JP4355105B2 - 加熱、焼却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、主にコーヒーのロースティング及びそれと同様な加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コーヒーのロースティングは高熱の空気や、数百度の作用流体を回して行う。この際コーヒー豆から出るいろいろな不安定な有機物や殻等から作用流体が汚染されることは避けられない。産業としてのコーヒーロースティングでは外部に出る煙や匂いは、環境保護庁の決めた汚染物質のコントロールの規制を受ける。不安定な有機汚染物を完全に焼却するためには最低1400度で0.3秒以上をロースターから出る空気に与えねばならない。更に、コーヒーの殻はロースティング中に取り除かれる必要がある。
【０００３】
色々なロースターが公知となっている。ＵＳパテント5,394,623 Swell, 5,372,833 Farina, 5,230,281 Wireman et al, 3,189,460 Smith, 等がある。いずれも作用流体を加熱するためにバーナーを使用する。殻を取り除くためにサイクロンセパレーターを使用している。ＵＳパテント4,484,064 Murrayはバーナーがサイクロンセパレーターから離れており、ブローワーがコーヒー入れに作用流体を回している。ＵＳパテント2,212,120 Kneale et alは作用流体がローストチェンバーとスペースの間を電気ヒーターで循環している。これらには加熱バーナー以外に焼却バーナーが必要でエネルギーの消費が多くなる。他の方法としてはバーナーからの燃焼ガスを作用流体とミックスする方法がある。この焼却ガスはミックス時に温度が下がり、そのまま外部に放出すれば汚染物質が焼却されないで出て行く。多くの装置は空気を外部から取り入れ、加熱装置に通し、それから放出する。普通ヒーティングバーナーには100,000btu/hr必要で、汚染物質の焼却には700,000btu/hrが必要となり、大変なエネルギーの消費になる。
【０００４】
ＵＳパテント5,709,542 Rentzel et alと5,427,746 Pereira et alは汚染物質のコントロール装置である。固定されたバーナーから出た炎を作用流体を、フレームチューブを通すことにより作用流体が完全に燃焼ガスとミックスされ、それから外部に放出される。この場合もし、汚染物質の焼却のためにフレームチューブ内の温度を上げれば、作用流体の温度が不必要に高温となり、逆にチューブ内の温度が作用流体の温度なら、汚染物質は死なないことになる。そのためこの装置は、作用流体が循環されるような時には向いていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱を加えるために作用流体を加熱し、外部に放出する前に汚染物質を焼却し、作用流体から重い不純物を取り除き、効率よく汚染物質を焼却することにより、エネルギー消費が少なく且つ環境汚染を防止できる加熱、焼却装置を実現することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による加熱、焼却装置は、ヒーティングチェンバーが加熱部に接続される。作用流体はチェンバーと加熱部の間を循環する。焼却チューブがチェンバーの内部において唯一のチェンバーと加熱部からのガスの出口となっている。熱源はチェンバーの内部にあって、焼却チューブ入口と同軸の関係となっている。作用流体は熱源の近くを通過する時、動作温度に上昇する。熱源の方向は焼却チューブ入口に向いており、チンバー内の一番高い温度が熱源とチューブ入口との間に来るようになっている。焼却チューブと熱源の距離は調整出来、チューブ内の温度が調整出来る。排出ガス内の不純物は、チューブの温度の高いところで焼却され放出される。このように熱の損失を最低限にするために作用流体を循環させ、作用流体の加熱と汚染物の焼却を一つの熱源で行うことにより効率が向上する。
