JP3385955B2 - 加熱装置 - Google Patents
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Description
を加熱する装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来、瞬間湯沸かし器などのように、高
速に気体または液体の昇温を行う場合、ガスによる加熱
方式が用いられていた。また、固体を加熱する場合には
シーズヒータ等が用いられていた。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
法で水を高速加熱する場合、熱量密度が高いため熱伝達
面の温度は沸点を越えてしまい局部的な沸騰が発生し安
全面で問題がある。 【0004】また、局部的な沸騰が発生しないようにす
るには、熱交換面積を大きくする必要があるが、燃焼部
の構造上、非常に大きな装置になってしまうという課題
があった。 【0005】また、ガス燃焼による加熱はパイプの外側
から行うため、熱効率が低いという課題もあった。 【0006】電気ヒータを用いる場合も、電力密度が高
いため、局部的な異常温度上昇が発生し、沸騰による不
安全やヒータ断線などの問題があるため、沸点に近い高
温の湯を沸かすのには不適当であった。 【0007】また、シーズヒータ等を用いて熱伝達の良
くない固体物質を加熱する場合、熱源に面している部分
の温度が高くなり過ぎるという問題点があった。 【0008】また、局部的な沸騰が発生しないように、
熱交換面積を大きくすると、装置の肥大化はもとよりヒ
ータ自身の熱容量が大きくなるため、温度応答性が悪く
なるという課題があった。 【0009】また、活性炭、ゼオライトなどの吸着材を
加熱再生するための加熱装置においても、熱交換面積を
大きくし、前記吸着材との接触面積を大きくする必要が
あるが、従来の電気ヒータを用いた場合は、装置が大型
になるという課題や、温度むらがあるため再生効率が悪
いといった課題があった。 【0010】また、水を加熱して蒸気を発生する加熱装
置では、従来は貯水タンクの水を加熱する構成のため、
立ち上がりが遅い、エネルギー効率が悪いといった課題
があった。また、瞬間的に蒸気を発生する構成にする
と、前記同様、熱交換面積を大きくする必要があり、装
置が大型になるといった課題があった。 【0011】また、触媒を用いて空気浄化を行う加熱装
置では、従来の電気ヒータを用いた場合は、担持体の熱
伝導に限界があるため、有効反応面積が大きくできず、
浄化能力が悪いという課題があった。 【0012】また、従来の加熱装置では、温度過昇防止
のために、サーモスタットや温度ヒューズを熱源近傍に
設置する必要があり、装置が複雑になるといった課題が
あった。 【0013】また、従来の電気ヒータを用いた加熱装置
で温水を作る場合、ヒータ表面にスケールが堆積して異
常発熱による断線が発生するといった課題があった。 【0014】本発明は、前記課題を解決するための加熱
装置を提供するものであり、熱交換に供する単位体積当
たりの熱交換面積が大きく、かつ均一に加熱を行うこと
ができる発熱体を用いて流体を加熱することで、液体を
加熱する場合に、沸騰することなく沸点に近い温度まで
昇温することができ、温度制御性が良く、熱効率も高い
小型加熱装置を提供することを目的とする。 【0015】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、少なくとも一部が電気的に閉回路となる
ように金属等の導体を用いて形成され前記閉回路に沿っ
て渦電流が流れる構造とした発熱体と、この発熱体を収
納する容器と、前記発熱体を誘導加熱するための誘導加
熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給す
る高周波電力供給手段とを備え、誘導加熱コイルにより
発生する交流磁界で発熱体を誘導加熱する加熱する加熱
装置としたものであり、熱交換に供する単位体積当たり
の熱交換面積が広く、均一に加熱を行うことができる発
熱体を用いて流体を加熱することで、液体を加熱する場
合に、小さい体積の発熱体で沸点に近い温度まで昇温す
ることができ、熱交換効率も高い加熱装置を提供するこ
とができる。 【0016】 【発明の実施の形態】請求項1の発明は、板状の導体を
渦巻き状構造に形成した発熱体と、前記発熱体が電気的
に閉回路となるよう前記渦巻き状に構成した導体の巻き
始めと巻き終わりのみを電気的に接続し前記閉回路に沿
って前記発熱体の円周方向に均一な渦電流が流れるよう
にする接続構造と、この発熱体を収納する容器と、前記
発熱体を誘導加熱するための誘導加熱コイルと、前記誘
導加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電力供給手
段とを備え、前記発熱体は、前記閉回路をなす導体部の
渦巻き構造に対する半径方向での厚みの総和が、誘導加
熱を行う際に発生する磁束の表皮厚さより薄くなるよう
