JP6985735B2 - 過熱水蒸気炉 - Google Patents

Description

本発明は、過熱水蒸気炉に関するものである。

過熱水蒸気による対象物への加熱などの熱処理は、炉内に対象物を収容するとともに、当該炉に過熱水蒸気を導入することによって行われている。以下、本明細書では、過熱水蒸気が導入される炉を過熱水蒸気炉と称する。

この過熱水蒸気による熱処理は、主として、（１）過熱水蒸気の高い伝熱性を利用して、対象物の内部深くまで、且つ、急速に温度上昇させることを目的とする場合と、（２）過熱水蒸気を加熱炉に導入することで極めて低い酸素濃度雰囲気を実現し、その雰囲気下での反応性を求める場合と、（３）上記（１）及び（２）の両方を求める場合との３つに大別される。

上記（１）のように対象物の急速な温度上昇を求める場合には大量の過熱水蒸気を必要とするが、（２）のように過熱水蒸気の雰囲気のみを求める場合には多量の過熱水蒸気は不要である。なお、（２）の場合であっても過熱水蒸気雰囲気とともに一定の温度が求められる場合が多く、通常は何らかの加熱方法が必要である。

過熱水蒸気を熱源とする場合は、炉内温度を維持するための過熱水蒸気量が必要となるが、過熱水蒸気は常圧において１００℃以上が存在する条件であることから、過熱水蒸気炉から排出されるときの温度も１００℃以上となる。したがって、１００℃の水蒸気が１００℃の水になるときに放出される潜熱（５４０ｋｃａｌ／ｋｇ ａｔ １気圧）が過熱水蒸気炉から排出されることになり、結果的に大きな熱量が無駄になってしまう。

この無駄になる熱量を少なくするためには、過熱水蒸気炉に導入する過熱水蒸気量を少なくし、炉内温度を別の手段で上昇及び調整することが考えられる。例えば、炉内又は炉外に電気ヒータを設置して、炉内温度を上昇及び調整する手段が多く採用されている。

しかしながら、電気ヒータは発熱面積が小さいことから、炉内温度の制御性に問題がある。また、電気ヒータを炉内に設置した場合には、過熱水蒸気による水蒸気酸化によって電気ヒータの劣化が促進されてしまうので、電気ヒータを劣化しにくいケースに収容する等の対策が必要となってしまう。当然のことながら電気ヒータを炉外に設置した場合には、過熱水蒸気の影響は避けられるが、伝熱効果は大幅に低下する。

特開２０１６−１７６６１３号公報

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、炉内温度の制御性を向上することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る過熱水蒸気炉は、内部に炉室を有する炉本体と、前記炉室に過熱水蒸気を導入する導体管と、前記導体管に交流電圧を印加する電源回路とを備え、前記炉本体は、金属製の炉壁部を有し、前記導体管は、前記炉室内において前記炉壁部に対向して渦巻状に巻回されていることを特徴とする。

このような過熱水蒸気炉であれば、導体管に通電することで導体管が通電加熱される。通電加熱された該導体管が炉室内において加熱源となる。また、渦巻状に巻回された導体管に通電することで発生する磁束が炉壁部を通過し、炉壁部が誘導加熱される。誘導加熱された炉壁部が炉室内において加熱源となる。つまり、本発明では、導体管の通電加熱と炉壁部の誘導加熱とによって、導体管及び炉壁部の両方が加熱源となるので、炉内温度の制御性を向上させることができる。また、炉内温度を過熱水蒸気とは別の手段（導体管及び炉壁部）により上昇及び調整することができるので、過熱水蒸気炉に導入する過熱水蒸気量を少なくして、大幅な省エネを達成することができる。さらに、炉室に過熱水蒸気を導入する導体管が通電加熱されているので、過熱水蒸気炉の外部に設けられた過熱水蒸気生成装置から過熱水蒸気炉に導入されるまでの過熱水蒸気の温度低下を補償することができ、所望の温度に維持することができる。

導体管から発生する磁束量と金属製の炉壁部との組み合わせ状態によっては、炉壁部の誘導加熱による発熱量が十分に得られない場合がある。この場合には、導体管を低抵抗材料である銅又は銅合金から形成したものにすることが望ましい。この構成であれば、同じ抵抗値を得るにあたって長い導体管が選択できることから、巻回する巻き数が多くできる。発生磁束は巻き数と流れる電流値の積に比例するので、発生する磁束量が増加し、炉壁部の誘導加熱による発熱量を増加させることができる。

