JP3919876B2 - 蒸気発生加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の液体を加熱することで蒸気を発生し、この蒸気を所定温度まで加熱させる蒸気発生加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蒸気発生加熱装置としては、図６に示すようなものが提案されている。図６において、蒸気発生加熱装置５０は、非磁性体の２つのパイプ５１，５２を連結して構成されるパイプ体５３を有し、この各パイプ５１と５２内にはそれぞれ水等の液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体５４と蒸気を加熱する第２積層発熱体５５とが装着されている。パイプ体５３の各パイプ５１，５２の外周には、各積層発熱体５４，５５に対向する位置にコイル５６，５７が独立して巻かれており、各コイル５６，５７は独立した２つの回路であるインバーター回路５８，５９にそれぞれ接続されている。６０，６１は各インバーター回路５８，５９に接続された交流電源である。そして、パイプ５１の入口５３Ａから水等の液体を供給すると共に、各交流電源６０，６１、各インバーター回路５８，５９により各コイル５６，５７に高周波電流を印加して励磁し、各コイル５６，５７による電磁誘導で各積層発熱体５４，５５を発熱することで、第１積層発熱体５４で水等の液体を加熱して蒸気を発生させ、第２積層発熱体５５で蒸気を所定温度まで加熱して、パイプ５２の排出口５３Ｂから蒸気を排出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来技術の蒸気発生加熱装置では、パイプ、コイル、積層発熱体およびインバーター回路を一組とした加熱要素を二組備えて、液体を加熱して蒸気を発生させ、発生した蒸気を所定温度まで加熱しているので、各インバーター回路５８，５９による各積層発熱体５４，５５の発熱量を制御しなければならず、構造が複雑になり製造コストの上昇を招いていた。
【０００４】
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、簡単な構造で且つ安価に液体から所定温度の蒸気まで加熱することのできる蒸気発生加熱装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の蒸気発生加熱装置は、非磁性体のパイプの入口側に装着され液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体と、前記パイプの排出側に装着され蒸気を加熱する第２積層発熱体とを有し、前記パイプには、一つの回路であるインバーター回路に接続され前記各積層発熱体に対向するようにコイルが連続して巻かれており、前記第１積層発熱体と第２積層発熱体とは、前記第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量を、前記第２積層発熱体に比して大きくする第１条件と、前記第２積層発熱体に対する蒸気の単位体積当たりの接触面積を、前記第１積層発熱体に対する液体に比して大きくする第２条件との少なくともいずれかの条件を満たす積層体にされた蒸気発生加熱装置であって、各積層発熱体の発熱により発生させる蒸気の質量を設定する発生蒸気量設定部と、発生蒸気量設定部により設定された蒸気の質量に基づく信号を所定の出力量に変換してインバータ回路に出力する変換部とから成る制御器と、制御器に接続され、前記パイプへの液体供給量を前記設定された蒸気の質量に応じて制御する流量制御弁とを有するものである。
【０００６】
請求項１では、前記第１条件として、前記第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めることで行うものである。
これにより、一の回路であるインバーター回路でパイプに連続して巻かれた同一のコイルを励磁して各積層発熱体を発熱する構造としても、第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めるているので、第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量が第２積層発熱体に比して増加されて、加熱される液体に与えられる熱量を多くして早急に蒸発できる。また、第１積層発熱体の透磁率を高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い発熱量を液体に与えることができる。
【０００７】
請求項２では、前記第２の条件として、第２積層発熱体を第１積層発熱体に比して積層密度を密にすることで行うものである。
これにより、第２積層発熱体で加熱される蒸気に対する単位体積当たりの接触面積が第１積層発熱体に比して増加され、蒸気に対する熱伝達を向上して早急に加熱できる。
【０００８】
請求項３では、請求項１又は請求項２のものにおいて、前記第１積層発熱体と前記パイプの間には、第１積層発熱体による加熱で対流する液体を、前記パイプ内で循環させる空間を形成したものである。これにより、第１積層発熱体で加熱された液体は、パイプの水面に向けて対流した後、蒸気として蒸発すると共に、パイプと第１積層発熱体の間の空間を通してパイプ内で循環される。したがって、第１積層発熱体を加熱するだけで液体がパイプ内を自然循環して、液全体を均一温度に加熱できるので、効率よく蒸気を発生させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における蒸気発生加熱装置について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１において、蒸気発生加熱装置１は、一のパイプ２と、パイプ２内に装着される第１積層発熱体３及び第２積層発熱体４と、一のコイル５と、一の回路であるインバーター回路６と、制御器８（発生蒸気量設定部等）を主要部として構成されている。
【００１１】
パイプ２は、ＦＲＰ、フッ素樹脂やセラミックス等の非磁性体であって、耐熱性と耐蝕性に優れた材料で形成されており、一端側に開口する入口２Ａは径外方向に突出するフランジ部２ａを水等の液体の導入管路７のフランジ部７ａに連結することで導入管路７に接続されている。そして、パイプ２内には入口２Ａ側に供給される水等の液体を加熱して蒸気にする第１積層発熱体３が、排出口２Ｂ側に蒸気を所定温度Ｔ（℃）まで加熱する第２積層発熱体４が直列に装着されている。導入管路７は水等の液体を供給する液体供給源（図示しない）に接続されており、パイプ２と液体供給源との間に流量制御弁１０が配置されている。流量制御弁１０は制御器８に接続されている。
【００１２】
パイプ２の外周には、銅損の少ないリッツ線を撚り合わせたもの等からなるコイル５が巻かれている。コイル５は第１積層発熱体３に対向する位置から連続して第２積層発熱体４に対向する位置まで巻かれており、各積層発熱体３と４の端部側で一つの回路であるインバーター回路６に接続されている。インバーター回路６は、交流電源９に接続されていると共に制御器８に接続されており、交流電源９から所望の電力を受けて高周波電流をコイル５に印加する。
【００１３】
次に、図２及び図３に基づいて、パイプ２内に装着される第１積層発熱体３と第２積層発熱体４の具体的な構成を説明する。
【００１４】
図２及び図３に示す各積層発熱体３，４は、これらで加熱する相（液体又は蒸気）の違いに着目して積層構造を異にしたもので、蒸気を加熱する第２積層発熱体４を第１積層発熱体３に比して積層密度を密にすることで、液体より熱伝達が劣る蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させると共に、液体に対する第１積層発熱体３の単位体積当たりの発熱量を増加させて、各積層構造体３，４の相互の単位体積当たりの発熱量と接触面積とを異にしたものである。
【００１５】
