(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーの燃焼により発生した燃焼ガスにて水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、前記水を加熱した後の燃焼ガスにて飽和水蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生器であって、
水を収容する円筒状の耐圧容器には、収容された水の水面下に配置されて燃焼ガスを前記耐圧容器の軸方向の一方側から前記耐圧容器の内部に導入して前記軸方向の他方側に向けて流通させる炉筒と、その炉筒を通過した燃焼ガスを前記軸方向の他方側から一方側に向けて流通させる第１煙管と、その第１煙管を通過した燃焼ガスを前記軸方向の一方側から他方側に向けて流通させる第２煙管と、前記炉筒を通過した燃焼ガスを前記第１煙管に案内流通させる第１ヘッダーと、前記第１煙管を通過した燃焼ガスを前記第２煙管に案内流通させる第２ヘッダーとが備えられ、
前記炉筒は、前記耐圧容器の一方側の内壁に連結支持され、
前記第１ヘッダーは、前記炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持され、前記耐圧容器における前記軸方向の他方側の内壁と前記軸方向に間隔を隔てて非接触状態で配設され、
前記第２ヘッダーは、前記第１ヘッダーと前記第１煙管とを介して、前記炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持されて前記炉筒を摺動自在に貫通させて設けられており、
前記耐圧容器において、前記第１煙管が前記第２煙管よりも上方に配置されて、
前記第２煙管が、前記第１ヘッダーに対して摺動自在に貫通して設けられている過熱蒸気発生器。
【請求項２】
前記炉筒が単一に構成され、
飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管が、前記耐圧容器に収容された水の水面上に配置され、
水を加熱して飽和水蒸気を発生させる飽和水蒸気発生部を構成する前記第２煙管が、前記炉筒とともに前記耐圧容器に収容された水の水面下に配置されている請求項１に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項３】
前記耐圧容器の内部において、前記飽和水蒸気発生部と前記過熱蒸気発生部とを区画する区画板を設け、前記区画板で形成された前記過熱蒸気発生部内を流通する飽和水蒸気の流れと前記第１煙管内を流通する燃焼ガスの流れとが対向流を構成する請求項２に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項４】
前記過熱蒸気発生部において、前記第１煙管に飽和水蒸気の流れを誘導する邪魔板が設けられている請求項２または３に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項５】
前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管の周囲を囲み、飽和水蒸気及び過熱蒸気を通流させる閉空間を形成する閉空間形成部材が備えられ、その閉空間形成部材は、前記耐圧容器の外表面と熱的に遮断されている請求項２〜４の何れか１項に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項６】
前記耐圧容器に収容する水の水位を、前記飽和水蒸気発生部を構成する前記炉筒と前記第２煙管とに加え、前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管の少なくとも一部も水面下に水没させる初期水位とし、前記燃焼ガスにて前記耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気が発生し始めた場合に、前記耐圧容器に収容する水の水位を、前記初期水位から、前記飽和水蒸気発生部を構成する前記炉筒と前記第２煙管を水面下に水没させ且つ前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管を水面上に露出させる基準水位に低下させ、前記耐圧容器に収容する水の水位をその基準水位に維持する水位制御を行うように構成されている請求項５に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項７】
前記水位制御において、前記耐圧容器に収容する水の水位を前記初期水位から前記基準水位に低下させる場合に、前記燃焼ガスにて前記耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気の発生により、及び、前記耐圧容器に収容されている水を排水させる排水手段の作動のいずれか一方又は両者の併用にて前記初期水位から前記基準水位への水位低下を行う請求項６に記載の過熱蒸気発生器。
【請求項８】
前記閉空間形成部材には、前記閉空間に飽和水蒸気を導入する飽和水蒸気導入口よりも小さく、且つ、前記閉空間とそれ以外の前記耐圧容器の内部空間との間で水の通流を許容する孔部が形成されている請求項５〜７の何れか１項に記載の過熱蒸気発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーの燃焼により発生した燃焼ガスにて水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、水を加熱した後の燃焼ガスにて飽和水蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の過熱蒸気発生器として、例えば、特許文献１には、バーナー燃焼により発生させた燃焼ガスによって水を加熱して飽和水蒸気を発生させる飽和水蒸気発生部と、その蒸気発生部を通過した燃焼ガスによって飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生部とを筐体内に一体的に備えた過熱蒸気発生器が開示されている。この過熱蒸気発生器によれば飽和水蒸気発生部において、加熱配管を外側から燃焼ガス等で加熱して、加熱配管内に流れる水を加熱して飽和水蒸気が得られており、さらに過熱蒸気発生部において、同じく燃焼ガス等を用いて、その飽和水蒸気を加熱することで過熱蒸気が得られている。ここで、過熱蒸気発生器における飽和水蒸気の加熱は、水を加熱して飽和水蒸気を発生させた燃焼ガスを利用して行なわれるので、省エネルギー化を良好に図ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３２２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の過熱蒸気発生器では、加熱配管内に飽和水蒸気を発生させるための水が導入されるので、水処理が怠られると、加熱配管内にスケールが蓄積して、配管詰まりが発生するという問題があった。また、バーナー燃焼により発生した燃焼ガスは、飽和水蒸気を発生させるための加熱および過熱蒸気を発生させるための加熱に利用されているが、過熱蒸気を発生させた直後に、まだ高温の状態で排気されていた。従って、排気される燃焼ガスの余熱をさらに有効に使用することで、さらなる省エネルギー化を図れる余地があった。
【０００５】
また、家庭用や小規模業務用の用途向けに、過熱蒸気発生器の小型化および起動迅速化を行なうことが望まれており、そのためには、熱交換の際の温度差を大きく取って、燃焼ガスを供給することが考えられる。その場合、高温の燃焼ガスに筐体や加熱配管等が晒されることとなり、例えば加熱配管の折返部または加熱配管と筐体との連結部などにおいて大きな熱応力が発生するものとなっていた。このため、加熱配管等にクラックや配管割れなどが発生して、過熱蒸気発生器の耐用年数が短くなるという問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、配管詰まりが発生せず、燃焼ガスによる加熱により発生する熱応力を抑制できる配管構造で、燃焼ガスの余熱をさらに有効に活用できる過熱蒸気発生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る過熱蒸気発生器は、
バーナーの燃焼により発生した燃焼ガスにて水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、前記水を加熱した後の燃焼ガスにて飽和水蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生器であって、その特徴構成は、
