JPH11505955A - 多数の自己調節型温度を供給する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、公知のデバイスで実現される温度の正確さ及び均一性を損なうことなく、定電流源を使用して、デバイスの温度を複数のキュリー温度に制御することに関する。例示の実施の形態によると、異なるキュリー温度を持つ多層の合金は、最外層がそのキュリー点を通過して加熱されるよう個別に利用される。デバイスへの電力は、循環電流の周波数を変更することにより、及び多数の異なる温度の任意の１つを選択して、或る固定値に正確に制御された温度での発熱を提供するキュリー点の材料を探索することにより制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】 多数の自己調節型温度を供給する方法及び装置 発明の背景 発明の分野 本発明は、発熱装置及びその方法に関し、更に詳しくは、多層のキュリー温度 材料を用いて複数の制御された温度を供給するための方法及び装置に関する。 技術技術の説明 調整された熱を供給する装置は公知である。そのような装置の１つは、自己調 整型の電気的遮蔽型発熱体を開示している共通に譲渡された米国特許第４,７５ ２,６７３号（Krumme）に記載されている。この米国特許第４,７５２,６７３号 特許に開示された発熱体は、単一の調整された温度で自己制御された熱を提供す る。これ実施の形態では、異なるキュリー温度の２個の透磁性材料の間にサンド イッチ状に挟まれた１個の非磁性伝導性材料を使用して単一の調整された温度で 動作可能な発熱面を提供している。 この米国特許第４,７５２,６７３号公報の図３は、“表皮効果（skin effect ）”を活用して調整された単一の温度を提供するはんだごてを例示している。こ の米国特許第４,７５２,６７３号公報に記載されているように図３のはんだごて は電気伝導性で、非磁性の中間層６を含む。この中間層６は、調整された単一の 温度を発熱表面へ供給するのに使用される磁性内層２と、電磁シールドを供給す るのに使用される磁性外層４の間にサンドイッチ状に挟まれている。この内層２ は、ＮｉＢａｌＦｅ合金のような、高透磁性、高抵抗率、低キュリー温度材料か ら形成される内部円錐体（inner cone）として説明されている。この外層４は、 非磁性中間層６と、内部円錐体２と同軸で、かつその周りに形成される外部円錐 体として説明されている。この外部円錐体４は、低炭素鋼、コバルト、ニッケル のような高透磁性、低抵抗率、高キュリー温度材料から作製できる。一定電流の ＡＣ電源１２は、銅製の中心導体８と、内部円錐体２及び外部円錐体４の大きい 直径端部との間に接続される。 動作時には、電源１２からの交流電流は、伝導体８を経由して帰還路に隣接す る内部円錐体２の表面に制限される。ワット損は、式Ｐ＝（Ｉの２乗）×Ｒ1で 求められ、式中、Ｉの２乗は、使用する定電流源による定数Ｋであり、Ｒ1は一 定の電源電流の周波数における内部円錐体２の抵抗である。この内部円錐体２の 抵抗は、その材料の抵抗率と、表皮効果により電流が制限される内部円錐体２の 断面との関数で表される。この抵抗は断面積の逆関数であるので、表皮効果の増 加によって電流が限定される内部円錐体２の断面積が減少し、それにつれて内部 円錐体２の抵抗が増加する。 モノリシック材料の表皮厚（skin depth）の式：表皮厚＝（ρ／μｆ）の平方 根と「５０３０」との積、即ち５０３０×｛（ρ／μｆ）の平方根｝センチメー トルであり、ここでρは抵抗率であり、μは透磁率であり、そしてｆは定電流源 の周波数である。 上述の米国特許公報（’６７３号）のカラム７の３８行で説明されているよう に、電流が初めに図３のはんだごてに流れると、電流は内部円錐体２に限定され る。この内部円錐体２は９０ヘルツ（Ｈｚ）のおける４２合金（Ａｌｌｏｙ）の 表皮厚に相当する典型的な厚さである。このデバイスは、内部円錐体２の材料の キュリー温度（例えば、約３２５℃）に達するまで加熱する。そして一旦、この 温度に達すると、内部円錐体２の材料の透磁率が低下し、電流は中間層６及び外 部円錐体(outer cone)４の中に流入し始める。この外部円錐体４の材料の温度は 、そのキュリー温度よりも低いので、電流は内部円錐体２及び中間層６、そして ９０Ｈｚでは外部円錐体４の或る程度の表皮厚に限定される。 言い換えれば、内部円錐体２のキュリー温度に達すると、内部円錐体２の透磁 率は急速に減少し、そして電流は中間層６及び外部円錐体４の中に流入する。こ のようにして、高伝導性の中間層６があることにより、この構造体の全抵抗は、 急激に低下して自己制御率が大きくなる。更に、大半の電流は、高伝導性の中間 層６に限定され、一方、僅かの電流だけが外部円錐体４に入る。従って、外側層 ４は僅か３〜５の表皮厚になり、デバイスを実質的に完全に遮蔽する。