JP2020031040A - 加熱装置および熱風発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能で繰り返し加熱が可能な加熱装置および当該加熱装置を用いた熱風発生装置を提供する。【解決手段】シリカを主成分とする微粒子を含有する発熱体２０と、発熱体２０にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段１２とを具備する加熱装置であって、微粒子が籾殻の焼却残渣であり、微粒子が炭素を含有することを特徴とする加熱装置である。また、加熱装置と加熱装置に空気を送風するための送風手段４とを具備する熱風発生装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を用いた加熱装置および当該加熱装置を用いた熱風発生装置に関する。

従来から、加熱装置の発熱源としては、ニクロム線等を用いた電気ヒーター、赤外線ランプ、可燃性ガスや可燃性オイルを用いたバーナー等が用いられてきた。これらの発熱源はそれぞれ、長所・短所を有している。例えば、バーナーは、急速加熱が可能ではあるものの、一酸化炭素や二酸化炭素を増加させて空気を汚すものであり、また火気を有するものであり、環境衛生面や安全性の面で問題を有するものであった。

上記以外の発熱源を用いた加熱装置として、マイクロ波を利用した加熱装置が知られている。例えば、特許文献１には、カーボン粉末を主材料としハニカム形状に焼結した発熱体と、該発熱体に電磁マイクロ波を照射するための電磁マイクロ波発生手段と、送風装置とを具備したことを特徴とするマイクロ波利用の加熱装置が開示されている。

特開平６−２３１８８０号公報

しかし、特許文献１の加熱装置は、カーボン粉末を主材料としており、カーボン粉末が酸化されると、酸化皮膜が形成されて、耐久性が低下する懸念を有していた。

加熱装置には、一般に、短時間に高温まで昇温することが可能であり、エネルギー効率に優れ、装置の耐久性に優れていることが要求される。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能な加熱装置および当該加熱装置を用いた熱風発生装置を提供することである。

本発明者らは、毎年大量に生産されるバイオマスの１つである籾殻の有効利用方法について、検討を積み重ねてきた。籾殻を高温で長時間自己燃焼させると、有機系可燃物はほぼすべて焼却されて、残渣が残る。この残渣の有効利用方法に着目した。

籾殻の焼却残渣の主成分はシリカである。また、シリカ以外の成分として、金属や炭素等を微量に含有している。本発明者らは、籾殻の焼却残渣にマイクロ波を照射したところ、驚くべきことに、短時間に急速に数百℃にまで発熱することを見出した。さらに、当該発熱現象はマイクロ波の照射を何度も繰り返す度に繰り返し起こることを見出した。本発明はこのような発見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は以下のような構成を有している。

（１）シリカを主成分とする微粒子を含有する発熱体と、当該発熱体にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段とを具備する加熱装置であって、前記微粒子が籾殻の焼却残渣であり、前記微粒子が炭素を含有することを特徴とする加熱装置。

（２）前記微粒子が金属を含有することを特徴とする前記（１）に記載の加熱装置。

（３）前記微粒子の炭素含有量が３０質量％以下であることを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載の加熱装置。

（４）前記発熱体が、前記微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の加熱装置。

（５）前記発熱体が、前記微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の加熱装置。

（６）前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の加熱装置と当該加熱装置に空気を送風するための送風手段とを具備する熱風発生装置。

本発明の加熱装置および熱風発生装置は、高温加熱および急速加熱が可能であり、長時間持続可能であり、繰り返し加熱が可能である。

本実施形態の加熱装置を用いた熱風発生装置の模式的断面図である。

以下、本発明を具体的に説明する。以下に示す実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。

本実施形態の加熱装置は、シリカを主成分とする微粒子を含有する発熱体と、当該発熱体にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段とを具備している。以下、加熱装置を構成する各手段について説明する。

（籾殻）
籾殻は、その約７０〜９０質量％がセルロースを主体とする有機成分であり、残りの約１０〜３０質量％は無機成分である。その無機成分は主としてシリカであり、微量のミネラル成分を含有している。シリカは、種々の用途に展開できる可能性を有しているため、籾殻を大気圧下の大気中で燃焼させて、有機系可燃物をほぼ完全に除去することを試みた。

