(57)【要約】【課題】水蒸気発生までの立ち上がり時間が短く、発生効率の良い水蒸気発生方法及び装置を提供すること。【解決手段】水タンク内で、微細気泡が混入した水を、水面上部より加熱して水蒸気を発生させる方法及び装置で、好適な加熱方法及び装置として、赤外線放射による加熱方法及び装置が選択され、更に、発生した水蒸気を水タンク外部に送出するさいは、加熱エアーを送気して、水蒸気とともに水タンク外部に送出する方法及び装置として構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水タンク内の微細気泡が混入した水を、水面上部より加熱することにより水蒸気を発生させることを特徴とした水蒸気発生方法。
【請求項２】
前記加熱手段は、赤外線の放射である請求項１の水蒸気発生方法。
【請求項３】
前記発生した水蒸気を、更に加熱エアーの送気により、水タンク内より外部に送出する請求項１乃至２の水蒸気発生方法。
【請求項４】
所定量の水を入れる水タンクと、該水タンク内、あるいは、外部に設ける微細気泡発生装置と、前記水タンク内の水面と非接触となる上部に配置する加熱装置を備えることを特徴とする水蒸気発生装置。
【請求項５】
前記加熱装置は、赤外線を放射する加熱装置である請求項４の水蒸気発生装置。
【請求項６】
前記、水タンクと、微細気泡発生装置と、加熱装置に加え、前記水タンクの水面より上部の位置に給入口及び送出口を設け、該給入口側には熱風発生装置を備える請求項４乃至５の水蒸気発生装置。
【請求項７】
前記水タンク内に、加熱装置を挟み水面と対向する位置に反射板を設ける請求項４乃至６の水蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過熱水蒸気を得るためなどに、水を加熱し水蒸気を発生させる方法及びそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
飽和水蒸気を更に加熱して得られる、１００°C以上の水蒸気である過熱水蒸気は、熱効率の高さなど多くの有用な特性のため、食品や医療機器の滅菌、パン等の焼成などの食品調理、ゴミの焼却、洗浄、炭化など様々な加熱用途に期待される注目の技術で、その過熱水蒸気を得るための効率の良い水蒸気発生手段が求められている。
そして、従来の水蒸気を発生させる方法（装置）としては、主に水の入ったタンクを、底部からバーナーなどで加熱する装置（例えば、特許文献１）や、シーズヒーターやカートリッジヒーター等の防水型ヒーター、あるいは熱交換器を水中に設けて加熱する方法や装置（例えば、特許文献２）が一般的なもので、また、純水を製造するための装置ではあるが、蒸留槽内の原水を、ヒーターにより上方から加熱して水蒸気を発生させる蒸留精製装置なども提案されている。（特許文献３）
【特許文献１】特開平９−１４０５７８号公報
【特許文献２】特開２００２−３３３１０３号公報
【特許文献３】特開平１０−２４４２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記の水タンクを底部などから加熱する手段では、容器内の水全体を加熱して沸騰させる必要があるため、水蒸気発生までに時間（立ち上がり時間）がかかり、また、加熱装置の放熱による熱のロスが大きくなるといった問題がある。また、容器全体が高温となるため、効率を考慮すると全体を断熱しておく必要があり、更に、蒸気発生量をコントロールするためには、外部にバルブ等を設けるなど機械的にコントロールする必要がある。
また、水中にヒーターなどを設けた場合、水を直接加熱することになるため熱効率の良い加熱が可能となるが、水蒸気を発生させるには、水全体を加熱する必要があることは、前記と同じであるため、立ち上がり時間や断熱の必要性などについては、前記同様の問題が残る。また、ヒーターが水中に配置されるため、ヒーター表面にスケールが付着しやすく、これが付着すると熱伝導率を低下させ、場合によってはヒーターを破損させる可能性があり、更に、タンク内の水温が上がり、ヒーター表面に気泡が発生するようになると、該気泡により熱伝達が阻害され、加熱効率が低下することも懸念される。
【０００４】