こうする ことにより、低周波電源（例えば、５０Ｈｚ乃至１０ｋＨｚ）を使用する比較的 小さいデバイスでは大きい自己制御率を達成できる。 米国特許第４,７０１,５８７号（Carter等）、米国特許第４,６９５,７１３号 （Krumme）及び米国特許第４,２５６,９４５号（Carter等）も、概ね、自己制御 の特徴を活用して単一温度の発熱表面を提供する構造体に関する。これらの特許 に記載されている方法及び装置には、実現される顕著な効果もあるが、これらの 特許は、主として、調整された固定的温度において正確に調整を行うことを目的 としている。従って、これらの特許の長所を活用して、ユーザーにより選択され る複数の温度の任意の１つで調整を実現することが好ましい。 発明の要約 従って、本発明は、自己制御の特徴を利用して、選ばれた任意の温度が維持さ れる正確さと均一性を損なうことなく、複数の制御された任意の温度においても 選択的に発熱するように制御できる発熱構造体を提供することに関する。例示の 実施の形態によると、異なるキュリー温度を持つ多層合金であって、最外層がキ ュリー点を超えて加熱され、複数の自己制御された温度の１つを選ぶように、多 層合金のそれぞれが独立してアクセスされる。所望の層と温度を選ぶために、こ のデバイスへの電力は循環電流の周波数を変えることにより制御される。またキ ュリー温度点の適当な部材を選択することにより、比較的一定に調整された複数 の温度の任意の１つに対して正確に制御される発熱表面を提供できる。 本発明の実施の形態には、一定電流を発生する手段；及び前記の一定電流を発 生する手段に応じた複数の比較的一定温度の任意の１つの熱を発生する手段が含 まれる。発熱手段の例示の実施の形態には、少なくとも１つの電気伝導性、非磁 性材料；並びに少なくとも２層の透磁性材料が含まれ、そして前記少なくとも２ 層の内の第１層は第１キュリー温度を有し、前記少なくとも２層の内の第２層は 、前記第１層の第１キュリー温度と異なる第２キュリー温度を持ち、前記非磁性 材料は前記第１層及び前記第２層とに協動するように配置されて、前記第１キュ リー温度と前記第２キュリー温度との間で選ばれる温度で選択的に発熱する。 例示の実施の形態には、更に、少なくとも１つの電気伝導性及び非磁性材料の コア；並びに少なくとも２層の透磁性材料が含まれ、そして前記少なくとも２層 の内の第１層は第１キュリー温度を持ち、前記少なくとも２層の内の第２層は、 前記第１層の第１キュリー温度と異なる第２キュリー温度を持ち、前記コアは前 記第１層及び前記第２層とに協動するように配置されて、前記第１キュリー温度 と前記第２キュリー温度との間で選ばれる温度で選択的に発熱する。 更なる実施の形態は、複数の、比較的一定温度の動作点の任意の１つの温度を 選択的に発生する発熱手段を有する熱を発生する装置であって、前記動作点の各 々は、前記複数の比較的一定の動作点の１点に対応するキュリー温度を有する個 々の材料によって発生され、そして前記発熱手段の電気的特性に応じて前記動作 点の１点において前記発熱手段を制御する手段を備えている。 図面の簡単な説明 本発明は以下の説明、及び同じ要素は同じ参照番号が付けられている添付の図 面を参考にして、更に理解されるであろう。 図１は、本発明における発熱構造体を例示する実施の形態を示す図である。 図２は二重温度発熱構造体の場合の反射抵抗対温度の関係を示すグラフ図であ る。 図３は発熱構造体を冷却する間に得られる反射抵抗対温度曲線の発熱構造体を 示す図である。 図４は本発明の実施の形態による二重温度発熱体の場合の反射抵抗対温度のグ ラフ図である。 図５は本発明による対称構造を持つ発熱構造体の別の実施の形態を示す図であ る。 図６ａと図６ｂは、本発明に係る二重温度発熱構造体の場合の反射抵抗対温度 を示すグラフ図である。そして 図７は、本実施の形態の二重温度の電流制御を説明する図である。 実施の形態の詳細な説明 図１は、本実施の形態の発熱装置を示していて、この装置は異なるキュリー温 度の材料の層を使って、複数の比較的一定の、調整された温度で動作できる単一 構成で積層構造体１００を含む発熱構造体として形成されている。図１の例示の 構造体は、各層が異なるキュリー温度を有する任意の数の多層合金を、単一のプ レート構造体になるように堆積するか、又は積層することにより形成できる。所 定のキュリー温度を持つ材料の層の１層は、その発熱構造体の最外層としてアク セスされて、そのキュリー点を通過して加熱される。図１の実施の形態の多層の 積層体又は堆積体に加えて、多数のいろいろな技術を利用して図示の構造体を形 成できることを当業者は理解できるだろう。例えば、熱間又は冷間圧延、押出し 、張り合わせ、金属加工技術、等も利用できる。 電力は、直接、又は誘導結合によりこのプレート構造体に印加できる。複数の 予め定められた動作点の任意の１つにおける温度の選択及び調整は、プレート構 造体の電気的特性（例えば、抵抗、ワット損、又は電気的抵抗の関数である任意 の特性）の関数として制御できる。