JP2009002606A - 蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明シリカガラスからなり、かつ耐圧性能の優れた加熱管を備えた蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入してなるヒータ部２と、前記ヒータ部を内部に配する螺旋状の加熱管３とを具備し、前記加熱管３に供給された液体を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生装置１であって、前記加熱管３はＯＨ基が５ｐｐｍ以下の透明シリカのガラス管からなり、少なくとも被加熱領域Ｓにおける外径Ｄと内径ｄとの比が１．５以上であり、前記カーボンワイヤー発熱体の赤外線波長ピークが２μｍ〜３μｍに形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生装置に関し、より詳しくはカーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入したヒータ部を備える蒸気発生装置に関する。

従来から流体を加熱する流体加熱装置が知られているが、この流体加熱装置と蒸気発生装置は、液体を加熱する点において同一であり、両者は加熱された液体を導出するか、蒸気を導出するかの点において異なる。ここでは、背景技術として、流体加熱装置を例にとって説明する。この流体加熱装置としては、小型かつ単純な構成で加熱することができる抵抗加熱方式の流体加熱装置が知られており、図８に示すようなシーズヒータ装置が広く利用されている。

図示するシーズヒータ装置５０は、加熱管５１の内部空間に、Ｕ字型の金属管を有するヒータ部５２がフランジ５３に支持され配置される。ヒータ部５２の金属管内には、ニクロム線からなる発熱体が耐熱性絶縁粉末と共に封入されている。
また、加熱管５１には、液体Ｗを加熱管５１内に導入する導入口５１ａと、加熱後の液体を加熱管５１外に導出する導出口５１ｂとが設けられている。

このような構成のシーズヒータ装置５０において、導入口５１ａから加熱管５１内に供給された液体Ｗは、ヒータ部５２の金属管面に直に接触することによって加熱され、導出口５１ｂから導出される。尚、流体加熱装置を蒸気発生装置として用いた場合には、導出口から蒸気が導出される。

しかしながら、このシーズヒータ装置５０のヒータ部５２にあっては、発熱体の周りに絶縁粉末が介在するため、ヒータ部５２自体が所定の温度に昇温するまでに時間を要し、液体Ｗを即座に加熱することができないという課題を有している。

そこで、ヒータ部の昇温速度がより速く、水の吸収波長（２．２μｍ、２．７μｍ）に適応する赤外線放射を行なうことのできるカーボンワイヤー発熱体を用いたカーボンワイヤーヒータ装置が注目されている。
図９に、従来のカーボンワイヤーヒータ装置の断面図を示す。図示するカーボンワイヤーヒータ装置６０は、石英ガラスからなる加熱管６１の内部空間にヒータ部６２がフランジ６３によって支持され配置される。

ヒータ部６２は、螺旋状に形成された細い石英ガラス管の中に発熱体であるカーボンワイヤー発熱体が封入され、このカーボンワイヤー発熱体が電力供給されることにより発熱し、赤外線を放射するようになされている。
また、加熱管６１には、加熱前の液体を管内に導入する導入口６１ａと、加熱した液体を管外に導出する導出口６１ｂとが設けられている。

この構成において、導入口６１ａから加熱管６１内に供給された液体Ｗは、ヒータ部６２の石英ガラス管に直に接触して赤外線により加熱され、昇温後に導出口６１ｂから導出される。尚、流体加熱装置を蒸気発生装置として用いた場合には、導出口６１ｂから蒸気が導出される。
このカーボンワイヤーヒータ装置６０によれば、ヒータ部６２を即座に昇温できると共に、水の波長に適応した赤外線放射により、シーズヒータ装置よりも速く液体の温度を昇温することができる。
尚、カーボンワイヤー発熱体を用いた加熱装置については、特許文献１に記載されている。
特開２００３−２９４３１２号公報

ところで、図９に示したカーボンワイヤーヒータ装置にあっては、石英ガラスからなる加熱管が用いられている。この装置を蒸気発生装置として用いる場合には、前記加熱管の肉厚をかなり厚くしなければ、蒸気圧に耐えられないという技術的課題があった。
一方、この加熱管を金属製にすることも考えられるが、金属製の加熱管を用いると、導出される蒸気が金属あるいは金属化合物で汚染される虞がある。
本願発明者らは、石英ガラスからなる加熱管であることを前提として、この加熱管について鋭意研究を重ね、蒸気発生装置における加熱管として好適な加熱管を創作するに至ったものである。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、透明シリカガラスからなり、かつ耐圧性能の優れた加熱管を備えた蒸気発生装置を提供することを目的とするものである。

