JP5691830B2 - Induction heating steam generator - Google Patents
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Description
この発明は、誘導加熱により水を加熱して蒸気、特に過熱蒸気を発生するようにした誘導加熱式蒸気発生装置に関する。 The present invention relates to an induction heating steam generator that heats water by induction heating to generate steam, particularly superheated steam.
誘導加熱式蒸気発生装置は、特許文献1および2等により良く知られている。
Induction heating type steam generators are well known from
このような誘導加熱式蒸気発生装置で得られる蒸気は、水の気体分子と、液体分子の混在した湿り蒸気と言われるものである。このまま使用するとドレンが生じやすい質の悪い蒸気となるので、乾いた良質の蒸気とするためには、蒸気から水分を分離して蒸気を乾燥させる必要がある。 The steam obtained by such an induction heating type steam generator is called wet steam in which water gas molecules and liquid molecules are mixed. If it is used as it is, it becomes a poor quality steam that is likely to generate drainage. Therefore, in order to obtain a dry, high quality steam, it is necessary to separate the moisture from the steam and dry the steam.
このような蒸気の気水分離装置を備えた誘導加熱式蒸気発生装置としては、特許文献3および4に示されるものが知られている。 As an induction heating type steam generator equipped with such a steam / water separator for steam, those shown in Patent Documents 3 and 4 are known.
特許文献3に記載された蒸気発生装置は、外部に蒸気の気水分離手段を備えるものであるが、特許文献4に記載の蒸気発生装置は、内部に蒸気の気水分離手段を備えるように改良されている。 The steam generator described in Patent Document 3 is provided with a steam / water separation means on the outside, but the steam generation device described in Patent Document 4 is provided with a steam / water separation means on the inside. It has been improved.
図9に特許文献4に記載された従来の誘導加熱式蒸気発生装置の構成を示す。 FIG. 9 shows the configuration of a conventional induction heating steam generator described in Patent Document 4.
この図9に示す従来の誘導加熱式蒸気発生装置1は、加熱容器10、誘導加熱コイル20、シールドコイル30を備えている。加熱容器10は、上下に配置された、非磁性の例えばステンレス鋼などの金属で形成した蓋体により構成した蒸気ヘッダ16および給水ヘッダ17と、それぞれ内部に磁性の導電材小片で構成された発熱体13を多数充填したセラミックスやガラス等の非金属の耐熱材製細管で構成された複数の加熱管15とにより構成されている。複数の加熱管15は上下両端をステンレス鋼等の非磁性金属で形成されたフランジ18、19により気密的に結合、支持されている。蒸気ヘッダ16および給水ヘッダ17はそれぞれフランジ18および19に気密的に接合され、加熱容器10全体が気密に構成される。また、加熱管15の全体の外周に非導電性耐熱材で構成した断熱容器10aを設け、この容器内の加熱管相互間の空所および加熱管と断熱容器の間の空所に断熱材10bを充填している。
The conventional induction
給水源から給水管41を通して給水ヘッダ17へ水Wを給水し、加熱容器10の加熱管15に貯水し、加熱コイル20に高周波の加熱電力を供給すると、加熱管15内の発熱体13が電磁的に誘導加熱されて発熱し、この熱によって加熱管15内の水が加熱されて蒸気を発生する。加熱管15内で発生した蒸気は管内を上昇して、管の上端の開口15aから加熱容器10の上部の蒸気ヘッダ16内に吐き出される。
When water W is supplied from the water supply source to the
