JPH05322308A - オーミックヒータおよびその作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体加熱用オーミックヒータの漏れ電流を低
減させる。 【構成】 オーミックヒータは、使用時には、流体が、
それらの流路の間を軸方向に流れる、入口ポート１２お
よび出口ポート４を備えた容器２と、前記流れの軸のま
わりに隔離して配置され、かつ前記容器２内に収容され
た少なくとも２本の電極１と、前記各電極１に、前記軸
上の電位がアースに対して常に実質上零となるように電
力を供給する手段とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体に電流を流すこと
によって該流体を加熱するオーミックヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなタイプのヒータは、通常の従
来のヒータを汚したり、あるいは通常のヒータを受け付
けない（ｂｌｏｃｋする）流体を加熱するのに用いられ
る。

【０００３】電流が、縦方向すなわち流体の流れる方向
に流れるような装置が知られている。しかし、このよう
なシステムでは、流体が容器内部で均一に流れないため
に、流体の加熱が不均一になってしまう。

【０００４】また、電流が電極間を横方向に流れたり、
あるいは、電流が電極間を流体の流れと垂直方向に流れ
るトランスバーサルオーミックヒータも知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような装
置では、電流の一部が、例えばヒータへの、あるいはそ
こからの接続パイプの終端などの、装置内のアースされ
た部材に流れ込んでしまうことがある。これは洩れ電流
と呼ばれ、この電流が流れるパイプの終端部の電蝕や汚
染を、無視できない程度にまで増やしてしまうことがあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、使用時には、
流体が、それらの流路の間を軸方向に流れる、入口ポー
トおよび出口ポートを備えた容器と、前記流れの軸のま
わりに隔離して配置され、かつ前記容器内に収容された
少なくとも２本の電極と、前記軸上の電位がアースに対
して常に実質上零となるように、前記電極に電力を供給
する手段とを具備した、流体を加熱するためのオーミッ
クヒータを提供する。

【０００７】

【作用】この装置によれば、流れの軸に沿った流体はア
ース電位またはそれに近い電位に保たれるので、その結
果、パイプ終端部への洩れ電流を著しく減少させること
ができるという効果が達成される。

【０００８】容器は電気的に絶縁され、前記電極は容器
の壁に近接していることが望ましい。前記電極は流体の
流れの軸方向に平行に伸びるように配置でき、その場
合、電流密度が電極の長手方向において一様となるよう
に、流体の導電率は、流体の流れる方向である電極の長
手方向に対して比較的一定に保たれる。

【０００９】あるいは、前記各電極は、前記軸に対して
垂直な面内での相互の間隔が、前記流体の流れる方向の
軸に沿って離れるようにしても良い。このような構成に
よれば、電極間隔を広げることによって、温度による導
電性の直線的な増加を補償するので、長手方向の全体に
わたり、電流密度が一定に保たれる。

【００１０】

【実施例】図１、２は本発明の実施例を示しており、電
極１は、加熱されるべき流体の流れ方向に平行に設置さ
れる。

【００１１】容器２は３つの部分または部材、すなわち
円筒形の本体２ａ、上端板２ｂ、および下端板２ｃから
構成されている。上端板２ｂは、ボルトによって円筒形
本体２ａの上部フランジ３ｂに接続されるフランジ３ａ
を具備している。下端板２ｃは、同様にボルトによって
円筒形本体２ａの下部フランジ３ｃに接続されるフラン
ジ３ｄを具備している。３つの部分は、このように合体
されて水密容器２を構成する。

【００１２】容器２は、適当な電気絶縁材料によって形
成され、その肉厚は、例えば、加熱された流体が沸騰す
るあらゆる傾向によって、ヒータ内部に加えられ、ある
いは引き起される内部圧力に十分に耐える厚さになって
いる。

【００１３】上端板２ｂは、中心部に出口ポート４を具
備している。上端板２ｂの内表面は、円筒形本体２ａの
内径寸法から出口ポート４の内径寸法となるようなテー
パ状になっている。出口ポート４は、出口ポート４およ
び出力パイプ５の各フランジ６および７を相互に接続す
ることによって、出力パイプ５と接続されるように形成
されている。フランジ６内で出口ポート４を取り巻くよ
うに、金属製のガスケット９によって電気的にアースに
接続された保護リング８がある。

