JP2008190734A - 蒸気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気発生量の増減要求に対し蒸気発生量を安定して追従させ得る蒸気供給装置を得る。
【解決手段】蒸気供給装置１０は、液体を気化するための蒸気発生器１２と、蒸気発生器１２の蒸気出口側に連通されガスの通過に伴い流動抵抗を生じさせる流動抵抗体２０と、蒸気発生器の蒸気出口１２Ａと流動抵抗体２０のガス入口２０Ａとの間の合流部Ｊ１にガスを供給可能な第１ガス供給ライン２２及び第１ガス供給装置２４と、第１ガス供給装置２４による合流部Ｊ１へのガス供給量を変化させ得る流量制御弁２６と、蒸気発生器１２による蒸気発生量の増減要求に応じて流量制御弁２６を制御するコントローラ３６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を気化して発生した蒸気を供給するための蒸気供給装置に関する。

例えば供給された水を気化して得た水蒸気を供給する水蒸気供給装置において、下流側の水蒸気消費装置の要求により、水蒸気の発生量を変化させる場合がある。例えば水蒸気発生量を増加する場合、水蒸気の流量増加に伴う圧力損失の増加に伴って、蒸気発生器の圧力の上昇、すなわち蒸気発生を阻害する方向の変化（沸点の上昇）が生じる。

また、水蒸気分離器の圧力を一定に保つように、水蒸気ラインに設けた流量調整弁を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、調節弁やより下流での蒸気の凝集を防止するために、蒸気の沸点よりも高い運転温度が設定される。
特開平８−２５０１４２明細書

しかしながら、上記の如き従来の技術では、水蒸気分離器の圧力を一定に保つための調節弁を蒸気の沸点よりも高い運転温度で使用するために、高温用のシール材の採用、調節弁（構成する材料）に対する温度制限、調整弁の駆動部に対する冷却性を満足する寸法設定等の各種の制約が生じる。

本発明は、上記事実を考慮して、蒸気発生量の増減要求に対し蒸気発生量を安定して追従させ得る蒸気供給装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る蒸気供給装置は、液体を気化するための蒸気発生器と、前記蒸気発生器の蒸気出口側に連通され、ガスの通過に伴い流動抵抗を生じさせる流動抵抗体と、前記蒸気発生器の蒸気出口と前記流動抵抗体のガス入口との間にガスを供給可能なガス供給手段と、前記ガス供給手段によるガス供給量を変化させ得るガス流量変更手段と、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増減要求に応じて前記ガス流量変更手段を制御する制御手段と、を備えている。

請求項１記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器で発生した蒸気は、流動抵抗体を通過して蒸気の消費装置に供給される。このため、流動抵抗体の上下流で蒸気の流量に応じた圧力差が生じる。蒸気発生量の増減要求があった場合に、制御手段が蒸気発生量の変化に応じて流量可変手段を制御することで、ガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間に供給されるガス量を調整して流動抵抗体上流側、すなわち蒸気発生器の圧力を制御することができる。したがって、本蒸気供給装置では、要求される蒸気発生量に応じて蒸気発生器の圧力（蒸発に要する温度）を調整することができる。

このように、請求項１記載の蒸気供給装置では、蒸気発生量の増減要求に対し蒸気発生量を安定して追従させることができる。

請求項２記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項１記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合に、前記ガス供給手段によるガス供給量が減少されるように、前記ガス流量変更手段を制御する。

請求項２記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合には、蒸気発生器による蒸気発生量が増加される一方、制御装置によるガス流量変更手段の制御によってガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が減少される。このため、蒸気発生器の圧力上昇が抑制され、該蒸気発生器による蒸気発生量が不足することが防止される。

請求項３記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項１又は請求項２記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合に、前記ガス供給手段によるガス供給量が増加されるように、前記ガス流量変更手段を制御する。

請求項３記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合には、蒸気発生器による蒸気発生量が減少される一方、制御装置によるガス流量変更手段の制御によってガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が増加される。このため、蒸気発生器の圧力低下が抑制され、該蒸気発生器による蒸気発生量が過剰になることが防止される。

請求項４記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求がされた場合に、前記蒸気発生器内の圧力が一定に保たれるように、前記ガス流量変更手段を制御する。

請求項４記載の蒸気供給装置では、制御装置は、蒸気発生量の変化要求がされた場合に、蒸気発生量の変化（増加又は減少）分だけ、ガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が変化（減少又は増加）されるように、ガス流量変更手段を制御する。これにより、本蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求に対し、蒸気発生器の圧力を一定に保つことができる。このため、本蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求に対し、高応答で安定した出力（蒸気量）を得ることができる。

請求項５記載の発明に係る蒸気供給装置は、液体を気化するための蒸気発生器と、前記蒸気発生器の蒸気出口側に連通され、ガスの通過に伴い流動抵抗を生じさせる流動抵抗体と、前記蒸気発生器の蒸気出口と前記流動抵抗体のガス入口との間にガスを供給可能な第１のガス供給手段と、前記第１のガス供給手段によるガス供給量を変化させ得る第１のガス流量変更手段と、前記流動抵抗体のガス出口側にガスを供給可能な第２のガス供給手段と、前記第２のガス供給手段によるガス供給量を変化させ得る第２のガス流量変更手段と、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増減要求に応じて、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する制御手段と、を備えている。

