技术领域

本发明涉及流体加热装置。 背景技术

作为现有的流体加热装置， 利用发热装置发生的热量来加热净水 并产生蒸气的蒸气式锅炉是众所周知的 (例如专利文献 )。 专利文献 1 所公开的蒸气式锅炉， 具有发热装置以及与发热装置并列设置内部供 有净水的热交换流道。

该热交换流道是由周向上连通的多个环状管在 上下方向上并列配 置构成。 每个环状管上， 以在周向上呈错开方式形成有多个流入口及 流出口。 环状管的流入口通过连通管与其他环状管的流 出口相连通。 净水供给到并列设置的多个环状管之中位于最 下层的环状管， 边进行 热交换边通过连通管依次流向位于其上方的相 邻的环状管。 最后， 过 热蒸气从位于最上层的环状管排出。

专利文献 1 : 日本特开 2001-41668号公报 发明内容

在专利文献 1 所公开的流体加热装置中， 为了有效地利用发热装 置发生的热量， 发热装置以及热交换流道有必要收容在有绝热 功能的 容器之中。 因此， 热交换效率的提高以及装置的小型化难以两立 。

本发明是鉴于解决上述技术问题而完成的， 其目的在于提供一种 既能够提高热交换效率， 又能够实现装置小型化的流体加热装置。

本发明的流体加热装置， 是使流体温度上升的流体加热装置， 其 特征在于， 包括发热装置以及热交换流道， 该热交换流道与供给上述 流体的供给源相连接， 并且在使上述流体在其内部流通的同时与上述 发热装置所发生的热量进行热交换， 上述热交换流道， 由在周向上连 通并且具有流体入口以及在周向上离该流体入 口半周距离的部位上设 置的流体连通口的多个环状管， 以相邻环状管的上述流体入口在周向 上错开半周的方式层状地并列设置而成， 上述环状管的上述流体连通 口与相邻的上述环状管的上述流体入口通过一 个连通管连接， 上述发 热装置收容配置在各个上述环状管的内部。

在本发明的流体加热装置中， 流经热交换流道环状管内部的流体， 与收容在各环状管内部的发热装置发生接触， 而被加热， 温度上升。 如上所述， 由于发热装置收容在热交换流道的内部， 能够使流体与发 热装置发生接触来有效地进行热交换。 另外， 由于发热装置收容在热 交换流道的内部， 因此， 不需要另外设置安置发热装置的空间， 而且 也不需要设置覆盖发热装置以及热交换流道的 绝热性机箱， 能够实现 装置的小型化。 此外， 从上述流体入口流入的流体， 在环状管内分支， 各自朝向上述流体连通口大致回旋半周， 汇合后从流体连通口通过连 通管流入相邻的环状管。 流入相邻环状管内的流体， 在环状管内分支， 各自朝向上述流体连通口大致回旋半周， 汇合后从流体连通口流出。 另外， 由于环状管的流体入口相互不同地设置， 因此能够在实现装置 小型化的同时也能使流体的流通路径尽可能形 成得越长。 因此， 能够 利用小型化的装置大量地生成具有优越温度均 匀性的流体。

在此， 优选的是流体加热装置也可以包括测量从上述 热交换流道 流出的上述流体的温度的温度测量单元， 以及利用上述温度测量单元 测出的温度来控制上述发热装置发热的控制部 。 采用上述构成， 例如 通过 PID控制能够得到所需温度的流体。

另外， 优选的是， 作为上述供给源所供给的上述流体， 上述热交 换流道供给水蒸气。 采用上述构成， 与供给净水的情况相比， 能够用 较少的热量得到所需温度的过热蒸气。

另外， 优选的是上述热交换流道由多个上述环状管沿 着重力方向 相互重叠地设置而成， 上述流体从位于最下方的上述环状管的上述流 体入口流入， 从位于最上方的上述环状管的上述流体连通口 流出。 采 用上述构成， 由于流体从重力方向位于最下方的环状管向位 于最上方 的环状管依次流动， 因此能够进一步提高流体温度的均匀性， 并且， 由于位于下方的环状管排出的热量可以加热位 于上方的环状管， 因此 能够在装置整体上起保温效果。 由此， 能够实现热效率的提高。

