JP2007178089A - 誘導加熱式蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小形で、水分を含まない良質の乾いた蒸気を供給することのできる誘導加熱式蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】非磁性で非導電性の耐熱材で形成した複数の加熱管内にそれぞれ電磁誘導によって発熱する導電体の小片からなる発熱体を多数充填して構成した加熱容器の上部に設けた蒸気ヘッダ内に、各加熱管からこの蒸気ヘッダへ吐き出る蒸気の吐き出し方向を、蒸気ヘッダ内で一定方向の蒸気の旋回流が形成される方向に案内する案内体を設け、蒸気を蒸気ヘッダ内で旋回させ、その遠心力により、蒸気に含まれる気液を分離して、蒸気ヘッダから乾燥した蒸気を取り出す。
【選択図】図１

Description

この発明は、誘導加熱により水を加熱して蒸気、特に過熱蒸気を発生するようにした誘導加熱式蒸気発生装置に関する。

誘導加熱式蒸気発生装置は、特許文献１および特許文献２等により良く知られている。

このような誘導加熱式蒸気発生装置で得られる蒸気は、水の気体分子と、液体分子の混在したものであり、湿った蒸気と言われる。このまま使用するとドレンが生じやすく質の悪い蒸気となるので、乾いた良質の蒸気とするためには、蒸気から水分を分離して蒸気を乾燥させる必要がある。

このための蒸気の気水分離装置としては、蒸気の流れを方向転換するなどして、蒸気に遠心力、衝撃力を与えて気水を分離する装置や、蒸気取り出し口付近に波形のじゃま板や金網のスクラバを配設して、蒸気がこのスクラバの中を低速で流れる際に残留水分を捕集する装置などがある。このような気水分離装置としては、非特許文献１に示されるようなものが知られている。

その中の反転式気水分離装置を図５に、そして遠心式気水分離装置を図６に示す。

図５において、蒸気ドラム５は、内部に設けた導き板５１とじゃま板５２によりに蒸気入口５３から供給される気液混合の蒸気の流れ方向を急激に反転させて、蒸気から水分を分離し、最後に多数の薄い鋼板波板を近接配列して構成したスクラバ５５で蒸気中の水分を捕集することにより乾燥させて蒸気出口５４から気体分の蒸気だけを取り出すようにした気水分離手段を備える。蒸気ドラム５の内部に溜まった水は、水出口５６から外部へ取り出し、蒸気発生部へ戻される。

図６に示す蒸気ドラム５は、内部に設けた旋回翼５７により、蒸気入口５３から供給される気液混合の蒸気を旋回させてその遠心力により水分と蒸気を分離し、１次スクラバ５５ａ、２次スクラバ５５ｂでさらに蒸気中の水分を捕集することにより乾燥した蒸気を、蒸気出口５４から取り出すようにした気水分離手段を備える。内部に貯留された水は水出口５６から蒸気発生部へ戻される。

このように従来の気水分離手段を備えた蒸気ドラム５は、機構が複雑で大形となるため、これを誘導加熱式蒸気装置に組み込む場合は、これまで、図７に示すように誘導加熱式蒸気発生装置１の外側に配置するようにしていた。

図７において、誘導加熱式蒸気発生装置１は、加熱容器１０、誘導加熱コイル２０、シールドコイル３０を備えている。加熱容器１０は、上下の非磁性の例えばステンレス鋼などの金属で形成した蓋体により構成した蒸気ヘッダ１６および給水ヘッダ１７と、それぞれ内部に磁性の導電材小片で構成された発熱体１３を多数充填したセラミックスやガラス等の非磁性の耐熱材製細管で構成された複数の加熱管１５とにより構成されている。複数の加熱管１５は上下両端をステンレス鋼等の非磁性金属で形成されたフランジ１８、１９により気密的に結合、支持されている。蒸気ヘッダ１６および給水ヘッダ１７はそれぞれフランジ１８および１９に気密的に接合され、加熱容器１０の全体が気密に構成される。また、加熱管１５の全体の外周に非導電性耐熱材で構成した断熱容器１０ａを設け、この容器内の加熱管相互間の空所および加熱管と断熱容器の間の空所に非磁性で非導電性の断熱材１０ｂを充填している。

給水源から水Ｗを供給する給水管４１が加熱容器１０の下部の給水ヘッダ１７に接続される。加熱容器１０の上部の蒸気ヘッダ１６から引き出した蒸気取出管１４を加熱容器１０の外側に設置された気水分離手段（図示せず）を備えた蒸気ドラム５に接続する。