先ず、液体を加熱して蒸気を発生させる積層発熱体３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ジグザグの山形に折り曲げられた第１金属板２１と厚い厚さｔ１の平たい第２金属板２２とを交互に積層し、全体として円柱状の積層体に形成したものである。この第１金属板２１や第２金属板２２の材質としては、強磁性体であって耐蝕性を兼ね備えるＳＵＳ４７７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレスが用いられる。また、第１金属板２１の山（又は谷）２３は中心軸２４に対して角度αだけ傾くように配置され、第２金属板２２を挟んで隣り合う第１金属板２１の山（又は谷）２３が交差するように配置されている。更に、隣り合う第１金属板２１における山（又は谷）２３の交差点２５において、第１金属２１と第２金属板２２がスポット溶接で溶着されて電気的に導通している。
【００１６】
また、第１積層発熱体３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、最外周に位置する第２金属板２２と第１金属板２１との間には、角度αだけ傾いた第１小流路２７が形成され、次の第２金属板２２と第１金属板２１との間には、角度−αだけ傾いた第２小流路２８が形成され、これらの小流路２７，２８が交互に形成されるように第２金属板２２と第１金属板２１とを積層している。第１金属板２１や第２金属板２２の表面には、水等の液体の乱流を生じさせるための第３小流路２６が設けられている。更に、第１金属板２１や第２金属板２２の表面には平滑でなく、梨地加工又はエンボス加工によって微小凹凸が施されている。この微小凹凸は第１金属板２１の山（又は谷）２３の高さに比較して無視できる程度に小さい。
【００１７】
これに対して、蒸気を加熱する第２積層発熱体４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ジクザグの山形に折り曲げられた第１金属板２１’と、第１積層発熱体３の第２金属板２２より薄い厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の平たい第２金属板２２’とを交互に積層し、全体として第１積層発熱体３と同じ外径となる円柱状に形成したもので、第１積層発熱体３に比して各金属板２１’と２２’の積層枚数を多くして密なる積層体にしてある。この第１金属板２１’と第２金属板２２’の材料としては、強磁性体であって耐蝕性も兼ね備えるＳＵＳ４７７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレスが用いられる。また、第１金属板２１’の山（又は谷）２３’は中心軸２４’に対して角度αだけ傾くように配置され、第２金属板２２’を挟んで隣り合う第１金属板２１’の山（又は谷）２３’が交差するように配置されている。尚、第２積層発熱体４の第１金属板２１’の山（又は谷）２３’のピッチＰ’は、第１積層発熱体３の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰと同じにされている。更に、隣り合う第１金属板２１’における山（又は谷）２３’の交差点２５’におけて、第１金属板２１’と第２金属板２２’がスポット溶接で溶着されて電気的に導通している。
【００１８】
また、第２積層発熱体４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第１積層発熱体３と同様にして、第２金属板２２’と第１金属板２１’との間に角度α又は角度−αだけ傾いた第１小流路２７’、第２小流路２８’とが交互に形成されているが、第１積層発熱体３の第１又は第２金属板２１，２２の積層枚数より多くの第１又は第２金属板２１’と２２’とが積層（密なる積層体）されているので、第１積層発熱体３に比して単位体積当たりの各小流路２７’，２８’の数が多く形成されて蒸気に対する接触面積が増加されている。また、第１金属板２１’と第２金属板２２’の表面には、蒸気の乱流を生じさせるための第２小流路２６’が設けられていると共に、梨地加工又はエンボス加工による微小凹凸が施されている。
【００１９】
このように、第２積層発熱体４は、第２金属板２２’の厚みｔ２を第１積層発熱体３の第２金属板２２の厚みｔ１より薄くして、第１積層発熱体３に比して各金属板２１’，２２’の積層枚数を多くして積層密度を密にすることで、内部に形成される多数の小流路２７’，２８’により蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３に比して増加させる積層構造にされている。
これに対して、第１積層発熱体３は、第２金属板２２の厚みｔ１を第２積層発熱体４の第２金属板２２’の厚みｔ２より厚くして、第２積層発熱体４に比して各金属板２１，２２の積層枚数を少なくして積層密度を粗にすることで、厚くされた第２金属板２２’で多くの発熱を得て単位体積当たりの発熱量を、第２積層発熱体４に比して増加させる積層構造にされている。
【００２０】
そして、コイル５に高周波電流を流して、各積層発熱体３，４に高周波磁界を作用させると、第１金属板２１（２１’）と第２金属板２２（２２’）の全体に渦電流が生じ、各積層発熱体３，４が発熱する。このときの温度分布は、第１金属板２１（２１’）と第２金属板２２（２２’）の断面長手方向に延びた目玉型になり、周辺部より中心軸２４（２４’）の方が発熱し、中央部を流れようとする水等の液体又は蒸気の加熱に有利になっている。
【００２１】
また、各積層発熱体３，４には交差する第１小流路２７（２７’）と第２小流路２８（２８’）により、液体又は蒸気の周辺と中央部との拡散が行われ、加えて第３小流路２６（２６’）の存在によって、第１小流路２７（２７’）を第２小流路２８（２８’）間の厚み方向の拡散も行われる。したがって、これら小流路２７，２８又は２７’，２８’によって各積層発熱体３，４の全体に亘る液体又は蒸気のマクロ的な分散、放散、揮散が生じ、加えて、表面の微小凹凸によってミクロ的な分散、放散、揮散も生じる。その結果、各積層発熱体３，４を通過する液体又は蒸気は略均一な流れになって、第１金属板２１（２１’）及び第２金属板２２（２２’）と液体又は蒸気との均一な接触機会が与えられて、液体又は蒸気の均一な加熱が確保される。
【００２２】
更に、各積層発熱体３，４の積層構造を異にして、各積層発熱３，４の相互の単位体積当たりの発熱量と接触面積を異なるようにすることで、一の回路であるインバーター回路６で同一のコイル５を励磁して各積層発熱体３，４を発熱する構造としても、第２積層発熱体４に比して単位体積当たりの発熱量が増加された第１積層発熱体３により水等の液体を加熱して蒸気を発生でき、且つ第１積層発熱体３に比して蒸気に対する接触面積が増加された第２積層発熱体４により蒸気を所定温度（℃）の蒸気まで上温させることができる。
【００２３】
尚、本発明の蒸気発生加熱装置では、各積層体３，４の第２金属板２２，２２’の厚み（ｔ１＞ｔ２）を異にすることで、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの接触面積に比して増加させる積層構造としたものを示したが、これに限定されるものでなく、
▲１▼第２金属板２２，２２’の厚み（ｔ１＞ｔ２）を異にすると共に、第２積層発熱体４の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰを、第１積層発熱体３の第１金属板２１’の山（又は谷）２３’のピッチＰ’より密にすることで、蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させる積層構造や、
▲２▼また、各積層発熱体３，４の各金属板２１，２１’，２２，２２’の厚みを同じくして、第２積層発熱体４のジグザグの山形の第１金属板２１’の山（又は谷）２３のピッチＰ’を、第１積層発熱体３の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰより密にして（小さくして）、断面積が小さく多数の小流路２７’，２８’を形成することで、蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させる積層構造としてもよい。
【００２４】
また、本発明の蒸気発生加熱装置では、各金属板２１，２２又は２１’，２２’を積層して各積層発熱体３，４を構成するものを示したが、これに限定されるものでなく、複数の板部材を格子状に組み上げて、各金属製の板部材同士を溶接又は金属ろう付けしたものや、金属製の小径パイプ部材を束ねて溶接又は金属ろう付けしたもので、これらの部材をパイプ２に一体化してパイプ２の軸方向に延びる多数の規則的に区切られた細長いセグメント（流路）を形成するようにしてもよい。これにより、液体の圧力損失が少ない割りに、各部材で区切られた細長いセグメントの壁に液体又は蒸気が接触する可能性が大となるものである。
