JP5969184B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置に関する。

近年、電磁誘導の原理を利用した誘導加熱（ＩＨ）装置が普及している（例えば、特許文献１−４を参照）。誘導加熱装置は、加熱効率が良く、温度の制御も容易である。

特開２００８−０８２７００号公報 特開２００３−１２３９４９号公報 特開２００３−１００４２６号公報 特開２００１−２５０６６６号公報

管内を流れる流体を誘導加熱する場合に、管内に配置した発熱体を電磁誘導で発熱させると、流体を均一に加熱することが難しい。そこで、上述した特許文献１−３のように、熱伝導性に優れる部材を管内に多数配置することにより、流体を加熱する際の均一性を図ることも可能である。しかし、このような構成であっても、管内の中心付近は、伝熱によって加熱されることになるので、誘導加熱によって発熱する発熱体が配置されている管内の壁面付近に比べると加熱力が劣る。このような傾向は、流体を流す管の径が大きくなるにつれて著しくなり、管の中心付近とその周辺との間で温度差が生じてしまう。

このような熱伝導性に起因する問題を解決するものとして、例えば、上述した特許文献４のように、熱伝導性に優れるヒートパイプを用いることも考案されているが、作動液の保有熱量が大きいため、誘導コイルの電流を調整しても流体の熱的な応答が緩慢であり、許容される温度条件が厳しいと温度制御が難しい。

例えば、各種の溶剤や可塑剤を用いてフィルムを製造する工程などにおいては、各薬液類の沸点に応じた温度の加熱空気を吹き付けることが行われるが、許容される温度条件は製造物の品質を担保する観点から非常に狭い範囲に制限されていることがあり、精密な温度制御が要求される。

本願は、上記事項に鑑みてなされたものであり、加熱する流体の熱的な均一性を向上させ、且つ温度調整の制御性にも優れる誘導加熱装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、流体が通過する流路内に導電性の管状部材を配置し、この管状部材を電磁誘導によって発熱させるための交流電流を流す電磁コイルを、管状部材の内部に配置することにした。

詳細には、本発明は、流体を加熱する誘導加熱装置であって、前記流体が通過する流路内に配置される導電性の管状部材と、前記管状部材の内部に、前記管状部材と電気的に接触しない状態で前記管状部材の長手方向に沿って延在し、前記管状部材を電磁誘導によって発熱させる交流電流が流れる電磁コイルと、を備える。

空気や水といった非金属の流体は、金属に比べて熱伝導率が著しく小さいため、流路内に高温の熱源を配置するだけでは流体を均一に昇温することが難しい。そこで、熱源を流路内に均等に配置することが考えられるが、例えば、電気ヒータを熱源とする場合には必要な熱量やコイルの許容電流といった各種の制約により、精密な温度制御を実現する回路を構成することが難しい。一方、誘導加熱の原理によれば、電磁コイルに流れる電流を制御することで、精密な温度制御を容易に実現できることが知られている。

ここで、誘導加熱の原理を用いる場合には、一般的に、巻線状にした電磁コイルの内部に導電性の部材を配置することにより、この部材に渦電流を発生させて発熱させることが行なわれるが、この場合には、加熱する流体を電磁コイル内部に配置した導電性部材の中に流さざるを得ない。このような態様によれば、導電性部材の内部に構成された流路の中心付近が周辺部分より不可避的に低温になり、流体の均一な昇温を実現できない。

そこで、上記誘導加熱装置は、電磁コイルを導電性の管状部材の内部に配置することにより、流体を流す流路を、従来のような電磁コイルの内側から、電磁コイルを内置した管状部材の外側とすることにより、流路を構成する際の規制を排除している。これにより、誘導加熱によって発熱する管状部材を流路内に自由に配置することが可能となり、加熱する流体の熱的な均一性の向上や、温度調整の制御性の向上を図ることが可能になる。

ここで、前記管状部材は、前記流路内に多数配置されており、前記電磁コイルは、１本の導線が前記各管状部材を順に通過するように形成されていてもよい。誘導加熱装置がこのように構成されていれば、各管状部材が概ね均一に発熱するので、加熱する流体の熱的な均一性の向上を図ることが可能である。

