JPH1069966A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度ま
で液体等を昇温することができ、熱交換効率も高い瞬間
加熱装置を提供すること。 【解決手段】 流体と熱交換を行うための熱交換素子１
０１を誘導加熱するための加熱コイル１０２に高周波電
力を供給するための高周波電力供給手段１０３と、前記
熱交換素子１０１に気体または液体を移送する流体移送
手段１０４とを備え、前記熱交換素子１０１として金属
板を渦巻き状に加工し、巻き始めと巻き終わりを電気的
に接続した構造を有するものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体または液体を
加熱する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、瞬間湯沸かし器などのように、高
速に気体または液体の昇温を行う場合、ガスによる加熱
方式が用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
法で水や湯を高速加熱する場合、加熱部ではガスが燃焼
するため、加熱部と水との接点温度は沸点を越えてしま
い局部的な沸騰が発生してしまう。この場合、加熱部が
焦げるなどの問題が発生するため、何らかの手段で流体
加熱部の温度を下げなければならなくなる。よって、ガ
スなどの熱源で加熱を行う場合には、液体を沸点近くの
高温まで昇温することが難しいという問題点と、どうし
ても熱変換効率が低くなるという問題点があった。

【０００４】本発明は、前記課題を解決するための加熱
装置を提供するものであり、熱交換に供する単位体積当
たりの熱交換面積が広く、均一に加熱を行うことができ
る熱交換素子を用いて流体を加熱することで、液体を加
熱する場合に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温
度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、気体または液体と熱交換を行うための熱交
換素子と、この熱交換素子の容器と、前記熱交換素子を
前記容器の外側から誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給
手段を備え、前記熱交換素子は金属板を全体または一部
が電気的に閉回路となるように形成した加熱装置とした
ものであり、熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面
積が広く、均一に加熱を行うことができる熱交換素子を
用いて流体を加熱することで、液体を加熱する場合に、
小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温する
ことができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供すること
ができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、気体また
は液体と熱交換を行うための熱交換素子と、この熱交換
素子の容器と、前記熱交換素子を前記容器の外側から誘
導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周
波電力を供給する高周波電力供給手段を備え、前記熱交
換素子は金属板を渦巻き状に形成し巻き始めと巻き終わ
りを電気的に接続した構造を有する加熱装置としたもの
である。

【０００７】これにより、高周波電力供給手段から高周
波電力を加熱コイルに与え、誘導加熱の原理により熱交
換素子自体を加熱する。この時の熱交換素子を、巻始め
と終わりが電気的に接続された渦巻き状にすることで、
熱交換に供する単位体積当たりの熱交換面積を広くし、
かつ均一に加熱を行うことができ、液体を加熱する場合
に、小さい体積の熱交換素子で沸点に近い温度まで昇温
することができ、熱交換効率も高くすることができる。

【０００８】請求項２記載の発明は、熱交換素子とし
て、隣り合う面に流れる渦電流が反対方向に流れるよう
に金属板を形成した構造を有する加熱装置としたもので
あり、均一加熱性を高めることができ、液体を沸点によ
り近い温度まで昇温することができる。

【０００９】請求項３記載の発明は、熱交換素子とし
て、複数の非磁性金属環を同心円状に配置した構造を有
する加熱装置としたものであり、製造が簡単な形状で、
単位体積あたりの熱交換面積を大きくすることができる
ため、液体を沸点に近い温度まで昇温することができ、
熱交換効率も高い加熱装置を安価に製造することができ
る。

【００１０】請求項４記載の発明は、熱交換素子とし
て、磁性金属板を星形に屈曲させて形成した構造を有す
る加熱装置としたものであり、製造が簡単な形状で、し
かも誘導加熱を行い易い金属板で、単位体積あたりの熱
交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点に
近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い加
熱装置を安価で簡便に製造することができる。

【００１１】請求項５記載の発明は、熱交換素子に用い
る金属板として、乱流を発生させ熱交換効率を向上させ
るように穴を開けた構造を有する加熱装置としたもので
あり、乱流を発生させ熱交換効率を向上させることがで
きる。

【００１２】請求項６記載の発明は、熱交換素子を入れ
る容器として、熱交換に供しない部分に気体または液体
を通さないように構成した容器を有する加熱装置とした
ものであり、熱交換効率を向上させると共に、浄水を行
ったり、発熱特性を向上させることができる。

