JP2013114879A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通電電流を増加させることなく発熱体としての管体の高温化を図った誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】管体２と、管体２に挿通された絶縁電線３とを備え、絶縁電線３に交流電流を通電することで管体２に誘導電流を生起させ、管体２を発熱させるようにした誘導加熱装置１は、管体２が窪み部７を有する。管体２を流れる誘導電流ｉは、管体２の窪み部７によって流れが阻害されつつ流れるため、窪み部７が無い場合と比べて電気抵抗が増大する。従って、ジュール熱の温度が高まり、窪み部７が無い場合と比べて管体２が高温に発熱する。この効果は、絶縁電線３に通電する交流電流を増加させることなく得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱（Induction Heating）を利用した誘導加熱装置に係り、特に、通電電流を増加させることなく発熱温度の高温化を図った誘導加熱装置に関する。

誘導加熱を利用した誘導加熱装置として、発熱体となる管体と、管体に挿通された絶縁電線と、絶縁電線に接続された交流電源とを備えたものが知られている（特許文献１〜３参照）。この誘導加熱装置は、交流電源から絶縁電線に通電された交流電流の交番磁束によって管体に電磁誘導による誘導電流（渦電流）を生起させ、誘導電流が流れる管体の電気抵抗に基づくジュール熱によって管体を発熱させるものである。

かかる誘導加熱装置は、発熱体となる管体を加熱が要求される被加熱部材に敷設することで、管体によって被加熱部材を加熱し、被加熱部材が凍結等することを防止する。被加熱部材としては、例えば、水門設備の扉体が突き当てられる戸当たり金物、道路の車道面や歩道面、鉄塔や橋梁の雪が積もる部分等が挙げられる。これらの被加熱部材に発熱体となる管体を敷設することで、冬季や厳冬期において、水門設備の扉体が戸当たり金物に氷着することを防止でき、道路の車道面や歩道面を融雪して凍結を防止でき、鉄塔や橋梁の冠雪や着雪を防止できる。

特公昭５７−４０２９３号公報 特開２００９−２５６９４２号公報 特開２００９−２８７３８９号公報

ところで、従来の誘導加熱装置は、誘導電流（渦電流）が生起される管体の内周面及び外周面が、延伸方向に平坦に形成されていた。

このため、誘導電流（渦電流）は、管体の平坦な内周面及び外周面に沿ってスムーズに流れ、平坦な内周面及び外周面の電気抵抗に応じたジュール熱に転化されていた。従来、かかるジュール熱の高温化を図るためには、絶縁電線に通電する交流電流すなわち投入電力を増大し、管体に生起される誘導電流（渦電流）を大きくするようにしていた。しかし、これでは消費電力が増大してしまう。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、通電電流を増加させることなく管体の高温化を図った誘導加熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明に係る誘導加熱装置は、管体と、管体に挿通された絶縁電線とを備え、絶縁電線に交流電流を通電することで管体に誘導電流を生起させ、管体を発熱させるようにした誘導加熱装置であって、管体が、管体の厚み方向に窪んだ窪み部を有することを特徴とする誘導加熱装置である。

窪み部が、管体の外周面に形成されていてもよい。

窪み部が、管体の周方向に沿ってリング状に形成されたリング溝から成り、リング溝が、単独で或いは管体の長手方向に間隔を隔てて複数、配設されていてもよい。

管体が、リング溝同士の間隔が狭い高発熱部と、高発熱部よりもリング溝同士の間隔が広い低発熱部とを有していてもよい。

窪み部が、管体に螺旋状に形成された螺旋溝から成っていてもよい。

本発明に係る誘導加熱装置によれば、誘導電流が生起される管体が、窪み部を有している。このため、管体を流れる誘導電流は、管体の窪み部によって流れが阻害されつつ流れることになり、窪み部が無い場合と比べて電気抵抗が増大した状態となる。従って、ジュール熱の温度が高まり、窪み部が無い場合と比べて管体が高温に発熱する。この効果は、絶縁電線に通電する交流電流を増加させることなく得られる。

本発明の第１実施形態に係る誘導加熱装置の斜視図である。 図１に示す管体及び絶縁電線の部分側断面図である。 本発明の第２実施形態に係る誘導加熱装置の側面図である。 本発明の第３実施形態に係る誘導加熱装置の側面図である。 本発明のその他の変形例を示す誘導加熱装置の側断面図であり、（ａ）はリング溝を管体の内周面に形成したもの、（ｂ）はリング溝を管体の内周面及び外周面に形成したもの、（ｃ）はリング溝を管体の内周面及び外周面に位置をずらして形成したものを示す。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（誘導加熱装置：第１実施形態）
図１及び図２に、本発明の第１実施形態に係る誘導加熱装置１の概要を示す。図１は第１実施形態に係る誘導加熱装置１の斜視図、図２は誘導加熱装置１を構成する管体２及び絶縁電線３の側断面図である。

