(57)【要約】【課題】高精度の温度制御が可能であり、かつ、消費電力、特に起動時の電力容量を低減可能な高温流体発生装置を提供する。【解決手段】高温流体発生装置２は、燃料を燃焼させることにより流体を加熱する燃焼加熱部２１と、燃焼加熱部２１に直列に接続され、電気的発熱体により流体を加熱する電気加熱部２２ａ・２２ｂと、燃焼加熱部２１の熱出力を制御する燃焼制御部２３と、電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力を制御するヒーター制御部２４ａ・２４ｂと、を備える。【選択図】図１
2017044384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させることにより流体を加熱する燃焼加熱部と、
前記燃焼加熱部に直列に接続され、電気的発熱体により流体を加熱する電気加熱部と、
前記燃焼加熱部の熱出力を制御する燃焼制御部と、
前記電気加熱部の熱出力を制御する電気加熱制御部と、
を備える、高温流体発生装置。
【請求項２】
前記電気加熱部は、前記燃焼加熱部によって加熱された前記流体を加熱する、請求項１に記載の高温流体発生装置。
【請求項３】
前記高温流体発生装置の設定熱出力が、前記燃焼加熱部で制御可能な下限燃焼の熱出力よりも小さい場合、前記燃焼制御部は、前記燃焼加熱部の熱出力が０となるように制御する、請求項１または２に記載の高温流体発生装置。
【請求項４】
前記流体は水蒸気、空気、窒素またはそれらの少なくとも２つの混合気体である、請求項１〜３のいずれかに記載の高温流体発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温流体を発生する高温流体発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、食品や機械部品等を加熱処理するために、高温流体（例えば、過熱水蒸気、高温空気、それらの混合流体）が用いられている。高温流体を発生する装置として、電気ヒーター等の電気的発熱体によって高温流体を発生する電気式高温流体発生装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、気体（蒸気または空気）をカーボンヒーターで過熱する高温気体装置が開示されている。また、特許文献２には、飽和水蒸気をハロゲンヒーターで過熱して過熱水蒸気を発生させる装置が開示されている。これらの電気式高温流体発生装置は、高精度の温度制御が可能であるという長所を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２１９３０号公報
【特許文献２】特開２００８−２１５６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方で、電気式高温流体発生装置は、特に起動時の消費電力が大きく、電力デマンドや受電設備の設備容量が増大するという欠点がある。そのような欠点が、電気式高温流体発生装置の普及の妨げとなっていた。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、高精度の温度制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能な高温流体発生装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高温流体発生装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料を燃焼させることにより流体を加熱する燃焼加熱部と、前記燃焼加熱部に直列に接続され、電気的発熱体により流体を加熱する電気加熱部と、前記燃焼加熱部の熱出力を制御する燃焼制御部と、前記電気加熱部の熱出力を制御する電気加熱制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記高温流体発生装置において、前記電気加熱部は、前記燃焼加熱部によって加熱された前記流体を加熱することが好ましい。
【０００９】
また、上記高温流体発生装置において、前記高温流体発生装置の設定熱出力が、前記燃焼加熱部で制御可能な下限燃焼の熱出力よりも小さい場合、前記燃焼制御部は、前記燃焼加熱部の熱出力が０となるように制御することが好ましい。
【００１０】
また、上記高温流体発生装置において、前記流体は水蒸気、空気、窒素またはそれらの少なくとも２つの混合気体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高精度の温度制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能な高温流体発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱処理施設の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
