JP6317244B2 - 誘導加熱用コイルユニットおよび誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加熱物を誘導加熱するための誘導加熱用コイルユニットおよびこの誘導加熱用コイルユニットを用いた誘導加熱装置に関する。

従来、金属の被加熱物に交番磁界を与えることによって前記被加熱物に渦電流を発生させ、この渦電流のジュール熱によって前記被加熱物を加熱する誘導加熱装置が知られている。この誘導加熱装置では、前記交番磁界の発生に、通常、コイルが用いられる。この誘導加熱装置によって、例えば鋼板等の比較的大型な部材を加熱する場合、数ｋＨｚの周波数であって数百アンペアの電流である高周波大電流を前記コイルに通電する必要がある。このような高周波大電流を前記コイルに通電すると、コイル自体もそのジュール熱によって発熱する。このため、コイルを冷却する必要があり、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されているように、通常、ホローコンダクタと呼ばれる銅管を巻回すことによってコイルが形成され、この銅管に冷却水を流通することによってコイルが冷却される。

前記特許文献１に開示された誘導加熱用インダクタは、空隙を介して対向配置された鉄心とこの鉄心に巻回されたコイルとを備え、上記空隙中に被加熱材を挿入して加熱する装置において、上記鉄心の一部に絶縁物を介して少なくとも１回以上巻回された環状導体を設け、周囲に存在する金属製の構造物を磁路の一部とするような磁気回路に逆起磁力を発生させるようにしたものであり、これによって漏れ磁束の抑制を目論んでいる。そして、上記環状導体は、中空銅管であり、その内部を水冷している。

また、前記特許文献２に開示された誘導加熱用高効率加熱コイルは、金属を加熱する場合に用いる誘導加熱装置の加熱コイルにおいて、少なくとも該コイル用中空導体のコイル内周に相当する部分の肉厚を、電流浸透深さの２倍程度以上に選ぶものであり、これによって渦電流の抑制を目論んでいる。

実開昭６２−１５２３９２号公報 特開２００５−１５００６６号公報

しかしながら、このように銅管でコイルを形成した場合、中空であるために銅管自体、その径が大きいので、コイルも大型化してしまう。

また、被加熱物が磁性金属である場合、被加熱物がそのキュリー温度に近づくと、その透磁率が急激に減少する。このため、被加熱物を貫く経路を含む磁気回路の磁気抵抗も急激に増加するので、磁気回路の近傍に配置されたコイルを貫く漏れ磁束が生じる。この漏れ磁束によってコイル導体自身にも渦電流が生じてしまい、そのジュール熱によってコイルが発熱する。したがって、損失が生じ、加熱効率が低下してしまう。

特許文献１では、漏れ磁束を抑制できるものの、敷設された環状導体に流れる渦電流が発熱して、効率を悪化させるとともに、その冷却方法が必要となる。特許文献２では、コイル導体の厚みを浸透厚さ程度に薄くして、渦電流の流れる領域を限定して渦電流を抑制とはするものの、依然として、磁束線は、導体表面を垂直に貫くため、その効果は、１〜２割程度であって本質的な抑制には至らない。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より小型化でき、渦電流の発生を低減できる誘導加熱用コイルユニットおよびこの誘導加熱用コイルを用いた誘導加熱装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる誘導加熱用コイルユニットは、軸方向に所定の間隔を空けて配置される１対の第１および第２コイルと、前記第１および第２コイルによって生じた磁束を通すヨークとを備え、前記第１および第２コイルは、それぞれ、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さを持つ帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向が前記軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成され、前記ヨークは、前記第１コイルにおける前記軸方向の外側に配置された第１ヨーク部と、前記第２コイルにおける前記軸方向の外側に配置された第２ヨーク部と、前記第１ヨーク部と前記第２ヨーク部とを連結する第３ヨーク部と、前記第１コイルの第１芯部内に延びるように前記第１ヨーク部に突設された第１突磁極部と、前記第２コイルの第２芯部内に延びるように前記第２ヨーク部に突設された第２突磁極部とを備え、前記第１および第２突磁極部は、前記軸方向に所定の第２間隔を空けて互いに対向し、前記第１および第２突磁極部間で、被加熱物を配置する空間が形成され、前記第１ヨーク部は、前記第１コイルにおける前記軸方向の一方端面の一部分を被覆する形状であり、前記第２ヨーク部は、前記第２コイルにおける前記軸方向の他方端面の一部分を被覆する形状であり、前記第１コイルは、前記第１ヨーク部によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第１貫通路を持ち、前記第２コイルは、前記第２ヨーク部によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第２貫通路を持ち、前記第１貫通路に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第１冷媒通路部と、前記第２貫通路に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第２冷媒通路部とをさらに備え、前記第１冷媒通路部は、中空な箱形状の第１冷媒通路部本体と、前記第１冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第１冷媒通路部本体へ前記冷媒を供給する第１供給部と、前記第１冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第１冷媒通路部本体から前記冷媒を排出する第１排出部とを備え、前記第１冷媒通路部本体は、前記第１コイルの前記第１貫通路を有する部分を収容し、前記第２冷媒通路部は、中空な箱形状の第２冷媒通路部本体と、前記第２冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第２冷媒通路部本体へ前記冷媒を供給する第２供給部と、前記第２冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第２冷媒通路部本体から前記冷媒を排出する第２排出部とを備え、前記第２冷媒通路部本体は、前記第２コイルの前記第２貫通路を有する部分を収容することを特徴とする。この誘導加熱用コイルユニットにおいて、好ましくは、前記第３ヨーク部は、第１ヨーク部と第２ヨーク部とをその各両端部で連結する１対の第１および第２連結ヨーク部材であり、該誘導加熱用コイルユニットは、Ｈ型のトランスバース型装置である。また、この誘導加熱用コイルユニットにおいて、好ましくは、前記第３ヨーク部は、第１ヨーク部と第２ヨーク部とをその各一方端部で連結する１個の第３連結ヨーク部材であり、該誘導加熱用コイルユニットは、Ｃ型のランスバース型装置である。

