JP2001124409A - ボイラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボイラーにおける水又は蒸気の加熱を極めて
効率よく行えるようにしたボイラーを提供すること。 【解決手段】 加熱すべき水又は蒸気を石英管７１に通
し、コーツヒータ７４から水の吸収スペクトル帯の波長
を含む加熱用放射エネルギーを石英管７１に放射して水
又は蒸気に加熱用放射エネルギーを低損失で直接吸収さ
せ、高効率で水又は蒸気を加熱できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水を効率よく温水又
は蒸気とすることができるようにしたボイラーに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ボイラーは、一般に、長い鋼管内を流れ
る水又は蒸気を該鋼管の外側から加熱することにより温
水又は蒸気を供給するようにした構成が採用されてい
る。この場合の加熱方法として、燃焼ガスと接触させて
加熱する形式のもの、炉からの放射熱によって加熱する
形式のもの、又はこれらを混合した形式のもの等が公知
であり、加熱源としては、主として、電気式又は燃焼ガ
ス式のものが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のボイラ
ーにおいては、いずれの加熱形式のものにおいても、燃
焼ガス又は電熱による熱を鋼管の外側からその内部を流
れる水又は蒸気に適宜に与え、水を温水にし、又は加熱
により得られた蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とするも
のであり、加熱効率を考えた設計となっていないのが現
状である。

【０００４】本発明の目的は、ボイラーにおける水又は
蒸気の加熱を極めて効率よく行い、これにより熱交換効
率が著しく改善されたボイラーを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、水に特有のシャープな吸収スペクトル帯
に注目し、ボイラーにおける加熱用の放射エネルギー発
生源の温度をこの吸収スペクトル帯に見合う温度とする
ことにより極めて効率よく水又は蒸気を加熱できるよう
にしたものである。このため、加熱すべき水又は蒸気を
通す管を石英管による放射エネルギー吸収管とし、放射
エネルギー源から放射される上記吸収スペクトル帯の近
赤外線を石英管内を通る水又は蒸気に低損失で直接吸収
させる構成を採用し、これにより極めて高効率のボイラ
ーを実現したものである。

【０００６】本発明によれば、給水装置から供給される
水をボイラー本体内で加熱して温水又は蒸気を供給する
ようにしたボイラーであって、前記ボイラー本体が、前
記水を通す石英管から成る水管と、該水管の外側に配置
され水の吸収スペクトル帯の波長を含む加熱用放射エネ
ルギーを放射する加熱源とを備えて成るボイラーが提案
される。

【０００７】水の吸収スペクトル帯は近赤外線領域にあ
り、波長で言えば略２．５５μｍ〜２．７７５μｍの範
囲である。加熱源から放射される加熱用放射エネルギー
は上記波長範囲内のスペクトルの一部又は全部を含んで
おり、したがって加熱用放射エネルギーは石英製の水管
を殆ど無損失で通って中に入り、そこを流れている水又
は蒸気である被加熱流体によく吸収されて、被加熱流体
を極めて高効率で加熱することができる。このように水
管内を流れている水又は蒸気を高効率で加熱できるの
で、水を高温の温水とし、又は水蒸気を過熱水蒸気とす
る等の各種の加熱を低コストにて行うことができる。

【０００８】水に特有の吸収スペクトル帯の波長の加熱
用放射エネルギーを放射させるための加熱源は、電気式
又は燃焼ガス式等適宜の形式のものでよく、その表面温
度を例えば１０５４．７Ｋ（約７８０°Ｃ）とすること
により目的とする上記波長の近赤外線を多量に含んだ加
熱用放射エネルギーを放射させることができる。加熱源
として、化石燃料の火炎で加熱したれんがやセラミック
チューブなど、又は電気ヒーターによるセラミックヒー
ターやコーツヒーターなどを用いることができるが、加
熱源はこれらに限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例につき詳細に説明する。

