JP7256539B2 - 過熱水蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、過熱水蒸気生成装置に関するものである。

従来の過熱水蒸気生成装置としては、特許文献１に示すように、円筒状鉄心と、この円筒状鉄心の周りに配置された加熱導体管と、前記円筒状鉄心の内部に磁束を発生させる誘導コイルとを備えており、加熱導体管に誘導電流を流して、加熱導体管の内部を流れる被加熱流体を加熱するものが考えられている。

この過熱水蒸気生成装置では、円筒状鉄心の径方向外側に設けられた円筒状をなす外側磁路形成部と、円筒状鉄心及び外側磁路形成部の軸方向一端部を連結する第１径方向磁路形成部と、円筒状鉄心及び前記外側磁路形成部の軸方向他端部を連結する第２径方向磁路形成部とを有する閉磁路鉄心要素を備えている。

また、第１径方向磁路形成部及び第２径方向磁路形成部には、加熱導体管に流入する被加熱流体が流れる第１流路を形成する第１流路形成部が設けられており、第２径方向磁路形成部には、加熱導体管に流入する被加熱流体が流れる第２流路が形成されている。さらに、誘導コイルは、加熱導体管に流入する被加熱流体が流れる中空導体管からなる外側中空コイル要素及び内側中空コイル要素と、中実導線からなる中実コイル要素とを有している。

しかしながら、上記の過熱水蒸気生成装置では、加熱導体管に流入する被加熱流体は、第１流路、第２流路、外側中空コイル要素、内側中空コイル要素及びそれらを接続する接続配管を流れることになり、装置構成が複雑となってしまう。また、誘導コイルが中空コイル要素の他に中実コイル要素を有する構成であることも装置構成を複雑にしている。

特開２０１６－２１３０７４号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、熱効率を向上するとともに過熱水蒸気生成装置の簡略化及び小型化を可能にすることをその主たる課題としたものである。

すなわち、本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、導体管を電磁誘導により発熱させて当該導体管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、閉磁路鉄心と、交流電圧が印加される一次コイルであり、前記閉磁路鉄心の周りに同心状に配置される螺旋状の第１導体管及び第２導体管と、誘導電流が流れる二次コイルであり、前記閉磁路鉄心の周りに配置される螺旋状の第３導体管とを備え、前記各導体管は径方向内側から前記第１導体管、前記第３導体管及び前記第２導体管の順に配置されるとともに、前記第１導体管、前記第２導体管及び前記第３導体管の順に直列に接続されており、前記第１導体管に設けられた導入ポートから水又は水蒸気を導入して、前記第２導体管を介して、前記第３導体管に設けられた導出ポートから過熱水蒸気を導出することを特徴とする。

このような過熱水蒸気生成装置によれば、一次コイルとして第１導体管及び第２導体管を用いているとともに、当該第１導体管及び第２導体管の間に二次コイルである第３導体管を設けているので、第１導体管及び第２導体管は通電加熱されるとともに、第３導体管の放熱を利用して加熱されるので、第３導体管からの装置外部への放熱を低減でき、熱効率を上げることができる。
また、第１導体管、第２導体管及び第３導体管の順に直列に接続し、第１導体管に設けられた導入ポートから水又は水蒸気を導入して、第２導体管を介して、第３導体管に設けられた導出ポートから過熱水蒸気を導出するので、過熱水蒸気生成装置の簡略化及び小型化することができる。
また、一次コイルを形成する第１導体管及び第２導体管は、それぞれの巻数、導体管の通電断面積、導体管の通流孔径の設定により、発熱比や流体への熱伝達面積比、流体の流速比を調整することができる。

第３導体管の放熱が装置外部へ漏れること及び第３導体管の放熱による第１導体管及び第２導体管の加熱を安全に実現するためには、前記第１導体管と前記第３導体管との間及び前記第２導体管及び前記第３導体管との間に断熱材が充填されていることが望ましい。
この構成であれば、第１導体管と第３導体管との間の断熱材の厚み、及び、第２導体管と第３導体管との間の断熱材の厚みにより、第３導体管から第１導体管及び第２導体管への熱伝達比を調整することができる。

各配管の具体的な接続構成としては、前記第１導体管及び前記第２導体管は単層巻きであり、前記第１導体管の軸方向一端部に前記導入ポートが形成されており、前記第１導体管の軸方向他端部が前記第２導体管の軸方向他端部に接続されており、前記第２導体管の軸方向一端部が前記第３導体管の軸方向一端部に接続されていることが考えられる。
この場合、前記交流電圧を印加する交流電源は、前記第１導体管の軸方向一端部及び前記第２導体管の軸方向一端部に接続されていることが望ましい。
この構成であれば、電源配線の取り回しを容易にすることができる。