このような誘導加熱用コイルユニットは、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さを持つ帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向がコイルの軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成された第１および第２コイルを備えるので、導体部材自体、その径方向の大きさ（厚さ）が低減され、より小型化が可能となる。そして、このような第１および第２コイルそれぞれは、第１および第２芯部内それぞれに第１および第２突磁極部をそれぞれ備えるように、いわゆるフラットワイズで第１ないし第３ヨーク部を備えるヨーク内に配置され、上記誘導加熱用コイルユニットは、いわゆるトランスバース型となる。このため、第１ヨーク部（または第２ヨーク部）から略垂直に出て（前記軸方向に沿って出て）第２ヨーク部（または第１ヨーク部）に略垂直に入る（前記軸方向に沿って入る）漏れ磁束線は、第１および第２コイルそれぞれにおける前記幅方向に平行となり（前記幅方向に沿い）、前記スキンデプス以下の薄い厚さの導体部材で生じる渦電流の低減が可能となる。

このような誘導加熱用コイルユニットは、第１および第２コイルそれぞれに、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第１および第２貫通路を持つ。前記第１および第２貫通路それぞれは、１個のコイルにおいて、１または複数であってよく、１ターン（１巻き）ごとに設けられて良く、数ターンおきに設けられて良く、またランダムなターンごとに設けられて良い。このような第１貫通路によって、帯状の導体部材における第１貫通路に接する部分（接触部分）は、放熱機能も持たせることができ、放熱板としても利用できる。同様に、このような第２貫通路によって、帯状の導体部材における第２貫通路に接する部分（接触部分）は、放熱機能も持たせることができ、放熱板としても利用できる。そして、導体部材は、一般に、熱伝導性に優れた良熱伝導体でもあるので、第１および第２コイルにおける、前記各接触部分を除く残余の各部分（各残余部分）の熱を前記各接触部分へ熱伝導でき、前記各接触部分で放熱できる。特に、第１および第２コイルにおける各芯部側の部分（各径方向内側部分）で発生した熱は、一般に放熱し難いが上記誘導加熱用コイルユニットでは、好適に前記各径方向内側部分の熱を前記帯状の導体部材で前記各接触部分へ熱伝導でき、前記各接触部分で放熱できる。

上記放熱機能の付与の観点から、上述の誘導加熱用コイルユニットにおいて、好ましくは、前記第１および第２貫通路は、それぞれ、周方向に沿う方向の長さが径方向に沿う長さよりも長い。また好ましくは、上述の誘導加熱用コイルユニットにおいて、前記第１および第２貫通路は、それぞれ、前記導体部材を巻回す際に、前記被覆されていない部分において、径方向に所定の間隔を空けて巻回することによって形成される。このような誘導加熱用コイルユニットでは、帯状の導体部材における前記第１および第２貫通路に接触する面積がより大きくなり、より大量の熱を放熱できる。

このような誘導加熱用コイルユニットは、第１および第２冷媒通路部を備えるので、冷媒の流通によって強制冷却が可能となり、効率よく冷却できる。

そして、本発明の他の一態様にかかる誘導加熱装置は、これら上述のいずれかの誘導加熱用コイルユニットと、前記第１および第２コイルそれぞれに前記駆動周波数の電力を供給する電源とを備えることを特徴とする。

これによれば、これら上述のいずれかの誘導加熱用コイルユニットを用いた誘導加熱装置が提供される。上記誘導加熱装置は、これら上述のいずれかの誘導加熱用コイルユニットを用いるので、より小型化でき、渦電流の発生を低減できる。

本発明にかかる誘導加熱用コイルユニットは、より小型化でき、渦電流の発生を低減できる。そして、本発明によれば、この誘導加熱用コイルユニットを用いた誘導加熱装置が提供できる。

第１実施形態における誘導加熱用コイルユニットの構成を示す図である。 被加熱物として用いられる各金属における周波数とスキンデプスとの関係を示す図である。 ＳＰＣＣ〜純鉄系における温度とスキンデプスとの関係を示す図である。 第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットの構成を示す図である。 第３実施形態における誘導加熱装置の構成を示す図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

実施形態における誘導加熱用コイルユニットは、金属の被加熱物に交番磁界を与えることによって前記被加熱物に渦電流を発生させ、この渦電流のジュール熱によって前記被加熱物を加熱する誘導加熱装置に用いられるコイル装置である。そして、この誘導加熱用コイルユニットは、例えば、被加熱物の表面に対し略垂直な磁界（磁場）を発生させるトランスバース型であり、その一例として、第１実施形態ではＨ型の誘導加熱型コイルユニットＬａについて説明し、他の一例として、第２実施形態ではＣ型の誘導加熱型コイルユニットＬｂについて説明する。そして、このような第１また第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬａ、Ｌｂを用いた誘導加熱装置ＩＨについて、第３実施形態で説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における誘導加熱用コイルユニットの構成を示す図である。図１（Ａ）は、軸方向から見た上面図であり、その対角の略右上側は、正規な上面図であり、前記対角の略左下側は、図１（Ｃ）に示すＩＶ−ＩＶ断面における上面図（横断面図）である。図１（Ｂ）は、第１縦断面図であり、その右半分は、図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ断面線における縦断面図であり、その左半分は、図１（Ａ）に示すＩＩ−ＩＩ断面線における縦断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面線における第２断面図である。図１（Ｃ）には、各冷媒通路部への冷媒の供給および排出を示すために、供給部３−１２、３−４２および排出部３−２３、３−３３が破線の仮想線で示されている。図２は、被加熱物として用いられる各金属における周波数とスキンデプスとの関係を示す図である。図２の横軸は、駆動周波数を示し、その縦軸は、ｍｍ単位で表すスキンデプス（表皮深さ、表皮厚み）を示す。図３は、ＳＰＣＣ〜純鉄系における温度とスキンデプスとの関係を示す図である。図３の横軸は、℃単位で表す温度を示し、その縦軸は、ｍｍ単位で表すスキンデプスを示す。

