JP4296833B2

JP4296833B2 - 蒸気発生装置

Info

Publication number: JP4296833B2
Application number: JP2003140126A
Authority: JP
Inventors: 祐河合; 等隆信江
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP2004340537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギを利用して液体を搬送するとともに搬送した液体を蒸発させる蒸気発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の蒸気発生装置の先行技術は見当たらないが、熱エネルギを利用して液体搬送をするものとしては、コーヒーメーカーに代表される熱搬送ポンプがある。このコーヒーメーカーは、貯水タンクに水を入れてヒータに通電すると、搬送管内の水が加熱され、局部沸騰を生じ発生する水蒸気により搬送管内の内圧が上昇する。この際、搬送管の貯水タンク側には逆止弁を設けており、この逆止弁が閉塞することで、搬送管内の気泡が出湯側に追いやられる。この気泡の動きに連動して逆止弁が開となり貯水タンクから水が注入されることで搬送管内の加熱された水が出湯口側に押し出される。この動作を繰り返すことで搬送管内の水は加熱されて出湯口から熱湯が吐出する構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２４５８６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コーヒーメーカーは、湯を生成し搬送することが主用途であり、出湯口から蒸気がいくらかは噴出したとしても大部分は高温の湯水であり、それをさらに加熱して蒸気化する構成にはなっていない。このコーヒーメーカーの構成を展開して、蒸気を連続的に発生させる場合、蒸発部側への熱エネルギの供給と、搬送管側への熱エネルギ供給とのバランスが重要な開発課題である。
【０００５】
すなわち、搬送管側への熱供給が大きい場合、蒸発部での水溜まりが生じる。そして、温度の低い蒸気の発生となったり、蒸気化の量が不十分となったりする。蒸発部に水分を残さずに蒸発させる為には、蒸発部の有する熱容量を大きくしておくか、水の供給停止後に熱源を動作させる必要があるが、蒸発部の熱容量を大きくすると、蒸気発生までの立ちあがり時間が長くなるし、後者では温度を検知するなどの方法が必要となる。
【０００６】
一方、蒸発部側への熱供給が大きい場合、搬送管側への供給熱量が不足し搬送不良を生じる。そして、この搬送不良になると熱源の発生熱量を消費する負荷がなくなるので、熱源自体が自己発熱により高温化する。この高温化に伴って、搬送管側への供給熱量が増大し、ある閾値を超えると急激な局部沸騰を発生して水が搬送される。この結果、蒸発部に熱量を消費する負荷が存在することで、熱源は所期の温度に戻る。この所期の温度に低下すると再び搬送不良を呈することになる。これらの現象を繰り返すことで、搬送管内では急激な局部沸騰に伴うスケール付着が進み、搬送管の目詰まりを生じる問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、搬送部側と蒸発部側との熱エネルギ供給バランスを良好に保ち、連続的に蒸気を発生する蒸気発生装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気発生装置は、蒸発部を加熱する熱源と、前記熱源で発生するエネルギにより局部沸騰を生じさせ前記蒸発部に液体を搬送する熱搬送部と、前記蒸発部を形成する材料に比べ熱伝導率が小さい材料からなる伝熱制御部とを備え、前記熱源はアルミダイキャストに埋め込んだシーズヒータで、前記蒸発部はフッ素を用いた撥水性処理を施した鋼板を凹状に形成して前記ダイキャストヒーターの上面に接合して形成し、前記熱搬送部は前記アルミダイキャストの側面或いは底面にステンレス鋼で形成した伝熱制御部を介して接合したものである。
【０００９】
