特許 6043608 流体加熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6043608

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】流体加熱装置

(51)【国際特許分類】

   F24H 1/10 20060101AFI20161206BHJP

   F24H 1/16 20060101ALI20161206BHJP

   H05B 3/40 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   F24H1/10 G

   F24H1/16 Z

   H05B3/40 A

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-262214(P2012-262214)

(22)【出願日】2012年11月30日

(65)【公開番号】特開2013-200114(P2013-200114A)

(43)【公開日】2013年10月3日

【審査請求日】2015年10月30日

(31)【優先権主張番号】特願2012-36827(P2012-36827)

(32)【優先日】2012年2月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000110158

【氏名又は名称】トクデン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100113468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 明子

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(72)【発明者】

【氏名】外村 徹

(72)【発明者】

【氏名】藤本 泰広

【審査官】 青木 良憲

(56)【参考文献】

【文献】 実公昭３５−０１１４７０（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開昭５７−１４４８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３２３２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０７−５０５９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０１７４４０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−０８０７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１０８６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２０５１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１７０３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｈ １／１０

Ｆ２４Ｈ １／１６

Ｈ０５Ｂ ３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に流体が流れる導体管に三相交流電源を接続して通電加熱し、前記導体管内を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、
１つの導体管又は電気的に互いに接続された複数の導体管を螺旋状に巻回して構成された３Ｎ（Ｎは１以上の整数）層の導体管層を備えており、
前記３Ｎ層の導体管層それぞれのインピーダンス値が互いに略等しくなるとともに、それらの巻き方向が同一方向となるように同心円状に配置されており、
互いに隣接する導体管層のうち一方の導体管層は、一端側を巻き始め部、他端側を巻き終わり部として巻回されており、前記互いに隣接する導体管層のうち他方の導体管層は、他端側を巻き始め部、一端側を巻き終わり部として巻回されており、
ｎ（ｎ＝１、２、・・・（３Ｎ−１））層目の導体管層の巻き始め部及び（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、１層目の導体管層の巻き終わり部及び３Ｎ層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されることによって、又は、前記ｎ層目の導体管層の巻き終わり部及び前記（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、前記１層目の導体管層の巻き始め部及び前記３Ｎ層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されることによって、前記３Ｎ層の導体管層それぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように構成され、
前記３Ｎ層の導体管層が、３Ｎ本の導体管それぞれを１層に巻回することにより構成されており、
前記３Ｎ層の導体管層のうち、２Ｎ層で水から飽和蒸気を発生させ、残りの１Ｎ層で飽和蒸気から過熱蒸気を発生させるものであり、
前記過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を中間に配置し、前記飽和蒸気を発生させる２Ｎ層のうち１Ｎ層を内側、残りの１Ｎ層を外側に配置して、前記過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を、前記飽和蒸気を発生させる２Ｎ層により挟むように構成されている流体加熱装置。

【請求項2】

前記三相交流電源のぞれぞれの相が接続される導体管層は、各層の間が絶縁物又は空隙によって電気的に絶縁されており、
前記各相に設けられ、各相の電流を個別に制御する電流制御手段を有する請求項１記載の流体加熱装置。

【請求項3】

前記１層目の導体管層の巻芯中空部又は前記３Ｎ層目の導体管層の外側の少なくとも一方に磁気回路用磁性体が設けられている請求項１又は２記載の流体加熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三相交流電源を用いる流体加熱装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

流体加熱装置としては、特許文献１に示すように、中空導体管を通電加熱して、当該導体管の内部を流れる流体を加熱して加熱流体を発生するものがある。この流体加熱装置では、導体管の両端部に設けた電極から交流電圧が印加されて、導体管の側壁に交流電流が流れることにより、導体管の内部抵抗により発生するジュール熱によって導体管が自己発熱する。この導体管の自己発熱によって、当該導体管を流れる流体が加熱される。

【0003】

しかしながら、導体管の両端部に交流電圧を印加するものでは、導体管が有するインダクタンスによって電圧降下が生じ、当該導体管に交流電圧を印加する回路の力率が低下するという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−８６４４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、内部に流体が流れる導体管に三相交流電源を接続して通電加熱する流体加熱装置において、回路力率を改善して設備効率を向上させることをその主たる所期課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

