JP2014152977A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる発熱体を用い、発熱温度と熱交換量とを調整可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、複数の水管３１を併設し、水管３１を流れる水を加熱し、それぞれの水管３１の流入口３１ａよりも流出口３１ｂを上方に配置し、それぞれの水管３１の側方に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる複数の発熱体３３を設け、これらの発熱体３３を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、水管を流れる水を加熱する熱交換器に関する。

液体を加熱する場合に面状発熱体を利用する装置が提案されている（特許文献１）。
また、従来のニクロム線で構成される発熱体と比較して、熱量が大きく、高温を出せる面状発熱体を用いた装置が提案されている。
例えば、特許文献２は、ニッケルインジウム酸化化合物を主材料とする発熱体を用い、液体加熱管内にこの発熱体を挿通した液体加熱装置である。
また、特許文献３は、導電性の高いニッケルインジウム酸化化合物を添加した塗料を塗布した発熱体を用い、融雪マットや温床マットにこの発熱体を用いている。
また、特許文献４は、ニッケル、インジウム及びチタンを含有するニッケル基合金を発熱体として用い、この発熱体によって気体を加熱する気体加熱装置、又は雪や氷などの固体を溶かす固体加熱装置である。

特公平７−１１１９００号公報 特開２０１０−１１３８０５号公報 特許第３９９７１７９号公報 特開２００８−１５６７１１号公報

特許文献１では、面状発熱体の一方の面を被覆することなく露出させ、この露出面を液体槽の外壁に接着することで加熱効率を高めているが、この面状発熱体がどのような特性を持つ発熱体であるかについては明確に記載されていない。
特許文献２から特許文献４では、ニクロム線とは全く異なった発熱体を用いており、これらの文献で開示されている発熱体は、表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる。
しかし、特許文献２のように液体加熱管内にこの発熱体を挿通した場合には、発熱体の発熱温度を高くすると蒸気爆発を起こすことに留意しなければならない。
また、特許文献３では、電圧を一定とし、面積によって電力量が異なることを開示するのみで、発熱温度の調整については何ら記載されていない。
特許文献４についても、発熱温度の調整については何ら記載されていない。

本発明は、表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる発熱体を用い、発熱温度と熱交換量とを調整可能な熱交換器を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の熱交換器は、複数の水管を併設し、前記水管を流れる水を加熱する熱交換器であって、それぞれの前記水管の流入口よりも流出口を上方に配置し、それぞれの前記水管の側方に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる複数の発熱体を設け、これらの前記発熱体を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、全ての前記発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記水管を挟むように、一対の耐熱板を配置し、一対の前記耐熱板の前記水管側の面に、前記発熱体を配置したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器において、前記発熱体が、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、前記半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、前記発熱体の前記幅を４ｍｍから２７ｍｍとし、前記発熱体に加える前記入力電圧を５ｖから１００ｖとし、前記発熱体の前記発熱温度を１００℃以上としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換器において、前記水を貯留する給水タンクと、それぞれの前記水管で発生する蒸気を集める蒸気タンクとを備え、前記給水タンクの下部と前記水管の前記流入口とを給水管で接続し、前記蒸気タンクを、前記給水タンクの満水面よりも高い位置に配置し、前記満水面を、前記発熱体よりも高い位置としたことを特徴とする。

本発明によれば、発熱体を並列に接続することで、発熱体の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体の数を増やすことで対応できる。

本発明の一実施例による熱交換器の構成を示す側面図 同熱交換器の構成を示す平面図 発熱体の面積と入力電圧とを変えたときの発熱温度の測定結果を示す表 図３の結果による特性を示すグラフ

本発明の第１の実施の形態による熱交換器は、それぞれの水管の流入口よりも流出口を上方に配置し、それぞれの水管の側方に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる複数の発熱体を設け、これらの発熱体を、電気的に並列に接続して配置したものである。本実施の形態によれば、発熱体を並列に接続することで、発熱体の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体の数を増やすことで対応できる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、全ての発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたものである。本実施の形態によれば、全ての発熱体を、それぞれ、同一幅、同一長さとすることで、全ての発熱体の発熱温度を同じとすることができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による熱交換器において、水管を挟むように、一対の耐熱板を配置し、一対の耐熱板の水管側の面に、発熱体を配置したものである。本実施の形態によれば、水管への熱伝導を高めて蒸気発生量を増やすことができる。

本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態による熱交換器において、発熱体が、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたものである。本実施の形態によれば、金属箔の表面温度を半導体膜で更に上げることができる。

