(57)【要約】【課題】飽和水蒸気生成用容器の導出ポート、又は、前記飽和水蒸気生成用容器と前記過熱水蒸気生成用容器との間に、必ずしも減圧弁、圧力計及び温度計の全てを必要としない過熱水蒸気生成装置を提供する。【解決手段】水を加熱して水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の水蒸気生成部２と、水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の過熱水蒸気生成部３と、水蒸気生成部２により生成される水蒸気量を水蒸気生成部２に供給される電力量によって制御する制御部６１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を加熱して水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の水蒸気生成部と、
前記水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の過熱水蒸気生成部と、
前記水蒸気生成部により生成される水蒸気量を前記水蒸気生成部に供給される電力量によって制御する制御部とを備える、過熱水蒸気生成装置。
【請求項２】
前記水蒸気生成部に供給される電力量を測定する電力計をさらに備え、
前記制御部は、前記電力計により得られた電力量によって前記水蒸気量を制御する、請求項１記載の過熱水蒸気生成装置。
【請求項３】
前記水蒸気生成部により生成される水蒸気量と、前記水蒸気生成部に供給される電力量との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部をさらに備え、
前記制御部は、前記関係データを用いて前記水蒸気量を制御する、請求項１又は２記載の過熱水蒸気生成装置。
【請求項４】
前記水蒸気生成部及び前記過熱水蒸気生成部は、大気圧条件下で動作されるものである、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】
前記水蒸気生成部と前記過熱水蒸気生成部との間には、減圧弁、温度計及び圧力計の何れか又は全部が設けられていない、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】
前記水蒸気生成部と前記過熱水蒸気生成部との間に気液分離器が設けられている、請求項１乃至５の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。
【請求項７】
前記水蒸気生成部は、貯留した水を加熱して水蒸気を生成する容器を有しており、
前記容器には上下に複数の温度センサが設けられており、
前記温度センサの検出信号を用いて前記水の水位を検出する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の過熱水蒸気生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過熱水蒸気生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温度と圧力と生成量が制御された過熱水蒸気を生成する手段として、水から飽和水蒸気を生成して、その飽和水蒸気をさらに加熱して過熱水蒸気を生成する２段階手法がある。
【０００３】
この２段階手法の過熱水蒸気生成装置には、例えば密閉容器（飽和水蒸気用容器）で水を加熱して生成した飽和水蒸気を取り出して、その飽和水蒸気を大気開放された開放容器（過熱水蒸気用容器）でさらに加熱して過熱水蒸気を生成するものがある。
【０００４】
そして、前記飽和水蒸気用容器の導出ポート、又は、前記飽和水蒸気用容器と前記過熱水蒸気用容器との間には、飽和水蒸気用容器を所定圧力に減圧するための減圧弁、飽和水蒸気圧を計測するための圧力計及び飽和水蒸気温度を計測するための温度計が設けられている。これらにより、設定された温度及び圧力の下で減圧弁の排気ポートから水蒸気が取り出され、排出圧力及び排出口面積で決まる飽和水蒸気生成量の設定がなされる。
【０００５】
しかしながら、上記の構成では、飽和水蒸気用容器の導出ポート、又は、前記飽和水蒸気用容器と前記過熱水蒸気用容器との間に、減圧弁、圧力計及び温度計が必要になってしまい、過熱水蒸気生成装置の装置構成が複雑になってしまうだけでなく、小型化を妨げる要因ともなりうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１７６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、飽和水蒸気用容器の導出ポート、又は、前記飽和水蒸気用容器と前記過熱水蒸気用容器との間に、必ずしも減圧弁、圧力計及び温度計の全てを必要としない過熱水蒸気生成装置を提供することをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
