JP2016520249A - ヒーター装置および制御可能な加熱プロセス - Google Patents

Abstract

制御可能な加熱のための装置が提供され、装置は、電源に接続された少なくとも１つのコイルユニット（１１１）を含む少なくとも１つのコイルシステム（１１０）を備え、コイルユニット（１１１）は、磁場を生成するように配置される。装置は、少なくとも部分的に前記コイルユニット（１１１）の周りに配置された少なくとも１つの電流導体（１２０）と、少なくとも１つの素子（１３０）と、をさらに備え、素子（１３０）は、加熱されるように構成され、電流導体（１２０）に接続され、電流導体（１２０）と素子（１３０）とが、閉じたコンジットを形成するようになっている。コイルユニット（１１１）の磁場は、電流導体（１２０）と素子（１３０）とに電圧を誘起するように配置され、誘起電圧は、閉じたコンジットに電流を生成し、素子（１３０）は、電流によって加熱されるように構成される。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、均一なおよび／または制御された、ワークピース、ツール、または表面の加熱プロセスに関する。

今日、ツール表面の急速加熱を達成するための２つの代替技術がある。誘導加熱および抵抗加熱である。これらの方法は、ツールの最外層を加熱することだけに基づき、それは従って適切な金属または複合材料で構成される。ツールの他の部分は、支持構造が必要な場合、別の材料で構成されてもよい。加熱の迅速性は、ツールの加熱される体積を実質的に減少させることによって達成される。しかしながら、技術が産業的に使用できるように、加熱は表面全体の均一なまたは制御された温度で行われることが必要である。それは今日、公知の技術では、不可能である。

一般的な誘導加熱
誘導加熱は、コイル駆動高周波電流によってワークピースに接触せずにエネルギーが伝達されることによって特徴付けられ、コイル駆動高周波電流は、順にワークピースに電流を誘導する磁場を生じさせる。コイルは、効率を高めるため、および加熱が望まれるところに効果を集中させるために、ある種の軟磁性コア（例えば鉄粉複合材）（ＳＭＣ）またはフェライトで囲まれることが多い。その結果は、急速で効率的な加熱を達成できるシステムであるが、それはより大きな領域にわたって均一に加熱することに大きな困難を伴い得る。加熱プロファイルを一定にする多くの解決策があり、全てその不都合な点および制限を有する。例えば、材料の熱伝導が著しくなるように厚いワークピースを加熱する、加熱コイルに対してワークピースを連続移動させる、または非常に低い効率でコイルを使用する、およびコイルとワークピースとの間の距離に対して厳格な要件を有する、である。従来の誘導加熱によって達成できる典型的な加熱パターンが、図１５ａ‐１５ｃに示されている。

一般的な抵抗加熱
抵抗加熱は、フィラメントランプのフィラメントと同じように、熱くなるワークピースを通じて大電流が送られるように作用する。材料および形状の選択に応じて、それは非常に大きな電流を要し、局部的過熱が容易に生じ得る電気接点の問題を引き起こし得る。均一な加熱を達成するために、それは、２つのエッジまたはラインに沿った十分な電気接点と、２つの接続ライン間の距離全体に沿った電流のための一定領域と、の両方を必要とする。図５ａ参照。その方法は、最高温度または総合効果の観点から見て良好な制御性を有するが、効果の幾何学的制御に欠け、従って例えば接触端の幾何学的負荷変動を補償しないことがある。プロセスが要求する場合に局所的により多くの効果を提供することも、不可能である。電流の周波数に応じて、動作領域および温度の一様性が影響を受け、高周波は、望ましくないエッジまたはコーナー効果をもたらし、図１５ｂ（不均一な熱）、低周波は、ワークピース全体に熱を供給し、著しく高い電流および低い電圧を必要とする表面にだけではない。図５ａおよび５ｂは、ツールの断面が一定でない場合に生じる問題を示す。加熱される体積は、例えばシートであってもよく、電流は、上縁および下縁に沿って２つの電極（接続ライン）の間で伝達される。ツールの体積が最小であれば、温度は最高になる。この問題は、複曲面を加熱するときにも生じる。

周囲コイルを有する円筒状物体またはパイプを均一に加熱するための公知で確立された技術がある。例えば特許文献１参照。この文献は、複数の平行で円筒状のコイルを開示し、コイルは、均一で制御可能な加熱を達成できるように配置および駆動される。しかしながら、その不都合な点は、加熱される物体は、閉じた形状、すなわち、ロッド、パイプまたは外形を有する必要があることである。平面または曲面などの閉じていない形状を加熱すること、またはワークピースの一部のみを正確に加熱することは、この技術では不可能である。全ての電流が同じポイントで始まって終わらなければならないからである。その周囲コイルは、満足できる動作をするために、ワークピースと直接接続して配置されることも必要である。

