JP2005201606A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置において、加熱物から発生するガスによって過熱水蒸気が汚染され、汚染された過熱水蒸気を再利用して加熱することが許されない場合に、加熱物の品質を確保しながら熱効率を向上させる加熱装置を提供する。
【解決手段】 本発明の加熱装置は、過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置であり、加熱して低温水蒸気を発生する低温水蒸気発生器と、低温水蒸気を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気発生器と、過熱水蒸気を導入して排出する加熱炉を備えている。加熱して低温水蒸気を発生する低温水蒸気発生器は、高温の気体を導入して水又は水蒸気を加熱するものであり、加熱用気体の導入口を備えている。本発明の加熱装置は、加熱炉から排出される水蒸気を、低温水蒸気発生器の加熱用気体の導入口に導入する状態と、過熱水蒸気発生器の低温水蒸気の導入口に導入する状態とを切換える装置を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置に関する。特に、加熱物の品質を確保しながら熱効率を向上させる技術に関する。具体的には、加熱に用いた水蒸気が汚染されない場合には水蒸気を循環させて利用し、加熱に用いた水蒸気が汚染される場合には水蒸気から熱を回収することによって、加熱物の品質を確保しながら熱効率を向上させる。

過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置が開発されている。過熱水蒸気を利用する加熱装置は以下の利点を備えている。
過熱水蒸気は乾燥空気にくらべて伝熱性が高くて熱容量も大きいため、短時間で加熱物を加熱できる。
過熱水蒸気は伝熱性が高いために、加熱炉内の温度分布が均一化され、均一に加熱物を加熱することができる。
過熱水蒸気は遠赤外線を放射するために、加熱物を深部まで加熱することができる。
加熱物の周囲が低酸素濃度に保たれるため、加熱物を酸化させずに加熱することができる。
加熱物から脱脂することができる。
加熱物を短時間で乾燥させることができる。
以上の利点から、例えば食品を焼き上げたり乾燥させたりする場合に、過熱水蒸気を熱媒とする加熱炉がよく用いられる。

高温の過熱水蒸気を発生するためには、多大なエネルギーを必要とする。例えばセラミックスを加熱する場合には１０００℃程度の高温を必要とするが、１０００℃程度の過熱水蒸気を得るためには多大のエネルギーを必要とする。そこで、過熱水蒸気を熱媒とする加熱炉は専ら食品を焼き上げたり乾燥させたりする程度の温度で用いられており、１０００℃程度の高温を必要とする用途には採用されていない。
過熱水蒸気を循環して利用すれば、熱効率を向上させることができる。例えば、特許文献１や特許文献２には、過熱水蒸気を循環させて利用する加熱装置が開示されている。
特開平０９−２４１７３４号公報 特開２００３−３２５３４０号公報

過熱水蒸気を循環して利用すれば、熱効率を向上させることができる。しかしながら、過熱水蒸気で加熱物を加熱すると、有機物が分解され、加熱に用いた水蒸気が汚染されてしまうことがある。汚染された過熱水蒸気で加熱してもかまわない場合には、特許文献１や特許文献２に開示されている、単純循環型の加熱装置を採用すればよい。
例えば食品加熱の一例として魚を焼き上げる場合を取り上げる。過熱水蒸気で加熱すると、短時間で均一に深部まで加熱することができるために、魚を焼き上げるためには過熱水蒸気を利用する加熱装置が好適に利用できるとされている応用例である。過熱水蒸気で魚を焼き上げれば、魚が短時間で均一に深部まで焼き上げられる。同時に有機物が分解され、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染される。しかしながら魚を焼き上げる場合には、少々汚染された過熱水蒸気を循環させて再利用しても深刻な問題は生じない。

それに対して、セラミックス素材を過熱水蒸気で焼成してセラミックス製品に焼成する場合を取り上げる。過熱水蒸気で加熱するとセラミックス素材を均一に焼成することができるために、歪みの少ない精密なセラミックス製品を焼成することができると期待されている応用例である。セラミックス素材は、保形能力を確保するために有機質のバインダー成分を含んでいる。過熱水蒸気でセラミックス素材を加熱すると、バインダー成分が分解され、過熱水蒸気が汚染される。汚染された過熱水蒸気を再利用してセラミックス素材をさらに加熱すると、汚染された過熱水蒸気で焼成されたセラミックス製品の品質が劣化し、意図した性能が得られないことがある。精密セラミックス製品を焼成する場合には、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染されてしまうことから、過熱水蒸気を循環させて用いることができない。

