JP2001110556A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二相流を効率的に加熱することができ、かつ
外部への磁界の漏れが少ない誘導加熱方式の流体加熱装
置を提供する。 【解決手段】 冷媒配管(20)の少なくとも一部を磁性体
にしてなる発熱部(16a)と、当該発熱部(16a)の管内側に
設けられた電磁誘導コイル(16b)と、当該コイル(16b)に
高周波電流を供給する高周波電源(16c)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管内を流れる流
体を加熱する流体加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特公昭６２−２９６９６号公
報、特開平９−１４５１５６号公報、特開平１０−６９
９６６号公報に開示されているように、配管内の流体を
誘導加熱方式により加熱する加熱装置が知られている。
この種の加熱装置については、一般に以下の２種類の形
式が知られている。

【０００３】すなわち、第１の形式（以下、第１従来例
という）は、図５に示すように、非磁性体からなる配管
(100)の外周面に電磁誘導コイル(102)を巻き付け、配管
(100)の内部に鉄心(101)を設けたものである。流体加熱
の際には、電磁誘導コイル(102)に高周波電流を流し、
その周りに高周波磁界(F)を発生させる。それに伴い、
鉄心(101)に渦電流(C)が生じ、鉄心(101)が瞬時に高温
に加熱される。その結果、鉄心(101)の高熱が配管(100)
内の流体(103)に伝達され、流体(103)の加熱が行われ
る。

【０００４】一方、第２の形式（以下、第２従来例とい
う）は、図６に示すように、配管(200)の一部が磁性体
からなる発熱部(201)に形成され、当該発熱部(201)の外
周面に電磁誘導コイル(102)を巻き付けたものである。
流体加熱の際には、電磁誘導コイル(102)に高周波電流
を流し、その周りに高周波磁界(F)を発生させる。それ
に伴い、発熱部(201)に渦電流(C)が生じ、この発熱部(2
01)が瞬時に高温に加熱される。その結果、発熱部(201)
の高熱が配管(200)内の流体(103)に伝達され、流体(10
3)の加熱が行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第１従来
例では、配管(100)内の流体が気液二相の環状流の場合
に、加熱効率が著しく低下するという問題があった。つ
まり、環状流の場合には、液相流体は配管(100)の内周
面に沿って流れ、配管(100)の中心部には気相流体のみ
が流れる。そのため、高温の鉄心(101)に接する流体は
気相流体のみとなり、鉄心(101)はもっぱら気相流体の
みを加熱することになる。しかし、気相流体は液相流体
に比べて熱伝達率が著しく低い。そのため、鉄心(101)
による加熱量は極めて少なくなる。従って、上記第１従
来例では、環状流の流体を効率的に加熱することはでき
なかった。これに対し、上記第２従来例では、配管(20
0)の一部を発熱部(201)としており、配管(200)自体を高
温に加熱するので、上記の問題はなく、環状流の流体で
あっても加熱効率が著しく低下することはなかった。

【０００６】例えば、流体として質量流量が１６［kg／
ｈ］、蒸発温度が６．１［℃］の飽和液状態（乾き度が
ゼロ）のＲ２２を用い、第１従来例と第２従来例との性
能比較を行うと、加熱後の冷媒の乾き度は、第１従来例
では０．５以下であったのに対し、第２従来例では０．
８程度であった。

【０００７】しかし、第２従来例の誘導加熱の過程を詳
細に検討すると、電磁誘導コイル(102)によって加熱さ
れるのは発熱部(201)の表皮部(201a)のみであり、配管
(200)の内部は、表皮部(201a)からの熱伝導によって間
接的に加熱されるに過ぎない。また、表皮部(201a)から
の放熱量が多く、放熱による熱損失が大きい。そのた
め、配管(200)内を単相流が流れる場合には、上記第１
従来例に比べて加熱効率が低かった。

