JPS6023748A - 加熱液体供給方法及び液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般的には流体加熱器の分野に関し、詳細には
補装に応じて加熱液体を即座にかつ連続的に供給する新
規な方法と装置に関するものである。

本発明の方法と装置によれば、水の如き液体は実質的に
送出個所で需要に応じて効率よく、経済的に加熱するこ
とができる。

液体を加熱する従来既知の方法及びシステムは大量のエ
ネルギーを無駄に、非効率的に浪費する。

例えば慣用の水加熱器では、大量の貯蔵水が遠隔場所に
蓄えられ、予定の温度に加熱される。この種の水加熱器
は多くの点で欠陥がある。第一に、かかる加熱器は使用
と非使用の両方の期間中にエネルギー全消費する。第二
に、遠隔に位置した水加熱器は２つの個別の配管系、即
ち冷水用の第−系と熱水用の第二系を設置する必要があ
る。更に慣用の熱水加熱器はいわゆる６冷水遅れ”に起
因する欠陥をもつ。冷水遅れは蛇口又はタップを止めた
後に冷える配管系内に残っている残留水の結果として生
じる。熱水を再び必要とするときに、冷水は残留水が該
糸から流出してしまう丑で蛇口から流出する。更にこの
遅れ期間中に、冷水は貯水槽に流入して、加熱された水
の温度を更に下げ、この突然低下した温度を補償するた
めに退刀口のエネルギーを必要とする。更に、慣用の水
加熱器は加熱された水が配管系内を移動する際の大量の
熱器及びかかる水加熱器が必要とする。特別のスペース
要件に起因する欠陥を有する。

貯槽型の水加熱器の欠点を除去する従来既知の急速応答
式液体力■熱器がある。例えばフランク゛−スの米国特
許第８，９５２，１８２号、ドラソゲマントその他の米
国特許第３，６７８，８８５号は流体の比較的小さな分
量又は流量分づつを予定温度に瞬間的に加熱するための
流体加熱器を開示している。これらの流体加熱器は、流
体を過熱させたり、蒸気全発生させるいわゆる６高温点
（ｈｏｔ　５ｐｏｔ　、）”を生じ易いために満足でき
ない。それ故かかる加熱器は特に家純用には適さない。

発明の袈約 本発明の目的は、製造と作動が効率的でありかつ安価で
ある如きインライン液体加熱器を提供すルコとニヨって
従来装置の欠点を除去することにある。

本発明の他の目的に、危険性のある蒸気泡を作らずに、
流れる液体を実質的にかつ均等に加熱するインライン液
体加熱器を提供することにある。

本発明のインライン液体加熱装置は、従来既知の液体加
熱装置に固有の多くの欠点を除去するものであり、力ロ
熱すべき液体を受入れるための基部に−ある入口と加熱
された液体を放出するための上部にある出口とをもった
細長い加熱チャンバを具える。高電力の電気抵抗加熱素
子が前記チャンバ全通って流れる連続液体流を加熱する
ために加熱チャンバ内に配置される。加熱素子へ送る電
力は一組のリレー接触器を経て供給される。前記接触器
は流れ応答スイッチ、サーモスタット、測温カットオフ
スイッチによって制御される。流れ応答スイッチは、装
置を通る液体流が感知されるまで、例えば熱水蛇口が回
わされて開かれるとき菫で、電力が加熱素子に与えられ
るのを防止する。サーモスタットは加熱チャンバから放
出２される液体の温度を制御し、予定温度レベルに達し
たときにカロ熱素子を除勢するように接続する。篩部カ
ットオフスイッチは、サーモスタットが故障した場合又
は何らかの理由で加熱チャンバ内の温度が危険レベルに
達した場合に、加熱素子全除勢するように設計する。本
発明のインライン液体加熱装置はまた加熱チャンバ内に
過圧が生じるのを防止する圧力逃し弁を含む。

驚いたことには、本発明のインライン液体加熱装置の構
成は、従来の装置では一般的である蒸気泡の形成を起こ
すことなしに、急速で効率のよい加熱を行なうという優
れた、意外な結果をもたらすことが見出された。この結
果は、入ってくる液体を実質的に均等に力ｎ熱チャンバ
の全流れ横断面？横切るべく分散させるために加熱チャ
ンバの入口にそらせ板部材を設けることによって得られ
る。

