JP5955089B2 - 流体加熱冷却シリンダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体、特にガスを瞬時に加熱するシリンダー形状の装置に関するものである。

ガスを加熱する装置がある。一般には加熱したパイプにガスを通じて加熱する。または、フィンのついたパイプに加熱した流体を流し、そのフィンの間を通じてガスを加熱する。

ガスを加熱するのと反対のガスを冷却する装置も同様構造である。

従来例を図１と図２に示した。

図１は衝突噴流という加熱機構を実現した一例の特許（再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６）の図を模式的に転写したものである。パイプを通過したガスが加熱した円板にあたり熱交換する。

図２は板状の形状をした加熱ガスを発生させる装置の特許の図（特願２００８−１６２３３２膜形成方法および膜形成装置の図５）を転写したものである。

ガスを瞬時に加熱して高温ガスを噴き出す装置の応用は、暖房や乾燥だけでなく、基板の上に塗布したさまざまの材料（金属や誘電体など）を加熱して焼成する工程がある。

本発明はガスを瞬時に加熱して高温ガスを噴き出す装置に関する。

再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６ 特願２００８−１６２３３２号公報

ガスを加熱する装置をできるだけ小型にしたい。また製造方法を簡単にしたい。

加熱温度範囲も室温から１０００℃またはそれ以上の温度を実現したい。加工が簡単になれば製造コストも安価にできる。安価になるとガス加熱装置の応用産業が広がる。

本発明は、請求項1に記載のように、柱の側面に柱を囲むように周溝を複数段設け、隣り合う当該周溝の間に当該周溝同士を連結する複数の連結溝のセットが当該側面に設けてあり、当該周溝を挟むようにある２つの当該セットの連結溝の当該周溝における周上の位置が重ならないように配置されてあり、当該柱が密着されて収納されるシリンダーの内壁と当該柱が作る流路を流体が流れて、当該柱と当該流体が熱交換することを特徴とする流体の加熱装置である。

請求項２に係る発明は前記流体がガスまたは液体であることを特徴とする請求項１記載の加熱装置である。

請求項３に係る発明は、前記ガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは当該ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項２記載の加熱装置である。

請求項４に係る発明は前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項２、３記載の加熱装置である。

請求項５に係る発明は前記液体が水であることを特徴とする請求項２記載の加熱装置である。

請求項６に係る発明は前記柱と前記シリンダーが金属、または異種金属を被覆した金属であることを特徴とする請求項１〜５記載の加熱装置である。

請求項７に係る発明は前記柱と前記シリンダーが石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであることを特徴とする請求項１〜６記載の加熱装置である。

請求項８に係る発明は前記柱にヒーターを挿入して柱を加熱する、または前記シリンダーをヒーターで加熱することを特徴とする請求項１〜７記載の加熱装置である。

請求項９に係る発明は前記柱が円柱または四角柱であることを特徴とする請求項１〜８記載の加熱装置である。

請求項１に係る発明によれば、簡単な構造の加熱されたシリンダーに収納された柱と流体の熱交換ができる。必要な構造の加工は柱の表面だけでよい。

細く加工した連結溝を流体が流れるとき、流速が増す。この高速の流体が前記周溝の壁に勢いよく衝突して加熱した柱から瞬時に熱交換する。

連結溝は周溝を挟んで同じ位置にないので、連結溝から出た流体は層流にならない。もし層流になると当該溝と流体の間に淀み層ができて、これが熱伝達の抵抗になり、瞬時の熱交換を妨げる。

前記シリンダーと溝を加工した柱は精度よく加工して密着するように収納するだけで、加工した溝が流路を形成するので、この構造の製作工数は少なく簡単である。

請求項２から５に係る発明によれば、流体としてガスと液体が扱える。ガスとしては熱分解しない範囲で任意のガスを選べる。もし酸素などを選ぶと加熱した酸素を瞬時に作り出せる。水素を選ぶと強力な高温還元ガスを瞬時に作り出せる。これらの高温ガスを機材に吹き付けることにより、基材自体を加熱しないでも表面を加熱ガスで処理可能である。