請求項５記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器で発生した蒸気は、流動抵抗体を通過して蒸気の消費装置に供給される。このため、流動抵抗体の上下流で蒸気の流量に応じた圧力差が生じる。蒸気発生量の増減要求があった場合に、制御手段が蒸気発生量の変化に応じて第１及び第２の流量可変手段をそれぞれ制御することで、第１のガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間に供給されるガス量、及び第２のガス供給手段による流動抵抗体の下流側に供給されるガス量を調整することができる。これにより、本蒸気供給装置では、蒸気発生器の圧力を制御しつつ蒸気の供給ラインに供給するトータルのガス量を制御することができる。したがって、本蒸気供給装置では、要求される蒸気発生量に応じて蒸気発生器の圧力（蒸発に要する温度）及び蒸気の濃度をそれぞれ調整することができる。

このように、請求項１記載の蒸気供給装置では、蒸気発生量の増減要求に対し蒸気発生量を安定して追従させることができる。

請求項６記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項５記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合に、前記第１のガス供給手段によるガス供給量が減少されると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する。

請求項６記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合には、蒸気発生器による蒸気発生量が増加される一方、制御装置による第１のガス流量変更手段の制御によって第１のガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が減少されると共に、制御装置による第１及び第２のガス流量変更手段の制御によって第１及び第２のガス供給手段による総ガス供給量が増加され、装置出口での蒸気濃度が所定濃度（例えば、蒸気発生量の変化前の濃度）に維持される。これにより、蒸気発生器の圧力上昇が抑制され、該蒸気発生器による蒸気発生量が不足することが防止されつつ、蒸気とガスとの流量比すなわち蒸気濃度が所定濃度に維持される。すなわち、本蒸気供給装置では、発生蒸気量の増加要求に対し、蒸気消費装置への供給蒸気濃度を維持したまま蒸気量を応答良く増加させることができる。

請求項７記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項５又は請求項６記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合に、前記第１のガス供給手段によるガス供給量が増加されると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する。

請求項７記載の蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合には、蒸気発生器による蒸気発生量が減少される一方、制御装置による第１のガス流量変更手段の制御によって第１のガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が増加されると共に、制御装置による第１及び第２のガス流量変更手段の制御によって第１及び第２のガス供給手段による総ガス供給量が減少され、装置出口での蒸気濃度が所定濃度（例えば、蒸気発生量の変化前の濃度）に維持される。これにより、蒸気発生器の圧力低下が抑制され、該蒸気発生器による蒸気発生量が過剰になることが防止されつつ、蒸気とガスとの流量比すなわち蒸気濃度が所定濃度に維持される。すなわち、本蒸気供給装置では、発生蒸気量の減少要求に対し、蒸気消費装置への供給蒸気濃度を維持したまま蒸気量を応答良く減少させることができる。

請求項８記載の発明に係る蒸気供給装置は、請求項５乃至請求項７の何れか１項記載の蒸気供給装置において、前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求がされた場合に、前記蒸気発生器内の圧力が一定に保たれると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する。

請求項８記載の蒸気供給装置では、制御装置は、蒸気発生量の変化要求がされた場合に、蒸気発生量の変化（増加又は減少）分だけ、第１のガス供給手段による蒸気発生器と流動抵抗体との間へのガス供給量が変化（減少又は増加）されると共に、蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように総ガス供給量が変化されるように、第１及び第２のガス流量変更手段をそれぞれ制御する。これにより、本蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求に対し、蒸気濃度を所定濃度に維持しつつ蒸気発生器の圧力を一定に保つことができる。このため、本蒸気供給装置では、蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求に対し、高応答で安定した出力（蒸気量、濃度）を得ることができる。

以上説明したように本発明に係る蒸気供給装置は、蒸気発生量の増減要求に対し蒸気発生量を安定して追従させ得るという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る蒸気供給装置１０について、図１乃至図５に基づいて説明する。図１に示される如く、蒸気供給装置１０は、蒸気発生器１２を備えている。蒸気発生器１２は、液体タンク１４からポンプ１６によって供給されてきた液体を蒸発させ、蒸気を発生するように構成されている。この実施形態では、蒸気発生器１２は、加熱（潜熱の供給）により液体を気化させる加熱式の蒸発器とされている。この蒸気発生器１２で発生された蒸気は、蒸気供給ライン１８によって、図示しない蒸気消費装置に供給されるようになっている。すなわち、蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａが本発明における装置出口に相当する。

蒸気供給ライン１８上には、流動抵抗体２０が直列に配置されている。流動抵抗体２０は、例えば多孔体、焼結体として構成されたり、繊維状の充填物やフィルタとして形成されたりした抵抗体本体がケース内に配設されて構成されており、通過するガスの流量に応じた圧力損失を生じさせるようになっている。このような流動抵抗体２０を構成する上記の抵抗体本体やケースは、例えば金属やセラミック等の耐熱材料にて構成されている。

また、蒸気供給ライン１８における蒸気発生器１２の蒸気出口１２Ａと流動抵抗体２０のガス入口２０Ａとの間には、第１ガス供給ライン２２が合流している。第１ガス供給ライン２２の上流端には、第１ガス供給装置２４のガス供給口２４Ａが接続されている。また、第１ガス供給ライン２２における第１ガス供給装置２４のガス供給口２４Ａと蒸気供給ライン１８との合流部Ｊ１との間には、第１のガス流量変更手段としての流量制御弁２６が配設されている。流量制御弁２６は、後述するコントローラ３６に制御されて合流部Ｊ１に供給するガスの流量を変更（増減）させるようになっている。

