JP2006500748A - 磁気加熱装置 - Google Patents

Abstract

磁気加熱装置は、エネルギ供給手段、制御手段および少なくとも２つの磁界発生器を含み、各磁界発生器は２つの自由端を含む。磁界発生器のすべての自由端は平面を規定し、制御手段は磁界発生エネルギを磁界発生器に適用して交流磁界を生成するために供給手段を制御するように適合され、前記平面の上方に規定された空間に位置付けられる強磁性材料が加熱される。生成された磁界は、前記自由端の１つを通る磁界が他の自由端を通る磁界と比較して反対の方向を有するようにされる。

Description

発明の分野
この発明は、独立クレームのプリアンブルによる加熱装置に関し、金属部品を加熱するための新しい装置を一般に含み、特に金属手段を加熱するための磁気加熱装置も含む。

発明の背景
金属部品内で熱を作るには少数の基本的な機構、システムまたは方法のみがあることが知られている。直火、浸漬、放射、電気抵抗を含み得る対流加熱が使用可能であり、金属の加熱は電気の流れによって生じ、熱は機械的応力または摩擦によって作られ得る。これらに含まれるのが誘導加熱であり、加熱は磁界の使用によって生じる。誘導加熱の分野でよく知られるように、交流電流を供給されるコイル内に金属加工物が置かれ、その加工物およびコイルが磁界によって結合されるため、誘導電流が金属内に存在する。この誘導電流は金属を加熱する。なぜなら、電気抵抗加熱に類似の抵抗損失のためである。通常、コイルは加熱され、加工物の加熱をできるだけ有効にするために冷却されなければならない。誘電電流の密度は加工物の表面で最大であり、表面からの距離が増すにつれて減少する。この現象は表皮効果として知られ、重要である。なぜなら、この深さ内でのみ、全エネルギの大半が誘導され、かつ加熱のために利用可能であるためである。典型的な最大の表皮の深さは、低周波数の用途では３から４インチ（８〜１０ｃｍ）である。すべての誘導加熱の用途では、加熱は渦電流のために表面で開始し、伝導が熱を加工物本体に運ぶ。

磁界を使用して金属部品を加熱する別の方法は、伝達磁束加熱と呼ばれる。この方法は、一般的に比較的薄い金属片の加熱で使用され、誘導コイルの再配置により磁束の熱を伝達し、磁束は通常の誘導加熱のように加工物のまわりではなく、加工物に対して直角に加工物を通り抜ける。加工物を通り抜ける磁束は、流線をその片の平面で循環させ、これは同じ渦電流の損失および加工物の加熱につながる。

ＵＳ−５，０２５，１２４では、金属要素を加熱するための電磁装置が開示されており、加熱は、加熱される金属部品内で高密度の交流磁界を作るために磁気ループを利用することによって実現される。この米国特許は、金属ループ内で加熱される金属部品によって磁気コアの一部分を置換することに関する知識に基づく。この既知の方法では、金属部品は磁極間に置かれ、金属部品を１つの側から加熱することが望ましい用途では使用することはできない。

ＵＳ−４，６２１，１７７では、製紙プロセスでの渦電流加熱のためのインダクタの構成が既知である。鉄またはスチールなどの磁気の流れを導く材料のロールのすぐ近くに電磁石の行が取付けられ、所望のようにロールの表面を加熱する。各電磁石内に同心配置されたコイルは、ＤＣまたはＡＣの電源によって供給され、これにより、すべての電磁石に等しく向けられた磁界が実現される。

ＥＰ−Ａ２−０，７７６，１４６は、高透過率、低導電率のコアのまわりに巻き付けられた誘導コイルによって生成される高周波数の振動磁界に金属缶の密閉物を置くことにより、それらを誘導的に加熱するように適合される誘導ドライヤおよび磁気分離器に関する。コアは、その２つの磁気的に反対の極が缶の密閉物を通り抜ける経路に沿ってコイルから集中的に磁束を向けるように、形作られかつ配向される。

