【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁誘導による流体加熱方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体（気体や液体等）を加熱する方法として、ボイラーなどのように石油やガスの燃焼エネルギを熱源にする方法、太陽光などのように自然エネルギを熱源にする方法、電気エネルギを熱源にする方法がある。
【０００３】
燃焼エネルギを熱源にする流体加熱方法は、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余分なコストがかかるという問題がある。更に、温度コントロールの応答性が悪い。
【０００４】
自然エネルギを熱源にする流体加熱方法は、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難いという問題がある。
【０００５】
電気エネルギを熱源にする流体加熱方法では、抵抗加熱、赤外線加熱などが工業用に用いられている。抵抗加熱や赤外線加熱は、流体を加熱する熱交換器をヒータからの熱伝導により加熱す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という問題がある。
【０００６】
これに対して、電気エネルギを熱源にする流体加熱方法の１つに、熱交換器自体を発熱体とする直接加熱式の電磁誘導加熱方法がある。
【０００７】
電磁誘導加熱方式の原理は、図１に示すように、コイル（加熱コイルや誘導コイル、誘導子と呼ばれる）１の近傍にワーク２を置き、加熱コイル１に交流電流（通常、高周波電流）３を流すことにより発生する交番磁界４がワーク２中に誘導電流（渦電流）５を発生させ、この渦電流５によりワーク２にジュール熱が発生することにより、ワーク２自身が発熱し、加熱が行われるものである。この方式は温度制御の応答性がよく、熱効率が優れていることで知られている。
【０００８】
従来の電磁誘導加熱技術として、流体管路内に粒状や線、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て流体を加熱するという方法がある（特開平９‐２６００４２号公報）。また、波板を積層することで、全体として筒状に形成し、伝熱面積を大きくすることで、熱効率を改善する方法もある （特開平９‐１６７６７９号公報）。更に、使用周波数帯や伝熱面積に関する具体的な目安を示した装置もある（特開平８−２６４２７２号公報）。
【０００９】
流体を加熱対象とする電磁誘導加熱装置では、その絶縁性の加熱セルケースの断面が図 ２に示す円のもの６や、正方形のもの７、あるいはそれに準じた形が一般的であり、断面のアスペクト比（縦横比）はほぼ１である。このため、発熱体８の形状や材質は、発熱体８の加熱セルケース断面方向において温度分布がほぼ均一であるという条件が前提となっている。
【００１０】
しかし、発熱体８に一種類の金属を単独で用いる場合には、加熱セルケース断面形状により、局部的な磁束の集中を生じ，流路断面方向の温度分布が不均一になることがある。すなわち、加熱セルケースのアスペクト比が１より大きい形状（楕円、あるいは長方形など）の場合には、図３に示すように、中心より遠い端部ほど特有の端部効果９を生じ、断面方向の均一加熱は困難になる。図３において、絶縁性加熱セルケースは幅Ｗが高さｈより大きく、アスペクト比Ｗ／ｈは１より大きくなっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９‐２６００４２号公報
【特許文献２】
特開平９‐１６７６７９号公報
【特許文献３】
特開平８‐２６４２７２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、端部効果を生じることなく、均一な温度分布を得ることを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、発熱体として、非磁性体と磁性体を組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、磁性体の割合を変化させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプを組み合わせて用い、磁性パイプを非磁性パイプ内に挿入することを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１６】
請求項４の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性の丸棒とを組み合わせて用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４において、丸棒を等間隔に分布させることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１８】
請求項６の発明は、発熱体として、非磁性パイプと磁性パイプからなるカートリッジを用いることを特徴とする電磁誘導による流体加熱方法である。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項６において、非磁性体パイプの配列で形成された箱型部品内に非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法である。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項６において、非磁性パイプの配列で形成された凹型部品と、非磁性パイプの配列で形成された板状部品とが組み合わさった内部に、非磁性パイプと磁性パイプクが配列されていることを特徴とする電磁誘導加熱による流体加熱方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図 参照して、本発明の実施形態例を説明する。
