JPH02187561A - 誘導発熱流体加熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、誘導発熱原理を利用した流体加熱器に関する
。さらに詳しくは、比較的小型で正確な温度設定が可能
な連続的流体加熱器に関する。

し従来の技術］ 発電所や工場などでは、蒸気や温水の熱源には石油、石
炭、天然ガスなどを燃焼させ、熱効率のよい使用方法が
行なわれている。

これに対し小型小容量のものは、簡便さから電気抵抗ヒ
ーターを熱源に使用しているものが多い。

すなわちバイオ関連装置、食品関係の製造装置や、ある
種の検査装置などには一定の温度の水（湯）が必要であ
り、このような水の加熱装置としては電気抵抗ヒーター
を熱源に使用し、大きなバッハタンクに湯を貯め、一定
の温度に保つことが一般的に行なわれている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら水中に電気抵抗ヒーターを入れると、熱源
の近くでは水の沸騰点の１００℃よりはるかに高い温度
で加熱されるので、十分な境界面伝熱表面積を持たない
ヒーターを使用すると様々な障害が発生する。すなわち
、下記のような問題点があった。

■　１ｃｍ２当り２Ｗ以下の電流値（１ワツトあたり０
．５ｄ以下）にしないと水への伝熱が低下し、中に入っ
ているヒーターエレメントが切れてしまう。

■　ヒーターにかかる電圧が２００ｖ〜４００ｖあるの
で、十分な絶縁をしないければならない。

この電気絶縁物が、逆に温度の断熱材となるので、水へ
の伝熱が阻害されていた。第８図Ａ、Ｈには従来の電気
抵抗ヒーターの代表的な例を示す。

水の伝熱が悪くなると、ヒーターの表面温度が上がり、
水の分子がヒーターの表面に触れたとき、水蒸気爆発を
起こし、いわゆる「騰屈」現象になる。このような「騰
屈」現象は危険であるばかりでなく、熱効率は極端に低
下するという基本的な問題が発生する。

そのうえ電気抵抗ヒーターは、水との温度差があまりに
大きいため、水の中に含まれている無機や有機の成分が
ヒーターの表面に吸着堆積し、これが断熱材の働きをす
るので、伝熱性が低下し、水の沸き方が悪くなると同時
にヒーターの放熱も悪くなるので、遂にはヒーターが断
線してしまう事故につながる。この事故を避けるため水
用のヒターは表面積を多く取らせ、水槽に一杯入れてあ
り、ヒーター交換の繁雑さと、信頼性の点で従来から問
題になっていた。また水垢などが付着することによる洗
浄の手間が大きいという問題点も有していた。

さらに基本的に改良できない問題は、電力値−設定温度
カーブのしきい値が急激で、設定温度のコントロールが
簡単にはできなかった。加えて湯の正確な温度コントロ
ールを行なうには大きなバッハタンクが必要で小型化で
きななかった。

上記従来技術の問題点を解決するため、本発明の第１の
目的は、低電圧−大電流の短絡変圧器を応用した電気誘
導加熱方式を利用し、水と接触する面積、すなわち加熱
面積を大きくして、水との温度差を小さくすることによ
り、信頼性、耐久性がよく、長期安定した加熱ができる
装置を提供することである。第２の目的は、電力値−設
定温度カーブのしきい値が緩やかで、設定温度のコント
ロールが簡単にでき、大きなバッハタンクを必要としな
いコンパクトな加熱装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は下記の構成からなる
。

［（１）　　鉄心に誘導コイルを巻き付け、その周囲に
金属製パイプを設け、該金属製パイプの外側に加熱すべ
き流体が通過するジャケット部を設け、該ジャケット部
に流体の入口と出口を設け、前記コイルに交流電流を通
電し得る構成としたことを特徴とする誘導発熱流体加熱
器。

（２）　　ジャケット部の流体の入口側に下部センサ、
出口側に上部センサーを設け、これらの各々の温度信号
と、導入流体の流量検出信号を電力制御器に導き、入口
と出口の温度差と流体の流量の積により供給電力を制御
する構成とした請求項第１項の誘導流体加熱器。

