CN117917185A - 感应加热线圈单元及感应加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的感应加热线圈单元2配置于被加热物1的外周或插入于被加热物1的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对被加热物1进行加热，感应加热线圈单元2具备：感应加热线圈20，其是导体200绕着规定的轴线AL进行卷绕得到的；以及端壁部21，其由软磁性材料构成，且配置成将感应加热线圈20的轴向两侧的端部的至少一部分覆盖，导体200具有与被加热物1的外周面或内周面对置的对置面201，对置面201包括与轴线AL平行地延伸的平行部201a。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热线圈单元及感应加热装置。
背景技术
例如，如下述的非专利文献1所示，已知有利用电磁感应对被加热物进行加热的感应加热。感应加热如下进行：在包含磁性材料和/或导电材料的被加热物附近配置感应加热线圈，使该感应加热线圈附近产生磁场。
感应加热线圈可以通过例如铜管及平角线等导体绕着规定的轴线进行卷绕来形成。例如，在对柱状的被加热物进行加热时，可以在被加热物的外周配置感应加热线圈。磁场可以通过使电流流通于感应加热线圈来产生。流通于感应加热线圈的电流可以为通过将来自高频逆变器的交流电流利用变压器进行放大而得到的大电流。感应加热能够以非接触的方式对被加热物进行加热，因此，在对热传导性较差的材料进行加热的情形及以热接触不容易的条件加热对象物的情形下特别有用。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：一般社团法人日本电热中心编《新修订版电热手册》Ohm公司2019年4月10日发行(第263页)
发明内容
如上所述的感应加热线圈中，感应加热线圈为了对被加热物进行加热而产生的磁场在感应加热线圈的端部非常大，在其端部，感应加热线圈自身被极端加热。因此，供给到感应加热线圈的电力被浪费在感应加热线圈的端部的发热，被加热物的加热效率下降。另外，感应加热线圈的端部异常发热的情况下，还会产生感应加热线圈的冷却变得困难的课题。
本发明是为了解决如上所述的课题而实施的，其目的在于，提供能够抑制感应加热线圈的端部的极端发热的感应加热线圈单元及感应加热装置。
本发明的一方案所涉及的感应加热线圈单元配置于被加热物的外周或插入于被加热物的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对被加热物进行加热，该感应加热线圈单元具备：感应加热线圈，该感应加热线圈是导体绕着规定的轴线进行卷绕得到的；以及端壁部，该端壁部由软磁性材料构成，且配置成将感应加热线圈的轴向两侧的端部的至少一部分覆盖，导体具有与被加热物的外周面或内周面对置的对置面，对置面包括与轴线平行地延伸的平行部。
本发明的另一方案所涉及的感应加热线圈单元配置于被加热物的外周或插入于被加热物的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对被加热物进行加热，该感应加热线圈单元具备：感应加热线圈，该感应加热线圈是属于(i)截面具有角部的形状的导体及(ii)截面为扁平形状的导体中的至少一者的导体绕着规定的轴线进行卷绕得到的；以及端壁部，该端壁部由软磁性材料构成，且配置成将感应加热线圈的轴向两侧的端部的至少一部分覆盖。
本发明的一方案所涉及的感应加热装置具备：上述的感应加热线圈单元；以及被加热物，在该被加热物的外周配置有感应加热线圈单元或在该被加热物的内部的中空部分插入有感应加热线圈单元，由感应加热线圈单元进行感应加热。
发明效果
根据本发明的感应加热线圈单元及感应加热装置，能够抑制感应加热线圈的端部的极端发热。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的感应加热装置的立体图。
图2是示出图1的感应加热装置的变形例的立体图。
图3是示出图1的电源电路的一例的电路图。
图4是示出图1的端壁部的作用的说明图。
图5是说明轴线延伸的方向上的感应加热线圈的形态的说明图。
图6是示出图5的感应加热线圈的导体的第一形态的说明图。
图7是示出图5的感应加热线圈的导体的第二形态的说明图。
图8是示出图5的感应加热线圈的导体的第三形态的说明图。
图9是示出图5的感应加热线圈的导体的第四形态的说明图。
图10是示出图5的感应加热线圈的导体的第五形态的说明图。
图11是说明与轴线正交的方向上的端壁部的形态的说明图。
图12是示出图11的端壁部的第一～第三形态的说明图。
图13是示出本发明的实施方式2的感应加热装置的立体图。
图14是图13的感应加热线圈单元的截面图。
图15是本发明的实施方式3的感应加热装置中的感应加热线圈单元的截面图。
图16是本发明的实施方式4的感应加热装置中的感应加热线圈单元的截面图。
图17是本发明的实施方式5的感应加热装置中的感应加热线圈单元的截面图。
图18是示出构成端壁部的软磁性材料的相对磁导率的影响的说明图。
图19是示出调查构成端壁部的软磁性材料的相对磁导率的影响时的解析模型的说明图。
图20是示出感应加热线圈的电阻比与构成端壁部的软磁性材料的相对磁导率之间的关系的曲线图。
图21是示出轴线延伸的方向上的感应加热线圈的端部与端壁部之间的距离的影响的说明图。
图22是示出调查轴线延伸的方向上的感应加热线圈的端部与端壁部之间的距离的影响时的解析模型的说明图。
图23是示出感应加热线圈的电阻比、端部与端壁部之间的距离和感应加热线圈与被加热物的表面之间的距离的距离比之间的关系的曲线图。
图24是示出与轴线正交的方向上的导体的厚度的影响的说明图。
图25是示出调查与轴线正交的方向上的导体的厚度的影响时的解析模型的说明图。
图26是示出以电阻最小值进行正规化后的感应加热线圈的电阻与导体的厚度相对于导体的表皮深度的比值之间的关系的曲线图。
图27是示出图1的被加热物1的一例的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图，对具体实施方式进行说明。本发明并不限定于各实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内对构成要素进行变更而实现具体化。另外，通过各实施方式中公开的多个构成要素的适当组合，能够形成各种发明。例如，也可以从实施方式中给出的全部构成要素中删除若干构成要素。此外，可以将不同实施方式的构成要素适当组合。
实施方式1.
