JP5538100B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンパクト化することができ、しかも蒸留水その他の対象流体の加熱条件を高精度に制御することが可能な加熱装置に関する。

特許文献１は、第１，２，３，４の加熱部を備える微粒子製造装置を開示している（特許文献１の段落００３４および００３５を参照）。この微粒子製造装置は、高圧水を超臨界状態または亜臨界状態において高い精度で加熱するため、まず蒸留水を第１，２，３の加熱部で段階的に加熱して、高温高圧水とする。また、この微粒子製造装置は、金属塩水溶液その他の原料流体を別途第４の加熱部で加熱する。原料流体を第４の加熱部で加熱するのは、高温高圧水との反応を良好にするためである。

特許第３６６３４０８号公報

昨今、装置を手軽に取り扱えるようにそのコンパクト化が望まれているところ、上記従来技術では、加熱部が４台必要である。４台分のスペースを確保しなければならない場合、装置全体をコンパクト化することは容易ではない。加熱部の数を減らしたり各加熱部を単純に小さくしたりすれば、高圧水を超臨界状態または亜臨界状態において高い精度で加熱することができない。

本発明は、コンパクト化することができ、しかも対象流体の加熱条件を高精度に制御することが可能な加熱装置を提供することを目的とする。

図面を参照して本発明の加熱装置を説明する。なお、この欄で図中の符号を使用したのは、発明の内容の理解を助けるためであって、内容を図示した範囲に限定する意図ではない。

上記目的を達成するために、本発明のある局面にしたがうと、加熱装置１０は、加熱炉本体２０と、管路２６と、炉内加熱部２２とを備える。管路２６は、加熱炉本体２０の内外に通される。管路２６には、対象流体が流れる。炉内加熱部２２は、加熱炉本体２０内に設けられる。炉内加熱部２０は、管路２６を加熱する。加熱装置１０は、被包囲加熱部２４をさらに備える。被包囲加熱部２４は、加熱炉本体２０内に設けられる。管路２６は、内側区間５０と、外側区間５２とを有している。内側区間５０は、被包囲加熱部２４を包囲する。内側区間５０は、被包囲加熱部２４によって加熱される。外側区間５２は、内側区間５０に通じている。外側区間５２は、内側区間５０を包囲する。外側区間５２は、炉内加熱部２２に加えて被包囲加熱部２４により加熱される。炉内加熱部２２は、内側区間５０から見て外側区間５２のさらに外側に配置されている。

管路２６の内側区間５０が被包囲加熱部２４を包囲している。管路２６の外側区間５２が内側区間５０を包囲している。管路２６の外側区間５２と内側区間５０とは、被包囲加熱部２４を包囲する層となる。すなわち、本発明にかかる加熱装置１０において被包囲加熱部２４を包囲する層は少なくとも２層に分かれている。被包囲加熱部２４が放出した熱と炉内加熱部２２が放出した熱とは、これらの層内にある対象流体に吸収される。これにより、被包囲加熱部２４を包囲する層が１層だけの場合に比べ、被包囲加熱部２４によって放出された熱がこれらの層の外側へ移動することや、炉内加熱部２２によって放出された熱がこれらの層の内側へ移動することは少なくなる。すなわち、これらの層を超えて熱が移動することは少なくなる。これらの層を超えて熱が移動することが少なくなるので、被包囲加熱部２４を包囲する層が１層だけの場合に比べ、加熱炉本体２０の内部に大きな温度勾配を設けることが可能になる。加熱炉本体２０の内部に大きな温度勾配を設けることが可能になると、加熱炉本体２０の内部で対象流体を順次加熱することにより、温度が異なる複数の加熱部で順次加熱したのと同様に、対象流体の加熱条件を高精度に制御することができる。また、加熱部ごとに断熱材を設ける必要がない分、加熱部が占めるスペースをコンパクト化することができる。

また、上述した被包囲加熱部２４が熱を放出する柱形部分を有していることが望ましい。あわせて、内側区間５０が、被包囲加熱部２４の柱形部分を包囲する内側螺旋形部分を有していることが望ましい。あわせて、外側区間５２が、内側螺旋形部分を囲む外側螺旋形部分を有していることが望ましい。

本発明によれば、コンパクト化することができ、しかも対象流体の加熱条件を高精度に制御することができる。

本実施形態である加熱装置の正面図である。 図１のＸ−Ｘ矢視面である。 図１のＹ−Ｙ矢視面である。 本実施形態である加熱装置の上側平面図である。 本実施形態である被包囲加熱部とこれを包囲する管路とを示す一部破断図である。 本実施形態である加熱装置を適用した微粒子製造装置の簡略構成図を示す。

