JP3184097U

JP3184097U - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP3184097U
Application number: JP2013001812U
Authority: JP
Inventors: 恭胤高藤
Original assignee: 恭胤高藤; 法月株式会社
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2020-12-24

Abstract

【課題】高い熱の利用効率で液体を加熱する液体加熱装置を提供する。
【解決手段】液体加熱装置１は、液体を供給する給液口を設けた有底有蓋の筒体２と、交流電源から電源を供給することにより発熱する熱線を内包し、筒体２の内部に充填された液体に浸漬される相互に隙間を介在させるようにして螺旋状に巻回された発熱体１８と、螺旋状の発熱体１８の内側に設けられ、発熱体１８により加熱された液体を筒体２の外部に流出させる流出管６と、を備えている。これにより、発熱体１８の発熱は損失することなく高い熱効率で液体に伝達されて加熱される。このため、短時間で大量の液体を所望の温度にまで加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、液体を加熱する液体加熱装置に関するものである。

液体としての常温水を加熱して高温水を生成する手段としては主に燃焼ガスを用いる方法が用いられている。ただし、エネルギー効率や安全性の観点等から、電気式の液体加熱装置が用いられるようになっている。この種の液体加熱装置としては例えば特許文献１に開示されている技術がある。この技術では、容器の底部にヒータを装着して、このヒータの熱により水を加熱している。

また、電磁誘導によって磁性体を発熱させて水を加熱する手法が特許文献２に開示されている。電磁誘導による液体加熱は、磁性管の内部流路に液体を流して、誘導コイルに交流電源を流すことにより行う。誘導コイルに交流電流が流れると、磁界強度が変化して、磁性管に渦電流が発生する。この渦電流が磁性管を流れることによりジュール熱が発生し、磁性管が発熱をする。これにより、内部を流れる液体を加熱している。

特開２０１０−２５２８３０号公報特開２００８−２３２６０６号公報

特許文献１のように容器の底部にヒータを装着して加熱する方式は、ヒータの熱の全てが液体の加熱に使用されるのではない。つまり、ヒータのうち液体に面していない部分から熱が拡散する。これが、熱エネルギーの損失を生じさせ、熱の利用効率が低下する。このため、所定の温度にまで液体を加熱するための時間が長くなり、且つ加熱に必要な電力も大きくなる。

特許文献２のように磁性管の内部に液体を流して、電磁誘導によって加熱をする場合、液体に面しているのは磁性管の内面だけになる。電磁誘導は磁性管自体を発熱するため、磁性管の外面からも熱が拡散する。このため、やはり熱エネルギーの損失を生じ、熱の利用効率が低下する。従って、液体を加熱するための時間が長くなり、且つ加熱に必要な電力も大きくなる。

そこで、本考案は、高い熱の利用効率で液体を加熱することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本考案の液体加熱装置は、液体を供給する給液口を設けた有底有蓋の筒体と、交流電源を供給することにより発熱する熱線を内包し、前記筒体の内部に充填された液体に浸漬される相互に隙間を介在させるようにして螺旋状に巻回された発熱体と、螺旋状の前記発熱体の内側に設けられ、前記発熱体により加熱された前記液体を前記筒体の外部に流出させる流出管と、を備えたことを特徴とする。

この液体加熱装置によれば、有底有蓋の筒体に液体が充填されたときに発熱体が液体に浸漬されるように構成している。これにより、発熱体による熱エネルギーが損失することなく液体に伝達される。よって、高い熱の利用効率で液体を加熱することができ、短時間で大量の液体を所望の温度にまで加熱して温水を生成することができる。

また、前記交流電源は三相３線式の交流電源であり、この交流電源に接続される前記熱線は３本が前記発熱体に内包され、各熱線を前記発熱体の先端で結線してもよい。交流電源を三相３線式として先端で結線することにより大きな電力を供給できる。このため、省電力化を図りつつ、短時間で大量の液体を所望の温度にまで加熱することができる。

