JP4004128B2

JP4004128B2 - ガス体昇温装置

Info

Publication number: JP4004128B2
Application number: JP04436598A
Authority: JP
Inventors: 暸平難波; 剛山中; 泰三川村; 義隆内堀
Original assignee: Kogi Corp
Current assignee: Kogi Corp
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: JPH11233245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導加熱により発熱した発熱体に、ガス体を接触させて高温にする、例えば脱臭装置に利用できるガス体昇温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の技術としては、特開平７−３５４１３号公報に記載のものがある。その概略の構成は、コイルが巻かれたケースに発熱体となる金属体を設置してあり、金属体の設置状態は加熱される液体、気体中に浸かる様にしてあり、コイルに交流電流を流して金属体を発熱させ、液体、気体を加熱するようになっている。この他にも、電磁誘導加熱を利用して気体を加熱する技術を含む装置として、特開平８−３２６５２２号公報、特開平９−１６８７７３号公報等に記載のものがある。前者はガス中の可燃性微粒子を燃焼させる用途の電磁誘導加熱技術を含むものであり、後者は異臭成分を分解させる用途の電磁誘導加熱技術を含むものである。これらの技術における発熱体はいずれも金属である。
【０００３】
また、脱臭に注目すると、従来の熱によるガスの脱臭処理は、灯油、重油、ガス等の燃料を燃焼させ、その火炎中に脱臭しようとするガスを導入して０．５〜０．３秒間程度滞留させて行うのが一般的である。これによりガス中の悪臭成分は殆どが可燃性であるから、火炎による６５０〜８００°Ｃの雰囲気にさらされると、燃焼して脱臭状態となる。これは燃焼脱臭方式である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電磁誘導加熱を利用してガス体を高温に昇温させる装置は、燃料の燃焼熱を直接利用するものに比べて、小型の装置となり、急速加熱が可能であり、電力使用であるからクリーンである点で好ましいものである。しかし、従来の電磁誘導加熱を利用した装置は、いずれも発熱体が金属であるから、ガス体を５００°Ｃ程度までに昇温させる装置は容易に製作可能であるが、６００°Ｃ以上になると発熱体を少なくとも６５０〜８００°Ｃに維持する必要があり、発熱体の耐久性の面で実用可能なものを製作することは非常に困難である。特に酸素を含むガス体の昇温においては、金属製発熱体の酸化による劣化が大きな問題となる。
【０００５】
また、ガス体昇温装置の用途の一つに脱臭装置がある。一般的な脱臭装置に適用するときは、分解に比較的高温を要する臭気成分、例えば、アンモニア、フェノール、アニリン等は６５０〜７００°Ｃで分解するから、これらの脱臭作用が可能であることが必要である。従って、発熱体を少なくとも７５０°Ｃ以上に保持する必要があり、更に確実、迅速な処理を行うためには発熱体をより高温に保持することが望まれ、金属発熱体を用いると、前述したように耐久性の面で実用性の高いものは得られない。
【０００６】
また、従来の燃焼脱臭方式は、脱臭効果が極めて優れている。すなわち、高濃度の悪臭の場合、吸着法や薬液洗浄法では脱臭処理が困難であるのに対して、燃焼脱臭方式では、アンモニアや硫化水素などの広範囲の悪臭成分の確実な分解が可能である。しかしながら、燃料を燃焼させるために、燃料のみならず燃焼炉、バーナ、燃料容器等の装置が必要であるから、装置が大型になると共にエネルギー効率が悪く、燃料の燃焼により環境に悪影響を与えるＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ_x、ＳＯ_x等のガスの発生があり、この対策が別に必要である点で問題があり、必ずしも適切な方法ではない。
本発明は、電磁誘導加熱を利用して、発熱体を８００〜１２００°Ｃの高温域に昇温させてガス体と接触させることができるガス体昇温装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の手段は、ガス体が通るように非磁性体で形成された通路中に電磁誘導により発熱する発熱体を設置し、電磁誘導加熱した前記発熱体に前記通路内を通るガス体を接触させるガス体昇温装置において、前記発熱体を、カーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料で構成したことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
