(57)【要約】【課題】速やかに昇温する管体発熱タイプの高温流体加熱装置を実現する。【解決手段】加熱部４２における発熱体兼用の管体４３に異材連結管体を採用し、異材連結管体４３のうち導入側部分４４には非磁性導電性耐熱材を用い、異材連結管体４３のうち吐出側部分４５には磁性導電性耐熱材を用い、それらの選定に際して導入側部分４４の非磁性導電性耐熱材の上限温度Ｃが吐出側部分４５の磁性導電性耐熱材のキュリー温度Ａより高くなるようにする。【選択図】        図１
2010177069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象の流体を導入する導入部と、その加熱流体を吐出する吐出部と、一端が前記導入部に連結され他端が前記吐出部に連結されて中空が流路をなす発熱体兼用の管体と、この管体の外周部を囲むところに配置されて通電時には前記管体を誘導加熱する誘導コイルとを備えた高温流体加熱装置において、前記管体のうち前記導入部に連なる導入側部分が非磁性導電性耐熱材からなり、前記管体のうち前記吐出部に連なる吐出側部分が磁性導電性耐熱材からなり、前記非磁性導電性耐熱材の上限温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より高くなっていることを特徴とする高温流体加熱装置。
【請求項２】
前記誘導コイルが前記管体の前記導入側部分も前記管体の前記吐出側部分も囲む状態で固定されていることを特徴とする請求項１記載の高温流体加熱装置。
【請求項３】
前記誘導コイルを軸方向に移動させる移動機構と、前記管体の前記吐出側部分の温度を検出する温度計とが設けられ、その検出温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より低いときには前記誘導コイルを前記移動機構にて前記管体の前記導入側部分に寄せて前記吐出側部分から外すが、前記検出温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より高いときには前記非磁性導電性耐熱材の上限温度より低いうちに前記移動機構にて前記誘導コイルを前記管体の前記吐出側部分の方へ寄せて前記誘導コイルに前記吐出側部分を囲わせるようになっていることを特徴とする請求項１記載の高温流体加熱装置。
【請求項４】
前記移動機構が前記誘導コイルを長さ固定のまま移動させるものであることを特徴とする請求項３記載の高温流体加熱装置。
【請求項５】
前記移動機構が前記誘導コイルを伸縮させて移動させるものであることを特徴とする請求項３記載の高温流体加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体を加熱して高温にする高温流体加熱装置に関し、詳しくは、導電性管体を誘導加熱して発熱させることにより、管体内を流れる流体を管体からの伝熱によって加熱する高温流体加熱装置に関する。
更に詳しくは、発熱用管体を成す磁性耐熱材のキュリー温度（磁気変態点）を超える高温まで流体を加熱するのに好適な高温流体加熱装置に関する。
水蒸気等の飽和蒸気を更に加熱して過熱蒸気を発生する過熱蒸気発生装置は、高温流体加熱装置の典型例である。
【背景技術】
【０００２】
高温流体を連続して発生させる高温流体加熱装置は、管体の中空に流体を通しながら管体中の流体を加熱するようになっている。加熱手段としてはガス加熱と電磁誘導加熱とが多用されているが、電磁誘導を利用するものに限っても、管体に電磁誘導発熱体を採用しておいて管外の電磁コイルへの高周波通電で管体を発熱させる言わば管体発熱タイプと（例えば特許文献１参照）、管体には電磁誘導非発熱体を採用するとともに管体中に電磁誘導発熱体を内挿しておいて管外の電磁コイルへの高周波通電で管体中の内挿物を発熱させる言わば管内発熱タイプとに分けられる（例えば特許文献２，３参照）。
【０００３】
電磁誘導非発熱体は非磁性非導電性耐熱材から作られ、非磁性非導電性耐熱材は、磁性が全く無いか弱いために磁気変態が判然としないという意味で非磁性を示し、電磁波に関して吸収する割合よりも通過させる割合の方が多いという意味で非導電性を示し、熱ストレスの生じる部位への使用に適していると一般に分類されているといった程度の意味で耐熱性を示し、例えば、セラミックや，ＦＲＰ，フッ素樹脂（特許文献２段落００１２参照）が挙げられる。
【０００４】
電磁誘導発熱体は、非磁性導電性耐熱材か磁性導電性耐熱材から作られ、コイル形状や高周波印加条件を整合させれば電磁波を吸収して発熱体の働きを果たせるという意味で導電性を示すものである。非磁性や耐熱性は上述したのと同じ意味であり、磁性は、磁気変態の発現やキュリー温度が明確になっているという意味である。非磁性導電性耐熱材には、例えば、オーステナイト系ステンレス（特許文献１段落００１１）や、炭素セラミックス複合材料（特許文献２段落００１９参照）、炭素，グラファイト，白金，ニッケル，ニモニック鋼（特許文献３第５頁左下欄参照）、インコネル（登録商標），ハステロイ（登録商標）、が挙げられる。磁性導電性耐熱材には、例えば、マルテンサイト系ステンレス（特許文献２段落００１２参照）や、炭素鋼（特許文献１段落００１１）、カンタル（登録商標）その他のクロム・アルミニウム鋼(Fe-Cr-Al)、が挙げられる。
【０００５】
図８（ａ）〜（ｄ）は、管体発熱タイプの過熱蒸気発生装置１０を示し、（ａ）が左側面図、（ｂ）が断熱材を外したところの正面図、（ｃ）が温度制御回路や他の連携装置も含めた全体ブロック図、（ｄ）が温度制御回路のブロック図である、
この過熱蒸気発生装置１０は特許文献１の背景技術欄に記載されたものであり、その本体部・機構部は（図８（ａ），（ｂ）参照）、飽和蒸気を導入する導入部１１と、その飽和蒸気を加熱して過熱蒸気にする加熱部１２と、その過熱蒸気を吐出する吐出部１６とからなる。
【０００６】