图1是具备感应加热线圈单元2及被加热物1的感应加热装置，图2是示出图1的感应加热装置的变形例的立体图。图1及图2所示的感应加热装置是构成为能够利用感应加热而对被加热物1进行加热的装置。本实施方式的感应加热装置具有：被加热物1、感应加热线圈单元2及电源电路3。
被加热物1为包含磁性材料和/或导电材料的部件。磁性材料和/或导电材料可以构成被加热物1的整体或一部分。被加热物1的形状任意，可以如图1所示呈柱状，也可以如图2所示为筒状的部件。所谓柱状，可以理解为轴向上具有规定的厚度的立体形状。被加热物1的轴向长度与被加热物1的端面的直径或宽度之比(纵横尺寸比)任意。柱状也可以包括被加热物1的轴向长度比端面的直径或宽度短的形状(扁平形状)。被加热物1的截面形状任意，可以如图1及图2所示呈圆形，也可以呈多边形等其他形状。
感应加热线圈单元2为如下单元，如图1所示配置于被加热物1的外周，或如图2所示插入于被加热物1的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对被加热物1进行加热。本实施方式1的感应加热线圈单元2具有感应加热线圈20及端壁部21。感应加热线圈20是导体200绕着规定的轴线AL进行卷绕得到的。感应加热线圈20的轴线AL可以与被加热物1的轴向平行。轴线AL可以与被加热物1的中心轴同轴。端壁部21为由软磁性材料构成的壁部，配置成将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e(参照后述的图4)的至少一部分覆盖。下文中，对上述感应加热线圈20及端壁部21详细地进行说明。
在感应加热线圈20连接有电源电路3。通过从电源电路3向感应加热线圈20供给交流电流，使得感应加热线圈20的附近产生电场。被加热物1可以利用感应加热线圈20产生的电场进行感应加热。
接下来，图3是示出图1的电源电路3的一例的电路图。如图3所示，电源电路3可以包括：直流电源30、逆变器31、变压器32以及谐振用电容器33。来自直流电源30的直流电由逆变器31转换为交流电。变压器32具有：与逆变器31连接的一次线圈32a、以及与谐振用电容器33及感应加热线圈20连接的二次线圈32b。一次线圈32a与二次线圈32b的匝数比为N：1。N为大于1的数，变压器32能够将交流电的电流放大。谐振用电容器33的容量以调整电源电路3的谐振频率的方式进行设定。感应加热线圈20与谐振用电容器33串联连接，并且，可以与谐振用电容器33一同连接于二次线圈32b的两端。
＜关于端壁部21的作用＞
接下来，图4是示出图1的端壁部21的作用的说明图。图4中的(a)示出未设置端壁部21时的磁场，图4中的(b)示出设置有端壁部21时的磁场。应予说明，图4中以截面示出柱状的被加热物1、配置于其外周的感应加热线圈20等。图4所示的截面为被加热物1的径向或宽度方向上的单侧的被加热物1等的截面。图4中概要地示出感应加热线圈20。关于通过以将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的至少一部分覆盖的方式配置由软磁性材料构成的端壁部21而抑制了感应加热线圈20的端部20e的极端发热，本发明的发明人是如下考虑的。
如上所述，通过向感应加热线圈20供给交流电，使得感应加热线圈20的附近产生磁通MF。如图4中的(a)所示未设置端壁部21的情况下，在感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e，由磁通MF带来的磁场非常大，在这些端部20e，感应加热线圈20自身有时被极端加热。与此相对，如图4中的(b)所示，通过以将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的至少一部分覆盖的方式配置由软磁性材料构成的端壁部21，能够将磁通MF拉到端壁部21。据此，能够抑制感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e处的磁场，从而能够抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。该作用在像图2那样感应加热线圈单元2插入于被加热物1的中空部分的情况下也是同样的。
导体200具有与被加热物1的外周面对置的对置面201。如图2所示，感应加热线圈20插入于被加热物1的中空部分的情况下，对置面201可以理解为与被加热物1的内周面对置的面。对置面201优选包括与轴线AL平行地延伸的平行部201a。通过对置面201包括平行部201a，在以感应加热线圈20的轴线AL与被加热物1的轴向平行的方式配置感应加热线圈20时，能够抑制对置面201与被加热物1的外周面或内周面之间的距离D在轴线AL延伸的方向上的变化。通过抑制该距离D的变化，能够使感应加热线圈20与被加热物1对置的面的磁场更加均匀，从而能够抑制感应加热线圈20的局部发热。另外，通过与端壁部21组合，包括感应加热线圈20的端部20e在内，感应加热线圈20整体被施加一样的磁场，在感应加热线圈20的所有部分均匀地发热，因此，能够抑制感应加热线圈20的电阻因加热而上升。
＜关于感应加热线圈20的详细情况＞
接下来，采用图5～图10，对感应加热线圈20更详细地进行说明。图5是说明轴线AL延伸的方向上的感应加热线圈20的形态的说明图。图6～图10是示出图5的感应加热线圈20的导体200的第一～第五形态的说明图。
如图5所示，轴线AL延伸的方向(轴向)上的感应加热线圈20的长度(轴向长度)可以任意变更。感应加热线圈20的轴向长度可以如图5中的(a)所示比被加热物1的轴向长度短，也可以如图5中的(b)所示比被加热物1的轴向长度长。轴向上的感应加热线圈20的中央位置可以与轴向上的被加热物1的中央位置一致，也可以自同一位置偏向轴向上的单侧。
如图6～图9所示，感应加热线圈20的导体200的形状可以任意变更。
图6示出导体200的截面形状为正方形的形态。导体200的截面形状为正方形时，对置面201的整体可以构成平行部201a。如图6所示，导体200可以按在轴线AL延伸的方向上形成1个列的方式进行卷绕。可以全部导体200彼此串联连接，也可以一部分导体200与其他导体200并联连接。图6中示出导体200的截面形状为实心形状，不过，导体200的截面形状可以为中空形状(方筒形状)。即便是其他截面形状，上述轴线AL延伸的方向上的列的数量、连接关系及实心或中空也是同样的。
