JP3881378B2 - 物品の誘導加熱用電源とその加熱方法 - Google Patents
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Description
発明の技術分野
本発明は、物品を電磁界に曝露することにより当該物品を加熱するための電源と、その物品の加熱方法とに関する。
発明の背景技術
所望の特性を呈する最終状態へと材質を初期状態から遷移させる種々の技術には、当該材質を加熱することが必要となっている。例えば、沢山ある用途の中でも熱回復性チューブや成形部品の如くのポリマー製熱回復性物品の回復や、ゲルの硬化、発泡剤の活性化、インクの乾燥、セラミック材の硬化、重合作用の開始、触媒反応の開始もしくは促進、部品の熱処理等には熱が利用されている。
材質の加熱速度は、プロセス全体での効率と実効性が定まる重要な要因の一つである。それにも拘わらず、材質の中心まで熱を均一に行き渡るようにすることは容易ではない。材質の中心が適切に加熱されていないような場合では、初期状態から最終状態への遷移が完全に行われていないか、又は均一に行われていないことになる。別の方法として、物品の中心で所望の温度が得られるためには、物品の表面部に熱を過剰気味に宛う必要がある場合もあり、そのような場合では物品の表面部が劣化してしまうことがある。
外部からの加熱にはこのような問題点があることから、均一かつ効率的な加熱が高速で行える内部からの加熱ないしバルク加熱法が時折利用されている。本願出願人に譲渡され、１９９５年１月３日に特許となったモノヴォカス氏の、発明の名称を「被負荷材料の誘導加熱」とする米国特許第5、378、879号に開示されているように、非導電性材料を現場にて高速かつ均一に、しかも、選択的に制御された状態で加熱するのに、誘導加熱法が利用できる場合もある。非磁性で電気的に非導電性の材料は磁界に対して透明であるから、磁界と結合して熱を発するようなことはない。しかし、そのような材料でも、当該材料の内部で強磁性体粒子を均一に分布させて、物品を高周波交番電磁界に曝露することにより磁気誘導加熱法で加熱することもできる。即ち、誘導加熱のための強磁性体粒子を非導電性で非磁性のホスト材に添加して、例えば誘導コイルに発生する高周波交番電磁界に曝露する。すると、強磁性体粒子の温度が、粒子それ自身がキュリー温度に達するまで上昇し、その後は粒子の自制機能が効いてキュリー温度を維持するようになる。
強磁性体材料の誘導加熱で、材料の加熱を高速かつ効率的に行えると共に、温度を自己制御できるが、物品の他の成分が強磁性体材料の加熱に用いられているレベルのパワー（つまり電力）に曝されると破損することがある。例えば、絶縁被覆を施した導線があるとすると、銅は誘導加熱されるものの、銅にはキュリー温度がないし、また、温度を自己制御できないから、当該パワーを供給し続けると加熱されっぱなしになる。すると、このように加熱された銅からの熱で導線を被覆している絶縁層も加熱され、かくて破損するに至る。成分を破損することなく物品の加熱が適切に行われる期間をウィンドウ期間と言うが、このウィンドウ期間は非常に短く、それが全くないことさえあり得る。
発明の開示
本願発明者達は、物品を第１パワーレベルでの電磁界に第１所定時間に亙って曝露し、その後パワーレベルを減少させることにより、ウィンドウ期間を延長することができると共に、誘導加熱法による物品の加熱結果を向上させることができるとの知見を得た。
従って、ある面での本発明は、電磁照射による組立体の加熱方法であって、当該組立体が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分(lossy component)とからなり、
前記加熱方法が
(Ａ)強磁性体粒子と大損失性成分とを加熱する第１パワーの電磁照射に組立体を曝露して、
(Ｂ)前記ステップ(Ａ)の直後に、前記第１パワーでの照射よりも小さいレートで大損失性成分を加熱する第２パワーの電磁照射に組立体を曝露することよりなるものである。
別の面での本発明は物品の加熱装置であって、当該物品が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分(lossy component)とからなり、
前記加熱装置が
(Ａ)誘導加熱コイルのパワーを供給するパワー供給装置と、
(Ｂ)パワーを第１パワーレベルに設定して、誘導加熱で強磁性体粒子を加熱して第１温度に至らしめる第１条件と、パワーを、前記第１パワーレベルから減少した第２パワーレベルに設定して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、前記大損失成分の部分で発する熱を減少させる第２条件で制御する制御器と、からなるものである。
また別の面での本発明は、複数の金属線を含むとともに、強磁性体粒子が分散されたホスト材を含有する接着剤を含み、この接着剤が前記金属線を取り巻いてなるブロックしたケーブル配列体(blocked cable arrangement)であって、前記接着剤が、
(１)強磁性体粒子が第１温度に達するように第１パワーで誘導加熱コイルにパワーを供給して、
(２)前記ステップ(１)の直後に、前記第１パワーよりも小さい第２パワーで誘導加熱コイルのパワーを供給して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、金属線に生ずる熱を減少することでケーブル配列体において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように加熱する方法により加熱されているものである。
更に別の面での本発明は配列体(arrangement)を加熱する方法であって、
(１)複数の金属線を用意し、
(２)(ａ)ホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散した強磁性体粒子とからなる物品を前記金属線近傍に配置し、
(３)前記物品にカバーを設け、
(４)強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に達するまで第１パワーでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱し、
