JP2010501107A - 温度サイクル装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 流動状態と非流動状態の間で材料の状態を修正するために通路内に配置された材料を誘導加熱する装置及び方法。内部誘導加熱部材（１０）が通路内の材料中に設けられ、部材と材料の少なくとも一方内に磁束を発生させる信号が部材に供給され、磁束は部材及び／又は材料の誘導加熱を発生させる。一つの実施例において、加熱部材は内部コイル（２０）、コイル（２０）に誘導結合された外部さや（１２）、コイルとさやの間に設けられた誘電体材料（３０）、磁束集中器、及び磁束を発生させる信号をコイルに供給する導体を含む。さや及び／又は材料の所望の誘導加熱速度を与えるためにコイル、さや及び／又は磁束集中器の材料及び／又はキュリー温度が選択されてもよい。
【選択図】 図１

Description

この発明は流動状態と非流動状態の間で材料の所望の温度サイクル速度を生じる内部誘導加熱部材が通路内の材料中に設けられることを特徴とする、通路内に配置された材料を誘導加熱する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一般的である。この渦電流は物品に巻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孔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。より高い電力密度、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、通路内に配置された材料に温度サイクルを与えて流動状態と非流動状態の間で材料の状態を修正する方法が提供される。この方法は通路内の材料中に内部誘導加熱部材を設けるステップと、部材と材料の少なくとも一方内に磁束を発生させる信号を部材に供給し、磁束が部材及び／又は材料の誘導加熱を発生させるステップとを含む。信号は通路内の材料の所望の温度サイクル速度を生じるように調整され、これは流動状態と非流動状態の間で材料の状態を修正することを含む。

非流動状態は物理的に剛性の状態と半剛性の状態の一つ以上であってもよい。流動状態は半固体状態と液体状態の一つ以上であってもよい。

一つの実施例において、加熱部材は材料に接触して設けられた外部さやと、さやに誘導結合された内部コイルとを含む。信号がコイルに供給されてさやと材料の一方または両方内に磁束を発生させる。加熱部材はさらに、コイルとさやの間の誘導結合を強める磁束集中器を含んでもよい。コイルとさやはコイルからさやへの熱伝達を可能にするように熱的に連通していてもよい。

一つの実施例において、通路は外側要素内に設けられ、温度サイクルは材料から外側要素への熱の伝導伝達により材料を冷却することを含む。

材料は導電性、強磁性、非導電性、熱絶縁性及び熱伝導性材料の一つ以上であってもよい。材料は金属及びポリマの一つ以上であってもよい。

動作限界内にコイル温度を維持するためにコイルとさやはコイルの抵抗加熱を最小にするように構成されてもよい。コイルとさやは熱的に連通してコイルからさやへの熱伝達を可能にしてもよい。

信号はコイル内に高周波高調波を供給する電流パルスを含んでもよい。この信号は持続する共振により（誘導）駆動することが難しい高減衰係数を有するシステムに特に有用である。

種々の実施例において、方法はさらに、さや及び／又は材料の所望の誘導加熱速度を与えるようにコイルとさやの一つ以上のキュリー温度を選択することを含んでもよい。磁束集中器のキュリー温度もこの目的で選択されてもよい。

他の実施例において、この方法は部材部品及び／又は材料の誘導加熱の所望の動作温度及び／又は速度を達成するためにコイル、誘電体、さや及び／又は磁束集中器に対する一つ以上の材料を設けるステップを含む。

一つの実施例において、通路は一つ以上のゲートに融液供給する一つ以上の通路を含むマニホルドのような融液分配システムに設けられる。多数のゲートに融液供給される場合、温度サイクルは多数のゲートに対して並列及び／又は直列に行われてもよい。

発明のもう一つの実施例によれば、
内部コイルと、
前記コイルに誘導結合された外部さやと、
前記コイルとさやの間に設けられた誘電体材料と、
前記さや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
を備える誘導加熱部材であって、
前記コイルのキュリー温度が前記材料の動作温度より低く、前記さやのキュリー温度が前記材料の前記動作温度より高い
ことを特徴とする誘導加熱部材が提供される。部材はさらに、磁束集中器を含み、磁束集中器のキュリー温度も磁束集中器の動作温度より高い。

