WO2013136396A1 - リッツ線コイルおよび加熱装置 - Google Patents

Abstract

　コイルのインピーダンスを抑制でき、かつ両端の端子からのリッツ線抜け（または素線抜け）、あるいは浮きを防止することができるリッツ線コイル、およびそれを用いた加熱装置を提供する。リッツ線コイルは、少なくとも１本の右撚りリッツ線と少なくとも１本の左撚りリッツ線を集合した集合リッツ線をコイル状に巻回してなり、集合リッツ線の両端にそれぞれ、右撚りリッツ線のみを接続した少なくとも１個の端子と、左撚り集合線のみを接続した少なくとも１個の端子を備える。加熱装置は、そのようなリッツ線コイルを備える。

Description

リッツ線コイルおよび加熱装置

　本発明の実施形態は、誘導加熱方式の加熱装置等に用いられるリッツ線コイル、およびそれを用いた加熱装置に関する。

　電磁調理器や電子写真装置等の用途に、リッツ線、またはリッツ線を複数本集合した集合リッツ線をコイル状に成型したリッツ線コイルを用いた加熱装置が使用されている。リッツ線コイルに高周波電流を通し、電磁誘導の原理で発熱体を発熱させるものである。このような高周波電流を流すコイルにおいては、コイル導線の表皮効果や近接作用による影響を少なくすることが、コイルのインピーダンスを低減し、誘導加熱の効率を高めるうえで課題となる。特に、コイル状に成型する際、圧力を加えてコイルの体積をコンパクト化することで素線間の距離がより近接するときに重要な課題となる。

　近時、かかる課題を解決する方法として、撚り方向の異なるリッツ線を複数本集合した集合リッツ線をコイルの導線として用いることが提案されている。リッツ線の撚り方向の異なる集合リッツ線は、電流の向きが不揃いであるため表皮効果を低減させることができ、その結果、多数の細径の素線を用いても近接作用によるエネルギーロスを低減でき、コイルのインピーダンスの増大を防ぎ、効率の良い誘導加熱を可能にする。

　しかしながら、上記構成の集合リッツ線を巻回して成型したリッツ線コイルでは、撚り方向が異なるリッツ線が並存するため、その端部に端子を接続する際、コイル端部の集合リッツ線を右乃至左に捩っても、集合リッツ線を構成する左乃至右撚りのリッツ線が緩む方向に捩れてしまい、集束することができない。このため、丸形端子のような、比較的大きいかしめ部を持つ端子を使用した場合、均等なかしめ力が作用せず、リッツ線抜け（または、素線抜け）が生じることがあった。また、リッツ線コイルを成型金型から離型した際、「浮き（成型金型キャビティ形状からの歪み）」が生ずるという問題もあった。

特開２００３－１１５３６８号公報

　本発明の実施形態は、撚り方向の異なる複数のリッツ線を集合した集合リッツ線を巻回して成型したリッツ線コイルにおいて、コイルのインピーダンスを抑制できるだけでなく、両端に取り付けられた端子からのリッツ線抜け、または素線抜けや、リッツ線コイルを成型金型から離型した後の「浮き」の発生を防止することができるリッツ線コイル、およびそのようなリッツ線コイルを用いた加熱装置を提供することを目的とする。

　本発明の一実施形態のリッツ線コイルは、少なくとも１本の右撚りリッツ線と、少なくとも１本の左撚りリッツ線を集合した集合リッツ線をコイル状に巻回してなるリッツ線コイルであって、前記集合リッツ線の両端にそれぞれ、前記右撚りリッツ線が接続される少なくとも１個の端子と、前記左撚りリッツ線が接続される少なくとも１個の端子を備える。

　本発明の他の実施形態の加熱装置は、上記リッツ線コイルを備える。

　本発明の他の実施形態において、前記集合リッツ線は複数本の右撚りリッツ線を有し、これらの各右撚りリッツ線がその両端においてそれぞれ共通の端子に一括して接続されている。

　本発明の他の実施形態において、前記集合リッツ線は複数本の左撚りリッツ線を有し、これらの各左撚りリッツ線がその両端においてそれぞれ共通の端子に一括して接続されている。

　本発明の他の実施形態において、前記集合リッツ線における前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線の集合数が同じである。

　本発明の他の実施形態において、前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線を構成する素線の種類および集合数が同じである。

　本発明の他の実施形態において、前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線は、環状に、かつ前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線が隣合わせで交互に位置するように集合されている。

