(57)【要約】【課題】過熱蒸気を利用した工業炉では、単純な直流や商用交流を流すだけの導体中空パイプヒーター構造を持つ過熱蒸気発生器の利用価値が高い。しかし、本過熱蒸気発生器を搭載する工業炉の温度制御では、ヒーター温度が目標値である過熱蒸気温度や炉内温度を先に越してしまい、正常に温度制御できなくなる場面がある。【解決手段】ヒーターを駆動するソリッドステートリレー1セットに対し、2個以上のPID調節器を設置し、それぞれの温度入力をヒーター温度、過熱蒸気温度などとする。それぞれのPID調節器の出力は選択器（マルチプレクサ）の入力に繋がっており、主制御器は運転状態によって選択器を操作し、ソリッドステートリレーへの出力元を動的かつ可逆的に切り替える機構を持たせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル系合金やアルミ系合金、その他非金属系導体など耐熱性、耐食性が良い導体で中空状のものを組み合わせてつくられる導体中空パイプヒーター部品、その部品を納めるためのケースと熱電対などの温度検出器や周辺部品から構成される過熱蒸気発生器と、導体中空パイプヒーターの電源、それをON/OFF駆動するソリッドステートリレーからなる電力制御部と、ソリッドステートリレーに駆動信号をおくる複数のPID調節器及び制御切替を判定する主制御器と出力選択器、主制御器と各PID調節器が観測した温度データを共有する通信機能から構成されることを特徴とする工業炉。
【請求項２】
複数の熱電対入力と、１つのソリッドステートリレーへのパルス出力と、各熱電対の温度現在値を参照値としソリッドステートリレーの出力パターンを決定する複数のPID制御機能と、そのPID演算から得られた複数のパルス出力から1個を選択できる選択器（マルチプレクサ）を有し、また制御切り替え条件をユーザーが自由に再設定できる操作／設定ボタン等のインタフェースを持つ制御器。
【請求項３】
複数の熱電対入力と、１つのソリッドステートリレーへのパルス出力と、各熱電対の温度現在値を参照値としソリッドステートリレーの出力パターンを決定する複数のPID制御機能と、それをPID調節器１個で実現できるように複数のPID制御パラメータを格納するメモリを有し1個のPID調節器に対してPID制御パラメータを入れ替える機構を有し、またPID制御切り替え条件をユーザーが自由に再設定できる操作／設定ボタン等のインタフェースを持つ制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加した中空パイプ状発熱体を利用した過熱蒸気発生器と、その発生器を搭載した工業炉の温度制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過熱蒸気は、飽和蒸気を取り出し、それをさらに加熱することにより得られる高温乾燥蒸気である。過熱蒸気の媒体は、水、窒素、アルゴンなど常温常圧下で液体のもの、あるいは気体のもの種類を問わないが、以下、水（水蒸気）を媒体として説明する。
【０００３】
過熱水蒸気の生成方法には、ボイラー等の熱源で使用する重油の燃焼時の排熱雰囲気中に蒸気管（スーパーヒーター）を晒し得る方法や、飽和蒸気をその通路内に設置した導体を外部から誘導加熱し、導体から飽和水蒸気への熱伝達で得る方法などがある。ここで得られる過熱度（飽和水蒸気温度に対する温度上昇分）は、前者の方法では600℃程度、後者は1000℃前後に達する例が見られるが、前者の場合、過熱蒸気の利用目的は工場内暖房や600℃以下の工業炉用途などに限定される。また後者の場合、電力をスイッチングする半導体素子の性能に依存すること、そしてその半導体素子自体の冷却にも電力を必要とするデメリットがある。何より誘導加熱では飽和水蒸気から過熱蒸気を得ることが主作用であり、実際処理炉内で過熱水蒸気を利用する際には、過熱蒸気のエンタルピー低下は避けられず、それを補償するために、より多くの過熱水蒸気を作らなければエネルギー収支が合わない、というエネルギーの無駄遣いが最大の欠点である。
【０００４】
一方、導体でできた中空パイプの両端に直流または商用交流の電圧を印加しジュール熱を発生させ、その中空パイプの端から飽和水蒸気を導引、中空パイプのもう片方の端あるいは途中に設けたノズルから過熱蒸気を吐出させ得る方法（導体中空パイプヒーターによる過熱蒸気発生器）は、高温過熱水蒸気を得られるだけではなく、中空パイプ自体が発する熱エネルギーも処理炉内に対して直接作用し、総電力的にも効率の良い過熱蒸気発生器となる。
【０００５】
導体中空パイプヒーターに印加する電圧は、処理炉内の温度を参照しながら、目標となる処理炉温度になるように、制御装置からヒーターを駆動するためのソリッドステートリレーへのパルス出力で決定される。しかし導体中空パイプヒーター中に飽和水蒸気が流れ、その導体のジュール熱が飽和水蒸気へ移り過熱蒸気を生成する構造上、特に運転初期はヒーター温度が目標吐出過熱水蒸気温度（処理炉内温度）より上回る傾向を示す。すなわち目標吐出過熱水蒸気温度（処理炉内温度）に達する以前に、ヒーターの耐熱温度に達してしまう恐れがある。
