JP2020020555A - 高温水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラーを用いることなく、フリーメンテナンス状態で工場で用いる９０℃前後の高温水を生成することが可能な高温水製造装置を提供する。【解決手段】近赤外線を放射する近赤外線放射ランプを用いて高温水を製造する。近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製内筒と、金属製内筒の外側に、金属製内筒との間に流路を形成する金属製外筒とを備えている。流路内に液体を流し、近赤外線放射ランプからの近赤外線によって金属製内筒を加熱し、加熱された金属製内筒によって流路内を流れる液体を加熱する。【選択図】図４

Description

本発明は、温水をさらに加温して高温水を製造する高温水製造装置に関し、特にボイラーを使わずに近赤外線を用いて９０℃近辺の温水を生成する高温水製造装置に関する。

工場等の生産設備で９０℃前後の温水が必要となる場合、通常はボイラーにて１３０℃前後の蒸気を生成して、温度を調整する温調タンク等で蒸気を温水へと減温することにより９０℃前後の温水を生成していた。ボイラーを使う場合、小型還流ボイラーであっても年間の燃料費は１０００万円単位となる。

そこで、近赤外線を用いて温水を生成することが試みられている。例えば特許文献１には、近赤外線ランプが金属加熱に有利である特性を活かして、所定方向に流れる空気などの流体を加熱するための流体加温装置が開示されている。特許文献１では、流体として液体を加熱することを想定しておらず、流体を液体に置き換えた場合には良好な加熱状態を得ることは難しい。

それに対して特許文献２では、より流体を効率よく加熱することが可能な流体の温度制御装置が開示されている。特許文献２では、筒状の外側容器内に、金属製の内側容器が挿入され、内側容器内に透明筒が挿入されている。透明筒内に近赤外線を発する、例えばヒータ用のハロゲンランプを内蔵して流体を加熱している。

登録実用新案第３１７４４５８号公報 特開平０９−２１０５７７号公報

特許文献１に開示されている流体加温装置では、流れる空気をゆるやかに加熱するだけであり、液体について加温できるかは定かではない。しかも、近赤外線を直接流体にさらしているので、熱が散逸する割合が高く、工業用に必要となる９０℃前後の高温水を得ることができる可能性は低いという問題点があった。

また、特許文献２では、ヒータ用のハロゲンランプから放出される近赤外線が透明筒を透過して直接、又はフィンを通して間接的に流体を加熱している。したがって、透明筒の透過度が汚れや劣化等により低下した場合には、その加熱性能を維持することが困難であり、定期的なメンテナンス等、運用するための費用がかさむという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ボイラーを用いることなく、フリーメンテナンス状態で工場で用いる９０℃前後の高温水を生成することが可能な高温水製造装置を提供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に係る高温水製造装置は、近赤外線を放射する近赤外線放射ランプを用いて高温水を製造する高温水製造装置において、前記近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製内筒と、前記金属製内筒の外側に、前記金属製内筒との間に流路を形成する金属製外筒とを備え、前記流路内に液体を流し、前記近赤外線放射ランプからの近赤外線によって前記金属製内筒を加熱し、加熱された前記金属製内筒によって前記流路内を流れる液体を加熱することを特徴とする。

上記発明では、近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製内筒と、金属製内筒の外側に、金属製内筒との間に流路を形成する金属製外筒とを備えている。流路内に液体を流し、近赤外線放射ランプからの近赤外線によって金属製内筒を加熱し、加熱された金属製内筒によって流路内を流れる液体を加熱する。これにより、近赤外線により加熱された金属製内筒からの熱伝導により流路内を流れる液体（水）を加熱するので、内筒が透明筒である場合のように表面の汚れを取り除くために一定間隔で洗浄する必要もなく、また近赤外線放射ランプによる熱エネルギーを熱伝導で流路内を流れる液体（水）へ伝達することができるので、熱伝導効率の低下を抑制しつつ効率よく加熱することが可能となる。