【００１３】請求項７記載の発明は、熱交換素子と前記
加熱コイルを内側に包含するように閉磁路を設けた加熱
装置としたものであり、閉磁路を設けることで、加熱コ
イルと熱交換素子の磁気的な結合を向上し、加熱を行い
易くすることができる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下、上記第一の発明の実施例について添
付図面を基に説明する。図１において、１０１は気体ま
たは液体と熱交換を行うための熱交換素子、１０２は熱
交換素子１０１を誘導加熱するための加熱コイル、１０
３は前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力
供給手段、１０４は前記熱交換素子に気体または液体を
移送する流体移送手段である。

【００１５】なお、熱交換素子１０１にはステンレス
板、高周波電力供給手段１０３にはインバータ回路、流
体移送手段１０４にはポンプを用いることでこの構成を
容易に実現できる。

【００１６】使用者の指示で加熱が開始されると、流体
移送手段１０４が熱交換素子１０１に気体または液体を
供給する。同時に高周波電力供給手段１０３は、加熱コ
イル１０２により熱交換素子１０１に電力を供給する。
この時、熱交換素子１０１のステンレス板内部には、加
熱コイルに流れる高周波電流により生じた磁束が通り、
渦電流が発生する。よって、熱交換素子１０１にはジュ
ール熱が生じ、発熱したステンレス板と気体または液体
が触れ合い、熱交換が行われる。このように発熱体がそ
のまま熱交換を行うため、高い熱交換効率を得ることが
できる。

【００１７】図２にこの熱交換素子１０１の構造を示
す。ここで実線で示されている２０１はステンレス板に
よる渦巻き構造で、接続構造２０２により巻始めと終わ
りを電気的に接続されている。接続構造２０２によりス
テンレス板２０１は電気的な閉ループを形成するため、
ステンレス板２０１には均一な渦電流が流れる。よっ
て、ジュール熱も均一になるため、渦巻き構造の間隔を
狭めることにより、単位体積あたりの熱交換面積が大き
い均一熱源を実現できる。このように接続構造２０２を
用いて電気的な閉ループを作ることで、非磁性ステンレ
スでも大きな渦電流を流せるようになる。

【００１８】ここで、熱交換面積をＡ，熱交換素子１０
１から与えられる電力の熱量をＱ，水路の構成から決ま
る定数である熱伝達率をｈ，熱交換素子の温度と熱交換
後の流体の温度をΔＴとすると、これらの関係は、ΔＴ
＝Ｑ／（Ａ・ｈ）で表せる。よって、与える熱量Ｑが決
まれば、渦巻き構造の巻数を多くとり、熱交換面積を大
きくすることで熱交換素子の温度と熱交換後の流体の温
度差であるΔＴを小さくすることができる。流体が水で
あり、沸点に近い温度である９５[℃]の湯を得たい場合
には、ΔＴを５[deg]以内になるように熱交換面積Ａを
設定すれば局部沸騰が発生しない。

【００１９】以上で述べたような動作により、熱交換に
供する単位体積当たりの熱交換面積が広く、均一に加熱
を行うことができる熱交換素子１０１を用いて流体を加
熱することで、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱
交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱
交換効率も高い加熱装置を提供できる。

【００２０】なお、本実施例では熱交換素子１０１の金
属板としてステンレスを用いたが、渦電流が発生する金
属板であれば何でもよいことはいうまでもない。また、
流体移送手段１０４にはポンプを用いたが、加熱対象の
流体が水である場合は、蛇口の開閉による水圧を利用し
ても構わないことはいうまでもない。また、加熱対象の
気体や液体が自然対流などで熱交換素子１０１に触れる
状態にある場合は、流体移送手段１０４により送り込む
必要がないことはいうまでもない。