各加熱管15から蒸気ヘッダ16内に吐き出される蒸気がこの中を一定方向の旋回流となって流れるように、この吐き出し蒸気の流れを案内する案内体9を蒸気ヘッダ16内の各加熱管15の上端の蒸気出口付近にそれぞれ設けることによって、蒸気ヘッダ16に蒸気の気液分離機能を持たせている。すなわち、加熱管15から垂直に吐き出された蒸気Sは案内体9の傾斜した上面板によりその傾斜角度に折り曲げられて斜め上方向に向けられ、そして案内体9の囲い壁によって前面の開口の向けられた方向、すなわち、ほぼ蒸気ヘッダ16の周壁aの内周の接線方向に吐き出される。これにより、加熱管15から蒸気ヘッダ16に吐き出された蒸気Sは、蒸気ヘッダ16内で、例えば時計回り方向に旋回して流れ、蒸気ヘッダ16の案内体9より上方の空間内に蒸気の旋回流が形成される。このように、蒸気Sが蒸気ヘッダ16内の上方で旋回して流れる過程で蒸気に作用する遠心力により、水分を含む湿り蒸気S中の水分と気体分が分離され、水分は重力により落下して加熱管15に戻されるので、蒸気ヘッダ16内には水分の除去された乾燥した蒸気が残る。
Each of the
この水分の除去された乾燥した蒸気Sは蒸気ヘッダ16に設けられた蒸気取出口16bに結合された蒸気取出管14から取り出され、加熱コイル20およびシールドコイル30のコイル導体の冷却水通路へ供給され、ここを流れる過程で各コイル導体のジュール熱により再加熱されて過熱蒸気S´として、過熱蒸気取出管62から取り出される。この過熱蒸気S´は、湿り気の除かれた乾燥した蒸気Sを過熱したものであるので、乾燥した良質の過熱蒸気となる。
The dried steam S from which moisture has been removed is taken out from a
このような従来の誘導加熱式蒸気発生装置は、加熱容器の蒸気ヘッダに乾燥した蒸気を取り出すために気液分離機能を持たせているので、装置を小形にすることができる利点を有する。 Such a conventional induction heating type steam generator has an advantage that the apparatus can be miniaturized because the steam header of the heating container has a gas-liquid separation function for taking out the dry steam.
その一方で、蒸気を発生する加熱管がセラミックやガラスの非金属細管に磁性金属片からなる発熱体を充填して構成されるため、加熱管を金属製の給水ヘッダや蒸気ヘッダに溶接により接合することができない。このため、加熱管と給水ヘッダおよび蒸気ヘッダとの結合部分を高温、高圧に耐えるパッキン材によりシールする必要があることから、結合構造が複雑になり、製造コストが高くなるだけでなく、パッキン材の頻繁な交換が必要となりシール部分のメンテナンスに手間を要する不都合がある。 On the other hand, since the heating tube that generates steam is configured by filling a ceramic or glass non-metallic thin tube with a heating element made of a magnetic metal piece, the heating tube is joined to a metal water supply header or steam header by welding. Can not do it. For this reason, it is necessary to seal the joint portion between the heating pipe and the water supply header and steam header with a packing material that can withstand high temperatures and high pressures. Therefore, there is an inconvenience that the maintenance of the seal portion is troublesome.
この発明は、このような不都合を解決して、蒸気を発生する加熱管と給水ヘッダおよび蒸気ヘッダとを溶接接合できるようにして、製造工ストが安価で、メンテナンスの手間がかからない、水分を含まない良質の乾いた過熱蒸気を供給することのできる誘導加熱式蒸気発生装置を提供することを課題とするものである。 The present invention solves such inconvenience and enables welding of the heating pipe that generates steam, the water supply header, and the steam header so that the manufacturing cost is low and maintenance is not required. It is an object of the present invention to provide an induction heating steam generator capable of supplying high quality dry superheated steam.
