JP2008164215A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱促進とともに汚れ付着を低減して耐久信頼性を高めた流体加熱装置を提供する。
【解決手段】流体が流動する流体流路７と、流体流路７の伝熱部１０に対向配置した加熱手段１２と、流体流路７の流れ方向を規制する流動方向規制体８と、伝熱部１０と流動方向規制体８との間に設けた汚れ付着防止手段１１を備え、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持ができ、耐久信頼性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を所定温度に加熱する流体加熱装置に関するものである。

従来、この種の流体加熱装置は、流体通路の外側に発熱体を設け、流体通路には流速を早めて熱伝達を良くするため螺旋型の流路を形成している（例えば特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の流体加熱装置を示すものである。図５に示すように、円筒状の基材パイプ１と外筒２からなる二重管構造をしている。この基材パイプ１の外面の一部にはヒータ部３が設けられ、基材パイプ１の内孔４には螺旋中子５が挿入されている。この構成において、流体としての水は基材パイプ１の内孔４を流れるもので、その際、水は基材パイプ１の内孔４に挿入された螺旋中子５のねじ山６に沿って流れ、ヒータ部３からの熱と熱交換して温水が吐出されるものである。
特開２００１−２７９７８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、伝熱促進を高めて伝熱面積を低減しコンパクト性を高める場合、流体としての水の中に溶解していたスケール成分が析出し易くなり、通路の詰りや汚れ付着による局所過熱など耐久信頼性が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流体流路の伝熱部と流動方向規制体との間に汚れ防止手段を設けた構成とすることで、伝熱促進させるとともに汚れ付着を低減して耐久信頼性を高めた流体加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体加熱装置は、流体が流動する流体流路と、前記流体流路の伝熱部に対向配置した加熱手段と、流体流路の流れ方向を規制する流動方向規制体と、前記伝熱部と前記流動方向規制体との間に設けた汚れ付着防止手段を備えたものである。

これによって、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持がなされる。

本発明の流体加熱装置は、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持ができ、耐久信頼性を向上できる。

第１の発明は、流体が流動する流体流路と、前記流体流路の伝熱部に対向配置した加熱手段と、流体流路の流れ方向を規制する流動方向規制体と、前記伝熱部と前記流動方向規制体との間に設けた汚れ付着防止手段を備えたことにより、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持ができ、耐久信頼性を向上できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の汚れ付着防止手段を汚れ付着防止手段は汚れが固着しにくい防汚性を高めた防汚性体で形成したことにより、流路の流れ方向性を高めた伝熱
促進と析出物の付着低減との両立ができる。

第３の発明は、特に、第１〜２のいずれか１つの発明の汚れ付着防止手段を汚れ付着防止手段は流体の流動で遥動する柔軟性を備えた粘弾性体で形成したことにより、流れにより遥動することで付着した析出物を落して流し去って析出物の付着防止を一層向上でき、構成を簡略化できる。

第４の発明は、特に、第１の発明の汚れ付着防止手段を汚れ付着防止手段は流動方向規制体と流体流路の伝熱部との間に隙間を形成して淀み防止部としたことにより、伝熱部での低流速領域を大幅に低減して析出物の付着防止を一層向上できるとともに、構成の簡略化により低コスト化を促進できる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の流動方向規制体を流動方向規制体は中子状の断面積低減手段と前記断面積低減手段の外周側に設けたコイルバネ状の螺旋体で形成したことにより、加工性を高めた部材構成により生産性と低コスト化を向上できる。

第６の発明は、特に、第５の発明の螺旋体を螺旋体は断面積低減手段に係止する係止部を備えたことにより、螺旋体の確実な固定による信頼性の向上ができ、さらに構成の簡素化による生産性を一層向上できる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の流動方向規制体を流動方向規制体は流体流路の伝熱部に対する位置を変化させる可動手段を備えたことにより、付着した析出物を確実に落すので信頼性を向上でき、さらに析出物の付着防止を一層向上できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態の流体加熱装置の構成を示す断面図である。