流体として水を用いると高温のスチームを瞬時に作り出せる。本加熱装置は小型に製作できるので、本スチームを照射したい基材に近づけて照射可能である。

加熱した高温スチームは基材の薬品を使わない洗浄に有効であるので、本加熱装置は洗浄装置の部品として応用できる。

請求項６，７に係る発明によれば、本加熱装置を金属やセラミクスで製作可能である。前記柱と前記シリンダーを金属で作製し、接続部分を溶接すると、密閉構造が可能で、外部環境と遮断した加熱装置が製作可能である。

セラミクスなど酸化されない材料を用いると酸化性のガスや腐食性のある流体も瞬時に加熱可能である。また、金属汚染を嫌う用途に用いることが可能である。

請求項８、９に係る発明によれば、前記柱の中心軸に孔をあけて、ここにヒーターを入れるだけで加熱が可能である。本構造は簡単であり、ヒーターが１本のとき特に保守が簡単になる。本加熱装置全体を円柱状または四角柱状に製作可能で、円形または四角形のリング状加熱ガスビームを作ることが可能である。シリンダーの出口を狭めて一本の管にすれば、一本のビーム状の加熱ビームを作ることも可能である。

図1は、従来のガス加熱装置の一例（再公表特許Ｗ０２００６／０３０５２６）の模式図。 図２は、従来のガス加熱装置の一例（特願２００９−１４４８０７ ガス加熱装置の図５）の模式図。 図３は、円柱部品の模式図。 図４は、円柱部品とそれを収納するシリンダー部品を組み込んだ流体加熱機構部の斜視図。 図５は、流体加熱機構部を収納したケース全体を表す流体加熱装置の断面模式図。

図３に円柱部品３００の立体模式図を示す。円柱部品３００にはヒーターを収納するためのヒーター孔３０１が中心に備えてある。

円柱３００はステンレス鋼であり、規格ＳＵＳ３１０Ｓを用いた。円柱を加工して周囲に６段の円周溝Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３、Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６を作製した。深さは３ｍｍ、幅は５ｍｍである。円周溝Ｇ１とＧ２を連結する４つ連結溝Ｃ１Ａが作製した。Ｃ１Ａの１はＧ１に連結していることを指し、Ａは円周上の位置を特定する位相を表現する。

連結溝Ｃ１Ａの深さは３ｍｍ、幅は１ｍｍである。

同様にＧ２とＧ３を連結する４つの溝Ｃ２Ｂを作製する。Ｃ２Ｂの２はＧ２に連結する連結溝であることを示し、Ｂは円周上の位置を特定する位相を表現する。

円周上の位相Ｂは、位相Ａの中点に位置させた。この位相の関係は自由に設計できるものである。この場合、円周上に４つの連結溝を備えたので位相ＡとＢは４５度ずれた位置関係にある。連結溝が円周上に６つ備えたときは、ずれは３０度となる。

同様にして連結溝Ｃ３Ａ、Ｃ４Ｂ、Ｃ５Ａ、Ｃ６Ｂが作製される。

流体導入管３０２が溶接されていて、これに導入した流体は円周溝Ｇ１に導かれる。

ヒーター孔３０１と円周溝Ｇ１〜Ｇ６、連結溝Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｂ、Ｃ３Ａ、Ｃ４Ｂ，Ｃ５Ａ、Ｃ６Ｂを作製した円柱部品３００はシリンダーに収納される。

図４は、円柱部品３００とそれを収納するシリンダー部品を組み込んだ流体加熱機構部４００の斜視図である。

シリンダー部品４０１に内壁に円柱部品３００は密着する。外部に流体が漏れないように接続部は溶接する。

流体導入管３０２から加圧して導入した流体は円周溝を通り、連結溝を通過するときに高速流体となる。高速流体は円周溝の壁に高速で垂直に衝突する。垂直に衝突すると、熱伝達の抵抗となる淀み層ができない。

