JP5310832B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱を利用した流体加熱装置に関する。

従来、流体を加熱する装置として、燃焼ガスの燃焼エネルギーを用いたボイラ等の加熱装置が利用されている。しかしながら、燃焼ガスを利用する装置では、燃料の供給システム等の補機や燃焼ガスの排気ガスの適正な処理設備が必要になるなど設備が大型化する。このため、燃焼ガスを利用する装置は、多量の流体の加熱には適しているが、少量の流体加熱には適していない。

また、上記の燃焼ガスを利用する装置は、環境の面から排ガス設備の設置にも問題がある。更には、流体の温度が厳しく制限される装置では、その温度の均一性、及び制御の応答性が悪い。そこで、特に少量の流体加熱に適し、急速加熱ができ温度コントロール性の良い誘導加熱を利用した流体加熱装置が用いられている。

誘導加熱を利用した流体加熱装置として、熱交換器自体を誘導加熱する装置が提案されているが、ケーシングや管体自体を加熱する方式では、流体におけるケーシング等との接触面積の割合をあまり大きくできず、このため流体への入熱が小さく急速加熱できないという問題があった。

これを解決するために、複数本の非磁性の管を互いに非接触に平行配置してこれら管内に流体を分流させて流すと共にその管群体の回りに誘導加熱コイルを配置することにより、管それぞれを誘導加熱させ、管内の流体との接触面積を増加させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６４２４１５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の手法では、複数本の非磁性管に流体を分流させるため、複数の非磁性管ごとの流量又は発熱量のアンバランスにより、非磁性管ごとの流体温度にバラつきが生じてしまうという問題があった。また、複数本の非磁性管を配置するため、構造が複雑化するという問題もあった。

ここで、上記複数の非磁性管を流れる流体を、単一の管で流しても、誘導加熱コイルを長く或いは高周波にする必要や管を厚くする必要が生じてしまい、構造の複雑化は避けられなかった。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる、誘導加熱を利用した流体加熱装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の流体加熱装置は、被加熱流体が流れる複数の非磁性管と、この複数の非磁性管を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備える流体加熱装置において、上記複数の非磁性管は、上記被加熱流体の流路が互いに連通し、上記被加熱流体は、上記互いに連通した複数の非磁性管を流れて、上記誘導加熱コイル内を複数回通過し、上記流体加熱装置は、上記複数の管を互いに連通させる接続部と、上記誘導加熱コイルによって発熱した熱を、上記非磁性管を介して上記被加熱流体に熱伝導させる磁性体を更に備える構成とする。

上記課題を解決するために、本発明の第２の流体加熱装置は、被加熱流体が流れる非磁性管と、この非磁性管を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備える流体加熱装置において、上記非磁性管は、上記誘導加熱コイル内を蛇行（湾曲、屈曲等）して延び、上記流体加熱装置は、上記誘導加熱コイルによって発熱した熱を、上記非磁性管を介して上記被加熱流体に熱伝導させる磁性体を更に備え、上記非磁性管は、上記磁性体の外周面にソレノイド状に巻かれて、上記誘導加熱コイル内を蛇行して延びる構成とする。

また、上記第１〜第２の流体加熱装置において、上記非磁性管と上記磁性体とは、互いに面接触する構成とするとよい。
更に、上記非磁性管と上記磁性体とは、互いに平面で面接触する構成とするとよい。

更にまた、上記非磁性管は、上記加熱流体の流れ方向と直交する断面において多角形状である構成とするとよい。
上記第１〜第２の流体加熱装置では、１本の管又は互いに連通する管で、より多くの管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイルを長く或いは高周波にする必要や管を厚くする必要がない。また、被加熱流体の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。

また、管を非磁性管で構成すると共に、誘導加熱コイルによって発熱した熱を、非磁性管を介して被加熱流体に熱伝導させる磁性体を備えて構成した場合、流体に接するSUS304等の非磁性管は、耐食性に優れるため、長期間の使用に耐えられる。そして、発熱に優れるSUS430等の磁性体は、非磁性管に対し耐食性で劣るが、流体に接触しないため長期間の使用が可能である。

ここで、本発明の流体加熱装置は、誘導加熱（電磁誘導加熱）を利用しているため、管の発熱量は管に流れるうず電流で決まる。うず電流は、表皮効果を示すことが知られている。このうず電流の流れる表皮部の深さδ［mm］は、「δ=50.3×（ρ／（μ×ｆ））^１／２」で表することができる。「ρ」は導体の抵抗率、「μ」は比透磁率、「ｆ」は電源の周波数である。表皮部の深さδは、比透磁率μ及び周波数ｆに反比例することがわかる。磁性体を備える構成とした場合には、うず電流が同じであれば表皮深さが小さいので、非磁性管よりも磁性体の方が大きな発熱量が得られる。そのため、流体が接触する非磁性管の厚みを厚くしなくとも、磁性体を用いることで、発熱量を大きくすることができる。

本発明の流体加熱装置では、１本の管又は互いに連通する複数の管によって、より多くの管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイルを長く或いは高周波にする必要や管を厚くする必要がない。また、被加熱流体の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、本発明の流体加熱装置によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

