(57)【要約】      （修正有）【課題】熱効率が高く、要する製作費および保守費用が少ない流体摩擦を用いた温水器を提供する。【解決手段】内部に流体を循環させる発熱室を形成し流入部および流出部を有するハウジングと、該ハウジングを貫通する駆動軸と、該駆動軸に軸受部を介して回転可能に軸支された流入側ローター６ａ及び流出側ローター６ｂとで構成する。該ローターを円盤状の固定板６６と、該固定板６６の外周域に複数のせん断孔６１を有するリング状のツバ部６５から構成し、ツバ部６５の内周から外周に向けて放射状に複数のスリット６２を設ける。【選択図】図７
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入部および流出部を有するハウジングと、該ハウジング内に回転可能に軸支されたローターとからなり、該ローターの回転により前記流体がせん断されて発熱する流体摩擦を用いた温水器において、
前記ローターは、円盤状の固定板部とその外周域に段違いに延設されたリング状のツバ部とからなり、該ツバ部は円周上に複数のせん断孔が設けられ、かつ内周から外周に向けて複数の放射状のスリットが設けられていることを特徴とする流体摩擦を用いた温水器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、温泉施設や農業施設に使用される業務用温水器に関するものであり、特に流体がせん断される際に発する熱を利用した温水器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、業務用の温水器として化石燃料を用いたボイラー式の温水器が使用されているが、近年ではＣＯ２排出などの環境に対する配慮から、化石燃料を用いない温水器が嘱望されている。例えば太陽熱温水器や、外気の熱を熱交換器で高温にするヒートポンプなどがある。これらは家庭用の温水器としては普及してきたが、温泉施設や農業施設などの大量の温水を必要とする業務用の場合、これらの装置では設置時の費用や設備維持にかかるコストが高くなるという問題がある。
【０００３】
そこで、化石燃料を用いず低コストな業務用の温水器として、例えば筒体内壁が有する軸方向の溝と、回転子外壁が有する軸方向の溝との間隙で、水が分裂して熱エネルギーを発生させる加熱器（特許文献1参照）や表面に多数の凹凸が形成された円筒体のローターを回転させ、流体とローターとの流体摩擦で熱を発生する流体加熱装置（特許文献２参照）がある。さらに、粘性流体の摩擦抵抗による発熱、いわゆるニュートン流体の原理を用いた装置としては、自動車に用いられる熱媒体用流体加熱ヒーター（特許文献気３参照）が先に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３９４９４号公報
【特許文献２】特開平７−４９１５２号公報
【特許文献３】特開２０００−１９９４２９号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらを温泉施設や農業施設用として実用化した際には、熱効率が低い問題があった。また、外部モーターの回転出力を上昇させることで発熱能力を高めることはできるが、回転出力が上昇すれば機器の劣化が著しくなる。つまりは連続運転により部品が加熱して劣化しやすく、それを防ぐ手段を講じると機器のコスト増を招くという問題があった。
【０００６】
さらに、粘性流体がローターの回転に伴ってせん断されて発熱する装置では、粘性流体に粘度の高いシリコンオイルを用いることで発熱効率を高めている。しかしながら、シリコンオイルが漏洩した場合、周辺環境を汚染するおそれがある。
【０００７】
本考案は、上記の問題点に鑑みなされたもので、熱効率が高く、周辺環境を汚染しない流体摩擦を用いた温水器を提供することを目的とする。さらに詳しくは、熱効率を高くするローターの形状を提供し、化石燃料やシリコンオイルなどを用いることなく水などを発熱させることを目的とする。
【０００８】
