JPH10300003A - 水蒸気発生方法及び温水発生方法とそれを用いた電気式ボイラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】伝熱による加熱要素を無くし、また伝熱を利用
する場合でも、水の単位体積当たりの伝熱面積を、従来
の構成よりもはるかに大きくすることのできる水蒸気発
生方法と温水発生方法、およびそれを用いた電気式ボイ
ラーを提供すること。 【解決手段】マイクロ波が導入される空間内に水を噴霧
し、浮遊中の微小滴状の水をマイクロ波によって加熱し
て水蒸気や温水を得る。必要に応じて、誘電体粉末と水
の混合物を噴霧することもできる。電気式ボイラーとし
ては、内部空間にマイクロ波が導入されうるようにマイ
クロ波発生装置が設けられた加熱室と、この加熱室内に
水を噴霧するための噴霧ノズルと、加熱室からの水蒸気
または温水の取り出し口とが備えられた構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気エネルギーに
よって効率良く水蒸気や温水を発生させる技術分野に属
し、ボイラーへの応用展開と当該分野の電化を高い効率
で実現できる技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまでのボイラーは改めて詳細を説明
するまでもなく、燃焼室内に噴射される重油に点火して
燃焼させ、燃焼室の外側に密着配設した給水管中に水を
通し、燃焼室から給水管への熱伝導によって、給水管内
の水を加熱するものである。そして、給水管中で温めら
れた水は温水のまま、あるいは水蒸気となってストレー
ジタンク内に設けられた熱交換器に導かれ、ストレージ
タンク内の水と熱交換を行い、再び給水管を通って燃焼
室部分にまで戻るよう循環する。ここで、水蒸気を得る
場合には、熱交換器を通った後には水になって給水管に
戻るが、温水のままで熱交換器に供給される場合には、
熱交換の前後で単に水の温度が変化するだけである。各
ユースポイントへの温水はこのストレージタンク内から
供給され、再びストレージタンクに戻るよう循環する。
このように、ボイラーには水蒸気を用いるものと温水を
用いるものがあるが、一般に大型のものでは水蒸気を用
いるものが多い。これは、水蒸気が気化熱に起因する大
きな潜熱を有しているため、１．２４リットルの１００
℃の水蒸気が熱交換の結果１ミリリットルの１００℃の
水に戻るときに、８０ｃａｌの熱を放出できるからであ
る。従って、水蒸気を用いることで、小型でも大きな加
熱能力を有するボイラーが実現できるのである。

【０００３】このような汎用ボイラーは、その燃料とし
て重油を使用しているため、当然排気ガスの発生があ
る。また、重油を都度納入してタンク内に貯留しておく
必要もあり、危険物に関する有資格者の配置等の法的規
制もある。このような背景により、扱いが簡単な電気式
のボイラーとして、例えば特開平７−２３９１０２号に
記載されたものがすでに提案されている。これは大まか
には、強誘電体のブロックの一片面に、強誘電体と密着
し且つ水と接触または水中に浸漬される金属フィンを配
置しておき、この強誘電体の他片面にマイクロ波を照射
するという構造を有し、マイクロ波によって加熱された
強誘電体からフィンに熱が伝わり、さらにフィンからの
熱で水が加熱されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の電気式ボイラーは一般に効率が低く、このためラ
ンニングコストが嵩んでしまう、という点が問題となっ
ており、事実上は実用化されていないのが現状である。
すなわち、前記の構造では水蒸気を発生させることはで
きず、また仮に水蒸気を発生させようとしても、膨大な
電力が必要となってくる。このことは前記のマイクロ波
を用いた誘電加熱に限らず、誘導加熱や抵抗加熱でも同
じことである。これは、重油燃焼→水蒸気→発電機→電
力→発熱→水の加熱、というエネルギー授受プロセスを
見ても明らかなように、燃焼式のものに比べてエネルギ
ー変換効率が低くなるからである。しかし昨今の環境問
題や、重油という危険物の保管に関する有資格者の配置
に伴う人件費の増大を考えると、電気式ボイラーはその
社会的意義が大きく、次世代のボイラーとして実用レベ
ルのものの開発が待たれるところである。

