JP2021148305A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】容器内部に発熱体を設けた発熱手段により加熱を行うものであって、容器内のガスを循環させる循環経路に設ける装置の要求耐熱温度を下げることが容易となるボイラを提供する。【解決手段】発熱体と、内部に前記発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器と、前記ガスが循環する経路として、前記容器および当該容器の外部に配置されたガス経路を含む循環経路と、を備え、前記発熱体が発する熱を用いて流体を加熱するボイラであって、前記ガス経路における前記ガスの熱の一部を、前記流体へ移動させるボイラとする。【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラに関する。

従来、工業用や商業用を含め様々な用途にボイラが広く利用されている。ボイラにおいては加熱を行うための発熱手段が設けられるが、この発熱手段の一形態として、容器内部に発熱体を設けたものが挙げられる。

また、このような発熱手段の具体的形態は種々挙げられるが、その一例として、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる複数の金属ナノ粒子が表面に形成された反応体（発熱体）を容器内部に設けたものが、発熱システムとして特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、この発熱システムにおいて、発熱に寄与する水素系ガスが容器内に供給されることで金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され、過剰熱を発することが記載されている。

なお特許文献１においても説明されているとおり、パラジウムで作製した発熱体を容器内部に設け、この容器内部に重水素ガスを供給しつつ、容器内部を加熱することによって発熱反応が生じた旨の発表がなされている。また、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を利用して過剰熱（入力エンタルピーより高い出力エンタルピー）を発生させる発熱現象に関し、過剰熱を発するメカニズムの詳細については各国の研究者の間で議論されており、発熱現象が発生したことが報告されている。

特許第6448074号公報 米国特許第9,182,365号明細書

容器内部に発熱体を設けた発熱手段により加熱を行うボイラにおいては、例えば容器内のガスの動きを活発化させて熱伝達を促進させる等の目的から、容器内を一部として含む循環経路で当該ガスを循環させることが有効となり得る。特に発熱体として上記の反応体を採用する場合は、過剰熱を発する反応を促進させる観点からも、容器内の水素系ガスを循環させることが重要である。

但し、容器内のガスは発熱体により加熱されて高温となる。そのため、このような高温のガスが循環する循環経路に設ける装置（例えばガスポンプやガスフィルタ）については、要求される耐熱温度（要求耐熱温度）が高くなり、例えばボイラの製造コスト増大などが問題となる。

本発明は上記課題に鑑み、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により加熱を行うものであって、容器内のガスを循環させる循環経路に設ける装置の要求耐熱温度を下げることが容易となるボイラの提供を目的とする。

本発明に係るボイラは、発熱体と、内部に前記発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器と、前記ガスが循環する経路として、前記容器および当該容器の外部に配置されたガス経路を含む循環経路と、を備え、前記発熱体が発する熱を用いて流体を加熱するボイラであって、前記ガス経路における前記ガスの熱の一部を、前記流体へ移動させる構成とする。

本構成によれば、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により加熱を行うものであって、容器内のガスを循環させる循環経路に設ける装置の要求耐熱温度を下げることが容易となる。

上記構成としてより具体的には、前記ガス経路に設けられた第１熱交換器、および、前記流体の経路に設けられた第２熱交換器を有し、第１熱交換器で前記ガスから回収された熱を、第２熱交換器で前記流体に与える構成としても良い。本構成によれば、循環経路に設ける装置が第１熱交換器の下流側に配置されるようにするだけで、当該装置の要求耐熱温度を下げることができる。

また上記構成としてより具体的には、第１熱交換器と第２熱交換器の間で熱媒体を循環させることにより、第１熱交換器で前記ガスから回収された熱を第２熱交換器で前記流体に与えるものであって、前記ガスの温度に基づいて、前記熱媒体の循環を制御する構成としても良い。本構成によれば、熱媒体の循環を効率良く行うことが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記流体を通す第１熱交換器が前記ガス経路に設けられ、第１熱交換器において、前記ガスの熱の一部を前記流体に回収させる構成としても良い。本構成によれば、循環経路に設ける装置が第１熱交換器の下流側に配置されるようにするだけで、当該装置の要求耐熱温度を下げることができる。

