JPS645226B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、温水供給器、シヤワー、風呂釜等の
加熱装置および熱交換器に関し、特に特開昭51−
70544号公報に記載された熱交換器の改良に関す
る。

前記公報に記載された加熱装置は、第１図に示
すように内部を真空に保持した外殻と、この外殻
内下部に配置された伝熱面と、外殻内上部に配置
された熱交換部と、伝熱面がほぼ完全にひたされ
る程度に外殻内に封入された作動液とより成り、
伝熱面を加熱することにより伝熱面から蒸発する
作動液が熱交換器に流入する流体を加熱するよう
構成したものである。この公知の加熱装置の外殻
１は断熱材２により包囲され、その内部は真空に
保持されている。外殻内下部を伝熱面３として形
成する。また、外殻内上部には水管群（図示せ
ず）を有する熱交換部４を配置する。熱交換部４
には仕切弁５が設けられた入口導管６と、流量調
整弁７が設けられた出口導管８とを接続する。し
たがつて、加熱すべき流体は、仕切弁５および入
口導管６を経て、熱交換部４内に導入され、ここ
より出口導管８および流量調整弁７を経て導出さ
れる。図中、上記ろう付箇所を９，１０で示す。
外殻１内には、前述した伝熱面３が常時ひたされ
る程度に作動液１１を封入する。この作動液とし
ては蒸留水を使用する。

外殻１の下方で前記伝熱面３に隣接する箇所に
ガスバーナ等の燃焼器１２を配置する。燃焼器１
２には燃料供給弁１３が設けられた供給管１４を
接続する。

上記構成の加熱装置の作動は次のとおりであ
る。まず、燃焼器１２で発生する熱が伝熱面３の
下側に供給される。その結果、作動液１１の表面
から作動液の蒸気が発生し、外殻１内部はその圧
力に応じた飽和蒸気で満たされる。そして外殻１
の温度も飽和温度で一様になる。いま、熱交換部
４内に加熱すべき流体が流れているものとする
と、蒸気は熱交換部４の水管群表面に凝縮し、流
体に熱を与える。さらに、発生蒸気はそれ自身の
浮力、ならびに作動液表面近傍と熱交換部近傍と
の間に生じる圧力差によつて熱交換部４に連続的
に導かれる。これとともに、凝縮した作動液は重
力によつて伝熱面に戻される。このようにして、
第１図の装置によれば加熱すべき流体に連続的に
熱を与えることができる。しかしながら、この公
知の装置では、次のような欠点がさけられない。

ａ 熱効率が低い。

第１図に見るように燃焼器１２で発生した熱
が伝熱面３の下側に供給されるが、気体におけ
る自然対流熱伝達なので熱伝達率が悪く、伝熱
面積が小さいため熱効率が低い。

ｂ 形状に難点がある。

第１図の装置では、伝熱面積３を増すために
は横方向に大きくなるとともに、外殻１内が真
空に保たれているために燃焼器１２よりの熱の
供給がなくなつた場合に、飽和蒸気圧が下が
り、外圧による強度的難点が存在する。また、
強度をもたせるために円筒形にすると排気ダク
トが複雑となり機器が大型になり、排気ダクト
が機器の側面に沿つて配置されるため、安全性
に難点がある。

ｃ 応答性が悪い。

伝熱面積が小さいため、設定蒸気温度になる
までの立ち上がりが悪い。

本発明の目的は、応答性と熱効率を向上でき、
さらに小型化をはかり得る加熱装置を提案するに
ある。

この目的を達成するため、本発明によるたて型
加熱装置は、内部を真空に保持した外殻と、この
外殻内を下部より上部まで貫いた管と、前記外殻
内で少なくとも前記管の外壁に設けた伝熱面と、
該伝熱面を常時浸す程度に前記外殻内に封入され
た作動液とを含み、前記管の外壁における伝熱面
は、作動液を毛管力により持上げて前記管の外壁
周囲を浸すように該外壁に密着された多孔性物質
層よりなり、また、少なくとも前記管の内部を加
熱することにより前記伝熱面から前記作動液を蒸
発させる加熱手段と、前記外殻内上部に配置され
た熱交換部とを具え、前記伝熱面から蒸発した前
記作動液を前記熱交換部の表面上で凝縮させて該
熱交換部に流入する流体を加熱するものとし、さ
らに、前記管の外壁に受け皿を設けると共に、該
受け皿は、前記熱交換部から管の外壁に沿つて落
下する凝縮した作動液を受けとめて受け皿の上方
に位置する多孔性物質層に作動液を吸上げさせ、
かつ、あふれた作動液で受け皿の下方に位置する
多孔性物質層を常時浸して作動液の薄膜蒸発を生
じさせる配置としたことを特徴とするものであ
る。

