JPH08264272A

JPH08264272A - 電磁誘導加熱装置

Info

Publication number: JPH08264272A
Application number: JP7094345A
Authority: JP
Inventors: Taizo Kawamura; 泰三川村; Yoshitaka Uchibori; 義隆内堀
Original assignee: Seta Giken KK
Current assignee: Seta Giken KK
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1996-10-11
Also published as: US5990465A

Abstract

(57)【要約】【目的】ケース内に収納された発熱体にコイルを通じ
て出来るだけ多くの電力を入れ、流体を均一加熱するこ
とができる具体的な電磁誘導加熱装置を提供すること目
的とする。【構成】交番電源１３に接続されたコイル２と、前記
コイル２が巻かれ流体７が通過するケース３と、前記流
体７に浸かるよう前記ケース３内に収納され前記コイル
２による電磁誘導で加熱される発熱体４と、前記交番電
源１３を出力する電力部５とを備えてなる電磁誘導加熱
装置である。特に、前記発熱体４は、周辺部と同等以上
に中心部が発熱するように配設された薄肉部材１５で構
成され、前記薄肉部材１５の厚みが３０ミクロン以上で
あり、前記電力部５による前記交番電源１３が１５〜１
５０ＫＨｚの範囲にあることが重要である。前記発熱体
４は、その１立方センチメートル当たりで２．５平方セ
ンチメートル以上の伝熱面積を有し、伝熱面積の１平方
センチメートル当たりが加熱すべき流体量が０．４以下
であり、前記ケース３内への収納が外周が変形を起こす
程度に密着させられるものが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体や気体等の流体に
浸された発熱体を電磁誘導加熱で加熱し、前記流体を直
接的な熱移動で加熱する電磁誘導加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体を電磁誘導で加熱する方式として
は、間接加熱が普通である。例えば周知の電磁調理器の
場合、鍋に水を入れ、鍋を電磁誘導で加熱し、鍋を介し
て水を加熱する間接加熱になっている。この電磁調理器
の方式をパイプ内を流れる流体に適用すると、パイプを
電磁誘導で加熱し、パイプを介して流体を加熱すること
になる。

【０００３】しかし、このような間接加熱による電磁誘
導加熱装置においては、流体を閉じ込める鍋や、流体が
通過するパイプが加熱体になっているため、鍋やパイプ
からの熱放散が大きく、エネルギー効率が低い。

【０００４】そこで、特開平３−９８２８６号公報など
に開示されるように、流体が通過するコラム又はケース
を絶縁体で構成し、このコラム又はケース内に収納され
流体が浸かる発熱体を電磁誘導で加熱する直接加熱の電
磁誘導加熱装置が提案された。この直接加熱による電磁
誘導加熱装置によると、流体が浸かる発熱体の伝熱面積
を大きくすることなどにより、発熱体から流体への伝熱
効率を９０％前後まで向上させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電磁誘導加熱の常識によると、高周波にする程エネルギ
ー効率が高くなるものの、高周波で誘起される渦電流は
発熱体の表面付近にとどまり発熱体の中心まで渦電流が
生じないものとされてきた。コラム又はケース内に収納
された発熱体が周辺部しか発熱しないとすると、発熱体
による流体の均一加熱ができなくなる。すなわち、上述
した直接加熱方式の電磁誘導加熱装置では、発熱体がそ
の周辺部又は中心部にかかわらず略均一に加熱され、コ
イルに流される電力の殆どが発熱体に入り、発熱体から
流体へとスムーズな熱伝達が行われることが重要であ
る。

【０００６】上述した特開平３−９８２８６号などで
は、発熱体が略均一に加熱されるという前提のまま、流
体との熱交換を効率良く行うための発熱体の形状が提案
されているだけである。したがって、本発明は、ケース
内に収納された発熱体にコイルを通じて出来るだけ多く
の電力を入れ、流体を均一加熱することができる具体的
な電磁誘導加熱装置を提供すること目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の電磁誘導加熱装置は、交番電源に接続されたコイル
と、前記コイルが巻かれ流体が通過するケースと、前記
流体に浸かるよう前記ケース内に収納され前記コイルに
よる電磁誘導で加熱される発熱体と、前記交番電源を出
力する電力部とを備えてなり、前記発熱体は、周辺部と
同等以上に中心部が発熱するように配設された薄肉部材
で構成され、前記薄肉部材の厚みが３０ミクロン以上で
あり、前記電源部による前記交番電源が１５〜１５０Ｋ
Ｈｚの範囲にあることを要旨とする。好ましい薄肉部材
の厚みは５０ミクロン以上であり、好ましい交番電流は
２０〜７０ＫＨｚである。そして、周辺部と同等以上に
中心部が発熱する発熱体としては、前記薄肉部材にシー
ト材を用い、このシート材を空間を有するように且つ電
気的に導通可能に積層され、周辺部に沿った電流より前
記周辺部を横切る電流のほうが流れやすい形状に形成さ
れたもがある。