一方、水面上方から加熱する手段についてみると、水の表面が先ず加熱され、内部に加熱が進むことになり、水蒸気発生が始まるのに、必ずしも水全体を加熱、高温にしなくても良いことで、蒸気発生の立ち上がりは早くなることが予想されるが、水蒸気を発生させる場合、水は沸点以上にはならないため、ヒーターの容量を大きくしても最大の発生量は変わらず、その発生量は水面の面積により決まってしまう。このことから、液体表面からの加熱に頼るこのような装置では、水蒸気発生の効率化には限界があるといった問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、水蒸気発生までの立ち上がり時間が短く、発生効率の良い水蒸気発生方法及び装置を提供することを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の水蒸気発生方法は、水タンク内の水を微細気泡が混入したものとし、該水を水面上部より加熱することにより水蒸気を発生させることを基本とした。
そして、前記加熱手段に好適なものとして、赤外線放射による加熱を選択した。
更に、前記発生した水蒸気を水タンク外部に送出するさいは、加熱エアーの送気により水タンク外部に送出するものとした。
【０００７】
また、前記方法のための水蒸気発生装置として、所定量の水を入れる水タンクと、該水タンク内、あるいは、タンク外に配置する微細気泡発生装置と、前記水タンク内の水面と非接触とした上部に配置する加熱装置とを備えて構成した。
そして、前記加熱装置の好適なものとして、赤外線を放射する加熱装置を用いて構成した。
更に、前記発生した水蒸気を外部に送出するさいの構成として、前記構成に加え、水タンクの水面より上部の位置に給入口及び排出口を設け、該給入口側に熱風発生装置を備えて構成した。
また、必要に応じ、前記水タンク内に、加熱装置を挟み水面と対向する位置に反射板を設けて構成した。
尚、本明細書等に用いる微細気泡とは、直径１ミリ以下の微小な気泡のことを指している。
【発明の効果】
【０００８】
前記したように、水を水面上部から加熱することにより、水面が熱源に最も近いため、先ず水面が加熱され高温（沸騰温度）となり、水面より下の部分の温度が上がるより前に水蒸気を発生させることができる。また、表面が高温となるため、対流も起き難いことから、常に表面部を高温としておくことができ、水蒸気を発生させるために、必ずしもタンク内の水全体を沸騰温度まで加熱する必要がない。これら作用により、水蒸気発生までの立ち上がりを早くすることができ、水蒸気発生効率を高めることができる。加えて、タンク全体が高温とならないことで、必ずしも容器全体を断熱する必要もない。
以上は、従来の、熱源を水面上方に設けた方法でも得られる可能性のある作用であるが、更に、本発明の微細気泡を含んだ水を用いた水蒸気発生方法及び装置によると、最近の研究により明らかにされているように、該微細気泡を含んだ液体は、熱伝達率を向上させる特徴があることから、その特性を利用することにより、一層水の表面を効率よく加熱することができる。また、微細気泡の小さな気泡が無数にあることにより、水の体積あたりの表面積が大きくなり、当然、水面の表面積も増えることで、表面積に依存する水蒸気の最大発生量を増やすことができる。更に、表面が加熱されると、温度差が生じることにより熱伝達により内部に熱が伝えられることになるが、微細気泡が大量にあることで空気層のような役割を果たし、断熱効果により液体表面から下部への熱伝導率が悪くなり、結果、水面に近いところのみの温度を高くする効果が高くなる。以上のことにより、より一層、水蒸気発生の立ち上がりを早くし、また水蒸気発生効率を高めることができる。
【０００９】
更に、付随される作用、効果として、水蒸気の発生量のコントロールを加熱装置のオン、オフあるいは強弱により電気的に制御することが可能となる。また、加熱体が水中に無いため、スケールの付着が少なく、熱伝達率の低下が防止でき、メンテナンスを容易にすることができ、更に、ヒーターが加熱されて生じる気泡が発生しないことで、加熱効率を低下させる要因のひとつを排除することができる。
【００１０】
また、加熱手段を、赤外線を放射させての加熱とすると、赤外線の特性上、水に非常に良く吸収され、また、速熱性に優れていることから、水面を加熱して水蒸気を発生するまでの立ち上がり時間を電気抵抗加熱などと比べ早くすることができる。また、この水への吸収の良さにより、赤外線は水面近くで多くが吸収され、その加熱効果は表面近くが著しく、深部へは熱伝達によりゆっくり伝熱されることになり、結果、水全体を加熱することなく、表面部を効率よく加熱し水蒸気を発生させることができる。
また、前記速熱性により、短時間に水蒸気が発生することで、タンク内の水の温度分布や、後記する微細気泡発生装置の稼動により生じる若干の水の対流があっても、該対流による水面の水蒸気発生に及ぼす影響を少なくすることができる。
そして、以上のような効果と前記微細気泡による効果とを組合せることにより、非常に水蒸気発生効率に優れたものとすることがきる。
【００１１】