汚染された過熱水蒸気を再利用して加熱することが許されない場合、熱効率を向上させるためには下記のいずれかの方策が採りえよう。
第１の方策は、汚染された過熱水蒸気を清浄化して再利用することであろう。
第２の方策は、汚染された過熱水蒸気から熱エネルギーを回収して汚染されない過熱水蒸気の加熱に利用することであろう。
第１の方策を実現するためには、大掛かりな浄化装置が必要とされ、現実的でない。
第２の方策を実現するためには、熱交換器を利用することになる。熱交換器の熱交換効率が改善されているとはいえ、それでも、過熱水蒸気自体を再利用する場合に比すると、熱効率は低下してしまう。
本発明はこの問題を解決し、加熱物の品質を確保しながら熱効率を向上させることを目的とする。

本発明者らは、加熱と過熱水蒸気の汚染の問題を研究した結果、多くの場合には、加熱物が所定の温度を超えて上昇するまでの間は過熱水蒸気が汚染されるものの、所定の温度を超えてしまうと過熱水蒸気が汚染されないことが判明した。例えば、前記したセラミックス製品を焼成する場合、有機質のバインダー成分が熱分解する温度を超えて上昇するまでの間は過熱水蒸気が汚染されるものの、それを超えてしまうと、又はバインダー成分が完全に除去されてしまうと、過熱水蒸気が汚染されることはない。図２は、セラミックス焼成時の炉内温度の変化パターンと、セラミックスから発生するガスの発生量の変化パターンを示し、横軸に時間がとられている。セラミックス焼成時には、最初に仮焼成工程を実施し、ついで本焼成工程を実施する。仮焼成工程では３００〜４００℃で加熱し、セラミックス素材からバインダーを除去する。仮焼成工程ではセラミックス素材から有機ガス等が発生する。仮焼成工程でセラミックス素材からバインダーが除去された後に本焼成工程を実施する。本焼成工程では８００〜１０００℃でセラミックス素材を焼結する。本焼成工程ではガスが発生せず、過熱水蒸気は汚染されない。
特許文献１の技術では、表面に油が付着している金属を過熱水蒸気で加熱することによって脱脂するとともに、金属に焼鈍や焼き戻し等の熱処理を実施する。この場合も、脱脂するまでの間は油に起因するガスで過熱水蒸気が汚染されてしまうが、脱脂後に専ら熱処理のために過熱水蒸気で加熱する状態となると過熱水蒸気は汚染されない。

以上の知見が得られたことによって、加熱物の品質を確保しながら熱効率を向上させることができる加熱装置が完成した。
本発明の加熱装置は、過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置であり、加熱して低温水蒸気を発生させる低温水蒸気発生器と、低温水蒸気を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気発生器と、過熱水蒸気を導入して排出する加熱炉を備えている。加熱して低温水蒸気を発生させる低温水蒸気発生器は、高温の気体を導入して水又は水蒸気を加熱するものであり、加熱用気体の導入口を備えている。本発明の加熱装置は、加熱炉から排出される水蒸気を、低温水蒸気発生器の加熱用気体の導入口に導入する状態と、過熱水蒸気発生器の低温水蒸気の導入口に導入する状態とを切換える装置を備えている。

本発明の加熱装置によると、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染されてしまうために再利用することが許されない場合には、汚染された過熱水蒸気から熱エネルギーを回収して汚染されない過熱水蒸気の加熱に利用することができる。加熱炉から排出される水蒸気は冷却されており、加熱炉に導入する過熱水蒸気よりも低温である。そのままでは、加熱炉に導入する過熱水蒸気に加熱することはできない。本加熱装置では、水又は水蒸気を加熱して低温水蒸気を発生する低温水蒸気発生器と、低温水蒸気を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気発生器を備えていることから、加熱炉から排出される冷却された水蒸気の熱を低温水蒸気発生器で利用して過熱水蒸気を得るための熱に利用することができる。
本発明の加熱装置によると、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染されない場合には、過熱水蒸気発生器で再加熱して再利用される。高い熱効率を得るのと同時に、加熱物の品質をも確保することができる。
例えば、セラミックス製品を焼成する場合、バインダー成分が熱分解するまでの間はバインダー成分で汚染された過熱水蒸気から熱エネルギーを回収して汚染されない過熱水蒸気の加熱に利用することができる。それを超えてしまって過熱水蒸気が汚染されることがなくなれば、汚染されない過熱水蒸気を再加熱してセラミックス素材の焼結を促進する。表面に油が付着している金属を脱脂して熱処理を実施する場合には、油が分解するまでの間は油で汚染された過熱水蒸気から熱エネルギーを回収して汚染されない過熱水蒸気の加熱に利用することができる。それを超えてしまって過熱水蒸気が汚染されることがなくなれば、汚染されない過熱水蒸気を再加熱して金属の熱処理を促進する。高い熱効率を得るのと同時に、加熱物の品質をも確保することができる。

