JP2007101123A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱対象物の温度分布のバラツキを低減することを目的とする。
【解決手段】燃焼室と該燃焼室に燃料と燃焼用酸化剤とを予混合した燃料ガスを供給すると共に前記燃焼室に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成された燃料ガス供給流路と燃焼ガスを燃焼室から外部に排出する燃焼ガス排出流路とを備えた小型燃焼加熱器を、加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置してなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱装置に関する。

一般的に、燃焼式加熱装置では、燃料を燃焼させることによって生じる熱の輻射や対流を利用して加熱対象物の加熱処理が行われる。このような燃焼式加熱装置は、高い温度制御性が要求されない被加熱物を加熱処理する場合や、高温度で加熱処理する場合、サイズの大きな加熱対象物を加熱処理する場合等に適している（例えば、下記非特許文献１参照）。
ボイラ技師教本[新版]、（社）日本ボイラ協会、昭和４４年

しかしながら、従来の燃焼式加熱装置では、加熱対象物の温度分布にバラツキが生じてしまうという問題がある。この原因としては、燃焼式加熱装置では熱源の温度制御が困難であること、加熱対象物が火炎に直接さらされないようにするため熱源から加熱対象物までの距離を遠くせざるを得ないこと、小さな空間に熱源の高温領域が集中するため加熱対象物の部位に応じて加熱温度にバラツキがあることが挙げられる。加熱処理後における加熱対象物の品質確保の観点からも、このような温度分布のバラツキを極力抑えることが強く望まれている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、加熱対象物の温度分布のバラツキを低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、燃焼室と該燃焼室に燃料と燃焼用酸化剤とを予混合した燃料ガスを供給すると共に前記燃焼室に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成された燃料ガス供給流路と燃焼ガスを燃焼室から外部に排出する燃焼ガス排出流路とを備えた小型燃焼加熱器を、加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置してなることを特徴とする。

また、本発明では、第２の解決手段として、燃焼室と該燃焼室に連通し燃料を供給する燃料供給路と前記燃焼室に燃焼用酸化剤を供給すると共に前記燃焼室に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成された燃焼用酸化剤供給流路と燃焼ガスを燃焼室から外部に排出する燃焼ガス排出流路とを備えた小型燃焼加熱器を、加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置してなることを特徴とする。

また、本発明では、第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記加熱対象物の部位に応じて、前記小型燃焼加熱器の発熱温度を異なる温度とすることを特徴とする。

本発明によれば、小型燃焼加熱器を加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置して上記加熱対象物を加熱するため、加熱対象物の部位に応じて加熱温度のバラツキがなくなり、結果として加熱対象物の温度分布のバラツキを低減することが可能である。また、上記小型燃焼加熱器は個別に温度制御が可能であるため、加熱対象物の部位に応じて任意に加熱温度を変えることができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る加熱装置の構成概略図である。この図に示すように本加熱装置は、小型燃焼加熱器Ｍ及び温度制御器Ｃから構成されており、立方形状の加熱対象物Ｘを加熱するものである。

図２に小型燃焼加熱器Ｍの外観図、図３に平断面図を示す。これらの図に示すように小型燃焼加熱器Ｍは、直径が数ｃｍ程度の円柱形をなし、燃焼室１と、該燃焼室１に燃料と空気（燃焼用酸化剤）とを予混合した燃料ガスｇ１を供給すると共に、燃焼室１に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成され且つ燃焼室１を中心に渦巻き状に形成された燃料ガス供給流路２と、燃焼ガスｇ２を燃焼室１から外部に排出すると共に燃焼室１を中心に渦巻き状に形成された燃焼ガス排出流路３と、燃焼室１における燃料ガスｇ１の燃焼によって発生する熱を外部に放射する発熱面４とを備えている。

上記代表寸法は、燃焼室１に臨む部位の形状、つまり流路断面形状によって変化するが、例えば、流路断面形状が円形状である場合、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合、代表寸法とは断面の水力相当直径を指す。本実施形態では、下記式（１）で表される水力相当直径を代表寸法とする。
水力相当直径Ｄ＝４×流路断面積／ぬれ縁周辺長・・・式（１）
また、流路断面形状が円形状である場合は、燃焼室１に臨む部位の代表寸法は円形断面の直径を消炎距離以下とし、流路断面形状が円形状以外である場合は、燃焼室１に臨む部位の代表寸法は水力相当直径を消炎等価距離以下とする。なお、代表寸法を採る部位は、未燃焼ガスの流路（本実施形態では燃料ガス供給流路２）の内、本燃焼現象を支配する部位とする。

