JP2009041899A - 相変化熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率も良く、その始動中のノイズも少ないまたは無い、相変化ラジエータを提供する。
【解決手段】相変化形態で動作している熱伝達流体を使用するこの家庭暖房ラジエータは、（ｉ）前記熱伝達流体のリザーバ（３）と、（ｉｉ）電気抵抗体から成り、前記熱伝達流体の温度を、前記流体の相変化を生じさせるような温度まで上昇させるための熱源（６）と、（ｉｉｉ）周囲空気との熱伝達が行われる加熱本体であって、前記リザーバ（３）の最低部で連通している、ｎ個（但しｎは１であっても良い）のチャネル（４）を含む、加熱本体と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、より詳細には家庭暖房を対象とし、熱伝達流体を使用して動作するラジエータに関する。更に明確には、本発明のラジエータで使用される熱伝達流体は、相変化状態で、特に液体−蒸気相変化状態（liquid-vapor form）で動作する。

基本的には、２つの異なる型の電気家庭暖房ラジエータが既知である。第１には、電気対流暖房器具であり、それでは加熱されるべき周囲空気は、電気加熱抵抗体（electric heating resistance）と直接接触する。これらの広く使用される電気対流暖房器具は、作り出される熱勾配のために周囲空気の強い移動を生成し、その結果関係している部屋の居住者に不快をもたらす欠点を有する。この問題は、輻射暖房器具と呼ばれ、輻射によって動作する、もう１つの型のラジエータによって部分的に解決される。

熱伝達流体を使用するラジエータも既知であり、それでは前記流体、一般には油が電気加熱エレメントによって加熱され、加熱本体を通過し、そこで熱が自然対流によって周囲空気に伝達される。熱交換面積が比較的大きい加熱本体の存在のために、周囲空気との温度勾配が低減されて、関係している部屋内の自然対流による空気の移動が制限されるようになる。

これらの熱伝達流体ラジエータのうち、流体が単一相状態で動作するラジエータが第１に区別される。これらのラジエータでは、前記流体は液体状態のままである。この場合、熱伝達流体は、電気加熱本体と接触して加熱され、より低密度となり、加熱本体の内部を上昇する。その上方への移動中に、熱伝達流体は、加熱本体の壁を通じて熱の一部分を周囲空気に引き渡し、同量だけ冷える。このように冷却され、より高密度になり、それ故により重くなった流体は、ラジエータの最低部まで重力により落ちて戻る。従って、この型のラジエータの十分な動作を確実にするためには、上昇する（熱い）流体と下降する（冷たい）流体との間で必要最小限の温度差を有する必要があり、それは、その循環に起因する流体の圧力損失に直接依存する。それ故に、この型のラジエータについては、加熱本体の壁内に不均一な温度分布が観測され、それはラジエータの効率に影響を及ぼす。更に、この型の動作は、機器の表面上により熱い場所を生じさせる可能性があり、それは危険であり、また広く流通している安全規格に不適合でもある。

これらの欠点を克服するために、例えば、特許文献１は、相変化状態で、特に液体／蒸気状態で動作している熱伝達流体を使用するラジエータを提案する。このようなラジエータは次のように動作する：即ち、液体熱伝達流体は、加熱エレメントによって横切られるラジエータの最低部に重力によってとどまり、上昇した温度の流体から成り、前記ラジエータの基部を密封されて通過する。

熱の影響下で、熱伝達流体は蒸発され、それによって前記蒸気は、ラジエータの内部構造内で、特に熱伝達が行われる加熱本体のレベルに上昇する。当然の結果として、前記加熱本体の壁の温度は蒸気の温度よりも低いので、後者は凝縮する。このように形成された凝縮物は液体状態であり、単純な重力によってラジエータの最低部に戻る。

相変化によるかつ凝縮の潜熱を直接含むこの熱伝達モードは、加熱本体の実質的に均一な壁温度を保証し、それ故に単一相状態で動作する熱伝達流体ラジエータに対する非常に明確な改善を構成する。これは、凝縮での熱伝達係数が、外側から即ち周囲空気側からの自然対流によるよりもはるかに高いために、この伝達温度が熱伝達流体の飽和蒸気温度に非常に近いからである。これは、空気温度の変化においてかなりの進歩を達成する。