以下、本発明に係る加熱装置の好適な実施形態を図面に基づき説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は本実施形態である加熱装置の正面図である。図２は図１のＸ−Ｘ矢視面である。図３は図１のＹ−Ｙ矢視面である。図４は図１の加熱装置の上側平面図である。

本発明の一実施形態である加熱装置１０は、対象流体を原料流体と合流して反応器２８で反応させるため、その合流前に対象流体を加熱する装置である。加熱装置１０は、加熱炉本体２０と、炉内加熱部２２と、被包囲加熱部２４と、管路２６と、反応器２８（図１ないし図３には反応器２８を図示しない）と、炉外加熱部３０と、合流部３２とを備える。炉内加熱部２２は、加熱炉本体２０内に設けられる。炉内加熱部２２は、管路２６と反応器２８とを加熱する。被包囲加熱部２４も、加熱炉本体２０内に設けられる。被包囲加熱部２４は、管路２６を加熱する。被包囲加熱部２４が主として加熱するのは管路２６のうち後述する内側区間５０である。管路２６は、加熱炉本体２０の内外に通される。管路２６は、対象流体を移動通過させるための管である。炉外加熱部３０は、加熱炉本体２０の外に設けられる。合流部３２は、管路２６の途中のうち、加熱炉本体２０の外の箇所に設けられる。

本実施形態における加熱炉本体２０は断熱材製の容器である。加熱炉本体２０の前面には開閉可能に扉部４２が設けられる。加熱炉本体２０内を扉部４２が設けられている方から見ると、手前に被包囲加熱部２４と反応器２８とが横並びに設けられている。その奥に炉内加熱部２２が設けられている。

炉内加熱部２２はリング状のヒーターである。炉内加熱部２２は板状支持部３４により加熱炉本体２０内に支持されている。板状支持部３４の中央に送熱用開口部３６が形成されている。炉内加熱部２２はこの送熱用開口部３６を囲むように取り付けられている。図２から明らかなように、板状支持部３４のうち炉内加熱部２２が取り付けられている面は、被包囲加熱部２４および反応器２８に対向する面とは反対側の面である。板状支持部３４は、送熱用開口部３６の開口面積を調節するための調節シャッター３８を備えている。調節シャッター３８により送熱用開口部３６の開口面積を調節するための具体的な方法は本発明と直接の関係を有していないので、ここではその詳細な説明は行わない。

送熱用ファン４０が、板状支持部３４の送熱用開口部３６に対向して配置されている。図２から明らかな通り、炉内加熱部２２は、その送熱用開口部３６を取り囲んでいる。送熱用ファン４０の外径は炉内加熱部２２の外径より小さい。この送熱用ファン４０を作動させて炉内加熱部２２からの熱を効率よく加熱炉本体２０内に巡らせる。

炉外加熱部３０は、図示しない予備炉内に設けられる。この予備炉は、加熱炉本体２０の外のうち加熱炉本体２０の上部にあたる場所に設けられている。管路２６は、被包囲加熱部２４によって加熱された対象流体がこの予備炉内で炉外加熱部３０によってさらに加熱されるように構成されている。すなわち、管路２６は、被包囲加熱部２４の上部および加熱炉本体２０の上部を通って予備炉内に通されている。この管路２６において炉外加熱部３０の下流に合流部３２が設けられている。合流部３２は、炉外加熱部３０により加熱された対象流体に原料流体を合流させる。合流部３２の下流において、管路２６は再び加熱炉本体２０内に戻される。合流部３２で合流（混合）された対象流体と原料流体とは反応器２８内に供給される。この反応器２８は炉内加熱部２２により加熱されて所望の温度に設定されている。反応器２８は対象流体と原料流体とに所定の反応をさせる。反応した対象流体および原料流体は管路２６を介して加熱装置１０の外へと送出される。なお予備炉と加熱炉本体２０との間には伝熱部が設けられていてもよい。伝熱部の例は、加熱炉本体２０と予備炉との間を仕切る伝熱材料製の仕切り板部や両炉内を連通する連通路である。

図５は本実施形態にかかる被包囲加熱部２４とこれを包囲する管路２６とを示す一部破断図である。被包囲加熱部２４は電熱線等を螺旋状に巻回して形成した柱形のヒーターである。管路２６は、内側区間５０と、外側区間５２とを有している。

