JP7369092B2 - 過熱水蒸気装置 - Google Patents
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Description
本開示は、過熱水蒸気装置に関する。
従来から、過熱水蒸気を用いて熱処理を行う技術が知られている。特許文献１には、セラミックスの製造における脱脂工程において、６００℃～１０００℃の過熱水蒸気による熱処理を実行することが開示されている。特許文献２には、過熱水蒸気による腐食を抑制するために、過熱水蒸気が導入される過熱水蒸気炉をオーステナイト系ステンレス鋼によって形成する構成が開示されている。
本願発明者は、ステンレス鋼の表面に形成された酸化クロムの不働態膜の緻密な構成が、水蒸気雰囲気の４００℃以上の環境下で壊れてしまい、ステンレス鋼に含まれるクロムが蒸発しやすくなることを見出した。また、蒸発したクロムには、有毒な六価クロムが含まれるおそれがある。このため、例えば、過熱水蒸気装置を用いて４００℃以上の条件でセラミックス前駆体(有機バインダを含む成形体)の脱脂を実施すると、蒸発したクロムによってセラミックス前駆体が汚染されるおそれがある。また、例えば、食品調理用の過熱水蒸気オーブンにおいては、４００℃以上になると食品に六価クロムが付着するおそれがあり、安全性の低下が懸念される。このため、過熱水蒸気装置において、熱処理対象物へのクロム汚染を抑制可能な技術が望まれる。
本開示は、以下の形態として実現することができる。
本発明の一形態によれば、過熱水蒸気装置が提供される。この過熱水蒸気装置は、過熱水蒸気によって対象物を加熱する過熱水蒸気装置であって、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成されたフェライト系金属材料により構成され、前記アルミナ被膜の厚みは１００ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする。
その他、本開示は、以下のような形態として実現することも可能である。
本発明の一形態によれば、過熱水蒸気装置が提供される。この過熱水蒸気装置は、過熱水蒸気によって対象物を加熱する過熱水蒸気装置であって、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成されたフェライト系金属材料により構成され、前記アルミナ被膜の厚みは１００ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする。
その他、本開示は、以下のような形態として実現することも可能である。
本開示の一形態によれば、過熱水蒸気装置が提供される。この過熱水蒸気装置は、過熱水蒸気によって対象物を加熱する過熱水蒸気装置であって、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されていることを特徴とする。この形態の過熱水蒸気装置によれば、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されているので、かかる金属材料にクロムが含まれる構成であっても、過熱水蒸気によって４００℃以上に加熱された場合に、クロムが蒸発することを抑制できる。したがって、蒸発したクロムによって熱処理対象物が汚染されることを抑制できる。
なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、過熱水蒸気装置の製造方法等の形態で実現することができる。
Ａ．実施形態：
図１は、本開示の一実施形態としての過熱水蒸気装置１０の概略構成を示す概略図である。本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、過熱水蒸気によって対象物の熱処理を行なうための装置である。本実施形態において、「過熱水蒸気」とは、沸点以上に加熱された水蒸気を意味している。
図１は、本開示の一実施形態としての過熱水蒸気装置１０の概略構成を示す概略図である。本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、過熱水蒸気によって対象物の熱処理を行なうための装置である。本実施形態において、「過熱水蒸気」とは、沸点以上に加熱された水蒸気を意味している。
過熱水蒸気装置１０は、本体部２０と、過熱水蒸気発生装置３０と、内部ヒータ４０とを備える。
本体部２０は、略箱型の外観形状を有し、内部に炉室２２が形成されている。炉室２２には、熱処理対象物が収容されるとともに、過熱水蒸気が導入される。本体部２０には、開閉可能に構成された図示しない開閉部が形成されている。かかる開閉部は、熱処理対象物が加熱される際に閉じられ、炉室２２に熱処理対象物を入れる際および炉室２２から熱処理対象物を取り出す際に開かれる。本体部２０には、後述する過熱水蒸気発生装置３０から炉室２２へと過熱水蒸気を導入するための導入路２４が形成されている。導入路２４は、過熱水蒸気発生装置３０と炉室２２とを連通させる流路として構成されている。本体部２０の詳細な構成については、後述する。
