JP6404704B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱用金属体を誘導加熱することによって当該加熱用金属体内に通流した流体を加熱する流体加熱装置に関するものである。

従来、この種の流体加熱装置において、特許文献１に示すように、二次コイルを形成する螺旋状に巻廻した導体管の複数重を、螺旋の軸方向に延びる電気接続部材で溶接等により電気接続し、短絡回路を構成して電気的リアクタンスを低減させて力率を改善し、加熱効率を向上させたものが知られている。

ところで、螺旋導体管を誘導加熱すると、外周側に比べ長さが短く電気抵抗値が低い導体管の内周側に、外周側に比べて大きな電流が流れることとなるため、内周側は外周側より高温になる。このことから導体管の内周側は外周側に比べて熱膨張が大きくなって、ねじれ等の熱変形が生じる。

しかしながら、従来のように、電気接続部材が導体管の所要箇所間に固定されていると、前述した導体管が変形しようとした際に大きな応力が発生し、導体管や電気接続部材、あるいは導体管と電気接続部材との固定箇所等に疲労が蓄積したりや破損したりするおそれが生じる。

特開２０１０−７１６２４号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、誘導加熱により熱変形が生じても、破損等の可能性が小さい流体加熱装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る流体加熱装置は、流体が流れる内部流路が形成された加熱用金属体を誘導加熱することによって前記内部流路を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、前記加熱用金属体が、複数の金属要素を重ねて形成されたものであり、当該複数の金属要素の間に前記内部流路が形成されていることを特徴とする。

このようなものであれば、加熱用金属体が複数の金属要素を重ねて形成し、それらの金属要素の間に内部流路が形成されているので、金属要素が持つ柔軟性により、誘導加熱による熱変形に耐える構造とすることができる。これにより、熱変形による破損等の可能性が小さい流体加熱装置を提供することができる。

前記加熱用金属体が、円筒状をなす第１の金属要素と、当該第１の金属要素に挿入して設けられた円筒状をなす第２の金属要素とを備え、前記内部流路が、前記第１の金属要素の内面及び前記第２の金属要素の外面により形成されていることが望ましい。
これならば、変圧器の脚鉄心を第１の金属要素の内側に配置する構成により、前記加熱用金属体を誘導加熱することができる。このとき、加熱用金属体の内径側部分を単一部材（第１の金属要素）から形成されているので、熱変形に強い構造とすることができる。

前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素が、前記内部流路が螺旋状となるように加工されていることが望ましい。つまり、第１の金属要素に形成された螺旋状の凹溝と、第２の金属要素に形成された凹溝とは、第１の金属要素に第２の金属要素を挿入した状態で同位置となるように形成されている。
このように内部流路を螺旋状にすることで、誘導加熱された金属要素との接触面積を大きくするとともに、流体流速を速くすることができ、熱交換効率を向上させることができる。また、第１の金属要素及び第２の金属要素に螺旋状の凹溝が形成されることになるため、金属要素が薄板要素の場合には特に機械的強度を向上させることができる。
ここで、第１の金属要素及び第２の金属要素に施される変形加工としては、それら金属要素が薄板要素の場合には、水圧等の液圧によって変形させるバルジ加工（ハイドロフォーミング）や、螺旋状の凹部又は凸部が形成された型に沿って駒（ローラ）等によって加圧変形させる加工等が考えられる。また、前記金属要素が所定の肉厚を有する厚板要素の場合には、前記第１の金属要素又は前記第２の金属要素の少なくとも一方に、例えば切削加工等の機械加工により変形させることが考えられる。

前記第１の金属要素及び前記第２金属要素の一方が、前記内部流路が螺旋状となるように加工されていることが望ましい。特に、第１の金属要素に変形加工が施されていることが望ましい。
これならば、一方の金属要素のみに螺旋状の凹溝を形成すればよく、他方の金属要素に変形加工を施す必要がないため、加工工数及び加工コストの低減、変形金型の簡易化が可能となる。

前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素が、互いに異なる板厚又は材質であることが望ましい。
これならば、それぞれの金属要素の電気抵抗値や機械的強度を調整した構造にすることができる。例えば、金属要素が薄板の場合、変形加工を施すことで機械的強度が増すことになるので、板厚を薄く設定することができる。また、内径側の金属要素は外径側の金属要素よりも周長が短く電気抵抗値が小さくなるので、内径側の金属要素を薄くしたり、固有抵抗が高い材質にすることで、外周側の金属要素と同等の温度上昇値にすることができる。

