JP2017009255A - 流体加熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱流体を効率よく高温まで加熱可能な流体加熱器を提供する。
【解決手段】流体加熱器１を、被加熱流体が内部を通過する流路管２０と、流路管の外周面に絶縁体粉末５０が接するように絶縁体粉末を保持する絶縁体保持部材１０と、絶縁体粉末の内部に発熱部が埋設された発熱線６０とを備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体等の被加熱流体を電気ヒータによって加熱する流体加熱器に関し、特に、被加熱流体を効率よく高温まで加熱可能なものに関する。

例えば気体等の各種流体を電気ヒータで加熱する流体加熱器として、被加熱流体が通過する流路管の外周面部に、シーズヒータをスパイラル状に巻き回したものが知られている。
シーズヒータは、耐熱金属製のチューブであるシース内に、マグネシア（酸化マグネシウム：ＭｇＯ）等の絶縁体粉末を封入するとともに、この絶縁体粉末の中にニクロム線等の発熱線を埋設したものである。

上述したような流体加熱器の一例として、例えば特許文献１には、複数の円筒状の筒状部材を同心に配置し、各筒状部材の間隔を外径側から内径側へ被加熱流体が順次流れるよう流路を形成するとともに、内部に配置される筒状部材の外周面部に沿ってスパイラル状にシーズヒータを巻き回して構成された流体加熱器が記載されている。

特開２００４− ６９２５６号公報

上述したような既存の流体加熱器においては、被加熱流体が通過する流路管がシーズヒータのシースの外側に設けられていることから、発熱線が発する熱は、絶縁体粉末及びシース表面を順次経由して流路管の表面に伝わることになる。
この場合、発熱線及び絶縁体粉末の温度に対してシースの表面温度は、外部への放熱（冷却）等によって相対的に低くなってしまう。その上、被加熱流体の出口温度は、シースと流路管との接触箇所における熱抵抗や、流路管から外部への放熱等によって、シースの表面温度よりもさらに低くなってしまう。
一方、発熱線には耐熱温度の制約があるため、発熱部の温度を際限なく高くすることはできず、被加熱流体の出口温度が到達し得る最高温度はこれよりも相当低くならざるを得ないため、高温への加熱が難しい場合があった。
特に、被加熱流体が比較的少量の気体である場合には、被加熱流体の熱容量が小さいため、いわゆる空焚きに近い状態となって発熱線が早期に耐熱温度の限界に到達し、実質的に加熱が不可能となってしまう場合があった。
これに対し、シースの表面と流路管の表面との間に熱伝導材を充填することによって、シースから流路管への熱伝導性を向上することも試みられているが、根本的な解決には至っていない。
また、ガス等の熱伝導率の低い流体を加熱するためには、加熱源が流体温度に対してより高温である必要があり、従来は流体内にニクロム線等の発熱線を露出した状態で設置する手法がとられる場合もあった。しかし、この場合ニクロム線等が使用過程で酸化膜を発生させ、剥離した酸化膜等の不純物が被加熱流体中に混入することが問題となる。さらに、ニクロム線等を露出して用いる場合、電気絶縁性を確保することが難しく、絶縁抵抗が低下しやすく、漏電の発生も懸念される。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、被加熱流体を効率よく高温まで加熱可能な流体加熱器を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、被加熱流体が内部を通過する流路管と、前記流路管の外周面に絶縁体粉末が接するように前記絶縁体粉末を保持する絶縁体保持部材と、前記絶縁体粉末の内部に発熱部が埋設された発熱線とを備える流体加熱器である。
これによれば、発熱線が発する熱を、絶縁体粉末を介して流路管の表面に効率よく伝えることが可能であるとともに、流路管から外部への放熱（熱損失）も抑制できることから、被加熱流体を効率よく高温まで加熱することができる。
特に、被加熱流体が比較的少量の気体である場合であっても、その出口温度が発熱線の耐熱限界温度に近い温度となるまで加熱することが可能であり、出口温度を高温とすることができる。
また、発熱線と被加熱流体とが直接接することがないため、発熱線の表面に形成される酸化膜等が剥離して被加熱流体に混入することがなく、被加熱流体をクリーンな状態で取り出すことが可能である。
さらに、発熱線が絶縁体粉末の中に埋設されることから、電気絶縁性が確保され、絶縁抵抗の低下や漏電も防止することができる。