蒸気ドラム５に溜まった水は給水管５１により給水管４１に合流させて加熱容器１０の給水ヘッダ１７内へ給水される。加熱容器１０内の水量は、常に所定の水位Ｌを維持するように調整し、発熱体１３が水から露出することがないようにする。

蒸気発生のために、図示しない高周波交流電源装置から加熱コイル２０に３０ｋＨｚ程度の高周波交流電力を供給する。そして、給水管４１を通して貯水槽などの給水源から給水ヘッダ１７を介して加熱容器１０へ給水される。

加熱コイル２０に高周波電力が供給されると、加熱コイル２０によって発生される高周波磁界によって加熱容器１０内の各加熱管１５に充填された磁性金属の小片からなる発熱体１３にそれぞれ渦電流が生じ、発熱体１３がこの電流によるジュール熱を発生する。

加熱容器１０の給水ヘッダ１７から供給された水Ｗは、各加熱管１５の内部を満たし、その中に充填された多数の発熱体１３と接触するので、この発熱体の発生する熱によって加熱されて蒸気Ｓとなって加熱管内を上昇して加熱容器１の上部の蒸気ヘッダ部１６へ吐き出される。

加熱容器１０の上部蒸気ヘッダ１６内の蒸気は、蒸気取出管１４を通して蒸気ドラム５に送られる。蒸気ドラム５へ送られた水分を含んだ湿り蒸気は、図示しない気水分離手段により水分と蒸気に分離されてこのドラム５内に貯えられる。そして水分が除かれて乾燥した蒸気Sは、蒸気管５２を介して加熱コイル２０およびシールドコイル３０の各コイル導体内に形成され直列に接続された冷却水通路の入口に供給され、冷却水通路内を貫流する過程でコイル導体のジュール熱により再加熱され、出口の蒸気供給管６２から過熱蒸気Ｓ´として取り出され、蒸気を使用する負荷の設置場所まで運ばれる。
特開２００２−０２２１０７号公報 国際公開ＷＯ９８／２９６８５号公報 社団法人日本機械学会 １９９８年１２月３日発行 「機械工学便覧」Ｂ６−２６〜１７頁 図６４〜６６

このような従来の誘導加熱式蒸気発生装置は、乾燥した蒸気を取り出すために気液分離手段を備えた大形の蒸気ドラムを装置の外側に配置している関係で装置の構成が複雑でかつ大形になるという問題を有する。

この発明は、このような問題を解決して、構成が簡単でかつ装置が小形の、水分を含まない良質の乾いた蒸気を供給することのできる誘導加熱式蒸気発生装置を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するため、この発明の請求項１の発明は、非磁性で非導電性の耐熱材で形成された細管で構成した複数の加熱管内にそれぞれ電磁誘導によって発熱する導電材の小片からなる発熱体を多数充填して構成した加熱容器と、この加熱容器の周囲にこれを取り囲んで配置され、内部の発熱体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記加熱容器の複数の加熱管の下端にこれらと連通して結合され、各加熱管へ給水を行う給水ヘッダと、前記複数の加熱管の上端にこれらと連通して結合され、各加熱管で発生される蒸気を集めて取り出す蒸気ヘッダとを備えてなる誘導加熱式蒸気発生装置において、前記蒸気ヘッダ内の各加熱管の上端の蒸気の吐き出し口付近に、各加熱管から蒸気ヘッダ内へ吐き出される蒸気の吐き出し方向を、蒸気ヘッダ内に一定方向の蒸気の旋回流が形成される方向に案内する案内体を設けたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記蒸気ヘッダの蒸気取出し口付近に設けられた蒸気の吐き出し方向を案内する案内体の案内方向を、他の案内体より内側に向けたことを特徴とするものである。

また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記加熱コイルを構成する導体に冷却水流通路を設け、前記加熱容器の蒸気ヘッダから取り出された蒸気を前記誘導加熱コイルの冷却水流通路に通して再加熱し、過熱蒸気を発生することを特徴とするものである。

さらに請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記誘導加熱コイルの外側に冷却水流通路を有するシールドコイルを設け、前記加熱容器の蒸気ヘッダから取り出された蒸気をこのシールドコイルの冷却水流通路に通して再加熱し、過熱蒸気を発生することを特徴とするものである。