【００１４】上端板２ｂの上表面の周囲に適当な間隙を
おいて、３本の棒状電極１の上端部が、上端板２ｂを貫
通して容器２内から突き出ている。電極１および上端板
２ｂは、容器２からの流体の散逸を防ぐために、シール
部材１７によってシールされている。電極１は容器２の
軸に沿って平行に伸びており、その反対側は、下端板２
ｃの内表面に開けられた孔に埋め込まれている。作動時
には、電極１は配線１０によって３相電源（図示せず）
に電気的に接続される。電極１は等間隔で設置され、図
２に示したように、正三角形の頂点に設置されたものと
見ることができる。正三角形の中心は容器２の軸となっ
ており、それはまた、加熱されるべき流体が流れる軸に
もなっている。

【００１５】下端板２ｃは、上端板２ｂと似た形状であ
り、保護リング１３、金属製ガスケット１４、およびフ
ランジ１５を具備した入口ポート１２を有している。入
口ポート１２は、入口ポート１２および入力パイプ１１
の各フランジ１５および１６を相互に接続することによ
って、入力パイプ１１と接続される。

【００１６】作動時には、加熱される流体が入力パイプ
１１から供給され、容器２を介して出力パイプ５に流れ
る。流体の流れる方向は矢印で示されている。流体を一
様に加熱するためには、流体の導電率が、電極１の長手
方向において相対的に一様でなければならない。これ
は、加熱される流体として、導電率が広い温度範囲にわ
たって大きくは変化しない流体を選択するか、あるいは
導電率の変化が小さくなるように、流体の加熱温度範囲
を限定することによって達成される。

【００１７】流体が電極１を通過する間、電極１には３
相電源（図示せず）から給電される。 適当な電圧は４
１５Ｖである。容器２の軸に直角な方向での加熱領域の
いかなる平面部においても、加熱される流体の導電率が
実質上一定であると、３本の電極１は等間隔に保持され
ているので、これらの電極間の相間電流は等しくなる。
これによって、３相電源に所望の平衡相電流がもたらさ
れる。

【００１８】このような形状の大きな特徴は、仮に、上
記したように、これらの間に電流の平衡が保たれれば、
３本の電極１によって構成される正三角形の中心が、電
極１に供給される３相電圧の共通の電気的中性点電圧あ
るいはそれに非常に近い電圧に常に保たれるであろうと
いうことである。入力パイプ１１および出力パイプ５
は、容器２の各端部に、容器２と同軸状で、かつ３本の
電極１の中心点に設けられる。したがって、これらのパ
イプ５、１１の軸は、正味零ボルトあるいは相対的なア
ース電位になる。

【００１９】パイプ５、１１の軸がアース電位またはそ
の近傍に保たれるので、流体の温度を測定したり制御し
たりするための、従来のいかなる方法をも用いられるけ
れども、アースされた金属被覆（ｍｅｔａｌ−ｃｌａ
ｄ）熱電対は出口の流れの中で使用されることができ
る。

【００２０】本装置の大きさは、三角形状に配置された
電極１の相互の間隔が、入力パイプ１１および出力パイ
プ５の径よりも実質的に大きく、したがって、これらの
パイプ５、１１の外面の周壁に対応する電位は電極の電
位よりも非常に低いことは明らかであり、さらに、大き
さを適宜に設定すれば無視できる大きさにまで低減する
ことができる。したがって、その電圧が容器２の軸電位
値に相当する平均（ゼロ）レベルを中心として時間的に
正弦波状に変化するとき、各電極１から容器２の両端板
２ｂ、２ｃのそれぞれのパイプ５、１１に向っては、小
さい、あるいは無視できるほどの洩れ電流しか流れない
ように制限されることができる。