第１実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬａは、上述したように、Ｈ型のトランスバース型誘導加熱用コイルユニットであり、例えば、図１に示すように、第１および第２コイル１−１、１−２と、ヨーク２（２−１、２−２、２−３１、２−３２、２−４１、２−４２）とを備え、図１に示す例では、さらに、第１および第２冷媒通路部３−１（３−１１〜３−１３）、３−２（３−２１〜３−２３）；３−３（３−３１〜３−３３）、３−４（３−４１〜３−４３）を備えている。

第１および第２コイル１−１、１−２は、図１（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、その軸方向に所定の間隔を空けて配置される。第１および第２コイル１−１、１−２は、互いに同形であるので、特に区別する必要がない場合には、両者を纏めてコイル１として説明する。

コイル１は、帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向が前記軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成される。より具体的には、コイル１は、絶縁材（図略）を挟んで重ね合わせた帯状の長尺な導体部材（あるいは、絶縁被覆した帯状の長尺な導体部材）を所定回数だけ巻回することによって構成されて成る。このような帯状の長尺な導体部材は、シート形状、リボン形状あるいはテープ形状であり、幅（幅方向の長さ、軸方向の長さ）Ｗに対する厚さ（厚み方向の長さ、径方向の長さ）ｔが１未満である（０＜ｔ／Ｗ＜１）。図１に示す例のコイル１は、図１（Ａ）に示すように、軸方向から見た平面視にて、その外形が略長方形（矩形）であってその各角部が丸みを持つように、そして、その芯部が平面視にて略正方形となるように、巻回されている。コイル１は、より詳細に後述で説明される。

ヨーク２は、第１および第２コイル１−１、１−２によって生じた磁束を通す部材である。ヨーク２は、例えば、図１に示す例では、第１ヨーク部２−１と、第２ヨーク部２−２と、第３ヨーク部２−３（２−３１、２−３２）と、第１突磁極部２−４１と、第２突磁極部２−４２とを備える。

第１ヨーク部２−１は、図１（Ｂ）に示すように、第１コイル１−１における軸方向の外側（上側）に配置された部材である。第２ヨーク部２−２は、図１（Ｂ）に示すように、第２コイル１−２における前記軸方向の外側（下側）に配置された部材である。すなわち、第１および第２ヨーク部２−１、２−２それぞれは、軸方向に所定の間隔を空けて互いに対向するように配置された１対の第１および第２コイル１−１、１−２における前記軸方向の両外側（上下側）それぞれに配置されている。第１および第２ヨーク部２−１、２−２は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、互いに同形であり、比較的薄い略直方体（略板状）の部材である。第３ヨーク部２−３は、第１ヨーク部２−１と第２ヨーク部２−２とを連結する部材であり、図１に示す例では、第１ヨーク部２−１と第２ヨーク部２−２とをその各両端部で連結する１対の第１および第２連結ヨーク部材２−３１、２−３２を備える。第１および第２連結ヨーク部材２−３１、２−３２は、図１（Ｂ）に示すように、互いに同形であり、比較的薄い略直方体の部材である。すなわち、第１ヨーク部２−１における一方端部に、直交するように（垂設するように）、第１連結ヨーク部材２−３１の一方端部が連結され、第１ヨーク部２−１における他方端部に、直交するように（垂設するように）、第２連結ヨーク部材２−３２の一方端部が連結される。そして、第２ヨーク部２−２における一方端部に、直交するように（垂設するように）、第１連結ヨーク部材２−３１の他方端部が連結され、第２ヨーク部２−２における他方端部に、直交するように（垂設するように）、第２連結ヨーク部材２−３２の他方端部が連結される。これによって第１ないし第３ヨーク２−１〜２−３は、断面直方体状の筒状（中空な柱形状）となり、その内部空間に、離間して互いに対向する第１および第２コイル１−１、１−２が配設されている。

そして、第１突磁極部２−４１は、図１（Ｂ）に示すように、第１コイル１−１の第１芯部内に延びるように第１ヨーク部２−１の内側面上に突設される。第１突磁極部２−４１は、その外形が第１コイル１−１の第１芯部の形状に応じた形状となっている。図１に示す例では、第１コイル１−１は、上述したように、その第１芯部が平面視にて面取りされた略正方形であるので、第１突磁極部２−４１は、図１（Ａ）に示すように、前記第１芯部よりやや小さい、その外形が平面視にて面取りされた略正方形である。より詳しくは、第１突磁極部２−４１は、第１ヨーク部２−１の短尺方向の長さ（幅の長さ）と略等しい長さを持つ、平面視にて前記略正方形である。第１突磁極部２−４１は、その高さ（軸方向の長さ）が第１コイル１−１における導体部材の幅の長さと略同一である。したがって、第１コイル１−１は、その第１芯部内に第１突磁極部２−４１を持つ有芯コイルとなっている。

