JP3642415B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体、液体、粉粒体、又はこれらの混合物（分散物）等の、流動性を備えた物質（流体と総称する）を加熱するための装置に関し、特に、蒸気の過熱に好適な流体加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体を加熱する装置として種々なものが使用されており、数百度というような高温加熱を行うには、通常、燃焼ガスを利用したボイラ等の加熱装置が使用されている。しかしながら、燃焼ガスを使用するボイラ等の加熱装置は設備が大型化するため、多量の流体の加熱には適しているが、少量の流体の加熱には不適当である。
【０００３】
そこで、少量の流体を高温に加熱可能な小型の装置として、急速且つ高温加熱が可能な誘導加熱を利用した加熱装置が提案されている。たとえば、流体を通過或いは収容するケーシング或いは管体を導電性材料で構成し、そのケーシング或いは管体を誘導加熱することで発熱させ、流体を加熱するように構成したもの、あるいは、流体を通過或いは収容するケーシング或いは管体の内部に導電性材料の発熱体を配置し、その発熱体を誘導加熱することで発熱させ流体を加熱するように構成したもの（例えば、特開平９−１６７６７９号公報参照）がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来の誘導加熱を利用した加熱装置には次のような問題点があった。すなわち、ケーシング或いは管体自体を発熱させる方式では、発熱体（管体）の流体との接触面積をあまり大きくすることができず、このため流体への急速且つ均一な入熱が行えず、装置の小型化が困難であるという問題があった。
【０００５】
一方、ケーシング或いは管体内に発熱体を配置し、その発熱体を発熱させる方式では、発熱体に波板を積層した構造等を採用することで、流体との接触面積を大きくすることができ、発熱体が均一に発熱した場合には、流体への入熱を急速且つ均一に行うことができ、装置の小型化が可能である。しかしながら、波板を積層した構造のような発熱体は、波板同志が電気的に導通した構造となっているため、その発熱体を取り囲むように配置した誘導コイルによって誘導加熱した際、誘導電流は、波板同志の接続によって外周部にも形成されたループ電路に優先的に流れて中心部には及ばず、中心部は発熱しない。このため、発熱体の中心部は外周部からの伝熱によって加熱されるのみで、その温度は外周部よりも常に低く、流体への入熱分布もこれに倣った不均一なものとなる。すなわち、流体への急速且つ均一な入熱が行えず、流体の加熱能率を十分には高めることができないという問題があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、流体に接触する発熱体を誘導加熱することによって流体を加熱する装置において、発熱体と流体の接触面積を大きくすると共に発熱体の均一な発熱を可能とし、これによって流体を高能率に且つ均一に加熱することの可能な、小型の流体加熱装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、発熱体として作用させるための導電材製の複数の管体を、互いに平行に、且つ、管体群の外周から中心に向かう方向にも分布するように配置した管体群を形成し、各管体の内側のみに加熱すべき流体を通す構成とすると共に、その管体群を取り囲むように誘導コイルを配して、複数の管体を誘導加熱する構成とし、更に、前記複数の管体を互いに非接触な状態で配置することにより前記誘導コイルで発生した交番磁界が管体群の中央部分にまで進入できて中央部分を含む各管体それぞれに円周方向に流れる誘導電流が発生するように構成するとともに、前記管体群の少なくとも外周領域に位置する管体を非磁性材料で構成することにより中心部に至る間の交番磁界の減衰を小さくしたものである。この構成により、小さい空間に多数の小径の管体を配置でき、従って、管体の流体との接触面積（管体の内面積）を増大させることができ、しかも、各管体内に円周方向に流れる誘導電流を効率良く発生させて誘導加熱することができ、流体を高能率で均一に加熱することができ、装置の小型化を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る流体加熱装置は、互いに非接触な状態で平行に配置された複数の導電材製の管体からなる管体群であって、その管体群の外周から中心に向かう奥行方向にも管体が分布するように配置された管体群と、前記複数の管体に流体を供給し且つ排出させる流体給排手段と、前記管体群を取り囲むように配置された誘導コイルとを備え、前記管体群の少なくとも外周領域に位置する管体を非磁性材料で構成したことを特徴とするものであり、前記複数の管体内に流体を連続的に流しながら、或いは管体内に流体を満たし流れは止めた状態で、その管体を誘導コイルによって誘導加熱して発熱させ、内部の流体を能率よく加熱することができる。