【００２２】
［実施例１］
本発明の実施例１では、電磁誘導加熱装置の絶縁性の加熱セルケースは図３のような長方形の断面を持つ形状とした。この加熱セルケースの内寸は幅Ｗ２２０ｍｍ×高さｈ５ｍｍ×長さＬ１７０ｍｍであり、アスペクト比Ｗ／ｈは１より大きくなっている。このような加熱セルケースの外周に加熱コイルとして２４ターンのソレノイドコイルを設け、加熱セルケース内部には発熱体として導電性かつ非磁性のパイプを図３と同様に隙間なく充填した。パイプ材質はＳＵＳ３１６を用いた。パイプの寸法は、流体との伝熱面積を大きくし、かつ熱応答性を良くするために、φ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍとする薄肉の微細管とした。
【００２３】
加熱セルケース内の均一な温度分布を得るために、非磁性パイプが充填されている加熱セルケース内部を、図４のように、幅広方向に沿って１１個のエリア１０に等分割し、各エリア１０内のパイプを規則的に整然と配置した。
【００２４】
更に、各エリア１０内の非磁性パイプ１１のうち１本を磁性パイプ１２に置き換えた。使用した磁性パイプ１２の材質はＳＵＳ４３０、形状はφ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１ｍｍである。
【００２５】
電源周波数は５０ｋＨｚとし、この高周波電流を加熱コイルに流した。５０ｋＨｚの周波数では、使用した形状の非磁性パイプ１１を加熱することはできず、磁性パイプ１２のみ加熱することができる。加熱方法は、発熱体であるパイプ温度を５０°Ｃから２００°Ｃまで約３０秒間で上げた。入力電力は０．５ｋＷであった。
【００２６】
本実施例１では、使用している電源の周波数では非磁性パイプ１１は加熱されず、図７に示すように等間隔に挿入した磁性パイプ１２のみが電磁誘導され加熱された。また、磁性パイプ１２近傍の非磁性パイプ１１は磁性パイプ１２からの漏れ電流によるジュール熱、及び熱伝導により、磁性パイプ１２に追従するように温度が上昇した。そして、図３に見られた端部効果９は観察されず、加熱セルケース内には等間隔に同じ温度分布を作ることができた。
【００２７】
［実施例２］
次に、実施例２として、図５に示すように、実施例１に対し、各エリア１０内で置換する磁性パイプ１２の本数を１本から４本に増やし、磁性体の密度を４倍にした。その他の条件は、実施例１と同じままで、急速加熱した。
【００２８】
実施例１では磁性体の分布密度が低いため、各エリア１０では磁性パイプ１２が挿入されている中央部分から温度が上がっており、エリア内の温度のばらつきは８０°Ｃ程度であった。これに対して、本実施例２では、磁性体の分布密度が４倍になった結果、図８に示すように、端部効果を生じることなく、温度のばらつきは３０°Ｃ程度まで温度分布が均一化した。
【００２９】
［実施例３］
実施例３として、実施例２に対し、加熱セルケース内のエリア分割を１１分割から２２分割に変更し、各エリアに４本の磁性パイプを設けることにより、加熱セルケース内の磁性体の密度を２倍にした。その他は実施例２と同条件にして、急速加熱を行った。
【００３０】
本実施例３では、実施例２に対し更に磁性体の分布密度が２倍になったため、図９に示すように、端部効果を生じることなく、温度のばらつきは１０°Ｃ程度まで温度分布が均一化した。このように、磁性体の分布密度をコントロールすることにより、加熱セルケース内の温度分布を任意に設定できるようになった。
【００３１】
［実施例４］
実施例４として、実施例３に対して、磁性パイプの肉厚を０．１ｍｍから０．２５ｍｍに変更した。肉厚の変更に伴い加熱コイルのインダクタンスが変わることから、電源と整合させるために加熱コイルのターン数を２４ターンから２２ターンに変更した。その他は実施例３と同条件にし、急速加熱した。
【００３２】
実施例３では、上記のように磁性パイプの温度が先ず上昇し、非磁性パイプの温度がそれに追従していたが、本実施例４では、磁性パイプの肉厚を変えたことにより、図１０に示すように、磁性パイプ周囲の非磁性パイプから昇温させることができるようになった。従って、磁性パイプのみが誘導加熱されているにもかかわらず、磁性パイプの肉厚を最適化することで、磁性パイプ及びその周囲の非磁性パイプを同時に昇温させることができることが分かった。
【００３３】
［実施例５］
実施例５として、実施例３に対し、磁性パイプの材質をパーマロイ合金（Ｆｅ−Ｎｉ系）に変更し、その他は実施例３と同条件で急速加熱した。
【００３４】
実施例３に対してより磁性の強いパーマロイ合金を磁性パイプに使用した本実施例５の場合も、実施例３と同様に、端部効果は観測されず、均一な温度分布が得られた。パーマロイ合金はＳＵＳ４３０よりも耐候性及び耐薬品性が高いため、より多くの流体に対して流路設計の自由度を広げることができる。
【００３５】
［実施例６］
実施例６として、非磁性パイプの材質を汎用ステンレスであるＳＵＳ３０４に変更し、その他は実施例３と同条件で急速加熱した。ＳＵＳ３０４は一般的には非磁性であるが、加工硬化により弱い磁性を帯びることがあり、ここで使用したＳＵＳ３０４は加工硬化させて弱い磁性を持たせたものである。
【００３６】
完全な非磁性パイプであるＳＵＳ３１６に代えて弱い磁性を帯びたＳＵＳ３０４のパイプを設置した本実施例６の場合も、実施例３と同様、端部効果を生じることなく、均一な温度分布が得られた。従って、最も汎用なステンレスであるＳＵＳ３０４を使用できることが分かったことから、電磁誘導加熱装置のコスト面での改善が期待できる。
【００３７】
［実施例７］
上記の実施例１から６では、温度分布を均一化するために磁性パイプ１２を非磁性パイプと置換して配置したが、この方法では、任意の温度分布を得るために、多くのパイプが単独で抜き出せるような構造になっている必要がある。従って、加熱セルケース内に流体を流すときにはパイプが抜け出ないように、何らかの処置を施す必要がある。