切換え装置は、加熱炉から排出される水蒸気が汚染されているか否かによって切換えることが好ましいが、そのためには成分分析装置を必要とするために加熱装置の構成が複雑化する。そこで、加熱物の温度が有機物分解温度以下であるときには低温水蒸気発生器に導入して低温水蒸気の加熱に利用し、加熱物の温度が有機物分解温度を超えるときには過熱水蒸気発生器に導入して過熱水蒸気の原料として利用することが好ましい。
加熱物の温度は温度計で直接に計測してもよいし、加熱開始時からの経過時間と加熱物の温度の関係を調べおき、経過時間から間接的に加熱物の温度を知るようにしてもよい。
加熱物を加熱する多くの場合には、加熱物に含まれる有機物が熱分解する間は有機物に由来するガスが発生して過熱水蒸気が汚染されるのに対し、加熱物の温度が有機物の分解温度以上にまで加熱されるとガスが発生しなくなって過熱水蒸気が汚染されなくなる。温度を指標にして切換え装置を切換えると、比較的に簡単な装置構成で、高い熱効率を得るのと同時に加熱物の品質をも確保することができる。

低温水蒸気発生器は、加熱炉から排出された水蒸気と水又は水蒸気との間で熱交換する熱交換器を内蔵していることが好ましい。さらに本発明の加熱装置には、熱交換した水蒸気を冷却して水に戻す復水器が付加されていることが好ましい。
低温水蒸気発生器が、加熱炉から排出された水蒸気と水又は水蒸気との間で熱交換する熱交換器を内蔵していると、加熱炉から排出された水蒸気の熱が低温水蒸気の発生に利用できる。加熱炉から排出された水蒸気と低温水蒸気の温度差が大きいので、高い熱交換効率が得られる。低温水蒸気を加熱して自らは冷却された水蒸気は、冷却されたとはいえまだ水蒸気である。その水蒸気には歓迎されないガスが混入しており、そのまま再利用することはできない。そこで、さらに冷却して水に復水することが好ましい。復水すると、混入していたガスが分離され、復水された水は汚染されていない水に復水される。この水は、過熱水蒸気の原料に利用することができる。
復水器には、気体を放出する放出口を形成しておくことが好ましい。復水する過程で水から分離したガスが放出され、復水が再度汚染されることを防止する。分離したガスは、必要な処理をしてから放出することが好ましい。無害なガスで有ればそのまま放出してもよい。

加熱炉の内部に加熱手段を備えておくことが好ましい。過熱水蒸気は優れた熱媒体であるものの、冷却されると結露することがある。冷却されている加熱物に過熱水蒸気を供給し始めた直後や、過熱水蒸気の供給を停止した後には、過熱水蒸気が加熱物の表面で結露して加熱物の表面を損傷することがある。そのためには、加熱炉に過熱水蒸気を導入し始める前に加熱炉と加熱物を加熱しておくことが好ましく、過熱水蒸気の供給を停止した後には加熱炉と加熱物を加熱してゆっくりと冷却させることが好ましい。加熱炉の内部に加熱手段を備えておくと、加熱炉に過熱水蒸気を導入し始めるときの温度や、過熱水蒸気の供給を停止した後の温度を調整することができ、加熱物の品質を確保するのに有利である。

加熱炉に不活性ガスを導入する装置が付加されていることが好ましい。過熱水蒸気は、加熱物の周囲を低酸素濃度に保つために、加熱物を酸化させずに加熱することができる。その利点を有効に享受するためには、加熱炉に過熱水蒸気を導入し始める前の予熱処理や過熱水蒸気の供給を停止した冷却処理でも、加熱物の周囲を低酸素濃度に保つことが好ましい。加熱炉に不活性ガスを導入する装置が付加されていると、予熱処理から過熱水蒸気による加熱処理を経て冷却処理が完了するまでの間、必要に応じて加熱物の周囲を低酸素濃度に保つことができ、加熱物の品質を確保するのに一層有利である。

本発明によると、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染されて水蒸気としては再利用することが許されない場合には、汚染された過熱水蒸気から熱エネルギーを回収して汚染されない過熱水蒸気の加熱に利用することができる。一方、加熱に用いた過熱水蒸気が汚染されない場合には、過熱水蒸気発生器で再加熱して再利用される。高い熱効率を得るのと同時に、加熱物の品質をも確保することができる。
セラミックスの焼成、金属製品からの脱脂と熱処理等において、良好な製品を高い熱効率で実現する。

以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（形態１） 加熱炉は、セラミックスを焼成する焼成炉である。
（形態２） 加熱炉内には、過熱水蒸気を加熱炉の中で循環させる送風機が設けられている。
（形態３） 加熱炉内には、過熱水蒸気を外部に排出し、過熱水蒸気を外部から導入する送風機が設けられている。

