JP6887659B2 - 熱風生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱風生成装置に関する。さらに詳しくは、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、前記通路の流れ方向に沿って配置される面状発熱体とを有する熱風生成装置に関する。

従来、上述の如き熱風生成装置として、例えば特許文献１に記載の如きものが知られている。この装置では、面状発熱体をフレームの長さ方向に沿って蛇行して配置しているに過ぎず、面状発熱体での熱交換の効率が不十分となっていた。また、この面状発熱体はフレームに対し摺動可能な溝に挿入されているに過ぎず、面状発熱体の温度変化による発熱体自身の熱変形によって溝から脱落するおそれもあった。

実用新案登録第３０８９４２８号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、コンパクトな構造ながら熱交換の効率及び熱風生成効率の優れた熱風生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱風生成装置の特徴は、流体を流す通路を内部に有する筒状体と、面状発熱体の面状部分が前記通路の流れ方向に沿って配置される面状発熱体とを有する構成において、前記面状発熱体は、スリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記流れ方向に交差する方向に空間をおいて複数段に且つ前記スリットの長手方向が前記流れ直交する方向に平行となるように配置され、前記空間に前記面状発熱体へ配向する整流板を設け、前記整流板により前記流体の一部を前記スリットを通過させて隣接する他の空間へ移動させることにある。

上記構成によれば、面状発熱体を通路の流れ方向に交差する方向に空間をおいて複数段に配置したので、圧力損失が少なく、高圧力でなくても比較的大流量の流体を通路に流通させることできる。そして、その流体は、空間内を面状発熱体の面状部分に沿うようにして下流へ移動するので、面状発熱体との接触時間が長く、熱交換の効率がよい。しかも、その空間に面状発熱体へ配向する整流板を設けたので、空間を移動する流体の一部は整流板によって面状発熱体に吹き付けられる。従って、通路を流通する流体は、面状発熱体との熱交換が頻繁に行われ、効率よく熱風を生成することが可能となる。さらに、面状発熱体は、スリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、スリットの長手方向が流れ方向に直交する方向に平行となるように配置される。よって、空間内を流れる流体の一部は、整流板によりスリットを通過して隣接する他の空間へ拡散するように流れ、乱流を生じさせる。これにより、面状発熱体との接触機会・時間を増加させることができ、さらに熱交換の効率が向上する。

また、前記面状発熱体は、前記スリットの長手方向に交差する幅方向端部を折り曲げてなる折曲部をさらに有し、前記折曲部を絶縁部材に係止させて前記面状発熱体を保持するとよい。幅方向端部を折り曲げてなる折曲部を絶縁部材に係止させて面状発熱体を保持するので、面状発熱体が高温になっても絶縁部材からの脱落を防止できる。

前記面状発熱体は、鉛直方向下側へ凸となるように湾曲させてあるとよい。これにより、面状発熱体が発熱により軟化しても、発熱体の自重が鉛直方向Ｚに作用し、その変形を鉛直方向へ誘導することができ、カテナリー曲線の如き形状となる。この形状は力学的に安定するので、軟化しても発熱体の形状は維持されると共に脱落が防止される。

係る場合、前記整流板は、この整流板の本体部の前記流れ方向に直交する水平方向に位置する側端部の間で前記本体部の中央に向けて湾曲する湾曲凹部を有し、前記湾曲凹部は、前記面状発熱体の下方に位置させてあるとよい。面状発熱体が発熱により鉛直方向Ｚに軟化（変形）したとしても、この湾曲凹部により面状発熱体と整流板との地絡（接触）を防止でき、且つ隣接する空間への流体を誘導でき熱交換の効率もよい。

前記絶縁部材は、上方に向けて開口する開口部と、前記開口部と連通し前記幅方向端部を収容する収容空間を有するとよい。これにより、面状発熱体の脱落を防止できると共に流れ方向に直交する水平方向への面状発熱体の移動（変形）をも抑制できる。

