JP2000314556A

JP2000314556A - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP2000314556A
Application number: JP11123705A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tasaka; 秀雄田坂
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率の加熱を行うことができ、小型化
が可能な流体加熱装置を提供することである。【解決手段】被加熱流体が接する加熱面の熱負荷を被
加熱流体の流れ方向上流側ほど高くした構成である。さ
らに、前記加熱面の熱負荷を前記加熱面と接する被加熱
流体の壁面温度に基づいて設定した構成であり、前記加
熱面を被加熱流体の流れ方向に対して複数に分断した構
成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、流体加熱装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体加熱装置は、被加熱流体を加熱して
所定温度の加熱流体として供給するものである。この流
体加熱装置の一つに、被加熱流体を流通させる容器内
に、加熱手段としての電気ヒータを収容した構成のもの
がある。この電気ヒータは、電熱線を保護筒内に収容し
た構成となっている。この流体加熱装置では、保護筒の
表面に被加熱流体を接触させて加熱する構成であり、こ
の保護筒の表面が被加熱流体の加熱面となっている。そ
して、この電気ヒータは、必要とされる加熱流体の温度
および流量と、この流体加熱装置へ供給される被加熱流
体の温度に基づいて、その熱出力や大きさが選定され
る。

【０００３】ところで、前記流体加熱装置は、水や空気
のほか、熱媒を加熱する際に用いられる。この熱媒は、
一般に、石油を分留して得た有機系熱媒や化学的に合成
した有機系熱媒が用いられるが、この熱媒は、ある温度
（耐熱温度）を超えると急速に劣化するため、熱媒の加
熱温度は制約を受ける。

【０００４】また、流体加熱装置における被加熱流体へ
の伝熱形態は対流伝熱であるため、加熱面に沿って流れ
る熱媒には温度境界層が生じ、加熱面から温度境界層ま
での間では、熱媒の温度が急激に低下する。すなわち、
流体加熱装置から供給される熱媒の温度が前記耐熱温度
以下であっても、この温度境界層内の熱媒の温度が耐熱
温度を越える場合がある。そこで、流体加熱装置の出口
側において、温度境界層内の熱媒の温度が前記耐熱温度
を越えないように、電気ヒータの熱負荷（本明細書で
は、後述するように、加熱面の単位表面積あたりの伝熱
量としてあり、熱流束に相当する。）を設定している。

【０００５】しかし、このように電気ヒータの熱負荷を
設定すると、流体加熱装置の入口側においては、熱媒自
体の温度が低いため、前記温度境界層内における熱媒の
温度も前記耐熱温度に対して低くなっており、効率的な
加熱を行ううえでは改良の余地を残している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、高効率の加熱を行うことができ、小型化
が可能な流体加熱装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、前記課題を
解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、被加熱流体が接する加熱面の熱負荷を被加熱流体の
流れ方向上流側ほど高くしたことを特徴としている。

【０００８】請求項２に記載の発明は、前記加熱面の熱
負荷を前記加熱面と接する被加熱流体の壁面温度に基づ
いて設定したことを特徴としている。

【０００９】請求項３に記載の発明は、前記加熱面が、
前記被加熱流体の流れ方向に対して複数に分断されてい
ることを特徴としている。

【００１０】さらに、請求項４に記載の発明は、前記被
加熱流体が、熱媒であることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明は、流体加熱装置に適用
される。この流体加熱装置としては、前記熱媒のよう
に、耐熱温度の制約を受ける流体を加熱する流体加熱装
置に、とくに好適に適用することができるが、水や空気
のように耐熱温度の制約のない流体を加熱する流体加熱
装置においても適用することができる。

【００１２】この流体加熱装置は、被加熱流体を流通さ
せるための容器を備える。さらに、流体加熱装置は、被
加熱流体と接する加熱面と、この加熱面へ熱を供給する
加熱手段とを備える。この加熱手段自体の表面を加熱面
とする場合には、容器内に加熱手段を収容して容器の内
側から加熱するように構成し、容器自体を加熱面とする
場合には、容器の外側に加熱手段を設ける。前者の加熱
手段としては、所謂シースヒータのような電気ヒータや
煙管などが挙げられる。後者の加熱手段としては、電気
ヒータやガス通路などが挙げられ、この場合には、容器
を水管や缶体として構成する。また、容器を磁性体で構
成する場合には、容器の外側に誘導加熱を行うための誘
導コイルを加熱手段として設けることもできる。

