WO2017090641A1

WO2017090641A1 - 常圧過熱水蒸気発生装置

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Publication number: WO2017090641A1
Application number: PCT/JP2016/084706
Authority: WO
Inventors: 大荒牧; 長澤　浩
Original assignee: Nano-Support; Nano-Support Co Ltd; SINNIHON BIFUU CO Ltd
Current assignee: Nano-Support; Nano-Support Co Ltd; SINNIHON BIFUU CO Ltd
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2018-05-24

Abstract

高圧容器を用いず、コンパクトで簡単な構成で安定して常圧の過熱水蒸気を発生させることができる過熱水蒸気発生装置を提供する。過熱水蒸気発生装置（１０）は、内部に導入された水を沸騰させて飽和蒸気を発生させる加熱室（２１）を備えかつ加熱室（２１）の上部に蒸気導出口（２２）が設けられたボイラー（２０）と、ボイラー（２０）に並設されかつ加熱室（２１）へ供給する水を貯留するリザーバー（３０）と、ボイラー（２０）及びリザーバー（３０）を連結しかつ加熱室（２１）の下部にリザーバー（３０）より水を供給する供給管（４０）と、蒸気導出口（２２）より導出された飽和蒸気を加熱して外気に開放する加熱器（５０）と、を備えている

Description

常圧過熱水蒸気発生装置

　本発明は、常圧の過熱水蒸気を発生する常圧過熱水蒸気発生装置に関するものである。

　大気圧下で沸騰により生成される飽和蒸気を用いた沸騰蒸気機器として、加湿器、調理機器等があり、例えば、飽和蒸気を空気中に放出して空気を加湿する方式の加湿器や、飽和蒸気で野菜等を加熱する調理機器が発売されている。

　従来の沸騰蒸気機器には、いくつかの問題点があり、例えば、加湿器においては、発生した飽和蒸気が蒸気噴霧管等に衝突した際に水滴（ドレン）として付着することがあるため、このドレン水を排水するための排出設備が必要となる。また、ドレン水の排出設備にカビ等が発生する場合があるため、特に病院等で使用するには衛生上問題がある。

　これらの問題を解決するために、加圧高温水蒸気方式の蒸気機器（オートクレーブ）、つまりは、水を大気圧以上の加圧下で沸騰させることで１００℃以上の高温の水蒸気（過熱水蒸気）を生成したり、若しくは、飽和蒸気を再加熱して過熱水蒸気としたりして、この過熱水蒸気を加湿、調理等に用いる蒸気機器が提案されている（例えば、特許文献１参照）

特開２０１４－２５１６０５号公報

　しかし、飽和蒸気を加熱する場合、飽和蒸気はその断熱性により加熱されにくいため、加熱バーナー、電気ヒーター等の特殊な構造のヒーターを用いて直接加熱したり、特許文献１に示すような電磁誘導を利用して間接的に加熱したりする必要があり、飽和蒸気を加熱するための手段が複雑であるという問題がある。また、飽和蒸気はボイラー内部の水の沸騰により発生するが、一般のボイラーにおいては、ボイラー内部の水が減ることに伴って水を上方からボイラー内に供給するので、ボイラー内の水の上部の温度が一時的に低下して沸騰が止まり、再び沸騰が始まるまで蒸気の発生が止まってしまうという問題もある。

　また、オートクレーブとしては、従来から病院等では、加圧水蒸気を用いて手術用の包帯、メス、鉗子、手術着等の被滅菌物を滅菌する滅菌機器が利用されている。この滅菌機器では、加圧容器内に被滅菌物を置き、加圧容器自体を１３０℃程度の高温にして、内部に入れた水を沸騰させて高温高圧の蒸気としている。そして、この高温高圧の飽和水蒸気によって、圧力容器内を一定時間、所定の圧力、温度とすること（オートクレーブ処理）により、被滅菌物の滅菌を行っている。

　このような病院等の滅菌機器においては、高温高圧の蒸気を発生させるために耐圧性のある圧力容器を必要とするが、このような圧力容器は設置が複雑で手間や費用が掛かるうえ、滅菌のたびに圧力を上げ下げする等の時間が掛かるため、専門知識を有する技士等によってメンテナンスを行う必要があるという問題がある。また、この滅菌機器では、耐圧性の問題により、通常１４０℃まで、特殊なもので２００℃迄しか高温にできず、それ以上には高温にできないという問題があるだけでなく、圧力容器の内部は高圧であるため爆発の危険性があるという問題がある。さらに、この滅菌機器は、法規制により、圧力容器を取り扱うための資格が必要であるが、法規制が厳しく、取り扱える人材も限られるという問題もある。

