(57)【要約】【課題】  複雑な形状を有することなく、比較的低廉な製造コストで熱効率のよい流体加熱装置を提供する。【解決手段】  絶縁体よりなる外筒１と、前記外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイル２と、外筒の内部に配置されるとともに高周波電流加熱コイルによって発熱する柱形状の金属発熱体３とを具備する流体加熱装置であって、外筒の内周面と金属発熱体の外周面との間に一定の間隔を設けて流体流路を形成し、金属発熱体には柱形状の軸芯方向に貫通する複数の流体流路３ａ、３ｂ、３ｃを備えるとともに、その断面形状を軸芯に関して回転対称形に形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体よりなる外筒と、前記外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイルと、前記外筒の内部に配置されるとともに前記高周波電流加熱コイルによって発熱する柱形状の金属発熱体とを具備する流体加熱装置であって、
前記外筒の内周面と前記金属発熱体の外周面との間に一定の間隔を設けて流体流路が形成されており、
前記金属発熱体は前記柱形状の軸芯方向に貫通する複数の流体流路を備えるとともに、その断面形状が前記軸芯に関して回転対称形に形成されていることを特徴とする流体加熱装置。
【請求項２】
前記金属発熱体は長さ方向両端部にリブを備え、前記リブの外周面は前記外筒の内周面に前記軸心方向に摺動可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の流体加熱装置。
【請求項３】
前記金属発熱体の長さ方向両端部にそれぞれ外方に向けて弾性部材を配置し、該弾性体により前記金属発熱体を挟持していることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体加熱装置。
【請求項４】
前記外筒、及び／又は前記金属発熱体の断面輪郭形状は円形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の流体加熱装置を熱源とするとともに、床面下に温水を循環させてなる床暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導加熱（以下において「ＩＨ」という。）を利用して流体を加熱する装置、及びその装置を熱源とする床暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から流体加熱用の熱源としてＩＨを使用とする提案がなされている。例えば、特許文献１には、高周波焼き入れの技術を考慮してＩＨで加熱される金属の円筒の内部に流体を通すことで流体加熱を達成するものが開示されている。また特許文献２には、ＩＨで加熱されない円筒にＩＨで加熱される金属体を挿入して、その周りに流体を通すようにして流体加熱を達成する装置が開示されている。
【０００３】
また、上記特許文献１と特許文献２との技術を組み合わせて構成した、非常に効率の高い流体加熱用ＩＨ部品、装置が特許文献３、及び特許文献４に開示されている。
【特許文献１】実開平４−６６０８９号公報
【特許文献２】実公平４−１６７８号公報
【特許文献３】特開２００１−２０３０６９号公報
【特許文献４】特開平９−９２４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている方法によっては、ＩＨで金属を高周波加熱した場合、最も熱を発生するのはもっぱら金属体円筒の外周部分で、円筒内部の流体への伝熱は円筒金属の肉厚を通して行うことになる。従って、金属外周部が熱く熱せられても、内部に流通する流体に熱を十分に伝えられることができず、空気など外部に熱が逃げてしまうという問題があった。また、特許文献２に開示されている装置によれば、金属から流体への伝熱しか考えられず、高効率が得られるが、今度はコイル内部に占める金属外周部の面積が少ないために十分な結合係数を得ることができない。これは渦電流の発生は主として金属外周部に集中して起きるが、この渦電流の感じることのできる磁束はその内部を貫通する磁束だからである（ヘンリーの法則）。従って、結合係数の下がった分、必要なリアクタンスを得るためにコイルの巻き数を多くしなければならないが、高出力ＩＨの場合２０Ａ以上の電流を電線に流すことが多く、このコイル部分の電力損失が無視できない。結局のところ上記特許文献１又は２に開示されている装置等によっては、与えた電力の８０％を越える熱量を流体に与えることは困難である。
【０００５】