米国特許第５０５９７６２号明細書

従来の技術は、大きいツール量を加熱することに基づき（熱油、浸漬ヒーター等で）、熱伝導は、均一な温度を達成できる前に生じなければならず、それは、多くの時間とエネルギーを必要とし、従って費用がかかる。

本発明の発展形は、例えば産業用途向けの表面の、迅速な、効率的な、および制御された加熱の一般的必要性に対応する。表面の例は、ポリマー材料をプレスするためのツール表面であってもよく、表面全体にわたって均一に加熱する必要性があり、急速に加熱および冷却する可能性もある。本発明の目的は、従来技術に対して改善をもたらすことである。この目的は、別記独立請求項に定められる技術によって達成され、特定の実施形態が、従属請求項に記載されている。

本発明の第１態様では、制御可能な加熱のための装置が提供され、装置は、電源に接続された少なくとも１つのコイルユニットを含む少なくとも１つのコイルシステムを備え、コイルユニットは、磁場を作り出すように配置される。装置は、少なくとも１つの電流導体と、少なくとも１つの素子と、をさらに備え、電流導体は、少なくとも部分的に前記コイルユニットの周りに配置され、素子は、加熱されるように構成され、電流導体に接続され、電流導体と素子とが、閉じたコンジットを形成するようになっている。コイルユニットの磁場は、電流導体および素子に電圧を誘起するように配置され、誘起電圧は、閉じたコンジットに電流を生成し、素子は、電流によって加熱されるように構成される。上記の装置は、平面、曲面、複曲面、あらゆる種類の本体、または単純または複雑な形状および寸法を有する他の物体のための、制御可能で均一な加熱プロセスをもたらす。この構成によって、関心の領域全体にわたって、素子の迅速かつ正確な幾何学的に制御可能な加熱が可能となる。

本発明の実施形態では、素子は、取り外し可能な素子であり、加熱プロセスの後に装置から取り除かれるように構成される。素子は、従ってプロセスにおけるワークピースを表すことができ、配置によって、製造における部品の非常に迅速かつ制御可能な加熱が可能となる。設定は、高い汎用性も特徴とし、単一のツールを、異なる形状を有する部品を加熱するのに使用できる。

別の実施形態では、素子は、ツール素子であり、加熱プロセス中に隣り合うワークピースを加熱するように構成される。本発明は、別の解決策に比べて著しく生産性を促進でき、多量のエネルギーを節約できる。制御可能な加熱パターンは、製造されるアイテムの高品質も確実にした。

本発明の目的および利点は、詳細な説明を読んで図面を見たときに、当業者には明らかになる。本発明の概念は、独立請求項に定められ、本発明の特定の実施形態は、従属請求項に定められる。

本発明の実施形態は、添付図面が参照されながら、以下に記載される。添付図面は、発明概念がどのように実現に移され得るかの非限定的例を示す。

本発明の第１実施形態による加熱装置の断面図である。 図１ａの加熱装置の代替実施形態の断面である。 本発明の第２実施形態による加熱装置の断面図である。 図２ａの加熱装置の透視図である。 本発明の第３実施形態による加熱装置の代替の透視図である。 本発明の第３実施形態による加熱装置の代替の透視図である。 図３ａおよび３ｂの加熱装置の断面図である。 本発明の第４実施形態による加熱装置の代替の透視図である。 図４ａの加熱装置の部分断面図である。 抵抗加熱の際に使用されるツール部を示す。 抵抗加熱プロセスの加熱結果を示す。 本発明の第５実施形態による加熱装置の透視図である。 図６ａの加熱装置の断面図である。 本発明の第６実施形態による加熱装置の断面前面図である。 図７ａの加熱装置の前面図である。 本発明の第７実施形態による加熱装置の透視図である。 図８ａの加熱素子の断面図である。 図８ａの加熱素子の断面図である。 図８ａの加熱素子の断面図である。 本発明の第８実施形態による加熱装置の透視図である。 図９ａの加熱装置の上面図である。 図９ａの加熱装置の前面図である。 図９ｃの加熱装置の側面図である。 本発明によって達成される典型的な加熱パターンを示す。 本発明によって達成される典型的な加熱パターンを示す。 本発明によって達成される典型的な加熱パターンを示す。 本発明によって達成される典型的な加熱パターンを示す。 本発明の第９実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第９実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１０実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１０実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１１実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１１実施形態による加熱装置の断面図である。 図１３ａおよび１３ｂの加熱装置の上面図である。 図１３ａおよび１３ｂの加熱装置の透視図である。 本発明の第１２実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１２実施形態による加熱装置の断面図である。 本発明の第１２実施形態による加熱装置の断面図である。 既存の加熱方法によって達成される可能な加熱パターンである。 既存の加熱方法によって達成される可能な加熱パターンである。 既存の加熱方法によって達成される可能な加熱パターンである。 本発明による加熱装置によって得られる、図１５ｂおよび図１５ｃの結果の組み合わせによって得られる均一な加熱パターンである。