請求項２に係る発明は、前記絶縁体保持部材の少なくとも一部を収容する外装部材を備え、前記外装部材の内面と前記絶縁体保持部材の外面との間隔を前記流路管に導入される前記被加熱流体が通過することを特徴とする請求項１に記載の流体加熱器である。
これによれば、絶縁体保持部材と外装部材との間に断熱層が形成されることによって、絶縁体保持部材から外部への放熱（熱損失）を抑制することができる。
また、外装部材の内側を通過する被加熱流体を予備加熱することによって、加熱の効率を向上することができる。
さらに、絶縁体保持部材から外部への放熱が抑制されることによって、流体加熱器の外表面の温度を低下させることができ、流体加熱器の外部に設けられる断熱材の量を低減し、あるいは断熱材を省略することによって、機器のコンパクト化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

請求項３に係る発明は、前記絶縁体保持部材は筒状に形成され、前記流路管は、前記絶縁体保持部材の一方の端部から挿入されるとともに、前記被加熱流体の通過方向が流路途中で反転するよう構成され、前記発熱線と電源とを接続する端子部を、前記絶縁体保持部材における前記流路管が挿入される側とは反対側の端部に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体加熱器である。
これによれば、流路管を筒状に形成された絶縁体保持部材の一方の端部から挿入して途中で反転するよう構成するとともに、端子部を絶縁体保持部材の他方の端部に設けることによって、発熱部から端子部への距離を確保し、端子部が高温となることを防止して熱による損傷や劣化を抑制し、信頼性、耐久性を向上することができる。

請求項４に係る発明は、前記流路管は、外周面が前記絶縁体粉末と接するよう配置される第１の筒状体と、前記第１の筒状体の内径側に挿入される第２の筒状体とを有し、前記被加熱流体は、前記第１の筒状体の一方の端部側から前記第１の筒状体の内周面と前記第２の筒状体の外周面との間隔に導入されるとともに、前記第１の筒状体の他方の端部近傍で前記第２の筒状体の内部へ流入し、前記第２の筒状体の内部を通過して排出されることを特徴とする請求項３に記載の流体加熱器である。
これによれば、簡単な構成によって上述した効果を確実に得ることができる。
また、第１の筒状体の内周面と第２の筒状体の外周面との間を通過する際に加熱された被加熱流体を第２の筒状体の内部で保温しつつ流体加熱器の外部へ排出することができる。

以上説明したように、本発明によれば、被加熱流体を効率よく高温まで加熱可能な流体加熱器を提供することができる。

本発明を適用した流体加熱器の実施例１の構成を示す図である。 本発明を適用した流体加熱器の実施例２の構成を示す図である。

本発明は、被加熱流体を効率よく高温まで加熱可能な流体加熱器を提供する課題を、被加熱流体が通過する流路管の少なくとも一部がヒータ筒内に挿入され、発熱線が埋設される絶縁体粉末が、被加熱流体が通過する管路の外周面と直接接触する構成とすることによって解決した。

以下、本発明を適用した流体加熱器の実施例１について説明する。
図１は、実施例１の流体加熱器の構成を示す図である。
図１は、実施例１の流体加熱器を、ヒータ筒の中心軸を含む平面で切って見た断面を示している。
実施例１の流体加熱器は、例えば空気、飽和水蒸気、過熱水蒸気、その他各種ガス等の被加熱流体を、ニクロム線からなる発熱線の抵抗発熱によって加熱し、例えば５００℃程度の高温まで昇温するものである。

図１に示すように、流体加熱器１は、ヒータ筒１０、中間筒２０、内筒３０、外筒４０、絶縁体粉末５０、発熱線６０、熱電対７０等を有して構成されている。
ヒータ筒１０、中間筒２０、内筒３０、外筒４０は、例えばステンレス鋼などの耐熱性、耐食性を有する金属材料によって、その本体部が実質的に円筒状に形成されるとともに、実質的に同心に配置されている。

ヒータ筒１０は、その内径側に絶縁体粉末５０が充填、封入されるとともに、発熱線６０の発熱部６１を収容するものである。
ヒータ筒１０は、本発明における絶縁体保持部材として機能する。
ヒータ筒１０における被加熱流体の出口側（図１における左側。以下、「出口側」と称する。）の端部は、ステンレス鋼製の端面１１によって閉塞されている。
端面１１は、外筒４０の端面４１と軸方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
端面１１の中央には、中間筒２０が挿入される円形の開口が形成されている。
ヒータ筒１０における発熱線６０の端子側（図１における右側。以下、「端子側」と称する。）の端部は、封止部材（シール）１２が圧入され実質的に閉塞されている。
封止部材１２には、発熱線６０及び熱電対の配線がそれぞれ通される複数の貫通孔が形成されている。

