JP5654791B2

JP5654791B2 - 過熱水蒸気生成装置

Info

Publication number: JP5654791B2
Application number: JP2010158500A
Authority: JP
Inventors: 仁宏氏; 岡本　幸三; 幸三岡本; 壹裕藤本; 平郡　正信; 正信平郡; 泰広藤本
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: JP2012021675A

Description

本発明は電気を熱源とする過熱水蒸気生成装置に関する。

過熱水蒸気は飽和水蒸気(約１００℃)よりも高温(例えば４００〜５００℃)の水蒸気であり、加熱又は乾燥に利用することができる。過熱水蒸気生成装置には燃焼ボイラ方式と電気方式がある。前者は過熱水蒸気の生成に用いる熱源として燃焼ボイラを用いる方式であり、後者は電力を用いる方式である。誘導加熱式の過熱水蒸気生成装置は電気方式の一種である。

誘導加熱は誘導加熱用コイルに交流電流を流して交番磁束を発生させ、これにより導電性部材に渦電流を流してジュール熱を発生させ、ジュール熱によって加熱をする。誘導加熱式の加熱装置として、例えば、螺旋状に巻き回されたパイプ内に熱媒体(油等)を流して誘導加熱により熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体をロールシェルへ送り、ロールシェルの表面で処理物を加熱するものがある(例えば、特許文献１参照)。

特開２００７−１５２６５１号公報

過熱水蒸気の生成には水を加熱して飽和水蒸気を生成する工程と、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する工程の二つの工程に分けられる。したがって、燃焼ボイラ方式及び電気方式のいずれも、工程別に機器と蒸気配管を配置していた。これが過熱水蒸気生成装置の小型化を妨げる一つの原因となっていた。

本発明は小型化を図ることが可能な過熱水蒸気生成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の一の局面に係る過熱水蒸気生成装置は、一次コイルと、前記一次コイルと磁気結合する二次コイルの機能を有しており、短絡電流が流れることにより発熱し、当該発熱によって内部を流れる飽和水蒸気が加熱されて過熱水蒸気が生成される螺旋状のパイプ部材と、前記パイプ部材に前記飽和水蒸気を供給可能に前記パイプ部材につながっていると共に前記パイプ部材と短絡回路を構成しており、前記短絡電流が流れることにより発熱して前記飽和水蒸気が生成されるタンク部材と、前記一次コイルに交流電流を流すことによって電磁誘導を生じさせて前記パイプ部材に交流電流を流して、前記パイプ部材及び前記タンク部材に前記短絡電流を流す制御をする制御部と、を備える。

本発明によれば、二次コイルとして機能するパイプ部材をタンク部材につなげて短絡回路を構成し、一次コイルに交流電流を流すことによって電磁誘導を生じさせてパイプ部材に交流電流を流して、パイプ部材及びタンク部材に短絡電流を流している。この短絡電流によりタンク部材及びパイプ部材を発熱させて、タンク部材で飽和水蒸気を生成し、この飽和水蒸気をパイプ部材に流して過熱水蒸気を生成している。したがって、本発明では飽和水蒸気及び過熱水蒸気の生成にそれぞれ用いられる電気系統を共通化することが可能なので、過熱水蒸気生成装置を小型化することが可能となる。

上記構成において、前記タンク部材は円環形状を有しており、前記パイプ部材と前記タンク部材は前記二次コイルとしての機能を有することができる。

この構成によればパイプ部材に加えてタンク部材が二次コイルとしての機能を有するので、一次コイルに交流電流を流すことによってパイプ部材とタンク部材に電磁誘導を生じさせることができる。したがって、パイプ部材とタンク部材に効率的に交流電流(短絡電流)を流すことができる。

上記構成において、前記飽和水蒸気の生成に用いられる水を前記タンク部材に供給する給水管をさらに備えており、前記給水管には前記パイプ部材の一部が巻かれている。

この構成によれば、給水管に巻かれているパイプ部材の一部によって給水管からタンク部材に供給される水が加熱されるので、タンク部材での飽和水蒸気の生成効率を高めることができる。

上記構成において、前記制御部は商用電源の周波数の交流電流を前記一次コイルに流すことができる。

この構成によれば、一次コイルには商用電源の周波数の交流電流を流しており、インバータを用いていないので、過熱水蒸気生成装置を小型化することができる。本発明がインバータを用いなくてもよいのは、誘導加熱でなく、短絡電流を流すことによる発熱を用いて過熱水蒸気を生成するからである。

本発明によれば過熱水蒸気生成装置の小型化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気生成装置の全体構成を示す図である。飽和水蒸気が生成されるタンクの断面と過熱水蒸気が生成されるパイプの一部を示す図である。図２の矢印Ａ−Ａ線に沿ったパイプの断面図である。本実施形態の変形例に係る過熱水蒸気生成装置の全体構成を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１の全体構成を示す図である。図２は飽和水蒸気が生成されるタンク３の断面と過熱水蒸気が生成されるパイプ５の一部を示す図である。図３は図２の矢印Ａ−Ａ線に沿ったパイプ５の断面図である。