【０００５】電気式のもので効率が低い原因は、燃焼式
のものと同じ伝熱形態で比較しているからに他ならな
い。すなわち電気式、燃焼式に限らず、一般に「湯を沸
かす」ための構造は、燃焼式であれば燃焼室の外周部に
設けた給水管内の、また電気式ではフィンが浸漬してい
る部分に存在する一定容量の水、換言すれば「水の塊」
に対して、平面的な加熱面からの伝熱により加熱する構
成である。このため、水全体への伝熱は対流によってい
ることから、効率が低くなってしまうのである。しかし
これまでの技術思想では、このような問題は不可避なも
のとして位置づけられており、この延長上では、効率の
高い電気式のボイラーは、到底実現することはできな
い。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような従
来技術に対して、伝熱による加熱要素を極力無くし、ま
た仮に伝熱を利用するとしても、水の単位体積当たりの
伝熱面積を、従来の構成よりもはるかに大きくすること
のできる水蒸気発生方法と温水発生方法、およびそれを
用いた電気式ボイラーを提供するものである。このよう
な本発明は、先ず水蒸気発生方法としては、マイクロ波
が導入される空間内に水を噴霧し、浮遊中の微小滴状の
水をマイクロ波によって加熱して水蒸気を得るものであ
り、誘電体粉末と水の混合物を噴霧することもできる。
また温水発生方法も、マイクロ波が導入される空間内に
水を噴霧し、浮遊中の微小滴状の水をマイクロ波によっ
て加熱して温水を得るものであって、誘電体粉末と水の
混合物を噴霧することもできる。このような構成をとる
ことで、誘電体粉末を使用しない場合には、水の加熱に
対して理論的には伝熱要素が無くなり、また誘電体粉末
を使用する場合には伝熱要素があるものの、微小な水滴
の中心にあたかも核のように誘電体が存在しているの
で、マイクロ波によって水と誘電体粉末が同時に加熱さ
れるとともに、誘電体粉末から水への伝熱を考えたとき
に、体積当たりの伝熱面積を極めて大きくすることがで
きるのである。従って本構成により、電気的に高い効率
で水蒸気や温水を得ることができる。

【０００７】また、上記方法を用いた電気式ボイラーと
しては、内部空間にマイクロ波が導入されうるようにマ
イクロ波発生装置が設けられた加熱室と、この加熱室内
に水を噴霧するための噴霧ノズルと、加熱室からの水蒸
気または温水の取り出し口とが備えられた構成であり、
前記噴霧ノズルの上流側には噴霧用のポンプおよび誘電
体粉末と水との混合手段が設けられた構成をとることも
できる。従って、誘電体粉末と水との混合がないときに
は理論的には伝熱要素が無く、混合させるときには、伝
熱要素が付加的に重畳されることになる。

【０００８】以下、本発明の作用について説明する。供
給水は、先ず噴霧用ポンプによって押し出され、噴霧ノ
ズルから、微小滴状あるいは霧状の形態となって加熱空
間内に噴霧される。この加熱空間内にはマイクロ波が照
射されているため、一つ一つの水滴を構成する水分子が
マイクロ波のエネルギーによって振動する結果、水滴は
温度が上昇して沸騰・気化する。ここで、マイクロ波を
使った加熱（誘電加熱）の例として、先ず電子レンジで
コップ内の水を加熱する場合と比較して、本発明の作用
を説明する。本発明の場合、マイクロ波は水滴の表面か
ら照射されることになるので、電子レンジでコップ内の
水を加熱する場合とは異なり、単位体積当たりのマイク
ロ波が照射される表面積が非常に大きくなる。また電子
レンジの場合では、コップの周囲空間にもマイクロ波が
存在しているためロスが大きい。尤も、周囲に照射され
たマイクロ波は反射によってターンテーブルのほぼ中央
に集められるよう工夫はされているものの、反射ロス等
を考慮すると、決して効率が高いとは言えない。その反
面、本発明では、加熱空間全体に均一に水滴を存在させ
ることができるので、個々の水滴に、発生したマイクロ
波が直接照射されることになる。従って、前記の単位体
積と表面積との関係と相まって、効率の高い加熱を行う
ことができることになる。 そして、マイクロ波の照射
によって微小水滴はごく短時間で水蒸気になり、加熱空
間内に充満した後、やがて圧力上昇によって一次温水管
等の外部配管に取り出され、ストレージタンク内の熱交
換器まで到達する。熱交換器部では、被加熱体である冷
水と熱交換を行って水に戻り、再び噴霧ポンプで噴霧ノ
ズルから供給される。このように、蒸気発生用の供給水
は、上記のような閉じた系内を循環することになる。

