本発明は、電磁誘導式加熱によって加熱水蒸気を発生させる加熱水蒸気発生装置に関する。
従来、電磁誘導式加熱によってガスを加熱して昇温させる装置として、例えば特許文献1に開示された装置が公知である(例えば特許文献1)。従来の装置は、セラミックなどで形成された筒状ケースの外側にコイルを巻き回し、ケース内側に金属などの発熱体を設けた構成であり、コイルに交流電流を流すことによって発熱体に電磁誘導による渦電流を生じさせ、渦電流で発熱した発熱体がケース内側を流れるガス体を昇温させるものである。
しかし、上述した従来の装置を用いて水から加熱水蒸気を発生させようとすると、装置が大掛かりになるという問題がある。すなわち、水から加熱水蒸気を発生させるためには、まず水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、その後、飽和水蒸気を更に加熱して加熱水蒸気を発生させることが必要となる。この場合、ケース内側に水を流して飽和水蒸気を発生させようとすると、発熱体が水による冷却作用を受けるので、発熱体の温度は百度〜百数十度程度の温度に留まり、ケース自体の温度もそれ程高温にはならない。一方、水が飽和水蒸気になると、ケース内部が空焚き状態となり、発熱体は冷却作用を受けないので、電磁誘導によって数百度の温度まで上昇し、ケース自体も高温になる。それ故、1つのケースで水から加熱水蒸気を発生させようとすると、ケースに低温部分と高温部分との温度差が生じ、その温度差によるヒートショックが水から飽和水蒸気へ変化(相転移)する部分に集中し、ケースを破損させる要因となる。このようなケース破損を防止するためには、水を加熱して飽和水蒸気を発生させるケースと、飽和水蒸気を加熱して加熱水蒸気を発生させるケースとをそれぞれ別のケースとして構成することが必要であり、しかもそれぞれのケースに対して個別にコイルを巻き回すことが必要である。つまり、従来の装置で水から加熱水蒸気を発生させようとすると、ケースにコイルを巻き回した加熱ユニットが少なくとも2つ必要となる。そして各加熱ユニットにおいて適切な発熱量を生じさせるためには各コイルに交流電流を出力する電源についても個別に設ける必要がある。したがって、装置が大掛かりになるのである。
また従来の装置では、ケースを縦方向に配置して上から水を供給し、下から加熱水蒸気を吐出させようとすると、ケース内部で十分に加熱されなかった水が吐出口まで到達し、吐出口から水滴が出る可能性もある。これを防止するためには、ケース内部で十分な加熱が行われるようにケース長を長くすることが必要であり、装置が大型化する要因の一つとなっている。
このように従来の装置は、装置自体が大型化してしまうことから、例えば手持ち型ガンタイプなどのような実現にして加熱水蒸気を任意の方向に吐出できるようにすることが困難である。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するため、装置自体を小型化して持ち運びし易くすると共に、任意の方向に加熱水蒸気を吐出できるようにした加熱水蒸気発生装置を提供することをその目的とするものである。
上記目的を達成するため、まず第1に、本発明は、加熱水蒸気発生装置(1)であって、一端から水を供給し、他端から加熱水蒸気を吐出する筒状の耐熱ケース(2)と、前記耐熱ケース(2)の外周面に巻き回したコイル(5)と、前記耐熱ケース(2)の内部において前記耐熱ケース(2)の長手方向に沿って互いに密着状態に設けられる複数の発熱エレメント(11)と、前記コイル(5)に交流電流を流すコイル駆動手段(21)と、を備え、前記コイル(5)は、前記耐熱ケース(2)の長手方向中央部分におけるコイル密度を、前記耐熱ケース(2)の内部に水を供給する供給口(7a)側のコイル密度よりも低くした状態に巻き回され、前記コイル駆動手段(21)によって交流電流が供給されることにより前記耐熱ケース(2)の内部に生じる前記中央部分の磁束密度変化を前記供給口(7a)側の磁束密度変化よりも小さくした構成である。
第2に、本発明は、上記第1の構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記コイル(5)は、前記耐熱ケース(2)の内部から加熱水蒸気を吐出する吐出口(6a)側のコイル密度を、前記中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に巻き回され、前記コイル駆動手段(21)によって交流電流が供給されることにより前記耐熱ケース(2)の内部に生じる前記吐出口(6a)側の磁束密度変化を前記中央部分の磁束密度変化よりも大きくした構成である。
第3に、本発明は、上記第1又は第2の構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記発熱エレメント(11)は、前記耐熱ケース(2)の内部に生じる磁束密度変化によって渦電流を生じさせるリング部(12)と、前記リング部(12)の内側において所定間隔で互いに平行に設けられた複数のフィン(13)とを備える構成である。
第4に、本発明は、上記第3の構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数のフィン(13)のそれぞれは、前記リング部(12)の軸方向の一方側から他方側に向かって隣接するフィン(13)との間隔を漸次縮小させる形状を有する構成である。
第5に、本発明は、上記第4の構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数のフィン(13)のそれぞれは、略三角形の断面形状を有し、一の頂点を前記リング部(12)の軸方向の一方側に向けた状態に配置される構成である。
第6に、本発明は、上記第3乃至第5のいずれかの構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数の発熱エレメント(11)のそれぞれは、前記耐熱ケース(2)の内部において前記耐熱ケース(2)の長手方向に沿って隣接する別の発熱エレメント(11)に対し、軸方向を中心に所定角度回転した状態に設けられる構成である。
第7に、本発明は、上記第1乃至第6のいずれかの構成を有する加熱水蒸気発生装置(1)において、前記耐熱ケースの長手方向の所定位置において、前記複数の発熱エレメントの間に、少なくとも1つの筒状部材(31,32)とバッフルプレート(33)とが介挿される構成である。
本発明によれば、耐熱ケースを破損させることなく、1つの加熱ユニットで水から加熱水蒸気を発生させることができるため、装置自体を小型化することが可能であり、持ち運びなどに適した加熱水蒸気発生装置を実現することができる。また本発明によれば、任意の方向に加熱水蒸気を吐出することもできるようになる。
第1実施形態における加熱水蒸気発生装置の構成を示す断面図である。
加熱水蒸気発生装置の各部材を分解した状態を示す斜視図である。
発熱エレメントの詳細を示す図である。
複数の発熱エレメントの配置例を示す図である。
発熱エレメントの発熱原理を示す図である。
耐熱ケースの内部に生じる渦流の例を示す図である。
第2実施形態における加熱水蒸気発生装置の構成を示す断面図である。
第2実施形態における発熱モジュールを拡大して示す斜視図である。
第2実施形態における発熱モジュールの一部を拡大して示す断面図である。
以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態である加熱水蒸気発生装置1の構成を示す断面図である。また図2は、加熱水蒸気発生装置1の各部材を分解した状態を示す斜視図である。この加熱水蒸気発生装置1は、一端から水を取り込み、他端から加熱水蒸気を吐出する筒状の耐熱ケース2と、その耐熱ケース2の外周面に一連の導線を巻き回して構成されるコイル5と、耐熱ケース2の内部に設けられる発熱モジュール10と、耐熱ケース2の一端に設けられ、耐熱ケース2の内部に水を供給する供給部7と、耐熱ケース2の他端に設けられ、加熱水蒸気を吐出するノズル部6とを備える。コイル5の両端には導電ケーブル20が接続され、その導電ケーブル20の他端にはコイル5に高周波の交流電流を流すコイル駆動部21が接続される。コイル駆動部21は、商用電源などの一般的な交流電源22に接続され、インバータ回路などを用いてコイル5に流すための所定周波数の交流電流を生成して出力する。
耐熱ケース2は、例えば25〜35cm程度の長さを有し、外径3cm程度に形成された円筒状のケースである。この耐熱ケース2は、コイル支持管3と断熱管4との2つの部材を有し、断熱管4がコイル支持管3の内側に配置された構成である。コイル支持管3は、例えばマイカなどの電気絶縁性及び耐熱性に優れた材料によって形成され、その長手方向の両端部にフランジ部3a,3bが設けられた構成である。一方、断熱管4は、コイル支持管3の内径よりも小さい外径を有し、例えば耐熱性及び断熱性に優れたセラミックなどで形成される。そして断熱管4は、コイル支持管3の内壁と一定の空隙を有する状態でコイル支持管3の内側に挿入装着される。すなわち、耐熱ケース2は、外側のコイル支持管3と、内側の断熱管4とによる断熱二重構造を有している。
供給部7は、水を矢印F1で示す方向に流入させる供給口7aと、フランジ部7bとを有する。供給部7は、フランジ部7bをコイル支持管3のフランジ部3bと接合させて螺子などで固定されることにより、耐熱ケース2の一端側に取り付けられる。この供給部7は内部にメタルガスケット8bを有しており、このメタルガスケット8bがコイル支持管3の内側に設けられる断熱管4の一端と接触して耐熱ケース2の内部を密閉する。