すなわち本発明に係る流体加熱装置は、内部に流体が流れる導体管に三相交流電圧を印加して通電加熱し、前記導体管内を流れる流体を加熱する流体加熱装置であって、１つの導体管又は電気的に互いに接続された複数の導体管を螺旋状に巻回して構成された３Ｎ（Ｎは１以上の整数）層の導体管層を備えており、前記３Ｎ層の導体管層それぞれのインピーダンス値が互いに略等しくなるとともに、それらの巻き方向が同一方向となるように同心円状に配置されており、互いに隣接する導体管層のうち一方の導体管層は、一端側を巻き始め部、他端側を巻き終わり部として巻回されており、前記互いに隣接する導体管層のうち他方の導体管層は、他端側を巻き始め部、一端側を巻き終わり部として巻回されており、ｎ（ｎ＝１、２、・・・（３Ｎ−１））層目の導体管層の巻き始め部及び（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、１層目の導体管層の巻き終わり部及び３Ｎ層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されることによって、又は、前記ｎ層目の導体管層の巻き終わり部及び前記（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、前記１層目の導体管層の巻き始め部及び前記３Ｎ層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されることによって、前記３Ｎ層の導体管層それぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように構成されていることを特徴とする。

【0007】

このようなものであれば、各導体管層のインピーダンス値が互いに略等しくするとともに３Ｎ層の導体管層それぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように三相交流電源を接続しているので、各導体管に発生するリアクタンスが低減されて力率を改善することができる。したがって、流体加熱装置の設備効率を向上させることができる。

【0008】

前記３Ｎ層の導体管層が、１本の導体管を連続して３Ｎ層に巻回することにより構成されており、前記１層目の導体管層の巻き始め部及び前記３Ｎ層目の導体管層の巻き終わり部に、前記導体管の両端部開口から形成される流体出入口が設けられていることが望ましい。これならば、１つの導体管を多重に巻回することで１つの構成要素とすることができ、部品点数を削減し、取り扱いを容易にすることができる。また、それぞれ隣接する導体管層の折り返し部分に三相交流電源の各相を接続することによって、１つの流体回路により流体を加熱することができる。

【0009】

前記３Ｎ層の導体管層が、Ｍ（Ｍ＝２、３、・・・３Ｎ）本の導体管を１層又は連続して複数層に巻回することにより構成されており、前記各導体管の両端部開口が位置する導体管層の巻き始め部又は巻き終わり部に流体出入口が設けられていることが望ましい。これならば、Ｍ本の導体管により構成されているので、最大Ｍ種類の流体を同時に加熱することができる。また、任意の層の巻き始め部又は巻き終わり部の少なくとも一方に流体出入口を設けることができるので、流体の熱容量に応じて、当該流体が流れる導体管長（加熱長）を任意に構成することができる。

【0010】

前記３Ｎ層の導体管層が、３Ｎ本の導体管それぞれを１層に巻回することにより構成されており、前記３Ｎ層の導体管層のうち、２Ｎ層で水から飽和蒸気を発生させ、残りの１Ｎ層で飽和蒸気から過熱蒸気を発生させることが望ましい。２０℃の水から１３０℃の飽和蒸気を発生させる熱量と、１３０℃の飽和蒸気から７００℃の過熱蒸気を発生させる熱量との比は、約２対１である。したがって、２Ｎ層で飽和蒸気を発生させて１Ｎ層で過熱蒸気を発生させる構成とすれば、接続する三相交流電源の電流バランスを約１対１対１とすることができる。また、低い過熱蒸気温度とした場合でも、１相電流がゼロとなるような極端なアンバランスは発生しない。各過熱蒸気温度のときの三相交流電源の電流比を以下に示す。
８００℃のとき １ ： １．０４ ： １．０４
７００℃のとき １ ： １ ： １
５００℃のとき １ ： ０．９０ ： ０．９０
２００℃のとき １ ： ０．７０ ： ０．７０