另外， 优选的是上述发热装置呈棒状， 在上述环状管的内部以在 周向上留有间隔的形式多个设置， 上述流体入口以及上述流体连通口 形成在与上述间隔对应的领域。 采用上述构成， 在不妨碍流体向相邻 环状管流动的范围内， 能够使流体与发热装置不进行接触的多余部分 减小到最小程度。 因此， 能够进一步实现装置小型化， 也能够进一步 提高温度控制的响应性。

另外， 优选的是上述发热装置以连接位于同一上述环 状管的上述 流体入口以及上述流体连通口的线为基准对称 设置。 采用上述构成， 能够进一步提高温度的均匀性。

另外， 优选的是上述热交换流道的上述环状管呈矩形 。 并且，优选 的是上述发热装置为呈直线状的电加热器， 该发热装置从上述环状管 的端部插入到上述环状管内部。 采用上述构成， 能够以简单的结构构 成流体加热装置。

另外， 优选的是上述环状管以及配置在该环状管内部 的上述发热 装置构成一个单元， 多个单元呈层状地组合。 像这样能够利用上述单 元来构成， 能够简单地形成适合用途的层数的热交换流道 。

根据本发明， 既能够提高热交换效率， 又能够实现装置的小型化。 附图说明

图 1是本实施方式的流体加热装置的构成方框图� �

图 2是本实施方式的流体加热装置的立体图。

图 3是本实施方式的流体加热装置的主视图。

图 4是本实施方式的流体加热装置的左视图。

图 5是用于说明电加热器的设置的简要图。

图 6是用于说明流体温度控制相关构成的方框图� �

图 7是用于说明图 2中所示热交换流道的流体流动的简略图。 图 8是配置在热交换流道的流体控制部件的立体� �。

图 9是用于说明图 8所示流体控制部件的设置的简要图。

图 10是流体控制部件的变形例的立体图。

图 11是用于说明图 10所示流体控制部件的设置的简要图。

图 12是流体控制部件的变形例的立体图。

符号说明 1： 流体加热装置； 2: 热交换流道； 3 : 流体供给源； 10: 电加热 器 (发热装置)； 10a: 端子部； 10b: 加热器发热部； 11 : 控制部； 12、 12a. 12b: 温度传感器； 20、 21、 22、 23： 环状管； 20b、 21b、 22b、 23b: 流体入口； 20c、 21c、 22c 23c: 流体连通口； 30、 31、 32： 连 通管； L: 间隔。 具体实施方式

以下， 参照附图详细说明本发明的具体实施方式。 在附图的说明 中， 同样的构成要素用同样的符号来表示， 并且省略重复说明。 此外， 附图中所表示的尺寸比率不一定与所说明的尺 寸比率一致。

本具体实施方式中的流体加热装置是把热源的 热量提供给流体来 提高流体温度的流体加热装置， 例如适宜使水蒸气过热所采用的流体 加热装置。

首先， 对本发明的实施方式涉及的流体加热装置的构 成进行说明。 图 1是本实施方式的流体加热装置的构成方框图� � 如图 1所示， 流体 加热装置 1具有使流体流经其内部并加热该流体的热交� �流道 2。热交 换流道 2的流入侧与流体供给源 3相连接， 因此， 净水或蒸气等流体 从流体供给源 3供给到热交换流道。 热交换流道 2的内部收容有发热 装置 10， 能够使流体与发热装置 10通过接触来进行热交换。热交换流 道 2的流出侧与利用过热蒸气的装置等相连接。

此外， 流体加热装置 1 具有调节流出流体温度的功能。 为了实现 上述功能， 流体加热装置 1具有测量流体温度的温度传感器 (温度测量 单元) 12以及控制发热装置 10的控制部 11。温度传感器 12测量流体加 热装置 1流出侧的温度。 作为温度传感器 12， 可以使用例如热电偶、 热敏电阻等。另外，控制部 11与温度传感器 12和发热装置 10相连接， 控制部 11具有利用温度传感器 12的测量结果来控制发热装置 10所发 生的热量的功能。

