JP6697897B2 - 過熱水蒸気処理装置及びその動作方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水から過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置及び当該過熱水蒸気生成装置を用いた処理方法に関するものである。
近年、過熱水蒸気を用いて、被処理物の洗浄、乾燥又は殺菌を行う過熱水蒸気処理装置が考えられている。
この過熱水蒸気処理装置は、特許文献１に示すように、過熱水蒸気を生成する過熱装置と、当該過熱装置より生成された過熱水蒸気が供給される熱処理炉とを備え、当該熱処理炉に収容された被処理物を洗浄、乾燥又は殺菌するように構成されている。
この処理装置では、前記過熱装置により生成された過熱水蒸気を噴出するスチームライン（導入管）を熱処理炉の内部に設けている。
ここで、熱処理炉の内部が水蒸気又は過熱水蒸気で充満されている状態では、酸素が存在しない又は極めて低濃度であるため、スチームラインの酸化による劣化は生じ難い。
しかしながら、熱処理炉の内部が水蒸気又は過熱水蒸気で充満されていない状態では、高温となっているスチームラインが熱処理炉の内部に残留した大気中の酸素と結合して酸化が進んでしまう。その結果、スチームラインが劣化して、装置寿命の低下を招いてしまう。
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、高温に加熱された流路形成体の酸化を抑制することをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、内部に流路が形成された導電性材料からなる流路形成体を通電加熱して、前記流路を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、前記流路形成体の一部又は全部が配置され、前記流路形成体により生成された過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気収容部とを備え、前記流路形成体は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されており、前記過熱水蒸気生成部は、前記流路形成体の温度を前記酸化開始温度未満の温度と前記酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能に構成されている。
ここで、酸化開始温度とは、１００℃より高温の温度であり、大気中において導電性材料の酸化が急速に進む温度である。つまり、酸化開始温度未満の温度では、大気中において導電性材料の酸化速度が小さく実質的に無視できる程度であり、酸化開始温度以上の温度では、大気中において導電性材料の酸化速度が大きく酸化により腐食が大きい。
ここで、酸化開始温度とは、１００℃より高温の温度であり、大気中において導電性材料の酸化が急速に進む温度である。つまり、酸化開始温度未満の温度では、大気中において導電性材料の酸化速度が小さく実質的に無視できる程度であり、酸化開始温度以上の温度では、大気中において導電性材料の酸化速度が大きく酸化により腐食が大きい。
このようなものであれば、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成された流路形成体の温度を酸化開始温度未満の温度と酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能であるので、流路形成体を酸化開始温度未満の温度で運転して過熱水蒸気収容部を水蒸気又は過熱水蒸気で満たし、その後に、流路形成体の温度を酸化開始温度以上の温度で運転すれば、流路形成体が大気中の酸素によって酸化することを防ぐことができる。
具体的には、前記過熱水蒸気生成部は、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度未満となるように動作して水蒸気又は過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入し、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気で充満した後は前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度以上となるように動作して過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入することが望ましい。
例えば、酸化開始温度以上で運転されている状態で過熱水蒸気収容部の扉を開けて被処理物を取り出すと、外部から空気が流入して過熱水蒸気生成部の流路形成体が酸化されてしまう。このため、前記過熱水蒸気生成部は、前記過熱水蒸気収容部が過熱水蒸気で充満しており、かつ、前記流路形成体が前記酸化開始温度以上である状態から、前記過熱水蒸気収容部の外部から過熱水蒸気以外の気体が流入する状態になる前に、前記流路形成体の温度を前記酸化開始温度未満となるように動作することが望ましい。
前記過熱水蒸気生成部の具体的な構成としては、２Ｎ本（Ｎは１以上の整数である。）の前記流路形成体である導体管が互いに平行となるように配置されており、前記２Ｎ本の導体管の一端部が互いに電気的に接続され、前記２Ｎ本の導体管の他端部において、互いに隣接する他端部に接続される単相交流電源の極性が異なるように、単相交流電源のＵ相及びＶ相が交互に接続されていることが望ましい。この構成であれば、互いに隣接する導体管に流れる電流が互いに逆向きとなるので、それぞれの電流により発生する磁束が打ち消し合い、導体管に発生するインピーダンスが低減されて回路力率を改善することができる。したがって、流体加熱装置の設備効率を向上させることができる。
前記過熱水蒸気生成部の別の具体的な構成としては、３Ｎ本（Ｎは１以上の整数である。）の前記流路形成体である導体管が互いに平行となるように配置されており、前記３Ｎ本の導体管の一端部が互いに電気的に接続され、前記３Ｎ本の導体管の他端部において、連続して並ぶ３つの他端部に接続される三相交流電源の極性がそれぞれ異なるように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相が交互に接続されていることが望ましい。この構成であれば、連続して並ぶ３つの他端部に接続される三相交流電源の極性がそれぞれ異なるように三相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相が接続されているので、連続して並ぶ３つの導体管に流れる電流により発生する磁束が打ち消し合い導体管に発生するインピーダンスが低減されて回路力率を改善することができる。したがって、流体加熱装置の設備効率を向上させることができる。
