JP4852289B2 - 過熱水蒸気生成装置及び過熱水蒸気利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、過熱水蒸気生成装置及び過熱水蒸気利用装置に関する。

従来、この種の過熱水蒸気生成装置としては、例えば、セラミックス製非磁性材料の筒状体と、筒状体の外周に巻回された励磁コイルと、筒状体内に装填された導電性材料から構成されている。導電性材料を電磁誘導によって発熱させ、蒸気を筒状体内に流すことで過熱水蒸気を得るようになっている（特許文献１）。

こうした過熱水蒸気生成装置は、例えば、各種食品加工（加熱、乾燥、解凍、殺菌、脱臭、焼成等）の分野において急速に普及しつつあり、過熱水蒸気生成源として各種のシステムに組み込まれるようになってきている。特に、電磁誘導方式によって生成した過熱水蒸気は、厳密な温度制御が可能であるため、より正確で効率的な処理が可能となっている。電磁誘導方式によれば高温の過熱水蒸気を得ることが比較的容易ではあるが、セラミックス大型成形体の乾燥、粉体処理、金型の表面改質、水素製造装置等への展開には、少なくとも５００℃以上、好ましくは７００℃以上の過熱水蒸気が望ましいとされている。
特開２００４−２３３０４０号

しかしながら、こうした過熱水蒸気生成装置においては、誘導加熱により発熱する導電性材料として金属またはカーボンを用いるため、５００℃以上の水蒸気環境下では導電性材料は激しく酸化される。また、装置の起動及び停止時には、急峻な温度変化を伴うため、熱衝撃によるセラミックス筒状体の破壊が懸念される。したがって、長期間安定的に５００℃以上の過熱水蒸気を発生させることは困難であった。さらに、過熱水蒸気生成装置を利用した各種装置にコンパクトに一体化するのも困難であった。

また、導電性材料を囲む炉体についても高温水蒸気下での安定性と耐熱衝撃性が求められる。Ｎｉ基合金やＦｅ基合金などの金属材料では酸化のために長期間の使用は困難である。同様のことは非酸化物系セラミックスにも当てはまる。そこで、耐酸化性の観点からは、酸化物系セラミックスが候補材料となるが、十分な機械的強度、耐熱衝撃性等を兼ね備える有用な材料を見出すのは困難であった。

そこで、本発明は、過熱水蒸気を長期間安定的に生成することができる過熱水蒸気生成装置及び過熱水蒸気利用装置を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、コンパクト化された過熱水蒸気生成装置及び過熱水蒸気利用装置を提供することを、他の一つの目的とする。

本発明者らは、酸化物系セラミックス材料を炉体の材料に用いるともにこれを固定し保持する保持体を用いることにより、高温水蒸気下でも安定的に炉体性能を確保できることを見出した。さらに、本発明者らは、誘導加熱方式として端面加熱方式を利用することで新たな過熱水蒸気生成形態を構築できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。

本発明によれば、電磁誘導体と、該電磁誘導体による誘導加熱可能に配置される導電性材料と、該導電性材料を収容し、被加熱媒体の供給及び加熱媒体の排出が可能であってこれらが流通可能な流路を有するキャビティを有し、少なくとも該キャビティ内に露出される内壁に酸化物系セラミックス材料を有する炉体と、該炉体を前記電磁誘導体に対して所定位置に固定し保持する保持体と、を備える、過熱水蒸気生成装置が提供される。

この過熱水蒸気生成装置においては、前記保持体は非磁性金属材料とすることができる。さらに、前記保持体は、前記炉体の気密性を補足可能な気密性を備えるカバー手段を含むことができるし、前記保持体は、前記炉体の機械的強度を補足可能な強度を有するカバー手段を含むこともできる。さらに、前記保持体は、前記炉体の機械的強度及び／又は気密性を補足可能な強度を備える固定手段を含むこともできる。

この過熱水蒸気生成装置においては、前記炉体は導体が円状又は螺旋状に巻かれた電磁誘導体の端面側に配置されていることが好ましい態様である。この態様においては、前記炉体は、前記電磁誘導体に対して脱着可能とすることができる。また、この態様においては、前記炉体は前記端面に沿った平坦な容器状であり、内部には前記端面にほぼ平行に１又は複数個の導電性材料を配列することができる。さらに、この場合においては、前記電磁誘導体は平面的に複数個配列されており、前記炉体は該複数個の電磁誘導体に沿って配置され、前記炉体内には前記複数個の電磁誘導体に対応して複数個の板状の導電性材料が平面的に配列されていてもよい。前記炉体のキャビティには、前記複数個の導電性材料毎に１又は２以上に区画される区画室を有し、該１又は２以上の区画室は、少なくとも他の導電性材料に対応する１又は２以上の区画室のうち少なくとも一つと連通させることができる。この態様においては、前記複数個の導電性材料の少なくとも一つに対応する前記区画室は、該導電性材料により区分される前記電磁誘導体側の第１の小区画室とその反対側の第２の小区画室とを有していてもよい。さらに、これらの態様においては、前記区画室の少なくとも一部は、その内部を前記導電性材料表面に沿って前記媒体が旋回しながら他の区画室へと移動可能な流路を有することができる。

