JP2005327738A

JP2005327738A - 電磁誘導加熱装置

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Publication number: JP2005327738A
Application number: JP2005185548A
Authority: JP
Inventors: Taizo Kawamura; 泰三川村; Yoshitaka Uchibori; 義隆内堀
Original assignee: Seta Giken KK
Current assignee: Seta Giken KK
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】ケース内に収納された発熱体にコイルを通じてできるだけ多くの電力を入れ、流体を均一に加熱することができる具体的な電磁誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】交番電源に接続されたコイルと、前記コイルが巻かれ流体が通過するケースと、前記流体に浸かるよう前記ケース内に収納され前記コイルによる電磁誘導で加熱される発熱体と、前記交番電源を出力する電力部とを備えた電磁誘導加熱装置において、前記発熱体は、薄肉部材で且つ伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量が、０．４立方センチメートル以下に構成してあり、前記薄肉部材の厚みが３０ミクロン以上であり、前記電力部による前記交番電源が１５ＫＨｚ〜１５０ＫＨｚの範囲にあることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、液体や気体等の流体に浸された発熱体を電磁誘導加熱で加熱し、前
記流体を直接的な熱移動で加熱する電磁誘導加熱装置に関する。

流体を電磁誘導で加熱する方式としては、間接加熱が普通である。例えば周知
の電磁調理器の場合、鍋に水を入れ、鍋を電磁誘導で加熱し、鍋を介して水を加
熱する間接加熱になっている。この電磁調理器の方式をパイプ内を流れる流体に
適用すると、パイプを電磁誘導で加熱し、パイプを介して流体を加熱することに
なる。

しかし、このような間接加熱による電磁誘導加熱装置においては、流体を閉じ
込める鍋や、流体が通過するパイプが加熱体になっているため、鍋やパイプから
の熱放散が大きく、エネルギー効率が低い。

そこで、特開平３−９８２８６号公報などに開示されるように、流体が通過す
るコラム又はケースを絶縁体で構成し、このコラム又はケース内に収納され流体
が浸かる発熱体を電磁誘導で加熱する直接加熱の電磁誘導加熱装置が提案された
。この直接加熱による電磁誘導加熱装置によると、流体が浸かる発熱体の伝熱面
積を大きくすることなどにより、発熱体から流体への伝熱効率を９０％前後まで
向上させることができる。

しかしながら、従来の電磁誘導加熱の常識によると、高周波にする程エネルギ
ー効率が高くなるものの、高周波で誘起される渦電流は発熱体の表面付近にとど
まり発熱体の中心まで渦電流が生じないものとされてきた。コラム又はケース内
に収納された発熱体が周辺部しか発熱しないとすると、発熱体による流体の均一
加熱ができなくなる。すなわち、上述した直接加熱方式の電磁誘導加熱装置では
、発熱体がその周辺部又は中心部にかかわらず略均一に加熱され、コイルに流さ
れる電力の殆どが発熱体に入り、発熱体から流体へとスムーズな熱伝達が行われ
ることが重要である。

上述した特開平３−９８２８６号などでは、発熱体が略均一に加熱されるとい
う前提のまま、流体との熱交換を効率良く行うための発熱体の形状が提案されて
いるだけである。したがって、本発明は、ケース内に収納された発熱体にコイル
を通じて出来るだけ多くの電力を入れ、流体を均一加熱することができる具体的
な電磁誘導加熱装置を提供すること目的とする。

上記課題を解決する本発明の電磁誘導加熱装置は、交番電源に接続されたコイ
ルと、前記コイルが巻かれ流体が通過するケースと、前記流体に浸かるよう前記
ケース内に収納され前記コイルによる電磁誘導で加熱される発熱体と、前記交番
電源を出力する電力部とを備えてなり、
前記発熱体は、周辺部と同等以上に中心部が発熱するように配設された薄肉部
材で構成され、前記薄肉部材の厚みが３０ミクロン以上であり、前記電源部によ
る前記交番電源が１５〜１５０ＫＨｚの範囲にあることを要旨とする。好ましい
薄肉部材の厚みは５０ミクロン以上であり、好ましい交番電流は２０〜７０ＫＨ
ｚである。そして、周辺部と同等以上に中心部が発熱する発熱体としては、前記
薄肉部材にシート材を用い、このシート材を空間を有するように且つ電気的に導
通可能に積層され、周辺部に沿った電流より前記周辺部を横切る電流のほうが流
れやすい形状に形成されたものがある。