このため本考案の流体摩擦を用いた温水器は、流体の流入部および流出部を有するハウジングと、該ハウジング内に回転可能に軸支されたローターとからなり、該ローターの回転により前記流体がせん断されて発熱する流体摩擦を用いた温水器において、前記ローターは円盤状の固定板部とその外周域に段違いに延設されたリング状のツバ部とからなり、該ツバ部は円周上に複数のせん断孔が設けられ、かつ内周から外周に向けて複数の放射状のスリットが設けられていることを特徴とする。
【考案の効果】
【０００９】
本考案の流体摩擦を用いた温水器は、ローターのリング状のツバ部に複数のせん断孔と複数の放射状のスリットを設けたことで、せん断孔を通る流体とスリットを通る流体をせん断することができる。これにより流体をせん断する回数を増すと共に、せん断孔とスリット内部における流体との接触面積を増し、面と流体との間に働く摩擦力を強めることができる。また複数のせん断孔をローターの外周域に設けたことで、ローターの回転トルクが高い外周域で流体をせん断することができ、極めて効果的に流体にせん断力を与え、発熱効率を高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本考案に係る温水器の実施例を示す斜視図である。
【図２】本考案に係る温水器の実施例を示す側面図である。
【図３】本考案に係る温水器の内部構成を示す縦断面図である。
【図４】本考案に係る温水器の内部構成を示す分解斜視図である。
【図５】本考案に係るフランジ蓋を示す断面斜視図である。
【図６】本考案に係る駆動軸と軸受部を示す（ａ）は取付前の断面斜視図、（ｂ）は取付後の断面斜視図である。
【図７】本考案に係るローターを示す（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】本考案の使用例を示す配管フローシート図である。
【考案を実施するための形態】
【００１１】
以下、本考案を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。図１は本考案である流体摩擦を用いた温水器の実施例を示す斜視図であり、図２は図１の側面図であり、図３は図１の内部構成を説明する縦断面図であり、図４は図１の内部構成を説明する分解斜視図である。図５は本考案の構成部材であるフランジ蓋を示す断面斜視図であり、図６は本考案の構成部材である駆動軸と軸受部を示す断面斜視図であり、図７は本考案の構成部材であるローターを示す正面図と断面図である。
【実施例】
【００１２】
図１、図２に示すように、本考案に係る温水器１は、筒状体のハウジング４と、ハウジング４の両端に形成された流入側フランジ部４ａ及び流出側フランジ部４ｂと、これらにボルト・ナットにより取り付けられる流入側フランジ蓋５ａ及び流出側フランジ蓋５ｂと、ハウジング４と流入側フランジ蓋５ａと流出側フランジ蓋５ｂを挿通する駆動軸３から構成されている。駆動軸３の流入側端にはカップリング１６が設けられており、カップリング１６を介してモーター２が接続され、このモーター２の回転により駆動軸３が回転する。ハウジング４の内部には図３に示すように、この駆動軸３と係合し、駆動軸３と共に回転する流入側軸受部１１ａと流出側軸受部１１ｂが設けられている。流入側軸受部１１ａには流入側ローター６ａが、流出側軸受部１１ｂには流出側ローター６ｂがボルト・ナットにより取り付けられており、流入側ローター６ａと流出側ローター６ｂが回転することで、ハウジング４内の流体がせん断されて発熱する。本実施例でモーター２は２２ｋＷモーターを使用した。
【００１３】
次に図３ないし図７を用いて、各構成部材について説明する。なお本実施例において、各部材は、流入側と流出側が軸方向に対称の向き（反対向き）に設置されているだけで、その構造は同じであるため、主として流入側の構成について説明し、流出側については一部省略する。
【００１４】
筒状体のハウジング４は鋳鉄製であり、図３、図４に示すように一端に流入側フランジ部４ａ、他端に流出側フランジ部４ｂを有している。このフランジ部は、ボルト１８が挿通し流入側フランジ蓋５ａ及び流出側フランジ蓋５ｂを固定するための複数のボルト貫通孔４１ａを有している。これによりハウジング４は、内部に流体を循環させる発熱室１４を形成している。また、ハウジング４の流出側上部には、内側に雌ネジを形成した円筒状の空気抜き部１７が突設され、配管を介してもしくは直接空気抜弁（図示せず）を取付けられる。これによりハウジング４内の空気を抜き、ハウジング４内にキャビテーションの発生を防止することが可能である。