図１において、内部に流体が流動する流体流路７は流体流路７内の流れの流動方向を規制する流動方向規制体８を内蔵し、この流動方向規制体８は流体流路７の流れ方向の断面積を低減する断面積低減手段９の回りに螺旋状に流体の通路を形成している。この断面積低減手段９と流体流路７の内面である伝熱部１０との間に設けた隙間には汚れ付着防止手段１１を配置している。この汚れ付着防止手段１１の隙間方向の長さである高さＨは、流動方向規制体８の高さＨａよりも小さくしている。また、汚れ付着防止手段１１の流れ方向の長さである幅Ｗは、流動方向規制体８の幅Ｗａよりも小さくしている。

流体流路７の外側には伝熱部１０に対向するように加熱手段１２を配置し、この加熱手段１２と流体流路７の伝熱部１０との間は熱伝導性の良い材料で形成した伝熱体１３を介して熱接続している。ここでは、加熱手段１２としてシーズヒータ１４を使用している。断面積低減手段９は径を小さくした端部９ａを支持体１５に挿入して支持したもので、支持体１５は継手１６と流体流路７とで固定し、支持体１５には流体が流動する開口１７を設けている。流体流路７の入口側の継手１６には入口側配管１８を接続し、流体流路７の出口側の継手１６には出口側配管１９を接続している。また、出口側配管１９には加熱昇温された流体の温度を検知する温度検知手段２０を備えている。さらに、加熱手段１２には異常温度過熱時にシーズヒータ１４への通電を遮断する温度過昇防止手段２１を配置している。温度過昇防止手段２１は検知した所定の温度に対してバイメタル等により電気接点が機械的に開成して通電を自動的に遮断するスイッチであり、加熱手段１２の壁面等に
熱的に接続している。このシーズヒータ１４と温度過昇防止手段２１は電気的に直列に接続して制御手段２２に接続されている。この制御手段２２には温度検知手段２０が接続され、検知した温度に応じてシーズヒータ１４への電気入力を制御している。

以上のように構成された流体加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、入口側配管１８から流体を矢印Ａのように流入させ、制御手段２２は加熱手段１２としてのシーズヒータ１４への通電を開始する。すると、流体流路７を流れる流体とシーズヒータ１４との間で熱交換が起こる。ここで、流体流路７を流れる流体は支持体１５の開口１７を通過して流動方向規制体８と断面積低減手段９により形成した流動する断面が環状部よりも小さい螺旋状の流路を流れる（矢印Ｂ）ので、高流速化による乱流化促進および旋回流れの攪拌作用により、熱伝達を高めた流れとなって流体流路７内の流速分布が安定化される。また、このように熱伝達を高めた流れとしても、流体流路７の伝熱部１０の近傍、なかでも流動方向規制体８の伝熱部１０の近傍は汚れ付着防止手段１１の幅Ｗが流動方向規制体８の幅Ｗａより小さくしているので、汚れ付着防止手段１１による伝熱部１０の伝熱面積の低減を最小限にして有効伝熱面積を大きくしている。

このようにして加熱手段１２からの伝熱が促進されるとともに局所過熱を防止した安定加熱がなされ、局所過熱などの発生を防止することで流体中の不純物がスケールとして析出することが低減される。このようにして所定温度まで加熱された流体が出口側配管１９から流出される。

この際、出口側配管１９から流出される流体の温度は、温度検知手段２０から制御手段２２に信号が送られ、制御手段２２は温度検知手段２０からの温度信号に応じて温度過昇防止手段２１を介してシーズヒータ１４への供給電力をコントロールしながら、出口側配管１９から流出される流体の温度が所定温度になるように制御される。