【０００９】
ここで、複数の管体の配置に当たって、管体群の外周から中心に向かう奥行方向にも管体が分布するように配置する方式を採用することで小さいスペースに多数の管体を配置することが可能となり、流体との接触面積を大きくできることによって装置をコンパクトにできる。また、複数の管体を非接触な状態で配置したことにより、誘導コイルで発生した交番磁界が管体群の中央部分にまで進入できて、各管体それぞれに円周方向に流れる誘導電流が発生する状況となり、しかも、管体群の少なくとも外周領域に位置する管体を非磁性（比透磁率≒１）の導電材製としたことで、中心部に至る間の交番磁界の減衰は管体が強磁性の場合に比べてはるかに小さく、中心領域には、その領域の管体を十分誘導加熱できる強さの交番磁界が進入する。かくして、複数の管体は外周領域に配置したもののみならず、中央領域に配置したものまで、効率良く且つほぼ均一に発熱し、その内部の流体を高能率で且つ均一に加熱することができる。なお、管体の使用本数を多くした場合などで、中央領域への交番磁界の進入が小さくなる場合には、中央に鉄心などのコア材を配置し、中央領域に交番磁界を集めるようにしてもよい。
【００１０】
管体群内における管体の配列は、スペース効率を上げることができるよう、外周から中心に向かう奥行方向にも管体が分布するような配列であれば任意であるが、多重環状の配列を採用することが好ましい。管体を多重環状に配列すると、管体群の外側に円筒状の誘導コイルを配置したときの各管体誘導電流の均一化が、多重環状配列の各環の管体配置数の比率を調整することで容易に行える。
【００１１】
管体群の周囲には、放熱を防止して熱効率を上げるため、断熱材を配置することが好ましいが、その際、管体群と誘導コイルとの間及び誘導コイルの外側の２個所に断熱材を配置することが好ましい。誘導コイルの内側に配置した断熱材は、発熱した管体からの放熱で誘導コイル自体が加熱され、過度に昇温するのを防く役割をも果たし、これによって誘導コイルの冷却を省略できる。誘導コイルはなるべく管体の近くに配置することが、誘導加熱効率の上から望ましいので、誘導コイルの内側の断熱材の厚さは、誘導コイルの保護に必要な厚さを確保できる範囲内で極力薄くすることが好ましい。また、この断熱材に適当な強度を持った材料を採用することで、この断熱材を、誘導コイルを保持するための保持部材として使用することもできる。
【００１２】
複数の管体に流体を流しながら加熱する場合において複数の管体へ流体を流す形態は、複数の管体を流体が並列に流れる形態、直列に流れる形態、或いは並列と直列を併用する形態のいずれでもよいが、全部の管体を並列に流れる形態とすることが圧損を小さくでき且つ装置の構造を簡単とできるので好ましい。複数の管体に流体を並列に流す形態を採用する場合、前記流体給排手段の実施形態として、前記複数の管体の一端側を貫通させて保持した管板と、その管板の外面側に取り付けられた流体入口付きのハウジングとを有する流体供給ヘッダと、前記複数の管体の他端側を貫通させて保持した管板と、その管板の外面側に取り付けられた流体出口付きのハウジングとを有する流体排出ヘッダを備えた構成を挙げることができる。この構造により、多数の管体及びその両端の流体供給ヘッダ、流体排出ヘッダを一体化し、コンパクトな流体加熱装置を構成できる。
【００１３】
上記構成の流体加熱装置において、管体内に、内部を流れる流体を乱すために、波板などの邪魔体を配置することが好ましい。この波板等の邪魔体を配置すると、管体内を流れる流体が乱されるため管体内面と流体との間の熱伝達係数が大幅に向上し、伝熱量を大きくすることができる。
【００１４】
本発明の流体加熱装置は、任意の流体の加熱に利用可能であるが、特に、管体を高温に且つ敏速に加熱することができることから、気体を数百度に加熱するといった高温加熱、例えば、蒸気の過熱に用いるのに好適である。
【００１５】
【実施例】
以下、図面に示す本発明の好適な実施例を説明する。図１は本発明の実施例に係る流体加熱装置の中心軸線に沿った概略断面図、図２はその流体加熱装置の中心軸線に直角な概略断面図である。全体を参照符号１で示す流体加熱装置は、多数の管体２からなる管体群２Ａと、その管体２の一端に流体を供給する流体供給ヘッダ３と、管体２の他端から流体を排出させる流体排出ヘッダ４と、管体群２Ａを取り囲むように配置された第一断熱材５と、その外側に配置された誘導コイル６と、更にその外側に配置された第二断熱材７を備えている。
【００１６】