【0011】

前記過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を中間に配置し、前記飽和蒸気を発生させる２Ｎ層のうち１Ｎ層を内側、残りの１Ｎ層を外側に配置して、前記過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を、前記飽和蒸気を発生させる２Ｎ層により挟むように構成されていることが望ましい。このように高温過熱蒸気が流れる層を、飽和蒸気が流れる層に挟まれた中間層とすることで、過熱蒸気の熱を無駄に外部に放出させることが無く、伝熱分を飽和蒸気を発生させる予熱として利用することができる。

【0012】

前記三相交流電源のぞれぞれの相が接続される導体管層が、各相間で電気的に絶縁されており、前記各相に設けられ、各相の電流を個別に制御する電流制御手段を有することが望ましい。これならば、各相が接続された導体管層毎にその温度を個別制御することができる。

【0013】

前記１層目の導体管層の巻芯中空部又は前記３Ｎ層目の導体管層の外側の少なくとも一方に磁気回路用磁性体が設けられていることが望ましい。これならば、導体管層を通電することにより生じる磁束を磁性体に沿って通すことができ、各導体管層を通電することにより生じる磁束を互いに打ち消し易くすることができる。

【発明の効果】

【0014】

このように構成した本発明によれば、内部に流体が流れる導体管に三相交流電源を接続して通電加熱する流体加熱装置において、回路力率を改善して設備効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態に係る流体加熱装置の構成を模式的に示す図。

【図2】同実施形態における流体加熱装置の流体加熱部の構成を示す図。

【図3】同実施形態における各導体管層の結線図。

【図4】同実施形態における流体加熱装置の流体加熱部の構成を示す図。

【図5】同実施形態における各導体管層の結線図。

【図6】特性比較試験回路及びその試験結果を示す図。

【図7】変形実施形態における各導体管層の結線図。

【図8】変形実施形態における流体加熱部の構成を示す図。

【図9】変形実施形態における各導体管層の結線図。

【図10】流体加熱装置の適用事例を示す表。

【図11】流体加熱装置の適用事例を示す表。

【図12】流体加熱装置の適用事例を示す表。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に本発明に係る流体加熱装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

【0017】

本実施形態に係る流体加熱装置１００は、図１に示すように、内部に流体（例えば水、飽和蒸気や過熱蒸気等）が流れる中空の導体管２に三相交流電源４を接続し、当該導体管２に三相交流電圧を印加して直接通電し、導体管２の内部抵抗により発生するジュール熱によって導体管２を加熱することにより、当該導体管２を流れる流体を加熱するものである。

【0018】

具体的にこのものは、１つの導体管２又は電気的に互いに接続された複数の導体管２を螺旋状に巻回して構成された３Ｎ（Ｎは１以上の整数）層の導体管層からなる流体加熱部３を備えている。

【0019】

この流体加熱部３は、図２及び図３に示すように種々の構成とすることができる。

【0020】

図２に示す流体加熱部３は、１つの導体管２から構成されるものであり、流体加熱部３全体のインピーダンス値を３Ｎ等分して形成される３Ｎ層（Ｎは１以上の整数）の導体管層を備えている。なお、本実施形態では、Ｎ＝１として３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃを有するものである。

【0021】

この３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃは、１つの導体管２を一端側から他端側に螺旋状に巻回して構成された１層目の導体管層３ａと、当該１層目の導体管層３ａの他端に連続して、他端側から一端側に前記１層目の導体管層３ａの巻き方向と同一方向に螺旋状に巻回して構成された２層目の導体管層３ｂと、当該２層目の導体管層３ｂの一端に連続して、一端側から他端側に前記２層目の導体管層３ｂの巻き方向と同一方向に螺旋状に巻回して構成された３層目の導体管層３ｃとを有する。

