WO2009148000A1 - 活性水蒸気発生装置 - Google Patents

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直人 藤村
秀行 大和
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有限会社ニューネイチャー
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/281—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically other than by electrical resistances or electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/10—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving electrical means
    • B24B49/105—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving electrical means using eddy currents
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for efficiently generating active steam with relatively low power consumption.
  • Superheated steam having a thermal conductivity higher than 100 ° C. higher than that of heated air is widely used for food processing, waste treatment, carbonization, surface treatment, etc., and various devices for generating superheated steam have been proposed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297537 is disposed in a nonconductive cylinder for containing water, a high frequency induction coil wound around the outer periphery of the nonconductive cylinder, and a nonconductive cylinder, and the high frequency induction is provided.
  • an apparatus for generating superheated steam having a plurality of conductive cylinders inductively heated by a coil This device can generate superheated steam with low power consumption.
  • JP-A-2004-251605 has a cylindrical container in which a high frequency induction coil is wound around the outer periphery, and a large number of spheres contained in the cylindrical container, and steam generated by the boiler is a cylindrical container.
  • a device is disclosed that flows in and is heated by a high frequency induction coil to become superheated steam. This device can produce superheated steam at 450 ° C. or higher.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-159935 proposes an apparatus for generating a steam plasma (active steam) at a high temperature of 10000 ° C. by arc discharge in steam.
  • generating such high temperature water vapor plasma requires large power consumption.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus for generating high activity active steam with relatively low power consumption.
  • a first active steam generator comprises: (a) a first container having an inlet and an outlet, a high frequency induction coil provided on the outer periphery of the first container, and the first container
  • An induction heating device for water vapor comprising: a member housed and capable of flowing water and being inductively heated by the high frequency induction coil; (b) a second of the induction heating devices provided downstream of the induction heating device and having an inlet and an outlet
  • An active water vapor generating apparatus comprising: a vessel; and a discharge treatment apparatus having a container and at least one set of electrodes provided in the second container for discharging the induction heated water vapor, the induction heating apparatus
  • the superheated steam that has flowed out from the outlet of the second step is treated in the discharge treatment apparatus by a discharge treatment to turn it into active steam.
  • the first and second containers are made of metal, and the induction heating device and the discharge treatment device are connected via an insulating cylinder, and the discharge treatment device is One electrode penetrates the insulating cylinder.
  • the first and second containers are both made of insulating ceramic.
  • the second active steam generator has an inlet and an outlet and is provided on an insulating container having an induction heating area and a discharge treatment area on the upstream side and the downstream side, respectively, and an outer periphery of the induction heating area
  • a high frequency induction coil a member provided in the induction heating area, capable of flowing water vapor and inductively heated by the high frequency coil, and at least one set of electrodes provided in the discharge treatment area; It is further characterized in that the steam introduced into the insulating container becomes superheated steam by induction heating in the induction heating zone, and then becomes activated steam by discharge treatment in the discharge treatment zone.
  • the induction heating member is preferably a porous member, more preferably a porous metal member, and made of a conductive soft magnetic metal material Is most preferred.
  • the induction heating member preferably has a porosity of 30 to 80% by volume.
  • the porosity of the induction heating member is preferably higher on the outlet side than on the inlet side of the container, and a plurality of porous members whose porosity increases in order from the inlet side are accommodated in the first container Is more preferred.
  • the temperature of the superheated steam is preferably 120 to 350.degree.
  • the activated steam generator of the present invention discharges the superheated steam generated by induction heating immediately, so it is possible to produce highly active steam with relatively low power consumption.
  • the activated water vapor obtained by the apparatus of the present invention is suitable for performing treatments such as carbonization and decomposition of plant materials and the like, sterilization of various articles, bleaching of printed matter, and surface treatment of plastic films.
  • the first activated steam generation apparatus connected includes an apparatus 3 for induction heating steam to generate superheated steam, and an apparatus 4 for discharging treated superheated steam to active steam.
  • the induction heating device 3 comprises a cylindrical container 30 having an inlet 30a and an outlet 30b, and a high frequency induction coil 32 consisting of a copper wire or a copper tube wound around the outer periphery thereof via a heat insulating material 31.
  • a high frequency power supply 35 for supplying a high frequency current to the high frequency induction coil 32, and a member 33 housed in the container 30 for circulating water vapor and inductively heated by the high frequency current, and provided near the outlet 30b of the container 30; It has temperature sensor 36 which detects the temperature of the superheated steam obtained by induction heating, and controller 37 which controls high frequency electric-power 35 based on the detection result of temperature sensor 36.
  • the container 30 is preferably made of a material that is not substantially inductively heated by the high frequency current flowing through the high frequency induction coil 32, and does not deteriorate due to the generated superheated steam.
  • a material include nonmagnetic stainless steel (SUS 304 or the like), nonmagnetic metals such as aluminum and copper, ceramics, heat-resistant glass, graphite and the like.
  • SUS 304 or the like nonmagnetic stainless steel
  • nonmagnetic metals such as aluminum and copper, ceramics, heat-resistant glass, graphite and the like.
  • the inner wall of the container 30 may be glass-coated in order to obtain better corrosion resistance.
