JP4779701B2 - 蒸気発生器 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気発生器に関する。

飽和蒸気をさらに加熱して得られる過熱蒸気は、非常に軽い、囲われた空間内の隅々まで充満しやすい、体積膨張率が高い、含有酸素量が少ない、熱伝達速度が速い等の特徴を持っていることから、注目されている。例えば、過熱蒸気を用いて食材を加熱加工する加熱調理装置、消毒殺菌装置、乾燥機等の様々な分野への応用が進展している。
これらの装置では、金属体を励磁コイルによる電磁誘導作用により発熱させる高周波誘導加熱方式（特許文献１参照）やガスバーナー方式（特許文献２参照）の過熱蒸気発生器が用いられている。
特開２００４−１６２９３６号公報 特開２００１−５６１０２号公報

しかしながら、高周波誘導加熱方式の過熱蒸気発生器では、装置コストとランニングコストが高くなりやすい等の問題がある。一方、ガスバーナー方式の過熱蒸気発生器では、熱効率が低い、裸火が存在することから安全性に劣る、ガスの燃焼のための空間が必要であることから小型化に不向きである等の問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高効率で安全性の高く、小型化可能な蒸気発生器を提案することを目的とする。

本発明に係る蒸気発生器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

蒸気発生器は、加熱部本体内に燃焼室、前記燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記加熱部本体外に導く燃焼ガス流路及び前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔てると共に前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱する伝熱壁を有する加熱部と、前記加熱部本体に密着されると共に前記加熱部の熱で液体を蒸気に変化させる蒸気発生部を備えるようにした。

また，前記蒸気発生部が、液体を蒸気に変化させる液体加熱領域及び前記液体加熱領域で発生した蒸気を過熱する蒸気過熱領域を有するようにした。
また、前記加熱部本体及び前記蒸気発生部のそれぞれが、略平行に配置された略同一形状の一対の平板及び前記一対の平板の外周を取り囲む外周壁からなり、前記一対の平板の一方同士が密着或いは一体形成されるようにした。
また、前記蒸気過熱領域が、前記燃焼室に略対応する領域に配置されるようにした。

蒸気発生器は、加熱部本体内に燃焼室、前記燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記加熱部本体外に導く燃焼ガス流路及び前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔てると共に前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱する伝熱壁を有する加熱部と、前記加熱部本体に密着されると共に前記加熱部の熱で液体を蒸気に変化させる蒸気発生部と、前記加熱部本体に密着されると共に前記蒸気発生部で発生した蒸気を前記加熱部の熱で過熱する蒸気過熱部と、を備えるようにした。

また、前記加熱部本体、前記蒸気発生部及び前記蒸気過熱部のそれぞれが、略平行に配置された略同一形状の一対の平板及び前記一対の平板の外周を取り囲む外周壁からなり、前記加熱部本体における前記一対の平板の一方に前記蒸気発生部が密着或いは一体形成されると共に、前記加熱部本体における前記一対の平板の他方に前記蒸気過熱部が密着或いは一体形成されるようにした。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
高効率で安全性の高い蒸気発生器を得ることができる。また、小型の蒸気発生器を得ることができる。更に、大型化にも対応可能な蒸気発生器を得ることができる。

以下、本発明に係る蒸気発生器について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る蒸気発生器１の構成を示す斜視図である。
蒸気発生器１は、水を加熱して飽和蒸気を発生させ、更にこの飽和蒸気を過熱して過熱蒸気（１００℃以上の蒸気）を発生させるものであって、蒸気発生部１０と加熱部５０とから構成されている。
蒸気発生部１０は略円盤形に形成された蒸気発生部本体１１からなり、また加熱部５０は主に略円盤形に形成された加熱部本体５１からなる。そして、蒸気発生部本体１１の下面側に加熱部本体５１の上面側が密着して配置されている。