内側区間５０は、被包囲加熱部２４を包囲する。内側区間５０のうち被包囲加熱部２４に密着している部分の形状は螺旋形である。この部分の形状が螺旋形となっているのは、対象流体が内側区間５０を介して加熱される時間をなるべく延長して加熱性能を向上するためである。内側区間５０は、被包囲加熱部２４によって加熱される。

外側区間５２は、金属筒５４を包囲する。金属筒５４の内側に内側区間５０と被加熱包囲部２４とが配置される。外側区間５２は、炉内加熱部２２により加熱される。また、外側区間５２は、金属筒５４を介して被包囲加熱部２４によっても加熱される。外側区間５２のうち金属筒５４を包囲している部分の形状、すなわち、外側区間５２のうち内側区間５０を包囲している部分の形状は、螺旋形である。この部分の形状が螺旋形となっているのも、対象流体が外側区間５２を介して加熱される時間をなるべく延長して加熱性能を向上するためである。外側区間５２の一端は加熱炉本体２０の外に通じている。外側区間５２の他端は金属筒５４の下端に設けられた図示しない孔から金属筒５４の中に入り、内側区間５０となる。これにより、外側区間５２は内側区間５０に通じていることとなる。

上述した説明から明らかな通り、管路２６が被包囲加熱部２４を包囲しているので、炉内加熱部２２は内側区間５０から見て外側区間５２のさらに外側に配置されていることになる。そして、本実施形態において、加熱炉本体２０に入った対象流体は、まず、外側区間５２を通過する。外側区間５２を通過した対象流体は、内側区間５０を通過する。内側区間５０を通過した対象流体は、被包囲加熱部２４の上部および加熱炉本体２０の上部を通って予備炉内に入る。このため、本実施形態において、管路２６は、炉内加熱部２２と被包囲加熱部２４と炉外加熱部３０とにより対象流体が順次加熱されるように配置されていることになる。そしてこの加熱された対象流体が合流部３２で原料流体と合流して反応器２８内に供給されることになる。

以下、本実施形態にかかる加熱装置１０の適用例として、微粒子製造装置に適用した本実施形態の加熱装置について説明する。

図６は、本実施形態にかかる加熱装置１０を適用した微粒子製造装置６０の簡略構成図を示す。この微粒子製造装置６０は、本実施形態にかかる加熱装置１０の他に、対象流体用タンク７０と、対象流体用ポンプ７２と、第１原料流体用の第１タンク７４と、第１ポンプ７６と、第２原料流体用の第２タンク７８と、第２ポンプ８０と、冷却部８２と、回収容器８４とを有する。対象流体用ポンプ７２は対象流体を加圧する。第１ポンプ７６は第１原料流体を加圧する。第１原料流体は、対象流体と合流・混合して反応させる流体である。第１原料流体の具体的な組成は特に限定されるものではないが、第１原料流体の例には金属塩水溶液がある。第２ポンプ８０は第２原料流体を加圧する。第２原料流体も、対象流体と合流・混合して反応させる流体である。第１原料流体と同様に、第２原料流体の具体的な組成は特に限定されるものではないが、第２原料流体の例には第１原料流体とは異なる種類の金属塩水溶液がある。冷却部８２は反応後の混合溶液を冷却する。回収容器８４は製造された微粒子を収容する。

微粒子製造装置６０は、対象流体用タンク７０から流出した対象流体を対象流体用ポンプ７２で加圧して加熱装置１０に供給する。加熱装置１０は、供給された対象流体（この場合、高圧の蒸留水とする）を加熱して、所定の物理状態（亜臨界状態あるいは超臨界状態）の高温高圧水にする。

上記亜臨界状態あるいは超臨界状態（またはこれに近い高温高圧状態）の流体はその物理特性の変化が他の状態（常温常圧状態など）と比較して際立って大きくなるため、上記対象流体の温度制御には極めて高い精度が要求される。このため、加熱装置１０の炉内加熱部２２は、加熱炉本体２０の雰囲気温度をＴ１（たとえば２００℃程度）にしておくことにより、まず、管路２６の外側区間５２内の対象流体（この場合は高圧の蒸留水）をこの雰囲気温度に加熱する。ちなみに、このとき、反応器２８もこの雰囲気温度に加熱される。次に、被包囲加熱部２４は、外側区間５２を通過して内側区間５０に入った対象流体（すなわち、炉内加熱部２２によって雰囲気温度Ｔ１に加熱された対象流体）を被包囲加熱部２４により臨界温度（３７４℃）以上（たとえば４０５℃）に加熱する。その後、さらに細かな温度制御（微調整）を炉外加熱部３０による加熱で行って、所望の物理特性を有する亜臨界状態あるいは超臨界状態を実現する。この炉外加熱部３０は上記微調整用であることから、他の加熱部と比較して加熱温度が高くなるが、熱容量および発熱量が小さいものである。

