(57)【要約】【課題】  コンパクトで熱効率の良い蒸気発生装置の提供。【解決手段】  蒸気発生装置１は、水供給口６と蒸気排出口７を設けた気液室３と、その気液室３の下側に配置した加熱室５と、加熱室５の周囲に伝熱壁を介して配置した水ジャケット４と、水ジャケット４の上部に滞留する気液混合物から蒸気だけを気液室３に導く気液セパレータ１９とを備えている。そして、気液室３から水を水ジャケット４に直接供給するための水供給部２１が該気液室３の下部に設けられると共に、前記伝熱壁の加熱室５側に伝熱フィン２３が配置されていることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水供給口６と蒸気排出口７を設けた気液室３と、気液室３の下側に配置した加熱室５と、加熱室５の周囲に伝熱壁を介して配置した水ジャケット４と、水ジャケット４の上部に滞留する気液混合物から蒸気だけを気液室３に導く気液セパレータ１９とを備え、気液室３から水を水ジャケット４に直接供給するための水供給部２１が該気液室３の下部に設けられると共に、前記伝熱壁の加熱室５側に伝熱フィン２３が配置されていることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記水供給部２１は気液室３の底部から水ジャケット４の下部まで延長する水供給管２１ａで構成されていることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記気液室３と水ジャケット４は仕切板２ｂで区分された一体構造とされ、前記気液セパレータ１９は前記仕切板２ｂを貫通して気液室３の上部まで延長する蒸気管２２で構成されていることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記水ジャケット４の下部は加熱室５を取り囲む環状体とされ、前記伝熱フィン２３はその外周面が前記環状体の内面に接するような環状に形成され、前記加熱室５の加熱ガスが前記環状の伝熱フィン２３の軸方向に流通するように構成されていることを特徴とする蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生装置に関し、特に構造が簡単でコンパクトに構成できる蒸気発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場や種々の施設では水蒸気（以下、単に蒸気という。）を熱源とする加熱設備や暖房設備を設置することが多く、これら設備にはボイラや蒸気発生装置から蒸気が供給される。設備の蒸気消費量が大きい場合は通常ボイラが設置されるが、蒸気消費量が比較的少ない場合、例えば燃料電池に水素燃料を供給する改質器に蒸気を供給する場合には、小型の蒸気発生装置が設置される。そのような小型の蒸気発生装置は例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７６９３４号公報
【０００４】
図３は特許文献１に開示されているものと同様な従来の蒸気発生装置の模式的な断面図である。蒸気発生装置１は、筒状のケーシング２と、ケーシング２の内部上方に配置された気液室３と、ケーシング２の内部で且つ気液室３の下側に配置された環状の水ジャケット４と、水ジャケット４の内側下方に配置された加熱室５を備えている。なお気液室３は有底の筒状に形成され、ケーシング２に溶接等により固定される。
【０００５】
気液室３上方のケーシング２には水供給口６と蒸気排出口７が開口している。水ジャケット４にはその上部中央から下方に延長する有底で細長い筒状の蒸発室８が設けられ、蒸発室８の内部に気液室３の底部から下方に延長する水供給管９が配置される。
【０００６】
加熱室５の下方にバーナ１０が設けられ、バーナ１０を囲むように内筒１１とカップ体１２からなる燃焼部１３が形成される。バーナ１０にはエジェクター等の混合器１４から燃料ガスと一次空気の混合物が供給され、燃焼部１３には二次空気が供給される。燃焼部１３の外側は高温の燃焼ガスからなる加熱ガスが流通するための流路１５が形成され、流路１５の途中に複数のバッフルプレート１６が配置され、その先端はガス排出口１７に連通している。