第１実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 第１実施形態に係る管の配置を示す断面図である。 第１実施形態の変形例に係る管の配置を示す断面図である。 第２実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 第２実施形態に係る管の配置を示す断面図である。 第２実施形態の変形例に係る管の配置を示す断面図である。 第３実施形態に係る流体加熱装置の要部を示す断面図である。 図３ＡのIII−III断面図である。 図３ＡをＣ方向から見た矢視図である。 第４実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 第５実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 第５実施形態に係る管の配置を示す断面図である。 第５実施形態の第１変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。 第５実施形態の第２変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。 第５実施形態の第３変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。 第５実施形態の第４変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。 第６実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。 第６実施形態に係る管の配置を示す断面図である。 第６実施形態の変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１Ａは第１実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図であり、図１Ｂは上記流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。

図１Ａにおいて、流体加熱装置１は、管としての非磁性管２ａ、磁性体としての磁性管２ｂ、管支え３，４、内側断熱材５、外側断熱材６、誘導加熱コイル７、流体入口ヘッダ８、流体出口ヘッダ９等を備えている。

非磁性管２ａには、被加熱流体（矢印Ａ）の流路をＵ字状に湾曲させる湾曲部２ｃが、誘導加熱コイル７の外側の２箇所（２ｃ−１，２ｃ−２）に形成されている。非磁性管２ａは、各湾曲部２ｃを経由して反対方向に延び、この湾曲部２ｃを隔てた両側の部分が互いに平行になっている。非磁性管２ａの湾曲部２ｃ−１，２ｃ−２を除く位置（即ち、互いに平行に延びる部分）には、非磁性管２ａの外径と略同一の内径を有する３本の磁性管２ｂ（２ｂ−１，２ｂ−２，２ｂ−３）が配置されている。これら磁性管２ｂは、誘導加熱コイル７内の全域及びその近傍に亘って配置されている。

非磁性管２ａは、２箇所の湾曲部２ｃで湾曲しているため、図１Ｂにおいては、互いに離れて位置する３つの断面で表されている。この３つの断面で表された部分（非磁性管２ａ）は、誘導加熱コイル７内において、互いに均等間隔をもって高さ方向に並んで、上述のように平行に延びている。

ここで、非磁性管２ａと磁性管２ｂとの間に隙間があっても、磁性管２ｂで発熱した熱を、非磁性管２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に伝達することは可能であるが、本実施形態では、非磁性管２ａが磁性管２ｂの内部に密着するように挿入されており、非磁性管２ａと磁性管２ｂとは２重管構造となっている。これにより、磁性管２ｂは、誘導加熱コイル７によって発熱した熱を、非磁性管２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に有効に熱伝導させている。なお、非磁性管２ａと磁性管２ｂとの間に熱伝導率の高いオイル等を介在させたり、非磁性管２ａと磁性管２ｂとの隙間をハンダで埋めたりすることで、より有効に熱伝導させることもできる。

非磁性管２ａは、各湾曲部２ｃを経由して反対方向に延びることにより、誘導加熱コイル７内（コイル軸に直交する面）の少なくとも一部（ここでは全部）を複数回通過している。非磁性管２ａの両端は、板状の管支え３，４に形成された孔に挿入された状態で固定支持されている。

誘導加熱コイル７は、図示しない交流電源に接続され、共に円筒形状の内側断熱材５と外側断熱材６との間に介在している。内側断熱材５の両端は、非磁性管２ａと同様に上記の管支え板３，４に固定支持されており、これにより、誘導加熱コイル７及び外側断熱材６も位置決めされている。

管支え板３，４には、それぞれ流体入口ヘッダ８、流体出口ヘッダ９が設けられ、気体又は液体の被加熱流体（矢印Ａ）は、流体入口ヘッダ８から非磁性管２ａを通って加熱されて流体出口ヘッダ９へと導かれている。

なお、本実施形態では、磁性管２ｂを備える構成として説明したが、非磁性管２ａのみ或いは他の管のみによっても被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することは可能である。また、本実施形態では、非磁性管２ａの湾曲部２ｃを誘導加熱コイル７の外側に形成する例を説明したが、非磁性管２ａが誘導加熱コイル７内の少なくとも一部（誘導加熱コイル７内の、コイル軸に直交する少なくとも１つの面）を複数回通過することによって、有効に被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することができるため、誘導加熱コイル７内に形成することも可能である。

ここで、非磁性管２ａには例えばＳＵＳ３０４を用いることができ、磁性管２ｂには例えばＳＵＳ４３０を用いることができるが、非磁性管２ａ及び磁性管２ｂはこれらの材料に限定されるものではなく、例えば磁性管２ｂに鉄材を用いることも可能である。

以上説明した本実施形態では、被加熱流体（矢印Ａ）が流れる非磁性管２ａは、誘導加熱コイル７内の少なくとも一部（本実施形態では全部）を複数回通過している。これにより、１本の非磁性管２ａで複数の管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイル７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管２ａを厚くする必要がない。また、管の本数を減らすことで、被加熱流体（矢印Ａ）の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、本実施形態によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。更には、非磁性管２ａが洗浄の必要な管である場合には、管の本数を減らすことで、洗浄を容易にすることができる。

