(57)【要約】【課題】導体管の材料コストを低減する。【解決手段】螺旋状に巻回した導体管２を誘導加熱又は通電加熱することによって導体管２内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１００であって、導体管２は、上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとで異なる金属により形成されている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状に巻回した導体管を誘導加熱又は通電加熱することによって前記導体管内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、
前記導体管は、上流側部分と下流側部分とで異なる金属により形成されている、過熱水蒸気生成装置。
【請求項２】
前記上流側部分を形成する金属の耐熱温度は、前記下流側部分を形成する金属の耐熱温度よりも低い、請求項１記載の過熱水蒸気生成装置。
【請求項３】
前記上流側部分と前記下流側部分とは溶接により接続されている、請求項１又は２記載の過熱水蒸気生成装置。
【請求項４】
前記導体管は、前記水蒸気を７００℃以上に加熱するものである、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。
【請求項５】
前記上流側部分は、ステンレス鋼から形成されており、
前記下流側部分は、インコネルから形成されている、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。
【請求項６】
誘導加熱又は通電加熱されることにより内部を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する導体管であって、
螺旋状に巻回されており、上流側部分と下流側部分とで異なる金属により形成されている、導体管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、螺旋状に巻回した導体管を誘導加熱又は通電加熱することによって、導体管内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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の過熱水蒸気生成装置において、特許文献１に示すように、二次コイルを形成する螺旋状に巻回した導体管の複数重を、螺旋の軸方向に延びる電気接続部材で溶接等により電気接続し、短絡回路を構成して電気的リアクタンスを低減させて加熱効率を向上させたものが知られている。
【０００３】
この過熱水蒸気生成装置は、例えば１２０℃の水蒸気を螺旋導体管に導入して加熱し、例えば７００〜１２００℃の過熱水蒸気を生成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−７１６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように過熱水蒸気生成装置の導体管は、例えば１２０℃の水蒸気が導入されて、例えば７００〜１２００℃の過熱水蒸気を導出することから、導体管の材質としては、例えば７００℃以上の耐熱温度を有する材質（例えばインコネル）を用いる必要がある。ところが、導体管の材質としてインコネルを用いた場合には、材料コストが高くなってしまう。
【０００６】
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、導体管の材料コストを削減することをその主たる課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、螺旋状に巻回した導体管を誘導加熱又は通電加熱することによって前記導体管内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、前記導体管は、上流側部分と下流側部分とで異なる金属により形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る導体管は、誘導加熱又は通電加熱されることにより内部を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する導体管であって、螺旋状に巻回されており、上流側部分と下流側部分とで異なる金属により形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このようなものであれば、導体管の上流側部分と下流側部分とを異なる金属により形成しているので、導体管の上流側部分の温度及び下流側部分の温度に合わせた材料選択を行うことができ、導体管の合理的な設計が可能となり、導体管の材料コストを低減することができる。