或る設定可能な温度の１つで選択された動作 は、使用される材料の厚さを選択することにより達成できる（例えば、与えられ た電源に対して図１のプレート構造体の固定した動作点を設定する）。これとは 別に、電源を操作して（例えば、周波数又はパルス幅を調節する）、図１のプレ ート構造体の動作点を変更することにより選択的制御を実施できる。電力を選択 的に変更することにより、プレート構造体の電気的特性はその動作点を変更して 、多層プレート構造体内部の電流を再配分し、そのキュリー温度で動作する材料 層を変更することができる。 図１の例示の実施の形態で使用される電源は、多層構造体の検出された特性に 反応して制御されて、予め定められた動作点をラッチする“洗練された（smart ）”電源であっても良い。このように電源を調節して、複数の予め定められた動 作点の１つが選択されると、本明細書では詳細に説明しない公知の技術（開示内 容を引用して本明細書に組み入れられている前記の米国特許第４,７５２,６７３ 号に記載の方法）を使って、その選択された動作点における動作を制御すること により比較的一定の温度に維持できる。 これ以降、例示の実施の形態を更に詳細に説明する。図１において、少なくと も第１面を有し、少なくとも１つの導電性で非磁性材料１０２で形成されたコア を含む発熱構造体１００が示されている。例示の実施の形態によれば、このコア 層１０２は、高伝導性で非磁性（例えば、アルミニウム、銅、等）であればいず れでもよい。更に、発熱構造体１００は、前記第１面上に例えば層１０４と１０ ６のような少なくとも２層の透磁性材料を含む。例示の実施の形態の図１では、 第１層１０４は、第１透磁率μ1、第１反射抵抗Ｒ1、第１キュリー温度Ｔ1、及 び第１抵抗率ζ1を持ち、一方、第２層１０６は、第２透磁率μ2、第２反射抵抗 Ｒ2、第２キュリー温度Ｔ2、及び第２抵抗率ζ2を有する。反射抵抗は、電源の 周波数及び材料の温度の関数である。 コア１０２は、第１及び第２層と協動するように配置され、第１キュリー温度 と第２キュリー温度の間で選択される温度で熱を発生する。ここで参照される“ 協動するように配置され（cooperatively arranged）”という用語は、磁性層に 対してコアを配置させることを意味し、これにより選択された動作点に達するま で、電流が磁性層の中に直接又は間接的に流入される。次に、このプレート構造 体は、選択的に制御されてキュリー温度Ｔ1又はＴ2のいずれかの１つで動作する ことができる。 別の実施の形態によると、図１の発熱構造体は更に、追加層１０８及び１１０ を含むことができる。これら追加層は、各々、透磁率μ3及びμ4を持ち、各々対 応してキュリー温度Ｔ3及びＴ4（例えば、Ｔ4＞Ｔ3＞Ｔ2）を有する磁性層を含 むことができる。このように、例示の実施の形態の図１の層１０８及び１１０を 加えることにより、多数の磁性層を含む本発明の性能を表すことになる。これら の追加層の各々は、独自のキュリー温度を有し、このキュリー温度を選択するこ とにより、使用される材料に関連する追加されたキュリー温度で発熱構造体を動 作させることができる。 図１の発熱構造体は、このプレートを形成するのに使用される種々の材料に関 連するキュリー温度の任意の１つで選択的に動作するように制御することが出来 、そしてあらゆる製品の中に使用できる。例えば、そのような構造体を使って低 温のはんだに使用するのに選択される低温用、及び高温のはんだに選択される高 温用の種々の温度のはんだごてを提供できる。また、図１に示している発熱構造 体を料理用グリルで使用すると、いろいろな種類の食物を料理する場合、複数の 比較的一定温度の任意の１つの表面温度を提供することができる。このような方 法では、このプレート構造体は、１９９１年８月１６日に出願された“迅速加熱 、均一で高効率のフライパン（Rapid Heating，Uniform High Efficient Griddl e）”の発明の名称であって、本願出願人に譲渡された米国特許出願番号第０７ ／７４５，８４３号に記載されている同類の料理用フライパンとしても使用でき 、この構造体を用いることにより、複数の温度で動作させることができる。 例示の実施の形態によると、制御可能型スイッチが取り付けられており、この プレート構造体に含まれる１つの層の有効なキュリー温度に対応する設定温度を 選択することができる。そのようなスイッチは、プレート構造体の中で電流を誘 導するためにコイル１１２への電力を制御するための、ユーザー又は工場での製 造時に設定されるスイッチとすることができる。このコイル１１２は絶縁体１１ １の中に収容されても良い。異なるキュリー温度の２層を含む発熱構造体の場合 、このスイッチは、より高い温度を選択できるＴ2に設定されても良い。これと は別に、スイッチは低温側のＴ1に設定されても良い。 設定できるスイッチ比（即ち、抵抗対発熱構造体の温度動作特性）は、発熱構 造体のＴ1の下と、その少し上での表皮厚（skin depth）の比に制約される。