JP2009266916A - High-frequency induction heating type resistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換器に関し、とりわけモータなどの駆動装置の回生時に発生する高周波電力を誘導加熱コイルにより確実に熱に変換して、誘導加熱コイルを含む周辺装置が過熱することなく、安全に放熱することができる高周波誘導加熱型抵抗器に関する。 The present invention relates to an electrothermal converter that converts electrical energy into heat energy, and in particular, a high-frequency power generated during regeneration of a drive device such as a motor is reliably converted into heat by an induction heating coil, and includes an induction heating coil. The present invention relates to a high-frequency induction heating type resistor capable of safely radiating heat without overheating the device.
誘導加熱コイルを用いて高周波電力を熱に変換する装置は、これまで数多く提案されている。例えば特許文献1には、中空の断熱材に捲回されたソレノイド型誘導加熱コイルを有する誘導加熱炉の中に鋼板を通過させることにより、鋼板を連続的に加熱(焼き入れ)するための誘導加熱装置が開示されている。この誘導加熱コイルは、通常の高周波電源から高周波電流の供給を受けて鋼板を加熱するものであるが、上述のようなモータの回生時に発生する高周波電力を誘導加熱炉に供給して、電気エネルギを熱エネルギに変換することが可能である。
しかしながら、特許文献1の誘導加熱装置は、誘導加熱炉の中に鋼板を連続的に通過させる機構が必要であるため、抵抗器として利用するには装置全体の寸法が大きくなるという問題がある。
また、抵抗器として特許文献1の誘導加熱装置を用いたとき、誘導加熱炉内で加熱された鋼板を冷却する機構も必要であり、装置全体の構成が複雑となるという問題がある。
However, since the induction heating device of
Moreover, when the induction heating apparatus of
そこで本発明は、電気エネルギを熱エネルギに効率的に変換するとともに、周辺装置が過熱することなく、小型かつ簡便な構成で信頼性の高い高周波誘導加熱型抵抗器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable high-frequency induction heating resistor with a small and simple configuration, while efficiently converting electric energy into heat energy and without overheating peripheral devices. .
本発明に係る1つの態様による高周波誘導加熱型抵抗器は、被加熱体と、前記被加熱体の実質的な全体を包囲する断熱体と、前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とするものである。 According to one aspect of the present invention, there is provided a high-frequency induction heating resistor comprising: a heated object; a heat insulating body that substantially surrounds the heated object; and the heated object wound around the heat insulating body. A heating coil for induction heating the heating body, and power supply means for supplying high frequency power to the heating coil are provided.
本発明に係る1つの態様によれば、周辺装置が過剰に加熱されることを防止しつつ、不要な回生電力を熱に効率的に変換可能な、小型かつ簡便な構成を有する信頼性の高い高周波誘導加熱型抵抗器を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is highly reliable to have a small and simple configuration that can efficiently convert unnecessary regenerative power into heat while preventing the peripheral device from being excessively heated. A high frequency induction heating type resistor can be provided.
本発明の実施の形態を説明する前に、一例として、エレベータを駆動するとともに、エレベータかごの電動機(モータ)の回生時に発生する高周波電力を熱エネルギに変換する装置全体について説明する。
一般に、電動機の駆動時においては電力がインバータなどの電力変換器を介して電源から電動機に供給され、電動機の制動時においては起電力が電動機に生じる。こうした電動機の制動時における電動機の動作は電力回生動作といい、電力回生動作時の電力は回生電力と呼ばれる。
Before describing the embodiments of the present invention, as an example, an entire apparatus that drives an elevator and converts high-frequency power generated during regeneration of an electric motor (motor) of the elevator car into heat energy will be described.
In general, when the motor is driven, electric power is supplied from the power source to the motor via a power converter such as an inverter, and when the motor is braked, an electromotive force is generated in the motor. Such operation of the motor during braking of the motor is referred to as power regeneration operation, and the power during the power regeneration operation is referred to as regenerative power.
