JP2008215671A

JP2008215671A - 過熱蒸気発生装置

Info

Publication number: JP2008215671A
Application number: JP2007051055A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Shiraishi; 仁士白石
Original assignee: Miura Co Ltd; Miura Protec Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd; Miura Protec Co Ltd
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP5004001B2

Abstract

【課題】小型・軽量化に適し、且つ、熱伝導効率の高い過熱蒸気生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本実施形態に係る過熱蒸気生成装置１は、ハロゲンヒータ１０、二重管２０、断熱保温材３０、温度センサ４１、制御回路４２を備えている。二重管２０は、同軸に配置された内管２２及び外管２１を備えており、この内管２２と外管２１とにより囲まれた筒状隙間を、加熱される蒸気が通過する。ハロゲンヒータ１０は、内管２２の内側に配置されており、主として輻射熱により内管２２を加熱する。筒状隙間を通過する蒸気は、内管２２及び外管２１により主として輻射熱により加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、過熱蒸気を生成するための過熱蒸気生成装置に関する。

近年、水蒸気をさらに100℃以上の高温に加熱し、無色透明の気体（H₂Oガス）を生成する過熱蒸気生成装置が提供されている。この過熱蒸気は、脱臭装置、調理器、炭化装置、殺菌装置等、種々の用途に利用されている。このような過熱蒸気生成装置は、例えば、下記特許文献１乃至３に開示されている。

特開２００４−２５１６０５号公報特開２００４−２３３０４０号公報特開平８−１９３７０４号公報

特許文献１及び２に開示されている過熱蒸気生成装置は、電磁誘導過熱（IH:
Induction Heating）を利用した装置であり、コイルが巻かれた管内に水蒸気を通過させながら、コイルに高周波交流電流を流すことで、水蒸気を過熱するものである。従来は、このような電磁誘導過熱式の過熱蒸気生成装置が主流であった。

一方、特許文献３に開示されている過熱蒸気生成装置は、過熱手段として、コイルではなく電気ヒータを用いた装置である。この過熱蒸気生成装置は、水蒸気が通過する複数の細管が貫通した密封筐体内に、電気ヒータを設置すると共に、筐体内にシリコンオイル等の熱伝導媒体を充満させ、この熱伝導媒体の対流によって電気ヒータによる熱エネルギーを細管内の水蒸気に伝達して加熱する構成を採用している。

しかし、上記特許文献１及び２の過熱蒸気生成装置は、電磁誘導加熱式であるため、励磁コイルを管に巻く必要があり、装置の小型化、軽量化には不向きであった。また、上記特許文献３の過熱蒸気生成装置は、熱伝導媒体の対流により水蒸気を加熱しているため、熱伝導効率が良くないという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、小型化、軽量化に適し、且つ、熱伝導効率の高い過熱蒸気生成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る過熱蒸気生成装置は、流路を通過する蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成装置であって、前記流路を内部に保持する筒状流路部材と、前記筒状流路部材の内側に配置され、前記筒状流路部材を主として輻射線により内側から加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る過熱蒸気生成装置によれば、小型・軽量化に適し、且つ、熱伝導効率の高い過熱蒸気生成装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係る過熱蒸気生成装置１の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図１及び図２に示すように、過熱蒸気生成装置１は、ハロゲンヒータ１０、二重管２０、断熱保温材３０、温度センサ４１、制御回路４２を備えている。

ハロゲンヒータ１０は、蒸気を加熱するための加熱手段であり、駆動回路１１により電圧が印加され駆動される。本実施形態では、4kWの円柱状ハロゲンヒータが用いられており、そのコイル温度は2200℃程度まで上昇する。

二重管２０は、同軸に配置されたステンレス鋼（SUS: Stainless
Used Steel)製の内管２２及び外管２１を備えており、この内管２２と外管２１とにより囲まれた円筒空間を、加熱される蒸気が通過する。すなわち、筒状の二重管２０が、被加熱蒸気が通過する流路を形成する筒状流路部材を構成している。このため、図１に示すように、二重管２０の一端には、蒸気入口部２５、他端には蒸気出口部２６が設けられている。例えば、ボイラ等によって生成された蒸気が蒸気入口２５に導入され、蒸気出口部２６から過熱蒸気が得られる。

