JPH0455045B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直接火にかけられる保温湯わかし器に
関するものである。

従来水を沸騰させた後長時間保温させることが
できる容器としては電気式のものが普及している
が、通電の保持に不可欠な電気コードのために、
持運びその他の機動性に欠けるところがある。一
方、一度沸騰した熱湯を長時間保持することので
きる容器として魔法瓶（デユワー瓶）があるが、
これはそのままでは火にかけることができず、一
度別の容器で沸騰させた後移し変える手間を要す
る。また長時間保持後多少ぬるくなつた湯を再沸
騰させるにも不便である。本発明は以上の事由に
鑑み、ガスや電気等の通常の焜炉に直接かけら
れ、しかも魔法瓶に準ずる断熱保温性を兼ね備え
た保温湯わかし容器の作成を計つたものである。

この目的に関連する先行技術としては、同一容
器で湯を煮沸した後これを保温することのできる
ものとして、例えば特許第126548号、実公昭56−
25629号があるが、いずれも容器に機械的可動部
分を設けこの作動により加熱時と保温時の容器の
状態の切換えを計るため、効果の大きさや安定性
に不十分なものがある。

本発明では熱サイフオンの原理を利用すること
を特徴とする。容器に保温効果をもたせるために
は容器周囲に断熱層を形成させなければならない
が、単なる断熱層であれば湯を沸かす時には逆に
これが熱の伝達を妨げる。この相反する二点を、
本発明は熱サイフオンの熱ダイオード特性を利用
することによつて同時に満たさんとするものであ
る。

第１図に本発明に係る熱サイフオンを利用した
湯わかし容器の基本的構造を示す。湯わかし容器
はその側面及び底部が二重壁であり、その間は中
空で適当な熱媒体たる作用流体が密封されてい
る。熱媒体として最も卑近なものは水である。以
下水を例にとつて説明する。内壁１６より形成さ
れる内槽１４には、熱媒体たる水とは別の、煮沸
され使用に供されるべき水１３が入り、外壁１５
の底部及び側面部の一部は、加熱時にはガスある
いは電気等の焜炉の炎や発熱体にさらされる。電
磁調理器にかけるときにも誘導電流によりこの外
壁が加熱される。内壁と外壁は、内壁を支える上
部の結合部を除いては原則として側面部及び底部
で互いに接触することなく、熱媒体として封入さ
れる水も、静置時に容器の底部に溜１１となつた
時に上側の内壁１６に触れず、内壁１６と外壁１
５の間には常に空間が保持されていなければなら
ない。この空間１０は水の蒸気で満たされてお
り、原則として大気の混入はない。

湯を沸かす時は、通常のやかんを火にかけると
きと同様、外壁１５の底部及び側面部の一部を外
側より加熱する。底部に溜まつている熱媒体たる
水１１はその熱を受け蒸気となつて二壁間の空間
１０に充満する。液相と気相はそれぞれの温度と
物質に固有の蒸気圧をもつて平衡するので、内壁
側の温度が外壁側より低い時には、外壁１５より
熱を受けて気化した蒸気は、内壁１６に接触して
そこで液化し凝結熱を内壁側に与える。内壁表面
で凝結した水は、水滴となつて内壁表面を伝い、
重力の作用によつて下方に移行し、遂には滴下し
て外壁底部の溜り１１に戻る。そこで再び加熱さ
れている外壁より熱を受けて気化し、この過程を
繰返す。熱媒体のこの循環作用により、外壁と直
接接していない内槽１４も加熱され、その中に保
持されている水１３も加熱されて昇温し、逐には
沸騰するに至る。

内槽の水１３が沸騰するに及び加熱を停止した
後には次に冷却の過程が始まる。当然外壁側の方
が先に降温するが、加熱時には存在した水の蒸気
による高温側の外壁から低温側の内壁に向けて生
じた熱の流れが、冷却時には高温側の内壁から低
温側の外壁に向けて生じない。加熱停止時に内壁
表面に付着している若干の水滴を除いては内壁と
接している水分はなく、しかもこの若干の水分が
飛散してしまつた後は内壁への定常的な水の供給
がなく、熱媒体の循環が生じないからである。従
つて内壁側から外壁側への熱の移動は、単なる気
相空間を介した伝熱となり、加熱時の外壁側から
内壁側への場合に比し著しく減ぜられる。