【００１３】この加熱面は、容器内における被加熱流体
の流れ方向上流側ほどその熱負荷を高く設定し、下流側
ほどその熱負荷を低く設定する。ここで、熱負荷は、加
熱面の単位表面積あたりの伝熱量としてあり、熱流束に
相当するものである。この熱負荷の設定は、たとえば加
熱手段の熱出力を調整することによって行う。加熱手段
の熱出力の調整は、たとえばシースヒータのような電気
ヒータを用いる場合は、電熱線の太さや、電熱線をコイ
ル状とするときのコイルピッチを調整した状態で保護筒
内に収容することによって行うことができる。また、こ
の熱負荷の設定は、加熱面の形状を適宜選択することに
より、被加熱流体への熱伝達率を調整することによって
行うこともできる。

【００１４】さらに、この加熱面の熱負荷の設定は、加
熱面に接する被加熱流体の壁面温度ｔwに基づいて行
う。この流体加熱装置において、容器内を流れる被加熱
流体の温度は、容器の入口側から出口側に向けて順次上
昇する。被加熱流体の壁面温度ｔwは、加熱面における
熱負荷ｑ（kcal／m²h），加熱面から被加熱流体への熱
伝達率α（kcal／m²h℃），被加熱流体の混合平均温度
（ある断面において被加熱流体をその状態のままで完全
に混合したときの温度で、巨視的にみた被加熱流体の温
度にほぼ等しい。）ｔm（℃）に基づいて、次式によっ
て求めることができる。

【００１５】ｔw＝ｑ／α＋ｔm

【００１６】そこで、被加熱流体の壁面温度ｔwを均一
化するように、加熱面の熱負荷ｑを設定し、さらにこの
加熱面の熱負荷ｑに基づいて加熱面の面積と加熱手段の
熱出力とを設定する。

【００１７】以上の加熱面の熱負荷ｑの設定により、流
体加熱装置において、被加熱流体を同じ温度昇温するた
めの加熱面の面積は、加熱面の熱負荷ｑを均一とした場
合に比べて、容器の入口側ほど小さくすることができ、
加熱面全体の面積を縮小化することができるため、流体
加熱装置の小型化を達成することができる。ここで、流
体加熱装置の入口側ほど被加熱流体の温度（混合平均温
度ｔm）が低いため、このように加熱面の熱負荷ｑを高
くしたとしても被加熱流体の昇温に消費され、加熱手段
自体の過熱を防止したうえで効率的に加熱を行うことが
できる。

【００１８】さらに、この発明の流体加熱装置において
は、加熱面を被加熱流体の流れ方向に複数に分断して形
成することもできる。この場合、加熱手段は、各加熱面
ごとに設ける。この場合には、各加熱面における熱負荷
ｑを、それぞれ被加熱流体の流れ方向上流側ほど大きく
なるように設定する。また、各加熱面ごとにおける熱負
荷ｑを同一とし、被加熱流体の流れ方向上流側に位置す
る加熱面ほど熱負荷ｑを高くすることもできる。この場
合には、各加熱面に設ける加熱手段の熱出力を被加熱流
体の流れ方向上流側ほど大きくする。

【００１９】以上の構成により、前記熱媒のように耐熱
温度を有する被加熱流体においても、温度による劣化を
防止したうえで効率よく加熱を行うことができ、したが
って加熱面の縮小化を達成することができる。このこと
は、加熱手段の小型化を達成し、さらに流体加熱装置全
体の小型化を達成することになる。

【００２０】

【実施例】以下、この発明の具体的な一実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、この発明に
係る流体加熱装置の一実施例の概略的な説明図であり、
また図２は、図１に示す実施例における被加熱流体の温
度変化の説明図である。この実施例の流体加熱装置は、
被加工物や被処理物に対して加熱を行う負荷機器へ熱媒
を供給するシステムに組み込んだものである。したがっ
て、この実施例における被加熱流体としての熱媒は、前
記のように、耐熱温度を有する。

【００２１】まず、図１において、流体加熱装置１は、
熱媒循環路２によって負荷機器３と接続してある。この
実施例では、熱媒は、前記熱媒循環路２を図１の時計方
向へ循環する構成である。前記熱媒循環路２において、
前記負荷機器３への熱媒の供給側の流路には、熱媒の循
環ポンプ４を設けてある。さらに、前記熱媒循環路２に
は、前記負荷機器３から戻ってきた熱媒を、前記流体加
熱装置１をバイパスさせて前記循環ポンプ４の流入側へ
流通させるバイパス流路５を設けてある。このバイパス
流路５と前記負荷機器３への熱媒の供給側の流路との接
続部には、前記流体加熱装置１への熱媒の流量を調整す
るための制御弁６を設けてある。

