JP6033261B2

JP6033261B2 - 熱風生成装置

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Publication number: JP6033261B2
Application number: JP2014133134A
Authority: JP
Inventors: 公男北村; 達也島田; 晃林田; モハマドマスドウルハサン
Original assignee: Teitokusha Co Ltd
Current assignee: Teitokusha Co Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP2015028417A; JP6310526B2; JP2017020785A

Description

本発明は、熱風生成装置に関する。さらに詳しくは、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路に設けられる面状発熱体とを有する熱風生成装置に関する。

従来、上述の如き熱風生成装置として、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。しかし、この装置は、面状発熱体を空気の流れ方向に沿って設けているため、通過する空気を効率よく加熱することが困難で、温度制御も困難な場合があった。

実用新案登録第３０８９４２８号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、省エネでありながら熱交換の効率に優れた熱風生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱風生成装置の特徴は、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路に設けられる面状発熱体とを有する構成において、前記流体の流れを制限する第一流れ制限部を有する流体流れ制限部材を備え、前記面状発熱体は、前記流体の流れを制限する第二流れ制限部を有し、前記面状発熱体及び前記流体流れ制限部材が、前記通路の流れ方向に交差するように配置されたことにある。

上記構成によれば、流体の流れを制限する流れ制限部を有する面状発熱体及び流体流れ制限部材を流体の流れ方向に交差させて配置しているので、流れ制限部をそれぞれ有する面状発熱体及び流体流れ制限部材によって通路内に適度な乱流が生じ、流体の各部材に対する接触抵抗が増加し、熱交換を効率よく行うことができる。しかも、面状発熱体からの輻射熱により流体流れ制限部材も加熱されるので、省エネでありながらもさらに効率がよい。

前記面状発熱体はスリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記スリットの間の電流路は前記第二流れ制限部を構成することが望ましい。このスリットの形成によって、発熱体の抵抗（発熱量）を定めることができ、蛇行状の電流路とすることで構造も簡素で制御も容易となる。しかも、スリットの間の電流路が第二流れ制限部としても機能するので、さらに乱流発生を促進し熱交換の効率も向上する。

前記面状発熱体の少なくとも一つに熱電対が設けられ、この面状発熱体の前記流体の上流側で隣接する流体流れ制限部材には、前記熱電対に対向して前記流れ制限部が設けられていることが望ましい。これにより、流体流れ制限部材を通過する流体が熱電対に直に吹き付けられることを防止できるので、より正確な温度測定が可能となる。よって、精度のよい温度制御が可能となり、効率も向上する。

前記面状発熱体と前記流体流れ制限部材とは、流れ方向に沿って交互に配置されていても構わない。交互配置により熱交換の効率は、向上する。

前記面状発熱体と前記流体流れ制限部材とは、同一材料により構成しても構わない。また、前記面状発熱体及び前記流体流れ制限部材の少なくとも一方の少なくとも一つの表面に波長変換塗料が塗布されているとよい。黒体化塗料や遠赤外線塗料等の波長変換塗料を塗布することで、熱放射（輻射）、熱吸収が促進され、熱交換の効率も向上する。

前記通路は、密閉部材を設けた保温断熱材に覆われているとよい。通路内部と外部に圧力差がある場合、保温断熱材に密閉部材を設けることで、保温断熱材を介した不測の流体移動を防止し、熱交換の効率を向上させる。

係る場合、前記保温断熱材の外周には、前記流体を前記通路へ導入する導入路が設けられているとよい。これにより、保温断熱材の温度上昇を抑制すると共に吸収した熱により通路内部へ導入する前に予熱させることができ、より省エネとなり効率もよい。

他方、前記通路は、圧力容器に収容された保温断熱部材に覆われていても構わない。これにより、装置構成は簡素となる。

上記本発明に係る熱風生成装置の特徴によれば、省エネでありながら熱交換の効率も向上するに至った。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係る熱風生成装置の構成を示す概略図である。加熱部を示す概略図である。面状発熱体を示す概略図である。流体流れ制限部材を示す概略図である。じゃま板を示す概略図である。加熱部と流体流れ制限部材との重なりを示す図である。乱流の発生を説明する図である。本発明の他の実施形態を示す図１相当図である。面状発熱体とじゃま板の配列の一例を示す図である。じゃま板の貫通孔の改変例を示す図である。

