JP7390223B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラに関する。

従来、工業用や商業用を含め様々な用途にボイラが広く利用されている。ボイラにおいては加熱を行うための発熱手段が設けられることになる。

発熱手段の具体的形態は種々挙げられるが、その一例として、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる複数の金属ナノ粒子が表面に形成された反応体（発熱体）を容器内部に設けたものが、発熱システムとして特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、この発熱システムにおいて、発熱に寄与する水素系ガスが容器内に供給されることで金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され、過剰熱を発することが記載されている。

なお特許文献１においても説明されているとおり、パラジウムで作製した発熱体を容器内部に設け、この容器内部に重水素ガスを供給しつつ、容器内部を加熱することによって発熱反応が生じた旨の発表がなされている。また、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を利用して過剰熱（入力エンタルピーより高い出力エンタルピー）を発生させる発熱現象に関し、過剰熱を発するメカニズムの詳細については各国の研究者の間で議論されており、発熱現象が発生したことが報告されている。

特許第6448074号公報 米国特許第9,182,365号明細書

容器内に発熱体を設けた発熱手段は、加熱を行う手段としてボイラにも採用され得る。但しこのような発熱手段を採用したボイラを構成するにあたっては、加熱対象に対して発熱体の熱が適切に伝わるように配慮することが重要である。

本発明は上記課題に鑑み、加熱対象に対して容器内の発熱体の熱を適切に伝えることが可能となるボイラの提供を目的とする。

本発明に係るボイラは、発熱体と、内部に前記発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器と、前記容器の外部に設けられ、前記発熱体により加熱された前記ガスまたは当該ガスと熱交換された熱媒体が加熱側を通る熱交換器と、を備えた構成とする。本構成によれば、加熱対象に対して容器内の発熱体の熱を適切に伝えることが可能となる。

上記構成としてより具体的には、前記ガスが循環する経路として、前記容器および当該容器の外部に配置されたガス経路を含む循環経路を備え、前記熱交換器は、前記ガス経路に設けられている構成としても良い。また上記構成としてより具体的には、前記熱交換器から外部へ供給する蒸気の圧力に基づいて、前記発熱体の発熱量を調節する構成としても良い。

また上記構成としてより具体的には、前記ガスは水素系ガスであり、前記発熱体は、水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、前記水素系ガスが前記容器内に供給された状態において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体である構成としても良い。なお本願における水素系ガスは、重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガスのことである。また本願での「水素吸蔵金属類」は、Pd,Ni,Pt,Ti等の水素吸蔵金属、或いはこれらを１種以上含む水素吸蔵合金を意味する。

本発明に係るボイラによれば、加熱対象に対して容器内の発熱体の熱を適切に伝えることが可能となる。

第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。 第２実施形態に係るボイラ２の概略的な構成図である。 第３実施形態に係るボイラ３の概略的な構成図である。 伝熱管を通る熱媒体の進路に関する説明図である。

本発明の各実施形態に係るボイラについて、各図面を参照しながら以下に説明する。

１．第１実施形態
まず本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。本図に示すようにボイラ１は、容器１１、反応体１２、ヒータ１３、ガス経路１４、ガス受入部１５、ガスポンプ１６、ガスフィルタ１７、熱交換器５０、および圧力センサ５１などを備えている。

なお、図１（後述する図２、図３も同様）における容器１１およびその内部の様子は、容器１１を概ね二分する平面で切断した場合の概略的な断面図として表されており、上下左右の方向（上下方向は鉛直方向に一致する）は本図に示すとおりである。

容器１１は、全体的に見て上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されており、内部に気体を密閉させ得るように形成されている。より具体的に説明すると、容器１１は、円筒状の側壁１１ａを有するとともに、側壁１１ａの上側は上底部１１ｂにより閉じられており、側壁１１ａの下側は下底部１１ｃにより閉じられている。なお本実施形態では一例として、容器１１の側壁１１ａを円筒状としているが、その他の筒状に形成されても構わない。また、側壁１１ａの外周に缶体カバーを設置してもよく、側壁１１ａと当該缶体カバーの間には断熱材を設けるようにしてもよい。