【０００８】そして、前記発熱体の１立方センチメート
ル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメートル以上で
あるものが好ましく、特に５平方センチメートル以上の
ものが好ましい。また、前記発熱体の伝熱面積１平方セ
ンチメートル当たりで加熱すべき流体量が０．４立方セ
ンチメートル以下のものが好ましく、特に０．１立方セ
ンチメートル以下のものが好ましい。また、前記発熱体
の前記ケース内への収納は、外周が変形を起こす程度に
密着させて行うものが好ましい。

【０００９】

【作用】前記発熱体が、周辺部周辺部と同等以上に中心
部が発熱するように配設された薄肉部材で構成されでい
るため、発熱体を通過する流体が均一に加熱される。そ
して、発熱体の熱効率を向上させ、均一分散のための特
定条件があることを実験において確かめ、本発明を完成
した。

【００１０】薄肉部材の厚みが３０ミクロン未満である
と、低い周波数での電力の入り具合が悪くなる。薄肉部
材の厚みが３０ミクロン以上になると、電力の入り方は
略一定になるものの、製造上の観点から、薄肉部材の厚
みが５０ミクロン以上が好ましい。しかし、薄肉部材の
厚みが１ｍｍを越えると、伝熱面積を大きくとるための
波形等の加工が難しくなる。使用する周波数が１５ＫＨ
ｚ未満になると、コイルの銅損が大きくなり、１５０Ｋ
Ｈｚを越えるとスイッチング素子の損失が多くなって熱
効率が７０％近くまで低下する。特に、損失が少なく９
０％前後の熱効率を確保するための周波数帯としては、
２０〜７０ＫＨｚである。また、２０ＫＨｚ以上の周波
数になると人が聞き取ることができないため、発熱体の
振動が騒音源にならない。さらに、発熱体が高周波で振
動され、発熱体表面で超音波洗浄に類似する現象が生
じ、スケールも付きにくくなると期待される。このよう
な観点からも、上述した１５〜１５０ＫＨｚであって特
に２０〜７０ＫＨｚの周波数の交番電源で発熱体を加熱
すると共に、発熱体の全体に電力が入って全体が振動す
る発熱体の構造が好ましい。

【００１１】発熱体の中心部まで電力を入れるために
は、発熱体の表面に集中して渦電流が流れる現象がでな
いようにする必要がある。そのため、前記薄肉部材にシ
ート材を用い、このシート材を空間を有するように且つ
電気的に導通可能に積層され、周辺部に沿った電流より
前記周辺部を横切る電流のほうが流れやすい形状に形成
されたものが製作上の観点及び以下に述べる伝熱面積確
保の観点から好ましい。前記ケース内を通過する流体は
発熱体の周辺部より中央部で流れやすいため、中央部で
発熱する発熱体により均一に加熱される。

【００１２】前記発熱体が１立方センチメートル当たり
の伝熱面積が２．５平方センチメートル以上になるよう
に薄肉部材を積層しないと、発熱体の金属量が少なくな
って熱効率が７０％近くまで低下し、普通のシーズヒー
タ等の伝熱面積との差が少なくなる。シーズヒータに比
べて格段の熱効率である９０％前後の熱効率を確保する
ためには、１立方センチメートル当たりの伝熱面積が５
平方センチメートル以上にすることが好ましい。伝熱面
積１平方センチメートル当たりが加熱すべき流体量を
０．４立方センチメートル以下にしないと、発熱体の金
属量が少なくなって熱効率が低下すると共に、流体に対
する加熱の応答性が鈍くなる。瞬間的加熱や急速応答性
を得るためには、伝熱面積１平方センチメートル当たり
流体保持量を０．１立方センチメートル以下にするとよ
い。また、発熱体に対する流体のバイパス流があると、
均一な急速加熱や応答性が悪くなるため、発熱体をパイ
プ内に押し込んで隙間をなくすのが好ましい。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は電磁誘導加熱装置の機器構成図であり、図
２は発熱体の構造図である。

