JPWO2003079726A1

JPWO2003079726A1 - 被処理物の加熱装置

Info

Publication number: JPWO2003079726A1
Application number: JP2003577574A
Authority: JP
Inventors: 北田　正吉; 正吉北田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2005-07-21
Also published as: US6998586B2; WO2003079726A1; AU2003211317A1; US20050127062A1

Abstract

被処理物を加熱するための金属材料の箔又は非金属材料の箔と、前記箔をこれより遠赤外線が放射される温度に加熱する加熱手段とを備え、前記箔から放射される遠赤外線により被処理物を加熱するように構成したことを特徴とする被処理物の加熱装置を提供する。被処理物を遠赤外線により加熱するときの加熱効率を従来よりも高くすることができる。尚、本発明はアルミニウム材の箔及びアルミニウム材のワイヤを使って被処理物である水の加熱テストを行った実験結果に基づいてなされたものである。

Description

技術分野
本発明は、被処理物を金属材料の箔又は非金属材料の箔を加熱することで発生する遠赤外線により加熱する被処理物の加熱装置に関する。
背景技術
一般に、被処理物を加熱するための一手段として遠赤外線ヒータが知られている。従来この遠赤外線ヒータは、自動車関連の各種部品の余熱・加熱・塗装乾燥・アニ−リング等の他、住宅関連や半導体関連、化成品関連、食品関連などの広い分野で利用されている。
これらの遠赤外線ヒータには、一般に棒形、ランプ形、及び板形の形態があり、いずれも電熱線を熱源としている。遠赤外線ヒータの遠赤外線の放射体はセラミックスのみのものと金属体表面にセラミックスを溶着したものと２種類のものがある。また、遠赤外線ヒータの加熱には、ニクロム線などが使用されているが、将来は、ニクロム線などを用いない方法、例えば半導体セラミックスや誘電体セラミックスを用いて加熱する方法が主流になりつつある。
これら遠赤外線加熱の特徴としては、以下の特徴が挙げられる。
（１）主として表面加熱に適する。
（２）抵抗炉に比べて迅速、かつ効率の良い表面加熱ができるため加熱時間が時単位から分単位に短縮される。
（３）操作が簡単で、温度調節も容易であり、時間遅れが極めて少ない。
（４）設備費が僅少で、所要面積も少なくて済む。
尚、遠赤外線ヒータには遠赤外線のみを放射するヒータは存在せず必ず他の赤外線の放射を伴う。
しかしながら、従来、これらの遠赤外線ヒータの固体放射材料、例えば金属、非金属、合金、酸化物等の加熱特性に対する検討は不充分な面があり、今回、本発明者は、代表的な金属として自動車に多く用いられているアルミニウム材、電気配線の導線として用いられている銅材を選定して鋭意検討した結果、有意義な知見が得られこれに基づいて本発明をするに至った。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、被処理物を遠赤外線により加熱するときの加熱効率を従来よりも高くすることができる被処理物の加熱装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の被処理物の加熱装置は、被処理物を加熱するための金属材料の箔又は非金属材料の箔と、前記箔をこれより遠赤外線が放射される温度に加熱する加熱手段とを備え、前記箔から放射される遠赤外線により被処理物を加熱するように構成したことを特徴とするものである。
被処理物を加熱するための金属材料の箔又は非金属材料の箔と、前記箔をこれより遠赤外線が放射される温度に加熱する加熱手段とを備え、前記箔から放射される遠赤外線により被処理物を加熱するように構成したことにより、同じ断面積のワイヤよりも加熱効率を高くすることができる。
前記被処理物の加熱装置は、前記箔の厚みを６〜２０マイクロメータとすることにより、被処理物に吸収される遠赤外線の放射量が増大し、被処理物を好適に加熱できるようになる。
前記被処理物の加熱装置は、前記金属材料をアルミニウムとすることにより、熱の反射性を向上させることができる（アルミニウムから放出した熱はアルミニウムには吸収されない）ので同じ断面積のワイヤよりも被処理物の加熱効率をさらに高くすることができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係る被処理物の加熱装置について第１図から第６図を参照しながら具体的に説明する。