前記過熱水蒸気収容部は、供給された水蒸気又は過熱水蒸気を排出する排出部を有することが望ましい。この構成であれば、水蒸気又は過熱水蒸気を常時供給することができ、過熱水蒸気収容部を常に低酸素状態に保つことができる。
高温の過熱水蒸気を生成する場合、過熱水蒸気収容部内の温度も高温になるため、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路形成体に接続された流路接続部（例えば通電部材や外部配管）も高温になる場合が多い。ここで、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路接続部が酸化開始温度以上になれば流路形成部又は流路接続部の寿命低下に繋がる。
このため、前記流路形成体又は前記流路形成体に接続された流路接続部において、前記過熱水蒸気収容部内の部分の通電断面積よりも前記過熱水蒸気収容部外の部分の通電断面積が大きく、又は、前記過熱水蒸気収容部内の通電部分の抵抗よりも前記過熱水蒸気収容部外の通電部分の抵抗が小さいことが望ましい。この構成であれば、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路接続部の発熱を抑えて、酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
このため、前記流路形成体又は前記流路形成体に接続された流路接続部において、前記過熱水蒸気収容部内の部分の通電断面積よりも前記過熱水蒸気収容部外の部分の通電断面積が大きく、又は、前記過熱水蒸気収容部内の通電部分の抵抗よりも前記過熱水蒸気収容部外の通電部分の抵抗が小さいことが望ましい。この構成であれば、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路接続部の発熱を抑えて、酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
また、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路接続部を酸化開始温度未満に冷却することができれば、流路形成体又は流路接続部の寿命低下を抑制することができる。このための具体的な構成としては、前記過熱水蒸気収容部とは別に、前記流路形成体又は前記流路形成体に接続された流路接続部が貫通するとともに水蒸気が導入される水蒸気導入部が設けられているが望ましい。この構成であれば、水蒸気導入部に１００℃以上かつ酸化開始温度未満の水蒸気が導入することで、過熱水蒸気収容部外の流路形成体又は流路接続部を酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
ここで、水蒸気導入部には、外部から温度調整された過熱水蒸気を導入するように構成しても良いし、水蒸気収容部に過熱水蒸気発生部を設けおき、外部から飽和水蒸気を導入して前記過熱水蒸気発生部により過熱水蒸気を発生させる構成としても良い。
前記流路形成体は、当然のことながら融点以下の温度で使用しなければならない。したがって、できるだけ融点が高い材質を用いて流路形成体を形成することが望ましいが、実用的には入手性や加工性及びその材料コスト及び加工コストも重要な要素である。
例えば、２０００℃以上の融点を持つ金属には以下のようなものがある。
タングステン（融点：３４４３℃）、タンタル（融点：３０２７℃）、オスミウム（融点：２６９７℃）、モリブデン（融点：２６２２℃）、ニオビウム（融点：２５００℃）、コランビウム（融点２５００℃）、イリジウム（融点：２４５４℃）、ルテニウム（融点：２４２７℃）、ジルコニウム（融点：２１２７℃）
上記の金属のうち、融点２０００℃以上であり、比較的入手性や加工性が良く、高温過熱水蒸気に対して化学変化し難いものは純イリジウム及びイリジウム合金である。図７は、１０００℃以上の過熱水蒸気雰囲気にタングステン、タンタル、モリブデン、チタン及びイリジウムを１．５〜６時間置いた試験データである。イリジウムの重量減少率は１．４％と測定誤差程度であったが、モリブデンは５０．５％、タンタルは３０．８％、タングステンは１５．７％と大きな値であり、実用化は困難である。チタンについては２４．４％の増加となったが、これは水分子中の酸素原子又は水素原子と化合して酸化物等が生じることによって重量増加したと考えられる。この場合も材質が他物質に変化しており、実用化は困難である。
タングステン（融点：３４４３℃）、タンタル（融点：３０２７℃）、オスミウム（融点：２６９７℃）、モリブデン（融点：２６２２℃）、ニオビウム（融点：２５００℃）、コランビウム（融点２５００℃）、イリジウム（融点：２４５４℃）、ルテニウム（融点：２４２７℃）、ジルコニウム（融点：２１２７℃）
上記の金属のうち、融点２０００℃以上であり、比較的入手性や加工性が良く、高温過熱水蒸気に対して化学変化し難いものは純イリジウム及びイリジウム合金である。図７は、１０００℃以上の過熱水蒸気雰囲気にタングステン、タンタル、モリブデン、チタン及びイリジウムを１．５〜６時間置いた試験データである。イリジウムの重量減少率は１．４％と測定誤差程度であったが、モリブデンは５０．５％、タンタルは３０．８％、タングステンは１５．７％と大きな値であり、実用化は困難である。チタンについては２４．４％の増加となったが、これは水分子中の酸素原子又は水素原子と化合して酸化物等が生じることによって重量増加したと考えられる。この場合も材質が他物質に変化しており、実用化は困難である。