そして、前記発熱体の１立方センチメートル当たりの伝熱面積が２．５平方セ
ンチメートル以上であるものが好ましく、特に５平方センチメートル以上のもの
が好ましい。また、前記発熱体の伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱す
べき流体量が０．４立方センチメートル以下のものが好ましく、特に０．１立方
センチメートル以下のものが好ましい。また、前記発熱体の前記ケース内への収
納は、外周が変形を起こす程度に密着させて行うものが好ましい。

作用

前記発熱体が、周辺部周辺部と同等以上に中心部が発熱するように配設された
薄肉部材で構成されでいるため、発熱体を通過する流体が均一に加熱される。そ
して、発熱体の熱効率を向上させ、均一分散のための特定条件があることを実験
において確かめ、本発明を完成した。

薄肉部材の厚みが３０ミクロン未満であると、低い周波数での電力の入り具合
が悪くなる。薄肉部材の厚みが３０ミクロン以上になると、電力の入り方は略一
定になるものの、製造上の観点から、薄肉部材の厚みが５０ミクロン以上が好ま
しい。しかし、薄肉部材の厚みが１ｍｍを越えると、伝熱面積を大きくとるため
の波形等の加工が難しくなる。使用する周波数が１５ＫＨｚ未満になると、コイ
ルの銅損が大きくなり、１５０ＫＨｚを越えるとスイッチング素子の損失が多く
なって熱効率が７０％近くまで低下する。特に、損失が少なく９０％前後の熱効
率を確保するための周波数帯としては、２０〜７０ＫＨｚである。また、２０Ｋ
Ｈｚ以上の周波数になると人が聞き取ることができないため、発熱体の振動が騒
音源にならない。さらに、発熱体が高周波で振動され、発熱体表面で超音波洗浄
に類似する現象が生じ、スケールも付きにくくなると期待される。このような観
点からも、上述した１５〜１５０ＫＨｚであって特に２０〜７０ＫＨｚの周波数
の交番電源で発熱体を加熱すると共に、発熱体の全体に電力が入って全体が振動
する発熱体の構造が好ましい。

発熱体の中心部まで電力を入れるためには、発熱体の表面に集中して渦電流が
流れる現象がでないようにする必要がある。そのため、前記薄肉部材にシート材
を用い、このシート材を空間を有するように且つ電気的に導通可能に積層され、
周辺部に沿った電流より前記周辺部を横切る電流のほうが流れやすい形状に形成
されたものが製作上の観点及び以下に述べる伝熱面積確保の観点から好ましい。
前記ケース内を通過する流体は発熱体の周辺部より中央部で流れやすいため、中
央部で発熱する発熱体により均一に加熱される。

前記発熱体が１立方センチメートル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメー
トル以上になるように薄肉部材を積層しないと、発熱体の金属量が少なくなって
熱効率が７０％近くまで低下し、普通のシーズヒータ等の伝熱面積との差が少な
くなる。シーズヒータに比べて格段の熱効率である９０％前後の熱効率を確保す
るためには、１立方センチメートル当たりの伝熱面積が５平方センチメートル以
上にすることが好ましい。伝熱面積１平方センチメートル当たりが加熱すべき流
体量を０．４立方センチメートル以下にしないと、発熱体の金属量が少なくなっ
て熱効率が低下すると共に、流体に対する加熱の応答性が鈍くなる。瞬間的加熱
や急速応答性を得るためには、伝熱面積１平方センチメートル当たり流体保持量
を０．１立方センチメートル以下にするとよい。また、発熱体に対する流体のバ
イパス流があると、均一な急速加熱や応答性が悪くなるため、発熱体をパイプ内
に押し込んで隙間をなくすのが好ましい。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は電磁誘導加熱装置の
機器構成図であり、図２は発熱体の構造図である。

