(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端を開口させた中空管と、当該中空管の外周に設けられた伝熱手段とを設け、中空管の第一の端部から注入された液体を伝熱手段で加熱して他端側である第二の端部から水蒸気として排出する瞬間加熱装置において、
前記第一の端部から注入した液体を毛細管現象によって上昇させる狭小部と、
当該狭小部の上端から第二の端部側へ向けて漸次内径を大きくしたテーパー部とを備え、
前記伝熱手段を、当該テーパー部から上方に設けるようにしたことを特徴とする瞬間加熱装置。
【請求項２】
前記中空管が、軸方向と垂直な断面に凹凸部を有してなるものである請求項１に記載の瞬間加熱装置。
【請求項３】
前記外周に伝熱手段を設けた中空管に対し、前記狭小部とテーパー部を有し、外周に伝熱手段を設けていない中空管を隣接して設けた請求項１に記載の瞬間加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を瞬間的に蒸発させることのできる瞬間加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水を瞬間的に蒸発させて使用する装置が様々な分野で使用されている。例えば、家庭用調理器具に関する分野では、加熱させた水蒸気を食品に噴射して調理できるようにしたスチームオーブンが使用されており、また、殺菌・洗浄に関する分野では、高温の水蒸気を高圧噴射して対象物を殺菌・洗浄できるようにしたスチームクリーナー、さらには、工業用品の分野においては、蒸気の圧力を利用してタービンなどを駆動できるようにした駆動装置などが使用されておいる。
【０００３】
このような装置は、一般的に、導水通路に水を注入し、その水が導水通路を流通する途中で加熱コイルなどを用いて加熱させるようにしたものであり、その導水通路の出口から高圧の水蒸気を噴出させるようにしたものである。
【０００４】
ところで、このように導水通路内で水を水蒸気にする場合、その水が約１５００倍〜２０００倍にまで膨張し、その膨張圧力によって導水通路内の水が逆に押し戻されてしまう。そこで、この膨張による逆流を防止して効率よく水を加熱できるようにした装置も提案されている。
【０００５】
例えば、下記の特許文献１には、水の逆流を防止する瞬間加熱装置として、図７に示すように、内径を約７〜８ｍｍ程度に設定した中空管６１と、その中空管６１の内側に挿入される螺旋状のフィンを備えた挿入体と、その中空管の外周部に巻き付けられる加熱コイルとを備えてなる装置であって、その螺旋状のフィンのピッチを徐々に長くしていくことによって、一方側から注入された水が伝熱コイル６４で加熱される際に、水の膨張によって逆流しないようにした装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４５７６９５号号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に記載されるような装置では次のような問題を有する。すなわち、このような中空管６１は、内径が７〜８ｍｍ程度であるため、中空管６１の内壁に接する部分では瞬時的に加熱されるものの、それよりも内側の中心部分では壁面との距離が遠いために加熱が遅れる。このため、全体が沸点に達するまで１００℃以上の水蒸気にならず、効率よく水を高温の水蒸気にすることができない。また、この中心部分での加熱を迅速に行えるようにするために、中空管６１の内径を小さくしようとすると、フィン６２を有する挿入体６３を挿入することができなくなり、膨張による逆流を防止することができなくなる。