(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有するセルケースと、前記セルケースに収容された複数の非磁性体と、前記セルケースの外周に巻回された誘導コイルとを有し、前記誘導コイルに電流を流すことで起こした電磁誘導により、前記非磁性体を発熱体として発熱させ、前記発熱体が前記セルケース内に流れる流体の加熱を行う流体加熱装置において、
前記発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する前記磁性体と上流側端部に挿入する前記磁性体の長さを異なるものとしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の電磁誘導による流体加熱装置において、
下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の電磁誘導による流体加熱装置において、
前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導により発熱体に発生する渦電流で発熱体を加熱し、この発熱体に接触させた気体や液体などの流体を加熱する電磁誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気体や液体を加熱する方法には、ボイラーなどのように石油やガスの燃焼エネルギーを熱源にする方法や、太陽光などのように自然エネルギーを熱源にする方法や、電気エネルギーを熱源にする方法がある。
【０００３】
燃焼エネルギーを熱源にする方法は、燃料の供給システムなどの補機にコストを費やす必要があり、又、燃焼に対する安全性確保や燃焼で生じる排気ガスの適正処理にも余分にコストがかかってしまう。さらに温度コントロールの応答性が非常に悪い。
【０００４】
自然エネルギーを熱源にする方法は、コストが高いばかりでなく、自然条件の影響を直に受けるため、安定した加熱が得られにくい。
【０００５】
電気エネルギーを熱源にする方法として、抵抗加熱、赤外線加熱などが工業用に使用されている。抵抗加熱や赤外線加熱は、気体や液体を加熱する熱交換器が、発熱体であるヒータからの熱伝導により加熱される間接加熱式であり、加熱効率や温度コントロールの応答性が悪い。
【０００６】
これに対して、電気エネルギーを熱源にする方法の一つとして、熱交換器自体が発熱体となる直接加熱式の電磁誘導加熱がある。
【０００７】
図６は、直接加熱式の電磁誘導加熱の原理を示す図である。
これは、伝導性を有する発熱体１１と、前記発熱体１１の周囲に導線をコイル状にして配設した誘導コイル１２とから構成されている。誘導コイル１２に高周波電流Ｉを流すと、交番磁束φが発生する。この交番磁束φにより、発熱体１１に渦電流が流れ、この渦電流により発熱体１１が発熱する。その結果、発熱体１１に直接接触する気体や液体の流体が加熱される。この方式は、温度コントロールの応答性がよく、熱効率も非常に優れていることが知られている。
【０００８】
電磁誘導加熱方式はその原理上、高い熱交換率が期待できる。さらに熱交換率を向上させるために、これまでに電磁誘導加熱による流体の加熱方式に関係する技術提案として以下のようなものがある。
電磁誘導加熱を行う誘導加熱セルで熱交換率を向上させる場合、以下のように、いずれの方法も、微細な発熱体を複数使用して、発熱体の伝熱面積を増大させることに主眼が置かれている。
【０００９】
例えば、特開平９−２６００４２号公報においては、流体管路内に発熱体となる粒状、線状、棒状の小片を多数充填して、流体に接する上記小片の面積を増やし、流体管路の外周の加熱コイルに電流を流すことで、電磁誘導により加熱された上記小片が流体を加熱する方法が示されている。
【００１０】
又、特開平９−１６７６７９号公報においては、波板を積層することで、全体として多数の筒を形成し、伝熱面積を大きくして、それらを発熱体とすることで、熱効率を改良する方法も示されている。
【００１１】
更に、特開平８−２６４２７２号公報においては、電磁誘導加熱装置の使用周波数帯や伝熱面積に関する具体的な目安を示している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、流体加熱装置となる一般的な誘導加熱セルの構造を示すものである。