【００２２】前記流体加熱装置１は、第一加熱機７と第
二加熱機８とで構成してあり、前記各加熱機７，８のそ
れぞれによる熱媒の昇温温度（すなわち、前記各加熱機
７，８における入口側と出口側との間の熱媒の温度差）
は同じとしてある。前記第一加熱機７および前記第二加
熱機８は、前記熱媒循環路２に対して、熱媒の流れ方向
に、この順に直列に接続してある。前記第一加熱機７お
よび前記第二加熱機８は、この実施例では、同じ構成と
してあり、以下の前記第一加熱機７の構成の説明によっ
て、前記第二加熱機８の構成の説明を省略する。

【００２３】前記第一加熱機７は、熱媒を流通させる容
器９と、この容器９内に収容した加熱手段１０とで構成
される。前記加熱手段１０は、この実施例では電気ヒー
タとしてある。すなわち、前記加熱手段１０は、詳細な
図示は省略しているが、電熱線を保護筒内に収容すると
ともに、この保護筒内に電気的絶縁体を充填して構成し
た，所謂シースヒータである。したがって、この保護筒
の表面が、前記加熱手段１０の加熱面に該当する。そし
て、前記加熱手段１０は、この加熱面を前記容器９内に
おいて熱媒の流れ方向に沿うように配置してある。前記
加熱手段１０には、電源１１を接続してあり、この電源
１１からの電力量を調整することにより、前記加熱手段
１０の熱出力を調整することができる。

【００２４】また、前記第一加熱機７の出口側には、第
一温度検出手段１２を設けてあり、前記第二加熱器８の
出口側には、第二温度検出手段１３を設けてある。そし
て、前記各加熱機７，８の前記各電源１１，前記第一温
度検出手段１２および前記第二温度検出手段１３を、そ
れぞれ回線（符号省略）を介して制御器１４に接続して
ある。前記制御器１４は、前記第一温度検出手段１２お
よび前記第二温度検出手段１３からの検出信号に基づい
て、前記各加熱機７，８の前記各電源１１を制御するこ
とにより、前記各加熱機７，８による熱媒の加熱温度も
制御する。

【００２５】さらに、図１に示すシステムにおいては、
前記負荷機器３に第三温度検出手段１５を設けてあり、
この第三温度検出手段１５を前記循環ポンプ４および前
記制御弁６とともに、それぞれ回線（符号省略）を介し
て前記制御器１４に接続してある。そして、前記制御器
１４は、前記第三温度検出手段１５によって前記負荷機
器３における負荷を温度として検出し、前記循環ポンプ
４の吐出量を制御することによって、負荷に応じた量の
熱媒を供給する。さらに、前記制御器１４は、前記第三
温度検出手段１５による前記負荷機器３の検出温度に基
づいて、前記制御弁６の開度を制御することによって、
前記流体加熱装置１を通過する熱媒の流量と前記バイパ
ス流路５を通過する熱媒の流量とを調整することによ
り、前記負荷機器３への熱媒の供給温度を調整する。

【００２６】さて、前記第一加熱機７および前記第二加
熱機８は、それぞれの加熱面の熱負荷ｑを、以下のよう
に設定してある。すなわち、前記第一加熱機７における
加熱面の熱負荷ｑを前記第二加熱機８における加熱面の
熱負荷ｑよりも大きく設定してある。さらに、前記各加
熱機７，８における加熱面の熱負荷ｑは、熱媒の壁面温
度ｔwに基づいて設定してある。この熱媒の壁面温度ｔw
は、加熱面の表面における熱媒の温度である。この熱媒
の壁面温度ｔw（℃）は、加熱面における熱負荷ｑ（kca
l／m²h），加熱面から熱媒への熱伝達率α（kcal／m²h
℃），熱媒の混合平均温度ｔm（℃）に基づいて、次式
により求める。