この誘導加熱装置１は、管体２と、管体２に挿通された絶縁電線３と、絶縁電線３に接続された交流電源４とを備えており、交流電源４から絶縁電線３に通電された交流電流の交番磁束によって、管体２に電磁誘導による誘導電流（渦電流）を生起させ、誘導電流が流れる管体２の電気抵抗に基づくジュール熱によって管体２を発熱させるものである。

（管体２）
管体２の材質には、絶縁電線３に交流電流を通電した際、誘導電流が生起され易い材質が用いられる。例えば、ＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）、ＳＭ材（溶接構造用圧延鋼材）、ＳＮ材（建築構造用圧延鋼材）等の炭素鋼の他、硅素鋼、コバルト、ニッケル等の磁性体が、管体２の材質として用いられる。本実施形態では、管体２には、サイズ１０Ａ（外径１７．３ｍｍ、肉厚２．３ｍｍ）のＳＧＰ管（配管用炭素鋼管）が用いられている。

管体２は、加熱が要求される被加熱部材５に敷設されている。被加熱部材５としては、既述のように、水門設備の扉体が突き当てられる戸当たり金物、道路の車道面や歩道面、鉄塔や橋梁の雪が積もる部分等が挙げられる。本実施形態では、被加熱部材５の形状は、板状に形成されているが、板状に限られるものではない。

管体２は、溶接等によって被加熱部材５に取り付けられ、その取付部には伝熱セメント６が打設（塗布）されている。伝熱セメント６は、粉末状の炭素、セラミック、珪酸ソーダ、カルシウムシリケイト等から構成されており、誘導電流によって発熱した管体２の熱を的確に被加熱部材５に伝導する。

（絶縁電線３）
管体２には、絶縁電線３が引き抜き可能に挿通されており、絶縁電線３には、交流電源４が接続され、交流電流が通電されるようになっている。交流電源４には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数の交流電源を用いてもよいが、これに限られるものではない。絶縁電線３には、耐熱絶縁電線が用いられる。よって、絶縁電線３に交流電流を通電した際、管体２が発熱しても、その熱によって絶縁電線３が熱損傷することを回避できる。

絶縁電線３は、管体２に挿通されているため、水分や鋭利な突起等から防護される。加えて、絶縁電線３は、管体２に引き抜き可能に挿通されているため、数年から数十年毎に行われるメンテナンス時に、絶縁電線３の端部を把持することで、管体２から引き抜かれる。

（窪み部７）
絶縁電線３に交流電流を通電した際、電磁誘導による誘導電流（渦電流）が生起される管体２は、管体２の厚み方向に窪んだ窪み部７を有している。窪み部７は、管体２の外周面２１に周方向に沿ってリング状に形成されたリング溝７１から成り、そのリング溝７１が、管体２の長手方向に間隔を隔てて複数配設されている。リング溝７１は、管体２の外周面２１に形成されているので、その外周面２１を切削すること等によって容易に形成できる。

本実施形態においては、リング溝７１は、等間隔に形成され、溝深さ及び溝幅が等しいが、これに限られるものではない。また、リング溝７１は、溝深さが管体２の肉厚の半分程度、溝幅が溝深さと同程度となっているが、これに限られるものではない。

（作用・効果）
本実施形態に係る誘導加熱装置１においては、絶縁電線３に交流電流を通電することで誘導電流が生起される管体２が、窪み部７（リング溝７１）を有している。このため、図２に示すように、管体２を流れる誘導電流（渦電流）ｉは、管体２のリング溝７１によって流れが阻害されつつ流れることになり、リング溝７１が無い場合と比べて電気抵抗が増大した状態となる。

詳しくは、図２の上部に模式的に示すように、管体２の外周面２１に沿って流れる誘導電流（渦電流）ｉは、リング溝７１を迂回するように流れるため、リング溝７１が無い従来の外周面が平坦な管体よりも電流経路が長くなり、長くなった分に応じて電気抵抗が増大する。この結果、誘導電流（渦電流）ｉによるジュール熱の温度が高まり、窪み部７（リング溝７１）が無い場合よりも管体２が高温に発熱することになる。この効果は、リング溝７１が管体２の周方向に連続してリング状に形成されているため、管体２の全周に亘って得られる。

また、図２の下部に模式的に示すように、管体２を流れる誘導電流（渦電流）ｉは、管体２のリング溝７１が形成されていない厚肉部２２からリング溝７１が形成された薄肉部２３に流れる際、縮流されて渦電流密度が高まる。加えて、管体２の薄肉部２３の電流通過断面積が厚肉部２２の電流通過断面積よりも小さいため、薄肉部２３での電気抵抗が厚肉部２２での電気抵抗よりも大きくなる。よって、管体２のリング溝７１の近傍（薄肉部２３の近傍）において、誘導電流（渦電流）ｉによるジュール熱の温度が局部的に高まる。この効果も、リング溝７１が管体２の周方向に連続してリング状に形成されているため、管体２の全周に亘って得られる。

