JP6217203B2

JP6217203B2 - 過熱水蒸気発生装置

Info

Publication number: JP6217203B2
Application number: JP2013148635A
Authority: JP
Inventors: 満藤田; 悠理丸田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: JP2015021647A

Description

この発明は、水を誘導加熱により加熱して水蒸気、特に過熱水蒸気を発生するようにした過熱水蒸気発生装置に関する。

誘導加熱による過熱水蒸気発生装置は特許文献１、特許文献２等により従来から知られている。

図３に特許文献１に記載された従来の過熱水蒸気発生装置の構成を示す。

図３において、過熱水蒸気発生装置１００は、導電性の中空の金属管１１１を垂直方向にスパイラル状に巻回して構成した加熱管１１０を備える。この加熱管１１０の金属管１１１の各ターン間、又は少なくとも金属管１１の巻始め端と巻終り端間が接続部材１１５によって電気的に接続され、加熱管１１０が全体として電気的な閉回路を構成している。また、加熱管１１０は、金属管１１１の中空路が連続した流体通路１１２を形成する。加熱管１１０は、断熱材１１８の充填された断熱容器１１９内に収容される。断熱材１１８および断熱容器１１９は何れも非磁性でかつ非導電性の耐熱材料で構成される。

断熱容器１１９の外周にはこれを取り囲んで、冷却水通路１２２を備えたコイル導体１２１を所要回数スパイラル状に巻回して円筒状に構成した誘導加熱コイル１２０が配設される。この誘導加熱コイル１２０は、これに接続され交流電源１４０により付勢され、交流磁界を発生して内部の加熱管１１０を誘導加熱する。

さらにこの誘導加熱コイル１２０の外側に、誘導加熱コイル１２０で発生される高周波磁界が外部へ漏洩するのを防止するために、複数個（ここでは４個）のリングコイル１３１〜１３４で構成した磁気シールドコイル１３０が配置されている。

そして、誘導加熱コイル１２０の冷却水通路１２２の始端にコイル導体１２１と電気的に絶縁して外部から給水する給水管１１３を接続し、冷却水通路の終端を同様に絶縁して接続管１２６を介して加熱管１１０の始端に接続することにより誘導加熱コイル１２０の冷却水通路１２２と加熱管１１０の流体通路１１２とを連通する。

さらに、磁気シードコイル１３０の４個のリング状に閉じられたリングコイル１３１〜１３４は、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示すように構成されている。図４には代表してリングコイル１３１の構成を示す。

リングコイル１３１は、内部に中空の冷却水通路１３１ｂを有する管状導体１３１ａを円形に湾曲して両端を結合することにより円形のリングに構成されている。導体１３１ａ内の冷却水通路１３１ｂも導体１３１ａがリングになっている関係で閉ループの冷却水通路となるが、このリング状の冷却水通路１３１ｂの接合箇所に仕切片１３１ｃを挿入することにより冷却水通路のループは遮断されている。このようなリングコイル１３１の冷却水通路１３１ｂの両端付近に、それぞれ冷却水通路１３１ｂに連通する口出し管１３１ｄおよび１３１ｅが設けられる。なお、リングコイル１３２〜１３４もリングコイル１３１と同様の構成である。

リングコイル１３１〜１３４のそれぞれの口出し管を図３に示すように接続管１３５〜１３７により順次電気的に絶縁して縦続接続することにより、各リングコイル内の冷却水通路１３１ｂ〜１３４ｂを直列に接続する。

加熱管１１０の流体通路１２の終端(出口側端)を、接続管１２７を介して電気的に絶縁して磁気シールドコイル１３０の最上段のリングコイル１３１の入口側の口出し管１３１ｄに接続することにより、加熱管１１０の流体通路１１２が磁気シールドコイル１３０の冷却水通路に連通接続される。シールドコイル１３０の最下段のリングコイル１３４の出口側口出し管１３４ｅには蒸気を取り出すための蒸気管１１４が接続される。

