JP2011122804A

JP2011122804A - 水蒸気発生装置

Info

Publication number: JP2011122804A
Application number: JP2009283256A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Fujita; 満藤田
Original assignee: Fuji Electric Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Thermo Systems Co Ltd
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】水分を含まない乾燥した蒸気を発生することのできるより小形の水蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】内部に流体の通流される導電性の金属管を密接して複数回スパイラル状に巻回して円筒状の加熱管を形成し、この加熱管を交流電源により付勢された円筒状の誘導加熱コイルにより外側から取り囲で誘導加熱することにより加熱管内を通流する水を加熱して水蒸気を発するようにした水蒸気発生装置において、前記円筒状の加熱管を中心軸線が垂直になるように配置し、かつこの加熱管形成する金属管を水平面に対して傾斜させてスパイラル状に巻回する。
【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水蒸気発生装置に関する。

誘導加熱により水等の流体を加熱する誘導加熱式流体加熱装置として、特許文献１に示されるような誘導加熱式流体加熱装置が知られている。

この従来の誘導加熱式流体加熱装置は図４に示すように構成されている。図４において、１０は加熱管である。この加熱管１０は、内部に流体通路１２を有する導電性の金属管１１をスパイラル状に密接巻きして円筒状に形成され、巻始端および巻終端に流体の出し入れを行う入口管１３および出口管１４が設けられている。加熱管１０は金属管１１の各巻層の間または巻始端と巻終端との間が接続材１６により電気的に接続され、各巻層または全体が電気的な閉回路を形成する。加熱管１０は断熱層１９の中に埋め込まれ、その外側にこの加熱管１０を取り囲んで円筒状に形成された誘導加熱コイル２０が配置される。

このように構成された誘導加熱式流体加熱装置においては、高周波交流電源４０から加熱コイル２０に高周波交流電流を供給することにより、加熱管１０に誘導電流がながれ、この電流により加熱管１０が発熱して加熱管１０内の流体通路１２を通流される水等の流体を加熱することができる。

特開平０５‐２９０９６０号公報

このような従来の誘導加熱式流体加熱装置は、流体、たとえば水を沸点以下に加熱して温水を作ることには適しているが、沸点以上に加熱して水の蒸気、特に乾燥した蒸気を作ることには適していない。それは、加熱管１０内において、蒸気から十分に水分を分離することができないためである。加熱装置の外側に蒸気から水分を分離するための気液分離装置を設置し、これによって蒸気から水分を分離することにより、乾燥した蒸気を取り出すたことが可能となるが、気液分離装置を設置する分、装置が大形化するという問題が生じる。

この発明は、このような問題を解決して、水分を含まない乾燥した蒸気を発生することのできるより小形の水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、この発明は、内部に流体の通流される導電性の金属管を密接して複数回スパイラル状に巻回して円筒状の加熱管を形成し、この加熱管を交流電源により付勢された円筒状の誘導加熱コイルにより外側から取り囲で誘導加熱することにより加熱管内を通流する水を加熱して水蒸気を発するようにした水蒸気発生装置において、前記円筒状の加熱管を中心軸線が垂直になるように配置し、かつこの加熱管を形成する金属管を水平面に対して傾斜させてスパイラル状に巻回することを特徴とするものである。

前記加熱管の金属管の巻回時の傾斜角度を、水分の金属管内壁面に濡れによる付着力より重力による落下力が上回る角度以上の角度とするのがよい。

また、この発明おいては、前記誘導加熱コイルのコイル導体に冷却水を通流する冷却水路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続し、加熱管に供給する水を前記誘導加熱コイルにより予熱するようにすることもできる。

さらに、前記誘導加熱コイルの外側に複数のシールドコイルを配設し、これらのシールドを形成する導体に連続した流体貫流路を設け、この流体貫流路と前記加熱管とを連通接続して加熱管で発生された水蒸気を前記シールドコイルの流体貫流路を介して取り出すようすることができる。

さらにまた、この発明においては、前記誘導加熱コイルのコイル導体に冷却水を通流する冷却水路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続し、加熱管に供給する水を前記誘導加熱コイルにより予熱し、かつ前記誘導加熱コイルの外側に磁気シールドコイルを配設し、この磁気シールドコイルを形成する導体に冷却水通路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続して加熱管で発生された水蒸気を前記磁気シールドコイルの冷却水通路を介して取り出すようするのがよい。