以下、本発明を具現化した実施例について図面を参照して説明する。図１に、本発明を利用して具現化される焼成装置２（加熱装置の実施例）を模式的に示す。焼成装置２は、セラミックスを焼成する。
焼成装置２には、焼成炉４（加熱炉の実施例）が設けられている。焼成炉４の炉内には、被焼成物３（加熱物の実施例）が配置されている。焼成炉４の上部には、過熱水蒸気の吹込み口５が設けられており、吹込み口５は過熱水蒸気供給路６の一方の端部に接続されている。焼成炉４の底部には水蒸気の吹出し口７が設けられ、吹出し口７は水蒸気排出路１０の一方の端部に接続されている。
焼成炉４の炉内の吹込み口５の近傍には送風機１２が設けられている。送風機１２は、過熱水蒸気供給路６から焼成炉４の炉内に過熱水蒸気を導入し、導入された過熱水蒸気を焼成炉４の炉内で循環させ、焼成炉４の炉内から水蒸気排出路１０に過熱水蒸気を排出する流れを作りだす。
焼成炉４の内部には、加熱物温度センサ１６と炉内ヒータ１４が設けられている。加熱物温度センサ１６は温度計測器１７に接続されており、被焼成物３の温度を計測する。炉内ヒータ１４は、通電されると自身が発熱して焼成炉４内を加熱する。炉内ヒータ１４による加熱は、図示されていないコントローラによって制御されており、加熱物温度センサ１６で計測される被焼成物３の温度が、予め設定された温度下限値を下回らないように制御される。
焼成炉４の内部には、炉内ガス分析計２０が設けられている。炉内ガス分析計２０を観測することによって、焼成炉４の炉内のガス成分を知ることができる。炉内ガス分析計２０は、省略することができる。

蒸留水を貯めておく水槽３４が用意されている。水槽３４には、水位センサ１０１と水位計１０２が設けられている。水位が低下すると、蒸留水が蒸留水供給路１０６から水槽３４へ補水される。水槽３４内の水位は一定の範囲内に維持される。水槽３４の底部には、排水路１１０が接続されており、手動バルブ１０８が開けられると、水槽３４に貯水されている蒸留水が排水される。
水槽３４の底部に給水路３０が接続されている。給水路３０には、送水ポンプ３６、フィルタ４０、逆支弁４２が設けられており、蒸留水を低温水蒸気発生器２８に供給する。
低温水蒸気発生器２８は、給水路３０より供給される水を加熱するヒータ３１と、給水路３０より供給される水と焼成炉４から排出される水蒸気の間で熱交換して水を加熱する熱交換器２９を備えている。給水路３０から低温水蒸気発生器２８へ供給された水は、ヒータ３１または熱交換器２９によって加熱されて低温水蒸気に変化する。低温水蒸気発生器２８で発生した低温水蒸気は、低温水蒸気供給路２２から過熱水蒸気発生器８に供給される。低温水蒸気供給路２２には、温度計２２ａが設けられている。温度計２２ａは、低温水蒸気供給路２２を通る低温水蒸気の温度を計測する。

過熱水蒸気発生器８は、低温水蒸気供給路２２から供給される低温水蒸気を高周波電磁加熱して過熱水蒸気に変化させる。過熱水蒸気発生器８は、過熱水蒸気を過熱水蒸気供給路６から焼成路４に供給する。過熱水蒸気供給路６には、温度計２４が設けられている。過熱水蒸気発生器８による加熱量は、コントローラ２６によって制御されており、過熱水蒸気発生器８で発生して焼成路４に供給される過熱水蒸気の温度が、設定温度となるように制御される。焼成路４に供給される過熱水蒸気の設定温度は、焼成するセラミックスの種類に応じて好適な炉内温度変化パターンが実現されるように、経時的なデータとして予めプログラミングされている。設定温度の最大値は焼成するセラミックスの種類によって異なり、８００℃〜１０００℃の範囲をとる。

焼成炉４に送込まれて被焼成物３を加熱して自らは冷却された水蒸気は、水蒸気排出路１０に送出される。
水蒸気排出路１０は、低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９の加熱用水蒸気の受入れ口２９ａと、低温水蒸気供給路２２に接続されている。加熱用水蒸気の受入れ口２９ａへの接続管４５と、低温水蒸気供給路２２への接続管４６の分岐点には二方弁４４が設けられている。二方弁４４は、三つのポートＡ、ＢおよびＣを備えている。二方弁４４のポートＡは、水蒸気排出路１０を介して焼成炉４の吹出し口７に接続されている。二方弁４４のポートＢは、接続管４５を介して低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９に接続されている。二方弁４４のポートＣは、接続管４６と低温水蒸気供給路２２を介して過熱水蒸気発生器８に接続されている。二方弁４４は、コントローラの指示により、ポートＡＢ間を連通させるか、ポートＡＣ間を連通させるかを切換える。
接続管４６は、温度計２２ａより上流側で低温水蒸気供給路２２に合流する。