に構成し、前記誘導加熱コイルにより発生する交流磁界
で発熱体を誘導加熱する加熱装置としたものである。 【0017】これにより、高周波電力供給手段から高周
波電力を誘導加熱コイルに与え、誘導加熱の原理により
発熱体自体を加熱する。この時の発熱体を、電気的に接
続された渦巻き状にすることで、熱交換に供する単位体
積当たりの熱交換面積を広くし、かつ均一に加熱を行う
ことができ、液体を加熱する場合に、小さい体積の発熱
体で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効
率も高くすることができる。 【0018】請求項2に記載した発明は、量産が容易な
軸方向の短い発熱体を積層することで、発熱体の長さを
安価に可変でき、入力電力や電力密度を自在に設定でき
る加熱装置を実現している。 【0019】請求項3に記載した発明は、発熱体は、波
状に加工した金属等の導体を使用し絶縁シートを層間に
挿入して渦巻き状にしたことによって、液体との接触面
積を大きくでき、特に熱交換効率を高めた加熱装置を実
現している。 【0020】 【実施例】(実施例1) 以下、実施例1について添付図面を基に説明する。図1
において、101は少なくとも一部が電気的に閉回路と
なるように金属等の導体を用いて形成され前記閉回路に
沿って渦電流が流れる構造とした発熱体、102は発熱
体101を誘導加熱するための誘導加熱コイル、103
は前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給する高周波電
力供給手段、104は前記発熱体に気体または液体を移
送する流体移送手段、105は発熱体を収納する容器で
ある。 【0021】例えば、発熱体101の導体にはステンレ
ス板、高周波電力供給手段103にはインバータ回路、
流体移送手段104にはポンプやファンを用いることで
この構成を容易に実現できる。 【0022】使用者の指示で加熱が開始されると、流体
移送手段104が発熱体101に気体または液体を供給
する。同時に高周波電力供給手段103は、誘導加熱コ
イル102により発熱体101に電力を供給する。この
時、発熱体101のステンレス板内部には、誘導加熱コ
イルに流れる高周波電流により生じた高周波磁界により
渦電流が発生する。この渦電流とステンレス板の電気抵
抗により発熱体101にはジュール熱が生じる。この熱
が気体または液体に伝わる際、発熱体は気体または液体
に埋没しているため、定常時の熱効率は100[%]と高
効率である。 【0023】図2に発熱体101の渦巻き状構造を示
す。ここで実線で示されている201はステンレス板に
よる渦巻き構造で、接続構造202により電気的に接続
されている。接続構造202によりステンレス板201
は電気的な閉ループを形成するため、図2に(b)に示
すようにステンレス板201には発熱体101の円周方
向に均一な渦電流が流れる。よって、ステンレス板20
1は均一に発熱する。また、渦巻き構造の巻き間隔を狭
めることにより、単位体積あたりの熱交換面積が大きい
均一熱源を実現できる。 【0024】次に導体の厚みについて説明を行う。誘導
加熱を行う際に発生する磁束は、表皮効果と呼ばれる現
象により渦電流の流れる導体の表面に集中して通る。発
生する磁束の内、(1−1/e)[eは自然対数]までが
導体を通る厚さを示す表皮厚さδは、体積抵抗率をρ,
角周波数をω,透磁率をμとすると、δ=(2ρ/(ω・
μ))∧(1/2)で表される。 【0025】磁束が導体を通らなければ、誘導加熱を行
うための渦電流を発生させる起電力が生じないため、こ
の表皮厚さは誘導加熱を行うための目安となる。 【0026】よって、発熱体101に用いる導体を、渦
巻き構造の半径方向における導体厚の総和が表皮厚さよ
り薄くなるように構成すれば、磁束を効率よく利用する
ことができ、渦巻きの各周で渦電流が発生させることが
できる。 【0027】例えば、厚さ0.3[mm]の非磁性ステンレ
スを用いる場合、20[kHz]付近での表皮厚さが約3[m
m]であるので、渦巻きの巻き数は10巻きまでが適当で
ある。 【0028】このようにステンレス板201に適切な厚
みをとり、接続構造202を用いて電気的な閉ループ渦
巻き構造を作ることで、一般的に入手容易な非磁性ステ
ンレスでも大きな均一渦電流を流せるようになる。 【0029】次に、本発明の参考として螺旋状構造につ
いて説明を行う。図3に発熱体101の螺旋状構造を示
す。ここで301はステンレス板による螺旋構造で、接
続構造302により電気的な閉ループを形成する。誘導
加熱コイル102として円筒形の有限長ソレノイドを用
いる場合、軸方向の磁束密度はソレノイドの開口部付近
で粗になり、中心付近で密になる。図3のように螺旋状
の導体を巻き始めと巻き終わりを電気的に結線した構成
とした発熱体を用いているため、発熱体のどの部分でも
同じ量の電流が流れるため、発熱量は均一となる。 【0030】以上で述べたような動作により、熱交換に
供する単位体積当たりの熱交換面積が広く、均一に加熱