この発明によれば、内部に流体の通流される導電性の金属管を密接して複数回スパイラル状に巻回して円筒状の加熱管を形成し、この加熱管を交流電源により付勢された円筒状の誘導加熱コイルにより外側から取り囲で誘導加熱することにより加熱管内を通流する流体を加熱して蒸気を発するようにした誘導加熱式蒸気発生装置において、前記円筒状の加熱管を中心軸線が垂直になるように配置し、かつこの加熱管を形成する金属管を水平面に対して傾斜させてスパイラル状に巻回することにより、加熱管内で加熱されて発生した水蒸気がスパイラル状に巻回された金属管内を旋回しながら上昇する過程で、水蒸気に遠心力だ作用しこの水蒸気に含まれる水分が遠心分離され、水分を除去した乾燥した水蒸気だけを取り出すことができるので、特別な気水分離器が不要となり装置を小形にできる。

加熱管は傾斜して巻回された金属管により構成されているので、分離された水分が金属管内壁に濡れて付着することなく重力により落下するようになるので、加熱管の上部の水蒸気の充満される部分での水蒸気の加熱を効率よく行うことができ過熱水蒸気の効率よく発せすることができる。

加熱管に供給する水を誘導加熱コイルの冷却水通路を通して供給するようにすることにより、また加熱管により発生された水蒸気をシールドコイルの流体貫流路を通して取り出すようにすることにより、誘導加熱コイルおよびシールドコイルで消費される電力を水蒸気発生のための加熱電力に利用することができるので水蒸気発生装置の加熱効率を高めることができる。

この発明の水蒸気発生装置の第１実施例の構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、加熱管だけを取り出して示す正面図。この発明の水蒸気発生装置の第２実施例の構成を示す縦断面図。この発明に使用する磁気シールドコイルのリングコイルの構成を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）平面図。従来の流体加熱装置の構成を示す縦断面図。

次に、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は、この発明の第１実施例の水蒸気発生装置の構成を示すもので、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は加熱管の正面図である。

図１において、１０は、導電性の中空の金属管１１を垂直方向にスパイラル状に巻回して構成した加熱管である。加熱管１０の金属管１１は、各ターンの中心軸線ｃが図１（ｂ）に示すように水平面ｈに対して所要の角度θだけ傾斜させて密接して所要の回数巻回されている。この加熱管１０の金属管１１の各ターン間、又は少なくと金属管１１の巻始め端と巻終り端間が接続部材１５によって電気的に接続され、加熱管１０が全体として電気的な閉回路を構成している。また、加熱管１０は、金属管１１の中空路が連続した流体通路１２を形成する。加熱管１０の始端と終端には、それぞれ加熱管１０に外部から水を供給する給水管１３と流体通路１２から水蒸気を外部へ取り出す蒸気管１４が流体通路１２に連通して接続されている。加熱管１０は、断熱材１８の充填された断熱容器１９内に収容される。断熱材１８および断熱容器１９は何れも非磁性でかつ非導電性の耐熱材料で構成される。

断熱容器１９の外周にはこれを取り囲んで、冷却水通路２２を備えたコイル導体２１を所要回数スパイラル状に巻回して円筒状に構成した誘導加熱コイル２０が配設される。この誘導加熱コイル２０は、これに接続され交流電源４０により付勢され、交流磁界を発生して内部の加熱管２０を誘導加熱する。

さらにこの誘導加熱コイル２０の外側に、誘導加熱コイル２０で発生される高周波磁界が外部へ漏洩するのを防止するために、複数個（ここでは４個）のリングコイル３１〜３４で構成した磁気シールドコイル３０が配置されている。

このように構成した水蒸気発生装置においては、給水管１３を通して外部から加熱管１０に給水し、この中に水を満たして、交流電源４０から誘導加熱コイル２０に交流電力、望ましくは高周波の交流電力を供給することにより、加熱管１０を誘導加熱より加熱することができる。すなわち、誘導加熱コイル２０は高周波交流電力から付勢されることにより高周波磁界を発生する。誘導加熱コイル２０の発生した高周波磁界中に加熱管１０が置かれているので、加熱管１０に電磁誘導作用により渦電流および加熱管２０の形成する電気的閉回路に循環電流が流れる。加熱管１０がこれらの電流によりジュール熱を発生し、この熱により加熱管１０が流体通路１２内の水を加熱する。加熱管１０内で加熱された水は管内を上昇する従ってさらに温度が高められ、沸騰して気化され、水蒸気となる。加熱管１０で発生され水蒸気は、自身の圧力によりスパイラル状に巻回された加熱管１０内の流体通路１２を点線矢印で示すように上昇して、終端に接続された蒸気管１４から取り出され外部の図示しない蒸気利用装置へ導かれる。

