JPS635637B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は流体加熱装置に関し、更に詳細には導
管を流れ、その流量が変動を受けるか或いはその
加熱器出口温度が周期的変動を受ける管系内流体
加熱器に関する。

（従来の技術） 流体加熱器は多くの分野で且つ各種の流体の加
熱のために使用されている。例えば、水、熱可塑
性材料、塗料等のための加熱器が知られている。
噴霧塗工の分野では、ペイントまたはコーテイン
グ材料を熱してその材料の粘度を下げることが行
われており、このようにすれば、常態では噴霧塗
工装置で噴霧できないような高い粘度を持つ塗工
材料でも噴霧できるようになる。本明細書に好ま
しい具体例として開示されている管系内流体加熱
器は特にペイントを加熱するための装置として開
発されたものである。しかし本発明の原理は一般
にすべての流体加熱装置に等しく適用しうるもの
である。

従来の管系内流体加熱器は加熱素子と熱交換関
係にある流体通路を包含するものであつた（例え
ば、クローン（krohn）等の米国特許第3835294
号明細書参照）。或る種の加熱器では加熱素子は
流体と直接に接触しており、また別の種類の従来
の加熱器では、流体通路がその中に形成されてい
る構造体を加熱熱素子が加熱し、その構造体が通
路内の流体に熱を伝達する間接方式が採用されて
いる。従来の設計の加熱器では、その加熱素子は
通路の全長に亘つて流体を実質的に一様に加熱す
るよう流体通路に対応して加熱器内に配置されて
いる。

装置の運転中、加熱されるべき流体の熱的特性
ならびに流量（フローレート）が変動を蒙むらな
い場合では、一定の電力入力を持つ加熱素子を用
いてその流体の出口温度を適正な温度になし、そ
してなんらの制御機構も必要としないように設計
された加熱装置が使用されている。しかしなが
ら、もしその流体の熱的特性または流量が変動を
受けるような用途に対しては、流体の出口温度を
所望値近辺のある許容範囲内とするためにフイー
ドバツクタイプの制御装置が加熱装置に使用され
る。すなわち、温度検知器が加熱器の出口から排
出される流体の温度を監視し、そしてその温度検
知器に応答する制御装置が加熱素子を制御するよ
うになつている。

（発明が解決しようとする問題点） 非常に精巧で高価な制御装置および加熱器の設
計を用いれば、温度範囲を流量および／または熱
的特性の広い変動範囲に亘つてきわめて狭い許容
誤差範囲内に保持することは可能である。しかし
ながら比較的簡単で安価な設計の加熱器の場合に
は、販売上の理由から或る程度その性能を低下さ
せざるを得ない。たとえば、多くの市販の加熱器
では、加熱器出口の流体温度を監視するためにサ
ーモスタツトタイプの感知／制御の組合わせが使
用されている。ここで、「サーモスタツトタイプ」
感知／制御装置とは、ある予め選択された温度に
応答して加熱素子をオン−オフする装置を意味す
る。サーモスタツト型検知器を使用している加熱
器では、加熱器出口における流体の温度は、その
流体の流量および熱的特性が一定である場合にお
いても、高温ピークと低温ピークとの間で定常的
な周期的変動すなわちサイクリングをなすもので
ある。これは、加熱素子が周期的にオン−オフさ
れること、温度検知器のオン／オフ温度差等に因
るものである。さらにまた、従来の加熱器の多く
は、加熱器の最初の始動時、あるいは温度の設定
値が急に高められた時、あるいは流体の流速、流
量が突然低下された時に、その加熱器出口での流
体温度が定常的な周期高温ピークを通り越してし
まうであろう。すなわち、流体温度が時として定
常的サイクリングにおいて到達しうる最高ピーク
を超過してしまうことがあるのである。逆に、設
定温度を急に下げた時、あるいは流体の流量が突
発的に低下された場合には、出口温度は定常的サ
イクリングの最低温ピークをさらに下廻る傾向が
ある。

このような温度のサイクリング、通り越しおよ
び下回りは、少なくとも部分的に、いわゆる熱的
遅延と呼称されているものにその原因が求められ
る。この熱的遅延は物体が温度変化するため、す
なわちある温度変化に反応するためにはある一定
の時間が必要とされるという事実に起因する。加
熱素子がオンの時には、物体の温度は上昇しつつ
つある。しかし、その流体が適温に到達し、検知
器がこの温度に応答するのには一定の時間を必要
とする。この時間の間にも、エネルギーはその流
体に与えられ続ける。このため、その流体の温度
が所望のないしは設定温度を超過して上昇する事
態が生じるのである。加熱素子がオフにされてい
てそして流体温度が所望温度より低くなつた時
に、検知器がこの状態を感知して加熱素子をオン
するまでにはある一定の時間がかかる。したがつ
て、加熱素子が作動して流体の温度が上昇に転じ
られるまでに、なおその流体の温度は低下を続け
る。

