JP2016219376A - 流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱的安全性を向上させるとともに、熱交換効率を向上させしつつ、専用の蓄圧器を設けることなく蓄圧機能を備えさせる。
【解決手段】被加熱流体を加熱する第１加熱機構１００Ａと、前記被加熱流体をさらに加熱する第２加熱機構１００Ｂとを備え、それら加熱機構１００Ａ、１００Ｂが、円筒状鉄心２と、円筒状鉄心２とともに閉磁路を形成する磁路形成部３と、電磁誘導により発熱して内部を流れる被加熱流体を加熱する加熱流路形成部４と、円筒状鉄心２の内部に磁束を発生させる誘導コイル５と、冷却媒体が流れる冷却管６とを有し、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積よりも大きく、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路容積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路容積よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導を用いて、例えば水等の被加熱流体を加熱する流体加熱装置に関するものである。

従来の流体加熱装置としては、例えば特許文献１に示すように、閉磁路鉄心に一次コイルを巻回するとともに、被加熱流体が流れる加熱導体管を巻回したものがある。この流体加熱装置は、前記１次コイルに交流電圧を印加して、前記加熱導体管を電磁誘導により発熱させることによって、被加熱流体を加熱させる構成である。

しかしながら、電磁誘導により発熱した加熱導体管は、内部を流れる被加熱流体に熱を与えると同時に、外部に放熱して熱損失が生じてしまう。この放熱により周辺の構成要素が加熱されるため、別途の熱対策が必要となる。例えば、断熱材を設けることによって断熱を行うことはできるが、十分な断熱を行う（熱的安全性を確保する）ためには、断熱材の使用量が増えてしまう。

また、液体が加熱されて気体に状態変化すると、その体積は大きく増加するので（水の場合は、約１７００倍）、その対策として、被加熱流体の流路途中に高温に対応できる専用の蓄圧器が必要となってしまう。この専用の蓄圧器を設けると、装置構成が複雑になるだけでなく、装置の小型化が難しくなってしまう。

特開２０１２−１６３２２９号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、熱的安全性を向上させるとともに、熱交換効率を向上させしつつ、専用の蓄圧器を設けることなく蓄圧機能を備えさせることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る流体加熱装置は、被加熱流体を加熱する第１加熱機構と、前記第１加熱機構により加熱された被加熱流体をさらに加熱する第２加熱機構とを備え、前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構が、円筒状鉄心と、前記円筒状鉄心の外側周面に設けられ、前記円筒状鉄心とともに閉磁路を形成する磁路形成部と、前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、電磁誘導により発熱して内部を流れる被加熱流体を加熱する加熱流路形成部と、前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、前記円筒状鉄心の内部に磁束を発生させる誘導コイルと、前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管とを有し、前記第２加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積が、前記第１加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積よりも大きく、前記第２加熱機構の加熱流路形成部の流路容積が、前記第１加熱機構の加熱流路形成部の流路容積よりも大きいことを特徴とする。

本発明では、円筒状鉄心及び磁路形成部の間に、熱源である加熱流路形成部を配置する構成としているので、加熱流路形成部から外部に漏れ出る熱を、磁路形成部の内側に閉じ込めることができる。そして、この構成において、円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に冷却媒体が流れる冷却管を設けているので、断熱材の使用量を削減しつつ流体加熱装置の熱的安全性を向上させることができる。

また、本発明では、第１加熱機構及び第２加熱機構を備える構成であるので、被加熱流体を所望の温度に加熱し易くすることができる。このとき、第２加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積が、第１加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積よりも大きいので、第２加熱機構の加熱流路形成部を流れる被加熱流体の流速を、第１加熱機構の加熱流路形成部を流れる被加熱流体の流速よりも小さくすることができ、第２加熱機構における熱交換効率を向上させることができ、所望の温度に加熱し易くすることができる。
ここで、加熱流路形成部の流路断面積とは、流路方向に直交する断面における流路断面積であり、加熱流路形成部が分岐した複数の内部流路を有する場合には、当該複数の内部流路の流路断面積の合計である。

