JPH1022068A - 電磁コイルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁コイルの冷却方法において、水冷と同等
の冷却効果をもたらし、且つ水冷固有の問題点のない冷
却方法を提供すること。 【解決手段】 気体中に水滴を分散混和させた２相流体
を、電磁コイルＣに設けた中空部に流通させ、必要に応
じて出口側から減圧吸引を行い、水滴の蒸発熱をも利用
して、電磁コイルＣを冷却するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱法等に用
いる電磁コイルを冷却する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、上記のような電磁コイルは、通
電時の発熱により、軟化或いは溶融する恐れがあるた
め、金属パイプを用いて製作するなどして中空部を設
け、該中空部に冷媒を流して冷却しながら通電するよう
にしている。

【０００３】しかして、上記の冷媒は通常は水であり、
空気が用いられることもあるが、空気は体積当りの熱容
量が水の約1／3000であるため、高速で流通させ、或い
は冷却した空気を用いても、その冷却能は通常の水冷の
1／100程度にしか達しない。従って、電磁コイルにおけ
る電力密度条件にもよるが、10kW以上の通電が行われる
コイルへの空冷の適用は困難な場合が多い。

【０００４】しかしながら、可搬型の機器に用いる電磁
コイルなどにあっては、水冷に必要な大量の給水が容易
でない場合もあり、また、例えば、誘導加熱法によって
金属を溶解し、或いは鋳造時に金属溶湯を加熱するよう
な場合には、水冷を適用するにしても、コイルの冷却水
が漏れて金属溶湯に接触し、水蒸気爆発のような事故が
起こってはならないため、水冷の採用に際しては、設
備，操業の両面で多大な施策を要することになり、コス
ト高を余儀なくされる。

【０００５】従って、水冷に準ずる高い冷却能を有し、
且つ上記問題点の少ない電磁コイル冷却手段の提供が望
まれる状況にある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のような
従来技術に鑑み、電磁コイルの冷却方法において、水冷
に準ずる冷却能を有する水冷以外の冷却方法を提供する
ことを、その課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
を目的としてなされた本発明電磁コイルの冷却方法の構
成は、気体中に水滴を分散混和させた２相流体を、電磁
コイルに設けた中空部に流通させることを特徴とするも
のである。

【０００８】本発明方法は、電磁コイルの冷却を、水や
空気の熱容量による吸熱のみならず、水の蒸発熱による
吸熱を利用して行うものである。周知のとおり、水の熱
容量が4J／℃・g強であるのに対して、水の蒸発熱は2400
J／g前後であるから、例えば、ｖｇの冷却水に10℃の水
温上昇（4J／℃・g×ｖｇ×10℃＝40vJの熱量）が負荷さ
れるような水冷に相当する冷却を、該水冷の1／60の量
の水を蒸発させることによって賄える（2400J／g×ｖ／
60g＝40vJ）ことになる。

【０００９】しかして、本発明においては、水を、気体
中に分散混和された水滴の形で用いるため、通常の水冷
と異なって水の蒸発が随所で進んで、蒸発熱による吸熱
を利用した水冷が実現されるものである。

【００１０】また、本発明において冷媒として用いる２
相流体は、気体中に分散混和させる水滴の径を微小化す
ることによって、水滴が自然落下しにくくなるばかりで
なく、気体と同様の取扱が可能となり、上記水滴を、母
相の気体共々、吸引装置等によって系外に取り除くこと
もできるので、本発明方法においては、前記水蒸気爆発
の問題を低コストで回避できることになる。

【００１１】即ち、本発明方法によれば、電磁コイル
を、少量の水を用いて水冷に匹敵する冷却効果で冷却で
きるばかりでなく、水蒸気爆発のような水冷特有の問題
も容易に回避できることになり、前記本発明の課題が解
決されるのである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明方法に用いる上記２相流体
の母相となる気体は、通常は空気でよいが、電磁コイル
の腐食防止等の観点から窒素ガス等を用いてもよい。ま
た、気体中に分散混和させる水滴は、飲用ないしは工業
用の淡水で形成させればよいが、上記と同様の観点から
腐食防止剤或いはアルコ−ル等の溶剤を配合してもよ
い。

【００１３】本発明は、上記２相流体中の水滴を蒸発さ
せて電磁コイルの冷却を行うものであるから、水滴中の
不揮発分が蒸発残渣として電磁コイルの内壁面に付着堆
積することがある。この堆積物はブラスチングなどの手
段により時折除去すればよいが、不揮発分を低減した脱
イオン水で水滴を形成させれば堆積量が低減し、除去の
手間が省けるばかりでなく、電磁コイル内壁面の熱伝導
性の維持にも有効となる。通常の淡水中の不揮発分は10
0〜200mg／リットル程度であるから、不揮発分が１〜10mg／
リットルレベルの脱イオン水を用いることにより大巾に改善
される。

