JP6959821B2 - 過熱水蒸気発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生装置に関するものである。なお、本明細書において「過熱水蒸気」とは、ある圧力下で決定される沸点で蒸発した状態の水蒸気（飽和水蒸気）を、同じ圧力下でさらに加熱した水蒸気のことである。大気圧中の水の場合には、沸点１００℃を超えて加熱された水蒸気である。

飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生装置として、例えば、下記特許文献１に開示される「常圧過熱水蒸気発生装置」がある。この過熱水蒸気発生装置では、互いに接触するように束ねられた複数の加熱管の束をさらに円筒状の外壁部分で覆い、この外壁部分の外周にヒーターを巻き付ける。これにより、通電によりヒーターから発せられる熱が外壁部分を介して複数の加熱管に伝わることから、各加熱管内を通る水蒸気の加熱を可能にしている。

また、下記特許文献２に開示される「誘導加熱式流体加熱装置」では、ステンレス鋼製の細管を複数本束ねてその周囲を円筒状の加熱管で覆い、この加熱管の外周に断熱材を介在させて加熱コイルを巻回する。これにより、加熱コイルに高周波電力が供給されると、加熱管に誘導電流が流れて加熱管が発熱することから、その熱が複数の細管に伝わることにより各細管内を通る水蒸気等の流体の加熱を可能にしている。

特開２０１７−１０１９１０号公報 特開２００６−４０７１４号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２に開示される先行技術によると、水蒸気等が通る加熱管や細管を複数本束ねてその周囲を円筒状の外管で覆いその周囲にヒーターやコイルを巻回する構成を採る。そのため、装置構成が複雑になり得るという問題がある。また、水蒸気等が通る加熱管や細管にはステンレス鋼が用いられる。そのため、製品コストの増加を招くうえに、アルミニウム、銅や真鍮（黄銅）に比べると熱伝導率が小さいことから水蒸気等の加熱効率を向上し難いという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、装置構成を簡素にし、かつ製品コストを低減し得る過熱水蒸気発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載された本発明の過熱水蒸気発生装置は、飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生装置であって、前記飽和水蒸気を導入する導入部を一端側に有し他端側に前記過熱水蒸気を排出する排出部を有する筒体と、前記筒体内に収容されて前記筒体の前記一端側から前記他端側に及ぶ棒状の発熱体と、前記筒体内において前記発熱体の周囲に、前記発熱体の外周壁に接してまたは前記外周壁の近傍に配置され、前記導入部から前記筒体内に導入された前記飽和水蒸気が一端側から入り加熱された前記過熱水蒸気が他端側から出る真鍮製の複数の加熱管と、前記発熱体の発熱温度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の加熱管が変性または軟化しない所定の上限温度以下で前記発熱体の発熱温度を制御することを技術的特徴とする。

発熱体は、筒体の一端側から他端側に及ぶ棒状であり、当該発熱体の周囲において複数の加熱管が発熱体の外周壁に接して（または、複数の加熱管が発熱体の外周壁の近傍に）配置される。これにより、発熱体が発熱することにより発せられた熱は、発熱体の周囲に配置された複数の加熱管に直接的（または間接的）に伝わる。また、発熱体の周囲を囲むように加熱管が配置されていることから、束ねられた複数の加熱管の周囲に発熱体を配置する構成（上記特許文献１，２の構成）に比べて、発熱体の外側に拡がるように伝わる熱が有効に活用される（特許文献１，２の構成では、発熱体の外周（周囲）に加熱管が配置されていないため、発熱体の外側に向かう熱が無駄になる）。そのため、加熱効率が向上することから、簡素な構成でありながら複数の加熱管内を流通する飽和水蒸気を加熱することが可能になる。また、複数の加熱管の束の周囲にヒーターやコイルを巻回する必要がないため、筒体内に加熱管の束を覆う円筒形状の管等を収容する必要もない。
複数の加熱管は真鍮製であり、発熱体の発熱温度を制御する制御装置は、複数の加熱管が変性または軟化しない所定の上限温度以下で発熱体の発熱温度を制御する。一般的に、真鍮（黄銅）は、ステンレス鋼に比べて、低コストであり、また熱伝導率も高い。真鍮（黄銅）は銅と亜鉛の合金であることから、その配分にもよるが、熱伝導率（単位は、Ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ｗ（ワット），ｍ（メートル），Ｋ（ケルビン））は、例えば、ステンレス鋼が１６．７〜２０．９であるのに対して、真鍮は１０６である。そのため、複数の加熱管をステンレス鋼で構成する場合に比べて加熱管の部品コストを抑制することが可能になり、また発熱体から発せられた熱を複数の加熱管に効率良く伝えることが可能になる。さらに、複数の加熱管の軟化や変性を防いだり、酸化による劣化を抑制したりすることも可能になる。