さらには、螺旋状のフィン６２を挿入した状態では、水蒸気を噴出させる際に、管の軸方向に沿った水蒸気の噴出速度が小さくなり、スチームオーブンやスチームクリーナーなどように、噴出速度が要求される分野では使用することができなくなるといった問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決するために、瞬間的に水を加熱することができ、また、加熱時における膨張による逆流を防止できるようにした瞬間加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の瞬間加熱装置は、上記課題を解決するために、両端を開口させた中空管と、当該中空管の外周に設けられた伝熱手段とを設け、中空管の第一の端部から注入された液体を伝熱手段で加熱して他端側である第二の端部から水蒸気として排出する瞬間加熱装置において、前記第一の端部から注入した液体を毛細管現象によって上昇させる狭小部と、当該狭小部の上端から第二の端部側へ向けて漸次内径を大きくしたテーパー部とを備え、前記伝熱手段を、当該テーパー部から上方に設けるようにしたものである。
【００１０】
このようにすれば、毛細管現象によって上昇した液体をテーパー部で拡げて加熱させることができるため、管の中央部分に存在する面積を小さくして周辺部分から瞬間的に液体を加熱させることができる。しかも、一端側が毛細管と非常に細く、他端側がテーパー部で広がっているため、加熱膨張された場合であっても、液体の逆流を防止することができるようになる。
【００１１】
また、このような発明において、好ましくは、中空管として、軸方向と垂直な断面に凹凸部を有するものを用いる。
【００１２】
このように凹凸部を設ければ、中空管の内壁と液体との接触面積を大きくすることができ、より効率的に壁面から加熱させることができる。
【００１３】
さらに、このような外周に伝熱手段を設けた中空管に対し、同様に、狭小部とテーパー部を有する中空管であって、外周に伝熱手段を有しない中空管を隣接して設けるようにする。
【００１４】
このようにすれば、隣接して設けられた中空管の伝熱手段から熱を受け取ることができ、すべての中空管に伝熱手段を設けなくても水を加熱させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、毛細管現象によって上昇した液体をテーパー部で広げて加熱させることができるので、管の中央部分に存在する面積を小さくして周辺部分から瞬間的に液体を加熱させることができるようになる。しかも、一端側が毛細管と非常に細く、他端側がテーパー部で広がっているため、加熱膨張された場合であっても、液体の逆流を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態を示す中空管の断面を示す図
【図２】図１における断面図
【図３】同実施の形態における内壁と液体の状態を示す図
【図４】同形態における中空管を取り付けた瞬間加熱装置の概略図
【図５】同形態における中空管の配置を示す図
【図６】同形態における中空管の配置を示す図
【図７】従来例における瞬間加熱装置を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。この実施の形態における瞬間加熱装置１は、全体概略図である図４に示すように、水５１を貯留することのできるボックス状の貯留部２と、この貯留部２の上部に取り付けられるボックス状の加熱部３とを有してなるものであって、加熱部３の内部に複数の中空管４を設け、その中空管４の第一の端部４１を貯留部２の水５１に接触させて毛細管現象で水５１を吸い上げるようにしたものである。そして、その毛細管現象で吸い上げられた水５１をテーパー部４５（図１や図３参照）で広げ、その周囲に設けられた伝熱コイル４６を設け、吸い上げられた水５１を加熱して第二の端部４２から水蒸気５２として排出できるようにしている。以下、本実施の形態における瞬間加熱装置１について詳細に説明する。
【００１８】
まず、この貯留部２は、図４に示されるように、外部に接続された水５１道管から水５１を注入して、その水５１を一定量貯めることができるようにしたものであって、傾斜や転倒した場合であっても水５１を外部に排出しないような密閉状態にしている。この貯留部２には、中空管４の下端である第一の端部４１を水５１に接触させており、水蒸気５２として水５１を排出した場合には、その排出した分の水を供給する。この水の供給を行う場合には、貯留部２内に水５１位センサや圧力センサを設けておき、水５１位が基準値を下回った場合や貯留部２内の圧力が下がった場合に、新たに水５１を注入して常に第一の端部４１を水５１に接触させるようにする。