（籾殻の焼却残渣）
籾殻を大量に連続的に燃焼させるため、連続式焼成炉を制作した。籾殻を空気とともに連続式焼成炉に連続して投入すると、燃焼開始時には外部からの着火源を必要とするが、着火後は自己燃焼によって、大気圧下の大気中で、継続的な燃焼を開始した。籾殻および空気の投入スピードを適宜調整することによって、燃焼温度は１０００〜１９００℃の範囲となった。また、平均的な燃焼時間は、５〜１５時間の範囲となった。

得られた焼却残渣は、シリカを主成分とし、炭素、金属等を含有する微粒子であった。ここで、シリカを主成分とするとは、微粒子に対するシリカの含有量が５０質量％を超えることを意味する。シリカの含有量は、籾殻の原料の稲の産地や品種等によって異なるが、実質的には、６０〜９６質量％の範囲である。以下、当該籾殻の焼却残渣の微粒子をシリカ系微粒子と記載することとする。

本発明者らは、シリカ系微粒子１０ｇを陶器製の容器に入れ、陶器製の蓋をして、７００Ｗの電子レンジのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を１分間照射する実験を行ったところ、シリカ系微粒子が約９００℃まで急速に発熱することを見出した。また、当該発熱現象は、マイクロ波による照射を繰り返す度に繰り返し発現することを見出した。シリカ系微粒子がこのような特異な発熱現象を示すのは、シリカ系微粒子が含有する炭素、金属等の少量成分がマイクロ波の照射によって誘導加熱や誘電加熱等を引き起こすためと推定される。そこで、シリカ系微粒子の有するこの特異な発熱現象を生かして、シリカ系微粒子を加熱装置の発熱体として利用することを検討した。

（発熱体）
シリカ系微粒子が発熱現象を発現するためには、シリカ系微粒子は炭素を含有することが必要である。シリカ系微粒子が含有する炭素の含有量は、３０質量％以下が好ましく、１〜２９質量％がより好ましく、３〜２８質量％がさらに好ましい。

シリカ系微粒子が発熱現象を発現するためには、シリカ系微粒子は金属を含有することが好ましい。シリカ系微粒子が含有する金属の含有量は合計で、１０質量％以下が好ましく、０．１〜８質量％がより好ましく、０．３〜７質量％がさらに好ましい。金属としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛等が挙げられる。これらの金属は、金属単体であってもよいし、合金、金属酸化物、複合酸化物であってもよい。

発熱体として用いるシリカ系微粒子は、平均粒径が１０〜３００μｍ程度である。シリカ系微粒子の形状は特に限定されない。また、シリカは非晶質であっても結晶質であってもよく、限定されない。

シリカ系微粒子を含有する発熱体を伝熱効率や取り扱い性に優れた形態とするため、シリカ系微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体を形成することが好ましい。セラミックス粒子は焼結時に溶融して、シリカ系微粒子同士を結合させるものである。シリカ系微粒子とセラミックス粒子とが混合して互いに結合することによって、焼結体として安定な形態とすることができる。セラミックス粒子としては、具体的に、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、鉛ガラス、石英ガラス等の粒子を用いることができる。セラミックス粒子の種類、平均粒径、シリカ系微粒子とセラミックス粒子との混合比は、必要に応じて適宜調整することができる。

また、シリカ系微粒子は、セラミックス粒子とからなる焼結体とすることにより、シリカ系微粒子が含有する炭素、金属等の成分が外界に直接露出することがないように、被覆し保護することができる。このことによって、シリカ系微粒子中の炭素、金属等がマイクロ波の照射によって発熱・冷却を繰り返すときに、酸素によって酸化されて劣化することを防止することができ、耐久性を向上させることができる。