また、加熱された前記液体を流入させるための切り欠き部を前記流出管の先端に形成し、前記筒体の端部に螺合により着脱可能に装着される蓋体に前記流出管の先端が圧接されるように構成してもよい。流出管の先端に切り欠き部を形成することで、液体を流出管の内部に流入させることができるとともに、蓋体の装着時に流出管の先端が圧接されることから、蓋体と筒体との固定強度を強固にすることができる。

また、前記発熱体の先端を前記給液口よりも前記蓋体に近い位置に設けてもよい。発熱体の全体を給液口よりも蓋体に近い位置に配置することで、流出管から流出される液体を加熱することができ、高い熱効率で加熱を行うことができる。

また、前記三相３線式の交流電源に接続される３本のケーブルのうち１本のケーブルの途中に、前記液体の温度を測定して前記ケーブルの接続をオンまたはオフに切り替える温度測定器を備えてもよい。液体の温度に基づいてケーブルの接続をオン（接続状態）またはオフ（非接続状態）に切り替えることで、液体の温度を所望の温度にまで加熱することができる。これにより、無駄な電力消費を抑制でき、省エネを図ることができる。

また、前記筒体の内部の前記液体の圧力を検出する圧力センサを前記交流電源に接続してもよい。筒体の内部に液体が充填されていなければ、発熱体の無駄な加熱が行われることがなく、電力消費を抑制することができると共に、発熱体に熱ストレスを与えることがなくなる。

本考案は、筒体に供給される液体に発熱体を浸漬して、流出管により加熱された液体を流出させていることで、高い熱効率で液体の加熱を行うことができる。これにより、短時間で大量の液体を所望の温度にまで加熱することができるようになる。

液体加熱装置の全体構成の断面図である。発熱体の内部構造を示す断面図である。底板および流出管を示す斜視図である。筒体を示す斜視図である。蓋体および発熱体を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。交流電源に接続される回路構成図である。液体加熱装置の全体構成の他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本考案の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態に限定されることはなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲で任意の構造を採用することができる。図１は液体加熱装置１の全体構成を示している。この液体加熱装置１は筒体２と底板３と蓋体４と加熱部５と流出管６とを備えて構成している。

液体加熱装置１は液体を加熱する装置であり、ここでは液体を水として説明するが、水以外の液体を適用してもよい。液体加熱装置１は図示しない水を送液する送液源と接続されており、送液源から圧送される常温（２０℃程度）の水を高温に加熱して温水（４０℃〜５０℃程度）を生成する。

筒体２は液体加熱装置１の主要構成要素であり、円筒形状をした筒である。その素材としてはプラスティックやステンレス（ＳＵＳ）、金属等を適用でき、耐熱性に優れた素材を使用する。液体加熱装置１として使用するときには、筒体２は垂直方向に立てられた状態で設けられる。この筒体２の両端（重力方向の上端および下端）の外周面にはネジ溝７、８が形成されている。当該ネジ溝７、８に底板３および蓋体４を螺合して装着するようにしている。これにより、筒体２は有底有蓋になり、筒体２の内部空間は密閉される。

底板３は筒体２の下端を閉塞するために設けた板であり、ネジ溝７に取り付けるための取付部９が形成されている。底板３の素材としては、筒体２と同様にプラスティック等を適用でき、耐熱性および電気絶縁性に優れた素材を使用する。取付部９をネジ溝７に螺合して締め付けることにより、筒体２に底板３が装着される。筒体２の下端の端面と底板３との間にはリング状の可撓性を有するシール部材１０を介在させる。そして、このシール部材１０を挟んだ状態で底板３を強固に締め付けることにより、シール部材１０がシール効果を発揮する。

蓋体４は筒体２の底板３の反対側に取り付けられる。蓋体４も筒体２および底板３と同様にプラスティック等を適用でき、耐熱性および電気絶縁性に優れた素材を使用する。蓋体４を筒体２に取り付けることで筒体２の上端を閉塞する。蓋体４はネジ溝８に取り付けるための取付部１１が形成されている。この取付部１１をネジ溝８に螺合して取り付けることにより、筒体２に底板３が装着される。筒体２の上端の端面と蓋体４との間にはリング状の可撓性を有するシール部材１２を介在させる。そして、このシール部材１２を挟んだ状態で蓋体４を強固に締め付けることにより、シール部材１２がシール効果を発揮する。