また、本実施形態では、非磁性管２ａは、被加熱流体（矢印Ａ）の流路を湾曲させる湾曲部２ｃを誘導加熱コイル７の外側に有し、この湾曲部２ｃを経由して誘導加熱コイル７内を複数回通過している。そのため、有効に被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することができ、誘導加熱コイル７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管２ａを厚くする必要が一層抑えられる。したがって、より簡素な構成とすることができる。

また、本実施形態では、被加熱流体（矢印Ａ）が流れる管を非磁性管２ａで構成すると共に、誘導加熱コイル７によって発熱した熱を、非磁性管２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に熱伝導させる磁性体としての磁性管２ｂを備えて構成している。そのため、被加熱流体（矢印Ａ）と接触するのが耐食性に優れる非磁性管２ａでありながら、発熱に優れる磁性管２ｂを用いることにより、長期間に亘って有効に被加熱流体（矢印Ａ）が加熱される。したがって、より簡素な構成とすることができると共に、コストダウンを図ることができる。

また、本実施形態では、磁性管２ｂは、非磁性管２ａのうち湾曲部２ｃを除く位置に配置されている。そのため、磁性管２ｂを湾曲させる必要がなく、流体加熱装置１の組立て作業を容易にすることができる。更には、湾曲部２ｃを誘導加熱コイル７の外側に形成したことで、磁性管２ｂを、湾曲させることなく誘導加熱コイル７の長手方向の全域に亘って配置することができる。これにより、有効に被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することができ、したがって、より簡素な構成とすることができる。

また、非磁性管２ａを磁性管２ｂに挿入して２重管構造とすることで、磁性管２ｂによって発熱した熱が、非磁性管２ａを介して有効に被加熱流体（矢印Ａ）に熱伝導される。そのため、被加熱流体（矢印Ａ）を有効に加熱することができ、誘導加熱コイル７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管２ａを厚くする必要が一層抑えられる。したがって、より簡素な構成とすることができる。

図１Ｃは、上記第１実施形態の変形例に係る管の配置を示す断面図である。
同図に示す非磁性管２ａ´の外周面には、図１Ａ及び図１Ｂに示す磁性管２ｂに代えて磁性体テープ２ｄ（２ｄ−１，２ｄ−２，２ｄ−３）が配置されている。これら磁性体テープ２ｄは、図１Ａに示す磁性管２ｂと同様に、湾曲部２ｃを除く位置であって誘導加熱コイル７内およびその近傍に、目的の発熱量に合わせた厚さで非磁性管２ａ´に巻かれている。

なお、図１Ｃにおいて、非磁性管２ａ´は、２箇所の図示しない湾曲部で湾曲しているため、互いに離れて位置する３つの断面で表されている。この３つの断面で表された部分（非磁性管２ａ´）は、誘導加熱コイル７内において、互いに均等間隔をもって分散して平行に延びている。

本変形例によれば、非磁性管２ａ´を湾曲等させた後で磁性体テープ２ｄを配置できるため、図１Ａ及び図１Ｂに示す磁性管２ｂのように、非磁性管２ａを湾曲させる前でなければ磁性管２ｂを配置できないという不都合を解消することができる。また、非磁性管２ａ´に合った磁性管を用意する必要がないのに加え、磁性体テープ２ｄが非磁性管２ａ´に密着しやすいため、発熱した熱を有効に熱伝導させることができる。更には、磁性体テープ２ｄを厚く又は薄くするという容易な作業で、所望の発熱量を得ることができる。

また、本変形例では、非磁性管２ａ´の、湾曲部２を隔てた３つの部分が、誘導加熱コイル７内において、互いに均等間隔をもって分散して平行に延びている。そのため、非磁性管２ａ´の加熱量、ひいては被加熱流体の温度が均等になり、被加熱流体の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、より一層、流体温度の均一化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、非磁性管１２ａ及び磁性管１２ｂの配置のみ上記第１実施形態と相違するため、共通する点については、詳細な説明を省略する。

図２Ａは第２実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図であり、図２Ｂは上記流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。
図２Ａにおいて、流体加熱装置１１は、管としての非磁性管１２ａ、磁性体としての磁性管１２ｂ、管支え１３，１４、内側断熱材１５、外側断熱材１６、誘導加熱コイル１７、流体入口ヘッダ１８、流体出口ヘッダ１９等を備えている。

非磁性管１２ａには、被加熱流体（矢印Ａ）の流路をＵ字状に湾曲させる湾曲部１２ｃが誘導加熱コイル１７の外側の２箇所（１２ｃ−１，１２ｃ−２）に形成されている。非磁性管１２ａは、各湾曲部１２ｃを経由して反対方向に延び、湾曲部１２ｃを隔てた両側の部分において、円筒形状の単一の磁性管１２ｂの外周面に接触している。

