特許 7158664 加熱ユニットの安全値計算装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-14

(45)【発行日】2022-10-24

(54)【発明の名称】加熱ユニットの安全値計算装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/00 20060101AFI20221017BHJP

   A23L 3/005 20060101ALN20221017BHJP

   A23L 3/22 20060101ALN20221017BHJP

【ＦＩ】

H05B3/00 340

H05B3/00 320Z

A23L3/005

A23L3/22

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018205507

(22)【出願日】2018-10-31

(65)【公開番号】P2020072009

(43)【公開日】2020-05-07

【審査請求日】2021-07-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000136642

【氏名又は名称】株式会社フロンティアエンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】星野 弘

【審査官】石黒 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１８７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１８７９３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｂ ３／００

Ａ２３Ｌ ３／００５

Ａ２３Ｌ ３／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁材料からなる円筒部材および前記円筒部材に設けられる環状の複数の電極を備えた加熱管に、被加熱物としての飲食物を搬送しつつ通電加熱するジュール加熱ユニットを稼働させたときの安全値を算出する加熱ユニットの安全値計算装置であって、
前記ジュール加熱ユニットのシステム要素を入力するシステム要素入力部と、
被加熱物の物性を入力する物性入力部と、
前記ジュール加熱ユニットによる被加熱物の処理条件を入力する処理条件入力部と、
前記システム要素、前記物性および前記処理条件に基づいて、加熱不良が発生するか否かの指標である安全値を演算する安全値演算部と、
前記安全値演算部により演算された安全値を表示する表示部と、を有し、
前記処理条件は、被加熱物の加熱前の温度と、加熱後の温度と、流量と、を含む、 加熱ユニットの安全値計算装置。

【請求項2】

請求項１記載の加熱ユニットの安全値計算装置において、
前記システム要素は、加熱管の内径と、１つの前記円筒部材とこれに組み合わせられる１つの前記電極からなるセクション数と、対をなす２つの電極間の電極間距離と、前記加熱管の本数と、を含む、加熱ユニットの安全値計算装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の加熱ユニットの安全値計算装置において、
前記物性は、被加熱物の粘度と、被加熱物が加熱されると糊化するか否かと、を含む、加熱ユニットの安全値計算装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の加熱ユニットの安全値計算装置において、
前記安全値演算部は、底を1.6とする電力密度の対数値に基づいて得られた値から前記安全値を演算する、加熱ユニットの安全値計算装置。

【請求項5】

請求項４記載の加熱ユニットの安全値計算装置において、
前記安全値演算部は、加熱されると糊化する被加熱物については、加熱管の内径と被加熱物の流速とに基づく一定値を初期補正値とし、加熱されても糊化しない被加熱物については、被加熱物のレイノルズ数に応じて初期補正値を演算し、前記対数値に基づいて得られた値から初期補正値を減算した値を安全値とする、加熱ユニットの安全値計算装置。

【請求項6】

請求項５記載の加熱ユニットの安全値計算装置において、
前記安全値演算部は、前記初期補正値を減算した値に、前記加熱管の内径に応じた最終補正値を積算した値を安全値とする、加熱ユニットの安全値計算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、環状の電極と円筒部材とからなる加熱管を有するジュール加熱ユニットにより被加熱物を、加熱不良を起こすことなく加熱することができるか否かについての指標としての安全値を求める加熱ユニットの安全値計算装置に関する。

【背景技術】

【0002】

流動性を有する飲食物を被加熱物としてジュール熱により通電加熱するようにした加熱装置つまりジュール加熱ユニットとしては、特許文献１に記載されるように、複数の環状の電極と電極の間に配置される複数の絶縁材料の円筒部材とからなる加熱器つまり加熱管を有するものがある。このジュール加熱ユニットにおいては、例えば、４本の加熱管を接続することにより形成されており、それぞれの加熱管の電極には、電源ユニットから電力が供給される。ジュール加熱ユニットとしては、特許文献２に記載されるように、撹拌部材を有する撹拌軸が加熱管に組み込まれたタイプがある。