水を収容する円筒状の耐圧容器には、収容された水の水面下に配置されて燃焼ガスを前記耐圧容器の軸方向の一方側から前記耐圧容器の内部に導入して前記軸方向の他方側に向けて流通させる炉筒と、その炉筒を通過した燃焼ガスを前記軸方向の他方側から一方側に向けて流通させる第１煙管と、その第１煙管を通過した燃焼ガスを前記軸方向の一方側から他方側に向けて流通させる第２煙管と、前記炉筒を通過した燃焼ガスを前記第１煙管に案内流通させる第１ヘッダーと、前記第１煙管を通過した燃焼ガスを前記第２煙管に案内流通させる第２ヘッダーとが備えられ、
前記炉筒は、前記耐圧容器の一方側の内壁に連結支持され、
前記第１ヘッダーは、前記炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持され、前記耐圧容器における前記軸方向の他方側の内壁と前記軸方向に間隔を隔てて非接触状態で配設され、
前記第２ヘッダーは、前記第１ヘッダーと前記第１煙管とを介して、前記炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持されて前記炉筒を摺動自在に貫通させて設けられており、
前記耐圧容器において、前記第１煙管が前記第２煙管よりも上方に配置されて、
前記第２煙管が、前記第１ヘッダーに対して摺動自在に貫通して設けられている点にある。
【０００８】
即ち、この構成では、第１ヘッダーは、炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持され、第２ヘッダーは、第１ヘッダーと第１煙管を介して、同じく炉筒の他方側の端部近傍で炉筒から支持される。従って、上記特徴構成によれば、水が収容された円筒状の耐圧容器内において、水面下に配置された炉筒の内部に燃焼ガスを導入し、炉筒の内部に燃焼ガスを流通させることによって炉筒の外部の水を加熱して水蒸気を発生させることができる。また、炉筒の内部においては燃焼ガスが流通し、炉筒の外部に水が流通するので、水に起因するスケールの発生により炉筒の内部が詰まることはない。同様に、第１煙管および第２煙管においても内部には燃焼ガスが流通されるので、水に起因するスケールの発生によって第１煙管、第２煙管の内部が詰まることはない。
【０００９】
また、第１ヘッダーは、耐圧容器における軸方向の他方側の内壁と軸方向に間隔を隔てて配設されており、これによって、第１ヘッダーと耐圧容器の内壁との間に水が存在することとなるため、この水によって第１ヘッダーを冷却することになり、第１ヘッダーから耐圧容器の内壁への熱伝達を抑制することができ、耐圧容器の内壁の温度上昇を防止することができる。また、第１ヘッダーと耐圧容器の内壁との間に存在する水にて第１ヘッダーを冷却することで、結果的に水が加熱されており、効率よく水蒸気を発生させることができる。
ここで、第１ヘッダーには、高温の燃焼ガスが導入されるため熱膨張が発生する。これにより、第１ヘッダーと耐圧容器の内壁が接続されている場合は熱応力が発生することが考えられる。それに対して、本特徴構成のように、第１ヘッダーが耐圧容器の内壁と間隔を隔てて非接触状態で配設して、上述の第１ヘッダーの熱膨張を許容する構造として、第１ヘッダーと耐圧容器の内壁の間に発生する熱応力の発生をなくし、第１ヘッダー、第１ヘッダーと第１煙管との接合部、及び耐圧容器の内壁における歪み、亀裂、破損等の発生を防止することができる。
【００１０】
さらに、炉筒には、高温の燃焼ガスが導入されるために熱膨張が発生する。同様に、第２ヘッダーにおいても燃焼ガスの導入により熱膨張が発生するが、炉筒の下流に位置する第２ヘッダーには比較的低温となった燃焼ガスが導入されるため、それらの熱膨張率は異なるものとなり、炉筒と第２ヘッダーが接続されている場合は熱応力が発生することが考えられる。それに対して、本特徴構成のように、第２ヘッダーは、炉筒を摺動自在に貫通させて設けられていることで、第２ヘッダーおよび炉筒の温度変化に基づく熱膨張を許容して、第２ヘッダーと炉筒との間における熱応力の発生をなくし、第２ヘッダー、第２ヘッダーと各煙管との接合部、及び炉筒における歪み、亀裂、破損等の発生を防止することができる。
【００１２】
また、前記第１煙管が前記第２煙管よりも上方に配置されているため、耐圧容器内の燃焼ガスの流通路の構成を、炉筒を通過した燃焼ガスが第１ヘッダーを経由して第２煙管の上方に位置する第１煙管に導かれ、その後に第２ヘッダーを経て第１煙管の下方に位置する第２煙管に導かれる構成とすることができる。これにより、耐圧容器の内部の第２煙管よりも上方の位置で、炉筒を通過した燃焼ガスを第１煙管に流通させることができる。従って、第１煙管内を流通する炉筒を通過した直後の比較的高温の燃焼ガスによって、耐圧容器の内部の第２煙管よりも上方の位置を効率よく加熱することができる。
【００１４】
さらに、第２煙管が、第１ヘッダーに対して摺動自在に貫通して設けられている。ここで、第１ヘッダーは、高温の燃焼ガスが導入されると熱膨張が発生する。同様に、第２煙管においても燃焼ガスが導入により熱膨張を発生するが、第１ヘッダーの下流に位置する第２煙管には比較的低温となった燃焼ガスが導入されるため、それらの熱膨張率は異なるものとなり、第１ヘッダーと第２煙管が接続されている場合は熱応力が発生する。それに対して、本特徴構成のように、第２煙管が第１ヘッダーに対して摺動自在に貫通されていることで、第１ヘッダーおよび第２煙管が加熱されることによる熱膨張を許容する構造とされる。これにより、第１ヘッダーと第２煙管との間における熱応力の発生をなくし、少なくとも第１ヘッダーや第２煙管における歪み、亀裂、破損等の発生を防止することができる。
【００１５】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記炉筒が単一に構成され、
飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管が、前記耐圧容器に収容された水の水面上に配置され、
水を加熱して飽和水蒸気を発生させる飽和水蒸気発生部を構成する前記第２煙管が、前記炉筒とともに前記耐圧容器に収容された水の水面下に配置されている点にある。
【００１６】
上記特徴構成によれば、第１煙管は、耐圧容器に収容された水の水面上に配置されて、燃焼ガスにて飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させる過熱蒸気発生部として構成されている。これにより、第１煙管によって飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させることができる。ここで、第１煙管には炉筒を通過した直後の比較的高温の燃焼ガスが流通するため、加熱する飽和水蒸気との温度差が大きくなるため、熱伝達を大きくできて小さな伝熱面積でも所定の過熱蒸気を発生させることができる。
そして、第１煙管の下流に位置する第２煙管は、耐圧容器に収容された水の水面下に配置されて、前記燃焼ガスにて水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生部として構成されている。これによって、第２煙管によって水を加熱して飽和水蒸気を発生させることができる。第１煙管における飽和水蒸気の加熱によって温度が低下した燃焼ガスが第２煙管に導入されるものの、その温度は水を加熱して飽和水蒸気を発生させるには十分であるため、その燃焼ガスの保有熱を有効に利用して、効率よく飽和水蒸気を発生させることができる。従って、上述のように第１煙管および第２煙管を構成することで、高い熱効率によって過熱蒸気を発生させることができる。
【００１７】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記耐圧容器の内部において、前記飽和水蒸気発生部と前記過熱蒸気発生部とを区画する区画板を設け、前記区画板で形成された前記過熱蒸気発生部内を流通する飽和水蒸気の流れと前記第１煙管内を流通する燃焼ガスの流れとが対向流を構成する点にある。
【００１８】
上記特徴構成によれば、過熱蒸気発生部において、飽和水蒸気の流れと第１煙管内の燃焼ガスの流れとが対向流を構成するので、飽和水蒸気を加熱するために熱交換される燃焼ガスと飽和水蒸気との平均的な温度差が大きくなり、より効果的に燃焼ガスによって飽和水蒸気を加熱できる結果、蒸気を高温とすることができる。
【００１９】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記過熱蒸気発生部において、前記第１煙管に飽和水蒸気の流れを誘導する邪魔板が設けられている点にある。
【００２０】
