(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱流体が連続的に流れる流路を内部に備えた流路ユニットと、前記被加熱流体を加熱すべく前記流路内に収容された、ステンレス線を電気絶縁材で被覆してなる被覆発熱線と、前記被覆発熱線を一定のピッチで螺旋状に巻き付ける櫛歯が長手方向に形成され且つ前記長手方向に垂直な断面形状が十字形状の櫛歯状部材とを有する流体加温器であって、前記被覆発熱線の接液面の面積が前記流路の接液面の面積よりも大きくなるように前記被覆発熱線は前記櫛歯の奥側に巻き付けられた往側と前記櫛歯の外側に巻き付けられた復側とによって前記流路内を一往復しており、これら往側と復側とを互いに離間させるスペーサーが前記櫛歯に嵌挿されている流体加熱器。
【請求項２】
前記電気絶縁材の材料及び前記流路ユニットの材料が共にフッ素樹脂からなる、請求項１に記載の流体加熱器。
【請求項３】
前記被覆発熱線を被覆している電気絶縁材の厚みが０.２ｍｍ以上１.０ｍｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の流体加熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗発熱体を用いて流体を加熱する流体加熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス流体や洗浄液などの流体を所定の温度まで加熱する技術は、化学プラントや食品工場等の工業用途に留まらず、商業施設等に設置されたハンドドライヤーや一般家庭に於ける温水洗浄便座に至る様々な分野で広く適用されている。かかる流体の加熱では、被加熱流体である低温側の流体を蒸気や熱媒体などの高温側の流体と熱交換する方式が用いられることが多いが、高温側の流体が経済性等の理由で利用できない場合は、被加熱流体を所望の温度まで比較的すばやく加熱することが可能な抵抗発熱体による加熱方式を採用することがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、セラミック製のシートの片面に抵抗発熱体となる高融点金属を印刷法により塗布し、これをセラミック製のパイプ材の外周面に抵抗発熱体が内側となるように巻きつけた後、接着及び焼成により一体化させたセラミックヒータが開示されている。また、特許文献２には、片方の面が接液面となる平面状のセラミックス基板のもう片方の面に抵抗発熱体を設け、更にその上に絶縁層を覆うことで形成された流体加熱用のセラミックヒータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８３３７１公報
【特許文献２】特開２００２−１５１２３６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
昨今の環境保全や省電力に対する関心の高まりから、抵抗発熱体を用いた流体加熱器には消費電力が小さく効率よく流体を加熱できるものが求められている。しかしながら、上記した特許文献１に示す構造では、抵抗発熱体を覆うシートの材質が該シートが巻き付けられているパイプ状部材の材質と同じであるため、これらに挟まれている抵抗発熱体で発生した熱をパイプ状部材の内側を流れる流体に効率よく伝えることができなかった。また、特許文献２に示す構造では、温度変化が繰り返されるうちにセラミックス基板と絶縁層とのわずかな熱膨張係数差によりこれらの接着界面にクラックが生じやすく、信頼性を損なうことがあった。
【０００６】