  • the container 30 may be configured to be removable by a plurality of cylindrical bodies having flanges.
  • induction heating member 33 Since induction heating is a method of heating due to eddy current loss or magnetic hysteresis loss generated in a conductor placed in a high frequency magnetic field, induction heating member 33 has excellent soft magnetism and conductivity. It is preferable to be made of a material that is not very high. Furthermore, since the induction heating member 33 is exposed to superheated steam, it is preferable to have excellent corrosion resistance. For this reason, the induction heating member 33 is preferably made of a soft magnetic metal having excellent corrosion resistance. As such a metal, magnetic stainless steel (SUS430, SUS403, SUS447J1, SUSXM27, etc.) is preferable for practical use.
  • the porosity of the induction heating member 33 is preferably 30 to 80% by volume in order to secure the contact area necessary for the generation of the superheated steam and to avoid the excessive pressure loss.
  • the induction heating member 33 is a cylindrical porous metal member that substantially occupies the space in the container 30.
  • the porous metal member is fixed in the container 30 by a pair of fixing members 38a and 38b.
  • the porous metal member is formed into a predetermined shape of a slurry comprising (i) metal powder, resin particles for forming pores, an organic binder and a solvent, and after drying, the organic binder and the resin particles are burned off and sintered
  • a method (ii) a method of impregnating a urethane foam with a metal powder slurry, and drying and sintering it, and (iii) a method of sintering metal fibers entangled in a non-woven fabric shape can be used.
  • the discharge treatment device 4 includes a container 40 having an inlet 40a communicating with the outlet 30b of the induction heating device 3 and an outlet 40b for spiting activated steam, and a heat insulating material 41 provided on the outer periphery of the container 40.
  • An electrode wire 42 provided along the central axis of the container 40 and a power supply 43 connected to the electrode wire 42.
  • the conductive metal container 40 may be used as a counter electrode of the electrode wire 42.
  • the conductive metal is copper, aluminum, stainless steel or the like. It is preferable to glass coat the inner wall of the container 40 and the electrode wire 42 because active water vapor is generated in the container 40.
  • the power supply 43 outputs a pulse wave or a sine wave.
  • volume ratio of the container 30 of the induction heating device 3 to the container 40 of the discharge treatment device 4 can be set appropriately, it is generally preferable to be 10/1 to 1/10.
  • the inlet 40 a of the discharge treatment device 4 and the outlet 30 b of the induction heating device 3 are sufficiently insulated to sufficiently insulate the electrode wire 42 from the metal container 30 serving as a counter electrode. It is preferable to provide an insulating cylindrical body 45 through which the electrode wire 42 passes.
  • the material forming the insulating cylinder 45 is Teflon (registered trademark), heat-resistant glass, ceramics or the like. Further, it is preferable to attach a tube 5 having an opening shape for spouting activated steam to the outlet 40 b of the discharge treatment apparatus 4.
  • the boiler 2 generates saturated steam at 100 ° C. or higher, for example, 110 to 140 ° C.
  • the pressure of this saturated steam is about 1.2 to 2 atm.
  • the amount (L / sec) of saturated water vapor supplied to the induction heating device 3 is preferably five or more times the void volume (L) of the induction heating member 33.
  • the flow rate of the induction heated steam is much higher than the flow rate assumed from the temperature rise of the steam. It is considered that this is because clusters of a plurality of water molecules are decomposed in the induction heated water vapor, and the number of water molecules is significantly increased as schematically shown in FIG. 1 (c), for example.
  • the induction heating member 33 is composed of a plurality of (three in the illustrated example) porous members 33a to 33c whose porosity increases in the range of 30 to 80% by volume sequentially from the inlet 30a side.
  • the superheated steam whose molecular number is increased by the decomposition of clusters can be efficiently injected from the outlet 30b.
  • the temperature of the superheated steam is preferably 120 to 350 ° C., more preferably 150 to 250 ° C., and most preferably 150 to 200 ° C.
  • substantially oxygen free means that the total concentration of oxygen molecules, oxygen ions, oxygen radicals and ozone is 0.5 mol% or less with respect to 100 mol% of all water molecules, ions and radicals in total. It means that there is.
  • the superheated steam supplied to the discharge treatment device 4 becomes active steam that has been turned into low temperature plasma by the discharge treatment. It is speculated that when the substantially oxygen-free superheated steam is subjected to discharge treatment (plasmatization) at a relatively low temperature, hydroxyl radicals are generated by the reaction formula H 2 O ⁇ OH ⁇ + H ⁇ without generating oxygen radicals. . In the present invention, hydroxy radicals can be efficiently generated, which is considered to be due to the decomposition of clusters of water molecules prior to discharge treatment.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) show the discharge treatment device 4 having a flat-shaped container 40 having a cross-sectional area substantially the same as the container 30 of the induction heating device 3.
  • FIG. A plurality of (five in this example) electrode wires 42 a are provided at equal intervals in the container 40.
  • the container 40 may be made of metal and double as a counter electrode. The discharge efficiency is improved by the structure having a plurality of electrode wires 42 a having a narrow distance to the counter electrode.
