(57)【要約】【課題】複数のヒータを用いて液体を加熱供給する際に、液体の流れとヒータの配置構成を工夫することによって熱効率の高い液体加熱供給装置を提供する。【解決手段】筒状の容器２内に複数本のヒータ３が挿入された液体加熱供給装置において、前記容器２の中央部に筒状体４が配置され、筒状体４の周囲に沿って複数のヒータ３を環状に配列し、容器２の下部に液体の流入ポート５を設けると共に容器２の上部に液体の流出ポート６を設け、流入ポート５から容器２内に流入する液体が筒状体４の周囲を旋回して複数のヒータ３に接触して加熱される構成となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の容器内に複数本のヒータが挿入された液体加熱供給装置において、
前記容器の中央部に筒状体が配置され、前記筒状体の周囲に複数のヒータを環状に配列し、
前記容器の下部に液体の流入ポートを設けると共に容器の上部に液体の流出ポートを設け、前記流入ポートから前記容器内に流入する液体が前記筒状体の周囲に回り込み、前記複数のヒータに接触して加熱される構成となっていることを特徴とする液体加熱供給装置。
【請求項２】
流入ポートから容器内に流入する液体の流入方向は、前記筒状体の中心軸を中心として描いた仮想円の接線と平行に設定され、流入ポートから流入する液体によって筒状体の周囲を旋回する旋回流が生成される構成となっている請求項１に記載の液体加熱供給装置。
【請求項３】
前記容器内に、前記流入ポートから流入した液体の旋回流を上方に案内するガイドを設けた請求項２に記載の液体加熱供給装置。
【請求項４】
前記容器内に、液体の旋回流を下方に案内するガイドを設けた請求項２に記載の液体加熱供給装置。
【請求項５】
前記容器内に、下部領域と上部領域を区分する区分プレートを設け、該区分プレートには上部領域と下部領域を連通する連通路が設けられている請求項２に記載の液体加熱供給装置。
【請求項６】
前記容器の中央部の上部にヒータが配置され、該ヒータと前記容器の底部との間に前記筒状体が配置されている請求項１乃至５のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項７】
前記筒状体に代えて、容器中央部にヒータを配置した請求項１乃至５のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項８】
前記筒状体の上部と容器の上蓋との間に隙間が設けられ、前記上蓋に流出ポートが設けられている請求項１乃至５のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項９】
前記容器は円筒形状である請求項１乃至８のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項１０】
前記容器は多角筒形状である請求項１乃至８のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項１１】
前記容器内周の各隅角部には、断面円弧状ガイドを配置した請求項１０に記載の液体加熱供給装置。
【請求項１２】
容器内の筒状体は、円筒形状である請求項１乃至１１のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【請求項１３】
容器内の筒状体は、多角筒形状である請求項１乃至１１のいずれかの項に記載の液体加熱供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯装置等に用いられる電気式の液体加熱供給装置に関し、特に複数のヒータを備えた熱効率のよい液体加熱供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
循環型の貯湯給湯システムは、貯湯タンクと電気式の液体加熱供給装置を配管でつないで構成される。
従来使用されている液体加熱供給装置としてのヒータ管は、ヒータは一本で、流入ポートから管内に液体を通し、ヒータで加熱して流出ポートから流出させるようになっている。このヒータ管は、効率よく液体を通すことで有利であるが、容量が大きい場合、ヒータ一本ではヒータの電気容量を大きしなければならず、ヒータとして現実的な電気容量を超えてしまう。
そこで、従来から、複数本のヒータ管をつなぎ、各ヒータ管内に水を通して、段階的に加熱するように設計されていた。その際、ヒータ管を縦型に設置し、水を管下部より上部へ通す構成とされるが、各ヒータ管の継手部分が放熱部分となってしまい、非効率である。
【０００３】
一方、一つのタンク内に複数のヒータを配置し、複数のヒータによってタンク内の水を加熱するもののも知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３３７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、複数のヒータを用いて液体を加熱供給する際に、液体の流れとヒータの配置構成を工夫することによって熱効率の高い液体加熱供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明にあっては、