また、特許請求の範囲に記載された請求項２に記載された本発明の過熱水蒸気発生装置は、請求項１に記載の過熱水蒸気発生装置において、前記制御装置は、前記発熱体に駆動電力を供給していない期間中に測定された前記発熱体の抵抗値に基づいて、前記発熱温度を推定することを技術的特徴とする。

これにより、温度センサを備えていなくても、制御装置は発熱体の発熱温度を制御することができ、複数の加熱管を最適な温度状態に保つことが可能になる。

さらに、特許請求の範囲に記載された請求項３に記載された本発明の過熱水蒸気発生装置は、請求項１または請求項２に記載の過熱水蒸気発生装置において、前記所定の上限温度は、３００℃〜５００℃の範囲内で設定されることを技術的特徴とする。

なお、導入部は、筒体の周壁に設けられていてもよい。これにより、例えば、発熱体が筒体のほぼ軸上に位置する場合において、発熱体から径方向に離れた位置に導入部が設けられることになるので、例えば、筒体に発熱体を取り付けたり、筒体から発熱体を取り外したりする際にお互いに（特に導入部が）邪魔になり難い。したがって、当該過熱水蒸気発生装置の製造工程やメンテナンス時における作業効率を向上させることができる。

また、導入部が筒体の周壁に設けられている場合において、複数の加熱管の一端側は、筒体の導入部よりも排出部側に位置していてもよい。これにより、複数の加熱管の一端側が筒体の導入部よりも排出部側の反対側に位置している場合に比べて、導入部から流入した飽和水蒸気を加熱管の一端側に導き易くする。そのため、加熱管内を流通することなく加熱管外を通る飽和水蒸気を減らすことが可能になる。したがって、飽和水蒸気の加熱効率をさらに向上させることができる。

請求項１の発明では、加熱効率が向上することから、簡素な構成でありながら複数の加熱管内を流通する飽和水蒸気を加熱することが可能になる。したがって、装置構成を簡素にすることができる。また、複数の加熱管の束の周囲にヒーターやコイルを巻回する必要がないため、加熱管の束を覆う円筒形状の管等を筒体内に収容する必要もないので、部品点数を減らすことも可能になる。したがって、製品コストを低減することができる。
また、複数の加熱管をステンレス鋼で構成する場合に比べて加熱管の部品コストを抑制することが可能になり、また発熱体から発せられた熱を複数の加熱管に効率良く伝えることが可能になる。したがって、装置構成を簡素にし、かつ製品コストを低減し得るとともに、飽和水蒸気の加熱効率を向上することもできる。

請求項２の発明では、温度センサを備えていなくても、制御装置は発熱体の発熱温度を制御することができ、複数の加熱管を最適な温度状態に保つことが可能になる。したがって、発熱体の寿命を延ばしたり、発熱体の空焚きを防いだりすることができる。

本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気発生装置を備えた過熱水蒸気発生システムの構成例を示す模式図である。 本実施形態の過熱水蒸気発生装置の外観構成の例を示す側面図である。 図３(A)は図２に示すIII-A矢印方向から見た正面図、図３(B)は図２に示すIII-B矢印方向から見た背面図、図３(C)は図２に示すIII-C−III-C線により切断した状態を同矢印方向から見た径方向（長手方向の軸に対して直交する方向）断面図である。 図３(A)に示すIV−IV線により出力パイプおよびハウジングの一部を切断した状態を同矢印方向から見た軸方向（長手方向）断面図である。 過熱水蒸気発生装置内を流れる水蒸気の流通経路の例を示す説明図である。 過熱水蒸気発生装置の他の構成例を示す説明図である。

以下、本発明の過熱水蒸気発生装置の実施形態について図を参照して説明する。まず、本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気発生装置２０を備えた過熱水蒸気発生システム１０の構成例を図１に基づいて説明する。図１には、過熱水蒸気発生システム１０の構成例を示す模式図が図示されている。

図１に示すように、過熱水蒸気発生システム１０は、主に、筐体１１、ボイラー装置１２、供給管１３、中継管１４、排出管１５、制御装置１７、配線１８，１９、過熱水蒸気発生装置２０等により構成されている。例えば、筐体１１は、供給管１３の導入側端や排出管１５の排出側端を除いて、ボイラー装置１２、供給管１３、中継管１４、排出管１５、制御装置１７、配線１８，１９、過熱水蒸気発生装置２０等を収容している。

