特許 7105419 過熱水蒸気発生システム

(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】

(24)【登録日】2022-07-14

(45)【発行日】2022-07-25

(54)【発明の名称】過熱水蒸気発生システム

(51)【国際特許分類】

   F22G 1/16 20060101AFI20220715BHJP

   F22B 1/28 20060101ALI20220715BHJP

   H05B 3/00 20060101ALI20220715BHJP

   H05B 3/40 20060101ALI20220715BHJP

【ＦＩ】

F22G1/16

F22B1/28 Z

H05B3/00 310C

H05B3/40 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018022710

(22)【出願日】2018-02-13

(65)【公開番号】P2019138567

(43)【公開日】2019-08-22

【審査請求日】2020-11-25

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】394008237

【氏名又は名称】新日本美風株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】517355741

【氏名又は名称】株式会社アドバンストＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100147625

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 高志

(72)【発明者】

【氏名】荒牧 大

(72)【発明者】

【氏名】深津 博一

【審査官】藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】韓国登録特許第１０－１１７８９７５（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】特開２００７－０５９０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２８０５５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０４４１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１７７０６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｇ １／１６

Ｆ２２Ｂ １／２８

Ｈ０５Ｂ ３／００

Ｈ０５Ｂ ３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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システムであって、
一端側に前記飽和水蒸気を導入し他端側から前記過熱水蒸気を排出する筒体と、
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被覆管を有しこの被覆管内に通電により発熱する発熱線を有する発熱体と、
前記筒体内において前記発熱体の周囲に、前記被覆管に接してまたは前記被覆管の近傍に配置され、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複数の加熱体と、
前記発熱線の印加電圧を検出し電圧情報を出力する電圧センサと、
前記発熱線の通電電流を検出し電流情報を出力する電流センサと、
前記電圧情報および前記電流情報に基づいて前記発熱体が目標温度になるように前記発熱線の通電を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、所定タイミングにおける前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を用いて前記被覆管の温度を推定し、この推定温度に基づいて前記目標温度を設定し、かつ、既知温度の飽和水蒸気を前記筒体に導入した後の前記発熱線の非通電時においては、発熱に寄与しないまたは発熱に殆ど寄与しない電力を前記発熱線に加えた場合の前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を、前記被覆管の推定温度の推定または補正に用いる、ことを特徴とする過熱水蒸気発生システム。

【請求項2】

所定タイミングは、前記発熱線に通電していない時期であることを特徴とする請求項１に記載の過熱水蒸気発生システム。

【請求項3】

当該過熱水蒸気発生システムの電源投入後、前記発熱線の通電制御を開始する前において、発熱に寄与しないまたは発熱に殆ど寄与しない電力を前記発熱線に加えた場合の前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を、前記被覆管の推定温度の推定または補正に用いることを特徴とする請求項１または２に記載の過熱水蒸気発生システム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記発熱線の通電の制御にＰＩＤ制御を用いることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の過熱水蒸気発生システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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システム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。

【背景技術】

【0002】

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システムやその装置の例として、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（加熱体）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。外壁部分の外周には温度センサも取り付けられている。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「過熱水蒸気処理装置」では、飽和水蒸気が通る導体管に通電してそれ自体を発熱させることにより、過熱水蒸気の発生を可能にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１０１９１０号公報

【文献】特開２０１７－９２０１８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、上記特許文献１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等の加熱体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。仮に、加熱体にアルミニウム、銅や真鍮（黄銅）を用いた場合には、これらの金属はステンレス鋼に比べると低い温度で変性したり軟化したりし易いため、的確なタイミングの温度制御が要求される。ところが、温度センサが接触タイプのものである場合には、温度センサ自体が熱容量を有するため、応答速度の大きさによっては温度制御に時間的な遅れが生じ得る結果、加熱体の変性や軟化を招き得るという問題がある。また、ヒーターの温度制御においても、温度センサの検出温度にこのような時間的な遅れが生じ得ると、ヒーターの保護が適切に行い難いという問題がある。

【0005】

また、上記特許文献２に開示される先行技術によると、飽和水蒸気が通る導体管自体が発熱するので、装置構成は簡素になり得るものの、コイル等の発熱線に比べて熱容量が格段に大きい。そのため、加熱効率を向上し難いうえに、発熱時における温度分布にバラツキが出やすいことから、例えば、複数の温度センサをチャンバーの各部に設ける等の構成を採らなければ温度制御を行い難く、構成が複雑になるという問題がある。さらに、過熱水蒸気で満たされるチャンバーを貫通するように導体管を設けるためには、電気的な絶縁性と気密性の両方を確保する必要がある。そのため、絶縁材料の選択が難しく、また気密構造も複雑になり得る。

【0006】

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、簡素な構成でありながら加熱効率を向上し、かつ、発熱体の近傍等に配置された加熱体の変性や劣化を抑制し得る過熱水蒸気発生システムを提供することを目的とする。また、ヒーターの保護を適切に行い得る過熱水蒸気発生システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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システムでは、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システムであって、一端側に前記飽和水蒸気を導入し他端側から前記過熱水蒸気を排出する筒体と、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被覆管を有しこの被覆管内に通電により発熱する発熱線を有する発熱体と、前記筒体内において前記発熱体の周囲に、前記被覆管に接してまたは前記被覆管の近傍に配置され、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複数の加熱体と、前記発熱線の印加電圧を検出し電圧情報を出力する電圧センサと、前記発熱線の通電電流を検出し電流情報を出力する電流センサと、前記電圧情報および前記電流情報に基づいて前記発熱体が目標温度になるように前記発熱線の通電を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、所定タイミングにおける前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を用いて前記被覆管の温度を推定し、この推定温度に基づいて前記目標温度を設定し、かつ、既知温度の飽和水蒸気を前記筒体に導入した後の前記発熱線の非通電時においては、発熱に寄与しないまたは発熱に殆ど寄与しない電力を前記発熱線に加えた場合の前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を、前記被覆管の推定温度の推定または補正に用いる、ことを技術的特徴とする。
複数の加熱体は、筒体内において発熱体の周囲に、被覆管に接して（または被覆管の近傍に）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体に直接的（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体が配置されていることから、束ねられた複数の加熱体の周囲に発熱体を配置する構成（上記特許文献１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の構成では、発熱体の外周（周囲）に加熱体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、加熱効率を向上させることが可能になる。
また、コントローラは、所定タイミングにおける電圧情報および電流情報から得られる発熱線の抵抗値を用いて被覆管の温度を推定して、この推定温度に基づいて目標温度を設定し、発熱体の（被覆管）がこの目標温度になるように発熱線の通電を制御する。これにより、温度センサを設けることなく、発熱体の被覆管の温度を推定しその温度を的確なタイミングで制御することが可能になる。発熱線は発熱の立ち上がりが比較的に速いことから、発熱線を有する発熱体においては、急峻な温度の立ち上がりに追従した温度制御を行うことが可能になる。また、このような発熱体の温度制御が可能になることで、発熱体の（被覆管）の周囲近傍等に加熱体を配置する構成を採っても加熱体の変性や劣化を抑制することが可能になる。
さらに、既知温度の飽和水蒸気を筒体に導入した後の発熱線の非通電時、つまり発熱体が発熱していない状態の既知温度における発熱線の抵抗値（実際に計測した抵抗値）が得られることから、例えば、予め設定されている当該既知温度における抵抗値と比較することで、実際に計測した抵抗値との間に生じている抵抗値の誤差を補正することが可能になる。これにより、例えば、経年劣化等により発熱線の抵抗値が予め設定されている抵抗値と異なっていた場合にはその誤差が補正されるので、それを用いて推定した被覆管の温度の精度も向上する。