これによって、蒸発部を高い温度に設定し、熱搬送部の温度は沸騰を可能にする１００℃を若干上回る温度域に設定できるので、液体搬送機能を維持しつつ、搬送された液体は確実にすばやく蒸発させることができ、熱搬送部である搬送管内のスケール付着を抑制できるとともに高温の蒸気を連続発生させることができる。したがって、スケール付着を抑制でき、熱源を高い温度に設定し１００℃に近い高温の蒸気を連続的に発生できることは、食品などの加熱を行う調理機器に応用する上で都合が良く、また、蒸気の発生する手段を簡単な構成で小型に形成できるので、蒸気で食品を加熱する電子レンジなどへの利用を可能にするものでもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、請求項１に記載の発明は、蒸発部を加熱する熱源と、前記熱源で発生するエネルギにより局部沸騰を生じさせ前記蒸発部に液体を搬送する熱搬送部と、前記蒸発部を形成する材料に比べ熱伝導率が小さい材料からなる伝熱制御部とを備え、前記熱源はアルミダイキャストに埋め込んだシーズヒータで、前記蒸発部はフッ素を用いた撥水性処理を施した鋼板を凹状に形成して前記ダイキャストヒーターの上面に接合して形成し、前記熱搬送部は前記アルミダイキャストの側面或いは底面にステンレス鋼で形成した伝熱制御部を介して接合したものであり、これにより熱源からの熱エネルギにより熱搬送部の温度は沸騰を可能にする１００℃を若干上回る温度域に設定できるので液体搬送機能を維持できるとともに、蒸発部は熱搬送部と比較して高温になるため、搬送された液体は確実にすばやく蒸発させることができる。さらに搬送管内のスケール付着を抑制できるとともに高温の蒸気を連続発生させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の伝熱制御部により、熱源から熱搬送部に供給される熱エネルギ量を、蒸発部に供給される熱エネルギ量の１／８以下としたことにより、水温が５℃〜３０℃の範囲において搬送水量が蒸発量を超えることなくかつ蒸発部が高温を維持することができるため安定して蒸発が行える。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２項記載の伝熱制御部に熱源の熱エネルギを厚み方向より面方向に熱伝導特性の大きい材料を介して熱搬送部に均一に伝熱する、つまり温度分布差を生じることなく搬送管内の伝熱性能が均一になり、安定した液体の搬送能力と、搬送管内のスケール付着をさらに抑制することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１から３記載の蒸発部をアルミダイキャストから着脱可能にした構成にすることで、蒸発部を取り外した状態で丸洗い（水洗いなどの清掃）することができる。よって、蒸発部の清掃が比較的簡単に行うことができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１から３項に記載の熱源にシーズヒータをアルミダイキャストに埋め込む構成に、蒸発部をダイキャストの上面に凹部を設ける一体構成とし、熱搬送部をアルミダイキャストの側面或いは底面にステンレス鋼で形成した伝熱制御部を介して接合するようにする、つまり、蒸発部より伝熱制御部に熱伝導率の小さい材料を用いることで伝熱制御部における温度勾配を容易かつ確実に実現させることができる。
【００１６】
また、蒸発部をアルミダイキャストと一体で形成することで、熱源の熱エネルギを効率よく伝熱することができ、安定した蒸気発生性能と液体搬送能力を確保することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項５記載の蒸発部表面にフッ素などの撥水処理を施すことで、蒸発部の清掃性を向上させることができるため、蒸発部への伝熱量を減少させ熱搬送部への伝熱量が増加することを防止できる。よって熱搬送部配管内への伝熱量が極端に増加することなく、スケール付着が抑制される。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１から７項記載の熱搬送部の配管を熱伝導率の大きいアルミニウムや銅で形成することで、配管内の激しい局部沸騰を抑制できる。よって、液体搬送能力の安定性と、局部沸騰時の沸騰音発生を防止できる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項４から８項記載の熱搬送部配管の外側表面積に比べ内側表面積を大きくすることで、配管内の激しい局部沸騰を抑制できる。よって、液体搬送能力の安定性と、局部沸騰時の沸騰音発生を防止できる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、特に、請求項９記載の熱搬送部の配管内面にフッ素などの撥水性処理を施したことで、配管内のスケール付着が抑制される。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における蒸気発生装置の分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ‘断面図を示すものである。
【００２３】
