JP6732925B2

JP6732925B2 - 過熱水蒸気発生装置

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Publication number: JP6732925B2
Application number: JP2018541947A
Authority: JP
Inventors: 洋介赤木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: WO2018061439A1; JPWO2018061439A1

Description

本開示は、調理器、乾燥機、温風機等に用いられる過熱水蒸気発生装置に関する。

過熱水蒸気を発生させる装置として、例えば特許文献１に開示された温風器が知られている。特許文献１に開示された温風器は、ハウジングと蒸気発生手段と第１ヒータとを備えている。この温風器は、ハウジングの内部に収容された水を蒸気発生手段（超音波）で蒸気にした後に、この蒸気を流路の壁面に互いに対向するように設けられた一対の例えば板状または棒状の第１ヒータで加熱することによって加熱水蒸気を発生させている。

特開２０１３−１７４３８７号公報

本開示の過熱水蒸気発生装置は、蒸気状または霧状の水を発生する水発生部と、該水発生部で発生した前記蒸気状または霧状の水の通路となる空間を内側に有する管状ヒータと、該管状ヒータの外壁を覆い、該外壁との間に外気の通路となる空間を有する筒体と、を備え、前記管状ヒータは、管状セラミック体と、該管状セラミック体の内部に設けられた線状のパターンからなる発熱抵抗体とを含み、前記水発生部に近い第１端部側よりも前記水発生部から遠い第２端部側で温度が高くなるように前記発熱抵抗体の線幅が前記第１端部側よりも前記第２端部側で細くなっており、前記蒸気状または霧状の水の通路となる空間および前記外気の通路となる空間を加熱するようになっている。

過熱水蒸気発生装置の実施形態の一例を示す概略斜視図である。図１に示す過熱水蒸気発生装置の縦断面図である。図１に示す過熱水蒸気発生装置の一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。図４に示す過熱水蒸気発生装置の縦断面図である。過熱水蒸気発生装置の実施形態の他の例を示す概略斜視図である。図６に示す過熱水蒸気発生装置の縦断面図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の他の例を示す一部破断拡大斜視図である。過熱水蒸気発生装置の実施形態の他の例を示す概略断面図である。過熱水蒸気発生装置の実施形態の他の例を示す概略断面図である。過熱水蒸気発生装置の実施形態の他の例を示す概略断面図である。

従来の過熱水蒸気発生装置（温風機）では、流路内の蒸気を十分に加熱するために一対のヒータが必要であること（部品点数が２つ必要なこと）と、ヒータの片側の面のみを加熱に使っているために過熱水蒸気や温風を作製するのに電力のロスが大きいという問題があった。

本開示は上記事情に鑑みてなされたもので、電力ロスを少なくし、急速に加熱して過熱水蒸気および温風を発生させる過熱水蒸気発生装置を提供することを目的とする。

以下、過熱水蒸気発生装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は過熱水蒸気発生装置の実施形態の一例を示す概略斜視図、図２は図１に示す過熱水蒸気発生装置の縦断面図、図３は図１に示す過熱水蒸気発生装置の一例の一部破断拡大斜視図である。

図１〜図３に示す過熱水蒸気発生装置１０は、蒸気状の水を発生する水発生部１と、水発生部１で発生した蒸気状の水の通路となる空間を内側に有する管状ヒータ２と、管状ヒータ２の外壁を覆い、当該外壁との間に外気の通路となる空間を有する筒体３とを備えている。

過熱水蒸気発生装置１０は、蒸気状の水を発生する水発生部１を備えている。この水発生部１は、水を入れるための容器１１を有していて、容器１１の内部にヒータ１２を有している。

容器１１は、図に示す例では、有底円筒状体の上側に、外周部から中央部に向かうにつれて径が狭くなる円錐形状（テーパー形状）の天板を有するタンクである。容器１１の形状としては、この形状に限られず、全体が円柱状または円錐状であってもよい。容器１１の材質は、樹脂、アルミニウム、ステンレス材料が挙げられる。特に軽量で持ち運びが容易な樹脂が好ましい。

ヒータ１２は、蒸気状の水を発生させるための部材、言い換えると水蒸気（スチーム）を発生させるための部材である。ヒータ１２としては、例えば、セラミックヒータを用いてもよいし、シースヒータを用いてもよい。セラミックヒータは、例えば、アルミナから成る基体の内部にモリブデン、レニウムまたはタングステン等の発熱抵抗体が埋設されているものを用いることができる。シースヒータとしては、例えば、ステンレス製の筒の内部にニクロム線等からなる発熱抵抗体が設けられているものを用いることができる。ヒータ１２の発熱温度は、例えば、２００〜３５０℃に設定できる。