　本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり、圧力容器を用いず、簡単な構成で連続して過熱水蒸気を発生させることができる常圧過熱水蒸気発生装置を提供することを目的としている。

　本発明による常圧過熱水蒸気発生装置は、内部に導入された水を沸騰させて飽和蒸気を発生させる加熱室を備え、前記加熱室の上部に蒸気溜り及び蒸気導出口が設けられたボイラーと、前記ボイラーに並設され、内部に前記加熱室へ供給する水を貯留し、上部に空気溜りを有するリザーバー（貯水槽）と、前記ボイラー及び前記リザーバーを連結し、前記加熱室の下部に前記リザーバーより水を供給する供給管と、前記蒸気導出口より導出された飽和蒸気を加熱して外気に開放する加熱器（ブースター）と、を備えた常圧過熱水蒸気発生装置により達成される。

　上記構成によれば、ボイラーの加熱室で水が沸騰して水蒸気導出口から飽和蒸気が導出される。ボイラーとリザーバーとは、供給管によりサイホン構造をとっている。したがって、ボイラー内の水が減少すると、サイホンの原理によりリザーバーから水が供給管を通ってボイラーの加熱室に供給される。このとき、供給管はボイラーの加熱室の下部に接続されているので、水は加熱室の下方から供給される。このように、加熱室への水の供給時において、水が加熱室の下方から供給されると、加熱室の沸騰水は供給される低温の水より軽いので、飽和蒸気が発生する水面の温度が低下することがない。その結果、ボイラー内での水の沸騰を維持することができ、飽和蒸気の発生が止まるのを防ぐことができる。

　また、ボイラーの内部は加熱器（ブースター）を通して外気に開放されているので、ボイラーの内部の圧力は外部の気圧（外気圧）とあまり変わらない。従って、本発明の常圧過熱水蒸気発生装置は、外気圧とあまり変わらない圧力下で動作しており、従来の圧力容器等のような爆発の可能性がある複雑な装置によって高圧下で動作する必要がないので、簡単な構造で安全に過熱水蒸気を発生させることができる。

　なお、本明細書において、常圧とは、「特別に減圧も加圧もしないときの圧力。通常、大気圧に等しい圧力。ほぼ一気圧。」を指すが、本常圧過熱水蒸気発生装置のボイラーの内部の圧力は、後に述べるように僅かに外部の気圧（外気圧）より高くなるが、過熱水蒸気が外部に放出される時点では、外気圧下（過熱水蒸気が大気に放出される場合には大気圧下）になるので、常圧の過熱水蒸気となる。

　また、本発明の一実施形態においては、前記リザーバーは、水位を一定に保つ機能を持っている。水位を一定に保つ機能としては、例えば、リザーバーが所定の水位を検出できる水位計としてスイッチ機構を持ち、スイッチ機構のオンオフにより、（１）所定の圧力で水を送り出す原水供給源をリザーバーにつないだり断続する機構、もしくは、（２）貯水タンクからポンプの駆動によりリザーバーに対して給水する機構、を用いることで、リザーバーの水位を一定に維持できる。また、リザーバー内に貯留された水の水位を計測する水位計は、リザーバーの水面の高さを直接計測できるものでもよく、水位計の計測値により、リザーバーを一定の水位に維持できる。

　上記構成によれば、リザーバーの水位を所定の水位に保ちながら、リザーバーとサイホン構造により結合されたボイラーの加熱室に補給用の水を下部から供給することにより、リザーバーをボイラーと熱的に分離しながら、ボイラーにおける水の沸騰が途切れることを無くすことができる。つまり、リザーバーとボイラーとは並設されており、サイホンの原理によりリザーバーからボイラーの加熱室に水が供給されるため、リザーバーの水位とボイラーの加熱室の水位とは等しい。このため、リザーバーの水位を一定に保つことで、ボイラーの加熱室の水位を一定に保つことができる。ここで、ボイラーの内部に例えば水位計を設置して水位を計測する場合は、ボイラーの加熱室の水面は水の沸騰により大きく変動しているため、誤差が大きく、また水が高温であるために耐熱性のある高価な水位計が必要である。しかし、本実施形態によれば、リザーバー内の水はボイラー内の水と熱的に分離されており、室温（常温）であり沸騰していないため、リザーバー内の水面は安定しており、水位の計測誤差を小さくすることができる。また、水位計に耐熱性は必要なく、安価な水位計を用いることができる。

　また、本発明の一実施形態においては、前記加熱器（ブースター）は、導入した蒸気を分岐させて通過させる複数の分岐路と、分岐路間の隔壁部分を周囲から加熱するヒーターとを含んでいる。