一方、蒸気供給ライン１８における流動抵抗体２０のガス出口２０Ｂよりも下流側部分には、第２ガス供給ライン２８が合流している。第２ガス供給ライン２８の上流端には、第２ガス供給装置３０のガス供給口３０Ａが接続されている。また、第２ガス供給ライン２８における第２ガス供給装置３０のガス供給口３０Ａと蒸気供給ライン１８との合流部Ｊ２との間には、第２のガス流量変更手段としての流量制御弁３２が配設されている。流量制御弁３２は、後述するコントローラに制御されて合流部Ｊ１に供給するガスの流量を変更させるようになっている。第１ガス供給装置２４、第２ガス供給装置３０は、例えばコンプレッサ等の起風装置やガスボンベ等のガス貯蔵器として構成されている。

また、蒸気供給装置１０は、蒸気供給ライン１８における合流部Ｊ２の下流側に直列に設けられた混合器３４を備えている。混合器３４は、蒸気発生器１２で発生された蒸気と、第１ガス供給ライン２２、第２ガス供給ライン２８から蒸気供給ライン１８に合流されたガスとが通過に伴って略均一に混合されるように構成されている。したがって、本蒸気供給装置１０は、蒸気とガスとの混合気を蒸気消費装置に供給する構成とされている。具体的には蒸気供給装置１０は、例えば、燃料蒸気と空気との混合気を燃焼器に供給したり、水蒸気と炭化水素等の改質原料ガスとの混合気を改質型水素発生装置に供給したり、加湿用の水蒸気とカソード空気又はアノード用の水素との混合気を燃料電池に供給したりする用途に適用することができる。別の見方をすれば、蒸気供給装置１０は、蒸気を含む混合気消費装置に混合気を供給するための混合気供給装置であると把握することができる。

そして、蒸気供給装置１０は、上に例示した如き各種の蒸気消費装置に供給する蒸気量を変化させ得る構成とされている。すなわち、蒸気供給装置１０は、蒸気消費装置からの要求蒸気量（の変化）に応じた量の蒸気を供給するようになっている。具体的には、蒸気供給装置１０は、制御手段としてのコントローラ３６を備えている。コントローラ３６は、蒸気発生器１２での加熱量、及び蒸気の原料である液体の蒸気発生器１２への供給量及び変化させるために、蒸気発生器１２及びポンプ１６を制御し、また蒸気発生器１２で発生する蒸気量に応じて蒸気供給ライン１８へのガス供給量を変化させるために流量制御弁２６、３２を制御するように構成されている。

この実施形態では、コントローラ３６は、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが略一定になる（所定の範囲内にある）ように、かつ蒸気消費装置に供給される混合気の蒸気濃度（分圧）が略一定になるように、流量制御弁２６、３２を制御する構成とされている。このため、コントローラ３６は、蒸気発生器１２（図示しないヒータ）、ポンプ１６、流量制御弁２６、３２と電気的に接続されると共に、流動抵抗体２０の内部圧力Ｐｉｎに応じた信号を出力する圧力計（センサ）３８に電気的に接続されている。また、この実施形態では、コントローラ３６は、流動抵抗体２０の内部温度Ｔｉｎに応じた信号を出力する温度計（センサ）４０にも電気的に接続されている。

コントローラ３６は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの増加要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの増加分ΔＶｓに応じた分だけ、蒸気発生器１２への液体供給量Ｖｐが増すようにポンプ１６を制御すると共に、要求された蒸気量Ｖｓの増加分ΔＶｓの分だけ、蒸気発生器１２と流動抵抗体２０との間の合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１が減少するように流量制御弁２６を制御する構成とされている。これにより蒸気供給装置１０では、発生蒸気量の増加に伴う流動抵抗体２０での圧力損失の増大が相殺され、蒸気発生器１２の圧力Ｐｉｎが略一定に保たれるようになっている。

また、コントローラ３６は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの増加要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの増加割合（（Ｖｓ＋ΔＶｓ）／Ｖｓ）と略同じ割合で、合流部Ｊ１及び合流部Ｊ２から蒸気供給ライン１８に供給される総ガス量（Ｖ１＋Ｖ２）が増加するように、流量制御弁２６、３２を制御する構成とされている。すなわち、合流部Ｊ１でのガス供給量Ｖ１が上記の通り制限されている蒸気供給装置１０では、蒸気供給ライン１８全体での総ガス供給量（Ｖ１＋Ｖ２）は、流量制御弁３２の制御による合流部Ｊ２へのガス供給量Ｖ２によって調整されるようになっている。

一方、コントローラ３６は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの減少要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの減少分ΔＶｓに応じた分だけ、蒸気発生器１２への液体供給量Ｖ１が減るようにポンプ１６を制御すると共に、要求された蒸気量Ｖｓの減少分ΔＶｓの分だけ、蒸気発生器１２と流動抵抗体２０との間の合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１が増加するように流量制御弁２６を制御する構成とされている。これにより蒸気供給装置１０では、発生蒸気量の減少に伴う流動抵抗体２０での圧力損失の減少が相殺され、蒸気発生器１２の圧力Ｐｉｎが略一定に保たれるようになっている。