導入部１１及び吐出部１６は、蒸気流路径を変えるため、ロート状・ラッパ状の筒体からなる。加熱部１２は、平行に配置された複数の管体１３と、図示しない断熱材を介して管体１３の群に包括的に捲回された誘導コイル１７とを具えている。管体１３は、誘導コイル１７への高周波通電によって誘導加熱される導電材からなり、一端が導入部１１に連通接続され、他端が吐出部１６に連通接続されて、中空部が蒸気流路になっている。
【０００７】
このような過熱蒸気発生装置１０は、過熱蒸気の利用が拡大しつつある例えば廃油や，廃プラスチック，生ゴミ，食品，器材等を対象とした乾燥や，減容，調理，殺菌等の処理のための過熱蒸気源として使用され、多くの場合、使用目的に適した温度の過熱蒸気を供給するために温度制御回路が付設される。温度制御は、制御対象が単一のときに使い易いＰＩＤ演算（比例・積分・微分）によるフィードバック制御が行われ、制御対象の温度を検出してその検出温度が目標温度になるように誘導コイル１７の通電制御を行うようになっている。上記温度制御の対象は、大抵は、吐出蒸気温度か、吐出部の後段に設置される処理部の温度である。
【０００８】
吐出蒸気温度をフィードバック制御する場合の一例を示すと（図８（ｃ）参照）、過熱蒸気発生装置１０には発熱体温度計２１と吐出蒸気温度計２２と温度制御回路２３とが付設される。発熱体温度計２１は、例えば熱電対からなり、発熱体である管体１３の外周面に対して軸方向のほぼ中央位置に取り付けられて、発熱体の温度を検出し、この検出温度Ｔａを温度制御回路２３に送出する。吐出蒸気温度計２２も例えば熱電対からなり、これは、吐出部１６に取り付けられて或いはその直ぐ下流の過熱蒸気供給管等に取り付けられて、過熱蒸気発生装置１０から吐出される過熱蒸気の温度を検出し、この検出温度Ｔｂを温度制御回路２３に送出するようになっている。
【０００９】
温度制御回路２３は（図８（ｃ））、発報用の比較演算回路（CMP.）と追従制御用のＰＩＤ演算回路(PID）とがワンパッケージに組み込まれた温度調節器（例えば市販の電子温度調節器）を用いて簡便に具現化されている。この温度調節器は、手動の基準温度設定手段と外部信号の入力手段とを二個ずつ具えており、一つの設定値と一つの外部信号とを比較演算回路に入力し、他の設定値と他の外部信号とをＰＩＤ演算回路に入力するようになっている。ＰＩＤ演算回路のＰＩＤ定数すなわち比例係数・積分項の係数・微分項の係数も手動で又は自動（オートチューニング）で設定できるようになっている。
【００１０】
そして、これを採用した温度制御回路２３は、比較演算回路への設定温度（設定値）を発熱体上限温度Ｓａとし、比較演算回路への外部信号を発熱体温度計２１の検出温度Ｔａとして、検出温度Ｔａが発熱体上限温度Ｓａを超えると比較演算回路から警報信号Ａａが出力されるようになっている。また、温度制御回路２３は、ＰＩＤ演算回路への設定温度を吐出蒸気目標温度Ｇｂとし、ＰＩＤ演算回路への外部信号を吐出蒸気温度計２２の検出温度Ｔｂとして、検出温度Ｔｂを吐出蒸気目標温度Ｇｂに近づけるようなコイル電流Ｉｂを高周波電源２４に出力させる通電指令Ｉａが比較演算回路から出力されるようになっている。
【００１１】
通電指令Ｉａ及び警報信号Ａａは、温度制御回路２３から高周波電源２４に送出され、高周波電源２４は、通電指令Ｉａに応じたコイル電流Ｉｂを過熱蒸気発生装置１０の加熱部１２の誘導コイル１７に出力するとともに、警報信号Ａａが有意になったときにはコイル電流Ｉｂの出力を強制的に停止するようになっている。
その他（図８（ｃ）参照）、過熱蒸気発生装置１０の上流には飽和蒸気を供給してくれる飽和蒸気発生装置２５が設置され、過熱蒸気発生装置１０の下流には過熱蒸気を用いて処理を行う過熱蒸気処理装置の処理部２６が設置される。
【００１２】
このような過熱蒸気発生装置１０等を作動させるときには、先ず温度制御回路２３に発熱体上限温度Ｓａと吐出蒸気目標温度ＧｂとＰＩＤ定数を設定する。発熱体上限温度Ｓａは、管体１３の材質等で決まり、汎用のオーステナイト系ステンレスや炭素鋼を用いた場合、例えば６００℃〜６５０℃程度に設定される。吐出蒸気目標温度Ｇｂは、過熱蒸気処理装置２６の要求仕様で決まり、発熱体上限温度Ｓａよりは低い範囲内で、利用目的や使用状況に応じて、例えば２００℃〜５００℃程度に設定される。ＰＩＤ定数は、基本的には加熱部１２や高周波電源２４の動作特性に基づいて決まるが、飽和蒸気発生装置２５の蒸気供給量や過熱蒸気処理装置２６への吐出蒸気温度の影響も受けるので、現場でも調整される。
【００１３】
そして、過熱蒸気発生装置１０等を作動させると、飽和蒸気が飽和蒸気発生装置２５から過熱蒸気発生装置１０へ供給され、その飽和蒸気が過熱蒸気発生装置１０の加熱部１２で加熱されて過熱蒸気になり、その過熱蒸気が過熱蒸気発生装置１０から過熱蒸気処理装置２６に供給され、過熱蒸気処理装置２６で所望の過熱蒸気処理が行われる。
そのとき、ＰＩＤ定数が適切に設定され且つ蒸気量が適正範囲であれば、温度制御回路２３から高周波電源２４に適切な通電指令Ｉａが出され、高周波電源２４から過熱蒸気発生装置１０の誘導コイル１７に適度なコイル電流Ｉｂが流されて、吐出蒸気温度計２２の検出温度Ｔｂが吐出蒸気目標温度Ｇｂになり、吐出蒸気目標温度Ｇｂに無理のない限り、発熱体温度計２１の検出温度Ｔａは発熱体上限温度Ｓａ未満にとどまる。
【００１４】
図８（ｅ）〜（ｆ）は、管体発熱タイプの他の過熱蒸気発生装置３０を示し、（ｅ）が左側面図、（ｆ）が断熱材を外したところの正面図である。
この過熱蒸気発生装置３０は、特許文献１の実施例欄に記載されたものであり、上述した過熱蒸気発生装置１０と相違するのは誘導コイル１７が捲回状態の異なる誘導コイル３１になった点である。
【００１５】
誘導コイル３１は、やはり水冷可能な銅管などからなり、加熱部１２において管体１３の外周に捲回されているが、その捲回密度が、均一でなくなり、導入部１１寄りでは粗に吐出部１６寄りでは密になっている。その比は、飽和蒸気と過熱蒸気の温度差等にもよるが、例えば［１：２］〜［１：４］程度が好適である。
この場合、誘導コイル３１の捲回の粗密に基づいて、誘導加熱による入熱量が導入部１１寄りで少なく吐出部１６寄りで多くなり、そのため管体１３から中空部１４の蒸気への伝熱効率が向上して、加熱部１２全体の加熱効率が良くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−０２４３３６号公報