前記第３導体管は、互いに逆向きに螺旋状に巻回された内側管要素及び外側管要素と、前記内側管要素及び前記外側管要素の軸方向一端部同士及び軸方向他端部同士を流体的に接続するとともにそれらを短絡接続する接続管要素とを有することが望ましい。
この構成であれば、導体管とは別に電気接続部材を設ける必要が無く、導体管自体の構成により短絡回路を形成することができる。また、接続管要素が各管要素の軸方向一端部同士を接続し、軸方向他端部同士を接続する構成であり、短絡回路を構成するための接続構造を簡単にすることができる。

前記閉磁路鉄心は、外側から内側に行くにしたがって幅が小さくなるように磁性鋼板を積層した２つの矩形環状の鉄心要素を有し、当該２つの鉄心要素の脚鉄心部を互いに密着するように組み合わせて構成されていることが望ましい。この構成であれば、閉磁路鉄心が多段形状となるので、鉄心の表面積を増やすことができ、冷却効果を大きくすることができる。

このように構成した本発明によれば、熱効率を向上するとともに過熱水蒸気生成装置の小型化を可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る流体加熱装置の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態の流体加熱装置の径方向における配置を模式的に示す図である。 同実施形態の閉磁路鉄心の構成を示す図である。 同実施形態の第３導体管の構成を模式的に示す側面図である。 同実施形態のコイル接続及び流体の流れを示す図である。

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

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１００は、導体管を電磁誘導により発熱させて当該導体管を流れる水を加熱して過熱水蒸気を生成するものである。その他、過熱水蒸気生成装置１００としては、例えば、外部で生成された飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生するものであっても良い。

具体的に過熱水蒸気生成装置１００は、図１及び図２に示すように、閉磁路鉄心２と、交流電圧が印加される一次コイルであり、閉磁路鉄心２の周りに同心状に配置される螺旋状（コイル状）の第１導体管３１及び第２導体管３２と、誘導電流が流れる二次コイルであり、閉磁路鉄心２の周りに配置される螺旋状（コイル状）の第３導体管４とを備えている。

閉磁路鉄心２は、特に図３に示すように、２つの矩形環状の鉄心要素２１、２２を有し、当該２つの鉄心要素２１、２２の脚鉄心部２１ａ、２２ａを互いに密着するように組み合わせて構成されている。２つの鉄心要素２１、２２は互いに同一形状をなすものであり、各鉄心要素２１、２２は、外側から内側に行くにしたがって幅が小さくなるように磁性鋼板を積層して構成された、矩形環状に変形された巻鉄心である。なお磁性鋼板には、方向性電磁鋼板を用いている。これらの鉄心要素２１、２２を用いることで、閉磁路鉄心２の断面形状は、多段形状となる。

第１導体管３１及び第２導体管３２は、それぞれ単層巻きであり、径方向内側に第２導体管３２が配置され、径方向外側に第１導体管３１が配置されている。また、第１導体管３１の軸方向一端部に導入ポートＰ１が設けられており、第１導体管３１の軸方向他端部が第２導体管３２の軸方向他端部に接続されている。なお、導入ポートＰ１又はその近傍には、第１導体管に流入する水の流量を調整するための流量調整バルブ５が設けられている。さらに、交流電圧を印加する交流電源（不図示）は、第１導体管３１の軸方向一端部に設けられた給電端子６１及び第２導体管３２の軸方向一端部に設けられた給電端子６２に接続されている。

そして、第１導体管３１及び第２導体管３２は、各導体管３１、３２の巻回部分が互いに短絡しないように構成されている。なお、巻回部分とは螺旋１巻き部分のことである。具体的には、第１導体管３１においては、その外側周面に絶縁体（不図示）が巻かれる等の絶縁処理が施されることにより、第１導体管３１の巻回部分が互いに短絡しないように構成されている。また、第２導体管３２においては、各巻回部分の外側周面が互いに接触しないように隙間を持って巻回されることにより、第２導体管３２の巻回部分が互いに短絡しないように構成されている。

第３導体管４は、第１導体管３１及び第２導体管３２の間に配置されている。また、第３導体管４の軸方向一端部が第２導体管３２の一端部に接続されており、第３導体管４の軸方向他端部に導出ポートＰ２が設けられている。なお、導出ポートＰ２又はその近傍には、過熱水蒸気の温度を制御するための温度センサ７が設けられている。このような構成により、各導体管３１、３２、４は、径方向内側から第２導体管３２、第３導体管４及び第１導体管３１の順に配置されるとともに、第１導体管３１、第２導体管３２及び第３導体管４の順に直列に接続されることになる。

