JP2008524791A - 加熱システム及び加熱装置 - Google Patents

Abstract

誘導電力加熱システムは誘導加熱装置へ電力を供給するための誘導電源を有している。前記誘導加熱装置は抵抗性加熱装置と複数の２次コイルを有することができる。誘導加熱装置内の加熱制御装置は抵抗性加熱装置に供給される電力を制御することができ、それにより抵抗性加熱装置の温度を制御する。前記誘導加熱装置は前記抵抗性加熱装置、複数の２次コイル及び加熱制御装置をカプセル化し、それによりシールされた誘導加熱装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

誘導電気加熱装置が、例えば、医学、印刷等の複数の分野で一般的に使われている。鉄又はスチールのような金属の加熱スラグが交流電界の近傍に配置される。交流電界はスラグに電流を誘導し、スラグを加熱する。

このタイプの電気加熱装置は多様な種々の応用分野で使用されてきた。例えば、米国特許USP6118111（“Fluid Heater”という発明の名称で、Nigel Brent Price et alに特許された）に示されるような流体ヒータとして使用されている。USP4032740（”Two-level temperature control for induction heating”という名称で、Eugene Mittelmannに特許された）はワーク（work piece）を加熱する誘導加熱装置を開示している。

誘導加熱システムは、対象物を直接的に加熱することを可能にする、又は加熱要素にワイアを入れることにより、電流を供給せずに対象物を加熱することを可能にする。しかし、このシステムは複数の応用分野に対し十分に精度のよい温度制御を提供できない。このために、その効用に限界がある。

従って、誘導加熱システムの改良は極めて望ましい。

図１は誘導加熱システムを示す。適応型誘導電源１０は電力を誘導加熱装置１２に供給する。適応誘導電源１０の動作は特許出願番号10/689,499、及び特許出願番号10/689,148（これら出願は本出願の譲受人に譲渡されている）に十分に記載されている。両特許出願は本出願にここに組み込まれる。

適応型誘導電源１０の動作の概要が与えられる。インバータ１４はタンク回路１６に電力を提供する。タンク回路１６は直列の共振タンク回路として示しているが、並列回路タンク回路を使ってもよい。タンク回路１６はタンクキャパシタ１８、可変インダクタ２０とタンクインダクタ２２から構成されている。

可変インダクタ２０とタンクインダクタ２２が２つの別々のインダクタとして示されているが、当業者であれば、単一可変インダクタで２つのものを代替できることは理解できる。代わりに、単一固定インダクタが可変インダクタと比べ、より使用される。同様に、タンクキャパシタ１８は可変であっても、固定であってもよい。

電源２４はインバータ１４を励起する。駆動回路２６はデューティサイクルとインバータ１４の周波数を制御する。コントローラ２８は駆動回路２６並びにタンクキャパシタ１８及び可変インダクタ２０をコントロールする。

回路センサ３０はタンク回路１６の動作に関する情報をコントローラ２８に供給する。メモリ３０は電源１０の動作に関する情報、及び電源１０により電力を供給される装置に関する情報を記憶する。トランシーバ３２はコントローラ２８と外部装置の間の通信を可能にするように設けられる。外部装置は電源１０により電力を受ける装置である。 外部装置はコンピュータまたはネットワークであってよい。トランシーバ３２は送信機又は受信機であってよい。

誘導加熱装置１２は複数の２次コイル４０から構成されている。複数の２次コイル４０は特許出願10/689,224（これは、本出願の譲受人に譲渡されている）に詳述されている。前記出願は本出願にここに組み込まれる。複数の２次コイル４０は２次誘導コイルである。これにより誘導加熱装置１２に、電源１０に関する２次コイル４０の方向とは無関係に、電源１０から電力を供給されることが可能である。または、２次コイル４０は単一コイルで構成されてもよい。

最適な電力伝送が行われるように、誘電加熱キャパシタ４２が誘電加熱装置１２のインピーダンスのバランスを取るために使われてもよい。十分な電流が供給されると加熱装置の抵抗４４は加熱する。加熱制御装置４６はヒータ抵抗４４に供給される電流を制御し、ヒータ抵抗４４により生成される熱を制御する。加熱制御装置４６はサーモスッタット又は更に複雑な制御装置であってもよい。

仮にヒータ抵抗４４が自己制限的な抵抗の場合、加熱制御装置は選択的であることができる。自己制限的な加熱装置は、表面温度及び周囲温度に関連して生成されるエネルギーを調整する。温度が増加するにつれて、加熱装置内の抵抗は増大するので、出力ワット数は減少する。

