(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱気体が通過する気体流路と、
前記気体流路に設けられたヒータと、
前記気体流路における前記ヒータの上流側及び下流側において前記被加熱気体の温度をそれぞれ測定する上流側温度検出手段及び下流側温度検出手段と、
前記上流側温度検出手段及び前記下流側温度検出手段の検出温度の差及び前記ヒータの出力に基づいて前記被加熱気体の流量を演算する流量演算手段と
を備える気体加熱器であって、
前記気体加熱器の周囲の温度を検出する外気温検出手段を備え、
前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段、前記下流側温度検出手段、前記外気温検出手段の検出温度に基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正すること
を特徴とする気体加熱器。
【請求項２】
前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段と前記下流側温度検出手段との検出温度の平均値と、前記外気温検出手段の検出温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算すること
を特徴とする請求項１に記載の気体加熱器。
【請求項３】
前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体加熱器。
【請求項４】
被加熱気体が通過するとともにヒータが設けられた気体流路を有する気体加熱器における前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度差と、前記ヒータの出力から前記被加熱気体の流量を演算する気体加熱器の流量測定方法であって、
前記気体加熱器の周囲の温度を検出し、前記ヒータの上流側及び下流側の温度と、前記周囲の温度とに基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正すること
を特徴とする気体加熱器の流量測定方法。
【請求項５】
前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度の平均値と、前記周囲の温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算すること
を特徴とする請求項４に記載の気体加熱器の流量測定方法。
【請求項６】
前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生すること
を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の気体加熱器の流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば被加熱気体をヒータで昇温する気体加熱器及びその流量測定方法に関し、特に高温の気体の流量を簡素な構成によって精度よく測定可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば水蒸気等の被加熱気体をヒータによって加熱して高温とし、食品加工や工業製品の製造プロセス等で熱媒として利用可能とする気体加熱器が知られている。
例えば、特許文献１には、同心状に配置された外筒及び内筒と、内筒の外周面に巻き回されたシーズヒータを有し、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生する気体加熱装置が記載されている。
【０００３】
上述したような気体加熱器において、通過する被加熱気体の流量を測定することが求められる場合がある。
従来、被加熱気体の流量測定は、気体加熱器の外部に差圧式やカルマン渦式などの単体の流量計を別途設けることによって行っていた。しかし、このような流量計を設置するためには、流路をバイパスさせる配管を設置する必要があり、また流量計自体も比較的大型であることから、多くのスペースが必要となる。
また、このような流量計の使用温度は、耐熱性や耐食性などの面から比較的低い範囲に制限されることから、例えば出口温度が約５００℃に到達する場合のある過熱水蒸気の流量測定は困難である。
さらに、このような流量計は、通常相当に高価であることから、コスト面でも不利である。
【０００４】
気体の流量測定に関する従来技術として、例えば特許文献２には、ヒータの上流側、下流側の温度差に基づいて液体の流量を測定する熱式流量計において、液体の入側、出側にそれぞれ冷却機構を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】再表２００９／０４７９５２号公報
【特許文献２】特開平  ５−  ７９８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
気体加熱器の上流側及び下流側で被加熱気体の温度をそれぞれ検出し、その温度差から特許文献２のような熱式流量計の原理によって流量測定が可能であれば、外付けの流量計やバイパス流路などを必要とせず、温度センサを付加するのみの比較的簡素な構成によって被加熱気体の流量測定が可能となる。