この過熱水蒸気生成装置においては、前記炉体は導体が円状又は螺旋状に巻かれた電磁誘導体の内側に配置される態様が好ましい。この態様においては、前記炉体は前記電磁誘導体の端部近傍に水蒸気の給排部を有する筒状体であり、その内部に該筒状体の軸方向にほぼ直交するように１又は複数個の導電性材料が配列されるようになっていてもよい。

これらの各種態様の過熱水蒸気生成装置においては、前記酸化物系セラミックス材料はチタン酸アルミニウムセラミックス材料であることが好ましい態様である。

本発明によれば、上記各種態様の過熱水蒸気生成装置を備える過熱水蒸気利用装置も提供される。この利用装置は、セラミックス乾燥用、廃棄物処理用、水素製造用、食品加工用又は調理用である、とすることが好ましい態様である。

本発明の過熱水蒸気生成装置は、電磁誘導体と、該電磁誘導体による誘導加熱可能に配置される導電性材料と、該導電性材料と該導電性材料を収容し被加熱媒体の供給及び加熱媒体の排出が可能であってこれらが流通可能な流路を有するキャビティとを有し、少なくとも該キャビティ内に露出される内壁に酸化物系セラミックス材料を有する炉体と、該炉体を固定し保持する保持体と、を備えることを特徴としている。この装置によれば、炉体の過熱水蒸気に露出される内壁は耐酸化性のある酸化物系セラミックス材料を主体として構成されるため、耐酸化性を確保することができる。また、この装置の保持体は、炉体を固定し保持できるため、酸化物系セラミックス材料の気密性や機械的強度を補うことが可能となっている。この結果、本過熱水蒸気生成装置は、長期間安定的に過熱水蒸気を生成できる。

本発明の過熱水蒸気生成装置においては、前記炉体を導体が円状又は螺旋状に巻かれたコイル体の端面側に配置することにより、コイル体の端面側に生成される磁力を利用するため、電磁誘導体の配置形態の自由度及び炉体の形状の自由度が向上される。この結果、装置のコンパクト化に適するように炉体を平坦化することができ、結果として、過熱水蒸気生成装置をコンパクト化することができる。

また、本発明の過熱水蒸気利用装置は、上記した本発明の過熱水蒸気生成装置を備えることを特徴としている。本発明の過熱水蒸気利用装置は、上記した過熱水蒸気生成装置を備えるため、長期間安定的に過熱水蒸気を利用することができる。また、コイル体の端面側に炉体を配置する形態においては、過熱水蒸気生成装置をコンパクト化できるため、結果として利用装置もコンパクト化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、まず、本発明の過熱水蒸気生成装置について図１から４に示す本装置の例を参照しながら説明するとともに、過熱水蒸気生成装置を利用した過熱水蒸気利用装置について図５に示す本利用装置の一例を参照しながら説明する。尚、図示する装置形態はいずれも本発明の具体的な説明のための例示であって、本発明を限定するものではない。

（過熱水蒸気生成装置）
本発明の過熱水蒸気生成装置は各種の形態を採ることができる。以下、典型的な２つの形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１に例示するように、本発明の過熱水蒸気生成装置（以下、本装置という。）２は、電電磁誘導体であるコイル体１０、１２と、コイル体１０、１２の端面側に配置される炉体２０と、この炉体２０を覆うように固定するカバー体５０とを備えている。本装置２は、この他、コイル体１０、１２へ電力を供給する電源４と、炉体２０によって加熱される被加熱媒体である水蒸気を炉体２０に供給する水蒸気供給系６と、炉体２０で生成させた過熱水蒸気を排出する水蒸気排出系８とを備えることができる。なお、電源４、水蒸気供給系６及び水蒸気排出系８は必ずしも本装置２と一体化されていなくてもよく、それぞれ単独の装置あるいは２つ以上を組み合わせ別個のユニットとして備えられていてもよい。

本装置２においては、電磁誘導体として、導体を円状又は螺旋状に巻いたコイル体を用いている。管状の導体からなるコイル体１０、１２は、適当なケーシング内の所定位置に固定され、複数個（ここでは２個）が横に平面的に配列されている。コイル体１０、１２によれば、誘導加熱に有効な一定方向でかつ必要な強さを有する磁界を容易に形成することができる。コイル体１０、１２へは、電源４から適当な周波数の電圧が供給されるようになっている。また、炉体２０からの熱の影響を抑制してコイル体１０、１２の温度上昇を抑制するために、管状の導体の内部に冷却水を循環する冷却系１４を備えている。冷却系１４は、冷却水を循環させる冷却水配管１６と図示しないポンプ及び冷却水の貯留タンクとを備えている。なお、コイル体１０、１２は、通電により誘導加熱に有効な磁界を形成可能に構成されていればよく、コイル体１０、１２の態様は特に限定するものではない。