誘導加熱装置１２は、誘導加熱装置１２の全ての部品がエンクロージャから外に出ないようにして、エンクロージャ内に存在することができる。また、エンクロージャは気密にシールすることができる。代わりに、誘導加熱装置の全ての部品は熱導電性プラスチック（例えば、CoolPolymer,Inc., Warwick,Rhode Islandが製造するCoolPoly Elastomer）のようなケーシング材料の中で共に、完全にモールドすることができる。幾つかの熱導電性材料（例えば、CoolPoly D-Seriesポリマー）は電気的絶縁を提供する。適切な材料は液晶ポリマー及びポリフェニレン サルファイドである。

ヒータ抵抗４４は複数の異なるデバイスの１つであってよい。例えば、自己制限的な並行回路加熱テープ（Bartec U.S.Corporation, Tursa OKが販売するもの;HTS/Aｍptek Company, Stafford,TXが販売するheating tape ；, HTS/Amptek Company, Stafford. TXが販売するinsulated resistance wire；Minco Products, Inc., Minneapolis, MN が販売するflexible foil heaters；Minco Products. Inc., Minneapolis, MN が販売するwire-wound rubber heaters; Omega Engineering, Inc., Stamford. CT が販売するOmegalux Kapton Insulated Flexible Heaters； Omega Engineering, lnc., Stamford が販売するOmegalux Silicon Rubber Heaters、CT）であってよい。

図２は誘導加熱装置１２内で使用される回路の別の実施例である。誘導加熱回路１００は加熱要素１０４に取り付ける加熱制御装置１０１を有している。誘導加熱装置１２は、加熱要素１０４とタンク回路１０６に接続する複数の２次コイル１０２を有している。複数の２次コイル１０２は電源１０８に電力を供給する。又は、２次コイル１２０はシングルコイルであってもよい。電源１０８は加熱トランシーバ１１０とコントローラ１１２を作動させるのに使われる。コントローラ１１２は可変容量１１４及び可変インダクタ１１６の設定を制御し、誘導電源１０の全体効率を最大にする。温度センサ１１７はコントローラ１１２に対する誘導加熱装置の温度に関する情報を提供する。タンク回路１０６は直列共振回路として示してある。並列共振回路をその代わりに使うことは周知である。

トランシーバ１１０は、例えば、Bleutooth、Cellular、又はIEEE801.11のようなプロトコールを使った無線伝送装置であってもよい。又は、トランシーバ１１０はアクティブ又はパッシブRFIDの何れかであってもよい。トランシーバ１１０はコントローラにより使用され、情報を温度センサ１１７から電源１０８に送信してもよい。トランシーバ１１０は送信及び受信のために示しているが、トランシーバ３２は送信機又は受信機であってもよい。

メモリ１１８は、加熱操作を制御するコントローラ１１２により使用されてもよい。更に、メモリ１１８は加熱装置の識別子を有してもよい。又は、メモリ１１８は加熱装置の動作を制御するために、コントローラ１１２の動作温度範囲を有してもよい。

図３は誘導加熱装置１５０を示す。誘導加熱装置１５０は誘導加熱制御装置１５２と２つの加熱要素１５４，１５６を有している。前記２つの加熱要素はエンクロージャ１５８の端部に取り付けられている。リード１６０、１６２は加熱要素５４、１５６から加熱制御装置１５２に延びている。

加熱要素１５４、１５６はエンクロージャ１５８の外側に取付けられてもよい。その場合、リードはエンクロージャ１５８の壁を通って延びる。又は、加熱要素１５４，１５６はエンクロージャ１５８の内部に取付けてもよい。その場合、リード１６０，１６２はエンクロージャ１５８の壁を突き抜けてはならない。

エンクロージャ１５８を円筒として示す。エンクロージャ１５８に対する他の幾何学的構成がありえることは明らかである。例えば、球又は立方体である。エンクロージャ１５８は加熱制御装置１５２以外では部分的に空胴であってよい。又は、エンクロージャ１５８は剛体であってよい。

加熱要素１５４、１５６はエンクロージャ１５８の反対側に取り付けられて示されている。追加的な加熱要素はエンクロージャ１５８の外側に配置されるか、又は単一の加熱要素を使ってもよい。例えば、単一加熱要素は、エンクロージャ１５８の各端部で加熱要素を持つ構成にするより、むしろエンクロージャ１５８の中心部分に配置してもよい。

ヒートシンク１６４はエンクロージャ１５８の表面近くに配置される。ヒートシンクは銅のような材料から構成され、エンクロージャ１５８の外部温度の正確な決定を補助する。ヒートシンク１６４は加熱制御装置１５２と結合して、誘導加熱装置１５０が外部温度をモニタリング（加熱制御装置１５２による）することを可能にする。

