JP2002313546A

JP2002313546A - 電磁誘導式流体加熱装置の加熱セル

Info

Publication number: JP2002313546A
Application number: JP2001114813A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Kokubo; 毅之小久保; Kozo Morita; 浩三森田
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-10-25

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱・冷却のいずれの特性にも優れた、電磁
誘導式流体加熱装置の加熱セルを実現する。【解決手段】筒状のセルケース２１の内部に、発熱体
となる集合パイプ２２を配置し、セルケース２１の外周
に誘導コイル２５を配置する。誘導コイル２５に交流電
流を流すと、電磁誘導により集合パイプ２２が加熱さ
れ、流体が集合パイプ２２に直接接触して流体が加熱さ
れる。集合パイプ２２とセルケース２１の内周面とは、
耐熱性接着材２３によりスポット的に接続されている。
このため、集合パイプ２２とセルケース２１との間の伝
熱量が少なくなり、冷却性能が向上するとともに、加熱
性能を保持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁誘導式流体加熱
装置の加熱セルに関し、電磁誘導により発熱体（導電性
物体）に発生した渦電流損やヒステリシス損で発熱体を
加熱し、この発熱体に流体（気体や液体）を接触させて
流体を加熱するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体や液体を加熱する方法には、
ボイラーなどのように石油やガスの燃焼エネルギーを熱
源にする方法や、太陽光のように自然エネルギーを熱源
にする方法や、電気エネルギーを熱源にする方法があ
る。

【０００３】燃焼エネルギーを熱源にする方法は、燃料
の供給システムなどの補機にコストを費やす必要があ
り、また燃焼に対する安全性確保や燃焼で生じる排気ガ
スの適正処理にも余分にコストがかかってしまう。さら
に温度コントロールの応答性が非常に悪い。

【０００４】自然エネルギーを熱源にする方法は、コス
トが高いばかりでなく、自然条件の影響を直に受けるた
め、安定した加熱が得られにくい。

【０００５】電気エネルギーを熱源にする方法には、抵
抗加熱、赤外線加熱などが工業用に使用されている。抵
抗加熱や赤外線加熱は、気体や液体を加熱する熱交換器
が、ヒータからの熱伝導により加熱される間接加熱式で
あり、加熱効率や温度コントロールの応答性が悪い。

【０００６】これに対して、電気エネルギーを熱源にす
る方法の一つに、熱交換器自体が発熱体となる直接加熱
式の電磁誘導加熱方式がある。図６は、直接加熱式の電
磁誘導加熱方式の原理を示すものであり、発熱体（導電
性物体）１の周囲に誘導コイル２を配置している。誘導
コイル２に高周波電流ｉを流すと交番磁束Φが発生し、
この交番磁束Φにより発熱体１に渦電流が流れ、この渦
電流により発熱体１が発熱する。そして、流体（気体や
液体）が直接に発熱体１に接触して加熱される。

【０００７】この方式は、温度コントロールの応答性が
よく、熱効率も非常に優れていることで知られている。
これまでに電磁誘導加熱方式による流体の加熱方式に関
する技術提案として以下のようなものがある。

【０００８】流体管路内に粒状、線・棒状の小片を多数
充填し、流体管路の外周の加熱コイルに電流を流すと、
小片が電磁誘導により加熱され、小片により流体が加熱
される方法がある（特開平９−２６００４２号公報参
照）。

【０００９】また波板を積層することで、全体として多
数の筒に形成し、伝熱面積を大きくすることで、熱効率
を改良する方法もある（特開平９−１６７６７９号公報
参照）。更に、使用周波数帯域や伝熱面積に関する、具
体的な目安を示した電磁誘導加熱装置もある（特開平８
−２６４２７２号公報参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】現在は、少品種大量生
産方式が見直され、多品種少量生産方式が増えつつあ
り、一つの製造ラインに異なるロットが並んで製造され
ることは珍しくない。したがって、製造ライン中の熱処
理装置には、ロット毎に熱処理設定温度を急峻に変えら
れることが望まれている。

【００１１】電磁誘導加熱方式では、直接加熱方式のた
め、他の加熱方式に比べて、加熱・冷却の応答性に優れ
ており、電磁誘導加熱方式は、多品種少量生産を採用し
た製造ラインに非常に適した方法である。