図７（ａ）は円筒状の誘導加熱セルの断面を示し、図７（ｂ）は直方体の誘導加熱セルの断面を示す。
【００１３】
図７に示す誘導加熱セル１３、１４の構造は、電磁誘導により発熱をする発熱体１５と、発熱体１５を収容する加熱セルケース１６と、加熱セルケース１６の外周に配設する誘導コイル１７からなっており、誘導加熱セル１３、１４各々同様の構造となっている。発熱体１５は、複数の微細な伝導性のあるパイプや格子状の微細な伝導性のある板などから構成されている。誘導コイル１７の保護のため、加熱セルケース１６は絶縁性のものからなり、電気的、且つ熱的に発熱体１５から絶縁されている。流体を加熱セルケース１６内の発熱体１５に直接接触するように流しており、それにより流体を加熱している。
【００１４】
熱交換率を向上させるには、図７に示すように、微細な伝導体を複数使用して、発熱体の伝熱面積を増大させ、発熱体で発生する熱をより多く流体に伝達する必要がある。この熱伝達量は次式で表され、伝熱面積、熱伝達率、そして熱源と流体との温度差によって決まる。
Ｑ＝Ｓ×ｈ×ΔＴ
ここで、Ｑは熱伝達量［Ｗ］、Ｓは伝熱面積［ｍ2］、ｈは熱伝達率［Ｗ／（ｍ2・℃）］、△Ｔは熱源と流体との温度差［℃］を表す。
【００１５】
上記式より、熱交換率（熱伝達量）の向上には、伝熱面積を増大させることの他に、熱伝達率と温度差の積を増大させることが考えられる。
このうち、熱伝達率は、次式で表される。
ｈ＝１．９３×（ｖ／ｘ）1/2
ここで、ｖは流体の流速［ｍ／ｓ］、ｘは伝熱部の入口からの距離［ｍ］を表す。
【００１６】
上記式より、熱伝達率を改善するためには、流体の流速を高める必要があるが、単純に流量を増しただけでは、流体の使用量が増えることになり、実際の製造装置に適用すると、大幅なコストアップにつながってしまう。
【００１７】
そこで、熱伝達量の増加に関わるパラメータとして、温度差に注目する。
【００１８】
実際に電磁誘導方式の加熱セルを構築すると、発熱体の流体の流れ方向や流れに垂直な面には、温度分布のばらつきがある。一般に、電磁誘導方式で発熱体の温度分布をコントロールするには、誘導コイルの巻き方を調整することが考えられるが、巻き方によっては多くのスペースを必要とする場合があるなど、自由度にも制限が出てくる。
【００１９】
そのため、誘導コイルの巻き方以外で発熱体の温度分布をコントロールする方法が求められる。
【００２０】
その方法としては、発熱体として磁性体と非磁性体の最適な組合せでコントロールする方法が考えられる。実際に考案されている方法としては、磁性パイプと非磁性パイプの組合せ方を最適化することにより、発熱体の流体の流れに垂直な面の温度分布を均一化する方法がある。しかし、発熱体の流体の流れ方向の温度分布を最適化する方法については例がない。
【００２１】
図８は、誘導加熱セルにおける発熱体の流体の流れ方向の温度分布を示す図である。
図８では、温度分布のグラフとの対応関係がわかり易いように、図の上部に誘導加熱セルの長手方向の断面を模式的に示す。
【００２２】
図８に示すように、誘導加熱セルの発熱体の流体の流れ方向の温度分布は、発熱体の端部に比較して、その中央部が数１０℃程度高い凸型分布となっている。これは、上流側と下流側の端部では、漏れ磁束や放熱の影響が出てしまい、中央部より温度が低くなるためである。
【００２３】
発熱体が図８に示すような温度分布を持つため、流体への伝熱量を増やそうとして、電源の出力を大きくする場合、発熱体の中央部近傍のみ加熱セルケースの材質の限界温度に近づいてしまい、耐熱性は誘導加熱セルの中央部が律則となる。
又、発熱体から流体への熱伝達量が流体の熱容量を超えた場合、流体に伝わらなかった熱は、周囲の加熱セルケースや誘導コイルに伝わる。これは、熱損失となるため、熱交換率の低下につながってしまう。
【００２４】
従って、上記課題に鑑み、本発明は、流体の流れ方向の温度分布を最適化して、熱交換率の向上を図る電磁誘導による流体加熱装置を提供する。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、非磁性体を有する発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する磁性体と上流側端部に挿入する磁性体の長さを異なるものとしたことを特徴とする。上記発明により、発熱体の下流側及び上流側の温度を、発熱体の長手方向の中央部の温度に近づけ、同等とすることができる。