ノズル部6は、加熱水蒸気を矢印F2で示す方向に吐出する吐出口6aと、フランジ部6bとを有する。このノズル部6は、フランジ部6bをコイル支持管3のフランジ部3aと接合させて螺子などで固定されることにより、耐熱ケース2の他端側に取り付けられる。このノズル部6も内部にメタルガスケット8aを有しており、このメタルガスケット8aがコイル支持管3の内側に設けられる断熱管4の他端と接触して耐熱ケース2の内部を密閉する。
コイル5は、コイル支持管3のフランジ部3a,3bの間の外周面に巻き回した状態で配置される。このコイル5は、耐熱ケース2の長手方向中央部分におけるコイル密度(長手方向単位長さ当たりの巻き数)を、供給口7a側のコイル密度よりも低くした状態に巻き回される。例えば供給口7aの近傍位置ではコイル5を二重巻きで構成し、耐熱ケース2の中央部分ではコイル5を一重巻きで構成することにより、耐熱ケース2の長手方向に沿ってコイル密度を変化させている。またコイル5は、耐熱ケース2の内部から加熱水蒸気を吐出する吐出口6a側のコイル密度を、耐熱ケース2の中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に巻き回される。例えば上述のように耐熱ケース2の中央部分のコイル5は一重巻きで構成されるのに対し、吐出口6aの近傍位置のコイル5は二重巻きで構成される。すなわち、本実施形態では、耐熱ケース2の両端部分ではコイル密度が高く、中央部分では両端部分よりもコイル密度が低くなるように、コイル5が形成されている。
発熱モジュール10は、耐熱ケース2の内部において耐熱ケース2の長手方向に沿って互いに密着状態に設けられる複数の発熱エレメント11を備えている。これら複数の発熱エレメント11は、例えばステンレス製の針金などによって構成されるガイド部材9によって互いに密着した状態に保持される。
図3は、発熱エレメント11の詳細を示す図であり、図3(a)が発熱エレメント11の表面側斜視図を、図3(b)が発熱エレメント11の裏面側斜視図を、図3(c)が発熱エレメント11の断面図を示している。尚、図3に示す矢印Fは、水又は水蒸気が通る方向を示している。発熱エレメント11は、例えば断熱管4の内径よりも若干小さい外径を有する概略円盤状のステンレス製部材である。この発熱エレメント11は、例えば直径10〜20ミリメートル、厚さ数ミリメートル(1ミリメートル程度)に形成される。図3に示すように、発熱エレメント11は、円環状のリング部12と、そのリング部12の内側において所定間隔で互いに平行に設けられる複数のフィン13とを有し、複数のフィン13の間に水や水蒸気を通過させるスリットを形成した構成である。
リング部12には、表面から裏面に貫通する複数の孔14が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3では、9個の孔14がリング部12に設けられており、それら9個の孔14はリング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。これら複数の孔14は、上述したガイド部材9を挿通するための孔である。またリング部12の表面には、複数の突起15が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3(a)では、9個の突起15が設けられており、それら9個の突起15はそれぞれ互いに隣接する2つの孔14の間の位置に設けられる。つまり、これら9個の突起15もまた、リング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。更にリング部12の裏面には、複数の凹部16が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3(b)では、9個の凹部16が設けられており、それら9個の凹部16はそれぞれ互いに隣接する2つの孔14の間の位置に設けられる。つまり、これら9個の凹部16もまた、リング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。
複数のフィン13のそれぞれは、リング部12の軸方向の一方側から他方側に向かって隣り合う別のフィン13との間隔を漸次縮小させるように構成される。すなわち、複数のフィン13のそれぞれは、図3(c)に示すように、概略三角形の断面形状を有し、その三角形の1つの頂点をリング部12の軸方向の一方側(水又は水蒸気が流れる方向の上流側)に向けると共に、底辺をリング部12の軸方向の他方側(水又は水蒸気が流れる方向の下流側)に向けた状態に配置される。水又は水蒸気が流れる方向に沿って複数のフィン13のそれぞれが隣り合うフィン13との間隔を漸次縮小させることにより、水又は水蒸気がリング部12の内側を通過するときには、水又は水蒸気を圧縮した後に膨張させることができると共に、水や水蒸気をフィン13に対して確実に衝突(接触)させることができる。
このような発熱エレメント11は、リング部12の表面に形成された突起15を、その表面側において隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成された凹部16に嵌合させることにより、複数の発熱エレメント11のリング部12を互いに密着させることができる。また本実施形態では、複数の発熱エレメント11のそれぞれを、耐熱ケース2の内部において耐熱ケース2の長手方向に沿って隣り合う別の発熱エレメント11に対して所定角度ずつ回転させた状態に配置して密着させる。
図4は、複数の発熱エレメント11a〜11iの配置例を示す図である。尚、図4に示す矢印Fは、水又は水蒸気が通方向を示している。図4に示すように、複数の発熱エレメント11a〜11iを軸方向に沿って順に装着していくとき、各発熱エレメント11を例えば40度ずつ回転させた状態に取り付ける。このとき、各発熱エレメント11の表面側に設けられた複数の突起15は、その表面側に隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成されている複数の凹部16の位置と合致する。そのため、複数の発熱エレメント11a〜11iを順に40度ずつ回転させた状態に取り付けても、リング部12の表面に形成された突起15を、その表面側において隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成された凹部16に嵌合させることが可能であり、複数の発熱エレメント11a〜11iのリング部12を互いに密着させることができる。
また複数の発熱エレメント11a〜11iのそれぞれに設けられた孔14は、各発熱エレメント11が40度回転した状態となっても同じ位置に存在する。そのため、複数の発熱エレメント11を密着させたとき、複数の発熱エレメント11a〜11iのそれぞれに設けられた孔14の位置が全て一致するので、ガイド部材9を複数の発熱エレメント11に連通する孔14に挿通させることができ、複数の発熱エレメント11を密着させた状態に保持することが可能である。ガイド部材9は、発熱モジュール10の両端部分で折り曲げておくことにより、各発熱エレメント11がガイド部材9から離脱してしまうことを防止することができる。尚、ガイド部材9は、発熱モジュール10に対して2,3本程度取り付けられれば良く、必ずしも9個の孔14の全てにガイド部材9を取り付けなくても良い。
上記のように複数の発熱エレメント11を1つずつ所定角度回転させた状態にして装着していくと、発熱モジュール10においては、水又は水蒸気を通過させるためのスリットが順次回転した状態となる。例えば本実施形態では40度ずつ回転させていくので、連続的に配置される9個の発熱エレメント11により、スリットが1回転(360度)する。このようなスリットの回転により、耐熱ケース2の内側を吐出口6aに向かって進行する水又は水蒸気に螺旋状の渦流を形成させることができる。そしてスリットの回転方向は、複数の発熱エレメント11を所定角度ずつ回転させた状態に配置するときの回転方向によって調整可能である。本実施形態では、上記のようにして構成される発熱モジュール10が耐熱ケース2の長手方向のほぼ全域に亘って配置される。
図5は、発熱エレメント11の発熱原理を示す図である。コイル駆動部21によって高周波のコイル電流Icoilがコイル5に出力されると、耐熱ケース2の内側の磁束密度Bが、コイル電流Icoilに応じて変化する。この磁束密度Bの変化は、発熱エレメント11のリング部12に対して直角方向に作用する。そして磁束密度Bの変化によって発熱エレメント11のリング部12に渦電流Ieが誘導される。つまり、リング部12は一種のコイルとして作用するのである。このようなリング部12は、磁束密度Bが変化する方向に対して直角に設けられると共に、断熱管4の内壁に沿った円環状に設けられるため、磁束密度Bの変化に応じて渦電流Ieを高効率で発生させることができる。すなわち、本実施形態では、コイル5に高周波のコイル電流Icoilを流すことにより、個々の発熱エレメント11のリング部12に比較的大きな渦電流Ieを流すことができるのである。この渦電流Ieは熱エネルギーに変換され、発熱エレメント11を発熱させる。発熱エレメント11の発熱量は渦電流Ieによって定まり、本実施形態では、リング部12に大きな渦電流Ieが流すことができるので、発熱エレメント11における発熱量を大きくすることができる。その結果、リング部12だけでなく、複数のフィン13のそれぞれが高温状態に昇温する。そして複数の発熱エレメント11のそれぞれが耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化に応じた発熱作用を示すことにより、水又は水蒸気が通過する耐熱ケース2の内部空間を加熱する。