【0003】

加熱管は内径や電極間長さ等の所定のシステム構成要素を有し、電源ユニットから電極に供給される電力は、被加熱物の種類に応じて相違する物性、加熱温度等の処理条件により調整される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５４３８７０９号公報

【文献】特許第２８２１０８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

１台のジュール加熱ユニットは物性が相違する複数種類の被加熱物を加熱することができる。ある種類の被加熱物を加熱した後に、他の種類の被加熱物を加熱する場合には、被加熱物の物性が相違し、処理条件も相違するので、使用者の経験則に基づいて被加熱物の処理条件が設定される。経験則に基づいた処理条件により被加熱物を処理し、加熱処理が適正に行われたか否かを判定する。加熱管の内壁面にスケールや焦げ付きが発生したり、被加熱物にスパークが発生したりして適正に加熱処理が行われなかった場合には、処理条件を変化させて、適正な通電加熱が行われるまで、被加熱物の加熱処理が繰り返される。被加熱物の種類によっては、処理条件を変化させるだけでなく、ジュール加熱ユニットを構成する加熱管の本数等のシステム要素が変更される。

【0006】

一方、複数の加熱管と電源ユニットからなる加熱ユニットを設計、製造する際には、加熱すべき被加熱物の種類と、処理条件に応じてシステム要素が設計される。設計されたシステム要素を備えたジュール加熱ユニットを製造し、それを用いて、被加熱物を加熱し、加熱不良が発生しないか否かを確認している。

【0007】

しかしながら、実際に被加熱物の加熱処理を行って処理条件やシステム要素を決定することは、時間がかかるだけでなく、廃棄しなければならない飲食物が多く発生することもある。このため、被加熱物の物性に応じてジュール加熱ユニットのシステム要素や被加熱物の処理条件を決定する目安としての安全値が算出できれば、システム要素や処理条件を容易に決定することができる。

【0008】

本発明の目的は、ジュール加熱ユニットが加熱不良を起こすことなく、被加熱物を加熱処理できるか否かの指標を安全値として算出し得るようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の加熱ユニットの安全値計算装置は、絶縁材料からなる円筒部材および前記円筒部材に設けられる環状の複数の電極を備えた加熱管に、被加熱物としての飲食物を搬送しつつ通電加熱するジュール加熱ユニットを稼働させたときの安全値を算出する加熱ユニットの安全値計算装置であって、前記ジュール加熱ユニットのシステム要素を入力するシステム要素入力部と、被加熱物の物性を入力する物性入力部と、前記ジュール加熱ユニットによる被加熱物の処理条件を入力する処理条件入力部と、前記システム要素、前記物性および前記処理条件に基づいて、加熱不良が発生するか否かの指標である安全値を演算する安全値演算部と、前記安全値演算部により演算された安全値を表示する表示部と、を有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の加熱ユニットの安全値計算装置は、絶縁材料からなる円筒部材および前記円筒部材に設けられる環状の複数の電極を備えた加熱管に、被加熱物としての飲食物を搬送しつつ通電加熱するジュール加熱ユニットを稼働させたときの安全値を算出する加熱ユニットの安全値計算装置であって、前記ジュール加熱ユニットのシステム要素を入力するシステム要素入力部と、被加熱物の物性を入力する物性入力部と、前記ジュール加熱ユニットによる被加熱物の処理条件を入力する処理条件入力部と、前記システム要素、前記物性および前記処理条件に基づいて、加熱不良が発生するか否かの指標である安全値を演算する安全値演算部と、前記安全値演算部により演算された安全値を表示する表示部と、を有し、前記処理条件は、被加熱物の加熱前の温度と、加熱後の温度と、流量と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ジュール加熱ユニットを示す概略図である。

