JP2005069606A - 流体加熱装置及び床暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な形状を有することなく、比較的低廉な製造コストで熱効率のよい流体加熱装置を提供する。
【解決手段】 電気絶縁性材料よりなる外筒１と、外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイル２と、外筒の内部に配置されるとともに高周波電流加熱コイルによって発熱する円柱形状の金属発熱体３とを備え、円柱形状の金属発熱体はその軸芯方向に少なくとも一つの貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃを有し、貫通孔の内部には絶縁体９、９、９、…が装填されており、外筒の内周面と金属発熱体の外周面との間、及び貫通孔において内部に装填された絶縁体が生じる空隙に流体流路を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁誘導加熱（以下において「ＩＨ」という。）を利用して流体を加熱する装置、及びその装置を熱源とする床暖房システムに関する。

従来から流体加熱用ＩＨの提案はなされている。例えば、特許文献１には、高周波焼き入れの技術を考慮してＩＨで加熱される金属の円筒の内部に流体を通すことで流体加熱を達成するものが開示されている。また特許文献２には、ＩＨで加熱されない円筒にＩＨで加熱される金属体を挿入して、その周りに流体を通すようにして流体加熱を達成する装置が開示されている。

また、上記特許文献１と特許文献２との技術を組み合わせて構成した、非常に効率の高い流体加熱用ＩＨ部品、装置が特許文献３、及び特許文献４に開示されている。
実開平４−６６０８９号公報 実公平４−１６７８号公報 特開２００１−２０３０６９号公報 特開平９−９２４４８号公報

しかし、特許文献１に開示されている方法によっては、ＩＨで金属を高周波加熱した場合、最も熱を発生するのはもっぱら金属体円筒の外周部分で、円筒内部の流体への伝熱は円筒金属の肉厚を通して行うことになる。従って、金属外周部が熱く熱せられても、内部に流通する流体に熱を十分に伝えられることができず、空気など外部に熱が逃げてしまうという問題があった。また、特許文献２に開示されている装置によれば、金属から流体への伝熱しか考えられず、高効率が得られるが、今度はコイル内部に占める金属外周部の面積が少ないために十分な結合係数を得ることができない。これは渦電流の発生は主として金属外周部に集中して起きるが、この渦電流の感じることのできる磁束はその内部を貫通する磁束だからである（ヘンリーの法則）。従って、結合係数の下がった分、必要なリアクタンスを得るためにコイルの巻き数を多くしなければならないが、高出力ＩＨの場合２０Ａ以上の電流を電線に流すことが多く、このコイル部分の電力損失が無視できない。結局のところ上記特許文献１又は２に開示されている装置等によっては、与えた電力の８０％を越える熱量を流体に与えることは困難である。

さらに、特許文献３に開示されている加熱器や、特許文献４に開示されている加熱装置においては、流す流体の量を減らして高温度の流体を得ようとすると、流体全体としての温度は８０℃前後であるのに関わらず、内部にて６０℃ぐらいから突沸現象が確認されている。特に、特許文献３に開示されているような単純な形状のものは、温度の高い温水を得ることが難しかった。これは内部に設けられた孔の部分の流速が遅いため流れが層流になり、伝熱壁面の近傍では極端に伝熱が悪くなっているためであると考えられる。また、特許文献３に開示されている加熱器では、温度が安定しない問題があった。更に、この加熱器では金属体がどのように保持されているのかが不明である。

また、特許文献４に開示されている加熱装置は伝熱面積を増やすために小さな貫通孔をあけたり、溝を形成したりすることが必要であり、その製造コストが非常に高価なものになってしまうという問題があった。また、内部の孔の部分にほとんどの流体が集中してしまい、外枠に行く流体が少なくなってしまうと発熱して外側のチューブを溶かしてしまう危険があるという問題もあった。