上記作動液としては、例えば蒸留水、有機液
体、高温熱媒体等を使用することができる。ま
た、上記多孔質層は、金属繊維、焼結金属層で形
成することができ、焼結金属層は、粉末治金によ
る方法のみならず、特種溶射、ポーラスメツキ、
メツシユとの複合による粉末治金などによつても
容易に製造することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。第２
図は、本発明による加熱装置の基本的構成を示す
ための見取図ａ、断面図ｂである。第２図ｃにお
いては、熱伝達率促進体の１例を示す。

たて型加熱装置の外殻１５は断熱材１６により
包囲され、その内部は真空に保持されている。こ
の外殻内下部より上部へは、数本の管１７がつら
ぬいている。管１７の内部には、第２図ｃに例示
するような熱伝達率促進体を設ける。管外壁に
は、密着した多孔性物質層の伝熱面１８が形成さ
れ、作動液１９を受けとめる皿２０が設けられて
いる。外殻内下部もまた伝熱面２１として形成す
る。外殻内上部には、水管群を有する熱交換部２
２を配置する。熱交換部２２には仕切弁２３が設
けられた入口導管２４と、流量調整弁２８が設け
られた出口導管２７とを接続する。したがつて、
加熱すべき流体は、仕切弁２３および入口導管２
４を経て熱交換部２２内に導入され、ここより出
口導管２７および流量調整弁２８を経て導出され
る。上記両導管２４，２７および外殻内下部より
上部へつらぬいた管はいずれも外殻に銀または真
ちゆう等の材料でろう付して外殻内の真空を保持
するのが望ましい。図中、ろう付箇所を２５，２
６，２９，３０で示す。外殻１５内に作動液を封
入し、その封入量は多孔性物質層の伝熱面１８、
受け皿２０および外殻下部伝熱面２１が常時ひた
される程度とする。この作動液として蒸留水を使
用する。外殻１５の下方で前記伝熱面２１に隣接
する箇所にガスバーナ等の燃焼器３１を配置す
る。燃焼器３１には、燃料供給弁３２が設けられ
た供給管３３を接続する。第２図ｃに示す促進体
は複数の板を交互に90゜ずつ角度をずらせて管１
７の長手方向に連設したものとする。

上記構成の本発明によるたて型加熱装置の作動
は次のとおりである。まず、燃焼器３１で発生す
る熱が伝熱面３０の下側に供給され、この外殻内
下部より上部へつらぬいている管１７の内部を熱
伝達率促進体にふれながら通過し、上側に排気さ
れる。その結果、伝熱面３０においては上側の作
動液の表面より作動液の蒸気が発生し、また管外
壁に密着された多孔性物質層の伝熱面１８より作
動液の蒸気が発生し、この多孔性物質層の伝熱面
１８では、蒸気が発生した分だけの作動液が、受
け皿２０より毛管力により補給される。そして、
外殻１５内部は、その圧力に応じた飽和蒸気で満
たされ、温度も飽和温度で一様になる。いま、熱
交換部２２内に加熱すべき流体が流れているもの
とすると、蒸気は熱交換部２２の水管群表面に凝
縮し、流体に熱を与える。さらに発生蒸気はそれ
自身の浮力、ならびに作動液表面近傍と熱交換部
近傍との間に生じる圧力差によつて熱交換部２２
に連続的に導かれる。これとともに、凝縮した作
動液は重力によつて最上部の受け皿に戻される。
ここで、この受け皿にたまつた作動液は、一方で
は最上部における管外壁に密着した多孔性物質層
の伝熱面に毛管力で吸い上げられ、他方では受け
皿よりあふれてその下側の多孔性物質層の伝熱面
を伝わり、次の皿にたまる。ここでも同じように
今伝わつてきた管外壁に密着した多孔性物質層の
伝熱面に毛管力で吸い上げられると同時に、受け
皿よりあふれた作動液はさらに下側の多孔性物質
層の伝熱面を伝わつていく。このように順次、下
方に作動液が伝わりながら、最終的には外殻内下
部の伝熱面２１上にたまる。すなわち、熱負荷の
大小にかかわらずいかなる場合においても管外壁
に密着した多孔性物質層の伝熱面は、作動液の薄
液膜によりおおわれている。このようにして、本
発明の装置によれば加熱すべき流体に連続的に熱
を与えることができる。

上記実施例では管の内部および伝熱面を加熱す
る手段を共通の燃焼器で構成したが、その代わり
にこれらを個別的な加熱装置で加熱してもよい。
燃焼器の代わりに電熱線を使用できることは言う
までもない。また適当な高温ガスを導入して加熱
を行なつてもよい。