【００３８】
これに対して、実施例７として、図６に示すように、互いにロウ付けした非磁性パイプ１１で加熱セルケース内を満たし、磁性パイプ１２を任意の位置の非磁性パイプ１１内に挿入する構造とした。磁性パイプ１２の形状は、φ０．９−０．０２ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１０ｍｍとした。磁性パイプの１２の挿入位置は、実施例３と同じ位置とした。その他は実施例３と同条件で急速加熱した。
【００３９】
非磁性パイプ１１の内側に磁性パイプ１２を打ち込んだ本実施例７の構造でも、実施例３と同様に、端部効果を生じることなく、均一な温度分布が得られた。この構造により、温度分布の変更をより容易に行えるようになった。
【００４０】
ここで、電磁誘導加熱により加熱ワークに発生する渦電流は、加熱ワークの表面付近に集中する表皮効果を示すことが知られている。この表皮効果の度合を表すももとして、電流浸透の深さが用いられ、δ［ｃｍ］で表される。δは一般に、δ＝５．０３０（ρ／（μｆ））の１／２ 乗で表される。ρは導体の抵抗率、μは導体の比透磁率、ｆは周波数である。この式から、δはρに比例し、μ及びｆに反比例することが分かる。前述のような薄肉の微細管を取り扱う場合、δの値を考慮した上で加熱ワークの材質及び電源の周波数を選定する必要がある。
【００４１】
使用するパイプ等の加熱ワークの材質に比磁性体を適用する場合、δの式におけるμは１となり、δはρ及びｆのみの関数となる。更に、ρは材質による固有値であるため、ｆをできるだけ大きく設定し、これにより計算されるδの値を考慮して、加熱ワークを選定する必要がある。ｆについては、電源の大きさや構成及び取り扱いを考えるとトランジスタインバータが一般的であり、例えばｆは４５０ｋＨｚとされる。
【００４２】
［実施例８］
実施例８として、図１１に示すように、加熱ワーク（非磁性パイプ）１１の材質を非磁性ステンレス（ＳＵＳ３１６）とする。この場合、計算されるデルタは０．６ｍｍである。ここでは、微細管（非磁性パイプ）１１として肉厚０．０５ｍｍ、φ （直径）１ｍｍの形状のものを採用した。この場合、４５０ｋＨｚの電源では加熱が難しいと思われるので、図１１に示すように、ワーク中の微細管１１と同径、同材質の中実な丸棒ワーク１３を微細管１１の間に挿入し、丸棒ワーク１３が誘導加熱されることによって、近傍の非磁性パイプ１１を二次的に加熱する構造とした。
【００４３】
本実施例８では、アスペクト比が１より大きな加熱セルケースにおける非磁性パイプ１１の間に丸棒ワーク１３を挿入したことにより、丸棒ワーク１３とその近傍の非磁性パイプ１１が一様に加熱され、均一な温度分布が得られた。
【００４４】
［実施例９］
実施例９として、実施例８における丸棒ワーク１３の配置を、図１２に示すように、等間隔で分布させた。その他は実施例８と同条件である。
【００４５】
本実施例９では、丸棒ワーク１３を複数本、等間隔で分布させたことで、アスペクト比が１より大きな加熱セルケースでも、局部加熱のない、均一な加熱が可能であった。つまり、実施例８に比べ、加熱ワーク全体の加熱効率が改善した。また、丸棒ワーク１３の分布を任意に調整することで、加熱ワーク全体の熱分布を変更することが可能となった。
【００４６】
［実施例１０］
実施例１０として、実施例８、実施例９におけるＳＵＳ３１６の丸棒ワークに代えて、μの値が大きい材料すなわち磁性体ＳＵＳ４３０を用いた。この場合、δの値は非磁性体よりも小さくなるので、丸棒ではなく、ある肉厚のパイプとすることができる。本実施例１０では、肉厚０．１ｍｍの磁性パイプとした。その他は、実施例８、実施例９と同条件とした。
【００４７】
本実施例１０では、実施例８や実施例９の丸棒ワーク１３を磁性パイプに代えたことにより、流体が磁性パイプ中にも流入し、加熱効率が改善した。また、流体の流路断面積が増加することで、流体の圧力損失を減少させることが可能となった。また、丸棒ワーク１３使用の場合と同様、磁性パイプの分布を変えるだけで、加熱分布の調整が行えるようになった。
【００４８】
［実施例１１］
実施例１１として、図１３に示すように、加熱ワーク１４をハニカム構造とし、非磁性体による流路の配列の中に、流路のない部分１５を点在させた。このとき、流路のない部分１５の分布配列は実施例９と同じとした。この流路のない部分１５において、渦電流による発熱がおこり、更に、この加熱エリア１５をハニカム構造のワーク中に等間隔に設置することにより、加熱分布の均一性を保てるようにした。
【００４９】
本実施例１１では、ハニカム構造としたことにより部品点数が激減し、電磁誘導加熱装置の構造が簡単になった。また、伝熱効果がパイプの集合体ワークよりも改善され、加熱ワーク各部の熱の均一性が改善された。
【００５０】
［実施例１２］
実施例１２として、実施例１１における流路のない部分１５に、図１４に示すように、ハニカム構造の加熱ワーク１４に同様の流路の穴１６を開け、実施例１０における磁性パイプ１７を打ち込んだ構造とした。
【００５１】
本実施例１２では、実施例１１の加熱エリア１５に磁性パイプ１７を打ち込んだことにより、実施例１０と同様に加熱効率の改善及び流路確保による圧力損失の低減が可能となった。更に、磁性パイプ１７の位置は任意の変更することができるので、アスペクト比は１より大きい加熱セルケースにおける加熱分布の調整が容易に行うことができる。
【００５２】
発熱体に非磁性体と磁性体を組み合わせて用いる場合、任意の温度分布を得るためには、非磁性体と磁性体を接着などにより完全に一体化して使用することはできない。従って、振動等により発熱体の配列が崩れて発熱体の分布密度にばらつきが出ることや、流体を流す場合に発熱体が抜け出てしまう恐れがある。
【００５３】
［実施例１３］