【0022】

このように３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃが構成されることにより、互いに隣接する導体管層（例えば１層目と２層目）のうち一方の導体管層（１層目）は、一端側を巻き始め部、他端側を巻き終わり部として巻回されており、互いに隣接する導体管層（例えば１層目と２層目）のうち他方の導体管層（２層目）は、他端側を巻き始め部、一端側を巻き終わり部として巻回される。なお、導体管２は、１巻き毎に絶縁物又は空隙によって絶縁される。例えば、外側周面に絶縁層を設ける等の絶縁加工が施された導体管２を用いることが考えられる。あるいは、数回巻き毎にブロック分けして、各ブロック毎に絶縁するように構成しても良い。なお、前記ブロック数は、導体管２に流れる電流値によって決定する。

【0023】

これら３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃのインピーダンス値は、巻回数、管長、管径、肉厚、巻径及び巻高さを調整して、互いに略等しくなるように構成されている。本実施形態では、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃを構成する導体管２の管径及び肉厚及び巻回数等を同一にすることによって構成されている。

【0024】

このように３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれの巻き方向が互いに同一方向となるように同心円状に連続して３層に巻回されて構成されている。つまり、このように構成された流体加熱部３は、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃが連続して一体に構成されるものである。ここで、１層目の導体管層３ａの巻芯中空部又は３層目の導体管層３ｃの外側の少なくとも一方に磁気回路用磁性体を設けることが望ましい。なお、導体管層が６層、９層、・・・３Ｎ層の場合には、１つの導体管２を巻き方向を同一方向にして、一端側から他端側へ、次に、他端側から一端側へと連続的に同心円状に巻回して構成される。

【0025】

このように構成された流体加熱部３は、１つの導体管２を巻回して構成されることから、１層目の導体管層３ａの巻き始め部及び３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部に、導体管２の両端部開口から形成される流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙが設けられることになる。本実施形態では、１層目の導体管層３ａの巻き始め部の流体出入口２Ｐｘは一端側（図２では上端側）に位置し、３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部の流体出入口２Ｐｙは他端側（図２では下端側）に位置する構成となる。なお、流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙは、外部の配管を接続するためのフランジ等の構造部を有する。

【0026】

そして、この流体加熱部３において、三相交流電源４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が接続されて前記３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃにＵ相電圧、Ｖ相電圧及びＷ相電圧が印加されることにより、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように構成されている。

【0027】

具体的には、図３に示すように、１層目の導体管層３ａの巻き終わり部及び２層目の導体管層３ｂの巻き始め部に三相交流電源４のうちの第１相（Ｖ相）が接続されて、２層目の導体管層３ｂの巻き終わり部及び３層目の導体管層３ｃの巻き始め部に三相交流電源４のうちの第２相（Ｗ相）が接続されて、１層目の導体管層３ａの巻き始め部及び３層目３ｃの導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第３相（Ｕ相）が接続されるようにしている。つまり、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃは、三相交流電源４に対してデルタ結線された回路構成であり、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに流れる交流電流の位相差は６０度となる。

【0028】

つまり、１層目の導体管層３ａの巻き終わり部と２層目の導体管層３ｂの巻き始め部とが連続する折り返し部分に設けられた接続端子にＶ相電圧が印加される。また、２層目の導体管層３ｂの巻き終わり部と３層目の導体管層３ｃの巻き始め部とが連続する折り返し部分に設けられた接続端子にＷ相電圧が印加される。さらに、１層目の導体管層３ａの巻き始め部である導体管２の端部又はその近傍と３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部である導体管２の端部又はその近傍とにそれぞれ設けられた接続端子にＵ相電圧が印加される。

【0029】

このように３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに三相交流電源４を接続して三相交流電圧を印加することによって、各導電体層３ａ、３ｂ、３ｃに流れる電流によって発生する磁束のベクトル合成和がゼロとなり、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに発生するリアクタンスが低減されて、回路力率が改善される。

【0030】

次に、図４に示す流体加熱部３は、三相交流電源４を含む三相交流回路により電気的に接続された３つの導体管２から構成されるものであり、流体加熱部３全体のインピーダンス値を３Ｎ等分して形成される３Ｎ層（Ｎは１以上の整数）の導体管層を備えている。なお、本実施形態では、Ｎ＝１として３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃを有するものである。