前記流路形成体の温度を検出する具体的な実施の態様としては、過熱水蒸気処理装置が、前記流路形成体の抵抗値から前記流路形成体の温度を算出する温度検出機構を備えることが考えられる。具体的には、過熱水蒸気処理装置が、前記流路形成体に印加される交流電圧を検出する電圧検出部と、前記流路形成体に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部により得られる電圧値及び前記電流検出部から得られる電流値により得られるインピーダンスと前記流路形成体の温度との関係から、前記流路形成体の温度を算出する温度検出機構とを備えることが考えられる。この構成であれば、流路形成体に通電することで電気的に流路形成体の温度を測定することができ、無理なく温度を測定することができる。その他、過熱水蒸気処理装置は、前記流路形成体に直流電圧を印加する直流電源と、前記流路形成体に流れる直流電流を検出する電流検出部と、前記直流電圧と前記電流検出部から得られる電流値により抵抗値と前記流路形成体の温度との関係から、前記流路形成体の温度を算出するものであっても良い。
前記流路形成体とは別に過熱水蒸気収容部内に１００℃以上の酸化開始温度を有する金属体を設置し、前記金属体の抵抗値から前記過熱水蒸気収容部内の雰囲気温度を算出する温度検出機構を備えることが望ましい。過熱水蒸気収容部内に金属体を設置して、金属体に通電していない状態又は大きな発熱をしない程度の微弱な電流を流した状態では、金属体は過熱水蒸気収容部内の雰囲気温度と同等の温度となる。この金属体に印加される電圧と流れる電流との関係、又は、間欠的に通電を行ったときの印加電圧と電流値から抵抗値を算出して、その抵抗値から温度を算出することで過熱水蒸気収容部内の雰囲気温度を検出できる。ここで、前記金属体は酸化開始温度が１００℃以上の材質で構成し、その融点温度が過熱水蒸気収容部内雰囲気温度より高いことが望ましい。例えば、金属体は、流路形成体と同一材料から形成することが考えられる。このように金属体を１００℃以上の酸化開始温度を有する材質で構成しているので、金属体の酸化を防ぐことができる。
また、本発明に係る過熱水蒸気処理装置は、水蒸気を収容する水蒸気収容部と、前記水蒸気収容部内に設けられた導電性材料からなる加熱用部材と、前記水蒸気収容部外に設けられて、前記加熱用部材を誘導加熱する誘導加熱部とを備え、前記誘導加熱部により誘導加熱された前記加熱用部材により、前記水蒸気収容部内の水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、前記加熱用部材は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されており、前記誘導加熱部は、前記加熱用部材の温度を前記酸化開始温度未満の温度と前記酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能に構成されていることを特徴とする。
この構成であれば、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成された加熱用部材の温度を酸化開始温度未満の温度と酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能であるので、加熱用部材を酸化開始温度未満の温度で運転して水蒸気収容部を水蒸気又は過熱水蒸気で満たし、その後に、加熱用部材の温度を酸化開始温度以上の温度で運転すれば、加熱用部材が水蒸気収容部内の大気中の酸素によって酸化することを防ぐことができる。
また、本発明に係る過熱水蒸気処理装置の動作方法は、内部に流路が形成された導電性材料からなる流路形成体を通電加熱して、前記流路を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、前記流路形成体の一部又は全部が配置され、前記流路形成体により生成された過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気収容部とを備え、前記流路形成体は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されている過熱水蒸気処理装置の動作方法であって、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充填される前は、前記過熱水蒸気生成部を前記酸化開始温度未満の温度で動作させ、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充填された後は、前記過熱水蒸気生成部を前記酸化開始温度以上の温度で動作させることを特徴とする。
さらに、本発明に係る過熱水蒸気処理装置の動作方法は、水蒸気を収容する水蒸気収容部と、前記水蒸気収容部内に設けられた導電性材料からなる加熱用部材と、前記水蒸気収容部外に設けられて、前記加熱用部材を誘導加熱する誘導加熱部とを備え、前記誘導加熱部により誘導加熱された前記加熱用部材により、前記水蒸気収容部内の水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、前記加熱用部材は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成された過熱水蒸気処理装置の動作方法であって、前記水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は、前記加熱用部材が前記酸化開始温度未満の温度となるように前記誘導加熱部を動作させつつ、水蒸気又は過熱水蒸気を前記水蒸気収容部に導入し、前記水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充填した後は、前記加熱用部材が前記酸化開始温度以上の温度となるように前記誘導加熱部を動作させることを特徴とする。
このように構成した本発明によれば、流路形成体を酸化開始温度未満の温度で運転して過熱水蒸気収容部を水蒸気又は過熱水蒸気で満たし、その後に、流路形成体の温度を酸化開始温度以上の温度で運転することによって、流路形成体が大気中の酸素によって酸化することを防ぐことができる。
以下に本発明に係る過熱水蒸気処理装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る過熱水蒸気処理装置１００は、図１に示すように、水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する通電加熱方式の過熱水蒸気生成部２と、過熱水蒸気生成部２により生成された過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気収容部３とを備えている。
