JP2014059080A - 流体熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に大流量のガスや液体を加熱する小型の流体加熱装置がなかった。
【解決手段】板側面に流体の溝流路を形成し、狭めた流路を通過した流体が垂直に側面の壁に衝突して熱交換をする構造を直列に接続した。小さな空間で熱交換を瞬時に行い、かつその機構製造が容易である。流路を構成する材料は金属でもセラミクスでもよく、安価で小型の流体熱伝達装置を製造できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体、特にガスを瞬時に加熱する装置に関するものである。

ガスを加熱する装置がある。一般には加熱したパイプにガスを通じて加熱する。または、フィンのついたパイプに加熱した流体を流し、そのフィンの間を通じてガスを加熱する。

ガスを加熱するのと反対のガスを冷却する装置も同様機構である。

従来例を図１と図２に示した。

図１は衝突噴流伝熱方式という加熱機構を実現した一例の特許（再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６）の図を模式的に転写したものである。パイプを通過したガスが加熱した円板にあたり熱交換する。

図２は板状の形状をした加熱ガスを発生させる装置の特許の図（特願２００８−１６２３３２「膜形成方法および膜形成装置」の図５）を転写したものである。

ガスを瞬時に加熱して高温ガスを噴き出す装置の応用には、暖房や乾燥だけでなく、基板の上に塗布したさまざまの材料（金属や誘電体など）を加熱して焼成する工程がある。これらの発明は水などの液体の加熱にも有効である。加熱を例に述べるが、同技術は冷却にも応用できるので、本発明の名称は総合的に流体熱伝達装置とした。

本発明はガスを瞬時に加熱して高温ガスを噴き出す装置に関する。

再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６ 特願２００８−１６２３３２号公報

ガスを加熱する装置をできるだけ小型にしたい。また製造方法を簡単にしたい。

加熱温度範囲も室温から１０００℃またはそれ以上の温度を実現したい。加工が簡単になれば製造コストも安価にできる。安価になるとガス加熱装置の応用産業が広がる。

課題を解決する本発明の基本機構を図３に示す。図３はプレートと密閉板で熱伝達させる基本機構の模式図である。プレートは高速ガスを作り出し、それを密閉板に衝突させることを連続して起こさせる構造物である。プレート３００上面にはタブＧ１１，Ｇ２１が、下面にはタブＧ１２，Ｇ２２が作られている。当該タブは密閉板３０３、３０５でプレートの上と下に流路の一部として密閉されてある。タブ１２はタブＧ１１，Ｇ２１をまたぐ平面配置で連結孔Ｈ１２，Ｈ２１で連結されている。タブ２１はタブＧ１２、Ｇ２２をまたぐ平面配置で連結孔Ｈ２１，Ｈ２２で連結されている。

タブ配列の右端のタブＧ１１には流体導入口３０１がある。タブ配列の左端のタブＧ２２には流体出口３０７が連結されてある。流体導入口から導入される導入流体３０２は密閉された上記タブと連結孔Ｇ１１，Ｈ１２，Ｇ１２，Ｈ２１，Ｇ２１，Ｈ２２，Ｇ２２を経由して流体出口３０７より放出流体３０８として放出される。密閉板３０３，３０５にはヒーター３０４、３０５が備えられ加熱されている。ヒーターは何本でも望む投入電力に応じて自由に備えられる。

細い連結孔Ｈ１２を通過した流体は速度を増して垂直に密閉板３０５に高速で衝突する。垂直高速流体と密閉板の間に作られる停滞層は薄いので瞬時に密閉板の熱が流体に熱伝達される。同じことが連結孔Ｈ２１，Ｈ２２で起きる。このように垂直高速衝突を繰り返すと、ヒーターで加熱された密閉板の熱は高い効率で流体に伝えられる。結果として放出流体の温度は密閉板の温度に近い温度になる。