【００１０】
具体的には、前記上流側部分を形成する金属の耐熱温度は、前記下流側部分を形成する金属の耐熱温度よりも低いことが望ましい。
【００１１】
導体管の構成を簡略化するとともに、その製造コストを削減するためには、前記上流側部分と前記下流側部分とは溶接により接続されていることが望ましい。
【００１２】
前記導体管は、前記水蒸気を７００℃以上に加熱するものである場合に、本発明の効果が一層顕著となる。
【００１３】
具体的には、前記上流側部分は、汎用合金鋼であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）から形成されており、前記下流側部分は、超耐熱鋼であるインコネルから形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成した本発明によれば、導体管の上流側部分と下流側部分とを異なる金属により形成しているので、導体管の上流側部分の温度及び下流側部分の温度に合わせた材料選択を行うことができ、導体管の合理的な設計が可能となり、導体管の材料コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】同実施形態の過熱水蒸気生成装置の径方向における配置を模式的に示す図である。
【図３】同実施形態の導体管の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】同実施形態の導体管の構成を模式的に示す正面図である。
【図５】同実施形態の導体管における短絡電流の回路を示す図である。
【図６】同実施形態の内側鉄心の構成を模式的に示す平面図及び正面図である。
【図７】同実施形態の外側鉄心の構成を模式的に示す平面図及び正面図である。
【図８】同実施形態の継鉄心の構成を模式的に示す平面図である。
【図９】同実施形態の導体管の上流側部分及び下流側部分を模式的に示す図である。
【図１０】変形実施形態の過熱水蒸気生成装置の径方向における配置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜１．装置構成＞
本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１００は、外部で生成された例えば１２０℃の水蒸気を加熱して、例えば７００〜１２００℃の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、水を加熱して例えば１２０℃の水蒸気を生成する飽和水蒸気生成部を有するものであっても良い。
【００１７】
具体的に過熱水蒸気生成装置１００は、導体管２を誘導加熱することによって導体管２内を流れる水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成するものであり、図１及び図２に示すように、螺旋状に巻回した導体管２と、導体管２の内側に設けられた内側鉄心３と、導体管２の外側に設けられるとともに、内側鉄心３とともに閉磁路を形成する磁路形成部４と、内側鉄心３及び磁路形成部４の間に設けられ、内側鉄心３の内部に磁束を発生させる誘導コイル５と、内側鉄心３及び磁路形成部４の間に設けられ、水蒸気が流れる予熱管６と備えている。
【００１８】
導体管２は、所定の中心軸線上に沿って螺旋状（コイル状）に巻回されたものである。具体的に導体管２は、図３及び図４に示すように、螺旋状に巻回した内側管要素２１と、当該内側管要素２１の外側に設けられ、螺旋状に巻回した外側管要素２２と、内側管要素２１及び外側管要素２２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２３ａ、２３ｂとを備えている。なお、導体管２の材質としては、汎用合金鋼であるステンレス鋼（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等）や超耐熱鋼であるインコネル等である。
【００１９】
内側管要素２１及び外側管要素２２の巻回方向は互いに逆向きとしてある（図３参照）。そして、内側管要素２１の軸方向一端部と外側管要素２２の軸方向一端部とが接続管要素２３ａにより接続されている。また、内側管要素２１の軸方向他端部と外側管要素２２の軸方向他端部とが接続管要素２３ｂにより接続されている。
【００２０】
接続管要素２３ａには水蒸気の導入ポート２ｐ１が設けられており、接続管要素２３ｂには過熱水蒸気の導出ポート２ｐ２が設けられている。この構成により、接続管要素２３ａの導入ポート２ｐ１から流入した水蒸気は、接続管要素２３ａにより内側管要素２１及び外側管要素２２に分岐して流れ、内側管要素２１及び外側管要素２２を流れた水蒸気（過熱水蒸気）は、接続管要素２３ｂで合流して導出ポート２ｐ２から流出する。