この発明においては、加熱管１０が金属管１１を水平面に対して所要の角度θだけ傾斜させてスパイラル状に巻回して円筒状に構成されているので、この加熱管１０で発生した水蒸気が加熱管１０の流体通路１２内を旋回しながら上昇する。加熱管１０で発生された直後の水蒸気は多くの水分を含み湿っているが、水蒸気が加熱管内を旋回しながら上昇する過程で作用する遠心力により水蒸気から水分が分離される。分離された水分は加熱管１０内の傾斜された流体通路１２の内面に沿って流下する過程で、再度加熱されて水蒸気となる。

水蒸気から分離されて流体通路１２を流下する際、加熱管１０の金属管１１は所要角度θだけ傾斜させて巻回しているので、流体通路１２の内面が角度θだけ傾斜した面となるため、円滑に流下するようになる。

そしてこの金属管１１を傾斜して巻回する角度θを水の金属管１１の内周面に対する濡れによる付着力より重力による落下力が上回る角度以上の角度にすれば、水蒸気から分離された水分の流体通路１２内での流下がさらに円滑なり、水蒸気からの水分の分離を効果的に行うことができる。この水分の金属管に対する濡れによる付着力より重力による落下力が上回る角度は通常４度以上とされており、また、加熱管１０の高さは巻数を一定にした場合、金属管１１の巻回時の傾斜角度が大きくなるにしたがって高くなるので、装置高さを抑えて小形にするためには、金属管の巻回角度を４度程度にするのがよい。

このようにこの発明によれば、加熱管１０内において水蒸気を旋回させながら上昇させることにより水蒸気に含まれる水分を有効に分離し、流体通路内を円滑に流下させて始端側へ戻すことができるので、蒸気管１４からは、水分の含まれない乾燥して水蒸気を取り出すことができる。

この発明の第２実施例について図２を参照して説明する。

図２はこの発明の第２実施例による水蒸気発生装置の構成を示す縦断面図である。この第２実施例の主たる構成は、図１に示す第１実施例と同じであるので、これと異なる点だけを説明する。

第２実施例においては、図２に示すように誘導加熱コイル２０および磁気シールドコイル３０を構成するコイル導体２１および３１〜３４にそれぞれのコイル導体を冷却するために冷却水通路２２および３１ｂ〜３４ｂを設けている。

そして、誘導加熱コイル２０の冷却水通路２２の始端にコイル導体２１と電気的に絶縁して外部から給水する給水管１３を接続し、冷却水通路の終端を同様に絶縁して接続管２６を介して加熱管１０の始端に接続することにより誘導加熱コイル２０の冷却水通路２２と加熱管１０の流体通路１２とを連通する。

さらに、磁気シードコイル３０の４個のリング状に閉じられたリングコイル３１〜３４は、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）に示すように構成されている。図３には代表してリングコイル３１の構成を示す。

リングコイル３１は、内部に中空の冷却水通路３１ｂを有する管状導体３１ａを円形に湾曲して両端を結合することにより円形のリングに構成されている。導体３１ａ内の冷却水通路３１ｂも導体３１ａがリングになっている関係で閉ループの通路となるが、このリング状の冷却水通路３１ｂの接合箇所に仕切片３１ｃを挿入することにより通路のループは遮断されている。このようなリングコイル３１の冷却水通路３１ｂの両端付近に、それぞれ冷却水通路３１ｂに連通する口出し管３１ｄおよび３１ｅが設けられる。

リングコイル３１〜３４のそれぞれの口出し管を図２に示すように接続管３５〜３７により順次電気的に絶縁して縦続接続することにより、各リングコイル内の冷却水通路３１ｂ〜３４ｂが直列に接続される。

加熱管１０の流体通路１２の終端(出口側端)を、接続管２７を介して電気的に絶縁して磁気シールドコイル３０の最上段のリングコイル３１の入口側の口出し管３１ｄに接続することにより、加熱管１０の流体通路１２が磁気シールドコイル３０の冷却水通路に連通接続される。シールドコイル３０の最下段のリングコイル３４の出口側口出し管３４ｅには蒸気を取り出すための蒸気管１４が接続される。