この場合、第２積層発熱体４の板部材を第１積層発熱体３の板部材の板厚より薄くすることで、断面が小さく多数のセグメント（流路）を形成し、又は第２積層発熱体４の小径パイプ部材の直径を第１積層発熱体３の小径パイプ部材より小さくすることで断面が小さく多数のセグメント（流路）を形成して、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を第１積層発熱体３に比して増加させ、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの発熱量を第２積層発熱体４に比して増加させる積層構造とする。
【００２５】
ところで、第１積層発熱体３の第１金属板２１の厚みｔ１と第２積層発熱体４の第１金属板２１’の厚みｔ２と、各金属板２１，２２又は２１’，２２’の積層枚数は、以下のように決定される。
【００２６】
▲１▼水等の液体を蒸発させる第１積層発熱体３の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）を、
Ｑ１＝ｑ×Ｗ＋Ｃｗ×（ｔ−ｔ１）×Ｗ・・・・・・・・・・・（１）
により求める。
【００２７】
▲２▼蒸気を加熱する第２積層発熱体４の発熱量Ｑ２（ｃａｌ）を、
Ｑ２＝（Ｔ−ｔ）×Ｃｓ×Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
により求める。
【００２８】
但し、式（１）及び式（２）において、ｑ：液体の潜熱（ｃａｌ／ｇ），Ｗ：発生する蒸気の質量（ｇ），Ｃｗ：液体の比熱〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕，ｔ：液体の沸騰温度（℃），ｔ１：供給される液体の温度（℃），Ｔ：蒸気の過熱温度（℃），Ｃｓ：蒸気の比熱〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕とする。
【００２９】
▲３▼式（１）と式（２）から得られる各発熱量Ｑ１，Ｑ２が、
Ｑ１：Ｑ２＝式（１）：式（２）・・・・・・・・・・・・・・（３）
の割合になるように各第１金属板２１，２１’の厚みｔ１，ｔ２と各金属板２１，２１’，２２，２２’の積層枚数を決定する。
【００３０】
例えば、液体が水である場合には、水の潜熱ｑ＝５３９（ｃａｌ／ｇ），水の比熱Ｃｗ＝１〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕，水の沸騰温度Ｔ＝１００（℃），水蒸気の比熱Ｃｓ＝０．５〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕とすると、
式（１）により、発熱量Ｑ１（ｃａｌ）は、
Ｑ１＝Ｗ×（６８９−ｔ１）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
となり、
式（２）により、発熱量Ｑ２（ｃａｌ）は、
Ｑ２＝Ｗ×（０．５×Ｔ−５０）・・・・・・・・・・・・・・（５）
となって、
式（３）は、
Ｑ１：Ｑ２＝Ｗ×（６８９−ｔ１）：Ｗ×（０．５×Ｔ−５０）となり、この割合となるように各積層発熱体３，４の各第１金属板２１，２１’の厚みｔ１，ｔ２と、各金属板２１，２２又は２１’，２２’の積層枚数を決定する。
【００３１】
尚、上記で示した各積層発熱体３，４の第１金属板２１，２１’の山（又は谷）２３のピッチＰ，Ｐ’を異にすることで、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３に対する液体に比して増加させる積層構造においても、上記式（１）〜式（５）に基づいて、各積層発熱体３，４の各第１金属板２１，２１’の山（又は谷）２３，２３’のピッチＰ，Ｐ’を決定するものである。
【００３２】
次に、図４に基づいて、インバーター回路６と制御器８の具体的な構成について説明する。
【００３３】
図４において、インバーター回路６は、交流電源２１に対する整流器３５と、非平滑フィルタ３０と、高周波インバーター部３１とからなっている。高周波インバーター部３１の出力電力と周波数は、位相シフト制御部３２とゲートドライバー３４によって制御され、交流電源９を効率的に高周波電流に変換して電気エネルギーが有効利用される。
【００３４】
高周波インバーター部３１は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ２とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直接に接続したものを並列に接続してなっている。また、コイル５が巻かれた非磁性体のパイプ２と各積層発熱体３，４からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができ、単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変回路系とすることができる。そのため、共振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適設計回路が行える。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はスイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＮＣＴ等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。
【００３５】
スイッチＳ１，Ｓ４を閉じると、ａ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ，に至る回路に電流が流れ、スイッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことになる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデューティサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッチＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力を０から負荷回路定数とインバーター動作周波数で決まる最大出力まで連続的に変化させることができる。
【００３６】
なお、電力制御の方式として位相シフトＰＷＭ方式を説明したが、一般にその他の電力制御方法として、アクティブＰＷＭ整流回路や高周波トランジスタチョッパによる直流電源制御（ＰＡＮ方式）、可変周波数制御（ＰＦＭ方式）、パルス密度変調制御（パルスサイクル制御）（ＰＤＭ方式）等がある。要するに、半導体パワーデバイスを交互に切り換えるインバーター回路であって、温度調整のためにある程度の電力制御が可能であって、高力率のインバーター回路であれば、図１の各積層発熱体３，４を組み合わせることができる。
【００３７】
また、図４において、制御器８は、各積層発熱体３，４の発熱により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定する発生蒸気量設定部４０と、発生蒸気量設定部４０に設定された蒸気の質量（ｇ）に基づく信号を所定出力量に変換してインバーター回路６に出力する変換部４１とからなり、発生蒸気量設定部４０は流量制御弁１０に接続されている。そして、発生蒸気量設定部４０により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定すると、この設定された質量（ｇ）の蒸気を発生させるに必要な信号を変換部４１を介してインバーター回路６に出力すると共に、流量制御弁１０にも出力する。これにより、制御器８から信号を入力したインバーター回路６は、設定された質量（ｇ）の蒸気を発生させるための電力を交流電源９から受けて高周波電流をコイル５に印加する。また、制御器８から信号を入力した流量制御弁１０は発生される蒸気の質量（ｇ）の水等の液体をパイプ２の入口２Ａから供給できるように開弁される。
【００３８】