【０００９】水蒸気まで生成せずに温水までで止める場
合は、マイクロ波の出力と供給水の単位時間当たり流量
を調節し、加熱空間の下部からポンプ等によって吸い出
せるように構成すればよい。このポンプは、一次温水用
の循環ポンプと兼用できることは勿論である。

【００１０】次に、噴霧ノズルの手前で水と誘電体粉末
とを混合し、これを加熱空間内に噴霧すると、誘電体粉
末の周囲に水滴が凝集、または水滴中に核状に誘電体粉
末が取り込まれた形態でマイクロが照射されることにな
る。誘電体粉末としては、高誘電率のセラミックス等が
考えられ、これらは水に比べて大幅に誘電率が大きいた
め、極めて短時間で高温度まで加熱される。従って水滴
には、マイクロ波による直接的な加熱作用に加え、誘電
体粉末からの伝熱作用が重畳し、極めて短時間のうちに
気化して水蒸気になる。この誘電体粉末は、水滴が水蒸
気となった後には乾燥状態となり、例えば加熱空間の底
部等から凝集することなく回収され、混合手段を通って
再び供給水と混合されて噴霧ノズルに至るのである。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を、具体的
構造例に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明
は、水蒸気を発生する例を用いて説明している。図１
は、本発明を用いた温水発生系統の一例である。図例
は、内部空間にマイクロ波が導入されるようにマイクロ
波発生装置１が設けられた加熱室３と、この加熱室３内
に水を噴霧するための噴霧ノズル５と、加熱室３からの
水蒸気の取り出し口７とが備えられた電気式ボイラー９
を用いた、温水発生系統である。ボイラー９の水蒸気取
り出し口７から、熱交換器１１が介装された一次温水配
管１３が接続され、リターンタンク１５を介してボイラ
ー９の噴霧ノズル５に接続されて、一次温水の循環経路
が形成されている。ここで、前記の水蒸気取り出し口７
は、加熱室３の内部に張り出した上部遮蔽板７ａに設け
られている。この上部遮蔽板７ａは、噴霧ノズル５から
噴霧された水滴が、マイクロ波強度が低くなると考えら
れる加熱室３の上部隅に拡散することによるロスを防止
するものである。一次温水は、この一次温水配管１３内
に設けられた循環用ポンプ１７によって循環され、噴霧
用ポンプ１９によって噴霧ノズル５から加熱室３内に噴
霧されるようになっている。また熱交換器１１は、各ユ
ースポイントに供給される温水を作るためのストレージ
タンク２１内に配置されている。ストレージタンク２１
内で熱交換器１１によって熱交換が行われ、二次温水ポ
ンプ２３によって温水が各ユースポイントに供給され
る。この温水供給系統は、従来のボイラーと基本的に同
一の形態を有している。加熱室３は、図例のように下部
が傾斜した形状を有し、略すり鉢状の底部から誘電体粉
末２５の回収配管２７が延び、これが一次温水配管１３
に対して、混合手段としてのミキサー２９を介して合流
している。このような構成において、一次温水は噴霧ノ
ズル５→加熱室３→熱交換器１１→循環用ポンプ１７→
リターンタンク１５→ミキサー２９→噴霧用ポンプ１
９、の経路で噴霧ノズル５に戻るよう循環する。一方、
誘電体粉末２５は、噴霧ノズル５→加熱室３→ミキサー
２９→噴霧用ポンプ１９、の経路で噴霧ノズル５に戻る
よう循環する。

