JP2012163229A - 過熱水蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過熱水蒸気生成装置を小型コンパクトにしてかつ水および飽和水蒸気への熱伝達速度を高め、温度制御性を高めるようにする。
【解決手段】１次コイル２を巻回した閉磁路鉄心１に、前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管３を巻回した第１の誘導加熱器と、同様に構成した第２の誘導加熱器とを有し、前記第１の誘導加熱器の導体管３の一端を給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の導体管３の一端に連結し、水を前記第１の誘導加熱器の導体管３内に充填して飽和水蒸気を生成し、生成した飽和水蒸気を前記第２の誘導加熱器の導体管３内を通流加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、第１の誘導加熱器の１次コイルを三相電源５に接続したスコット結線変圧器７のＴ座変圧器の１次コイルとし、第２の誘導加熱器の１次コイルを三相電源５の二相間に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導加熱により過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置に関する。

３００℃〜６００℃の高温の過熱水蒸気は、水を充填したタンクを加熱して１００℃〜１５０℃の飽和水蒸気を生成し、生成した飽和水蒸気を流れにしたがって３００〜６００℃に加熱して生成される。飽和水蒸気を加熱において誘導加熱を使用される場合がある。この場合の誘導加熱は、導線を筒状に巻回したコイルの筒状の内部に、コイルに流す交流電流に誘導されてジュール発熱する多数の貫通孔を形成した発熱体を配置して構成され、飽和水蒸気はこの貫通孔を通流する間に、発熱体の熱により加熱される。

特開２００５−２３３５７２号公報 特開２０１０−２１０２２５号公報

以上のような過熱水蒸気生成装置では、水を加熱して飽和水蒸気を得る加熱器が水を充填したタンクであるため、水と接触する伝熱面積が小さく熱の伝達効率が劣り、水の温度管理が行い難い。また、飽和水蒸気を加熱する加熱器は発熱体内を直進する飽和水蒸気を加熱するため、充分な熱を伝達するには発熱体を長くする必要があり大型化するといった問題があった。

発明が解決しようとする課題は、過熱水蒸気生成装置を小型コンパクトにしてかつ水および飽和水蒸気への熱伝達速度を高め、温度制御性を高めるようにする点にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、過熱水蒸気生成装置を、１次コイルを巻回した閉磁路鉄心に、前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管を巻回した第１の誘導加熱器と、１次コイルを巻回した閉磁路鉄心に、前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管を巻回した第２の誘導加熱器とを有し、前記第１の誘導加熱器の導体管の一端を給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の導体管の一端に連結し、水を前記第１の誘導加熱器の導体管内に充填して飽和水蒸気を生成し、生成した飽和水蒸気を前記第２の誘導加熱器の導体管内を通流加熱して過熱水蒸気を生成する構成としている。

本発明によれば、１次コイルを巻回した閉磁路鉄心に、水および飽和水蒸気を通流する導体管を巻回しているので、閉磁路鉄心による漏れ磁束が極めて少なくなり、効果的に導体管を発熱させることができ、また、周辺機器を誘導加熱する弊害もなく、さらには力率が高く受電容量が小さくできるとともに効率が高くなる。また、導体管を巻回しているのでその長さが長く取れ、伝熱面積が大きくなり導体管の温度とその内部を通流する水や飽和水蒸気との温度差が小さくなるため、水や飽和水蒸気の温度制御性が高くなるとともに、小型コンパクト化することができる。

本発明の実施例に係る加熱部の回路図である。 本発明の実施例に係る誘導加熱器の構造を示す半断面図である。 図１の導体管の構成を示す構成図、（ａ）は平面図（ｂ）は側面図、（ｃ）は部分拡大図である。 本発明の実施例に係る他の誘導加熱器の構造を示す半断面図である。