【0010】

特許請求の範囲の請求項２に記載された本発明の過熱水蒸気発生システムでは、請求項１に記載の過熱水蒸気発生システムにおいて、所定タイミングは、発熱線に通電していない時期である。発熱線に通電している時期（期間）は、コントローラによる制御によって電圧値や電流値が変動し得るため、正確な電圧情報や電流情報が得られ難い。そのため、例えば、発熱体を発熱させる必要のない（発熱線に通電していない）時期（期間）に出力される電圧情報や電流情報を電圧センサや電流センサから取得することによって、発熱線の正確な抵抗値を得ることが可能になり、それを用いて推定した被覆管の温度の精度も向上する。

【0011】

さらに、特許請求の範囲の請求項３に記載された本発明の過熱水蒸気発生システムは、請求項１または２に記載の過熱水蒸気発生システムにおいて、当該過熱水蒸気発生システムの電源投入後、前記発熱線の通電制御を開始する前において、発熱に寄与しないまたは発熱に殆ど寄与しない電力を前記発熱線に加えた場合の前記電圧情報および前記電流情報から得られる前記発熱線の抵抗値を、前記被覆管の推定温度の推定または補正に用いることを技術的特徴とする。

【0012】

過熱水蒸気発生システムの電源投入後、発熱線の通電制御を開始する前、つまり発熱体が発熱する前の周囲温度における発熱線の抵抗値（実際に計測した抵抗値）が得られることから、例えば、予め設定されている当該周囲温度における抵抗値と比較することで、実際に計測した抵抗値との間に生じている抵抗値の誤差を補正することが可能になる。これにより、例えば、経年劣化等により発熱線の抵抗値が予め設定されている抵抗値と異なっていた場合にはその誤差が補正されるので、それを用いて推定した被覆管の温度の精度も向上する。

【0015】

また、特許請求の範囲の請求項４に記載された本発明の過熱水蒸気発生システムは、請求項１～３のいずれか一項に記載の過熱水蒸気発生システムにおいて、前記コントローラは、前記発熱線の通電の制御にＰＩＤ制御を用いることを技術的特徴とする。

【0016】

発熱線の通電の制御にＰＩＤ制御を用いることから、発熱体の温度を目標温度に高精度に近づけることが可能になる。

【発明の効果】

【0017】

請求項１の発明では、温度センサを設けることなく、急峻な温度の立ち上がりに追従した発熱体の温度制御を行うことが可能になる。また、このような発熱体の温度制御が可能になることで、発熱体（の被覆管）の周囲近傍等に加熱体を配置する構成を採っても、加熱体は被覆管の温度を超えて高くなることはないので、加熱体の変性や劣化を抑制することが可能になる。したがって、簡素な構成でありながら加熱効率を向上し、かつ、発熱体の近傍等に配置された加熱体の変性や劣化を抑制することができる。また、発熱体の急峻な温度の立ち上がりに追従した温度制御を行うことが可能になるので、ヒーターの保護を適切に行うことができる。また、発熱体が発熱していない状態の既知温度において補正された発熱体の抵抗値を用いて被覆管の温度を推定するところ、推定した被覆管の温度の精度が向上することから、発熱体の温度制御を高精度に行うことが可能になり、加熱体の変性や劣化をさらに効果的に抑制することが可能になる。したがって、簡素な構成でありながら加熱効率を向上し、かつ、発熱体の近傍等に配置された加熱体の変性や劣化をさらに抑制することができる。

【0018】

請求項２の発明では、推定した被覆管の温度の精度が向上することから、発熱体の温度制御を高精度に行うことが可能になり、加熱体の変性や劣化をさらに効果的に抑制することが可能になる。したがって、簡素な構成でありながら加熱効率を向上し、かつ、発熱体の近傍等に配置された加熱体の変性や劣化をさらに抑制することができる。

【0019】

請求項３の発明では、発熱体が発熱する前の周囲温度において補正された発熱体の抵抗値を用いて被覆管の温度を推定するところ、推定した被覆管の温度の精度が向上することから、発熱体の温度制御を高精度に行うことが可能になり、加熱体の変性や劣化をさらに効果的に抑制することが可能になる。したがって、簡素な構成でありながら加熱効率を向上し、かつ、発熱体の近傍等に配置された加熱体の変性や劣化をさらに抑制することができる。

【0021】

請求項４の発明では、発熱体の温度を目標温度に高精度に近づけることが可能になるので、加熱体の変性や劣化をより一層抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気発生システムの構成例を示す模式図である。

【図2】本実施形態の過熱水蒸気発生システムを構成する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】図２に示す過熱水蒸気発生装置の出力パイプおよびハウジングの一部を切断した状態を表した軸方向（長手方向）部分断面図である。

【図4】図４(A)は、図２に示すIV-A－IV-A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４(B)はカートリッジヒーターの構成を示す説明図である。