最初に、本発明をするに至るまでの経緯（実施例）について第１図から第５図を参照して説明する。尚、被処理物として水（精製水）、加熱手段として直流電源を用いた抵抗線加熱手段を用いた。
＜実施例１＞
第１図は、実施例に使用した実験装置、第２図は、電気抵抗を同一にしたアルミニウム材のワイヤ、アルミニウム材の箔、それぞれについて同一電力を入力し、水の加熱テストを行ったときの実験結果を示す図である。最初に第１図を参照して実験装置について説明する。
使用した実験装置は、第１図に示すように、
周りを断熱材１により囲まれ、その上部を上蓋２ａで閉じた容器２と、
前記容器２の中及び遮光ボックス６内に温度センサＣＡを挿入し、前記容器２に投入された一定量の水の「加熱前の温度」と「加熱終了時の温度」との温度差の値（上昇温度）及び前記遮光ボックス６内の温度を測定する温度記録計３と、
前記容器２内で固定・保持され、外部からの直流電源４により電力を入力されて前記水（精製水）を加熱するアルミニウム材５（箔又はワイヤ）と、
前記容器２内へ外部からの光が侵入するのを遮蔽するための前記遮光ボックス６と、
から主要部が構成される。
このような構成からなる実験装置は、以下のように運転される。
（１）遮光ボックス６を実験装置から外し、断熱材１（例えば厚み３０ｍｍ）で囲繞される容器２の上蓋２ａを開けて、アルミニウム材５（箔又はワイヤ）を容器２内に固定・保持する。
（２）一定量の水（例えば１３０ＣＣ）を容器２に投入する。このとき液面は、アルミニウム材５（箔又はワイヤ）の上端よりも必ず上にあるように保持する。上蓋２ａを閉める。
（３）前記遮光ボックス６で実験装置全体を覆う。この理由として金属と光の相互作用による実験結果への影響を回避するためである。
（４）温度記録計３のスイッチＯＮ。
（５）直流電源４のスイッチＯＮ。常に一定の電力をアルミニウム材５（箔又はワイヤ）に供給し、水の加熱を開始したら電流と電圧の値を記録する。
（６）水の加熱開始前の温度と所定時間加熱したときの最終温度とから水の上昇温度（温度差）を求める。
（７）水に加えた一定の電力と水の得たエネルギ（上昇温度と水の比熱と水の投入量とから求められる）とを比較し、箔とワイヤそれぞれの加熱効率を以下の式から求める。
尚、加熱効率＝（水の昇温に使用された熱）／（ヒータを加熱するために入力された全電力）で定義する。
次に、このような実験装置で行った水の加熱テストの結果について第２図を参照して説明する。
第２図からも判るように、断面積が等しいアルミニウム材のワイヤとアルミニウム材の箔、それぞれを使用して水（精製水）を加熱するときに、電力の入力値及び電気抵抗値を同一にして加熱し、加熱時間の短い（例えば加熱１時間後）「立上り時」、又は加熱時間の長い（例えば加熱６時間後）「安定時」のときの上昇温度（温度差）を比較したところ、どちらの場合もアルミニウム材のワイヤよりもアルミニウム材の箔の方が上昇温度（水の仕込み温度と所定時間加熱した後の水の温度との温度差）で５０％以上大きかった。
従って、ワイヤと箔を比較すると箔の方が加熱効率が高いことが判った。
＜実施例２＞
次に、これらの知見に基づいて、実施例１のように水中ではなく、空気中におけるアルミニウム材及び銅材の断面形状と電気抵抗値との関係を測定した。そのときの測定結果を第３図及び第４図に示す。尚、第３図は、アルミニウム材の断面形状と電気抵抗値との関係を示す図、第４図は、銅材の断面形状と電気抵抗値との関係を示す図である。
最初に、アルミニウム材の断面形状と電気抵抗値との関係について第３図を参照して説明する。
アルミニウム材の断面形状と電気抵抗値との関係は、第３図からも判るように、断面積が小さい領域（１．７６６ｍｍ^２）では、断面積が同一のワイヤの電気抵抗値２．５ｍΩと比較して、箔の電気抵抗値は大きな値７ｍΩ（ワイヤの２．８倍）を示すが、箔の断面積が１．７６６ｍｍ^２を超える大きな領域においては箔の電気抵抗値は値７ｍΩより小さくなる。
＜実施例３＞
次に、銅材の断面形状と電気抵抗値との関係の測定結果を第４図に示す。
銅材の断面形状と電気抵抗値との関係は、第４図からも判るように、断面積が小さい領域（０．７８５ｍｍ^２）ではワイヤと箔との電気抵抗値の差は少ないが、断面積が大きくなる（０．７８５ｍｍ^２を超える）に従って箔の方がワイヤよりも電気抵抗値が大きくなる（電気抵抗値の差は略一定）。また、箔を積層してワイヤと同じ断面積にしたものは、ワイヤ、箔と比較しても電気抵抗値が小さい。
このようにアルミニウム材以外の金属でも同一の断面積を有する箔とワイヤでは、箔の方が電気抵抗値が大きい、すなわち、加熱するのに有効なジュール熱が多く得られることが判った。