このように構成した従来の過熱水蒸気発生装置１００においては、加熱管１１０の流体通路１１２の入口側に誘導加熱コイル１２０の冷却水通路１２２が、そして出口側に磁気シールドコイル１３０の冷却水通路が接続され、全部の冷却水通路および流体通路が直列に接続される。

このため、給水管１１３から供給される水は、誘導加熱コイル１２０−加熱管１１０−磁気シールドコイル１３０の順に直列に通流する。

通常の運転において、誘導加熱コイル１２０を交流電源により付勢すると、誘導加熱コイル１２０は自身に流れる電流により発熱する。また、磁気シールドコイル１３０は、誘導加熱コイル１２０で発生された交流磁界により各リングコイル１３１に誘導される電流により発生される磁界により誘導加熱コイル１２０から外部へ漏洩する磁界を打ち消し、外部への磁界の漏洩を抑制するものであるが、磁気シールドコイル１３０もこのとき流れる電流により発熱する。このような誘導加熱コイル１２０および磁気シールドコイル１３０が自身の発生熱により過熱されるのを防止するために冷却水通路に冷却水を通流して冷却するのであるが、これまでは冷却水により吸収された熱は損失として放出されていた。

しかし、この従来の過熱水蒸気発生装置１００においては、給水管１１３から供給される水は誘導加熱コイル１２０を通して加熱管１１０へ供給されるため、誘導加熱コイル１２０を通過する過程でこれを冷却することにより予熱された水を加熱管１１０で加熱して水蒸気を発生するため、誘導加熱コイル１２０の損失熱を回収することができ、蒸気発生装置の熱効率を高めることができる。

また、加熱管１１０の終端の出口は接続管１２７を介して磁気シールドコイル１３０の冷却水通路に接続されているので、加熱管１１０で発生された水蒸気を、磁気シールドコイル１３０の冷却水通路を通して蒸気管１１４から取り出すことができる。加熱管１１０で発生された水蒸気を磁気シールドコイル１３０の冷却水通路を通過する過程で、磁気シールドコイル１３０の発生する熱で再加熱して過熱水蒸気とすることができるので、過熱水蒸気を効率よく発生することができる。

特開２０１１-１２２８０４号公報特開２００７-１７８０８９号公報

前記したように従来の過熱水蒸気発生装置は、効率よく過熱水蒸気を発生することができるが、加熱管１１０で発生された蒸気を再加熱して過熱水蒸気を発生する磁気シールドコイル１３０は、誘導加熱コイル１２０で発生された磁束の外部への漏洩を防止するために設けられたものであるため、誘導加熱コイルへ１２０に供給する電流を変えると発生磁束量が変化し、これに伴って、加熱管１１０で発生される飽和蒸気量、磁気シールドコイル１３０の発熱量が変化するため、出口の過熱水蒸気の温度は、大まかな調節はできるが、高範囲に精度よく調節することができないため、種々の温度が要求される食材加熱の用途には対応できない問題がある。

この発明は、このような問題点を解消するため、発生する過熱水蒸気の温度を広範囲に細かに応答よく調節できる過熱水蒸気発生装置を提供することを課題とするものである。

この発明は、前記の課題を解決するため、導電性金属材で構成され、内部に水を貯留する加熱容器と、この加熱容器の外周に配置され、この加熱容器を誘導加熱して内部の水を加熱して水蒸気を発生する第１誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルの外周に配置された第１磁気遮蔽体とで飽和蒸気発生部を構成し、内部の流体流通路に前記飽和蒸気発生部で発生された水蒸気を通流する導電性金属管をスパイラル状に巻回して筒状に構成され、前記第１磁気遮蔽体の外周に配置された加熱管と、この加熱管の外周に配置され、この加熱管を誘導加熱して内部の水蒸気を再加熱して過熱水蒸気を発生する第２の誘導加熱コイルとで過熱水蒸気発生部を構成することを特徴とするものである。

