JPH02297889A

JPH02297889A - 低周波電磁誘導加熱器

Info

Publication number: JPH02297889A
Application number: JP3557390A
Authority: JP
Inventors: Atsu Iguchi; 井口　熱
Original assignee: Nikko KK
Current assignee: Nikko KK
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1990-12-10
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: JPH0668993B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は低周波電磁誘導加熱器に関する。さらに詳しく
は、加熱器と被加熱体との温度差がきわめて低い低周波
電磁誘導加熱器に関する。

［従来の技術］発電所や工場などでは、蒸気や温水の熱源としては、石
油、石炭、天然ガスなどを用い、どれを燃焼させること
が一般的に行なわれている。

これに対し小型小容量のものは、簡便さから電気抵抗ヒ
ーターを熱源に使用しているものもあり、また小型ボイ
ラー等は、石油や天然ガスが用いられている。

さらに別の加熱方式としては、低周波電磁誘導加熱器が
知られている（実開昭５６−８６７８９号公報、特公昭
５８−３９５２５号公報など）。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、石油、石炭、天然ガスなどを燃焼させて
ボイラーなどに用いると、加熱部分と被加熱体の水との
温度差が余りに大きいため、いやゆるスケールが付着し
、伝熱係数が低下し、ついには管が割れてしまうという
問題がある。このためボイラーに供給する水は化学薬剤
を用いて脱泡（脱酸素）処理したり、アルカリ性を保つ
などしてあらかじめスケール防止処理をすることが必要
である。また石油、石炭、天然ガスなどを燃焼させて蒸
気をつくり、これを建物全体に循環させて暖房源などに
するシステムはホテルなどでは広く行なわれているが、
エネルギーロスが多く必ずしも効率のよいシステムとは
いえない。

また、水中に電気抵抗ヒーターを入れると、熱源の近く
では水の沸騰点の１００℃よりはるかに高い温度で加熱
されるので、十分な境界面伝熱表面積を持たないヒータ
ーを使用すると様々な障害が発生する。すなわち、下記
のような課題があった。

■　ｌａｌ当り２Ｗ以下の電力にしないと水への伝熱が
低下し、中に入っているヒーターエレメントが切れてし
まう。

■　ヒーターにかかる電圧が２００ｖ〜４００ｖあるの
で、十分な絶縁をしないければならない。

この電気絶縁物が、逆に温度の断熱材となるので、水へ
の伝熱が阻害されていた。

水の伝熱が悪くなると、ヒーターの表面温度が上がり、
水の分子がヒーターの表面に触れたとき、水蒸気爆発を
起こし、いわゆる「騰屈」現象になる。このような「騰
屈」現象は危険であるばかりでなく、熱効率は極端に低
下するという基本的な課題が発生する。

そのうえ電気抵抗ヒーターはガスの燃焼などと同じく、
加熱源と水との温度差があまりに大きいため、水の中に
含まれている無機や有機の成分がヒーターの表面に吸着
堆積し、これが断熱材の働きをするので、伝熱性が低下
し、水の沸き方が悪くなる。同時にヒーターの放熱も悪
くなるので、遂にはヒーターが断線してしまう事故につ
ながる。

この事故を避けるため水用のヒーターは表面積を多く取
らせ、水槽に一杯入れてあり、ヒーター交換の繁雑さと
、信頼性の点で従来から課題になっていた。また水垢な
どが付着することによる洗浄の手間が大きいという課題
も有していた。

さらに基本的に改良できない課題は、湯の正確な温度コ
ントロールを行なうには大きなバッハタンクが必要で小
型化できなかった。

さらに実開昭５６−８６７８９号公報、特公昭５８−３
９５２５号公報に提案されている低周波電磁誘導加熱器
は、未だ設計が適正化されておらず加熱源と被加熱体と
の温度差が高く、熱効率は良好とはいえなかった。

上記従来技術の課題を解決するため、本発明は、低電圧
−大電流の短絡変圧器を応用した電気誘導加熱方式を利
用し、誘導コイルから金属製パイプまでの間の空隙を無
くすことにより、加熱部と被加熱体との温度差を小さく
シ、信頼性、耐久性がよく、長期安定した加熱ができる
装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明は下記の構成からなる
。

