JP7297239B2

JP7297239B2 - 加熱装置

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Publication number: JP7297239B2
Application number: JP2019095700A
Authority: JP
Inventors: 和行吉岡
Original assignee: SHODEN KOGYO CO., LTD.
Current assignee: SHODEN KOGYO CO., LTD.
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2023-06-26
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: JP2020191225A

Description

本発明は、加熱装置に関し、より詳しくは、商用電源を用いて加熱対象物を高温に加熱可能な装置に関する。

高温熱処理は、金属をはじめとする工業部材における重要な加工工程であり、部材の形状や処理内容に応じた様々な熱処理設備が使われている。大型の高温熱処理設備では石油や天然ガスなどの化石燃料も用いられるが、より小型の設備では簡便さのために電気を利用するものもある。

電気を利用する設備として、加熱対象に電極を接触させて通電し、内部抵抗によるジュール熱で内部から加熱する直接通電加熱方式の設備が知られている。この設備は、簡便な装置構成で加熱対象を内部から満遍なく加熱できるという利点を有する。しかしながら、設備の使用期間が長くなるにつれて、電極が消耗する。この消耗に起因して、ランニングコストを押し上げるという課題がある。また、電極の消耗物が加熱対象物に混入するリスクを確実に抑えるには、他の方式による設備の提案が求められる。

直接通電加熱方式とは別の方式の設備として、高周波誘導加熱方式の設備が知られている。この設備の例として、渦電流によるジュール熱で加熱対象を内部から加熱する設備のほか、加熱対象を誘導コイルの内部に配置する設備、あるいは誘導コイルの軸方向の近傍に配置する設備等が知られている。この方式は、電極の消耗を伴わないため、電極の消耗物が加熱対象物に混入するリスクを確実に抑えられるという利点を有する。他方、作業員への高周波の曝露や周辺機器へのノイズ混入、設置に届出が必要となる等の改善課題を有する。

直接通電方式における電極の消耗の課題と、高周波誘導加熱方式における高周波の利用に伴う課題との両方を解決する手段として、誘導加熱装置に低周波を用いることが提案されている。例えば、特許文献１は、閉ループ回路を形成する磁性コアに低周波磁界を供与することで、前記磁性コアの周囲に配置する断熱容器内に収められた加熱対象物である金属に二次電流を誘導してジュール熱を発生させる誘導加熱装置を開示する。特許文献１に記載の誘導加熱装置は、加熱対象物内部に直接誘導電流を発生させることから電極を用いないため、直接通電方式における電極の消耗の課題を解決できる。また、特許文献１に記載の誘導加熱装置は、低周波を用いることから、高周波誘導過熱方式における高周波の利用に伴う課題も解決できる。

特開平４－００６７８８号公報

特許文献１が開示する装置は、駆動装置により回転する可動コアを用いた交番磁束発生装置によって、加熱対象物に対して適切な周波数の交番磁束を供与し、加熱効率を高め得る。しかしながら、この交番磁束発生装置において生じるエネルギー損失に対する考慮が十分でない。

また、特許文献１が開示する装置は、磁気漏れによって交番磁束の一部が漏れ磁束となり、加熱対象物内部に誘導電流を流すことなく消費されてしまう。この磁気漏れによって生じる漏れインダクタンスに対する考慮も十分でない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、直接通電加熱における電極の消耗の課題と、高周波誘導加熱における高周波電磁波の課題との両方を解決でき、高周波誘導加熱における変圧器がもたらすイニシャルコスト上昇及びエネルギー損失の課題も解決でき、低周波誘導加熱における漏れ磁束によるエネルギー損失の課題も解決でき、加熱対象物が発する熱が磁性コアや加熱装置全体を温めるために浪費されることもない、低周波で動作する磁界共鳴を用いた加熱装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、非接触型の給電装置と直接通電加熱装置とを用い、これら両装置の間を断熱壁で隔て、前記非接触型の給電装置の受電設備を特別な構造にすることで、上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。具体的に、本発明は以下のものを提供する。

本発明は、加熱装置に関する。加熱装置は、一次回路と、前記一次回路と磁界共鳴によって結合される二次回路と、前記二次回路を囲むことで前記一次回路と前記二次回路との間を隔て、前記磁界共鳴の磁場に対して透過性を示す断熱壁とを備え、前記一次回路は、一次磁性コアと、前記一次磁性コアの周囲に配され、動作周波数が４００Ｈｚ以下の交流電流を受電する給電コイルとを有し、前記二次回路は、前記一次磁性コアと磁界共鳴によって結合される二次磁性コアと、前記二次磁性コアの周囲に短絡してループ状に配される導電性の加熱対象物と、前記加熱対象物と電気的に接続される二次側共振用コンデンサとを有する。