導体管の通電加熱及び炉壁部の誘導加熱は、過熱水蒸気量に関わらず、炉内温度が一定となるように温度制御される。つまり、導体管の温度及び炉壁部の温度は、炉内温度が所望の温度になる値に制御される。ここで、前記導体管は、前記炉壁部に向かって過熱水蒸気を噴射する１又は複数の噴射口を有することが望ましい。導体管から噴出される過熱水蒸気の温度は概ね導体管の温度と同じであるので、過熱水蒸気を炉壁部に向かって噴射させることで、炉壁部の温度が導体管の温度よりも高くても低くても導体管の温度に近づくように加熱又は冷却させることができる。さらに、噴出された過熱水蒸気は炉壁部に当たって分散されるので、これによって炉内温度を均一化させやすくできる。つまり、（導体管の温度）≒（過熱水蒸気温度）≒（炉壁部の温度）≒（炉内温度）とすることができる。

炉本体は耐熱性及び水蒸気耐性を要することから、金属やセラミックを用いることになる。具体的には、炉本体の炉壁部は、炉室側からセラミック／金属板／断熱材／金属板／セラミック、又は、炉室側から金属板／断熱材／金属板のように構成される。炉壁部の最内側部分（最炉室側）を金属板とした場合には、当該金属板は過熱水蒸気に対する耐性が必要となる。このため、前記炉壁部の最内側部分は、市場性が高く過熱水蒸気耐性が高い材質であるオーステナイト系ステンレス鋼又はインコネル合金から形成されていることが望ましい。

炉壁部を誘導加熱させる場合、磁気抵抗の低い磁気回路を構成すると高力率が得られて且つ漏れ磁束も低減できる。このため、前記炉壁部の最内側部分とは異なる部分は、磁性材料から形成されていることが望ましい。具体的には、前記炉壁部の最内側部分を水蒸気耐性が高いオーステナイト系ステンレス鋼又はインコネル合金等の非磁性金属とし、炉壁部の最内側部分とは異なる部分を磁性金属である鉄やマルテンサイト系ステンレス鋼とする。これにより、磁気抵抗を低くすることができるとともに炉体強度を確保することができる。

前記電源回路は、商用周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を前記導体管に印加するものであり、過飽和リアクトル及び力率改善用コンデンサを有することが望ましい。
商用周波数誘導加熱は、高周波誘導加熱に比べて誘導電流浸透度が深く、厚い炉壁部において深い部分まで誘導加熱することができる。また、過飽和リアクトルは半導体素子に比べて高調波電流が少なく、力率改善用コンデンサに大きな電流を流さずに力率改善できることから、これを電源回路に用いれば、高力率回路を構成することができる。さらに、高周波電源が不要となり、低コストで作成できるとともに高調波による障害の可能性が低減できる。

このように構成した本発明によれば、導体管の通電加熱と炉壁部の誘導加熱とによって、導体管及び炉壁部の両方が加熱源となるので、炉内温度の制御性を向上させることができる。

本実施形態の過熱水蒸気炉の構成を模式的に示す図である。 同実施形態の導体管及び通電加熱機構を有する炉壁部の断面図である。 同実施形態の導体管の構成を示すＡ矢視図である。 同実施形態の電源回路を示す模式図である。 変形実施形態における電源回路を示す模式図である。 変形実施形態における電源回路を示す模式図である。 変形実施形態における電源回路を示す模式図である。 変形実施形態における電源回路を示す模式図である。

以下に本発明に係る過熱水蒸気炉の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る過熱水蒸気炉１００は、１００℃超（２００℃〜２０００℃）の過熱水蒸気を用いて対象物の熱処理を行うためのものである。

具体的に過熱水蒸気炉１００は、図１に示すように、内部に炉室２Ｓを有する炉本体２と、炉室２Ｓに過熱水蒸気を導体管３と、当該導体管３に交流電圧を印加する電源回路４とを備えている。

炉本体２は、一面に開口部２Ｈを有する例えば直方体形状をなす収容本体部２１と、当該開口部２Ｈを開閉可能に閉塞する扉部２２とを有している。なお、本実施形態の開口部２Ｈは前面に設けられている。また、炉本体２には、過熱水蒸気を外部に排出するための排出部（不図示）が設けられている。