【０００７】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明による加熱、焼却装置の第１実施例を横から見た透視図が示してある。その構成はサイクロンセパレーター１０、熱源もしくはガスバーナー１１、焼却チューブ温度調整システム１２、加熱温度調整システム４５である。サイクロンセパレーター１０の中に、ヒーティングチェンバー１５を規定する円錐部１４を持つ円形の筒１３が入っている。作用流体の入口１６はコーヒーロースターやオーブン、その他の加熱装置にあるように、加熱部１７から作用流体を受け取れるようにチューブ１３の先端に接続されている。作用流体の出口１８は、作用流体を加熱部１７に戻すために入口１６の先端に接続されている。ブローワー１９は加熱部１７と作用流体の入口１６の間にあって、作用流体を循環させている。バーナー１１は、サイクロンセパレーター１０の低部に可動可能な形で位置している。接続チューブ２０は、サイクロンセパレーター１０の底と小片収集ホッパー２１を接続している。円筒１３と同軸の焼却チューブ２２は作用流体出口１８の上部に位置している。スタック２３は焼却チューブ２２の周りにあって、排出のために冷たい外気とミックスしている。焼却チューブ温度調整システム１２はスタック２３内の温度センサー２５に接続されているプログラム可能なコントローラー２４とバーナー１１に付いているアクチュエーター２６から成り立っている。加熱温度調整システム４５は加熱部１７内部の温度センサー４７に接続されたプログラム可能なコントローラー４６と燃焼ミックスをバーナー１１に送る量を調整するバルブ３３からなっている。
【０００８】
図１の加熱、焼却装置の内部が図２に示されている。壁２７は筒１３の上部に接続している。同軸ガイドチューブ２８は筒１３の上部に接続されている。更に、壁２７にあるアパーチャー２９から下方に伸びている。アパーチャー２９は作用流体出口１８と相関関係にある。バーナー１１は筒１３と同軸のバーナーチップ３０から成り立ち、ヒーティングチェンバー１５の底近くに位置している。焼却チューブ２２はヒーティングチェンバー１５の上部に位置する焼却チューブ入口３１から成り立ち、焼却チューブ出口３２はサイクロンセパレーター１０の外、スタック２３の中に位置している。温度センサー２５は焼却チューブ出口３２のすぐ外に位置する。焼却チューブ２２はバーナー１１と同軸である。
【０００９】
使用に際しては、可燃性の混合物がバーナー１１に向けて吹き込まれ、バーナーチップ３０により火が点けられ、サイクロンセパレーター１０と焼却チューブ２２が同軸となって細長い炎３４を作り出す。そして、焼却チューブ入口３１の方向に向けられる。コントローラー４６は自動的に加熱部１７内部の前もって選ばれた作用流体温度を維持する。加熱部１７内部の温度は加熱部温度調整システム４５の温度センサー４７により感知される。コントローラー４６はバルブ３３を調整して炎のサイズを可燃混合物の量で調整する。そのようにして、前もって選ばれた温度に加熱するようにする。作用流体は矢印で示すように筒１３のまわりと、作用流体入口１６に接する形でガイドチューブ２８の外側に渦巻き状に流れる（図１）。作用流体はガイドチューブ２８でヒーティングチェンバー１５に向かって下方に渦巻き状に流れ、ヒーティングチェンバー１５の中を通る時、炎３４の近くを通り通常動作温度の数百度（Ｆ）の高温に熱せられる。作用流体は更に内部を炎３４で熱せられた焼却チューブ２２の外側の壁によっても熱せられる。
【００１０】