ここで、非磁性管１２ａの湾曲部１２ｃを隔てた３つの部分は、図２Ｂに示すように、磁性管１２ｂの周方向において等間隔の位置において、互いに平行に延びている。また、非磁性管１２ａは、各湾曲部１２ｃを経由して反対方向に延びることにより、誘導加熱コイル１７内（コイル軸に直交する面）の少なくとも一部（ここでは全部）を複数回通過している。

なお、本実施形態では、磁性体を円筒形状の磁性管１２ｂとして説明したが、磁性体には、断面が多角形の筒形状、断面が円形もしくは多角形の柱状、板状等の部材を配置しても、磁性体において発熱した熱を、非磁性管１２ａへと有効に熱伝導させることができる。

以上説明した本実施形態では、被加熱流体（矢印Ａ）が流れる非磁性管１２ａは、誘導加熱コイル１７内の少なくとも一部（本実施形態では全部）を複数回通過している。これにより、１本の非磁性管１２ａで複数の管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイル１７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管１２ａを厚くする必要がない。また、管の本数を減らすことで、被加熱流体（矢印Ａ）の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、本実施形態によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。更には、非磁性管１２ａが洗浄の必要な管である場合には、管の本数を減らすことで、洗浄を容易にすることができる。

また、本実施形態では、非磁性管１２ａは、被加熱流体（矢印Ａ）の流路を湾曲させる湾曲部１２ｃを誘導加熱コイル１７の外側に有し、この湾曲部１２ｃを経由して誘導加熱コイル１７内を複数回通過している。そのため、有効に被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することができ、誘導加熱コイル１７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管１２ａを厚くする必要が一層抑えられる。したがって、より簡素な構成とすることができる。

また、本実施形態では、非磁性管１２ａは、湾曲部１２ｃを隔てた両側の部分において、単一の磁性管１２ｂの外周面に接触している。そのため、非磁性管１２ａが湾曲部１２ｃにおいて湾曲するごとに（非磁性管１２ａが誘導加熱コイル１７内を通過するごとに）磁性管１２ｂの数を増やす必要がなくなる。したがって、より簡素な構成とすることができる。

図２Ｃは、第２実施形態の変形例に係る管の配置を示す断面図である。
同図に示す非磁性管１２ａ´は、図２Ａに示す非磁性管１２ａのように磁性管１２ｂの外周面に接触しているのではなく、磁性管１２ｂ´の内周面に接触している。その他の点については図２Ａ及び図２Ｂに示す第２実施形態の構成と同様であるため、説明を省略する。

なお、本変形例における磁性体としては、図２Ｃに示すような円筒形状の磁性管１２ｂ´を用いるのが好ましいが、断面が多角形等の筒形状の部材を用いても、磁性体において発熱した熱を非磁性管１２ａ´へと有効に熱伝導させることができる。

本変形例によれば、非磁性管１２ａ´は、湾曲部１２ｃを隔てた両側の部分において、単一の磁性管１２ｂ´の外周面に接触している。そのため、非磁性管１２ａ´が湾曲部１２ｃにおいて湾曲するごとに磁性管１２ｂ´を設ける必要がなくなる。したがって、より簡素な構成とすることができる。また、非磁性管１２ａ´が単一の磁性管１２ｂ´の外周面に接触しているため、非磁性管１２ａ´を磁性管１２ｂ´内において有効に加熱することができる。

＜第３実施形態＞
図３Ａは第３実施形態に係る流体加熱装置の要部を示す断面図である。また、図３Ｂは図３ＡのIII−III断面図であり、図３Ｃは図３ＡをＣ方向から見た矢視図である。

図３Ａに示す流体加熱装置２１において、複数の管としての複数の非磁性管２２ａ（２２ａ−１，２２ａ−２，２２ａ−３）は、被加熱流体（矢印Ａ）の流路が互いに連通している。なお、非磁性管２２ａを誘導加熱する誘導加熱コイル、及び、この誘導加熱コイルによって発熱した熱を、非磁性管２２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に熱伝導させる磁性体等については、上記第１実施形態及び第２実施形態に記載されているような構成であるものとする。

非磁性管２２ａは、図示しない流体出口ヘッダ側（同図の右側）において管支え２４ａによって固定支持されている。この管支え２４ａは円盤状を呈しており、管支え２４ａの上記流体出口ヘッダ側には凹部２４ｄが形成されている。また、管支え２４ａには、管支え２４ａと同一径で同様に円盤状を呈する押さえシール板２４ｂが、凹部２４ｄを密閉するように、複数の止めねじ２４ｃによって固定されている。

管支え２４ａの凹部２４ｄには、２つの非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２の流路を連通させる接続部２４ｅが配置されている。この接続部２４ｅは、図３Ｂにも示すように、２つの非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２の間に流れる被加熱流体（矢印Ａ）を、接続部２４ｅを除く凹部２４ｄ内の空間に漏らさないように、筒状に構成されている。