図１ａおよび１ｂに関して、少なくとも１つのコイルシステム１１０を有する加熱装置１００が提供され、少なくとも１つのコイルシステム１１０は、電源（図示せず）に接続された少なくとも１つのコイルユニット１１１を含み、コイルユニット１１１は、磁場を生成するように配置される。装置は、電流導体１２０をさらに有し、電流導体１２０は、少なくとも部分的にコイルユニット１１１の周りに配置され、素子１３０は、以後電気的リターン導体またはツール部と称され、加熱されるように構成され、電流導体１２０に接続され、電流導体１２０およびリターン導体１３０が、閉じたコンジットを形成するようになっている。コイルユニット１１１の磁場は、電流導体１２０およびリターン導体１３０に電圧を誘起するように配置され、誘起電圧は、閉じたコンジット電流を生成する。リターン導体１３０は、電流によって加熱されるように構成される。コイルユニット１１０は、望ましくは軟磁性材料製であるコイルコア１１２と、コア１１２の周りに配置された巻線１１３と、を含み、コイルユニット１１１は、電源と共に磁場を作り出す。この場合、コイルシステム１１０は１つのコイルユニット１１１のみで構成されるが、後に記載される他の実施形態では、コイルシステムはいくつかのコイルユニットで構成されてもよい。コイル１１１の駆動は、適切な電源によってなされ、望ましくは電子周波数コンバータである。加えられる直流は、加熱部またはリターン電流導体とも称されるリターン導体１３０が軟磁性材料製である場合、加熱パターンに影響を与えるために使用され得るが、これは材料を局所的に磁気飽和させることによってであり、それは、表皮深さまたは浸透深さを変え、それと共に電流路および高周波電流の損失を変える。

電流導体１２０は、コイルユニット１１１の周りに部分的に配置され、十分な導電性を有する材料（例えば銅、アルミニウムまたは他の適切な導体材料）で作られ、駆動システムとしてリターン導体１３０を通じて電流を誘起するようになっており、リターン導体１３０は、リターン導体よりも著しく高い抵抗率を有する材料で構成され、例えば、ステンレス鋼、チタン、鋼、炭素繊維、または他の適切な材料である。従って、加熱は、リターン導体１３０の抵抗損失によって完全にまたは主に行われる。電流導体１２０は、リターン導体（加熱部とも称される）に接続され、損失を引き起こさずに電流を導く目的を持っている。コイルユニット１１１の目的は、電流導体１２０に電流を誘起することであり、それは次にリターン導体１３０を通じて導かれる。

リターン導体１３０の近くに、ワークピースＷが配置され、ワークピースＷは、制御された仕方でリターン導体１３０からの熱によって加熱される。図１ｂでは、代替構造が示され、互いの反対側に配置された２つのワークピースＷがある。これは、加熱装置１００の構造が、２つのリターン導体１３０ａ，１３０ｂおよび２つの電流導体１２０ａ，１２０ｂを有するので、いくらか異なることも、意味している。

従って、本発明は、コイル配置を含むインダクタ構造または誘導加熱装置と、場合により磁気コア材料と、ワークピースと、電気的リターン導体またはドライバと、を備える。この場合、素子またはリターン導体１３０は、ツール素子であり、加熱プロセス中に隣り合うワークピースＷを加熱するように構成される。装置１００は、所望の表面／本体を、それがアクティブ動作領域に配置されることなく、加熱することができる。

装置１００は、いわゆる加熱部１３０を備え、構成に応じて、それはワークピースとも称され、それはある温度を受け取るコンジットの一部を意味し、それに対してエネルギーが制御されようとしている。この表面は、プロセス（例えばプラスチック成形のための）におけるツールの一部であってもよいが、加熱されて製造されて次いで配置から切り離される物体の一部であってもよい。以下の実施形態および図２ａおよび２ｂ参照。加熱部１３０は、その最も単純な幾何学的形態でシートであり、それは図で示す最も一般的な方法である。