収容本体部２１の各炉壁部２１Ｗは、炉室２Ｓ側から内側金属板２１１と、断熱材２１２と、外側金属板２１３とをこの順で有している。なお、扉部２２も同様に、炉室２Ｓ側から内側金属板と、断熱材と、外側金属板とを有している。

内側金属板２１１は、水蒸気耐性が高い非磁性金属であるオーステナイト系ステンレス鋼又はインコネル合金から形成されている。これにより、炉壁部２１Ｗの最内側部分がオーステナイト系ステンレス鋼又はインコネル合金となる。また、外側金属板２１３は、磁性金属である鉄やマルテンサイト系ステンレス鋼から形成されている。これにより、炉壁部２１Ｗの最外側部分が鉄やマルテンサイト系ステンレス鋼となる。

導体管３は、収容本体部２１の炉壁部２１Ｗを貫通して設けられており、炉室２Ｓ内において炉壁部２１Ｗに対向して螺旋状に巻回されている。導体管３は、水蒸気耐性が高い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。なお、図１では、収容本体部２１の左右２つの炉壁部２１Ｗ及び奥側の炉壁部２１Ｗに導体管３が設けられた例を示しているが、これに限られず、少なくとも何れか１つの炉壁部２１Ｗに設けられていればよく、上側の炉壁部２１Ｗに設けてもよいし、下側の炉壁部２１Ｗに設けてもよい。

ここで、導体管３は、絶縁碍子などの絶縁部材５を介して炉壁部２１Ｗから絶縁された状態で設けられている。本実施形態では、炉壁部２１Ｗから導入された部分を起点に外側に螺旋状に巻回された外巻きの例を示しているが、その逆、つまり、炉壁部２１Ｗから導入された部分を起点に内側に螺旋状に巻回された内巻きであってもよい。そして、導体管３の巻回部分は、対向する炉壁部２１Ｗと略平行に設けられており、過熱水蒸気を炉室２Ｓ内に噴出するための噴出口３ｘが複数設けられている。複数の噴出口３ｘは、導体管３の巻回部分の最外周部分において、対向する炉壁部２１Ｗ側に設けられている。なお、複数の噴出口３ｘは、前記最外周部分以外の部分に設けられてもよい。また、導体管３の炉室２Ｓ外に位置する部分には、外部の過熱水蒸気生成装置で生成された過熱水蒸気を導入する導入配管が接続される接続ポート３Ｐが設けられている。なお、外部の過熱水蒸気生成装置は、誘導加熱方式であってもよいし、通電加熱方式であってもよい。

電源回路４は、導体管３の一端部に設けられた第１給電端子（通電用電極）６及び導体管の他端部に設けられた第２給電端子（通電用電極）７に交流電圧を印加するものである。なお、第１給電端子６は、導体管３の炉室外に位置する部分に接続されている。また、第２給電端子７は、導体管３の巻回部分の巻き終わり端部に接続されている。第２給電端子７は、絶縁碍子等の絶縁部材８を介して炉壁部２１Ｗから絶縁された状態で炉室２Ｓ外に延出している。この延出した部分に電源回路４が接続される。

具体的に電源回路４は、図４に示すように、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数の交流電源Ｅｓと、導体管３への交流電流を制御する可飽和リアクトルＳＲとを備えている。

可飽和リアクトルＳＲは、電磁誘導作用を持つ鉄心に交流と直流の２種類の巻線を巻回した構造であり、巻回された２つの巻線に流れる電流と巻回数との積はある一定の範囲では等しくなるという等アンペアターンの法則によって、Ｉ_Ｌ×Ｎ_Ｌ＝Ｉ_ＤＣ×Ｎ_ＤＣの関係が成立する。これにより、直流電流Ｉ_ＤＣを増減することによって、交流電流Ｉ_Ｌを制御することができ、導体管３への出力を制御することができる。

そして、この電源回路４には、図４（ａ）に示すように、可飽和リアクトルＳＲ及び導体管３の間に、力率改善用コンデンサＣ及び当該力率改善用コンデンサＣを保護する保護用交流リアクトルＣＲが接続されている。