しかしながら、熱伝達流体の温度を上昇させる熱源は、時間及び空間の両方において、制御することが比較的困難であることが分かっている。更に、もし熱伝達流体蒸発速度があまりに高いならば、それによって生成される蒸気は、熱伝達流体の液滴を混入させ、ラジエータの十分な動作を妨げる。

更に、このような相変化ラジエータでは、始動中のノイズの問題も生じる。このノイズは、過冷却された液体内での蒸気泡の破裂中の圧力波によって生成される。使用される流体及びラジエータ本体内に導入される液体流体の量に依存して、このノイズ生成は変化するかもしれない。実際、この音響的汚染は、特に病室、療養所、老人ホーム、更には単に寝室等の多数の用途に対して、妨げ若しくは禁止すべきものであることが明らかとなるかもしれない。
英国特許出願公開第２０９９９８０号明細書

本発明は、これらの欠点を克服すること、特に、エネルギー効率も良く、その始動中（startup phase）のノイズも少ないまたは無い、相変化ラジエータを提案することに正確に向けられている。

本発明は、相変化形態で動作している熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータに関するものであって、このとき第１に、熱伝達流体の熱源は電気抵抗体から成り、それは、ラジエータの熱伝達流体に対して密封されているのが有利である。

第２に、前記ラジエータの最低部に置かれた熱伝達流体リザーバと、複数のｎ個（但しｎは１であっても良い）のチャネルを有しても良い。加熱本体との間の接続部の断面積Ｓは次式以上の大きさであり、

但し、
− Ｐは電気抵抗体の電力を示し、
− ｎは、既に述べられているように、加熱本体を構成するチャネル数であり、
− Ａは、流体の型及び該流体の温度に依存する定数である（Ａはｍ^２.Ｗ^−４／５単位で表わされる）。

従って、第１に、熱伝達流体の熱源としてのこのような電気抵抗体の使用は、時間及び空間の両方において、ラジエータの一般的な動作をはるかにもっと容易に制御するのに役立つことが理解される。

更に、リザーバと、上述の式を満足する加熱本体を構成するチャネルとの間に通路を持つ接続ゾーンの提供は、熱源内に生成される蒸気によって混入される液体状態の熱伝達流体の液滴の数を除去するまたは少なくとも大幅に低減し、それ故にラジエータの動作を最適化する。

リザーバ内で液体状態にある熱伝達流体のスーパーヒートの制限のために、蒸気泡の破裂によって生成されやすいノイズは低減される。

本発明のラジエータの動作を最適化するために、加熱本体のチャネルをリザーバに接続するゾーンは、リザーバを貫通する電気加熱抵抗体の上側接線の上部の最小距離δにそれらの底部を有し、前記距離は式δ≧０．５×Ｄ（但しＤは前記加熱抵抗体の直径である）を満足する。

本発明のラジエータの動作を最適化するために、特に始動中のノイズを低減するために、充填率αは０．０１４２の値よりも大きくなければならず、充填率αは、ラジエータ本体に導入される流体の全質量に対する、２０℃で形成される蒸気の質量の比として定義される。

本発明が実施されうる方法及びそれの利点は、添付の図と併せて、以下で述べられ、情報を提供するためのものであって、何ら限定目的を有することのない、例示の実施形態からより良く明らかになるであろう。

図１は、それ自体が既知の熱伝達流体ラジエータを示す。このラジエータは、加熱本体を構成する複数の単位エレメント１から成り、全てのエレメントは底部リザーバ３に接続されている。

これらの様々なエレメント１は、例えば、鋳造アルミニウムで作られてもよく、周囲空気との伝達を最適化するために、フィン２を有し、それによってこのようなラジエータが設置される部屋での熱の拡散を促進しても良い。

これらの各エレメント１内を熱伝達流体が流れ、その型は、関連する熱伝達関数に適合されている。この流体は、水、エタノール、または、例えばＲ１１３（クロロフルオロカーボン、または３Ｍ社によって販売され、ハイドロフルオロエーテルから成るＨＦＥ７１００（登録商標）等の合成ポリマーでも良い。

