JP2018092709A

JP2018092709A - 磁気共鳴発熱体

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Publication number: JP2018092709A
Application number: JP2016232700A
Authority: JP
Inventors: 聖士郎宗平; Seishiro Munehira
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-06-14

Abstract

【課題】電磁誘導加熱の電磁気力を磁気共鳴によって遠隔まで到達可能とする磁気共鳴発熱体を提供する。【解決手段】電力により励磁される発振コイル１と同じ周波数のＬＣ共振回路を形成する共鳴コイル２を近接させることにより、発振コイルと共鳴コイルは相互に共振して磁気結合する。発熱体自身をコイル形状または発熱抵抗を負荷として、発振コイルと磁気共鳴させ遠隔した場所に熱供給する。コイル自身を抵抗発熱体として低コストの発熱体を形成し、発熱体自身の温度／電気特性からの発熱体のＬＣ共振周波数変位より磁気結合した発振コイル共鳴周波数変位により発熱体の温度推定を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、調理等の加熱に磁気共鳴にて電力を伝送して加熱を行うものである。

従来，調理等の加熱にはＩＨ（電磁誘導加熱）が用いられているが、金属等の比加熱物体を電磁誘導部に近接密着しなければ加熱出来なかった。
（たとえば特許文献１）

鍋底が平面でない場合などは、電磁誘導部をそれに合わせた特殊形状にする必要があった。
（たとえば特許文献２）

電磁誘導にて電力を伝送するには装置が複雑であった。
（たとえば特許文献３）

簡易な回路で電力の伝送手段はあった。
（たとえば特許文献４）

特開２０１４−１３６０２３号公報ＩＨ調理器用土鍋

特開２００４−３５７８８６号公報誘導加熱調理器

特開２０１５−１４４５０８号公報無線電力伝送システム

特開２０１１−１９３６６３号公報磁気共鳴回路及びセンサー回路

解決しようとする問題点は、鍋等の容器を透過して電力を隔離した場所まで伝送して加熱する方法である。

本発明は、磁気共鳴現象により、共鳴条件を持った発振回路と共鳴回路において電力を伝送して、共鳴回路に発生した電力を回路自体の発熱または共鳴回路よりの二次誘導加熱により容器等を直接加熱しないで内容発熱体を加熱するものである。

共鳴コイル２近傍にて発振コイル１に発振回路９より交番電流を流して、共鳴コイル２と共鳴コンデンサー６により成るＬＣ共振周波数と同じ周波数を発振コイル１に印加して為す。

共鳴コイル２と発振コイル１が同じ周波数で共鳴するとコイル間の距離が大きくなっても磁気結合状態を保持して効率よく磁気伝達が可能となる。

また、磁気共鳴現象は共鳴コイル２と発振コイル１の関係は一対でなくとも、共振周波数が同じであれば連携して複数間にて作動し、共鳴コイル２の磁界にて更に別の共鳴コイル２と共鳴するので、一つの発振コイル１に対して複数の共鳴コイル２とすることが出来、逆に複数の発振コイル１に対して一つの共鳴コイル２に電力を集中させることも可能である。

この磁気共鳴に依る電力伝送は先行技術があるのでここにおいて詳細は省略するが、その伝達距離はＩＨ加熱器などの誘導加熱の加熱範囲の比ではない長距離伝達が可能となる。

本特性を利用して、発振コイル１と共鳴コイル２間にて電力の非接触伝送を行い、共鳴コイル２自身を発熱体として被加熱物を直接加熱するものである。

発熱の方法として共鳴コイル２に生じた電流を別個ニクロム線等の発熱抵抗体に電力を供給して行うことも可能であるが、共鳴コイル２自身を抵抗体として構成すれば別個の発熱体も不要となる。

また、共鳴コイル２に磁性コアは必須ではないが、インダクタンス調整及び磁気漏れ対策としてコアを設ける場合は、渦電流損失及び磁気ヒステリシス損失の大きい材質とすることで磁気コア自身が発熱磁性コア４となり熱伝達効率のよい発熱体と成る。

