JP6463056B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体加熱装置に関するものである。

従来、ハロゲンランプなどの近赤外線を放射する近赤外線放射ランプによって、気体を加熱することが、特許文献１や２で提案されている。ハロゲンランプは、近赤外光にピークをもち、可視光から近赤外光まで連続した放射ができるものであり、近赤外線放射ランプの代表例として知られている。

特許文献１は、石英管内にハロゲンランプなどの近赤外線放射ランプを配置して、石英管内に通される気体を近赤外線により、直接加熱する。
特許文献２は、近赤外線放射ランプが金属加熱に有利である特性を活かして、所定方向に流れる空気などの流体を加熱するための加熱装置である。この装置は、近赤外線を放射する近赤外線放射手段であって、前記流体の流れの中に配置される近赤外線照射手段と、前記流体の流れの中に配置され、前記近赤外線を受光して加熱され、外部を流れる前記流体に対して、加熱により発生した熱を供給する被加熱手段とを備える。この被加熱手段としては、板状の被加熱板が複数採用される。前記流体の流れに交わる方向に、これらの複数の前記被加熱板が層状に配置され、層状に配置された前記被加熱板を貫通するように配置される連結管を有する。そして、前記流体の流れを形成する流体流形成手段を備えるものであり、この流体流形成手段は、前記近赤外線放射手段に対して前記流れの下流に位置する前記被加熱手段よりもさらに下流に配置されるものである。この特許文献２では、流体を上記構成によって加熱するものであるが、流体として液体を加熱することを想定しておらず、前記流体を液体に置き換えても、良好な加熱が困難である。

特開平８−３５７２４号公報 登録実用新案第３１７４４５８号公報

本発明は、近赤外線放射ランプによって液体を加熱するのに適した構造を備えた流体加熱装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、液体の加熱と共に、別経路から流される気体をも同時に加熱することができる流体加熱装置を提供することを課題とする。

本発明は、近赤外線を放射する近赤外線放射ランプを用いて流体を加熱する流体加熱装置において、前記近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製加熱部と、前記金属製加熱部の管内に構成された流路とを備え、前記流路内に前記流体として液体を通し、
前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線によって前記金属製加熱部を加熱し、前記金属製加熱部の加熱によって、前記液体を加熱することを特徴とする流体加熱装置を提供することによって、上記の課題を解決する。

前記金属製加熱部は、複数の管部と、これらの管部を繋ぐ接続管部とを備え、前記複数の管部は、前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線の進行方向に対して交わる方向に伸びるように配置され、複数の前記管部が前記接続管部によって繋がれることによって、前記流路が連続しているものとすることができる。これによって、前記流路の一端から液体を流すことによって、液体は複数の前記管部内にて効率的に加熱される。

前記近赤外線放射ランプは一方向に伸びるものであり、前記金属製加熱部は、前記近赤外線放射ランプを挟んで両側に配置され、前記金属製加熱部のそれぞれの前記管部は、前記近赤外線放射ランプの伸びる方向と略平行に配置されているものとすることも可能である。これによって、前記近赤外線放射ランプから放出される近赤外線によって、両側の金属製加熱部を同時に加熱することができ、加熱の効率を高めることができる。

また、前記管部のうち少なくとも１本が、より望ましくはその全てが、その外周に受光板兼反射板となる受光兼反射部を備えることが望ましい。前記受光兼反射部は、前記管部の軸方向に複数が互いに間隔を置いて配置され、前記受光兼反射部は、前記前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線により加熱されると共に、前記近赤外線を反射して、前記間隔を置いて配置された他の受光兼反射部又は前記管部の外周に当てることによって、効率的に前記近赤外線を加熱のために用いることができる。

前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線が前記受光兼反射部に当たると、前記受光兼反射部の当該部分を加熱すると共に、当該部分で反射された近赤外線が、隣り合う前記受光兼反射部に再度当たる。そして、この再度当たった前記受光兼反射部の当該部分を加熱すると共に、当該部分で反射された近赤外線が前記管部の外周にあって当該部分を加熱するというように、効率的に前記近赤外線を加熱のために用いることができる。

また、前記受光兼反射部は、スパイラル状に前記管部の外周に設けられた板状体とすることによって、前記近赤外線を前記管部の外周より広い面積の受光兼反射部の略全体で受けることができる。
また、前記管部の伸びる方向と交わる方向に気体を流すことによって、前記液体と前記気体とを共に加熱することも可能である。

