TWI608204B - 流體加熱裝置 - Google Patents

Description

流體加熱裝置

本發明涉及使用交流電源的流體加熱裝置，特別是有關於把三相交流電源連接在內部有流體流動的導體管來進行通電加熱的流體加熱裝置。

如專利文獻1所示，已知一種流體加熱裝置對中空導體管進行通電加熱，對在所述導體管內部流動的流體進行加熱，來產生加熱流體。在所述流體加熱裝置中，通過從設在導體管兩端部的電極施加交流電壓，使交流電流在導體管的側壁流動，因導體管的內部電阻產生的焦耳熱使導體管自身發熱。利用所述導體管自身發熱，對所述導體管中流動的流體進行加熱。

然而，在導體管的兩端部施加交流電壓的情況下，因導體管具有的電感造成電壓降低，所以存在對所述導體管施加交流電壓的電路的功率因數降低的問題。

專利文獻1：日本專利公開公報特開2011-86443號

為了同時解決上述問題，本發明的主要目的在於提供一種流體加熱裝置，把三相交流電源連接在內部有流體流動的導體管來進行通電加熱，可以改善電路功率因數，提高設備效率。

即，本發明的流體加熱裝置對內部有流體流動的導體管施加三相交流電壓進行通電加熱，從而對所述導體管內流動的流體進行加熱，其特徵在於，包括把一根導體管或相互電連接的多根導體管捲繞成螺旋形而構成的3N層的導體管層，其中，N為1以上 的整數，所述3N層的導體管層以各自的阻抗值基本相等、且捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形，把相鄰的導體管層中的一個導體管層的一端側作為捲繞起始部、另一端側作為捲繞終止部進行捲繞，並且把所述相鄰的導體管層中的另一個導體管層的另一端側作為捲繞起始部、一端側作為捲繞終止部進行捲繞，通過在第n(n=1、2、…(3N-1))層的導體管層的捲繞起始部和第(n+1)層的導體管層的捲繞終止部上，連接三相交流電源中的任意一相，並且在第一層的導體管層的捲繞終止部和第3N層的導體管層的捲繞起始部上，連接三相交流電源中的任意一相，或者是通過在所述第n層的導體管層的捲繞終止部和所述第(n+1)層的導體管層的捲繞起始部上，連接三相交流電源中的任意一相，並且在所述第一層的導體管層的捲繞起始部和所述第3N層的導體管層的捲繞終止部上，連接三相交流電源中的任意一相，使所述3N層的導體管層各自產生的磁通整體相互抵消。

按照這樣的結構，由於各導體管層的阻抗值基本相等，並且以使3N層的導體管層各自產生的磁通整體相互抵消的方式連接三相交流電源，所以能減小各導體管產生的電抗，可以改善功率因數。因此，能提高流體加熱裝置的設備效率。

優選的是，通過把一根導體管連續捲繞3N層而構成所述3N層的導體管層，在所述第一層的導體管層的捲繞起始部和所述第3N層的導體管層的捲繞終止部上，設置有由所述導體管的兩端部開口形成的流體出入口。由此，通過把一根導體管多重捲繞，可以成為一個結構元件，能減少零部件個數，容易處理。此外，通過在分別相鄰的導體管層的折返部上連接三相交流電源的各相，能用一個流體回路加熱流體。

優選的是，通過把M(M=2、3、…3N)根導體管捲繞成1層或連續捲繞成多層而構成所述3N層的導體管層，在各所述導體管的兩端部開口所處的導體管層的捲繞起始部或捲繞終止部上， 設置有流體出入口。由此，由於由M根導體管構成3N層的導體管層，所以最多能同時加熱M種流體。此外，由於可以在任意層的捲繞起始部和捲繞終止部中的至少一個上設置流體出入口，所以能根據流體的熱容量任意構成所述流體流動的導體管長度(加熱長度)。

優選的是，通過把3N根導體管分別捲繞1層而構成所述3N層的導體管層，在所述3N層的導體管層之中的2N層中由水產生飽和蒸汽，在剩餘的1N層中由飽和蒸汽產生過熱蒸汽。由20℃的水產生130℃的飽和蒸汽的熱量和由130℃的飽和蒸汽產生700℃的過熱蒸汽的熱量之比約為2比1。因此，如果採用在2N層中產生飽和蒸汽、在1N層中產生過熱蒸汽的結構，則可以使連接的三相交流電源的電流平衡約為1比1比1。此外，即使在採用低的過熱蒸汽溫度的情況下，也不會產生1相電流為零那樣極端的不平衡。各種過熱蒸汽溫度時的三相交流電源的電流比如下。

800℃時為1：1.04：1.04

700℃時為1：1：1

500℃時為1：0.90：0.90

200℃時為1：0.70：0.70

優選的是，把產生所述過熱蒸汽的1N層配置在中間，把產生所述飽和蒸汽的2N層之中的1N層配置在內側，把剩餘的1N層配置在外側，構成用產生所述飽和蒸汽的2N層夾住產生所述過熱蒸汽的1N層。由此，使高溫過熱蒸汽流動的層成為被飽和蒸汽流動的層夾持的中間層，不會使過熱蒸汽的熱量無益地釋放到外部，能把傳熱部分用作產生飽和蒸汽的預熱。

優選的是，所述三相交流電源的各相所連接的導體管層在各相之間電絕緣，所述流體加熱裝置還包括電流控制裝置，所述電流控制裝置設置於所述各相，單獨控制各相的電流。由此，可以對各相連接的各導體管層單獨控制其溫度。

優選的是，在所述第一層的導體管層的卷芯中空部和所述第3N層的導體管層的外側中至少一個上，設置有磁路用磁性體。由此，能使因導體管層通電而產生的磁通沿磁性體通過，可以使由各導體管層通電而產生的磁通容易相互抵消。