また、この発明においては、前記第１および第２の誘導加熱コイルに各別に高周波の交流電力を供給して蒸気の発生を行うのがよい。

この発明においては、前記加熱容器は、容器の下部から水を供給し、上部から水蒸気を取り出すように構成し、容器の上部に複数の傾斜した邪魔板を設け、水蒸気の気液の分離を行うことができる。この邪魔板は、多数の貫通孔が分散形成された多孔板とするのがよい。

この発明によれば、飽和水蒸気を再加熱して過熱水蒸気を発生する過熱水蒸気発生部の加熱管を、導電性金属管をソレノイド状に巻回して筒状に構成することにより水蒸気の加熱面積を大きくすることができるので、発生する過熱水蒸気の温度を高範囲にかつ高精度で制御することができる。また、飽和水蒸気を発生する加熱容器と過熱水蒸気を発生する加熱管とを各別の誘導加熱コイルにより誘導加熱するので、飽和水蒸気量および過熱水蒸気温度を高精度に制御することができ、種々の食材の加熱に幅広く利用が可能となる。

この発明の過熱水蒸気発生装置の実施例の構成を模式的に示す縦断面図である。この発明の過熱水蒸気発生装置に使用する加熱容器の実施例を示す部分断面図である。従来の過熱水蒸気発生装置の構成を示す部分断面を含む立面図である。従来の過熱水蒸気発生装置に使用する磁気シールドコイルの構成を示すもので、（ａ）は斜視図。（ｂ）は平面図である。

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。

図１は、この発明の第１の実施例による過熱水蒸気発生装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

図１において、１は過熱水蒸気発生装置であり、給水管３１から供給された水Ｗを所定の水位に貯留する加熱容器１１とこの加熱容器１１を誘導加熱して容器１１内の水を加熱して飽和水蒸気Ｓを発生する第１誘導加熱コイル１２とで構成された飽和水蒸気発生部１０を備える。加熱容器１１は、導電性金属材、例えばステンレス鋼によって密閉された筒状容器を構成する。加熱容器１１の底部には、外部の給水源から水Ｗを供給する給水管３１が連通結合され、天部に容器内部で発生された水蒸気Ｓを送る蒸気管３２の一端が連通結合ざれる。加熱容器１１の外周は、断熱性の高い非導電性の耐熱材料、例えば耐熱セメントで形成された断熱層１３で覆われ、加熱容器１１から外部への放熱が遮断される。誘導加熱コイル１２は、コイル導体を加熱容器１１の外周を取り囲んでスパイラル状に巻回して筒状に形成されている。誘導加熱コイル１２は、コイル導体として内部に冷却流体を通流するための通流路の形成された中空の管状導体を使用することにより、冷却流体により冷却する構成とすることができる。

誘導加熱コイル１２によって発生された磁束が外部へ漏れるのを防止するため、この誘導加熱コイル１２の外周には、これを取り囲むように第１磁気遮蔽体１４を配置する。この磁気遮蔽体１４は、誘導電流が流れないように酸化鉄焼結体(フェライト)や珪素鋼鈑の積層体のような高抵抗の磁性材によって筒状に形成する。

さらに、この第１磁気遮蔽体１４の外周に、内部に中空の流体流通路を有する導電性金属管、例えばステンレス鋼管をスパイラル状に巻回して筒状に形成し、内部の流体流通路に水蒸気の通流される加熱管２１が配置される。この加熱管２１は、各ターン間または少なくとも巻始め端と巻終わり端間が電気的に接続されて、１つ以上の閉ループの電気回路を形成する。

また、加熱管２１は、断熱性の高い非導電性の耐熱材料、例えば耐火セメントで形成された断熱層２３により包み込まれて、外部への放熱を遮断する構成となっている。断熱層２３によって包み込まれた加熱管２１の外周に、コイル導体をスパイラル状に巻回して筒状に構成した第２誘導加熱コイル２２を配置し、その外側に第１磁気遮蔽体１３と同様に高抵抗性の磁性材で筒状に形成した第２磁気遮蔽体２４を配置している。これらの加熱管２１、第２誘導加熱コイル２２、第２磁気遮蔽体２４によって過熱水蒸気発生部２０を構成する。第２誘導加熱コイル２２は、第１誘導加熱コイル１２と同様にコイル導体として前記の内部に冷却流体の通流路の形成された中空の管状導体を使用し、冷却流体による冷却する構成を採用することができる
一端が蒸気発生部１０の加熱容器１１の天部に連通結合された蒸気管３２の他端を過熱水蒸気発生部２０の蒸気加熱管２１の下端の巻終わり部に連通結合する。これにより、蒸気管３２により加熱容器１１と加熱管２１とが連通される。加熱管２１の上端の巻終わり端には外部へ過熱水蒸気を取り出す蒸気取出管３３が結合される。