また、本発明に係る高温水製造装置は、第１発明において、前記金属製内筒と前記金属製外筒との間に、金属製の放熱フィンを前記金属製内筒に取り付けてあり、該放熱フィンは、前記金属製内筒からの熱伝導により前記流路内を流れる液体を加熱することが好ましい。

上記発明では、金属製内筒と金属製外筒との間に、金属製の放熱フィンを金属製内筒に取り付けてあるので、近赤外線放射ランプにより加熱された金属製内筒の熱量が熱伝導により放熱フィンに伝わり、金属製内筒の発熱だけでなく、放熱フィンの発熱により流路内を流れる液体（水）を加熱することが可能となる。

また、本発明に係る高温水製造装置は、第１又は第２発明において、前記放熱フィンは、前記金属製内筒の外側において、液体が流れる方向に沿って螺旋形状を有していることが好ましい。

上記発明では、放熱フィンは、金属製内筒の外側において、液体が流れる方向に沿って螺旋形状を有しているので、液体（水）の流れを阻害することなく、より効率よく金属製内筒及び放熱フィンの発熱により、流路内を流れる液体を加熱することが可能となる。

上記発明によれば、近赤外線により加熱された金属製内筒からの熱伝導により流路内を流れる液体（水）を加熱するので、内筒が透明筒である場合のように表面の汚れを取り除くために一定間隔で洗浄する必要もなく、また近赤外線放射ランプによる熱エネルギーを熱伝導で流路内を流れる液体（水）へ伝達することができるので、熱伝導効率の低下を抑制しつつ効率よく加熱することが可能となる。

従来の高温水の製造方法を示す概要図である。 本発明の実施の形態に係る高温水の製造方法を示す概要図である。 従来の真空式温水ヒータの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る高温水製造装置の構成を示す模式図である。 熱の伝達経路を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態に係る高温水製造装置を用いた場合の真空式温水ヒータの概略構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る高温水製造装置について、図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。

また、本発明は多くの異なる態様にて実施することが可能であり、実施の形態の記載内容に限定して解釈されるべきものではない。実施の形態を通じて同じ要素には同一の符号を付している。

本発明の実施の形態によれば、金属製内筒の表面を洗浄する必要もなく、また近赤外線放射ランプによる熱エネルギーを直接液体へ伝達することができるので、熱伝導効率の低下を抑制しつつ効率よく流路内を流れる液体を加熱することが可能となる。

図１は、従来の高温水の製造方法を示す概要図である。図１に示すように、従来、ボイラー１１を用いて１００℃以上、具体的には約１３０℃の水蒸気を生成する。そして、生成された水蒸気を温調タンク１２にて減温することで、工業用に用いることができる約９０℃の比較的温度が高めの温水（以下、高温水）を製造していた。

ボイラー１１を用いるので、メンテナンス費用及び燃料費も高額になる。また、一度１３０℃前後まで温度を上げたのちに温度を下げるので、大量の熱エネルギーを捨てることにもなり、熱効率は比較的低くなる。

そこで、本実施の形態では、従来の真空式温水ヒータで加温された温水をさらに加温することで高温水を製造する。図２は、本発明の実施の形態に係る高温水の製造方法を示す概要図である。

図２に示すように、真空式温水ヒータ１３で７０℃前後の温水を生成する。従来の真空式温水ヒータ１３では、７０℃前後が温度上昇の限界である。そこで、本発明の実施の形態に係る高温水製造装置２０を用いることにより、さらに加熱して工業用に用いることができる約９０℃の高温水を製造する。

図３は、従来の真空式温水ヒータ１３の概略構成を示す模式図である。図３に示すように、缶水部１３１に水を収容している。そして、缶水部１３１に収容されている水を加温するためのハロゲンヒータ１３２を備えている。ハロゲンヒータ１３２は、０．７５μｍ〜１．７５μｍの波長の近赤外線を放射する。

缶水部１３１に収容されている水は、適度に光吸収性を有している。したがって、仮にハロゲンヒータ１３２から直接近赤外線が照射された場合であっても、水の分子・原子間に摩擦熱が発生して発熱する。