【００２１】実際に、このような洩れ電流は、たとえメ
インのオーミックヒータの電流に比較して非常に小さく
ても、その洩れ電流を流すパイプ１１、５に許容できな
い程ひどい電蝕や汚れを生じさせる。これらの洩れ電流
をさらに減少させるためには、パイプ１１、５端部の金
属部分あるいは導電部分が、電極１から適宜の間隔離れ
た、それぞれの端板２ｂ、２ｃに接続される。その結
果、この電気的な中性領域までの電流流路長が増加し、
それに応じて洩れ電流が減少する。

【００２２】さらに、ヒータの電極に用いられている材
質と同一材質のような、適宜の材質から成る保護リング
８、１３は、パイプ材が、いかなる電流からも、すなわ
ち保護リング８、１３に流れる全ての洩れ電流から完全
に絶縁あるいは遮断されるような方法で、パイプ５、１
１の各端部に取り付けられている。オーミックヒータの
３本の主電極１および個々の電極１と保護リング８、１
３との間の間隔に関する完全な相バランスが、オーミッ
クヒータの適宜の構造配置によって達成されるならば、
各電極１から容器２の各端部の保護リング８、１３への
いかなる洩れ電流も、最大振幅においては、他の電極１
からの洩れ電流のそれと正確に同じになることは理解さ
れるべきである。

【００２３】このような条件下において、（保護リング
８、１３に向かって）流れる電流の実際（ｎｅｔ）値は
零であり、ある電極１から流れ込む電流は、他の２本の
電極１に流れ出る電流の総量によって、いかなる瞬間に
おいても正確に平衡されることは、平衡３相システムに
おいては良く知られた特徴である。

【００２４】したがって、このような保護リング８、１
３をシステムの中性点に接続することは好ましい実際的
手法ではあるが、保護リング８、１３をアースやオーミ
ックヒータへの電流供給源の中性点に接続する絶対的な
必要性は全くない。そして安全性の点からは、保護リン
グとシステムの中性点を、共にオーミックヒータの主接
地点に接続することが望ましい。

【００２５】どのような状態であっても、もし金属パイ
プ接続が容器２にされようとするならば、これらはアー
スされることが要求される。そしてさらに、保護リング
８、１３はこれらのパイプおよびアースに電気的に接続
されるであろう。

【００２６】電極１および保護リング８、１３は、加熱
される流体の化学的あるいは電気化学的特性に適合した
適宜の材質によって構成される。一般的に、電流密度に
は、電極の電流流通領域を損傷したり、流体が電極表面
を分解し、さもなければ電極表面と反応してその表面に
汚染沈積物を生成したりし、これによって、オーミック
ヒータの機能に悪影響を及ぼすことなしに、ある特定の
電極材料あるいは作用流体が耐え得るであろう上限があ
る。オーミックヒータの寸法、特に電極１の相互間の間
隔、および電極１と保護リング８、１３との距離は、電
極と流体との組み合わせが耐え得るレベルに電流が制限
されるような方法によって選択される必要がある。工業
的に利用される広範な各種の流体に対して良好に作用す
る適宜の電極材質は、プラチナメッキされたチタンやグ
ラファイト（黒鉛）をベースとした各種の材質であるこ
とが発見された。

【００２７】普通の水道水のような、導電性を有する流
体にとって、オーミックヒータの構成部分の適当な大き
さは、電極の直径が約５０mm、各電極の中心間距離が１
００mmであろう。電極１は、おおむね直径２００mm、長
さ１０００mmのチューブ状の絶縁性ハウジング（容器）
内に納められてもよい。ヒータ端部までのパイプ５、１
１は直径２５mmのものが使用でき、洩れ電流を減らすた
めには、オーミックヒータの絶縁性端板２ｂ、２ｃ内に
約５０mm埋まっていなければならない。このようなオー
ミックヒータは、全体で数１０kwの平衡３相電力を要す
る。

【００２８】加熱される流体の導電率が、予定値よりも
高いことがわかっている時に、この種のヒータの電極間
を流れる電流を調整する適宜の方法は、各電極の規定の
長さを、丁度良い長さの熱収縮性あるいは他のぴったり
と整合した絶縁性チューブで覆うことであることがわか
った。各電極および被覆材料のいずれに対しても悪影響
を及ぼさないことは実験によって確認され、供給電源の
各相から流れる電流は、簡単かつ正確に調整される。こ
のような絶縁性チューブ４６は、図５に示したように、
各電極の上端部に設けることができる。