係る場合、前記絶縁部材は、第一本体部から斜め上方へ突出する第一突出部とその下部に第一凹部を備える第一碍子と、第二本体部から上方へ突出する第二突出部とその下部に第二凹部を備える第二碍子からなり、前記開口部は、前記第一突出部及び前記第二突出部により構成され、前記収容空間は、前記第一凹部及び前記第二凹部により構成されてあるとよい。

前記絶縁部材は、前記スリットを貫通する突起部をさらに備えてもよい。また、前記スリットを貫通すると共に前記絶縁部材に掛止される緩衝部材をさらに備えてもよい。さらに、前記流れ方向に交差する方向に複数配置された前記面状発熱体の各スリットを貫通する棒状体をさらに備えてもよい。これら構成によれば、電流路（直線状部）同士の短絡を防止できると共に流れ方向への変形も抑制される。

前記筒状体は、前記絶縁部材を前記流れ方向に沿って支持する支持部を有するとよい。これにより、通路内に発熱体端部を保持する絶縁部材が配置されないので、流体の流れが阻害されることはなく、効率よく熱交換が行われる。

上記本発明に係る熱風生成装置の特徴によれば、コンパクトな構造ながら熱交換の効率及び熱風生成効率を向上させることが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係る熱風生成装置の斜視図である。 熱風生成装置の分解斜視図である。 筐体の分解斜視図である。 熱風生成装置の流れ方向視図である。 図４のＡ部拡大図である。 図４のＢ部拡大図である。 図４のＣ部拡大図である。 図４のＤ部拡大図である。 面状発熱体及び碍子の斜視図である。 通路内の流体の流れを模式的に示す図である。 スリットでの流体の流れを模式的に示す図である。 碍子の改変例を示す図である。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る熱風生成装置１は、図１〜４に示すように、大略、例えば流体Ｇとしての空気を流す通路３を内部に有する筒状体２と、この通路３に流体Ｇの流れ方向Ｆに沿って配置される面状発熱体４を有する。面状発熱体４は、流れ方向Ｆに直交する鉛直方向Ｚ（後述する筐体１０の高さ方向）に空間Ｓをおいて複数配置されている。空間Ｓは、流れ方向Ｆに直交する鉛直方向Ｚに面状発熱体４を挟んで階層状に形成され、その空間Ｓには面状発熱体４へ配向する整流板５が複数配置されている。この熱風生成装置１は、例えばダクト内に収容又はダクトに接続され、ダクトを流れる流体Ｇを加熱する。なお、本実施形態において、面状発熱体４は、流れ方向Ｆに直交する水平方向Ｈに４列、鉛直方向Ｚに３段の計１２個設置されている。

筒状体２は、図１〜３に示すように、例えば金属製の筐体１０により構成され、例えば金属製のケース６に収容される。ケース６は、筐体１０を取り付ける一対の略コの字状のフレーム６１，６１と、フレーム６１の一端に固定され、ブランケット６２や耐熱ケーブル６３を収納する収納部６４を備える。耐熱ケーブル６３は、面状発熱体４に電気的に接続する給電棒７ａ〜７ｆと外部とを電気的に接続する。収納部６４の一方には、耐熱ケーブル６３に接続される端子６５を取り付けた取付板６６が設けられている。

給電棒７は、図７に示すように、凸部８１ａを有する第一絶縁部材８１及び凸部８１ａと嵌合する凹部８２ａを有する第二絶縁部材８２を介して収納部６４を貫通する。これにより、ケース６と給電棒７との間の絶縁を確保すると共に気密性を確保する。また、図８に示すように、給電棒７の一端は、ナット７１，７１及び座金７２，７３を介して耐熱ケーブル６３の端子６３ａに固定される。給電棒７の一部には、外周を覆う保護チューブ８が設けられ、筐体１０との絶縁を確保する。なお、取付板６６には、カバー６７が設けられる。