（１）鉄心に誘導コイルを巻き付け、その周囲に金属製
パイプを設けた低周波電磁誘導加熱器において、誘導コ
イルとその周囲の金属性パイプとの間には樹脂モールド
が施され、かつ前記金属製パイプの横断面方向から見て
、誘導コイルの表面から金属製パイプの表面までの間に
実質的な空隙を設けないことを特徴とする低周波電磁誘
導加熱器。

（２）低周波が、商用周波数である前記第１項の低周波
電磁誘導加熱器。

（３）金属製パイプが、少なくとも２層の金属パイプを
一体化したパイプからなる前記第１項の低周波電磁誘導
加熱器。

（４）樹脂モールドが耐熱性樹脂からなる前記第１項の
低周波電磁誘導加熱器。

（５）供給電力が金属製パイプの表面積１ａＩｒ当たり
３Ｗ以上である前記第１項の低周波電磁誘導加熱器。

［作用］前記した本発明の構成によれば、低電圧−大電流の短絡
変圧器を応用した電磁誘導加熱方式を利用し、誘導コイ
ルから金属製パイプまでの間の空隙を無くすことにより
、加熱部と被加熱体との温度差を小さくし、熱効率が良
く、信頼性、耐久性が高く、長期安定した加熱ができる
装置とすることができる。また、加熱面積を大きくでき
、しかも供給電力を大きくかけられる。

［実施例コ以下、図面を用いて本発明の一実施例について説明する
。

第１図（Ａ）（Ｂ）は本発明の一実施態様を示す断面図
である。第１図（Ａ）はパイプが一層の例、第１図（Ｂ
）はパイプが２層の例である。第１図（Ａ）（Ｂ）にお
いて、鉄心１に誘導コイル２を巻き付け、その周囲に金
属製パイプ３、又は金属製パイプ４を設けた低周波電磁
誘導加熱器６において、誘導コイル２とその周囲の金属
製パイプ３との間には樹脂モールド５が施され、かつ前
記金属製パイプ３，４の横断面方向から見て、誘導コイ
ル２の表面から金属製パイプ４の表面までの間に実質的
な空隙が存在しない低周波電磁誘導加熱器６である。

本発明において特徴的な要件の第１番目は、誘導コイル
２とその周囲の金属性パイプ３との間には樹脂モールド
５が施されている点である。このようにすると加熱効率
が顕著によくなり、たとえば水を沸騰させることを例に
とると、樹脂モールドがないと誘導コイルの内部は約５
００℃まで上昇してしまうのに対して、樹脂モールドを
施した場合は、約１３０℃までしか上昇しないようにす
ることができる。したがってこのことが加熱源と被加熱
体との温度差を低くする重要な意義を有する。

次に本発明の特徴的な要件の第２番目は、誘導コイル２
の表面から金属製パイプ４の表面までの間に実質的な空
隙を設けないことである。たとえば加熱パイプを２種類
使う場合でもパイプ３と４との間には空隙を設けない。

これにより伝熱性を向上させ、熱効率を上げることがで
きる。

前記において樹脂モールドとして使う樹脂は、モールド
用であればいかなるものも使用できる。

たとえばエポキシ系、アクリル系、ビニル系、フェノー
ル樹脂系、シリコーン樹脂系、ポリエステル系、その他
の耐熱樹脂などである。このうち好ましいのは耐熱性が
１００℃以上の熱硬化樹脂である。また樹脂モールドと
しては、真空注型、圧縮注型、流し込み注型など公知の
いかなる手段も採用できる。

また前記モールド樹脂は、伝熱性、絶縁性、耐熱性があ
ればいかなるものでも使用できる。一つの使用方法とし
ては、たとえば前記樹脂にアルミニウム微粒子やシリカ
微粒子を添加してコンパウンドで使用することもできる
。

なお第１図（Ａ）（Ｂ）において、誘導コイル２内にも
モールドされた樹脂が存在していることがとくに好まし
い。誘導コイル２内に樹脂が存在していると、コイル内
に発生する熱が有効に除去されるからである。

前記において、鉄心、コイル、パイプからなる加熱器６
は縦型でも、横型でも用いることができる。

次に本発明の発熱原理を第２図を用いて説明する。第２
図Ａは変圧器の原理を示す図である。すなわちコイルを
１００回巻いた１次側に１００Ｖ。

１０Ａの交流（５０Ｈ！または６０Ｈりの電流を流すと
、コイルを１００回巻いた２次側には理論的には、ｌ０
０Ｖ、ＩＯＡの交流（５０ＨＩまたは６０　Ｈりの電流
が逆向きに付加電流として流れる。