コイル体１０、１２の上側には断熱層と耐熱ガラス層とを介して炉体２０とカバー体５０とが設置されている。断熱層１７は、導電性材料４０，４２で発生する熱を断熱するために備えられているとともに、炉体２０からの熱を遮断するとともに炉体２０における蓄熱効果を高めるために形成されている。断熱層１７は、セラミックス粒子などを付着させた不織布などが用いられる。また、耐熱ガラス層１８は、緻密体であり、主として炉体２０の気密性を確保するとともに、炉体２０で発生した熱を遮断することにも寄与している。なお、耐熱ガラス層１８は、ガラス製に限定するものではないが、コイル体１０、１２の近傍に配置されることから電磁誘導されないガラスを用いることが好ましい。

炉体２０は、図１及び図２に示すように、全体として平坦な箱状に形成されており、ケーシング１３内に収容したコイル体１０、１２のそれぞれに対応付けられる２つの導電性材料４０、４２を備え、これらの導電性材料４０、４２をそれぞれ収容する区画室２４、２６を備えている。

炉体２０は、チタン酸アルミニウムセラミックスで形成されている。チタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）は、耐水蒸気酸化性、耐熱性、耐熱衝撃性及び断熱性に優れる酸化物系セラミックス材料であるため、本装置２の炉体材料として好適である。一方、チタン酸アルミニウムの耐熱衝撃性は、その低熱膨張性に起因しており、この低熱膨張性は、結晶粒界に生じる微小亀裂（マイクロクラック）による見かけ上のものである。マイクロクラックの存在形態は、室温では開口しているが、３００℃近傍では閉塞し、７００℃近傍ではガラス層を介して粒子間が癒着・再結合する。この粒界亀裂のため、チタン酸アルミニウムの機械的強度は低くしかも室温において気密性を維持することが困難であるが、本実施形態においては、後述するカバー体５０等を備えることで気密性及び機械的強度の双方を補っている。

なお、本実施形態では、酸化物系セラミックス材料としてチタン酸アルミニウムを主成分とするチタン酸アルミニウムセラミックスを用いたがこれに限定するものではない。炉体２０としての性能が確保できる範囲で酸化物系セラミックスを含有していれば足りる。こうした酸化物系セラミックスとしては、例えば、チタン酸アルミニウム、コージェライト、石英ガラス、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。好ましくは、耐熱衝撃性に優れるチタン酸アルミニウム、コージェライト等である。なお、本明細書において、チタン酸アルミニウムなど所定のセラミックス成分を主成分とするとは、例えば、セラミックス成分を体積（ｖ／ｖ）％で５０％超含有することであり、好ましくは、７０％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上である。

なお、炉体２０は、内部に区画室２４、２６を備えることから、製造の都合上、図１（ａ）に示すように、上下二分割された状態で成形された上、導電性材料４０、４２を固定し接合されて形成される。

ここで、導電性材料４０、４２について説明する。導電性材料４０、４２は、コイル体１０の外形に対応する円形状に形成されるとともに、その中央部には、貫通孔４１、４３を有している。こうした導電性材料４０、４２としては、耐酸化性、特に水蒸気耐酸化性に優れた材料を用いることが好ましく、例えば、全ての金属、炭化物、窒化物、硼化物等の非酸化物系セラミックス、カーボン等が挙げられる。特に、耐水蒸気酸化性に優れるものとしては、ハステロイＸ等に代表されるＮｉ基耐熱合金や、耐水蒸気酸化用にコーティング処理を施したガラス被覆カーボン材料等が挙げられる。ガラス被覆カーボン材料としては、特開２００４−３５９５２７号、特開２００５−８４９７号に記載される導電性材料を好ましく用いることができる。特に、特開２００５−８４９７号に記載される導電性材料は、耐熱衝撃性と耐酸化性に優れており好ましい。

本実施形態においては、導電性材料４０、４２は、多孔質ガラス層と緻密質ガラス層とを備えるカーボン基板を用いることができる。カーボン基板は、例えば、直径９５ｍｍ程度で厚さが４ｍｍ程度の円板とし、厚さ方向に直径３３ｍｍ程度の貫通孔を基板中央に形成したものを用いることできる。また、多孔質ガラス層と緻密質ガラス層は、このカーボン基板の表面に１ｍｍ厚の緻密質ガラス層を溶融被覆により形成した上、該緻密質ガラス層の表層側１５０μm厚を多孔質化することにより形成した。

これらの導電性材料４０、４２は、上記したようにそれぞれ区画室２４、２６に収容されている。炉体２０の内部に形成される区画室２４、２６はコイル体１０、１２の外形に対応する円形の平面形態を備えており、それぞれ中央には、炉体２０と同材料からなる支持部２５、２７を有し、これらの支持部２５、２７にリング状の導電性材料４０、４２の貫通孔４１、４３を貫通させた状態で導電性材料４０、４２を収容している。導電性材料４０、４２はそれぞれ区画室２４、２６を上下に２分するような高さ位置に固定されることで、区画室２４を電磁誘導体側である小区画室２４ａとその半体側の小区画室２４ｂに区画し、同様に区画室２６を小区画室２６ａ、２６ｂに区画している。また、導電性材料４０、４２は、炉体２０がコイル体１０、１２に対して所定位置に固定されたときには、コイル体１０、１２の端面に対してほぼ平行となるように炉体２０内部に固定されている。