実施例１３として、このような問題を解決できる構造を説明する。本実施例１３では、加熱セルケースを図３と同様なアスペクト比が１より大きい長方形の断面積を持つ形状とした。内寸は、Ｗ２２０ｍｍ×ｈ５ｍｍ×Ｌ７０ｍｍである。この加熱セルケースの外周に２４ターンのソレノイドコイルを加熱コイルとして設け、加熱セルケース内には発熱体として、導電性かつ非磁性のパイプを設置した。パイプ材質はＳＵＳ３１６とした。非磁性パイプの寸法は、伝熱面積を大きくし、かつ熱応答性を良くするために、φ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍとする薄肉の微細管とした。
【００５４】
ここで、発熱体は、加熱セルケース内部で整然と並べるために、一部を接着して、カートリッジ化した。すなわち、導電性かつ耐熱性のある接着剤により、図１５に示すように、非磁性パイプ１１を２６本接着して、１０ｍｍ×５ｍｍの箱型１８にした。この箱型１８の中に、接着されていない２４本の非磁性パイプ１１を規則的に整然と配置し、次に、内部の非磁性パイプ４本を磁性パイプ１２に置換した。使用した磁性パイプ１２の材質はＳＵＳ４３０、形状はφ１ｍｍ、長さ７０ｍｍ、肉厚０．１ｍｍである。このようなカートリッジ１９を加熱セルケース２０内に２２個配置した。
【００５５】
この加熱セルケース２０を用いた電磁誘導加熱装置の電源周波数は５０ｋＨｚとした。５０ｋＨｚの周波数ではここで使用した形状の非磁性パイプ１１を電磁誘導で加熱することはできず、磁性パイプ１２のみを加熱することができる。加熱方法は、発熱体であるパイプ温度を５０°Ｃから２００°Ｃまで焼く３０秒間で上げた。入力電力は０．５ｋＷであった。
【００５６】
本実施例１３により発熱体をカートリッジ化した場合も、カートリッジ化しない場合と同様に、端部効果を生じない均一な温度分布が得られた。更に、発熱体をカートリッジ化したことにより、カートリッジ１９同士の温度分布の相似性が向上した。また、移動や設置の際の振動によってパイプの配列が崩れることがなく、整然とした配列が維持されるため、取り扱いが容易になった。
【００５７】
「実施例１４］
実施例１４として、実施例１３のようなカートリッジ１９を箱型１８にするのではなく、図１６に示すように、非磁性パイプ１１を接着してなる凹型部品２１と、非磁性パイプ１１を接着してなる板状部品２２を組み合わせる構造のカートリッジ２３とした。カートリッジ２３を加熱セルケース２２内に設置する際には、フェルト状の断熱シート２４で上下からカートリッジ２３を挟み込み、加熱セルケース２０内に圧入した。これにより、カートリッジ２３には上下から圧力が加わるようにした。その他は、実施例１３と同条件で急速加熱した。
【００５８】
先の実施例１３では箱型のカートリッジ１９であるためそれの成形公差やパイプの加工公差により、内部のパイプの密着性が低くなり、温度分布に不均一な部分が生じることがあるが、これに対して、本実施例１４では、各パイプが互いに安定して接触するようになったため、カートリッジ２３内の温度分布のばらつきがより小さくなり、加熱セルケース全体の温度分布もより均一化した。また、パイプが外部圧力で固定されたことにより、設置等の際に、パイプが向けることもなくなり、作業性がより向上した。
【００５９】
［実施例１５］
実施例１５として、実施例１４で使用されるカートリッジ２３を、図１７に示すように、カートリッジ２３同士を接着して一体化した。その他は、実施例１４と同条件で急速加熱した。
【００６０】
先の実施例１３，１４ではカートリッジ同士の接触面に接触不良と思われる温度のばらつきが見られたが、本実施例１５では、加熱セルケース２０内のカートリッジ２３同士を一体化したことにより、一層均一な温度分布が得られるようになった。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁誘導加熱に際し、端部効果を生じず、均一な温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁誘導加熱の原理を示す図。
【図２】従来の電磁誘導加熱方式での加熱セルの断面形状を示す図。
【図３】断面のアスペクト比が１より大きい場合の端部効果を示す図。
【図４】本発明の実施形１を示す図。
【図５】本発明の実施例２を示す図。
【図６】本発明の実施例７を示す図。
【図７】実施例１の効果を示す図。
【図８】実施例２の効果を示す図。
【図９】実施例３の効果を示す図。
【図１０】実施例７の効果を示す図。
【図１１】本発明の実施例８を示す図。
【図１２】本発明の実施例９を示す図。
【図１３】本発明の実施形１１を示す図。
【図１４】本発明の実施例１２を示す図。
【図１５】本発明の実施形１３を示す図。
【図１６】本発明の実施例１４を示す図。
【図１７】本発明の実施例１５を示す図。
【符号の説明】
１１ 非磁性パイプ
１２ 磁性パイプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluid heating method and apparatus using electromagnetic induction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of heating fluid (gas, liquid, etc.), a method of using combustion energy of oil or gas as a heat source such as a boiler, a method of using natural energy as a heat source such as sunlight, and a method of using electric energy as a heat source There is a way to make it.