ボイラー装置１２は、供給管１３を介して供給される水を加熱して飽和水蒸気を発生させる飽和水蒸気発生装置である。水は、図略の水源から供給管１３の導入側端に流入して供給されている。ボイラー装置１２は、例えば、供給管１３から供給された水を所定の水位以上で貯留するリザーバと、このリザーバに蓄えられた水を内部に導入するとともに水面上方の空間部に中継管１４が接続されているボイラーと、このボイラー内の水に浸かるように底部に設けられ外部から供給される電力により発熱可能な電熱ヒーターと、により構成されている。電熱ヒーターは、配線１８を介して制御装置１７に電気的に接続されており、制御装置１７により制御されている駆動電力の供給を受けて水を１００℃以上（ほぼ大気圧下）に加熱する。なお、ボイラー装置１２を構成する、リザーバ、ボイラーおよび電熱ヒーターは、図示されていない。

過熱水蒸気発生装置２０は、ボイラー装置１２から中継管１４を介して導入された飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させその過熱水蒸気を排出管１５から排出するブースター（補助加熱装置）である。即ち、ボイラー装置１２では、電熱ヒーターに駆動電力が供給されることによりボイラー内の水が沸騰して飽和水蒸気が発生し、当該飽和水蒸気は中継管１４に排出される。過熱水蒸気発生装置２０は、中継管１４から流入した飽和水蒸気を、例えば、２５０℃以上で加熱して過熱水蒸気を発生させる。この過熱水蒸気発生装置２０の構成については、後で図２〜図４を参照して詳述する。そのため、ここでは機能概要等の説明に留める。過熱水蒸気発生装置２０は、その熱源としてカートリッジヒーター３０（図４を参照）を備えている。このカートリッジヒーター３０は、配線１９を介して制御装置１７に電気的に接続されており、駆動電力の供給を制御装置１７により制御されている。

制御装置１７は、例えば、マイクロコンピュータである。典型的には、マイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェース、電源ユニット等により構成されており、メモリに記憶されている所定の制御プログラムをマイクロプロセッサが実行することにより、ボイラー装置１２の電熱ヒーターや過熱水蒸気発生装置２０のカートリッジヒーター３０を制御している。これらの制御は、例えば、ボイラー装置１２のボイラーや過熱水蒸気発生装置２０に設けられている図略の温度センサ等から出力される温度情報に基づいて、ボイラー内の水やカートリッジヒーター３０がそれぞれ予め設定されている所定の温度になるように行われている。

次に、過熱水蒸気発生装置２０の構成等を図２〜図５に基づいて説明する。図２には、過熱水蒸気発生装置２０の外観構成の例を示す側面図が図示されている。また図３には、過熱水蒸気発生装置２０の正面図、背面図および径方向断面図がそれぞれ図示されている。さらに図４には、過熱水蒸気発生装置２０の軸方向断面図が図示されている。また図５には、過熱水蒸気発生装置２０内を流れる水蒸気の流通経路の例を表された説明図が図示されている。

過熱水蒸気発生装置２０は、主に、ハウジング２１、入力パイプ２３、出力パイプ２４、プレート２５、パッキン２６、カートリッジヒーター３０、細管４０等により構成されており、過熱水蒸気発生システム１０の筐体１１内の所定位置に取り付けられている。なお、図１においては、当該過熱水蒸気発生装置２０は、図面表現の便宜上、単なる矩形状の記号で表されていることに注意されたい。

ハウジング２１は、例えばステンレス鋼製（以下「ステンレス製」という）の円筒管であり、軸長（長手方向の長さ）が約２０cm、軸径（長手方向の軸に対して直交する方向の長さ）が約２cmに設定されている。ハウジング２１の一端部２１ａには、平板円環形状（鍔形状）を有するステンレス製のフランジ部２２ａが溶接されている。フランジ部２２ａは、例えば、直径が約５cmに設定されており、その径方向中央部に、カートリッジヒーター３０を挿通可能な貫通穴が形成され、またこの貫通穴を囲むように、ボルト２７を螺合可能な雌ねじ孔が４箇所に形成されている。

ハウジング２１の他端部２１ｂには、出力パイプ２４に連通可能な排出穴を有する底部２２ｂが形成されている。また、ハウジング２１の周壁２１ｃには、その一端部２１ａ側に入力パイプ２３に連通可能な導入穴が形成されている。

入力パイプ２３は、ステンレス製の円筒管であり、例えば、その管軸方向の形状がＬ字状をなすように形成されている。入力パイプ２３の一端部には、中継管１４に連通かつ接続可能な導入口２３ａが形成されており、また入力パイプ２３の他端部は、ハウジング２１の周壁２１ｃの導入穴に連通可能に周壁２１ｃに溶接されている。