中間筒２０は、ほぼ全体がヒータ筒１０の内径側に挿入され、被加熱流体の流路の一部を構成するものである。
中間筒２０は、内筒３０と協働して、本発明にいう流路管を構成するものである。
中間筒２０の出口側の端部は、ヒータ筒１０の端面１１の開口から突出して配置されている。この端部は、外筒４０の端面４１と軸方向に間隔を隔てて対向して配置されている。
中間筒２０の上記した端部以外の領域は、ヒータ筒１０の内径側に収容されている。
この領域においては、中間筒２０の外周面は、ヒータ筒１０の内周面と間隔を隔てて対向している。
中間筒２０の外周面と、ヒータ筒１０の内周面との間の空間部には、絶縁体粉末５０が充填され、絶縁体粉末５０の中には、発熱線６０が埋設されている。
中間筒２０の端子側の端部は、端面２１によって閉塞されている。
中間筒２０の出口側の端部は、外筒４０の内径側において開口している。

内筒３０は、中間筒２０の内径側に挿入され、被加熱流体の流路の一部を構成するものである。
内筒３０の出口側の端部は、中間筒２０の端部から突出し、さらに、外筒４０の端面４１を貫通して流体加熱器１の外部へ突出している。
内筒３０の出口側の端部は、加熱後の被加熱流体が排出される出口となり、被加熱流体を利用する図示しない外部機器と管路を介して接続される。
内筒３０の主要部分は、中間筒２０の内径側に収容されている。
この領域においては、内筒３０の外周面は、中間筒２０の内周面と間隔を隔てて対向している。
内筒３０の端子側の端部は、中間筒２０の端面２１と軸方向に間隔を隔てて対向して配置されて開口し、中間筒２０の内部と連通している。

外筒４０は、ヒータ筒１０の外径側に設けられ、流体加熱器１の外表面部を構成する部材である。
外筒４０の出口側の端部は、ヒータ筒１０、中間筒２０の出口側の端部を収容している。
外筒４０の出口側の端部は、端面４１によって実質的に閉塞されている。
外筒４０の端子側の端部には、絞り加工等によって他部に対して減径された縮径部４２が形成されている。
縮径部４２の内周縁部は、ヒータ筒１０の外周面に溶接等によって固定されている。
縮径部４２は、中間筒２０の端面２１よりも端子側に設けられている。
外筒４０における縮径部４２に隣接する領域には、入口管４３が設けられている。
入口管４３は、図示しない外部配管より加熱前の被加熱流体が導入される管路であって、外筒４０の外周面部から突出して形成されている。
外筒４０の内部において、ヒータ筒１０の外周面は、外筒４０の内周面と間隔を隔てて対向して配置されている。

絶縁体粉末５０は、電気的絶縁性を有しかつ熱伝導性が良好なマグネシア（ＭｇＯ）等からなる粉末であって、ヒータ筒１０の内径側に充填されている。
ヒータ筒１０の内部においては、中間筒２０の外周面及び端面２１は、実質的に全域にわたって絶縁体粉末５０が直接接する状態となっている。
絶縁体粉末５０は、発熱線６０への通電時には、発熱部６１の温度と実質的に同等の温度まで昇温される。

発熱線６０は、例えばニクロム線などの電熱線であって、通電時に抵抗発熱する発熱部６１と、発熱部６１に外部電源からの電力を供給する端子部６２とを有する。
発熱部６１は、ヒータ筒１０の内径側でありかつ中間筒２０の外径側の領域内において、絶縁体粉末５０に埋設され、中間筒２０の外周面との間に実質的に一定の間隔を隔てつつ、実質的に同心にスパイラル状に巻き回されている。
発熱部６１は、中間筒２０の端面２１側の端部よりも出口側の領域に設けられ、発熱線６０のその他の領域は実質的に発熱しない（発熱部６１に対して発熱量が無視し得る程度）非発熱部となっている。
端子部６２は、例えば外部電源に接続されるリード線を有し、ヒータ筒１０の端子側の封止部材１２に形成された開口から外部へ引き出されている。

熱電対７０は、絶縁体粉末５０の内部に差し込まれ、絶縁体粉末５０の温度（実質的に発熱線６０の温度と等しい）を検出する温度センサである。
熱電対７０は、ヒータ筒１０の封止部材１２に形成された開口から挿入されている。

