(57)【要約】【課題】  コンパクトな構造ながら熱交換の効率及び熱風生成効率の優れた熱風生成装置を提供すること。【解決手段】 流体を流す通路３を内部に有する筒状体２と、通路３の長手方向Ｌに交差して配置される複数の面状発熱体４とを有する。複数の面状発熱体４は第一、第二群の発熱体を長手方向Ｌに交互に配置してなる。第一群Ｅ１では、少なくとも対向する２箇所の壁面２ｂ，２ｃに少なくとも２個の面状発熱体の少なくとも一方の幅方向端部Ｅａをそれぞれ固定し、少なくとも２個の面状発熱体の他方の幅方向端部Ｅｂ間に下流へ流体を流通させる第一流路Ｒ１を形成するように他方の幅方向端部Ｅｂを対向させて配置する。第二群Ｅ２では、第一流路Ｒ１に交差する方向に発熱体の幅方向を配向をさせ、第一、第二群の発熱体の間に形成される蛇行状の空間Ｓで流体を加熱する。【選択図】    図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路の長手方向に交差して配置される複数の面状発熱体とを有する熱風生成装置であって、
前記複数の面状発熱体は第一、第二群の発熱体を前記長手方向に交互に配置してなり、
前記第一群では、少なくとも対向する２箇所の壁面に少なくとも２個の面状発熱体の少なくとも一方の幅方向端部をそれぞれ固定し、前記少なくとも２個の面状発熱体の他方の幅方向端部間に下流へ前記流体を流通させる第一流路を形成するように前記他方の幅方向端部を対向させて配置し、
第二群では、前記第一流路に交差する方向に発熱体の幅方向を配向をさせ、前記第一、第二群の発熱体の間に形成される蛇行状の空間で前記流体を加熱する熱風生成装置。
【請求項２】
前記複数の面状発熱体は、スリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記スリットは、下流へ前記流体を流通させる第二流路を構成する請求項１記載の熱風生成装置。
【請求項３】
前記第一群の面状発熱体の前記第一流路側部分が上流側に向かうように前記面状発熱体を湾曲させてある請求項１記載の熱風生成装置。
【請求項４】
前記面状発熱体の幅方向中央部が下流側に凸となるように前記第二群の面状発熱体を湾曲させてある請求項１記載の熱風生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱風生成装置に関する。さらに詳しくは、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路の長手方向に交差して配置される複数の面状発熱体とを有する熱風生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上述の如き熱風生成装置として、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。この装置では、面状発熱体とじゃま板とを空気の流れ方向に直交させ且つ当該流れ方向に沿って交互に配置している。そのため、より高温の熱風を生成するためには、じゃま板を配置する分通路を長くしなければならず、装置が大型化していた。また、面状発熱体及びじゃま板を通路の全面にわたって配置するため、流量を増加させることが困難となる場合があり、さらなる熱風生成の効率化が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２８４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、コンパクトな構造ながら熱交換の効率及び熱風生成効率の優れた熱風生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る熱風生成装置の特徴は、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路の流れ方向に交差して配置される複数の面状発熱体とを有する構成において、前記複数の面状発熱体は第一、第二群の発熱体を前記長手方向に交互に配置してなり、前記第一群では、少なくとも対向する２箇所の壁面に少なくとも２個の面状発熱体の少なくとも一方の幅方向端部をそれぞれ固定し、前記少なくとも２個の面状発熱体の他方の幅方向端部間に下流へ前記流体を流通させる第一流路を形成するように前記他方の幅方向端部を対向させて配置し、第二群では、前記第一流路に交差する方向に発熱体の幅方向を配向をさせ、前記第一、第二群の発熱体の間に形成される蛇行状の空間で前記流体を加熱することにある。
【０００６】