この発明の目的は、本質的に１つの側から、たとえば、平面の金属シートなどの金属部品の均一な加熱を可能にする改善された加熱装置を実現することである。

発明の概要
上述の目的は、独立クレームによるこの発明によって実現される。

好ましい実施例は従属クレームに説明される。

この発明は、磁界発生器によって生成された磁界に対して磁界を９０度回転させることによって金属部品が１つの側から加熱されるという原則に基づく。

常磁性および強磁性の両方の、１つまたは複数の金属は、同じ加熱用途で組合わされ得ると有利である。

このことにより、磁界は強磁性材料の方向に走り、次に、磁気「レシーバ」、すなわち、反対方向の磁界を有する同一の磁界発生器に対して再び９０度偏向される。この反対に向けられた磁界は、磁界発生器の磁気コイルの１つに対する極性を反転させることにより生成される。

またはこれに代えて、磁気モジュール内の４つの磁気コイルのうちの２つに対する極性が反転される。

実施例の第１のグループによると、加熱装置は、加熱される強磁性材料に対して永久的または一時的に保持または固定されるように適合される別のユニットである。

実施例の第２のグループによると、加熱装置は、好ましくは永久的に加熱手段に固定される、好ましくは平面のシートの形の加熱手段を含む。

この発明は、たとえば、電気加熱ワイヤを介した間接加熱による高エネルギの消費など、今日使用される技術の多くの問題を解決している。多くの先行技術の方法の別の欠点は、使用される加熱方法から独立した不均一な加熱である。

この発明は、加熱される金属表面全体にわたって対照的に磁界を制御することによって、不均一な加熱の問題を解決する。

同じ番号は図面の説明にわたって同じ要素を示す。

発明の好ましい実施例の詳細な説明
図１には、いくつかの磁気モジュールを含む加熱装置の概略図が示される。各磁気モジュールは２つの磁界発生器を含む。

各磁界発生器は、２つの磁気コイル２を設けられたＵ字形の磁気コア１を含む。各磁界発生器は２つの自由端６を有する（一部のみが図面に示される）。図１では、磁気モジュールの３つの行が配置され、各行に４つのモジュールがある。

図２は、図１に示されるようないくつかの磁気モジュールの下方からの概略図である。

図３は、この発明による１つの磁気モジュールの断面図および上方からの図である。図３には、上部の強磁性シート５および下部の常磁性シート４を含む平面シートを含む加熱手段も含まれる。

またはこれに代えて、磁気コアが同じ平面に２つの自由端を有し、かつ加熱される強磁性材料とともに磁気コアが閉じた磁気ループを形成するのであれば、磁気コアは幾何学的な形を有してもよい。あり得る幾何学的な形の中で、Ｖ字形のコア、非対称のＵ字形のコアについて述べる。

磁気コアは、たとえば、いわゆるトランスコアシート（transformer core sheet）などの積層されたシリコンシート、またはルースパウダーの焼結された磁気材料（loose powder sintered magnetic material）からなり得る。

加熱される金属は、磁界発生器上または磁界発生器の近くに置かれる。

この発明の１つの好ましい実施例によると、磁気モジュールは、加熱される強磁性材料の金属部品に直接接触する。

この発明の第２の好ましい実施例によると、磁気モジュールと加熱される金属部品との間に所定の距離を規定する空隙または誘電材料で作られたシートがある。

空隙（または誘電シート）の厚みは、加熱装置の意図される用途に関して決定される。

一般に、空隙の厚みの２乗は、９ｍｍの空隙であれば、９０ｍｍの最大の合計の厚み（空隙および金属部品）まで金属部品の合計の厚み（金属シートの厚み）に影響する。

好ましい一実施例では、４ｍｍの強磁性材料、たとえば、鉄と、２ｍｍの常磁性材料（アルミニウム）との組合せで１ｍｍまたは２ｍｍの空隙が選ばれた。他の組合せも当然可能である。