【0031】

この３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃは、１つの導体管２を一端側から他端側に螺旋状に巻回して構成された１層目の導体管層３ａと、１つの導体管２を他端側から一端側に螺旋状に巻回して構成された２層目の導体管層３ｂと、１つの導体管２を一端側から他端側に螺旋状に巻回して構成された３層目の導体管層３ｃとを有する。

【0032】

各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃの巻回方向は同一方向であり、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃのインピーダンス値は、巻回数、管長、管径、肉厚、巻径及び巻高さを調整して、互いに略等しくなるように構成されている。本実施形態では、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃを構成する導体管２の管径及び肉厚及び巻回数等を同一にすることによって構成されている。なお、導体管層が６層、９層、・・・３Ｎ層の場合には、各導体管２を巻き方向を同一方向にして、一端側から他端側へ巻回するものと、他端側から一端側へ巻回するものとが交互に配置されるように構成される。

【0033】

このように構成された流体加熱部３は、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃが１つの導体管２から形成されていることから、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃの巻き始め部及び巻き終わり部それぞれに流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙが設けられ、それら流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙが一端側（図４では上端側）及び他端側（図４では下端側）に位置する構成となる。なお、流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙは、外部の配管を接続するためのフランジ等の構造部を有する。

【0034】

そして、この流体加熱部３において、三相交流電源４からの三相交流電圧の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が前記３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに印加されることにより、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように構成されている。

【0035】

具体的には、図５に示すように、１層目の導体管層３ａの巻き終わり部及び２層目の導体管層３ｂの巻き始め部に三相交流電源４のうちの第１相（Ｖ相）が接続されて、２層目の導体管層３ｂの巻き終わり部及び３層目の導体管層３ｃの巻き始め部に三相交流電源４のうちの第２相（Ｗ相）が接続されて、１層目の導体管層３ａの巻き始め部及び３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第３相（Ｕ相）が接続されるようにしている。つまり、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃは、三相交流電源４に対してデルタ結線された回路構成であり、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに流れる交流電流の位相差は６０度となる。

【0036】

つまり、１層目の導体管層３ａの巻き終わり部である導体管２の端部又はその近傍と２層目の導体管層３ｂの巻き始め部である導体管２の端部又はその近傍とにそれぞれ設けられた接続端子にＶ相電圧が印加される。また、２層目の導体管層３ｂの巻き終わり部である導体管２の端部又はその近傍と３層目の導体管層３ｃの巻き始め部である導体管２の端部又はその近傍とにそれぞれ設けられた接続端子にＷ相電圧が印加される。さらに、１層目の導体管層３ａの巻き始め部である導体管２の端部又はその近傍と３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部である導体管２の端部又はその近傍とにそれぞれ設けられた接続端子にＵ相電圧が印加される。

【0037】

なお、１層目の導体管層３ａの巻き始め部及び２層目の導体管層３ｂの巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第１相（Ｖ相）が接続されて、２層目の導体管層３ｂの巻き始め部及び３層目の導体管層３ｃの巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第２相（Ｗ相）が接続されて、１層目の導体管層３ａの巻き終わり部及び３層目の導体管層３ｃの巻き始め部に三相交流電源４のうちの第３相（Ｕ相）が接続されるようにしても良い。

【0038】

このように３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに三相交流電源４を接続して三相交流電圧を印加することによって、各導電体層３ａ、３ｂ、３ｃに流れる電流によって発生する磁束のベクトル合成和がゼロとなり、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに発生するリアクタンスが低減されて、回路力率が改善される。また、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれに流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙが設けられているので、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに個別に流体を流すことによって、最大３種類の流体を同時に加熱することができる。

【0039】

また、図４に示す流体加熱部３を用いて水から過熱蒸気を発生させる場合には、３Ｎ層の導体管層のうち、２Ｎ層で水から飽和蒸気を発生させ、残りの１Ｎ層で飽和蒸気から過熱蒸気を発生させることが考えられる。この場合、過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を中間に配置し、飽和蒸気を発生させる２Ｎ層のうち１Ｎ層を内側、残りの１Ｎ層を外側に配置して、過熱蒸気を発生させる１Ｎ層を、飽和蒸気を発生させる２Ｎ層により挟むように構成することが熱利用の観点から望ましい。