【００１９】
この貯留部２の上方に取り付けられる加熱部３は、図４に示すように、外周に伝熱コイル４６を巻き付けた中空管４（以下、有コイル中空管４ａと称する）や、伝熱コイル４６を巻き付けていない中空管４（以下、無コイル中空管４ｂと称する）をそれぞれ密着させて複数設けており、中空管４の第一の端部４１から水５１を汲み上げて、他端側である第二の端部４２から水蒸気５２を噴出させるようにしている。これらの中空管４をそれぞれ密着させる場合、無コイル中空管４ｂの周囲に有コイル中空管４ａのみを配置し、無コイル中空管４ｂと無コイル中空管４ｂを隣接させないようにしている。このような配列方法として、図５に示すように、第一列に有コイル中空管４ａのみを配列し、第二列には、有コイル中空管４ａと無コイル中空管４ｂを交互に配列する。そして、この第一列と第二列を交互に繰り返すことによって無コイル中空管４ｂの周囲８本を有コイル中空管４ａとし、その有コイル中空管４ａから熱を受け取れるようにする。なお、このとき、無コイル中空管４ｂに対して斜め対角方向となる伝熱コイル４６との隙間が空くことになるため、図６に示すように配列してもよい。この図６の配列は、第一列に有コイル中空管４ａのみを設けるとともに、第二列に有コイル中空管４ａと無コイル中空管４ｂを交互に配列し、これを第一列の谷間にそれぞれ配置するようにしている。そして、同様に第一列と第二列を交互に繰り返すことによって、有コイル中空管４ａの伝熱コイルをほぼ密着させ、その熱によって水５１を水蒸気５２に変化させるようにする。
【００２０】
これらの各中空管４の構造を、図１や図３を用いて詳述すると、この中空管４における下端側である第一の端部４１は、反対側の第二の端部４２よりも内径を小さくしており、その第一の端部４１から毛細管現象によって水５１を汲み上げることができるようにしている。このような内径としては、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定する。そして、この第一の端部４１から水５１を汲み上げる場合、その第一の端部４１から連続する内径の小さな狭小部４３を設けるとともに、さらに、その毛細管現象の効率を上げるために、狭小部４３の内壁部分に図２（ａ）に示すような凹凸４４を設け、これによって水５１を高く上昇させるようにする。この凹凸４４については、軸方向と垂直な断面に凹部や凸部を交互に形成するように設けてもよく、あるいは、図２（ｂ）に示すように、軸方向に沿った細いフィン４４ａなどを設けるようにしてもよい。
【００２１】
この第一の端部４１や狭小部４３の内径は、中空管４を鉛直に起立させた場合に、少なくともその狭小部４３の上端であるテーパー部４５まで水５１を上げることができるような寸法に設定されている。この水５１の上昇高さについては、内壁に凹凸４４が設けられていないと仮定した場合、次の関係を有している。
【００２２】
＜数１＞
ｈ＝２Ｔcosθ／ｒｇρ
ｈ：液体が上昇する高さ
Ｔ：表面張力
ｒ：第一の端部４１および狭小部４３の内側半径
ｇ：重力加速度
ρ：液体の密度
【００２３】
すなわち、この液体の上昇高さについては、海抜０ｍの位置でガラス管を用いた場合、次のようになる。
ガラス管の内径（２ｒ）＝０．１ｍｍ    ｈ＝約２８ｃｍ
ガラス管の内径（２ｒ）＝０．２ｍｍ    ｈ＝約１４ｃｍ
ガラス管の内径（２ｒ）＝０．３ｍｍ    ｈ＝約９ｃｍ
【００２４】
これらの値は、狭小部４３に凹凸４４を有していない場合の値であり、狭小部４３に凹凸４４を設けている場合は、ｒの値が小さくなるため、水はさらに高く上昇することになる。
【００２５】