図11は、一般的な交流エレベータの制御装置100の概略的な構成を示すブロック図である。この制御装置100は、三相交流電源R、S、Tを直流電流に変換するコンバータ(例えばダイオードブリッジ)102と、コンバータ102の出力端に接続された電源平滑用コンデンサ104と、このコンデンサ104に並列に接続されたインバータ106とを備える。インバータ106は、コンバータ102からの直流電流を交流電流に変換し、電動機108に供給するためのものである。さらに制御装置100は、電源平滑用コンデンサ104に並列に接続される、回生電力を処理するためのスイッチ110および抵抗器1を備える。
FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a general AC
インバータ106からの交流電流が電動機108に供給されると、電動機108が回転し、電動機108の回転運動が減速ギア112を介して駆動綱車114に伝達され、駆動綱車114に接続されたカウンタウエイト116および乗客用かご118が昇降する。
When the alternating current from the
一般に、電動機により駆動されるエレベータでは、かご118とカウンタウエイト116がつるべ式に結合されている。カウンタウエイト116の重さは、定員の約半分で均衡する重さに設定されており、電動機108は、乗客を含むかご118の重量とカウンタウエイト116の重量の差、およびエレベータかご118の昇降方向(上昇もしくは下降)に応じた駆動力をかご118またはカウンタウエイト116に与えるように構成されている。
Generally, in an elevator driven by an electric motor, a
すなわち電動機108は、かご118がカウンタウエイト116より軽い場合、かご118を下降させるときにはカウンタウエイト116を引き上げ、かご118がカウンタウエイト116より重い場合、かご118を上昇させるときにはかご118を引き上げる必要がある。
That is, when the
これに対して、かご118がカウンタウエイト116より軽い場合であって、かご118を上昇させるとき、およびかご118がカウンタウエイト116より重い場合であって、かご118を下降させるとき、電動機108はカウンタウエイト116および乗客用かご118を駆動する必要はなく、むしろカウンタウエイト116および乗客用かご118の昇降により、電動機108が回転させられ、回生電力(回生エネルギ)が生じる。
On the other hand, when the
このように、電動機108が電気エネルギを消費して、カウンタウエイト116および乗客用かご118を駆動する運転を力行運転といい、カウンタウエイト116および乗客用かご118が電動機108を駆動して、回生電力が生じる運転を回生運転という。
As described above, an operation in which the
回生電力は、通常、インバータ106を介して平滑用コンデンサ104に充電され、その両端の電圧が上昇する。このとき、平滑用コンデンサ104の両端の電圧がその定格電圧を超えると、平滑用コンデンサ104が破壊されるおそれがあり、あるいは平滑用コンデンサ104の両端の電圧はコンバータ102およびインバータ106にも印加されることから、同様に、これらを構成するダイオードおよびIGBTなどの電気素子を破壊するおそれがある。そこで、図11に示すように、平滑用コンデンサ104に並列に接続されたスイッチ110および抵抗器1を用いて、回生電力を熱エネルギに適宜変換(消費)して、平滑用コンデンサ104の電圧上昇を抑制する必要がある。
The regenerative power is normally charged to the
ここで図1〜図4を参照しながら、本発明に係る高周波誘導加熱型抵抗器1(以下、単に「抵抗器」という。)の実施の形態1を以下説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語(例えば、「X方向」、「Y方向」、「Z方向」など)を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。 A first embodiment of a high frequency induction heating resistor 1 (hereinafter simply referred to as “resistor”) according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In the following description of the embodiment, for easy understanding, terms representing directions (for example, “X direction”, “Y direction”, “Z direction”, etc.) are used as appropriate. These terms are not intended to limit the invention.
