JP2009277547A - 電磁誘導加熱式流体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導作用を利用して流体を加熱する流体加熱装置において、加熱コイルの素材にそれほど高価な材料を使用しなくても、加熱すべき流体の加熱目標温度を充分達成して、高周波電源装置から出力される高周波電力の大きさの制限を緩和できる。
【解決手段】加熱コイル３に対して高周波電力を供給することで発生する磁束線で発熱曲管１に電磁誘導電力を発生させ、電磁誘導電力で発熱曲管１を加熱する電磁誘導加熱式の流体加熱装置において、加熱コイル３より熱伝導率が高い電気絶縁材料からなる放熱シート２を、発熱曲管１の外周面と加熱コイル３の内周面とに接しさせ、発熱曲管１を取り囲むように設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導作用を利用して、例えば水やアルコールなどの液体や、窒素ガスやアルゴンガスなどの気体などの流体を加熱する電磁誘導加熱式流体加熱装置に関する。

電磁誘導加熱式流体加熱装置は、例えば、半導体基板や液晶表示装置用基板などの基板に対して所要の処理を施す基板処理装置などにおいて、配管を通して基板処理部へ供給する被加熱流体を加熱する際に用いられる（特許文献１参照）。

これによれば、被加熱流体が流通する導電性材料の発熱曲管と、螺旋状に巻回して発熱曲管を取り囲むように配置した加熱コイルと、加熱コイルに対して高周波電力を供給する高周波電源装置と、発熱曲管の両端部を電気的に短絡する短絡部とを有し、加熱コイルに対して高周波電力を供給することで発生する磁束線で発熱曲管に電磁誘導電力を発生させ、電磁誘導電力で発熱曲管を加熱するように構成している。

そして、かかる従来の技術は、図４及び図５に示すような構成を有している。図４は、かかる従来の技術における電磁誘導加熱式の流体加熱装置内部の加熱コイル、発熱曲管及び短絡部の電気的関係を概略的に示す説明図であり、図５は、同じく電磁誘導加熱式の流体加熱装置内部の加熱コイル、発熱曲管及び短絡部の電気的関係を直流抵抗見地から概略的に示す説明図である。

図４に示す流体加熱装置１００は、高周波電源部１０１と、加熱コイルに相当するコイルＬ１Ａと、発熱曲管に相当するコイルＬ２Ａと、発熱曲管の両端同士を電気的に接続する短絡部１０２とを有し、コイルＬ２Ａ及び短絡部１０２で閉回路を形成している。

コイルＬ１Ａは、高周波電源部１０１から高周波電力が供給されると、磁束線１２０を発生し、この磁束線１２０でコイルＬ２Ａに電磁誘導電力を発生させることになる。

図５に示す流体加熱装置１００は、高周波電源部１０１と、発熱曲管に相当する抵抗Ｒ１Ａと、短絡部１０２に相当する短絡抵抗ｒ１Ａとで構成し、これら抵抗Ｒ１Ａ及び短絡抵抗ｒ１Ａで閉回路を形成し、発熱曲管で発生した電磁誘導電力に応じて抵抗Ｒ１Ａ及び短絡抵抗ｒ１Ａでジュール熱を発生することになる。

従って、流体加熱装置１００によれば、加熱コイルに高周波電力が供給されると、加熱コイルに磁束が発生し、この加熱コイルの内側に配置されている磁界内の発熱曲管に電磁誘導電力が発生し、さらに発熱曲管及び短絡部で形成する閉回路に電流が流れてジュール熱が発生し、このジュール熱で発熱曲管内を流通する被加熱流体が加熱されるようになっている。
特開２００１−２３５２２８号公報

上記のように電磁誘導作用を利用して流体を加熱する従来の流体加熱装置において、高周波電力が供給される加熱コイルとして、一般に、ポリアミドイミドなどで絶縁皮膜されたリッツ線を３０芯程度撚り合わせた導体が使用されている。しかし、かかる構成を有するリッツ線は、耐熱温度が２００℃程度であることから、加熱コイルが耐え得る高周波電力としては４ＫＷ程度が限界であった。

ところが、このような流体加熱装置を使用して加熱する流体が、比熱容量の高い例えば水系の媒体の場合、かかる媒体の目標加熱温度に到達させるためには、加熱コイルに与える高周波電力は、４ＫＷ程度では不充分であり、１０ＫＷを超えるような電力を必要である。