此外，流體加熱裝置對內部有流體流動的導體管施加交流電壓進行通電加熱，從而對所述導體管內流動的流體進行加熱，其特徵在於，包括由一根導體管或相互電連接的多根導體管構成的流體加熱部，在把所述流體加熱部的阻抗值等分成偶數份而形成的偶數個分割元件的兩端部，從交流電源施加交流電壓，並且使所述分割元件中流動的電流方向相反，使偶數個分割元件各自產生的磁通整體相互抵消。

按照這樣的結構，由於把流體加熱部的阻抗值大體等分為偶數份而形成多個分割元件，使分別流過多個分割元件的電流方向相反，構成整體相互抵消，能抑制因導體管具有的電感造成的電壓降低，可以改善功率因數。因此，能提高流體加熱裝置的設備效率。

作為所述導體管的具體實施方式，優選的是，所述導體管捲繞成螺旋形。由此，如以下所示，利用各種結構可以抑制因電感造成的電壓降低，可以改善功率因數。

優選的是，所述偶數個分割元件是把所述導體管捲繞成螺旋形而構成的偶數個導體管層，所述多個導體管層各自的阻抗值基本相等，把所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為相反方向的方式配置成同心圓形，在各所述導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在各所述導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。由此，由於全部的偶數個導體管層把一端側連接在一個極性上、把另一端側連接在另一個極性上即可，所以能簡化電路結構。

優選的是，所述偶數個分割元件是把所述導體管捲繞成螺旋 形而構成的偶數個導體管層，所述多個導體管層各自的阻抗值基本相等，所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形，在相鄰的導體管層中的一個導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，並且在所述一個導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓，在所述相鄰的導體管層中的另一個導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，並且在所述另一個導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。即使採用這樣的結構，也能抑制因電感造成的電壓降低，可以改善功率因數。

優選的是，所述偶數個分割元件是把所述導體管捲繞成螺旋形而構成的偶數個導體管層，所述多個導體管層各自的阻抗值基本相等，所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為同一方向的方式連續捲繞成同心圓形，在各所述導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在各所述導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。由此，能把一根導體管多重捲繞，用一個結構元件構成流體加熱部，可以減少零部件個數，容易處理。

此外，本發明的流體加熱裝置對內部有流體流動的導體管施加交流電壓進行通電加熱，從而對所述導體管內流動的流體進行加熱，其特徵在於，包括由一根導體管或相互電連接的多根導體管構成的流體加熱部，把所述流體加熱部的阻抗值等分成偶數份而形成偶數個分割元件，在所述分割元件中流動的電流方向相反，使偶數個分割元件各自產生的磁通整體相互抵消。

按照這種結構，由於把流體加熱部的阻抗值大體等分成偶數份形成多個分割元件，使分別流過多個分割元件的電流方向相反，構成整體相互抵消，所以能抑制因導體管具有的電感造成的電壓降低，可以改善功率因數。因此，可以提高流體加熱裝置的 設備效率。

優選的是，所述偶數個分割元件是把所述導體管捲繞成螺旋形而構成的偶數個導體管層，所述多個導體管層各自的阻抗值基本相等，所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形，把所述偶數個導體管層以串聯方式電連接，並且在串聯的偶數個導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在串聯的偶數個導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。由此，在串聯的偶數個導體管層的一端側和另一端側連接交流電源即可，可以簡化電路結構。

優選的是，在捲繞成螺旋形的導體管層的卷芯中空部和導體管層的外側中至少一個上，設置有磁路用磁性體。由此，能使因導體管層通電而產生的磁通沿磁性體通過，可以使因各導體管層通電而產生的磁通容易相互抵消。

導體管不限於呈螺旋形，所述導體管也可以呈直管形。由此，可以使導體管的結構非常簡單。

按照這種結構的本發明，在內部有流體流動的導體管上連接三相交流電源進行通電加熱的流體加熱裝置中，能改善電路功率因數，提高設備效率。

100‧‧‧流體加熱裝置

2‧‧‧導體管

2Px、2Py‧‧‧流體出入口

3‧‧‧流體加熱部

3a‧‧‧第一層的導體管層

3b‧‧‧第二層的導體管層

3c‧‧‧第三層的導體管層(第3N層的導體管層)

4‧‧‧三相交流電源

5‧‧‧導電構件

6‧‧‧電流控制裝置

V‧‧‧V相(第一相)

W‧‧‧W相(第二相)

U‧‧‧U相(第三相)

圖1是示意性表示第一實施方式的流體加熱裝置結構的圖。

圖2是表示第一實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖3是第一實施方式的各導體管層的接線圖。

圖4是表示第一實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖5是第一實施方式的各導體管層的接線圖。

圖6是表示第一實施方式的特性比較試驗電路和其試驗結果 的圖。

圖7是表示第二實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖8是表示第二實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖9是表示第二實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖10是表示第二實施方式的流體加熱裝置的流體加熱部結構的圖。

圖11是表示第二實施方式的1層繞組的螺旋形線圈試驗的電路結構和試驗結果的圖。

圖12是表示第二實施方式的2層繞組的螺旋形線圈試驗的電路結構和試驗結果的圖。

圖13是表示第二實施方式的2段2層繞組的螺旋形線圈試驗的電路結構和試驗結果的圖。

圖14是變形實施方式的各導體管層的接線圖。

圖15是表示變形實施方式的流體加熱部結構的圖。

圖16是變形實施方式的各導體管層的接線圖。

圖17是表示變形實施方式的直管形導體管試驗的電路結構和試驗結果的圖。

(第一實施方式)