本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、図1に示すように、耐熱ケース2の中央部分よりも供給口7a側のコイル密度を高くした部分を飽和水蒸気発生領域R1とし、その飽和水蒸気発生領域R1よりも下流側の部分を加熱水蒸気発生領域R2としている。つまり、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、飽和水蒸気発生領域R1と加熱水蒸気発生領域R2とを1つのユニットで実現しているのである。そして本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、供給口7aから供給する水量を所定の上限値以下に抑えることにより、吐出口6aから水滴などが吐出されず、所定の温度に加熱された加熱水蒸気を良好に吐出させることができるように構成される。
飽和水蒸気発生領域R1では、供給口7aから供給される水が加熱されて飽和水蒸気が生成される。この飽和水蒸気発生領域R1では、発熱エレメント11のスリットの回転方向が正逆2方向となるように複数の発熱エレメント11が組み合わせられる。例えば供給口7a側の端部に配置される9個の発熱エレメント11は1個ずつ右周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを右周り方向に一回転させ、次の9個の発熱エレメント11は1個ずつ左周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを左周り方向に回転させる。飽和水蒸気発生領域R1では、このような正逆2方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置される。
図6は、耐熱ケース2の内部に生じる渦流の例を示す図である。飽和水蒸気発生領域R1では、上述のように正逆2方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置されることにより、供給口7aから供給される水は、耐熱ケース2の内側を進行するとき、右周りの渦流と左周りの渦流とを交互を生じるようになる。そして水や水蒸気が飽和水蒸気発生領域R1に設けられた複数の発熱エレメント11を通過していくときには、右周りの渦流と左周り渦流との切り替え位置に相当する部分が抵抗となり、その部分で水や水蒸気が高温状態に発熱したフィン13に衝突(接触)してフィン13から直接熱交換を受ける。尚、図6では、右周りの渦流と左周りの渦流とが1回ずつ生じる場合を例示しているが、右周りの渦流と左周りの渦流とが複数回入れ替わるようにしても良い。
また飽和水蒸気発生領域R1では、コイル5のコイル密度が高いため、複数の発熱エレメント11は、水による冷却作用を受ける場合であっても少なくとも百度〜百数十度程度の温度に発熱させることができる。そのような飽和水蒸気発生領域R1を、水又は水蒸気が圧縮、膨張、衝突、回転(渦流回転)を繰り返しながら下流側に向かって進行していくため、供給口7aから流入する水を飽和水蒸気発生領域R1において確実に飽和水蒸気に変化(相転移)させることができる。そのため、飽和水蒸気発生領域R1よりも下流側の加熱水蒸気発生領域R2には飽和水蒸気だけを進行させることができ、水の状態で飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2へ進入することを防止できる。
一方、加熱水蒸気発生領域R2では、飽和水蒸気発生領域R1で発生する飽和水蒸気が更に加熱されて加熱水蒸気が生成される。この加熱水蒸気発生領域R2では、発熱エレメント11のスリットの回転方向が一方向となるように複数の発熱エレメント11が組み合わせられる。例えば加熱水蒸気発生領域R2に設けられる複数の発熱エレメント11は1個ずつ右周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを右周り方向に連続回転させる。加熱水蒸気発生領域R2では、このような一方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置される。これにより、飽和水蒸気発生領域R1から流入する飽和水蒸気は、耐熱ケース2の内側を進行するとき、図6に示すように、常に一方向に回転する渦流を生じるようになる。つまり、加熱水蒸気発生領域R2では回転方向の切り替わりによる抵抗が存在しないため、加熱水蒸気又は飽和水蒸気が耐熱ケース2の内側を一定の速度で進行する。ただし、加熱水蒸気又は飽和水蒸気が各発熱エレメント11に設けられた複数のフィン13の間のスリットを通過するとき、圧縮、膨張、衝突、回転(渦流回転)を繰り返しながら下流側に向かって進行して行く点は、飽和水蒸気発生領域R1と同様である。
また加熱水蒸気発生領域R2には、コイル密度の低い低発熱領域R21と、コイル密度の高い高発熱領域R22とが設けられ、飽和水蒸気発生領域R1で発生した飽和水蒸気は、まず低発熱領域R21を通過してから次に高発熱領域R22を通過するように構成される。
低発熱領域R22では、コイル5のコイル密度が飽和水蒸気発生領域R1よりも低くなるため、飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2に移行した部分(耐熱ケース2の中央部分)では、耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化が飽和水蒸気発生領域R1よりも小さくなり、発熱エレメント11のリング部12に生じる渦電流Ieも比較的小さくなる。したがって、飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2に移行した部分では、発熱エレメント11の発熱量が抑えられる。ただし、加熱水蒸気発生領域R2には水が進入しないため、発熱エレメント11は、水による冷却作用を受けない。その結果、加熱水蒸気発生領域R2に移行した部分に設けられる発熱エレメント11は発熱量が抑えられるものの、その温度は飽和水蒸気発生領域R1に設けられている発熱エレメント11よりも若干高温になる。そして低発熱領域R22では、飽和水蒸気発生領域R1よりも発熱エレメント11の温度を若干高くした状態で飽和水蒸気を比較的ゆっくりと加熱し、飽和水蒸気を昇温させる。
高発熱領域R22では、コイル5のコイル密度が低熱熱領域R22よりも高くなるため、飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2に移行した部分(耐熱ケース2の中央部分)では、耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化が低発熱領域R21よりも大きくなり、発熱エレメント11のリング部12に生じる渦電流Ieも大きくなる。したがって、高発熱領域R22では、発熱エレメント11の発熱量が大きくなり、例えば四百度程度の高温状態まで昇温する。つまり、高発熱領域R22に設けられる発熱エレメント11は、低発熱領域R21に設けられる発熱エレメント11よりも高温状態となるのである。その結果、高発熱領域R22において加熱水蒸気が所定の温度(例えば250度程度)まで昇温する。そして最終的に所定の温度まで加熱された加熱水蒸気がノズル部6の吐出口6aから吐出される。
上記のように構成される加熱水蒸気発生装置1は、耐熱ケース2の長手方向中央部分におけるコイル密度を、耐熱ケース2の内部に水を供給する供給口7a側のコイル密度よりも低くした状態に一連のコイル5を巻き回しており、コイル駆動部21によってコイル電流Icoil(交流電流)が供給されることにより耐熱ケース2の内部に生じる中央部分の磁束密度Bの変化が、供給口7a側の磁束密度Bの変化よりも小さくなる。これにより、水が飽和水蒸気となった直後の空焚き状態において耐熱ケース2の内側が極度な高温状態になることを防止でき、断熱管4やコイル支持管3の局所的な部分に過度な温度差が生じることを抑制することができる。したがって、温度差によるヒートショックが耐熱ケース2の局所的部分に集中することを防止でき、ヒートショックによる耐熱ケース2の破損を防ぐことが可能である。その結果、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、1つの加熱ユニットで水から加熱水蒸気を発生させることができ、装置全体を小型化することが可能となり、例えば手持ち型ガンタイプのヘッド部分に内蔵することも可能となる。