後記する仮焼成工程では、二方弁４４のポートＡＢ間が連通し、ポートＡＣ間が遮断される。この状態では、焼成炉４から放出された水蒸気は、熱交換器２９の加熱用水蒸気の受入れ口２９ａに送込まれる。熱交換器２９に送込まれた水蒸気は、給水路３０を通過する水を加熱して低温水蒸気に変化させる。加熱量の不足分はヒータ３１で補われる。ヒータ３１による加熱量は、コントローラによって制御されており、温度計２２ａで計測される低温水蒸気供給路２２の温度が設定温度となるように制御される。低温水蒸気の設定温度は経時的なデータとして予めコントローラにプログラミングされている。設定温度の最大値は過熱水蒸気発生器８の加熱能力に応じて異なり、２００℃〜３００℃程度の範囲をとる。

低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９を通過した水蒸気は、水を加熱して自らは冷却されているが、まだ液化していない。この水蒸気には、セラミックス素材に含まれていたバインダーに由来するガスが含まれており、そのままでは再利用できない。そこで、蒸気供給路３２から復水器８０に送られる。
復水器８０には、冷却水通路が設けられており、水蒸気は冷却され液化する。このとき、水蒸気に含まれていたバインダーに由来するガスは液化しない。蒸留水とガスに分離される。蒸留水から分離された有機ガス等の排ガスは、排ガス排出路８２へ排出される。液化した蒸留水は、蒸留水経路８６に送出される。蒸留水経路８６は分岐点を持ち、分岐点には二方弁９８が設けられている。二方弁９８は、三つのポートＡ、ＢおよびＣを備えている。二方弁９８のポートＡは復水器８０に接続されている。二方弁９８のポートＢは装置外の排水路に接続されている。二方弁９８のポートＣは水循環路１００を介して水槽３４に接続されている。二方弁９８は、コントローラの指示により、ポートＡＢ間を連通させるか、ポートＡＣ間を連通させるかを切り替える。この時連通されないポートは遮断される。
復水器８０には、冷却水供給路８８から冷却水が送込まれる。冷却水供給路８８には、手動バルブ９０とスイッチバルブ９２が設けられている。スイッチバルブ９２は、コントローラの指示によって開閉する。冷却水供給路８８から復水器８０へ供給された冷却水は冷却水排出路８４へ排出される。冷却水は循環して利用することができる。

タンク６０は、パージガスとして使用する窒素ガス（不活性ガスの実施例）が充填されている。タンク６０の上部には、パージガス供給路６２が接続されている。パージガス供給路６２は、タンク６０の上部から延び、過熱水蒸気供給路６に接続されている。パージガス供給路６２には、手動バルブ６４、圧力開放弁６６、スイッチバルブ７２、逆止弁７４が設けられている。スイッチバルブ７２は、コントローラの指示によって開閉する。

本実施例の焼成装置２の運転内容を詳細に説明する。本実施例の焼成装置２は、準備工程、仮焼成工程、本焼成工程および冷却工程を実施してセラミックスを焼成する。
仮焼成工程の前の準備として、以下の工程が実施される。
手動バルブ１０８が閉じられ、蒸留水供給路１０６から水槽３４に蒸留水が送られる。水槽３４の水位は水位センサ１０１と水位計１０２でモニタリングされており、規定値を超えると蒸留水の供給を停止し、規定値を下回ると蒸留水の供給を再開する。
手動バルブ６４が開けられ、タンク６０からパージガス供給路６２へ窒素ガスが供給される。パージガス供給路６２のスイッチバルブ７２は閉じられており、パージガス供給路６２のスイッチバルブ７２より上流側には窒素ガスが充填される。圧力開放弁６６によって、タンク６０のガス圧力と、パージガス供給路６２のガス圧力は、同等に保たれる。
冷却水供給路８８の手動バルブ９０が開けられる。冷却水供給路８８のスイッチバルブ９２は閉じられており、冷却水供給路８８のスイッチバルブ９２より上流側に冷却水が充填される。
水蒸気排出路１０の二方弁４４は、ポートＡＢ間を連通し、ポートＢＣ間およびポートＡＣ間を遮断する。これによって焼成炉４の吹出し口７は、水蒸気排出路１０および接続管４５を経由して、低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９の加熱用水蒸気の受入れ口２９ａへ接続される。また排水路８６の二方弁９８はポートＡＣ間を連通し、ポートＡＢ間およびポートＢＣ間を遮断する。これによって排水路８６は、水循環路１００を介して水槽３４に接続される。

