JP2007071452A - 高温水蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 飽和水蒸気を圧縮加熱して過熱水蒸気を形成するときの当該飽和水蒸気の圧縮効率を高くして高出力の熱エネルギー源として使用できるようにする。
【解決手段】 常圧下で発生した飽和水蒸気Ｐ１を回転遠心力によって圧縮して加熱部１１に導入する遠心式圧縮機（７）と、加熱部１１によって発生した過熱水蒸気Ｐ２でもって遠心式圧縮機（７）と同軸で強制回転されるタービンファン８とを備える。タービンファン８には、過熱水蒸気Ｐ２の圧力を上昇させるファン回転用ノズル２１を配装し、またタービンファン８を配置させた過熱水蒸気Ｐ２噴出側には、高速発生用の送出ノズル２０を備える。加熱部１１は、圧縮した飽和水蒸気Ｐ１を通過させる誘導加熱体１７と、該誘導加熱体１７にジュール熱を生じさせる渦電流を発生させるよう高周波電流により磁界を発生可能としたワークコイル１８とを配置して成る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温の過熱蒸気圧を供給させることで例えば無酸素雰囲気での様々な物質の蒸解気化、有機物の炭化、さらには汚泥・廃液・食品等の加熱焼成、金属類の融解その他のための殺菌、滅菌、乾燥、ガス化等の熱源として使用可能にした高温水蒸気を発生させる高温水蒸気発生装置に関する。

従来、この種の高温水蒸気発生装置として、例えば特許文献１に開示されているように、水蒸気を案内する導管の途中に、外側に高周波交流電源に接続したコイルを配置して成る電磁誘導式の過熱タンクを配置し、該過熱タンク内に磁性部材を配置して水蒸気をこの磁性部材に接触しながら通過させることでさらに加熱された過熱水蒸気となし、これを徐々に膨張しながら高温高圧状態となって排出させるようにした過熱蒸気発生装置が提案されている。

この過熱蒸気発生装置における高周波交流電源によりコイルに発生した磁力線は、電磁誘導式の過熱タンク内の磁性部材の磁力に影響されて弱い渦電流が発生するのに伴い当該磁性部材自体の電気抵抗によってジュール熱が発生するものとなり、このジュール熱による磁性部材自体の加熱によって水蒸気を高温の過熱水蒸気にしている。

また、過熱タンク内にはその水蒸気流路と直角となる多数の隔壁を介して形成された区画室が直列に配されており、水蒸気はこの隔壁に衝突しながら隔壁に穿設した透孔を経て区画室を通過することで加熱圧縮が繰り返され、効率の良い過熱蒸気が発生できるとしている。
特開２００４−２５１６０５号公報

しかしながら、この従来における過熱蒸気発生装置は、電磁誘導式の過熱タンク内に固定配置されている隔壁に衝突しながら区画室を通過させることで水蒸気は加熱膨張が繰り返えされるも、繰り返しに伴い次第に膨張効率が低下してしまう虞れがある。またこの従来の過熱蒸気発生装置では過熱タンク内での電磁誘導による加熱のみであるから、十分な加熱作用が得られない欠点があった。

そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、飽和水蒸気を無酸素状態の高温の無反応ガスの過熱水蒸気として送出供給可能にすることで例えば加熱源または熱媒等として産業上広範囲に利用できるようにすると共に、飽和水蒸気を圧縮加熱して過熱水蒸気を形成するに際し、飽和水蒸気の圧縮効率を高くすることができ、しかも形成された過熱水蒸気の噴出使用に際し、高出力の熱エネルギー源としても利用できるようにした高温水蒸気発生装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明にあっては、常圧下で発生させた飽和水蒸気Ｐ１を、誘導加熱式の加熱部１１に導入することで高温過熱水蒸気Ｐ２として噴出させる高温水蒸気発生装置であって、飽和水蒸気Ｐ１を回転遠心力によって圧縮して加熱部１１に導入させる遠心式圧縮機（７）と、加熱部１１によって発生した過熱水蒸気Ｐ２でもって遠心式圧縮機（７）と同軸で強制回転されるタービンファン８とを備えたものである。
タービンファン８には、過熱水蒸気Ｐ２の圧力を上昇させるファン回転用ノズル２１を配装して成るものとできる。
またタービンファン８を配置させた過熱水蒸気Ｐ２噴出側には、高速発生用の送出ノズル２０を備えて成るものとできる。
さらに加熱部１１は、圧縮した飽和水蒸気Ｐ１を通過させる誘導加熱体１７と、該誘導加熱体１７にジュール熱を生じさせる渦電流を発生させるよう高周波電流により磁界を発生可能としたワークコイル１８とを配置して成るものとできる。