（全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る加熱処理施設１の概略構成を示すブロック図である。加熱処理施設１は、高温流体発生装置２、ボイラー３、コンプレッサー４、および２つの加熱処理室５ａ・５ｂを備えており、食品や機械部品等の対象物６ａ・６ｂの加熱処理工程を行うための施設である。
【００１５】
高温流体発生装置２は、高温流体を発生させる装置である。高温流体とは、高温気体および高温液体を含む概念である。高温気体とは、水蒸気を沸点以上に加熱させた過熱水蒸気、高温ガス（高温空気、高温窒素など）または、それらの混合気体を意味する。また、高温液体は、高温の水、油等を意味する。本実施形態では、高温流体発生装置２の給気口は、ボイラー３およびコンプレッサー４に配管で接続されている。これにより、ボイラー３が発生する飽和水蒸気、コンプレッサー４が発生する圧縮空気（以下エアーという）、または、飽和水蒸気とエアーとの混合気体が、高温流体発生装置２に供給可能となっている。
【００１６】
高温流体発生装置２とボイラー３との間の配管には、バルブ３１が設けられており、バルブ３１の開閉制御によって、高温流体発生装置２への飽和水蒸気の供給量を調整することができる。同様に、高温流体発生装置２とコンプレッサー４との間の配管には、バルブ４１が設けられており、バルブ４１の開閉制御によって、高温流体発生装置２へのエアーの供給量を調整することができる。
【００１７】
高温流体発生装置２は、ボイラー３および／またはコンプレッサー４から供給された飽和水蒸気、エアー、または、それらの混合気体を加熱して、高温気体を発生させる。また、高温流体発生装置２の排気口は、加熱処理室５ａ・５ｂに配管で接続されており、高温流体発生装置２が発生した高温気体は、加熱処理室５ａ・５ｂ（チャンバー）に供給される。加熱処理室５ａ・５ｂにはそれぞれ対象物６ａ・６ｂが収容されており、高温流体発生装置２から供給される高温気体によって対象物６ａ・６ｂが加熱処理される。
【００１８】
なお、図１は、バルブ３１が開いている一方、バルブ４１が閉じられており、高温流体発生装置２に飽和水蒸気のみ供給される状態を示している。そのため、高温流体発生装置２は、飽和水蒸気を過熱して、高温流体として過熱水蒸気を発生させる。
【００１９】
（高温流体発生装置の構成）
続いて、高温流体発生装置２の構成について説明する。
【００２０】
図１に示すように、高温流体発生装置２は、燃焼加熱部２１、２つの電気加熱部２２ａ・２２ｂ、燃焼制御部２３、２つのヒーター制御部２４ａ・２４ｂ、および運転制御部２５を備えている。
【００２１】
燃焼加熱部２１は、燃料を燃焼させることにより流体を加熱する装置である。本実施形態では、燃料としてガスを用いている。ガスは、メタンを主成分とするガスであってもよいし、プロパン・ブタンを主成分とするガスであってもよい。燃焼加熱部２１の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、筒状の筐体内にガスバーナーを配置した構成とすることができる。本実施形態では、燃焼加熱部２１には、ボイラー３が発生した飽和水蒸気が供給される。燃焼加熱部２１は、飽和水蒸気を加熱（過熱）して過熱水蒸気を排出する。なお、燃料としてガス以外に、油、石炭、木材、廃材等を用いてもよい。
【００２２】
電気加熱部２２ａ・２２ｂは、電気的発熱体により流体を加熱する装置である。電気加熱部２２ａ・２２ｂの具体的な構成は特に限定されないが、例えば、筒状の筐体内に電気ヒーターを配置した構成とすることができる。電気ヒーターとしては、例えば、カートリッジヒーター、シーズヒーター、ニクロム線ヒーター等を用いることができる。電気加熱部２２ａ・２２ｂは、燃焼加熱部２１に直列に接続されている。これにより、電気加熱部２２ａ・２２ｂは、燃焼加熱部２１によって加熱された過熱水蒸気をさらに加熱（過熱）する。電気加熱部２２ａ・２２ｂによってさらに加熱された過熱水蒸気は、高温流体発生装置２から排出され、加熱処理室５ａ・５ｂに供給される。
【００２３】
このように本実施形態では、電気加熱部２２ａ・２２ｂを燃焼加熱部２１の下流側に配置している。すなわち、高温流体発生装置２に供給された流体を、ガス燃焼で一次加熱した後に、電気ヒーターで二次加熱する構成としている。しかし、本発明はこれに限定されず、電気加熱部２２ａ・２２ｂを燃焼加熱部２１の上流側に配置してもよい。また本実施形態では、電気加熱部の個数は２であるが、１または３以上であってもよい。
【００２４】
燃焼制御部２３は、燃焼加熱部２１の熱出力を制御する装置である。本実施形態では、燃焼制御部２３は、燃焼加熱部２１のガスバーナーへのガス供給量と空気供給量を調整することにより、燃焼加熱部２１の熱出力の制御（ガスの着火および消火を含む）を行う。
【００２５】
ヒーター制御部２４ａ・２４ｂはそれぞれ、電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力を制御する装置であり、特許請求の範囲に記載の電気加熱制御部に相当する。本実施形態では、ヒーター制御部２４ａ・２４ｂはそれぞれ、ヒーター制御部２４ａ・２４ｂの電気ヒーターへの電力供給量を調整可能であり、ヒーター制御部２４ａ・２４ｂの熱出力を互いに独立して制御することができる。なお、ヒーター制御部を１つだけ設け、当該ヒーター制御部は、電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力が互いに連動するように（例えば、常に熱出力が同じになるように）制御してもよい。