さらに、本発明では、第２加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積及び流路容積が、第１加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積及び流路容積よりも大きいので、特に第２加熱機構の加熱流路が蓄圧機能を奏することになり、専用の蓄圧器を設ける必要が無く、また、加熱された被加熱流体の脈流を低減することができる。

前記第１加熱機構の加熱流路形成部が、導体管を螺旋状に巻き回して形成されたものであり、前記第２加熱機構の加熱流路形成部が、円筒状導体の側壁にその軸方向に沿って複数の内部流路が形成されたものであることが望ましい。
この構成であれば、第１加熱機構の加熱流路形成部を螺旋状導管から構成しているので、被加熱流体に対する伝熱面積を大きくすることができる。また、第２加熱機構の加熱流路形成部が複数の内部流路を形成した円筒状導体から構成しているので、被加熱流体に対する伝熱面積を大きくするとともに、その流路断面積及び流路容積を第１加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積及び流路容積よりも簡単な構成により大きくすることができる。
なお、第２加熱機構の加熱流路形成部を、第１加熱機構の加熱流路形成部と同様に、螺旋状導管から構成し、当該螺旋状導管の管径を第１加熱機構のものよりも大きくすることも考えられるが、複数の内部流路を形成した円筒状導体に比べて、流路断面積及び流路容積を大きくすることが難しい。

前記冷却管が、前記加熱流路形成部及び前記磁路形成部の間に設けられた外側冷却管と、前記加熱流路形成部及び前記円筒状鉄心の間に設けられた内側冷却管とを含むことが望ましい。
この構成であれば、加熱流路形成部の径方向両側を外側冷却管及び内側冷却管で挟む構成とすることができ、加熱流路形成部から径方向両側に漏れ出た熱を遮断する機能を発揮するため、断熱材の使用量を削減しつつ流体加熱装置の熱的安全性を一層向上させることができる。

前記冷却管が前記加熱流路形成部に接続されており、前記被加熱流体が、前記冷却管を流れた後に、前記加熱流路形成部に流れるように構成されていることが望ましい。
この構成であれば、加熱流路形成部から外部に漏れ出た熱を利用して被加熱流体を予熱することができる。つまり、加熱流路形成部からの放熱による損失を低減して被加熱流体を効率良く加熱することができる。

前記冷却管が、前記誘導コイルと電気的に接続されており、前記冷却管及び前記誘導コイルに、外部の交流電源が接続されていることが望ましい。
この構成であれば、円筒状鉄心の内部に磁束を発生させるためのコイル要素の巻き数を増やすことができる。

ここで、誘導コイルが外側冷却管の外周に巻回して設けられたものであれば、誘導コイルが高温になることを防ぎつつ、装置のより内部で加熱流路形成部から漏れ出た熱を被加熱流体に吸収させることができ、熱的安全性を向上させることができる。

前記磁路形成部が、前記円筒状鉄心の径方向外側に設けられた円筒状をなす外側磁路形成部と、前記円筒状鉄心及び前記外側磁路形成部の軸方向両端部それぞれを連結する径方向磁路形成部とを有し、前記径方向磁路形成部に、冷却媒体が流れる冷却流路が設けられていることが望ましい。
この構成であれば、加熱流路形成部から軸方向両側に漏れ出た熱を遮断する機能を発揮するため、断熱材の使用量を削減しつつ流体加熱装置の熱的安全性を一層向上させることができる。

流体加熱装置のより一層小型化するためには、前記第１加熱機構の径方向磁路形成部の一方と、前記第２加熱機構の径方向磁路形成部の他方とが接続されていることが望ましい。

流体加熱装置の構成を簡略化するためには、前記第１加熱機構の径方向磁路形成部の一方に設けられた前記冷却流路と、前記第２加熱機構の径方向磁路形成部の他方に設けられた前記冷却流路とが共通とされていることが望ましい。