を行うことができる発熱体101を用いて流体を加熱す
ることで、液体を加熱する場合に、小さい体積の発熱体
で沸点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率
も高い加熱装置を提供できる。 【0031】なお、本実施例では発熱体101の金属等
の導体としてステンレスを用いたが、渦電流が発生する
導体であれば何でもよいことはいうまでもない。また、
図面では円形の渦巻きを示したが、楕円や多角形等の渦
巻き構造でもよい(図4)。また、図面では発熱体の外
側に誘導加熱コイルを配置しているが、誘導加熱コイル
を配置は発熱体の内側や発熱体の上下に配置(図5)し
てもよいことは言うまでもない。 【0032】(参考例1) 以下、本発明に関連する参考例1について添付図面を基
に説明する。図6は、実施例2の発熱体601を示す図
である。この図において実線で示されている発熱体60
1は非磁性ステンレス板で構成されており、敢えて述べ
る部分以外は実施例1と同様の機能を果たす。よって全
体構成は、実施例1と同様であるので説明を省略する。 【0033】実施例1での説明と同様の理由により、円
筒の半径方向の総厚みが、表皮厚さδより十分小さけれ
ば発熱分布は均一になる。よって、図6のように発熱体
601を構成し、同心円の数を増やすことで熱交換面積
を広くとることができる。 【0034】(参考例2) 以下、参考例2について添付図面を基に説明する。図7
は実施例3の発熱体501を示す図である。この図にお
いて実線で示されている発熱体701はステンレス板で
構成されており、敢えて述べる部分以外は実施例1と同
様の機能を果たす。よって全体構成は、実施例1と同様
であるので説明を省略する。 【0035】発熱体を図7に示している構成とした場合
には、中心部を流れる液体の温度を高めた発熱分布とで
き、結果的に温度分布が均一となる加熱装置を実現出来
るものである。つまり図7に示している構成の発熱体7
01は、同心円状に配置した複数の金属環701a〜7
01cによって構成している。また、一番内側の金属環
701aを磁性ステンレスによって、701b・701
cは非磁性ステンレスによって構成している。 【0036】以上の構成とすることによって、図8に示
しているように、発熱体の中心部を通る磁束が最も多く
なるものである。すなわち、発熱体を通過する液体の温
度が最も高くなるものである。つまり、誘導加熱コイル
102によって発生する高周波磁界によって発熱体70
1に流れる渦電流は、磁束の変化を妨げる方向に発生す
る。よって、磁束が多く通る部分の方が大きな渦電流が
発生するものである。磁束の通り易さを示す透磁率は、
磁性ステンレスは非磁性ステンレスの約100倍となっ
ている。このため本実施例のように、非磁性ステンレス
環701b・701c内に磁性ステンレス環701aが
囲まれている場合、誘導加熱コイル102で発生した磁
束は最内周の磁性ステンレス環701aを通ろうとす
る。誘導加熱コイル102の長さが容器101の直径に
対して充分に長くない場合、誘導加熱コイル102が発
生する磁束は容器101の軸方向に平行にはならないも
のである。つまり模式的に、図8に示しているように、
長円形あるいは放物線状となる。このため、誘導加熱コ
イル102が発生する磁束は磁性ステンレス環701a
・非磁性ステンレス環701b・701cの全てに鎖交
する。このため、磁性ステンレス環701a・非磁性ス
テンレス環701b・701cの全ては発熱し、磁束が
最も通りやすい磁性ステンレス環701aの発熱量が最
も多くなる。 【0037】なお、前記各実施例では加熱対象を水・石
油等の液体としているが、加熱対象が気体であっても適
用できるものである。 【0038】(実施例2) 以下、実施例2について添付図面を基に説明する。図9
は、実施例1の発熱体201を示す図である。なお、敢
えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果たす。
よって全体構成は、実施例1と同様であるので説明を省
略する。 【0039】図9において901a〜eのような軸方向
の短い発熱体を軸方向に積層する構成とし、積層数で熱
交換面積や単位面積当たりの発熱量を自在に設定でき
る。 【0040】例えば、お風呂やシャワーあるいは手洗い
等の人体に触れる50[℃]程度までのお湯を沸かすため
の加熱装置では、発熱体の積層数を少なくして、流路体
積を小さくして、温度制御性をよくすることで、使い勝
手の良い加熱装置を実現できる。 【0041】また、沸点に近い高温のお湯を沸かす熱装
置では、発熱体の積層数を多くして熱交換面積を大きく
することで、沸騰することなく安全に目的を達成するこ
とが出来る。また、入力電力の大きな大流量の加熱装置
の場合は、発熱体の積層数を更に多くすればよい。 【0042】以上のように、本実施例によれば、量産が
容易な軸方向の短い発熱体を積層することで発熱体の長
さを安価に可変できる加熱装置を提供することができ