過熱水蒸気生成装置１は鉄心７、一次コイル９、タンク３及びパイプ５を備える。鉄心７及び一次コイル９は外鉄形変圧器に用いられるものである。鉄心７はそれぞれ間隔を設けて配置された左脚部１１、中央脚部１３及び右脚部１５を備える。中央脚部１３の上部には一次コイル９が巻かれている。一次コイル９は交流電源１７に接続される。

タンク３はタンク部材の一例であり、鉄心７の中央脚部１３の下部を囲む円環形状を有する。タンク３の上面１９でタンク３は給水管２１とつながっており、飽和水蒸気の生成に用いられる水２３は、給水管２１からタンク３に供給される。タンク３に供給された水２３はタンク３の内部で加熱されて飽和水蒸気が生成される。タンク３の上面１９において、タンク３はパイプ５の一端とつながっており、タンク３の内部で生成された飽和水蒸気はパイプ５へ供給される。

パイプ５は中央脚部１３の中央部において螺旋状に巻かれて、一次コイル９の手前で引き出されている。パイプ５の内部を流れる飽和水蒸気はパイプ５の内部で加熱されて過熱水蒸気が生成される。過熱水蒸気はパイプ５を通り過熱水蒸気の使用箇所へ供給される。

タンク３及びパイプ５は一次コイル９と磁気結合する二次コイルの機能を有する。タンク３及びパイプ５の材料は熱伝導性及び電気伝導性のよい材料(例えば銅、アルミニウム)が用いられる。

パイプ５のうち中央脚部１３から引き出された箇所と、タンク３の下面２５とは、配線２７によって電気的に接続されている。これにより、タンク３とパイプ５が電気的に短絡し、短絡回路が構成されている。

制御部２９は交流電源１７から一次コイル９に流れる交流電流を制御する。また、制御部２９は温度センサ３１，３３からの信号が入力する。温度センサ３１はタンク３に取り付けられており、温度センサ３１からの信号により制御部２９はタンク３の温度を測定する。温度センサ３３はパイプ５に取り付けられており、温度センサ３３からの信号により制御部２９はパイプ５の温度を測定する。制御部２９はＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)及びＲＡＭ(Random Access Memory)等よって構成される。

過熱水蒸気生成装置１の動作について簡単に説明する。パイプ５及びタンク３は一次コイル９と磁気結合する二次コイルとしての機能を有するので、制御部２９により一次コイル９に交流電流を流すと、電磁誘導が生じてパイプ５及びタンク３に交流電流が流れる。パイプ５とタンク３は短絡回路を構成しているので、交流電流は短絡電流としてパイプ５及びタンク３に流れ、ジュール熱によりパイプ５及びタンク３が発熱する。

タンク３が発熱することにより、タンク３の内部の水２３が加熱されて、タンク３の内部で飽和水蒸気が生成される。飽和水蒸気によってタンク３が破裂するのを防止するために、タンク３の内部が水２３で満タンにならないように、制御部２９によって給水管２１からの水２３の供給が調整される。タンク３の内部で生成された飽和水蒸気は上昇してパイプ５の一端からパイプ５の内部に導かれる。パイプ５は短絡電流により発熱しているので、パイプ５の内部を流れる飽和水蒸気はパイプ５により加熱されて過熱水蒸気が生成される。

制御部２９は温度センサ３１を用いて測定されるタンク３の温度及び温度センサ３３を用いて測定されるパイプ５の温度を基にして、タンク３の内部で飽和水蒸気が生成され、かつパイプ５の内部で過熱水蒸気が生成されるように、一次コイル９を流れる交流電流を制御する。

パイプ５の内部で飽和水蒸気よりも温度が高い過熱水蒸気を生成できるのは、パイプ５は螺旋状に形成されているので比較的長く、かつ図２及び図３に示すようにパイプ５の縦断面積はタンク３の縦断面積よりも相当小さいので、単位体積あたりの飽和水蒸気に加える熱エネルギーを大きくすることができるからである。

本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１の主な効果を説明する。

(１)本実施形態によれば、二次コイルとして機能するパイプ５とタンク３を配線２７によって短絡して短絡回路を構成し、一次コイル９に交流電流を流すことによって電磁誘導を生じさせてタンク３及びパイプ５に交流電流を流して、タンク３及びパイプ５に短絡電流を流している。この短絡電流によりタンク３及びパイプ５を発熱させて、タンク３の内部で飽和水蒸気を生成し、この飽和水蒸気をパイプ５に流して過熱水蒸気を生成している。したがって、本実施形態では飽和水蒸気及び過熱水蒸気の生成にそれぞれ用いられる電気系統及び配管系統を共通化することが可能なので、過熱水蒸気生成装置１を小型化することが可能となる。