様々なエレメント１のアセンブリは、実際の加熱本体を一緒に構成し、各エレメントは、接続ゾーン５を介してリザーバ３における最低ゾーン内で終わる垂直チャネル４を提供される。

図２で見ることができるように、電気加熱抵抗体６は下側リザーバ３内に挿入され、実質的にその全長に沿ってそれを貫通する。このような抵抗体は、例えば、二重絶縁を持つ加熱カートリッジから成っても良い。

本発明の１つの特徴によれば、加熱本体の１つまたは複数のチャネル４と、前記ラジエータの最低部に置かれたリザーバ３との間の接続ゾーン５は、次式を満足する断面積Ｓを有する。

先に述べられたように、
− Ｐは電気抵抗体６の電力であり、
− ｎはチャネル４の数であり、従って同じリザーバ３内で終わる加熱本体を構成するエレメント１の数であり、
− Ａは、所与の温度において測定される流体の型に依存する定数である。

経験は、熱伝達流体が２０℃に近い温度であるときに、即ち最初は部屋の温度であると推定されるラジエータの始動中に、熱伝達流体に対する最も制限的な条件が現れることを示す。

これらの動作状態では、定数Ａは
− 水に対して： Ａ＝０．０１０６、
− エタノールに対して： Ａ＝０．０１２５、
− ＨＦＥ７１００（登録商標）に対して： Ａ＝０．０１５３、
− Ｒ１１３に対して： Ａ＝０．０１１７である。

数値的応用として、熱伝達流体が水で、１０００ワットを発生し、平行な１０個のチャネル４を含む１０個のエレメント１を備えるラジエータに対しては、各チャネルとリザーバ３との間の接続部５の断面積は０．２７ｃｍ^２より大きくなければならない。

しかしながら、ＨＦＥ７１００（登録商標）型の有機流体に対しては、同じ構成で、接続ゾーン５の断面積は０．３８３ｃｍ^２以上でなければならない。

図３はこのようなラジエータの動作モードを例示する。上向き矢印は、加熱本体内で蒸気相にある熱伝達流体の蒸発及び上側への移動を例示し、下向き矢印は、関連するチャネル４の側壁との接触により凝縮され、接続ゾーン５を介してリザーバ３内へ液体状態でかつ単純な重力により落ちて戻る前記流体を例示する。

電気抵抗体６の使用のために、このようなラジエータの動作は、先に述べられた従来技術のデバイスに反して、はるかにもっと効果的にかつもっと瞬時に制御できることが理解できる。

更に、熱伝達流体を小さな泡の状態で蒸発させ、その結果熱伝達流体ラジエータ内で一般に生成されるノイズを低減するために、電気抵抗体６は、その表面における熱流束密度が３ワット／ｃｍ^２を越えないような寸法にされる。典型的には、１０００ワットのラジエータに対しては、熱伝達流体と接触する加熱ロッドまたは電気抵抗体６の表面積は、チャネル数にかかわらずかつ熱伝達流体にかかわらず、３３０ｃｍ^２よりも大きくなければならない。

本発明の１つの特徴によれば、チャネル４を、リザーバ３の高さにおいて接続するゾーン５は、前記加熱ロッド６の最大上側接線７の上に０．５×Ｄ以上の距離δだけで終端している（但しＤは加熱ロッドまたは電気抵抗体６の直径である）。

実際、接続ゾーンがあふれさせられることのないように、蒸気は加熱本体の方へ流れることができなければならない。

本発明のもう１つの特徴によれば、ラジエータの充填率αは０．０１４２よりも大きく、率αは次式によって定義される。

２０℃における蒸気の質量は次式によって決定される。

但し、
− Ｖ_Ｒはラジエータの内部容積（ｍ^３単位で）であり、
− Ｍはラジエータへ導入される流体の全質量（ｋｇ単位で）を示し、
− ν_Ｖは、２０℃における飽和状態での蒸気の単位質量当たりの比容積（ｍ^３／ｋｇ単位で）を示し、
− ν_ｌは、２０℃における飽和状態での液体の単位質量当たりの比容積（ｍ^３／ｋｇ単位で）を示す。