また、共鳴コイル２に共鳴コンデンサー６を別個に設けても良いが、共鳴コイル２の絶縁体として誘電率の大きな材料を用いればコイル自身の寄生誘電容量にてＬＣ共振回路となる。

渦巻状のステンレス閉回路として水中に入れるだけでも、水が誘電体としての機能を果たし所要のＬＣ回路が形成される。コイルの材質は流れる電流にて抵抗がある限り電力は全て熱量に変換されるので導体であればその材質は問わない。

沸点以上の高温が必要であれば、耐熱鋼をセラミックで絶縁すれば千度を超える高温にも対応でき、簡易に高温発熱磁性コア４が製作できる。

高温であっても、厚みのある断熱材を介しても電力を伝達可能であるので保温性能の高い加熱構造とすることも容易である。

高断熱効果のある真空断熱にあっても磁力は透過するので利用可能であり、共鳴周波数によってはアルミ、銅、オーステナイト系ステンレス等の非磁性材料は磁力線が透過できるので、導体による渦電流発熱が伴うものの利用可能である。

また、磁力線１０の透過箇所に非磁性体の導体を設置することにより、共鳴コイル２自身の発熱に寄らず、中間物質の誘導加熱としても利用可能である。

また、発信コイル１は基本的にはＩＨコンロと同様であるので、従来のＩＨコンロとしての利用も可能であり、共鳴コイル２による共鳴が検出できない時は通常のＩＨコンロとして機能することが可能となる。

共鳴コイル２の検出は、共鳴時の発信コイル１の共振周波数と共鳴コイル２に於いて消費される電力分が発信コイル１の共振電圧降下として現れるので電圧検知するだけで、共鳴コイル２の有無および状態を推定することが容易に出来、ＩＨとして機能するときは発信コイル１を共鳴周波数と異なる周波数にて発信すればその負荷の違いが推定できる。

発信コイル１及び寄生容量を含む共鳴コンデンサー６及び発熱磁性コア４によるＬＣ共振回路は温度により容量及び透磁率が変化して、発熱体の温度により磁気結合している発振コイル１に及ぼす共鳴周波数が変化することに成る。

この特性を予め計測しておけば、発熱体の温度と共鳴周波数の関係より非接触に依る温度計測が可能となる。

また、ＩＨヒーターとして用いる場合でも、誘導加熱体の性状が既知であれば発信コイル１の共振周波数より加熱体の温度が推定可能とも成る。

また、共鳴コイル２にサーモスタットに代表される感熱スイッチング回路を付加して、温度の上昇に拠って共鳴コイル２の回路を開いて発熱を制御して一定温度に成るようにすることも可能である。

また、共鳴コイル２には起電力が有るので、ＬＥＤ等による発光装飾、モーターによる撹拌等の負荷を接続することも可能である。

以下に項目別に効果を説明する。

磁気共鳴による電力伝達手段により遠隔にて熱量を発生させる磁気共鳴発熱により
１断熱容器内の加熱保温が容易に可能となる。
２容器が被加熱物以上の高温とならないため安全性が高い。
３容器の熱量及び放熱による熱損失が小さくなる。
４密閉容器内の加熱が可能となる。

抵抗体によるジュール熱に直接熱源加熱とした
１構造が単純で発熱体製造コストが低い。
２単純構造のため耐久性が高い。

磁気共鳴より生じる磁気誘導により導体に生じるジュール熱とした
１発振コイル１から離れた場所の誘導加熱が可能となる。
２発熱体の材質及び形状の自由度が高い。
３被加熱物自体を発熱体として直接加熱できる。