そして、図４に示す制御器８の発生蒸気量設定部４０により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定すると、インバーター回路６は設定された蒸気を発生させるための電力を受けて高周波電流をコイル５に印加して励磁する。また、流量制御弁１０が発生される蒸気量と同等の量を順次、パイプ２の入口２Ａからパイプ２内に供給できるように開弁される。コイル５が励磁されると、コイル５による電磁誘導で各積層発熱体３，４が発熱されて、第１積層発熱体３の発熱により水等の液体が加熱されて蒸気を発生させる。このとき、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの接触面積は、第２積層発熱体４に比して小さいが、単位体積当たりの発熱量が高められているので熱伝達の良い水等の液体は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す各小流路２６〜２７を通過する際に十分に加熱されて蒸発（蒸気）される。
【００３９】
第１積層発熱体３の加熱で発生した蒸気は、パイプ２内を上昇して第２積層発熱体４内に流入して、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す各小流路２６’〜２８’を通過する際に加熱されて所定温度Ｔ（℃）の蒸気となって、パイプ２の排出口２Ｂからパイプ２の外部に放出される。このとき、蒸気が第１積層発熱体３に比して単位体積当たりの接触面積が増加された多数の小流路２６’〜２８’〔図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す〕により第１金属板２１’又は第２金属板２２’に対する接触機会（接触面積）を多くされることから、所定温度Ｔ（℃）の比熱の小さな蒸気まで昇温される。
【００４０】
本実施形態における蒸気発生加熱装置１では、液体を加熱する第１積層発熱体３をパイプ２内に発熱体３の発熱による膨張分を考慮して装着されているが、これに限定されるものでなく、図５に示すように、第１積層発熱体３の上面３ａ近傍まで液体を供給すると共に、第１積層発熱体３をパイプ２の内周と液体を循環させるに十分な空間４６を有して配置される非磁性体の筒部材４５内に装着する構造としても良い。これにより、第１積層発熱体３で加熱されて水面４７まで上昇した液体を空間４６を介してパイプ２の入口２Ａ側に循環させることができ、順次供給される新たな液体を上温させることができるので、第１積層発熱体３による液体の加熱を効率良く行うことが可能となる。この場合、第１積層発熱体３は第２積層発熱体４に比して透磁率の高い鉄で形成することで、小型で高い熱量を液体に与えることのできる積層体にできるので、第１積層発熱体３をパイプ２の内周との間に循環空間４６を形成しつつ装着できる。
【００４１】
また、本実施形態における蒸気発生加熱装置１において、液体を加熱する第１積層発熱体３の単位体積当たりの発熱量を第２積層発熱体４に比して増加させる手段として、各積層発熱体３，４の構造面から着目したものについて説明したが、これに限定されるものでなく、各積層発熱体３，４の材料面に着目したものであっても良い。すなわち、各積層発熱体３，４を図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す同一構造の積層体として、第１積層発熱体３の材料を、第２積層発熱体４の材料に比して透磁率の高い材料として、第１積層発熱体３の発熱量を向上することができる。
更に、第２積層発熱体４を第１積層発熱体３に比して透磁率の低いステンレスにすることで、積層体の形状を大きくすることができ、蒸気との接触面積を大きくして比熱の小さな過熱蒸気まで昇温することも可能となる。また、第１積層発熱体３の透磁率を第２積層発熱体４に比して高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い熱量を液体に与えることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の蒸気発生加熱装置によれば、その基本構成により、一の回路であるインバーター回路でパイプに連続して巻かれた同一のコイルを励磁して各積層発熱体を発熱する構造としても、第１積層発熱体と第２積層発熱体の相互の発熱量と接触面積を異にしているので、単位体積当たりの発熱量を大きくされた第１積層発熱体で液体を加熱して蒸気を発生でき、且つ蒸気に対する接触面積を大きくされた第２積層発熱体により蒸気を所定温度の過熱蒸気まで上温させることができる。したがって、構造の簡素化を図りつつ安価な装置を提供できる。
【００４３】
請求項１では、第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めているので、第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量が第２積層発熱体に比して増加されて、加熱される液体に与えられる熱量を多くして早急に蒸発できる。また、第１積層発熱体の透磁率を高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い熱量を液体に与えることができる。
【００４４】
請求項２では、第２積層発熱体を第１積層発熱体に比して積層密度を密にしているので、第２積層発熱体で加熱される蒸気に対する単位体積当たりの接触面積が第１積層発熱体に比して増加され、蒸気に対する熱伝達を向上して早急に加熱できる。
【００４５】
請求項３では、請求項１又は請求項２の効果に加えて、第１積層発熱体とパイプの間に第１積層発熱体による加熱で対流する液体を、パイプ内で循環させる空間を形成したので、第１積層発熱体で加熱された液体は、パイプの水面に向けて対流した後、蒸気として蒸発すると共に、パイプと第１積層発熱体の間の空間を通してパイプ内で循環される。したがって、第１積層発熱体を加熱するだけで液体がパイプ内を自然循環して、液全体を均一温度に加熱できるので、効率よく蒸気を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気発生加熱装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１における第１積層発熱体の構成を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜視図である。
【図３】図１における第２積層発熱体の構成を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜視図である。
【図４】図１におけるインバーター回路と制御器の構成を示すブ回路図である。
【図５】本発明の蒸気発生加熱装置の変形例を示す断面図である。
【図６】従来技術の蒸気発生加熱装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 蒸気発生加熱装置
２ パイプ
３ 第１積層発熱体
４ 第２積層発熱体
５ コイル
６ インバーター回路
７ 導入管路
８ 制御器
９ 交流電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、水等の液体を加熱することで蒸気を発生し、この蒸気を所定温度まで加熱させる蒸気発生加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蒸気発生加熱装置としては、図６に示すようなものが提案されている。図６において、蒸気発生加熱装置５０は、非磁性体の２つのパイプ５１，５２を連結して構成されるパイプ体５３を有し、この各パイプ５１と５２内にはそれぞれ水等の液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体５４と蒸気を加熱する第２積層発熱体５５とが装着されている。パイプ体５３の各パイプ５１，５２の外周には、各積層発熱体５４，５５に対向する位置にコイル５６，５７が独立して巻かれており、各コイル５６，５７は独立した２つの回路であるインバーター回路５８，５９にそれぞれ接続されている。６０，６１は各インバーター回路５８，５９に接続された交流電源である。そして、パイプ５１の入口５３Ａから水等の液体を供給すると共に、各交流電源６０，６１、各インバーター回路５８，５９により各コイル５６，５７に高周波電流を印加して励磁し、各コイル５６，５７による電磁誘導で各積層発熱体５４，５５を発熱することで、第１積層発熱体５４で水等の液体を加熱して蒸気を発生させ、第２積層発熱体５５で蒸気を所定温度まで加熱して、パイプ５２の排出口５３Ｂから蒸気を排出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来技術の蒸気発生加熱装置では、パイプ、コイル、積層発熱体およびインバーター回路を一組とした加熱要素を二組備えて、液体を加熱して蒸気を発生させ、発生した蒸気を所定温度まで加熱しているので、各インバーター回路５８，５９による各積層発熱体５４，５５の発熱量を制御しなければならず、構造が複雑になり製造コストの上昇を招いていた。