過熱水蒸気生成部２は、内部に水蒸気が流れる流路Ｒが形成された導電性材料からなる流路形成体である導体管２１に交流電圧を印加して直接通電し、導体管２１の内部抵抗により発生するジュール熱によって導体管２１を加熱することにより、前記流路Ｒを流れる水蒸気を加熱するものである。
具体的に過熱水蒸気生成部２は、図２に示すように、２本の導体管２１が互いに平行となるように配置されており、当該２本の導体管２１の水蒸気導入側である一端部２１ａが互いに電気的に接続されている。各導体管２１は、直管状をなす円筒管であり、同一形状をなすものである。
また、導体管２１は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されている。つまり導体管２１は、酸化開始温度未満では、大気中の酸素と結合して形成された酸化皮膜により、腐食が進行しない又は腐食が進行しても実質的に無視できる状態である。一方、導体管２１は、酸化開始温度以上では、表面に形成された酸化皮膜が破壊されて、酸素が内部に侵入して導電性材料の更なる酸化が進み酸化速度が著しく増大する。この酸化開始温度は、導体管２１に用いる導電性材料の材質、想定する導体管２１の寿命等によって定められる温度である。
導体管２１を形成する具体的な導電性材料として、オーステナイト系ステンレス鋼やインコネル合金を用いることができる。その他、高耐熱性を兼ね備える導電性材料として、融点温度が２０００℃以上の純イリジウム又はイリジウム合金等を用いることができる。
上記の各導電性材料の酸化開始温度の具体例としては、例えば以下である。
オーステナイト系ステンレス鋼：５００℃〜７００℃
インコネル合金：９００℃
純イリジウム又はイリジウム合金：６００℃
オーステナイト系ステンレス鋼：５００℃〜７００℃
インコネル合金：９００℃
純イリジウム又はイリジウム合金：６００℃
具体的に２本の導体管２１の一端部２１ａは、導体管２１と同一材料からなる分流管２２により電気的に接続されている。この分流管２２は、２本の導体管２１の一端部２１ａに接続されるとともに、当該２本の導体管２１に水蒸気又は過熱水蒸気を分流させるものである。また、本実施形態では、導体管２１及び分流管２２が一体構成されたものである。
また、２本の導体管２１の他端部２１ｂは閉塞されており、導体管２１の途中（一端部２１ａ及び他端部２１ｂの間）の側壁に複数の流体噴出ノズル２３が設けられている。この複数の流体噴出ノズル２３は、導体管２１の側壁において周方向全体に形成されるものであっても良いし、導体管２１の側壁において配列方向に直交する一方向側に形成されるものであっても良い。また、複数の流体噴出ノズル２３は、側壁において一端部２１ａから他端部２１ｂに亘って等間隔に設けられているが、これに限られない。
なお、分流管２２の上流側開口により構成される流体導入口には、フランジ部２２１が形成されており、誘導加熱方式又は通電加熱方式の飽和水蒸気生成部２００に接続された外部配管（不図示）との接続が可能となるように構成されている。
そして、２本の導体管２１の流体導出側である他端部２１ｂに単相交流電源２４が接続されている。具体的には、２本の導体管２１の他端部２１ｂの一方に単相交流電源２４のＵ相が接続されており、２本の導体管２１の他端部２１ｂの他方に単相交流電源のＶ相が接続されている。各導体管２１の他端部２１ｂに接続される電極２５は、導体管２１と同一材質（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）かつ中実材料であって、電極幅寸法が導体管２１の直径以下であり、導体管２１の延長線上に配置された直線状をなすものである。なお、電極幅寸法とは、導体管２１の管軸方向に直交する方向の寸法である。また、電極２５における導体管２１との接続部の外面は、導体管２１の外側周面と面一又は径方向内側に位置するように構成されている。これにより、過熱水蒸気収容部３への挿入を簡単に行うことができるようにしている。さらに、電極２５には、外部配線を接続するための接続孔２５１が形成されている。
このように構成した過熱水蒸気生成部２において、単相交流電源４から単相交流電圧を電極２５を介して導体管１に印加すると、一方の導体管２１に流れる電流の向きと、他方の導体管２１に流れる電流の向きとが逆向きとなる。そうすると、それぞれの電流により発生する磁束が打ち消し合い、導体管２に発生するインピーダンスが低減されて回路力率を改善することができる。したがって、過熱水蒸気生成部２の設備効率を向上させることができる。
過熱水蒸気収容部３は、導体管２１の流体噴出ノズル２３から噴出された過熱水蒸気によって被処理物Ｗを熱処理（例えば洗浄、乾燥、焼成又は殺菌）するための処理室３１を形成するチャンバーである。ここで、被処理物Ｗは、前記処理室３１に搬送ベルト等の搬送機構により連続的に搬送される構成とすることが考えられる。
具体的には、チャンバー３の左右側壁３２、３３を貫通するように導体管２１が挿入して設けられている。このとき、導体管２１がチャンバー３の左右側壁３２、３３に挿入された状態で、複数の流体噴出ノズル２３は、チャンバー３の左右側壁３２、３３の間、つまり、チャンバー３の内部空間に位置する。
また、導体管２１がチャンバー３に挿入された状態で、当該導体管２１に接続される電極２５は、チャンバー３の外側に位置している。これにより、チャンバー３の左右側壁３２、３３に導体管２１を取り付けるための孔を形成するだけで、電極２５が設けられた導体管２１を簡単に着脱することができる。つまり、導体管２１をチャンバー３に挿入して取り付ける際、又、導体管２１をチャンバー３から抜き出して取り外す際に、電極２５が左右側壁３２、３３に干渉して邪魔になることを防止できる。また、導体管２１に接続される単相交流電源２４は、チャンバー３の外部に設けられた電源室（不図示）内に設けられている。このようにチャンバー３とは異なる空間に設置された単相交流電源２４は、電気配線によって導電管の電極２５に電気的に接続される。
さらに、チャンバー３には、供給された水蒸気又は過熱水蒸気を排出する排出部３４が形成されている。この排出部３４は、外部配管に接続される排出ポートであっても良いし、大気開放された排出ポートであっても良いし、チャンバー外部に連通する隙間であっても良い。
次に、本実施形態の過熱水蒸気処理装置１００の動作について図３を参照して説明する。
この過熱水蒸気処理装置１００において、過熱水蒸気生成部２は、導体管２１の温度が１００度以上であり、且つ、酸化開始温度未満の第１温度範囲となるように運転する第１運転と、導体管２１の温度が酸化開始温度以上の第２温度範囲となるように運転する第２運転とで切替可能に構成されている。