下面參照附圖對本發明流體加熱裝置的一個實施方式進行說明。

如圖1所示，本實施方式的流體加熱裝置100在中空的導體管2上連接有三相交流電源4，所述導體管2的內部流動有流體(例如水、飽和蒸汽或過熱蒸汽等)，通過在所述導體管2上施加三相交流電壓而直接通電，並利用由導體管2的內部電阻產生的焦耳 熱加熱導體管2，從而對所述導體管2中流動的流體進行加熱。

具體而言，流體加熱裝置100包括流體加熱部3，所述流體加熱部3由把一根導體管2或相互電連接的多根導體管2捲繞成螺旋形的3N(N為1以上的整數)層的導體管層構成。

所述流體加熱部3如圖2和圖3所示，可以採用各種結構。

圖2所示的流體加熱部3由一根導體管2構成，具有把流體加熱部3整體的阻抗值等分成3N份而形成的3N層(N為1以上的整數)的導體管層。此外，在本實施方式中，是採用N=1的三層的導體管層3a、3b、3c。

所述三層的導體管層3a、3b、3c包括：第一層的導體管層3a，把一根導體管2從一端側到另一端側捲繞成螺旋形而構成；第二層的導體管層3b，連接在所述第一層的導體管層3a的另一端，從另一端側到一端側向與所述第一層的導體管層3a的捲繞方向相同的方向捲繞成螺旋形而構成；第三層的導體管層3c，連接在所述第二層的導體管層3b的一端，從一端側到另一端側向與所述第二層的導體管層3b的捲繞方向相同的方向捲繞成螺旋形而構成。

通過這樣構成三層的導體管層3a、3b、3c，相鄰的導體管層(例如第一層和第二層)中的一個導體管層(第一層)以一端側為捲繞起始部、以另一端側為捲繞終止部進行捲繞，相鄰的導體管層(例如第一層和第二層)中的另一個導體管層(第二層)以另一端側為捲繞起始部、一端側為捲繞終止部進行捲繞。此外，導體管2每捲繞一圈用絕緣物或空隙絕緣。例如可以考慮使用進行了在外側周面設置絕緣層等絕緣加工的導體管2。或者也可以構成每數圈分為一組，每組之間絕緣。此外，所述組數由流過導體管2的電流值決定。

調整繞組數、管長、管徑、壁厚、繞組直徑和繞組高度，使所述三層的導體管層3a、3b、3c的阻抗值基本相等。在本實施方式中，使構成各導體管層3a、3b、3c的導體管2的管徑、壁厚和 繞組數等相同。

以各自的捲繞方向為同一方向的方式連續捲繞三層，捲繞成同心圓形，這樣構成三層的導體管層3a、3b、3c。即，這樣構成的流體加熱部3的三層的導體管層3a、3b、3c連續構成一體。此處優選的是，在第一層的導體管層3a的卷芯中空部和第三層的導體管層3c的外側中至少一個上，設置磁路用磁性體。此外，在導體管層為6層、9層、…3N層的情況下，使一根導體管2的捲繞方向為同一方向，從一端側向另一端側、然後從另一端側向一端側連續捲繞成同心圓形。

這樣構成的流體加熱部3由一根導體管2捲繞而成，所以在第一層的導體管層3a的捲繞起始部和第三層的導體管層3c的捲繞終止部，設置有從導體管2的兩端部開口形成的流體出入口2Px、2Py。在本實施方式中，第一層的導體管層3a的捲繞起始部的流體出入口2Px位於一端側(在圖2中為上端側)，第三層的導體管層3c的捲繞終止部的流體出入口2Py位於另一端側(在圖2中為下端側)。此外，流體出入口2Px、2Py具有用於連接外部配管的凸緣等結構部。

在所述流體加熱部3中，通過連接三相交流電源4的各相(U相、V相、W相)，在所述三層的導體管層3a、3b、3c上施加U相電壓、V相電壓和W相電壓，使三層的導體管層3a、3b、3c各自產生的磁通整體相互抵消。

具體而言，如圖3所示，三相交流電源4中的第一相(V相)連接在第一層的導體管層3a的捲繞終止部和第二層的導體管層3b的捲繞起始部，三相交流電源4中的第二相(W相)連接在第二層的導體管層3b的捲繞終止部和第三層的導體管層3c的捲繞起始部，三相交流電源4中的第三相(U相)連接在第一層的導體管層3a的捲繞起始部和第三層的導體管層3c的捲繞終止部。即，三層的導體管層3a、3b、3c是對三相交流電源4進行三角形接線 的電路結構，在各導體管層3a、3b、3c中流動的交流電流的相位差為60度。

即，在連接第一層的導體管層3a的捲繞終止部和第二層的導體管層3b的捲繞起始部的折返部所設置的接線端子上，施加V相電壓。此外，在連接第二層的導體管層3b的捲繞終止部和第三層的導體管層3c的捲繞起始部的折返部所設置的接線端子上，施加W相電壓。此外，在作為第一層的導體管層3a的捲繞起始部的導體管2端部或其附近以及作為第三層的導體管層3c的捲繞終止部的導體管2端部或其附近分別設置的接線端子上，施加U相電壓。

通過這樣在三層的導體管層3a、3b、3c上連接三相交流電源4，施加三相交流電壓，因在各導體管層3a、3b、3c中流動的電流產生的磁通合成向量和為零，可以降低在各導體管層3a、3b、3c中產生的電抗，可以改善電路功率因數。

圖4所示的流體加熱部3由包含三相交流電源4的三相交流電路電連接的三個導體管2構成，具有把流體加熱部3整體的阻抗值等分成3N份而形成的3N層(N為1以上的整數)的導體管層。此外，在本實施方式中，採用N=1的三層的導體管層3a、3b、3c。

所述三層的導體管層3a、3b、3c包括：第一層的導體管層3a，把一根導體管2從一端側到另一端側捲繞成螺旋形而構成；第二層的導體管層3b，把一根導體管2從另一端側到一端側捲繞成螺旋形而構成；第三層的導體管層3c，把一根導體管2從一端側到另一端側捲繞成螺旋形而構成。