また本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、耐熱ケース2の内部から加熱水蒸気を吐出する吐出口6a側のコイル密度を、耐熱ケース2の中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に一連のコイル5を巻き回しており、コイル駆動部21によって交流電流が供給されることにより耐熱ケース2の内部に生じる吐出口6a側の磁束密度Bの変化が、耐熱ケース2の中央部分の磁束密度Bの変化よりも大きくなる。これにより、水から飽和水蒸気が生成される部分よりも一定距離以上離れた部分では、耐熱ケース2の内側を十分な高温状態にして加熱水蒸気を所定の温度まで上昇させることができる。ここで、吐出口6a側を高温状態に昇温させると、耐熱ケース2の中央部分では、供給口7a側と吐出口6a側との温度差による温度勾配が生じるが、その温度勾配の傾きは比較的緩やかであり、耐熱ケース2を破損させる程の局所的なヒートショックを与えるものではない。寧ろ、吐出口6a側のコイル密度を中央部分よりも高くして耐熱ケース2の内側を十分な高温状態とすることにより、加熱水蒸気発生領域R2の長さを短くしつつ、所定の温度の加熱水蒸気を発生させることができるので、加熱水蒸気発生装置1の小型化という点でより一層有利である。
また本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、複数の発熱エレメント11のそれぞれを順次所定角度ずつ回転させた状態に配置し、それら複数の発熱エレメント11の内側に水や水蒸気の渦流を形成する構成である。このような構成によれば、所定の温度の加熱水蒸気となるに至っていない水や水蒸気が耐熱ケース2の内側を直進して吐出口6aから吐出されてしまうことを防止することができる。つまり、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、仮に吐出口6aを下方に向けた状態であっても、供給口7aから供給した水が耐熱ケース2の内側で渦流を形成しながら複数の発熱エレメント11の内側を進行することにより、効率よく且つ確実に水又は水蒸気を加熱することが可能であり、吐出口6aから吐出されるまでに所定の温度の加熱水蒸気に変化させることが可能である。したがって、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、任意の方向に加熱水蒸気を吐出することができるという点で利便性に優れたものとなっている。ただし、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量は、所定の上限値(例えば5ml/s〜20ml/s)を超えないことが条件となる。
尚、上述した加熱水蒸気発生装置1は、多種多様な用途に使用できるものである。例えば加熱水蒸気によって熱膨張率の異なる二層間に層間剥離を生じさせ、壁紙や塗料などを母材から剥離する剥離器として使用できる。特に上述した加熱水蒸気発生装置1は、従来と比較すると小型化が可能であるため、狭小な作業場所でも使用し得る剥離器を実現することが可能であり、従来は剥離器を使用することができなかった場所でも剥離器を使用することができるようになる。またその他にも、上述した加熱水蒸気発生装置1は、融雪器や調理器具などとしても使用することが可能である。
(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明したものよりも、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量をより多くすることができるようにした構成例について説明する。
図7は、この第2実施形態における加熱水蒸気発生装置1の構成を示す断面図である。この加熱水蒸気発生装置1では、耐熱ケース2の内側に設けられる発熱モジュール10が、第1実施形態で説明した複数の発熱エレメント11と、円筒状に形成される一対の筒状部材31,32と、それら一対の筒状部材31,32の間に配置されるバッフルプレート(邪魔板)33とを備えて構成される。尚、その他の点は、第1実施形態と同様である。
図8は、発熱モジュール10を拡大して示す斜視図である。筒状部材31,32は、ステンレスなどで形成され、発熱エレメント11と略同径を有する円筒管である。またバッフルプレート33は、ステンレスなどで形成され、発熱エレメント11と略同径の円盤状部材であり、その中心に表裏を貫通する孔34を有している。孔34の直径は、例えば発熱エレメント11のリング部12の内径よりも小さく形成される。これら筒状部材31,32及びバッフルプレート33は、複数の発熱エレメント11を上流側と下流側とに二分する所定の位置に介挿される。そして筒状部材31はバッフルプレート33の上流側に配置され、筒状部材32はバッフルプレート33の下流側に配置される。例えば、筒状部材31は、図7に示すように、飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2に移行する境界部分に配置され、バッフルプレート33及び筒状部材32はその下流側に隣接して配置される。尚、これらの筒状部材31,32及びバッフルプレート33もまた、耐熱ケース2の内部の磁束密度Bの変化によって渦電流Ieが誘導されるため、コイル5にコイル電流Icoilが流れることにより発熱する。
上記のように発熱モジュール10に一対の筒状部材31,32とバッフルプレート33とを設けることにより、発熱モジュール10の内部に飽和水蒸気を溜めることができる一定の空間を2箇所形成することができる。図9は、発熱モジュール10の筒状部材31,32及びバッフルプレート33が設けられた部分を拡大して示す断面図である。図9に示すように、バッフルプレート33の上流側には筒状部材31の内側に第1の空間31aが形成され、バッフルプレート33の下流側には筒状部材32の内側に第2の空間32aが形成される。第1の空間31aに飽和水蒸気が流れ込むときには、その上流側に位置する発熱エレメント11の複数のフィン13によって形成されるスリットの隙間から流れ込むため、矢印F3で示すように第1の空間31a内に拡散する。このとき、仮に水滴が第1の空間31aに流れ込んだとしても、飽和水蒸気の場合と同様に、その水滴はスリットの隙間から流れ込むときに矢印F3で示すように第1の空間31a内に拡散する。そのため、水滴がバッフルプレート33に形成された孔34を通って下流側の第2の空間32aに流入することはない。そして水滴は、第1の空間31aに留まり、第1の空間31aで十分に加熱されて飽和水蒸気に変化する。
また第2の空間32aに飽和水蒸気が流れ込むときには、その上流側に位置するバッフルプレート33に形成される孔34から流れ込むため、矢印F4で示すように第2の空間31a内に拡散する。このとき、仮に孔34から水滴が第2の空間32aに流れ込んだとしても、飽和水蒸気の場合と同様に、その水滴は孔34から流れ込むときに矢印F4で示すように第2の空間32a内に拡散する。そのため、仮に水滴が第2の空間32aに流れ込んだとしても、第2の空間32aで十分に加熱して飽和水蒸気に変化させることができるようになる。
このように本実施形態では、飽和水蒸気発生領域R1から加熱水蒸気発生領域R2に水滴が流入した場合であっても、発熱モジュール10に設けた一対の筒状部材31,32とバッフルプレート33により、加熱水蒸気発生領域R2の上流側部分でその水滴を確実に飽和水蒸気に変化させることができ、それよりも下流側で飽和水蒸気を更に加熱していくことができるようになる。そのため、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1は、第1実施形態で説明したものよりも、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量を多くしても吐出口6aから所定の温度の加熱水蒸気を良好に吐出させることができるようになる。例えば、第1実施形態で説明した加熱水蒸気発生装置1の単位時間当たりの水量の上限値が、5ml/s〜20ml/sであるとすると、本実施形態の加熱水蒸気発生装置1では、25ml/s程度まで上限値を上げることができる。
尚、本実施形態では、バッフルプレート33の上流側と下流側の双方に筒状部材31,32を設ける例を示したが、バッフルプレート33の上流側と下流側のいずれか一方に筒状部材31又は32を設けても一定の効果を発揮する。そのため、発熱モジュール10は、少なくとも1つの筒状部材31又は32を設けたものであっても構わない。
(変形例)
以上、本発明に関する一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態において説明した内容のものに限られるものではなく、種々の変形例が適用可能である。
例えば上記実施形態では、吐出口6aを下方に向けた状態でも加熱水蒸気を良好に吐出できるようにするため、図6に示したように耐熱ケース2の内側に渦流を発生させるように構成されている。しかし、吐出口6aを下方に向けた状態で使用しない場合には、必ずしも耐熱ケース2の内側に渦流を発生させなくても良い。その場合、複数の発熱エレメント11の一部又は全部のスリット方向を揃えた状態に配置しても良い。
また上記実施形態では、発熱エレメント11に複数のフィン13を設け、それら複数のフィン13の間にスリットを形成する場合を例示した。しかし、発熱エレメント11は、そのようなものに限られず、例えばリング部12の内側をハニカム形状としたものであっても構わない。
1 加熱水蒸気発生装置
2 耐熱ケース
3 コイル支持管
4 断熱管