多数の管体２は、互いに非接触な状態で平行に且つ管体群２Ａの外周から中心Ｏの間に多重になるように配置されている。更に詳しくは、多数の管体２は、多重環状に、すなわち、複数の同心円１０ａ、１０ｂ、１０ｃ上に配置されている。また、管体２は中心にも配置されている。この構成により、一定直径の円内に多数の管体２を効率良く配置することができる。なお、中心に管体２を配置する代わりに鉄心を配置してもよい。管体２は、自身が誘導加熱されて内部を通過する流体を加熱するためのものであり、当然、誘導加熱可能なように導電性を備えると共に必要な耐熱性を備えた材料で造られている。更に、管体２は、誘導コイル６によって発生した交番磁界が中央領域に進入する際にその交番磁界をあまり減衰させることがないように非磁性（比透磁率≒１）としている。管体２を構成する非磁性導電材料の１例としては、オーステナイト系などの非磁性ステンレスを挙げることができる。なお、管体群２Ａを構成する全管体２を非磁性とする必要は必ずしもなく、少なくとも管体群の外周領域に配置したたものを非磁性としてもよい。
【００１７】
流体供給ヘッダ３は、複数の管体２の一端側を貫通させて保持した管板１１と、その管板１１の外面側に取り付けられた流体入口１３付きのハウジング１４を備えている。このハウジング１４は、一端に管板２に取り付けるためのフランジ１４ａを備え、他端に流体供給管（図示せず）に連結するためのフランジ１４ｂを備えている。また、流体排出ヘッダ４も同様な構造のものであり、複数の管体２の他端側を貫通させて保持した管板１６と、その管板１６の外面側に取り付けられた流体出口１８付きのハウジング１９を備えている。このハウジング１９にも、フランジ１９ａ、１９ｂが設けられている。管体２を管板１１、１６へ挿入し、固定する方法としては、ねじ込み、拡管、シール材を介した嵌合、ろう付け等の公知の方法を適宜採用できる。このように管体２を管板１１、１６へ固定することで、管体群２Ａ及びその両端の流体供給ヘッダ３、流体排出ヘッダ４を一体化することができる。なお、必要に応じ、両側の管板１１、１６を相互に連結する連結部材を設け、補強を図っても良い。流体供給ヘッダ３、流体排出ヘッダ４を構成する部材の材質は、必要な耐食・耐熱性、強度を備えたものであれば、電気的特性には制限はない。すなわち、管体２には誘導電流が流れるが、管軸方向に磁束が生じるように誘導コイル６を配置したことにより、その誘導電流は管体を円周方向に流れるのみであって、管体２の両端に向かってはほとんど流れないので、管板１１、１６を絶縁性とするとか、管板と管体２の間に絶縁材を配置するといった必要はない。従って、流体供給手段３、流体排出手段４を構成する部材には、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼等の汎用材料を使用できる。
【００１８】
管体群２Ａの外側に配置した第一断熱材５は、誘導加熱された管体２からの放熱で誘導コイル６が異常に昇温するのを防止する役割をも果たすものであるが、本実施例では、第一断熱材５には、誘導コイル６を支持すると共に内側の管体２から絶縁する機能も持たせている。このため、第一断熱材５には適度な強度と絶縁性を持った円筒状のもの、例えば、アルミナ繊維などの無機繊維の不織布パイプを使用している。
【００１９】
誘導コイル６は、管体群２Ａを誘導加熱するためのものであり、管体群２Ａの外側のほぼ全長をカバーするように配置されている。本実施例では、可撓性を持った導電性線材、例えばリッツ線を円筒状の第一断熱材５の外周にらせん状に巻き付けることによって誘導コイル６を構成している。この構成を採用することで、簡単に且つ安価に誘導コイル６を形成できる。なお、誘導コイル６を流れる電流が大きい場合、或いは、流体の加熱温度が非常に高い場合などには、誘導コイル６に水冷等の冷却手段を付加することが好ましい。上記水冷は、たとえば、誘導コイルを銅製のチューブで形成し、チューブ内に冷却水を通すといった形で行うことができる。
【００２０】
第二断熱材７は、第一断熱材５と共に放熱を防止して熱効率を高めるために設けたものであり、必要な断熱性能を発揮するように厚さが定められる。
【００２１】
次に、上記構成の流体加熱装置による加熱動作を説明する。加熱すべき流体、例えば水蒸気が流体入口１３から供給され、複数の管体２内を流れている状態で誘導コイル６に適宜周波数の交流を通電する。この通電により、その誘導コイル６の内側に交番磁界が発生し、内部の各管体２に誘導電流を生じさせ、発熱させる。この際、上記したように、管体２が相互に離れているので、管体群２Ａの外周部分を円周方向に循環する誘導電流は生じないこと、また管体２が非磁性であることから、管体群２Ａの中心部にまで交番磁界がかなりの強さで進入し、管という誘導加熱に適した形態であることも相まって、各管体２に誘導電流が効率よく且つほぼ均一に発生して、管体２を効率よく且つ均等に発熱させる。更に、流体は多数の小径の管体２内を通過するので、発熱源である管体の流体との接触面積が、単に１本の大径の管体内を通す場合に比べてはるかに大きくなっており、急速入熱が可能となる。かくして、流体を高能率且つ均一に加熱、昇温させることができる。更に、誘導加熱の特長として、管体２を、ひいては管内の流体を数百度といった高温にまで敏速に加熱することが可能であり、例えば、長さ３００ｍｍ程度の管体２を用いて、１００°Ｃの水蒸気を５００°Ｃ程度に容易に過熱することができる。