もし、このとき流入口１３からの流体に供給異常が発生して、流体の供給が停止したりあるいは加熱開始の当初から流体が供給されない時など流体流路７内の加熱手段１２が空焼き状態となった場合、加熱手段１２は急速な温度上昇を発生するが、この異常過熱は伝熱体１３を介して流体流路７の外部に設けた温度過昇防止手段２１に検知され、温度過昇防止手段２１自体が異常温度により物理的に切断されて加熱手段１２への通電を遮断して安全を確保する。

このような流体加熱装置において、大能力化あるいは小型コンパクト化する場合で重要なのは加熱密度（シーズヒータなどの電気ヒータの場合はワット密度Ｗ／ｃｍ^２）を高めることであり、加熱により析出するスケール対策が過熱時の安全性確保とともに重要である。特に、水道水などの水を流体とする場合はスケール対策が大能力化あるいは小型コンパクト化のキーポイントの一つであり、局所過熱領域を小さくすること、流体中に溶解していた不純物の析出、析出したスケールが伝熱面に付着することによる熱抵抗の増大による伝熱部１０の過熱連鎖の防止が重要である。

ここでは、流体流路７において流動方向規制体８の伝熱部１０の近傍は汚れ付着防止手段１１の幅Ｗは流動方向規制体８の幅Ｗａより小さく、汚れ付着防止手段１１による伝熱部１０の伝熱面の低減を最小限にして有効伝熱面積を大きくし、伝熱効果の悪い部分を低減し局所過熱領域を小さくしている。さらに、汚れ付着防止手段１１の幅Ｗを小さくすることで、螺旋状の流路の断面積を大きくしてスケールが析出付着した場合でも通路の確保と通路抵抗の増加を抑え、流動および伝熱促進の維持を長期にわたり確保して信頼性を高めている。さらに、汚れ付着防止手段１１の隙間方向の長さである高さＨを流動方向規制体８の高さＨａよりも小さくすることにより、流動方向規制体８による流路内の流れを適
正化できるとともに確実に規制できる。

また、汚れ付着防止手段１１をテフロン（登録商標）系樹脂などの汚れが付着しにくい材料で防汚性体２３を形成することにより、スケールなどの付着量を小さくでき、さらに汚れ付着防止手段１１の幅Ｗを大きくして流動方向規制体８による流路内の流れを確実にできるので、流路の流れ方向性を高めた伝熱促進と析出物の付着低減との両立ができる。また、汚れ付着防止手段１１を薄い樹脂や薄いゴムなど流体の流動で遥動するような柔軟性を備えた材料で粘弾性体２４を形成することにより、流れにより遥動することで付着した析出物を落して流し去って析出物の付着防止を一層向上でき、構成を簡略化できる。

さらに、汚れ付着防止手段１１を汚れが付着しにくい材料でかつ流体の流動で遥動するような柔軟性を備えた材料で形成することにより、析出物の付着防止を長期にわたり一層向上できる。

以上のように、本実施の形態においては、流体が流動する流体流路７と、前記流体流路７の伝熱部１０に対向配置した加熱手段１２と、流体流路７の流れ方向を規制する流動方向規制体８と、前記伝熱部１０と前記流動方向規制体８との間に設けた汚れ付着防止手段１１を備えたことにより、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持ができ、耐久信頼性を向上できる。

また、本実施の形態の汚れ付着防止手段１１は、汚れが固着しにくい防汚性を高めた防汚性体で形成したことにより、流路の流れ方向性を高めた伝熱促進と析出物の付着低減との両立ができる。

また、本実施の形態の汚れ付着防止手段１１は、流体の流動で遥動する柔軟性を備えた粘弾性体で形成したことにより、流れにより遥動することで付着した析出物を落して流し去って析出物の付着防止を一層向上でき、構成を簡略化できる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態の流体加熱装置の構成を示す断面図である。