図２は、蒸気発生部１０の構成を示す斜視図及び断面図である。
蒸気発生部本体１１は、円筒状の外周壁１５の上下を円板状の上壁１６及び下壁１７（以下、上下壁１６，１７ともいう）で閉塞してなるもので、外周壁１５の高さに対して上壁１６及び下壁１７の直径が大きく形成される。
下壁１７は、加熱部５０（加熱部本体５１）に密着する面であって、加熱部５０の熱を伝えやすい材料（例えば黄銅（真鍮）等）で形成される。外周壁１５及び上壁１６は、下壁１７と同一の材料で形成されてもよいが、加熱された下壁１７の熱を外部に放熱しないように、下壁１７に比べて伝熱性が低い材料（断熱性が高い）材料で形成されることが好ましい。

蒸気発生部本体１１には、内部に水を導入する水供給口１３と、内部で発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出口１４が設けられている。水供給口１３は、上壁１６の略中央に形成されている。一方、蒸気排出口１４は、外周壁１５の複数箇所に形成されている。例えば、図２に示すように、均等な間隔を空けて４箇所に設けることができる。
蒸気発生部本体１１の内部は、内部空間の中央領域に形成された液体加熱領域１８と、液体加熱領域１８を取り囲む蒸気過熱領域１９とに区画される。

液体加熱領域１８は、水供給口１３から導入された水Ｗ１を下壁１７の熱で加熱して蒸気Ｗ２に変化させる領域であって、円柱形の空間からなる。蒸気過熱領域１９は、その蒸気Ｗ２を下壁１７の熱で更に加熱（過熱）して、１００℃以上の過熱蒸気Ｗ３を発生させる領域であって、多数の放熱用突起２０が下壁１７上に立設した円環形の空間からなる。
なお、供給される水Ｗ１の流量、下壁１７の温度、或いは液体加熱領域１８が蒸気発生部本体１１を占める割合等の条件によっては、液体加熱領域１８において水Ｗ１を一気に過熱蒸気Ｗ３に変化する場合もあり得る。

このような構成により、水供給口１３から蒸気発生部本体１１内に水Ｗ１を供給すると、水Ｗ１は液体加熱領域１８に流入して下壁１７の熱で蒸気Ｗ２に変化する。そして、蒸気Ｗ２液体加熱領域１８から蒸気過熱領域１９に向けて放射状に流出し、蒸気過熱領域１９において放熱用突起２０に触れる等して更に加熱されて過熱蒸気Ｗ３となる。そして、過熱蒸気Ｗ３は、外周壁１５に設けられた複数の蒸気排出口１４から外部に排出されるようになっている。
なお、蒸気発生部１０から得られる過熱蒸気Ｗ３は、水供給口１３から供給する水Ｗ１の流量を調整することにより、容易に制御することができる。

図３は加熱部５０の構成を示す斜視図、図４は加熱部５０の構成を示す断面図である。
加熱部５０は、閉塞された加熱部本体５１の内部空間で、都市ガス等の燃料ガスと燃焼用酸化剤ガスとしての空気とが予め混合された状態（予混合ガスＧ１）で供給される、所謂予混合タイプの燃焼加熱器であって、所謂スイスロール型マイクロコンバスタと称されるものである。
加熱部本体５１は、円筒状の外周壁５５の上下を円板状の上壁５６及び下壁５７（以下、上下壁５６，５７ともいう）で閉塞してなるもので、外周壁５５の高さに対して上壁５６及び下壁５７の直径が大きく形成される。上下壁５６，５７は、加熱部本体５１の外表面の大部分を占める。
そして、上壁５６が予混合ガスＧ１の燃焼によりそれぞれ加熱され、上壁５６から放出された熱により、蒸気発生部１０（蒸気発生部本体１１の下壁１７）を加熱するようになっている。
なお、上壁５６は、伝熱性が高い材料（例えば黄銅（真鍮）等）で形成される。外周壁５５及び下壁５７は、上壁５６と同一の材料で形成されてもよいが、予混合ガスＧ１の燃焼による熱を外部に放熱しないように、上壁５６に比べて伝熱性が低い材料（断熱性が高い）材料で形成されることが好ましい。

