JP3743064B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体または液体を加熱する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、瞬間湯沸かし器などのように、高速に気体または液体の昇温を行う場合、ガスによる加熱方式が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法で水や湯を高速加熱する場合、加熱部ではガスが燃焼するため、加熱部と水との接点温度は沸点を越えてしまい局部的な沸騰が発生してしまう。この場合、加熱部が焦げるなどの問題が発生するため、何らかの手段で流体加熱部の温度を下げなければならなくなる。よって、ガスなどの熱源で加熱を行う場合には、液体を沸点近くの高温まで昇温することが難しいという問題点と、どうしても熱変換効率が低くなるという問題点があった。
【０００４】
本発明は、前記課題を解決するための加熱装置を提供するものであり、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積が広く、均一に加熱を行うことができる熱交換素子を用いて流体を加熱することで、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、気体または液体と熱交換を行うための熱交換素子と、この熱交換素子の容器と、前記熱交換素子を前記容器の外側から誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給手段を備え、前記熱交換素子は金属板を全体または一部が電気的に閉回路となるように形成した加熱装置としたものであり、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積が広く、均一に加熱を行うことができる熱交換素子を用いて流体を加熱することで、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、気体または液体と熱交換を行うための熱交換素子と、この熱交換素子の容器と、前記熱交換素子を前記容器の外側から誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給手段を備え、前記熱交換素子は金属板を渦巻き状に形成し巻き始めと巻き終わりを電気的に接続した構造を有する加熱装置としたものである。
【０００７】
これにより、高周波電力供給手段から高周波電力を加熱コイルに与え、誘導加熱の原理により熱交換素子自体を加熱する。この時の熱交換素子を、巻始めと終わりが電気的に接続された渦巻き状にすることで、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積を広くし、かつ均一に加熱を行うことができ、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高くすることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、熱交換素子として、複数の非磁性金属環を同心円状に配置した構造を有する加熱装置としたものであり、製造が簡単な形状で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を安価に製造することができる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、熱交換素子として、磁性金属板を星形に屈曲させて形成した構造を有する加熱装置としたものであり、製造が簡単な形状で、しかも誘導加熱を行い易い金属板で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を安価で簡便に製造することができる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、熱交換素子に用いる金属板として、乱流を発生させ熱交換効率を向上させるように穴を開けた構造を有する加熱装置としたものであり、乱流を発生させ熱交換効率を向上させることができる。
【００１１】
請求項６記載の発明は、熱交換素子と前記加熱コイルを内側に包含するように閉磁路を設けた加熱装置としたものであり、閉磁路を設けることで、加熱コイルと熱交換素子の磁気的な結合を向上し、加熱を行い易くすることができる。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
以下、上記第一の発明の実施例について添付図面を基に説明する。図１において、１０１は気体または液体と熱交換を行うための熱交換素子、１０２は熱交換素子１０１を誘導加熱するための加熱コイル、１０３は前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給手段、１０４は前記熱交換素子に気体または液体を移送する流体移送手段である。
【００１３】
なお、熱交換素子１０１にはステンレス板、高周波電力供給手段１０３にはインバータ回路、流体移送手段１０４にはポンプを用いることでこの構成を容易に実現できる。