渦巻き状の作用流体は温度が低く尚、炎３４より重いため遠心力によりヒーティングチェンバー１５の外側に振られる。高温で軽い可燃ガスはサイクロンの中心又は渦に閉じ込められる。可燃ガスは作用流体とは完全には交わらない。可燃ガスから作用流体への熱伝導は限られる。それ故、焼却チューブ２２に入って行く可燃ガスは高温が保たれる。重い物、例えば殻等は円錐部１４の内側の壁に振られ、ホッパー２１に落ちて集められる。熱せられた作用流体は出口１８を通ってガイドチューブ２８に向かい上昇する。そして、加熱部１７に再循環される。クリーンなガスは焼却チューブ２２を通り外部に放出される。これは加熱、焼却装置と加熱部から出る唯一の排気である。焼却チューブ入口３１と炎３４は同軸上にあり、そのため一番熱が高く、高温のガスだけが焼却チューブ２２に引き込まれる。これにより、排気ガス中の汚染物は外に出る前に焼却チューブ２２の内部で高温で焼却される。作用流体の加熱と汚染物の焼却がこのようにして一つのバーナーで可能になりエネルギー効率が良くなる。
【００１１】
作用流体はヒートロスを最小にするために再循環され、これによっても効率が上がる。例えば、今までの再循環しない装置だと典型的なコーヒーのローストの場合800,000btu/hrが必要だが、この新しい装置を使えば50,000btu/hrで済む。
【００１２】
汚染規定を守るためには焼却チューブ２２の内部温度は最低1,400度（Ｆ）に保たれ最低０.３秒留まる必要がある。この時間は焼却チューブ２２の量を選ぶことにより調整が出来る。それ故、最高のフローレートで排気ガスがその中を通るように最低時間が得られる。一定のフローレートと選択された量の中ではチューブ２２を通るガスの速度はその長さに正比例する。外気圧に比して、循環装置内のダイナミック圧力はチューブ２２の直径に反比例する。
【００１３】
ある炎のサイズでは図３（Ａ）に示すように焼却チューブ２２の内部の温度はバーナーチップ３０と焼却チューブ入口３１の間の距離による。距離が縮めば温度は上がり、離れれば温度は下がる。アプリケーションにより、希望の温度を得るために距離を選択出来る。バーナー１１はそのためにサイクロンセパレーター１０の中で可動出来る。コントローラー２４をプログラムして焼却チューブ２２の温度を保つことが出来る。排気ガスの温度は温度センサー２５で感知出来、アクチュエーター２６はコントローラー２４によりバーナー１１を動かし、温度を保つためにバーナーチップ３０と焼却チューブ入口３１間の距離を変えている。必要最低限の焼却温度にセットすることによりエネルギー消費が最小となる。
【００１４】
焼却チューブ２２とバーナー１１のサイクロンセパレーター１０の中での距離と焼却チューブ入口３１とバーナーチップ３０の間のギャップが焼却チューブ２２の温度を決定し、必要とするアプリケーションによりその距離は変わってくる。図３（Ｂ）に簡単に記した如く焼却チューブ入口３１とバーナーチップ３０の距離に関して焼却チューブの温度は炎のサイズによっても変わってくる。よって、加熱部１７の温度をコントロールするために温度調整システム４５を使って炎のサイズを調整した時、バーナー１１の物理的な位置は焼却チューブ温度管理システム１２におり焼却チューブ２２の温度を保つために変化させられる。
【００１５】
本発明による加熱、焼却装置の第２実施例が、図４にその内部を示してある。これは図１、図２に示したものと同様だが、異なるのは熱源がサイクロンセパレーター１０と焼却チューブ２２と同軸になった長く伸びた電気ヒートエレメント３５になっている。加熱部温度調整システム４８はヒーティングエレメント３５に接続したコントローラー４９と加熱部１７の内部にある温度センサー５０より成り立っている。ヒートエレメント３５内を通る流れは加熱部１７の内部の温度をコントロールするためのコントローラー４９により規定されている。ヒーティングエレメント３５は取り付け棒３６の端に接続され、それは焼却チューブ２２内の温度をコントロールするため焼却チューブ入口３１とヒーティングエレメント３５の間の距離を調整する焼却チューブ温度調整システム１２により可動となっている。