このようにして、図３に示した流体熱伝達装置は瞬時に加熱された流体を作り出す。当該装置は密閉板を冷却すると、瞬時に冷却流体を作る装置となる。当該装置の機構材料は流体の性質や所望の温度に応じて、金属からセラミクスまで利用できる。当該装置の材料の性質に応じて、ガスや液体のさまざまの流体を加熱冷却できる。流体出口や流体入口の数や形状は自由に設計できる。従って、加熱されたガスの幅広いビームも作り出せる。

本発明は、請求項1に記載のように、プレートの表裏の両側面にプレートの長手方向にタブを複数段並べて設けてあり、表のタブと裏のタブは互いに片側のひとつのタブが反対側の連接する二つタブと重なる位置関係にあり、重なる部分には両面タブを連結する孔が設けられてあり、両面のタブはプレートの両面に備えた密閉板２枚で密閉されてあり、当該プレートの一方の端のタブに流体を導入する導入口が備えてあり、他方の端のタブから当該導入流体を噴き出す吹き出し口が備えてあり、当該密閉板の温度を当該流体に伝達することを特徴とする流体熱伝達装置である。

請求項２に係る発明は前記流体がガスまたは液体であることを特徴とする請求項１記載の流体熱伝達装置である。

請求項３に係る発明は、前記ガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは当該ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項２記載の熱伝達装置である。

請求項４に係る発明は前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項２、３記載の熱伝達装置である。

請求項５に係る発明は前記液体が水であることを特徴とする請求項２記載の加熱装置である。

請求項６に係る発明は前記密閉板と前記プレートが金属、または異種金属を被覆した金属であることを特徴とする請求項１〜５記載の熱伝達装置である。

請求項７に係る発明は前記密閉板と前記プレートが石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであることを特徴とする請求項１〜６記載の熱伝達装置である。

請求項８に係る発明はヒーターを挿入または密着させて前記板を加熱する、または前記プレートを加熱することを特徴とする請求項１〜７記載の熱伝達装置である。

請求項９に係る発明は前記密着板または前記プレートを冷却することを特徴とする請求項１〜８記載の熱伝達装置である。

請求項１０に係る発明は前記伝達装置を流れと直角方向に拡張して、または並列接続して、流体の導入口と出口を複数設ける、または流体出口形状をスリット状に長くすること特徴とする請求項１〜９記載の熱伝達装置である。

請求項１１に係る発明は３枚の前記密閉板で２枚の前記プレートをサンドイッチにし、中心の密閉板の熱をそれを挟む当該プレートを介して流体に熱を伝えること特徴とする請求項１〜１０記載の熱伝達装置である。

請求項１に係る発明によれば、簡単なプレート機構と密閉板により形成される流路を通る流体が密閉板と高速で衝突して効率よく熱交換ができる。必要なプレート機構の加工はプレートのタブ切削加工と表裏のタブを連結する孔（以後、連結孔という）のドリル加工だけでよい。密閉板とプレートは溶接して完全に密閉することも、ネジで固定することも可能である。

適切な直径のドリルで開けた細い連結孔を流体が流れるとき、流体の流速が増す。この高速の流体が前記密閉板の壁に勢いよく衝突して加熱した当該密閉板と瞬時に熱交換する。この衝突を連続して起こさせる機構はプレートの機構である。

連結孔は複数あるので、流体の熱抵抗にならない。またタブは１ｍｍ〜２ｍｍ程度の浅いタブであるので、密閉板と早い相対速度の流体となり、当該密閉板との間にできる淀み層は薄くなり、この薄さが熱伝達の効率を増大させる。

前記プレートは１〜２ｍｍ深さのタブをエンドミルで作る加工とタブをつなぐ連結孔をドリルで開ける加工だけで流路の加工が終わる。流体の入り口と出口もドリル加工だけである。この機構の製作工数は少なく簡単である。

請求項２から５に係る発明によれば、流体としてガスと液体が扱える。酸素を選ぶと加熱した酸素を瞬時に作り出せる。水素を選ぶと強力な高温還元ガスを瞬時に作り出せる。これらの高温ガスを機材に吹き付けることにより、基材自体を加熱しないでも表面を加熱ガスで処理可能である。