上記の如く、従来既知の急速液体加熱器は高温点の形成
が制御されないことを含む多くの理由から不満なもので
ある。高温点はスケール形成、過熱及び蒸気泡の形成を
生じる傾向をもつ。加熱チャンバの入口にそらせ板部材
を設けることによυ高温点の形成及び下記の如き加熱チ
ャンバに付随する問題が実質的に防止される。

液体加熱装置の最適性能は、入ってくる冷液体が蒸気全
発生せずに（局部的沸騰を起こさずに）予定温度に効率
よく加熱されるときに得られる。

熱の放出は加熱素子の表面に実質的に均等に行なわれる
ので、素子外装は液体流によってできるだけ均等に冷却
されなければならない。これにより熱伝達効率は最大に
なり、よどんだ流れ状態によって生ぜしめられる高温点
は排除される。（例えば従来のひれ付又は渦巻形の熱交
換素子によって〕刀ロ熱チャンバ内全体にわたって生ぜ
しめられる乱流状態は素子外装に沿う境界層の厚さを減
らすことによって局部的熱伝達（即ち局部的乱流）を最
大にする一方、もしそれを防止する注意を払わなければ
、それは＃１かの所の減少した流れ及びそれに付随する
不利な熱伝達を儀牲にして起こることができる。

加熱チャンバの入口のそらせ板部材は前記チャンバの入
口端又は基部に接近して制御された址のかつ均等に分散
された乱流を発生する。その結果、加熱チャンバの長さ
に沿って最適な流れと熱伝達状態が得られる。この特色
は、本発明のインライン液体加熱器が切迫した必要な種
類の真に適切な液体加熱器に必要とされる高い電力入力
と熱伝達（蒸気発生の無いもの）を使用できるようにな
す。

本発明のインライン液体カロ熱装置では、加熱チャンバ
への入口は加熱素子の基部近くに位置すもこのことによ
り、刃口熱素子上に十分な液体流が確保される。加熱チ
ャンバからの出口は加熱素子の下流端を越えた位置にお
って、加熱チャンバの端によどんだ液体区域を回避する
のに十分なヘッドルーム（ｈｅａｄ　ｒｏｏｍ　）を形
成する。このようにしなければそれは加熱素子と接触す
ることになる。

７１Ｉ］熱チヤンバは十分な大きさとして、液体流が沸
騰せずに停止したときに加熱素子から残留熱を吸収する
のに十分の水が前記チャンバ内に留まるようになす〇 好適実施例の説明 本発明によるインライン（ｉｎ　−１ｉｎｅ　）　ｉ体
７１１１熱器は幾つかの相互関連した素子からなる。こ
れらの素子は第１図に詳しく示している。その各構成部
分につき以下詳述する。

基本的に、インライン液体加熱器は加熱すべき液体を受
入れる入口２と加熱された液体を放出する出口３をもつ
厨長い加熱チャンバ】９：含む。′ｆＩ！。

気力ロ熱素子４ＶＸ、、液体が入口２がら下流へ出口８
に向って流れるときにこの液体を加熱するために力ｎ熱
チャンバ１円に配置する。ヵＤ熱累子４はチャンバの基
端２０からねじ由緒合部を通って加熱チャンバ内へ婢び
る。加熱素子４へ送る電力はリレー接触器６〜８を経て
供給する。リレー接触器６〜８は、流れ応答スイッチ１
１、サーモスタット１０゛、それに関連する熱電対】２
、高温カットアウトスイッチ９及びそれに関連する熱電
対１３によって制御する。本発明のインライン液体加熱
器は圧力逃し弁］４を含み、この弁は過剰圧力ががＩ熱
チャンバ１内に生ずるのを防止する。本発明の重要な特
色は加熱チャンバ１の入口２内に第４図に示すそらせ板
部材が存在することにある。−ｆニー゛ちせ板部材１８
ｉ１：入ってくる液体流を所侠方向に向けかつ分散させ
て、以下で説明する如く、実質的に力ｎ熱チャンバ１の
全流れ断面を通る液体の均等な流れ金主せしめるように
なす。加熱チャンバを通るかかる液体流は高温点の発生
を防＋ｈ　Ｌかつ全体の熱伝４を改善するのに必要であ
る。