【特許文献２】特開２０００−０６５３１２号公報
【特許文献３】特開平０２−１９２６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、このような管体発熱タイプの過熱蒸気発生装置１０，３０は現在のところ７００℃以下の蒸気発生に用いられているが、それを超える高温加熱たとえば８００℃や１０００℃を超える温度へ流体を加熱することに対する要求が高まっており、それに応える方策として、管内発熱タイプの過熱蒸気発生装置において内挿発熱体を複数段にしたうえで前段の発熱体には非磁性導電性耐熱材を採用し後段の発熱体には特殊な炭素セラミックス複合材料を採用することが提案されている（特許文献２参照）。ただし、特殊な炭素セラミックス複合材料は高温における耐久性が悪いうえ、管内発熱タイプの管体に用いられている非磁性非導電性耐熱材も耐衝撃性が低く、更に高温でのシール性が悪い。
【００１８】
これに対し、管体発熱タイプの過熱蒸気発生装置では管体に非磁性非導電性耐熱材でなく非磁性導電性耐熱材や磁性導電性耐熱材が用いられるので、非磁性非導電性耐熱材の使用に起因する不都合は回避できる。また、高周波印加条件を一つに絞り込むことで高周波電源のコストアップを回避することができる。さらに、非磁性導電性耐熱材や磁性導電性耐熱材には耐久性に優れているばかりか比較的安価で入手も容易なものがある。例えば、非磁性導電性耐熱材ではＳＵＳ３１０やインコネル６００などが使い易く、磁性導電性耐熱材ではカンタルなどが使い易い。そこで、管体発熱タイプの過熱蒸気発生装置を高温まで使用できるよう改良することが望まれる。
【００１９】
しかしながら、上述の使い易い非磁性導電性耐熱材の場合、実用的な上限温度である長期耐熱温度が８００℃程度であり、それを超える高温では耐久性が不足する。また、上述の使い易い磁性導電性耐熱材の場合、１０００℃といった高温やそれを超える高温でも耐久性は良いが、常温から８００℃までの間に存在するキュリー温度で磁気変態が発現するため、キュリー温度より低温側に誘導コイルや高周波電源の電磁誘導条件を整合させるとキュリー温度より高温側で不都合が生じ、キュリー温度より高温側に誘導コイルや高周波電源の電磁誘導条件を整合させるとキュリー温度より低温側で不都合が生じる。
【００２０】
図９は、それらの不都合を具体的に対比説明するために管体発熱タイプの過熱蒸気発生装置の昇温特性をグラフにしたものであり、（ａ）〜（ｃ）何れも横軸に経過時間を採り縦軸に温度を採っている。（ａ）が電磁誘導発熱体に非磁性導電性耐熱材を用いた場合の昇温特性グラフ、（ｂ）が電磁誘導発熱体に磁性導電性耐熱材を用い且つキュリー温度より低い温度の物性に電磁誘導条件を適合させた場合の昇温特性グラフ、（ｃ）が電磁誘導発熱体に磁性導電性耐熱材を用い且つキュリー温度より高い温度の物性に電磁誘導条件を適合させた場合の昇温特性グラフである。なお、この図や他の図における昇温特性グラフに関して、Ａは例えば６００℃のキュリー温度を示し、Ｂは例えば７６０℃に設定された低めの制御目標温度を示し、Ｃは例えば８００℃の非磁性導電性耐熱材上限温度を示し、Ｄは例えば１０００℃に設定された高めの制御目標温度を示している。
【００２１】
電磁誘導発熱体である管体１３にＳＵＳ３１０やインコネル６００といった非磁性導電性耐熱材を用いた場合（図９（ａ）参照）、誘導コイル１７の形状や高周波電源２４の出力設定などの電磁誘導条件は非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃより低い温度の物性に適合させられ、通電開始時刻Ｔ０から時間Ｔ１経過後に非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃに達するが、非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃより低い制御目標温度Ｂでしか使用されない（図中の実線グラフを参照）。なお、耐久性や損傷を無視して、非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃより高い制御目標温度Ｄを温度制御回路２３に設定すれば、時間Ｔ１より数割ほど長い時間Ｔ２（＝Ｔ１×（１．２〜１．３））経過後に制御目標温度Ｄに達する（図中の破線グラフを参照）。
【００２２】
また、管体１３にカンタル等の磁性導電性耐熱材を用いるとともにキュリー温度Ａより低い温度の物性にコイル１７形状や高周波印加条件を適合させた場合（図９（ｂ）参照）、キュリー温度Ａまでは非磁性導電性耐熱材のときと同じく速やかに昇温するが、キュリー温度Ａを超えてからは、管体１３の物性変化によって電磁誘導条件が適合しなくなるため、加熱効率が低下して、制御目標温度Ｄに達するのが、時間Ｔ２の数倍も長い時間Ｔ３（＝Ｔ２×（３〜６））経過後に制御目標温度Ｄに達する（図中の実線グラフを参照）。なお、磁性導電性耐熱材の材種や電磁誘導条件によってはキュリー温度Ａより高くならないこともあり（図中の破線グラフを参照）、材種選定や条件設定を工夫することでキュリー温度Ａを超えて昇温するようにはできるが、制御目標温度Ｄへの到達時間Ｔ３の長期化は避けられない。この場合、キュリー温度Ａを超える高温域での温度制御性も、加熱効率の低下によって、悪化する。
【００２３】
これに対し、管体１３にカンタル等の磁性導電性耐熱材を用いるとともにキュリー温度Ａより高い温度の物性にコイル１７形状や高周波印加条件を適合させるために例えば誘導コイル１７と管体１３との距離を縮めたり高周波電源２４の出力の周波数を変更した場合（図９（ｃ）参照）、キュリー温度Ａを超える高温域では昇温特性も温度制御性も比較的良好なので、一応は実用になるが、通電開始からキュリー温度Ａに達するまでの時間が長期化するため、制御目標温度Ｄに達するのは、やはり時間Ｔ２の数倍も長い時間Ｔ４（＝Ｔ４×（３〜６））を経過した後になってしまう（図中の実線グラフを参照）。
