JP2008082571A - 液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ単純な構成の液体加熱装置であって、所望量の液体を短時間で所望温度に昇温することのできる液体加熱装置を提供する。
【解決手段】カーボンワイヤー発熱体８をシリカガラス管７に封入してなるヒータ部６と、ヒータ部６を内部に配する加熱管２とを具備し、加熱管２に供給された液体Ｗを加熱する液体加熱装置１であって、加熱管３は、ヒータ部６の外周囲に形成された内管４と、内管４の外周囲に形成された外管３と、内管４と外管３との間の空間に形成され、液体Ｗの導入口３ａ及び導出口３ｂに連通する液体流路５とを備え、導入口３ａから液体流路５に導入された液体は、ヒータ部６により加熱され、導出口３ｂから導出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給された液体を加熱する液体加熱装置に関し、より詳しくはカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータ部を備える液体加熱装置に関する。

従来、純水等の液体を加熱する方法の１つに、小型かつ単純な構成で加熱することができる抵抗加熱方式がある。この抵抗加熱方式として一般に図４に示すようなシーズヒータ装置が広く利用されている。
図示するシーズヒータ装置５０は、加熱管５１の内部空間に、Ｕ字型の金属管を有するヒータ部５２がフランジ５３に支持され配置される。ヒータ部５２の金属管内には、ニクロム線からなる発熱体が耐熱性絶縁粉末と共に封入されている。
また、加熱管５１には、液体を加熱管５１内に導入する導入口５１ａと、加熱後の液体を加熱管５１外に導出する導出口５１ｂとが設けられている。

このような構成のシーズヒータ装置５０において、導入口５１ａから加熱管５１内に供給された液体Ｗは、ヒータ部５２の金属管面に直に接触することによって加熱され、導出口５１ｂから導出される。
しかしながら、このシーズヒータ装置５０のヒータ部５２にあっては、発熱体の周りに絶縁粉末が介在するため、ヒータ部５２自体が所定の温度に昇温するまでに時間を要し、液体を即座に加熱することができないという課題を有している。

そこで、ヒータ部の昇温速度がより速く、水の吸収波長（２．２μｍ、２．７μｍ）に適応する赤外線放射（波長１〜５μｍ）を行なうことのできるカーボンワイヤー発熱体を用いたカーボンワイヤーヒータ装置が注目されている。
図５に、従来のカーボンワイヤーヒータ装置の断面図を示す。図示するカーボンワイヤーヒータ装置６０は、石英ガラスからなる加熱管６１の内部空間にヒータ部６２がフランジ６３によって支持され配置される。

ヒータ部６２は、螺旋状に形成された細い石英ガラス管の中に発熱体であるカーボンワイヤー発熱体が封入され、このカーボンワイヤー発熱体が電力供給されることにより発熱し、赤外線を放射するようになされている。
また、加熱管６１には、加熱前の液体を管内に導入する導入口６１ａと、加熱した液体を管外に導出する導出口６１ｂとが設けられている。

この構成において、導入口６１ａから加熱管６１内に供給された液体Ｗは、ヒータ部６２の石英ガラス管に直に接触して赤外線により加熱され、昇温後に導出口６１ｂから導出される。
このカーボンワイヤーヒータ装置６０によれば、ヒータ部６２を即座に昇温できると共に、水の波長に適応した赤外線放射により、シーズヒータ装置よりも速く液体の温度を昇温することができる。
尚、カーボンワイヤー発熱体を用いた加熱装置については、特許文献１に記載されている。
特開２００３−２９４３１２号公報

ところで、図５に示したカーボンワイヤーヒータ装置６０にあっては、ヒータ部６２の石英ガラス管に大きな温度差が生じて石英ガラス管が破損しないよう、石英ガラス管全体を液体に浸す必要がある。
このため、例えば純水を加熱し温水を得る場合であれば、温水の所望量が少量であっても、常に所定量以上の純水を加熱管６１に供給しなければならず、効率的な加熱処理ができなかった。

