JP4077017B2 - 電気放熱パイプとこれを用いた電気放熱機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱線からの生成熱を外部に放出して暖房を行う電気放熱パイプに係り、特に、放熱パイプ内に多孔性の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填することにより、比熱の違いにより早い時間内に多孔性の作動媒体を加熱し、該加熱された作動媒体をもって微細に充填された作動流体を高温の蒸気または高温の液体へと相変化させることにより暖房効率を高めることのできる電気放熱パイプに関する。

また、本発明は、前記放熱パイプを用いて消費電力を抑えると共に、加熱時間を短縮させる電気ボイラー、電気マット及び電気ラジエータなどの電気暖房機器に関する。

従来より、電気を用いた暖房方法として、部屋の床面に設けて室内の温度を暖める電気ボイラーや移動式の電気マットを用いる方法と、立設により室内の温度を暖めるラジエータ（放熱器）などを用いる方法などが採用されていた。

電気ボイラーまたは電気マットは、電源の供給により発熱するヒータ線が配列されているものであって、オイル及びガスなどの高価の燃料に代えて、比較的に安価な電気を用いて暖房効果を与える。

しかしながら、この種の従来の電気ボイラーまたは電気マットは、ヒータ線が単にマット内に配列されているような構造となっているため、暖房及び伝熱機能の以外にはこれといった機能を有していないという欠点がある。そして、ヒータ線の発熱と発熱の保持が専ら電源の供給にのみ依存するため、温度を昇温させ、且つ、該昇温された温度を長時間保持するには、電力の消耗が比較的に大きくならざるを得ないという不具合がある。

このような問題点を解決するために、伝熱線に代えて、熱線が通る固相あるいは液相の作動流体が収められている放熱パイプを配列することにより、熱線からの生成熱をもって蓄熱液体を加熱し、該加熱された蓄熱液体を用いて温度を昇温させる方法が提案されている。

しかしながら、この場合、放熱パイプに収められている蓄熱液体を加熱するためには比較的に長時間がかかり、その結果、初期の暖房効率が所定時間遅延してしまうという現象が現れる。しかも、この方法は、蓄熱液体を全体的に加熱するため、電力の消耗量が高過ぎるという不具合もある。

さらに、ラジエータを用いる場合には、オイルまたはガスなどの燃料を用いる蒸気ボイラーまたは温水ボイラーから発せられた蒸気または温水を任意の場所に設けられた放熱器まで供給する過程で多くの熱損失が起こる。さらに、ラジエータは固定式のものであるため、移動の必要性が生じてくるとき、その移動が極めて困難になるという不具合がある。

このような欠点を解決するために、移動が容易な所定形状の放熱パイプ及び放熱板を備え、且つ、電気を燃料として用いる電気ラジエータが開発されて実用化レベルに至っている。この種の電気ラジエータによれば、熱線からの生成熱をもって蓄熱液体を加熱し、該加熱された蓄熱液体を用いてラジエータの温度を昇温させることにより、暖房を行うようになっている。

しかしながら、この種の電気ラジエータは、制限温度まで昇温後に電源の供給が中断されれば、温度が徐々に下がるというメリットは有しているとはいえ、初期の暖房効率が低いという欠点がある。

上記の問題点を解決するために、本発明の目的は、放熱パイプ内に多孔性の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填することにより、比熱の違いにより早い時間内に多孔性の作動媒体を加熱し、該加熱された作動媒体をもって微細に充填された作動流体を高温の蒸気または高温の液体へと相変化させることにより暖房効率を高めることのできる、作動媒体と作動流体が充填された放熱パイプを提供することにある。

本発明の他の目的は、多孔性の作動媒体と作動流体が混合されて充填された放熱パイプを用いて消費電力を抑えると共に、加熱時間を短縮させる電気ボイラー、電気マット及び電気ラジエータなどの電気暖房機器を提供することにある。

本発明の目的とそれに伴われる多くのメリットは、添付した図面に基づき行われる後述する詳細な説明によって一層明らかになる。

前記目的を達成するために、本発明の基本的な概念は、蓄熱性を有する作動媒体の微細気孔中に揮発性の作動流体を微細な分子構造に充填させ、この作動媒体を加熱して温度を早く昇温させ、作動媒体を介して充填された揮発性の作動流体を加熱して最短時間内に蒸気へと相変化させることにより、放熱パイプの全体を加熱された蒸気熱により暖めることである。