【０００７】
水ケーシング４の内部上方の空間に蒸気滞留部１８が形成され、気液室３の外周とケーシング２の間に環状の気液セパレータ１９が形成される。気液セパレータ１９の上端部は気液室３の上方に開口し、その開口部分に環状バッファ２０が配置される。
【０００８】
次に図３の蒸気発生装置１の作用を説明する。水供給口６から気液室３に供給された水は、水供給管９から蒸発室８を経て水ジャケット４に供給される。バーナ１０の燃焼により発生する加熱ガスは燃焼室１３から流路１５に入り、複数のバッフルプレート１６で蛇行しながらガス排出口１７から排出する。
【０００９】
加熱ガスにより蒸発室８および水ジャケット４の水が加熱されて蒸気が発生する。発生した蒸気は僅かな水が混合した気液混合状態で水ジャケット４上方の蒸気滞留部１８に滞留し、そこから気液セパレータ１９を経て気液室３の上部空間に流入する。その際、気液セパレータ１９および環状バッファ２０で蒸気中に含まれている水の大部分が分離されて気液室３の水中へ入り、そこから水ジャケット４に戻る。そして気液室３に流入した蒸気は蒸気排出口７から負荷設備に供給される。
【００１０】
蒸発室８と水ジャケット４に供給される水は蒸気発生により消費されて減少するが、その消費量に見合った水が水供給口６から自動的に供給される。水の自動供給方法としては、例えば蒸発室８または水ジャケット４の水位を検出し、その水位が予め設定されたレベルを維持するように水供給口６から供給される水量を制御することによって行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように、従来の蒸気発生装置１はケーシング２の内部に蒸気発生部を構成する水ジャケット４と蒸発室８を配置している。蒸発室８を設けることにより時間当たり発生する蒸気量が増加するが、一方、このような蒸発室８を設けると装置全体の構造が複雑になり、部品点数も増加し、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１２】
さらに、従来の蒸気発生装置１は、加熱室５から蒸発室８への熱伝達効率アップのため、加熱ガスの流路１５に複数のバッフルプレート１６を設けているが、バッフルプレート１６による加熱ガスの蛇行による熱伝達効率アップは期待されるほど高くないという問題もある。
そこで本発明はこれらの種々の問題を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決する本発明の蒸気発生装置は、水供給口と蒸気排出口を設けた気液室と、その気液室の下側に配置した加熱室と、加熱室の周囲に伝熱壁を介して配置した水ジャケットと、水ジャケットの上部に滞留する気液混合物から蒸気だけを気液室に導く気液セパレータとを備えている。
そして、気液室から水を水ジャケットに直接供給するための水供給部が該気液室の下部に設けられると共に、前記伝熱壁の加熱室側に伝熱フィンが配置されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１４】
上記蒸気発生装置において、
前記水供給部は気液室の底部から水ジャケットの下部まで延長する水供給管で構成することができる(請求項２)。
【００１５】
上記いずれかの蒸気発生装置において、前記気液室と水ジャケットを仕切板で区分された一体構造とし、前記気液セパレータは前記仕切板を貫通して気液室の上部まで延長する蒸気管で構成することができる(請求項３)。
【００１６】
さらに上記いずれかの蒸気発生装置において、
前記水ジャケットの下部は加熱室を取り囲む環状体に形成し、前記伝熱フィンはその外周面が前記環状体の内面に接する環状に形成し、前記加熱室の加熱ガスが前記伝熱フィンの軸方向に流通するように構成することができる(請求項４)。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の蒸気発生装置は、請求項１に記載のように、加熱室の周囲に伝熱壁を介して配置した水ジャケットと、水ジャケットの上部に滞留する気液混合物から蒸気だけを気液室に導く気液セパレータとを備え、気液室から水を水ジャケットに直接供給するための水供給部が該気液室の下部に設けられると共に、前記伝熱壁の加熱室側に伝熱フィンが配置されていることを特徴としている。