上記特徴構成によれば、第１煙管を貫通させるとともに飽和水蒸気の流れを誘導する邪魔板が過熱蒸気発生部に設けられている。これにより、燃焼ガスの熱が第１煙管を介して邪魔板に伝わる結果、邪魔板の表面からも飽和水蒸気を加熱することができる。つまり、飽和水蒸気への伝熱面積を拡大して、効果的に飽和水蒸気を加熱することができる。さらに、邪魔板により飽和水蒸気の流れを誘導して、その流れを第１煙管と交差させることができ、第１煙管表面での熱交換が促進されて飽和水蒸気に対してより多くの熱が伝えられる結果、高い熱効率を得ることができる。
【００２３】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管の周囲を囲み、飽和水蒸気及び過熱蒸気を通流させる閉空間を形成する閉空間形成部材が備えられ、その閉空間形成部材は、前記耐圧容器の外表面と熱的に遮断されている点にある。
【００２４】
第１煙管にて過熱蒸気発生部を構成する場合には、第１煙管の周囲が高温の過熱蒸気（例えば、３５０℃）となるので、耐圧容器の外表面に直接通じると外気（例えば、２５℃）との温度差が大きくなり、それだけ放熱量が大きくなる。その結果、熱損失が大きくなるとともに、蒸気温度の上昇が困難となる。この対策として、例えば、耐圧容器の保温厚みを増す等により保温性能を向上することが考えられるが、耐圧容器の外形寸法が大きくなり大型化を招くとともに、コストアップにも繋がる。そこで、本特徴構成によれば、耐圧容器の外表面と熱的に遮断されている閉空間形成部材を配設するとともに、その閉空間形成部材によって第１煙管の周囲を囲み、飽和水蒸気及び過熱蒸気を通流させる閉空間を形成している。これにより、閉空間内を通流する過熱蒸気が、耐圧容器の外表面に直接通じることを防止することができる。そして、閉空間と耐圧容器の外表面との間には、例えば、飽和水蒸気（例えば１２５℃）等、過熱蒸気よりも低温の流体を通流させる空間を存在させることができるので、その低温の流体と外気との温度差を小さくできる。したがって、耐圧容器の大型化及びコストアップを招くことなく、放熱量の増大を防止することができ、熱損失を極力小さくできるとともに、蒸気温度の上昇も好適に行うことができる。しかも、第１煙管の周囲は閉空間形成部材にて覆われているので、例えば、耐圧容器の上壁部等から凝縮水が落下する場合でも、その凝縮水が第１煙管や第１煙管の周囲に落下するのを防止でき、凝縮水の落下により蒸気温度が低下するという問題の発生を的確に防止することができる。
【００２６】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記耐圧容器に収容する水の水位を、前記飽和水蒸気発生部を構成する前記炉筒と前記第２煙管とに加え、前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管の少なくとも一部も水面下に水没させる初期水位とし、前記燃焼ガスにて前記耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気が発生し始めた場合に、前記耐圧容器に収容する水の水位を、前記初期水位から、前記飽和水蒸気発生部を構成する前記炉筒と前記第２煙管とを水面下に水没させ且つ前記過熱蒸気発生部を構成する前記第１煙管を水面上に露出させる基準水位に低下させ、前記耐圧容器に収容する水の水位をその基準水位に維持する水位制御を行うように構成されている点にある。
【００２７】
この過熱蒸気発生器では、耐圧容器に収容されている水が沸騰して飽和水蒸気を発生し始めるまでに数分程度の時間がかかることから、この間は、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管の周囲には飽和水蒸気が通流していない状態となる。よって、いわゆる空焚き状態となってしまい、過熱蒸気発生器の耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管内に通流させる燃焼ガスの温度を低下させるために、バーナーの燃焼量を絞る、或いは、バーナーの空気過剰率を上げてバーナーを燃焼させることも考えられるが、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管の過熱防止には十分ではなかった。
【００２８】
そこで、本特徴構成によれば、まず、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位とし、その後、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位から基準水位に低下させ、耐圧容器に収容する水の水位を基準水位に維持する水位制御を行うようにしている。初期水位では、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管の少なくとも一部も水面下に水没させるので、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管内を通流する燃焼ガスにて耐圧容器に収容されている水が加熱されることになり、空焚き状態となるのを防止して、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管の過熱防止を適切に行うことができる。
【００２９】
ここで、耐圧容器に収容する水を満水状態とし、その満水状態を維持するために耐圧容器に通水しながら燃焼ガスにて水を加熱することで、過熱蒸気発生部を構成する第１煙管の過熱防止を行うことができると考えられる。しかしながら、耐圧容器に通水しながら燃焼ガスにて水を加熱するので、燃焼ガスにて耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気が発生し始めるまでに時間がかかり、過熱蒸気発生器の運転を開始してから過熱蒸気を発生できるようになるまでの時間が長くなる。しかも、耐圧容器に通水しながら燃焼ガスにて水を加熱する場合には、過熱蒸気を取り出す過熱蒸気取出口等から熱水が噴き出す可能性があり、例えば、過熱蒸気を食品加熱等の用途に用いると、その食品等の被加熱物を損なうことになる。それに対して、本特徴構成によれば、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位とするだけで、耐圧容器への通水を行うことなく、燃焼ガスにて耐圧容器に収容されている水を加熱することができるので、過熱蒸気発生器の運転を開始してから過熱蒸気を発生できるようになるまでの時間を短くできるとともに、過熱蒸気を取り出す過熱蒸気取出口等から熱水が噴き出すことも防止できる。
【００３０】
このようにして、燃焼ガスにて耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気が発生し始めた場合に、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位から基準水位に低下させ、その基準水位に維持することで、飽和水蒸気発生部にて水を加熱して飽和水蒸気を発生させ、過熱蒸気発生部にて飽和水蒸気を加熱して過熱蒸気を発生させることができる。
【００３１】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記水位制御において、前記耐圧容器に収容する水の水位を前記初期水位から前記基準水位に低下させる場合に、前記燃焼ガスにて前記耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気の発生により、及び、その前記耐圧容器に収容されている水を排水させる排水手段の作動のいずれか一方又は両者の併用にて、前記初期水位から前記基準水位への水位低下を行う点にある。
【００３２】
本特徴構成によれば、燃焼ガスにて耐圧容器に収容されている水を加熱して飽和水蒸気を発生させることにより、耐圧容器に収容する水の水位を低下させることができる。したがって、新たな構成を加えることなく、その飽和水蒸気の発生により初期水位から前記基準水位への水位低下を行うことができる。また、耐圧容器に収容されている水を排水させる排水手段を備える場合には、飽和水蒸気の発生に加えて、その排水手段を作動させることで、初期水位から基準水位への水位低下をいち早く行うことができる。したがって、過熱蒸気発生器の運転を開始してから過熱蒸気を発生できるようになるまでの時間を極力短くすることができる。
【００３３】
本発明に係る過熱蒸気発生器の更なる特徴構成は、前記閉空間形成部材には、前記閉空間に飽和水蒸気を導入する飽和水蒸気導入口よりも小さく、且つ、前記閉空間とそれ以外の前記耐圧容器の内部空間との間で水の通流を許容する孔部が形成されている点にある。
【００３４】