筒状の容器内に複数本のヒータが挿入された液体加熱供給装置において、
前記容器の中央部に筒状体が配置され、前記筒状体の周囲に複数のヒータを環状に配列し、
前記容器の下部に液体の流入ポートを設けると共に容器の上部に液体の流出ポートを設け、前記流入ポートから前記容器内に流入する液体が前記筒状体の周囲を旋回して複数のヒータに接触して加熱される構成となっていることを特徴とする。
【０００７】
流入ポートから容器内に流入する液体の流入方向は、前記筒状体の中心軸を中心として描いた仮想円の接線と平行に設定することができる。
前記容器内に、前記流入ポートから流入した液体の旋回流を案内するガイドや、液体が上昇する角度を強制的に下げるガイド等を設けることもできる。
また、容器内に、下部領域と上部領域を区分して旋回流を下部領域に制限すると区分レートを設け、区分プレートには上部領域と下部領域を連通する連通路が設けられる構成とすることもできる。
また、前記容器の中央部の上部にヒータが配置され、該ヒータと前記容器の底部との間
に筒状体を配置する構成としてもよい。
さらに、筒状体に代えて、容器中央部にヒータを配置することもできる。
また、前記筒状体の上部と容器の上蓋との間に隙間が設けられ、前記上蓋の中央に流出ポートが設けられる構成とすることもできる。
前記容器は円筒形状としてもよいし、容器は多角筒形状としてもよい。
また、多角形状とする場合には、容器内周の各隅角部には、断面円弧状ガイドを配置することができる。
また、容器内の筒状体についても、円筒形状としてもよいし、多角筒形状とすることもできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流入口から流入した液体は筒状体の周囲を回る旋回流として流れ込み、筒状体の回りに配置したヒータに連続的に接触し、加熱される。特に、筒状体によって、旋回流が流れる流路の容積が狭くなっており、少量の液体がヒータと接触する構成となるので、液体を加熱することができる。
流入口に近い下部で生じた旋回流は、上方に移動するにしたがって弱くなるものの、すでに高温に加熱されており、ヒータに接触しながら上昇してさらに加熱され、上部に配置された流出口から流出する。
このように流入初期の液体を加熱することができるので、熱効率のよい液体加熱供給装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る液体加熱供給装置を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は中筒とヒータの配置関係及び旋回流を示す模式図である。
【図２】（Ａ）は図１の装置の模式的縦断面図、（Ｂ）はヒータのフランジ部と中筒のフランジ部の関係を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）のヒータの数が増えた場合の説明図である。
【図３】（Ａ）は図１の流出ニップルの他の形態を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の装置の旋回流の流出ポート付近の図で、（Ｃ）は流出ポートを中心からずらした図である。
【図４】図１の装置の容器が正四角筒形状の場合の装置構成を示すもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は旋回流を示す模式図、（Ｄ）は容器の隅角部を円弧状ガイドを設けた図である。
【図５】（Ａ）は図４の装置の中筒を四角筒形状とした形態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の容器の隅角部に円弧状ガイドを設けた図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ａ）の模式図に旋回流のガイドを設けた図、（Ｃ）は図２（Ａ）の模式図に区分プレートを設けた図、（Ｄ）は（Ｃ）の区分プレートの平面図である。
【図７】本発明の他の実施形態の液体加熱供給装置を模式的に示すもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１に係る液体加熱供給装置としてのヒータユニットを示している。
このヒータユニット１は、筒状の容器２内に複数本のヒータ３が挿入されたものである。
容器２内の中央部には筒状体としての中筒４が配置され、容器２内周と中筒４の間に環状の空間Ｓを形成し、環状空間Ｓに中筒４の周囲に沿って複数のヒータ３を環状に配列している。一方、容器２の下部には液体としての水の流入ポート５が設けられ、中筒４の上
