CN1196160A - 电磁感应加热装置的温度控制装置及启动方法 - Google Patents

Abstract

温度控制装置包括在流体通道设置的磁性材料发热体12,和在所述发热体周围设置的线圈13,相对于线圈13的高频电流发生器5,对电磁感应流体加热装置使用了当高温时具有磁性急剧减少的磁变态的发热体12的磁性材料,测量来自高频电流发生器5流入线圈13的电流,设置检测一直到磁变态附近所述发热体12磁性材料温度的电流检测手段31,和根据电流检测手段31限制流入线圈13电流的电流限制手段32。当发热体12的温度上升到磁变态附近用检测手段31检测出上升的电流值,用电流限制手段32限制上升的电流。启动方法是使用上述的电磁感应流体加热装置,由以下①～④过程构成。①流体通道11充满流体,在静止状态流体中发热体12呈浸入状态。②通过温度调节器2设定给定温度,由高频电流发生器5向线圈13流入电流。③发热体12的磁性材料的温度一直到磁变态的附近,当流入线圈13的电流增大,优先温度调节器2的指令限制电流,预热发热体12及流体。④流体通道11的流体开始流动。

Description

电磁感应加热装置的温度控制装置及启动方法

本发明涉及一种电磁感应加热装置的温度控制装置及启动方法，是用电磁感应加热浸入液体或气体等流体中的由磁性材料构成的发热体，用直接热传导加热所述流体，尤其涉及构成所述发热体的磁性材料虽然存在磁变态，但是仍可被加热和启动。

根据图6说明这种电磁感应加热装置1的已有实施例。用绝缘体构成流体通过的筒管11，通过缠绕在筒管11上的线圈13，用电磁感应加热被浸入该筒管11内流体中的发热体12。该线圈13产生交变磁场，没有传感器的高功率因数高频率的逆变器5作为高频电流发生器5被使用。控制该高频电流发生器的输出是由移相控制部分3a和门驱动器3b构成的控制器3。在筒管11的出口安装温度传感器17，温度调节器2连接所述移相控制部分3a。还有，高频电流发生器5是由对交流电源21整流的整流部分22和非平滑滤波器23和逆变器24组成。

上述构成的电磁感应加热装置1在正常运行时，由筒管11的下部供给的低温流体14，在发热体12内通过紊流流体15进行热交换，由筒管11的上部排出高温流体16。用温度传感器17检测该高温流体16的温度，该温度与设定温度之差相对应的指令由温度调节器2向移相控制部分3a输出，经门驱动器3b适当控制高频电流发生器5的输出电流。电磁感应加热装置1通过这样的直接加热及浸入流体的发热体12较大的传热面积，提高由发热体12向流体的传热效率，缩短启动时的开始时间。

象这样，发热体12靠电磁感应自己发热直接加热流体，发热体12使用特殊材料构成。首先，由于靠电磁感应自己发热，需要高导磁性的磁性材料。另外，由于直接接触流体，需要较强的耐腐蚀性。作为满足这样条件的材料，如特愿平6-297287号公报提出的，使用了以铬(Cr)、铁(Fe)为主要成分的马氏体不锈钢。

为进一步缩短上述这样的电磁感应加热装置1的启动时间，考虑将电磁感应加热装置1整体予热。为此，在筒管11内充满流体，使发热体12和温度传感器17等呈浸入流体的状态，在该状态下，使高频电流发生器5工作，予热筒管11、发热体12和流体。

进行这样的予热时，由于流体呈不流动状态，温度传感器17检测的流体的温度和发热体12的实际温度之间产生相当的温差。因此，发热体12的温度不断上升，高频电流发生器5流过过大的电流，容易毁坏仪器。究其原因，由以下说明便可明了。

线圈13和发热体12构成的加热体系，可用漏感系数大的变换器电路模型表示，可用L1、R1组成的单纯的R-L电路表示。该R-L电路的等效阻抗为R，电路的固有阻抗为r，流入电路的电流为Ic，电路需要的电功率为Po。该R、r、Ic、Po随发热体12的温度的变化，如图7所示。

在图7中，固有阻抗r随着温度上升，等效阻抗R由某温度To开始急剧下降。因此，电流Ic和电功率Po由温度To开始变为增加。当电流Ic和电功率Po过度增加，超过额定值时，毁坏构成高频电流发生器5的功率元件。产生该现象是由于发热体12的温度达到高温，构成发热体12的磁性体达到磁变态温度。也就是说，一达到引起磁变态的温度To，由于发热体12的磁性急变，由高导磁性变为弱磁性，线圈13呈短路状态。