この発明に対する１つの仮定は、加熱される金属部品が、たとえば、鉄、鋳鉄、磁気ステンレススチールおよび鉄を含むすべての合金などの強磁性材料であるということである。

実施例の１つの第１のグループでは、磁気加熱装置は、加熱される部品と向かい合った別のユニットである。この場合、加熱装置は、加熱される部品に対して保持され、永久的または一時的に留められるように適合される。実施例のこのグループには、多くのさまざまな可能な用途がある。

実施例の第２のグループでは、金属部品は、磁気モジュールの磁気コアの自由端上または磁気コアの自由端の近くに永久的に配置された加熱手段、好ましくは平面のシートの形を有する。実施例のこのグループは、たとえば、鉄の平面のシートがフライ面（frying surface）として使用されるフライホブ配置（frying hob arrangements）で多くのさまざまな用途を有する。

実施例の両方のグループでは、規定された平面は、真っ直ぐであってもよく、すなわち、前記規定された平面の自由端は同じレベルにあり、または湾曲されていてもよく、湾曲された平面は特定の用途に適合される。湾曲された平面は、円筒形の壁の一部の形状を有してもよく、または球体の壁の一部であってもよい。湾曲された平面の半径が用途に関して小さ過ぎないのであれば、他の幾何学的な形状も当然ながら可能である。理論的には、
１つの磁界発生器に対する最大の半径は９０度に対応する。実際には、半径が４５度より大きい場合、代わりに２つの磁界発生器が使用される。９０度の湾曲半径が必要な場合、たとえば、Ｕ字形の２つの磁界発生器がコアの垂直な平面間に４５度の角度で配置される。

実施例の第２のグループによると、平面のシート手段の形の金属部品は、強磁性材料、たとえば、鉄の１つの上部シート、および常磁性材料、たとえば、アルミニウムの下部シートの、２つのシートを含むことが好ましい。

平面のシートの形の金属部品は、強磁性材料から作られた単一のシートのみを含んでもよい。

加熱手段を構成するシートに対する強磁性および常磁性の材料の組合せは、シートの材料の選択および厚みの両方に関して変わり得る。

常磁性材料および磁気材料を組合わせることにより、常磁性材料が拒否効果を有するという利点、すなわち、Ｈ−磁界がシートに対照的に広がり、加熱手段の均一な加熱に貢献するという利点が得られる。常磁性および強磁性の材料の組合せにより、電磁界が広がるのを防止するシールドも得られる。

好ましい一実施例では、平面の加熱手段、たとえば、２つの金属シートは、磁気モジュールの磁気コアの自由端によって規定される平面に配置される。下部シートは２ｍｍのアルミニウムのシートであり、上部シートは４ｍｍの鉄のシートである。

２つのシートは互いに関して浮いており、すなわち、それらは、異なる熱膨張に関する材料の応力を避けるために、互いに留められて（固定されて）いないことが好ましい。

またはこれに代えて、用途によっては、たとえば、溶接などによって互いにシートを固定することが有利である。

上述のように、磁気コアの自由端と平面のシート手段との間に空隙を設けてもよい。代替の実施例では、金属部品内に生成された熱からの磁気モジュールの断熱のために、たとえば、シリコーンなどの誘電シートを空隙に配置してもよい。

均一な加熱を実現するために重要な１つの事実は、どのように磁気コイルが磁気コアに配置されるかということである。

磁界発生器の磁気コアに磁界を生成するために、１つまたは複数の磁気コイルがコアに配置される。２つのコイルが各コアで使用されると有利である。しかしながら、コイルの他の多くの構造的な配置によって磁気コアに磁界を実現することが当然ながら可能であり、使用されるコイルの数およびコアの場所の両方が変わり得る。たとえば、１つのコイルのみを、たとえば、Ｕ字形のコアの下方部分または脚の１つに配置されたコアで使用してもよく、３つ以上のコイルをコアの異なる場所に配置してもよい。当業者には、たとえば、供給される電気エネルギに関して、すべての異なる配置を別々に調整しなければならないことが理解されるであろう。