る。 【0043】なお、本実施例では発熱体を5層に積層し
たが、必要に応じて増減しても構わないことはいうまで
もない。また、積層する発熱体については、どのような
形状でも構わない。 【0044】(実施例3) 以下、実施例3について添付図面を基に説明する。図1
0は、実施例1の発熱体101を示す図である。なお、
敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果た
す。よって全体構成は、実施例1と同様であるので説明
を省略する。 【0045】このとき、発熱体を図10に示すような構
成とすれば、一層熱交換効率を高めることが出来る。す
なわち、図10に示す構成のものは、発熱体1001と
して、波状に加工した金属等の導体を使用しているもの
である。1002は接続構造、1003は層間に挿入し
た絶縁シートである。 【0046】発熱体801として波状に加工した導体を
使用しているため、平板を渦巻き状にしたものよりも、
単位体積あたりの熱交換面積をより広くとることができ
るものである。このため、一層熱交換効率を高めること
が出来る。また、波状に加工した導体を使用する場合に
は、絶縁シート1003を挿入するだけで渦巻の間隔を
適切に保つことが出来るため、渦巻の間隔を適切に保つ
ための工夫を必要としない。 【0047】以上で述べたような動作により、金属等の
導体に波加工を施すことで、熱交換に供する面積を簡単
に大きくした加熱装置を実現できる。 【0048】なお、本実施例では実施例1の渦巻型発熱
体を例として説明を行ったが、他の形状の発熱体であっ
ても構わないことはいうまでもない。 【0049】(実施例4) 以下、実施例4について添付図面を基に説明する。図1
1において、201はステンレス板による渦巻き構造
で、接続構造202により電気的に接続されている。1
101は発熱体の隙間に詰められた活性炭で、トリハロ
メタンを吸着する。なお、敢えて述べる部分以外は実施
例1と同様の機能を果たす。よって全体構成は、実施例
1と同様であるので説明を省略する。 【0050】前記構成の発熱体に通水すると、活性炭1
101がトリハロメタンを吸着する。しかしながら、活
性炭1101のトリハロメタン吸着力は通水量に応じて
急激に低下する。吸着力を回復するためには、活性炭1
101を加熱して蒸気と共にトリハロメタンを放出すれ
ばよい(この作用を加熱再生と呼ぶ)。 【0051】活性炭を加熱再生する場合に課題となるの
は、活性炭の異常温度上昇による発火である。例えば図
12に示すように、活性炭の塊を外周部に設けたヒータ
で加熱した場合、活性炭の塊内部まで温度を上げようと
すると、活性炭の熱源と垂直方向に大きな温度勾配が発
生する。よって、ヒータの入力電力を大きくして短時間
で加熱再生を行おうとする場合、ヒータと活性炭との接
触面の温度が、活性炭の発火点温度まで上昇する恐れが
ある。 【0052】本実施例では、発熱体101と活性炭11
01の接触面積が広いために、活性炭全体をほぼ均一に
加熱することができる。よって、活性炭1101が発火
温度まで温度上昇することなく、全体を効率よく加熱再
生することができる。 【0053】本実施例の加熱装置を用いれば、持続して
トリハロメタンが除去できる浄水器が実現できる。 【0054】以上で述べたような動作により、活性炭加
熱に供する単位体積当たりの発熱面積が広く、均一に加
熱を行うことができる発熱体を用いて活性炭を加熱する
ことで、活性炭1101を均一かつ高速に加熱すること
ができる加熱装置を提供できる。 【0055】また、本実施例では発熱体を除去能力回復
のために用いたが、加熱により殺菌を行うこともでき
る。 【0056】(実施例5) 以下、実施例5について添付図面を基に説明する。図1
3は、実施例5の発熱体を示す図である。図13におい
て、201はステンレス板による渦巻き構造で、接続構
造202により電気的に接続されている。1301は発
熱体の隙間に詰められたゼオライトで、水分を吸着す
る。なお、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機
能を果たす。よって全体構成は、実施例1と同様である
ので説明を省略する。 【0057】湿った空気が流体移送手段104により送
られると、ゼオライト1301は湿った空気の水分を吸
着し、乾いた空気を排出する。しかしながら、ゼオライ
ト1301の水分吸着量には限界がある。ここで、水分
吸着能力を回復するには、ゼオライトを一定温度以上に
加熱して吸着した水分を蒸気として放出させればよい
(これを加熱再生と呼ぶ)。 【0058】ゼオライトの加熱再生を従来のシーズヒー
タ等で行う際の課題は、従来例6での説明と同様、ヒー
タの入力電力を大きくして短時間で加熱再生を行おうと
すると、ヒータとゼオライトの接触面の温度が非常に高
くなってしまうことである。 【0059】本実施例では、発熱体101とゼオライト
1301の接触面積が広いために、ゼオライト全体をほ
ぼ均一に加熱することが出来る。よって、ゼオライトの