誘導加熱装置１５０はプロパルションシステム１６６を備えることができる。もし加熱装置１５０が流体内で使用されるならば、プロパルションシステム１６６は流体内における誘導加熱装置１５０の移動（movement）を可能にする。プロパルションシステム１６６は電気モータ１６８とプロペラ１７０として示されている。又は、プロパルションシステム１６６を加熱装置１５０の周辺で流体を循環させるのに用いることができる。

図４には、コンテナ２０６内に吊り下げられた複数の加熱装置２００，２０２，２０４が立方体形状の加熱装置として示されている。加熱装置２００，２０２，２０４は円筒状でも、球状でも、又はその他の適当な形状であってもよい。加熱装置２００，２０２，２０４に対する加熱要素は、加熱装置２００，２０２，２０４の１つ又は複数の表面上に配置することができる。

１次誘導コイル２０８はコンテナの回りに配置される。１次誘導コイル２０８はコンテナ２０６の基部、又は上部に配置してもよい。加熱制御装置２１０は図１の誘導電源１０と同一又は類似のものであってよい。

仮に加熱装置２００，２０２，２０４及び加熱制御装置２１０が複数のトランシーバを備えていたならば、加熱制御装置２１０は所望の温度でコンテナ２０６のコンテンツを維持するように加熱装置を作動させる。温度センサが提供されるときには、加熱装置２００，２０２，２０４はコンテナ２０６内の温度の情報を送信し、加熱制御装置２１０に提供することができる。こうして、加熱制御装置はコンテナ２０６のコンテンツの温度をモニタすることができる。

本書に記載した加熱装置は種々の応用に用いられる。図５には電気フライパンを示す。フライパン３００は、加熱制御装置３０４に取り付けられる２次誘導コイルをもつ。加熱制御装置３０４は加熱要素３０６に接続している。誘導加熱バラスとの近傍に配置されると、２次誘導コイル３０２は加熱要素３０６を作動させる。加熱制御装置３０４は電気フライパン３００のハンドルに位置され、加熱要素３０６に供給するエネルギーを制御し、それにより電気フライパン３００内の温度を制御する。

図６に溶接ゴテ３２０を示す。加熱要素３２２はコントローラ３２４に接続している。コントローラ３２４は溶接ゴテ３２０のハンドルに配置されている。２次誘導コイル３２６は溶接ゴテ３２０のハンドル内に配置されている。２次誘導コイル３２６が作動するとき、加熱制御装置３２４は加熱要素３２２にエネルギーを供給する。

上記説明は好ましい実施例について行った。請求項に規定した発明の技術的思想及び、より広いアスペクトから逸脱せずに、本発明に対し、種々に代替と変更を行うことができる。これらは、均等論を含む特許法の原則に則り解釈されるものである。請求項の要素に関して、単数で表現されていても、単数に限定して解釈すべきではない。

誘導加熱システムのブロック構成図である。 誘導加熱装置内で用いられる回路の別の実施例である。 誘導加熱装置の構成図である。 コンテナ内に吊り下げられた複数の加熱装置を示す図である。 誘導加熱システムを使う電気フライパンである。 誘導加熱システムを使う溶接ゴテである。

Claims (42)