【００２１】（実施例２）以下、上記第二の発明の実施
例について添付図面を基に説明する。図３は、第二の発
明の熱交換素子３０１を示す図である。この図において
実線で示されている熱交換素子３０１はステンレス板で
構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の発明と
同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の発明と
同様であるので説明を省略する。熱交換素子を渦巻き状
に構成し、渦巻き構造の間隔を近づけると、図４（ａ）
に示すように隣り合う金属板に流れる渦電流により発生
する磁束が打ち消し合うため、渦巻きの内部に行くほど
渦電流が減少し均一ではなくなってしまうが、図３のよ
うに熱交換素子を構成することで、図４（ｂ）のように
隣り合う磁束が強め合う方向になるため渦電流の減少が
生じず均一な渦電流が流れることになる。よって、隣り
合う金属板の距離を小さくでき、単位体積あたりの熱交
換面積をより広くとることができるので、ΔＴ＝Ｑ／
（Ａ・ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換後の温度差
であるΔＴを小さくすることができる。

【００２２】以上で述べたような動作により、単位体積
あたりの熱交換面積がより広くとれ、均一加熱性も高い
熱交換素子を構成し、流体を加熱することで、液体を沸
点により近い温度まで昇温することができ、熱交換効率
が高い加熱装置を提供できる。

【００２３】（実施例３）以下、上記第三の発明の実施
例について添付図面を基に説明する。図５は、第三の発
明の熱交換素子５０１を示す図である。この図において
実線で示されている熱交換素子５０１は非磁性ステンレ
ス板で構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の
発明と同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の
発明と同様であるので説明を省略する。

【００２４】加熱コイル１０２の長さが直径に比して充
分に長く、理想コイルに近い場合は、コイル内の磁束は
一様になる。この場合、非磁性ステンレスは透磁率が１
であるため、図５に示すような同心円状に非磁性ステン
レス板を構成すれば、非磁性ステンレス板を通る磁束も
一様となる。よって、各円周毎に均一な渦電流が流れる
ことになり均一熱源が実現できる。図５のように熱交換
素子５０１を構成し、同心円の数を増やすことで熱交換
面積を広くとることができるので、ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・
ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換後の温度差である
ΔＴを小さくすることができる。

【００２５】以上で述べたような動作により、熱交換素
子を、複数の非磁性金属環が同心円状に配置された構造
にすることで、製造が簡単な形状で、単位体積あたりの
熱交換面積を大きくすることができるため、液体を沸点
に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高い
加熱装置を安価に製造することができる。

【００２６】なお、発熱の均一性をそれほど重視しない
場合は、加熱コイル１０２の形状を理想コイルに近い形
状にする必要がないことはいうまでもない。

【００２７】（実施例４）以下、上記第四の発明の実施
例について添付図面を基に説明する。図６は、第三の発
明の熱交換素子６０１を示す図である。この図において
実線で示されている熱交換素子６０１は磁性ステンレス
板で構成されており、敢えて述べる部分以外は第一の発
明と同様の機能を果たす。よって全体構成は、第一の発
明と同様であるので説明を省略する。

【００２８】誘導加熱を行う際に流れる渦電流は、表皮
効果と呼ばれる現象により渦電流の流れる金属板の表面
に集中する。この渦電流が流れる厚さを示す表皮厚さδ
は、体積抵抗率をρ，角周波数をω，透磁率をμとする
と、δ＝（２ρ／(ω・μ)）^（1/2）で表される。よっ
て、透磁率μが高い磁性ステンレスは、表皮厚さが非磁
性ステンレスに比べ非常に薄くなる。例えば、磁性ステ
ンレスであるSUS430の表皮厚さは２０[kHz]で約０.２８
[mm]，非磁性ステンレスであるSUS304の表皮厚さは２０
[kHz]で約３.０２[mm]である。なお、この表皮厚さは鋼
種が変わってもほぼ同じくらいである。一般的に入手し
易いステンレスの厚さは０.３[mm]くらいであるので、
磁性ステンレスを使用する場合は薄板ステンレス板一枚
分くらいしか渦電流は流れない。よって、一般的な金属
板の磁性ステンレスを用いて熱交換素子を構成する場
合、表面が一枚の板で構成されている必要がある。よっ
て、図６のように熱交換素子６０１を構成し、襞の数を
増やすことで熱交換面積を広くとることができるので、
ΔＴ＝Ｑ／（Ａ・ｈ）の関係から、熱交換素子と熱交換
後の温度差であるΔＴを小さくすることができる。