筐体１０は、図３に示すように、流れ方向Ｆに沿う一対の側壁１１，１１と、その間で適宜間隔をおいて側壁１１に平行して立設された仕切板１２と、フレーム６１にボルトナット等で固定される固定部１３を有する。一対の側壁１１，１１及び仕切板１２には、後述する面状発熱体４を保持する絶縁部材２０を支持する略Ｌ字状の支持部１４が設けられている。また、仕切板１２には、給電棒７を挿通させる貫通孔１２ｂを有する突片１２ａが形成されている。

面状発熱体４は、図１，９に示すように、板状に且つ矩形状に形成され、複数のスリット４１を流れ方向Ｆに沿う幅方向端部４２，４２から交互に水平方向Ｈに沿って切り込むことで蛇行状の電流路４０が形成されている。すなわち、スリット４１の長手方向は、流体Ｇの流れ方向Ｆに直交する。一対の幅方向端部４２，４２の間の直線状部４０ｘは、流体Ｇの流れ方向Ｆ視でなだらかな円弧状（アーチ状）をなすように鉛直方向Ｚの下側に凸状に湾曲してある。面状発熱体４が発熱により軟化すると、自重によりカテナリー曲線の如き形状となる。この形状は力学的に安定しており、軟化しても面状発熱体４の脱落が防止される。また、幅方向端部４２は、図５，６，９に示すように、電流路４０の直線状部４０ｘに対して略直交して屈曲され、さらに幅方向端部４２の先端部４３は略直角に折り曲げて形成されている。面状発熱体４は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやニッケルクロム合金等の導電性材料より構成されるが、使用温度等に応じて適宜変更するとよい。

電流路４０の電流路端部４０ａ，４０ｂは、流れ方向Ｆの上流側Ｕと下流側Ｄに位置し、各端部４０ａ，４０ｂは、接続部材４４を介して給電棒７に電気的に接続される。本実施形態では、図１，２に示すように、収納部６４側の１，２列目の面状発熱体４で１つの回路を構成している。上流側Ｕにおいては、収納部６４側の１列目の下段と中段の面状発熱体４は接続部材４４ａを介して中段の給電棒７ｂと接続され、収納部６４側の２列目の下段と中段の面状発熱体４は接続部材４４ｂを介して下段の給電棒７ａと接続されている。また、収納部６４側の１，２列目の上段の面状発熱体４は、上段の給電棒７ｃと接続部材４４ｃ，４４ｃを介してそれぞれ接続されている。一方、下流側Ｄにおいては、収納部６４側の１，２列目の中段と上段の面状発熱体４が接続部材４４ｄを介してそれぞれ接続され、面状発熱体４の下段の隣接する面状発熱体４，４が接続部材４４ｅを介して接続されている。なお、収納部６４側の３，４列目の面状発熱体４は、１，２列目の面状発熱体４と接続する接続部材４４ａ〜４４ｅと上流側と下流側で対称となるように配置、接続されて同等の回路を構成する。

絶縁部材としての碍子２０は、図４〜６，９に示すように、流れ方向Ｆに沿って延在し対をなす第一、第二碍子２１，２２よりなり、支持部１４に嵌入され固定具２９で固定される。碍子２０は、例えば、アルミナ質、アルミナシリカ質、ムライト質、ジルコン質又はコージライトを主体とする所謂セラミックス材料や窒化ケイ素材料より構成されるが、使用温度等に応じて適宜変更するとよい。この碍子２０により、面状発熱体４と筐体１０及びケース６とを電気的に絶縁する。

第一碍子２１は、第一本体部２１ａから斜め上方へ突出する第一突出部２１ｂとその下部に第一凹部２１ｃを備える。一方、第二碍子２２は、第二本体部２２ａから上方へ突出する第二突出部２２ｂとその下部に第二凹部２２ｃを備える。また、各碍子２１，２２には、固定具２９を貫通させる第一、第二貫通孔２１ｄ，２２ｄが設けられている。第一、第二凹部２１ｃ，２２ｃを対向配置させることで、幅方向端部４２を収容する収容空間２３を形成し、水平方向Ｈへの面状発熱体４の移動を制限する。しかも、収容空間２３の上方は第一突出部２１ｂと第二突出部２２ｂとにより開口部２４が形成されており、第一碍子２１を面状発熱体４の中央側に位置させることで、先端部４３が第一突出部２１ｂの下方に位置するので、幅方向端部４２の抜けも防止される。第一、第二碍子２１，２２は、貫通孔２１ｄ，２２ｄを介して固定具２９で略Ｌ字状の支持部１４に固定できる強度を有していればよく、第一、第二本体部２１ａ，２２ａを薄く形成することで、絶縁部材の熱容量の低減が図られる。