熱サイフオンはヒートパイプの一変形とみなす
こともできる。一般に熱サイフオン及びヒートパ
イプは、その間を熱が移動する二極よりなり、両
極は熱を気化熱及び凝結熱の形態で媒介する熱媒
体の気体蒸気及びこれが液化した作用流体の通路
により連結されることを特徴とする。熱媒体の蒸
気伝幡の通路となる空〓の存在は両者に共通する
が、ヒートパイプは通常凝結した熱媒体の循環を
果たすのにウイツクと称する浸透流を通すための
層を有するのに対し、熱サイフオンは前述のごと
く重力の作用により液滴の滴下あるいは壁表面を
伝つての降下により作用流体の循環をうるのでウ
イツクを必要とせず、また、通常のヒートパイプ
にはない。熱の流れを一方向化するいわゆる熱ダ
イオード特性を有する。一般にヒートパイプは極
めて効率のよい熱伝達の手段として知られてお
り、湯沸し用のやかんや調理用鍋に熱サイフオン
及びヒートパイプが加熱時の熱効率及び熱伝達特
性の向上を目的に応用された例はこれまでにもみ
とめられる。（例として、特許公報昭52−4619、
実用新案公報昭58−16388）これらから明らかな
ごとく、本発明の場合にも熱媒体を用いる間接的
な加熱ではあるが、その効率や熱伝達の速度に通
常のやかん等に比し遜色はない。本発明ではこれ
に加え、熱サイフオンの熱ダイオード特性を加熱
停止後の保温効果の向上に利用せんとする点を特
徴とする。

加熱時に内壁側に凝結した水滴はすみやかに下
方の溜に滴下することが望ましく、内壁の作用流
体たる水に対するヌレ性は少ない方がよい。表面
の加工度を精度の高いものにするか、テフロンや
酸化膜の被膜あるいは適当なメツキ表面層により
効果の向上が計れる。加熱停止後、内壁に水滴あ
るいは水の薄層が付着していると、それが内壁よ
り熱を奪つて気化するからである。この内壁に付
着した少量の水を除けば、加熱停止後には作用流
体の気化、凝結による熱の運搬はないが、他に主
なものとして底面及び側面での伝導による熱の放
散、側面における対流による熱の伝達、放射によ
る熱の損失がある。これらのうち最も大きいのは
側面における対流による損失である。これを避け
るために後に実施例で示すように、容器側面を断
熱層でおおうか、あるいは熱サイフオン構成のた
めの二重壁間の空間１０を底部のみとし、側面で
はこれを除去して代りに断熱層とする方法があ
る。

外壁底部の作用流体の溜の温度によつて二重壁
間の熱サイフオン空間内の蒸気圧が決まるが、こ
れは外壁側の冷却に伴い急速に低下する。ちなみ
に水の常温での蒸気圧は約20mmHgであるから、
水を作用流体にする場合には外壁側の冷却に伴い
最大この程度までの圧力低下が見込まれる。しか
し、一般に気体の熱伝導率はほとんど気体の圧力
によらないので、この程度の圧力低下では伝導に
よる熱の損失を減ずることを期待できない。数mm
Hgより低い真空度まで減圧することができれば
伝導度を低下させることができるので、水以外の
蒸気圧の低い物質を作用流体に選ぶか、水に適当
な溶質を溶解させ溶質効果により蒸気圧を下げる
か、あるいは吸湿材や水を結晶水化する物質の使
用によつてこれを果たすことができれば、加熱停
止後の保温効果を更に高めることができる。