図１は、基本原理を示し、それは、誘導加熱の作用として望ましい加熱結果を提供し、抵抗加熱の作用が共に加えられ、適切な混合で一様で制御された加熱結果およびプロセスをもたらす。より多くのコイルを加えることにより、温度のより複雑な可制御性が達成される。本文は、「３‐コイルインダクタ実装」の段落で抵抗加熱だけの問題を以下に示す。それによって可制御性は消失し、エッジおよびコーナーの過熱が同時に現れる場合には、それは難題である。

フロー導体材料は、コイルユニット１１１内に配置され、構成の種類は「縦場」と名付けられることが多く、磁場を集中させ、効率を高めるようになっている。フロー導体材料は、周辺のために、電流導体１２０を囲むことができる、（図４ａおよび４ｂ参照）または低減された効率で省略されてもよい。

電流導体１２０が駆動システムとして働く場合、維持された効率で、従来の誘導加熱よりもコイルユニット１１１とリターン導体１３０との間の実質的に大きな距離が許容され得る。リターン導体１３０（またはツール表面）にちょうど隣り合ってスペースを作ることにより、アクティブクーラー（図示せず）を組み込むことができ、例えばツールまたは熱サイクルを変えるときに、ツールを急速に冷却できるようになっている。スペースは、加熱される表面からコイルユニットを熱絶縁するのに使用されてもよく、それは、特にリッツ線コイルなどの感温材料の組み合わせと共に、高いツール温度で重要な特徴である。スペースに組み込まれ得る素子の別の例は、マイクロメカニカルアクチュエータ、ピエゾクリスタルであり、幾何学的制御または振動支援機能のためである。抵抗と誘導の寄与を、高度な制御を使わずに適切な仕方で組み合わせるために、適切な導体材料（例えば銅またはアルミニウム）の相応の厚さのシートがスペースに配置され、それは、加熱部に影響を与える磁場を著しく弱める。図表１では、右に０．３ｍｍ厚さのアルミニウムシートが、この目的のために無視できる損失で使用されている。

図２ａおよび２ｂに関して、代替の加熱装置２００が提供され、加熱装置２００は、上記のもののようなコイルシステム２１０、電流導体２２０、およびリターン電流導体２３０を有する。この実施形態は、リターン導体２３０が、加熱プロセスの後に装置から取り除かれるように構成された取り外し可能な素子であるという点において、上記と異なる。すなわち、加熱されるリターン導体に隣り合って配置されるワークピースはないが、代わりにリターン導体または素子がワークピースである。

図３ａ‐ｃに関して、さらに別の加熱装置３００が提供される。この実施形態と２つの前述の実施形態との間の主な違いは、コイルシステム３１０がいくつかのコイルユニット３１１ａ‐３１１ｎで構成されることであり、コイルユニット３１１ａ‐３１１ｎは、それぞれ個々の駆動を有し、電力移行（負荷）と無関係にリターン導体３３０にわたって温度を制御できるようになっている。コイルシステム３１０は、任意の数のコイルユニット３１１ａ‐３１１ｎで構成できるが、ここでは５つの平行なコイルユニット３１１ａ‐３１１ｎが示されている。コイルユニット３１１ａ‐３１１ｎは、互いに平行に配置されているが、他の実施形態では、異なる仕方で配置されてもよい。

図４ａおよび４ｂは、全体に覆う電流導体４２０、またはフロー導体、コイルシステム４１０の変断面および管状またはリブ付きクーラー４４０を示す。コイルユニット４１１は、空気および気体の冷媒流路または一体型管の形状の能動冷却が追加されてもよい。

本発明のさらに別の構成が図６ａおよび６ｂに示され、複曲面を均一に加熱する基本原理が示される。半球の形状のツール表面または電気的リターン導体５３０は、銅によって作られる電流導体５２０と係合する。コイルユニット５１１の配置は、表面にわたって効果を均一に分散させる。コイルシステム５１０は、ツール表面５３０および電流導体５２０に対する相対運動（例えば回転）用に構成されてもよい。

図７ａおよび７ｂは、コイルシステム６１０の別の構造を示し、巻線６１３は、互いの上に配置され、異なる層は、１つまたはいくつかの異なる巻線であってもよく、全て別々に駆動されるこの構造は、例えば以下の実施形態で使用されることができる。図８ａ‐８ｄ参照。

