JP2014229395A

JP2014229395A - 誘導加熱装置

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Publication number: JP2014229395A
Application number: JP2013106303A
Authority: JP
Inventors: 侑紀夏目; Yuki Natsume
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: JP5842183B2; CN104185325B; CN104185325A

Abstract

【課題】部品の交換の手間及びコストを低減することができる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】誘導加熱電源４から供給される電力によって中間部の隙間１ａに配置した被加熱体６を誘導加熱する誘導加熱コイル１と、軸が前記加熱コイルの軸と平行であり、加熱コイルと逆方向に磁束が発生するように配置された補助コイル２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属パイプ同士をロウ付け接合する、誘導加熱装置に関するものである。

エアコンなどに用いられる熱交換器は、金属パイプ同士の接続にロウ付けが行われている。このロウ付けを行う方法として、特許文献１にあるような誘導加熱を用いたものが提案されている。特許文献１における、熱交換器の誘導加熱の様子を図９に示す。

熱交換器は、平行状に配置されたアルミニウム等からなる多数枚のプレートフィン７と、プレートフィン７と外部との境界に、プレートフィン７と平行に配置された保護用の鉄板８と、これらプレートフィン７と鉄板８とを厚さ方向に貫通するように配置された銅等からなる複数本のチューブ６ａと呼ばれる金属パイプと、前記複数のチューブ６ａ間をつなぐＵ字又はその他形状の複数の金属製継手管６ｂと呼ばれる金属パイプとで形成される。この際、チューブ６ａ内を冷媒が巡るように、チューブ６ａと継手管６ｂとは接合される。この接合方法としては、主に、ロウ付けが用いられている。

加熱コイル１は、平面視Ｕ状でかつ側面視逆Ｕ状に曲成されており、加熱コイル１の平面視Ｕ状の部分の隙間を加熱部空間として利用する。被加熱体６は、チューブ６ａと継手管６ｂと、チューブ６ａと継手管６ｂの重ね合わせ部に嵌合されたリングロウ６ｃとで構成される。ロウ付けは、被加熱体６を加熱コイル１の加熱部空間に配置した状態で、誘導加熱を行うことにより行われる。

しかし、熱交換器のロウ付けに誘導加熱を用いると、被加熱体６以外の部分が加熱されてしまうという課題がある。特に、被加熱体６と近接している鉄板８の加熱が顕著であり、鉄板８に焦げが生じるなどの品質上の不良を起こすことがある。

この原因は、コイルから発生した磁束が、被加熱体６以外に漏れ、被加熱体６以外の金属を誘導加熱するためである。

従来では、漏れ磁束を抑制するための方法として、特許文献２にあるような磁気コア１９を用いたものが提案されている。特許文献２の誘導加熱の様子を、図１０に示す。加熱コイル１は、磁気コア１９に巻き付ける形で形成される。この加熱コイル１に電流を流して磁束１０を発生させることで、金属パイプ１８を誘導加熱する。ここで、磁気コア１９には、空気よりも透磁率が高く、磁束が集中しやすい材料を用いている。これによって、加熱コイル１に電流を流して磁束１０を発生させると、磁気コア１９に磁束１０が集中するようになる。このように磁気コア１９に磁束１０を集中させることで、外部への漏れ磁束が抑制されることとなる。

特開Ｈ１０―２１６９３０号特許第４１５５５７７号

しかしながら、前記文献２のような磁気コアを用いる構成では、加熱プロセスの中で磁気コアが加熱と冷却とのサイクルにさらされ、磁気コアが破損もしくは劣化してしまう。磁気コアに用いられる強磁性材料は、耐熱温度が５００度以下のものが多く、これ以上の温度に加熱すると、物理的に破損もしくは磁気特性が劣化してしまうことがある。ロウ付けは５００度を超える温度で行われることが多く、磁気コアもこれに近い温度まで加熱されることとなる。従って、誘導加熱ロウ付けに磁気コアを用いる際は、磁気コアの破損もしくは劣化が起こりやすい。

このような高温の誘導加熱においては、磁気コアは消耗品となり、交換の手間又はコストがかかるという課題があった。

本発明は、前記の課題を解決するもので、部品の交換の手間及びコストを低減することができる、誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の誘導加熱装置は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、金属体の近傍に配置された金属パイプ形状の被加熱体を中間部の隙間に配置して、誘導加熱電源から供給される電力によって前記被加熱体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
中心軸が前記加熱コイルの中心軸と平行であり、かつ、前記加熱コイルが発生させる磁束と逆方向に磁束が発生するように配置された補助コイルとを備える誘導加熱装置を提供する。

