JP2015517715A - 加熱体を誘導加熱するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ低コストで加熱体の温度を決定することを可能にする装置および方法を提供する。【解決手段】共振回路（３）に接続された誘導コイル（２）を備え、誘導コイル（２）により生成される磁界（１）を用いて加熱体（４）を誘導加熱するための装置において、前記共振回路（３）が少なくとも１つの第１のコンデンサ（６）と少なくとも１つの第１の電流源（９）とを有し、前記コイル（２）が固有インダクタンス（８）と抵抗（７）とを有し、かつ、前記加熱体（４）の材料が少なくとも部分的な温度範囲において実質的に一定不変の透磁性を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、特に、共振回路に接続された誘導コイルを備え、誘導コイルにより生成される磁界を用いて加熱体を誘導加熱するための装置、および加熱体の温度を決定するための方法に関する。

誘導によって導電性材料を加熱することができる。この加熱は、誘導コイルにより生成される磁界の中に導電性材料を導入することで行われる。その際、磁界は交流電流によって生成され、従って、交流電流の周波数で磁界の極性反転が生じる。

この交番磁界によって渦電流が導電性材料内に誘導される。これらの誘導された交流電流は材料の固有抵抗に抗して作用し、これにより熱が生成される。

その際、この誘導は、加熱を経ない非導電性材料を通して行うことも可能である。取り囲んでいる非導電性材料の加熱は、導電性材料の熱放射によってしか生じ得ない。

誘導による加熱は、今日、多くの用途に見ることができる。最もよく見られる産業上の用途は、例えば、金属の焼きなまし、焼き戻し、溶融または溶接である。しかしまた、家庭用の技術においても、例えば電磁誘導調理器に誘導加熱は見受けられる。

誘導加熱は、さらにまた、加熱体の周囲を流動する流体を加熱するためにも用いられる。誘導加熱は、比較的高い効率で電気エネルギーを熱に変換することができるので、特に、電気車両における水の循環に用いることに適している。このことは特に有利である。なぜなら、電気車両の場合、内燃機関の廃熱が発生せず、従って、廃熱を例えば乗客用内部スペースの加熱に利用することができないからである。

誘導加熱の熱出力を意図的に調節でき、かつ、前記誘導加熱が過加熱されないことを保証できるようにするためには、誘導加熱される加熱体の温度を正確に決定できることが必要である。これに関して、従来技術において様々な方法が公知である。

とりわけ、物体の温度は温度センサによって検知することができる。これらの温度センサは、直接前記物体上に設置しておくこと、または前記物体におけるヒートブリッジに接触した状態で固定しておくことが可能である。これらの温度センサは、例えばセンサの抵抗が温度に依存して変化するという原理に従って動作する。しかしその際、センサまたはヒートブリッジを付加的な部材として用いなければならず、そのためにコストが発生し、また構造スペースも必要とされる。

さらにまた、光学式の温度測定装置も公知であり、これらの装置は、光学的方法を介して無接触で温度を決定する。光学的方法を用いることができるためには、測定されるべき領域が見通し可能であり、また最も好都合には、アクセス可能でもなければならない。しかし、これは必ずしも可能ではない。

また、誘導により加熱される加熱体の温度の決定は、材料における温度依存性の透磁特性を利用する方法によっても行われる。この方法は、例えば特許文献１に開示されている。

この方法の短所は、特に、当該用途にとって重要な温度範囲において一定不変の透磁性を有する材料に対しては利用できないことであり、従って、材料の選択が制限され、また、特定の材料・温度範囲の組み合わせでしか前記方法は利用できない。

従来技術に係る公知の方法全てにおいて、温度の決定を実施できるためには付加的な構成要素が必要とされるか、あるいは、測定されるべき個所に対する十分なアクセス性が必要とされる。

独国特許発明第４２３８８６２号明細書（２次公報）

従って、本発明の課題は、加熱体を誘導加熱するための装置、および加熱体の温度を決定するための方法であって、付加的な構成要素と加熱体のアクセス可能性に関する要件とを必要とせず、簡単かつ低コストで加熱体の温度を決定することを可能にする装置および方法を提供することである。

本発明の上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置、および請求項７に記載の特徴を有する高温経路制御による方法に基づいて解決される。本発明の有利な実施態様が従属請求項に記載されている。

有利には、特に、共振回路に接続された誘導コイルを備え、誘導コイルにより生成される磁界を用いて加熱体を誘導加熱するための装置であり、前記共振回路は少なくとも１つの第１のコンデンサと少なくとも１つの第１の電流源とを有し、前記コイルは固有インダクタンスと抵抗とを有し、かつ、前記加熱体の材料は少なくとも部分的な温度範囲において一定不変の透磁性を有する。