【００１４】
使用者の指示で加熱が開始されると、流体移送手段１０４が熱交換素子１０１に気体または液体を供給する。同時に高周波電力供給手段１０３は、加熱コイル１０２により熱交換素子１０１に電力を供給する。この時、熱交換素子１０１のステンレス板内部には、加熱コイルに流れる高周波電流により生じた磁束が通り、渦電流が発生する。よって、熱交換素子１０１にはジュール熱が生じ、発熱したステンレス板と気体または液体が触れ合い、熱交換が行われる。このように発熱体がそのまま熱交換を行うため、高い熱交換効率を得ることができる。
【００１５】
図２にこの熱交換素子１０１の構造を示す。ここで実線で示されている２０１はステンレス板による渦巻き構造で、接続構造２０２により巻始めと終わりを電気的に接続されている。接続構造２０２によりステンレス板２０１は電気的な閉ループを形成するため、ステンレス板２０１には均一な渦電流が流れる。よって、ジュール熱も均一になるため、渦巻き構造の間隔を狭めることにより、単位体積あたりの熱交換面積が大きい均一熱源を実現できる。このように接続構造２０２を用いて電気的な閉ループを作ることで、非磁性ステンレスでも大きな渦電流を流せるようになる。
【００１６】
ここで、熱交換面積をＡ，熱交換素子１０１から与えられる電力の熱量をＱ，水路の構成から決まる定数である熱伝達率をｈ，熱交換素子の温度と熱交換後の流体の温度をΔＴとすると、これらの関係は、ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・ｈ）で表せる。よって、与える熱量Ｑが決まれば、渦巻き構造の巻数を多くとり、熱交換面積を大きくすることで熱交換素子の温度と熱交換後の流体の温度差であるΔＴを小さくすることができる。流体が水であり、沸点に近い温度である９５［℃］の湯を得たい場合には、ΔＴを５［ｄｅｇ］以内になるように熱交換面積Ａを設定すれば局部沸騰が発生しない。
【００１７】
以上で述べたような動作により、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積が広く、均一に加熱を行うことができる熱交換素子１０１を用いて流体を加熱することで、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供できる。
【００１８】
なお、本実施例では熱交換素子１０１の金属板としてステンレスを用いたが、渦電流が発生する金属板であれば何でもよいことはいうまでもない。また、流体移送手段１０４にはポンプを用いたが、加熱対象の流体が水である場合は、蛇口の開閉による水圧を利用しても構わないことはいうまでもない。また、加熱対象の気体や液体が自然対流などで熱交換素子１０１に触れる状態にある場合は、流体移送手段１０４により送り込む必要がないことはいうまでもない。
【００１９】
（実施例２）
以下、上記第二の発明の実施例について添付図面を基に説明する。図３は、第二の発明の熱交換素子３０１を示す図である。この図において実線で示されている熱交換素子３０１はステンレス板で構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の発明と同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の発明と同様であるので説明を省略する。熱交換素子を渦巻き状に構成し、渦巻き構造の間隔を近づけると、図４（ａ）に示すように隣り合う金属板に流れる渦電流により発生する磁束が打ち消し合うため、渦巻きの内部に行くほど渦電流が減少し均一ではなくなってしまうが、図３のように熱交換素子を構成することで、図４（ｂ）のように隣り合う磁束が強め合う方向になるため渦電流の減少が生じず均一な渦電流が流れることになる。よって、隣り合う金属板の距離を小さくでき、単位体積あたりの熱交換面積をより広くとることができるので、ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換後の温度差であるΔＴを小さくすることができる。
【００２０】
以上で述べたような動作により、単位体積あたりの熱交換面積がより広くとれ、均一加熱性も高い熱交換素子を構成し、流体を加熱することで、液体を沸点により近い温度まで昇温することができ、熱交換効率が高い加熱装置を提供できる。
【００２１】
（実施例３）
以下、上記第三の発明の実施例について添付図面を基に説明する。図５は、第三の発明の熱交換素子５０１を示す図である。この図において実線で示されている熱交換素子５０１は非磁性ステンレス板で構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の発明と同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の発明と同様であるので説明を省略する。
【００２２】