また、コントローラ３６は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの減少要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの減少割合（（Ｖｓ−ΔＶｓ／Ｖｓ）と略同じ割合で、合流部Ｊ１及び合流部Ｊ２から蒸気供給ライン１８に供給される総ガス量（Ｖ１＋Ｖ２）が減少するように、流量制御弁２６、３２を制御する構成とされている。すなわち、合流部Ｊ１でのガス供給量Ｖ１が上記の通り制限されている蒸気供給装置１０では、蒸気供給ライン１８全体での総ガス供給量（Ｖ１＋Ｖ２）は、流量制御弁３２の制御による合流部Ｊ２へのガス供給量Ｖ２によって調整されるようになっている。

流量制御弁２６に対する制御による合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１の変化量のコントローラ３６による求め方について補足する。合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１の変化分をΔＶ１とすると、変化後のガス供給量（Ｖ１＋ΔＶ１）は、以下に示す式（１）の如く、変化前のガス供給量Ｖ１、変化後のポンプ１６による変化後の液体供給量（Ｖｐ＋ΔＶｐ）（蒸気発生器１２での蒸気発生量（Ｖｓ＋ΔＶｓ）としても良い）、蒸気発生器１２の内部温度Ｔｉｎ、及び蒸気発生器１２の内部圧力の目標値Ｐｔと現実の内部圧力Ｐｉｎとの差分ｅの関数とされる。

Ｖ１＋ΔＶ１＝ｆ（Ｖ１、（Ｖｓ＋ΔＶｓ）、Ｔｉｎ、ｅ） （１）
より具体的には、流動抵抗体２０を通過するガスの流量Ｖと圧力損失ΔＰとの図２（Ｂ）に示す線図Ｒの如き関係がわかっていれば、蒸気発生器１２の内部圧力の目標値Ｐｔと現実の内部圧力Ｐｉｎとの差分から合流部Ｊ１へのガス供給量の増加分ΔＶ１を得ることができる。ここでは、流動抵抗体２０を通過するガスの流量Ｖと圧力損失ΔＰとの関係は、流動抵抗体２０を図２（Ｂ）に示す如く多数の細孔２０Ｃが形成された抵抗体本体２０Ｄを内蔵するモデルとした場合の流動抵抗体２０を通過するガスの流量Ｖと圧力損失ΔＰとの関係を以下の如く例示する。

流動抵抗体２０の圧力損失ΔＰは、以下の式（２）に示される如く、多数の細孔２０Ｃの通過に伴う損失（微細流路内部損失）ΔＰｃ、多数の細孔２０Ｃへのガス流入に伴う損失（縮小損失）ΔＰｉｎ、多数の細孔２０Ｃからのガス流出に伴う損失（拡大損失）ΔＰｏｕｔの和として把握することができる。

ΔＰ＝ΔＰｃ＋ΔＰｉｎ＋ΔＰｏｕｔ （２）
微細流路内部損失ΔＰｃは、流動抵抗体２０を通過する混合気の密度をρ，抵抗体本体２０Ｄの長さをＬ、多数の細孔２０Ｃを通過する混合気の流速、動粘性係数をそれぞれｕ、ν、各細孔２０Ｃの直径をｄｅ、蒸気供給ライン１８の内径（流動抵抗体２０を構成するケースの直径）をＤｅ、レイノルズ数をＲｅ（＝ｕ×ｄｅ／ν）としてｆ＝（６４／Ｒｅ）とすると、以下の式（３）から得ることができる。なお、流速ｕは、流動抵抗体２０を通過する上記の流量（Ｖｓ＋ΔＶｓ）、ガスの流量Ｖ１と、流路形状とから算出することができる。また、説明は省略するが、密度ρ、レイノルズ数Ｒｅ（動粘性係数ν）は、温度Ｔｉｎの関数でもあり、温度計４０からの信号に応じて選択又は算出される。

ΔＰｃ＝（ρ×Ｌ×ｕ^２）×ｆ／（２×ｄｅ） （３）
また、抵抗体本体２０Ｄの収縮係数をＣｃ（ε）、開口比をεとすると、縮小損失ΔＰｉｎ、拡大損失ΔＰｏｕｔは、以下の式（４）、（５）からそれぞれ得ることができる。

ΔＰｉｎ＝１／２×ρ×ｕ^２×｛（１／Ｃｃ（ε）−１）｝^２ （４）
ΔＰｏｕｔ＝１／２×ρ×ｕ^２×（１−ε）^２ （５）
以上により、式（２）で示す流動抵抗体２０の流量Ｖと圧力損失ΔＰとの関係を算出することができるので、蒸気発生器１２の内部圧力の目標値Ｐｔと現実の内部圧力Ｐｉｎとの差分ｅによりガス供給量の変化分ΔＶ１を得ることができる。なお、例えば力一定の運転温度で運転される用途においては、図２（Ｂ）に示す如き流量Ｖと圧力損失ΔＰとの関係をコントローラ３６に記憶させておいても良い。

次に、第１の実施形態の作用について、図３に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

上記構成の蒸気供給装置１０では、運転開始後、コントローラ３６は、ステップＳ１０で、蒸気供給対象である蒸気消費装置から要求蒸気量、濃度に応じた情報を受け取る。次いでコントローラ３６は、ステップＳ１２に進み、要求蒸気量、濃度に応じてポンプ１６による蒸気発生器１２への供給液量、ステップＳ１２での加熱量、流動抵抗体２０の上下流の合流部Ｊ１、Ｊ２への供給ガス量をそれぞれ算出する。なお、ステップＳ１２での処理には、各制御量の算出に必要な情報（例えば温度Ｔｉｎの入力）が含まれる。そして、ステップＳ１４では、ステップＳ１２で算出した供給液量、加熱量、及び合流部Ｊ１、Ｊ２への供給ガス量に基づいて、ポンプ１６、流量制御弁２６、流量制御弁３２、ステップＳ１２のヒータへの給電量に応じた信号を出力する。これにより、蒸気供給装置１０は、要求蒸気量、濃度の蒸気とガスとの混合器を生成し、蒸気消費装置に供給する。