【００２４】
その改善策としては、キュリー温度Ａに届かない低温域とキュリー温度Ａを超える高温域とで電磁誘導条件を切り替えることによって制御目標温度Ｄへの到達時間を短縮することが思い浮かぶ。
しかしながら、コイル１７の巻き径を可変にするのは技術面からもコスト面からも難があるうえ、高周波電源２４の出力の周波数の切り替えは可能であっても高周波電源２４のコストアップを招くので望ましくない。
そこで、誘導コイル径を固定したまま又は誘導コイル径および印加電力周波数を固定したままでも昇温時間が短縮されるよう、管体発熱タイプの高温流体加熱装置における発熱管体の構成に工夫を凝らすことが、技術的な課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の高温流体加熱装置は（解決手段１）、このような課題を解決するために創案されたものであり、加熱対象の流体を導入する導入部と、その加熱流体を吐出する吐出部と、一端が前記導入部に連結され他端が前記吐出部に連結されて中空が流路をなす発熱体兼用の管体と、この管体の外周部を囲むところに配置されて通電時には前記管体を誘導加熱する誘導コイルとを備えた高温流体加熱装置において、前記管体のうち前記導入部に連なる導入側部分が非磁性導電性耐熱材からなり、前記管体のうち前記吐出部に連なる吐出側部分が磁性導電性耐熱材からなり、前記非磁性導電性耐熱材の上限温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より高くなっていることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の高温流体加熱装置は（解決手段２）、上記解決手段１の高温流体加熱装置であって、前記誘導コイルが前記管体の前記導入側部分も前記管体の前記吐出側部分も囲む状態で固定されていることを特徴とする。
【００２７】
さらに、本発明の高温流体加熱装置は（解決手段３）、上記解決手段１の高温流体加熱装置であって、前記誘導コイルを軸方向に移動させる移動機構と、前記管体の前記吐出側部分の温度を検出する温度計とが設けられ、その検出温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より低いときには前記誘導コイルを前記移動機構にて前記管体の前記導入側部分に寄せて前記吐出側部分から外すが、前記検出温度が前記磁性導電性耐熱材のキュリー温度より高いときには前記非磁性導電性耐熱材の上限温度より低いうちに前記移動機構にて前記誘導コイルを前記管体の前記吐出側部分の方へ寄せて前記誘導コイルに前記吐出側部分を囲わせるようになっていることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の高温流体加熱装置は（解決手段４）、上記解決手段３の高温流体加熱装置であって、前記移動機構が前記誘導コイルを長さ固定のまま移動させるものであることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の高温流体加熱装置は（解決手段５）、上記解決手段３の高温流体加熱装置であって、前記移動機構が前記誘導コイルを伸縮させて移動させるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
このような本発明の高温流体加熱装置にあっては（解決手段１，当初請求項１）、基本構成に管体発熱タイプを引き継ぎつつも、管体のうち導入側部分には非磁性導電性耐熱材を採用し、管体のうち吐出側部分には磁性導電性耐熱材を採用したことにより、誘導コイル径を含む電磁誘導条件を管体の吐出側部分の磁性導電性耐熱材のキュリー温度超の物性に適合させれば、この電磁誘導条件が磁性喪失後の物性に適合するものであるため管体の導入側部分の非磁性導電性耐熱材の物性にも概ね適合するので、昇温時の初期には、管体の吐出側部分は磁気浸透深さが浅いために電気抵抗が高く、投入電力の大部分が集中することになり、速やかに昇温するとともに、導入部側部分も加熱に貢献する電力はその長さに比して弱いものの、吐出側部分からの伝熱もあり順調に昇温する。そして、吐出側部分の温度がキュリー温度を超えると、管体全体の電気・磁気特性が概ね一定となるため、効率的に管全体が加熱され、一層迅速に昇温する。
【００３１】
また、昇温と共に又は昇温の後期に流体の供給も行えば、それによって管体の導入側部分の温度は吐出側部分の温度より低く抑えられるので、管体の導入側部分の温度が非磁性導電性耐熱材の上限温度を超えないという制約条件下でも、管体の吐出側部分は非磁性導電性耐熱材の上限温度を超える高い温度まで加熱することができる。
これにより、管体を非磁性導電性耐熱材だけにしたときより高温まで使用が可能となるうえ、管体を磁性導電性耐熱材だけにしたときより昇温時間が短縮される。
したがって、この発明によれば、誘導コイル径を固定したままでも速やかに昇温するような管体発熱タイプの高温流体加熱装置を実現することができる。
【００３２】
さらに、管体の導入側部分も吐出側部分も囲む状態で誘導コイルを固定しておくことにより、構成簡素という利点が管体発熱タイプから引き継がれるが、この場合、流体の流量が小さいと、管体の導入側部分に対する温度抑制能力が弱まって、管体の導入側部分の温度が非磁性導電性耐熱材上限温度を超えて過熱しやすくなるため、小流量域では使用し難い。また、吐出蒸気温度がキュリー温度近辺のときには、管体の吐出側部分の温度がキュリー温度以上の部分とキュリー温度未満の部分が混在することとなり、電気制御が難しく、加熱効率も最善ではない。
【００３３】
これに対し、本発明の高温流体加熱装置にあっては（解決手段２，当初請求項３）、誘導コイルを軸方向に移動させる移動機構を導入したうえで、低温域では、誘導コイルを磁性導電性耐熱材から外して非磁性導電性耐熱材に集中させるようにしたことにより、誘導コイル全長に対向する部分全体に渡って好適な加熱を行うことが容易となる。また、高温域では、誘導コイルを磁性導電性耐熱材の方へ寄せるようにしたことにより、管体の導入側部分に使用している非磁性導電性導電性耐熱材の耐久性と強度が充分維持される温度の上限内での運転が容易に可能になる。