反応体１２は、全体が細かい網目状に形成されている担持体の表面に、多数の金属ナノ粒子を設けて構成されている。この担持体は、素材として水素吸蔵合金類（水素吸蔵金属、或いは水素吸蔵合金）が適用されており、上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されている。反応体１２の上面はガス経路１４に連接しており、反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入したガスを、ガス経路１４内に送出することが可能となっている。本実施形態の例では容器１１の内部において、３個の反応体１２が左右方向へ並ぶように設けられている。

ヒータ１３は、有底円筒形状に形成された反応体１２の側面に螺旋状に巻かれており、供給される電力を用いて発熱するように形成されている。ヒータ１３としては、例えばセラミックヒータが採用され得る。ヒータ１３が発熱することにより反応体１２を加熱し、後述する過剰熱を発生させるための反応が生じ易い所定の反応温度まで、反応体１２の温度を上昇させることができる。なおヒータ１３の温度は、ヒータ１３への供給電力を制御することにより調節可能である。

ガス経路１４は、容器１１の外部に設けられ、容器１１の内部を一部として含むガスの循環経路を形成するものであり、一方の端部は各反応体１２の上面に連接し、他方の端部は容器１１の内部に連接している。より詳細に説明すると、各反応体１２の上面に連接したガス経路１４の部分それぞれは容器１１内で合流し、一本の経路となって上底部１１ｂを貫通した上で、熱交換器５０、ガス受入部１５、ガスポンプ１６、およびガスフィルタ１７を順に介し、下底部１１ｃを貫通して容器１１の内部に繋がっている。

ガス受入部１５は、外部の供給元から水素系ガス（重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガス）の供給を受けるようになっており、供給された水素系ガスをガス経路１４内へ流入させる。例えば、水素系ガスを予め貯留したタンクからガス受入部１５へ水素系ガスが供給される場合、このタンクが水素系ガスの供給元となる。

ガスポンプ１６は、例えばインバータ制御により回転数が制御され、この回転数に応じた流量で、ガス経路１４内のガスが上流側から下流側へ（すなわち、図１に点線矢印で示す方向へ）流れるようにする。なお、ガス経路１４を含む循環経路でのガスの循環量は、ガスポンプ１６の回転数を制御することにより調節可能である。

ガスフィルタ１７は、ガス経路１４内のガスに含まれる不純物（特に、反応体１２における過剰熱を発生させる反応の阻害要因となるもの）を除去する。

熱交換器５０は、ガス経路１４の一部分（ガス受入部１５より上流側の一部分）が配置されるとともに、蒸気の元となる水が供給されるように構成されている。これにより熱交換器５０は、ガス経路１４内のガスと供給された水を熱交換することにより、当該水を加熱して蒸気を発生させ、当該蒸気をボイラ１の外部へ供給することが可能である。なお本実施形態の熱交換器５０は、水を加熱して蒸気を生成する仕様となっているが、その代わりに、水を加熱して温水を生成する仕様のものが採用されても良い。

熱交換器５０としては、例えば、プレート式やシェルアンドチューブ式の熱交換器を採用しても良く、各種形態のスチームジェネレータを採用しても良い。このスチームジェネレータの一例としては、供給された水を貯留する貯留スペースと、当該貯留スペース内に配置されたガス経路１４を有し、ガス経路１４内のガスの熱が貯留した水に伝わる構成のものが挙げられる。

圧力センサ５１は、熱交換器５０から外部へ供給される蒸気の圧力（蒸気圧力）を継続的に検出する。なお、外部から要求される蒸気量（蒸気負荷）に対して、熱交換器５０からの蒸気の供給量が多い状況下では、圧力センサ５１の検出値（蒸気圧力の値）は高くなり、逆に熱交換器５０からの蒸気の供給量が少ない状況下では、圧力センサ５１の検出値は低くなる。

次に、ボイラ１の動作について説明する。ボイラ１では、外部の供給元からガス受入部１５へ水素系ガスが供給され、容器１１の内部とガス経路１４を含むガスの循環経路に水素系ガスが充満される。充満された水素系ガスはガスポンプ１６の作用により、この循環経路において図１に点線矢印で示す方向へ循環する。

