面から伸びていてボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れる係合用空隙を有している係合構造体を有する。
図３に関しては、図２と同じ断面の外形を有する耐熱タイル３０１が示される。図に示すように、前面３０７の平均外形線（Ｐmean）３０３が示される。上述の第一の態様によれば、前面の外形の平均変動（Ｐa）は約０．７５ｍｍ以下である。言い換えれば、外形の変化による前面３０７に沿った平均変動が、平均外形線３０３から約０．７５ｍｍ以下である。別の実施例によれば、前面３０７上の外形の変化はより少ないので、Ｐaは約０．７０ｍｍ以下、例えば約０．６０ｍｍ以下、さらには約０．５０ｍｍである。また、前面内の外形の平均変動は、約０．３０ｍｍ以下のように、より少なくてよい。一方で、ある特定の実施形態では、前面３０７は実質的に平面的であり、Ｐaは約０ｍｍである。
Ｐaに加えて、前面３０７の外形の最大変化（Ｐmax）も計測できる。一般に、前面３０７のＰmax（線３０５で示される）は、前面上の最高点又は最低点と平均外形線（Ｐmean）３０３との間の最大の計測値差である。
そのようなのようなものとして、一実施形態によれば、前面３０７のＰmaxは約３．０ｍｍ以下、例えば約２．０ｍｍ以下、さらには約１．０ｍｍ以下である。一方で、ある特定の実施形態では、前面３０７は実質的に平面的なので、Ｐmaxは０ｍｍである。
比較として、図１に示した先行技術の耐熱タイルに関しては、外形の平均変動は、外形の明確で劇的な変化を考慮するとかなり大きい。ここでの実施形態によって説明されたものより大きな前面の外形の平均変動（Ｐa）だけでなく、先行技術のタイルのＰmax値もより大きい。
前面３０７のように、背面３０９も外形の平均変動（Ｐa）を有する。一実施形態によれば、係合構造体は別として、背面３０９のＰaは約１．０ｍｍ以下である。別の実施形態では、Ｐaは、例えば約０．８０ｍｍ以下、さらには約０．７５ｍｍ以下、さらには０．５０ｍｍ以下のように、より小さい。また、一の特定の実施形態では、背面３０９は実質的に平面的でよい。さらに、背面３０９には外形の最大変動（Ｐmax）があり得る。一般に、背面３０９のＰmaxは約４．０ｍｍ以下である。しかし、他の実施形態によれば、背面３０９のＰmaxは、約２．０ｍｍ以下、例えば約１．０ｍｍ以下である。
注目すべきは、一般に外形値Ｐa、Ｐmax、Ｐmeanは、表面粗さに関するｒa、ｒmax及びｒmeam値と類似するが、これらの外形値は、μｍスケールのようなかなり微小なスケール上の粗さ値以外に、一般にｍｍスケールの巨視的な面の特徴を表すことである。粗さ値のように、外形値は、顕微鏡分析用プローブセットを有する表面形状測定装置を用いて、タイルの特性によって計測してよい。
前面３０７及び背面３０９の外形の変化に加えて、前面と背面の点間の外形の最大変化の基準を提供できる。それは、前面の平面と垂直な方向の本体の厚さを通して測定したときの背面上の点からの最大距離（すなわち、最大の厚さ）である。一実施形態によれば、前面３０７と背面３０９の間の外形の最大変化は、約３０ｍｍ以下、例えば約２０ｍｍ以下、さらには約１５以下である。
図４に関しては、一実施形態によって耐熱タイル４００の別の断面図を説明する。図に示すように、特定の実施形態によれば、耐熱タイル４００には、（係合構造体に加えて）実質的に平面的な前面４０１及び実質的に平面的な背面４０３がある。さらに、前面４０１及び背面４０３は、互いに実質的に平行である。この実施形態によれば、背面４０３は丸みが無く実質的に平坦であるから、空隙面４０５は背面４０３と実質的に同一平面である。図示した実施形態では、係合構造体４１１及び４１３は背面と隣接していてタイルの本体中に伸びていないので、空隙面４０５は背面４０３の平面と同一平面である。この特定の実施形態では、前面４０１は丸みが無く実質的に平面的なので、加熱面４０７は実質的に前面４０１と同一平面である。