【０００８】さらに、上記第１及び第２従来例に共通す
る課題として、電磁誘導コイル(102)から外部への漏れ
磁束が大きかった。そのため、電磁誘導コイル(102)の
近傍に何らかの磁性体部材が設置されている場合には、
発熱量の低下を招くとともに、当該部材を加熱してしま
う場合もあった。このようなことを防止するためには、
電磁誘導コイル(102)の周りに磁気シールドを設けなけ
ればならず、部品点数の増加とコストアップを招くこと
になった。

【０００９】例えば、図７（ａ）に示すように、第２従
来例の電磁誘導コイル(102)の近傍に磁性体が設けられ
ていない場合には、電磁誘導コイル(102)の電磁誘導加
熱による発熱部(201)の発熱量は約１５４０［Ｗ］であ
ったのに対し、図７（ｂ）に示すように電磁誘導コイル
(102)の近傍に磁性体(205)を設けた場合には、磁性体(2
05)の発熱量が約４０３［Ｗ］となり、発熱部(201)の発
熱量はわずか約２５０［Ｗ］に過ぎなかった。このよう
に、電磁誘導コイルの近傍に磁性体が配置されている
と、加熱効率は著しく低下する。

【００１０】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、二相流をも効率的に
加熱することができ、かつ外部への磁界の漏れが少ない
誘導加熱方式の流体加熱装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電磁誘導コイルを配管の内部に設けるこ
ととした。

【００１２】具体的には、本発明に係る流体加熱装置
は、配管(20)内を流れる流体を加熱する流体加熱装置で
あって、配管(20)の長手方向の少なくとも一部を磁性体
にしてなる発熱部(16a)と、上記発熱部(16a)の管内側に
配置された電磁誘導コイル(16b)とを備えていることと
したものである。

【００１３】このことにより、電磁誘導コイルに高周波
電流を流すと、電磁誘導コイルの周りに高周波磁界が生
じる。電磁誘導コイルは発熱部の管内側に配置されてい
るので、電磁誘導作用により配管の発熱部に渦電流が発
生し、この発熱部の管内側が瞬時に高温に加熱される。
そして、発熱部の管内側の高熱が流体に伝達され、流体
はたとえ環状流であっても、迅速かつ効率的に加熱され
る。また、配管自体が電磁誘導コイルの高周波磁界をシ
ールドするので、配管外部への磁界の漏れは低減する。

【００１４】上記流体加熱装置は、配管(20)内における
電磁誘導コイル(16b)の内側に設けられた磁性体部材(16
e)を備えていることが好ましい。

【００１５】このことにより、電磁誘導コイルに高周波
電流を流すと、その周りに生じる高周波磁界により、発
熱部及び磁性体部材の両方に渦電流が発生し、その両方
が高温に加熱される。そのため、発熱部及び磁性体部材
の両方の熱が流体に伝達される。このように、発熱面積
が大きいので、流体はさらに迅速かつ効率的に加熱され
ることになる。

【００１６】配管(20)は、二相流の冷媒が流れる配管で
あってもよい。

【００１７】このことにより、環状流が流れても加熱効
率が低下しないという効果が、より顕著に発揮されるこ
とになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１９】＜実施形態１＞図１に示すように、実施形
態１に係る流体加熱装置は、空気調和装置(1)に組み込
まれ、この空気調和装置(1)の冷媒回路(21)を流れる冷
媒を加熱する冷媒加熱装置(16)である。

【００２０】空気調和装置(1)は、室外ユニット(1a)と
室内ユニット(1b)とを備えている。冷媒回路(21)は、室
外ユニット(1a)内の圧縮機(10)、室外熱交換器(11)、及
び膨張弁(12)と、室内ユニット(1b)内の室内熱交換器(1
3)とが、冷媒配管(20)により順に接続されて構成されて
いる。圧縮機(10)と両熱交換器(11),(13)とは、四路切
換弁(22)を介して接続されており、暖房運転と冷房運転
とを選択的に実行できるように、冷媒の循環方向が可逆
に構成されている。なお、暖房運転時には、四路切換弁
(22)は図１の実線側に切り換えられ、室内熱交換器(13)
が凝縮器となり、室外熱交換器(11)が蒸発器となる。一
方、冷房運転時には、四路切換弁(22)は図１の破線側に
切り換えられ、室外熱交換器(11)が凝縮器となり、室内
熱交換器(13)が蒸発器となる。