このとき容器１１の内部においては、水素系ガスが反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入した後、反応体１２の上部に連接しているガス経路１４内に送出される。またこれと同時に、ヒータ１３の作用によって反応体１２が加熱されるようになっている。このように、水素系ガスを容器１１の内部に供給された状態でヒータ１３により反応体１２を加熱すると、反応体１２に設けた金属ナノ粒子に水素原子が吸蔵され、反応体１２はヒータ１３による加熱温度以上の過剰熱を発生させる。

上記のとおり反応体１２は、過剰熱を発生させる反応が行われることにより、発熱体として機能する。この過剰熱を発生させる反応の原理は、例えば特許文献１に開示された過剰熱を発生させる反応の原理と同様である。

容器１１の内部を含む循環経路内の水素系ガスは、ガスフィルタ１７を通る際に不純物が除去される。そのため、不純物が除去された純度の高い水素系ガスが、容器１１の内部へ継続的に供給される。これにより、純度の高い水素系ガスを反応体１２へ安定的に与え、過剰熱の出力を誘発し易い状態を維持して、反応体１２を効果的に発熱させることが可能となっている。

また水素系ガスは、容器１１の内部を通る際に、反応体１２が発する熱によって加熱されて高温となる。そしてこの高温となった水素系ガスは、ガス経路１４を介して熱交換器５０に送り込まれる。これにより熱交換器５０に供給された水は、高温となった水素系ガスとの熱交換により加熱されて蒸気となり、この蒸気は熱交換器５０から外部に供給される。

熱交換器５０から外部へ供給する蒸気の量は、圧力センサ５１の検出値の情報に基づいて調整可能としても良い。このような調整は、圧力センサ５１の検出値が適正値より小さいときは、反応体１２の発熱量を増大させて蒸気の発生量を増やし、圧力センサ５１の検出値が適正値より大きいときは、反応体１２の発熱量を減少させて蒸気の発生量を減らすことで実現され得る。

なお反応体１２の発熱量は、ヒータ１３の温度または先述したガスの循環量の調節により制御可能であり、ヒータ１３の温度を上げるほど、或いは当該循環量を増やすほど、反応体１２の発熱量を増大させることができる。また熱交換器５０においては、外部へ蒸気を供給した分だけ、つまり水が減少した分だけ逐次水が供給されるようになっており、継続的に蒸気を発生させて外部へ供給することが可能である。

以上に説明したとおりボイラ１は、反応体１２と、内部に発熱体１２が設けられ、空気よりも比熱の高いガス（水素系ガス）を内部に充満できる容器１１と、当該水素系ガスが循環する経路として、容器１１およびガス経路１４を含む循環経路と、ガス経路１４内における水素系ガスとの熱交換により水を加熱して蒸気を発生させる熱交換器５０と、を備える。そのためボイラ１によれば、循環させるガスが保有する熱を水の加熱に効率良く利用することができ、当該熱をより有効に活用することが可能である。

また更に、熱交換器５０を経由する際にガス経路１４内のガスの温度が下がるため、その分、熱交換器５０より下流側に配置された装置（本実施形態の例では、ガスポンプ１６やガスフィルタ１７）を通る際のガスの温度を低くすることができる。そのため、当該装置に要求される耐熱温度（要求耐熱温度）を下げることも可能となっている。

２．第２実施形態
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお第２実施形態は、発熱体の形態およびこれに関する点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図２は、第２実施形態におけるボイラ２の概略的な構成図である。第１実施形態のボイラ１では発熱体として反応体１２が採用されていたが、第２実施形態ではその代わりに、一般的な発熱素子１２ａが採用されている。なおここでの発熱素子１２ａは、一例として、電力が供給されることにより発熱するハロゲンヒータであるとする。また、発熱素子１２ａの形状および寸法は便宜上、反応体１２と同様であるとする。