本発明に係る加熱装置において、まず、一次回路にて、動作周波数が４００Ｈｚ以下の交流電流を給電コイルが受電する。この受電により、給電コイルの略中央に配される一次磁性コアに変動磁場が発生する。そして、変動磁場は、一次磁性コアから、二次回路の二次磁性コアに到達する。一次回路と二次回路との間は、断熱壁で隔てられているものの、断熱壁は、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示すため、一次磁性コアと二次磁性コアとの磁気結合は、阻害されない。一次磁性コアで発生した変動磁場は、磁場透過性の断熱壁を通って二次磁性コアに到達可能である。

続いて、二次回路にて、変動磁場が二次磁性コアに到達すると、電磁誘導の法則により、二次磁性コアの周囲に短絡してループ状に配される導電性の加熱対象物の内部に誘導電流を発生させる。加熱対象物は、内部抵抗を有するため、加熱対象物の内部に誘導電流が発生すると、加熱対象物の内部にジュール熱が加えられる。

本発明に係る加熱装置によると、加熱対象に電極を接触させる必要がないために、直接通電加熱における電極の消耗の課題と、電極の消耗に起因する諸課題（ランニングコストの押し上げ、電極の消耗物の混入リスク軽減）とを解決できる。

また、給電コイルでの受電に用いられる交流電流の動作周波数は４００Ｈｚ以下であり、低周波帯である。本発明に係る加熱装置によると、高周波帯の交流電流を利用することなく、ジュール熱で加熱対象物を内部から加熱できるため、高周波誘導加熱における諸課題（作業員への高周波の曝露、周辺機器へのノイズ混入、設置に際しての要届出）を解決できる。

続いて、高周波誘導加熱及び低周波誘導加熱におけるエネルギー損失の解決について説明する。非特許文献１（“磁界共振結合における効率と磁束”，日本ＡＥＭ学会誌，ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．４，ｐｐ．３１７－３２２（２０１６））によると、加熱装置の共振周波数をω、一次回路のレジスタンス、インダクタンス、キャパシタンスをそれぞれｒ_１、Ｌ_１、Ｃ_１、二次回路のレジスタンス、インダクタンス、キャパシタンスをそれぞれｒ_２、Ｌ_２、Ｃ_２、負荷をＲ_Ｌ、励磁インダクタンスをＬ_ｍ、結合係数をｋとすると、電力伝送の効率ηは式（１）によって求められる。
η＝（ωＬ_ｍ）^２Ｒ_Ｌ／［｛（ｒ_２＋Ｒ_Ｌ）^２＋（ωＬ_２－１／ωＣ_２）^２｝ｒ_１
＋（ωＬ_ｍ）^２ｒ_２＋（ωＬ_ｍ）^２Ｒ_Ｌ］・・・（１）

負荷Ｒ_Ｌが式（２）の示す最適負荷Ｒ_Ｌｏｐｔと等しいとき、式（１）は理想的な磁界共鳴条件にある。
Ｒ_Ｌｏｐｔ＝｛ｒ_２ ^２＋（ｒ_２／ｒ_１）（ωＬ_ｍ）^２＋（ωＬ_２－１／ωＣ_２）^２｝^１／２・・・（２）

また、このときＣ_２、ω、Ｌ_２は式（３）を満たす。
Ｃ_２＝１／（Ｌ_２ω^２）・・・（３）

本発明に係る加熱装置によると、二次回路の加熱対象物に、二次側共振用コンデンサが電気的に接続される。そして、二次側共振用コンデンサがもつキャパシタンス（静電容量）が漏れインダクタンスを補償することによって磁界共鳴条件を達成できるため、本発明に係る加熱装置では、漏れ磁束によるエネルギー効率の低下を解決できる。

続いて、加熱対象物が発するジュール熱が対象物の加熱以外の用途に浪費されることの抑制という課題の解決について説明する。本発明に係る加熱装置では、二次回路が断熱壁で囲まれている。断熱壁があることによって、加熱対象物が発するジュール熱が二次回路の外部に流出することを抑制できる。したがって、本発明に係る加熱装置によると、加熱対象物が発するジュール熱が一次回路側の各部材（一次磁性コア、給電コイル）をはじめとした二次回路の外部にある加熱装置全体を温めるために浪費されることを抑えられる。

以上のとおりであるため、本発明によると、直接通電加熱における電極の消耗の課題と、高周波誘導加熱における高周波電磁波の課題との両方を解決でき、高周波誘導加熱及び低周波誘導加熱における変圧器がもたらすイニシャルコスト上昇及びエネルギー損失の課題も解決でき、加熱対象物が発する熱が磁性コアや加熱装置全体を温めるために浪費されることを抑えられる、低周波で動作する磁界共鳴を用いた加熱装置を提供できる。

本発明に係る加熱装置において、前記一次回路は、前記給電コイルと電気的に接続される一次側共振用コンデンサをさらに有することが好ましい。

一次側共振用コンデンサは、一次回路のリアクタンスを減少させ、それによって一次磁性コアと二次磁性コアを結合する主磁束を強める。主磁束が強まることで、二次回路における電磁誘導が強まり、加熱対象物への給電効率をよりいっそう高められる。