共鳴周波数の変化量から発熱体の温度を非接触計測する。
１温度センサーを省略できる。
２直接内部温度を計測できる。
３高温測定が可能となる。

以上の様な効果があり、用途に応じ適宜最適組み合わせにて利用する。

回路（実施例１）平面発熱体（実施例２）平面コイル発熱型（実施例３）巻線コイル発熱型（実施例４）磁路発熱型（実施例５）

本発明の１実施形態を示すものであり、基本的構成である。

図１に回路（実施例１）を示し、これを説明する。

図１にて、＋電源からハイサイドスイッチング素子７より発信コイル１と共振コンデンサー５のＬＣ共振回路に通電しローサイドスイッチング素子８を経て−電源に電流が流れる発振回路（特開２０１１−１９３６６３号公報）を形成して発信コイル１と軟磁性コア３より成る磁気回路より交番磁界を発生させる。

これと別個に発熱体として共鳴コイル２と共鳴コンデンサー６よりなるＬＣ共振回路を形成して共鳴コイル２と発熱磁性コア４による磁気回路を構成する。

発信コイル１と共鳴コイル２は同じ周波数で共振するように、両回路中のＬとＣを設定して、発信コイル１に通電して発振させると、その磁力より共鳴コイル２に起電力が生じて両磁気回路は共鳴により磁気結合状態を維持する。

このとき発信コイル１は軟磁性コア３により低発熱状態であり、交番磁界は共鳴コイル２の起電力に寄与して共鳴コイル２自体の抵抗によるジュール熱を発すると供に自ら交番磁界を発生する。

自ら発生する交番磁界及び発信コイル１と共鳴コイル２の相互における交番磁界により発熱磁性コア４に交番磁界が加わり、内部発生した磁気ヒステリシス及び渦電流により発熱磁性コア４が誘導加熱されることに成る

これにより、発熱磁性コア４の誘導加熱と共鳴コイル２自体の抵抗によるジュール熱により発熱体として磁気共鳴電力伝送した熱量を発生する。

発熱体が加熱されて温度が上昇すると、Ｌとしての発熱磁性コア４の透磁率が変化し、加えてＣとしての共鳴コンデンサー６の容量が変化してＬＣ共振周波数が変化する。

共鳴コイル２の周波数特性が変化すると、共鳴により磁気結合している発信コイル１の周波数特性も変化して発熱体の温度変化が発信コイル１の周波数変化として非接触にて検出が可能となる。

また、発熱体の温度変化が発信コイル１の周波数変化となるのは、共鳴だけに寄らず従来の電磁誘導加熱に於いても加熱部の透磁率の温度変化によっても同様に変化するので、従来型の電磁誘導加熱にても加熱部の電気特性が既知であれば温度推定が可能となる。

発振側の磁気回路は損失の少ない物で構成し、磁気コアとしてフェライト等の軟磁性材料を用い、発熱体側はコイル材にニクロム等の抵抗発熱体として磁性コアも鉄損の大きい軟鉄等を用いる。

また、共鳴コンデンサー６は共鳴コイル２の絶縁体に高誘電率のセラミック等を用いてコイル自体の寄生容量を用いることで部品としては省略可能である。

また、磁気コアも必須構成要素ではないので、これも省略することが出来、共鳴コイル２に銅線を用いて負荷としてセラミック等の発熱体を接続することも可能である

セラミック等の温度により発熱量が変化する発熱体を用いると、温度により発熱量が変化して一定の温度に保たれる効果もある。

また、温度により抵抗あるいは回路接点を持つものを共鳴コイル２に直列に入れることにより、共鳴磁気結合をオン／オフして温度調節機能を持たせることも可能である。

これら、各要素の組み合わせは用途に応じて形状材質等を選定する。

また本実施例では発振回路を（特開２０１１−１９３６６３号公報）の簡易な自励発振回路としているが、共鳴に依る磁気結合が成されればその手段は選ばない。

図２に平面発熱体（実施例２）を示し、これを説明する。

軟磁性コア３の上面に発信コイル１を平面的な渦巻状に形成して、発振回路９により交番磁界を発生させる。

発生した交番磁界は磁力線１０にて平面的な渦巻状に形成した共鳴コイル２に起電力を発生して、共鳴コイル２と発信コイル１は共鳴磁気結合状態となり、発熱磁性コア４に誘導加熱及び自己抵抗により発熱することに成る。

