JP2010500737A - 誘導加熱装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 固体物品の穴の中に内部誘導加熱部材が設けられる誘導加熱装置及び方法。加熱部材は穴に隣接する物品の部分に誘導結合されて物品を誘導加熱する内部コイルを含む。加熱部材は内部冷却機構を欠き、コイルは、コイルから物品に熱を伝達するために隣接する物品部分に熱的に結合される。隣接する物品部分を誘導加熱する磁束を発生させる信号がコイルに供給される。
【選択図】
図１

Description

この発明は、内部誘導加熱部材が固体物品の穴の中に設けられて物品の穴に隣接する部分を誘導加熱し、部材から物品に熱を伝導伝達することを特徴とする誘導加熱装置及び方法に関する。

物品内に渦電流を誘導することにより鋼鉄のような磁化可能な材料で出来た物品（例えば円柱、又は中空管）を誘導加熱することは常識的である。この渦電流は物品に券回されたヒータコイルを交流が通過することにより発生する印加磁束により誘導される。物品内に誘導的に発生した熱は次いで誘導加熱された鋼管の穴又は通路を流れる別の物品、例えば金属又はポリマ材料に伝達されてもよい。

そのような加熱技術に対して材料、構造用加熱素子、共振周波数等の種々の組合せを利用する種々のシステムが提案されてきた。より高い出力強度、より厳しい温度制御、少ない電力消費、より長い動作寿命、及び／又はより低い製造コストの一つ以上を提供する、通路内の材料を加熱する装置及び方法の必要性が引き続き存在する。

発明の一つの実施例によれば、固体物品の穴の中に内部誘導加熱部材を設けるステップを含む固体物品を加熱する方法が提供される。部材は穴に隣接する物品の部分に誘導結合されて隣接する物品部分を誘導加熱する内部コイルを含む。隣接する物品部分を誘導加熱する磁束を発生させる信号がコイルに供給される。部材は内部冷却機構を欠き、コイルはコイルから物品に熱を伝達するために隣接する物品部分に熱的に結合される。

種々の実施例において、加熱部材はさらに、コイルと隣接する物品部分の間の誘導結合を強める磁束集中器を含んでもよい。磁束集中器はコイルの径方向内側に設けられる。

コイルはセラミックの成形及び／又は充填体のような誘電体の熱伝導性材料内に設けられる。

コイルに供給された信号は誘導加熱と物品への熱結合された熱伝達の相対量を変更するように調整される。信号はコイル温度を定められた動作限界内に維持するように調整される。信号はさらに、加熱及び空冷サイクルを交互に与えるように調整されてもよい。コイルの温度はサイクルの冷却部分の間に安定化する。

固体物品は強磁性材料であってもよい。

部材と孔の間に１／１０００ないし３０／１０００インチの範囲内の空隙が設けられてもよい。

コイルは部材の外側要素を備える誘電体の熱伝導性セラミック体内に設けられてもよい。あるいは、部材はコイルを囲む誘電体材料の上に実質的に常磁性で電気絶縁性の外カバーを含んでいる。

他の実施例において、加熱部材と孔の間に非導電性で熱伝導性の流動性材料が設けられてもよい。あるいは、ヒータ部材と穴の間の間隙内に、やはり非導電性で熱伝導性の（固定された）充填材料が設けられてもよい。

発明のもう一つの実施例によれば、内部誘導加熱部材は固体物品の穴の中に配置可能であり、部材は穴に隣接する物品の部分に誘導結合する内部コイルと、隣接する物品部分を誘導加熱する磁束を発生させる信号をコイルに供給する導体とを含む。内部コイルは誘電体の熱伝導性材料の成形及び／又は充填体内に設けられる。部材は内部冷却機構を欠き、コイルはコイルから物品へ熱を伝達するために隣接する物品部分に熱的に結合される。

部材はさらに、コイルと隣接する物品の間の誘導結合を強める磁束集中器を含んでよい。磁束集中器はコイルの内側に設けられてもよい。コイルを囲む誘電材料の上に実質的に常磁性で電気絶縁性の外側カバーが設けられてもよい。

発明のいくつかの実施例のこれら及び他の特徴及び／又は利点は、添付図面に関連して以下の詳細な説明を参照することにより、よりよく理解し得る。

発明の一つの実施例によれば、固体物品の穴の中に誘導カートリッジヒータが設けられる。ヒータ部材は穴に隣接する物品の部分に誘導結合されたコイルを含み、それにより物品は誘導加熱される。この内部誘導加熱部材は、装置と物品の穴の間に１／１０００ないし３０／１０００インチの範囲の空隙がある場合に、言い換えれば先行技術のシステムに必要とされる要求される厳しい許容誤差及び密接なしに、使用できる。

