JP7356101B2 - 過熱水蒸気生成を利用した加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、過熱水蒸気を用いてワークを加熱する加熱装置及び加熱方法に関する。

カーボン繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等のワークを加熱する際、過熱水蒸気を用いた加熱装置が使用されている。例えば、特許文献１に記載の加熱装置は、外部で生成した過熱水蒸気が、ワークを収容した密閉容器内へ供給され、電気ヒータで加熱されながら、ワークへ向けて吹き付けられると共に、電気ヒータで直接ワークが加熱される。これにより、加熱時間を短縮することができる。また、密閉容器内に設けられた循環機構により過熱水蒸気を密閉容器内で循環させ、再加熱による再利用を行うため、高い省エネ性を有する。

国際公開２０１９／０５９１５９号

しかし、上述のような加熱装置では、ボイラや加熱器等の過熱水蒸気を生成するための設備が別途必要であり、それら設備の設置のために多くのスペースを割く必要があった。また、過熱水蒸気を装置へ供給した後は循環による再利用のため省エネ性が高いが、過熱水蒸気を生成するための設備の稼働に大きなエネルギーを必要とするため、より高い省エネ性が望まれていた。さらに、過熱水蒸気は、循環機構により与えられた勢いを利用してワークへ吹き付けられることから、循環機構の回転気流や炉内壁等の障害物を理由に、複数設けられた吹き付けノズルの位置によって風速が異なり、温度ムラが発生するため、より均一にワークへ向けて過熱水蒸気を吹き付けられる加熱装置が求められていた。

そこで、本発明の目的は、装置の省スペース化、省エネ化を実現すると共に、ワーク全体を均一に加熱することができる加熱装置及び加熱方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被加熱物を収容するように構成された密閉容器と、密閉容器内へ外部から水を滴下供給可能とする滴注管と、密閉容器内に設けられ、被加熱物を加熱すると共に滴注管を通って密閉容器内へ導かれた水から過熱水蒸気を生成する加熱領域と、加熱領域に設けられ、加熱領域内の雰囲気を加熱する電気ヒータと、過熱水蒸気を密閉容器内で循環させる循環機構と、を備え、密閉容器は、内部に設けた仕切り板により、加熱領域と循環機構とを含み、加熱領域を通過しながら過熱水蒸気が循環するダクトが区画形成され、ダクトは、密閉容器内に収容された被加熱物に向けて開口する開口部を備え 、開口部は、過熱水蒸気を被加熱物へ向けて吹き付け可能な複数のノズルを備えると共に、ノズルのダクト側に、メッシュ状の気流整流部材を備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、循環機構は、加熱領域側に吸い込み口を有するファンであり、滴注管は、水の出口側の先端が、加熱領域における循環機構の上流側となる吸い込み口の近傍に位置することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、被加熱物を収容するように構成された密閉容器と、密閉容器内へ外部から水を滴下供給可能とする滴注管と、密閉容器内に設けられ、被加熱物を加熱すると共に滴注管を通って密閉容器内へ導かれた水から過熱水蒸気を生成する加熱領域と、加熱領域に設けられ、加熱領域内の雰囲気を加熱する電気ヒータと、過熱水蒸気を密閉容器内で循環させる循環機構と、を備え、密閉容器は、内部に設けた仕切り板により、加熱領域と循環機構とを含み、加熱領域を通過しながら過熱水蒸気が循環するダクトが区画形成され、ダクトは、密閉容器内に収容された被加熱物に向けて開口する開口部を備え 、開口部は、過熱水蒸気を被加熱物へ向けて吹き付け可能な複数のノズルを備えると共に、ノズルのダクト側に、メッシュ状の気流整流部材を備える加熱装置において、加熱領域に、外部から滴注管を通して水を滴下供給すると共に、電気ヒータで加熱して過熱水蒸気を生成し、過熱水蒸気を密閉容器内で循環させて被加熱物の全体を均一に加熱することを特徴とする。

請求項１及び３に記載の発明によれば、ワークを加熱する際に使用する過熱水蒸気を水から密閉容器内で生成できるため、ボイラや加熱器等の過熱水蒸気を生成するための設備が必要なくなり、加熱装置の省スペース化及び省エネ化が可能となる。また、加熱装置とボイラ等の設備とを接続する配管類が減少するため、メンテナンス容易性が向上する。また、過熱水蒸気をワークへ直接吹き付けることができるため、より短時間でワークをより効率的に昇温することができる。さらに、吹出部位（開口部）を複雑な構成とすることなく、ワーク全体を均一に加熱することができ、温度ムラをより低減できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、加熱領域において生成した過熱水蒸気が即座に循環機構に吸い込まれ、密閉容器内に循環するため、密閉容器内の温度及び過熱水蒸気雰囲気の安定化を図ることができる。