加熱コイル１０２の長さが直径に比して充分に長く、理想コイルに近い場合は、コイル内の磁束は一様になる。この場合、非磁性ステンレスは透磁率が１であるため、図５に示すような同心円状に非磁性ステンレス板を構成すれば、非磁性ステンレス板を通る磁束も一様となる。よって、各円周毎に均一な渦電流が流れることになり均一熱源が実現できる。図５のように熱交換素子５０１を構成し、同心円の数を増やすことで熱交換面積を広くとることができるので、ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換後の温度差であるΔＴを小さくすることができる。
【００２３】
以上で述べたような動作により、熱交換素子を、複数の非磁性金属環が同心円状に配置された構造にすることで、製造が簡単な形状で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を安価に製造することができる。
【００２４】
なお、発熱の均一性をそれほど重視しない場合は、加熱コイル１０２の形状を理想コイルに近い形状にする必要がないことはいうまでもない。
【００２５】
（実施例４）
以下、上記第四の発明の実施例について添付図面を基に説明する。図６は、第三の発明の熱交換素子６０１を示す図である。この図において実線で示されている熱交換素子６０１は磁性ステンレス板で構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の発明と同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の発明と同様であるので説明を省略する。
【００２６】
誘導加熱を行う際に流れる渦電流は、表皮効果と呼ばれる現象により渦電流の流れる金属板の表面に集中する。この渦電流が流れる厚さを示す表皮厚さδは、体積抵抗率をρ，角周波数をω，透磁率をμとすると、δ＝（２ρ／（ω・μ））＾（１／２）で表される。よって、透磁率μが高い磁性ステンレスは、表皮厚さが非磁性ステンレスに比べ非常に薄くなる。例えば、磁性ステンレスであるＳＵＳ４３０の表皮厚さは２０［ｋＨｚ］で約０．２８［ｍｍ］，非磁性ステンレスであるＳＵＳ３０４の表皮厚さは２０［ｋＨｚ］で約３．０２［ｍｍ］である。なお、この表皮厚さは鋼種が変わってもほぼ同じくらいである。一般的に入手し易いステンレスの厚さは０．３［ｍｍ］くらいであるので、磁性ステンレスを使用する場合は薄板ステンレス板一枚分くらいしか渦電流は流れない。よって、一般的な金属板の磁性ステンレスを用いて熱交換素子を構成する場合、表面が一枚の板で構成されている必要がある。よって、図６のように熱交換素子６０１を構成し、襞の数を増やすことで熱交換面積を広くとることができるので、ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換後の温度差であるΔＴを小さくすることができる。
【００２７】
以上で述べたような動作により、誘導加熱を行い易く、入手し易い厚さのを用い、製造しやすい形状で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくした熱交換素子を構成することで、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供できる。
【００２８】
（実施例５）
以下、上記第五の発明の実施例について添付図面を基に説明する。ここでは、上記第一，二，三，四の発明の実施例で説明した熱交換素子の金属板として、図７（ａ）に示すような翼部を有する穴が開いた金属板を使用する。これにより、図７（ｂ）に示すように、流体の流れが複雑になり熱交換表面への接触が増すため熱交換効率を向上させることができる。また、乱流により流体がよく混合され流体全体の温度も均一化される。
【００２９】
以上で述べたような動作により、熱交換素子に用いる金属板に、乱流を発生させ熱交換効率を向上させるように穴を開けた金属板を使用することで、熱交換効率をより向上させた加熱装置を提供できる。
【００３０】
なお、乱流を発生させるための穴の形状は、どんな構造であっても構わない。
【００３１】
（実施例６）
以下、上記第六の発明の実施例について添付図面を基に説明する。なお、第一の発明と同一部分は同一符号をつけて説明を省略する。図８（ａ）において、８０５は、渦巻き構造の中心のようにステンレスがなく熱交換に供しない部分に流体を通さないように構成した容器、８０６は浄水器、８０７は強磁性体である。なお、浄水器８０６には中空糸膜や活性炭を詰めた容器、強磁性体８０７にはフェライトを用いることでこの構成を容易に実現できる。
【００３２】
図８に示すように、容器８０５を用いて熱交換素子の金属板がない部分に水を通さないようにすることで、熱交換素子に触れない流体をなくすことができる。これにより熱交換効率を向上させることができる。また、この中空部分を利用し図８（ａ）のように浄水器８０６を入れることで流体として水を用い給湯器とし照利用する際に、飲用に適した湯を出湯することができる。また、図８（ｂ）のように強磁性体８０７を中空部分に入れることにより、漏れ磁束として発熱に寄与していなかった磁束を集め、熱交換素子に通すことができるため、渦電流量が増え発熱特性が向上する。
【００３３】
以上で述べたような動作により、熱交換に供しない部分に流体を通さないように構成した容器を用い、熱交換効率を向上させると共に、浄水を行ったり、発熱特性を向上させることができる加熱装置を提供できる。