以上のように連通した非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２の流路は、接続部２４ｅを経由して反対方向に延びている。これにより、被加熱流体（矢印Ａ）は、連通した非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２を流れて、図示しない誘導加熱コイル内を複数回通過している。ここで、接続部２４ｅを経由して反対方向に延びた非磁性管２２ａ−２の流路は、流体入り口ヘッダ側（同図の左側）において、同様に構成された接続部或いは図示しない湾曲部を経由して、再び、流体出口ヘッダ側に延びている（非磁性管２２ａ−３の流路）。この再び流体出口ヘッダ側に延びた非磁性管２２ａ−３は、図３Ｂ及び図３Ｂに示すように、管支え２４ａ及び押さえシール板２４ｂを貫通し、流体出口ヘッダに被加熱流体（矢印Ａ）を流している。

なお、本実施形態では、磁性体を備える構成として説明したが、非磁性管２２ａのみによっても被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することは可能である。また、本実施形態では、本発明の管を非磁性管２２ａとして説明したが、本発明の管には他の特性を有する管（例えば、磁性管）を用いてもことも可能である。更には、本実施形態では、接続部２４ｅを管支え２４ａに配置する構成としたが、複数の管を互いに連通させることのできる位置であれば、管支え２４ａ以外の位置に配置することも可能である。

以上説明した本実施形態では、誘導加熱コイルにより加熱される複数の非磁性管２２ａは、被加熱流体（矢印Ａ）の流路が互いに連通し、被加熱流体（矢印）は、互いに連通した非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２を流れて、誘導加熱コイル内を複数回通過している。これにより、互いに連通する非磁性管２２ａで、より多くの管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイルを長く或いは高周波にする必要や非磁性管２２ａを厚くする必要がない。また、被加熱流体（矢印Ａ）の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、本実施形態によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

また、本実施形態では、複数の非磁性管２２ａ−１，２２ａ−２を互いに連通させる接続部２４ｅを備える構成としている。そのため、直線状に延びる非磁性管２２ａ等のありふれた（構造の簡素な）管を使用することができる。したがって、より簡素な構成とすることができる。

また、本実施形態では、被加熱流体（矢印Ａ）が流れる複数の管を非磁性管２２ａで構成すると共に、この非磁性管２２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に熱伝導させる磁性体を備えて構成している。そのため、被加熱流体（矢印Ａ）と接触するのが耐食性に優れる非磁性管２２ａでありながら、発熱に優れる磁性管を用いていることにより、長期間に亘って有効に被加熱流体（矢印Ａ）が加熱される。したがって、より簡素な構成とすることができると共に、コストダウンを図ることができる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、非磁性管３２ａ及び磁性管３２ｂの配置のみ上記第１実施形態と相違するため、共通する点については、詳細な説明を省略する。

図４は、第４実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図である。
同図において、流体加熱装置３１は、管としての円筒形状の非磁性管３２ａ、磁性体としての磁性管３２ｂ、管支え３３，３４、内側断熱材３５、外側断熱材３６、誘導加熱コイル３７、流体入口ヘッダ３８、流体出口ヘッダ３９等を備えている。

非磁性管３２ａには、誘導加熱コイル３７内を蛇行する蛇行部３２ｃが形成されている。この蛇行部３２ｃは、磁性管３２ｂの外周面にソレノイド状に巻かれてなる。磁性管３２ｂは、誘導加熱コイル３７内の全域及びその近傍に亘って配置されている。

なお、本実施形態では、磁性体を円筒形状の磁性管３２ｂとして説明したが、磁性体には柱状（棒状）の部材等を配置しても、磁性体において発熱した熱を、非磁性管１２ａへと有効に熱伝導させることができる。また、本実施形態では、本発明の蛇行を、ソレノイド状として説明したが、本発明の蛇行には誘導加熱コイル３７内を湾曲、屈曲等しているものも含まれる。

以上説明した本実施形態では、被加熱流体（矢印Ａ）が流れる非磁性管３２ａは、誘導加熱コイル３７内を蛇行部３２ｃにおいて蛇行して延びている。これにより、１本の非磁性管３２ａで複数の管を配置したのと同等の発熱量が得られるため、誘導加熱コイル３７を長く或いは高周波にする必要や非磁性管３２ａを厚くする必要がない。また、管の本数を減らすことで、被加熱流体（矢印Ａ）の温度バラつきが抑えられると共に温度制御が容易となる。したがって、本実施形態によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。更には、非磁性管３２ａが洗浄の必要な管である場合には、管の本数を減らすことで、洗浄を容易にすることができる。

また、本実施形態では、非磁性管３２ａは、磁性管３２ｂの外周面にソレノイド状に巻かれて、誘導加熱コイル内を蛇行して延びている。そのため、非磁性管３２ａを複雑な形状・構成等にすることなく被加熱流体（矢印Ａ）を加熱することができる。また、被加熱流体（矢印Ａ）と接触するのが耐食性に優れる非磁性管３２ａでありながら、発熱に優れる磁性管３２ｂを用いていることにより、長期間に亘って有効に被加熱流体（矢印Ａ）が加熱される。したがって、より簡素な構成とすることができると共に、コストダウンを図ることができる。