この手段では、発熱体が、カーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料であり、必要な耐熱性、機械的強度、電気比抵抗を備えたものを使用すると、電磁誘導加熱により発熱させてその温度を大気中で８００〜１２００°Ｃとすることが可能であり、その温度に長時間維持しても殆ど劣化がない。従って、この最高温度に発熱させた発熱体にガス体を接触させることによって１１００°Ｃ程度にまでは昇温させることができる。なお、炭素・セラミックス複合材料及び製造方法は公知の技術であり、例えば、特開昭５６−１４００７５号公報に記載されている。また、炭化硼素および炭化珪素の配合比を変えることによって電気比抵抗と熱衝撃に対する強さが変化するから、ガス体昇温装置の目的とする性能に応じた特性のものを使用してより耐久性や電気的効率のよいガス体昇温装置とすることができる。
【０００９】
また別の本発明の手段は、ガス体が通るように非磁性体で形成された通路中に電磁誘導により発熱する発熱体を設置し、電磁誘導加熱した前記発熱体に前記通路内を通るガス体を接触させるガス体昇温装置において、前記発熱体とそのコイルとで構成する加熱段を、前記ガス体の移動方向に複数段設け、最初の加熱段の発熱体を金属で構成し、次の加熱段以降の加熱段の発熱体をカーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料で構成したことを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
この手段では、最初の加熱段の発熱体を金属としたから、この段の発熱体の温度は、金属発熱体の耐久性を考慮するとその材質に応じた限界温度があり、例えば、その限界温度が５００°Ｃ程度であるとすると、この温度以下に保持されるように昇温を制御し、次の加熱段以降で、炭素・セラミックス複合材料の発熱体が８００〜１２００°Ｃに昇温するように使用する。これによって比較的安価に容易に製作できる最初の加熱段において耐久性に無理のない範囲で金属発熱体を発熱作用させ、所定温度までガス体を加熱しておくことができるから、多量のガス体の昇温処理においては、次の加熱段以降の負荷がその分低減し、最初の加熱段で一挙に最高温度に昇温する構成よりは装置を製作しやすい。また、加熱段を複数とすることにより、ガス体の昇温処理が短時間で可能になる。
【００１２】
前記請求項１、又は請求項２に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料が、８００〜３５００μΩｃｍの電気比抵抗を有するものであることを特徴とする（請求項３）。電気比抵抗を８００μΩｃｍ以上としたのは、これよりも小さい抵抗値の発熱体に用いると、共振回路を流れる電流値が高くなるため、電磁誘導加熱を行うための電気的効率が低下し、その結果目的とする温度までの昇温が困難となるからであり、また、３５００μΩｃｍ以下としたのは、炭素・セラミックス複合材料の比抵抗の値を単純に上げるには炭化硼素、炭化窒素の配合比を増加させればよいが、増加させすぎると加工性が悪くなり、また熱衝撃にも弱くなる傾向があるためである。
【００１３】
請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料で構成した発熱体を、前記通路内周に嵌合する外周を有し前記ガス体通過用の孔を有する部材に形成したことを特徴とする（請求項４）。この構成では発熱体の外周が通路内周に嵌合しているからその間をガス体が殆ど通過しないで、ガス体通過用の穴を通過するから、ガス体が均一に加熱される。
【００１４】
請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料で構成した発熱体が、複数の部材からなり、ガス通過路を形成するように前記通路内に非磁性体で支持されていることを特徴とする（請求項５）。この構成では、ガス通過路を、屈曲させて形成したり、ガス通過路内面に凹凸を設けたりすることが可能で、ガス体通過路を通るガス体を発熱体に十分に接触させることができ、所定通路長さに対して効果的に昇温させることができる。
【００１５】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載のガス体昇温装置を、ガス体の脱臭装置に適用したことを特徴とする（請求項６）。発熱体は臭気成分の分解温度以上に確実に加熱されるから、これに臭気を含むガス体を接触させて昇温することにより脱臭できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。このガス体昇温装置１は、ガス体の通路２、発熱体３、コイル４、高周波電源５等で構成されている。通路２は、非磁性体で耐熱性に優れたセラミックス製のパイプで、その内孔が通路２であり、例えば、窒化珪素で形成してある。発熱体３は、電磁誘導過熱により発熱して高温になり且つ形を保持できる物質で形成され、電気比抵抗が８００〜３５００μΩｃｍ程度の特殊セラミックス、例えば、電気比抵抗が２４００μΩｃｍ、カーボン約６０％、炭化珪素約３０％、炭化硼素約１０％の炭素・セラミックス複合材料で形成され、通路２中に設置してあり、通路２を通るガス体が十分に接触するように、外周をパイプの内孔に嵌合させて設置され、ガス体の通過路として軸方向に貫通した多数の穴１０を穿設されている。従って、通路２内を通るガス体は、殆どが穴１０を通るようになっているから、発熱体３と十分に接触する。コイル４は、通路２を形成しているパイプの外周にコイル保護用の断熱材１１、例えば、セラミックファイバーを介して設けてある。高周波電源５は、従来周知の構成のもの（高周波インバータ）であり、コイル４に接続してある。
