JP2007059292A - 加熱装置の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は加熱装置の設計方法及び最適運転化方法に関し、目標となる温度分布を先に決定して、最初に流動解析を１回行なうだけで、後は電磁場解析のみで理想的な発熱分布に近いコイルレイアウトと電圧設定を行なえる加熱装置の設計方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 誘導加熱により中空状の被加熱体を加熱し、該被加熱体の中空内に流体が存在する加熱装置を設計するに際し、被加熱体の内表面の目標となる温度分布を設定する工程１と、前記温度分布を１つの条件として流動解析を行ない、熱流束分布を算出する工程２と、前記熱流束分布のプロファイルを発熱密度分布のプロファイルに変換する工程３と、電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程４と、前記工程３で求めた発熱密度分布と前記工程４で算出した発熱密度分布とを比較し、比較結果に応じて工程４の条件を変更し、誘導加熱の条件決定を行なう工程５とを含んで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は加熱装置の設定方法に関する。

従来、誘導加熱により被加熱体を加熱する、例えば高周波により被加熱体を加熱する装置を設計する際には、系内に存在する流体が、どの程度熱量を吸収するかを流動解析により確認し、その熱量分が被加熱体にかかるように、コイルの設計（電磁場解析）を行ない、装置の設計を行なっていた。つまり、流動解析、電磁場解析を別々に行ない、装置を設計していた。

このような装置を設計する際に、より精度の高い装置を作成するためには、流動解析−電磁場解析の連成解析を行ない、被加熱体の温度分布を算出して設計する方法が考えられる。例えば、先ず予め推定できる条件から電磁場解析により発熱密度を算出し、この発熱密度を使用して流動解析を行ない、被加熱体の温度分布を求め、その際の高周波の設定（高周波を発生するコイルのレイアウト，電圧の設定等）を元に装置を設計することが考えられる。

そして、この設計により作成された実装置において、高周波の設定（コイルのレイアウト，電圧の設定）を変更し、被加熱体が目的の温度分布となるように運転すれば、被加熱体を目標の温度分布とすることができるものと考えられる。つまり、ある程度の流動解析−電磁場解析の連成を行なった後、実装置を作成し、その実装置を運転しながら装置の設定，運転条件等を決定すれば、より被加熱体の温度分布を制御した（理想の温度分布を再現できる）装置を設計できるものと考えられる。

なお、本発明は新規な発想によりなしえたものであり、従来技術は存在しない。

前述した装置では、実装置において条件を決定して初めて最適な運転条件が確立されるため、複雑な形状の加熱装置や、流動解析により求めた温度分布が理想の温度分布と大きく異なる場合等は、大幅な条件変更、例えばコイルのレイアウトの大幅変更、電圧設定の変更等が必要となり、ひいては装置を作り直す必要があった。また、被加熱体が理想の温度分布となるように、流動解析−電磁場解析の連成を行ない、装置を設計することも考えられるが、本発明者等の検討では、単に流動解析−電磁場解析を連成するだけでは、何度も電磁場解析と流動解析を繰り返す必要があった。

また、近年、加熱装置の形状が複雑化し、更に高度に被加熱体を制御する必要が生じており、複数のコイルを用いた装置が設計されている。このような装置の設計を行なうに際し、従来のように、電磁場解析のみを行ない、被加熱体の発熱密度の分布を計算し、装置の設計、作成を行なうと、実装置において、被加熱体の温度分布（発熱密度の分布）の実測値と、設計した際の計算値とにズレが生じる場合があった。

このズレは加熱装置を大型化する場合や、高温で高度に制御して被加熱体を加熱しなければならない場合等において、エネルギーのロスにつながり、効率的ではなく、改善の余地があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、目標となる温度分布を先に決定して、最初に流動解析を１回行なうだけで、後は電磁場解析のみで理想的な発熱分布に近いコイルレイアウトと電圧設定を行なうことができる。ここで、加熱装置の設定方法とは、加熱装置を設計する方法と、加熱装置を最適運転条件で運転する方法とを含むものである。

