JP2011117690A - 流体加熱装置及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投入する熱エネルギの変化を必要とせずに、流体の温度制御を実現すること。
【解決手段】本発明の流体加熱装置は、発熱手段と、前記発熱手段に流体を送出する送出手段と、前記発熱手段を通過した前記流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記発熱手段を通過する前記流体の流量を制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体の温度制御技術に関する。

目的とする温度に流体の温度を制御する場合、一般には、投入する熱エネルギの制御、つまり、流体を加熱するヒータの出力が制御される。例えば、特許文献１には生ごみ等の廃棄物を処理槽内で加熱乾燥する廃棄物処理装置において、処理槽内の空気の温度をヒータのＯＮ・ＯＦＦによるデューティ制御により制御する装置が開示されている。

特開平１１−５７６５８

デューティ制御の場合はヒータをＯＦＦにする時間が発生することになり、ヒータが遊ぶ時間が生じてしまう。また、デューティ制御はＯＮ・ＯＦＦの比率が変化することから、ヒータが消費する電力が経時的に変化し、消費電力を推定しずらい。このため、装置の設計において、性能に余裕があるヒータを選択しなければならず、コスト削減や小スペース化或いは軽量化を妨げる場合がある。

本発明は、投入する熱エネルギの変化を必要とせずに、流体の温度制御を実現することにある。

本発明によれば、発熱手段と、前記発熱手段に流体を送出する送出手段と、前記発熱手段を通過した前記流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記発熱手段を通過する前記流体の流量を制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴とする流体加熱装置が提供される。

また、本発明によれば、廃棄物を減量処理する処理槽を備えた処理装置であって、発熱手段と、前記発熱手段に前記処理槽内の空気を送出する送出手段と、前記発熱手段を通過した前記空気の温度を検出する温度検出手段と、前記発熱手段を通過した前記空気を前記処理槽内に導入する導入手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記発熱手段を通過する前記流体の流量を制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴とする処理装置が提供される。

本発明によれば、投入する熱エネルギの変化を必要とせずに、流体の温度制御を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る処理装置の外観図。 前記処理装置の内部構造の説明図。 （Ａ）は制御部のブロック図、（Ｂ）は流量、ヒータ制御の説明図。 制御部が実行する流量制御処理のフローチャート。 制御部が実行するヒータ制御処理のフローチャート。 （Ａ）は流体加熱装置の他の構成例、（Ｂ）は制御部のブロック図。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る処理装置Ａの外観図、図２は処理装置Ａの内部構造の説明図である。図中、矢印Ｚは鉛直方向（処理装置Ａの高さ方向）を示し、矢印Ｘ及びＹは互いに直交する水平方向（Ｘ方向は処理装置Ａの幅方向、Ｙ方向は処理装置Ａの奥行き方向）を示す。処理装置Ａは生ごみ等の廃棄物を減量処理する廃棄物処理装置である。

＜装置の概要＞
図１に示すように、処理装置Ａの上面には、生ごみを投入する投入口１ａを開閉するドア１が回動自在に設けられている。処理装置Ａの上面にはまた、操作部３が設けられている。操作部３には処理装置Ａの処理開始、停止等をユーザが指示するためのスイッチ等が設けられる。処理装置Ａの正面には、減量処理済の廃棄物を排出するための開口部２、及び、この開口部２を開閉するためのドア２ａが回動自在に設けられている。ドア１、ドア２ａを閉鎖した状態では、処理装置Ａ内の気密性が保たれるようにドア１やドア２ａの周囲には不図示のシール部材が設けられる。

図２を参照して、処理装置Ａは底板４を備え、その下面にはキャスタ５が取り付けられており、処理装置Ａの移動を容易なものとしている。底板４上にはＸ方向に互いに離間した仕切壁６乃至８が立設されている。仕切壁６乃至８は底板４に固定された隔壁である。処理装置Ａ内では、処理対象物として、例えば、生ごみ等の廃棄物を加温処理する。詳細には、廃棄物の前処理となる醗酵処理と、後処理となる乾燥処理とによる廃棄物の減量処理である。

仕切壁６と仕切壁７との間の空間は廃棄物処理槽１０を、仕切壁７と仕切壁８との間の空間は廃棄物処理槽１１を、それぞれ形成し、Ｘ方向に連続して配設されたこれらの処理槽１０及び１１が生ごみを減量処理する処理槽を構成している。本実施形態では処理槽を２槽構成としているが、１槽構成としてもよく、或いは、３槽以上の構成としてもよい。