そこで、本発明は、複雑な形状を有することなく、比較的低廉な製造コストで熱効率のよい流体加熱装置を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意実験した結果、ＩＨで加熱される金属発熱体を円柱形とするとともに、該円柱形の金属発熱体に円柱の長さ方向に貫通孔を設けて、円柱形金属発熱体の内外に流体を流す構造にすると、高い効率で熱量を流体に与えることができることを見出した。さらに、低いコストでしかも容易に伝熱係数を高めるために、貫通孔の内部に絶縁体の比較的小さな球体などを充填することによって、筒状体の内部の流れを乱流にして伝熱係数を上げるとともに、適度な流体抵抗が生じて、筒状体の外周側にも効率的に流体が流れるようにすることで、発熱による外側のチューブが溶解される問題が解消されることを見出し、かかる知見により本発明を完成させたものである。以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、電気絶縁性材料よりなる外筒（１）と、外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイル（２）と、外筒の内部に配置されるとともに高周波電流加熱コイルによって発熱する円柱形状の金属発熱体（３）とを備え、円柱形状の金属発熱体はその軸芯方向に少なくとも一つの貫通孔（３ａ、３ｂ、３ｃ）を有し、貫通孔の内部には絶縁体（９、９、９、…）が装填されており、外筒の内周面と金属発熱体の外周面との間、及び貫通孔において内部に装填された絶縁体が生じる空隙に、流体流路を形成したことを特徴とする流体加熱装置（１０）により前記課題を解決しようとするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流体加熱装置（１０）において、絶縁体は、複数の球状体（９、９、９、…）であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の流体加熱装置（１０）において、球状体（９、９、９、…）は均一な大きさを有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱装置（１０）において、貫通孔（３ａ、３ｂ、３ｃ）は断面形状が円形であるとともに、前記金属発熱体（３）の円柱形状の軸芯を基準に回転対称に配置されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の流体加熱装置（１０）において、球状体（９、９、９、…）の径は、前記円形の貫通孔（３ａ、３ｂ、３ｃ）断面の直径の１／１０〜１／２であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の流体加熱装置（１０）において、金属発熱体（３）の長さ方向両端部に、円周方向支持用のリブ（４ａ、４ｂ）を設けたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の流体加熱装置（１０）を熱源とするとともに、床面下に温水を循環させてなる床暖房システム（１００）により前記課題を解決しようとするものである。

本発明によって、非常に効率の良い流体加熱をおこなうＩＨ部品、該部品を熱源とする床暖房システムを得ることができる。特に流量が少なくなっても非常に安定な効率の良い流体加熱を実現することが可能である。本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。図１は、本発明にかかる流体加熱装置の概略を示す正面方向の断面図、図２ａは、図１におけるII−II線に沿った断面図である。これらに図示されているとおり、流体加熱装置１０は、絶縁体により形成されている外筒１と、該外筒に捲線された高周波電流加熱コイル２と、該外筒内部に高周波電流加熱コイル２によって発熱する円柱状の金属発熱体３を備えている。円柱状の金属発熱体３は、円柱断面の中心より回転対称の位置に貫通孔を有している。このように貫通孔を有することにより、流路抵抗の増大を抑制しつつ、熱伝達面積を確保できる。貫通孔の断面形状は特に制限しないが、加工の容易性を考慮すると、円形が好ましい。貫通孔は第一の流体流路を形成する。外筒１と金属発熱体３との間には一定の間隔が設けられており、この間隔が第二の流体流路を形成している。また、金属発熱体３の外部は発熱しやすいためコイル全体の温度が上がりやすく、それを抑制する必要がある。そのため、第一の流体流路（金属発熱体３の内部）と、第二の流体流路（外筒１と金属発熱体３との間）の流量は、通常第二の流体流路の方を多くとるようにすることが好ましい。このような観点から、金属発熱体３の外径をＡ、外筒１の内径をＢとした場合、好ましくはＡ／Ｂの値が０．５〜０．９である。

図示の実施形態では、金属発熱体３の軸芯の周りに１２０°間隔で３個の貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている。本発明はこれに限定されるものではないが、発熱分布の均一性の観点から、貫通孔は円柱の軸芯を基準に略回転対称の位置に設けられていることが好ましい。例えば貫通孔は図２ｂに示されているように、金属発熱体３の中央に一つだけ設けても良い。このように設けられる貫通孔の数が一つの場合は、貫通孔の軸芯と円柱の軸芯とが一致する。設ける貫通孔の数は、通常加工が容易であるため一つだけで十分であり、複数の場合でも２〜６個である。貫通孔が多すぎると、加工に手間がかかる。

貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃの内部には、絶縁体９、９、９、…が装填されている。本発明において、絶縁体９の大きさや形状は特に限定されるものではないが、貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃの直径の１／１０〜１／２程度の直径を有する大きさの球状体を使用することが好ましく、これらの球状体９の大きさが揃っていればさらに好ましい。このように構成することで、第一の流体流路に対する適度な抵抗を付与することができ、第二の流体流路の流量を確保することが可能となる。球状体９の大きさが不揃いの場合、充填剤としての球状体９全体の安定な構造がとりにくく、経時変化が問題となる。球状体９充填後の貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃの空隙率は通常２０〜８０％程度である。空隙率が少ないと流体の流通可能な部分が少なくなり抵抗が大きくなる。空隙率が大きすぎると、流れが乱流状態となり難いので、金属発熱体３から流体への熱伝導が悪くなる。

貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃの両端部開口には、充填物たる球状体９が流体の流れによって、外部へと飛び出してしまうことがないように、係止板８が取り付けられている。係止板８は、球状体９が外部へと出て行かない程度の大きさの孔を設けた金属板、あるいは金網にて構成されている。

金属発熱体３の両端には、リブ４ａ、４ｂが設けられている。リブ４ａ、４ｂの外周面は、外筒１の内周面に面接触し、金属発熱体３は、外筒１の内部で軸心方向に摺動可能とされている。また、リブ４ａ、４ｂにはそれぞれスリットが９０度間隔で４箇所配置されており、流体の流路が確保される。これにより、外筒１と金属発熱体３との間に一定の間隔を確保して流体流路を形成することができ、金属発熱体３の外側方向への発熱を流体に伝えることができる。また、絶縁体により形成されている外筒１との接触面が過剰に昇温されるのを防止することができる。

外筒１の両端部には肉厚のＩＨシェル部５ａ、５ｂが形成されている。さらにこれらＩＨシェル部５ａ、５ｂの開口から内部にＩＨプラグ６ａ、６ｂが嵌入されている。また、金属発熱体３の両端には、軸芯方向にスプリング７ａ、７ｂが配置されている。スプリング７ａ、７ｂの伸縮方向の一端面は金属発熱体３の両端面に当接されており、他の一端面はプラグ６ａ、６ｂの金属発熱体３に向かう面に当接されている。このような構成によって、金属発熱体３が両端をスプリング７ａ、７ｂにて支持外筒１の絶縁体軸方向へ支持される構造になっている。このような浮き構造にすることで金属発熱体３の動きが自由になり、流路抵抗が低減される等の効果が期待できる。

図３は上記の流体加熱装置１０を熱源として、床面下に温水を循環させるように構成された床暖房システム１００の基本構成を示した制御システムの概略図である。床暖房システム１００は、高周波誘導加熱により熱媒体液を加熱する流体加熱装置１０と、流体加熱装置１０に高周波電力を供給する高周波誘導加熱回路１２と、システムの温度制御を司る温度制御装置１３と、流体加熱装置１０により発生した熱を室内に供給する放熱器１４と、流体加熱装置１０と放熱器１４とを連結する配管にあって流路の開閉を司る熱動弁１５と、システム内に熱媒体液を循環させる循環ポンプ１６とを備えている。

流体加熱装置１０に熱媒体液を通すと熱交換が行われ、熱媒体液の温度が上昇することになる。即ち、加熱流体となる。本発明に使用される熱媒体液としては特に限定されるものではないが、例えば水、エチレングリコールのような不凍液、鉱油などを使用することができる。

温水式床暖房システムの場合、熱媒体液は一般的に循環閉回路を流れ、その流れは循環ポンプ１６で作り出される。循環ポンプ１６は、循環閉回路の流路損失に対して適正な流量が確保できる性能のものを選択することが好ましい。

熱動弁１５は、流路の開閉を行うバルブで放熱器１４への通液制御を行うものである。放熱器１４が１個の場合あまり意味を持たないが、複数個に並列接続されている場合は個別暖房制御の方法として有効に作用する。

循環ポンプ１６によって、循環閉回路に送り込まれた加熱液は、放熱器１４内を流れることで室内に放熱し、結果として液温が下がる。この冷やされた液体は、循環ポンプ１６により再び流体加熱装置１０を流れることで再加熱される。このようにして、床暖房システム１００が室内を暖房する装置として機能している。

本実施形態では、戻り流体温度センサ１３ｂにより戻り温水温度Ｔｉ、流体加熱装置出側温度センサ１３ｃにより往き温水温度Ｔｏを検知するようにしている。温度制御装置１３では、前記Ｔｉ、Ｔｏの情報を基とし、更に室温センサ１３ａの温度情報を加えて制御量を演算している。演算した結果は、電気的制御量として高周波誘導加熱回路１２に送り、高周波誘導加熱回路１２では当該制御量に見合った高周波誘導電流を流体加熱装置１０の高周波電流加熱コイル２に流すことになる。該高周波誘導電流は、リアルタイムに連続可変制御され、室内環境の快適性を維持すると共にランニングコストの低減が図られる。

演算の方法としては、電気回路的に行うか、マイコンによるソフトウェア制御とするか、或いはその両方を組み合わせて行うか、その何れでも良い。尚、前述した各センサは必要最小限の設置とし、省かれた物についてはソフトウェア的推論値で代用することもできる。この場合は、商品開発過程に於ける実験値等をその根拠とすることができる。例えば、流体加熱装置出側温度センサ１３ｃを省略し、Ｔｉを得ることにより、目標Ｔｏをソフトウェア的に求めることが可能である。