流体として水を用いると高温のスチームを瞬時に作り出せる。本加熱装置は小型に製作できるので、本スチームを照射したい基材に近づけて照射可能である。

加熱した高温スチームは基材の薬品を使わない洗浄に有効であるので、本加熱装置は洗浄装置の部品として応用できる。

請求項６，７に係る発明によれば、本加熱装置を金属やセラミクスで製作可能である。前記密閉板と前記プレートを金属で作製し、接続部分を溶接すると、密閉機構が可能で、外部環境と遮断した加熱装置が製作可能である。

セラミクスなど酸化されない材料を用いると酸化性のガスや腐食性のある流体も瞬時に加熱可能である。また、金属汚染を嫌う用途に用いることが可能である。

請求項８、９に係る発明によれば、前記密閉板に流体の流れ方向の孔をあけて、ここにヒーターを入れるだけで密閉板の加熱が可能である。本機構は簡単であり、ヒーターの本数を任意に設計できるので、伝達可能な電力を簡単に設定できる。これらを断熱材で囲めば、断熱材の外に放出する熱を低く制御できるので、熱の利用効率が高くなる。

前記密閉板を冷却すれば、導入流体を冷却することも可能である。冷却は通常の冷蔵庫に用いる冷媒を用いても、ペルチエ効果を用いた冷却板が市販されているので、それを用いてもよい。

請求項１０と１１に係る発明によれば、前記装置を流れと直角方向に拡張して、幅の長い流体のビームをつくることが可能である。幅の長い加熱ガスビームは１ｍ級以上の大型の金属薄板や、大型のガラスや樹脂シートの表面を加熱するのに利用できる。

図1は、従来のガス加熱装置の一例（再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６）の模式図。 図２は、従来のガス加熱装置の一例（特願２００９−１４４８０７、ガス加熱装置の図５）の模式図。 図３は、プレートと密閉板で熱伝達させる基本機構の模式図。 図４は、プレート部品を密閉板で挟んで流路を形成させた流体熱伝達機構の斜視図。 図５は、流体熱伝達機構部を収納したケース全体を表す流体熱伝達装置の断面模式図。 図６は、流体導入口と流体出口の変形様態を表す流体熱伝達装置の斜視図。 図７は、２枚の熱伝達プレートを備えた流体熱伝達装置の断面模式図。

図４にプレート部品を密閉板で挟んで流路を形成させた流体熱伝達機構４００の斜視図を示す。密閉板４０３、４０４にはヒーター４０５、４０６、４０７、４０８が備えてある。

プレート４１０と密閉板４０３，４０４はステンレス鋼であり、規格ＳＵＳ３１６Ｌを用いた。プレート両面を加工してタブＧ１１，Ｇ１２，Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ４１、Ｇ４２、Ｇ５１、Ｇ５２、Ｇ６１を２ｍｍのスペースで作製した。タブ深さは１ｍｍ、面積は４ｍｍＸ３０ｍｍである。

タブを連結する連結孔Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ３１，Ｈ３２，Ｈ４１，Ｈ４２，Ｈ５１，Ｈ５２，Ｈ６１をタブ当たり５個ドリルであけた。連結孔は２ｍｍ直径で長さは３ｍｍである。

流体導入口４０１、流体出口４０２とタブをつなぐ連結孔Ｈ１１，Ｈ６２はドリルであけた。流体導入口を溶接したあと洗浄して、密閉板４０３、４０４とプレート４００を周辺で溶接した。これで流体の流路ができあがった。

密閉板４０３、４０４にはヒーター４０５、４０６，４０７，４０８が挿入されてある。ヒーターが分かるように密閉板からとびださせて描いてある。ヒーターは実際には内部にあってもよい。ヒーターは密閉版の中央にあってもよい。４本の例を示したがヒーター本数は１本でもよく設計は自由である。