  • a number of spherical or tubular induction heating members 33 e are filled in the container 30 of the induction heating device 3 via a plurality of separators 33 d having communication holes.
  • the separator 33 d is fixed by a center rod 34. It is preferable that the material which comprises the separator 33d and the induction heating member 33e is the same magnetic metal as the above. In the case of the spherical induction heating member 33e, it is preferable to provide a hole and / or a recess in order to increase the contact area with water vapor.
  • the induction heating member 33 e is preferably filled in the container 30 at a porosity of 30 to 80% by volume (porosity in the induction heating member + porosity between the induction heating members), and the porosity is the inlet 30 a of the container 30. It is preferable to fill the induction heating member 33e so as to be higher from the side to the outlet 30b side.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the discharge treatment apparatus 4 in which the honeycomb-like dielectric 44 extends substantially over the entire container 40, and the electrode wires 42a are provided in each of the cells.
  • the other structure may be the same as that shown in FIG.
  • the honeycomb dielectric 44 is preferably formed of a dielectric material such as various glasses, barium titanate, lead zirconate titanate, lead titanate, lead zirconate and the like.
  • FIG. 6 (a) and 6 (b) show the discharge treatment apparatus 4 in which the honeycomb electrode 42b extends almost all over the container 40, and the electrode wire 42a is provided in each cell of the honeycomb. Each cell has an equal channel cross-sectional area.
  • the honeycomb electrode 42b can be used as a counter electrode of the electrode wire 42a simply by bringing the honeycomb electrode 42b into contact with the inner surface of the container 40.
  • the other structure may be the same as that shown in FIG.
  • a short pulse voltage of 1 ⁇ s or less is applied between the electrode wire 42a and the honeycomb electrode 42b, a pulse streamer discharge occurs.
  • each electrode wire 42c, 42d may be covered with an insulating material 42c ', 42d'. Further, instead of covering with the insulating material, each of the electrode wires 42c and 42d may be accommodated one by one in the cells of the honeycomb dielectric. When a voltage is applied between the electrodes 42c and 42d of different polarities, barrier discharge occurs.
  • FIG. 8 shows the insulating property that the electrode wire 42 penetrates between the inlet 40 a of the container 40 for the discharge treatment apparatus 4 and the outlet 30 b of the container 30 for the induction heating device 3 via the insulating packings 46 and 46.
  • the example in which the cylinder 45 was provided is shown.
  • the containers 30, 40 are made of metal.
  • the insulating cylinder 45 is preferably made of heat-resistant glass, ceramics or the like.
  • the insulating packings 46 and 46 absorb the difference in thermal expansion between the metal containers 30 and 40 and the insulating cylindrical body 45, and in addition to the insulating property, they need to have flexibility and heat resistance. Therefore, it is preferable that the insulating packings 46 and 46 be formed of a resin such as Teflon (registered trademark).
  • FIG. 9 shows an example in which the container 40 for the discharge treatment device 4 is made of an insulating material such as ceramics.
  • the wire 42 a for the electrode wire 42 and the wire 47 a for the counter electrode 47 penetrate the insulating container 40.
  • the form of the electrode wire 42 and the counter electrode 47 may be the same as described above.
  • the container 30 for the induction heating device 3 and the activated steam jet pipe 5 are made of metal, in order to absorb the thermal expansion difference between them and the container 40, the space between the container 40 and the container 30 and the container 40 and the pipe 5
  • insulating packings 46, 46 are provided between them.
  • the insulating packing 46 may be provided only between the container 40 and the pipe 5.
  • the induction heating zone 13 of steam and the discharge treatment zone 14 are accommodated in the insulating container 15. Differs from the first active steam generator.
  • the steam flowing from the pipe of the boiler is heated by the high frequency induction heating member (for example, porous metal member) 33 in the induction heating zone 13 to become superheated steam, and then the electrode wire 42 provided in the discharge treatment zone 14 downstream. It is treated by electric discharge to become active steam. Since the induction heating area 13 and the discharge treatment area 14 are accommodated in one insulating container 15, it is possible to generate active water vapor efficiently with less pressure loss.
  • the induction heating member 33 and the electrode wire 42 the same ones as described above can be used.
  • Activated Steam Activated steam obtained by the device of the present invention contains highly active hydroxy radicals at a high concentration, and therefore, decolorization of printed matter such as copy, decomposition and carbonization of biomass (plants, microorganisms etc), It can be used for sterilization of various articles, processing of food (heating, drying, roasting, etc.), surface treatment of plastic films, semiconductor cleaning, industrial waste treatment, soil improvement, etc.
  • active steam generated under anoxic conditions does not contain ozone, so it has less adverse effects on the environment and can be used in open systems.
  • the hydroxy radical is rapidly consumed by the reaction with an organic substance or the like, and its life is very short, on the order of microseconds (about 20 ⁇ sec to about 50 ⁇ sec), so there is no problem in using it in an open system.
  • the discharge pipe 5 having the outlet 5a corresponding to the width of the printed matter P is placed at the outlet of the activated steam generator. It is preferable to provide. If active steam is sprayed on the printing surface while the printed matter P is being conveyed by the roll 6, the print and the image are rapidly discolored.