また、容器１１の内部には、ヒータ１２を覆う程度の量の水が入れられている。この水が、ヒータ１２によって加熱されて水蒸気（スチーム）が発生するようになっている。なお、容器１１には、例えば、パイプ等（図示せず）を介して外部から水を流入させることができる。

過熱水蒸気発生装置１０は、水発生部１で生成された蒸気状の水（水蒸気）を加熱するための管状ヒータ２を備えている。管状ヒータ２は水発生部１を構成する容器１１の上方に設けられていて、図に示す例では、容器１１の円錐形状（テーパー形状）の天板の先端部の開口に管状ヒータ２を嵌め込んで固定している。また、図示しないが、容器１１の円錐形状（テーパー形状）の天板の先端部にＯリング等のパッキンを介して管状ヒータ２の端面を押し当てて固定してもよい。

管状ヒータ２は、内側に蒸気状の水（水蒸気）の流路となる空間を有する管状の部材である。この管状ヒータ２は、セラミック体２１と、セラミック体２１に埋設された発熱抵抗体２２とを含んでいる。

セラミック体２１は、絶縁性のセラミック材料からなる管状のものである。このセラミック体２１の形状としては、例えば、筒状のものであってもよいし、また、内部に複数の並行する流路を有するものであってもよい。絶縁性のセラミック材料としては、例えばアルミナ、窒化珪素または窒化アルミニウムが挙げられる。

発熱抵抗体２２は、電流が流れることによって発熱する抵抗体である。発熱抵抗体２２は長手方向において折り返した折り返し部を周方向にわたって複数有している形状のものである。図３に示す管状ヒータ２は、発熱抵抗体２２が管状ヒータ２の長手方向の全体で繰り返して折り返すパターンのものである。発熱抵抗体２２は、セラミック体２１の広範囲にわたって埋設されており、蒸気状の水（水蒸気）の流路となる空間を周方向にわたって取り囲んでいる。この構成によれば、管状ヒータ２の長手方向の全体で水蒸気を加熱するので、過熱水蒸気を多く生成することができる。

発熱抵抗体２２は、例えば金属材料から成る。金属材料としては、例えばタングステン、モリブデン、レニウム、レニウムとタングステンの混合物等の高融点金属を主成分とするものが挙げられる。発熱抵抗体２２は、外部の電源（図示せず）に電気的に接続されている。発熱抵抗体２２の発熱温度は、例えば１５０〜３００℃に設定される。

発熱抵抗体２２が発熱することによって、管状のセラミック体２１が加熱される。この加熱された管状のセラミック体２１の内側を蒸気状の水（水蒸気）が通ることによって、通過する水蒸気のほぼ全体を満遍なく加熱して過熱水蒸気とすることができる。なお、管状のセラミック体２１の長さは、例えば３０〜１００ｍｍに設定される。また、管状のセラミック体２１の内径は、例えば５〜１５ｍｍに設定される。

このような管状ヒータ２は、例えば以下のようにして作製することができる。

まず、上記のセラミック成分にＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２等の焼結助剤を含有させて調製したセラミックスラリーをシート状に成形して、セラミックグリーンシートを作製する。このセラミックグリーンシートは、焼成によりセラミック体２１の一部となるもので、一方の主面に発熱抵抗体２２となるペーストのパターンをスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。発熱抵抗体２２となるペーストは、上記の高融点金属にセラミック材料、バインダー、有機溶剤等を調合し混練することで作製できる。また、セラミックグリーンシートの他方の主面には、電極層（図示せず）となるペーストのパターンもスクリーン印刷等の手法を用いて形成する。さらに、セラミックグリーンシートには発熱抵抗体２２と電極層とを導通させるビアホール導体も形成する。

そして、これらのパターンが形成されたセラミックグリーンシートを、さらにセラミックグリーンシートと同一材質の成型体からなる芯材の外面に巻きつけて密着させることにより、内部に発熱抵抗体２２を有するセラミック体２１となる筒状の成型体が得られる。

次に、得られた成形体を１５００℃〜１６００℃程度で焼成し、さらにセラミック体２１の主面の電極層に無電解めっきにてＮｉめっき膜を施す。さらに、ろう材としてＡｇろう、Ａｕ−Ｃｕろうを用いて、Ｎｉからなる直径０．３〜２ｍｍ、長さ３〜３００ｍｍのリード端子（図示せず）を接続する。これにより、管状ヒータ２を得ることができる。