【0040】

具体的には、１層目の導体管層３ａ及び３層目の導体管層３ｃに水を導入して飽和蒸気を発生させ、２層目の導体管層３ｂに、前記導体管層３ａ、３ｃで発生した飽和蒸気を導入して過熱蒸気を発生させる。このような構成により、接続する三相交流電源４の各相の電流バランスを約１対１対１とすることができる。また、高温過熱蒸気が流れる導体管層３ｂを、飽和蒸気が流れる導体管層３ａ、３ｃに挟まれた中間層とすることで、過熱蒸気の熱を無駄に外部に放出させることが無く、伝熱分を飽和蒸気を発生させる予熱として利用することができる。

【0041】

次にこのように構成した流体加熱装置１００の力率改善を示す試験について説明する。なお、以下の試験においては、比較傾向を顕著に表すために、周波数８００Ｈｚの単相交流電源を用いた。

【0042】

図６には、断面積８．０４２ｍｍ^２、直径３．２ｍｍの銅線を螺旋状に１層当たり６０回巻いて構成してコイル層を形成し、一端側から他端側に巻回した１層目のコイル層、他端側から一端側に巻回した２層目のコイル層、一端側から他端側に巻回した３層目のコイル層をそれらの巻回方向が同一方向となるように同心円状に配置したものにおいて、（１）３層を直列接続して、１層目のコイル層の巻き始め部及び３層目のコイル層の巻き終わり部に単相交流電源を接続した場合（試験Ｎｏ．１、図６（１））と、（２）３層それぞれに上述したように三相交流電源を接続した場合（試験Ｎｏ．２、図６（２））との回路構成を示す。

【0043】

このとき、図６の下表に示すように、試験Ｎｏ．１の場合には、力率が０．０２０であったのに対して、試験Ｎｏ．２の場合には、１層目のコイル層の力率が０．１５１、２層目のコイル層の力率が０．１５３、３層目のコイル層の力率が０．０６０であった。このように、図６（２）の場合には、各導体管層に生じる磁束が打ち消し合うことから電圧降下が抑制されて力率が改善したと考えられる。なお、商用周波数６０Ｈｚの交流電圧に換算した場合には、試験Ｎｏ．１の力率が０．２５６であるのに対して、試験Ｎｏ．２の場合には、１層目のコイル層の力率が０．８９８、２層目のコイル層の力率が０．９００、３層目のコイル層の力率が０．６２７、各層の平均力率が０．８３６である。大容量の流体加熱装置においては三相交流電源を用いることが一般的であるため、上記の通り、三相交流電源を用いた場合における力率が大幅に改善できることは、設備効率の向上においても効果が大きい。

【0044】

このように構成した本実施形態に係る流体加熱装置１００によれば、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃのインピーダンス値が互いに略等しくするとともに３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれに生じる磁束が全体として打ち消し合うように三相交流電源４を接続しているので、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに発生するリアクタンスが低減されて力率を改善することができる。したがって、流体加熱装置１００の設備効率を向上させることができる。

【0045】

＜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。

【0046】

例えば、前記実施形態では、３層の導体管層３ａ、３ｂ、３ｃを有するもの（Ｎ＝１の場合）について説明したが、Ｎが２以上の場合においても同様である。この場合、ｎ（ｎ＝１、２、・・・５）層目の導体管層の巻き始め部及び（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、１層目の導体管層の巻き終わり部及び３Ｎ層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されることによって、又は、前記ｎ層目の導体管層の巻き終わり部及び前記（ｎ＋１）層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続されるとともに、前記１層目の導体管層の巻き始め部及び前記３Ｎ層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源のうちの何れか一相が接続される。