また、有利であるのは、前記共振回路が交流電流で駆動可能な場合である。これにより、交流電流の周波数に従って極性反転する磁界が形成され、この磁界を介して交流電流が前記加熱体の中に誘導される。

また、好都合であるのは、前記コンデンサが前記電流源と前記誘導コイルとに直列に接続されている場合である。

さらに、有利であるのは、前記加熱体の材料が温度依存性の電気伝導度を有する場合である。前記材料の抵抗と前記電気伝導度とは逆比例の関係にあるので、前記電気伝導度を介して前記材料の抵抗を算定することができる。本発明に係る方法の場合、前記加熱体が温度依存性の抵抗を有している必要がある。

さらに別の好ましい実施形態では、前記共振回路が、前記共振回路の共振周波数を決定するための少なくとも１つの第１の測定機構を有し、および／または前記共振回路の電力消費量を決定するための第２の測定機構を有する。

さらにまた有利であるのは、前記装置が、前記加熱体の温度依存性の抵抗を測定するための少なくとも１つの第３の測定機構を有する場合であり、この場合、前記抵抗から前記加熱体の温度を確定することができる。

最終的に、前記加熱体の抵抗を介して、前記加熱体の温度を導出することができる。

また好都合であるのは、前記加熱体の前記温度依存性の抵抗が例えば特に算定されることで確定される場合であり、この場合、前記抵抗から前記加熱体の温度を確定することができる。

前記方法に関して有利であるのは、加熱体の温度を決定するために前記誘導コイルのインダクタンスが前記共振回路の共振周波数を介して確定される場合、および／または前記誘導コイルの抵抗が前記共振回路の電力消費量を介して確定される場合である。

方法に関してさらにまた好都合であるのは、前記誘導コイルの前記インダクタンスおよび／または前記抵抗に基づいて前記加熱体の温度が確定される場合である。

以下、本発明について、実施例を用いて図面を参照しながら詳細に説明する。

誘導加熱部の構造を示す模式図である。 磁界を生成する誘導コイルに接続された電流回路を示す詳細図である。 実施例の各方法ステップを説明する流れ図である。

図１は誘導加熱部の基本構造を示す。そこには誘導コイル２が示されており、この誘導コイルは、交流電圧で駆動される共振回路３に接続されている。前記共振回路３の交流電圧によって前記誘導コイル２内に磁界１が生成される。前記共振回路３内には交流電流が印加されているので、前記磁界１は交番磁界であり、この交番磁界は、交流電流の周波数に従って磁界の向きを変える。

前記磁界１の中に加熱体４が導入されており、この加熱体は導電性材料から成る。前記加熱体４内に前記磁界１によって渦電流５が誘導される。前記渦電流５は前記加熱体４の固有抵抗に抗して作用するので、熱が前記加熱体４内に生じる。

このことから明らかなように、前記加熱体４を構成している前記材料は、前記加熱体４を有効に加熱できるように、ある一定の固有内部抵抗を有していなければならない。前記材料の内部抵抗が小さければ小さいほど、加熱効果は小さくなるであろう。

本発明に係る実施態様では、前記材料４が、前記誘導加熱部に関する温度範囲において一定不変の透磁性を有し、その結果、温度に依存して変化する透磁性を基礎にした温度測定方法を用いることができない。

前記加熱体４が前記誘導コイル２に対して配置されている距離は、形成される前記磁界の内部に前記加熱体が位置しているような距離でなければならない。前記加熱体４と前記誘導コイル２との間には、非導電性材料から成る他の要素を配置しておくことも可能である。

この簡単な原理に従って誘導加熱部が構成されている。前記加熱体４は、代替的な実施形態では、他の外形寸法および外形を有することも可能である。従って、原理上、前記加熱体４の前記材料を規則的に、または不規則的にどのように配置することも可能である。

図２は共振回路３を示す詳細図である。電圧源９および前記誘導コイル２のほかに、コンデンサ６が前記共振回路３に組み込まれている。前記コンデンサ６は、前記誘導コイル２と前記電圧源９とに直列に接続されている。

前記誘導コイル２は内部抵抗７とインダクタンス８とを有する。これらの２つの変数は、図２に示された前記共振回路３において、前記共振回路３の電力消費量の測定、または前記共振回路３の共振周波数の測定を介して確定できる。

この場合、特に前記共振回路３の共振周波数の測定を介して前記インダクタンス８を確定でき、前記共振回路３の電力消費量を介して前記内部抵抗７を確定できる。

図２では、前記加熱体４の内部抵抗は示されていない。この内部抵抗は、本発明に係る一実施態様では前記加熱体４の温度に依存している。前記材料の抵抗は、前記材料の電気伝導度と逆比例の関係にある。従って、前記抵抗は前記電気伝導度の逆数に一致する。