＜実施例４＞
次に、これらの知見に基づいて、再度、アルミニウム材の箔とアルミニウム材のワイヤの電気抵抗値を同一（導線の電気抵抗値を含む）にし、かつ、電源からの入力電力を一定にして、アルミニウム材の箔又はアルミニウム材のワイヤで水を加熱するテストを行ったときの実験結果について第５図（ａ）及び第５図（ｂ）を参照して説明する。
尚、第５図（ａ）は、加熱時間が加熱開始から１時間と短い時間で加熱テストを行った場合の加熱テストの結果を示す図、第６図は、加熱時間が加熱開始から６時間と長い時間で加熱テストを行った場合の加熱テストの結果を示す図である。
第５図（ａ）及び第５図（ｂ）からも判るように、加熱時間によらずアルミニウム材のワイヤよりもアルミニウム材の箔の方が上昇温度すなわち加熱効率が大きいことが判る。このような実験結果から断面積を同一にしたときは、形状をワイヤよりも箔にした方が加熱効率が高くなることがわかる。
このような現象が起きる理由として本発明者は、以下のような理由を想定している。
（１）アルミニウム材の箔に通電すると、アルミニウム材の箔内に遠赤外線の定在波が形成され、遠赤外線の波の山又は波の谷となる点から外部へ遠赤外線が放射される。このとき発生する遠赤外線の波長は、水に吸収されやすい１０マイクロメータ前後の波長の遠赤外線が多いため、通常のヒータで加熱するよりも水を加熱する力が強くなるものと思われる。
（２）実際上、アルミニウム材の箔の厚みとして、２０マイクロメータ程度までは水を活性化する力が強いが、３０マイクロメータよりも厚みが厚くなると水の加熱効率は減少した。
（３）また、金属材料をアルミニウムとしたことにより、熱の反射性を向上させることができる（アルミニウムから放出した熱はアルミニウムには吸収されない）ので、水の加熱効率をさらに高くすることができたものと思われる。
次に、これらの知見に基づいてなされた本発明に係る被処理物の加熱装置の実施形態について第６図を参照して説明する。尚、第６図（ａ）〜第６図（ｃ）は、本発明に係る被処理物の加熱装置の第一実施形態から第三実施形態を説明するための図である。また、ここでも実施例と同様に、被処理物として水（精製水）、加熱手段として直流電源を用いた抵抗線加熱手段を用いた。
尚、上述したようなアルミニウム材の箔の断面積をアルミニウム材のワイヤの断面積と同一にしようとすると、箔はワイヤよりも厚みが薄いためどうしても箔の幅方向の長さを長くしなければ同一の断面積にすることができない。そこで、本発明者は水を加熱するのに箔の幅方向を有効に利用する配置を考えた。
また、大量の水を短時間で一様に加熱するため水の流路を複数のセルに区画して、各セルの加熱能力に見合う量だけの水を各セルに通流させるようにした。
本発明に係る第一実施形態の被処理物の加熱装置１０は、第６図（ａ）に示すようなアルミニウム材の箔Ｆ、例えば１５マイクロメータの厚みの箔と前記箔Ｆを保持する保持材Ｓとから主要部が形成される。
この被処理物の加熱装置１０は、断面形状がハニカム形状のヒータであり、各セルは６角形の形状をしている。
また、６角形の辺の半分はアルミニウム材の箔Ｆで形成されている。
アルミニウム材の箔Ｆの部材のみを抜き出すと、下底の無い台形と上底のない逆台形が交互に連結した保持材Ｓと略同じ形状をしている。
第一実施形態の被処理物の加熱装置１０は、このように保持材Ｓの山とアルミニウム材の箔Ｆの谷、又は保持材Ｓの谷とアルミニウム材の箔Ｆの山とが上下に対応するように交互に部材を積み上げてハニカム構造体を形成したものである。
このハニカム構造体の中空部には流体、例えば水が流される。尚、第一実施形態の被処理物の加熱装置１０を大型の被処理物の加熱装置として使用する場合には、アルミニウム材の箔Ｆには、直流電源からブスバーを介して電力が供給される。
次に、第二実施形態の被処理物の加熱装置について第６図（ｂ）を参照して説明する。
第二実施形態の被処理物の加熱装置２０は、第一実施形態の被処理物の加熱装置の保持材と同様な下底の無い台形と上底のない逆台形が交互に連結した保持材Ｓ′を使ってアルミニウム材の箔Ｆ′を上下に挟んで挟持し、固定するようにしたものである。
すなわちアルミニウム材の箔Ｆ′を上段の保持材Ｓ′の谷の部分と下段の保持材Ｓの山の部分とで挟んでおり、かつ、隣接するセルが、アルミニウム材の箔Ｆ′を挟んで上段の保持材Ｓ′の山の部分と下段の保持材Ｓ′谷の部分とが上下に対応するように設けられている。
このような構造とすることにより、板状のアルミニウム材の箔Ｆ′をそのまま挟むことで簡単に構造体が製作でき、第一実施形態の赤外線ヒータのようなアルミニウム材の箔の複雑な曲げ加工（押出成形）が不要となる。また、保持材Ｓ′が多くなる分アルミニウム材の箔Ｆ′の保持強度を高めることができる。