【０００４】
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、簡単な構造で且つ安価に液体から所定温度の蒸気まで加熱することのできる蒸気発生加熱装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の蒸気発生加熱装置は、非磁性体のパイプの入口側に装着され液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体と、前記パイプの排出側に装着され蒸気を加熱する第２積層発熱体とを有し、前記パイプには、一つの回路であるインバーター回路に接続され前記各積層発熱体に対向するようにコイルが連続して巻かれており、前記第１積層発熱体と第２積層発熱体とは、前記第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量を、前記第２積層発熱体に比して大きくする第１条件と、前記第２積層発熱体に対する蒸気の単位体積当たりの接触面積を、前記第１積層発熱体に対する液体に比して大きくする第２条件との少なくともいずれかの条件を満たす積層体にされた蒸気発生加熱装置であって、各積層発熱体の発熱により発生させる蒸気の質量を設定する発生蒸気量設定部と、発生蒸気量設定部により設定された蒸気の質量に基づく信号を所定の出力量に変換してインバータ回路に出力する変換部とから成る制御器と、制御器に接続され、前記パイプへの液体供給量を前記設定された蒸気の質量に応じて制御する流量制御弁とを有するものである。
【０００６】
請求項１では、前記第１条件として、前記第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めることで行うものである。
これにより、一の回路であるインバーター回路でパイプに連続して巻かれた同一のコイルを励磁して各積層発熱体を発熱する構造としても、第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めるているので、第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量が第２積層発熱体に比して増加されて、加熱される液体に与えられる熱量を多くして早急に蒸発できる。また、第１積層発熱体の透磁率を高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い発熱量を液体に与えることができる。
【０００７】
請求項２では、前記第２の条件として、第２積層発熱体を第１積層発熱体に比して積層密度を密にすることで行うものである。
これにより、第２積層発熱体で加熱される蒸気に対する単位体積当たりの接触面積が第１積層発熱体に比して増加され、蒸気に対する熱伝達を向上して早急に加熱できる。
【０００８】
請求項３では、請求項１又は請求項２のものにおいて、前記第１積層発熱体と前記パイプの間には、第１積層発熱体による加熱で対流する液体を、前記パイプ内で循環させる空間を形成したものである。これにより、第１積層発熱体で加熱された液体は、パイプの水面に向けて対流した後、蒸気として蒸発すると共に、パイプと第１積層発熱体の間の空間を通してパイプ内で循環される。したがって、第１積層発熱体を加熱するだけで液体がパイプ内を自然循環して、液全体を均一温度に加熱できるので、効率よく蒸気を発生させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における蒸気発生加熱装置について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１において、蒸気発生加熱装置１は、一のパイプ２と、パイプ２内に装着される第１積層発熱体３及び第２積層発熱体４と、一のコイル５と、一の回路であるインバーター回路６と、制御器８（発生蒸気量設定部等）を主要部として構成されている。
【００１１】
パイプ２は、ＦＲＰ、フッ素樹脂やセラミックス等の非磁性体であって、耐熱性と耐蝕性に優れた材料で形成されており、一端側に開口する入口２Ａは径外方向に突出するフランジ部２ａを水等の液体の導入管路７のフランジ部７ａに連結することで導入管路７に接続されている。そして、パイプ２内には入口２Ａ側に供給される水等の液体を加熱して蒸気にする第１積層発熱体３が、排出口２Ｂ側に蒸気を所定温度Ｔ（℃）まで加熱する第２積層発熱体４が直列に装着されている。導入管路７は水等の液体を供給する液体供給源（図示しない）に接続されており、パイプ２と液体供給源との間に流量制御弁１０が配置されている。流量制御弁１０は制御器８に接続されている。
【００１２】
パイプ２の外周には、銅損の少ないリッツ線を撚り合わせたもの等からなるコイル５が巻かれている。コイル５は第１積層発熱体３に対向する位置から連続して第２積層発熱体４に対向する位置まで巻かれており、各積層発熱体３と４の端部側で一つの回路であるインバーター回路６に接続されている。インバーター回路６は、交流電源９に接続されていると共に制御器８に接続されており、交流電源９から所望の電力を受けて高周波電流をコイル５に印加する。
【００１３】
次に、図２及び図３に基づいて、パイプ２内に装着される第１積層発熱体３と第２積層発熱体４の具体的な構成を説明する。
【００１４】
図２及び図３に示す各積層発熱体３，４は、これらで加熱する相（液体又は蒸気）の違いに着目して積層構造を異にしたもので、蒸気を加熱する第２積層発熱体４を第１積層発熱体３に比して積層密度を密にすることで、液体より熱伝達が劣る蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させると共に、液体に対する第１積層発熱体３の単位体積当たりの発熱量を増加させて、各積層構造体３，４の相互の単位体積当たりの発熱量と接触面積とを異にしたものである。
【００１５】
先ず、液体を加熱して蒸気を発生させる積層発熱体３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ジグザグの山形に折り曲げられた第１金属板２１と厚い厚さｔ１の平たい第２金属板２２とを交互に積層し、全体として円柱状の積層体に形成したものである。この第１金属板２１や第２金属板２２の材質としては、強磁性体であって耐蝕性を兼ね備えるＳＵＳ４７７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレスが用いられる。また、第１金属板２１の山（又は谷）２３は中心軸２４に対して角度αだけ傾くように配置され、第２金属板２２を挟んで隣り合う第１金属板２１の山（又は谷）２３が交差するように配置されている。更に、隣り合う第１金属板２１における山（又は谷）２３の交差点２５において、第１金属２１と第２金属板２２がスポット溶接で溶着されて電気的に導通している。
【００１６】
また、第１積層発熱体３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、最外周に位置する第２金属板２２と第１金属板２１との間には、角度αだけ傾いた第１小流路２７が形成され、次の第２金属板２２と第１金属板２１との間には、角度−αだけ傾いた第２小流路２８が形成され、これらの小流路２７，２８が交互に形成されるように第２金属板２２と第１金属板２１とを積層している。第１金属板２１や第２金属板２２の表面には、水等の液体の乱流を生じさせるための第３小流路２６が設けられている。更に、第１金属板２１や第２金属板２２の表面には平滑でなく、梨地加工又はエンボス加工によって微小凹凸が施されている。この微小凹凸は第１金属板２１の山（又は谷）２３の高さに比較して無視できる程度に小さい。