(５)前記ステップ(４)の直後に、前記金属線において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように、強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に保持される一方、前記金属線に生ずる熱を減少させるパワーレベルであって、前記第１パワーレベルの電力値の１５〜４０％である第２パワーレベルでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱することよりなるものである。
本発明のその他の特徴や利点などは添付図面を参照しながら行う、本発明の好ましい実施の形態についての下記説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による電源の回路図である。
図２は、流体ブロックを構成する配列体の斜視図である。
図３は、本発明によるデュアルパワーシステムにかけた物品の温度・時間特性を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、誘導コイルに発生する電磁界に物品を曝露することにより当該物品を加熱する装置からなる。誘導熱は、物品を電磁界に曝露すると内部から発生する。物品としては、強磁性体粒子が分散されたホスト材からなる。強磁性体粒子は、前掲の米国特許に開示されているのと同様なものであって、迅速に内部から均一に、しかも、選択的に加熱し、かつ、温度を自己制御しうる効率的な物品とすることができる。各用途においては、物品を加熱してそれを初期状態から新たな状態へと遷移させている。ホスト材は電気的には不導体で非磁性物であり、熱処理が望まれているものであればどのようなものであっても良い。その一例として、ゲル、接着剤、フォーム、インク、セラミック、それにチューブの如くのポリマー製熱回復性物品が挙げられる。熱回復性物品とは、熱処理にかけるとその寸法形状がほぼ変化する物品である。一般にこのような物品は加熱されると、変形前の元の形状に回復する。
単一のパワーだけをかける典型的な従来技術による加熱方法では、物品がキュリー温度に達した後でもパワーは一定のレベルに保たれている。損失の大きい残りの成分は加熱されっぱなしとなり、当該成分を破損することなく効果的なシールが達せられるウィンドウ期間は比較的短く、それが全くないことさえあり得る。
所定時間後に第１パワーレベルから第２パワーレベルへとパワーレベルを減少させることで、本発明では効果的なシールが得られるウィンドウ期間を長くしている。また、ウィンドウ期間がないと思われる場合でも、本発明では効果的なシールが得られるウィンドウ期間を創生している。ある用途では、ウィンドウ期間を無限に延長できるようであり、この場合でも減少されている第２パワーレベルではホスト材の燃焼は起こらない。（例えば、後述の表１におけるサンプル１１〜１２を参照のこと。）
本発明を用いれば、他の成分を破損させることなく物品を迅速に加熱できる。本発明においては大損失性成分を含む、例えは金属線の如くの物品を第１パワーでの誘導コイルの電磁界に第１所定時間に亙って曝露することにより加熱する。ホスト材に含まれている強磁性体粒子がキュリー温度に達すると、パワーを減少させても、つまり、最低値まで減少させても強磁性体粒子はキュリー温度を維持する。物品はその後直ちに、第１パワーより減少させた第２パワーで第２所定時間に亙って加熱する。ここで第１パワーと第１所定時間とは、強磁性体粒子が第１温度、好ましくはそのキュリー温度に達するのに充分なものであり、他方、第２パワーは、強磁性体粒子が第１温度、もしくはその第１温度近傍の温度を保つ一方で、物品の他の部分、例えば絶縁銅線の銅に生ずる熱が減少されるのに充分なものである。物品のこれらの他の部分に生ずる熱は、伝熱作用及び放熱により失われた熱とほぼ等しい。第１パワーレベルとしてはフルパワーであっても良いが、第２パワーレベルは、伝熱作用と放熱により失われた熱が物品に加えられた熱と等しくなる温度にホスト材が保持されるのに充分なレベルである。物品の伝熱作用と放熱とにより失われた熱は、熱電対で、又は、物品の断面を検査することにより測定できる。この測定に基づいて所望の第２パワーレベルを定めることができる。この第２パワーレベルとしては、好ましくはフルパワーの５〜７０％、より好ましくはその１０〜５０％、もっと好ましくはその１５〜４０％であるのが望ましい。熱電対による測定値は、第１及び第２所定時間を定める際に利用することもできる。フルパワーで所望の温度が達せられると、前述したように第２パワーレベルへとパワーレベルを下げる。その際の第２所定時間とは、ウィンドウ期間にありながら完全なシールが達成されるのに充分な値である。
第１及び第２パワーと第１及び第２所定時間とはそれぞれ第１及び第２設定装置により設定できるが、これらの設定装置は単一のタイマー又は各パワーごと及び対応する所定時間ごとに用いる別々のタイマーにより制御されるものであっても良い。尚、強磁性体粒子は第１所定時間に亙って第１パワーレベルの電磁界に曝露することによりキュリー温度に達するようになっているのが望ましいのではあるが、本発明の観点からすれば粒子が達する温度はキュリー温度ではなくても良いし、ある場合では、第１温度は強磁性体粒子のキュリー温度よりも低いのが望まれていることさえある。
別の実施の形態での加熱方法では、第３所定時間に亙り第３パワーで加熱を行うようにしている。この第３パワーは、第１及び第２パワーよりも小さくても良いし、又は、それよりも大きくてもよく、所定時間に亙ってパワーを完全に停止させることであっても良い。所望によっては、第１及び第２パワーと第３パワーとを、もしそれが適用できるのであれば、周期的に宛われるようにしても良い。
前述したように、本発明で用いる強磁性体粒子は、前掲した米国特許に開示されているものが望ましく、粒子を選定することにより一層高速で一層均一に一層制御された加熱を達成することができる。そのような粒子は、フレーク状、即ち、薄円盤形の形状をしているものが望ましい。これらの粒子の熱発生効率がために、ホスト材における含有量を少なくすることができるので、ホスト材に望まれている特性をほぼ変えないで温存することができる。本発明で用いるのに好ましい粒子は第１、第２、第３直交寸法を有していて、第１及び第２直交寸法がそれぞれ第２直交寸法の少なくとも５倍となっている。寸法の中でもより大きい第１及び第２直交寸法は、好ましくは約１ミクロンから約３００ミクロンである。また好ましいものとして、強磁性体粒子を体積百分率で０.５％から１０％含有する組成物がある。ある用途では、例えばより大きい熱レートが望まれ、粘性や破断までの伸長性、伝導性の如くの特定の特性を犠牲にしても良い場合では、棒状の粒子又はより大きい濃度での粒子を利用することもできる。しかし、本発明では強磁性体粒子としての組成と形状としては前述したものに限られず、どのようなものであっても良いものである。