焼成物３が焼成炉４内にセットされ、仮焼成工程が開始される。
焼成物３の温度が結露防止温度まで達するまでの間、窒素ガスを熱媒とした加熱が行われる。
結露防止温度とは、過熱水蒸気雰囲気内で結露を起こす被焼成物３の温度のことを示しており、本実施例では１００℃を結露防止温度とする。
仮焼成工程が開始されると、スイッチバルブ７２が開かれ、パージガス供給路６２より窒素ガスが供給される。また送風機１２が駆動し、焼成炉４内に窒素ガスが導入される。焼成炉４に流入する窒素ガスは、送風機１２によって駆動され、炉内を循環した後、吹出し口７から排出される。窒素ガスは炉内ヒータ１４により加熱され、被焼成物３を加熱する。焼成炉４の吹出し口７から排出される窒素ガスは、水蒸気排出路１０を経由して低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９の加熱水蒸気の受入れ口２９ａに送込まれる。前記窒素ガスは、低温水蒸気発生器２８から蒸気供給路３２を介して復水器８０へ送られ、排ガスとして排ガス排出路８２より装置外へ排出される。
加熱物温度センサ１６および温度計測器１７により計測される被焼成物３の温度が、結露防止温度まで達すると、スイッチバルブ７２は閉じ、パージガス供給路６２からの窒素ガスの供給が停止される。

被焼成物３が結露防止温度まで加熱されると、過熱水蒸気を熱媒とした加熱が行われる。
送水ポンプ３６は水槽３４から低温水蒸気発生器２８へ蒸留水を供給し始める。
低温水蒸気発生器２８は、給水路３０から供給される水を、ヒータ３１と熱交換器２９で設定温度まで加熱して低温水蒸気を発生する。発生した低温水蒸気は、低温水蒸気供給路２２へ供給される。ヒータ３１によるヒータ加熱は、水蒸気供給路２２の温度計２２ａで計測される温度をフィードバックして、水蒸気供給路２２へ供給される水蒸気の温度が設定温度となるように制御されている。
水蒸気供給路２２へ供給された水蒸気は、過熱水蒸気発生器８へ供給される。
過熱水蒸気発生器８は、水蒸気供給路２２から供給される水蒸気を設定温度まで加熱し、過熱水蒸気供給路６へ供給する。過熱水蒸気発生器８による加熱は、水蒸気供給路２２の温度計２２ａで計測される温度および過熱水蒸気供給路６の温度計２４で計測される温度に基づいて、過熱水蒸気供給路６へ供給される水蒸気の温度が、設定温度となるように制御されている。
過熱水蒸気供給路６へ供給された水蒸気は、焼成炉４へ吹込み口５を介して供給される。
吹込み口５から焼成炉４へ流入した水蒸気は、送風機１２によって駆動され、焼成炉４内を循環した後、吹出し口７から水蒸気排出路１０へ排出される。仮焼成工程では、被焼成物３のバインダー成分が熱分解され、熱媒である水蒸気中に有機ガスが混合する。
有機ガスが混合された水蒸気は、焼成炉４から水蒸気排出路１０へ排出される。
水蒸気排出路１０の二方弁４４は、加熱物温度センサ１６および温度計１７で計測される被焼成物３の温度が、規定の温度以下であるときは、ポートＡＢ間を連通し、ポートＢＣ間およびポートＡＣ間を遮断する。炉内温度が規定の温度を超えるときは、ポートＡＣ間を連通し、ポートＢＣ間およびポートＡＢ間を遮断する。規定の温度として、有機物分解温度を設定しておくことで、仮焼成工程では被焼成物３の温度が規定の温度以下に保たれるため、二方弁４４は常にポートＡＢ間を連通する。したがって、水蒸気排出路１０は有機ガスが混合された水蒸気を低温水蒸気発生器２８の熱交換器２９の加熱用水蒸気の受入れ口２９ａへ送出する。
低温水蒸気発生器２８は、水蒸気排出路１０から排出された水蒸気を冷却する。加熱用水蒸気の受入れ口２９ａから供給された水蒸気は、給水路３０から給水される水との熱交換によって冷却される。冷却された低温の水蒸気は、蒸気供給路３２から復水器８０へ送出される。
冷却水供給路８８のスイッチバルブ９２が開かれ、復水器８０へ冷却水が供給される。復水器８０は、蒸気供給路３２から供給される水蒸気を、冷却水との熱交換によって冷却し、液化する。このとき水蒸気に含まれていたバインダーに由来するガスは液化せず、水蒸気は蒸留水と有機ガスに分離される。液化した蒸留水は、蒸留水経路８６へ送出される。また蒸留水から分離された有機ガス等の排ガスは、排ガス排出路８２を介して排出される。排ガスが環境や人体に対して有毒なガスであれば、無害化した後に装置外へ排出される。排ガスが無害なガスであれば、そのまま装置外へ排出される。
蒸留水経路８６の二方弁９８はポートＡＣ間が連通し、ポートＡＢ間およびポートＢＣ間が遮断されており、復水器８０から送出される蒸留水は、水循環路１００を介して再び水槽３４へ貯水される。
水槽３４の水位は水位センサ１０１および水位計１０２で計測されており、貯水量が規定の水位を超えると、二方弁９８はポートＡＢ間を連通し、ポートＡＣ間およびポートＢＣ間を遮断する。このとき蒸留水経路８６を通る蒸留水は、装置外へ排出され、水槽３４へは供給されない。水槽３４の水位が、再び規定の水位を下回ると、二方弁９８はポートＡＣ間を連通し、ポートＡＢ間およびポートＢＣ間を遮断する。このとき蒸留水経路８６を通る蒸留水は、水循環路１００を介して水槽３４へ供給される。
以上の工程が、仮焼成工程の終了まで繰り返される。
図２に示す通り、仮焼成工程によって被焼成物３のバインダーはすべて除去され、仮焼成工程が終了する時点で、被焼成物から有機ガスは発生しなくなる。仮焼成工程で発生した有機ガスは、すべて焼成炉４から水蒸気排出路１０、低温水蒸気発生器２８、蒸気供給路３２、復水器８０および排ガス排出路８２を経て装置外へ排出されている。したがって仮焼成工程が終了する時点で、焼成装置２内を流れている水蒸気に有機ガスは含まれていない。