共鳴磁気結合状態となった磁力線１０は強磁性体にて遮断しない限りは、アルミ等の非磁性体は渦電流による発熱を伴って磁力線１０は透過するので、磁気共鳴の磁力線１０中に非磁性体を置くことにより選択的な加熱も可能と成る。

平面配置では相互磁気回路の面積が大きくなり伝送距離および伝送効率が高い特徴があり、磁力線１０の遮断に対しても共鳴磁気結合状態を継続しやすい特徴がある。

図３に平面コイル発熱型（実施例３）を示し、これを説明する。

筐体１１の上面に発信コイル１を配置し、その上面に被加熱物１３の充満した鍋１２を載せて共鳴コイル２を入れて鍋１２を透過した磁力線１０にて電力が伝達されて鍋１２内部から被加熱物１３を加熱するものである。

鍋１２の材質が強磁性体である鉄等でなければ、様々な材質の鍋１２を用いる事が出来る。

断熱容器でもある磁器製の鍋１２に被加熱物１３として水とする代表的な鍋料理としたばあい、共鳴コイル２を単純にニクロム線の渦巻とし、共鳴コンデンサー６の働きとして共鳴コイル２周囲の水は誘電率が高く共鳴コイル２自身の寄生容量として働くので、ニクロム線の渦巻のみで発熱体を構成でき、鍋１２自身に内蔵することも容易である。

また鍋１２を弁当等の容器として発泡断熱材内面に抵抗発熱材を渦巻状に印刷すれば、低コストで使い捨て容器にも利用可能と成る。殆どの発泡材は誘電率も高いので水と同様に共鳴コイル２自身の寄生容量として働き、導電性塗料を印刷するのみで発熱体を構成可能と成る。

また弁当容器等に用いる場合は、発信コイル１が一台で複数の共鳴コイル２との共鳴磁気結合状態を為すことが可能で、弁当等を多段複列に並べた状態で同時に加熱保温が可能であり、断熱容器により放熱も少ないためランニング及び装置コストが低く、弁当等の取り出しも容易となる。

これらの発熱体は放り込み型、シール型、埋設型など様々な様態が考えられ、いずれにおいても電気回路装置と呼ばれるほどのものでなくアルミ箔等安価な材料を用いて非常に安価に提供可能である。

図４に巻線コイル発熱型（実施例４）を示し、これを説明する。

円柱状の軟磁性コア３に発信コイル１を円筒状に巻いたコイルに発振回路９にて交番磁界を発生させる。このとき軟磁性コア３と発信コイル１の相互磁力線の角度がほぼ直交とならければ磁気共鳴による磁気結合は継続されるので、厳格な相互位置関係は考慮しなくてよい。

円柱状の発熱磁性コア４に共鳴コイル２を円筒状に巻いたコイルにて共振回路を形成した発熱体を被加熱物１３の充たされた湯呑み１４の中に入れて飲料である被加熱物１３を加熱・保温するものである。

共鳴コイル２に感温スイッチ１５を付加して、飲料の適温で発熱温度を制御することで常時飲み頃温度に保持することが容易である。

感温スイッチ１５は被加熱物１３の温度が低い時は導通して共鳴コイル２に起電力を生じさせて発熱し、温度が上がると共鳴コイル２の回路を開き熱量の発生を停止させて温度によって発熱量を簡単に制御出来るようにするものである。

また、温度に拠って抵抗値の変化するセラミックヒータ等を発熱体としても温度制御が可能である。

本実施例では、食器である湯呑み１４に共鳴コイル２を別個に投入する利用法を示し、食器の種類を問わず利用が可能であり、複数の食器に対して複数の共鳴コイル２を用いて複数の加熱保温が可能であり、共鳴コイル２の形状も焼き石鍋様の石の形状を模しても良いし、様々な意匠を凝らした形状及び発熱温度の設定も可能である。

意匠を凝らした形状に、共鳴コイル２の起電力にてＬＥＤによる発光装飾、モーターによる飲料の撹拌等の動力を付加することも容易であるので用途に応じて形状及び機能を追加できる。