しかし、専ら流量測定のために比較的微小な熱量で加熱する熱式流量計と異なり、気体の加熱を主目的とし、比較的大きな熱量によって例えば数百℃の昇温を行う気体加熱器においては、装置表面から外部への放熱量が大きいうえ、放熱量自体も装置が設置される雰囲気の温度（外気温）に依存して変化することから、測定精度の確保が困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、高温の気体の流量を簡素な構成によって精度よく測定可能な気体加熱器及び気体加熱器の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、被加熱気体が通過する気体流路と、前記気体流路に設けられたヒータと、前記気体流路における前記ヒータの上流側及び下流側において前記被加熱気体の温度をそれぞれ測定する上流側温度検出手段及び下流側温度検出手段と、前記上流側温度検出手段及び前記下流側温度検出手段の検出温度の差及び前記ヒータの出力に基づいて前記被加熱気体の流量を演算する流量演算手段とを備える気体加熱器であって、前記気体加熱器の周囲の温度を検出する外気温検出手段を備え、前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段、前記下流側温度検出手段、前記外気温検出手段の検出温度に基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正することを特徴とする気体加熱器である。
これによれば、ヒータの発熱量及び外部への放熱量が大きい気体加熱器であっても、各温度検出手段の検出温度から求められる放熱量に応じて流量を補正することによって、被加熱気体の流量を精度よく測定することができる。
また、既存の気体加熱器に対して温度検出手段及び演算手段を設けることによって流量測定機能を付加することができ、単体の流量計を気体加熱器の外部に設ける従来技術に対して、構造の簡素化、設置スペースのコンパクト化、重量及びコストの低減が可能となる。
また、耐熱性や耐食性といった耐久性の確保も容易である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記流量演算手段は、前記上流側温度検出手段と前記下流側温度検出手段との検出温度の平均値と、前記外気温検出手段の検出温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算することを特徴とする請求項１に記載の気体加熱器である。
これによれば、比較的軽い演算負荷によって、上述した効果を確実に得ることができる。
請求項３に係る発明は、前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体加熱器である。
これによれば、出口温度が例えば５００℃程度の高温となり、単体の流量計での測定が困難な過熱蒸気の流量を適切に測定することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、被加熱気体が通過するとともにヒータが設けられた気体流路を有する気体加熱器における前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度差と、前記ヒータの出力から前記被加熱気体の流量を演算する気体加熱器の流量測定方法であって、前記気体加熱器の周囲の温度を検出し、前記ヒータの上流側及び下流側の温度と、前記周囲の温度とに基づいて演算される放熱量に応じて前記流量を補正することを特徴とする気体加熱器の流量測定方法である。
請求項５に係る発明は、前記ヒータの上流側及び下流側の前記被加熱気体の温度の平均値と、前記周囲の温度との差分に、予め設定された定数を乗じることによって前記放熱量を演算することを特徴とする請求項４に記載の気体加熱器の流量測定方法である。
請求項６に係る発明は、前記被加熱気体は蒸気であり、前記ヒータは飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を発生することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の気体加熱器の流量測定方法である。
これらの各発明においても、上述した気体加熱器の各発明と実質的に同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、高温の気体の流量を簡素な構成によって精度よく測定可能な気体加熱器及び気体加熱器の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した気体加熱器の実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１の気体加熱器によって測定（演算）された流量と、流量計を用いて測定された流量との推移の一例を示すグラフである。
【図３】本発明を適用した気体加熱器の実施例２の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、高温の気体の流量を簡素な構成によって精度よく測定可能な気体加熱器及び気体加熱器の製造方法を提供する課題を、気体加熱器におけるヒータの上流側、下流側における被加熱気体の温度差とヒータの出力（発生熱量）に基づいて被加熱気体の質量流量を演算するとともに、ヒータの上流側、下流側における被加熱気体温度の平均値と、気体加熱器周囲の外気温との差分に所定の定数を乗じて算出した放熱量を用いて質量流量を補正することによって解決した。