この狭小部４３の上端に設けられるテーパー部４５は、上方に向けて内径を漸次大きくするように設定されるものであって、水５１の膨張による水蒸気５２の流れを第二の端部４２側へ導くとともに、狭小部４３から汲み上げられた水５１と内壁との接触面積を大きくし、図３の右拡大図に示すように、壁面と接触する部分から瞬間的に水５１を水蒸気５２に変化させられるようにしている。すなわち、このテーパー部４５を設けていないと（すなわち、内径がすべて同一であると）、表面張力が働く内壁と接触部分のみが加熱され、水蒸気５２へと変化する水５１の量が少なくなる。そこで、表面張力の働く部分の面積を大きくすることによって、より多くの水５１を水蒸気５２に変えられるようにしている。このテーパー部４５については、狭小部４３と同様に、内壁に狭小部４３から連続する凹凸４４を設けており、この凹凸４４によっても表面張力の働く面積をより大きくする。このようにテーパー部４５側にも凹凸４４を設けると、表面張力で壁面側へ立ち上がる部分を多くすることができ、これによって、その部分からの蒸発を促進させることができる。
【００２６】
このような中空管４を形成する場合、次のような方法で形成する。ここでは、加熱時における絶縁性や耐熱性、熱膨張変化などを考慮してセラミックで中空管４を形成する場合について説明する。
【００２７】
まず、セラミック製の中空管４を形成する場合、セラミック粉を円筒状の型に入れるとともに、その中心軸に沿って図示しない針状部材を取り付ける。この針状部材は、中空管４の中心軸に狭小部４３や凹凸４４やテーパー部４５を形成する針状に構成されるものであり、これを中心軸に挿入した状態で加圧できるようにしている。そして、この針状部材を入れた状態で型全体を加圧した後、その型から針状部材を取り出すとともに、円筒状の型からセラミック原料を取り出し、炉内で高温に加熱する。すると、この加熱によってセラミック粉が融解し、セラミック固体となって全体が収縮する。これにより、内径の小さな中空管４を形成する。次に、このように中空管４を形成した後、外周部を研磨もしくは研削することによって肉厚を薄くし、外形寸法が約０．５ｍｍ、内径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの中空管４を形成する。
【００２８】
このように形成された中空管４には、伝熱コイル４６が巻き付けられる。この伝熱コイル４６は、電流を流すことによって中空管４の外周部分から熱を供給できるようにしたものであって、図１や図３に示すように、狭小部４３を除く部分であるテーパー部４５より上方に設けられる。これによって、テーパー部４５で広がった水５１を瞬間的に蒸発させるとともに、そのテーパー部４５の近傍で気化した水蒸気５２を第二の端部４２側へ噴出させる。なお、伝熱コイル４６で中空管４を加熱すると、熱膨張によって中空管４の内径が拡大してしまうが、テーパー部４５よりも上方に伝熱コイルを巻き付けているため、狭小部４３の内径が広がってしまうことがなくなる。これにより、毛細管現象による水５１の上昇高さを確保することができる。なお、この実施の形態では、伝熱コイル４６を設けて外周部から加熱しているが、伝熱コイル４６である必要はなく、他の発熱体によって中空管４を加熱するようにしてもよい。また、この伝熱コイル４６を巻き付ける場合、複数の中空管４に並列もしくは直列で導線を接続するが、好適には、直列で伝熱コイル４６を接続し、これによって導線接続本数を少なくして小型化を図るようにする。
【００２９】
この伝熱コイル４６を巻き付けた複数の中空管４や、伝熱コイル４６を巻き付けていない複数の中空管４は、ボックス状の過熱部内に設けられ、その状態でボックス内に不活性ガスを封入するようにしている。このように不活性ガスを封入することによって、伝熱コイルが高温に加熱された場合であっても、伝熱コイル４６が破断してしまうことを防止し、長時間にわたって瞬間加熱装置１を使用させられるようにする。
【００３０】
次に、このように構成された瞬間加熱装置１を用いて水５１を水蒸気５２として高温噴射させる場合の作用について説明する。
【００３１】
まず、加熱対象である液体として水５１を用いる場合、その水５１を貯留部２に供給し、中空管４の第一の端部４１が水５１に接触させるようにする。そして、このように第一の端部４１が水５１に接触させた後、一定の水５１位や圧力になることによって水５１の供給を停止する。
【００３２】
このように第一の端部４１を水５１に接触させると、第一の端部４１から水５１が中空管４の内部に浸入し、狭小部４３による毛細管現象によって上昇していく。この上昇した水５１は、ほぼテーパー部４５の内壁近傍で停止し、そこで内壁の凹凸４４に沿って表面張力で水５１面を立ち上がらせる。