本発明に係る実施の形態1の抵抗器1は、図1に示すように、概略、被加熱体10と、被加熱体10を包囲する断熱体20と、断熱体20の周囲をソレノイド状に捲回された加熱コイル30と、加熱コイル30に高周波電力を供給する高周波電源40とを有する。
As shown in FIG. 1, the
被加熱体10を構成する材料は、加熱コイル30により誘導加熱されるものであれば任意のものを選択することができ、磁性または非磁性の金属材料であってもよい。磁性の金属材料とは磁石によって吸引される金属材料で、非磁性の金属材料とは磁石によって吸引されない金属材料である。非磁性の金属材料であっても誘導加熱できることは、例えばIHクッキングヒータで銅鍋やアルミ鍋が加熱できることからも理解されるように、抵抗器1の加熱コイル30に供給される高周波電流の駆動条件を調整することで非磁性の金属材料であっても加熱することができる。ただし、より効率的に誘導加熱するためには、被加熱体10は、ニッケル、鉄、または珪素を添加した鋼板など透磁率の高いものが好ましく、後述のように蓄熱量の大きくするためには熱容量の大きい鉄を主成分とするものがより好ましい。さらに安価に入手でき、組成が変化しにくい(炭素比のより少ない)観点からはJIS規格SS400などが最も好ましい。
Any material can be selected as the material constituting the object to be heated 10 as long as it is induction-heated by the
断熱体20は、通常、セメント板などの断熱材料で構成されている。断熱体20は、被加熱体10で生じた熱を徐々に外部に放熱し、加熱コイル30および周辺装置(図示せず)が過熱することを防止するためのものである。したがって、断熱体20は、図2に示すように、被加熱体10の少なくとも一部を覆うものであり、必ずしも被加熱体10の全面を包囲する必要はないが、長手方向(X方向)の端部においても被加熱体10からの熱を遮断する必要がある場合には、断熱体20と同様の構成材料からなる蓋部21aおよび底部21bを配設して、被加熱体10全体が包囲される。
また、外部への放熱作用を抑制し、断熱体20内の蓄熱作用を増大させるために、図3に示すように、より高い断熱効果を有する材料からなる防熱層12を、被加熱体10と断熱体20との間に配設してもよい。防熱層12は、例えばセラミック繊維で構成することができる。セラミック繊維はガラスウールやジェル状の断熱材など固着しにくいものであってもよい。
The
Further, in order to suppress the heat radiation action to the outside and increase the heat storage action in the
加熱コイル30は、任意の導電性材料で構成され、例えば一般に市販された絶縁被膜付き電線であってもよく、電動機108からの回生電力である高周波電源40から数kHz〜数百kHzの交流電流を受けて交流磁場を生じ、その結果、被加熱体10内に渦電流を形成して、この渦電流により被加熱体10を誘導加熱するものである。
The
上述のように、本発明の抵抗器1がエレベータの電動機108で生じる回生電力を消費するために用いられる場合、こうした回生電力は断続的に生じるものであるから、抵抗器1は、回生電力をエネルギ変換した熱を一時的に蓄熱し、回生電力が発生しない期間において徐々に放熱することができる。したがって、本発明に係る抵抗器1は、上述のように、加熱コイル30および周辺装置が過熱しないように、被加熱体10で生じた熱を徐々に外部に放熱することが好ましい。
As described above, when the
一方、従来のセメント抵抗は有線の抵抗体からなり、許容耐熱温度を超えると断線などの不具合が生じやすい。これに対し、本発明に係る抵抗器1は、被加熱体10を誘導加熱するものであり、加熱コイル30自体の温度を相対的に低く抑えることができるので、被加熱体10がキュリー点(例えば鉄材であれば約700℃)に達しない限り、被加熱体10をより高温に加熱することができる。すなわち本発明に係る抵抗器1は、従来のセメント抵抗より大容量の回生電力を信頼性高く(断線などの不具合が生じることなく)熱に変換することができる。さらに換言すると、同一容量の回生電力を熱に変換するとき、本発明の抵抗器1は従来のセメント抵抗より小型化することができ、長寿命化を図ることができる。さらに、本発明に係る抵抗器1は、被加熱体10、断熱体20、および加熱コイル30を容易に分解することができるので、これら分解したものを再利用または再資源化することができる。
On the other hand, the conventional cement resistance is composed of a wired resistor, and problems such as disconnection tend to occur when the allowable heat-resistant temperature is exceeded. On the other hand, the
さらに付言すると、本発明に係る抵抗器1を設計する際には、被加熱体10がキュリー点を超えないように構成することの他、加熱コイル30および周辺装置がそれらの許容耐熱温度を超えないように構成することについても同様に留意すべきである。このとき加熱コイル30は、通電によるジュール熱と被加熱体10からの輻射熱により温度上昇する。
また、加熱コイル30に供給された回生電力は、加熱コイル30で消費されるジュール熱と、加熱コイル30により誘導加熱されて被加熱体10が生じる熱に変換されるが、被加熱体10を透磁率の高い材料で構成するなどして、被加熱体10から生じる発熱量が加熱コイル30に比してより大きくなるように抵抗器1を構成することが好ましい。
さらに、被加熱体10で生じた熱を十分に蓄熱して、よりゆっくり(緩慢な速度で)放熱させるためには、被加熱体10の体積に対する表面積が極力小さくすることが必要であり、具体的には、抵抗器1を図1に示すような直方体形状(四角柱)とするよりも、図3に示すような円柱形状、あるいは立方体形状または球形形状(図示せず)とすることが好ましい。
In addition, when the
In addition, the regenerative power supplied to the
