过热水蒸气生成装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种过热水蒸气生成装置，能高速响应且高精度地进行过热水蒸气的温度控制，通过感应线圈对水蒸气所接触的加热金属件进行感应加热，来加热与所述加热金属件接触的水蒸气，由此生成过热水蒸气，与所述感应线圈连接的交流电源的频率为50Hz或60Hz，所述加热金属件的朝向所述感应线圈侧的感应线圈侧的面与和所述水蒸气接触的水蒸气接触面之间的壁厚为10mm以下。
【专利说明】
过热水蒸气生成装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及通过感应加热生成过热水蒸气的过热水蒸气生成装置。
【背景技术】
[0002]在所述过热水蒸气生成装置中，如专利文献I所示，有下述的装置:通过对缠绕在铁心上的初级线圈施加交流电压，使感应电流流过缠绕在所述铁心上的、成为次级线圈的导体管，加热流过所述导体管的饱和水蒸气而生成过热水蒸气。
[0003]此外，在所述过热水蒸气生成装置中，通过由温度检测器检测从导体管导出的过热水蒸气的温度，并向电压控制元件输入对应于所述检测温度与目标温度的偏差的控制信号，来控制施加到感应线圈上的电压。由此，把从导体管导出的过热水蒸气控制在所希望的温度。
[0004]可是，在以往的过热水蒸气生成装置中，为了高精度地控制过热水蒸气，只不过是设定反馈控制(PID控制)的PID常数这种程度的控制。现有技术文献
[0005]专利文献I:日本特許第5641578号
【发明内容】
[0006]因此，本发明人正在推进能够不仅仅依赖PID控制的PID常数的设定地、高速响应且高精度地控制过热水蒸气的温度的过热水蒸气生成装置的开发，本发明的主要目的在于高速响应且高精度地进行过热水蒸气的温度控制。
[0007]S卩，本发明提供一种过热水蒸气生成装置，其通过感应线圈对水蒸气接触的加热金属件进行感应加热，来加热与所述加热金属件接触的所述水蒸气，由此生成过热水蒸气，与所述感应线圈连接的交流电源的频率为50Hz或60Hz，所述加热金属件的朝向所述感应线圈侧的感应线圈侧的面与水蒸气接触面之间的壁厚为1mm以下，所述水蒸气接触面与所述水蒸气接触。
[0008]按照这种过热水蒸气生成装置，由于对感应线圈侧的面与蒸气接触面之间的壁厚为1mm以下的加热金属件施加50Hz或60Hz的交流电压，所以能够减小加热金属件的成为水蒸气加热面的水蒸气接触面与加热金属件的成为温度控制面的感应线圈侧的面的温度差，能够高速响应且高精度地进行加热金属件的水蒸气接触面的温度控制。因此，能够高速响应且高精度地控制由加热金属件加热的过热水蒸气的温度。具体内容将在后面描述。
[0009]优选的是，所述加热金属件为非磁性金属。
[0010]通常非磁性金属的电流渗透深度大，不仅适用于温度较高范围的过热蒸气的生成，也适用于温度低的范围的过热蒸气的生成。
[0011]在磁性体的磁性残余的温度区域中电流渗透深度浅，例如碳钢的300°C.50Hz下的电流渗透深度为8.6mm。
[0012]另一方面，SUS316L的电流渗透深度为75.4mm，即使是厚度1mm的内表面，相对于加热金属件的外表面，也能够确保90 %以上的电流密度。
[0013]如果是其他的非磁性的奥氏体系不锈钢，由于耐腐蚀性和耐热性高，电流渗透深度也具有类似的深的特性，适于从低温至高温的宽广温度区域的过热水蒸气的生成。
[0014]优选的是，所述过热水蒸气生成装置具备温度控制部，所述温度控制部对由所述加热金属件加热的过热水蒸气的温度进行反馈控制，使得所述过热水蒸气的温度与目标温度的偏差小于±1°C。
[0015]按照该结构，通过有效利用对壁厚为1mm以下的加热金属件施加50Hz或60Hz的交流电压的结构，能够容易地高精度地控制过热水蒸气的温度。