前記被加熱流体が、前記冷却流路を流れた後に、前記冷却管又は前記加熱流路形成部に流れるように構成されていることが望ましい。
この構成であれば、加熱流路形成部から軸方向両側に漏れ出た熱を利用して被加熱流体を予熱することができる。つまり、加熱流路形成部からの放熱による損失を低減して被加熱流体を効率良く加熱することができる。

前記被加熱流体が水であり、前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構により過熱蒸気を生成するものであることが望ましい。このとき、前記第１加熱機構が、水を加熱して飽和水蒸気を生成するものであり、前記第２加熱機構が、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであれば、本発明の効果を一層顕著にすることができる。

このように構成した本発明によれば、熱的安全性を向上させるとともに、熱交換効率を向上させしつつ、専用の蓄圧器を設けることなく蓄圧機能を備えさせることができる。

本発明の一実施形態に係る流体加熱装置の構成を模式的に示す断面図。 同実施形態の流体加熱装置の径方向における配置を模式的に示す図。 第１加熱機構の加熱流路形成部における軸方向に沿った断面図及び軸方向から視た図。 第２加熱機構の加熱流路形成部における軸方向に沿った断面図及び軸方向に直交する断面図。 変形実施形態の流体加熱装置の構成を模式的に示す断面図。

以下に本発明に係る流体加熱装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る流体加熱装置１００は、被加熱流体である水を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、図１に示すように、被加熱流体を加熱する第１加熱機構１００Ａと、この第１加熱機構１００Ａにより加熱された被加熱流体をさらに加熱する第２加熱機構１００Ｂとを備えている。本実施形態では、第1加熱機構１００Ａは、主として、水を加熱して飽和水蒸気を生成する機能を奏するものであり、第２加熱機構１００Ｂは、主として、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する機能を奏するものである。

具体的に第１加熱機構１００Ａ及び第２加熱機構１００Ｂは、図１及び図２に示すように、円筒状鉄心２と、この円筒状鉄心２の外側周面に設けられ、円筒状鉄心２とともに閉磁路を形成する磁路形成部３と、円筒状鉄心２及び磁路形成部３の間に設けられ、電磁誘導により発熱して内部を流れる被加熱流体を加熱する加熱流路形成部４と、円筒状鉄心２及び磁路形成部３の間に設けられ、円筒状鉄心２の内部に磁束を発生させる誘導コイル５と、円筒状鉄心２及び前記磁路形成部３の間に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管６とを備えている。

なお、円筒状鉄心２及び磁路形成部３から形成される内部空間において、加熱流路形成部４、誘導コイル５及び冷却管６等以外の部分には、断熱材１０２が充填されている。また、円筒状鉄心２及び磁路形成部３は、加熱流路形成部４、誘導コイル５、冷却管６及び断熱材１０２等を収容した状態で、軸方向に貫通する締結ボルト等の締結機構１０１により軸方向から締結して一体化される。

前記円筒状鉄心２は、いわゆるインボリュート鉄心であり、幅方向断面がインボリュート曲線状に湾曲した湾曲部を有する複数の珪素鋼板を円周方向に放射状に積み重ねて円筒状に形成したものである。

前記磁路形成部３は、円筒状鉄心２の径方向外側に設けられた円筒状をなす外側磁路形成部３１と、円筒状鉄心２及び外側磁路形成部３１の軸方向一端部を連結する第１径方向磁路形成部３２と、円筒状鉄心２及び前記外側磁路形成部３１の軸方向他端部を連結する第２径方向磁路形成部３３とを有する。この磁路形成部３は、円筒状鉄心２との間に、概略円筒状の空間を形成するものである。

前記外側磁路形成部３１は、前記円筒状鉄心２と同様に、いわゆるインボリュート鉄心であり、幅方向断面がインボリュート曲線状に湾曲した湾曲部を有する複数の珪素鋼板を円周方向に放射状に積み重ねて円筒状に形成したものである。

