誘導加熱式蒸気発生装置
【課題】小形で、水分を含まない良質の乾いた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。
【解決手段】、誘導加熱より内部を通流する水を加熱して蒸気を発生する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、この加熱管により発生される蒸気を集める蒸気ヘッダを外周が円形の金属製の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が、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する。
【解決手段】、誘導加熱より内部を通流する水を加熱して蒸気を発生する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、この加熱管により発生される蒸気を集める蒸気ヘッダを外周が円形の金属製の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が、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する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−０２２１０７号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ９８／２９６８５号公報
【特許文献３】特許第３７５８６６８号公報
【特許文献４】特許第４５５２８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す正面図。
【図２】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す平面図。
【図３】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す縦断面図。
【図４】図３の蒸気ヘッダ１２のＩＶ−ＩＶ線に沿う平面断面図。
【図５】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置に使用するシールドコイルの構成を示す正面図。
【図６】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の系統構成図。
【図７】この発明の実施例２の誘導加熱式蒸気発生装置の加熱管と蒸気ヘッダとの結合部分の構成を示すもので、（ａ）は部分縦断面図、（ｂ）は部分横断面図。
【図８】この発明の実施例３の誘導加熱式蒸気発生装置の加熱管と蒸気ヘッダとの結合部分の構成を示すもので、（ａ）は部分縦断面図、（ｂ）は部分横断面図。
【図９】従来の誘導加熱式蒸気発生装置の構成を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【実施例１】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【実施例２】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【実施例３】
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−０２２１０７号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ９８／２９６８５号公報
【特許文献３】特許第３７５８６６８号公報
【特許文献４】特許第４５５２８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す正面図。
【図２】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す平面図。
【図３】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の要部の構成を示す縦断面図。
【図４】図３の蒸気ヘッダ１２のＩＶ−ＩＶ線に沿う平面断面図。
【図５】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置に使用するシールドコイルの構成を示す正面図。
【図６】この発明の実施例１の誘導加熱式蒸気発生装置の系統構成図。
【図７】この発明の実施例２の誘導加熱式蒸気発生装置の加熱管と蒸気ヘッダとの結合部分の構成を示すもので、（ａ）は部分縦断面図、（ｂ）は部分横断面図。
【図８】この発明の実施例３の誘導加熱式蒸気発生装置の加熱管と蒸気ヘッダとの結合部分の構成を示すもので、（ａ）は部分縦断面図、（ｂ）は部分横断面図。
【図９】従来の誘導加熱式蒸気発生装置の構成を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【実施例１】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【実施例２】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【実施例３】
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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が、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誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、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を特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記シールドコイルの径の大きいターン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したことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記シールドコイルの巻き数を偶数としたことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項１】
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が、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誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、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を特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記シールドコイルの径の大きいターン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したことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の誘導加熱式蒸気発生装置において、前記シールドコイルの巻き数を偶数としたことを特徴とする誘導加熱式蒸気発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４１９５２（Ｐ２０１２−２４１９５２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１０８０（Ｐ２０１１−１１１０８０）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（５０２１６５３００）富士電機サーモシステムズ株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（５０２１６５３００）富士電機サーモシステムズ株式会社 (33)
【Ｆターム（参考）】
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