  • the activated steam obtained by the apparatus of the present invention has high activity (oxidizing power) even at 200 ° C. or lower, so it can be rapidly discolored without carbonizing the paper at a relatively low temperature.
  • Active water vapor is particularly suitable for the printing of ink jet inks and the decoloring of images.
  • the electrodes 51a and 51b of the opposite polarity may be alternately provided on the outlet 5a of the discharge pipe 5, and the activated water vapor may be discharged at the outlet 5a.
  • the exhaust pipe 5 of the activated steam generator When carbonizing biomass with activated steam, as shown in FIG. 12, the exhaust pipe 5 of the activated steam generator is connected to the downstream end wall of the processing chamber 7.
  • the biomass B conveyed countercurrently with the superheated steam by the conveyor 70 is quickly carbonized by the activated steam.
  • Activated steam can carbonize biomass even at 200 ° C. or less, so carbon can be produced at low cost without producing harmful substances such as benzpyrene.
  • the combustion loss of carbon is small.
  • carbon which is substantially oxygen-free and obtained by active water vapor at 350 ° C. or less has hydrophilicity, and is therefore suitable for an ink for ink jet ink and the like.
  • the connection position of the discharge pipe 5 is not limited, and a plurality of activated water vapor generators may be attached to the processing chamber 7 as necessary.
  • the porous member may have a honeycomb structure, a lattice structure, a mesh structure, a non-woven structure or the like in addition to the above.

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Abstract

　(a) 入口及び出口を有する第一の容器と、容器の外周に設けられた高周波誘導コイルと、第一の容器に収容され、水蒸気が流通可能で高周波誘導コイルにより誘導加熱される部材とを具備する水蒸気の誘導加熱装置と、(b) 誘導加熱装置の下流に設けられ、入口及び出口を有する第二の容器と、誘導加熱した水蒸気を放電処理するために第二の容器内に設けられた少なくとも一組の電極とを有する放電処理装置とを具備し、誘導加熱装置の第一の容器の出口から流出した過熱水蒸気を放電処理装置内で放電処理することにより活性水蒸気にする装置。

Description

活性水蒸気発生装置
　本発明は比較的少ない消費電力で活性水蒸気を効率よく発生させる装置に関する。
　食品加工、廃棄物処理、炭化、表面処理等に、加熱空気より熱伝導率が高い100℃超の過熱水蒸気が広く利用されており、過熱水蒸気を発生させる種々の装置が提案されている。例えば特開平2003-297537号は、水を収容する非導電性筒体と、非導電性筒体の外周に巻かれた高周波誘導コイルと、非導電性筒体の内部に配設され、高周波誘導コイルにより誘導加熱される複数の導電性筒体とを有する過熱水蒸気を発生する装置を開示している。この装置は少ない消費電力で過熱水蒸気を発生できる。
　特開2004-251605号は、外周に高周波誘導コイルが巻回された筒状容器と、筒状容器内に収容された多数の球体とを有し、ボイラーで生成された水蒸気が筒状容器に流入し、高周波誘導コイルにより誘導加熱されて過熱水蒸気となる装置を開示している。この装置は450℃以上の過熱水蒸気を生成することができる。
　しかしながら、上記装置により得られる過熱水蒸気は比較的低温では十分な活性を有していない。水蒸気を活性化する方法として、放電処理がある。特開2002-159935号は、水蒸気にアーク放電して10000℃と高温の水蒸気プラズマ（活性水蒸気）を発生させる装置を提案している。しかしこのような高温の水蒸気プラズマを発生させるには大きな消費電力が必要である。
　従って本発明の目的は、比較的少ない消費電力で高活性の活性水蒸気を発生させる装置を提供することである。