本実施形態では、入力パイプ２３がハウジング２１の周壁２１ｃに設けられることで、後述のように、カートリッジヒーター３０の本体３１がハウジング２１のほぼ軸上に位置する場合においては、本体３１から径方向に離れた位置に入力パイプ２３が設けられる。そのため、例えば、カートリッジヒーター３０（本体３１）をハウジング２１に取り付けたり、ハウジング２１からカートリッジヒーター３０（本体３１）を取り外したりする際に、入力パイプ２３等が邪魔になり難い。したがって、過熱水蒸気発生装置２０の製造工程やメンテナンス時における作業効率を向上させることができる。

出力パイプ２４も、入力パイプ２３と同様に、ステンレス製の円筒管であり、例えば、所定長さの直線状に形成されている。出力パイプ２４の一端部には、排出管１５を連通かつ接続可能な排出口２４ａが形成されており、また出力パイプ２４の他端部は、ハウジング２１の底部２２ｂの排出孔に連通可能に底部２２ｂに溶接されている。

プレート２５は、フランジ部２２ａと同様に、円環形状（鍔形状）を有するステンレス製の平円板である。プレート２５の外形は、フランジ部２２ａとほぼ同形状に形成されているが、カートリッジヒーター３０のテーパーねじ３３に螺合可能な雌ねじ穴が径方向の中央に形成されている点と、この雌ねじ穴を囲むように、ボルト２７を挿通可能な貫通孔が４箇所に形成されている点が異なる。

パッキン２６は、耐熱性に優れた円板状のシール部材である。本実施形態では、４本のボルト２７によってハウジング２１のフランジ部２２ａにプレート２５を取り付けた場合に、フランジ部２２ａとプレート２５の間に当該パッキン２６を介在させる。これにより、パッキン２６は、これらの間に生じる隙間を埋め得るようにフランジ部２２ａとプレート２５に密着し、フランジ部２２ａとプレート２５の間の気密性を高める。パッキン２６には、カートリッジヒーター３０を挿通可能な貫通穴やボルト２７を挿通可能な貫通孔が形成されている。

カートリッジヒーター３０は、例えば、酸化マグネシウムからなるボビンにニクロム線等の発熱線を巻回したものをステンレス製の円筒管内に収容するとともに、同円筒管内に酸化マグネシウムを充填したものである。発熱線がボビンに大径かつ高密度で巻回されている点と、発熱線の両端がステンレス製の円筒管の一端側から外部に引き出されている点において、いわゆるシーズヒーターと異なる。そのため、カートリッジヒーター３０は、シーズヒーターに比べて高い温度で発熱することができる。なお、ステンレス製の円筒管が発熱体に相当する。

本実施形態のカートリッジヒーター３０は、主に、本体３１、プラグ３２、保護カバー３５等により構成されており、例えば、６００℃まで発熱可能である。カートリッジヒーター３０は、本体３１がハウジング２１のほぼ軸上に位置するようにプレート２５を介してハウジング２１に取り付けられている。

本体３１は、前述の発熱線や充填された酸化マグネシウム等を収容するステンレス製の円筒管で覆われる長尺の円柱形状をなす棒状に形成されている。本実施形態では、本体３１の長さは、ハウジング２１の一端部２１ａ側から他端部２１ｂ側に及ぶ大きさに設定されている。本体３１の基端には、本体３１から引き出された発熱線の両端を覆うとともにテーパーねじ３３が形成されたプラグ３２が設けられている。

このプラグ３２のテーパーねじ３３は、プレート２５の径方向の中央に形成されている雌ねじ穴の雌ねじに対して螺合可能であることから、プラグ３２がプレート２５にねじ締結されることによって、カートリッジヒーター３０は、プレート２５を介してハウジング２１に取り付けることが可能になる。また、螺合の進行につれて拡径するテーパー形状であることから、ねじの緩みが抑制されるとともに雌ねじ穴の雌ねじとテーパーねじ３３の雄ねじとの両ねじ溝間の隙間形成を抑制し両者を気密状態に密着させることが可能になる。プラグ３２には、テーパーねじ３３と反対側に保護カバー３５が接続されている。この保護カバー３５は、本体３１から引き出された発熱線の両端（一端側と他端側）とこれらに接続される配線１９の接続部とを覆う。

細管４０は、真鍮（黄銅）製の円筒管であり、本実施形態では、軸長が約１７cmに設定されている。本実施形態では、細管４０は、ハウジング２１内に収容された場合において、細管４０の一端部４０ａが入力パイプ２３に連通する周壁２１ｃの導入穴よりもハウジング２１の他端部２１ｂ側に位置し、かつ、細管４０の他端部４０ｂがカートリッジヒーター３０の本体３１の先端よりもハウジング２１の一端部２１ａ側に位置するように、軸長が設定されている。