[0003]
The fluid heating method that uses combustion energy as a heat source needs to spend costs on auxiliary equipment such as a fuel supply system, and it also requires extra costs to ensure safety against combustion and to properly process exhaust gas generated by combustion. There's a problem. Furthermore, the responsiveness of temperature control is poor.
[0004]
The fluid heating method using natural energy as a heat source is not only high in cost but also directly affected by natural conditions, so that there is a problem that stable heating is difficult to obtain.
[0005]
In the fluid heating method using electric energy as a heat source, resistance heating, infrared heating, and the like are used for industrial purposes. Resistance heating and infrared heating are indirect heating methods in which a heat exchanger that heats a fluid is heated by heat conduction from a heater, and there is a problem that heating efficiency and responsiveness of temperature control are poor.
[0006]
On the other hand, as one of the fluid heating methods using electrical energy as a heat source, there is a direct heating type electromagnetic induction heating method using the heat exchanger itself as a heating element.
[0007]
As shown in FIG. 1, the principle of the electromagnetic induction heating method is that a work 2 is placed in the vicinity of a coil (called a heating coil, an induction coil, or an inductor) 1 and an alternating current (usually a high frequency current) 3 is placed in the heating coil 1. The alternating magnetic field 4 generated by flowing an electric current generates an induced current (eddy current) 5 in the work 2, and Joule heat is generated in the work 2 by the eddy current 5, so that the work 2 itself generates heat and is heated. Is to be done. This method is known for its high temperature control responsiveness and excellent thermal efficiency.
[0008]
As a conventional electromagnetic induction heating technology, a large number of granular, wire, or rod-shaped pieces are filled in a fluid conduit, and when a current is passed through a heating coil on the outer periphery of the fluid conduit, the pieces are heated by electromagnetic induction to heat the fluid. There is a method (Japanese Patent Laid-Open No. 9-260042). There is also a method of improving thermal efficiency by laminating corrugated plates to form a cylindrical shape as a whole and increasing the heat transfer area (Japanese Patent Laid-Open No. 9-167679). Furthermore, there is also an apparatus that shows a specific guideline regarding the operating frequency band and heat transfer area (Japanese Patent Laid-Open No. 8-264272).
[0009]
In an electromagnetic induction heating apparatus for heating fluid, the insulating heating cell case generally has a cross section of a circle 6 shown in FIG. 2, a square 7 or a similar shape. The aspect ratio (aspect ratio) is approximately 1. For this reason, the shape and material of the heating element 8 are premised on the condition that the temperature distribution is substantially uniform in the cross-sectional direction of the heating cell case of the heating element 8.
[0010]
However, when one kind of metal is used alone for the heating element 8, local concentration of magnetic flux may occur due to the cross-sectional shape of the heating cell case, and the temperature distribution in the cross-sectional direction of the flow path may become non-uniform. That is, in the case where the aspect ratio of the heating cell case is larger than 1 (such as an ellipse or a rectangle), as shown in FIG. Uniform heating becomes difficult. In FIG. 3, the insulating heating cell case has a width W larger than the height h and an aspect ratio W / h larger than 1.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-9-260042 [Patent Document 2]
JP-A-9-167679 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-264272
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to obtain a uniform temperature distribution without causing an end effect.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a fluid heating method by electromagnetic induction, characterized in that a non-magnetic material and a magnetic material are used in combination as a heating element.
[0014]
The invention of claim 2 is the fluid heating method by electromagnetic induction according to claim 1, wherein the ratio of the magnetic material is changed.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a fluid heating method using electromagnetic induction, wherein a nonmagnetic pipe and a magnetic pipe are used in combination as a heating element, and the magnetic pipe is inserted into the nonmagnetic pipe.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fluid heating method by electromagnetic induction, wherein a non-magnetic pipe and a magnetic round bar are used in combination as a heating element.
[0017]
A fifth aspect of the present invention is the fluid heating method by electromagnetic induction according to the fourth aspect, wherein the round bars are distributed at equal intervals.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fluid heating method by electromagnetic induction, wherein a cartridge comprising a non-magnetic pipe and a magnetic pipe is used as a heating element.
[0019]
A seventh aspect of the invention is the fluid heating method by electromagnetic induction heating according to the sixth aspect, wherein the nonmagnetic pipe and the magnetic pipe are arranged in a box-shaped part formed by the arrangement of the nonmagnetic pipes. It is.
[0020]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 6, wherein the non-magnetic pipe and the magnetic part are combined inside the concave part formed by the array of non-magnetic pipes and the plate-shaped part formed by the array of non-magnetic pipes. A fluid heating method using electromagnetic induction heating, wherein pipes are arranged.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0022]
[Example 1]
In Example 1 of the present invention, the insulating heating cell case of the electromagnetic induction heating device has a shape having a rectangular cross section as shown in FIG. The inner dimensions of the heating cell case are W 220 mm × H 5 mm × L 170 mm, and the aspect ratio W / h is larger than 1. A 24-turn solenoid coil was provided as a heating coil on the outer periphery of such a heating cell case, and the inside of the heating cell case was filled with a conductive and non-magnetic pipe as a heating element without gaps as in FIG. SUS316 was used for the pipe material. In order to increase the heat transfer area with the fluid and improve the thermal response, the pipe was a thin micro-tube having a diameter of 1 mm, a length of 70 mm, and a thickness of 0.05 mm.
