JP6886685B2 - 過熱水蒸気生成装置及び当該装置に用いられる導体管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、螺旋状に巻回した導体管を誘導加熱することによって当該導体管内を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置に関するものである。

従来、この種の流体加熱装置では、特許文献１に示すように、二次コイルを形成する螺旋状に巻回した導体管において、巻回部分の互いに隣接する導体管同士を短絡させて短絡回路を構成して、電気的リアクタンスを低減させて加熱効率を向上させたものが知られている。

ここで、上記の短絡回路は、巻回部分の周方向の一部に螺旋の軸方向に延びる電気接続部材を溶接等により接続することにより、或いは、巻回部分の互いに隣接する導体管同士を部分的に溶接接合することにより構成されている。

しかしながら、接合部である電気接続部材や溶接部分には、短絡電流が集中するために高温になったり、導体管の巻回部分の熱膨張による変形によって応力が発生したりして、接合部や導体管が破損するおそれが生じる。

特開２０１０−７１６２４号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、導体管に短絡回路を構成して電気的リアクタンスを低減させつつ、接合部及び導体管における破損の可能性を小さくすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、螺旋状に巻回された円管状の導体管を、当該導体管の巻回部分の内側又は外側に設けられた磁束発生機構により誘導加熱し、前記導体管内を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、前記導体管の巻回部分において、互いに隣り合う隣接部の互いに対向する面が、周方向略全体に亘って、導電性を有する接合要素によって接合されており、前記接合要素の厚さは、前記導体管の管厚以上であることを特徴とする。

このようなものであれば、導体管の巻回部分において互いに隣り合う隣接部が、周方向略全体に亘って接合要素により接合（全周接合）されているので、部分的に接合した場合の熱膨張による接合部への応力集中を避けることができ、接合部及び導体管における破損の可能性を小さくすることができる。また、導体管は円管状をなすものであり、互いに隣り合う隣接部の間には凹部が形成されるため、当該凹部に接合要素を設けることにより、接合要素と導体管の外側周面との接触面積を増やすことができる。この構成によっても、接合部への応力集中をさせることができる。

ここで、磁束発生機構の誘導コイルからの導体管と接合要素との距離が同じであれば、接合要素の厚さは、導体管の管厚と同じ値であることが理想的である。
しかし、導体管は円管状をなすものであり、互いに隣り合う隣接部の間に接合要素を設ける構成では、誘導コイルからの接合要素の距離は、導体管に比べて大きくなる。誘導コイルからの距離が大きいと磁気結合が弱まり、誘導起電圧が低くなるため、この部分の発熱量は低下する。
このように導体管と接合要素とに温度差が発生すると、熱伸び差により機械応力がかかり、割れ等の破損原因となるため、できる限り発熱量の均一化を図ることが重要である。
接合要素の厚さを導体管の管厚以上にすることで、接合要素の抵抗値を低下させることができ、電流が増加することで接合要素の発熱量を増加させることができる。その結果、導体管と接合要素との発熱量の均一化を図ることができる。

前記接合要素としては、溶接接合により形成されたものであることが考えられる。溶接接合の場合には、互いに隣り合う隣接部の間の凹部に溶融金属材料を盛り易い構造のため、その溶接作業を容易にすることができる。

厚さの大小による調整によって発熱量の均一化しやすくするためには、前記溶接要素の材質の比抵抗が、前記導体管の材質の比抵抗と略同一であることが望ましい。

導体管の巻回部分への全周接合の作業性を考慮した場合には、前記接合要素は、前記巻回部分の外面側に設けられていることが望ましい。また、電磁誘導の磁気結合を良くするためには、前記磁束発生機構は、前記導体管の巻回部分の内側及び外側の両方に設けられていることが望ましい。

前記接合要素は、前記互いに隣り合う隣接部により形成される凹部内に収まっていることが望ましい。この構成であれば、導体管の巻回部分の外側又は内側に配置される磁束発生機構の径方向のサイズが大きくなってしまうことを防ぐことができる。

また、本発明に係る導体管の製造方法は、過熱水蒸気生成装置に用いられるものであって、誘導加熱されることにより内部を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するための導体管の製造方法であり、螺旋状に巻回された円管状の導体管の巻回部分の略全体において、互いに隣り合う隣接部の互いに対向する面を溶接接合するとともに、前記溶接接合の肉盛厚は、前記導体管の管厚以上とすることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、導体管の巻回部分において互いに隣り合う隣接部が、周方向全体に亘って接合要素により接合されているので、導体管に短絡回路を構成して電気的リアクタンスを低減させつつ、接合部及び導体管における破損の可能性を小さくすることができる。