図８ａ‐８ｄは、複層ヒーター、またはいくつかの層を有するヒーターであり、外コイルユニット７１１ａは、エネルギーの最大量を有するシステムを提供することができ、内コイルユニット７１１ｂは、比表面の温度を制御するのに使用することができる。すなわち、最も重要な加熱は、表面全体を覆うコイルユニット７１１ａによって行われ、他のコイルユニット７１１ｂは、均一性または熱パターンを制御するのに使用される。所定の用途のための最も良いインダクタ構造は、製造するのに合理的であるものと、所定のパワー電子制御で駆動しやすいものとのバランスである。

電流導体は、平行なワイヤ、ストライプ、または同様のもので構成されてもよく、望ましくはコイリングと組み合わせられ、最大接続を得るようになっている。異なる導体は、次いで加熱プレートで接続される。電流導体７２０は、用途に応じて、冷却水路、または例えばフランジの形状の表面拡大部が、備わっていてもよい。

図９ａ‐９ｄは、構成のさらに別の代替を示し、抵抗加熱（すなわち接続ユニット８５０ａ，８５０ｂが、制御可能な誘導加熱と平行に行われてもよい。

加熱パターンは、異なるコイルの電流の間の位相差および振幅を変えることによって制御されることができる。コイルが互いに影響し合うという作用を最小限にするために、適切なコイルが、直列または逆直列に、代替的に並列または逆並列に、接続されてもよい。可制御性を最大限にするために、コイルは、完全に互いに別々に制御される。しかしながら、異なる（同等の）インダクタからのコイルは、互いの間の変圧器容量を減少させるために接続される。電流は、望ましくはコイル間で独立しているが、磁場間の干渉は、コイルの順次駆動が良好な結果を与えるとしても、向上した可制御性をもたらし得る。いくつかのコイルがある場合、それらは、互いに上または下に配置される、混ぜ合わせられる、または任意に交わる。本発明に特有のことは、表皮深さ磁気ベクトル場を制御することによって、異なる振幅、周波数、および位相角を有する電流を組み合わせることによって、ワークピース全体を加熱するだけでなく、線または点（ピクセル）に沿って効果を与えることが可能である。それは、強力な可制御性を可能にする。図１０ａ‐１０ｄは、可能な加熱パターンの例を示し、それは無数の仕方で組み合わせられてもよい。

図１１ａ‐１１ｅの図の一連は、２次元における熱の制御のためのインダクタソリューションを示す。この実施形態の装置は、第２コイルシステム９１０ｂをさらに備え、第２コイルシステム９１０ｂは、第１コイルシステム９１０ａに隣り合って、および少なくとも部分的に第１コイルシステム９１０ａの周りに、配置される。また、電流導体９２０および／または素子９３０（またはリターン導体）は、少なくとも１つのスロット９２１ａ‐ｎ，９３１ａ‐ｎを備え、それは、電流導体９２０および／または素子９３０に電流を導くように配置される。

電流がワークピースの代わりにリターン導体に流れることを避けるために、スプリットリターン導体（図１１ａ‐１１ｅ参照）が、ある状態で必要になることがある。それは、２次元における制御に際し特に当てはまるが、図６ａおよび６ｂに示すような曲面もそうである。

図１２ａおよび１２ｂは、前述のスロット付き装置９００の代替実施形態を示すが、コイルユニット１０１１ａ，１０１１ｂの異なる内部配置を有する。

図１３ａ‐ｄおよび１４ａ‐ｃは、さらに別の実施形態を示し、インダクタ（またはヒーター）装置１１００，１２００は、コイル配置を有し、コイル配置は、３つの異なる方向に配置されたコイルユニット１１１１ａ‐ｃ，１２１１ａ‐ｃを含み、全てが、それぞれの方向に１つではなく、共通のリターン導体を含む。

電流導体とリターン導体との間の接続は、溶接、はんだ付け、ねじ込み補強、機械的接合、または他の適切な方法によって達成できる。コイルユニット間、コイルユニットとコアの間、コイルユニットとリターン導体または電流導体の間、の電気絶縁は、短絡または電気絶縁破壊を避けるために重要である。絶縁材料の例は、ニス、エポキシ樹脂、ノーメックス（登録商標）、ガラス繊維、布地、ファブリック、または他の絶縁体である。絶縁体のない構造（すなわち空気のみ）も可能である。電流導体は、より簡単な製造／分解等のために、１つまたはいくつかの場所で分割され得る、または一体であり得る。それは１つまたはいくつかの電流導体であることができ、効率、加熱結果、または複雑性を、最大限にするようになっている。