同様に、第２突磁極部２−４２は、図１（Ｂ）に示すように、第２コイル１−２の第２芯部内に延びるように第２ヨーク部２−２の内側面上に突設される。第２突磁極部２−４２は、その外形が第２コイル１−２の第２芯部の形状に応じた形状となっている。図１に示す例では、第２コイル１−２は、上述したように、第１コイル１−１と同形であるので、第２突磁極部２−４２は、第１突磁極部２−４１と同形であり、図１（Ａ）に示すように、前記第２芯部よりやや小さい、その外形が平面視にて面取りされた略正方形である。より詳しくは、第２突磁極部２−４２は、第２ヨーク部２−２の短尺方向の長さ（幅の長さ）と略等しい長さを持つ、平面視にて前記略正方形である。第２突磁極部２−４２は、その高さ（軸方向の長さ）が第２コイル１−２における導体部材の幅の長さと略同一である。したがって、第２コイル１−２は、その第２芯部内に第２突磁極部２−４２を持つ有芯コイルとなっている。

第１および第２突磁極部２−４１、２−４２の各表面は、図１（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、軸方向に直交するような平面となっており、軸方向に所定の間隔を空けて互いに対向している。なお、第１および第２突磁極部２−４１、２−４２の各表面における各縁（各稜線部分）は、Ｃ面取りされている。

このようなヨーク２は、所定の磁性材料で形成される。例えば、ヨーク２は、薄板状（例えば０．５ｍｍ以下）の複数の電磁鋼板を軸方向と直交する方向で積層することによって形成される。また例えば、ヨーク２は、軟磁性体粉末を加熱加圧成型することによって形成される。前記軟磁性体粉末は、強磁性の金属粉末であり、より具体的には、例えば、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）およびアモルファス粉末、さらには、表面にリン酸系化成皮膜などの電気絶縁皮膜が形成された鉄粉（例えば直径５０μｍ以下）等が挙げられる。これら軟磁性体粉末は、公知の手段、例えば、アトマイズ法等によって微粒子化する方法や、酸化鉄等を微粉砕した後にこれを還元する方法等によって製造することができる。ヨーク２は、例えば、第１ないし第３ヨーク部２−１〜２−３ならびに第１および第２突磁極部２−４１、２−４２を一体に形成して良い。また例えば、ヨーク２は、第１ないし第３ヨーク部２−１〜２−３ならびに第１および第２突磁極部２−４１、２−４２それぞれを互いに例えば接着固定等することによって形成して良い。また例えば、ヨーク２は、第１ないし第３ヨーク部２−１〜２−３ならびに第１および第２突磁極部２−４１、２−４２の一部を一体に形成したものと、それら残部を一体に形成したものとを、互いに例えば接着固定等することによって形成して良い。例えば、第１ヨーク部２−１、第１連結ヨーク部材２−３１の一部、第２連結ヨーク部材２−３２の一部および第１突磁極部２−４１を一体に形成した断面略Ｅ字形状の上側ヨーク部と、第２ヨーク部２−２、第１連結ヨーク部材２−３１の残部、第２連結ヨーク部材２−３２の残部および第２突磁極部２−４２を一体に形成した断面略Ｅ字形状の下側ヨーク部とを互いに例えば接着固定等することによって、ヨーク２は、形成される。

このようなヨーク２は、いわゆるトランスバース型であり、第１および第２コイル１−１、１−２に通電されることによって発生する磁界（磁束）が、図１（Ｂ）に示すように、例えば、第１突磁極部２−４１から軸方向に平行となるように入って、第１ヨーク部２−１、第１連結ヨーク部材２−４１、第２ヨーク部２−２および第２突磁極部２−４２を介して第２突磁極部２−４２から軸方向に平行となるように出て、第１および第２突磁極部２−４１、２−４２間の空間を介して再び第１突磁極部２−４１に入る磁路（磁気回路）を形成するリターンヨークとなっている。

そして、本実施形態では、第１ヨーク部２−１は、第１コイル１−１における軸方向の一方端面の一部分を被覆する形状であり、第２ヨーク部２−２は、第２コイル１−２における前記軸方向の一方端面の一部分を被覆する形状である。より具体的には、互いに同形の第１および第２ヨーク部２−１、２−２における、前記軸方向に直交するとともに互いに直交する長尺方向および短尺方向の各長さのうち短尺方向の長さ（幅の長さ）は、互いに同形の第１および第２コイル１−１、１−２の外形の長さより短い。より詳しくは、図１に示す例では、第１および第２ヨーク部２−１、２−２における前記短尺方向の長さ（幅の長さ）は、第１および第２コイル１−１、１−２の芯部の長さと略同一あるいは芯部の長さよりやや長くなっている。