前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素の軸方向両端部のみに、流体漏れ防止用のシール加工が施されていることが望ましい。
これならば、第１の金属要素及び第２の金属要素の熱膨張差による変形差を機械的に吸収することができる。なお、内部流路間は接合しないので多少の漏れが発生することになるが、実用上の大きな問題にはならない。

過熱水蒸気は２００℃から２０００℃にもなる高温なので、前記加熱用金属体は、その温度以上に加熱されることになる。このため、加熱用金属体が飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生するものの場合、流体加熱装置のなかでも、温度上昇が大きく、加熱用金属体の変形も大きくなるため、本発明の効果が特に顕著となる。

前記加熱用金属体を２つ有し、前記加熱用金属体の一方が、水を加熱して飽和水蒸気を生成する飽和水蒸気生成部となり、前記加熱用金属体の他方が、前記飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部となることが望ましい。前記飽和水蒸気生成部の加熱用金属体は、前記過熱水蒸気生成部の加熱用金属体ほどではないが、常温の水を１００℃から１５０℃の高温に加熱する必要があり、本発明の構造にすることで破損防止の効果を奏する。

このように構成した本発明によれば、加熱用金属体が複数の金属要素を重ねて形成し、それらの金属要素の間に内部流路が形成されているので、誘導加熱により熱変形が生じても、破損し難くすることができる。

本実施形態における加熱用金属体の平面図、正面図及び側面図。 同実施形態の加熱用金属体のＡ−Ａ’線断面図。 変形実施形態の加熱用金属体の平面図、正面図及び側面図。 変形実施形態の加熱用金属体のＢ−Ｂ’線断面図。 変形実施形態の加熱用金属体の断面図。

以下に本発明に係る流体加熱装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の流体加熱装置は、図１及び図２に示すように、流体が流れる内部流路Ｒが形成された加熱用金属体１を誘導加熱することによって前記内部流路Ｒを流れる流体を加熱するものである。

なお、この流体加熱装置は、流体として水を加熱するものであり、当該水を加熱用金属体１で加熱して、１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱蒸気を発生する過熱蒸気発生装置として用いられるが、加熱温度や加熱対象流体がこれに限られるものでない。例えば、外部で生成された飽和水蒸気を加熱用金属体１で加熱して、過熱蒸気を発生するものであっても良い。

また、前記加熱用金属体１を誘導加熱する機構は、図示しないが、鉄心と、当該鉄心に沿って巻回された一次コイルとからなる。この誘導加熱機構の一次コイルの外周又は内周又は一次コイル間に、当該一次コイルに沿って前記加熱用金属体１が設けられる。

しかして、加熱用金属体１は、複数の金属要素２、３を重ねて形成されたものであり、当該複数の金属要素２、３の対向面の間に内部流路Ｒが形成されている、この加熱用金属体１には、前記内部流路Ｒに流体を供給するための外部配管が接続される導入ポートＰ１が形成されるとともに、加熱された流体を外部に導出するための外部配管が接続される導出ポートＰ２が形成されている。

具体的に前記加熱用金属体１は、円筒状をなす第１の金属要素２と、当該第１の金属要素２に挿入して設けられた円筒状をなす第２の金属要素３とを備えており、当該第１の金属要素２の内面及び第２の金属要素３の外面とにより前記内部流路Ｒが形成される。本実施形態の内部流路Ｒは、前記加熱用金属体１の一端部から他端部に亘って形成された螺旋状をなすものである。内部流路Ｒの一端部には、前記導入ポートＰ１が連通しており、内部流路Ｒの他端部には、前記導出ポートＰ２が連通している。つまり、前記導入ポートＰ１は加熱用金属体１の第１の金属要素２の軸方向一端部に設けられており、前記導出ポートＰ２は加熱用金属体１の第１の金属要素２の軸方向他端部に設けられている。

より詳細には、前記第１の金属要素２は、加熱用金属体１の外径側部分を形成する例えばＳＵＳ３０６Ｌ等の金属薄板（例えば厚さ２ｍｍ）製の円筒体である。この第１の金属要素２には、前記螺旋状の内部流路Ｒを形成するために、その内面に径方向外側に向かって凹んだ螺旋状の凹溝２１が形成されている。この螺旋状の凹溝２１を形成するために第１の金属要素２は変形加工が施されている。この変形加工としては、例えば、水圧等の液圧によって変形させるバルジ加工（ハイドロフォーミング）や、螺旋状の凹部又は凸部が形成された型に沿って駒（ローラ）等によって加圧変形させる加工等が考えられる。