【００１７】
これに対して、蒸気を加熱する第２積層発熱体４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ジクザグの山形に折り曲げられた第１金属板２１’と、第１積層発熱体３の第２金属板２２より薄い厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の平たい第２金属板２２’とを交互に積層し、全体として第１積層発熱体３と同じ外径となる円柱状に形成したもので、第１積層発熱体３に比して各金属板２１’と２２’の積層枚数を多くして密なる積層体にしてある。この第１金属板２１’と第２金属板２２’の材料としては、強磁性体であって耐蝕性も兼ね備えるＳＵＳ４７７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレスが用いられる。また、第１金属板２１’の山（又は谷）２３’は中心軸２４’に対して角度αだけ傾くように配置され、第２金属板２２’を挟んで隣り合う第１金属板２１’の山（又は谷）２３’が交差するように配置されている。尚、第２積層発熱体４の第１金属板２１’の山（又は谷）２３’のピッチＰ’は、第１積層発熱体３の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰと同じにされている。更に、隣り合う第１金属板２１’における山（又は谷）２３’の交差点２５’におけて、第１金属板２１’と第２金属板２２’がスポット溶接で溶着されて電気的に導通している。
【００１８】
また、第２積層発熱体４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第１積層発熱体３と同様にして、第２金属板２２’と第１金属板２１’との間に角度α又は角度−αだけ傾いた第１小流路２７’、第２小流路２８’とが交互に形成されているが、第１積層発熱体３の第１又は第２金属板２１，２２の積層枚数より多くの第１又は第２金属板２１’と２２’とが積層（密なる積層体）されているので、第１積層発熱体３に比して単位体積当たりの各小流路２７’，２８’の数が多く形成されて蒸気に対する接触面積が増加されている。また、第１金属板２１’と第２金属板２２’の表面には、蒸気の乱流を生じさせるための第２小流路２６’が設けられていると共に、梨地加工又はエンボス加工による微小凹凸が施されている。
【００１９】
このように、第２積層発熱体４は、第２金属板２２’の厚みｔ２を第１積層発熱体３の第２金属板２２の厚みｔ１より薄くして、第１積層発熱体３に比して各金属板２１’，２２’の積層枚数を多くして積層密度を密にすることで、内部に形成される多数の小流路２７’，２８’により蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３に比して増加させる積層構造にされている。
これに対して、第１積層発熱体３は、第２金属板２２の厚みｔ１を第２積層発熱体４の第２金属板２２’の厚みｔ２より厚くして、第２積層発熱体４に比して各金属板２１，２２の積層枚数を少なくして積層密度を粗にすることで、厚くされた第２金属板２２’で多くの発熱を得て単位体積当たりの発熱量を、第２積層発熱体４に比して増加させる積層構造にされている。
【００２０】
そして、コイル５に高周波電流を流して、各積層発熱体３，４に高周波磁界を作用させると、第１金属板２１（２１’）と第２金属板２２（２２’）の全体に渦電流が生じ、各積層発熱体３，４が発熱する。このときの温度分布は、第１金属板２１（２１’）と第２金属板２２（２２’）の断面長手方向に延びた目玉型になり、周辺部より中心軸２４（２４’）の方が発熱し、中央部を流れようとする水等の液体又は蒸気の加熱に有利になっている。
【００２１】
また、各積層発熱体３，４には交差する第１小流路２７（２７’）と第２小流路２８（２８’）により、液体又は蒸気の周辺と中央部との拡散が行われ、加えて第３小流路２６（２６’）の存在によって、第１小流路２７（２７’）を第２小流路２８（２８’）間の厚み方向の拡散も行われる。したがって、これら小流路２７，２８又は２７’，２８’によって各積層発熱体３，４の全体に亘る液体又は蒸気のマクロ的な分散、放散、揮散が生じ、加えて、表面の微小凹凸によってミクロ的な分散、放散、揮散も生じる。その結果、各積層発熱体３，４を通過する液体又は蒸気は略均一な流れになって、第１金属板２１（２１’）及び第２金属板２２（２２’）と液体又は蒸気との均一な接触機会が与えられて、液体又は蒸気の均一な加熱が確保される。
【００２２】
更に、各積層発熱体３，４の積層構造を異にして、各積層発熱３，４の相互の単位体積当たりの発熱量と接触面積を異なるようにすることで、一の回路であるインバーター回路６で同一のコイル５を励磁して各積層発熱体３，４を発熱する構造としても、第２積層発熱体４に比して単位体積当たりの発熱量が増加された第１積層発熱体３により水等の液体を加熱して蒸気を発生でき、且つ第１積層発熱体３に比して蒸気に対する接触面積が増加された第２積層発熱体４により蒸気を所定温度（℃）の蒸気まで上温させることができる。
【００２３】
尚、本発明の蒸気発生加熱装置では、各積層体３，４の第２金属板２２，２２’の厚み（ｔ１＞ｔ２）を異にすることで、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの接触面積に比して増加させる積層構造としたものを示したが、これに限定されるものでなく、
▲１▼第２金属板２２，２２’の厚み（ｔ１＞ｔ２）を異にすると共に、第２積層発熱体４の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰを、第１積層発熱体３の第１金属板２１’の山（又は谷）２３’のピッチＰ’より密にすることで、蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させる積層構造や、
▲２▼また、各積層発熱体３，４の各金属板２１，２１’，２２，２２’の厚みを同じくして、第２積層発熱体４のジグザグの山形の第１金属板２１’の山（又は谷）２３のピッチＰ’を、第１積層発熱体３の第１金属板２１の山（又は谷）２３のピッチＰより密にして（小さくして）、断面積が小さく多数の小流路２７’，２８’を形成することで、蒸気に対する第２積層発熱体４の単位体積当たりの接触面積を増加させる積層構造としてもよい。
【００２４】
また、本発明の蒸気発生加熱装置では、各金属板２１，２２又は２１’，２２’を積層して各積層発熱体３，４を構成するものを示したが、これに限定されるものでなく、複数の板部材を格子状に組み上げて、各金属製の板部材同士を溶接又は金属ろう付けしたものや、金属製の小径パイプ部材を束ねて溶接又は金属ろう付けしたもので、これらの部材をパイプ２に一体化してパイプ２の軸方向に延びる多数の規則的に区切られた細長いセグメント（流路）を形成するようにしてもよい。これにより、液体の圧力損失が少ない割りに、各部材で区切られた細長いセグメントの壁に液体又は蒸気が接触する可能性が大となるものである。
この場合、第２積層発熱体４の板部材を第１積層発熱体３の板部材の板厚より薄くすることで、断面が小さく多数のセグメント（流路）を形成し、又は第２積層発熱体４の小径パイプ部材の直径を第１積層発熱体３の小径パイプ部材より小さくすることで断面が小さく多数のセグメント（流路）を形成して、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を第１積層発熱体３に比して増加させ、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの発熱量を第２積層発熱体４に比して増加させる積層構造とする。
【００２５】
ところで、第１積層発熱体３の第１金属板２１の厚みｔ１と第２積層発熱体４の第１金属板２１’の厚みｔ２と、各金属板２１，２２又は２１’，２２’の積層枚数は、以下のように決定される。
【００２６】
▲１▼水等の液体を蒸発させる第１積層発熱体３の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）を、
Ｑ１＝ｑ×Ｗ＋Ｃｗ×（ｔ−ｔ１）×Ｗ・・・・・・・・・・・（１）