本発明に係る熱サイフオンの熱ダイオード特性
を利用した保温効果は、給湯用の大型湯わかし器
や調理用鍋にも利用することができる。調理用鍋
の場合、通常の煮炊き用には熱媒体に水を使用で
きるが、200℃以上の高温を要求される調理には、
材料強度の観点から水を密封保持しておくことが
難しく、適当な蒸気圧の低い炭化水素油を用い
る。

以下に幾つかの実施例をあげ、構造、構成、材
質等について更に詳述する。

最も基本的な型式のものは、熱サイフオン応用
の原理の説明に用いた第１図に示されるごとき、
底部と側面部を連通した空間１０を二重壁間に有
し、熱サイフオンの熱媒体の循環をこの全域にわ
たり作用させるタイプのものである。熱媒体とし
て水を用いる。近年真空にひいた二重壁よりなる
種々の金属製の魔法瓶が普及しつつあるが、熱サ
イフオンの二重壁の製作にはそれらの技術が適用
できる。材質としては鉄、ステンレス、アルミ等
通常のやかんやその他調理用鍋に用いられるもの
でよい。二重壁間に水を恒常的に保持していく点
から、壁面の腐食防止のためステンレスの使用や
壁の内側表面にテフロン等の被膜処理を施すのが
望ましいが、原則として二重壁間の空〓は密封さ
れ空気からは遮断されるので、酸化のおそれは僅
少である。

第２図にこの型式のより具体性をもたせたもの
の断面図を示す。図中２４は安全弁である。正常
に働いている時の二重壁間の空〓１０の圧力は最
高で高々一気圧程度であるが、誤つて空だきをし
た時には、水の蒸気圧の上昇に伴つて圧力は急激
に増大し、遂には器具を破壊するに至る。これを
未然に防止するためのものである。熱サイフオン
の空〓１０と外気の間に介在する形になればどこ
に取付けてもよい。安全弁には大別してバネ式の
ものと破裂板式（ラプチヤーデイスク）のものが
あるが、後者の方が密封度が高く取付けのための
加工も容易である。前者は弁が働いた時も弁が破
損することはなく反復使用が可能であるが、構造
が複雑で気体の漏れのおそれがある。漏れ自身は
それが僅少であれば使用時にそれほど大きな支障
となるものではないが、長期間使用の後に二重壁
間の熱サイフオンの水を補う必要が生じる。弁の
作動条件は弁の両側での圧力差が１気圧程度（約
１Kg／cm²）にするとよい。冷却時には空〓１０の
圧力は数十mmHgまで下がり、外気の圧力の方が
高くなる。加熱沸騰時には、熱サイフオン内が
100℃であれば圧力差は０であるが、作用流体た
る水の温度と使用に供する水１３の温度との間に
若干の温度差が生じることが考えられ、この時に
は逆に外気側の圧力の方が低くなる。水の蒸気圧
が２気圧の時の温度は約120℃であるから、作用
流体の温度がのこの温度に達するまで弁は耐えら
れることになるが、通常湯を沸かす場合使用に供
する水との温度との間に20度もの温度差が生じる
ことはありえない。調理鍋等に本方法を利用する
時には、被調理物の温度が100℃以上になること
もあり、弁の作動条件をより高圧力差側にずらす
必要がある。

作用流体たる水の熱サイフオン空〓内への密封
は、この弁を用いて容易に行うことができる。容
器作製後、適量の水をこの空〓内に入れ沸騰させ
る。空〓から全て空気を排出させて水の蒸気で充
満させた時に弁を閉じればよい。

二重壁を構成する外壁及び内壁に要求される強
度も以上の事柄に準ずる観点から規定される。二
重壁の構造は中心軸を共有する半径の異なる二円
筒形を合体させたものに擬することができるが、
圧力ガス容器の強度設計と参照すると、一例とし
て、アルミニウム合金製（材質合金耐力約10Kg／
mm²）半径10cmの円筒形容器で、胴部肉厚１mmの場
合、10Kg／cm²の圧力にまで耐えうる。ヒートパイ
プでは、通常の細長い円筒状のもので、作用流体
を水にした時200℃まで使用できるものの作製が
可能である。側面部あるいは底部の内壁と外壁の
間をところどころ棒状ないし板状のもので架橋
し、強度の補強および内壁側に凝結した作用流体
の降下の促進を計つても本発明の目的とする熱サ
イフオンの機能には支障はないが、架橋部を通し
ての伝熱により断熱特性が一部損なわれるおそれ
はある。