次に、図１〜７を参照しながら、本発明の第一実施形態をさらに詳しく説明する。
[全体構成]
本発明に係る熱風生成装置１は、図１に示すように、大略、流体としての空気Ａを流す通路３を内部に有する筒状体２と、この通路３に空気Ａの流れ方向Ｆに対し直交するように配置される加熱部４と、空気Ａの通路３の下流方向への流れを制限する流れ制限部を有する流体流れ制限部材５とを有する。なお、本実施形態において、熱風生成装置１は横向きに設置される。空気Ａの流れ方向Ｆは、鉛直方向Ｚに直交する。

[筒状体構成]
図１に示すように、本実施形態において、筒状体２は略角筒状を呈し、その端部には、後述の外壁通路１３からの空気Ａを通路３へ導入する導入部２１（上流側）と、通路３を通過し装置外部へ加熱された空気Ａ’（熱風）を排出する排出部２２（下流側）が設けられている。また、通路３は、その外周を例えばセラミックボード等の保温断熱材３０で覆われている。なお、筒状体２を例えば略円筒形状に形成してもよく、その形状は特に限定されない。

さらに、この筒状体２は、その全体が例えば金属製の外壁ケース１０に収容されている。外壁ケース１０は、外部の空気Ａを外壁通路１３に導入する導入部１１と、通路３の排出部２２に接続し通路３で加熱された熱風を外部に排出する排出部１２とを有する。また、外壁ケース１０の先端１４は円弧状を呈し、外壁通路１３を通過した空気Ａを導入部２１に取り込む。

この外壁ケース１０は、通路３の外周を覆う保温断熱材３０を取り囲み、その間に空気Ａを通路３へ導入する導入路としての外壁通路１３を形成する。この外壁通路１３は、保温断熱材３０を外部から保護すると共に、通路３の高温部分や電気配線、熱電対等からの火傷や感電等に対するマスキング（保護材）としても機能する。また、保温断熱材３０と外壁ケース１０との間に外壁通路１３が位置するので、外壁通路１３によって通路３内で発生し漏れ出た熱の外部への直接の漏えいが防止される。しかも、外壁通路１３を介して外壁ケース１０の導入部１１から通路３への導入部２１へ空気Ａを流すので、保温断熱材３０との間で通路３へ向かう空気Ａが熱交換されて予熱され、外壁ケース１０への導入時に比べ高温となる。従って、効率がよく省エネにも寄与する。

ところで、通路３内部は高温（例えば９００℃〜１０００℃）であり空気Ａの体積は増大する。また、その内部の気圧は、外壁通路１３の１／３〜１／４程度である。そのため、導入部２１へ向かう空気Ａは、外壁通路１３に面する保温断熱材３０を通過して通路３へ流入してしまう。そこで、本実施形態では、保温断熱材３０の外表面を密閉部材として金属製のカバー部材３１を覆うように設け、保温断熱材３０の気密性を向上させている。これにより、導入部２１以外からの流入を防止し、通路３の加熱環境を安定化させることができ、加熱、流量等の制御が容易となると共に加熱効率も向上する。

[加熱部構成]
図２，３に示すように、本実施形態において、加熱部４は板状で略矩形を呈し、四方に配置された保持部材４１を介して保温断熱材３０に固定される面状発熱体４２を有する。面状発熱体４２は、交互にスリット４３が設けられた蛇行状に形成されている。このスリット４３により、蛇行状の電流路４４が構成され、面状発熱体４２の抵抗が定められる。この電流路４４の端部にはリード部材４９が接続される。また、このスリット４３は、通路３の流れ方向Ｆへ空気Ａを流すエア通路を構成する。これにより、空気Ａが下流側へ流れる際に乱流を生じさせることができ、この乱流によって接触抵抗が大きくなり、熱交換の効率が向上する。すなわち、このスリット４３の間に位置する電流路が下流方向への流体の流れを制限（変更）する第二流れ制限部としても機能し、加熱部４を面状発熱体（加熱手段）を有する第二の流体流れ制限部材と捉えることもできる。

また、図１に示すように、本実施形態では、通路３の上流部Ｓ１、中流部Ｓ２、下流部Ｓ３に位置する面状発熱体４２には、その中央部に熱電対４５が例えば溶接により取り付けられ、面状発熱体４２の温度が測定される。この熱電対４５により、過昇温を防止するよう制御すると共に、流れる空気Ａの温度を各部（エリア）で独立して制御することも可能となる。さらに、面状発熱体４２は、後述の流体流れ制限部材５に対し輻射熱を生じさせ、流体流れ制限部材５を加熱する。