加熱装置を示す説明図である。 図１の丸枠Ａで囲った部分を拡大した説明図である。 （Ａ）は滴注皿の変形例１を示す説明図、（Ｂ）は滴注皿の変形例２を示す説明図である。 （Ａ）は滴注皿の変形例３を示す説明図、（Ｂ）は滴注管の変形例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、加熱装置を示す説明図である。
図１に示すように、加熱装置Ｍを構成する密閉容器１は、前方に挿通口１ａが設けられた略箱体として形成され、密閉容器１の前方には、挿通口１ａを閉塞して密閉容器１を密閉状態とする閉塞位置と、挿通口１ａの開放を許容する開放位置との間で上下動可能な扉２が取り付けられている。
挿通口１ａから密閉容器１の内部へ向けて支持レール３が延びており、支持レール３の案内により、積載トレイ４に載置された被加熱物（以下、ワークＷ）を所定の位置まで挿入可能となっている。
密閉容器１内部には、外板５ａと仕切り板６とからなるダクト５が設置される。また、ダクト５には、挿入されたワークＷの上面及び下面に向けて開口する開口部７が上下に設けられ、各開口部７，７には、複数のノズル８が設けられ、各開口部７，７の内側には、メッシュ状の気流整流部材９が備えられている。なお、ワークＷが挿入される空間１０ａと、その後方で仕切り板６に囲まれる空間１０ｂとからなる領域が加熱領域１０である。
挿入されたワークＷの後方の空間１０ｂには、複数の電気ヒータ１１が設置されると共に、空間１０ｂの後方には、吸い込み口１２と軸流ファン１３とからなる循環機構１４が設けられている。なお、軸流ファン１３は、密閉容器１外部に設置されたモータ１５により駆動する。

密閉容器１の上部に、密閉容器１外部から空間１０ｂ内へ向けて延びる滴注管１６が設けられ、空間１０ｂ内において、滴注管１６の先端は、吸い込み口１２の前側近傍（循環機構１４の上流側）まで延びている。また、図２に示すように、滴注管１６の下方には、上方へ開口した皿状の滴注皿１７が設けられている。なお、滴注管１６は、密閉容器１外部に設置された定量ポンプ１８を介して、一定量の水を空間１０ｂへ滴下供給可能となっている。

次に、加熱装置Ｍを使用したワークＷの加熱処理について説明する。
まず、扉２を閉塞位置へ移動させ、密閉容器１を密閉状態とした状態で、電気ヒータ１１と軸流ファン１３とを作動させ、密閉容器１内の雰囲気が、所望の過熱水蒸気の温度と同様の温度となるまで昇温させる。密閉容器１内を昇温させた後、定量ポンプ１８を作動させ、滴注管１６を介して水を加熱領域１０へ供給する。
加熱領域１０へ供給された水が、滴注皿１７上で、昇温された密閉容器１内の雰囲気と接することで加熱され、蒸発して水蒸気となった後、更に加熱されることで、所望の温度の過熱水蒸気が生成される。生成した過熱水蒸気は、軸流ファン１３により、吸い込み口１２から吸引され、ダクト５内を移動し、上下のノズル８から空間１０ａへ向けて吹き出す。空間１０ａへ吹き出した過熱水蒸気は、空間１０ｂを経て、再び循環機構１４によって密閉容器１内を循環する。このように、加熱装置Ｍの外部にボイラ等の過熱水蒸気生成のための設備を設けずに、密閉容器１内で過熱水蒸気を生成し、生成した過熱水蒸気を密閉容器１内を循環させることで、従来のように過熱水蒸気生成のための設備が不要となり、加熱装置Ｍの省スペース化及び省エネ化を実現できる。また、当該設備が不要となったことで、メンテナンスの対象が加熱装置Ｍと定量ポンプ１８とだけになるため、メンテナンス容易性が向上する。
なお、密閉容器１内の所定の位置には、図示しない温度計及び酸素濃度計が設けられ、温度管理及び酸素濃度管理により、容器内の温度や過熱水蒸気量といった密閉容器１内の状況を随時把握できるようになっている。