【００１８】
従来の蒸気発生装置は気液室から蒸発室を経て水ジャケットに水を供給しているが、本発明の蒸気発生装置は蒸発室を設けずに、気液室から水を水ジャケットに直接供給している。そのため装置全体の構造が簡単になり、装置をコンパクトに構成することができる。さらに部品点数が減少し、製造コストも低くなる。
【００１９】
一方、水ジャケットと加熱室を隔てる伝熱壁の加熱室側に伝熱フィンを配置しているので、加熱室から水ジャケットへの熱伝達率が著しく高くなり、従来のように蒸発室を設けなくても所定の蒸気発生量を充分に確保することができる。
また、従来のバッフルプレートは伝熱壁に溶接等により固定する必要があったが、伝熱フィンは水ジャケットと加熱室を隔てる伝熱壁にろう付けで簡単に固定することができる。そのため装置の製造工程が簡単になり製造コストも低減できる。
【００２０】
上記蒸気発生装置において、請求項２に記載のように、前記水供給部は気液室の底部から水ジャケットの下部まで延長する水供給管で構成することができる。このような水供給管を設けることにより、水ジャケット内における上下方向の水の対流が促進され、水温の不均一性も抑制される。
【００２１】
上記いずれかの蒸気発生装置において、請求項３に記載のように、前記気液室と水ジャケットを仕切板で区分された一体構造とし、前記気液セパレータは前記仕切板を貫通して気液室の上部まで延長する蒸気管で構成することができる。
このように構成すると、従来のようにカップ状の気液室を製造し、それをケーシングに溶接等により固定する必要がなく、ケーシングを仕切板で仕切るだけで気液室が形成される。そのため気液室の構造がより簡単になり、装置のコンパクト化や製造コスト低減の効果もさらに大きくなる。
【００２２】
さらに上記いずれかの蒸気発生装置において、請求項４に記載のように、前記水ジャケットの下部は加熱室を取り囲む環状体に形成し、前記伝熱フィンはその外周面が前記環状体の内面に接する環状に形成し、前記加熱室の加熱ガスが前記伝熱フィンの軸方向に流通するように構成することができる。
このように構成すると、加熱室のスペース効率を高くできると共に、伝熱フィンによる加熱室から水ジャケットへの熱伝達率を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に図面に基づいて本発明の最良の実施形態を説明する。図１は本発明の蒸気発生装置を模式的に示す断面図である。
蒸気発生装置１はステンレス等の耐熱性の金属で作られ、上部が蓋体２ａで閉鎖された筒状のケーシング２と、ケーシング２の内部上方に配置された気液室３と、ケーシング２の内部で且つ気液室３の下側に配置された水ジャケット４と、水ジャケット４の内側下方に配置された加熱室５を備えている。
【００２４】
加熱室５の周壁と天井壁は伝熱壁を構成し、その伝熱壁の外側とケーシング２の側壁により水ジャケット４が形成される。このように形成された水ジャケット４は、上部が筒状で下部が環状の形状になっている。ケーシング２内の中間部分は水平な仕切板２ｂで区分され、その上側が気液室３を構成し、下側が水ジャケット４を構成する。そして気液室３上方の蓋体２ａに水供給口６と蒸気排出口７が開口している。
【００２５】
水ジャケット４は気液室３から供給される水を蒸発させる蒸気発生部となり、気液室３の下部には水ジャケット４への水供給部２１が設けられる。本実施形態では水供給部２１として気液室３の底部（仕切板２ｂ部分）から水ジャケット４の下部まで垂直に延長する細長い水供給管２１ａが設けられている。なお気液室３の底部に貫通孔を設け、その貫通孔により水供給部２１を構成することもできる。
【００２６】
水ジャケット４の内部上方の空間に蒸気滞留部１８が形成され、蒸気滞留部１８と気液室３は気液セパレータ１９で連通している。本実施形態では、仕切板２ｂを貫通して水ジャケット４の上部まで延長する細長い蒸気管２２により気液セパレータ１９が構成され、その蒸気管２２の上端が気液室３の上部に開口している。
【００２７】