このため、本発明の放熱パイプは、所定形状の管体と、管体の内部を挿通する熱線と、前記管体の両端部を閉塞する封止キャップと、を備える放熱パイプにおいて、前記管体の内部に多孔質の難不燃性（難燃・不燃性）の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填したことを特徴とする。

好ましくは、前記作動媒体は、そのサイズが１〜３ｍｍとなる円形、楕円形または多角形状よりなる。さらに、前記作動媒体は、黄土粒子、墨、砂利及びゼオライトよりなる群から選ばれたいずれか１種であるか、あるいは、多孔質の難不燃性繊維系のものである真綿、不織布、木綿及びロープよりなる群から選ばれたいずれか１種であることを特徴とする。

また、本発明の電気マットは、底面に設けられる断熱部材と；所定形状の管体と、前記管体の両端部を閉塞する封止キャップと、前記管体に挿通され、電気が供給されれば発熱を行う熱線とを備える放熱パイプと；前記放熱パイプの上部に設けられる伝熱板と；前記伝熱板の上部に設けられる仕上材層と；を備える通常の電気マットにおいて、前記放熱パイプの内部に多孔質の難不燃性の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填したことを特徴とする。

本発明の電気ラジエータは、所定形状の管体よりなる放熱パイプと、前記放熱パイプに内装され、電気が供給されれば発熱を行う熱線と、前記放熱パイプに垂直に立設され、放熱パイプからの熱を放出する多数枚の放熱板と、を備える通常の電気ラジエータにおいて、放熱パイプの内部に多孔質の難不燃性の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填したことを特徴とする。

そして、電気ボイラーは、所定形状の管体と、前記管体の両端部を閉塞する封止キャップと、前記管体に挿通され、電気が供給されれば発熱を行う熱線と、を備える通常の電気ボイラーにおいて、放熱パイプの内部に多孔質の難不燃性の作動媒体と揮発性の作動流体を混合して充填したことを特徴とする。

本発明に係る電気ボイラー用放熱パイプは、放熱パイプ内に作動媒体と作動流体を適正比にて混合して充填することにより、熱線からの生成熱が作動媒体の温度を早く昇温させ、この作動媒体の熱が作動流体に伝わって作動流体を短時間内に高温の蒸気に気化させて放熱パイプの全体を満遍なく加熱する結果、暖房効率が高められるというメリットがある。

また、多孔質の作動媒体を用いることにより、すなわち、作動媒体の多孔質を媒介とすることにより、作動流体の気化または凝縮過程を容易に繰り返すことができる。

さらに、放熱パイプ内に作動媒体として多孔質の圧縮繊維を詰め込んで作動流体を減量させることにより、全体として電気マットの重量を顕著に軽減できるというメリットがある。

以下、添付した図面に基づき、本発明の作用効果について詳述する。

図１は、本発明に係る電気放熱パイプの断面図であり、図２は、本発明に係る電気放熱パイプ付き電気マットの結合状態図であり、図３は、本発明に係る電気放熱パイプ付き電気ボイラーの結合状態図であり、図４は、本発明に係る電気放熱パイプ付き電気ラジエータの要部断面図である。

図１に示すように、本発明の一実施例に係る放熱パイプは、所定の長さを有する管体２と、管体２の両端部を閉塞する封止キャップ３と、管体２の内部に絶縁自在に収められ、電源の供給により発熱を行う熱線５と、作動流体７と、この作動流体７が含浸された状態で熱線を取り囲みつつ管体２内に充填される多孔質の難不燃性作動媒体６と、を備える。さらに、管体２内には、温度と圧力を測るバイメタル８が設けられる。

管体２は、１００℃以上の高温及び高圧に耐えうると共に、耐熱性と耐久性及び耐腐食性などを合わせ持つエクセル、ＰＰＣ(Polypropylene copolymer)、金属板などより作られる。特に、作動流体７が気体に相変化するときには圧力が増大するが、この圧力下でも耐えうる材料を用いて作られることが好適である。