そして、過熱水蒸気発生装置１０は、管状ヒータ２の外壁を覆い、当該外壁との間に外気の通路となる空間を有する筒体３を備えている。この筒体３は、図示しないが、容器１１に接続される部位を有していて、この部位にて容器１１と接続されて固定されている。

筒体３の材質は、アルミニウム、ステンレスなどからなる。また、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間は、例えば３〜１５ｍｍに設定される。

ここで、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間に外気が導入されるようになっている。そして、加熱された管状のセラミック体２１の外側（管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間）を空気が通ることによって、通過する空気のほぼ全体を満遍なく加熱して温風として排出することができ、加熱水蒸気を温風にのせて飛ばすことができる。

このような過熱水蒸気発生装置１０によれば、管状ヒータ２の内側に供給された水蒸気（スチーム）が過熱水蒸気となり、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との間を通る空気が温風となる。このとき、管状ヒータ２の内壁と外壁の両方とも水蒸気（スチーム）や空気を加熱するのに使えるため、少ない部品点数と少ない電力で、過熱水蒸気と温風を作ることが出来る。すなわち、電力ロスを少なく、急速に加熱して過熱水蒸気および温風を発生させる過熱水蒸気発生装置１０を得ることができる。

ここで、水発生部１としては、図１および図２に示す水蒸気を発生させるヒータ１２を有するものの他、図４および図５に示すように、霧状の水（ミスト）を発生させる振動子１３を有するものであってもよい。

図４および図５に示す過熱水蒸気発生装置１０は、霧状の水（ミスト）を発生する水発生部１を備えている。そして、図４および図５に示す水発生部１は、水を入れるための容器１１の内部に、図１および図２に示すようなヒータ１２にかえて、振動子１３を有している。

振動子１３としては、例えば圧電セラミック振動子（圧電基板）が挙げられる。容器１１の内部には水が設けられており、この容器１１の底に振動子１３が設置されている。そして、振動子１３に高周波の交流電流を加えると、超音波の振動エネルギーが発生する。この振動エネルギーが水面に伝わると、図５に示すように水面の一部が隆起して、隆起した部分から微細な霧状の水が発生するようになっている。

なお、図４および図５に示す過熱水蒸気発生装置１０は、筒体３の下端に接続され、当該筒体３の下端から遠ざかるにしたがって徐々に拡がるテーパー部３１が設けられ、筒体３とテーパー部３１とで漏斗状の形状となっている。また、テーパー部３１は、容器１１の天板と同じ角度に傾斜していて、外気が容器１１の天板とテーパー部３１との隙間に導入され、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間へと送られるようになっている。

このような過熱水蒸気発生装置１０によれば、管状ヒータ２の内側に供給された霧状の水（ミスト）が過熱水蒸気となり、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との間を通る空気が温風となる。このとき、管状ヒータ２の内壁と外壁の両方とも霧状の水（ミスト）や空気を加熱するのに使えるため、少ない部品点数と少ない電力で、過熱水蒸気と温風を作ることが出来る。すなわち、電力ロスを少なく、急速に加熱して過熱水蒸気および温風を発生させる過熱水蒸気発生装置１０を得ることができる。

ここで、図６および図７に示すように、霧状の水（ミスト）を発生させるために、振動子１３にかえて、円盤状の金属板１４１とリング状の圧電素子１４２と多孔質の樹脂棒１４３とを備えた霧化部１４とすることができる。

金属板１４１は、中央部が上向きに凸になるような湾曲形状であり、外周部は平坦な形状である。金属板１４１の中央部には、直径５μｍ程度の細孔が多数設けられている。圧電素子１４２は、金属板１４１の外周に沿って接合されている。多孔質の樹脂棒１４３は、下端を含む一定の領域が水中に位置しているとともに、上端が金属板１４１の中央部の下面に接触している。毛細管現象によって樹脂棒１４３を伝わった水は金属板１４１の下面に到達する。ここで圧電素子１４２に対して交流電圧を加えると、金属板１４１に屈曲運動が生じる。この屈曲運動によって、金属板１４１の下面に位置する水が、金属板１４１の細孔を通過して、霧状になって上方向に噴出される。