第１図を参照すれば、加熱チャンバｌは、厳密に成形で
き、高強度をもちかつインライン加熱器の作動ｊ１ｉｉ
！囲よジ十分上の温度に耐え得る材料がら作ることがで
きる。かがる材料には銅、カドミウム、成る種の、ガラ
ス繊維の如き人工材料が含まれる。第１図に示す如く、
）ＪｒＩ熱索子４は加熱チャンパｌの基部又は上流端に
入る。加熱素子４は図示の如く複数の個別の素子を含む
か、又は単一の素子からなる。加熱素子４はまた種々の
幾何学的外形に作ることができる。しかしながら、図示
の如く滑らかなさや形の力ｎ熱素子は、コストが低く、
（ひれの背後に生ずる〕よどんだ液体流の無いこと、腐
食及びスケール蓄積の生じないこと等の理由からひれ付
又は渦巻形の素子面の使用より優れていることが分かっ
た。

ヒユーズ台５とリレー接触器６〜８は種々の市販のヒユ
ーズ台とリレー接触器から選択でき、また加熱素子４の
ワット数定格に基づき選択する。

二段サーモスタット１０、高温カットアウトスイッチ９
及びこれらに関連した熱電対１２．１８はいろいろな市
販された器具から選択することができる。本発明の好適
実施例では、サーモスタット１０は二段サーモスタット
とし、予定の温度範囲内でチャンバ１の出口８から放出
される液体の温度を制御するのに用いる。慣例の高温カ
ットアウトスイッチ９は、もし加熱チャンバ１内の温度
が予定の危険レベルに上昇すれば、加熱素子４への電力
供給を中断するのに用いる。慣例の流れ応答スイッチｌ
］は、加熱チャンバ】の入口２で液体流を感知したとき
に出力信号を出す。流れ応答スイッチ１１は例えばジョ
ンソン・コントロールズ・インコーホレーテッド製のシ
リーズＦ６０の器具とすることができる。流れ応答スイ
ッチ１１は、サーモスタット１０、高温カットアウトス
イッチ９及びリレー接触器６〜８と共に、電力全加熱素
子４に与える作用を制御する。これについては第２図に
関連して以下で説明する。慣用の逃し弁１４は刀ロ熱チ
ャンバ１内に生じる過剰圧力を逃すために具える。

第２図を参照すれは、線図は加熱素子４（個別の素子１
５〜１７により表わされる）の電気接続、リレー接触器
６〜７、サーモスタット１０、高リミットスイッチ９、
流れ応答スイッチ１１、及びヒユーズ台５を示し、そこ
ＶＣ誉壕れる素子１５〜１７は各々三相電力源に接続さ
れる。前記素子は単相電力源に接続することもできる。

また加熱素子４は、液体が入って行くチャンバ１の温度
を上昇させて、所望流量でかつ所望レベルの液体放出温
度が得られるように選択されたワット数定格をもつもの
とする。例えば、本発明では、１８，５００ワツトの加
熱素子は毎分１．５ガロン（約５．６８１）の流量で７
０’ＦＣ約２１．１℃）の温度上昇を生じ、また１５，
０００ワツトの加熱素子は毎分５ガロン（約１８．９８
１　）　＋７）流量？７０’ＦＣ約２１．１℃〕の温度
上昇を生ずることが分かった。かがる温度上昇と流量は
ほぼ１６インチ（約４０．６４儂）長さ、２　イｙチ（
約５．０８ｍ）直径の加熱チャンバを用いて得られた。

本発明の好適実施例では、例えば１７の如き個別の加熱
素子のうちの１つの電力は流れスイッチ１１と高温カッ
トアウトスイッチ９によって制御される。個別の素子１
５．１６は更に二段サーモスタット１０によって制御さ
れる。作動に際しては、個別の素子１５〜１７は液体流
が流れスイッチ１１によって感知されるまで除勢される
。液体流れを感知したとき、個別の素子１５〜１７は放
出される液体の温度が予定の上方温度、例えば１８０°
Ｆ（約５４．４”Ｃ１）に達するまで付勢される。