したがって、この発明によれば、誘導コイル径を固定したままでも、高温域でも低温域でも温度制御能力が高く安定するとともに、大流量でも小流量でも過熱することなく長期使用に耐え、より迅速に昇温するような管体発熱タイプの高温流体加熱装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１について、高温流体加熱装置の構造や動作特性を示し、（ａ）が断熱材や支持脚などを外した要部の縦断正面図、（ｂ）が回路ブロック図、（ｃ）が横軸に経過時間を採り縦軸に温度を採った昇温特性グラフ、（ｄ）が横軸に管体上の位置を採り縦軸に温度を採った温度分布グラフである。
【図２】本発明の実施例２について、高温流体加熱装置の構造を示し、（ａ）が左側面図、（ｂ）が断熱材を外したところの正面図、（ｃ）が他の高温流体加熱装置の左側面図、（ｄ）が断熱材を外したところの正面図である。
【図３】小流量時の課題を示し、横軸に管体上の位置を採り縦軸に温度を採った温度分布グラフである。
【図４】本発明の実施例３について、高温流体加熱装置の構造を示し、（ａ）が断熱材や支持脚などを外した要部の縦断正面図、（ｂ）が回路ブロック図、（ｃ）が断熱材や支持脚などを外した要部の縦断正面図である。
【図５】その動作特性を示し、（ａ）が横軸に経過時間を採り縦軸に温度を採った昇温特性グラフ、（ｂ）〜（ｄ）が何れも横軸に管体上の位置を採り縦軸に温度を採った温度分布グラフであり、（ｂ）がコイル移動前の温度分布、（ｃ）がコイル移動後の温度分布、（ｄ）が流量の影響も反映したコイル移動後の温度分布である。
【図６】本発明の実施例４について、移動制御の他の構成例を示し、（ａ）〜（ｂ）何れも横軸に非磁性耐熱材部の温度を採り縦軸に誘導コイルの位置を採った制御特性グラフであり、（ａ）が単純ヒステリシス特性の場合、（ｂ）が比例制御にヒステリシスを組み合わせた特性の場合である。
【図７】本発明の実施例５について、高温流体加熱装置の構造を示し、（ａ）〜（ｃ）何れも断熱材や支持脚などを外した要部の縦断正面図であり、（ａ）がコイル移動前の状態、（ｂ）がコイル移動中の状態、（ｃ）がコイル移動後の状態である。
【図８】従来の過熱蒸気発生装置を示し、（ａ）が左側面図、（ｂ）が断熱材を外したところの正面図、（ｃ）が温度制御回路や他の連携装置も含めた全体ブロック図、（ｄ）が温度制御回路のブロック図、（ｅ）が他の過熱蒸気発生装置の左側面図、（ｆ）が断熱材を外したところの正面図である。
【図９】従来の過熱蒸気発生装置の昇温特性を示し、（ａ）〜（ｃ）何れも横軸が経過時間で縦軸が温度のグラフであり、（ａ）が電磁誘導発熱体に非磁性導電性耐熱材を用いた場合の昇温特性グラフ、（ｂ）が電磁誘導発熱体に磁性導電性耐熱材を用い且つキュリー温度より低い温度の物性に電磁誘導条件を適合させた場合の昇温特性グラフ、（ｃ）が電磁誘導発熱体に磁性導電性耐熱材を用い且つキュリー温度より高い温度の物性に電磁誘導条件を適合させた場合の昇温特性グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
このような本発明の高温流体加熱装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の実施例１〜５により説明する。
図１に示した実施例１は、上述した解決手段１（出願当初の請求項１，２）を具現化したものであり、図２（ａ），（ｂ）に示した実施例２は、その変形例である。また、図３は更なる課題の説明図であり、図４〜５に示した実施例３は、上述した解決手段２をコイル長固定態様（出願当初の請求項３，４）で具現化したものであり、図６（ａ），（ｂ）に示した実施例４は、その変形例である。さらに、図７に示した実施例５は、上述した解決手段２をコイル伸縮態様（出願当初の請求項３，５）で具現化したものである。
なお、それらの図示に際し従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。
【実施例１】
【００３６】
本発明の高温流体加熱装置の実施例１について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は（ａ）が断熱材や支持脚などを外した高温流体加熱装置４０の要部の縦断正面図、（ｂ）が制御回路等のブロック図である。
【００３７】
この高温流体加熱装置４０が既述した過熱蒸気発生装置１０と相違するのは、並列配置された複数本の管体１３を装備していた加熱部１２が、異材連結管体４３を一本だけ装備した加熱部４２になっている点である。
管体４３は単一材種のものから異材連結管体に変更されているが、その他は既述のものを引き継いでいる。具体的には、一端が導入部１１に連結され他端が吐出部１６に連結されていて中空が加熱対象流体の流路をなしていることや、発熱体を兼ねていること、管体４３の外周部を囲むところに誘導コイル１７が配置されていること、管体の中空部を通過する流体の流れを乱す邪魔体が内挿されていても良いことは、従来と同じである。
【００３８】
誘導コイル１７と管体４３との間に介在している図示しない断熱材や、誘導コイル１７の通電を担う温度制御回路２３と高周波電源２４も引き継がれている。温度制御回路２３のＰＩＤ演算回路への設定温度は応用目的に対応した例えば１０００℃の制御目標温度Ｄに設定されていて、吐出流体温度計２２の検出温度Ｔｂを制御目標温度Ｄに近づけるようなコイル電流Ｉｂが高周波電源２４から誘導コイル１７に供給されるようになっている。なお、温度計２１の検出温度Ｔａと発熱体上限温度Ｓａとを比較して警報信号Ａａを出力する比較演算回路の部分は、図示を割愛したが、引き継いでも良い。
【００３９】