なお、図６および図７に示す過熱水蒸気発生装置１０においては、筒体３の下端に接続されたテーパー部と、テーパー部の下端に接続された側壁部と、側壁部の下端に接続された底板部とを含む第２の容器３２を備えている。ここで、第２の容器３２における側壁部は、容器１１の側面との間に所定の隙間を有するように設けられていて、下端部に設けられた外気導入窓３２ａから、容器１１の側面と第２の容器３２の側壁部の内面との隙間に外気が導入され、容器１１の天板と第２の容器３２のテーパー部との隙間へと送られ、さらに管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間へと送られるようになっている。

このような過熱水蒸気発生装置１０によっても、電力ロスを少なく、急速に加熱して過熱水蒸気および温風を発生させることができる。

なお、図７においては、筒体３の上端を管状ヒータ２の上端よりも高い位置として示しているが、図７の表示とは反対に管状ヒータ２の上端を筒体３の上端よりも高い位置としたり、あるいは、図２や図５に示すように管状ヒータ２の上端と筒体３の上端とを同じ高さとしたりしてもよく、筒体３の上端と管状ヒータ２の上端との位置関係は使用環境に応じて設定すればよい。

以下、管状ヒータ２と筒体３との間の隙間に関する他の例について、説明する。

図８に示すように、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との間の空間に、当該空間を螺旋状に仕切る、管状ヒータ２を中心とする螺旋状の仕切部材４を備えている構成とすることができる。このとき、螺旋状の仕切部材４は、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との間にピッタリ収まるような径方向厚みを有しているのがよい。仕切部材４の材質は、アルミニウム、ステンレススチール等の金属部材または耐熱性があるフッ素系樹脂等の樹脂材料が挙げられる。この構成によれば、空気の通り道が長くなるため、同じ電力でも、より高温まで温められた温風とすることができる。なお、仕切部材４の長手軸方向に沿って切断したときの仕切部材４における隙間の幅は、例えば２〜１０ｍｍとされる。

また、図９に示すように、筒体３の内壁に当該筒体３の長さ方向に向かって螺旋状の溝３３を有している構成とすることもできる。このとき、管状ヒータ２の外壁と筒体３の螺旋状の溝３３を除く部分の内壁との間の隙間が狭いのがよい。この構成によれば、風の通り道が長くなるため、同じ電力でも、より高温まで温めることができる。なお、螺旋状の溝３３において、断面でみたときの一つの溝の幅が例えば２〜５ｍｍとされ、深さが例えば０．５〜２ｍｍとされる。

また、図１０および図１１に示すように、管状ヒータ２の外壁に溝２３を有している構成とすることもできる。ここで、図１０に示す例は、管状ヒータ２が外壁に長手方向にそって溝２３を有しているものである。また、図１１に示す例は、管状ヒータ２が外壁に周方向にそって溝２３を有しているものである。断面でみたときの溝２３の幅は例えば２〜５ｍｍとされ、深さは例えば０．５〜２ｍｍとされる。なお、溝２３の形態としてはこれらに限定されず、例えば長手方向（縦）と周方向（横）とを組み合わせてもよい。これらの構成によれば、管状ヒータ２の外壁の表面積が大きくなるため、同じ電力でも、より高温まで温めることができる。

図３に示すような長手方向の全体で温度が高くなるような管状ヒータ２にかえて、水発生部１に近い第１端部側（上流側であって図の下側）よりも水発生部１から遠い第２端部側（下流側であって図の上側）で温度が高くなるような管状ヒータ２とすることもできる。具体的には、図１２に示す管状ヒータ２における発熱抵抗体２２は、第１端部側のパターン密度と第２端部側のパターン密度とが異なっていて、第２端部から長手方向の途中まで延びているパターンと第１端部まで延びているパターンとが交互に繰り返されたものである。過熱水蒸気を発生させる為に管状ヒータ２の出口は高温である必要があるが、入口には低温（２３℃程度）のミストが入ってくる場合があるため、管状ヒータ２の入り口温度を低くすることでΔＴを小さくでき、熱衝撃（ヒートショック）を低減することができる。

なお、水発生部１に近い第１端部側（上流側であって図の下側）よりも水発生部１から遠い第２端部側（下流側であって図の上側）で温度が高くなるような管状ヒータ２としては、図１２に示すものに限られない。例えば、図１３に示すように、管状ヒータ２は、管状のセラミック体２１と、セラミック体２１の内部に設けられた線状のパターンからなる発熱抵抗体２２とを含み、発熱抵抗体２２の線幅が第１端部側（上流側であって図の下側）よりも第２端部側（下流側であって図の上側）で細くなっている構成とすることもできる。

