JP3672765B2 - 加熱方法および加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱方法および加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、水を加熱して温水を得る方法としては、燃料の燃焼によって発生する熱エネルギを利用するものがある。
しかしながら、上述した方法にあっては、正確な温度コントロールが難しい、燃料を貯留しておくためのスペースが必要となる、燃料の燃焼に伴って酸化物が発生する、等々の問題がある。
【０００３】
こうした問題を解決するための方法として、昨今においては、誘導加熱を利用した加熱方法が普及している。すなわち、コイル状に巻回した導線に交流電流を通電することによって交番磁界を生じさせ、該交番磁界によって磁性体に誘導されるうず電流のジュール熱で当該磁性体を加熱するようにしたものである。
【０００４】
この誘導加熱法によれば、以下に列挙するような作用効果を奏することができる。
通電量や導線の巻回数に応じて発熱量が変化するため、正確な温度制御が可能となる。
燃料を貯留しておくスペースが不要となる。
酸化物が発生しないため、環境にもやさしい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、交流電源からの電流を直接誘導加熱に利用する場合には、コイル状に巻回した導線の部分において十分に電圧を降下させなければならないため、磁性体に対して非常に多くの導線、具体的には数百回もの導線を巻回させる必要がある。
【０００６】
この結果、誘導加熱を利用した加熱装置にあっては、構造が著しく複雑になる、装置が大型化する、等々の問題を招来する。特に、スペースに余裕のない一般家庭やビル等の居住空間にあっては、その適用がほとんど不可能となる。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて、構造の複雑化や装置の大型化を招来することなく、誘導加熱を利用した加熱を行うことのできる方法および装置を提供することを解決課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、交流電源から負荷に供給される電流を利用して磁性体に誘導加熱を生じさせる加熱方法であって、交流電源から負荷に至る導線の経路中に、第１、第２のスイッチと、貯水部を備えた磁性体と、前記磁性体の外周に導線を巻回して形成したコイル線と、前記磁性体の周囲に設置された断熱保温材と、前記貯水部の温度を検出する水温センサと、前記水温センサの検出結果に基づいて前記スイッチを切換作動させるコントローラとを配置し、前記コントローラによってコイル線に通電させ、前記磁性体に誘導加熱を生じさせる場合と、コイル線に通電させることなく負荷に直接供給する場合を選択できるようにしている。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、交流電源から負荷に至る導線の経路中に、第１、第２のスイッチと、貯水部を備えた磁性体と、前記磁性体の外周に導線を巻回して形成したコイル線と、前記磁性体の周囲に設置された断熱保温材と、前記貯水部の温度を検出する水温センサと、前記水温センサの検出結果に基づいて前記スイッチを切換作動させるコントローラとを配置するとともに、前記コントローラによってコイル線に通電させ、前記磁性体に誘導加熱を生じさせるようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態を示す図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る加熱装置の第一実施形態を概念的に示したものである。ここで例示する加熱装置は、三相交流モータＭに対する電源供給回路を利用して温水を得るためのもので、交流電源Ｅから交流モータＭに至る各相Ｒ、Ｓ、Ｔの導線ｒ，ｓ，ｔ中にそれぞれ加熱ユニット１０を備えている。
【００１１】
加熱ユニット１０は、加熱対象である水を加熱する部分であり、例えば図１（ｂ）に示すように、加熱部１１と温度制御部１２とを備えて構成したものを適用することができる。
【００１２】
加熱部１１は、外周部が断熱保温材１３によって覆われた貯水パイプ１４と、この貯水パイプ１４の外周部に螺旋状に巻回させたコイル線１５と、交流電源Ｅに対して上記コイル線１５と並列に接続された短絡線１６とを備えている。貯水パイプ１４としては、例えばステンレス製の内管１４ａの周囲を磁性体、つまり電気抵抗の比較的大きな導体である鉄製の外管１４ｂによって外装したものを適用している。コイル線１５としては、横断面が矩形状を成す銅製のバーコイル線を適用している。短絡線１６は、上記コイル線１５の両端部間を短絡するためのもので、それぞれスイッチ手段１７，１８を介してコイル線１５の各端部に接続されている。