具体的には、力率改善用コンデンサＣ及び保護用交流リアクトルＣＲは、交流電源Ｅｓに対して直列となるように接続されており、保護用交流リアクトルＣＲの一端が導体管４の一端側に接続されており、力率改善用コンデンサＣを複数接続してもよいし、保護用交流リアクトルＣＲを複数接続してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、導体管３と交流電源Ｅｓとの間には、導体管３の抵抗値及び巻き数に応じて適当な電圧を得るために、変圧器ＶＣを入れてもよい。なお、図４（ｂ）は、単巻変圧器を入れた例を示している。

この過熱水蒸気炉１００では、炉室２Ｓ内に設けられた温度検出器（不図示）により炉内温度を検出して、この検出温度と目標温度との偏差に応じた制御信号を可飽和リアクトルＳＲに入力して導体管３に流れる交流電流を制御している。具体的にこの制御を行う温度制御器（不図示）は、炉内温度を、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（例えばＰＩＤ制御）する。

そして、電源回路４により導体管３に交流電圧が印加されると、導体管３に流れる交流電流によって導体管３がジュール発熱する（通電加熱）。これにより、導体管３が炉室２Ｓ内において加熱源となる。また、導体管３から導入される過熱水蒸気は導体管３により加熱されて、炉室２Ｓ内に噴射される。噴射された過熱水蒸気は、炉壁部２１Ｗに当たって炉壁部２１Ｗの内側金属板２１１を過熱水蒸気の温度と同じ温度に加熱又は冷却する。

また、電源回路４により導体管３に交流電圧が印加されると、導体管３の巻回部分から磁束が発生して当該磁束が炉壁部２１Ｗの内側金属板２１１を通過する。ここで、外側金属板２１３を磁性金属から構成しているので、磁気抵抗が低くなり、内側金属板２１１を通過する磁束量を多くすることができる。これにより、炉壁部の内側金属板２１１に誘導電流が流れて、当該誘導電流によって炉壁部２１Ｗの内側金属板２１１がジュール発熱する（誘導加熱）。これにより、炉壁部２１Ｗの内側金属板２１１が炉室２Ｓ内において加熱源となる。

このように構成した過熱水蒸気炉１００によれば、導体管３の通電加熱と炉壁部２１Ｗの誘導加熱とによって、導体管３及び炉壁部２１Ｗの両方が炉室２Ｓ内において加熱源となるので、炉内温度の制御性を向上させることができる。本実施形態によれば、（導体管の温度）≒（過熱水蒸気温度）≒（炉壁部の温度）≒（炉内温度）とすることができる。また、炉内温度を過熱水蒸気とは別の手段（導体管３及び炉壁部２１Ｗ）により上昇及び調整することができるので、過熱水蒸気炉１００に導入する過熱水蒸気量を少なくして、大幅な省エネを達成することができる。さらに、炉室２Ｓに過熱水蒸気を導入する導体管３が通電加熱されているので、過熱水蒸気炉１００の外部に設けられた過熱水蒸気生成装置から過熱水蒸気炉１００に導入されるまでの過熱水蒸気の温度低下を補償することができ、所望の温度に維持することができる。

＜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。

例えば、導体管３の材質は低抵抗材料である銅又は銅合金であってもよい。この構成であれば、同じ抵抗値を得るにあたって長い導体管３が選択できることから、巻回する巻き数が多くできる。発生磁束は巻き数と流れる電流値の積に比例するので、発生する磁束量が増加し、炉壁部２１Ｗの誘導加熱による発熱量を増加させることができる。

また、導体管３の形状は、前記実施形態のよう概略円形状に渦巻状に巻回されたものの他、例えば概略楕円形状や概略矩形状に渦巻状に巻回されたものであってもよい。

さらに、導体管３に設ける複数の噴出口２１ｘは、巻回部分において対向する炉壁部２１Ｗとは反対側、つまり、中央側に設けられてもよいし、その他の位置も設けられてもよい。また、導体管３は、複数の噴出口２１ｘが設けられた構成の他、１つの噴出口２１ｘを有するものであってもよい。この場合、１つの噴出口２１ｘを導体管３の巻き終わり端部に設けることが考えられる。

その上、炉壁部２１Ｗは、炉室側から内側セラミック板と、内側金属板２１１と、断熱材２１２と、外側金属板２１３と、外側セラミック板とをこの順で有しているものであってもよい。