前記した課題を解決するために、本発明に係る蒸気発生装置は、カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入してなるヒータ部と、前記ヒータ部を内部に配する螺旋状の加熱管とを具備し、前記加熱管に供給された液体を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生装置であって、前記加熱管はＯＨ基が５ｐｐｍ以下の透明シリカガラス管からなり、少なくとも被加熱領域における外径と内径との比が１．５以上であり、前記カーボンワイヤー発熱体の赤外線波長ピークが２μｍ以上３μｍ以下であることを特徴としている。

このように、加熱管は透明シリカガラス管で螺旋状に形成され、更に少なくとも被加熱領域における前記ガラス管の外径と内径との比が１．５以上に形成されるため、高圧の蒸気圧に対しても耐久性を有し、加熱管の破損等を防止することができる。尚、加熱管の外径と内径との比が１．５未満の場合には、高圧に耐えることができず、破損する虞がある。
また、前記加熱管を構成するシリカガラスのＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以下であるため、赤外線吸収波長帯が３．５μｍ以上となる。したがって、例えば水の赤外線吸収波長である２．２μｍと２．７μｍの赤外線は前記加熱管に吸収されることなく通過するため、加熱管内の液体を有効に加熱することができる。
更に、前記カーボンワイヤー発熱体の赤外線波長ピークが２μｍ〜３μｍであるため、前記したように、例えば水の赤外線吸収波長である２．２μｍと２．７μｍ、加熱管内の液体（水）を有効に加熱することができる。

ここで、前記螺旋状の加熱管の少なくとも被加熱領域において、ガラス管の内径が一定であることが望ましい。このように螺旋状の加熱管の内径が一定であるため、流体の滞留によって、加熱管の内部に異物が残留することがなく、一定純度の蒸気を発生させることできる。

また、前記螺旋状の加熱管における蒸気導出口近傍の内径が、前記被加熱領域の内径に比べて、小さく形成されていることが望ましい。
このように、前記加熱管の蒸気導出口近傍の内径が、前記被加熱領域の内径に比べて、小さく形成されている場合には、加熱管内部の圧力を高めることができ、高温高圧の蒸気を、より効率良く発生させることができる。

更に、前記螺旋状加熱管の螺旋状部外側が、表面が鏡面状態の金属箔で覆われると共に、前記螺旋状加熱管の両端が、断熱板あるいは表面が鏡面状態の金属板で覆われていることが望ましい。
このように、加熱管の螺旋状部外側が、表面が鏡面状態の金属箔で覆われ、前記螺旋状加熱管の両端が、断熱板あるいは表面が鏡面状態の金属板で覆われているため、カーボンワイヤー発熱体から放出された赤外線を有効に利用でき、必要な電力を減少させることができる。

また、前記加熱管の液体導入口近傍及び蒸気導出口近傍には、温度センサが設けられ、前記液体導入口と蒸気導出口の温度差から電力量を計算し、一定温度の蒸気を発生させることが望ましい。

本発明によれば、透明シリカのガラスからなり、かつ耐圧性能の優れた加熱管を備えた蒸気発生装置を得ることができる。

以下、本発明に係る蒸気発生装置の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る蒸気発生装置の概略構成を示すブロック図である。
図示する蒸気発生装置１は、カーボンワイヤー発熱体４をガラス管に封入してなるヒータ部２と、前記ヒータ部２を内部に配する透明シリカガラス管からなる加熱管３とを備え、ヒータ部２が加熱管２に供給された液体Ｗに直に接触することなく液体Ｗを加熱するようになされている。