また、図５のカーボンワイヤーヒータ装置６０において、液体の昇温速度を向上するには、ヒータ部６２のワット密度（Ｗ／単位長さ）を大きくすればよく、具体的には石英ガラス管の螺旋部を密に形成すれば、ワット密度を大きくすることができる。
しかしながら、石英ガラス管の螺旋部を密にすることによって、螺旋を形成する石英ガラス管の隣り合う間隔（隙間）が小さくなると、その隙間に液体が滞留するため熱が篭りやすく、他の部位よりも相対的に温度が高くなる。
このため、ヒータ部６２自身の出力が所定出力に達しない段階で、この隙間にある液体が必要以上に高温となり、煮沸状態となって石英ガラスが破損するという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、小型かつ単純な構成の液体加熱装置であって、所望量の液体を短時間で所望温度に昇温することのできる液体加熱装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る液体加熱装置は、カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入してなるヒータ部と、前記ヒータ部を内部に配する加熱管とを具備し、前記加熱管に供給された液体を加熱する液体加熱装置であって、前記加熱管は、前記ヒータ部の外周囲に形成された内管と、前記内管の外周囲に形成された外管と、前記内管と外管との間の空間に形成され、液体の導入口及び導出口に連通する液体流路とを備え、前記導入口から前記液体流路に導入された液体は、前記ヒータ部により加熱され、前記導出口から導出されることに特徴を有する。
尚、前記ヒータ部のガラス管は螺旋状に形成されていることが望ましい。

このように、ヒータ部は液体に直に接触することなく液体を加熱する構成となされる。ここで、ヒータ部はカーボンワイヤー発熱体を用い、赤外線により液体を加熱するため、ヒータ部に、液体を直に接触させなくても充分に液体を昇温させることができる。
また、ヒータ部と液体とが直に接触しない構造であるため、螺旋状のガラス管を密着させて巻くことができ、ワット密度を向上することができる。
したがって、大出力の加熱処理を行うことができ、短時間で液体を所望の温度に昇温することができる。
また、ヒータ部と液体とが直に接触しない構造であるため、加熱管に必要以上に液体を供給する必要がなく、所望量の液体のみを効率的に加熱処理することができる。
また、ヒータ部が液体Ｗ中に配されない構成であるため、液体漏れを防ぐシール機構が不要となり、メンテナンス効率が向上すると共にコストを低減することができる。
また、液体Ｗがヒータ部からの汚染を受けないため、クリーンな加熱装置を提供することができる。

また、前記内管は、透明ガラス管であり、前記外管は、多数の気泡を内在する不透明ガラス管であることが望ましい。
このように構成することにより、ヒータ部から放射された赤外線を液体流路内の液体に効果的に吸収させることができ、効率よく液体加熱することができる。

また、前記導入口及び導出口に夫々設けられ、液体温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果が入力されると共に、前記ヒータ部への電力供給を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記温度センサが検出した液体温度と、予め設定された温度とを比較し、該比較結果に基づき前記ヒータ部に供給する電力量を制御することが望ましい。
このように加熱管の出入口で液体温度を検出し、検出結果をヒータ部への電力供給量にフィードバックすることで、ヒータ部への適正な電力供給ができ、常に所望の温度で液体を導出することができる。
尚、前記ガラス管、透明ガラス管、及び不透明ガラス管は、いずれもシリカガラスからなることがより好ましい。

本発明によれば、小型かつ単純な構成の液体加熱装置であって、所望量の液体を短時間で所望温度に昇温することのできる液体加熱装置を得ることができる。

以下、本発明に係る液体加熱装置の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る液体加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図示する液体加熱装置１は、シリカガラス管からなる加熱管２を備え、この加熱管２は、外管３と内管４とによる２重構造となっている。尚、外管３は不透明のシリカガラス管により形成され、内管４は透明のシリカガラス管により形成されている。

