JP2012163230A - 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とともに熱損失を抑制する。
【解決手段】閉磁路鉄心の脚鉄心に１次コイルとなる導体管２を巻回し、その外周に２次コイルとなる導体管３を巻回して短絡し、１次コイルとなる導体管２に交流電流を流して２次コイルとなる導体管３を誘導発熱する誘導加熱器２台を連結して、第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３で水から飽和水蒸気を生成し、第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管２でその飽和水蒸気から過熱水蒸気を生成する。過熱水蒸気生成中は第１の誘導加熱器７の水位の低下分を補給する水を、配管１５、第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２、第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２および配管１６ならびに給水ポンプ９からなる循環路を流して予熱する。
【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とともに熱損失を抑制する点にある。

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、閉磁路鉄心の脚鉄心に１次コイルとなる導体管を巻回し、その１次コイルの外周に前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する２次コイルとなる導体管を巻回した第１および第２の誘導加熱器と、電磁弁と給水ポンプを順に設置した給水管とを有し、前記第１の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管の一端を前記電磁弁通過後の給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管の一端に連結し、また、前記第１の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管の一端を前記電磁弁通過前の前記給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管の一端に連結し、他端を給水ポンプの手前の前記給水管に連結し、前記給水ポンプで前記電磁弁を介して供給する水を前記第１の誘導加熱器の２次コイルとなる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２次コイルとなる導体管内を通流加熱して過熱水蒸気を生成するとともに、前記給水ポンプで供給する水を前記第１の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管および前記第２の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管を通流させて前記給水ポンプの手前で合流させた構成としている。

本発明によれば、閉磁路鉄心の脚鉄心に１次コイルとなる導体管を巻回し、その１次コイルの外周に前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する２次コイルとなる導体管を巻回した誘導加熱器２台を１次コイルとなる導体管どうし、２次コイルとなる導体管どうしを連通連結し、その一方の誘導加熱器（第１の誘導加熱器）で飽和水蒸気を生成し、その飽和水蒸気を他方の誘導加熱器（第２の誘導加熱器）で過熱水蒸気を生成しているので、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２次コイルとなる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電力の利用効率が高くなる。

また、２次コイルは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検出が容易になるとともに、総じて小型コンパクト化することができる。

さらに、１次コイルとなる導体管内に水を通流して鉄心を冷却し、鉄心の熱で加熱された水の一部を第１の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管に補給しているので、補給する水を予熱している分、その２次コイルとなる導体管による消費電力を削減することができ、熱の利用効率を高めることができる。

本発明の実施例に係る流体の回路図である。 本発明の実施例における電気回路図である。 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３の誘導加熱器の鉄心の構成を概略で示す構成図、（ａ）は斜視図、（ｂ）は拡大平面図、（ｃ）は部分拡大図である。

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３および図４を参照して説明する。図３において、１は継鉄心１ｂで閉磁路を構成する脚鉄心、２は脚鉄心に巻回した銅からなる導体管（１次コイル、図示例は断面外形四角形の導体管）、３は鉄心に巻回したＳＵＳなどからなる導体管（２次コイル、図示例は断面外形円形の導体管）、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。２次コイルとなる導体管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２次コイルを短絡した１巻の２次コイルとなっている。５は絶縁紙、６は無溶剤系絶縁接着剤層である。

脚鉄心１は、図４に示すように屈曲部１ｂとこの屈曲部に連続してインボリュート曲線状に湾曲した曲率部１ｃを有する薄い珪素鋼板（以下、鉄薄板という。）を円周方向に積み重ねて円筒とされ、この円筒を複数（図示例はＡＢＣの３個）同心で径方向に順次積層して円形鉄心（以下、インボリュート脚鉄心という。）としている。このインボリュート脚鉄心は鉄損の少ないほぼ真円で、外周部分の隙間が少なく、有効面積が大きく、かつ、鉄薄板の平面部が外周に露出することがない利点がある。