上記構成によれば、第一群では、下流へ流体を流通させる第一流路を形成するように面状発熱体の幅方向端部を固定・配置するので、第一流路により圧力損失が抑制され、高圧力でなくても比較的大流量の流体を通路に流通させることできる。そして、その流体の多くは、複数の面状発熱体に衝突して熱交換され、流通してきた空気の一部は、第一流路を通過して下流へ流れる。また、第二群では、第一流路に交差する方向に発熱体の幅方向を配向してあるので、第一流路を通過した流体は、面状発熱体に衝突し分散する。そして、第一群、第二群の発熱体が通路の長手方向に交互に配置され、第一群は少なくとも２つの面状発熱体を有するので、第一、第二群の発熱体の間に蛇行状の空間が形成される。従って、通路を流通する流体は、その流通過程において、その蛇行状の空間により多くの面状発熱体との熱交換が頻繁に繰り返し行われるので、熱交換の効率及び熱風生成効率がよい。
【０００７】
前記複数の面状発熱体は、スリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記スリットは、下流へ前記流体を流通させる第二流路を構成するとよい。面状発熱体にスリットを設けたので、第一、第二群の発熱体の間に形成される蛇行状の空間を流通する流体の一部は、このスリットを通過して拡散するように下流へ流れ、乱流を生じさせる。この乱流によって面状発熱体に対する接触時間が長くなり、より熱交換の効率及び熱風生成効率が向上する。
【０００８】
前記第一群の面状発熱体の前記第一流路側部分が上流側に向かうように前記面状発熱体を湾曲させてあるとよい。これにより、下流へ向かう流体を面状発熱体の表面を沿うように移動させることができ、湾曲によって渦巻き状の流れを生じさせる。従って、面状発熱体に対する接触時間がさらに長くなり、より熱交換の効率及び熱風生成効率が向上する。
【０００９】
前記面状発熱体の幅方向中央部が下流側に凸となるように前記第二群の面状発熱体を湾曲させてあるとよい。これにより、第一流路を通過した流体が第二群の面状発熱体に衝突すると、その湾曲に沿うように流体は上流から下流へ向う流れ方向と相反する方向への流れを生じさせる。この流れによって面状発熱体に対する接触時間がさらに長くなり、より熱交換の効率及び熱風生成効率が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明に係る熱風生成装置の特徴によれば、コンパクトな構造ながら熱交換の効率及び熱風生成効率を向上させることが可能となった。
【００１１】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る熱風生成装置を示す斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図１の縦断面斜視図である。
【図６】面状発熱体及び取付部材の分解斜視図である。
【図７】面状発熱体の通路内の配置を示す図である。
【図８】（ａ）は図６のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部拡大図である。
【図９】図８（ｂ）の斜視図である。
【図１０】（ａ）は通路内の流体の流れを模式的に示す図、（ｂ）はスリットでの流体の流れを模式的に示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る熱風生成装置１は、図１〜５に示すよう、大略、例えば流体Ｇとしての空気を流す通路３を内部に有する筒状体２と、この通路３の長手方向Ｌに交差して配置される複数の面状発熱体４を有する。本実施形態において、熱風生成装置１は、通路３の長手方向Ｌと流体Ｇの流れ方向Ｆを一致させて横向きに設置され、流体Ｇの流れ方向Ｆは、鉛直方向Ｚに直交する。
【００１４】
図１〜５に示すように、本実施形態において、筒状体２は略角筒状を呈し、その両端には、外部から流体Ｇを内部に導入する導入部２ａと、通路３を通過し加熱された流体Ｇを外部へ排出する排出部２ｂが設けられている。また、本実施形態では、４個の略角筒状の加熱ユニット１０を流れ方向Ｆに沿って配列し、各フランジ１１の四隅で長尺ボルト１２及びナット１３で連結固定して、筒状体２を構成してある。
【００１５】
ここで、加熱ユニット１０には、図４〜５に示すように、第一群発熱体Ｅ１及び第二群発熱体を構成する面状発熱体４が、保持部材５により側壁１０ａ，１０ａ間にわたって設置され、接続部材６を介して外部と電気的に接続される。加熱ユニット１０は、例えば金属製の筐体により形成される。
【００１６】