本発明は、近赤外線放射ランプによって液体を加熱するのに適した構造を備えた流体加熱装置を提供することができたものである。
また、本発明は、液体の加熱と共に、別経路から流される気体をも同時に加熱することができる流体加熱装置を提供することができたものである。

本発明の実施の形態に係る流体加熱装置の正面図 同流体加熱装置の中央縦要部断面図 同流体加熱装置の管部の軸方向に沿う要部縦断面図

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（概要）
この実施の形態に係る流体加熱装置は、水等の液体を加熱することを主目的とする流体加熱装置であり、近赤外線を放射する近赤外線放射ランプ２１を加熱用のエネルギー源とする。

この流体加熱装置は、図１に示すように、架台１１の下部１２に配置されたファン１７と、架台１１の上部１３に配置されたケーシング１４とを備えており、ケーシング１４内に近赤外線放射ランプ２１と金属製加熱部３１とが配置されている。なお、本発明においては、近赤外線放射ランプ２１及び金属製加熱部３１が重要であるため、図１ではこれらを実線で示し、架台１１の上部１３とケーシング１４とは２点鎖線で示した。

（近赤外線放射ランプ２１）
近赤外線放射ランプ２１は、ハロゲンランプに代表される近赤外線を発生させるランプが用いられる。この例では、円筒形状などのガラス管を備え、その内部に赤外線を発光するフィラメントが挿通されている。ハロゲンランプは、放射する光の大部分が近赤外線領域にピーク波長を有する赤外線であり、近赤外線放射ランプ２１に適するものであるが、他のヒータやランプに変更して実施することもできる。

この例では、発光部が直線状のものが採用され、この線状ランプの長手方向が前後方向に伸びるように配置されている。この近赤外線放射ランプ２１は、複数本が左右方向に配列されている（図１参照）。この例では等間隔に配列されているが、これに限るものではない。
近赤外線放射ランプ２１の両端は、図２に示すように、ケーシング１４の左右の壁を貫き、その外側にてソケット状支持部２２によって支持され電源（図示せず）に配線されている。

（金属製加熱部３１）
金属製加熱部３１は、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線を受け得る範囲に配置されたもので、ステンレスなどの金属製の管部３２を複数本備え、その内部が水などの被加熱用の液体の流路３６を構成する。この管部３２は、近赤外線の照射により、分子・原子間に摩擦熱が発生して発熱するものであり、これにより管部３２が加熱される。

この管部３２内の流路は必要な量の液体を加熱するために適する流路面積を備えており、例えば30〜50ｍｍの直径を備えたものを用いる。この流路面積の決定は、管部３２の発熱量、液体の流速、流路３６の全長、液体に求められる加熱温度などに基づき、設定することができる。また、この例では、均一な流路面積を備えたものを用いたが、不均一な流路面積を有するものを採用したり、複数の管部３２について異なる径のものを採用することもできる。

（管部３２と近赤外線放射ランプ２１との配置）
管部３２は、その長手方向が左右方向に伸びるように配置されており、この左右方向に伸びる管部３２が複数本、前後方向に配列されている。従って、平面視において、管部３２は先の近赤外線放射ランプ２１と直交するように配列されている。管部３２と近赤外線放射ランプ２１が交わる方向に配置されることによって、管部３２を均一に加熱するように設計することが容易となる。平面視において、管部３２と近赤外線放射ランプ２１とを平行に配置した場合、両者のピッチなどをうまく設定しなければ、設計者の意図するように近赤外線の放射元とこれにより加熱される対象物との関係を実現できない場合が生じる。具体的には、例えば、個々の管部３２を均等に加熱すると共に全ての管部３２を均等に加熱するとの目的で、近赤外線放射ランプ２１を等間隔に配置し、そのピッチよりも大きなピッチで管部３２を等間隔で配置する設計を行う場合、近赤外線放射ランプ２１と管部３２とを平行に配置すると、両者のピッチによっては、管部３２と近赤外線放射ランプ２１との距離が、管部３２間で不均一となる場合がある。これに対して、近赤外線放射ランプ２１と管部３２とを交差させて配置すると、両者のピッチとは無関係に、管部３２と近赤外線放射ランプ２１との距離が、管部３２間で均一となる。上記の例では近赤外線放射ランプ２１と金属製加熱部３１とを等間隔に配列したものを示したが、勿論これに限るものではなく、近赤外線放射ランプ２１と管部３２との少なくとも何れか一方を等間隔に配置せずに、設計者の意図する加熱のバランスを実現するようにしてもよい。