外管３には、液体Ｗを導入する導入口３ａと液体Ｗを導出する導出口３ｂとが形成され、外管３と内管４との間の略密封された空間には、導入口３ａから供給された液体Ｗが流される液体流路５が形成されている。
また、内管４内の空間Ｓにはヒータ部６が収容され、ヒータ部６は、液体流路５に供給された液体Ｗに直に接触することなく液体Ｗを加熱するようになされている。
尚、加熱効率の点から、液体流路５の容積は、ヒータ部６が収容される空間Ｓの容積に対し小さく形成されるほど好ましい。

また、図１に示すように、加熱管２及びヒータ部６は、支持台１０によって支持されている。支持台１０によって支持されたヒータ部６には、制御装置１１（制御手段）の制御により電力供給部１２から電力供給されるよう構成されている。

ここでヒータ部６は、図２に示すように端子部６ａと発熱部６ｂとからなり、発熱部６ｂは、螺旋状に形成された細いシリカガラス管７内にカーボンファイバー束からなるカーボンワイヤー発熱体８が封入され構成されている。
したがって、電力供給部１２からヒータ部６の端子部６ａに電力供給されると、カーボンワイヤー発熱体８が発熱（フィラメント温度１０００℃〜１１００℃）し、発熱部６ｂが赤外線を放射するようになされている。
尚、前記したように、ヒータ部６は液体に直に接触することなく液体を加熱する構成となされるが、赤外線により液体Ｗを加熱するため、ヒータ部６に、液体Ｗを直に接触させなくても充分に液体を昇温させることができる。

また、図２に示すように、シリカガラス管の外径ｄは３〜９ｍｍに形成され、螺旋部の外径Ｄは２０〜７０ｍｍに形成されている。
また、図２の領域Ａの拡大図である図３に示すように、螺旋部において隣接するシリカガラス管７の間の隙間寸法ｔは、０．２〜５ｍｍになされている。
即ち、ヒータ部６は液体Ｗに直に接触することがないため、このようにシリカガラス管７を密に螺旋形成することができ、その結果、ワット密度の向上により大出力の加熱処理を実現し、短時間で液体を所望の温度に昇温するようになされている。

また、加熱管２に液体Ｗが供給される導入口３ａの上流側には、導入される液体Ｗの温度を検出するための入口温度センサ１３が設けられ、導出口３ｂの下流側には、導出された液体の温度を検出するための出口温度センサ１４が設けられている。
これらセンサ１３、１４は例えばサーミスタにより構成され、制御装置１１の温度測定部１５に接続されている。
即ち、センサ１３、１４によって検出された信号（抵抗値）は温度測定部１５においてデジタルデータに変換され、制御装置１１において制御データとして用いられるよう構成されている。

このように構成された液体加熱装置１において、液体Ｗとして例えば所望量の純水を所望温度まで昇温する場合、先ず、導入口３ａから純水が液体流路５に導入され、導入された純水は液体流路５内においてヒータ部６の周りを回るように流れると共に、導出口３ｂから導出される。

一方、制御装置１１の命令により電力供給部１２からヒータ部６に電力供給され、カーボンワイヤー発熱体８が発熱する。これによりヒータ部６全体が昇温し、その周囲に形成された液体流路５内の純水を赤外線により加熱（波長１〜５μｍ）する。
尚、加熱開始時において制御装置１１は、入口温度センサ１３によって検出された純水温度に基づき、ヒータ部６に供給する電力量を制御する。

ここで、加熱管２の内管４は３．５μｍ以上の波長を吸収する透明なシリカガラス管で形成されているため、波長１〜３．５μｍの赤外線を通過させる。内管４を通過した赤外線は、吸収波長２．２μｍ、２．７μｍの純水に吸収され、純水が効率よく加熱される。また、外管３は不透明なシリカガラス管で形成されているため、純水を通過した赤外線は、ここで吸収または反射され、純水の加熱に用いられる。