ここで、本実施形態における整流板５は、図３，５，６に示すように、形状の異なる３種の整流板５０Ａ〜５０Ｃより構成されている。第一整流板５０Ａは、矩形を呈し、側壁１１及び仕切板１２の上部に上流側Ｕに向けて傾斜させて取り付けられている。第二整流板５０Ｂは、板状の本体部５１の一側に水平方向Ｈに位置する側端部５１ａから水平方向Ｈの外方へ突出する一対の突出部５２，５２を有し、他側に側端部５１ａの間で本体部５１の中央に向けて湾曲する湾曲凹部５３が形成されている。突出部５２は支持部１４の下方に固定され、流れ方向Ｆに交差させて面状発熱体４に向けて配向させてある。第三整流板５０Ｃは、上述の突出部５２にフレーム６１に固定される固定部５４が設けられている。

第二、第三整流板５０Ｂ，５０Ｃの湾曲凹部５３は、図３〜６に示すように、通路３の長手方向Ｌ（流れ方向Ｆ）視において、その端部５３ａを支持部１４の側面に位置させて面状発熱体４に近接させると共に端部５３ａから中央部５３ｂに向かうに従い面状発熱体４から離隔させてある。ここで、第二、第三整流板５０Ｂ，５０Ｃの鉛直方向Ｚ上方には、面状発熱体４が位置している。上述したように、面状発熱体４は下側へ凸となる円弧状に形成しているので、面状発熱体４が自身の発熱により軟化すると共に熱膨張すると、自重によりその熱変形は鉛直方向Ｚへ誘導される。また、その熱変形量は、幅方向端部４２，４２間の中央に向うに従い大きくなる。よって、図６中の１点鎖線で示す如く湾曲部５３を設けない第二整流板５０Ｂ’では、面状発熱体４に近接するので面状発熱体４へ流体Ｇを誘導しやすいが、熱変形により面状発熱体４と整流板とが接触するおそれがある。よって、整流板に湾曲凹部５３を形成することで、面状発熱体４と第二、第三整流板５０Ｂ，５０Ｃとの地絡を防止すると共に流体Ｇの隣接する他の面状発熱体４への移動（吹き付け）を確保し熱交換の効率も向上させることができる。

このような整流板５０Ａ〜５０Ｃを流れ方向Ｆに沿って適宜間隔をおいて複数配置すると共に流れ方向Ｆに交差するように傾斜して設けることで、図１０に示すように、空間Ｓを流通する流体Ｇは整流板５０Ａ〜５０Ｃによって面状発熱体４に向けて流れ、面状発熱体４と衝突するので、面状発熱体４と頻繁に熱交換が行われ、熱交換の効率が向上する。しかも、面状発熱体４にはスリット４１が形成されているので、整流板５０Ａ〜５０Ｃによって面状発熱体４に向けられた流体Ｇの一部は、スリット４１を通過して隣接する他の空間へ移動する。その際、図１１に示すように、スリット４１を通過した流体Ｇは乱流を生じさせるので、これによりさらに熱交換の効率が向上することとなる。