図１は強磁性固体物品１４の穴１２の中に設けられた誘導加熱部材１０の一つの実施例を示す。加熱部材のコイル１６は穴を囲む強磁性物品の部分（破線２０で示される）の中に磁束１８を発生させる。磁束はその物品部分に渦電流２２を発生させて物品部分２０を誘導加熱する。コイルは誘電体材料２４により囲まれ、コイル１６と強磁性物品１４の間に電気絶縁をもたらす。好ましくは、誘電体はセラミック体であり、その中にコイルが埋め込まれる。随意には、加熱部材はさらに、誘電体の上に実質的に非磁性で非導電性の外側カバー（図１において破線２６として示される）を含んでもよい。しかしながら、誘電体２４は最外要素を備え、コイルに発生した熱の物品への伝達を向上するために（かつ／あるいはコイルの温度を定められた動作限界内に維持するために）それが高熱伝導性であることが好ましい。

部材１０は穴１２の中に設けられるように出来ている概ね細長い円筒状外形を有する。部材は部材の一端から突き出た同軸電力リード２８、３０を含み、これは磁束を発生させる信号をコイル１６に供給する。

前に議論されたように、誘導加熱部材の外面と物品穴の内面の間に空隙が設けられてもよい。好ましくは、間隙はコイル内に発生した寄生熱を物品に伝達するために外側部材面と内側穴面の間に熱的連通をもたらすような大きさをしている。寄生熱はコイル内に発生する熱であり、誘導電力供給を減少する。一般的に、誘導加熱装置において、わずか１５％の寄生電力損失により電力の少なくとも８５％が誘導的に利用され、より好ましくは、磁束集中器が使用されるときは、寄生電力損失は５％より大きくないことが望ましい。５％の電力損失はコイルに供給される電力に基づく。

好ましくは１／１０００ないし３０／１０００インチ、より好ましくは２／１０００ないし２０／１０００インチの範囲にある最大許容空隙はコイル材料と同様に電力密度及び動作温度に依存する。例えば、３００Ｗ／ｃｍ２の高電力密度と６００℃の高コイル温度、及び比較的良好な結合（例えば寄生電力：総電力の比＝１０％）とニッケルコイルでは、間隙は好ましくは１／１０００〜３０／１０００の範囲の下端、例えば５／１０００以下である。反対に、良好な結合と銅コイルを用いて３００℃の中庸レベルの温度で３０Ｗ／ｃｍ２のような低電力密度に対して適用されるなら、許容可能な間隙は２／１０００ないし２０／１０００インチであってもよい。これらの間隙範囲のそれぞれは、所定の応用においてその最大級の温度未満のコイル温度を維持するようにコイルから物品への十分な熱的連通をもたらし得る。

一つの実施例において、方法は加熱部材と穴の間に非導電性の流動性材料（例えばポリマ融液）を設けることを含んでもよい。この流動性材料はコイルと外側要素の結合に実質的に干渉せず、流動性材料は外側要素及び／又はコイルからの熱の伝達により加熱されてもよい。流動性材料はその熱伝導に対する効果の点で誘電体層の延長と看做されてもよい。

もう一つの実施例において、やはり熱伝導性で非導電性の材料である固定された膜材料が加熱部材と孔の間の間隙内に設けられる。相応しい材料は窒化アルミ及び酸化マグネシウムの粉末を含む。

図２は射出成形装置のゲート領域４４内の非導電性流体材料４２（例えばポリマ）を加熱するヒータ部材４０のこの第２の実施例を図解する。加熱部材４０は、図１に図解されるタイプと似ており、誘電体４８内に設けられた誘導コイル４６を有する。部材はさらに、誘電体４８内にコイル４６の径方向内側に設けられた強磁性の磁束集中器５０を含む。加熱部材は隣接する金型キャビティ（図示せず）に流体ポリマ材料４２を供給する強磁性（例えば工具鋼）ノズル５４の通路５２内に設けられる。コイルにより発生した磁束はノズルに伝達され、通路に隣接するノズルの部分５６に渦電流を誘導する。隣接するノズル部分５６はこうして誘導加熱され、次いでこの熱は熱伝導により通路内のポリマ材料４２に伝達される。

高透磁性の磁束集中器５０は隣接する物品部分５６と閉磁気ループを形成することにより磁場を増強してコイル４６と物品部分５６の間の磁気結合を強める。磁束集中器は好ましくは磁束集中器内に発生した渦電流（従って熱も）を減少する開渦電流ループを有する（例えば図示のようにスロットが付けられ、あるいは非導電性材料で作られる）。