　上記構成によれば、ボイラーから導出された飽和蒸気は加熱器（ブースター）の分岐路に分かれて導入され、各分岐路において隔壁部分を介して加熱される。分岐路を有さない単管構造と異なり、飽和蒸気が加熱器の加熱された面と接する面積が大きくなるため、効率良く飽和蒸気を加熱することができる。

　また、この実施形態では、熱源により加熱される、導入した蒸気を分岐させて通過させる分岐路は、その内部空間の大きさとして、分岐路の長さ方向に対して垂直に切った断面形状において、任意の２点を結ぶ線分の最大長さが３ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍであることが好ましい。つまり、分岐路の断面視形状が円形状である場合には、分岐路の内径が３ｍｍ以下であり、分岐路の断面視形状が正四角形や正六角形である場合には、分岐路の対角線の長さが３ｍｍ以下である。

　本発明の一実施形態においては、複数の前記分岐路は、束ねられて互いに接触した状態にある複数の加熱管により構成され、束ねられた前記加熱管は外周が管状の外壁部分により取り囲まれるとともに、前記外壁部分を介して各加熱管が前記ヒーターにより加熱される。

　上記構成によれば、加熱器（ブースター）は、加熱管を互いに接触するように束ね、外壁部分の内壁面が加熱管と接触するように外壁部分で加熱管を取り囲むだけの簡単な構造であるため、製造が容易である。

　なお、加熱器（ブースター）に複数の分岐路を設ける方法としては、加熱器（ブースター）内部をハニカム構造としてもよい。

　また、本発明の一実施形態においては、前記加熱器（ブースター）は、温度センサーと、前記温度センサーによる温度測定値に基づき前記加熱器（ブースター）から導出される蒸気の温度が２５０℃以上、好ましくは３５０℃以上となるように前記ヒーターの温度を制御する制御装置と含む。これにより、２５０℃以上の過熱状態の水蒸気が発生する。

　また、本発明の一実施形態においては、本常圧過熱水蒸気発生装置は、前記ボイラー上部の蒸気溜りと前記リザーバー上部の空気溜りとを連通させる連通管を備える。

　ボイラーの加熱室で発生した飽和蒸気は加熱器（ブースター）により加熱されるが、急激な加熱により飽和蒸気が加熱器（ブースター）内で膨張して、いわゆる「熱の壁」が形成されると、加熱器（ブースター）の分岐路に抵抗が発生して飽和蒸気が通過しにくくなるため、ボイラー上部の蒸気溜りの圧力が上昇する。この圧力の上昇は０．０１～０．０５気圧程度であるが、ボイラー上部の蒸気溜りの圧力がリザーバーの圧力よりも高くなるため、ボイラーの加熱室内の水が供給管からリザーバーに逆流する。この逆流によりリザーバーの水位がボイラーの水位よりも上がり、この水位差が一定量以上になり熱の壁の抵抗値より高くなると、水は再びリザーバーからボイラーの加熱室に戻る。水位が戻ると、再度ボイラー上部の蒸気溜りの圧力は上昇しているので、再びボイラーの加熱室からリザーバーに水が流れる。このように、ボイラーの加熱室とリザーバーとの間で水の行き来が繰り返し行われる、いわゆる振動現象が生じてしまう。振動現象が生じると、リザーバーの水面が安定しないので、水位を正確に測定できなくなる。さらに、リザーバーにボイラー内の沸騰した水が逆流するため、本来であれば室温の水が貯留されるリザーバーの水温が上昇してしまい、耐熱性のない水位計を用いている場合は水位計が破損する恐れがある。

　これに対して、本実施形態においては、ボイラーの加熱室の圧力が上昇した場合であっても、連通管を通じてボイラーとリザーバーとの間で圧力の調整が図られ、ボイラーとリザーバーとの圧力が等しくなる。このため、ボイラーとリザーバーとの間での水の振動現象が発生するのを防ぐことができ、安定な過熱水蒸気供給ができる。また、ボイラー上部の蒸気溜りは、加熱器（ブースター）による熱の壁に因る圧力上昇はあるが、その上昇は少なく、従来の圧力容器（オートクレーブ）のような高圧になることは無く、本発明の常圧過熱水蒸気発生装置内部も高圧とはならない。

　また、本発明の一実施形態においては、前記ボイラー上部の蒸気溜まりが、前記加熱器を介して外気下に開放されており、前記ボイラー内部の圧力が１．１気圧より小さい。

　また、本発明の一実施形態においては、前記ボイラーは、飽和蒸気を発生させるボイラー熱源を備え、前記ボイラー熱源は、下部が前記ボイラーの下部に固定されており、上部が水中に没するように設置されたプラグ状の絶縁された電熱ヒーターであり、前記電熱ヒーターには着脱可能なカバーが被せられている。