次に第２図Ｂのように２次側のコイルを１回巻きにして
同様に１次側に交流電流を流すと、２次側にはＩＶ、１
００ＯＡの誘導電流が逆向きに流れる。すなわち低電圧
大電流の短絡変圧器が達成できる。

本発明は１次側に誘導コイルを、２次側に金属製パイプ
を配置し、前記した低電圧大電流の短絡変圧器の原理を
応用したものである。本発明の２次側の金属製パイプは
、導電性を有する金属であればいかなるものであっ゛て
もよい。たとえば銅製、鋼製などである。第２図Ｂに示
すとおり、金属製パイプ（たとえば銅パイプ）に流れる
電流は大きいので、加熱するには極めて有効である。す
なわち大電流の交流電流が流れることにより、短絡電流
によるジュール熱が発生し、これが発熱に有効であると
考えられているからである。この意味から加熱にとって
電圧は有効ではない。

したがって本発明においては、電力のうち真に加熱に有
効な大電流を取り出したことに意義がある。また２次側
の銅パイプには極めて低い電圧が流れるが、これは人体
が接触しても感電しない程度であるので、安全性も極め
て高い。加えて本発明の原理によれば、加熱面積は必然
的に大きくなる。コイルの外側に金属製パイプを配置さ
せるからである。しかも単位面積当たりの消費電力を大
きくできる。したがって、本加熱器においては金属製パ
イプの表面積１ｅａｆ当り３Ｗ以上、あるいは１ａ１当
り４Ｗ以上でも良好に動作させることができる。加熱面
積を大きいので、加熱部と被加熱体との温度差△Ｔを小
さくできる。

すなわち、加熱面積を大きくでき、しかも供給電力を大
きくかけられるという相乗効果を発揮することができる
。

第３図は、本発明の加熱部のモデルを示したものである
。鉄心１に誘導コイル２を巻き、その周囲に金属製パイ
プ（加熱パイプ）３を配置させたものである。誘導コイ
ル２に商用周波数の電流を流し、金属製パイプ３は加熱
されるので、このパイプの外側にたとえば水などの被加
熱体を存在させれば金属製パイプから熱を奪い加熱され
る。

前記第１図の説明では金属製パイプ３，４は２つのもの
を貼り合わせ一体化したパイプを示したが、金属製パイ
プは１種類の単体からなっていてもよく（たとえばステ
ンレス鋼単体のパイプとか、銅の単体のパイプ）、ある
いは空隙がないように２つ以上の数のパイプを一体化し
て用いてもよい。

この例としては、伝熱性を向上させるために内面のパイ
プ３は銅を用い、外面のパイプ４は耐久性、耐腐蝕性の
向上からステンレス鋼を用いることもできる。すなわち
目的に応じて使い分けすることができる。またこれら複
数の金属製パイプを一体化（クラツド化）させるには、
爆着法、内側管の拡開法など公知のいかなる方法も採用
でｉる。本発明の別の態様としては、金属製パイプの表
面は樹脂ライニングすることもできる。たとえば金属製
パイプとして銅の単体パイプを用い、その表面にフッ素
樹脂（たとえばデュポン社製“テフロン”など）をライ
ニングしたものを用いることもできる。

次に本発明においては、使用する電力は低周波の商用周
波数の交流電源である。実用的に最も使いやすく、経済
的でもあるからである。

次に本発明のより好ましい態様を説明する。第４図は、
入力１００Ｖ　〜４４０Ｖ、５０／６０Ｈ２１加熱コイ
ル（パイプ）１〜６本とした場合の金属製パイプの数と
入力電源と組み合わせの具体例である。第４図（Ａ）は
単相で金属製パイプ１本の結線例、同図（Ｂ）は単相で
金属製パイプ２本の例、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は３相の結
線例である。その他の結線も自由に選択できる。

次に本発明においては、金属製パイプの好ましい直径は
７０〜２００ｍｍ程度である。余りに細くては磁束が外
に出てしまいロスが大きくなって好ましくない。また電
力容量の好ましい１例としては１〜５０ＫＷ程度である
が、これには限定されない。次に金属製パイプの長さは
１０ｃｍ〜１ｍ程度であるが、これには限定されない。