シリカ系微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体を製造する方法は、公知の方法を用いることができる。すなわち、シリカ系微粒子とセラミックス粒子とを混合した後、金型内に投入し、金型内をセラミックス粒子の融点以上の温度に加熱して、冷却し、シリカ系微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体とする。焼結体の形状は、自由に設計することができる。空気の伝導加熱の効率を高めるためには、焼結体の表面積をできるだけ大きくすることが好ましい。表面積の大きい焼結体の形状としては、例えば、空気の流路に沿って、多数の円筒形や角柱形の孔が平行に並んだ構造が挙げられる。孔の断面積、孔の数、孔の長さ等は、空気の流量に応じて適宜決めることができる。

また、シリカ系微粒子を含有する発熱体を伝熱効率や取り扱い性に優れた形態とするため、シリカ系微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体を形成することが好ましい。シリカ系微粒子の集合体をセラミックス製の容器内に保持することによって、シリカ系微粒子に直接触れることなく取り扱ったり、装置内に設置し固定することが容易となる。また、シリカ系微粒子をセラミックス製の容器内に封じ込めることによって、シリカ系微粒子が直接大気と接触することが抑制される。その結果、シリカ系微粒子中の炭素、金属等がマイクロ波の照射によって発熱・冷却を繰り返すときに、酸素によって酸化されて劣化することを抑制することができ、耐久性を向上させることができる。

セラミックスの成形体を作成する方法は、セラミックスの一体成形品、セラミックス板の組み合わせ、セラミックス粒子の焼結体、それらの組み合わせ等、特に限定されない。成形体を構成するセラミックスの種類や形状は、特に限定されず、必要に応じて適宜適切な種類や形状を選択して、自由に設計することができる。成形体の形状は、空気の伝導加熱の効率を高めるために、表面積をできるだけ大きくすることが好ましい。

（マイクロ波発生手段）
発熱体にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段としては、マグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管などのマイクロ波発振機がある。これらの中ではマグネトロンが一般的である。マイクロ波の周波数は、０．３〜３０ＧＨｚの範囲であるが、通常は、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使用される。マイクロ波発振機の発振出力（Ｗ）を変えることによって発熱エネルギーが変動し、発熱体の発熱温度を制御することができる。

（加熱装置）
本実施形態の加熱装置は、発熱体とマイクロ波発生手段とを具備している。照射されるマイクロ波が外部へ漏洩しないようにするため、発熱体は金属製の筐体内に設置される。当該筐体の一部の壁板は、空気の流通を図り、かつマイクロ波が漏洩しないようにするため、金属製のメッシュ板やパンチングメタル板で構成される。また、マイクロ波発振機が発振したマイクロ波を筐体内へ搬送するために、金属からなる導波管が使用される。

（熱風発生装置）
図１は、本実施形態の加熱装置を用いた熱風発生装置の模式的断面図である。熱風発生装置１は、金属（ＳＵＳ）製の外部筐体２、金属（ＳＵＳ）製の内部筐体７、送風機（ファン）４、送風筒５、蓄熱整流板１４、送風筒６、マグネトロン１２、導波管１３を具備している。金属製の内部筐体７の内部には、シリカ系微粒子の集合体９、セラミックス粒子焼結体１０、セラミックス成形板１１から構成される発熱体２０が設置されている。

金属製の外部筐体２は、空気の導入側と排出側の壁板は、円形の孔が多数開いた金属板３となっている。また、金属製の内部筐体７は、空気の導入側と排出側の壁板は、マイクロ波が漏洩しないようにするため、パンチングメタル板８となっている。また、外部筐体２内の空気の排出側には、加熱された空気の温度ムラを低減させ、空気の流れを定常的なものとするために、円形の孔が多数開いた銅製の蓄熱整流板１４が複数枚設置されている。

送風手段は、加熱装置に空気を送風するためのものであり、送風機のことである。送風機にはファンやブロワがあり、必要に応じて適宜選択して用いることができる。

図１において、加熱の対象となる空気は送風機（ファン）４によって熱風発生装置１内に導入される。導入された空気は、送風筒５を通って外部筐体２内に入る。さらにパンチングメタル板８を通って内部筐体７内に入る。内部筐体７内にはシリカ系微粒子の集合体９を内部に含有する発熱体２０が設置されている。内部筐体７内には、マグネトロン１２から導波管１３を通ってマイクロ波が照射される。その結果、シリカ系微粒子の集合体９が発熱し、発熱体２０の表面温度が上昇する。内部筐体７内に入った空気はこの発熱体２０によって加熱される。加熱された空気は、パンチングメタル板８を通って、複数枚の蓄熱整流板１４を通り、外部筐体２から外部へ排出される。その後、送風筒６を通って、加熱された空気として排出される。