【０００６】
さらに本過熱水蒸気発生器固有の問題として、常温からの運転開始時、導体中空パイプ中に飽和水蒸気が流れるが、ヒーター各所の温度は高低のばらつきがあり、単純なON/OFF制御やPID制御では、中空パイプヒーターを部分過熱させ溶断させてしまう恐れがある。ヒーター各所に複数の温度検出器を設置し、ヒーター材の平均温度からソリッドステートリレーをあるパターンで駆動制御する方法も考えられるが、調整が煩雑になること、また装置コストがアップする要因になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７７３４５号公報
【特許文献２】特開２０００−１８１５４９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】須田信英著代表  「PID制御」朝倉書店  １９９２年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在のボイラー等排熱余熱による過熱蒸気発生器や誘導加熱による過熱蒸気発生器では単に過熱水蒸気を発生させるだけで、その後過熱水蒸気のエンタルピーは下がる一方であり熱効率が悪い。結果、過熱水蒸気の発生量を増加させエネルギー収支を補うという命題にぶつかってしまい、エネルギーコストが高くなる。
【００１０】
導体中空パイプヒーターの中に飽和水蒸気を流す方法は、過熱蒸気及びヒーター材自体から発せられる熱エネルギーの複合となり、エネルギーコストを改善できる。また誘導加熱回路のように冷却装置付帯などがなく装置全体が簡略化できるメリットを持つ。しかし導体中空パイプヒーターを用いた過熱蒸気発生器を搭載した工業炉を温度制御する場合、特に過熱水蒸気温度（処理炉内温度）の目標温度を高く設定する場合、目標とする温度まで上昇させるまでにヒーター材自体がその耐熱温度に達してしまい、所望の過熱水蒸気温度（処理炉内温度）を得られないことである。制御を間違えれば、ヒーター材自体を溶断してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ニッケル系合金やアルミ系合金、その他非金属系導体など耐熱性、耐食性が良い導体で中空状のものを組み合わせてつくられる導体中空パイプヒーター部品、その部品を納めるためのケースと熱電対などの温度検出器や周辺部品から構成される過熱蒸気発生器と、導体中空パイプヒーターの電源とそれをON/OFF駆動するソリッドステートリレーからなる電力制御部と、ソリッドステートリレーに駆動パルス信号をおくるPID調節器、主制御器、温度情報共有手段及び出力選択器（マルチプレクサ）から構成される。
【００１２】
運転初期は、目標温度はヒーター温度とし、ヒーターに設置された熱電対からの温度情報を参照しながらPID調節器１によって出力制御される。PID調節器1出力は、選択器（マルチプレクサ）の1入力に繋がっており、選択器の出力はソリッドステートリレーの駆動入力に接続されている。つまり運転初期はPID調節器1出力が選択状態である。
【００１３】
時間経過とともにヒーター温度（TH）、過熱水蒸気温度（TS）、炉内温度（TAMB）が上昇する。このときの温度関係は、TH>>TS>>TAMBである（ここで’>’記号を２つづつ記載したのは、その温度差が大きいことを意味する）。さらなる時間経過により、ヒーター温度（TH）は目標値に達し、温度関係はTH>TS>TAMBとなる（ここで’>’記号を1つづつ記載したのは、その温度差が縮まりシステム全体が恒温槽に近づいていることを意味する。）。
【００１４】
主制御器は、ヒーター温度（TH）、過熱水蒸気温度（TS）、炉内温度（TAMB）を観測し、TH>TSTAMBの状態を確認後、PID調節器２の出力を選択器（マルチプレクサ）の出力になるよう切り替える。ここでPID調節器２の参照入力温度はヒーター温度ではなく、過熱水蒸気温度（TS）または炉内温度（TAMB）である。
【００１５】
このように制御方式を切り替えることで、ヒーター材を損傷させることなく、過熱数蒸気温度を所望の最大使用可能温度まで制御できるようになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、導体中空パイプヒーターを実用レベルで運用できる温度制御方式を提供することにより、導体中空パイプヒーター中の飽和水蒸気を過熱水蒸気化する発生器として、それを搭載した高性能、低コストの工業炉を実用化できる。本過熱蒸気発生器は、過熱水蒸気自体の熱エネルギーとヒーター材から発せられる遠赤外線効果、さらに吐出済みの過熱水蒸気への再加熱効果を期待でき、総合的に効率の高い高温過熱蒸気式工業炉を提供する。なお、本過熱水蒸気は、常圧であり、防爆設備が不要になり、安全に運用できるメリットを持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は導体中空パイプヒーターを応用した過熱水蒸気発生器と、それを搭載した工業炉の説明図である。（実施例１）