【００１４】図１において、電磁誘導加熱装置１は、主
な部分として、コイル２と、ケース３と、発熱体４と、
電力部５と、制御部６とからなっている。

【００１５】コイル２は出来るだけ銅損が少ないものが
よく、リッツ線を撚り合わせてたもの、又は丸管、半円
管、楕円管などの銅管を用いる。このリッツ線の撚り合
わせ体や銅管をコイル状又は渦巻き状にしてケース３の
外周に巻回するか、ケース３の肉厚内に巻回して埋設す
る。なお、ケース３の外周にコイル２が埋まる半円溝を
加工し、コイル２と発熱体４との間隔を狭くすることも
有効である。

【００１６】ケース３はコイル２を保持し、流体が通過
する通路を区画し、その通路に発熱体４を収納するもの
である。このような使用態様によりケース３には次の特
性が求められる。コイル２による磁束が通過してケース
３内に磁界１１が形成されるように、非磁性体の材質を
使用する。セラミック等の無機質材料、ＦＲＰ（繊維強
化プラスチック）、フッ素樹脂等の樹脂材料、ステンレ
ス等の非磁性金属等が用いられる。つぎに、通過する流
体に対する耐蝕性、通過する流体の圧力に耐える耐圧
性、加熱体による加熱に耐えられる耐熱性等が求められ
る。このような特性の全てを満足する材質として、セラ
ミックのケース３が最適である。ケース３の断面形状と
しては、図示の円筒状に限らず、四角筒状、楕円筒状な
どであってもよい。

【００１７】電力部５は例えば２００Ｖ，５０／６０Ｈ
ｚの交流電源１２に接続されるものであり、ＡＣ／ＤＣ
の整流部、非平滑フィルタ、高力率高周波インバータ部
とからなり、交流電源１２を正負対称な正弦波の５０／
６０Ｈｚの波形内で高周波で振らした交番電源１３に変
換してコイル２に出力する。なお、電力部５の使用され
るインバータの方式には種々のものがあり、図示のよう
な正弦波方式は小中電力向きである。また、方形波方式
のインバータは大電力向きである。

【００１８】制御部６は温度調整部と位相シフト制御部
とからなり、位相シフト制御部は位相差を変えて電力部
５からの出力電圧を調整するためのものであり、温度調
整部は温度センサ１４からの出力に応じて位相シフト制
御部の位相差を変えるようにしたものである。この電力
部５と制御部６の装置構成によって、装置的には０〜１
００％の出力電圧と、少なくとも１５〜１５０ＫＨｚの
範囲の高周波を出力することができる。

【００１９】発熱体４は円筒状ケース３の中心部を横切
る薄肉部材１５を流体７の流れ方向に沿うように配設
し、他のシート材をこの薄肉部材１５に対して所定の空
間を隔てるようにして積層したものである。ただし、こ
の薄肉部材１５は電気的に互いに独立したものではな
く、通電可能に波形の薄肉部材等を介して溶着等で接合
されている。

【００２０】この発熱体４は電力が入りやすく、流体７
に対する熱交換がしやすく、流体７に対する耐蝕性を兼
ね備えたものが好ましい。このような条件を満足する発
熱体４の構造を図２により説明する。図２（ａ）は発熱
体の上面図、図２（ｂ）は発熱体の斜視図である。

【００２１】発熱体４は、平板状の第１シート材２１と
波形状の第２シート材２２を交互に積層し、側面の両端
には第１シート２１が位置するようにし、全体として円
筒状に形成したものである。第２シート材２２の波の山
（又は谷）２３は中心軸２４に対して角度αだけ傾くよ
うに配設され、第１シート材２１を挟んで隣り合う第２
シート材２２の波の山（又は谷）２３は交差するように
配設されている。そして、隣り合う第２シート材２２に
おける山（又は谷）２３の交差点２５において、第１シ
ート２１と第２シート２２はスポット溶接で溶着され、
電気的に導通可能になっている。また、第２シート材２
２の表面には、流体の乱流を生じさせるための孔２６が
設けられている。この孔２６に代わるか又は加えて、第
１シート２１及び／又は第２シート２２に梨地加工を施
して表面をザラザラにすることも有効である。