以上説明した第１〜第４実施形態においては、湾曲させた単一の非磁性管、互いに連通した１組の非磁性管、蛇行して延びる単一の非磁性管等について説明したが、流体加熱装置の構成によっては、これらの非磁性管を複数個或いは複数セット配置することも可能である。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、非磁性管４２ａと磁性管４２ｂとが互いに面接触する例について説明する。ここで、面接触とは、点で接触する点接触や、例えば円柱の曲面と平面とが互いに接触する場合のような線接触ではなく、平面と平面とが、或いは、曲面と曲面とが、互いにある程度の面積をもって接触する接触形態をいうものとする。

なお、面接触については、上述した第１実施形態に係る図１Ａ及び図１Ｂにおいて、非磁性管２ａと磁性管２ｂとが互いに曲面で面接触する例について説明しているため、本実施形態では、互いに平面で面接触する例について説明する。

図５Ａは本発明の第５実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図であり、図５Ｂは上記流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。
図５Ａにおいて、流体加熱装置４１は、管としての非磁性管４２ａ、磁性体としての磁性管４２ｂ、管支え４３，４４、内側断熱材４５、外側断熱材４６、誘導加熱コイル４７、流体入口ヘッダ４８、流体出口ヘッダ４９等を備えている。

非磁性管４２ａには、被加熱流体（矢印Ａ）の流路をＵ字状に湾曲させる湾曲部４２ｃが誘導加熱コイル４７の外側の２箇所（４２ｃ−１，４２ｃ−２）に形成されている。非磁性管４２ａは、各湾曲部４２ｃを経由して反対方向に延び、湾曲部４２ｃを隔てた両側の部分において、単一の磁性管４２ｂの外周面に接触している。

ここで、非磁性管４２ａの湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分は、互いに平行に延びている。また、非磁性管４２ａは、各湾曲部４２ｃを経由して反対方向に延びることにより、誘導加熱コイル４７内（コイル軸に直交する面）の少なくとも一部（ここでは全部）を複数回通過している。

磁性管４２ｂは、被加熱流体の流れ方向（矢印Ａ）と直交する断面（即ち、図５Ｂに示す断面）において六角形状を呈している。また、非磁性管４２ａは、上記断面において四角形状を呈しており、湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分それぞれの１面が磁性管４２ｂの６面において互いに隣接することなく（即ち等間隔に）、接触している。これにより、磁性管４２ｂと非磁性管４２ａとは互いに平面で面接触している。

なお、非磁性管４２ａと磁性管４２ｂとの間には、接触面全体に熱伝導性の良好なオイルやハンダ等を介在させるとよい。
非磁性管４２ａには例えばＳＵＳ３０４を用いることができ、磁性管４２ｂには例えばＳＵＳ４３０を用いることができるが、非磁性管４２ａ及び磁性管４２ｂはこれらの材料に限定されるものではなく、例えば磁性管４２ｂに鉄材を用いることなども可能である。

誘導加熱コイル４７は、図示しない交流電源に接続され、共に円筒形状の内側断熱材４５と外側断熱材４６との間に介在している。内側断熱材４５の両端は、非磁性管４２ａと同様に上記の管支え板４３，４４に固定支持されており、これにより、誘導加熱コイル４７及び外側断熱材４６も位置決めされている。

管支え板４３，４４には、それぞれ流体入口ヘッダ４８、流体出口ヘッダ４９が設けられ、気体又は液体の被加熱流体（矢印Ａ）は、流体入口ヘッダ４８から非磁性管４２ａを通って加熱されて流体出口ヘッダ４９へと導かれている。

ところで、磁性管４２ｂから非磁性管４２ａへの熱伝導による熱の移動量は次式で表される。

Ｑ＝ｋ・Ｓ／Ｌ×ΔＴ

ここで、Q[W]は熱移動量を、ｋ[W/(m・℃)]は物体の熱伝導率を、Ｓ[m²]は磁性管４２ｂと非磁性管４２ａとの接触面積を、Ｌ[m]は伝熱距離を、ΔＴ[℃]は磁性管４２ｂと非磁性管４２ａとの温度差を、それぞれ示している。

上記式から、Q、K、L、が一定の際には、磁性管４２ｂと非磁性管４２ａとの接触面積（Ｓ[m²]）が大きいほど熱移動量が増えることがわかる。
この点、本実施形態では、非磁性管４２ａは、磁性管４２ｂと面接触しているため、接触面積（Ｓ[m²]）が面接触しない場合（即ち、点接触や線接触）に比較して大きくなる。これにより、磁性管４２ｂから非磁性管４２ａへと有効に熱伝導させることができるため、誘導加熱コイル４７を長く或いは高周波にする必要や管を厚くする必要がない。したがって、本実施形態によれば、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

また、本実施形態では、被加熱流体の流れ方向（矢印Ａ）と直交する断面において四角形状（多角形状）の非磁性管４２ａと六角形状の磁性管４２ｂとが互いに平面で面接触している。これにより、曲面と曲面との面接触よりも、非磁性管４２ａと磁性管４２ｂとを容易且つ確実に面接触させることができるため、より有効に被加熱流体を加熱することができる。したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