具体的に過熱水蒸気生成部２は、過熱水蒸気収容部３であるチャンバーに水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前、つまり、チャンバー３内に大気が残留している間は、導体管２１の温度が１００度以上であり、且つ、酸化開始温度未満の第１温度範囲となるように第１運転する。この第１運転中は、過熱水蒸気生成部２を制御する制御装置４は、導体管２１に設けられて導体管２１の温度を検出する温度センサ（不図示）からの測定値を取得して、前記導体管２１の温度が第１温度範囲の所定値となるように、単相交流電源２４をフィードバック制御する。
この第１運転は、制御装置４が、第１運転を開始してから所定時間経過したことを示す所定時間経過信号をタイマー等から取得することで第１運転を終了させることが考えられる。その他、ユーザが外部の入力装置を用いて第１運転終了信号を前記制御装置４に入力することによって第１運転を終了させても良い。また、チャンバー３の処理室３１内に酸素センサ（不図示）を設けておき、当該酸素センサからの測定値を取得して、酸素濃度がゼロ又は所定の閾値以下となった場合に、第１運転を終了させても良い。
このように第１運転を行うことによって、チャンバー３の処理室３１内は水蒸気又は過熱水蒸気で充満した状態、つまり、チャンバー３内に大気が残留していない状態となる。この状態において、過熱水蒸気生成部２は、導体管２１の温度が酸化開始温度以上の第２温度範囲となるように第２運転する。この第２運転中も、第１運転中と同様に、制御装置４は、導体管２１に設けられて導体管２１の温度を検出する温度センサ（不図示）からの測定値を取得して、前記導体管２１の温度が第２温度範囲の所定値となるように、単相交流電源２４をフィードバック制御する。
この第２運転は、制御装置４が、第２運転を開始してから所定時間経過したことを示す所定時間経過信号をタイマー等から取得することで第２運転を終了させることが考えられる。その他、ユーザが外部の入力装置を用いて第２運転終了信号を前記制御装置４に入力することによって第２運転を終了させても良い。また、処理室３１内の被処理物Ｗの状態を検知する検知部からの検知信号を取得して、被処理物Ｗの処理が終了した場合に第２運転を終了させても良い。
この第２運転を終了した後に被処理物を過熱水蒸気収容部から取り出す際に、導体管２の温度が酸化開始温度以上の場合には、外部から空気が流入して過熱水蒸気生成部の流路形成体が酸化されてしまう。このため、過熱水蒸気生成部２は、過熱水蒸気収容部３が過熱水蒸気で充満しており、かつ、導体管２１が酸化開始温度以上である状態から、過熱水蒸気収容部３に空気が流入する状態になる前に、導体管２１の温度を酸化開始温度未満となるように動作する。具体的には制御装置４は、第２運転を終了した時点から過熱水蒸気生成部２を制御して導体管２１の温度が酸化開始温度未満となるようにする。
このように構成した過熱水蒸気生成装置１００によれば、導体管２１の温度が大気中の酸素により酸化しにくい温度範囲となるように運転する第１運転と、導体管２１の温度が大気中の酸素により酸化しやすい温度範囲となるように運転する第２運転とで切替可能であるので、チャンバー３に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は第１運転をしつつ水蒸気又は過熱水蒸気をチャンバー内に導入し、チャンバー３に水蒸気又は過熱水蒸気が充満した後は第２運転をして過熱水蒸気をチャンバー３内に導入することができる。これにより、過熱水蒸気生成部２により酸化開始温度以上の過熱水蒸気を生成する場合であっても、導体管２１がチャンバー３内に残留した大気中の酸素によって酸化することを防ぐことができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では過熱水蒸気生成部２に供給される飽和水蒸気は、外部に設けられた飽和水蒸気生成部２００から供給されているが、過熱水蒸気生成部２とともに飽和水蒸気生成部を有するものであっても良い。
例えば、前記実施形態では過熱水蒸気生成部２に供給される飽和水蒸気は、外部に設けられた飽和水蒸気生成部２００から供給されているが、過熱水蒸気生成部２とともに飽和水蒸気生成部を有するものであっても良い。
前記実施形態では、過熱水蒸気生成部２は、前段に設けられた飽和水蒸気生成部２００により生成された飽和水蒸気を受け取る構成としているが、飽和水蒸気生成部２００が飽和水蒸気をそれ以上に加熱して過熱水蒸気を生成するものの場合には、過熱水蒸気を受け取り、受け取った過熱水蒸気をさらに加熱して、過熱水蒸気収容部３に供給する所望温度の過熱水蒸気を生成する構成としても良い。
また、前記実施形態では、２本の導体管２１を有する過熱水蒸気生成部２について説明したが、２Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導体管２１を有するものであっても良い。そして、２Ｎ本の導体管２１の一端部２１ａに、２Ｎの流路に分岐した単一の分流管２２を接続することで電気的に接続する。また、２Ｎ本の導体管２の他端部２１ｂにおいて、互いに隣接する他端部２１ｂに接続される単相交流電源２４の極性が異なるように、単相交流電源２４のＵ相及びＶ相が交互に接続されている。
さらに、図４に示すように、３本の導体管２１が互いに平行となるように配置されており、当該３本の導体管２１の水蒸気導入側である一端部２１ａが互いに電気的に接続されている。各導体管２１は、直管状をなす円筒管であり、同一形状をなすものである。また、３本の導体管２１は、同一平面上に等間隔に配列されている。
また、３本の導体管２１の他端部２１ｂは閉塞されており、導体管２１の途中（一端部２１ａ及び他端部２１ｂの間）の側壁に複数の流体噴出ノズル２３が設けられている。この複数の流体噴出ノズル２３は、導体管２１の側壁において周方向全体に形成されるものであっても良いし、導体管２１の側壁において配列方向に直交する一方向側に形成されるものであっても良い。また、複数の流体噴出ノズル２３は、側壁において一端部２１ａから他端部２１ｂに亘って等間隔に設けられているが、これに限られない。
そして、３本の導体管２１の流体導出側である他端部２１ｂに三相交流電源が接続されている。具体的には、３本の導体管２１の他端部２１ｂにおいて１つ目の他端部２１ｂに三相交流電源のＵ相が接続されており、２つ目の他端部２１ｂに三相交流電源のＶ相が接続されており、３つ目の他端部２１ｂに三相交流電源のＷ相が接続されている。