【００２７】ｔw＝ｑ／α＋ｔm

【００２８】そこで、この壁面温度ｔwを均一化するよ
うに、前記各加熱機７，８のそれぞれの加熱面の熱負荷
ｑを設定し、さらにこれらの加熱面の熱負荷ｑに基づい
て前記各加熱機７，８における前記各加熱手段１０の熱
出力および前記各加熱手段１０の面積を設定する。

【００２９】まず、前記各加熱機７，８の各容器９内を
流れる熱媒の温度（混合平均温度ｔmに相当する）は、
前記各加熱手段１０の加熱により、図２に示すように、
前記各容器９の入口側から出口側に向けて順次上昇す
る。したがって、前記第二加熱機８の出口側における熱
媒の混合平均温度ｔmに基づいて、熱媒の壁面温度ｔwを
求める。ここで、熱媒の耐熱温度を３００℃，前記第一
加熱機７への熱媒の流入温度を２００℃および前記第二
加熱機８からの熱媒の流出温度を２４０℃とする。この
条件では、前記流体加熱装置１全体での熱媒の昇温温度
は４０℃であり、また前記流体加熱装置１は、熱媒を前
記第一加熱機７および前記第二加熱機８のそれぞれで加
熱するようにしてあるため、前記各加熱機７，８による
熱媒の昇温温度を均等に配分すると、それぞれ２０℃で
ある。また、この実施例のように熱媒を前記循環ポンプ
４によって強制的に循環させている場合、加熱面におけ
る熱伝達率αは、６００〜１０００kcal／m²h℃である
が、ここでは、８００kcal／m ²h℃とする。

【００３０】前記第二加熱機８の加熱面の熱負荷ｑを、
４Ｗ／cm²（＝３４４００kcal／m²h）とすると、前記第
二加熱機８の出口側での熱媒の壁面温度ｔwは、３４４
００／８００＋２４０＝２８３（℃）となり、入口側で
の熱媒の壁面温度ｔwは、３４４００／８００＋２２０
＝２６３（℃）となる。前記第二加熱機８の出口側での
熱媒の壁面温度ｔwは、２８３℃であり、前記熱媒の耐
熱温度３００℃より低いが、この耐熱温度に対して負荷
変動時の余裕を持たせている。

【００３１】そして、前記第一加熱機７の出口側での熱
媒の壁面温度ｔwを、前記第二加熱機８の出口側での熱
媒の壁面温度ｔwと同じく２８３℃とする。前記第一加
熱機７の出口側における熱媒の平均混合温度ｔmは、前
記のとおり、２２０℃であるから、前記第一加熱機７の
加熱面の熱負荷ｑは、（２８３−２２０）×８００＝５
０４００（kcal／m²h）≒５．９（Ｗ／cm²）となる。前
記第一加熱機７の加熱面の熱負荷ｑを５．９Ｗ／cm²と
すると、入口側における熱媒の壁面温度ｔwは、２６３
℃となる。

【００３２】したがって、前記第二加熱機８の出口側の
熱媒の壁面温度ｔwに基づいて、前記各加熱機７，８に
おける加熱面の熱負荷ｑを設定すると、前記第一加熱機
７においては、加熱面の熱負荷ｑを前記第二加熱機８の
約１．５倍に高めることができる。さらに、前記各加熱
機７，８における熱媒の昇温温度は同じであり、前記各
加熱機７，８における熱媒への伝熱量が同じであるた
め、前記第一加熱機７においては、加熱面の面積を前記
第二加熱機８の約２／３に縮小化することができる。そ
のため、前記第一加熱機７の前記加熱手段１０を前記第
二加熱機８の前記加熱手段１０より小型化することがで
き、さらに前記第一加熱機７の前記容器９も前記第二加
熱機８の前記容器９より小型化することができる。

【００３３】ここで、以上の実施例との比較のため、従
来のように、前記各加熱機７，８における加熱面の熱負
荷ｑを同じに設定した場合について説明する。この比較
例において、前記第一加熱機７および前記第二加熱機８
の加熱面の熱負荷ｑを、ともに４Ｗ／cm²とする。この
場合、前記第二加熱機８の出口側および入口側での熱媒
の壁面温度ｔwは、前記実施例における前記第二加熱機
８の出口側および入口側での熱媒の壁面温度ｔwと同様
に、それぞれ２８３℃，２６３℃となる。しかし、前記
第一加熱機７の出口側および入口側での熱媒の壁面温度
ｔwは、図２に二点鎖線で示すように、それぞれ２６３
℃，２４３℃となる。この比較例における前記第一加熱
機７の出口側および入口側での熱媒の壁面温度ｔwは、
前記実施例における前記第一加熱機７の出口側および入
口側での熱媒の壁面温度ｔwよりもそれぞれ２０℃低く
なっている。すなわち、この比較例においては、前記第
一加熱機７の前記加熱手段１０を、前記実施例に比べて
低い熱出力で作動させていることになり、このことは、
前記第一加熱機７における熱媒への伝熱量が少ないこと
を意味している。