０．１ＭＰａ（大気圧）において、１００℃の水を１００℃の飽和水蒸気にするための蒸発潜熱は５３９ｋｃａｌ／ｋｇである。したがって、水から飽和水蒸気を発生させるためには、飽和水蒸気生成部に供給される供給水温を１００℃の温水にする熱量と飽和水蒸気にするための蒸発潜熱とを与える必要がある。このうち、供給水温上昇熱量は蒸発潜熱に比べて小さいこと及び基本的に常温であることから、例えば２０℃として８０ｋｃａｌ／ｋｇとして算出することで、計算により求まる水蒸気量と実際に発生する水蒸気量とに大きな差は発生しない。また、予熱回路などが設けられている場合には、その熱量を考慮すれば、これによっても大きな差は生じない。つまり、誘導加熱又は通電加熱による蒸気発生においては、熱効率が９５％程度と高いことから、供給水温上昇熱量と蒸発潜熱と熱効率とによる計算値、つまり、電力量によって蒸気量を制御することが可能となる。
【０００９】
すなわち本発明に係る過熱水蒸気生成装置は、水を加熱して水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の水蒸気生成部と、前記水蒸気を加熱して過熱水蒸気を生成する誘導加熱方式又は通電加熱方式の過熱水蒸気生成部と、前記水蒸気生成部により生成される水蒸気量を前記水蒸気生成部に供給される電力量によって制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このようなものであれば、水蒸気生成部に供給される電力量によって水蒸気生成部により生成される水蒸気量を制御しているので、従来のように減圧弁、圧力計及び温度計を用いた制御を不要にすることができる。その結果、水蒸気生成部、又は、水蒸気生成部と過熱水蒸気生成部との間に、必ずしも減圧弁、圧力計及び温度計の全てを必要としない過熱水蒸気生成装置を提供することができる。また、減圧弁、圧力計及び温度計の何れか又は全部を不要にすることができるので、過熱水蒸気生成装置の装置構成を簡単にすることができ、それらが小型化の妨げになることが無い。
【００１１】
具体的な実施の態様としては、前記水蒸気生成部に供給される電力量を測定する電力計をさらに備え、前記制御部は、前記電力計により得られた電力量によって前記水蒸気量を制御することが望ましい。また、電力計は、流体回路側ではなく電源回路側に設けられるものであり、減圧弁、圧力計及び温度計に比べて、小型化の妨げにはなりにくい。
【００１２】
水蒸気量を精度良く制御するためには、前記水蒸気生成部により生成される水蒸気量と、前記水蒸気生成部に供給される電力量との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部をさらに備え、前記制御部は、前記関係データを用いて前記水蒸気量を制御することが望ましい。具体的には、過熱水蒸気の生成量や生成温度が異なる機種毎に、水蒸気生成部により生成される水蒸気量と、水蒸気生成部に供給される電力量との関係を実測し、その実測した関係データを用いることが望ましい。この構成であれば、機種毎に異なる水蒸気生成部の放熱量を考慮した制御を行うことができる。
【００１３】
本発明の過熱水蒸気生成装置では、前記水蒸気生成部及び前記過熱水蒸気生成部を大気圧条件下で動作させることができる。この場合、水蒸気生成部からは水蒸気とともに少量の熱水が伴う恐れがある。このため、前記水蒸気生成部と前記過熱水蒸気生成部との間に気液分離器が設けられていることが望ましい。この気液分離器により、水蒸気のみを過熱水蒸気生成部に供給することができる。
【００１４】
前記水蒸気生成部は、貯留した水を加熱して水蒸気を生成する容器を有している。この構成において、安定して水蒸気を生成するためには、容器内に貯留する水の量（水位）を略一定に保つ必要がある。なお、容器内に水が無くなれば空焚きとなり、満水となれば過熱水蒸気生成部に水が入り込んでしまう。
前記容器の略全体を誘導加熱又は通電加熱すれば、容器外部温度は水位よりも上部分は下部分よりも高くなる。このため、前記容器には上下に複数の温度センサが設けられており、前記温度センサの検出信号を用いて前記水の水位を検出することが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、水蒸気生成部に供給される電力量によって水蒸気生成部により生成される水蒸気量を制御しているので、飽和水蒸気生成部、又は、飽和水蒸気生成部と過熱水蒸気生成部との間に、必ずしも減圧弁、圧力計及び温度計の全てを必要としない過熱水蒸気生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の過熱水蒸気生成装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】同実施形態の中空導体管の一例を示す図である。