【００１３】
温度制御部１２は、貯水パイプ１４に貯留された水の温度を検出する水温センサ１９と、この水温センサ１９の検出結果に基づいて上述したスイッチ手段１７，１８を切換作動させるコントローラ２０とを備えたものである。
【００１４】
上記のように構成した加熱装置では、まず、水温センサ１９の検出した水温が予設定した値を下回っている場合、上記コントローラ２０によってスイッチ手段１７，１８が切換作動され、図１（ｂ）中の実線で示すように、加熱ユニット１０のコイル線１５が交流電源Ｅに接続されることになる。
【００１５】
この状態から交流モータＭの運転を開始すると、各相Ｒ，Ｓ，Ｔの導線ｒ，ｓ，ｔを通過する電流が加熱ユニット１０においてコイル線１５を流れることになる。この結果、磁性体である外管１４ｂにうず電流が誘導され、そのジュール熱によって当該外管１４ｂが発熱するようになり、内部に貯留された水の加熱を行うことが可能となる。
【００１６】
ここで、上記加熱装置にあっては、本来交流モータＭに対して供給される電流をコイル線１５に通電するようにしたものである。したがって、当該コイル線１５においては、十分に電圧を降下させる必要がない。つまり、ごく少数だけ巻回したコイル線１５を交流電源Ｅに接続することが可能となる。この結果、上記加熱装置によれば、構造を簡略化することができるばかりか、その小型化を図ることができるようになり、例えばスペースに余裕のない一般家庭やビル等の居住空間への適用も十分に可能となる。
【００１７】
しかも、本件発明者によれば、図２に示すように、外管１４ｂに対して１０回巻回したコイル線１５を適用した場合はもちろん、わずか５回巻回したコイル線１５を適用した場合であっても、１０分間の通電によって当該外管１４ｂをほぼ１００℃まで加熱することができるという実験結果を得ている。つまり、上記加熱装置によれば、構造の簡略化および装置の小型化を図りつつ、貯水パイプ１４内の水を十分、かつ迅速に沸騰させるだけの発熱量を得ることが可能である。
【００１８】
さらに、交流モータＭ等の負荷にあっては、通常、定格の出力を得る場合に必要となる電圧に上下１０Ｖ程度の幅がある。上述したように、本件発明者の実験結果によれば、コイル線１５での電圧降下は最大でもわずか４Ｖである。したがって、上記加熱装置によれば、交流モータＭの出力に対してほとんど影響を与えることなく、しかも従前とほぼ変わりない消費電力で温水を得ることができるようになり、エネルギの有効利用から省エネルギに寄与することが可能になる。
【００１９】
一方、コイル線１５へ通電した状態において水温センサ１９の検出した水温が予設定した値を上回った場合には、コントローラ２０によってスイッチ手段１７，１８が切換動作され、図１（ｂ）中の破線で示すように、コイル線１５が交流電源Ｅから切り離されるとともに、短絡線１６が交流電源Ｅに接続されることになる。この結果、外管１４ｂの発熱が停止し、貯水パイプ１４内の水の温度が順次低下するようになる。
【００２０】
以下、上述した動作が繰り返し行われ、貯水パイプ１４内の水温に応じてコイル線１５への通電が適宜ＯＮ／ＯＦＦされ、当該貯水パイプ１４内の水が所定の温度範囲に保持されることになる。
【００２１】
このように、上記加熱装置によれば、本来交流モータＭに対して供給される電流を利用して磁性体である外管１４ｂに誘導加熱を生じさせ、これによって内管１４ａ内の水を加熱するようにしているため、コイル線１５において十分に電圧を降下させる必要がない。したがって、外管１４ｂに対するコイル線１５の巻回数を著しく低減することができるようになり、構造の簡略化および装置の小型化を図ることが可能となる。しかも、この加熱装置によれば、水を沸騰させるに十分な発熱量を得ることができるにも関わらず、本来の交流モータＭの出力に対してほとんど影響を与えることがない。
【００２２】
なお、上述した実施の形態では、三相交流モータＭに対する電源供給回路を利用して温水を得るための加熱装置を例示しているが、本発明は、これらに限定されない。例えば、交流モータＭ以外の負荷に対する電源供給回路を適用してももちろん構わない。この場合、必ずしも三相である必要はなく、単相の電源であってもよい。また、加熱対象としては、水以外にも媒体油等のその他の液体、あるいはエア等の気体を加熱するように構成しても構わない。
【００２３】