以上のように、本発明の誘導加熱装置によれば、加熱コイルが発生させる磁束と逆方向に磁束が発生するように配置された補助コイルを備えることにより、磁気コアを用いずに被加熱体以外の金属の加熱を抑制することができ、部品の交換の手間及びコストを低減することができる。

本発明の実施形態における誘導加熱装置の概略斜視図本発明の実施形態の誘導加熱装置の平面図における、加熱コイルと補助コイルのそれぞれが発生させる代表的な磁束の分布の図本発明の実施形態の誘導加熱装置の右側面図における、主として、鉄板上での加熱コイルと補助コイルのそれぞれが発生させる磁束の向きの図解析におけるコイルの寸法の定義を示す図解析におけるコイル同士の為す角度の定義を示す図加熱コイルと補助コイルのそれぞれの軸の間の距離と、鉄板の温度との関係を示したグラフコイル同士が為す角度と、鉄板の温度との関係を示したグラフ補助コイルの幅と、鉄板の温度との関係を示したグラフ補助コイルの巻き数と、鉄板の温度との関係を示したグラフ本発明の実施形態における直列コイルを用いた誘導加熱装置の概略斜視図従来の誘導加熱装置の概略構成図従来の磁気コアを用いた誘導加熱装置の概略構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の実施形態である誘導加熱装置３０を示す。

誘導加熱装置３０は、加熱コイル１と、補助コイル２と、誘導加熱電源４とを備えて構成される。誘導加熱電源４は、加熱コイル１用第１誘導加熱電源４Ａと補助コイル２用第２誘導加熱電源４Ｂとに２つ用意する。

誘導加熱装置３０で加熱される被加熱体６を有する対象物の一例としての熱交換器は、被加熱体６とプレートフィン７と保護用の鉄板８とで構成される。

プレートフィン７と鉄板８とは平行であり、プレートフィン７の最上面に鉄板８が配置される。鉄板８は金属体の一例である。

被加熱体６は、チューブ６ａと継手管６ｂと、その重ねあわせ部にリングロウ６ｃを配置したものであり、金属パイプ形状の被加熱体の一例である。チューブ６ａは、プレートフィン７と鉄板８とに直交して突き刺さる形で配置される。継手管６ｂは、チューブ６ａ同士を繋ぎ合わせるものであるが、図中では繋ぎ合わせ部を省略する。

第１誘導加熱電源４Ａは、ケーブル５ａを介して加熱コイル１に電力を供給する。

もう一つの第２誘導加熱電源４Ｂは、ケーブル５ｂを介して補助コイル２に電力を供給する。このとき、２つの第１及び第２誘導加熱電源４Ａ，４Ｂの電流の位相は、互いに一致するように設定する。

加熱コイル１は、ソレノイドコイルの中間部に被加熱体６を設置できるように隙間１ａを設けたものである。加熱コイル１は、加熱コイル１の中間部の隙間１ａ内に、被加熱体６が挿入されるように配置する。

補助コイル２は、ソレノイドコイルである。補助コイル２は、補助コイル２の中心軸２ｂと加熱コイル１の中心軸１ｂとが平行になるように配置する。また、補助コイル２は、加熱コイル１が発生させる磁束１０の向きと逆向きの磁束１１を発生させるように配置する。補助コイル２は、加熱コイル１と同様の部材を使用することができる。

前記構成の誘導加熱装置３０は、以下のように動作する。

まず、加熱コイル１を、加熱コイル１の中間部の隙間１ａ内に、被加熱体６が位置するように配置する。

その後、２つの第１及び第２誘導加熱電源４Ａ，４Ｂを通電し、加熱コイル１と補助コイル２とに高周波電流を通電する。

加熱コイル１と補助コイル２とのそれぞれに通電することで、それぞれのコイル１，２から磁束１０，１１が発生する。これらの磁束１０，１１によって、被加熱体６は誘導加熱される。被加熱体６の温度がリングロウ６ｃのロウ材の融点を超えると、リングロウ６ｃは溶融する。

リングロウ６ｃが溶融した後に、２つの第１及び第２誘導加熱電源４Ａ，４Ｂの通電を停止する。

その後、リングロウ６ｃが冷却されることで、リングロウ６ｃが固まり、被加熱体６を構成するチューブ６ａと継手管６ｂとが接合されることとなる。

補助コイル２は、加熱コイル１から被加熱体６以外へと漏れた磁束を打ち消す作用を持つ。これについて、以下、説明を行う。

加熱コイル１と補助コイル２との両者が発生させる磁束１０，１１のうちの代表的な磁束１０，１１の例の様子を図２Ａに示す。太い点線で示す矢印が電流９を表す。この電流９が加熱コイル１と補助コイル２とに流れた際に、加熱コイル１が発生させた磁束のうちの代表的な磁束１０を太線で示し、補助コイル２が発生させた磁束のうちの代表的な磁束１１を細線で示す。