封止キャップ３としては、ゴム製のものなどが用いられるが、管体２内に収められている作動流体７が加熱により気化後にも漏れ出ないように完全に閉塞可能なものであることが好適である。このとき、シリコンなどを用いて封止キャップと管体との間を完全に閉塞しても良い。一方、封止キャップ３には、電線４とバイメタル８が機密を保持しながら通過自在に穿孔が形成される。

熱線５は、ニクロム線や銅線などの導体の上にシリコン被覆法などにより３重保護被膜を形成して絶縁処理を施した後に管体に内装される。

作動媒体６としては、水分を含有するように、且つ、高密度及び多孔質に形成された難不燃性の黄土粒子、墨、砂利及びゼオライトよりなる群から選ばれた粒状のものが用いられても良く、真綿、不織布及び圧縮繊維よりなる群から選ばれた非粒状のものが用いられても良い。特に、作動媒体としては、全体的に管体２の内部に充填されつつ熱線５を取り囲む難燃性の圧縮繊維を用いることが好適である。

このような作動媒体６の多孔質中に揮発性の作動流体７が分子構造の状態で充填されることにより、この作動流体７が加熱されれば、液体の状態から気体の状態へと容易に相変化を行う補助剤の役割を果たす。このとき、作動媒体の密度があまりにも高め過ぎる場合には、放熱パイプそのものの重量が増えるという不具合がある。その一方、作動媒体の密度が低い場合には、揮発性の作動流体の相変化時間が延びるという不具合がある。

作動流体７としては、水、塩液、水と酢酸ソーダとの混合液などの揮発性の液体が用いられるが、作動媒体の気孔容積（作動媒体間の空気の含量）に応じて使い分けられる。すなわち、気孔の容積が０である場合には、作動流体７が全く含浸されていない状態を意味し、気孔の容積が１００％である場合には、繊維に作動流体７が完全に含浸されている状態を意味する。また、気孔の容積に対して作動流体が２０％未満に含浸されれば、作動流体が少量であるために放熱パイプをマットまたはボイラーとして使用可能な温度までに高めることができず、その一方、気孔の容積に対して作動流体が８０％以上に含浸されれば、加熱された作動流体が気化し難くなる結果、さらなる加熱時間及び消費電力が必要となるという欠点がある。

前記放熱パイプ１の熱線５に電気が供給されれば、熱線５から熱が発せられてその周りの作動媒体６と作動流体７を加熱し、固体の特性上温度の上昇が早い作動媒体６はその表面またはその表面と内部に含まれている水分を加熱して気化させるか、あるいは、高温の液体に加熱することにより、放熱パイプ１の全体を早い時間内に満遍なく加熱することとなる。

すなわち、先ず、作動媒体６が熱線５からの生成熱によって１次に加熱され、作動媒体６そのものに含まれている水分を２次に加熱して熱い蒸気または高温の液体に変え、３次に加熱されて気化した蒸気または高温の液体が放熱パイプ１の全体の内周面に満遍なく湿潤熱として分布され、これが管体の外周に伝導されて均一に放熱されるのである。そして、加熱により気化した蒸気は、放熱パイプ１の管体の内周面と接触しながら熱交換を行うことにより低温の液体として凝結・凝縮され、前記凝縮された水滴はそれ自体の重力作用及び界面張力により作動媒体６の接触表面を介してさらに吸収されて再加熱され、気化、凝縮、吸収の過程を連続的に繰り返しながら暖房を行う。

バイメタル８は、封止キャップ３を挿通して管体２の内部に設けられ、管体２の内部の温度と気圧を測って熱線５への供給電源を遮断する。この種のバイメタル８は、液相から気相へと相変化された作動流体７の温度と圧力（特に、気圧）を測って電源を自動的に遮断することができるので、作動流体７が所定以上の温度または圧力に高くなって管体２または封止キャップ３に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

この種の放熱パイプが放熱器として使用可能に、管体２の外部には外部の温度を測る温度感知器９と、バイメタル８及び温度感知器９に接続されて電源を制御する温度調節器１０と、が設けられる。

温度感知器９は管体の外部に設けられ、放熱パイプの温度を制御する温度調節器１０に接続されている。

温度調節器１０は、外部の電源供給源（図示せず）に差し込まれる電源プラグを有しており、温度調節器１０には、管体２に延在して封止キャップに形成された穿孔を介して熱線５に接続される電線４が設けられている。