図５は、複数の管５０３を含むボイラーの壁５０１に取り付けられた複数のタイル５０５、５０６、５０７、及び５０８（５０５〜５０８）の斜視図である。図に示すように、タイル（５０５〜５０８）のそれぞれは、実質的に平面的な前面を有していて、ギャップ５１１で区分けされている。一実施形態によれば、一般にタイル間のギャップは約１．０ｃｍ以下のように小さい。他の実施形態では、ギャップ５１１は、約５．０ｍｍ以下、又は約３．０ｍｍ以下、さらには約２．０ｍｍ以下のように、より小さい。図示もしたが、タイル５０３〜５０８の裏に隙間領域５０９がある。一般に、例えば耐熱タイル５０５〜５０８とボイラーの壁との間の熱的接触を改良することによってシステムの熱伝導性を改良するのに用いることができるセメントでこの隙間領域を満たして、タイル５０５〜５０８を壁５０１に固定する追加的支持力を提供できる。
図６は、一実施形態の係合構造体６０３を有する耐熱タイル６０１の平面図である。耐熱タイル６０１は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）で定義される一般に長方形の外形を含む。一実施形態によれば、耐熱タイル６０１は、幅（Ｗ）が長さ（Ｌ）未満であり、また典型的には、幅（Ｗ）が長さ（Ｌ）の約９５％以下であるような寸法を有する。別の実施形態では、幅（Ｗ）は、長さ（Ｌ）の約９０％以下、又は約８０％以下、さらには長さ（Ｌ）の約７０％以下のように、より小さい。特定の寸法に関しては、典型的には、タイルは約１０ｃｍを超える長さ（Ｌ）を有する。他の実施形態では、長さ（Ｌ）が約１５ｃｍ以上、又は約２０ｃｍ以上、さらには約５０ｃｍ以上であるように、より大きな耐熱タイルを利用する。また、典型的には耐熱タイル６０１の長さ（Ｌ）は約６０ｃｍ以下である。
係合構造体６０３は顕著に曲線的な外形を含む代替的な係合構造体であり、相補的スタッド構造体６０７を受け入れるように構成された係合用空隙６０５を含む。特に、係合構造体６０３は、一般に曲線的な外形を有していて溝を介して相補的スタッド構造体６０７に接近しやすい係合用空隙６０５を含む。それ故に、係合用空隙６０５は、相補的スタッド構造体６０７と摺動自在に係合できるように構成されている。
さらに図６で示したように、相補的スタッド構造体６０７は、ボイラーの壁から伸びているであろうロッド６０９と結合した係合ヘッド６１１を含む。図に示すように、相補的スタッド構造体６０７が係合構造体６０３と係合する場合に、係合ヘッド６１１が係合用空隙６０５内に係合されて典型的には係合用空隙６０５内の少なくとも１つの面と触れているように、係合ヘッド６１１は係合用空隙６０５の外形と相補的な外形を有する。より典型的には、係合ヘッド６１１は、耐熱タイル６０１を相補的スタッド６０７に適切に固定することによってスタッドの伸びる壁に固定するための係合用空隙６０５内の多重の面と係合できるように、形成される。特定の実施形態によれば、係合構造体６０３には、係合用空隙６０５を縁取っていて、かつ相補的スタッド構造体６０７と接して耐熱タイル６０１を一方向に固定するように構成されている複数の係合面がある。前述のように、係合用空隙６０５内の係合面は、水平方向及び垂直方向のタイルの動きを制限するのに適している。一の特定の実施形態によれば、係合構造体６０３は、多重の面に沿って相補的スタッド構造体と係合するように構成されていて、より詳細には、係合構造体と相補的スタッド構造体の間に実質的に隙間が無くなるようにスタッド構造体と係合するように構成されている。
係合構造体６０３の外形寸法は、他の実施形態によって前述したものと類似する。特に、曲線的な係合構造体６０３の直径（ｄ）は、前述の係合構造体の幅と実質的に類似する外形寸法を有する。そのようなものとして、一般に係合構造体６０３の直径（ｄ）は、耐熱タイル６０１の長さ（Ｌ）の約２５％以下である。他の実施形態では、係合構造体６０３の直径が、耐熱タイル６０３の長さ（Ｌ）の約２０％以下、さらには約１５％以下であるように、より小さい係合構造体を用いる。タイルの長さ（Ｌ）の一部分である個別の直径（ｄ）の係合構造体を有することによって、タイルが固定点の周囲を動くことを可能にする一点でタイルを固定することが容易になる。