また、発生した水蒸気を過熱水蒸気などとして利用するため、水タンク内から外部（装置）に送出するさい、熱風発生装置から放出される加熱エアーを用いると、発生した水蒸気を更に加熱して、または加熱状態を維持して送出することができ、次段階（装置）に過熱水蒸気を供給すること、あるいは、次段階（装置）での再加熱作業を低減することができる。
また、付随的な効果として、水タンク内が加熱雰囲気となるため、加熱エアーにより水面を加熱する効果も期待することができる。
【００１２】
更に、発熱体を挟んで水面と対面する位置に、反射板を用いると、熱源のエネルギーを有効に水面に伝達することができる。特に赤外線は、金属に反射するため反射効果により効果的に水面に放射することができる。
以上の作用、効果により本発明が目的とした、水蒸気発生までの立ち上がりが早く、発生効率に優れた水蒸気発生方法及び装置の提供ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の水蒸気発生装置の実施の形態につき図面を参考にしながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態の概略の全体構成を示しており、本例の水蒸気発生装置は、所定量の水９を入れておくための容器、また、水蒸気発生の場となる水タンク１と、該水タンク１内に水９を入れた際に、水中となる位置に設ける微細気泡発生装置２と、前記水タンク１内の水を入れた際に、水面と非接触の上部となる位置に設ける赤外線ヒーター３と、該赤外線ヒーター３の更に上部で水面と対面して設ける反射板４と、前記水タンク１の水面より上部に設ける給入口５１及び排出口５２と、前記水タンク１外部に設け前記給入口５１と給入通路５３を介して設ける熱風発生装置６が備えられている。以下各部について詳しく説明する。
【００１４】
水タンク１は、閉鎖系を形成する金属などによる容器で、槽内に所定量の水９を給水するための、給水弁１２更には給水ポンプ１３に連設される給水部１１（排水部を兼ねる）を設け、水９を入れた際に水面より上部になる位置に、内部に熱風を給入するための給入口５１、及び、該熱風を、発生した水蒸気８と共に外部に送出するための送出口５２を設けて構成される。尚、後記する微細気泡発生装置２の取り付け部によっては、該装置との水の往復通路を設ける場合もある。また、外部を断熱材などで覆うと熱損失を少なくする構成となるため好ましい。
【００１５】
微細気泡発生装置２は、前記水タンク１の底部に設置され、生成する微細気泡７を水タンク１内の水９に充満させるもので、公知のどのような物でも良いが、一例を説明すると、装置本体２１と、該装置本体２１内部にタンク内の水を循環して送水する、中途に循環ポンプ２２を備えた給水管２３及び給水口２４と、装置本体２１内部に、負圧により外部空気を送気する給気管２５及び給気口２６と、装置本体２１内部で発生させた微細気泡７を含んだ水を水タンク１内に放出する噴出口２７とにより構成し、給水管２３は、水タンク１内の水を、水タンク外部に設けられる循環ポンプ２２を経由して、給水口２４から水タンク中に置かれる装置本体２１に送水されるように形成され、給気管２５は、水タンク１外部からの空気を、装置本体２１内部に生じる負圧により、給気口２６より該装置本体２１内部に送気されるように形成され、噴出口２７は、装置本体２１に少なくとも１つ設け、本発生装置により生成した微細気泡７を水タンク１内の水９に供給している。
装置本体２１内部での微細気泡発生機構は、本発明と直接関係なく公知の装置を用いれば足りるため詳細には説明しないが、現在知られているものとして、例えば、ベンチュリー管の原理により、水の流路の中途がくびれた構造をなし、水をくびれ部から広い部分に向かって流し、空気（気泡）をくびれ部手前から導入すると、くびれ部を過ぎて直径が広がることで、流速は遅くなり、圧力が上がる急速な圧力変化が生じ、キャビテーション（空洞現象）が発生することにより、導入した気泡がくびれを過ぎた地点でつぶされ、微細気泡を発生するものや、また、別の機構としては、水と空気を回転せん断することで微細気泡を発生させるもの、即ち、液体及び気体の２層旋回流を発生させ、回転軸に空洞を形成させ、この空洞を竜巻上に細くすることで回転せん断力を発生させ、吸入した空気をこの空洞部に吸引し通過させることで、回転制御作用で切断・粉砕され微細気泡が発生するものなどがある。
尚、本例においては、前記したように微細気泡発生装置２を水タンク１内の底部に取り付けて構成しているが、水タンク１内ではなく、外部に配置し、水タンク１内と連通した通路を設け、水タンク内の水を循環するようにして、タンク内に微細気泡を供給するような装置でも良い。