以上のように構成された本発明に係る高温水蒸気発生装置にあって、遠心式圧縮機（７）は、常圧下で発生させた飽和水蒸気Ｐ１を回転遠心力によって圧縮して加熱部１１に導入させる。この加熱部１１における誘導加熱体１７は、高周波電流でもってワークコイル１８に発生した磁力線によって渦電流を発生させ、この渦電流の発生に伴い誘導加熱体１７自体の電気抵抗によって当該誘導加熱体１７内部にジュール熱を発生させるものとなり、このジュール熱により誘導加熱体１７を通過させる飽和水蒸気Ｐ１を更に高温、高圧にして無色透明な過熱水蒸気Ｐ２の状態にさせる。
そして、この過熱水蒸気Ｐ２はタービンファン８に送られ、当該タービンファン８自体を強制回転させ、その回転作用で高出力状態の膨張ガスとなって外部に噴出される。このとき、タービンファン８は遠心式圧縮機（７）と同軸で繋がっているため、タービンファン８の回転速度と遠心式圧縮機（７）とは比例関係にあるものとなり、タービンファン８の回転速度が上がると遠心式圧縮機（７）の回転速度も上がり、これによって加熱部１１に導入される飽和水蒸気Ｐ１に対し高い圧縮力を生じさせ、圧縮比を一層大きくし、高圧力を発生させる。
ファン回転用ノズル２１は、加熱部１１で形成させた過熱水蒸気Ｐ２をタービンファン８に対して高圧力で供給し、一層の高速回転、高出力を付与させる。

本発明は上述したように構成されており、そのため飽和水蒸気Ｐ１を無酸素状態の高温の無反応ガスとして送出可能にすることで例えば加熱源または熱媒等として産業上広範囲に利用できるのである。また飽和水蒸気Ｐ１を圧縮加熱して過熱水蒸気Ｐ２を形成するに際し、飽和水蒸気Ｐ１の圧縮効率を高くすることができ、しかも形成された過熱水蒸気Ｐ２の噴出使用に際し、高出力の熱エネルギー源として使用することができる。

これは本発明が、常圧下で発生させた飽和水蒸気Ｐ１を、誘導加熱式の加熱部１１に導入することで過熱水蒸気Ｐ２として噴出させる高温水蒸気発生装置であって、飽和水蒸気Ｐ１を回転遠心力によって圧縮して加熱部１１に導入させる遠心式圧縮機（７）と、加熱部１１によって発生した過熱水蒸気Ｐ２でもって遠心式圧縮機（７）と同軸で強制回転されるタービンファン８とを備えたからであり、これにより、飽和水蒸気Ｐ１の圧縮効率を高くすることができ、高温、高出力の過熱水蒸気Ｐ２を送出することができる。

すなわち、加熱部１１での圧縮水蒸気の過熱後に高温膨張された過熱水蒸気Ｐ２をタービンファン８に送って強制回転させるに際し、タービンファン８は遠心式圧縮機（７）と同軸で繋がっており、タービンファン８の回転速度と遠心式圧縮機（７）とは比例関係にあるため、タービンファン８の回転速度が上がると遠心式圧縮機（７）の回転速度も上がり、これによって遠心式圧縮機（７）自体には、飽和水蒸気Ｐ１を更に圧縮する高い圧縮比が生まれて過熱水蒸気Ｐ２の高エネルギー出力が得られる。

タービンファン８には、過熱水蒸気Ｐ２の圧力を上昇させるファン回転用ノズル２１を配装して成るので、過熱水蒸気Ｐ２でタービンファン８を一層高速で回転でき、しかもこれと回転数が比例関係にある遠心式圧縮機（７）の高速回転とも相俟ち、一層の高温、高圧の過熱水蒸気Ｐ２を形成する。

また、タービンファン８を配置させた過熱水蒸気Ｐ２噴出側には、高速発生用の送出ノズル２０を備えて成るので、高含水廃棄物や有機物等の無酸素雰囲気での乾燥、粉砕、あるいは高含水動植物の加水分解的な蒸解気化、高分子化合物の蒸解気化、金属類の融解や溶断、さらには殺菌、滅菌機器の加熱源、各種形状を有する熱交換器の熱媒等としても使用することができる。