【００１２】電磁誘導加熱方式を採用した熱処理装置と
して、温風発生器（電磁誘導式流体加熱装置）の場合を
考えると、熱処理装置の基本的な加熱セルの構造は、次
のようになっている。即ち、図７（ａ）（ｂ）に示すよ
うに、加熱セルケース１０ａ，１０ｂ内には発熱体１１
ａ，１１ｂが収められ、加熱セルケース１０ａ，１０ｂ
の外周に誘導コイル１２ａ，１２ｂを設置している。加
熱セルケース１０ａ，１０ｂは、誘導コイル１２ａ，１
２ｂの保護のために、電気的、且つ熱的に発熱体１１
ａ，１１ｂから絶縁されている。流体は、発熱体１１
ａ，１１ｂの相互間の隙間や、発熱体１１ａ，１１ｂと
加熱セルケース１０ａ，１０ｂとの間の隙間を流れて加
熱される。

【００１３】発熱体１１ａ，１１ｂは、図７（ａ）
（ｂ）のように、球や棒などからなるが、この発熱体１
１ａ，１１ｂを支えるために加熱セルケース１０ａ，１
０ｂはある程度の厚みを持った構造となっている。この
加熱セルケース１０ａ，１０ｂの厚みに比例して熱容量
も大きくなるため、加熱セルケース１０ａ，１０ｂの構
造が加熱・冷却の応答性に影響を及ぼす。

【００１４】また、加熱速度と冷却速度はトレードオフ
の関係になっている。加熱速度を上げる方法として、発
熱体１１ａ，１１ｂと加熱セルケース１０ａ，１０ｂ間
に断熱材を挿入する方法が挙げられる。断熱材は内部で
発生する熱を、外部の加熱セルケース１０ａ，１０ｂに
伝える速度が遅いため、過渡状態では効果がある。しか
し、高温での定常状態を考えると、断熱効果を得るため
にある程度の厚さを必要とするため、断熱材も加熱セル
ケース１０ａ，１０ｂに次いで大きな熱容量を持つこと
になり、冷却特性には逆効果となってしまう。逆に、冷
却速度を上げるために全体の放熱能力を良くすると、加
熱時にはより大きな投入電力が必要となってしまう。

【００１５】冷却の応答性を上げる方法として、水冷装
置を追加することも考えられるが、誘導加熱セル自体の
冷却特性も高めなければ、より大きなエネルギーが必要
となる。

【００１６】そこで、本願発明では、誘導加熱セル自体
が加熱・冷却のいずれの特性にも優れた、電磁誘導式流
体加熱装置の加熱セルを提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、セルケースと、このセルケース内に配置さ
れた発熱体と、前記セルケースの外周に配置した誘導コ
イルを有し、前記発熱体と前記セルケースの内部とを、
複数の点においてスポット状に接続していることを特徴
とする。

【００１８】また本発明の構成は、筒状のセルケース
と、複数の微細パイプを集合してなり前記セルケース内
に配置された発熱体である集合パイプと、前記セルケー
スの外周に配置した誘導コイルを有し、前記集合パイプ
の一端側において、前記集合パイプと前記セルケースの
内部とを、周方向に離間した３つの点において耐熱性接
着剤によりスポット状に接続し、且つ、前記集合パイプ
の他端側において、前記集合パイプと前記セルケースの
内部とを、周方向に離間した３つの点において耐熱性接
着剤によりスポット状に接続したことを特徴とする。

【００１９】また本発明の構成は、筒状のセルケース
と、複数の微細パイプを集合してなり前記セルケース内
に配置された発熱体である集合パイプと、前記セルケー
スの外周に配置した誘導コイルを有し、前記集合パイプ
の一端側を線材により縛り、この線材の両端を集合パイ
プの一端側で支持すると共に、前記集合パイプの他端側
を線材により縛り、この線材の両端を集合パイプの他端
側で支持することにより、前記集合パイプを前記セルケ
ース内に浮かした状態で配置したことを特徴とする。

【００２０】また本発明の構成は、前記セルケースの端
面を塞ぐ状態で前記セルケースの端面にメッシュを配置
したことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。