【００２１】室外ユニット(1a)内には、室外熱交換器(1
1)に空気を供給する室外送風機(14)が設けられ、室内ユ
ニット(1b)内には、室内熱交換器(13)に空気を供給する
室内送風機(15)が設けられている。

【００２２】室外熱交換器(11)には、暖房運転の際に室
外熱交換器(11)の着霜を検出する着霜センサ(17)が設け
られている。そして、膨張弁(12)と室外熱交換器(11)と
の間には、冷媒配管(20)内を流れる冷媒をデフロスト運
転時に加熱するように、冷媒加熱装置(16)が設けられて
いる。

【００２３】室外送風機(14)、室内送風機(15)、冷媒加
熱装置(16)、及び着霜センサ(17)は、コントローラ(18)
に接続されている。コントローラ(18)は、暖房運転時に
着霜センサ(17)からの着霜検出信号を受けると、圧縮機
(10)の運転を正サイクルで継続しながら冷媒加熱装置(1
6)を作動させ、デフロスト運転を行うように構成されて
いる。このとき、室内送風機(15)は、送風量が少なくな
るように制御される。

【００２４】次に、図２を参照しながら、冷媒加熱装置
(16)の構成について説明する。冷媒加熱装置(16)は、冷
媒配管(20)の一部を磁性体で形成してなる発熱部(16a)
と、発熱部(16a)の管内側に配置されかつ管の長手方向
に螺旋状に形成されたコイル(16b)と、コイル(16b)に接
続された高周波電源(16c)とを備えている。この高周波
電源(16c)は、コイル(16b)に高周波電流を供給すること
によって発熱部(16a)に誘導電流を生成する高周波電流
発生手段である。この構成において、発熱部(16a)は、
冷媒配管(20)の一部を構成しており、同時に、冷媒加熱
装置(16)の構成要素ともなっている。

【００２５】なお、発熱部(16a)は、例えば磁性体から
なる筒体を冷媒配管の一部として他の冷媒配管(20)と連
続するように接合したり、磁性材料の薄い板材を冷媒配
管(20)の内周面に接合したりして構成することができ
る。

【００２６】冷媒配管(20)の発熱部(16a)の両側には配
線孔(20a)が形成され、この配線孔(20a)に通したリード
線(16g)により、コイル(16b)と高周波電源(16c)とが接
続されている。なお、配線孔(20a)は配線後に封じら
れ、冷媒の漏れがないように処理されている。

【００２７】使用する高周波電流は、一般に周波数が高
いほど加熱効率を高めることができるが、過度の発熱は
不要であるので、冷媒の加熱に必要な熱量と、発熱部の
サイズや材質などの条件を考慮して、適当な範囲で選定
すればよい。

【００２８】次に、本冷凍装置の運転動作について説明
する。暖房運転時には、圧縮機(10)から吐出された高温
高圧の冷媒は、室内熱交換器(13)において室内空気と熱
交換して凝縮し、室内空気を加熱する。加熱された室内
空気は、温風となって室内に供給され、室内が暖房され
る。凝縮した冷媒は、室内熱交換器(13)を流出した後、
膨張弁(12)で減圧され、室外熱交換器(11)に流入する。
室外熱交換器(11)において、冷媒は室外空気と熱交換を
行って蒸発し、室外熱交換器(11)を流出して圧縮機(10)
に戻る。その後は、以上の暖房サイクルが繰り返され
る。