また、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３と、第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２とは、例えば接合等により接続されている。つまり、第１加熱機構１００Ａ及び第２加熱機構１００Ｂは、軸方向に沿って連続した一体のものとされている。

前記加熱流路形成部４は、第１加熱機構１００Ａと第２加熱機構１００Ｂとでその構成が異なる。

第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４（以下、「加熱流路形成部４Ａ」とする。）は、図３に示すように、前記円筒状鉄心２の外周に沿って螺旋状（コイル状）に巻回された導体管であり、互いに隣接する導体管要素（導体管において螺旋の一周分を構成する部分）は互いに短絡されている。本実施形態では、全ての導体管要素に亘って短絡片４１Ａを溶接等で接合することにより短絡されている。第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａは、被加熱流体の導入口から導出口に至るまで分岐することなく１本の内部流路４ｓＡを形成するものである。なお、この加熱流路形成部４Ａは、円筒状鉄心２と同軸上に配置されている。なお、図１において、加熱流路形成部４Ａは、単層巻きのものであったが、二層巻き以上のものであっても良い。

第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４（以下、「加熱流路形成部４Ｂ」とする。）は、図４に示すように、円筒状導体４１Ｂの側壁にその軸方向に沿って直線状に複数の内部流路４ｓＢが形成されたものである。つまり、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂは、被加熱流体の導入口から導出口に至る途中で、複数の内部流路４ｓＢに分岐した流路を形成するものである。具体的には、円筒状導体４１Ｂの側壁の壁厚中央部に周方向に沿って穴あけ加工により複数の貫通孔（ドリル穴）を形成し、円筒状導体４１Ｂの両端面に複数の貫通孔に連通する凹溝が形成された環状の閉塞リング４２Ｂを接合することにより構成されている。複数の貫通孔は、等断面形状をなすものであり、円筒状導体４１Ｂに周方向に等間隔に形成されている。なお、一方の閉塞リング４２Ｂには、被加熱流体の導入口が形成されており、他方の閉塞リング４２Ｂには、被加熱流体の導出口が形成されている。

そして、図１に示すように、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの導出口と第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの導入口とが接続配管１１により接続されている。なお、接続配管１１は、外側磁路形成部３１の側壁を貫通する構成としてあるが、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３及び第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２を貫通する構成としても良い。

また、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積よりも大きい構成とされている。ここで、前記流路断面積は、内部流路の流路方向に直交する断面であり、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積は、円筒状導体４１Ｂの軸方向に直交する断面における複数の内部流路４ｓＢの流路断面積の合計である。また、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積は、導体管の管軸方向に直交する断面における内部流路４ｓＡの流路断面積である。この構成により、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａを流れる被加熱流体の流速よりも第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂを流れる被加熱流体の流速の方が小さくなる。本実施形態では、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積を、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積の約１００倍としており、第２加熱機構１００Ｂの内部流路４ｓＢを流れる被加熱流体の流速は、第１加熱機構１００Ａの内部流路４ｓＡを流れる被加熱流体の流路の約１／１００となる。

さらに、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路容積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路容積よりも大きい構成とされている。本実施形態では、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路容積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路容積の５００倍以上となるように構成されている。この構成により、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂが蓄圧器としての機能を奏することになる。

前記誘導コイル５は、例えば断面矩形状の中実導線を円筒状に巻回して構成されたものであり、円筒状鉄心２と同軸上に配置されている。本実施形態では、誘導コイル５の一端部及び他端部が、外側磁路形成部３１の側壁から外部に延出しており、その延出部に設けられた外部端子Ｔ１、Ｔ２に外部の交流電源が接続される。なお、誘導コイル５は、径方向磁路形成部３２、３３から外部に延出する構成としても良い。また、誘導コイル５の円筒状外面には絶縁材９ａが設けられている。なお、図２では、絶縁材９ａなどの絶縁材は図示していない。