処理槽１１のＸ方向の側方には、仕切壁８で仕切られた回収室１２が形成されている。回収室１２は減量処理された廃棄物が処理槽１１から導入される。回収室１２は排出口２と連通しており、ドア２ａを開放することで回収室１２から減量処理済の廃棄物を取り出すことができる。

処理装置Ａは、駆動ユニット２０を備える。駆動ユニット２０は、処理槽１０及び１１を横断する駆動軸２１を備える。駆動軸２１はＸ方向に延設され、仕切壁６乃至８にそれぞれ設けた軸受け２２により回転自在に支持されている。駆動ユニット２０は、また、駆動軸２１の一方端部に固定されたスプロケット２３と、モータ２４と、を備える。スプロケット２３と、モータ２４の出力軸に固定したスプロケットとにはベルトが巻きまわされてベルト伝動機構が構成されている。そして、モータ２４の駆動により駆動軸２１が回転するようにしている。

駆動軸２１にはその径方向に延びる攪拌棒２５が複数取り付けられている。駆動軸２１の回転により、攪拌棒２５によって処理槽１１及び１２内の廃棄物が攪拌される。本実施形態では棒状の攪拌棒２５を採用したが、槽内を攪拌可能な形状であればよい。仕切壁７の下部には、処理槽１０と処理槽１１とを連通させる連通孔７１が形成されており、攪拌棒２５による攪拌により、処理槽１０から処理槽１１へ廃棄物が移動可能となっている。

なお、本実施形態では、仕切壁７の下部に連通孔７１を設けて処理槽１０から処理槽１１へ廃棄物を移動可能としたが、仕切壁７の上部に開口部を設けて、仕切壁７を超えて処理槽１０から処理槽１１へ廃棄物がオーバーフローすることにより、廃棄物を移動可能としてもよい。

処理槽１１内の廃棄物は、その堆積量の増加により仕切壁８を超えて回収室１２へ落下し、回収室１２内に堆積する。なお、本実施形態では、仕切壁８を超えて処理槽１１から回収室１２へ廃棄物が移動可能としたが、仕切壁８の下部に連通孔を設けて処理槽１１から回収室１２へ廃棄物がアンダーフローすることにより、廃棄物を移動可能としてもよい。

処理槽１０には、送風機６１が設けられている。送風機６１は処理槽１０内の空気を図２で矢印で示す方向に吸引・送風し、処理槽１０内の空気を循環させる。

＜流体加熱装置＞
処理装置Ａは流体加熱装置３０を備える。流体加熱装置３０は、送風機３１と、筒状のケース３２と、ケース３２内に収容されたヒータ３３と、温度センサ３４と、を備える。ケース３２は、その一方端部に入口部３２ａ、他方端部に出口部３２ｂを備えた気密な中空体である。

送風機３１はダクト３１ｂを介して入口部３２ａに接続されており、仕切壁７を通過するダクト３１ａを介して処理槽１０内の空気を吸引してケース３２内のヒータ３３に空気を送出する。送風機３１は例えば電動ファンであり、本実施形態では空気の送出流量（風量）が可変のものである。ヒータ３３は通電により発熱する発熱体であり、送風機３１から送出される空気を加熱する。本実施形態では、ヒータ３３をケース３２に収容して処理槽１１内に配設したが、処理槽外に配設してもよい。温度センサ３４はヒータ３３を通過した空気の温度を検出する。

ケース３２の出口部３２ｂにはダクト３５が接続されている。ダクト３５は酸化触媒４０と出口部３２ｂとを接続しており、ヒータ３３で加熱された空気の一部は酸化触媒４０に導かれて脱臭される。本実施形態において、ヒータ３３は処理槽１０及び１１内を循環する空気を加熱する役割を有すると共に、装置外へ排出する空気を酸化触媒４０が活性化する温度に加熱する役割も有する。

酸化触媒４０には、ダクト４１ａを介して送風機４１が接続されている。送風機４１は、酸化触媒４０で脱臭された空気を吸引し、ダクト４２及び換気孔４３を介して処理装置Ａの外部へ排気する。処理槽１０及び１１並びに回収室１２は換気孔４３を除いて気密性が維持されるよう構成され、ダクト４２から排気された空気量に相当する外気が換気孔４３から処理装置Ａ内に自然吸気され、処理槽１０及び１１へ進入する。