また上記構成としてより具体的には、前記ガスを前記ガス経路の上流側から下流側へ流すガスポンプ、又は前記ガスに含まれる不純物を除去するガスフィルタが、前記ガス経路における第１熱交換器の下流側に設けられた構成としても良い。本構成によれば、ガスポンプ、又はガスフィルタの要求耐熱温度を下げることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記ガスは水素系ガスであり、前記発熱体は、水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、前記水素系ガスが前記容器内に供給された状況において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体である構成としても良い。なお本願における水素系ガスは、重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガスのことである。また本願での「水素吸蔵金属類」は、Pd,Ni,Pt,Ti等の水素吸蔵金属、或いはこれらを１種以上含む水素吸蔵合金を意味する。

また上記構成としてより具体的には、前記発熱体が発する熱により加熱される伝熱管を備え、当該伝熱管を通ることにより前記流体が加熱されるボイラであって、前記伝熱管は前記発熱体を囲んで配置されている構成としても良い。本構成によれば、発熱体が発する熱を加熱対象の流体へ非常に効率良く伝えることが可能となる。

本発明に係るボイラによれば、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により加熱を行うものであって、容器内のガスを循環させる循環経路に設ける装置の要求耐熱温度を下げることが容易となる。

第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。 ボイラ１の伝熱管を通る水の進路に関する説明図である。 第２実施形態に係るボイラ２の概略的な構成図である。 第３実施形態に係るボイラ３の概略的な構成図である。 水経路に熱媒体を流すボイラ１ａの模式的な構成図である。 熱媒体を負荷へ供給するボイラ１ｂの模式的な構成図である。

本発明の各実施形態に係るボイラについて、各図面を参照しながら以下に説明する。

１．第１実施形態
まず本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。本図に示すようにボイラ１は、容器１１、反応体１２、ヒータ１３、ガス経路１４、ガス受入部１５、ガスポンプ１６、ガスフィルタ１７、セパレータ２１、水経路２２、水受入部２３、水ポンプ２４、第１熱交換器３１、第２熱交換器３２、熱循環経路３３、および熱循環ポンプ３４を備えている。

なお、図１（後述する図３〜図５も同様）における容器１１およびその内部の様子は、容器１１を概ね二分する平面で切断した場合の概略的な断面図として表されており、上下左右の方向（上下方向は鉛直方向に一致する）は本図に示すとおりである。また、図１（図３〜図５も同様）に示す一点鎖線は、伝熱管２２ａの配置を概略的に示している。

容器１１は、全体的に見て上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されており、内部に気体を密閉させ得るように形成されている。より具体的に説明すると、容器１１は、後述する伝熱管２２ａにより形成された円筒状の側壁１１ａを有するとともに、側壁１１ａの上側は上底部１１ｂにより閉じられており、側壁１１ａの下側は下底部１１ｃにより閉じられている。なお本実施形態では一例として、容器１１の側壁１１ａを円筒状としているが、その他の筒状に形成されても構わない。また、側壁１１ａの外周に缶体カバーを設置してもよく、側壁１１ａと当該缶体カバーの間には断熱材を設けるようにしてもよい。

反応体１２は、全体が細かい網目状に形成されている担持体の表面に、多数の金属ナノ粒子を設けて構成されている。この担持体は、素材として水素吸蔵合金類（水素吸蔵金属、或いは水素吸蔵合金）が適用されており、上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されている。反応体１２の上面はガス経路１４に連接しており、反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入したガスを、ガス経路１４内に送出することが可能となっている。本実施形態の例では容器１１の内部において、３個の反応体１２が左右方向へ並ぶように設けられている。

ヒータ１３は、有底円筒形状に形成された反応体１２の側面に螺旋状に巻かれており、供給される電力を用いて発熱するように形成されている。ヒータ１３としては、例えばセラミックヒータが採用され得る。ヒータ１３が発熱することにより反応体１２を加熱し、後述する過剰熱を発生させるための反応が生じ易い所定の反応温度まで、反応体１２の温度を上昇させることができる。なおヒータ１３の温度は、ヒータ１３への供給電力を制御することにより調節可能である。

ガス経路１４は、容器１１の外部に設けられ、容器１１の内部を一部として含むガスの循環経路を形成するものであり、一方の端部は各反応体１２の上面に連接し、他方の端部は容器１１の内部に連接している。より詳細に説明すると、各反応体１２の上面に連接したガス経路１４の部分それぞれは容器１１内で合流し、一本の経路となって上底部１１ｂを貫通した上で、ガス受入部１５、第１熱交換器３１、ガスポンプ１６、およびガスフィルタ１７を順に介して下底部１１ｃを更に貫通し、容器１１の内部に繋がっている。