【００２６】
運転制御部２５は、ユーザーの操作を受け付けて、高温流体発生装置２の加熱処理動作全般を制御する装置であり、例えばＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）で構成される。運転制御部２５は、ユーザーによる操作に応じて、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂに制御信号を送る。なお、運転制御部２５は、高温流体発生装置２に内蔵されていてもよいし、高温流体発生装置２の外部に設けられてもよい。
【００２７】
また、高温流体発生装置２には、燃焼加熱部２１および電気加熱部２２ａ・２２ｂからそれぞれ排出される高温流体の温度を測定する温度センサ（図示省略）が設けられており、各温度センサが測定した温度の情報は、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂにフィードバックされる。燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂは、運転制御部２５からの制御信号および温度センサからの温度情報に基づき、燃焼加熱部２１および電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力をそれぞれ制御する。これにより、高温流体発生装置２の熱出力を調整することができる。
【００２８】
なお、運転制御部２５を設けずに、ユーザーが燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂをそれぞれ個別に制御できるように、高温流体発生装置２を構成してもよい。
【００２９】
（高温流体発生装置の効果）
以上のように、本実施形態に係る高温流体発生装置２は、流体を加熱する手段として、燃焼加熱部２１と電気加熱部２２ａ・２２ｂとを備えている。すなわち、高温流体発生装置２は、燃焼式加熱手段と電気式加熱手段とを併用したハイブリッド式の高温流体発生装置である。これにより、高温流体発生装置２の熱出力の少なくとも一部を燃焼加熱部２１に負担させることができるので、従来の電気式高温流体発生装置に比べ、電気ヒーターの容量を抑え、消費電力を低減することができる。また、電気加熱部２２ａ・２２ｂは、電気式高温流体発生装置であるため、発生する高温流体の温度を高精度に制御することができる。よって、高温流体発生装置２は、高精度の温度制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能とすることができる。
【００３０】
（運転モード）
本実施形態において、ユーザーは、高温流体発生装置２に対し、下記の４つの運転モードを選択することができる。運転制御部２５は、設定された運転モードに基づき、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂに制御信号を送り、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂはそれぞれ、当該制御信号に基づき、燃焼加熱部２１および電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力を制御する。
【００３１】
１．起動運転モード
起動運転モードは、高温流体発生装置２の起動時の運転モードである。加熱処理室５ａ・５ｂを高温状態にするために大きな熱出力が必要となるので、燃焼制御部２３は、燃焼加熱部２１の熱出力が最大定格出力となるように制御する。また、緻密な温度制御は不要であるため、ヒーター制御部２４ａ・２４ｂは、電気加熱部２２ａ・２２ｂの熱出力が０となるように制御する。これにより、起動運転モードでの消費電力を抑えることができる。
【００３２】
なお、起動運転モードでは、バルブ４１のみを開け、高温流体発生装置２にエアーのみを供給することが好ましい。すなわち、高温流体発生装置２は、高温空気を発生することが好ましい。これにより、高温流体発生装置２の内部にドレンが残っている場合であっても、ウォーターハンマー等の不具合を回避することができる。また、起動時間をさらに短縮するために、電気加熱部２２ａ・２２ｂの電気ヒーターを稼働して、それらの熱出力を０より大きくしてもよい。
【００３３】
２．高負荷運転モード
高負荷運転モードでは、対象物６ａ・６ｂを加熱処理するための熱負荷が大きい場合の運転モードである。この場合、高温流体発生装置２の熱出力を大きくする必要があるため、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂは、燃焼加熱部２１が熱出力全体の９割程度を負担し、電気加熱部２２ａ・２２ｂが熱出力全体の１割程度を負担するように制御する。すなわち、燃焼加熱部２１が熱出力のベース部分を負担し、電気加熱部２２ａ・２２ｂが残余の熱出力（例えば２０℃〜５０℃程度）を負担する。これにより、高温流体発生装置２は、熱出力が大きくなっても、電気加熱部２２ａ・２２ｂによって、負荷変動に応じた温度補正や緻密な温度制御が可能となる。