　上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、誘導加熱により生成した過熱水蒸気に放電処理を行うことにより、比較的少ない消費電力で高活性の水蒸気が効率良く得られることを発見し、本発明に想到した。
　すなわち、本発明の第一の活性水蒸気発生装置は、(a) 入口及び出口を有する第一の容器と、前記第一の容器の外周に設けられた高周波誘導コイルと、前記第一の容器に収容され、水蒸気が流通可能で前記高周波誘導コイルにより誘導加熱される部材とを具備する水蒸気の誘導加熱装置と、(b) 前記誘導加熱装置の下流に設けられ、入口及び出口を有する第二の容器と、誘導加熱した水蒸気を放電処理するために前記第二の容器内に設けられた少なくとも一組の電極とを有する放電処理装置とを具備する活性水蒸気発生装置であって、前記誘導加熱装置の出口から流出した過熱水蒸気を前記放電処理装置内で放電処理することにより活性水蒸気にすることを特徴とする。
　本発明の一実施形態では、前記第一及び第二の容器は金属製であり、前記誘導加熱装置と前記放電処理装置とは絶縁性筒体を介して連結しており、前記放電処理装置の一方の電極が前記絶縁性筒体を貫通している。本発明の別の実施形態では、前記第一及び第二の容器がともに絶縁性セラミックスからなる。
　本発明の第二の活性水蒸気発生装置は、入口及び出口を有するとともに上流側及び下流側にそれぞれ水蒸気の誘導加熱域及び放電処理域を有する絶縁性容器と、前記誘導加熱域の外周に設けられた高周波誘導コイルと、前記誘導加熱域内に設けられ、水蒸気が流通可能で前記高周波コイルにより誘導加熱される部材と、前記放電処理域内に設けられた少なくとも一組の電極とを具備し、前記入口より前記絶縁性容器内に導入された水蒸気は前記誘導加熱域での誘導加熱により過熱水蒸気となり、次いで前記放電処理域での放電処理により活性水蒸気となることを特徴とする。
　第一及び第二の活性水蒸気発生装置のいずれにおいても、前記誘導加熱部材は多孔質部材であるのが好ましく、多孔質金属部材であるのがより好ましく、導電性を有する軟磁性金属材料からなるのが最も好ましい。前記誘導加熱部材は30～80容積％の空隙率を有するのが好ましい。前記誘導加熱部材の空隙率は前記容器の入口側より出口側の方が高いのが好ましく、前記第一の容器に入口側より順に空隙率が増大する複数の多孔質部材が収容されているのがより好ましい。前記過熱水蒸気の温度は120～350℃であるのが好ましい。
　本発明の活性水蒸気発生装置は、誘導加熱により生成した過熱水蒸気を直ちに放電処理するので、比較的少ない消費電力で高活性の水蒸気を製造することができる。本発明の装置により得られる活性水蒸気は、植物材料等の炭化及び分解、各種物品の滅菌、印刷物の消色、プラスチックフィルムの表面処理等の処理を行うのに好適である。
本発明の第一の活性水蒸気発生装置の一例を示す長手方向断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置の要部を示す分解断面図である。 誘導加熱装置における水の分子数の変化を概略的に示す図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる誘導加熱装置の別の例を示す長手方向断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる放電処理装置の別の例を示す長手方向断面図である。 図３(a) に示す放電処理装置における電極線の配置を示す平面図である。 図３(b) のA-A断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる誘導加熱装置のさらに別の例を示す長手方向断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる放電処理装置のさらに別の例を示す長手方向断面図である。 図５(a) のB-B断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる放電処理装置のさらに別の例を示す長手方向断面図である。 図６(a) のC-C断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置に用いる放電処理装置のさらに別の例を示す長手方向断面図である。 図７(a) のD-D断面図である。 放電処理装置における電極線の配置を示す部分拡大斜視図である。 放電処理装置における電極線の配置を示す部分拡大斜視図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置の別の例を示す部分断面図である。 本発明の第一の活性水蒸気発生装置のさらに別の例を示す部分断面図である。 本発明の第二の活性水蒸気発生装置の一例を示す長手方向断面図である。 本発明の活性水蒸気発生装置を用いて印刷物を消色する様子を概略的に示す平面図である。 本発明の活性水蒸気発生装置を用いて印刷物を消色する様子を概略的に示す側面図である。 本発明の活性水蒸気発生装置を用いてバイオマスからカーボンを製造する様子を概略的に示す断面図である。
　本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明するが、各実施形態に関する説明は、特に断りがなければ他の実施形態にも適用することができる。
[1] 第一の活性水蒸気発生装置
　図１(a) 及び図１(b) に示すように、水道の蛇口に連結する浄水手段１から来る清浄水から水蒸気を発生させるボイラー２のパイプ2aと連結した第一の活性水蒸気発生装置は、水蒸気を誘導加熱して過熱水蒸気を生成する装置３と、過熱水蒸気を放電処理して活性水蒸気にする装置４とを具備する。
(1) 誘導加熱装置
　誘導加熱装置３は、入口30a及び出口30bを有する筒状の容器30と、その外周に断熱材31を介して巻回された銅線又は銅管からなる高周波誘導コイル32と、高周波誘導コイル32に高周波電流を供給する高周波電源35と、容器30内に収容され、水蒸気が流通するとともに高周波電流により誘導加熱される部材33と、容器30の出口30b近傍に設けられ、誘導加熱により得られた過熱水蒸気の温度を検出する温度センサ36と、温度センサ36の検出結果に基づいて高周波電源35を制御するコントローラ37とを有する。