円柱部品３００はヒーター給電線４０２から給電されたヒーター４０３で加熱される。ヒーターはシリコンカーバイド製であり、１０００℃の加熱が可能である。

シリンダー部品４０１、円柱部品３００はＳＵＳ３１０Ｓであるので、１０００℃までの加熱が可能である。

図５は前記の流体加熱機構部４００を収納したケース全体を表す流体加熱装置の断面模式図である。

流体加熱装置５００は流体加熱機構部４００を断熱ケースに入れたものである。流体加熱機構４００は断熱材５０１を収納した断熱材ケース５０２で断熱される。

断熱材ケース５０２の外にステンレス製の外ケース５０３があり、その端はフランジ５０４に接続されてある。

円柱部品はヒーター給電線４０２から給電されるヒーター４０３により加熱される。図示しない熱電対で円柱部品の温度が測定され、その温度に維持されるように電力が制御される。５００℃の加熱された窒素を作り出すためにこの温度を５００℃とした。

ガス導入管５０５から窒素ガスを１００ＳＬＭ供給する。窒素ガスは円周溝５０６と、本図では見えない前記連結溝を経由して、流れて、流体加熱機構４００の中で瞬時に加熱される。

５００℃に加熱された窒素はガス出口管５０７から外に出る。

加熱温度を３００℃にすると３００℃の窒素が得られる。

以上、窒素ガスを加熱する実施例を述べた。本加熱機構はガスが分解しない限り窒素ガス以外のガスを用いることは自由である。

アルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガス、あるいはＦなど７属の元素を含むガスも、用いることが可能である。また当該ガスの複数を組み合わせたガスであってもよい。

また前記ガスは水または空気を含むガスであってもよい。

ガスのほかの流体でも用いることは自由である。例えば流体が水であると、高温のスチームを作り出すことが可能である。

以上の実施例ではシリンダー、円柱部品をＳＵＳ３１０Ｓで作製した。使用する温度範囲や流体の性質に応じて好適な材料を選ぶことは自由である。部品を構成する材料はステンレスやアルミニュームなどの金属のほか、異種金属を被覆した金属であってもよい。

また、金属汚染を特に嫌う応用では前記円柱部品と前記シリンダーが石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであってもよい。

本発明は、大流量の高温のガスや液体を作り出す小型の部品を提供する。応用分野は印刷物の乾燥、小型の暖房器具、温室の暖房、洗浄のための高温の薬剤の生成に用いることができる。太陽電池やフラットパネル表示装置（ＦＰＤ）をガラス基板などの大型基板の上に安価に成膜する技術にも好適である。

１０１ガス入口
１０２空洞ディスク
１０３パイプ
１０４ガス出口
３００円柱部品
３０１ヒーター孔
３０２流体導入管
Ｃ１Ａ、Ｃ２Ｂ、Ｃ３Ａ、Ｃ４Ｂ、Ｃ５Ａ、Ｃ６Ｂ 連結溝
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６円周溝
４００流体加熱機構部
４０１シリンダー部品
４０２ヒ−ター給電線
４０３ヒーター
５００流体加熱装置
５０１断熱材
５０２断熱材ケース
５０３外ケース
５０４フランジ
５０５ガス導入管
５０６円周溝
５０７ガス出口管

Claims (9)

1. 柱の側面に前記柱を囲むように周溝を複数段設け、
   前記柱の側面であって隣り合う前記周溝の間のそれぞれに、前記周溝同士を連結する連結溝を複数ずつ設けてあり、
   前記複数の連結溝のそれぞれは、前記周溝を挟んで隣り合う他の連結溝とは、前記周溝における周上の位置が重ならないように配置されてあり、
   前記柱が密着されて収納されるシリンダーの内壁と前記柱が作る流路の入口から出口に向かって前記流路を流体が流れ、前記連結溝から前記周溝の内壁に前記流体を衝突させて、前記柱と前記流体が熱交換することを特徴とする流体の加熱装置。
2. 前記流体がガスまたは液体であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記ガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは前記ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項２または３に記載の加熱装置。
5. 前記液体が水であることを特徴とする請求項２に記載の加熱装置である。
6. 前記柱と前記シリンダーが金属、または異種金属を被覆した金属であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の加熱装置。
7. 前記柱と前記シリンダーが石英やアルミナ、シリコンカーバイドなどを含むセラミクスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の加熱装置。
8. 前記柱にヒーターを挿入して円柱を加熱する、または前記シリンダーをヒーターで加熱することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加熱装置。
9. 前記柱が円柱または四角柱であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の加熱装置。