過熱水蒸気発生装置３０は、過熱された水蒸気を発生させるための装置である。過熱水蒸気発生装置３０は、図示しないヒータが設けられた加熱室を有し、加熱室へと供給された市水等の水をヒータで加熱することにより、１００℃以上の水蒸気を発生させる。図１では、水または水蒸気の流れを矢印で示している。
内部ヒータ４０は、炉室２２に設けられており、炉室２２を加熱する。内部ヒータ４０には、図示しない電源装置が接続されており、通電により発熱する。本実施形態において、内部ヒータ４０は、螺旋状に巻回された形状を有するが、螺旋状に代えて板状等の任意の形状を有していてもよい。
導入路２４を介して炉室２２へと導入された過熱水蒸気は、内部ヒータ４０によってさらに加熱されて温度が上昇する。炉室２２の温度は、炉室２２に設けられた図示しない温度検出器によって検出され、例えば、検出された温度と設定温度とを用いたフィードバック制御等により制御される。
本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されている。この理由について、以下に説明する。
従来の過熱水蒸気装置では、高温の水蒸気による腐食を抑制するために、過熱水蒸気が導入される箇所がステンレス鋼によって形成されていることが多い。特に、オーステナイト系ステンレス鋼に分類されるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１０Ｓ等は、溶接が容易であるため、過熱水蒸気装置の内壁に用いられることが多い。
一般に、クロムを含有するステンレス鋼の表面には、酸化クロムの不働態膜が形成されている。しかしながら、本願発明者は、ステンレス鋼の表面に形成された酸化クロムの不働態膜の緻密な構成が、水蒸気雰囲気の４００℃以上の環境下で壊れてしまい、ステンレス鋼に含まれるクロムが蒸発しやすくなることを見出した。また、蒸発したクロムには、有毒な六価クロムが含まれるおそれがある。このため、従来の過熱水蒸気装置を用いて４００℃以上の熱処理を行なうと、蒸発したクロムによって熱処理対象物が汚染されるおそれがあることを本願発明者は見出した。
さらに、本願発明者は、表面にアルミナの不働態膜が形成されたステンレス鋼においては、ステンレス鋼に含まれるクロムの蒸発がアルミナ被膜によって抑制されることを見出した。このため、過熱水蒸気装置１０のうち４００℃以上に加熱される箇所をアルミナ被膜が形成された金属材料により構成することによって、熱処理対象物へのクロム汚染を抑制できることを、本願発明者は見出した。
金属材料の表面にアルミナ被膜を形成する方法としては、例えば、アルミニウムを１．５質量％以上１０質量％以下含む金属材料を、酸素雰囲気下または大気雰囲気下で、予め８００℃以上１２００℃以下の条件で熱処理する方法が挙げられる。かかる熱処理の温度が例えば６００℃以上７００℃以下である場合には、アルミナの不働態膜ではなくクロムの不働態膜が形成されることがある。このため、熱処理を８００℃以上で行なうことにより、クロムの不働態膜が形成されることを抑制できる。また、熱処理を１２００℃以下の条件で行うことにより、形成されるアルミナ被膜の厚みが過度に厚くなりすぎることを抑制できるので、熱応力によってアルミナ被膜が割れてしまうことを抑制でき、その結果として、金属材料の耐久性が低下することを抑制できる。なお、金属材料に含まれるアルミニウムが１．５質量％未満である場合には、アルミナの不働態膜とクロムの不働態膜とが混在して形成されるおそれがあるため、望ましくない。
アルミニウムを１．５質量％以上１０質量％以下含む金属材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＨ２１相当材（１８Ｃｒ－３Ａｌ）や、カンタル（登録商標、２３Ｃｒ－６Ａｌ）、ＹＵＳ２０５－Ｍ１（日鉄ステンレス株式会社製、２０Ｃｒ－５Ａｌ）等が挙げられる。ＳＵＨ２１は、フェライト系耐熱鋼の一種であり、例えば、ＮＣＡ－１（日新製鋼株式会社製）や、ＮＳＳＣ ２１Ｍ（日鉄ステンレス株式会社製）が挙げられる。
金属材料の表面に形成されたアルミナ被膜の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、１００ｎｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。１００ｎｍ以上であることによって、クロムの蒸発を効果的に抑制できる。また、３μｍ以下であることによって、熱応力に起因するアルミナ被膜の割れの発生を抑制できるので、金属材料の耐久性の低下を抑制できる。