このような課題を解決するため、この発明は、内部に通水される複数の加熱管と、この複数の加熱管の下端にこれらと連通して結合され、加熱管へ給水を行う給水ヘッダと、前記複数の加熱管の上端にこれらと連通して結合され、各加熱管で発生される蒸気を集めて取り出す蒸気ヘッダと、前記複数の加熱管を外側から取り囲んで電磁誘導加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルの外側にこれを取り囲んで配置され、導加熱コイルから漏洩する磁束を遮蔽するとともに、内部に前記蒸気ヘッダから取り出された蒸気を通流させ、これを加熱するシールドコイルとを備えた誘導加熱式蒸気発生装置において、前記複数の加熱管をそれぞれ磁性の導電性金属管により形成するとともに、前記蒸気ヘッダを外周が円形の金属製密閉容器により構成し、前記複数の加熱管の少なくとも前記蒸気ヘッダの円形の外周に結合される加熱管の上端を、前記加熱管からこの蒸気ヘッダ内に吐き出された蒸気がこの中を一定方向の旋回流を形成するように前記加熱管から前記蒸気ヘッダへ蒸気が前記蒸気ヘッダの半径方向に対して同じ方向に傾斜して吐き出される向きにして溶接により接合して前記加熱管と前記蒸気ヘッダとを気密的に連通結合したことを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention includes a plurality of heating pipes that are internally passed, and a water supply header that is connected to and connected to the lower ends of the plurality of heating pipes to supply water to the heating pipes. A steam header coupled to and connected to the upper ends of the plurality of heating tubes to collect and take out the steam generated in each heating tube; and an induction heating coil that surrounds the plurality of heating tubes from the outside and performs electromagnetic induction heating And a shield coil that is disposed outside the induction heating coil so as to surround it, shields the magnetic flux leaking from the conductive heating coil, and allows the steam taken out from the steam header to flow inside and heats it. The plurality of heating pipes are each formed of a magnetic conductive metal pipe, and the steam header is formed of a metal sealed container having a circular outer periphery. The upper end of the heating pipe coupled to at least the circular outer circumference of the steam header of the plurality of heating pipes is configured so that the steam discharged from the heating pipe into the steam header has a swirl flow in a certain direction. The heating pipe and the steam header are hermetically sealed by welding in a direction in which steam is discharged from the heating pipe to the steam header in the same direction with respect to the radial direction of the steam header. It is characterized by being connected in communication.
この発明においては、前記複数の加熱管の下端を、フレキシブル管を介して前記給水ヘッダに結合することができる。 In this invention, the lower end of the plurality of heating pipes can be coupled to the water supply header via a flexible pipe.
また、この発明においては、前記シールドコイルの上端および下端は、前記誘導加熱コイルの上端および下端とほぼ同じ高さとするのがよい。そして、その際、シールドコイルの巻き数を偶数とする。 In the present invention, it is preferable that the upper end and the lower end of the shield coil have substantially the same height as the upper end and the lower end of the induction heating coil. At that time, the number of turns of the shield coil is an even number.
この発明によれば、誘導加熱式蒸気発生装置において、複数の加熱管を磁性の導電性金属管で構成するので、加熱管を上下に配置した給水ヘッダおよび蒸気ヘッダに溶接接合することができるので、加熱管の両ヘッダとの結合部にシールを施す必要がなく、係合構造が簡単になるだけでなく、シールのメンテナンスも不要となるので、メンテナンスを手間を著しく省くことができる。そして、加熱管で発生される蒸気を集めて取り出すための蒸気ヘッダに加熱管を、蒸気ヘッダの半径方向に対して同一方向に傾斜して吐き出される向きにして溶接接合することによって蒸気ヘッダに蒸気の気水分離機能を持たせているので、従来必要とした気水分離用の蒸気ドラムが不要となることにより、装置を小形とすることができる効果が得られる。蒸気ヘッダで分離された水分は、そのまま落下して、加熱容器の各加熱管に戻され、再加熱されて蒸気となる。 According to this invention, in the induction heating type steam generator, since the plurality of heating pipes are formed of magnetic conductive metal pipes, the heating pipes can be welded and joined to the water supply header and the steam header arranged vertically. In addition, it is not necessary to provide a seal at the joint between the header and the header of the heating tube, which not only simplifies the engagement structure, but also eliminates the need for maintenance of the seal. Then, the steam pipe is collected on the steam header for collecting and taking out the steam, and the steam pipe is welded to the steam header by welding and joining the steam pipe in the same direction with respect to the radial direction of the steam header. Therefore, since the steam drum for separating air and water which is conventionally required is not necessary, the apparatus can be reduced in size. The water separated by the steam header falls as it is, is returned to each heating tube of the heating container, and is reheated to become steam.