各導體管層3a、3b、3c的捲繞方向為同一方向，調整繞組數、管長、管徑、壁厚、繞組直徑和繞組高度，使各導體管層3a、3b、3c的阻抗值基本相等。在本實施方式中，使構成各導體管層3a、3b、3c的導體管2的管徑、壁厚和繞組數等相同。此外，在導體管層為6層、9層、…3N層的情況下，使各導體管2的捲繞方向 為同一方向，交替配置從一端側向另一端側捲繞的導體管2、以及從另一端側向一端側捲繞的導體管2。

這樣構成的流體加熱部3中，由於各導體管層3a、3b、3c由一根導體管2形成，分別在各導體管層3a、3b、3c的捲繞起始部和捲繞終止部設置流體出入口2Px、2Py，且這些流體出入口2Px、2Py位於一端側(在圖4中為上端側)和另一端側(在圖4中為下端側)。此外，流體出入口2Px、2Py具有用於連接外部配管的凸緣等結構部。

在所述流體加熱部3中，通過在所述三層的導體管層3a、3b、3c上施加來自三相交流電源4的三相交流電壓的各相(U相、V相、W相)，構成三層的導體管層3a、3b、3c各自產生的磁通整體相互抵消。

具體而言，如圖5所示，三相交流電源4中的第一相(V相)連接在第一層的導體管層3a的捲繞終止部和第二層的導體管層3b的捲繞起始部，三相交流電源4中的第二相(W相)連接在第二層的導體管層3b的捲繞終止部和第三層的導體管層3c的捲繞起始部，三相交流電源4中的第三相(U相)連接在第一層的導體管層3a的捲繞起始部和第三層的導體管層3c的捲繞終止部。即，三層的導體管層3a、3b、3c是對三相交流電源4進行三角形接線的電路結構，在各導體管層3a、3b、3c中流動的交流電流的相位差為60度。

即，在作為第一層的導體管層3a的捲繞終止部的導體管2端部或其附近以及作為第二層的導體管層3b的捲繞起始部的導體管2端部或其附近分別設置的接線端子上，施加V相電壓。此外，在作為第二層的導體管層3b的捲繞終止部的導體管2端部或其附近以及作為第三層的導體管層3c的捲繞起始部的導體管2端部或其附近分別設置的接線端子上，施加W相電壓。在作為第一層的導體管層3a的捲繞起始部的導體管2端部或其附近以及作為第三 層的導體管層3c的捲繞終止部的導體管2端部或其附近分別設置的接線端子上，施加U相電壓。

此外，也可以在第一層的導體管層3a的捲繞起始部和第二層的導體管層3b的捲繞終止部上，連接三相交流電源4中的第一相(V相)，在第二層的導體管層3b的捲繞起始部和第三層的導體管層3c的捲繞終止部上，連接三相交流電源4中的第二相(W相)，在第一層的導體管層3a的捲繞終止部和第三層的導體管層3c的捲繞起始部上，連接三相交流電源4中的第三相(U相)。

通過這樣在三層的導體管層3a、3b、3c上連接三相交流電源4，施加三相交流電壓，使各導體管層3a、3b、3c中流動的電流產生的磁通合成向量和為零，可以降低在各導體管層3a、3b、3c中產生的電抗，可以改善電路功率因數。此外，由於分別在各導體管層3a、3b、3c上設置有流體出入口2Px、2Py，所以因流體分別在各導體管層3a、3b、3c中流動，所以最多能同時加熱三種流體。

此外，在使用圖4所示的流體加熱部3，並由水產生過熱蒸汽的情況下，可以考慮在3N層的導體管層之中的2N層中由水產生飽和蒸汽，在剩餘的1N層中由飽和蒸汽產生過熱蒸汽。在這種情況下，從利用熱能的角度來說，優選的是，把產生過熱蒸汽的1N層配置在中間，把產生飽和蒸汽的2N層之中的1N層配置在內側，把剩餘的1N層配置在外側，構成用產生飽和蒸汽的2N層把產生過熱蒸汽的1N層夾在中間。

具體而言，把水導入第一層的導體管層3a和第三層的導體管層3c，產生飽和蒸汽，把在所述導體管層3a、3c中產生的飽和蒸汽導入第二層的導體管層3b，產生過熱蒸汽。通過採用這樣的結構，可以使連接的三相交流電源4的各相電流平衡大約為1比1比1。此外，通過使高溫過熱蒸汽流動的導體管層3b成為被飽和蒸汽流動的導體管層3a、3c夾持的中間層，不會使過熱蒸汽的熱 量無益地釋放到外部，能把傳熱部分用作產生飽和蒸汽的預熱。

下面對表示改善這樣構成的流體加熱裝置100的功率因數的試驗進行說明。此外，在下面的試驗中，為了明顯表示比較傾向，使用了頻率為800Hz的單相交流電源。

把斷面面積為8.042mm²、直徑為3.2mm的銅線每層繞60圈構成螺旋形，形成線圈層，把從一端側到另一端側捲繞的第一層的線圈層、從另一端側到一端側捲繞的第二層的線圈層、從一端側到另一端側捲繞的第三層的線圈層，以使它們的捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形，圖6表示如下情況的電路結構：(1)串聯三層、在第一層的線圈層的捲繞起始部和第三層的線圈層的捲繞終止部上連接單相交流電源(試驗No.1，圖6(1))；(2)分別在三層上以上述方式連接三相交流電源(試驗No.2，圖6(2))。