仮焼成工程が終了し本焼成工程が開始されると、過熱水蒸気発生器８および低温水蒸気発生器２８の設定温度が上昇する。過熱水蒸気発生器８から焼成炉４へ供給される過熱水蒸気の温度が上昇し、加熱物温度センサ１６および温度計測器１７で計測される被焼成物３の温度が上昇する。被焼成物３の温度が規定の温度を超えると、水蒸気排出路１０の二方弁４４は、ポートＡＣ間を連通し、ポートＡＢ間およびポートＢＣ間を遮断する。これによって、水蒸気排出路１０は水蒸気循環路４６と連通され、水蒸気供給路２２と接続される。図２に示すように、本焼成工程では被焼成物３の温度は本焼成温度まで上昇した後保持される。本焼成温度は、前記規定の温度である有機物分解温度より高いため、本焼成工程の終了まで水蒸気排出路１０は水蒸気循環路４６と連通される。
二方弁４４のポート間連通の切り替えに伴い、送水ポンプ３６は給水路３０内の水の駆動を停止する。また低温水蒸気発生器２８はヒータ３１による加熱を停止する。冷却水供給路８８のスイッチバルブ９２が閉じられ、復水器８０への冷却水の供給が停止する。
本焼成工程で焼成炉４へ吹込み口５から流入する過熱水蒸気は、送風機１２によって駆動され、焼成炉４内を循環した後、吹出し口７から水蒸気排出路１０へ排出される。本焼成工程では、被焼成物３から有機ガスは発生せず、熱媒の水蒸気は清浄な状態を保つ。水蒸気排出路１０の二方弁４４はポートＡＣ間が連通し、ポートＡＢ間およびポートＢＣ間が遮断されているから、水蒸気排出路１０へ排出された高温の水蒸気は、水蒸気循環路４６を通り、再び水蒸気供給路２２へ供給される。
水蒸気供給路２２は、水蒸気循環路４６より供給された水蒸気を、過熱水蒸気発生器８へ供給する。
過熱水蒸気発生器８は、水蒸気供給路２２から供給された水蒸気を、設定温度まで加熱し、加熱水蒸気供給路６から焼成炉４へ吹込み口５を介して供給する。
以上の工程を、本焼成工程の終了まで繰り返す。
図２に示す通り、本焼成工程では被焼成物３から有機ガスは発生しない。したがって焼成炉４、水蒸気排出路１０、水蒸気循環路４６、水蒸気供給路２２、過熱水蒸気発生炉８および加熱水蒸気供給路６を循環する水蒸気には、有機ガスは含まれていない。