（１）請求項１記載の発明は、誘導加熱により中空状の被加熱体を加熱し、該被加熱体の中空内に流体が存在する加熱装置を設計するに際し、被加熱体の内表面の目標となる温度分布を設定する工程１と、前記温度分布を１つの条件として流動解析を行ない、熱流束分布を算出する工程２と、前記熱流束分布のプロファイルを発熱密度分布のプロファイルに変換する工程３と、電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程４と、前記工程３で求めた発熱密度分布と前記工程４で算出した発熱密度分布とを比較し、比較結果に応じて前記工程４の条件を変更し、誘導加熱の条件決定を行なう工程５とを含んで構成されることを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記工程４で求めた発熱密度分布を１つの条件として流動解析を行ない、被加熱体の内表面の温度分布を求める工程６と、該工程６で求めた温度分布と、工程１で設定した温度分布とを比較し、これら温度分布が満足すべきものであった場合には、誘導加熱の条件を決定する工程７と、工程７における比較結果が満足できないものであった場合には、前記工程６で求めた温度分布を少なくとも１つの条件とし、前記工程４とは誘導加熱の条件を変更して電磁場解析を行ない、発熱密度分布を算出する工程８と、前記工程６において、工程８で求めた発熱密度分布を少なくとも１つの条件とし、流動解析を行ない、被加熱体の内表面の温度分布を再度求め、この求めた温度分布と、工程１で設定した温度分布とを比較し、誘導加熱の条件を決定する工程と、を含んで構成されることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、目標となる温度分布を先に決定して、最初に流動解析を１回行なうだけで、後は電磁場解析のみで理想的な発熱分布に近いコイルレイアウトと電圧設定を行なうことができ、加熱装置の設計を行なうことができる。また、本発明によれば、加熱装置を運転するに際し、最適な電圧条件を決定して運転することが可能となる。
（２）請求項２記載の発明によれば、前記発熱密度分布を採用することで、流動解析−電磁場解析の連成回数を最小にしながら、実測値に非常に近い温度分布を達成することができ、その結果に基づき、加熱装置を設計してやれば、より理想に近い発熱密度分布となる加熱装置を設計することができる。また、本発明によれば、加熱装置を運転するに際し、最適な電圧条件を決定して運転することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
本発明は誘導加熱により中空状の被加熱体を加熱し、該被加熱体の中空内に流体が存在する加熱装置を設定する技術に関するものである。なお、本発明において、加熱装置を設定する方法とは、加熱装置を設計する方法及び加熱装置の最適運転条件を決定する方法とを含むものである。

具体的には、例えば、材質、流体条件、コイルレイアウト（コイルの材質、巻数（ピッチ）、形状等）、電圧条件を決定して、加熱装置を設計する方法、及び加熱装置を運転するに際し、最適な発熱密度分布となるように電圧条件を決定して運転する、加熱装置の最適運転条件を決定する方法とを含むものである。

図１はコイルと流体の関係を示す図である。図において、１は被加熱体、２は被加熱体１の内表面、３は該被加熱体１の中を流れる流体である。流体は、気体、液体の何れであってもよい。４は被加熱体１の外周に巻回された誘導加熱用のコイルである。このように構成された装置において、コイル４に高周波の電流を流すと誘導加熱により被加熱体１内部を流れる流体３は誘導加熱されて温度が上昇する。本発明は、この流体３を加熱するシステムに関するものである。

図２は本発明の第１の実施の形態例の動作を示すフローチャートである。この第１の実施の形態例は、工程１〜工程５から構成されている。工程１は目標とする被加熱体の内表面の温度分布を設定する工程である。工程２は、前記温度分布を１つの条件として流動解析を行ない、流束分布を算出する工程である。

工程３は、前記熱流束分布のプロファイルを発熱密度のプロファイルに変換する工程である。工程４は、電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程である。工程５は、前記工程３で求めた発熱密度分布と前記工程４で算出した発熱密度分布とを比較し、比較結果に応じて工程４の条件を変更し、誘導加熱の条件決定を行なう工程である。以下、各工程毎の動作について説明する。
（ａ）工程１
目標とする内表面の温度分布設定は、マニュアルで行なう。工程１で設定された温度分布は、工程２に与えられる。
（ｂ）工程２
工程２は入力された温度分布を１つの条件として流動解析を行ない、熱流束分布を算出するものである。先ず、解析モデルを作成する（Ｓ１）。解析モデルは、形状作成とメッシュ分割を利用して、例えば有限要素法等を用いて作成される。次に、作成された解析モデルを元に材料・境界条件設定を行なう（Ｓ２）。設定される条件は、物理モデル設定、材料物性設定、境界条件設定及び内表面の温度設定である。ここで、内表面とは図３に示した被加熱体１の内表面を示す。ここで、設定される条件の内、内表面の温度設定では、工程１で設定された温度設定が使用される。