図１において、電磁誘導加熱装置１は、主な部分として、コイル２と、ケース
３と、発熱体４と、電力部５と、制御部６とからなっている。

コイル２は出来るだけ銅損が少ないものがよく、リッツ線を撚り合わせてたも
の、又は丸管、半円管、楕円管などの銅管を用いる。このリッツ線の撚り合わせ
体や銅管をコイル状又は渦巻き状にしてケース３の外周に巻回するか、ケース３
の肉厚内に巻回して埋設する。なお、ケース３の外周にコイル２が埋まる半円溝
を加工し、コイル２と発熱体４との間隔を狭くすることも有効である。

ケース３はコイル２を保持し、流体が通過する通路を区画し、その通路に発熱
体４を収納するものである。このような使用態様によりケース３には次の特性が
求められる。コイル２による磁束が通過してケース３内に磁界１１が形成される
ように、非磁性体の材質を使用する。セラミック等の無機質材料、ＦＲＰ（繊維
強化プラスチック）、フッ素樹脂等の樹脂材料、ステンレス等の非磁性金属等が
用いられる。つぎに、通過する流体に対する耐蝕性、通過する流体の圧力に耐え
る耐圧性、加熱体による加熱に耐えられる耐熱性等が求められる。このような特
性の全てを満足する材質として、セラミックのケース３が最適である。ケース３
の断面形状としては、図示の円筒状に限らず、四角筒状、楕円筒状などであって
もよい。

電力部５は例えば２００Ｖ，５０／６０Ｈｚの交流電源１２に接続されるもの
であり、ＡＣ／ＤＣの整流部、非平滑フィルタ、高力率高周波インバータ部とか
らなり、交流電源１２を正負対称な正弦波の５０／６０Ｈｚの波形内で高周波で
振らした交番電源１３に変換してコイル２に出力する。なお、電力部５の使用さ
れるインバータの方式には種々のものがあり、図示のような正弦波方式は小中電
力向きである。また、方形波方式のインバータは大電力向きである。

制御部６は温度調整部と位相シフト制御部とからなり、位相シフト制御部は位
相差を変えて電力部５からの出力電圧を調整するためのものであり、温度調整部
は温度センサ１４からの出力に応じて位相シフト制御部の位相差を変えるように
したものである。この電力部５と制御部６の装置構成によって、装置的には０〜
１００％の出力電圧と、少なくとも１５〜１５０ＫＨｚの範囲の高周波を出力す
ることができる。

発熱体４は円筒状ケース３の中心部を横切る薄肉部材１５を流体７の流れ方向
に沿うように配設し、他のシート材をこの薄肉部材１５に対して所定の空間を隔
てるようにして積層したものである。ただし、この薄肉部材１５は電気的に互い
に独立したものではなく、通電可能に波形の薄肉部材等を介して溶着等で接合さ
れている。

この発熱体４は電力が入りやすく、流体７に対する熱交換がしやすく、流体７
に対する耐蝕性を兼ね備えたものが好ましい。このような条件を満足する発熱体
４の構造を図２により説明する。図２（ａ）は発熱体の上面図、図２（ｂ）は発
熱体の斜視図である。

発熱体４は、平板状の第１シート材２１と波形状の第２シート材２２を交互に
積層し、側面の両端には第１シート２１が位置するようにし、全体として円筒状
に形成したものである。第２シート材２２の波の山（又は谷）２３は中心軸２４
に対して角度αだけ傾くように配設され、第１シート材２１を挟んで隣り合う第
２シート材２２の波の山（又は谷）２３は交差するように配設されている。そし
て、隣り合う第２シート材２２における山（又は谷）２３の交差点２５において
、第１シート２１と第２シート２２はスポット溶接で溶着され、電気的に導通可
能になっている。また、第２シート材２２の表面には、流体の乱流を生じさせる
ための孔２６が設けられている。この孔２６に代わるか又は加えて、第１シート
２１及び／又は第２シート２２に梨地加工を施して表面をザラザラにすることも
有効である。