コイル１（第１コイル１−１、第２コイル１−２）についてさらに説明する。本実施形態におけるコイル１の導体部材は、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さを持つ。図２には、各金属における周波数とスキンデプスとの関係が示されている。図２における各直線は、上から下へ順に、８００℃におけるγ鉄、８００℃における黄銅、８００℃における銅、２５℃におけるアルミニウム、２５℃における銅および２５℃におけるα鉄の各前記関係である。図３には、ＳＰＣＣ〜純鉄系における温度とスキンデプスとの関係が示されている。この純鉄系のキュリー温度Ｔｃは、７６８℃である。被加熱物が板状の鉄材であってキュリー温度Ｔｃ以上の温度、例えば８００℃に駆動周波数１ｋＨｚ以上で加熱する場合、例えば銅の導体部材は、図２より、好ましくは、その厚さが２ｍｍ以下である。また例えばアルミニウムの導体部材は、図２より、好ましくは、その厚さが３ｍｍ以下である。これら銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）は、比較的低い抵抗率で比較的高い熱伝導率を持つ金属材料であって、導電性および熱伝導性の観点から、帯状の導体部材として好適である。したがって、これらの場合、厚さを２ｍｍ以下とすることで、コイル１の導体部材は、駆動周波数１ｋＨｚに対応したスキンデプス以下の厚さを持つ。そして、このような厚さ２ｍｍ以下である導体部材によって形成されたコイル１に駆動周波数１ｋＨｚの交流電力を供給して誘導加熱する場合、鉄材の被加熱物は、図２より、好ましくは、０．５ｍｍ以上の厚さである。このような鉄材の被加熱物を誘導加熱すると、常温において強磁性体である鉄材の被加熱物は、キュリー温度Ｔｃの近傍に達して磁性を失う。磁性を失った場合、第１および第２突磁極を経由する磁路の磁気抵抗は、急激に増加し、磁束が第１および第２コイル１−１、１−２に漏れ出す。本実施形態では、第１および第２コイル１−１、１−２は、上述のように、駆動周波数に応じたスキンデプス以下の厚さを持つ帯状の導体部材で形成された、いわゆるフラットワイズであるので、上記漏れ出した漏れ磁束は、幅方向（軸方向）に略沿って導体部材を通り、さらに、スキンデプス以下の薄さであるから、導体部材の内部で渦電流が生じ難くなり、その損失を低減できる。さらに、鉄材の被加熱物を誘導加熱すると、一般に、温度不均一を生じることがあるが、磁束が被加熱物の縁にある第１および第２コイル１−１、１−２に漏れ出せるということは、キュリー温度に到達した領域から、未だキュリー温度に到達せずに磁性の残る領域（磁気抵抗が小さい領域）へ移動できることを意味し、結果として鉄材の被加熱物全体がキュリー温度に略均一に加熱できることになる。

また、本実施形態では、第１コイル１−１は、第１ヨーク部２−１によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、軸方向に貫通する第１貫通路４−１を持ち、第２コイル１−２は、第２ヨーク部２−２によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第２貫通路４−２を持つ。すなわち、コイル１（第１コイル１−１、第２コイル１−２）は、第１および第２ヨーク部２−１、２−２によって被覆されていない部分において、径方向に所定の間隔を空けるように、帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向が前記軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成される。言い換えれば、コイル１は、第１および第２ヨーク部２−１、２−２によって被覆されていない部分において、径方向に所定の間隔を空けるように、コイル状に巻回された、軸方向の幅が径方向の厚さよりも長い長尺な帯状の導体部材と、前記コイル状に巻回された前記帯状の導体部材における各ターン間に配置される絶縁部材とを備える。このような第１および第２貫通路４−１、４−２は、それぞれ、周方向に沿う方向の長さが径方向に沿う長さよりも長い。第１貫通路４−１は、本実施形態では、平面視にて、上述したように外形矩形の第１コイル１−１における、第１ヨーク部２−１に対し両側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側および紙面右側）で第１ヨーク部２−１によって被覆されていない両辺部分に形成されている。第２貫通路４−２は、本実施形態では、平面視にて、上述したように外形矩形の第２コイル１−２における、第２ヨーク部２−２に対し両側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側および紙面右側）で第２ヨーク部２−２によって被覆されていない両辺部分に形成されている。

第１貫通路４−１は、１個の第１コイル１−１において、１または複数であってよく、１ターンごとに設けられて良く、数ターンおきに設けられて良く、またランダムなターンごとに設けられて良い。同様に、第２貫通路４−２は、１個の第２コイル１−２において、１または複数であってよく、１ターンごとに設けられて良く、数ターンおきに設けられて良く、またランダムなターンごとに設けられて良い。図１に示す例では、第１および第２貫通路４−１、４−２それぞれは、１ターンごとに設けられている。

なお、第１および第２コイル１−１、１−２において、第１および第２貫通路４−１、４−２を形成した、第１および第２ヨーク部２−１、２−２によって被覆されていない部分を除く部分、例えば、第１および第２ヨーク部２−１、２−２によって被覆されている部分は、小型化の観点から、導体部材が絶縁材料を介して密接するように、巻回される。これによってヨーク２の内部空間に、高い占有率で第１および第２コイル１−１、１−２の有効断面積をそれぞれ確保できる。

また、各第１貫通路４−１内には、当該第１貫通路４−１の形状を維持するための形状維持部材（スペーサ）が配設されて良く、同様に、各第２貫通路４−２内には、当該第２貫通路４−２の形状を維持するための形状維持部材（スペーサ）が配設されて良い。

第１冷媒通路部３−１（３−１１〜３−１３）、３−２（３−２１〜３−２３）は、第１貫通路４−１に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した部材であり、第１冷媒通路部３−１、３−２は、第１コイル１−１における第１ヨーク部２−１に対し一方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側）で第１ヨーク部２−１によって被覆されていない部分の第１貫通路４−１に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第１ａ冷媒通路部３−１と、第１コイル１−１における第１ヨーク部２−１に対し他方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面右側）で第１ヨーク部２−１によって被覆されていない部分の第１貫通路４−１に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第１ｂ冷媒通路部３−２とを備える。