【００１４】２相流体の形成手段としては、エジェクタ
−法が最も簡単であり、好ましい。エジェクタ−法は、
例えば、給水源につながる霧吹きノズルを管内に配して
管路に空気等を適宜速度で送り込む態様で実施すること
ができる。超音波法，静電法等、他の手段によって２相
流体を形成させてもよい。なお、上記２相流体に、前記
見かけ上気体のような性状を具備させるために、気体中
に分散させる水滴の平均径を500μｍ以下とすることが
望ましい。一方、平均径が20μｍより小さい水滴の形成
はコスト高を招くので、平均径20〜500μｍが水滴の大
きさの好適範囲となる。

【００１５】上記２相流体に含有させる水滴の濃度は、
気体を母相とする分散形態を取り得る最大濃度（≒300g
／リットル）以下とすればよいのであるが、安定な霧化状態
を得るには、10g／リットル以下とすることが望ましく、一
方、空冷を顕著に上回る冷却効果を得るためには、0.1g
／リットル以上とすることが望ましい。

【００１６】各種水滴濃度の２相流体を冷媒としたとき
の冷却能を、従来の水冷及び空冷と対比したものを表１
〜４に示す。ここでは、原温度20℃の冷媒を用いて冷却
を行い、冷媒温度が30℃，60℃，90℃，100℃に到達す
るような冷却を行った場合の冷媒１リットル当りの冷却能を
それぞれ表１，２，３，４に示した。因に、本発明方法
において、２相流体を流通させる電磁コイルの中空部は
準密閉系であるから、該中空部では温度に応じて限られ
た量の水しか蒸発することができず、表に記した蒸発熱
に留まるものであり、この点が、開放系で適用される通
常のミスト冷却と本質的に異なるところである。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】

【表４】

【００２１】本発明方法に用いる２相流体及び従来の空
冷に用いる空気は、水冷に用いる水の10倍程度の流量
（コイル中空部の断面積1cm²に対して10〜100リットル／min
程度）で流通させることができるので、２相流体及び空
気については、表に記した冷却能数値を10倍して水冷の
冷却能数値と比較すればよい。

【００２２】しかして、電磁コイルの水冷は、通常、冷
却水温度が10℃上昇する程度の冷却負荷で行われている
ので、各表に記された２相流体の冷却能の10倍値を、表
１（到達温度30℃）に記された水冷の冷却能（40000J／
冷媒１リットル）と、或いは表４（到達温度100℃）に記さ
れた空冷の冷却能の10倍値（110J／冷媒１リットル×10）と
比較することにより、本発明方法により得られる冷却効
果が理解される。例えば、10g／冷媒１リットルの２相流体
の冷却能は、冷媒の到達温度が30℃（表１）の場合でも
500J／冷媒１リットルであって、冷却効果は従来の空冷の40
倍，水冷の1／8に達し、到達温度が100℃（表４）の場
合では、5300J／冷媒１リットルであって、水冷と同等の冷
却効果が見込まれる。なお、上記冷媒の体積は仕込み体
積である。上記の例から判るように、本発明方法は、冷
媒の温度が大きく上昇する条件で実施するのが有利であ
る。即ち、従来の水冷では、冷媒である水の沸騰を避け
るために、冷却水温度を低く維持する態様での実施を余
儀なくされたが、本発明方法においては、このような制
約がないので、コイルの冷却温度を100℃前後に留める
有利な態様で実施することができる。

【００２３】上記本発明方法を実施するに当っては、冷
媒である２相流体中の水滴の蒸発に伴う体積膨張の作用
を緩和するための手段を講じることが望ましい。例え
ば、電磁コイルの中空部に、その流入口から２相流体を
供給すると共に、流出口から減圧吸引を行う施策が好ま
しい。このようにすれば、冷媒温度が100℃に達して冷
媒体積が元の略２倍に増大するような冷却を行う場合で
も、冷媒の流通を支障なく行うことができる。上記施策
は、また、電磁コイルが破損した場合に、漏洩しようと
する冷媒が上記減圧吸引によって系外に除去されるの
で、安全面からも好ましい作用をもたらす。なお、上記
流出口は数が多いほど好ましく、コイルの中央部に流入
口を設け、両端を流出口としたり、更に４分割位置に流
出口を増設することも好結果をもたらす。