本実施形態では、内管２２の径はφ100mm、外管２１の径はφ140mmである。また、二重管２０の内側外表面、すなわち、内管２２のハロゲンヒータ１０に面する内側表面には、酸化処理が施されている。酸化処理を行えば、表面が黒ずむため、反射率を抑えて輻射率を高めることができ、伝熱効率を向上させることができる。なお、酸化処理以外であっても、酸で腐食するなどの表面を粗くする処理（粗面化処理）や、黒くする処理（黒色化処理）など、輻射率を高めることができる他の処理（高輻射率化処理）を施しても同様の効果が得られる。

また、本実施形態においては、外管２１の内側に螺旋状の突起であるバッフル（邪魔板）２７が一体に設けられている。図３は、バッフル２７を説明するための外管２１の断面図である。蒸気入口部２５から蒸気出口部２６へと向かって、筒状隙間空間内を流れる蒸気は、このバッフル２７に沿って螺旋状に進みながら撹拌されるので、流路距離も長くなり、伝熱効率を向上させることができる。

なお、バッフル２７は、内管２２の外側表面に設けるようにしても良い。内管２２に設けた場合には、伝熱効率を高めるフィンとして大きく寄与することになる。また、外管２１の内側及び内管２２の外側の双方にバッフルを設けても良い。このとき、好ましくは、内管２２の外側表面には主としてフィンとして機能する突起を設け、外管２１の内側表面には主としてバッフルとして機能する突起を設ければ、伝熱効率を大きく向上させることができる。もちろん、バッフルとしての形状は、螺旋状の突起に限らず、内管２２と外管２１との間の筒状隙間を通過する蒸気を撹拌できる形状であれば、適宜他の形状を採用することができる。また、フィンとしての形状も、表面積を大きくできる形状であれば、形状は自由に設定し良い。

断熱保温材３０は、円筒形状であり、外管２１の外側表面、すなわち二重管２０の表面を覆って配置されており、ハロゲンヒータ１０からの熱エネルギーが、過熱蒸気生成装置１の外へ流出するのを防止し、もって伝熱効率の向上に寄与している。また、断熱保温材３０は、その円筒の中心軸にハロゲンヒータ１０が位置するように、ハロゲンヒータ１０を保持している。また、断熱保温材３０の蒸気出入口２５，２６が位置する場所には、これらの挿通用の穴が設けられており、蒸気出入口２５，２６と外部の管との接続を可能にしている。また、断熱保温材３０の周囲は、ケーシング３１によって覆われている。

温度センサ４１は、蒸気出口部２６に設けられており、100℃以上に過熱されて蒸気出口部２６から排出されてくる過熱蒸気の温度を測定する。温度センサ４１の出力は、制御回路４２へと送られ、制御回路４２によりハロゲンヒータ１０の加熱量を制御するために使用される。例えば、生成する過熱蒸気の温度を300℃にしたい場合には、温度センサ４１の出力を基に、制御回路４２がPID制御によりハロゲンヒータ１０の駆動回路１１をフィードバック制御すれば良い。

以上、本実施形態に係る過熱蒸気生成装置１の構成について説明したが、続いて、過熱蒸気生成装置１により過熱蒸気を生成する際の動作について説明する。

まず、駆動回路１１によりハロゲンヒータ１０を駆動させ、本実施形態では、2200℃まで上昇させる。ハロゲンヒータ１０が放出する熱エネルギーは、主として輻射線による輻射熱として内管２２に伝熱され、内管２２を400℃程度に加熱する。内管２２に伝熱された熱エネルギーは、さらに輻射熱として外管２１にも伝達され、外管２１を加熱する。