本特徴構成によれば、閉空間形成部材に孔部を形成するので、例えば、水滴等が閉空間に流入しても、その孔部を通して閉空間からそれ以外の耐圧容器の内部空間に排出することができる。しかも、上述の特徴構成で述べた如く、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位とする場合や、耐圧容器に収容する水の水位を初期水位から基準水位に低下させる場合に、閉空間形成部材に形成された孔部を通して、閉空間とそれ以外の耐圧容器の内部空間との間で水を通流させることで、その孔部を活用して水位の調整を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態に係る過熱蒸気発生器の縦断面図
【図２】図１の過熱蒸気発生器のＩＩ−ＩＩ矢視図
【図３】第１実施形態に係る過熱蒸気発生部の外周壁側邪魔板（ａ）および区画板側邪魔板（ｂ）
【図４】第２実施形態に係る過熱蒸気発生器の横断面図
【図５】参考例に係る過熱蒸気発生器の縦断面図
【図６】図５の過熱蒸気発生器のＶＩ−ＶＩ矢視図
【図７】第３実施形態に係る過熱蒸気発生器の縦断面図
【図８】第３実施形態に係る過熱蒸気発生器の縦断面図
【図９】図８の過熱蒸気発生器のＩＸ−ＩＸ矢視図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明に係る過熱蒸気発生器の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は過熱蒸気発生器Ｄの側面からの縦断面図であり、図２は過熱蒸気発生器Ｄの横断面図（図１の過熱蒸気発生器のＩＩ−ＩＩ矢視図）である。図１に示すように、過熱蒸気発生器Ｄは内部に水Ｗが収容される横置きの円筒状の耐圧容器１と、耐圧容器１内に配設され、燃焼ガスＧを流通させる燃焼ガス流路２と、燃焼ガス流路２に供給する燃焼ガスＧを発生するバーナーＢとで構成されている。
【００３７】
燃焼ガス流路２は、炉筒２ｃと第１ヘッダー２ｆと第１煙管２ｄと第２ヘッダー２ｇと第２煙管２ｅとを接続して構成されている。図１にて実線矢印にて示すように、炉筒２ｃは、燃焼ガスＧを耐圧容器１の軸方向（図１中左右方向）の一方側（図１中右側、以下「導入口側」と呼ぶ）から耐圧容器１の内部に導入して軸方向の他方側（図１中左側、以下「排出口側」と呼ぶ）に向けて流通させている。第１ヘッダー２ｆは、炉筒２ｃを通過した燃焼ガスＧをその流動方向を折り返して第１煙管２ｄに案内流通させている。第１煙管２ｄは、炉筒２ｃを通過した燃焼ガスＧを排出口側から導入口側に向けて流通させている。第２ヘッダー２ｇは、第１煙管２ｄを通過した燃焼ガスＧをその流動方向を折り返して第２煙管２ｅに案内流通させている。第２煙管２ｅは、第１煙管２ｄを通過した燃焼ガスＧを導入口側から排出口側に向けて流動させている。耐圧容器１の軸方向で排出口側の外部には、排気ヘッダー３が設けられており、第２煙管２ｅを通過した燃焼ガスＧが排気ヘッダー３に供給されて耐圧容器１の外部に排出されている。
このように、燃焼ガス流路２は、耐圧容器１の軸方向で導入口側と排出口側との間で燃焼ガスＧを３回流動させる３パス構造に構成されている。
【００３８】
耐圧容器１の内部空間を上方側空間と下方側空間とに区画する区画板４が備えられている。その下方側空間が、水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させる飽和水蒸気発生部ＶＦとして構成され、その上方側空間が飽和水蒸気Ｖを加熱して過熱蒸気Ｓを発生させる過熱蒸気発生部ＳＦとして構成されている。区画板４は、上方側空間と下方側空間とを密閉状態で区画するものではなく、耐圧容器１の軸方向の導入口側に下方側空間と上方側空間とを連通する部位Ｃを備えている。下方側空間である飽和水蒸気発生部ＶＦにて発生した飽和水蒸気Ｖは、その連通する部位Ｃを通して上方側空間である過熱蒸気発生部ＳＦに供給自在となっている。
【００３９】
飽和水蒸気発生部ＶＦには、基準水位Ｔの水位まで水Ｗが貯留され、その基準水位Ｔよりも下方側に炉筒２ｃと第２煙管２ｅとが配設されており、炉筒２ｃと第２煙管２ｅの周囲が、水Ｗ及び飽和水蒸気Ｖが通流自在な流路となっている。図２に示すように、炉筒２ｃは、１つ設けられ、その１つの炉筒２ｃの周囲を囲むように、複数の第２煙管２ｅが炉筒２ｃの周方向に間隔を隔てて設けられている。
過熱蒸気発生部ＳＦには、複数の第１煙管２ｄが間隔を隔てて設けられており、複数の第１煙管２ｄの周囲が、飽和水蒸気Ｖ及び過熱蒸気Ｓが通流自在な流路となっている。
このように、区画板４は、耐圧容器１の内部を飽和水蒸気発生部ＶＦと過熱蒸気発生部ＳＦとに区画すると共に、水滴が過熱蒸気発生部ＳＦに侵入するのを防止している。
【００４０】
耐圧容器１は、図１に示すように、横置きの円筒状の形状とされ、円筒状の外周壁１ａと、その円筒状の外周壁１ａの両側面を塞ぐ一対の向かい合う外側壁１ｂ、１ｃとで構成されている。そして、外周壁１ａ上方には、耐圧容器１内で発生した過熱蒸気Ｓを取り出すための過熱蒸気取出口１３を備えられ、その他、飽和水蒸気Ｖを取り出すための飽和水蒸気取出口１４、圧力計（図示せず）が取り付けられる圧力計取付口１５、温度計（図示せず）が取り付けられる温度計取付口１６が設けられている。一方、図２に示すように、外周壁１ａの下方には、耐圧容器１内で飽和水蒸気Ｖを発生させるための水Ｗを供給する水供給口１１および耐圧容器１内の水位を検知、表示する水位計（図示せず）が接続される水位計接続口１２が備えられる。水位計は耐圧容器１内において過熱蒸気取出口１３との間付近に設けられ、基準水位Ｔの検出を可能に構成される。また、過熱蒸気取出口１３および飽和水蒸気取出口１４には図示しない開閉弁が取り付けられている。
また、一対の外側壁１ｂ、１ｃは、バーナーＢでの燃焼により発生させた燃焼ガスＧを燃焼ガス流路２に導入する燃焼ガス導入口２ａが設けられた導入口側外側壁１ｂと、燃焼ガス流路２から燃焼ガスＧを排出する燃焼ガス排出口２ｂが設けられた排出口側外側壁１ｃとで構成される。そして、耐圧容器１は、耐圧容器保持部１０の上に搭載されている。その他、耐圧容器１には図示しない過圧逃がし弁および燃焼ガスＧを発生させるバーナーＢの取付機構などが設けられている。
【００４１】
耐圧容器１の導入口側外側壁１ｂにはバーナーＢが設けられており、バーナーＢの燃焼により燃焼ガスＧが発生し、その燃焼ガスＧを燃焼ガス流路２に導入させるように構成されている。なお、バーナーＢは着火装置により自動で着火が可能であり、着火後は火力調整装置により火力調整が可能なように構成されている。
【００４２】
また、図１に示すように耐圧容器１の内部に設けられた燃焼ガス流路２は、炉筒２ｃ、第１ヘッダー２ｆ、第１煙管２ｄ、第２ヘッダー２ｇおよび第２煙管２ｅの順に連通状態で接続されて構成されている。炉筒２ｃは、耐圧容器１の軸方向の導入口側に位置する導入口側外側壁１ｂに連結支持されるとともに、その連結支持部において燃焼ガスＧの導入口である燃焼ガス導入口２ａを形成する。また、第２煙管２ｅは、耐圧容器１の軸方向の排出口側にある排出口側外側壁１ｃに連結支持されるとともに、その連結支持において第２煙管２ｅからの燃焼ガスＧの排出口である燃焼ガス排出口２ｂを形成する。これにより、耐圧容器１の導入口側外側壁１ｂに設けられた燃焼ガス導入口２ａから導入された燃焼ガスＧは燃焼ガス流路２内を通流して燃焼ガス排出口２ｂに導かれて排出される。
また、第１ヘッダー２ｆは、炉筒２ｃの排出口側の端部近傍で炉筒２ｃから支持され、第２ヘッダー２ｇは、炉筒２ｃの導入口側の端部近傍で第２煙管２ｅによって支持されている。そして、第１ヘッダー２ｆと第２ヘッダー２ｇの間に第１煙管２ｄが連結支持されて燃焼ガス流路２が構成されている。
【００４３】
炉筒２ｃは、単一の円管で構成され、耐圧容器１の軸方向に沿って炉筒２ｃの中心軸を設けつつ、耐圧容器１の中心軸から下方に炉筒２ｃの中心軸が位置するように配設されている。炉筒２ｃは、耐圧容器１の導入口側の端部において、導入口側外側壁１ｂに連結支持されるとともに、燃焼ガス導入口２ａを形成する。また、炉筒２ｃは、導入口側に設けられた第２ヘッダー２ｇを摺動自在に貫通しつつ排出口側へ延びて、第１ヘッダー２ｆに接続されている。これにより、燃焼ガス導入口２ａから導入された燃焼ガスＧは、耐圧容器１の導入口側から排出口側に向けて流通し、燃焼ガス導入口２ａから導入された燃焼ガスＧを、第１ヘッダー２ｆまで流通させることができる。
【００４４】
第１ヘッダー２ｆは、耐圧容器１内部の排出口側に設けられ、耐圧容器１の外周壁１ａの内面に沿う円筒状外周部である第１ヘッダー外周部２ｆａと、その第１ヘッダー外周部２ｆａの一方端である導入口側外側壁１ｂ側の端部に設けられた第１ヘッダー導入口側面２ｆｂと、他方端である排出口側外側壁１ｃ側の端部に設けられた第１ヘッダー排出口側面２ｆｃとで中空円柱状に形成されている。