【００２２】要するに、中心軸２４を通る直径方向Ｄに
対して、略平行に第１シート材２１と第２シート材２２
が配設され、電気的には直径Ｄと略平行な方向（周辺部
を横切る方向）に最も流れやすくなっている。さらに、
第１シート材２１と第２シート材２２の厚みｔは周波数
と共に重要である。

【００２３】また、成形当初の発熱体４の直径はケース
３の内径より大きくなっており、発熱体４をケース３内
に押し込む過程で、発熱体４の周辺部を変形させ、発熱
体４とケース３とを密着させ、ケース３と発熱体４と間
をバイパスする流体を少なくする。このような変形を許
容するシート材２１，２２の厚みは１ｍｍ以内の厚みに
よるものが好ましい。

【００２４】つぎに、具体的実施例により、加熱体に対
する周波数の影響、加熱体を構成する薄板部材の厚みの
影響、加熱体の伝熱面積の影響、加熱体の伝熱面積の集
積度の影響などを説明する。

【００２５】図３は、直径１０ｃｍ又は５ｃｍの図１の
如き加熱体を用いて２０〜４０ＫＨｚの範囲で加熱実験
を行う際して、シート材の厚みを５０ミクロン前後で変
更し、全体の熱効率を測定した。なお、シート材の材質
はＳＵＳ４４７Ｊ１であった。図３によると、３０ミク
ロンを越えると、熱効率が急速に低下し、３０ミクロン
以上では９０％以上の略一定の熱効率になっている。ま
た、３０ミクロン以下での熱効率の低下割合はシート材
の厚みが薄い程大であることが確認された。

【００２６】図４は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５
０ミクロンで山形の高さは３ｍｍの図１の如き発熱体を
用いて、周波数を変更して全体の熱効率を測定した。な
お、シート材の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であった。図４
によると、周波数が低い領域では、徐々に熱効率が低下
し、周波数が高い領域では、急速に熱効率が低下してい
る。熱効率を９０％前後と高く維持するためには、２０
〜７０ＫＨｚの範囲がよいことが判る。ただし、熱効率
７０％以上という実用的に利用可能な範囲としては、１
５〜１５０ＫＨｚの範囲である。

【００２７】図５は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５
０ミクロンで種々の山高の波にした図２の如き発熱体を
用いて、周波数２０〜３０ＫＨｚの範囲で全体の熱効率
を測定した。また、この場合の山高と伝熱面積との関係
を図６に示す。図６のＡ線は図１の如く第１シートを有
したものであるが、図６のＢ線は図２から第１シートが
省かれたものである。図５から、熱効率７０％以上の実
用的に利用可能なものは山高１１ｍｍであり、図６のＡ
線から１立方センチメートル当たりの伝熱面積は２．５
平方センチメートル以上である。熱効率を９０％前後と
するためには、山高が５ｍｍであり、１立方センチメー
トル当たりの伝熱面積は５平方センチメートル以上が好
ましい。

【００２８】図７は、直径１０ｃｍ、シート材の厚み５
０ミクロンで種々の山高の波にした図２の如き発熱体の
平均の水膜厚を調べたものである。図７のＡ線は図２の
如く第１シートを有したものであるが、図７のＢ線は図
２から第１シートが省かれたものである。熱効率が７０
％以上に対応する水膜厚は４ｍｍ（発熱体の伝熱面積１
平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量の０．４
立方センチメートルに相当）以下にする。しかし、迅速
加熱と高い応答性を確保するためには、経験的に水膜厚
は１ｍｍ（発熱体の伝熱面積１平方センチメートル当た
りで加熱すべき流体量の０．１立方センチメートルに相
当）以下にすることが好ましい。

【００２９】上述した実験において、図２の如き構造の
発熱体の温度分布を調べたところ、図８のように、中心
に位置する第１シート部材２１を長辺にした略菱形の温
度分布になっており、第１シート部材２１に沿って中心
部がより発熱していることが判明した。

【００３０】つぎに、本発明とは異なる発熱体の比較例
を説明する。シート材に代わって０．１５ｍｍφ×５０
メッシュの金網又は０．１ｍｍφ×１００メッシュの金
網を積層した発熱体を用いた。そして、周波数８０ＫＨ
ｚの交番電源を１Ｋｗだけ入れ、水を加熱して熱効率を
測定したところ、５０％以下になって低かった。金網状
の発熱体だと、電力が入りにくくなっていると想定され
る。