图7示出导体200的截面形状为长方形的形态。也有时将这样的导体200称为平角线。导体200的截面形状为长方形时，对置面201的整体可以构成平行部201a。
图8示出导体200为与轴线AL正交的方向上的厚度比轴线AL延伸的方向上的宽度薄的片状的形态。也有时将这样的片状的导体200称为薄膜。如图8所示，片状的导体200可以按在与轴线AL正交的方向上层叠的方式进行卷绕。换言之，片状的导体200绕着轴线AL卷成螺旋状。可以全部层的导体200彼此串联连接，也可以一部分层的导体200与其他层的导体200并联连接。各层的导体200可以彼此绝缘。片状的导体200被层叠时，位于最内周或最外周的导体200具有对置面201。另外，其对置面201的整体可以构成平行部201a。
如上所述，本实施方式中，通过端壁部21来抑制端部20e的由磁通MF带来的磁场。结果，与线圈内侧的表面平行地产生磁通MF。通过将片状的导体200层叠，能够使导体200与磁通MF平行，从而能够很好地避免磁通MF与感应加热线圈20的端部20e交链，因此，能够进一步降低端部20e的极端发热。
图9示出导体200的截面形状为大致圆筒形状的形态。换言之，导体200的截面形状为轨道形或金币形(具有一对直线部和将该一对直线部的端部间连接的一对曲线的形状)的筒状。该形状可以理解为带有圆角的矩形。导体200的截面形状为大致圆筒形状时，对置面201中所含的直线部(对置面201的一部分)可以构成平行部201a。
上述的对置面201包括平行部201a的作用在包括图6～图9的形状的任意截面形状中都有用。
此处，如采用图4中的(a)所说明的那样，未设置端壁部21的情况下，在感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e，由磁通MF带来的磁场非常大，在这些端部20e，感应加热线圈20自身有时被极端加热。不过，导体200的截面形状为正圆的情况下，导体200的截面形状圆滑，因此，即便是轴向两侧的端部20e，由磁通MF带来的磁场也不易变大。换言之，认为：磁场在感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e非常大这一课题在导体200的截面形状并非正圆且对置面201包括平行部201a的情况下显著。即，认为：以将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的至少一部分覆盖的方式配置由软磁性材料构成的端壁部21在对置面201包括平行部201a的情况下是特别有用的构成。
另外，认为：磁场在感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e非常大这一课题在导体200的截面形状并非正圆且使用了属于(i)截面具有角部的形状的导体200及(ii)截面为扁平形状的导体200中的至少一者的导体200的情况下显著。即，认为：以将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的至少一部分覆盖的方式配置由软磁性材料构成的端壁部21在使用了属于(i)截面具有角部的形状的导体200及(ii)截面为扁平形状的导体200中的至少一者的导体200的情况下是特别有用的构成。这种情况下，导体200的对置面201可以包括平行部201a，也可以不包括平行部201a。截面为扁平形状时，截面中具有长轴径和短轴径(与长轴径正交的直线)。长轴径(L1)相对于短轴径(S1)的比例(L1/S1：纵横尺寸比)可以任意变更，例如可以为2以上且100以下的范围等。
应予说明，图6所示的截面形状为正方形的导体200属于(i)截面具有角部的形状的导体。图7所示的截面形状为长方形的导体200属于(i)截面具有角部的形状的导体及(ii)截面为扁平形状的导体这两者。图8所示的片状的导体200至少属于(ii)截面为扁平形状的导体。截面形状中能够确认到角部的情况下，也可以将片状的导体200理解为还属于(i)截面具有角部的形状的导体。图9所示的截面形状为轨道形或金币形的导体200属于(ii)截面为扁平形状的导体。导体200的截面形状可以为椭圆。椭圆也属于扁平形状。
轴线AL延伸的方向上的平行部201a的合计延伸宽度优选为轴线AL延伸的方向上的感应加热线圈20的延伸宽度的一半以上。例如，像图6所示的截面形状为矩形的导体200那样对置面201的整体构成平行部201a时，平行部201a的合计延伸宽度相当于感应加热线圈20的延伸宽度减去导体200间的分离宽度得到的值。另一方面，像图9所示的截面形状为轨道形或金币形的导体200那样对置面201的一部分构成平行部201a时，平行部201a的合计延伸宽度相当于将构成其平行部201a的一部分延伸宽度(对置面201中所含的直线部的延伸宽度)相加得到的值。感应加热线圈20的延伸宽度可以为轴线AL延伸的方向上的感应加热线圈20的外端间距离。通过平行部201a的合计延伸宽度为感应加热线圈20的延伸宽度的一半以上，能够更加可靠地使感应加热线圈20与被加热物1对置的面的磁场均匀，从而能够抑制感应加热线圈20的局部发热。
应予说明，如图10所示，导体200可以按在轴线AL延伸的方向上形成多个列的方式进行卷绕。图10中示出截面形状为正方形的导体200按在轴线AL延伸的方向上形成2个列的方式进行卷绕的形态。这样的形态也是：可以全部导体200彼此串联连接，也可以一部分导体200与其他导体200并联连接。另外，也可以截面为其他形状的导体200按在轴线AL延伸的方向上形成多个列的方式进行卷绕。
＜关于端壁部21的详细情况＞
接下来，采用图11及图12，对端壁部21更详细地进行说明。图11是说明与轴线AL正交的方向上的端壁部21的形态的说明图。图12是示出图11的端壁部21的第一～第三形态的说明图。图12也是示出沿着轴线AL观察时的端壁部21的主视图。
如图11所示，与轴线AL正交的方向上的端壁部21的厚度(T2)可以任意变更。端壁部21的厚度(T2)可以如图11中的(a)所示比与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度(T1)薄，也可以如图11中的(b)所示比导体200的厚度(T1)厚。