上述した効果は、交流電源４から絶縁電線３に通電する交流電流を増大することなく達成できる。すなわち、本実施形態に係る誘導加熱装置１によれば、通電電流を増加させることなく管体２の高温化が図れる。換言すれば、この誘導加熱装置１によれば、管体２にリング溝７１が無い誘導加熱装置（従来例）と同一の通電電流で管体２の温度を従来例よりも高めることができ、従来例よりも少ない通電電流で管体２を従来例と同等の温度に加熱できる。

（第２実施形態）
図３に本発明の第２実施形態に係る誘導加熱装置１１を示す。図３は第２実施形態に係る誘導加熱装置１１の側面図である。第２実施形態に係る誘導加熱装置１１は、上述した第１実施形態に係る誘導加熱装置１と基本的な構成要素は同一であり、管体２に複数形成されたリング溝７１の配置（間隔）が第１実施形態と相違する。よって、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。なお、図３では、図１の伝熱セメント６を省略している。

第２実施形態の誘導加熱装置１１を構成する管体２は、リング溝７１同士の間隔ｗ１が狭い高発熱部２Ｈと、高発熱部２Ｈよりもリング溝７１同士の間隔ｗ２が広い低発熱部２Ｌとを有している。第２実施形態によれば、リング溝７１同士の間隔ｗ１が狭い高発熱部２Ｈにおいては、リング溝７１同士の間隔ｗ２が広い低発熱部２Ｌよりも、電気抵抗が大きく渦電流密度が高まるため、高温で発熱する。よって、管体２の長手方向に沿って発熱温度を異ならせることができる。また、リング溝７１同士の間隔を様々に設定することで、管体２の長手方向に沿ってリング溝７１同士の間隔に応じた発熱温度とすることができ、被加熱部材５の性状に合わせた発熱分布を得ることができる。なお、第２実施形態の基本的な作用効果は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第３実施形態）
図４に本発明の第３実施形態に係る誘導加熱装置１２を示す。図４は第３実施形態に係る誘導加熱装置１２の側面図である。第３実施形態に係る誘導加熱装置１２は、上述した第１実施形態に係る誘導加熱装置１と基本的な構成要素は同一であり、管体２の窪み部７がリング溝７１ではなく螺旋溝７２である点が第１実施形態と相違する。よって、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。なお、図４でも、図１の伝熱セメント６を省略している。

螺旋溝７２は、管体２の外周面２１を螺旋状に切削すること等によって容易に形成でき、管体２の外周面２１に等ピッチで形成されている。この螺旋溝７２によっても管体２を流れる誘導電流（渦電流）の流れが阻害されるため、螺旋溝７２が無い場合と比べて電気抵抗が増大する。従って、第３実施形態においても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、螺旋溝７２の螺旋ピッチを管体２の長手方向に沿って異ならせ、ピッチの狭い螺旋部分での発熱温度をピッチの広い螺旋部分の発熱温度よりも高めるようにしてもよい。

（その他の変形例）
図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に、本発明のその他の変形例に係る誘導加熱装置１３、１４、１５を示す。これらの誘導加熱装置１３〜１５は、上述した第１実施形態に係る誘導加熱装置１と基本的な構成要素は同一であり、誘導加熱装置１３では窪み部７としてのリング溝７１が管体２の外周面２１ではなく内周面２４に形成された点、誘導加熱装置１４ではリング溝７１が管体２の外周面２１及び内周面２４の同位置に形成された点、誘導加熱装置１５ではリング溝７１が管体２の外周面２１及び内周面２４に位置を交互にずらして形成された点、が相違する。これら変形例に係る誘導加熱装置１３〜１５においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。例えば、窪み部７としてのリング溝７１の断面形状は、上述した各実施形態では四角断面形状としたが、半円断面形状や三角断面形状でもよい。また、リング溝７１は複数ではなく１個（単独）であってもよい。

本発明は、管体に挿通された絶縁電線に交流電流を通電することで管体に誘導電流を生起させ、管体を発熱させるようにした誘導加熱装置に利用できる。

１ 誘導加熱装置
１１〜１５ 誘導加熱装置
２ 管体
２１ 外周面
２４ 内周面
２Ｈ 高発熱部
２Ｌ 低発熱部
３ 絶縁電線
４ 交流電源
７ 窪み部
７１ リング溝
７２ 螺旋溝
ｗ１ 間隔
ｗ２ 間隔
ｉ 誘導電流（渦電流）

Claims (5)

1. 管体と、該管体に挿通された絶縁電線とを備え、該絶縁電線に交流電流を通電することで前記管体に誘導電流を生起させ、前記管体を発熱させるようにした誘導加熱装置であって、
   前記管体が、前記管体の厚み方向に窪んだ窪み部を有することを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記窪み部が、前記管体の外周面に形成された請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記窪み部が、前記管体の周方向に沿ってリング状に形成されたリング溝から成り、該リング溝が、単独で或いは前記管体の長手方向に間隔を隔てて複数、配設された請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記管体が、前記リング溝同士の間隔が狭い高発熱部と、該高発熱部よりも前記リング溝同士の間隔が広い低発熱部とを有する請求項３に記載の誘導加熱装置。
5. 前記窪み部が、前記管体に螺旋状に形成された螺旋溝から成る請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。

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