そこで、加熱コイルに供給する高周波電力を１０ＫＷを超えるような高電力にするためには、リッツ線を絶縁するための絶縁被膜の材料を耐高熱材料に代えることによって、加熱コイルの耐熱性を向上させる必要がある。

しかし、絶縁被膜の材料を代えて、加熱コイルの耐熱性を向上させるとしても、従来より絶縁被膜として使用されているポリアミドイミドの耐熱性は非常に高性能であって、これ以上の高耐熱性材料としては、現在未だ開発されていないのが現状である。

そこで、リッツ線としては、通常銅を主体として構成しているところ、この銅より更に電気抵抗の少ない銀などの材料を使用することが考えられるが、製造コストを考慮すると、決して好ましい対策であるとはいいえない。

そこで、本発明は、電磁誘導作用を利用して流体を加熱する流体加熱装置において、加熱コイルの素材にそれほど高価な材料を使用しなくても、加熱すべき流体の加熱目標温度を充分達成して、高周波電源装置から出力される高周波電力の大きさの制限を緩和できる電磁誘導加熱式流体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電磁誘導加熱式の流体加熱装置は、導電性材料製の管状体を螺旋状に形成された曲成部を有して、管内を流体が流通する発熱曲管と、前記発熱曲管の少なくとも一部を電気的に短絡させる短絡部と、前記発熱曲管の外周に沿って螺旋状に巻回配置されて、高周波電力を供給することで発生する磁束線で前記発熱曲管に電磁誘導電力を発生させることによって前記発熱曲管内の前記流体を加熱する加熱コイルとを有する電磁誘導加熱式の流体加熱装置であって、前記加熱コイルと前記発熱曲管との間に介装される熱伝導部材を備え、該熱伝導部材は、前記加熱コイルより熱伝導率が高い電気絶縁材料からなり、且つ、前記加熱コイルの内周面及び前記発熱曲管の外周面の少なくとも一部を取り囲み接するように設けたことを特徴とする。

本発明に係る電磁誘導加熱式流体加熱装置によれば、加熱コイルより熱伝導率が高い電気絶縁材料からなる熱伝導部材が、発熱曲管の外周面と加熱コイルの内周面とに接して、発熱曲管の少なくとも一部を取り囲むように設けられている。このように熱伝導部材を設けることで、加熱コイルで発生した熱を発熱曲管に効率的に伝導させることができるため、加熱コイルで発生した熱を発熱曲管に放熱し、加熱コイルの温度を低く抑えることができる。よって、加熱コイルの素材にそれほど高価な材料を使用せずに、加熱コイルで発生した熱を効率的に発熱曲管側に放熱させることができ、結果的に、加熱コイルとして銀等の高価な材料を用いずに、高周波電源装置から出力できる高周波電力の大きさの制限を緩和することができる。

本発明に係る流体加熱装置の一つの態様では、前記熱伝導部材を、可撓性の放熱性シートにより構成するようにしている。

本発明に係る流体加熱装置の一つの態様によれば、熱伝導部材が可撓性の放熱シートにより構成されているので、発熱曲管の外周面に熱伝導部材を巻回する作業の手間を低減することができ、しかも、発熱曲管が螺旋状の曲成部を有して構成された場合にあっても、当該曲成部における互いに隣り合う管部間に形成される隙間部内に入り込むことができ、熱伝導部材が熱伝導効率を向上させることができる。

本発明に係る流体加熱装置の一つの態様では、前記発熱曲管が螺旋状の曲成部に前記放熱シートを巻回した際に、前記曲成部における互いに隣り合う管部間に形成される隙間部内に前記放熱シートが埋没しないように、該放熱シートと前記曲成部との間に非可撓性の補強シートを介在させたことを特徴とする。

発熱曲管に設けた螺旋状の曲成部に可撓性の放熱シートを巻回すると、当該放熱シートは、曲成部における互いに隣り合う管部間に形成された間隙部内に入り込んで凹凸形状に形成されてしまい、次に加熱コイルを巻回するに当たって、当該巻回作業を非常に面倒なものにしてしまうところ、本発明に係る電磁誘導加熱式流体加熱装置の一つの態様によれば、熱伝導部材として、たとえ可撓性の放熱性シートを使用したとしても、曲成部における隙間部に入り込んで凹凸面が形成されることを抑制することができて、コイルボビンとして利用して次の加熱コイルの巻回作業の手間を削減することができる。