こ こでＴ2はＴ1よりも高いとする。実際の温度ＴがＴ1よりも低いときは、その表 皮厚は５０３０×｛（ρ／μｆ）の平方根｝ｃｍに等しく、ＴがＴ1よりも高い ときは、μ1は“１”に等しいとみることができ、この時の表皮厚は５０３０× ｛（ρ／μｆ）の平方根｝ｃｍに等しくなる（即ち、上記キュリー温度より高い 場合は、透磁性は約“１”であり、このスイッチ比は、スイッチング電流が第２ 層に入る前では、約２０オーム：１オームである）。 低温側のＴ1で動作するようにスイッチを設定すると、電流は第１低温層１０ ４に閉じ込められる。この温度に関する動作点での動作を確実にするためには、 図１の“洗練された（smart）”電源は、プレート構造体の中に含まれる層の電 気的特性の関数として、プレート構造体の動作点を検出する手段を含む。例えば 、この検出手段には、反射抵抗を監視する手段、又はそれから派生する手段とし て、反射抵抗が安定な平衡に達するまで電源の出力電力を少なくするための手段 などが考えられる。 安定な自己制御型平衡は、Ｔで動作を維持するために電源から供給される電圧 を制御することにより達成できる。電源からの電力供給が連続して増加している （例えば、周波数又は電源の電圧のデューティサイクルを増加することによる） にも拘らず、反射抵抗が相対的に安定しているのを検出した後、反射抵抗が僅か に減少することを検出すると、そうしなければ反射抵抗が増加し始めるまで発生 されなければならないであろう電力を超える電力に電源出力を制限する。この時 点で、Ｔ1でプレート構造体が冷却しはじめたと考えられ、より多くの電力がこ のプレートを温度Ｔ1で安定化させるように出力される。 こうして、このシステムは反射抵抗を監視し、与えられた動作点での動作を維 持する。第１層１０４は充分に厚く作ることができ、これによりＴ1のキュリー 温度に達すると、動作点Ｔ1を選択するのに使用される周波数での反射抵抗の変 化を検出する。この電源はプレート構造体が動作する温度領域を記憶しており、 実際の温度ＴがＴ1よりも低いかどうかを検出する。 これとは反対に、調整が高い方の設定温度Ｔ2に設定されている場合、Ｔ1に達 した後でさえも電力が増加されることにより、電流は第２層１０６に流入できる 。制御は次のようである：即ち、温度ＴがＴ1より低い場合、電力コントローラ は反射抵抗がＴ1を通過して低下するときでも最大電力を出し続ける。温度Ｔが Ｔ1より高いがＴ2よりも低い場合、更なる発熱及び第２の磁性層１０６（Ｔ2層 ）からの温度によって温度は上昇し続ける。 第２層（例えば、層１０６）からの熱の貢献度は、この第２層１０６の厚さ及 び動作周波数を適切に選択することにより最適化することができる。この層１０ ４の厚さは、温度ＴがＴ1よりも高く、かつＴ2よりも低い場合の動作に対して、 Ｔ1を選択するのに使用される動作周波数での表皮厚よりも少なくすることがで きる。しかしながら、実際の温度Ｔがキュリー温度Ｔ1を通過すると、電源が反 射抵抗の変化を検出できる限り、たとえ熱の大半が層１０４で発生されても、こ のシステムが動作することを当業者には理解できるだろう。 周波数の変化を利用して、各動作点（即ち、スイッチ比を変化する）に関連す る反射抵抗を変化させることができる。更に、この回路に切り替えられるキャパ シタンスを追加して、Ｔ1及びＴ2に対して２つあるいはそれ以上の異なる周波数 のもとでこのシステムを動作させることができる。 温度Ｔ2での制御に関しては、電源が温度ＴがＴ1よりも高いことを検出し、か つ反射抵抗の方向変更を検出し始めると、電源は電流を一定に保つことにより、 再び電力を制限しはじめる。このことは、周囲の熱損失がこのシステムの電力に マッチし、反射抵抗が安定化するまで、例えば周波数を高めること、および／ま たはデューティサイクルを低下させることにより達成できる。 実施の形態の図１による発熱構造体は、アルミニウムコア層の第１面に第２層 １０６（例えば、０．０１５インチの合金）を形成するのに使用される高温用シ ートを積層することにより形成できる。このアルミニウムコア層は例えば厚さが ０．０９０インチである。このアルミニウムコア層に積層される０．０１５イン チの合金は、例えば３５合金（Alloy 35）であっても良い。第１層１０４には３ ５合金層に積層された０．０１５インチの合金であっても良い。第１層は、例え ば３２合金（Alloy 32）であっても良い。この第１層を形成するのに使用される 低温用３２合金は、第２層の３５合金と同等の厚さのものを選ぶことにより、３ ５合金の電気的特性（例えば、反射抵抗）を検出できようになる。また、３５合 金の電気的特性を検出するために、小さいピックアップコイルを使用しても良い 。 図２は、図１の層１０４及び１０６について説明した例示の材料の電気的特性 （例えば、オーム単位の抵抗対温度）の一例を示している。