前記加熱体４における前記渦電流５の強さと分布とは前記加熱体４の内部抵抗あるいは電気伝導度に大きく依存しているので、論理的帰結として、前記抵抗の変化は、前記温度が変化することに基づいて前記渦電流５に影響を及ぼすことになる。従って、前記渦電流５の強さおよび分布も同様に温度に依存する。

一方、誘導された前記渦電流５は前記誘導コイル２の前記磁界１に作用し、これにより前記誘導コイル２の電気特性を変化させる。

前記電気特性のこの変化は、前記誘導コイル２の前記内部抵抗７と前記インダクタンス８とに関係する。従って、これらの２つの変数の変化に基づいて、前記加熱体４の電気抵抗の変化と、従ってまた、その温度とを推定することができる。

従って、前記誘導コイル２のインダクタンス８、内部抵抗７、および前記加熱体４の温度依存性の内部抵抗あるいは電気伝導度という各変数の間に、直接的な関係を確立することができる。これにより、前記誘導コイル２の前記インダクタンス８および／または前記内部抵抗７を決定することを通じて、前記加熱体４の温度を直接的に示すことが可能となる。

前記加熱体４の抵抗あるいは電気伝導度の温度依存性が十分に大きい場合、前記加熱体４の温度は、前記２つの変数の一方のみ、すなわち前記誘導コイル２のインダクタンス８または抵抗７に基づいて確定することが可能である。

図３は、加熱体４の温度を決定するための方法を説明する流れ図１０であり、ブロック１１で前記共振回路３の共振周波数が測定される。この測定は、例えば周波数カウンタを通じて行われる。次にブロック１２において、前記共振回路３の電力消費量が測定される。

さらに、ブロック１１で確定された前記共振周波数の値を用いて、前記誘導コイル２の前記インダクタンス８が確定される。これはブロック１３で行われる。

ブロック１４において、前記誘導コイル２の前記抵抗７が、ブロック１２で測定された前記共振回路３の電力消費量に基づいて確定される。

次にブロック１５において、前記誘導コイル２の前記インダクタンス８および／または前記抵抗７に基づいて、前記加熱体の温度が確定される。

この手順が基礎としていることは、前記加熱体４の温度依存性の抵抗が変化することによって前記加熱体４における前記渦電流５の発生も変化するということである。一方、前記渦電流５は前記磁界１に作用し、このことがまた前記誘導コイル２の電気特性に直接作用する。

１ 磁界
２ 誘導コイル
３ 共振回路
４ 加熱体
５ 渦電流
６ コンデンサ
７ 内部抵抗
８ インダクタンス
９ 電流源、電圧源
１０ 流れ図
１１ ブロック
１２ ブロック
１３ ブロック
１４ ブロック
１５ ブロック

Claims (9)

1. 共振回路（３）に接続された誘導コイル（２）を備え、誘導コイル（２）により生成される磁界（１）を用いて加熱体（４）を誘導加熱するための装置において、
   前記共振回路（３）が少なくとも１つの第１のコンデンサ（６）と少なくとも１つの第１の電流源（９）とを有し、前記コイル（２）が固有インダクタンス（８）と抵抗（７）とを有し、かつ、前記加熱体（４）の材料が少なくとも部分的な温度範囲において実質的に一定不変の透磁性を有することを特徴とする装置。
2. 前記共振回路（３）が交流電流で駆動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記コンデンサ（６）が前記電流源（９）と前記誘導コイル（２）とに直列に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記加熱体（４）の材料が温度依存性の電気伝導度を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記共振回路（３）が、前記共振回路（３）の共振周波数を決定するための少なくとも１つの第１の測定機構を有すること、および／または前記共振回路（３）の電力消費量を決定するための第２の測定機構を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記装置が、前記加熱体（４）の温度依存性の抵抗を測定するための少なくとも１つの第３の測定機構を有し、前記抵抗に基づいて前記加熱体の温度が確定可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記加熱体（４）の前記温度依存性の抵抗が例えば特に算定されることで確定され、前記抵抗に基づいて前記加熱体の温度が確定可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置で加熱体（４）の温度を決定する方法において、
   前記誘導コイル（２）のインダクタンス（８）が前記共振回路（３）の共振周波数を介して確定されること、および／または前記誘導コイル（２）の抵抗（７）が前記共振回路（３）の電力消費量を介して確定されることを特徴とする方法。
9. 前記誘導コイルの前記インダクタンス（８）および／または前記抵抗（７）に基づいて、前記加熱体（４）の温度が確定されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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