図７Ａに関しては、耐熱タイル７０１及び係合構造体７０３の平面図を示す。耐熱タイル７０１は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）で定義される一般に長方形の外形を含む。上記のように、タイルの長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）は、幅（Ｗ）が長さ（Ｌ）の一部になるように、例えば長さ（Ｌ）の約９５％以下になるようにしてよい。別の実施形態では、幅（Ｗ）は、長さ（Ｌ）の約９０％以下、又は約８０％以下、さらには長さ（Ｌ）の約７０％以下のように、より小さい。特に、耐熱タイル７０１の外形寸法に関しては、典型的にタイルは、約１０ｃｍを超える長さを有する。他の実施形態では、長さが約１５ｃｍ以上、又は約２０ｃｍ以上、さらには約５０ｃｍ以上であるように、より大きな外形寸法を有する耐熱タイルを利用してよい。また、典型的に耐熱タイル７０１の長さ（Ｌ）は、約６０ｃｍ以下である。
係合構造体７０３は耐熱タイル７０１の面と隣接していて、タイルの面から突き出ている。係合構造体７０１は曲線的な外形を有し、相補的スタッド構造体（図示せず）を受け入れるように構成されている係合用空隙７０５を含む。特に、係合構造体７０３は、穴状の係合用空隙６０５を含むことによって、相補的スタッド構造体と係合する係合構造体７０３内のくぼみを作る。それ故に、係合用空隙６０５が相補的スタッド構造体と係合できるように構成されているので、スタッド構造体は係合用空隙７０５を通して押し込まれて係合構造体７０３内に固定される。ある特定の実施形態によれば、相補的スタッド構造体は、係合用空隙７０３を通過して変形することによって係合構造体７０３内にスタッド構造体を固定する１つ又は複数の係合フランジを含むことができる。適切な係合フランジの一形状としては、係合用空隙７０５を通過するときに変形して（例えば円錐形を形成して）、耐熱タイル７０１を固定するスタッド構造体の周囲に配置されたワッシャ（さらには複数のワッシャ）が挙げられる。
係合構造体７０３の外形寸法は、他の実施形態によって前述したものと類似する。そのようなものとしては、一般に係合構造体７０３の直径（ｄ）は耐熱タイル７０１の長さ（Ｌ）の約２５％以下である。他の実施形態では、係合構造体６０３の直径（ｄ）が耐熱タイル６０３の長さ（Ｌ）の約２０％以下、さらには約１５％以下であるように、より小さい係合構造体７０３を利用する。タイルの長さ（Ｌ）の一部分である個別の直径（ｄ）の係合構造体を有することによって、タイルが固定点の周囲で動くことを可能にする一点でタイルを固定することが容易になる。
図７Ｂに関しては、耐熱タイル７０７及び係合構造体７０９の側面図を示す。特に、説明された係合構造体７０９は穴状の係合用空隙７１５を含むことによって、相補的スタッド構造体７１０と係合する係合構造体７０９内のくぼみ７１７を作る。図に示すように、相補的スタッド構造体７１０はロッド部７１１及び係合ヘッド７１３を含む。上述の通り、この実施形態では、係合構造体７０９及び相補的スタッド構造体７１０は押し込まれて係合できるように構成されているので、係合ヘッド７１３は係合用空隙７１５を通過して変形することによって耐熱タイル７０７と相補的スタッド構造体７１０をしっかりと結合させる。図示した実施形態によれば、この特定の係合ヘッド７１３としては、係合用空隙７１５を通過することで変形したワッシャ構造体が挙げられる。上記のように、１つの係合ヘッド７１３が説明されているが、他の実施形態は１つより多い係合ヘッドを利用できる。
前述の説明では、タイルを相補的スタッド構造体に取り付けるのに適した係合構造体と結合している耐熱タイル構造体を含む耐熱タイル集成体の様々な実施形態を示した。特に、そのような集成体は、一体化又はモジュール化してよい。すなわち、耐熱タイル及び係合構造体の組み合わせは、タイル及び係合構造体が単体であるような一体化した物でよい。また、タイル及び係合構造体には、タイル及び係合構造体が、例えばインターロック配列で一緒に配置されて、共に使用されて耐熱タイル集成体を形成できる別々の部品であるようなモジュール設計があり得る。モジュール設計は、特定の用途に用いるタイルと係合構造体の結合を容易にする。