図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、小区画室２４ａには、飽和水蒸気供給系６からの飽和水蒸気が供給される供給口２８を備えるとともに、隔壁２９を貫通する通路３０により隣接する区画室２６の小区画室２６ａに連通している。図２に示すように、供給口２８及び通路３０は、供給口２８から供給された水蒸気が支持部２５の回りを導電性材料４０の下面４０ａに沿って旋回するような位置及び方向性で形成されている。

図１（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、区画室２６の小区画室２６ａは、隔壁２９を貫通する通路３２により区画室２４の小区画室２４ｂに連通している。通路３０及び通路３２は、通路３０から導入された水蒸気が小区画室２６ａ内を旋回して小区画室２４ｂに移動するような位置及び方向性で形成されている。さらに、区画室２４の小区画室２４ｂは、隔壁２９を貫通する通路３４により、水蒸気の排出口３６を備える区画室２６の小区画室２６ｂに連通している。通路３２及び通路３４は、通路３２から導入された水蒸気が小区画室２４ｂ内を旋回して小区画室２６ｂに移動するような位置及び方向性で形成されている。さらに、通路３４及び排出口３０は、通路３４から導入された水蒸気が小区画室２６ｂ内を旋回して排出口３６から排出されるような位置及び方向性で形成されている。

こうして導電性材料４０、４２が収容された炉体２０は、カバー体５０に覆われた状態でコイル体１０、１２を収容するケーシング１３に対して固定されている。カバー体５０は、非磁性体であるステンレス製で、炉体２０の耐熱ガラス層１８に当接される以外の部分を密着して被覆するカバー部５２と、炉体２０をケーシング１３に対して固定できるように炉体２０の周囲に延出された固定用端部５４とを備える下方に開口する容器状に形成されている。固定用端部５４が、ボルト等の固定手段を介してケーシング１３に対して固定されることで、炉体２０はコイル体１０、１２に対して固定され、炉体２０の機械的強度が補足されるとともに、気密性も補足され、水蒸気の生成及び流通に炉体２０に必要とされる機械的強度と水蒸気気密性が確保される。

なお、この本装置２において、カバー体５０は非磁性体で構成されているが、カバー体５０がコイル体１０、１２によって誘導加熱されることは回避されることが好ましい。例えば、カバー体５０を本実施形態のように非磁性体で形成するか、コイル体１０、１２において発生する磁界によって少なくとも一定以上の温度には誘導加熱されないような距離になるように設計されるかあるいはコイル体１０、１２への通電量等が制御されるようになっていることが好ましい。

次に、こうした本装置２の使用例について説明する。電源４により、本装置２のコイル体１０、１２に所定の電力を供給して炉体２０内の導電性材料４０、４２を発熱させると同時に、飽和水蒸気を供給し、所望の温度の過熱水蒸気の生成を行う。

図２（ａ）に示すように、飽和水蒸気は、供給口２８から区画室２４の小区画室２４ａに一定圧で供給され、小区画室２４ａを通路３０方向へと旋回移動する。飽和水蒸気は、小区画室２４ａに露出される導電性材料４０の発熱する表面４０ａによって加熱されて隣接する小区画室２６ａに側方移動される。小区画室２６ａでも同様に、通路３２へと水蒸気は旋回移動する。水蒸気は導電性材料４２の発熱する表面４２ａによってさらに加熱される。

図２（ｂ）に示すように、炉体２０の下段側、すなわち、コイル体１０、１２側の小区画室２４ａ、２６ａで加熱された水蒸気は、次に、上段側の小区画室２４ｂ、２６ｂに移動される。小区画室２６ａで加熱された水蒸気は、区画室２４の上段の小区画室２４ｂへと通路３２を介して斜め上方に移動され、該区画室２４ｂを旋回移動して導電性材料４０の発熱する表面４０ｂにより加熱される。さらに、通路３４を介して小区画室２６ｂに移動されて該小区画室２６ｂを旋回移動して導電性材料４２の発熱する表面４２ｂにより加熱され、最終的に排出口３６から過熱水蒸気となって排出される。

以上説明したように、本装置２によれば、酸化物系セラミックス材料を用いた炉体２０であっても、炉体２０としての強度及び気密性をカバー体５０や固定手段によって補うことができる。この結果、長期にわたり安定的に水蒸気を生成できる装置が提供される。特に、本装置２においては、酸化物系セラミックス材料としてチタン酸アルミニウムセラミックス材料を用いているため、耐水蒸気酸化性、耐熱性、耐熱衝撃性及び断熱性に優れた炉体２０となっている。カバー体５０として強度及び加工性に優れる金属材料を用いることで、炉体２０の機械的強度を効果的に補って、炉体２０を容易に固定し保持できる。また、金属材料は容易に緻密体を得ることができるため、炉体２０の気密性を確保するのも容易である。