【図2】図１に示された加熱管の拡大断面図である。

【図3】加熱管の変形例を示す一部省略断面図である。

【図4】図１に示されたジュール加熱ユニット１０の制御装置を示すブロック図である。

【図5】加熱ユニットの安全値計算装置を示すブロック図である。

【図6】レイノルズ数と被加熱物の性質から求められる初期補正値を示す初期補正値表である。

【図7】加熱管の内径に基づく最終補正値を示す最終補正値表である。

【図8】入力条件に基づく安全値算出結果の一例を示す表である。

【図9】入力条件に基づく安全値算出結果の他の一例を示す表である。

【図10】（Ａ）～（Ｄ）は安全値と加熱条件の変更態様とを示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるジュール加熱ユニット１０は４本の加熱管１１を有しており、それぞれの加熱管１１は内部に流路が設けられ、接続管１２により接続されている。ホッパ１３内には、被加熱物Ｗとしてジュース、スープ、ジャム、味噌等のように流動性を有する飲食物が投入される。投入された被加熱物Ｗは、供給管１４によりジュール加熱ユニット１０に供給される。ホッパ１３内の被加熱物Ｗは、供給管１４に設けられたポンプ１５により、予熱部１６を介して１段目の加熱管１１に供給される。被加熱物Ｗは、１段目の加熱管１１の流路から４段目の加熱管１１の流路にまで接続管１２を介して供給されて所定の温度に通電加熱される。加熱された被加熱物Ｗは、排出管１７により後工程に搬送される。後工程としては、例えば、被加熱物Ｗを一定時間保持するホールド工程、ホールド工程を通過した後に被加熱物Ｗを冷却する冷却工程、および被加熱物Ｗを包装容器等に充填する充填工程等がある。

【0013】

なお、予熱部１６としては、加熱管１１と同様にジュール加熱式の管を使用しても良く、熱媒体により被加熱物Ｗを予熱するようしても良い。また、予熱部１６を用いない場合には、ホッパ１３内の被加熱物Ｗは、１段目の加熱管１１に直接供給される。

【0014】

それぞれの加熱管１１は、図２に示されるように、７つの環状の電極２１と隣り合う２つの電極２１の間に配置される円筒部材２２とからなる。電極２１はチタン等の導電性材料からなり、円筒部材２２は樹脂等の絶縁材料からなる。加熱管１１の両端部には、それぞれ継手２３、２４が設けられている。２つの加熱管１１の間は接続管１２により接続され、１段目の加熱管１１の継手２３には供給管１４が接続され、４段目の加熱管１１の継手２４には排出管１７が接続される。

【0015】

それぞれの円筒部材２２の両端に配置される２つの電極２１は対をなしており、対をなす２つの電極２１が相互に逆極性となるように、電源ユニット２５からは高周波電流が供給される。対をなす２つの電極２１の間を被加熱物Ｗを介して電流が流れると、通電された被加熱物Ｗはジュール熱が発生し、ジュール熱により通電加熱される。１つの加熱管１１を構成する電極２１の数は、複数であれば、７つに限られることなく、被加熱物Ｗの物性や加熱温度等の処理条件に応じて任意に設定される。同様に、１つのジュール加熱ユニット１０を構成する加熱管１１の数も、４本に限られることなく、加熱処理される被加熱物の流量等に応じて任意の本数に設定される。

【0016】

図３は加熱管１１の変形例を示す。この加熱管１１は撹拌部材２６が設けられた撹拌軸２７を有している。一方の継手２４には、電動モータ２８が取り付けられており、電動モータ２８の図示しない主軸に撹拌軸２７の一端が連結され、撹拌軸２７の他端部は他方の継手２３に回転自在に支持されている。それぞれの撹拌部材２６は電極２１の径方向内側に配置されている。それぞれの電極２１は、図２に示したものと同様に、電源ユニット２５に接続されているが、電源ユニット２５は図３においては省略されている。このように、加熱管１１としては、図３に示されるように撹拌軸２７が組み込まれたタイプと、図２に示されるように撹拌軸２７が設けられていないタイプとがある。