(a) 容器
　容器30は、高周波誘導コイル32に流れる高周波電流により実質的に誘導加熱されず、かつ生成した過熱水蒸気により劣化しない材料からなるのが好ましい。このような材料として、非磁性ステンレス鋼（SUS304等）、アルミニウム、銅等の非磁性金属、セラミックス、耐熱ガラス、黒鉛等が挙げられる。非磁性金属を用いる場合、一層優れた耐食性を得るために、容器30の内壁をガラスコーティングしてもよい。メンテナンスを容易にするために、容器30をフランジを有する複数の円筒体により脱着自在に構成しても良い。
(b) 誘導加熱部材
　誘導加熱は、高周波磁界中に置かれた導電体に生ずる渦電流損又は磁気ヒステリシス損により加熱する方法であるので、誘導加熱部材33は優れた軟磁性を有するとともに、導電性が余り高くない材料からなるのが好ましい。さらに、誘導加熱部材33は過熱水蒸気により曝されるので、優れた耐食性を有するのが好ましい。このため、誘導加熱部材33は優れた耐食性を有する軟磁性金属からなるのが好ましい。このような金属として実用的には磁性ステンレス鋼（SUS430、SUS403、SUS447J1、SUSXM27等）が好ましい。その他に、例えば炭素とホウ珪酸ガラスとからなるカーボンセラミックス等の導電性セラミックスも使用可能である。過熱水蒸気の生成に必要な接触面積を確保するとともに過大な圧損を避けるために、誘導加熱部材33の空隙率は30～80容積％が好ましい。
　本発明の好ましい実施形態では、誘導加熱部材33は、容器30内の空間をほぼ占める円柱状の多孔質金属部材である。多孔質金属部材は一対の固定部材38a，38bにより容器30内に固定される。多孔質金属部材は、(i) 金属粉末、気孔形成用の樹脂粒子、有機バインダ及び溶媒からなるスラリーを所定の形状に成形し、乾燥した後、有機バインダ及び樹脂粒子を焼失させ、焼結する方法、(ii) 発泡ウレタンに金属粉末スラリーを含浸させ、乾燥後焼結する方法、(iii) 不織布状に絡めた金属繊維を焼結する方法等により製造することができる。
(2) 放電処理装置
　放電処理装置４は、誘導加熱装置３の出口30bと連通する入口40a及び活性水蒸気を噴出する出口40bを有する容器40と、容器40の外周に設けられた断熱材41と、容器40の中心軸線に沿って設けられた電極線42と、電極線42に接続する電源43とを有する。導電性金属製容器40を電極線42の対極としても良い。導電性金属は銅、アルミニウム、ステンレス鋼等である。容器40内で活性水蒸気が生成するので、容器40の内壁及び電極線42をガラスコーティングするのが好ましい。電源43はパルス波又は正弦波を出力する。
　誘導加熱装置３の容器30と放電処理装置４の容器40との容積比は適宜設定できるが、一般に10／１～１／10であるのが好ましい。
　誘導加熱装置３の容器30が金属製の場合、電極線42と対極となる金属製容器30とを十分に絶縁するために、放電処理装置４の入口40aと誘導加熱装置３の出口30bとの間に電極線42が貫通する絶縁性筒体45を設けるのが好ましい。絶縁性筒体45を形成する材料はテフロン（登録商標）、耐熱ガラス、セラミックス等である。また放電処理装置４の出口40bに、活性水蒸気を噴出するための開口形状を有する管５を取り付けるのが好ましい。
(3) 活性水蒸気の製造
　ボイラー２により100℃以上、例えば110～140℃の飽和水蒸気を発生させる。この飽和水蒸気の圧力は1.2～２気圧程度である。酸化を防止する場合、実質的に無酸素の飽和水蒸気を生成するのが好ましい。誘導加熱装置３に供給する飽和水蒸気の量（L/sec）は、誘導加熱部材33の空隙容積（L）の５倍以上とするのが好ましい。誘導加熱された水蒸気の流速は、水蒸気の温度上昇から想定される流速よりはるかに高い。これは、誘導加熱された水蒸気中において複数の水分子からなるクラスターが分解し、例えば図１(c) に図式的に示すように、水分子の数が著しく増大したためであると考えられる。水蒸気が30～80容積％の空隙率を有する誘導加熱部材33を流れる際に、水分子の数の増加により上昇した圧力は上流方向より下流方向に圧倒的に伝わり易いので、水蒸気の流速は入口30aより出口30bの方がはるかに速くなる。なお、水分子のクラスターの詳細は、脇坂昭弘の「分子クラスターから始まる新たな液体のサイエンス（online）」，2000年１月，資源環境技術総合研究所，「NIRE」ニュース，［平成20年１月８日検索］，インターネット<URL：http://www.aist.go.jp/NIRE/publica/news-2000/2000-01-3.htm>等に記載されている。
　図２に示すように、誘導加熱部材33を入口30a側より順に空隙率が30～80容積％の範囲内で増大する複数（図示の例では３個）の多孔質部材33a～33cにより構成すると、クラスターの分解により分子数が増加した過熱水蒸気を出口30bから効率よく噴射させることができる。
　実質的に無酸素の過熱水蒸気を発生させる場合、過熱水蒸気の温度を120～350℃とするのが好ましく、150～250℃とするのがより好ましく、150～200℃とするのが最も好ましい。ここで「実質的に無酸素」とは、酸素分子、酸素イオン、酸素ラジカル及びオゾンの合計濃度が、全ての水の分子、イオン及びラジカルの合計100モル％に対して、0.5モル％以下であることを意味する。
　放電処理装置４に送給された過熱水蒸気は、放電処理により低温プラズマ化した活性水蒸気となる。実質的に無酸素の過熱水蒸気を比較的低温で放電処理（プラズマ化）すると、酸素ラジカルの発生を伴わずに、H2O→OH・＋H・の反応式によりヒドロキシラジカルが発生すると推測される。本発明では効率的にヒドロキシラジカルを発生させることができるが、これは放電処理の前に水分子のクラスターの分解を行っているためであると考えられる。
　図３(a)～図３(c) は、誘導加熱装置３の容器30とほぼ同じ横手方向断面積を有する偏平形状の容器40を具備する放電処理装置４を示す。容器40内に複数本（この例では５本）の電極線42aが等間隔に設けられている。容器40は金属製にして対極を兼ねても良い。対極との間隔が狭い複数の電極線42aを有する構造により、放電効率が向上する。
