JP2017044404A - 高温流体発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケーシングの表面の温度を抑えられるとともに、放熱ロスを減少させられる高温流体発生装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、流体Ｆを加熱して高温流体ＨＦを発生させる高温流体発生装置１である。高温流体発生装置１は、流体Ｆを導入する導入口１１および高温流体ＨＦを導出する導出口１２を有するケーシング１０と、ケーシング１０の内部に設けられ、高温ガスＨＧが充満される加熱室２０と、導入口１１から流体Ｆを導入して通過させる第１流路３１と、第１流路３１を通過した流体Ｆを導入して導出口１２へと通過させる第２流路３２とを備えている。第１流路３１は、ケーシング１０の内部において、加熱室２０の周囲を包囲し、第２流路３２は、加熱室２０の内部を貫通している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高温流体を発生させる高温流体発生装置に関する。

現在、食品工場、機械加工工場または機械電気プラント等において、食品または機械部品等の製品加熱処理工程（殺菌・調理・熱処理・予熱等）に、高温流体（過熱蒸気等）が使用されている。高温流体は、主として流体（飽和蒸気等）を加熱すること、または電気的加熱源（電気ヒータ・ＩＨヒータ等）を熱源とする加熱器に流体を通すことで生成される。このような、高温流体を発生させる装置として、従来、例えば特許文献１に示されるような高温流体発生装置が用いられている。この高温流体発生装置は、ケーシングの内部に、流体を通過させる流体管が螺旋状に渦巻きながら一方向に延びて設けられており、その流体管の一端側のケーシングの壁部に、高温ガスを供給する供給口が設けられてなる。供給口から高温ガスが供給されると、流体管が高温ガスに曝され、流体管内を流れる流体が高温ガスによって加熱されて、高温流体が生成される。

特開２００８−３２２３５号公報

しかしながら、上記のような従来の高温流体発生装置では、ケーシングの内部に高温ガスが充満するため、ケーシングの表面が高温になってしまうという問題があった。また、流体を十分に加熱しようとすると、流体管を長くしなければならず、流体管を収容するケーシングが大型になる傾向があった。この場合、必然的にケーシングの表面積も大きくなり、ケーシングの表面から外部に放出される放熱量が過大になるという問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ケーシングの表面の温度を抑えられるとともに、放熱ロスを減少させられる高温流体発生装置を提供する。

上記課題を解決する本発明は、流体を加熱して高温流体を発生させる高温流体発生装置であって、流体を導入する導入口および高温流体を導出する導出口を有するケーシングと、ケーシングの内部に設けられ、高温ガスが充満される加熱室と、導入口から流体を導入して通過させる第１流路と、第１流路を通過した流体を導入して導出口へと通過させる第２流路とを備えている。第１流路は、ケーシングの内部において、加熱室の周囲を包囲し、第２流路は、加熱室の内部を貫通している。

本発明の高温流体発生装置では、ケーシングの内部において、高温ガスが充満される加熱室の周囲を第１流路が包囲している。つまり、ケーシングの表面側には、第１流路が配置される。第１流路には、加熱される前の十分に温度が上昇していない流体が流れるため、ケーシングの表面の温度を抑制することができる。また、流体は、加熱室の周囲に配置される第１流路を通り、加熱室の内部を貫通する第２流路へと流れるため、高温ガスが充満される加熱室内の第２流路で本加熱が行われる前に、加熱室の周囲に設けられた第１流路で、加熱室の周囲からの放熱によって予備加熱が行われる。これにより、加熱室からの放熱がそのまま外部に放出される従来の高温流体発生装置に比べて、その放熱が第１流路内での流体の加熱に利用されるため、最終的にケーシングから放出される放熱量が減少し、放熱ロスを抑えることができる。

好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、ケーシングは、内壁と外壁との二重壁構造を有し、内壁の内部に加熱室が形成され、内壁と外壁との間に第１流路が形成されている。

このような構成とすることで、簡易な構造で加熱室の周囲を覆う第１流路を形成することができる。

好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、第１流路には、流体の流路が非直線状となるように流路を整形する整流板が設けられている。さらに好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、整流板は、流体の流路が加熱室の外周を一端側から他端側に向けて螺旋状に流れるように流路を整形するものである。

このような構成とすることで、第１流路を長くすることができ、第１流路を通過する流体を効率よく加熱することができる。

好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、第２流路は、流体が加熱室の内部を一端側から他端側に向けて螺旋状に流れるように螺旋管を用いて構成されている。