【００２１】
また、このように接続した導体管２は、内側管要素２１及び外側管要素２２が接続管要素２３により電気的に並列接続される構成である。そして、誘導コイル５により生じる磁束によって、内側管要素２１及び外側管要素２２に図５に示すように短絡電流が流れる。つまり、内側管要素２１には、軸方向一端部２１ａから軸方向他端部２１ｂに向かって短絡電流が流れ、外側管要素２２には、軸方向他端部２２ｂから軸方向一端部２２ａに向かって短絡電流が流れる。この構成により、導体管２とは別に電気接続部材を設ける必要が無く、導体管２自体の構成により短絡回路を形成することができる。
【００２２】
内側鉄心３は、図１及び図２に示すように、導体管２の内側において導体管２の内側管要素２１と同軸上に配置されている。本実施形態の内側鉄心３は、図６（Ａ）に示すように、いわゆるインボリュート鉄心であり、幅方向断面がインボリュート曲線状に湾曲した湾曲部を有する複数の珪素鋼板を円周方向に放射状に積み重ねて円筒状に形成したものである。なお、内側鉄心３は、図６（Ｂ）に示すように、平板状の珪素鋼板を積み重ねて円筒状に形成したものであっても良い。
【００２３】
磁路形成部４は、図１に示すように、内側鉄心３とともに閉磁路を形成するものであり、導体管２の外側において周方向に例えば等間隔に配置された複数の外側鉄心４１と、内側鉄心３及び複数の外側鉄心４１の上端同士及び下端同士を接続する上下の継鉄心４２とを有する。なお、外側鉄心４１は、周方向に等間隔でなくても良い。
【００２４】
外側鉄心４１は、図２に示すように、導体管２の外側において導体管２と同軸上に配置されている。本実施形態では、３つの外側鉄心４１が、導体管２の外側において周方向に等間隔に配置されている。本実施形態の各外側鉄心４１は、後述する継鉄心４２との関係で、並列配置された２つの外側鉄心要素４１１、４１２から構成されている。また、各外側鉄心要素４１１、４１２は、図７に示すように、平板状の珪素鋼板を積み重ねて半円柱状又は半円筒状に形成したものである。これにより、過熱水蒸気生成装置１００を径方向に小型化している。なお、外側鉄心４１は、１つの外側鉄心要素からなるものであっても良い。
【００２５】
上下の継鉄心４２はそれぞれ、図８に示すように、３つの継鉄心要素４２１、４２２、４２３から構成されており、各継鉄心要素４２１、４２２、４２３は環状巻鉄心を変形させることにより構成されている。具体的に各継鉄心要素４２１、４２２、４２３は、環状巻鉄心を中央で屈曲するくの字状に変形させることにより構成されている。これら３つの継鉄心要素４２１、４２２、４２３を、それらの屈曲部が中心側に位置するように組み合わせることによりＹ字状の継鉄心４２が構成される。各継鉄心要素４２１、４２２、４２３の両端部には、前記各外側鉄心要素４１１、４１２が接続される。また、継鉄心４２の中央部には、内側鉄心３が接続される。つまり、３つの外側鉄心４１は正三角形の頂点に位置し、内側鉄心３は正三角形の重心に位置する。これら各部は、内側鉄心３、外側鉄心４１及び継鉄心４２を挟む挟持部材７を介して、締結ボルト等の締結機構８により軸方向から締結して行われる。
【００２６】
誘導コイル５は、図１及び図２に示すように、内側鉄心３の外側に巻回された内側誘導コイル５１と、外側鉄心の内側に巻回された外側誘導コイル５２とを有している。これら誘導コイル５１、５２は、内側鉄心３と同軸上に配置されている。誘導コイル５１、５２には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相電源（図示なし）が接続される。なお、内側誘導コイル５１と外側誘導コイル５２とは互いに直列又は並列に接続されている。
【００２７】
予熱管６は、導体管２の巻回軸Ｃと同軸上に螺旋状（コイル状）に巻回されたものである。具体的に予熱管６は、図１及び図２に示すように、導体管２の内側に設けられ、螺旋状に巻回した内側予熱管６１と、導体管２の外側に設けられ、螺旋状に巻回した外側予熱管６２とを備えている。
【００２８】
内側予熱管６１は、導体管２と内側鉄心３との間、より具体的には導体管２と内側誘導コイル５１との間に設けられている。また、外側予熱管６２は、導体管２と外側鉄心４１との間、より具体的には、導体管２と外側誘導コイル５２との間に設けられている。
【００２９】
内側予熱管６１の一端部には、外部で生成された水蒸気が導入される導入ポート６１ｐが設けられている。また、内側予熱管６１の他端部は、外側予熱管６２の他端部に接続されている。さらに、外側予熱管６２の一端部は、導体管２の導入ポート２ｐ１に接続されている。つまり、内側予熱管６１の導入ポート６１ｐから導入された水蒸気は、内側予熱管６１及び外側予熱管６２を流れた後に、導体管２に流入する。
【００３０】