密閉容器１内が、所望の温度及び過熱水蒸気量となった後、扉２を開放位置へ移動させて挿通口１ａを開放し、ワークＷを載置した積載トレイ４を支持レール３に案内させて、空間１０ａまで挿入する。その後、扉２を閉塞位置へ移動させて挿通口１ａを閉塞し、再び密閉容器１内を所望の温度及び過熱水蒸気量とすることで、吹き付けられる過熱水蒸気及び密閉容器１内の雰囲気によってワークＷが加熱される。
この時、ダクト５を経て、複数のノズル８からワークＷに向けて吹き付けられる過熱水蒸気は、気流整流部材９を通過することで整流化され、何れのノズル８においても同様の流速でワークＷへ向けての吹き付けが可能となるため、ワークＷ全体を均一に加熱できる。

上記形態の加熱装置Ｍは、ワークＷを収容するように構成された密閉容器１と、密閉容器１内へ外部から水を供給可能とする滴注管１６と、密閉容器１内に設けられ、ワークＷを加熱すると共に滴注管１６を通って密閉容器１内へ導かれた水から過熱水蒸気を生成する加熱領域１０と、加熱領域１０に設けられ、加熱領域１０内の雰囲気を加熱する電気ヒータ１１と、過熱水蒸気を密閉容器１内で循環させる循環機構１４と、を備える。
このような構成の加熱装置Ｍによれば、ワークＷを加熱する際に使用する過熱水蒸気を水から密閉容器１内で生成できるため、ボイラや加熱器等の過熱水蒸気を生成するための設備が必要なくなり、加熱装置Ｍの省スペース化及び省エネ化が可能となる。また、加熱装置Ｍとボイラ等の設備とを接続する配管類が減少するため、メンテナンス容易性が向上する。

また、滴注管１６は、水の出口側の先端が、加熱領域１０における循環機構１４の上流側に位置する。
よって、加熱領域１０において生成した過熱水蒸気が即座に循環機構１４に吸い込まれ、密閉容器１内に循環するため、密閉容器１内の温度及び過熱水蒸気雰囲気が安定する。

また、密閉容器１の内部には、加熱領域１０と、過熱水蒸気が移動するダクト５とを区画する仕切り板６が設けられ、ダクト５は、密閉容器１内に収容されたワークＷに向けて開口する開口部７を備え、開口部７は、過熱水蒸気をワークＷへ向けて吹き付け可能な複数のノズル８を備える。
よって、過熱水蒸気をワークＷへ直接吹き付けることができるため、より短時間でワークＷをより効率的に昇温することができる。

また、開口部７に、気流整流部材９を備える。
よって、開口部７を複雑な構成とすることなく、ワークＷ全体を均一に加熱することができ、温度ムラをより低減できる。

図３（Ａ）は滴注皿の変形例１である。
図３（Ａ）に示すように、滴注皿１７ａは、その下端周縁が上方へ向けて折り返された円錐形状に形成される。このように滴注皿１７ａを円錐形状としたことで、滴注皿１７ａの表面積が増加し、滴注管１６によって加熱領域１０内へ供給された水の蒸発が促進されるため、より効率的に過熱水蒸気を生成することができる。

図３（Ｂ）は滴注皿の変形例２である。
図３（Ｂ）に示すように、滴注皿１７ｂは、前後又は左右方向に延びる回転軸１９に複数のフィン２０が備えられたファン形状に形成される。滴注皿１７ｂは、水車のようにフィン２０上への水の落下を利用して回転するものでも、別途設けた駆動機構により回転するものでも良い。このように滴注皿１７ｂをファン形状としたことで、滴注管１６によって加熱領域１０内へ供給された水が回転するフィン２０によって細分化し、水の蒸発が促進されるため、より効率的に過熱水蒸気を生成することができる。

図４（Ａ）は滴注皿の変形例３である。
図４（Ａ）に示すように、滴注皿１７ｃは、螺旋状に形成された板部材からなる。このように滴注皿１７ｃを螺旋状に形成したことで、滴注管１６によって加熱領域１０内へ供給された水が滴注皿１７ｃ上を流れ、水厚みが薄くなり水の蒸発が促進されるため、より効率的に過熱水蒸気を生成することができる。