図１は、電圧発振のパワー発生器２の回路図を示す。グリッドフィードバック信号の発生法法は、発信器ごとに異なっている。本実施の形態では、ハートレー型発信器からなる２.５ｋＷ発生器を用いている。発振回路にはタンク回路４が含まれている。
タンク回路４は、タンクコイル８と動作コイル１０とに並列接続した複数のタンクコンデンサ６からなる装置をあらわしている。コンデンサに蓄えられるエネルギーはＣＶ2／２であり、ここでのＶは等価コンデンサＣによる充電される電圧をあらわす。このエネルギーはタンクコイルと動作コイルのインダクタンスＬに、Ｌ＝タンクコイルのインダクタンス＋動作コイルのインダクタンスとなるように変換されて、再びコンデンサ６に戻るようになっている。このエネルギー発振プロセスの速度、即ち、発信周波数ｆは、ＬとＣのそれぞれの値に応じて変わり、下式であらわされる。
このように、ある量のエネルギーがタンクコイル８と動作コイル１０とにより放散されることから発振が減衰する。これらの損失を補償するために、タンク回路４に真空管１２のプレート１４から余分のパワーを供給している。
タンクコイル８は、グリッドコイル１６に電流を誘導している。タンクコイルの電流とグリッドコイルの電流とは位相が互いに１８０°ずれている。グリッドコイル１６はタンクコイル８からのエネルギーを真空管１２のグリッド１５に供給している。グリッド回路１８は、真空管１２に対するその電圧を変えることで、タンク回路４への電子の流れを制御している。
タンク回路４における発振の結果、タンクコイル８と動作コイル１０に大きなＲＦ電流が生ずる。この大きなＲＦ電流が動作コイル１０を流れると、それに比例した熱を発生する磁界が生ずる。物品は動作コイル１４ないに定置して誘導作用により加熱する。
図１を説明するに当たっては自動周波数整合を有するタンク回路発生器について説明したが、固定周波数発信器を用いても良い。
好ましい実施の形態にあっては、前掲の米国特許及び発明の名称を「ケーブルにおける流体伝達を抑制するブロック配列体」とする米国特許第4、972、043号に開示されている如く複数の線からなるケーブルに沿って流体が伝達するのを阻止するブロックをケーブルに形成する配列体に本発明を利用することもできる。図２に示したケーブルブロック用組立体は、強磁性体粒子が分散されているホスト材を含む接着剤からなる。ケーブルブロック用組立体２０は、ほぼ平坦な構造体２２からなり、この構造体２２には両端が開放端となっている約５本の通路が形成されている。各通路２４にはスロット２６があって、電線２８をこのスロット２６に沿わせて通路２４の方へと押し込めば、当該通路２４に当該電線２８を挿入させることができるようになっている。各通路に挿入する電線の本数としては、電線と通路との相対寸法に応じて一本に限らず、所望本数とすることもできる。図示の実施の形態では、すべてのスロットは構造体の同一側面に形成されている。構造体としては平坦なものとして図示したが、電線近傍に配置できて、線束をなす電線を囲繞するか、線束内に定置させるのであればどのような構造であっても良いし、また、電線を受承する開口を有する構造体であってもよく、それらも本発明の範囲に含まれるものである。
配列体は動作コイル１４内に定置して、第１パワーを有する電磁照射に第１所定期間に亙って曝露することにより加熱する。強磁性体粒子が達する温度は８０〜３６０℃、好ましくは１００〜２５０℃、より好ましくは１３０〜２２０℃の範囲である。その直後、配列体を第２パワーを有する電磁照射に第２所定時間に亙って曝露することにより加熱するが、第２パワーは第１パワーよりも小さくて、好ましくは第１パワーの５〜７０％、より好ましくはその１０〜５０％、もっと好ましくはその１５〜４０％であるのが望ましい。強磁性体粒子の温度は、８０〜３６０℃、好ましくは１００〜２５０℃、より好ましくは１３０〜２２０℃の範囲内に維持する。
好ましい実施の形態においては、ブロック用構造体の周囲にカバーを取り付けて、加熱による物品２２の粘性低下に伴って組成物の流れを制御するようにしている。このカバーとしては熱回復性スリーブで、ブロック用構造体を囲繞するようなものであっても良い。この熱回復性スリーブはブロック用構造体、従って、配列体全体が加熱されるに従って回復する。別の方法としては、カバーは取外し自在としても良い。例えば、この場合でのカバーは、加熱時にはブロック用構造体を保持するが、その後では取り外されるポリテトラフルオロエチレン製のクランプからなるものであっても良い。
図３は、加熱されている物品の温度（Ｔ）と時間（ｔ）との関係を示したものである。本発明によるデュアルパワーレベルを利用すれば、時間ｔ1において所望温度Ｔ1に到達すると、大損失性部品、この場合では電線、が発する熱が伝熱作用と放熱作用とにより失われる熱と等しくなるようにパワーを下げる。このように下げた第２パワーレベルは、配列体の温度を作用温度範囲、即ち、この例では約１３０℃であるシール温度Ｔ’とこの例では約１６０℃である、Ｔ’よりは僅かだけ高い所望温度Ｔ”との範囲内に維持するのに充分なものである。フルパワーだけだと、大損失性部品が加熱するにつれて配列体の温度は加熱されっぱなし（図３も参照のこと）となって、配列体が破損するようになる。
サンプル１〜１４
サンプル１〜９と比較サンプル１０〜１４とを、長さが１フィートの、定格１５０℃の非架橋ポリエチレンからなる５７本のワイヤ束から調製した。各束は２０ゲージワイヤが２９本、１８ゲージワイヤが１７本、１４ゲージワイヤが４本、単一編組同軸ワイヤが４本、二本撚りワイヤが３本からなる。各束のワイヤを千鳥配列のチャンネル断面の６本のコーム（図２に示した物品２２の如くのもの）に挿入した。その後、各束に長さ４０ミリの熱回復性チューブを被せた。このようにしてサンプル１〜９として調製したサンプルをＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に２６秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に２８秒間電磁界に曝露させた。サンプル１〜９としてこのようにして調製したサンプルについて、最初の曝露後２８秒でシールできたかものを計数した。