異材連結管体４３は、導入部１１に連なる導入側部分４４と吐出部１６に連なる吐出側部分４５とを溶接等にて剛に且つ密に連結したものであり、導入側部分４４には、ＳＵＳ３１０やインコネル６００などの使い易い非磁性導電性耐熱材からなる管体が採用され、吐出側部分４５には、カンタルなどの使い易い磁性導電性耐熱材からなる管体が採用されている。また、それらの導電性耐熱材の採用に際しては、導入側部分４４の非磁性導電性耐熱材の上限温度Ｃが吐出側部分４５の磁性導電性耐熱材のキュリー温度Ａより高くなるよう、選定条件が課されて、例えば、非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃが８００℃程度になり、キュリー温度Ａが６００℃になっている。
【００４０】
加熱対象の流体に対する制御目標温度Ｄが従来の目標温度Ｇｂより高くなっていて伝熱に長い流路が必要になる等のため、異材連結管体４３の全長が従来より長くなった場合、誘導コイル１７の全長も同じく伸長されて、誘導コイル１７は、異材連結管体４３の導入側部分４４も異材連結管体４３の吐出側部分４５も囲む状態で固定される。長さは応用目的に応じて適宜調整されるが、誘導コイル１７の個数は一本のままであり、高周波電源２４の給電線は一対で足りている。異材連結管体４３の全長に占める導入側部分４４の長さと吐出側部分４５の長さの割合も応用目的に応じて適宜調整され、昇温時間の短縮や原価の低減という観点からは非磁性導電性耐熱材の導入側部分４４の長さの割合が増やされ、過熱防止の観点からは磁性導電性耐熱材の吐出側部分４５の長さの割合が増やされる。
【００４１】
この実施例１の高温流体加熱装置４０について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図１は、（ｃ）が横軸に経過時間を採り縦軸に温度を採った昇温特性グラフ、（ｄ）が横軸に管体上の位置を採り縦軸に温度を採った温度分布グラフである。
基本的な使い方や動作は既述した従来例と同様なので、繰り返しとなる説明は割愛し、以下、異材連結管体４３の導入によって改良された昇温特性を中心に説明する。
【００４２】
ここでも（図１（ｃ）参照）、Ａは例えば６００℃のキュリー温度を示し、Ｃは例えば８００℃の非磁性導電性耐熱材上限温度を示し、Ｄは例えば１０００℃に設定された高めの制御目標温度を示しているものとする。また、誘導コイル１７の径その他のコイル形状や高周波電源２４の出力電流の周波数その他の高周波印加条件は、異材連結管体４３の吐出側部分４５の磁性導電性耐熱材に係るキュリー温度Ａより高い温度の物性に適合するよう、調整が済んでいるものとする。さらに、それに随伴して誘導コイル１７等と異材連結管体４３の導入側部分４４もほぼ適合するが、導入側部分４４にも高い適合度を求める場合は設計製作時に予め導入側部分４４の外径等が微調整されているものとする。
【００４３】
そして、時刻Ｔ０に通電と流体供給とが開始すると、電磁誘導加熱が行われるが、キュリー温度Ａに未達の間は、異材連結管体４３のうち吐出側部分４５に投入電力が集中するため、吐出側部分４５が有効に発熱するのに対し、導入側部分４４はあまり発熱しない。それでも電力の一部による発熱と、吐出側部分４５から熱伝導により導入側部分４４も昇温する。その昇温速度は（図中の実線グラフを参照）、管体全長域を磁性導電性耐熱材にしたとき（図中の二点鎖線グラフを参照）より可成り速く、管体全長域を非磁性導電性耐熱材にしたとき（図中の一点鎖線グラフを参照）に近づく。
【００４４】
それから、吐出側部分４５の温度がキュリー温度Ａに達しそれを超えると、吐出側部分４５の非磁性化という物性変化によって吐出側部分４５も電磁誘導条件が適合することになるため、異材連結管体４３が全体で有効に発熱するので、昇温速度が加速されて、昇温時間が短縮される。非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃへの到達時間が従来の時間Ｔ１の数割ほど長い時間Ｔ５（＝Ｔ１×（１．３〜１．７））になり、制御目標温度Ｄへの到達時間も従来の仮想時間Ｔ２の数割ほど長い時間Ｔ６（＝Ｔ１×（１．２〜１．６））になる。この時間Ｔ５，Ｔ６は、非磁性導電性耐熱材か磁性導電性耐熱材を単独で採用したときの時間Ｔ３，Ｔ４に比べて、数分の一（（１／（２〜４））に短縮されている。
【００４５】
また（図１（ｄ）参照）、加熱対象の流体の流量が多すぎず少なすぎず適正範囲に収まっていれば、流体の温度が導入部１１から吐出部１６へ単調に増加するので、流体を通過させながら伝熱を行う異材連結管体４３における温度分布も、導入側部分４４から吐出側部分４５へ単調に増加するものとなる。そのため、導入側部分４４の温度は、最も熱くなる吐出側部分４５との連結部であっても、非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃを超えることがないので、導入側部分４４は長期使用に耐えることとなる。なお、制御目標温度Ｄより上限温度の高い吐出側部分４５は流体の有無に拘わらず長期使用に耐えられる。
【実施例２】
【００４６】
本発明の高温流体加熱装置の実施例２について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図２（ａ），（ｂ）は、高温流体加熱装置４７の要部構造を示し、（ａ）が左側面図、（ｂ）が断熱材を外したところの正面図である。また、図２（ｃ），（ｄ）は、他の高温流体加熱装置４８の要部構造を示し、（ｃ）が左側面図、（ｄ）が断熱材を外したところの正面図である。
【００４７】
高温流体加熱装置４８が高温流体加熱装置４７と相違するのは、誘導コイル１７が捲回状態の異なる誘導コイル４９になっている点である。誘導コイル１７は捲回密度が一定であるが、誘導コイル４９は、その捲回密度が、既述した誘導コイル３１のように均一でなくなっているが、誘導コイル３１と異なり導入部１１寄りでは密に吐出部１６寄りでは粗になっている。この構成により、磁性導電性耐熱材の温度がキュリー温度に未達の間の投入電力の集中が緩和され、管体全長域を非磁性導電性耐熱材とした場合の昇温速度により近づけることが可能となる。
高温流体加熱装置４７，４８が上述した実施例１の高温流体加熱装置４０と相違するのは、多数本の異材連結管体４３が並列配置されている点である。
