JP2009079821A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導加熱を利用した流体加熱装置において、耐食性向上及びコスト削減を図る。
【解決手段】被加熱流体（矢印Ｆ）が流れる管（非磁性管２）と誘導加熱手段（誘導加熱コイル３）とを備える流体加熱装置１において、管（非磁性管２）の外周面の少なくとも一部には、誘導加熱手段（誘導加熱コイル３）により誘導加熱される磁性材料のメッキ２ａが施されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱を利用した流体加熱装置に関する。

従来、流体を加熱する装置として、燃焼ガスの燃焼エネルギーを用いたボイラ等の加熱装置が利用されている。しかしながら、燃焼ガスを利用する装置では、燃料の供給システム等の補機や燃焼ガスの排気ガスの適正な処理設備が必要になるなど設備が大型化する。このため、燃焼ガスを利用する装置は、多量の流体の加熱には適しているが、少量の流体加熱には適していない。

また、上記の燃焼ガスを利用する装置は、環境の面から排ガス設備の設置にも問題がある。更には、流体の温度が厳しく制限される装置では、その温度の均一性、及び制御の応答性が悪い。そこで、特に少量の流体加熱に適し、急速加熱ができ温度コントロール性の良い誘導加熱を利用した流体加熱装置が用いられている。

誘導加熱を利用した流体加熱装置として、周囲に誘導加熱コイルを配置した管内に流体を流し、管を誘導加熱することで、管内の流体を加熱する手法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開２００５−１９１９８号公報 特許第３８４２５１２号公報 特開２００３−１００４２８号公報 特許第３６４２４１５号公報

ところで、管の材質としてＳＵＳ３０４等の非磁性材料は耐食性が良いが、ＳＵＳ４３０等の磁性材料は耐食性に劣るため、流体と接触する管の材質には通常、非磁性材が用いられている。しかし、非磁性材料では、磁性材料に比べて管の発熱量が少ないという問題がある。

そのため、上記非磁性管では、発熱量を大きくするために、磁性体を発熱させるのに比べてより高周波にしなければならないこと、管を厚くしなければならないこと等に起因してコスト高になるという問題がある。

また、特許文献１記載のように磁性管及び非磁性管の２種類のパイプを用いると、磁性管は非磁性管に比べて耐食性に劣るため、磁性管の交換作業等により手間やコストがかかるという問題がある。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、耐食性向上及びコスト削減を図ることができる、誘導加熱を利用した流体加熱装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の流体加熱装置は、被加熱流体が流れる管と誘導加熱手段とを備える流体加熱装置において、上記管の外周面の少なくとも一部には、上記誘導加熱手段により誘導加熱される磁性材料のメッキが施されている構成とする。

また、上記管は、非磁性管である構成とするとよい。
また、上記メッキの厚さは、このメッキの材料の物性値で決まる浸透深さ（うず電流が表面における強さの0.368倍に減少した点までの表面からの深さ）の２倍以上である構成とするとよい。

また、上記誘導加熱手段は、誘導加熱コイルを含み、上記誘導加熱コイル内における上記管の外周面の略全域には、上記磁性材料のメッキが施されている構成とするとよい。
また、上記誘導加熱手段は、誘導加熱コイルを含み、上記管は、上記被加熱流体の流路を湾曲させる湾曲部を有し、該湾曲部を経由して上記誘導加熱コイル内の少なくとも一部を複数回通過する構成とするとよい。

また、互いに平行に配置された複数の上記管を備える構成とするとよい。
以上の構成では、誘導加熱（電磁誘導加熱）を利用しているため、管の発熱量は管に流れるうず電流で決まる。うず電流は、表皮効果を示すことが知られている。このうず電流の流れる表皮部の深さ（浸透深さ）δ［mm］は、「δ=50.3×√（ρ／（μｓ×ｆ））」で表すことができる。ここで、「ρ」は導体の抵抗率〔μΩ・ｃｍ〕、「μｓ」は比透磁率、「ｆ」は電源の周波数〔Ｈｚ〕である。

管の外周面に磁性材料のメッキを施した場合には、耐食性に優れた非磁性管等よりもメッキの方が大きな発熱量が得られるため、誘導加熱に高周波を要することや管の厚みを厚くすることなく、有効に発熱量を大きくすることができる。

本発明の流体加熱装置では、管の外周面の少なくとも一部には、誘導加熱手段により誘導加熱される磁性材料のメッキが施されている。そのため、非磁性管等の耐食性に優れた管に被加熱流体を流すと共にメッキを誘導加熱することにより、管にメッキが施されていない場合のように誘導加熱に高周波を要することも管を厚くすることもなく、簡単な作業（簡素な構成）で有効に発熱量を大きくすることができる。よって、本発明によれば、流体加熱装置の耐食性向上及びコスト削減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る流体加熱装置１を示す要部断面図であり、図２は図１のII−II断面図である。