像图11中的(a)那样端壁部21的厚度(T2)比导体200的厚度(T1)薄的情况下，端壁部21仅将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的一部分覆盖。这样的形态下，能够抑制端壁部21所需的材料，并且，能够抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。
另一方面，像图11中的(b)那样端壁部21的厚度(T2)比导体200的厚度(T1)厚的情况下，端壁部21可以将感应加热线圈的轴向两侧的端部20e全部覆盖。这样的形态下，能够更可靠地抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。特别是，优选像图11中的(b)那样端壁部21在与轴线AL正交的方向上自端部20e的内缘20e1及外缘20e2突出出来。这样的形态能够进一步可靠地抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。如图11中的(b)所示，端壁部21可以设置为：不仅将感应加热线圈20的端部20e覆盖，还将被加热物1的端面覆盖。
如图12中的(a)～(c)所示，端壁部21的形状可以任意变更。如图12中的(a)所示，端壁部21可以具有在感应加热线圈20的整个周向20c呈环状延伸的环状壁210。环状壁210可以将感应加热线圈的轴向两侧的端部20e全部覆盖。这样的形态下，能够更可靠地抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。
如图12中的(b)所示，端壁部21可以具有在感应加热线圈20的周向20c上彼此分离配置的多个分离壁211。分离壁211仅将感应加热线圈20的轴向两侧的端部20e的一部分覆盖。这样的形态下，能够抑制端壁部21所需的材料，并且，能够抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。
如图12中的(c)所示，端壁部21可以具有环状壁210及分离壁211这两者。这样的形态下，能够进一步可靠地抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。图12中的(c)中示出分离壁211自环状壁210的内缘朝向内侧突出的形态，不过，分离壁211也可以自环状壁210的外缘朝向外侧突出。
图12中的(a)～(c)中示出像图11中的(b)那样端壁部21的厚度(T2)比导体200的厚度(T1)厚时的各形态，不过，即便是像图11中的(a)那样端壁部21的厚度(T2)比导体200的厚度(T1)薄的情况下，端壁部21也可以具有环状壁210及分离壁211中的至少一者。
实施方式2.
图13是示出本发明的实施方式2的感应加热装置的立体图，图14是图13的感应加热线圈单元2的截面图。图14所示的截面为被加热物1的径向或宽度方向上的单侧的被加热物1等的截面。图14中概要地示出感应加热线圈20。
如图14中特别表示的那样，感应加热线圈20具有：与被加热物1的外周面对置的对置部205、以及位于与轴线AL正交的方向上的对置部205的相反侧的背部206。这种情况下，背部206在与轴线AL正交的方向上位于对置部205的外侧。如图2所示感应加热线圈20插入于被加热物1的中空部分的情况下，对置部205可以理解为与被加热物1的内周面对置的部分。这种情况下，背部206在与轴线AL正交的方向上位于对置部205的内侧。
如图13及图14所示，本实施方式2的感应加热装置除了具有实施方式1的构成以外，还具有背部壁22，该背部壁22由软磁性材料构成，且配置成将感应加热线圈20的背部206的至少一部分覆盖。通过将背部206利用背部壁22进行覆盖，能够进一步减少背部206的由磁通MF带来的磁场，从而能够进一步抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热，并且，能够在背部206更进一步抑制感应加热线圈20的发热。应予说明，图13中示出背部壁22在感应加热线圈20的周向20c及轴线AL延伸的方向的整体将背部206全部覆盖。不过，背部壁22可以构成为：在感应加热线圈20的周向20c或轴线AL延伸的方向上仅将背部206的一部分覆盖。其他构成与实施方式1相同。
实施方式3.
图15是本发明的实施方式3的感应加热装置中的感应加热线圈单元2的截面图。如图15所示，感应加热线圈20的导体200可以在轴线AL延伸的方向上彼此空开间隔地进行卷绕。
本实施方式3的感应加热线圈单元2还具有多个第一中间壁23，该多个第一中间壁23由软磁性材料构成，以位于导体200之间的方式在轴线AL延伸的方向上彼此分离，且沿与轴线AL正交的方向延伸。第一中间壁23可以与背部壁22连接。能够更可靠地使在感应加热线圈20内部产生的磁通MF与感应加热线圈20的内侧表面平行。据此，能够使由磁通MF带来的磁场更加均匀，从而能够进一步减少感应加热线圈20的端部20e的极端发热，并且，还能够抑制感应加热线圈单元2整体的局部发热。其他构成与实施方式1相同。
实施方式4.
图16是本发明的实施方式4的感应加热装置中的感应加热线圈单元2的截面图。如图16所示，感应加热线圈20的导体200可以在与轴线AL正交的方向上彼此空开间隔地进行卷绕。图16的导体200与图8的形态同样地为与轴线AL正交的方向上的厚度比轴线AL延伸的方向上的宽度薄的片状的导体，按在与轴线AL正交的方向上层叠的方式进行卷绕。
本实施方式4的感应加热线圈单元2还具有多个第二中间壁24，该多个第二中间壁24由软磁性材料构成，以位于导体200之间的方式在与轴线AL正交的方向上彼此分离，且沿轴线AL延伸的方向延伸。第二中间壁24可以与端壁部21连接，也可以与端壁部21分开设置。通过利用软磁性材料来减少由从导体200的表面通过的磁通MF带来的磁场，能够进一步抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。其他构成与实施方式1相同。
实施方式5.