第１加熱機構１００Ａの誘導コイル５に交流電圧を印加することで、第１加熱機構１００Ａの円筒状鉄心２及び磁路形成部３に磁束が流れる。当該磁束によって加熱流路形成部である導体管４Ａに短絡電流が流れて、導体管４Ａがジュール発熱する。これより、導体管４Ａを流れる被加熱流体である水が加熱されて飽和水蒸気が生成される。

また、第２加熱機構１００Ｂの誘導コイル５に交流電圧を印加することで、第２加熱機構１００Ｂの円筒状鉄心２及び磁路形成部３に磁束が流れる。当該磁束によって加熱流路形成部である円筒状導体４Ｂに短絡電流が流れて、円筒状導体４Ｂがジュール発熱する。これより、円筒状導体４Ｂを流れる被加熱流体である飽和水蒸気が加熱されて過熱水蒸気が生成される。

前記冷却管６は、加熱流路形成部４及び外側磁路形成部３１の間に設けられた螺旋状に巻回された外側冷却管６１と、加熱流路形成部４及び円筒状鉄心２の間に設けられた螺旋状に巻回された内側冷却管６２とを有している。なお、外側冷却管６１及び内側冷却管６２は直列的に接続されている。

前記外側冷却管６１は、加熱流路形成部４の径方向外側に、円筒状鉄心２と同軸上に配置されたものである。外側冷却管６１及び加熱流路形成部４の間、具体的には外側冷却管６１の円筒状内面に沿って絶縁材９ｂが設けられている。なお、図１において、外側冷却管６１は、単層巻きのものであったが、二層巻き以上のものであっても良い。

前記内側冷却管６２は、加熱流路形成部４の径方向内側に、円筒状鉄心２と同軸上に配置されたものである。内側冷却管６２及び加熱流路形成部４の間、具体的には内側冷却管６２の円筒状外面に沿って絶縁材９ｃが設けられている。また、内側冷却管６２の円筒状内面にも絶縁材９ｄが設けられている。なお、図１において、内側冷却管６２は、単層巻きのものであったが、二層巻き以上のものであっても良い。

さらに本実施形態では、前記第１径方向磁路形成部３２に、冷却媒体が流れる円環状の第１冷却流路７が設けられており、前記第２径方向磁路形成部３３に、冷却媒体が流れる円環状の第２冷却流路８が設けられている。また、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３に設けられた第２冷却流路８と、第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２に設けられた第１冷却流路７とが共通とされている。

しかして本実施形態では、冷却管６及び冷却流路７、８に被加熱流体が流れるように構成されており、当該冷却管６及び冷却流路７、８を流れた被加熱流体が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａ及び第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂに流れるように構成されている。

具体的には、共通の冷却流路７（８）に被加熱流体の導入配管１２が接続されるとともに、当該共通の冷却流路７（８）と第２加熱機構１００Ｂの外側冷却管６１とが接続配管１３により接続されている。また、第２加熱機構１００Ｂの内側冷却管６２と第２加熱機構１００Ｂの第２冷却流路８とが接続配管１４により接続されている。この構成により、共通の冷却流路７（８）に導入された被加熱流体は、第２加熱機構１００Ｂの外側冷却管６１及び内側冷却管６２をこの順で流れた後、第２加熱機構１００Ｂの第２冷却流路８に流入する。

第２加熱機構１００Ｂの第２冷却流路８と第１加熱機構１００Ａの第１冷却流路７とは接続配管１５により接続されている。この接続配管１５は、第１加熱機構１００Ａの円筒状鉄心２及び第２加熱機構１００Ｂの円筒状鉄心２の内部を通って設けられている。また、前記第１加熱機構１００Ａの第１冷却流路７と第１加熱機構１００Ａの内側冷却管６２とが接続配管１６により接続されている。さらに、第１加熱機構１００Ａの外側冷却管６１と第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａとが接続配管１７により接続されている。この構成により、第２冷却流路８に流入した被加熱流体は、第１加熱機構１００Ａの内側冷却管６２及び外側冷却管６１をこの順で流れた後、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａ及び第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂをこの順で流れる。そして、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの導出口に接続された導出配管１８から外部に導出される。なお、この導出配管１８から導出される過熱水蒸気は、当該過熱水蒸気を用いて被処理物が処理される処理室に導入される。