また、本装置２によれば、従来、水蒸気生成装置においては使用されていない誘導加熱形態を採用したことにより、平板型の水蒸気生成装置が提供される。すなわち、コイル体１０、１２を平面的に設置し、これらのコイル体１０、１２の端面側に導電性材料４０、４２を設置したことで、炉体２０の平坦化を図ることができる。平坦な炉体２０は、コンパクト化に大きく寄与することができ、水蒸気利用装置への一体化を容易にすることができる。また、本装置２においては、複数個のコイル体１０、１２を平面的に配列させるとともに、これらのコイル体１０、１２に対応して導電性材料４０、４２を炉体２０内に配置し、導電性材料４０、４２毎に個別に区画室２４、２６を形成することで、熱をこうした区画室２４、２６に集中させて効率的な加熱を実現させている。さらに、導電性材料４０、４２によってこれらの区画室２４，２６をさらに上下に２分したことにより、導電性材料４０、４２の表面を有効に利用し、導電性材料４０、４２による接触領域を増大させたことにより、一層効果的な加熱を達成している。すなわち、本装置２によれば、コイル体１０、１２の端面に沿って平行状の水蒸気流路を形成したことで、本装置２のコンパクト化と水蒸気に対する十分な供給熱量を確保することができる。また、本装置２によれば、コイル体１０、１２毎の区画室２４、２６に熱が集約され、こうした区画室２４、２６を水蒸気が通過するために、水蒸気をむらなく均一に加熱することができる。温度の安定した過熱水蒸気を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、水蒸気の流路を、コイル体１０、１２の端面にほぼ水平に配置した導電性材料４０、４２の表面に沿って形成したために、誘導加熱による導電性材料４０、４２の発熱面を有効に利用して加熱効率を高めることができるようになっている。

なお、本実施形態では、２個のコイル体１０、１２を平面的に配列したものとしたが、さらに多数個のコイル体を平面的に配列してもよい。さらに、これら多数個のコイル体に対してそれぞれ区画室を設け、区画室又はさらにその内部の小区画室間を水蒸気がコイル体の端面に沿って移動するように流路形成することにより、より多くの供給熱量及び供給水蒸気量を容易に確保することができるようになる。なお、単一のコイル体を用いることも可能である。

また、本実施形態では、コイル体１０、１２の片方の端面側にのみ炉体２０を設置するものとしたが、他方の端面側にも別の炉体を設置してもよい。この場合、炉体２０と同様に適当な断熱性層や気密性層を介して新たな炉体を設置し、さらにカバー体にて被覆することにより、コイル体１０、１２の両端面において水蒸気を生成させることができる。さらに、コイル体１０、１２の両端面にある炉体間を水蒸気が流通するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、炉体２０内には、収容する導電性材料４０、４２に対応して区画室２４、２６を備え、さらに、これらの区画室２４、２６を化したが、これに限定するものではない。導電性材料４０、４２毎に区画室２４、２６を設けることなく炉体２０を構成してもよい。また、コイル体１０、１２は必ずしも、それ自体を隔壁としてその両面を加熱面として利用する必要はなく、その片面のみを水蒸気の流路に曝して加熱面として利用する形態であってもよい。

本実施形態においては、水蒸気が通過する流路形態は、区画室間を旋回移動するものとしたが、これに限定するものではない。流路形態は、区画室や小区画室の有無、さらには、炉体２０に収容する導電性材料の形状により適宜設計できる。同様に、水蒸気の供給口２８、排出口３６の配置や形状も同様に適宜設計することができる。

また、本実施形態においては、導電性材料４０、４２として板状体を利用するものとしたが、これに限定するものではない。導電性材料としては、棒状体、球状体、線状体、ハニカム体、不定形状の粒体、中空球状体等をそれぞれ適切な形態で設置して使用してもよい。好ましくは、炉体２０内において、コイル体１０、１２の端面に対して実質的に平行状の発熱面を構成できるように収容又は保持されるものであればよく、球体や棒状体などのような非連続体を配列させるようにしてもよい。

さらに、本実施形態においては、コイル体１０、１２をほぼ水平に設置して、これに対する炉体２０も水平状に設置した状態で説明したがこれに限定するものではなく、例えば、こうした装置２を縦方向等いかなる方向性で設置しても用いることもできる。また、コイル体１０、１２を上方に備えて、その下方に炉体２０を備えるようにコイル体１０、１２に対する炉体２０の位置はコイル体１０、１２の端面側に設置されていればよい。

本実施形態においては、カバー体５０として、炉体２０にほぼ密着するように当接される容器状のカバー体を用いたが、これに限定するものではなく、炉体２０と適当な間隔をおいて被覆するカバー体としてもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の過熱水蒸気生成装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態の過熱水蒸気生成装置１０２を、図３及び図４に例示する本装置１０２の一例を参照しながら説明する。本装置１０２は、コイル体１１０の内面側に被加熱体を配置する内面加熱方式による過熱水蒸気生成装置である。

本装置１０２は、装置２と同様に、電磁誘導体としてのコイル体１１０と、炉体１２０と、炉体１２０をコイル体１１０に対して所定位置に固定し保持するための保持体としてのブラケット１５０とボルト１６０とを備えている。なお、ブラケット１５０及びボルト１６０とは本発明の保持体の一態様としての固定手段に相当する。なお、図示はしないが、本装置１０２においても、装置２と同様に、電源４、水蒸気供給系６及び水蒸気排出系８を備えることができ、その、装着形態は特に限定されない。