[0016]过热水蒸气的温度控制，例如是对向导体管等加热金属件供给的电能进行控制，与控制过热水蒸气所具有的能量等价。此外，如果设过热水蒸气具有的能量为Q，则当例如将从饱和水蒸气生成过热水蒸气时其温度上升值设为Θ并将过热水蒸气产生量设为V时，则所述Q可以表示为Q与?V。因此，PID的各控制常数会因Q亦即ΘV的变化而改变。因此，优选的是，所述温度控制部根据目标温度和目标蒸气产生量设定PID常数。
[0017]优选的是，所述加热金属件的壁厚被设定为:相对于所述加热金属件的所述感应线圈侧的面的电流密度，使所述水蒸气接触面的电流密度成为90 %以上。
[0018]按照该结构，相对于加热金属件的感应线圈侧的面的、水蒸气接触面的发热比成为约80%以上，能够容易地高精度地进行控制。
[0019]优选的是，所述加热金属件是所述水蒸气流过的导体管，所述导体管的管厚为1mm以下。
[0020]按照如上所述构成的本发明，由于对感应线圈侧的面与蒸气接触面之间的、壁厚为1mm以下的加热金属件施加50Hz或60Hz的交流电压，所以能够不仅仅依赖PID控制的PID常数的设定地、高速响应且高精度地控制过热水蒸气的温度。
【附图说明】
[0021]图1是示意性地表示本实施方式的过热水蒸气生成装置的结构的图。
[0022]图2是表示将SUS316L加热到800°C时的电流渗透深度的图。
[0023]图3是表示过热水蒸气能量与各控制常数的适当值的关系的图。
[0024]图4是表示加热金属件的变形例的截面图。
[0025]附图标记说明
[0026]100过热水蒸气生成装置
[0027]2 加热金属件
[0028]3 铁心
[0029]4 感应线圈
[0030]5 交流电源
[0031]6 温度检测器
[0032]7 电压控制元件
[0033]8 温度控制部
【具体实施方式】
[0034]以下参照【附图说明】本发明的过热水蒸气生成装置的一个实施方式。
[0035]本实施方式的过热水蒸气生成装置100，通过用加热金属件2加热在外部生成的饱和水蒸气，生成超过100°c (200 °C?2000°C )的过热水蒸气。另外，所述过热水蒸气生成装置100可以包括:饱和水蒸气生成部，通过用加热金属件加热水来生成饱和水蒸气；以及过热水蒸气生成部，通过用加热金属件加热由所述饱和水蒸气生成部生成的饱和水蒸气，来生成超过100 °C( 200 °C?2000 °C)的过热水蒸气。
[0036]所述加热金属件2形成有用于流过流体的内部流道，具体地说，所述加热金属件2为导体管。此外，对各加热金属件2进行感应加热的机构，由铁心3以及沿所述铁心3缠绕的初级线圈亦即感应线圈4构成。所述加热金属件2沿所述初级线圈4设置在所述感应加热机构的初级线圈4的外周上或初级线圈4的内周上或初级线圈4之间。
[0037]此外，对感应线圈4施加交流电压的交流电源5的电源频率，是50Hz或60Hz的商用频率。
[0038]按照这样构成的过热水蒸气生成装置100，通过对感应线圈4施加50Hz或60Hz的交流电压，在加热金属件2中流过感应电流，各加热金属件2产生焦耳热。此外，流过加热金属件2的内部流道的水蒸气，从加热金属件2的内表面接受热量而被加热。
[0039]作为本实施方式的加热金属件2的导体管，通过将作为非磁性金属的SUS316L等不锈钢管缠绕成螺旋状而形成，导体管的管壁的壁厚(管厚)为1mm以下。即，导体管2的朝向感应线圈4侧的感应线圈侧的面(导体管2的外表面)和与水蒸气接触的水蒸气接触面(导体管2的内表面)之间的壁厚为1mm以下。另外，在所述管壁的壁厚中，只要所述感应线圈侧的面与所述水蒸气接触面的最短距离为1mm以下即可，此外，所述管壁的壁厚只要为1mm以下且具有能承受过热水蒸气压力和热伸长变形的规定的机械强度的壁厚以上即可。