また、前記管状部材は、前記流体の流れ方向に交差するように前記流路内に配置されており、前記誘導加熱装置は、前記流体の流れ方向に沿って伝熱面が延在し、少なくとも前記管状部材に固定されて前記管状部材の熱を前記伝熱面から前記流体へ伝えるフィンを更に備えるものであってもよい。誘導加熱装置がこのように構成されていれば、管状部材の熱がフィンを介して速やかに流体へ伝達されるので、加熱する流体の熱的な均一性が更に向上し、また、温度調整の制御性の更なる向上を図ることができる。また、フィンが流体の流れに支障をきたすことも無い。

また、前記管状部材より下流側の前記流体の温度を計測する温度センサを更に備え、前記電磁コイルには、前記温度センサが所定の温度となるように制御された前記交流電流が流れるものであってもよい。電磁コイルを流れる電流がこのように制御されることにより、上記誘導加熱装置が有する、温度調整の高い制御性の効果が有効に発揮される。

上記誘導加熱装置であれば、加熱する流体の熱的な均一性が向上し、且つ温度調整の制御性にも優れる。

実施形態に係る誘導加熱装置を、フィルムを生産するラインのドライヤー工程に適用した場合のシステム構成の一例を示した図である。 実施形態に係る誘導加熱装置の構成図である。 流体加熱ユニットを正面から見た場合の内部構造図である。 電磁コイルを挿通した管部材の断面図である。 流体加熱ユニットの側面図である。 実施形態に係る誘導加熱装置の回路の概要を示した図である。 従来例に係る誘導加熱装置の回路の概要を示した図である。 比較実験の概要を示した図である。 温度センサの配置図である。 実施形態に係る誘導加熱装置の実験結果を示した表である。 従来例に係る電気ヒータを用いた流体加熱ユニットの実験結果を示した表である。

以下、本願発明の実施形態について説明する。下記実施形態は、本願発明の一態様を示したものであり、本願発明の技術的範囲を下記の実施形態に限定するものではない。

実施形態に係る誘導加熱装置を、フィルムを生産するラインのドライヤー工程に適用した場合のシステム構成を図１に示す。本実施形態に係る誘導加熱装置１は、ブロワ２を設けた温風供給装置３に内蔵されており、フィルム４が通過するケーシング５内に送風する空気を加熱する。各種の製品を製造するプラントや、各種の実験を行なう実験設備等においては、例えば、図１に示すドライヤー工程のように、温風を供給する設備が必要とされることがある。

特に、フィルムの乾燥工程においては、様々な温度の空気を必要とする場合がある。ここで、フィルムの製造に用いる各種の溶剤を除去し、あるいは乾燥させる際の温風が正確に温度調整されていないと、気中に含まれる物質が化学変化を起こしたりすることにより、製品に重大な影響を及ぼすことがあるため、精度の高い温度制御が必要になる。そこで、本実施形態に係る誘導加熱装置１は、正確に温度調整した温風を供給するべく、以下のように構成されている。

誘導加熱装置１の構成を図２に示す。この誘導加熱装置１は、図２に示すように、流体加熱ユニット６、温度監視ボックス７、高周波電源装置８、冷却水循環装置９を備えている。誘導加熱装置１は、単相１００Ｖの交流電源および３相２００Ｖの交流電源に接続する。なお、図１では温風供給装置３の内面流路を横切って誘導加熱装置１が図示されているが、流体加熱ユニット６のみをそのように配置して、その他の機器（温度監視ボックス７、高周波電源装置８、冷却水循環装置９）は温風供給装置３の機外や温風供給装置３の部材スペース等の流路外に配置することが望ましい。