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明を適用した気体加熱器及び気体加熱器の流量測定方法の実施例１について説明する。
図１は、実施例１の気体加熱器の構成を示す図である。
気体加熱器１は、内筒１０、ヒータ２０、外筒３０、断熱材４０、上流側温度センサ５０、下流側温度センサ６０、外気温センサ７０、演算手段１００等を有して構成されている。
【００１４】
内筒１０は、被加熱気体が通流される円筒状の管路（気体流路）である。
内筒１０は、例えばステンレス系合金によってチューブ状に形成され、被加熱気体が、例えば、約５００℃の過熱水蒸気であっても十分な耐熱性、耐食性を確保するよう構成されている。
内筒１０には、図示しないボイラによって発生した例えば１００℃程度の飽和水蒸気が上流側の端部から導入される。
飽和水蒸気は、内筒１０の内部でヒータ２０によって加熱され、例えば３００〜５００℃程度の過熱水蒸気となって下流側の端部から流出する。
【００１５】
内筒１０の上流側、下流側の端部には、外部配管との接続に用いられるアタッチメント１１，１２がそれぞれ設けられている。
【００１６】
ヒータ２０は、内筒１０を外部から加熱することによって、内筒１０の内部の被加熱気体を加熱する発熱体である。
ヒータ２０は、例えば、内筒１０の中間部において外周面部に圧着するように巻き回されたシーズヒータである。
ヒータ２０は、内蔵された抵抗線にヒータ電源２１から電力を供給されることによって発熱する。
ヒータ２０は、例えば３０００乃至４０００Ｗ程度の出力を有し、例えば１０ｋｇ／ｈ程度の１００乃至１１０℃程度の飽和水蒸気を、５００℃以上の過熱水蒸気とする能力を有する。また、２０ｋｇ／ｈ程度の１００乃至１１０℃程度の飽和水蒸気を、３００℃以上の過熱水蒸気とする能力を有する。
ヒータ電源２１は、電圧可変式電源であって、ヒータ２０への供給電力を演算装置１００へ伝達するようになっている。
【００１７】
外筒３０は、内筒１０の長手方向（軸方向）におけるヒータ２０が巻き回された領域の外径側に設けられた円筒状の部材である。
外筒３０は、内筒１０と実質的に同心に配置されている。
外筒３０の内周面は、ヒータ２０と間隔を隔てて対向して配置されている。
【００１８】
外筒３０の上流側、下流側の端部は、端面３１，３２によって実質的に閉塞されている。
端面３１，３２は、外筒３０の中心軸と直交する平面に沿って形成された平坦な円盤状の部材であって、中央部には内筒１０が挿入される開口が形成されている。
外筒３０及び端面３１，３２は、例えば、ステンレス系合金によって形成されている。
【００１９】
断熱材４０は、外筒３０の内径側に充填され、内筒１０及びヒータ２０から外筒３０への伝熱量を抑制するものである。
【００２０】
上流側温度センサ５０は、上流側（入口側）のアタッチメント１１と端面３１との間において、内筒１０内を通過する被加熱気体の温度（ヒータ２０による加熱前の温度）を検出するものである。
下流側温度センサ６０は、下流側（出口側）のアタッチメント１２と端面３２との間において、内筒１０内を通過する被加熱気体の温度（ヒータ２０による加熱後の温度）を検出するものである。
外気温センサ７０は、外筒３０の外周面近傍における周囲雰囲気の気温（外気温）を検出するものである。
上流側温度センサ５０、下流側温度センサ６０、外気温センサ７０として、例えば、シース熱電対センサを用いることが可能である。
【００２１】
演算装置１００は、ヒータ電源２１の出力、及び、上流側温度センサ５０、下流側温度センサ６０、外気温センサ７０それぞれの検出温度に基づいて、内筒１０内を通過する被加熱気体（例えば水蒸気）の質量流量を演算するものである。
演算装置１００は、例えば、ＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
【００２２】
実施例１の気体加熱器１においては、演算装置１００は、以下の式１によって、質量流量Ｇ（ｋｇ／ｈ）を算出可能である。
【数１】
0006533097.tif 000002
ここで、
Ｑ：ヒータ２０の発熱量（ｋｃａｌ／ｈ）
Ｑｌｏｓｓ：外筒３０等から外部への放熱量（ｋｃａｌ／ｈ）
Ｃｐ：被加熱気体の定圧比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
Ｔ１：上流側温度センサ５０の検出温度（℃）
Ｔ２：下流側温度センサ６０の検出温度（℃）
【００２３】
ここで、放熱量Ｑｌｏｓｓは、以下の式２によって求められる。
Ｑｌｏｓｓ＝Ｋ（Ｔｍ−Ｔａ）  ・・・（式２）
Ｋは、一般に、放熱する表面積と熱通過率との積によって表され、気体加熱器１の断熱条件（熱が通過する各部材の熱伝導率、厚さ等）と被加熱気体の種類によって異なる。
気体加熱器１の構成及び被加熱気体の種類が同じであれば、Ｋとして実験的に求めた近似値を用いることが可能である。
一般には、気体の種類や断熱状態により、ＫがＧの変化に応じて変化する。
この場合、Ｋ＝ａＧ＋ｂ（ａ，ｂ：定数）とすると、式２のＱｌｏｓｓは、以下の式３によって表される。ここで求まるＫは、実験的にａ，ｂを求めて近似したものであり、式３は近似式の一例である。
Ｑｌｏｓｓ＝（ａＧ＋ｂ）（Ｔｍ−Ｔａ）  ・・・（式３）
式３を式１に代入し、整理すると、以下の式４が得られる。