【００１６】
本発明による加熱、焼却装置の第３実施例が図５に示してある。それは内部にヒーティングチェンバー３８を持つハウジング３７から成り立っている。熱源、高圧ガスバーナー３９及び、焼却チューブ４０は互いに同軸となっていてヒーティングチェンバー３８に向かって伸びている。バーナーチップ４１と焼却チューブ入口４２はヒーティングチェンバー３８の中で互いにスペースを作り合っている。作用流体はヒーティングチェンバー３８内部の入口４８と出口４９を通して加熱部４３とヒーティングチェンバー３８の間を再循環している。加熱部４３とヒーティングチェンバー３８からのガスの唯一の出口は焼却チューブ４０からでしかない。高圧のかかった可燃物はバーナー３９に吹き付けられ、ヒーティングチェンバー３８内部で点火される。バーナーチップ４１から発した高速炎４４は焼却チューブ入口４２に向けられる。ヒーティングチェンバー３８の中を通った作用流体は炎４４で動作温度にまで上げられる。攪拌する高温可燃ガスは焼却チューブ４０を通して外向きの動きが生まれ、外に排出される。例え、ハウジング３７が作用流体でサイクロン行動を生まなかったとしても、高温ガスは焼却チューブ入口４２に高速炎４４により向けられ、その速度は少なくとも200ft/secである。バーナーチップ４１と焼却チューブ入口４２の距離は焼却チューブ４０内の温度を指定の温度に保つために選択され、作業中に正確な温度コントロールをするため調整が出来る。
【００１７】
このようにして、効率のよい加熱、焼却装置が生まれる。熱を与えるために作用流体を加熱し、空中に放出する前に汚染物質を焼却する。作用流体より重い物を取り除き、より効率良く作用流体を加熱し、汚染物質を焼却する。更に最高のエネルギー効率を得るため、調整可能となっている。
【００１８】
上述した実施例に関する説明は、この発明の限度を意味しているのではない。ただ、例としてあげただけである。この考えを使って多くのバリエーションが可能である。例えば、熱源に関しても他の物が考えられる。ブローワーは作用流体の出口に接続しても良い。熱源は手動で動かしても良く、焼却チューブ温度のレンジを示すためにマークをつけてもいい。又、熱源を動かすより、焼却チューブが動く方がいいかもしれない。又は、両方とも動かせるほうがいいかもしれない。バーナーの強さや炎のサイズは手動でしか調整出来ないほうがいいかもしれない。又、固定してしまった方がいいかもしれない。他のサイクロンセパレーターを使うことも出来る。ヒーティングチェンバーで殻を取り除く必要がなくそのためにサイクロンを必要としないなら、どんな形にも出来る。作用流体の望ましい動作温度を得るため、焼却のための望ましい温度を得るために加熱、焼却装置をどのようにでも出来る。この装置はコーヒーの加熱以外に他の加熱装置とでも一緒に使用出来る。よって、この発明の範囲はクレームと、法的に同一物とみなされるものにより決定され、ここに出た例によるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による加熱、焼却装置の第１実施例を横から見た透視図。
【図２】 図１の装置の内部図。
【図３】 （Ａ）は焼却温度と距離の関係グラフ。
（Ｂ）は焼却温度と炎の大きさの関係グラフ。
【図４】 本発明による加熱、焼却装置の第２実施例の内部図。
【図５】 本発明による加熱、焼却装置の第３実施例の内部図。
【符号の説明】
１０ サイクロンセパレーター
１１ バーナー
１２ 温度管理システム
１３ 筒
１４ 円錐部
１５ ヒーティングチェンバー
１６ 作用流体入口
１７ 加熱部
１８ 作用流体出口
１９ ブローワー
２０ 接続チューブ
２１ ホッパー
２２ 焼却チューブ
２３ スタック
２４ コントローラー
２５ 温度センサー
２６ アクチュエーター
２７ 壁
２８ ガイドチューブ
２９ アパーチャー
３０ バーナーチップ