本発明に係る加熱装置において、前記加熱対象物が断熱性部材の内部に配されることが好ましい。

この加熱装置によると、断熱性部材があることによって、加熱対象物が発するジュール熱が断熱性部材の外部に流出することを抑制できるため、一次回路側の各部材をはじめとした二次回路の外部にある部材に加え、二次回路側の各部材（二次磁性コア及び二次側共振用コンデンサ）を温めるために加熱対象物が発するジュール熱が浪費されることを抑えられる。

本発明に係る加熱装置において、前記加熱対象物の形状がリング状、パイプ状又はケーブル状であり、前記加熱対象物がループ状に配されることが好ましい。

リング状、パイプ状又はケーブル状の加熱対象物をループ状に配すること等によって、加熱対象物が短絡された電気的回路を形成する。したがって、二次磁性コアの変動磁場が電磁誘導の法則によって、加熱対象物内に誘導電流を発生可能である。

本発明に係る加熱装置において、前記二次回路がリング状容器をさらに有することも好ましい。この場合、前記加熱対象物は、導電性の液体又は導電性の粉末であり、前記リング状容器は、前記二次磁性コアの周囲にリング状に設けられ、内部に前記加熱対象物を収容可能に構成されることが好ましい。

リング状容器に液体又は粉末の加熱対象物を収容することで、加熱対象物が短絡された電気的回路を形成する。したがって、二次磁性コアの変動磁場が電磁誘導の法則によって、加熱対象物内に誘導電流を発生させる。

本発明に係る加熱装置は、前記加熱対象物の温度を直接的に又は間接的に計測する温度計測手段と、前記温度計測手段によって計測された温度に基づいて前記給電コイルへの給電量を調整する給電量調整手段とをさらに備えることが好ましい。

この加熱装置によると、加熱対象物の温度を直接的に又は間接的に計測し、この計測の結果に基づいて、給電コイルに給電する給電元（電源等）の電流又は位相を制御できるため、さらに効率的な電力伝送と加熱対象物の加熱処理を行うことができる。

加熱対象物の温度を直接的に計測する温度計測手段としては、温度センサ等が挙げられる。また、加熱対象物の温度を間接的に計測する温度計測手段としては、給電コイルに接続された電流計等が挙げられる。当該電流計を用いて給電コイルにかかる電気抵抗の変化を算出し、算出結果から温度変化を求めることができる。

また、加熱装置が温度計測手段を備えることにより、加熱対象物の温度を一定以下に保つ、一定範囲内に保つ、あるいは温度の上昇速度を一定範囲内に維持する等、安定した加熱処理が可能となる。これにより、金属に対する焼きなまし、焼戻し、浸炭処理等も可能となる。

本発明に係る加熱装置は、前記一次磁性コアの磁極面積が前記給電コイルの断面積より大きく、前記二次磁性コアの磁極面積が前記給電コイルの断面積より大きいことが好ましい。

一次磁性コアの磁極面積が給電コイルの断面積より大きいことから、一次磁性コアから出る第１磁束ループを減少させる。また、二次磁性コアの磁極面積が給電コイルの断面積より大きいことから、二次磁性コアから出る第２磁束ループを減少させる。これら第１磁束ループ及び第２磁束ループの減少は、一次磁性コアと二次磁性コアとの磁界結合を強める。したがって、一次回路側の給電コイルと二次回路側の加熱対象物との間の結合係数ｋを理想的な値である１に近づけることができ、加熱対象物への給電効率をよりいっそう高められる。

本発明に係る加熱装置は、前記給電コイルと電気的に接続された可変変圧器を備えることも好ましい。

前記可変変圧器により、加熱対象物の電気的特性に応じた周波数選択が可能となり、磁界共鳴条件の達成を容易にする。また、前記可変変圧器は、前記温度計測手段と組み合わせることにより、加熱対象物の電気的特性が加熱に伴って変化する場合の、前記給電コイルに供給される交流電流の周波数変更をも可能とする。この周波数変更によって、加熱に伴い加熱対象物の電気的特性が変化しても磁界共鳴条件が維持され、加熱対象物への給電効率をよりいっそう高められる。

本発明によると、直接通電加熱における電極の消耗の課題と、高周波誘導加熱における高周波電磁波の課題との両方を解決でき、高周波誘導加熱及び低周波誘導加熱における漏れ磁束によるエネルギー損失の課題も解決でき、加熱対象物が発する熱が磁性コアや加熱装置全体を温めるために浪費されることもない、低周波で動作する磁界共鳴を用いた加熱装置を提供できる。

本実施形態に係る加熱装置１を説明するための概略模式図である。本実施形態の第１の変形例に係る加熱装置１’を説明するための概略模式図である。本実施形態の第２の変形例に係る加熱装置１’’を説明するための概略模式図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

＜加熱装置１＞
図１は、本実施形態に係る加熱装置１を説明するための概略模式図である。加熱装置１は、少なくとも、一次回路１０と、二次回路２０と、二次回路２０を囲むことで一次回路１０と二次回路２０との間を隔てる断熱壁３０とを備える。