ガス受入部１５は、外部の供給元から水素系ガス（重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガス）の供給を受けるようになっており、供給された水素系ガスをガス経路１４内へ流入させる。例えば、水素系ガスを予め貯留したタンクからガス受入部１５へ水素系ガスが供給される場合、このタンクが水素系ガスの供給元となる。

ガスポンプ１６は、例えばインバータ制御により回転数が制御され、この回転数に応じた流量で、ガス経路１４内のガスが上流側から下流側へ（すなわち、図１に点線矢印で示す方向へ）流れるようにする。なお、ガス経路１４を含む循環経路でのガスの循環量は、ガスポンプ１６の回転数を制御することにより調節可能である。

ガスフィルタ１７は、ガス経路１４内のガスに含まれる不純物（特に、反応体１２における過剰熱を発生させる反応の阻害要因となるもの）を除去する。セパレータ２１は、伝熱管２２ａを通る際に水が加熱されて生じた蒸気を受け入れ、この蒸気に対して気水分離（当該蒸気に含まれるドレンの分離）がなされるようにする。セパレータ２１において気水分離された蒸気は、ボイラ１の外部へ供給することが可能である。

水経路２２は、水受入部２３からセパレータ２１まで繋がる水の経路である。水経路２２の一部は、先述した側壁１１ａを形成する伝熱管２２ａとなっている。また水経路２２の途中には、水受入部２３の下流側直近の位置において水ポンプ２４が配置されている。なお水経路２２のうち、伝熱管２２ａよりも上流側の経路では、水受入部２３から供給された液体の水が流れ、伝熱管２２ａよりも下流側の経路（容器１１とセパレータ２１の間）では、伝熱管２２ａで加熱されて気化した水（蒸気）が流れることになる。

水受入部２３は、外部から蒸気の元となる水の供給を適宜受けるようになっており、供給された水を水経路２２内へ流入させる。水ポンプ２４は、水経路２２内の水を上流側から下流側へ向けて（すなわち、図１に実線矢印で示す方向へ）流すようにする。

伝熱管２２ａは、容器１１の筒状の側壁１１ａを形成するように、下底部１１ｃから上底部１１ｂに向けて螺旋状に延びている。すなわち伝熱管２２ａは、上下に隣合う伝熱管２２ａの部分同士の間に隙間が無いように、筒状の側壁１１ａの軸方向（上下方向）へ進むように螺旋状に延びている。なお本実施形態の例では、伝熱管２２ａの内壁の断面形状を四角形としているが、円形或いはその他の形状としても構わない。

第１熱交換器３１は、ガス経路１４におけるガスポンプ１６の上流側に設けられており、第２熱交換器３２は、水経路２２における容器１１の上流側に設けられている。このようにガス経路１４において、第１熱交換器３１の下流側にガスポンプ１６とガスフィルタ１７が設けられている。

熱循環経路３３は、熱媒体Ｘ（熱媒体用の水など）を循環させる経路であり、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２を通るように配置されている。また熱循環経路３３には、当該経路において熱媒体Ｘが流れるようにする熱循環ポンプ３４が設けられている。第１熱交換器３１は、熱媒体Ｘとガス経路１４内のガスとの間で熱交換させる熱交換器として形成されている。第２熱交換器３２は、熱媒体Ｘと水経路２２内の水との間で熱交換させる熱交換器として形成されている。

次に、ボイラ１の動作について説明する。ボイラ１では、外部の供給元からガス受入部１５へ水素系ガスが供給され、容器１１の内部とガス経路１４を含むガスの循環経路に水素系ガスが充満される。充満された水素系ガスはガスポンプ１６の作用により、この循環経路において図１に点線矢印で示す方向へ循環する。

このとき容器１１の内部においては、水素系ガスが反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入した後、反応体１２の上部に連接しているガス経路１４内に送出される。またこれと同時に、ヒータ１３の作用によって反応体１２が加熱されるようになっている。このように、水素系ガスを容器１１の内部に供給された状態でヒータ１３により反応体１２を加熱すると、反応体１２に設けた金属ナノ粒子に水素原子が吸蔵され、反応体１２はヒータ１３による加熱温度以上の過剰熱を発生させる。このように反応体１２は、過剰熱を発生させる反応が行われることにより、発熱体として機能する。この過剰熱を発生させる反応の原理は、例えば特許文献１に開示された過剰熱を発生させる反応の原理と同様である。