また、加熱されて導出口３ｂから導出された純水の温度が出口温度センサ１４により検出され、その温度に基づき制御装置１１は、ヒータ部６に供給する電力量を制御する。
即ち、制御装置１１は、出口温度センサ１４が検出した温度と、予め設定された所望の昇温温度とを比較し、その比較結果を電力供給部１２にフィードバックし、電力供給部１２により常に最適な電力量がヒータ部６に供給されるよう制御を行う。
そして、出口温度センサ１４によって検出された温度が所望の温度になると、制御装置１１は、電力供給部１２によるヒータ部６への電力供給を停止させ、加熱処理を終了する。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、ヒータ部６は、加熱管２内において加熱する液体Ｗに直に接触することなく配される。
これにより、螺旋部のガラス管を密着させて巻くことができ、ワット密度を向上することができる。したがって、大出力の加熱処理を行うことができ、短時間で液体を所望の温度に昇温することができる。
また、ヒータ部２が直に液体に接触しないため、加熱管２に必要以上に液体を供給する必要がなく、所望量の液体のみを効率的に加熱処理することができる。

また、加熱管の外管を不透明なシリカガラス管で形成し、内管を透明なシリカガラス管で形成することにより、ヒータ部６から放射された赤外線を効率よく液体加熱に使用することができる。
さらに、加熱管の出入口で液体温度を検出し、検出結果をヒータ部６への電力供給量にフィードバックするため、ヒータ部６への適正な電力供給ができ、常に所望の温度で液体を導出することができる。

加えて、ヒータ部が液体Ｗ中に配されない構成であるため、液体漏れを防ぐシール機構が不要となり、メンテナンス効率が向上すると共にコストを低減することができる。
また、液体Ｗがヒータ部からの汚染を受けないため、クリーンな加熱装置を提供することができる。

尚、前記実施の形態においては、ヒータ部６の加熱部６ｂを構成するシリカガラス管７は、円形の螺旋を形成するものとしたが、これに限らず、矩形等の多角形の螺旋を形成するものであってもよい。
また、加熱管２の外管３は不透明のシリカガラス管により形成されるものとしたが、本発明に係る液体加熱装置においては、これに限定されず、外管を透明のシリカガラス管としても、充分に効率よい加熱処理を行うことができる。

本発明は、供給された液体を加熱する液体加熱装置に関するものであり、あらゆる産業の加熱手段として用いることができる。

図１は、本発明に係る液体加熱装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１の液体加熱装置のヒータ部の側面図である。 図３は、図２のヒータ部の一部拡大図である。 図４は、従来のシーズヒータ装置の構成を示す断面図である。 図５は、従来のカーボンワイヤーヒータ装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 液体加熱装置
２ 加熱管
３ 外管
３ａ 導入口
３ｂ 導出口
４ 内管
５ 液体流路
６ ヒータ部
６ａ 端子部
６ｂ 加熱部
７ シリカガラス管
８ カーボンワイヤー発熱体
１０ 支持台
１１ 制御装置（制御手段）
１２ 電力供給部
１３ 入口温度センサ
１４ 出口温度センサ
１５ 温度測定部

Claims (5)

1. カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入してなるヒータ部と、前記ヒータ部を内部に配する加熱管とを具備し、前記加熱管に供給された液体を加熱する液体加熱装置であって、
   前記加熱管は、前記ヒータ部の外周囲に形成された内管と、前記内管の外周囲に形成された外管と、前記内管と外管との間の空間に形成され、液体の導入口及び導出口に連通する液体流路とを備え、
   前記導入口から前記液体流路に導入された液体は、前記ヒータ部により加熱され、前記導出口から導出されることを特徴とする液体加熱装置。
2. 前記ヒータ部のガラス管は螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載された液体加熱装置。
3. 前記内管は、透明ガラス管であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された液体加熱装置。
4. 前記外管は、不透明ガラス管であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された液体加熱装置。
5. 前記導入口及び導出口に夫々設けられ、液体温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果が入力されると共に、前記ヒータ部への電力供給を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記温度センサが検出した液体温度と、予め設定された温度とを比較し、該比較結果に基づき前記ヒータ部に供給する電力量を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された液体加熱装置。

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