本発明によるヒータ部材はその構成要素の個々の材料や形状や構成に限定されない。具体的な応用や状況が、どの材料、形状及び構成が相応しいかを決定することになる。相応しい応用は射出成形、融液濾過、押出し成形及び浸漬加熱システムを含む。

例えば、インダクタコイルはニッケル、銀、銅及びニッケル／銅合金の一つ以上であってもよい。ニッケル（又は高ニッケル合金）コイルは高温用途（例えば５００ないし１０００℃）に適している。銅（又は高銅合金）コイルは低温用途（例えば＜５００℃）に十分であるかもしれない。コイルはステンレス鋼でもインコネル（ニッケル合金）でもよい。本願に述べられる種々の実施例において、コイルの水冷は必要でもなく、望ましくもない。

インダクタコイルに給電する電力リードは外側円筒給電リードと、外側円筒給電リードと同心の内側戻りリードを備えてもよい。リードは銅でもニッケルでもリッツ線でも他の適当な材料でもよい。

インダクタコイルを囲む誘電体絶縁体は酸化マグネシウム、アルミナ、及び雲母の一つ以上のようなセラミックであってもよい。誘電体はコイルを囲む粉末、シート又は成形体として設けられてもよい。

コイルはセラミック誘電体コア上に成形されてもよく、コイルの上の誘電体層として設けられた成形及び／又は充填されたセラミックでもよい。

加熱すべき固体物品は４００シリーズ鋼又は工具鋼のような強磁性金属で出来ていてもよい。

磁束集中器はコイルと戻りリードの間に設けられた管状要素として設けられてもよい。磁束集中器は固体、積層及び／又はスロット付き要素であってもよい。低温用途に対して、それはフェライトのような非導電性強磁性材料で出来ていてもよい。高温用途に対して、それは軟らかい磁性合金（例えばコバルト）を含んでもよい。

コイル形状は蛇状又は螺旋状等の種々の構成の何れを取ってもよい。コイル断面は扁平でも、丸くても、矩形でも、半円でもよい。本願で使用されるように、コイルは特定の形状や構成に限定されず、図示された扁平な断面の螺旋状に巻かれたコイルは一例に過ぎない。

本願で使用されるように、加熱は固体物品の温度の調整、制御及び／又は維持を含む。

やはり、種々の構成要素の個々の材料、大きさ、形状及び構成は加熱すべき具体的な材料、サイクル時間、及び他のプロセスパラメータに従って選択されることになる。

述べられた誘導加熱方法及び装置の種々の応用において、種々の構成要素が以下の特性を有することが一般的に望ましい。即ち、
コイルは導電性であり、指定された動作温度に耐えることができ、動作温度において常磁性であり、
固体物品は所望の動作温度において強磁性であり、熱伝導性であり、導電性であり、渦電流が流れる比較的に邪魔されない経路を有し、
誘電体材料は電気絶縁性であり、熱伝導性であり、実質的に完全に常磁性であり、
磁束集中器は動作中にそのキューリ点を超えず、高透磁性を有し、高動作温度に耐えることができ、渦電流が流れる邪魔された（規制された）円周路を有し、
材料はシースと良好に熱接触している。

ひとつの応用において、穴は射出成形システム、より詳細には射出成形のゲート領域内に設けられる。穴は金型のゲートインサート内に設けられてもよい。ゲートインサートは能動的冷却ラインを含んでもよい。

種々の応用において、Ｋａｇａｎの米国特許第７０３４２６３号及び第７０３４２６４号明細書、及び２００６年４月１３日に公開されたＫａｇａｎの米国特許出願公開第２００６／００７６３３８Ａ１号明細書（名称「Method and Apparatus for Providing Harmonic Inductive Power」の米国特許出願第１１／２６４７８０号明細書）に述べられるシースを誘導加熱する高周波高調波において所望量のパルスエネルギーを有する電流パルスを含む信号をコイルに供給することが望ましいかもしれない。電流パルスは比較的長い遅延時間により分離された離散的な狭い幅のパルスとして概ね特徴付けられ、パルスはコイル内に電流の基本（又は基礎）周波数の高調波を供給する一つ以上の急峻変化部（大きな１次微係数）を含む。好ましくは、各パルスは高周波高調波の負荷回路中のパルスエネルギーの少なくとも５０％を供給する少なくとも一つの急峻変化部を含む。例えば、少なくとも一つの急峻変化部は同じ基本周波数とＲＭＳ電流振幅の正弦波信号の最大変化率より少なくとも５倍大きい最大変化率を有してもよい。より好ましくは、各電流パルスは電流パルスの最大ピークの振幅の１０％未満のレベルに減衰する前に少なくとも二つの完全振動サイクルを含む。充電回路に蓄積されたエネルギーの少なくとも５０％（より好ましくは少なくとも９０％）が負荷回路に供給されるように負荷回路に電流パルスを供給するように充電回路を制御する切換装置を含む電源制御装置が参照された特許／出願に述べられている。そのような電流パルスは加熱素子により供給される誘導加熱の速度、強度及び／又は電力を増強し、かつ／あるいは寿命を向上し、あるいは誘導加熱システムの複雑さのコストを低減するために使用できる。それらは比較的高度に減衰する負荷、例えば０．０１ないし０．２の範囲の、より詳細には０．０５ないし０．１の範囲の減衰比を有する負荷の駆動に特に有用であり、その場合、ギリシャ文字ζにより表される減衰比は以下の式において二つの連続する電流ピークα１、α２の振幅を測定することにより決定できる。