第１ａ冷媒通路部３−１は、中空な直方体状（箱形状）の第１ａ冷媒通路部本体３−１１と、第１ａ冷媒通路部本体３−１１の内部空間と連通し、第１ａ冷媒通路部本体３−１１の上面に立設するように形成された円筒状の第１ａ供給部３−１２と、第１ａ冷媒通路部本体３−１１の内部空間と連通し、第１ａ冷媒通路部本体３−１１の前記上面に立設するように形成された円筒状の第１ａ排出部３−１３とを備える。第１ａ冷媒通路３−１は、第１コイル１−１における第１ヨーク部２−１に対し一方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側）で第１ヨーク部２−１によって被覆されていない部分が、第１ａ冷媒通路部本体３−１１における側面の一方端部でその内部空間に入って、前記内部空間を介して前記側面の他方端部でその内部空間から出るように、第１コイル１−１に取り付けられる。第１コイル１−１が第１ａ冷媒通路部本体３−１１に出入りする部分は、例えば樹脂等のシール部材によって水密に形成される。同様に、第１ｂ冷媒通路部３−２は、中空な直方体状（箱形状）の第１ｂ冷媒通路部本体３−２１と、第１ｂ冷媒通路部本体３−２１の内部空間と連通し、第１ｂ冷媒通路部本体３−２１の下面に立設するように形成された円筒状の第１ｂ供給部３−２２と、第１ｂ冷媒通路部本体３−２１の内部空間と連通し、第１ｂ冷媒通路部本体３−２１の前記下面に立設するように形成された円筒状の第１ｂ排出部３−２３とを備える。第１ｂ冷媒通路３−２は、第１コイル１−１における第１ヨーク部２−１に対し他方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面右側）で第１ヨーク部２−１によって被覆されていない部分が、第１ｂ冷媒通路部本体３−２１における側面の一方端部でその内部空間に入って、前記内部空間を介して前記側面の他方端部でその内部空間から出るように、第１コイル１−１に取り付けられる。第１コイル１−１が第１ｂ冷媒通路部本体３−２１に出入りする部分は、例えば樹脂等のシール部材によって水密に形成される。

第２冷媒通路部３−３（３−３１〜３−３３）、３−４（３−４１〜３−４３）は、第２貫通路４−２に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した部材であり、第２冷媒通路部３−３、３−４は、第２コイル１−２における第２ヨーク部２−２に対し一方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側）で第２ヨーク部２−２によって被覆されていない部分の第２貫通路４−２に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第２ａ冷媒通路部３−３と、第２コイル１−２における第２ヨーク部２−２に対し他方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面右側）で第２ヨーク部２−２によって被覆されていない部分の第２貫通路４−２に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第２ｂ冷媒通路部３−４とを備える。

第２ａ冷媒通路部３−３は、中空な直方体状（箱形状）の第２ａ冷媒通路部本体３−３１と、第２ａ冷媒通路部本体３−３１の内部空間と連通し、第２ａ冷媒通路部本体３−３１の上面に立設するように形成された円筒状の第２ａ供給部３−３２と、第２ａ冷媒通路部本体３−３１の内部空間と連通し、第２ａ冷媒通路部本体３−３１の前記上面に立設するように形成された円筒状の第２ａ排出部３−３３とを備える。第２ａ冷媒通路３−３は、第２コイル１−２における第２ヨーク部２−２に対し一方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面左側）で第２ヨーク部２−２によって被覆されていない部分が、第２ａ冷媒通路部本体３−３１における側面の一方端部でその内部空間に入って、前記内部空間を介して前記側面の他方端部でその内部空間から出るように、第２コイル１−２に取り付けられる。第２コイル１−２が第２ａ冷媒通路部本体３−３１に出入りする部分は、例えば樹脂等のシール部材によって水密に形成される。同様に、第２ｂ冷媒通路部３−４は、中空な直方体状（箱形状）の第２ｂ冷媒通路部本体３−４１と、第２ｂ冷媒通路部本体３−４１の内部空間と連通し、第２ｂ冷媒通路部本体３−４１の下面に立設するように形成された円筒状の第２ｂ供給部３−４２と、第２ｂ冷媒通路部本体３−４１の内部空間と連通し、第２ｂ冷媒通路部本体３−４１の前記下面に立設するように形成された円筒状の第２ｂ排出部３−４３とを備える。第２ｂ冷媒通路３−４は、第２コイル１−２における第２ヨーク部２−２に対し他方側（図１（Ａ）および（Ｃ）に示す例では紙面右側）で第２ヨーク部２−２によって被覆されていない部分が、第２ｂ冷媒通路部本体３−４１における側面の一方端部でその内部空間に入って、前記内部空間を介して前記側面の他方端部でその内部空間から出るように、第２コイル１−２に取り付けられる。第２コイル１−２が第２ｂ冷媒通路部本体３−４１に出入りする部分は、例えば樹脂等のシール部材によって水密に形成される。

第１コイル１−１が、第１ａ冷媒通路部本体３−１１または第１ｂ冷媒通路部本体３−２１に出入りする部分、および、第２コイル１−２が、第２ａ冷媒通路部本体３−３１または第２ｂ冷媒通路部本体３−４１に出入りする部分を、例えば樹脂等のシール部材によって水密に形成する代わりに、第１ａ冷媒通路部本体３−１１と第１ｂ冷媒通路部本体３−２１を、または、第２ａ冷媒通路部本体３−３１と第２ｂ冷媒通路部本体３−４１を、それぞれを非導電性および非磁性材質の矩形パイプで連結し、その内空間一杯に第１コイル１−１または第２コイル１−２を収める冷媒通路部本体構造であっても良い。コイル導体を個別に樹脂等のシール部材で完全な水密に形成することは、施工上容易ではないことから、この構造の方がより実用的である。その場合、該矩形パイプは、その内空間、コイル線材とパイプ壁の狭い隙間に冷媒が流れることを期待するのではなく、単に冷媒に対する水密性の確保のためだけの容器となる。