〔一次回路１０〕
一次回路１０は、少なくとも、一次磁性コア１１と、給電コイル１２とを有する。

［一次磁性コア１１］
一次磁性コア１１は、磁性体であれば特に限定されない。給電コイル１２が発生させる磁界の変動に沿って磁化し、かつ保磁力が磁場の変動を妨げないよう、一次磁性コア１１は、硬質磁性体に比べて、透磁率が高く、保磁力が低い、軟質磁性体であることが好ましい。

本実施形態において、硬質磁性体とは、いわゆる磁石をいい、保磁力が大きく永久磁石として用いられる物質をいう。それに対し、軟質磁性体とは、磁石にくっつく材料をいい、外部の磁界を取り除くと速やかに磁気がなくなり、元の状態に戻る物質をいう。

一次磁性コア１１の具体例として、純鉄やケイ素鋼やステンレス鋼等が挙げられるが、渦電流によるエネルギー損失をより減らすために、純鉄やケイ素鋼やステンレス鋼より鉄損が小さい、鉄酸化物系フェライト、コバルト基アモルファス、センダスト、パーマロイ等を用いても良い。

中でも、珪素と鉄を原料とするため鉄酸化物フェライト等より比較的に安価で、かつ、純鉄より透磁率が高いことから、一次磁性コア１１は、ケイ素鋼であることが望ましい。

一次磁性コア１１から出る第１磁束を、二次磁性コア２１へと伝えるために、一次磁性コア１１の形状は、磁性体材料をコの字型に折り曲げて、後述する二次磁性コア２１に対向させた形状であることが好ましい。対向させることで一次磁性コア１１から出る第１磁束ループを減少させることができる。

また、給電コイル１２に沿った第１磁束の発生効率を高めるために、磁性体材料を、特定の方向に対して磁化されやすい、方向性電磁鋼板として加工し、磁化されやすい方向と給電コイル１２が発生させる磁界の方向をそろえることもまた好ましい。

［給電コイル１２］
給電コイル１２は、一次磁性コア１１の周囲に配され、動作周波数が４００Ｈｚ以下の交流電流を受電するコイル形状の導電体より成る。この受電により、給電コイル１２の略中央に配される一次磁性コア１１に変動磁場が発生する。そして、変動磁場は、一次磁性コア１１から、二次回路２０の二次磁性コア２１に到達する。

給電コイル１２は、交流電流を受電して変動磁場を発生させるコイル形状の導電体であれば良く、特に材料及び細部の構造を限定されない。

給電コイル１２での受電に用いられる交流電流の動作周波数は４００Ｈｚ以下である。動作周波数４００Ｈｚを超えると、一次磁性コア１１、及び二次磁性コア２１をそれぞれケイ素鋼板で構成した場合の伝送効率が急激に低下するため、好ましくない。

動作周波数は、３００Ｈｚ以下であることがより好ましく、２００Ｈｚ以下であることがさらに好ましく、１００Ｈｚ以下であることがよりさらに好ましい。そして、商用電源を利用できることから、動作周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることが特に好ましい。

本発明に係る加熱装置１によると、高周波帯の交流電流を利用することなく、ジュール熱で加熱対象物２２を内部から加熱できるため、高周波誘導加熱における諸課題（作業員への高周波の曝露、周辺機器へのノイズ混入、設置に際しての要届出）を解決できる。

なお、動作周波数の下限は特に限定されないが、より低い動作周波数での好適な加熱にはより大容量のキャパシタンスを必要とすることから、動作周波数は、５Ｈｚ以上であることが好ましく、１０Ｈｚ以上であることがより好ましい。

［一次側共振用コンデンサ１３］
必須の構成ではないが、一次回路１０は、一次側共振用コンデンサ１３を備えることが好ましい。一次側共振用コンデンサ１３は、一次回路１０のリアクタンスを減少させ、それによって一次磁性コア１１と二次磁性コア２１を結合する主磁束を強める機能を有する。主磁束が強まることで、二次回路２０における電磁誘導が強まり、加熱対象物２２への給電効率をよりいっそう高められる。

［可変変圧器１６］
必須の構成ではないが、一次回路１０は、可変変圧器１６を備えることが好ましい。可変変圧器１６は、加熱対象物２２の電気的特性に応じた周波数選択を可能とすることから、磁界共鳴条件の達成を容易にする。また、可変変圧器１６は、温度計測手段２５と組み合わせることにより、加熱対象物２２の電気的特性が加熱に伴って変化する場合の、給電コイル１２に供給される交流電流の周波数変更を可能とする。この周波数変更によって、加熱に伴い加熱対象物２２の電気的特性が変化しても磁界共鳴条件が維持され、加熱対象物２２への給電効率をよりいっそう高められる。