【0017】

図４は図１に示されたジュール加熱ユニット１０の制御装置３０を示すブロック図である。制御装置３０は、４つの加熱管１１に電力を供給する４つの電源ユニット２５と、ポンプ１５とを制御するための制御部３１を有している。電源ユニット２５とポンプ１５の駆動条件は、操作盤３２に設けられた入力部を作業者が操作することにより、入力される。入力した値は、操作盤３２の表示部に点灯表示される。図１に示されるように、予熱部１６を有する場合には、予熱部１６も制御部３１により制御される。制御部３１は、制御信号を演算するマイクロプロセッサと、制御プログラム、マップデータ等が格納されるメモリとを有している。

【0018】

図１に示されるジュール加熱ユニット１０は、４本の加熱管１１を有しており、システム要素としての加熱管１１の本数Ｎは４本である。それぞれの加熱管１１は、図２に示すように、内径はＤであり、対をなす２つの電極２１の間の距離つまり電極間距離はＬである。１つの円筒部材２２とこれの一端面に組み合わせられる１つの電極２１とから１つのセクション数Ｐが形成されるとすると、加熱管１１は６つのセクション数Ｐを有している。

【0019】

上述した本数Ｎ、内径Ｄ、電極間距離Ｌ、セクション数Ｐは、それぞれジュール加熱ユニット１０のシステム構成要素つまりシステム要素である。図３に示すように、撹拌軸２７が設けられた加熱管１１においては、撹拌軸２７の直径もシステム要素の１つとなる。このようなシステム要素を有するジュール加熱ユニット１０により、被加熱物Ｗを適正に加熱処理するためには、被加熱物Ｗの特性つまり物性と、ジュール加熱ユニット１０による被加熱物の処理条件とが重要な要素であると考えられる。

【0020】

被加熱物Ｗとしての飲食物には、澱粉を含み加熱されると糊化する飲食物と、澱粉を含まないか含んでも僅かであり加熱されても糊化しない飲食物とがある。糊化するかしないかは、被加熱物Ｗの物性つまり物性値として重要な要素である。さらに、粘度μ(mPa・s)、比重Ｍも被加熱物Ｗの物性値を示す要素である。

【0021】

一方、被加熱物の処理条件としては、加熱前の被加熱物の温度Ｔ1(℃)と、加熱後の被加熱物の温度Ｔ2(℃)と、流量Ｑ（Ｌ／ｈ）とがある。加熱前の温度Ｔ1は１段目の加熱管１１の入口における被加熱物Ｗの温度であり、加熱後の温度Ｔ2は４段目つまり最終段目の加熱管１１から流出する被加熱物Ｗの温度である。流量Ｑ（Ｌ／ｈ）はポンプ１５の回転速度により設定される。加熱後の温度Ｔ2と加熱前の温度Ｔ1の温度差ΔＴ(℃)は、４本の加熱管１１により被加熱物Ｗが加熱されて上昇した温度、つまり加熱温度を示す。

【0022】

ジュール加熱ユニット１０により被加熱物Ｗをジュール加熱したときに、加熱管１１の内壁面で沸騰したり、スケールが発生したりすると、焦げ付きやスパークに繋がる可能性がある。このような現象が起こると、加熱不良となる。加熱不良の被加熱物つまり飲食物を製品化することはできない。さらに、加熱不良が高まると、ジュール加熱ユニット１０に損傷が発生し兼ねない。加熱不良を起こすことなく、安全かつ適切な加熱処理を行うための条件としては、被加熱物Ｗを流れる電力の電力密度Ｅd（kW/m³）が大きく影響すると考えられる。電力密度Ｅd（kW/m³）は、供給される電力をＥ0（kW）とし、さらに加熱管１１の内径Ｄ（ｍ）により算出される断面積を、Ｓ（ｍ²）とすると、システム要素に基づいて、以下の式[1]により算出される。

【0023】

電力密度Ｅd＝Ｅ0／（Ｓ×Ｌ×Ｐ×Ｎ）・・・[1]
また、被加熱物Ｗの物性を示す物性値と加熱管１１の内径とにより算出されるレイノルズ数Ｒeは、加熱管内の被加熱物の流速Ｖ、内径Ｄ、加熱管１１の断面積Ｓ、被加熱物の粘度μ(mPa・s)、比重Ｍから以下の式[2]により算出される。