本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、本体部２０のうち炉室２２を構成する内壁２６と、導入路２４とが、アルミナ被膜が形成された金属材料により形成されている。本実施形態において、内壁２６とは、上記開閉部を含む本体部２０の全ての内側面を意味している。本体部２０のうち内壁２６よりも外側は、断熱材や任意の金属材料等を含んで構成されていてもよい。また、本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、炉室２２に設けられた内部ヒータ４０についても、アルミナ被膜が形成された金属材料により形成されている。これらの箇所は、４００℃以上に加熱され得る。例えば、熱処理対象物がセラミックス前駆体であり、セラミックス前駆体の脱脂工程において過熱水蒸気による熱処理を行なう場合には、上記の箇所が６００℃～１０００℃に加熱される。なお、過熱水蒸気発生装置３０の加熱室の内部は、過熱水蒸気発生装置３０ヒータの加熱によって温度が上昇するが、その温度は４００℃以下であることが想定される。なお、内壁２６と導入路２４と内部ヒータ４０とは、表面にアルミナ被膜が形成されているのであれば、いずれも同一の金属材料により構成されていてもよく、互いに異なる金属材料により構成されていてもよい。
以上説明した本実施形態の過熱水蒸気装置１０によれば、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されている。アルミナ被膜が金属材料の表面に存在することにより、かかる金属材料にクロムが含まれる構成であっても、過熱水蒸気によって４００℃以上に加熱された場合にクロムが蒸発することを抑制できる。したがって、蒸発したクロムによって熱処理対象物が汚染されることを抑制できる。
一般に、蒸発したクロムには、有毒な六価クロムが含まれるおそれがある。しかしながら、本実施形態の過熱水蒸気装置１０によれば、クロムの蒸発を抑制できるので、熱処理対象物に六価クロムが付着することを抑制できる。このため、熱処理対象物における安全性の低下を抑制できる。
また、本実施形態の過熱水蒸気装置１０は、本体部２０のうち炉室２２を構成する内壁２６と、導入路２４と、炉室２２に設けられた内部ヒータ４０とが、ＪＩＳ規格のＳＵＨ２１相当材（１８Ｃｒ－３Ａｌ）や、カンタル（登録商標、２３Ｃｒ－６Ａｌ）、ＹＵＳ２０５－Ｍ１（日鉄ステンレス株式会社製、２０Ｃｒ－５Ａｌ）等、アルミナ被膜が形成された金属材料により形成されている。このため、過熱水蒸気による腐食を抑制できるので、本体部２０や内部ヒータ４０の耐久性の低下を抑制できる。
また、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されているので、かかる箇所がセラミックスにより構成される態様と比較して、急激な熱衝撃による破損を抑制でき、その結果、セラミックスが炉室２２へ飛散することを抑制できる。また、４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成された金属材料により構成されているので、かかる箇所が、例えばプラチナ、金、銀およびニッケル等、クロムを含まない耐熱耐酸化金属により構成される態様と比較して、過熱水蒸気装置１０の材料コストが増大することを抑制できる。
Ｂ．他の実施形態：
上記各実施形態における過熱水蒸気装置１０の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、本体部２０の外観形状は、略箱型に限らず、円筒型等の任意の形状であってもよい。また、過熱水蒸気装置１０は、例えば、食品調理用の過熱水蒸気オーブンとして用いられてもよい。食品調理に用いられる場合には、食品に六価クロムが付着することを抑制できるので、かかる食品の安全性の低下を抑制できる。
上記各実施形態における過熱水蒸気装置１０の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、本体部２０の外観形状は、略箱型に限らず、円筒型等の任意の形状であってもよい。また、過熱水蒸気装置１０は、例えば、食品調理用の過熱水蒸気オーブンとして用いられてもよい。食品調理に用いられる場合には、食品に六価クロムが付着することを抑制できるので、かかる食品の安全性の低下を抑制できる。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…過熱水蒸気装置、２０…本体部、２２…炉室、２４…導入路、２６…内壁、３０…過熱水蒸気発生装置、４０…内部ヒータ
Claims (1)
- 過熱水蒸気によって対象物を加熱する過熱水蒸気装置であって、
４００℃以上に加熱される箇所が、アルミナ被膜が形成されたフェライト系金属材料により構成され、
前記アルミナ被膜の厚みは１００ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする、
過熱水蒸気装置。
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