JP5317284B2 - Fluid heating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体加熱装置に関するものである。 The present invention relates to a fluid heating apparatus.
流体加熱装置として、閉磁路鉄心の脚鉄心に、該鉄心に沿って一次コイルを巻回し、その一次コイルの外周囲に導体管からなる二次コイルを巻回し、二次コイルを構成する導体管の内部を通流する流体を、その導体管の発熱により加熱するようにしたものがある。図7は、このような従来の流体加熱装置の構成を示す構成図で、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)はコイル部の断面図である。 As a fluid heating device, a primary coil is wound around a leg core of a closed magnetic circuit iron core along the iron core, and a secondary coil comprising a conductor tube is wound around the outer periphery of the primary coil, thereby forming a secondary coil. The fluid flowing through the inside is heated by the heat generated in the conductor tube. FIGS. 7A and 7B are configuration diagrams showing the configuration of such a conventional fluid heating apparatus, where FIG. 7A is a top view, FIG. 7B is a side view, and FIG. 7C is a cross-sectional view of a coil portion.
図7において、1は鉄心、2は1次コイル、3は2次コイル、4は循環する流体を通流する母管である。鉄心1はヨーク鉄心の両端に脚鉄心を備えた閉磁路をなし、1次コイル2は鉄心1の両端の脚鉄心の夫々に巻回されている。2次コイル3は、貫通孔が形成された管状のSUS(ステンレススチール)などの導電体からなり、各1次コイル2の外周に沿ってそれぞれ巻回され、各2次コイル3は、図7(c)に示すように2つのコイル3−1、3−2が並列に巻回され、各2次コイル3の両側の端部は図示しない短絡用の導体によって電気的に短絡されている。
In FIG. 7, 1 is an iron core, 2 is a primary coil, 3 is a secondary coil, and 4 is a mother pipe through which circulating fluid flows. The iron core 1 has a closed magnetic circuit having leg iron cores at both ends of the yoke iron core, and the
このように構成した流体加熱装置は、流体循環路に配置するとき各2次コイル3の端部に設けたフランジ3a、3bと母管4のフランジ4aと合わせて連結する。この連結により循環する流体は各2次コイル3の貫通孔を経由して循環する。図7に示す例では各1次コイル2は並列に接続されており、各1次コイル2に単相(U−V)の交流電圧を印加すると、短絡用の導体を経て2次コイル3に短絡電流が流れ、その電流で2次コイル3は抵抗発熱し、この熱は貫通孔を通過する流体に伝達され、その流体は貫通孔を通過する間加熱される。
The fluid heating device configured as described above is connected together with the
上記の従来例の流体加熱装置では、短絡によって発熱する2次コイルの熱を2次コイルの貫通孔を流れる流体に伝達するので、流体と接触する発熱面積を大きくすることができ、2次コイルの発熱温度とその2次コイルで加熱される流体の温度との差を小さくしても、所定の熱量を流体に伝達することができ、また、閉磁路鉄心を備えた変圧器構成であるため、力率は高く小さい電源で効率よく流体を加熱することができる。しかし、1次コイルは通常の絶縁電線が使用されており、そのために1次コイルの発熱に対して冷却することを考慮しなければならず、その冷却分損失するといった問題があった。 In the above-described conventional fluid heating device, the heat of the secondary coil that generates heat due to a short circuit is transmitted to the fluid flowing through the through hole of the secondary coil, so that the heat generating area in contact with the fluid can be increased. Even if the difference between the heat generation temperature and the temperature of the fluid heated by the secondary coil is reduced, a predetermined amount of heat can be transmitted to the fluid, and the transformer configuration has a closed magnetic circuit core. The power factor is high and the fluid can be heated efficiently with a small power source. However, since a normal insulated wire is used for the primary coil, it must be considered that the primary coil is cooled against the heat generated by the primary coil, and there is a problem of loss of cooling.
発明が解決しようとする課題は、1次コイルが発生する熱も流体の加熱に利用し、この種の流体加熱装置における加熱効率を高める点にある。 The problem to be solved by the invention is that the heat generated by the primary coil is also used for heating the fluid, and the heating efficiency in this type of fluid heating apparatus is increased.