容器１１内部を含む循環経路内の水素系ガスは、ガスフィルタ１７を通る際に不純物が除去される。そのため、不純物が除去された純度の高い水素系ガスが、容器１１内部へ継続的に供給される。これにより、純度の高い水素系ガスを反応体１２へ安定的に与え、過剰熱の出力を誘発し易い状態を維持して、反応体１２を効果的に発熱させることが可能となっている。

また、上記の反応体１２を発熱させる動作と並行して、外部から水受入部２３へ水が供給される。この供給された水は、水ポンプ２４の作用により、水経路２２内を図１に実線矢印で示す方向へ流される。

水経路２２内を流れる水は、容器１１の側壁１１ａを形成する伝熱管２２ａを通る際に、反応体１２が発する熱によって加熱される。すなわち反応体１２の発する熱は、容器１１内の水素系ガスによる対流（熱伝達）、熱伝導および輻射によって伝熱管２２ａへ伝わり、これにより高温となった伝熱管２２ａによってその内部を流れる水が加熱される。

図２は、伝熱管２２ａを通る水の進路を実線矢印で概略的に示している。本図に示すように、伝熱管２２ａの入口α（伝熱管２２ａの最下部）から伝熱管２２ａ内に進入した水は、螺旋状に延びた伝熱管２２ａ内の通路に沿って進み、伝熱管２２ａの出口β（伝熱管２２ａの最上部）から蒸気としてセパレータ２１に向けて排出される。この際に伝熱管２２ａを通る水は、反応体１２の発する熱により加熱された伝熱管２２ａ（容器の側壁１１ａ）からの熱が伝わり、温度が上昇する。

このようにして、水経路２２を流れる水は伝熱管２２ａを通る際に加熱されて温度が上昇し、最終的には蒸気となる。この蒸気はセパレータ２１に送り込まれ、気水分離により乾き度が高められた後、ボイラ１の外部へ供給されることになる。

セパレータ２１から外部へ供給する蒸気の量は、外部からの蒸気の要求量（蒸気負荷）等に応じて調整可能としても良い。このような調整は、外部へ供給する蒸気の量が適正量より少ないときは、反応体１２の発熱量を増大させて蒸気の発生量を増やし、適正量より多いときは、反応体１２の発熱量を減少させて蒸気の発生量を減らすことで実現可能である。

なお反応体１２の発熱量は、ヒータ１３の温度または先述したガスの循環量の調節により制御可能であり、ヒータ１３の温度を上げるほど、或いは当該循環量を増やすほど、反応体１２の発熱量を増大させることができる。またボイラ１においては、外部へ蒸気を供給した分だけ、つまり水が減少した分だけ水受入部２３へ逐次水が供給されるようになっており、継続的に蒸気を発生させて外部へ供給することが可能である。

また更に、上記の反応体１２を発熱させる動作と並行して熱循環ポンプ３４が駆動し、熱循環経路３３において熱媒体Ｘが循環するようになっている。これにより、第１熱交換器３１でガス経路１４内のガスから回収された熱が、第２熱交換器３２で水経路２２内の水に与えられる。

より詳細に説明すると、第１熱交換器３１においては、熱媒体Ｘよりもガス経路１４内のガスの方が温度が高くなっており、これら双方間の熱交換によって当該ガスから熱媒体Ｘへ熱が回収され、その分だけ当該ガスが冷却される。これにより温度が上昇した熱媒体Ｘは、熱循環経路３３を介して第２熱交換器３２へ送られる。

第２熱交換器３２においては、このように温度上昇した熱媒体Ｘの方が水経路２２内の水よりも温度が高くなっており、これら双方間の熱交換によって熱媒体Ｘから当該水へ熱が移され、その分だけ当該水が加熱される。なお、これにより冷却された熱媒体Ｘは、熱循環経路３３を通って第１熱交換器３１に戻り、再びガスからの熱の回収に利用される。