部に流出ポート６が設けられ、流入ポート５から中筒４内に流入する水が中筒４の周囲を旋回して複数のヒータ３に接触して加熱される構成となっている。
【００１１】
以下、各構成部分について詳細に説明する。
容器２は上下両端が密閉された円筒形状で、有底円筒状の容器本体２１と、上端開口部を閉塞する上蓋２２とを備えている。
容器本体２１は、円筒状の胴部２１ａと、胴部２１ａの下端部を閉塞する底部２１ｂと、胴部２１ａの上端開口部から外向きに張り出すフランジ部２１ｃとを備えている。容器２の下部に設けられる流入ポート５は、胴部２１ａの底部２１ｂに近い部分に設けられ、胴部２１ａの外周面には、外方に突出する流入ニップル５１が突出しており、流入ニップル５１内を貫通するように流入通路５２が設けられ、容器２内に流入する水の流入方向を案内している。
【００１２】
この流入ニップル５１の流入通路５２は直線状に延び、その中心線Ｎ５が、中筒４の中心Ｎ４を中心として描いた仮想円の接線と平行に設定されている。この実施形態では、胴部２１ａは円筒形状なので、流入ニップル５１は胴部２１ａの内径接線と平行方向に延びている。
一方、容器２の上部に設けられる流出ポート６は、胴部２１ａの上端のフランジ部２１ｃに近い部分に設けられ、胴部２１ａの外周面には、外方に突出する流出ニップル６１が突出しており、流出ニップル６１内を貫通するように流出通路６２が設けられ、容器２内から流出する水の流出方向を案内している。この流出通路６２も直線状に延び、その中心線Ｎ６が、中筒４の中心軸線Ｎ４を中心として描いた仮想円の接線と平行、この例では、胴部２１ａの内径接線と平行方向に延びている。流入ニップル５１からの流入方向は、図示例では、平面視で反時計回りであり、流出方向も反時計回りに流出する方向となっている。したがって、流入ニップル５１と流出ニップル６１の延びる方向は、内径接線方向には互いに逆向きに設定されている。このようにすれば、流入ポート５から流入した旋回流の進行方向に流出ニップル５１の流出方向が向けられるので、旋回流がスムースになる。流入ニップル５１と流出ニップル６１の容器２に対する取付位置の位相（周方向）は、図示例では１８０度ずらしており、流入ニップル５１と流出ニップル６１は、平面視では中心に対して反対側で配置され、互いに平行に延びている。流入ニップル５１と流出ニップル６１の位相は、同一位相でもよいし、１８０度に限定されず、配管等に応じて種々の位置に設定することができる。
【００１３】
中筒４は、容器本体２１より小径の有底円筒形状で、円筒状の胴部４１と、胴部４１の下端部を閉塞する底部４２と、胴部４１の上端開口部から外向きに張り出すフランジ部４３とを備え、フランジ部４３が上蓋２２の裏面に液密に固定されている。中筒４の底部４２は容器本体２１の底部２１ｂと非接触で、微小な間隙を介して対向している。
【００１４】
ヒータ３は、この例ではシーズヒータで、容器内に挿入される電熱部分であるヒータ部３１と、上蓋２２にフランジ部３２を介して固定される端子部３３と、を備えた構成となっている。ヒータ部３１は、金属製のチューブが折り曲げられて構成されるもので、上下方向にＵ字状に延びる電熱部分であるヒータチューブ３１１が所定間隔を隔てて複数本束ねられた構成となっている。図示例では、ヒータ部３１の下端は、流入ポートの高さ方向上縁付近に位置している。もっとも、流入ポートの高さ方向上縁よりも上方位置となっていてもよいし、流入ポート５の高さ方向下縁位置あるいは下縁位置より下方となっていてもよい。また、高さ方向の中間位置であってもよい。
このヒータ３の本数は、ヒータ３のフランジ部３２が、干渉しないで上蓋２２に取り付けられる数に制限される。図２（Ｂ）は４本の場合、図２（Ｃ）は６本に増やした場合で、６本に増やした場合、上蓋２２の径が増大する。また、６本の場合、ヒータ３で囲まれる中央領域の径も大きくなり、ヒータ３と中筒４とを近づけて流路断面積を小さくするた
めに、中筒４の径も大きくなる。
【００１５】
次に、上記構成のヒータユニットの作用について説明する。
図１（Ｃ）及び図２（Ａ）に模式的に示すように、容器２の下部に設けられた流入ポート５から所定の水圧で流入した水は、中筒４の周囲を回る旋回流として流れ込み、中筒４の回りに配置したヒータ３に周方向に連続的に接触し、加熱されていく。特に、中筒４によって、旋回流が流れる流路の容積は、中筒４を配置することによって狭くなっており、少量の液体がヒータと接触する構成となるので、流入直後の水が急速に加熱される。また、ヒータ３にぶつかった水流は、ヒータ３の下流側で渦が生成され、乱流となって攪拌されながら流れるので、水を均一に効率的に加熱することができる。特に、ヒータ３としてシーズヒータを用いているので、水流はヒータ３の複数のチューブの隙間を通過するので、水はより一層攪拌され、効率的に加熱される。この実施形態では、ヒータ３を可能な限り中筒の外周及び容器本体の胴部内周に近づけて流路の容積をより小さくしている。