上記の課題を解決するために、本発明は、閉磁路鉄心の脚鉄心に、長さの一部を絶縁処理した一本の導体管を、絶縁処理した部分と非絶縁処理した部分とに分けて複数層に巻回し、非絶縁処理した部分を巻回した巻回導体管の巻間を機械的電気的に接続固定して一体化し、絶縁処理した部分を巻回した巻回導体管の両端に交流電圧を印加するとともに、前記一本の導体管の内部に流体を通流するように構成している。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention divides a single conductor tube, which is partly insulated from a leg core of a closed magnetic circuit core, into an insulated part and a non-insulated part. The ends of the wound conductor tube in which the wound conductor tube wound around a plurality of layers is integrated by mechanically and electrically connecting and fixing the windings of the wound conductor tube wound around the non-insulated portion. In addition, an AC voltage is applied to the first conductor tube, and a fluid is passed through the one conductor tube.
本発明は、絶縁処理した巻回導体管に交流電流を流し、その交流電流により絶縁処理した巻回導体管は抵抗発熱し、また、絶縁処理した巻回導体管に流した交流電流により発生する交番磁束により、非絶縁処理した巻回導体管に誘導電流が流れ、非絶縁処理した巻回導体管は抵抗発熱する。したがって、絶縁処理した巻回導体管および非絶縁処理した巻回導体管の管内に流れる流体は、その両者の発熱により加熱され、巻回導体管に発生する熱は、流体の加熱に利用するので、加熱効率を高め、すなわち従来の一次コイルで発生した熱を有効に流体の加熱に利用することができる。また、絶縁処理した巻回導体管および非絶縁処理した巻回導体管は、1本の導体管で構成しているので、導体管に切れ目(継ぎ目)による漏れがなく、加熱流体として可燃性油や強酸・強アルカリの流体を安全に用いることができる。 In the present invention, an alternating current is passed through an insulated winding conductor tube, the insulated winding conductor tube generates resistance heat, and is generated by an alternating current passed through the insulated winding conductor tube. Due to the alternating magnetic flux, an induced current flows through the non-insulated winding conductor tube, and the non-insulating winding conductor tube generates resistance heat. Therefore, the fluid flowing in the insulated conductor tube and the non-insulated conductor tube is heated by the heat generated by both, and the heat generated in the conductor tube is used for heating the fluid. The heating efficiency can be increased, that is, the heat generated in the conventional primary coil can be effectively used for heating the fluid. In addition, since the insulated and non-insulated wound conductor pipes are composed of a single conductor pipe, there is no leakage due to cuts (seam) in the conductor pipe, and flammable oil is used as a heating fluid. And strong acid / alkali fluids can be used safely.
本発明の実施例に係る単相電源に適用する流体加熱装置について、図1および図2を参照して説明する。図1において、11は外周面を絶縁処理した脚鉄心、12aは絶縁処理した巻回導体管、12bは非絶縁処理した巻回導体管、12cは流体入り口フランジ、12dは流体出口フランジ、14は絶縁薄片(本例では無溶剤系絶縁接着剤を表裏全面に塗着したポリイミド系フイルム)である。 A fluid heating apparatus applied to a single-phase power source according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 1, 11 is a leg iron core whose outer peripheral surface is insulated, 12a is a wound conductor tube which is insulated, 12b is a non-insulated wound conductor tube, 12c is a fluid inlet flange, 12d is a fluid outlet flange, 14 is Insulating flakes (in this example, a polyimide film in which a solventless insulating adhesive is applied to the entire front and back surfaces).