コントローラ３６は、ステップＳ１６で圧力計３８からの信号を入力し、ステップＳ１８で、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの９０％を下回っているか否かを判断する。蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの９０％を下回っていると判断した場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、流量制御弁２６、３２を制御して合流部Ｊ１への供給ガス量を増してＰｉｎを上昇させる一方、合流部Ｊ２への供給ガス量を減少して、蒸気供給ライン１８へのトータルでのガス供給量を維持する。

コントローラ３６は、ステップＳ２０において蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの９０％以上であると判断した場合には、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの１１０％を上回っているか否かを判断する。蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの１１０％を上回っていると判断した場合には、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、流量制御弁２６、３２を制御して合流部Ｊ１への供給ガス量を減じてＰｉｎを低減させる一方、合流部Ｊ２への供給ガス量を増して、蒸気供給ライン１８へのトータルでのガス供給量を維持する。

コントローラ３６は、ステップＳ２４において蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが目標値Ｐｔの１１０％以下であると判断した場合には、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、コントローラ３６による制御の終了条件が成立したか否かを判断する。コントローラ３６による制御の終了条件が成立したと判断した場合には、本制御を終了し、コントローラ３６による制御の終了条件が成立していないと判断した場合には、ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ１０でコントローラ３６は、蒸気消費装置から要求蒸気量、濃度に応じた情報を再度受け取る。したがって、供給蒸気量の変動が生じた場合には、ステップＳ１０で入力された情報が前回の情報とは異なり、ステップＳ１２では、変更された要求蒸気量に応じて蒸気発生器１２への供給液量、加熱量、及び合流部Ｊ１、Ｊ２への供給ガス量が算出される。この際、合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１の変化分ΔＶ１は、上記した通り図２に示す圧力差を解消するだけのガス流量の変化分として算出され、さらにこのように変化した合流部Ｊ１へのガス供給量（Ｖ１＋ΔＶ１）を用いて、蒸気濃度を維持するために合流部Ｊ２に供給される要求蒸気量の変化に応じたガス量Ｖ２ｒｅｖ（又はガス供給量Ｖ２に対する変化分ΔＶ２）が算出される。すなわち、ガス量Ｖ２は、以下の式（６）を満たすように決められる。

（Ｖｓ＋ΔＶｓ）／（Ｖ２ｒｅｖ＋（Ｖ１＋ΔＶ１））＝Ｖｓ／（Ｖ２＋Ｖ１）
（６）
そしてコントローラ３６は、上記したのと同様に、ステップＳ１８、Ｓ２２で蒸気発生器１２の圧力に変動があると判断された場合はステップＳ２０、Ｓ２４でガス供給量を補正しつつ、ステップＳ２６で制御終了と判断されるまで、図３のフローを繰り返す。

ここで、蒸気供給装置１０では、上流端が蒸気発生器１２の蒸気出口１２Ａに接続された蒸気供給ライン１８に流動抵抗体２０が配設されると共に、該流動抵抗体２０のガス入口２０Ａと蒸気発生器１２の蒸気出口１２Ａとの間の合流部Ｊ１への供給ガス量を変化させ得る流量制御弁２６を第１ガス供給ライン２２に設けたので、要求発生量の変化に対し高応答で供給（発生）蒸気量を追従させることができる。

この点を図４に示す例を参照しつつ補足する。図４（Ａ）には、蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａでの蒸気濃度が一定となるように要求蒸気量がＳｒ１とＳｒ２（＝Ｓｒ１／５）との間で変化される場合における蒸気供給装置１０を構成する各部の圧力が示されている。太い実線（白抜き丸プロット）は、要求蒸気量がＳｒ１である場合の各部の圧力、細い実線（黒塗り参画プロット）は、要求蒸気量がＳｒ２である場合の各部の圧力、破線（黒塗り丸プロット）は、要求蒸気量がＳｒ２で合流部Ｊ１へのガス供給量の変化がない比較例における各部の圧力が示されている。

この図から、合流部Ｊ１（流動抵抗体２０のガス入口２０Ａの直上流）に供給するガス流量を、要求蒸気量がＳｒ１である場合に、要求蒸気量がＳｒ２である場合と比較して蒸気発生量の差分（Ｓｒ１−Ｓｒ２）だけ小さくし、換言すれば、要求蒸気量がＳｒ２である場合に、要求蒸気量がＳｒ１である場合と比較して蒸気発生量の差分（Ｓｒ１−Ｓｒ２）だけ大きくすることで、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが蒸気発生量に依らず一定に保たれることがわかる。これにより、蒸気供給装置１０では、図４（Ｂ）に示される如く、沸点Ｔｂを一定にすることができ、蒸気発生器１２（ヒータ）の加熱量の増減によって蒸気発生量を良好に制御することができる。