面状発熱体４は、図５，６，８に示すように、板状に且つ矩形状に形成され、複数のスリット４１を鉛直方向Ｚに直交する幅方向端部４２，４２から交互に鉛直方向Ｚに切り込むことで蛇行状の電流路４０が形成されている。一対の幅方向端部４２，４２の間は、その中央部近傍で一方側へ凸となる、なだらかな円弧状（アーチ状）をなすように湾曲させてある。幅方向端部４２は、電流路４０に略直交して屈曲されて形成されている。また、電流路４０の端部には、後述の接続部材６の給電棒６１と接触する略Ｌ字状の端子部４３を立設させてある。なお、面状発熱体４は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等の導電性材料より構成されるが、使用温度等に応じて適宜変更するとよい。
【００１７】
保持部材５は、図４〜６に示すように、大略、対をなす第一、第二碍子５１，５２と、これら碍子５１，５２を収容する長尺の収容部材５３とを有する。第一碍子５１は略階段状を呈し、第二碍子５２は略Ｔ字状を呈する。また、収容部材５３は例えば金属製であり、断面略Ｃ字形状を呈し、複数の第一、第二碍子５１，５２を長手方向に収容可能とするように、側壁１０ａ，１０ａ間距離と同等の長さに形成されている。図６に示すように、第一、第二碍子５１，５２の各基端部５１ａ，５２ａと突き合わせて収容部材５３内に収容することで、第一、第二碍子５１，５２間に略Ｌ字状の溝５４を形成する。よって、溝５４に幅方向端部４２を挿入することで、面状発熱体４の脱落を防止できる。そして、溝５４に幅方向端部４２を挿入した第一、第二碍子５１，５２を収納した収容部材５３を加熱ユニット１０の各壁面に設けた取付部材１５に嵌合させることで、面状発熱体４を加熱ユニット１０（通路３）内に設置する。
【００１８】
なお、第一、第二碍子５１，５２は、例えば、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とする所謂セラミックス材料や窒化ケイ素材料より構成されるが、使用温度等に応じて適宜変更するとよい。この第一、第二碍子５１，５２により、面状発熱体４と収容部材５３（加熱ユニット１０の筐体）とを電気的に絶縁する。
【００１９】
接続部材６は、図６，８，９に示すように、大略、面状発熱体４に電気を供給する給電棒６１と、軸方向に突起部６２ａを有する一対の絶縁部材６２，６２とを有し、一対の絶縁部材６２，６２を線対称に突き合わせることで突起部６２ａにより外周に凹部６３を形成する。この凹部６３にはカバー６４の縁部が嵌合され、ナット６５及び座金６６により締結される。これにより、加熱ユニット１０の側壁１０ａと給電棒６１との間の絶縁を確保すると共に気密性を確保する。なお、絶縁部材６２は、絶縁を確保できれば材質等に特に制限はないが、例えば上述の碍子と同等のものと用いることができる。
【００２０】
ここで、図７，１０を参照しながら、筒状体２内における面状発熱体４の配置及び流体Ｇの流れについて説明する。
同図に示すように、本実施形態において、第一群の発熱体Ｅ１は、一方の幅方向端部Ｅａが加熱ユニット１０の上壁１０ｂ又は底壁１０ｃに固定され、他方の幅方向端部Ｅｂを加熱ユニット１０の内部に位置された面状発熱体４で構成される。他方の幅方向端部Ｅｂは、対向する他の第一群の発熱体Ｅ１の他方の幅方向端部Ｅｂとの間で第一流路Ｒ１を形成する。この第一流路Ｒ１は、通路３の長手方向（流体Ｇの流れ方向Ｆ）と交差する。また、他方の幅方向端部Ｅｂを上壁１０ｂ又は底壁１０ｃに固定された一方の幅方向端部Ｅａよりも上流側Ｕに位置させる。上述したように、面状発熱体４は、湾曲形成されている。上述の配置・構成により、下流側Ｄへ流れる流体Ｇは、図１０（ａ）に示すように、第一群の発熱体Ｅ１の湾曲する発熱体表面に沿うように移動させることができる。そして、移動した流体Ｇは炉壁近傍で渦巻き状の流れとなり、上流側Ｕへ流れて再び下流側Ｄへ向う。よって、流体Ｇの面状発熱体４に対する接触時間が長くなり、熱交換の効率が向上する。
【００２１】
一方、第二群の発熱体Ｅ２は、第一流路Ｒ１に交差する方向に発熱体の幅方向を配向させて、第一流路Ｒ１の下流側Ｄに配置された面状発熱体４で構成される。本実施形態では、発熱体の幅方向Ｗを第一流路Ｒ１の流れ方向Ｆに略直交するように配向させ、流体Ｇの流れ方向Ｆ視で第一群の発熱体と第二群の発熱体とを重複させて配置してある。これにより、第一流路Ｒ１を経由して流れてきた流体Ｇは、第二群の発熱体Ｅ２に衝突し分散される。ここで、上述したように、面状発熱体４は湾曲形成されているので、衝突した流体Ｇは湾曲する発熱体表面に沿って移動することとなり、流体Ｇの面状発熱体４に対する接触時間が長くなり、熱交換の効率が向上する。しかも、面状発熱体４の幅方向中央部が下流側に凸となるように湾曲させてあるので、図１０（ａ）に示すように、分散された流体Ｇは面状発熱体４によって流れ方向Ｆと相反する方向への渦巻き状の流れが生じ、隣接する他の面状発熱体４に向けて移動することとなる。これにより、面状発熱体４との接触機会が増加するので、さらに効率よく熱交換が行われる。