本発明によれば、加熱コイルより熱伝導率が高い電気絶縁材料からなる熱伝導部材が、発熱曲管の外周面と加熱コイルの内周面とに接して、発熱曲管の少なくとも一部を取り囲むように設けられている。このように熱伝導部材を設けることで、加熱コイルで発生した熱を発熱曲管に効率的に伝導させることができ、たとえ、加熱コイルの素材にそれほど高価な材料を使用せずに、高周波電力を大きくしたとしても、加熱コイルで発生した熱を効率的に発熱曲管側に放熱させることができ、結果的に、加熱コイルとして銀等の高価な材料を用いなくても、高周波電源装置から出力できる高周波電力の大きさの制限を緩和することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と称す。）について、以下、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る流体加熱装置の内部構造の一部を断面にした説明図である。

図１に示すように、本実施形態における流体加熱装置は、導電性材料によって管状に形成され、管内を水やアルコールなどの液体或いは窒素ガスやアルゴンガスなどの気体等の流体が流通する発熱曲管を構成する発熱曲管１と、発熱曲管１の少なくとも一部を電気的に短絡させる短絡部９と、発熱曲管１の外周に沿って螺旋状に巻回配置されて、高周波電力を供給することで発生する磁束線で発熱曲管１に電磁誘導電力を発生させることによって発熱曲管１側に放熱して前記流体を加熱する加熱コイル３とを有して構成すると共に、加熱コイル３と発熱曲管１との間に熱伝導部材である放熱シート２を介装して構成している。

発熱曲管１は、導電性材料、例えば、ステンレス鋼によって管状を呈して構成されている。前記ステンレス鋼としては、耐腐食性材料であって誘導加熱に適したフェライト系ステンレス鋼を使用することができ、また、誘導加熱の他に閉回路に流れる電流による加熱も作用するので、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４のようなオーステナイト系ステンレス鋼なども使用し得る。ステンレス鋼管としては、例えば、電界研磨加工や酸化不動態膜処理を施したものを使用することができる。

そして、発熱曲管１は、一端側の液体入口１ａ側から流体を導入して管内を導通させた後、他端側の液体出口１ｂから液体を導出するようになっており、中間部がＵ字状に湾曲した直管部１ｅに形成されると共に、直管部１ｅと流体入口１ａ及び液体出口１ｂとの間は、螺旋状に曲成された曲成部１ｃに形成されている。

加熱コイル３は、ポリイミドアミド（ＰＡＩ）などで絶縁皮膜されたリッツ線を３０芯程度撚り合わせた導体により構成している。

発熱曲管１の曲成部１ｃと加熱コイル３との間には、加熱コイル３の内周面及び曲成部１ｃの外周面の少なくとも一部を取り囲むように熱伝導部材としての放熱シート２が設けられている。

放熱シート２は、例えば、シリコーンや非シリコーン系の熱伝導率が加熱コイル３より高く、好適には可撓性を有し、密着性に優れた電気絶縁材料を用いて構成している。ここで、熱伝導率はその値が大きいほど熱が伝わりやすくなるため、放熱シート２は、加熱コイル３より熱伝導率が可能な限り高い電気絶縁材料を用いるのが好ましい。例えば、皮膜用の絶縁材料として熱伝導率が０．３〜０．８Ｗ／ｍＫ程度であるポリイミドアミドを用いて加熱コイル３を構成した場合、非シリコーン系の電気絶縁材料として例えば熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ程度であるクールプロバイドを用いることができる。

例えば、加熱コイル３と発熱曲管１との間に放熱シート２を介装させない場合、熱伝導率が加熱コイル３より低い０．０２４１Ｗ／ｍｋの空気を介して加熱コイル３で発生した熱を発熱曲管１へ伝導させることになる。したがって、放熱シート２を介装させない場合、加熱コイル３で発生した熱を発熱曲管１に効率的に放熱させにくい。しかし、本実施形態のように、加熱コイル３より熱伝導率が高い熱伝導部材を介装させることで、熱伝導部材を介装させない場合に比べて、加熱コイル３で発生した熱を発熱曲管１に効率的に放熱し、加熱コイル３の温度を低く抑えることができる。