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。

発明の種々の実施例によれば、誘導加熱装置は通路内に配置された材料の温度サイクルに使用される。材料は非流動状態と流動状態の間で循環されてもよい。

図４〜５は本発明の一定の適用例を図解する。これらの適用例を議論する前に、適切な誘導加熱部材とそれを通路内に配置された材料の加熱に使用することが図１〜３に関して述べられる。

誘導加熱部材の第１の実施例が図１に図解され、本願ではプローブヒータ１０と呼ばれる。ヒータ１０は概ね細長い外形を有し、通路（図３参照）内に設けられて通路内の材料を加熱するように出来ている。加熱部材は、中空内部１４を有しかつ一端１６が閉じられた概ね円筒状の外部強磁性さや１２を含む。さやの中空内部内には加熱素子即ちインダクタコイル２０があり、本願ではさやの軸長に沿って延びる実質的に螺旋状のコイルとして設けられる。コイル２０をさや１２から絶縁する誘電絶縁体３０がコイルの個々のターンの間を含むコイル内及び周囲に設けられる。コイルは同軸電力リードを有し、これはコイルの一端に繋がる外側円筒リード３２と、コイルの他端に繋がりかつコイル／部材の円筒軸に沿って延びる中心軸リード３４とを含む。

図２はヒータプローブ５０の第２の実施例を図解し、これは第１の実施例に似ているが、外側さやにより磁気ループを閉じる強磁性磁束集中器をさらに含む。図１と同様に、図２の加熱部材は外側強磁性さや５２、コイル状加熱素子６０、誘電絶縁体７０、及び同心電力リード（戻りリード７４が示される）を含む。部材はさらに、コイル６０内に同心に設けられかつ加熱部材の長さに沿って軸方向に延びる実質的に円筒状の磁束集中器９０を含む。この高透磁性磁束集中器は外部さや５２により閉磁気ループを形成してコイル６０とさや５２の間の磁気結合を強めることにより磁界を増強する。磁束集中器は好ましくは、磁束集中器内に発生する渦電流（従って熱）を減少させるために開電流ループ（例えば図示のようにスロットが付けられる）を有する。

図３は通路１０２（流動性材料のための管状通路又は導管）内に設けられた図１の加熱部材の一つの適用例を図解し、通路は外側要素１０４内に配置される。外側要素１０４は例えば成形インサートでもホットランナマニホルドでもノズルでもよく、融液通路１０２を有し、そこを通って導電性液体金属のような流動性材料１００が流れるようになっている。通路は外側要素の一端においてテーパ領域又はゲート領域１０６を有し、分離領域とも呼ばれ、ゲート領域１０６及び隣接する金型キャビティ内に形成された成形部品１１０を融液通路１０２内に留まる材料から分離させる。流動性材料は通路を通ってゲート１０６に向い、金型キャビティまで移動し、そこで非流動性の固体に冷却され、成形部品１１０を形成する。ゲートにおいてきれいな（好ましくはゲートからの垂れのない）断絶をもたらすために、ゲート領域１０６に隣接する通路領域１１２内の材料は流動性（例えば液体又は半固体）から非流動性（例えば物理的に剛性又は半剛性の（変形可能な）状態）に冷却されねばならない。ゲート１０６に隣接する通路領域１１２内に生じかつ留まる非流動性材料は典型的にはプラグと呼ばれる。プラグの形成は従って金型が開かれる（例えば金型コアが金型の反対側から離される）ときにゲート領域１０６内の固体化された材料（成形部品）のきれいな分離を可能にする。ゲート領域に隣接する通路領域１１２内の材料の冷却は、例えば成形部品１１０（これはより冷たい金型コア及びキャビティ壁に接触している）に向かって熱を伝導したり、ゲート領域１０６又はその近傍にさらなる冷却媒体を設けて通路領域１１２内の材料から熱を引き出したりすることにより、かつ／あるいは通路領域１１２内の材料の温度を低下させる他のプロセスパラメータの何れかにより、熱伝導により達成できる。

次の成形サイクルの間に、非流動性プラグは再び流体（流動性）状態に加熱されねばならない。このために、誘導加熱部材（プローブヒータ１０）が通路１０２内の材料中に配置され、外側さやの閉端部１６は分離領域１０６又はその近傍に設けられる。プローブヒータ１０は通路１０２の中心に設けられ、開いた通路領域の比較的狭い環状幅により囲まれる。材料のプラグは通路のゲート端の領域１１２においてさやの周りに形成される。再びゲートを通って材料を射出できるようにプラグを溶解する（その粘性を減少させる）ために、プローブの内部コイル２０により磁界（線１０５参照）が発生し、これが外部さや５２と通路内の材料１００の一つ以上に伝達されてさや及び／又は材料をそれぞれ誘導加熱する。こうしてプラグは加熱され、流体状態に戻り、材料が外部さやの周りに流れてゲート１０６を通って出るようにする。