そして、第１ヘッダー導入口側面２ｆｂの下方部位には炉筒２ｃが連通状態で接続されている。一方で、第１ヘッダー導入口側面２ｆｂの上方部位には、耐圧容器１の外周壁１ａの内面に沿った６本の第１煙管２ｄが連通状態で接続されている。このように、第１ヘッダー２ｆは、炉筒２ｃから流入した燃焼ガスＧを、６本の第１煙管２ｄに分岐して導入させる案内流通が可能となるように構成される。
【００４５】
また、第１ヘッダー２ｆの第１ヘッダー排出口側面２ｆｃは、耐圧容器１の排出口側外側壁１ｃの内壁との間に、耐圧容器１の軸方向に間隔を隔てて非接触状態で配設されている。このように、第１ヘッダー排出口側面２ｆｃと排出口側外側壁１ｃとの間に間隙を設け、その間隙に存在する水Ｗによって第１ヘッダー排出口側面２ｆｃを冷却することで、第１ヘッダー排出口側面２ｆｃから排出口側外側壁１ｃへの熱伝達を抑制することができ、排出口側外側壁１ｃの温度上昇を抑制することができる。そして、結果的に耐圧容器１内の水Ｗが加熱されることになり、より効果的に飽和水蒸気Ｖを発生させることができる。また、第１ヘッダー２ｆと排出口側外側壁１ｃとの間における熱応力の発生をなくして、排出口側外側壁１ｃや第１ヘッダー２ｆに歪み、亀裂、破損等が発生することを防止できる。
さらに、第１ヘッダー２ｆには、炉筒２ｃの接続部の周囲に１２本の第２煙管２ｅが摺動自在に貫通される１２個の第２煙管用貫通孔２ｆｄが設けられる。これにより、第１ヘッダー２ｆを貫通する第２煙管２ｅにおいて発生する熱膨張を許容する構成として、第１ヘッダー２ｆと第２煙管２ｅとの間における熱応力の発生をなくして、第１ヘッダー２ｆや第２煙管２ｅにおいて歪み、亀裂、破損等が発生することを防止できる。
【００４６】
図２に示すように、炉筒２ｃの上方において、耐圧容器１の外周壁１ａの上方内面に沿って６本の第１煙管２ｄが設けられている。そして、図１に戻って、これらの６本の第１煙管２ｄによって、第１煙管２ｄが第１ヘッダー導入口側面２ｆｂと第２ヘッダー排出口側面２ｇｃとが連通状態で接続される。これにより、第１ヘッダー２ｆから第１煙管２ｄに導入された燃焼ガスＧは、耐圧容器１の排出口側から導入口側に向けて流通し、第２ヘッダー２ｇに流入する。
【００４７】
第２ヘッダー２ｇは、耐圧容器１の内部の導入口側に設けられ、耐圧容器１の外周壁１ａの内面に沿う円筒状外周部である第２ヘッダー外周部２ｇａと、その第２ヘッダー外周部２ｇａの一方端である導入口側外側壁１ｂ側の端部に設けられた第２ヘッダー導入口側面２ｇｂと、他方端である排出口側外側壁１ｃ側の端部に設けられた第２ヘッダー排出口側面２ｇｃとで中空円柱状に形成されている。そして、第２ヘッダー排出口側面２ｇｃの上方部位には６本の第１煙管２ｄが連通状態で接続されている。一方で、第２ヘッダー排出口側面２ｇｃの下方部位には、炉筒２ｃの外周壁に沿うように設けられた１２本の第２煙管２ｅが連通状態で接続されている。このように、第２ヘッダー２ｇは、６本の第１煙管２ｄから流入する燃焼ガスＧを合流して、再び１２本の第２煙管２ｅに分岐して流出させる案内流通が可能となるように構成される。
【００４８】
また、第２ヘッダー２ｇの下方部位には、炉筒２ｃが摺動自在に貫通する炉筒用貫通孔２ｇｄが設けられる。これによって、第２ヘッダー２ｇを貫通する炉筒２ｃの温度変化に基づく膨張・収縮を許容して、第２ヘッダー２ｇと炉筒２ｃとの間おける熱応力の発生をなくして、第２ヘッダー２ｇや炉筒２ｃにおいて歪み、亀裂、破損等が発生することを防止できる。
【００４９】
さらに、第２ヘッダー導入口側面２ｇｂは、耐圧容器１の導入口側外側壁１ｂの内壁との間に、耐圧容器１の軸方向に間隔を隔てて配設されている。これにより、第１ヘッダー２ｆを貫通する第２煙管２ｅにおいて発生する熱膨張を許容する構成として、第２ヘッダー２ｇと導入口側外側壁１ｂとの間に発生する熱応力の発生をなくして、第２ヘッダー２ｇや導入口側外側壁１ｂにおいて歪み、亀裂、破損等が発生することを防止できる。
【００５０】
図２に示すように、第２煙管２ｅが、炉筒２ｃの外周面に沿って等間隔に１２本の円筒管が設けられる。これによって、第２ヘッダー２ｇと耐圧容器１の排出口側外側壁１ｃに形成された燃焼ガス排出口２ｂとが連通状態で接続されている。
第２煙管２ｅの耐圧容器１の導入口側の端部は、第２ヘッダー排出口側面２ｇｃの上方部位に連通状態で接続されている。第２ヘッダー排出口側面２ｇｃから耐圧容器１の排出口側へ延び、第１ヘッダー２ｆの第２煙管用貫通孔２ｆｄを貫通して、耐圧容器１の排出口側外側壁１ｃに接続されて燃焼ガス排出口２ｂが形成されている。これにより、第２ヘッダー２ｇから第２煙管２ｅに導入された燃焼ガスＧは、耐圧容器１の導入口側から排出口側に向けて、燃焼ガス排出口２ｂにまで流通する。
【００５１】
１２本の第２煙管２ｅのそれぞれの燃焼ガス排出口２ｂから排出された燃焼ガスＧは、耐圧容器１の排出口側外側壁１ｃの外面に設けられた排気ヘッダー３により合流し、排気ヘッダー３の上部に設置される排気口３ａから排気される。
【００５２】
図１および図２に示すように、第１煙管２ｄは、耐圧容器１に収容された水Ｗの水面上に配置されて、燃焼ガスＧにて飽和水蒸気Ｖを加熱して過熱蒸気Ｓを発生させる過熱蒸気発生部ＳＦを構成し、炉筒２ｃおよび第２煙管２ｅが、耐圧容器１に収容された水Ｗの水面下に配置されて、燃焼ガスＧにて水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させる飽和水蒸気発生部ＶＦを構成する。
また、飽和水蒸気Ｖの発生によって水Ｗが消費されて耐圧容器１内の水位が下降するが、その水位が水位計（図示せず）により検知されており、水位が基準水位Ｔより低下すると、加圧ポンプ（図示せず）で加圧された水Ｗが耐圧容器１内に外周壁１ａの下方に設けられた水供給口１１から供給されるように構成されている。なお、供給される水Ｗは軟水器（図示せず）により軟水化処理がされていてもよい。これによって、耐圧容器１内にスケール成分が析出するのを防止することができる。
【００５３】
上述の如く、区画板４は、耐圧容器１の内部を飽和水蒸気発生部ＶＦと過熱蒸気発生部ＳＦとを区画するものであり、耐圧容器１の軸方向で排出口側の端部が排出口側外側壁１ｃに連結支持されており、導入口側の端部が第２ヘッダー排出口側面２ｇｃに連結支持されている。そして、過熱蒸気発生部ＳＦでは、第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧにて飽和水蒸気Ｖを加熱することで過熱蒸気Ｓを発生させており、図１中実線矢印にて示すように、第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧの流れ方向が耐圧容器１の軸方向で排出口側から導入口側となっており、図１中点線矢印にて示すように、飽和水蒸気Ｖの通流方向が耐圧容器１の軸方向で導入口側から排出口側となっている。これによって、過熱蒸気発生部ＳＦにおいて飽和水蒸気Ｖの流れと第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧの流れとを対向流として熱交換を行うことで過熱蒸気Ｓを発生させることを可能にしている。
【００５４】
また、過熱蒸気発生部ＳＦにおいて、第１煙管２ｄを貫通させるとともに飽和水蒸気Ｖの流れに対して略直角に装備される邪魔板５が設けられている。邪魔板５は耐圧容器１の外周壁１ａの内側と接合されることで区画板４側に飽和水蒸気Ｖの流通路Ｖ２を有する外周壁側邪魔板５ａ（図３（ａ））と、区画板４と接合されることで耐圧容器１の外周壁１ａ側に流通路Ｖ３を有する区画板側邪魔板５ｂ（図３（ｂ））とで構成される。そして、外周壁側邪魔板５ａと区画板側邪魔板５ｂが第１煙管２ｄの軸方向に沿って交互に設けられている。
また、外周壁側邪魔板５ａは第１煙管２ｄと耐圧容器１の外周壁１ａの内側に固定して設けられているが、邪魔板５の厚みは非常に薄く構成され、また、スポット溶接などにより部分的に接続されている。従って、第１煙管２ｄの熱膨張によって、第１煙管２ｄとの間において熱応力を発生させるものとはならない。
【００５５】