　本発明によれば、リザーバーからボイラーへの水の供給時に水がボイラーの下方から供給されているので、ボイラーの水面の温度が低下することが無く、ボイラーでの水の沸騰を維持することができ、蒸気の発生が止まるのを防ぐことができる。また、簡便な加熱器（ブースター）により、高効率で高温の過熱水蒸気を発生させる事ができ、かつその際にボイラーを不安定にする内部の水の振動を止め、安定に過熱水蒸気を発生させる事ができ、且つ、高圧となる事が無く、外気圧に近い圧力下で動作しているので爆発の可能性が無く、従来の圧力容器のような高コストを必要とせず、簡単な構造で安全に過熱水蒸気を発生させることができるばかりか、高圧ガス取り扱い等の特別の資格を必要とすることも無い。

本発明の一実施形態に係る常圧過熱水蒸気発生装置の基本構成を示す概略図である。加熱器（ブースター）の斜視図である。図２のＡ－Ａ線に沿う断面図である。加熱器（ブースター）の他の実施例を示す断面図である。加熱器（ブースター）の他の実施例を示す断面図である。

　本発明の常圧過熱水蒸気発生装置の一実施形態を添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る過熱水蒸気発生装置１０の基本構成を示す概略構成図である。なお、以下の説明において、過熱水蒸気とは、ある圧力の下で決定される沸点で蒸発した状態の蒸気（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を指し、大気圧下においては、圧力をかけることなく、大気圧での水の沸点１００℃を超えて加熱された水蒸気を指す。

　常圧過熱水蒸気発生装置１０は、ボイラー２０と、ボイラー２０に並設された「リザーバー」と呼ばれる貯水槽３０と、貯水槽３０よりボイラー２０の加熱室２１へ水Ｗを供給する供給管４０と、ボイラー２０で発生する飽和蒸気を加熱して外気に開放する「ブースター」と呼ばれる加熱器５０と、リザーバー３０の上部の空気溜りＴ及びボイラー２０の上部の蒸気溜りＳを連通させる連通管６０とを備えている。

　ボイラー２０は、内部にリザーバー３０から水Ｗを導入して沸騰させる加熱室２１を備えている。また、ボイラー２０は、飽和蒸気を発生させるボイラー熱源２４を加熱室２１内に備えている。ボイラー熱源２４は、本実施形態では、下部が加熱室２１の底面に取り付けられ、上部は絶縁された棒状（プラグ状）の電熱ヒーター２３となっており、電熱ヒーター２３が水没していることで水Ｗを沸騰させる。電熱ヒーター２３には、着脱可能なカバー２５が被せられている。加熱室２１の上部には、水Ｗの沸騰により発生した飽和蒸気が貯まる蒸気溜りＳが設けられているとともに、蒸気導出口２２が設けられている。

　カバー２５は、電熱ヒーター２３を取り囲むように、加熱室２１の底面に取り付けられている。カバー２５が電熱ヒーター２３を取り囲んで保護していることで、電熱ヒータ－２３が＊＊＊の理由（カバー２５で保護している理由はございますか？）で破損することを防止している。カバー２５は、本実施形態では枠状であり、電熱ヒーター２３を取り囲むように配置された、垂直方向に延びる複数本（図では３本）の縦枠材２６と、複数の縦枠材２６に水平に架け渡された複数段（図では４段）の横枠材２７とで構成されている。複数の縦枠材２６により囲まれる上下に延びる空間に電熱ヒーター２３が収容されている。縦枠材２６は、例えば鋼製の棒状又はパイプ状であり、本実施形態では、円周方向に沿って等しい間隔をあけて３つ配置されている。横枠材２７も、例えば鋼製の棒状又はパイプ状であり、本実施形態では、平面視環状の横枠材２７が複数の縦枠材２６に溶接等により固着されている。また、最下段の横枠材２７は、複数の縦枠材２６の下端部に固着されており、最下段の横枠材２７によりカバー２５が自立可能となっている。このカバー２５の形状は、本実施形態の形状に限定されるわけではないが、電熱ヒーター２３による水Ｗの加熱を遮らないように、開口の多い形状にするのが好ましい。

　ボイラー２０の加熱室２１の内部は、蒸気導出口２２から加熱器（ブースター）５０を通じて外気に開放されているため、加熱室２１の内部の圧力は略外気圧（常圧）に近く、高圧にはならない。例えば、１．１気圧程度以下となる。

　リザーバー３０は、加熱室２１へ供給する水Ｗを内部に貯留する貯留室３１を備えている。リザーバー３０の貯留室３１に貯留される水Ｗは室温（常温）である。また、リザーバー３０は、貯留室３１内に、貯留されている水Ｗの水位を計測する水位計３２を備えている。水位計３２は、本実施形態ではフロートを水面に浮かべて水位を計測するフロート式水位計を用いているが、圧力式水位計、光学式水位計、その他の方式の水位計であってもよい。