【００２９】この暖房運転において、室外熱交換器(11)
に着霜が起こると、室外熱交換器(11)の霜が着霜センサ
(17)によって検出され、着霜センサ(17)はコントローラ
(18)に着霜検出信号を送信する。着霜検出信号を受けた
コントローラ(18)は、冷媒加熱装置(16)を作動させ、デ
フロスト運転を開始する。デフロスト運転時には、暖房
サイクルのまま圧縮機(10)の作動が継続しているので、
冷媒配管(20)内を流れる冷媒は、冷媒加熱装置(16)によ
って加熱されてから、室外熱交換器(11)に送られる。そ
して、加熱された冷媒は、室外熱交換器(11)を流通する
際に室外熱交換器(11)の霜を溶かし、これによりデフロ
ストが行われる。

【００３０】デフロスト運転中は室内送風機(15)の能力
が抑制されるので、室内熱交換器(13)の熱交換量は減少
する。そのため、室内熱交換器(13)に流入した冷媒は、
その一部が凝縮して気液二相状態となり、室内熱交換器
(13)から二相流として流出する。従って、冷媒加熱装置
(16)を流れる冷媒は二相流となり、条件によってはその
流動様式が環状流となる。

【００３１】次に、冷媒加熱装置(16)における冷媒加熱
の詳細について説明する。冷媒加熱装置(16)が作動する
と、コイル(16b)に高周波電流が流れ、その周りに高周
波磁界(F)が生じる。それに伴い、冷媒配管(20)の発熱
部(16a)に渦電流(C)が発生し、発熱部(16a)は瞬時に高
温に加熱される。そして、コイル(16b)は発熱部(16a)の
管内側に設けられているので、発熱部(16a)は管内側が
最も高温部分となる。そのため、冷媒は効率的に加熱さ
れる。また、冷媒の流動様式が環状流であったとして
も、発熱部(16a)の管内面には熱伝達率の良好な液相の
冷媒が接触することになるので、冷媒は効率的に加熱さ
れる。

【００３２】一方、冷房運転を行うときは、四路切換弁
(22)が図１の破線側に切り換えられ、冷媒が圧縮機(10)
から室外熱交換器(11)、膨張弁(12)、室内熱交換器(13)
の順に送られ、室内に冷風が供給される。

【００３３】以上のように、本冷媒加熱装置(16)によれ
ば、コイル(16b)を冷媒配管(20)の発熱部(16a)の管内側
に設けたので、発熱部(16a)の内周面から冷媒を加熱す
ることができ、たとえ冷媒が環状流であっても、迅速か
つ効率的な加熱を行うことができる。従って、二相流の
流体に対しても良好な流体加熱を実現することができ
る。

【００３４】発熱部(16a)は、管内側が最も高温とな
り、管外側が最も低温となるので、発熱部(16a)から外
部への放熱量は減少し、熱損失は低減する。

【００３５】また、コイル(16b)を冷媒配管(20)の内部
に設けたことにより、冷媒配管(20)自体が磁気シールド
として機能し、高周波磁界の漏れが少なくなる。従っ
て、高周波磁界をより効率的に冷媒加熱に利用すること
ができる。また、磁気シールドを別個に設ける必要がな
くなり、装置の部品点数の低減と低コスト化を図ること
ができる。

【００３６】さらに、コイル(16b)は若干の抵抗を有し
ているので、コイル(16b)自体もわずかながら発熱す
る。本冷媒加熱装置(16)では、コイル(16b)は発熱部(16
a)の管内側に設けられているので、コイル(16b)の熱は
冷媒に伝達される。従って、冷媒加熱がさらに効率的に
行われる。

【００３７】＜実施形態２＞次に、図３を参照しなが
ら、実施形態２に係る冷媒加熱装置(16)を説明する。こ
の実施形態２は、実施形態１の冷媒加熱装置(16)におい
て、コイル(16b)の内側に鉄心(16e)を設けたものであ
る。鉄心(16e)は、支持部材(16f)により冷媒配管(20)の
内部に固定された磁性金属の棒状部材によって構成され
ている。鉄心(16e)は、コイル(16b)の内側において冷媒
配管(20)の長手方向に沿うように配置されている。