本実施形態の加熱装置および熱風発生装置は、発熱体にマイクロ波を照射することによって、発熱体を高温に、かつ急速に加熱することが可能である。発熱体の表面温度は、マイクロ波の発振出力と照射時間を変更することによって、数十℃から約１０００℃の広範囲に変更することができる。

本実施形態の加熱装置および熱風発生装置は、加熱、乾燥、温調、反応等の目的で各種用途に利用することができる。また、本実施形態の加熱装置および熱風発生装置は、食品、化学、ゴム、木材、鋳物、窯業、紙、印刷、塗装、繊維、医療等の種々の技術分野の各種工業用途に用いることができる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

連続式焼成炉を用いて、燃焼温度約１８００℃、燃焼時間約１０時間で、籾殻を燃焼させて、有機系可燃物をほぼすべて焼失させて、籾殻の焼却残渣を得た。籾殻としては、埼玉県産の籾殻を用いた。得られた焼却残渣の量は、原料の籾殻に対して約２０質量％であった。当該焼却残渣は、黒色の粉末であり、平均粒径は約３８μｍであった。当該焼却残渣を分析したところ、シリカ７７質量％、炭素８．５質量％、金属４．９質量％であった。金属類としては、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、ナトリウム、マンガン、亜鉛等が含まれていた。尚、金属類の分析装置として、波長分散型蛍光Ｘ線分析装置を用いた。

得られた焼却残渣（シリカ系微粒子）約１０ｇをソーダ石灰ガラスの微粒子で作成した直径１５ｃｍの球状の焼結体の中に封入し、さらにそれを厚さ２ｍｍの陶器製の球状の容器内に封入して、発熱体とした。

図１に記載の熱風発生装置１を用いて実験を行った。熱風発生装置１内に得られた発熱体２０を設置し、７００Ｗのマグネトロン１２を用いて、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射した。約２５分間の照射で発熱体２０の表面温度は約４００℃に昇温した、送風機４によって熱風発生装置１内に２５℃の空気を導入した。発熱体２０の表面が約４００℃に加熱されている間に、約７０℃の加熱空気を排出することができた。各温度は熱電対を用いて測定した。

次に、送風機４によって熱風発生装置１内に２５℃の空気を導入しつつ、マイクロ波の照射を約５時間継続し、その後照射を止めてから発熱体２０の表面温度が約３０℃に低下するまで約２時間静置し、その後再び照射を約５時間継続させるという操作を約８日間にわたって繰り返し行った。その結果、照射を行う度に、発熱体２０の表面温度が約４００℃にまで加熱され、照射中はその温度が維持され、照射を停止すると表面温度が低下していくという挙動を、繰り返し示した。

１ 熱風発生装置
２ 外部筐体
３ 金属板
４ 送風機
５、６ 送風筒
７ 内部筐体
８ パンチングメタル板
９ シリカ系微粒子の集合体
１０ セラミックス粒子焼結体
１１ セラミックス成形板
１２ マグネトロン
１３ 導波管
１４ 蓄熱整流板
２０ 発熱体

Claims (6)

1. シリカを主成分とする微粒子を含有する発熱体と、
   当該発熱体にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生手段とを具備する加熱装置であって、
   前記微粒子が籾殻の焼却残渣であり、
   前記微粒子が炭素を含有することを特徴とする加熱装置。
2. 前記微粒子が金属を含有することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記微粒子の炭素含有量が３０質量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記発熱体が、前記微粒子とセラミックス粒子とからなる焼結体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
5. 前記発熱体が、前記微粒子をセラミックスで包み込んだ成形体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置と当該加熱装置に空気を送風するための送風手段とを具備する熱風発生装置。