例えば、御膳に発信コイル１を設置してバッテリー駆動して、御膳上の全ての食器内料理を保温するといった利用法も可能である。このような方法を取ることにより配膳等に時間が掛かっても常時温かい料理を提供可能と成る。

また、このような方法で提供される食器は内容物の温度を保っていても、食器自身の断熱性により食器外部の温度が低く、熱損失が少なくなると同時に手に取るときも熱くなく安全快適も提供可能と成る。

図５に磁路発熱型（実施例５）を示し、これを説明する。

コの字型の軟磁性コア３に共鳴コイル２にて共鳴磁気回路とコの字型の軟磁性コア３に発振回路９に接続された発信コイル１による磁気発生回路の相互に磁力線１０が発生する位置に被加熱物１３を設置する。

発振回路９により発信コイル１が励磁されると被加熱物１３を介して共鳴コイル２が共鳴磁気結合され、コの字型の軟磁性コア３による空隙に交番磁力線が集中する。

このとき、被加熱物１３が強磁性体の導体であればヒステリシス及び渦電流により発熱し、非磁性体の導体であれば渦電流により発熱する。

磁気共鳴による磁力線１０を軟磁性コア３により集中させることにより被加熱物１３の局所的加熱が可能となる。

被加熱物１３が強磁性体の場合は磁力線１０が強磁性体の内部に集中して透過してしまう形状の時は一般的な磁気誘導加熱となるが、十分に薄い鉄板様な形状であれば磁気共鳴加熱として利用可能である。

以上のように用途により、実施例を単独及び複合して構成する。

本発明により構成された方法は、産業面において様々な分野に応用可能であり、利用態毎に代表的なものを以下に列記する。

調理機器等に於ける利用。
１ＩＨ調理器では困難であった平面を擁しない調理器具が利用できるようになる。
２誘導加熱自体が不可能な不導体である土鍋、ガラス鍋等においても調理が可能となる。
３断熱性の鍋を内部から加熱するので熱損失が小さく省エネルギーとなる。
４断熱性の高い保温器等に於いても加熱保温が可能となる。
５食器自身を調理器とすることが出来る。

従来の誘導加熱に加えて
１誘導加熱可能領域が拡張する。
２熱処理等において部分焼入れ、部分融解等の選択的加熱範囲が可能となる。
３真空、保護雰囲気等の密閉断熱容器内での誘導加熱が可能となる
４非接触にて加熱部の温度管理が可能となる。。

発熱体を複数同時加熱することで
１弁当などの使い捨て容器などを同時に複数同時加熱及び保温が可能となる。
２発熱特性の異なる発熱体を同時に加熱して容器内の温度分布を任意に設定できる。

遠隔発熱が可能となることで
１衣類、靴、ソックスなどに発熱体を織り込み、遠隔から直接保温する。
２電気毛布等のコードレス化が可能となる。

１発信コイル
２共鳴コイル
３軟磁性コア
４発熱磁性コア
５共振コンデンサー
６共鳴コンデンサー
７ハイサイドスイッチング素子
８ローサイドスイッチング素子
９発振回路
１０磁力線
１１筐体
１２鍋
１３被加熱物
１４湯呑み
１５感温スイッチ

Claims

磁気誘導加熱に於いて、発熱体にＬＣ共振回路を形成し、磁気共鳴による電力伝達手段により電源部より隔離した場所にて熱量を発生させる磁気共鳴発熱体。
共鳴コイルに伝送された電流を抵抗体によるジュール熱に直接熱源加熱とした、請求項１の磁気共鳴発熱体。
磁気共鳴より生じる交番磁界により導体に生じる誘導ジュール熱とした請求項１の磁気共鳴発熱体。
磁気誘導加熱に於いて、加熱体の透磁率及び静電容量の温度変化により生じるＬＣ共振回路の共振周波数の変化量から発熱体の温度を非接触計測する加熱温度推定法。