発熱体との接触面温度を抑えたまま、全体を効率よく加
熱再生することができる。 【0060】以上で述べたような動作により、水分吸着
物質加熱に供する単位体積当たりの発熱面積が広く、均
一に加熱を行うことができる発熱体を用いてゼオライト
を加熱することで、ゼオライト1301を均一かつ高速
に加熱することができる加熱装置を提供できる。 【0061】(実施例6) 以下、実施例6について添付図面を基に説明する。図1
4は、実施例6の発熱体を示す図である。図14におい
て、201はステンレス板による渦巻き構造で、接続構
造202により電気的に接続されている。1401は発
熱体の隙間に詰められた保水性の高いスポンジである。
なお、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を
果たす。よって全体構成は、実施例1と同様であるので
説明を省略する。 【0062】実施例1と同様に発熱体が加熱され、流体
移送手段104が極少量の水を発熱体に送ると、スポン
ジ1401が水を吸い、発熱体の方向に無関係にステン
レス板201に水分を送る。この水分が発熱しているス
テンレス板に触れることで気化され蒸気を発生させるこ
とができる。この時、水を吸収する材料をステンレス板
201の間に入れていることで、ステンレス板201と
水の接触面で水が玉状になって接触面積が小さくなるの
を防いでいる。本実施例の加熱装置をハンディ蒸気発生
器に適用すれば、水が垂れずに任意の方向へ蒸気を発生
させることができる。 【0063】以上で述べたような動作により、発熱体の
隙間に保水性の高い物質を詰めた構造とし、水を含ませ
ながら発熱体を誘導加熱コイルにより加熱することで、
発熱体を任意の方向に向けて蒸気を発生することができ
る。 【0064】なお、さらに気化された水蒸気を加熱する
ことで過熱蒸気を発生させることができる。 【0065】(実施例7) 以下、実施例7について添付図面を基に説明する。図1
5は実施例7の発熱体を示す図である。図15におい
て、1501は白金の触媒を担持したステンレス板によ
る渦巻き構造で、接続構造202により電気的に接続さ
れている。 【0066】実施例1と同様に発熱体101を誘導加熱
すると、触媒が活性化温度まで加熱される。ここで移送
手段104で空気を送り込むと、触媒の作用により空気
中のアンモニアなどの臭気成分が酸化分解される。触媒
の加熱を従来のシーズヒータなどで行う際の課題は、従
来例6での説明と同様、ヒータの入力電力を大きくして
短時間で触媒作用を得ようとすると、触媒とヒータ面の
接触面温度が非常に高くなってしまうことである。 【0067】本実施例では、空気との接触面積が大きく
かつ発熱分布を均一にすることができるので、効率の良
い脱臭作用が得られると共に、局部的な異常温度上昇に
よる触媒の性能劣化を防ぐことができ、高い脱臭能力を
持続することが可能である。 【0068】以上で述べたような動作により、触媒を担
持した発熱体を用いることで、触媒を効率良く加熱する
ことができる加熱装置を実現できる。 【0069】(実施例8) 以下、実施例8について添付図面を基に説明する。簡易
的には単純に穴を開けることで乱流を起こすことができ
るが、ここでは、より大きな乱流を発生させるため、実
施例1〜5で説明した発熱体の金属等の導体として、図
16(a)に示すような翼部を有する穴が開いた金属板
を使用する場合について説明を行う。これにより、図1
6(b)に示すように、流体の流れが複雑になり熱交換
表面への接触が増すため熱交換効率を向上させることが
できる。また、乱流により流体がよく混合され流体全体
の温度も均一化される。 【0070】以上で述べたような動作により、発熱体に
用いる金属等の導体に、乱流を発生させ熱交換効率を向
上させるように穴を開けた金属板を使用することで、熱
交換効率をより向上させた加熱装置を提供できる。 【0071】なお、乱流を発生させるための穴の形状
は、どんな構造であっても構わない。 【0072】(参考例3) 以下、参考例3について添付図面を基に説明する。図1
7は、発熱体1701を示す図である。ここで1701
には発泡金属を用いることにより簡単にこの構成を実現
できる。なお、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様
の機能を果たす。よって全体構成は、実施例1と同様で
あるので説明を省略する。 【0073】発泡金属は図17に示すように多孔質の金
属体であり、流体と熱交換を行う場合の熱交換面積を大
きくとることができる。また、多くの孔が開いているた
め、乱流による熱交換効率も向上する。ここで、リング
状になった半径方向の総金属量が前述した表皮厚さ程度
になるように半径方向の厚みaをとることで、渦電流を
均一に流すことができる。このような金属を用いれば、
切断のみで発熱体の加工を行うことができる。本実施例
の加熱装置を蒸気発生装置に適用すれば、水との接触面
で水が玉状になって接触面積が小さくなるのを防ぐこと