【図２】図２は炉内温度分布にいくつかのゾーンがある場合の温度監視配置を示した説明図である。（実施例２）
【図３】図３は図２のように炉内温度分布にいくつかのゾーンがある場合の温度制御方式を示した説明図である。（実施例３）
【図４】図４は図３の機能を１パッケージ化した製品を示した説明図である。（実施例４）
【発明を実施するための形態】
【００１８】
導電中空パイプヒーター1個、それを駆動するソリッドステートリレー1個に対し、PID調節器をヒーター温度入力用１個（PID調節器１）、過熱水蒸気温度または炉内温度用に1個（PID調節器２）用意する。PID調節器１及び２の出力は、汎用リレーのグラウンドを共通端子とし、それぞれB接点、A接点に接続することで選択器とした。この例では、ヒーター温度と過熱水蒸気温度（または炉内温度）の2系統を想定したが、製作する処理炉が３つ以上のゾーン（例：ヒーター部、過熱蒸気吐出口、処理炉内の隅の方の温度が上がりずらいゾーン）を考慮し制御する場合は、リレーのようなA/Bの2接点しかあるものではなく、2接点以上ある専用の選択器（マルチプレクサ）を設置すればよい。
【実施例】
【００１９】
図１は、本発明装置の全体システムの１実施例である。導体中空パイプヒーター１は、１端に飽和水蒸気発生器（ボイラー）５の蒸気管とつながっており蒸気は４のように流れ、また導体中空パイプヒーター１の両端は電源６から電圧が印加される構造である。導体中空パイプヒーターはヒーター収納ケース２に収まり、処理炉３の内側に向かって解放される形で設置される。この構造によって、導体中空パイプヒーター１内で加熱された飽和水蒸気は過熱水蒸気１１となり、導体中空パイプヒーターに取り付けられたノズルから処理炉３内部に放出され、同時に導体中空パイプヒーター１自身も処理炉３内に遠赤外線１２を発する。
【００２０】
ヒーター温度（TH）はヒーター温度用熱電対８で観測し、過熱水蒸気温度は熱電対９で観測される。これらの温度情報は、それぞれPID調節器１  １３、PID調節器２  １４に入力されるとともに、通信手段１９を用いて主制御器１５にも送られる。なお本実施例１では、主制御器１５は炉内温度として熱電対１０の観測もしている。
【００２１】
運転初期は、PID調節器１  １３がソリッドステートリレー（SSR）７を駆動できるよう、主制御器１５は選択信号１７を操作して選択器１６を制御している。PID調節器１  １３はヒーター温度を示す熱電対入力値８を参照値として目標値に近づくようパルス出力１８し、ソリッドステートリレー（SSR）７が駆動される。
【００２２】
主制御器１５は、ヒーターからの熱電対入力値（TH）８、過熱水蒸気からの熱電対入力値（TS）９、炉内温度からの熱電対入力値（TAMB）１０を常時監視し、THに対するTSとTAMBの差などを判定、あるいはシステムの特性的経験上からくる稼働時間からシステム温度の恒温化が近いことを判定し、選択信号１７を発して、選択器（マルチプレクサ）１６を操作し、PID調節器１  １３からPID調節器２  １４に切り替える。これにより、導体中空パイプヒーター１を駆動するソリッドステートリレー（SSR）７への出力パルス１８は、参照温度を過熱水蒸気温度（TS）として目標温度に向かう制御に切り替わる。
【００２３】
何らかの外乱により、ヒーター温度（TH）が上昇し、ヒーター材の焼損の可能性がある場合、主制御器１５は、再度、選択器（マルチプレクサ）１６を操作して、PID調節器２  １４からPID調節器１  １３に切り替え、ヒーター温度基準（TH）で導体中空パイプヒーター１の温度制御御を行う。
【００２４】
このように主制御器１５が、システム内の温度情報を統括管理しながら、選択器（マルチプレクサ）１６を操作してPID調節器１  １３（ヒーター温度TH基準）またはPID調節器２  １４（過熱水蒸気温度TS基準）を動的に切り替える。結果、導体中空パイプヒーターを焼損させることなく、過熱水蒸気温度と炉内温度を上昇させ、最終的に炉内雰囲気温度を目標とする高温設定値に安定化させることができる。
【００２５】