〔二次回路２０〕
二次回路２０は、少なくとも、二次磁性コア２１と、加熱対象物２２と、二次側共振用コンデンサ２３とを備える。

［二次磁性コア２１］
二次磁性コア２１は、一次磁性コア１１と磁界共鳴によって結合される。二次磁性コア２１は、一次磁性コア１１と同様に、磁性体であれば特に限定されない。給電コイル１２が発生させる磁界の変動に沿って磁化し、かつ、保磁力が磁場の変動を妨げないよう、二次磁性コア２１は、硬質磁性体より、透磁率が高く、保磁力が低い、軟質磁性体であることが好ましい。二次磁性コア２１の材料は、これらの条件を満たすものであれば、特に限定されず、代表的なものとして、純鉄やケイ素鋼やステンレス鋼等が挙げられるが、渦電流によるエネルギー損失をより減らすために、純鉄やケイ素鋼やステンレス鋼より鉄損が小さい、鉄酸化物系フェライト、コバルト基アモルファス、センダスト、パーマロイ等を用いても良い。

二次磁性コア２１は、一次磁性コア１１で発生し、断熱壁３０を越えて到達した変動磁場を受け取る。変動磁場をより効率よく受け取るために、磁性体材料を、特定の方向に対して磁化されやすい、方向性電磁鋼板として加工し、磁化されやすい方向と、加熱対象物２２が形成するループの垂直方向をそろえることもまた好ましい。

二次磁性コア２１は、加熱処理に伴ってその温度が上昇し、酸化が進むことから、耐食性を備えた軟質磁性体であるフェライト系ステンレス鋼であることもまた好ましい。

［加熱対象物２２］
加熱対象物２２は、二次磁性コア２１の周囲に短絡してループ状に配される導電体である。リング状、パイプ状又はケーブル状の加熱対象物２２をループ状に配すること等によって、加熱対象物２２が短絡された電気的回路を形成する。したがって、二次磁性コア２１の変動磁場が電磁誘導の法則によって、加熱対象物２２内に誘導電流を発生可能である。二次回路２０にて、二次磁性コア２１に到達した変動磁場は、電磁誘導の法則により、二次磁性コア２１の周囲に短絡してループ状に配された導電性の加熱対象物２２の内部に誘導電流を発生させる。加熱対象物２２は内部抵抗を有するため、加熱対象物２２の内部に誘導電流が発生すると、加熱対象物２２の内部にジュール熱が加えられる。

加熱対象物２２の材質は導電体であれば、特に限定されず、鉄、非鉄金属、合金、導電性高分子等が挙げられる。加熱対象物２２の形状は二次磁性コア２１の周囲に短絡してループ状に配置可能であれば良く、歯車などリング状のもの、鋼管などパイプ状のもの、鋼線などケーブル状のものが考えられるが、その材質及び形状はこれらに限定されない。

リング状、パイプ状又はケーブル状の加熱対象物２２をループ状に配すること等によって、加熱対象物２２が短絡された電気的回路を形成する。したがって、二次磁性コア２１の変動磁場が電磁誘導の法則によって、加熱対象物２２内に誘導電流を発生可能である。

本発明に係る加熱装置１によると、加熱対象に電極を接触させる必要がないために、直接通電加熱における電極の消耗の課題と、電極の消耗に起因する諸課題（ランニングコストの押し上げ、電極の消耗物の混入リスク軽減）とを解決できる。

［二次側共振用コンデンサ２３］
二次側共振用コンデンサ２３は、加熱対象物２２と電気的に接続される。二次側共振用コンデンサ２３は、磁界共鳴を達成するに過不足ない静電容量を備えていれば良く、その構造や製法を問わない。

非特許文献１（“磁界共振結合における効率と磁束”，日本ＡＥＭ学会誌，ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．４，ｐｐ．３１７－３２２（２０１６））によると、加熱装置の共振周波数をω、一次回路１０のレジスタンス、インダクタンス、キャパシタンスをそれぞれｒ_１、Ｌ_１、Ｃ_１、二次回路２０のレジスタンス、インダクタンス、キャパシタンスをそれぞれｒ_２、Ｌ_２、Ｃ_２、負荷をＲ_Ｌ、励磁インダクタンスをＬ_ｍ、結合係数をｋとすると、電力伝送の効率ηは式（１）によって求められる。
η＝（ωＬ_ｍ）^２Ｒ_Ｌ／［｛（ｒ_２＋Ｒ_Ｌ）^２＋（ωＬ_２－１／ωＣ_２）^２｝ｒ_１
＋（ωＬ_ｍ）^２ｒ_２＋（ωＬ_ｍ）^２Ｒ_Ｌ］・・・（１）

すなわち、二次側共振用コンデンサ２３は、二次回路２０のキャパシタンスをＣ_２＝１／（Ｌ_２ω^２）とする静電容量を備えることが好ましい。

本発明に係る加熱装置１によると、二次回路２０の加熱対象物２２に、二次側共振用コンデンサ２３が電気的に接続される。そして、二次側共振用コンデンサ２３が持つキャパシタンス（静電容量）によって磁界共鳴条件を達成できるため、本発明に係る加熱装置１では、漏れ磁束によるエネルギー効率の低下を解決できる。