【００２２】
そして、第一群の発熱体Ｅ１とを第二群の発熱体Ｅ２とを通路３の長手方向Ｌに沿って交互に配置しているので、これら発熱体の間に蛇行状の空間Ｓを通路３内に形成する。従って、上流側Ｕから下流側Ｄに向かう空間Ｓにおいて、上述の第一群の発熱体Ｅ１及び第二群の発熱体Ｅ２における各面状発熱体４との熱交換が繰り返し行われるので、極めて効率がよい。
【００２３】
また、面状発熱体４にはスリット４１が形成されているので、流通する流体Ｇの一部は、このスリット４１を通過して下流へ流れる。すなわち、スリット４１は下流へ流体Ｇを流通させる第二流路Ｒ２を構成する。図１０（ｂ）に示すように、スリット４１（第二流路Ｒ２）を通過した流体Ｇは乱流を生じさせる。通路３内部全体として層流（経路の定まった定常流れ）とならず乱流となるので、面状発熱体４（高温物質）と流体Ｇとの接触回数が増加し、さらに熱交換の効率が向上することとなる。
【００２４】
本実施形態では、下流側Ｄに配置した２つの加熱ユニット１０に設置した面状発熱体４の幅方向の長さ（高さ）を上流側Ｕに配置した２つの加熱ユニット１０に設置した面状発熱体４の幅方向の長さ（高さ）よりも短く（低く）することで、下流側Ｄの第一流路Ｒ２の開口幅ｒ２を上流側Ｕの第一流路Ｒ１の開口幅ｒ１よりも広くしている。通路３を流れる流体Ｇは下流側Ｄへ流れるに従い高温になるので、上流側Ｕに比べ多くの熱交換を要しないため、上流側Ｕに比べ下流側Ｄが高温となりやすい。従って、下流側Ｄの面状発熱体４の抵抗を変え発熱量を減少調整すると同時に温度制御することで、下流側Ｄの面状発熱体４の過剰な温度上昇による断線を防止する。また、無駄なく効率よく熱交換を行うことができる。
【００２５】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。なお、以下の実施形態において、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、第一群の発熱体Ｅ１として、発熱体の一端Ｅａを固定した矩形状の面状発熱体４を用いたが、これに限られるものではなく、例えば、周方向に蛇行状の電流路４０を形成するように単数又は複数の面状発熱体を用いて第一群の発熱体Ｅ１を構成することも可能である。
【００２６】
また、上記実施形態において、湾曲する面状発熱体４により第一群、第二群の発熱体Ｅ１，Ｅ２を構成した。しかし、例えば図１１に示す如く、略平坦に形成した面状発熱体４’を用いて第一群、第二群の発熱体Ｅ１，Ｅ２を構成しても構わない。係る場合、第一群の発熱体Ｅ１は、その面状発熱体４’の第一流路Ｒ１側の端部Ｅｂを壁面に固定される他方の端部Ｅａよりも上流側に位置させる。但し、第二群の発熱体Ｅ２が平坦であるため、上記実施形態の如き渦巻き状の流れ対流が生じにくく、熱交換の効率の点で上記実施形態が優れている。もちろん、第一群の発熱体Ｅ１を略平坦の面状発熱板４’とし、第二群の発熱体Ｅ２を下流側に凸状に湾曲した面状発熱体４としてもよい。
【００２７】
なお、上記実施形態において、第一群の発熱体Ｅ１の一方の端部（幅方向端部Ｅａ）を炉壁に固定した。しかし、本発明において、「壁面に少なくとも２個の面状発熱体の少なくとも一方の幅方向端部をそれぞれ固定する」とは、壁面に直接（物理的に隙間なく）固定される態様の他、実質的に流体Ｇが流通困難な程度の隙間（流路抵抗を著しく低下させない程度の隙間）をおいて壁面近傍に固定される態様も含むものである。
【００２８】
上記実施形態において、下流側Ｄの面状発熱体４の幅方向の長さ（高さ）を上流側Ｕの面状発熱体４の幅方向の長さ（高さ）よりも短く（低く）し、下流側Ｄの第一流路Ｒ２の開口幅ｒ２を上流側Ｕの第一流路Ｒ１の開口幅ｒ１よりも広くした。しかし、同一形状の面状発熱体４を用いても構わない。但し、熱交換の効率の点では、上記実施形態が優れている。
【００２９】