【００３４】
（実施例７）
以下、上記第七の発明の実施例について添付図面を基に説明する。なお、第一の発明と同一部分は同一符号をつけて説明を省略する。図９において、９０７は熱交換素子１０１と加熱コイル１０２を包含するように構成した閉磁路である。なお、閉磁路９０７には、フェライトまたはケイ素鋼板を用いることで、この構成を容易に実現できる。
【００３５】
図９のように閉磁路９０７を用いると、熱交換素子１０１と加熱コイル１０２は、同一のコアに巻かれたトランスのような形になり、閉磁路９０７内の磁束が飽和しない範囲内では結合は非常に強くなる。よって、漏れ磁束が殆どなくなるため、高周波電力供給手段１０３から加熱コイル１０２を通して与えられる電力は、非常に効率よく伝達されることになる。
【００３６】
以上で述べたような動作により、熱交換素子１０１と加熱コイル１０２を包含するように閉磁路を設けることで、加熱コイルと熱交換素子の磁気的な結合を向上し、加熱を行い易くした加熱装置を提供できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、高周波電力供給手段から高周波電力を加熱コイルに与え、誘導加熱の原理により熱交換素子自体を加熱する。この時の熱交換素子を、巻始めと終わりが電気的に接続された渦巻き状にすることで、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積を広くし、かつ均一に加熱を行うことができ、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高くすることができる。
【００３８】
また、請求項２記載の発明によれば、熱交換素子を、複数の非磁性金属環が同心円状に配置された構造にすることで、製造が簡単な形状で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を安価に製造することができる。
【００３９】
また、請求項３記載の発明によれば、熱交換素子を、誘導加熱し易い磁性金属板が星形に加工された構造にすることで、製造が簡単な形状で、しかも誘導加熱を行い易い金属板で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を安価で簡便に製造することができる。
【００４０】
また、請求項４記載の発明によれば、熱交換素子に穴を開けた金属板を用いることで、乱流を発生させ熱交換効率を向上させることができる。
【００４１】
さらに、請求項６記載の発明によれば、前記熱交換素子と前記加熱コイルを内側に包含するように閉磁路を設けることで、加熱コイルと熱交換素子の磁気的な結合を向上し、加熱を行い易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例を示す加熱装置の構成図
【図２】 同加熱装置の熱交換素子の構成図
【図３】 本発明の第２の実施例の加熱装置の熱交換素子の構成図
【図４】 同加熱装置の熱交換素子の状態説明図
【図５】 本発明の第３の実施例の加熱装置の熱交換素子の構成図
【図６】 本発明の第４の実施例の加熱装置の熱交換素子の構成図
【図７】 本発明の第５の加熱装置の熱交換素子の状態説明図
【図８】 本発明の第６の実施例の加熱装置の状態説明図
【図９】 本発明の第７の実施例の加熱装置の構成図
【符号の説明】
１０１ 熱交換素子
１０２ 加熱コイル
１０３ 高周波電力供給手段
１０４ 流体移送手段
２０１ ステンレス板による渦巻き構造
２０２ 接続構造
３０１ 熱交換素子
５０１ 熱交換素子
６０１ 熱交換素子
８０６ 浄水器
８０７ 強磁性体
９０７ 閉磁路

Claims (6)

1. 気体または液体と熱交換を行うための熱交換素子と、この熱交換素子を収納する容器と、前記熱交換素子を前記容器の外側から誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給手段とを備え、前記熱交換素子は、金属板を渦巻き状に形成し、巻き始めと巻き終わりを電気的に接続し、均一な渦電流が流れる閉回路とした加熱装置。
2. 熱交換素子は、複数の非磁性金属環を同心円状に配置した構造を有する請求項１記載の加熱装置。
3. 熱交換素子は、磁性金属板を星形に屈曲させた構造を有する請求項１記載の加熱装置。
4. 熱交換素子は、金属板に、乱流を発生させ熱交換効率を向上させるように穴を開けた構造を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
5. 金属板に設けた穴には容器内の気体または液体が前記金属板に沿って移動する際に、前記金属板の一方の面から他方の面に前記気体または液体が流入するよう翼部を有する請求項４記載の加熱装置。
6. 熱交換素子と加熱コイルを内側に包含するような閉磁路を設けてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置。

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