［断熱性部材２４］
必須の構成ではないが、二次回路２０は、加熱対象物２２の周囲に配する断熱性部材２４を備えることが好ましい。断熱性部材２４があることによって、加熱対象物２２が発するジュール熱が断熱性部材２４の外部に流出することを抑制できるため、一次回路１０側の各部材をはじめとした二次回路２０の外部にある部材に加え、二次回路２０側の各部材（二次磁性コア２１及び二次側共振用コンデンサ２３）を温めるために加熱対象物２２が発するジュール熱が浪費されることを抑えられる。

断熱性部材２４は、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示す材料であればエネルギー損失となる渦電流の発生を抑えられ、好ましい。断熱性部材２４の材料は断熱性があり、前記鉄損を抑えるものであれば、特に限定されず、グラスウール、セラミックファイバー、ガラスクロス、シリカクロス、バサルトファイバー、ロックウール、コンクリート、アルミナセメント等が挙げられる。また、前記材料を組み合わせた複合部材による断熱性部材２４の構成も、可能である。

［温度計測手段２５］
二次回路２０は、加熱対象物２２の温度を直接的に又は間接的に計測する温度計測手段２５と、温度計測手段２５によって計測された温度に基づいて給電コイル１２への給電量を調整する給電量調整手段とをさらに備えることが好ましい。

この加熱装置１によると、加熱対象物２２の温度を直接的に又は間接的に計測し、この計測の結果に基づいて、給電コイル１２に給電する給電元（電源等）の電流又は位相を制御できるため、さらに効率的な電力伝送と加熱対象物２２の加熱処理を行うことができる。

温度計測手段２５は、加熱対象物２２の温度を計測可能であれば、特に限定されない。直接的な温度計測手段２５として、熱電対、放射温度計、及びこれらを組み合わせたものが挙げられる。間接的な温度計測手段２５として、加熱対象物２２と電気的に接続される電流計を用いて抵抗の温度変化を計る手法等が挙げられる。しかし、本発明の温度計測手段２５は、これらに限定されない。

温度計測手段２５により、加熱対象物２２の温度を一定以下あるいは一定範囲内に保つ、温度の上昇速度を一定範囲内に維持する等の、加熱処理が可能となる。これにより、金属に対する焼きなまし、焼戻し、浸炭処理等も可能となる。

〔断熱壁３０〕
加熱装置１は、断熱壁３０を備える。断熱壁３０は、二次回路２０を囲むことで一次回路１０と二次回路２０との間を隔てるように構成される。

断熱壁３０は、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示す。磁場に対して透過性を示さない場合、断熱壁３０内部にエネルギー損失となる渦電流が発生するため、好ましくない。

断熱壁３０は、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示す材料であれば、特に限定されず、グラスウール、セラミックファイバー、ガラスクロス、シリカクロス、バサルトファイバー、ロックウール、コンクリート、アルミナセメント等が挙げられる。また、これらの材料を２種類以上組み合わせた複合部材による断熱壁３０の構成も、可能である。このように構成された断熱壁３０は、一次回路１０と二次回路２０との間を隔てながらも、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示すため、一次磁性コア１１と二次磁性コア１２との磁気結合は、阻害されない。一次磁性コア１１で発生した変動磁場は、磁場透過性の断熱壁３０を通って二次磁性コア２１に到達可能である。

また、断熱壁３０は、二次回路２０を囲んで構成される。断熱壁３０が二次回路２０を囲むことによって、加熱対象物２２が発するジュール熱が二次回路２０の外部に流出することを抑制できる。したがって、本発明に係る加熱装置１によると、加熱対象物２２が発するジュール熱が一次回路１０側の各部材（一次磁性コア１１、給電コイル１２）をはじめとした二次回路２０の外部にある加熱装置１全体を温めるために浪費されることを抑えられる。

本発明に係る加熱装置１は一次回路１０と二次回路２０を磁界共鳴させることで動作する。このとき一次回路１０と二次回路２０との間を隔てる断熱壁３０は、磁界共鳴の磁場に対して透過性を示すため、一次磁性コア１１と二次磁性コア２１との磁気結合は、阻害されない。一次磁性コア１１で発生した変動磁場は、磁場透過性の断熱壁３０を通って二次磁性コア２１に到達可能である。

＜加熱装置１の使用方法＞
以下、本実施形態に係る加熱装置１の使用方法を説明する。

電源を入れると一次回路１０の給電コイル１２が交流電流を受電し、そうすると、電磁誘導の原理によって給電コイル１２の周囲に第１磁界が発生し、発生した第１磁界が一次磁性コア１１を磁化して第１磁束を発生させ、その第１磁束が変動磁場に対して透過性を示す断熱壁３０を越えて二次磁性コア２１に到達し、この第１磁束が二次磁性コア２１を磁化し、二次磁性コア２１周囲に変動磁場を発生させる。

この変動磁場が電磁誘導の原理によって二次磁性コア２１周囲にループ状に配された加熱対象物２２内部に直接的に誘導電流を発生させ、発生した誘導電流が加熱対象物２２内部にジュール熱を生じさせ、加熱対象物２２を直接的に内部から加熱する。