３１ 焼却チューブ入口
３２ 焼却チューブ出口
３３ バルブ
３４ 炎
３５ 電気ヒーティングエレメント
３６ 取り付けチューブ
３７ ハウジング
３８ ヒーティングチェンバー
３９ バーナー
４０ 焼却チューブ
４１ バーナーチップ
４２ 焼却チューブ入口
４３ 加熱部
４４ 高速フレーム
４５ 温度調整システム
４６ コントローラー
４７ 温度センサー
４８ 入口
４９ 出口

Claims (20)

1. 加熱部からの作用流体を入れるチェンバー入口と作用流体を加熱部へ戻す出口を持っているヒーティングチェンバー、焼却チューブ、および熱源を備えた加熱、焼却装置において、 焼却チューブは、ヒーティングチェンバー中に伸び、ヒーティングチェンバー内に焼却チューブ入口を有し、ヒーティングチェンバーの外に焼却チューブ出口を有し、 熱源は、ヒーティングチェンバー内にあり、焼却チューブ入口と同軸に配置され、高温ガスを焼却チューブ入口に向けて生成し、かつ焼却チューブの内部を汚染物質を焼却するのに充分な温度にまで加熱し、さらに熱源は、作用流体がヒーティングチェンバー中を通過する時、その作用流体を、焼却チューブで汚染物質を焼却するのに充分な温度よりも低い加熱部における作業温度に加熱し、又作用流体は、チェンバー入口とチェンバー出口間を流れるように方向付けられているので、作用流体が高温ガスと混ざり合うことが阻止されかつ焼却チューブを通過中の汚染物質は焼却チューブ出口から排出される前に焼却されることを特徴とする加熱、焼却装置。
2. 請求項１の加熱、焼却装置において、熱源としてガスバーナーを使用することを特徴とする装置。
3. 請求項１の加熱、焼却装置において、熱源として高圧ガスバーナーを使用し、最低200ft／secの高速焔を作ることを特徴とする装置。
4. 請求項１の加熱、焼却装置において、熱源として電気ヒートエレメントを使用することを特徴とする装置。
5. 請求項１の加熱、焼却装置において、焼却チューブ内の温度調整のために、焼却チューブ入口に対して、熱源が同軸状に可動であることを特徴とする装置。
6. 請求項１の加熱、焼却装置において、焼却チューブ温度調整装置が設けられ、焼却チューブ内に温度センサーを備え、温度センサーはコントローラーに接続され、アクチュエーターがコントローラーと熱源に接続され、コントローラーが焼却チューブ内の温度を調整するために熱源を焼却チューブ入口に対して同軸状に動かすことを特徴とする装置。
7. 加熱部からの作用流体を入れるための作用流体入口と、作用流体を加熱部へ戻すための作用流体出口の付いたサイクロンセパレーター、焼却チューブ、および熱源を備えた加熱、焼却装置において、
   サイクロンセパレーターは、作用流体から粒状物質を分離するためその作用流体を渦状に回し、
   焼却チューブはサイクロンセパレーター中に同軸状で伸びており、サイクロンセパレーター中に焼却チューブ入口を有し、サイクロンセパレーターの外部に焼却チューブ出口を有し、
   熱源は、サイクロンセパレーター内で焼却チューブ入口と同軸に並んでそしてそこから離れて位置し、高温ガスを焼却チューブ入口に向けて生成し、かつ焼却チューブの内部を汚染物質を焼却するのに充分な温度にまで加熱し、さらに熱源は、作用流体がヒーティングチェンバー中を通過する時、その作用流体を、焼却チューブ中で汚染物質を焼却するのに充分な温度より低い加熱部における作業温度に加熱し、またこの作用流体は高温ガスより温度が低く、重いのでこの作用流体は外側に振リ出され、高温ガスは温度が高く軽いのでこの高温ガスはサイクロンセパレーターの軸のまわりに集められるので、作用流体が高温ガスと混ざり合うことが阻止され、かつ焼却チューブを通過中の汚染物質は焼却チューブ出口から排出される前に焼却されることを特徴とする加熱、焼却装置。
8. 請求項７の加熱、焼却装置において、熱源としてガスバーナーを使用する装置。