以下、実施例を挙げて前記作動媒体に作動流体をそれぞれ別々の割合にて混合したときの暖房効率の変化について説明する。

前記放熱パイプは、その直径が１５ｍｍであり、高さが１ｍであるＸ−Ｌ製の管体の内部に熱線を挿通させることにより得た。１〜３ｍｍの黄土粒子を作動媒体（固体）として、且つ、作動流体（液体）を水として用い、作動媒体と作動流体の混合比をそれぞれ別々にして前記管体に充填した。このとき、実験室の大気温度は１２〜１３°Ｃに保持した。相異なる混合比をもって充填された作動媒体と作動流体に対して同じ量の電気を加え、且つ、同じ時間だけ加熱を行った。その後、デジタル温度計を使って１分おきに放熱パイプの温度を測り、これを１時間続けた。その結果を表１に示す。下記表１において、”固体＋液体”の状態とは、固体をいっぱいに充填した状態で、液体を”備考”に示されている量だけ混合して充填した状態を言う。

前記表１に示すように、作動流体のみ充填された場合には、作動媒体のみ充填された場合よりも放熱パイプの温度が徐々に上がるということが分かる。これより、作動媒体の方が暖房効率に一層優れているということが確認できる。また、作動媒体が充填された放熱パイプに作動流体を少量充填した場合、作動媒体のみ充填した場合よりも暖房効率がはるかに高くなるということが分かる。

そして、前記作動流体を４０〜４５ｍｌほど充填すれば、作動媒体の表面または表面とその内部に水分が含有されて非流動性を持つことになる。しかし、それ以上に多量の作動流体を作動媒体に充填すれば、作動媒体の水分の含量が高過ぎて放熱パイプ内に流れてしまう結果となる。これは実験により得られたデータ値であるため、作動流体の量がこれに限定されることはない。

実施例１に従い製造された作動媒体（固体）と作動流体（液体）が含有されている管体を１時間加熱した後に電気の供給を止め、同じ条件下で放熱パイプの温度を５分おきに測った。その温度の下降の変化を下記表２に示す。

表２に示すように、作動流体のみ充填した場合には、媒体のみ充填した場合よりも温度の下降速度が遅いということが分かる。これにより、作動媒体のみ充填した方よりも、作動流体のみを充填した方が、暖房を長時間持続する上で一層効果的であることが確認できる。

さらに、上記のように放熱パイプに作動媒体と作動流体を相異なる混合比にて混合して充填したところ、前記放熱パイプに作動媒体と作動流体を適切量だけ充填すれば、作動媒体のみ充填した場合よりも一層優れた暖房の持続効果を示すことが確認できる。

このため、表１と表２を比較・分析するとき、作動媒体のみ、または作動流体のみを放熱パイプに充填した方よりも、作動媒体と作動流体を所定の割合にて混合して放熱パイプに充填することにより、一層優れた暖房効率が得られるということが明らかになる。

しかし、前記放熱パイプに作動媒体と作動流体を混合して充填するに当たり、作動媒体の表面から作動流体が流れないほどの量、すなわち、４０〜４５ｍｌを超える一層多くの作動流体を作動媒体と混合して充填すれば、放熱パイプの下部側には作動流体が溜まっているため、この部分は全体としての放熱パイプの温度に比べて低温となるという欠点がある。この理由から、作動媒体の表面から作動流体が流れないほどに作動媒体と作動流体を混合して放熱パイプに充填することが好適である。

７〜８°Ｃの室温において１５ｍｍφのエクセルパイプにより形成された管体１０ｍをジグザグ状に５本配列し、次いで、管体の内部に１ｍ当たり２０Ｗ／Ｈのニクロム熱線を往復１０ｍずつ２列に並べた。作動媒体として６００ｃｍ³容積当たり２０ｇ重量のポリエステル圧縮木綿１，０００ｇに、水と酢酸ソーダよりなる作動流体を、管体の内容積を目安として１５容積％（管体１０ｍの１．５ｍの高さ）、２２容積％（管体１０ｍの２．２ｍの高さ）及び２９容積％（管体１０ｍの２．９ｍの高さ）ほどそれぞれ含浸させた。３番目の放熱パイプと４番目の放熱パイプとの間にデジタル温度計を入れ、３０分経過後の平均温度を数回に亘って測った。その結果を下記表３に示す。