第１熱交換器３１および第２熱交換器３２での熱交換が継続的に行われることにより、第１熱交換器３１の下流側におけるガス経路１４内のガスの温度を下げることが可能である。これにより、第１熱交換器３１の下流側に設けられたガスポンプ１６とガスフィルタ１７には、温度の下げられたガスが通ることになるため、その分、これらの装置に要求される耐熱温度（要求耐熱温度）を下げることが可能となっている。なお、当該ガスから回収された熱は水の加熱に有効利用されるため、ボイラ１全体の熱効率の低下は極力抑えられる。

本実施形態ではガス経路１４に設ける装置のうち、ガスポンプ１６とガスフィルタ１７の両方を第１熱交換器３１の下流側に設けているが、種々の事情により、何れか一方のみを第１熱交換器３１の下流側に設けることも可能である。なお、ガスポンプ１６やガスフィルタ１７以外の装置をガス経路１４に設ける場合、この装置も第１熱交換器３１の下流側に設けるようにし、当該装置の要求耐熱温度を下げるようにすることも可能である。また、熱循環経路３３のうち第１熱交換器３１の下流側（第２熱交換器３２より上流側）の部分においては、第１熱交換器３１での熱交換（水素系ガスからの熱回収）により高温となった熱媒体Ｘが流れる。そのため熱循環ポンプ３４の要求耐熱温度を下げる観点から、図１に示すように、熱循環ポンプ３４は第２熱交換器３２の下流側（第１熱交換器３１より上流側）に設置することが好ましい。

また、ガス経路１４を含む循環経路でのガスの温度を検出するようにし、当該ガスの温度に基づいて、熱媒体Ｘの循環を制御するようにしても良い。例えば、ガス経路１４における所定箇所（好ましくは、第１熱交換器３１の上流側直近の箇所）にガスの温度を検出するセンサを備えておき、当該センサの検出値が高いほど、熱媒体Ｘの循環量を増やすようにしても良い。また、当該センサの検出値が既定の許容上限値（例えば、ガスポンプ１６とガスフィルタ１７の要求耐熱温度のうちの低い方の温度）を超えていない状況下では熱媒体Ｘの循環を行わないようにし、当該許容上限値を超えているときに限り熱媒体Ｘの循環を行うようにしても良い。このようにすれば、より過不足無く熱媒体を循環させることができ、熱媒体の循環を効率良く行うことが可能となる。

２．第２実施形態
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお第２実施形態は、発熱体の形態およびこれに関する点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図３は、第２実施形態におけるボイラ２の概略的な構成図である。第１実施形態のボイラ１では発熱体として反応体１２が採用されていたが、第２実施形態ではその代わりに、一般的な発熱素子１２ａが採用されている。なおここでの発熱素子１２ａは、一例として、電力が供給されることにより発熱するハロゲンヒータであるとする。また、発熱素子１２ａの形状および寸法は便宜上、反応体１２と同様であるとする。発熱体として発熱素子１２ａを適用する場合は、第１実施形態のように過剰熱を発生させる必要は無く、ヒータ１３に相当するものは不要であるため設置が省略されている。また第２実施形態におけるガス経路１４の上流側の端部は、発熱素子１２ａの代わりに上底部１１ｂに連接しており、容器１１内の空間と繋がっている。

ボイラ２では、反応体１２の代わりに発熱素子１２ａから発せられる熱により伝熱管２２ａが加熱され、伝熱管２２ａを通る水は、伝熱管２２ａ（容器の側壁１１ａ）からの熱が伝わり温度が上昇することになる。またこの形態では、先述した過剰熱を発生させるための反応は不要であり、電力制御によって発熱素子１２ａの温度を直接的に制御することにより、適度に水を加熱して蒸気を発生させることができる。

またボイラ２においては、発熱素子１２ａへの供給電力を調節することにより、発熱素子１２ａ（発熱体）の発熱量を制御することが可能である。発熱素子１２ａの発熱量を増大させるほど、伝熱管２２ａを通る水が強く加熱され、ボイラ２における蒸気の発生量を増やすことが可能である。

３．第３実施形態
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお第３実施形態は、ガス経路１４内のガスから水へ熱を移動させる機構およびこれに関する点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図４は、第３実施形態におけるボイラ３の概略的な構成図である。第１実施形態のボイラ１では、ガス経路１４内のガスから水へ熱を移動させる機構として第１熱交換器３１、
第２熱交換器３２、熱循環経路３３、および熱循環ポンプ３４が設けられていたが、第２実施形態ではその代わりに第１熱交換器３１ａが設けられている。