加熱部本体５１内には、加熱部本体５１の中央領域に配置された略円柱形の空間（以下、燃焼室５２）を中心に、上下壁５６，５７に対してそれぞれ略直立する二つの伝熱壁５８が所定距離だけ離間しつつ、渦巻き形に配置されている。伝熱壁５８は、上下壁５６，５７と同様に、伝熱性が高い材料で形成される。
これにより、予混合ガスＧ１を燃焼室５２に送気する予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）５３、燃焼室５２における予混合ガスＧ１の燃焼により発生する燃焼ガスＧ２を加熱部本体５１外に送気する燃焼ガス流路５４、が形成されている。言い換えれば、この予混合ガス流路５３と燃焼ガス流路５４とは、燃焼室５２を中心に上下壁５６，５７に沿って平面視略円形に巻回するように形成されている。
なお、加熱部本体５１の外周壁５５には、予混合ガス供給口５３ａ及び燃焼ガス排出口５４ａが、例えば外周壁５５の接線方向に沿うように突設される。或いは予混合ガス供給口５３ａ及び燃焼ガス排出口５４ａを接線方向以外の方向に開口させてもよい。

このような構成により、予混合ガス供給口５３ａに予混合ガスＧ１を供給すると、予混合ガスＧ１は予混合ガス流路５３に流入し、加熱部本体５１内の中心領域に設けられた略円柱形の燃焼室５２に向けて渦巻状に流れる。
そして、予混合ガスＧ１が燃焼室５２において燃焼することにより、燃焼ガスＧ２が発生する。なお、燃焼室５２には、着火装置（不図示）が設けられている。
燃焼室５２において発生した燃焼ガスＧ２は、燃焼室５２から燃焼ガス流路５４を介して加熱部本体５１の外周側に向かって渦巻状に流れ、燃焼ガス排出口５４ａから外部に排気される。

この際、燃焼ガスＧ２の熱で予混合ガスＧ１が予熱される。上述したように、二つの伝熱壁５８は、伝熱性が高い材料で形成されているため、燃焼ガスＧ２の熱が伝熱壁５８を介して予混合ガスＧ１に伝えられる。特に、燃焼ガス流路５４を流れる燃焼ガスＧ２と予混合ガス流路５３を流れる予混合ガスＧ１とが、伝熱壁５８を挟んで対向流（カウンタフロー）となっているので、燃焼ガスＧ２の熱で予混合ガスＧ１を効率的に予熱することが可能となっている。
すなわち、予混合ガスＧ１が燃焼室５２に導入される前に十分に予熱されているので、比較的小さな燃焼室５２において、小規模ながらも安定した燃焼が得られる。

更に、燃焼室５２において安定した燃焼を可能とするために、予混合ガス流路５３の代表寸法は、火炎を通さない（燃焼反応が伝播されない）程度の消炎距離（消炎等価径を含む）を考慮したものとなっている。
予混合ガス流路５３の代表寸法とは、燃焼室５２に臨む部位の流路断面形状によって変化する。例えば、流路断面形状が円形状である場合には、代表寸法は円形断面の直径を指し、流路断面形状が円形状以外である場合には、代表寸法径は断面の水力相当直径を指す。

この水力相当直径は、以下の式（１）によって求められる。
水力相当直径Ｄ＝４×流路断面積／ぬれ縁周辺長・・・式（１）
なお、代表寸法を採る部位は、燃焼室５２に臨む部位に限らず、予混合ガス流路５３のうち、本燃焼現象を支配する部位とする。

このように、加熱部５０では、予混合ガスＧ１の燃焼が燃焼室５２において安定して行われる。特に、この燃焼が加熱部本体５１の内部で行われるため、燃焼が周辺雰囲気に左右され難く、また裸火が存在しないことから安全性に優れている。
また、燃焼ガスＧ２の排熱を有効利用しているので熱損失を抑え、高い熱効率を実現しており、更に予混合ガスＧ１の流量を調整することにより、燃焼温度の正確な制御が可能となっている。