全ての記述された装置およびその実施形態は、コイルユニットとリターン導体との間の能動冷却が追加されてもよく、例えば機械のツール交換でまたは熱サイクルで、ツールを冷却できる。いくつかの代替冷却原理を用いることができるが、最も適切なのは恐らく、流れる気体または液体を通じた伝導、ペルチェ素子を通じたゼーベック効果／熱電効果による固体または液体状態から流体または気体への相間移動である。加熱／冷却概念を実行に移すことにより、温度／可制御性の均一性における著しい向上が、迅速に達成され得る。

全ての解決策は、説明に従って閉じたコンジットがあると考えられてきたが、それらのいくつかは、高透磁率を有する軟磁性コアを配置することによって電流導体なしで動作することもできる。それはコイルを同様に囲み、それは閉じたコンジット内で良好な代替でもあり得る。コア材料は、電磁フローを圧縮し、その領域の周りに加熱を集中させ、リターン電流は、非常に小さい加熱効果で寄与するだけである。コア材料は、直流電流で磁化するときにも重要である。それは、低減した加熱である領域を作り出し、コイルの数およびその形状および配置に応じて、おおよそ複雑な形状を導入することができる。コイルの不活性部は、銅、アルミニウム、または同様のものなどの良好な導体材料で有利に覆われることができ、電流インダクタンスおよびそれと共に磁化電流、および、必須ではないが、周囲磁場、を低減する。カバー材は、冷却水路、または例えばフランジなどの表面拡大部が、備わっていてもよい。

図１５ａ‐ｃは、既存の加熱方法によって達成される可能な加熱パターンであり、図１５ｄは、図１５ｂおよび図１５ｃの結果を組み合わせることによって得ることができる均一な加熱パターンである。それは、本発明による加熱装置によって得ることができる。

本発明の独自性は、以下の７つの事項に要約されることができる。
・均一な熱：公知の技術は、非常に大きなツール本体を使用して問題を解決し、熱伝導は、長時間の後に均一なヒートプロファイルになる。誘導加熱は、工学プロセスおよび食品加工業のうちの多くのプロセスにとって、エネルギー効率的な加熱技術である。しかしながら、均一な熱は、既存の誘導技術では達成するのが難しい。加熱は、導電体の直下でのみ起きるからである。この問題は、本発明によって解決される。多くのコイルの可制御性により、電気損失は、ツールプレートで希望通りのものに従って均一に分配されるからである。物体の変化する厚さ、熱放射、および負荷等の異なる幾何学的ケースは、接触抵抗と相まった大電流が問題になり得る従来の抵抗加熱だけによっては、一様なヒートプロファイルを達成することを非常に難しくする。
・不均一な負荷を有する表面の一様な加熱：表面が不均一に冷却されるとしても、またはそれが異なる厚さ断面を有しても、最初に抵抗的に加熱してゾーン誘導加熱を追加することによって、一様なヒートプロファイルを達成することができる。
・非対称または複曲面の一様な加熱：ツール表面に抵抗損失を作り出す電流を誘導的に引き起こすことによって、電流伝導領域および損失パターンは、異なる仕方で変えることができ、それは、複雑な曲面の一様なまたは制御された加熱のための条件を作り出す。
・サイクルタイム：アクティブツールプレートは非常に薄くされることができ、それは加熱される材料のボリューム（ツール）が非常に小さいことを意味する。これは、別の問題が解決され得ることを意味する。すなわち、加熱時間およびあり得る冷却時間を最小限にする。特定のプロセス（例えばラミネートのプレス）のためのサイクルタイムを短縮できることを除いて、セットアップ時間と、ツール交換および保守作業前の待機時間と、を実質的に短縮することができる。公知の技術に基づいて（例えばドリル穴に配置された電気浸漬ヒーターで）加熱されるツールは、ツール材料の体積に応じて数時間の加熱時間および冷却時間を有することがある。本発明は、典型的に１分の加熱時間および冷却時間を有する。
・組み込まれた冷却：本発明の構造は、コイルとツールプレートとの間のより大きな空隙を許容し、それは、断熱にもクーラーユニット（例えば流動水に基づく）を組み込むのにも使用することができる間隙である。これは、ツールプレートが非常に効率良く熱的にサイクル化されることを意味する。
・ツールへの統合：本発明の構造は、アクティブツールプレートが加熱ユニットの測定の外縁も形成し、プレス等用の異なる種類のツールに組み込まれるのに非常に良く適するようにしている。いわゆるインツール加熱である。構造の補強は、ユニットがとりわけ圧力を多くのプロセスで扱えるようにする。
・制御可能な加熱：表皮深さおよび磁気ベクトル場を制御することによって、異なる振幅、周波数、および位相角を有する電流を組み合わせることによって、ワークピース全体を加熱するだけでなく、開いたまたは閉じた線または点（ピクセル）に沿って効果を与えることも可能である。それは、強力な可制御性を可能にする。高い幾何学可制御性を有するための重要な特徴は、複数のコイルの使用であり、特に各コイルの電流の高度な制御と相まった異なる方向での複数のコイルの使用である。