加えて、前記実施形態の導体管３に加えて、直管状等の第２の導体管を有しており、当該第２の導体管から過熱水蒸気を導入するようにしてもよい。この第２の導体管は、導体管３と同様に通電加熱されていることが望ましい。また、第２の導体管は複数の噴射口が設けられており、過熱水蒸気の導入範囲を広くすることが望ましい。

更に加えて、炉本体２の排出部から排出される過熱水蒸気を再び炉室２Ｓ内に戻す循環流路を有するものであってもよい。この構成であればより一層の省エネを実現することができる。

例えば、前記実施形態では単相交流電源Ｅｓを用いた電源回路４について説明したが、図５に示すように、誘導加熱装置１００は、三相交流電源Ｅｔを用いた電源回路４を有する構成としてもよい。この場合、三相交流電源Ｅｔの各相間に導体管が接続される。これら３つの導体管３それぞれに対応して可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ３、力率改善用コンデンサＣ１〜Ｃ３及び保護用交流リアクトルＣＲ１〜ＣＲ３が接続される。

また、図６に示すように、第１の導体管３及び第２の導体管３がスコット結線されたものであっても良い。具体的には、第１の導体管３の一端を第１可飽和リアクトルＳＲ１を介して三相交流電源Ｅｔの第１相に接続し、第１の導体管３の他端を第２誘導コイルＬ２の中央位置に接続し、第２誘導コイルＬ２の一端を第２可飽和リアクトルＳＲ２を介して三相交流電源Ｅｔの第２相に接続し、第２誘導コイルＬ２の他端を三相交流電源Ｅｔの第３相に接続する。この構成であれば、２組の誘導加熱回路３１、３２で三相交流電源Ｅｔの各相の電流バランスを図りながら、第１誘導コイルＬ１及び第２誘導コイルＬ２の出力を個別に制御することができる。

さらに、図７及び図８に示すように、スコット結線変圧器を用いてその出力側の２つの単相それぞれに導体管３を接続してもよい。これら２つの導体管３それぞれに対応して可飽和リアクトルＳＲ１、ＳＲ２、及び、力率改善用コンデンサＣ１、Ｃ２及び保護用交流リアクトルＣＲ１、ＣＲ２が接続される。

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。

１００・・・過熱水蒸気炉
２Ｓ・・・炉室
２・・・炉本体
２１Ｗ・・・炉壁部
２１ｘ・・・噴射口
２１１・・・内側金属板（最内側部分）
２１２・・・外側金属板（最内側部分とは異なる部分）
３・・・導体管
４・・・電源回路
ＳＲ・・・過飽和リアクトル
Ｃ・・・力率改善用コンデンサ

Claims (6)

1. 内部に炉室を有する炉本体と、
   前記炉室に過熱水蒸気を導入する導体管と、
   前記導体管に交流電圧を印加する電源回路とを備え、
   前記炉本体は、金属製の炉壁部を有し、
   前記導体管は、前記炉室内において前記炉壁部に対向して渦巻状に巻回されており、
   前記電源回路により前記導体管に交流電圧を印加することにより前記導体管が通電加熱されるとともに、前記導体管に交流電圧を印加することで発生する磁束が前記炉壁部を通過することにより前記炉壁部が誘導加熱される、過熱水蒸気炉。
2. 前記導体管は、銅又は銅合金から形成されている、請求項１記載の過熱水蒸気炉。
3. 前記導体管は、前記炉壁部に向かって過熱水蒸気を噴射する１又は複数の噴射口を有する、請求項１又は２記載の過熱水蒸気炉。
4. 前記炉壁部の最内側部分は、オーステナイト系ステンレス鋼又はインコネル合金から形成されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の過熱水蒸気炉。
5. 内部に炉室を有する炉本体と、
   前記炉室に過熱水蒸気を導入する導体管と、
   前記導体管に交流電圧を印加する電源回路とを備え、
   前記炉本体は、金属製の炉壁部を有し、
   前記導体管は、前記炉室内において前記炉壁部に対向して渦巻状に巻回されており、
   前記炉壁部の最内側部分とは異なる部分は、磁性材料から形成されている、過熱水蒸気炉。
6. 前記電源回路は、商用周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を前記導体管に印加するものであり、可飽和リアクトル及び力率改善用コンデンサを有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の過熱水蒸気炉。

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