以上のような構成により、蒸気発生器１により、高効率で安全性の高く、所望温度に過熱された所望量の過熱蒸気Ｗ３を容易に得ることができる。特に、加熱部５０は、所謂マイクロコンバスタと呼ばれる加熱器であることから、例えば直径が数センチ程度の小型の蒸気発生器１が得られる。

なお、上述した実施形態では、蒸気発生部１０の蒸気発生部本体１１と加熱部５０の加熱部本体５１とが密着して配置される場合について説明したが、蒸気発生部本体１１と加熱部本体５１とが一体に形成される場合であってもよい。つまり、蒸気発生部１０の下壁１７と加熱部５０の上壁５６が一体に形成され、かつ蒸気発生部１０の外周壁１５と加熱部５０の外周壁１５が一体に形成されてもよい。

また、上述した加熱部５０は、加熱部本体５１の中心領域に燃焼室５２が形成されたものである。このため、蒸気発生部本体１１は、加熱部５０の燃焼室５２に対応する領域が特に高温に加熱される。すなわち、蒸気発生部本体１１内の中央領域に形成された液体加熱領域１８の方が蒸気過熱領域１９よりも高温に加熱される。
しかし、過熱蒸気Ｗ３を得るためには、蒸気過熱領域１９の方が液体加熱領域１８よりも高温に加熱される方が好ましい。
そこで、図５に示すように、蒸気発生部本体１１内部の中央領域に蒸気過熱領域１９を形成し、外周側に液体加熱領域１８を形成してもよい。これにより、より効率的に、所望温度の過熱蒸気Ｗ３を得ることができる。
或いは、蒸気発生部本体１１内の液体加熱領域１８と蒸気過熱領域１９の位置を入れ替えずに、加熱部５０の燃焼室５２の位置を加熱部本体５１の外周側に配置するようにしてもよい。

次に、燃焼室が加熱部本体の外周側に配置された加熱部７０について説明する。
図６は、加熱部７０の構成を示す斜視図及び断面図である。
なお、以下の説明では、加熱部５０と同一の構成部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
加熱部７０は、円筒状の外周壁５５、円板状の上壁５６及び下壁５７からなるものであって、その内部に上下壁５６，５７よりも小さな直径を有する伝熱壁７８が配置される。伝熱壁７８は、外周壁５５、上下壁５６，５７からそれぞれ離間しつつ、上下壁５６，５７に対して略平行に配置されている。なお、伝熱壁５８は、上壁５６と同様に、伝熱性が高い材料で形成される。

これにより、下壁５７と伝熱壁７８に挟まれた円板形空間が、予混合ガスＧ１を後述する燃焼室５２に供給する予混合ガス流路７３として形成される。また、上壁５６と伝熱壁７８に挟まれた円板形空間が、燃焼室７２からの燃焼ガスＧ２を外部に排出するための燃焼ガス流路７４として形成される。
更に、外周壁５５、上壁５６、下壁５７及び伝熱壁７８に囲まれた円環形の空間、すなわち外周壁５５に沿った空間が燃焼室７２として形成される。なお、燃焼室７２の一部には、着火装置（不図示）が設けられる。
つまり、加熱部本体５１内には、その厚み方向（上壁５６、下壁５７に直交する方向）に、予混合ガス流路７３と燃焼ガス流路７４とが重ねて配置される。

また、加熱部本体５１の下壁５７の中心領域には、内側流路８１と外側流路８２とを備えた二重管８０が接続される。
下壁５７の中心領域には、外側流路８２の内径と同一径の穴５７ｈが設けられており、この穴５７ｈの外周部分に外側流路８２が接続される。また、伝熱壁７８の中心領域には、内側流路８１の内径と同一径の穴７８ｈが設けられており、この穴７８ｈの外周部分に内側流路８１が接続される。
これにより、内側流路８１と燃焼ガス流路７４とが連結され、外側流路８２と予混合ガス流路７３とが連結される。