従来の抵抗加熱に比べた利点は、とりわけ：
・好ましい動作点（ワークピースにわたってより低い電流およびより高い電圧）であり、小さい表皮深さおよびそれと共にワークピースにおける高い等価抵抗に起因する（５０Ｈｚに比べて）。０．１ｍｍよりも厚い高透過ワークピースまたは２ｍｍよりも厚い非透過ワークピースを必要とする。その改善は、損失の減少および接触抵抗の問題がより少ないことを意味する。
・熱は、ワークピース全体ではなく、主に表面にある（上記による厚さを仮定して）。
・不均一な幾何学的負荷にもかかわらず表面にわたる温度の可制御性。高周波（ｋＨｚ領域）での抵抗加熱に比べて著しく一様な温度パターン。

従来の誘導加熱に比べた利点は、とりわけ：
・全体の、平らな露出面にわたる一様な加熱であって、可動細部がない。
・維持された効率でコイルとワークピースとの間のより大きな空隙を許容する。間隙は、例えば、クーラーユニット、断熱またはビルトインアクチュエータ機能のために使える場所を作る。
・不均一な幾何学的負荷を補償する可能性。

３コイルインダクタ実装
実装または実験は、閉じた、銅ケーシングおよびスチール製のワークピースで作られる溶接構造内に、いくつかの別々の制御コイルで、ＬＦインダクタを配置することによって、表面にわたる温度は、インダクタを閉回路の外側に配置する場合と異なり、寸法内で制御されることができるという仮説を検証することについて触れる。

インダクタは、２×４．５ｍｍ、固体絶縁銅線の５＋１４＋９巻線で構成され、巻線はＳＭ^２Ｃの絶縁フローコンダクタコアの周りに１つの層で近接して巻かれている。中央のコイルはコイルと称され、脇の２つは、直列に接続されてコイルと称され、それぞれ１つが、独立電子周波数コンバータに接続され、ほぼ同じ共振周波数を有するかを確かめられる。コイルと銅ケーシングとの間の距離は０．５‐１ｍｍであり、コンジット内のワークピースとコイルとの間の空隙は約９ｍｍである。銅ケーシングとワークピースとの間の距離は、約４０ｍｍであり、一部の電流からの磁場は、他の電流に著しく影響を与えないと仮定され、それは、そうでなければ中央に増加した加熱につながる（軸方向）。

結果は、仮説が正しいことを明らかに示す。インダクタがコンジット内に配置されるとき、ヒートパターンを軸方向に制御することが可能である。（すなわち電流の方向に垂直）。代わりにインダクタがコンジットの外側に配置されると、制御する可能性は、完全に消失する。

結果は、同じ電流ループの５＋９巻線の組み合わせが、一様な加熱を達成するために最適でないことを示すが、構成は、１つの同じインダクタで異なる効果を試行できる１つの方法である。銅とスチールとの間の接合の不適切な配置によって、広範囲に厚い銅ケーシングと相まって、ワークピースが著しくおよび不必要に大体縁に沿って冷却するようになる。最適化コイルでのより良い大きさの構造は、最良の結果の２次元解決策であり、さらなる方向への影響を制御できるようにし、問題は解決される。良く作られてリターン接続された制御が、コイル間のクロスコネクションの制御と同様に、所望の結果を達成するために必要とされても、実験は、限定のない可能性を示すが、実質的な複曲面ワークピース（例えば半球）は、しかしながら新たな課題を意味する。熱拡散は、２つのコイルを手動制御する時間を有するためおよび同時に何かを燃やすのに上げることなく撮影するための比較的速度の遅いプロセスに起因して、明らかである。

最後に、発明概念は、特定の実施形態に関して上述したが、ここに記述されている特定の形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、添付の「特許請求の範囲」によってのみ限定され、上記の特定のもの以外の実施形態が、かかる別記請求項の範囲内で等しく可能である。

Claims (23)