図４（Ｂ）は滴注管の変形例である。
図４（Ｂ）に示すように、滴注管１６ａは、その先端が、複数のより細い分岐管２１の集合により形成される。このように滴注管１６ａの先端に複数の分岐管２１を形成したことで、加熱領域１０内へ供給された水が滴注皿１７に落ちる際、水滴が分岐管２１によって細分化し、水の蒸発が促進されるため、より効率的に過熱水蒸気を生成することができる。

以上は、本発明を図示例に基づいて説明したものであり、その技術範囲はこれに限定されるものではない。例えば、滴注管は、密閉容器の上壁以外の壁から加熱領域へ延びるものでも良い。また、滴注管の先端及び滴注皿の形状は、密閉容器内へ供給された水が蒸発可能であれば、どのような形状であっても良く、滴注皿は省略しても良い。また、滴注管の先端は、循環機構の加熱領域側近傍であれば、任意の位置に設置可能である。また、密閉容器内を所望の温度まで昇温可能であれば、電気ヒータの設置数や設置位置は限定されず、例えば、密閉容器内の雰囲気だけでなく、ワークを直接加熱できる位置に設置する等しても良い。また、循環機構に使用されるファンは、過熱水蒸気の循環ができれば良く、遠心ファン等、軸流ファン以外のファンであっても良い。また、気流整流部材は、気流の整流ができれば良く、その材質や大きさ、厚み、孔径、空間率などは、任意に選択可能である。さらに、密閉容器内へ供給される水の温度は適宜変更可能であり、常温水であっても温水であっても良い。

Ｍ・・加熱装置、Ｗ・・ワーク、１・・密閉容器、５・・ダクト、６・・仕切り板、７・・開口部、８・・ノズル、９・・気流整流部材、１０・・加熱領域、１１・・電気ヒータ、１４・・循環機構、１６・・滴注管、１７・・滴注皿。

Claims (3)

1. 被加熱物を収容するように構成された密閉容器と、
   前記密閉容器内へ外部から水を滴下供給可能とする滴注管と、
   前記密閉容器内に設けられ、前記被加熱物を加熱すると共に前記滴注管を通って前記密閉容器内へ導かれた前記水から過熱水蒸気を生成する加熱領域と、
   前記加熱領域に設けられ、前記加熱領域内の雰囲気を加熱する電気ヒータと、
   前記過熱水蒸気を前記密閉容器内で循環させる循環機構と、を備え、
   前記密閉容器は、内部に設けた仕切り板により、前記加熱領域と前記循環機構とを含み、前記加熱領域を通過しながら前記過熱水蒸気が循環するダクトが区画形成され、
   前記ダクトは、前記密閉容器内に収容された前記被加熱物に向けて開口する開口部を備え 、
   前記開口部は、前記過熱水蒸気を前記被加熱物へ向けて吹き付け可能な複数のノズルを備えると共に、前記ノズルの前記ダクト側に、メッシュ状の気流整流部材を備えることを特徴とする加熱装置。
2. 前記循環機構は、前記加熱領域側に吸い込み口を有するファンであり、
   前記滴注管は、前記水の出口側の先端が、前記加熱領域における前記循環機構の上流側となる前記吸い込み口の近傍に位置することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 被加熱物を収容するように構成された密閉容器と、
   前記密閉容器内へ外部から水を滴下供給可能とする滴注管と、
   前記密閉容器内に設けられ、前記被加熱物を加熱すると共に前記滴注管を通って前記密閉容器内へ導かれた前記水から過熱水蒸気を生成する加熱領域と、
   前記加熱領域に設けられ、前記加熱領域内の雰囲気を加熱する電気ヒータと、
   前記過熱水蒸気を前記密閉容器内で循環させる循環機構と、を備え、
   前記密閉容器は、内部に設けた仕切り板により、前記加熱領域と前記循環機構とを含み、前記加熱領域を通過しながら前記過熱水蒸気が循環するダクトが区画形成され、
   前記ダクトは、前記密閉容器内に収容された前記被加熱物に向けて開口する開口部を備え 、
   前記開口部は、前記過熱水蒸気を前記被加熱物へ向けて吹き付け可能な複数のノズルを備えると共に、前記ノズルの前記ダクト側に、メッシュ状の気流整流部材を備える加熱装置において、
   前記加熱領域に、外部から前記滴注管を通して水を滴下供給すると共に、前記電気ヒータで加熱して過熱水蒸気を生成し、前記過熱水蒸気を前記密閉容器内で循環させて前記被加熱物の全体を均一に加熱することを特徴とする加熱方法。

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