此時，如圖6下面的表所示，在試驗No.1的情況下，功率因數為0.020，而在試驗No.2的情況下，第一層的線圈層的功率因數為0.151，第二層的線圈層的功率因數為0.153，第三層的線圈層的功率因數為0.060。這樣就可以認為在圖6(2)的情況下，由於在各導體管層中產生的磁通相互抵消，所以能抑制電壓降低，改善了功率因數。此外，在換算成商用頻率60Hz的交流電壓的情況下，相對於試驗No.1的功率因數為0.256，在試驗No.2的情況下，第一層的線圈層的功率因數為0.898，第二層的線圈層的功率因數為0.900，第三層的線圈層的功率因數為0.627，各層的平均功率因數為0.836。在大功率的流體加熱裝置中，由於一般採用三相交流電源，所以如上所述，可以大幅度改善在用三相交流電源的情況下的功率因數，在提高設備效率方面也有明顯效果。

按照這樣構成的本實施方式的流體加熱裝置100，由於使各導體管層3a、3b、3c的阻抗值基本相等且使三層的導體管層3a、3b、3c各自產生的磁通整體相互抵消的方式，連接三相交流電源4，所以可以降低在各導體管層3a、3b、3c中產生的電抗，可以改善 功率因數。因此可以提高流體加熱裝置100的設備效率。

(第二實施方式)

下面對本發明的第二實施方式進行說明。

本實施方式的流體加熱裝置100具有由一根導體管2或相互電連接的多根導體管2構成的流體加熱部3。

所述流體加熱部3如圖7~圖10所示，可以採用各種結構。

圖7所示的流體加熱部3由利用包含交流電源4的交流電路電連接的兩個導體管2構成，在把流體加熱部3整體的阻抗值等分成偶數份而形成的偶數個(在本實施方式中為2個)的分割元件3a、3b的兩端部上，從交流電源4施加交流電壓。

各分割元件3a、3b是把在兩端具有使加熱物件的流體流入或流出的流體出入口2Px、2Py的導體管2捲繞成螺旋形而構成的導體管層。並且，調整繞組數、管長、管徑、壁厚、繞組直徑和繞組高度，使作為兩個分割元件的兩個導體管層3a、3b的阻抗值基本相等。在本實施方式中，使構成各導體管層3a、3b的導體管2的管徑、壁厚和繞組數等相同。

此外，導體管2在每一圈上用絕緣物或空隙絕緣。例如可以考慮使用進行了在外側周面上設置絕緣層等絕緣加工的導體管2。或者也可以構成每數圈分為一組，每組之間絕緣。此外，所述組數由流過導體管2的電流值決定。

把兩個導體管層3a、3b以各自的捲繞方向為相反方向的方式配置2層，配置成同心圓形。此外，在導體管層為4以上的偶數個的情況下，以相鄰的導體管層的捲繞方向為相反方向的方式配置成同心圓形。此處優選的是，在內側導體管層3a的卷芯中空部和外側的導體管層3b外側中至少一個上，設置磁路用磁性體。

在這樣構成的流體加熱部3中，構成各導體管層3a、3b的導體管2的流體出入口2Px、2Py位於一端側(在圖7中為上端側)和另一端側(在圖7中為下端側)。此外，流體出入口2Px、2Py 具有用於連接外部配管的凸緣部。

在所述流體加熱部3中，在各導體管層3a、3b的一端側(在圖7中為上端側)，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓(在圖7中為正電壓)，在各導體管層3a、3b的另一端側(在圖7中為下端側)，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(在圖7中為負電壓)。

即，用於施加來自交流電源4的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)，連接在構成各導體管層3a、3b的導體管2的、構成一端側的流體出入口2Px的一端部或其附近。此外，用於施加來自交流電源4的交流電壓另一個極性電壓的接線端子(未圖示)，連接在構成各導體管層3a、3b的導體管2的、構成另一端側的流體出入口2Py的另一端部或其附近。

這樣，通過對各導體管層3a、3b施加交流電壓，各導體管層3a、3b中流動的電流方向相反，對一個導體管層3a通電時產生的磁通和對另一個導體管層3b通電時產生的磁通的方向相反，相互抵消。

圖8所示的流體加熱部3相對於所述圖7等的流體加熱部3，在作為兩個分割元件的導體管層3a、3b的結構方面相同，但各導體管層3a、3b的捲繞方向和施加交流電壓的方法不同。

即，兩個導體管層3a、3b以各自的捲繞方向為同一方向的方式配置兩層，配置成同心圓形。此外，在導體管層為4以上的偶數個的情況下，也同樣以各自的捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形。

在這樣構成的流體加熱部3中，在兩個導體管層3a、3b中的一個導體管層3a的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓(在圖8中為正電壓)，在一個導體管層3a的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(在圖8中為負電壓)。此外，在兩個導體管層3a、3b中的另一個導體管層3b的 另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓(在圖8中為正電壓)，在另一個導體管層3b的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(在圖8中為負電壓)。即，在一個導體管層3a的一端側和另一個導體管層3b的另一端側施加同一極性的電壓，在一個導體管層3a的另一端側和在另一個導體管層3b的一端側施加同一極性的電壓。

即，在構成一個導體管層3a的導體管2的、構成一端側的流體出入口2Px的一端部或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)，在構成一個導體管層3a的導體管2的、構成另一端側的流體出入口2Py的另一端部或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓另一個極性電壓的接線端子(未圖示)。此外，在構成另一個導體管層3b的導體管2的、構成另一端側的流體出入口2Py的另一端部或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)，在構成另一個導體管層3b的導體管2的、構成一端側的流體出入口2Px的一端部或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓另一個極性電壓的接線端子(未圖示)。

通過這樣對各導體管層3a、3b施加交流電壓，在各導體管層3a、3b中流動的電流方向相反，對一個導體管層38通電時產生的磁通和對另一個導體管層3b通電時產生的磁通方向相反，相互抵消。