このとき、加熱対象物２２に接続された二次側共振用コンデンサ２３の存在によって、一次回路１０と二次回路２０は磁界共鳴の状態となり、給電コイル１２が受電した交流電流が、加熱対象物２２へと、磁界共鳴でない場合より遥かに高い効率で伝送される。加熱対象物２２内部に発生したジュール熱は、耐熱性部材２４の存在によって二次回路２０全体を温めることなく加熱対象物２２の加熱に用いられ、また、耐熱性部材２４の外側に流出したジュール熱の一部も、断熱壁３０の存在によって一次回路１０を温めることなく加熱対象物２２を加熱する。

加熱対象物２２を、加熱対象物２２の温度の上限と下限とによって規定された温度範囲内で加熱処理を行う場合には、加熱対象物２２の温度が上限に近づいたこと、あるいは、下限に近づいたことを温度計測手段２５が検知する。温度計測手段２５が、加熱対象物２２の温度が上限に近づいたことが検知した場合には、給電コイル１２に供給する交流電流の電流あるいは位相を調節して、伝送される電流を減らし、加熱対象物２２の温度が、規定された温度範囲内に留まるようにする。温度計測手段２５が、加熱対象物２２の温度が下限に近づいたことが検知した場合には、給電コイル１２に供給する交流電流の電流あるいは位相を調節して、伝送される電流を増やし、加熱対象物２２の温度が、規定された温度範囲内に留まるようにする。

＜本実施形態の第１の変形例に係る加熱装置１’＞
図２は、本実施形態の第１の変形例に係る加熱装置１’を説明するための概略模式図である。加熱装置１’は、二次回路２０’の構成が一部異なるほかは、本実施形態で説明した加熱装置１と同じ構成である。以下、加熱装置１’に関し、図１に示した加熱装置１とは異なる特徴について説明する。

〔二次回路２０’〕
二次回路２０’において、加熱対象物２２’は、固体に限るものではなく、液体又は粉末であってもよい。このとき、二次回路２０’は、リング状容器２４’を備え、加熱対象物２２’は、リング状容器２４’の内部に収容される。

［加熱対象物２２’］
加熱対象物２２’は、導電性の液体又は粉末であれば、特に限定されず、鉄粉、銅粉などの金属粉末、ポリアセチレン、ポリチオフェンなど導電性ポリマーの粉末、ポリビニルアルコール水溶液など金属導電性の水溶液、食品等が挙げられる。

［リング状容器２４’］
リング状容器２４’は、二次磁性コア２１の周囲に配される。リング状容器２４’は、液体又は粉末の加熱対象物２２’を収容可能に構成される。リング状容器２４’の材料は加熱対象物２２’を収容可能であれば、特に限定されず、ガラス、アルミナ磁器、ムライト磁器、その他セラミック等が挙げられる。このリング状容器２４’は、断熱性であっても良い。またこのリング状容器２４’は、開閉可能な蓋によって覆われていても良い。

リング状容器２４’に液体又は粉末の加熱対象物２２’を収容することで、液体又は粉末の加熱対象物２２’が短絡された電気的回路を形成する。したがって、二次磁性コア２１の変動磁場が電磁誘導の法則によって、加熱対象物２２’内に誘導電流を発生させる。加熱対象物２２’は、内部抵抗を有するため、加熱対象物２２’の内部に誘導電流が発生すると、加熱対象物２２’の内部にジュール熱が加えられる。

＜本実施形態の第２の変形例に係る加熱装置１’’＞
図３は、本実施形態の第２の変形例に係る加熱装置１’’を説明するための概略模式図である。加熱装置１’’は、一次回路１０’’における一次磁性コア１１’’の形状と、二次回路２０’’における二次磁性コア２１’’の形状とが異なるほかは、本実施形態で説明した加熱装置１と同じ構成である。以下、加熱装置１’’に関し、図１に示した加熱装置１とは異なる特徴について説明する。

〔一次回路１０’’〕
一次回路１０’’は、一次磁性コア１１’’を備える。

〔一次磁性コア１１’’〕
本変形例における一次磁性コア１１’’は、一次磁性コア１１と同様の材料で構成され、磁極面積が給電コイル１２の断面積より大きい。一次磁性コア１１’’の磁極面積が給電コイル１２の断面積より大きいことから、一次磁性コア１１’’から出る第１磁束ループを減少させる。

第１磁束ループを減少させる観点から、一次磁性コア１１’’の磁極面積は、給電コイル１２の断面積に比べて大きい方が好ましく、一次磁性コア１１’’の磁極面積は、給電コイル１２の断面積の２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。

他方、第１磁束ループの減少量に対する一次磁性コア１１’’の重量増加が著しくなることから、一次磁性コア１１’’の磁極面積の上限は、給電コイル１２の断面積の１００倍以下であることが好ましく、１０倍以下であることがより好ましい。

