JP5641578B2 - 過熱水蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱により過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置に関する。

２００℃〜８００℃の高温の過熱水蒸気は、水を充填したタンクを加熱して１００℃〜１５０℃の飽和水蒸気を生成し、生成した飽和水蒸気を流れにしたがって２００〜８００℃に加熱して生成される。飽和水蒸気を加熱において誘導加熱を使用される場合がある。この場合の誘導加熱は、導線を筒状に巻回したコイルの筒状の内部に、コイルに流す交流電流に誘導されてジュール発熱する多数の貫通孔を形成した発熱体を配置して構成され、飽和水蒸気はこの貫通孔を通流する間に、発熱体の熱により加熱される。

特開２００５−２３３５７２号公報 特開２０１０−２１０２２５号公報

以上のような過熱水蒸気生成装置では、水を加熱して飽和水蒸気を得る加熱器が水を充填したタンクであるため、水と接触する伝熱面積が小さく熱の伝達効率が劣り、水の温度管理が行い難い。また、飽和水蒸気を加熱する加熱器は発熱体内を直進する飽和水蒸気を加熱するため、充分な熱を伝達するには発熱体を長くする必要があり大型化し、また、過熱水蒸気の温度管理が行い難いといった問題があった。

発明が解決しようとする課題は、過熱水蒸気生成装置を小型コンパクトにして、かつ、水および飽和水蒸気への熱伝達速度を高めるとともに、飽和水蒸気および過熱水蒸気の温度制御を簡単に行うことができるようにする点にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、過熱水蒸気生成装置を、コイル巻装する脚鉄心に隣接して漏洩磁路鉄心を設けた一台の三相変圧器構成であって、三相の各脚鉄心に一次コイルを巻回し、その一次コイルに重ね、前記一次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管からなる二次コイルを巻回し、三相のうちの二相の脚鉄心に巻回した二次コイルに水を供給して飽和水蒸気を生成し、他の一相の脚鉄心に巻回した二次コイルに前記飽和水蒸気を通流して過熱水蒸気を生成する構成としている。

本発明によれば、コイル巻装する脚鉄心に隣接して漏洩磁路鉄心を設けた三相変圧器構成であることから、各一次コイルに印加する電流を個別に制御することができ、この制御により簡単に各二次コイル内の飽和水蒸気や過熱水蒸気を所望の温度に制御することができる。また、大きい熱量を必要とする水を供給して飽和水蒸気を生成するのに、その熱量を２分して三相のうちの二相の脚鉄心に巻回した導体管からなる二次コイルを、過熱水蒸気を生成するのに他の一相の脚鉄心に巻回した導体管からなる二次コイルを用いているので、三相電源の各相に対する負荷が概ね均等となり、これによりコンパクト化した一台の三相変圧器構成で過熱水蒸気生成装置を形成することができる。

また、水や飽和水蒸気を加熱するのに導体管からなる二次コイルを用いているので、水や飽和水蒸気に熱を伝える伝熱面積が大きく、導体管の温度とその内部の水や飽和水蒸気との温度差が小さくなり、飽和水蒸気や過熱水蒸気の温度検出がしやすく、正確かつ安定した温度の飽和水蒸気や過熱水蒸気を得ることができる。

本発明の実施例に係る過熱水蒸気生成装置の一部を断面で示す正面図である。 図１の過熱水蒸気生成装置における電気回路図である。 図１の過熱水蒸気生成装置における流体回路図である。 図１の過熱水蒸気生成装置における磁束の流れを示す説明図である。 本発明の他の実施例に係る鉄心の構成を示す斜視図である。

本発明の実施例を図によって説明する。まず、過熱水蒸気生成装置の本体を構成する三相変圧器構成について、図１および図４を参照して説明する。図１において、１ａは上部継鉄心、１ｂは下部継鉄心、２ａ，２ｂ，２ｃは円形の脚鉄心、３は漏洩磁路鉄心、４は端子台、５ａは円形の脚鉄心２ａに巻回したコイル、５ｂは円形の脚鉄心２ｂに巻回したコイル、５ｃは円形の脚鉄心２ｃに巻回したコイル、６は断熱材である。コイルを巻回した円形の脚鉄心２ａ，２ｂ，２ｃおよび漏洩磁路鉄心３（この例では、その断面積は脚鉄心の断面積の１／２である。理由は後述）は、脚鉄心２ａ、漏洩磁路鉄心３、脚鉄心２ｂ、漏洩磁路鉄心３、脚鉄心２ｃの順にそれぞれ所定の間隔を隔てて配置され、上下の端部は上部継鉄心１ａ、下部継鉄心１ｂと締め付け固定されている。なお、円形の脚鉄心は、屈曲部とその屈曲に連続してインボリュート曲線状に湾曲した曲率部を有する薄い珪素鋼板を円周方向に積み重ねて形成した円形鉄心とすることが望ましい。この場合、鉄損が少なく高効率および省資源が図れる。