近赤外線放射ランプ２１は、上下均等に近赤外線を放出するため、管部３２も近赤外線放射ランプ２１の上下両側に配置されている。また、近赤外線放射ランプ２１の上下両側のそれぞれおいて、複数段（図では上下２段）に配置して、近赤外線放射ランプ２１に近い側の段の管部３２同士の間に、近赤外線放射ランプ２１に遠い側の段の管部３２を配置することによって、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線がどの管部３２にも当たらずに通過してしまうことを抑制している。具体的には、図２に示すように、近赤外線放射ランプ２１の下側では下段に２本・上段に３本、近赤外線放射ランプ２１の上側では下段に３本・上段に２本が配置されているが、各段における管部３２の数や径などは適宜変更して実施することができる。

（管部３２同士の接続）
上記のように複数本の管部３２を用いる場合、これらは、接続管部３３で接続することによって、連続した流路３６を形成するようにすることができる。具体的には、近赤外線放射ランプ２１の下側の下段の１本の管部３２の一端（図１では右端）を流入口３４として、その左端と、隣り合う下段の管部３２の左端とを横Ｕ字状の接続管部３３で接続し、その管部３２の右端と、さらに隣り合う下段の管部３２の右端とを横Ｕ字状の接続管部３３で接続する。そして、その管部３２の左端と、上段の管部３２の左端とを縦Ｕ字状の接続管部３３で接続する。このように、各段について横方向に配列された管部３２同士を接続すると共に、その上下の段についても順次接続して、近赤外線放射ランプ２１の上側の上段の１本の管部３２の一端を流出口３５としている。流入口３４と流出口３５との少なくとも何れか一方には、ポンプ等の液体加圧装置（図示せず）を配置して、水などの液体を管部３２内の管部３２に流入させ、順次下方から上方に流して、近赤外線放射ランプ２１で発熱する管部３２によって熱交換により加熱し、加熱済みの液体を流出口３５から流出させる。

液体を流す方向は下方から上方としているが、逆方向であってもよい。また管部３２の配列構成を変更して、横方向としてもよいが、加熱された液体は上昇するため、下から上に流すのが最も自然な液体の流れとなる。
なお、上記の例では、全ての管部３２を直列に接続しているが、一部又は全部を並列に接続することもできる。

（受光兼反射部３７）
金属製加熱部３１の管部３２は単なる管状のものであってもよいが、この例では、その外周に受光兼反射部３７が設けられている。図1では管部３２のみを図示しており、図２及び図３では管部３２が外周に受光兼反射部３７を設けた例を図示している。

この受光兼反射部３７は、管部３２の外周にスパイラル状に設けられたステンレス等の金属製板状体である。受光兼反射部３７は、スパイラル状であるため連続するものであるが、図３の断面図に示すように、管部３２の軸方向に複数の山が互いに間隔を置いて配置されることになる。これらの管部３２は、管部３２の軸方向に沿う断面において、管部３２の外周面と直交する断面を有するものである。

図３では、管部３２の上に近赤外線放射ランプ２１（図３では図示せず）が配置された状態で、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線を矢印で示した。管部３２の径方向から照射される近赤外線は、管部３２に直接当たって管部３２を発熱させる。管部３２の径方向に近い角度を有して照射される近赤外線は、まず受光兼反射部３７に当たって受光兼反射部３７を発熱させる。この赤外線は、受光兼反射部３７にて反射し、管部３２に当たって管部３２を発熱させる。さらに、管部３２の軸方向に近い角度を有して照射される近赤外線は、まず受光兼反射部３７に当たって受光兼反射部３７を発熱させ、これに隣り合う受光兼反射部３７との間で反射と加熱を繰り返して、管部３２に到達するか或いは当たらずに下方に通過する。

このように、受光兼反射部３７の構造や間隔や大きさなどは、種々変更して実施することができるが、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線を有効に活用するには、軸方向断面において、受光兼反射部３７を管部３２に直交させるか、直交に近い角度（70度以上）に配置することが望ましい。また、管部３２の軸方向断面における隣接する受光兼反射部３７間の間隔は、受光兼反射部３７の高さ（受光兼反射部３７先端と管部３２外周面との半径方向の距離）よりも小さいことが望ましい。受光兼反射部３７の高さは、管部３２の外径の20〜150％が望ましく、より望ましくは50〜120％である。
また、受光兼反射部３７は、円盤状の板状体を複数個管部３２の軸方向に配列したものであってもよいが、スパイラル状に設けられた板状体とすることによって、近赤外線放射ランプ２１からの近赤外線を受ける面積を大きくすることができる。