本発明の実施例を図によって説明する。まず、実施例で使用する誘導加熱器について、図２および図３を参照して説明する。図２において、１は閉磁路を構成する鉄心（以下、単に鉄心という。図は脚鉄心部分を示している。）、２は鉄心に巻回した一次コイル、３は鉄心に巻回したＳＵＳなどからなる導体管、４は機械的電気的に接続固定したロー付け溶接部である。導体管３は隣接の導体管どうしをＴＩＧ溶接により機械的電気的に接続固定され、電気的には二次コイルを短絡した１巻の二次コイルとなっている。この実施例における過熱水蒸気生成装置は、このように構成した誘導加熱器２台を、導体管を連結して構成している。
以下、飽和水蒸気を生成する誘導加熱器を第１の誘導加熱器と呼び、過熱水蒸気を生成する誘導加熱器を第２の誘導加熱器と呼ぶ。

すなわち、飽和水蒸気の生成は、第１の誘導加熱器の導体管３の下部流入口３ａから水を導体管３内に流出口３ｂ近くの所定の位置まで充填し、一次コイル２に交流電圧を印加する。この電圧印加により鉄心１に交番磁束が発生し、この交番磁束と交鎖する二次コイルである導体管３に誘導電流が発生し、この電流により導体管３は抵抗発熱し、この熱により導体管３内の水を加熱し、飽和水蒸気を生成し、その飽和紙蒸気を第２の誘導加熱器の導体管３内へ送る。

このとき、飽和水蒸気の生成放出で水位は低下するが、レベル計などでその水位を検出し、水位の低下にしたがい給水する。また、導体管３内の水の温度、つまり飽和水蒸気の温度を検出し、所定の温度（たとえば１３０℃）となるように一次コイル２に流す電流を制御する。導体管３を巻回してコイル状にした二次コイルでは、導電管３の延べ長さが長く取れ、伝熱面積が大きくなり導体管３の温度とその内部の水との温度差が小さく、飽和水蒸気の温度の検出は導体管３の温度を検出することでもできる。

過熱水蒸気の生成は、第１の誘導加熱器から送られた飽和水蒸気を第２の誘導加熱器の下部流入口３ａから導入し、一次コイル２に交流電圧を印加する。この電圧印加により鉄心１に交番磁束が発生し、この交番磁束と交鎖する二次コイルである導体管３に誘導電流が発生し、この電流により導体管３は抵抗発熱し、この熱により導体管３内の飽和水蒸気を加熱する。この場合においても導体管３内の過熱水蒸気の温度は導体管３の温度を検出し、所定の温度（たとえば５００℃）となるように一次コイル２に流す電流で制御する。

なお、誘導加熱器の導体管３は、図４に示すように一次コイル２の間、すなわち鉄心１に沿って一次コイル２を巻回し、その一次コイル２の外周に、該一次コイル２に沿って導体管３を巻回し、隣接の導体管３どうしを電気的機械的に接続固定し、その導体管３に沿って一次コイル２を巻回して配置している。このように導体管３からなる二次コイルを配置すると、その二次コイルと交鎖する磁束が増加し、これにより導体管３に流れる電流が増加し加熱効率を高めることができる。

ところで、工場設備の大きな受電は、三相交流電源を使用しなければならい。図１は本発明の実施例に係る２台の誘導加熱器を三相交流電源の三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）間の電流に大きなアンバランスを発生させることなく接続できるようにした回路を示している。図１において、５は三相交流電源、６は三相電圧制御器、７はスコット結線変圧器、８は単相変圧器、９は単相電圧制御器である。

水から飽和水蒸気を生成する第１の誘導加熱器の一次コイル（導体管）は、スコット結線変圧器７のＴ座変圧器の一次コイル２とされ、飽和水蒸気から過熱水蒸気を生成する第２の誘導加熱器の一次コイル（導体管）は単相変圧器の一次コイル２とされている。そして、スコット結線変圧器７の３個の入力端子（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）は、三相電圧制御器６を介して三相交流電源の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）にそれぞれ接続され、単相変圧器８の一次コイル２の入力端子（Ｖ２，Ｗ２）は、単相電圧制御器９を介して三相交流電源の図示例ではＶ相とＷ相にそれぞれ接続されている。この接続により 第１の誘導加熱器の一次コイルに流す電流と、第２の誘導加熱器の一次コイルに流す電流を個別に制御することができる。