これにより、細管４０の一端部４０ａが入力パイプ２３に連通する周壁２１ｃの導入穴よりもハウジング２１の一端部２１ａ側に位置している場合に比べて、入力パイプ２３から流入した飽和水蒸気を細管４０の一端部４０ａに導き易くなるので、細管４０の内側を流通することなく細管４０の外側を通る飽和水蒸気を減らすことが可能になる。したがって、飽和水蒸気の加熱効率を向上させることができる。

また、細管４０は、その外周壁がカートリッジヒーター３０の本体３１の外周壁３１ａに接触するようにハウジング２１内に収容されている。また、細管４０の外周壁が、それに隣接する他の細管４０の外周壁にも接触するようにハウジング２１内に収容されている。細管４０の外周壁は、ハウジング２１の周壁２１ｃの内周面にも接触している。

本実施形態では、本体３１の全周囲を取り囲み得るように、８本の細管４０をハウジング２１内に収容している（図３(C)参照）。なお、図示されていないが、これらの細管４０と周壁２１ｃとの間に形成される隙間には、例えば、真鍮製の棒体が介在している。この棒体の径方向（長手方向の軸に対して直交する方向）の断面は、例えば、円形状、楕円形状、矩形状、三角形状、五角形状等の多角形状等、当該隙間の存在により細管４０がその径方向に移動し難い形状に形成されている。これにより、ハウジング２１内で細管４０がガタツキ難くして過熱水蒸気発生装置２０が振動した場合に生じ得る騒音の発生を抑制している。

このように過熱水蒸気発生装置２０を構成することによって、カートリッジヒーター３０の本体３１が、例えば、約３００℃で発熱すると、その熱が本体３１の周囲に配置された複数の細管４０に直接的に伝わる。そのため、入力パイプ２３の導入口２３ａから導入された飽和水蒸気がこれらの細管４０の一端部４０ａから管内に流入して細管４０の内周壁に接することにより、本体３１の熱が細管４０を介して当該飽和水蒸気に熱伝達されることから、当該飽和水蒸気体は、例えば、２５０℃〜２９０℃で加熱される。これにより、細管４０の他端部４０ｂから流出する水蒸気は過熱水蒸気になるため、出力パイプ２４の排出口２４ａから過熱水蒸気が排出される（図５に示す矢印付きの破線）。

また、ハウジング２１内においては、細管４０の外側を飽和水蒸気が細管４０の外周壁に接することによっても当該飽和水蒸気に熱伝達されることから、このような飽和水蒸気も、細管４０の外周壁で、例えば、２５０℃前後に加熱される。これにより、細管４０の外周壁に沿って他端部４０ｂから流出する水蒸気も過熱水蒸気になるため、出力パイプ２４の排出口２４ａから過熱水蒸気が排出される。

さらに、細管４０の外周壁がハウジング２１の周壁２１ｃの内周面にも接触することから、本体３１が発した熱の一部は、細管４０を介して周壁２１ｃに伝わる。そのため、ハウジング２１内において、細管４０の外側を流通する飽和水蒸気が周壁２１ｃの内周面に接することで当該飽和水蒸気に熱伝達されることから、このような飽和水蒸気も、例えば、２５０℃前後に加熱される。これにより、ハウジング２１の周壁２１ｃの内周面に沿って他端部２１ｂから流出する水蒸気も過熱水蒸気になるため、出力パイプ２４の排出口２４ａから過熱水蒸気が排出される。

本実施形態では、細管４０を真鍮（黄銅）製にしている。これにより、細管４０をステンレス鋼で構成する場合に比べて細管４０の部品コストを抑制することが可能になる。真鍮（黄銅）は、一般的に、ステンレス鋼に比べて低コストであり、また熱伝導率も高いからである。また、発熱した本体３１の熱を細管４０やハウジング２１の周壁２１ｃに効率良く伝えることも可能になる。真鍮の熱伝導率は、混合している銅と亜鉛の配分に左右されるものの、ステンレス鋼の熱伝導率（１６．７〜２０．９）に比べて桁違いに大きい（真鍮は１０６）からである。なお、熱伝導率の単位は、［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（Ｗ（ワット），ｍ（メートル），Ｋ（ケルビン））である。