実際には、ハロゲンヒータ１３２は、銅管１３４の中央部分に棒状の近赤外線ヒータ１３３を備えている。近赤外線の照射により、同様の原理で銅管１３４を発熱させて、缶水部１３１に収容されている水の温度を上昇させる。

真空式温水ヒータ１３は、缶水部１３１と接する真空部１３５を備えている。真空部１３５内は減圧することにより真空状態にできるので、缶水部１３１の熱量を損なうことなく熱伝導される。したがって、給湯用の温水が流れる給湯管１３６及び暖房用の温水が流れる暖房管１３７内を流れる温水は、缶水部１３１と同等の温度にまで上昇させることができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る高温水製造装置２０の構成を示す模式図である。図４に示すように、本実施の形態に係る高温水製造装置２０は、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製内筒２２と、金属製内筒２２の外側に、金属製内筒２２との間に流路３０を形成する金属製外筒２３とを備えている。

金属性内筒２２の材質は、熱伝導性の高い銅、ステンレス等が好ましい。同様に、金属製外筒２３の材質も、銅、ステンレス等の方が、熱伝導により温度が上昇しやすく、流路３０内を流れる水の温度を上昇させやすい。

加熱する対象となる水（液体）は、給水口２５から流路３０へと誘導され、排出口２６から排出される。流路３０内を流れる水は、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線によって加熱された金属製内筒２２からの熱伝導により加熱される。

近赤外線放射ランプ２１としては、ハロゲンランプに代表される近赤外線を発生させるランプを用いる。本実施の形態では、円筒形状のガラス管を備え、ガラス管の内部に赤外線を発光するフィラメントが挿通されている。ハロゲンランプは、放射する光の大部分が近赤外線領域にピーク波長を有する、具体的には０．７５μｍ〜１．７５μｍの波長の近赤外線を放射するので、近赤外線放射ランプ２１に適している。もちろん、近赤外線を放射できるものであれば、他のヒータやランプであっても良いことは言うまでもない。

本実施の形態では、発光部が直線状であり、直線状の発光部の長手方向が前後方向に伸びるように配置されている。一端は、ソケット状の支持部２７により支持され、電源（図示せず）に配線されている。

なお、金属製内筒２２と金属製外筒２３との間に、金属製の放熱フィン２４を金属製内筒２２と接触するように取り付けても良い。こうすることで、放熱フィン２４は、金属製内筒２２からの熱伝導により流路３０内を流れる水をさらに効率よく加熱することができる。

また、流路３０を流れる水により効果的に熱伝導させるために、放熱フィン２４は、金属製内筒２２の外側において、水の流路３０内の進行方向に沿って螺旋形状を有していることが好ましい。水と加熱されている放熱フィン２４とが接触する表面積が増すとともに、流路３０内を流れる水の流れを阻害しないので、より効率的に高温水を製造することが可能となる。

図５は、熱の伝達経路を説明するための模式図である。図５（ａ）は、従来の近赤外線ヒータを用いる場合を、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る高温水製造装置２０を用いる場合を、それぞれ示している。

図５（ａ）に示すように、従来は近赤外線放射ランプ２１で金属製外筒２３を直接発熱させている。この場合、近赤外線により直接溶媒である水を加熱するわけではなく、あくまでも金属製外筒２３及び発熱量を増大させるための放熱フィン２４を発熱させているので、金属製外筒２３からの熱伝導のみで水を加熱することになる。したがって、金属製外筒２３の周囲の水により熱量は拡散しやすく、周囲の水の加温効率を高めることは難しい。一定の温度上昇を維持するためには、近赤外線放射ランプ２１の出力を高める必要が生じる。これは、近赤外線放射ランプ２１の外側に透明筒を設けている場合も同様である。