接下来， 对上述流体加热装置 1 的各个构成进行说明。 图 2是本 实施方式的流体加热装置的立体图， 图 3 是本实施方式的流体加热装 置的主视图， 图 4是本实施方式的流体加热装置的左视图。

如图 2至图 4所示， 流体加热装置 1的热交换流道 2具有多个由 圆筒状配管以格子状地连接而成的环状管。 在本实施方式中， 作为一 个例子， 热交换流道 2具有四个环状管 20-23。 环状管 20-23通过直线 状配管的焊接连接在周向上相连通。 例如， 将两个主配管大致平行地 并列设置， 再将与上述主配管大致垂直相交的一对连接用 配管及上述 主配管以内部相连通的状态下焊接连接而形成 。 也就是， 环状管 20-23 分别呈矩形， 主配管的两端部 20a-23a与环状管 20-23的端部 (即上述 矩形环状管的角部)大致一致地构成。环状管 20-23彼此大小大致相同。 并且， 以环状管 20、 21、 22、 23的顺序， 沿着重力方向从下往上层状 地并列设置环状管 20-23。 配管例如由不锈钢形成。

在位于最下方的环状管 20上， 直线状的流入用配管 40的一个端 部从环状管的外侧与其相连接，在连接部位上 形成有流体入口 20b。流 入用配管 40的另一个端部 40a上设有凸缘， 该凸缘起与流体供给源 3 相连接的连接部的作用。 另外， 在环状管 20上的与流体入口 20b相对 的位置上、 即沿环状管的周向上离流体入口 20b半周距离的部位上， 在重力方向上连接有与相邻环状管 21连通的连通管 30，在该连接部位 上形成有流体连通口 20c。

在与环状管 20相邻的环状管 21的和连通管 30连接的连接部位上， 形成有流体入口 21b。 另外， 在环状管 21上的与流体入口 21b相对的 位置上、 即沿环状管的周向上离流体入口 21b半周距离的部位上， 在 重力方向上连接有与相邻环状管 22连通的连通管 31，在该连接部位上 形成有流体连通口 21c。

在与环状管 21相邻的环状管 22的与连通管 31连接的连接部位上， 形成有流体入口 22b。 另外， 在环状管 22上的与流体入口 22b相对的 位置上、 即沿环状管的周向上离流体入口 22b半周距离的部位上， 在 重力方向上连接有与相邻环状管 23连通的连通管 32，在该连接部位上 形成有流体连通口 22c。

在与环状管 22相邻的环状管 23的与连通管 32连接的连接部位上， 形成有流体入口 23b。 另外， 在环状管 23上的与流体入口 23b相对的 位置上、 即沿环状管的周向上离流体入口 23b半周距离的部位上， 直 线状的流出用配管 41的一个端部从环状管的外侧与其相连接， 在该连 接部位上形成有流体连通口 23c。 此外， 流出用配管 41的另一个端部 41a上设有凸缘，该凸缘起与利用过热蒸气的装 置相连接的连接部的作 用。

如上所述， 各个环状管 20-23彼此利用一个连通管 30-32相连接。 环状管 20-23具有流体入口 20b-23b以及设置在沿周向上离该流体入口 20b-23b半周距离的部位上的流体连通口 20c-23c。 并且， 环状管 20-23 以相邻环状管的流体入口在周向上错开半周的 方式层状地并列配置。 另外， 流体从位于最下方的环状管 20的流体入口 20b流入， 从位于最 上方的环状管 23的流体连通口 23c流出。

在流体用配管 40上设置有排水用配管 44， 该排水用配管 44用于 取出在热交换流道 2 内部产生的冷凝水 (排水)。 另外， 流入用配管 40 上安装有温度传感器 12a， 该温度传感器 12a用于测量向热交换流道 2 供给的流体的温度。 同样， 在流出用排水管 41 上安装有温度传感器 12b, 该温度传感器 12b用于测量从热交换流道 2流出的流体的温度。