次に、バーナーＢの燃焼により発生した燃焼ガスＧが燃焼ガス導入口２ａにおいて導入されて、排気口３ａから排気されるまでの燃焼ガスＧの温度変化について説明する。バーナーＢの燃焼により発生した高温の燃焼ガスＧ（例えば１８００℃）は、まず燃焼ガス導入口２ａから炉筒２ｃに導入されて、炉筒２ｃの外周壁を介して耐圧容器１内の水Ｗと熱交換を行なう。その後、第１ヘッダー２ｆを経て６本の第１煙管２ｄに比較的高温（例えば、１０００℃）で分流されて導入され、第１煙管２ｄの外周壁を介して飽和水蒸気Ｖと熱交換して過熱蒸気Ｓ（例えば、３５０℃）が生成される。その後、燃焼ガスＧは第２ヘッダー２ｇに導入されて合流し、第２ヘッダー２ｇから流出の際に、再度分流されて水Ｗの水面下に設けられた１２本の第２煙管２ｅに比較的低温（例えば、７６０℃）で導入される。そして、第２煙管２ｅの外周壁を介して水Ｗと熱交換した後に低温の燃焼ガスＧ（例えば、２２０℃）が１２箇所の燃焼ガス排出口２ｂより排出され、排気ヘッダー３において合流して排気口３ａより排出される。
【００５６】
また、水Ｗが水供給口１１から耐圧容器１内に供給されて、過熱蒸気取出口１３から過熱蒸気Ｓが取り出されるまでの流れについて説明する。まず、水Ｗは軟水化処理された後、図示しない加圧ポンプで加圧されて耐圧容器１の下部に設けられた水供給口１１から基準水位Ｔとなるように耐圧容器１内に充填される。そして、炉筒２ｃと第２煙管２ｅによって加熱されて蒸発して飽和水蒸気Ｖとなって耐圧容器１の上部に上昇し、水滴が分離された後に、飽和水蒸気導入口Ｖ１から過熱蒸気発生部ＳＦに導入される。そして、過熱蒸気発生部ＳＦにおいて、過熱蒸気発生部ＳＦの内部を流れる飽和水蒸気Ｖと第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧとの流れを対向流とした状態での熱交換が行なわれ、飽和水蒸気Ｖが加熱され、過熱蒸気Ｓとなって過熱蒸気取出口１３から取り出される。
【００５７】
過熱蒸気発生部ＳＦでは、第２煙管２ｅの軸方向に対して略直角方向に配設された複数枚の邪魔板５が第１煙管２ｄに貫通させて設けられている。複数の邪魔板５を第１煙管２ｄの外周壁に取り付けることで、過熱蒸気発生部ＳＦを流れる飽和水蒸気Ｖへの伝熱面積を拡大できるだけでなく、飽和水蒸気Ｖの流れを誘導する際にその流れに乱流を発生させつつ第１煙管２ｄと交差させることにより、飽和水蒸気Ｖと燃焼ガスＧとの熱交換が促進されて、効果的に飽和水蒸気Ｖを加熱することができる。さらに、過熱蒸気発生部ＳＦを流れる飽和水蒸気Ｖの流れと第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧの流れとを対向流とすることで、熱交換される燃焼ガスＧの温度と飽和水蒸気Ｖの温度との平均的な温度差が大きくなる。これによって熱伝達率が向上する結果、より高い熱効率を得ることができる。ちなみに本実施形態における過熱蒸気発生器Ｄにおいては、高位発熱量（ＨＨＶ）基準で約８０％の熱効率を得ることができる。
【００５８】
〔第２実施形態〕
図４は本発明の第２実施形態に係る過熱蒸気発生器Ｄの横断面図である。本第２実施形態における第１実施形態との相違点は、炉筒２ｃの上方における２本の第２煙管２ｅを移動させた点である。その他の構成については、第１実施形態と略同様である。第１実施形態では、炉筒２ｃの外周壁の周囲に等間隔に１２本の第２煙管２ｅを設けているところ、本第２実施形態では、図４に示すように、炉筒２ｃの外周上部を除く外周に沿って等間隔に１０本の第２煙管２ｅが配設され、断面視で炉筒２ｃの外周上部を除く外周に沿って設けられた第２煙管２ｅの最も上方に位置する左右２本の第２煙管２ｅの配設位置を変更している。つまり、この左右２本の第２煙管２ｅの配設位置を、他の１０本の第２煙管２ｅうち一番上方側に位置するものと上下方向の高さが同じになるようにしている。これにより、１２本全ての第２煙管２ｅを基準水位Ｔよりも下方側に適切に配置することができる。
【００５９】
これによって、特に過熱蒸気発生器Ｄを小型化した場合などにおいて、基準水位Ｔを下降させることが必要となったときに、第２煙管２ｅの数を減らすことなく高い熱効率を維持したまま、基準水位Ｔを下降させることができる。
【００６０】
〔参考例〕
図５は、参考例における過熱蒸気発生器Ｄの縦断面図である。図６は、参考例における過熱蒸気発生器Ｄの横断面図（図５の過熱蒸気発生器ＤのＶＩ−ＶＩ矢視図）である。本参考例における第１実施形態との相違点は、燃焼ガス流路２の第１煙管２ｄおよび第２煙管２ｅが耐圧容器１内の基準水位Ｔとの関係において配設されている位置が異なる点である。つまり、第１実施形態では、第１煙管２ｄは耐圧容器１内の基準水位Ｔより上方に配置され、第２煙管２ｅは基準水位Ｔより下方に配置されて構成されているが、本参考例では、第１煙管２ｄは基準水位Ｔより下方に配置され、第２煙管２ｅは基準水位Ｔより上方に配置されて構成されている。
【００６１】
従って、本参考例においては、基準水位Ｔより下方に配置される第１煙管２ｄおよび炉筒２ｃが飽和水蒸気発生部ＶＦを構成し、基準水位Ｔより上方に配置される第２煙管２ｅが過熱蒸気発生部ＳＦを構成する。
飽和水蒸気発生部ＶＦには、基準水位Ｔの水位まで水Ｗが貯留され、その基準水位Ｔよりも下方側に炉筒２ｃと第１煙管２ｄとが配設されており、炉筒２ｃと第１煙管２ｄの周囲が、水Ｗ及び飽和水蒸気Ｖが通流自在な流路となっている。図６に示すように、炉筒２ｃは、１つ設けられ、その１つの炉筒２ｃの周囲を囲むように、複数の第１煙管２ｄが炉筒２ｃの周方向に間隔を隔てて設けられている。
飽和水蒸気発生部ＶＦには、複数の第２煙管２ｅが間隔を隔てて設けられており、複数の第２煙管２ｅの周囲が、飽和水蒸気Ｖ及び過熱蒸気Ｓが通流自在な流路となっている。これにより、耐圧容器１内の水Ｗは、飽和水蒸気発生部ＶＦにおいて、炉筒２ｃと第１煙管２ｄによって加熱されて蒸発して飽和水蒸気Ｖとなって耐圧容器１の上部に上昇し、水滴が分離された後に、飽和水蒸気導入口Ｖ１から過熱蒸気発生部ＳＦに導入される。そして、過熱蒸気発生部ＳＦにおいて、飽和水蒸気Ｖと第２煙管２ｅ内の燃焼ガスＧとの流れを対向流とした状態での熱交換が行なわれ、飽和水蒸気Ｖが加熱され、過熱蒸気Ｓとなって過熱蒸気取出口１３から取り出される。
【００６２】
〔第３実施形態〕
図７及び図８は、本発明の第３実施形態における過熱蒸気発生器Ｄの縦断面図である。図９は、第３実施形態における過熱蒸気発生器Ｄの横断面図（図８の過熱蒸気発生器ＤのＩＸ−ＩＸ矢視図）である。本第３実施形態では、上記第１実施形態において、過熱蒸気発生部ＳＦを構成する第１煙管２ｄの周囲を囲む閉空間Ｋを形成する構成を追加するとともに、耐圧容器１内に収容する水の水位を調整する構成を追加している。図７では、耐圧容器１内に収容する水の水位を初期水位Ｔ１に調整した場合を示しており、図８では、耐圧容器１内に収容する水の水位を基準水位Ｔに調整した場合を示している。
【００６３】
図８及び図９に示すように、耐圧容器１内に収容する水の水位を基準水位Ｔに調整した状態において、第１実施形態と同様に、第１煙管２ｄは、耐圧容器１に収容された水Ｗの水面上に配置されて、燃焼ガスＧにて飽和水蒸気Ｖを加熱して過熱蒸気Ｓを発生させる過熱蒸気発生部ＳＦを構成し、炉筒２ｃおよび第２煙管２ｅが、耐圧容器１に収容された水Ｗの水面下に配置されて、燃焼ガスＧにて水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させる飽和水蒸気発生部ＶＦを構成している。
第１煙管２ｄの周囲は、高温の過熱蒸気（例えば、３５０℃）が通流するので、その過熱蒸気が耐圧容器１の外表面に直接通じると、外気との温度差が大きくなり、それだけ放熱量が大きくなる。その結果、熱損失が大きくなり、蒸気温度の上昇が困難となる。そこで、本第３実施形態では、耐圧容器１の外表面と熱的に遮断されている閉空間形成部材１７によって、第１煙管２ｄの周囲を囲む閉空間Ｋを形成し、その閉空間Ｋ内に飽和水蒸気Ｖ及び過熱蒸気Ｓを通流させている。
【００６４】
本第３実施形態では、第１実施形態における区画板４に代えて、過熱蒸気発生部ＳＦを構成する第１煙管２ｄの周囲を囲み、飽和水蒸気Ｖ及び過熱蒸気Ｓを通流させる閉空間Ｋを形成する閉空間形成部材１７を備えている。閉空間形成部材１７は、第１煙管２ｄの周囲を全周に亘って囲む筒状部材１７ａと、その筒状部材１７ａの内部空間において耐圧容器１の軸方向の排出口側を閉塞する第１ヘッダー２ｆと、その筒状部材１７ａの内部空間において耐圧容器１の軸方向の導入口側を閉塞する第２ヘッダー２ｇとから構成されている。筒状部材１７ａが耐圧容器１の外表面と接触しない非接触状態で配設され、その筒状
部材１７ａの耐圧容器１の軸方向の両端部を、耐圧容器１の外表面と接触しない非接触状態で配設された第１ヘッダー２ｆ及び第２ヘッダー２ｇに接続することで、閉空間形成部材１７を耐圧容器１の外表面と熱的に遮断している。第１煙管２ｄは、耐圧容器１の上下方向及び横幅方向に並ぶ形態で複数（例えば、図９に示すように、１３本）備えており、筒状部材１７ａはそれら複数の第１煙管２ｄの全ての周囲を囲むように設けられている。そして、筒状部材１７ａの排出口側が第１ヘッダー２ｆに接続されて閉塞され、筒状部材１７ａの導入口側が第２ヘッダー２ｇに接続されて閉塞されている。これにより、筒状部材１７ａと第１ヘッダー２ｆと第２ヘッダー２ｇとから構成される閉空間形成部材１７によって、複数の第１煙管２ｄの全ての周囲を囲む閉空間Ｋが形成されている。ちなみに、耐圧容器１の軸方向の導入口側には、第１実施形態と同様に、炉筒２ｃや第２煙管２ｅが位置する下方側空間と第１煙管２ｄが位置する上方側空間とを連通する部位Ｃが備えられている。