したがつて、本発明はフイードバツク制御され
る流体加熱器の定常的サイクリングを減少させる
と共に、その通り越しおよび下回りの傾向を低減
させることを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上述の目的を達成するため、本発明の加熱装置
は、 中央空洞を有するほぼ円筒形の細長いヒータコ
アと、該ヒータコアの周りを覆うカバーとから成
る本体であつて、該ヒータコアと該カバーとの間
に形成されていると共に入口を有する上流部分
と、該上流部分と連続し出口を有する下流部分と
から成り流体の通る螺旋状の流体通路を備えると
共に、該上流部分に配置される第１部分と該第１
部分と一体的に連続し該下流部分に配置される第
２部分とから成る本体と、 実質的に該第１部分のみを加熱するため該中央
空洞内に配置され、実質的に該上流部分を流れる
流体を加熱するように作用する加熱素子と、 該本体内に設けられると共に該上流部分の最下
流部位において、主として流体温度に関連する予
め選択された温度に応答して作動する該加熱素子
を制御する制御手段と、 から成り、該第２部分は、該下流部分を流れる流
体と熱交換関係にあり、環境温度から絶縁された
１つの実質的熱質量体であることを特徴としてい
る。本発明の装置では、流体通路の下流部分およ
び加熱器本体は全く加熱されないか、或いは上流
部分よりも実質的に軽度に加熱されるにすぎな
い。この下流部分は、温度のサイクリング、通り
越しおよび下回りを緩和する１つの「蓄熱器」と
して機能する。一体的な下流側「蓄熱器」部分は
実質的な熱質量（比熱と質量の積）および流体通
路を有する。これは環境条件から十分に絶縁され
ており、通過する流体を単に冷却するだけのもの
ではない。流体よりも温度が低い時には、その
「蓄熱器」部分によつて流体から熱が取り上げら
れ、そして流体よりも温度が高い場合にはその
「蓄熱器」から熱が流体に与えられる。

（作用） このようにして、本発明においては加熱器に蓄
熱器部分を設けているので、加熱器出口における
流体温度のサイクリング、通り越し、あるいは下
回りが緩和される。この効果は流量が増加する時
に顕著となる。

（実施例） 以下図示した実施例を参照しながら本発明をさ
らに詳細に説明する。

まず加熱器の全体を見ると、これはヒータコア
１とカバー２とより実質的になる加熱器本体、加
熱素子７、温度検知器１０および制御箱１６とを
包含してなる。

ヒータコア、すなわちコア１はほぼ一様な構造
でその長手方向の断面寸法もほぼ一様なアルミニ
ウム製の細長い円筒形部材である。このコア１は
長さが約340mm、円筒半経が38mmであり、そして
円筒の一端から開口された３個の内孔ないしは空
洞４，５，６と、コア１の円周のまわりをらせん
状に巻回してのびる円筒表面内の一つの溝とを有
している。該溝の断面は矩形であり、深さ11mm、
幅6.35mmの寸法である。この溝の互に隣り合う巻
回部分の間の壁厚は4.94mmである。上記のような
材料と寸法であるからして、コア１は１つの実質
的な熱質量を持つ。

コア１は図で見てその上端すなわち出口端にお
いて制御箱１６に螺着されている。

メツキ鋼製の円筒形カバー２はコア１の外径よ
りも0.08乃至0.20mm大きい外径を有するものであ
り、少なくともらせん溝の全領域に対してコア１
を保護する。上記したコア１の溝はこのカバー２
と協働して１つのらせん状の流体通路、すなわち
通路３を形成する。この通路３の表面は該通路内
を通る流体と熱交換関係にある。カバー２は直径
がコア１よりも大きいので、両者の間にはギヤツ
プ１５が存在する。このカバー２の内側とコア１
の外側との間のギヤツプ１５の大きさは0.20mm以
下に押さえられる。これは加熱される流体が直接
にギヤツプ１５を通つて流れず、コア１のまわり
をらせん状に流れるようにするためである。カバ
ー２はコア１に対してそれぞれ通路３の各端を越
えたところに配設されたＯ−リング１２，１３に
よつて密封されている。流体の流入通路１８と流
出通路１９とはそれぞれコア１の内部に位置して
おり、通路３の終端をコア１の外部へ連絡させて
いる。入口、すなわち流入通路１８および出口、
すなわち流出通路１９はそれぞれの終端が適当な
ホース接続取付具（不図示）内に導入されてい
る。