発熱体として発熱素子１２ａを適用する場合は、第１実施形態のように過剰熱を発生させる必要は無く、ヒータ１３に相当するものは不要であるため設置が省略されている。また第２実施形態におけるガス経路１４の上流側の端部は、発熱素子１２ａの代わりに上底部１１ｂに連接しており、容器１１内の空間と繋がっている。

ボイラ２では、反応体１２の代わりに発熱素子１２ａから発せられる熱により容器１１内のガス（水素系ガス）が加熱され、この高温となったガスは、ガス経路１４を介して熱交換器５０に送り込まれる。これにより熱交換器５０に供給された水は、高温となったガスとの熱交換により加熱されて蒸気となり、この蒸気は熱交換器５０から外部に供給される。また第２実施形態では、先述した過剰熱を発生させるための反応は不要であり、電力制御によって発熱体（発熱素子１２ａ）の温度を直接的に制御することが可能である。

３．第３実施形態
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図３は、第３実施形態におけるボイラ３の概略的な構成図である。本図に示すようにボイラ３には、熱媒体Ｘを循環させる経路として、熱媒経路２２が設けられている。熱媒経路２２には予め熱媒体Ｘが供給されており、不図示のポンプの作用によって、熱媒体Ｘは熱媒経路２２内を上流側から下流側へ向けて（すなわち、図３に実線矢印で示す方向へ）流れて循環する。

熱媒経路２２の一部は、伝熱管２２ａとして形成されている。伝熱管２２ａは、容器１１の筒状の側壁１１ａを形成するように、下底部１１ｃから上底部１１ｂに向けて螺旋状に延びている。伝熱管２２ａは、上下に隣合う伝熱管２２ａの部分同士の間に隙間が無いように、筒状の側壁１１ａの軸方向（上下方向）へ進むように螺旋状に延びている。

また第３実施形態の熱交換器５０は、熱媒経路２２の一部分が配置されるとともに、蒸気の元となる水が供給されるように構成されている。これにより熱交換器５０は、熱媒経路２２内の熱媒体Ｘと供給された水を熱交換することにより、当該水を加熱して蒸気を発生させ、当該蒸気をボイラ３の外部へ供給することが可能である。

本実施形態のボイラ３は、反応体１２を発熱させる動作と並行して、熱媒経路２２において熱媒体Ｘを循環させるようになっている。熱媒体Ｘは、容器１１の側壁１１ａを形成する伝熱管２２ａを通る際に、反応体１２が発する熱によって加熱される。すなわち反応体１２の発する熱は、容器１１内の水素系ガスによる対流（熱伝達）、熱伝導および輻射によって伝熱管２２ａへ伝わり、これにより高温となった伝熱管２２ａによってその内部を流れる熱媒体Ｘが加熱される。このように熱媒体Ｘは、少なくとも反応体１２により加熱された水素系ガスとの熱交換によって、加熱されることになる。

図４は、伝熱管２２ａを通る熱媒体Ｘの進路を実線矢印で概略的に示している。本図に示すように、伝熱管２２ａの入口α（伝熱管２２ａの最下部）に到達した熱媒体Ｘは、螺旋状に延びた伝熱管２２ａ内に沿って進み、伝熱管２２ａの出口β（伝熱管２２ａの最上部）に到達する。この際に伝熱管２２ａを通る熱媒体Ｘは、反応体１２の発する熱により加熱された伝熱管２２ａからの熱が伝わり、温度が上昇する。

このようにして、熱媒経路２２を流れる熱媒体Ｘは伝熱管２２ａを通る際に加熱されて温度が上昇し、熱交換器５０に送り込まれる。これにより熱交換器５０に供給された水は、高温となった熱媒体Ｘとの熱交換により加熱されて蒸気となり、この蒸気は熱交換器５０から外部に供給される。

また伝熱管２２ａは、筒状に形成された側壁１１ａの全周を形成しているため、反応体１２が発する熱を熱媒体Ｘへ効率良く伝えることが可能である。伝熱管２２ａは反応体１２を囲んで配置されていることから、側壁１１ａの全周のほぼ全ての領域を網羅し、反応体１２が発する熱を極力無駄なく熱媒体Ｘへ伝えることが可能である。なお本実施形態では、伝熱管２２ａは螺旋状に伸びて反応体１２を囲んで配置されているが、反応体１２を囲む形態はこれに限られず、例えば、鉛直方向に伸びる複数本の伝熱管が反応体１２を囲んで配置する形態等が採用されても良い。