本発明はかかる従来の流体加熱器が有する問題点に鑑みてなされたものであり、熱効率が高く信頼性に優れた流体加熱器を提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明が提供する流体加熱器は、被加熱流体が連続的に流れる流路を内部に備えた流路ユニットと、前記被加熱流体を加熱すべく前記流路内に収容された、発熱素線を電気絶縁材で被覆してなる被覆発熱線とを有する流体加温器であって、前記被覆発熱線の接液面の面積が前記流路の接液面の面積よりも大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来の流体加熱器に比べて熱効率が高く信頼性に優れた流体加熱器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の流体加熱器の一具体例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の流体加熱器が有する線状発熱体が巻き付けられる櫛歯状部材の一具体例を示す斜視図である。
【図３】図２の櫛歯状部材を構成する板状部材を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の実施形態の流体加熱器は、被加熱流体が連続的に流れる流路を内部に備えた流路ユニットと、前記被加熱流体を加熱すべく前記流路内に収容された、発熱素線を電気絶縁材で被覆してなる被覆発熱線とを有する流体加温器であって、前記被覆発熱線の接液面の面積が前記流路の接液面の面積よりも大きいことを特徴としている。かかる構成により、被加熱流体から流路の接液面を介して流路ユニットの外に逃げる熱量に比べ、被覆発熱線から被加熱流体に供給される熱量を大幅に多くすることができるため、熱効率のよい流体加熱器を提供することができる。また、被覆発熱線の単位面積当たりの発熱量を適度に下げることができるのでオーバーヒートによる破損を防ぐことができる。
【００１１】
上記した本発明の実施形態の流体加熱器においては、前記電気絶縁材の材料及び前記流路ユニットの材料が共にフッ素樹脂からなることが好ましい。これにより腐食性を有する被加熱流体に対しても優れた耐腐食性の効果が得られる。また、上記した本発明の実施形態の流体加熱器においては、前記被覆発熱線を被覆している電気絶縁材の厚みが０.２ｍｍ以上１.０ｍｍ以下であるのが好ましい。これにより、安定した絶縁性と熱効率を両立することができる。また、上記した本発明の実施形態の流体加熱器においては、前記発熱素線がステンレスからなるのが好ましい。これにより、設備コストや運転コストをあまりかけることなく良好に被加熱流体を加熱することが可能になる。
【００１２】
次に、図１を参照しながら本発明の流体加熱器の一具体例について具体的に説明する。図１に示す本発明の一具体例の流体加熱器１は、被加熱流体が連続的に流れる直線状の１本の流路１１を内部に備えた略直方体形状の流路ユニット１０と、被加熱流体を加熱すべく該流路１１内に収容された、発熱素線を電気絶縁材で被覆してなる被覆発熱線２０とからなる。この流路ユニット１０は、その流路延在方向の両端部に流路１１に連通する供給口１２及び排出口１３をそれぞれ有している。被覆発熱線２０の両端部は流路ユニット１０の壁面を貫通して外部に延出しており、ここに図示しない電源が接続している。
【００１３】
かかる構成により、流路ユニット１０内に供給口１２を介して連続的に導入された流体は、流路ユニット１０内の流路１１を一端部から他端部に向かって好ましくは乱流状態で流れ、その間に流路１１内に収容されている被覆発熱線２０で加熱される。被覆発熱線２０による昇温を終えて流路１１の他端部に到達した流体は、排出口１３から連続的に排出される。なお、流路ユニット内に設けられる流路の本数は上記した１本に限定されるものではなく、複数本であってもよい。流路が複数本設けられる場合は、それら複数の流路は並行に連通されてもよいし、直列に連通されてもよい。
【００１４】
本発明の一具体例の流体加熱器１においては、流路ユニット１０内に形成した流路１１の接液面の面積よりも、この内部に収容されている被覆発熱線２０の接液面の面積が大きいことを特徴としている。これにより、流路１１内を流れる被加熱流体から流路１１の接液面を介して流路ユニットの外に逃げる熱に比べ、被覆発熱線２０から被加熱流体に多くの熱を供給することが可能になるので、適切な熱効率を有する流体加熱器１を安価に提供することが可能になる。また、被覆発熱線２０の単位面積当たりの発熱量を適度に抑えることができるのでオーバーヒートによる破損を防ぐことができる。