5 コイル
10 発熱モジュール
11 発熱エレメント
12 リング部
13 フィン
21 コイル駆動部(コイル駆動手段)
R1 飽和水蒸気発生領域
R2 加熱水蒸気発生領域
本発明は、電磁誘導式加熱によって過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生装置に関する。
従来、電磁誘導式加熱によってガスを加熱して昇温させる装置として、例えば特許文献1に開示された装置が公知である(例えば特許文献1)。従来の装置は、セラミックなどで形成された筒状ケースの外側にコイルを巻き回し、ケース内側に金属などの発熱体を設けた構成であり、コイルに交流電流を流すことによって発熱体に電磁誘導による渦電流を生じさせ、渦電流で発熱した発熱体がケース内側を流れるガス体を昇温させるものである。
しかし、上述した従来の装置を用いて水から過熱水蒸気を発生させようとすると、装置が大掛かりになるという問題がある。すなわち、水から過熱水蒸気を発生させるためには、まず水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、その後、飽和水蒸気を更に加熱して過熱水蒸気を発生させることが必要となる。この場合、ケース内側に水を流して飽和水蒸気を発生させようとすると、発熱体が水による冷却作用を受けるので、発熱体の温度は百度〜百数十度程度の温度に留まり、ケース自体の温度もそれ程高温にはならない。一方、水が飽和水蒸気になると、ケース内部が空焚き状態となり、発熱体は冷却作用を受けないので、電磁誘導によって数百度の温度まで上昇し、ケース自体も高温になる。それ故、1つのケースで水から過熱水蒸気を発生させようとすると、ケースに低温部分と高温部分との温度差が生じ、その温度差によるヒートショックが水から飽和水蒸気へ変化(相転移)する部分に集中し、ケースを破損させる要因となる。このようなケース破損を防止するためには、水を加熱して飽和水蒸気を発生させるケースと、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させるケースとをそれぞれ別のケースとして構成することが必要であり、しかもそれぞれのケースに対して個別にコイルを巻き回すことが必要である。つまり、従来の装置で水から過熱水蒸気を発生させようとすると、ケースにコイルを巻き回した加熱ユニットが少なくとも2つ必要となる。そして各加熱ユニットにおいて適切な発熱量を生じさせるためには各コイルに交流電流を出力する電源についても個別に設ける必要がある。したがって、装置が大掛かりになるのである。
また従来の装置では、ケースを縦方向に配置して上から水を供給し、下から過熱水蒸気を吐出させようとすると、ケース内部で十分に加熱されなかった水が吐出口まで到達し、吐出口から水滴が出る可能性もある。これを防止するためには、ケース内部で十分な加熱が行われるようにケース長を長くすることが必要であり、装置が大型化する要因の一つとなっている。
このように従来の装置は、装置自体が大型化してしまうことから、例えば手持ち型ガンタイプなどのような実現にして過熱水蒸気を任意の方向に吐出できるようにすることが困難である。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するため、装置自体を小型化して持ち運びし易くすると共に、任意の方向に過熱水蒸気を吐出できるようにした過熱水蒸気発生装置を提供することをその目的とするものである。
上記目的を達成するため、まず第1に、本発明は、過熱水蒸気発生装置(1)であって、一端から水を供給し、他端から過熱水蒸気を吐出する筒状の耐熱ケース(2)と、前記耐熱ケース(2)の外周面に巻き回したコイル(5)と、前記耐熱ケース(2)の内部において前記耐熱ケース(2)の長手方向に沿って互いに密着状態に設けられる複数の発熱エレメント(11)と、前記コイル(5)に交流電流を流すコイル駆動手段(21)と、を備え、前記コイル(5)は、前記耐熱ケース(2)の長手方向中央部分におけるコイル密度を、前記耐熱ケース(2)の内部に水を供給する供給口(7a)側のコイル密度よりも低くした状態に巻き回され、前記コイル駆動手段(21)によって交流電流が供給されることにより前記耐熱ケース(2)の内部に生じる前記中央部分の磁束密度変化を前記供給口(7a)側の磁束密度変化よりも小さくした構成である。
第2に、本発明は、上記第1の構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記コイル(5)は、前記耐熱ケース(2)の内部から過熱水蒸気を吐出する吐出口(6a)側のコイル密度を、前記中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に巻き回され、前記コイル駆動手段(21)によって交流電流が供給されることにより前記耐熱ケース(2)の内部に生じる前記吐出口(6a)側の磁束密度変化を前記中央部分の磁束密度変化よりも大きくした構成である。
第3に、本発明は、上記第1又は第2の構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記発熱エレメント(11)は、前記耐熱ケース(2)の内部に生じる磁束密度変化によって渦電流を生じさせるリング部(12)と、前記リング部(12)の内側において所定間隔で互いに平行に設けられた複数のフィン(13)とを備える構成である。
第4に、本発明は、上記第3の構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数のフィン(13)のそれぞれは、前記リング部(12)の軸方向の一方側から他方側に向かって隣接するフィン(13)との間隔を漸次縮小させる形状を有する構成である。
第5に、本発明は、上記第4の構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数のフィン(13)のそれぞれは、略三角形の断面形状を有し、一の頂点を前記リング部(12)の軸方向の一方側に向けた状態に配置される構成である。
第6に、本発明は、上記第3乃至第5のいずれかの構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記複数の発熱エレメント(11)のそれぞれは、前記耐熱ケース(2)の内部において前記耐熱ケース(2)の長手方向に沿って隣接する別の発熱エレメント(11)に対し、軸方向を中心に所定角度回転した状態に設けられる構成である。
第7に、本発明は、上記第1乃至第6のいずれかの構成を有する過熱水蒸気発生装置(1)において、前記耐熱ケースの長手方向の所定位置において、前記複数の発熱エレメントの間に、少なくとも1つの筒状部材(31,32)とバッフルプレート(33)とが介挿される構成である。
本発明によれば、耐熱ケースを破損させることなく、1つの加熱ユニットで水から過熱水蒸気を発生させることができるため、装置自体を小型化することが可能であり、持ち運びなどに適した過熱水蒸気発生装置を実現することができる。また本発明によれば、任意の方向に過熱水蒸気を吐出することもできるようになる。
第1実施形態における過熱水蒸気発生装置の構成を示す断面図である。
過熱水蒸気発生装置の各部材を分解した状態を示す斜視図である。
発熱エレメントの詳細を示す図である。
複数の発熱エレメントの配置例を示す図である。
発熱エレメントの発熱原理を示す図である。
耐熱ケースの内部に生じる渦流の例を示す図である。
第2実施形態における過熱水蒸気発生装置の構成を示す断面図である。
第2実施形態における発熱モジュールを拡大して示す斜視図である。
第2実施形態における発熱モジュールの一部を拡大して示す断面図である。
以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態である過熱水蒸気発生装置1の構成を示す断面図である。また図2は、過熱水蒸気発生装置1の各部材を分解した状態を示す斜視図である。この過熱水蒸気発生装置1は、一端から水を取り込み、他端から過熱水蒸気を吐出する筒状の耐熱ケース2と、その耐熱ケース2の外周面に一連の導線を巻き回して構成されるコイル5と、耐熱ケース2の内部に設けられる発熱モジュール10と、耐熱ケース2の一端に設けられ、耐熱ケース2の内部に水を供給する供給部7と、耐熱ケース2の他端に設けられ、過熱水蒸気を吐出するノズル部6とを備える。コイル5の両端には導電ケーブル20が接続され、その導電ケーブル20の他端にはコイル5に高周波の交流電流を流すコイル駆動部21が接続される。コイル駆動部21は、商用電源などの一般的な交流電源22に接続され、インバータ回路などを用いてコイル5に流すための所定周波数の交流電流を生成して出力する。
耐熱ケース2は、例えば25〜35cm程度の長さを有し、外径3cm程度に形成された円筒状のケースである。この耐熱ケース2は、コイル支持管3と断熱管4との2つの部材を有し、断熱管4がコイル支持管3の内側に配置された構成である。コイル支持管3は、例えばマイカなどの電気絶縁性及び耐熱性に優れた材料によって形成され、その長手方向の両端部にフランジ部3a,3bが設けられた構成である。一方、断熱管4は、コイル支持管3の内径よりも小さい外径を有し、例えば耐熱性及び断熱性に優れたセラミックなどで形成される。そして断熱管4は、コイル支持管3の内壁と一定の空隙を有する状態でコイル支持管3の内側に挿入装着される。すなわち、耐熱ケース2は、外側のコイル支持管3と、内側の断熱管4とによる断熱二重構造を有している。