次に、第三実施形態の被処理物の加熱装置について第６図（ｃ）を参照して説明する。
第三実施形態の被処理物の加熱装置３０は、第６図（ｃ）に示すように、第二実施形態の台形が連なる保持材を、底辺の無い四角形と上辺が無い四角形を交互に連結した保持材Ｓ′′に代えてアルミニウム材の箔Ｆ′′を上下に挟んで挟持し、固定したものである。すなわち、第二実施形態の被処理物の加熱装置と同様に、アルミニウム材の箔Ｆ′′を上段の保持材Ｓ′′の谷の部分と下段の保持材Ｓの山の部分とで挟んでおり、かつ、隣接するセルが、アルミニウム材の箔Ｆ′′を挟んで上段の保持材Ｓ′′の山の部分と下段の保持材Ｓ′′の谷の部分とが上下に対応するように設けられている。
第三実施形態の被処理物の加熱装置３０は、第二実施形態の被処理物の加熱装置の保持材の変形例であり、外部からの圧縮圧力に対しては、第二実施形態の被処理物の加熱装置よりも弱い。
このような構造を有する第一実施形態から第三実施形態の被処理物の加熱装置に水を各セル毎に分配して通流し、電力を供給しながら加熱したところ、従来よりも被処理物の加熱装置に入力される電力当たりの加熱効率が向上した。また、従来よりも短時間で水全体を一様に加熱することができた。
本発明は、上述した第一実施形態の被処理物の加熱装置から第三実施形態の被処理物の加熱装置に限定されるものではなく、発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。
例えば、アルミニウム材の箔を挟持する保持材は、断面形状を同じ形状の繰り返しではなく可変とすることもできる。
本実施形態では、水の加熱に関して実施例を説明したが、水以外の他の液体、例えば有機系の含水素化合物を加熱することもできる。
また、加熱する被処理物が液体以外の流体、例えば気体であっても箔の厚みを適宜変更することで加熱することができる。
産業上の利用可能性
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．被処理物を加熱するための金属材料の箔又は非金属材料の箔と、前記箔をこれより遠赤外線が放射される温度に加熱する加熱手段とを備え、前記箔から放射される遠赤外線により被処理物を加熱するように構成したことにより、同じ断面積のワイヤよりも加熱効率を高くすることができる。
２．前記アルミニウム材の箔の厚みを６〜２０マイクロメータとしたことにより、被処理物に吸収される遠赤外線の放射量が増大し、被処理物を好適に加熱できる。
３．前記金属材料をアルミニウムとしたことにより、熱の反射性を向上させることができる（アルミニウムから放出した熱はアルミニウムには吸収されない）ので同じ断面積のワイヤよりも被処理物の加熱効率をさらに高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、実施例に使用した実験装置である。
第２図は、電気抵抗値を同一にしたアルミニウム材のワイヤ、アルミニウム材の箔のそれぞれについて同一電力を入力し、加熱テストを行ったときの実験結果を示す図である。
第３図は、アルミニウム材の断面形状と電気抵抗値との関係を説明するための図である。
第４図は、銅材の断面形状と電気抵抗値との関係を説明するための図である。
第５図（ａ）は、入力電力を一定とし、加熱時間が加熱開始から１時間と短い時間加熱した場合の加熱テストの結果を示す図である。第５図（ｂ）は、入力電力を一定とし、加熱時間が加熱開始から６時間と長い時間加熱した場合の加熱テストの結果を示す図である。
第６図（ａ）は、本発明に係る被処理物の加熱装置の第一実施形態を説明するための図、第６図（ｂ）は、本発明に係る被処理物の加熱装置の第二実施形態を説明するための図、第６図（ｃ）は、本発明に係る被処理物の加熱装置の第三実施形態を説明するための図である。

Claims

被処理物を加熱するための金属材料の箔又は非金属材料の箔と、前記箔をこれより遠赤外線が放射される温度に加熱する加熱手段とを備え、前記箔から放射される遠赤外線により被処理物を加熱するように構成したことを特徴とする被処理物の加熱装置。
前記箔の厚みが６〜２０マイクロメータであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の被処理物の加熱装置。
前記金属材料がアルミニウムであることを特徴とする請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載の被処理物の加熱装置。