最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。なお、以下の実施形態において、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、面状発熱体４を水平方向Ｈに４列、鉛直方向Ｚに３段の計１２個設置したが、面状発熱体４の個数（列数、段数）は適宜設定すればよい。また、流れ方向Ｆに複数個配列することも可能である。面状発熱体４の配列等に応じて適宜電気的に接続すればよく、上記実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態において、図３，１０に示すように、例えば第二、第三整流板５０Ｂ，５０Ｃの少なくとも一部の整流板の配向の向きをその他の第二、第三整流板５０Ｂ，５０Ｃと異ならせることで、通路３を流通する流体Ｇが略均等に面状発熱体４に接触するようにした。しかし、整流板の数、位置、大きさ、配向の向きは、通路３を流通する流体Ｇが略均等に面状発熱体４に接触するように、流体Ｇの流量（流速）、面状発熱体４の段数、長さ等に応じて適宜設定すればよく、上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態において、面状発熱体４の幅方向端部４２を掛止させて保持する絶縁部材を碍子２０により構成したが、絶縁を確保できる材料であれば上記に限定されるものではない。また、上記実施形態では、碍子２０を対をなす第一、第二碍子２１，２２により構成したが、面状発熱体４の脱落を防止し得る態様であれば上記実施形態に限られるものではない。

さらに、例えば図１２（ａ）に示すように、第一碍子２１の突出部２１ｂの頂部２１ｄに上方へ向けて突出する突起部２５を係止させる面状発熱体４のスリット４１に対向する位置に立設してもよい。係る場合、スリット４１に突起部２５を嵌入させた状態で面状発熱体４を碍子２０に係止させ、碍子２０を固定具２９により筐体１０の支持部１４に固定する。この突起部２５により、通路３の長手方向Ｌ（流れ方向Ｆ）に沿う方向で隣接する直線状部４０ｘ，４０ｘ同士の短絡を防止する。また、突起部２５の位置は、これに限られるものではなく、同図（ｂ）に示す如く収容空間２３に突起部２５を設けることも可能である。さらに、突起部２５は碍子２０と一体であってもよく、別体であってもよい。同図（ｃ）に示すように、例えば幅方向端部４２近傍のスリット４１に緩衝部材２６を挿入したり、アルミナ接着剤を碍子２０に盛ることで直線状部４０ｘ同士の接触による短絡を防止することもできる。さらに、例えば絶縁性の棒状体を積層された各面状発熱体４のスリット４１に鉛直方向Ｚに貫通させることも可能である。なお、これらの改変例は、組み合わせて実施することも可能である。

また、上記実施形態において、面状発熱体４を鉛直方向下方へ向けて凸状に湾曲させたが、この形状に限定されるものではなく、例えば平坦であっても構わない。

また、上記実施形態において、絶縁部材２０を流れ方向Ｆに沿って支持する支持部１４を設けることで面状発熱体４を流れ方向Ｆに沿って配置した。しかし、これに限らず、絶縁部材２０を流れ方向Ｆに交差する方向に沿って支持する支持部１４を設けることも可能である。但し、係る場合、通路内に支持部が配置されることとなり、流体の流通が阻害されるので、上記実施形態が優れている。

上記実施形態において、流体Ｇとして空気を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば水素、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム等の気体に対しても適用可能である。

本発明に係る熱風生成装置は、例えば煙突の二次焼成装置、自動車等の触媒、カーボン除去装置、半導体装置への気体導入装置や自動車等の塗装の乾燥装置として利用することもできる。
また、本発明は電気による加熱方式なのでクリーンである。すなわち、ガス等による燃焼方式の場合、流体Ｇにススや排気ガスの成分等が混入してしまうが、そのようなことはない。そのため、例えば燃焼炉への導入ガスの予熱に用いられる。また、例えば、炉の扉開閉時の内部雰囲気温度を速やかに復帰（昇温）させるために高温エア（ガス）を導入する際に用いることもできる。さらに、低温で使用する炉（〜５００℃程度）でワークへの加熱効率を向上させるために、輻射だけではなく対流効果も利用する場合がある。その際に、熱風生成装置により、熱風を炉内へ導入すると共に循環させて再度熱風を生成し導入することも可能である。