9. 請求項７の加熱、焼却装置において、熱源として高圧のガスバーナーを使用し、少なくとも200ft／secの速度を持つ高速焔を作ることを特徴とする装置。
10. 請求項７の加熱、焼却装置において、熱源として電気ヒートエレメントを使用することを特徴とする装置。
11. 請求項７の加熱、焼却装置において、焼却チューブ内の温度を調整するために、焼却チューブ入口に対して同軸状に熱源を可動にしたことを特徴とする装置。
12. 請求項７の加熱、焼却装置において、焼却チューブの温度調整システムを含み、該システムは温度センサーが焼却チューブの中に位置し、コントローラーがそれに付けられ、アクチュエーターがコントローラーと熱源に接続され、コントローラーが、アクチュエーターに働いて焼却チューブ内の温度を調整するために熱源を焼却チューブ入口に対して同軸状に動かすことを特徴とする装置。
13. 作用流体を再循環させる加熱部、加熱部に接続されたヒーティングチェンバー、焼却チューブおよび熱源を備えた加熱、焼却装置において、
    ヒーティングチェンバーには加熱部から作用流体を受け入れるチェンバー入口と、作用流体を戻すためのチェンバー出口があり、作用流体は加熱部とヒーティングチェンバーの間を循環し、
    焼却チューブはヒーティングチェンバー中に伸び、ヒーティングチェンバー内に焼却チューブ入口があり、ヒーティングチェンバーの外側に焼却チューブ出口があり、
    熱源はヒーティングチェンバー内にあって焼却チューブ入口と同軸状に配置され、高温ガスを作り、
    高温ガスは、焼却チューブ入口に向けて噴出され、焼却チューブの内部の温度を汚染物質を焼却するのに充分な高温にし、
    作用流体がヒーティングチェンバーを通って流れる時、その作用流体を、焼却チューブ中で汚染物質を焼却するのに充分な温度よりも低い加熱部における作業温度に加熱し、
    作用流体はチェンバー入口とチェンバー出口との間を流れるように方向付けられるので高温ガスと混合することがなく、汚染物質は焼却チューブ出口から外部に排出される前に焼却チューブ内で焼却されることを特徴とする加熱、焼却装置。
14. 請求項１３の加熱、焼却装置において、熱源としてガスバーナーを使用することを特徴とする装置。
15. 請求項１４の加熱、焼却装置において、更に加熱部温度調整システムが設けられ、加熱部内に温度センサーが位置し、ガスバーナーにバルブが取り付けられ、コントローラーが温度センサーとバルブに接続しており、コントローラーがバルブを調整して加熱部の作動温度を調整することを特徴とする装置。
16. 請求項１３の加熱、焼却装置において、熱源として高圧のガスバーナーを使用し、少なくとも200ft／secの速度を持つ高速焔を作ることを特徴とする装置。
17. 請求項１３の加熱、焼却装置において、熱源として電気ヒートエレメントを使用することを特徴とする装置。
18. 請求項１３の加熱、焼却装置において、焼却チューブ内の温度を調整するために、焼却チューブ入口に対して同軸状に熱源を可動に設置することを特徴とする装置。
19. 請求項１３の加熱、焼却装置において、焼却チューブの温度調整システムを更に含み、該システムは温度センサーが焼却チューブの中に位置し、コントローラーがそれに付けられ、アクチュエーターがコントローラーと熱源に接続され、コントローラーがアクチュエーターに働いて焼却チューブ内の温度を調整するために熱源を焼却チューブ入口に対して同軸状に動かすことを特徴とする装置。
20. 請求項１３の加熱、焼却装置において、加熱部温度調整システムを更に含み、該システムは加熱部内に温度センサーが位置し、温度センサーと熱源がコントローラーに接続し、加熱部内の作動温度を調整するためにコントローラーが熱源の強さを調整することを特徴とする装置。

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