一方、ボイラ等によって生成され、蒸気入口部２５から外管２１及び内管２２によって囲まれた筒状隙間（流路）内に流入してきた蒸気は、バッフル２７により螺旋状に渦巻きながら蒸気出口部２６へと進んでいく。このとき、加熱された内管２２及び外管２１から発せされる輻射熱により、蒸気が300℃まで加熱され、蒸気出口部２６から過熱蒸気として排出される。もちろん、輻射と比べると寄与度は小さいが、蒸気の対流や、蒸気が内管２２及び外管２１に接する際の伝導によっても伝熱が行われている。

このように主として輻射熱により300℃まで加熱された過熱蒸気は、蒸気出口部２６から排出されるが、この排出時の過熱蒸気の温度が温度センサ４１によって計測される。計測された温度は、制御回路４２へと送られ、目標値である設定温度（300℃）に近づくように、制御回路４２がハロゲンヒータ１０の駆動回路１１をPID制御する。これにより、所定の温度に加熱された過熱蒸気が生成されることになる。

なお、過熱蒸気生成装置によって生成される過熱蒸気の利用形態としては、脱臭装置、調理器、炭化装置、殺菌装置等、種々の用途に利用される。それぞれの用途において、必要とされる過熱蒸気の温度は異なるが、例えば、炭化装置に適用する場合には、350℃以上であれば対象物を炭化できるため、350℃以上の過熱蒸気を生成する必要がある。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、被加熱蒸気を外管と内管に挟まれた流路である筒状隙間内を通過させ、内管の内側に配置した加熱手段（ハロゲンヒータ）により主として輻射線により内管を加熱することで、蒸気を加熱するように構成しているので、加熱手段の熱エネルギーが効率良く蒸気を加熱するために使用され、伝熱効率を大幅に高めることができる。

また、本実施形態に係る過熱蒸気生成装置は、二重管の内側に過熱手段を配置する構成としているため、伝熱媒体も不必要であり、構造が簡易であり、装置を小型化、軽量化することが可能である。また、本実施形態によれば、加熱手段の周辺に蒸気が通る流路を備えることで、輻射線を均一に効率よく利用することができる。また、エネルギー源が輻射線であるので、短時間で高温の加熱が可能であり、高温の過熱蒸気を得ることができる。また、加熱した場合に副産物が生成されることもなく、クリーンな過熱蒸気生成装置である。

続いて、本実施形態の変形例１について説明する。上記実施形態では、ハロゲンヒータを１つ備える構成としたが、本変形例１では、ハロゲンヒータが複数本の場合について説明する。

図４にハロゲンヒータが複数本の場合の変形例を示す。図４（ａ）は、ハロゲンヒータが２つの場合の過熱蒸気生成装置の断面図、図４（ｂ）は、ハロゲンヒータが４つの場合の過熱蒸気生成装置の断面図である。

図４（ａ）に示すように、ハロゲンヒータが２つの場合には、二重管２０の内側表面にハロゲンヒータ１０からの熱エネルギーがなるべく均一に伝わるように、断面が長円形状（トラック形状）の二重管２０を採用している。また、図４（ｂ）に示すように、ハロゲンヒータ１０が４つの場合には、同じく熱エネルギーが均等に伝わるように、二重管２０は断面が円形のままで、各ハロゲンヒータ１０の軸が同心円状に等角度に位置するようにハロゲンヒータ１０を配置している。

続いて、本実施形態の変形例２について説明する。図５（ａ）は、第１実施形態の変形例２に係る外管の断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。本変形例２では、螺旋状のバッフルではなく、半環状のバッフル２７を、外管２１の内側の二箇所に形成している。

図５に示すように、外管２１の内側の蒸気入口部２５側と、蒸気出口部２６側とに設けられたバッフル２７は、互いに180度ずれた位置に形成されている。したがって、蒸気入口部２５から流入し、図中右側の蒸気出口部２６へ向かって進む蒸気は、入口側のバッフル２７によって図中下方に向けられて進むと共に、出口側のバッフル２７によって図中上方に向けられて進むこととなり、筒状隙間内を流れる蒸気が抵抗を受けて拡散され、伝熱効率を向上させることができる。