この減衰比は、代案として二つの連続する電圧ピークの振幅を測定することにより決定されるが、特定の負荷に対する所望の電流信号機能を選択するために使用できる。参照されたＫａｇａｎの特許／出願の主題はそっくりそのまま引用して本願により援用される。

これら及び他の変形が以下の特許請求の範囲内に含まれることは当業者には直ちに明らかとなろう。

固体の強磁性物品の穴の中に設けられた誘導加熱部材の一つの実施例の模式図である。 強磁性ノズルの通路の中に設けられたもう一つの誘導加熱部材の模式図であり、非導電性流体材料が加熱部材とノズルの間に流れる。

Claims (23)

1. 固体物品を誘導加熱する方法であって
   前記固体物品の穴の中に内部誘導加熱部材を設けるステップであって、前記部材が、前記穴に隣接する前記物品の部分に誘導結合されて前記物品を誘導加熱する内部コイルを備えるステップと、
   前記隣接する物品部分を誘導加熱する磁束を発生させる信号をコイルに供給するステップであって、前記部材が内部冷却機構を欠き、前記コイルが、前記コイル内に発生した寄生熱を前記物品に伝達するために前記隣接する物品部分と熱的に連通しているステップと
   を含む固体物品を誘導加熱する方法。
2. 前記加熱部材がさらに、前記コイルと前記隣接する物品部分の間の誘導結合を強める磁束集中器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コイルが誘電体の熱伝導性材料内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記コイルが誘電体の熱伝導性材料の成形及び／又は充填体内に設けられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 誘導加熱と前記物品への熱結合された熱伝達の相対量を変更するように前記信号を調整するステップを含む請求項１に記載の方法。
6. 定められた動作限界内に前記コイルの温度を維持するように前記信号が調整されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 加熱及び冷却サイクルを交互に与えるように前記信号を調整するステップを含む請求項１に記載の方法。
8. 前記コイルの温度が前記サイクルの前記冷却部分の間に安定化することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記信号が、前記コイル内に高周波高調波を与える電流パルスを含むことを含む請求項１に記載の方法。
10. 前記固体物品が強磁性材料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記コイルに供給される前記信号が０．０１ないし０．２の範囲の減衰比を有する減衰された負荷を駆動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. １／１０００ないし３０／１０００インチの範囲内の空隙が前記部材と前記穴の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記コイルが、前記部材の外側要素を備える誘電体の熱伝導性セラミック体内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記部材が前記コイルを囲む誘電体材料の上に実質的に常磁性の電気絶縁性の外側カバーを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記加熱部材と前記穴の間に非導電性の流動性材料が設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記流動性材料がポリマであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記穴が射出成形、融液濾過、押出し成形又は浸漬加熱システムにおいて設けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 前記穴がノズルのゲート領域内に設けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記穴がゲートインサート内に設けられることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 穴に隣接する物品の部分に誘導結合する内部コイルと、
    前記隣接する物品部分を誘導加熱する磁束を発生させる信号を前記コイルに供給する導体とを備え、
    前記コイルが誘電体の熱伝導性材料の成形及び又は充填体内に設けられ、
    前記部材が内部冷却機構を欠く固体物品の穴の中に配置可能な内部誘導加熱部材であって、
    前記コイルが、前記コイルから前記物品に熱を伝達するために前記隣接する物品部分に熱的に結合されることを特徴とする内部誘導加熱部材。
21. 前記部材が前記コイルと前記隣接する物品部分の間の誘導結合を強める磁束集中器を含むことを特徴とする請求項２０に記載の部材。
22. 前記磁束集中器が前記コイルの内部に設けられることを特徴とする請求項２１に記載の部材。
23. 前記コイルを囲む前記誘電体材料の上に実質的に常磁性の電気絶縁性の外側カバーを含む請求項２０に記載の部材。