【0047】

図７に、６層（Ｎ＝２の場合）の導体管層を有する流体加熱部の結線図について示す。図７においては、１層目の導体管層の巻き始め部及び２層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第１相（Ｖ相）が接続されて、２層目の導体管層の巻き始め部及び３層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第２相（Ｗ相）が接続されて、３層目の導体管層の巻き始め部及び４層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第３相（Ｕ相）が接続されて、４層目の導体管層の巻き始め部及び５層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第１相（Ｖ相）が接続されて、５層目の導体管層の巻き始め部及び６層目の導体管層の巻き終わり部に三相交流電源４のうちの第２相（Ｗ相）が接続されて、１層目の導体管層の巻き終わり部及び６層目の導体管層の巻き始め部に三相交流電源４のうちの第３相（Ｕ相）が接続された場合を示している。

【0048】

さらに図８に示すように、３Ｎ層の導体管層における任意の層の巻き始め部又は巻き終わり部の少なくとも一方に流体出入口が設けられているものであっても良い。つまり、３Ｎ層の導体管層が、Ｍ（Ｍ＝２、３、・・・３N）本の導体管を１層又は連続して複数層に巻回することにより構成されており、各導体管の両端部開口が位置する導体管層の巻き始め部又は巻き終わり部に流体出入口が設けられているものであっても良い。

【0049】

具体的に、図８（Ａ）には、６層の導体管層を有する流体加熱部において、２本の導体管を、１本目の導体管を連続して４層に螺旋状に巻回し、２本目の導体管を連続して２層に螺旋状に巻回することにより構成し、１層目の巻き始め部及び４層目の巻き終わり部と、５層目の巻き始め部及び６層目の巻き終わり部とに流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙを設けた場合を示している。これならば、各導体管２に個別に流体を流すことによって、最大２種類の流体を同時に加熱することができる。

【0050】

また図８（Ｂ）には、６層の導体管層を有する流体加熱部において、３本の導体管を、１本目の導体管を連続して３層に螺旋状に巻回し、２本目の導体管を連続して２層に螺旋状に巻回し、３本目の導体管を１層に螺旋状に巻回することにより構成し、１層目の巻き始め部及び３層目の巻き終わり部と、４層目の巻き始め部及び５層目の巻き終わり部と、６層目の巻き始め部及び巻き終わり部とに流体出入口２Ｐｘ、２Ｐｙを設けた場合を示している。これならば、各導体管２に個別に流体を流すことによって、最大３種類の流体を同時に加熱することができる。

【0051】

つまり、巻回する導体管の本数及び各導体管を何層巻きにするかを種々設定することによって、任意の層の巻き始め部又は巻き終わり部の少なくとも一方に流体出入口を設けることができる。

【0052】

また、前記実施形態では、導体管の両端部開口により流体出入口を構成するものであったが、その他、導体管の側壁に開口を形成することによって流体出入口を構成しても良い。これならば、１つの導体管を用いて複数層に巻回して構成された複数の導体管層において、導体管の両端部開口が位置する巻き始め部及び巻き終わり部以外の導体管層の巻き始め部又は巻き終わり部に流体出入口を設けることができる。

【0053】

加えて、図４の流体加熱部３のように、前記三相交流電源４のぞれぞれの相が接続される導体管層３ａ、３ｂ、３ｃが各層間で電気的に絶縁されたものにおいて、図９に示すように、三相交流電源の各相の電流を個別に制御する電流制御手段５を設けたものであっても良い。この電流制御手段５は、例えばサイリスタを用いて構成されており、各相に設けられて各相の電流を個別に制御することによって、各導体管層３ａ、３ｂ、３ｃに流れる電流を個別に制御する。これにより、各相が接続された導体管層毎にその温度を個別制御することができる。

【0054】

更に加えて、図１０〜図１２に示すように、本実施形態の流体加熱装置１００により発生した過熱蒸気等を種々の適用事例（用途）に用いることができる。つまり、本実施形態の流体加熱装置１００は、図１０〜図１２に示す適用事例に対応する設備に組み込んで使用することができる。

【0055】

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】

【0056】

１００・・・流体加熱装置
２・・・導体管
３・・・流体加熱部
３ａ・・・１層目の導体管層
３ｂ・・・２層目の導体管層
３ｃ・・・３層目の導体管層（３Ｎ層目の導体管層）
４・・・三相交流電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】