なお、Ｔ座変圧器と主座変圧器がスコット結線され、主座変圧器のＶ−Ｗ間の巻き数をＮとすると、Ｖ−Ｏ（結線部）間の巻数およびＷ−Ｏ間の巻数はＮ／２でＴ座変圧器のＵ−Ｏ間の巻数は（√３）Ｎ／２であり、この条件を満たす限りＴ座変圧器と主座変圧器を単相変圧器で構成してもよく、三相一体型としてもよい。三相一体型の場合は三脚鉄心中の、Ｔ座および主座変圧器巻線を施す両端脚断面積をＳとすれば、中央脚断面積は（√２）Ｓとなる。

いま、第１の誘導加熱器で１３０℃の飽和水蒸気を得、第２の誘導加熱器で５００℃過熱水蒸気を得るとすると、その熱量比は約２：１となる。第１の誘導加熱器の一次コイルを三相電源のＵ−Ｖ間に、第２の誘導加熱器の一次コイルをＶ−Ｗ間に接続すると、その電流比はＵ：Ｖ：Ｗ＝１：１．３２３：０．５となり最大電流と最小電流との比は２．６５倍となり、三相間の電流に大きいアンバランスを発生することなり、このような接続では受電設備容量が大きくなってしまう。しかし、第１の誘導加熱器の一次コイルをスコット結線変圧器のＴ座変圧器の一次コイルとすれば、その電流比はＵ：Ｖ：Ｗ＝１：０．６６１：０．６６１となり最大電流と最小電流との比は１．５１倍となり、その大きなアンバランスを抑制することができ、受電設備の大容量化を抑制することができる。

１ 閉磁路鉄心
２ 一次コイル
３ 導体管コイル
４ 溶接部
５ 三相電源
６ 三相電圧制御器
７ スコット結線変圧器
８ 単相変圧器
９ 単相電圧制御器

このとき、飽和水蒸気の生成放出で水位は低下するが、レベル計などでその水位を検出し、水位の低下にしたがい給水する。また、導体管３内の水の温度、つまり飽和水蒸気の温度を検出し、所定の温度（たとえば１３０℃）となるように一次コイル２に流す電流を制御する。導体管３を巻回してコイル状にした二次コイルでは、導体管３の延べ長さが長く取れ、伝熱面積が大きくなり導体管３の温度とその内部の水との温度差が小さく、飽和水蒸気の温度の検出は導体管３の温度を検出することでもできる。

なお、Ｔ座変圧器と主座変圧器がスコット結線され、主座変圧器のＶ１−Ｗ１間の巻き数をＮとすると、Ｖ１−Ｏ（結線部）間の巻数およびＷ１−Ｏ間の巻数はＮ／２でＴ座変圧器のＵ１−Ｏ間の巻数は（√３）Ｎ／２であり、この条件を満たす限りＴ座変圧器と主座変圧器を単相変圧器で構成してもよく、三相一体型としてもよい。三相一体型の場合は三脚鉄心中の、Ｔ座および主座変圧器巻線を施す両端脚断面積をＳとすれば、中央脚断面積は（√２）Ｓとなる。

１ 閉磁路鉄心（鉄心）
２ 一次コイル
３ 導体管
４ 溶接部
５ 三相電源（三相交流電源）
６ 三相電圧制御器
７ スコット結線変圧器
８ 単相変圧器
９ 単相電圧制御器

Claims (2)

1. １次コイルを巻回した閉磁路鉄心に、前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管を巻回した第１の誘導加熱器と、１次コイルを巻回した閉磁路鉄心に、前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管を巻回した第２の誘導加熱器とを有し、前記第１の誘導加熱器の導体管の一端を給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の導体管の一端に連結し、水を前記第１の誘導加熱器の導体管内に充填して飽和水蒸気を生成し、生成した飽和水蒸気を前記第２の誘導加熱器の導電管内を通流加熱して過熱水蒸気を生成することを特徴とする過熱水蒸気生成装置。
2. 前記第２の誘導加熱器の１次コイルを三相電源の二相間に単相電圧制御器を介して接続し、前記第１の誘導加熱器の１次コイルを、三相電圧制御器を介して前記三相電源に接続したスコット結線変圧器のＴ座コイルとしてなることを特徴とする請求項１に記載の過熱水蒸気生成装置。

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