また、これまで述べた構成における外気導入方法は、管状ヒータ２の外側の隙間にある空気が管状ヒータ２により熱せられて上昇することで、自然に隙間に外気が流入するものであったが、強制的に外気を流入させることもできる。例えば、管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との間の空間に外気を送りこむためのファンを備えている構成とすることができる。

具体的には、図１４および図１６に示すように、外気導入窓３２ａの外側にファン５を備えており、外気導入窓３２ａから強制的に外気を流入させて、容器１１の側面と第２の容器３２の側壁部の内面との隙間に外気を導入し、容器１１の天板と第２の容器３２のテーパー部との隙間へと送られ、さらに管状ヒータ２の外壁と筒体３の内壁との隙間へと送られる構成とすることができる。ファン５で強制的に空気を流入させる為、より空気の供給量が増え、温風を遠くに飛ばすことができる。

また、図１５に示すように、筒体３の下端に外気導入窓を有する拡径部を設け、その外側にファン５を設けるなどして、強制的に外気を流入させてもよい。

また、これまで述べた構成における蒸気状または霧状の水の流れは、管状ヒータ２の内側の空間において蒸気状または霧状の水が管状ヒータ２により熱せられて過熱水蒸気となって上昇することで、自然にこの空間に新たな蒸気状または霧状の水が流入するものであったが、強制的に蒸気状または霧状の水を流入させることもできる。例えば、管状ヒータ２の内側の空間への蒸気状または霧状の水の流れを促進するためのファン６が設けられている構成とすることができる。

具体的には、図１５に示すように、容器１１の側壁の一部に、例えば容器１１の天板の傾斜の向きと同じ向きの孔を設け、この孔の外側に管状の密閉空間を設けて、この密閉空間にファン６で空気を流入させて、容器１１の内部の空気の上方への流れを作るとともに水蒸気（スチーム）または霧状の水（ミスト）を効率的に上方に流す構成とすることができる。

また、図１６に示すように、容器１１の内部の水の溜まっていない空間の上方にファン６のような送風機を設け、容器１１の内部の空気の上方への流れを作るとともに水蒸気（スチーム）または霧状の水（ミスト）を効率的に上方に流す構成とすることができる。

このような構成によれば、ファン６で強制的に水蒸気（スチーム）または霧状の水（ミスト）を流入させる為、多くの水蒸気（スチーム）または霧状の水（ミスト）を管状ヒータ２の内側に供給でき、過熱水蒸気を遠くに飛ばすことが出来る。

１・・・水発生部
１１・・・容器
１２・・・ヒータ
１３・・・振動子
１４・・・霧化部
１４１・・・金属板
１４２・・・圧電素子
１４３・・・樹脂棒
２・・・管状ヒータ
２１・・・セラミック体
２２・・・発熱抵抗体
２３・・・溝
３・・・筒体
３１・・・テーパー部
３２・・・第２の容器
３２ａ・・・外気導入窓
３３・・・螺旋状の溝
４・・・仕切部材
５、６・・・ファン
１０・・・過熱水蒸気発生装置

Claims

蒸気状または霧状の水を発生する水発生部と、
該水発生部で発生した前記蒸気状または霧状の水の通路となる空間を内側に有する管状ヒータと、
該管状ヒータの外壁を覆い、該外壁との間に外気の通路となる空間を有する筒体と、を備え、
前記管状ヒータは、管状セラミック体と、該管状セラミック体の内部に設けられた線状のパターンからなる発熱抵抗体とを含み、前記水発生部に近い第１端部側よりも前記水発生部から遠い第２端部側で温度が高くなるように前記発熱抵抗体の線幅が前記第１端部側よりも前記第２端部側で細くなっており、前記蒸気状または霧状の水の通路となる空間および前記外気の通路となる空間を加熱するようになっている過熱水蒸気発生装置。
前記管状ヒータの前記外壁と前記筒体の内壁との間の空間に、当該空間を螺旋状に仕切る、前記管状ヒータを中心とする螺旋状の仕切部材を備えている請求項１に記載の過熱水蒸気発生装置。
前記筒体の内壁に当該筒体の長さ方向に向かって螺旋状の溝を有している請求項１に記載の過熱水蒸気発生装置。
前記管状ヒータの外壁に溝を有している請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の過熱水蒸気発生装置。
前記管状ヒータの外壁と前記筒体の内壁との間の空間に前記外気を送りこむためのファンを備えている請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の過熱水蒸気発生装置。
前記管状ヒータの内側の空間への前記蒸気状または霧状の水の流れを促進するためのファンが設けられている請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の過熱水蒸気発生装置。