流体加熱装置１は、被加熱流体（矢印Ｆ）が流れる管としての非磁性管２、非磁性管２を誘導加熱する誘導加熱手段としての誘導加熱コイル３、コイル巻き枠４、高周波電源５等を備えている。

非磁性管２としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等を用いることができる。非磁性管２の外周面には、磁性材料としての磁性体のニッケルからなるメッキ２ａが施されている。

メッキ２ａが施される領域は、非磁性管２の外周面の少なくとも一部で誘導加熱コイル３により誘導加熱される領域であればよいが、本実施形態では、誘導加熱コイル３内における非磁性管２の外周面の全域及びその近傍となっている。なお、非磁性管２は、図示しない管支え板に支持されているものとする。

磁性材料のメッキ２ａの厚さは、メッキ２ａの材料の物性値で決まる浸透深さの２倍以上となっている。具体的には、本実施形態では、抵抗率ρ＝１０〔μ・Ω・ｃｍ〕、比透
磁率μｓ＝５００、周波数ｆ＝３０〔ｋＨｚ〕であるものとすると、メッキ２ａの浸透深さδが０．０４〔ｍｍ〕となるため、メッキ２ａの厚さは、浸透深さδの２倍以上の０．１〔ｍｍ〕としている。

誘導加熱コイル３は、円筒形状のコイル巻き枠４に巻きまわされている。また、誘導加熱コイル３の両端は高周波電源５に接続されている。誘導加熱コイル３が励磁されると、非磁性管２のメッキ２ａに誘導電流が流れてメッキ２ａ部分が発熱する。この熱が非磁性管２に熱伝導し、非磁性管２を流れる被加熱流体（矢印Ｆ）が加熱されて昇温するようになっている。

以上説明した本実施形態では、非磁性管２の外周面の少なくとも一部に、誘導加熱コイル３により誘導加熱される磁性材料のメッキ２ａが施されている。そのため、耐食性に優れた非磁性管２に被加熱流体（矢印Ｆ）を流すと共にメッキ２ａを誘導加熱することにより、非磁性管２にメッキ２ａが施されていない場合のように誘導加熱に高周波を要することも非磁性管２を厚くすることもなく、簡単な作業（簡素な構成）で有効に発熱量を大きくすることができる。よって、本実施形態によれば、流体加熱装置１の耐食性向上及びコスト削減を図ることができる。

また、本実施形態では、管として非磁性管２を用いているため、有効に耐食性向上を図ることができる。
また、本実施形態では、メッキ２ａの厚さをメッキ２ａの材料（ニッケル）の物性値で決まる浸透深さの２倍以上としている。これにより、誘導電流の８７％以上がメッキ２ａに流れるため、メッキ２ａを有効に誘導加熱することができ、誘導加熱に高周波を要する必要や非磁性管２を厚くする必要を有効に回避することができる。したがって、より一層コスト削減を図ることができる。

また、本実施形態では、誘導加熱コイル３内における非磁性管２の外周面の略全域にメッキ２ａが施されている。そのため、メッキ２ａから非磁性管２へ有効に熱伝導させることができ、誘導加熱に高周波を要する必要や非磁性管２を厚くする必要を有効に回避することができる。したがって、より一層コスト削減を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態に係る流体加熱装置１１を示す断面図であり、図４は図３のIV−IV断面図である。

流体加熱装置１１は、管としての非磁性管１２、誘導加熱手段としての誘導加熱コイル１３、コイル巻き枠１４、管支え板１６，１６、流体入口ヘッダ１７、流体出口ヘッダ１８等を備えている。

非磁性管１２には、被加熱流体（矢印Ｆ）の流路をＵ字状に湾曲させる湾曲部１２ｂが、誘導加熱コイル１３の外側の２箇所（１２ｂ−１，１２ｂ−２）に形成されている。非磁性管１２は、各湾曲部１２ｂを経由して反対方向に延び、湾曲部１２ｂを隔てた両側の部分が互いに平行になっている。

非磁性管１２の湾曲部１２ｂを除く位置（即ち、互いに平行に延びる３つの部分）であって、誘導加熱コイル１３内における非磁性管１２の外周面の全域及びその近傍には、磁性材料としての磁性体のニッケルからなるメッキ１２ａ（１２ａ−１，１２ａ−２，１２ａ−３）が施されている。