接下来， 对设置在环状管 20-23内部的发热装置 10进行说明。 发 热装置 10是利用电阻加热等方式来发生热量的装置， 在本实施方式中 使用电加热器。 电加热器 10具有端子部 10a以及棒状的加热器发热部 10b。 电加热器 10的加热器发热部 10b， 分别从环状管 20-23的主配管 的两端部 20a-23a 的开口沿着主配管的延伸方向插入， 收容在环状管 20-23的内部。此外， 环状管 20-23的主配管的两端部 20a-23a的开口， 在电加热器 10 的端子部 10a露出于环状管外部的状态下被气密地密 封。 在本实施方式中， 一个环状管里插入有 4个电加热器 10的加热器 发热部 10b。 整个热交换流道 2中设置有 16个电加热器 10。

接下来， 对加热器发热部 10b的设置进行说明。 由于每个环状管 20-23中的加热器发热部 10b的设置是同样地，考虑到便于说明和理解， 用环状管 22来举例说明。 图 5是说明环状管 22中电加热器 10的电加 热器发热部 10b的设置简要图。 如图 5所示， 多个加热器发热部 10b 在环状管 22的内部以在周向上留有间隔 L的形式设置。间隔 L与流体 入口 22b的直径、 流体连通口 22c的直径、 连通管 31的直径或者连通 管 32,的直径大致相同。 为提高流体温度的均匀性， 多个加热器发热部 10b对称地配置在环状管 22的内部。 例如， 加热器发热部 10b， 以连 接环状管 22的流体入口 22b和流体连通口 22c的线 X为基准对称地设 置。加热器发热部 1.0b与其他加热器发热部 10b的间隔 L，和流体入口 22b或流体连通口 22c在重力方向上呈重叠的方式设置。也就是， 加热 器发热部 10b不设置在与流体入口 22b和流体连通口 22c相对应的领 域 (在重力方向上与间隔 L重叠的位置)，而是设置在除上述领域以外的 领域。 由此， 流体入口 22b和流体连通口 22c形成在与间隔 L相对应 的领域 (在重力方向上与间隔 L重叠的领域)。

接下来， 对电加热器 10的控制部】1进行详细说明。 图 6是用于 说明流体温度控制相关构成的方框图。 如图 6所示， 电加热器 10通过 断路器 14和 SSR(Solid State Relay) 15连接到一次电源 13。 SSR15与控 制部 11相连接， SSR15有根据控制部 11输出的控制信号来开关电流 的开关作用。 电加热器 10， 以能够通过 SSR15来执行时间比例控制的 方式来构成， 该时间比例控制可以无级地控制其输出。 另外， 控制部 11通过断路器 14连接到一次电源 13， 并且以能够根据其输出信号来 控制 SSR开关的方式来构成。 控制部 11 具有为达到目标温度而进行 PID控制的功能，并还具有根据温度传感器 12b的测量结果来设定输出 信号的功能， 该温度传感器 12b用于测量从热交换流道 2流出的流体 的温度。 通过采用上述构成， 从热交换流道 2流出的流体的温度由温 度传感器 12b来测量后输出至控制部 11，为达到目标温度控制部 11进 行 PID控制， 输出信号被输出至 SSR15 , 由此， 电加热器 15的发热量 得到调整。 这样， 从热交换流道 2流出的流体的温度控制到目标温度。

接下来， 对流通在热交换流道 2的流体的流动进行说明。 图 7是 说明热交换流道 2的流体流动的简略图。 在图 7中， 由线段来简单表 示层状并列设置的环状管 20-23。 环状管 20-23 中的主配管的两端部 20a-23a用大的黑色圆来表示， 配管的连接部用小的黑色圆来表示。 另 外， 设置在流出用配管 41上的温度传感器 12b用白色圆来表示。

如图 7所示， 流体从流体供给源 3通过流入用配管 40供给到位于 最下方的环状管 20。 从流体入口 20b流入的流体分支后， 各自在环状 管 20的内部朝向流体连通口 20c回旋大致半周。 此时， 流体与各个从 端部 20a插入到环状管 20内部的加热器发热部 10b发生接触， 而被加 热。 被加热的流体在流体连通口 20c汇合后， 通过连通管 30流入相邻 的环状管 21。 从流体入口 21b流入的流体分支后， 各自在环状管 21内部朝向流 体连通口 21c回旋大致半周。 此时， 流体与从端部 21a插入到环状管 21内部的各个加热器发热部 10b发生接触而被加热。 被加热的流体在 流体连通口 21c汇合后， 通过连通管 31流入相邻的环状管 22。