従って、４リットル（０．００４ｍ^３）の内部容積を有するラジエータに対して、及び導入される２００ｍｌの流体に対して、次の値が得られる。

− ＨＦＥ７１００（登録商標）に対して、
・Ｍ＝０．２９９ｋｇ
・ν_ｌ＝０．０００６７ｍ^３／ｋｇ
・ν_Ｖ＝０．４２８ｍ^３／ｋｇ
・蒸気の質量：０．００８９ｋｇ
・α＝０．０２９９

− 水に対して、
・Ｍ＝０．１９９ｋｇ
・ν_ｌ＝０．００１ｍ^３／ｋｇ
・ν_Ｖ＝５７．８ｍ^３／ｋｇ
・蒸気の質量：０．００００６５ｋｇ
・α＝０．０００３

− エタノールに対して、
・Ｍ＝０．１５８ｋｇ
・ν_ｌ＝０．００１２６ｍ^３／ｋｇ
・ν_Ｖ＝９．０７ｍ^３／ｋｇ
・蒸気の質量：０．０００４ｋｇ
・α＝０．００２６

もし充填率αが０．０１４２よりも大きいならば、ラジエータはノイズに関して満足に動作することが理解される。

この基準は、４リットルの内部容積を有するラジエータ内に最大４００ｍｌのＨＦＥ７１００（登録商標）、５ｍｌの水または３９ｍｌのエタノールを導入することによって満足される。

しかしながら、このような条件下では、ＨＦＥ７１００（登録商標）のみが熱伝達効率及び音響レベルの両方の目標を満足する。

従って、本発明のラジエータは、従来技術のラジエータに関連して述べられた様々な欠点を簡単に、効果的に克服するのに役立ち、またこのようなラジエータの動作をもっと容易に制御するのにも役立つ。

既知の熱伝達流体ラジエータの部分的に分解された概略図である。 このようなラジエータの、しかし本発明による、横断面を示す図である。 前記ラジエータの最低ゾーンの横断面の詳細な概略図である。 本発明の代替実施形態の例示図である。 本発明の特徴の１つを例示する概略横断面図である。 本発明の特徴の１つを例示する概略横断面図である。

符号の説明

１ 単位エレメント
２ フィン
３ リザーバ
４ チャネル
５ 接続ゾーン
６ 電気抵抗体
７ 最大上側接線

Claims (5)

1. 相変化形態で動作している熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータであって、
   − 前記熱伝達流体のリザーバ（３）と、
   − 電気抵抗体から成り、前記熱伝達流体の温度を、該流体の相変化を生じさせるような温度まで上昇させるための熱源（６）と、
   − 周囲空気との熱伝達が行われる加熱本体であって、前記リザーバ（３）の最低部で連通している、ｎ個（但しｎは１であっても良い）のチャネル（４）を含む、加熱本体とを含み、
   − 前記熱伝達流体リザーバ（３）を、前記加熱本体を構成するチャネル（４）から分離する接続ゾーン（５）の断面積Ｓが次式以上の大きさであり、
   

   

   但し、
   − Ｐは前記電気抵抗体（６）の電力を示し、
   − Ａは、流体の型及び該流体の温度に依存する定数である、
   ことを特徴とする、熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ。
2. 前記加熱本体を構成する前記チャネル（４）を、前記リザーバ（３）の高さにおいて接続する前記ゾーン（５）が、前記電気抵抗体（６）の上で終端していることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ。
3. 前記接続ゾーン（５）の下側限界と前記電気抵抗体（６）の上側接線との間の距離δが次式：
   δ≧０．５×Ｄ（但しＤは前記加熱抵抗体の直径である）
   を満足することを特徴とする、請求項２に記載の熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ。
4. ラジエータ本体に導入される前記流体の全質量に対する、２０℃において形成される熱伝達流体蒸気の質量の比として定義される充填率αが、次式：
   α＞０．０１４２
   を満足することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ。
5. 前記熱伝達流体が、水、エタノールまたはハイドロフルオロエーテルを含む群から選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱伝達流体を使用する家庭暖房ラジエータ。

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