[0023]
In order to obtain a uniform temperature distribution in the heating cell case, the inside of the heating cell case filled with the non-magnetic pipe is equally divided into 11 areas 10 along the wide direction as shown in FIG. The pipes in the area 10 were arranged regularly and orderly.
[0024]
Further, one of the nonmagnetic pipes 11 in each area 10 was replaced with a magnetic pipe 12. The material of the magnetic pipe 12 used is SUS430, the shape is φ1 mm, the length is 70 mm, and the wall thickness is 0.1 mm.
[0025]
The power frequency was 50 kHz, and this high frequency current was passed through the heating coil. At a frequency of 50 kHz, the non-magnetic pipe 11 having the shape used cannot be heated, and only the magnetic pipe 12 can be heated. In the heating method, the temperature of the pipe as a heating element was increased from 50 ° C. to 200 ° C. in about 30 seconds. The input power was 0.5 kW.
[0026]
In Example 1, the non-magnetic pipe 11 was not heated at the frequency of the power source used, and only the magnetic pipe 12 inserted at equal intervals as shown in FIG. 7 was electromagnetically induced and heated. Further, the temperature of the nonmagnetic pipe 11 in the vicinity of the magnetic pipe 12 increased so as to follow the magnetic pipe 12 due to Joule heat and heat conduction due to leakage current from the magnetic pipe 12. And the end effect 9 seen in FIG. 3 was not observed, and the same temperature distribution could be made at equal intervals in the heating cell case.
[0027]
[Example 2]
Next, as Example 2, as shown in FIG. 5, compared with Example 1, the number of magnetic pipes 12 to be replaced in each area 10 is increased from one to four, and the density of the magnetic material is quadrupled. did. Other conditions remained the same as in Example 1 and heated rapidly.
[0028]
In Example 1, since the distribution density of the magnetic material is low, the temperature rises from the central portion where the magnetic pipe 12 is inserted in each area 10, and the temperature variation in the area is about 80 ° C. On the other hand, in Example 2, as a result of the magnetic material distribution density being quadrupled, as shown in FIG. 8, the temperature variation is about 30 ° C. without causing an end effect. Became uniform.
[0029]
[Example 3]
As Example 3, compared to Example 2, the area division in the heating cell case was changed from 11 divisions to 22 divisions, and by providing four magnetic pipes in each area, the density of the magnetic substance in the heating cell case was increased. Was doubled. The other conditions were the same as in Example 2 and rapid heating was performed.
[0030]
In Example 3, since the distribution density of the magnetic material is further doubled compared to Example 2, as shown in FIG. 9, the temperature variation is about 10 ° C. without causing the end effect. Became uniform. As described above, the temperature distribution in the heating cell case can be arbitrarily set by controlling the distribution density of the magnetic material.
[0031]
[Example 4]
As Example 4, compared with Example 3, the thickness of the magnetic pipe was changed from 0.1 mm to 0.25 mm. Since the inductance of the heating coil changes with the change in thickness, the number of turns of the heating coil was changed from 24 turns to 22 turns in order to match with the power source. Other conditions were the same as in Example 3 and rapid heating was performed.
[0032]
In Example 3, the temperature of the magnetic pipe first increased as described above, and the temperature of the non-magnetic pipe followed that. In Example 4, the thickness of the magnetic pipe was changed, so that FIG. As shown in Fig. 4, the temperature can be raised from the non-magnetic pipe around the magnetic pipe. Therefore, it was found that the magnetic pipe and the surrounding non-magnetic pipe can be heated simultaneously by optimizing the thickness of the magnetic pipe, even though only the magnetic pipe is induction-heated.
[0033]
[Example 5]
As Example 5, compared to Example 3, the material of the magnetic pipe was changed to a permalloy alloy (Fe—Ni system), and the others were rapidly heated under the same conditions as in Example 3.
[0034]
In the case of Example 5 in which a permalloy alloy having a stronger magnetic property than Example 3 was used for the magnetic pipe, no end effect was observed as in Example 3, and a uniform temperature distribution was obtained. Since permalloy alloy has higher weather resistance and chemical resistance than SUS430, the degree of freedom of flow path design can be expanded for more fluids.
[0035]
[Example 6]
As Example 6, the material of the nonmagnetic pipe was changed to SUS304, which is a general-purpose stainless steel, and the others were rapidly heated under the same conditions as in Example 3. SUS304 is generally non-magnetic, but may be weakly magnetized by work hardening, and SUS304 used here is work hardened to have weak magnetism.
[0036]
In the case of Example 6 in which a SUS304 pipe with weak magnetism is installed instead of SUS316, which is a complete nonmagnetic pipe, a uniform temperature distribution can be obtained without causing an end effect as in Example 3. It was. Therefore, since it has been found that SUS304, which is the most general-purpose stainless steel, can be used, an improvement in the cost of the electromagnetic induction heating device can be expected.
[0037]
[Example 7]
In the first to sixth embodiments, the magnetic pipe 12 is replaced with a non-magnetic pipe in order to make the temperature distribution uniform. However, in this method, in order to obtain an arbitrary temperature distribution, many pipes are used alone. It must be structured so that it can be pulled out with. Therefore, it is necessary to take some measures so that the pipe does not come out when flowing the fluid into the heating cell case.