図１、図２において、１０は熱源であるＵ字形状のシーズヒータ、１１は熱源１０を埋め込んだアルミダイキャスト成型加工からなる熱源本体、１２はアルミニウムあるいは銅の高熱伝導率を有する材料で構成した熱搬送部を形成する搬送管、１３は搬送管１２内の液体を沸騰させるための熱搬送部を形成する搬送管加熱部である。１４は伝熱制御部であり、熱源本体１１と搬送管加熱部１３との間に配置している。
【００２４】
搬送管加熱部１３は２部材１５、１６で構成し、これら２部材にて搬送管１２をサンドイッチする構成としている。部材１５には、搬送管１２の搬送方向の中央部を中心に切欠部１５ａを設けており搬送管１２との当接は搬送管１２の下半分と両端側としている。
【００２５】
伝熱制御部１４は、熱伝導率が熱源本体１１の成型材料や搬送管１２の材料に比べて一桁以上低い熱伝導率を有する材料を使用している。鉄やステンレスなどが選択できるが、耐腐食性を考慮してステンレスを選択使用している。また、この伝熱制御部１４の組立てにあたって熱源本体１１側との間および搬送管加熱部１３との間には、厚さ方向（熱伝導率：５〜７Ｗ／ｍＫ）より面方向（熱伝導率：１００〜２００Ｗ／ｍＫ）に高熱伝導率特性を有するカーボンシート１４ａ、１４ｂを介在させて伝熱制御部１４以外の部分での不要な伝熱抑制は排除させている。
【００２６】
一方、部材１６は、搬送方向の全ての領域が搬送管１２に当接する構成としている。これら２部材１５、１６と搬送管１２とは、ねじ１７、１８、１９、２０により一次組立てとしている。
【００２７】
また、搬送管１２と搬送管加熱部１３の一次組立て品は、伝熱制御部１４を介して熱源本体１１にねじ２１、２２を用いて組立てている。
【００２８】
２３は、液体搬送方向における搬送管加熱部１３の上流側に設けた熱搬送部を形成する部品である逆止弁、２４、２５はシーズヒータ１０の電力供給リード線を結線する結線部、２６〜２９は熱源本体１１の取り付け用穴、３０は搬送された液体を蒸発させるための熱エネルギの伝熱部分である。３１は伝熱制御部１４より小さな熱伝導率特性を有する材料、特に鉄を主成分とする鋼板などにフッ素などの表面処理を施した材料を上側に凹状に形成された蒸発部である。
【００２９】
なお、熱源本体１１の搬送管１２を設けた方向とは反対側には搬送された液体を蒸発させるための熱エネルギを伝熱する部分として用いる。
【００３０】
以上のように構成した蒸気発生装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００３１】
搬送する液体は、水として説明する。まずこの水を貯水するタンク（図示していない）を逆止弁２３側に設置する。これにより搬送管１２内に水が注入される。その後、シーズヒータ１０を動作させる。シーズヒータ１０の動作開始に伴い、熱源本体１１が加熱されて温度が上昇していく。この熱源本体１１の熱はカーボンシート１４ａ、１４ｂを介することで、均一な温度分布特性を保持しながら伝熱制御部１４、搬送管加熱部１３の部材１５を経て主部材１６に伝熱され、搬送管１２が加熱される。搬送管１２の管壁温度が１００℃を超過する部位では管壁部分で水の局部沸騰が発生する。この沸騰に伴って発生する気泡は気体膨脹して搬送管１２内の水を搬送方向の両側に押しやる。搬送方向の上流側には逆止弁２３を配しており、搬送管１２内の水の押圧により、逆止弁２３は閉止状態となる。これを受けて沸騰により発生した気泡は搬送方向の下流側にしか逃げ場がなくなる。この気泡が搬送方向の下流側に移動するのと連動して逆止弁２３が開状態になり、貯水タンクから水が搬送管１２内に注入される。この現象を繰り返すことで水が搬送されていく。搬送された水は搬送管（図示せず）を介して蒸発部３１に導かれる。この蒸発部には熱源本体１１から熱エネルギが伝達される構成としているので蒸発部に搬送された水はさらに加熱されて蒸発する。
【００３２】
以上のような動作において、搬送管１２の搬送管加熱部１３に当接する領域および蒸発部では水の沸騰を生じさせているので、水に含まれるカルシウムやマグネシウムなどを含む残さが壁面に付着し堆積していく。この付着残渣はスケールと称されている。スケール付着が継続されることで搬送管１２の内断面は徐々に狭くなっていき、最悪の場合、搬送機能が働かなくなる。また、蒸発部および搬送管への伝熱量が低下していく。
【００３３】
熱源本体１１が供給する熱エネルギの搬送管側と蒸発部側との配分は蒸発部側を搬送管側に対して約１０倍程度にすることで搬送された水を直ちに蒸発させることができる。この場合、蒸発部側でのスケール付着に伴う水への伝熱量が低下すると熱源本体１１は温度が上昇していく。伝熱制御部１４は、この熱源本体１１の温度上昇に対して搬送管加熱部１３側への伝熱量を抑制し、搬送管１２の壁面温度をほぼ一定の所望の温度（具体的には１０５〜１２０℃程度）に維持し、搬送管１２内での局部沸騰の熱エネルギを低く維持することで搬送管１２内のスケール付着を抑制することができる。
