JP5390889B2 - 金属容器内の液体の加熱方法、及びそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属容器内の液体の加熱方法、及びそのための装置に関する。更に詳しくは、金属容器内の液体を誘導加熱によって加熱する加熱方法、及びそのための装置に関する。

高周波の電流が流れているコイルを、金属に近づけると金属中に渦電流が流れて、金属が発熱する。この原理を利用した誘導加熱（以下、ＩＨ（Induction-Heatingの略）という。）は、安全性が高く、効率の良い加熱方法として広く利用されている。例えば、市販の家庭用ＩＨクッキングヒータの場合は、熱効率が９０％を超える。

特許文献１には、超音波を用いて熱伝達を促進した、容器入り液体の加熱冷却方法を開示している。具体的には、容器入りの液体を、コイルを用いて誘導加熱するとき、超音波を用いて熱伝達を促進している。特許文献２には、自動販売機において製品を攪拌する方法及び装置を開示している。具体的には、缶入りの飲料を、コイルを用いた誘導加熱装置で加熱し、そのとき、飲料を移動、振動、揺動、及び、攪拌させるために励起され得る圧電式等の超音波トランスデューサを用いている（明細書の［００３７］を参照。）。

特開２０００−２３１６６６号公報 特開２００７−１９３８１４号公報

しかしながら、金属の容器（例えば、缶）に入れた液体を従来の誘導加熱で、加温する場合、飲料が温まるまでに数十秒以上という長時間がかかる。金属缶に入れた飲料を販売する自動販売機の場合は、飲料が温まるまでに数十秒以上、場合によって数分、という長時間がかかる。そのため、自動販売機は、金属缶に入れた飲料を温めてから、所定の温度で保温していることが多い。このために、自動販売機は、待機電力などに多量のエネルギー消費を余儀なくされている。

更に、加温時に、容器の金属部分が先に温度上昇し、水のような熱容量の大きな液体は内部までなかなか温まらない、つまり、金属容器内の液体は、均等に温まらない、という欠点がある。このように、金属の容器に入れた液体を加熱する誘導熱の改良が求められている。自動販売機の場合は、金属缶入りの飲料を購入時にのみ、適温に効率よく加温し、かつ、加温時間にストレスの感じない程度（１０秒以下）の加熱が求められている。

引用文献１、２に示すように、飲料を攪拌し、熱伝達を促進するように超音波を用いているが、超音波は、圧電素子等を用いている。つまり、超音波は、金属缶の外部で発生させて、金属缶へ送出している。超音波を金属缶の外部で発生させているので、超音波の伝達性が悪く非効率である。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、金属の容器に入れた液体を、効率良く加温する金属容器内の液体の加熱方法、及びそのための装置を提供する。
本発明の他の目的は、金属缶入りの飲料を、適温に効率よく加温し、かつ、加温時間にストレスの感じない程度（１０秒以下）の加熱する金属容器内の液体の加熱方法、及びそのための装置を提供する。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の発明１の金属容器内の液体の加熱方法は、交流電源に接続されたコイルによって発生された交番磁界によって、金属容器に渦電流を発生させて、前記金属容器を誘導加熱することによって、前記金属容器内の液体を加熱する金属容器内の液体の加熱方法において、前記交番磁界とともに、前記金属容器に静磁界を与え、前記静磁界と前記渦電流が相互作用して、前記金属容器に超音波を発生させ、前記超音波によって前記液体を攪拌することを特徴とする。

本発明の発明２の金属容器内の液体の加熱方法は、発明１の金属容器内の液体の加熱方法において、前記静磁界は、前記金属容器の周囲に配置された永久磁石によるものであることを特徴とする。
本発明の発明３の金属容器内の液体の加熱方法は、発明１又は２の金属容器内の液体の加熱方法において、低周波振動発生手段によって３Ｈｚ以下の低周期の振動を前記金属容器に与えて、前記金属容器内の前記液体を攪拌することを特徴とする。