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the embodiments shown in the drawings.
図1ないし図6は、この発明の実施例1による誘導加熱式蒸気発生装置を示す。
1 to 6 show an induction heating steam generator according to
この実施例1の誘導加熱式蒸気発生装置1の加熱容器10は、磁性の導電性金属、例えばSUS430又は440のような磁性ステンレス鋼製の金属管で形成した複数の加熱管11と、この加熱管11の上端に連通結合され、加熱管11で発生された蒸気を集める蒸気ヘッダ12と、加熱管11の下端に連通結合され、この加熱管11へ水を供給する給水ヘッダ17とを備える。
A
蒸気ヘッダ12は、ここでは、非磁性ステンレス鋼のような材質の金属管を、外周が円形となるように円形に成形してドーナツ状の密閉容器としている(図2参照)。給水ヘッダ17は、箱状の密閉容器であれば、外形は、円形でも、矩形でもよいがここでは矩形としている。
Here, the
加熱管11は、ドーナツ状の蒸気ヘッダ12の形状と近似させて、複数の管をその外側と内側に分けて2重の環状に配としている(図2参照)。そして、加熱管の11の各管の上端は、図3に示すように、ドーナツ状の蒸気ヘッダ12の円形の外周壁および内周壁にこれを貫通して溶接により機密的に結合されている。そして、加熱管11の各管は、蒸気ヘッダ12の外周壁および内周壁に蒸気ヘッダの半径方向に対して一定の方向に傾斜して結合し、加熱管11の各管から蒸気ヘッダ12内に吐き出される蒸気が蒸気ヘッダの半径方向に対して同じ方向に傾斜して吐き出されるようにしている。これにより、この加熱管11から蒸気ヘッダ12内に吐き出される蒸気がこの中で旋回流を形成するようになる。加熱管11と蒸気ヘッダ12とは、溶接により結合されるため、結合部分のシールが不要となり結合構造が簡単となる。
The
加熱管11の下端は、直接、給水ヘッダ17にこれに連通するように結合してもよいが、組み立てを容易にするため、および加熱管11自身の熱膨張による応力を緩和するために、フレキブルチューブとして市販されている可撓性金属管11cを介して給水ヘッダ17に結合するのがよい。
The lower end of the
加熱容器10の複数の加熱管11の外側にこれを取り囲んで誘導加熱コイル20を配置し、さらに、この誘導加熱コイル20の外側にこれ取り囲んで、誘導加熱コイル20から漏洩する磁束を遮蔽するためのシールドコイル30を配置している。
In order to shield the magnetic flux leaking from the
誘導加熱コイル20は、低抵抗の銅等の導電材で形成された内部に冷却水流通路を有する管状導体を所要ターン円筒状に巻回して構成されている。
The
また、シールドコイル30も1本の内部に冷却水通流路を備えた管状導体31を複数ターン(ここでは6ターン)巻回して円筒状に構成され、図5に示すように各ターン間の導体を電気導体で形成された短絡板32により短絡接続することにより、各ターンが独立した電気的に閉回路を構成する。シールドコイル30のうち、径の大きいターンの上端および下端は、ほぼ誘導加熱コイル20の上端および下端の位置におかれ、各ターンの導体は相互に適宜の間隔離されている。
Further, the
このように構成された蒸気発生装置1おける給水系統および蒸気取り出し系統は図6に示すように構成されている。
The water supply system and the steam extraction system in the
すなわち、リザーバタンク71が設けられ、ここに水道や純水装置等から供給される水Wが一旦に貯留される。このリザーバタンク71に貯留された水Wは、実線矢印で示すように、給水口71aから給水ポンプ72により配管を通して誘導加熱コイル20の冷却水入口20aに供給される。誘導加熱コイル20に供給された水Wは、コイル導体内の冷却水通流路を通流してこのコイル導体を冷却する過程で予備加熱されて、誘導加熱コイル20の冷却水出口20bら配管を介して給水ヘッダ17の給水口17aに供給される。