熱サイフオンの空〓に封じ込める水の量は省エ
ネ的観点からは少量の方がよい。空〓の周囲の壁
の全表面を濡らす時に表面に付着する層及び水滴
に相当する量を多少上回る量が最低限必要であ
る。

第２図では二重壁間の空〓底部の中程に、ドー
ナツ状の板２１が取付けてある。これは加熱停止
後内槽の熱湯１３を他に一部注ぐ時に、既に冷却
している作用流体の水が、容器を傾けた時に空〓
１０の側面に流れ出、内壁と接触しないように作
用流体の堰となるためのもので、外壁の強度補強
にも寄与するが、必ずしも必要なものではない。
エアーポツトのように圧縮空気を利用して熱湯を
汲み出す装置を取付けることも可能である。この
場合には容器を傾斜させる必要はない。

容器の給湯口２３の根本には簡単な弁をつける
とよい。内槽１４の周囲を断熱層で囲つても、蒸
気が外気に通じていると内槽中の湯１３の気化に
よる熱の損失が大きいからである。湯わかし容器
の蓋１８にも断熱材を用いる等して断熱層２５を
形成するとよい。蓋の部分を縮少するか除去して
熱サイフオンの空〓１０を内槽の上部にまで延長
させるのは、加熱時の熱効率の増大には寄与しう
るが、加熱停止後の断熱効果を減ずるので好まし
くない。下側の内槽から上側の外壁に向けて作用
流体の蒸気による熱対流が生じるからである。

第３図には側面を熱サイフオンの空〓に代えて
別に断熱層３２を設けた場合の実施例が示されて
いる。図では断熱層３２の下端は内壁底部と同位
であるが、これを外壁底部まで更に拡長してもよ
い。この構成によれば、加熱停止後における熱サ
イフオンの作用流体蒸気の対流による熱損失を除
去することができる。側面の二重壁の空〓３２を
仕切り板３１によつて熱サイフオンの空〓１０と
分離し、そこを真空に引くと高い断熱効果が得ら
れる。従つて熱損失は底部の熱サイフオン空〓１
０を経るものが主となるが、ここでは上側の内壁
１６が高温、下側の外壁１５及び作用流体溜１１
が低温となるため対流は生ぜず、伝導による熱の
移動のみ考慮すればよい。これは気体層を通して
の熱伝導であるから断熱性は極めて高い。側面の
真空二重壁部の製造には、近年普及した金属製魔
法瓶の製造工程が援用でき、技術的には問題がな
い。材質、製造コスト等を考慮して、空〓３２を
真空に引く代わりに断熱材を充填することによつ
ても十分な効果を得られる。使用可能な断熱材と
しては、ガラスウール、ロツクウール等がある。
断熱材を使用する場合には仕切り板３１を除去す
ることも可能であるが、この時には断熱材がそれ
自身で形状を保持しうることのほかに、熱サイフ
オンの作用流体に直接さらされるので、耐水性の
ものを用いるか、表面処理をし、水が断熱材の中
に入り込まないようにする必要がある。

この型式の特徴としては、底部の外壁１５さえ
直接火にかけられるべく露出していればよいの
で、側面部はこれ全体を更に断熱層で覆い、断熱
層を二重三重にしてもよい。また第３図では、第
２図と比較して上部の蓋あるいは栓１８の構造
が、その内部を湯が通るように多少変化している
が，これは単に参考として一類型を加えたのみで
あり、熱サイフオンの構造とは無関係である。本
発明は熱サイフオンの構成に係るものであり、こ
れは主として二重壁を構成する湯わかし器の側面
部及び底部の構造に係わるが、蓋あるいは栓部、
給湯口、取手などを中心とする上部の構造を規定
するものではない。