[0038]
On the other hand, as Example 7, as shown in FIG. 6, the heating cell case is filled with nonmagnetic pipes 11 brazed to each other, and the magnetic pipe 12 is inserted into the nonmagnetic pipe 11 at an arbitrary position. It was. The shape of the magnetic pipe 12 was φ0.9-0.02 mm, length 70 mm, and wall thickness 0.10 mm. The insertion position of the magnetic pipe 12 was the same as that in Example 3. Others were rapidly heated under the same conditions as in Example 3.
[0039]
Even in the structure of Example 7 in which the magnetic pipe 12 was driven inside the nonmagnetic pipe 11, a uniform temperature distribution was obtained without causing an end effect as in Example 3. With this structure, the temperature distribution can be changed more easily.
[0040]
Here, it is known that an eddy current generated in a heated workpiece by electromagnetic induction heating exhibits a skin effect concentrated near the surface of the heated workpiece. The depth of current penetration is used to represent the degree of the skin effect, and is represented by δ [cm]. δ is generally expressed as ½ of δ = 5.030 (ρ / (μf)). ρ is the resistivity of the conductor, μ is the relative permeability of the conductor, and f is the frequency. From this equation, it can be seen that δ is proportional to ρ and inversely proportional to μ and f. When handling a thin micro tube as described above, it is necessary to select the material of the heated workpiece and the frequency of the power supply in consideration of the value of δ.
[0041]
When a specific magnetic material is applied to the material of the heating work such as a pipe to be used, μ in the equation of δ is 1, and δ is a function of only ρ and f. Furthermore, since ρ is an eigenvalue depending on the material, it is necessary to set f as large as possible and select a heating work in consideration of the value of δ calculated thereby. Regarding f, a transistor inverter is generally used in consideration of the size, configuration, and handling of the power source. For example, f is set to 450 kHz.
[0042]
[Example 8]
As Example 8, as shown in FIG. 11, the material of the heating work (nonmagnetic pipe) 11 is nonmagnetic stainless steel (SUS316). In this case, the calculated delta is 0.6 mm. Here, a fine tube (nonmagnetic pipe) 11 having a thickness of 0.05 mm and a φ (diameter) of 1 mm was employed. In this case, since it seems that heating is difficult with a power source of 450 kHz, a solid round bar work 13 having the same diameter and the same material as the fine pipe 11 in the work is inserted between the fine pipes 11 as shown in FIG. In addition, the non-magnetic pipe 11 in the vicinity is secondarily heated by induction heating of the round bar work 13.
[0043]
In the eighth embodiment, the round bar work 13 and the nonmagnetic pipe 11 in the vicinity thereof are uniformly heated by inserting the round bar work 13 between the nonmagnetic pipes 11 in the heating cell case having an aspect ratio larger than 1. And a uniform temperature distribution was obtained.
[0044]
[Example 9]
As Example 9, the arrangement of the round bar workpieces 13 in Example 8 was distributed at equal intervals as shown in FIG. The other conditions are the same as in Example 8.
[0045]
In Example 9, by distributing a plurality of round bar workpieces 13 at equal intervals, even in a heating cell case with an aspect ratio larger than 1, uniform heating without local heating was possible. That is, compared with Example 8, the heating efficiency of the whole heated workpiece was improved. Moreover, it became possible to change the heat distribution of the whole heating workpiece | work by adjusting the distribution of the round bar workpiece | work 13 arbitrarily.
[0046]
[Example 10]
As Example 10, instead of the round bar work of SUS316 in Example 8 and Example 9, a material having a large value of μ, that is, a magnetic material SUS430 was used. In this case, since the value of δ is smaller than that of the nonmagnetic material, a pipe having a certain thickness can be used instead of a round bar. In Example 10, a magnetic pipe having a wall thickness of 0.1 mm was used. The other conditions were the same as in Example 8 and Example 9.
[0047]
In Example 10, the round bar work 13 of Example 8 and Example 9 was replaced with a magnetic pipe, so that the fluid also flowed into the magnetic pipe and the heating efficiency was improved. In addition, the fluid pressure loss can be reduced by increasing the fluid cross-sectional area. Further, as in the case of using the round bar work 13, the heating distribution can be adjusted only by changing the distribution of the magnetic pipe.
[0048]
[Example 11]
As Example 11, as shown in FIG. 13, the heating work 14 has a honeycomb structure, and portions 15 having no flow path are interspersed in the flow path array of nonmagnetic materials. At this time, the distribution arrangement of the portion 15 having no flow path was the same as in Example 9. Heat generation due to eddy current occurs in the portion 15 without the flow path, and furthermore, the heating area 15 is arranged at equal intervals in the honeycomb structure work so that the uniformity of the heating distribution can be maintained.
[0049]
In Example 11, the honeycomb structure dramatically reduced the number of parts, and the structure of the electromagnetic induction heating device was simplified. In addition, the heat transfer effect was improved over the pipe assembly work, and the heat uniformity of each part of the heated work was improved.
[0050]
[Example 12]
As Example 12, as shown in FIG. 14, a hole 16 of the same flow path is formed in the heating work 14 having a honeycomb structure and a magnetic pipe 17 in Example 10 is driven in the portion 15 without the flow path in Example 11. It was a structure.