加熱コイル１が発生させた磁束１０と補助コイル２が発生させた磁束１１との分布に着目する。加熱コイル１と補助コイル２との外部を見てみると、加熱コイル１が発生させた磁束１０と補助コイル２が発生させた磁束１１とは逆向きであることがわかる（例えば、下記の図２Ｂの鉄板８上を参照）。ここから、加熱コイル１と補助コイル２との外部では、それぞれの磁束１０，１１が互いに弱めあっていることがわかる。鉄板８の近傍の磁束の分布を確認するために、図２Ａの右側面図における磁束の分布を図２Ｂに示す。鉄板８の近傍においても、加熱コイル１が発生させた磁束１０と補助コイル２が発生させた磁束１１とは逆向きであり、互いに弱めあっていることがわかる。なお、図２Ａ及び図２Ｂ共に、空間に分布する磁束を分かりやすく示すため、被加熱体は省略している。

このように、補助コイル２を用いることで、磁気コアを用いずに、被加熱体６以外への漏れ磁束を抑制し、鉄板８の加熱を抑制することができる。

ここで、補助コイル２の形状と配置とについて説明を行う。

補助コイル２の形状と配置とについて、解析を用いて、より良い条件の導出を行った。解析には、解析シミュレーションソフトウェアＦｅｍｔｅｔ（登録商標）（ｖｅｒ．１１．１）（ムラタソフトウェア株式会社）を用いている。

解析で使用した、解析モデルを示す。

解析モデルは図１と等価になるように構成した。ただし、鉄板８の温度が課題であるため、被加熱体６とプレートフィン７とは除外して解析を行っている。鉄板８の焦げの影響は、加熱コイル１の中間部の隙間１ａの直下で顕著である。そこで、この部分の鉄板８の温度について解析を行っている。

図３Ａ及び図３Ｂを用いて、解析に用いた加熱コイル１と補助コイル２との形状と配置とについて説明をする。

図３Ａは、図１に示した誘導加熱装置３０の平面図である。ここに、加熱コイル１の幅をＷ_１で示し、補助コイル２の幅をＷ_２で示し、加熱コイル１のコイル直径をＤ_１で示し、補助コイル２のコイル直径をＤ_２で示し、コイル１，２間の距離をＬで示し、加熱コイル１の線材の直径をｄ_１で示し、補助コイル２の線材の直径をｄ_２で示す。加熱コイル１の幅Ｗ_１は、コイル１の線材も含んだ加熱コイル１の幅を表しており、その幅は一例として２６ｍｍである。補助コイル２の幅Ｗ_２は、コイル２の線材も含んだ補助コイル２の幅を表しており、その幅は一例として１６ｍｍである。加熱コイル１のコイル直径Ｄ_１は、加熱コイル１を構成するソレノイドの、コイル線材も含んだ直径の寸法であり、その直径は一例として１６ｍｍである。補助コイル２のコイル直径Ｄ_２は、補助コイル２を構成するソレノイドの、コイル線材も含んだ直径の寸法であり、その直径は一例として１６ｍｍである。コイル１，２間の距離Ｌは、加熱コイル１の中心軸１ｂと補助コイル２の中心軸２ｂとの間の距離であり、その距離は一例として１７ｍｍである。加熱コイル１の線材の直径ｄ_１は、一例として２ｍｍである。補助コイル２の線材の直径ｄ_２は、一例として２ｍｍである。加熱コイル１は、中間部の隙間１ａに被加熱体６が位置するように配置する。加熱コイル１は、一例として、被加熱体６の両側に３巻きずつコイルを巻いており、合計６巻きのコイルとする。また、補助コイル２の巻き数は一例として６巻きである。

一例として、加熱コイル１の中心軸１ｂと補助コイル２の中心軸２ｂとのそれぞれに垂直に交わる直線３１と、チューブ６ａの中心軸３２とが為す角度を、コイル１，２同士が為す角度θと定義する。図３Ｂは、図１に示した誘導加熱装置３０の右側面図であるが、ここに示す角度が、コイル１，２同士が為す角度θである。解析では、この角度θが９０度となるように設定する。