図２において、図１の実施の形態と同一部材、同一機能は同一符号を付し詳細な説明は省略し、異なるところを中心に説明する。

汚れ付着防止手段１１は、断面積低減手段９の回りに螺旋状に通路を形成する流動方向規制体８と流体流路７の伝熱部１０との間に隙間Ｓを設けて淀み防止部２５としている。流動方向規制体８での流体は、螺旋方向の流れ（図中矢印Ｂ）に加えて、隙間Ｓによる淀み防止部２５を貫流する流れ（図中矢印Ｃ）を発生させる。

以上のように構成した流体加熱装置について、以下動作、作用を説明する。

流体流路７を流れる流体は前述のように流動方向規制体８と断面積低減手段９により形成した断面積を縮小した螺旋状の流路を主流として流れる（矢印Ｂ）ので、高流速化による乱流化促進および旋回流れの攪拌作用により、熱伝達を高めた流れとなって流体流路７内の流速分布が安定化される。また、このように熱伝達を高めた流れとしても、流体流路７の流動方向規制体８に臨む伝熱部１０の近傍は、汚れ付着防止手段１１として設けた隙間Ｓである淀み防止部２５を貫流する流れ（図中矢印Ｃ）が副流として発生する。

このため、汚れ付着防止手段１１による伝熱部１０の伝熱面積が全て活かされて有効伝熱面積を拡大できる。また、副流Ｃにより壁面近傍での流れの淀みを防止し、壁面温度の
低減あるいは過熱を防止して伝熱部での低流速領域を大幅に低減して析出物の付着防止を一層向上でき、伝熱部での低流速領域を大幅に低減して伝熱促進できる。さらに、隙間Ｓを汚れ付着防止手段１１とすることで、構成の簡略化により低コスト化を促進できる。

図３は図２に示す流体加熱装置の流動方向規制体８の他の構成を示す断面図である。

図３において、流動方向規制体８を中子状の断面積低減手段９と断面積低減手段９の外周側に設けたコイルバネ状の螺旋体２６とを別部材で形成している。コイルバネ状の螺旋体２６は流れ方向の端部に屈曲させた係止部２８を設け、この係止部２８を断面積低減手段９に設けた窪み部２７に挿入して係止することで螺旋体２６を断面積低減手段９に固定している。

このように、流動方向規制体８を中子状の断面積低減手段９とこの断面積低減手段９の外周側に設けたコイルバネ状の螺旋体２６の別部材で形成することで、加工性を高めた構成にして生産性と低コスト化を向上できる。

また、螺旋体２６に屈曲して形成した係止部２８を断面積低減手段９に設けた窪み部２７に挿入して係止することで、溶接などで固定方法した場合に懸念される耐食信頼性や加工性の低下を心配することなく、螺旋体２６の確実な固定による信頼性の向上ができ、さらに構成の簡素化による生産性を一層向上できる。

以上のように、本実施の形態においては請求項１記載の汚れ付着防止手段１１を流動方向規制体８と流体流路７の伝熱部１０との間に隙間を形成して淀み防止部２５としたことにより、伝熱部１０での低流速領域を大幅に低減して析出物の付着防止を一層向上できるとともに、構成の簡略化により低コスト化を促進できる。

また、本実施の形態の流動方向規制体８を中子状の断面積低減手段９と前記断面積低減手段９の外周側に設けたコイルバネ状の螺旋体２６で形成したことにより、加工性を高めた部材構成により生産性と低コスト化を向上できる。

また、本実施の形態の螺旋体２６は、断面積低減手段９に係止する係止部２８を備えたことにより、螺旋体２６の確実な固定による信頼性の向上ができ、さらに構成の簡素化による生産性を一層向上できる。

（実施の形態３）
図４は第３の実施の形態を示す流体加熱装置の構成を示す断面図である。

図４において、流動方向規制体８を形成する断面積低減手段９の端部を延長した駆動軸２９には配管３０の外部に設けた可動手段３１を設けている。駆動軸２９と配管３０との間には流体が漏れないようにＯリングなどのシール部材３２を設けている。また、可動手段３１としてモータを使用して駆動軸２９を回転駆動する。