また、上述した実施の形態では、複数の導線のそれぞれに加熱ユニットを設けるようにしているが、唯一の導線に加熱ユニットを設ければ充分である。なお、複数の導線のそれぞれに加熱ユニットを設ける場合には、それぞれの発熱温度を互いに異なる値に設定し、一方の加熱ユニットで加熱したものを、他方の加熱ユニットで保温するように構成することも可能である。この場合、保温を行う加熱ユニットにあっては、さらにコイル線の巻回数を低減することが可能であり、一層の簡略化を可能とする。
【００２４】
さらに、上述した実施の形態では、貯水パイプ１４の外周部にコイル線１５を螺旋状に巻回させるようにしているが、必ずしもこれに限定されず、例えば、図３（ａ）や図３（ｂ）に示す加熱ユニット３０，４０を適用しても、先と同様に、磁性体に誘導加熱を生じさせることができる。すなわち、図３（ａ）に示す加熱ユニット３０は、磁性体である鉄製内管３１の周囲にステンレス製の中空外管３２を外装することによって貯水パイプ３３を構成し、この貯水パイプ３３の内管３１を貫通した導線ｕを再び内管３１内に通過させるようにしたものである。また、図３（ｂ）に示す加熱ユニット４０は、図３（ａ）の加熱ユニット３０と同一の貯水パイプ３３を適用し、巻回したコイル線４１を貯水パイプ３３の内管３１に貫通させるようにしたものである。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示した加熱ユニット３０，４０において実施形態の加熱ユニット１０と同様の構成要素に関しては、同一の符号を付してある。
【００２５】
これらの加熱ユニット３０，４０においても、例えば図４に示すように、導線ｕをわずか１〜２回程度巻回させることにより、貯水パイプ３３の内管３１を加熱することができるようになる。なお、これらの加熱ユニット３０，４０および実施形態に示した加熱ユニット１０は、同一の電源供給回路に混在させることが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、本来負荷に対して供給される電流を利用して磁性体に誘導加熱を生じさせるようにしているため、導線を巻回させた部分において十分に電圧を降下させる必要がなく、磁性体に対するラインの巻回数を著しく低減することができるようになり、構造の簡略化や装置の小型化を図ることができるようになる。
したがって、工場等の大規模設備への適用はもちろんのこと、一般家庭やビル等のごく小規模なスペースへの適用も十分に可能である。特に、既存の給湯設備との置き換えを図れば、消費電力を著しく低減することが可能であり、省エネルギに寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加熱装置の一実施形態を示したもので、（ａ）は概略を示す回路図、（ｂ）は（ａ）で適用する加熱ユニットの詳細図である。
【図２】図１（ｂ）に示した加熱ユニットによる加熱実験の結果を示す図表である。
【図３】加熱ユニットの変形例を示す図である。
【図４】図３（ａ）に示した加熱ユニットによる加熱実験の結果を示す図表である。
【符号の説明】
１０ 加熱ユニット
１１ 加熱部
１２ 温度制御部
１３ 断熱保温材
１４ 貯水パイプ
１４ａ 内管
１４ｂ 外管
１５ コイル線
１６ 短絡線
１７ スイッチ手段
１８ スイッチ手段
１９ 水温センサ
２０ コントローラ
３０ 加熱ユニット
３１ 内管
３２ 中空外管
３３ 貯水パイプ
４０ 加熱ユニット
４１ コイル線
Ｅ 交流電源
Ｍ 交流モータ
ｒ，ｓ，ｔ，ｕ 導線

Claims (2)

1. 交流電源から負荷に供給される電流を利用して磁性体に誘導加熱を生じさせる加熱方法であって、
   交流電源から負荷に至る導線の経路中に、第１、第２のスイッチと、貯水部を備えた磁性体と、前記磁性体の外周に導線を巻回して形成したコイル線と、前記磁性体の周囲に設置された断熱保温材と、前記貯水部の温度を検出する水温センサと、前記水温センサの検出結果に基づいて前記スイッチを切換作動させるコントローラとを配置し、
   前記コントローラによってコイル線に通電させ、前記磁性体に誘導加熱を生じさせる場合と、コイル線に通電させることなく負荷に直接供給する場合を選択できることを特徴とする加熱方法。
2. 交流電源から負荷に至る導線の経路中に、
   第１、第２のスイッチと、
   貯水部を備えた磁性体と、
   前記磁性体の外周に導線を巻回して形成したコイル線と、
   前記磁性体の周囲に設置された断熱保温材と、
   前記貯水部の温度を検出する水温センサと、
   前記水温センサの検出結果に基づいて前記スイッチを切換作動させるコントローラとを配置するとともに、
   前記コントローラによってコイル線に通電させ、前記磁性体に誘導加熱を生じさせることを特徴とする加熱装置。

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