本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による熱交換器において、発熱体の幅を４ｍｍから２７ｍｍとし、発熱体に加える入力電圧を５ｖから１００ｖとし、発熱体の発熱温度を１００℃以上としたものである。本実施の形態によれば、低電圧で蒸気を発生させることができる。

本発明の第６の実施の形態は、第１から第５の実施の形態による熱交換器において、水を貯留する給水タンクと、それぞれの水管で発生する蒸気を集める蒸気タンクとを備え、給水タンクの下部と水管の流入口とを給水管で接続し、蒸気タンクを、給水タンクの満水面よりも高い位置に配置し、満水面を、発熱体よりも高い位置としたものである。本実施の形態によれば、発熱体の配設位置に相当する水管内には水を存在させるとともに、蒸気タンクには蒸気だけを導くことができる。

以下に本発明の一実施例を図１から図４に示す。
図１は本発明の一実施例による熱交換器の構成を示す側面図、図２は同熱交換器の構成を示す平面図である。
本実施例による熱交換器は、筐体１０内に、給水タンク２０、加熱部３０、及び蒸気タンク４０を備えたボイラーである。
筐体１０には、熱気排出口１１を有している。この熱気排出口１１には、強制排気を行うためのファンを備えていることが好ましい。
また、筐体１０の上面には、給水口１２を備えている。
給水タンク２０の上面には、導入管２１が接続され、導入管２１の上端は給水口１２に接続されている。給水タンク２０は、支柱２２によって筐体１０の基台１３に固定されている。給水タンク２０の下面に給水管２３が接続されている。

加熱部３０は、複数の水管３１と、これらの水管３１を挟むように配置された一対の耐熱板３２と、一対の耐熱板３２のそれぞれの水管３１側の面に配置された発熱体３３とを有する。
複数の水管３１は、流入口３１ａよりも流出口３１ｂを上方に配置して併設されている。本実施例では、水管３１は垂直に立設している。それぞれの水管３１の流入口３１ａは、給水管２３に接続されている。またそれぞれの水管３１の流出口３１ｂは、蒸気タンク４０に接続されている。

発熱体３３の両端には、電極端子が形成され、一方の電極端子は電極３４ａに接続され、他方の電極端子は電極３４ｂに接続されている。
それぞれの発熱体３３は、全て電極端子間の長さと幅が同じ（同一面積）で平板状に形成され、全ての発熱体３３は、電極３４ａ、３４ｂによって電気的に並列に接続されている。
すべての発熱体３３は、電極端子を含めて、例えばポリイミドフィルムなどの耐熱絶縁樹脂からなる保護フィルムや集積雲母をエポキシ樹脂で各種補強材と貼り合わせた耐熱テープ（例えば、岡部マイカ工業所製 耐火マイカテープ）で覆われている。
電極３４ａ、３４ｂは、耐熱配線モールによって覆われ、筐体１０外に導出している。発熱体３３には、外部電源から電力が供給される。
耐熱板３２は、固定柱３６によって筐体１０の基台１３に固定されている。
給水管２３の端部は、筐体１０外に延出して出水口２４を形成している。出水口２４は、熱交換器運転時には閉とされている。

蒸気タンク４０には、蒸気排出管４１が接続され、この蒸気排出管４１から筐体１０外に蒸気を導出する。蒸気排出管４１には、圧力計４２及び開閉バルブ４３を設けている。
蒸気排出管４１は、筐体１０の上面から導出している。
蒸気タンク４０の底面が、給水タンク２０の満水面２０ａよりも高い位置となるように蒸気タンク４０を配置することで、蒸気タンク４０には蒸気だけを導くことができる。
また、給水タンク２０の満水面２０ａが、発熱体３３よりも高い位置となるように給水タンク２０を配置することで、発熱体３３の配設位置に相当する水管３１内には常に水を存在させることができ、効率的な蒸気発生を行うことができる。

なお、給水タンク２０の上面には排気管２５を設けることが好ましい。排気管２５によって給水タンク２０内の膨張空気を筐体１０外に排出することができる。
また、給水タンク２０には、常に満水面２０ａまで水を貯留できるように、フロートスイッチを設けるとともに、給水口１２にはフロートスイッチによって給水を行う補充タンクを設けていることが好ましい。
また、一対の耐熱板３２の間に熱媒体を充填し、更には水管３１にフィンを設けることで熱効率を更に高めることができる。
また、本実施例では、水管３１を一対の耐熱板３２で挟む構成を示したが、水管３１の周りを覆う構成が好ましい。
また、本実施例では、発熱体３３を耐熱板３２に設けた場合を示したが、面状の発熱体３３を水管３１の外表面に直接貼り付けることで熱効率を高めることができる。