【００１５】
流入側フランジ蓋５ａは鋳鉄製の円盤であり、図３、図４に示すように端面の中心に突出した円柱部５３ａと、端面の中心より上側には流体の発熱室１４への流入口となる円筒状に突出した流入ノズル７ａを設けている。円柱部５３ａの外周面には流入側冷却水ノズル１０ａが設けられ、循環する流体の一部をここから通水させることでメカニカルシール１３ａを冷却する。また、図５に示すように、円柱部５３ａの内周は段違いになっており、受け溝５３１が設けられている。この受け溝５３１には流入側メカニカルシール１３ａの固定環部１３１ａが嵌め込まれる。塞ぎ板５２ａを円柱部５３ａに設けられたボルト取付穴５３２へボルトにより固定することで、固定環部１３１ａが固定される。さらに流入側フランジ蓋５ａの端面周縁には図４に示すように、複数のボルト貫通孔５１ａが設けられており、流入側フランジ蓋５ａが流入側フランジ部４ａへ固定される。
【００１６】
駆動軸３は鉄製のパイプであり、図３に示すように、ハウジング４と流入側フランジ蓋５ａと流出側フランジ蓋５ｂを貫通している。発熱室１４内には、流入側フランジ蓋５ａに対面して流入側ローター６ａが駆動軸３に流入側軸受部１１ａを介して取り付けられている。図６に示すように、駆動軸３の外周には、流入側軸受部１１ａの溝部１１２ａと係合する一対の凸部３１ａが設けられている。図４に示すように、流入側軸受部１１ａは、鋳鉄製の円盤形状で、外形が真円であり一端面の中心部が筒状に突出した円筒部１１１ａを備えている。図６に示すように、この円筒部１１１ａ内部には一対の溝部１１２ａが形成されており、駆動軸３外周上に設けられた一対の凸部３１ａと係合し、駆動軸３と共回りすることが可能とされている。流入側軸受部１１ａの外周に沿った円周上には、流入側ローター６ａを締結するための複数のボルト貫通孔１１３ａが設けられている。
【００１７】
図４、図７に示すように流入側ローター６ａは、鋳鉄製であり、図７の正面図（ａ）に示すように円盤状の固定板６６と、その外周域に段違いに延設されたリング状のツバ部６５からなり、図７の断面図（ｂ）に示すように断面視が凹状となっている。ツバ部６５は、円周上に２４個のせん断孔６１が等間隔に形成され、かつ内周から外周に向かって複数の放射状のスリット６２が設けられている。
【００１８】
図７に示すように固定板６６は、その中心に流入側軸受部１１ａの円筒部１１１ａが嵌装する貫通孔６４が形成されており、さらに貫通孔６４の外周域に複数のボルト貫通孔６３を形成している。これにより流入側ローター６ａは、ボルト・ナットにより流出側軸受部１１ａに固定され駆動軸３と共に回転可能となる。図３に示すように、フランジ蓋の面（発熱室１４側）と流入側ローター６ａの面（フランジ蓋側）との間隙ｄが微少間隔となるよう配置され、最適な間隙ｄは２ｍｍ〜５ｍｍ程度である。
【００１９】
図４に示すように、流入側ローター６ａの流入側フランジ蓋５ａ側には、流入側メカニカルシール１３ａ（Ｊｏｈｎ−Ｃｒａｎｅ社、Ｔｙｐｅ−２１００）が設けられている。この流入側メカニカルシール１３ａは駆動軸３と共に回転する回転環部１３２ａと、回転環部１３２ａの付勢により塞ぎ板５２ａへ圧接されるリング状の固定環部１３１ａからなる。回転環部１３２ａはコイルスプリングの両端にリングを備えた構造となっており、バネが熱膨張により伸長することで固定環部１３１ａをより一層圧接しシールすることができる。駆動軸３の回転により回転環部１３２ａと固定環部１３１ａは、摩擦されるため高温となる。そのため固定環部１３１ａを冷却するよう、流入側フランジ蓋５ａに流入側冷却水ノズル１０ａを、流出側フランジ蓋５ｂに流出側循環水流入ノズル１０ｂを設けて流体を循環させる。流体はメカニカルシールに発生した熱を奪い、ローターのツバ部へと流れ込み、スリットを外周側へ通水し、再びせん断作用を受けて発熱する。
【００２０】
ハウジング４下部には鉄製のアングル鋼からなる脚部９を備えており、架台等（図示せず）に載置可能としている。