1. 適応型誘導電源及び前記適応型誘導電源から誘導的に電力を受け取る加熱装置を有する加熱システム。
2. 前記加熱装置は適応型誘導電源から電力を受け取るための複数の２次コイルを有する請求項１に記載の加熱システム。
3. 前記加熱装置は加熱要素を有する請求項２に記載の加熱システム。
4. 前記加熱要素は自己制限的並列回路加熱テープ、絶縁抵抗性ワイア、フレキシブルフォイル加熱装置、ワイアが巻かれたラバー加熱装置、絶縁フレキシブル加熱装置、及びシリコンラバー加熱装置のうちの１である請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記加熱装置が加熱制御装置を有する請求項４に記載の加熱システム。
6. 前記加熱装置は、前記適応型誘導電源から加熱装置へのエネルギー伝達を改良するように設けられたキャパシタを有する請求項５に記載の加熱システム。
7. 前記適応型誘導電源は電力供給トランシーバを有し、前記加熱装置は前記適応型誘導電源から通信を受信するための加熱装置受信機を有する請求項１に記載の加熱システム。
8. 前記適応型誘導電源は電力供給受信機を有し、前記加熱装置は前記適応型誘導電源へ通信を送信するためのヒータ送信機を有する請求項１に記載の加熱システム。
9. 前記適応型誘導電源はトランシーバを有し、前記加熱装置は前記適応型誘導電源と通信を行うためのトランシーバを有する請求項１に記載の加熱システム。
10. 前記加熱装置は更に制御装置を有する請求項９に記載の加熱システム。
11. 前記加熱装置は更に温度センサを有する請求項１０に記載の加熱システム。
12. 前記加熱装置は更にメモリを有する請求項１１に記載の加熱システム。
13. 前記加熱装置は気密にシールされている請求項１０に記載の加熱システム。
14. 前記加熱装置はプラスチックのエンクロージャ内にカプセル化されている請求項１０に記載の加熱システム。
15. 電力を受け取るための２次コイルと電気的抵抗性加熱装置を有する誘電電力加熱装置。
16. 外部表面を有するエンクロージャと、エンクロージャ内に配置され、電気的抵抗性加熱装置が前記外部表面近くに位置している２次コイルとを有する請求項１５に記載の誘電電力加熱装置。
17. 前記電気的抵抗性加熱装置がエンクロージャの外部に配置されている請求項１６に記載の誘電電力加熱装置。
18. 前記電気的抵抗性加熱装置がエンクロージャの内部に配置されている請求項１６に記載の誘電電力加熱装置。
19. 更にプロパルションシステムを有する請求項１６に記載の誘電電力加熱装置。
20. 前記プロパルションシステムが電気モータを含む請求項１９に記載の誘電電力加熱装置。
21. 前記電気的抵抗性加熱装置が自己制限的並列回路加熱テープ、絶縁抵抗性ワイア、フレキシブルフォイル加熱装置、ワイアが巻かれたラバー加熱装置、絶縁フレキシブル加熱装置、及びシリコンラバー加熱装置のうちの１である請求項２０に記載の誘電電力加熱装置。
22. 電力を受け取るための誘電２次コイルと電気的抵抗性加熱装置、並びに、誘電２次コイルと電気的抵抗性加熱装置を有するエンクロージャとを有し、前記エンクロージャは完全にシールされ非貫通であるように構成された誘電電力加熱装置。
23. 更に、誘電電力加熱装置の作動を制御ために前記エンクロージャ内に含まれる加熱制御装置を有する請求項２２に記載の誘電電力加熱装置。
24. 更に、１次コイルから誘導２次コイルへ伝達される電力を変更するように調整可能なインピーダンスを有する請求項２３に記載の誘電電力加熱装置。
25. 更に、調整可能なインピーダンスのための制御装置を有する請求項２４に記載の誘電電力加熱装置。
26. 前記加熱制御装置は温度センサを有する請求項２５に記載の誘電電力加熱装置。
27. 前記制御装置は調整可能なインピーダンスを変化させるために前記温度センサに応答する請求項２６に記載の誘電電力加熱装置。
28. 更に、電流を制御するために調整可能なインピーダンスを変化させるために受信機から受信されるインストラクションに応答して動作する前記制御装置に接続された受信機を有する請求項２５に記載の誘電電力加熱装置。
29. 更に、温度センサからの情報を送信するための送信機を有する請求項２７に記載の誘電電力加熱装置。
30. 更に、前記誘電電力加熱装置を移動させるためのプロパルションシステムを有する請求項２９に記載の誘電電力加熱装置。
31. 前記プロパルションシステムが電気モータを含む請求項３０に記載の誘電電力加熱装置。
32. 誘電１次コイルと、前記誘電１次コイルから電力を受け取る複数の誘電加熱装置を有する、材料用加熱装置。
33. 更に、複数の誘電加熱装置への電流供給を制御するために加熱制御装置を有する請求項３２に記載の加熱システム。
34. 更に、複数の誘電加熱装置へ電流を供給するのを制御するために加熱制御装置を有する請求項３２に記載の加熱システム。
35. 複数の誘導加熱装置の中の少なくとも１つは加熱制御装置へ情報を送信するための送信機を有する請求項３４に記載の加熱システム。
36. 電力を受け取るための誘電２次コイルと、前記誘電２次コイルに接続し、前記誘電２次コイルの回りに配置される電気的加熱装置、並びに、誘電２次コイルと、電気的抵抗性加熱装置を有するエンクロージャを有し、前記エンクロージャは完全にシールされ非貫通であるように構成された誘電電力加熱装置。
37. 前記エンクロージャは弾性材料である請求項３６に記載の誘電電力加熱装置。
38. 前記弾性材料は熱的導電性ポリマである請求項３７に記載の誘電電力加熱装置。
39. 前記熱的導電性ポリマは液晶ポリマとポリフェニレンサルファイドの１つである請求項３８に記載の誘電電力加熱装置。
40. 装置を加熱する方法であって、
    加熱要素を前記装置に物理的に結合するステップと、
    １又はそれ以上の２次コイルに前記加熱要素を電気的に接続するステップと、
    電気信号を誘導電源から前記２次コイルに供給するステップと、
    を有する方法。
41. 更に、加熱制御装置を前記加熱要素に結合するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 更に、温度センサを前記加熱要素に接続するステップを含む請求項４１に記載の方法。

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