〔二次回路２０’’〕
二次回路２０’’は、二次磁性コア２１’’を備える。

〔二次磁性コア２１’’〕
本変形例における二次磁性コア２１’’は、二次磁性コア２１と同様の材料で構成され、磁極面積が給電コイル１２の断面積より大きく。二次磁性コア２１’’の磁極面積が給電コイル１２の断面積より大きいことから、二次磁性コア２１’’から出る第２磁束ループを減少させる。

第２磁束ループを減少させる観点から、二次磁性コア２１’’の磁極面積は、給電コイル１２の断面積に比べて大きい方が好ましく、二次磁性コア２１’’の磁極面積は、給電コイル１２の断面積の２倍以上であることがより好ましく、３倍以上であることがさらに好ましい。

他方、第２磁束ループの減少量に対する二次磁性コア２１’’の重量増加が著しくなることから、二次磁性コア２１’’の磁極面積の上限は、給電コイル１２の断面積の１００倍以下であることが好ましく、１０倍以下であることがより好ましい。

一次磁性コア１１’’、及び、二次磁性コア２１’’の磁極形状が著しく非対称であると、磁極形状が対称である場合より、第１磁束ループ、及び、第２磁束ループが増大する。第１磁束ループ、及び、第２磁束ループを減少させるために、一次磁性コア１１’’、及び、二次磁性コア２１’’の磁極形状は、対称であることが好ましい。

非対称な磁極形状による第１磁束ループ、及び、第２磁束ループの増大を避けるために、一次磁性コア１１’’の磁極面積と二次磁性コア２１’’の磁極面積とが略等しいことが好ましい。具体的には、一次磁性コア１１’’の磁極面積が、二次磁性コア２１’’の磁極面積に対して０．７倍以上であることが好ましく、０．８倍以上であることがより好ましく、０．９倍以上であることがさらに好ましく、０．９５倍以上であることが特に好ましい。

また、一次磁性コア１１’’の磁極面積が、二次磁性コア２１’’の磁極面積に対して１．３倍以下であることが好ましく、１．２倍以下であることがより好ましく、１．１倍以下であることがさらに好ましく、１．０５倍以下であることが特に好ましい。

本変形例において、第１磁束ループ及び第２磁束ループの減少は、一次磁性コア１１’’と二次磁性コア２１’’との磁界結合を強める。したがって、一次回路側の給電コイル１２と二次回路側の加熱対象物２２との間の結合係数ｋを理想的な値である１に近づけることができ、加熱対象物２２への給電効率をよりいっそう高められる。

また、本変形例の加熱装置１’’は、第一変形例で示したものと同様のリング状容器２４’を備えることができる。これによって第一変形例の場合と同様に、液体又は粉末である加熱対象物２２’を加熱することが可能である。

１加熱装置
１０一次回路
１１、１１’’ 一次磁性コア
１２給電コイル
１３一次側共振用コンデンサ
１６可変変圧器
２０二次回路
２１、２１’’ 二次磁性コア
２２、２２’ 加熱対象物
２３二次側共振用コンデンサ
２４断熱性部材
２４’ リング状容器
２５温度計測手段
３０断熱壁

Claims

一次回路と、
前記一次回路と磁界共鳴によって結合される二次回路と、
前記二次回路を囲むことで前記一次回路と前記二次回路との間を隔て、前記磁界共鳴の磁場に対して透過性を示す断熱壁と、
を備え、
前記一次回路は、
一次磁性コアと、
前記一次磁性コアの周囲に配され、動作周波数が４００Ｈｚ以下の交流電流を受電する給電コイルとを有し、
前記二次回路は、
前記一次磁性コアと磁界共鳴によって結合される二次磁性コアと、
前記二次磁性コアの周囲に短絡してループ状に配される導電性の加熱対象物と、
前記加熱対象物と電気的に接続される二次側共振用コンデンサとを有し、
前記加熱対象物が前記断熱壁と別の断熱性部材の内部に配され、前記二次磁性コア及び前記二次側共振コンデンサが前記断熱性部材の内部に配されない、
加熱装置。
前記一次回路は、前記給電コイルと電気的に接続される一次側共振用コンデンサをさらに有する、請求項１に記載の加熱装置。
前記加熱対象物の形状がリング状、パイプ状又はケーブル状であり、前記加熱対象物がループ状に配される、請求項１又は２に記載の加熱装置。
前記二次回路は、リング状容器をさらに有し、
前記加熱対象物は、導電性の液体又は導電性の粉末であり、
前記リング状容器は、前記二次磁性コアの周囲にリング状に設けられ、内部に前記加熱対象物を収容可能に構成される、請求項１又は２に記載の加熱装置。
前記加熱対象物の温度を直接的に又は間接的に計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段によって計測された温度に基づいて前記給電コイルへの給電量を調整する給電量調整手段とをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記一次磁性コアの磁極面積が前記給電コイルの断面積より大きく、
前記二次磁性コアの磁極面積が前記給電コイルの断面積より大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記給電コイルと電気的に接続された可変変圧器を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の加熱装置。