なお、真鍮の溶解温度も、混合している銅と亜鉛の配分に左右され、一般的には８００℃前後であるが、４００℃前後で変性したり軟化したりし得る。そのため、本実施形態では、カートリッジヒーター３０の発熱温度の上限を予め３５０℃に設定し、本体３１が発熱温度が３５０℃以下になるように制御装置１７により制御している。本実施形態の過熱水蒸気発生装置２０は、各図を見ても解るように温度センサを備えていない。そのため、本実施形態では、例えば、温度センサの代わりにカートリッジヒーター３０を構成するニクロム線等の発熱線の抵抗値を測定し、その抵抗値から本体３１の発熱温度を推定する。

より具体的には、制御装置１７は、カートリッジヒーター３０に対する駆動電力を間欠的に供給し、駆動電力を供給していない期間中に本体３１の発熱線の抵抗値を測定する。そして、この測定により得られた抵抗値を、予め設定されている所定のマップを用いて本体３１の発熱温度を推定する。例えば、駆動電力を供給していない期間が２分間隔で５秒間生じる場合には、その５秒間の間に本体３１の発熱線の抵抗値を測定して本体３１の発熱温度を推定する。抵抗値の測定は、測定精度を高めるために複数回行ってもよい。

この所定のマップは、例えば、所定サンプル数のカートリッジヒーター３０に対して、本体３１の外周壁３１ａの表面温度（例えば、３００℃〜５００℃）に対する当該本体３１の発熱線の抵抗値を測定する。これにより得られた所定サンプル数のデータに基づいて標準的な基準データを作成し、基準データによる対応関係（本体３１の発熱線の抵抗値と本体３１の発熱温度との対応関係）を所定のマップとして制御装置１７のメモリに予め記憶させて、本体３１の発熱温度を推定に用いる。

なお、発熱線の抵抗値Ｒｈは、例えば、配線１９を介して本体３１の発熱線に所定値（既知）の電流Ｉを流すことにより得られる電位差Ｖｄ（アナログ値）を、Ａ／Ｄ変換器等によりディジタル値に変換し、Ｖｄ／Ｉ（＝Ｒｈ）を演算することよって得られる。

このようにカートリッジヒーター３０の発熱温度を制御することによって、細管４０を最適な温度状態に保つことが可能になるので、細管４０が真鍮製であっても、例えば、細管４０の軟化や変性を防いだり、酸化による劣化を抑制したりすることも可能になる。また、カートリッジヒーター３０の発熱線の寿命を延ばしたり、カートリッジヒーター３０の空焚きを防いだりすることも可能になる。

以上説明したように、本実施形態の過熱水蒸気発生装置２０は、飽和水蒸気を導入する入力パイプ２３をハウジング２１の一端部２１ａ側に有し他端部２１ｂ側に過熱水蒸気を排出する出力パイプ２４を有するハウジング２１と、ハウジング２１内に収容されてハウジング２１の一端部２１ａ側から他端部２１ｂ側に及ぶカートリッジヒーター３０の棒状の本体３１と、ハウジング２１内において本体３１の周囲に、本体３１の外周壁３１ａに接して配置され、入力パイプ２３からハウジング２１内に導入された飽和水蒸気が一端部４０ａ側から入り加熱された過熱水蒸気が他端部４０ｂ側から出る複数の細管４０と、を備える。

過熱水蒸気発生装置２０では、カートリッジヒーター３０の本体３１は、ハウジング２１の一端部２１ａ側から他端部２１ｂ側に及ぶ棒状であり、本体３１の周囲において複数の細管４０が本体３１の外周壁３１ａに接して配置される。これにより、本体３１が発熱することにより発せられた熱は、本体３１の周囲に配置された複数の細管４０に直接的に伝わる。また、カートリッジヒーター３０の本体３１の全周囲を取り囲み得るように、細管４０が配置されている。

これにより、例えば、［背景技術］の欄で述べたように、束ねられた複数の加熱管の束を円筒状の外壁部分で覆いこの外壁部分の外周にヒーターを巻き付ける外周ヒータータイプの構成（特許文献１；特開２０１７−１０１９１０号公報）や、ステンレス鋼製の細管を複数本束ねてその周囲を円筒状の加熱管で覆いこの加熱管の外周に断熱材を介在させて加熱コイルを巻回する誘導加熱タイプの構成（特許文献２；特開２００６−４０７１４号公報）に比べて、本体３１の外側に拡がるように伝わる熱が有効に活用される。そのため、加熱効率が向上することから、特許文献１，２の構成に比べ、装置の体格を大幅に小さくすることが可能になる。換言すれば、装置の体格が大幅に小さくなるため、体格が大きい場合に比べて細管４０の加熱に寄与しない熱の拡散が抑制されて加熱効率が向上する。よって、簡素な構成でありながら複数の細管４０を流通する飽和水蒸気を加熱することが可能になる。