一例として、鉄板８は長辺５００×短辺１５０×厚さ１ｍｍであり、加熱コイル１の中心軸１ｂと鉄板８との距離が１５ｍｍとなるように配置する。

一例として、第１及び第２誘導加熱電源４Ａ，４Ｂから加熱コイル１と補助コイル２とにそれぞれ独立して供給する電流は４００Ａとし、両者の位相は一定になるように設定する。

一例として、鉄板８の材料はスズメッキが施された鉄であり、４００度よりも温度が上昇すると焦げが生じる。従って、鉄板８の温度が４００度以下となる条件が好ましい条件であるといえる。また、加熱時の余裕をみて、鉄板８の温度が３００度以下となることがより好ましい。そこで、解析モデル中のパラメータを変動させた際の、鉄板８の温度を調べ、その温度が４００度以下及び３００度以下となる補助コイル２の条件を導出する。

解析に用いるパラメータは４つであり、それぞれ、加熱コイル１と補助コイル２とのコイル間の距離Ｌと、コイル１，２同士の為す角度θと、補助コイルの幅Ｗ_１と、補助コイル２の巻き数とである。これらのパラメータについて、それぞれ解析を行い、補助コイル２の最適点の導出を行った。

まず、加熱コイル１と補助コイル２とのコイル間の距離Ｌと、鉄板８の温度との関係を解析した結果を図４に示す。

図４から、鉄板８の温度が４００度以下となるのは、加熱コイル１と補助コイル２の距離Ｌが２５ｍｍ以下であることがわかる。また、鉄板８の温度が３００度以下となるのは、加熱コイル１と補助コイル２の距離Ｌが１８ｍｍ以下のときである。また、加熱コイル１と補助コイル２とが接触しないようにするため、加熱コイル１と補助コイル２の距離Ｌは１６ｍｍより大きくする。

以上から、加熱コイル１と補助コイル２の距離Ｌは２５ｍｍ以下でかつ１６ｍｍより大きいことが好ましく、１８ｍｍ以下でかつ１６ｍｍより大きいことがより好ましい。

次に、コイル同士の為す角度θと、鉄板８の温度の関係を解析した結果を図５に示す。

図５から、鉄板８の温度が４００度以下となるのは、角度θが７０度以上であることがわかる。また、鉄板８の温度が３００度以下となるのは、角度θが８５度以上のときである。また、補助コイル２と鉄板８が接触しないようにするため、コイル同士の為す角度θは９０度以下とする。

以上から、コイル同士の為す角度θは７０度以上でかつ９０度以下が好ましく、８５度以上でかつ９０度以下であることがより好ましい。

補助コイルの幅Ｗ_２と、鉄板部８の温度の関係を解析した結果を図６に示す。

図６から、鉄板８の温度が４００度以下となるのは、幅Ｗ_２が３０ｍｍ以下であることがわかる。また、鉄板８の温度が３００度以下となるのは、幅Ｗ_２は２２ｍｍ以下のときである。また、補助コイル２の幅Ｗ_２は、補助コイル２を十分密に巻いたときの幅よりも大きくなる必要があり、本実施形態の具体的な一例では、補助コイル２の線材の直径ｄ_２が２ｍｍであり、コイルの巻き数が６巻きであるため、補助コイル２を十分密に巻いたときの補助コイル２の幅は１２ｍｍとなる。

以上から、補助コイルの幅Ｗ_２は、３０ｍｍ以下でかつ１２ｍｍより大きいことが好ましく、２２ｍｍ以下でかつ１２ｍｍより大きいことがより好ましい。

最後に、補助コイル２の巻き数と、鉄板８の温度の関係を解析した結果を図７に示す。

図７から、鉄板８の温度が４００度以下となるのは、巻き数が５巻き以上２１巻き以下であることがわかる。また、鉄板８の温度が３００度以下となるのは、巻き数が６巻き以上２０巻き以下のときである。加熱コイル１の巻き数が６巻きであることから計算すると、補助コイル２の巻き数は、加熱コイル１の巻き数の０．８５倍以上３．５倍以下が好ましく、１倍以上３．３倍以下であることがより好ましいということがわかる。

かかる構成によれば、加熱コイル１に加えて、加熱コイル１が発生させる磁束１０と逆方向に磁束１１が発生するように配置された補助コイル２を設置することにより、磁気コアを設けずとも、漏れ磁束を抑制することができる。これによって、消耗品となる磁気コアが不要となり、部材の交換の手間とコストとを低減することができる。

なお、加熱コイル１と補助コイル２とは直列に接続してもよい。以下、加熱コイル１と補助コイル２とを直列に接続したコイルを、直列コイル３と呼ぶ。図８に、直列コイル３を用いた誘導加熱装置３０Ｂの概略図を示す。