【図5】本実施形態の過熱水蒸気発生システムを構成するコントローラの構成例を示すブロック図である。

【図6】図５に示すコントローラにより実行されるカートリッジヒーターの駆動制御処理の例を表したフローチャートである。

【図7】図６に示す初期温度時補正処理の例を表したフローチャートである。

【図8】発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップの例を表した説明図である。

【図9】図６に示す所定温度時補正処理の例を表したフローチャートである。

【図10】図６に示すヒーター制御処理の例を表したフローチャートである。

【図11】図１１(A)は細管に代えて加熱リングを用いた場合の構成例を示す断面図である。図１１(B)は、図１１(A)に示すXI-B－XI-B線により切断した状態を同矢印方向から見た径方向断面図であり、図４(A)に相当するものである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の過熱水蒸気発生システム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。

【0024】

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、コントローラ５０、温度センサ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、コントローラ５０、配線１８，１９、過熱水蒸気発生装置２０等を収容している。

【0025】

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。

【0026】

電熱ヒーターは、配線１８を介してコントローラ５０に電気的に接続されており、コントローラ５０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。コントローラ５０は、後述するように温度センサ１７から入力される温度情報に基づいて電熱ヒーターの駆動電力を制御する。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。

【0027】

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。

【0028】

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の軸方向（長手方向）部分断面図が図示されている。なお、図３において、カートリッジヒーター３０の本体３１および細管４０は、断面でなく側面が図示されている。さらに図４(A)には、図２に示すIV-A－IV-A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）断面図が図示されている。また図４(B)には、カートリッジヒーター３０の構成を示す説明図が図示されている（中間部が一部省略されている）。さらに図５には、コントローラ５０の構成例を示すブロック図が図示されている。

【0029】

図２や図３に示すように、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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。なお、底部２２ｂおよび出力パイプ２４を設けることなく、ハウジング２１の他端部２１ｂを開口させてもよい。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

図４(B)に示すように、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３２にニクロム線等の発熱線３３を巻回したものを円筒のステンレス製の被覆管３５内に収容するとともに、被覆管３５内に酸化マグネシウムからなる絶縁物３４を充填したものである。発熱線３３がボビン３２に大径かつ高密度で巻回されている点と、発熱線３３の両端（リード線３６）が被覆管３５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。

【0037】

本実施形態のカートリッジヒーター３０は、主に、本体３１、保護カバー３７、プラグ３８等により構成されている（図２、図３参照）。カートリッジヒーター３０は、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。カートリッジヒーター３０は、配線１９を介してコントローラ５０に電気的に接続されており、後述するように、コントローラ５０により駆動電力の供給を制御されている。

【0038】

本体３１は、前述の発熱線３３や充填された絶縁物３４等を収容する円筒のステンレス製の被覆管３５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３３のリード線３６を覆うとともにテーパーねじ３９が形成されたプラグ３８が設けられている。

【0039】

プラグ３８のテーパーねじ３９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３８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。プラグ３８のテーパーねじ３９と反対側には、保護カバー３７が接続されている。この保護カバー３７は、本体３１から引き出された発熱線３３のリード線３６とこれらに接続される配線１９の接続部とを覆っている。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

また、図４(A)に示すように、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の被覆管３５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。

【0043】

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。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。

【0044】

図５に示すように、コントローラ５０は、例えば、マイクロコンピュータである。典型的には、ＭＰＵ５１、メモリ５３、システムバス５５、入出力インタフェース５７等により構成されており、メモリ５３に記憶されている所定の制御プログラムをＭＰＵ５１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に対するそれぞれの駆動電力の供給を制御している。そのため、入出力インタフェース５７には、配線１８を介してボイラー装置１２が接続されており、また配線１９を介してカートリッジヒーター３０が接続されている。なお、メモリ５３のＲＡＭは、電源がオフされても記憶情報を保持可能な不揮発性領域を備えている。

【0045】

本実施形態では、例えば、ボイラー装置１２に対しては、コントローラ５０は、ボイラーの底部内側に設けられている温度センサ（水温センサ）１７から入力される温度情報に基づいて、ボイラー内の水が予め設定されている所定の温度（例えば、１００℃）になるように電熱ヒーターの通電制御を行う。また、過熱水蒸気発生装置２０に対しては、後述するように、コントローラ５０は、カートリッジヒーター３０に供給している駆動電力の情報（電圧情報および電流情報）を電圧センサ７１や電流センサ７３から得るとともに、これらの情報に基づいて、予め設定されている所定の温度になるようにカートリッジヒーター３０の通電制御を行う。なお、電圧センサ７１および電流センサ７３は、例えば、配線１９の途中に設けられており、これらからリアルタイムに出力される電圧情報や電流情報は、例えば、入出力インタフェース５７等に設けられるバッファメモリに最新のものが保持されている。

【0046】

このように過熱水蒸気発生システム１０の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、その熱が被覆管３５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、被覆管３５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。なお、底部２２ｂおよび出力パイプ２４が設けられていない場合には、ハウジング２１の他端部２１ｂの開口から過熱水蒸気が出力される。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

ところで、真鍮は、４００℃前後で変性したり軟化したりし得る。真鍮の溶解温度は、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、それより低い温度で変性や軟化等の劣化が生じ得る。そのため、本実施形態では、細管４０が接触し得るカートリッジヒーター３０の被覆管３５が３５０℃を超える温度にならないように、コントローラ５０が駆動電力の供給を制御している。

【0051】

本実施形態の過熱水蒸気発生システム１０では、各図を見ても解るように過熱水蒸気発生装置２０は温度センサを備えていない。そのため、本実施形態では、過熱水蒸気発生システム１０のコントローラ５０が、電圧センサ７１から出力された電圧情報と電流センサ７３から出力された電流情報とから、カートリッジヒーター３０の発熱線３３の抵抗値を算出し、さらにこの算出した抵抗値を用いて被覆管３５の温度を推定してカートリッジヒーター３０の駆動制御を行っている。この推定には、予めコントローラ５０のメモリ５３に記憶されている所定の変換マップ（発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップ）が用いられる。

【0052】

ここで、コントローラ５０によるカートリッジヒーター３０の駆動制御処理の流れを、図６～図１０を参照して説明する。図６には、コントローラ５０により実行されるカートリッジヒーター３０の駆動制御処理の例を表したフローチャートが図示されている。また、図７には、図６に示す初期温度時補正処理の例を表したフローチャートが図示されている。さらに、図８には、発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップの例を表した説明図が図示されている。図９には、図６に示す所定温度時補正処理の例を表したフローチャートが図示されている。図１０には、図６に示すヒーター制御処理の例を表したフローチャートが図示されている。