このように構成することにより、第２実施例の水蒸気発生装置においては、加熱管１０の流体通路１２の入口側に誘導加熱コイル２０の冷却水通路２２が、そして出口側に磁気シールドコイル３０の冷却水通路が接続され、全部の冷却水通路および流体通路が連通し直列になる。

このため、給水管１３から供給さる水は、誘導加熱コイル２０−加熱管１０−磁気シールドコイル３０の順に直列に通流する。

通常の運転において、誘導加熱コイル２０を交流電源により付勢すると、誘導加熱コイル２０は自身に流れ電流により発熱する。また、磁気シールドコイル３０は、誘導加熱コイル２０で発生された交流磁界により各リングコイルに誘導される電流により発生される磁界により誘導加熱コイルから外部へ漏洩する磁界を打ち消し、外部への磁界の漏洩を抑制するものであるが、磁気シールドコイル３０もこのとき流れる電流により発熱する。このような誘導加熱コイル２０および磁気シールドコイル３０が自身の発生熱により過熱されるのを防止するために冷却水通路に冷却水を通流して冷却するのであるが、これまでは冷却水により吸収された熱は損失として放散されていた。

第２実施例の水蒸気発生装置においては、給水管１３から供給される水は誘導加熱コイル２０を通して加熱管１０へ供給されるため、誘導加熱コイル２０を通過する過程でこれを冷却することにより予熱された水を加熱管１０で加熱して水蒸気を発生するため、誘導加熱コイル２０の損失熱を回収することができ、蒸気発生装置の熱効率を高めることができる。

また、加熱管１０の終端の出口は接続管２７を介して磁気シールドコイル３０の冷却水通路に接続されているので、加熱管１０で発生された水蒸気を、磁気シールドコイル３０の冷却水通路を通して蒸気管１４から取り出すことができる。加熱管１０で発生された水蒸気を磁気シールドコイル３０の冷却水通路を通過する過程で、磁気シールドコイル３０の発生する熱で再加熱して過熱水蒸気とすることができるので、過熱水蒸気を効率よく発生することができる。

この発明の第２実施例のように、水蒸気を発生するための加熱管１０への給水を誘導加熱コイルの冷却水通路を通して行い、加熱管１０で発生した水蒸気を磁気シールドコイル３０の冷却水通路を通して取り出すようにすると、誘導加熱コイル２０および磁気シールドコイル３０の損失熱を給水の余熱および水蒸気の過熱に利用でき、回収することができるため水蒸気発生装置の熱効率をより高めることができる。

１０：加熱管
１１：金属管
１２：流体通路
２０：誘導加熱コイル
２１：コイル導体
２２：冷却水通路
３０：磁気シールドコイル
３１〜３４：リングコイル
３１ａ〜３４ａ：冷却水通路

Claims

内部に流体の通流される導電性の金属管を密接して複数回スパイラル状に巻回して円筒状の加熱管を形成し、この加熱管を交流電源により付勢された円筒状の誘導加熱コイルにより外側から取り囲で誘導加熱することにより加熱管内を通流する水を加熱して水蒸気を発するようにした水蒸気発生装置において、前記円筒状の加熱管を中心軸線が垂直になるように配置し、かつこの加熱管を形成する金属管を水平面に対して傾斜させてスパイラル状に巻回することを特徴とする水蒸気発生装置
前記加熱管の金属管の巻回時の傾斜角度を、水分の金属管内壁面に濡れによる付着力より重力による落下力が上回る角度以上の角度とした請求項１に記載の水蒸気発生装置。
前記誘導加熱コイルのコイル導体に冷却水を通流する冷却水路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続し、加熱管に供給する水を前記誘導加熱コイルにより予熱するようにした請求項１また２に記載の水蒸気発生装置。
前記誘導加熱コイルの外側に磁気シールドコイルを配設し、この磁気シールドコイルを形成する導体に冷却水通路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続して加熱管で発生された水蒸気を前記磁気シールドコイルの冷却水通路を介して取り出すようした請求項１または２に記載の水蒸気発生装置。
前記誘導加熱コイルのコイル導体に冷却水を通流する冷却水路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続し、加熱管に供給する水を前記誘導加熱コイルにより予熱し、かつ前記誘導加熱コイルの外側に磁気シールドコイルを配設し、この磁気シールドコイルを形成する導体に冷却水通路を設け、この冷却水通路と前記加熱管の流体通路とを連通接続して加熱管で発生された水蒸気を前記磁気シールドコイルの冷却水通路を介して取り出すようした請求項１また２に記載の水蒸気発生装置。