このような小型燃焼加熱器Ｍによると、燃焼ガスｇ２の熱を用いて燃料ガスｇ１を予熱して燃焼安定性を高めることにより、高い燃焼効率及び小型化を実現可能であり、（ａ）電気ヒータのような一次エネルギから電気エネルギへの変換過程がないため省エネルギ、（ｂ）高い温度制御性、（ｃ）ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量が少ない、（ｄ）密閉構造のため安全性が高い、等の利点がある。なお、この小型燃焼加熱器Ｍは、例えば特開２００４−２００８３号公報や特開２００５−７６９７３号公報、特開２００５−７６９７４号公報に開示されており、公知のものであるため詳細な説明については省略する。

また、小型燃焼加熱器Ｍの燃焼方式には、燃料と空気との予混合ガスを燃料ガスｇ１として供給する予混合燃焼方式（特開２００４−２００８３号公報及び特開２００５−７６９７３号公報参照）と、燃料と空気とを別々に燃焼室１に導入し、燃料と空気とを拡散によって混合し燃焼させる拡散燃焼方式（特開２００５−７６９７４号公報参照）とがあり、本実施形態では予混合燃焼方式の小型燃焼加熱器Ｍを用いて説明する。なお、予混合燃焼方式に代えて拡散燃焼方式を採用した小型燃焼加熱器Ｍを用いてももちろん良い。この拡散燃焼方式を採用した場合、燃焼室１に連通して燃料を供給する燃料供給路を別途設け、燃料ガス供給流路２には空気のみを供給する構成となる（つまり燃料ガス供給流路２は燃焼用酸化剤供給流路としての役割を担う）。

さて、本加熱装置において、このような小型燃焼加熱器Ｍが、図１に示すように、加熱対象物Ｘの各面に発熱面４を向け、且つ各面から所定の距離だけ離れた位置に各々配置されている。なお、図１においては、各面に小型燃焼加熱器Ｍを４つずつ配置しているが、これに限定されず、加熱対象物Ｘの大きさに応じて、加熱対象物Ｘ表面の温度分布のバラツキが最小限となるように適宜変更しても良い。

また、温度制御器Ｃは、各小型燃焼加熱器Ｍの燃料ガス供給流路２に燃料と空気との予混合ガスである燃料ガスｇ１を供給すると共に、当該燃料ガスｇ１の供給量を制御することで各小型燃焼加熱器Ｍの発熱温度を制御する。なお、燃焼後の燃焼ガスｇ２は、各小型燃焼加熱器Ｍの燃焼ガス排出流路３から図示しない配管を介して温度制御器Ｃに送られ、排ガス処理をされた後、外部に排出される。

加熱対象物Ｘの各面の表面には、当該各面の表面温度を測定する温度センサ（図示せず）が配置されており、当該温度センサによる温度測定結果に基づいて各面の表面温度が所定の目標値となるように、温度制御器Ｃによって各小型燃焼加熱器Ｍの発熱温度を制御している。
このような構成の本加熱装置によれば、加熱対象物Ｘの各面の表面温度が同一となるように各小型燃焼加熱器Ｍを制御することで、加熱対象物Ｘ全体の温度分布のバラツキを最小限に抑えることが可能である。また、加熱対象物Ｘの各面毎に目標温度を変えることで、任意に温度分布を変えることも可能である。

なお、本加熱装置は、図１のような構成に限らず、加熱対象物Ｘの形状に応じて変更可能である。例えば、図４に加熱対象物Ｘが板状の外形を有する場合の小型燃焼加熱器Ｍの配置例を示す。なお、図４では、温度制御器Ｃの図示を省略している。
この図４に示すように、加熱対象物Ｘが板状の外形を有する場合、複数（図では８つ）の小型燃焼加熱器Ｍが、加熱対象物Ｘの上面に発熱面４を向け、且つ上面から所定の距離だけ離れた位置に各々配置されている。また、加熱対象物Ｘの下面に対しても上面と同様に小型燃焼加熱器Ｍが配置されている。なお、このように板状の外形を有する加熱対象物Ｘを加熱する場合、小型燃焼加熱器Ｍは２次元的な配置となる。

また、図５に加熱対象物Ｘが球状の外形を有する場合の小型燃焼加熱器Ｍの配置例を示す。なお、図５では、温度制御器Ｃの図示を省略している。
この図５に示すように、加熱対象物Ｘが球状の外形を有する場合、複数の小型燃焼加熱器Ｍが、加熱対象物Ｘの表面に発熱面４を向け、且つ表面から所定の距離だけ離れた位置に各々配置されている。これらの図のように、小型燃焼加熱器Ｍは、非常に小型であるため、様々な形状の加熱対象物Ｘに対応することが可能である。