比較例１

実施例３と同じ管体に同じ熱線を内装し、難燃性の繊維を入れなかった状態で作動流体のみを１００％充填した。その後、３番目の放熱パイプと４番目の放熱パイプとの間にデジタル温度計を入れ、３０分経過後の平均温度を数回に亘って測った。

測定の結果、電源を供給してから約３０分経過後には３７〜３９°Ｃの温度まで昇温していた。

実施例３と比較例１から明らかなように、本発明の放熱パイプは、通常の液体よりなる作動流体が含まれている放熱パイプに比べて早い時間内に高温に達することができ、暖房温度への到達のための消費電力を抑える。

一方、図２に基づき、本発明の電気マットについて詳述する。

図２に示すように、本発明の電気マット１１の底面には、ポリウレタンフォームなどの断熱性を有する断熱部材１２が所定の厚さをもって形成され、この断熱部材１２の上には放熱パイプ１を設けるためのジグザグ状のホース収容部１３が形成される。

断熱部材１２に形成されたホース収容部１３には、ホース収容部１３に対応する形状に放熱パイプ１が配列され、放熱パイプ１の上部には伝熱板１４が取り付けられる。このとき、伝熱板１４としては、熱伝導性に優れた金属板材のものが用いられる。

その後、伝熱板１４の上部をマット層１５により仕上処理して電気マット１１を完成する。

一方、温度を感知する温度感知器９は、放熱パイプ１の外部または伝熱板１４に設けられ、この温度感知器９は、放熱パイプ１の発熱量を調節する温度調節器１０に接続されている。

図３に基づき、本発明の他の実施例に係るオンドル部屋（床下暖房付き部屋）に設けられる電気ボイラーについて説明する。

図３に示すように、先ず、オンドル部屋２２の床面にジグザグ状に直線及び曲線のホース収容部（図示せず）が形成され、ホース収容部の形状に応じて放熱パイプ１が収められる。

その後、放熱パイプ１の上部に放熱パイプからの生成熱を伝えるための伝熱板２３が設けられ、この伝熱板２３の上部に美装材２４と仕上げ材２５が設けられて電気ボイラー２１付きオンドル部屋が形成される。このとき、温度感知器９は、放熱パイプの外部となる伝熱板２３に設けられて伝熱板２３の温度を感知する。

温度調節器１０は、壁面の一側に設けられて放熱パイプ１の間に敷設された電線４への供給電源を調節する。

図４に基づき、本発明のさらに他の実施例に係る放熱パイプ付き電気ラジエータについて説明する。

本発明の電気ラジエータ３０は、通常のラジエータと同様に、所定形状の放熱パイプ３２に電気の供給により発熱を行う熱線５が内装され、前記放熱パイプ３２には放熱パイプ３２の熱を放出する多数の放熱板３３が垂直に立設され、前記放熱板３３には高温の気体または高温の液体が循環する循環通路３４が形成される。

このように、図２ないし図４に示す電気マット１１、電気ボイラー２１または電気ラジエータ３１に設けられた放熱パイプ１は、図１に示すように、管体２内に内装された熱線５に電源が供給されれば、熱線５が発熱し、熱線を取り囲む作動媒体６が加熱されて温度が昇温する。作動媒体の昇温に伴い、作動流体７は液体状態から気体状態へと相変化された後に放熱パイプ１の全体の内周面に万遍なく湿潤熱として分布され、次いで、管体の外周に伝導されて均一に放熱することにより、暖房の機能が与えられる。

そして、加熱により気化した蒸気は放熱パイプ１の管体の内周面と接触しながら熱交換を行うことにより、低温の液体に凝結・凝縮され、前記凝縮された水滴はそれ自体の重力作用及び界面張力によって作動媒体６の接触表面を介してさらに吸収されて再加熱され、気化、凝縮、吸収の過程を連続的に繰り返しながら暖房を行うことになる。

一方、作動流体７の気化による管体２内の温度と圧力はバイメタル８により測定され、測定された温度と圧力が予め設定された温度及び圧力を超える場合には、熱線５への供給電源を自動的に遮断する。