（３）　　金属製パイプの表面積が、１ｃ＋＋ｆ当たり
３ワツト以上である請求項第１項の誘導流体加熱器。

（４）　　交流電流が５０〜６０Ｈｚの商用周波数であ
る請求項第１項の誘導発熱熱交換器。」以下図面を用い
て説明する。第１図は本発明の１実施態様を示す図であ
る。第１図Ａ、Ｂは単相の例、第１図ＣＸＤは３相を用
いた例である。まず鉄心１に誘導コイル２を巻き付け、
その周囲に金属製パイプ３を設け、該金属製パイプ３の
外側に加熱すべき流体が通過するジャケット部４を設け
、該ジャケット部４に流体の入口５と出口６を設け、前
記コイル２に交流電流を通電する誘導発熱流体加熱器で
ある。第１図では鉄心、コイル、パイプは縦型としたが
、横型であってもよい。

次に本発明の発熱原理を第２図を用いて説明する。第２
図Ａは変圧器の原理を示す図である。すなわちコイルを
１００回巻いた１次側に１００Ｖ、１０Ａの交流（５０
Ｈｘまたは６０Ｈりの電流を流すと、コイルを１００回
巻いた２次側には理論的ニハ、１００Ｖ、ｌ０Ａ（７）
交流（５０Ｈｚまたは６０　Ｈｚ）の電流が逆向きに付
加電流として流れる。

次に第２図Ｂのように２次側のコイルを１回巻きにして
同様に１次側に交流電流を′流すと、２次側にはＩＶ、
１００ＯＡの誘導電流が逆向きに流れる。すなわち低電
圧大電流の短絡変圧器が達成できる。本発明は１次側に
誘導コイルを、２次側に金属パイプを配置し、前記した
低電圧大電流の短絡変圧器の原理を応用したものである
。本発明の２次側の金属パイプは、導電性を有する金属
であればいかなるものであってもよい。たとえば銅製、
鋼製などである。第２図Ｂに示すとおり、金属パイプ（
たとえば銅パイプ）に流れる電流は高いので、加熱する
には極めて有効である。すなわち大電流の交流電流が流
れることにより、短絡電流によるジュール熱が発生し、
これが発熱に有効であると考えられているからである。

この意味から加熱にとって電圧は有効ではない。したが
って本発明においては、電力のうち真に加熱に有効な大
電流を取り出したことに意義がある。また２次側の銅パ
イプには極めて低い電圧が流れるが、これは人体が接触
しても感電しない程度であるので、安全性も極めて高い
。加えて本発明の原理によれば、加熱面積は必然的に大
きくなる。コイルの外側に金属製パイプを配置させるか
らである。金属製パイプの表面積は、ｌＣｉ当り３ワッ
ト以上であることが好ましく、１ｃｒｌ当り４ワット以
上であることがとくに好ましい。

第３図は本発明の加熱部のモデルを示したものである。

鉄心１に誘導コイル２を巻き、その周囲に金属パイプ（
加熱パイプ）３を配置させたものである。誘導コイルに
商用周波数の電流を流し、加熱パイプ３は加熱されるの
で、このパイプの外側に流体を流せば加熱パイプから熱
を奪い流体が加熱される。また切電すれば即時加熱パイ
プが水で冷却されて加熱がただちに止まる。

本発明において流体とは、液体、気体を問わないが、好
ましくは液体であり、特に好ましくは水である。水の沸
点（約１００℃）以下での加熱に適しているからである
。

なお第２図、第３図において、変圧器の１次側の巻線を
、冷却と絶縁を兼ねて、耐熱樹脂モールドで真空充填を
行ってもよい。

第４図は本発明の別の実施態様の断面図である。

外套部（ハウジング部）の内部に、鉄心１に誘導コイル
２を巻き、その周囲に金属パイプ（加熱パイプ）３を配
置させた加熱部を入れ、ジャケット部４に流体を流す構
成としている。加熱部を密に入れた態様である。このよ
うな実施態様であっても、外套部（ハウジング部）を抜
けば掃除は簡単にできるので、食品関係の温水加熱には
衛生上極めて有効である。