例えば図４（Ａ）に破線にて比較例として示した如く合流部Ｊ１へのガス供給量を変化させない構成では、要求発生量がＳｒ１からＳｒ２に減少した場合に蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが低くなってしまうことがわかる。この作用は、図８に示す流動抵抗体２０を備えない蒸気供給装置での作用と定性的に同じであるため、この図８に基づいて補足する。図８（Ａ）には、蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａでの蒸気濃度が一定となるように要求蒸気量がＳｒ１とＳｒ２（＝Ｓｒ１／５）との間で変化される場合における比較例に係る構成の各部の圧力が示されている。この図から、要求蒸気量（発生量）が大きい場合には、供給ガス量も大きくなるため装置各部で圧力が高く、逆に要求蒸気量（発生量）が小さい場合には、供給ガス量も小さくなるため装置各部で圧力が低くなり、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが要求蒸気量に応じて（ほぼ比例して）変化してしまうことがわかる。この場合、図８（Ｂ）に示される如く、蒸気発生器１２の内部では圧力Ｐｉｎに応じて沸点Ｔｂが変化する。具体的には、要求蒸気量Ｓｒ１である大きい場合の沸点Ｔｂ１は、要求蒸気量Ｓｒ２である場合の沸点Ｔｂ２に対し高くなる。このため、例えば要求蒸気量をＳｒ２からＳｒ１に変化（増加）させる場合には、沸点が高くなるために蒸気が不足しやすい状態になり、逆に要求蒸気量をＳｒ１からＳｒ２に変化（減少）させる場合には、沸点が低くなるために蒸気が過剰になりやすい状態になる。すなわち、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎの変化によって、要求蒸気量の変化に追従し難くなってしまう。

これに対して蒸気供給装置１０では、上記した通り要求蒸気量の変動時にも蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが一定に保たれるので、ポンプ１６（供給液量）、流動抵抗体２０（ヒータによる加熱量）の制御によって、要求蒸気量に従って応答良く蒸気供給量を変化させることができる。

またここで、蒸気供給装置１０では、蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎを一定に保つために合流部Ｊ１にガスを供給する第１ガス供給ライン２２、第１ガス供給装置２４、流量制御弁２６に加えて、流動抵抗体２０の下流である合流部Ｊ２にガスを供給する第２ガス供給ライン２８、第２ガス供給装置３０、流量制御弁３２を備えるため、上記の通り蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎを一定に保ちながら、要求蒸気量の変化に応じて供給蒸気量を増加させると共に蒸気消費装置に供給する混合気中の蒸気濃度を維持することができる。すなわち、蒸気供給装置１０では、高い応答性で安定した出力（混合気の量、蒸気濃度）を得ることができる。以下、この点を実験結果に基づき確認する。

図５は、要求蒸気量を急激に増加させた場合の実験結果を示している。図５（Ａ）は、蒸気供給装置１０の蒸気発生器１２への供給液量、合流部Ｊ１、Ｊ２への供給ガス量の時間変化を示している。時間０で要求蒸気量の増加指令が入力され、蒸気発生器１２への供給液量（発生蒸気量）の増加に伴って、合流部Ｊ１への供給ガス量が減じられると共に、合流部Ｊ２への供給ガス量が増加されていることがわかる。図５（Ｂ）は、蒸気消費装置の入口（蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａ）の圧力、及び蒸気濃度の時間変化（応答）を示している。時間０から供給蒸気量の増加に伴い圧力が増加することがわかる。そして、この図から、蒸気供給装置１０では、混合気中の蒸気濃度が蒸気供給量（圧力）の変化に依らず、ほぼ一定であることが確かめられた。換言すれば、増加されたガス供給量に対して蒸気が高い応答性で発生されていることがわかる。なお、図示は省略しているが、流動抵抗体２０のガス入口２０Ａ側、すなわち蒸気発生器１２内の内部圧力Ｐｉｎは、合流部Ｊ１への供給ガス量の減少により、蒸気量の増加要求がされた時間０から略一定に保たれることが確認されている。

この図５（Ｂ）に破線にて示す線図は、比較例に係る制御方法で制御した場合の蒸気濃度の応答を示している。この制御方法は、図５（Ｃ）に示される如く、合流部Ｊ１へのガス供給を常時０とし、合流部Ｊ２へのガス供給のみで蒸気濃度を一定に維持しようとするものである。この比較例に係る制御では、図５（Ｂ）に示される如く、要求蒸気量の変化直後から蒸気濃度が著しく低下し、蒸気の供給不安定状態になってしまう。すなわち、この比較例では、要求蒸気量の増加に対応してガス供給量が増すが、これによる蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎの増大に伴って図８（Ｂ）に示される如く沸点Ｔｂが上昇してしまい、蒸気発生（量の増加）が抑制されるために、上記した蒸気濃度の低下が生じる。この実験例では、蒸気濃度が所定濃度に回復するのに略１００秒を要している。この比較例との比較により、蒸気供給装置１０が著しく高い応答性を示し、要求蒸気量の変化に追従して蒸気濃度を維持することができることが確かめられた。

そして、蒸気供給装置１０では、蒸気供給ライン１８に流動抵抗体２０を設けると共に該流動抵抗体２０の上下流にそれぞれガス供給部を設けた構成にて、上記した各効果を得ることができる。すなわち、蒸気を発生させるため高温となる蒸気供給ライン１８に、高温・耐熱の高価なシール材を用い、かつ駆動部の冷却のために大型化された流量調整弁等を設ける必要がないので、蒸気供給装置１０を安価でかつコンパクトに構成することはできる。しかも、上記の如き流量調整弁を設けた構成では、材料の耐熱温度の制限によって高温での始動が許容されないので、初期始動の際に装置（蒸気発生器１２）の昇温に長時間を要することとなる。これに対して蒸気供給ライン１８に流量調整弁を備えない蒸気供給装置１０では、高温での始動が可能であり、早期に装置（蒸気発生器１２）の昇温すなわち通常運転への移行を果たすことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る蒸気供給装置５０について、図６及び図７に基づいて説明する。なお、上記した第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分については、上記した第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