供給部7は、水を矢印F1で示す方向に流入させる供給口7aと、フランジ部7bとを有する。供給部7は、フランジ部7bをコイル支持管3のフランジ部3bと接合させて螺子などで固定されることにより、耐熱ケース2の一端側に取り付けられる。この供給部7は内部にメタルガスケット8bを有しており、このメタルガスケット8bがコイル支持管3の内側に設けられる断熱管4の一端と接触して耐熱ケース2の内部を密閉する。
ノズル部6は、過熱水蒸気を矢印F2で示す方向に吐出する吐出口6aと、フランジ部6bとを有する。このノズル部6は、フランジ部6bをコイル支持管3のフランジ部3aと接合させて螺子などで固定されることにより、耐熱ケース2の他端側に取り付けられる。このノズル部6も内部にメタルガスケット8aを有しており、このメタルガスケット8aがコイル支持管3の内側に設けられる断熱管4の他端と接触して耐熱ケース2の内部を密閉する。
コイル5は、コイル支持管3のフランジ部3a,3bの間の外周面に巻き回した状態で配置される。このコイル5は、耐熱ケース2の長手方向中央部分におけるコイル密度(長手方向単位長さ当たりの巻き数)を、供給口7a側のコイル密度よりも低くした状態に巻き回される。例えば供給口7aの近傍位置ではコイル5を二重巻きで構成し、耐熱ケース2の中央部分ではコイル5を一重巻きで構成することにより、耐熱ケース2の長手方向に沿ってコイル密度を変化させている。またコイル5は、耐熱ケース2の内部から過熱水蒸気を吐出する吐出口6a側のコイル密度を、耐熱ケース2の中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に巻き回される。例えば上述のように耐熱ケース2の中央部分のコイル5は一重巻きで構成されるのに対し、吐出口6aの近傍位置のコイル5は二重巻きで構成される。すなわち、本実施形態では、耐熱ケース2の両端部分ではコイル密度が高く、中央部分では両端部分よりもコイル密度が低くなるように、コイル5が形成されている。
発熱モジュール10は、耐熱ケース2の内部において耐熱ケース2の長手方向に沿って互いに密着状態に設けられる複数の発熱エレメント11を備えている。これら複数の発熱エレメント11は、例えばステンレス製の針金などによって構成されるガイド部材9によって互いに密着した状態に保持される。
図3は、発熱エレメント11の詳細を示す図であり、図3(a)が発熱エレメント11の表面側斜視図を、図3(b)が発熱エレメント11の裏面側斜視図を、図3(c)が発熱エレメント11の断面図を示している。尚、図3に示す矢印Fは、水又は水蒸気が通る方向を示している。発熱エレメント11は、例えば断熱管4の内径よりも若干小さい外径を有する概略円盤状のステンレス製部材である。この発熱エレメント11は、例えば直径10〜20ミリメートル、厚さ数ミリメートル(1ミリメートル程度)に形成される。図3に示すように、発熱エレメント11は、円環状のリング部12と、そのリング部12の内側において所定間隔で互いに平行に設けられる複数のフィン13とを有し、複数のフィン13の間に水や水蒸気を通過させるスリットを形成した構成である。
リング部12には、表面から裏面に貫通する複数の孔14が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3では、9個の孔14がリング部12に設けられており、それら9個の孔14はリング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。これら複数の孔14は、上述したガイド部材9を挿通するための孔である。またリング部12の表面には、複数の突起15が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3(a)では、9個の突起15が設けられており、それら9個の突起15はそれぞれ互いに隣接する2つの孔14の間の位置に設けられる。つまり、これら9個の突起15もまた、リング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。更にリング部12の裏面には、複数の凹部16が周方向にほぼ等間隔で設けられる。例えば図3(b)では、9個の凹部16が設けられており、それら9個の凹部16はそれぞれ互いに隣接する2つの孔14の間の位置に設けられる。つまり、これら9個の凹部16もまた、リング部12の中心軸を基準に40度ずつ回転した位置に設けられる。
複数のフィン13のそれぞれは、リング部12の軸方向の一方側から他方側に向かって隣り合う別のフィン13との間隔を漸次縮小させるように構成される。すなわち、複数のフィン13のそれぞれは、図3(c)に示すように、概略三角形の断面形状を有し、その三角形の1つの頂点をリング部12の軸方向の一方側(水又は水蒸気が流れる方向の上流側)に向けると共に、底辺をリング部12の軸方向の他方側(水又は水蒸気が流れる方向の下流側)に向けた状態に配置される。水又は水蒸気が流れる方向に沿って複数のフィン13のそれぞれが隣り合うフィン13との間隔を漸次縮小させることにより、水又は水蒸気がリング部12の内側を通過するときには、水又は水蒸気を圧縮した後に膨張させることができると共に、水や水蒸気をフィン13に対して確実に衝突(接触)させることができる。
このような発熱エレメント11は、リング部12の表面に形成された突起15を、その表面側において隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成された凹部16に嵌合させることにより、複数の発熱エレメント11のリング部12を互いに密着させることができる。また本実施形態では、複数の発熱エレメント11のそれぞれを、耐熱ケース2の内部において耐熱ケース2の長手方向に沿って隣り合う別の発熱エレメント11に対して所定角度ずつ回転させた状態に配置して密着させる。
図4は、複数の発熱エレメント11a〜11iの配置例を示す図である。尚、図4に示す矢印Fは、水又は水蒸気が通る方向を示している。図4に示すように、複数の発熱エレメント11a〜11iを軸方向に沿って順に装着していくとき、各発熱エレメント11を例えば40度ずつ回転させた状態に取り付ける。このとき、各発熱エレメント11の表面側に設けられた複数の突起15は、その表面側に隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成されている複数の凹部16の位置と合致する。そのため、複数の発熱エレメント11a〜11iを順に40度ずつ回転させた状態に取り付けても、リング部12の表面に形成された突起15を、その表面側において隣り合う別の発熱エレメント11の裏面側に形成された凹部16に嵌合させることが可能であり、複数の発熱エレメント11a〜11iのリング部12を互いに密着させることができる。
また複数の発熱エレメント11a〜11iのそれぞれに設けられた孔14は、各発熱エレメント11が40度回転した状態となっても同じ位置に存在する。そのため、複数の発熱エレメント11を密着させたとき、複数の発熱エレメント11a〜11iのそれぞれに設けられた孔14の位置が全て一致するので、ガイド部材9を複数の発熱エレメント11に連通する孔14に挿通させることができ、複数の発熱エレメント11を密着させた状態に保持することが可能である。ガイド部材9は、発熱モジュール10の両端部分で折り曲げておくことにより、各発熱エレメント11がガイド部材9から離脱してしまうことを防止することができる。尚、ガイド部材9は、発熱モジュール10に対して2,3本程度取り付けられれば良く、必ずしも9個の孔14の全てにガイド部材9を取り付けなくても良い。
上記のように複数の発熱エレメント11を1つずつ所定角度回転させた状態にして装着していくと、発熱モジュール10においては、水又は水蒸気を通過させるためのスリットが順次回転した状態となる。例えば本実施形態では40度ずつ回転させていくので、連続的に配置される9個の発熱エレメント11により、スリットが1回転(360度回転)する。このようなスリットの回転により、耐熱ケース2の内側を吐出口6aに向かって進行する水又は水蒸気に螺旋状の渦流を形成させることができる。そしてスリットの回転方向は、複数の発熱エレメント11を所定角度ずつ回転させた状態に配置するときの回転方向によって調整可能である。本実施形態では、上記のようにして構成される発熱モジュール10が耐熱ケース2の長手方向のほぼ全域に亘って配置される。
図5は、発熱エレメント11の発熱原理を示す図である。コイル駆動部21によって高周波のコイル電流Icoilがコイル5に出力されると、耐熱ケース2の内側の磁束密度Bが、コイル電流Icoilに応じて変化する。この磁束密度Bの変化は、発熱エレメント11のリング部12に対して直角方向に作用する。そして磁束密度Bの変化によって発熱エレメント11のリング部12に渦電流Ieが誘導される。つまり、リング部12は一種のコイルとして作用するのである。このようなリング部12は、磁束密度Bが変化する方向に対して直角に設けられると共に、断熱管4の内壁に沿った円環状に設けられるため、磁束密度Bの変化に応じて渦電流Ieを高効率で発生させることができる。すなわち、本実施形態では、コイル5に高周波のコイル電流Icoilを流すことにより、個々の発熱エレメント11のリング部12に比較的大きな渦電流Ieを流すことができるのである。この渦電流Ieは熱エネルギーに変換され、発熱エレメント11を発熱させる。発熱エレメント11の発熱量は渦電流Ieによって定まり、本実施形態では、リング部12に大きな渦電流Ieが流すことができるので、発熱エレメント11における発熱量を大きくすることができる。その結果、リング部12だけでなく、複数のフィン13のそれぞれが高温状態に昇温する。そして複数の発熱エレメント11のそれぞれが耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化に応じた発熱作用を示すことにより、水又は水蒸気が通過する耐熱ケース2の内部空間を加熱する。