【００２６】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くしたことを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにしたことを特徴とする。
上記発明により、適切な長さの磁性体の微細なパイプを非磁性体の微細なパイプの中に、適切に配置することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置（以下、誘導加熱セルと呼ぶ。）の構造である。
図１（ａ）は、誘導加熱セル１の流体の上流側の端部の構造を示す図であり、図１（ｂ）は、誘導加熱セル１の流れ方向の構造を示す図であり、図１（ｃ）は、誘導加熱セル１の流体の下流側の端部の構造を示す図である。
【００２９】
誘導加熱セル１は直方体の形状をしており、非磁性体の微細なパイプ状の非磁性パイプ２ａと、これらの複数の非磁性パイプ２ａを収容し、かつ、絶縁性を有するセルケース３と、セルケース３の外周を覆うように設けた断熱材４と、断熱材４の外周に配設する誘導コイル５とを有している。上記複数の非磁性パイプ２ａが、電磁誘導により発熱をする発熱体となる。一般的な加熱セルと同様に、誘導コイル５に電流を流すことで電磁誘導を起こし、電磁誘導によりこの発熱体を発熱させて、セルケース３内に流れる流体の加熱を行う。
【００３０】
具体的には、セルケース３の材質は、電気絶縁性のセラミックス（鳴海製陶製ネオセラム）とした。寸法は幅２５４ｍｍ×高さ１１．８ｍｍ×長さ８０ｍｍ、肉厚が３ｍｍである。セルケース３の周囲に設けた断熱材４にはイソライト製カオウールを使用し、その外周に設置した誘導コイル５は、日立電線製ＫＩＦ線（耐熱電線）の２．０ｍｍ2サイズを２本並列に使用し、巻き数は９ターンとした。
【００３１】
発熱体は、ステンレスの微細な非磁性パイプ２ａを集合させた構造となっている。非磁性パイプ２ａの寸法は、外径１．０ｍｍ×内径０．９ｍｍ×長さ７０ｍｍである。又、材質には、非磁性体であるＳＵＳ３１６を使用する。
【００３２】
一部の非磁性パイプ２ａの中には、磁性体であるＳＵＳ４３０を使用した微細な磁性パイプ２ｂを挿入する。磁性パイプ２ｂは、低い周波数でも効率良く加熱される磁性体を使用しており、非磁性体と組み合わせて発熱体とすることにより、誘導加熱セル１の発熱体の流体の流れに垂直な面内の温度及び流体の流れ方向の温度の均一化と効率の良い加熱を両立できる。
【００３３】
電源周波数と誘導加熱の効率は、電流の浸透深さｄ［ｃｍ］を用いて考えることができる。電流の浸透深さは、次式で示される。この式は誘導加熱では重要なパラメータとなっている。
ｄ＝５０３０×（ρ／（μ×ｆ））1/2
ここで、μは透磁率、ρは抵抗率［Ω・ｃｍ］、ｆは電源周波数［Ｈｚ］である。
【００３４】
ＳＵＳ４３０では、μ＞＞１、ρ＝６０×１０-6［Ω・ｃｍ］より、電源周波数が５０ｋＨｚのとき、電流の浸透深さが０．０５ｍｍ以下となる。電流の浸透深さが、磁性パイプ２ｂの肉厚（０．０５ｍｍ）以下となることから、ＳＵＳ４３０は５０ｋＨｚ以上の電源周波数では効率よく加熱することができる。
【００３５】
図１（ｃ）に示すように、誘導加熱セル１では、発熱体の流体の流れに垂直な面内の温度及び流体の流れ方向の温度の均一化と加熱の効率化のため、磁性パイプ２ｂの挿入位置を誘導加熱セル１の下流側とし、外径０．８８ｍｍ×内径０．６８ｍｍ×長さ２０ｍｍの磁性パイプ２ｂを、一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。これは、発熱体の流体の流れに垂直な面に対しては、密で均一な密度で磁性パイプ２ｂが挿入されることとなる。
【００３６】
又、図１（ａ）に示すように、使用しているセルケース３の流体の流れ方向に垂直な断面が、縦横比の大きな長方形であるので、この断面の長手方向の温度分布を均一化するため、上流側の非磁性パイプ２ａにも、適切な位置に磁性パイプ２ｂを挿入する。この磁性パイプ２ｂのサイズは外径０．８８ｍｍ×内径０．６８ｍｍ×長さ５０ｍｍである。
【００３７】