ダクト３５は、途中で分岐した導入部３５ａを有する。導入部３５ａはヒータ３３で加熱された空気の残りを処理槽１１に戻す。仕切壁７の上部には、処理槽１０と処理槽１１とを連通させる連通孔７２が形成されており、ダクト３５ａから処理槽１１へ導かれた空気は連通孔７２を通って処理槽１０にも流入する。こうして本実施形態では、ヒータ３３で加熱された空気が、処理槽１０、１１を循環するようにしている。

＜減量処理＞
処理装置Ａによる生ごみ等の廃棄物の減量処理について説明する。生ごみの減量処理としては、生ごみを単に脱水させる方式、生ごみを乾燥させる方式、微生物による分解処理（醗酵処理）が知られている。本実施形態の減量処理は、分解処理と乾燥とを組み合わせた減量処理である。

投入口１ａから投入された生ごみは、始めに処理槽１０に入る。処理槽１０内の、水分を多量に含む生ごみＲＤ１は、生ごみＲＤ１に存する微生物或いは予め投入された大鋸屑等の菌床となる基材の働きにより分解される。また、ダクト３５ａから排気される加温された空気が連通孔７２を介して処理槽１０に導入され、処理槽１０内が加温されることで、廃棄物の乾燥が促進される。また、攪拌棒２５による攪拌や送風機６１による空気の循環により、生ごみＲＤ１の均一な分解、乾燥が促進される。

生ごみＲＤ１の醗酵により、処理槽１０内の空気は異臭を伴うが、酸化触媒４０で脱臭されて処理装置Ａの外部に排気され、また、換気孔４３から処理装置Ａ内に外気が自然吸気されるので、その程度は軽減される。

分解処理が進行して減量された処理槽１０内の生ごみＲＤ１は、仕切壁７の下部の連通孔７１を介して処理槽１０から処理槽１１へ移動する。処理槽１１内の生ごみＲＤ２は、主として、ダクト３５ａから排気される加温された空気の吹き付けにより、乾燥される。処理槽１１内に堆積した、乾燥の進んだ生ごみＲＤ２は、攪拌棒２５による攪拌により処理槽１１からオーバーフローして回収室１２に排出される。回収室１２には、こうした減量処理によって生じた、生ごみの残渣ＲＤ３が堆積されることになる。

＜制御部＞
図３（Ａ）は処理装置Ａの制御部１３のブロック図である。制御部１３は、ＣＰＵ１３１、ＲＯＭ１３２、ＲＡＭ１３３及びＩ／Ｆ（インターフェース）１３４を備える。ＣＰＵ１３１は、Ｉ／Ｆ１３４を介して、操作部３の操作状態を取得し、送風機３１、４１、６１、ヒータ３３、モータ２４を制御し、特に、温度センサ３４の検出結果に基づいて送風機３１の風量を制御する。ＲＯＭ１３２にはＣＰＵ１２１が実行する制御プログラムやデータが記憶される。ＲＡＭ１３３には一時的なデータが記憶される。ＲＯＭ１３２、ＲＡＭ１３３は他の種類の記憶手段を採用してもよい。なお、図示しないが、送風機３１についてはその風量を可変にする駆動回路が、ヒータ３３についてはその出力（発熱量）を可変にする駆動回路が、それぞれ設けられる。

＜流量・ヒータ制御＞
ヒータ３３による処理槽１０及び１１内の空気の温度制御に関し、デューティ制御を採用せずに投入する熱エネルギをできるだけ一定としておくこと、つまり、ヒータ３３の出力をできるだけ一定としておくことで、ヒータ３３の遊ぶ時間をなくし、必要な出力性能を持ったヒータ３３を設備することが出来る。特に、生ごみ等の廃棄物の加熱乾燥処理の場合には、ヒータの出力を最大としておけば短時間で処理を終えられる。

本実施形態では、ヒータ３３を原則として出力一定で駆動し、特に出力を最大（定格出力）で駆動する。出力を最大に維持していくことにより、廃棄物に対して与えられる単位時間あたりの熱エネルギを大きくすることができ、特に廃棄物の乾燥の点で、処理の短時間化を図ることができる。