【００３４】
具体的な温度例として、シーズヒータ電力６００Ｗの場合、熱源本体１１の温度が１６０℃のとき主部材１６の温度は１０５〜１１０℃になるように伝熱制御部１４を構成している。伝熱制御部１４はステンレス材料で板厚さ３ｍｍ、断面積３００ｍｍ２である。この条件のもとで蒸発部側にスケールが堆積していくと、熱源本体１１は２０〜３０℃の温度上昇を呈するが、伝熱制御部１４により、主部材１６の温度は５℃未満の昇温であった。
【００３５】
また、本実施例の構成図面に示したように、搬送管加熱部１３の構成として、重力方向の下方側に主部材１６を配置させることで、搬送管１２内で沸騰現象により生じた気泡は重力方向の上方に移動する。沸騰により気泡が発生すると水にさらされない内壁面の温度は直ちに高温になろうとするが、この沸騰発生部位に水を直ちに流入させ搬送管壁面温度の上昇を抑制しスケール付着をさらに抑制させることができる。
【００３６】
さらにまた、主部材１６を搬送管１２の水搬送方向に熱拡散する構成としたことや、搬送管を銅やアルミニウムなどの高熱伝導率を有する材料を用いたことにより、沸騰を生じさせる領域に搬送される水をあらかじめ加熱することにより、少ない熱エネルギによって局部沸騰を生じさせることができるのでスケール付着をより抑制できる。
【００３７】
また、蒸発部３１表面にフッ素などの撥水処理を行っているために、蒸発部３１へのスケールの付着力が低減され、ぬれ布巾などで拭き取ることにより、スケールを除去、清掃することができる。
【００３８】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例における液体蒸発装置の分解斜視図、図４は図３のＢ−Ｂ‘断面図を示すものである。実施例２が実施例１と相違する点は、シーズヒータを埋め込んだアルミダイキャストの上面に凹部を設け蒸発部とした構成と、蒸発部にフッ素などの撥水性処理を行ったことである。
【００３９】
図３、図４において、３２は熱源であるＵ字形状のシーズヒータ、３３は熱源３２を埋め込んだアルミダイキャスト成型加工からなる熱源本体、３４はアルミニウムあるいは銅の高熱伝導率を有する材料で構成した搬送管、３５は搬送管３４内の液体を沸騰させるための搬送管加熱部である。３６は伝熱制御部であり、熱源本体３３と搬送管加熱部３５との間に配置している。
【００４０】
搬送管加熱部３５は２部材３７、３８で構成し、これら２部材にて搬送管３４をサンドイッチする構成としている。部材３７には、搬送管３４の搬送方向の中央部を中心に切欠部３７ａを設けており搬送管３４との当接は搬送管３４の下半分と両端側としている。
【００４１】
伝熱制御部３６は、熱伝導率が熱源本体３３の成型材料や搬送管３４の材料に比べて一桁以上低い熱伝導率を有する材料を使用している。鉄やステンレスなどが選択できるが、耐腐食性を考慮してステンレスを選択使用している。
【００４２】
また、この伝熱制御部３６の組立てにあたって熱源本体３３側との間および搬送管加熱部３５との間には、厚さ方向（熱伝導率：５〜７Ｗ／ｍＫ）より面方向（熱伝導率：１００〜２００Ｗ／ｍＫ）に高熱伝導率特性を有するカーボンシート３６ａ、３６ｂを介在させて伝熱制御部３６以外の部分での不要な伝熱抑制は排除させている。
【００４３】
一方、部材３８は、搬送方向の全ての領域が搬送管３４に当接する構成としている。これら２部材３７、３８と搬送管３３とは、ねじ３９、４０、４１、４２により組立てとしている。
【００４４】
また、搬送管３４と搬送管加熱部３５の一次組立て品は、伝熱制御部３６を介して熱源本体３３にねじ４３、４４を用いて組立てている。
【００４５】
４５は、液体搬送方向における搬送管加熱部３５の上流側に設けた逆止弁、４６、４７はシーズヒータ３２の電力供給リード線を結線する結線部、４８は熱源本体３３であるアルミダイキャストの上面に凹状に設けられた蒸発部であり、その表面にはフッ素などの撥水性処理が施されている。
【００４６】
以上のように構成した蒸気発生装置について、以下にその動作、作用を説明する。
【００４７】
実施例２において、熱源本体３３に蒸発部４８が一体に形成されているため、蒸発部４８に水が搬送されるまでは、熱源本体３３の温度と、蒸発部４８の温度は同じになる。水が蒸発部４８に搬送されて熱源本体３２の蓄熱エネルギが消費されると、搬送管３４への伝熱量が一時的には低減するが、連続して動作を行うことにより、蒸発部４８及び搬送管３４への伝熱量がバランスする。これにより、安定して蒸気を発生することになる。また蒸発部４８から搬送水への熱伝導効率がよいため、蒸発部４８に送られた水は、極短時間で蒸気化することができる。
【００４８】
また、蒸発部４８表面にフッ素などの撥水処理を行っているために、スケールの付着力が低減され、ぬれ布巾などで拭き取ることにより、スケールを除去、清掃することができる。