誘導加熱器は、脚鉄心１の外周に、両面に無溶剤系絶縁接着剤６を途着した絶縁紙５を巻回し、その無溶剤系絶縁接着剤層６に密着して、１次コイルとなる導体管２を巻回する。無溶剤系絶縁接着剤層６を両面に塗着した絶縁紙５は断熱効果が低く、熱伝導性が高いので脚鉄心１で発生した鉄損による熱は効果的に１次コイルとなる導体管２に伝達される。これにより脚鉄心１は冷却され、１次コイルとなる導体管２は加熱されることとなる。１次コイルとなる導体管２を断面外形四角形としているのは伝熱面を広くするためである。そして、１次コイルとなる導体管２を巻回した外周に絶縁紙５を介して２次コイルとなる導体管４を捲回して形成されている。

過熱水蒸気生成装置は、このように形成した誘導加熱器を２台、水から飽和水蒸気を生成する誘導加熱器（第１の誘導加熱器）と飽和水蒸気から過熱水蒸気を生成する誘導加熱器（第２の誘導加熱器）をとして組み合わせて構成する。すなわち、第１の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管と第２の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管とを管内が連通するように必要に応じて絶縁性の継ぎ手を介して連結し、第１の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管と第２の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管とを管内が連通するように必要に応じて絶縁性の継ぎ手で連結して組み合わせる。

そして、図１に示すように、第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３の一端を電磁弁１０通過後の配管（給水管）１１に連結し、第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２の一端を、給水ポンプ９と電磁弁１０との間で分岐した配管（給水管）１５に連結する。第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管３の一端は過熱水蒸気の出力口とし、第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２の一端は給水ポンプ９の手前から分岐した配管１６に連結する。

過熱水蒸気を生成するときは、第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２および第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２を、それぞれ電圧制御器を介して交流電源に接続する。その接続により第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２および第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２に交流電流が流れ、第１の誘導加熱器７の脚鉄心１および第２の誘導加熱器８の脚鉄心１にそれぞれ交番磁束が発生し、この交番磁束と交鎖する第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３および第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管３にそれぞれ電流が誘起され、その導体管３はそれぞれジュール発熱する。同時に誘導加熱器７および８の脚鉄心１が鉄損により発熱する。

また、給水ポンプ９を駆動し、電磁弁１０を経由して第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３に水を充填する。この充填はレベルスイッチ１２で検出される位置まで行われる。第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３に充填した水はその導体管３の発熱により加熱され、たとえば１３０℃の飽和水蒸気を生成し、その飽和水蒸気を第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管３へ送出する。その送出により第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３内の水位は低下するが、その低下分は電磁弁１０の制御により補給する。第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管３に送出された飽和水蒸気は第２の誘導加熱器８の２次コイルとなる導体管３の発熱で加熱され、たとえば５００℃の過熱水蒸気を生成して出力する。なお、第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３をオーバフローした水は、セパレータ１３で分離され配管１４を通流して給水ポンプ９へ戻される。

一方、給水ポンプ９が駆動すると、水が電磁弁１０の手前で分岐した給水管１５、第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２、第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２および配管１６を経由して給水ポンプ９に戻される。第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２および第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２を通流する水は各導体管２の熱（主に脚鉄心１の鉄損により発生した熱）で加熱され、その加熱された水が給水ポンプ９に戻される。第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３内の水位が低下し、その低下分を補給するときは、この加熱された水を混合した水、つまり予熱された水が補給される。

すなわち、過熱水蒸気生成中は第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３内へ補給する水は、配管１５、第１の誘導加熱器７の１次コイルとなる導体管２、第２の誘導加熱器８の１次コイルとなる導体管２および配管１６ならびに給水ポンプ９からなる循環路を流して予熱している。この予熱した水を第１の誘導加熱器７の２次コイルとなる導体管３内へ補給するので、その予熱している分第１の誘導加熱器７の１次コイルに供給する電力を節約することができる。なお、図１に示す符号１７は安全弁、１８は圧力スイッチである。

なお、第１および第２の誘導加熱器７、８の２次コイルとなる導体管３はコイル状にしているので、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飽和水蒸気や過熱水蒸気との温度差が小さく、飽和水蒸気（例えば１３０℃）や過熱水蒸気（例えば５００℃）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。