このような構成とすることで、第２流路を長くすることができ、第２流路を通過する流体を効率よく加熱することができる。

さらに好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、第１流路は、出口において２個に分岐されており、第２流路は、各出口に連通する２本の螺旋管を用いて構成されている。

このような構成とすることで、流路の合計断面積を大きくすることができるため、流路の抵抗が少なくなり、圧力損失を抑制することができる。その結果、流路を流れる流体の流量を十分に確保できるとともに、流体を供給するコンプレッサやボイラの動力の削減を大きくすることができる。また、それぞれの螺旋管の管口径を小さくしたとしても、流路の合計断面積を十分に確保することができるため、螺旋管をよりコンパクトに加工することが可能となり、装置全体を小型にすることができる。さらに、２本の螺旋管を介して導出される高温流体を、別個の製品加熱処理工程に使用することができ、高温流体の使用の幅を広げることができる。

好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、加熱室には、ガス燃料を燃焼し高温ガスを発生させる燃焼部を側面に有する円柱構造を呈するバーナが設けられている。

このようにバーナを用いて燃焼により高温ガスを発生させる場合、ガス燃料および燃焼用空気の供給量を制御することによりバーナから発生する高温ガスの発生量を変えることができる。流体の温度上昇は流体を加熱する高温ガスの量によるため、高温ガスの発生量を変えることで、容易に高温流体の温度を調整することができる。また、バーナを側面が燃焼部となる円柱構造とすることで、広い面積にわたって高温ガスの発生個所と第２流路（螺旋管）との距離を近づけることができ、高温ガスを効率よく第２流路（螺旋管）に曝すことができる。

好ましい実施形態の高温流体発生装置においては、加熱室には、一端側に高温ガスを充満させるためのガス充満用開口が設けられ、他端側に高温ガスを排気する排気口が設けられており、ガス充満用開口と排気口との間には、高温ガスを加熱室内に分散させる分散体が設けられている。

このような構成とすることで、加熱室内に充満される高温ガスが、加熱室内に分散され、第２流路を流れる流体と熱交換されず高温のまま排気されることを防止することができる。これにより、高温ガスと流体との熱交換効率を向上させることができる。

本発明に係る高温流体発生装置によれば、ケーシングの表面の温度を抑えられるとともに、放熱ロスを減少させることができる。

本発明の高温流体発生装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図である。 図１の高温流体発生装置のＢ−Ｂ断面図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図で、第１流路の流体の流れを示す図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図で、第２流路の流体の流れを示す図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図で、高温ガスの流れを示す図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図で、整流板の他の実施形態を示す図である。 図７の高温流体発生装置のＣ−Ｃ断面図である。 図１の高温流体発生装置のＡ−Ａ断面図で、整流板の他の実施形態を示す図である。 図９の高温流体発生装置のＤ−Ｄ断面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。本実施形態の高温流体発生装置１は、流体Ｆを加熱して高温流体ＨＦを発生させる装置である。高温流体とは、蒸気を沸点以上に加熱させた過熱蒸気、高温ガス（高温空気、高温窒素等）もしくは、それらの混合気体、または、高温に加熱された水、油等の液体を意味する。

図１〜図３に示すように、高温流体発生装置１は、流体Ｆを導入する導入口１１および高温流体ＨＦを導出する２個の導出口１２を有するケーシング１０を備えている。ケーシング１０の内部には、高温ガスＨＧ（図６参照）が充満される加熱室２０、加熱室２０の周囲に配置され、導入口１１から導入された流体Ｆが通過する第１流路３１、および加熱室２０の内部を貫通して配置され、第１流路３１を通過した流体Ｆを導入して導出口１２へと通過させる第２流路３２が設けられている。

本実施形態では、ケーシング１０は、一端が内外の側壁１０１ａ，１０２ａで閉塞された円筒状の内壁１０１および外壁１０２からなる二重壁構造を有する。ケーシング１０は、径の大きい外壁１０２の内部に、径の小さい内壁１０１を位置させることで間隙が形成されており、内壁１０１および外壁１０２の開放端を、他端側に設けられる側壁１０３により閉塞して構成される。内壁１０１の軸方向長さは、外壁１０２の軸方向長さより短く形成されており、内壁１０１の側壁１０１ａと、外壁１０２の側壁１０２ａとの間にも間隙が形成されている。