また、本実施形態では、単一の磁性管４２ｂの外周面に、湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分で非磁性管４２ａを面接触させるようにしている。そのため、非磁性管４２ａの湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分毎に磁性管４２ｂを配置する必要がなくなり、したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

図５Ｃ〜図５Ｆは、第５実施形態の第１〜第４変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。
図５Ｃに示すように、磁性管４２ｂ´を、非磁性管４２ａ´の湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分が各面に面接触する断面三角形状とすることも考えられる。この場合、磁性管４２ａ´の形状を断面六角形状とした場合よりも磁性管４２ｂ´を小型且つ軽量にすることができ、したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

図５Ｄに示すように、磁性管４２ｂ´のみならず、非磁性管４２ａ´をも断面三角形状とすることも考えられる。この場合、非磁性管４２ａ´を流れる流量に対して磁性管４２ｂ´との接触面積を増やすことができるため、より有効に被加熱流体を加熱することができる。したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

図５Ｅに示すように、非磁性管４２ａ´の湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分、及び単一の磁性管４２ｂ´を全て断面六角形状として非磁性管４２ａ´と磁性管４２ｂ´とを面接触させることや、図５Ｆに示すように断面六角形状の非磁性管４２ａ´の湾曲部４２ｃを隔てた３つの部分、及び４本の断面六角形状の磁性管４２ｂ´をハニカム形状に配設して面接触させることも考えられる。これらの場合にも、有効に被加熱流体を加熱することができ、したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

＜第６実施形態＞
本実施形態においても、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとが互いに面接触する例について説明するが、上述した第５実施形態とは異なり、上述した第１実施形態と同様に、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとが二重管構造となっている例について説明する。

図６Ａは本発明の第６実施形態に係る流体加熱装置を示す断面図であり、図６Ｂは上記流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。
図６Ａにおいて、非磁性管５２ａには、被加熱流体（矢印Ａ）の流路をＵ字状に湾曲させる湾曲部５２ｃが、誘導加熱コイル５７の外側の２箇所（５２ｃ−１，５２ｃ−２）に形成されている。非磁性管５２ａは、各湾曲部５２ｃを経由して反対方向に延び、この湾曲部５２ｃを隔てた両側の部分が互いに平行になっている。

非磁性管５２ａの湾曲部５２ｃ−１，５２ｃ−２を除く位置（即ち、互いに平行に延びる部分）には、図６Ｂに示すように、非磁性管５２ａの外径と略同一の内径を有する３本の磁性管５２ｂ（５２ｂ−１，５２ｂ−２，５２ｂ−３）が配置されている。これら磁性管５２ｂは、誘導加熱コイル５７内の全域及びその近傍に亘って配置されている。

非磁性管５２ａの湾曲部５２ｃを隔てた３つの部分、及び、これら３つの部分のそれぞれに配置される３本の磁性管５２ｂは、被加熱流体の流れ方向（矢印Ａ）と直交する断面（即ち、図６Ｂに示す断面）において六角形状を呈している。

ここで、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとの間に隙間があっても、磁性管５２ｂで発熱した熱を、非磁性管５２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に伝達することは可能であるが、本実施形態では、非磁性管５２ａが磁性管５２ｂの内部に密着するように挿入されて互いに平面で面接触しており、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとは２重管構造となっている。

これにより、磁性管５２ｂは、誘導加熱コイル５７によって発熱した熱を、非磁性管５２ａを介して被加熱流体（矢印Ａ）に有効に熱伝導させている。なお、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとの間に熱伝導性の良好なオイル等を介在させたり、非磁性管５２ａと磁性管５２ｂとの隙間をハンダで埋めたりすることで、より有効に熱伝導させることもできる。

非磁性管５２ａは、各湾曲部５２ｃを経由して反対方向に延びることにより、誘導加熱コイル５７内（コイル軸に直交する面）の少なくとも一部（ここでは全部）を複数回通過している。非磁性管５２ａの両端は、板状の管支え５３，５４に形成された孔に挿入された状態で固定支持されている。

なお、非磁性管５２ａには例えばＳＵＳ３０４を用いることができ、磁性管５２ｂには例えばＳＵＳ４３０を用いることができるが、非磁性管５２ａ及び磁性管５２ｂはこれらの材料に限定されるものではなく、例えば磁性管５２ｂに鉄材を用いることも可能である。

誘導加熱コイル５７は、図示しない交流電源に接続され、共に円筒形状の内側断熱材５５と外側断熱材５６との間に介在している。内側断熱材５５の両端は、非磁性管５２ａと同様に上記の管支え板５３，５４に固定支持されており、これにより、誘導加熱コイル５７及び外側断熱材５６も位置決めされている。

管支え板５３，５４には、それぞれ流体入口ヘッダ５８、流体出口ヘッダ５９が設けられ、気体又は液体の被加熱流体（矢印Ａ）は、流体入口ヘッダ５８から非磁性管５２ａを通って加熱されて流体出口ヘッダ５９へと導かれている。