【0024】

レイノルズ数Ｒe＝Ｖ［４・｛Ｓ／（πＤ）｝・Ｍ・1000／（μ／1000）］・・・[2]
上述のように、ジュール加熱ユニット１０を構成するシステム要素と、被加熱物の物性と、ジュール加熱ユニット１０による被加熱物Ｗの処理条件との相関関係に基づいて、加熱管１１の内壁面にスケールや焦げ付きが発生するような加熱不良を発生させることなく、適切な加熱処理を行うことができる目安ないし指標としての安全値を検討した。そのような安全値Ｓvが求められれば、ジュール加熱ユニット１０により加熱処理される被加熱物Ｗの種類が変更されるときには、被加熱物Ｗの物性値と処理条件とを変更することにより、安全値Ｓvが求められる。求められた安全値Ｓvが不適正な値であれば、安全値が適正となるように、処理条件を変更することにより、適正な加熱処理を行うことができる。これにより、実際に被加熱物を使用して試験的な加熱処理を行うことなく、新たな被加熱物を迅速に加熱処理することができる。試験的な加熱処理が不要になると、加熱不良のために廃棄する被加熱物が発生することを防止できる。

【0025】

一方、ジュール加熱ユニット１０を設計する場合には、ジュール加熱ユニット１０のシステム要素を決定し、その値と、被加熱物Ｗの種類に応じた物性値と、処理条件とを入力して演算することにより、ジュール加熱ユニット１０のシステム要素が適正であるか否かを決定することができる。決定された設計値に基づいて製造されたジュール加熱ユニット１０については、確認のために被加熱物Ｗを加熱処理するのみで製品化することができる。

【0026】

種々のジュール加熱ユニットを種々の被加熱物について加熱試験を行った結果、ジュール加熱ユニット１０により加熱処理する際の安全値を算出するための演算式を見出すことができた。

【0027】

実験によれば、安全値Ｓvは、電力密度Ｅd（kW/m³）に基本的には依存しており、底を1.6とする電力密度Ｅdの対数値と相関関係があることが判明した。安全値Ｓvの精度を高めるには、レイノルズ数Ｒeと被加熱物Ｗの性質から求められる初期補正値Ｋ1により、電力密度から求められる安全値を補正することが好ましい。さらに、安全値Ｓvの精度を高めるには、初期補正後の安全値に、加熱管１１の内径Ｄに基づく最終補正値Ｋ2を乗算することが好ましい。

【0028】

したがって、安全値Ｓvは以下の式[3]により演算される。

【0029】

安全値Ｓv＝（log_1.6Ｅd－Ｋ1）×Ｋ2・・・[3]
図５はジュール加熱ユニット１０の安全値計算装置４０を示すブロック図である。安全値計算装置４０は、安全値Ｓvを演算する安全値演算部４１と、入力部４２とを有し、入力部４２はシステム要素入力部、物性入力部および処理条件入力部を構成する。システム要素としては、本数Ｎ、内径Ｄ、電極間距離Ｌ、セクション数Ｐが入力部４２に入力される。物性値としては、被加熱物Ｗが糊化するか否かと、粘度μ、比重Ｍが入力部４２に入力される。処理条件としては、流量Ｑ(L/h)、加熱前の温度Ｔ1（℃）、加熱後の温度Ｔ2（℃）が入力部４２に入力される。

【0030】

これらの値が入力されると、安全値演算部４１により、式[3]により安全値Ｓvが演算され、演算結果が表示部４３に数値で表示される。安全値を演算するための式は、メモリ４４に格納されている。

【0031】

図６は、レイノルズ数Ｒeと被加熱物の物性から求められる初期補正値Ｋ1を示す初期補正値表である。図７は加熱管１１の内径Ｄに基づく最終補正値Ｋ2を示す最終補正値表である。これらの補正値表に相当するデータは、例えばマップデータの形態でメモリ４４に格納されており、安全値演算部４１は、log_1.6電力密度Ｅdにより求められた安全値から初期補正値Ｋ1を減算する。さらに、初期補正された安全値に、最終補正値Ｋ2を積算することにより、最終的な安全値Ｓvが演算される。