　本発明の一実施形態によれば、撚り方向の異なる複数のリッツ線を集合した集合リッツ線を巻回して成型したリッツ線コイルにおいて、コイルのインピーダンスを抑制できるとともに、両端に取り付けられた端子からのリッツ線抜け、または素線抜け、あるいは浮き等の問題の発生を防止することができるリッツ線コイルが提供される。また、本発明の他の実施形態によれば、そのような優れた特性を有するリッツ線コイルを備えた加熱装置が提供される。

一実施形態のリッツ線コイルを示す斜視図である。 図１のリッツ線コイルを構成する集合リッツ線を示す斜視図である。 図２の集合リッツ線を構成する右撚りリッツ線および左撚りリッツ線を示す斜視図である。

　以下、本発明の実施形態について説明する。説明は図面に基づいて行うが、図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明は図面により何ら限定されるものではない。

　図１は本発明の一実施形態のリッツ線コイルを概略的に示す斜視図であり、図２は図１に示すリッツ線コイルを構成している集合リッツ線を示す斜視図であり、図３は、図１に示す集合リッツ線を構成しているリッツ線を示す斜視図で、（ａ）は右撚りリッツ線、（ｂ）は左撚りリッツ線を示している。

　図１に示すように、本実施形態のリッツ線コイル１０は、集合リッツ線１２をコイル状に巻回し、その両端部（リード部）を除いて所定の形状（図１の例では、直方体状）に成型するとともに、集合リッツ線１２両端部にそれぞれ複数の端子１４を圧着したものである。図１の例では、集合リッツ線１２が縦方向に積み重ねるように巻回されているが、平面状に巻回されていてもよく、その組み合わせであってもよい。巻回方法は用途等に応じて適宜選択される。

　集合リッツ線１２は、図３（ａ）に示すような、素線（絶縁被覆導体）３１を右方向に集合撚りした右撚りリッツ線１６Ａ複数本（図２の例では、３本）と、図３（ｂ）に示すような、素線３１を左方向に集合撚りした左撚りリッツ線１６Ｂ複数本（図２の例では、３本）とを、図２に示すように、環状に、かつ右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂが交互に配置されるように集合するとともに、一方向（右方向または左方向）に撚り合せた構造を有する。そして、その両端部において、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂがそれぞれ異なる端子１４Ａおよび端子１４Ｂに接続されている。すなわち、複数本の右撚りリッツ線１６Ａが一括して端子１４Ａに接続され、複数本の左撚りリッツ線１６Ｂが一括して端子１４Ｂに接続されている。

　本実施形態において、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂを構成する素線には、例えば、銅線、銅合金線等の金属線の外周にポリエステル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁ワニスを塗布焼き付けた直径０．０５～０．５ｍｍ程度のエナメル線（巻線）が使用される。表皮効果を低減する観点からは、直径０．２ｍｍ以下のエナメル線の使用が好ましい。集合する素線数や、素線の撚りピッチは特に限定されないが、通常、素線数は３０～５００本程度であり、撚りピッチはリッツ線直径の１０～５０倍程度である。右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂを構成する素線の種類、素線数、撚りピッチは、それぞれ同じであっても異なっていてもよい。コイル状に成型する際、圧力を加えてコイルの体積をコンパクト化するときは、成型用の型から離脱後のコイル形状の戻り（捩れ）を極小化するために、同種の素線を、同数集合し、同ピッチで撚り合せて構成されていることが好ましい。

　また、集合リッツ線１２を構成するこれらの右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂの集合数は、合計で２本であってもそれ以上であってもよいが、通常、４～７本程度であり、特に好ましくは６本である。

　また、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂの各集合数は、同数であっても異なっていてもよく、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂがそれぞれ少なくとも１本含まれていればよい。したがって、例えば、右撚りリッツ線１６Ａを１本含み、他がいずれも左撚りリッツ線１６Ｂであってもよく、また、左撚りリッツ線１６Ｂを１本含み、他がいずれも右撚りリッツ線１６Ａであってもよい。しかしながら、コイル状に成型する際、圧力を加えてコイルの体積をコンパクト化するときは、成型用の型から離脱後のコイル形状の戻り（捩れ）を極小化するために、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂの各集合数は同数であることが好ましい。