【0053】

図６に示す駆動制御処理は、過熱水蒸気発生システム１０の電源が投入された後、コントローラ５０のＭＰＵ５１により実行されるものである。そのため、本駆動制御処理では、まずステップＳ１００により所定の初期化処理が行われる。この処理では、例えば、コントローラ５０のメモリ５３を構成するＲＡＭのワーク領域やフラグ等がクリアされる。

【0054】

続くステップＳ２００では、初期温度時補正処理が行われる。ステップＳ２００の初期温度時補正処理は、図７に処理の流れが図示されているので、ここからは図７を参照して説明する。本実施形態では、前述のように、所定の変換マップをメモリ５３に記憶している。この変換マップは、図８に示すように、発熱線３３の抵抗値（縦軸）から被覆管３５の温度（横軸）を推定し得る「発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップ」であり、過熱水蒸気発生システム１０の製造段階や設置後のメンテナンス等において予め設定（メモリ５３に記憶（格納））されているものである。

【0055】

本初期温度時補正処理では、カートリッジヒーター３０の発熱線３３が発熱する前の周囲温度における発熱線３３の抵抗値を実際に計測することによって、予め設定されている所定の変換マップ（発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップ）を補正する。これにより、例えば、経年劣化や発熱線３３の個体差等により発熱線３３の抵抗値が予め設定されている抵抗値と異なっていた場合には、そのような誤差が補正される。なお、所定の変換マップを直接補正するのではなく、所定の変換マップから得られた抵抗値を個々に補正してもよい（所定の変換マップから抵抗値を得る都度補正するように構成する）。

【0056】

本初期温度時補正処理では、まずステップＳ２０１により微小電力出力処理が行われる。この処理では、カートリッジヒーター３０の発熱線３３に対して微小電力を出力する。微小電力は、発熱線３３が発熱しない（発熱に寄与しない）程度の電力値、または発熱線３３が発熱したとしてもその熱が被覆管３５に伝達されない（発熱に殆ど寄与しない）程度の電力値、である。例えば、パルス幅５０ミリ秒のミリアンペアオーダーの微小電流を１秒間に１０パルス出力する。カートリッジヒーター３０の発熱線３３は抵抗体であることから、このような微小電力であっても、発熱線３３に印加された電圧値が電圧センサ７１により検出され、発熱線３３に通電された電流値が電流センサ７３により検出される。

【0057】

このため、続くステップＳ２０３により、電圧センサ７１から電圧情報（電圧値Ｖｍ）を取得し、電流センサ７３から電流情報（電流値Ｉｍ）を取得する。より具体的には、入出力インタフェース５７等のバッファメモリに保持されている、現在の電圧情報（電圧値Ｖｍ）や電流情報（電圧値Ｉｍ）を当該バッファメモリから取得する。なお、電圧センサ７１や電流センサ７３から出力される情報がアナログ情報である場合には、Ａ／Ｄ変換器等によりディジタル値に変換されたものがＭＰＵ５１に入力される。これにより、次のステップＳ２０５の抵抗値算出処理により、電圧値Ｖｍを電流値Ｉｍで除算することにより発熱線３３の実測の抵抗値Ｒａ（＝Ｖｍ／Ｉｍ）が得られる。

【0058】

そして、ステップＳ２０６により発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップを参照して、発熱線３３の周囲温度に対する抵抗値Ｒｊを取得する。つまり、この処理では、発熱線３３の抵抗値（縦軸）から被覆管３５の温度（横軸）を推定するのではなく、発熱線３３の周囲温度からその温度に対応する抵抗値Ｒｊを逆方向に参照する（逆引きをする）。

【0059】

発熱線３３の周囲温度は、例えば、既知である場合にはその既知温度を用いる。既知である場合とは、空調温度が通年で安定した環境に設置されているために過熱水蒸気発生システム１０の周囲温度が殆ど変動しない場合である。また、発熱線３３の周囲温度が変動し得る環境である場合には、例えば、ボイラー装置１２が有する温度センサ１７から、ボイラー内に蓄えられている加熱前の水の温度情報（水温情報）を得てこれを発熱線３３の周囲温度相当として用いる。また、過熱水蒸気発生装置２０のハウジング２１内に図略の温度センサを設けている場合にはそれから温度情報を得る。

【0060】

次のステップＳ２０７では、ステップＳ２０５により算出した実測の抵抗値Ｒａと、ステップＳ２０６により逆引きをした抵抗値Ｒｊと、の差を算出し、さらにステップＳ２０８の判定処理により、両者の抵抗値の差（誤差）が許容範囲外であるか否かを判定する。誤差が許容範囲外である場合には（Ｓ２０８でＹｅｓ）、続くステップＳ２０９により当該変換マップを補正する。補正は、例えば、予めメモリ５３に記憶されている各抵抗値に当該誤差分を加算し（プラス方向の誤差であれば抵抗値が増加し、マイナス方向の誤差であれば抵抗値が減少する）、補正後の各抵抗値をメモリ５３に上書き記憶する。そして、本初期温度時補正処理を終えて、図６の駆動制御処理に戻る。

【0061】

例えば、図８に示す破線のカーブは、予めメモリ５３に記憶されている各抵抗値（実線のカーブ）に対してプラス方向の誤差分を加算した場合の例である。

【0062】

ステップＳ２０８の判定処理により両者の抵抗値の差（誤差）が許容範囲外でない（許容範囲内である）場合には（Ｓ２０８でＮｏ）、発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップは補正する必要がないため、本初期温度時補正処理を終えて図６の駆動制御処理に戻る。

【0063】

なお、ステップＳ２０５の抵抗値算出処理により、算出された発熱線３３の実測抵抗値Ｒａ（＝Ｖｍ／Ｉｍ）を、後述するステップＳ６００でメモリ５３の不揮発性領域に記憶してもよい。これにより、例えば、電源投入後、初期温度時補正処理（Ｓ２００）の実行によって得られる発熱線３３の実測抵抗値Ｒａの履歴をメモリ５３に残すことが可能になる。そのため、この履歴情報から、当該実測抵抗値Ｒａの経年変化の状態や、経年変化に基づく発熱線３３の劣化状態を把握することが可能になる。つまり、発熱線３３の劣化具合がわかるため、カートリッジヒーター３０の交換の要否を判定したり、交換時期や寿命を予測したりすることができる。