　また、リザーバー３０の貯留室３１は、電磁弁７０を介して水道の蛇口７１と接続されている。この水道の蛇口７１は、所定の水圧で水を送り出す原水供給源として機能するものである。電磁弁７０は、水位計３２の水位測定値に基づき開閉動作する。水道の蛇口７１から送り出される水は、電磁弁７０による開閉動作により水量が制御された状態で貯留室３１に供給される。なお、リザーバー３０の貯留室３１に所定の水圧で水を送り出す原水供給源として、電磁弁７０及び水道以外の構成として、別の大容量の貯水タンクからポンプ等で水をリザーバー３０の貯留室３１に供給する構成であってもよい。

　リザーバー３０は、貯留室３１の上部に空気溜りＴを有している。空気溜りＴは、直接大気には開放されていないが、連通管６０によりボイラー２０の蒸気溜りＳと連通されているために、蒸気溜りＳと等しく略外気圧（常圧）となるので、蒸気溜りＳから継続的に蒸気が流れ込む事は無い。

　供給管４０は、一端がボイラー２０の加熱室２１の底面に接続され、他端がリザーバー３０の貯留室３１の底面に接続されており、加熱室２１の下部と貯留室３１とを連通させている。このように、並設されたボイラー２０及びリザーバー３０に、供給管４０が内部に水が貯まった状態となるようにして接続されていることで、供給管４０は、リザーバー３０の貯留室３１の水Ｗをサイホンの原理（つまりは、貯留室３１の水Ｗの水位と加熱室２１の水Ｗの水位との差）により加熱室２１の下部へ供給する。なお、供給管４０の一端は、加熱室２１の側面の下方に接続されていてもよく、加熱室２１の下部へ水を供給することができれば接続位置は限定されない。

　加熱器（ブースター）５０は、ボイラー２０の蒸気溜りＳの上方の水蒸気導出口２２に接続されており、ボイラー２０で発生した飽和蒸気が導入される。

　加熱器（ブースター）５０は、図２及び図３に示すように、束ねられて互いに接触した状態にある複数の円筒形状の加熱管５１を備えている。複数の加熱管５１の内部は、導入した飽和蒸気を分岐させて通過させる分岐路を構成するもので、分岐路間の隔壁部分となる各加熱管５１自体を加熱することにより、飽和蒸気が加熱管５１内（分岐路）を通過する際に飽和蒸気が加熱される。

　束ねられた加熱管５１は、外周が管状の外壁部分５２により取り囲まれている。外壁部分５２は長さ方向に対して垂直な面の断面が円形状である。外壁部分５２の外周には、線状のヒーター５３が幾周にも巻き付けられており、ヒーター５３から発せられる熱は外壁部分５２を介して各加熱管５１に伝わる。ヒーター５３は電線５３ａを介して電源（図示せず）に接続されている。なお、ヒーターは、加熱管５１を加熱できるものであればどのような構成であっても良く、外壁部分５２を介する以外でも内部に設置しても良く、誘導加熱等の手段も利用できる。

　なお、外壁部分５２の断面形状は円形状に限られず、四角形状、五角形状等の多角形状の他楕円形状等、任意の形状であってもよい。

　例えば加熱管５１が円筒である場合において、加熱管５１の直径（内径）及び長さと外壁部分５２の直径（内径）とは、加熱器（ブースター）５０から導出される過熱水蒸気の温度に応じて定められる。

　ここで、１時間当たり１Ｌの水を５５０℃の過熱水蒸気とする場合を例として、加熱管５１の直径（内径）及び長さと外壁部分５２の直径（内径）について考察する。

　ボイラー２０の加熱室２１で４℃の水を沸騰させて飽和蒸気とするためには、７４２ワット／時のエネルギーを水に伝達する必要があり、加熱器（ブースター）５０で飽和蒸気を過熱水蒸気とするためには、更に２６３ワット／時のエネルギーを飽和蒸気に伝達する必要がある。

　加熱器（ブースター）５０では、飽和蒸気が内部を通過する間に、飽和蒸気が加熱管５１の内壁面と接触して飽和蒸気に熱が伝達されるため、複数の加熱管５１の内壁面の合計表面積と、飽和蒸気の加熱器（ブースター）５０内での滞留時間とが問題となる。例えば、１時間当たり１Ｌの水を蒸発させて過熱水蒸気を発生させる場合に、ボイラー２０で１Ｌの水から１７００Ｌの飽和蒸気が発生して加熱器（ブースター）５０に導入されるとすると、仮に、加熱器（ブースター）が直径２ｃｍ、長さ５０ｃｍの１本の円筒パイプからなる場合には、飽和蒸気は１５０ｃｍ／秒の速度でパイプ内を通過し、約０．３秒しかパイプ内に滞留できない。このような短い滞留時間でパイプの内周面から飽和蒸気に確実に熱を伝達するためには、飽和蒸気が接触するパイプの内周面の表面積を大きくする必要がある。このため、パイプの内部に分岐構造（加熱管５１）を設けて飽和蒸気が接触する面積を大きくする。