蓋体４には中心部分から偏在した位置に円柱状の貫通孔が形成されており、この貫通孔に密着するように円筒状のゴムパッキン１３が装着されている。また、ゴムパッキン１３の内側には金属パイプ１４が挿通されている。そして、ゴムパッキン１３を挟んで金属パイプ１４の両端にナット１５、１６が取り付けられている。これらナット１５、１６を強固に締め付けることにより、金属パイプ１４の高さ方向の位置が規制される。

金属パイプ１４は液体加熱装置１の内側と外側とを連通させており、この金属パイプ１４の外側から３本のケーブル１７が挿通される。各ケーブル１７は電流を流すために挿通しており、各ケーブル１７の間は絶縁がされている。３本のケーブル１７は纏められて金属パイプ１４の内側に挿通される。

加熱部５は細長の鞘状の発熱体１８を螺旋状に巻回して形成している。図２は発熱体１８の内部構造を示している。発熱体１８は内部に３本の熱線１９を有しており、さらに絶縁体粉末２０を隙間なく充填している。熱線１９は電流を流すことにより発熱をする金属線であり、金属パイプ１４の内側でケーブル１７と電気的に接続されている。

絶縁体粉末２０は熱線１９が発熱したときの熱を発熱体１８に伝達させるために充填している。この絶縁体粉末２０としては熱伝導性が高く耐熱性に優れた素材を使用し、例えば酸化マグネシウムを使用することができる。絶縁体粉末２０を密に充填することで熱線１９の熱を発熱体１８に伝熱させると共に、３本の熱線１９が相互に接触しないように位置を規制することができる。

発熱体１８の素材としては、ＳＵＳ（ステンレス鋼）を適用することができる。発熱体１８としては、耐腐食性、耐水性、耐熱性および熱伝導性に優れ、曲げ等の加工性にも優れた素材を使用する。また、人体に悪影響を及ぼさない素材を使用する。勿論、ＳＵＳ以外にも任意の素材を適用できる。この発熱体１８を螺旋状に巻回するときに、発熱体１８が相互に接触しないようにする。換言すれば、発熱体１８の上下に微小な隙間を形成するようにして巻回する。

流出管６は底板３の中心部分を貫通するように取り付けられた金属管になる。流出管６の内部は加熱後の温水が流れる流路となる。流出管６の一端は液体加熱装置１の内側に臨んでおり、他端は液体加熱装置１の外側に延在される。このため、流出管６を流れる温水は外部に流出される。

この流出管６は細長の円筒形状をしており、液体加熱装置１の内側に臨む先端部分の複数箇所に切り欠き部２１を形成している。この切り欠き部２１により流出管６の先端にエッジが形成される。このエッジの先端は筒体２の端面と同じ位置或いは僅かに突出させるようにしている。これにより、蓋体４を筒体２に締め付けて固定したときに、蓋体４の面に流出管６のエッジ先端が圧接される。

蓋体４は僅かに可撓性を有しており、筒体２に蓋体４を強く締め付けて固定したときに、流出管６のエッジ先端が蓋体４に強固に圧接されるようになる。これにより、蓋体４の取り付け強度をより強くすることができ、筒体２に底板３および蓋体４を螺合にて取り付けたときの緩みが防止される。よって、液体加熱装置１を構成したときの全体の固定強度が強くなる。

筒体２の側面の上下方向の２箇所を貫通して、給液管２２と圧力検出管２３とを設けている。給液管２２は一端が筒体２の内側に開口しており、他端が送液管２４に接続されている。この送液管２４は常温水を送液する図示しない水道管等の送液源に接続されている。この送液源から所定の圧力で常温水が所定の流量で送液される。この送液される常温水は送液管２４を流れて、給液管２２から液体加熱装置１の内部に流入する。