ここで、内側予熱管６１の巻回方向と外側予熱管６２の巻回方向とは互いに逆向きとなるように構成されている。これにより、内側予熱管６１で誘起される誘起電圧の位相と外側予熱管６２で誘起される誘起電圧の位相とが逆となり、内側予熱管６１及び外側予熱管６２に発生する短絡電流を打ち消し合うことができる。
【００３１】
このように構成した過熱水蒸気生成装置１００において、誘導コイル５に単相電源により交流電圧を印加することで、内側誘導コイル５１及び外側誘導コイル５２に電流が流れて内側鉄心３及び磁路形成部４に磁束が流れる。当該磁束によって導体管２の内側管要素２１、外側管要素２２及び接続管要素２３ａ、２３ｂに短絡電流が流れて、導体管２がジュール発熱する。これにより、導体管２を流れる水蒸気が加熱されて過熱水蒸気が生成される。
【００３２】
ここで、本実施形態では、図１及び図２に示すように、導体管２の加熱温度により生じる巻回軸方向における温度勾配（温度分布）を小さくする伝熱部材９が設けられている。
【００３３】
本実施形態の伝熱部材９は、導体管２の径方向内側に導体管２の巻回軸Ｃに沿って内側伝熱部材９１と、導体管２の径方向外側に導体管２の巻回軸Ｃに沿って外側伝熱部材９２とである。
【００３４】
内側伝熱部材９１は、導体管２と内側予熱管６１との間に設けられている。この内側伝熱部材９１は、周方向に亘って略全体に設けられている。具体的に内側伝熱部材９１は、内側予熱管６１を取り囲むように設けられており、軸方向に沿って一部にスリットが形成された例えばＣ形状等の部分円筒形状をなすものである。この内側伝熱部材９１としては、アルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた材料からなる湾曲板である。
【００３５】
外側伝熱部材９２は、導体管２と外側予熱管６２との間に設けられている。この外側伝熱部材９２は、周方向に亘って周方向に亘って略全体に設けられている。具体的に外側伝熱部材９２は、導体管２を取り囲むように設けられており、軸方向に沿って一部にスリットが形成された例えばＣ形状等の部分円筒形状をなすものである。この外側伝熱部材９２としては、アルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた材料からなる湾曲板である。
【００３６】
この伝熱部材９により、導体管２の周辺部材（内側伝熱部材９１及び外側伝熱部材９２）の軸方向における温度分布を小さくすることができる。その結果、導体管２の過熱水蒸気の出口付近において内側伝熱部材９１及び外側伝熱部材９２の温度を下げることができるので、断熱材１０の使用量を削減することができる。また、断熱材１０の使用量を削減することにより、装置１００を小型化することができるとともに、材料コストを低減することができる。
【００３７】
そして、図１に示すように、過熱水蒸気生成装置１００において導体管２、予熱管６及び伝熱部材９を覆うように断熱材１０が設けられている。なお、図２では断熱材は図示していない。
【００３８】
この断熱材１０は、挟持部材７の間において外側鉄心４１の内側の空間を埋めるように設けられている。具体的には、内側誘導コイル５１と内側予熱管６１との間、内側予熱管６１と内側伝熱部材９１との間、内側伝熱部材９１と内側管要素２１との間、内側管要素２１と外側管要素２２との間、外側管要素２２と外側伝熱部材９２との間、外側伝熱部材９２と外側予熱管６２との間、外側予熱管６２と外側誘導コイル５２との間、その他各部の空間を埋めるように設けられている。
【００３９】
然して、本実施形態の導体管２は、流路方向に沿って複数の材質から構成されている。具体的に導体管２は、図９に示すように、巻回軸方向に２分割して上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとの２つに分けられており、それらが互いに異なる金属により形成されている。より詳細には、導体管２の内側管要素２１及び外側管要素２２の両方において、巻回軸方向のほぼ同じ位置において２分割されており、上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとで異なる金属により形成されている。
【００４０】
そして、上流側部分２ｘを形成する金属の耐熱温度を、下流側部分２ｙを形成する金属の耐熱温度よりも低くしている。上流側部分２ｘを、汎用合金鋼であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）から形成し、下流側部分２ｙを、超耐熱鋼であるインコネルから形成している。
【００４１】