　図４に示す例では、誘導加熱装置３の容器30内に、連通孔を有する複数の隔離板33dを介して多数の球状又は管状の誘導加熱部材33eが充填されている。隔離板33dは中心棒34により固定されている。隔離板33d及び誘導加熱部材33eを構成する材料は上記と同じ磁性金属であるのが好ましい。球状誘導加熱部材33eの場合、水蒸気との接触面積を増大するために、孔及び／又は凹部を設けるのが好ましい。誘導加熱部材33eを容器30内に30～80容積％の空隙率（誘導加熱部材内の空隙率＋誘導加熱部材間の空隙率）で充填するのが好ましく、また空隙率が容器30の入口30a側から出口30b側にかけて高くなるように、誘導加熱部材33eを充填するのが好ましい。
　図５(a) 及び図５(b) は、ほぼ容器40全体にわたってハニカム状誘電体44が延在し、その各セルに電極線42aが設けられた放電処理装置４を示す。これ以外の構造は図１に示すものと同じでよい。ハニカム状誘電体44は、各種ガラス、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛等の誘電材料により形成するのが好ましい。電極線42aと対極（例えば金属製容器40）との間に電圧を印加すると、バリア放電が発生する。
　図６(a) 及び図６(b)は、ほぼ容器40全体にわたってハニカム状電極42bが延在しており、ハニカムの各セル内に電極線42aが設けられた放電処理装置４を示す。それぞれのセルは等しい流路断面積を有する。容器40が金属製の場合、容器40の内面にハニカム状電極42bを接触させるだけで、ハニカム状電極42bを電極線42aの対極にすることができる。これ以外の構造は図１に示すものと同じでよい。電極線42aとハニカム状電極42bと間に１μs以下の短パルス電圧を印加すると、パルスストリーマ放電が発生する。
　図７(a)～図７(d) は、異なる極性が交互に位置するように複数本の電極線42c，42dが容器40内を延在する以外図１に示すのと同じ放電処理装置４を示す。各電極線42c，42dは絶縁材42c’，42d’で被覆しても良い。また絶縁材で被覆する代りに、各電極線42c，42dをハニカム状誘電体のセルに１つずつ収容しても良い。異なる極性の電極42c，42d間に電圧を印加すると、バリア放電が発生する。
　図８は、放電処理装置４用の容器40の入口40aと誘導加熱装置３用の容器30の出口30bとの間に、絶縁性パッキン46，46を介して、電極線42が貫通する絶縁性筒体45が設けられた例を示す。この例では、容器30，40は金属製である。絶縁性筒体45は耐熱ガラス、セラミックス等からなるのが好ましい。絶縁性パッキン46，46は、金属製容器30，40と絶縁性筒体45との熱膨張差を吸収するもので、絶縁性の他に柔軟性及び耐熱性を有する必要がある。そのため、絶縁性パッキン46，46はテフロン（登録商標）等の樹脂により形成するのが好ましい。
　図９は、放電処理装置４用の容器40がセラミックス等の絶縁性材料からなる例を示す。この例では、電極線42用の電線42aと対極47用の電線47aとは絶縁性容器40を貫通している。電極線42及び対極47の形態は上記と同じで良い。誘導加熱装置３用の容器30と活性水蒸気噴出管５とが金属製の場合、それらと容器40との熱膨張差を吸収するために、容器40と容器30との間及び容器40と管５との間にそれぞれ絶縁性パッキン46，46を設けるのが好ましい。また容器30も絶縁性材料からなる場合、絶縁性パッキン46は容器40と管５との間だけに設ければ良い。
[2] 第二の活性水蒸気発生装置
　図10に示すように、第二の活性水蒸気発生装置は、水蒸気の誘導加熱域13と放電処理域14とが絶縁性容器15内に収容されている点で第一の活性水蒸気発生装置と異なる。ボイラーのパイプから流入する水蒸気は、誘導加熱域13内の高周波誘導加熱部材（例えば多孔質金属部材）33により加熱されて過熱水蒸気となり、次いで下流の放電処理域14内に設けられた電極線42により放電処理されて活性水蒸気になる。誘導加熱域13と放電処理域14とが１つの絶縁性容器15に収容されているので、圧損が少なく効率よく活性水蒸気を発生させることができる。なお、誘導加熱部材33及び電極線42については上記と同じものを使用できる。
[3] 活性水蒸気の用途
　本発明の装置により得られる活性水蒸気は、高活性のヒドロキシラジカルを高濃度で含むので、コピー等の印刷物の消色、バイオマス（植物、微生物等）の分解及び炭化、各種物品の滅菌、食品の加工（加熱、乾燥、焙煎等）、プラスチックフィルムの表面処理、半導体洗浄、産業廃棄物処理、土壌改良等に利用できる。特に無酸素状態で発生させた活性水蒸気はオゾンを含まないので、環境への悪影響が少なく、開放系でも使用することができる。ヒドロキシラジカルは、有機物等との反応により速やかに消費され、また寿命がマイクロ秒のオーダー（約20μsec～約50μsec）と非常に短いので、開放系で使用しても問題ない。
　活性水蒸気で印刷物の消色を行う場合、図11(a) 及び図11(b) に示すように、印刷物Pの幅に対応する吹出口5aを有する排出管５を活性水蒸気発生装置の出口に設けるのが好ましい。印刷物Pをロール６で搬送しながら、印刷面に活性水蒸気を吹き付けると、印字や画像は迅速に消色される。本発明の装置で得られる活性水蒸気は200℃以下でも高い活性（酸化力）を有するので、比較的低温で紙を炭化することなく、迅速に消色することができる。活性水蒸気は特にインクジェットインクの印字及び画像の消色に適している。なお、排出管５の吹出口5aに逆極性の電極51a，51bを交互に設け、吹出口5aで活性水蒸気に放電してもよい。
　活性水蒸気でバイオマスを炭化させる場合、図12に示すように、活性水蒸気発生装置の排出管５を処理チャンバ７の下流端壁に接続する。コンベア70により過熱水蒸気と向流に搬送されるバイオマスBは活性水蒸気により迅速に炭化される。活性水蒸気は200℃以下でもバイオマスを炭化できるので、ベンツピレン等の有害物質の生成を伴わずに、低コストでカーボンを製造することができる。また実質的に無酸素とすると、カーボンの燃焼ロスが少ない。特に実質的に無酸素で350℃以下の活性水蒸気により得られるカーボンは親水性を有するので、インクジェットインク用インク等に好適である。なお排出管５の接続位置は限定的ではなく、また必要に応じて複数の活性水蒸気発生装置を処理チャンバ７に取り付けても良い。