このように形成された無色透明な過熱水蒸気Ｐ２は無酸素状態を保持しているため、様々な産業利用において酸素による酸化反応、すなわち発火や着火等が未然に回避され、産業上、安全な熱源となると同時に、従来の外部からの加熱方法とは異なる還元反応が期待できる。特に、加熱するときの熱源が過熱された過熱水蒸気Ｐ２であるため、汚泥・廃液・食品等の焼成がソフトに行える。しかも、平均的に加熱された状態の過熱水蒸気Ｐ２を使用するため、被加熱物体の面全体に直接熱源を均一に当射することができ、且つ局部的な加熱現象を防止することができる。

また、形成された過熱水蒸気Ｐ２の特殊用途としては、例えば鉄やアルミニウム等の金属触媒を使用して水素を発生させることができる。また、１０００℃以上の過熱水蒸気Ｐ２を炭素充填容器内に導入して水性ガス化反応を起こさせることで一酸化炭素と水素との混合ガスを形成することもできる。その他の用途としては、有害物質の混入していない廃油を過熱水蒸気Ｐ２と混合接触させ、小型の蒸留分離筒で混入物と気化分離させると共に、気化物を冷却凝縮して油水分離すると燃料油が容易に回収できる。

加熱部１１は、圧縮した飽和水蒸気Ｐ１を通過させる誘導加熱体１７と、該誘導加熱体１７にジュール熱を生じさせる渦電流を発生させるよう高周波電流により磁界を発生可能としたワークコイル１８とを配置して成るので、ジュール熱の発生による誘導加熱体１７自体の加熱によって、これを通過する飽和水蒸気Ｐ１を容易に高温の過熱水蒸気Ｐ２の状態にすることができる。

例えば、高含水率の動植物の加水分解的な蒸解気化としては、水分が９５％近くあるクラゲや高含水率の植物等は、燃焼処理の際に乾燥工程を経ないと燃焼が困難であるのに対し、本発明の高温の過熱水蒸気Ｐ２による蒸解気化を行なえば水分に溶解する成分は気化物となって外部に吐出され、溶解不可能な成分が炭化物となって残る。

また、ゴムおよびプラスチック等の分解気化としては、樹脂であるＦＲＰ等は補強材用のガラス繊維が入っており、破砕後も容易なリサイクル方法が見いだされないのであるが、本発明の高温の過熱水蒸気Ｐ２をＦＲＰ破砕物に当射すると樹脂分が気化し、且つ冷却すると油状物となるため燃料としての使用が可能となる。しかも残留物としてガラス繊維が残るが、強熱すればガラス塊になり、埋め立てや骨材として使用する等の後処理が容易となる。

また、４００℃〜６００℃の高温度を必要とする熱交換器の場合、従来では熱媒として廃油等を使用しているが、このとき配管漏れが発生した場合には、廃油に含まれている毒性の強いガスが発生する等の環境衛生上の問題が発生するが、本発明の高温の過熱水蒸気Ｐ２を熱媒として使用すれば、このような問題が無くなり、例えば食品等の熱媒としても安心して使用することができる。しかも一般のボイラー蒸気では焼成を行なうことが困難であるのに対して、本発明の高温の過熱水蒸気Ｐ２を熱媒として使用すれば食品や非食品に拘わらず容易に焼成を行なうことができる。

尚、上記の課題を解決するための手段、発明の効果の項夫々において付記した符号は、図面中に記載した構成各部を示す部分との参照を容易にするために付したもので、図面中の符号によって示された構造・形状に本発明が限定されるものではない。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の一形態を説明すると、図において示される符号１は、高温の蒸気圧を排出させることで主として無酸素雰囲気での熱源として使用される本発明の高温水蒸気発生装置に係る装置本体である。該装置本体１は、図１に示すように、外周に例えばセラミック製またはガラス繊維製等の耐熱断熱材１３によって被覆された中空状の軸受筐体２の一端側に吸気口３を設け且つ吸気口３に対向する他端側に送気口４を設けると共に、軸受筐体２内部の前後に配した例えばエアー支持構造のベアリング５を介して回転可能に支持された状態で吸気口３から送気口４に向けて当該軸受筐体２にシャフト６が貫挿されている。

そして、吸気口３側に突出したシャフト６の一端に回転ロータ状の遠心式圧縮機であるインペラ７を固着して当該吸気口３内部に配し、一方、送気口４側に突出したシャフト６の他端にタービンファン８を固着して当該送気口３内部に配してあり、インペラ７とタービンファン８とが、軸受筐体２によって枢着支持されたシャフト６を介して互いに一体となって同軸回転するようにしてある。