另外，考虑改变发热体12的化学组分，使其由磁变态温度To向高温偏移，当发热体12的化学组分一改变，随之存在耐腐性变差的问题。并且，温度传感器17不是直接检测出发热体12的温度，由于温度传感器17是检测与发热体12热交换的流体16的温度，在流体14不流动加热时，对于发热体12避免不了引起高频电流发生器5的失控功率上升这样的问题。

因此，本发明的目的是提供一种即使发热体的温度直到磁变态温度的附近，也不会引起高频电流发生器5的失控功率上升的电磁感应加热装置的温度控制装置。

还有，本发明的另一目的是提供一种即使发热体的温度直到磁变态温度的附近，予热限制流动电流的静止流体之后启动，可零启动的电磁感应加热装置的启动方法。

为达到上述目的，本发明中的电磁感应加热装置的温度控制装置为包括：在流体通道设置了的磁性材料的发热体，和在所述发热体的周围设置的线圈，和相对于所述线圈的高频电流发生器，对具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置使用的温度控制装置；其特征是，设置了测量来自所述高频电流发生器的流入所述线圈的电流，检测所述发热体的磁性材料的温度直到磁变态的附近的电流检测手段，和根据该电流检测手段限制流入所述线圈的电流的电流限制手段。

发热体当其自身的温度一直上升到磁变态温度时，等效阻抗变小，电流值上升。那时，电磁感应加热装置的温度控制装置具有上述手段，用检测手段检测出该电流值的上升，通过所述电流限制手段限制使所述磁变态温度进一步升高的电流。

所述电流限制手段的一种方法是当流入线圈的电流达到设定值时，使所述高频电流发生器的输出减少，所述发热体变冷，再使所述高频电流发生器的输出加大，反复进行这样的动作，限制电流。这时，通过电磁感应使发热体发热，向静止流体传热，由于反复向电流停止时的静止流体传热，在抑制发热体的过度升温的同时，加热静止流体。

并且所述电流限制手段的另一方法是当流入线圈的电流达到设定值时，限制电流、使其维持设定值。这时，通过电流限制手段，限制电磁感应对发热体的加热，同时加热静止流体。

并且在本发明中，电磁感应加热装置的启动方法为包括：在流体通道设置的磁性材料发热体，和在所述发热体周围设置的线圈，相对于所述线圈的高频电流发生器，和调整测量所述流体通道出口的流体温度的所述高频电流发生器的输出的温度调节器，具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置的启动方法，其特点由以下①～④过程构成：

①所述流体通道充满流体，在静止状态的所述流体中所述发热体呈浸入状态；

②通过所述温度调节器设定给定温度，由高频电流发生器向所述线圈输入电流；

③所述发热体的磁性材料的温度一直升到磁变态点的附近，当流入所述线圈的电流增大，所述温度调节器的指令优先限制所述电流，予热所述发热体及所述流体；

④所述流体通道的流体开始流动。

用所述温度调节器设定给定温度，由高频电流发生器向所述线圈输入电流，测量流体通道出口的流体温度，通过温度调节器调整所述高频电流发生器的输出，在流体通道内不能检测出静止的流体的上升温度，不能恰当地调整所述高频电流发生器的输出。所以，当所述发热体的磁性材料的温度升到磁变态点的附近，输入所述线圈的电流增大时，伏先所述温度调节器的指令，通过一边限制所述电流，一边予热所述发热体及所述流体的过程，回避发热体的磁变态，加热静止流体。该加热后的流动流体，启动时得到高温流体，并且温度调节器也恰当动作，为零启动。

下面，简要说明附图

图1是关于本发明的电磁感应加热装置以及其温度调节装置的设备构成图；图2是温度调节装置的工作图；图3是本发明的其他的温度调节装置的重要部分的框图；图4是另一温度调节装置的工作图；图5(a)及图5(b)是发热体的结构图；图6是以往的电磁感应加热装置及其温度调节装置的设备构成图；图7是以往的温度调节装置的工作图。

下面，按照附图说明本发明的实施形式。图1是关于本发明的电磁感应加热装置及其温度调节装置的设备构成图。

电磁感应加热装置主体1是在形成流体通道的非金属管11内，装入发热体12，在筒管11的外周缠绕线圈13。由筒管11的下侧进入的低温流体14通过发热体12内的流体通道成为混合流体在被均匀加热之后，成为高温流体16流出筒管11的上侧出口。用温度传感器17检测出该高温流体16的温度，温度传感器17连接温度调节器2。