图17是本发明的实施方式5的感应加热装置中的感应加热线圈单元2的截面图。如图17所示，感应加热线圈20的导体200的表面可以由软磁性材料25覆盖。软磁性材料25可以将导体200的延伸方向及周向上的全部表面覆盖，也可以将表面的一部分覆盖。通过利用软磁性材料来减少由从导体200的表面通过的磁通MF带来的磁场，能够进一步抑制感应加热线圈20的端部20e的极端发热。其他构成与实施方式1相同。
＜关于各特征的优选数值范围＞
接下来，对各特征的优选数值范围进行说明。图18是示出构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’的影响的说明图。图18中的(a)示出构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’约为1时的感应加热线圈20的端部20e周边的磁通MF的样子，(b)示出相对磁导率μr’大于(a)时的磁通MF的样子，(c)示出相对磁导率μr’大于(b)时的磁通MF的样子。
如图18中的(a)所示，构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’(软磁性材料的磁导率μ相对于真空的磁导率μ0的比值)约为1的情况下，软磁性材料的磁导率μ与周围的空气的磁导率为相同程度，端壁部21拉拢磁通MF的量较小。如图18中的(b)及(c)所示，随着构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’变大，端壁部21能够拉拢更多的磁通MF，从而能够减轻感应加热线圈20的端部20e处的电流偏倚。电流沿着附近的磁通而分布于端部20e的表面。
本发明的发明人在电磁场解析软件上设定感应加热装置的解析模型，一边对构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’进行变更，一边计算出感应加热线圈20的电阻比(交流电阻Rac/直流电阻Rdc)。
作为电磁场解析软件，使用株式会社JSOL制的“JMAG－Designer19.1”。关于解析模型，如图19所示，设定将具有对铜制的平角线(像图7那样截面形状为长方形的导体200)进行卷绕得到的感应加热线圈20的感应加热线圈单元2配置于被加热物1(加热对象)的外周的模型。被加热物1为陶瓷制的柱状部件(相对磁导率：1.1、传导率：0S/m)。作为平角线的物性，设定为相对磁导率：1.0，电阻率：1.67Ωm(室温)。构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’可变，该软磁性材料的传导率为0S/m。解析模型的各部分的尺寸如图19所示。设定为使频率500kHz、振幅(有效值)333Arms的设定电流流通于平角线。解析条件采用“二维＿轴对称＿频率响应解析”。将其结果示于图20。
图20是示出感应加热线圈20的电阻比(正规化后的绕组电阻、交流电阻Rac/直流电阻Rdc)与构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’之间的关系的曲线图。如图20所示，确认到：构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’为5以上时，能够更可靠地降低感应加热线圈20的电阻比(交流电阻Rac/直流电阻Rdc)。根据该结果，构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’优选为5以上。不过，即便相对磁导率μr’小于5，也有时能够降低感应加热线圈20的电阻比。因此，根据实施条件，也不排除使相对磁导率μr’小于5。应予说明，从电阻比控制的观点出发，相对磁导率μr’的上限值没有特别限制，不过，从工业用途的观点出发，以10,000为标准。
接下来，图21是示出轴线AL延伸的方向上的感应加热线圈20的端部20e与端壁部21之间的距离的影响的说明图。图21中的(a)示出感应加热线圈20的端部20e与端壁部21接触时的端部20e周边的磁通MF的样子，(b)及(c)示出端部20e逐渐离开端壁部21时的磁通MF的样子。
如图21中的(a)～(c)所示，端部20e与端壁部21之间的距离dc-m(参照图21中的(c))越小，磁通MF越被端壁部21拉拢，越能够减轻感应加热线圈20的端部20e处的电流偏倚。
本发明的发明人在电磁场解析软件上设定感应加热装置的解析模型，一边对端部20e与端壁部21之间的距离dc-m进行变更，一边计算出感应加热线圈20的电阻比(交流电阻Rac/直流电阻Rdc)。
作为电磁场解析软件，使用株式会社JSOL制的“JMAG－Designer19.1”。关于解析模型，如图22所示，设定将具有对铜制的平角线(像图7那样截面形状为长方形的导体200)进行卷绕得到的感应加热线圈20的感应加热线圈单元2配置于被加热物1(加热对象)的外周的模型。被加热物1为陶瓷制的柱状部件(相对磁导率：1.1、传导率：0S/m)。作为平角线的物性，设定为相对磁导率：1.0，电阻率：1.67Ωm(室温)。构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’及传导率使用“JMAG”内的非线性数据。解析模型的各部分的尺寸如图22所示。端部20e与端壁部21之间的距离dc-m可变。设定为使频率500kHz、振幅(有效值)333Arms的设定电流流通于平角线。解析条件采用“二维＿轴对称＿频率响应解析”。将其结果示于图23。