【００１０】図１は本発明による蒸気ボイラーの実施の
形態の一例を示す概略構成図である。図１に示したボイ
ラー１は電気式の小型蒸気ボイラーであり、給水装置２
によって軟水化された水が給水ポンプ３によってボイラ
ー本体４に供給され、供給された水がボイラー本体４に
おいて後述の如く加熱され、蒸気を発生するように構成
されている。

【００１１】本実施の形態においては、ボイラー本体４
は、商用の三相交流電源５から分電盤６を介して電力の
供給を受けている給水加熱用の電気式の主ボイラー７
と、電気式の過熱器８とを具えている。給水ポンプ３に
よって供給された水は先ず主ボイラー７において加熱さ
れて１００°Ｃ圧力水とされた後、過熱器８において加
熱され、これによる過熱により得られた過熱蒸気が気水
分離器９に送られ、蒸気取出し弁１０から過熱蒸気のみ
を取り出すことができる構成となっている。ここで、１
１は安全弁、１２はブロー弁である。

【００１２】図２には図１に示した主ボイラー７の要部
を断面して示す要部断面図が示されており、図３には図
２のＡ−Ａ線断面図が示されている。

【００１３】図２及び図３を参照して主ボイラー７につ
いて説明する。主ボイラー７は、給水ポンプ３によって
供給された被加熱流体である水を加熱の目的で通過させ
るための水管である石英管７１を備えており、石英管７
１は主ボイラー７のハウジングを形成する一対のプレー
ト７Ａ、７Ｂ間に固定具７Ｃ、７Ｄによってしっかりと
固定されている。

【００１４】石英管７１の下端部７１Ａには、一端が給
水ポンプ３に連結されている給水パイプ２１の他端が接
続具７２によって液密に接続され、一方、石英管７１の
上端部７１Ｂには、連結パイプ４１の一端が接続具７３
によって液密に接続されている。連結パイプ４１の他端
は過熱器８の入力端（図示せず）に接続されており、こ
れにより、後述するようにして放射エネルギー吸収管と
しての石英管７１内で加熱されて得られる１００°Ｃ圧
力水を連結パイプ４１を介して過熱器８に送ることがで
きる。

【００１５】石英管７１内を通過する水を加熱するた
め、石英管７１の近傍にはロッド状のコーツヒータ７４
が配設されている。本実施の形態では、コーツヒータ７
４は、主ボイラー７のハウジングに固定された一対の凹
面反射鏡７５、７６のうちの一方の凹面反射鏡７５の内
側に、石英管７１と平行して所定の一定間隔が保たれる
ようにその上下を固定具７Ｅ、７Ｆにより固定されてい
る。

【００１６】コーツヒータ７４には、分電盤６から加熱
用の交流電力が図示しない配線手段を介して供給され、
これによりコーツヒータ７４から加熱用の放射エネルギ
ーが放射される。このコーツヒータ７４からの放射エネ
ルギーは石英管７１に直接放射されるほか一対の凹面反
射鏡７５、７６によって反射され、加熱エネルギーが石
英管７１に集中するように構成されている。このため、
コーツヒータ７４からの放射エネルギーを石英管７１及
びそこを流れる水に効率よく与えることができる。

【００１７】石英管７１を通る被加熱流体である水を加
熱するための加熱源であるコーツヒータ７４は、水の吸
収スペクトル帯の波長を含む加熱用放射エネルギーを放
射する加熱源として働くように構成されている。

【００１８】図４には、加熱用放射エネルギーの波長と
吸収強度との間の関係が示されている。図４に示したグ
ラフから判るように、水の場合その吸収スペクトル帯は
近赤外線領域にありその波長が２．７μｍ付近において
最大吸収強度となる。図４のグラフに示されるように、
その波長が２．５μｍ〜２．８μｍの範囲内で吸収強度
が急激に大きくなることが判るので、好ましくは、この
波長帯の放射エネルギーがコーツヒータ７４から放射さ
れるようその表面温度を設定するのが好ましいことが判
る。