１：熱風生成装置、２：筒状体、３：通路、４：面状発熱体、５：整流板、６：ケース、７ａ〜７ｆ：給電棒、８：保護チューブ、１０：筐体、１１：側壁、１２：仕切板、１２ａ：突片、１２ｂ：貫通孔、１３：固定部、１４：支持部、２０：碍子（絶縁部材）、２１：第一碍子、２１ａ：第一本体部、２１ｂ：第一突出部、２１ｃ：第一凹部、２１ｄ：第一貫通孔、２２：第二碍子、２２ａ：第二本体部、２２ｂ：第二突出部、２２ｃ：第二凹部、２２ｄ：第二貫通孔、２３：収容空間、２４：開口部、２５：突起部、２６：緩衝部材、２９：固定具、４０：電流路、４０ａ：上流側電流路端部、４０ｂ：下流側電流路端部、４０ｘ：直線状部、４１：スリット、４２：幅方向端部、４３：先端部、４４ａ〜４４ｅ：接続部材、５０Ａ〜５０Ｃ：第一〜第三整流板、５１：本体部、５１ａ：側端部、５２：突出部、５３：湾曲凹部、５３ａ：端部、５３ｂ：中央部、６１：フレーム、６２：ブランケット、６２ａ：貫通孔、６３：耐熱ケーブル、６４：収納部、６５：端子、６６：取付板、６７：カバー、７１：ナット、７２：ばね座金、７３：平座金、８１：第一絶縁部材、８１ａ：凸部、８２：第二絶縁部材、８２ａ：凹部、Ｄ：下流側、Ｆ：流れ方向、Ｇ：流体（空気）、Ｈ：水平方向、Ｓ：空間、Ｕ：上流側、Ｚ：鉛直方向

Claims (10)

1. 流体を流す通路を内部に有する筒状体と、面状発熱体の面状部分が前記通路の流れ方向に沿って配置される面状発熱体とを有する熱風生成装置であって、
   前記面状発熱体は、スリットにより形成される蛇行状の電流路を有し、前記流れ方向に交差する方向に空間をおいて複数段に且つ前記スリットの長手方向が前記流れ方向に直交する方向に平行となるように配置され、
   前記空間に前記面状発熱体へ配向する整流板を設け、
   前記整流板により前記流体の一部を前記スリットを通過させて隣接する他の空間へ移動させる熱風生成装置。
2. 前記面状発熱体は、前記スリットの長手方向に交差する幅方向端部を折り曲げてなる折曲部をさらに有し、前記折曲部を絶縁部材に係止させて前記面状発熱体を保持する請求項１記載の熱風生成装置。
3. 前記面状発熱体は、鉛直方向下側へ凸となるように湾曲させてある請求項１又は２記載の熱風生成装置。
4. 前記整流板は、この整流板の本体部の前記流れ方向に直交する水平方向に位置する側端部の間で前記本体部の中央に向けて湾曲する湾曲凹部を有し、前記湾曲凹部は、前記面状発熱体の下方に位置させてある請求項３記載の熱風生成装置。
5. 前記絶縁部材は、上方に向けて開口する開口部と、前記開口部と連通し前記幅方向端部を収容する収容空間を有する請求項２記載の熱風生成装置。
6. 前記絶縁部材は、第一本体部から斜め上方へ突出する第一突出部とその下部に第一凹部を備える第一碍子と、第二本体部から上方へ突出する第二突出部とその下部に第二凹部を備える第二碍子からなり、
   前記開口部は、前記第一突出部及び前記第二突出部により構成され、
   前記収容空間は、前記第一凹部及び前記第二凹部により構成されてある請求項５記載の熱風生成装置。
7. 前記絶縁部材は、前記スリットを貫通する突起部をさらに備える請求項２，５，６のいずれかに記載の熱風生成装置。
8. 前記スリットを貫通すると共に前記絶縁部材に掛止される緩衝部材をさらに備える請求項２，５〜７のいずれかに記載の熱風生成装置。
9. 前記流れ方向に交差する方向に複数配置された前記面状発熱体の各スリットを貫通する棒状体をさらに備える請求項２，５〜８のいずれかに記載の熱風生成装置。
10. 前記筒状体は、前記絶縁部材を前記流れ方向に沿って支持する支持部を有する請求項２〜９のいずれかに記載の熱風生成装置。

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