图23是示出感应加热线圈20的电阻比(正规化后的绕组电阻、交流电阻Rac/直流电阻Rdc)、端部20e与端壁部21之间的距离dc-m和感应加热线圈20与被加热物1的表面之间的距离dc-h的距离比(磁性材料－绕组间距离相对于加热对象－绕组间距离的比值)dc-m/dc-h之间的关系的曲线图。如图23所示，确认到：距离比dc-m/dc-h为0.5以下时，能够更可靠地降低感应加热线圈20的电阻比(交流电阻Rac/直流电阻Rdc)。根据该结果，轴线AL延伸的方向上的感应加热线圈20的端部20e与端壁部21之间的距离dc-m优选为与轴线AL正交的方向上的感应加热线圈20与被加热物1的表面之间的距离dc-h的0.5倍以内。不过，即便距离dc-m大于距离dc-h的0.5倍，也有时能够降低感应加热线圈20的电阻比。因此，根据实施条件，也不排除距离dc-m为距离dc-h的0.5倍以上。
接下来，图24是示出与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度T1的影响的说明图。图24中的(a)示出与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度T1比导体200的表皮深度σ薄时的导体200中的电流分布，(b)示出导体200的厚度T1与导体200的表皮深度σ为相同程度时的导体200中的电流分布，(c)示出导体200的厚度T1比导体200的表皮深度σ厚时的导体200中的电流分布。
如图24中的(a)所示，导体200的厚度T1比导体200的表皮深度σ薄的情况下，电流在导体200中一样地流通。不过，认为：厚度T1比表皮深度σ薄的情况下，该导体200的电阻变大。
如图24中的(b)所示，导体200的厚度T1与导体200的表皮深度σ为相同程度的情况下，电流在导体200中一样地流通。另外，认为：厚度T1与表皮深度σ为相同程度的情况下，该导体200的电阻也成为适当值。
如图24中的(c)所示，导体200的厚度T1比导体200的表皮深度σ厚的情况下，电流集中于导体200的表面进行流通，认为导体200的电阻变大。
本发明的发明人在电磁场解析软件上设定感应加热装置的解析模型，一边对导体200的厚度T1相对于导体200的表皮深度σ的比值(T1/σ)进行变更，一边计算出感应加热线圈20的交流电阻Rac。
作为电磁场解析软件，使用株式会社JSOL制的“JMAG－Designer19.1”。关于解析模型，如图25所示，设定将具有对铜制的薄膜(像图8那样薄的片状的导体200)进行卷绕并层叠得到的感应加热线圈20的感应加热线圈单元2配置于被加热物1(加热对象)的外周的模型。被加热物1为陶瓷制的柱状部件(相对磁导率：1.1、传导率：0S/m)。作为薄膜的物性，设定为相对磁导率：1.0，电阻率：1.67Ωm(室温)。构成端壁部21的软磁性材料的相对磁导率μr’及传导率使用“JMAG”内的非线性数据。解析模型的各部分的尺寸如图25所示。薄膜的厚度可变。薄膜的间隔固定，并设定为薄膜的厚度越大、作为感应加热线圈20的厚度越大(薄膜越厚，上部的薄膜越向上移动)。设定为使频率500kHz、振幅(有效值)333Arms的设定电流流通于薄膜。解析条件采用“二维＿轴对称＿频率响应解析”。将其结果示于图26。
图26是示出以电阻最小值正规化后的感应加热线圈20的电阻(交流电阻Rac/交流电阻的最小值Rac min)与导体200的厚度T1相对于导体200的表皮深度σ的比值(T1/σ)之间的关系的曲线图。如图26所示，确认到：与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度T1为导体200的表皮深度σ的0.5倍以上且2倍以下时，能够更可靠地降低感应加热线圈20的电阻。根据该结果，与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度T1优选为导体200的表皮深度σ的0.5倍以上且2倍以下。
不过，即便厚度T1小于表皮深度σ的0.5倍或超过表皮深度σ的2倍，也有时能够降低感应加热线圈20的电阻比。因此，根据实施条件，也不排除厚度T1小于表皮深度σ的0.5倍或超过表皮深度σ的2倍。特别是，有时厚度T1超过表皮深度σ的2倍的情况下感应加热线圈20的电阻不太能够降低对于将薄膜层叠的形态来说是特有的。即，将薄膜层叠的情况下，内侧的薄膜容易因被感应加热的效果而被外侧的薄膜加热，电流集中流通于导体200的表面时的导体200的电阻的上升幅度变大。如果是除将薄膜层叠的形态以外的形态，则与轴线AL正交的方向上的导体200的厚度T1满足导体200的表皮深度σ的2倍以下这一上限不太重要，也有时厚度T1为表皮深度σ的0.5倍以上即可。
＜关于被加热物1的一例＞
接下来，图27是示出图1的被加热物1的一例的立体图。如图27所示，被加热物1为具有蜂窝结构部的柱状的蜂窝结构体，该蜂窝结构部具有外周壁10和隔壁11，该隔壁11配设于外周壁10的内侧，且区划形成多个隔室11a，该多个隔室11a形成从一个端面延伸至另一个端面的流路。被加热物1为蜂窝结构体时，被加热物1的轴向可以为隔室11a的延伸方向。蜂窝结构体可以为对用于净化例如车辆等的废气的催化剂进行担载的催化剂载体。蜂窝结构体可以收纳于未图示的金属制的罐体。罐体可以将感应加热线圈单元2与被加热物1一同进行收纳。
外周壁10及隔壁11的材质没有特别限制，通常由陶瓷材料形成。例如可以举出：堇青石、碳化硅、钛酸铝、氮化硅、多铝红柱石、氧化铝、硅－碳化硅系复合材料、碳化硅－堇青石系复合材料、特别是以硅－碳化硅复合材料或碳化硅为主成分的烧结体。本说明书中，“碳化硅系”意味着：外周壁10及隔壁11中的碳化硅的含量为外周壁10及隔壁11整体的50质量％以上。外周壁10及隔壁11以硅－碳化硅复合材料为主成分意味着：外周壁10及隔壁11中的硅－碳化硅复合材料(合计质量)的含量为外周壁10及隔壁11整体的90质量％以上。此处，硅－碳化硅复合材料含有作为骨料的碳化硅粒子及作为使碳化硅粒子粘结的粘结材料的硅，优选多个碳化硅粒子以在碳化硅粒子间形成细孔的方式由硅粘结。另外，外周壁10及隔壁11以碳化硅为主成分意味着：外周壁10及隔壁11中的碳化硅(合计质量)的含量为外周壁10及隔壁11整体的90质量％以上。