【００２２】〔第一の実施の形態〕図１及び図１のII−
II断面である図２は、本発明の第１の実施の形態にかか
る、電磁誘導式流体加熱装置の加熱セル２０を示す。両
図に示すように、円筒形のセルケース２１内には、発熱
体となる集合パイプ２２が収められている。集合パイプ
２２は、磁性体（導電性物体）であるステンレスの微細
パイプを７本集合させたものである。そして、集合パイ
プ２２は、一端側（左端側）では、周方向に渡る３点に
おいて耐熱接着材２３によりセルケース２１の内周面に
スポット状に接着されており、他端側（右端側）でも、
周方向に渡る３点において耐熱接着材２３によりセルケ
ース２１の内周面にスポット状に接着されている。

【００２３】セルケース２１の外周面には断熱材２４が
設けられており、断熱材２４の外周側には、セルケース
２１を囲む状態で誘導コイル２５が設置されている。

【００２４】加熱されるガスＧは、集合パイプ２２の各
パイプの内部空間や、パイプ相互間の隙間や、集合パイ
プ２２とセルケース２１との間の空間を、軸方向に沿い
流通する。

【００２５】円筒形のセルケース２１の材質は、電気絶
縁性のセラミック（鳴海製陶製ネオセラム）とした。寸
法は外形４．６ｍｍ×内径３．４ｍｍ×長さ２５ｍｍで
ある。セルケース２１の周囲に設けた断熱材２４にはイ
ソライト製カオウールを使用し、その周囲に設置した誘
導コイル２５は、日立電線製ＫＩＦ線（耐熱電線）の
０．７５ｍｍ²サイズを使用し、巻き数は９ターンとな
っている。

【００２６】発熱体である集合パイプ２２は、ステンレ
スの微細パイプを７本集合させた構造となっている。微
細パイプの寸法は、外形１．０ｍｍ×内径０．９ｍｍ×
長さ２５ｍｍとなっている。また、材質は、電流の浸透
深さを考慮し、磁性体であるＳＵＳ４３０とした。電流
の浸透深さｄ〔ｃｍ〕は、次式で示されるが、誘導加熱
では重要なパラメータとなっている。

【００２７】ｄ＝５０３０×（ρ／μ・ｆ）^1/2 ここで、μは透磁率、ρは抵抗率〔Ωｃｍ〕、ｆは電源
周波数〔Ｈｚ〕である。

【００２８】ＳＵＳ４３０では、μ＞＞１、ρ＝６０×
１０^-6〔Ωｃｍ〕より、電源周波数が５０ＫＨｚのと
き、電流の浸透深さが０．０５ｍｍ以下となる。電流の
浸透深さが、微細パイプの肉厚（０．０５ｍｍ）以下と
なることから、ＳＵＳ４３０は５０ＫＨｚ以上の電源周
波数では効率よく加熱することができる。

【００２９】パイプの集合方法は、耐熱接着剤を薄く外
周に塗布する方法と、外周をろう付けする方法が有効で
ある。この集合パイプ２２は、最外径が３．０ｍｍとな
っており、セルケース２１に収めた場合、半径方向に
０．２ｍｍずつのギャップができる。このギャップを維
持するため、図１及び図２のように、耐熱接着剤２３で
セルケース２１と集合パイプ２２を接着する。この構造
では、発熱体である集合パイプ２２とセルケース２１の
接触点は片側３点の計６点のみとなっている。

【００３０】この加熱セル２０では、誘導コイル２５に
高周波電流を流すと交番磁束が発生し、この交番磁束に
より発熱体である集合パイプ２２に渦電流が流れ、この
渦電流により集合パイプ２２が発熱する。そして、流体
（ガスＧ）が直接に集合パイプ２２に接触して加熱され
る。なお、実際に、この電磁誘導式の加熱セルを熱処理
装置に組み込む際には、その流路形状に合わせて直列ま
たは並列に複数設置する。

【００３１】上述した第１の実施の形態にかかる加熱セ
ル２０では、次のような効果がある。即ち、３００°Ｃ
程度の領域では、熱伝達や輻射による伝熱量よりも、固
体接触による熱伝導による伝熱量が最も多い。冷却時
は、流体によって冷却される発熱体に比べ、セルケース
２１は温度が下がりにくいことから、セルケース２１か
ら発熱体（集合パイプ）２２へ熱が移動する。