各脚鉄心２ａ，２ｂ，２ｃに巻回されたコイルは、脚鉄心２ｃに巻回したコイル５ｃの断面で示すように、脚鉄心（２ｃ）に密着してこの例では導体管からなる一次コイル（５ｃ−１）を巻回し、その一次コイル（５ｃ−１）に重ねて断熱材６で覆った導体管からなる二次コイル（５ｃ−２）を巻回し、その二次コイル（５ｃ−２）に重ねて一次コイル（５ｃ−１）を巻回している。すなわち、断熱材６で覆った二次コイル（５ｃ−２）は２層の一次コイル（５ｃ−１）の間に配置されている。そして、二次コイル（５ｃ−２）の巻間は、ロー付け溶接などで電気的に短絡されている。各一次コイルに交流電圧が印加されると、その印加により脚鉄心に交番磁束が発生し、この交番磁束と鎖交する二次コイルに電流が流れ、この電流によって二次コイルはジュール発熱し、この発熱した熱は二次コイルの導体管内の被加熱物（水または飽和水蒸気）に伝達される。
なお、この例では、一次コイルを２層にし、二次コイルの保温を図るとともに変圧器構成の低インピーダンス化を図っているが、一次コイルは２層に限らず１層でもよい。この場合、一次コイルは脚鉄心に密着して巻回する。

端子台４におけるＵＸは脚鉄心２ａに巻回された一次コイル両端の引き出し端子、ＶＹは脚鉄心２ｂに巻回された一次コイル両端の引き出し端子、ＷＺは脚鉄心２ｃに巻回された一次コイル両端の引き出し端子であり、端子ＵＶＷはそれぞれ三相電源の各相に接続される。

ところで、以上の三相変圧器構成では、脚鉄心２ａと脚鉄心２ｂの間と脚鉄心２ｂと脚鉄心２ｃとの間に、脚鉄心の断面積の１／２の断面積を有する漏洩磁路鉄心３が設置されている（三相の磁気回路としてみれば、漏洩磁路鉄心３は各脚鉄心に隣接して配置されている。）。このように漏洩磁路鉄心３を設置すると、図４に示すようにたとえば脚鉄心２ａに巻回した一次コイルに三相交流電源の一相の電流を流したとすれば、その電流の印加により発性した磁束は、その大部分が他の脚鉄心をバイパスして漏洩磁路鉄心３に流れ、脚鉄心２ｂ、２ｃに流れるその磁束は微弱となる。

より詳細に説明すると、三相変圧器の漏洩磁路に最大磁束が流れる状態は、二相に定格電圧が印加され、残りの一相が切断されているときとなる。そのときの電圧位相は、一相がＳｉｎ１５０°でもう一相が１２０度遅れのＳｉｎ３０°のとき、一相がＳｉｎ３３０°でもう一相が１２０遅れのＳｉｎ２１０°のときであって、その合計磁束は一相の最大磁束を超えない値となる。また違う相組み合わせでは、一相がＳｉｎ３０°でもう一相が２４０度遅れのＳｉｎ−２１０°のときと、一相がＳｉｎ２１０°でもう一相が２４０遅れのＳｉｎ−３０°のときであって、そのときの合計磁束も一相の最大磁束を超えない値となる。
θを基準相の位相角、Φを一相の最大磁束として式で示すと、
絶対値ΦＳｉｎθ＋ΦＳｉｎ（θ−１２０°）＜絶対値Φ
絶対値ΦＳｉｎθ＋ΦＳｉｎ（θ−２４０°）＜絶対値Φ
となる。