コイル体１１０は、導電性材料により発生する熱を断熱する断熱材１１２等を配置可能な空間をその内部に備えるように導体を円状又は螺旋状に巻かれて構成されている。本実施形態においては、長尺状のコイル体１１０を単独で備えている。コイル体１１０は適当なブラケットに連結されて固定されている。また、装置２と同様に、コイル体１１０を炉体１２０からの熱から保護するためにコイル体１１０を構成する管状の導体内部に冷却水を供給する冷却系１１４が備えられている。

コイル体１１０の内側の空間には、炉体１２０を備えている。炉体１２０は、ブラケット１５０とボルト１６０とにより所定位置に固定され保持されている。筒状体の炉体１２０の内部には、図３に示すように、複数個の導電性材料１４０ａ〜１４０ｇを備えている。

炉体１２０は、図３に示すように、全体として円筒状に形成されているとともに、一方のブラケット１５０ａに保持される側に水蒸気供給口１２８を有し、他方のブラケット１５０ｂに保持される側に水蒸気排出口１３６を有している。こうした炉体１２０は、チタン酸アルミニウムセラミックスのスリーブ１２２と、同素材で形成されその両端に適当な耐熱性シール材１２３を介してそれぞれ備えられる開口部材１２４、１２６とを備えている。各開口部材１２４、１２６は、それぞれ飽和水蒸気供給口１２８及び過熱水蒸気排出口１３６を形成するそれぞれ外側に突出される管状部を有するとともに、スリーブ１２２の両端を遮断するための蓋部１２５、１２７を備えている。

炉体１２０内部には、複数個の導電性材料１４０ａ〜１４０ｇが軸方向に対して直交して、すなわち、水蒸気の移動方向に対して直交状に配列されている。導電性材料１４０ａ〜１４０ｇは、いずれも、適当な高さのチタン酸アルミニウムセラミックス製のスペーサー１４５、１４６、１４７を介して炉体１２０内に保持されており、炉体１２０内には、導電性材料１４０ａ〜１４０ｇにより、多数個の区画室１３０ａ〜１３０ｈを備えるようになっている。

導電性材料１４０ａ〜１４０ｇは全て同じ材料で形成されるとともに、図４に示す２種の形態のうちいずれかを備えて、異なる形態の導電性材料が隣り合うように配列されている。すなわち、いずれの導電性材料１４０ａ〜１４０ｇも円板状に形成されるとともに、中央部の単一の貫通孔１４２を備えるか又は周辺部に同心円状に複数個の貫通孔１４４を備えるかのいずれかの形態を有している。これらの貫通孔１４２、１４４は、いずれも水蒸気の通路であり、異なる貫通孔形態の導電性材料が交互に配列されることで、水蒸気を軸方向のみならず、導電性材料１４０ａ〜１４０ｇの発熱面に沿った方向へも移動させて区画室１３０ａ〜１３０ｈへの移動の間において水蒸気と発熱面との接触効率を高めるようになっている。

導電性材料１４０ａ〜１４０ｇは、装置２と同様に、多孔質ガラス層と緻密質ガラス層とを備えるカーボン基板を用いることができる。カーボン基板は、例えば、直径４６ｍｍ程度で厚さが３ｍｍ程度の円板とし、厚さ方向に直径１０．５ｍｍの貫通孔及び周辺に直径７ｍｍの貫通孔を同心円状に複数個備えたものを用いることできる。また、多孔質ガラス層と緻密質ガラス層は、このカーボン基板の表面に１ｍｍ厚の緻密質ガラス層を溶融被覆により形成した上、該緻密質ガラス層の表層側１５０μm厚を多孔質化することにより形成した。

こうした導電性材料１４０ａ〜１４０ｇが収容された炉体１２０は、適当な断熱材１６２を介して非磁性体であるステンレス製のブラケット１５０ａ、１５０ｂに対して、同様に非磁性体であるステンレス製のボルト１６０により固定されている。ブラケット１５０ａ、１５０ｂは、それぞれ炉体１２０の水蒸気供給口１２８側と水蒸気排出口１３６側とを固定し保持するよう構成されている。ブラケット１５０ａには、ブラケット１５０ｂとボルト１６０とともに炉体１２０の機械的強度を補うとともに水蒸気気密性を補うために、スプリングコイルなどの弾性体１５４と台座１５６とを備えている。この弾性体１５４を台座１５６で圧縮させた状態とし、この台座１５６とブラケット１５０ｂとをボルト１６０で固定することにより、炉体１２０において確実な水蒸気気密性と機械的強度を確保できるようになっている。

次に、こうした過熱水蒸気生成装置１０２の使用例について説明する。電源により、本装置１０２のコイル体１１０に所定の電力を供給して炉体１２０内の導電性材料１４０ａ〜１４０ｇを発熱させると同時に、適当な加熱手段により水蒸気供給系から飽和水蒸気を供給し、所望の温度の過熱水蒸気の生成を行う。

図３に示すように、飽和水蒸気は、供給口１２８から炉体１２０に一定圧で供給され、導電性材料１４０ａ〜１４０ｇによって形成される区画室１３０ａ〜１３０ｈの間を、貫通孔１４２、１４４を介して移動して、その間に、導電性材料１４０ａ〜１４０ｇの発熱した表面において加熱され、最終的に水蒸気排出口１３６より排出される。