　出願人の実験によると、内径２ｍｍの銅からなる加熱管５１を３０本束ね、束ねられた加熱管５１の外周を直径２ｃｍの管状の外壁部分５２により取り囲むことで、図２及び図３と同様の加熱器（ブースター）５０を用意し、５５０度の過熱水蒸気を発生させた場合に、加熱管５１の内壁面の表面積１平方センチメートル／時間当たり、５１００ｍＬの飽和蒸気（３ｍＬの水から発生する飽和蒸気）を５５０℃に加熱できる事を確認した。従って、１時間当たり１７００Ｌの飽和蒸気（水１Ｌ相当量）を加熱器（ブースター）５０で加熱するためには、全加熱管５１の内壁面の合計面積が３３３．３平方センチメートル必要となるので、例えば内径２ｍｍの銅からなる加熱管５１を３０本束ねる場合には、加熱管５１の長さを１７．７ｃｍとすれば良い。

　一方、内径５ｍｍの銅からなる加熱管５１を束ねたときに同程度の直径の束になるようにすると、加熱管５１は１２本しか束ねることができず、全ての加熱管５１の内壁面の合計面積を等しくする為には、加熱管５１の長さを２１２ｃｍとする必要があるが、これでは、常圧過熱水蒸気発生装置１０の加熱器（ブースター）５０が大きくなり装置全体も大型化してしまう。このため、装置全体のバランスを取る為には、加熱管５１の直径を小さくする必要がある。

　上記のような観点から、加熱管５１の直径及び長さと外壁部分５２の直径とは、合理的に設計される。

　本実施形態では、過熱水蒸気の温度を２５０℃以上としており、このとき、加熱管５１の直径（内径）は３ｍｍ以下としているが、好ましくは２ｍｍ以下であってもよい。上記のように、直径（内径）を３ｍｍより大きくした場合には、コンパクトな装置の場合、伝熱面積が充分にとれず、充分に飽和蒸気を加熱することができず、飽和蒸気を充分に加熱するには長い加熱管５１が必要となり、常圧過熱水蒸気発生装置１０が大型化するからである。さらに、直径（内径）は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。０．５ｍｍより小さい場合には、急激な加熱により発生する、熱の壁の影響が大きくなるからである。

　また、加熱管５１の長さは、伝熱時間を確保する事及びハンドリング性を元に考えると、１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下が好ましく、２０ｃｍ以上５０ｃｍ以下がさらに好ましい。これにより、加熱管５１の内壁面から飽和蒸気への熱伝達が十分に行われ、効率よく過熱水蒸気とすることができる。加熱管５１の長さが１０ｃｍより短い場合には、飽和蒸気が加熱管５１を通過する時間が短くなり、加熱管５１の内壁面から飽和蒸気への熱伝達が十分に行われず、飽和蒸気を過熱水蒸気とすることができにくい。また、加熱管５１の長さが５０ｃｍより長い場合には、常圧過熱水蒸気発生装置１０が大型化し、取り扱いにくく合理的ではない。

　外壁部分５２は、直径（内径）が１ｃｍ以上２．２ｃｍ以下であることが好ましいが、特に限定されるものではない。これは、外壁部分５２があまりにも細い場合、束ねられる加熱管５１の数が少なくなり、十分に飽和蒸気を加熱することができないからである。一方で、外壁部分５２があまりにも大きい場合には、常圧過熱水蒸気発生装置１０が大型化するからである。しかしながら、加熱管５１の直径及び長さと外壁部分５２の断面積とは、導入した飽和蒸気を所定温度に加熱することが可能であれば上記の実施形態に限定されない。

　また、本実施形態では、各加熱管５１は、長さ方向に対して垂直な断面形状が円形状であるが、これに限定されるものではなく、導入した飽和蒸気を通過させかつ加熱することが可能な内部空間及び内部表面を持つものであればどのような形状であってもよい。例えば、三角形状、四角形状、六角形状等の多角形状や、楕円形状等、任意の形状であってもよい。また、加熱器（ブースター）５０に複数の分岐路を設ける方法としては、複数の加熱管５１を束ねた状態で内蔵する以外に、複数の分岐路が並設されるように複数の板状の仕切壁（隔壁部分）を一体に組み合わせて形成する他、加熱器（ブースター）５０の内部構造自体をハニカム構造や巻きダンボールのような構造にする等、隔壁部分によりガスが分岐して通過できる構造であれば特に限定されない。