この場合、発熱管体の複数並列配置等による誘導加熱の能率向上といった利点や、コイル密度の変更による昇温速度の向上といった利点も、加わる。
【００４８】
［実施例１，２に係る小流量時の課題］
図３は、横軸に異材連結管体４３上の位置を採り縦軸に各位置の温度を採った温度分布グラフであり、高温流体加熱装置４０を小流量で使用したときに生じることのある課題を示している。
【００４９】
高温流体加熱装置４０の場合、誘導コイル１７が常に固定されているうえ異材連結管体４３の導入側部分４４も吐出側部分４５もその外周部を囲っているため、流体吐出温度や流体処理温度が制御目標温度Ｄに維持されている状態で、加熱対象の流体の流量を絞って小さくしすぎると、導入側部分４４が非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃを超えて不所望に過熱されることがある。適正流量では管体４３の温度分布が直線に近かったが（破線参照）、流量が小さくなると、管体４３の導入側部分４４に対する温度抑制能力が弱まって、管体４３の温度分布が上に凸の弓形になってくる（実線参照）。そのため、導入側部分４４のうち吐出側部分４５との連結部に生じる最高温度が、流量減少とともに上昇して、適正範囲外の微小流量では非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃを超えてしまうことにもなる。
【実施例３】
【００５０】
本発明の高温流体加熱装置の実施例３について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図４は、（ａ）が断熱材や支持脚などを外した高温流体加熱装置５０の要部の縦断正面図、（ｂ）が制御回路等のブロック図、（ｃ）が断熱材や支持脚などを外した高温流体加熱装置５０の要部の縦断正面図であり、（ａ）はコイル移動前の状態を示し、（ｃ）はコイル移動後の状態を示している。
【００５１】
この高温流体加熱装置５０が上述した実施例１の高温流体加熱装置４０と相違するのは、誘導コイル１７の長さＬ１より異材連結管体４３の導入側部分４４の長さＬ２の方が少し長くなっている点と、誘導コイル１７を長さ固定のまま保持しているコイル保持部５４ａを軸方向に距離Ｌ４ほど移動させる移動機構５４が追加装備された点と、異材連結管体４３の吐出側部分４５のうち導入側部分４４に近いところの温度を検出するために例えば熱電対からなる磁性耐熱材部温度計５２が吐出側部分４５に付設された点と、この温度計５２の検出温度に基づいて移動機構５４の動作を制御する移動制御回路５３が設けられた点である。なお、図では視認しやすいよう温度計５２が立設されているが、温度計５２やその配線は誘導コイル１７の移動を妨げないよう不図示の断熱材に寄り添っている。
【００５２】
異材連結管体４３の吐出側部分４５の長さＬ３は（図４（ａ）参照）、導入側部分４４の長さＬ２より短く、さらには誘導コイル１７の長さＬ１よりも短い。また、誘導コイル１７の可動距離Ｌ４は、導入側部分４４の長さＬ２と吐出側部分４５の長さＬ３とを合わせた異材連結管体４３の全長Ｌ２＋Ｌ３から誘導コイル１７の長さＬ１を引いた長さに、等しいか、少し短い。
【００５３】
移動機構５４は、モータ駆動のボールネジ機構またはエア駆動のシリンダ機構といった直線運動機構からなり、移動制御回路５３は（図４（ｂ）参照）、温度計５２の検出温度に基づいて誘導コイル１７の位置決めを二者択一で行う例えばコンパレータ等の電子回路と、決めた位置へコイル保持部５４ａを移動させるために移動機構５４の駆動源を制御する例えばモータドライバ又はバルブ駆動リレー等の電気回路からなる。
【００５４】
そして、具体的には、吐出側部分４５のキュリー温度Ａと導入側部分４４の非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃとの中間の値に予め設定されている閾値温度Ｅを参照して（図４（ｂ）参照）、磁性耐熱材部温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅを下回ったときや下回っているときには、誘導コイル１７を異材連結管体４３の導入側部分４４の方へに目一杯寄せて誘導コイル１７を吐出側部分４５から外すようになっている（図４（ａ）参照）。また、磁性耐熱材部温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅを上回ったときや上回っているときには、誘導コイル１７を異材連結管体４３の吐出側部分４５の方へ目一杯寄せて誘導コイル１７に吐出側部分４５を囲わせるようになっている（図４（ｃ）参照）。
【００５５】
この実施例３の高温流体加熱装置５０について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図５は、その動作特性を示し、（ａ）が横軸に経過時間を採り縦軸に温度を採った昇温特性グラフ、（ｂ）〜（ｄ）が何れも横軸に異材連結管体４３上の位置を採り縦軸に温度を採った温度分布グラフであり、（ｂ）がコイル移動前の温度分布、（ｃ）がコイル移動後の温度分布、（ｄ）が流量の影響も反映したコイル移動後の温度分布である。ここでも、昇温特性を中心に説明する。
【００５６】
時刻Ｔ０に通電と流体供給とを開始すると、電磁誘導加熱が行われるが、温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅに達するまでは、誘導コイル１７が異材連結管体４３の導入側部分４４の非磁性導電性耐熱材にだけ掛かっており、その状態では誘導コイル１７が全長域で電磁誘導条件に適合しているので、導入側部分４４が速やかに昇温し、その熱が直接伝導や流体介在伝達にて吐出側部分４５にも運ばれて、吐出側部分４５も昇温する。その昇温速度は（図５（ａ）中の実線グラフを参照）、誘導コイル１７が吐出側部分４５にも掛かっている高温流体加熱装置５０の場合（図中の二点鎖線グラフを参照）よりも速く、管体全長域を非磁性導電性耐熱材にしたとき（図中の一点鎖線グラフを参照）と遜色ない。しかも、昇温速度の向上に伴って、その分だけ、温度制御能力も向上する。