高频电流发生器5由相对于交流电源21的整流部分22、和非光滑滤波器23、和逆变器24构成，由移相控制部分和门驱动器构成的电流控制部分3控制其输出。

由逆变器24、线圈13和导电性金属发热体12构成的加热体系，可用漏感系数大的变换器电路模型表示，可用L1、R1组成的单纯R-L电路表示。串联连接对该R-L电路补偿的电容器C1，可作为电路常数几乎不变化时的非时变电路系统。因此，用补偿电容器C1容易取得补偿R-L负载系统的L部分的谐调，施行动作频率和补偿电容C1的最优设计电路。

逆变器24使用了4个开关元件Q1～Q4，Q1和Q2串联连接后并联连接串联连接的Q3和Q4。该开关元件Q1～Q4用与开关S1～S4和二极管D1～D4并联连接的电路表示，使用静电感应晶体管(SIT)、双极型静电感应晶体管(B-SIT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体控制晶闸管(MCT)等半导体功率器件形成的。

当闭合开关S1、S4时，电流由a点经负载L1、R1到b点流入电路，当闭合开关S2、S3时，电流由b点经负载L1、R1到a点流入电路。也就是说，从负载L1、R1看来，流过正向及反向电流。各开关S1～S4分别用占空系数略小于50％的脉冲电压驱动。将开关S1、S2的电压驱动脉冲作为标准相位脉冲，将开关S3、S4的电压驱动脉冲作为控制相位脉冲。通过使标准相位和控制相位的电压驱动脉冲的相位差在0～180°为止，连续变化，用脉冲宽度调制(PWM)能够控制输出电压，理论上输出功率由0到由负载电路常数和换流器动作频率决定的最大输出为止，可连续变化。

适用于这样的电磁感应加热装置的温度控制装置具有测量由高频电流发生器5输入所述线圈13的电流，检测所述发热体12的磁性材料的温度直到磁变态点附近的电流检测手段31，和根据该电流检测手段31限制输入所述线圈13的电流的电流限制手段32。

电流检测手段31包括在逆变器24的a点到b点的电路的适当位置设置测量输入该电路的电流的测量部分33，和变换由该测量部分来的电流值，与设定值相比较的比较器34。

还有，35是整流器，36是并联电容，37是并联电阻，38是串联电阻，通过这些元器件变换输入比较器34的电压。用比较器34比较该电压值和由已设定好的基准电压发生器39来的基准电压，大于基准电压时，比较器34发出闭合信号。

电流限制手段32是连接电流控制部分3的装有定时器的开关指令器。当有比较器34来的闭合信号时，开关指令器32向电流控制部分3发出零输出指令。也就是说，电流控制部分3内的移相控制部分通过使标准相位和控制相位的电压驱动脉冲的相位差变为0，使输出电压降为零或接近于零。然后，开关指令器32内的定时器中断计数，电流控制部分3返回用温度调节器2工作的通常状态。

下面，根据图1及图2通过上述的温度控制装置说明启动方法。在图1的电磁感应加热装置主体1的筒管11内，导入流体14，使液位上升到浸湿温度传感器17的高度，保持其状态。温度调节器2的设定为期望的温度。

使高频电流发生器5动作，由于温度传感器17的输出低，控制高频电流发生器5的输出的电流控制部分3的移相控制部分输出的输出电压为100％的指令。当发热体12的温度升高时，通过热传导，接触发热体12的流体的温度也升高。但是，由于流体不流动，流体全部的热传导仅为自然对流，热传导效率不高。因此，发热体12的温度不断上升。发热体12使用马氏体的不锈钢SUS447J1时，在600～700℃附近产生磁变态。发热体12的温度达到500℃附近时，输入线圈13的电流急增。

用测量部分33测量该电流、变换成电压，用比较器34与基准值相比较。在图2中曲线a表示输入线圈13的电流值Ic。发热体12的温度在磁变态点附近时，电流值Ic急剧上升。当输入线圈13的电流值Ic超越由发热体12的材质决定的规定值b时，电流限制手段的开关指令器32动作，由电流控制部分3对高频电流发生器5发出输出为零的指令，电流值Ic为0。发热体12不发热，当经过由开关指令器32内的定时器决定的时间Δt时，通过周围的流体热传导的发热体12变冷。经过该Δt时间后，当高频电流发生器5动作时，由于发热体12变冷，再启动时的电流值为低值。当在C点再启动时，发热体12的温度再次到磁变态点附近，电流值Ic急剧上升到设定值b。由于以上的反复动作，发热体12的温度由磁变态温度附近不再进一步上升，高温/低温反复进行，予热静止状态的流体及筒管11等。