図５は、流体熱伝達機構４００を収納したケース全体を表す流体熱伝達装置５００の断面模式図である。

流体熱伝達機構４００はヒーター給電線５０５から給電されたヒーター５０３で加熱される。ヒーター５０３はシリコンカーバイド製であり、１０００℃の加熱が可能である。

流体熱伝達装置５００は、この場合流体熱伝達機構４００を断熱ケース５０１と外ケース５０２に入れたものである。流体熱伝達機構４００は断熱材５０４を収納した断熱ケース５０１で断熱される。

断熱ケース５０１の外にステンレス製の外ケース５０２があり、その端はフランジ５０６に接続されてある。

流体熱伝達機構４００の流体出口温度は図示しない熱電対で測定され、その温度に維持されるように電力が制御される。５００℃の加熱された窒素を作り出すためにこの温度を５００℃とした。

流体導入口４０１から窒素ガスを１００ＳＬＭ供給する。窒素ガスは、流体熱伝達機構４００の中で瞬時に加熱される。

５００℃に加熱された窒素は流体出口４０２から外に出る。

加熱温度を３００℃に設定すると３００℃の窒素が得られる。

以上、窒素ガスを加熱する実施例を述べた。本加熱機構は窒素ガス以外のガスを用いることは自由である。

アルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガス、あるいはＦなど７属の元素を含むガスも、用いることが可能である。また当該ガスの複数を組み合わせたガスであってもよい。

また前記ガスは水または空気を含むガスであってもよい。

ガスのほかの流体でも用いることは自由である。例えば流体が水であると、高温のスチームを作り出すことが可能である。

以上の実施例では部品をＳＵＳ３１６Ｌで作製した。使用する温度範囲や流体の性質に応じて好適な材料を選ぶことは自由である。部品を構成する材料はステンレスやアルミニュームなどの金属のほか、異種金属を被覆した金属であってもよい。

また、金属汚染を特に嫌う応用では前記部品が石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであってもよい。

図６にプレート４００の変形例プレート６１０を示す。流体導入口６０１、６０２が備えられてある。それぞれの導入口から導入流体Ｆ１１，Ｆ１２が図示しない流量制御装置で流量が制御されて導入される。Ｆ１１，Ｆ１２は同じ流体でも、異なる流体でもよい。タブＧ１１，Ｇ２１，Ｇ３１，Ｇ４１，Ｇ５１，Ｇ６１のうちＧ１１に連結孔Ｈ６１１，Ｈ６１２がある。連結孔Ｈ１１，１２は別のタブにあってもよい。

タブＧ６１に連結する連結孔Ｈ６２１は熱伝達されて放出される放出流体Ｆ２の出口である流体出口６０３に連結している。流体出口６０３は長さＬ，幅Ｗのスリット状の形状である。

流体出口６０３と密閉板４０３をプレートの間に長さＬ，隙間Ｗのギャップを作れば（図示してない）、連結孔Ｈ６２１の加工無しで、当該ギャップが流体出口６０３の役目をする。

プレート６１０の長さを拡張するに従い流体出口の長さＬは大きくなる。

放出流体の長さＬはプレート６１０を並列接続して、一つの流体出口に合流させても、拡張できる。

図７に流体熱伝達装置の変形例７００を示す。この例７００は当該装置の中心に加熱センター密閉板７０１があり、当該密閉板にヒーター７０２が備えられている。当該密閉板７０１の両側にガス加熱流路を作る２つのプレート７０３、７０５が備えられている。当該プレートの外側に密閉板７０４、７０５が備えられて、これらの密閉板とプレートで密閉されたガス流路が２系統形成されて備えられてある。

連結孔Ｈ７１１，７１２を経由して導入流体Ｆ１が２つに分かれて、２つのプレート７０３、７０５に導かれる。

加熱された流体は連結孔７２１、７２２を経由して加熱センター密閉版７０１に集まり、流体出口６０３より放出流体Ｆ２が放出される。

これら密閉板とプレートで形成される流体熱伝達機構７１０を囲み断熱ケース５０１が備えられ、さらにこれを囲み外ケース６０２が備えられている。断熱ケース５０１と外ケース６０２はフランジ５０６に固定されてある。