【００１９】上述した好ましい表面温度は次のようにし
て求めることができる。水分子の伸縮基本振動は３６４
２Ｃｍであることから、その波長は １×１００／３６４２＝２．７４５７μｍ となる。したがって、ウイーンの変位則から、 λｍａｘ・Ｔ＝ｂ（ここで、ｂは２８９６（μｄｅ
ｇ）） であるから、Ｔ＝ｂ／λｍａｘ となる。これに数値を
代入すると、 Ｔ＝２８９６（μｄｅｇ）／２．７４５７（μｍ） ＝１，０５４．７４（°Ｋ） したがって、これを摂氏に変換すれば、 １０５４．７４−２７３．１６＝７８１．５８（°Ｃ） となる。

【００２０】したがって、コーツヒータ７４の表面温度
を大体７８０°Ｃ程度にすれば、コーツヒータ７４から
放射される加熱用放射エネルギーが石英管を殆ど無損失
で通過してその中を流れる水に最も効率よく吸収される
ことになる。

【００２１】この結果、石英管７１内の水を高効率で加
熱することができ、より少ない電気的エネルギーで石英
管７１内の水を所望の温度に上昇させることができ、極
めて経済的な水の加熱を行うことができる。

【００２２】水を加熱する場合、１３００°Ｃ以上とな
る化石燃料の燃焼炎を直接用いると水が高温となりす
ぎ、従来の電気ヒータによる加熱では水が所望の高温と
なりにくいという問題があった。しかし、主ボイラー７
は以上のように構成されているので、電気エネルギーを
用い、その加熱放射エネルギーの波長を上述の如くに選
ぶことによって水を極めて高効率で加熱できるので、電
気的エネルギーを用いた場合でも水を経済的に所望の高
温状態とすることができる。

【００２３】一方、化石燃料を用いた場合においても、
その加熱用放射エネルギーの波長を上述の値となるよう
にコントロールすれば、水を効率よく加熱できるので、
燃料の節約となり、経済性に富むボイラーシステムを実
現することができる。

【００２４】主ボイラー７において得られた１００°Ｃ
圧力水は連結パイプ４１を介して過熱器８に送られ、こ
こでさらに加熱されて過熱蒸気とされる。過熱器８の構
成は図２及び図３に示した主ボイラー７の構成と基本的
には全く同一のものであり、主ボイラー７から送られて
きた１００°Ｃ圧力水を石英管に通し、この石英管の近
くに配設されたコーツヒータによる加熱源から、水の吸
収スペクトル帯の波長を含む加熱用放射エネルギーを放
射し、これにより石英管内を通る１００°Ｃ圧力水を加
熱して所望の過熱状態の過熱蒸気とする構成である。

【００２５】したがって、主ボイラー７で用いた構成を
そのまま過熱器８の構成として用いることができるもの
であるから、過熱器８の構成を図示するのを省略する。

【００２６】ボイラー１は以上のように構成されている
ので、給水ポンプ３によって主ボイラー７に供給された
水は、石英管７１を通過する際にコーツヒータ７４から
放射される水の吸収スペクトル帯の波長を含む加熱用放
射エネルギーが石英管７１を殆ど無損失で通過し、水を
極めて効率よく加熱し、供給水を１００°Ｃ圧力水とす
ることができる。また、過熱器８では、全く同様にして
１００°Ｃ圧力水が高効率で過熱蒸気とされる。この結
果、ボイラー１によれば、従来に比べ極めて経済的に過
熱蒸気を発生させることができ、低コスト化を図ること
ができる。

【００２７】主ボイラー７及び過熱器８はいずれも開い
た系であり、主ボイラー７及び過熱器８は放射エネルギ
ーを用いて有効に加熱を行うものであるから、これらに
おいては函体の断熱が不要であり、且つ高効率の加熱が
可能であるという利点を得ることができる。