从流体入口 22b流入的流体分支后， 各自在环状管 22内部朝向流 体连通口 22c回旋大致半周。 此时， 流体与从端部 22a插入到环状管 22内部的各个加热器发热部 10b发生接触而被加热。 被加热的流体在 流体连通口 22c汇合后， 通过连通管 32流入相邻的环状管 23。

从流体入口 23b流入的流体分支后， 各自在环状管 23内部朝向流 体连通口 23c回旋大致半周。 此时， 流体与从端部 23a插入到环状管 23内部的各个加热器发热部 10b发生接触而被加热。 被加热的流体在 流体连通口 23c汇合后， 通过流出用配管 41流出， 流出时的流体温度 用温度传感器 12b来测量。

如上所述， 在本实施方式的流体加热装置 1中， 流过热交换流道 2 的环状管 20-23的流体，与收容在各个环状管 20-23内部的加热器发热 部 10b发生接触而被加热， 温度上升。 由于加热器发热部 10b收容于 热交换流道 2内部， 因此可以使流体与加热器发热部 10b直接发生接 触来有效地进行热交换。另外， 由于流经环状管 20-23内部的流体通过 分流方式可以消除温度的不均匀性， 所以能够提高流体温度的均匀性。 并且， 由于流体在流体连通口 20c-23c附近进行汇合， 因此可以利用湍 流来提高流体温度的均匀性。 另外， 与供给净水的情况相比， 流体供 给源 3 供给水蒸气的情况可以用较少的热量来得到所 需温度的过热蒸 气。 此外， 由于加热器发热部 10b收容于热交换流道 2内部， 因此没 有必要另外设置加热器发热部 10b 的放置空间， 也没有必要设置覆盖 加热器发热部 10b和热交换流道 2的框架， 由此能够实现装置的小型 化。 另外， 由于环状管 20-23的流体入口 20b-23b相互不同地配置， 因 此， 不仅能够实现装置小型化， 还能够使流体的流通路径尽可能形成 得越长。 由此， 能够利用小型化的装置大量生成具有优越的温 度均匀 性的流体。

另外，由于本实施方式的流体加热装置 1具有测量从热交换流道 2 度来控制加热器发热部 10b所发生的热量的控制部 11， 所以能够通过 PID控制和时间比例控制来得到所需温度的流体 。

此外， 在本实施方式的流体加热装置 1 中， 由于流体从重力方向 的位于最下方的环状管 20向着位于最上方的环状管 23依次流动， 所 以能使流体温度进一步均匀， 并且， 位于下方的环状管所排出的热量 加热位于上方的环状管， 能在装置整体上起保温效果。 由此， 能够提 高热效率。

另外， 在本实施方式的流体加热装置 1中， 由于加热器发热部 10b 在环状管 20-23的内部以在周向上留有间隔 L的形式设置， 所以能够 回避加热器发热部 10b之间发生的电接触。 并且， 由于电加热器发热 部 10b能够以在层叠方向上使间隔 L以及流体入口 20b-23b、流体连通 口 20c-23c相重叠的方式设置，所以在不妨碍流体� �相邻环状管流动的 范围内， 能够使流体与加热器发热部 10b不进行接触的多余部分减小 到最小程度。 因此， 能够进一步实现装置小型化， 也能够进一步提高 温度控制的响应性。

此外， 在本实施方式的流体加热装置 1中， 由于加热器发热部 10b 以连接位于同一环状管上的流体入口和流体连 通口的线 X为基准对称 设置， 所以能够进一步提高温度的均匀性。

另外， 在本实施方式的流体加热装置 1 中， 由于位于最下方的环 状管 20上设置有用于取出产生在热交换流道 2内部的冷凝水的排水用 配管 44， 所以流体在环状管内部液化的情况下也易于提 取排水， 使流 体加热装置 1具有优越的维修性。