この発明によれば、誘導加熱式蒸気発生装置において、複数の加熱管の上端に結合され各加熱管で発生される蒸気を集めて取り出すための蒸気ヘッダ内に、各加熱管から吐き出された蒸気が一定方向の旋回流を形成するように流れを案内する案内体を設けているので、蒸気ヘッダに集められた蒸気がこのヘッダ内を旋回して流れることにより発生する遠心力によって蒸気から水分が分離され、乾燥した蒸気を蒸気取出し口から取り出すことができるようになるとともに、従来必要とした蒸気ドラムが不要となることにより、装置が小形となる効果が得られる。蒸気ヘッダで分離された水分は、そのまま落下して、加熱容器の各加熱管に戻され、再加熱されて蒸気となる。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１ないし図３に、この発明の第１の実施例を示す。図１はその縦断面図、図２は図１のII−II線の平面断面図、図３（ａ）、（ｂ）は、この実施例に使用する案内体の詳細な構成を示す斜視図および縦断面図である。

この実施例の誘導加熱式蒸気発生装置１の主要な構成は、図７に示した従来の装置とほとんど同じであるので、これと同一の構成要素は同一の符号を付して示し、その説明を省略する。

この実施例装置の図７の従来装置と異なる点は、加熱容器１０の上部の蒸気ヘッダ１６内の各加熱管１５の上端の蒸気出口付近に、各加熱管１５から吐き出される蒸気を一定方向の旋回流となるように案内する案内体９をそれぞれ設けることによって、蒸気ヘッダ１６に蒸気の気液分離機能を持たせるようにした点である。

案内体９は、図３（ａ）および（ｂ）にその詳細を示すように、加熱管１５の上端の蒸気出口となる開口の周囲を３方から取り囲んで垂直に立ち上げられた断面がコ字形（図２参照）の囲い壁９１と、この囲い壁９１の上端の開口面を閉鎖する傾斜した案内板９２とにより構成される。このため、案内体９の底面およびこれと垂直な前面は、開口され、案内板９２は囲い壁９１の背面側から開口した前面側へ立ち上がる方向に傾斜している。案内体９は、開口した底面内に加熱容器１０のフランジ１８によって支持された加熱管１５の上端の開口１５ａが収まるように設置する。そして、蒸気ヘッダ１６の周壁１６ａ付近に配置されている案内体９は、個々には前面開口９４が、図２に示すように、円形の周壁１６ａの内周の接線に方向に向けられ、全体として一定の回転方向に向くように配置される。中心部に置かれた案内体９は、前面開口９４が周壁１６ａと対向する向きに向けられている。

このような蒸気発生装置１において、従来と同様に給水管４１から給水ヘッダ１７へ給水し、加熱容器１０の加熱管１５に貯水し、加熱コイルに高周波の加熱電力を供給すると、加熱管１５内の発熱体１３が誘導加熱されて発熱し、この熱によって加熱管１５内の水が加熱されて蒸気を発生する。加熱管１５内で発生した蒸気は管内を上昇して、管の上端の開口１５ａから加熱容器１０の上部の蒸気ヘッダ１６内に吐き出される。

加熱管１５から蒸気ヘッダ１６へ吐き出される蒸気は、上端の開口１６ａ付近にそれぞれ設けた案内体９により所定の向きに案内される。すなわち、図３（ｂ）に示すように、加熱管１５から垂直に吐き出された蒸気Ｓは傾斜した上面板９２により矢印で示すように上面板９２の傾斜角度に折り曲げられて斜め上方向に向けられ、そして案内体９の囲い壁９２によって前面の開口９４の向けられた方向、すなわち、ほぼ蒸気ヘッダ１６の周壁１６ａの内周の接線方向に吐き出される。このため、加熱管１５から蒸気ヘッダ１６に吐き出された蒸気Ｓは、この中で、図２の例では時計回り方向に旋回して流れ、蒸気ヘッダ１６の案内体９より上方の空間内に蒸気の旋回流を形成する。このように、蒸気Ｓが蒸気ヘッダ１６内の上方で旋回して流れる過程で蒸気に作用する遠心力により、水分を含む湿り蒸気Ｓ中の水分と気体分が分離され、水分は落下し、加熱管１５に戻されるので、蒸気ヘッダ１６内には水分の除去された乾燥した蒸気が残る。

この水分の除去された乾燥した蒸気Ｓは蒸気ヘッダ１６に設けられた蒸気取出口１６ｂに結合された蒸気取出管１４から取り出され、加熱コイル２０およびシールドコイル３０のコイル導体の冷却水通路へ供給され、ここを流れる過程で各コイル導体のジュール熱により再加熱されて過熱蒸気Ｓ´として、過熱蒸気取出管６２から取り出される。この過熱蒸気Ｓ´は、湿り気の除かれた乾燥した蒸気Ｓを過熱したものであるので、乾燥して良質の過熱蒸気となる。