なお、本実施形態においては、面状発熱体４２は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等の導電性材料よりなる薄板部材より製作される。また、面状発熱体４２には、黒体化塗料や遠赤外線塗料等の波長変換塗料が塗布されてもよい。これによって面状発熱体４２からの熱放射（輻射）が促進され、さらに熱交換の効率を向上させることができる。なお、黒体化塗料は、放射率（輻射率）を向上させる又は黒体の放射率に近似させるものであればよく、黒体塗料や黒色塗料も含まれる。例えば、主成分として、粒子性状の微細なカーボンブラック等の炭素や黒鉛（グラファイト）、ＳｉＺｒＯ₄、Ｃｒ₂Ｏ₃等を含有する塗料が挙げられる。

[流体流れ制限部材構成]
図４，５に示すように、本実施形態において、流体流れ制限部材５は板状で略矩形を呈し、四方に配置された保持部材５１を介して保温断熱材３０に固定されるじゃま板５２を有する。じゃま板５２には、通路３の流れ方向Ｆへ空気Ａを流すエア通路としての円形の貫通孔５３が複数設けられている。この貫通孔５３により、空気Ａが下流側へ流れる際に流速を増加させると共に、図７に示す如き乱流を生じさせることができ、この乱流によって接触抵抗が大きくなり、熱交換の効率が向上する。じゃま板５２は、上述の面状発熱体４２と同等の材料により構成してもよく、他の材料でもよい。例えば、耐熱材等のセラミックス材料でも構わない。また、じゃま板５２にも、上記の黒体化塗料や遠赤外線塗料等の波長変換塗料を塗布してもよい。熱放射（輻射）しやすい物質は、熱吸収もしやすい。従って、面状発熱体４２からの輻射熱をより吸収でき、さらに熱交換の効率を向上させる。このように、じゃま板５２において、貫通孔５３が形成されていない板状部５４が、下流方向への空気Ａの流れを制限する第一流れ制限部５４として機能する。

ここで、貫通孔５３は、図４〜６に示すように、じゃま板５２の中央には設けられていない。上述したように、じゃま板５２に対向配置される面状発熱体４２の中央には、熱電対４５が設けられる。そのため、じゃま板５２中央部に貫通孔５３を設けずに板状部５４を対向配置することで、熱電対４５に直接乱流が当たらないようにし、正確な温度測定によって無駄がなく効率の良い制御が可能となる。なお、本明細書においてじゃま板５２とは、通路３を流れる流体（空気）に対し、その流速を増加させると共に乱流を生じさせる乱流発生部材、流れ変更部材（整流板）と捉えることもできる。

[配置]
ここで、図１に示すように、本実施形態において、面状発熱体４２（加熱部４）及びじゃま板５２（流体流れ制限部材５）は、空気Ａの流れ方向Ｆ（通路３の長手方向）に直交するように配置され、且つ、流れ方向Ｆに沿って交互に配置されている。これにより、じゃま板５２の流れ方向Ｆの前後に配置される面状発熱体４２からの輻射熱によってじゃま板５２の両面がほぼ均等に加熱される。従って、じゃま板５２によっても空気Ａは加熱され、さらに熱交換の効率が向上する。図１の例では、導入部２１側にまず流体流れ制限部材５としての防ぎ板５２を配置し、その下流側に加熱部４としての面状発熱体４２を配置する。これを下流側に向けて順次繰り返し行い、最下流側（排出部２２）に加熱部４を配置する。

図１，６に示すように、略方形のスリット４３が形成された面状発熱体４２と円形の貫通孔５３が形成されたじゃま板５２とは、流れ方向Ｆへ沿って交互に配置されている。図７に示すように、貫通孔５３を通過した空気Ａは、面状発熱体４２に向けて拡散するように流れる。これにより、面状発熱体４２及びじゃま板５２間で適度な乱流が生じると共により接触抵抗が大きくなり、さらに熱交換の効率が向上する。