【００３２】従来の電磁誘導加熱セルでは、発熱体とセ
ルケースが直接接触しているが、第１の実施の形態の加
熱セル２０の構造では、発熱体（集合パイプ２２）とセ
ルケース２１の接触は耐熱接着剤２３を介しており、か
つスポット的に６点で接触しているのみである。このた
め、セルケース２１から発熱体（集合パイプ２２）へ熱
が伝わりにくく、発熱体（集合パイプ２２）は従来に比
べ、急速に冷却することが可能となる。また、加熱の場
合も、第１の実施の形態の構造は、従来の電磁誘導加熱
セルに比べ、発熱体（集合パイプ２２）からセルケース
２１への伝熱量を大幅に減少させることができ、流体の
加熱効率を高めることが可能である。

【００３３】〔第２の実施の形態〕第１の実施の形態で
は、電磁誘導加熱セルを製作する際に、接着から乾燥ま
での間、セルケース２１から発熱体（集合パイプ２２）
を浮かせた状態を維持する必要があり、製造面から考え
ると工程の簡略化が容易ではない。そこで、第２の実施
の形態にかかる加熱セル２０Ａでは、接着剤を使用せ
ず、図３のように、極細のステンレス線３０により発熱
体（集合パイプ２２）をセルケース２１から浮かせる構
造とする。ステンレス線３０の材質は高温用で、かつ非
磁性であることが望ましい。

【００３４】更に、この加熱セル２０Ａの構造を、製造
手順に従い説明する。先ず図３（ａ）のように、ステン
レス線３０によりリング部３０ａと枝線部３０ｂ，３０
ｃを作る。次に、図３（ｂ）に示すように、集合パイプ
２２の左端および右端を、２本のステンレス線３０のリ
ング部３０ａ内に挿入し、それぞれのステンレス線３０
の枝線部３０ｂ，３０ｃを引っ張って、リング部３０ａ
により集合パイプ２２を縛る。一方、図３（ｃ）に示す
ように、セルケース２１の左端面に一対の切欠２１ａ，
２１ｂを形成すると共に、セルケース２１の右端面に一
対の切欠２１ｃ，２１ｄを形成する。

【００３５】図３（ｄ）に示すように、左端および右端
がステンレス線３０により縛られた集合パイプ２２を、
セルケース２１内に挿入する。そして、左側のステンレ
スパイプ３０の枝線部３０ｂ，３０ｃを、セルケース２
１の切欠２１ａ，２１ｂに通してから、セルケース２１
の外周面に沿って湾曲させ、更に、枝線部３０ｂ，３０
ｃ相互をセルケース２１の外周面上で溶接により接続す
る。同様に、右側のステンレスパイプ３０の枝線部３０
ｂ，３０ｃを、セルケース２１の切欠２１ｃ，２１ｄに
通してから、セルケース２１の外周面に沿って湾曲さ
せ、更に、枝線部３０ｂ，３０ｃ相互をセルケース２１
の外周面上で溶接により接続する。

【００３６】このように、集合パイプ２２を縛った２本
のステンレス線３０，３０の両端部（枝線部）をセルケ
ース２１に係止して支持することにより、集合パイプ２
２をセルケース２１の内部空間に浮かした状態で支持し
ている。つまり、ステンレス線３０，３０を用いて、集
合パイプ２２をセルケース２１に対して浮かせた状態を
維持している。

【００３７】その後、セルケース２１の外周面に、断熱
材２４を設け、断熱材２４の外周面に誘導コイル２５を
設置する。

【００３８】図３に示す第２の実施の形態では、次のよ
うな効果が得られる。即ち、第１の実施の形態と同様
に、従来の電磁誘導加熱セルに比べて、発熱体（集合パ
イプ）２２−セルケース２１間の伝熱量が少なくなるた
め、冷却性能が向上する。また、第１の実施の形態に比
べ、セルケース２１中に発熱体を設置する工程が簡易化
できる。