【００１５】
具体的に説明すると、被覆発熱線２０からの単位時間当たりの入熱量Ｑ１は、流路ユニット１０から単位時間当たり排出される被加熱流体が得た熱量Ｑ２と流路ユニット１０からの単位時間当たり熱ロスＱ０との合計に等しくなる。そして、流路ユニット１０の流路１１の接液面の面積をＡ０、被覆発熱線２０の接液面の面積をＡ１とし、流路１１の接液面と被加熱流体との温度差をΔＴ０、被覆発熱線２０の接液面と被加熱流体との温度差をΔＴ１とし、流路１１の接液面と被加熱流体との間の伝熱係数をｋ０、被覆発熱線２０の接液面と被加熱流体との間の伝熱係数をｋ１としたとき、下記の式１と式２がそれぞれ成立する。
【００１６】
［式１］
Ｑ０＝ｋ０・Ａ０・ΔＴ０
［式２］
Ｑ１＝ｋ１・Ａ１・ΔＴ１
【００１７】
ここで、流体加熱器の熱効率α（０≦α≦１）をＱ２＝α・Ｑ１と定義し、流路ユニット１０の材質と被覆発熱線２０の被覆材の材質がほぼ同等であると仮定すると、伝熱係数ｋ１と伝熱係数ｋ０とは互いにほぼ同じ値であると近似できるので、下記式３の関係式が得られる。
［式３］
（１−α）＝（Ａ０・ΔＴ０）／（Ａ１・ΔＴ１）
【００１８】
上記式３から、例えば５０℃から１００℃程度まで被加熱流体を加熱させる流体加熱器の熱効率αを０.８にすることが求められたとき、流路ユニット１０の定常状態での温度を５０℃と仮定した場合はΔＴ０＝２５℃程度になるので、流路１１の接液面の面積Ａ０よりも被覆発熱線２０の接液面の面積Ａ１の方が大きい、すなわち１＜Ａ１／Ａ０であれば、ΔＴ１を約１２５℃未満にすることができる。よって、被覆発熱線２０に高温耐熱用部材等の特殊な材料を使用する必要がなくなり、一般的な被覆材で被覆した被覆発熱線２０を使用することが可能になる。
【００１９】
上記したような流路を備えた流路ユニットは、例えば中実の円柱又は角柱部材にその軸方向に貫通する１又は複数本の流路を設けた後、供給口用や排出口用の開口部を少なくとも一方に備えた円板状又は矩形板状の２枚の蓋部で両端を封止することで作製できる。流路ユニット内に複数本の流路を設ける場合は、これら流路を上記したように直列にする場合の連通路や、並列にする場合の分岐路を上記の蓋部に設けるのが好ましい。なお、これら連通路や分岐路は、上記した中実の円柱又は角柱部材に設けた流路の端部を一部切り欠くことで形成してもよい。流路を形成する際は、その内壁面の加工粗度を粗くして内部を流れる流体が乱流になりやすくしたり、邪魔板を設けて流路を長くしたりしてもよい。これにより熱効率をより一層高めることが可能になる。
【００２０】
流路ユニット１０の材質は、例えばアクリル、フッ素樹脂等の樹脂製であるのが好ましい。これらの樹脂は汎用的でコストパフォーマンスに優れ、機械加工や溶着等の加工技術により容易に作製できる。特に、樹脂の場合は金属に比べて融点が低いため、比較的低温で溶接等の形状加工が容易に出来るという利点がある。加えて、フッ素樹脂は軽量で且つ耐環境性能に優れるという利点があり、特にテフロンに代表されるフッ素樹脂は極めて高い耐環境性を有しているので、重量制限がある場合や環境負荷が特に高い用途に好適に用いることができる。
【００２１】
上記の被覆発熱線２０に使用する金属素線の材質は、ステンレス、ニッケル−クロム、クロムを含む合金等を用いることが出来る。これらの中では、電気抵抗率が高すぎず効率よく発熱させることができるのでステンレスが好ましい。この金属素線の表面全体を略同じ肉厚で被覆する電気絶縁材には被加熱流体の種類やその使用温度域などの条件に応じて例えばビニル、ポリエチレン、ポリイミド、シリコーン、フッ素樹脂等を使用することができる。これらの中では、耐熱、耐環境性に優れたテフロン等のフッ素樹脂を用いるのが望ましい。電気絶縁材の厚みは０.２ｍｍ以上１.０ｍｍ以下が好ましい。この厚みが０.２ｍｍ未満では被加熱流体が浸透しやすくなり、絶縁の機能を果たさなくなるおそれがある。一方、この厚みが１.０ｍｍを超えると加熱速度が遅くなり、熱効率が悪くなる。
【００２２】