給液管２２は底板３に近い位置に設けられている。そして、この給液管２２よりも蓋体４に近い位置に加熱部５の先端が位置するように配置する。発熱体１８は螺旋状に巻回して構成しているが、その先端はフリーになっている。その先端部分が給液管２２よりも蓋体４に近くなるような位置に給液管２２を設ける。

圧力検出管２３も給液管２２と同様に筒体２を貫通しており、ここでは重力方向の上下位置に圧力検出管２３と給液管２２とを配置している。圧力検出管２３には図示しない水圧センサを設けており、管の内部の圧力を検出することで、水の供給の有無を検出する。この水圧センサは後述する交流電源３０に接続しており、交流電源３０の電源をオンとオフとに切り替える制御をしている。

蓋体４には温度測定器としてのサーミスタ２５を挿通している。サーミスタ２５は液体加熱装置１の内部の温度を測定している。このサーミスタ２５には温度設定がされており、測定している温度が設定温度にまで到達したか否かを検出する。サーミスタ２５には３本のケーブル１７のうち１本のケーブルの途中に接続されており、液体の温度が設定温度にまで到達したときにケーブル１７の導通を遮断するようにオフにし、それ以外の場合にはケーブル１７の導通を接続するようにオンにする。

図３〜５は筒体２と底板３と蓋体４とを分解した図になる。図３は底板３を取り外した状態を示しており、この底板３の中央部分に流出管６が挿通されている。そして、流出管６の先端には切り欠き部２１が形成されている。底板３を筒体２から着脱可能にしていることで、底板３の筒体２に臨む面に堆積した不純物を簡単に洗浄することができる。

図４は筒体２を示しており、筒体２の両端に底板３および蓋体４を締め付けるようにして装着している。図５は蓋体４を示しており、この蓋体４に金属パイプ１４から延在している発熱体１８が一体的に取り付けられている。以上の筒体２のネジ溝７に底板３を螺合して締め付けることにより固定し、且つ蓋体４をネジ溝８に螺合して締め付けて固定する。これにより、筒体２の内部は密閉された空間になる。

筒体２に蓋体４を装着するときには、螺旋状に巻回された発熱体１８の内側に流出管６が挿通するように装着する。これにより、流出管６の外側を加熱部５が巻回されたような構成となる。このとき、流出管６と発熱体１８とが接触しないように挿通する。図６は図１のＡ−Ａ断面図である。この図に示すように、螺旋状の加熱部５の内側に流出管６が位置するような関係になっている。

次に、図７を用いて回路構成について説明する。発熱体１８の内部には３本の熱線１９が相互に非接触で延在されており、各熱線１９はケーブル１７に接続される。同図に示すように、ケーブル１７は交流電源３０に接続される。交流電源３０は三相３線式の交流電源であり、各ケーブル１７に電流を出力する。この電流がケーブル１７および熱線１９に流れる。

熱線１９は所定の抵抗を有しており、電流を流すことにより発熱をする。熱線１９は先端で結線されており、この結線形式は所謂スター結線となる。交流電源３０は所定の電圧を発生しているが、スター結線とすることで、三相３線の各相の相間電圧は交流電源３０の電圧の√３（３の平方根）倍になる。よって、熱線１９の発熱量も√３倍になり、交流電源３０の電力よりも高い発熱量を得ることができる。

３本のケーブル１７のうち１本のケーブル１７の途中にはサーミスタ２５が接続される。サーミスタ２５が測定する温度が設定温度よりも低い場合にはケーブル１７の導通をオンにする。一方、設定温度よりも高くなった場合にはケーブル１７の導通をオフにする。ケーブル１７の導通をオフにすることで、全てのケーブル１７に交流電源３０から電流が流れなくなる。つまり、サーミスタ２５は熱線１９を発熱させるか否かのスイッチング制御を行っている。

以上が構成である。次に、動作について説明する。筒体２のネジ溝７に底板３を取り付け、ネジ溝８に蓋体４を取り付けることで、筒体２は有底有蓋の内部が密閉された空間になる。これにより、液体加熱装置１が構成される。この状態で、図示しない送液源から所定の液圧で常温水を圧送する。この常温水は送液管２４を流れ、給液管２２を介して筒体２の内部に流入する。