このようにこの発明によれば、加熱容器１０の上部の蒸気ヘッダ１６内に案内体９により蒸気の旋回流を形成することにより、蒸気ヘッダ１６内で蒸気の気液を分離することができるので、外部に特別な蒸気の気液分離手段を設ける必要がなく、蒸気発生装置の構成を簡単かつ小形にすることができる。

次に、図４にこの発明の第２の実施例による蒸気ヘッダ内１６の蒸気の案内体９の配置を示す。

この実施例においては、蒸気ヘッダ１６内の蒸気取出口１６ｂの旋回流の方向のすぐ手前に配置された蒸気の案内体９ａだけ、蒸気の吐き出し方向を点線矢印Ａで示すように、他の案内体９の実線矢印Ｂで示す吐き出し方向より内側（蒸気ヘッダの中心側）に向くように向けている。

この蒸気取出口１６ｂ付近に配置された蒸気の案内体９ａを、他の案内体９と同様に、蒸気が蒸気ヘッダ１６の内周の接線方向に吐き出されるように向けると、蒸気取出口１６ｂに接近しているため、この案内体９ａから吐き出される蒸気が気液分離されないまま蒸気取出口１６ｂへ流れてしまい、蒸気の質を低下させることになる。

しかし、この実施例のように、蒸気取出口１６ｂ付近の旋回流の流れ方向の手前側に配置された蒸気の案内体９ａが、蒸気の吐き出し方向を蒸気ヘッダ１６の内周の接線方向より内側、すなわち中心側に向けるようにすれば、この案内体９ａから吐き出される蒸気が気液分離されないで蒸気取り出し口１６ｂへ流れるのを防ぐことができ、取り出し蒸気の質を高めることができる。

この発明の第１の実施例による誘導加熱式蒸気発生装置の構成を示す縦断面図。 図１のII−II線の平面断面図。 この発明で使用する蒸気の案内体の詳細な構成を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図。 この発明の第２の実施例を示す平面断面図。 従来の蒸気の気液分離手段を備えた蒸気ドラムを示す縦断面図。 他の従来の蒸気の気液分離手段を備えた蒸気ドラムを示す縦断面図。 従来の誘導加熱式蒸気発生装置の構成を示す縦断面図。

符号の説明

１ 誘導加熱式蒸気発生装置
１０ 加熱容器
１３ 発熱体
１５ 加熱管
１６ 蒸気ヘッダ
１７ 給水ヘッダ
２０ 誘導加熱コイル
３０ シールドコイル
９ 案内体

Claims (4)

1. 非磁性で非導電性の耐熱材で形成された細管で構成した複数の加熱管内にそれぞれ電磁誘導によって発熱する導電材の小片からなる発熱体を多数充填して構成した加熱容器と、この加熱容器の周囲にこれを取り囲んで配置され、内部の発熱体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、前記加熱容器の複数の加熱管の下端にこれらと連通して結合され、各加熱管へ給水を行う給水ヘッダと、前記複数の加熱管の上端にこれらと連通して結合され、各加熱管で発生される蒸気を集めて取り出す蒸気ヘッダとを備えてなる誘導加熱式蒸気発生装置において、前記蒸気ヘッダ内の各加熱管の上端の蒸気の吐き出し口付近に、各加熱管から蒸気ヘッダ内へ吐き出される蒸気の吐き出し方向を、蒸気ヘッダ内に一定方向の蒸気の旋回流が形成される方向に案内する案内体を設けたことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
2. 請求項１に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記蒸気ヘッダの蒸気取出し口付近に設けられた蒸気の吐き出し方向を案内する案内体の案内方向を、他の案内体より内側に向けたことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
3. 請求項１または２に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記加熱コイルを構成する導体に冷却水流通路を設け、前記加熱容器の蒸気ヘッダから取り出された蒸気を前記誘導加熱コイルの冷却水流通路に通して再加熱し、過熱蒸気を発生することを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記誘導加熱コイルの外側に冷却水流通路を有するシールドコイルを設け、前記加熱容器の蒸気ヘッダから取り出された蒸気をこのシールドコイルの冷却水流通路に通して再加熱し、過熱蒸気を発生することを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
   
   

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