　さらに、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂの集合方法は、特に限定されるものではないが、本実施形態のように、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂが交互に位置するように集合し撚り合わせることが好ましい。このような集合方法を採用することで、各リッツ線１６Ａ、１６Ｂ同士の電流の向きが揃いにくくなり、近接作用の影響を低減できる。また、相反する各リッツ線１６Ａ、１６Ｂの内部応力がお互い反対方向に向いて全体として打ち消し合うため、成型時の形状を保った捻れのない集合リッツ線１２とすることができ、その結果、反りのないリッツ線コイル１０が得られるという利点も有する。さらに、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂの集合総数が４本以上である場合、本実施形態のように、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを環状に集合して集合リッツ線とすることが、当該集合リッツ線を巻回して得られるリッツ線コイルのインピーダンスの低減と、反りの防止効果を高めるという点から好ましい。

　さらに、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂの撚り方法やその撚りピッチも、本発明においては特に限定されるものではない。例えば、撚り方法は、本実施形態のように、集合撚りとしてもよく、あるいは同心撚りとしてもよく、場合により、撚らずに単に集合するだけでもよい。コイル形状を安定させる、つまり成型の型から離型したとき、各リッツ線毎にバラケないという観点からは、集合撚りまたは同心撚りが好ましい。また、上記のように、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを交互に、あるいは環状に集合させる観点からは、集合撚りがより好ましい。撚りピッチは、通常、リッツ線直径の１０～５０倍程度である。

　集合リッツ線１２の両端部に圧着する端子１４Ａ、１４Ｂは、所要の右撚りリッツ線１６Ａまたは左撚りリッツ線１６Ｂの端部に圧着できるものであればよく、丸形端子、圧着スリーブ、ギボシ接続子等、従来から一般に使用されているものを用いることができる。

　なお、図１の例では、集合リッツ線１２の両端部に、それぞれ２個の端子１４Ａ、１４Ｂが圧着されている。しかし、１つの端子に右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂ在のいずれか一方のみが接続されていれば、すなわち、１つの端子に右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂが混在しないように接続されていれば、端子の数は３個またはそれ以上であってもよい。図１中、１８は、コイル形状保持のために、集合リッツ線１２の外周に巻き付けられた押えテープであり、ノーメックス紙、ガラスクロス、ポリイミド、フッ素樹脂等の耐熱性に優れた材料からなるテープを使用できる。コイル形状が保持されることによって、インダクタンス値の変化を防止できる。

　本実施形態のリッツ線コイル１０は、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを集合した集合リッツ線１２をコイル状に巻回し、その両端部を除いて所定の形状に成型するとともに、集合リッツ線１２両端部にそれぞれ端子１４Ａおよび端子１４Ｂを圧着することにより製造できる。集合リッツ線１２の成型は、例えば、コイル状に巻回した集合リッツ線１２を金型内に配置し、集合リッツ線１２の両端部を金型より外部に引き出した状態で、加圧成型することにより行うことができる。このように成型することでリッツ線の占積率を高めることができる。

　本実施形態のリッツ線コイル１０においては、右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを集合した集合リッツ線１２をコイル導線として使用しているので、電流の向きが不揃いとなり、近接作用によるコイルのインピーダンスの増大を防止することができる。

　また、そのような右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂを集合した集合リッツ線１２を用いたリッツ線コイルにおいて、右撚りリッツ線１６Ａおよび左撚りリッツ線１６Ｂを、それぞれ異なる端子１４Ａおよび端子１４Ｂに接続しているので、端子１４Ａおよび端子１４Ｂが丸形端子のような比較的大きいかしめ部を持つ端子である場合、各リッツ線１６Ａ、１６Ｂに対し均等なかしめ力が作用し、また、リッツ線コイルを端子１４に接続する際、右撚りリッツ線１６Ａはより右に捻り、左撚りリッツ線１６Ｂはより左に捻ることで収束するので、丸形端子への導入が容易となる。したがって、従来のようなすべてのリッツ線を１つの丸形端子に接続した場合のような、リッツ線抜け、または素線抜けが防止される。

　さらに、リッツ線コイル１０の両端にかける電圧を複数の端子で担うことができるため、個々の端子に要求される定格電圧を下げることができる。したがって、より安価な汎用の端子を使用ですることができる。
　また、複数の端子に独立して課電することができるため、リッツ線コイルを使用する機器の設計の自由度を増すことができる。