流体加熱ユニット６は、ブロワ２に吸引される空気を電気的に加熱する装置であり、流体加熱ユニット６に内置した温度センサによって温度を監視する温度監視ボックス７からの信号に基づいて適当に調整された高周波電源装置８からの高周波電流が後述する電磁コイルを流れると、後述する管部材が高温となりブロワ２に吸引される空気が加熱される。なお、ブロワ２は、過熱防止のため、通常はヒータの上流側へ配置するのが一般的であるが、撹拌により空気をより均一に加熱するため、ヒータである流体加熱ユニット６の下流側に配置してもよい。その場合、ブロワ２は、高温の空気が流入しても運転が継続できるよう、耐熱性の高い部材を用いることが望ましい。

温度監視ボックス７は、流体加熱ユニット６に内置した温度センサの信号を高周波電源装置８へ送る。

高周波電源装置８は、高周波電流を発生するインバータ回路を内蔵しており、数十ｋＨｚの交流電流を発生させて、流体加熱ユニット６の電磁コイルに高周波電流を供給することができる。高周波電源装置８は、温度センサから温度監視ボックス７を介して送られる温度の情報に基づいて出力を制御しており、具体的な制御対象は電流、電圧、電力の何れであってもよい。

冷却水循環装置９は、流体加熱ユニット６の電磁コイル内に通水する冷却水を冷却しながら循環させる装置であり、冷却水ホース１０を介して流体加熱ユニット６の電磁コイルの両端部に繋がっている。電磁コイルは、発熱体（後述する管部材に相当する）を誘導加熱するだけでなく、自身も電流が流れることによって発熱する。また、誘導加熱によって発熱する発熱体からの輻射もあるため、電磁コイルは極めて高温になる。電磁コイルが高温になると、加熱効率の低下や断線といったトラブルを招く虞があるため、冷却水循環装置９が管状の電磁コイル内に冷却水を通水することにより、電磁コイルを冷却する。なお、冷却水の温度は、電磁コイルの溶損を防止し且つ結露による電気的なトラブルの生じる虞が無い温度が望ましく、例えば、２５〜３５℃程度とする。

冷却水循環装置９は、電磁コイルを冷却するため、冷却水タンク１１や放熱部１２、循環ポンプ１３を内蔵している。冷却水循環装置９は、電磁コイル内を通って加熱された冷却水を放熱部１２が冷却すると共に、冷却水タンク１１内の冷却水を循環ポンプ１３が電磁コイルの管内へ送り込むことにより、電磁コイルを連続的に冷却する。

電磁コイルの管内へ送り込まれる冷却水は、循環ポンプ１３によって適当な圧力に昇圧された後、電磁コイルの管内へ送り込まれるようになっている。循環ポンプ１３の吐出圧力は、内径の小さい電磁コイルの管内であっても十分な量の冷却水が循環するよう、例えば、０．５ＭＰａ程度になるようにポンプや循環経路が設計されている。

なお、冷却水循環装置９の異常に伴う電磁コイルの過熱を防止するため、冷却水の循環経路にはフロースイッチ１４が設けられており、何らかの理由によって冷却水の循環が停止したことをフロースイッチ１４が検知すると、高周波電源装置８が停止するようになっている。

流体加熱ユニット６を正面から見た場合の内部構造図を図３に示す。流体加熱ユニット６は、図３に示すように、ケーシング２４や管部材１５、フィン１６、電磁コイル１７を備えている。ブロワ２へ吸い込まれる空気は、ケーシング２４の内部を、図３の紙面に対して直交する方向に流れる。

ケーシング２４は、ＳＥＨＣ（電気亜鉛メッキ鋼板）で構成された四角い枠状の部材であり、ブロワ２へ吸い込まれる空気の流路の一部を形成する部材である。すなわち、ケーシング２４は、図３の紙面に対して直交する方向に開口している。