本発明によるプローブヒータはその構成要素の個々の材料、形状又は構成に限定されない。具体的な用途又は環境が、どの材料、形状及び構成が適しているかを決定することになる。

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とを備えてもよい。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。

インダクタコイルと外側強磁性さやの間にある誘電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、粉末セラミックがコイルとさやの間の誘電体層として設けられてもよい。

コイルは誘電体セラミック体内に成形され、次いで部材がさやの中に挿入されてもよい。

さやは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。磁束集中器は立体、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、円でも、矩形でも、半円でもよい。本願で使用される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。

本願で使用される加熱は通路内の材料の温度の調整、制御及び／又は維持を含む。

例としてのみ与えられ、限定を意味しない詳細な実施例において、マグネシウムを加熱するプローブヒータが融液通路内に設けられてもよい。ヒータは工具鋼の外側さや、ニッケルのコイル、アルミナの誘電体、及びコバルトの磁束集中器を備えてもよい。ニッケルコイル、鋼鉄さや及びコバルト磁束集中器は全てマグネシウムの比較的に高い融液温度に耐えることができる。ニッケルコイルは概ねそのキュリー温度を超えて動作し（マグネシウムの融液温度を超えるために）、これはコイルの「表皮効果」抵抗加熱（従ってコイルの過熱／焼損の減少）を減少させることになる。鋼鉄さやは概ねそのキュリー温度未満で動作して強磁性となり（誘導加熱され）、伝導により熱を伝達してそれが中に設けられるマグネシウムの温度を上昇する（加熱及び／又は過渡動作中に）ことになる。一旦マグネシウムが溶解されたら、例えばマグネシウムが融液状態に保持されながら（例えば安定状態動作又は温度制御）、さやはそのキュリー温度を超えてもよい。コイルはさやへの伝導伝達により冷却される。好ましくは、磁束集中器の透磁性を維持し、磁気ループを閉じ、さやの誘導加熱を増強するために磁束集中器のキュリー温度はさやのそれよりも高い。

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適用例において、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かもしれない。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、
さや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、渦電流が流れる相対的に連続した経路を有し、
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リー点を超えず、高透磁性を有し、高動作温度に耐えることができ、渦電流が流れる中断された（規制された）円周路を有し、
材料はさやと良好に熱接触している。

磁界の材料への直接結合がある応用例において、さやの所望のパラメータもまた材料の所望のパラメータである。

加熱すべき通路内の材料はまた、部材部品、与えられる信号及び加熱速度のパラメータの選択をもたらすことになる。種々の実施例において、材料は、例えば純粋金属、金属合金、金属／ポリマ混合物等の金属及びポリマの一つ以上を含んでもよい。他の実施例において、部材／プロセスは、例えば穀物及び／又は動物飼料が押し出され、調理される飼料処理用途に有用であるかもしれない。

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）に述べられるさや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。

温度サイクル
図４は図３に関して前に述べられたもののようなゲート領域に形成されたプラグ材料の温度サイクルに使用し得る射出成形サイクルの一つの実施例を図解する。図４は時間（横軸上）対温度及び電力（縦軸上）のグラフであり、その場合、
上側部分はマニホルドシステムのゲート領域内の材料の温度を示し、
下側部分はマニホルドシステムのゲート領域内の誘導加熱部材に入力される電力を示す。

一般的に、誘導ヒータ部材に供給される電力変化はゲート領域内の材料の温度変化に先行する（時間的に先導する）（即ち、電力（原因）変化とゲート材料の所望の温度（効果）の間に時間遅延がある）。例えば、比較的高レベルの電力が時間（ａ）と（ｂ）の間に供給され、これはより遅い時間（２）においてゲート領域内の材料の温度の平準化（減少速度の低下）を生じる。同様に、時間（ｂ）と（ｃ）の間の比較的低いレベルへの電力の低下は時間（２）と（３）の間にゲート材料温度の減少を生じる。同様に、時間（ｃ）と（ｄ）の間の中間レベルへの電力の増加は時間（３）と（４）の間のゲート材料温度の平準化を生じる。最後に、時間（ｄ）と（ｅ）の間の高電力供給への増加は時間（４）と（５）の間のゲート材料の温度の上昇を生じる。