Furthermore, in order to sufficiently store the heat generated in the
図5〜図7を参照しながら、実施の形態2の抵抗器2について以下説明する。
実施の形態2の抵抗器2は、被加熱体10を直方体形状に形成する代わりに、トロイダル形状(ドーナツ状)に構成する点を除き、実施の形態1の抵抗器1と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。
The
The
上述のように、実施の形態2の被加熱体10は、図5および図6に示すように、トロイダル形状を有するように構成され、加熱コイル30が捲回された第1の領域14と、加熱コイル30が捲回されていない第2の領域16とを有する。すなわち、実施の形態2に係る抵抗器2は、回生電力をエネルギ変換した熱を被加熱体10内で蓄熱するだけでなく、被加熱体10で生じた熱をより迅速に外部に放熱するように構成されている。なお、実施の形態2においても、実施の形態1と同様、被加熱体10から伝達される熱により加熱コイル30が許容耐熱温度を超えることのないように、第1の領域14においては加熱コイル30と被加熱体10との間に断熱体20が設けられている。
As described above, the object to be heated 10 according to the second embodiment is configured to have a toroidal shape as shown in FIGS. 5 and 6, and the
同様に図示されているように、被加熱体10のY−Z平面に平行な断面の断面積は、第1の領域14より第2の領域16において大きくなるように構成されている。すなわち、加熱コイル30の高周波磁場により被加熱体10で生じる熱量(いわゆる鉄損)は磁束密度に依存して大きくなるが、上記のように構成することにより、断面積の大きい第1の領域14における発熱量を抑制し、断面積のより小さい第2の領域16での発熱量をより大きくすることができる。こうして、断熱体20から露出した第2の領域16の被加熱体10を周辺空気に曝して、放熱効果を増大させるとともに、第1の領域14での被加熱体10がキュリー点に達するまで許容される回生電力量、すなわち回生電力の処理(消費)能力を格段に改善することができる。
また、実施の形態2に係る抵抗器2は、実施の形態1と同様、従来の有線のセメント抵抗を用いないので、断線による不具合を生じることなく、信頼性高く熱に変換することができる。
Similarly, the cross-sectional area of the cross section parallel to the YZ plane of the object to be heated 10 is configured to be larger in the
Further, the
さらに、実施の形態2に係る抵抗器2は、トロイダル形状の被加熱体10に配置された開口部17に空気または水など流体を通過させる機構(図示せず)を設けて、第2の領域16にある被加熱体10をより効率的に冷却することができる。こうして、抵抗器2の回生電力の処理能力をさらに改善し、あるいは抵抗器2をより小型化することができる。
Furthermore, the
追加的または択一的には、被加熱体10で生じた熱をより効率的に放熱するために、被加熱体10は、図7に示すような複数の冷却フィン18を有していてもよい。また被加熱体10は、第1および第2の領域14,16において異なる材料で構成してもよく、第1の領域14ではより発熱しにくい材料(例えば硅素鋼板)を用い、第2の領域16ではより発熱しやすい材料(例えばSS400)を用いて被加熱体10を構成してもよい。
In addition or alternatively, in order to dissipate the heat generated in the
図8〜図9を参照しながら、実施の形態3の抵抗器3について以下説明する。
実施の形態3の抵抗器3は、概略、被加熱体10が少なくとも1つ、好適には一対のフランジ50を有する点を除き、実施の形態1の抵抗器1と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。
The
The
上述のように、図8に示す被加熱体10は、一対のフランジ50を有し、各フランジ50は、Y−Z平面に平行な断面において、加熱コイル30で覆われた第1の領域14における断面積よりも大きい断面積を有する。図8では、被加熱体10および断熱体20は、円柱形状を有し、フランジ50は円板形状を有するものとして図示されている。またフランジ50は、長手方向(X方向)に突出した複数の放熱フィン52を有する。放熱フィン52は、フランジ50の周端部付近に周方向に等間隔で配置してもよく、熱伝導性の高い金属材料で形成されていることが好ましい。また、フランジ50および放熱フィン52は、被加熱体10と同一の金属材料を用いて構成してもよい。
したがって、実施の形態3の抵抗器3は、被加熱体10で生じた熱をより効率的に放熱し、回生電力の処理能力がより高い、あるいはより小型化された(処理能力が同一である場合)抵抗器3を実現することができる。
As described above, the
Therefore, the
択一的には、実施の形態3の抵抗器3は、放熱フィン52の代わりに、図9に示すように、一対のフランジ50間に延び、両者を接続する複数の被加熱バー54を有していてもよい。被加熱バー54は、放熱フィン52と同様、熱伝導性の高い金属材料で形成されるが、好適にはフランジ50および被加熱体10と同一の金属材料を用いて構成され、被加熱体10で生じた熱をより効率的に放熱する効果を得ることができる。さらに被加熱バー54は、被加熱体10およびフランジ50とともに磁束閉ループを形成するので、自らも発熱する(加熱される)。しかも、被加熱バー54は、被加熱体10より実質的に小さい断面積を有するので、被加熱バー54内の磁束密度が高くなり、その発熱量が大きくなり、複数の被加熱バー54全体の表面積も大きくなるので、冷却効果を飛躍的に改善することができる。
Alternatively, the
ここで、上述の実施の形態に係る抵抗器に適用可能ないくつかの変形列について説明する。 Here, some modified sequences applicable to the resistor according to the above-described embodiment will be described.