絶縁処理(本例では、無溶剤系絶縁接着剤を塗着したポリイミド系フイルムを巻回して絶縁処理)した巻回導体管12aと絶縁処理しない(以下、非絶縁処理という。)巻回導体管12bは、長さの一部を絶縁処理した一本(溶接など接続して一本化したものも含む)の導体管で形成され、一本の導体管のうち絶縁処理した導体管部分を、外周面を絶縁処理(本例では無溶剤系絶縁接着剤を塗着したポリイミド系フイルムを巻回して絶縁処理))した脚鉄心11に絶縁薄片14を介して巻回し(巻回導体管12a)、折り返して非絶縁処理した導体管部分を巻回した絶縁処理した導体管(巻回導体管12a)の外周に巻回する(巻回導体管12b)。そして、巻回導体管12bの巻回間は導体板などの溶接により機械的電気的に接続固定させている。なお、巻回導体管12aと巻回導体管12bを作成し、これを脚鉄心11に嵌め込むようにしてもよい。
Insulated treatment (in this example, a polyimide film coated with a non-solvent insulating adhesive is wound and insulated) and the
流体入り口フランジ12cは一本の導体管のうち絶縁処理した導体管部分の開口に形成され、流体出口フランジ12dは非絶縁処理した導体管部分の開口に形成されている。したがって、この場合、流体入り口フランジ12c部の流体入り口から導入した流体は、最内層の巻回導体管12a、最外層の巻回導体管12bを順に経由して流体出口フランジ12d部の出口から導出される。すなわち、流体は最内層の巻回導体管12aで加熱され、最外層の巻回導体管12bで更に加熱されることとなる。この場合、最内層の巻回導体管12aに最も低い温度の流体を流すことになるので、脚鉄心11の冷却効果を高めることもできる。
The
なお、図1の図示例では、巻回導体管12bのすべての巻回間は機械的電気的に接続固定しているが、図6に示すように巻回導体管12bの巻回を複数(図示例は3個)に分け、分けた複数の巻(図示例では4巻き)ごとの巻間を機械的電気的に接続固定するようにしてもよい。このように複数の巻回ごとに、巻間を機械的電気的に接続固定すれば、巻回導体管12aの巻幅と巻回導体管12bの巻幅を同程度に調整することができる。また、巻回導体管12bの機械的電気的に接続固定する巻数を調整することにより、巻回導体管12bの発熱容量も調整することができる。つまり、図1の図示例では、巻回導体管12bは1回巻きと等価となるが、図6の図示例では、3回巻きと等価となり、3回巻きとした分巻回導体管12bで消費する電力は低下する。
In the illustrated example of FIG. 1, the
脚鉄心11としては、図5に示すように、インボリュート曲線状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板11aを放射状に積層して円筒状に形成し、これをABCと径方向に三段積層(積層段数は必要とする脚鉄心の直径で決める。)した鉄心(以下、この鉄心をインボリュート脚鉄心という)を用いるとよい。また、脚鉄心の絶縁処理として、無溶剤系絶縁接着剤を塗着したポリイミド系フイルムを用いるとよい。このように、無溶剤系絶縁接着剤を塗着したポリイミド系フイルムを巻回したインボリュート脚鉄心は、ほぼ完全な円形となり、また、絶縁処理部は断熱効果が低く(乾燥などで気泡が発生しない。)、熱伝導性が高いので、これに無溶剤系絶縁接着剤を表裏全面に塗着したポリイミド系フイルムを介して導体管を巻回したものでは鉄損発熱が導体管に効率よく伝わり、鉄損発熱も流体加熱として有効に利用できる。言い換えると、脚鉄心は導体管を流れる流体により冷却され、脚鉄心の温度上昇を抑制することができる。 As shown in FIG. 5, the leg iron core 11 is formed in a cylindrical shape by laminating a large number of magnetic steel plates 11a having curved portions curved in an involute curve, and this is formed in three stages in the radial direction with ABC. It is preferable to use a laminated iron core (the number of laminated layers is determined by the required diameter of the leg iron core) (hereinafter, this iron core is referred to as an involute leg iron core). In addition, a polyimide film coated with a non-solvent insulating adhesive may be used as an insulating treatment for the leg iron core. Thus, the involute leg iron core wound with a polyimide film coated with a solvent-free insulating adhesive is almost completely circular, and the insulation treatment part has a low heat insulating effect (no bubbles are generated due to drying, etc.) .), Because of its high thermal conductivity, when a conductor tube is wound through a polyimide film coated with a solvent-free insulating adhesive on both front and back surfaces, iron loss heat is efficiently transmitted to the conductor tube. Iron loss heat generation can also be effectively used as fluid heating. In other words, the leg iron core is cooled by the fluid flowing through the conductor tube, and the temperature rise of the leg iron core can be suppressed.