【００３３】
このような状態で伝熱コイル４６に電流を流すと、中空管４の外周部を介してテーパー部４５よりも上方部分が加熱され、テーパー部４５の内壁で立ち上がった水５１面から瞬間的に蒸発していく。この蒸発した水蒸気５２は、テーパー部４５から上方に向けて噴出され、第二の端部４２から外部に噴出される。
【００３４】
一方、伝熱コイル４６を有していない中空管４については、隣接する中空管４の伝熱コイル４６から熱を受け取り、同様に、テーパー部４５で水５１を蒸発させ、第二の端部４２から外部に水蒸気５２を噴出させていく。
【００３５】
このように水５１を吸い上げて水蒸気５２として噴射させると、貯留部２内の水５１が減っていくことになるが、水５１位センサや圧力センサが一定の値を示すように順次水を供給し、以下同様に、毛細管現象による水５１の吸い上げと加熱・蒸発を行わせるようにする。
【００３６】
このように上記実施の形態によれば、第一の端部４１から注入した液体を毛細管現象によって上昇させる狭小部４３と、その狭小部４３の上端から第二の端部４２側へ向けて漸次内径を大きくしたテーパー部４５とを備え、伝熱コイル４６を、テーパー部４５から上方に設けるようにしたので、中空管４の中央部分に存在する面積を小さくして周辺部分から瞬間的に液体を蒸発させることができる。しかも、一端側が毛細管と非常に細く、他端側がテーパー部４５と広がっているため、加熱膨張された水蒸気によって、液体の逆流を防止することができるようになる。
【００３７】
また、中空管４における狭小部４３やテーパー部４５に、軸方向と垂直な断面に凹凸４４部を設けるようにしたので、中空管４の内壁と液体との接触面積を大きくすることができ、より効率的に壁面から蒸発させることができる。
【００３８】
さらには、外周に伝熱コイル４６を有する中空管４に隣接して伝熱コイル４６を有していない中空管４を設けるようにしたので、他の伝熱コイル４６から熱を受け取ることができ、すべての中空管４に伝熱手段を設けなくても中空管４から水蒸気５２を生成することができるようになる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００４０】
例えば、上記実施の形態では、蒸発の対象物として水５１を使用したが、水５１に限らず、どのような液体であってもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態では、毛細管現象を利用して水５１を上昇させるようにしているが、毛細管現象を利用できるような内径であれば、瞬間加熱装置１を上下逆に使用した場合であっても水５１が中空管４から滴り落ちるようなことがなく、いずれの方向で使用してもよい。
【００４２】
さらに、上記実施の形態では、中空管４としてセラミックパイプを用いるようにしたが、セラミックパイプである必要はなく、耐熱性、絶縁性、耐久性などの条件を満たすような素材であればどのような素材であってもよい。
【００４３】
加えて、上記実施の形態では、水５１を加熱して水蒸気５２として噴出する場合について説明したが、水蒸気５２である必要はなく、高温の液体として使用する場合にも適用することができる。
【００４４】
また、上記実施の形態では、伝熱コイル４６をテーパー部４５よりも上方に設けるようにしているが、ここで上方とは、狭小部４３内の水５１を逆流させないような位置をいい、テーパー部４５とオーバーラップするような位置であってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・瞬間加熱装置
２・・・貯留部
３・・・加熱部
４・・・中空管
４１・・・第一の端部
４２・・・第二の端部
４３・・・狭小部
４４・・・凹凸
４５・・・テーパー部
４６・・・伝熱コイル
５１・・・水
５２・・・水蒸気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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