遠心式圧縮機であるインペラ７の翼形状は、高圧力比と高効率が得られるよう例えばシュラウド面、ハブ面それぞれの円弧状曲線間に直線線素を有する母線型インペラ、あるいは点群により形成された三次元自由曲面形状の点群型インペラ等のように共に三次元的に捩れた形状を呈している。そして、シャフト６の軸方向に沿って吸気口３内に供給導入された飽和水蒸気Ｐ１をインペラ７の回転遠心力によって圧縮しながら、インペラ７の周囲である吸気口３における周壁の所定位置に形成してある導入口を経て後述する加熱部１１に導入させるものとしてある。

また、軸受筐体２の隣接位置には、飽和水蒸気Ｐ１を加熱するための加熱部１１が配置されている。すなわち、加熱部１１は、中空状の加熱筐体１２の外周面を例えばセラミック製またはガラス繊維製等の耐熱断熱材１３によって被覆してあり、加熱筐体１２の一端側がＬ字状の吸気管１４を介して、インペラ７外周に対向する吸気口３内壁面に連通し、加熱筐体１２の他端側に形成した次第に狭径となるテーパ部１５からＬ字状の送気管１６を介して、タービンファン８外周に対向する送気口４内壁面に連通している。

そして加熱筐体１２の内部には、図２に示すように、圧縮した飽和水蒸気Ｐ１を通過させるための複数の通気孔１７Ａを穿設した金属製円板状の誘導加熱体１７と、該誘導加熱体１７にジュール熱を生じさせるための渦電流を発生させるよう高周波電流により磁界を発生可能としたワークコイル１８とを配置してある。このワークコイル１８はインバータ１９を介して不図示の高周波電源に接続されている。そしてワークコイル１８によって誘導加熱体１７における通気孔１７Ａの表面が高温となり、これに晒される飽和水蒸気Ｐ１が加熱されることで過熱水蒸気Ｐ２になって送出されるようにしてある。尚、これらの誘導加熱体１７、ワークコイル１８は図示を省略したが交互に配置することもでき、加熱効率を向上できるようにしておくと良い。

このワークコイル１８としては、図示のようなほぼΩ形に限らず、例えば一対のＵ字導電管の端部同士を直線導電管で繋いだヘアピンタイプ、導電管を平面渦巻き状に形成したパンケーキタイプ、導電板を対向させた分割タイプ等のものを使用しても良い。

こうして、常圧下で発生させた飽和水蒸気Ｐ１を、吸気口３内部の遠心式圧縮機であるインペラ７の回転遠心力によって圧縮して誘導加熱式の加熱部１１に導入することで過熱膨張した水蒸気にした後、送気口４から高温、高圧の高出力で噴出させるものとし、このとき加熱部１１によって発生した過熱水蒸気Ｐ２の高圧でもってタービンファン８を強制回転させることにより、送気口４から過熱水蒸気Ｐ２の高エネルギー出力が得られるようにしてある。

すなわち、タービンファン８は遠心式圧縮機のインペラ７とシャフト６で連繋されているため、タービンファン８の回転速度が上がると遠心式圧縮機のインペラ７の回転速度も同時に上がるという比例関係が生まれ、これによって遠心式圧縮機自体によって高い圧縮比が形成されるものとなる。

図において示される符号２１は過熱水蒸気Ｐ２の圧力を上昇させるファン回転用ノズルであり、例えば送気口４における周壁の一部に開口の噴出口の手前である送気管１６の出口に配装してある。これによって、加熱部１１にて加熱された過熱水蒸気Ｐ２によってタービンファン８を回転させるとき、一層高圧にしてタービンファン８を効率よく高速回転できるようにしている。

また、図３に示すように、タービンファン８を配置させた過熱水蒸気Ｐ２の送気口４には、先端に向けてテーパ状に次第に狭径となる高速発生用の送出ノズル２０を例えば耐熱性のパッキンを介して装着しても良い。この場合、亜音速の過熱水蒸気Ｐ２は送出ノズル２０によって絞り込まれて例えば音速である高速状態とすることもでき、所定の速度となるように設定しておけば、例えば衝撃波を発生しながら膨張収縮を繰り返すダイヤモンド波形を伴った過熱水蒸気Ｐ２の噴出が可能となる。

次に、以上のように構成された最良の形態についての使用、動作の一例について説明すると、図１に示すように、常圧下で発生させた無酸素状態の１００℃の飽和水蒸気Ｐ１を吸気口３から導入し、遠心式圧縮機であるインペラ７の回転遠心力によって飽和水蒸気Ｐ１を圧縮しながら吸気管１４を通って加熱部１１の加熱筐体１２内に導入する。