前記加熱管３は、少なくとも被加熱領域Ｓに形成された螺旋状部３ａと、前記螺旋状部３ａに連続して形成された液体導入部３ｂと、前記螺旋状部３ｂで生成された蒸気を蒸気導出する導出部３ｃとを備えている。
この加熱管を構成する透明のシリカガラス管はＯＨ基が５ｐｐｍ以下であり、図２に示すように被加熱領域Ｓにおける螺旋状部３ａの外径Ｄと内径ｄとの比が１．５以上に形成されている。
このように被加熱領域Ｓにおける外径Ｄと内径ｄとの比が１．５以上に形成されているため、高圧の蒸気圧に対しても耐久性を有し、加熱管３の破損等を防止することができる。尚、加熱管３の外径Ｄと内径ｄとの比が１．５未満の場合には、高圧に耐えることができず、破損する虞がある。

また、前記加熱管３を構成するシリカガラスのＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以下であるため、赤外線吸収波長帯が３．５μｍ以上となる。例えば、水の赤外線吸収波長は２．２μｍと２．７μｍであるため、その赤外線吸収波長は通過し、加熱管３内の液体Ｗをより迅速に、また少ない電力で加熱することができる。
更に、加熱管３の内部に流体（液体又は蒸気）の滞留による異物が残留することがなく、一定の純度の蒸気を発生させるため、前記加熱管３の被加熱領域Ｓにおける螺旋状部３ａの内径ｄは一定に形成されている。

また、前記加熱管３は、加熱効率を向上させるため、螺旋状部３ａにおける隣接するガラス管距離（ピッチ）をより小さく形成し、密に巻回されている。前記隣接するガラス管距離（ピッチ）はゼロ、即ち当接することが強度、熱効率の向上の観点から、より好ましい。
更に、加熱管３の内部の圧力を高め、高温高圧の蒸気を発生させるため、蒸気導出口３ｃの近傍の内径ｄ１は、図３に示すように、前記被加熱領域Ｓの内径ｄに比べて、小さく形成されている。
このような加熱管３（透明シリカガラス管）は、一般的に知られている電気真空溶融によって製造することができる。

また、ヒータ部２は、図４、５に示すように端子部２ａと発熱部２ｂとからなり、発熱部２ｂは、先端部がＵ字状に形成された細い透明シリカガラス管２ｃ内にカーボンファイバー束からなるカーボンワイヤー発熱体４が封入され構成されている。
このヒータ部２は、前記端子部２ａに電力供給されると、カーボンワイヤー発熱体４が発熱（フィラメント温度１０００℃〜１１００℃）し、発熱部２ｂは赤外線波長ピークが２μｍ以上３μｍ以下の赤外線を放射する。
尚、前記したように、ヒータ部２は液体Ｗに直に接触することなく液体Ｗを加熱する構成となされているが、赤外線により液体Ｗを加熱するため、ヒータ部２に、液体Ｗを直に接触させなくても充分に液体Ｗを昇温させることができる。

また、ヒータ部２におけるシリカガラスのＯＨ基濃度は、前記した加熱管３と同様に、５ｐｐｍ以下とすることにより、水の赤外線吸収波長である２．２μｍと２．７μｍが通過し、加熱管３内の液体Ｗをより迅速に、また少ない電力で加熱することができる。

更に、このヒータ部２は、前記したような先端部がＵ字状に形成されたものに限定されるものではなく、図７に示すように形成された螺旋状の細い透明シリカガラス管２０内にカーボンファイバー束からなるカーボンワイヤー発熱体４が封入され構成されたものであっても良い。
このように、ヒータ部２を螺旋状の透明シリカガラス管２０で形成した場合、加熱管３との距離ｔが全周囲において同一距離となるため、均一に加熱管３内部の流体Ｗを加熱することができ、より好ましい。

また、図６に示すように、ヒータ部２及び加熱管３は、支持台１０によって支持されている。支持台１０によって支持されたヒータ部２には、制御装置７（制御手段）の制御により電力供給部９から電力供給されるよう構成されている。

更に、前記加熱管３の螺旋状部３ａ外側は、表面が鏡面状態の金属箔１１で覆われ、また加熱管３の両端部は断熱板、あるいは表面が鏡面状態の金属板１２，１３で覆われている。これにより、放射された遠赤外線を有効に利用することができ、必要電力を減少させることができる。