その結果、サンプル１〜９としてこのようにして調製したワイヤは、５４秒間（フルパワーでの２６秒とそれより低いパワーでの２８秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露で破損した。比較サンプル１０〜１４については、それぞれ２４秒間、２６秒間、２８秒間、３４秒間にわたってすべてフルパワーでのＵ字形断面の誘導コイルにおける電磁界に曝露した。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したサンプルについても、２８秒曝露後にシールしたものを計数した。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したワイヤは、フルパワーでの電磁界に３４秒以上曝露したら破損してしまった。従って、サンプル１〜９としてこのように調製したサンプルのウィンドウ期間は２４秒（全時間５２秒からシールする２８秒を差し引いた値）であった。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したサンプルのウィンドウ期間は６秒（全時間３２秒からシールする２６秒を差し引いた値）であった。
サンプル１５〜２２
サンプル１〜１４と同様にしてサンプル１５〜２２を調製した。サンプル１５〜２２をＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に１９秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に３６秒間電磁界に曝露させた。サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したサンプルについて、２２秒でシールできたかものを計数した。その結果、サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したワイヤは、５８秒間（フルパワーでの１９秒とそれより低いパワーでの３９秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露でも、電磁界に対する曝露を停止させたところ破損した形跡は見られなかった。サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したサンプルのウィンドウ期間は少なくとも３６秒（全時間５８秒からシールする２２秒を差し引いた値）であった。
サンプル２３〜３１
サンプル１〜１４と同様にしてサンプル２３〜３１を調製した。サンプル２３〜３１は前記のサンプルとは、ワイヤ長が９フィートである点で異なっていた。サンプル２３〜３１をＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に２６秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に３０秒間電磁界に曝露させた。サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したサンプルについて、３０秒でシールできたものを計数した。その結果、サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したワイヤは、５８秒間（フルパワーでの２６秒とそれより低いパワーでの３３秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露でも、電磁界に対する曝露を停止させたところ破損した形跡は見られなかった。サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したサンプルのウィンドウ期間は少なくとも３０秒（全時間５８秒からシールする２８秒を差し引いた値）であった。
尚、上気した実施例は、接着剤に強磁性体粒子が分散されている実施の形態について説明したものである。前述したように、強磁性体粒子は加熱処理すべき物品を構成するホスト材、例えばゲル材、発泡材、インク、セラミック材、ポリマー製熱回復性物品などに分散しておいても良い。
本発明は、物品を電磁界に曝露することにより当該物品を加熱するための電源と、その物品の加熱方法とに関する。
発明の背景技術
所望の特性を呈する最終状態へと材質を初期状態から遷移させる種々の技術には、当該材質を加熱することが必要となっている。例えば、沢山ある用途の中でも熱回復性チューブや成形部品の如くのポリマー製熱回復性物品の回復や、ゲルの硬化、発泡剤の活性化、インクの乾燥、セラミック材の硬化、重合作用の開始、触媒反応の開始もしくは促進、部品の熱処理等には熱が利用されている。
材質の加熱速度は、プロセス全体での効率と実効性が定まる重要な要因の一つである。それにも拘わらず、材質の中心まで熱を均一に行き渡るようにすることは容易ではない。材質の中心が適切に加熱されていないような場合では、初期状態から最終状態への遷移が完全に行われていないか、又は均一に行われていないことになる。別の方法として、物品の中心で所望の温度が得られるためには、物品の表面部に熱を過剰気味に宛う必要がある場合もあり、そのような場合では物品の表面部が劣化してしまうことがある。
外部からの加熱にはこのような問題点があることから、均一かつ効率的な加熱が高速で行える内部からの加熱ないしバルク加熱法が時折利用されている。本願出願人に譲渡され、１９９５年１月３日に特許となったモノヴォカス氏の、発明の名称を「被負荷材料の誘導加熱」とする米国特許第5、378、879号に開示されているように、非導電性材料を現場にて高速かつ均一に、しかも、選択的に制御された状態で加熱するのに、誘導加熱法が利用できる場合もある。非磁性で電気的に非導電性の材料は磁界に対して透明であるから、磁界と結合して熱を発するようなことはない。しかし、そのような材料でも、当該材料の内部で強磁性体粒子を均一に分布させて、物品を高周波交番電磁界に曝露することにより磁気誘導加熱法で加熱することもできる。即ち、誘導加熱のための強磁性体粒子を非導電性で非磁性のホスト材に添加して、例えば誘導コイルに発生する高周波交番電磁界に曝露する。すると、強磁性体粒子の温度が、粒子それ自身がキュリー温度に達するまで上昇し、その後は粒子の自制機能が効いてキュリー温度を維持するようになる。