管部材１５は、呼び径が１０ＡのＳＧＰ管（配管用炭素鋼管）であり、ブロワ２へ吸い込まれる空気の進行方向と直交する方向に伸びた直管がケーシング２４の内部に多数配置されている。管部材１５は、ケーシング２４の両脇に配置された板状の支持部材１８によって支持されているが、ケーシング２４等の代替手段によって十分支持可能であれば、支持部材１８を必ずしも設ける必要は無い。なお、管部材１５は、このような素材を用いたものに限定されるものではないが、誘導加熱を行なう際の発熱体とするため、導電性の部材であることを要する。また、管部材１５は、このような直管であるものに限定されるものでなく、電磁コイル１７がフレキシブルなものであれば、管部材１５が途中で曲がっていてもよい。また、管部材１５の端部は、電磁コイル１７を露出させていてもよいが、例えば、隣接する管部材１５の両端同士をＵ字状に繋ぎ、電磁コイル１７のＵ字部分を管部材で覆うようにしてもよい。この場合、Ｕ字部分は、セラミックスなどの非導電体を用いると、Ｕ字部分の発熱を防ぐことができる。

フィン１６は、平板状のＳＧＣＣ（溶融亜鉛メッキ鋼板）を一定の間隔で配置したものであり、管部材１５の熱が空気に十分伝わるよう、十分な大きさの伝熱面積を確保することにより、加熱効率を高める。フィン１６は、ブロワ２へ吸い込まれる空気の進行方向に
沿って熱交換面が延在するように配列されており、熱交換面を貫く管部材１５に接合されることで、管部材１５の熱がフィン１６へ伝わるようになっている。接合部は、管部材１５からフィン１６へ伝熱可能であれば、機械的に圧着されていてもよいし、或いは溶接されていてもよい。フィン１６の厚さやピッチは、空気の流速や風量、誘導加熱の発熱量に応じて適宜決定されており、例えば、厚さを０．３ｍｍとし、ピッチを３〜５ｍｍ程度にする。

なお、フィン１６の材質は、伝熱性及び耐熱性に優れるものであれば如何なるものであってもよく、例えば、銅板やアルミニウム板等であってもよい。

電磁コイル１７は、外径が１０ｍｍで内径が８ｍｍの銅管であり、各管部材１５の端部で折れ曲がって蛇行しながら各管部材１５を順に通過するように、各管部材１５の内部に挿通されている。電磁コイル１７を挿通した管部材１５の断面を図４に示す。電磁コイル１７は、各管部材１５と電気的に接触しないよう、電磁コイル１７の表面にシリコン被覆が施されている。電磁コイル１７の内部には、上述した冷却水循環装置９の冷却水が流れる。

流体加熱ユニット６の側面図を図５に示す。電磁コイル１７は、図５に示すように、各管部材１５の端部で折れ曲がっており、隣の管部材１５の内部に挿通されることで蛇行を繰り返し、最終的に全ての管部材１５を通過するようになっている。そして、符号Ａおよび符号Ｂで示される電磁コイル１７の両端が、電気ケーブルを介して高周波電源装置８と電気的に接続されると共に、電磁コイル１７の内側の管路の両端が冷却水ホース１０を介して冷却水循環装置９と接続されている。

このように構成される誘導加熱装置１は、電源がオンになると、冷却水循環装置９の循環ポンプ１３が起動して冷却水の循環を開始し、高周波電源装置８が電磁コイル１７に高周波電流を流す。電磁コイル１７に高周波電流が流れると、金属で形成された管部材１５には、電磁コイル１７の周囲に発生する高周波磁界を打ち消す方向（レンツの法則）、換言すると、電磁コイル１７を流れる電流とは逆向きの方向に渦電流が流れる。この誘導加熱装置１の回路の概要を図６に示す。電磁コイル１７に高周波電流が流れて、管部材１５に渦電流が流れると、管部材１５には電気抵抗があるため、ジュールの法則に従い、下記の数式１に示されるジュール熱が発生する。このとき、各管部材１５に流れる渦電流は一様になるので、各管部材１５は均一に加熱される。

この誘導加熱装置１は、図７に示すように、発熱体の外側に電磁コイルを巻回した従来からある一般的な誘導加熱装置のような構成ではなく、管部材１５内部に電磁コイル１７を挿通した構成としているので、各管部材１５の軸方向（長手方向）に渦電流が流れるが、各管部材１５は、その一端側から他端側まで全体的にほぼ同一径、同一材質で形成されており、軸方向の電気抵抗が一様なので、軸方向に流れる電流も全体的に一様になる。