【0032】

初期補正値Ｋ1は、被加熱物Ｗが糊化する物性を有しているか否かにより相違しており、初期補正値Ｋ1は、図６に示されるように［１］～［５］の５つのパターンに分けられる。パターン［１］は、糊化する被加熱物を呼び径が２Ｓ撹拌または３Ｓ撹拌であり、撹拌軸２７が設けられた加熱管１１を有するジュール加熱ユニット１０の場合である。２Ｓ撹拌の加熱管１１の内径は、図７に示されるように、0.0320ｍであり、３Ｓ撹拌の加熱管１１の内径は、0.0464ｍである。この場合の初期補正値としては、一定値である「-1.5」が設定される。

【0033】

パターン［２］～［５］は、２Ｓ撹拌または３Ｓ撹拌以外の加熱管１１を有するジュール加熱ユニット１０の場合である。糊化する被加熱物を0.1ｍ／ｓ未満の流速Ｖで流しながら加熱する場合には、レイノルズ数Ｒeのいかんに関わらず、初期補正値Ｋ1としては、一定値である「-8」が設定される。さらに、糊化する被加熱物を0.1以上の流速Ｖで流しながら加熱する場合には、レイノルズ数Ｒeのいかんに関わらず、初期補正値Ｋ1としては、一定値である「-4」が設定される。

【0034】

糊化しない被加熱物を加熱する場合には、パターン［４］［５］に示されるように、加熱管１１および流速Ｖのいかんに関わらす、レイノルズ数Ｒeが「2」未満か、「2」以上かにより初期補正値Ｋ1が設定される。レイノルズ数が「2」未満の場合には、以下の一次関数[4]により初期補正値Ｋ1が演算される。

【0035】

ｙ＝ａ・Ｒe＋ｂ・・・[4]
定数ａは1／1.95であり、定数ｂは-2.975／1.95である。

【0036】

レイノルズ数Ｒeが「2」以上の場合には、ｌｏｇ₁₀Ｒeにより初期補正値Ｋ1が演算される。

【0037】

図７に示されるように、被加熱物が加熱されると糊化する場合には、最終補正値Ｋ2は「7」に設定される。一方、被加熱物が糊化しない場合には、加熱管１１の内径Ｄに応じてそれぞれ最終補正値Ｋ2が設定される。内径Ｄに対応して示された加熱管１１の記号は、それぞれＪＩＳで規定された呼び径である。ジュール加熱ユニット１０としては、図７に示された内径Ｄのうちいずれかの加熱管１１を有するものが使用される。

【0038】

上述した安全値Ｓvを演算するには、式[3]で示されるように、まず、log_1.6電力密度Ｅdの値が演算され、この値から上記初期補正値Ｋ1が減算される。次いで、減算後の値に最終補正値Ｋ2が積算されて安全値Ｓvが演算される。

【0039】

図５に示す安全値計算装置４０は、パソコンにより構成することができる。さらに、図４に示した制御部３１のメモリに図６に示した初期補正値Ｋ1のデータと、図７に示した最終補正値Ｋ2のデータとを格納し、上述した安全値Ｓvの演算式（式[3]）に基づいて制御部３１により安全値Ｓvを演算するようにしても良い。その場合には、制御部３１に、図１に示すように、ジュール加熱ユニット１０のシステム要素が設定されているので、物性値と処理条件とを入力することにより、ジュール加熱ユニット１０による安全値Ｓvが求められる。求められた安全値Ｓvが加熱不良を起こさない値であれば、制御部３１のメモリに格納されているデータに基づいて、被加熱物Ｗを加熱処理することができる。

【0040】

一方、図５に示されるように、ジュール加熱ユニット１０の制御装置３０とは分離された安全値計算装置４０により算出された安全値Ｓvが加熱不良を起こさない値であれば、制御装置３０にシステム要素のデータが格納される。ジュール加熱ユニット１０を用いて被加熱物Ｗを加熱する際には、さらに物性値、処理条件のデータがメモリに格納される。