特に、流入ポート５は接線方向から流れ込むので、旋回流の発生が助長され、また、本実施形態では、容器本体２１の胴部２１ａが円筒形状で内周面が円筒面となっているので、旋回流がスムーズに生成される。
また、流入ポート５に近い下部で生じた旋回流は、上方に移動するにしたがって弱くなるものの、すでに高温に加熱されており、さらにヒータ３に接触して加熱されながら上昇し、上部に配置された流出ポート６から流出する。
このように流入初期の液体を急速に加熱することができるので、熱効率のよい液体加熱供給装置を実現することができる。なお、この実施形態では、流出ポート６についても、接線方向に形成しているので、下部から上部まで旋回流を効率よく持続させることができる。
【００１６】
旋回水流の確認テスト
以下、本発明の液体加熱供給装置（ヒータユニット）の旋回水流の確認テストの結果について説明する。
確認テストは、容器２及び中筒４を丸型（円筒形）とし、以下の４条件で水流を確認した。
i）容器２のみ（中筒４、ヒータ３無し）。
ii）中筒２無／ヒータ３有
iii）中筒２有／ヒータ３無
iv）中筒２有／ヒータ３有（本願発明）
流入ポート５から容器２に流入する水流を確認した結果、本願発明のiv）の場合が、一番きれいな旋回水流で、回っていることが確認できた。
iii）の場合も旋回流が生成されるが、iv）のようにヒータを配置することで、さらにきれいな液流で旋回することが確認された。
i）、ii）に関しては、多少旋回流が見られるものの、その流れは小さい。
この結果から、本願発明のように、中筒を配置すること、さらに中筒の周囲に複数のヒータを配置することが、旋回流の生成に大きく貢献していることが実証される。
考察
１．中筒２２容積とヒータ３の電熱部分であるヒータ部３１の容積で、容器内の水量が減るため、流入時の抵抗は増えるものの、内容量が少ないために、流速が上っていると想定される。
２．ヒータ部３１にはヒータチューブ３１１の間に隙間があるが、このヒータチューブ３１１間の隙間により、一定方向の水流が制御され、比較的安定した流れが生じやすくなると推定される。
【００１７】
［他の実施形態］
以下に本発明の他の実施形態について説明する。
以下の説明では、上記実施形態と異なる点についてのみ説明し、同一の構成部分については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
［流出ポートについて］
上記実施形態では、容器本体２１の上部に設ける流出ポート６を、胴部２１ａのフランジ部２１ｂ近傍に設けているが、この実施の形態では、図３（Ａ）に示すように、上蓋２２に設けたものである。
すなわち、中筒４を上下逆向きとし、底部４２を上端側、下端開口部のフランジ部４３を容器本体２１の底部２２に液密に固定し、上端側に位置する底部４２と容器２の上蓋２２との間に隙間が設けられ、上蓋２２の中央に流出ポート６を設けたものである。流出ポート６の流出ニップル６１は、上蓋２２の中央から上方に突出する構成で、流出路６２が直線状に延びている。
このようにすれば、図３（Ｂ）に示すように、中筒４の回りを旋回する水流の滞留旋回上昇を経て、水流はヒータ３の中筒４の底部２２に臨む流出ポート６に向けて中心部に旋回しながら移動し、流出ポート６から流出する。流出ポート６が上端の上蓋２２に設けられているので、容器２内の空気溜まりを容器内から排出することもできる。上記実施形態では、流出ポート６の高さまでしか水が入らず、容器上端部に水が入らないデッドスペースが生じるが、流出ポート６を上蓋２２に設けることにより、容器上端部まで水が入り、容器の全容積を利用可能となる。
なお、流出ポート６の位置は、上蓋２２の中央に限定されるものではなく、図３（Ｃ）に示すように、ヒータ３のフランジ取付面をよけて、中心から外れた位置に設けてもよい。流出ポート６を、平面視で、中心に対して流入ポート５と反対側に配置しておくことが好ましい。
その他の構成及び作用は、上記実施形態と同様である。
【００１８】
［容器及び中筒の形状について］
図４は、容器２００を円筒形状ではなく、断面正四角筒形状としたものである。このように四角形状の容器２００とした場合でも、中筒４の周囲の旋回流を生成することができる。
正四角筒形状とした場合、四角形状の上蓋２２２は、円形の上蓋２２に比べて、スペース的に上蓋２２２に固定されるヒータ２０３のフランジ部２２１ｃの径を大きくできるので、より容量の大きいヒータ２０３を使用することができる。
すなわち、上蓋２２２の一辺の長さを、上記実施形態の円形の上蓋２２の直径と同じとした場合、上蓋２２２に固定されるヒータ２０３のフランジ部２３２の径は、互いに干渉することなく対角線方向に拡張することが可能となる。