【００２４】電磁コイルの壁面に、コイルの中空部から
コイル外に通じる噴出口を適宜数設けておく施策も、冷
媒体積膨張作用を緩和する手段として有効である。これ
らの体積膨張の作用を緩和する手段によって、２相流体
を円滑に流通させることができ、また、蒸発した水分が
遅滞なく系外に排出されて、水滴の蒸発が順調に生起さ
れる。

【００２５】本発明方法は、気体中に少量の水が含まれ
た２相流体を冷媒として用いるので、コイル内壁面の伝
熱係数が水冷の場合に比べて小である。よって、コイル
内壁面を粗面化するなどして実質表面積を増し、伝熱係
数を増大させる措置を講じることが望ましい。

【００２６】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。内
径10mm，肉厚1.2mmの銅管を巻いて内径70mm，ピッチ15m
mの10タ−ンソレノイドコイルＣを作成した。コイルＣ
の内壁面には、コイルＣの中空部にアルミナグリットを
含ませたエアジェットを通過させて粗面化処理を施し
た。コイルＣには両端の開口部１，５の他に、４分割位
置（３個所）にそれぞれ枝管Bpを配した開口部２〜４を
設け、上記コイルＣに、被加熱体として鋼管（ＳＧＰ50
Ａ）を嵌挿し、コイルＣに20kHz，10kWの高周波交流通
電を行った。この際、下記３種類の冷却手段によって冷
却を行い、冷却効果を比較した。 Ａ 本発明例 平均径100μｍの水滴を１g／リットル宛空気中に含ませた２
相流体を図２の開口部３に50リットル／minの流量で供給
し、他の開口部からファンによる減圧吸引を行って冷却
した。 Ｂ 比較例１（水冷） 図１の開口部２〜４を封じ、開口部１から５に向けて水
道水を５リットル／minの流量で流通させて冷却した。 Ｃ 比較例２（空冷） 上記例Ｂと同構成で、上記の水に代え、空気を50リットル／
minの流量で流通させて冷却した。しかして、上記３例
の冷却状況は表５に示すとおりであった。

【００２７】

【表５】

【００２８】表５から明らかなように、本発明方法によ
り水冷に準じた冷却を実現できることが確認された。本
発明方法によるコイル冷却温度は水冷よりもかなり高い
が、前記冷却の目的に照らせば、上記温度への冷却で充
分である。

【００２９】

【発明の効果】本発明は上述のとおりであって、電磁コ
イルの冷却を、気体中に水滴を分散混和させた２相流体
をコイル中に流通させて、上記水滴の蒸発による蒸発熱
をも利用して行うものである。

【００３０】本発明方法は、水冷の1／10以下の水量で
冷却を行えるため、可搬型装置に用いられる電磁コイル
の冷却を、５ガロン缶等で運搬した水によって賄うこと
ができる。更には、上記水滴を微小化して、２相流体の
性状を気体に準じたものとすることにより、万一、コイ
ルが破損しても、漏洩しようとする２相流体を、減圧吸
引装置等によって気体と同様に系外に除去することがで
きるので、金属溶湯を加熱するような用途に適用する場
合にも、水蒸気爆発の防止を低コストで行うことが可能
となる。

【００３１】また、上記２相流体をコイル中に流通させ
るに際して、出口側から減圧吸引を行うことにより、コ
イル内における、水滴の蒸発が起こりやすくなって、所
期の冷却効果の確保が容易となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一例を実施するためのソレノイド
コイルの斜視図。

【符号の説明】

Ｃ コイル Bp 枝管 １，２，３，４，５ 開口部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体中に水滴を分散混和させた２相流体
   を、電磁コイルに設けた中空部に流通させることを特徴
   とする電磁コイルの冷却方法。
2. 【請求項２】 気体が空気である請求項１に記載の電磁
   コイルの冷却方法。
3. 【請求項３】 電磁コイルの中空部の流入口に２相流体
   を供給すると共に流出口から減圧吸引を行って、中空部
   に２相流体を流通させることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の電磁コイルの冷却方法。
4. 【請求項４】 電磁コイルの略中央部に流入口を設け、
   少なくとも両端部に流出口を設ける請求項３に記載の電
   磁コイルの冷却方法。
5. 【請求項５】 電磁コイルに、中空部から外部に通じる
   流体噴出口を少なくとも１個設けておくことを特徴とす
   る請求項１〜４のいずれかに記載の電磁コイルの冷却方
   法。
6. 【請求項６】 ２相流体中の水滴濃度を0.1〜10g／リットル
   とし、該２相流体を10〜100リットル／minの流量で中空部に
   流通させる請求項１〜５のいずれかに記載の電磁コイル
   の冷却方法。