図２は、温度一定の平板の発熱体上を流れる流体の温度境界層を示す図であり、下部に発熱体の温度及び流体の流れ方向に対する熱伝達量の変化をグラフにしている。誘導加熱セルは、電源周波数５０ｋＨｚで加熱し、流体となるガスにはエアを使用し、その流量は５ｌ／ｍｉｎとする。
【００３８】
図２において、発熱体は、その表面が流体の流れ方向に一定の温度Ｔｈを持っており、その発熱体の表面上に初期温度Ｔ０を持つ流体を流す。図２に示すように、流体及び発熱体と異なる温度を持つ領域である温度境界層は、流体の下流側で広い領域を持つようになる。一般に、温度一定の平板からの熱伝達は、温度境界層のために下流側に行くほど発熱体と流体との温度差が小さくなり、熱伝達量は減少する。
【００３９】
従来の誘導加熱セルでは、発熱体は表面温度が一定ではなく、図８に示したように凸型の温度分布である。そのため、発熱体から流体への熱伝達量は、下流側で顕著に減少する。
【００４０】
これに対し、誘導加熱セル１では、電磁誘導の効果が非常に大きい磁性体を、下流側では密に挿入しているため、発熱体の温度が下流側で、従来の誘導加熱セルより高くなる。このため、下流側において、発熱体表面と流体の温度差が大きくなり、総熱伝達量を増加させることができる。
【００４１】
図３は、流体の流れ方向に対する上記誘導加熱セル１での発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４２】
図３のグラフに示すように、誘導加熱セル１では、誘導加熱セルの下流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、そのため、誘導加熱セルの下流側における流体への熱伝達量を多くすることができる。
【００４３】
これは、従来では利用できなかった誘導加熱セル１の下流側の磁束（漏れ磁束）を使用して、発熱体の下流側の温度を高めているため、電源出力は従来と同等の状態で熱伝達量が多くなり、熱交換率の向上に効果がある。
【００４４】
（実施例２）
実施例１での誘導加熱セル１は、非磁性パイプ２ａの下流側に磁性パイプ２ｂを密に均一な密度で追加挿入したが、他の実施例として、非磁性パイプ２ａの上流側に磁性パイプ２ｂを密に均一な密度で追加挿入することが考えられる。磁性パイプの挿入位置は、誘導加熱セルの上流側であり、磁性パイプ２ｂを一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。又、使用しているセルケース３の流体の流れ方向に垂直な断面が、縦横比の大きな長方形であるので、この断面の長手方向の温度分布を均一化するため、下流側の非磁性パイプ２ａにも、適切な位置に磁性パイプ２ｂを挿入する。
【００４５】
図４は、流体の流れ方向に対する実施例２の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４６】
図４に示すように、従来の誘導加熱セルに対して、上流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、そのため、上流側における流体への熱伝達量を多くすることができる。これも、実施例１の誘導加熱セル１と同様に、従来の漏れ磁束を使用できるようになったものであり、熱交換率の向上に効果がある。
【００４７】
（実施例３）
更に他の実施例として、非磁性パイプ２ａの上流側、下流側ともに密に均一な密度で磁性パイプ２ｂを追加挿入することが考えられる。磁性パイプ２ｂの挿入位置は、誘導加熱セルの上流側及び下流側であり、磁性パイプ２ｂを一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。
【００４８】
図５は、流体の流れ方向に対する実施例３の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４９】
図５に示すように、誘導加熱セルの上流側及び下流側ともに、密に均一な密度で磁性パイプ２ｂを追加挿入するため、従来の誘導加熱セルに対して、上流側及び下流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、その結果、さらに熱交換率が向上する。
又、発熱体の温度分布が流体の流れ方向に均一化されることから、温度を高めていくにつれ、発熱体の一部のみがセルケースの限界温度に達するということがなくなるため、同じ限界温度の誘導加熱セルでも、より高出力な領域まで使用することができる。