【図３】同実施形態の各水蒸気生成部の鉄心構成を主として示す図である。
【図４】同実施形態の各水蒸気生成部の鉄心構成の変形例を示す図である。
【図５】同実施形態の各水蒸気生成部に誘導コイルの結線を示す図である。
【図６】同実施形態の制御装置の構成を模式的に示す図である。
【図７】変形実施形態の過熱水蒸気生成装置の構成を模式的に示す図である。
【図８】変形実施形態の水位検出機構を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明に係る過熱水蒸気生成装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態に係る過熱水蒸気生成装置１００は、水を加熱して１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱水蒸気を生成するものである。
【００１９】
具体的に過熱水蒸気生成装置１００は、図１に示すように、水を加熱して飽和水蒸気を生成する水蒸気生成部２（以下、飽和水蒸気生成部２という。）と、飽和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部３とを備えている。なお、図１では電源回路の図示を省略している。
【００２０】
＜飽和水蒸気生成部２の構成＞
飽和水蒸気生成部２は、誘導加熱方式のものであり、螺旋状に巻回された円管状の導体管２１と、当該導体管２１を誘導加熱するための磁束発生機構２２とを有している。
【００２１】
導体管２１は、図２に示すように、１本の金属製の管から形成され、螺旋状に巻回された巻回部分を有するものであり、一方の端部には、水が導入される導入ポートＰ１が形成され、他方の端部には、生成された飽和水蒸気を導出する導出ポートＰ２が形成されている。この導体管２１は、飽和水蒸気を生成するための容器となる。なお、導体管２１は、耐熱性及び機械耐力が高いＳＵＳ３０４等のオーステナイト系のステンレス鋼やインコネル等の合金を用いることができる。また、導体管２１は、互いに隣接する巻回部分が溶接などにより電気的に接続されている。
【００２２】
磁束発生機構２２は、鉄心２２ａと、当該鉄心２２ａに沿って巻回された誘導コイル２２ｂとを備えている。この誘導コイル２２ｂには、交流電源が接続されており、制御された電力が供給されるものである。なお、交流電源の電源周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数である。この交流電源により電力が供給される誘導コイル２２ｂが一次コイルとなり、当該一次コイルにより給電された結果、導体管２１に誘導電流が流れて、導体管２１が１回巻きの二次コイルとなる。そして、導体管２１がジュール発熱して、導体管２１の内部の水が加熱されて飽和水蒸気が生成される。なお、導体管２１には、所定高さまで水が貯留されている。
【００２３】
＜過熱水蒸気生成部３の構成＞
過熱水蒸気生成部３は、誘導加熱方式のものであり、螺旋状に巻回された円管状の導体管３１と、当該導体管３１を誘導加熱するための磁束発生機構３２とを有している。
【００２４】
導体管３１は、図２に示すように、１本の金属製の管から形成され、螺旋状に巻回された巻回部分を有するものであり、一方の端部には、飽和水蒸気生成部２から水蒸気が導入される導入ポートＰ３が形成され、他方の端部には、生成された過熱水蒸気を導出する導出ポートＰ４が形成されている。この導体管２１は、過熱水蒸気を生成するための容器となる。なお、導体管３１は、耐熱性及び機械耐力が高いＳＵＳ３０４等のオーステナイト系のステンレス鋼やインコネル等の合金を用いることができる。また、導体管３１は、互いに隣接する巻回部分が溶接などにより電気的に接続されている。
【００２５】
導入ポートＰ３には、飽和水蒸気生成部２からの水蒸気を導体管３１に供給するための外部配管、又は、飽和水蒸気生成部２の導体管２１の導出ポートＰ２が接続されている。また、導出ポートＰ４には、生成された過熱水蒸気を利用側（例えば熱処理室）に供給するための外部配管が接続される。
【００２６】
磁束発生機構３２は、鉄心３２ａと、当該鉄心３２ａに沿って巻回された誘導コイル３２ｂとを備えている。この誘導コイル３２ｂには、交流電源が接続されており、制御された電力が供給されるものである。なお、交流電源の電源周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数である。この交流電源により電力が供給される誘導コイル３２ｂが一次コイルとなり、当該一次コイルにより給電された結果、導体管３１に誘導電流が流れて、導体管３１が１回巻きの二次コイルとなる。そして、導体管３１がジュール発熱して、内部を流れる水蒸気が加熱される。