また、第２の金属要素３は、加熱用金属体１の内径側部分を形成する例えばＳＵＳ３０６Ｌ等の金属薄板（例えば厚さ２ｍｍ）製の円筒体である。この第２の金属要素３には、前記螺旋状の内部流路Ｒを形成するために、その外面に径方向内側に向かって凹んだ螺旋状の凹溝３１が形成されている。この第２の金属要素３の螺旋状の凹溝３１は、前記第１の金属要素２の螺旋状の凹溝２１に対応するように同一高さに同一ピッチで形成されている。この変形加工としては、水圧等の液圧によって変形させるバルジ加工（ハイドロフォーミング）や、螺旋状の凹部又は凸部が形成された型に沿って駒（ローラ）等によって加圧変形させる加工等が考えられる。さらに、第２の金属要素３の外径寸法は、前記第１の金属要素２の内径寸法と略同一であり、第２の金属要素３は、圧入、焼きばめ又は冷やしばめ等によって、第１の金属要素２に挿入して設けられる。

そして、第１の金属要素２及び第２の金属要素３の軸方向両端部（加熱用金属体１の軸方向両端部１ａ、１ｂ）のみに、流体漏れ防止用のシール加工が施されている。このシール加工としては、例えば溶接が考えられる。

この構成により、加熱用金属体１の軸方向両端部１ａ、１ｂは液密にシールされるが、第１の金属要素２の凹溝２１間の内面と、第２の金属要素３の凹溝３１間の外面とが面接触する（図２の部分拡大図参照）。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した流体加熱装置によれば、加熱用金属体１が複数の金属要素（第１の金属要素２及び第２の金属要素３）を重ねて形成し、それらの金属要素２、３の間に内部流路Ｒが形成されているので、金属要素２，３が持つ柔軟性により、誘導加熱による熱変形に耐える構造とすることができる。これにより、熱変形による破損等の可能性が小さい流体加熱装置を提供することができる。

加熱用金属体１が円筒状であるので、変圧器の脚鉄心を第１の金属要素２の内側に配置する構成によって、加熱用金属体１を誘導加熱することができる。このとき、加熱用金属体１の内径側部分を単一部材（第１の金属要素２）から形成されているので、熱変形に強い構造とすることができる。

また、内部流路Ｒが螺旋状をなすものであり、誘導加熱された金属要素２、３との接触面積を大きくするとともに、流体流速を速くすることができ、熱交換効率を向上させることができる。また、第１の金属要素２及び第２の金属要素３に螺旋状の凹溝２１、３１が形成されることになるため、金属要素２、３の機械的強度を向上させることができる。

さらに、第１の金属要素２及び第２の金属要素３の軸方向両端部のみに、流体漏れ防止用のシール加工が施されているので、第１の金属要素２及び第２の金属要素３の熱膨張差による変形差を機械的に吸収することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、第１の金属要素及び第２の金属要素の両方に凹溝が形成されたものであったが、何れか一方に凹溝を形成するものであっても良い。例えば、図３及び図４に示すように、第１の金属要素２を、前記実施形態と同様に螺旋状の凹溝２１を形成したものとし、第２の金属要素３を、変形加工を施していない等断面形状の円筒体としても良い。このような構成により、第１の金属要素２のみに螺旋状の凹溝２を形成すればよく、第２の金属要素３に変形加工を施す必要がないため、加工工数及び加工コストの低減、変形金型の簡易化が可能となる。なお、第２の金属要素を、前記実施形態と同様に螺旋状の凹溝を形成したものとし、第１の金属要素を変形加工を施していない等断面形状の円筒体としても良い。

また、前記実施形態では、加熱用金属体１の軸方向両端部１ａ、１ｂのみを溶接等によりシール加工しているが、内部流路の間における第１の金属要素及び第２の金属要素の面接触部分をスポット溶接等により溶接しても良い。