【００１２】加熱室３の壁面対向位置には、高さ方向に
ずらした状態でマイクロ波発生装置１が設けられ、加熱
室３の内部に均一にマイクロ波が照射・通過するように
なっている。噴霧ノズル５から水とともに噴霧された誘
電体粉末２５は、前述のようにすり鉢状の底部に落下し
て回収配管２７から回収される。加熱室３の下部には遮
蔽板３１が取り付けられ、マイクロ波発生装置１からの
マイクロ波が、落下して滞留している誘電体粉末２５に
直接照射されないようになっており、誘電体粉末２５の
過熱を防止している。またこの遮蔽板３１はマイクロ波
の反射板としての機能も有しており、噴霧された水滴に
効果的にマイクロ波が照射されるよう機能している。一
次温水配管１３における熱交換器１１の手前には、配管
の周囲に誘導コイル３３がスパイラル状に巻着された部
分があり、加熱室３から熱交換器１１までの間で水蒸気
温度が低下しないようになっている。従って、図例のよ
うな誘導コイル３３を併用する場合には、一次温水配管
１３の該当部分は、透磁率の高い材料を用いることが望
ましい。直接配管を加熱しない場合は、透磁率の高い材
料を配管に巻着する等の構成をとればよい。また誘導コ
イル３３は、リボン状の銅帯を配管に対してスパイラル
巻きしたものを用いると、軽量でかつ省スぺース化に有
効となる。一次温水配管１３の適所には圧力検出手段３
５が取り付けられ、その出力がフィードバック回路３７
を介してマイクロ波発生装置１と誘導コイル用電源３９
にフィードバックされ、常に適正範囲の水蒸気圧力に調
整、維持されるようになっている。さらにストレージタ
ンク２１内にはシーズヒーター４１が設けられ、ストレ
ージタンク２１内においても、温水を加熱あるいは保温
することができる。

【００１３】リターンタンク１５は、一次温水の補充口
になるとともに、熱交換器１１内で完全に水に戻らず水
蒸気のままで還流してきた場合に確実に水に戻す機能も
併せ持ったものであり、一次温水配管１３の規模によっ
て適宜その容量を設定すればよい。

【００１４】次に、本実施形態図を参照しつつ、一次温
水の循環動作について説明する。まず加熱室３の底部に
誘電体粉末２５が滞留し、かつ熱交換器１１から下流側
に水が滞留した状態で電源が投入される。すなわち、こ
れが初期状態の一つとなる。電源が投入されると、先ず
マイクロ波発生装置１が立ち上がり、加熱室３内にマイ
クロ波が照射される。この状態では、マイクロ波が加熱
室３内で反射を繰り返している状態である。マイクロ波
の発振が定常状態に達したら、循環用ポンプ１７と噴霧
用ポンプ１９、および誘導コイル３３が順次立ち上が
る。そして、これらのポンプによる水流を検出すると同
時に、ミキサー２９が立ち上がり、水と誘電体粉末２５
の混合体として加熱室３内に噴霧される。噴霧される
と、誘電体粉末２５と一体凝集した微小な水滴にマイク
ロ波が照射され、水は沸騰してやがて水蒸気として気化
する。これによって、水分が離脱した誘電体粉末２５
は、加熱されながら加熱室３の底部に落下していく。発
生した水蒸気によって加熱室３の圧力が一定レベルに上
昇すると、図示しない開放弁が開き、水蒸気が一次温水
配管１３内に流入する。この時には、すでに運転開始時
に動作した循環用ポンプ１７の作用によって、熱交換器
１１よりも下流側に滞留していた一次温水配管１３内の
水が加熱室３の方向に移動している結果、熱交換器１１
内が負圧状態になっているので、水蒸気が極めてスムー
ズに一次温水配管１３内に導入される。水蒸気が一次温
水配管１３に導入されると、誘導コイル３３によって配
管内が加熱されているので、導入された水蒸気は、結露
することなく熱交換器１１まで導かれる。熱交換器１１
では、温度の低い二次温水または冷水との熱交換が行わ
れ、水蒸気は水に戻る。この時、仮に１００℃の水蒸気
が１００℃の水に戻るとすると、約２２．４リットルの
水蒸気が約１８ミリリットルの水に戻ることになり、こ
の体積差に合わせて、熱交換器１１の配管径を設定して
おく。そして、１ミリリットル当たり８０ｃａｌの熱量
を放出できるので、効率の高い熱交換が行われることに
なる。水に戻った後は、循環用ポンプ１７によって再び
加熱室３まで還流して一連の循環動作が繰り返される。