このことは、変圧器１台あたりの漏洩磁路断面積が、巻線を施す脚鉄心の一相分と同じであればいいことを示している。無負荷時には他相に流れ込む微弱な磁束によって定格の半分程度の電圧を誘起するものの、負荷時には誘起電圧を無視できる程に低下して、実用上の問題はなくなる。また、漏洩磁路鉄心を３脚鉄心の間の２箇所に必要面積の半分づつを設置すれば、図１に示す横一列形状の鉄心においては、各相から漏洩磁路への磁路長距離のばらつきが最小となり、磁束の流れの均一性が図れる。

負荷時には誘起電圧を無視できる程に低下することは脚鉄心２ａで発生した磁束による脚鉄心２ｂ、２ｃに巻回された二次コイルの発熱量が極めて少なくなることを意味、つまり脚鉄心２ａに巻回した一次コイルに印加した電流による脚鉄心２ｂ、２ｃに巻回された二次コイルの発熱量に影響はなく、それ故に、脚鉄心２ａ、２ｂ、２ｃに巻回された二次コイルの発熱量を、脚鉄心２ａ、２ｂ、２ｃに巻回された一次コイルに印加する電流を制御することで、各二次コイルの発熱量をそれぞれ個別に制御することができる。

図２は、以上の三相変圧器構成により構成した過熱水蒸気生成装置の電気回路を示すもので、この図２において図１の三相変圧器構成と同一部分には、同一の符号を付している。図２において、５ａ−１は脚鉄心２ａ（図１参照）に巻回した一次コイル、５ａ−２は脚鉄心２ａ（図１参照）に巻回した二次コイル、５ｂ−１は脚鉄心２ｂ（図１参照）に巻回した一次コイル、５ｂ−２は脚鉄心２ｂ（図１参照）に巻回した二次コイル、５ｃ−１は脚鉄心２ｃ（図１参照）に巻回した一次コイル、５ｃ−２は脚鉄心２ｃ（図１参照）に巻回した二次コイルである。

７ａは一次コイル５ａ−１の入力部に挿入した電圧制御素子、７ｂは一次コイル５ｂ−１の入力部に挿入した電圧制御素子、７ｃは一次コイル５ｃ−１の入力部に挿入した電圧制御素子、８ａは電圧制御素子７ａに制御信号を出力する温度調節計、８ｂは電圧制御素子７ｂに制御信号を出力する温度調節計、８ｃは電圧制御素子７ｃに制御信号を出力する温度調節計である。

一次コイル５ａ−１の一端は電圧制御素子７ａを介して三相電源のＵ相に接続され、一次コイル５ｂ−１の一端は電圧制御素子７ｂを介して三相電源のＶ相に接続され、一次コイル５ｃ−１の一端は電圧制御素子７ｃを介して三相電源のＷ相に接続されている。一次コイル５ａ−１の他端は三相電源のＶ相に接続され、一次コイル５ｂ−１の他端は三相電源のＷ相に接続され、一次コイル５ｃ−１の他端は三相電源のＵ相に接続されている。つまり、一次コイル５ａ−１には三相電源のＵＶの相間電圧が印加され、一次コイル５ｂ−１には三相電源のＶＷの相間電圧が印加され、一次コイル５ｃ−１には三相電源のＷＵの相間電圧が印加され、一次コイル５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１は三相電源に対してΔ結線されている。

二次コイル５ａ−２、５ｂ−２，５ｃ−２は電気的に互いに結線されず、独立しており、図示例では二次コイル５ａ−２と５ｂ−２の導体管内に飽和水蒸気を生成する水が並列に供給される。二次コイル５ａ−２と５ｂ−２で生成した飽和水蒸気はそのまま二次コイル５ｃ−２の導体管内に送られ、この導体管で過熱水蒸気が生成される。ここで、水から飽和蒸気を生成するのに二次コイル５ａ−２と５ｂ−２の２個を使用し、過熱水蒸気を生成するのに二次コイル５ｃ−２の１個を使用している。