次に温度分布の大きい加熱器に応用する具体例を第５図
に挙げる。第５図（Ａ）はコイルの巻き密度を変え、中
央部を粗に、両端部を密に巻いたものである。このよう
にすれば、放熱が大きいものや、回りから被加熱体が供
給され、周囲の温度が下がりやすい加熱器には有効であ
る。この逆に中央部の温度が下がりやすい加熱器におい
ては、中央部のコイルを密に巻（こともできる。第５図
（Ｂ）は、金属製パイプの種類を長さ方向で変えること
により、前記の温度の分布むらを改善する手段である。

加熱器の周囲をより多く加熱するには、両端に銅を、中
央部に真鍮を使う。

第６図は本発明の別の１実施態様を示す図である。第６
図ＡＸＢは単相の例、第６図ＣＳＤは３相を用いた例で
ある。加熱器６は第１図に示すとうりである。７は加熱
域、８は流体（たとえば水）の入口、９は同出口、１０
はポンプである。第６図では加熱器６は縦型としたが、
横型であってもよい。

第７図はジャケット部の流体の入口側に下部センサー１
１、出口側に上部センサー１２を設けた例である。これ
らの各々の温度信号と、導入流体の流量検出信号を第８
図、第９図に示すように電力制御器に導き、入口と出口
の温度差と流体の流量の積により供給電力を制御する。

すなわち設定温度に対してどのくらいのＫｃａｌが不足
かを演算させ、不足分の電力を電圧で制御するのである
。

以上のような制御系において、演算回路でＫｃａ１＝Ｋ
ｗを瞬時に求め１次側の電圧を制御するこ・とにより、
精度の高い温度の流体が得られる。ここで流量検出信号
は、たとえばポンプを用いた場合はポンプの回転数など
の流量検出信号であり、流量計を用いた場合はこの流量
検出信号などである。本発明においては、ＫｗとＫｃａ
ｌが直線関係にあるので、制御がきわめて容易である。

本発明の加熱器の金属製パイプに流れる電圧は１ｖない
し０．３Ｖ程度であるので、乾電池の電圧（１，５Ｖ）
よりはるかに低く、人体にとっては安全である。また湿
度が高くても問題なく使用できる。さらに誘導コイルは
、銅線、アルミ線等を用いることができるが、樹脂モー
ルドを用いて真空充填すれば耐久性が向上するという利
点もある。また伝熱面積が広いので、加熱部は１２０〜
１３０℃で良く、水分中のカルシウムやそのほかの塩や
スケールなどが付着することも防げる。

本発明の加熱器の用途としては、食品加熱用の油脂の加
熱器（フライヤー）、食品加熱用の水の加熱器（蒸気発
生器）、例えば８０℃程度の温水が必要な食器洗浄器、
同１００℃以下の調理器（とくに煮物などの長時間用調
理器）、有機溶剤の洗浄用加熱器、風呂の加熱器（と（
に追い炊き用）、ガスまたは重油などの加熱器、ボイラ
ー用加熱器（とくにローカル用ボイラー）など、汎用的
な加熱器として使用することができる。そして安全で熱
効率の良いところからその用途は前記したものに限られ
ない。

［実施例コ以下実施例を挙げてより具体的に説明する。

実施例１断面が第１図（Ｂ）に示す通りの加熱器を製作した。鉄
心はケイ素鋼板を多数枚張り合わせたものを用い、誘導
コイルは銅線を用い、金属製パイプとしては内側が銅製
パイプ、外側がステンレス製のパイプを一体化したもの
を用いた。そして誘導コイルと金属製パイプとの間には
、耐熱性エポキシ樹脂を真空充填によりモールドし、空
間をなくした。この加熱器を用いて、１．１．１１−リ
クロロエタン溶剤を用いてＩＣなどの洗浄を行うに際し
、従来電気抵抗ヒーターではスタート時２０ＫＷ、定常
処理時１０〜１２ＫＷ必要であったものが、本発明の加
熱器では、スタート時１０ＫＷ１定常処理時４ＫＷで操
作できた。しかも本発明の加熱器は従来法のものに比べ
て低温度なので、スケールも付きに＜＜、上から落ちて
くる洗浄ガスやゴミがパイプの表面に付着しに（＜、ヒ
ーター寿命も大幅に延長できた。