That is, a
給水ヘッダ17と蒸気ヘッダ12とは、複数の加熱管11を介して連通される。
The
蒸気ヘッダ12に貯留されて蒸気Sは、点線矢印で示すように、上端の蒸気出口12cから配管14を介してシールドコイル30の冷却水入口30aに供給される。この蒸気は、シールドコイル30のコイル導体内の冷却水通流路を通流してコイル導体を冷却する過程で、加熱され、過熱蒸気となってシールドコイル30の蒸気出口30bから蒸気取出管62へ送られ、ここから、さらに図示しない配管を通して蒸気の使用場所へ送られる。
The steam S stored in the
さらに、給水ヘッダ17と蒸気ヘッダ12には、これらが連通されるように、透明の耐熱管で構成された水位検出管73が連結されている。水位検出管73内の水位は加熱管11内の水位と同じレベルを示すので、この検出管73の設定された水位Lの位置に光電的に水位を検出する水位検出器74を対向配置して、加熱容器10内の水位を検知するようにしている。この水位検出器74の検出信号によりポンプ72の運転を制御することにより、加熱容器10内の水位が常に設定された一定の水位に保たれるように調節を行っている。
Further, the
このような誘導加熱蒸気発生装置1により蒸気を発生するには、まず、リザーバタンク71からポンプ72により給水し、給水ヘッダ17および加熱管11に予め設定した水位Lとなるまで水Wを貯留し、次いで、誘導加熱コイル20に図示しない高周波交流電源から高周波の加熱電力の供給を開始する。
In order to generate steam by such an induction
これにより、加熱管11が誘導加熱コイル20の発生する高周波磁界により電磁的に誘導加熱され、この熱によって加熱管11内の水が加熱されて蒸気が発生する。加熱管11内で発生した蒸気は管内を上昇して、管の上端の開口11aから加熱容器10の上部の蒸気ヘッダ12内に吐き出される。
As a result, the
加熱管11から蒸気ヘッダ12内へ吐き出される蒸気Sは、加熱管11の上端が蒸気ヘッダの内外周壁に一定角度傾斜して結合されているので、図4に点線矢印で示すように加熱管11の開口11aから蒸気ヘッダ12の内外周壁の半径方向に対して傾斜して吐き出される。このため、加熱管か11ら吐き出された蒸気は、蒸気ヘッダ12内を、内外周壁12aおよび12bに沿って、反時計方向に旋回して流れ、蒸気ヘッダ12内に蒸気の旋回流が形成される。このように、蒸気Sが蒸気ヘッダ12内を旋回して流れる過程で蒸気に作用する遠心力により、水分を含む湿り蒸気S中の水分と気体分が分離され、水分は重力により落下し、加熱管11に戻されるので、蒸気ヘッダ11内には水分の除去された乾燥した蒸気が残る。
The steam S discharged from the
この水分の除去された乾燥した蒸気Sは蒸気ヘッダ12に設けられた蒸気取出口12cに結合された蒸気取出管14から取り出され、シールドコイル30のコイル導体の冷却水通路へ供給され、ここを流れるコイル導体を冷却する過程で各コイル導体のジュール熱により再加熱されて過熱蒸気S´となり、過熱蒸気取出管62から取り出される。この過熱蒸気S´は、湿り気の除かれた乾燥した蒸気Sを過熱したものであるので、乾燥して良質の過熱蒸気となる。
The dried steam S from which moisture has been removed is taken out from the
なお、この発明おいて、シールドコイル30は、誘導加熱コイル20から漏洩する磁束を遮蔽して漏洩を防止する働き以外にも、加熱容器10で発生された蒸気を再加熱して過熱蒸気を発生する働きをするので、300℃以上の高温となるので、大きな熱応力を受ける。特に、誘導加熱コイル20の軸方向の中央部で漏洩磁束密度が高くなるので、この部分に配置されたシールドコイル導体はより高温となった、大きな熱応力を受ける。