【００１７】
コイル４に高周波電源５から電力が供給されると、電磁誘導により発熱体３に渦電流が発生し、発熱体３が発熱する。発熱体３は、比抵抗が大きいため発熱して１２００°Ｃ程度にまで昇温可能であり、耐熱性に優れているので大気中でもほとんど劣化がなく、通路２内に一端からガス体を適当な流速で供給すると、ガス体は発熱体３の穴１０を通り抜ける間に十分に加熱され、他端から１１００°Ｃ程度に昇温して出てくる。
【００１８】
第２の実施の形態を図２を用いて説明する。この実施の形態は、ガス体を段階的に昇温させるように構成したもので、第１の実施の形態のガス体昇温装置１と同様なガス体昇温装置１ａを後段とし、その前段に別のガス体昇温装置２０を連結したものである。ガス体昇温装置１ａは第１の実施の形態と同じ構成であるので同等部分に同一図面符号を付して説明を省略し、ガス体昇温装置２０について説明する。ガス体昇温装置２０は、ガス体を最終目的の温度（例えば１１００°Ｃ）よりも低い適当な温度（例えば５００°Ｃ）に加熱して後段へ供給する構成であり、ガス体の通路２２、発熱体２３、コイル２４、高周波電源５ａ等で構成されている。通路２２は、非磁性体で耐熱性を有するセラミックス製のパイプで、その内孔が通路２２であり、例えば、アルミナで形成してある。発熱体２３は、前段の加熱であるから、電磁誘導に都合のよい強磁性体で、且つ耐熱性を備えた金属としてある。すなわち、電磁誘導過熱により発熱して６００°Ｃ程度の温度になり且つ長期間劣化しない金属、例えば、マルテンサイト系ステンレス、ニッケル合金、クロム合金等の中のいずれかで形成されている。発熱体２３は、通路２２中に設置してあり、通路２２を通るガス体が十分に接触するように、ガス体の通過路として多数の小孔２５を軸方向に略沿い貫通状態に穿設してあり、外周をパイプの内孔に嵌合させて設置されている。従って、通路２２内を通るガス体は殆どが小孔２５を通るようになっていて、発熱体２３と十分に接触する。コイル２４は、通路２２を形成しているパイプの外周に設けてある。高周波電源５ａは、従来周知の構成のものであり、コイル４及びコイル２４の各々に電力を供給するように設けてある。
【００１９】
コイル４、２４に高周波電源５ａから電力が供給されると、電磁誘導により発熱体３、２３に渦電流が発生し、発熱体３、２３が発熱する。発熱体３は、１２００°Ｃ程度にまで昇温し、発熱体２３は、６００°Ｃ程度にまで昇温する。前段の通路２２内に一端からガス体を適当な流速で供給すると、ガス体は発熱体２３の穴２５を通り抜ける間に加熱され、他端から５００°Ｃ程度に昇温して出てくる。そして後段の通路２の一端に供給され、発熱体３の穴１０を通り、１１００°Ｃ程度に昇温して他端から出てくる。
【００２０】
この実施の形態では、ガス体を段階的に加熱するので、一挙に加熱する第１の実施の形態のものよりも最終目的の温度に昇温させる部分の、すなわち後段の、負荷を軽減できる。これにより、確実に目的温度に昇温できる、あるいはより多くのガス体を昇温処理できる装置となる。
【００２１】
第３の実施の形態を図３を用いて説明する。この実施の形態は、ガス体の昇温によりガス体に含まれる臭気成分を加熱分解する構成の脱臭装置としたものである。この脱臭装置は、３個の加熱段を構成するガス体昇温装置２０、１ａ、１を順次連結したもので、ガス体昇温装置２０、１ａ、１は前述した実施の形態におけるものと同じであるから、同じ部分を同一図面符号で示して説明を省略する。図中、３０は被加熱ガス源で、つまり悪臭発生源で、例えば、醗酵乾燥機等である。この被加熱ガス源３０の排気口にガス体昇温装置２０側の一端を接続し、必要に応じてファン及び風量調節ダンパーを適所に設置して適当な風圧と風量で被加熱ガス体を供給できるようにしてあり、そしてガス体が最終段のガス体昇温装置１を通過する所要時間が臭気成分の加熱分解所要時間以上となるように風量を制限してある。また、各ガス体昇温装置２０、１ａ、１の出口側には温度センサー３１、３２、３３を設置し、ガス体の温度を検出できるようにしてあり、この検出温度に基いて高周波電源５、５ａからの供給電力量、被加熱ガス源３０からのガス体供給量等を調節し、各加熱段から出る加熱されたガス体の温度を、温度センサー３１で４００〜５００°Ｃ、温度センサー３２で８００〜１１００°Ｃ、温度センサー３３で８００〜１１００°Ｃが検出されるように制御する。