ができる。 【0074】以上で述べたように、多孔質な金属導体で
発熱体を構成することで、加工が容易な発熱体を持つ加
熱装置を実現できる。 【0075】(実施例9) 以下、実施例9について添付図面を基に説明する。な
お、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果
たす。よって全体構成は、実施例1と同様であるので説
明を省略する。図18(a)において、1805は渦巻
き構造の中心のようにステンレスがなく熱交換に供しな
い部分に流体を通さないように構成した容器、1806
は浄水器、1807は強磁性体である。なお、浄水器1
806には中空糸膜や活性炭を詰めた容器、強磁性体1
807にはフェライトを用いることでこの構成を容易に
実現できる。 【0076】図18に示すように、容器1805を用い
て発熱体の金属等の導体がない部分に水を通さないよう
にすることで、発熱体に触れない流体をなくすことがで
きる。これにより熱交換効率を向上させることができ
る。また、この中空部分を利用し図18(a)のように
浄水器1806を入れることで流体として水を用い給湯
器として利用する際に、飲用に適した湯を出湯すること
ができる。また、図15(b)のようにフェライト等の
強磁性体1807を中空部分に入れることで、磁束密度
が向上し誘導起電力が増加する。これにより、誘導加熱
コイル102の電流を減らす、あるいは巻き数を減らす
ことができる。誘導加熱コイルでの電流を減らすことが
できれば高周波電力供給手段での回路損失を小さくする
ことができる。また、誘導加熱コイルの巻数を減らすこ
とができれば、誘導加熱コイルの抵抗低減により、誘導
加熱コイル自体のジュール熱による損失を小さくするこ
ともできる。 【0077】以上で述べたような動作により、熱交換に
供しない部分に流体を通さないように構成した容器を用
い、熱交換効率を向上させると共に、空いたスペースを
利用して浄水を行ったり、熱効率を向上させることがで
きる加熱装置を提供できる。 【0078】(実施例10) 以下、実施例10について添付図面を基に説明する。な
お、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果
たす。よって、全体構成は、実施例1と同様であるので
説明を省略する。図19において、201はステンレス
板、1901は温度ヒューズによる接続構造である。 【0079】誘導加熱による熱交換が行われる際、例え
ば熱交換の対象となる水が送られて来ない場合、発熱体
101の温度は非常に高くなる。この時、発熱体101
の温度が、容器の耐熱温度より高くならないように、容
器の耐熱温度より低い温度で溶断する温度ヒューズで接
続構造を構成することで、空だきなどによる異常温度上
昇時に温度ヒューズが溶断して、導体の巻き方向に沿っ
た電気回路が切断され電流が流れなくなる。渦電流が流
れなければ発熱体101は発熱不能になるため、復帰不
能な安全装置として接続構造を利用することができる。 【0080】以上で述べたような動作により、温度が高
くなり過ぎた時に発熱体の構成部品が復帰不能な安全装
置として働く機能を有する加熱装置を提供できる。 【0081】なお、温度ヒューズによる接続構造の代わ
りに、高温になった時で回路を遮断するバイメタルを用
いれば、復帰可能な安全装置とすることもできる。 【0082】(実施例11) 以下、実施例11について添付図面を基に説明する。な
お、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果
たす。よって、全体構成は、実施例1と同様であるので
説明を省略する。図20において、2001は温度上昇
に対し正の抵抗変化を示す正特性抵抗値変化金属板(図
21)、202は接続構造である。 【0083】誘導加熱による熱交換が行われる際、図2
1のように抵抗変化が急激に起こるキュリー点温度を所
望の温度(例えば95[℃])となるような金属板200
1を用いると、発熱体101の温度が95[℃]より高く
なった場合、金属板2001の抵抗値が非常に大きくな
るため渦電流が流れにくくすることができる。渦電流が
減少すれば、発熱体の発熱量も減少するため金属板20
01の温度が下がる。金属板2001の温度が下がれ
ば、元の抵抗値に戻るため再び加熱が行われることにな
る。 【0084】以上で述べたような動作により、自動的に
温度調節を行う機能を有する加熱装置を提供できる。 【0085】(実施例12) 以下、実施例12について添付図面を基に説明する。な
お、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果
たす。よって、全体構成は、実施例1と同様であるので
説明を省略する。図22において、2201は形状記憶
合金板、2202はフレキシブル接続構造である。 【0086】本実施例では、温度が所定値(例えば95
[℃])を越えると図23(a)から図23(b)のよう
に形状を変化させるように形状記憶合金板2201によ