図６には、蒸気供給装置５０が図１に対応するフロー図にて示されている。この図に示される如く、蒸気供給装置５０は、第２ガス供給装置３０、流量制御弁３２、及び第２ガス供給ライン２８を備えず、蒸気供給ライン１８に合流部Ｊ２が設けられていない点で、第１の実施形態に係る蒸気供給装置１０とは異なる。また、蒸気供給装置５０は、コントローラ３６に代えて、制御手段としてのコントローラ５２を備えている。

コントローラ５２は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの増加要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの増加分ΔＶｓに応じた分だけ、蒸気発生器１２への液体供給量Ｖｐが増すようにポンプ１６を制御すると共に、要求された蒸気量Ｖｓの増加分ΔＶｓの分だけ、蒸気発生器１２と流動抵抗体２０との間の合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１が減少するように流量制御弁２６を制御する構成とされている。これにより蒸気供給装置１０では、発生蒸気量の増加に伴う流動抵抗体２０での圧力損失の増大が相殺され、蒸気発生器１２の圧力Ｐｉｎが略一定に保たれるようになっている。

一方、コントローラ５２は、蒸気消費装置から蒸気量Ｖｓの減少要求を受けた場合には、基本的に、要求された蒸気量Ｖｓの減少分ΔＶｓに応じた分だけ、蒸気発生器１２への液体供給量Ｖ１が減るようにポンプ１６を制御すると共に、要求された蒸気量Ｖｓの減少分ΔＶｓの分だけ、蒸気発生器１２と流動抵抗体２０との間の合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１が増加するように流量制御弁２６を制御する構成とされている。これにより蒸気供給装置１０では、発生蒸気量の減少に伴う流動抵抗体２０での圧力損失の減少が相殺され、蒸気発生器１２の圧力Ｐｉｎが略一定に保たれるようになっている。

流量制御弁２６に対する制御による合流部Ｊ１へのガス供給量Ｖ１の変化量のコントローラ５２による求め方は、第１の実施形態におけるコントローラ３６と同様である。そして、ガス供給量Ｖ１の変化量のコントローラ５２による制御フローは、図３に示すステップＳ２０、Ｓ２４で合流部Ｊ２に対する制御を行わないことを除き、該図３に示すフローによる。蒸気供給装置５０の他の構成は、蒸気供給装置１０の対応する構成と同じである。

したがって、第２の実施形態に係る蒸気供給装置５０によっても、合流部Ｊ２へガス供給量を変化させて蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａでの蒸気濃度を一定に維持する効果を除き、第１の実施形態に係る蒸気供給装置１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、蒸気供給装置５０では、上流端が蒸気発生器１２の蒸気出口１２Ａに接続された蒸気供給ライン１８に流動抵抗体２０が配設されると共に、該流動抵抗体２０のガス入口２０Ａと蒸気発生器１２の蒸気出口１２Ａとの間の合流部Ｊ１への供給ガス量を変化させ得る流量制御弁２６を第１ガス供給ライン２２に設けたので、要求発生量の変化に対し高応答で供給（発生）蒸気量を追従させることができる。この効果について、図７を用いて補足する。

図７は、要求蒸気量を急激に増加させた場合の実験結果を示している。図７（Ａ）は、蒸気供給装置５０の蒸気発生器１２への供給液量、合流部Ｊ１への供給ガス量の時間変化を示している。時間０で要求蒸気量の増加指令が入力され、蒸気発生器１２への供給液量（発生蒸気量）の増加に伴って、合流部Ｊ１への供給ガス量が減じられていることがわかる。図７（Ｂ）は、蒸気消費装置の入口（蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａ）への蒸気流量の時間変化（応答）を示している。この図から、蒸気供給装置１０では、要求蒸気量の増加指令（時間０）から短時間（約４秒）で蒸気流量が増加（整定）し、その後安定した蒸気流量が維持されることが確かめられた。図示は省略するが、蒸気消費装置の入口圧力についても、短時間で一定になることが確かめられている。

図７（Ｂ）に破線にて示す線図は、比較例に係る制御方法で制御した場合の蒸気濃度の応答を示している。この制御方法は、合流部Ｊ１へのガス供給を常時０とするものである。この比較例に係る制御では、図７（Ｂ）に示される如く、要求蒸気量の変化直後から蒸気流量が著しく低下し、蒸気の供給不安定状態になってしまう。すなわち、この比較例では、要求蒸気量の増加に伴って蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎが増大し、図８（Ｂ）に示される如く沸点Ｔｂが上昇してしまう。すると、蒸気発生（量の増加）が抑制されるために、上記した蒸気流量の低下が生じる。この実験例では、蒸気流量が所定流量に回復するのに略１２０秒を要している。この比較例との比較により、蒸気供給装置１０が著しく高い応答性を示し、要求蒸気量の変化に追従して蒸気濃度を維持することができることが確かめられた。

なお、上記した各実施形態では、コントローラ３６が蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎを一定に保つための制御を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、要求蒸気量の増加に伴って、蒸気発生を促進するために合流部Ｊ１へのガス供給量を蒸気発生量の増加分以上に減らすように制御しても良い。