【００６５】
筒状部材１７ａの上方側には、閉空間Ｋに飽和水蒸気Ｖを導入する飽和水蒸気導入口Ｖ１が形成されており、飽和水蒸気発生部ＶＦにて発生された飽和水蒸気Ｖを、この飽和水蒸気導入口Ｖ１を通して閉空間Ｋ内に供給させるように構成されている。このように、閉空間Ｋへの飽和水蒸気Ｖの導入口を筒状部材１７ａの上方側とすることで、汽水分離の効果が促進されることになる。閉空間Ｋには、飽和水蒸気Ｖが通流されており、その飽和水蒸気Ｖが第１煙管２ｄ内の燃焼ガスＧにて加熱されて過熱蒸気Ｓを発生し、その発生された過熱蒸気Ｓが閉空間Ｋ内を通流している。そして、過熱蒸気取出口１３は、閉空間Ｋ内に連通接続されており、閉空間Ｋ内の過熱蒸気Ｓが、過熱蒸気取出口１３を通して取り出すように構成されている。
【００６６】
このようにして、閉空間Ｋ内を通流する過熱蒸気Ｓが、耐圧容器１の外表面に直接通じることを防止することができ、閉空間Ｋと耐圧容器１の外表面との間には、過熱蒸気Ｓよりも低温の飽和水蒸気Ｖ（例えば、１３５℃）を通流させる空間を存在させることができるので、その低温の飽和水蒸気Ｖ流体と外気との温度差を小さくできる（例えば、過熱蒸気と外気との温度差に比べて、１００℃程度小さくできる）。したがって、放熱量の増大を防止することができ、熱損失を極力小さくできるとともに、蒸気温度の上昇も好適に行うことができる。しかも、第１煙管２ｄの周囲は閉空間形成部材１７にて覆われているので、例えば、耐圧容器１の上壁部等から凝縮水が落下する場合でも、その凝縮水が第１煙管２ｄや第１煙管２ｄの周囲に落下するのを防止でき、凝縮水の落下により蒸気温度が低下するという問題の発生を的確に防止することができる。
【００６７】
筒状部材１７ａの下方側には、飽和水蒸気導入口Ｖ１よりも小さく、且つ、閉空間Ｋとそれ以外の耐圧容器１の内部空間との間で水の通流を許容する孔部１８が形成されている。この孔部１８は、筒状部材１７ａにおいて、耐圧容器１の軸方向の排出口側の１箇所と耐圧容器１の軸方向の導入口側の１箇所との合計２箇所に形成されている。そして、孔部１８は、例えば、飽和水蒸気導入口Ｖ１の開口面積の１／１０程度となっており、直径２ｍｍの円形状に形成されている。
【００６８】
本第３実施形態では、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を調整する水位制御部Ｈが備えられている。水位制御部Ｈは、まず、図７に示すように、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１とし、燃焼ガスＧにて耐圧容器１に収容されている水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖが発生し始めた場合に、図７から図８に移行させるべく、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を、初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに低下させ、耐圧容器１に収容する水の水位をその基準水位Ｔに維持する水位制御を行うように構成されている。
【００６９】
初期水位Ｔ１は、図７に示すように、飽和水蒸気発生部ＶＦを構成する炉筒２ｃと第２煙管２ｅとに加え、過熱蒸気発生部ＳＦを構成する第１煙管２ｄの少なくとも一部も水面下に水没させる水位に設定されている。つまり、第１煙管２ｄの全部を水面下に位置させるように、第１煙管２ｄよりも上方側の位置に設定されている。
基準水位Ｔは、図８に示すように、飽和水蒸気発生部ＶＦを構成する炉筒２ｃと第２煙管２ｅとを水面下に水没させ且つ過熱蒸気発生部ＳＦを構成する第１煙管２ｄを水面上に露出させる水位に設定されている。つまり、第１実施形態でも述べた如く、炉筒２ｃと第２煙管２ｅとを水面下に位置させ且つ第１煙管２ｄを水面上に位置させるように、第１煙管２ｄと第２煙管２ｅとの間の位置に設定されている。
【００７０】
耐圧容器１内には、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位が初期水位Ｔ１であることを検出する第１水位センサ１９と、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位が基準水位Ｔであることを検出する第２水位センサ２０とが備えられており、この第１及び第２水位センサ１９、２０の検出情報が水位制御部Ｈに入力されている。本第３実施形態における過熱蒸気発生器Ｄでは、耐圧容器１に水Ｗを給水する給水ポンプＰが備えられているとともに、耐圧容器１に収容されている水Ｗを排水させる排水弁２１（排水手段に相当する）も備えられている。水位制御部Ｈは、第１及び第２水位センサ１９、２０の検出情報に基づいて、給水ポンプＰの作動、及び、排水弁２１の開閉を制御することで、水位制御を行うように構成されている。
【００７１】
水位制御部Ｈは、給水ポンプＰを作動させることで、水供給口１１を通して耐圧容器１内に水Ｗを供給して、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を上昇自在に構成されている。また、水位制御部Ｈは、排水弁２１を開弁させることで、耐圧容器１内に収容されている水Ｗを排水して、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を低下自在に構成されている。そして、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位の低下については、耐圧容器１に収容されている水Ｗを燃焼ガス流路２内の燃焼ガスＧにて加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させることでも、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を低下させることができる。
【００７２】
上述の如く、筒状部材１７ａの下方側には、２つの孔部１８が形成されていることから、この孔部１８により、閉空間Ｋとそれ以外の耐圧容器１の内部空間との間で水Ｗの通流が許容されている。これにより、初期水位Ｔ１では、図７に示すように、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位の上昇に伴って、孔部１８を通して閉空間Ｋ内に水Ｗが通流されて、閉空間Ｋも水面下に位置する状態となる。逆に、基準水位Ｔでは、図８に示すように、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位の低下に伴って、孔部１８を通して閉空間Ｋから水Ｗが排出されて、閉空間Ｋが水面上に露出する状態となる。
【００７３】
本第４実施形態における過熱蒸気発生器Ｄを運転させるときの動作について説明する。
過熱蒸気発生器Ｄの運転を開始させる場合に、水位制御部Ｈは、まず、図７に示すように、第１水位センサ１９にて初期水位Ｔ１であることを検出するように給水ポンプＰを作動させて、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１に調整する。そして、バーナーＢの燃焼を開始して、バーナーＢの燃焼により発生した燃焼ガスＧを燃焼ガス流路２に通流させる。初期水位Ｔ１では、図７に示すように、燃焼ガス流路２における炉筒２ｃ、第１煙管２ｄ、及び、第２煙管２ｅが水面下に位置しているので、炉筒２ｃ、第１煙管２ｄ、及び、第２煙管２ｅ内を通流する燃焼ガスＧが耐圧容器１に収容されている水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させる。
【００７４】