このとき加熱筐体１２内の誘導加熱体１７には、高周波電流でもってワークコイル１８によって渦電流が発生し、この渦電流の発生に伴い誘導加熱体１７自体の電気抵抗によって当該誘導加熱体１７内部にジュール熱が発生する。このジュール熱により誘導加熱体１７の通気孔１７Ａの表面が高温となり、これに飽和水蒸気Ｐ１Ｔが晒されることで、該通気孔１７Ａを通過する飽和水蒸気Ｐ１は、例えば１０００℃から１５００℃程度の高温の無色透明な過熱水蒸気Ｐ２の状態に加熱される。

そして、この過熱水蒸気Ｐ２は送気管１６を通ってタービンファン８に送られ、当該タービンファン８自体を強制回転しながら高出力状態の膨張ガスとなって送気口４から噴出される。このとき、タービンファン８は遠心式圧縮機のインペラ７と同軸で繋がっているため、タービンファン８の回転速度が上がるとこれに比例してインペラ７の回転速度も上がり、これによって加熱部１１に導入される飽和水蒸気Ｐ１に対し高い圧縮力が生じるものとなる。

また、図３に示すように、過熱水蒸気Ｐ２の送気口４側に高速発生用の送出ノズル２０を装着すれば、亜音速の過熱水蒸気Ｐ２は当該送出ノズル２０によって絞り込まれて例えば音速状態となって噴出する。

尚、図示を省略したが加熱部１１においての加熱構造は、例えば加熱筐体１２内に多数の小鉄球を封入すると共に、この小鉄球をワークコイル１８にて誘電加熱するようにしたものであったり、筒状の導電体（発熱体）内部に耐熱絶縁体を介在させて導電性ワークコイルを内装したものであったり、断熱材製の外筒内に、絶縁体を介在させて内部には、石英ガラス材、カーボンハニカム材が内外に配された導体を配し、外部にはワークコイルを配して多重筒状構成としたジュール熱発生体を設けたものであったり、非磁性体パイプ内に発熱体を配すると共に、非磁性体パイプの外周に高周波電源に接続されたワークコイルを設けたものであったりすることもできる。要は、インペラ７によって高速で供給される飽和水蒸気Ｐ１を効率的に加熱することで過熱水蒸気Ｐ２にして送出させれば良く、その具体的構造はこれらに限定されるものではないのである。

本発明を実施するための最良の形態における高温水蒸気発生装置の一例を示す概略断面図である。 同じく誘導加熱体の正面図、（ｂ）はワークコイルの正面図である。 同じく高温水蒸気発生装置に高速発生用の送出ノズルを装着した状態の概略断面図である。

符号の説明

Ｐ１…飽和水蒸気 Ｐ２…過熱水蒸気
１…装置本体 ２…軸受筐体
３…吸気口 ４…送気口
５…ベアリング ６…シャフト
７…インペラ ８…タービンファン
１１…加熱部 １２…加熱筐体
１３…耐熱断熱材 １４…吸気管
１５…テーパ部 １６…送気管
１７…誘導加熱体 １７Ａ…通気孔
１８…ワークコイル １９…インバータ
２０…送出ノズル ２１…ファン回転用ノズル

Claims (4)

1. 常圧下で発生させた飽和水蒸気を誘導加熱式の加熱部に導入することで高温過熱水蒸気にして噴出させる高温水蒸気発生装置であって、飽和水蒸気を回転遠心力によって圧縮して加熱部に導入させる遠心式圧縮機と、加熱部によって発生した過熱水蒸気圧でもって遠心式圧縮機と同軸で強制的に回転されるタービンファンとを備えたことを特徴とする高温水蒸気発生装置。
2. タービンファンには、過熱水蒸気の圧力を上昇させるファン回転用ノズルを配装してある請求項１記載の高温水蒸気発生装置。
3. タービンファンを配置させた過熱水蒸気噴出側には、高速発生用の送出ノズルを備えて成る請求項１または２記載の高温水蒸気発生装置。
4. 加熱部は、圧縮した飽和水蒸気を通過させる誘導加熱体と、該誘導加熱体にジュール熱を生じさせる渦電流を発生させるよう高周波電流により磁界を発生可能としたワークコイルとを配置して成る請求項１乃至３のいずれか記載の高温水蒸気発生装置。
   

Images