次に、流体加熱装置１００の被加熱流体の流れとともに被加熱流体の加熱態様について説明する。

共通の冷却流路７（８）に接続された導入配管１２から、被加熱流体である水が導入される。そして、被加熱流体は、導入配管１２から共通の冷却流路７（８）内に流入して、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３及び第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２を冷却するとともに、それら径方向磁路形成部３２、３３により予熱される。その後、被加熱流体は、接続配管１３を流れて、第２加熱機構１００Ｂの外側冷却管６１及び内側冷却管６２に流入して、それら冷却管６１、６２を冷却するとともに、それら冷却管６１、６２により予熱される。なお、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３は、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａにより加熱されており、第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２及び冷却管６１、６２は、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂにより加熱されている。

また、第２加熱機構１００Ｂの冷却管６１、６２を流れた被加熱流体は、接続配管１４を流れて、第２加熱機構１００Ｂの第２冷却流路８に流入して、第２加熱機構１００Ｂの第２径方向磁路形成部３３を冷却するとともに、その第２径方向磁路形成部３３により予熱される。そして、被加熱流体は、接続配管１５を流れて、第１加熱機構１００Ａの第１冷却流路７に流入して、第１加熱機構１００Ａの第１径方向磁路形成部３２を冷却するとともに、その第１径方向磁路形成部３２により予熱される。その後、被加熱流体は、接続配管１６を流れて、第１加熱機構１００Ａの内側冷却管６２及び外側冷却管６１に流入して、それら冷却管６１、６２を冷却するとともに、それら冷却管６１、６２により予熱される。なお、第２加熱機構１００Ｂの第２径方向磁路形成部３３は、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂにより加熱されており、第１加熱機構１００Ａの第１径方向磁路形成部３２及び冷却管６１、６２は、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａにより加熱されている。

そして、第１加熱機構１００Ａの各冷却流路７、８及び冷却管６１、６２と第２加熱機構１００Ｂの各冷却流路７、８及び冷却管６１、６２とにより予熱された被加熱流体が、接続配管１７を流れて、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａ及び第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂに流入する。このとき、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａを流れる被加熱流体は、誘導加熱された加熱流路形成部４Ａにより加熱されて飽和水蒸気となる。また、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂを流れる被加熱流体は、誘導加熱された加熱流路形成部４Ｂにより加熱されて過熱水蒸気となる。この過熱水蒸気が、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの下流端に接続された導出配管１８から外部又は外部配管に導出される。

＜２．本実施形態の効果＞
このように構成した流体加熱装置１００によれば、円筒状鉄心２及び磁路形成部３の間に、熱源である加熱流路形成部４を配置する構成としているので、加熱流路形成部４から外部に漏れ出る熱を、磁路形成部３の内側に閉じ込めることができる。そして、この構成において、円筒状鉄心２及び磁路形成部３の間に冷却媒体（水）が流れる冷却管６を設けているので、断熱材１０１の使用量を削減しつつ流体加熱装置１００の熱的安全性を向上させることができる。このとき、冷却管６を被加熱流体が流れる構成としているので、加熱流路形成部４から外部に漏れ出た熱を利用して被加熱流体を予熱することができ、加熱流路形成部４からの放熱による損失を低減して被加熱流体を効率良く加熱することができる。

また、本実施形態では、第１加熱機構１００Ａ及び第２加熱機構１００Ｂを備える構成であるので、被加熱流体を所望の温度に加熱し易くすることができる。このとき、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積よりも大きいので、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂを流れる被加熱流体の流速を、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａを流れる被加熱流体の流速よりも小さくすることができ、第２加熱機構１００Ｂにおける熱交換効率を向上させることができ、所望の温度に加熱し易くすることができる。