【００２２】
この実施の形態では、２段目のガス体昇温装置１ａから出る昇温したガス体の温度が８００°Ｃ以上であり、最終加熱段のガス体昇温装置１から出るガス体の温度が８００°Ｃ以上であるから、最終段では確実に８００°Ｃ以上に維持されて確実に脱臭される。
【００２３】
前記実施の形態において、炭素・セラミックス複合材料からなる発熱体３の形態として、円柱体の軸方向に複数の穴を穿設したものを示したが、他の形態であってもよく、ガス体の昇温目的によって適切なものを選択使用するのが良いが、要は、発熱効率がある程度良く、通路を通過するガス体が十分に接触できる構成であればよい。このような発熱体の形態を通路２と共に例示すると、図４、図５に示すようになる。図４（ａ）の発熱体３ａ、その穴１０ａは第１の実施の形態におけるものと同等である。図４（ｂ）の発熱体４０、４０は前記発熱体３ａを軸方向に直角な面で分断した形状であり、軸方向に少し離して設置したものである。分断して軸方向に短くした形状は、貫通穴の加工が技術的に困難である場合に有効である。また位置関係を、一方の発熱体４０に対して他方の発熱体４０を回転変位させて穴４０の位置が軸方向に見て一致しないようにすると、ガス体の流れが乱されるから、接触時間を長くできる。
【００２４】
図４（ｃ）の発熱体４１は所定厚さの板状体４２の大きさの異なるものを通路２の軸方向に沿うように間隔を隔てて複数設置したものである。板状体４２に代えて、図４（ｄ）に示す穴３８を有する板状体４２ａ、図４（ｅ）に示す溝３７を有する板状体４２ｂとしてもよく、更に図示していないが板面に任意形状の凹凸を有するものとしてもよい。図４（ｆ）の発熱体４３はチップであり、通気孔を有するように耐熱性の非磁性体で形成された適当な容器に収容して通路２に設置する。図４（ｇ）の発熱体４４は丸棒がフィン４６を有する構成である。図４（ｇ）の発熱体４７は発熱体４４を軸方向に分断し、間隔を隔てて配置した構成である。
【００２５】
また、図４のものに比べてより単純な比較的製作しやすい形態のものとしては図５のようになる。図５（ａ）の発熱体５０は１本の丸棒であり、通路２の内周面との間にガス体の通過路が形成されるように耐熱性の非磁性体で形成された適当な支持体を介して設置する。図５（ｂ）の発熱体５２は複数の丸棒で構成されており、この場合も適当な支持体を介して設置するのが良いが、丸棒をまとめた状態で丁度通路２内に収まる外径寸法として支持体を省略してもよい。複数本の丸棒は１本よりも表面積が大きいから、熱伝達面積が大きい点でガス体昇温に有利である。図５（ｃ）の発熱体５３は１本の角棒であり、各角部が通路２の内周面と丁度当接して支持されるようにしてもよいが、支持体を用いて支持してもよい。図５（ｄ）の発熱体５５は間隔を隔てて配置した複数本の角棒で構成されており、適当な支持体を介して設置する。図示していないが、角棒に貫通孔を穿設したものであっても良く、また角棒を多角形のものとしてもよい。図５（ｅ）の発熱体５６は１本の円筒体であり、必要に応じて通路２の内周面との間及び円筒体の内孔によりガス体の通過路が形成されるように耐熱性の非磁性体で形成された適当な支持体を介して設置し、場合によっては支持体を省略して嵌合状態に設置してガス体の通過路が円筒体の内孔で形成されるように設置してもよい。図５（ｆ）の発熱体５８は複数本の円筒体で構成されており、この場合も適当な支持体を介して設置するのが良いが、円筒体をまとめた状態で丁度通路２内に収まる外径寸法として支持体を省略してもよい。図５（ｇ）の発熱体５９は異径の円筒体を同軸的に通路２内に支持したものであり、熱伝達面積はより大きくなる。
【００２６】
図４、図５に示した発熱体の形態の中、貫通穴を有するものは、その穴の内周面に軸方向の溝あるいは螺旋溝等を設けた形態であっても、丸棒、角柱、円筒等で構成されるものは、その外表面に軸方向の溝あるいは螺旋溝等を設けた形態であってもよい。これによって熱伝達面積が大きくなる。そして更に別の形態として、丸棒、角柱、円筒等のブロック状に形成して、ランダムに組み合わせて構成してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、電磁誘導加熱により発熱させる発熱体に、カーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料を用いたから、その温度を８００〜１２００°Ｃとすることが可能であり、電磁誘導加熱により従来よりもガス体を高温に昇温させることができる効果を奏する。また、炭化硼素および炭化珪素の配合比を変えることによって電気比抵抗と熱衝撃に対する強さが変化するから、ガス体昇温装置の目的とする性能に応じた特性のものを使用してより耐久性や電気的効率のよいガス体昇温装置とすることができる効果を奏する。