以上説明したように、本実施形態によれば、装置２と同様、酸化物系セラミックス材料を用いた炉体１２０であっても、炉体１２０としての強度及び気密性を、ブラケット１５０及びボルト１６０を備える固定手段によって補うことができる。この結果、耐酸化性に優れる炉体１２０を容易に得ることができ、長期にわたり安定的に水蒸気を生成できる装置が提供される。また、装置２と同様に炉体１２０の素材としてチタン酸アルミニウムセラミックス材料を用いているメリットも得ることができる。また、固定手段として金属材料を用いることのメリットも装置２と同様に得ることができる。

また、本実施形態によれば、従来通りのコイル体の内面加熱方式を採りながら、炉体１２０内部に軸方向に沿って複数個の区画室１３０ａ〜１３０ｈを備える過熱水蒸気生成装置を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、水蒸気が、コイル体１１０の内面にほぼ直交するように配置した導電性材料１４０ａ〜１４０ｇの発熱した表面に沿って移動可能に流路を形成したため、誘導加熱による導電性材料１４０ａ〜１４０ｇの発熱面を有効に利用して加熱効率を高めることができるようになっている。

なお、本実施形態では、１個のコイル体１１０を単独で使用するものとしたが、複数個のコイル体を並列状又は直列状に連結するとともに、これらのコイル体に対応するように炉体を備えるようにすることもできる。

また、本実施形態では、導電性材料として円板を使用して、軸方向に複数個並設して使用したが、これに限定するものではなく、棒状体、球状体、線状体、ハニカム体、不定形状の粒体、中空球状体等をそれぞれ適切な形態を設置し使用してもよい。また、本実施形態では、導電性材料１４０ａ〜１４０ｇに対して交互に異なる位置に貫通孔１４２、１４４を備える円板を用いたが、水蒸気の流路となる貫通孔の大きさ、位置等の形成形態や導電性材料の配置形態は、これに限定するものではなく、使用する導電性材料の種類や炉体の形態等に応じて適宜変更し設定することができる。

また、本実施形態では、筒状の炉体１２０が鉛直方向に軸方向が一致するように配置した状態で説明したが、これに限定するものではなく、炉体１２０の軸方向は特に限定しないで任意に設定することができる。さらに、本実施形態では、炉体１２０をスリーブ１２２と開口部材１２４，１２６とから構成するものとしたがこれに限定するものではない。したがって、スリーブ１２２と開口部材１２４、１２６とが予め一体化されてなる炉体であってもよい。

なお、これらの第１の実施形態及び第２の実施形態においては、それぞれ誘導加熱方式、端面加熱方式及び内面加熱方式を採用したが、さらに、コイル体の外側に炉体を配置する外面加熱方式の過熱水蒸気生成装置としてもよい。また、こうした各種の誘導加熱方式を組み合わせてもよい。例えば、外面加熱方式と内面加熱方式とを組み合わせることも可能である。

また、これらの実施形態においては、炉体２０、１２０の全体を、チタン酸アルミニウムを主体とするチタン酸アルミニウムセラミックス材料で構成するものとしたが、少なくとも水蒸気に露出される炉体２０、１２０の内壁がこうした酸化物系セラミックスを主体とする材料で構成されていればよい。例えば、この場合、外層側を強度や緻密性に優れるセラミックス材料で構成することもできる。

これらの実施形態においては、飽和水蒸気を過熱して過熱水蒸気を生成させるものとしたが、これに限定するものではない。被加熱媒体は、飽和水蒸気でなくともよく、例えば、水分を供給し加熱して通常の水蒸気を生成するように条件設定することもできる。

次に、本発明の過熱水蒸気生成装置を備える過熱水蒸気利用装置について説明する。水蒸気、特に過熱水蒸気は、種々の装置に用いることができる。例えば、工業分野においては、セラミックス粉体や成形体のセラミックス乾燥装置、廃棄物処理装置、水素製造装置等に用いることができる。また、食品加工又は調理の分野においては、加熱、乾燥、解凍、殺菌・滅菌、脱臭、焼成等のいずれかあるいは２種以上を実施する装置に用いることができる。

例えば、こうした利用装置の一例として図５にセラミックス粉体を乾燥するための処理装置２０２を示す。この装置２０２においては、第１の実施形態の過熱水蒸気生成装置２を過熱水蒸気生成源として備えている。なお、この生成装置２はその一部に飽和水蒸気供給源６を備えているものとする。また、この装置２０２においては乾燥するべきセラミックス粉体を収容する処理用キャビティ２１０を有しており、生成装置２により生成された過熱水蒸気をこのキャビティ２１０に供給する管路２１２を備えている。

この装置２０２において、過熱水蒸気生成装置２を作動させて過熱水蒸気をキャビティ２１０に供給することにより、キャビティ２１０内のセラミックス粉体に対して乾燥処理を施すことができる。本発明の装置２０２は上記した特徴を有しているため、高温の過熱水蒸気を安定的に供給でき、この結果、迅速でかつ安定した乾燥処理を行うことができる。