なお、誘導加熱において発熱体（管部材１５に相当する）に入力される入力電力は、発熱体の表皮抵抗に比例し、渦電流の発生源である磁界の強さの２乗に比例する。発熱体の表皮抵抗は、発熱体を構成する材料の電気抵抗率と透磁率、電磁コイルを流れる電流の周波数の平方根に比例する。ここで、発熱体を効果的に発熱させるには、発熱体自身に流れる渦電流が大きくなるように、入力電力を大きくすればよい。そこで、誘導加熱装置１を
通過する空気が所望の温度に達するにするには、入力電力が適切な大きさとなるよう、電磁コイル１７を流れる電流や周波数を高くすればよい。

電磁コイル１７を流れる電流を大きくする場合、電磁コイル１７の低損失化や高耐圧化を図る必要があり、具体的には、電磁コイル１７の太さや肉厚の適切な選定、シリコン被覆の強化といった対応を採る必要がある。また、電磁コイル１７を流れる電流の周波数を高くする場合、高周波電源装置８の半導体スイッチング素子がＯＮ−ＯＦＦ動作する回数が周波数に比例して増えるため、半導体スイッチング素子のスイッチング損失の増大を抑制するべく、例えば、ゼロ電流スイッチング回路等を設けてスイッチングの際の低損失化を図ることが好ましい。

このように構成される誘導加熱装置１であれば、管部材１５全体が誘導加熱によって均一に発熱する。これにより、誘導加熱装置１の内部を通過する空気を加熱することができる。また、管部材１５が保有可能な熱量は、電磁コイル１７の誘導加熱によって発生する熱量に比べて小さいため、電磁コイル１７に流す電流の大きさや周波数を変化させると、管部材１５の温度が速やかに追従する。よって、電磁コイル１７を流れる電流の大きさや周波数を制御することにより、ブロワ２に送る空気を所望の温度に精密且つ迅速に調整することができる。

本実施形態に係る誘導加熱装置１と、電気ヒータを用いた従来例との比較実験を行なった。図８は、本比較実験の概要を示した図である。本比較実験は、図８において符号１９として示す供試品として内置する、誘導加熱装置１の流体加熱ユニット６あるいは電気ヒータを用いた流体加熱ユニットを内置した実験ダクト２０に、実験用の送風機２１を接続し、実験ダクト２０内に空気を送風機２１で送り込む。供試品１９の上流側には温度センサ２２_−Ｕを設けてあり、供試品１９の下流側には風速および温度を検知するセンサ２２_−Ｄを設けてある。また、実験ダクト２０の下流側には、供試品１９の温度分布を赤外線で測定するサーモカメラ２３を設けてある。なお、温度センサ２２_−Ｕと温度センサ２２_−Ｄは、それぞれ５つずつ設けられており、図９に示すように配置されている。

実験結果を示した表を図１０および図１１に示す。図１０は、本実施形態に係る誘導加熱装置１の実験結果を示した表であり、図１１は、従来例に係る電気ヒータを用いた流体加熱ユニットの実験結果を示した表である。図１０および図１１の表に示す丸数字が、記述した図９の丸数字で示す温度センサの位置に対応している。

図１０と図１１に示した２つの表を比べると明らかなように、従来例に係る電気ヒータを用いた流体加熱ユニットの場合、出口側の空気の温度が測定部位によって大きく異なっており、特にダクトの中心付近が著しく高温になっている。すなわち、温度ムラが著しい。一方、本実施形態に係る誘導加熱装置１の流体加熱ユニットの場合、出口側の空気の温度が測定部位に関係なく一様である。このことから、本実施形態に係る誘導加熱装置１であれば、ブロワ２に送る空気を所望の温度に精密に調整することができることが判る。

また、図示していないが、サーモカメラ２３によって得たサーモグラフィで見た供試品１９の温度分布について、従来例に係る電気ヒータを用いた流体加熱ユニットの場合には明らかな温度分布のばらつきが確認されたのに対し、本実施形態に係る誘導加熱装置１の流体加熱ユニットの場合には温度分布の有意なばらつきを確認することができなかった。