【００２９】加熱された流体から放出されたあらゆるガ
スが容器２の出口ポート４を通って簡単に排出されるよ
うに、オーミックヒータの容器２は、その垂直方向の軸
に沿って載置することが便利であることが解った。同様
に、容器２内に流入した固体状の微粒子は、容器チャン
バの下端部に向って落ち、４１５Ｖの各電極１から離さ
れる傾向にあるので、そのような微粒子が、装置内に加
熱効果を生じさせる主電流通路の抵抗を短絡あるいは低
減する傾向を除去することができる。さらに、もし、容
器２の上端板および下端板２ｂ、２ｃが、図１に示した
ように傾斜していれば、ガスはさらに容易に出口ポート
４から排出され、固体は入口ポート１２近傍の容器２の
軸上に沈澱する傾向があるので、有利である。容器２の
各端部の保護リング８、１３は、保護リング８、１３
と、容器２の両端部のパイプフランジ６、７、１５およ
び１６との間に挿間された適当な形状の金属性ガスケッ
ト９、１４によって容易にアースに接続される。容器２
を構成する３つの部分は、加熱された流体のあらゆる腐
蝕作用に耐えるばかりでなく、容器２内の温度や圧力に
耐え得る適宜のプラスチック材料によって形成されるこ
とができる。特に厳しい作動状態の場合には、ガラスや
エナメル塗装された鉄板のいずれかによって構成される
ことができる。

【００３０】本発明の他の実施例を図３に示す。この実
施例の多くの部材は、先の実施例で説明したものと類似
している。しかし、容器２は、上側端板２０ａおよび傾
斜を有する本体２０ｂのたった２つの部材から成り、こ
れらはフランジ２２、２３においてボルトによって共締
めされている。本実施例では、３つの電極間の間隔が、
加熱された流体の容器２０の底部から上部への流れに従
って広がっている。この方法では、たとえヒータを通過
している間に加熱された流体の導電率が増加したとして
も、各電極２１の長手方向に沿った各部での電流密度が
所望の一定値に保たれる。各電極２１の電極下部および
上部でのピッチ円の直径の比が、加熱された流体の初期
および最後の導電率の比とほぼ同一であるならば、加熱
された流体の導電率は温度変化に対して直線的に上昇す
るので、直線的に増加する電極間の間隔は、この影響を
正確に相殺することがわかる。加熱された流体の温度
は、容器２０の長さに沿って進展する間、距離にしたが
って、おおむね直線的に増加する。

【００３１】図４に示した本発明のさらに他の実施例に
おいては、導電率が、加熱サイクルの間に大幅に変化す
る。本実施例では、導電率の変化に対処するために、直
径が互いに異なる、図１に示したような一般的タイプの
２つの容器３０、３１が、適宜の絶縁材料で構成された
補助板３２によって共締されている。もし、オーミック
ヒータの２つの部分内の幾何学的に相関関係にある電極
３３ａ、３３ｂが電力源の同一の相に接続されるなら
ば、オーミックヒータの各部分を流れる電流の密度は、
他の部分の電気的な状態によって大きくは影響されない
であろうから、補助板３２に保護リングを設ける必要は
なくなるであろう。

【００３２】さらに図４は、下側の電極３３ｂに電気的
接続を達成したり、流体の漏洩に対してこれらの接続を
シールしたりするための、代りの手段３４、３５を示し
ている。接続ピン３４は、電極３３ｂの下端部に垂直に
接続するために、下端板３７を貫通している。接続ピン
３４の頭部は、ワイヤ３６と電極３３ｂとが電気的に接
続されるように、ワイヤ３６に接続されている。接続ピ
ン３４と下端板３７とは、流体の散逸を防ぐためにシー
ル部材３５によってシールされている。