誘導加熱装置３０Ｂは、加熱コイル１と補助コイル２とを直列に接続した直列コイル３と、単一の誘導加熱電源４とを備えて構成される。熱交換器は、被加熱体６とプレートフィン７と鉄板８とで構成される。

誘導加熱装置３０Ｂで加熱される被加熱体６を有する対象物の一例としての熱交換器は、前述したものと同様のものである。

直列コイル３は、加熱コイル１と補助コイル２とを直列に接続して構成される。なお、加熱コイル１と補助コイル２との形状と配置については、前述の通りである。

誘導加熱電源４は、直列コイル３の端部にケーブル５を介して接続され、高周波誘導電力を直列コイル３に供給する
前記構成の誘導加熱装置３０Ｂは、以下のように動作する。

まず、直列コイル３を、加熱コイル１の中間部の隙間１ａに被加熱体６が位置するように配置する。

その後、誘導加熱電源４を通電し、直列コイル３に電力を通電する。

高周波電流は、直列コイル３の加熱コイル１と補助コイル２とに磁束１０，１１をそれぞれ発生させる。これ以降は、先の説明と同様の動作となる。補助コイル２は、加熱コイル１が発生させた磁束１０を打ち消す効果を持つ。加熱コイル１によって発生した磁束１０により、被加熱体６が誘導加熱される。これによって、リングロウ６ｃが溶融され、それを冷却することで、被加熱体６を構成するチューブ６ａと継手管６ｂとが接合されることとなる。

図１に示すような、加熱コイル１と補助コイル２とに別々の電源４Ａ，４Ｂから電力を供給する構成においては、誘導加熱電源４Ａ，４Ｂが２つ必要となり、設備のコストが大きくなってしまうという問題があった。また、２つの誘導加熱電源４Ａ，４Ｂが同じ位相になるように制御を行う必要もあった。

かかる構成によれば、加熱コイル１と補助コイル２とを直列に接続することで誘導加熱電源４を１つにすることができ、設備コストの問題と制御の問題とを解決することができる。また、図１に示す構成と同様に、磁気コアを設けずとも、漏れ磁束を抑制することができ、これによって、部品の交換の手間とコストとを低減することもできる。

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の誘導加熱装置は、部品交換の手間とコストを低減する効果を有し、エアコンなどに用いられる熱交換器の金属パイプのロウ付けの用途に適用できる。また、本発明の誘導加熱装置は、金属パイプの焼入れ等の金属パイプの加熱の用途にも適用できる。

１加熱コイル
２補助コイル
３直列コイル
４，４Ａ，４Ｂ誘導加熱電源
５，５ａ，５ｂケーブル
６被加熱体
６ａチューブ
６ｂ継手管
６ｃリングロウ
７プレートフィン
８鉄板
９電流
１０加熱コイルが発生させた磁束
１１補助コイルが発生させた磁束
１８金属パイプ
１９磁気コア
３０誘導加熱装置
３１加熱コイルの中心軸と補助コイルの中心軸とのそれぞれに垂直に交わる直線
３２チューブの中心軸
Ｄ_１加熱コイルのコイル直径
Ｄ_２補助コイルのコイル直径
Ｌコイル間の距離
Ｗ_１加熱コイルの幅
Ｗ_２補助コイルの幅
θ コイル同士の為す角度
ｄ_１加熱コイルの線材の直径
ｄ_２補助コイルの線材の直径

Claims

金属体の近傍に配置された金属パイプ形状の被加熱体を中間部の隙間に配置して、誘導加熱電源から供給される電力によって前記被加熱体を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
中心軸が前記加熱コイルの中心軸と平行であり、かつ、前記加熱コイルが発生させる磁束と逆方向に磁束が発生するように配置された補助コイルとを備える誘導加熱装置。
前記誘導加熱コイルの前記中心軸と前記補助コイルの前記中心軸との距離が、２５ｍｍ以下でかつ１６ｍｍより大きい請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記誘導加熱コイルの前記中心軸と前記補助コイルの前記中心軸とに直交する直線と、前記被加熱体の中心軸との為す角度が、７０度以上でかつ９０度以下である請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
前記補助コイルのコイル幅が、３０ｍｍ以下でかつ１２ｍｍより大きい請求項１〜３のいずれか１つに記載の誘導加熱装置。
前記補助コイルの巻き数が、前記加熱コイルの巻き数の０．８５倍以上３．５巻き以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の誘導加熱装置。
前記加熱コイルと前記補助コイルとが直列に接続され、１つの誘導加熱電源から電力を供給する請求項１〜５のいずれか１つに記載の誘導加熱装置。