予定の上方温度に達したとき、個別の素子１６と１７は
、放出される液体の温度が予定の下方温度、例えば】２
６°Ｆ（約５２．２℃）に達するときまで除勢され、そ
の後再付勢される。

第３図はチャンバ１の入口２にある、第４図に示すそら
せ板部材１８の位置を示す。第４図に示す如く、そらせ
板部材１８は、厳密に成形できかつインライン加熱器の
標準の作動範囲より十分上の温度に耐えることのできる
広範囲の材料から作ることができる。そらせ板部材１８
は成形部分即ちリップ１９をもち、このリップはｉｉｌ
！７．８図に示す如く制御された菫と分布の乱流を生ず
るように入ってくる液体流を指向させる。この結果刀ｎ
熱チャンバ１の全長にわたって最適の流動及び熱伝達状
態が得られる。そらせ板部材１８の成形部分】９は入っ
てくる液体流を下方の基部に指向させることと、加熱チ
ャンバｌの横断面の大部分を横切るように流れを末広が
り状にそらせる（扇形に広がらせる）ことの両方の働き
をする。この結果、刃口熱素子４の基部１に沿って入っ
てくる液体流を加熱チャンバ１内に既にある液体と乱流
混合させる。流れは全素子群を一様におおうのに十分な
程度に広げられる。加熱チャンバ１の下端に生じる乱流
は、生じる混合が図示の如く加熱素子群に沿って一層均
等な上昇流を生じるという重要な結果をもたらす。これ
は高温点（ｈｏｔ　５ｐｏｔｓ　）が素子外装に沿って
発生する可能性を最小にする。その結果素子群の側面は
一層均等に冷却される。

そらせ板部材】８は芙質的に入口２にかつ加熱チャンバ
１の基部上に均等に、加熱チャンバ１へ入ってくる液体
流全分散させることによって最適の液体流のパターン金
主ぜしめる。これに加熱素子会の実質的にすべての表面
積上で加熱チャンバに沿う液体の均等な層流を生ぜしめ
ると考えられる。そらせ板部材１８は更に、加熱チャン
バ１を通る望ましくない回転液体流を最少にする。回転
液体流は加熱素子４と液体間に効率のよい、最大の熱伝
達分生ぜしめない局部的な乱流を生ぜしめる。この状態
は、液体が加熱素子４の実質上すべての表面積上に均等
に流れず、加熱チャンバに高温点全発生することに因り
生ずる。

高電力密度（外装面積１平方インチ、即ち６．４５ｃＴ
ｎ２当りのワット数において〕で浸せき加熱素子を作動
させるときには、前記素子の全長にわたって十分な液体
流を維持することが必要である。そのためにはそらせ板
部材１８が役立つ。第５図は従来技術で知られた直線状
入口の効果を示す。流体はそらされない流れとなって加
熱チャンバに入る。若干のそれた流れは第６図に示す如
く入ってくる流体が加熱素子に衝突したときに生じる。

しかし流れの大部分は素子間を単に流れて、カロ熱チャ
ンバの反対側の壁に沿って広がる。この結果、入口に最
も近い素子に沿う上向きの流れを儀牲にして反対側の壁
に沿うはっきりした上向きの流れを生じる。この不釣合
いな流れパターンは本発明のそらせ板を設けた入口によ
り生じる第７図に示すパターンと著しく異なる。折曲げ
た管線は入ってくる液体流全基部に向って下方へ向ける
ことと流れを末広が９状にそらせる（扇形に広げる）と
いう両方の働きをする（第８図）。その結果、加熱素子
の基部の方へ下向きに入ってくる流れを加熱チャンバ内
に既に存在する液体と乱流混合せしめる。流れは全素子
群をおおうようにチャンバ横断面に十分にかつ均等に広
がる。加熱チャンバの下端に生ずる乱流の重要な効果は
、生じる混合が第７図に示す如く素子群に沿う−１−均
等な上昇流全閉らかに生じるということである。これは
素子外装に沿って高温点の生じる可能性全最小にする６
素子群の両側はそれ故一層均等に冷却される。