优选为：外周壁10及隔壁11由选自由堇青石、碳化硅、钛酸铝、氮化硅、多铝红柱石及氧化铝构成的组中的至少1种陶瓷材料形成。
蜂窝结构体的隔室形状没有特别限定，在蜂窝结构体的与中心轴正交的截面中，优选为三角形、四边形、五边形、六边形、八边形等多边形、圆形或椭圆形，也可以为其他不规则形状。优选为多边形。
蜂窝结构体的隔壁11的厚度优选为0.05～0.50mm，就制造的容易度这一点而言，更优选为0.10～0.45mm。例如，如果为0.05mm以上，则蜂窝结构体的强度进一步提高；如果为0.50mm以下，则能够使压力损失变小。应予说明，该隔壁11的厚度为利用对中心轴方向截面进行显微镜观察的方法进行测定得到的平均值。
隔壁11的气孔率优选为20～70％。关于隔壁11的气孔率，就制造的容易度这一点而言，优选为20％以上，如果为70％以下，则能够维持蜂窝结构体的强度。
隔壁11的平均细孔径优选为2～30μm，更优选为5～25μm。如果隔壁11的平均细孔径为2μm以上，则容易制造；如果为30μm以下，则能够维持蜂窝结构体的强度。应予说明，本说明书中，在称为“平均细孔径”、“气孔率”时，是指利用水银压入法测定得到的平均细孔径、气孔率。
蜂窝结构体的隔室密度没有特别限制，优选为5～150隔室/cm2的范围，更优选为5～100隔室/cm2的范围，进一步优选为31～80隔室/cm2的范围。
蜂窝结构体的外形没有特别限定，可以为端面呈圆形的柱状(圆柱形状)、端面呈卵形的柱状、端面呈多边形(四边形、五边形、六边形、七边形、八边形等)的柱状等形状。
这样的蜂窝结构体如下制作：将含有陶瓷原料的坯料成型为具有隔壁的蜂窝状，形成蜂窝成型体，将该蜂窝成型体干燥后进行烧成，由此制作出蜂窝结构体，上述隔壁区划形成从一个端面延伸至另一个端面而成为流体流路的多个隔室。并且，将得到的蜂窝结构体用于本实施方式的蜂窝结构体的情况下，可以将外周壁与蜂窝结构体一体地挤出而直接用作外周壁，也可以在成型或烧成后对蜂窝结构体的外周进行磨削，使其成为规定形状，在该外周经磨削的蜂窝结构体涂布涂层材料，形成外周涂层。应予说明，本实施方式中，可以使用例如没有对蜂窝结构体的最外周进行磨削而具有外周的蜂窝结构体，在该具有外周的蜂窝结构体的外周面(即，蜂窝结构体的外周的更外侧)进一步涂布上述涂层材料，形成外周涂层。即，前者的情况下，在蜂窝结构体的外周面，仅有由涂层材料形成的外周涂层成为位于最外周的外周壁。另一方面，后者的情况下，形成在蜂窝结构体的外周面进一步层叠有由涂层材料形成的外周涂层的位于最外周的二层结构的外周壁。也可以将外周壁与蜂窝结构部一体地挤出并直接烧成，不进行外周的加工就用作外周壁。
蜂窝结构体不限定于一体地形成有隔壁11的一体型蜂窝结构体，例如可以为具有如下结构的蜂窝结构体(接合型蜂窝结构体)，该结构是：多个具有陶瓷制的隔壁且由隔壁区划形成作为流体流路的多个隔室的柱状的蜂窝单元借助接合材料层进行组合而得到的。
蜂窝结构体可以进一步具有磁性体。在蜂窝结构体设置磁性体的方法任意。例如，磁性体可以包含于：(1)在外周壁10及隔壁11的至少一个表面设置的涂层、(2)在蜂窝结构体的一个及另一个至少端面将隔室11a封孔的封孔部、(3)填充于隔室11a的结构体、和/或(4)在蜂窝结构体的一个及另一个至少端面设置的沟部中植入的环状体。
磁性体可以使用例如板状、棒状、环状、线状或纤维状的磁性体。应予说明，本发明中，关于棒状的磁性体和线状的磁性体，将与长度方向垂直的截面的直径为0.8mm以上的形状设为棒状，将与长度方向垂直的截面的直径小于0.8mm的形状设为线状，加以区别。
将磁性体填充于隔室11a的情况下以及将隔室11a封孔的情况下，可以将这些形状的磁性体根据隔室11a的形状适当使用。关于磁性体，可以多个集合而填充于1个隔室11a，也可以仅填充有1个。
将磁性体设置为涂层的情况下，涂层包含分散有磁性体粉体的固定粘结材料。作为固定粘结材料，可以使用包含硅酸、硼酸或硼硅酸的玻璃、结晶化玻璃及陶瓷、或包含其他氧化物的玻璃、结晶化玻璃及陶瓷等。
将磁性体设置为填充材料的情况下，关于纵横相邻的隔室11a，磁性体可以每隔1隔室进行配置而构成千鸟格状，也可以每隔2隔室、3隔室等多个隔室进行配置，还可以连续配置。填充有磁性体粒子的填充材料的隔室11a的数量或配置等没有限制，可以根据需要适当设计。从提高加热效果的观点出发，优选使填充有磁性体粒子的填充材料的隔室11a的数量增加，不过，从降低压力损失的观点出发，优选尽量减少。
填充材料可以由以磁性体粒子和粘结材料或粘接材料复合化得到的组合物构成。作为粘结材料，例如可以举出以金属或玻璃为主成分的材料。作为粘接材料，可以举出以二氧化硅或氧化铝为主成分的材料。除了粘结材料或粘接材料以外，可以进一步含有有机物或无机物。填充材料可以从蜂窝结构体的一个端面至另一个端面全部进行填充。另外，可以从蜂窝结构体的一个端面填充至隔室11a的中途。
作为磁性体的种类，例如可以举出：余量Co－20质量％Fe、余量Co－25质量％Ni－4质量％Fe、余量Fe－15～35质量％Co、余量Fe－17质量％Co－2质量％Cr－1质量％Mo、余量Fe－49质量％Co－2质量％V、余量Fe－18质量％Co－10质量％Cr－2质量％Mo－1质量％Al、余量Fe－27质量％Co－1质量％Nb、余量Fe－20质量％Co－1质量％Cr－2质量％V、余量Fe－35质量％Co－1质量％Cr、纯钴、纯铁、电磁软铁、余量Fe－0.1～0.5质量％Mn、余量Fe－3质量％Si、余量Fe－6.5质量％Si、余量Fe－18质量％Cr、余量Fe－16质量％Cr－8质量％Al、余量Ni－13质量％Fe－5.3质量％Mo、余量Fe－45质量％Ni、余量Fe－10质量％Si－5质量％Al、余量Fe－36质量％Ni、余量Fe－45质量％Ni、余量Fe－35质量％Cr、余量Fe－13质量％Cr－2质量％Si、余量Fe－20质量％Cr－2质量％Si－2质量％Mo、余量Fe－20质量％Co－1质量％V、余量Fe－13质量％Cr－2质量％Si、余量Fe－17质量％Co－2质量％Cr－1质量％Mo等。