これら条件設定を元に流動解析を実行する（Ｓ３）。流動解析を実行することにより、熱流束分布が得られる。
（ｃ）工程３
工程３は熱流束分布のプロファイルを発熱密度分布のプロファイルに変換する工程である。流動解析工程２から出力された熱流束分布は、工程３により発熱密度分布に変換される（Ｓ４）。流動解析工程２から出力された熱流束分布を発熱密度分布に変換する方法を例示すると、以下の通りである。例えば、先ず被加熱体の体積を内表面面積で除した値を求める。次いで、流動解析工程２から出力された熱流束分布を前記値で除することにより、発熱密度分布に変換することができる。このようにして求めた発熱密度分布を（ａ）とする。
（ｄ）工程４
工程４は、電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程である。ここでは、先ず解析モデルを作成する（Ｓ５）。解析モデルは、形状作成（コイルレイアウト）とメッシュ分割を利用して工程２に示した要領で作成される。次に、材料・境界条件を設定する（Ｓ６）。材料・境界条件の設定としては、材料物性設定と、境界条件の設定（電圧設定）と、回路条件設定等が考えられる。このようにして条件が設定されたら、これら条件を使用して電磁場解析を実行する（Ｓ７）。この電磁場解析により、発熱密度分布（ｂ）が得られる（Ｓ８）。

また、この工程４において、電磁場解析を行なうに際し、回路の設計を行なうための回路解析と、コイル（コイルレイアウト）の設計を行なうための電磁場解析とを連成解析することが、より精度の高い装置を設計するために好ましい。中でも、回路解析と電磁場解析とを直接連成により解析を行なうことが、より高精度な装置の設計を短時間で解析できるため好ましい。
（ｅ）工程５
工程５では、工程３で得られた発熱密度分布（ａ）と、工程４で得られた発熱密度分布（ｂ）との比較が行われる。具体的には、発熱密度分布（ａ）と発熱密度分布（ｂ）の値が近いかどうかが判断される（Ｓ９）。この判断は、発熱密度分布（ａ）と、発熱密度分布（ｂ）の値の絶対値のみを評価するのでなく、プロファイルのフィット状態で判断するものである。

発熱密度分布（ａ）の値と発熱密度分布（ｂ）との値が近い場合、誘導加熱の条件決定（電圧設定）と、コイルレイアウトの決定を行なう（Ｓ１０）。ステップＳ９において、満足すべき結果が得られなかった場合には、工程４に戻って電磁場解析を繰り返す。

この実施の形態例によれば、目標となる温度分布を先に決定して、最初に流動解析を１回行なうだけで、後は電磁場解析のみで理想的な発熱分布に近いコイルレイアウトと電圧設定を行なうことができる。発明者らのシミュレーションによれば、目標値を１００とした場合、９０という数値が得られた。

また、本発明によれば、誘導加熱により中空状の被加熱体１を加熱し、該被加熱体１の中空内に流体３が存在する加熱装置を運転するに際し、被加熱体１の内表面２の目標となる温度分布を決定する工程１と、該温度分布を１つの条件として第１の流動解析を行ない、熱流束分布を算出した後、前記熱流束分布のプロファイルを発熱密度分布のプロファイルに変換する工程２と、次いで、電磁場解析により算出する発熱密度分布が、前記熱流束分布を変換した発熱密度分布と同じになるように、前記第１の電磁場解析に使用する複数の条件の内の少なくとも電圧の条件を決定して、加熱装置を運転するようにすることができる。

この実施の形態例によれば、電磁場解析により算出した発熱密度分布が、前記熱流束分布を変換した発熱密度分布と同じになるように少なくとも電圧の条件を決定して加熱装置を運転することで、電磁場解析により加熱装置の内表面を理想的な温度分布に近付けることが可能となる。

図３は本発明の第２の実施の形態例の動作を示すフローチャートである。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この図に示す装置は、図１の装置に改良を施したものである。発熱密度分布（ｂ）の出力（Ｓ８）までは、図１の実施の形態例と同じなのでその説明は省略する。なお、工程１で設定される目標とする内表面の温度分布設定を（Ａ）とする。以下、第２の実施の形態例について説明する。
（ｆ）工程５
発熱密度分布（ａ）と（ｂ）が求まると、（ａ），（ｂ）の値の比較を行なう（Ｓ９）。この場合には、（ａ）と（ｂ）の値（プロファイル）をより近付けることを前提にしているので、工程６に進むことになる。
（ｇ）工程６
工程６は入力された発熱密度分布を１つの条件として流動解析を行ない、温度分布を算出するものである。先ず、解析モデルを作成する（Ｓ１０）。解析モデルは、形状作成とメッシュ分割を利用して作成される。次に、作成された解析モデルを元に材料・境界条件設定を行なう（Ｓ１１）。設定される条件は、物理モデル設定、材料物性設定、境界条件設定及び発熱密度設定（ｂ）である。この発熱密度設定（ｂ）は、工程４で得られた値である。これら条件設定を元に流動解析を実行する（Ｓ１２）。流動解析を実行することにより、温度分布の結果（Ｂ）が得られる。
（ｈ）工程７
工程７では、工程１で設定した温度分布（Ａ）と、工程６で得られた温度分布（Ｂ）が比較される（Ｓ１４）。比較の結果が満足できるものであった場合には、誘導加熱の条件決定（電圧設定）等を行なう（Ｓ１５）。ステップＳ１５では、この他にコイルレイアウトの決定を行なう。１回目の決定は、工程４の条件を元に決定し、２回目の決定は工程８の条件を元に決定する。ステップＳ１５で得られた結果を用いて加熱装置の設計を行なうことになる。ステップＳ１４において、（Ａ）と（Ｂ）との値の比較が満足できないものであった場合には、工程８に進む。
（ｉ）工程８
工程８では電磁場解析を行なう。工程８は、電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程である。ここでは、先ず解析モデルを作成する（Ｓ１６）。解析モデルは、形状作成（コイルレイアウト）とメッシュ分割を利用して作成される。次に、材料・境界条件を設定する（Ｓ１７）。材料・境界条件の設定としては、材料物性設定と、境界条件の設定（電圧設定）と、回路条件設定と、ステップＳ１４で得られた温度依存材料物性の設定（温度分布の結果（Ｂ））等が考えられる。このようにして条件が設定されたら、これら条件を使用して電磁場解析を実行する（Ｓ１９）。この電磁場解析により、発熱密度分布（ｃ）が得られる（Ｓ２０）。