流体加熱器１の使用時においては、外部機器から搬送される例えば空気、水蒸気、その他ガス等の被加熱流体が、入口管４３から外筒４０の内部に導入される。
被加熱流体は、先ず外筒４０の内周面とヒータ筒１０の外周面との間隔を、端子側から出口側へ流れる。
このとき、被加熱流体は、ヒータ筒１０の外周面が発する熱によって熱せられ、予熱される。

被加熱流体の流れ方向は、外筒４０の端面４１近傍において反転する。
被加熱流体は中間筒２０の内部に流入し、中間筒２０の内周面と内筒３０の外周面との間隔を、出口側から端子側へ流れる。
このとき、被加熱流体は、絶縁体粉末５０及び中間筒２０の壁面を介して発熱線６０の発熱部６１によって加熱され、例えば５００℃以上の高温まで昇温される。

さらに、被加熱流体の流れ方向は、中間筒２０の端面２１近傍において再度反転する。
被加熱流体は、内筒３０の内部に流入し、内筒３０内を端子側から出口側へ流れ、流体加熱器１から排出される。

以上説明したように、実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）発熱線６０の発熱部６１が発する熱を、絶縁体粉末５０を介して中間筒２０の表面に直接効率よく伝えることが可能であるとともに、中間筒２０から流体加熱器１の外部への放熱（熱損失）も抑制できることから、被加熱流体を効率よく高温まで加熱することができる。
特に、被加熱流体が比較的少量の気体である場合であっても、いわゆる空焚き状態となることなく、出口温度が発熱線６０の耐熱限界温度に近い温度となるまで加熱することが可能であり、出口温度を高温とすることができる。
また、シーズヒータを流路管の外周面に巻き回す従来技術のように、シースの外表面と流路管表面との接触状態が問題とならないため、シースを流路管に圧着させたり、これらの間に熱伝導材を充填するなどの工程が不要となり、簡単な製造工程によって良好な性能の流体加熱器を得ることができる。
（２）ヒータ筒１０の外径側に外筒４０を設け、外筒４０とヒータ筒１０の間に加熱前の被加熱流体が通流する空間部を設けたことによって、この空間部が断熱層として機能し、ヒータ筒１０から外部への放熱（熱損失）を抑制するとともに、この空間部内の被加熱流体をヒータ筒１０の外面が発する熱で予備加熱することによって、効率を向上することができる。
また、外部への放熱が抑制されることによって、流体加熱器１の外表面である外筒４０の表面温度を低下させることができ、外筒４０の外側の断熱材を省略し、あるいは、設ける場合であっても量を低減することができる。
さらに、流体加熱器１の外表面の温度が低下することによって、他の機器への熱害や作業者の火傷なども防止することができる。
（３）ヒータ筒１０における中間筒２０及び内筒３０（流路筒）が挿入される側とは反対側の端部に発熱線６０の端子部６２を設けたことによって、端子部６２のリード線等が高温となることを防止して熱による損傷を抑制し、信頼性、耐久性を向上することができる。
さらに、発熱線６０、絶縁体粉末５０からヒータ筒１０に伝わった熱が、縮径部４２を介して外筒４０の本体部側にも伝わることによって、ヒータ筒１０の端子側の端部への伝熱量をさらに低減し、温度を低下させることができる。
（４）発熱線６０と被加熱流体とが直接接することがないため、発熱線６０の発熱部６１の表面に形成される酸化膜等が剥離して被加熱流体に混入することがなく、被加熱流体をクリーンな状態で取り出すことが可能である。
さらに、発熱線６０が絶縁体粉末の中に埋設されることから、電気絶縁性が確保され、絶縁抵抗の低下や漏電も防止することができる。

次に、本発明を適用した流体加熱器の実施例２について説明する。
上述した実施例１と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図２は、実施例２の流体加熱器の構成を示す図である。
図２（ａ）は、実施例２の流体加熱器を、ヒータ筒の径方向から見るとともに部分的にヒータ筒の中心軸を含む平面で切って見た部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。

実施例２の流体加熱器２は、ヒータ筒１１０、流路管１２０、断熱層１３０等を有して構成されている。
ヒータ筒１１０は、実質的にストレートな円筒状に形成されている。
ヒータ筒１１０の出口側の端部は、金属製のキャップ状の部材である端面１１１によって実質的に閉塞されている。
ヒータ筒１１０の端子側の端部は、図示しない封止部材によって実質的に閉塞されている。
端面１１１及び封止部材には、中央部に流路管１２０が挿入される開口が形成されている。