強磁性体材料の誘導加熱で、材料の加熱を高速かつ効率的に行えると共に、温度を自己制御できるが、物品の他の成分が強磁性体材料の加熱に用いられているレベルのパワー（つまり電力）に曝されると破損することがある。例えば、絶縁被覆を施した導線があるとすると、銅は誘導加熱されるものの、銅にはキュリー温度がないし、また、温度を自己制御できないから、当該パワーを供給し続けると加熱されっぱなしになる。すると、このように加熱された銅からの熱で導線を被覆している絶縁層も加熱され、かくて破損するに至る。成分を破損することなく物品の加熱が適切に行われる期間をウィンドウ期間と言うが、このウィンドウ期間は非常に短く、それが全くないことさえあり得る。
発明の開示
本願発明者達は、物品を第１パワーレベルでの電磁界に第１所定時間に亙って曝露し、その後パワーレベルを減少させることにより、ウィンドウ期間を延長することができると共に、誘導加熱法による物品の加熱結果を向上させることができるとの知見を得た。
従って、ある面での本発明は、電磁照射による組立体の加熱方法であって、当該組立体が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分(lossy component)とからなり、
前記加熱方法が
(Ａ)強磁性体粒子と大損失性成分とを加熱する第１パワーの電磁照射に組立体を曝露して、
(Ｂ)前記ステップ(Ａ)の直後に、前記第１パワーでの照射よりも小さいレートで大損失性成分を加熱する第２パワーの電磁照射に組立体を曝露することよりなるものである。
別の面での本発明は物品の加熱装置であって、当該物品が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分(lossy component)とからなり、
前記加熱装置が
(Ａ)誘導加熱コイルのパワーを供給するパワー供給装置と、
(Ｂ)パワーを第１パワーレベルに設定して、誘導加熱で強磁性体粒子を加熱して第１温度に至らしめる第１条件と、パワーを、前記第１パワーレベルから減少した第２パワーレベルに設定して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、前記大損失成分の部分で発する熱を減少させる第２条件で制御する制御器と、からなるものである。
また別の面での本発明は、複数の金属線を含むとともに、強磁性体粒子が分散されたホスト材を含有する接着剤を含み、この接着剤が前記金属線を取り巻いてなるブロックしたケーブル配列体(blocked cable arrangement)であって、前記接着剤が、
(１)強磁性体粒子が第１温度に達するように第１パワーで誘導加熱コイルにパワーを供給して、
(２)前記ステップ(１)の直後に、前記第１パワーよりも小さい第２パワーで誘導加熱コイルのパワーを供給して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、金属線に生ずる熱を減少することでケーブル配列体において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように加熱する方法により加熱されているものである。
更に別の面での本発明は配列体(arrangement)を加熱する方法であって、
(１)複数の金属線を用意し、
(２)(ａ)ホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散した強磁性体粒子とからなる物品を前記金属線近傍に配置し、
(３)前記物品にカバーを設け、
(４)強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に達するまで第１パワーでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱し、
(５)前記ステップ(４)の直後に、前記金属線において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように、強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に保持される一方、前記金属線に生ずる熱を減少させるパワーレベルであって、前記第１パワーレベルの電力値の１５〜４０％である第２パワーレベルでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱することよりなるものである。
本発明のその他の特徴や利点などは添付図面を参照しながら行う、本発明の好ましい実施の形態についての下記説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による電源の回路図である。
図２は、流体ブロックを構成する配列体の斜視図である。
図３は、本発明によるデュアルパワーシステムにかけた物品の温度・時間特性を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、誘導コイルに発生する電磁界に物品を曝露することにより当該物品を加熱する装置からなる。誘導熱は、物品を電磁界に曝露すると内部から発生する。物品としては、強磁性体粒子が分散されたホスト材からなる。強磁性体粒子は、前掲の米国特許に開示されているのと同様なものであって、迅速に内部から均一に、しかも、選択的に加熱し、かつ、温度を自己制御しうる効率的な物品とすることができる。各用途においては、物品を加熱してそれを初期状態から新たな状態へと遷移させている。ホスト材は電気的には不導体で非磁性物であり、熱処理が望まれているものであればどのようなものであっても良い。その一例として、ゲル、接着剤、フォーム、インク、セラミック、それにチューブの如くのポリマー製熱回復性物品が挙げられる。熱回復性物品とは、熱処理にかけるとその寸法形状がほぼ変化する物品である。一般にこのような物品は加熱されると、変形前の元の形状に回復する。
単一のパワーだけをかける典型的な従来技術による加熱方法では、物品がキュリー温度に達した後でもパワーは一定のレベルに保たれている。損失の大きい残りの成分は加熱されっぱなしとなり、当該成分を破損することなく効果的なシールが達せられるウィンドウ期間は比較的短く、それが全くないことさえあり得る。
所定時間後に第１パワーレベルから第２パワーレベルへとパワーレベルを減少させることで、本発明では効果的なシールが得られるウィンドウ期間を長くしている。また、ウィンドウ期間がないと思われる場合でも、本発明では効果的なシールが得られるウィンドウ期間を創生している。ある用途では、ウィンドウ期間を無限に延長できるようであり、この場合でも減少されている第２パワーレベルではホスト材の燃焼は起こらない。（例えば、後述の表１におけるサンプル１１〜１２を参照のこと。）