図１〜３は、磁気コイルがＵ字形の磁気コア上にどのように配置され得るかを概略的に示す。

コイルのこの配置により、均一な加熱が実現される。均一な加熱は、本質的に、まず各
コイルの長さおよびワイヤの巻回数に関して、生成される磁界の最大の使用Ｂ_maxに対応する断面積を磁気コアが有することによって実現される。あまりにも高い電流密度を有すると加熱損失が増加し、このことによって、平面の加熱手段、たとえば、フライホブの熱効率が低下する。第２の理由は、このようなことなしに、コイルを通る最大の電流が得られるように、コイルの巻線の面積が計算されることである。

コイルの巻回数とコイル内のワイヤの直径との間の関係も重要である。

図４は、１つの磁気モジュールを含み、かつ誘電シート３、常磁性シート４および強磁性シート５を含む加熱手段を設けられた、加熱装置の図である。図には、モジュールのコイルに電気エネルギを供給するように適合されたエネルギ供給手段、所望の目標温度、加熱速度等の加熱に関するさまざまなパラメータをオペレータが入力可能な制御パネルから受取られた入力信号に従って供給手段を制御する制御手段も示される。有利な実施例によると、温度センサ７が強磁性シートの下方に配置される。温度センサは、加熱装置の制御での精度を高めるために制御手段に温度信号を生成する。温度センサについては以下にさらに説明する。温度センサはフライ面の下方、特に強磁性シートと常磁性シートとの間に配置されることが好ましい。発明者が行なった実験によると、磁気モジュールにつき１つのセンサで正確な温度制御が行なわれる。センサは磁気モジュールの中央の場所に配置され、図４に概略的に示される。

用途によってさらに正確な温度制御が必要とされる場合には、より多くのセンサを使用することも可能である。

この発明で使用される温度センサは、熱電対要素センサ（たとえば、タイプＫ）であることが好ましく、これは温度に依存して直流を生成する異なる材料の２つの細いワイヤを備えた受動センサである。

このタイプのセンサは、たとえば、５０ｍｓのオーダの高速の応答時間を有し、かつ少なくとも１０００度までに耐熱性を有する。

図５は、図の上方から右に概略的に示される１つの磁気モジュールの電気エネルギの供給の図であり、番号１〜４は４つの磁気コイルを示す。

各磁気モジュールには２つの接続ｆ１およびｆ２が設けられ、ｆ１はコイルのうちの３つの入力に接続され、ｆ２はこれら３つのコイルの出力に接続される。磁気モジュール内のコイルのうちの第４のものでは、接続ｆ２は入力に接続され、ｆ１は出力に接続される。

ｆ１およびｆ２は、３位相のシステムの２つの位相に接続されることが好ましい。対称な負荷を実現するために、３つ、６つ、９つ等の磁気モジュールが電源に接続され、無効電力の生成につながる位相のずれが誘発されないようにされることが好ましい。

またはこれに代えて、他の３つと比較して反転された極性にコイルのうちの１つが接続される、１位相のシステムを代わりに使用することも可能である。

またはこれに代えて、各コイルには別々に供給してもよく、その場合、各コイルに対する正しい極性は制御手段によって制御されるべきである。

この発明の代替の実施例によると、コイルのうちの２つは、反転された／切換えられた極性によって接続される。

電源によって生成されかつ磁気モジュールに適用される電力の周波数は、５０〜６０Ｈｚの範囲内であることが好ましい。

しかしながら、１６ ２／３Ｈｚおよび４００Ｈｚの周波数を含む、たとえば、１０〜５００Ｈｚなどのより広い周波数の範囲も使用可能である。

数ｋＨｚのオーダのさらに高い周波数を使用することも可能である。高い周波数を使用するときの１つの問題は、コイルによって生成される熱である。高周波数電力のパルスを使用することによって磁界発生エネルギを適用することで、コイルの加熱は容易に低減される。