【００２２】
なお、以上の説明では、管体２内に流体を流しながら加熱する場合を説明したが、流体の種類によっては、管体２内に流体を満たした後、流体の流れは止めた状態で加熱し、所望温度に達した時点で管体２から流体を排出するといったバッチ式の加熱方法を採っても良い。
【００２３】
また、上記実施例では、管体２の内側に何も設けていないが、管体２内に伝熱性能を向上させるための適当な邪魔体を挿入してもよい。図３はその１例を示すものであり、管体２内に、板材をジグザクに折り曲げた波板２３を挿入している。この波板２３を挿入しておくと、管体２内を流れる流体が乱されるため、管体２の内面と流体との間の熱伝達係数が大幅に向上し、伝熱量を大きくすることができる。また、波板２３も管体２からの熱伝導によって加熱されるので、その表面も加熱面積として作用し、この点からも伝熱量を大きくすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、導電材製の複数の管体を、互いに非接触な状態で平行に且つ外周から中心に向かう奥行方向にも分布するように配置して管体群を形成し、その管体群の少なくとも外周領域に位置する管体を非磁性材料で構成し、更に、各管体内に流体を通す構成とすると共に、その管体群を取り囲むように誘導コイルを配して、複数の管体を誘導加熱し、それぞれを均一な発熱源として機能させる構成としたことにより、小さい空間に多数の発熱源を分散配置して、流体との接触面積を高位に確保した加熱態様を、汎用資材を用い、しかも簡単な構造で実現しえたものである。すなわち、流体の高能率且つ均一な加熱並びに高温加熱が可能な、小型の加熱装置を安価に提供できるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による流体加熱装置の中心軸線に沿った概略断面図
【図２】図１に示す流体加熱装置の中心軸線に直角な概略断面図
【図３】（ａ）は管体及びその中に挿入した波板を示す概略断面図
（ｂ）は（ａ）に示す管体及びその中の波板の概略端面図
【符号の説明】
１ 流体加熱装置
２Ａ 管体群
２ 管体
３ 流体供給ヘッダ
４ 流体排出ヘッダ
５ 第一断熱材
６ 誘導コイル
７ 第二断熱材
１１、１６ 管板
１４、１９ ハウジング
２３ 波板

Claims (6)

1. 互いに平行に配置された複数の導電材製の管体からなる管体群であって、その管体群の外周から中心に向かう奥行方向にも管体が分布するように配置された管体群と、前記複数の管体の内側のみに加熱すべき流体を供給し且つ排出させる流体給排手段と、前記管体群を取り囲むように配置された誘導コイルとを備え、前記管体群を互いに非接触な状態で配置することにより前記誘導コイルで発生した交番磁界が管体群の中央部分にまで進入できて中央部分を含む各管体それぞれに円周方向に流れる誘導電流が発生するように構成するとともに、前記管体群の少なくとも外周領域に位置する管体を非磁性材料で構成することにより中心部に至る間の交番磁界の減衰を小さくしたことを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記複数の管体を多重環状に配置したことを特徴とする請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記管体群と誘導コイルとの間に第一断熱材を配置し、前記誘導コイルの外側に第二断熱材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の流体加熱装置。
4. 前記流体給排手段が、前記複数の管体の一端側を貫通させて保持した管板と、その管板の外面側に取り付けられた流体入口付きのハウジングとを有する流体供給ヘッダと、前記複数の管体の他端側を貫通させて保持した管板と、その管板の外面側に取り付けられた流体出口付きのハウジングとを有する流体排出ヘッダを備えていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の流体加熱装置。
5. 前記複数の管体のそれぞれの内部に、内部を流れる流体を乱すための邪魔体を配置していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の流体加熱装置。
6. 流体として蒸気を供給し、その蒸気を過熱することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の流体加熱装置。

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