底板３は重力方向の下方に位置し、蓋体４は上方に位置している。給液管２２は底板に近い高さ位置に設けられており、この給液管２２から液体を供給することにより、水位が上昇する。送液源から連続的に常温水を圧送することで、筒体２の内部の圧力が上昇する。この圧力上昇は圧力検出間２３にも作用することになり、圧力検出間２３に設けた図示しない圧力センサにより圧力上昇が検出される。

圧力センサは交流電源３０に接続されており、水圧を検出したときに交流電源３０をオンにし、検出していないときはオフにしている。よって、圧力検出管２３の位置にまで水位が到達することで、圧力センサが水圧を検出して、交流電源３０をオンにする。これにより、三相３線式の交流電源３０から各ケーブル１７に電流が流れる。３本のケーブル１７は金属パイプ１４の中を挿通して、加熱部５の各熱線１９に接続される。

各熱線１９は螺旋状に巻回される発熱体１８の中に延在されており、熱線１９の周囲には伝熱機能を持つ絶縁体粉末２０が密に充填されている。よって、熱線１９の熱は発熱体１８の全周に伝達される。熱線１９は電流を流すことにより高温に発熱する。これに伴い、加熱部５も高温に発熱をする。

送液源からは連続的に常温水が圧送されている。よって、水位は上昇して蓋体４に到達する。これにより、発熱体１８は筒体２の内部に充填された水に浸漬された状態になる。そして、熱線１９により加熱部５は発熱をする。このときの熱は損失することなく水に伝達される。つまり、螺旋状の発熱体１８は相互に所定の間隔を設けるように形成しているため、その周囲は全て水と接した状態になっており、この熱が伝わって水は加熱される。

つまり、加熱部５の熱は損失することなく発熱体１８の周囲の水に伝達され、高い熱伝達効率を得ることが得きる。液体加熱装置１の下方側（給液管２２に近い側）の温度は低くなっているが、加熱部５の発熱体１８の加熱により上方側の水温は高くなる。最も高温となっているのは、蓋体４の近傍の部位である。この部位に流出管６の切り欠き部２１を形成している。この切り欠き部２１は開口部となっており、切り欠き部２１から流出管６の内側に加熱された温水が流入する。送液源からは所定の圧力で常温水を圧送しているため、流出管６の内側に流入する温水も高温になる。そして、流出管６の内側を圧送される温水が外部に流出される。

以上により、送液源から供給される常温水を加熱して温水を生成することができる。加熱部５の発熱体１８は送液源から供給される水に浸漬しており、発熱体１８の熱は損失することなく水に伝熱される。これにより、高い熱効率で常温水から温水に加熱をすることができる。交流電源３０が出力する電流を２５アンペア、電圧を２００ボルトとし、送液源から２０℃の常温水を毎分７リットル送液する場合に、おおよそ１５秒で４０℃の温水が生成され、３０秒で５０℃の温水が生成される。

また、加熱部５の発熱体１８を螺旋状に巻回していることで、水との接触面積を増やしている。これにより、水を加熱する領域が増え、大量の常温水を短時間で加熱して所望の温度の温水を生成できる。このため、筒体２の上下方向の長さをコンパクトにすることができる。つまり、加熱部５の領域を狭小にしても十分な加熱を行うことができる。このため、液体加熱装置１の全体のサイズをコンパクトにすることができる。

また、三相３線式の交流電源から電源を供給して３本の熱線１９を発熱体１８の先端で結線するスター結線方式を採用している。これにより、交流電源３０の電力よりも高い電力を得ることができ、これを熱線１９の発熱に利用することで、高い熱効率で常温水を加熱することができる。換言すれば、使用する電力量を少なくしつつ（省エネ化）、大量の常温水を短時間で所望の温度にまで加熱した温水を生成できる。

発熱体１８は相互に隙間を設けるようにして螺旋状に巻回している。発熱体１８の外周面は全て水に接していることから、発熱体１８自身が過剰に高温になることはない。これにより、発熱体１８に熱ストレスがそれほどかからないことから、耐久性が向上する。