このような誘導加熱用コイルユニットＬａでは、第１および第２コイル１−１、１−２に例えば駆動周波数１ｋＨｚの交流電力が供給されると、図１（Ｂ）に一点鎖線で示す磁束を持つ交番磁界（交番磁場）が発生する。この状態で、第１および第２突磁極部２−４１、２−４２間の空間に、例えば鉄材等であって例えば板状、棒状および線状等である被加熱物ＷＫが配置されると、前記磁束が被加熱物ＷＫに通る。このため、前記交番磁界によって被加熱物ＷＫに渦電流が生じ、この渦電流のジュール熱によって被加熱物ＷＫが誘導加熱される。この誘導加熱中に漏れ磁束が生じた場合、第１ヨーク部２−１（または第２ヨーク部２−２）から略垂直に出て（前記軸方向に沿って（平行に）出て）第２ヨーク部２−２（または第１ヨーク部２−１）に略垂直に入る（前記軸方向に沿って（平行に）入る）漏れ磁束線は、第１および第２コイル１−１、１−２それぞれにおける幅方向（軸方向）に略沿って導体部材を通り、さらに、スキンデプス以下の薄さであるから、導体部材の内部で渦電流が生じ難くなり、その損失を低減できる。

また、第１および第２コイル１−１、１−２が昇温する場合でも、第１コイル１−１は、第１貫通路４−１を持つ。第１貫通路４−１によって、第１コイル１−１における帯状の導体部材における第１貫通路４−１に接する部分（接触部分）は、放熱機能も持たせることができ、放熱板としても利用できる。このため、第１コイル１−１は、前記接触部分で放熱でき、前記昇温を抑制できる。同様に、第２コイル１−２は、第２貫通路４−２を持つ。第２貫通路４−２によって、第２コイル１−２における帯状の導体部材における第２貫通路４−２に接する部分（接触部分）は、放熱機能も持たせることができ、放熱板としても利用できる。このため、第２コイル１−２は、前記接触部分で放熱でき、前記昇温を抑制できる。特に、第１および第２コイル１−１、１−２における各芯部側の部分（各径方向内側部分）で発生した熱は、一般に放熱し難いが上記誘導加熱用コイルユニットＬａでは、好適に前記各径方向内側部分の熱を前記帯状の導体部材で前記各接触部分へ熱伝導でき、前記各接触部分で放熱できる。特に、前記帯状の導体部材を銅またはアルミニウムとすることで、より好適に熱伝導できる。そして、上述の誘導加熱用コイルユニットＬａでは、第１および第２貫通路４−１、４−２は、それぞれ、導体部材を巻回す際に、第１および第２ヨーク部２−１、２−２によって被覆されていない部分において、径方向に所定の間隔を空けて巻回することによって形成され、第１および第２貫通路４−１、４−２は、それぞれ、周方向に沿う方向の長さが径方向に沿う長さよりも長い。このため、帯状の導体部材における第１および第２貫通路４−１、４−２に接触する面積がより大きくなり、より大量の熱を放熱できる。

また、誘導加熱中に、第１ａ、第１ｂ、第２ａおよび第２ｂ冷媒通路部３−１〜３−４において、各第１ａ、第１ｂ、第２ａおよび第２ｂ供給部３−１２〜３−４２から冷媒が供給され、各第１ａ、第１ｂ、第２ａおよび第２ｂ冷媒通路部本体３−１１〜３−４１を介して、各第１ａ、第１ｂ、第２ａおよび第２ｂ排出部３−１３〜３−４３から冷媒が排出される。このため、冷媒の流通によって強制冷却が可能となり、効率よく冷却できる。前記冷媒には、例えば、液相では、不凍剤添加の純水、非極性絶縁油、フロン系または非フロン系有機溶媒、液体窒素、液化天然ガス等が使用され、また例えば、気相では、不活性ガス、水素、ヘリウム、窒素、アルゴン、フロン系または非フロン系ガス等が使用される。

以上説明したように、第１実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬａは、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さを持つ帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向がコイルの軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成された第１および第２コイル１−１、１−２を備えるので、導体部材自体、その径方向の大きさ（厚さ）が低減され、より小型化が可能となる。そして、このような第１および第２コイル１−１、１−２それぞれは、第１および第２芯部内それぞれに第１および第２突磁極部２−４１、２−４２をそれぞれ備えるように、いわゆるフラットワイズで第１ないし第３ヨーク部２−１、２−２、２−３（２−３１、２−３２）を備えるヨーク２内に配置され、誘導加熱用コイルユニットＬａは、いわゆるトランスバース型となる。このため、第１ヨーク部２−１（または第２ヨーク部２−２）から略垂直に出て（前記軸方向に沿って（平行に）出て）第２ヨーク部２−２（または第１ヨーク部２−１）に略垂直に入る（前記軸方向に沿って（平行に）入る）漏れ磁束線は、第１および第２コイル１−１、１−２それぞれにおける前記幅方向に平行となり（前記幅方向に沿い）、前記スキンデプス以下の薄い厚さの導体部材で生じる渦電流の低減が可能となる。特に、被加熱物が磁性体であってキュリー温度以上に加熱され、漏れ磁束が増大する場合でも、上述により、渦電流の低減が可能となる。したがって、効率よく誘導加熱できる。

なお、上述では、駆動周波数は、１ｋＨｚとしたが、これに限定されるものではなく、適宜に変更できる。

次に、別の実施形態について説明する。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットの構成を示す断面図である。第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬｂは、上述したように、Ｃ型のトランスバース型誘導加熱用コイルユニットであり、例えば、図４に示すように、第１および第２コイル１−１、１−２と、ヨーク５（５−１、５−２、５−３、５−４１、５−４２）とを備える。第２実施形態の誘導加熱用コイルユニットＬｂにおける第１および第２コイル１−１、１−２は、それぞれ、第１実施形態の誘導加熱用コイルユニットＬａにおける第１および第２コイル１−１、１−２と同様であるので、その説明を省略する。