[温度制御]
ところで、通路３を流れる空気Ａは流れ方向Ｆの上流側ほど低温であるので、面状発熱体４２及びじゃま板５２との熱交換が盛んに行われる。他方、下流側に流れるに従い、空気Ａは高温となるので熱交換はさほど行われなくなる。従って、通路３の流れ方向Ｆに沿うように面状発熱体４２の温度を異ならせる制御、構成を採用することが好ましいといえる。例えば、下流側に行くに従い面状発熱体４２の抵抗を変え発熱量を減少調整すると同時に面状発熱体４２の温度を制御する。本実施形態では、通路３の上流部Ｓ１、中流部Ｓ２、下流部Ｓ３に位置する面状発熱体４２に熱電対４５を設け、各部で独立して温度制御する。これにより、無駄なく効率よく熱交換を行うことができ、省エネとなる。

次に、本発明の熱風生成装置１の第二実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記第一実施形態において、外部から取り込んだ空気Ａを通路３を取り囲む保温断熱材３０の外周に形成した外壁通路１３を経由させて通路３の入り口となる導入部２１へ誘導した。しかし、第二実施形態では、図８に示すように、外壁通路１３を省略し、外部の空気Ａを直接導入部２１へ導入している。

図８に示すように、この熱風生成装置１’は、保温断熱材３０を圧力容器３２で覆っている。これにより、通路３内外の圧力差でも動作を保証する。この圧力容器３２としては、例えば０．２ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の耐圧性容器が用いられる。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記各実施形態において、例えば図９に示す如く、面状発熱体４２とじゃま板５２とを流れ方向Ｆに沿って交互に配置したが、これに限られるものではない。面状発熱体４２及びじゃま板５２（流体流れ制限部材）の配列（枚数）は、導入する流体の流量等によって適宜設定することができる。なお、上記各実施形態の如く交互に配置する態様は熱交換の効率の点で優れている。

また、上記各実施形態において、面状発熱体４２とじゃま板５２とを流れ方向Ｆに対し直交させて配置したが、直交に限られるものではなく、交差するように配置しても構わない。但し、熱交換の効率の点で、上記各実施形態が優れている。なお、面状発熱体４２とじゃま板５２の配置間隔は、均等配置でなくてもよく、適宜設定することができる。

上記各実施形態において、スリット４３を形成することで面状発熱体４２を蛇行状に形成したが、適度に乱流を生じさせる形状であれば、上記形状に特に限定されるものではない。また、スリット４３の本数、幅、形状、向きも上記各実施形態に限定されない。例えば、スリット４３の向きを各加熱部４で異ならせるように配置することも可能である。但し、面状発熱体４２の熱変形を低減させるために、スリット４３は鉛直方向Ｚに沿うように設けるとよい。

また、上記各実施形態において、じゃま板５２の貫通孔５３は、同一形状の円形を略等間隔で配置した。しかし、乱流を発生させる貫通孔５３の形状、大きさ、個数、配置（配列）パターンについて、上記実施形態に限られるものではない。例えば、図１０に示す如く、三角形、四角形（正方形や長方形（長孔、スリット））等の多角形、楕円、円弧等の湾曲部分を有する形状等が挙げられる。さらに、複数枚のじゃま板５２を通路３内に設置する場合において、それぞれのじゃま板５２が同一形状のものである必要はなく、適宜異なるものを配置することも可能である。例えば、導入部２１側が低温の空気Ａが多く存在するので、より乱流を発生させ熱交換を促進させるために、下流側のじゃま板５２とよりも貫通孔５３を多く形成しておいてもよい。なお、貫通孔５３が図１０（ｆ）に示す如き形状（縦スリット、長孔）である場合、この貫通孔５３と面状発熱体４２のスリット４３とを流体Ａの流れ方向Ｆにおいて重ならないように配置するとよい。これにより、貫通孔５３及びスリット４３を通過した流体Ａ（乱流）の大部分を面状発熱体４２及びじゃま板５２に衝突させることができ、熱交換を促進させることができる。このようなじゃま板５２は、流れる流体Ａの流れを邪魔したり、阻害（阻止）したり、そらしたりするものである。例えば、バッフルプレート、阻板、阻流板、阻止板、導流板、整流板、デフレクタ等は、流れを制限し流速等を変化させるものであり、じゃま板５２と同等のものである。