この場合も、容器２０２の下部に設けられる流入ポート５は、流入ニップル５１の流入通路５２は直線状に延び、その中心線Ｎ５が、中筒４の中心Ｎ４を中心として描いた仮想円の接線と平行に設定されている。この実施形態では、胴部２２１ａは正四角筒形形状なので、流入ニップル５１は一つの側面の角部近傍に側面と直角に突出するように設けられる。このような配置構成とすれば、容器本体２２１内部の隅角部には、渦が生じて滞留気味となるが、図４（Ｃ）に示すように、全体としては旋回流が生成される。
隅角部には、図４（Ｄ）に示すように、円弧状ガイド２２３を溶接しておけば、隅角部が無くなり、スムースに旋回流を生成することができる。
また、図５（Ａ）は、容器本体２２１だけでなく、中筒２０４も四角筒形状とした例である。この場合、中筒３０４の角部の位置を、容器本体２２１の角部の位置に対して位相を所定角度だけずらしている。図示例では、４５°だけ位相をずらしており、旋回流が生成されやすい構成としている。この場合も、容器本体２２１の隅角部に円弧状ガイド２２３を設けておくことが好ましい（図５（Ｂ））。
【００１９】
［旋回流のガイドについて］
図６には、容器内に、旋回流のガイドを設けた例である。
【００２０】
図６（Ａ）に示す例は、旋回流が上方に向かって徐々に上昇していくように案内する上昇ガイド７１を設けたものである。この上昇ガイド７１は、容器本体２１の内周と中筒３の外周の少なくともいずれか一方に設けられ、旋回流の流れ方向に対して斜め上方となるように、角度を付けたものである。このようにすれば、旋回流がよりスムースになり、旋回流をヒータに均等に接触させることができる。
【００２１】
図６（Ｂ）に示す例は、旋回流を下方に向かって下げるように案内する下降ガイド７２を設けたものである。この下降ガイド７２は、旋回流の流方向を斜め下方となるように角度を設けたものである。このようにすれば、水流が少しでも長い時間滞留し、ヒータとの接触時間が長くなって熱効率が上昇する。
【００２２】
［区分プレートについて］
また、図６（Ｃ）、（Ｄ）に示す例は、容器本体２１の上下方向中途部に、容器本体２１を上部空間と下部空間に区分する区分プレート７３を設けたものである。
この区分プレート７３には、各ヒータ３のヒータ部３１が挿入される挿入穴７３ａが設けられ、下部領域で加熱された水が、挿入穴７３ａを通じて上部領域に移動し、上部領域で、さらにヒータ３で加熱され、流出ポート６に向けて移動して流出する。挿入穴７３ａに挿入されるヒータ３のヒータ部３１は、Ｕ字形状の複数のヒータ構成部３１ａが隙間を介して束ねられているので、水はヒータ部の隙間を通じて上部領域と下部領域を流通することになる。
【００２３】
［中央部のヒータ配置について］
図７は、容器２の中央部に、筒状体４とヒータ３を直列に配置した構成例である。
すなわち、容器２の中央部の上部に周囲のヒータ３とは別に中央部ヒータ３０３が配置され、中央部ヒータ３０３と容器２の底部２１ｂとの間に筒状体としての中筒３０４が配置されている。中筒３０４は、底部３４ｂを上端側とし、下端開口部のフランジ部３４ｂｃが容器本体２１の底部２１ｂに液密に固定されている。この中筒３０４の高さは、流入ポート５の高さ方向上縁よりも上方に配置され、ヒータ３０３の下端はこの中筒３０４の上端よりも上方に位置している。この例では、中央のヒータ３０３だけではなく、中筒の周囲のすべてのヒータ３の下端も、前記中筒３０４の上端位置より上方に位置している。
【００２４】
なお、上記各実施形態では、多角筒形状の容器本体について正四角筒形状のみについて説明したが、三角形、五角形、六角形等、多角筒形状についても適用可能である。また、加熱する液体として水を例にとって説明したが、水に限定されるものではなく、水・油・薬品等の液体加熱に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１      ヒータユニット（液体加熱供給装置）
２      容器
２１    容器本体
２１ａ  胴部
２１ｂ  底部
２１ｃ  フランジ部
２２    上蓋
３      ヒータ
３１    ヒータ部、３１１  ヒータ構成部
３２    フランジ部
３３    端子部
４      中筒（筒状体）
４１    胴部
４２    底部
４３    フランジ部
５      流入ポート
５１    流入ニップル
５２    流入通路
６      流出ポート
６１    流出ニップル
６２    流出通路
７１      上昇ガイド
７２      降下ガイド
７３      区分プレート
２０２  容器
２２１    容器本体
２２１ａ  胴部
２２１ｂ  底部
２２１ｃ  フランジ部
２２２    上蓋
２２３    円弧状ガイド
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017223375.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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