本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、図1に示すように、耐熱ケース2の中央部分よりも供給口7a側のコイル密度を高くした部分を飽和水蒸気発生領域R1とし、その飽和水蒸気発生領域R1よりも下流側の部分を過熱水蒸気発生領域R2としている。つまり、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、飽和水蒸気発生領域R1と過熱水蒸気発生領域R2とを1つのユニットで実現しているのである。そして本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、供給口7aから供給する水量を所定の上限値以下に抑えることにより、吐出口6aから水滴などが吐出されず、所定の温度に過熱された過熱水蒸気を良好に吐出させることができるように構成される。
飽和水蒸気発生領域R1では、供給口7aから供給される水が加熱されて飽和水蒸気が生成される。この飽和水蒸気発生領域R1では、発熱エレメント11のスリットの回転方向が正逆2方向となるように複数の発熱エレメント11が組み合わせられる。例えば供給口7a側の端部に配置される9個の発熱エレメント11は1個ずつ右周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを右周り方向に一回転させ、次の9個の発熱エレメント11は1個ずつ左周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを左周り方向に回転させる。飽和水蒸気発生領域R1では、このような正逆2方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置される。
図6は、耐熱ケース2の内部に生じる渦流の例を示す図である。飽和水蒸気発生領域R1では、上述のように正逆2方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置されることにより、供給口7aから供給される水は、耐熱ケース2の内側を進行するとき、右周りの渦流と左周りの渦流とを交互を生じるようになる。そして水や水蒸気が飽和水蒸気発生領域R1に設けられた複数の発熱エレメント11を通過していくときには、右周りの渦流と左周り渦流との切り替え位置に相当する部分が抵抗となり、その部分で水や水蒸気が高温状態に発熱したフィン13に衝突(接触)してフィン13から直接熱交換を受ける。尚、図6では、右周りの渦流と左周りの渦流とが1回ずつ生じる場合を例示しているが、右周りの渦流と左周りの渦流とが複数回入れ替わるようにしても良い。
また飽和水蒸気発生領域R1では、コイル5のコイル密度が高いため、複数の発熱エレメント11は、水による冷却作用を受ける場合であっても少なくとも百度〜百数十度程度の温度に発熱させることができる。そのような飽和水蒸気発生領域R1を、水又は水蒸気が圧縮、膨張、衝突、回転(渦流回転)を繰り返しながら下流側に向かって進行していくため、供給口7aから流入する水を飽和水蒸気発生領域R1において確実に飽和水蒸気に変化(相転移)させることができる。そのため、飽和水蒸気発生領域R1よりも下流側の過熱水蒸気発生領域R2には飽和水蒸気だけを進行させることができ、水の状態で飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2へ進入することを防止できる。
一方、過熱水蒸気発生領域R2では、飽和水蒸気発生領域R1で発生する飽和水蒸気が更に加熱されて過熱水蒸気が生成される。この過熱水蒸気発生領域R2では、発熱エレメント11のスリットの回転方向が一方向となるように複数の発熱エレメント11が組み合わせられる。例えば過熱水蒸気発生領域R2に設けられる複数の発熱エレメント11は1個ずつ右周り方向に40度ずつ回転させることによりスリットを右周り方向に連続回転させる。過熱水蒸気発生領域R2では、このような一方向の回転を繰り返すように複数の発熱エレメント11が配置される。これにより、飽和水蒸気発生領域R1から流入する飽和水蒸気は、耐熱ケース2の内側を進行するとき、図6に示すように、常に一方向に回転する渦流を生じるようになる。つまり、過熱水蒸気発生領域R2では回転方向の切り替わりによる抵抗が存在しないため、過熱水蒸気又は飽和水蒸気が耐熱ケース2の内側を一定の速度で進行する。ただし、過熱水蒸気又は飽和水蒸気が各発熱エレメント11に設けられた複数のフィン13の間のスリットを通過するとき、圧縮、膨張、衝突、回転(渦流回転)を繰り返しながら下流側に向かって進行して行く点は、飽和水蒸気発生領域R1と同様である。
また過熱水蒸気発生領域R2には、コイル密度の低い低発熱領域R21と、コイル密度の高い高発熱領域R22とが設けられ、飽和水蒸気発生領域R1で発生した飽和水蒸気は、まず低発熱領域R21を通過してから次に高発熱領域R22を通過するように構成される。
低発熱領域R22では、コイル5のコイル密度が飽和水蒸気発生領域R1よりも低くなるため、飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2に移行した部分(耐熱ケース2の中央部分)では、耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化が飽和水蒸気発生領域R1よりも小さくなり、発熱エレメント11のリング部12に生じる渦電流Ieも比較的小さくなる。したがって、飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2に移行した部分では、発熱エレメント11の発熱量が抑えられる。ただし、過熱水蒸気発生領域R2には水が進入しないため、発熱エレメント11は、水による冷却作用を受けない。その結果、過熱水蒸気発生領域R2に移行した部分に設けられる発熱エレメント11は発熱量が抑えられるものの、その温度は飽和水蒸気発生領域R1に設けられている発熱エレメント11よりも若干高温になる。そして低発熱領域R22では、飽和水蒸気発生領域R1よりも発熱エレメント11の温度を若干高くした状態で飽和水蒸気を比較的ゆっくりと加熱し、飽和水蒸気を昇温させる。
高発熱領域R22では、コイル5のコイル密度が低熱熱領域R22よりも高くなるため、飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2に移行した部分(耐熱ケース2の中央部分)では、耐熱ケース2の内側で生じる磁束密度Bの変化が低発熱領域R21よりも大きくなり、発熱エレメント11のリング部12に生じる渦電流Ieも大きくなる。したがって、高発熱領域R22では、発熱エレメント11の発熱量が大きくなり、例えば四百度程度の高温状態まで昇温する。つまり、高発熱領域R22に設けられる発熱エレメント11は、低発熱領域R21に設けられる発熱エレメント11よりも高温状態となるのである。その結果、高発熱領域R22において過熱水蒸気が所定の温度(例えば250度程度)まで昇温する。そして最終的に所定の温度まで過熱された過熱水蒸気がノズル部6の吐出口6aから吐出される。
上記のように構成される過熱水蒸気発生装置1は、耐熱ケース2の長手方向中央部分におけるコイル密度を、耐熱ケース2の内部に水を供給する供給口7a側のコイル密度よりも低くした状態に一連のコイル5を巻き回しており、コイル駆動部21によってコイル電流Icoil(交流電流)が供給されることにより耐熱ケース2の内部に生じる中央部分の磁束密度Bの変化が、供給口7a側の磁束密度Bの変化よりも小さくなる。これにより、水が飽和水蒸気となった直後の空焚き状態において耐熱ケース2の内側が極度な高温状態になることを防止でき、断熱管4やコイル支持管3の局所的な部分に過度な温度差が生じることを抑制することができる。したがって、温度差によるヒートショックが耐熱ケース2の局所的部分に集中することを防止でき、ヒートショックによる耐熱ケース2の破損を防ぐことが可能である。その結果、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、1つの加熱ユニットで水から過熱水蒸気を発生させることができ、装置全体を小型化することが可能となり、例えば手持ち型ガンタイプのヘッド部分に内蔵することも可能となる。