また、加熱管２に液体Ｗが供給される液体導入口３ｂの下流側には、導入される液体Ｗの温度を検出するための入口温度センサ５が設けられ、蒸気導出口３ｃの上流側には、導出された蒸気の温度を検出するための出口温度センサ６が設けられている。これらセンサ５、６は例えばサーミスタにより構成され、制御装置７の温度測定部８に接続されている。
即ち、センサ５、６によって検出された信号（抵抗値）は温度測定部８においてデジタルデータに変換され、制御装置７において電力供給部９に対する制御データとして用いられるよう構成されている。

次に、この蒸気発生装置１において、液体Ｗとして純水を用い、水蒸気を発生させる場合について説明する。
先ず、液体導入口３ｂから純水が加熱管３に導入され、導入された純水は螺旋状部３ａ内においてヒータ部２の周りを回るように流れ、加熱されることにより、蒸気導出部３ｃから水蒸気が導出される。

加熱管３の加熱は、制御装置７の命令により電力供給部９からヒータ部２に電力を供給し、カーボンワイヤー発熱体４を発熱させることにより行う。これによりヒータ部２の周囲に形成された加熱管３内の純水を赤外線により加熱する。
尚、加熱開始時において制御装置７は、入口温度センサ５、出口温度センサ６によって、前記液体導入口３ｂと蒸気導出口３ｃの温度差から電力量を計算し、一定温度の水蒸気を発生させるように、その比較結果を電力供給部９にフィードバックし、ヒータ部２に供給する電力量を制御する。

上記実施形態にあっては、液体として純水を用いた場合を説明したが、他の液体を用いることもできる。また上記実施形態にあっては、加熱管３として全体形状が円筒形状のものを示したが、全体形状が矩形形状になるように螺旋状に巻回したものであっても良い。更に上記実施形態にあってはガラス管を単に一段の螺旋状なした加熱管を示したが、前記螺旋形状を重ねた、いわゆる複数段の重ね巻きした加熱管であっても良い。

本発明にかかる蒸気発生装置は、半導体製品の洗浄用、医療機器洗浄用、医療関係物の殺菌、減菌用、医薬品製造装置あるいは食品製造装置の洗浄用等、あらゆる産業の蒸気発生装置として用いることができる。

図１は、本発明に係る蒸気発生装置の加熱管及びヒータ部の構成を示す概略図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１の加熱管の螺旋状部の断面図である。 図４は、図１のヒータ部を示す側面図である。 図５は、ヒータ部の一部拡大図である。 図６は、本発明に係る蒸気発生装置の概略構成を示す概略図である。 図７は、本発明に係る加熱管の変形例を示す概略図である。 図８は、従来のシーズヒータ装置の構成を示す断面図である。 図９は、従来のカーボンワイヤーヒータ装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 蒸気発生装置
２ ヒータ部
２ａ 端子部
２ｂ 発熱部
２ｃ 透明シリカガラス管
３ 加熱管
３ａ 螺旋状部
３ｂ 液体導入部
３ｃ 蒸気導出部
４ カーボンワイヤー発熱体
５ 入口センサ
６ 出口センサ
７ 制御装置
８ 温度測定部
９ 電力供給部
１０ 支持台
Ｓ 被加熱領域

Claims (5)

1. カーボンワイヤー発熱体をガラス管に封入してなるヒータ部と、前記ヒータ部を内部に配する螺旋状の加熱管とを具備し、前記加熱管に供給された液体を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生装置であって、
   前記加熱管はＯＨ基が５ｐｐｍ以下の透明シリカガラス管からなり、少なくとも被加熱領域における外径と内径との比が１．５以上であり、
   前記カーボンワイヤー発熱体の赤外線波長ピークが２μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする蒸気発生装置。
2. 前記螺旋状の加熱管の少なくとも被加熱領域において、ガラス管の内径が一定であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
3. 前記螺旋状の加熱管における蒸気導出口近傍の内径が、前記被加熱領域の内径に比べて、小さく形成されていることを特徴とする請求項２記載の蒸気発生装置。
4. 前記螺旋状加熱管の螺旋状部外側が、表面が鏡面状態の金属箔で覆われると共に、前記螺旋状加熱管の両端が、断熱板あるいは表面が鏡面状態の金属板で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された蒸気発生装置。
5. 前記加熱管の液体導入口近傍及び蒸気導出口近傍には、温度センサが設けられ、前記液体導入口と蒸気導出口の温度差から電力量を計算し、一定温度の蒸気を発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の蒸気発生装置。

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