　さらに、後述する実施例で示されるように、各端子１４Ａ、１４Ｂに接続される右撚りリッツ線１６Ａと左撚りリッツ線１６Ｂのリード部の長さを変えることにより、各端子間のインピーダンスの差を調節することができる。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。例えば、上記実施形態では、右撚りリッツ線および左撚りリッツ線を構成する素線に円形導体を用いたエナメル線を使用しているが、平角導体を用いた平角エナメル線を用いることができることはいうまでもない。本発明のリッツ線コイルは、表皮効果の影響を低減するために細径の素線を用いても、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線を混在させたことによって近接作業の影響を低減でき、しかも、その場合に課題となった、リッツ線の素線の抜けや端子の破損等も防止できる。リッツ線の素線の抜けや端子の破損は、特に、素線数が２００本以上である場合に発生しやすい。したがって、１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すリッツ線コイルとして特に有用である。

　以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
　直径０．１４ｍｍのエナメル線（素線）を５０本集合し、２５ｍｍのピッチで右撚りに撚り合わせて右撚りリッツ線を形成した。エナメル線の撚り方向を左撚りとした以外は同様にして左撚りリッツ線を形成した。得られた右撚りリッツ線３本を隣り合わせに、また左撚りリッツ線３本を隣り合わせにして、合計６本を環状に位置するように集合し、５０ｍｍのピッチで右撚りに撚り合わせて集合リッツ線を作製した。

　上記集合リッツ線（全長８ｍ）を平板コイル状に巻回した後、金型内に、集合リッツ線の両端部（リード部）２０ｃｍを金型内から引き出した状態で配置し、圧力を加えて成型した。成型後、金型を開放し、成型したコイルを取り出した後、集合リッツ線両端部を右撚りリッツ線と左撚りリッツ線に選り分け、それぞれに丸形端子を圧着し（かしめ圧：３００ＭＰａ）、リッツ線コイルを得た。丸形端子を圧着するにあたり、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線を構成するエナメル線の絶縁被覆を１ｃｍに亘って機械的に剥離した。右撚りリッツ線と左撚りリッツ線の選り分けは、各リッツ線の端部を右または左方向に捩ることで容易に判別することができる。すなわち、例えば、リッツ線の端部を右方向に捩ったときに、撚りがより締まるのは右撚りリッツ線であり、撚りが緩むのは左撚りリッツ線である。

（実施例２）
　得られた右撚りリッツ線および左撚りリッツ線をそれぞれ３本、環状に、かつ右撚りリッツ線と左撚りリッツ線が隣り合わせで交互に位置するように集合した以外は、実施例１と同様にしてリッツ線コイルを得た。

（比較例１）
　集合リッツ線両端部にそれぞれ１個の丸形端子を、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線に選り分けることなく一括して圧着した以外は実施例１と同様にしてリッツ線コイルを得た。すなわち、実施例と同様にして作製した集合リッツ線を平板コイル状に巻回した後、金型内に、集合リッツ線の両端部（リード部）２０ｃｍを金型内から引き出した状態で配置し、圧力を加えて成型した。成型後、金型を開放し、成型したコイルを取り出した後、集合リッツ線両端部に丸形端子をそれぞれ圧着し（かしめ圧：３００ＭＰａ）、リッツ線コイルを得た。丸形端子を圧着するにあたり、集合リッツ線両端部のエナメル線の絶縁被覆を１ｃｍに亘って機械的に剥離した。

（比較例２）
　集合リッツ線両端部にそれぞれ１個の丸形端子を、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線に選り分けることなく一括して圧着した以外は実施例２と同様にしてリッツ線コイルを得た。

（比較例３）
　集合リッツ線両端部にそれぞれ２個の丸形端子を、各端子に右撚りリッツ線と左撚りリッツ線が混在するように圧着した以外は実施例１と同様にしてリッツ線コイルを得た。すなわち、実施例１と同様にして作製した集合リッツ線を平板コイル状に巻回した後、金型内に、集合リッツ線の両端部（リード部）２０ｃｍを金型内から引き出した状態で配置し、約２０ＭＰａの圧力を加えて成型した。成型後、金型を開放し、成型したコイルを取り出した後、集合リッツ線両端部にそれぞれ２個の丸形端子を、一方の端子に２本の右撚りリッツ線と１本の左撚りリッツ線を、他方に１本の右撚りリッツ線と２本の左撚りリッツ線を圧着し（かしめ圧：３００ＭＰａ）、リッツ線コイルを得た。丸形端子を圧着するにあたり、集合リッツ線両端部のエナメル線の絶縁被覆を１ｃｍに亘って機械的に剥離した。