このような構成により、二重管８０の外側流路８２に予混合ガスＧ１を供給すると、予混合ガスＧ１は加熱部本体５１の中心領域から予混合ガス流路７３に流入し、更に外周壁５５に沿って形成された円環形の燃焼室７２に向けて放射状に流れる。
そして、予混合ガスＧ１が燃焼室７２において燃焼することにより、燃焼ガスＧ２が発生する。この燃焼ガスＧ２は、燃焼室７２から燃焼ガス流路７４を介して加熱部本体５１の中心領域に向けて流れ、二重管８０の内側流路８１に流入する。

このような構成を備える加熱部７０を用いれば、蒸気発生部１０の蒸気発生部本体１１の外周側に形成した蒸気過熱領域１９を、中央領域に形成した液体加熱領域１８よりも高温に加熱することができる。
また、加熱部７０は、燃焼室７２を加熱部本体５１の外周壁５５に沿って形成しているので、加熱部５０に比べて容易に大型化することができる。このため、蒸気発生部１０と共に大型化することで、大量の過熱蒸気Ｗ３を発生させる蒸気発生器１を得ることができる。

なお、加熱部５０，７０のいずれを用いる場合であっても、蒸気発生部本体１１内を例えば２つの半円形の領域に区画して、一方を液体加熱領域１８、他方を蒸気過熱領域１９としてもよい。つまり、液体加熱領域１８及び蒸気過熱領域１９の形状や配置位置は、任意に設定することができる。

次に、蒸気発生器１が一つの容器からなる蒸気発生部１０を備える場合に代えて、別個独立した容器からなる蒸気発生部３０と蒸気過熱部４０を備える場合について説明する。
図７は、蒸気発生部３０と蒸気過熱部４０とを備える蒸気発生器１を示す断面図である。
蒸気発生部３０及び蒸気過熱部４０は、蒸気発生部本体１１と略同一形状の容器３１，４１を備える。すなわち、容器３１，４１は、円筒状の外周壁１５の上下を円板状の上壁１６及び下壁１７で閉塞してなるもので、外周壁１５の高さに対して上壁１６及び下壁１７の直径が大きく形成される。
蒸気発生部本体３１には、内部に水を導入する水供給口３３と、内部で発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出口３４とが形成されている。一方、蒸気過熱部本体４１には、内部に蒸気Ｗ２を導入する蒸気供給口４３と、内部で発生した過熱蒸気Ｗ３を外部に排出する過熱蒸気排出口４４と、上下壁に立設した多数の放熱用突起４６とが形成されている。そして、蒸気排出口３４と蒸気供給口４３とは、配管３８を介して連結されている。

そして、蒸気発生部本体３１は加熱部５０，７０の上壁５６に密着配置され、蒸気過熱部本体４１は加熱部５０，７０の下壁５７に密着配置される。
これにより、蒸気発生部本体３１は、水Ｗ１を蒸気Ｗ２に変化させ、一方、蒸気過熱部本体４１は、蒸気発生部本体３１から供給される蒸気Ｗ２を更に加熱（過熱）して過熱蒸気Ｗ３にするようになっている。
このように、加熱部５０，７０の上下壁５６，５７に、それぞれ別個独立した容器３１，４１を密着配置することで、加熱部５０，７０の熱を無駄なく利用することが可能となる。

上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、伝熱壁５８，７８に複数の放熱用突起及び吸熱用突起を設けてもよい。より効率的に予混合ガスＧ１と燃焼ガスＧ２との熱交換が可能となる。

また、蒸気発生器１をその厚み方向から見た形状は、円形や楕円形の場合に限らず、三角若しくは四角又はそれ以上の多角形、或いは星型等であってもよい。すなわち、蒸気発生部本体１１、蒸気発生部本体３１、蒸気過熱部本体４１、加熱部本体５１の形状が、それぞれ三角若しくは四角又はそれ以上の多角形、或いは星型等であってもよい。