【0041】

図８は入力条件に基づく安全値算出結果の一例を示す表であり、図９は入力条件に基づく安全値算出結果の他の一例を示す表である。

【0042】

図８および図９に示されるように、システム要素として、加熱管１１の本数Ｎ、加熱管１１の内径Ｄ等の数値がシステム要素入力部により入力され、被加熱物の処理条件として、流量Ｑ、温度Ｔ1、Ｔ2が処理条件入力部により入力される。また、被加熱物の物性を示す比重Ｍ、糊化するかしないか、および粘度μが処理条件入力部により入力される。

【0043】

断面積Ｓは、加熱管１１の内径Ｄに基づいて演算され、撹拌軸２７が設けられた加熱管１１においては撹拌軸２７の径と内径Ｄとに基づいて演算される。流速Ｖは、流量Ｑと断面積Ｓとに基づいて演算される。レイノルズ数Ｒeは、上述のように、流速Ｖや内径Ｄ等に基づいて上述した式[2]により演算される。電力密度Ｅdは上述した式[1]により演算される。

【0044】

電力密度Ｅdが求められると、log_1.6Ｅdが演算され、安全値の基本値が求められる。この値は、初期補正値Ｋ1と最終補正値Ｋ2とにより、上述した式[3]により補正され、最終的な安全値Ｓvが演算される。

【0045】

図８に示したシステム要素の加熱管１１により、図８に示した被加熱物を図８に示した処理条件でジュール加熱すると、安全値Ｓvとして「80.35」が演算され、その値が表示部４３に表示される。図９に示したシステム要素の加熱管１１により、図９に示した被加熱物を図９に示した処理条件でジュール加熱すると、安全値Ｓvは「111.73」が演算され、その値が表示部４３に表示される。

【0046】

実験の結果、式[3]を用いて得られた安全値Ｓvが「110」未満であれば、加熱管１１の内壁面にスケールや焦げ付きが発生したり、スパークが発生したりすることなく、適正な加熱処理が行われた。図８に示したように安全値Ｓvが「110」未満のシステム要素のジュール加熱ユニット１０により被加熱物を処理したところ、加熱不良を発生させることなく、最適な加熱処理を行うことができた。これに対し、安全値Ｓvが「113」以上となると、スケールや焦げ付きが発生し、適正な加熱処理を行うことができなかった。安全値が「110」以上「113」未満の範囲の場合には、スケールや沸騰が発生することもあり、注意深く加熱状況を観察する必要がある。図９に示したように安全値Ｓvが「110」以上のシステム要素のジュール加熱ユニット１０により被加熱物を処理したところ、定常状態で被加熱物を適正に加熱処理することができたが、長時間連続的に稼働させた後に、加熱管１１の内壁面に僅かにスケールと思われる痕跡が見られた。

【0047】

図１０（Ａ）～図１０（Ｄ）は安全値Ｓvと加熱条件の変更態様とを示すブロック図である。図１０（Ａ）は安全値Ｓvが「105」であり、「110」未満という演算結果が得られた場合であり、この場合には、スケールや焦げ付きが発生することなく、安定的に被加熱物Ｗを加熱処理することができた。図１０（Ｂ）は、安全値Ｓvが「112」であり、「110」以上「113」未満の場合であり、加熱状況を目視観察して、僅かでも適正な加熱処理が行われなかったときには、処理条件を見直す必要がある。

【0048】

図１０（Ｃ）は、安全値Ｓvが「115」の場合であり、安全値Ｓvが「113」以上「120」未満の場合には、かなりの確率で加熱異常が発生するので、条件を変更して安全値Ｓvを再度計算し直す必要がある。図１０（Ｃ）に示すような安全値となった場合には、ポンプ１５の回転数を下げて流量Ｑを減少させるか、予熱部１６により予熱温度を上げて、ジュール加熱ユニット１０の入口温度を高めることにより、安全値Ｓvを適正範囲に下げることができる。