図１に示したもののような従来の耐熱タイルシステムと比較すると、本発明の実施形態は顕著な利点を提供できる。例えば、幾つかの実施形態によれば、タイルの構造は、例えば壁のスタッド構造体がタイルの前面（加熱面）から離れているように係合構造体及び係合用空隙を構成することによって、望ましくない熱及び薬品による腐食から壁のスタッド構造体を保護するのに役立つ。そのような構造は、ここで説明した材料の性質又は組成を有する特定の耐熱タイル材料と併用すると特に望ましい。この点において、そのような組成は熱伝導を高め、壁のスタッド構造体の分解を抑えるのに効果的であろう。また、ここでの実施形態の構造要素は、壁のスタッド構造体がさらに分解するのを抑えることができる。さらに、係合用空隙と付設された壁のスタッド構造体との背面着脱は、タイルの本体中の温度勾配の均一性を高め、さらにこの構造体内の熱的応力の減少によってタイル寿命を増加させる。
さらに、様々な実施形態によれば、前面と背面の一方又は両方は、縮小された外形を有してよく、また実際には、主に平面的でよい。特定の材料と併用したそのような構造は、使用中の性能を顕著に向上させることができるので、スラグの積層が減少し、またタイルに沿った不均一な温度勾配の減少によって寿命が増すことが明らかになった。縮小された前面の外形と特定の材料特性（例えば密度又は熱伝導率）又は組成（例えば金属／セラミックの組成）の材料とを組み合わせると、加熱面に沿ったガスフローを改良できるので、加熱面に沿った洗浄効果が提供される。さらに、タイルと下層のセメントの間の相対運動は、（前記セメントと接触する）縮小された外形の背面を有することができる高密タイル（低多孔度）を使用するような、実施形態によって改良され得る。
さらに、特定の係合構造体の使用は、タイルを垂直に固定するラック又はレールのシステムに頼る先行技術の設計に関連した亀裂発生を減少させることにより、耐久性を高めることができる。そのような係合構造体は、ここで開示された特定の材料に関して、そのような材料として、増加した熱伝導が亀裂を抑えることができるという理由から、注目すべきである。
上記で開示した対象は説明的なものとみなされ、限定的なものとはみなされない。また添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲内にある全てのそのような改良、強化、及び他の実施形態に及ぶことを目的とする。したがって、法の許す最大限の範囲で、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びそれらの均等物（均等方法）の最大限広範に許容される解釈によって決められるものであり、また前述の詳細な説明によって減縮又は限定されるものではない。

Claims (15)

  1. ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含み、各タイルが
    前面及び背面を有する本体（ただし、本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合材料を含む）、
    タイルの背面を終端とし、そしてタイルの背面から伸びている、第一の係合構造体（ただし、第一の係合構造体は、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れるための第一の係合用空隙を有し、そして第一の係合構造体の係合面は、タイルの背面と隣接している）、
    複数の空隙点（ただし、空隙点は、前面に最も近く、第一の係合用空隙に沿って伸びる第一の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面、並びに
    空隙面に平行であり、各加熱面点が空隙面に最も近い前面上に位置し、Ｄs＞０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である複数の加熱面点によって定義される加熱面
    を含むことを特徴とするボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステム。