上記各実施形態において、下流側に向かうに従い面状発熱体４２の抵抗を変え発熱量を減少するように調整すると共に面状発熱体４２の温度を制御した。しかし、温度制御の方法はこれに限られるものではない。例えば、下流側に行くに従い加熱部４と流体流れ制限部材５との間隔を広げたり、スリット４３や貫通孔５３を大きく形成したりしてもよい。また、電流路４４の形状や大きさを異ならせてもよい。熱交換の効率性の点で、上記各実施形態の如く、流れ方向Ｆに沿って面状発熱体４２の温度制御を個々に行うのが望ましい。

また、面状発熱体４２は複数枚を直列に接続してゾーン毎に温度制御してもよく、全ての面状発熱体４２を直列に接続して構わない。なお、もちろん、並列に接続することも可能である。

上記各実施形態において、筒状体２は略角筒状に形成したが、略円筒状であってもよく、特に限定されるものではない。また、外壁ケース１０を設けたが、これらを省略することも可能である。但し、熱効率や安全性の点で上記各実施形態が優れている。なお、上記各実施形態において、流体の流れ方向Ｆを鉛直方向Ｚに直交するように横向きに配置したが、縦置きとして鉛直方向Ｆに沿うように流体を流しても構わない。

上記第一実施形態において、保温断熱材３０の気密性を向上させるために、密閉手段としてその外表面に金属製のカバー部材３１を設けた。しかし、このカバー部材３１の材料は、金属製に限られるものではなく、セラミックス製の板状部材であってもよい。さらに、このような板状部材に限らず、例えば気密性を向上させる（非通気性）塗料を塗布して気密性を向上させることも可能である。また、保温断熱材３０の外表面に限らず内表面でもよい。すなわち、保温断熱材３０の気密性を向上させるものであれば、耐熱性等使用に耐えうる態様であれば特に限定されない。

本発明に係る熱風生成装置は、例えば煙突の二次焼成装置、自動車等の触媒、カーボン除去装置、半導体装置への気体導入装置として利用することもできる。

１：熱風生成装置、２：筒状体、３：通路、４：加熱部（流体流れ制限部材）、５：流体流れ制限部材、１０：外壁ケース、１１：導入部、１２：排出部、１３：外壁通路（導入路）、１４：先端、２１：導入部、２２：排出部、３０：保温断熱材、３１：密閉部材（カバー部材）、３２：圧力容器、４１：保持部材、４２：面状発熱体、４３：スリット、４４：電流路（第二流れ制限部）、４５：熱電対、４９：リード部材、５１：保持部材、５２：じゃま板、５３：貫通孔、５４：板状部（第一流れ制限部）Ａ，Ａ’：空気（流体）、Ｆ：流れ方向、Ｓ１：上流部、Ｓ２：中流部、Ｓ３：下流部、Ｚ：鉛直方向

Claims

流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路に設けられる面状発熱体とを有する熱風生成装置であって、
前記流体の流れを制限する第一流れ制限部を有する流体流れ制限部材を備え、
前記面状発熱体は、前記流体の流れを制限する第二流れ制限部を有し、
前記面状発熱体及び前記流体流れ制限部材が、前記通路の流れ方向に交差するように配置された熱風生成装置。
前記面状発熱体はスリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記スリットの間の電流路は前記第二流れ制限部を構成する請求項１記載の熱風生成装置。
前記面状発熱体の少なくとも一つに熱電対が設けられ、この面状発熱体の前記流体の上流側で隣接する流体流れ制限部材には、前記熱電対に対向して前記流れ制限部が設けられている請求項１又は２記載の熱風生成装置。
前記面状発熱体と前記流体流れ制限部材とは、流れ方向に沿って交互に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の熱風生成装置。
前記面状発熱体と前記流体流れ制限部材とは、同一材料によりなる請求項１〜４のいずれかに記載の熱風生成装置。
前記面状発熱体及び前記流体流れ制限部材の少なくとも一方の少なくとも一つの表面に波長変換塗料が塗布されている請求項１〜５のいずれかに記載の熱風生成装置。
前記通路は、密閉部材を設けた保温断熱材に覆われている請求項１〜６いずれかに記載の熱風生成装置。
前記保温断熱材の外周には、前記流体を前記通路へ導入する導入路が設けられている請求項７記載の熱風生成装置。
前記通路は、圧力容器に収容された保温断熱材に覆われている請求項１〜６のいずれかに記載の熱風生成装置。