【００３４】以上のように、この実施例における前記流
体加熱装置１は、上流側の前記第一加熱機７における加
熱面の熱負荷ｑを高めることによって、前記流体加熱装
置１を小型化することができる。また、前記流体加熱装
置１を小型化することで、前記流体加熱装置１内の被加
熱流体の保有量を少なくすることができるため、加熱時
の温度の応答性を高めることができる。また、前記のよ
うな熱媒を加熱する前記流体加熱装置１においては、高
価な熱媒の保有量を減少させることになるため、イニシ
ャルコストも低減できる。

【００３５】以上の説明は、前記各加熱機７，８のそれ
ぞれによる熱媒の昇温温度を同じとし、前記第一加熱機
７を小型化した実施例であるが、前記各加熱機７，８の
それぞれによる熱媒の昇温温度を異ならせることもでき
る。たとえば、前記第一加熱機７および前記第二加熱機
８を同一の構成，寸法および形状とし、前記第一加熱機
７における加熱面の熱負荷ｑを前記第二加熱機８におけ
る加熱面の熱負荷ｑよりも大きく設定し、また前記各加
熱機７，８のそれぞれの出口側における熱媒の壁面温度
ｔwも同じに設定する。この場合の熱負荷ｑや熱媒の壁
面温度ｔwの設定は、前記各加熱機７，８における前記
各電源１１の制御により、前記第一加熱機７の前記加熱
手段１０への電力量を前記第二加熱機８の前記加熱手段
１０への電力量よりも多くすることによって行うことが
できる。

【００３６】この構成によると、前記各加熱機７，８に
おける前記各加熱手段１０の加熱面の面積が同じである
ため、前記各加熱機７，８による熱媒への伝熱量は、前
記第一加熱機７のほうが前記第二加熱機８よりも大きく
なり、また前記各加熱機７，８による熱媒の昇温温度も
前記第一加熱機７のほうが前記第二加熱機８よりも大き
くなる。そのため、前記各加熱機７，８を同一の構成と
しても、前記各加熱機７，８のそれぞれの前記加熱手段
１０への電力量の調整のみによって、前記流体加熱装置
１全体での熱負荷ｑを向上させることができるため、熱
媒の流量が増加しても、熱媒の昇温温度の低下を防止す
ることができる。このことは、同じ流量であれば、前記
流体加熱装置１を小型化できることを意味する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る流
体加熱装置によれば、流体加熱装置の上流側ほど加熱面
の熱負荷を大きくし、被加熱流体への伝熱量を多くする
ことによって、被加熱流体の加熱を効率よく行うことが
でき、流体加熱装置の小型化を達成することができる。
しかも、流体加熱装置の上流側ほど被加熱流体の温度が
低いため、このように加熱面の熱負荷を高くしたとして
も被加熱流体の昇温に消費されるため、加熱手段自体の
過熱を防止したうえで効率的に加熱を行うことができ
る。

【００３８】さらに、流体加熱装置における加熱面の熱
負荷を以上のように設定することにより、熱媒のように
耐熱温度を有する被加熱流体においては、温度による劣
化を防止したうえで効率よく加熱を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る流体加熱装置の一実施例の概略
的な説明図である。

【図２】図１に示す実施例における被加熱流体の温度変
化の説明図である。

【符号の説明】

１流体加熱装置７第一加熱機８第二加熱機９容器１０加熱手段１１電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱流体が接する加熱面の熱負荷を被
加熱流体の流れ方向上流側ほど高くしたことを特徴とす
る流体加熱装置。
【請求項２】前記加熱面の熱負荷を前記加熱面と接す
る被加熱流体の壁面温度に基づいて設定したことを特徴
とする請求項１に記載の流体加熱装置。
【請求項３】前記加熱面が、被加熱流体の流れ方向に
対して複数に分断されていることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の流体加熱装置。
【請求項４】前記被加熱流体が、熱媒であることを特
徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の流
体加熱装置。