また、放熱シート２は、加熱コイル３の内周面及び曲成部１ｃの外周面を取り囲むように設けた場合、可撓性かつ密着性を有するために、曲成部１ｃにおける互いに隣り合う管部間に形成された隙間部２ａ内に入り込むようになり、発熱曲管１の外周面および加熱コイル３の内周面に接することになる。これにより、加熱コイル３から発熱曲管１への熱伝導効率を向上させることができ、加熱コイル３のコイルボビンとしての機能を有している。

そして、発熱曲管１の直管部１ｅは、放熱シート２及び加熱コイル３から延出して外部に顕出している。

短絡部９は、発熱曲管１の少なくとも一部を電気的に短絡させるために、発熱曲管１の液体入口１ａと液体出口１ｂとの管を電気的に短絡している。

さらに、加熱コイル３は、発熱曲管１の直管部１ｅを装置枠体１０３の一端側に当接載置すると共に、流体入口１ａおよび流体出口１ｂ側を装置枠体１０３の他端側に取付けることによって、装置枠体１０３に収められて、ユニット化され、高周波電力を供給する高周波電源装置４に電気的に接続される。高周波電源装置４は、高周波電源５と、高周波電源５から出力される高周波電力を制御する電源制御器６とを備えて構成している。

電源制御器６は、コントローラ７が接続されている。コントローラ７は、温度センサ８から出力される温度情報に基づいて、被加熱流体の温度を目標温度に達成させるべく、電源制御器６に制御信号を出力する。電源制御器６は、制御信号に基づいて加熱コイル３に供給する高周波電力を制御するものである。

従って、温度センサ８は、発熱曲管１の液体出口１ｂ側における発熱曲管１の温度を検出するようになっている。

以上のように構成された流体加熱装置は、以下のように動作する。

すなわち、まず高周波電源装置４を駆動して、加熱コイル３に高周波電力を供給することで、加熱コイル３に磁束を発生させ、加熱コイル３の内側に配置されて磁界内にある発熱曲管１に渦電流を発生させる。この渦電流により発熱曲管１にジュール熱を発生し、流体を発熱させる。発熱して昇温した発熱曲管１内を、流体が流体入口１ａを矢印Ａ方向から入り、流体出口１ｂを矢印Ｂ方向へと通過することによって、発熱曲管１の内壁面からの熱伝達によって加熱される。

上記の通り、本実施形態に係る電磁誘導加熱式流体加熱装置は、発熱曲管１の外周面と加熱コイル３の内周面とに接して、発熱曲管１を取り囲むように設けられた放熱シート２であって、加熱コイル３より熱伝導率が高い電気絶縁材料からなる放熱シート２を備えていることから、発熱曲管１と加熱コイル３とで放熱シート２を介して熱交換が効率的に行われる。

かかる結果、本実施形態に係る電磁誘導加熱式流体加熱装置によれば、加熱コイル３として銀等の高価な材料を用いなくても、高周波電源装置から出力できる高周波電力の大きさの制限を緩和することができる。

これにより、発熱曲管１を流通する流体が加熱コイル３の冷却用の冷媒として機能し、加熱コイル３を効率的に冷却することが可能となる。よって、本実施形態に係る加熱流体装置によれば、従来の自然空冷に比べて加熱コイル３の冷却効率を向上させることができる。さらに、加熱コイル３として、リッツ線や耐熱電線などを使用せずに、比較的コストがかからない銅線を用いたとしても、放熱コイルの温度上昇を抑えることができる。

ところで、上記の通り、上記実施形態では、放熱シート２として可撓性の材料を用いている。よって、放熱シート２を発熱曲管１に直接巻き付けた場合、図１に示すように、発熱曲管１を構成する螺旋状部分の隙間部２ａに放熱シート２を入り込ませて、放熱シート２の熱伝導性を向上させている。

かかる反面、放熱シート２を発熱曲管１に巻き付けた場合には、放熱シート２の表面２ｂが、凹凸面となってしまい、加熱コイル３を構成する導線を巻回する作業がしづらくなってしまう場合がある。

そこで、このような巻回作業の手間を削減するために、図２Ａに示すように、放熱シート２は、その裏面２ｃ（発熱曲管１の外周面に接する面）に非可撓性の補強シートとして、例えばポリアミド樹脂などの粘着テープ１５を貼ることにより構成することが考えられる。