９ａは二次コイル５ａ−２内の温度を出力側、つまり飽和蒸気の温度を検出する温度検出器、９ｂは二次コイル５ｂ−２内の温度を出力側、つまり飽和蒸気の温度を検出する温度検出器、９ｃは二次コイル５ｃ−２内の出力側、つまり過熱水蒸気の温度を出する温度検出器である。温度検出器９ａの検出信号は温度調節計８ａに入力され、目標温度と比較しその偏差に応じた制御信号を電圧制御素子７ａに送り、一次コイル５ａ−１に印加する電圧を制御する。温度検出器９ｂの検出信号は温度調節計８ｂに入力され、目標温度と比較しその偏差に応じた制御信号を電圧制御素子７ｂに送り、一次コイル５ｂ−１に印加する電圧を制御する。この制御によって二次コイル５ａ−２と５ｂ−２から同じ温度の飽和水蒸気を生成される。温度検出器９ｃの検出信号は温度調節計８ｃに入力され、過熱水蒸気に対する目標温度と比較しその偏差に応じた制御信号を電圧制御素子７ｃに送り、一次コイル５ｃ−１に印加する電圧を制御する。この制御によって所望温度の過熱水蒸気が得られる。

図３は、以上の過熱水蒸気生成装置の水系統の配管を示すもので、図１および図２に示す過熱水蒸気生成装置と同一部分には同一の符号を付し、その部の詳細な説明は省略する。ただし、図３で示す配管では、脚鉄心２ｂ（図１参照）に巻回した二次コイル５ｂ−２と、脚鉄心２ｃ（図１参照）に巻回した二次コイル５ｃ−２を、飽和水蒸気を生成する水を供給する導体管とし、脚鉄心２ａ（図１参照）に巻回した二次コイル５ａ−２を、過熱水蒸気を生成する導体管としている。

二次コイル５ｂ−２の導体管にはポンプによって送られた水が、水位調整電磁弁ＥＶ３を介して供給され、二次コイル５ｃ−２の導体管には同ポンプによって送られた水が、水位調整電磁弁ＥＶ２を介して供給される。二次コイル５ｂ−２には、レベルスイッチＬＳ１が、二次コイル５ｃ−２にはレベルスイッチＬＳ２が設けられ、二次コイル５ｂ−２の導体管内に供給された水の水位をレベルスイッチＬＳ１で検出すると水位調整電磁弁ＥＶ３を制御し給水を停止し、二次コイル５ｃ−２の導体管内に供給された水の水位をレベルスイッチＬＳ２で検出すると水位調整電磁弁ＥＶ２を制御し給水を停止する。この水位調整電磁弁ＥＶ２、ＥＶ３の制御によって、二次コイル５ｂ−２、５ｃ−２の導体管内の水位を常に一定に保持する。

二次コイル５ｂ−２の導体管および二次コイル５ｃ−２の導体管の加熱により生成された飽和水蒸気は合流して二次コイル５ａ−２の導体管内に導出され、二次コイル５ａ−２の導体管の加熱により過熱水蒸気を生成して外部へ出力する。

脚鉄心２ａ（図１参照）に巻回した一次コイル５ａ−１（図２参照）、脚鉄心２ｂ（図１参照）に巻回した一次コイル５ｂ−１（図２参照）、脚鉄心２ｃ（図１参照）に巻回した一次コイル５ｃ−１（図２参照）は、いずれも導体管で構成されており、各一次コイルの導体管の一端は、ポンプによって送られた水が供給される。各一次コイルの導体管に供給された水は各一次コイルの導体管の他端から排出され、排出された水は合流してポンプの入力側に戻される（図３の図示では一旦タンクに溜められている。）。各一次コイルの導体管内を通流した水は鉄損で発生した熱を奪って加熱され、その加熱された水を二次コイル５ｂ−２の導体管および二次コイル５ｃ−２の導体管に供給することとなる。すなわち、二次コイル５ｂ−２の導体管および二次コイル５ｃ−２の導体管に供給する水は、予熱されており、その二次コイルとなる導体管による消費電力を削減することができ、熱の利用効率を高めることができる。
なお、図示例は、各一次コイルに並列に水を通流しているが、各一次コイルを直列に水を通流するようにしてもよい。

ところで、水から飽和蒸気を生成するのに二次コイル５ａ−２と５ｂ−２の２個を使用し、過熱水蒸気を生成するのに二次コイル５ｃ−２の１個を使用している理由は、水を加熱して飽和水蒸気にするに必要な熱量が飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気にするに必要な熱量のほぼ２倍が必要である知見に基づくもので、図３に示す、各一次コイルの導体管に水を流して予熱し、その予熱した水（温水）を二次コイルの導体管に供給する実施例の場合、具体的には、一次コイルの導体管に２０℃の水を供給してその水を一次コイル導電管で６０℃に予熱（主として一次コイルの銅損と鉄損による熱）し、その６０℃に予熱した温水を二次コイルに供給して１３０℃の飽和水蒸気にする熱量と、１３０℃の飽和水蒸気から７００℃の過熱蒸気にする熱量との比は、およそ２：１である。つまり、このときの三相電源電流比は、１：１：１でバランスする。