以上述べたように、本発明の作動媒体と作動流体が充填された放熱パイプは、電気の供給により発熱して暖房を行うあらゆる種類の機器に適用してその暖房効率を高めることができる。このため、本発明の範ちゅうは上述した機器にのみ限定されることなく、電気を用いたあらゆる種類の機器に適用可能であることは、当業者にとって自明である。

さらに、前記放熱パイプに充填される作動媒体に対する作動流体の混合比は、放熱パイプの大きさと作動媒体の吸水率に応じて各種多様に変わる。よって、適正な混合比を設定し、この混合比に基づき作動媒体に作動流体を混合して用いることも、本発明の範ちゅうに属すると言えるであろう。

本発明に係る電気放熱パイプの断面図である。 本発明に係る電気放熱パイプ付き電気マットの結合状態図である。 本発明に係る電気放熱パイプ付き電気ボイラーの結合状態図である。 本発明に係る電気放熱パイプ付き電気ラジエータの要部断面図である。

符号の説明

１ 電気放熱パイプ
２ 管体
３ 封止キャップ
４ 電線
５ 熱線
６ 作動媒体
７ 作動流体
８ バイメタル

Claims (8)

1. 所定形状の管体と、管体の内部を挿通する熱線と、前記管体の両端部を閉塞する封止キャップと、を備える放熱パイプにおいて、
   前記管体の内部に多孔質の難不燃性作動媒体が充填され、該多孔質の難不燃性作動媒体には揮発性の作動流体が作動媒体の気孔容積に対して２０〜８０％の範囲内でかつ作動媒体の表面から流れないほどの量を含浸されていることを特徴とする電気放熱パイプ。
2. 前記作動媒体は、サイズが１〜３ｍｍとなる円形、楕円形、あるいは多角形状のものであることを特徴とする請求項１記載の電気放熱パイプ。
3. 前記作動媒体は、黄土粒子、墨、砂利及びゼオライトよりなる群から選ばれたいずれか１種であることを特徴とする請求項２記載の電気放熱パイプ。
4. 前記作動媒体は、多孔質の真綿、不織布、木綿及びロープよりなる群から選ばれたいずれか１種の難不燃性繊維系のものであることを特徴とする請求項１記載の電気放熱パイプ。
5. 底面に設けられる断熱部材と；所定形状の管体と、前記管体の両端部を閉塞する封止キャップと、前記管体に挿通され、電気が供給されれば発熱を行う熱線とを備える放熱パイプと；前記放熱パイプの上部に設けられる伝熱板と；前記伝熱板の上部に設けられる仕上材層と；を備える通常の電気マットにおいて、
   前記放熱パイプの内部に多孔質の難不燃性作動媒体が充填され、該多孔質の難不燃性作動媒体には揮発性の作動流体が作動媒体の気孔容積に対して２０〜８０％の範囲内でかつ作動媒体の表面から流れないほどの量を含浸されていることを特徴とする電気マット。
6. 前記作動媒体は、黄土粒子、墨、砂利及びゼオライトよりなる群から選ばれたいずれか１種であるか、あるいは、多孔質の真綿、不織布、木綿及びロープよりなる群から選ばれたいずれか１種であることを特徴とする請求項６記載の電気マット。
7. 所定形状の管体よりなる放熱パイプと、前記放熱パイプに内装され、電気が供給されれば発熱を行う熱線と、前記放熱パイプに垂直に立設され、放熱パイプからの熱を放出する多数枚の放熱板と、を備える通常の電気ラジエータにおいて、
   放熱パイプの内部に多孔質の難不燃性作動媒体が充填され、該多孔質の難不燃性作動媒体には揮発性の作動流体が作動媒体の気孔容積に対して２０〜８０％の範囲内でかつ作動媒体の表面から流れないほどの量を含浸されていることを特徴とする電気ラジエータ。
8. 前記作動媒体は、黄土粒子、墨、砂利及びゼオライトよりなる群から選ばれたいずれか１種であるか、あるいは、多孔質の真綿、不織布、木綿及びロープよりなる群から選ばれたいずれか１種であることを特徴とする請求項８記載の電気ラジエータ。

Images