　例えば、図４に示すように、複数の板状の仕切壁を交差させて形成されていてもよく、一方の複数の板状の仕切壁８１と、他方の複数の板状の仕切壁８２とをそれぞれ交差するように組み合わせてもよい。

　また、図５に示すように、中実丸棒のような棒状部材８３の長さ方向に貫通孔８４を複数設けて、分岐路としてもよい。この場合、外壁部分５２は設けていなくてもよい。

　また、複数の分岐路は、導入した飽和蒸気を加熱することが可能であれば、円形状以外にもどのような断面視形状であってもよく、三角形状、四角形状、六角形状等の多角形状や、楕円形状等、任意の形状であってもよい。なお、分岐路の断面視形状が円形状以外の場合には、分岐路は、その内部空間の大きさとして、分岐路の長さ方向に対して垂直に切った断面形状において、任意の２点を結ぶ線分の最大長さが３ｍｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは２ｍｍである。つまり、分岐路の断面視形状が正四角形や正六角形である場合には、分岐路の対角線の長さが３ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下である。

　本実施形態では、加熱管５１及び外壁部分５２は、熱伝導性の良い銅で構成されているが、アルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）、また、黒鉛で構成されていてもよく、ヒーター５３により所望の温度まで加熱されることが可能な素材であればどのような素材から構成されていてもよい。

　外壁部分５２の外壁面には、温度センサー５４が取り付けられている。温度センサー５４による温度測定信号は電線５４ａを介して制御装置（図示せず）に取り込まれる。制御装置は、温度センサー５４による温度測定値に基づき加熱器（ブースター）５０から導出される過熱水蒸気の温度が所定温度以上となるようにヒーター５３の温度を制御している。過熱水蒸気の温度は、本実施形態では２５０℃以上としているが、好ましくは３００℃以上であっても良く、３５０℃以上であっても良い。装置の材質（金属）による耐久性やヒーターが許す上限温度まで、過熱水蒸気の温度を昇温可能であり、概ね１１００℃迄上昇する事ができる。

　実験によると、加熱器（ブースター）５０から導出される過熱水蒸気の温度は、温度センサー５４によって測定される外壁部分５２の外壁面の温度よりも幾分低い温度であったが、これは、外気温等によっても異なり、実際に生成する過熱水蒸気温度を維持する為には、やや高めの温度で制御する必要がある。

　外壁部分５２の周囲には、断熱材５５が設けられている。また、断熱材５５の周囲に金属板５６を巻き付け、断熱材５５、加熱管５１、ヒーター５３及び外壁部分５２を保護している。

　断熱材５５の素材は、例えばセラミックウール等が用いられるが、これに限定されず、断熱が可能であればどのような素材であってもよい。また、金属板５６の素材は、例えばＳＵＳやアルミニウム素材であるが、これに限定されず、断熱材５５、加熱管５１、ヒーター５３及び外壁部分５２を保護できればどのような素材であってもよい。

　次に、本発明の常圧過熱水蒸気発生装置１０の動作について説明する。常圧過熱水蒸気発生装置１０の動作前の状態では、ボイラー２０の加熱室２１には予め水Ｗが導入されており、電熱ヒーター２３が水中に没している。また、リザーバー３０の貯留室３１には水Ｗが貯留されており、ボイラー２０の加熱室２１とリザーバー３０の貯留室３１との水位は一致している。

　常圧過熱水蒸気発生装置１０を動作させると、ボイラー２０の電熱ヒーター２３がオンになり加熱室２１に収容された水Ｗが沸騰し、沸騰水から飽和蒸気が発生する。加熱室２１の上部の蒸気溜りＳに集まった飽和蒸気は、蒸気導出口２２から加熱器（ブースター）５０に導出される。加熱器（ブースター）５０のすべての加熱管５１はヒーター５３により加熱されており、飽和蒸気は、加熱器（ブースター）５０の各加熱管５１を通過することで例えば２５０℃以上に加熱されて過熱水蒸気となり、加熱器（ブースター）５０から外部に放出される。

　なお、ボイラー２０の加熱室２１の蒸気溜りＳは連通管６０によりリザーバー３０の空気溜りＴと連通しているが、加熱器（ブースター）５０は外気に開放されている一方でリザーバー３０は密閉されているため、飽和蒸気は連通管６０には導かれずに加熱器（ブースター）５０に向けて導出される。

　ボイラー２０の加熱室２１には、サイホンの原理により水Ｗがリザーバー３０から供給管４０を通って供給される。ボイラー２０の加熱室２１の水位は、リザーバー３０の貯留室３１の水位を水位計３２により計測することで計測されており、電熱ヒーター２３が常に水没しているように管理されている。貯留室３１の水位が下がると、水道等からリザーバー３０に水Ｗが供給される。