要するに、中心軸２４を通る直径方向Ｄに対して、略平行に第１シート材２１
と第２シート材２２が配設され、電気的には直径Ｄと略平行な方向（周辺部を横
切る方向）に最も流れやすくなっている。さらに、第１シート材２１と第２シー
ト材２２の厚みｔは周波数と共に重要である。

また、成形当初の発熱体４の直径はケース３の内径より大きくなっており、発
熱体４をケース３内に押し込む過程で、発熱体４の周辺部を変形させ、発熱体４
とケース３とを密着させ、ケース３と発熱体４と間をバイパスする流体を少なく
する。このような変形を許容するシート材２１，２２の厚みは１ｍｍ以内の厚み
によるものが好ましい。

つぎに、具体的実施例により、加熱体に対する周波数の影響、加熱体を構成す
る薄板部材の厚みの影響、加熱体の伝熱面積の影響、加熱体の伝熱面積の集積度
の影響などを説明する。

図３は、直径１０ｃｍ又は５ｃｍの図１の如き加熱体を用いて２０〜４０ＫＨ
ｚの範囲で加熱実験を行う際して、シート材の厚みを５０ミクロン前後で変更し
、全体の熱効率を測定した。なお、シート材の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であった
。図３によると、３０ミクロンを越えると、熱効率が急速に低下し、３０ミクロ
ン以上では９０％以上の略一定の熱効率になっている。また、３０ミクロン以下
での熱効率の低下割合はシート材の厚みが薄い程大であることが確認された。

図４は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５０ミクロンで山形の高さは３ｍｍの
図１の如き発熱体を用いて、周波数を変更して全体の熱効率を測定した。なお、
シート材の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であった。図４によると、周波数が低い領域
では、徐々に熱効率が低下し、周波数が高い領域では、急速に熱効率が低下して
いる。熱効率を９０％前後と高く維持するためには、２０〜７０ＫＨｚの範囲が
よいことが判る。ただし、熱効率７０％以上という実用的に利用可能な範囲とし
ては、１５〜１５０ＫＨｚの範囲である。

図５は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５０ミクロンで種々の山高の波にした
図２の如き発熱体を用いて、周波数２０〜３０ＫＨｚの範囲で全体の熱効率を測
定した。また、この場合の山高と伝熱面積との関係を図６に示す。図６のＡ線は
図１の如く第１シートを有したものであるが、図６のＢ線は図２から第１シート
が省かれたものである。図５から、熱効率７０％以上の実用的に利用可能なもの
は山高１１ｍｍであり、図６のＡ線から１立方センチメートル当たりの伝熱面積
は２．５平方センチメートル以上である。熱効率を９０％前後とするためには、
山高が５ｍｍであり、１立方センチメートル当たりの伝熱面積は５平方センチメ
ートル以上が好ましい。

図７は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５０ミクロンで種々の山高の波にした
図２の如き発熱体の平均の水膜厚を調べたものである。図７のＡ線は図２の如く
第１シートを有したものであるが、図７のＢ線は図２から第１シートが省かれた
ものである。熱効率が７０％以上に対応する水膜厚は４ｍｍ（発熱体の伝熱面積
１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量の０．４立方センチメートルに
相当）以下にする。しかし、迅速加熱と高い応答性を確保するためには、経験的
に水膜厚は１ｍｍ（発熱体の伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき
流体量の０．１立方センチメートルに相当）以下にすることが好ましい。

上述した実験において、図２の如き構造の発熱体の温度分布を調べたところ、
図８のように、中心に位置する第１シート部材２１を長辺にした略菱形の温度分
布になっており、第１シート部材２１に沿って中心部がより発熱していることが
判明した。