このように構成されたこの発明の過熱水蒸気発生装置１の動作を説明する。

外部の給水源から給水管３１を通して供給される水Ｗを加熱容器１１内に所定の水位まで貯留してから、第１および第２誘導加熱コイル１２および２２にそれぞれ独立して制御可能な高周波の交流電源から、例えば１０〜３０ｋＨｚ程度の高周波電力を供給する。このように高周波電力が供給されることにより、それぞれ誘導加熱コイル１２および２２から高周波の交流磁界が発生される。

第１誘導加熱コイル１２によって発生された高周波磁界によって、筒状容器で構成された加熱容器１１の容器壁に誘導電流が流れ、容器壁がこの誘導電流によるジュール熱によって発熱する。ジュール熱によって発熱した加熱容器１１によってこれに貯留された水Ｗが加熱されて飽和水蒸気(水分を含む水蒸気)Ｓが発生され、加熱容器の上部空間に貯留される。これにより加熱容器１１内の圧力が高められるので、容器１１内に貯留された飽和水蒸気Ｓは、蒸気管３２を通して加熱管２１に送られる。加熱容器１１から加熱管２１に送られる水蒸気の量は、第１誘導加熱コイル１２に供給する高周波電力を制御することによって調節することができる。

加熱容器１１を誘導加熱するために第１誘導加熱コイル１２によって発生された高周波磁界により外部へ漏れる磁束は、第１誘導加熱コイル１２の外周に設けられた筒状の磁気遮蔽体１４によって吸収されて、外部への漏洩が防止されるので、この第１誘導加熱コイル１１により発生された磁界は、その外側に配置された加熱管２１に影響を与えることがない。

そして、第２誘導加熱コイル２２によって発生された高周波磁界により、加熱管２１に誘導電流が発生される。この誘導電流により、加熱管２１がジュール熱を発生して発熱し、加熱容器１１から供給された水蒸気Ｓが管内流路を通流する過程で、この熱により再加熱されて過熱水蒸気ＳＨが発生される。この加熱管２１で発生された過熱水蒸気ＳＨは、蒸気取出管３３から取り出され、蒸気を使用する負荷に供給される。

第２誘導加熱コイル２２によって発生された磁界による外部へ漏洩する磁束は、このコイル２２の外周に配置された筒状の磁気遮蔽体２４によって吸収され、外部への漏洩が防止されるので、外部への影響を抑止することができる。また、第１誘導加熱コイル１１側への漏洩は、第１磁気遮蔽体１３によって阻止されるので、第２誘導加熱コイル２２による磁界が加熱容器１１および第１誘導加熱コイル１２へ影響を与えることも抑止される。

第２誘導加熱コイル２２へ供給される高周波交流電力は、第１誘導加熱コイル１２へ供給される高周波交流電力に影響されることなく、独立して制御可能であるので、第２誘導加熱コイル２２へ供給する高周波電力を制御することによって発生する過熱水蒸気ＳＨの温度を自由に調節することができる。この発明では、特に、加熱管２１は、導電性金属管をスパイラル状に多数回巻回して筒状に構成しているので、内部を通流する水蒸気に対する加熱管２１の加熱面積が拡大されることにより、加熱効率が高くなり、誘導加熱コイル２１へ供給する高周波電力の制御に過熱水蒸気の温度が高速で応答し、過熱水蒸気の温度を１００〜３００℃の範囲で任意の温度に精度よく調節することができる。