[0040]在此，感应加热的被加热体(导体管)的电流渗透深度o[m]，由金属的电阻率P[Ω.m]、相对磁导率μ和电源频率f [Hz]决定，由下述公式表示。
[0041 ] σ = 503.3^{ρ/(μ?)}
[0042]例如，在SUS316L制的导体管被加热到800°C的状态下，在商用频率50Hz下被称为电流渗透深度的、成为表面电流密度的36.8%的深度是96.5mm，在作为高频的10000Hz下电流渗透深度是6.8mm。
[0043]图2是表示800°C下的SUS316L的感应电流的电流渗透深度的图，表示了将导体管的初级线圈侧表面电流密度设为1.0时的电流密度与深度的关系。
[0044]例如，如果设导体管为壁厚6.8mm的管，贝Ij由于10000Hz下相对于表面的、内表面的电流密度为36.8%，所以相对于表面发热，内表面发热成为作为电流密度的平方的13.5%。
[0045]另一方面，50Hz下导体管的内表面的电流密度为约95%，因此相对于表面的内表面的发热比成为约90%。
[0046]由于生成过热水蒸气的是导体管的内表面，所以在10000Hz的高频下，相对于表面为I的加热，必需控制内表面为0.135的发热温度，与此相对，在50Hz的商用频率下，用表面为I的加热，只要控制内表面为0.9的发热温度即可。即，导体管的内表面和导体管的外表面的温度差小的商用频率下的控制性优异。
[0047]在所述过热水蒸气生成装置100中，由温度检测器6检测从导体管2导出的过热水蒸气的温度，将与所述检测温度和目标温度的偏差对应的控制信号输入电压控制元件7(例如晶闸管)，来控制施加给感应线圈4的交流电压。具体地说，进行所述控制的温度控制部8，以使由导体管2加热的过热水蒸气的温度与目标温度的偏差成为小于±1°C的方式进行反馈控制。
[0048]所述温度控制部8以根据过热水蒸气的目标温度和目标蒸气产生量设定PID常数的方式构成。具体地说，温度控制部8使用表示过热水蒸气能量Q和各控制常数(PID常数)的适当值的关系的关系数据，设定PID常数。
[0049]在此，所述关系数据是按照每一个生成的过热水蒸气量和生成的过热水蒸气温度的条件取得适当的PID常数而制作的数据，表示比例常数Kp、积分常数K1、微分常数Kd各自的关系式(近似式)ο具体地说，如图3所示。
[0050]例如，Kp可以表示为如下所示的式子。
[0051]Kp = anQn+a(n-1)Q(n_1)+......+aiQ^ao
[0052]在此，an?ao为常数。另外，K1、Kd也可以同样地表示。
[0053]过热水蒸气能量Q可以用ΘV计算，温度上升值Θ可以根据设定温度计算，过热水蒸气产生量V可以根据设定过热水蒸气量的电动比例阀的阀开度或者供水量或者供给饱和蒸气量计算。
[0054]本实施方式的温度控制部8，根据生成的过热水蒸气设定温度计算Θ，并根据控制供给的饱和水蒸气量的电动比例阀的阀开度计算V来决定Q，并在该时点计算Kp、Ki和Kd以进行控制常数的设定。
[0055]由于所述功能被自动设定(自动调整)，所以从运转开始就利用最佳的控制常数进行温度控制。在此，在过热水蒸气生成装置100中，通常设定最初产生的过热水蒸气温度Θ和过热水蒸气量V后开始运转，并且通常进行稳定的负载状态的运转，所以平常Θ和V不会发生变化而使负载量变动，由此无需总是使控制常数变化。另外，在不具备电动比例阀的机种的情况下，可以根据设定过热水蒸气量、或来自测量供给的饱和水蒸气的流量的流量计和测量所述饱和水蒸气的温度的温度计的测量值来进行计算。
[0056]〈本实施方式的效果〉