【００３３】２つ以上の加熱ステージあるいはチャンバ
が必要であれば、それらは、適宜の補助板を介して中間
チャンバへの電気的接続を放射状に行うことにより、同
様な手法で直列に追加されることができる。補助板３２
の表面は、放出されたガスの排出を促進したり、または
これらの補助板３２での固体の蓄積を防止したりするた
めに、前記したような形状に形成されている。

【００３４】図５は、本発明のさらに他の実施例を示し
ている。本実施例では、発明の多機能さが図示されてお
り、ヒータが、メッキ用あるいはリン酸処理用の浴槽と
して用いられるような液体タンクの加熱のために用いら
れる。従来一般的には、このような用途には熱交換器が
用いられていたが、これはひどい汚れにさらされる。

【００３５】容器４２は容器本体４２ａおよび上端板４
２ｂによって構成され、液体タンク４９内に浮いてい
る。電極４１は上端板から容器４２内に挿通され、ワイ
ヤ（配線）４５によって３相電力源（図示せず）に接続
される。

【００３６】前述の実施例で見られたような出口ポート
は、上端板４２ｂには設けられていない。その代わり
に、容器４２上部の流体が容器本体４２ａの側壁を通し
て排出されるように、容器４２内に出力パイプ４８が設
けられている。

【００３７】出力パイプ４８および入口ポート５０内に
は、２組の保護リング４３、４４が設けられている。電
極に最も近い保護リングは中性保護リング４３であり、
離れている保護リングはアースされた保護リングであ
る。２組の保護リングを備えたので、高感度変成器内の
線相（ライン）電流の総和から中性点の電流を減算する
ことによって洩れ電流が計測され、したがって、モニタ
されることができる。直径５０mm、長さ１０００mm、中
心間で１００mm離れた電極を有し、４１５Ｖの相電圧で
約２０ｋｗを消費するヒータの場合、総洩れ電流は１ｍ
Ａをかなり下回りことが確認され、これによって、加熱
用流体を介して装置のアース部分へ流れる洩れ電流は微
々たるものでなければならないという要求を上記設計で
満足できることがわかった。

【００３８】本発明のこの実施例では、流体の循環は熱
による環流（熱的サイフォン現象）によって行われ、流
体の循環は、流体の温度上昇による比重の減少によって
引き起こされる。したがって、容器内の流体の温度が上
昇すれば、流体は出力パイプ４８に向って上昇し、入口
ポ―ト５０で、より低温の流体と入れ替わる。

【００３９】本実施例については、さらに他の特徴が明
らかにされている。アースされ、金属被覆された熱電対
４７が、ヒータから離れる流体の温度を測定するために
使用されている。出力パイプ４８の位置での軸が、先に
示したように、アース電位あるいはその近辺に保たれる
ので、熱電対４７の使用が可能になる。

【００４０】図５はまた、先に示したように、電極の電
流を調節するための絶縁性スリーブ４６をも示してい
る。これらのスリーブ４６を電極４１に沿って上下に移
動させると、電極を流れる電流を変化させることができ
る。

【００４１】上記した各実施例では、電極が容器の空洞
部に設けられているように示したが、粘性流体を加熱す
るのであれば、電極が容器の絶縁性壁に接するように設
けることも効果的かもしれない。このようにすれば、流
体内の微粒子が捕捉される電極の背部がなくなるという
利点がある。

【００４２】図６は、このような変形例を図２に似た断
面図で示している。電極５４の断面は、その背面部が容
器の側壁５２と接触するような同一面形状になってい
る。符号５３は入力ポートを示している。このような工
夫によれば、容器の壁を通しての電極背部への電気的接
続が、適宜のシール方法を用いることにより、さらに容
易になるかもしれない。これによって、入口ポートと出
口ポートとの間での表面遷移がより一層なだらかにな
り、電極周辺に生成される浮游物内に固体が含まれる確
率を減少させることができる。これは明らかに、粘性流
体あるいは固体物を含む流体にとって大変重要である。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、流れの軸に沿った流体はアース電位またはそ
れに近い電位に保たれるので、その結果、入力パイプお
よび出力パイプ終端部への洩れ電流を著しく減少させる
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるオーミックヒータの縦
断面図である。