なお、半環状のバッフルではなく、1/3環状（120度）のバッフルを設けても良い。この場合には、蒸気を効率よく拡散させるために、外管２１の軸方向に見て、120度ずつずらして1/3環状バッフルを三箇所に設ければ良い。また、バッフルをさらに複数箇所に設けても良い。もちろん、本変形例の場合にも、適宜、内管２２等にフィンを設けることができる。

続いて、本発明に係る第２実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る過熱蒸気生成装置１の断面図である。第１実施形態では、被加熱蒸気の流路を外管２１及び内管２１により形成される筒状隙間としたが、本実施形態では、ステンレス鋼製の細管をコイル状に巻いた筒状コイル管２３により、被加熱蒸気の流路を形成したことを特徴としている。すなわち、第１実施形態では、二重管２０が筒状流路部材を形成するのに対して、本実施形態では、筒状コイル管が筒状流路部材を形成している。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、同じ構成には同じ番号を付し、説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態に係る過熱蒸気生成装置１は、第１実施形態の内管の位置に、筒状コイル管２３が設置されている。上述したように、この筒状コイル管２３においては、細管の内部が、被加熱蒸気が通過する流路となっており、細管の一端が蒸気入口部２５に接続され、他端が蒸気出口部２６に接続されている。また、断熱保温材３０の周囲には、ケーシング３１が保温材３０を覆って配置されている。

このような構成において、蒸気入口部２５から流入した蒸気は、筒状コイル管２３の内部の流路にそって、螺旋状に渦巻きながら蒸気出口部２６へ向かって進んでいく。このとき、筒状コイル管２３の内側に配置されているハロゲンヒータ１０が、主として輻射熱により筒状コイル管２３の内側表面を加熱する。そして、細管内を通過する蒸気は、細管から発せされる輻射熱により加熱され、蒸気出口部２６では、過熱蒸気が生成されることになる。

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果が得られると共に、流路が細長くなるため、高圧の過熱蒸気を得ることができる。

以上、本発明の第１及び第２実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施形態は、上記実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、円筒形状の外管及び内管を採用したが、角筒等、適宜他の形状の管を採用しても良い。

また、上記実施形態では、加熱手段として2200℃程度に加熱できるハロゲンヒータを用いたが、他のヒータを用いても良い。例えば、カーボンヒータ等の他の電気ヒータを用いることができる。

図１は、第１実施形態に係る過熱蒸気生成装置の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図３は、第１実施形態に係る外管の断面図である。図４は、第１実施形態の変形例１に係る過熱蒸気生成装置の断面図である。図５は、第１実施形態の変形例２に係る外管の断面図である。図６は、第２実施形態に係る過熱蒸気生成装置の断面図である。

符号の説明

１過熱蒸気生成装置
１０ハロゲンヒータ
１１駆動回路
２０二重管
２１外管
２２内管
２５蒸気入口部
２６蒸気出口部
２７バッフル
３０断熱保温材
３１ケーシング
４１温度センサ
４２制御回路

Claims

流路を通過する蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成装置であって、
前記流路を内部に保持する筒状流路部材と、
前記筒状流路部材の内側に配置され、前記筒状流路部材を主として輻射線により内側から加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする過熱蒸気生成装置。
前記筒状流路部材は、外管と、前記外管の内側に配置された内管と、を備え、前記流路が、前記外管と前記内管との間の筒状隙間であることを特徴とする請求項１記載の過熱蒸気生成装置。
前記筒状流路部材は、コイル状に巻かれた管であり、管の内部が前記流路を形成することを特徴とする請求項１記載の過熱蒸気生成装置。
前記加熱手段は、ハロゲンヒータであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の過熱蒸気生成装置。
前記外管の内側及び前記内管の外側の少なくとも一方に、突起部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の過熱蒸気生成装置。
前記内管の内側表面には、高輻射率化処理が施されていることを特徴とする請求項２又は５記載の過熱蒸気生成装置。