より詳細には、時間ゼロ（０）は射出サイクルの開始を表し、そこでは、液体マグネシウムがマニホルドから隣接する金型キャビティへ約５８０〜６２０℃の範囲の非常に高い温度（１）で供給される。時間ゼロにおいて、誘導ヒータ（マニホルドのゲート領域にある）への入力電力供給は中間レベルにおいて、マグネシウムがマニホルド通路を通って金型キャビティの中に移動しながら流動状態に留まるように選択される。時間（０）と（２）の間に金型キャビティは充填され、詰め込まれ、部品は金型キャビティ内で冷却し始める。比較的冷たい金型キャビティ壁は金型キャビティ内の材料から熱を引き出すヒートシンクとして働く。同時に、マニホルドが冷却金型キャビティに密接していることにより、マニホルドのゲート領域から熱を引き出し、それにより、ゲート領域内の材料の温度は時間（０）における融液供給温度から時間（２）における分離温度まで降下する。分離温度は、ゲートでのきれいな断絶（即ち、成形部品のゲート領域から延びる垂れが最小又は皆無）を伴う金型キャビティのマニホルドからの分離を可能にする範囲内にある。ここでは分離温度は４５０℃ないし５１０℃のマグネシウムに対する半固体温度範囲の下端付近である。さらなる冷却はきれいな分離を得ることを妨げるので一般的に望ましくない。

金型の開放（分離）後、「分離」温度にあるゲート領域内の半固体材料は時間（３）における「安全プラグ」までさらに冷却され、次のサイクルのための圧力の蓄積を可能にする。これは前に指摘されたように、誘導ヒータへの電力供給が、時間（ｂ）と（ｃ）の間の比較的低レベルに先行して減少することにより達成される。これは、ゲート材料が分離温度から安全プラグ温度まで低下するときに時間（２）と（３）の間のゲート材料の対応する温度低下を生じる。

次に、ヒータに供給される電力が時間（ｃ）と（ｄ）の間の中間レベルまで増加され、時間（３）と（４）の間の安全プラグ温度でのゲート材料温度の平準化を生じる。次の射出サイクルの間にゲート材料の温度を上昇するのに必要な時間／エネルギーを最小にするようにさらに冷却することなくゲート材料を安全プラグ温度に維持することが望ましい。

金型が再び閉じられる前に、ヒータに供給される電力は時間（ｄ）と（ｅ）の間の高レベルまで増加され、安全プラグ温度から元の射出温度までのゲート材料温度の（時間遅れの）上昇を生じる。次いで、時間（５）において、次の噴射サイクルを始めるためにマニホルドから金型キャビティへの５８０〜６２０℃の新しいマグネシウム供給融液の噴射がある。時間（５）におけるゲート領域内の材料は５８０〜６２０℃の流入供給融液による置換のために供給融液温度まで急速に上昇する。

このように、図４は流動状態と非流動状態の間で通路内の材料を加熱／冷却する温度サイクルプロセスの一つの応用例を図解する。

前に述べられた誘導加熱部材の実施例は図４に図解されるプロセスサイクルに使用されてもよい。そのようなプロセスにおいて、コイル、さや及び／又は磁束集中器のキュリー点は、図５に図解されるような所望の加熱速度変動及び安定状態温度曲線を達成するように選択されてもよい。好ましくは、材料の所望の温度サイクル範囲は磁束集中器とさやのキュリー温度を越えない。図５において、そのような加熱変動は好ましくはさやのＴＳｈｅａｔｈ未満、及び磁束集中器のＴｆｃ未満で生じる。対照的に、コイルのキュリー点Ｔｃｏｉｌはコイルの表皮効果加熱を減少するために材料の流動温度を十分下回るように選択される。

図５はヒータ部材の種々の部品のそれぞれの加熱速度及び温度曲線を図解し、これは部品材料のキュリー点に基づいて時間により変化する。この例において、加熱される通路内の材料は常磁性であり、従って材料の全ての加熱はさやからの熱伝導から生じる。また、種々のヒータ部材部品の加熱速度は、コイル、磁束集中器及びさや間に熱的連通があるので相互に従属的である。