また、本発明においては、水面付近のみが加熱されていることが有利であることから、加熱中の微細気泡発生装置２による対流を極力抑える意味から、水タンク内に対流を抑える構造物を設けても良く、また、短時間の作動であれば、加熱中は微細気泡発生装置２を稼働せずに、予め微細気泡を含有した水を水タンク内に供給しておいても良い。尚、この場合、微細気泡は、水中上昇速度が極めて遅く、また、ほぼ均一な大きさを保持し気泡同士の合体や吸収が起こり難く、単一気体のまま水中に長時間留まることができるなどの作用により、常に微細気泡を補給する必要がないことで、短時間の稼動であれば、この加熱中は稼動させないということも実現できる。
また、本例では、加熱手段として赤外線を使用しているため、水面で短時間に水蒸気が発生していくため多少の本発生装置２による攪拌は大きな問題とはならない。
【００１６】
図２は、本形態で使用する赤外線ヒーターの構成図を示している。尚、本図の半分は内部構造を模式的に示しているもので断面図を示しているものではない。
本発明に用いる赤外線ヒーター３は、赤外線を放射する加熱装置であればどの様なものでも良いが、本例においては、遠赤外線を放出する一般的なものとして、ステンレス等からなる金属パイプ状の外筒３１の内部に、ニクロム線等の発熱線３２を配置し、該発熱線３２と金属パイプの内部の隙間を酸化マグネシウム等よりなる絶縁剤３３で充填し、両端部を閉塞し、ターミナル３５を設けてなるパイプヒーターであって、該ヒーターの外筒３１表面を、遠赤外線放射物質３４となるアルミナ系、あるいはジルコニウム系などのファインセラミックスなどで被覆したものを用いた。
また、該赤外線ヒーター３を挟み水面と対面する位置に、少なくとも水面に対向する面を鏡面とした金属よりなる、端部を水面側に湾曲して形成した反射板４を備えている。
【００１７】
図３は、本形態で使用する熱風発生装置の構成図を示しており、点線は装置の内部部品を簡略化して示したものである。
本形態の熱風発生装置６は、従来の一般的な熱風発生装置を用いれば足りるものであるため構成、構造の説明は省略するが、モーター６１を稼動することで送風機６２が作動し、該送風機６２のファンの回転によりエアーが強制的にエアーの吸引口６５より送風機６２内に取り込まれ、取り込まれたエアーはヒーター６３内を通過する間に加熱され、該送風機６２により強制的に送風口６４より吐出される。
そして送風口６４より吐出された熱風が給気経路５３を通り給気口５１より水タンク１内に送気され、発生した水蒸気８を更に加熱し、過熱水蒸気として送気口５２より送気経路５４を通って特定しない次装置へと送られる。
【００１８】
以下本発明の水蒸気発生のシステムを再度説明する。
加熱前に、給水口１１から水タンク１内に所定量の水９を給水し、微細気泡発生装置２を稼働して水９に充分な微細気泡７を溶存させた状態で、赤外線ヒーター３を作動させる。
赤外線ヒーター３が作動すると、赤外線が放出され、直接あるいは反射板４に反射され水面に放射され、該赤外線が水分子に運動エネルギー（振動エネルギー）を与え、水分子の運動が活性化されたことで、エネルギーを得た分子が加速して他の分子と衝突し、その際に発生する熱により水が加熱される。そして、この反応は主に水表面で活発に起きることで表面の温度が上がり、沸点に達すると、水面より下の部位の温度に関係なく水蒸気８が発生する。尚、微細気泡７の影響でこの水蒸気発生の効率がよくなることは前述の通りである。
そして、発生した水蒸気８は、熱風発生装置６からの熱風により、更に加熱され過熱水蒸気となり次装置に送出されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の水蒸気発生装置の実施の形態を示す全体構成図
【図２】前記実施の形態の赤外線ヒーターを示す構成図
【図３】前記実施の形態の熱風発生機を示す構成図
【符号の説明】
【００２０】
１．    水タンク
２．    微細気泡発生装置
２１．  装置本体
２２．  循環ポンプ
２３．  給水管
２５．  給気管
２７．  噴出口
３．    赤外線ヒーター
３４．  遠赤外線放射物質
４．    反射板
５１．  給入口
５２．  排出口
６．    熱風発生装置
６１．  モーター
６２．  送風機
６３．  ヒーター
６４．  送風口
７．    微細気泡
８．    水蒸気
９．    水
【図１】
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【図２】
2007032960.tif 000004
【図３】
2007032960.tif 000005