そして、第３導体管４は、図４に示すように、互いに逆向きに螺旋状に巻回された内側管要素４１及び外側管要素４２と、内側管要素４１及び外側管要素４２の軸方向一端部同士及び軸方向他端部同士を流体的に接続するとともにそれらを短絡接続する接続管要素４３、４４とを有している。内側管要素４１及び外側管要素４２は、軸方向から見て径方向の隙間が形成されている。また、一方の接続管要素４３には、第２導体管３２の軸方向一端部が接続され、他方の接続管要素４４には、導出ポートＰ２が設けられている。この構成により、接続管要素４３から流入した流体は、接続管要素４３により内側管要素４１及び外側管要素４２に分岐して流れ、内側管要素４１及び外側管要素４２を流れた流体は、接続管要素４４で合流して導出ポートＰ２から流出する。

また、このように接続した第３導体管４は、内側管要素４１及び外側管要素４２が接続管要素４３、４４により電気的に並列接続される構成である。そして、一次コイルである第１導体管３１及び第２導体管３２により生じる磁束によって、内側管要素４１及び外側管要素４２により閉回路が形成されて短絡電流が流れる。つまり、内側管要素４１には、軸方向一端部から軸方向他端部に向かって短絡電流が流れ、外側管要素４２には、軸方向他端部から軸方向一端部に向かって短絡電流が流れる。

また、本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００では、図１及び図２に示すように、第１導体管３１と第３導体管４との間及び第２導体管３２と第３導体管４との間に断熱材８が充填されている。この断熱材８は、第２導体管３２の巻回部分間の隙間にも充填されており、第３導体管４の内側管要素４１及び外側管要素４２の間にも充填される。本実施形態では、第１導体管３１の外周にケーシング９が設けられており、第１導体管３１とケーシング９との間に断熱材８が設けられている。その他、閉磁路鉄心２の脚鉄心部２１ａ、２２ａと第２導体管３２との間に断熱材８を充填しても良い。

このように構成した本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００において、第１導体管３１に設けられた給電端子６１及び第２導体管３２に設けられた給電端子６２に交流電源により交流電圧を印加することで、第１導体管３１及び第２導体管３２に交流電流が流れて閉磁路鉄心２に磁束が流れる。当該磁束によって第３導体管４の内側管要素４１、外側管要素４２及び接続管要素４３、４４に短絡電流が流れて、第３導体管４がジュール発熱する。また、第１導体管３１及び第２導体管３２は、交流電圧が印加されることで通電によりジュール発熱するとともに、第３導体管４からの伝熱により加熱される。

これにより、図５に示すように、第１導体管３１の導入ポートＰ１から導入された水は、第１導体管３１及び第２導体管３２を流れることにより、第１導体管３１及び第２導体管３２により加熱されて高温の水又は飽和水蒸気となる。その後、第２導体管３２から第３導体管４に流入した高温の水又は飽和水蒸気は、第３導体管４により加熱されて過熱水蒸気となり、導出ポートＰ２から導出される。

＜２．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、一次コイルとして第１導体管３１及び第２導体管３２を用いているとともに、当該第１導体管３１及び第２導体管３２の間に二次コイルである第３導体管４を設けているので、第１導体管３１及び第２導体管３２は通電加熱されるとともに、第３導体管４の放熱を利用して加熱されるので、第３導体管４からの装置外部への放熱を低減でき、熱効率を上げることができる。また、第１導体管３１、第２導体管３２及び第３導体管４の順に直列に接続し、第１導体管３１に設けられた導入ポートＰ１から水又は水蒸気を導入して、第２導体管３２を介して、第３導体管４に設けられた導出ポートＰ２から過熱水蒸気を導出するので、過熱水蒸気生成装置１００の簡略化及び小型化することができる。ここで、一次コイルを形成する第１導体管３１及び第２導体管３２において、それぞれの巻数、導体管の通電断面積、導体管の通流孔径の設定により、発熱比や流体への熱伝達面積比、流体の流速比を調整することができる。

第１導体管３１と第３導体管４との間及び第２導体管３２及び第３導体管４との間に断熱材８が充填されているので、第３導体管４の放熱が装置外部へ漏れること及び第３導体管４の放熱による第１導体管３１及び第２導体管３２の加熱を安全に実現することができる。ここで、第１導体管３１と第３導体管４との間の断熱材８の厚み、及び、第２導体管３２と第３導体管４との間の断熱材８の厚みにより、第３導体管４から第１導体管３１及び第２導体管３２への熱伝達比を調整することができる。