また、上記した第１の実施形態では、要求蒸気量に応じて合流部Ｊ１、Ｊ２へのガス供給量を算出する制御例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種の制御にて蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎを略一定に保つ等することができる。したがって、例えば、蒸気供給ライン１８における混合器３４の下流に蒸気濃度計を設け、該蒸気濃度計と圧力計３８との信号に基づくフィードバック制御により蒸気発生器１２の内部圧力Ｐｉｎ、蒸気供給ライン１８の下流端１８Ａでの蒸気濃度を維持する制御を採用しても良い。

さらに、上記した各実施形態では、蒸気とガスとの混合気が蒸気消費装置に供給される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、混合器３４に代えて蒸気供給ライン１８に蒸気分離膜等を設け、蒸気のみを蒸気消費装置に供給するように構成しても良い。

本発明の第１の実施形態に係る蒸気供給装置の概略全体構成を示すシステムフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る蒸気供給装置を構成する流動抵抗体に係る図であって、（Ａ）は概略構造を模式的に示す斜視図、（Ｂ）は通過するガス量−圧力損失特性を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係る蒸気供給装置を構成するコントローラによる制御フローを示すフローチャートである。 （Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る蒸気発生器の運転状態における各部の圧力を示す線図、（Ｂ）は、蒸気発生器の蒸気圧線である。 本発明の第１の実施形態に係る蒸気発生器による要求蒸気量を増大させた場合の実験結果を示す図であって、（Ａ）は蒸気発生器への供給液量及び蒸気供給ラインへの供給ガス量の時間変化を示す線図、（Ｂ）は、蒸気消費装置の入口圧力及び蒸気濃度の時間変化を示す線図、（Ｃ）は、比較例に係る制御をした場合の蒸気発生器への供給液量及び蒸気供給ラインへの供給ガス量の時間変化を示す線図である。 本発明の第２の実施形態に係る蒸気供給装置の概略全体構成を示すシステムフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る蒸気発生器による要求蒸気量を増大させた場合の実験結果を示す図であって、（Ａ）は蒸気発生器への供給液量及び蒸気供給ラインへの供給ガス量の時間変化を示す線図、（Ｂ）は、発生した蒸気量の時間変化を示す線図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態との比較例に係る蒸気発生器の運転状態における各部の圧力を示す線図、（Ｂ）は、該比較例における蒸気発生器の蒸気圧線である。

符号の説明

１０ 蒸気供給装置
１２ 蒸気発生器
２０ 流動抵抗体
２２ 第１ガス供給ライン（ガス供給手段、第１のガス供給手段）
２４ 第１ガス供給装置（ガス供給手段、第１のガス供給手段）
２６ 流量制御弁（ガス流量変更手段、第１のガス流量変更手段）
２８ 第２ガス供給ライン（第２のガス供給手段）
３０ ガス供給装置（第２のガス供給手段）
３２ 流量制御弁（第２のガス流量変更手段）
３６ コントローラ（制御手段）
５０ 蒸気供給装置
５２ コントローラ（制御手段）

Claims (8)

1. 液体を気化するための蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器の蒸気出口側に連通され、ガスの通過に伴い流動抵抗を生じさせる流動抵抗体と、
   前記蒸気発生器の蒸気出口と前記流動抵抗体のガス入口との間にガスを供給可能なガス供給手段と、
   前記ガス供給手段によるガス供給量を変化させ得るガス流量変更手段と、
   前記蒸気発生器による蒸気発生量の増減要求に応じて前記ガス流量変更手段を制御する制御手段と、
   を備えた蒸気供給装置。
2. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合に、前記ガス供給手段によるガス供給量が減少されるように、前記ガス流量変更手段を制御する請求項１記載の蒸気供給装置。
3. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合に、前記ガス供給手段によるガス供給量が増加されるように、前記ガス流量変更手段を制御する請求項１又は請求項２記載の蒸気供給装置。
4. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求がされた場合に、前記蒸気発生器内の圧力が一定に保たれるように、前記ガス流量変更手段を制御する請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の蒸気供給装置。
5. 液体を気化するための蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器の蒸気出口側に連通され、ガスの通過に伴い流動抵抗を生じさせる流動抵抗体と、
   前記蒸気発生器の蒸気出口と前記流動抵抗体のガス入口との間にガスを供給可能な第１のガス供給手段と、
   前記第１のガス供給手段によるガス供給量を変化させ得る第１のガス流量変更手段と、
   前記流動抵抗体のガス出口側にガスを供給可能な第２のガス供給手段と、
   前記第２のガス供給手段によるガス供給量を変化させ得る第２のガス流量変更手段と、
   前記蒸気発生器による蒸気発生量の増減要求に応じて、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する制御手段と、
   を備えた蒸気供給装置。
6. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の増加要求がされた場合に、前記第１のガス供給手段によるガス供給量が減少されると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する請求項５記載の蒸気供給装置。
7. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の減少要求がされた場合に、前記第１のガス供給手段によるガス供給量が増加されると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する請求項５又は請求項６記載の蒸気供給装置。
8. 前記制御手段は、前記蒸気発生器による蒸気発生量の変化要求がされた場合に、前記蒸気発生器内の圧力が一定に保たれると共に、装置出口での蒸気濃度が所定の濃度に維持されるように、前記第１のガス流量変更手段及び前記第２のガス流量変更手段を制御する請求項５乃至請求項７の何れか１項記載の蒸気供給装置。

Images