【００３９】〔第３の実施の形態〕発熱体から流体への
熱伝達は、次式および図４のように、下流側に行くほど
温度境界層の影響が及ぶため、熱伝達率が小さくなって
しまう。局所熱伝達率ｈ〔Ｗ／ｍ²°Ｃ〕＝１．９３×（Ｖ／
Ｘ）^1/2 ここで、Ｖは流体の流速〔ｍ／ｓ〕、Ｘは上流端からの
距離〔ｍ〕である。

【００４０】熱伝達量が減少し、伝熱効率が低下するこ
とは、他のセルケースなどへ逃げる熱量が増えることを
意味する。このため、第３の実施の形態では、セル内部
に厚損が生じ、乱流が促進されるように、第２の実施の
形態のセル出口側のステンレス線に、図５のように、２
５００番のステンレス製のメッシュ４０を追加した。つ
まり、セルケース２１の端面を塞ぐ状態でセルケース２
１の端面にメッシュ４０を配置した。なお、図５におい
て、セルケース２１の外周面に、断熱材２４が設けら
れ、断熱材２４の外周面に誘導コイル２５が設置され
る。

【００４１】図４に示す第３の実施の形態では次のよう
な効果が得られる。第２の実施の形態と同様に、従来の
電磁誘導加熱セルに比べ、発熱体−セルケース間の伝熱
量が少なくなるため、冷却性能が向上する。また第２の
実施の形態に対し、発熱体から流体への伝熱効率が向上
する。

【００４２】

【発明の効果】以上実施の形態と共に具体的に説明した
ように、本発明によれば、発熱体とセルケース内部とを
スポット状に接続しているため、加熱・冷却のいずれの
特性もすぐれた誘導加熱セルを実現することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる加熱セルを
示す正面図である。

【図２】図１のII−II断面を示す断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる加熱セルの
製造手順を示す説明図である。

【図４】発熱体から流体への熱伝達状態を示す説明図で
ある。

【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる加熱セルを
示す斜視図である。

【図６】直接加熱式の電磁誘導加熱方式の原理を示す説
明図である。

【図７】従来の加熱セルを示す構成図である。

【符号の説明】

２０，２０Ａ加熱セル２１セルケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ切欠２２集合パイプ（発熱体）２３耐熱性接着剤２４断熱材２５誘導コイル３０ステンレス線３０ａリング部３０ｂ，３０ｃ枝線部

フロントページの続きＦターム(参考） 3K059 AB09 AD02 CD52 CD72

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セルケースと、このセルケース内に配置
された発熱体と、前記セルケースの外周に配置した誘導
コイルを有し、前記発熱体と前記セルケースの内部とを、複数の点にお
いてスポット状に接続していることを特徴とする電磁誘
導式流体加熱装置の加熱セル。
【請求項２】筒状のセルケースと、複数の微細パイプ
を集合してなり前記セルケース内に配置された発熱体で
ある集合パイプと、前記セルケースの外周に配置した誘
導コイルを有し、前記集合パイプの一端側において、前記集合パイプと前
記セルケースの内部とを、周方向に離間した３つの点に
おいて耐熱性接着剤によりスポット状に接続し、且つ、
前記集合パイプの他端側において、前記集合パイプと前
記セルケースの内部とを、周方向に離間した３つの点に
おいて耐熱性接着剤によりスポット状に接続したことを
特徴とする電磁誘導式流体加熱装置の加熱セル。
【請求項３】筒状のセルケースと、複数の微細パイプ
を集合してなり前記セルケース内に配置された発熱体で
ある集合パイプと、前記セルケースの外周に配置した誘
導コイルを有し、前記集合パイプの一端側を線材により縛り、この線材の
両端を集合パイプの一端側で支持すると共に、前記集合
パイプの他端側を線材により縛り、この線材の両端を集
合パイプの他端側で支持することにより、前記集合パイ
プを前記セルケース内に浮かした状態で配置したことを
特徴とする電磁誘導式流体加熱装置の加熱セル。
【請求項４】請求項２または請求項３において、前記
セルケースの端面を塞ぐ状態で前記セルケースの端面に
メッシュを配置したことを特徴とする電磁誘導式流体加
熱装置の加熱セル。