この発明によれば、第１誘導加熱コイル１２へ供給電力と、第２誘導加熱コイルへ供給電力を個別に制御することにより飽和水蒸気の発生量と過熱水蒸気の温度を個別に細かく調整することができる。

図２にこの発明の第２の実施例として、加熱容器１１の変形例を示す。

この実施例は、発生された水蒸気の貯留空間となる加熱容器１１の上部空間に水蒸気の流れを邪魔するために複数の邪魔板１５を設けたものである。各邪魔板１５は、基端がそれぞれ加熱容器１１の左右の対向する側壁に交互に少し位置をずらして結合され、先端が上方へ上昇する方向に所定角度で傾斜され、互いに間隔をおいてジグザグ状に配置される。

この各邪魔板１５は、少なくとも基端部に水滴の流下する貫通孔の設けられた平板、または全面に複数の貫通孔が分散して設けられた多孔板や金属網で形成された網板で構成することができる。

このように加熱容器１１の上部空間に複数の邪魔板１５をジグザグ状に設けると、この容器１１内で発生された水蒸気Ｓが上方へ流れ、容器２１の上部でこれ邪魔板１５に当たって水蒸気の流れが乱される。このため水蒸気Ｓの流れは、加熱容器１１の上部空間では、図２に矢印で示すようにジグザグ状の流れとなる。このように水蒸気の流れがジグザグ状に強制的に偏向されると、水蒸気の流れの中に乱流が生じるので、水分を含んだ飽和水蒸気の粒子同士がぶつかることにより、水蒸気に包含された水分が相互に結合して、大きさを大きくして重量を増すことになる。重量を増した水分は自重により落下し、水蒸気から分離される。分離された水分は邪魔板１５に案内されて邪魔板１５上を基端側へ流下し、これに設けられた貫通孔から順次下段へ落下し、最終的に加熱容器１１内の貯留水に戻る。

このように、加熱容器１１の上部に邪魔板１５を設けることによって、加熱容器１１で発生された飽和水蒸気の気液を分離することができるので、水分が分離された乾燥した水蒸気を加熱管２１に送ることができる。加熱容器１１から乾燥した水蒸気が加熱管２１に供給されるとここでの水蒸気の再加熱効率が向上し、効率よく過熱水蒸気を発生することができる。

１：過熱水蒸気発生装置
１０：(飽和)水蒸気発生部
１１：加熱容器
１２：第１誘導加熱コイル
１３：第１断熱層
１４：第１磁気遮蔽体
１５：邪魔板
２０：過熱水蒸気発生部
２１：加熱管
２２：第２誘導加熱コイル
２３：第２断熱層
２４：第２磁気遮蔽体

Claims

導電性金属材で構成され、内部に水を貯留する加熱容器と、この加熱容器の外周に配置され、この加熱容器を誘導加熱して内部の水を加熱して水蒸気を発生する第１誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルの外周に配置された第１磁気遮蔽体とで飽和蒸気発生部を構成し、内部の流体流通路に前記飽和蒸気発生部で発生された水蒸気を通流する導電性金属管をスパイラル状に巻回して筒状に構成され、前記第１磁気遮蔽体の外周に配置された加熱管と、この加熱管の外周に配置され、この加熱管を誘導加熱して内部の水蒸気を再加熱して過熱水蒸気を発生する第２の誘導加熱コイルとで過熱水蒸気発生部を構成することを特徴とする過熱水蒸気発生装置。
請求項１に記載のものにおいて、前記第１および第２の誘導加熱コイルに各別に高周波の交流電力を供給して蒸気の発生を行うことを特徴とする過熱水蒸気発生装置。
請求項１または２に記載のものにおいて、前記加熱容器は、容器の下部から水を供給し、上部から水蒸気を取り出すように構成し、容器の上部に複数の傾斜した邪魔板を設けたことを特徴とする過熱水蒸気発生装置。
請求項３に記載のものにおいて、前記邪魔板は、多数の孔が分散形成された多孔板で構成したことを特徴とする過熱水蒸気発生装置。