第５図はジャケット部の流体の入口側に下部センサー８
、出口側に上部センサー９を設けた例である。これらの
各々の温度信号と、導入流体の流量検出信号を第６図、
第７図に示すように電力制御器に導き、入口と出口の温
度差と流体の流量の積により供給電力を制御する。すな
わち設定温度に対してどのくらいのＫｅｅｌが不足かを
演算させ、不足分の電力を電圧で制御するのである。以
上のような制御系において、演算回路でＫｃａｌ　＝Ｋ
ｗを瞬時に求め１次側の電圧を制御することにより、精
度の高い温度の流体が得られる。ここで流量検出信号は
、たとえばポンプを用いた場合はポンプの回転数などの
流量検出信号であり、流量計を用いた場合はこの流量検
出信号などである。本発明においては、ＫｗとＫｃａｌ
が直線関係にあるので、制御がきわめて容易である。

この制御系を抵抗ヒーターに応用したとすれば、電力の
供給にヒーターが反応して温度が上がるとき、水は既に
通り過ぎていることになり、逆に電圧を下げてもヒータ
ーの余熱で水温がなかなか冷めず、制御の幅が太き（て
実用性は困難である。

本発明において使用する電力は、交流電流であって５０
〜６０Ｈｚの商用周波数である。経済的に最も安価で使
い易いからである。

［実施例］ 以下実施例を用いて詳細に説明する。なお本発明は実施
例に限定されるものではない。

実施例１ 第４図、第５図に示すように、鉄心にコイルを巻き、耐
熱樹脂モールドで真空充填を行い、その回りに銅パイプ
を配置した。銅パイプの太さは直径９０ｍｍ、長さ２６
０ｍｍのものをジャケット内に３本配置した。金属製パ
イプの表面積は、１−当たり約４．５Ｗ、すなわち４．
５Ｗ／ａｔとした。そして毎分２０リツトルの水を流し
つつ、コイルｌ：２００Ｖ、２５Ａ、６０Ｈｒの交流電
力を通電したところ、６５℃±１℃の温水を連続的に流
出させることができた。なお前記において銅パイプには
約１００００Ａ、０．５Ｖの電力が流れていた。

実施例２ 第６図第７図に示すように、実施例１にセンサーと制御
系を配置した加熱装置を作った。この装置に毎分１５リ
ツトルの水を流し、流出水の温度を６５℃±１℃に設定
した。この結果導入水の温度が変動したり、定量ポンプ
の水量や水温が変動しても、設定温度の温水が長期化安
定して得られた。さらに装置内の洗浄も容易であった。

［発明の効果］ 本発明は、低電圧−大電流の短絡変圧器を応用した電気
誘導加熱方式を利用し、水と接触する面積、すなわち加
熱面積を大きくして、水との温度差を小さくすることに
より、信頼性、耐久性がよく、長期安定した加熱ができ
る装置を提供することができた。さらに電力値−設定温
度カーブのしきい値が緩やかで、設定温度のコントロー
ルが簡単にでき、大きなバッハタンクを必要としないコ
ンパクトな加熱装置を提供することができた。加えて装
置内の洗浄が容易で、衛生性に優れた装置とすることが
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施態様を示す図である。 第２〜３図は本発明の詳細な説明する図である。 第４〜７図は本発明の別の実施態様を示す図である。第
８図は従来の技術である。 １：鉄心　　　　　２：誘導コイル ３：金属製パイプ　４：ジャケット部 ５：流体の入口 ア・ポンプ ９：上部センサー ６：流体の出口 ８：下部センサ （＾） 変圧器 １１８図 （Ｂ） 本発明の原理 第２図 第３図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄心に誘導コイルを巻き付け、その周囲に金属製
   パイプを設け、該金属製パイプの外側に加熱すべき流体
   が通過するジャケット部を設け、該ジャケット部に流体
   の入口と出口を設け、前記コイルに交流電流を通電し得
   る構成としたことを特徴とする誘導発熱流体加熱器。
2. （２）ジャケット部の流体の入口側に下部センサー、出
   口側に上部センサーを設け、これらの各々の温度信号と
   、導入流体の流量検出信号を電力制御器に導き、入口と
   出口の温度差と流体の流量の積により供給電力を制御す
   る構成とした請求項第１項の誘導流体加熱器。
3. （３）金属製パイプの表面積が、１ｃｍ＾２当たり３ワ
   ット以上である請求項第１項の誘導流体加熱器。
4. （４）交流電流が５０〜６０Ｈｚの商用周波数である請
   求項第１項の誘導発熱熱交換器。