本発明を用いれば、他の成分を破損させることなく物品を迅速に加熱できる。本発明においては大損失性成分を含む、例えは金属線の如くの物品を第１パワーでの誘導コイルの電磁界に第１所定時間に亙って曝露することにより加熱する。ホスト材に含まれている強磁性体粒子がキュリー温度に達すると、パワーを減少させても、つまり、最低値まで減少させても強磁性体粒子はキュリー温度を維持する。物品はその後直ちに、第１パワーより減少させた第２パワーで第２所定時間に亙って加熱する。ここで第１パワーと第１所定時間とは、強磁性体粒子が第１温度、好ましくはそのキュリー温度に達するのに充分なものであり、他方、第２パワーは、強磁性体粒子が第１温度、もしくはその第１温度近傍の温度を保つ一方で、物品の他の部分、例えば絶縁銅線の銅に生ずる熱が減少されるのに充分なものである。物品のこれらの他の部分に生ずる熱は、伝熱作用及び放熱により失われた熱とほぼ等しい。第１パワーレベルとしてはフルパワーであっても良いが、第２パワーレベルは、伝熱作用と放熱により失われた熱が物品に加えられた熱と等しくなる温度にホスト材が保持されるのに充分なレベルである。物品の伝熱作用と放熱とにより失われた熱は、熱電対で、又は、物品の断面を検査することにより測定できる。この測定に基づいて所望の第２パワーレベルを定めることができる。この第２パワーレベルとしては、好ましくはフルパワーの５〜７０％、より好ましくはその１０〜５０％、もっと好ましくはその１５〜４０％であるのが望ましい。熱電対による測定値は、第１及び第２所定時間を定める際に利用することもできる。フルパワーで所望の温度が達せられると、前述したように第２パワーレベルへとパワーレベルを下げる。その際の第２所定時間とは、ウィンドウ期間にありながら完全なシールが達成されるのに充分な値である。
第１及び第２パワーと第１及び第２所定時間とはそれぞれ第１及び第２設定装置により設定できるが、これらの設定装置は単一のタイマー又は各パワーごと及び対応する所定時間ごとに用いる別々のタイマーにより制御されるものであっても良い。尚、強磁性体粒子は第１所定時間に亙って第１パワーレベルの電磁界に曝露することによりキュリー温度に達するようになっているのが望ましいのではあるが、本発明の観点からすれば粒子が達する温度はキュリー温度ではなくても良いし、ある場合では、第１温度は強磁性体粒子のキュリー温度よりも低いのが望まれていることさえある。
別の実施の形態での加熱方法では、第３所定時間に亙り第３パワーで加熱を行うようにしている。この第３パワーは、第１及び第２パワーよりも小さくても良いし、又は、それよりも大きくてもよく、所定時間に亙ってパワーを完全に停止させることであっても良い。所望によっては、第１及び第２パワーと第３パワーとを、もしそれが適用できるのであれば、周期的に宛われるようにしても良い。
前述したように、本発明で用いる強磁性体粒子は、前掲した米国特許に開示されているものが望ましく、粒子を選定することにより一層高速で一層均一に一層制御された加熱を達成することができる。そのような粒子は、フレーク状、即ち、薄円盤形の形状をしているものが望ましい。これらの粒子の熱発生効率がために、ホスト材における含有量を少なくすることができるので、ホスト材に望まれている特性をほぼ変えないで温存することができる。本発明で用いるのに好ましい粒子は第１、第２、第３直交寸法を有していて、第１及び第２直交寸法がそれぞれ第２直交寸法の少なくとも５倍となっている。寸法の中でもより大きい第１及び第２直交寸法は、好ましくは約１ミクロンから約３００ミクロンである。また好ましいものとして、強磁性体粒子を体積百分率で０.５％から１０％含有する組成物がある。ある用途では、例えばより大きい熱レートが望まれ、粘性や破断までの伸長性、伝導性の如くの特定の特性を犠牲にしても良い場合では、棒状の粒子又はより大きい濃度での粒子を利用することもできる。しかし、本発明では強磁性体粒子としての組成と形状としては前述したものに限られず、どのようなものであっても良いものである。
図１は、電圧発振のパワー発生器２の回路図を示す。グリッドフィードバック信号の発生法法は、発信器ごとに異なっている。本実施の形態では、ハートレー型発信器からなる２.５ｋＷ発生器を用いている。発振回路にはタンク回路４が含まれている。
タンク回路４は、タンクコイル８と動作コイル１０とに並列接続した複数のタンクコンデンサ６からなる装置をあらわしている。コンデンサに蓄えられるエネルギーはＣＶ2／２であり、ここでのＶは等価コンデンサＣによる充電される電圧をあらわす。このエネルギーはタンクコイルと動作コイルのインダクタンスＬに、Ｌ＝タンクコイルのインダクタンス＋動作コイルのインダクタンスとなるように変換されて、再びコンデンサ６に戻るようになっている。このエネルギー発振プロセスの速度、即ち、発信周波数ｆは、ＬとＣのそれぞれの値に応じて変わり、下式であらわされる。
タンクコイル８は、グリッドコイル１６に電流を誘導している。タンクコイルの電流とグリッドコイルの電流とは位相が互いに１８０°ずれている。グリッドコイル１６はタンクコイル８からのエネルギーを真空管１２のグリッド１５に供給している。グリッド回路１８は、真空管１２に対するその電圧を変えることで、タンク回路４への電子の流れを制御している。
タンク回路４における発振の結果、タンクコイル８と動作コイル１０に大きなＲＦ電流が生ずる。この大きなＲＦ電流が動作コイル１０を流れると、それに比例した熱を発生する磁界が生ずる。物品は動作コイル１４ないに定置して誘導作用により加熱する。
図１を説明するに当たっては自動周波数整合を有するタンク回路発生器について説明したが、固定周波数発信器を用いても良い。
好ましい実施の形態にあっては、前掲の米国特許及び発明の名称を「ケーブルにおける流体伝達を抑制するブロック配列体」とする米国特許第4、972、043号に開示されている如く複数の線からなるケーブルに沿って流体が伝達するのを阻止するブロックをケーブルに形成する配列体に本発明を利用することもできる。図２に示したケーブルブロック用組立体は、強磁性体粒子が分散されているホスト材を含む接着剤からなる。ケーブルブロック用組立体２０は、ほぼ平坦な構造体２２からなり、この構造体２２には両端が開放端となっている約５本の通路が形成されている。各通路２４にはスロット２６があって、電線２８をこのスロット２６に沿わせて通路２４の方へと押し込めば、当該通路２４に当該電線２８を挿入させることができるようになっている。各通路に挿入する電線の本数としては、電線と通路との相対寸法に応じて一本に限らず、所望本数とすることもできる。図示の実施の形態では、すべてのスロットは構造体の同一側面に形成されている。構造体としては平坦なものとして図示したが、電線近傍に配置できて、線束をなす電線を囲繞するか、線束内に定置させるのであればどのような構造であっても良いし、また、電線を受承する開口を有する構造体であってもよく、それらも本発明の範囲に含まれるものである。