本実施形態においても、上記第５実施形態と同様に、非磁性管５２ａが磁性管５２ｂと面接触しているため、接触面積が面接触しない場合（即ち、点接触や線接触）に比較して大きくなる。これにより、磁性管５２ｂから非磁性管５２ａへと有効に熱伝導させることができるため、誘導加熱コイル５７を長く或いは高周波にする必要や管を厚くする必要がない。したがって、本実施形態によっても、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

また、本実施形態では、非磁性管５２ａが磁性管５２ｂの内部に密着するように挿入されて互いに平面で面接触している。そのため、磁性管５２ｂから非磁性管５２ａへと、より有効に熱伝導させることができ、したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

図６Ｃは、第６実施形態の変形例に係る流体加熱装置の管の配置を示す断面図である。
同図に示すように、非磁性管５２ａ´の湾曲部を隔てた３つ（複数）の部分を単一の磁性管５２ｂ´の内部に密着して嵌合させることで、非磁性管５２ａ´の湾曲部を隔てた３つの部分と磁性管５２ｂ´とを互いに平面で面接触させるようにすることも考えられる。

その場合には、非磁性管５２ａ´の湾曲部を隔てた各部毎に磁性管５２ｂを配置する必要がなくなり、したがって、より一層簡素な構成で流体温度の均一化を図ることができる。

以上説明した第５及び第６実施形態では、湾曲させた単一の非磁性管４２ａ，５２ａを用いる場合について説明したが、上述した第３実施形態と同様に、互いに連通した複数本の非磁性管４２ａ，５２ａに磁性管４２ｂ，５２ｂを面接触させることも考えられる。更には、湾曲部が形成された非磁性管４２ａ，５２ａを複数本配設することも可能である。

また、第５及び第６実施形態では、非磁性管４２ａ，５２ａと磁性管４２ｂ，５２ｂとが互いに平面で面接触する例について説明したが、第１実施形態に係る図１Ａ及び図１Ｂに示す円形の２重管構造にする場合や、磁性管４２ｂ，５２ｂを断面円形にすると共に、非磁性管４２ａ，５２ａにおける磁性管４２ｂ，５２ｂとの接触面を磁性管４２ｂ，５２ｂの円周面に対応した凹状の曲面にする場合などの曲面間の面接触によっても、簡素な構成で流体温度の均一化を図ることが可能である。

１ 流体加熱装置
２ａ 非磁性管
２ｂ 磁性管
２ｃ 湾曲部
２ｄ 磁性体テープ
３，４ 管支え
５ 内側断熱材
６ 外側断熱材
７ 誘導加熱コイル
８ 流体入口ヘッダ
９ 流体出口ヘッダ
１１ 流体加熱装置
１２ａ 非磁性管
１２ｂ 磁性管
１２ｃ 湾曲部
１３，１４ 管支え
１５ 内側断熱材
１６ 外側断熱材
１７ 誘導加熱コイル
１８ 流体入口ヘッダ
１９ 流体出口ヘッダ
２１ 流体加熱装置
２２ａ 非磁性管
２４ａ 管支え
２４ｂ 押さえシール板
２４ｃ 止めねじ
２４ｄ 凹部
２４ｅ 接続部
３１ 流体加熱装置
３２ａ 非磁性管
３２ｂ 磁性管
３２ｃ 湾曲部
３３，３４ 管支え
３５ 内側断熱材
３６ 外側断熱材
３７ 誘導加熱コイル
３８ 流体入口ヘッダ
３９ 流体出口ヘッダ
４１ 流体加熱装置
４２ａ 非磁性管
４２ｂ 磁性管
４２ｃ 湾曲部
４３，４４ 管支え板
４５ 内側断熱材
４６ 外側断熱材
４７ 誘導加熱コイル
４８ 流体入口ヘッダ
４９ 流体出口ヘッダ
５１ 流体加熱装置
５２ａ 非磁性管
５２ｂ 磁性管
５２ｃ 湾曲部
５３，５４ 管支え板
５５ 内側断熱材
５６ 外側断熱材
５７ 誘導加熱コイル
５８ 流体入口ヘッダ
５９ 流体出口ヘッダ

Claims (4)

1. 被加熱流体が流れる複数の非磁性管と、該複数の非磁性管を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備える流体加熱装置において、
   前記複数の非磁性管は、前記被加熱流体の流路が互いに連通し、
   前記被加熱流体は、前記互いに連通した複数の非磁性管を流れて、前記誘導加熱コイル内を複数回通過し、
   前記流体加熱装置は、前記複数の管を互いに連通させる接続部と、
   前記誘導加熱コイルによって発熱した熱を、前記非磁性管を介して前記被加熱流体に熱伝導させる磁性体と、を更に備え、
   前記複数の非磁性管は、これらの間に位置する単一の前記磁性体の外周面に、又はこれらの外側に位置する単一の前記磁性体の内周面に接触することを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記非磁性管と前記磁性体とは、互いに面接触することを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記非磁性管と前記磁性体とは、互いに平面で面接触することを特徴とする請求項２記載の流体加熱装置。
4. 前記非磁性管は、前記被加熱流体の流れ方向と直交する断面において多角形状であることを特徴とする請求項３記載の流体加熱装置。
   

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