内壁１０１の内部、つまり、内壁１０１、側壁１０１ａおよび側壁１０３で囲われる空間に、加熱室２０が形成されている。側壁１０３には、加熱室２０と連通する位置に、高温ガスＨＧを充満させるためのガス充満用開口１３が形成されている。本実施形態では、ガス充満用開口１３にバーナ４０が取り付けられており、バーナ４０に供給されるガス燃料と燃焼用空気との混合ガスＧをバーナ４０で燃焼させることにより高温ガスＨＧが発生し、加熱室２０の内部に充満されている。バーナ４０は、既知の任意のバーナを用いることができるが、その中でも側面を燃焼部４２とする円柱構造を有するものが好ましい。これにより、先端が燃焼部となるバーナに比べて、広い面積にわたって高温ガスＨＧの発生箇所と第２流路３２との距離を近づけることができ、高温ガスＨＧを効率よく第２流路３２に曝すことができる。

内壁１０１と外壁１０２との間に、流体Ｆを通過させる第１流路３１が形成されている。外壁１０２の一端側（側壁１０３側）の周面には、流体Ｆを導入する導入口１１が設けられており、この導入口１１を介して第１流路３１に流体Ｆが導入される。

第１流路３１には、流体Ｆが加熱室２０の外周を一端側から他端側（側壁１０３側から側壁１０２ａ側）に向けて螺旋状に流れるように、流体Ｆの流路を整形する整流板３１１が設けられている。整流板３１１は、内壁１０１と外壁１０２との間の幅と同等の幅を有する細長い板状に形成されている。この整流板３１１は、内壁１０１および外壁１０２の間において、内壁１０１と外壁１０２との間隙を塞ぎ、内壁１０１の周囲を螺旋状に旋回しながら軸方向に延びて取り付けられている。

内壁１０１の側壁１０１ａには、第１流路３１の出口３１２が２個形成されており、第１流路３１は、これらの出口３１２において、２個に分岐する。

第２流路３２は、流体Ｆが加熱室２０の内部を一端側から他端側（側壁１０１ａ側から側壁１０３側）に向けて螺旋状に流れるように螺旋管を用いて構成されている。本実施形態では、第１流路３１の２個の出口３１２と連通するように、２本の螺旋管を用いて構成されている。側壁１０３には、内壁１０１の内部と連通する位置に、導出口１２が設けられており、２本の螺旋管はそれぞれ、第１流路３１の出口３１２から導出口１２を通ってケーシング１０の外部へ先端３２ａを突出させて設けられている。

内壁１０１の側壁１０１ａには、加熱室２０と連通し、加熱室２０の内部の高温ガスＨＧを排気する排気口１４が形成されており、排気口１４には、排気管４１が取り付けられている。外壁１０２の側壁１０２ａにも開口１５が形成されており、排気管４１は、開口１５を通って、ケーシング１０の外部へと延びている。

加熱室２０の内部には、ガス充満用開口１３と排気口１４との間に、バーナ４０の燃焼により発生する高温ガスＨＧが排気口１４へ熱交換されないまま高温で流れ込まないように、高温ガスＨＧを加熱室２０内に分散させる分散体５０が設けられている。分散体５０は、側壁５０ａを有する円筒状に形成されており、側壁５０ａと反対側の端部に設けられる脚５１を介して、内壁１０１の側壁１０１ａに取り付けられている。

高温流体発生装置１を構成する全ての部材は、耐食・耐熱性のある金属で形成されていれば良く、例えばＳＵＳ４４４、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼が用いられる。側壁１０３と内壁１０１および外壁１０２との接続、分散体５０と内壁１０１の側壁１０１ａとの接続、第２流路３２となる螺旋管の取り付け、排気管４１の取り付け等は、溶接等の任意の手段によって行われる。

次に、図４〜図６を参照して、高温流体発生装置１により高温流体ＨＦを発生させる方法について説明する。図４には、第１流路３１を流れる流体Ｆの流れを、図５には、第２流路３２を流れる流体Ｆの流れを、図６には、高温ガスＨＧの流れを示している。なお、図６では、高温ガスＨＧの流れを分かりやすくするために、第２流路３２および分散体５０を取り付ける脚５１については破線で示している。

加熱室２０の内部では、外部から供給されたガス燃料と燃焼用空気との混合ガスＧをバーナ４０によって燃焼させることにより、高温ガスＨＧが発生している。高温ガスＨＧは、図６の矢印に示されるように、分散体５０に当たることで、一旦加熱室２０の内部の全体に拡がった後、分散体５０の脚５１の間、排気口１４および排気管４１を通ってケーシング１０の外部に排気される。高温ガスＨＧにより加熱室２０の内部が高温に加熱されるとともに、加熱室２０の周囲に設けられる第１流路３１も高温ガスＨＧの余熱により高温となっている。