【００３１】また、平板状の第１シート材の表面に波状
の第２シートを重ね合わせたものをらせん状に巻いた発
熱体を用いた。シート材の厚みは５０ミクロンであり、
波の高さは３ｍｍであった。そして、周波数８０ＫＨｚ
の交番電源を１Ｋｗだけ入れ、水を加熱して熱効率を測
定したところ、図２の発熱体と同程度の熱効率が得られ
たものの、発熱体の周辺部でしか加熱しておらず、発熱
体を通過した流体の温度差が大きかった。電磁誘導加熱
に特有の表皮効果が生じているための想定される。

【００３２】上述した知見を整理すると、均一加熱のた
めに発熱体が周辺部より中央部で加熱されるためには、
薄肉部材が周方向に配設され周方向に電流が流れやすい
構造より、薄肉部材が周を横切る方向に配設され周を横
切る方向に電流が流れやすい構造のほうがよい。したが
って、図９のように、シート部材３０をバー３１でくし
刺しにして保持する形態の発熱体であってもよい。バー
３１が各シート部材３０に対する電気的導通手段となっ
ている。また、図１０のように、小径管４１の多数を束
ねた発熱体であってもよい。小径管４１の互いの接触に
よって、電気的導通が確保される。そして、小径管の各
々に渦電流が流れるため、周辺部より中央部のほうが発
熱する。

【００３３】

【発明の効果】本発明の電磁誘導加熱装置は、流体が通
過するケース内に発熱体を収納し、この発熱体にケース
に巻かれたコイルから効率よく電力を入れ、且つ発熱体
の周辺部と同等以上に中心部が加熱されるように構成し
たため、従来の電磁誘導加熱の常識を打ち破る９０％以
上の高い熱効率を達成しつつ均一加熱を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電磁誘導加熱装置の機器配置図であ
る。

【図２】発熱体の構造図である。

【図３】交番電流の周波数と熱効率との関係を示すグラ
フ図である。

【図４】発熱体の板厚と熱効率との関係を示すグラフ図
である。

【図５】発熱体の山高と熱効率との関係を示すグラフ図
である。

【図６】発熱体の山高と伝熱面積との関係を示すグラフ
図である。

【図７】発熱体の山高と水膜厚の関係を示すグラフ図で
ある。

【図８】発熱体の発熱状態を示す上面図である。

【図９】他の発熱体の構造を示す上面図である。

【図１０】他の発熱体の構造を示す上面図である。

【符号の説明】

１電磁誘導加熱装置２コイル３ケース４発熱体５電力部６制御部７流体１５薄肉部材２１平板状の第１シート材２２波状の第２シート材２５スポット溶接

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交番電源に接続されたコイルと、前記コ
イルが巻かれ流体が通過するケースと、前記流体に浸か
るよう前記ケース内に収納され前記コイルによる電磁誘
導で加熱される発熱体と、前記交番電源を出力する電力
部とを備えてなり、前記発熱体は、周辺部と同等以上に中心部が発熱するよ
うに配設された薄肉部材で構成され、前記薄肉部材の厚
みが３０ミクロン以上であり、前記電力部による前記交
番電源が１５〜１５０ＫＨｚの範囲にあることを特徴と
する電磁誘導加熱装置。
【請求項２】前記発熱体が、前記薄肉部材としてシー
ト材を用いてなり、このシート材を空間を有するように
且つ電気的に導通可能に積層され、周辺部に沿った電流
より前記周辺部を横切る電流のほうが流れやすい形状に
形成されたものである請求項１記載の電磁誘導加熱装
置。
【請求項３】前記発熱体の１立方センチメートル当た
りの伝熱面積が、２．５平方センチメートル以上である
請求項１又は２記載の電磁誘導加熱装置。
【請求項４】前記発熱体の伝熱面積１平方センチメー
トル当たりで加熱すべき流体量が、０．４立方センチメ
ートル以下である請求項１乃至３記載の電磁誘導加熱装
置。
【請求項５】前記発熱体の前記ケース内への収納は、
外周が変形を起こす程度に密着させて行うものである請
求項１乃至４記載の電磁誘導加熱装置。