図２は、炉内温度分布にいくつかのゾーンがある場合の温度監視配置の実施例を示す。特に炉体本体が大きくなる場合、炉内の温度勾配も大きくなるため、炉内温度を観測するために複数の熱電対を設置する場合がある。この例ではヒーター温度（TH）１００、過熱水蒸気温度（TS）１０１に加え、炉内温度１（TAMB1；温度上昇しやすいゾーン）と炉内温度２（TAMB2；温度上昇が遅れるゾーン）を測定している。実施例１のように導体中空パイプヒーター１を駆動するソリッドステートリレー（SSR）７へのパルス出力１８をPID調節器１  １３とPID調節器２  １４で切り替えるが、その判定条件として最初TAMB１１０２の値を利用するが、最終的にはTAMB2１０３も判定条件に組み込む。これにより、ヒーター材を損傷させることなく、炉内全体が所望の高温度設定値で均一になるよう制御できる。図３にその温度制御方式を示す。
【００２６】
図３では、PID調節器を実施例１の２個から４個に増設している。運転初期（当該工業炉が常温状態）はPID調節器1  １０６はヒーター温度（TH）基準で導体中空パイプヒーター１を駆動し、順次、PID調節器２  １０７（過熱蒸気温度TS基準）、PID調節器３  １０８（高温部炉内温度TAMB１基準）、PID調節器４  １０９（低温部炉内温度TAMB2基準）になるよう動的にかつ可逆的に切り替える。
【００２７】
図４は、図３で示した温度制御装置を1パッケージ化した製品例である。複数の熱電対入力２０７、ヒーターを駆動するソリッドステートリレー等２０９への出力端子２０８、複数のPID調節機能（この例では4個、２００、２０１、２０２、２０３）、複数のPID調節機能から一つを選択する主制御器２０４／選択器２０５／切替条件論理２１０、切替条件を設定できるボタン等のユーザーインタフェース２１１を有する。
【００２８】
本実施例３ではPID調節機能を複数配置しているが、PID調節機能２００〜２０３は1個にするとともに、選択器２０５を削除する代わりに、複数のPID制御パラメータを格納できるメモリ２１２を使用する方法もある。切替条件論理２１１設定に従って、主制御器はPID制御パラメータをPID調節機能に対し更新していくことにより、複数のPID調節器があるようにふるまう制御方式である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本過熱蒸気式工業炉は、生成した過熱蒸気が処理物に対して熱を与えるだけでなく、導体中空パイプヒーター自体が発する遠赤外線も処理物に熱伝達され、さらに遠赤外線は過熱蒸気そのもののエンタルピー低下を抑える作用をするため、従来型過熱水蒸気発生器に比べエネルギー効率が高く、また運転コストや設備コスト低減に貢献できる。また本過熱蒸気発生器は常圧下で行うため、爆発の危険性がなく安心して稼働できるメリットを持つ。そしてその過熱蒸気は乾き蒸気であり、不活性ガス的な雰囲気炉として活用できるため、酸化反応がなく、二酸化炭素を排出しない環境にやさしい装置となる。
本温度制御方法を導入することにより、100℃以上から1000℃以上まで過熱蒸気の幅広い温度制御ができるようになり、産業用途では、二酸化炭素排出を抑えつつ、また空気を導引しないため排気煙突も不要な地球環境に配慮した感染性廃棄物の滅菌／炭化炉、CFRP成形後乾燥、CRFR再処理装置、各種反応促進炉などの実用化ができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  導体中空パイプヒーター
２  ヒーター収納ケース
３  処理炉
４  飽和蒸気発生器
５  飽和水蒸気の流れ
６  電源
７  ソリッドステートリレー（SSR）
８  ヒーター取り付け熱電対
９  過熱蒸気温度（雰囲気）測定熱電対
１０  炉内（雰囲気）温度測定熱電対
１１  吐出する過熱水蒸気
１２  ヒーター材から発せられる遠赤外線
１３  PID調節器１（ヒーター温度入力）
１４  PID調節器２（過熱水蒸気温度入力）
１５  主制御器
１６  選択器（1/2マルチプレクサ）
１７  主制御器からの選択信号
１８  ソリッドステートリレー駆動パルス
１９  熱電対温度情報通信機能
１００  ヒーター温度
１０１  過熱水蒸気温度
１０２  炉内温度１
１０３  炉内温度２
１０４  導体中空パイプヒーター（飽和水蒸気を導引）
１０５  電源入力
１０６  PID調節器１
１０７  PID調節器２
１０８  PID調節器３
１０９  PID調節器４
１１０  主制御器
１１１  選択器（N/1マルチプレクサ）
１１２  主制御器からの選択信号
２００  PID調節機能１
２０１  PID調節機能２
２０２  PID調節機能３
２０３  PID調節機能４
２０４  主制御器
２０５  選択器（N/1マルチプレクサ）
２０６  主制御器からの選択信号
２０７  熱電対入力端子
２０８  ソリッドステートリレー制御出力端子
２０９  （外部）ソリッドステートリレー
２１０  切替条件論理
２１１  設定用ユーザーインタフェース
２１２  PID制御パラメータメモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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