要約すれば、本発明のインライン液体加熱器は加熱チャ
ンバ内の液体流パターンを最適なものにして、流れ発生
に問題音生せしめることなしに、所望の容積流量と適切
な温度上昇に必要な高電力密度を使用可能となす。この
方法は次の理由から、ひれ付の父に渦巻形の素子表向を
使用する方法よりも優れている：（１）低コストの、滑
らかな外装の浸せき加熱器の使用が許される＝（２）ひ
れ背後のよどんだ流れ区域の形成が排除される；（８）
腐食及びスケール形成の問題が、滑らかな外装と減少し
た表面積とに因って、小さくされる。

勿論、本発明整上記特定の実施例に限定されず、本発明
の範囲内で多くの変更、変化をなしうろことは当業者に
は明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は加熱チャンバ及び関連した制御装置を示す本発
明のインライン液体加熱器の正両立面図；第２図は加熱
素子、制御リレー接触器、流れ応答スイッチ、サーモス
タット及び高温カットアウトスイッチの相互接続を示す
回路図； 第３図は水入口を示す本発明のインライン液体刀Ω熱器
の加熱チャンバの正両立面図；第４図は加熱チャンバの
入口に使用する液体そらせ板部材の斜視図； 第５図及び第６図は本発明の液体分散そらせ板部材を使
用しない場合に、従来の加熱チャンバに入る水の動きを
夫々示す図； 第７図及び第８図に不発明の液体分散そらせ板部材を用
いた場合に加熱チャンバに入る水の動き全夫々示す図で
ある。 ｌ・・・加熱チャンバ　２・・・入口 ３・・出口　４・・・電気加熱素子　−５・・・ヒユー
ズ台　６〜８・・・リレー接触器９・・・高温カットア
ウトスイッチ １０・・・サーモスタット１１・・・流れ応答スイッチ
１２　、１８・・・熱電対　１４・・・圧力逃し弁】８
・・・そらせ板部材　１９・・・リップ。 特許出願人　アルバート・ジー・レモンズ同　出願人　
ウィリアム・トーマス・ジョンズＮｒＭの浄′ａ（内容
に変更なし） ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＰＩ（ｊ°″″ＦＩＧ、８ 手　続　補　正　書 昭和５９年７月２７日 特許庁長官　志　賀　学殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第　９００６５号 ２、発明の名称 加熱液体供給方法及び液体加熱装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 氏名　アルバート・ジー・レモンズ 外１名 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　加熱すべき液体を受入れる入口と加熱された液体を
   放出する出口とをもつ液体加熱チャンバと；液体を加熱
   するために前記加熱チャンバ内に設けた加熱手段と；液
   体が前記出口から放出されている間に前記加熱チャンバ
   内によどんだ液体区域が形成されるのを実質的に防止す
   るために前記加熱チャンバの流れ横断面の大部分にわた
   って前記加熱チャンバに入る液体の流れ全分散させる分
   散手段；を具えたことを特徴とする需要に応じて加熱液
   体を即座に供給するインライン液体加熱装置。 ２、特許請求の範囲１記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記液体加熱チャンバは上流端と下流端を含み
   、前記入口は前記チャンバの上流端に接近して位置し、
   前記出口は前記チャンバの下流端に接近して位置し、前
   記加熱手段は前記チャンバに連結された基部を含みかつ
   上流端から前記液体加熱チャンバに延び入る少なくとも
   １つの加熱素子全もっことを特徴とするインライン液体
   加熱装置。 ＆　特許請求の範囲２記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記分散手段はＭｉｌ記加熱ナヤンバに入る液
   体流全実質的にかつ均等に前記基部上に前記入口で分散
   させ、かぐして０１１記上流端から前記下流端へ前記チ
   ャンバを通って行く流体移動が加熱手段に沿う均等な層
   流をなして行なわれるようになすことケ特徴とするイン
   ライン液体加熱装置。 ４　特許請求の範囲２記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記分散手段は液体が前記上流端から前記下流