加熱室５の内部下方にバーナ１０が設けられ、バーナ１０の周囲に配置された内筒１１により燃焼部１３が形成される。バーナ１０にはエジェクター等の混合器１４から燃料ガスと一次空気の混合物が供給され、燃焼部１３には二次空気が供給される。なおバーナ１０と燃焼部１３を省略し、外部から高温の加熱ガスを加熱室５の底部に供給することもできる。燃焼部１３の外側は高温の燃焼ガスからなる加熱ガスの流路１５が形成され、流路１５の途中に環状の伝熱フィン２３が配置され、先端はガス排出口１７に連通している。
【００２８】
図２は環状の伝熱フィン２３の１例を示す斜視図である。伝熱フィン２３はステンレス等の耐熱性合金で作られ、板材を所定幅で折畳んで環状に形成し、その環状部分の軸方向に沿って加熱ガスが矢印のように流通できるようになっている。
【００２９】
図１に示すように、水ジャケット４の下部は加熱室５を取り囲む環状体に形成され、その環状体の加熱室５側に接するように伝熱フィン２３が配置されている。加熱室５の加熱ガスは伝熱フィン２３の上下の軸方向に流通する際に、加熱ガスの熱が伝熱フィン２３を通して水ジャケット４に伝熱される。
【００３０】
次に図１の蒸気発生装置１の作用を説明する。
水供給口６から気液室３に供給された純水等の水は、水供給管２１により水ジャケット４に直接供給される。バーナ１０の燃焼により発生する加熱ガスは燃焼室１３から流路１５に入り、伝熱フィン２３の環状部分を軸方向に沿って流通し、ガス排出口１７から排出する。
【００３１】
加熱ガスにより水ジャケット４の水が加熱されて蒸気が発生する。発生した蒸気は僅かな水と混合した気液混合状態で水ジャケット４上方の蒸気滞留部１８に滞留し、そこから気液セパレータ１９を経て気液室３の上部空間に流入する。その際、気液セパレータ１９により蒸気に含まれている水の大部分が分離されて蒸気滞留部１８に戻る。そして気液室３に流入した蒸気は蒸気排出口７から負荷設備に供給される。
【００３２】
水ジャケット４に供給される水は蒸気発生により消費されて減少するが、消費量に見合った水が水供給口６から自動的に供給される。水の自動供給方法としては、例えば蒸発室８または水ジャケット４の水位を検出し、その水位が予め設定されたレベルを維持するように水供給口６から供給される水量を制御することによって行うことができる。
【００３３】
本発明の蒸気発生装置は、従来のように蒸発室８を設けず、気液室３から水ジャケット４に水を直接供給し、蒸発室３による蒸気発生分を補完するため、伝熱効率の高い伝熱壁を設けている。そのため前記のように装置をコンパクトに構成することが可能になる。因みに、図１の本発明の蒸気発生装置と図３の従来の蒸気発生装置を比較した結果、発生蒸気量が同じであれば、図１の蒸気発生装置は図３の従来の蒸気発生装置より装置全体の体積を１７％〜２０％程度低減できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の蒸気発生装置は、改質器等の比較的蒸気消費量の小さい設備に蒸気を供給するために利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の蒸気発生装置を模式的に示す断面図。
【図２】環状の伝熱フィン２３の１例を示す斜視図。
【図３】従来の蒸気発生装置の模式的な断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１  蒸気発生装置
２  ケーシング
２ａ  蓋体
２ｂ  仕切板
３  気液室
４  水ジャケット
【００３７】
５  加熱室
６  水供給口
７  蒸気排出口
８  蒸発室
９  水供給管
１０  バーナ
１１  内筒
【００３８】
１２  カップ体
１３  燃焼部
１４  混合器
１５  流路
１６  バッフルプレート
１７  ガス排出口
１８  蒸気滞留部
【００３９】
1９  気液セパレータ
２０  環状バッファ
２１  水供給部
２１ａ  水供給管
２２  蒸気管
２３  伝熱フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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