さらに、特許文献３に開示されている加熱器や、特許文献４に開示されている加熱装置においては、流す流体の量を減らして高温度の流体を得ようとすると、流体全体としての温度は８０℃前後であるのに関わらず、内部にて６０℃ぐらいから突沸現象が確認されている。特に、特許文献３に開示されているような単純な形状のものは、温度の高い温水を得ることが難しかった。これは内部に設けられた孔の部分の流速が遅いため流れが層流になり、伝熱壁面の近傍では極端に伝熱が悪くなっているためであると考えられる。また、特許文献３に開示されている加熱器では、温度が安定しない問題があった。更に、この加熱器では金属体がどのように保持されているのかが不明である。
【０００６】
また、特許文献４に開示されている加熱装置は伝熱面積を増やすために小さな貫通孔をあけたり、溝を形成したりすることが必要であり、その製造コストが非常に高価なものになってしまうという問題があった。また、内部の孔の部分にほとんどの流体が集中してしまい、外枠に行く流体が少なくなってしまうと発熱して外側のチューブを溶かしてしまう危険があるという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、複雑な形状を有することなく、比較的低廉な製造コストで熱効率のよい流体加熱装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、鋭意実験した結果、ＩＨで加熱される金属体をできるだけ大きくして、外周部と内部に流体を流す構造にすると、与えた電力の９０％以上の熱量を流体に与えることができることを見出し、かかる知見により本発明を完成させたものである。以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００９】
請求項１の発明は、絶縁体よりなる外筒（１）と、前記外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイル（２）と、外筒の内部に配置されるとともに高周波電流加熱コイルによって発熱する柱形状の金属発熱体（３）とを具備する流体加熱装置であって、外筒の内周面と金属発熱体の外周面との間に一定の間隔を設けて流体流路が形成されており、金属発熱体は柱形状の軸芯方向に貫通する複数の流体流路（３ａ、３ｂ、３ｃ）を備えるとともに、その断面形状が軸芯に関して回転対称形に形成されていることを特徴とする流体加熱装置（１０）により前記課題を解決しようとするものである。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の流体加熱装置（１０）において、金属発熱体（３）は長さ方向両端部にリブ（４ａ、４ｂ）を備え、リブの外周面は外筒の内周面に軸心方向に摺動可能に支持されていることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の流体加熱装置（１０）において、金属発熱体（３）の長さ方向両端部にそれぞれ外方に向けて弾性部材（７ａ、７ｂ）を配置し、該弾性体により金属発熱体（３）を挟持していることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱装置（１０）において、外筒（１）、及び／又は金属発熱体（３）の断面輪郭形状は円形であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の流体加熱装置（１０）を熱源とするとともに、床面下に温水を循環させてなる床暖房システム（１００）を提供して前記課題を解決しようとするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、非常に効率の良い流体加熱をおこなうＩＨ部品、該部品を熱源とする床暖房システムを得ることができる。本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。図１は、本発明にかかる流体加熱装置の概略を示す正面方向の断面図、図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。これらに図示されているとおり、流体加熱装置１０は、絶縁体により形成されている外筒１と、該外筒に捲線された高周波電流加熱コイル２と、該外筒内部に高周波電流加熱コイル２によって発熱する円柱状の金属発熱体３を備えている。円柱状の金属発熱体３は、円柱断面の中心より回転対称の位置に複数の貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃ（貫通孔３ｂ、及び３ｃは図１には表されていない。）を有している。貫通孔は第一の流体流路を形成している。外筒１と金属発熱体３との間には一定の間隔が設けられており、この間隔が第二の流体流路を形成している。また、金属発熱体３の外部は発熱しやすいためコイル全体の温度が上がりやすく、それを抑制する必要がある。そのため、第一の流体流路（金属発熱体３の内部）と、第二の流体流路（外筒１と金属発熱体３との間）の流量は、通常第二の流体流路の方を多くとるようにすることが好ましい。このような観点から、金属発熱体３の外径をＡ、外筒１の内径をＢとした場合、好ましくはＡ／Ｂの値が０．５〜０．９である。