上記実施形態において、４個の略角筒状の加熱ユニット１０を流れ方向Ｆに沿って配列してボルトナットで連結固定し、筒状体２を構成した。加熱ユニット１０の形状や個数はこれに限られるものではない。また、加熱ユニット１０を組み合わせて筒状体２を構成したが、ユニットに分けて構成しなくても構わない。但し、メンテナンスの点で上記実施形態が優れている。さらに、加熱ユニット１０内に設ける面状発熱体４の個数も上記に限られない。但し、少なくとも２つの第一群の発熱体Ｅ１と１つの第二群の発熱体Ｅ２を通路３の長手方向Ｌに沿って配置しなければ、効率的な熱交換を行うことは困難である。
【００３０】
また、第一群の発熱体Ｅ１を第一流路Ｒ１側の幅方向端部４２が上流側Ｕに向かうように面状発熱体４を湾曲させたが、これに限られるものではない。但し、面状発熱体との接触抵抗を増加させ熱交換の効率を向上させる点で上記実施形態が優れている。また、第二群の発熱体Ｅ２を面状発熱体の幅方向中央部が下流側Ｄに凸となるように湾曲させたが、これに限られるものではない。但し、面状発熱体との接触時間や回数の増加及び流れ方向Ｆと相反する方向への渦巻き状の流れの発生によって熱交換の効率を向上させる点で上記実施形態が優れている。
【００３１】
上記実施形態において、熱風生成装置１を通路３の長手方向Ｌと流体Ｇの流れ方向Ｆを一致させて横向きに設置して流体Ｇの流れ方向Ｆを鉛直方向Ｚに直交させた。しかし、熱風生成装置１を縦向きに設置して流体Ｇを鉛直方向Ｚ上向き又は下向きに流通させてもよく、鉛直方向Ｚと交差するように設置することも可能である。
【００３２】
上記実施形態において、保持部材５を略階段状の第一碍子５１と略Ｔ字状の第二碍子５２で形成される溝５４に面状発熱体４の幅方向端部４２を挿入して掛止させることで、面状発熱体４を加熱ユニット１０に保持させた。しかし、面状発熱体４の保持構造はこれに限られるものではなく、面状発熱体４の脱落を防止し且つ絶縁を確保し得る態様であれば上記実施形態に限られるものではない。また、保持部材５及び絶縁部材６２に碍子を用いたが、断熱性や絶縁性を確保できる態様であれば特に材料は上記に限定されるものではない。
【００３３】
上記実施形態において、流体Ｇとして空気を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば水素、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム等の気体に対しても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る熱風生成装置は、例えば煙突の二次焼成装置、自動車等の触媒、カーボン除去装置、半導体装置への気体導入装置や自動車等の塗装の乾燥装置として利用することもできる。
また、本発明は電気による加熱方式なのでクリーンである。すなわち、ガス等による燃焼方式の場合、流体Ｇにススや排気ガスの成分等が混入してしまうが、そのようなことはない。そのため、例えば燃焼炉への導入ガスの予熱に用いられる。また、例えば、炉の扉開閉時の内部雰囲気温度を速やかに復帰（昇温）させるために高温エア（ガス）を導入する際に用いることもできる。さらに、低温で使用する炉（〜５００℃程度）でワークへの加熱効率を向上させるために、輻射だけではなく対流効果も利用する場合がある。その際に、熱風生成装置により、熱風を炉内へ導入すると共に循環させて再度熱風を生成し導入することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１：熱風生成装置、２：筒状体、２ａ：側面、２ｂ：上面、２ｃ：底面、２ｘ：導入部、２ｙ：排出部、２ｚ：フランジ、３：通路、４，４’：面状発熱体、５：保持部材、６：接続部材、１０：加熱ユニット、１０ａ：側壁、１０ｂ：上壁、１０ｃ：底壁、１１：フランジ、１２：長尺ボルト、１３：ナット、１４：リブ、１５：取付部材、４０：電流路、４１：スリット、４２：幅方向端部、４３：端子部、５１：第一碍子、５１ａ：基端部、５２：第二碍子、５２ａ：基端部、５２ｂ：突出部、５３：収容部材、５４：溝、６０：、６１：給電棒、６２：絶縁部材（碍子）、６２ａ：突起部、６３：凹部、６４：カバー、６５：ナット、６６：座金、Ｄ：下流側、Ｅ１：第一群の発熱体、Ｅ２：第二群の発熱体、Ｅａ：一方の幅方向端部、Ｅｂ：他方の端部、Ｆ：流れ方向、Ｇ：流体（空気）、Ｈ：水平方向、Ｌ：長手方向、Ｒ１：第一流路、Ｒ２：第二流路、ｒ１，ｒ２：開口幅、Ｓ：空間、Ｕ：上流側、Ｚ：鉛直方向
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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