図２に示しているよ うに、磁性層１０４及び１０６は、各々与えられの温度で反射抵抗が低下してい る。本発明によると、高磁性率μの磁性材料の特性を監視し、かつ利用すること により、複数の予め定められた動作点（即ち、設定温度）での温度制御を行うこ とができる。 図３は、発熱構造体が冷却される間に得られる反射抵抗対温度曲線による方法 を示している。図３では、ＣＭＩアニールされたプレート３０４（例えば、各々 ３４合金の３０１、３０２及び３０３の連続層、アルミニウム並びに３４アルミ ニウムで形成されたプレート）に含まれるアルミニウム層がコア層として使用さ れている。このアニールされたプレート３０４に含まれる３４合金の層３０２は 高温層として機能する。例えば、層３０６は、第１の比較的低温層として、コア 層の第１面の層３０２に隣接する３２合金で形成することができる。 コア層３０４の第１面に配置される標準ピックアップコイル３０８を使って、 そのコア層の第２面に配置される電力源３１４（例えば、誘導結合型コイル）に よってプレート構造体の中に誘導される電流を検出できる。Ｋ型熱電対３１０を 使って、プレート構造体の表面温度を検出できる（ピックアップコイルも熱電対 も熱絶縁材料３１２の内部に取り付けられていても良い）。 図３の例示の構造体では、アニールされたプレート３０４は、それぞれ０．０ １５インチの厚さの、３４合金の磁性層３０２及び３０３と隣接する０．０９０ インチのアルミニウムコア３０１を含むことができる。合金３２の層３０６は、 例えば０．０１５インチあるいは０．０３０インチの厚みを有しても良い。発熱 構造体が冷却する間の反射抵抗対温度曲線を得ることができる。図４に例示され た曲線は、いろいろな厚さの３２合金層が存在する場合の例を示している。図４ は、ＴがＴ1（ここで、Ｔ1は３２合金のキュリー温度に対応している）より低い 温度において、電流の大半は、３２合金の層３０６に限定されていること示して いる。これとは反対に、ＴがＴ1より高い場合は、キュリー温度より低い、アニ ールされたプレート３０４に含まれる３４合金の層３０２の中に電流が広がって いる。アニールされたプレート３０４の比較的高い反射抵抗層は、３２合金の今 は低い反射抵抗層３０６と平行であり、中間反射抵抗が検出できる。 ＴがＴ2（即ち、アニールされたプレート３０４の３４合金のキュリー点）に 達すると、アニールされたプレート３０４の３４合金の層３０２が電流を伝える だけでなく、アルミニウムコア層も同様に電流を伝えるまで、構造体内全体の透 磁率が低下して表皮厚（skin depth）が大きくなる。ＴがＴ1よりも高いと、反 射抵抗は、この時の表皮厚３〜４当たり約４オームの抵抗から約１オームの最終 抵抗値にまで低下する。 本発明によると、明確な転移温度Ｔ1とＴ2内での多数の熱制御を得ることがで きる。２つの動作点（例えば、図３の構成により決定される２つの動作点Ｔ1と Ｔ2）を含む構造体の場合、反射抵抗はＴ1及びＴ2で急速に低下するので、実際 の温度制御が可能となる。例えば、抵抗値は設定値の上下１０％以下の範囲内で 維持できる。これを温度に置き換えると、Ｔ1では１０７．５±２．５℃の温度 精度で、Ｔ2では１８８．５±２．０℃以上の温度精度となる。 例示の実施の形態の複数の層の磁性材料は、互いに直接接触して形成すること も出来るし、或いは層間の介在物として誘電体を入れて形成することもできる。 別の実施の形態では、所望の動作を達成するためにいろいろな材料を種々の厚さ で選択できる。 別の実施の形態によると、追加する１層又は多層の磁性材料は、前記の第１面 に形成される層の機構的特性と調和する特性を持つ追加層と、コアの両面（コア の第１面もその反対の面も）に配置されても良い。更に、磁場を遮蔽するため、 及び発熱構造体を形成するのに使用するいろいろな層の熱膨張係数と調和させる ために強磁性層として１層を含んでも良い。 図５は、コア層５０２、３４合金の層５０８、及び３１合金の層５１０を含む 対称形状を持つ発熱構造体の一例の実施の形態を示している。３４合金の第２層 ５０４及び３１合金の第２の層５０６が、コア層５０２の反対面に対称的に配置 されている。伝導性で、非磁性コア層（例えば、アルミニウム）は、例えば厚さ ０．０９０インチであるのに対して、３４合金層は、各厚さが０．０１５インチ 、そして３１合金は各々厚さ０．０１８インチであってもよい。周波数３３Ｈｚ の定電流源を使用すると、電流が高温側の３４合金に入る前では、６オーム：２ オームの反射抵抗比の、比較的低温の３１合金内部で高反射抵抗から低反射抵抗 への切り替えの大部分が発生するのに十分なほど表皮厚が小さくなる。 前記の実施の形態では比較的平らな構造体に関して説明してきたが、本発明は 、前述のはんだごてを含むあらゆる構造体に適用できることを当業者は理解でき るであろう。本発明はまた、円筒形の実施の形態にも適用可能であって、例えば 、コアが磁性材料の円筒形の層で積層されたワイヤとして形成されたものでもよ く、これら磁性体の数はいくつでも良い。