巻回導体管12aと巻回導体管12bを装着した脚鉄心11は、図2(a)(b)に示すように、上下のヨーク鉄心13の両端部の間に配置されて締付固定される。つまり上下のヨーク鉄心13と脚鉄心11とによりロ字型の閉磁路が形成される。そして、図2(c)に示すように片側の脚鉄心11に巻回した絶縁処理した巻回導体管12aの一端は、単相電源の入力U端子に接続され、他端は単相電源の入力V端子に接続され、その導体管の折り返し部は単相電源の入力U端子に接続される。また、他の片側の脚鉄心11に巻回した絶縁処理した巻回導体管12aの一端は、単相電源の入力U端子に接続され、他端は単相電源の入力V端子に接続され、その導体管の折り返し部は単相電源の入力V端子に接続される。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the leg core 11 fitted with the
単相電源の入力U、V端子に交流電源が接続されると、両側の脚鉄心11に巻回した絶縁処理した巻回導体管12aに交流電圧が印加されて、交流電流が流れ、閉磁路鉄心に交番磁束が発生し、この交番磁束と鎖交する巻回導体管12bに誘導電流が流れる。これらの電流により巻回導体管12aおよび巻回導体管12bが発熱する。この熱は、巻回導体管12aおよび巻回導体管12bの内部を通流する流体に伝達され、その流体は巻回導体管12aおよび巻回導体管12bを通流する間に順次加熱される。
When an AC power supply is connected to the input U and V terminals of the single-phase power supply, an AC voltage is applied to the insulated
図3および図4は本発明の他の実施例に係る三相電源に適用する流体加熱装置を示すもので、図3において、21は外周面を絶縁処理した脚鉄心、22aは絶縁処理した巻回導体管、22bは非絶縁処理した巻回導体管、22cは絶縁処理した巻回導体管、22dは流体入り口フランジ、22eは流体出口フランジ、14は無溶剤系絶縁接着剤を全面に塗着したポリイミド系フイルムからなる絶縁薄片である。 3 and 4 show a fluid heating apparatus applied to a three-phase power source according to another embodiment of the present invention. In FIG. 3, 21 is a leg iron core whose outer peripheral surface is insulated, 22a is an insulated winding. Non-insulated wound conductor tube, 22c is an insulated conductor tube, 22d is a fluid inlet flange, 22e is a fluid outlet flange, and 14 is a solvent-free insulating adhesive. Insulating flakes made of a polyimide-based film.
なお、脚鉄心21は本例では、図5に示すインボリュート曲線状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板11aを積層して円筒状に形成し、これをABCと径方向に三段積層(積層段数は必要とする脚鉄心の直径で決める。)したインボリュート鉄心で構成され、脚鉄心21の絶縁処理および導体管の絶縁処理は、図1に示す例と同様に無溶剤系絶縁接着剤を塗着したポリイミド系フイルムを巻回して処理されている。
In this example, the
絶縁処理した巻回導体管22aと非絶縁処理した巻回導体管22bおよび絶縁処理した巻回導体管22cは、長さの一部を絶縁処理した一本(溶接など接続して一本化したものも含む)の導体管で形成され、一本の導体管のうち絶縁処理した導体管部分を巻回し(巻回導体管22c)、折り返して絶縁処理した導体管部分を巻回し(巻回導体管22a)、さらに折り返して非絶縁処理した導体管部分を巻回し(巻回導体管22b)、巻回導体管22bの巻回間は機械的電気的に接続固定し、このように形成した巻回導体管を、外周面を絶縁処理した脚鉄心21に絶縁薄片14を介して嵌め込んでいる。すなわち、絶縁薄片14で覆った脚鉄心21に、絶縁処理した巻回導体管22a、非絶縁処理した巻回導体管22b、絶縁処理した巻回導体管22cの順に3層重ね巻きされている。このように3層巻きにすると磁気結合が2面(2層巻きでは1面)となり、磁気漏れ量が理論上半減する。すなわち流体加熱装置のインピーダンスが低下して力率および効率がよくなる。