【0064】

図６に示すように、駆動制御処理のステップＳ３００では、所定温度時補正処理が行われる。ステップＳ３００の所定温度時補正処理は、図９に処理の流れが図示されているので、ここからは図９を参照して説明する。ステップＳ３００の所定温度時補正処理は、図７を参照して説明した初期温度時補正処理と似ている。

【0065】

ステップＳ３００の所定温度時補正処理では、ボイラー装置１２から既知温度の水蒸気（例えば１００℃の飽和水蒸気）を過熱水蒸気発生装置２０に導入してハウジング２１内をその既知温度の水蒸気で満たすことによって、その既知の周囲温度における発熱線３３の抵抗値を実際に計測する。

【0066】

例えば、発熱線３３の通電制御を開始する前において、予め設定された温度の水蒸気がボイラー装置１２から過熱水蒸気発生装置２０に出力されるとほぼ同時に、ボイラー装置１２からその出力情報がコントローラ５０に出力されるため、この出力情報をトリガにしてステップＳ３００を実行する。また、ボイラー装置１２の電熱ヒーターの通電を開始してから所定時間を経過すると、既知温度の水蒸気（例えば１００℃の飽和水蒸気）が過熱水蒸気発生装置２０に出力される場合には、この所定時間の経過をトリガにしてもよい。なお、ボイラー装置１２から出力される水蒸気の温度が予め設定されていない場合には、ボイラー装置１２の温度センサ１７が出力する水温情報をコントローラ５０が取得してもよい。

【0067】

これにより、今度は、その既知温度について、予め設定されている所定の変換マップ（発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップ）を補正することが可能になる。そのため、既知温度において、例えば、経年劣化や発熱線３３の個体差等により発熱線３３の抵抗値が予め設定されている抵抗値と異なっていた場合には、そのような誤差が補正される。なお、所定の変換マップを直接補正するのではなく、所定の変換マップから得られた抵抗値を個々に補正してもよい（所定の変換マップから抵抗値を得る都度補正するように構成する）。

【0068】

所定温度時補正処理では、まずステップＳ３０１により微小電力出力処理が行われる。カートリッジヒーター３０の発熱線３３に対して出力する微小電力は、初期温度時補正処理の場合と同様であり、発熱線３３が発熱しない（発熱に寄与しない）程度の電流値、または発熱線３３が発熱したとしてもその熱が被覆管３５に伝達されない（発熱に殆ど寄与しない）程度の電流値である。なお、初期温度時補正処理の場合の微小電力や、所定温度時補正処理の場合の微小電力は、特許請求の範囲に記載の「発熱に寄与しないまたは発熱に殆ど寄与しない電力」に相当し得るものである。これらの微小電力の具体的な値は、カートリッジヒーター３０の発熱線３３の電気的仕様（抵抗値等）に左右されることから、個別具体的な実験やコンピュータシミュレーション等の結果に基づいて予め設定される。

【0069】

続くステップＳ３０３により、電圧センサ７１から電圧情報（電圧値Ｖｎ）を取得し、電流センサ７３から電流情報（電流値Ｉｎ）を取得する。より具体的には、入出力インタフェース５７等のバッファメモリに保持されている、現在の電圧情報（電圧値Ｖｎ）や電流情報（電圧値Ｉｎ）を当該バッファメモリから取得する。これにより、次のステップＳ３０５の抵抗値算出処理により、電圧値Ｖｎを電流値Ｉｎで除算することにより発熱線３３の実測の抵抗値Ｒｂ（＝Ｖｎ／Ｉｎ）が得られる。そして、ステップＳ３０６により発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップを参照して、発熱線３３の既知の周囲温度（例えば、１００℃）に対する抵抗値Ｒｋを逆引きで取得する。

【0070】

次のステップＳ３０７では、ステップＳ３０５により算出した実測の抵抗値Ｒｂと、ステップＳ３０６により逆引きをした抵抗値Ｒｋと、の差を算出し、さらにステップＳ３０８の判定処理により、両者の抵抗値の差（誤差）が許容範囲外であるか否かを判定する。誤差が許容範囲外である場合には（Ｓ３０８でＹｅｓ）、続くステップＳ３０９により当該変換マップを補正する。この補正は、初期温度時補正処理のステップＳ２０９の場合と同様に行われるが、例えば、当該既知温度以上について補正を行い、当該既知温度未満については補正を行わないように処理をしてもよい。これにより、ステップＳ２００の初期温度時補正処理における補正を当該既知温度未満について残すことが可能になる。補正が終わると、補正後の各抵抗値をメモリ５３に上書き記憶して、本所定温度時補正処理を終えて図６の駆動制御処理に戻る。また、両者の抵抗値の差（誤差）が許容範囲外でない（許容範囲内である）場合にも（Ｓ３０８でＮｏ）、本所定温度時補正処理を終えて図６の駆動制御処理に戻る。

【0071】

このように本実施形態のコントローラ５０が実行する駆動制御処理では、ステップＳ２００の初期温度時補正処理と、ステップＳ３００の所定温度時補正処理との両方において発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップを補正する。これにより、次に説明するステップＳ４００のヒーター制御処理においては、被覆管３５の推定温度の精度を向上させることが可能になる。

【0072】

なお、本実施形態の駆動制御処理では、ステップＳ２００の初期温度時補正処理と、ステップＳ３００の所定温度時補正処理との両方に実行するようにアルゴリズムを構成したが、電源投入後の過熱水蒸気発生システム１０の起動時間を短縮する必要がある場合には、これらのうちのいずれか一方だけを実行するように駆動制御処理のアルゴリズムを構成してもよい。また、過熱水蒸気発生システム１０の起動時間の短縮を最優先にする場合には、ステップＳ２００の初期温度時補正処理およびステップＳ３００の所定温度時補正処理を実行することなく省略してもよい。

【0073】

図６に示すように、駆動制御処理のステップＳ４００では、ヒーター制御処理が行われる。このヒーター制御処理は、ボイラー装置１２から飽和水蒸気が出力されて過熱水蒸気発生装置２０のハウジング２１に導入されている場合に実行され、カートリッジヒーター３０に駆動電力を供給する。そのため、ボイラー装置１２から飽和水蒸気が出力されていない場合には、ボイラー装置１２からその出力情報がコントローラ５０に出力されるまで当該コントローラ５０では処理を待つ。ステップＳ４００のヒーター制御処理は、図１０に処理の流れが図示されているので、ここからは図１０を参照して説明する。