さらに、螺旋状に巻回した第３導体管４が内側管要素４１と外側管要素４２とそれらを流体的に接続する接続管要素４３、４４を有し、接続管要素４３、４４が内側管要素４１及び外側管要素４２を短絡接続しているので、第３導体管４とは別に電気接続部材を設ける必要が無く、第３導体管４自体の構成により短絡回路を形成することができる。また、第３導体管４が内側管要素４１及び外側管要素４２を有するので、流体との接触面積（熱交換面積）を大きくすることができ、流体の加熱効率を向上することができる。

また、内側管要素４１及び外側管要素４２の巻回方向が互いに逆向きであり、内側管要素４１及び外側管要素４２の軸方向一端部同士及び軸方向他端部同士が、それぞれ接続管要素４３、４４により接続されているので、短絡回路を構成するための接続構造を簡単にすることができる。

第３導体管４を複数回巻きの二次コイルとすることで励磁電流を小さくするとともに漏れインピーダンスを減少できるので、閉磁路鉄心２の断面積を小さくして鉄心の使用量を少なくし、鉄損を低減でき熱効率を上げることができる。また、閉磁路鉄心２を多段形状として鉄心の表面積を増やしているので、冷却効果を大きくすることができる。

さらに、交流電圧を印加する交流電源を第１導体管３１の軸方向一端部及び第２導体管３２の軸方向一端部に接続する構成としているので、電源配線の取り回しを容易にすることができる。

＜３．本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記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、第１導体管３１及び第２導体管３２がそれぞれ単層巻きのものであったが、第１導体管３１又は第２導体管３２の少なくとも一方が、二層巻き以上のものであっても良い。

また、前記実施形態では、内側管要素４１及び外側管要素４２は巻回方向が互いに逆向きであったが、内側管要素４１及び外側管要素４２の巻回方向が同じ向きであっても良い。この場合、内側管要素４１の軸方向一端部と外側管要素４２の軸方向他端部とが接続管要素４３により接続されており、内側管要素４１の軸方向他端部と外側管要素４２の軸方向一端部とが接続管要素４４により接続された構成とする。

さらに、前記実施形態の第３導体管４は、２重管構造をなすものであったが、４重管又はそれ以上の偶数重の管要素を有するものであっても良い。この場合、２つの管要素毎にそれぞれ接続管要素で接続する。例えば、前記実施形態の第３導体管４を同心円状に複数配置した構成とすることが考えられる。

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・・・閉磁路鉄心
２１、２２・・・鉄心要素
２１ａ、２２ａ・・・脚鉄心部
３１・・・第１導体管
３２・・・第２導体管
４・・・第３導体管
４１・・・内側管要素
４２・・・外側管要素
４３、４４・・・接続管要素
Ｐ１・・・導入ポート
Ｐ２・・・導出ポート
８・・・断熱材

Claims (5)

1. 導体管を電磁誘導により発熱させて当該導体管を流れる水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、
   閉磁路鉄心と、
   交流電圧が印加される一次コイルであり、前記閉磁路鉄心の周りに同心状に配置される螺旋状の第１導体管及び第２導体管と、
   誘導電流が流れる二次コイルであり、前記閉磁路鉄心の周りに配置される螺旋状の第３導体管とを備え、
   前記各導体管は径方向内側から前記第２導体管、前記第３導体管及び前記第１導体管の順に配置されるとともに、前記第１導体管、前記第２導体管及び前記第３導体管の順に直列に接続されており、
   前記第１導体管に設けられた導入ポートから水又は水蒸気を導入して、前記第２導体管を介して、前記第３導体管に設けられた導出ポートから過熱水蒸気を導出する、過熱水蒸気生成装置。
2. 前記第１導体管と前記第３導体管との間及び前記第２導体管及び前記第３導体管との間に断熱材が充填されている、請求項１記載の過熱水蒸気生成装置。
3. 前記第１導体管及び前記第２導体管は単層巻きであり、
   前記第１導体管の軸方向一端部に前記導入ポートが形成されており、
   前記第１導体管の軸方向他端部が前記第２導体管の軸方向他端部に接続されており、
   前記第２導体管の軸方向一端部が前記第３導体管の軸方向一端部に接続されており、
   前記交流電圧を印加する交流電源は、前記第１導体管の軸方向一端部及び前記第２導体管の軸方向一端部に接続されている、請求項１又は２記載の過熱水蒸気生成装置。
4. 前記第３導体管は、互いに逆向きに螺旋状に巻回された内側管要素及び外側管要素と、前記内側管要素及び前記外側管要素の軸方向一端部同士及び軸方向他端部同士を流体的に接続するとともにそれらを短絡接続する接続管要素とを有する、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. 前記閉磁路鉄心は、外側から内側に行くにしたがって幅が小さくなるように磁性鋼板を積層した２つの矩形環状の鉄心要素を有し、当該２つの鉄心要素の脚鉄心部を互いに密着するように組み合わせて構成されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。

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