【００２９】以上で述べたような動作により、誘導加熱
を行い易く、入手し易い厚さのを用い、製造しやすい形
状で、単位体積あたりの熱交換面積を大きくした熱交換
素子を構成することで、液体を沸点に近い温度まで昇温
することができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供でき
る。

【００３０】（実施例５）以下、上記第五の発明の実施
例について添付図面を基に説明する。ここでは、上記第
一，二，三，四の発明の実施例で説明した熱交換素子の
金属板として、図７（ａ）に示すような翼部を有する穴
が開いた金属板を使用する。これにより、図７（ｂ）に
示すように、流体の流れが複雑になり熱交換表面への接
触が増すため熱交換効率を向上させることができる。ま
た、乱流により流体がよく混合され流体全体の温度も均
一化される。

【００３１】以上で述べたような動作により、熱交換素
子に用いる金属板に、乱流を発生させ熱交換効率を向上
させるように穴を開けた金属板を使用することで、熱交
換効率をより向上させた加熱装置を提供できる。

【００３２】なお、乱流を発生させるための穴の形状
は、どんな構造であっても構わない。 （実施例６）以下、上記第六の発明の実施例について添
付図面を基に説明する。なお、第一の発明と同一部分は
同一符号をつけて説明を省略する。図８（ａ）におい
て、８０５は、渦巻き構造の中心のようにステンレスが
なく熱交換に供しない部分に流体を通さないように構成
した容器、８０６は浄水器、８０７は強磁性体である。
なお、浄水器８０６には中空糸膜や活性炭を詰めた容
器、強磁性体８０７にはフェライトを用いることでこの
構成を容易に実現できる。

【００３３】図８に示すように、容器８０５を用いて熱
交換素子の金属板がない部分に水を通さないようにする
ことで、熱交換素子に触れない流体をなくすことができ
る。これにより熱交換効率を向上させることができる。
また、この中空部分を利用し図８（ａ）のように浄水器
８０６を入れることで流体として水を用い給湯器とし照
利用する際に、飲用に適した湯を出湯することができ
る。また、図８（ｂ）のように強磁性体８０７を中空部
分に入れることにより、漏れ磁束として発熱に寄与して
いなかった磁束を集め、熱交換素子に通すことができる
ため、渦電流量が増え発熱特性が向上する。

【００３４】以上で述べたような動作により、熱交換に
供しない部分に流体を通さないように構成した容器を用
い、熱交換効率を向上させると共に、浄水を行ったり、
発熱特性を向上させることができる加熱装置を提供でき
る。

【００３５】（実施例７）以下、上記第七の発明の実施
例について添付図面を基に説明する。なお、第一の発明
と同一部分は同一符号をつけて説明を省略する。図９に
おいて、９０７は熱交換素子１０１と加熱コイル１０２
を包含するように構成した閉磁路である。なお、閉磁路
９０７には、フェライトまたはケイ素鋼板を用いること
で、この構成を容易に実現できる。

【００３６】図９のように閉磁路９０７を用いると、熱
交換素子１０１と加熱コイル１０２は、同一のコアに巻
かれたトランスのような形になり、閉磁路９０７内の磁
束が飽和しない範囲内では結合は非常に強くなる。よっ
て、漏れ磁束が殆どなくなるため、高周波電力供給手段
１０３から加熱コイル１０２を通して与えられる電力
は、非常に効率よく伝達されることになる。

【００３７】以上で述べたような動作により、熱交換素
子１０１と加熱コイル１０２を包含するように閉磁路を
設けることで、加熱コイルと熱交換素子の磁気的な結合
を向上し、加熱を行い易くした加熱装置を提供できる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、高周波電力供給手段から高周波電力を加熱コイル
に与え、誘導加熱の原理により熱交換素子自体を加熱す
る。この時の熱交換素子を、巻始めと終わりが電気的に
接続された渦巻き状にすることで、熱交換に供する単位
体積当たりの熱交換面積を広くし、かつ均一に加熱を行
うことができ、液体を加熱する場合に、小さい体積の熱
交換素子で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱
交換効率も高くすることができる。

【００３９】また、請求項２記載の発明によれば、熱交
換素子を、隣り合う面に流れる渦電流が反対方向に流れ
るように加工した構造にすることで、均一加熱性を高め
ることができ、液体を沸点により近い温度まで昇温する
ことができる。