第３図は、本発明によるたて型加熱装置の応用
例を示し、第２図ｂと同様な断面図である。この
例において、第２図と同一の符号は同一の部分を
示す。本発明によるたて型加熱装置には、流体の
出口温度を制御するために、次のような構成の制
御回路を設けることができる。まず、外殻１５内
に温度（飽和温度）もしくは圧力（飽和圧力）セ
ンサ３５を配置し、このセンサ３５の出力端子を
既知の適当な構成のコントローラ３６に接続す
る。また、燃料供給弁３２を電磁弁により構成
し、排気ダクト内に吸引用のフアン３７を挿入
し、弁３２およびフアン３７をコントローラ３６
により駆動する。なお、符号３４はたて型加熱装
置の製造時および補修時に使用する真空引き用配
管の弁を示す。

この例のたて型加熱装置の作動は、基本的には
第２図の場合と同じである。上述した温度制御回
路を設けてあるために、第３図のたて型加熱装置
によれば、流体出口温度は流量調整弁２８の開度
によらず、コントローラ３６の設定によつてのみ
調整可能とすることができる。いま、流量が増加
したとすると外殻１５内の作動液凝縮量が大とな
る。この結果、凝縮量と蒸発量とのバランスによ
り、内部蒸気温度が減少する。これをセンサ３５
が検出するとコントローラ３６が燃料弁３２の開
度を大きくする。その結果、作動液の蒸発量が大
となり、外殻１５内の蒸気温度をほぼ一定値に保
持する。加熱すべき流体の流量を減少する場合、
作動液凝縮量が減少するので内部蒸気温度が増加
する。したがつてコントローラ３６が燃料弁３２
の開度を小さくし、作動液蒸発量を減少し、やは
り同様に外殻１５内の蒸気温度をほぼ一定値に保
持する。

第４図は、本発明によるたて型加熱装置を風呂
釜と併用した例を示す。この例において第３図と
同一の符号は同一の部分を示す。

本例におけるたて型加熱装置の作動原理は、前
述したものとまつたく同じであるのでここでは実
際の使用方法を順をおつて説明していく。加熱装
置と組合わせた風呂釜は、外釜式としても良い
が、第４図には内釜式とした例が図示されてあ
る。

まず、風呂に水を入れる前に設定蒸気温度をコ
ントローラ３６により調節し、電源を入れて風呂
釜バーナー３１に火をつける。この外殻１５内の
蒸気温度は、コントローラ３６の設定値まで上昇
をつづけ、目的値に到達すると燃料弁３２が開度
を小さくする。ここにおいて、前使用例の場合た
て型加熱装置は断熱材１６により包囲されていた
が、本使用例においては、まつたく断熱材により
包囲せず、たて型加熱装置下部に伝熱面を設けた
燃焼室３８が付随している。前使用例にて述べた
ように、管１７の内部においては熱伝達率促進
体、管１７の外壁においては密着した多孔性物質
層の伝熱面１８により薄膜蒸発が行なわれるため
熱効率が高く、設定蒸気温度には１〜２分で到達
する。設定蒸気温度到達後に出口導管２７につい
ている流量調整弁２８を開き、一定水温の湯を風
呂容器３９にためる。風呂容器３９が適量になる
と流量調節弁２８を閉じるが、コントローラ３６
が作動しつづけ、風呂容器３９内の湯４４の温度
が設定値より低い場合には外殻１５から湯４４に
熱移動が起こり前記外殻内蒸気温度が下がるため
コントローラ３６が燃料弁３２の開度を大きく
し、伝熱面を設けた燃焼室３８より湯４４を加熱
するとともに蒸気温度を設定値まで上げてコント
ローラ３６が燃料弁３２の開度を小さくする。こ
の動作を外殻１５から湯４４への熱移動がなくな
るまで行ない、湯４４の温度を設定温度一定に保
つ。また、外殻１５内部で熱交換が行なわれる場
合、作動液が凝縮して受け皿２０にもどるように
外殻１５の内面に接触するメツシユの水きり４５
を設ける。本使用例における風呂は、入浴中一定
の湯温を保持するのでぬるま湯とならない。