本実施形態の過熱水蒸気生成装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態の導体管の巻回部分を示す部分拡大断面図である。 同実施形態の導体管の外面側の溶接部位を示す模式図である。 同実施形態の導体管及び誘導コイルの位置関係を示す模式図である。

以下に本発明に係る過熱水蒸気生成装置１００の一実施形態について図面を参照して説明する。

この過熱水蒸気生成装置１００は、図１に示すように、水又は水蒸気を加熱して１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱蒸気を生成するものであり、螺旋状に巻回された円管状の導体管２と、当該導体管２を誘導加熱するための磁束発生機構３とを有している。

導体管２は、１本の金属製の管から形成され、螺旋状に巻回された巻回部分２ｘを有するものであり、一方の端部には、水又は水蒸気が導入される導入ポートＰ１が形成され、他方の端部には、生成された過熱水蒸気を導出する導出ポートＰ２が形成されている。導入ポートＰ１には、水又は水蒸気を導体管２に供給するための外部配管が接続され、導出ポートＰ２には、生成された過熱水蒸気を利用側（例えば熱処理室）に供給するための外部配管が接続される。

磁束発生機構３は、鉄心３１と、当該鉄心３１に沿って巻回された誘導コイル３２とを備えている。この誘導コイル３２には、図示しない交流電源が接続されており、制御された電力が供給されるものである。交流電源により電力が供給される誘導コイル３１が一次コイルとなり、当該一次コイルにより給電された結果、導体管２に誘導電流が流れて、導体管２が二次コイルとなる。

本実施形態の誘導コイル３２は、導体管２の巻回部分２ｘと同軸上に配置されており、巻回部分２ｘの内側に配置された内側誘導コイル３２ａと、巻回部分の外側に配置された外側誘導コイル３２ｂとを有する。このように巻回部分２ｘの内外両方に誘導コイル３２ａ、３２ｂを配置することによって、電磁誘導の磁気結合を良くして、導体管２に誘導電流が流れやすくなり、水蒸気の加熱効率（過熱水蒸気の生成効率）を向上させることができる。

そして、本実施形態では、図２及び図３に示すように、導体管２の巻回部分２ｘにおいて、互いに隣り合う隣接部２０の互いに対向する面が、周方向略全体に亘って、導電性を有する接合要素４によって接合されている。つまり、接合要素４は、導体管２の巻回部分２の螺旋全周に亘って設けられている。

具体的に接合要素４は、溶接接合により形成されたもの（以下、接合溶接部ともいう。）である。つまり、導体管２の巻回部分２ｘにおいて、互いに隣り合う隣接部２０の互いに対向する面は、螺旋全体に亘って全周接合されている（図２参照）。また、接合要素４の材質の比抵抗と導体管２の材質の比抵抗とは略同一としてある。ここで、接合要素４の材質と導体管２の材質とは同じであることが望ましい。これにより、比抵抗を同一にできるだけでなく、熱膨張率も同一であり温度上昇時に発生する熱応力を低減することができる。また、溶接接合は、一定の送り速度でトーチと溶接部位との距離を一定に保つことが重要であることから、自動溶接機を用いて行うことが望ましい。なお、導体管２の隣接部２０の間には最初から開先が存在するので、開先加工の必要はない。

さらに、図３に示すように、接合要素４の厚さは、導体管２の管厚以上である。つまり、接合要素４である溶接接合による肉盛厚さが、導体管２の管厚以上である。接合要素４は、互いに隣り合う隣接部２０により形成される凹部２０Ｍ内に収まっている。より具体的に接合要素４は、互いに隣り合う隣接部２０の接触箇所２０ｃ又はその近傍から、凹部２０Ｍ内に収まる範囲において所定厚さで形成されている。つまり、螺旋の軸方向（巻回部分２ｘの中心軸方向）に直交する方向において、導体管２の外端部分が、接合要素４の外端部分よりも外側に位置するように構成されている。

図３等では、接合要素４は、導体管２の巻回部分２の内面側及び外面側の両方に設けられているが、導体管２の巻回部分２ｘへの全周接合の作業性を考慮した場合には、接合要素４は、巻回部分２ｘの外面側のみに設けられていることが望ましい。

図４に示すように、巻回部分２ｘの隣接部２０における接触箇所と肉盛り部（接合溶接部４）との間には、作業上少しの隙間ができる場合があるが、その隙間寸法をΔとすると、０＜Δ＜数ｍｍ程度となる。例えば、１時間に１２００℃で２４０ｋｇの過熱水蒸気を発生させるための導体管２は、直径が４８．３ｍｍ、管厚は３．７ｍｍである。この導体管２の巻回部分２ｘを全周溶接して、肉盛厚さを５ｍｍとした場合に、Δは約２．５ｍｍとなった。