したがって、装置構成を簡素にすることができる。また、複数の細管４０の束の周囲にヒーターやコイルを巻回する必要がないため、ハウジング２１内に細管４０の束を覆う円筒形状の管等を収容する必要もない。そのため、部品点数を減らすことも可能になる。したがって、製品コストを低減することができる。

なお、上述した実施形態の過熱水蒸気発生装置２０では、カートリッジヒーター３０の本体３１（の外周壁３１ａ）に接するように本体３１の周囲に複数の細管４０を配置する構成を採用したが、本体３１の外周壁３１ａに直接接触させることなく、外周壁３１ａの近傍に複数の細管４０を配置する構成を採ってもよい。この構成の場合には、外周壁３１ａに接するように複数の細管４０を配置する構成に比べると、本体３１と細管４０の間の熱抵抗が増加することから、飽和水蒸気の加熱効率は低下するものの、細管４０を配置することのできる円周の直径を大きくすることが可能になるため、例えば、細管４０の配置密度を高めたり、配置の自由度を向上したりすることが可能になる。

また、例えば、図６(A)に示すように、本体３１の周囲に配置した複数の細管４０の周囲を内管５０で覆い、この内管５０の外周に複数の細管４３をさらに配置してもよい。この構成の場合には、内管５０の内周面は、複数の細管４０の外周壁に接触している。また、内管５０の外周面は、その周囲に配置される複数の細管４３の外周壁に接触している。さらに、複数の細管４３の外周壁は、内管５０の外周面に接触するとともに、ハウジング１２１（上述の実施形態のハウジング２１に相当する）の周壁の内周面にも接触している。なお、細管４３も真鍮製でありその軸径や軸長は、上述の実施形態の細管４０と同様に設定されている。また、ハウジング１２１はステンレス製であり、ハウジング２１よりも大径に設定されている点が、上述の実施形態のハウジング２１と異なる。

さらに、例えば、図６(B)に示すように、本体３１の周囲に配置した複数の細管４０の束の周囲を、細管４０よりも大径の細管４５を複数配置してもよい。この構成の場合には、細管４５は、真鍮製であり、その軸径（長手方向の軸に対して直交する方向の長さ）は、例えば、細管４０の約２倍に設定されている。また細管４５の軸長は、上述の実施形態の細管４０と同様に設定されている。また、複数の細管４５の外周壁は、細管４０の外周壁に接触するとともに、ハウジング２２１（上述の実施形態のハウジング２１に相当する）の周壁の内周面にも接触している。ハウジング２２１はステンレス製であり、ハウジング２１よりも大径に設定されており、また板厚が厚い点等が、上述の実施形態のハウジング２１と異なる。

図６(A)や図６(B)に示す構成例（改変例）のように、複数の細管４０の束の周囲に、さらに複数の細管４３や細管４５を配置することによって、カートリッジヒーター３０の本体３１が発熱することにより発せられた熱は、複数の細管４０の束の周囲に配置される複数の細管４３や細管４５にも伝わる。そのため、これらの細管４３，４５内を流通する飽和水蒸気も加熱することが可能になる。つまり、細管４３，４５を設けた分、飽和水蒸気の流量が増える。したがって、加熱することのできる飽和水蒸気の流量を増加させることができる。

なお、図６(A)や図６(B)に示す構成例（改変例）では、本体３１の周囲に配置される複数の細管４０が一重（一段）目を構成していると概念した場合には、さらにその周囲に配置される細管４３や細管４５は二重（二段）目を構成していると概念できる。このような複数段構成は、過熱水蒸気発生装置２０の装置仕様により、本体３１が発した熱が過熱水蒸気を発生させるために有効な温度範囲（例えば、１５０℃や２００℃）内で伝わる限り、例えば、三重（三段）、四段（四重）や五段（五重）にしてもよい。

また、上述した実施形態やその改変例の過熱水蒸気発生装置２０では、細管４０，４３，４５を真鍮（黄銅）製にしたが、例えば、ステンレス製よりも低コストの材料であれば、例えば、アルミニウム製等の他の金属材料や非金属材料であってもよい。

なお、細管４０，４３，４５をステンレス製で構成してもよい。これらの細管を真鍮製で構成する場合に比べて、細管自体のコストは増加するものの、本実施形態では、カートリッジヒーター３０の本体３１の全周囲を取り囲み得るように、細管４０，４３，４５が配置されている。これにより、特許文献１の外周ヒータータイプの構成や、特許文献２の誘導加熱タイプの構成に比べて、本体３１の外側に拡がるように伝わる熱が有効に活用される。そのため、加熱効率が向上することから、特許文献１，２の構成に比べて、装置の体格を大幅に小さくすることが可能になる。換言すれば、装置の体格が大幅に小さくなるため、体格が大きい場合に比べて細管４０、４３，４５の加熱に寄与しない熱の拡散が抑制されて加熱効率が向上する。