(２)例えばヒータを発熱体として流体(水、飽和水蒸気)を加熱する場合、ヒータは伝熱面積が比較的小さくかつ流体は温度伝達が比較的遅いので、加熱される流体のうちヒータと接触している流体がヒータの耐熱温度を超えて加熱される問題及びヒータ自身が過度に加熱される問題が生じる。特に流体の流量を低下させれば、そのような問題が顕著となる。これに対して本実施形態によれば、タンク３及びパイプ５に短絡電流を流してタンク３及びパイプ５を発熱させているので、タンク３の全体及びパイプ５の全体が発熱体となる。したがって、タンク３の内面及びパイプ５の内面で流体を加熱するので、ヒータに比べて伝熱面積を大きくすることができ、その結果、加熱効率及び加熱能力を高めることができる。これにより流体や発熱体(タンク３及びパイプ５)が過度に加熱されることを防止できる。また、タンク３の全体及びパイプ５の全体が発熱体となるので、本実施形態によればヒータに比べて出力を大きくすることができる。

(３)本実施形態によれば、円環形状を有するタンク３と螺旋状のパイプ５により二次コイルを構成している。これにより一次コイル９に交流電流を流すことによってパイプ５及びタンク３に電磁誘導を生じさせることができるので、パイプ５及びタンク３に効率的に交流電流(短絡電流)を流すことができる。なお、本実施形態ではタンク３が中央脚部１３を囲む円環形状を有することにより、タンク３を二次コイルの構成要素にしている。しかしながらタンク３が中央脚部１３を囲む構造を有さないことにより、タンク３を二次コイルの構成要素としない態様も可能である。

(４)誘導加熱方式の過熱水蒸気生成装置では商用電源の交流をインバータによって高周波にするので、エネルギー効率が悪くかつインバータが必須となる。これに対して本実施形態によれば、パイプ５及びタンク３に短絡電流を流して、パイプ５及びタンク３を発熱させ、この発熱を用いて過熱水蒸気を生成する。したがって、インバータが不要であり、交流電源１７を商用電源とし、商用電源の周波数の交流電流を一次コイル９に流すだけでよい。このように本実施形態によればインバータが不要なので、過熱水蒸気生成装置１を小型化することができ、かつ製造コストを下げることができる。また、商用電源の周波数の交流電流を一次コイルに流すだけでよいので、誘導加熱方式に比べてエネルギー効率をよくすることができる。

(５)本実施形態によれば、制御部２９が温度センサ３１を用いてタンク３の温度を監視し、かつ温度センサ３３を用いてパイプ５の温度を監視し、これらの監視を基にして一次コイル９に流す交流電流を調整して、タンク３及びパイプ５の温度を制御している。したがって、タンク３及びパイプ５の温度を制御する際に応答性がよいので、タンク３及びパイプ５の温度制御が容易となる。

次に、本実施形態の変形例を説明する。図４は本実施形態の変形例に係る過熱水蒸気生成装置４１の全体構成を示す図であり、図１と対応する。図４に示す過熱水蒸気生成装置４１が図１に示す過熱水蒸気生成装置１と相違する点は、パイプ５の一部が給水管２１に巻かれていることである。詳しくは、パイプ５の一端はタンク３の上面１９においてタンク３とつながっており、パイプ５はタンク３の上面１９において給水管２１に巻き付けられ、それから中央脚部１３に巻き付けられている。

変形例によれば、給水管２１に巻かれているパイプ５の一部は給水予熱器として機能しており、これにより給水管２１に巻かれているパイプ５の一部によって給水管２１からタンク３に供給される水２３が加熱されるので、タンク３での飽和水蒸気の生成効率を高めることができる。

１，４１・・・過熱水蒸気生成装置
３・・・タンク(タンク部材の一例)
５・・・パイプ(パイプ部材の一例)
９・・・一次コイル
２９・・・制御部

Claims

一次コイルと、
前記一次コイルと磁気結合する二次コイルの機能を有しており、短絡電流が流れることにより発熱し、当該発熱によって内部を流れる飽和水蒸気が加熱されて過熱水蒸気が生成される螺旋状のパイプ部材と、
前記パイプ部材に前記飽和水蒸気を供給可能に前記パイプ部材につながっていると共に前記パイプ部材と短絡回路を構成しており、前記短絡電流が流れることにより発熱して前記飽和水蒸気が生成されるタンク部材と、
前記一次コイルに交流電流を流すことによって電磁誘導を生じさせて前記パイプ部材に交流電流を流して、前記パイプ部材及び前記タンク部材に前記短絡電流を流す制御をする制御部と、
前記飽和水蒸気の生成に用いられる水を前記タンク部材に供給する給水管と、を備え、
前記給水管には前記パイプ部材の一部が巻かれている過熱水蒸気生成装置。
前記タンク部材は円環形状を有しており、前記パイプ部材と前記タンク部材は前記二次コイルとしての機能を有する請求項１に記載の過熱水蒸気生成装置。
前記制御部は商用電源の周波数の交流電流を前記一次コイルに流す請求項１又は２に記載の過熱水蒸気生成装置。