1. 制御可能な加熱のための装置であって、電源に接続された少なくとも１つのコイルユニット（１１１）を含む少なくとも１つのコイルシステム（１１０）を備え、コイルユニット（１１１）は、磁場を作り出すように配置され、装置は、少なくとも１つの電流導体（１２０）と、少なくとも１つの素子（１３０）と、をさらに備え、電流導体（１２０）は、少なくとも部分的に前記コイルユニット（１１１）の周りに配置され、素子（１３０）は、加熱されるように構成され、電流導体（１２０）に接続され、電流導体（１２０）と素子（１３０）とが、閉じたコンジットを形成するようになっており、コイルユニット（１１１）の磁場は、電流導体（１２０）と素子（１３０）とに電圧を誘起するように配置され、誘起電圧は、閉じたコンジットに電流を作り出し、素子（１３０）は、電流によって加熱されるように構成される、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、少なくとも１つのコイルユニット（１１１）は、軟磁性材料製のコア（１１２）と、少なくとも１つの電気巻線（１１３）と、を備える、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、電源は、周波数コンバータである、装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置であって、電流導体（１２０）は、銅、アルミニウムまたは他の適切な導体材料、のグループから選ばれた材料で作られている、装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）は、電流導体（１２０）の材料と比べて、例えば、ステンレス鋼、チタン、炭素繊維複合体、または他の適切な材料である、高い抵抗率を有する材料で作られている、装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）の少なくとも部分は、コイルユニット（１１１）から間隔が置かれる、装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）とコイルユニット（１１１）との間のスペースに配置された冷却デバイスをさらに備える、装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）に組み込まれる冷却能力をさらに備える、装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）とコイルユニット（１１１）との間のスペースに配置された断熱デバイスをさらに備える、装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）とコイルユニット（１１１）との間のスペースに配置された振動デバイスをさらに備える、装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、素子（１３０）とコイルユニット（１１１）との間のスペースに配置された、例えば、銅またはアルミニウムのシートまたは箔である、電磁場減衰部品をさらに備える、装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、素子は、取り外し可能な素子（２３０）であり、加熱プロセスの後に装置から取り除かれるように構成される、装置。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、素子は、ツール素子（１３０）であり、加熱プロセス中に隣り合うワークピース（Ｗ）を加熱するように構成される、装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置であって、コイルシステムは、いくつかのコイルユニット（１１１ａ‐１１１ｎ）を備え、それぞれのコイルユニット（１１１ａ‐１１１ｎ）の電流は、個々に制御および／または互いに同期される、装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、それぞれのコイルユニット（１１１ａ‐１１１ｎ）は、隣り合うコイルユニット（１１１ａ‐１１１ｎ）に少なくとも部分的に重なる、装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置であって、第２のコイルシステム（１１０ｂ）をさらに備え、第２のコイルシステム（１１０ｂ）は、第１のコイルシステム（１１０，１１０ａ）に隣り合って、および少なくとも部分的に第１のコイルシステム（１１０，１１０ａ）の周りに、配置される、装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置であって、電流導体（８２０）および／または素子（８３０）は、少なくとも１つのスロット（８２１ａ‐８２１ｎ，８３１ａ，８３１ｎ）を備え、少なくとも１つのスロット（８２１ａ‐８２１ｎ，８３１ａ，８３１ｎ）は、電流導体（８２０）および／または素子（８３０）に電流を導くように配置される、装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置であって、少なくとも１つのコイルユニット（１１１）は、閉じたコンジットに沿ったその包装（１１３）および／またはコア（１１２）の変断面形状を有する、装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置であって、少なくとも２つの個々の電気接続体（８５０ａ，８５０ｂ）が、交流電流または直流電流の外部電源から素子（８３０）を部分的に加熱するのに使用される、装置。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置であって、コイルシステム（１１０）は、閉じたコンジットから電気的に絶縁される、装置。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置の使用であって、加熱プロセス中の使用。
22. 加熱装置を製造する方法であって、
    ‐電源に接続された少なくとも１つのコイルユニット（１１１）を備える少なくとも１つのコイルシステム（１１０）を提供するステップと、
    ‐コイルユニット（１１１）の少なくとも部分の周りに少なくとも１つの電流導体（１２０）を配置するステップと、
    ‐加熱されるように構成された少なくとも１つの素子（１３０）を、電流導体（１２０）と素子（１３０）とが、閉じたコンジットを形成するように、電流導体（１２０）に接続するステップと、を含む方法。
23. ワークピース（Ｗ）に熱を伝える方法であって、
    ‐請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置を提供するステップと、
    ‐コイルユニット（１１１）に磁場を作り出すステップと、
    ‐電流導体（１２０）に、素子（１３０）の温度を上げる電流を作り出す電圧を誘起するステップと、
    ‐素子（１３０）に隣り合ってワークピース（Ｗ）を提供するステップであって、素子（１３０）がワークピース（Ｗ）に熱を伝えるステップと、を含む方法。
    
    

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