本焼成工程が終了し冷却工程が開始されると、スイッチバルブ７２が開かれる。また二方弁４４はポートＡＢ間を連通し、ポートＡＣ間およびポートＢＣ間を遮断する。
スイッチバルブ７２が開かれると、パージガス供給路６２から過熱水蒸気供給路６を介して焼成炉４へ窒素ガスが供給される。焼成炉４の吹込み口５から流入する窒素ガスは、送風機１２によって駆動され、焼成炉４内を循環した後、吹出し口７から水蒸気排出路１０へ排出される。焼成炉４内で窒素ガスは炉内ヒータ１４により加熱された後、被焼成物３を冷却する。炉内ヒータ１４による窒素ガスの加熱は、コントローラによって制御されており、加熱物温度センサ１６および温度計測器１７で計測される被焼成物３の表面温度に基づいて、被焼成物３が所望の冷却速度で冷却されるように調整されている。
水蒸気排出路１０の二方弁４４はポートＡＢ間が連通され、ポートＡＣ間およびポートＢＣ間が遮断されているから、窒素ガスは水蒸気排出路１０を介して低温水蒸気発生器２８へ排出される。低温水蒸気発生器２８へ排出された窒素ガスは、排水路３２を介して、冷却器８０へ排出される。冷却器８０へ排出された窒素ガスは、排ガス排出路８２を介して、装置外へ排出される。
冷却工程が終了した時点で、スイッチバルブ７２を閉じ、送風機１２が停止して、焼成装置２は運転を停止する。
前記の冷却工程では、被焼成物３は窒素ガス雰囲気中で冷却され、被焼成物３に低温の水蒸気が触れることはない。従って被焼成物３に結露を生じることはなく、被焼成物３の表面が荒れることはない。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば本明細書の実施例ではセラミックスの焼成装置を例示しているが、セラミックスの焼成に限定されるものではない。被焼成物がその焼成過程において、ガスを発生する状態と、ガスを発生しない状態を示す場合、本発明で具現化された加熱装置を用いることで、加熱物の品質を確保しつつ加熱に係る消費エネルギーを低減することができる。例えば表面に油が付着している金属を加熱によって脱脂するとともに、焼鈍や焼き戻し等の熱処理を実施する加熱炉を実現することができる。この場合脱脂するまでの間は油に起因するガスが発生するが、脱脂後に専ら熱処理のために加熱する状態となるとガスは発生しない。
また、給水路３０から低温水蒸気発生器２８へ供給される水を、水蒸気としてもよい。この場合、低温水蒸気を発生するために、ヒータ３１で必要とされる加熱量を、低減することができる。例えば逆止弁４２と低温水蒸気発生器２８とのあいだに、加熱手段を設けて、水槽３４から供給される水を加熱して水蒸気とし、低温水蒸気発生器２８へ供給してもよい。
また、水蒸気排出路１０の二方弁４４および低温排水排出路８６の二方弁９８のポート間連通の切り替えおよび、パージガス供給路６２のスイッチバルブ７２および冷却水供給路８８のスイッチバルブ９２の開閉の切り替えは、手動での操作としてもよい。
さらに、水蒸気排出路１０の二方弁４４のポート間連通の切り替えは、工程の進捗にあわせ予め定められたタイミングで動作するものとしてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

焼成装置２の構成を示す図。 被焼成物温度と有機ガス濃度の経時的変化を示す図。

符号の説明

２・・・焼成装置
３・・・被焼成物
４・・・焼成炉
５・・・吹込み口
６・・・過熱水蒸気供給路
７・・・吹出し口
８・・・過熱水蒸気発生器
１０・・・水蒸気排出路
１２・・・送風機
１４・・・炉内ヒータ
１６・・・加熱物温度センサ
１７・・・温度計測器
２０・・・炉内ガス分析計
２２・・・水蒸気供給路
２２ａ・・・温度計
２４・・・温度計
２６・・・コントローラ
２８・・・低温水蒸気発生器
２９・・・熱交換器
２９ａ・・・受入れ口
３０・・・給水路
３１・・・ヒータ
３２・・・蒸気供給路
３４・・・水槽
３６・・・送水ポンプ
４０・・・フィルタ
４２・・・逆止弁
４４・・・二方弁
４６・・・水蒸気循環路
６０・・・タンク
６２・・・パージガス供給路
６４・・・手動バルブ
６６・・・圧力開放弁
７２・・・スイッチバルブ
７４・・・逆止弁
８０・・・復水器
８２・・・排ガス排出路
８４・・・冷却水排出路
８６・・・蒸留水経路
８８・・・冷却水供給路
９０・・・手動バルブ
９２・・・スイッチバルブ
９８・・・二方弁
１００・・・水循環路
１０１・・・水位センサ
１０２・・・水位計
１０６・・・蒸留水供給路
１０８・・・手動バルブ
１１０・・・排水路

Claims (6)

1. 過熱水蒸気を熱媒とする加熱装置であり、
   加熱して低温水蒸気を発生させる低温水蒸気発生器と、
   低温水蒸気を加熱して過熱水蒸気にする過熱水蒸気発生器と、
   過熱水蒸気を導入して排出する加熱炉と、
   加熱炉から排出される水蒸気を、低温水蒸気発生器の加熱用気体の導入口に導入する状態と、過熱水蒸気発生器の低温水蒸気の導入口に導入する状態とを切換える装置を有する加熱装置。
2. 前記切換え装置は、加熱物の温度が有機物分解温度以下であるときには低温水蒸気発生器に導入し、加熱物の温度が有機物分解温度以上であるときには過熱水蒸気発生器に導入することを特徴とする請求項１の加熱装置。
3. 低温水蒸気発生器は、加熱炉から排出された水蒸気と水又は水蒸気との間で熱交換する熱交換器を内蔵し、
   熱交換した水蒸気を冷却して水に戻す復水器が付加されていることを特徴とする請求項２の加熱装置。
4. 復水器には、気体を放出する放出口が形成されていることを特徴とする請求項３の加熱装置。
5. 加熱炉の内部に加熱手段を備えることを特徴とする請求項１の加熱装置。
6. 加熱炉に不活性ガスを導入する装置が付加されていることを特徴とする請求項１の加熱装置。

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