[0051]
In the present Example 12, since the magnetic pipe 17 was driven into the heating area 15 of Example 11, it was possible to improve the heating efficiency and reduce the pressure loss by securing the flow path as in Example 10. Furthermore, since the position of the magnetic pipe 17 can be arbitrarily changed, the heating distribution in the heating cell case having an aspect ratio larger than 1 can be easily adjusted.
[0052]
When a non-magnetic material and a magnetic material are used in combination for the heating element, the non-magnetic material and the magnetic material cannot be completely integrated by bonding or the like in order to obtain an arbitrary temperature distribution. Therefore, the arrangement of the heating elements may be disrupted by vibration or the like, resulting in a variation in the distribution density of the heating elements, or the heating elements may escape when a fluid is flowed.
[0053]
[Example 13]
As Example 13, a structure capable of solving such a problem will be described. In Example 13, the heating cell case had a rectangular cross-sectional area with an aspect ratio larger than 1 as in FIG. The inner dimension is W220 mm × h5 mm × L70 mm. A 24-turn solenoid coil was provided as a heating coil on the outer periphery of the heating cell case, and a conductive and non-magnetic pipe was installed as a heating element in the heating cell case. The pipe material was SUS316. The dimension of the nonmagnetic pipe was a thin fine tube having a diameter of 1 mm, a length of 70 mm, and a thickness of 0.05 mm in order to increase the heat transfer area and improve the thermal response.
[0054]
Here, in order to orderly arrange the heating elements inside the heating cell case, a part thereof was adhered to form a cartridge. That is, as shown in FIG. 15, 26 nonmagnetic pipes 11 were bonded with a conductive and heat-resistant adhesive to form a box 18 having a size of 10 mm × 5 mm. In the box 18, 24 non-magnetic pipes 11 that are not bonded are arranged regularly and regularly, and then, the four internal non-magnetic pipes are replaced with magnetic pipes 12. The material of the magnetic pipe 12 used is SUS430, the shape is φ1 mm, the length is 70 mm, and the wall thickness is 0.1 mm. Twenty-two such cartridges 19 are arranged in the heating cell case 20.
[0055]
The power supply frequency of the electromagnetic induction heating apparatus using this heating cell case 20 was 50 kHz. At a frequency of 50 kHz, the nonmagnetic pipe 11 having the shape used here cannot be heated by electromagnetic induction, and only the magnetic pipe 12 can be heated. As a heating method, the temperature of the pipe as a heating element was raised in 30 seconds from 50 ° C. to 200 ° C. The input power was 0.5 kW.
[0056]
Even when the heating element was made into a cartridge according to Example 13, a uniform temperature distribution without causing an end effect was obtained as in the case where the heating element was not made into a cartridge. Furthermore, the similarity of the temperature distribution between the cartridges 19 is improved by forming the heating element into a cartridge. In addition, the pipe arrangement does not collapse due to vibration during movement or installation, and an orderly arrangement is maintained, which makes handling easier.
[0057]
Example 14
As Example 14, the cartridge 19 as in Example 13 is not made into the box type 18, but as shown in FIG. 16, the concave part 21 formed by bonding the nonmagnetic pipe 11 and the nonmagnetic pipe 11 are bonded. Thus, a cartridge 23 having a structure in which the plate-like parts 22 are combined is obtained. When the cartridge 23 was installed in the heating cell case 22, the cartridge 23 was sandwiched from above and below with a felt-like heat insulating sheet 24 and pressed into the heating cell case 20. Thereby, pressure was applied to the cartridge 23 from above and below. Others were rapidly heated under the same conditions as in Example 13.
[0058]
In the previous embodiment 13, since it is a box-shaped cartridge 19, due to its molding tolerance and pipe processing tolerance, the internal pipe adhesion becomes lower and the temperature distribution may be uneven. On the other hand, in Example 14, since the pipes came into stable contact with each other, the variation in the temperature distribution in the cartridge 23 became smaller, and the temperature distribution in the entire heating cell case became more uniform. In addition, since the pipe is fixed with external pressure, the pipe is not turned at the time of installation and the workability is further improved.
[0059]
[Example 15]
As Example 15, the cartridge 23 used in Example 14 was integrated by adhering the cartridges 23 as shown in FIG. Others were rapidly heated under the same conditions as in Example 14.
[0060]
In the previous Examples 13 and 14, a variation in temperature that was considered to be poor contact was seen on the contact surfaces between the cartridges, but in this Example 15, the cartridges 23 in the heating cell case 20 were integrated, A more uniform temperature distribution can be obtained.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a uniform temperature distribution can be obtained without causing an end effect during electromagnetic induction heating.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of electromagnetic induction heating.
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional shape of a heating cell in a conventional electromagnetic induction heating method.
FIG. 3 is a diagram showing an end effect when a cross-sectional aspect ratio is larger than 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing Example 7 of the present invention.
7 is a graph showing the effect of Example 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing the effect of the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing the effect of the third embodiment.
10 is a graph showing the effect of Example 7. FIG.
FIG. 11 shows an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 13 shows an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 shows a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 15 shows an embodiment 13 of the present invention.
FIG. 16 shows a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 shows a fifteenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Non-magnetic pipe 12 Magnetic pipe