本発明の発明４の金属容器内の液体の加熱装置は、交流電源に接続され、その付近に配置された金属容器に渦電流を発生させるためのコイルからなる渦電流発生手段、及び、前記金属容器に内蔵された液体を攪拌するための超音波を発生させる超音波発生手段からなる加熱装置において、静磁場を発生するための静磁場発生手段を前記コイルの近傍に有し、前記静磁場発生手段によって発生した前記静磁場と、前記渦電流との相互作用によって、前記超音波を前記金属容器に発生させることを特徴とする。

本発明の発明５の金属容器内の液体の加熱装置は、発明４の金属容器内の液体の加熱装置において、０.５Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の低周期の振動を前記金属容器に与え、前記金属容器内の前記液体を攪拌するための低周波振動発生手段を有すことを特徴とする。
本発明の発明６の金属容器内の液体の加熱装置は、発明４又は５の金属容器内の液体の
加熱装置において、前記静磁場発生手段は、磁石であることを特徴とする。

本発明の発明７の金属容器内の液体の加熱装置は、発明６の金属容器内の液体の加熱装置において、前記磁石は、前記金属容器の周囲に設置された、細長い形状を有する２以上の磁石要素からなり、前記磁石要素の磁極は、前記金属容器へ向いて配置され、隣接して配置される前記磁石要素の前記磁極は、Ｎ極とＳ極を交互に前記金属容器へ向くように配置され、前記磁石は、前記磁石の長手軸が前記金属容器の長手軸に平行になるように配置されたことを特徴とする。

本発明によると、次の効果が奏される。
本発明によると、金属容器内の液体は、誘導加熱すると共に、電磁超音波で液体を攪拌し、加熱時の熱伝達を促進することができるようになった。
本発明によると、超音波は、静磁場発生手段と、誘導加熱の交番磁界の相互作用より発生するので、直接金属容器内に発生して、液体を振動攪拌すると共に、圧電素子等の独立機構を用いる必要がなくなった。

図１は、本発明の第１の実施の形態の金属容器内の液体の加熱装置の断面図で、図１(ａ)は断面図、図１(ｂ)は図１(ａ)のＡ−Ａ断面図である。 図２は、超音波が発生される原理を示す図である。 図３は、金属容器内に発生する静磁場の概要を図示した図である。 図４は、金属容器内の液体の加熱装置用の回路の例を示すブロック図である。 図５は、実施例１の測定図である。

本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の金属容器内の液体の加熱装置１（以下、加熱装置１とする。）を図示した図である。図１(ａ)は、加熱装置１の断面図であり、図１(ｂ)は、加熱装置１の断面図で、図１(ａ)のＡ−Ａ線の断面図である。金属容器２に入った液体を加熱するものである。加熱装置１は、交番磁界を発生するためのコイル３、静磁界を発生するための磁石４からなる。コイル３は、交流電源に接続され、交番磁界を発生する。

金属容器２は、この交番磁界の中に配置される。本実施の形態では、金属容器２は、円筒状の缶である。コイル３は、金属容器２の外周を巻くように、円筒状に巻かれている。コイル３は、リッツ線からなる。リッツ線は、細いエナメル線を複数本撚り合せたもので、高周波特性がよい。コイル３が交流電源に接続され、交流電流がコイル３に流れると、コイル３の周辺に交番磁界発生する。この交番磁界の中に配置された金属容器２に渦電流が発生する。金属容器２に渦電流が流れる電気抵抗のために、金属容器２が加熱される。

このように、金属容器２は、誘導加熱される。金属容器２が加熱し、その熱が液体にも熱伝達され、液体が加熱される。金属容器２内の液体は、熱伝達で全体が加熱されるが、液体を攪拌すればもっと効果的に加熱できる。この攪拌のためには、本実施の形態では、超音波を用いている。超音波は、金属容器２に発生した渦電流と、磁石４によって発生した静磁場の相互作用で発生させている。渦電流と静磁場の相互作用で発生する超音波は、電磁超音波というが、圧電素子等の独立機構より発生する超音波と同様な特性を持つ超音波なので、本明細書には単に超音波という。