請求項２に記載の発明は、電磁誘導加熱により発熱させる加熱段を複数段設けたから、各段に昇温負荷を分散でき、加熱段が１のときに比べて短時間により多くのガス体を昇温処理可能であり、また、最初の加熱段の発熱体を金属で形成したから、その分安価に製作でき、次の加熱段以降の発熱体をカーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料で形成したから、高温に昇温できて最終的には電磁誘導加熱により従来よりもガス体を高温に昇温させることができる効果を奏する。また、ガス体昇温装置に応じた特性のものを使用して、より耐久性や電気的効率のよいガス体昇温装置とすることができる効果を奏する。
請求項３に記載の発明は、発熱体である炭素・セラミックス複合材料が、８００°Ｃを越える昇温が可能で、必要な加工性、耐熱衝撃性を備えたものとなる効果を奏する。
請求項４に記載の発明は、ガス体が均一に加熱される効果を奏する。
請求項５に記載の発明は、ガス体通過路を通るガス体を発熱体に十分に接触させることができ、所定通路長さに対して効果的に昇温させることができる効果を奏する。
請求項６に記載の発明は、従来の燃料燃焼熱を直接利用した脱臭装置と比べて、クリーンで、急速な立ち上がりができ、小型に形成できる利点があり、従来の電磁誘導加熱を利用した脱臭装置と比べて、従来不可能であった高温域でガス体を加熱できて確実な脱臭が可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略の構成を示し、（ａ）は主要部縦断正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の概略の構成を示す主要部縦断正面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の概略の構成を示す説明図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は夫々本発明のガス体昇温装置に使用できる異なる発熱体の形態を通路と共に示す概略斜視図、（ｄ）、（ｅ）は（ｃ）の発熱体を構成する部材の異なる変形例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は夫々本発明のガス体昇温装置に使用できる異なる発熱体の形態を通路と共に示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１ガス体昇温装置
１ａガス体昇温装置
２通路
３発熱体
４コイル
５高周波電源
５ａ高周波電源
１０穴
１０ａ穴
１１断熱材
２０ガス体昇温装置
２２通路
２３発熱体
２４コイル
２５小孔
３０被加熱ガス源
３１温度センサー
３２温度センサー
３３温度センサー
３９穴
４０発熱体
４１発熱体
４２板状体
４３発熱体
４４発熱体
４５部材
４６部材
４７部材
５０発熱体
５１円柱部材
５２発熱体
５３発熱体
５４角柱部材
５５発熱体
５６発熱体
５７円筒部材
５８発熱体
５９発熱体

Claims

ガス体が通るように非磁性体で形成された通路中に電磁誘導により発熱する発熱体を設置し、電磁誘導加熱した前記発熱体に前記通路内を通るガス体を接触させるガス体昇温装置において、前記発熱体を、カーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料で構成したことを特徴とするガス体昇温装置。
ガス体が通るように非磁性体で形成された通路中に電磁誘導により発熱する発熱体を設置し、電磁誘導加熱した前記発熱体に前記通路内を通るガス体を接触させるガス体昇温装置において、前記発熱体とそのコイルとで構成する加熱段を、前記ガス体の移動方向に複数段設け、最初の加熱段の発熱体を金属で構成し、次の加熱段以降の加熱段の発熱体をカーボンを主体としこれに炭化硼素および炭化珪素を複合させた炭素・セラミックス複合材料で構成したことを特徴とするガス体昇温装置。
請求項１、又は請求項２に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料が、８００〜３５００μΩｃｍの電気比抵抗を有するものであることを特徴とするガス体昇温装置。
請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料で構成した発熱体を、前記通路内周に嵌合する外周を有し前記ガス体通過用の孔を有する部材に形成したことを特徴とするガス体昇温装置。
請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のガス体昇温装置において、前記炭素・セラミックス複合材料で構成した発熱体が、複数の部材からなり、ガス通過路を形成するように前記通路内に非磁性体で支持されていることを特徴とするガス体昇温装置。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載のガス体昇温装置を、ガス体の脱臭装置に適用したことを特徴とするガス体昇温装置。