コア１は、通路３の上流部分に配置された第１
部分１ａと、それと一体に連続していると共に、
通路３の下流部分に配置され、実質的熱質量体で
ある第２部分１ｂとから成つている。

コア１内部の３個の空洞４，５，６はすべて円
筒形であり、それらの円筒軸線はコア１自体の円
筒軸線と平行である。各空洞４，５，６は流体の
流出通路１９に最寄りのコア１の端部を通つてコ
ア１の外部へ開口している。３つの空洞のうちの
１つ、すなわち加熱素子用空洞、すなわち中央空
洞４はコア１の中央に位置しておりそして円筒形
の加熱素子７を収容している。この中央空洞４の
直径は12.7mmであり、そしてその空洞の下端すな
わち底端が通路３の最も上流側の部分と半径方向
において対向する深さまでコア１の内部にのびて
いる。残りの２つの空洞５，６は半径方向からみ
て中央空洞４とコア１の外表面との間に位置して
いる。５は検知器用空洞であり、温度感知素子１
０を収容包囲し、空洞６は任意に設けられる熱制
限器９を収容包囲する。

加熱素子７に接続されている電力線２１および
温度検知器からの制御線２２が制御箱１６内の室
に導入されており、そして図示してない制御装置
に接続されている。

加熱素子７はカートリツジ形加熱素子であり、
たとえば“フアイアロツド（Firerod）”の商標名
でワツトロウ電気製造会社により製造販売されて
いるものであつてよい。これは中央空洞４内に配
置され、その長さはコア１のらせん溝を有する部
分の長さよりも短い。加熱素子７は中央空洞４内
に密接して嵌入される寸法となつており、従つて
熱はその加熱素子７から、これに半径方向におい
て隣接するコア１の部分へ容易に伝達される。熱
を受けたコア１は流体通路内の流体を加熱する。

コア１が制御箱１６に螺着される時に、電力線
２１がそれを通つて加熱素子７までのびている中
空アルミ管２３が制御箱１６内の制御機構ハウジ
ング８によつて加熱素子７の端部に向つて押され
る。これにより加熱素子７は中央空洞４の底部内
へ圧入される。該アルミ管２３はその端部が加熱
素子７の頂部と当接しそして加熱素子７に対する
電力線２１がその中空内部を貫通しうるような環
形寸法となつている。このため、加熱素子７は通
路３の上流部分（図で見て底側の部分）と半径方
向に向き合い（第１部分１ａ）のみを有効的に加
熱するような位置に位置ぎめされる。通路３は加
熱素子７が半径方向において通路３に近接してい
る位置を越えてさらに下流側に引続いてのびてい
る。図示した実施例の場合では、加熱素子７と通
路３とが近接している区間は約165mmであり、そ
して通路３はこの区間からさらにコアの長さ41mm
に相当する分だけ引続いてのびている。流体通路
のこの５分の１に相当する下流部分は、第２部分
１ｂに半径方向で対向しており、加熱素子７の直
接放射によつて実質的に加熱されることのない部
分である。

温度検知器１０は中央空洞４とコア１の円筒外
周面との半径方向でみて間に位置している。温度
検知器１０は例えばエセツクス インターナシヨ
ナル会社制御部門によつて型録番号102として販
売されている型式のものでよい。この温度検知器
１０は細長い円筒形状のものあつて、低圧平均型
の感知器である。これは４〓のオン／オフ温度差
を有する。すなわち、それが加熱素子７をオフに
する温度と、オンにする温度との間には４〓（約
2.2℃）の温度差がある。該検知器１０はほぼそ
の全長に亘つて温度を感知し、そしてその出力は
感知された温度の平均値に相応する。

実際には、温度検知器１０はコア１の温度に応
答する。しかしながら、温度検知器１０が応答す
るこの温度は主として温度検知器１０の半径方向
に近接する通路３の部分内にその時存在する流体
の温度に関係し、その温度によつてきまる。温度
検知器１０は低圧型のものでありそして流体は温
度検知器１０が耐えうる圧力よりも高い圧力下に
あるからして、温度検知器１０はらせん流体通路
３内の流体の実際の温度を感知することはできな
い。しかし、温度検知器用空洞５は、温度検知器
１０が可能最大限まで通路３に近接し、しかもな
お通路３と温度検知器用空洞５との間に流体が受
ける圧力に安全に耐えうるだけの十分な壁厚を残
すように配置されている。なおこの壁厚は流体圧
力コア１の材料とを勘案して変更可能である。

温度検知器１０の平均中心点１１は半径方向に
おいて加熱素子７の最下流部位、すなわち最下流
点２４（図面でみて加熱素子７の頂部）に対向す
る位置にある。この位置は通路３に沿つた最大温
度サイクリング行程、通り越しおよび下回りが生
じる点に相当する。この地点において温度を検知
すると最適フイードバツク制御が得られる。