【００２８】なお、ボイラー１にて得られた過熱蒸気の
使用流量の変化に伴う出口側温度の一定制御が必要とな
るが、これは、過熱蒸気の取出口に温度センサを設け、
この温度センサの出力が所定レベルを保つようにコーツ
ヒータ７４への供給電力を制御する構成を付加すればよ
い。コーツヒータ７４の応答速度は８ｓｅｃ程度であ
り、高応答性を有しているので、上記制御は実現可能で
ある。

【００２９】また、主ボイラー７又は過熱器８におい
て、加熱源であるコーツヒータ７４の表面温度を所要の
温度、例えば７８０°Ｃにするためには、コーツヒータ
７４に供給される電流を制御すればよい。この場合、表
面温度計によりコーツヒータ７４の表面温度を測定し、
この測定結果が７８０°Ｃとなるようコーツヒータ７４
に接続した電流調節手段を適宜に制御する構成とするこ
とができるが、これに限定されず、公知の温度制御のた
めのシステムを適用することができる。

【００３０】ボイラー１において、主ボイラー７又は過
熱器８のうちのいずれか一方のみを図２及び図３に示す
如き構成することも可能である。

【００３１】さらに、上記実施の形態は、本発明を電気
式の小型蒸気ボイラーに適用した場合の一例を示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば過
熱器８を省略して温水ボイラーとして構成することもで
きる。また、加熱源は電気式のコーツヒータに限定され
るものではなく、コーツヒータ以外の電気式加熱源であ
ってもよいし、また、化石燃料の燃焼火炎による加熱源
であってもよい。

【００３２】図５には、主ボイラー７において用いられ
ていたコーツヒータ７４に代えて、化石燃料の燃焼火炎
による加熱源を用いた場合の構成例が示されている。図
５に示す構成では、コーツヒータ７４に代えて、燃焼筒
７４’を設け、燃料パイプＰによって燃焼筒７４’内に
供給される化石燃料を燃焼させ、これにより生じた燃焼
火炎Ｆにより燃焼筒７４’の表面温度を例えば７８０°
Ｃにすることによりコーツヒータ７４の場合と同様の効
果を得ることができる。ここで、燃焼筒７４’の表面温
度は、燃焼火炎Ｆを通って燃焼筒７４’内に送り込まれ
る化石燃料の量を調節することにより制御することがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、水の吸収
スペクトル帯にある波長の加熱用放射エネルギーを利用
することにより、より少ないエネルギーで水を効率的に
加熱し、所要の温度の温水又は蒸気を高効率で得ること
ができるので、従来に比べ、極めて経済性に優れたボイ
ラーを提供することができる。

【００３４】また、本発明では、加熱方式が放射タイプ
であるから、伝熱形態の構成は不要であり、したがって
加熱開始時における立上りを迅速に行うことができるほ
か、加熱制御の応答性が良好であるという利点を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるボイラーの実施の形態の一例を示
す概略構成図。

【図２】図１の主ボイラーの要部を断面して示す要部断
面図。

【図３】図２のＡ−Ａ線で断面して示す概略断面図。

【図４】水の場合の放射エネルギーの吸収強度と波長と
の間の関係を示すグラフ。

【図５】化石燃料を使用するように構成された主ボイラ
ーの要部を概略的に示す概略図。

【符号の説明】

１ ボイラー ２ 給水装置 ３ 給水ポンプ ４ ボイラー本体 ７ 主ボイラー ８ 過熱器 ７１ 石英管 ７５、７６ 凹面反射鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 給水装置から供給される水をボイラー本
   体内で加熱して温水又は蒸気を供給するようにしたボイ
   ラーであって、前記ボイラー本体が、前記水を通す石英
   管から成る水管と、該水管の外側に配置され水の吸収ス
   ペクトル帯の波長を含む加熱用放射エネルギーを放射す
   る加熱源とを備えて成ることを特徴とするボイラー。