   端へ移動するときに、液体の回転流全実質的に最少にす
   ることを特徴とするインライン液体加熱装置。 翫　特許請求の範囲２記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記分散手段は液体が前記上流端から前記下流
   端へ移動するときに、前記液体の局部的乱流を実質的に
   除去すること゛を特徴とするインライン液体加熱装置。 ａ　％許請求の範囲２記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記加熱手段と液体間の熱伝達は前１ｉｉ２７
   ＩｒＩ熱素子の表面積の実質的すべてにわたって均等と
   することを特徴とするインライン液体加熱装置。 〃　特許請求の範囲２記載のインライン液体加熱装置に
   ２いて、前記加熱素子は電気抵抗力ロ熱素子とすること
   を特徴とするインライン液体加熱装置。 ＆　特許請求の範囲１記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記加熱チャンバに入る液体流を感知するため
   に前記入口に作動連結された流れ感知手段を含み、また
   液体流を感知したときに前記加熱手段全作動させて前記
   液体を加熱するために前記加熱手段に連結された感知手
   段を含むことを特徴とするインライン液体加熱装置。 ９　特許請求の範囲８記載のインライン液体加熱装置に
   おいて、前記流れ感知手段は電気的流れ応答スイッチと
   することを特徴とするインライン液体加熱装置。 １０、特許請求の範囲ｌ記載のインライン液体加熱装置
   において、前記出口から放出される液体を予定の温度範
   囲内に維持するために前記チャンバと前記加熱手段に作
   動連結された温度制御手段を含むことを特徴とするイン
   ライン液体加熱装置。 ＩＬ　特許請求の範囲１０記載のインライン液体加熱装
   置において、前記温度制御手段は二段サーモスタットと
   することを特徴とするインライン液体加熱装置。 １＆　特許請求の範囲１記載のインライン液体加熱装置
   において、前記加熱チャンバの温度が予定温度金越えた
   ときに前記刃口熱手段の作動を停止させるための高温安
   全カットオフ手段を含むことを特徴とするインライン液
   体加熱装置。 １＆　特許請求の範囲１２記載のインライン液体力ロ熱
   装置において、前記高温安全カットオフ手段は高温リミ
   ットスイッチとすることを特徴とするインライン液体加
   熱装置。 １４　特許請求の範囲１記載のインライン液体加熱装置
   において、予定の高圧を越えたときに前記チャンバ内の
   圧力を釈放するために前記チャンバに作動連結された高
   圧安全逃し手段を含むことを特徴とするインライン液体
   加熱装置。 １五　特許請求の範囲１４紀載のインライン液体加熱装
   置において、前記高圧安全逃し手段は圧力逃し弁とする
   ことを特徴とするインライン液体加熱装置。 １ａ　基部と、液体加熱チャンバを有し、前記チャンバ
   は前記基部に接近した前記チャンバの上流端の入口と前
   記チャンバの下流端に接近した出口とをもち、また液体
   を刃口熱するために前記基部から延在する前記チャンバ
   内の加熱手段を有する型式の、需要に応じて加熱液体全
   即座に供給するインライン液体加熱装置において、前記
   加熱チャンバに入る液体流を実質的にかつ均等に前記基
   部上に＠記入口で分散させる分散手段を具え、前記加熱
   手段と液体間の熱伝達が前記加熱素子の表面積の実質的
   にすべてにわたって均等となるようになすことを特徴と
   するインライン液体加熱装置。 １が　基部と、液体加熱チャンバを有し、前記チャンバ
   は前記基部に接近した前記チャンバの上流端の入口と前
   記チャンバの下流端に接近した出口とをもち、また液体
   を加熱するために前記基部から延在する前記チャンバ内
   の加熱手段を有する型式の、需要に応じて加熱液体を即
   座に供給する方法において、前記人口　゛全通して前記
   チャンバに未加熱の液体を供給し；前記チャンバに入っ
   てくる液体流を実質的にかつ均等に前記基部上に分散さ
   せて、前記加熱手段と液体間の熱伝達が前記加熱素子の
   表面積の実質的すべてにわたって均等となるようになし
   、刀■熱された液体全前記出口へ除去する工程を包含す
   ることを特徴とする特法。