超音波は、液体を攪拌し、熱伝達を促進する。結果的には、液体を所定温度までに加熱する時間が短縮される。コイル３と金属容器２の間には、円筒５を設けている。これは、金属容器２を出し入し易くすることと、コイル３と金属容器２を電気的絶縁と熱的絶縁するためのものである。磁石４は、静磁場を発生するものであれば、その種類、原理は任意のものを利用できる。本実施の形態では、磁石４は、永久磁石を例に説明する。しかし、これは、直流電流のコイルによる静磁場で有っても良い。

図１に示すように、磁石４は、コイル３の周囲に４個配置されている。磁石４は、細長い形状をしている。磁石４は、金属容器２の周囲に設置される。磁石４は、磁石の長手軸が金属容器の長手軸に平行になるように配置される。このような配置の仕方は、渦電流による磁石４自身の過熱を避けるためである。磁石４の磁極のＮ極又はＳ極は、金属容器２へ向いて配置される。隣接して配置される磁石４の磁極は、Ｎ極とＳ極を交互に金属容器２へ向くように配置される。

コイル３の周囲に配置される磁石４の数は特に制限されないが、コイル３の周囲に等間隔で４個、６個、又は８個等のように偶数の磁石４が配置されていることが好ましい。図１に示すように、加熱装置１は、コイル３と磁石４を、匡体６に格納している。本発明の加熱装置１は、金属容器１に入った液体を加熱するのに使う渦電流のエネルギーの一部と、磁石４の静磁場の相互作用より発生する超音波が、金属容器２の振動と、金属容器２の内壁に密着している液体（コーヒー等）に効果的に伝播し、金属容器２に発生した熱（ジュール熱）を短時間に伝搬する。

また、加熱装置１は、金属容器２に低周期の振動を与える攪拌手段（以下、第２攪拌手段という。）を備える。この第２攪拌手段の例は、図４に図示した低周波振動器８である。低周期の振動は、人間が手で金属容器２を攪拌する程度の周期であることが好ましい。よって、低周期の振動は、０.５Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の低周期の振動である。このように、金属容器２内の液体は、超音波及び低周期の振動の両方によって、攪拌されて、金属容器２からの熱伝達が効率的に伝熱し、加熱される。

本発明は、超音波の発生に、従来技術のように、圧電素子等を用いない。超音波は、静磁場と、上述の渦電流の相互作用で発生する（詳しくは、後述する。）。この静磁場は、永久磁石、直流電流が流れるコイルによってできる。金属容器２は、効率的に誘導加熱できる材料であれば、任意の材料を利用できる。本実施の形態の例では、金属容器２は、Ｆｅ（スチール），又は、Ａｌ（アルミニウム）製である。磁石４は、ネオジウム、サマリウムコバルト磁石である。

〔超音波の発生〕
図２は、超音波を発生させる原理を模式的に図示した図である。図２には、金属２ａ（金属容器２）の表面に置かれたコイル３と磁石４が図示されている。超音波は、人間の聴覚に聞こえる音声より高い周波数の音波である。個人差により人間の耳に聞こえる周波数は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度と言われている。

これより高い周波数の音波が超音波である。しかし、超音波の周波数の下限は、定義されたものがなく、超音波としては、通常、１８ｋＨｚ以上の周波数の音波を言う。超音波は、その音波の性質を利用し、計測、洗浄、液体の攪拌用に幅広く利用されている。コイル３に高周波電流を流すことによって金属内に渦電流を発生させる。磁石４は、静磁場を発生する。この渦電流と静磁場の相互作用Ｊ×Ｂ（渦電流密度×磁束密度）のベクトル積でローレンツ力が発生し、超音波エネルギーとなって金属内を縦波、横波進行する。