このように構成した過熱水蒸気生成部２において、三相交流電源から三相交流電圧を電極２５を介して導体管２１に印加すると、３本の導体管２１に流れる電流により発生する磁束が打ち消し合い、導体管２１に発生するインピーダンスが低減されて回路力率を改善することができる。したがって、過熱水蒸気生成部２の設備効率を向上することができる。
さらに、３本の導体管２１を有する過熱水蒸気生成部２の他、３Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導体管２１を有するものであっても良い。そして、３Ｎ本の導体管２１の一端部２１ａに３Ｎの流路に分岐した単一の分流管２２を接続することで電気的に接続する。また、３Ｎ本の導体管２１の他端部２１ｂにおいて、連続して並ぶ３つの他端部２１ｂに接続される三相交流電源の極性がそれぞれ異なるように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相が交互に接続されている。
前記実施形態の導体管２１において、流体噴出ノズル２３を設ける他に、側壁に複数の流体噴出口を設けても良い。この流体噴出口は、導体管２１の側壁において周方向全体に形成されるものであっても良いし、導体管２１の側壁において配列方向に直交する一方向側に形成されるものであっても良い。また、複数の流体噴出口は、側壁において一端部２１ａから他端部２１ｂに亘って長手方向の略全体に形成されているが、長手方向の一部、例えば導体管２１の長手方向中央部から他端部２１ｂに形成しても良い。
さらに、導体管の他端部２１ｂを閉塞せずにフランジ部等設けることにより、当該他端部２１ｂを外部配管と接続可能に構成しても良い。
前記実施形態の過熱水蒸気収容部３は、過熱水蒸気を収容して保温するための収容室を形成する保温容器であっても良い。この保温容器に収容された過熱水蒸気は、保温容器に設けられた流体導出ポートから外部に導出されて利用される。この場合、収容容器は、収容した過熱水蒸気をさらに加熱するための加熱機構を有するものであっても良いし、過熱水蒸気の温度調節をするための温度調節機能を有するものであっても良い。
導体管２１又は導体管２１に接続された流路接続部において、過熱水蒸気収容部３内の部分の通電断面積よりも過熱水蒸気収容部３外の部分の通電断面積を大きくしても良い。ここで、流路接続部は、例えば、導体管２１に接続されて導体管２１と共に通電される配管や、導体管に接続されるが通電はされない配管等が考えられる。この構成であれば、過熱水蒸気収容部３外の導体管２１又は流路接続部の発熱を抑えて、酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
また、導体管２１又は導体管２１に接続された流路接続部において、過熱水蒸気収容部３内の通電部分の抵抗よりも過熱水蒸気収容部３外の通電部分の抵抗を小さくしても良い。例えば、過熱水蒸気収容部３外の通電武運の材質を過熱水蒸気収容部３内の通電部分の材質よりも低抵抗材料とすることが考えられる。この構成であれば、過熱水蒸気収容部３外の導体管２１又は流路接続部の発熱を抑えて、酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
前記実施形態の過熱水蒸気処理装置１００の構成に加えて、図５に示すように、過熱水蒸気収容部３外の導体管２１又は流路接続部を１００℃以上且つ酸化開始温度未満に冷却する冷却機構を備えても良い。具体的には、過熱水蒸気処理装置１００が、過熱水蒸気収容部３とは別に、導体管２１又は導体管２１に接続された流路接続部が貫通するとともに水蒸気が導入される水蒸気導入部５を備えている。
この水蒸気導入部５は、過熱水蒸気収容部３外に設けけられ、過熱水蒸気収容部３外における導体管２１又は流路接続部の所定範囲を取り囲む収容空間を形成するものであり、当該所定範囲の温度を１００℃以上且つ酸化開始温度未満に低下させる。具体的に水蒸気導入部５は、飽和水蒸気又は過熱水蒸気が導入される導入ポート５１と、飽和水蒸気又は過熱水蒸気を導出する導出ポート５２とを有する。ここで、水蒸気導入部５には、外部から温度調整された過熱水蒸気を導入するように構成しても良いし、水蒸気収容部５に過熱水蒸気発生部（不図示）を設けおき、外部から飽和水蒸気を導入して過熱水蒸気発生部により過熱水蒸気を発生させる構成としても良い。
この構成であれば、水蒸気導入部５に１００℃以上かつ酸化開始温度未満の水蒸気が導入することで、過熱水蒸気収容部３外の導体管２１又は流路接続部を酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
また、水蒸気導入部５内の導体管２１又は流路接続部の通電断面積が、過熱水蒸気収容部３内の導体管２１又は流路接続部の通電断面積よりも大きいことが望ましい。この構成であれば、上記の冷却機構とともに、過熱水蒸気収容部３外の導体管２１又は流路接続部を酸化開始温度未満に維持することができ、寿命低下を抑制することができる。
また、導体管２１の温度を計測する温度センサが不要となるように構成しても良い。具体的には、過熱水蒸気処理装置１００が、導体管２１に印加される交流電圧を検出する電圧検出部と、導体管２１に流れる電流を検出する電流検出部と、電圧検出部により得られる電圧値及び電流検出部から得られる電流値からインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、インピーダンスと導体管２１の温度との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、インピーダンス算出部により得られたインピーダンスと関係データ格納部に格納された関係データとから導体管２１の温度を算出する温度算出部とを備えている。ここで、インピーダンス算出部、関係データ格納部及び温度算出部は、コンピュータから構成されており、これらにより、温度検出機構が構成される。また、前記関係データは、例えば基準となる導体管２１を用いて得られものであり、関係データ格納部は、コンピュータの内部メモリの所定領域に設定されたものであっても良いし、コンピュータに外付けされる外部メモリの所定領域に設定されたものであっても良い。この構成であれば、導体管２１に通電することで電気的に導体管２１の温度を測定することができ、無理なく温度を測定することができる。