り発熱体101を構成する。図23(a)の状態では通
常の加熱が行われ温度が上昇していくが、所定値(ここ
では95[℃])を越えると図23(b)のような状態に
なる。この時、発熱体101を構成する形状記憶合金板
2201は誘導加熱コイル102からの物理的な距離が
遠くなるため、磁気的な結合が悪くなり渦電流が流れな
くなり発熱が停止する。しばらくして温度が所定値より
下がると、形状記憶合金板2201は再び図23(a)
の状態に戻り加熱が開始されるため、自動的に温度調節
を行うことができる。 【0087】また、水道水等に含まれる炭酸カルシウム
は温度が高くなるほど溶解度が下がる性質を持つため、
この炭酸カルシウムが析出し熱交換器の金属板に付着す
る。この付着した炭酸カルシウムは一般に水垢(スケー
ル)と呼ばれ、熱交換器の金属表面を覆うため熱交換を
阻害する。 【0088】しかしながら、本実施例の発熱体を用いれ
ば、加熱時に形状記憶合金板2201は図23(a)と
図23(b)の状態を繰り返すため、この金属板の形状
変化による機械力により、析出付着する炭酸カルシウム
を剥がすことが可能となる。 【0089】以上で述べたような動作により、発熱体に
用いる導体として温度により記憶された形状を復元する
導体を使用することで、自動的に温度調節を行い、さら
に導体表面についた水垢等を自動的にとることができる
加熱装置を提供できる。 【0090】(参考例4) 以下、参考例4について添付図面を基に説明する。な
お、敢えて述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果
たす。よって、全体構成は、実施例1と同様であるので
説明を省略する。図24において、2401は形状記憶
合金板、2402はフレキシブル接続構造、2403は
バネである。 【0091】誘導加熱による熱交換が行われる際、通常
加熱時は図24(a)の形状をとりバネ2403に力を
加えることがないよう形状記憶されている。発熱体10
1の温度が所定値(例えば95[℃])より高くなった場
合、形状記憶合金板2401は螺旋構造の全長を伸ばす
ように形状記憶されており、図24(b)のようにバネ
2403のバネ定数とのバランス点で安定し、形状記憶
合金板2401の一部が誘導加熱コイル102からはみ
だす。誘導加熱は誘導加熱コイルが発生する磁束との結
合により発生する渦電流で加熱が行われるため、このよ
うに発熱体の一部からコイルからはみだすと、はみだし
た部分に起電力が発生しなくなるなるため、螺旋構造を
流れる電流が減少し、発熱体101全体が誘導加熱コイ
ル102の中にある場合よりも発熱体の発熱量が小さく
なる。発熱量が下がり温度が下がると再び図24(a)
の状態に戻り発熱量も元に戻る。これを繰り返すことで
所定値での温度調節が可能になる。 【0092】(実施例13) 以下、実施例13について添付図面を基に説明する。図
25は、実施例13の加熱装置を示す図である。ここで
2501a〜cは誘導加熱コイルである。なお、敢えて
述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果たす。よっ
て全体構成は、実施例1と同様であるので説明を省略す
る。 【0093】導加熱コイル102として円筒形の有限長
ソレノイドを用いる場合、軸方向の磁束密度はソレノイ
ドの開口部付近で粗になり、中心付近で密になる。しか
しながら、図25に示す2501aと2501cの誘導
加熱コイルの巻数を2501bの誘導加熱コイルの巻数
より多く取ることで、磁束密度分布を軸方向に均一化さ
せることができる。 【0094】以上で述べたような動作により、有限長ソ
レノイドでも、誘導加熱コイルの巻き方を、開口部近傍
の単位長あたりの巻数が中央部の巻数より多くすること
で、磁束密度を均一化し軸方向の均一加熱を行う加熱装
置を実現できる。 【0095】(実施例14) 以下、実施例14について添付図面を基に説明する。図
26は、実施例14の加熱装置を示す図である。ここで
2601a〜cは誘導加熱コイルである。なお、敢えて
述べる部分以外は実施例1と同様の機能を果たす。よっ
て全体構成は、実施例1と同様であるので説明を省略す
る。 【0096】炭酸カルシウム等の水垢は、温度が高くな
るほど溶解度が下がる性質をもつため、温度が高いほど
水垢は発生しやすくなる。更に、熱交換を行う流体温度
と発熱体温度の差が大きいほど、溶解度の差が大きくな
るため、発熱体面に多くの水垢が発生する。 【0097】また、流体が発熱体と熱交換を行う場合、
熱交換面積と流体の量が同じであれば、熱交換面の電力
密度が小さい方が、熱交換面での発熱体と流体との温度
差は小さくなる。よって、流体温度が高い所での発熱体
の電力密度を小さくすれば、水垢の発生を抑えることが
できる。 【0098】ここで、誘導加熱コイル102を図26に
示すように、誘導加熱コイル2501aより2501b
の巻数を多くし、2501bより2501cの巻数を多
くすると、磁界の強さは誘導加熱コイルの巻数と電流量