配列体は動作コイル１４内に定置して、第１パワーを有する電磁照射に第１所定期間に亙って曝露することにより加熱する。強磁性体粒子が達する温度は８０〜３６０℃、好ましくは１００〜２５０℃、より好ましくは１３０〜２２０℃の範囲である。その直後、配列体を第２パワーを有する電磁照射に第２所定時間に亙って曝露することにより加熱するが、第２パワーは第１パワーよりも小さくて、好ましくは第１パワーの５〜７０％、より好ましくはその１０〜５０％、もっと好ましくはその１５〜４０％であるのが望ましい。強磁性体粒子の温度は、８０〜３６０℃、好ましくは１００〜２５０℃、より好ましくは１３０〜２２０℃の範囲内に維持する。
好ましい実施の形態においては、ブロック用構造体の周囲にカバーを取り付けて、加熱による物品２２の粘性低下に伴って組成物の流れを制御するようにしている。このカバーとしては熱回復性スリーブで、ブロック用構造体を囲繞するようなものであっても良い。この熱回復性スリーブはブロック用構造体、従って、配列体全体が加熱されるに従って回復する。別の方法としては、カバーは取外し自在としても良い。例えば、この場合でのカバーは、加熱時にはブロック用構造体を保持するが、その後では取り外されるポリテトラフルオロエチレン製のクランプからなるものであっても良い。
図３は、加熱されている物品の温度（Ｔ）と時間（ｔ）との関係を示したものである。本発明によるデュアルパワーレベルを利用すれば、時間ｔ1において所望温度Ｔ1に到達すると、大損失性部品、この場合では電線、が発する熱が伝熱作用と放熱作用とにより失われる熱と等しくなるようにパワーを下げる。このように下げた第２パワーレベルは、配列体の温度を作用温度範囲、即ち、この例では約１３０℃であるシール温度Ｔ’とこの例では約１６０℃である、Ｔ’よりは僅かだけ高い所望温度Ｔ”との範囲内に維持するのに充分なものである。フルパワーだけだと、大損失性部品が加熱するにつれて配列体の温度は加熱されっぱなし（図３も参照のこと）となって、配列体が破損するようになる。
サンプル１〜１４
サンプル１〜９と比較サンプル１０〜１４とを、長さが１フィートの、定格１５０℃の非架橋ポリエチレンからなる５７本のワイヤ束から調製した。各束は２０ゲージワイヤが２９本、１８ゲージワイヤが１７本、１４ゲージワイヤが４本、単一編組同軸ワイヤが４本、二本撚りワイヤが３本からなる。各束のワイヤを千鳥配列のチャンネル断面の６本のコーム（図２に示した物品２２の如くのもの）に挿入した。その後、各束に長さ４０ミリの熱回復性チューブを被せた。このようにしてサンプル１〜９として調製したサンプルをＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に２６秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に２８秒間電磁界に曝露させた。サンプル１〜９としてこのようにして調製したサンプルについて、最初の曝露後２８秒でシールできたかものを計数した。その結果、サンプル１〜９としてこのようにして調製したワイヤは、５４秒間（フルパワーでの２６秒とそれより低いパワーでの２８秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露で破損した。比較サンプル１０〜１４については、それぞれ２４秒間、２６秒間、２８秒間、３４秒間にわたってすべてフルパワーでのＵ字形断面の誘導コイルにおける電磁界に曝露した。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したサンプルについても、２８秒曝露後にシールしたものを計数した。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したワイヤは、フルパワーでの電磁界に３４秒以上曝露したら破損してしまった。従って、サンプル１〜９としてこのように調製したサンプルのウィンドウ期間は２４秒（全時間５２秒からシールする２８秒を差し引いた値）であった。比較サンプル１０〜１４としてこのように調製したサンプルのウィンドウ期間は６秒（全時間３２秒からシールする２６秒を差し引いた値）であった。
サンプル１５〜２２
サンプル１〜１４と同様にしてサンプル１５〜２２を調製した。サンプル１５〜２２をＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に１９秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に３６秒間電磁界に曝露させた。サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したサンプルについて、２２秒でシールできたかものを計数した。その結果、サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したワイヤは、５８秒間（フルパワーでの１９秒とそれより低いパワーでの３９秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露でも、電磁界に対する曝露を停止させたところ破損した形跡は見られなかった。サンプル１５〜２２としてこのようにして調製したサンプルのウィンドウ期間は少なくとも３６秒（全時間５８秒からシールする２２秒を差し引いた値）であった。
サンプル２３〜３１
サンプル１〜１４と同様にしてサンプル２３〜３１を調製した。サンプル２３〜３１は前記のサンプルとは、ワイヤ長が９フィートである点で異なっていた。サンプル２３〜３１をＵ字形断面の誘導コイルにおいて約１５００Ｗパワー、即ち、フルパワーでの電磁界に２６秒に亙って曝露させた。その後、パワーを約５００Ｗに下げて更に３０秒間電磁界に曝露させた。サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したサンプルについて、３０秒でシールできたものを計数した。その結果、サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したワイヤは、５８秒間（フルパワーでの２６秒とそれより低いパワーでの３３秒の合計）にわたる電磁界に対する曝露でも、電磁界に対する曝露を停止させたところ破損した形跡は見られなかった。サンプル２３〜３１としてこのようにして調製したサンプルのウィンドウ期間は少なくとも３０秒（全時間５８秒からシールする２８秒を差し引いた値）であった。