【0049】

図１０（Ｄ）は、安全値Ｓvが「125」の場合であり、安全値が「120」以上となると、加熱を行うことができない。実験結果では、スケールが付着したり焦げ付きが発生したりするだけでなく、樹脂製の円筒部材２２を損傷してしまう可能性が非常に高い。この場合にも、ポンプ１５の回転数を下げて流量Ｑを減少させたり、予熱部１６により予熱温度を上げて、ジュール加熱ユニット１０の入口温度を高めたりすることにより、安全値Ｓvを適正範囲に下げることができる。

【0050】

図１０は既に組み立てられたジュール加熱ユニット１０を用いて、その使用者が特定の物性の被加熱物を加熱処理する場合における安全値Ｓvの利用方法を示している。この場合には、ジュール加熱ユニット１０のシステム要素と物性値とを変更することができないので、処理条件のみを変更して安全値Ｓvを再計算している。ただし、ジュール加熱ユニット１０を構成する加熱管１１の本数を予め増加させておき、加熱不要の加熱管１１については電力を供給しないようにダミーとしておけば、安全値を調整するために、ジュール加熱ユニット１０の本数Ｎを増加させることもできる。例えば、図１に示されるように、加熱管１１の本数Ｎが４本のジュール加熱ユニット１０において、３つの加熱管１１のみに電力を供給して残りの１つの加熱管１１をダミーつまり休止させた場合として、本数Ｎを３として演算した安全値が「110」以上となっていた場合には、Ｎを４として再度演算するようにできる。

【0051】

また、図４に示される制御部３１のメモリに、図６に示した初期補正値Ｋ1のデータと、図７に示した最終補正値Ｋ2のデータとを格納し、上述した式[3]に基づいて制御部３１により安全値Ｓvを演算するようにしても良い。その場合には、安全値Ｓvが「110」未満であれば、そのまま被加熱物Ｗの加熱処理を行うことができる。ただし、図５に示した安全値計算装置４０により安全値を求めるようにしても良い。求めた安全値が「110」未満であれば、そのときの処理条件等を制御装置３０の操作盤３２により入力して、ジュール加熱ユニット１０を稼働させるようにしても良い。

【0052】

使用者からの仕様に基づいて、ジュール加熱ユニット１０を設計製造する際には、被加熱物Ｗの物性と、被加熱物の処理条件とに基づいて、ジュール加熱ユニット１０を構成するシステム要素が設定される。設定されたシステム要素と、使用者から求められた物性値と処理条件とを、安全値計算装置４０により安全値Ｓvを演算すると、安全値Ｓvが表示部４３に表示される。この安全値Ｓvが「113」以上とならないように、好ましくは、「110」未満となるようにしたジュール加熱ユニット１０を製造する。この安全値Ｓvが得られるシステム要素を備えたジュール加熱ユニット１０は、確認のために被加熱物を加熱処理するだけで、システム要素の変更作業を行うことが不要であった。このように、製造段階でも安全値Ｓvを利用することにより、加熱不良を起こさない最適なジュール加熱ユニット１０を短時間に製造することができた。

【0053】

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、システム要素、物性値、処理条件のそれぞれについては、上述した要素等に限られることなく、さらにシステム要素、物性値、処理条件を付加するようにしても良い。また、要素等が付加されることにより、適正な加熱処理を行うことができる安全値が変更されても、安全値に基づいて、加熱不良を起こすことなく、安全に加熱することができるか否かを判定することができる。

【符号の説明】

【0054】

１０ ジュール加熱ユニット
１１ 加熱管
１５ ポンプ
１６ 予熱部
２１ 電極
２２ 円筒部材
２３ 継手
２４ 継手
２５ 電源ユニット
２６ 撹拌部材
２７ 撹拌軸
３０ 制御装置
３１ 制御部
３２ 操作盤
４０ 安全値計算装置
４１ 安全値演算部
４２ 入力部
４３ 表示部
４４ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】