によって定まるので、磁束密度分布もコイルの巻数に比
例し、2501a近傍の発熱体の発熱量は少なくなる。 【0099】このように誘導加熱コイルを構成すること
で、流体温度が低く水垢が発生しにくい2601a近傍
では発熱体と流体の温度差を大きくして温度を上げ、流
体の温度が上がっていくに従い発熱体の電力密度を下げ
発熱体と流体の温度差を小さくすることができる。これ
により、同じ温度の湯を得る場合、均一に誘導加熱コイ
ルを巻いた場合よりも、水垢の発生を抑えることができ
る。 【0100】以上で述べたような動作により、誘導加熱
コイルの巻き方を、単位長あたりの巻数が片端から他端
に向かって少なくなるようにすることで、発熱体が高温
の湯と触れる面の電力密度を下げ、水垢の析出を防止す
る加熱装置を実現できる。 【0101】 【発明の効果】以上のように、請求項1記載の発明によ
れば、高周波電力供給手段から高周波電力を誘導加熱コ
イルに与え、誘導加熱の原理により発熱体自体を加熱す
る。この時の発熱体を、電気的に接続された渦巻き状ま
たは螺旋状にすることで、熱交換に供する単位体積当た
りの熱交換面積を広くし、かつ均一に加熱を行うことが
でき、液体を加熱する場合に、小さい体積の発熱体で沸
点に近い温度まで昇温することができ、熱交換効率も高
くすることができる。 【0102】請求項2に記載した発明は、量産が容易な
軸方向の短い発熱体を積層することで、発熱体の長さを
安価に可変でき、入力電力や電力密度を自在に設定でき
る加熱装置を実現している。 【0103】請求項3に記載した発明は、発熱体は、波
状に加工した金属等の導体を使用することによって、液
体との接触面積を大きくでき、特に熱交換効率を高めた
加熱装置を実現している。
図 【図11】本発明の実施例4の加熱装置の発熱体の構成
図 【図12】一般的な加熱装置の問題点を説明する図 【図13】本発明の実施例5の加熱装置の発熱体の構成
図 【図14】本発明の実施例6の加熱装置の発熱体の構成
図 【図15】本発明の実施例7の加熱装置の発熱体の構成
図 【図16】本発明の実施例8の加熱装置の構成および動
作の説明図 【図17】本発明の参考例3の加熱装置の発熱体の構成
図 【図18】本発明の実施例9の加熱装置の構成図 【図19】本発明の実施例10の加熱装置の発熱体の構
成図 【図20】本発明の実施例11の加熱装置の発熱体の構
成図 【図21】同加熱装置の発熱体を構成する金属板の特性
の説明図 【図22】本発明の実施例12の加熱装置の発熱体の構
成図 【図23】同加熱装置の発熱体の動作を示す図 【図24】本発明の参考例4の加熱装置の発熱体構造お
よび動作の説明図 【図25】本発明の実施例13の加熱装置の構成図 【図26】本発明の実施例14の加熱装置の構成図 【符号の説明】 101 発熱体 102 誘導加熱コイル 103 高周波電力供給手段 104 流体移送手段 105 容器 201 ステンレス板による渦巻き構造 202 接続構造 301 ステンレス板による螺旋構造 302 接続構造 601 ステンレス板による環状構造体 701 発熱体 701a 磁性金属環 701b 非磁性金属環 701c 非磁性金属環 701d 非磁性金属環 901a 発熱体 901b 発熱体 901c 発熱体 901d 発熱体 901e 発熱体 1001 発熱体 1002 接続構造 1003 絶縁シート 1101 活性炭 1201 ヒータ 1202 活性炭 1301 ゼオライト 1401 スポンジ 1501 触媒担持ステンレス板 1701 発泡金属 1805 容器 1806 浄水器 1807 強磁性体 1901 温度ヒューズ接続構造 2001 温度正特性抵抗値変化金属板 2201 形状記憶合金 2202 フレキシブル接続構造 2401 形状記憶合金 2402 フレキシブル接続構造 2403 バネ 2501a 誘導加熱コイル 2501b 誘導加熱コイル 2501c 誘導加熱コイル 2601a 誘導加熱コイル 2601b 誘導加熱コイル 2601c 誘導加熱コイル
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 板状の導体を渦巻き状構造に形成した発
熱体と、前記発熱体が電気的に閉回路となるよう前記渦
巻き状に構成した導体の巻き始めと巻き終わりのみを電
気的に接続し前記閉回路に沿って前記発熱体の円周方向
に均一な渦電流が流れるようにする接続構造と、この発
熱体を収納する容器と、前記発熱体を誘導加熱するため
の誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波電力
を供給する高周波電力供給手段とを備え、前記発熱体
は、前記閉回路をなす導体部の渦巻き構造に対する半径
方向での厚みの総和が、誘導加熱を行う際に発生する磁
束の表皮厚さより薄くなるように構成し、前記誘導加熱
コイルにより発生する交流磁界で発熱体を誘導加熱する
加熱装置。
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