（送風手段について）
上述の近赤外線放射ランプ２１及び金属製加熱部３１はケーシング１４内に配置されているが、ケーシング１４内の温度が高くなり過ぎないように、送風手段によってケーシング１４内に空気などの気体を流すことも好ましい。この例では、ケーシング１４の下端に給入口１５を設けて、ファン１７によって外部の空気をケーシング１４内に導入する。ケーシング１４の上端には排出口１６を設けて、金属製加熱部３１及び近赤外線放射ランプ２１の間を通過した空気を外部に流出させる。なお、給入口１５と排出口１６との何れにファン１７を配置してもよく、双方に配置することもできる。また、気体を流す方向は下方から上方としているが、逆方向であってもよく、横方向とてしもよいが、加熱された気体は上昇するため、下から上に流すのが最も自然な気体の流れとなる。
この空気などの気体は金属製加熱部３１によって加熱されるため、この加熱された空気を別途の用途に用いることによって、エネルギーの有効利用を図るようにしてもよい。

（まとめ）
本発明に係る流体加熱装置は、ハロゲンランプは入力に対する放射エネルギー効率は95％以上と言われ、板圧1.0ｍｍの高張力鋼板（裸材）に対してハロゲンランプによる近赤外線を照射した場合、1000℃昇温時間は約20秒とも言われる急速加熱が可能である。そのため、必要な時にのみ通電させて急速加熱による液体及び気体の加熱が可能であり、電力費の低減が可能となる。

１１ 架台
１２ 下部
１３ 上部
１４ ケーシング
１５ 給入口
１６ 排出口
１７ ファン
２１ 近赤外線放射ランプ
２２ ソケット状支持部
３１ 金属製加熱部
３２ 管部
３３ 接続管部
３４ 流入口
３５ 流出口
３６ 流路
３７ 受光兼反射部

Claims (7)

1. 近赤外線を放射する近赤外線放射ランプを用いて流体を加熱する流体加熱装置において、
   前記近赤外線放射ランプからの近赤外線を受け得る範囲に配置された金属製加熱部と、
   前記金属製加熱部の管部内に構成された流路とを備え、
   前記流路内に前記流体として液体を通し、
   前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線によって前記金属製加熱部を加熱し、
   前記金属製加熱部の加熱によって、前記液体を加熱するように構成され、
   前記金属製加熱部は、複数の前記管部と、これらの管部を繋ぐ接続管部とを備え、
   前記近赤外線放射ランプは、前後方向に伸びる線状ランプが複数本左右方向に配列されたものであり、
   前記金属製加熱部は、前記近赤外線放射ランプを挟んで上下両側に配置され、
   前記上下両側の前記金属製加熱部のそれぞれは、左右方向に伸びる前記管部が複数本前後方向に配列され、
   前記上側の前記金属製加熱部の全ての前記管部は、前記接続管部によって接続されることによって、前記流路が連続しており、
   前記下側の前記金属製加熱部の全ての前記管部は、前記接続管部によって接続されることによって、前記流路が連続しており、
   前記上下両側の前記金属製加熱部の前記流路同士が連続しており、
   前記下側の前記金属製加熱部の１本の前記管部が流入側とされ、前記上側の前記金属製加熱部の１本の前記管部が流出側とされたことを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記上下両側の前記金属製加熱部の少なくとも１本ずつの前記管部が、前記接続管部によって接続されていることを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記管部のうち少なくとも１本は、その外周に受光兼反射部を備え、
   前記受光兼反射部は、前記近赤外線放射ランプからの前記近赤外線により加熱されると共に、前記近赤外線を反射して、間隔を置いて配置された他の受光兼反射部又は前記管部の外周に当てるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体加熱装置。
4. 前記受光兼反射部は、前記管部の軸方向に複数が互いに間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項３記載の流体加熱装置。
5. 前記受光兼反射部は、前記管部の軸方向に沿う断面において、前記管部の外周と略直角であることを特徴とする請求項３又は４に記載の流体加熱装置。
6. 前記受光兼反射部は、スパイラル状に前記管部の外周に設けられた板状体であることを特徴とする請求項４又は５に記載の流体加熱装置。
7. 前記管部の外側に気体を流すことによって、前記液体と前記気体とを共に加熱することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の流体加熱装置。
   
   

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