【００５０】
上記実施例１、２及び３、図１においては、幅２５４ｍｍ×高さ１１．８ｍｍ×長さ８０ｍｍの直方体の誘導加熱セルを用いて説明したが、本発明に係る誘導加熱セルの形状、大きさはこれに限定するものではなく、流体の種類、流量等に応じて、適宜変更可能である。
【００５１】
又、発熱体となる非磁性パイプ及び追加挿入する磁性パイプの長さ、本数、挿入位置等も、誘導加熱セルの形状、大きさに応じて、加熱セルケース端部での熱伝達量の落ち込みを抑え、発熱体の温度を流体の流れ方向に均一に保てるように適宜変更可能であり、発熱体自体の形状もパイプ状のものに限らず、他の粒状、線状、棒状、板状等のものも適用できる。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１、２に係る発明によれば、非磁性体を有する発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する磁性体と上流側端部に挿入する磁性体の長さを異なるものとした構成であるため、更には、下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くした構成であるため、発熱体の下流側及び上流側の温度を、発熱体の長手方向の中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、流体への熱伝達量を多くすることができる。又、従来では利用できなかった誘導加熱セルの端部の漏れ磁束を用いて、発熱体の端部の温度を高めているため、従来と同等の電源出力のままで熱伝達量を多くでき、その結果、熱交換率を向上させることができる。又、発熱体の温度分布が流体の流れ方向に均一化されることから、発熱体の一部のみがセルケースの限界温度に達するということがなくなり、より高出力な領域まで使用することができる。
【００５４】
請求項３に係る発明によれば、前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにした構成であるため、適切な長さの磁性体の微細なパイプを非磁性体の微細なパイプの中に、適切に配置することができ、それにより上記温度分布を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る誘導加熱セルの構造図である。（ａ）は誘導加熱セルの上流側の端部での構造図であり、（ｂ）は誘導加熱セルの長手方向の断面の構造図であり、（ｃ）は誘導加熱セルの下流側の端部での構造図である。
【図２】温度一定の平板の発熱体上を流れる流体の温度境界層を示す図であり、下部は発熱体の温度及び流体の流れ方向に対する発熱体の熱伝達量を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例１の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図４】本発明に係る実施例２の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施例３の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図６】直接加熱式の電磁誘導加熱の原理を示す図である。
【図７】誘導加熱セルの構造を示す図である。（ａ）は円筒状の誘導加熱セルの断面図であり、（ｂ）は直方体の誘導加熱セルの断面図である。
【図８】誘導加熱セルの長手方向の模式図及び流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１      誘導加熱セル
２ａ    非磁性パイプ
２ｂ    磁性パイプ
３      セルケース
４      断熱材
５      誘導コイル
１１    発熱体
１２    誘導コイル
１３    円筒状誘導加熱セル
１４    直方体誘導加熱セル
１５    発熱体
１６    加熱セルケース
１７    誘導コイル
【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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