つぎに、本発明とは異なる発熱体の比較例を説明する。シート材に代わって０
．１５ｍｍφ×５０メッシュの金網又は０．１ｍｍφ×１００メッシュの金網を
積層した発熱体を用いた。そして、周波数８０ＫＨｚの交番電源を１Ｋｗだけ入
れ、水を加熱して熱効率を測定したところ、５０％以下になって低かった。金網
状の発熱体だと、電力が入りにくくなっていると想定される。

また、平板状の第１シート材の表面に波状の第２シートを重ね合わせたものを
らせん状に巻いた発熱体を用いた。シート材の厚みは５０ミクロンであり、波の
高さは３ｍｍであった。そして、周波数８０ＫＨｚの交番電源を１Ｋｗだけ入れ
、水を加熱して熱効率を測定したところ、図２の発熱体と同程度の熱効率が得ら
れたものの、発熱体の周辺部でしか加熱しておらず、発熱体を通過した流体の温
度差が大きかった。電磁誘導加熱に特有の表皮効果が生じているための想定され
る。

上述した知見を整理すると、均一加熱のために発熱体が周辺部より中央部で加
熱されるためには、薄肉部材が周方向に配設され周方向に電流が流れやすい構造
より、薄肉部材が周を横切る方向に配設され周を横切る方向に電流が流れやすい
構造のほうがよい。したがって、図９のように、シート部材３０をバー３１でく
し刺しにして保持する形態の発熱体であってもよい。バー３１が各シート部材３
０に対する電気的導通手段となっている。また、図１０のように、小径管４１の
多数を束ねた発熱体であってもよい。小径管４１の互いの接触によって、電気的
導通が確保される。そして、小径管の各々に渦電流が流れるため、周辺部より中
央部のほうが発熱する。

本発明の電磁誘導加熱装置は、流体が通過するケース内に発熱体を収納し、こ
の発熱体にケースに巻かれたコイルから効率よく電力を入れ、且つ発熱体の周辺
部と同等以上に中心部が加熱されるように構成したため、従来の電磁誘導加熱の
常識を打ち破る９０％以上の高い熱効率を達成しつつ均一加熱を実現することが
できる。

本発明の電磁誘導加熱装置の機器配置図である。発熱体の構造図である。交番電流の周波数と熱効率との関係を示すグラフ図である。発熱体の板厚と熱効率との関係を示すグラフ図である。発熱体の山高と熱効率との関係を示すグラフ図である。発熱体の山高と伝熱面積との関係を示すグラフ図である。発熱体の山高と水膜厚の関係を示すグラフ図である。発熱体の発熱状態を示す上面図である。他の発熱体の構造を示す上面図である。他の発熱体の構造を示す上面図である。

符号の説明

１電磁誘導加熱装置
２コイル
３ケース
４発熱体
５電力部
６制御部
７流体
１５薄肉部材
２１平板状の第１シート材
２２波状の第２シート材
２５スポット溶接

Claims

交番電源に接続されたコイルと、前記コイルが巻かれ流体が通過するケースと、前記流体に浸かるよう前記ケース内に収納され前記コイルによる電磁誘導で加熱される発熱体と、前記交番電源を出力する電力部とを備えた電磁誘導加熱装置において、
前記発熱体は、薄肉部材で且つ伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量が、０．４立方センチメートル以下に構成してあり、
前記薄肉部材の厚みが３０ミクロン以上であり、前記電力部による前記交番電源が１５ＫＨｚ〜１５０ＫＨｚの範囲にあることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
前記伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量を、０．１立方センチメートル以下に構成にしたことを特徴とする請求項1記載の電磁誘導加熱装置。
前記薄肉部材の厚みが５０ミクロン以上１０００ミクロン以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁誘導加熱装置。
前記電力部による前記交番電源が２０ＫＨｚ〜７０ＫＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁誘導加熱装置。