さらに、第１の金属要素及び第２の金属要素を互いに異なる板厚又は材質で構成しても良い。これならば、それぞれの金属要素の電気抵抗値や機械的強度を調整した構造にすることができる。例えば、変形加工を施した金属要素は機械的強度が増すことになるので、板厚を薄く設定することができる。また、内径側の金属要素は外径側の金属要素よりも周長が短く電気抵抗値が小さくなるので、内径側の金属要素を薄くしたり、固有抵抗が高い材質にすることで、外周側の金属要素と同等の温度上昇値にすることができる。

その上、前記実施形態では金属要素が薄板要素であったが、金属要素が所定の肉厚（例えば２０ｍｍ）を有する厚板要素であっても良い。この場合、図５に示すように、例えばＳＵＳ３０６Ｌ等の円筒体である第２の金属要素３の外面に螺旋状の凹溝加工を施して、その外側に、例えばＳＵＳ３０６Ｌ等の円筒体である第１の金属要素２を焼きばめや冷やしばめ等により嵌入して構成しても良い。なお、前記凹溝加工としては、例えば切削加工等の機械加工である。そして、第１の金属要素２及び第２の金属要素３の軸方向両端部（加熱用金属体１の軸方向両端部１ａ、１ｂ）のみに、流体漏れ防止用のシール加工（例えば溶接）を施す。なお、第２の金属要素３だけでなく、前記実施形態のように、第１の金属要素２の内面に、第２の金属要素３の螺旋状の凹溝３１に対応するように同一高さに同一ピッチで凹溝加工を施しても良い。また、第１の金属要素２の内面のみに凹溝加工を施しても良い。

さらに、前記実施形態では、第１の金属要素及び第２の金属要素からなる２つの金属要素から加熱用金属体が構成されているが、３つ以上の金属要素を多重に重ねて形成したものであっても良い。例えば、円筒状をなす第１の金属要素と、当該第１の金属要素に挿入して設けられた円筒状をなす第２の金属要素と、当該第２の金属要素に挿入して設けられた円筒状をなす第３の金属要素とを備え、中央の金属要素（第２の金属要素）の内面及び外面に溝加工を施すことにより、内部流路が前記第２の金属要素の内側及び外側の両方に形成されるものであっても良い。あるいは、前記第１の金属要素の内面に溝加工を施すとともに、前記第３の金属要素の外面に溝加工を施すころにより、内部流路が前記第２の金属要素の内側及び外側の両方に形成されるものであっても良い。

加えて、流体加熱装置として、２つ以上の加熱用金属体を有するものであっても良い。この場合、１つ目の加熱用金属体により、水を加熱して飽和水蒸気を生成する飽和水蒸気生成部を構成し、２つ目の加熱用金属体により、前記飽和水蒸気生成部から飽和水蒸気を受け取り、当該飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部を構成することが考えられる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１・・・加熱用金属体
Ｒ・・・内部流路
２・・・第１の金属要素
２１・・・凹溝
３・・・第２の金属要素
３１・・・凹溝

Claims (6)

1. 流体が流れる内部流路が形成された加熱用金属体を誘導加熱することによって前記内部流路を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、
   前記加熱用金属体が、円筒状をなす第１の金属要素と、当該第１の金属要素の内部に設けられた円筒状をなす第２の金属要素とを備え、
   前記内部流路が、前記第１の金属要素の内面及び前記第２の金属要素の外面により形成されており、
   前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素は金属薄板製のものであり、前記第１の金属要素又は前記第２の金属要素の少なくとも一方に前記内部流路を形成するための凹溝が加圧変形により形成されており、
   前記第２の金属要素が前記第１の金属要素よりも薄く構成され、又は、前記第２の金属要素が前記第１の金属要素よりも固有抵抗が高い材質で構成されている、流体加熱装置。
2. 前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素が、前記内部流路が螺旋状となるように加工されている請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素の一方が、前記内部流路が螺旋状となるように加工されている請求項１記載の流体加熱装置。
4. 前記第１の金属要素及び前記第２の金属要素の軸方向両端部のみに、流体漏れ防止用のシール加工が施されている請求項２又は３記載の流体加熱装置。
5. 前記加熱用金属体により飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生するものである請求項１乃至４の何れか一項に記載の流体加熱装置。
6. 前記加熱用金属体を２つ有し、
   前記加熱用金属体の一方が、水を加熱して飽和水蒸気を生成する飽和水蒸気生成部となり、
   前記加熱用金属体の他方が、前記飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成部となる請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体加熱装置。