【００３４】
３．中負荷運転モード
中負荷運転モードでは、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂは、燃焼加熱部２１が高温流体発生装置２の熱出力全体の７割程度を負担し、電気加熱部２２ａ・２２ｂが熱出力全体の３割程度を負担するように制御する。すなわち、高負荷運転モードと同様に、燃焼加熱部２１が熱出力のベース部分を負担し、電気加熱部２２ａ・２２ｂが緻密な温度制御が可能な残余の熱出力部分（例えば２０℃〜５０℃程度）を負担する。
【００３５】
４．低負荷運転モード
低負荷運転モードは、対象物６ａ・６ｂを加熱処理するための熱負荷が小さい場合の運転モードであり、本実施形態では、高温流体発生装置２の設定熱出力が、燃焼加熱部２１のガスバーナーの制御可能な下限燃焼の熱出力より小さい場合の運転モードを意味する。この場合、燃焼制御部２３およびヒーター制御部２４ａ・２４ｂは、電気加熱部２２ａ・２２ｂが流体を加熱する一方、燃焼加熱部２１の熱出力が０となるように制御する。すなわち、電気加熱部２２ａ・２２ｂのみが、高温流体発生装置２の熱出力全体を負担する。電気加熱部２２ａ・２２ｂは、熱出力が０になるまで供給電力に比例した熱出力制御が可能であるため、高温流体発生装置２は、全体の熱出力が小さくても、緻密な温度制御（±５℃程度の精度）が可能である。
【００３６】
なお、燃焼式高温流体発生装置によって低負荷運転モードを実現する場合、熱出力がガスバーナーの制御可能な下限燃焼の熱出力より小さいため、ガスバーナーをＯＮ／ＯＦＦ制御しなければならない。しかし、ガスバーナーを一旦ＯＦＦした後、再度ＯＮするためには、装置内の未燃ガスをパージする必要がある。そのため、ガス式高温流体発生装置では、設定温度に対して２０℃程度の誤差が生じ、低負荷運転モードにおける緻密な温度制御は不可能である。
【００３７】
以上のように、高温流体発生装置２の運転モードについて説明した。高温流体発生装置２は、燃焼式加熱手段と電気式加熱手段とを併用したハイブリッド式であるため、低負荷運転モード、中負荷運転モードおよび高負荷運転モードのいずれにおいても、高精度の温度制御が可能であるという利点を有する。また、燃焼制御部２３による燃焼加熱部２１のガスバーナーの制御幅を一定範囲に抑えることができるので、ガスバーナーの不完全燃焼等を抑えることができ、高温流体発生装置２の特に起動時の電気容量（電力デマンド、電気設備容量）を抑えることができる。
【００３８】
なお、燃焼加熱部２１のガスバーナーの容量と電気加熱部２２ａ・２２ｂの電気ヒーターの容量との比率は、
ガスバーナーの制御可能な下限燃焼の熱出力＜電気ヒーターの最大熱出力
となるように設定することが好ましい。これにより、高温流体発生装置２が発生する高温流体を、任意の温度で高精度に制御することができる。また、ガスバーナーの最大熱出力と電気ヒーターの最大熱出力との和は、高温流体発生装置２が発生する設定最大量の高温流体を設定最高温度に加熱することができる熱出力以上であることが好ましい。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。
【実施例】
【００４０】
本実施例では、上記実施形態に係る高温流体発生装置２を用いて、図１に示す加熱処理室５ａの庫内を１５℃から３２０℃に昇温させた。この時の運転モードは起動運転モードであり、燃焼加熱部２１の熱出力が最大定格出力、電気加熱部２２ａの熱出力が０となるように制御して、加熱処理室５ａに高温空気（４５０℃）を供給した。加熱処理室５ａの電気ヒーター（庫内ヒーター）の出力を３５％とした。なお、庫内温度のオーバーシュートを防ぐために、昇温完了の５分前の時点で、高温空気の温度を４５０℃から３６０℃に切り換えた。
【００４１】
一方、比較例として、高温流体発生装置２を用いずに、加熱処理室５ａの電気ヒーターの出力を１００％にすることにより、加熱処理室５ａの庫内を１５℃から３２０℃に昇温させた。
【００４２】
その結果、実施例における消費電力量は７．０ｋＷｈであった。一方、比較例における消費電力量は１１．６ｋＷｈであった。よって、本発明に係る高温流体発生装置によって、起動時の電力容量を抑えることができることが分かった。
【符号の説明】
【００４３】
１    加熱処理施設
２    高温流体発生装置
３    ボイラー
４    コンプレッサー
５ａ  加熱処理室
５ｂ  加熱処理室
６ａ  対象物
６ｂ  対象物
２１    燃焼加熱部
２２ａ  電気加熱部
２２ｂ  電気加熱部
２３    燃焼制御部
２４ａ  ヒーター制御部（電気加熱制御部）
２４ｂ  ヒーター制御部（電気加熱制御部）
２５    運転制御部
３１    バルブ
４１    バルブ
【図１】
2017044384.tif 000003