此外， 在本实施方式的流体加热装置 1 中， 热交换流道 2的环状 管 20-23 由直线状的配管连接形成， 并且加热器发热部 10b从环状管 20-23的端部插入设置于环状管内部， 所以不需要特别复杂的工序， 通 过简单的组合就能够制造出流体加热装置 1。

上述实施方式是本发明的流体加热装置的一个 例子。 本发明的流 体加热装置不局限于上述实施方式中的流体加 热装置， 在不改变权利 要求书中所记载的要点的范围内， 可以对实施方式中的流体加热装置 进行变形， 也可以适用到其他形式的流体加热装置。

例如， 在上述实施方式的流体加热装置 1 中， 为了控制热交换流 道 2内部的流体的流动， 也可以在热交换流道 2内部配置流体控制部 件。 接下来， 对流体控制部件进行详细说明。 图 8是配置在热交换流 道 2的流体控制部件 50的立体图。 如图 8所示， 流体控制部件 50大 致呈板状， 其板面大致为半月形。 流体控制部件 50的端部侧沿着环状 管 20-23的内部形状而弯曲。 流体控制部件 50例如可以配置在与环状 管 20-23内部的与流体连通口20( 23(：相对应的位置上。 以下， 考虑到 便于说明和理解， 以流体控制部件配置在环状管 20的情况为例进行说 明。 图 9是说明流体控制部件 50的设置的简要图。 如图 9所示， 流体 控制部件 50以其板的宽度方向与环状管 20的延伸方向的垂直方向一 致的形式， 竖直设置在环状管 20内部的流体连通口 20c下侧。 通过流 体控制部件 50的如上配置， 能够使在环状管 20内部回旋汇合的流体 顺畅地流动到连通管 30。另外， 流体控制部件 50中的板面形状不限于 半月形， 也可以是新月形。 此外， 流体控制部件 50不限于板状部件， 也可以是向环状管内部突出的部件。 以下， 利用图 10-图 12说明流体 控制部件的其他例子。图 10是配置在热交换流道 2的流体控制部件 51 的立体图。 如图 10所示， 流体控制部件 51大致呈锥形， 例如可以配 置在环状管 20-23内部的与流体连通口 20c-23c相对应的位置。 以下， 考虑到便于说明和理解， 以配置在环状管 20的情况为例进行说明。 图 11是用于说明流体控制部件的设置的简要图。� ��图 11所示， 流体控制 部件 51 以其尖端部朝着流体连通口 20c的形式设置在环状管 20内部 的流体连通口 20c下侧。 通过流体控制部件 51的如上设置， 能够使在 环状管 20内部回旋汇合的流体顺畅地流动到连通管 30。 图 12是流体 控制部件的变形例的立体图。 如图 12所示， 流体控制部件 52大致呈 圆锥形。流体控制部件 52的设置位置及其产生的效果与上述流体控制 部件 51相同， 省略其重复说明。 如上所述， 比顺畅的流体流动优先考 虑流体温度的均匀性的情况， 为了使其产生湍流， 也可以不设置流体 控制部件。

另外， 在上述实施方式中， 以环状管 20-23的所有两端部 20a-23a 插入加热器发热部 10b 的情况为例进行了说明， 但是也可以不在所有 的两端部 20a-23a都插入加热器发热部 10b。

此外， 在上述实施方式中， 以利用温度传感器 12b测量热交换流 道 2的流出侧的温度、 并根据测量结果来控制电加热器 10的发热量的 情况为例进行了说明， 还可以利用温度传感器 12a测量热交换流道 2 的流入侧的温度、 并根据测量结果来控制电加热器的发热量。

另外，在上述实施方式中，环状管 20-23由直线状配管构成并呈矩 形的情况为例进行了说明， 也可以采用由弯曲的配管构成并呈圆形的 环状管。此外， 在上述实施方式中， 环状管 20-23由大小大致同样构成 的情况为例进行了说明， 也可以由不同大小的环状管来构成。

另外， 在上述实施方式中， 可以由一个环状管来构成一个单元， 热交换流道 2通过层状地组合上述单元构成也可。 在此情况下， 也可 以由一个环状管以及插入到该环状管的电加热 器 10来构成一个单元。 采用上述构成， 能够简单地形成具有适合用途的层数的流体加 热装置 l o