当業者には、本発明を実施するのに重 要な点は、特定の形状ではなくて、種々のキュリー温度を持つ磁性材料の多層体 を電流が流れることにより実現される点にあることが理解されるであろう。 図６ａ及び６ｂは、本発明の実施の形態による二重温度動作（dual temperatu re operation）を示している。電源の周波数が低く、表皮厚が大きく、そして低 温（例えば華氏２００度）では、大抵のスイッチングは３１合金の低温層で起こ る。しかしながら、発熱構造体がエネルギーと熱の吸収を続ける間は、低い方の 周波数（即ち、大きい方の表皮厚）は３４合金層を避けてアルミニウムコアへ入 り、３４合金層の、より高温の華氏３８０度のキュリー温度にスイッチングされ る。 本実施の形態によると、制御器を多重温度型発熱構造体に合わせて、Ｒsetpoi nt、Ｉconstant及び発熱構造体を安定化させるように電力を調節して、多重温度 での正確な温度制御ができる。経験的に得られたデータを使って共振周波数を中 間周波数と合わせることができる。例えば、周波数ｆ0が３３ｋＨｚとなるよう にキャパシタンスとインダクタンスを設定することにより、或る与えられの温度 に対して一定の電流のもとで、３３ｋＨｚから最高６０〜８０ｋＨｚの範囲まで の掃引（sweep）を実施できる。より高温の３４合金の場合には、３３ｋＨｚか ら最低１５ｋＨｚまでの掃引を実施できる。従って、外側の３１合金層からの衝 撃は阻止され（即ち、大きい表皮厚）、一方、低温の３１合金では、３３ｋＨｚ 〜７０ｋＨｚまでの掃引は表皮厚を小さく保ち、３４合金層の場合とは異なった ものになる。 前記のように電源の周波数を修正することにより、２層のキュリー温度の各々 を独立で選択できる。例示の実施の形態では、このことは最終反射抵抗をサーチ 及び探索して求め、そして電力を低温のキュリー点材料を捕捉できるのに十分小 さくしたままにすることにより達成することができる。 ２個又はそれ以上の全く別個の温度で特性を切り替えることができる発熱構造 体を説明してきたが、以下では発熱構造体を制御して複数の動作点の１つを選択 するための電源回路の一例を説明する。例示の実施の形態では、電源は、電力、 電流及び反射抵抗を独立で制御することができる。通常の動作のもとでは、電源 は、最大電力か、又はその近傍で定電流モードを開始する。反射抵抗がキュリー 温度以下で比較的平坦（即ち、安定）である場合、その時の電流は最大電流より も僅かに低く設定され、最大電力よりもわずかに低い電力となる。ここで最大電 力Ｐmax＝（Ｉの２乗）×Ｒmaxで求められ、式中Ｒmaxは最大反射抵抗であり、 Ｉは一定である。一旦、電源が最大電流で動作すると、キュリー温度に達してＲ が小さくなり始め、電力が低下し始める。この領域では、反射抵抗は予め定めら れた値Ｒsetpointと同等である。このＲsetpointの値が高い場合、この値で制御 するのに必要な電流はほぼＩconstantである。しかしながら、Ｒsetpointが充分 低い値に選ばれる場合、低下した電力がこの低下した抵抗値で熱平衡を維持する のに必要な最小電力に合致するまで、電流が減り続ける。 図７は、本発明に係る例示のプレート構造体で使用される二重温度制御システ ムのブロック図を示している。本実施の形態では、図７の回路は、例えば１０ｋ Ｈｚ〜１００ｋＨｚ、又はそれ以上の周波数範囲で作動する低周波数共振コンバ ータである。 図７の回路は全体を７００で表示されていて、単相又は三相交流入力ライン７ ０２を含む。入力ＡＣ電力は、入力ＡＣ回路と電磁波障害（ＥＭＩ）濾過器７０ ４に印加される。ＡＣ回路と濾過器７０４からの出力は、ＤＣブリッジ整流器７ ０６に印加される。図７の例では、ＤＣブリッジ整流器は単相又は三相入力を有 しても良い。コンデンサ７０８は、ＤＣブリッジ整流器７０６の出力に並列に接 続され、コンデンサ両端の電圧は、出力電力ステージ７１０に印加される。別の 実施の形態では、共振周波数を少なくするために、コンデンサ（例えば１マイク ロファラッドのコンデンサ）を、２分の１のブリッジ回路ごとに並列に付加して も良い。 出力電力ステージ７１０は、負荷電流Ｉloadを、図７の回路の負荷を構成する 発熱構造体に印加するためのスイッチ回路である。発熱構造体によって表される 出力負荷は、図１〜図６を参照して前述したプレート構造体でもよいし、或いは あらゆる所望の形状（例えば、円筒形、円錐形、等）であっても良い。例示の実 施の形態では、積層型プレート構造体の出力負荷は、キャパシタンス７１４（Ｃ Eと表示）、インダクタンス７１６（ＬEと表示）、及び反射抵抗７１８（Rrefle ctedと表示）を含んで示される出力共振回路７１２によって表される。 ＣTで表されている変圧器７２０は、発熱構造体の出力負荷に結合されて、電 流制御手段へのフィードバックを提供する。この電流制御手段は出力電力ステー ジ７１０を含む。