【００２１】
図８に示すように本考案の温水器における流体回路は、温水器１とモーター２と循環ポンプ２０と貯湯タンク２１とこれらを接続する配管とで構成される。図中の矢印は水の流れを示す。循環ポンプ２０から吐出された流体は配管３１を通り、温水器１の流入ノズル７ａからハウジング４へと入りハウジング４内で発熱される。発熱した流体は流出ノズル７ｂから配管３２を通り、貯湯タンク２１へと送水される。貯湯タンク２１内の流体は、配管３３を介して循環ポンプ２０へ吸い込まれ、再び温水器１へと送水される。また、配管３１から分岐した冷却配管３４が、流入側冷却水ノズル１０ａと流出側冷却水ノズル１０ｂへと接続される。前述したように流入側冷却水ノズル１０ａは流入側軸受部１１ａに、流出側冷却水ノズル１０ｂは流出側軸受部１１ｂに近接しているため、冷却配管３４を通る流体は、駆動軸３周囲の摩擦熱を奪い発熱室１４を経て循環する。このような循環回路を形成することで、本考案の温水器１は、流体の温度が所定の温度に達するまでモーター２の回転エネルギーを水に与える。
【００２２】
以下、本考案による温水器の運転結果を表１に示す。温水器に１．０ｔｏｎの水を貯めた貯湯タンクを接続し、外気温１８℃の屋外にて１時間運転した。流入ノズル近傍の流体の温度と、流出ノズル近傍の流体の温度を１０分間隔で測定した。
【表１】
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【００２３】
尚、本考案の流体摩擦を用いた温水器は、上記した実施の形態に限定されるものではない。例えばハウジングの形状は、三角柱、四角柱でも良いし、フランジ部を設けずにねじ込み式でフランジ蓋を固定しても良い。さらに駆動軸は角柱状でもよく、外部動力によって回転可能とする形状の軸であれば良い。また材料は鋳鉄や鉄以外に、ステンレスやチタン合金等でも良く、限定するものではない。さらにまたメカニカルシールは、シール性・耐用性から選んでいるため、代替えされる市販品であれば別製品を用いても良い。このように本考案の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２４】
１        温水器
２        モーター
３        駆動軸
３１ａ    凸部
４        ハウジング
４ａ      流入側フランジ部
４ｂ      流出側フランジ部
４１ａ    ボルト貫通孔
５ａ      流入側フランジ蓋
５ｂ      流出側フランジ蓋
５１ａ    ボルト貫通孔
５２ａ    塞ぎ板
５３ａ    円柱部
５３１    受け溝
５３２    ボルト取付穴
６ａ      流入側ローター
６ｂ      流出側ローター
６１      せん断孔
６２      スリット
６３      ボルト貫通孔
６４      貫通孔
６５      ツバ部
６６      固定板
７ａ      流入ノズル
７ｂ      流出ノズル
９        脚部
１０ａ      流入側冷却水ノズル
１０ｂ      流出側冷却水ノズル
１１ａ      流入側軸受部
１１ｂ      流出側軸受部
１１１ａ    円筒部
１１２ａ    溝部
１１３ａ    ボルト貫通孔
１３ａ      流入側メカニカルシール
１３１ａ    固定環部
１３２ａ    回転環部
１３ｂ      流出側メカニカルシール
１３１ｂ    固定環部
１３２ｂ    回転環部
１４        発熱室
１６        カップリング
１７        空気抜き部
１８        ボルト
２０        循環ポンプ
２１        貯湯タンク
ｄ        間隙
３１        配管
３４        冷却配管
【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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【図８】
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