　以上の通り本発明を図面及び実施例を参照して詳細に説明したが、本発明はそれらに限定されず、本発明の趣旨を変更しない限り種々の変更を加えることができる。例えば多孔質部材は、上記以外にハニカム構造、格子構造、メッシュ構造、不織布構造等でも良い。

Claims (15)

  1. (a) 入口及び出口を有する第一の容器と、前記第一の容器の外周に設けられた高周波誘導コイルと、前記第一の容器に収容され、水蒸気が流通可能で前記高周波誘導コイルにより誘導加熱される部材とを具備する水蒸気の誘導加熱装置と、(b) 前記誘導加熱装置の下流に設けられ、入口及び出口を有する第二の容器と、誘導加熱した水蒸気を放電処理するために前記第二の容器内に設けられた少なくとも一組の電極とを有する放電処理装置とを具備する活性水蒸気発生装置であって、前記誘導加熱装置の出口から流出した過熱水蒸気を前記放電処理装置内で放電処理することにより活性水蒸気にすることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  2. 請求項１に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が多孔質部材であることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  3. 請求項１又は２に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が導電性を有する軟磁性金属材料からなることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  4. 請求項１～３のいずれかに記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が30～80容積％の空隙率を有することを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  5. 請求項１～４のいずれかに記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材の空隙率は前記第一の容器の入口側より出口側の方が高いことを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  6. 請求項５に記載の活性水蒸気発生装置において、前記第一の容器に入口側より順に空隙率が増大する複数の多孔質部材が収容されていることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  7. 請求項６に記載の活性水蒸気発生装置において、前記第一及び第二の容器は金属製であり、前記誘導加熱装置と前記放電処理装置とは絶縁性筒体を介して連結しており、前記放電処理装置の一方の電極が前記絶縁性筒体を貫通していることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  8. 請求項１～７のいずれかに記載の活性水蒸気発生装置において、前記第一及び第二の容器がともに絶縁性セラミックスからなることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  9. 入口及び出口を有するとともに上流側及び下流側にそれぞれ水蒸気の誘導加熱域及び放電処理域を有する絶縁性容器と、前記誘導加熱域の外周に設けられた高周波誘導コイルと、前記誘導加熱域内に設けられ、水蒸気が流通可能で前記高周波コイルにより誘導加熱される部材と、前記放電処理域内に設けられた少なくとも一組の電極とを具備し、前記入口より前記絶縁性容器内に導入された水蒸気は前記誘導加熱域での誘導加熱により過熱水蒸気となり、次いで前記放電処理域での放電処理により活性水蒸気となることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  10. 請求項９に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が多孔質部材であることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  11. 請求項９又は10に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が導電性を有する軟磁性金属材料からなることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  12. 請求項９～11のいずれかに記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材が30～80容積％の空隙率を有することを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  13. 請求項12に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱部材の空隙率は前記絶縁性容器の入口側より出口側の方が高いことを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  14. 請求項13に記載の活性水蒸気発生装置において、前記誘導加熱域に入口側より順に空隙率が増大する複数の多孔質部材が収容されていることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
  15. 請求項１～14のいずれかに記載の活性水蒸気発生装置において、前記過熱水蒸気の温度が120～350℃であることを特徴とする活性水蒸気発生装置。
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