(変形例1)
図10に示す変形例1によれば、断熱体20にひだ状構造体60が取り付けられ、または一体成形されている。断熱体20は、通常、被加熱体10からの輻射熱から加熱コイル30を保護するためのものであるので、断熱体20の表面温度が極力低いことが好ましい。そこで、変形例1に係る断熱体20は、ひだ状構造体60を配設して、断熱体20の表面積を拡大することにより、放熱効果を改善しようとするものである。したがって、断熱体20の表面積を拡大するものであれば任意の形状を有する構造体を断熱体20に配設してもよく、こうした構造体として、例えば突起状のもの、凹凸状のものであってもよい。
(Modification 1)
According to the modified example 1 shown in FIG. 10, the
(変形例2)
加熱コイル30および被加熱体10で生じる高周波磁場は、EMI(電磁障害)ノイズとして周辺装置に悪影響を与える可能性がある。そこで、こうしたEMIノイズを排除するために、上記実施の形態に係る抵抗器1〜3全体を金属箔または金属ケース(図示せず)などの電磁波シールド部材で包囲して、こうしたEMIノイズが外部へ漏れないように遮断することが好ましい。
(Modification 2)
The high frequency magnetic field generated in the
1〜3:高周波誘導加熱型抵抗器、10:被加熱体、12:防熱層、14:第1の領域、16:第2の領域、18:冷却フィン、20:断熱体、21a:蓋部、21b:底部、30:加熱コイル、40:高周波電源、50:フランジ、52:放熱フィン、54:被加熱バー、60:ひだ状構造体、100:交流エレベータ制御装置、
102:コンバータ、104:電源平滑用コンデンサ、106:インバータ、108:電動機、110:スイッチ、112:減速ギア、114:駆動綱車、116:カウンタウエイト、118:乗客用エレベータかご。
1-3: High frequency induction heating type resistor, 10: Heated object, 12: Thermal barrier layer, 14: First region, 16: Second region, 18: Cooling fin, 20: Thermal insulator, 21a:
102: Converter, 104: Power source smoothing capacitor, 106: Inverter, 108: Electric motor, 110: Switch, 112: Reduction gear, 114: Drive sheave, 116: Counterweight, 118: Elevator car for passengers
Claims (9)
前記被加熱体の実質的な全体を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。 An object to be heated;
A heat insulator surrounding substantially the whole of the heated body;
A heating coil wound around the heat insulator for induction heating the object to be heated;
A high-frequency induction heating resistor comprising power supply means for supplying high-frequency power to the heating coil.
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。 A heated body having a toroidal shape;
A heat insulator surrounding at least a part of the heated object;
A heating coil wound around the heat insulator for induction heating the object to be heated;
A high-frequency induction heating resistor comprising power supply means for supplying high-frequency power to the heating coil.
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。 An object to be heated having at least one flange portion protruding from the heat insulator, and a heat dissipating fin extending from the flange portion;
A heat insulator surrounding at least a part of the heated object;
A heating coil wound around the heat insulator for induction heating the object to be heated;
A high-frequency induction heating resistor comprising power supply means for supplying high-frequency power to the heating coil.
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。 A heated body having a pair of flange portions protruding from the heat insulator and a plurality of heated bars extending between the pair of flange portions;
A heat insulator surrounding at least a part of the heated object;
A heating coil wound around the heat insulator for induction heating the object to be heated;
A high-frequency induction heating resistor comprising power supply means for supplying high-frequency power to the heating coil.
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US9737735B2 (en) | 2009-08-14 | 2017-08-22 | Ethicon Llc | Ultrasonic surgical apparatus with silicon waveguide |
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