【００１５】
図示の実施形態では、貫通孔は金属発熱体３の軸芯の周りに１２０°間隔で３個配置されている。本発明はこれに限定されるものではないが、貫通孔は円柱断面の中心を基準に略回転対称の位置に複数設けられていることが好ましい。設ける貫通孔の数は、好ましくは２〜６個、より好ましくは３〜５個である。このように貫通孔を構成することにより、流路抵抗の増大を抑制しつつ、熱伝達面積を確保できる。貫通孔の断面形状は特に制限しないが、加工の容易性を考慮すると、円形が好ましい。貫通孔が多すぎると、加工に手間がかかる。貫通孔の円柱断面に占める面積は通常２０〜７０％程度である。面積が少ないと流体の流通可能な量が少なくなり抵抗が大きくなる。面積が大きすぎると、発熱性が低下する。貫通孔の配置を軸芯を基準とした回転対称としたのは、発熱分布の均一性を考慮したものである。
【００１６】
金属発熱体３の両端には、リブ４ａ、４ｂが設けられている。リブ４ａ、４ｂの外周面は、外筒１の内周面に面接触し、金属発熱体３は、外筒１の内部で軸心方向に摺動可能とされている。また、リブ４ａ、４ｂにはそれぞれスリットが９０度間隔で４箇所配置されており、流体の流路が確保される。これにより、外筒１と金属発熱体３との間に一定の間隔を確保して流体流路を形成することができ、金属発熱体３の外側方向への発熱を流体に伝えることができる。また、絶縁体により形成されている外筒１との接触面が過剰に昇温されるのを防止することができる。
【００１７】
外筒１の両端部には肉厚のＩＨシェル部５ａ、５ｂが形成されている。さらにこれらＩＨシェル部５ａ、５ｂの開口から内部にＩＨプラグ６ａ、６ｂが嵌入されている。また、金属発熱体３の両端には、軸芯方向にスプリング７ａ、７ｂが配置されている。スプリング７ａ、７ｂの伸縮方向の一端面は金属発熱体３の両端面に当接されており、他の一端面はプラグ６ａ、６ｂの金属発熱体３に向かう面に当接されている。このような構成によって、金属発熱体３が両端をスプリング７ａ、７ｂにて支持外筒１の絶縁体軸方向へ支持される構造になっている。このような浮き構造にすることで金属発熱体３の動きが自由になり、流路抵抗が低減される等の効果が期待できる。
【００１８】
図３は上記の流体加熱装置１０を熱源として、床面下に温水を循環させるように構成された床暖房システム１００の基本構成を示した制御システムの概略図である。床暖房システム１００は、高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱する流体加熱装置１０と、流体加熱装置１０に高周波電力を供給する高周波誘導加熱回路１２と、システムの温度制御を司る温度制御装置１３と、流体加熱装置１０により発生した熱を室内に供給する放熱器１４と、流体加熱装置１０と放熱器１４とを連結する配管にあって流路の開閉を司る熱動弁１５と、システム内に熱媒体液を循環させる循環ポンプ１６とを備えている。
【００１９】
流体加熱装置１０に熱媒体液を通すと熱交換が行われ、熱媒体液の温度が上昇することになる。即ち、加熱流体となる。本発明に使用される熱媒体液としては特に限定されるものではないが、例えば水、エチレングリコールのような不凍液、鉱油などを使用することができる。
【００２０】
温水式床暖房システムの場合、熱媒体液は一般的に循環閉回路を流れ、その流れは循環ポンプ１６で作り出される。循環ポンプ１６は、循環閉回路の流路損失に対して適正な流量が確保できる性能のものを選択することが好ましい。
【００２１】
熱動弁１５は、流路の開閉を行うバルブで放熱器１４への通液制御を行うものである。放熱器１４が１個の場合あまり意味を持たないが、複数個に並列接続されている場合は個別暖房制御の方法として有効に作用する。
【００２２】
循環ポンプ１６によって、循環閉回路に送り込まれた加熱液は、放熱器１４内を流れることで室内に放熱し、結果として液温が下がる。この冷やされた液体は、循環ポンプ１６により再び流体加熱装置１０を流れることで再加熱される。このようにして、床暖房システム１００が室内を暖房する装置として機能している。
【００２３】
このとき、流体加熱装置１０の戻り温水温度Ｔｉ(℃)、往き温水温度Ｔｏ(℃)、循環流量をＦ（Ｌ／分）とすれば、放熱器４の放熱量Ｑ(ｋＪ／ｈ)は、配管経路の熱損失を無視した場合、
Ｑ＝４．１８４×６０×Ｆ×（Ｔｏ−Ｔｉ）  (ｋＪ／ｈ)    −（１）
で求められる。
【００２４】
放熱器１４は、一般的にフローリング等の床仕上げ材の下に設置され、該仕上げ材を通して室内に熱を供給することになる。従って、放熱器１４の放熱量Ｑを効果的に室内に供給するためには、放熱器１４の仕上げ材に接する面側は熱伝導性を高め、反対の面側は断熱性を高める工夫が肝要となる。また通常床暖房では、床仕上げ材の表面温度は３０(℃)付近で制御するのが適当とされており、この場合放熱器１４の表面温度は、床仕上げ材の材質、厚み、室温および室内の空気対流量等によって変化する。
【００２５】