ここで、上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとは溶接により接続されている。これにより、導体管２の構成を簡略化するとともにその製造コストを削減することができる。ここで、溶接箇所２ｚの高温による損傷や劣化を避けるために、溶接部分の耐熱温度よりも低温となる位置に溶接箇所２ｚを設けている。本実施形態では、溶接箇所２ｚは、導体管２の中間部位よりも上流側に位置しており、上流側部分２ｘを短くして下流側部分２ｙを長くする構成となっている。
【００４２】
＜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、導体管２の上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとを異なる金属により形成しているので、導体管２の上流側部分２ｘの温度及び下流側部分２ｙの温度に合わせた材料選択を行うことができ、導体管２の合理的な設計が可能となり、導体管２の材料コストを低減することができる。
【００４３】
＜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、前記実施形態の導体管２は、２重管構造をなすものであったが、１重管構造であっても良いし、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、前記実施形態の導体管２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。
【００４４】
前記実施形態では導体管を流路方向に２つに分けて構成したものであったが、導体管を流路方向に３つ以上に分けて、互いに隣り合う分割要素を互いに異なる金属により形成してもよい。これにより、より合理的な設計を設計が可能となる。
【００４５】
前記実施形態では、内側管要素２１と外側管要素２２の溶接箇所２ｚが巻回軸方向のほぼ同じ位置に設定されているが、それらの溶接箇所２ｚを巻回軸方向において異なる位置に設定しても良い。
【００４６】
また、上流側部分と下流側部分とを形成する母材を共通として、下流側部分の管要素の内面に耐熱材の被膜を形成する等の耐熱加工を施してもよい。
【００４７】
前記実施形態の伝熱部材は、Ｃ形状の湾曲板であったが、その他、ヒートパイプであっても良いし、内部に気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室を有するヒートプレートであっても良い。その他、熱伝導性に優れた金属からなる複数の金属板を周方向に配置した構成としても良い。
【００４８】
前記実施形態では、３つの外側鉄心４１を有する構成であったが、図１０に示すように２つの外側鉄心４１を有する構成としても良い。この場合、２つの外側鉄心４１は、内側鉄心３を挟むように両側に対向して設けられる。この場合、継鉄心４２は、例えば環状巻鉄心を直線状に変形させることにより構成することが考えられる。
【００４９】
前記実施形態の過熱水蒸気生成装置１００を複数用いて、それらの導体管２を直列接続したものであっても良い。この場合、外部から導入された水蒸気は、全ての過熱水蒸気生成装置１００の予熱管６を通過した後に各過熱水蒸気生成装置１００の導体管２に流入するように配管接続することが考えられる。
【００５０】
過熱水蒸気生成装置は、前記実施形態の構成に限られず、スコット変圧器を構成する脚鉄心に導体管を装着して、当該導体管を誘導加熱して水蒸気を加熱する構成であっても良い。この場合、スコット変圧器を構成する脚鉄心は３脚鉄心であり、その両側に位置する脚鉄心それぞれに導体管を巻回する構成とすることが考えられる。ここで一方の脚鉄心に巻回される第１の導体管は、水から水蒸気（例えば１２０℃）を生成するものとなり、他方の脚鉄心に巻回される第２の導体管は、前記水蒸気から過熱水蒸気を生成するものとなる。そのため、第１の導体管は、汎用合金鋼であるステンレス鋼から形成し、第２の導体管は、前記実施形態のように、上流側部分を汎用合金鋼であるステンレス鋼から形成し、下流側部分を超耐熱鋼であるインコネルで形成する。
【００５１】
さらに、過熱水蒸気生成装置の加熱方式としては、前記実施形態のように誘導加熱方式の他、螺旋状に巻廻した導体管に直接電流を流すことによりジュール発熱させる通電加熱方式のものであっても良い。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
１００・・・過熱水蒸気生成装置
２    ・・・導体管
２ｘ  ・・・上流側部分
２ｙ  ・・・下流側部分
２ｚ  ・・・溶接箇所
【図１】
2019184205.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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【図１０】
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