最初に、コイルが時間ｔ１にそのキュリー点に到達するまで最も急速に加熱され、その点においてコイルの加熱速度が低下されて究極的には磁束集中器の加熱速度がそれを超える。磁束集中器は変動期間の間も安定状態期間の間も強磁性のままである（そのキュリー温度Ｔｆｃ未満で）。磁束集中器はコイルに発生する磁束により誘導的にも、コイル内に発生する熱の熱伝導によっても加熱される。磁束集中器は部材の中心にあり、コイルに発生する抵抗熱のいくらかはさやの外側に伝達されるので、磁束集中器温度は究極的にはコイルの温度を超える。さやもまたコイルにより発生する磁束により誘導的にも、コイルからさやへの熱の熱伝導によっても加熱される。さやは、時間ｔ２においてそのキュリー温度Ｔｓｈｅａｔｈに達するまで比較的一定の加熱速度を有し、その点において、その加熱速度が平準化する（安定状態動作に対して）。材料は実質的にさやからの熱伝導により加熱される。その加熱速度はさやの温度未満の温度でさやの加熱速度に従う。

材料の「キュリー点」又は「キュリー温度」はその相対透磁率が高い値、例えば４００から１まで変化する温度である。いくつかの広く使用される材料及びそれらの合金のいくつかのキュリー点が以下に記載される。即ち、
マグネシウム５０℃、
クロム１００℃、
フェライト２００ないし４００℃、
ニッケル３００ないし４００℃、
鋼鉄７００ないし８００℃、
コバルト８００ないし１０００℃。

「表皮効果」は種々の構成要素の加熱速度に影響を与えるもう一つのパラメータである。表皮効果は電流が流れる断面積を減少することにより電気導体の抵抗を増加する。概ね導体Ｒの抵抗は以下により与えられる。

ただし、σは導体材料の導電率であり、ｌは導体長さ、Ａは導体内の電流路の断面積である。侵入深さδは下記となる。

ただし、μは導体材料の透磁率であり、μ０は真空の透磁率であり、ｆは周波数（Ｈｚ）であり、σは材料の導電率である。電流の侵入深さは周波数が増加し、かつ／あるいは透磁率が増加するにつれて減少する。電流の大部分（およそ６３％）は侵入深さ内を流れ、ほとんど全ての電流（およそ９５％）は３δ内を流れる。

表皮効果は磁束集中器やさやと同様にコイルにも生じる（渦電流が誘導発生する場合）。材料自身が誘導加熱される応用例において、表皮効果もまた材料の誘導加熱速度に影響を与え得る。従って、キュリー温度と表皮効果の両方が部材部品と材料の相対加熱速度に影響を与えることになる。

図５に戻れば、コイルに電源電圧電位を印加して増加する電流がコイルに流れるようにすることにより加熱プロセスが開始される。コイル内の電流の流れはコイルを通る電流に比例する磁界をコイルの周りに発生させる。磁界が大きくなるにつれ、それは周囲の材料、即ち誘電体、磁束集中器、さや及び材料と交差する。

さやと磁束集中器は強磁性であるので、磁界はこれらの材料を自由に流れ、渦電流がその中を流れるようにする。渦電流は隣接するコイルターン内の渦電流の方向と対向する円周方向に流れる。磁束集中器は開電流ループを有するので、如何なる経路を通る正味の電流も比較的小さい。しかしながら、さや内の電流路は円周方向に閉じられ、渦電流はその中を自由に流れ、さやを誘導加熱する。さや内の渦電流は抵抗を受けて前に述べられたように流路の断面積と材料特性に従って流れる。

コイル内の電流もまた抵抗を受け、熱を生じる。コイルの温度がそのキュリー点より低いときは、実効断面積は非常に小さく、コイルの外周領域に制約される（表皮効果により）。しかしながら、コイルがキュリー点に到達したときは、表皮効果は大きく減少し、電流が流れる断面積は対応して増加し、従って抵抗と、コイル内に発生する熱の割合とを減少する。こうして、そのキュリー点に到達する前に、コイルはより速い速度で加熱する。

材料の温度はさやからの熱の熱伝導に完全に依存する。従って、材料の温度は常に加熱中のさやに遅れ、安定状態においてわずかに冷たい。

磁束集中器の温度は、渦電流が最小であると仮定して、コイルから磁束集中器への熱の伝導に実質的に依存する。磁束集中器は本実施例ではコイルに完全に囲まれるので、コイル内に発生したいくらかの熱がさやと材料に外側に伝達されると仮定すれば、それは安定動作時のコイルより暖かいであろう。磁束集中器をそのキュリー点未満に保ってコイルとさやの誘導結合を最大にすることが好ましい。磁束集中器がそのキュリー点に到達しなければ、それは本質的にコイルの周りの磁気ループを開き、さや内の渦電流を実質的に減少し、従ってさやと材料の温度を低下させる。しかしながら、この効果は材料の加熱速度を低下させるための一定の温度サイクルプロセスに有用であるかもしれない。