放熱器１４の表面温度Ｔｓ、該放熱器の放熱面積をＡ、床仕上げ材の表面温度Ｔｆ、該仕上げ材の熱貫流率Ｋとすれば、室内に放出される熱量Ｑは、
Ｑ＝Ａ×Ｋ×（Ｔｓ−Ｔｆ）  −（２）
で表すこともできる。
【００２６】
式（１）、（２）より放熱器４の表面温度Ｔｓは、
Ｔｓ＝Ｔｆ＋４．１８４×６０Ｆ（Ｔｏ−Ｔｉ）／ＡＫ  −（３）
となる。
【００２７】
従って、循環する流体温度は、式（３）で表される放熱器４の表面温度Ｔｓを目標値として制御されなければならない。
【００２８】
式（３）において、配管経路の熱損失を無視すれば  Ｔｉ＝Ｔｓ  となり、これから
Ｔｉ＝（６０・Ｆ・Ｔｏ＋Ａ・Ｋ・Ｔｆ）／（Ａ・Ｋ＋６０・Ｆ）  −（４）
となる。即ち、戻り温水温度Ｔｉとなる往き温水温度Ｔｏを目標値として加熱制御を加えれば良いことになる。
【００２９】
本発明では、戻り流体温度センサ１３ｂにより戻り温水温度Ｔｉ、流体加熱装置出側温度センサ１３ｃにより往き温水温度Ｔｏを検知するようにしている。温度制御装置１３では、前記Ｔｉ、Ｔｏの情報を基とし、更に室温センサ１３ａの温度情報を加えて制御量を演算している。演算した結果は、電気的制御量として高周波誘導加熱回路１２に送り、高周波誘導加熱回路１２では当該制御量に見合った高周波誘導電流を流体加熱装置１０の高周波電流加熱コイル２に流すことになる。該高周波誘導電流は、リアルタイムに連続可変制御され、室内環境の快適性を維持すると共にランニングコストの低減が図られる。
【００３０】
演算の方法としては、電気回路的に行うか、マイコンによるソフトウェア制御とするか、或いはその両方を組み合わせて行うか、その何れでも良い。尚、前述した各センサは必要最小限の設置とし、省かれた物についてはソフトウェア的推論値で代用することもできる。この場合は、商品開発過程に於ける実験値等をその根拠とすることができる。例えば、流体加熱装置出側温度センサ１３ｃを省略し、Ｔｉを得ることにより、目標Ｔｏをソフトウェア的に求めることが可能である。
【００３１】
このように、高周波誘導加熱による床暖房システム１００では、加熱電力制御をリアルタイムにかつ極め細かく行うことができるため、総合エネルギー効率を高くすることができる。また、熱媒体液を直接加熱できるため、従来熱源機に設置を余儀なくされていたリザーブタンクを必要としない。その結果、構造がシンプルとなり流体加熱装置１０の小型化を実現することができる。かくして、高周波誘導加熱による床暖房システム１００は、全体の構造がシンプルでありながら、高効率、高信頼性、低イニシャルおよび低ランニングコストのシステムを実現することができる。
【実施例１】
【００３２】
外径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの肉厚のプラスチック管（絶縁体）の内径に一致する外径を有するステンレス鋼（ＳＵＳ４３０；金属発熱体＝ＩＨ金属体）の円筒金属外周部分を、隅の方を残すように１．５ｍｍ切削した。隅の方（フランジ）には切り欠きをいれることで外周部に水を流す部分を作製した。この外周部に流れる水の量がある規定量以上でないと、高熱が発生して上記プラスチック管を溶かすことがわかったので、大きめに切削した。また、ＩＨ金属体から流体に熱が流れることを考慮して直径５ｍｍの貫通穴を３個作製した。このようにして作製したプラスチック管＋ＩＨ金属体の外側にできるだけ低抵抗の電線としてリッツワイヤを巻いた。以上のような構成にした結果、１０００Ｗの電力で発熱させながら熱媒体としての水を１Ｌ／分、２Ｌ／分、４Ｌ／分を流してみてＩＨ部品の前後の温度差から流体に与えられた熱量を計算することにより、効率を測定した。その結果、１Ｌ／分では９１％、２Ｌ／分では９３％、４Ｌ／分では９６％の効率であることが確認された。流量が多いとＩＨ部品全体の温度上昇が抑えられるために空気など外部にもれる熱量が少なくなるため効率が高められたものと考えられる。
【００３３】
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う流体加熱装置及び床暖房システムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】流体加熱装置の概要を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】流体加熱装置を熱源として、床面下に温水を循環させるように構成された床暖房システムの基本構成を示した制御システムの概略図である
【符号の説明】
【００３５】
１  外筒
２  高周波電流加熱コイル
３  金属発熱体
３ａ、３ｂ、３ｃ  貫通孔（流体流路）
４ａ、４ｂ  リブ
７ａ、７ｂ  スプリング（弾性部材）
１０  流体加熱装置
１００  床暖房システム
【図１】
2005063918.tif 000003
【図２】
2005063918.tif 000004
【図３】
2005063918.tif 000005