  2. 空隙面は、前面上のいかなる点とも交差しない、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  3. 前面の平均外形線から前面の外形線までの距離が、０．７５ｍｍ以下である、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  4. 前面は、実質的に平面的である、請求項３に記載の耐熱タイルシステム。
  5. 前面は、３．０ｍｍ以下の外形の最大変化（Ｐmax）を有する、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  6. 背面は、実質的に平面的である、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  7. 本体は、５．０体積％以下の多孔度を有する、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  8. 本体は、８０質量％以上のＳｉＣを含む、請求項１に記載の耐熱タイルシステム。
  9. ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含み、各タイルが
    前面及び背面を有する本体（ただし、本体は炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合材料であり、そして前面の平均外形線から前面の外形線までの距離が、０．７５ｍｍ以下である）、並びに
    タイルの背面を終端とし、かつタイルの背面から伸びている、係合構造体（ただし、係合構造体は、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れるための係合用空隙を有し、そして係合構造体の係合面は、タイルの背面と隣接している）、
    を含むことを特徴とするボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステム。
  10. 各タイルが複数の係合構造体を含む、請求項９に記載の耐熱タイルシステム。
  11. 各タイルには重量があり、複数の係合構造体の各係合構造体が、タイルの重量の半分以上の荷重に耐えるように構成されている耐力構造体である、請求項１０に記載の耐熱タイルシステム。
  12. 係合構造体は相補的スタッド構造体と係合するように構成されている閉鎖空隙を有し、閉鎖空隙は３つの係合面によって縁取られていて、相補的スタッド構造体を受け入れるように構成されている１つの開口端を有する、請求項９に記載の耐熱タイルシステム。
  13. 係合用空隙は、Ｔ字形の断面の外形を有する、請求項９に記載の耐熱タイルシステム。
  14. ボイラーの壁を保護する集成体に適した複数のタイルを含み、各タイルが
    前面及び背面を有する本体（ただし、本体は１２００℃で１８Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する）、
    タイルの背面を終端とし、かつタイルの背面から伸びている、第一及び第二の係合構造体（ただし、第一及び第二の係合構造体は、ボイラーの壁から伸びた相補的スタッド構造体を受け入れるための個別の第一及び第二の係合用空隙を有し、そして第一及び第二の係合構造体の係合面は、タイルの背面と隣接している）、
    複数の空隙点（ただし、空隙点は、前面に最も近く第一及び第二の係合用空隙に沿って伸びる第一及び第二の係合用空隙内の点である）によって定義される空隙面、並びに
    空隙面に平行であり、各加熱面点が空隙面に最も近い前面上に位置し、Ｄs＞０．２５Ｔa（式中、Ｄsは空隙面と加熱面との間の最短距離であり、Ｔaは本体の平均厚さである）である複数の加熱面点によって定義される加熱面
    を含むことを特徴とする、ボイラーの壁を保護する耐熱タイルシステム。
  15. 本体は、炭化ケイ素及びケイ素含有金属相を含む複合材料である、請求項１４に記載の耐熱タイルシステム。
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