この亜臨界状態あるいは超臨界状態の蒸留水と、第１タンク７４，第２タンク７８から第１ポンプ７６，第２ポンプ８０で各々供給される原料流体とを反応器２８内で混合して加水分解反応および脱水分解反応を行う。この反応後の溶液を冷却部８２で冷却して析出させた酸化金属などのナノスケールの微粒子を回収容器８４内に回収する。

<変形例の説明>
上述した加熱装置１０は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものである。上述した加熱装置１０は、本発明の技術的思想の範囲内において種々の変更を加え得るものである。

たとえば、上記加熱装置１０は、ナノスケールの酸化金属微粒子を連続かつ高速で製造するために、高圧の蒸留水を亜臨界状態あるいは超臨界状態にしてこの蒸留水を所定の原料流体と合流（混合）かつ反応させるものとして説明している。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明は、対象流体と、その加熱条件と、原料流体とを適宜変更することにより、様々な性状の微粒子を製造するために使用可能なものである。特に有機合成に対しては、加熱装置がコンパクトでありながら熱損失を無くして対象流体の加熱条件を連続的に高精度に変えることができることから、有機合成の一分野であるコンビナトリアルケミストリーにおいて有効活用することが可能である。なお、対象流体の例（高圧の蒸留水を除く）としては、具体的に抽出、精製ならびに化学合成に使用される二酸化炭素、アルコール、プロパン、ブタンなどがある。

また、上述した実施形態では、被包囲加熱部２４が内側区間５０の螺旋形部分と外側区間５２の螺旋形部分という２層によって包囲されている場合について説明した。しかしながら、被包囲加熱部２４を包囲する管路２６の層は、３層以上であってもよい。すなわち、管路２６のうち、内側区間５０でも外側区間５２でもない区間が、外側区間５２を包囲していてもよい。

また、内側区間５０のうち被包囲加熱部２４を包囲する部分の形状は、螺旋形に限定されない。外側区間５２のうち内側区間５０を包囲する部分の形状も同様である。

また、上述した実施形態では、内側区間５０の螺旋形部分と外側区間５２の螺旋形部分との間に金属筒５４が配置されている場合について説明した。しかしながら、金属筒５４は必ずしも必要ではない。たとえば、金属筒５４に代えて、金網が設けられていてもよい。あるいは、内側区間５０の螺旋形部分と外側区間５２の螺旋形部分との間は空洞であってもよい。

１０ 加熱装置
２０ 加熱炉本体
２２ 炉内加熱部
２４ 被包囲加熱部
２６ 管路
２８ 反応器
３０ 炉外加熱部
３２ 合流部
３４ 板状支持部
３６ 送熱用開口部
３８ 調節シャッター
４０ 送熱用ファン
４２ 扉部
５０ 内側区間
５２ 外側区間
５４ 金属筒
６０ 微粒子製造装置
７０ 対象流体用タンク
７２ 対象流体用ポンプ
７４ 第１タンク
７６ 第１ポンプ
７８ 第２タンク
８０ 第２ポンプ
８２ 冷却部
８４ 回収容器

Claims (2)

1. 加熱炉本体と、
   前記加熱炉本体の内外に通され、かつ、対象流体が流れる管路と、
   前記加熱炉本体内に設けられ、前記管路を加熱する炉内加熱部とを備える加熱装置であって、
   前記加熱装置は、前記加熱炉本体内に設けられる、被包囲加熱部をさらに備え、
   前記管路は、
   前記被包囲加熱部を包囲し、前記被包囲加熱部によって加熱される内側区間と、
   前記内側区間に通じており、前記内側区間を包囲し、かつ、前記炉内加熱部に加えて前記被包囲加熱部により加熱される外側区間とを有しており、
   前記炉内加熱部が、前記内側区間から見て前記外側区間のさらに外側に配置されていることを特徴とする加熱装置。
2. 前記被包囲加熱部が熱を放出する柱形部分を有しており、
   前記内側区間が、前記被包囲加熱部の柱形部分を包囲する内側螺旋形部分を有しており、
   前記外側区間が、前記内側螺旋形部分を包囲する外側螺旋形部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。

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