金属内に発生する渦電流は、鉄等の強磁性体で５０ｋＨｚの高周波磁界を与えた場合、その表面から厚さ方向に０.１mm乃至０.２mm程度の浸透深さである。金属容器２が缶コーヒー等の薄いスチール缶の場合は、その厚さは０.３mm以下であることが多い。この場合は、金属容器２の周壁全体が、振動源になり、超音波を発生させ、反射、透過、伝搬を繰り返す。後述の実施例のように、強磁性体の場合は、５０ｋＨｚの交流電源が供給される。これと同等な効果を、アルミ等の比透磁率が１に近い導電体で実現するためには、例えば周波数７５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの交流電源が必要になる。

図３には、磁石４から発生する磁力線の概要を図示している。図３に示すように、コイル３の周囲に複数の磁石４を配置している。コイル３の両側に向かい合うように配置された磁石４は、同じ磁極をコイル３の中心点へ向くように配置され、この磁石４から発生する磁力線は反発する。よって、隣接する磁石４は、異なる磁極をコイル３の中心点へ向くように配置されている。よって、コイル３の内側の領域、金属容器２内には、図５に図示された磁力線があると推定される。

〔回路〕
図４は、加熱装置１の電気回路の概要を示したブロック図である。加熱装置１は、交流／直流電源変換器１１、高周波発振器１２、高周波電力増幅器１３、制御・操作部１４、及び、低周波振動制御器１５等からなる。交流／直流電源変換器１１は、商用周波数の１００Ｖ（又は２００Ｖ）電圧を直流電圧に変換し高周波発振器１２、制御・操作部１４、高周波電力増幅器１３に供給するものである。

高周波発振器１２は、超音波振動のための高周波電流を発生するものである。高周波電力増幅器１３は、コイルに流す高周波電流の増幅をするものである。高周波電力増幅器１３は、高周波発振器１２で発生した高周波電流を増幅し、コイル３に供給する。検出センサ７は、金属容器２の温度検出をするサーミスタ、及び、金属容器２の装着有無を検出するための近接センサからなる。制御・操作部１４は、加熱時間、加熱周波数、金属容器２の装着の有無、加熱温度検出などを制御・操作するものである。

具体的には、制御・操作部１４は、高周波発振器１２を制御して、その発生する高周波電流の周波数を制御する。また、制御・操作部１４は、高周波電力増幅器１３を制御して、高周波電力増幅器１３から出力される高周波電流の振幅を制御する。更に、制御・操作部１４は、高周波電流がコイル３に供給される時間を制御する。制御・操作部１４は、検出センサ７から検出信号を受信して、金属容器２の装着有無を判定し、金属容器２の加熱温度も取得する。制御・操作部１４は、これにより、コイル２に供給している高周波電流を継続して供給するか否かの判定を行う。

低周波振動器８は、金属容器２に３Ｈｚ以下の低周期振動を加えるためのものである。低周波振動器８は、コイル３を含み加熱部に与え、結果として、金属容器２に低周期振動を加えられる。低周波振動制御器１５は、低周波振動器８の動作開始、動作停止、及び、金属容器２に加えられる低周期振動の大きさを制御するものである。スイッチＳＷは、低周波振動制御器１５と低周波振動器８の動作を開始、又は停止するものである。

ここで、本発明の実施例を説明する。本発明の加熱装置１を試作して（以下、試作装置という。）、金属缶入りの液体を加温した測定例を示す。金属缶の材質は、スチールであった。これに、１０℃の２００ミリリットルの液体を金属缶に入れて用意した。試作装置のコイルは、太さΦ６０mm、長さＬ１１５mmのリッツ線からなる。このコイルに金属缶を挿入する時の条件は、次の通りである。コイル抵抗は、１.５８Ωであった。インダクタンスは、２１.７μＨであった。インピーダンスは、３.１５Ωであった。Ｑ値は、３.１５（空芯時：53.8）であった。