The insulated winding
なお、図3の図示例では、非絶縁処理した導体管22bのすべての巻回間を電気的に短絡固定しているが、巻回数を複数に分け、分けた複数の巻ごとの巻間を機械的電気的に接続固定するようにしてもよい。このように複数の巻回ごとに、巻間を電気的に短絡固定すれば、巻回導体管12aの巻幅と巻回導体管12bの巻幅を同程度に調整することができ、また、巻回導体管22bの機械的電気的に接続固定する巻数を調整することにより、巻回導体管22bの発熱容量も調整することができる。
In the illustrated example of FIG. 3, all the turns of the
流体入り口フランジ22dは一本の導体管のうち絶縁処理した導体管部分の開口に形成され、流体出口フランジ22eは非絶縁処理した導体管部分の開口に形成されている。したがって、流体入り口フランジ22d部の流体入り口から導入した流体は、最外層の巻回導体管22c、最内層の巻回導体管22a、中間層の巻回導体管22bを順に経由して流体出口フランジ22e部の出口から導出される。
The
巻回導体管22a、巻回導体管22bおよび巻回導体管22cを装着した脚鉄心21は、図4(a)(b)に示すように、上下のヨーク鉄心23の両端部と中央部の間に配置し、上下のヨーク鉄心23に締付固定される。つまり上下のヨーク鉄心23と脚鉄心21とにより日字型の閉磁路が形成される。そして、図4(c)に示すように脚鉄心21に巻回した絶縁処理した巻回導体管12aと12cは電気的に直列に接続され、巻回導体管12aの端部は、それぞれの脚鉄心21に巻回した絶縁処理した巻回導体管12aの端部と接続され、巻回導体管12cの端部は、それぞれ三相電源の入力U端子、入力V端子、入力W端子に接続される。すなわち、巻回導体管12aと12cを電気的に直列に接続した巻回導体管はY結線されている。また、巻回導体管22bの一端は、それぞれ三相電源の入力U端子、入力V端子、入力W端子に接続される。
As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the
三相電源の入力U、V、W端子に三相の交流電源が接続されると、それぞれの脚鉄心21に巻回した絶縁処理した巻回導体管12cと12aに交流電圧が印加されて、交流電流が流れ、閉磁路鉄心に交番磁束が発生し、この交番磁束と鎖交するそれぞれの巻回導体管22bに電流が流れる。これらの電流により巻回導体管22a、22cおよび巻回導体管22bが発熱する。この熱は、巻回導体管22c、巻回導体管22a、および巻回導体管22bの内部を通流する流体に伝達され、その流体は巻回導体管22c、22aおよび巻回導体管22bを通流する間に順次加熱される。
When a three-phase AC power source is connected to the input U, V, W terminals of the three-phase power source, an AC voltage is applied to the insulated
このように、流体を最外層の巻回導体管22c、最内層の巻回導体管22a、中間層の巻回導体管22bと通流するので、中間層の巻回導体管22bから導出される流体が最高温度となり、中間層の巻回導体管22bは、最外層の巻回導体管22c若しくは最内層の巻回導体管22aに比べ高くなる。したがって、温度の高い中間層の巻回導体管22bが中心部に位置し、比較的温度が低い最外層の巻回導体管22cおよび最内層の巻回導体管22aが両外側に位置することになるので、外部との温度差が小さくなり、放熱量を抑えることができる。
Thus, since the fluid flows through the outermost winding
なお、重ね巻順は、非絶縁処理した巻回導体管、絶縁処理した巻回導体管、非絶縁処理した巻回導体管の順であってもよい。 Note that the lap winding order may be the order of a non-insulated wound conductor tube, an insulated wound conductor tube, and a non-insulated wound conductor tube.
11、21は脚鉄心
12a、22a、22c 絶縁処理した巻回導体管
12b、22b 非絶縁処理した巻回導体管
12c、22d 流体入り口フランジ
12d,22e 流体出口フランジである。
11 and 21 are
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