また、この工程８において、電磁場解析を行なうに際し、回路の設計を行なうための回路解析と、コイル（コイルレイアウト）の設計を行なうための電磁場解析とを連成解析することが、より精度の高い装置を設計するために好ましい。中でも、回路解析と電磁場解析とを直接連成により解析を行なうことが、より高精度な装置の設計を短時間で解析できるため好ましい。

ステップＳ２０で発熱密度分布（ｃ）が得られたら、ステップＳ１１で得られた発熱密度分布（ｂ）を（ｃ）に置き換える（Ｓ２１）。発熱密度設定（ｂ）が（ｃ）に置き換えられたら、この置き換えた値を元に流動解析を実行し、温度分布（Ｂ）を得ることになる。そして、得られた温度分布の結果（Ｂ）を、ステップＳ１４で更に（Ａ）と比較することになる。このようにして所定の工程を繰り返し、満足できるものであった場合には、ステップＳ１５に移行し、不満足な場合には、電磁場解析を行ない、流動解析を行なう処理を繰り返すことになる。

この発明の実施の形態例によれば、発熱密度分布を採用することで、流動解析−電磁場解析の連成回数を最小限にしながら、実測値に非常に近い温度分布を達成することができる。本発明らのシミュレーションによれば、目標値を１００とした場合、実施の形態例２のシミュレーション値は９５となり、図２に示す実施の形態例に比較して＋５だけ精度が高められた。

また、本発明によれば、最初の内表面の目標とする温度分布と第２の流動解析で求めた温度分布とを比較して電圧の条件を決定することで、加熱装置の最適運転条件を決定することができる。

コイルと流体の関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態例の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態例の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 被加熱体
２ 被加熱体の内表面
３ 流体
４ コイル

Claims (2)

1. 誘導加熱により中空状の被加熱体を加熱し、該被加熱体の中空内に流体が存在する加熱装置を設計するに際し、被加熱体の内表面の目標となる温度分布を設定する工程１と、
   前記温度分布を１つの条件として流動解析を行ない、熱流束分布を算出する工程２と、
   前記熱流束分布のプロファイルを発熱密度分布のプロファイルに変換する工程３と、
   電磁場解析により発熱密度分布を算出する工程４と、
   前記工程３で求めた発熱密度分布と前記工程４で算出した発熱密度分布とを比較し、比較結果に応じて工程４の条件を変更し、誘導加熱の条件決定を行なう工程５と、
   を含んで構成されることを特徴とする加熱装置の設定方法。
2. 前記工程４で求めた発熱密度分布を１つの条件として流動解析を行ない、被加熱体の内表面の温度分布を求める工程６と、
   該工程６で求めた温度分布と、工程１で設定した温度分布とを比較し、これら温度分布が満足すべきものであった場合には、誘導加熱の条件を決定する工程７と、
   工程７における比較結果が満足できないものであった場合には、前記工程６で求めた温度分布を少なくとも１つの条件とし、更に前記工程４とは誘導加熱の条件を変更して電磁場解析を行ない、発熱密度分布を算出する工程８と、
   前記工程６において、工程８で求めた発熱密度分布を少なくとも１つの条件とし、流動解析を行ない、被加熱体の内表面の温度分布を再度求め、この求めた温度分布と、工程１で設定した温度分布とを比較し、誘導加熱の条件を決定する工程と、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の加熱装置の設定方法。

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