【数２】
0006533097.tif 000003
【００２４】
また、Ｔｍは、以下の式５によって求められる被加熱気体の平均温度である。
Ｔｍ＝（Ｔ１−Ｔ２）／２  ・・・（式５）
【００２５】
以下、上述した数式を用いた実施例１の気体加熱器１による流量測定（演算）の結果と、外部に設けられる単体の流量計による流量測定の結果と比較する。
図２は、実施例１の気体加熱器１によって測定（演算）された流量と、流量計を用いて測定された流量との推移の一例を示すグラフである。
横軸は時間を示し、縦軸は流量及び上流側と下流側の温度差を示している。
図２において、単体流量計によって測定された流量を実線、演算装置１００が算出した流量を破線、上流側温度センサ５０の検出温度と下流側温度センサ６０の検出温度との温度差を一点鎖線で図示している。
図２に示すように、実施例１の演算結果は、単体の流量計の測定結果と実質的に一致している。
【００２６】
また、流量を複数の水準に振って測定を行った結果を表１に示す。
表１に示すように、流量計の測定値と実施例１の演算結果との誤差は最大でも約１２％以下であり、単体の流量計を設けなくても、用途によっては十分な測定精度を確保できることがわかる。
表１に示す誤差は、測定結果より流量測定値と実施例１の演算結果で起こり得る最大誤差を示す。
【表１】
0006533097.tif 000004
【００２７】
以上説明したように、実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）例えば既存の熱式流量計のように、専ら測定のために微小な熱量を与えるものに対して、気体の加熱を主目的とし、ヒータ２０の発熱量及び外部への放熱量が比較的大きい気体加熱器１であっても、外部への放熱の影響を反映させて被加熱気体である蒸気の流量を精度よく測定することができる。
また、既存の気体加熱器に対して各温度センサ５０，６０，７０及び演算装置１００を設けることによって簡単に流量測定機能を付加することができ、単体の流量計を気体加熱器の外部に設ける従来技術に対して、構造の簡素化、設置スペースのコンパクト化、重量及びコストの低減が可能となる。
（２）演算装置１００は、上流側温度センサ５０、下流側温度センサ６０の検出温度の平均値と外気温センサ７０の検出温度との差分に定数を乗じて演算した放熱量Ｑｌｏｓｓを用いて流量Ｇを補正することによって、軽い演算負荷によって上述した効果を確実に得ることができる。
（３）単体の流量計を設ける従来技術に対して耐熱性、耐食性などの確保が容易であり、例えば５００℃程度の高温となり単体の流量計での測定が困難な過熱水蒸気であっても適切に流量を測定することができる。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明を適用した気体加熱器の実施例２について説明する。
上述した実施例１と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図３は、実施例２の気体加熱器の構成を示す図である。
図３に示すように、実施例２においては、ヒータ２０としてニクロム線などの発熱線がコイル状に巻き回されかつ露出したものを用いる。
ヒータ２０におけるコイル状の発熱部は、内筒１０の内径側に、例えば内筒１０と実質的に同心となるように配置される。
以上説明した実施例２においては、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果に加えて、ヒータ２０が被加熱気体に直接接触することによって、加熱性能を向上するとともに、装置外部への放熱を抑制して流量測定精度を向上することができる。
【００２９】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）気体加熱器を構成する各部材の形状、構造、材質、製法、配置等は、上述した実施例に限定されず適宜変更することができる。
例えば、内筒外側にヒータを配置し、被加熱気体がヒータに加熱された内筒に接触する構造とすることができる。
また、例えば、気体加熱器の断熱構造は、実施例のような断熱材を充填するものに限らず、真空層などを設けたものであってもよい。
（２）実施例において説明した各数式は一例であって、適宜変更することが可能である。例えば、他の補正項を付加してもよい。
（３）実施例において、被加熱気体は一例として水蒸気であったが、これ以外の蒸気やその他の各種気体を被加熱気体とすることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１    気体加熱器
１０    内筒                            １１，１２    アタッチメント
２０    シーズヒータ                    ２１    ヒータ電源
３０    外筒                            ３１，３２    端面
４０    断熱材                          ５０    上流側温度センサ
６０    下流側温度センサ                ７０    外気温センサ
１００    演算手段
【図１】
0006533097.tif 000005
【図２】
0006533097.tif 000006
【図３】
0006533097.tif 000007