この発明のさらに別の実施例では、磁気モジュールのいわゆる制御された切断が適用される。この制御された切断は制御手段によって制御され、磁界発生エネルギの正確にゼロ交差またはその近くで切断が行なわれ、磁気の記憶が残らないようにする。

図６〜図９は、図５に示される回路を使用することによってエネルギを供給される磁気モジュールでの磁界の偏向を概略的に示す。

図６および図７は、上方から磁気モジュールを示し、加熱手段の平面での磁界を示す。

図面では、上方の磁界発生器の右のコイルには、他のコイルと比較して反転された極性が供給される。図６では、上方の右のコイルの磁界が内側および下方に向けられるのを示す位相の位置９０度での状況を示す（図８を参照）。他のコアに対する磁界は外側および上方に向けられる（図８および９を参照）。図７では、位相の位置２７０度での状況が示され、すべての磁界の方向が図６と比較して反転されている。

この発明のさらに別の好ましい実施例では、磁界発生器の磁気コアは、２つの別々のロッド型の脚に分けられ、少なくとも１つの磁気コイルが脚の各々に配置される。

自由端に対向する端部からの磁界の漏れを制御できるように、釣り合いをとる反対向きの磁界を生成するように適合されたコイルをその端部の近くに配置してもよい。

他の実施例に関して説明されたすべての関連する特徴は、たとえば、コイルの供給、温度の測定、強磁性材料の配置、使用される周波数範囲等に関して、当然ながらこの実施例でも適用可能である。

この発明によってどのように有利な均一な加熱が実現されるかをさらに説明するために、以下の推論を提供する。

各磁気モジュールは２つの磁界発生器を含み、各磁界発生器は２つの自由端（または極）を有し、すなわち、各磁気モジュールは４つの極を有する。

たとえば、図５に関して説明したように、磁気モジュールに供給を行なうとき、磁界発生器の１つの脚のコイルは、磁気モジュールの他の３つのコイルの供給と比較して反転された極性によって供給される。

したがって、各半分の期間中、同じ方向に向けられた磁界を有する３つの極（たとえば、Ｎ極）および反対に向けられた磁界を有する第４の極（Ｓ極）が実現される。次の半分の期間中には、状況は反対になり、すなわち、３つのＳ極および１つのＮ極が実現される
。

単一の極の磁界は、他の３つの極のうちの１つから磁界の１つを引きつけ、結果として、同じ極性を有する２つの残りの（残留する）磁界が得られる。

これら２つの残りの磁界は打ち消し合い、磁界は、加熱される材料、たとえば、強磁性シートに広がる。これによってシートが均一に加熱される。２つの残りの磁界の急速な広がりは、これらの磁界が、確立されたＮおよびＳの極の間の磁界が存在する領域から離されるということに関連する。

同じ方向を有する３つの磁界のうちどれが第４の反対に向けられた磁界を引きつけるかは、互いの間に最短距離を有する自由端の間に磁界が確立されるように、自由端の間の距離によって異なる。

上述の推論は、当然ながら、より一般的に適用可能であり、すなわち、いくつかの「残留する」磁界は同じように熱を生成するようにされ得る。これは技術的な設計の問題にすぎない。

この発明は上述の好ましい実施例に限定されない。さまざまな代替例、変形例および均等物が使用され得る。したがって、上述の実施例は、請求項によって規定されるこの発明の範囲を限定するものとしてみなされるべきではない。