により求める。
【００２７】
▲２▼蒸気を加熱する第２積層発熱体４の発熱量Ｑ２（ｃａｌ）を、
Ｑ２＝（Ｔ−ｔ）×Ｃｓ×Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
により求める。
【００２８】
但し、式（１）及び式（２）において、ｑ：液体の潜熱（ｃａｌ／ｇ），Ｗ：発生する蒸気の質量（ｇ），Ｃｗ：液体の比熱〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕，ｔ：液体の沸騰温度（℃），ｔ１：供給される液体の温度（℃），Ｔ：蒸気の過熱温度（℃），Ｃｓ：蒸気の比熱〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕とする。
【００２９】
▲３▼式（１）と式（２）から得られる各発熱量Ｑ１，Ｑ２が、
Ｑ１：Ｑ２＝式（１）：式（２）・・・・・・・・・・・・・・（３）
の割合になるように各第１金属板２１，２１’の厚みｔ１，ｔ２と各金属板２１，２１’，２２，２２’の積層枚数を決定する。
【００３０】
例えば、液体が水である場合には、水の潜熱ｑ＝５３９（ｃａｌ／ｇ），水の比熱Ｃｗ＝１〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕，水の沸騰温度Ｔ＝１００（℃），水蒸気の比熱Ｃｓ＝０．５〔ｃａｌ／（ｇ・℃）〕とすると、
式（１）により、発熱量Ｑ１（ｃａｌ）は、
Ｑ１＝Ｗ×（６８９−ｔ１）・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
となり、
式（２）により、発熱量Ｑ２（ｃａｌ）は、
Ｑ２＝Ｗ×（０．５×Ｔ−５０）・・・・・・・・・・・・・・（５）
となって、
式（３）は、
Ｑ１：Ｑ２＝Ｗ×（６８９−ｔ１）：Ｗ×（０．５×Ｔ−５０）となり、この割合となるように各積層発熱体３，４の各第１金属板２１，２１’の厚みｔ１，ｔ２と、各金属板２１，２２又は２１’，２２’の積層枚数を決定する。
【００３１】
尚、上記で示した各積層発熱体３，４の第１金属板２１，２１’の山（又は谷）２３のピッチＰ，Ｐ’を異にすることで、第２積層発熱体４の蒸気に対する単位体積当たりの接触面積を、第１積層発熱体３に対する液体に比して増加させる積層構造においても、上記式（１）〜式（５）に基づいて、各積層発熱体３，４の各第１金属板２１，２１’の山（又は谷）２３，２３’のピッチＰ，Ｐ’を決定するものである。
【００３２】
次に、図４に基づいて、インバーター回路６と制御器８の具体的な構成について説明する。
【００３３】
図４において、インバーター回路６は、交流電源２１に対する整流器３５と、非平滑フィルタ３０と、高周波インバーター部３１とからなっている。高周波インバーター部３１の出力電力と周波数は、位相シフト制御部３２とゲートドライバー３４によって制御され、交流電源９を効率的に高周波電流に変換して電気エネルギーが有効利用される。
【００３４】
高周波インバーター部３１は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ２とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直接に接続したものを並列に接続してなっている。また、コイル５が巻かれた非磁性体のパイプ２と各積層発熱体３，４からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができ、単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変回路系とすることができる。そのため、共振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適設計回路が行える。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はスイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＮＣＴ等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。
【００３５】
スイッチＳ１，Ｓ４を閉じると、ａ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ，に至る回路に電流が流れ、スイッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことになる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデューティサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッチＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力を０から負荷回路定数とインバーター動作周波数で決まる最大出力まで連続的に変化させることができる。
【００３６】
なお、電力制御の方式として位相シフトＰＷＭ方式を説明したが、一般にその他の電力制御方法として、アクティブＰＷＭ整流回路や高周波トランジスタチョッパによる直流電源制御（ＰＡＮ方式）、可変周波数制御（ＰＦＭ方式）、パルス密度変調制御（パルスサイクル制御）（ＰＤＭ方式）等がある。要するに、半導体パワーデバイスを交互に切り換えるインバーター回路であって、温度調整のためにある程度の電力制御が可能であって、高力率のインバーター回路であれば、図１の各積層発熱体３，４を組み合わせることができる。
【００３７】
また、図４において、制御器８は、各積層発熱体３，４の発熱により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定する発生蒸気量設定部４０と、発生蒸気量設定部４０に設定された蒸気の質量（ｇ）に基づく信号を所定出力量に変換してインバーター回路６に出力する変換部４１とからなり、発生蒸気量設定部４０は流量制御弁１０に接続されている。そして、発生蒸気量設定部４０により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定すると、この設定された質量（ｇ）の蒸気を発生させるに必要な信号を変換部４１を介してインバーター回路６に出力すると共に、流量制御弁１０にも出力する。これにより、制御器８から信号を入力したインバーター回路６は、設定された質量（ｇ）の蒸気を発生させるための電力を交流電源９から受けて高周波電流をコイル５に印加する。また、制御器８から信号を入力した流量制御弁１０は発生される蒸気の質量（ｇ）の水等の液体をパイプ２の入口２Ａから供給できるように開弁される。
【００３８】
そして、図４に示す制御器８の発生蒸気量設定部４０により発生させる蒸気の質量（ｇ）を設定すると、インバーター回路６は設定された蒸気を発生させるための電力を受けて高周波電流をコイル５に印加して励磁する。また、流量制御弁１０が発生される蒸気量と同等の量を順次、パイプ２の入口２Ａからパイプ２内に供給できるように開弁される。コイル５が励磁されると、コイル５による電磁誘導で各積層発熱体３，４が発熱されて、第１積層発熱体３の発熱により水等の液体が加熱されて蒸気を発生させる。このとき、第１積層発熱体３の液体に対する単位体積当たりの接触面積は、第２積層発熱体４に比して小さいが、単位体積当たりの発熱量が高められているので熱伝達の良い水等の液体は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す各小流路２６〜２７を通過する際に十分に加熱されて蒸発（蒸気）される。
【００３９】
第１積層発熱体３の加熱で発生した蒸気は、パイプ２内を上昇して第２積層発熱体４内に流入して、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す各小流路２６’〜２８’を通過する際に加熱されて所定温度Ｔ（℃）の蒸気となって、パイプ２の排出口２Ｂからパイプ２の外部に放出される。このとき、蒸気が第１積層発熱体３に比して単位体積当たりの接触面積が増加された多数の小流路２６’〜２８’〔図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す〕により第１金属板２１’又は第２金属板２２’に対する接触機会（接触面積）を多くされることから、所定温度Ｔ（℃）の比熱の小さな蒸気まで昇温される。