ヨーク５は、第１実施形態のヨーク２と同様に、第１および第２コイル１−１、１−２によって生じた磁束を通す部材であり、ヨーク５は、例えば、図４に示すように、第１ヨーク部５−１と、第２ヨーク部５−２と、第３ヨーク部２−３と、第１突磁極部５−４１と、第２突磁極部２−４２とを備える。第１実施形態のヨーク２では、第１および第２ヨーク部２−１、２−２は、第１および第２突磁極部２−４１、２−４２の両側に長尺方向に沿って等しい長さで延び、各両端部で１対の第１および第２連結ヨーク部材２−３１、２−３２によって互いに連結されたが、第２実施形態のヨーク５では、第１および第２ヨーク部５−１、５−２は、第１および第２突磁極部２−４１、２−４２の一方側のみに長尺方向に沿って延び（すなわち、他方側は省略されている）、各一方端部で１個の第３連結ヨーク部材で構成されて成る第３ヨーク部５−３によって互いに連結される。この点を除き、第２実施形態のヨーク５は、第１実施形態のヨーク２と同様であるので、その説明を省略する。

なお、第１実施形態と同様に、第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬｂは、第１および第２貫通路４−１、４−２に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第１および第２冷媒通路部を備えて良い。

このような第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬｂは、第１実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬａと同様の作用効果を奏する。そして、第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬｂは、図４に示すように、被加熱物ＷＫの例えば端部等の一部分を誘導加熱できる。

次に、別の実施形態について説明する。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態における誘導加熱装置の構成を示す図である。第３実施形態における誘導加熱装置は、誘導加熱用コイルユニットを用いた加熱装置である。このような第３実施形態における誘導加熱装置ＩＨは、例えば、図５に示すように、これら上述した第１または第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬ（Ｌａ、Ｌｂ）と、第１および第２コイル１−１、１−２それぞれに前記駆動周波数の電力を供給する高周波電源ＰＳとを備える。高周波電源ＰＳは、数ｋＨｚの周波数であって数百アンペアの電流である高周波大電流を生成する回路であり、この高周波大電流は、第１および第２コイル１−１、１−２それぞれへ給電される。

このような第３実施形態における誘導加熱装置ＩＨは、これら第１および第２実施形態における誘導加熱用コイルユニットＬａ、Ｌｂのうちのいずれか一方を用いるので、より小型化でき、渦電流の発生を低減できる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｌａ、Ｌｂ 誘導加熱用コイルユニット
ＩＨ 誘導加熱装置
ＰＳ 高周波電源
１−１ 第１コイル
１−２ 第２コイル
２（２−１、２−２、２−３１、２−３２、２−４１、２−４２）、５（５−１、５−２、５−３、５−４１、５−４２） ヨーク
３−１（３−１１〜３−１３） 第１ａ冷媒通路部
３−２（３−２１〜３−３３） 第１ｂ冷媒通路部
３−３（３−３１〜３−３３） 第２ａ冷媒通路部
３−４（３−４１〜３−４３） 第２ｂ冷媒通路部
４−１ 第１貫通路
４−２ 第２貫通路

Claims (2)

1. 軸方向に所定の間隔を空けて配置される１対の第１および第２コイルと、
   前記第１および第２コイルによって生じた磁束を通すヨークとを備え、
   前記第１および第２コイルは、それぞれ、駆動周波数に対応したスキンデプス以下の厚さを持つ帯状の導体部材を、該導体部材の幅方向が前記軸方向に沿うように絶縁部材を介して巻回することによって構成され、
   前記ヨークは、前記第１コイルにおける前記軸方向の外側に配置された第１ヨーク部と、前記第２コイルにおける前記軸方向の外側に配置された第２ヨーク部と、前記第１ヨーク部と前記第２ヨーク部とを連結する第３ヨーク部と、前記第１コイルの第１芯部内に延びるように前記第１ヨーク部に突設された第１突磁極部と、前記第２コイルの第２芯部内に延びるように前記第２ヨーク部に突設された第２突磁極部とを備え、
   前記第１および第２突磁極部は、前記軸方向に所定の第２間隔を空けて互いに対向し、
   前記第１および第２突磁極部間で、被加熱物を配置する空間が形成され、
   前記第１ヨーク部は、前記第１コイルにおける前記軸方向の一方端面の一部分を被覆する形状であり、
   前記第２ヨーク部は、前記第２コイルにおける前記軸方向の他方端面の一部分を被覆する形状であり、
   前記第１コイルは、前記第１ヨーク部によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第１貫通路を持ち、
   前記第２コイルは、前記第２ヨーク部によって被覆されていない部分において、所定のターン間に含まれる、前記軸方向に貫通する第２貫通路を持ち、
   前記第１貫通路に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第１冷媒通路部と、
   前記第２貫通路に冷媒を流通させるための冷媒通路を形成した第２冷媒通路部とをさらに備え、
   前記第１冷媒通路部は、中空な箱形状の第１冷媒通路部本体と、前記第１冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第１冷媒通路部本体へ前記冷媒を供給する第１供給部と、前記第１冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第１冷媒通路部本体から前記冷媒を排出する第１排出部とを備え、前記第１冷媒通路部本体は、前記第１コイルの前記第１貫通路を有する部分を収容し、
   前記第２冷媒通路部は、中空な箱形状の第２冷媒通路部本体と、前記第２冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第２冷媒通路部本体へ前記冷媒を供給する第２供給部と、前記第２冷媒通路部本体の内部空間と連通し前記第２冷媒通路部本体から前記冷媒を排出する第２排出部とを備え、前記第２冷媒通路部本体は、前記第２コイルの前記第２貫通路を有する部分を収容すること
   を特徴とする誘導加熱用コイルユニット。
2. 請求項１に記載の誘導加熱用コイルユニットと、
   前記第１および第２コイルそれぞれに前記駆動周波数の電力を供給する電源とを備えること
   を特徴とする誘導加熱装置。

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