【0074】

本ヒーター制御処理では、まずステップＳ４０１により電圧・電流情報取得処理が行われる。これは、電圧センサ７１や電流センサ７３からリアルタイムに出力されて入出力インタフェース５７等のバッファメモリに保持されている電圧情報（電圧値Ｖｒ）や電流情報（電流値Ｉｒ）を、当該バッファメモリから取得する処理である。これらの情報は、次のステップＳ４０３の抵抗値算出処理に用いられて、電圧値Ｖｒを電流値Ｉｒで除算することにより発熱線３３の実測の抵抗値Ｒｒ（＝Ｖｒ／Ｉｒ）が得られる（Ｓ４０３）。

【0075】

次にステップＳ４０５により被覆管温度推定処理が行われる。この処理では、ステップＳ４０３により算出した発熱線３３の実測の抵抗値Ｒｒから、発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップを参照して被覆管３５の現在の温度を推定する。例えば、発熱線３３の実測の抵抗値Ｒｒが５０Ωである場合には、図８に示す補正後のマップ（破線のカーブ）においては、被覆管３５の推定温度は約３４０℃であることがわかる。

【0076】

そして、このステップＳ４０５により推定された被覆管３５の推定温度情報がステップＳ４０７による駆動電力制御処理に用いられる。駆動電力制御処理（Ｓ４０７）では、例えば、ＰＩＤ制御により目標温度に対する誤差が修正される。被覆管３５の目標温度が、例えば、３８０℃に設定されている場合には、ステップＳ４０５により推定された被覆管３５の推定温度情報に基づいて、被覆管３５の温度が目標温度の３８０℃に近づくように、発熱線３３に供給される駆動電力が制御される。

【0077】

発熱線３３の駆動電力にＰＩＤ制御を用いることにより、発熱線３３の発熱温度を目標温度に高い精度で近づけることが可能になるが、制御の精度よりも駆動制御の処理の簡素化を優先する場合には、ステップＳ４０７による駆動電力制御処理は、ＰＩＤ制御に限られない。例えば、制御が比較的に単純なオンオフ制御（ＯＮ－ＯＦＦ制御）や上限値制御でもよいし、また比例制御でもよい。

【0078】

また、ステップＳ４０７の駆動電力制御処理においては、交流波形の位相角制御に対応した駆動電力用のパルス波形の電流が発熱線３３に出力される。例えば、最大電力時の場合、商用電源の周波数が５０Hzのときには１秒間に１００パルスが出力され、また商用電源の周波数が６０Hzのときには１秒間に１２０パルスが出力される。最大電力時以外の場合には、出力されるパルス数はこれら（１００または１２０パルス）よりも減少する。また、最小電力時の場合には、このようなパルスは出力されない。つまり、駆動電力の供給を休止する。ヒーター制御処理（Ｓ４００）の期間中においては、駆動電力の供給を休止する場合を除いて、このようなパルス状の電流波形の駆動電力が原則として出力されている。

【0079】

このようにカートリッジヒーター３０に駆動電力を供給している期間中においては、最大電力時以外の場合を除いて発熱線３３の電流値が変動することから、正確な電圧情報や電流情報が得られ難い。そのため、例えば、最大電力時以外の場合においては、パルス状の電流波形が出力されていない期間中（最小電力時の場合を含む）を検出して、抵抗値を計測するためのパルス電流を発熱線３３に出力する。また、パルス状の電流波形が出力しない期間を、例えば、毎秒ごとに強制的に設け、その期間中に抵抗値を計測するためのパルス電流を発熱線３３に出力する。このような期間中には、例えば、パルス幅５ミリ秒のミリアンペアオーダーの微小電流を１パルスだけ出力する。これにより、ステップＳ４０１により取得された電圧情報および電流情報を用いて、Ｓ４０３により算出された発熱線３３の抵抗値は、精度が上がることから、ステップＳ４０５により推定された被覆管３５の推定温度の精度も向上させることが可能になる。

【0080】

また、例えば、発熱線３３を発熱させるための駆動電力の供給を、所定期間の間、休止させる。この所定期間は、カートリッジヒーター３０の発熱線３３が被覆管３５の温度とほぼ等しくなるのに要する時間（例えば、３秒間）である。このような所定期間中に発熱線３３の抵抗値を測ることにより、被覆管３５の温度を検出する温度センサとして、カートリッジヒーター３０を機能させることが可能なる。例えば、当該所定期間中に、前述した微小電力出力処理（Ｓ２０１，Ｓ３０１）と同様に、発熱線３３に対して、例えば、パルス幅５０ミリ秒のミリアンペアオーダーの微小電流（発熱線３３の抵抗値を計測するための微小電流）を１秒間に１０パルス出力する。これにより、ステップＳ４０１により取得された電圧情報および電流情報を用いて、Ｓ４０３により算出された発熱線３３の抵抗値は、さらに精度が上がることから、ステップＳ４０５により推定された被覆管３５の推定温度の精度も一層向上させることが可能になる。

【0081】

カートリッジヒーター３０に駆動電力を供給している期間中において、例えば、最大電力時の場合等、発熱により発熱線３３自体の温度が上昇して温度変化が継続しているときには、発熱線３３の温度と被覆管３５の温度とが異なることがある。発熱線３３と被覆管３５の間に介在する絶縁物３４の熱抵抗が影響するからである。そのため、発熱線３３の温度が上昇している期間中（例えば、駆動電力の供給開始後から、被覆管３５の温度が目標温度未満の所定温度（目標温度付近）に到達するまでの期間中）においては、発熱線３３の温度から絶縁物３４の熱抵抗分の温度を減算したものが被覆管３５の温度になる（Ｓ４０５）。なお、発熱線３３の温度は、図８に示す変換マップのように構成されてメモリ５３に記憶されている図略の発熱線抵抗値対発熱線温度の変換マップを用いて推定する。また、発熱線３３の温度が上昇している期間は、例えば、予め設定されているタイマーカウンタ値を図略のタイマー処理によりカウントダウンすることによって、駆動電力の供給開始後からの経過時間を計時する。