　発生した飽和蒸気が加熱器（ブースター）５０により加熱される際に、急激な加熱により飽和蒸気が加熱器（ブースター）５０内で膨張すると、飽和蒸気が加熱器（ブースター）５０の分岐路を通過しにくくなる。このため、ボイラー２０の加熱室２１の圧力が上昇するが、連通管６０を通じてボイラー２０の加熱室２１とリザーバー３０の貯留室３１との間で圧力の調整が図られ、ボイラー２０の加熱室２１とリザーバー３０の貯留室３１との圧力が等しくなっている。これにより、ボイラー２０の加熱室２１とリザーバー３０の貯留室３１との間で水の行き来が繰り返し行われる、いわゆる振動現象が発生するのを防いでいる。

　本発明によれば、リザーバー３０からの水Ｗが加熱室２１の下方から供給されているので、加熱室２１の水Ｗの水面の温度が低下することがなく、加熱室２１へのリザーバー３０からの水Ｗの供給時にも加熱室２１の水Ｗの沸騰を維持することができるので、ボイラー２０における飽和蒸気の発生が止まるのを防ぐことができる。また、常圧過熱水蒸気発生装置１０の内部、つまりは、加熱室２１及び貯留室３１の内部は、外気圧とほぼ等しい圧力を保っているので、従来の圧力容器等のような爆発の可能性がある複雑な装置を必要とせず、簡単な構造で安全に過熱水蒸気を発生させることができる。

　本発明の常圧過熱水蒸気発生装置１０は、加湿器、滅菌機器、調理機器等に用いることができる。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１０　常圧過熱水蒸気発生装置
２０　ボイラー
２１　加熱室
２２　蒸気導出口
３０　リザーバー（貯水槽）
３１　貯留水
３２　水位計
４０　供給管
５０　加熱器
５１　加熱管
５２　外壁部分
５３　電熱線（ヒーター）
５４　温度センサー
６０　連通管

Claims

　内部に導入された水を沸騰させて飽和蒸気を発生させる加熱室を備え、前記加熱室の上部に蒸気溜り及び蒸気導出口が設けられたボイラーと、
　前記ボイラーに並設され、内部に前記加熱室へ供給する水を貯留し、上部に空気溜りを有するリザーバーと、
　前記ボイラー及び前記リザーバーを連結し、前記加熱室の下部に前記リザーバーより水を供給する供給管と、
　前記蒸気導出口より導出された飽和蒸気を加熱して外気に開放する加熱器と、を備えた常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記リザーバーは、所定の水圧で水を送り出す原水供給源又は貯水タンクに連結されたポンプと接続されており、
　前記リザーバーに貯留された水が所定の水位を満たすように前記原水供給源又は前記ポンプから水が前記リザーバーに供給される請求項１に記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記ボイラーの上部の前記蒸気溜りと前記リザーバーの上部の前記空気溜りとを連通させる連通管を備える請求項１又は２に記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記加熱器は、導入した蒸気を分岐させて通過させる複数の分岐路と、前記分岐路間の隔壁部分を周囲から加熱するヒーターとを含む請求項１～３のいずれかに記載の過熱水蒸気発生装置。
　複数の前記分岐路は、束ねられて互いに接触した状態にある複数の加熱管により構成され、束ねられた前記加熱管は外周が管状の外壁部分により取り囲まれるとともに、前記外壁部分を介して複数の前記加熱管が前記ヒーターにより加熱される請求項４に記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　複数の前記分岐路は、その内部空間の大きさとして、前記分岐路の長さ方向に対して垂直に切った断面形状において、任意の２点を結ぶ線分の最大長さが３ｍｍ以下である請求項４又は５に記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記加熱器は、温度センサーと、前記温度センサーによる温度測定値に基づき前記加熱器から導出される蒸気の温度が２５０℃以上となるように前記ヒーターの温度を制御する制御装置とを備える請求項４～６のいずれかに記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記ボイラーの上部の前記蒸気溜まりが、前記加熱器を介して外気下に開放されており、前記ボイラー内部の圧力が１．１気圧より小さい請求項１～７のいずれかに記載の常圧過熱水蒸気発生装置。
　前記ボイラーは、内部に導入された水を加熱するボイラー熱源を備え、
　前記ボイラー熱源は、下部が前記ボイラーの下部に固定されており、上部が水中に没するように設置されたプラグ状の絶縁された電熱ヒーターであり、
　前記電熱ヒーターには着脱可能なカバーが被せられている請求項１～８のいずれかに記載の常圧過熱水蒸気発生装置。