一方、廃棄物処理装置においては、装置外の気温や処理槽内での廃棄物の状態により、処理槽内の空気の温度が変化する。このため、ヒータの制御に代えて、ヒータ３３を通過させる空気の温度を制御する仕組みが必要となる。

処理槽１０及び１１内の空気の温度はヒータ３３を通過させる空気の流量、つまり、送風機３１の風量で制御する。ヒータ３３を通過した空気の温度は、ヒータ３３の出力に比例し、通過する流量に反比例する。よって、処理槽１０及び１１内の空気の温度を下げたい場合は送風機３１の風量を増大し、温度を上げたい場合は送風機３１の風量を減少させる。これにより、投入する熱エネルギの変化を必要とせずに、流体（空気）の温度制御を実現することができる。なお、本実施形態の場合、送風機３１の風量増大では温度が下がらない場合はヒータ３３の出力を減少させる。

図３（Ｂ）は本実施形態における流量・ヒータ制御の説明図である。温度Ｔ１〜Ｔ２の範囲が、処理槽１０及び１１内の空気の温度について、制御の目的とする温度範囲（規定温度範囲）である。この規定温度範囲は、微生物が活動可能である共に廃棄物の乾燥が促進される温度範囲が好ましい。

送風機３１の風量制御は、処理槽１０及び１１内の空気の温度、つまり、温度センサ３４の検出温度が規定温度範囲に収まるように行い、規定温度範囲を下回った場合は風量を減少し、規定温度範囲を上回った場合は風量を増大させる。

温度Ｔ３は規定温度範囲の最高温度Ｔ２よりも高い閾値温度であり、温度Ｔ３まではヒータ３３の出力を一定として送風機３１の風量により温度制御を行うが、温度Ｔ３に達した場合はヒータ３３の出力を変更（減少）して、規定温度範囲に空気の温度を維持するようにする。

温度Ｔ４は処理の終了を判断するための温度である。温度Ｔ４に至った場合は廃棄物が乾燥したものとして、処理を終了する。

＜制御例＞
図４は制御部１３のＣＰＵ１３１が実行する流量制御処理のフローチャートを示し、送風機３１の風量制御内容を示す。また、図５は制御部１３のＣＰＵ１３１が実行するヒータ制御処理のフローチャートを示し、ヒータ３３の制御内容を示す。処理装置Ａのユーザは、廃棄物を装置内に投入後、操作部３から処理の開始を指示する。ＣＰＵ１３１は該指示を契機としてこれらの処理を含む処理を実行する。

まず、図４を参照して流量制御について説明する。Ｓ１では初期処理を行う。ここでは、送風機３１を予め定めた初期風量で駆動する。Ｓ２では規定時間が経過かしたか否かを判定し、規定時間を経過した場合はＳ３へ進む。規定時間は処理槽１０及び１１内が始動から安定した状態（例えば槽内温度が醗酵分解処理に適した温度に達した状態）に移行するのに必要な時間が設定される。

Ｓ３では温度センサ３４の検出結果を取得して、その検出温度が温度Ｔ１未満か否かを判定する。温度Ｔ１未満の場合はＳ４へ進み、温度Ｔ１以上の場合はＳ５へ進む。Ｓ４では送風機３１の風量を１制御単位だけ減少させ、Ｓ３へ戻る。風量を減少することで、処理槽１０及び１１内の空気温度を高められる。

Ｓ５では温度センサ３４の検出結果を取得して、その検出温度が温度Ｔ２以上か否かを判定する。温度Ｔ２以上の場合はＳ６へ進み、温度Ｔ２未満の場合はＳ３へ戻る。Ｓ６では送風機３１の風量を１制御単位だけ増大させ、Ｓ７へ進む。風量を増大することで、処理槽１０及び１１内の空気温度を下げられる。

Ｓ７では温度センサ３４の検出結果を取得して、その検出温度が温度Ｔ４以上か否かを判定する。温度Ｔ４以上の場合はＳ８へ進み、温度Ｔ４未満の場合はＳ３へ戻る。Ｓ８では、廃棄物の乾燥が終了したとして送風機３１を停止させる。以上により一単位の処理が終了する。