In this invention, the
シールドコイル30の巻き数を偶数にして、各巻回(ターン)導体の間隔をほぼ均等な間隔とするようにし、誘導加熱コイル20の軸方向の中央部付近へのシールドコイル30の配置を避けるようにすると、各閉回路を構成する導体が、均等に発熱し、ほぼ均等な熱応力を受けるようにするようになる。
The number of turns of the
図7に、この発明の実施例2よる誘導加熱式蒸気発生装置1の加熱容器10の要部の構成を示す。
In FIG. 7, the structure of the principal part of the
この実施例2は、加熱容器10の加熱管11と蒸気ヘッダ12との結合部分を変形したものである。外側に配列された加熱管11は、実施例1におけるように、蒸気ヘッダ12の外周壁12aに傾斜して結合するが、内側に配列した加熱管11´は、蒸気ヘッダ12の底部に垂直に結合している。
In the second embodiment, a joint portion between the
蒸気ヘッダ12に傾斜しないで垂直に加熱管を結合した場合は、蒸気ヘッダに12の加熱管を結合する穴の穴あけ加工が斜めにあける場合に比して容易となる。
When the heating pipe is coupled vertically to the
蒸気ヘッダ12に垂直に結合した加熱管11´から蒸気ヘッダ12内吐き出される蒸気は、旋回流とならないが、傾斜して結合された外側の加熱管11から吐き出された蒸気の旋回流と一緒に旋回することになり、蒸気ヘッダ12内の全部の蒸気がこの中を旋回することになる。
The steam discharged into the
このため、実施例2の加熱容器10の蒸気ヘッダ12においても、蒸気の気液分離機能は発揮される。
For this reason, also in the
図8に、この発明の実施例3よる誘導加熱式蒸気発生装置1の加熱容器10の要部の構成を示す。
In FIG. 8, the structure of the principal part of the
この実施例3は、蒸気ヘッダの形状を変換したものである。前記実施例1および2においては、蒸気ヘッダ12は、ドーナツ状の密閉容器で構成されているが、実施例3の蒸気ヘッダ12´は、図8(a)、(b)に示すように、外周が円形の密閉された筐体状容器で構成されている。
In the third embodiment, the shape of the steam header is converted. In the first and second embodiments, the
この蒸気ヘッダ12´の外周壁12´aには、加熱管11から蒸気が蒸気ヘッダ12´内に斜めに吐き出されてこの中に一定方向の旋回流が形成されるように、実施例1および2の場合と同様に、外側に配列された加熱管11を傾斜して結合している。内側に配列した加熱管11´は、蒸気ヘッダ12の底部に垂直に結合する。
In the outer
この実施例3の蒸気ヘッダ12´においても、実施例2の蒸気ヘッダ12と同様に、加熱管から吐き出された蒸気が一定方向の旋回流を形成し、この旋回流による遠心力により湿った蒸気から水分の分離が行なわれ、乾燥した蒸気を発生することができる。
Also in the steam header 12 'of the third embodiment, as with the
1 誘導加熱式蒸気発生装置
10 加熱容器
11、11´ 加熱管
12、12´ 蒸気ヘッダ
17 給水ヘッダ
20 誘導加熱コイル
30 シールドコイル
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Claims (4)
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