このように、放熱シート２は、粘着テープ１５により補強されていることにより、発熱曲管１に巻き付けた際に、図３Ｂに示すように、発熱曲管１に放熱シート２を巻き付けた状態で、隙間部２ａに放熱シート２が入り込みにくくなり、放熱シート２の表面２ｂが凹凸面となりにくくなる。よって、放熱シート２の表面２ｂに加熱コイルとなる導線を巻回する際の作業の手間を削減することができる。

また、発熱曲管１は、螺旋状に加工して曲成部１ｃを形成する前の平板状を呈している状態で、放熱シート２を貼設し、その後、曲成部１ｃを形成して製造するようにすることができる。

更に、上記実施形態における放熱部材として、放熱シート２を使用して構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図３に示すような円筒状の直状管１１を用いることができる。この場合、図３に示すように、予め直状管１１の内孔に発熱曲管を構成する細管状部材１２を嵌合しておき、その後直状管１１と共に、細管状部材１２を螺旋状に加工することにより、放熱部材付きの発熱曲管１に形成するようにしてもよい。

本発明に係る流体加熱装置は、加熱コイルより熱伝導率が高い電気絶縁材料からなる熱伝導部材が、発熱曲管の外周面と加熱コイルの内周面とに接して、発熱曲管の少なくとも一部を取り囲むように設けられている。このように熱伝導部材を設けることで、加熱コイルで発生した熱を発熱曲管に効率的に伝導させることができ、たとえ、加熱コイルの素材にそれほど高価な材料を使用せずに、高周波電力を大きくしたとしても、加熱コイルで発生した熱を効率的に発熱曲管側に放熱させることができ、結果的に、加熱コイルとして銀等の高価な材料を用いなくても、高周波電源装置から出力できる高周波電力の大きさの制限を緩和することができる。したがって、電磁誘導作用を利用して、例えば水やアルコールなどの液体や、窒素ガスやアルゴンガスなどの気体などの流体を加熱する流体加熱装置等に好適である。

本発明に係る一の実施形態を採用した電磁加熱式流体加熱装置の一部を断面とした正面図である。 本発明に係る他の実施の形態における放熱シートの裏面にポリアミド樹脂などの粘着テープを貼り付けた状態を示す正面図である。 図２Ａに示す放熱シートを使用して構成した電磁加熱式流体装置の一部を断面とした正面図である。 本発明に係る更に他の実施の形態における発熱曲管の一部を描画した斜視図である。 従来の電磁誘導方式の流体加熱装置内部の加熱コイル、発熱曲管および短絡部の電気的な関係について説明するための回路図である。 従来の電磁誘導方式の流体加熱装置内部の発熱曲管および短絡部の電気的な関係を直流抵抗見地から説明するための回路図である。

符号の説明

１ 発熱曲管
２ 放熱シート（放熱伝導部材）
３ 加熱コイル
９ 短絡部

Claims (3)

1. 導電性材料製の管状体を螺旋状に形成された曲成部を有して、管内を流体が流通する発熱曲管と、前記発熱曲管の少なくとも一部を電気的に短絡させる短絡部と、前記発熱曲管の外周に沿って螺旋状に巻回配置されて、高周波電力を供給することで発生する磁束線で前記発熱曲管に電磁誘導電力を発生させることによって前記発熱曲管内の前記流体を加熱する加熱コイルとを有する電磁誘導加熱式の流体加熱装置であって、
   前記加熱コイルと前記発熱曲管との間に介装される熱伝導部材を備え、
   該熱伝導部材は、前記加熱コイルより熱伝導率が高い電気絶縁材料からなり、且つ、前記加熱コイルの内周面及び前記発熱曲管の外周面の少なくとも一部を取り囲み接するように設けたことを特徴とする電磁誘導加熱式流体加熱装置。
2. 請求項１に記載の流体加熱装置において、
   前記熱伝導部材は、可撓性の放熱性シートにより構成したことを特徴とする電磁誘導加熱式流体加熱装置。
3. 請求項２に記載の流体加熱装置において、前記発熱曲管の螺旋状の曲成部における互いに隣り合う管部間に形成される隙間部内に前記放熱シートが埋没しないように、該放熱シートと前記曲成部との間に非可撓性の補強シートを介在させたことを特徴とする電磁誘導加熱式流体加熱装置。