第１熱交換器３１ａは、ガス経路１４におけるガスポンプ１６の上流側に配置されているとともに、水経路２２の所定箇所（水ポンプ２４と伝熱管２２ａの間）が通るように設けられている。第１熱交換器３１ａは、水経路２２内の水とガス経路１４内のガスとの間で熱交換させる熱交換器として形成されている。

第１熱交換器３１ａにおいては、水経路２２内の水よりもガス経路１４内のガスの方が温度が高くなっており、これら双方間の熱交換によって当該ガスの熱の一部が水に回収され、その分だけ当該ガスが冷却される。第１熱交換器３１ａでの熱交換が継続的に行われることにより、第１熱交換器３１ａの下流側におけるガス経路１４内のガスの温度を下げることが可能である。

これにより、第１熱交換器３１ａの下流側に設けられたガスポンプ１６とガスフィルタ１７には、温度の下げられたガスが通ることになるため、その分、これらの装置に要求される耐熱温度（要求耐熱温度）を下げることが可能となっている。なお、当該ガスから回収された熱は水の加熱に有効利用されるため、ボイラ１全体の熱効率の低下は極力抑えられる。

本実施形態ではガス経路１４に設ける装置のうち、ガスポンプ１６とガスフィルタ１７の両方を第１熱交換器３１ａの下流側に設けているが、種々の事情により、何れか一方のみを第１熱交換器３１ａの下流側に設けることも可能である。なお、ガスポンプ１６やガスフィルタ１７以外の装置をガス経路１４に設ける場合、この装置も第１熱交換器３１ａの下流側に設けるようにし、当該装置の要求耐熱温度を下げるようにすることも可能である。また第３実施形態のボイラ３において、第２実施形態のように発熱体として発熱素子１２ａを採用しても良い。

４．その他
以上に説明した各実施形態のボイラ１〜３は、発熱体と、内部にこの発熱体が設けられた容器１１とを備え、供給された水を加熱して蒸気を発生させるものである。更に各ボイラ１〜３では、空気よりも比熱の高いガス（本実施形態の例では水素系ガス）が容器１１の内部に充満した環境下において、前記発熱体が発する熱により加熱される伝熱管２２ａ、を備えており、伝熱管２２ａを通る水（蒸気の元となる水）が加熱されるようになっている。なお例えば200℃で1atmの条件下において、空気の比熱が約1,026J/Kg℃であるのに対し、水素の比熱は約14,528J/Kg℃となっており、空気の比熱よりも非常に高くなっている。また発熱体として、ボイラ１，３では反応体１２が採用され、ボイラ２では発熱素子１２ａが採用されている。

各ボイラ１〜３によれば、容器１１内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱して蒸気を発生させるものでありながら、当該発熱体が発する熱を効率良く当該水に伝えることが可能である。すなわち、例えば伝熱管に水以外の流体等の熱媒体を流通させ、この熱媒体を容器１１の外部において水と熱交換する場合には、熱媒体の介在や搬送に伴う熱損失等が生じ得る。この点、各ボイラ１〜３では、伝熱管自体を発熱体を囲むように配置することで、発熱体が発する熱を回収するための熱媒体は不要となっている。その結果、上記の熱損失等は抑えられ、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることが可能である。

更に、容器１１の内部に空気より比熱の高いガスが充満されるため、一般的な空気が充満される場合と比較して熱伝達が良好になされ、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることができる。また、比熱が高いためガスの温度が変動し難く、当該水へより安定的に熱を伝えることが可能である。

また伝熱管２２ａは、筒状に形成された側壁１１ａの全周を形成しているため、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることが可能である。特に本実施形態での伝熱管２２ａは、発熱体を囲んで配置されていることから、側壁１１ａの全周のほぼ全ての領域を網羅し、発熱体が発する熱を極力無駄なく蒸気の元となる水へ伝えることが可能である。なお上記の各実施形態では、伝熱管は螺旋状に伸びて発熱体を囲んで配置されているが、発熱体を囲む形態はこれに限られず、例えば、鉛直方向に伸びる複数本の伝熱管が発熱体を囲んで配置する形態等が採用されても良い。