一方、図５（ｂ）では、近赤外線による加熱は金属製内筒２２だけが対象となる。したがって、流路３０内を流れる水（ハッチング部分）に対しては、金属製内筒２２（及び放熱フィン２４）からの熱伝導での加温となり、金属製外筒２３の加熱により直接金属製外筒２３の周囲の水を加温するものではない。流路３０内を流れる水に対して熱伝導させてから、加熱された温水を用いて金属製外筒２３の周囲の水を加温するので、従来と比較して熱量の拡散を回避して、金属製外筒２３の周囲の水の温度を効果的に上昇させることができる。

以上のように本実施の形態によれば、近赤外線により加熱された金属製内筒２２からの熱伝導により流路３０内を流れる水を加熱するので、内筒が透明筒である場合のように表面の汚れを取り除くために一定間隔で洗浄する必要もなく、また近赤外線放射ランプ２１による熱エネルギーを熱伝導で流路３０内を流れる水へ伝達することができるので、熱伝導効率の低下を抑制しつつ効率よく加熱することが可能となる。

なお、排出口２６の近傍に排出される温水の温度を検出する温度センサ（図示せず）を設けることが好ましい。温度センサにより、加熱されて排出されてくる温水の温度を検出することができ、温度センサからの検出信号に基づいて、図示しない外部の制御装置によって、近赤外線放射ランプ２１の放射出力を制御しても良い。これにより、排出される温水の温度を一定温度に維持することが可能となる。

また、本実施の形態に係る高温水製造装置２０を、図３に示す真空式温水ヒータ１３に適用しても良い。図６は、本発明の実施の形態に係る高温水製造装置２０を用いた場合の真空式温水ヒータ１３の概略構成を示す模式図である。

図６に示すように、缶水部１３１に水を収容している。そして、缶水部１３１に収容されている水を加温するために高温水製造装置２０を備えている。高温水製造装置２０は、近赤外線の放射により金属製内筒２２を加熱する。

缶水部１３１の水を給水口２５から流路３０へと誘導して、加熱された温水を排出口２６から缶水部１３１へと戻す。これにより、缶水部１３１に収容されている水の温度を上昇させる。

真空式温水ヒータ１３は、缶水部１３１と接する真空部１３５を備えている。真空部１３５内を減圧して真空状態とすることにより、缶水部１３１の熱量を損なうことなく熱伝導される。したがって、給湯用の温水が流れる給湯管１３６及び暖房用の温水が流れる暖房管１３７内を流れる温水は、缶水部１３１と同等の温度にまで上昇させることができる。これにより、従来よりも低出力で高温水を製造することにより、高い効率で温水を生成することが可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。例えば放熱フィン２４の形状も、上記実施例のような螺旋形状であることに限定されるものではなく、流路３０を流れる水に直接接する表面積が広がるとともに、水の流れを阻害しない形状であれば特に限定されるものではない。

１３ 真空式温水ヒータ
２０ 高温水製造装置
２１ 近赤外線放射ランプ
２２ 金属製内筒
２３ 金属製外筒
２４ 放熱フィン
２５ 給水口
２６ 排出口
２７ 支持部
１３１ 缶水部
１３５ 真空部

Claims (3)

1. 近赤外線を放射する近赤外線放射ランプを用いて高温水を製造する高温水製造装置において、
   前記近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製内筒と、
   前記金属製内筒の外側に、前記金属製内筒との間に流路を形成する金属製外筒と
   を備え、
   前記流路内に液体を流し、
   前記近赤外線放射ランプからの近赤外線によって前記金属製内筒を加熱し、
   加熱された前記金属製内筒によって前記流路内を流れる液体を加熱することを特徴とする高温水製造装置。
2. 前記金属製内筒と前記金属製外筒との間に、金属製の放熱フィンを前記金属製内筒に取り付けてあり、
   該放熱フィンは、前記金属製内筒からの熱伝導により前記流路内を流れる液体を加熱することを特徴とする請求項１に記載の高温水製造装置。
3. 前記放熱フィンは、前記金属製内筒の外側において、液体が流れる方向に沿って螺旋形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温水製造装置。

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