（比較例４）
　直径０．１４ｍｍのエナメル線（素線）を５０本集合し、２５ｍｍのピッチで右撚りに撚り合わせて右撚りリッツ線を形成した。得られた右撚りリッツ線を６本集合し、５０ｍｍのピッチで右撚りに撚り合わせて集合リッツ線を作製した。

　上記集合リッツ線（全長８ｍ）を平板コイル状に巻回した後、金型内に、集合リッツ線の両端部（リード部）を金型内から引き出した状態で配置し、圧力を加えて成型した。成型後、金型を開放し、成型したコイルを取り出した後、集合リッツ線両端部それぞれに丸形端子を圧着し（かしめ圧：３００ＭＰａ）、リッツ線コイルを得た。丸形端子を圧着するにあたり、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線を構成するエナメル線の絶縁被覆を１ｃｍに亘って機械的に剥離した。

　上記実施例１、２および比較例１～４で得られたリッツ線コイルの端子圧着部の接合特性を、下記に示す接合試験を行い評価した。また、得られた各リッツ線コイルの「浮き」およびインピーダンスを下記に示す方法で評価した。
［接合試験］
　端子を固定した状態で、右撚りリッツ線または左撚りリッツ線を２５ｍｍ／分の引張速度で右撚りリッツ線または左撚りリッツ線の挿入方向に沿って引張り、リッツ線を構成する素線に切断または引き抜きが生じたときの引張張力を測定（実施例１、２および比較例３は、コイルの片側２端子をまとめて固定して測定、比較例１、２および４は、コイルの片側の１端子を固定して測定）した。測定は１０個の製品について行い、その平均値を端子圧着部の接合強さとして算出した。また、１０個の製品すべてについて、引張張力４００Ｎ以上で、接合試験直後にコイル切断の状態に到った場合を「合格」、少なくとも１個の製品で、４００Ｎ未満で端子から素線が抜ける状態に到った場合を「不合格」と判定した。
［リッツ線コイルの浮き］
　リッツ線コイルのコイル部（成型部）を水平板上に置き、水平板表面から浮き上がった部分の最大高さを１０個の製品につき測定した。
［リッツ線コイルのインピーダンス］
　５０ｋＨｚの高周波を印加しインピーダンス（交流抵抗）を１０個の製品につき測定して平均値を求め、実施例２の平均値を１００として、相対交流抵抗値を算出した。

　これらの結果を表１に示す。

　表１から明らかなように、実施例に係るリッツ線コイルは、比較例のような素線抜けや大きな浮きを生じることがなく、端子圧着部での強固な接合強さを持つとともに、成型時に得られた形状を保っていた。
　また、比較例４の相対交流抵抗値から見て、右撚りリッツ線と左撚りリッツ線を組み合わせることで、リッツ線コイルのインピーダンスを低減する効果があることがわかる。

　１０…リッツ線コイル、１２…集合リッツ線、１４、１４Ａ、１４Ｂ…端子、１６Ａ…右撚りリッツ線、１６Ｂ…左撚りリッツ線、１８…押えテープ。

Claims (7)

1. 　少なくとも１本の右撚りリッツ線と、少なくとも１本の左撚りリッツ線を集合した集合リッツ線をコイル状に巻回してなるリッツ線コイルであって、
   　前記集合リッツ線の両端にそれぞれ、前記右撚りリッツ線のみを接続した少なくとも１個の端子と、前記左撚りリッツ線のみを接続した少なくとも１個の端子を備えることを特徴とするリッツ線コイル。
2. 　前記集合リッツ線は複数本の右撚りリッツ線を有し、これらの各右撚りリッツ線がその両端においてそれぞれ共通の端子に一括して接続されていることを特徴とする請求項１記載のリッツ線コイル。
3. 　前記集合リッツ線は複数本の左撚りリッツ線を有し、これらの各左撚りリッツ線がその両端においてそれぞれ共通の端子に一括して接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のリッツ線コイル。
4. 　前記集合リッツ線における前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線の集合数が同じであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のリッツ線コイル。
5. 　前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線を構成する素線の種類および集合数が同じであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のリッツ線コイル。
6. 　前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線は、環状に、かつ前記右撚りリッツ線および前記左撚りリッツ線が隣合わせで交互に位置するように集合されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載のリッツ線コイル。
7. 　請求項１乃至６のいずれか１項記載のリッツ線コイルを備えたことを特徴とする加熱装置。

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