長さが３００ｍｍ、幅が１５０ｍｍ、高さが２００ｍｍの筐体１０を用い、直径が６ｍｍから８ｍｍの水管３１を６本から１２本とし、幅が４ｍｍから２７ｍｍで発熱温度が１００℃から４００℃の発熱体３３を、それぞれの耐熱板３２に５本から１０本設け、これら発熱体３３に加える入力電圧を５ｖから１００ｖとしたところ、良好な蒸気発生が行える熱交換器を製作することができた。

発熱体３３は、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、金属箔にはステンレス、半導体膜には、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金を用いることができる。ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金では、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３とする。半導体膜のコーティングは、蒸着やスパッタリングで行うことができる。

金属箔として、厚さ３０μｍ、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍのステンレス基板を用いた。このステンレス基板にニッケル基合金をコーティングした面状発熱体と、ステンレス基板のみの発熱体との、１２ｖの入力電圧に対するそれぞれの表面温度を計測した。その結果、ステンレス基板のみの発熱体では５１℃であるのに対して、ステンレス基板にニッケル基合金をコーティングした面状発熱体は１２８℃となった。
このように、基板であるステンレス基材の表面に半導体膜をコーティングした面状発熱体では、ステンレス基板の抵抗熱と半導体膜内の電子の移動による熱及び輻射熱との相乗効果で発熱する。すなわち、ステンレス基板自体の抵抗熱に加えて、ステンレス基板が発したエネルギーを半導体膜が受けることで発熱する。

１ｍｍの幅、３００ｍｍの長さ、３０μｍの厚さの面状発熱体について、１ｍｍの径、３００ｍｍの長さの棒状ニクロム線を比較例として電力比較を行った。
比較例としてのニクロム線では、表面温度を３４０℃とするために、電圧１０ｖ、電流１０．４Ａ、１０４ｗの電力が必要であるのに対して、面状発熱体では、電圧２８ｖ、電流２．１Ａ、５８．８ｗの電力となった。
本実施例による発熱体３３は、長さ３３０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ20μｍのものを用い、入力電圧２０ｖとした。この発熱体３３では、入力電圧２０ｖにおいて、発熱温度は２４０℃である。

発熱体３３の特性を図３及び図４に示す。
図３は、発熱体の面積と入力電圧とを変えたときの発熱温度の測定結果であり、図４は図３の結果による特性を示すグラフである。
実験によれば、長さ３００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１５Ｖを印加すると、１．０８Ａの電流が流れ、発熱温度は１７０℃となり、長さ３００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、１．４６Ａの電流が流れ、発熱温度は２００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、１．６３Ａの電流が流れ、発熱温度は１４０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、２．２９Ａの電流が流れ、発熱温度は２４０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、３．０１Ａの電流が流れ、発熱温度は２７０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、３．９３Ａの電流が流れ、発熱温度は４２８℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、５．６８Ａの電流が流れ、発熱温度は６７３℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、７．１８Ａの電流が流れ、発熱温度は７００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、７．８Ａの電流が流れ、発熱温度は８００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、１１．２Ａの電流が流れ、発熱温度は１２００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、１４．２Ａの電流が流れ、発熱温度は１４００℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、４．１７Ａの電流が流れ、発熱温度は４０７℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、６．０５Ａの電流が流れ、発熱温度は６３０℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、７．３Ａの電流が流れ、発熱温度は７２０℃となり、長さ５１０ｍｍ、幅１２ｍｍの場合、電圧３０Ｖを印加すると、９Ａの電流が流れ、発熱温度は８００℃となり、長さ５００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧２４Ｖを印加すると、８．３４Ａの電流が流れ、発熱温度は５８０℃となり、長さ５００ｍｍ、幅１５ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、７Ａの電流が流れ、発熱温度は７３５℃となり、長さ５００ｍｍ、幅２０ｍｍの場合、電圧３０Ｖを印加すると、５Ａの電流が流れ、発熱温度は７００℃となり、長さ７００ｍｍ、幅２７ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、４Ａの電流が流れ、発熱温度は５４０℃となり、長さ１５００ｍｍ、幅１５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、５Ａの電流が流れ、発熱温度は１５００℃となり、長さ１５００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、３Ａの電流が流れ、発熱温度は２１０℃となり、長さ３００ｍｍ、幅３ｍｍの場合、電圧１２Ｖを印加すると、２Ａの電流が流れ、発熱温度は１６０℃となった。