【００４０】
本実施形態における蒸気発生加熱装置１では、液体を加熱する第１積層発熱体３をパイプ２内に発熱体３の発熱による膨張分を考慮して装着されているが、これに限定されるものでなく、図５に示すように、第１積層発熱体３の上面３ａ近傍まで液体を供給すると共に、第１積層発熱体３をパイプ２の内周と液体を循環させるに十分な空間４６を有して配置される非磁性体の筒部材４５内に装着する構造としても良い。これにより、第１積層発熱体３で加熱されて水面４７まで上昇した液体を空間４６を介してパイプ２の入口２Ａ側に循環させることができ、順次供給される新たな液体を上温させることができるので、第１積層発熱体３による液体の加熱を効率良く行うことが可能となる。この場合、第１積層発熱体３は第２積層発熱体４に比して透磁率の高い鉄で形成することで、小型で高い熱量を液体に与えることのできる積層体にできるので、第１積層発熱体３をパイプ２の内周との間に循環空間４６を形成しつつ装着できる。
【００４１】
また、本実施形態における蒸気発生加熱装置１において、液体を加熱する第１積層発熱体３の単位体積当たりの発熱量を第２積層発熱体４に比して増加させる手段として、各積層発熱体３，４の構造面から着目したものについて説明したが、これに限定されるものでなく、各積層発熱体３，４の材料面に着目したものであっても良い。すなわち、各積層発熱体３，４を図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す同一構造の積層体として、第１積層発熱体３の材料を、第２積層発熱体４の材料に比して透磁率の高い材料として、第１積層発熱体３の発熱量を向上することができる。
更に、第２積層発熱体４を第１積層発熱体３に比して透磁率の低いステンレスにすることで、積層体の形状を大きくすることができ、蒸気との接触面積を大きくして比熱の小さな過熱蒸気まで昇温することも可能となる。また、第１積層発熱体３の透磁率を第２積層発熱体４に比して高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い熱量を液体に与えることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の蒸気発生加熱装置によれば、その基本構成により、一の回路であるインバーター回路でパイプに連続して巻かれた同一のコイルを励磁して各積層発熱体を発熱する構造としても、第１積層発熱体と第２積層発熱体の相互の発熱量と接触面積を異にしているので、単位体積当たりの発熱量を大きくされた第１積層発熱体で液体を加熱して蒸気を発生でき、且つ蒸気に対する接触面積を大きくされた第２積層発熱体により蒸気を所定温度の過熱蒸気まで上温させることができる。したがって、構造の簡素化を図りつつ安価な装置を提供できる。
【００４３】
請求項１では、第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めているので、第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量が第２積層発熱体に比して増加されて、加熱される液体に与えられる熱量を多くして早急に蒸発できる。また、第１積層発熱体の透磁率を高めると、その積層構造の小型化を図りつつ高い熱量を液体に与えることができる。
【００４４】
請求項２では、第２積層発熱体を第１積層発熱体に比して積層密度を密にしているので、第２積層発熱体で加熱される蒸気に対する単位体積当たりの接触面積が第１積層発熱体に比して増加され、蒸気に対する熱伝達を向上して早急に加熱できる。
【００４５】
請求項３では、請求項１又は請求項２の効果に加えて、第１積層発熱体とパイプの間に第１積層発熱体による加熱で対流する液体を、パイプ内で循環させる空間を形成したので、第１積層発熱体で加熱された液体は、パイプの水面に向けて対流した後、蒸気として蒸発すると共に、パイプと第１積層発熱体の間の空間を通してパイプ内で循環される。したがって、第１積層発熱体を加熱するだけで液体がパイプ内を自然循環して、液全体を均一温度に加熱できるので、効率よく蒸気を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気発生加熱装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１における第１積層発熱体の構成を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜視図である。
【図３】図１における第２積層発熱体の構成を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は斜視図である。
【図４】図１におけるインバーター回路と制御器の構成を示すブ回路図である。
【図５】本発明の蒸気発生加熱装置の変形例を示す断面図である。
【図６】従来技術の蒸気発生加熱装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 蒸気発生加熱装置
２ パイプ
３ 第１積層発熱体
４ 第２積層発熱体
５ コイル
６ インバーター回路
７ 導入管路
８ 制御器
９ 交流電源
Claims (3)
- 非磁性体のパイプの入口側に装着され液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体と、
前記パイプの排出側に装着され蒸気を加熱する第２積層発熱体とを有し、
前記パイプには、一つの回路であるインバーター回路に接続され前記各積層発熱体に対向するようにコイルが連続して巻かれており、
前記第１積層発熱体と第２積層発熱体とは、
前記第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量を、前記第２積層発熱体に比して大きくする第１条件と、
前記第２積層発熱体に対する蒸気の単位体積当たりの接触面積を、前記第１積層発熱体に対する液体に比して大きくする第２条件との、
少なくともいずれかの条件を満たす積層体にされている蒸気発生加熱装置であって、
各積層発熱体の発熱により発生させる蒸気の質量を設定する発生蒸気量設定部と、発生蒸気量設定部により設定された蒸気の質量に基づく信号を所定の出力量に変換してインバータ回路に出力する変換部とから成る制御器と、制御器に接続され、前記パイプへの液体供給量を前記設定された蒸気の質量に応じて制御する流量制御弁とを有し、
前記第１条件は、前記第１積層発熱体を第２積層発熱体に比して透磁率を高めることで行うことを特徴とする蒸気発生加熱装置。 - 非磁性体のパイプの入口側に装着され液体を加熱して蒸気を発生させる第１積層発熱体と、前記パイプの排出側に装着され蒸気を加熱する第２積層発熱体とを有し、前記パイプには、一つの回路であるインバーター回路に接続され前記各積層発熱体に対向するようにコイルが連続して巻かれており、前記第１積層発熱体と第２積層発熱体とは、前記第１積層発熱体の単位体積当たりの発熱量を、前記第２積層発熱体に比して大きくする第１条件と、前記第２積層発熱体に対する蒸気の単位体積当たりの接触面積を、前記第１積層発熱体に対する液体に比して大きくする第２条件との、
少なくともいずれかの条件を満たす積層体にされている蒸気発生加熱装置であって、
各積層発熱体の発熱により発生させる蒸気の質量を設定する発生蒸気量設定部と、発生蒸気量設定部により設定された蒸気の質量に基づく信号を所定の出力量に変換してインバータ回路に出力する変換部とから成る制御器と、制御器に接続され、前記パイプへの液体供給量を前記設定された蒸気の質量に応じて制御する流量制御弁とを有し、
前記第２条件は、前記第２積層発熱体を第１積層発熱体に比して積層密度を密にすることで行うことを特徴とする蒸気発生加熱装置。 - 前記第１積層発熱体と前記パイプの間には、第１積層発熱体による加熱で対流する液体を、前記パイプ内で循環させる空間を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の蒸気発生加熱装置。
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