以上、中心にヒーターで加熱される密閉板７０１があり、それにガス導入口４０１が備えられ、それを熱伝達の構造のプレート７０３，７０５で挟む構造の流体熱伝達装置７００が出来上がる。これは、大流量を得ることができ、外に向かう方向に温度が低下する構造を与える。

本発明は、大流量の高温加熱されたガスや液体を作り出す小型の部品を提供する。応用分野は印刷物の乾燥、小型の暖房器具、温室の暖房、洗浄のための高温の薬剤の生成に用いることができる。太陽電池やフラットパネル表示装置（ＦＰＤ）をガラス基板などの大型基板の上に安価に成膜する技術にも好適である。加熱を冷却にすると、当該部品は冷却されたガスや液体を作り出す部品となる。

１０１ガス入口
１０２空洞ディスク
１０３パイプ
１０４ガス出口
３００ プレート
３０１流体入口
３０２導入流体
３０３，３０５密閉板
３０４，３０６ヒーター
３０７流体出口
３０８放出流体
Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ２１，Ｇ２２ タブ
Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２ 連結孔
４００流体熱伝達機構
４０１流体導入口
４０２流体出口
４０３，４０４ 密閉板
４０５，４０６，４０７，４０８ヒーター
４１０プレート
Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ４１、Ｇ４２、Ｇ５１、Ｇ５２、Ｇ６１タブ
Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ３１，Ｈ３２，Ｈ４１，Ｈ４２，Ｈ５１，Ｈ５２，Ｈ６１連結孔
Ｆ１導入流体
Ｆ２放出流体
５００、７００流体熱伝達装置
５０１断熱ケース
５０２外ケース
５０３ヒーター
５０４断熱材
５０５給電線
５０６フランジ
６０１流体導入口
６０２流体導入口
６０３流体出口
６１１，６１２，６２１連結孔
Ｆ１１，Ｆ１２導入流体
Ｌ流体出口の長さ
Ｗ流体出口の幅
７０１加熱センター密閉板
７０２ヒーター
７０３、７０５プレート
７０４，７０６密閉板
７１０流体熱伝達機構
Ｈ７１１，Ｈ７１２、Ｈ７２１，Ｈ７２２連結孔

Claims (11)

1. プレートの表裏の両側面にプレートの長手方向にタブを複数段並べて設けてあり、表のタブと裏のタブは互いに片側のひとつのタブが反対側の連接する二つタブと重なる位置関係にあり、重なる部分には両面タブを連結する孔が設けられてあり、両面のタブはプレートの両面に備えた密閉板２枚で密閉されてあり、当該プレートの一方の端のタブに流体を導入する導入口が備えてあり、他方の端のタブから当該導入流体を噴き出す吹き出し口が備えてあり、当該密閉板の温度を当該流体に伝達することを特徴とする流体熱伝達装置。
2. 前記流体がガスまたは液体であることを特徴とする請求項１記載の流体熱伝達装置。
3. 前記ガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは当該ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項２記載の熱伝達装置。
4. 前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項２、３記載の熱伝達装置。
5. 前記液体が水であることを特徴とする請求項２記載の加熱装置。
6. 前記密閉板と前記プレートが金属、または異種金属を被覆した金属であることを特徴とする請求項１〜５記載の熱伝達装置。
7. 前記密閉板と前記プレートが石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであることを特徴とする請求項１〜６記載の熱伝達装置。
8. ヒーターを挿入または密着させて前記板を加熱する、または前記プレートを加熱することを特徴とする請求項１〜７記載の熱伝達装置。
9. 前記密着板または前記プレートを冷却することを特徴とする請求項１〜８記載の熱伝達装置。
10. 前記伝達装置を流れと直角方向に拡張して、または並列接続して、流体の導入口と出口を複数設ける、または流体出口形状をスリット状に長くすること特徴とする請求項１〜９記載の熱伝達装置。
11. ３枚の前記密閉板で２枚の前記プレートをサンドイッチにし、中心の密閉板の熱をそれを挟む当該プレートを介して流体に熱を伝えること特徴とする請求項１〜１０記載の熱伝達装置。