また、加熱部５０，７０としては、燃料と燃焼用酸化剤を予め混合する「予混合タイプ」を例にして説明したが、燃焼室にて両者が混合して拡散燃焼を行う「拡散タイプ」のであってもよい。

蒸気発生部１０、蒸気発生部３０及び蒸気過熱部４０を加熱する熱源として、加熱部５０，７０を用いる場合について説明したが、他の熱源（外部熱源）を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る蒸気発生器１の構成を示す斜視図である。 蒸気発生部１０の構成を示す斜視図及び断面図である。 加熱部５０の構成を示す斜視図である。 加熱部５０の構成を示す断面図である。 蒸気発生部１０の変形例を示す断面図である。 加熱部７０の構成を示す斜視図及び断面図である。 蒸気発生部３０と蒸気過熱部４０とを備える蒸気発生器１を示す断面図である。

符号の説明

１…蒸気発生器
１０…蒸気発生部
１１…蒸気発生部本体
１５…外周壁
１６，１７…上下壁（平板）
１８…液体加熱領域
１９…蒸気過熱領域
２０…放熱用突起
３０…蒸気発生部
３１…蒸気発生部本体
４０…蒸気過熱部
４１…蒸気過熱部本体
４６…放熱用突起
５０…加熱部（外部熱源）
５１…加熱部本体
５２…燃焼室
５３…予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）
５４…燃焼ガス流路
５５…外周壁
５６，５７…上下壁（平板）
５８…伝熱壁
７０…加熱部（外部熱源）
７２…燃焼室
７３…予混合ガス流路（未燃焼ガス流路）
７４…燃焼ガス流路
７８…伝熱壁
Ｇ１…予混合ガス（未燃焼ガス）
Ｇ２…燃焼ガス
Ｗ１…水（液体）
Ｗ２…蒸気
Ｗ３…過熱蒸気（蒸気）

Claims (3)

1. 加熱部本体内に燃焼室、前記燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記加熱部本体外に導く燃焼ガス流路及び前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔てると共に前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱する伝熱壁を有する加熱部と、
   前記加熱部本体に密着されると共に前記加熱部の熱で液体を蒸気に変化させる蒸気発生部を備え、
   前記蒸気発生部は、液体を蒸気に変化させる液体加熱領域及び前記液体加熱領域で発生した蒸気を過熱する蒸気過熱領域を有し、
   前記蒸気過熱領域は、前記燃焼室に略対応する領域に配置されることを特徴とする蒸気発生器。
2. 前記加熱部本体及び前記蒸気発生部のそれぞれは、略平行に配置された略同一形状の一対の平板及び前記一対の平板の外周を取り囲む外周壁からなり、
   前記一対の平板の一方同士が密着或いは一体形成されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
3. 加熱部本体内に燃焼室、前記燃焼室に未燃焼ガスを導く未燃焼ガス流路、前記燃焼室からの燃焼ガスを前記加熱部本体外に導く燃焼ガス流路及び前記未燃焼ガス流路と前記燃焼ガス流路とを隔てると共に前記燃焼ガスの熱で前記未燃焼ガスを予熱する伝熱壁を有する加熱部と、
   前記加熱部本体に密着されると共に前記加熱部の熱で液体を蒸気に変化させる蒸気発生部と、
   前記加熱部本体に密着されると共に前記蒸気発生部で発生した蒸気を前記加熱部の熱で過熱する蒸気過熱部と、を備え、
   前記加熱部本体、前記蒸気発生部及び前記蒸気過熱部のそれぞれは、略平行に配置された略同一形状の一対の平板及び前記一対の平板の外周を取り囲む外周壁からなり、
   前記加熱部本体における前記一対の平板の一方に前記蒸気発生部が密着或いは一体形成されると共に、前記加熱部本体における前記一対の平板の他方に前記蒸気過熱部が密着或いは一体形成されることを特徴とする蒸気発生器。

Images