したがって、特許文献１，２の構成に比べれば、装置が小型になることにより、必要な金属材料等が減少するため、製品コストの低減につながる。また、細管４０，４３，４５をステンレス製で構成した場合においても、装置構成を簡素にすることができるため、それに伴う部品点数の減少により製品コストを低下させることが可能になる。

また、細管４０，４３，４５をステンレス製にすることにより、カートリッジヒーター３０の発熱上限温度（例えば、６００℃）までこれらの細管を加熱することが可能になるため、飽和水蒸気をより高温で加熱して６００℃に近い高温の過熱水蒸気を発生させることが可能になる。カートリッジヒーター３０の発熱温度を低く（例えば、３００℃）抑えることにより、ステンレス製の細管４０，４３，４５の寿命を延ばす事も可能になる。

さらに、上述した実施形態やその改変例の過熱水蒸気発生装置２０では、ハウジング２１，１２１，２２１を円筒形状の管（円筒管）で構成したが、管の径方向断面の形状は、円形に限られることはなく、例えば、四角形状、五角形状、六角形状等の多角形状や、楕円形状、長円（小判）形状等の変形円形状等の任意の形状に構成してもよい。また、細管４０，４３，４５についても、円筒形状の管（円筒管）で構成したが、管の径方向断面の形状は、円形に限られることはなく、例えば、四角形状、五角形状、六角形状等の多角形状や、楕円形状、長円（小判）形状等の変形円形状等の任意の形状に構成してもよい。

またさらに、上述した実施形態やその改変例の過熱水蒸気発生装置２０では、カートリッジヒーター３０の本体３１が、ハウジング２１，１２１，２２１（筒体）のほぼ軸上に位置するように構成したが、これらの筒体の軸から外れた位置にカートリッジヒーター３０の本体３１を配置してもよい。また、カートリッジヒーター３０を複数本用いる場合には、例えば、細管４０，４３，４５を配置した円周上に、他のカートリッジヒーター３０の本体３１が位置するように、他のカートリッジヒーター３０を配置してもよい。

さらに、フィーダー線のメガネフィーダーの径方向（長手方向の軸に対して直交する方向）断面形状のように、２つのハウジング２１を径方向に連結させてそれぞれのハウジング２１のほぼ軸上にカートリッジヒーター３０の本体３１を配置する構成を採ってもよい。これにより、２本のカートリッジヒーター３０により細管４０を加熱することが可能になり、また細管４０の本数も増加するため、飽和水蒸気の流量を大幅に増加させることが可能になり、過熱水蒸気の発生量を増大させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した具体例を様々に変形または変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ。なお、[符号の説明]の欄における括弧内の記載は、上述した各実施形態で用いた用語と、特許請求の範囲に記載の用語との対応関係を明示し得るものである。

１０…過熱水蒸気発生システム
１１…筐体
１２…ボイラー装置
１７…制御装置
２０…過熱水蒸気発生装置
２１…ハウジング（筒体）
２１ｃ…周壁（筒体の周壁）
２３…入力パイプ（導入部）
２４…出力パイプ（排出部）
３０…カートリッジヒーター
３１…本体（発熱体）
３１ａ…外周壁（発熱体の外周壁）
４０…細管（加熱管）
４３，４５…細管（第２の加熱管）
５０…内管

Claims (3)

1. 飽和水蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる過熱水蒸気発生装置であって、
   前記飽和水蒸気を導入する導入部を一端側に有し他端側に前記過熱水蒸気を排出する排出部を有する筒体と、
   前記筒体内に収容されて前記筒体の前記一端側から前記他端側に及ぶ棒状の発熱体と、
   前記筒体内において前記発熱体の周囲に、前記発熱体の外周壁に接してまたは前記外周壁の近傍に配置され、前記導入部から前記筒体内に導入された前記飽和水蒸気が一端側から入り加熱された前記過熱水蒸気が他端側から出る真鍮製の複数の加熱管と、
   前記発熱体の発熱温度を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記複数の加熱管が変性または軟化しない所定の上限温度以下で前記発熱体の発熱温度を制御することを特徴とする過熱水蒸気発生装置。
2. 前記制御装置は、前記発熱体に駆動電力を供給していない期間中に測定された前記発熱体の抵抗値に基づいて、前記発熱温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の過熱水蒸気発生装置。
3. 前記所定の上限温度は、３００℃〜５００℃の範囲内で設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の過熱水蒸気発生装置。

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