被覆発熱線２０は、各流路内で少なくとも一往復させることが好ましい。これにより、被覆発熱線２０の両端部を流路ユニットの一か所から外部に抜き出すことが可能になる。流路内で一往復させる場合は、図１に示すように往側若しくは復側だけを螺旋状に巻いてもよいが、往側と複側の両方を螺旋状に巻くのが好ましい。これにより流路内により高い密度で被覆発熱線２０を収容することができる。往側と複側の両方を螺旋状に巻く場合は、往側と復側とを同軸状であって且つ螺旋の巻き方向が互いに逆向きとなるように巻くのが好ましい。例えば、往側を右巻きにする場合は復側を左巻きにするのが好ましい。この様に同軸状であって且つ螺旋の巻き方向を逆にすることで、各コイルにより発生する磁場を打ち消すことができ、加熱器が周辺に及ぼす磁気の悪影響を抑えることが出来る。
【００２３】
被覆発熱線２０を螺旋状に巻く場合は、図１に示すように、螺旋状に巻いてその螺旋軸方向が流路方向に略一致するように流路内に収容するのが好ましい。また、被覆発熱線２０は、その絶縁被覆材同士が互いに接することがないピッチで螺旋状に巻くのが好ましい。これにより、流路内に被覆発熱線２０を高密度に収容することができる上、被覆発熱線２０のすべての表面を被加熱流体に接触させることができるので、極めて高い熱効率を達成することができる。更に、絶縁被覆材同士が接することで生じ得る局所的な異常過熱を防ぐことができる。
【００２４】
上記したように被覆発熱線２０を螺旋状に巻いた状態で流路内に収容する際、その絶縁被覆材同士が確実に密着しないようにするために櫛歯状部材を用いるのが好ましい。例えば図２に示す一具体例の櫛歯状部材３０は、櫛歯を有する４枚の略同形状の矩形片が櫛歯側を外側に向けて断面十字の放射状となった立体構造を有しており、この櫛歯に沿って被覆発熱線２０を巻きつけることによって所望のピッチで螺旋状に巻き付けることができる。そして、被覆発熱線２０が巻き付けられたままの状態で櫛歯状部材３０を流路に挿入することで螺旋軸の延在方向を流路の延在方向に一致させることができる。
【００２５】
図２の櫛歯状部材３０は、例えば図３に示すような櫛歯を両側面に備えた２枚の略同形状の矩形板状部材３１を組み合わせることで作製することができる。すなわち、２枚の同形状の矩形板状部材を用意し、各々長手方向に延びる両側面に櫛歯を設けると共に、長手方向の一端部から長手方向の中央部まで切り欠き部を形成し、これら切り欠き部同士を嵌め込むことによって櫛歯状部材３０を形成することができる。なお、櫛歯状部材３０の材質は、流路ユニット１０の材質と同等にするのが好ましい。
【００２６】
被覆発熱線２０を前述したように往側と複側の両方を螺旋状に巻いて流路内を一往復させる場合は、図３に示す櫛歯状部材３０の隣接する歯部３２同士の間の隙間３３の奥側に往側の発熱体を螺旋状に巻きつけ、隙間３３の外側に復側の発熱体を螺旋状に巻きつけるのが好ましい。その際、往側の発熱体と復側の発熱体とが接触しないように、櫛歯状部材３０の各歯部３２に往側の発熱体と復側の発熱体とを離間させる例えば図３の環状部材のようなスペーサー３４を嵌装するのが好ましい。また、復側の発熱体の螺旋の最外周部よりも櫛歯状部材３０の各歯部３２の先端部が外側に突出しているのが好ましい。これにより被覆発熱線２０が流路ユニット１０の壁面と接触して局所的に過熱状態になるのを防ぐことができる。
【００２７】
流路ユニット１０には温度センサーを設けてもよい。この場合、温度センサーには測温抵抗体を用いることが好ましい。測温抵抗体は、例えば測温素子部として絶縁セラミック基体の平面部に白金抵抗体を蒸着等の手段により形成し、その抵抗値を所定の値となるように調整した後、その電極パッド部にリード線をボンディング等の手段で接合することで得られる。上記の白金抵抗体及び電極パッド部は絶縁膜で被覆されていることが好ましい。かかる構成により測温素子部を小型化することができ、温度応答性を高めることが出来る。
【００２８】
以上、本発明の流体加熱器について具体例を挙げて説明したが、本発明はかかる具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。
【実施例】