磁性材料のメッキ１２ａの厚さは、メッキ２１ａの材料の物性値で決まる浸透深さの２
倍以上となっている。具体的には、本実施形態では、抵抗率ρ＝１０〔μ・Ω・ｃｍ〕、比透磁率μｓ＝５００、周波数ｆ＝３０〔ｋＨｚ〕であるものとすると、メッキ１２ａの浸透深さδが０．０４〔ｍｍ〕となるため、メッキ１２ａの厚さは、浸透深さδの２倍以上の０．１〔ｍｍ〕としている。

非磁性管１２は、２箇所の湾曲部１２ｂで湾曲しているため、図４においては、互いに離れて位置する３つの断面で表されている。この３つの断面で表された部分は、誘導加熱コイル１３内において、均等間隔で高さ方向に並んで、上述のように平行に延びている。

そして、非磁性管１２は、各湾曲部１２ｂを経由して反対方向に延びることにより、誘導加熱コイル１３内（コイル軸に直交する面）の少なくとも一部（ここでは全部）を複数回通過している。

非磁性管１２としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等を用いることができる。非磁性管１２ａの両端は、管支え板１６，１６に形成された孔に挿入された状態で固定支持されている。

誘導加熱コイル１３は、円筒形状のコイル巻き枠１４に巻きまわされている。また、誘導加熱コイル１３の両端は図示しない高周波電源に接続されている。誘導加熱コイル１３が励磁されると、非磁性管１２のメッキ１２ａに誘導電流が流れてメッキ１２ａ部分が発熱する。この熱が非磁性管１２に熱伝導し、非磁性管１２を流れる被加熱流体（矢印Ｆ）が加熱されて昇温するようになっている。

コイル巻き枠１４の両端は、非磁性管１２と同様に管支え板１６，１６に固定支持されており、これにより、誘導加熱コイル１３も位置決めされている。
管支え板１６，１６にはそれぞれ流体入り口ヘッダ１７、流体出口ヘッダ１８が設けられ、気体又は液体の被加熱流体（矢印Ｆ）は、流体入口ヘッダ１７から非磁性管１２を通って加熱されて流体出口ヘッダ１８へと導かれている。

以上説明した本実施形態においても、非磁性管１２の外周面の少なくとも一部に、誘導加熱コイル１３により誘導加熱される磁性材料のメッキ１２ａが施されている。そのため、耐食性に優れた非磁性管１２に被加熱流体（矢印Ｆ）を流すと共にメッキ１２ａを誘導加熱することにより、非磁性管１２にメッキ１２ａが施されていない場合のように誘導加熱に高周波を要することも非磁性管１２を厚くすることもなく、簡単な作業（簡素な構成）で有効に発熱量を大きくすることができる。よって、本実施形態によっても、流体加熱装置１１の耐食性向上及びコスト削減を図ることができる。

また、本実施形態では、非磁性管１２は、被加熱流体（矢印Ｆ）の流路を湾曲させる湾曲部１２ｂを有し、湾曲部１２ｂを経由して誘導加熱コイル１３内の少なくとも一部を複数回通過している。そのため、１本の非磁性管１２で複数の管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイル１３を長く或いは高周波にする必要や非磁性管１２を厚くする必要がない。また、管の本数を減らすことで、被加熱流体（矢印Ｆ）の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、より一層コスト削減を図ることができると共に、流体温度の均一化を図ることもできる。

図５は、上記第２実施形態に係る非磁性管１２´の変形例を示す断面図である。
同図に示す非磁性管１２´は、図３に示す非磁性管１２と同様に２箇所の湾曲部で湾曲しているが、非磁性管１２´の湾曲部を隔てた３つの部分が均等間隔で高さ方向に並んでいるのではなく、誘導加熱コイル１３内において互いに均等間隔で分散して平行に延びている。また、非磁性管１２´の湾曲部を隔てた３つの部分から誘導加熱コイル１３までの
距離は全て同一となっている。

本変形例では、非磁性管１２´の湾曲部を隔てた３つの部分が誘導加熱コイル１３内において互いに均等間隔で分散して平行に延び、各部から誘導加熱コイル１３までの距離が全て同一となっている。これにより、湾曲部を隔てた３つの部分に施された各メッキ１２ａが均等に発熱するため、より一層流体加熱装置１１の耐食性向上を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図６は本発明の第３実施形態に係る流体加熱装置２１を示す断面図であり、図７は図６のVII−VII断面図である。

流体加熱装置２１は、管としての４本の非磁性管２２、誘導加熱手段としての誘導加熱コイル２３、コイル巻き枠２４、管支え板２６，２６、流体入口ヘッダ２７、流体出口ヘッダ２８等を備えている。