【００２７】
本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００では、図３及び図４に示すように、飽和水蒸気生成部２の鉄心２２ａ及び過熱水蒸気生成部３の鉄心３２ａの他に、それら２つの鉄心２２ａ、３２ａに生じる磁束の共通の通路になる共通鉄心４１が設けられている。そして、この共通鉄心４及び前記２つの鉄心２２ａ、３２ａの上下それぞれを継鉄心４２、４３により連結して、単一の三脚鉄心を構成している。この構成により、鉄心全体の寸法を小さくすることができ、ひいては、装置全体のコンパクト化を図ることができる。つまり、本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００は、単一の三脚鉄心を用いて飽和水蒸気生成部２及び過熱水蒸気生成部３を構成している。
【００２８】
なお、図３及び図４では、平面視においてそれぞれの鉄心２２ａ、３２ａ、４１が三角形の頂点に位置するように配置され、継鉄心４２、４３が、平面視において共通鉄心４１を屈折点として折れ曲がっている。これにより、２つの鉄心２２ａ、３２ａ、間の距離を小さくして、三脚鉄心全体の幅方向の寸法を小さくし、省スペース化を図ることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、飽和水蒸気生成部２の誘導コイル２２ｂ及び過熱水蒸気生成部３の誘導コイル３２ｂは、三相交流電源５からの三相交流を２つの単相交流に変換するスコット結線となるように接続されている（図５参照）。つまり、本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００は、単一の三脚鉄心を有するスコット結線変圧器を有する構成となる。スコット結線変圧器は、主座変圧器とＴ座変圧器とからなるところ、飽和水蒸気生成部２に対応する部分が主座変圧器となり、過熱水蒸気生成部３に対応する部分がＴ座変圧器となる。
【００３０】
また、図５に示すように、主座変圧器の入力側の２相のうち一方に、電圧又は電流を制御する第１制御機器１０が設けられている。なお、図５では、主座変圧器の入力側のＶ相に第１制御機器１０であるサイリスタ等の半導体制御素子を設けている。また、Ｔ座変圧器の入力側である１次コイル（誘導コイル３２ｂ）の一端側（Ｔ座１次コイルのＵ相側又は中点Ｏ側）に、電圧又は電流を制御する第２制御機器１１が設けられている。この第２制御機器１１も、前記第１制御機器１０と同様、サイリスタ等の半導体制御素子を用いたものである。そして、制御装置６が、前記第１制御機器１０及び前記第２制御機器１１を制御することによって、主座変圧器の一次コイル（誘導コイル２２ｂ）に印加する電圧とＴ座変圧器の一次コイル（誘導コイル３２ｂ）に印加する電圧とを個別に制御するように構成されている。なお、制御装置６は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェースなどを有するコンピュータである。
【００３１】
＜過熱水蒸気生成装置１００の制御＞
制御装置６は、飽和水蒸気生成部２における飽和水蒸気量を以下のように制御する。
【００３２】
制御装置６は、飽和水蒸気生成部２により生成される飽和水蒸気量を飽和水蒸気生成部２に供給される電力量によって制御する水蒸気量制御部６１を備えている。また、制御装置６は、飽和水蒸気生成部２により生成される水蒸気量と、飽和水蒸気生成部２に供給される電力量との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部６２をさらに備えている。
【００３３】
関係データ格納部６２に格納される関係データは、飽和水蒸気生成部２により生成される水蒸気量と、飽和水蒸気生成部２に供給される電力量とを実測して求められている。なお、この関係データは、飽和水蒸気生成部２の導体管２１の導出ポートＰ２が大気圧開放された状態（大気圧条件下）で実測されたデータである。
【００３４】
また、水蒸気量制御部６１は、飽和水蒸気生成部２に供給される電力量を測定する電力計７からその電力量データを取得するとともに、前記関係データを用いて、所定の水蒸気量となるように、第１制御機器１０を制御する。なお、電力計７は、飽和水蒸気生成部２を構成する主座変圧器の入力側の２相の何れかに設けられている。つまり、本実施形態では、電力計７により得られた電力量のみに基づいて飽和水蒸気量を制御する構成である。
【００３５】
この水蒸気量制御を行う過熱水蒸気生成装置１００において、飽和水蒸気生成部２及び過熱水蒸気生成部３は、大気圧条件下で動作される。また、飽和水蒸気生成部２と過熱水蒸気生成部３との間には、減圧弁、温度計及び圧力計が設けられていない。
【００３６】