【0082】

このようにパルス状の電流波形が出力されていない期間や、発熱線３３を発熱させるための駆動電力の供給を休止している所定期間は、特許請求の範囲に記載の「所定タイミング」に相当し得るものである。

【0083】

このステップＳ４００によるヒーター制御処理は、ステップＳ５００により電源オフの情報が入力されるまで継続して行われる（Ｓ５００でＮｏ）。電源オフの情報が入力されたとステップＳ５００により判定されると（Ｓ５００でＹｅｓ）、それまでの制御に使用されていた制御情報（例えば、被覆管３５の最高温度情報や発熱線抵抗値対被覆管温度の変換マップの補正履歴等）を、ステップＳ６００の制御情報記憶処理によってメモリ５３のＲＡＭの不揮発性領域に記憶して本駆動制御処理を終了する。

【0084】

なお、図６に示す駆動制御処理において、ステップＳ５００の判定処理による判定結果が「Ｎｏ」であった場合におけるヒーター制御処理（Ｓ４００）の繰り返しループは、例えば、的確なタイミングとして２分間隔で行われるように処理の流れを構成してもよい。つまり、この場合には、ヒーター制御処理（Ｓ４００）が行われた後、再度、ヒーター制御処理（Ｓ４００）が行われるまでの時間は２分間である。そのため、例えば、電圧・電流情報取得処理（Ｓ４０１）、抵抗値算出処理（Ｓ４０３）および被覆管温度推定処理（Ｓ４０５）を約３秒間の期間内に行い、残り期間の約１分５７秒間の期間内に駆動電力制御処理（Ｓ４０７）とＳ６００の判定処理を行う。これにより、的確なタイミングである２分ごとに被覆管３５の温度を推定してその温度を制御することが可能になる。

【0085】

また、このようなループ処理により繰り返されるヒーター制御処理（Ｓ４００）の繰り返し時間を、過熱水蒸気発生システム１０の運転状況に応じて自動的に変更するように構成してもよい。例えば、過熱水蒸気発生システム１０の電源投入後、カートリッジヒーター３０のヒーター制御処理（Ｓ４００）が初めて開始された場合（発熱線３３の発熱開始直後の場合）においては、ヒーター制御処理（Ｓ４００）の繰り返し時間を数秒～１０秒程度に設定し、電源投入後、３０分経過後（発熱線３３の発熱が安定した後）は、ヒーター制御処理（Ｓ４００）の繰り返し時間を２分～５分程度に設定するように構成する。これにより、例えば、発熱線３３の発熱開始直後においては、発熱線３３の急峻な温度の立ち上がりに追従した温度制御を行うことが可能になり、発熱線３３の発熱が安定した後においては、ノイズ等の外乱に起因した不要な温度制御を抑制することが可能になる。

【0086】

以上説明したように、本実施形態の過熱水蒸気発生システム１０では、複数の細管４０は、ハウジング２１内においてカートリッジヒーター３０の本体３１の周囲に、被覆管３５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（被覆管３５）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、本体３１の周囲を囲むように細管４０が配置されていることから、束ねられた複数の細管４０の周囲に本体３１を配置する構成（上記特許文献１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。そのため、加熱効率が向上することから、特許文献１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。

【0087】

また、コントローラ５０は、所定タイミングにおける電圧センサ７１の電圧情報および電流センサ７３の電流情報から得られる発熱線３３の抵抗値を用いて被覆管３５の温度を推定して、この推定温度に基づいて目標温度を設定し、カートリッジヒーター３０の本体３１の被覆管３５がこの目標温度になるように発熱線３３の通電を制御する。これにより、温度センサを設けることなく、本体３１の被覆管３５の温度を推定しその温度を的確なタイミングで制御することが可能になる。ニクロム線等の発熱線３３は、発熱の立ち上がりが比較的に速いことから、発熱線３３を有する本体３１においては、急峻な温度の立ち上がりに追従した温度制御を行うことが可能になる。また、このような本体３１の温度制御が可能になることで、本体３１の周囲近傍等に細管４０を配置する構成を採っても細管４０の変性や劣化を抑制することが可能になる。

【0088】

したがって、本実施形態の過熱水蒸気発生システム１０では、簡素な構成でありながら過熱水蒸気発生装置２０の加熱効率を向上し、かつ、カートリッジヒーター３０の本体３１の近傍等に配置された細管４０の変性や劣化を抑制することができる。例えば、カートリッジヒーター３０の周囲に配置する複数の細管４０を真鍮製にしても、これらの細管４０が接触し得るカートリッジヒーター３０の被覆管３５の温度を、例えば４００℃以下に管理することによって、真鍮製の細管４０の劣化を抑制することが可能になる。つまり、コスト的に安価であり、熱伝導率が大きい真鍮パイプを細管４０に適用することが可能になる。

【0089】

なお、上述した実施形態の過熱水蒸気発生システム１０の過熱水蒸気発生装置２０では、カートリッジヒーター３０の被覆管３５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、被覆管３５に直接接触させることなく、被覆管３５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、被覆管３５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が発熱することにより発せられた熱は、本体３１（被覆管３５）の周囲に配置された複数の細管４０に間接的に伝わることから、被覆管３５と細管４０の間の熱抵抗が増加する。そのため、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ので、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。

【0090】

また、上述した実施形態の過熱水蒸気発生システム１０の過熱水蒸気発生装置２０では、細管４０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製や非金属材料製にしてもよい。

【0091】

なお、細管４０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の被覆管３５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、特許文献１の外周ヒータータイプの構成に比べて、本体３１（被覆管３５）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。

【0092】

したがって、特許文献１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。

【0093】

また、細管４０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の寿命を延ばすことも可能になる。

【0094】

さらに、上述した実施形態の過熱水蒸気発生システム１０の過熱水蒸気発生装置２０では、ハウジング２１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。

【0095】

細管４０に代えて、例えば、断面形状が円形の丸線や断面形状が矩形の平角線等を蔓巻状（コイル状）に巻回したもの加熱体として用いてもよい。また、図１１に示すように、細管４０を細かく輪切り（軸方向に細切れ）にしたような複数の加熱リング１４０を、カートリッジヒーター３０の周囲に配置してもよい。図１１(A)には、細管４０に代えて加熱リング１４０を用いた場合の構成例を示す断面図が図示されている。また、図１１(B)には、図１１(A)に示すXI-B－XI-B線により切断した状態を同矢印方向から見た径方向断面図が図示されている。