流体Ｆは、導入口１１から導入される。この流体Ｆは、図４の矢印に示されるように、整流板３１１に沿って、加熱室２０の周囲を螺旋状に旋回しながら第１流路３１の出口３１２へ向かって流れる。高温ガスＨＧにより第１流路３１が高温となっているため、第１流路３１を通過する間に流体Ｆの一次加熱が行われる。

次に、第１流路３１を通過した流体Ｆは、２個の出口３１２において分岐し、第２流路３２に導入される。第２流路３２は、２本の螺旋管により形成されているため、導入された流体Ｆは、図５の矢印に示されるように、各螺旋管の内部を螺旋状に旋回しながら導出口１２まで到達する。その間に、高温ガスＨＧに直接曝されることによって、流体Ｆが二次加熱され、高温流体ＨＦが生成される。そして、高温流体ＨＦは、導出口１２を介して、つまり各螺旋管内で導出口１２を通過して、螺旋管（第２流路３２）の先端３２ａからケーシング１０の外部へと導出される。

以上のように、本実施形態では、ケーシング１０の内部において、高温ガスＨＧが充満される加熱室２０の周囲を第１流路３１が包囲している。つまり、ケーシング１０の表面側には、第１流路３１が配置される。第１流路３１には、加熱される前の十分に温度が上昇していない流体Ｆが流れるため、ケーシング１０の表面の温度を抑制することができる。また、流体Ｆは、加熱室２０の周囲に配置される第１流路３１を通り、加熱室２０の内部を貫通する第２流路３２へ流れるため、高温ガスＨＧが充満される加熱室２０内の第２流路３２で二次加熱（本加熱）が行われる前に、加熱室２０の周囲に設けられた第１流路３１で、加熱室２０からの放熱によって一次加熱（予備加熱）が行われる。これにより、加熱室２０からの放熱がそのまま外部に放出される従来の高温流体発生装置に比べて、その放熱が第１流路３１内で流体Ｆの加熱に利用されるため、最終的にケーシング１０から放出される放熱量が減少し、放熱ロスを抑えることができる。

また、第１流路３１に整流板３１１を設けることで、第１流路を長くすることができ、第１流路を通過する流体Ｆを効率よく加熱することができる。同様に、第２流路３２として螺旋管を用いることで、第２流路３２を長くすることができ、第２流路３２を通過する流体Ｆを効率よく加熱することができる。さらに、第２流路３２には２本の螺旋管を用いているため、十分な流体の流量を確保しつつも螺旋管の口径を小さくすることができ、コンパクトな螺旋を形成できることで装置全体を小型化することができる。また、２本の螺旋管を介して導出される高温流体を、別個の製品加熱処理工程に使用することができ、高温流体の使用の幅を広げることができる。

また、本実施形態では、ケーシング１０を、内壁１０１と外壁１０２とからなる二重壁構造としているため、簡易な構造で加熱室２０の周囲を覆う第１流路３１を形成することができる。さらに、バーナ４０を用いて高温ガスＨＧを発生させることで、バーナ４０に供給するガス燃料および空気の量を制御するだけでバーナにおける燃焼で発生する高温ガスＨＧの発生量を調整することができる。流体Ｆの温度上昇は流体Ｆを加熱する高温ガスＨＧの量によるため、高温ガスＨＧの発生量を変えることで、容易に高温流体ＨＦの温度を調整することができる。

また、高温流体発生装置１が、螺旋状に一端側から他端側へと延びる第１流路３１と螺旋状に他端側から一端側へと延びる第２流路３２とを備える構成とすることで、高温流体発生装置１の軸方向長さを短くしても流体Ｆを加熱する流路を長くすることができる。さらに、高温流体ＨＦが導出される一端側にバーナ４０を設け、他端側から高温ガスＨＧを排気する構成とすることで、加熱室２０で第２流路３２を加熱して温度が下がった高温ガスＨＧの熱は、ケーシング１０から導出される直前の領域において、第２流路３２に入る前でまだ低温の流体Ｆでさらに回収される。このような構成とすることで、高温流体発生装置１をコンパクトにしても十分に所望の温度の高温流体ＨＦを得ることができ、高温流体発生装置１のコンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