次に、図５を参照してヒータ制御について説明する。Ｓ１１では初期処理を行う。ここでは、本実施形態の場合、ヒータ３３を最大（定格出力）で駆動する。Ｓ１２では温度センサ３４の検出結果を取得して、その検出温度が温度Ｔ３以上か否かを判定する。温度Ｔ３以上の場合はＳ１３へ進み、温度Ｔ３未満の場合はＳ１４へ進む。Ｓ１３では、ヒータ３３の出力を減少してＳ１５へ進む。出力の減少は、一回の処理で１制御単位ずつ減少させるようにしてもよいし、一律に予め定めた出力（例えば５０％）にしてもよい。Ｓ１４では、ヒータ３３の出力を最大（定格出力）にし、Ｓ１５へ進む。Ｓ１３で出力を減少したことで、検出温度が温度Ｔ３未満に下がった場合に、最大（定格出力）に戻す処理である。

Ｓ１５では温度センサ３４の検出結果を取得して、その検出温度が温度Ｔ４以上か否かを判定する。温度Ｔ４以上の場合はＳ１６へ進み、温度Ｔ４未満の場合はＳ１２へ戻る。Ｓ１６では、廃棄物の乾燥が終了したとしてヒータ３３を停止させる。以上により一単位の処理が終了する。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、ヒータ３３を通過させる空気の流量を、風量可変の送風機３１で変化させたが、風量固定の送風機と流量制御弁との組み合わせで流量を制御してもよい。図６（Ａ）は流体加熱装置３０の他の構成例を示す図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の構成例を採用した場合の制御部１３のブロック図である。

上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明すると、図６（Ａ）の流体加熱装置３０は、送風機３１'が風量固定である一方、ヒータ３３の下流側にはヒータ３３を通過する空気の流量を調整する流量制御弁（電磁弁）３６が設けられている。流量制御弁３６はヒータ３３の上流側に設けてもよい。

図６（Ｂ）に示すように流量制御弁３６はＣＰＵ１３１により制御され、その開弁量が制御される。しかして、図４に示した流量制御において、送風機３１の風量を変化させる制御に代えて、流量を減少する場合は流量制御弁３６の開弁量を減少し、流量を増大する場合は流量制御弁３６の開弁量を増大すればよい。

＜第３実施形態＞
上記第１及び第２実施形態では、流体加熱装置３０を廃棄物処理装置の槽内空気の加熱に適用した例を説明したが、本発明の流体加熱装置は他の用途にも適用可能である。その際、加熱対象とする流体の種類に応じて、送風機に代えてポンプ等の送出装置が適宜採用されることは言うまでもない。

また、上述した各実施形態においては、処理対象物として生ごみ等の廃棄物を処理する廃棄物処理装置を例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、加熱処理装置、攪拌処理装置、混合処理装置、減溶処理装置等に適用可能である。

Claims (7)

1. 発熱手段と、
   前記発熱手段に流体を送出する送出手段と、
   前記発熱手段を通過した前記流体の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記発熱手段を通過する前記流体の流量を制御する流量制御手段と、
   を備えたことを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記発熱手段は、その出力が一定で駆動され、
   前記流量制御手段は、前記温度検出手段の検出結果が規定温度範囲内に収まるように前記流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 前記発熱手段は、その定格出力で駆動されることを特徴とする請求項２に記載の流体加熱装置。
4. 前記送出手段は送出流量が可変であり、
   前記流量制御手段は、前記送出手段を制御して前記流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
5. 前記送出手段は送出流量が固定であり、
   前記流量制御手段は、
   前記発熱手段を通過する前記流体の流量を調整する流量制御弁と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記流量制御弁を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
6. 前記発熱手段の出力制御を行う発熱制御手段を備え、
   前記発熱制御手段は、
   前記温度検出手段の検出結果が前記規定温度範囲の最高温度よりも高い閾値温度以下の場合は前記発熱手段を一定の出力で駆動し、前記閾値温度を超えた場合は前記発熱手段の出力を変更することを特徴とする請求項２に記載の流体加熱装置。
7. 廃棄物を減量処理する処理槽を備えた処理装置であって、
   発熱手段と、
   前記発熱手段に前記処理槽内の空気を送出する送出手段と、
   前記発熱手段を通過した前記空気の温度を検出する温度検出手段と、
   前記発熱手段を通過した前記空気を前記処理槽内に導入する導入手段と、
   前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記発熱手段を通過する前記流体の流量を制御する流量制御手段と、
   を備えたことを特徴とする処理装置。

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