さらに、過熱水蒸気処理装置１００が、導体管２１に印加する交流電圧を生成する変圧器と、変圧器の一次側の交流電圧を検出する電圧検出部と、変圧器の一次側の電流を検出する電流検出部と、電圧検出部により得られる電圧値及び前記電流検出部から得られる電流値からインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、当該インピーダンス算出部により得られたインピーダンスから変圧器のインピーダンスを除去する補正をするインピーダンス補正部と、インピーダンスと導体管２１の温度との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、インピーダンス補正部により得られた補正インピーダンスと関係データ格納部に格納された関係データとから導体管２１の温度を算出する温度算出部とを備えている。ここで、インピーダンス算出部、インピーダンス補正部、関係データ格納部及び温度算出部は、コンピュータから構成されており、これらにより、温度検出機構が構成される。また、前記関係データは、例えば基準となる導体管２１を用いて得られものであり、関係データ格納部は、コンピュータの内部メモリの所定領域に設定されたものであっても良いし、コンピュータに外付けされる外部メモリの所定領域に設定されたものであっても良い。
また、前記実施形態では、通電加熱方式の過熱水蒸気処理装置であったが、誘導加熱方式の過熱水蒸気処理装置であっても良い。
具体的には、図６に示すように、過熱水蒸気処理装置Ｚ１は、水蒸気を収容する水蒸気収容部Ｚ１１と、水蒸気収容部Ｚ１１内に設けられた導電性材料からなる加熱用部材Ｚ１２と、水蒸気収容部Ｚ１１外に設けられて、加熱用部材Ｚ１２を誘導加熱する誘導加熱部Ｚ１３とを備えている。
水蒸気収容部Ｚ１１は、誘導加熱方式又は通電加熱方式の飽和水蒸気生成部２００から飽和水蒸気が導入されるものであり、水蒸気が導入される導入ポートＺ１１ａと、水蒸気を導出する導出ポートＺ１１ｂとを有している。また、水蒸気収容部Ｚ１１は、内部に被加熱物Ｗが収容されるものである。
加熱用部材Ｚ１２は、前記実施形態と同様の材料から形成されるものであり、本実施形態では、水蒸気収容部Ｚ１１の内面の一部又は全部を覆うように設けられた平板状をなすものである。なお、加熱用部材Ｚ１２は、内面に接触して設けられるものである必要はなく、加熱用部材Ｚ１２の内部に設けられるものであれば良い。
誘導加熱部Ｚ１３は、加熱用部材Ｚ１２に誘導電流を生じさせるための誘導コイルＺ１３１と、当該誘導コイルＺ１３１に交流電圧を印加する交流電源Ｚ１３２とを有している。なお、交流電源Ｚ１３２は、前記実施形態と同様に制御装置により制御される。
そして、この過熱水蒸気処理装置Ｚ１は、水蒸気収容部Ｚ１１が飽和水蒸気生成部２００からの飽和水蒸気が充満する前は、加熱用部材Ｚ１２が酸化開始温度未満の温度となるように誘導加熱部Ｚ１３を動作させつつ、飽和水蒸気を水蒸気収容部Ｚ１１に導入する。そして、過熱水蒸気処理装置Ｚ１は、水蒸気収容部Ｚ１１に飽和水蒸気又は過熱水蒸気が充填した後は、加熱用部材Ｚ１２が酸化開始温度以上の温度となるように誘導加熱部Ｚ１３を動作させる。
この構成であれば、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成された加熱用部材Ｚ１２の温度を酸化開始温度未満の温度と酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能であるので、加熱用部材Ｚ１２を酸化開始温度未満の温度で運転して水蒸気収容部Ｚ１１を水蒸気又は過熱水蒸気で満たし、その後に、加熱用部材Ｚ１２の温度を酸化開始温度以上の温度で運転すれば、加熱用部材Ｚ１２が水蒸気収容部Ｚ１１内の大気中の酸素によって酸化することを防ぐことができる。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・過熱水蒸気処理装置
２ ・・・過熱水蒸気生成部
２１ ・・・流路形成体（導体管）
３ ・・・過熱水蒸気収容部（チャンバー）
２ ・・・過熱水蒸気生成部
２１ ・・・流路形成体（導体管）
３ ・・・過熱水蒸気収容部（チャンバー）
Claims (16)
- 内部に流路が形成された導電性材料からなる流路形成体を通電加熱して、前記流路を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、
前記流路形成体の一部又は全部が配置され、前記流路形成体により生成された過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気収容部とを備え、
前記流路形成体は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されており、
前記過熱水蒸気生成部は、前記流路形成体の温度を前記酸化開始温度未満の温度と前記酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能に構成されている過熱水蒸気処理装置。 - 前記過熱水蒸気生成部は、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度未満となるように動作して水蒸気又は過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入し、前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気で充満した後は前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度以上となるように動作して過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入する請求項１記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記過熱水蒸気生成部は、前記過熱水蒸気収容部が過熱水蒸気で充満しており、かつ、前記流路形成体が前記酸化開始温度以上である状態から、前記過熱水蒸気収容部の外部から過熱水蒸気以外の気体が流入する状態になる前に、前記流路形成体の温度を前記酸化開始温度未満となるように動作する請求項１又は２記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記過熱水蒸気生成部は、２Ｎ本（Ｎは１以上の整数である。）の前記流路形成体である導体管が互いに平行となるように配置されており、