さらに、小型燃焼加熱器Ｍは、図２に示すように密閉構造であるため、液体や気体の加熱対象物Ｘを加熱する場合にも適用することができる。この場合、図６に示すように、小型燃焼加熱器Ｍを液体または気体の加熱対象物Ｘの内部に複数配置することで、均一な温度で加熱することが可能である。この場合、加熱面４を小型燃焼加熱器Ｍの一方の面だけでなく、他方の面にも設けても良い。

そして、より具体的には、本加熱装置は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等のフラットパネルディスプレイの製造ラインや半導体チップの製造ラインにおける基板の熱処理工程に適用可能である。これらフラットパネルディスプレイや半導体チップの製造においては、品質確保のために基板全体の温度分布が均一となるように熱処理を行うことが要求されるため、本加熱装置は特に有効である。また、本加熱装置は、上記のような工業用途だけでなく、調理用器具、例えばオーブンやガス（もしくは電気）コンロ等の専ら食材を加熱する器具の代替品として適用可能である。本加熱装置は、従来のガスコンロ等のように直火で加熱する調理用器具と異なり、直火を出さずに発熱面４からの熱によって加熱を行うため、安全性の観点から有利であり、また、電気を使用するオーブンやコンロに比べて省エネルギである。さらに、小型燃焼加熱器Ｍは非常に小型であるため、調理鍋等の内側に設置することで、当該調理鍋に入れた食材の加熱から保温までを行うことも可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、小型燃焼加熱器Ｍとして円柱形状のものを使用したが、これに限らず、小型燃焼加熱器Ｍの外形は加熱対象物Ｘの形状に応じて変更しても良い。また、小型燃焼加熱器Ｍの燃料ガス供給流路２と燃焼ガス排出流路３とは、燃焼室１を中心に渦巻き状に形成された構造（いわゆるスイスロール型構造）としたが、これに限定されず、燃焼室１に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であるか、または逆火しない条件とするために絞りを設けてあり、また、燃料ガス供給流路２と燃焼ガス排出流路３とが対向するように設けられ、燃焼ガスｇ２の熱を用いて燃料ガスｇ１を予熱するような構成であることの２つの条件を満たすことができれば、他の構造を使用しても良い。
例えば、燃焼室を燃焼器本体の外周側に配置し、伝熱壁を挟んで形成された未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路を燃焼器本体に放射状に設け、未燃焼ガスは未燃焼ガス流路を燃焼器本体の中央部から燃焼室に向かって流れ、燃焼ガスは燃焼ガス流路を燃焼室から燃焼器本体の中央部に向かって流れるようにしてもよい。

（２）また、上記実施形態では燃料と燃焼用酸化剤を予め混合する「予混合燃焼方式」を例にして説明したが、燃焼室にて両者が混合して拡散燃焼を行う「拡散燃焼方式」の小型燃焼加熱器を用いても良い。

本発明の一実施形態における加熱装置の構成概略図である。 本発明の一実施形態における小型燃焼加熱器Ｍの外観図である。 本発明の一実施形態における小型燃焼加熱器Ｍの平断面図である。 本発明の一実施形態における小型燃焼加熱器Ｍの第１の配置例である。 本発明の一実施形態における小型燃焼加熱器Ｍの第２の配置例である。 本発明の一実施形態における小型燃焼加熱器Ｍの第３の配置例である。

符号の説明

Ｍ…小型燃焼加熱器、１…燃焼室、２…燃料ガス供給流路、３…燃焼ガス排出流路、４…発熱面、Ｃ…温度制御器、Ｘ…加熱対象物、ｇ１…燃料ガス、ｇ２…燃焼ガス

Claims (3)

1. 燃焼室と該燃焼室に燃料と燃焼用酸化剤とを予混合した燃料ガスを供給すると共に前記燃焼室に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成された燃料ガス供給流路と燃焼ガスを燃焼室から外部に排出する燃焼ガス排出流路とを備えた小型燃焼加熱器を、加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置してなることを特徴とする加熱装置。
2. 燃焼室と該燃焼室に連通し燃料を供給する燃料供給路と前記燃焼室に燃焼用酸化剤を供給すると共に前記燃焼室に臨む部位の代表寸法が消炎距離以下であることを満足するように形成された燃焼用酸化剤供給流路と燃焼ガスを燃焼室から外部に排出する燃焼ガス排出流路とを備えた小型燃焼加熱器を、加熱対象物の形状に応じて２次元状あるいは３次元状に複数配置してなることを特徴とする加熱装置。
3. 前記加熱対象物の部位に応じて、前記小型燃焼加熱器の発熱温度を異なる温度とすることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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