圖9所示的流體加熱部3由利用包含交流電源4的交流電路電連接的一根導體管2構成，把流體加熱部3整體的阻抗值等分成偶數份，在形成的偶數個(在本實施方式中為2個)的分割元件3a、3b兩端部，從交流電源4施加交流電壓。

兩個分割元件3a、3b由內側導體管層3a和外側導體管層3b構成，所述內側導體管層3a把一根導體管2從一端側到另一端側捲繞成螺旋形，所述外側導體管層3b連接在所述導體管層3a的 另一端，從另一端側到一端側向與所述內側導體管層3a的捲繞方向相同的方向捲繞成螺旋形。這些導體管層3a、3b的阻抗值基本相等。在本實施方式中，使各導體管層3a、3b的繞組數等相同。

這樣，以各自的捲繞方向為同一方向的方式連接成同心圓形，捲繞2層構成2個導體管層3a、3b。即，這樣構成的流體加熱部把兩個導體管層3a、3b連續構成一體。此外，在導體管層為4以上的偶數個的情況下，使捲繞方向為同一方向，把一根導體管2從一端側向另一端側、然後從另一端側向一端側連續捲繞成同心圓形。

在這樣構成的流體加熱部3中，與導體管層的數量無關，兩個流體出入口2Px、2Py位於一端側(在圖9中為上端側)。

在所述流體加熱部3中，在各導體管層3a、3b的一端側(在圖9中為上端側)，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓(在圖9中為正電壓)，在各導體管層3a、3b的另一端側，連接各導體管層3a、3b的折返部、即兩個流體出入口之間的中間位置，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(在圖9中為負電壓)。這樣在兩個導體管層3a、3b的相鄰端部(分割成分割元件的部位)施加共同的電壓。

即，在構成各導體管層3a、3b的導體管2的、構成一個流體出入口2Px的端部或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)，在構成各導體管層3a、3b的導體管2的、構成另一個流體出入口2Py的端部位或其附近，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)。此外，在各導體管層3a、3b的另一端側，在連接各導體管層3a、3b的折返部，連接用於施加來自交流電源4的交流電壓另一個極性電壓的接線端子(未圖示)。此外，圖9中的連接片31設置於折返部(中間位置)，連接所述交流電源4的接線端子。

通過這樣對各導體管層施加交流電壓，在各導體管層3a、3b中流動的電流方向相反，對一個導體管層3a通電時產生的磁通和對另一個導體管層3b通電時產生的磁通方向相反，相互抵消。

圖10所示的流體加熱部3相對於上述圖7的流體加熱部3，作為兩個分割元件的導體管層3a、3b的結構相同，但各導體管層3a、3b的捲繞方向、連接方法和施加交流電壓的方法不同。

即，兩個導體管層3a、3b以各自的捲繞方向為同一方向的方式配置兩層，配置成同心圓形，並且與交流電源4電連接成串聯方式。具體而言，如圖10所示，通過把各導體管層3a、3b的另一端側用導電構件5連接而使其短路，構成把一個導體管層3a的另一端部和另一個導體管層3b的另一端部電連接。此外，在導體管層為4以上的偶數個的情況下，因相鄰的導體管層的一端側之間或另一端側之間電連接，而成為串聯。

在所述流體加熱部3中，在串聯的兩個導體管層3a、3b的一端側，即在一個導體管層3a的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓(在圖10中為正電壓)，在串聯的兩個導體管層3a、3b的另一端側，即在另一個導體管層3b的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(在圖10中為負電壓)。

即，在構成一個導體管層3a的導體管2的、構成一端側的流體出入口2Px的端部或其附近，連接用於施加來自交流電源的交流電壓一個極性電壓的接線端子(未圖示)，在構成另一個導體管層3b的導體管2的、構成一端側的流體出入口2Px的端部或其附近，連接用於施加來自交流電源的交流電壓另一個極性電壓的接線端子(未圖示)。

通過這樣對各導體管層3a、3b施加交流電壓，在各導體管層3a、3b中流動的電流方向相反，對一個導體管層通電時產生的磁通和對另一個導體管層通電時產生的磁通方向相反，相互抵消。

下面對表示改善這樣構成的流體加熱裝置100的功率因數的試驗進行說明。此外，在以下的試驗中，為了明顯表示比較傾向，使用了頻率為800Hz的單相交流電源，但在實際的流體加熱裝置中，可以考慮使用商用頻率為50Hz或60Hz的單相交流電源，功率因數比以下所示的功率因數變高。

圖11表示以下情況的電路結構：把斷面面積為8.042mm²、直徑為3.2mm的銅線以螺旋形捲繞60圈而構成的線圈元件上施加單相交流電壓(試驗No.1，圖11(1))；以及把所述銅線以螺旋形捲繞30圈而構成的線圈元件在軸向配置兩個，並且在一個線圈元件的另一端側和另一個線圈元件的一端側，施加單相交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在一個線圈元件的一端側和另一個線圈元件的另一端側，施加單相交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(試驗No.2，圖11(2))。

此時，如圖11下面的表所示，在試驗No.1的情況下，功率因數為0.039，而在試驗No.2的情況下，在與試驗No.1相同功率的情況下，功率因數為0.048。這樣可以認為在圖11(2)的情況下，因各導體管層中產生的磁通相互抵消，所以可以抑制電壓降低，改善了功率因數。

圖12表示以下情況的電路結構：把斷面面積為8.042mm²、直徑為3.2mm的銅線以捲繞方向為同一方向的方式從一端側向另一端側以螺旋形捲繞60圈，形成線圈層，從另一端側到一端側捲繞60圈形成線圈層，在這樣的2層線圈元件的兩端施加單相交流電壓(試驗No.1，圖12(1))；以及在所述線圈元件的一端側施加單相交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在所述線圈元件的另一端側施加單相交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(試驗No.2，圖12(2))。