【0096】

加熱リング１４０は、例えば、真鍮（黄銅）製であり、本実施形態では、軸長が約３mmに設定されている。本実施形態では、８個の加熱リング１４０がカートリッジヒーター３０の被覆管３５の周囲に配置されており、これらの加熱リング１４０の外周壁が隣接する他の加熱リング１４０の外周壁に接触するように設けられている。また、本実施形態では、このように配される８個の加熱リング１４０が、ハウジング２１の一端部２１ａと他端部２１ｂの間において、被覆管３５の軸方向に等間隔に配置されている。

【0097】

これにより、入力パイプ２３から導入された飽和水蒸気は、加熱リング１４０の一端部１４０ａから流入して加熱リング１４０の内周壁に接した後、他端部１４０ｂから流出することにより、被覆管３５の熱が加熱リング１４０を介して当該飽和水蒸気に熱伝達される。そのため、ハウジング２１の一端部２１ａから他端部２１ｂに向かって飽和水蒸気が複数の加熱リング１４０を通過する間に、このような熱伝達が繰り返し行われることによって、当該飽和水蒸気は、細管４０の場合と同様に、例えば、２５０℃～２９０℃で加熱され、出力パイプ２４や他端部２１ｂから過熱水蒸気として排出される。

【0098】

また、ハウジング２１内においては、加熱リング１４０の外側を飽和水蒸気が加熱リング１４０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、加熱リング１４０の外周壁で、例えば、２５０℃前後に加熱される。これにより、加熱リング１４０の外周壁に沿ってハウジング２１の他端部２１ｂに流れる水蒸気も過熱水蒸気になるため、出力パイプ２４や他端部２１ｂから過熱水蒸気が排出される。

【0099】

さらに、加熱リング１４０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、加熱リング１４０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、加熱リング１４０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や他端部２１ｂから過熱水蒸気が排出される。

【0100】

なお、このような複数の加熱リング１４０に代えて、帯状の真鍮板からなるフィンをカートリッジヒーター３０の本体３１（被覆管３５）から径方向に突出するように本体３１の周囲に螺旋状に巻き付けてもよい。即ち、帯状の真鍮製のフィンをカートリッジヒーター３０の一端側から他端側に向けて螺旋穴掘り器の刃のように本体３１（被覆管３５）の周囲に巻き付ける。これにより、入力パイプ２３から導入された飽和水蒸気は、このようなフィンの表裏の両面に接しながら、ハウジング２１の一端部２１ａから他端部２１ｂに向かって流れることで、被覆管３５の熱が当該フィンを介して飽和水蒸気に熱伝達される。そのため、当該飽和水蒸気は、細管４０の場合と同様に、例えば、２５０℃～２９０℃で加熱されて出力パイプ２４や他端部２１ｂから過熱水蒸気として排出される。

【0101】

特許請求の範囲に記載の「加熱体」は、被覆管３５の熱を飽和水蒸気に熱伝達し得る構造体であって、当該飽和水蒸気がハウジング２１の一端部２１ａから他端部２１ｂに流通可能な隙間を形成し得るものであれば、細管４０、加熱リング１４０やこのようなフィンに限られることはなく、例えば、表面や裏面が波状や凹凸状に形成された真鍮板（金属板）や、金属タワシのように縺れた真鍮線（金属線）の糸玉や塊等でもよい。またこれらはステンレス鋼からなるものでもよい。

【0102】

また、上述した実施形態の過熱水蒸気発生システム１０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（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。

【0103】

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や加熱リング１４０等を加熱することが可能になり、また細管４０や加熱リング１４０等の数も増加するため、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。

【0104】

また、上述した実施形態や他の各構成例では、発熱体として、カートリッジヒーター３０の場合を例示して説明したが、棒状の発熱体であり、その周囲に複数の細管４０や加熱リング１４０等が囲むように配置することが可能な発熱体であれば、例えば、シーズヒーターを用いてもよい。

【0105】

また、上述した実施形態や他の各構成例では、カートリッジヒーター３０の被覆管３５の温度を推定して被覆管３５の温度が目標温度になるように制御系を構成したが、発熱線３３の温度を推定して、発熱線３３の発熱温度が目標温度になるように制御系を構成してもよい。これにより、発熱線３３が目標温度を大幅に超える温度に発熱することを抑制することが可能になる。また、接触タイプの温度センサを用いて発熱線３３の発熱温度を検出する場合に比べて時間的な遅れが非常に小さくなるので、発熱線３３の急峻な温度の立ち上がりに追従した温度制御を行うことが可能になり、カートリッジヒーター３０の保護を適切に行うことができる。

【0106】

また、上述した実施形態や他の各構成例では、微小電力として、例えば、パルス幅５０ミリ秒のミリアンペアオーダーの微小電流を１秒間に１０パルス出力したり、パルス幅５ミリ秒のミリアンペアオーダーの微小電流を１パルスだけ出力したりしたが、駆動用のパルス波形の電流が発熱線３３に出力されていない期間中であれば、これに限られることはなく、例えば、マイクロオーダーやミリアンペアオーダーの微小電流を時間的に連続して発熱線３３に流してもよい。この場合、微小電流を連続して流している期間中に電圧センサ７１や電流センサ７３により、電圧値や電流値を複数回検出し、複数の電圧情報や電流情報を取得することによって、平均値、中央値、最頻値等を所定の統計処理により得ることが可能になる。そのため、発熱線３３の抵抗値の算出精度を高めることができ、ひいてはこのような抵抗値を用いて推定する被覆管３５の推定温度の精度を、さらに向上させることができる。

【0107】

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。

【符号の説明】

【0108】

１０…過熱水蒸気発生システム
１１…筐体
１２…ボイラー装置
１７…温度センサ
２０…過熱水蒸気発生装置
２１…ハウジング（筒体）
３０…カートリッジヒーター
３１…本体（発熱体）
３３…発熱線
３５…被覆管
４０…細管（加熱体）
４０ａ…一端部（一端側）
４０ｂ…他端部（他端側）
５０…コントローラ
７１…電圧センサ
７３…電流センサ
１４０…加熱リング（加熱体）
１４０ａ…一端部（一端側）
１４０ｂ…他端部（他端側）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】