【００２９】
ＰＴＦＥ製の幅５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ×長さ１００ｍｍの直方体形状の中実ブロックを準備し、そこに流路となる内径２０ｍｍの貫通孔を長手方向に延在するように４本設けた。これら４本の流路内に収容する被覆された線状発熱体として、外径０.４５ｍｍ×長さ約１０ｍのＳＵＳ３０４軟質線からなる金属素線に厚み０.５ｍｍのＰＴＦＥを被覆したものを用意した。
【００３０】
この被覆された線状発熱体を図２に示すようなＰＴＦＥ製の櫛歯状部材３０の４本に順次螺旋状に巻きつけた。その際、各櫛歯状部材３０では先ず櫛歯状部材３０の内側に右巻きで螺旋状に巻き付けた後、各歯部にＰＴＦＥ製の環状スペーサーを嵌装し、櫛歯状部材３０の外側に左巻きで螺旋状に巻き付けた。これにより、往側の発熱体と復側の発熱体とを同軸状に巻き付けることができた。また、復側の発熱体の最外周部の外側から櫛歯状部材３０の歯部の先端部分を突出させることができた。
【００３１】
このように、被覆された１本の線状発熱体が巻き付けられた４個の櫛歯状部材３０を、それらが該１本の線状発熱体で連なったまま、上記ブロックの長手方向の一方の端部を封止する矩形の蓋部に取り付けた。この蓋部と、上記ブロックのもう一方の端部を封止する矩形の蓋部にはそれぞれ供給口及び排出口となる開口部を設けた。更に、両蓋部には、これら開口部から導入／排出される流体を４本の流路に対して均等に分配／集合させる分岐路を設けた。これら２つの開口部にはＰＴＦＥ製のパイプを溶接で取り付けた。更に、一方の蓋部に引き出し線用貫通孔を設け、ここから上記１本の線状発熱体の両端部を引き出して電源に接続した。これら両蓋部をそれぞれ上記ブロックの長手方向の両端部にそれぞれ溶接した。
【００３２】
このようにして試料１の流体加熱器を作製した。この試料１の流体加熱器が有する被覆発熱線の接液面の面積Ａ１は４５,０００ｍｍ２、この被覆発熱線を収容する４本の流路の接液面の面積Ａ０は２７,０００ｍｍ２であった。従って、被覆発熱線の接液面の面積Ａ１を４本の流路の接液面の面積Ａ０で割った値Ａ１／Ａ０は１.６７となる。次に、被覆発熱線の接液面の面積Ａ１及び４本の流路の接液面の面積Ａ０が様々な値となるように、４本の流路を設ける中実ブロックの流路延在方向の長さ及び被覆発熱線の長さを様々に変えた以外は上記の試料１の流体加熱器と同様にして試料２〜８の流体加熱器を作製した。
【００３３】
このようにして作製した試料１〜８の流体加熱器の各々に対して、被加熱流体として１５℃の水を０.５Ｌ／ｍｉｎの流量で連続的に供給口から供給しながら線状発熱体の金属素線に９００Ｗの電力を印加して水を昇温させた。昇温開始からしばらくして流体加熱器の運転が定常状態になったのを確認してから出口温度を測定した。その測定結果を、主要な機器サイズと共に下記表１に示す。
【００３４】
【表１】
0006330518.tif 000002
【００３５】
上記表１の結果から、本発明の要件を満たす試料１〜５の流体加熱器は、入口と出口の温度差が少なくとも１３℃となり、被加熱流体を良好に加熱できることが分かった。一方、本発明の要件を満たしていない試料６〜７の流体加熱器では、入口と出口の温度差が高々８℃であり、試料１〜５の流体加熱器に比べて熱効率が大きく劣っていた。更に、試料８の流体加熱器では被覆発熱線がオーバーヒートによって破損した。よって、Ａ１／Ａ０の値は１.０を超えることが必要であり、１.３を超えるのが好ましく、１.５を超えるのがより好ましい。
【符号の説明】
【００３６】
１        流体加熱器
１０      流路ユニット
１１      流路
１２      供給口
１３      排出口
２０      被覆発熱線
３０      櫛歯状部材
３１      板状部材
３２      歯部
３３      隙間
３４      スペーサー
【図１】
0006330518.tif 000003
【図２】
0006330518.tif 000004
【図３】
0006330518.tif 000005