【００４９】
熱源本体３３形状、蒸発部４８材料に関する以外の内容は、実施例１または実施例２と同様であり説明は省略する。
【００５０】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例における搬送管加熱部などを含む搬送管の断面図を示すものである。実施例３が実施例１及び２と相違する点は、配管内側表面積を配管外側表面積より大きくした形状と、配管内側に撥水処理を施したことである。
【００５１】
図５において、４９は熱源であるＵ字形状のシーズヒータ、５０は熱源４９を埋め込んだアルミダイキャスト成型加工からなる熱源本体、５１はアルミニウムあるいは銅の高熱伝導率を有する材料からなり凹凸状断面積を有し、その表面に撥水処理を施した搬送管、５２は搬送管５１内の液体を沸騰させるための搬送管加熱部である。５３は伝熱制御部であり、熱源本体４７と搬送管加熱部５２との間に配置している。
【００５２】
実施例３において、搬送管５１表面にはフッ素などの撥水性処理が施されているため、水などの接触角が小さくなり、若干の熱伝導性は低減されるがスケールなどの付着も抑制される。これにより、搬送管５１のスケール付着による閉塞が遅延できる。また、クエン酸などで搬送管５１内のスケールを除去する際にはスケールの洗浄性能が向上し、短時間で洗浄することも可能となる。また、配管内の単位水あたりの搬送管５１の接触面積を大きくする構成にしているため、水を徐々に加熱することにより、少ない熱エネルギによって局部沸騰を生じさせることができるのでスケール付着と沸騰音発生をより抑制できる。
【００５３】
搬送管５１に関する以外の内容は、実施例１と同様であり説明は省略する。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、蒸発部を形成する材料に比べ熱伝導率が小さい材料からなる伝熱制御部を熱搬送部と熱源の間に介在させることにより、蒸発部への熱エネルギを確保しつつ熱搬送部への伝熱量を抑制して熱搬送部配管内の局部沸騰に伴うスケール付着を抑制できる。そして、熱搬送部側と蒸発部側との熱エネルギ供給バランスを良好に保つとともに１００℃に近い高温の蒸気を連続的に発生する蒸気発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における蒸気発生装置の分解斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ‘断面図
【図３】本発明の実施例２における蒸気発生装置の分解斜視図
【図４】図３のＢ−Ｂ‘断面図
【図５】本発明の実施例３における搬送管加熱部などを含む搬送管の断面図
【符号の説明】
１０、３２、４９シーズヒータ（熱源）
１１、３３、５０熱源本体
１２、３４、５１搬送管
１３、３５、５２搬送管加熱部
１４、３６、５３伝熱制御部
１４ａ、１４ｂ、３６ａ、３６ｂカーボンシート
２２、４３逆止弁
３０、４６蒸発部

Claims

蒸発部を加熱する熱源と、前記熱源で発生するエネルギにより局部沸騰を生じさせ前記蒸発部に液体を搬送する熱搬送部と、前記蒸発部を形成する材料に比べ熱伝導率が小さい材料からなる伝熱制御部とを備え、前記熱源はアルミダイキャストに埋め込んだシーズヒータで、前記蒸発部はフッ素を用いた撥水性処理を施した鋼板を凹状に形成して前記ダイキャストヒーターの上面に接合して形成し、前記熱搬送部は前記アルミダイキャストの側面或いは底面にステンレス鋼で形成した伝熱制御部を介して接合した蒸気発生装置。
伝熱制御部により、熱源から熱搬送部に供給される熱エネルギ量を、蒸発部に供給される熱エネルギ量の１／８以下とした請求項１に記載の蒸気発生装置。
熱源の熱エネルギを厚み方向より面方向に熱伝導特性の大きい材料を介して伝熱制御部に伝熱する請求項１または２に記載の蒸気発生装置。
アルミダイキャストから蒸発部を着脱可能にした請求項１から３のいずれか１項記載の蒸気発生装置。
熱源であるシーズヒータをアルミダイキャストに埋め込み、その上面に凹部を設け蒸発部とし、熱搬送部を前記アルミダイキャストの側面或いは底面にステンレス鋼で形成した伝熱制御部を介して接合した請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸気発生装置。
蒸発部表面にフッ素を用いた撥水処理を施した請求項５に記載の蒸気発生装置。
熱搬送部の配管を熱伝導率の大きいアルミニウムあるいは銅で形成した請求項１から６のいずれか１項に記載の蒸気発生装置。
熱搬送部の配管の外側表面積に比べ内側表面積を大きくした請求項１から７のいずれか１項に記載の蒸気発生装置。
熱搬送部の配管内面にフッ素を用いた撥水性処理を施した請求項８に記載の蒸気発生装置。