还有，在上述的说明中，说明了作为流体使用液体时的零启动方法，也可适用作为流体加热气体时的零启动。例如，加热氢(H)时，启动时不是使氢流动，而是对包括电磁感应加热装置的加热系充满非活性气体的氮(N)，电磁感应加热装置予热后，进行使氢流动逐出氮的零启动。因此，予热时用的流体，不一定要与启动后的流体一致。并且，即使作为流体使用液体时的零启动，将电磁感应加热装置用氮、空气等净化的状态能够由予热开始使其零启动。这种情况也是予热时的流体和用零启动流动的流体不一致。但是，予热时，使什么样的流体充满，予热后挤出该流体，关于这点是通用的。

图3表示另一温度控制装置的重要部分。相对于线圈13的电路的电流测量部分33、整流器35、并联电容36、并联电阻37、串联电阻38组成的电流检测手段51的构成与图1同样。在温度调节器2和控制器3之间，设置了受到上述电流检测手段51的输出动作的电流限制手段52。该电流限制手段52，高位选择来自电流检测手段51的电压和来自温度调节器2的电压的二极管53、54，和将Vd点的电压与规定电压(例如5V)相比较的比较器55，和与比较器55并联的电阻56作为主要部分。

该电流限制手段52的动作如下。例如，当Vd点的输出为5V时，比较器55命令对控制器3最大输出，当Vd点的输出为10V时，比较器55命令对控制器3最低输出。因此，即使温度调节器2输出相当于最大输出的5V，电流检测手段51输出相当于最小输出的10V，选择该10V作为对比较器55输出，比较器55命令对控制器3最低输出。

其结果，如图4所示，当发热体12的温度到磁变态温度To，即使电流值Ic开始上升，也不会超越规定的电流值Ic-max。输出功率Po逐渐减少，对液体的发热体12的加热温度保持在磁变态温度To附近。还有，该图3使用的其他的温度控制装置，电磁感应加热装置的启动方法与图1说明的相同。

下面，根据图5说明发热体12的理想状态。图5(a)所示是发热体12的结构俯视图，图5(b)所示是发热体12结构的立体图。发热体12是将平板状的第1簿板材料121和波形状的第2簿板材料122交互层叠，使第1簿板材料121位于侧面的两端，作为整体形成圆柱状。象这样的多层层叠体规则充填材料，启动时，与静止流体接触面积大，用短时间进行对静止流体来自发热体的热传导。因此，成为对上述的零启动有效的发热体。另外，该发热体12具有可对流动的流体均匀加热的结构，以下说明其结构。

第2簿板材料122的波峰(或谷底)123对中心轴124呈α角度倾斜配置，用第1簿板材料121夹住相邻的第2簿板材料122的波峰(或谷底)123交错配置。然后，在相邻的第2簿板材料122中的波峰(或谷底)123的交差点125中，用点焊焊接第1簿板材料121和第2簿板材料122，使其可导电。并且，在第2簿板材料122的表面，设置了为使流体产生紊流的孔126。可代替孔126的方法是对第1簿板材料121及/或第2簿板材料122施加梨皮面加工，使表面粗涩不光滑也有效果。总之，通过发热体12的中心轴124，与直径方向D相对而言，略平行配置第1簿板材料121和第2簿板材料122，与直径D略平行方向(横穿周边方向)电流最容易流过。这样一来，不出现在电磁感应中出现的集肤效应(只加热发热体12的外周部分的状态)，也加热处理发热体12的中央部分。象这样的使发热体12的中央部分加热的形式，作为发热体，不限于簿板材料121，122的层叠结构，用多个小口径管集合形成的发热体也可以。在这种情况下，加热小口管径的每个表面，得到整体可均匀加热的发热体。

象以上说明的那样，本发明中的电磁感应加热装置的温度控制装置的发明，根据电流限制手段的发热体即使到磁变态温度的附近，由于限制流入高频电流发生器的电流，即使加热静止流体时那样的温度调节器不动作的情况，也不会使高频电流发生器超出控制范围，可作为高温加热。

本发明中的电磁感应加热装置的启动方法的发明，在电磁感应加热装置的启动前，予热装满的静止流体，由启动时开始得到高温流体，可作为零启动。

以上本发明中的电磁感应加热装置的温度控制装置，即使发热体到了磁变态温度附近，高频电流发生器也不会超出控制范围，最适合作为电磁感应加热装置的温度控制装置。

本发明中的电磁感应加热装置的启动方法是发热体即使到了磁变态温度的附近，由于予热限制流动电流的静止流体，其后，使启动能够零启动的最适合作为电磁感应加热装置的启动方法。