また上記の各実施形態では、容器１１内にガスを密閉するための側壁１１ａが伝熱管２２ａにより形成されているが、その代わりに側壁１１ａを伝熱管２２ａとは別に設けておき、側壁１１ａの内側に（すなわち、容器１１の内部に）伝熱管２２ａを設けるようにしても良い。この場合においても、空気よりも比熱の高いガスが容器１１の内部に充満した環境下において、発熱体が発する熱により伝熱管２２ａを加熱することが可能である。またこの場合には、伝熱管２２ａは側壁１１ａとしての役割を果たす必要は無いが、上下に隣合う伝熱管２２ａの部分同士の間に隙間があると発熱体からの熱を更に受けやすく好ましい。

また各ボイラ１〜３では、容器１１内を一部として含む循環経路（容器１１および容器１１の外部に配置されたガス経路１４を含む循環経路）において、前記ガスを循環させるようになっている。これにより、容器１１内のガスの動きを活発化させて、当該ガスから側壁１１ａへの熱伝達がより効果的になされる効果が期待される。特に第１および第３実施形態のボイラ１，３では、反応体１２における過剰熱を発生させる反応を促進させるためにも、当該ガスを循環させることが重要である。なお、第２実施形態のボイラ２においては過剰熱を発生させる反応を要しないため、上述した空気よりも比熱の高いガスとして、水素系ガス以外のガスを採用しても良い。

更に各ボイラ１〜３は、ガス経路１４におけるガスの熱の一部を、水経路２２内の水へ移動させるようになっている。より具体的に説明すると、第１および第２実施形態のボイラ１，２は、ガス経路１４に設けられた第１熱交換器３１、および水経路２２に設けられた第２熱交換器３２を有し、第１熱交換器３１でガス経路１４内のガスから回収された熱を、第２熱交換器３２で水経路２２内の水に与える。一方、第３実施形態のボイラ３は、水経路２２内の水を通す第１熱交換器３１ａがガス経路１４に設けられ、第１熱交換器３１ａにおいて、ガス経路１４内のガスの熱の一部を当該水に回収させる。そのため、これらの第１熱交換器（３１或いは３１ａ）の下流側に設けられたガスポンプ１６とガスフィルタ１７の要求耐熱温度を、下げることが可能となっている。

なお、上記の各実施形態では、伝熱管２２ａを含む水経路２２に蒸気の元となる水を流すようにしているが、その代わりに、伝熱管を含む熱媒経路に熱媒体Ｙ（熱媒体用の流体）を流すようにし、この熱媒体Ｙを用いて蒸気の元となる水を加熱することも可能である。このように構成したボイラの模式的な構成図を図５に例示する。

図５に示すボイラ１ａでは、水経路２２の代わりに熱媒経路４０が設けられるとともに、セパレータ２１の代わりに熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０は、熱媒体Ｙが流れる熱媒経路４０の一部が配置されるとともに、蒸気の元となる水が供給される。なお熱媒体Ｙは、本図に実線矢印で示すように、伝熱管４０ａを含む熱媒経路４０を循環するようになっている。伝熱管４０ａの構成や配置形態は、第１実施形態の伝熱管２２ａと同様である。これにより、反応体１２（発熱体）により加熱された熱媒体Ｙを熱交換器５０へ送り込み、供給された水を当該熱媒体Ｙにより加熱して蒸気を発生させ、外部へ供給することが可能である。なお熱交換器５０は、水を加熱して蒸気を生成する構成の他、温水を生成する構成としても良い。

熱交換器５０としては、例えば、プレート式やシェルアンドチューブ式の熱交換器を採用しても良く、各種形態のスチームジェネレータを採用しても良い。このスチームジェネレータの一例としては、供給された水を貯留する貯留スペースと、当該貯留スペース内に配置された熱媒体Ｙを通す管状体を有し、熱媒体Ｙの熱が当該管状体を介して貯留した水に伝わる構成のものが挙げられる。

そしてボイラ１ａにおいては、第２熱交換器３２は、水経路２２に設けられる代わりに熱交換器５０への給水経路に設けられ、熱交換器５０に供給される水と熱媒体Ｘの間での熱交換を行うように配置される。これにより、第１熱交換器３１においてガス経路１４内のガスから回収された熱が、熱交換器５０に供給される水の予熱に有効利用される。