【００５７】
それから、温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅに達しそれを超えると、誘導コイル１７が異材連結管体４３の導入側部分４４から吐出側部分４５へ移動するが、閾値温度Ｅが吐出側部分４５の磁性導電性耐熱材のキュリー温度Ａより高く設定されていることから、吐出側部分４５でも誘導コイル１７等と電磁誘導条件が適合するため、迅速な昇温速度が維持されるので、昇温時間は一層短縮される。そのため、高温流体加熱装置６０の制御目標温度Ｄへの到達時間Ｔ７は、高温流体加熱装置５０の制御目標温度Ｄへの到達時間Ｔ６より更に短縮されて、従来の仮想時間Ｔ２により近づく（＝Ｔ１×（１．１〜１．３））。このように昇温速度が低温域から高温域まで迅速状態に維持されるので、温度制御能力も全温度域で良好である。
【００５８】
また、異材連結管体４３における温度分布を見ると、温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅに達するまでは（図５（ｂ）参照）、導入側部分４４しか発熱しないので、導入側部分４４のうち吐出側部分４５との連結部が最も高温になるが、それでも閾値温度Ｅを超えることはない。それから（図５（ｃ）参照）、その最高温が閾値温度Ｅを超えると誘導コイル１７が異材連結管体４３の吐出側部分４５の方へ寄せられるため、この状態では、導入側部分４４の昇温が抑制されるので、吐出部１６の温度が高温の制御目標温度Ｄになっても、異材連結管体４３の導入側部分４４の温度は非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃを超えない。その導入側部分４４の昇温抑制は小流量のときでも有効なので（図５（ｄ）参照）、、加熱対象の流体の流量を適正範囲外の微小流量まで絞っても、異材連結管体４３の導入側部分４４が非磁性導電性耐熱材上限温度Ｃを超えてしまうことは、滅多にない。
【実施例４】
【００５９】
本発明の高温流体加熱装置の実施例４について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図６は、上述の高温流体加熱装置５０の移動制御回路５３の他の構成例を示し、（ａ）〜（ｂ）何れも横軸に非磁性耐熱材部４４の温度を採り縦軸に誘導コイル５１の位置を採った制御特性グラフであり、（ａ）が単純ヒステリシス特性の場合、（ｂ）が比例制御にヒステリシスを組み合わせた特性の場合である。
【００６０】
移動制御回路５３のコンパレータに例えばヒステリシスコンパレータを採用するとともに、閾値温度Ｅを低めの閾値温度Ｅ１と高めの閾値温度Ｅ２とに拡張して（図６（ａ）参照）、磁性耐熱材部温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅ２を上回ったときに誘導コイル１７が吐出側部分４５の方に寄り、非温度計５２の検出温度が閾値温度Ｅ１を下回ったときに誘導コイル１７が導入側部分４４の方へ寄るようにすることにより、簡便に、微小な温度変動やノイズ等に起因して発生することのあるハンチング様の過剰な誘導コイル１７の移動を回避することができる。
【００６１】
また（図６（ｂ）参照）、上記のヒステリシスコンパレータに代えて例えばヒステリシスを持ったオペアンプを採用する等のことにより、温度計５２の検出温度に応じて誘導コイル１７が中間位置にも止まれるようにすれば、誘導コイル１７の移動を常態では穏やかにしつつも即応の必要なときには誘導コイル１７を迅速に移動させることができる。
【実施例５】
【００６２】
本発明の高温流体加熱装置の実施例５について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図７は、（ａ）〜（ｃ）何れも断熱材や支持脚などを外した高温流体加熱装置６０の要部の縦断正面図であり、（ａ）がコイル移動前の状態、（ｂ）がコイル移動中の状態、（ｃ）がコイル移動後の状態である。
【００６３】
この高温流体加熱装置６０が上述した実施例３の高温流体加熱装置５０と相違するのは、誘導コイル１７を長さ固定のまま移動させる移動機構５４が、誘導コイル１７を伸縮させて移動させる伸縮機構６１になっている点である。
この場合、誘導コイル１７に損傷を与えない範囲で誘導コイル１７の両端を個別に位置決めし移動させることができるので、設計や調整の自由度が増す。
【００６４】
［その他］
上記実施例では、フィードバック制御の演算例としてＰＩＤ演算を挙げたが、アプリケーションによっては、ＰＩ演算や，Ｐ演算でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の高温流体加熱装置は、飽和蒸気を更に加熱する過熱蒸気発生装置に適用できる他、木質バイオマス等の熱分解ガスの改質、ダイオキシン等の有毒ガスの分解、各種ガスの加熱、低融点材料の加熱にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０…過熱蒸気発生装置（高温流体加熱装置）、
１１…導入部、１２…加熱部、１３…管体（発熱体）、
１６…吐出部、１７…誘導コイル、２１…発熱体温度計、
２２…吐出蒸気温度計、２３…温度制御回路、２４…高周波電源、
２５…飽和蒸気発生装置、２６…過熱蒸気処理装置、
３０…過熱蒸気発生装置、３１…誘導コイル、
４０…高温流体加熱装置、
４２…加熱部、４３…異材連結管体（発熱体）、
４４…導入側部分（非磁性耐熱材）、４５…吐出側部分（磁性耐熱材）、
４７…高温流体加熱装置、４８…高温流体加熱装置、４９…誘導コイル、
５０…高温流体加熱装置、
５２…磁性耐熱材部温度計、５３…移動制御回路、
５４…移動機構、５４ａ…コイル保持部、
６０…高温流体加熱装置、６１…伸縮機構
【図１】
2010177069.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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