流路管１２０は、実質的にストレートな円筒状に形成され、ヒータ筒１１０の内径側に実質的に同心となるように挿入されている。
流路管１２０の全長はヒータ筒１１０よりも長く設定され、両端部はヒータ筒１１０の端面１１１及び封止部材に形成された開口から外部へ突出している。

断熱層１３０は、ヒータ筒１１０の外周面に巻き回され、ヒータ筒１１０から外部への放熱を抑制するものである。
断熱層１３０として、例えば、セラミックファイバ等の各種断熱材や、真空断熱層などを用いることができる。
断熱層１３０は、ヒータ筒１１０の長手方向における全長にわたって設けられている。

ヒータ筒１１０の内周面と、流路管１２０の外周面との間には、間隔が設けられ、この間隔には、絶縁体粉末５０が充填されるとともに、発熱線６０の発熱部６１がスパイラル状に配置されている。
発熱線６０の端子部６２は、ヒータ筒１１０における被加熱流体の上流側の端部から、外部へ引き出されている。
被加熱流体は、流路管１２０の端子部６２側の端部から導入され、ヒータ筒１１０の内径側を通過する際に加熱されて流路管１２０の出口側の端部から排出される。

以上説明した実施例２によれば、断熱層１３０を設けるために外径が大型化することにはなるが、管路の構成を簡素化して製造を容易化することができる。
また、流路管１２０が単純な直管形状であることから、不純物や異物をさらに混入しにくくすることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）流体加熱器を構成する各部材の形状、構造、材質、製法、配置等は、上述した実施例に限定されず適宜変更することができる。
（２）各実施例においては、発熱線をヒータ筒の内部でスパイラル状に巻き回しているが、発熱線の配置はこれに限らず適宜変更することができる。
例えば、発熱線の主要部をヒータ筒の長手方向に沿わせてストレートに配置するとともに、両端部において折り返す構成としてもよい。
（３）本発明の流体加熱器は、例えば空気、蒸気、各種ガス等の気体、特に、比較的小流量のものに好適であるが、これに限らず液体や気液二相混合流体など他の流体の加熱にも用いることが可能である。
（４）各実施例においては、絶縁体保持部材は円筒状のヒータ筒として構成されているが、その他の形状の容器内に絶縁体粉末及び発熱線を収容するとともに、容器内に流路管を通す構成としてもよい。また、被加熱気体の流路の構造、形状なども特に限定されない。

１ 流体加熱器（実施例１） ２ 流体加熱器（実施例２）
１０ ヒータ筒 １１ 端面
１２ 封止部材 ２０ 中間筒
２１ 端面 ３０ 内筒
４０ 外筒 ４１ 端面
４２ 縮径部 ４３ 入口管
５０ 絶縁体粉末 ６０ 発熱線
６１ 発熱部 ６２ 端子部
７０ 熱電対
１１０ ヒータ筒 １１１ 端面
１２０ 流路管 １３０ 断熱層

Claims (4)

1. 被加熱流体が内部を通過する流路管と、
   前記流路管の外周面に絶縁体粉末が接するように前記絶縁体粉末を保持する絶縁体保持部材と、
   前記絶縁体粉末の内部に発熱部が埋設された発熱線と
   を備える流体加熱器。
2. 前記絶縁体保持部材の少なくとも一部を収容する外装部材を備え、
   前記外装部材の内面と前記絶縁体保持部材の外面との間隔を前記流路管に導入される前記被加熱流体が通過すること
   を特徴とする請求項１に記載の流体加熱器。
3. 前記絶縁体保持部材は筒状に形成され、
   前記流路管は、前記絶縁体保持部材の一方の端部から挿入されるとともに、前記被加熱流体の通過方向が流路途中で反転するよう構成され、
   前記発熱線と電源とを接続する端子部を、前記絶縁体保持部材における前記流路管が挿入される側とは反対側の端部に設けたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体加熱器。
4. 前記流路管は、外周面が前記絶縁体粉末と接するよう配置される第１の筒状体と、前記第１の筒状体の内径側に挿入される第２の筒状体とを有し、
   前記被加熱流体は、前記第１の筒状体の一方の端部側から前記第１の筒状体の内周面と前記第２の筒状体の外周面との間隔に導入されるとともに、前記第１の筒状体の他方の端部近傍で前記第２の筒状体の内部へ流入し、前記第２の筒状体の内部を通過して排出されること
   を特徴とする請求項３に記載の流体加熱器。

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