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２はこの場合の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２において、１９は三相交流電源、２０は三相電圧制御器、２１はスコット結線変圧器、２２は単相変圧器、２３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１次コイル（導体管）２は、スコット結線変圧器２１のＴ座変圧器２１ａの１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１次コイル（導体管）２は単相変圧器２２の１次コイル２とされている。そして、スコット結線変圧器２１の３個の入力端子（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）は、三相電圧制御器２０を介して三相交流電源１９の各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）にそれぞれ接続され、単相変圧器２２の１次コイル２の入力端子（Ｖ２，Ｗ２）は、単相電圧制御器２３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１次コイルに流す電流と、第２の誘導加熱器の１次コイルに流す電流を個別に制御することができる。

ここで、Ｔ座変圧器２１ａと主座変圧器２１ｂ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１次コイルを三相電源のＵ−Ｖ間に、第２の誘導加熱器の１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１次コイルをスコット結線変圧器のＴ座変圧器の１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 閉磁路鉄心の脚鉄心
２ 導体管からなる１次コイル
３ 導体管からなる２次コイル
４ 溶接部
５ 絶縁紙
６ 無溶剤系絶縁接着剤層
７ 第１の誘導加熱器
８ 第２の誘導加熱器
９ 給水ポンプ
１０ 電磁弁
１１，１４，１５、１６ 配管
１９ 三相電源
２０ 三相電圧制御器
２１ スコット結線変圧器
２１ａ Ｔ座変圧器
２１ｂ 主座変圧器
２２ 単相変圧器
２３ 単相電圧制御器

本発明の実施例に係る流体の回路図である。 本発明の実施例における電気回路図である。 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３の誘導加熱器の鉄心の構成を概略で示す構成図、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分拡大平面図である。

誘導加熱器は、脚鉄心１の外周に、両面に無溶剤系絶縁接着剤６を塗着した絶縁紙５を巻回し、その無溶剤系絶縁接着剤層６に密着して、１次コイルとなる導体管２を巻回する。無溶剤系絶縁接着剤層６を両面に塗着した絶縁紙５は断熱効果が低く、熱伝導性が高いので脚鉄心１で発生した鉄損による熱は効果的に１次コイルとなる導体管２に伝達される。これにより脚鉄心１は冷却され、１次コイルとなる導体管２は加熱されることとなる。１次コイルとなる導体管２を断面外形四角形としているのは伝熱面を広くするためである。そして、１次コイルとなる導体管２を巻回した外周に絶縁紙５を介して２次コイルとなる導体管４を捲回して形成されている。

ここで、Ｔ座変圧器２１ａと主座変圧器２１ｂ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。

Claims (2)

1. 閉磁路鉄心の脚鉄心に１次コイルとなる導体管を巻回し、その１次コイルの外周に前記１次コイルに流れる交流電流で発熱する２次コイルとなる導体管を巻回した第１および第２の誘導加熱器と、電磁弁と給水ポンプを順に設置した給水管とを有し、前記第１の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管の一端を前記電磁弁通過後の給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の２次コイルとなる導体管の一端に連結し、また、前記第１の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管の一端を前記電磁弁通過前の前記給水管に連結し、他端を前記第２の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管の一端に連結し、他端を給水ポンプの手前の前記給水管に連結し、前記給水ポンプで前記電磁弁を介して供給する水を前記第１の誘導加熱器の２次コイルとなる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２次コイルとなる導体管内を通流加熱して過熱水蒸気を生成するとともに、前記給水ポンプで供給する水を前記第１の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管および前記第２の誘導加熱器の１次コイルとなる導体管を通流させて前記給水ポンプの手前で合流させたことを特徴とする過熱水蒸気生成装置。
2. 前記脚鉄心をインボリュート形状の鉄薄板を円柱状に積層した円形とし、該脚鉄心と１次コイル導体管の間に無溶剤系絶縁接着剤を全面に途着した絶縁紙を挿入した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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