実施例２第６図（Ｃ）（Ｄ）、第７図に示すように構成し、第１
図（Ａ）の加熱器を内部に配置した。銅パイプ３の太さ
は直径９０　ｍ　ｍ　ｓ長さ２６０ｍｍのものを槽内に
３本配置した。そして誘導コイルと金属製パイプとの間
には、耐熱性エポキシ樹脂を真空充填によりモールドし
、空間をなくした。

供給電力は、Ｉｃｍ２当たり約４．５Ｗ、すなわち４．
５Ｗ／ｃｍ２とした。そして毎分１５リツトルの水を流
しつつ、コイルに２００Ｖ、２５Ａ。

６０Ｈｚの３相交流電力を通電したところ、８０℃±１
℃の温水を連続的に流出させることができた。

なお前記において銅パイプには約１００００Ａ。

０．５ｖの電力が流れていた。

実施例３第１図（Ａ）、第８図、第９図に示すように、実施例２
と同様にセンサーと制御系を配置した加熱装置を作った
。

すなわち、銅パイプ３の太さは直径９Ｑｍｍ。

“長さ２６０ｍｍのものを槽内に３本配置した。そして
誘導コイルと金属製パイプとの間には、耐熱性エポキシ
樹脂を真空充填によりモールドし、空間をなくした。

供給電力は、ＩＣｍ２当たり約３．ＯＷ、すなわち３　
、　　Ｑ　Ｗ　／　ｃ　ｍ　２とした。そして毎分２０
リツトルの水を流しつつ、コイルに２００Ｖ、２ＯＡ、
６０Ｈ！の３相交流電力を通電し、流出水の温度を６５
℃±１℃に設定した。この結果、導入水の温度が変動し
たり、定量ポンプの水量や水温が変動しても、設定温度
の温水が長期化安定して得られた。さらに加熱槽内の洗
浄も容易であった。

なお前記において銅パイプには約８０００Ａ。

０．５ｖの電力が流れていた。

〔発明の効果］本発明は、低電圧−大電流の短絡変圧器を応用した電磁
誘導加熱方式を利用し、誘導コイルから金属製パイプま
での間の空隙を無くすことにより、加熱部と被加熱体と
の温度差を小さくし、熱効率が良く、信頼性、耐久性が
高く、長期安定した加熱ができる装置とすることができ
る。また、加熱面積を大きくでき、しかも供給電力を太
き（かけられるという優れた相乗効果を発揮することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、第１図（Ｂ）は本発明の一実施態様を示
す断面図である。第２図、第３図は本発明の詳細な説明
する図である。第４図は本発明の一例の結線図である。第５図は本発明の一実施態゛様を示す図である。第６図
〜第９図は本発明の他の実施態様を示す図である。１：鉄心　　　　　　　　２：誘導コイル３．４：金属
製パイプ　　５：樹脂モールド第１図　（Ａ）　　　　
　　　４０金属製パイプ５；樹脂モールド第１図（Ｂ）第３図変圧器１次側　　　２次側１００回　　　１００回第２図（Ａ）本発明の原理誘導コイル　　　　鋼パイプ第２図（Ｂ）（Ａ）　　　　　　　　　　　（Ｂ）　　　　　　　　
　　　　ＣＤ）（Ｅ）　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（Ｃ）第４図（Ａ）　　　　　　　　（Ｂ）第５図（Ｂ）　　　第６図１２二上部センサー

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鉄心に誘導コイルを巻き付け、その周囲に金属製
パイプを設けた低周波電磁誘導加熱器において、誘導コ
イルとその周囲の金属性パイプとの間には樹脂モールド
が施され、かつ前記金属製パイプの横断面方向から見て
、誘導コイルの表面から金属製パイプの表面までの間に
実質的な空隙を設けないことを特徴とする低周波電磁誘
導加熱器。
（２）低周波電源が、商用周波数の電源である請求項１
記載の低周波電磁誘導加熱器。
（３）金属製パイプが、１層の金属からなるパイプであ
る請求項１記載の低周波電磁誘導加熱器。
（４）金属製パイプが、少なくとも２層の金属パイプを
一体化したパイプからなる請求項１記載の低周波電磁誘
導加熱器。
（５）樹脂モールドが耐熱性樹脂からなる請求項１記載
の低周波電磁誘導加熱器。
（６）供給電力が金属製パイプの表面積１ｃｍ＾２当た
り３Ｗ以上である請求項１記載の低周波電磁誘導加熱器
。