Claims (20)
- 電磁照射による組立体の加熱方法であって、当該組立体が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分とからなり、前記加熱方法が
(Ａ)強磁性体粒子と大損失性成分とを加熱する第１電力レベルでの電磁照射に組立体を曝露して、
(Ｂ)前記ステップ(Ａ)の直後に、前記第１電力レベルでの照射よりも小さいレートで大損失性成分を加熱する第２電力レベルでの電磁照射に組立体を曝露することを特徴とする加熱方法。 - 請求項１に記載の方法であって、ステップ(Ａ)の際に組立体は第１温度に達し、前記第２電力レベルが、ステップ(Ｂ)における大損失性成分内で発生する熱が組立体から失われる熱にほぼ等しくなる電力レベルであることを特徴とする加熱方法。
- 請求項１に記載の方法であって、ステップ(Ａ)の際に前記強磁性体粒子が第１温度に達し、ステップ(Ｂ)においては前記第１温度又はその近傍の温度に維持されることを特徴とする加熱方法。
- 請求項３に記載の方法であって、第１温度が１３０〜２２０℃の範囲にあることを特徴とする加熱方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記第２電力レベルが前記第１電力レベルの電力値の１５〜４０％の範囲であることを特徴とする加熱方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記大損失性成分が金属線であって、ポリマー製絶縁材で囲繞されてなることを特徴とする加熱方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記大損失性成分がステップ(Ａ)とステップ(Ｂ)にわたって固体であり、ステップ(Ｂ)において組成物が粘性低下により流動できる状態になることを特徴とする加熱方法。
- 請求項７に記載の方法であって、ステップ(Ｂ)での組成物の流れを制御するカバーを設けてなることを特徴とする加熱方法。
- 請求項８に記載の方法であって、前記カバーが熱により寸法形状が回復する熱回復性スリーブからなり、このスリーブがステップ(Ａ)とステップ(Ｂ)とにおいて回復されることを特徴とする加熱方法。
- 請求項８に記載の方法であって、前記カバーが取外し自在であることを特徴とする加熱方法。
- 物品の加熱装置であって、当該物品が
(１)(ａ)電磁照射では加熱されないホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散されていて、キュリー温度を有する強磁性体粒子とからなる組成物と、
(２)電磁照射で加熱されるが、キュリー温度を有しない材料からなる大損失性成分とからなり、
前記加熱装置が
(Ａ)誘導加熱コイルの電力を供給する電力供給装置と、
(Ｂ)電力レベルを第１電力レベルに設定して、誘導加熱で強磁性体粒子を加熱して第１温度に至らしめる第１条件と、電力レベルを、前記第１電力レベルから減少した第２電力レベルに設定して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、前記大損失成分の部分で発する熱を減少させる第２条件で制御する制御器と、
からなることを特徴とする加熱装置。 - 請求項11に記載の装置であって、前記大損失成分の部分で発生する熱が物品から失われる熱にほぼ等しいことを特徴とする加熱装置。
- 請求項11に記載の装置であって、第１温度が１３０〜２２０℃の範囲にあることを特徴とする加熱装置。
- 複数の金属線を含むとともに、強磁性体粒子が分散されたホスト材を含有する接着剤を含み、この接着剤が前記金属線を取り巻いてなるブロックしたケーブル配列体であって、前記接着剤が、
(１)強磁性体粒子が第１温度に達するように第１電力レベルで誘導加熱コイルに電力を供給して、
(２)前記ステップ(１)の直後に、前記第１電力レベルよりも小さい第２電力レベルで誘導加熱コイルの電力を供給して、強磁性体粒子を前記第１温度に、又は、その温度近傍に維持する一方で、金属線に生ずる熱を減少することでケーブル配列体において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように加熱する方法により加熱されていることを特徴とするケーブル配列体。 - 請求項14に記載のものであって、前記第１温度が強磁性体粒子のキュリー温度に等しいか、又はその近傍の温度であることを特徴とするケーブル配列体。
- 請求項14に記載のものであって、前記第１温度が１３０〜２２０℃の範囲にあることを特徴とするケーブル配列体。
- 配列体を加熱する方法であって、
(１)複数の金属線を用意し、
(２)(ａ)ホスト材と、(ｂ)該ホスト材に分散した強磁性体粒子とからなる物品を前記金属線近傍に配置し、
(３)前記物品にカバーを設け、
(４)強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に達するまで第１電力レベルでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱し、
(５)前記ステップ(４)の直後に、前記金属線において生ずる熱が当該配列体から失われる熱とほぼ等しくなるように、強磁性体粒子が１３０℃〜２２０℃の範囲内の第１温度に保持される一方、前記金属線に生ずる熱を減少させる電力レベルであって、前記第１電力レベルの電力値の１５〜４０％である第２電力レベルでの誘導コイルによる電磁照射に配列体を曝露することで加熱することを特徴とする加熱方法。 - 請求項17に記載の方法であって、ステップ(４)に先立って前記配列体をカバーで囲繞することを特徴とする加熱方法。
- 請求項17に記載の方法であって、前記カバーが熱により寸法形状が回復する熱回復性スリーブからなり、このスリーブがステップ(４)とステップ(５)とにおいて回復されることを特徴とする加熱方法。
- 請求項17に記載の方法であって、前記第１温度が強磁性体粒子のキュリー温度又はその近傍の温度であることを特徴とする加熱方法。
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