水蒸気を通流させる程の寸法である導体管２であれば、管厚と肉盛厚さとが等しい場合、磁束発生機構３の誘導コイル３２からの距離は接合溶接部４の方が大きくなる。導体管２の肉厚をｔ、接合溶接部４の肉盛厚さをＴとすれば、Ｔ＞ｔとすることで接合溶接部４の電流を増加させて発熱量を増加させることができる。

Ｔ＝ｔのときに、導体管２の誘起電圧が、接合溶接部４よりも高くなる場合を〇印として以下の表に示す。

発熱量は誘起電圧だけでなく、導体管２及び接合溶接部４の抵抗値にも関係する。すなわち、抵抗値が低ければ大きな電流が流れることで発熱量は増加する。

誘起電圧が発生する接合溶接部４の周長が、導体管２の巻回部分２ｘよりも長くなる場合を「〇」、短くなる場合を「×」としてまとめた表を以下に示す。

表２の「〇」の位置における肉盛厚さＴの最大値は、導体管２の直径をΦとした場合に、（Ｔ＋Δ）＜Φ／２の範囲となる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した過熱水蒸気生成装置１００によれば、導体管２の巻回部分２ｘにおいて互いに隣り合う隣接部２０が、周方向略全体に亘って接合要素４により接合（全周接合）されているので、部分的に接合した場合の熱膨張による接合部への応力集中を避けることができ、接合部及び導体管における破損の可能性を小さくすることができる。また、導体管２は円管状をなすものであり、互いに隣り合う隣接部２０の間には凹部２０Ｍが形成されるため、当該凹部２０Ｍに接合要素４を設けることにより、接合要素４と導体管２の外側周面との接触面積を増やすことができる。この構成によっても、接合部への応力集中をさせることができる。

接合要素４の厚さＴを導体管２の管厚ｔ以上にしているので、接合要素４の抵抗値を低下させることができ、電流が増加することで発熱量を増加させることができる。

また、接合要素４は、溶接接合により形成されたものであるので、互いに隣り合う隣接部２０の間の凹部２０Ｍに溶融金属材料を盛り易い構造のため、その溶接作業を容易にすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記各実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、接合要素４が接合溶接により形成されたものであったが、ロー付けにより形成されたものであっても良い。また、導体管とは別に設けられた接続用部材を巻回部分の隣接部に沿って巻き付けて当該接続用部材を導体管２に溶接又はロー付け等により接続することによって、前記接続用部材を接合要素４としても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・過熱水蒸気生成装置
２ ・・・導体管
２０ ・・・隣接部
２０Ｍ・・・凹部
３ ・・・磁束発生機構
４ ・・・接合要素
ｔ ・・・管厚
Ｔ ・・・肉盛厚さ

Claims (5)

1. 螺旋状に巻回された円管状の導体管を、当該導体管の巻回部分の内側又は外側に設けられた誘導コイルを有する磁束発生機構により誘導加熱し、前記導体管内を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する過熱水蒸気生成装置であって、
   前記導体管の巻回部分において、互いに隣り合う隣接部の互いに対向する面が、周方向全体に亘って、導電性を有する接合要素によって接合されており、
   前記接合要素は、前記互いに隣り合う隣接部により形成される凹部内に収まっており、前記磁束発生機構の誘導コイルと前記接合要素との距離が、前記磁束発生機構の誘導コイルと前記導体管との距離よりも大きく、
   前記接合要素の厚さは、前記導体管の管厚以上である過熱水蒸気生成装置。
2. 前記接合要素は、溶接接合により形成されたものである、請求項１記載の過熱水蒸気生成装置。
3. 前記接合要素の材質が、前記導体管の材質と同一である、請求項１又は２記載の過熱水蒸気生成装置。
4. 前記磁束発生機構は、前記導体管の巻回部分の内側及び外側の両方に設けられており、
   前記接合要素は、前記巻回部分の外面側に設けられている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。
5. 過熱水蒸気生成装置に用いられるものであって、誘導コイルを有する磁束発生機構によって誘導加熱されることにより内部を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するための導体管の製造方法であり、
   螺旋状に巻回された円管状の導体管の巻回部分の全体において、互いに隣り合う隣接部の互いに対向する面を接合要素によって溶接接合するとともに、
   前記接合要素は、前記互いに隣り合う隣接部により形成される凹部内に収まっており、前記磁束発生機構の誘導コイルと前記接合要素との距離を、前記磁束発生機構の誘導コイルと前記導体管との距離よりも大きくし、
   前記接合要素の厚さは、前記導体管の管厚以上とする、過熱水蒸気生成装置に用いられる導体管の製造方法。

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