【図２】図１に示した実施例であるオーミックヒータの
横断面図である。

【図３】本発明の他の実施例であるオーミックヒータの
縦断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施例であるオーミックヒ
ータの縦断面図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例であるオーミックヒ
ータの縦断面図である。

【図６】本発明の他の実施例であるオーミックヒータの
横断面図である。

【符号の説明】

１…電極、２ａ…本体、２ｂ…上端板、２ｃ…下端板、
４…出口ポート、５…出力パイプ、８、１３…保護リン
グ、９、１４…ガスケット、１０…配線、１１…入力パ
イプ、１２…入口ポート、１７…シール部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート スターリング 英国、Ｌ60 ８ＰＮ ワーラル ヘスウォ ール、ステーション ロード ９

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用時には、流体が、それらの流路の間
   を軸方向に流れる、入口ポートおよび出口ポートを備え
   た容器と、 前記流れの軸のまわりに隔離して配置され、かつ前記容
   器内に収容された少なくとも２本の電極と、 前記軸上の電位がアースに対して常に実質上零となるよ
   うに、前記電極に電力を供給する手段とを具備したこと
   を特徴とする流体加熱用のオーミックヒータ。
2. 【請求項２】 前記容器は電気的に絶縁されていること
   を特徴とする請求項１記載のオーミックヒータ。
3. 【請求項３】 前記各電極は、流れの軸に対して平行に
   伸びていることを特徴とする請求項１または請求項２記
   載のオーミックヒータ。
4. 【請求項４】 前記各電極は、前記軸に垂直方向での相
   互の間隔が、前記流体の流れる方向の軸に沿って下流側
   ほど増大することを特徴とする請求項１または請求項２
   記載のオーミックヒータ。
5. 【請求項５】 前記各電極の背面は、前記容器の壁に近
   接していることを特徴とする請求項２ないし請求項４の
   いずれかに記載のオーミックヒータ。
6. 【請求項６】 ３本の前記電極を有し、使用時には、各
   電極には３相電力源から単相電力が供給されることを特
   徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のオ
   ーミックヒータ。
7. 【請求項７】 前記入口ポートおよび出口ポートは前記
   容器の対向する端部に設けられ、各ポートは前記容器の
   断面よりも実質上小さい面積を有することを特徴とする
   請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のオーミック
   ヒータ。
8. 【請求項８】 前記各ポートの周囲には、導電性の保護
   リングが設けられたことを特徴とする請求項１ないし請
   求項７のいずれかに記載のオーミックヒータ。
9. 【請求項９】 前記各電極の一部分の表面は、摺動可能
   な絶縁部材で覆われていることを特徴とする請求項１な
   いし請求項８のいずれかに記載のオーミックヒータ。
10. 【請求項１０】 前記容器は、流体が重力に逆らって流
    れるように構成されたことを特徴とする請求項１ないし
    請求項９のいずれかに記載のオーミックヒータ。
11. 【請求項１１】 少なくとも２つの前記容器が、その中
    心軸が一致するように連結され、各容器内の前記電極間
    の間隔は、流体の流れる方向の下流側にある容器の電極
    間ほど段々に広がっていることを特徴とする請求項１な
    いし請求項１０のいずれかに記載のオーミックヒータ。
12. 【請求項１２】 前記各容器内の電極は、各容器内での
    幾何学的位置が等価である電極同士が電気的に共通接続
    されたことを特徴とする請求項１１記載のオーミックヒ
    ータ。
13. 【請求項１３】 加熱されるべき流体を、流れの軸に沿
    って容器内を通過させる工程と、前記軸上の電位がアー
    スに対して常に実質上零となるように、前記軸のまわり
    に隔離配置された電極を付勢する工程とを有するオーミ
    ックヒータの作動方法。
14. 【請求項１４】 前記電極間の電流は、前記電極の表面
    を部分的に覆う絶縁部材の位置を調整することによって
    変化させ得ることを特徴とする請求項１３記載のオーミ
    ックヒータの作動方法。