前記２Ｎ本の導体管の一端部が互いに電気的に接続され、前記２Ｎ本の導体管の他端部において、互いに隣接する他端部に接続される単相交流電源の極性が異なるように、単相交流電源のＵ相及びＶ相が交互に接続されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。 - ３Ｎ本（Ｎは１以上の整数である。）の前記流路形成体である導体管が互いに平行となるように配置されており、
前記３Ｎ本の導体管の一端部が互いに電気的に接続され、前記３Ｎ本の導体管の他端部において、連続して並ぶ３つの他端部に接続される三相交流電源の極性がそれぞれ異なるように、三相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相が交互に接続されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。 - 前記過熱水蒸気収容部は、供給された水蒸気又は過熱水蒸気を排出する排出部を有する請求項１乃至５の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記流路形成体又は前記流路形成体に接続された流路接続部において、前記過熱水蒸気収容部内の部分の通電断面積よりも前記過熱水蒸気収容部外の部分の通電断面積が大きく、又は、前記過熱水蒸気収容部内の通電部分の抵抗よりも前記過熱水蒸気収容部外の通電部分の抵抗が小さい請求項１乃至６の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記過熱水蒸気収容部とは別に、前記流路形成体又は前記流路形成体に接続された流路接続部が貫通するとともに水蒸気が導入される水蒸気導入部が設けられている請求項１乃至７の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記水蒸気導入部に過熱水蒸気発生部が設けられている請求項８記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記流路形成体が、純イリジウム又はイリジウム合金から形成されている請求項１乃至９の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記流路形成体の抵抗値から前記流路形成体の温度を算出する温度検出機構を備える請求項１乃至１０の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記流路形成体とは別に過熱水蒸気収容部内に１００℃以上の酸化開始温度を有する金属体を設置し、前記金属体の抵抗値から前記過熱水蒸気収容部内の雰囲気温度を算出する温度検出機構を備える請求項１乃至１１の何れか一項に記載の過熱水蒸気処理装置。
- 前記金属体が、純イリジウム又はイリジウム合金から形成されている請求項１２記載の過熱水蒸気処理装置。
- 水蒸気を収容する水蒸気収容部と、
前記水蒸気収容部内に設けられた導電性材料からなる加熱用部材と、
前記水蒸気収容部外に設けられて、前記加熱用部材を誘導加熱する誘導加熱部とを備え、
前記誘導加熱部により誘導加熱された前記加熱用部材により、前記水蒸気収容部内の水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、
前記加熱用部材は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されており、
前記誘導加熱部は、前記加熱用部材の温度を前記酸化開始温度未満の温度と前記酸化開始温度以上の温度とに切替運転可能に構成されている過熱水蒸気処理装置。 - 内部に流路が形成された導電性材料からなる流路形成体を通電加熱して、前記流路を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部と、前記流路形成体の一部又は全部が配置され、前記流路形成体により生成された過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気収容部とを備え、前記流路形成体は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成されている過熱水蒸気処理装置の動作方法であって、
前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は、前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度未満となるように前記過熱水蒸気生成部を動作させて水蒸気又は過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入し、
前記過熱水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充填した後は、前記流路形成体の温度が前記酸化開始温度以上となるように前記過熱水蒸気生成部を動作させて過熱水蒸気を前記過熱水蒸気収容部に導入する過熱水蒸気処理装置の動作方法。 - 水蒸気を収容する水蒸気収容部と、前記水蒸気収容部内に設けられた導電性材料からなる加熱用部材と、前記水蒸気収容部外に設けられて、前記加熱用部材を誘導加熱する誘導加熱部とを備え、前記誘導加熱部により誘導加熱された前記加熱用部材により、前記水蒸気収容部内の水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、前記加熱用部材は、１００℃以上の酸化開始温度を有する導電性材料から形成された過熱水蒸気処理装置の動作方法であって、
前記水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充満する前は、前記加熱用部材が前記酸化開始温度未満の温度となるように前記誘導加熱部を動作させつつ、水蒸気又は過熱水蒸気を前記水蒸気収容部に導入し、
前記水蒸気収容部に水蒸気又は過熱水蒸気が充填した後は、前記加熱用部材が前記酸化開始温度以上の温度となるように前記誘導加熱部を動作させる過熱水蒸気処理装置の動作方法。
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