このように、耐圧容器１に収容されている水Ｗが沸騰して飽和水蒸気Ｖが発生し始めると、その飽和水蒸気Ｖの発生により、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位が低下するので、第１水位センサ１９にて初期水位Ｔ１からの水位低下を検出する。これにより、水位制御部Ｈは、第１水位センサ１９の検出情報から、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１として耐圧容器１に収容されている水Ｗを燃焼ガスＧにて加熱して飽和水蒸気Ｖが発生し始めたことを判別できる。水位制御部Ｈは、飽和水蒸気Ｖが発生し始めたことを判別した場合に、その飽和水蒸気Ｖの発生による水位低下に加えて、排水弁２１を開弁させて、図７から図８に移行させるべく、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに低下させて、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を基準水位Ｔに維持するようにしている。耐圧容器１に収容する水Ｗの水位が基準水位Ｔであることについては、第２水位センサ２０にて検出することができるので、水位制御部Ｈは、第２水位センサ２０にて基準水位Ｔを検出するまで、排水弁２１を開弁状態に維持しており、第２水位センサ２０にて基準水位Ｔを検出すると、排水弁２１を閉弁させている。
【００７５】
ここで、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１として飽和水蒸気Ｖが発生し始めたことの判別については、例えば、耐圧容器１の圧力を検出する圧力センサを備え、その圧力センサにて耐圧容器１の圧力が上昇したことを検出すると、飽和水蒸気Ｖが発生し始めたと判別することもできる。また、耐圧容器１の温度を検出する温度センサを備え、その温度センサの検出温度が沸点に達したことを検出すると、飽和水蒸気Ｖが発生し始めたと判別することもできる。
上述の如く、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに低下させるに当たり、飽和水蒸気Ｖの発生による水位低下と排水弁２１を開弁させることによる水位低下とによって、初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに水位低下させているが、例えば、飽和水蒸気Ｖの発生による水位低下のみ又は排水弁２１を開弁させることによる水位低下のみによって、初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに水位低下させることもできる。
【００７６】
耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに低下させた場合には、図８に示すように、燃焼ガス流路２における炉筒２ｃ及び第２煙管２ｅが水面下に位置しているので、炉筒２ｃ及び第２煙管２ｅ内を通流する燃焼ガスＧが耐圧容器１に収容されている水Ｗを加熱して飽和水蒸気Ｖを発生させるようにしている。この飽和水蒸気Ｖの発生により耐圧容器１に収容する水Ｗの水位が低下することから、水位制御部Ｈは、第２水位センサ２０にて基準水位Ｔを検出するように給水ポンプＰを作動させて、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を基準水位Ｔに維持するようにしている。発生した飽和水蒸気Ｖは、耐圧容器１の軸方向の導入口側にて下方側空間と上方側空間とを連通する部位Ｃを通して下方側空間から上方側空間に通流し、筒状部材１７ａの上方側に形成された飽和水蒸気導入口Ｖ１を通して閉空間Ｋ内に通流されている。そして、閉空間Ｋ内において、第１煙管２ｄ内を通流する燃焼ガスＧが飽和水蒸気Ｖを加熱して過熱蒸気Ｓを発生させ、発生した過熱蒸気Ｓを過熱蒸気取出口１３から取り出している。
【００７７】
このようにして、過熱蒸気発生器Ｄの運転を開始させる場合には、まず、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１とし、その後、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１から基準水位Ｔに低下させ、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を基準水位Ｔに維持する水位制御を行うことで、第１煙管２ｄが空焚き状態となるのを防止して、第１煙管２ｄの過熱防止を適切に行うことができる。しかも、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１とするだけで、耐圧容器１への通水を行うことなく、燃焼ガスＧにて耐圧容器１に収容されている水Ｗを加熱することができるので、過熱蒸気発生器Ｄの運転を開始してから過熱蒸気Ｓを発生できるようになるまでの時間を短くできるとともに、過熱蒸気Ｓを取り出す過熱蒸気取出口１３等から熱水が噴き出すことも防止できる。
【００７８】
〔別実施形態〕
（Ａ）上記実施形態においては、耐圧容器１の両端部に平板状の導入口側外側壁１ｂおよび排出口側外側壁１ｃを取り付けて耐圧容器１を構成したが、これに限らず、耐圧容器１内の圧力が高圧となる場合は半球状（いわゆる鏡板状）に成形された導入口側外側壁１ｂおよび排出口側外側壁１ｃを取り付けて耐圧容器１を構成してもよい。
【００７９】
（Ｂ）上記実施形態においては、耐圧容器１の導入口側外側壁１ｂに燃焼ガスＧを発生させるためのバーナーＢを設ける構造としたが、これに限らず、炉筒２ｃの内部にバーナーが設置されていてもよい。
【００８０】
（Ｃ）上記実施形態においては、耐圧容器１の外周壁１ａ、導入口側外側壁１ｂおよび排出口側外側壁１ｃは断熱材により断熱処理がなされていないが、これに限らず、耐圧容器１に断熱材が取付けられてもよい。
【００８１】
（Ｄ）上記実施形態においては、過熱蒸気発生部ＳＦを流れる飽和水蒸気Ｖの流れと燃焼ガスＧの流れとを対向流としたが、これに限らず、過熱蒸気発生部ＳＦにおいて飽和水蒸気Ｖの流れとの燃焼ガスＧの流れを同じ方向とする並行流としてもよい。
【００８２】
（Ｅ）上記実施形態においては、耐圧容器１の導入口側外側壁１ｂにはバーナーＢが設けられ、バーナーＢの燃焼により発生した燃焼ガスＧを燃焼ガス導入口２ａに導入したが、これに限らず、燃焼ガスＧの発生装置を別体で設けて、燃焼ガス導入口２ａに燃焼ガスＧを導入するように構成されていてもよい。
【００８３】
（Ｆ）上記第３実施形態では、図１及び図２を用いて説明した第１実施形態と同様に、第１煙管２ｄにて過熱蒸気発生部ＳＦを構成するとともに、炉筒２ｃ及び第２煙管２ｅにて飽和水蒸気発生部ＶＦを構成した過熱蒸気発生器Ｄにおいて、閉空間形成部材１７にて閉空間Ｋを形成するともに、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を調整する構成を追加した例を示している。これに代えて、図５及び図６を用いて説明した参考例と同様に、第２煙管２ｅにて過熱蒸気発生部ＳＦを構成するとともに、炉筒２ｃ及び第１煙管２ｄにて飽和水蒸気発生部ＶＦを構成した過熱蒸気発生器Ｄにおいて、閉空間形成部材１７にて閉空間Ｋを形成するともに、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を調整する構成を追加して実施することもできる。
【００８４】
（Ｇ）上記第３実施形態では、水位制御部Ｈが、給水ポンプＰの作動を制御することで、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１としているが、例えば、作業者の手動動作によって給水ポンプＰを作動させて、耐圧容器１に収容する水Ｗの水位を初期水位Ｔ１とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上説明したように、配管詰まりが発生せず、燃焼ガスによる加熱により発生する熱応力を抑制できる配管構造で、燃焼ガスの余熱をさらに有効に活用できる過熱蒸気発生器を提供することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１      耐圧容器
２ｃ    炉筒
２ｄ    第１煙管
２ｅ    第２煙管
２ｆ    第１ヘッダー
２ｇ    第２ヘッダー
４      区画板
５      邪魔板
１７    閉空間形成部材
１８    孔部
２１    排水弁（排水手段）
Ｂ      バーナー
Ｄ      過熱蒸気発生器
Ｇ      燃焼ガス
Ｋ      閉空間
Ｓ      過熱蒸気
ＳＦ    過熱蒸気発生部
Ｔ      基準水位
Ｔ１    初期水位
Ｖ      飽和水蒸気
ＶＦ    飽和水蒸気発生部
Ｗ      水
【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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【図９】
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