また本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、耐熱ケース2の内部から過熱水蒸気を吐出する吐出口6a側のコイル密度を、耐熱ケース2の中央部分におけるコイル密度よりも高くした状態に一連のコイル5を巻き回しており、コイル駆動部21によって交流電流が供給されることにより耐熱ケース2の内部に生じる吐出口6a側の磁束密度Bの変化が、耐熱ケース2の中央部分の磁束密度Bの変化よりも大きくなる。これにより、水から飽和水蒸気が生成される部分よりも一定距離以上離れた部分では、耐熱ケース2の内側を十分な高温状態にして過熱水蒸気を所定の温度まで上昇させることができる。ここで、吐出口6a側を高温状態に昇温させると、耐熱ケース2の中央部分では、供給口7a側と吐出口6a側との温度差による温度勾配が生じるが、その温度勾配の傾きは比較的緩やかであり、耐熱ケース2を破損させる程の局所的なヒートショックを与えるものではない。寧ろ、吐出口6a側のコイル密度を中央部分よりも高くして耐熱ケース2の内側を十分な高温状態とすることにより、過熱水蒸気発生領域R2の長さを短くしつつ、所定の温度の過熱水蒸気を発生させることができるので、過熱水蒸気発生装置1の小型化という点でより一層有利である。
また本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、複数の発熱エレメント11のそれぞれを順次所定角度ずつ回転させた状態に配置し、それら複数の発熱エレメント11の内側に水や水蒸気の渦流を形成する構成である。このような構成によれば、所定の温度の過熱水蒸気となるに至っていない水や水蒸気が耐熱ケース2の内側を直進して吐出口6aから吐出されてしまうことを防止することができる。つまり、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、仮に吐出口6aを下方に向けた状態であっても、供給口7aから供給した水が耐熱ケース2の内側で渦流を形成しながら複数の発熱エレメント11の内側を進行することにより、効率よく且つ確実に水又は水蒸気を加熱することが可能であり、吐出口6aから吐出されるまでに所定の温度の過熱水蒸気に変化させることが可能である。したがって、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、任意の方向に過熱水蒸気を吐出することができるという点で利便性に優れたものとなっている。ただし、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量は、所定の上限値(例えば5ml/s〜20ml/s)を超えないことが条件となる。
尚、上述した過熱水蒸気発生装置1は、多種多様な用途に使用できるものである。例えば過熱水蒸気によって熱膨張率の異なる二層間に層間剥離を生じさせ、壁紙や塗料などを母材から剥離する剥離器として使用できる。特に上述した過熱水蒸気発生装置1は、従来と比較すると小型化が可能であるため、狭小な作業場所でも使用し得る剥離器を実現することが可能であり、従来は剥離器を使用することができなかった場所でも剥離器を使用することができるようになる。またその他にも、上述した過熱水蒸気発生装置1は、融雪器や調理器具などとしても使用することが可能である。
(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明したものよりも、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量をより多くすることができるようにした構成例について説明する。
図7は、この第2実施形態における過熱水蒸気発生装置1の構成を示す断面図である。この過熱水蒸気発生装置1では、耐熱ケース2の内側に設けられる発熱モジュール10が、第1実施形態で説明した複数の発熱エレメント11と、円筒状に形成される一対の筒状部材31,32と、それら一対の筒状部材31,32の間に配置されるバッフルプレート(邪魔板)33とを備えて構成される。尚、その他の点は、第1実施形態と同様である。
図8は、発熱モジュール10を拡大して示す斜視図である。筒状部材31,32は、ステンレスなどで形成され、発熱エレメント11と略同径を有する円筒管である。またバッフルプレート33は、ステンレスなどで形成され、発熱エレメント11と略同径の円盤状部材であり、その中心に表裏を貫通する孔34を有している。孔34の直径は、例えば発熱エレメント11のリング部12の内径よりも小さく形成される。これら筒状部材31,32及びバッフルプレート33は、複数の発熱エレメント11を上流側と下流側とに二分する所定の位置に介挿される。そして筒状部材31はバッフルプレート33の上流側に配置され、筒状部材32はバッフルプレート33の下流側に配置される。例えば、筒状部材31は、図7に示すように、飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2に移行する境界部分に配置され、バッフルプレート33及び筒状部材32はその下流側に隣接して配置される。尚、これらの筒状部材31,32及びバッフルプレート33もまた、耐熱ケース2の内部の磁束密度Bの変化によって渦電流Ieが誘導されるため、コイル5にコイル電流Icoilが流れることにより発熱する。
上記のように発熱モジュール10に一対の筒状部材31,32とバッフルプレート33とを設けることにより、発熱モジュール10の内部に飽和水蒸気を溜めることができる一定の空間を2箇所形成することができる。図9は、発熱モジュール10の筒状部材31,32及びバッフルプレート33が設けられた部分を拡大して示す断面図である。図9に示すように、バッフルプレート33の上流側には筒状部材31の内側に第1の空間31aが形成され、バッフルプレート33の下流側には筒状部材32の内側に第2の空間32aが形成される。第1の空間31aに飽和水蒸気が流れ込むときには、その上流側に位置する発熱エレメント11の複数のフィン13によって形成されるスリットの隙間から流れ込むため、矢印F3で示すように第1の空間31a内に拡散する。このとき、仮に水滴が第1の空間31aに流れ込んだとしても、飽和水蒸気の場合と同様に、その水滴はスリットの隙間から流れ込むときに矢印F3で示すように第1の空間31a内に拡散する。そのため、水滴がバッフルプレート33に形成された孔34を通って下流側の第2の空間32aに流入することはない。そして水滴は、第1の空間31aに留まり、第1の空間31aで十分に加熱されて飽和水蒸気に変化する。
また第2の空間32aに飽和水蒸気が流れ込むときには、その上流側に位置するバッフルプレート33に形成される孔34から流れ込むため、矢印F4で示すように第2の空間31a内に拡散する。このとき、仮に孔34から水滴が第2の空間32aに流れ込んだとしても、飽和水蒸気の場合と同様に、その水滴は孔34から流れ込むときに矢印F4で示すように第2の空間32a内に拡散する。そのため、仮に水滴が第2の空間32aに流れ込んだとしても、第2の空間32aで十分に加熱して飽和水蒸気に変化させることができるようになる。
このように本実施形態では、飽和水蒸気発生領域R1から過熱水蒸気発生領域R2に水滴が流入した場合であっても、発熱モジュール10に設けた一対の筒状部材31,32とバッフルプレート33により、過熱水蒸気発生領域R2の上流側部分でその水滴を確実に飽和水蒸気に変化させることができ、それよりも下流側で飽和水蒸気を更に加熱していくことができるようになる。そのため、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1は、第1実施形態で説明したものよりも、供給口7aから供給する単位時間当たりの水量を多くしても吐出口6aから所定の温度の過熱水蒸気を良好に吐出させることができるようになる。例えば、第1実施形態で説明した過熱水蒸気発生装置1の単位時間当たりの水量の上限値が、5ml/s〜20ml/sであるとすると、本実施形態の過熱水蒸気発生装置1では、25ml/s程度まで上限値を上げることができる。
尚、本実施形態では、バッフルプレート33の上流側と下流側の双方に筒状部材31,32を設ける例を示したが、バッフルプレート33の上流側と下流側のいずれか一方に筒状部材31又は32を設けても一定の効果を発揮する。そのため、発熱モジュール10は、少なくとも1つの筒状部材31又は32を設けたものであっても構わない。
(変形例)
以上、本発明に関する一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態において説明した内容のものに限られるものではなく、種々の変形例が適用可能である。
例えば上記実施形態では、吐出口6aを下方に向けた状態でも過熱水蒸気を良好に吐出できるようにするため、図6に示したように耐熱ケース2の内側に渦流を発生させるように構成されている。しかし、吐出口6aを下方に向けた状態で使用しない場合には、必ずしも耐熱ケース2の内側に渦流を発生させなくても良い。その場合、複数の発熱エレメント11の一部又は全部のスリット方向を揃えた状態に配置しても良い。
また上記実施形態では、発熱エレメント11に複数のフィン13を設け、それら複数のフィン13の間にスリットを形成する場合を例示した。しかし、発熱エレメント11は、そのようなものに限られず、例えばリング部12の内側をハニカム形状としたものであっても構わない。
1 過熱水蒸気発生装置
2 耐熱ケース
3 コイル支持管
4 断熱管
5 コイル
10 発熱モジュール
11 発熱エレメント
12 リング部
13 フィン
21 コイル駆動部(コイル駆動手段)
R1 飽和水蒸気発生領域
R2 過熱水蒸気発生領域