此時，如圖12下面的表所示，在試驗No.1的情況下，功率因數為0.026，而在試驗No.2的情況下，在與試驗No.1相同功率 的情況下，功率因數為0.225。這樣可以認為在圖12(2)的情況下，因在各導體管層中產生的磁通相互抵消，所以可以抑制電壓降低，改善了功率因數。此外，在採用商用頻率60Hz的單相交流電源時的功率因數在試驗No.1的情況下為0.324，在試驗No.2的情況下為0.951。

圖13表示以下情況的電路結構：把斷面面積為8.042mm²、直徑為3.2mm的銅線以捲繞方向為同一方向的方式從一端側到另一端側以螺旋形捲繞60圈形成線圈層、從另一端側到一端側捲繞60圈形成線圈層，在這樣的2層的線圈元件中，在線圈元件的一端和另一端的中央位置施加單相交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在線圈元件的一端側和另一端側施加單相交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。

此時，如圖13下麵的表所示，在與圖12(2)所示的試驗No.2相同功率的情況下，功率因數為0.248。在圖13的情況下，與圖12(2)所示的情況相比，改善了功率因數。此外，在採用商用頻率60Hz的單相交流電源時的功率因數為0.960。

按照這樣構成的本實施方式的流體加熱裝置100，把流體加熱部的阻抗值大體等分為偶數份而形成的多個分割元件3a、3b中分別流動的電流方向相反，構成整體相互抵消，所以可以抑制因導體管2所具有的電感造成的電壓降低，可以改善功率因數。因此可以提高流體加熱裝置100的設備效率。

(其他變形實施方式)

此外，本發明並不限於所述實施方式。

例如在所述實施方式中，對具有三層的導體管層3a、3b、3c的情況(N=1的情況)進行了說明，但在N為2以上的情況也一樣。在這種情況下，通過把三相交流電源中的任意一相連接在第n(n=1、2、…5)層的導體管層的捲繞起始部和第(n+1)層的導體管層的捲繞終止部上，並且把三相交流電源中的任意一相連 接在第一層的導體管層的捲繞終止部和第3N層的導體管層的捲繞起始部上，或者是，把三相交流電源中的任意一相連接在所述第n層的導體管層的捲繞終止部和所述第(n+1)層的導體管層的捲繞起始部上，並且把三相交流電源中的任意一相連接在所述第一層的導體管層的捲繞起始部和所述第3N層的導體管層的捲繞終止部上。

圖14表示具有6層(N=2的情況)的導體管層的流體加熱部的接線圖。圖14表示以下的情況：把三相交流電源4中的第一相(V相)連接在第一層的導體管層的捲繞起始部和第二層的導體管層的捲繞終止部上，把三相交流電源4中的第二相(W相)連接在第二層的導體管層的捲繞起始部和第三層的導體管層的捲繞終止部上，把三相交流電源4中的第三相(U相)連接在第三層的導體管層的捲繞起始部和第四層的導體管層的捲繞終止部上，把三相交流電源4中的第一相(V相)連接在第四層的導體管層的捲繞起始部和第五層的導體管層的捲繞終止部上，把三相交流電源4中的第二相(W相)連接在第五層的導體管層的捲繞起始部和第六層的導體管層的捲繞終止部上，把三相交流電源4中的第三相(U相)連接在第一層的導體管層的捲繞終止部和第六層的導體管層的捲繞起始部上。

此外，如圖15所示，也可以在3N層的導體管層中任意層的捲繞起始部和捲繞終止部中至少一個上，設置流體出入口2P。即，把M(M=2、3、…3N)根導體管2捲繞1層或連續捲繞多層，構成3N層的導體管層，也可以在各導體管2的兩端部開口所處的導體管層的捲繞起始部或捲繞終止部，設置流體出入口2P。

具體而言，圖15的(A)表示的情況是：在具有6層的導體管層的流體加熱部中，把兩根導體管2中的第一根導體管2連續螺旋形捲繞4層、把第二根導體管2連續螺旋形捲繞2層，在第一層的捲繞起始部和第四層的捲繞終止部、以及第五層的捲繞起 始部和第六層的捲繞終止部設置流體出入口2Px、2Py。由此，因流體分別在各導體管2中流動，可以同時最多加熱兩種流體。

此外，圖15的(B)表示的情況是：在具有6層的導體管層的流體加熱部中，把3根導體管2中的第一根導體管2連續螺旋形捲繞三層，把第二根的導體管2連續螺旋形捲繞2層，把第三根導體管2連續螺旋形捲繞1層，在第一層的捲繞起始部和第三層的捲繞終止部、第四層的捲繞起始部和第五層的捲繞終止部、第六層的捲繞起始部和捲繞終止部設置有流體出入口2Px、2Py。由此，因流體分別在各導體管2中流動，所以可以同時最多加熱三種流體。

即，通過對捲繞的導體管的根數和把各導體管捲繞幾層進行各種設定，可以在任意層的捲繞起始部和捲繞終止部中至少一個上設置流體出入口2P。

此外，在所述實施方式中，利用導體管的兩端部開口構成流體出入口，但除此以外也可以通過在導體管側壁上形成開口來構成流體出入口。由此，在用一根導體管捲繞多層構成的多個導體管層中，可以在除了導體管兩端部開口所在的捲繞起始部和捲繞終止部以外的導體管層的捲繞起始部或捲繞終止部，設置流體出入口。

還可以如圖4的流體加熱部3那樣，在連接所述三相交流電源4的各相的導體管層3a、3b、3c在各層之間電絕緣的情況下，如圖16所示，設置單獨控制三相交流電源各相電流的電流控制裝置6。所述電流控制裝置6例如採用晶閘管構成，通過設置在各相上並單獨控制各相的電流，對在各導體管層3a、3b、3c中流動的電流單獨控制。由此，可以對連接於各相的各導體管層單獨控制其溫度。