このたて型加熱装置の出口導管は２７だけでな
く、出口導管４０，４１を設けて、シヤワー、上
がり湯に配管することができ、一定水温の湯を供
給することができる。

上述の実施例について記載したところから明ら
かなとおり、本発明のたて型加熱装置は、少なく
とも外殻を上下に貫通する管とを加熱して管の外
壁における多孔性物質層の伝熱面から作動液を蒸
発させ、また場合によつては外殻下部をも加熱し
て外殻下部の伝熱面からも作動液を蒸発させ、蒸
発した作動液を外殻内上部における熱交換部の表
面上で凝縮させて熱交換部に流入する流体を加熱
すると共に、熱交換部から管の外壁に沿つて落下
する凝縮した作動液を受け皿で受けとめて受け皿
の上方に位置する多孔性物質層に作動液を吸上げ
させ、かつ、受け皿の下方に位置する多孔性物質
層をあふれた作動液で常時浸して作動液の薄膜蒸
発を生じさせる配置としたことにより優れた応答
性および伝熱特性と高い熱効率とを達成すること
ができるので、以下に列挙する効果を奏するもの
である。

１ 機器が小型化できる。

伝熱特性が良く、熱効率が高いので加熱装置
全体としてかなり小型にまとめることができ
る。

２ 設置場所が小さくてよい。

たて型であるのでスリムで設置面積が少なく
てすむと同時に、排気ガスが機器内を通過する
ために、安全であり、排気による吸引力の増加
が期待できる。

３ 応答性が良い。

伝熱面積が増したため従来の装置と比較する
と応答性が数倍よくなる。また、設定蒸気温度
を変化させた時にもすばやく対応し、弁を開く
とほぼ同時に所要温度の流体が得られ無駄なく
経済性が高い。

４ 制御性が良い。

外殻内の圧力または温度を検出して流体の加
熱以前に流体出口温度を予定した所要値に制御
することが可能である。これは、出口において
流体の温度を自動的に、場合によつては人間の
感覚によつて検出して制御を行なう従来の装置
と比較して、はるかに確実であり、制御上の時
間おくれを最小におさえることが可能となる。
また、外殻内の飽和温度は得ようとする流体出
口温度より僅かに高く維持すれば良いので、流
量による温度変化は少なく、管内沸騰のおそれ
は全くない。

なお、温度制御の検出量を外殻内圧とすれ
ば、比較的大きな力が得られるので自力制御も
可能である。

５ 耐久性、安全性が高い。

熱交換部内の水管群表面に加えられる熱は作
動液の飽和温度以上にはならないので、伝熱性
能の経時変化は事実上ない。したがつて装置の
寿命が長く、安全性も高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来公知の加熱装置を示す線図的な
縦断面図、第２図ａ〜ｃは本発明の一実施例を示
す一部断面とした斜視図、縦断面図および熱伝達
促進体の配置説明図、第３図は温度制御回路を設
けた本発明の加熱装置の縦断面図、第４図は風呂
釜と組合わせた本発明の加熱装置の縦断面図であ
る。 １５……外殻、１６……断熱材、１７……管、
１８……多孔性物質層、１９……作動液、２０…
…受け皿、２１……下部伝熱面、２２……熱交換
部、２３……仕切弁、２４……入口導管、２５，
２６，２９，３０……ろう付箇所、２７，４０，
４１……出口導管、２８，４２，４３……流量調
整弁、３１……燃焼器、３２……燃料供給弁、３
３……供給弁、３４……真空引き用配管の弁、３
５……センサ、３６……コントローラ、３７……
フアン、３８……燃焼室、３９……風呂容器、４
４……湯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部を真空に保持した外殻と、この外殻内を
   下部より上部まで貫いた管と、前記外殻内で少な
   くとも前記管の外壁に設けた伝熱面と、該伝熱面
   を常時浸す程度に前記外殻内に封入された作動液
   とを含み、前記管の外壁における伝熱面は、作動
   液を毛管力により持上げて前記管の外壁周囲を浸
   すように該外壁に密着された多孔性物質層よりな
   り、また、少なくとも前記管の内部を加熱するこ
   とにより前記伝熱面から前記作動液を蒸発させる
   加熱手段と、前記外殻内上部に配置された熱交換
   部とを具え、前記伝熱面から蒸発した前記作動液
   を前記熱交換部の表面上で凝縮させて該熱交換部
   に流入する流体を加熱するものとし、さらに、前
   記管の外壁に受け皿を設けると共に、該受け皿
   は、前記熱交換部から管の外壁に沿つて落下する
   凝縮した作動液を受けとめて受け皿の上方に位置
   する多孔性物質層に作動液を吸上げさせ、かつ、
   あふれた作動液で受け皿の下方に位置する多孔性
   物質層を常時浸して作動液の薄膜蒸発を生じさせ
   る配置としたことを特徴とするたて型加熱装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の加熱装置におい
   て、前記管内に高温ガスを通して管壁に熱を伝達
   させるようにし、前記管内に熱伝達を促進すべき
   促進体を配置することを特徴とする加熱装置。