上述のことは次のような理由による。最下流点
２４に対向する位置において、温度変化が最大と
なるということが実験で確かめられているが、こ
れはこの位置が装置の加熱される部分と加熱され
ない部分との間の熱の遷移点に相当するためであ
ると同時に、既に説明した熱的遅延のためであ
る。従つて、この位置における最大の温度変化を
検知すれば、出口から流出する直前の流体の温度
が所定範囲を逸脱し始めていることを最も早く検
知することが出来る。検知した結果を制御装置に
送り、制御装置の作動に応じて加熱素子７のオ
ン／オフを行えば、上述の最適フイードバツク制
御が得られる。その結果、直ちに温度を補正出来
るのである。

このようにフイードバツク制御することだけで
も、加熱器出口における流体の温度変化を最小と
することが出来るが、これに加えて、加熱されな
い下流部分を蓄熱器として用いることで、加熱器
を出る流体の温度を更に効果的に制御出来る。

平均型検知器１０は経済的理由から使用される
ものである。ある１つの特定位置すなわち特定地
点での温度に応答する点検知器も勿論使用可能で
ある。もし点検知器が使用された場合には、検知
器用空洞５はコア１の内部で加熱素子７の頂部に
半径方向において隣接する地点までのばせばす
み、そしてこの場合にはその検知器は短縮された
空洞５の底部においてコア１の温度を監視するこ
とになろう。

温度検知器１０の出力は制御機構８に作動的に
接続されており、該制御機構が検知器出力に応答
して加熱素子７をオンまたはオフして所望の流体
温度を維持する。

温度制御機構については当技術分野で比較的よ
く知られているから、ここでその制御機構につい
て詳述するのは省略する。一般的に言えば、その
制御機構は検知器１０によつて検知された温度が
ある所望の予め設定された値を下廻つた時に加熱
素子７をオンし、そして検知された温度が所望設
定値を超えた時にその加熱素子７をオフする態様
で温度検知器１０に応答して作動する。

ここで注目すべきは、温度の定常的ピーク・ピ
ークサイクリング、通り越しおよび下回りに対す
る緩衝量はすべての流量において同一ではないこ
とである。この緩衝ないし緩和効果は流量が大き
くなればなるほどより顕著となる。さらに留意す
べきは、定常時ピーク・ピークサイクリング、通
り越しおよび下回りは必ずしもそれぞれ対応する
同一量だけ緩和されるものではないということで
ある。

（発明の効果） 以上説明した本発明の加熱装置には次のような
効果がある。

本体の第２部分が、流体通路の下流部分を流れ
る流体と熱交換関係にあり、環境温度から絶縁さ
れた１つの実質的熱質量体であるので、加熱器出
口における流体温度のサイクリング、通り越し、
あるいは下回りを緩和することが出来る。従つ
て、流体の温度変動を最小にすることが出来る。
この効果は、流量が増加する時に顕著となる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明を具体化した管系内流体加熱
器の部分断面図である。 主要部分の符号の説明、１……ヒーターコア、
３……流体通路、７……加熱素子、１６……制御
箱、１８……流入通路、１９……流出通路、２…
…カバー、４……中央空洞（加熱素子用）、１０
……温度検知器、５……温度検知器用空洞、１１
……平均型温度検知器の平均中心点、２４……加
熱素子の最下流点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央空洞を有するほぼ円筒形の細長いヒータ
   コアと、該ヒータコアの周りを覆うカバーとから
   成る本体であつて、該ヒータコアと該カバーとの
   間に形成されていると共に入口を有する上流部分
   と、該上流部分と連続し出口を有する下流部分と
   から成り流体の通る螺旋状の流体通路を備えると
   共に、該上流部分に配置される第１部分と該第１
   部分と一体的に連続し該下流部分に配置される第
   ２部分とから成る本体と、 実質的に該第１部分のみを加熱するため該中央
   空洞内に配置され、実質的に該上流部分を流れる
   流体を加熱するように作用する加熱素子と、 該本体内に設けられると共に該上流部分の最下
   流部位において、主として流体温度に関連する予
   め選択された温度に応答して作動する該加熱素子
   を制御する制御手段と、 から成り、該第２部分は、該下流部分を流れる
   流体と熱交換関係にあり、環境温度から絶縁され
   た１つの実質的熱質量体であることを特徴とする
   管内を流動する流体のための加熱装置。 ２ 前記螺旋状の流体通路は、前記ヒータコアの
   円周表面上に設けられた螺旋溝と前記カバーとに
   よつて部分的に形成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の加熱装置。