このように、高周波誘導加熱による床暖房システム１００では、加熱電力制御をリアルタイムにかつ極め細かく行うことができるため、総合エネルギー効率を高くすることができる。また、熱媒体液を直接加熱できるため、従来熱源機に設置を余儀なくされていたリザーブタンクを必要としない。その結果、構造がシンプルとなり流体加熱装置１０の小型化を実現することができる。かくして、高周波誘導加熱による床暖房システム１００は、全体の構造がシンプルでありながら、高効率、高信頼性、低イニシャルおよび低ランニングコストのシステムを実現することができる。

外径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの薄い肉厚のプラスチック管（絶縁体）の内径に一致する外径を有するステンレス鋼（ＳＵＳ４３０；金属発熱体＝ＩＨ金属体）の円筒金属外周部分を、隅の方を残すように１．５ｍｍほど切削した。隅の方（フランジ）には切り欠きをいれることで外周部に水を流す部分を作製した。この外周部に流れる水の量がある規定量以上でないと、高熱が発生して上記プラスチック管を溶かすことがわかったので、大きめに切削した。ただし、このままでは非常に高い圧損になるので、十分にＩＨ金属体から流体に熱が流れることを考慮して直径１３ｍｍの貫通孔を１個作製した。貫通孔の内部には直径５ｍｍのアルミナボールを充填した。さらに、上記アルミナボールが流体の流れとともに、金属発熱体の外部に流失しないように、貫通孔両端部の開口には金網を取り付けた。このようにして作成したプラスチック管＋ＩＨ金属体の外側にできるだけ低抵抗の低い電線としてリッツワイヤを巻いた。以上のような構成にした結果、１０００Ｗの電力で発熱させながら熱媒体としての水を０．５Ｌ／分、１Ｌ／分、２Ｌ／分流して、アルミナボール未充填の場合（比較例：実線）と充填した場合（実施例：鎖線）とを比較してみた（図４参照）。具体的には、ＩＨ部品の前後の温度差から流体に与えられた熱量を計算することにより、効率を測定して比較した。その結果、比較例のＩＨセルでは流れが遅い場合（０．５Ｌ／分）で不安定になっているのに対し、実施例は安定していることが確認された。また、実施例では突沸もなく、流量を絞ることで問題なく８０℃以上の温水を得ることができた。効率は９５％以上を達成することが確認された。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う流体加熱装置及び床暖房システムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

流体加熱装置の概要を示す断面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 単一の貫通孔が設けられている場合の、図２ａに対応する断面図である。 流体加熱装置を熱源として、床面下に温水を循環させるように構成された床暖房システムの基本構成を示した制御システムの概略図である。 金属発熱体に形成された貫通孔の内部に、球状体が充填されている場合と充填されていない場合との、温水温度の経時変化を比較して示すグラフである。

符号の説明

１ 外筒
２ 高周波電流加熱コイル
３ 金属発熱体
３ａ、３ｂ、３ｃ 貫通孔
４ａ、４ｂ リブ
７ａ、７ｂ スプリング（弾性部材）
９ 球状体（絶縁体）
１０ 流体加熱装置
１００ 床暖房システム

Claims (7)

1. 電気絶縁性材料よりなる外筒と、
   前記外筒の外周部に捲線された高周波電流加熱コイルと、
   前記外筒の内部に配置されるとともに前記高周波電流加熱コイルによって発熱する円柱形状の金属発熱体と、を備え、
   前記円柱形状の金属発熱体は、その軸芯方向に少なくとも一つの貫通孔を有し、
   前記貫通孔の内部には絶縁体が装填されており、
   前記外筒の内周面と前記金属発熱体の外周面との間、及び前記貫通孔において内部に装填された前記絶縁体が生じる空隙に、流体流路を形成したことを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記絶縁体は、複数の球状体であることを特徴とする請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 前記球状体は均一な大きさを有することを特徴とする請求項２に記載の流体加熱装置。
4. 前記貫通孔は断面形状が円形であるとともに、前記金属発熱体の円柱形状の軸芯を基準に回転対称に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体加熱装置。
5. 前記球状体の径は、前記円形の貫通孔断面の直径の１／１０〜１／２であることを特徴とする請求項４に記載の流体加熱装置。
6. 前記金属発熱体の長さ方向両端部に、円周方向支持用のリブを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体加熱装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の流体加熱装置を熱源とするとともに、床面下に温水を循環させてなる床暖房システム。

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