【００４０】また、請求項３記載の発明によれば、熱交
換素子を、複数の非磁性金属環が同心円状に配置された
構造にすることで、製造が簡単な形状で、単位体積あた
りの熱交換面積を大きくすることができるため、液体を
沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も
高い加熱装置を安価に製造することができる。

【００４１】また、請求項４記載の発明によれば、熱交
換素子を、誘導加熱し易い磁性金属板が星形に加工され
た構造にすることで、製造が簡単な形状で、しかも誘導
加熱を行い易い金属板で、単位体積あたりの熱交換面積
を大きくすることができるため、液体を沸点に近い温度
まで昇温することができ、熱交換効率も高い加熱装置を
安価で簡便に製造することができる。

【００４２】また、請求項５記載の発明によれば、熱交
換素子に穴を開けた金属板を用いることで、乱流を発生
させ熱交換効率を向上させることができる。

【００４３】また、請求項６記載の発明によれば、熱交
換素子を入れる容器として、熱交換に供しない部分に流
体を通さないように構成した容器を有することで、熱交
換効率を向上させると共に、浄水を行ったり、発熱特性
を向上させることができる。

【００４４】さらに、請求項７記載の発明によれば、容
器の流体を通さない部分を利用し、前記熱交換素子と前
記加熱コイルを内側に包含するように閉磁路を設けるこ
とで、加熱コイルと熱交換素子の磁気的な結合を向上
し、加熱を行い易くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す加熱装置の構成図

【図２】同加熱装置の熱交換素子の構成図

【図３】本発明の第２の実施例の加熱装置の熱交換素子
の構成図

【図４】同加熱装置の熱交換素子の状態説明図

【図５】本発明の第３の実施例の加熱装置の熱交換素子
の構成図

【図６】本発明の第４の実施例の加熱装置の熱交換素子
の構成図

【図７】本発明の第５の加熱装置の熱交換素子の状態説
明図

【図８】本発明の第６の実施例の加熱装置の状態説明図

【図９】本発明の第７の実施例の加熱装置の構成図

【符号の説明】

１０１ 熱交換素子 １０２ 加熱コイル １０３ 高周波電力供給手段 １０４ 流体移送手段 ２０１ ステンレス板による渦巻き構造 ２０２ 接続構造 ３０１ 熱交換素子 ５０１ 熱交換素子 ６０１ 熱交換素子 ８０６ 浄水器 ８０７ 強磁性体 ９０７ 閉磁路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 英樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小畑 哲生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体または液体と熱交換を行うための熱
   交換素子と、この熱交換素子を収納する容器と、前記熱
   交換素子を前記容器の外側から誘導加熱するための加熱
   コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する高周
   波電力供給手段とを備え、前記熱交換素子は金属板を少
   なくとも一部が電気的に閉回路となるように形成した加
   熱装置。
2. 【請求項２】 熱交換素子は、金属板を渦巻き状に形成
   し巻き始めと巻き終わりを電気的に接続した構造を有す
   る請求項１記載の加熱装置。
3. 【請求項３】 熱交換素子は、隣り合う面に流れる渦電
   流が反対方向に流れる構造を有する請求項１記載の加熱
   装置。
4. 【請求項４】 熱交換素子は、複数の非磁性金属環を同
   心円状に配置した構造を有する請求項１記載の加熱装
   置。
5. 【請求項５】 熱交換素子は、磁性金属板を星形に屈曲
   させた構造を有する請求項１記載の加熱装置。
6. 【請求項６】 熱交換素子は、金属板に、乱流を発生さ
   せ熱交換効率を向上させるように穴を開けた構造を有す
   る請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置。
7. 【請求項７】 金属板に設けた穴には容器内の気体また
   は液体が前記金属板に沿って移動する際に、前記金属板
   の一方の面から他方の面に前記気体または液体が流入す
   るよう翼部を有する請求項６記載の加熱装置。
8. 【請求項８】 熱交換素子の容器は、熱交換に供しない
   部分に気体または液体を通さないように構成した請求項
   １〜７のいずれか１項に記載の加熱装置。
9. 【請求項９】 熱交換素子と加熱コイルを内側に包含す
   るような閉磁路を設けてなる請求項１〜８のいずれか１
   項に記載の加熱装置。