以上のように構成された流体加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

加熱手段１２としてのシーズヒータ１４に通電し、流体流路７を流れる流体を加熱昇温させる。流体として水道水などの水を使用する場合は、水質によっては加熱動作に伴って水中に溶け込んでいたスケール成分が析出して伝熱部１０に付着することがある。スケール成分の析出付着は伝熱部１０の中でも温度の高い部分に現れ易くなる。出口側の温度上昇や流量低減あるいは一定の時間が経過した場合は、可動手段３１を運転させて駆動軸２９を回転駆動させ、流動方向規制体８を伝熱部１０に対してその位置を変化させる。

伝熱部１０に対して流動方向規制体８を移動させることにより、伝熱部１０に付着していたスケールなどの汚れを落すことで伝熱抵抗の増大を抑えて熱交換能力を維持することができる。図４は流動方向規制体８と伝熱部１０との間に隙間Ｓが存在する例を示しているが、汚れ付着防止手段１１により流動方向規制体８と伝熱部１０とが接触している場合は、より確実なスケールなどの汚れを落すことができる。

また、付着していたスケール等の汚れを機械的に確実に落すことで信頼性を向上でき、スケールなどの汚れの成長を妨げることで析出物の付着防止を一層向上できる。

なお、駆動軸２９を回転駆動させて流動方向規制体８を駆動する例を示したが、ソレノイドなどにより駆動軸２９を軸方向に摺動させて流動方向規制体８を駆動させても良いのは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態において、流動方向規制体８は流体流路７の伝熱部１０に対する位置を変化させる可動手段３１を備えたことにより、付着した析出物を確実に落すので信頼性を向上でき、さらに析出物の付着防止を一層向上できる。

以上のように、本発明にかかる流体加熱装置は、流速が遅い領域で流体中から析出した析出物の付着を低減して長期間にわたる流動および伝熱促進の維持ができ、耐久信頼性を向上できるので、燃料電池システム、衛生洗浄装置、洗濯洗浄装置、食器洗浄装置などの熱交換器などに適用することができる。

本発明の実施の形態１における流体加熱装置の断面図 本発明の実施の形態２における流体加熱装置の断面図 図２における流動方向規制体の他の構成の断面図 本発明の実施の形態３における流体加熱装置の断面図 従来の流体加熱装置の断面図

符号の説明

７ 流体流路
８ 流動方向規制体
９ 断面積低減手段
１０ 伝熱部
１１ 汚れ付着防止手段
１２ 加熱手段
１４ シーズヒータ
２０ 温度検知手段
２１ 温度過昇防止手段
２３ 防汚性体
２４ 粘弾性体
２５ 淀み防止部
２６ 螺旋体
２８ 係止部
３１ 可動手段

Claims (7)

1. 流体が流動する流体流路と、前記流体流路の伝熱部に対向配置した加熱手段と、流体流路の流れ方向を規制する流動方向規制体と、前記伝熱部と前記流動方向規制体との間に設けた汚れ付着防止手段を備えた流体加熱装置。
2. 汚れ付着防止手段は汚れが固着しにくい防汚性を高めた防汚性体で形成した請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 汚れ付着防止手段は流体の流動で遥動する柔軟性を備えた粘弾性体で形成した請求項１または２に記載の流体加熱装置。
4. 汚れ付着防止手段は流動方向規制体と流体流路の伝熱部との間に隙間を形成して淀み防止部とした請求項１に記載の流体加熱装置。
5. 流動方向規制体は中子状の断面積低減手段と前記断面積低減手段の外周側に設けたコイルバネ状の螺旋体で形成した請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
6. 螺旋体は断面積低減手段に係止する係止部を備えた請求項５に記載の流体加熱装置。
7. 流動方向規制体は流体流路の伝熱部に対する位置を変化させる可動手段を備えた請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体加熱装置。

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