また本実施形態では、容器１１内にガスを密閉するための側壁１１ａが伝熱管２２ａにより形成されているが、その代わりに側壁１１ａを伝熱管２２ａとは別に設けておき、側壁１１ａの内側に（すなわち、容器１１の内部に）伝熱管２２ａを設けるようにしても良い。この場合には伝熱管２２ａは側壁１１ａとしての役割を果たす必要は無く、上下に隣り合う伝熱管２２ａの部分同士の間に隙間があると、反応体１２からの熱を更に受けやすく好ましい。

４．その他
以上に説明した各実施形態のボイラ１～３は、発熱体と、内部に発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器１１と、発熱体の熱により加熱された流体との熱交換により、供給される水を加熱する熱交換器５０と、を備えた構成となっている。そのため各実施形態のボイラ１～３によれば、容器１１内の発熱体により直接的または間接的に加熱された流体を利用することにより、供給される水に対して容器１１内の発熱体の熱を適切に伝えることが可能となっている。

なお各実施形態における熱交換器５０は、容器１１の外部に設けられており、発熱体により加熱された水素系ガスまたは当該ガスと熱交換された熱媒体が加熱側を通るようになっている。熱交換器５０は、加熱側（比較的高温の流体が通る部分）と被加熱側（比較的低温の流体が通る部分）を有し、加熱側の流体から被加熱側の流体へ熱を伝えて加熱を行うように形成されている。

また第１および第２実施形態のボイラにおいては、熱交換器５０において水との熱交換に用いるガスとして、空気よりも比熱の高い水素系ガスが適用される。例えば200℃で1atmの条件下において、空気の比熱が約1,026J/Kg℃であるのに対し、水素の比熱は約14,528J/Kg℃となっており、空気の比熱よりも非常に高くなっている。

このような比熱の高いガスが適用されることにより、熱交換に用いるガスの温度が変動し難く、より安定的に水へ熱を伝えることが可能である。なお、各実施形態のボイラにおいては、空気よりも比熱の高いガスとして水素系ガスを採用しているが、第２実施形態のボイラ２においては過剰熱を発生させる反応を要しないため、上述した空気よりも比熱の高いガスとして、水素系ガス以外のガスを採用しても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、本発明に係るボイラは、上記実施形態のような蒸気を発生させるボイラの他、温水ボイラや熱媒ボイラ等にも適用可能である。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、各種用途のボイラに利用可能である。

１、２、３ ボイラ
１１ 容器
１１ａ 側壁
１１ｂ 上底部
１１ｃ 下底部
１２ 反応体
１２ａ 発熱素子
１３ ヒータ
１４ ガス経路
１５ ガス受入部
１６ ガスポンプ
１７ ガスフィルタ
２２ 熱媒経路
２２ａ 伝熱管
５０ 熱交換器
５１ 圧力センサ

Claims (4)

1. 発熱体と、
   内部に前記発熱体が設けられ、空気よりも比熱の高いガスを内部に充満できる容器と、
   前記容器の外部に設けられ、前記発熱体により加熱された前記ガスと熱交換された熱媒体が加熱側を通る熱交換器と、
   前記熱媒体が流れる伝熱管と、を備え、
   前記ガスが前記容器の内部に充満した状態において、前記発熱体から熱を発生させ、伝導、対流および輻射により前記伝熱管を加熱することを特徴とするボイラ。
2. 前記熱媒体が循環する経路として、前記伝熱管を含む熱媒経路を備え、
   前記熱交換器は、前記熱媒経路の一部分が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記熱交換器から外部へ供給する蒸気の圧力に基づいて、前記発熱体の発熱量を調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラ。
4. 前記ガスは水素系ガスであり、
   前記発熱体は、
   水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、
   前記水素系ガスが前記容器内に供給された状態において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のボイラ。