第４図及び第５図には、側面を二層にし、一方
を断熱層３２、他方を熱サイフオンの空〓１０と
した例を示す。第４図では断熱層が外側、第５図
では内側になつている。断熱層としては第３図に
示した型式と同様、真空にひく場合と断熱材を用
いる場合がある。図では真空の場合を示してある
が、図中３２の空〓に断熱材を充填してもよい。
断熱材として十分な耐水性あるいは界面の緻密性
を保持することができるものを用いる場合には、
熱サイフオンの空〓と断熱層の間の境界壁４１は
除去できる。第４図の型式では、熱サイフオンが
内槽１４の側面も覆つているので加熱時の熱の伝
達が第３図の型式のものより良い。また加熱停止
後は、第２図の型式のものに比し熱サイフオンの
側面部における熱対流による損失が少ない。側面
における熱サイフオンの空〓１０を挟む二重壁の
うち外側の壁が、断熱層３２の内側の壁になつて
おり、第２図の型式の場合と異なり二重壁の内側
と外側との間で温度差が大きくなることがないか
らである。第５図の型式のものは、加熱時の熱伝
達特性、加熱停止後の保温特性とも第３図の型式
のものとほぼ同程度と思われるが、加熱時に断熱
層が直接外からの強火に晒されることがないの
で、断熱層壁の材質、あるいは断熱材を用いる場
合にはその断熱材の材質に多少の条件の緩和が可
能である。

第６図及び第７図では、底部にも断熱層６２を
設け、加熱停止後の保温機能の増大を計つたもの
である。この断熱層６２は、外壁１５と内壁１６
を完全に遮断することなく、断熱層を貫通する穴
もしくは管６１が設けられている。これは熱サイ
フオンを構成するためのもので、作用流体の蒸気
及び液滴が詰まることなく通れる程度の大きさで
あることが必要である。この通路の位置は図のよ
うに中央近傍である必要はなく、また複数でもよ
い。６１は熱サイフオンの空〓１０の一部でもあ
るが、加熱時には凝結した作用流体液滴がここを
経て下部の溜１１に戻るので、６１周囲の壁面に
は適度の勾配をもたせる等して、液滴が途中で滞
ることなくこの通路に至るようにする。これらの
型式では、側部及び底部の断熱層３２，６２は断
熱材を用いるよりも真空にひく方がより効果的で
ある。底部の断熱層６２の存在により、底部にお
ける熱サイフオン蒸気層を通しての熱伝導による
熱損失も著しく抑止でき、通常の魔法瓶とほぼ同
程度の断熱効果を得るに至る。第７図の型式の方
が熱サイフオンが内槽側面にも及ぶので、加熱時
の熱伝達特性の向上が計れるが、第６図の型式の
ものより構造的に多少複雑となる。底部の断熱層
６２を通る作用流体の通路６１が第６図のものと
第７図のものとで異なるのは、６１の形状の選択
に幅のあることを示したもので、熱サイフオンの
側面の構造とは無関係である。６１は断熱層の幅
が薄い時には単なる穴のような外観を呈するが、
断熱層が厚い時には管とみなすこともできる。管
は前述の条件さえ満たせば、まつすぐでも斜めで
も、あるいはラセン状でもよい。

保温効果の一層の向上を計るには、放射による
熱損失の抑止を行うとよいが、これには通常の魔
法瓶等の保温容器で行われているように、真空断
熱層３２，６２の壁表面の反射率を高める。適当
なメツキ、コーテイング等の表面処理を行う。熱
サイフオン空〓１０の壁面にこの処理を施しても
よい。これにより熱サイフオンの機能が妨げられ
ることはない。