符号说明
1：被加热物
2：感应加热线圈单元
3：电源电路
20：感应加热线圈
200：导体
201：对置面
201a：平行部
205：对置部
206：背部
21：端壁部
210：环状壁
211：分离壁
22：背部壁
23：第一中间壁
24：第二中间壁
25：软磁性材料
AL：轴线
Claims (18)
1.一种感应加热线圈单元，其配置于被加热物的外周或插入于被加热物的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对所述被加热物进行加热，其特征在于，
所述感应加热线圈单元具备：
感应加热线圈，该感应加热线圈是导体绕着规定的轴线进行卷绕得到的；以及
端壁部，该端壁部由软磁性材料构成，且配置成将所述感应加热线圈的轴向两侧的端部的至少一部分覆盖，
所述导体具有与所述被加热物的外周面或内周面对置的对置面，
所述对置面包括与所述轴线平行地延伸的平行部。
2.一种感应加热线圈单元，其配置于被加热物的外周或插入于被加热物的中空部分，构成为：能够利用感应加热而对所述被加热物进行加热，其特征在于，
所述感应加热线圈单元具备：
感应加热线圈，该感应加热线圈是属于(i)截面具有角部的形状的导体及(ii)截面为扁平形状的导体中的至少一者的导体绕着规定的轴线进行卷绕得到的；以及
端壁部，该端壁部由软磁性材料构成，且配置成将所述感应加热线圈的轴向两侧的端部的至少一部分覆盖。
3.根据权利要求2所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述导体具有与所述被加热物的外周面或内周面对置的对置面，
所述对置面包括与所述轴线平行地延伸的平行部。
4.根据权利要求1或3所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述轴线延伸的方向上的所述平行部的合计延伸宽度为所述轴线延伸的方向上的所述感应加热线圈的延伸宽度的一半以上。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述端壁部具有在所述感应加热线圈的周向上彼此分离配置的多个分离壁。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述端壁部在与所述轴线正交的方向上自所述端部的内缘及外缘突出出来。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述导体为与所述轴线正交的方向上的厚度比所述轴线延伸的方向上的宽度薄的片状，按在与所述轴线正交的方向上层叠的方式进行卷绕。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述感应加热线圈具有：与所述被加热物的外周面或内周面对置的对置部、以及位于与所述轴线正交的方向上的所述对置部的相反侧的背部，
所述感应加热线圈单元还具备背部壁，该背部壁由软磁性材料构成，且配置成将所述感应加热线圈的背部的至少一部分覆盖。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述感应加热线圈单元还具备多个第一中间壁，该多个第一中间壁由软磁性材料构成，按位于所述导体之间的方式在所述轴线延伸的方向上彼此分离且沿与所述轴线正交的方向延伸。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述感应加热线圈单元还具备多个第二中间壁，该多个第二中间壁由软磁性材料构成，按位于所述导体之间的方式在与所述轴线正交的方向上彼此分离且沿所述轴线延伸的方向延伸。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述导体的表面由软磁性材料覆盖。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
构成所述端壁部的软磁性材料的相对磁导率为5以上。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
所述轴线延伸的方向上的所述感应加热线圈的所述端部与所述端壁部之间的距离为与所述轴线正交的方向上的所述感应加热线圈与所述被加热物的表面之间的距离的0.5倍以内。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
与所述轴线正交的方向上的所述导体的厚度为所述导体的表皮深度的0.5倍以上。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的感应加热线圈单元，其特征在于，
与所述轴线正交的方向上的所述导体的厚度为所述导体的表皮深度的0.5倍以上且2倍以下。
16.一种感应加热装置，其特征在于，具备：
权利要求1至15中的任一项所述的感应加热线圈单元；以及
被加热物，在该被加热物的外周配置有所述感应加热线圈单元或在该被加热物的内部的中空部分插入有所述感应加热线圈单元，由所述感应加热线圈单元进行感应加热。
17.根据权利要求16所述的感应加热装置，其特征在于，
所述被加热物为具有蜂窝结构部的蜂窝结构体，该蜂窝结构部具有外周壁和隔壁，该隔壁配设于所述外周壁的内侧，且区划形成多个隔室，该多个隔室形成从一个端面延伸至另一个端面的流路。
18.根据权利要求17所述的感应加热装置，其特征在于，
所述蜂窝结构体还具有磁性体粒子。
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