さらに、本実施形態では、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの流路断面積及び流路容積が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａの流路断面積及び流路容積よりも大きいので、特に第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂが蓄圧機能を奏することになり、専用の蓄圧器を設ける必要が無く、また、加熱された被加熱流体の脈流を低減することができる。

＜３．本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、各加熱機構１００Ａ、１００Ｂにおいて誘導コイル５と冷却管６とを電気的に接続し、それら誘導コイル５及び冷却管６に外部の交流電源により交流電圧を印加する構成としても良い。この構成により、円筒状鉄心２の内部に磁束を発生させるためのコイル要素の巻き数を増やすことができる。

また、前記実施形態では、外側冷却管６１の径方向外側に誘導コイル５を設ける構成であったが、誘導コイル５を外側冷却管６１の径方向内側、又は、内側冷却管６２の径方向内側に配置しても良い。

さらに、前記実施形態では、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３及び第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２が接合等により接続された構成であったが、それらの間に例えば断熱材等の中間部材を介して接続された構成としても良いし、第１加熱機構１００Ａの第２径方向磁路形成部３３及び第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２が分離した構成としても良い。このとき、第１加熱機構１００Ａの第２冷却流路８及び第２加熱機構１００Ｂの第１冷却流路７は共通では無く、それぞれ個別に設けても良い。

その上、被加熱流体の各部を流れる経路については、前記実施形態に限られない。つまり、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａ及び第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂに流入する前の予熱経路は、前記実施形態に限られない。例えば、前記実施形態では、被加熱流体の予熱経路は、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａに至るまで単一の経路であったが、分岐点又は合流点を有する複数の経路から構成されるものであっても良い。

加えて、第１冷却流路７及び第２冷却流路８は、前記実施形態のように、第１径方向磁路形成部３２及び第２磁路形成部３３の外面との間に形成されたものの他、被加熱流体が流れる配管により構成しても良い。この場合、第１冷却流路７及び第２冷却流路８となる配管を、第１径方向磁路形成部３２及び第２磁路形成部３３の外面に接触して設けることが考えられる。

また、冷却管６及び冷却流路７、８に被加熱流体を流さずに、別の冷却媒体を流す構成としても良い。この場合、別途冷却媒体供給源が必要になるものの、冷却専用の冷却媒体を流すことができ、断熱材１０１の使用量を削減しつつ流体加熱装置１００の熱的安全性を一層向上させることができる。

さらに加えて、前記実施形態では、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａが螺旋状の導体管からなり、第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂが複数の内部流路を有する円筒状導体からなるものであったが、各加熱流路形成部４の構成はこれに限られない。例えば、両者とも螺旋状の導体管からなるものであっても良いし、両者とも複数の内部流路を有する円筒状導体からなるものであっても良い。

また、本発明の流体加熱装置１００は、複数の第１加熱機構１００Ａ及び複数の第２加熱機構１００Ｂを有するものであっても良い。図５には、１つの第１加熱機構１００Ａと２つの第２加熱機構１００Ｂとを有する流体加熱装置を示している。この場合、２つの第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂが接続配管１９を介して直列的に接続されており、当該２つの第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂの上流に第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａが接続配管１１を介して接続される構成である。２つの第２加熱機構１００Ｂは、前記実施形態の第１加熱機構１００Ａ及び第２加熱機構１００Ｂと同じように、一方（上流側）の第２加熱機構１００Ｂの第２径方向磁路形成部３３と、他方（下流側）の第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２とが例えば接合等により接続されている。そして、各加熱機構１００Ａ、１００Ｂの各冷却流路７、８及び冷却管６１、６２を流れた被加熱流体が、第１加熱機構１００Ａの加熱流路形成部４Ａ及び第２加熱機構１００Ｂの加熱流路形成部４Ｂを流れるように構成される。なお、下流側の第２加熱機構１００Ｂの第１径方向磁路形成部３２の下流端には導出配管１８が接続されている。このように、第２加熱機構１００Ｂを複数設ける構成であれば、流体加熱装置１００における被加熱流体の加熱性能を向上させることができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・流体加熱装置
１００Ａ・・・第１加熱機構
１００Ｂ・・・第２加熱機構
２・・・円筒状鉄心
３・・・磁路形成部
３１・・・外側磁路形成部
３２・・・第１径方向磁路形成部
３３・・・第２径方向磁路形成部
４・・・加熱流路形成部
５・・・誘導コイル
６・・・冷却管
６１・・・外側冷却管
６２・・・内側冷却管
７・・・第１冷却流路
８・・・第２冷却流路