加熱時の熱効率及び伝熱特性については、熱サ
イフオンがヒートパイプの一種として特徴付けら
れることからも、その良好性は自明であるが、加
熱停止後の断熱保温特性に関して、一例として第
３図の型式のものについてその熱損失を見積もる
と、側面及び上部蓋の断熱層２５，３２を真空に
ひいた場合、内槽内からの蒸気の容器外部への漏
れが無視できるとすると、底面の熱サイフオン空
〓１０の蒸気層を介しての熱伝導によるものが、
熱損失の主たる要因となる。底部の空〓の厚さ２
cm、半径10cm、外壁１５及びそれに接触する作用
流体溜１１は常温25℃にあり、内構１４には100
℃の水１が入つているものとして概算すると、
水蒸気の熱伝導率は約２×10^-4（Ｊ／cm・ｓ・Ｋ）
であるから、たかだか毎秒0.56calの熱損失であ
り、80℃以上の湯を約10時間保持できることにな
る。第６図の型式のものでは、熱伝導の伝熱断面
積が中央の穴部６１のみになるとみなし、他の条
件を同一のままにして、この穴部の半径を１cmと
すると、熱損失は更に２桁下がり、保持時間は
100倍となる。

実際には、この保持時間は市販されている通常
のやかんでは１につき15〜30分程度、魔法瓶で
約５〜10時間程度であり、本発明による湯わかし
容器の断熱保温特性が従来式の通常の魔法瓶より
優ることはないので、内槽の壁面の熱伝導あるい
は内槽よりの蒸気の漏れ等の他の要因による熱損
失を考慮しなければならないことが示唆される
が、これらは従来式の魔法瓶にも共通する要因で
あり、本発明に係る容器に特徴する熱損失ではな
いので、少なくとも構造的には、本発明に係る容
器について従来式の魔法瓶並みの断熱保温性が維
持でき、十分実用に耐えうることは明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る直火式保温湯わかし器の
模式的原理図、第２図〜第７図は本発明に係る直
火式保温湯わかし器の実施例を示す縦断面図で、
第２図は容器の側部及び底部に熱サイフオンを構
成した場合の一例を示す図、第３図は容器の底部
のみに熱サイフオンを構成した場合の一例を示す
図、第４図及び第５図は容器の側部を断熱層と熱
サイフオンの空〓との二層より形成させたる場合
の一例を示す図、第６図及び第７図は側部に加え
て底部にも断熱層を形式させたる場合の一例を示
す図。 １０……熱サイフオン空〓、１１……熱媒体
（作用流体）溜、１２……熱媒体（作用流体）液
滴、１３……使用に供する湯、１４……内槽、１
５……外壁、１６……内壁、１７……取手、１８
……蓋、１９……炎または加熱体、２１……作用
流体堰、２２……弁、２３……給湯口、２４……
安全弁、２５，３２，６２……断熱層、３１，４
１……断熱層と熱サイフオン空〓の仕切り板（境
界壁）、６１……熱媒体（作用流体）通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 容器の底部及び側部が、煮沸熱湯を入れるこ
   とのできる内槽を形成する内壁と、外部熱源によ
   り直接加熱することのできる外壁との二重壁より
   なり、該二重壁間に、少なくとも内壁の主要な底
   部及び外壁の主要な底部をその一部とする連続な
   壁面で囲まれる密封された空〓を設けて、該空〓
   内に静置時の液溜が内壁壁面に接触しない量の作
   用流体を該作用流体成分以外の気体成分を排除し
   て密封し、該作用流体の液滴が該空〓内の内壁壁
   面に付着したるときは重力により該空〓内底部の
   外壁壁面に至る形状を有し、該二重壁間に該空〓
   が及ばない領域が存在する場合にはこれを断熱層
   とすることを特徴とする加熱保温容器。 ２ 請求項１に係る容器において、容器の少なく
   とも主要な側部全域に、内壁と外壁の間の二重壁
   間に該二重壁間間〓の一部もしくは全部を占める
   断熱層を設け、かつ該断熱層を真空断熱層とした
   る請求項１に係る加熱保温容器。