例如在所述實施方式中，分割元件是把導體管捲繞成螺旋形而構成的，但流體加熱部也可以由呈直管形的導體管構成，分割 元件呈直管形。在這種情況下，兩個流體出入口2P分別位於導體管2的軸向端部。

圖17表示改善具有這種呈直管形的分割元件構成的流體加熱部的流體加熱裝置的功率因數的試驗。

圖17表示以下情況的電路結構：在直徑為34mm、管長為2200mm、管壁厚為1.65mm的不銹鋼管兩端部施加單相交流電壓(試驗No.1，圖17(1))；以及把所述不銹鋼管兩等分，在不銹鋼管的兩端部施加單相交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在不銹鋼管的中間位置(兩個分割元件的邊界位置)施加單相交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓(試驗No.2，圖17(2))。

此時，如圖17下面的表所示，在試驗No.1的情況下，功率因數為0.1715，而在試驗No.2的情況下，在與試驗No.1相同功率的情況下，功率因數為0.1985。這樣可以認為在圖17(2)的情況下，因在兩個分割元件中產生的磁通相互抵消，所以可以抑制電壓降低，改善了功率因數。

而且，表1~表3是表示適合使用流體加熱裝置的示例的表。如表1~表3所示，可以把用本實施方式的流體加熱裝置100產生的過熱蒸汽等用於各種適用實例(用途)。即，可以把本實施方式的流體加熱裝置100組裝到與表1~表3所示的適用實例對應的設備來使用。

除此以外，本發明不限於所述實施方式，可以在不脫離本發明宗旨的範圍內進行各種變形。

100‧‧‧流體加熱裝置

2‧‧‧導體管

3‧‧‧流體加熱部

4‧‧‧三相交流電源

Claims (8)

1. 一種流體加熱裝置，在內部有流體流動的導體管上連接三相交流電源將所述導體管進行通電加熱，從而藉由所述導體管對所述導體管內流動的流體進行加熱，其中，包括把一根導體管或相互電連接的多根導體管捲繞成螺旋形而構成的3N層的導體管層，其中，N為1以上的整數；所述3N層的導體管層以各自的阻抗值基本相等，且捲繞方向為同一方向的方式配置成同心圓形；把相鄰的導體管層中的一個導體管層的一端側作為捲繞起始部，另一端側作為捲繞終止部進行捲繞，並且把所述相鄰的導體管層中的另一個導體管層的另一端側作為捲繞起始部，一端側作為捲繞終止部進行捲繞；通過在第n層的導體管層的捲繞起始部和第n+1層的導體管層的捲繞終止部上，連接三相交流電源中的任意一相，並且在第一層的導體管層的捲繞終止部和第3N層的導體管層的捲繞起始部上，連接三相交流電源中的任意一相，或者是通過在所述第n層的導體管層的捲繞終止部和所述第n+1層的導體管層的捲繞起始部上，連接三相交流電源中的任意一相，並且在所述第一層的導體管層的捲繞起始部和所述第3N層的導體管層的捲繞終止部上，連接三相交流電源中的任意一相，使所述3N層的導體管層各自產生的磁通整體相互抵消，其中，n=1、2、…3N-1；通過把3N根導體管分別捲繞1層而構成所述3N層的導體管層；在所述3N層的導體管層之中的2N層中由水產生飽和蒸汽，在剩餘的1N層中由飽和蒸汽產生過熱蒸汽；並且把產生所述過熱蒸汽的1N層配置在中間，把產生所述飽和蒸汽的2N層之中的1N層配置在內側，把剩餘的1N層配置 在外側，構成為用產生所述飽和蒸汽的2N層夾住產生所述過熱蒸汽的1N層。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的流體加熱裝置，其中，所述三相交流電源的各相所連接的導體管層在各相之間電絕緣；所述流體加熱裝置還包括電流控制裝置，所述電流控制裝置設置於所述各相，單獨控制各相的電流。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的流體加熱裝置，其中，在所述第一層的導體管層的卷芯中空部和所述第3N層的導體管層的外側中至少一個上，設置有磁路用磁性體。
4. 一種流體加熱裝置，對內部有流體流動的導體管施加交流電壓將所述導體管進行通電加熱，從而藉由所述導體管對所述導體管內流動的流體進行加熱，其中，包括由一根導體管或相互電連接的多根導體管構成的流體加熱部，在把所述流體加熱部的阻抗值等分成偶數份而形成的偶數個分割元件的兩端部，從交流電源施加交流電壓；所述偶數個分割元件是把所述導體管捲繞成螺旋形而構成的彼此配置成同心圓形的偶數個導體管層；所述偶數個導體管層係構成為各自的阻抗值係基本相等；於所述偶數個導體管層的兩端部施加交流電壓而使於所述導體管層中流動的電流方向相反，使所述偶數個導體管層各自產生的磁通整體相互抵消。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的流體加熱裝置，其中，把所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為相反方向的方式配置；在各所述導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在各所述導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。
6. 根據申請專利範圍第4項所述的流體加熱裝置，其中，所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為同一方向的方式配置；在相鄰的導體管層中的一個導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，並且在所述一個導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓；在所述相鄰的導體管層中的另一個導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，並且在所述另一個導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。
7. 根據申請專利範圍第4項所述的流體加熱裝置，其中，所述偶數個導體管層以相鄰的導體管層的捲繞方向為同一方向的方式連續捲繞；在各所述導體管層的一端側，施加交流電壓正負兩個極性中一個極性的電壓，在各所述導體管層的另一端側，施加交流電壓正負兩個極性中另一個極性的電壓。
8. 根據申請專利範圍第4項所述的流體加熱裝置，其中，在捲繞成螺旋形的導體管層的卷芯中空部和導體管層的外側中至少一個上，設置有磁路用磁性體。