発熱体３３は、長さ（電極端子２０ａ、２０ｂ間の寸法）が同じであれば幅（長さ方向に垂直な方向の寸法）が広い方が高い発熱温度となり、幅が同じであれば長さが短い方が高い発熱温度となっている。また、長さと幅の比率が同じであれば、面積が小さいほど小さい入力電圧で同じ発熱温度を得ることができる。

しかし、発熱体３３の耐久性を考えると４ｍｍ以上の幅とすることが好ましく、更には８ｍｍ以上が更に好ましい。
また、小さい入力電圧で高い発熱温度を得るためには、発熱体３３の長さを３００ｍｍから２０００ｍｍ、幅を１５ｍｍ以下の幅とすることが好ましい。
入力電圧は５ｖから１００ｖ、更には５ｖから５０ｖが適している。商用電源を用いる場合には変圧器を用いて５ｖ、２０ｖ、又は５０ｖに変圧して用いる。

なお、発熱体３３の長さを３００ｍｍから１０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、２０ｖの電圧で発熱体３３の発熱温度を１４０℃から２７０℃とすることができる。
また、発熱体３３の長さを１０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、５０ｖの電圧で発熱体３３の発熱温度を４２８℃から７００℃とすることができる。
また、発熱体３３の長さを１０００ｍｍから２０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、１００ｖの電圧で発熱体３３の発熱温度を４０７℃から７２０℃とすることができる。

以上のように、全ての発熱体３３を、それぞれ、同一幅で同一長さとすることで、全ての発熱体３３の発熱温度を同じとすることができ、流体を所定の温度に加熱し、又は蒸気を発生させることができる。
蒸気発生には、発熱体３３の発熱温度を１００℃から１４００℃とすることが好ましい。
また、本実施例によるボイラーは、蒸気発生装置以外に、発熱体３３での発熱温度を所定値に維持することで、加湿装置、殺菌装置、保温装置、又は加熱装置として用いることができる。
なお、本実施例では、一定の幅を有する平板状の発熱体３３として説明したが、平板状ではなく線状の発熱体３３とすることもできる。線状の発熱体３３では、発熱体３３の外周長さが、平板状の発熱体３３の幅に相当する。従って、例えば、幅が１２ｍｍの平板状の発熱体３３と、直径が３．８２ｍｍに相当する線状の発熱体３３は、同じ特性を有する。
線状の発熱体３３を用いる場合には、平板状発熱体３３の製作に必要なエッチング工程が不要であり、また水管３１の外周に容易に巻き回すことができる。
線状の発熱体３３を用いる場合には、平板状の発熱体３３と同様に一対の耐熱板３２に線状の発熱体３３を貼り付けてもよいが、水管３１の外表面に直接巻き回すことが好ましい。また、線状の発熱体３３を用いる場合にも、水管３１の周りを覆うことが好ましい。

以上のように本実施例によれば、発熱体３３を並列に接続することで、発熱体３３の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体３３の数を増やすことで対応できる。

本発明は、特に水蒸気を発生させるボイラーとして適しており、加湿装置、殺菌装置、保温装置、又は加熱装置として用いることができるとともに、水蒸気タービン発電機や高圧蒸気洗浄などにも利用できる。

１０ 筐体
１１ 熱気排出口
１２ 給水口
１３ 基台
２０ 給水タンク
２０ａ 満水面
２１ 導入管
２３ 給水管
２５ 排気管
３０ 加熱部
３１ 水管
３１ａ 流入口
３１ｂ 流出口
３２ 耐熱板
３３ 発熱体
３４ａ 電極
３４ｂ 電極
４０ 蒸気タンク
４１ 蒸気排出管
４２ 圧力計

Claims (6)

1. 複数の水管を併設し、前記水管を流れる水を加熱する熱交換器であって、
   それぞれの前記水管の流入口よりも流出口を上方に配置し、
   それぞれの前記水管の側方に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる複数の発熱体を設け、
   これらの前記発熱体を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 全ての前記発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記水管を挟むように、一対の耐熱板を配置し、
   一対の前記耐熱板の前記水管側の面に、前記発熱体を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記発熱体が、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、前記半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、
   インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記発熱体の前記幅を４ｍｍから２７ｍｍとし、前記発熱体に加える前記入力電圧を５ｖから１００ｖとし、前記発熱体の前記発熱温度を１００℃以上としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記水を貯留する給水タンクと、
   それぞれの前記水管で発生する蒸気を集める蒸気タンクとを備え、
   前記給水タンクの下部と前記水管の前記流入口とを給水管で接続し、
   前記蒸気タンクを、前記給水タンクの満水面よりも高い位置に配置し、
   前記満水面を、前記発熱体よりも高い位置としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換器。