この発明によるいくつかの磁気モジュールの上方からの概略図である。 この発明によるいくつかの磁気モジュールの下方からの概略図である。 この発明による１つの磁気モジュールの断面図および上方からの図である。 加熱手段を含む磁気モジュールの分解図である。 １つの磁気モジュールを含みかつ加熱手段を設けられた加熱装置の図である。 サイクルの反対の位相中に上方から見た磁気モジュールでの磁界の偏向を概略的に示す図である。 サイクルの反対の位相中に上方から見た磁気モジュールでの磁界の偏向を概略的に示す図である。 図６のＢ−ＢおよびＡ−Ａにそれぞれ沿った磁界の偏向の断面図である。 図６のＢ−ＢおよびＡ−Ａにそれぞれ沿った磁界の偏向の断面図である。

Claims (19)

1. エネルギ供給手段、制御手段および少なくとも２つの磁界発生器（１，２）を含む磁気加熱装置であって、各磁界発生器は２つの自由端（６）を含み、前記磁界発生器のすべての自由端は平面を規定し、前記制御手段は磁界発生エネルギを前記磁界発生器に適用して交流磁界を生成するために前記供給手段を制御するように適合され、
   前記磁界は、前記自由端の１つを通る磁界が他の自由端を通る磁界と比較して反対の方向を有するようにされ、前記平面の上方に規定される空間に位置付けられる強磁性材料が加熱されることを特徴とする、磁気加熱装置。
2. エネルギ供給手段、制御手段および少なくとも２つの磁界発生器（１，２）を含む磁気加熱装置であって、各磁気発生器は２つの自由端（６）を含み、前記磁気発生器のすべての自由端は平面を規定し、前記制御手段は磁界発生エネルギを前記磁気発生器に適用して前記平面の上方に規定される空間に配置される加熱手段（４，５）に交流磁界を生成するために前記供給手段を制御するように適合され、
   前記磁界は、前記自由端の１つを通る磁界が他の自由端を通る磁界と比較して反対の方向を有するようにされることを特徴とする、磁気加熱装置。
3. ２つの磁界発生器が磁気モジュールを構成することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記磁界発生器は、前記２つの自由端を有する磁気コアを含み、かつ前記磁界発生エネルギが適用される１つまたは複数の磁気コイルを設けられることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記磁気コアはＵ字形であり、かつ２つの脚および接合部品を有し、１つの磁気コイルが前記脚の各々に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 前記磁気コアは２つの別々のロッド型の脚に分けられ、少なくとも１つの磁気コイルが前記脚の各々に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
7. 前記磁気モジュール内のすべての磁界発生器に対する前記脚は平行であることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
8. 前記適用される磁界発生エネルギは所定の周波数を有する交流電力であり、前記電力は、前記モジュールの他の３つのコイルに適用される電力と比較して、反転された極性で前記磁気コイルのうちの１つに適用されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
9. 前記適用される磁界発生エネルギは所定の周波数を有する交流電力であり、前記電力は、前記モジュールの他の２つのコイルに適用される電力と比較して、反転された極性で前記磁気コイルのうちの２つに適用されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
10. 前記所定の周波数は５０〜６０Ｈｚの範囲内であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 磁気モジュールの前記所定の数は、３ｘＮであり、Ｎ＝１、２、３または４であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
12. 磁気モジュールの前記所定の数は１〜１０００の範囲内であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
13. 前記装置は前記平面の近くに配置される少なくとも１つの温度センサ（７）を含み、前記センサは前記制御手段に適用されかつ前記装置の加熱を制御するために使用される温度信号を生成することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
14. 前記加熱手段は、前記磁界発生器の前記自由端に面する下部シートおよび反対側の上部シートの２つのシートを含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
15. 前記下部シートは２ｍｍのアルミニウムのシートであり、前記上部シートは４ｍｍの鉄のシートであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 前記の２つのシートは互いに関して浮いており、すなわち、それらは互いに留められて（固定されて）いないことを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
17. 前記上部シートは強磁性材料から作られ、前記下部シートは常磁性材料から作られることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
18. 前記規定された平面の自由端は同じレベルにあることを特徴とする、請求項１から１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記規定された平面は湾曲されていることを特徴とする、請求項１から１８のいずれかに記載の装置。

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