４本の非磁性管２２は互いに平行に配置されており、誘導加熱コイル２３内における各非磁性管２２の外周面の全域及びその近傍には、磁性材料としての磁性体のニッケルからなるメッキ２２ａが施されている。

磁性材料のメッキ２２ａの厚さは、メッキ２２ａの材料の物性値で決まる浸透深さの２倍以上となっている。具体的には、本実施形態では、抵抗率ρ＝１０〔μ・Ω・ｃｍ〕、比透磁率μｓ＝５００、周波数ｆ＝３０〔ｋＨｚ〕であるものとすると、メッキ２２ａの浸透深さδが０．０４〔ｍｍ〕となるため、メッキ２２ａの厚さは、浸透深さδの２倍以上の０．１〔ｍｍ〕としている。

非磁性管２２としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等を用いることができる。非磁性管２２ａの両端は、管支え板２６，２６に形成された孔に挿入された状態で固定支持されている。

誘導加熱コイル２３は、円筒形状のコイル巻き枠２４に巻きまわされている。また、誘導加熱コイル２３の両端は図示しない高周波電源に接続されている。誘導加熱コイル２３が励磁されると、非磁性管２２のメッキ２２ａに誘導電流が流れてメッキ２２ａ部分が発熱する。この熱が非磁性管２２に熱伝導し、非磁性管２２を流れる被加熱流体（矢印Ｆ）が加熱されて昇温するようになっている。

コイル巻き枠２４の両端は、非磁性管２２と同様に管支え板２６，２６に固定支持されており、これにより、誘導加熱コイル２３も位置決めされている。
管支え板２６，２６にはそれぞれ流体入り口ヘッダ２７、流体出口ヘッダ２８が設けられ、気体又は液体の被加熱流体（矢印Ｆ）は、流体入口ヘッダ２７から非磁性管２２を通って加熱されて流体出口ヘッダ２８へと導かれている。

以上説明した本実施形態においても、非磁性管２２の外周面の少なくとも一部に、誘導加熱コイル２３により誘導加熱される磁性材料のメッキ２２ａが施されている。そのため、耐食性に優れた非磁性管２２に被加熱流体（矢印Ｆ）を流すと共にメッキ２２ａを誘導加熱することにより、非磁性管２２にメッキ２２ａが施されていない場合のように誘導加熱に高周波を要することも、非磁性管２２を厚くすることもなく、簡単な作業（簡素な構成）で有効に発熱量を大きくすることができる。よって、本実施形態によっても、流体加熱装置２１の耐食性向上及びコスト削減を図ることができる。

また、本実施形態では、単一の誘導加熱コイル２３内において複数（４本）の非磁性管
２２が互いに平行に配置されている。そのため、流体加熱装置２１の大型化を抑えながら、被加熱流体を加熱することができる。したがって、より一層流体加熱装置２１のコスト削減を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る流体加熱装置を示す要部断面図である。 図１のII−II断面図である。 本発明の第２実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 図３のIV−IV断面図である。 上記第２実施形態に係る非磁性管の変形例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 図６のVII−VII断面図である。

符号の説明

１ 流体加熱装置
２ 非磁性管
２ａ メッキ
３ 誘導加熱コイル
４ コイル巻き枠
５ 高周波電源
１１ 流体加熱装置
１２ 非磁性管
１２ａ メッキ
１２ｂ 湾曲部
１３ 誘導加熱コイル
１４ コイル巻き枠
１６ 管支え板
１７ 流体入口ヘッダ
１８ 流体出口ヘッダ
２１ 流体加熱装置
２２ 非磁性管
２２ａ メッキ
２３ 誘導加熱コイル
２４ コイル巻き枠
２６ 管支え板
２７ 流体入口ヘッダ
２８ 流体出口ヘッダ

Claims (6)

1. 被加熱流体が流れる管と誘導加熱手段とを備える流体加熱装置において、
   前記管の外周面の少なくとも一部には、前記誘導加熱手段により誘導加熱される磁性材料のメッキが施されていることを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記管は、非磁性管であることを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記メッキの厚さは、該メッキの材料の物性値で決まる浸透深さの２倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の流体加熱装置。
4. 前記誘導加熱手段は、誘導加熱コイルを含み、
   前記誘導加熱コイル内における前記管の外周面の略全域には、前記磁性材料のメッキが施されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の流体加熱装置。
5. 前記誘導加熱手段は、誘導加熱コイルを含み、
   前記管は、前記被加熱流体の流路を湾曲させる湾曲部を有し、該湾曲部を経由して前記誘導加熱コイル内の少なくとも一部を複数回通過する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の流体加熱装置。
6. 互いに平行に配置された複数の前記管を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の流体加熱装置。