【００１５】以上は、本発明のうちの、水蒸気を得る具
体例の説明であったが、これとは別に温水を得るには、
以下のような実施形態が例示できる。先ず、加熱室３内
で直接温水を得るには、マイクロ波の出力と供給水の単
位時間当たり流量を調節し、加熱空間の下部に温水の取
り出し口を設けておき、そこからポンプによって吸い出
せるように構成すればよい。具体的には、例えば誘電体
粉末２５と一体凝集した霧状の水滴にマイクロ波を照射
し、水蒸気として気化させずに加熱室３の底部に滞留さ
せ、ミキサー２９に達する前に、セパレータ（図示せ
ず）等とホンプの組み合わせによって温水のみを回収す
ればよい。また、誘電体粉末２５を用いず、水滴のみの
噴霧によって加熱室３の底部で温水として回収してもよ
い。ここで水蒸気を得る場合に戻るが、水蒸気を得る場
合でも、誘電体粉末２５を用いなくともよいことは勿論
である。次に、加熱室３内で図示した実施例と同様に水
蒸気を発生させつつ、温水を得る場合には、例えば図例
の誘導コイル３３に代えて、チラー（図示せず）等を設
けておき、加熱室３外で温水を取り出せばよい。

【００１６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、以下の優れた効果を得ることができる。マイクロ波
が照射されている加熱室内に供給水が噴霧ノズルから噴
霧されるので、供給水の単位体積当たりの表面積が非常
に大きくなり、また加熱空間全体に均一に水滴が存在す
るので、個々の水滴に、発生したマイクロ波が直接かつ
無駄なく照射されることになることから、単位体積と表
面積との関係と相まって、効率の高い加熱を行うことが
できる。従って、少ない消費電力でありながら、ごく短
時間で水蒸気または温水を得ることができる。

【００１７】また、噴霧ノズルの手前で水と誘電体粉末
とを混合し、これを加熱空間内に噴霧すると、誘電体粉
末の周囲に水滴が凝集、または水滴中に核状に誘電体粉
末が取り込まれた形態でマイクロが照射されることにな
るので、極めて短時間で高温度まで加熱される。従って
水滴には、マイクロ波による直接的な加熱作用に加えて
誘電体粉末からの伝熱作用が重畳し、短時間のうちに加
熱されて水蒸気または温水になり、極めて効率の高いボ
イラーとなる。

【００１８】よって、特開平７−２３９１０２号に記載
された従来の電気式ボイラーと異なり、「水の塊」に対
する平面的な伝熱と水の対流による加熱要素がなくな
り、実用レベルの電気式ボイラーを実現することができ
る。このように、本発明は従来の技術思想と全く異なっ
たものであり、重油の扱いに関する有資格者の配置や重
油タンクの構築等が一切不要になり、しかも有害な排気
ガスを発生させない、高効率でかつクリーンな温水発生
システムであると言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温水発生系統の一例を表す説明図

【符号の説明】

１ マイクロ波発生装置 ３ 加熱室 ５ 噴霧ノズル ７ 水蒸気の取り出し口 ７ａ 上部遮蔽板 ９ 電気式ボイラー １１ 熱交換器 １３ 一次温水配管 １５ リターンタンク １７ 循環用ポンプ １９ 噴霧用ポンプ ２１ ストレージタンク ２３ 二次温水ポンプ ２５ 誘電体粉末 ２７ 回収配管 ２９ ミキサー ３１ 遮蔽板 ３３ 誘導コイル ３５ 圧力検出手段 ３７ フィードバック回路 ３９ 誘導コイル用電源 ４１ シーズヒーター

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波が導入される空間内に水を噴霧
   し、浮遊中の微小滴状の水をマイクロ波によって加熱し
   て水蒸気を得る、水蒸気発生方法。
2. 【請求項２】誘電体粉末と水の混合物を噴霧する、請求
   項１記載の水蒸気発生方法。
3. 【請求項３】マイクロ波が導入される空間内に水を噴霧
   し、浮遊中の微小滴状の水をマイクロ波によって加熱し
   て温水を得る、温水発生方法。
4. 【請求項４】誘電体粉末と水の混合物を噴霧する、請求
   項３記載の温水発生方法。
5. 【請求項５】内部空間にマイクロ波が導入されうるよう
   にマイクロ波発生装置が設けられた加熱室と、この加熱
   室内に水を噴霧するための噴霧ノズルと、加熱室からの
   水蒸気または温水の取り出し口とが備えられた、電気式
   ボイラー。
6. 【請求項６】前記噴霧ノズルの上流側には噴霧用のポン
   プおよび誘電体粉末と水との混合手段が設けられた、請
   求項５記載の電気式ボイラー。