以上説明したように、本発明の過熱水蒸気生成装置及び過熱水蒸気利用装置によれば、過熱水蒸気を熱媒体とする各種用途に適用することができる。なお、本発明の水蒸気利用装置は、こうしたセラミックス乾燥処理装置に限定するものではなく、上記した各種の用途の利用装置に適用することができ、その用途に応じて過熱水蒸気を被加工体に供給する形態を採ることができる。したがって、過熱水蒸気が供給される特別なキャビティを備えるものに限定されず、過熱水蒸気は、例えば、被加工体に対して噴射されたりする形態で供給されてもよい。なお、本実施形態では、過熱水蒸気生成装置２を過熱水蒸気生成源として一体に備える利用装置について説明したが、過熱水蒸気生成装置２の利用態様はこれに限定するものではない。例えば、過熱水蒸気生成装置２と過熱水蒸気を供給可能は配管等で接続して各種態様で過熱水蒸気を利用する装置に連結することも可能である。

本発明の過熱水蒸気生成装置の一例を示す図であり、図１（ａ）は、断面構造を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１ｂ−１ｂ断面を示している。 図１に示す過熱水蒸気生成装置における炉体内の水蒸気通路の構造を示す図であり、図２（ａ）は、電磁誘導体側の小区画室における水蒸気通路を示し、図２（ｂ）は、電磁誘導体側とは反対側の小区画室における水蒸気通路を示している。 本発明の過熱水蒸気生成装置の他の一例を示す図である。 図３に示す過熱水蒸気生成装置の炉体内に収容する導電性材料の形態を示す図である。 本発明の過熱水蒸気利用装置の一例を示す図である。

符号の説明

２、１０２ 過熱水蒸気生成装置、４ 電源、６ 水蒸気供給系、８ 水蒸気排出系、１０、１２、１１０ コイル体、１３ ケーシング、１４、１１４ 冷却系、１６ 冷却水配管、１７ 断熱層、１８ 耐熱ガラス層、２０、１２０ 炉体、２４、２６、１３０ａ〜１３０ｈ 区画室、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ 小区画室、２５、２７ 支持部、２８、１２８ 水蒸気供給口、２９ 隔壁、３０、３２、３４ 通路、３６、１３６ 過熱水蒸気排出口、４０、４２、１４０ａ〜１４０ｇ 導電性材料、４１、４３、１４２、１４４ 貫通孔、５０ カバー体、５２ カバー部、５４ 固定用端部、１２２ スリーブ、１２３ 耐熱性シール材、１２４、１２６ 開口部材、１５０，１５０ａ，１５０ｂ ブラケット、１２５，１２７ 蓋部、１４５，１４６，１４７ スペーサー、１５４ 弾性体、１５６ 台座、１６２ 断熱材、１６０ ボルト、２０２ 過熱水蒸気利用装置、２１０ キャビティ、２１２ 管路。

Claims (6)

1. 導体が円状又は螺旋状に巻かれた電磁誘導体と、
   該電磁誘導体による誘導加熱可能に配置される導電性材料と、
   該導電性材料を収容し、被加熱媒体の供給及び被加熱媒体の排出が可能であってこれらが流通可能な流路を有するキャビティを有する炉体と、
   該炉体を前記電磁誘導体に対して所定位置に固定し保持する非磁性材料からなる保持体と、
   を備え、
   前記炉体は、前記電磁誘導体の内側に配置され、チタン酸アルミニウムセラミックス材料からなる筒状体と、
   チタン酸アルミニウムセラミックス材料からなり、前記被加熱媒体の供給口を構成する管状部と前記筒状体の一方の端部に当接するフランジ部とからなる第１の開口部材と、
   チタン酸アルミニウムセラミックス材料からなり、前記被加熱媒体の排出口を構成する管状部と前記筒状体の他方の端部に当接するフランジ部とからなる第２の開口部材と、
   前記筒状体の内部に前記筒状体の軸方向にほぼ直交するように少なくとも一つの貫通孔を有する前記導電性材料を配して区画した互いに連通する複数の区画室と、
   を有し、
   前記保持体は、
   前記第１の開口部材の前記フランジ部に対応する第１の保持体と、
   前記第２の開口部材の前記フランジ部に対応する第２の保持体と、
   を有し、
   前記第１の保持体は、断熱材と前記第１の開口部材の前記フランジ部とを介し、前記第２の保持体は、断熱材と前記第２の開口部材の前記フランジ部とを介して、前記炉体を弾性保持する、過熱水蒸気生成装置。
2. 前記導電性材料は、チタン酸アルミニウムセラミックス材料からなるスペーサーを介して配されている、請求項１に記載の過熱水蒸気生成装置。
3. 前記第１の保持体及び第２の保持体のいずれか一方が、弾性体を備えている、請求項１又は２に記載の過熱水蒸気生成装置。
4. 前記第１の保持体及び前記第２の保持体は、相互にボルトで固定可能に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の過熱水蒸気生成装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の過熱水蒸気生成装置を備える、過熱水蒸気利用装置。
6. 前記利用装置がセラミックス乾燥用、廃棄物処理用、水素製造用、食品加工用又は調理用である、請求項５に記載の過熱水蒸気利用装置。