また、温水および飽和水蒸気の温度を同じとし、８００℃の過熱蒸気水としたとき、三相電源電流比は、１：１．０４：１．０４、
５００℃の過熱蒸気水としたとき、三相電源電流比は、１：０．９０：０．９０
４００℃の過熱蒸気水としたとき、三相電源電流比は、１：０．８４：０．８４
３００℃の過熱蒸気水としたとき、三相電源電流比は、１：０．７８：０．７８
２００℃の過熱蒸気水としたとき、三相電源電流比は、１：０．７０：０．７０
となる。

したがって、水から飽和蒸気を生成するのに二次コイル５ａ−２と５ｂ−２の２個を使用し、過熱水蒸気を生成するのに二次コイル５ｃ−２の１個を使用することによって、三相電源電流の一相のみが電流値ゼロとなるような極端なアンバランスは発生せず、過熱水蒸気生成装置を一台の三相変圧器構成により形成することができる。このことは、一次コイルの導体管に２０℃の水を供給してその水を一次コイル導電管で６０℃に予熱し、その６０℃に予熱した温水を二次コイルに供給して１３０℃の飽和水蒸気にし、その１３０℃の飽和水蒸気から所望温度の過熱蒸気を生成する場合に限られるものではない。

以上の実施例では、３本の脚鉄と２本の漏洩磁路鉄心で三相変圧器構成の鉄心を構成しているが、図５に示すように、Ｙ形状の上部継鉄１１ａと、Ｙ形状の下部継鉄１１ｂと、この上下のＹ形状の継鉄の間に、Ｙ形状の各先端部に円形の脚鉄１２ａ、２ｂ、１２ｃを、Ｙ形状の交点部に漏洩磁路鉄心１３を配置して締め付け固定して構成した鉄心を用いることもできる。この場合の漏洩磁路鉄心の断面積は、一つ脚鉄の断面積と同じとするものの１個の漏洩磁路鉄心で済み、また、各相から漏洩磁路への磁路長距離は等しく、磁束の流れは均一となる。なお、脚鉄心は屈曲部とその屈曲に連続してインボリュート曲線状に湾曲した曲率部を有する薄い珪素鋼板を円周方向に積み重ねて形成した円形鉄心とすることが望ましい。

１ａ、１ｂ 継鉄心
２ａ、２ｂ、２ｃ 脚鉄心
３ 漏洩磁路鉄心
４ 端子台
５ａ、５ｂ、５ｃ コイル
５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１ 一次コイル
５ａ−２、５ｂ−２、５ｃ−２ 二次コイル
６ 断熱材
７ 電圧制御素子
８ａ、８ｂ、８ｃ 温度調節計
９ａ、９ｂ、９ｃ 温度検出器

Claims (5)

1. コイル巻装する脚鉄心に隣接して漏洩磁路鉄心を設けた一台の三相変圧器構成であって、三相の各脚鉄心に一次コイルを巻回し、その一次コイルに重ね、前記一次コイルに流れる交流電流で発熱する導体管からなる二次コイルを巻回し、三相のうちの二相の脚鉄心に巻回した二次コイルに水を供給して飽和水蒸気を生成し、他の一相の脚鉄心に巻回した二次コイルに前記飽和水蒸気を通流して過熱水蒸気を生成する構成としたことを特徴とする過熱水蒸気生成装置。
2. 前記一次コイルを導体管とし、二次コイルに供給する水を前記一次コイルの導体管を通流して予熱したことを特徴とする請求項１に記載の過熱水蒸気生成装置。
3. 各一次コイルの入力部に各一次コイルに印加する電圧を個別に制御する制御素子を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過熱水蒸気生成装置。
4. 三相変圧器構成の鉄心は、上下のＹ形状の継鉄のＹ形状の各先端部に脚鉄心を配置し、Ｙ形状の交点部に漏洩磁路鉄心を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載の過熱水蒸気生成装置。
5. 漏洩磁路鉄心の総断面積を、一つの脚鉄心の断面積と等しくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載の過熱水蒸気生成装置。

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