【００３８】本実施形態２においては、コイル(16b)に
高周波電流を流すと、その周りに生じる高周波磁界(F)
により、発熱部(16a)及び鉄心(16e)の両方に渦電流(C)
が発生するの。そのため、発熱部(16a)及び鉄心(16e)の
両方が発熱し、その両方の熱が冷媒に伝達される。この
ように、実施形態２によれば、実施形態１よりも発熱面
積が大きいので、冷媒をさらに迅速かつ効率的に加熱す
ることができる。

【００３９】＜性能比較例＞次に、図４を参照しなが
ら、実施形態１と実施形態２との性能比較例を説明す
る。いずれの形態においても、配管内径が小さいほど発
熱部の発熱量は小さくなる。これは、配管内径が小さく
なると、電磁誘導コイルの内部磁束が互いに打ち消し合
う傾向が強まることが原因と考えられる。

【００４０】実施形態１と実施形態２とを比較すると、
実施形態２の方が発熱面積が大きい分だけ、全体の発熱
量が大きいことが分かる。

【００４１】＜その他の実施形態＞なお、本発明に係る
流体加熱装置は、冷媒加熱装置に限定されるものではな
く、水を加熱する給湯装置など、他の加熱装置に適用で
きることは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電磁誘
導コイルを発熱部の管内側に設けることとしたので、発
熱部の内面側を高温に加熱することができ、環状流の流
体に対しても高効率の加熱を行うことが可能となる。ま
た、配管外への磁界の漏れが少ないので、外部機器の意
図しない発熱を未然に防止することができるとともに、
加熱効率の低下を防止することができる。さらに、電磁
誘導コイル自体の発熱がある場合には、この熱を流体に
伝達することができるので、加熱効率を向上させること
ができる。

【００４３】電磁誘導コイルの内側に磁性体部材を備え
ることにより、発熱面積を大きくすることができ、流体
の加熱効率をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気調和装置の冷媒回路図である。

【図２】実施形態１の流体加熱装置の構成図である。

【図３】実施形態２の流体加熱装置の構成図である。

【図４】実施形態１及び２の性能比較図である。

【図５】第１従来例の構成図である。

【図６】第２従来例の構成図である。

【図７】第２従来例の概略構成図であり、（ａ）はコイ
ル近傍に磁性体を設けない場合を示し、（ｂ）はコイル
近傍に磁性体を設けた場合を示す。

【符号の説明】

(1) 空気調和装置 (10) 圧縮機 (11) 室外熱交換器 (12) 膨張弁 (13) 室内熱交換器 (16) 冷媒加熱装置 (16a) 発熱部 (16b) コイル（電磁誘導コイル） (16c) 高周波電源 (16e) 鉄心（磁性体部材） (18) コントローラ (20) 冷媒配管 (21) 冷媒回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 47/02 Ｆ２５Ｂ 47/02 Ｄ Ｆターム(参考） 3K059 AA08 AB00 AB04 AB23 AB28 AC54 AD03 CD44 CD73 CD74 CD75

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配管(20)内を流れる流体を加熱する流体
   加熱装置であって、 配管(20)の長手方向の少なくとも一部を磁性体にしてな
   る発熱部(16a)と、 上記発熱部(16a)の管内側に配置された電磁誘導コイル
   (16b)とを備えている流体加熱装置。
2. 【請求項２】 配管(20)内における電磁誘導コイル(16
   b)の内側に設けられた磁性体部材(16e)を備えている請
   求項１に記載の流体加熱装置。
3. 【請求項３】 配管(20)は、二相流の冷媒が流れる配管
   である請求項１または２のいずれか一つに記載の流体加
   熱装置。