また、流出管６に切り欠き部２１を設けて、この切り欠き部２１のエッジ先端に蓋体４を圧接するようにして装着することで、筒体２に蓋体４を取り付けたときの固定強度が強くなる。この点、切り欠き部２１ではなく流出管６の先端の適宜の位置に開口部を設けるようにして、加熱された温水を流出管６の内部に流入させるようにしてもよい。また、切り欠き部２１や開口部の位置にフィルタを形成することにより、不純物を除去した温水を生成することができる。

また、加熱部５の発熱体１８の先端は給液管２２よりも蓋体４に近い位置に設けている。給液管２２の位置より底板３の側の部位の水は温水の生成に寄与しない。つまり、給液管２２よりも蓋体４に近い部位に供給される水が温水の生成に寄与する。よって、給液管２２はできるだけ底板３に近い位置に設けるようにする。これにより、液体加熱装置１のうち加熱部５に広い領域を確保することができ、装置全体のサイズのコンパクト化を図ることもできる。

また、サーミスタ２５は蓋体４の近傍の水の温度を測定している。つまり、加熱された水温を測定している。そして、測定した水温に基づいてケーブル１７の接続をオンとオフとに切り替えている。これにより、液体加熱装置１の内部の水温が過剰に高くなったときにはケーブル１７がオフになることにより、発熱体１８は発熱をしなくなる。これにより、自動的に水温が過剰に上昇することを回避し、無駄に電力が消費されないようにしている。

また、圧力検出管２３に水圧センサを設けて、この水圧センサが水の圧力を検出する。そして、検出結果に基づいて交流電源３０のオンとオフとを制御していることで、液体加熱装置１の内部に水が充填されていないときに無駄に加熱することを回避している。これにより、省電力化を実現できると共に、水のない状態で発熱体１８が加熱されることがなくなる。よって、発熱体１８に過剰な熱ストレスかがかかることを回避することができる。

また、図８に示すように、筒体２の内側の領域にセラミック小片４０を充填することもできる。セラミック小片４０は円筒形状をした小型のセラミックであり、供給される水の不純物を除去等するための触媒として設けている。また、セラミック小片４０を筒体２の内側に充填することで、加熱された水の保温機能を持たせることもできる。

１液体加熱装置
２筒体
３底板
４蓋体
５加熱部
６流出管
１７ケーブル
１８発熱体
１９熱線
２１切り欠き部
２２給液管
２３圧力検出管
２５サーミスタ
３０交流電源

Claims

液体を供給する給液口を設けた有底有蓋の筒体と、
交流電源を供給することにより発熱する熱線を内包し、前記筒体の内部に充填された液体に浸漬される相互に隙間を介在させるようにして螺旋状に巻回された発熱体と、
螺旋状の前記発熱体の内側に設けられ、前記発熱体により加熱された前記液体を前記筒体の外部に流出させる流出管と、
を備えたことを特徴とする液体加熱装置。
前記交流電源は三相３線式の交流電源であり、この交流電源に接続される前記熱線は３本が前記発熱体に内包され、各熱線を前記発熱体の先端で結線したこと
を特徴とする請求項１記載の液体加熱装置。
加熱された前記液体を流入させるための切り欠き部を前記流出管の先端に形成し、
前記筒体の端部に螺合により着脱可能に装着される蓋体に前記流出管の先端が圧接されるように構成したこと
を特徴とする請求項２記載の液体加熱装置。
前記発熱体の先端を前記給液口よりも前記蓋体に近い位置に設けたこと
を特徴とする請求項３記載の液体加熱装置。
前記三相３線式の交流電源に接続される３本のケーブルのうち１本のケーブルの途中に、前記液体の温度を測定して前記ケーブルの接続をオンまたはオフに切り替える温度測定器を備えていること
を特徴とする請求項４記載の液体加熱装置。
前記筒体の内部の前記液体の圧力を検出する圧力センサを前記交流電源に接続したこと
を特徴とする請求項５記載の液体加熱装置。