上記実施形態では、第２流路３２は、第１流路３１の２個の出口３１２に連通する２本の螺旋管を用いて構成されているが、第２流路３２は、この構成に限られない。例えば、第１流路３１の出口３１２を１個にし、その出口３１２に連通する１本の螺旋管を第２流路３２としても良い。逆に、第１流路３１の出口を３個以上とし、それぞれの出口３１２に第２流路３２を連通させる構成とすることもできる。また、第２流路３２は、螺旋管を用いる構成に限られず、直管等任意の管を用いる構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、整流板３１１は、細長い板状に形成され、内壁１０１の周囲を螺旋状に旋回しながら軸方向に延びて取り付けられているが、整流板３１１は、流体Ｆの流路が非直線状となるように流路を整形し、流路を延長させることができれば、任意の形態を取ることができる。例えば、図７および図８に示すように、略Ｃ型の平板状に形成された複数の整流板３１１を用い、軸方向に一定間隔を開け、開口が順次異なる向きに開くように内壁１０１に取り付けるラビリンス構造によって構成されても良い。さらには、図９および図１０に示すように、環状に形成され、貫通孔３１３を有するパンチングプレートからなる複数の整流板３１１を軸方向に一定間隔を開けて配置した構成としても良い。

また、上記実施形態では、ケーシング１０を二重壁構造としているが、必ずしもこの形態に限られない。ケーシング１０の内部に、加熱室２０と、加熱室２０の周囲を包囲するように設けられる第１流路３１と、加熱室２０の内部を貫通して設けられる第２流路とを備えていれば、加熱室２０、第１流路３１および第２流路３２は任意の形態を取ることができる。

また、上記実施形態では、高温ガスＨＧとして、バーナ４０の燃焼により発生する燃焼ガスを用いているが、例えば、ガス充満用開口１３に、バーナ４０に代えて管路を設け、高温排ガス等の高温流体を加熱室２０の内部に供給して、加熱室２０を加熱することもできる。

また、上記実施形態では、分散体５０は、側壁５０ａを有する円筒状に形成されているが、ガス充満用開口１３と排気口１４との間において、高温ガスＨＧの流れを妨げることができれば、任意の形態を取ることができる。また、高温ガスＨＧが加熱室２０内に十分に拡散して充満される場合は、分散体５０は特に設ける必要はない。

１ 高温流体発生装置
１０ ケーシング
１０１ 内壁
１０２ 外壁
１１ 導入口
１２ 導出口
１３ ガス充満用開口
１４ 排気口
２０ 加熱室
３１ 第１流路
３１１ 整流板
３１２ 第１流路の出口
３２ 第２流路
４０ バーナ
４２ 燃焼部
５０ 分散体
Ｆ 流体
ＨＦ 高温流体
ＨＧ 高温ガス

Claims (8)

1. 流体を加熱して高温流体を発生させる高温流体発生装置であって、
   流体を導入する導入口および高温流体を導出する導出口を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられ、高温ガスが充満される加熱室と、
   前記導入口から流体を導入して通過させる第１流路と、
   前記第１流路を通過した流体を導入して前記導出口へと通過させる第２流路と、を備え、
   前記第１流路は、前記ケーシングの内部において、前記加熱室の周囲を包囲し、
   前記第２流路は、前記加熱室の内部を貫通している高温流体発生装置。
2. 前記ケーシングは、内壁と外壁との二重壁構造を有し、
   前記内壁の内部に、前記加熱室が形成され、
   前記内壁と前記外壁との間に、前記第１流路が形成されている請求項１に記載の高温流体発生装置。
3. 前記第１流路には、流体の流路が非直線状となるように流路を整形する整流板が設けられている請求項１または２に記載の高温流体発生装置。
4. 前記整流板は、流体の流路が前記加熱室の外周を一端側から他端側に向けて螺旋状となるように流路を整形するものである請求項３に記載の高温流体発生装置。
5. 前記第２流路は、流体が前記加熱室の内部を一端側から他端側に向けて螺旋状に流れるように螺旋管を用いて構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の高温流体発生装置。
6. 前記第１流路は、出口において２個に分岐されており、
   前記第２流路は、前記各出口に連通する２本の螺旋管を用いて構成されている請求項５に記載の高温流体発生装置。
7. 前記加熱室には、ガス燃料を燃焼し高温ガスを発生させる燃焼部を側面に有する円柱構造を呈するバーナが設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の高温流体発生装置。
8. 前記加熱室には、一端側に高温ガスを充満させるためのガス充満用開口が設けられ、他端側に高温ガスを排気する排気口が設けられており、
   前記ガス充満用開口と前記排気口との間には、高温ガスを前記加熱室内に分散させる分散体が設けられている請求項１〜７のいずれか一項に記載の高温流体発生装置。