この実験結果から、上記誘導加熱装置１であれば、精度の高い温度制御が可能なため、例えば、フィルムの乾燥工程のように、溶剤の化学変化等を防止する観点から、厳しい温度条件が課せられるプロセスに適用しても、製品に重大な影響を与えにくいことが判る。

一方、電気ヒータを使い、サーミスタを用いて電流をオンオフしながら乾燥空気を所定の温度範囲に制御すると、温度が時間の経過と共に絶えず変化するため、精密な温度制御が必要な工程に適用することが難しい。更に、電気ヒータの場合、上記実験結果から明らかなように、空気の温度がダクト内の部位に応じてばらついており、温度ムラが著しいため、これを製品の乾燥等に適用すると製品の一部に支障を生じる虞がある。このような温度ムラを解消する方策として、電気ヒータをダクト全体に配置することも考えられるが、そうすると昇温や降温の速度が早くなるため、電気ヒータが頻繁にオンオフを繰り返し、設備の寿命を縮める虞がある。一方、上記誘導加熱装置１であれば、略一定の温度で精密に温度制御されるため、電気ヒータのようなオンオフの繰り返しによる電気回路の接点損傷や熱変化に伴う膨張収縮による機械的ストレスを与えることもない。

なお、上記実施形態では、フィルムを生産するラインのドライヤー工程に適用した場合を例に挙げて、誘導加熱装置１の構成や動作を説明したが、本発明は、このような態様に限定されるものではない。すなわち、本発明に係る誘導加熱装置は、加熱する流体の熱的な均一性を向上させることが望ましい箇所や、精密な温度制御が要求される箇所に用いると好適であるが、このような場面のみならず、単に流体を加熱するものであれば、要求される熱的な均一性や制御性の如何に関わらず、あらゆる場面に適用することが可能である。適用対象の流体としては、上記実施形態のように空気に限定されるものでなく、例えば、空気以外の気体や液体などであってもよい。

１・・誘導加熱装置，２・・ブロワ，３・・温風供給装置，４・・フィルム，５，２４・・ケーシング，６・・流体加熱ユニット，７・・温度監視ボックス，８・・高周波電源装置，９・・冷却水循環装置，１０・・冷却水ホース，１１・・冷却水タンク，１２・・放熱部，１３・・循環ポンプ，１４・・フロースイッチ，１５・・管部材，１６・・フィン，１７・・電磁コイル，１８・・支持部材，１９・・供試品，２０・・実験ダクト，２１・・送風機，２２_−Ｕ・・温度センサ，２２_−Ｄ・・センサ，２３・・サーモカメラ

Claims (4)

1. 温風供給装置に内蔵され、前記温風供給装置内の空気経路を流れる流体を加熱する誘導加熱装置であって、
   前記流体が通過する流路内に配置される導電性の管状部材と、
   前記管状部材の内部に、前記管状部材と電気的に接触しない状態で前記管状部材の長手方向に沿って前記管状部材の軸方向に渦電流が流れるように延在し、前記管状部材を電磁誘導によって発熱させる交流電流が流れる電磁コイルと、を備え、
   前記電磁コイルは、内部に冷却水が流通する、
   誘導加熱装置。
2. 前記管状部材は、前記流路内に多数配置されており、
   前記電磁コイルは、１本の導線が前記各管状部材を順に通過するように形成されている、
   請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記管状部材は、前記流体の流れ方向に交差するように前記流路内に配置されており、
   前記誘導加熱装置は、前記流体の流れ方向に沿って伝熱面が延在し、少なくとも前記管状部材に固定されて前記管状部材の熱を前記伝熱面から前記流体へ伝えるフィンを更に備える、
   請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記管状部材より下流側の前記流体の温度を計測する温度センサを更に備え、
   前記電磁コイルには、前記温度センサが所定の温度となるように制御された前記交流電流が流れる、
   請求項１から３の何れか一項に記載の誘導加熱装置。

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