Claims (10)

1.一种电磁感应加热装置的温度控制装置，为包括在流体通道设置的磁性材料的发热体，和所述发热体的周围设置的线圈，和相对于所述线圈的高频电流发生器，对具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置使用的温度控制装置，其特征在于，

设置了测量来自所述高频电流发生器的流入所述线圈的电流，检测所述发热体的磁性材料的温度直到磁变态的附近的电流检测手段，和根据该电流检测手段限制流入所述线圈的电流的电流限制手段。

2.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置的温度控制装置，其特征在于，所述电流限制手段是当流入线圈的电流达到设定值时，使所述高频电流发生器的输出减少，所述发热体变冷，再使所述高频电流发生器的输出加大，反复进行这样的动作。

3.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置的温度控制装置，其特征在于，所述电流限制手段是当流入线圈的电流达到设定值时，具有限制电流使其维持设定值。

4.一种电磁感应加热装置的温度控制装置，为包括在流体通道设置的磁性材料的发热体，和在所述发热体的周围设置的线圈，和相对于所述线圈的高频电流发生器，对具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置使用的温度控制装置，其特征在于，包括：

检测出所述流体通道的流出口的流体温度，输出与设定温度之差相对应指令的温度调节器；和按照来自所述温度调节器的指令控制所述高频电流发生器的电流的电流控制手段；和测量来自所述高频电流发生器的流入所述线圈的电流，检测一直到磁变态附近所述发热体的磁性材料温度的电流检测手段；和根据该电流检测手段使限制流入所述线圈的电流的指令优先所述温度调节器的指令对电流控制手段输出的电流限制手段。

5.根据权利要求4所述的电磁感应加热装置的温度控制装置，其特征在于，所述电流检测手段在检测出设定电流以上的电流时，所述电流限制手段对该电流控制手段在规定的时间输出使所述高频电流发生器的输出减少的指令。

6.一种电磁感应加热装置的温度控制装置，为包括在流体通道设置的磁性材料的发热体，和在所述发热体的周围设置的线圈，和相对于所述线圈的高频电流发生器，对具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置使用的温度控制装置，其特征在于，包括：

检测出所述流体通道的出口的流体温度，输出与设定温度之差相对应指令的温度调节器；和测量来自所述高频电流发生器的流入所述线圈的电流，检测一直到磁变态附近所述发热体的磁性材料温度的电流检测手段；按照来自所述温度调节器的指令或来自所述电流限制手段的指令控制所述高频电流发生器的电流的电流控制手段；连接该电流控制手段和所述温度调节器及所述电流限制手段；根据该电流检测手段将限制流入所述线圈的电流的指令优先所述温度调节器的指令对电流控制手段输出的电流限制手段。

7.根据权利要求6所述的电磁感应加热装置的温度控制装置，其特征在于，所述电流限制手段是根据所述电流检测手段将限制流入所述线圈的电流的指令优先所述温度调节器的指令对电流控制手段输出的比较器。

8.一种电磁感应加热装置的启动方法，为包括在流体通道设置的磁性材料发热体，和在所述发热体周围设置的线圈，相对于所述线圈的高频电流发生器，和调整测量所述流体通道出口的流体温度的所述高频电流发生器的输出的温度调节器，对具有当高温时，磁性急剧减少的磁变态的所述发热体的磁性材料的电磁感应流体加热装置的启动方法，其特点由以下①～④过程构成：

①所述流体通道充满流体，在静止状态所述流体中所述发热体呈浸入状态；

②通过所述温度调节器设定给定温度，由高频电流发生器向所述线圈流入电流；

③所述发热体的磁性材料的温度一直到磁变态的附近，当流入所述线圈的电流增大，优先所述温度调节器的指令限制所述电流，予热所述发热体及所述流体；

④所述流体通道的流体开始流动。

9.根据权利要求8所述的电磁感应加热装置的启动方法，其特征在于，在所述过程③中电流的限制是当流入所述线圈的电流达到设定值时，使所述高频电流发生器的输出降低，所述发热体变冷，再一次使所述高频电流发生器的输出升高，反复这样的动作来限制电流。

10.根据权利要求8所述的电磁感应加热装置的启动方法，其特征在于，在所述过程③中电流的限制是当流入所述线圈的电流达到设定值时，限制电流使其维持设定值。

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