なお、制御装置６は、起動時から上記の水蒸気量制御までの間は、第１制御機器１０を制御して飽和水蒸気生成部２に供給する電力を最大値又は各部が故障しない値以下の値とする。そして、この制御を飽和水蒸気生成部２内の水が１００℃に達する直前、例えば９５℃になるまで行い、その後、上記の水蒸気量制御に移行する。
【００３７】
また、制御装置６は、過熱水蒸気生成部３により生成される過熱水蒸気の温度を以下のように制御する。
【００３８】
本実施形態の過熱水蒸気生成装置１００では、過熱水蒸気生成部３の導体管３１から導出される過熱水蒸気の温度又は導体管３１の導出ポートＰ４の配管温度を温度検出器８により検出している。
【００３９】
そして、制御装置６は、前記温度検出器８により得られた検出温度と過熱水蒸気の目標温度との偏差に応じた制御信号を第２制御機器１１に入力して誘導コイル３２ｂに印加する交流電圧を制御する温度制御部６３を備えている。この温度制御部６３は、導体管３１により加熱される過熱水蒸気の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるようにフィードバック制御する。
【００４０】
このように構成した過熱水蒸気生成装置１００によれば、飽和水蒸気生成部２に供給される電力量によって飽和水蒸気生成部２により生成される水蒸気量を制御しているので、従来のように減圧弁、圧力計及び温度計を用いた制御を不要にすることができる。その結果、飽和水蒸気生成部２、又は、飽和水蒸気生成部２と過熱水蒸気生成部３との間に、必ずしも減圧弁、圧力計及び温度計の全てを必要としない過熱水蒸気生成装置１００を提供することができる。また、減圧弁、圧力計及び温度計の何れか又は全部を不要にすることができるので、過熱水蒸気生成装置１００の装置構成を簡単にすることができ、それらが小型化の妨げになることが無い。
【００４１】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
前記実施形態では飽和水蒸気生成部２を大気圧条件下で動作させることから、飽和水蒸気生成部２からは水蒸気とともに少量の熱水が伴う恐れがある。このため、図７に示すように、飽和水蒸気生成部２と過熱水蒸気生成部３との間の流路に気液分離器９を設けてもよい。この気液分離器９により、水蒸気のみを過熱水蒸気生成部３に供給することができる。
【００４２】
また、前記実施形態では、飽和水蒸気生成部２及び過熱水蒸気生成部３の間に減圧弁、圧力計及び温度計の全部を設けない構成であったが、それらの何れかを設けない構成としてもよい。
【００４３】
また、図８に示すように、飽和水蒸気生成部２の導体管２１の外面に上下に複数の温度センサ１２ａ〜１２ｃを設けて、導体管２１における水位を検出するように構成してもよい。図８では、上、中、下の３つの温度センサ１２ａ〜１２ｃを設けて、導体管２１内の水位を検出する例を示している。図８に示す水位の場合、上の温度センサ１２ａは高温となり、下の温度センサ１２ｃは低温となり、中の温度センサ１２ｂは中温となる。これにより、水位は、中の温度センサ１２ｂの位置又はその近傍にあると検出することができる。下の温度センサ１２ｃが高温となった場合には、水位が下の温度センサ１２ｃよりも下側に位置することを示し、この場合には、導体管２１の導入ポートＰ１から水を供給する。一方、上の温度センサ１２ａが低温となった場合には、水位が上の温度センサ１２ａよりも上側に位置することを示し、この場合には、導体管２１の導入ポートＰ１から水を排出する。これらの制御は、制御装置６により行われる。
【００４４】
飽和水蒸気生成部２及び過熱水蒸気生成部３は誘導加熱方式の他、通電加熱方式のものであっても良い。この場合、流体が流れる導体管２１、３１の両端部に交流電源又は直流電源を接続して、導体管２１、３１に交流電流又は直流電流を流すことによって導体管２１、３１をジュール発熱させる。この場合、導体管２１、３１は、螺旋状をなすものの他、複数の直線部と２つの直線部を連通する複数の折れ曲がり部とを有する形状などの種々の形状とすることができる。
【００４５】
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】
【００４６】
１００・・・過熱水蒸気生成装置
２・・・飽和水蒸気生成部（水蒸気生成部）
３・・・過熱水蒸気生成部
６１・・・水蒸気量制御部
６２・・・関係データ格納部
６３・・・水蒸気温度制御部
７・・・電力計
８・・・気液分離器
９ａ〜９ｃ・・・温度センサ
【図１】
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【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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