また本発明に係るボイラの一例として、熱媒体Ｙを負荷へ供給する熱媒ボイラとしたものを、図６にボイラ１ｂとして示す。なお以下の説明では、図５に示すボイラ１ａと共通する事項の説明は省略する。

ボイラ１ｂは、熱交換器５０の設置が省略される代わりに、熱媒経路４０に熱媒流出口２５ａおよび熱媒流入口２５ｂが設けられており、熱媒流出口２５ａと熱媒流入口２５ｂの間に負荷Ｚを接続することが可能となっている。なお負荷Ｚとしては、例えば、熱媒体Ｙの熱を利用する各種装置などが採用され得る。熱媒流出口２５ａは伝熱管４０ａの下流側に設けられ、熱媒流入口２５ｂは伝熱管４０ａの上流側に設けられており、熱媒流出口２５ａから流出した熱媒体Ｙは負荷Ｚを通った後、熱媒流入口２５ｂへ流入するようになっている。これにより負荷Ｚが接続されたボイラ１ｂにおいては、図６に実線矢印で示すように、熱媒経路４０と負荷Ｚを含む循環経路にて熱媒体Ｙを循環させることができ、反応体１２（発熱体）が発する熱を継続的に負荷Ｚへ供給することが可能である。

更にボイラ１ｂにおいては、第２熱交換器３２は、熱媒経路４０における熱媒流入口２５ｂと伝熱管４０ａの間に設けられ、熱媒体Ｘと熱媒体Ｙの間での熱交換を行うように配置される。これにより、第１熱交換器３１においてガス経路１４内のガスから回収された熱が、熱媒体Ｙの予熱に有効利用される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、本発明に係るボイラは、上記実施形態のような蒸気を発生させるボイラの他、温水ボイラや熱媒ボイラ等にも適用可能である。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、各種用途のボイラに利用可能である。

１、１ａ、１ｂ、２、３ ボイラ
１１ 容器
１１ａ 側壁
１１ｂ 上底部
１１ｃ 下底部
１２ 反応体
１２ａ 発熱素子
１３ ヒータ
１４ ガス経路
１５ ガス受入部
１６ ガスポンプ
１７ ガスフィルタ
２１ セパレータ
２２ 水経路
２２ａ 伝熱管
２３ 水受入部
２４ 水ポンプ
２５ａ 熱媒流出口
２５ｂ 熱媒流入口
３１、３１ａ 第１熱交換器
３２ 第２熱交換器
３３ 熱循環経路
３４ 熱循環ポンプ
４０ 熱媒経路
４０ａ 伝熱管
５０ 熱交換器

Claims (7)

1. 発熱体と、
   内部に前記発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器と、
   前記ガスが循環する経路として、前記容器および当該容器の外部に配置されたガス経路を含む循環経路と、を備え、
   前記発熱体が発する熱を用いて流体を加熱するボイラであって、
   前記ガス経路における前記ガスの熱の一部を、前記流体へ移動させることを特徴とするボイラ。
2. 前記ガス経路に設けられた第１熱交換器、および、前記流体の経路に設けられた第２熱交換器を有し、
   第１熱交換器で前記ガスから回収された熱を、第２熱交換器で前記流体に与えることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 第１熱交換器と第２熱交換器の間で熱媒体を循環させることにより、第１熱交換器で前記ガスから回収された熱を第２熱交換器で前記流体に与えるものであって、
   前記ガスの温度に基づいて、前記熱媒体の循環を制御することを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記流体を通す第１熱交換器が前記ガス経路に設けられ、
   第１熱交換器において、前記ガスの熱の一部を前記流体に回収させることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
5. 前記ガスを前記ガス経路の上流側から下流側へ流すガスポンプ、又は前記ガスに含まれる不純物を除去するガスフィルタが、前記ガス経路における第１熱交換器の下流側に設けられたことを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載のボイラ。
6. 前記ガスは水素系ガスであり、
   前記発熱体は、
   水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、
   前記水素系ガスが前記容器内に供給された状況下において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載のボイラ。
7. 前記発熱体が発する熱により加熱される伝熱管を備え、当該伝熱管を通ることにより前記流体が加熱される請求項１から請求項６の何れかに記載のボイラであって、
   前記伝熱管は前記発熱体を囲んで配置されていることを特徴とするボイラ。
   

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