Claims (11)

1. 被加熱流体を加熱する第１加熱機構と、
   前記第１加熱機構により加熱された被加熱流体をさらに加熱する第２加熱機構とを備え、
   前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構が、
   円筒状鉄心と、
   前記円筒状鉄心の外側周面に設けられ、前記円筒状鉄心とともに閉磁路を形成する磁路形成部と、
   前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、電磁誘導により発熱して内部を流れる被加熱流体を加熱する加熱流路形成部と、
   前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、前記円筒状鉄心の内部に磁束を発生させる誘導コイルと、
   前記円筒状鉄心及び前記磁路形成部の間に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管とを有し、
   前記第２加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積が、前記第１加熱機構の加熱流路形成部の流路断面積よりも大きく、
   前記第２加熱機構の加熱流路形成部の流路容積が、前記第１加熱機構の加熱流路形成部の流路容積よりも大きいことを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記第１加熱機構の加熱流路形成部が、導体管を螺旋状に巻き回して形成されたものであり、
   前記第２加熱機構の加熱流路形成部が、円筒状導体の側壁にその軸方向に沿って複数の内部流路が形成されたものである請求項１記載の流体加熱装置。
3. 前記冷却管が、前記加熱流路形成部及び前記磁路形成部の間に設けられた外側冷却管と、前記加熱流路形成部及び前記円筒状鉄心の間に設けられた内側冷却管とを含む請求項１又は２記載の流体加熱装置。
4. 前記冷却管が前記加熱流路形成部に接続されており、
   前記被加熱流体が、前記冷却管を流れた後に、前記加熱流路形成部に流れるように構成されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の流体加熱装置。
5. 前記冷却管が、前記誘導コイルと電気的に接続されており、
   前記冷却管及び前記誘導コイルに、外部の交流電源が接続されている請求項１乃至４の何れか一項に記載の流体加熱装置。
6. 前記磁路形成部が、前記円筒状鉄心の径方向外側に設けられた円筒状をなす外側磁路形成部と、前記円筒状鉄心及び前記外側磁路形成部の軸方向両端部それぞれを連結する径方向磁路形成部とを有し、
   前記径方向磁路形成部に、冷却媒体が流れる冷却流路が設けられている請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体加熱装置。
7. 前記第１加熱機構の径方向磁路形成部の一方と、前記第２加熱機構の径方向磁路形成部の他方とが接続されている請求項６記載の流体加熱装置。
8. 前記第１加熱機構の径方向磁路形成部の一方に設けられた前記冷却流路と、前記第２加熱機構の径方向磁路形成部の他方に設けられた前記冷却流路とが共通とされている請求項７記載の流体加熱装置。
9. 前記被加熱流体が、前記冷却流路を流れた後に、前記冷却管又は前記加熱流路形成部に流れるように構成されている請求項６乃至８の何れか一項に記載の流体加熱装置。
10. 前記被加熱流体が水であり、
    前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構により過熱蒸気を生成するものである請求項１乃至９の何れか一項に記載の流体加熱装置。
11. 前記第１加熱機構が、水を加熱して飽和水蒸気を生成するものであり、
    前記第２加熱機構が、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものである請求項１０記載の流体加熱装置。