試作装置に用いた永久磁石は、ネオジム磁石で、その寸法は、１５mm×１０mm×１００mmである。この永久磁石の配置は、図１に示すとおりである。試作装置によって、金属缶入りの充填液体を、約５〜１０秒程度で６０℃までに加温した。試作装置は、超音波を発生させて液体を攪拌すると同時に、約２Ｈｚの低周期の振動を金属缶に与えた。これは、金属缶を人間が手で持って振り、液体を攪拌するのと、同じ程度である。

図５は、試作装置で金属缶入りの液体を加熱する最中に、コイルの両端で電圧を測定した波形を示している。図５からわかるように、コイルには、５０ｋＨｚ、４０Ｖ_P-P、１１.５Ａ_P-Pの交流電源が供給されている。
また、磁石を取り除き、つまり、超音波、低周波振動を掛けずに、金属缶入り液体を、同様に加温した場合は、温度が６０℃までになるには、約２分３０秒程度でかかった。このとき、インピーダンスや共振周波数の最適化は行っていない。

本発明は、金属容器内の液体を加熱する分野に利用するとよい。特に、金属缶入り飲料を加熱する分野、例えば、自動販売機等で利用すると良い。

１…加熱装置
２…金属容器
３…コイル
４…磁石
５…円筒
６…匡体
７…検出センサ
８…低周波振動器
１１…交流／直流電源変換器
１２…高周波発振器
１３…高周波電力増幅器
１４…制御・操作部
１５…低周波振動制御器１５

Claims (7)

1. 交流電源に接続されたコイルによって発生された交番磁界によって、金属容器に渦電流を発生させて、前記金属容器を誘導加熱することによって、前記金属容器内の液体を加熱する金属容器内の液体の加熱方法において、
   前記交番磁界とともに、前記金属容器に静磁界を与え、
   前記静磁界と前記渦電流が相互作用して、前記金属容器に超音波を発生させ、
   前記超音波によって前記液体を攪拌する
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱方法。
2. 請求項１に記載の金属容器内の液体の加熱方法において、
   前記静磁界は、前記金属容器の周囲に配置された永久磁石によるものである
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱方法。
3. 請求項１又は２に記載の金属容器内の液体の加熱方法において、
   低周波振動発生手段によって３Ｈｚ以下の低周期の振動を前記金属容器に与えて、前記金属容器内の前記液体を攪拌する
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱方法。
4. 交流電源に接続され、その付近に配置された金属容器に渦電流を発生させるためのコイルからなる渦電流発生手段、及び、
   前記金属容器に内蔵された液体を攪拌するための超音波を発生させる超音波発生手段からなる加熱装置において、
   静磁場を発生するための静磁場発生手段を前記コイルの近傍に有し、
   前記静磁場発生手段によって発生した前記静磁場と、前記渦電流との相互作用によって、前記超音波を前記金属容器に発生させる
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱装置。
5. 請求項４に記載の金属容器内の液体の加熱装置において、
   ０.５Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の低周期の振動を前記金属容器に与え、前記金属容器内の前記液体を攪拌するための低周波振動発生手段を有する
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱装置。
6. 請求項４又は５に記載の金属容器内の液体の加熱装置において、
   前記静磁場発生手段は、磁石である
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱装置。
7. 請求項６に記載の金属容器内の液体の加熱装置において、
   前記磁石は、前記金属容器の周囲に設置された、細長い形状を有する２以上の磁石要素からなり、
   前記磁石要素の磁極は、前記金属容器へ向いて配置され、
   隣接して配置される前記磁石要素の前記磁極は、Ｎ極とＳ極を交互に前記金属容器へ向くように配置され、
   前記磁石は、前記磁石の長手軸が前記金属容器の長手軸に平行になるように配置された
   ことを特徴とする金属容器内の液体の加熱装置。