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。

外側強磁性さやの内側にある内部誘導コイルと誘電絶縁体を示す部分欠切図を含む、発明の一つの実施例によるプローブヒータの模式図である。 インダクタコイルの径方向内部に設けられた磁束集中器をさらに含む、発明の一つの実施例によるプローブヒータのもう一つの実施例の拡大部分欠切図である。 ゲート領域に隣接して形成されたプラグを溶解するためのプローブヒータの使用を図解する、射出成形システムのゲート端に設けられた、図１に示されるものに類似するローブヒータの模式的断面図である。 発明の一つの実施例を図解する、特定の成形サイクルに対する電力及び温度曲線（時間経過による）を示す。 ヒータ部材の一つの実施例のそれぞれのコイル、さや及び磁束集中器の加熱速度変動及び安定状態温度、及び加熱される材料のそれを示す温度曲線（時間に対する）である。

Claims (22)

1. 通路内に配置された材料に温度サイクルを与えて流動状態と非流動状態の間で前記材料の状態を修正する方法であって、
   前記通路内の前記材料中に内部誘導加熱部材を設けるステップと、
   前記部材と前記材料の少なくとも一方内に磁束を発生させる信号を前記部材に供給し、前記磁束が前記部材及び／又は前記材料の誘導加熱を発生させるステップと、
   流動状態と非流動状態の間で前記材料の状態を修正するステップを含む、前記通路内の前記材料の所望の温度サイクル速度を生じるように前記信号を調整するステップと
   を含む方法。
2. 前記非流動状態が物理的に剛性の状態と半剛性の状態の一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記流動状態が半固体状態と液体状態の一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記加熱部材が前記材料に接触して設けられた外部さやと、前記さやに誘電結合された内部コイルとを含み、前記さやと前記材料の一方または両方内に磁束を発生させるために前記信号が前記コイルに供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記加熱部材がさらに、前記コイルと前記さや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４に記載の方法。
6. 前記コイルから前記さやへの熱伝達を可能にするために前記コイルとさやが熱的に連通していることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記通路が外側要素内に設けられ、温度サイクルが前記材料から前記外側要素への熱の伝導伝達による前記材料の冷却を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記材料が金属とポリマの一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記材料が導電性、強磁性、非導電性、熱絶縁性、及び熱伝導性材料の一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. コイル温度を動作限界内に維持するために前記コイルとさやが前記コイルの加熱を最小にするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記信号が前記コイル内に高周波高調波を供給する電流パルスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記さや及び／又は前記材料の所望の誘導加熱速度を与えるために前記コイルとさやの一つ以上のキュリー温度を選択するステップを含む請求項４に記載の方法。
13. 前記さや及び／又は前記材料の所望の誘導加熱速度を与えるために前記コイル、さや及び磁束集中器の一つ以上のキュリー温度を選択するステップを含む請求項５に記載の方法。
14. コイル動作温度において導電性及び常磁性であるコイル材料を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
15. さや動作温度において導電性、熱伝導性及び強磁性であるさや材料を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
16. 磁束集中器動作温度がそのキュリー点より低い磁束集中器を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
17. 誘電体動作温度において電気絶縁性、熱伝導性及び常磁性である誘電体材料を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
18. 前記通路が融液分配システム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。
19. 前記通路がゲートに融液供給することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記融液分配システムが多数のゲートに融液供給する多数の通路を含み、温度サイクルが前記多数のゲートに対して並列に実行されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 内部コイルと、
    前記コイルに誘導結合された外部さやと、
    前記コイルと前記さやの間に設けられた誘電体材料と、
    前記さや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
    を備える誘導加熱部材であって、
    前記コイルのキュリー温度が前記材料の動作温度より低く、前記さやのキュリー温度が前記材料の前記動作温度より高い
    ことを特徴とする誘導加熱部材。
22. 前記部材が磁束集中器を含み、前記磁束集中器のキュリー温度が前記磁束集中器の動作温度より高いことを特徴とする請求項２１に記載の部材。