[0057]按照如上所述地构成的过热水蒸气生成装置100，由于对壁厚1mm以下的加热金属件2施加50Hz或60Hz的交流电压，所以能够减小加热金属件2的成为水蒸气加热面的内表面与加热金属件2的成为温度控制面的外表面的温度差，能够高速响应且高精度地进行加热金属件2的内表面的温度控制。因此，能够高速响应且高精度地控制由加热金属件2加热的过热水蒸气的温度。
[0058]特别是在对壁厚1mm以下的加热金属件施加50Hz或60Hz的交流电压的结构中，因为根据目标温度和目标蒸气产生量设定PID常数，所以能够容易地高精度地对过热水蒸气的温度进行反馈控制，以使过热水蒸气的温度与目标温度的偏差成为小于± 1°C。
[0059]〈本发明的变形实施方式〉
[0060]另外，本发明不限于所述实施方式。
[0061 ]作为导体管的材质，不限于SUS316L，例如也可以是因科内尔镍合金(Inconelalloy)(JIS合金编号NCF601)等。在使用了所述因科内尔镍合金的过热水蒸气生成装置中，过热水蒸气量为200kg/h、最高蒸气温度为12000C，且壁厚为3mm，该壁厚能承受过热水蒸气压力和热伸长变形。
[0062]此外，加热金属件不限于导体管，例如，如图4所示，也可以是内部形成有流过水或水蒸气的内部流道的块体。在该情况下设置为:加热金属件2的作为感应线圈侧的面的一个面2x和与所述一个面2x邻接的内部流道C的作为水蒸气接触面的内表面Cx的距离成为1mm以下。在此，所述距离是与内表面Cx的一个面2x侧部分(X)的最短距离(参照图4)。另外，也可以将所述距离设为是与内表面Cx的另一个面2y侧部分(Y)的最短距离，还可以设为是与所述一个面2x侧部分(X)和另一个面2y侧部分(Y)之间的部分的最短距离。另外，为了高效地加热通过内部流道C的全部水蒸气，可以将与距所述一个面2x最远的内部流道C的内表面Cx的最短距离设为1mm以下。此外，也可以通过重叠多个金属体部件而在这些部件之间形成内部流道。
[0063]此外，本发明不限于所述实施方式，在不脱离本发明技术思想的范围内可以进行各种变形。
[0064]可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技术方案。
【主权项】
1.一种过热水蒸气生成装置，其通过感应线圈对水蒸气接触的加热金属件进行感应加热，来加热与所述加热金属件接触的所述水蒸气，由此生成过热水蒸气，所述过热水蒸气生成装置的特征在于， 与所述感应线圈连接的交流电源的频率为50Hz或60Hz， 所述加热金属件的朝向所述感应线圈侧的感应线圈侧的面与水蒸气接触面之间的壁厚为I Omm以下，所述水蒸气接触面与所述水蒸气接触。2.根据权利要求1所述的过热水蒸气生成装置，其特征在于，所述加热金属件为非磁性金属。3.根据权利要求1所述的过热水蒸气生成装置，其特征在于，所述过热水蒸气生成装置具备温度控制部，所述温度控制部对由所述加热金属件加热的过热水蒸气的温度进行反馈控制，使得所述过热水蒸气的温度与目标温度的偏差小于± 10C。4.根据权利要求3所述的过热水蒸气生成装置，其特征在于，所述温度控制部根据目标温度和目标蒸气产生量设定PID常数。5.根据权利要求1所述的过热水蒸气生成装置，其特征在于，所述加热金属件的壁厚被设定为:相对于所述加热金属件的所述感应线圈侧的面的电流密度，使所述水蒸气接触面的电流密度成为90%以上。6.根据权利要求1所述的过热水蒸气生成装置，其特征在于，所述加热金属件是所述水蒸气流过的导体管，所述导体管的管厚为1mm以下。
【文档编号】F22G1/16GK105987375SQ201610133126
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】外村徹, 木村昌义, 藤本泰広
【申请人】特电株式会社