更に、この電流制御手段は電圧型発振器７２２、及び出力電力 ステージ７１０を駆動するための、ドライバーステージ７２４で表わされた増幅 器を含む。保護及び起動回路７２６を各々電圧制御型発振器及びドライバーステ ージ用に設けても良い。 この変圧器７２０からの出力電流は、電力検出手段７３０に印加される。電力 検出手段７３０は、検出電流の平方を計算することにより電力をモニタするため の手段を表し、（Ｉloadの２乗）で示されたブロック７３２を含む。更に、電力 検出手段は、負荷を決めるためにＰ／（Ｉloadの２乗）で表わされた電力検出ブ ロック７３４も含む。この電力検出手段は、電力を電力検出ブロックへ供給する 、７３６で表わされた電力入力も含み、そして中程度の精度の入力ＡＣ電力又は 出力負荷電力の真の値を入力できる。 ７３８で表わされた等価抵抗回路は、検出された電力を受取り、オペレータ制 御型温度設定スイッチ７４２に応じて調節される。温度設定スイッチ７４２によ り、オペレータは接点７４４により第１設温度定Ｔ1、又は温度設定７４６によ り抵抗Ｒ2に対応する設定温度Ｔ2を選択できる。この等価抵抗回路７３８からの 出力を電圧制御型発振器７２２に印加して、この電圧制御型発振器７２２の周波 数出力を調節する。 動作時、発熱構造体により表される非線形負荷は、Ｒreflectedの値で表示す ることができる。この値Ｒreflectedは、例えば前記の図６ａ及び６ｂについて 説明した周波数及び温度の関数と、概ね見なすことができる。特定した複数の例 示の設定値（例えば、Ｔ1又はＴ2）のいずれにおいても一定の温度を維持するに は、反射抵抗Ｒreflectedの値は、使用される負荷の種類、及び曲線Ｒreflected 対温度が調査される方向に基づいて決められる。これらのパラメータが与えられ ると、図７の回路の電圧制御型発振器の周波数を変動させて所望の範囲で出力電 力を制御することができる。負荷の性質により、Ｔ1（この場合、Ｔ1はＴ2より 低い）近傍の範囲内の低い調整比はＴ2に対応する値に比例して得ることができ る。本発明は、本発明の趣旨及び本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の 形で実施できることを当業者は理解できるだろう。従って、今まで説明した実施 の形態は全て例示と見なされ、限定されるものではない。本発明の範囲は、今ま での説明ではなく、付属の請求の範囲により示され、そして本発明の意味及び範 囲及び等価の範囲内で発想される全ての変形物も本発明の中に含まれる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年８月４日 【補正内容】 請求の範囲 （１）定電流を発生する定電流発生手段と、 前記定電流発生手段に応じて複数の比較的一定温度の任意の１つで発熱する発 熱手段とを有し、 前記発熱手段は、少なくとも１つの電気伝導性で、非磁性材料を有するコアと 、 少なくとも２層の磁性材料であって、前記少なくとも２層の内の第１層が第１ キュリー温度を有し、そして前記少なくとも２層の内の第２層が前記第１キュリ ー温度と異なる第２キュリー温度を有し、前記コアは前記第１層及び前記第２層 とともに協動するように配置され、前記第１キュリー温度及び前記第２キュリー 温度のうちから選択される温度で発熱することを特徴とする発熱装置。 （２）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は、更に、 前記発熱手段の動作点を検出する検出手段と、 前記定電流発生手段を制御して前記動作点での動作を維持する手段と、 前記定電流発生手段を選択的に調節して前記動作点を変更する調節手段とを有 することを特徴とする。 （３）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記調節手段は更に、前記第１キュリー温度に対応する第１動作点と前記第２ キュリー温度に対応する第２動作点とを選択するスイッチを含むことを特徴とす る。 （４）請求項３に記載の発熱装置であって、 前記検出手段は更に、材料の抵抗の関数として動作点を検出する手段を含むこ とも特徴とする。 （５）請求項３に記載の発熱装置であって、 前記検出手段は更に、前記定電流発生手段から電源の関数として動作点を検出 する手段を含むことを特徴とする。 （６）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記コアが銅で形成され、前記少なくとも２層の内の前記第１層が前記第１キ ュリー温度を有する第１合金で形成され、前記少なくとも２層の内の前記第２層 が前記第１合金とは異なり、かつ前記第２キュリー温度を有する第２合金で形成 されることを特徴とする。 （７）請求項６に記載の発熱装置であって、更に、 前記少なくとも２層の内の前記第１層が３４合金で形成され、 前記少なくとも２層の内の前記第２層が３１合金で形成されことを特徴とする 。 （８）請求項６に記載の発熱装置であって、 前記コアが円筒形状を成し、前記少なくとも２層が前記コアの周りに同心で形 成されることを特徴とする。 （９）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は、更に 前記定電流の周波数を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２前記第２キ ュリー温度の内の１つで選択的に発熱させるためのスイッチ比を選択することを 特徴とする。 （１０）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記定電流のパルス幅を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２キュリー 温度の内の１つで選択的に発熱させるためのスイッチ比を選択することを特徴と する。 （１１）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記コアは更に、第１及び第２面と、前記磁性コアの前記第１面に配置されて いる前記少なくとも２層の磁性材料の両方を含むことを特徴とする。 （１２）請求項１１に記載の発熱装置であって、更に 前記磁性コアの第２面に配置される少なくとも２つの追加層の磁性材料を有し 、前記少なくとも２つの追加層は前記第１面に配置される前記少なくとも２層の 特性と調和する特性を有することを特徴とする。 （１３）少なくとも第１の面を有し、少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材と 、 前記第１面に配置される少なくとも２層の磁性材とを有し、 前記少なくとも２層の内の第１層は第１キュリー温度を有し、前記少なくとも ２層の内の第２層は前記第１キュリー温度とは異なる第２キュリー温度を有し、 前記少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材は、前記第１層及び前記第２層と協 動するように配置され、前記第１キュリー温度及び前記第２キュリー温度のうち から選択される温度で発熱することを特徴とする構造体として形成された発熱体 。 （１４）請求項１３に記載の装置であって、更に、 前記少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材は銅で形成され、 前記少なくとも２層の内の前記第１層が第１キュリー温度を有する第１合金で 形成され、前記少なくとも２層の内の前記第２層が前記第１合金とは異なり、か つ前記第２キュリー温度を有する第２合金で形成されることを特徴とする。 （１５）請求項１４に記載の装置であって、更に、 前記少なくとも２層の内の前記第１層は３４合金で形成され、前記少なくとも ２層の内の前記第２層が３１合金で形成されることを特徴とする。 （１６）請求項１５に記載の装置であって、更に、 前記コアが円筒形状を成し、前記少なくとも２層が前記コアの周りに同心で形 成されることを特徴とする。 （１７）複数の比較的一定温度の内の任意の動作点で選択的に発熱し、前記動作 点の各々は、前記複数の一定の温度動作点の１つに対応するキュリー温度を有す る個別の材料により生成する発熱手段と、 前記発熱手段の電気的特性に応じて前記動作点の１つにおいて前記発熱手段を 制御する制御手段と、 を有することを特徴とする熱を発生する装置。 （１８）請求項１７に記載の装置であって、 前記制御手段は更に、一定電流を発生する定電流発生手段を含み、前記電気的 特性は材料抵抗の関数であることを特徴とする。 （１９）請求項１８に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記発熱手段の動作点を検出する手段と、 前記定電流発生手段を制御して前記動作点で動作を維持する手段と、 前記定電流発生手段を調節して前記動作点を変更する調節手段とを含むこと を特徴とする。 （２０）請求項１９に記載の装置であって、 前記調節手段は更に、前記第１キュリー温度に対応する第１動作点と、前記第 ２キュリー温度に対応する第２動作点とを選択するスイッチを含むことを特徴と する。 （２１）請求項２０に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記定電流の周波数を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２キュリー温 度のうちの１つでの選択的に発熱させるスイッチ比を選択することを特徴とする 。 （２２）請求項２０に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、前記定電流のパルス幅を変更して、前記第１キュ リー温度と前記第２キュリー温度のうちの１つで選択的に発熱させるスイッチ比 を選択することを特徴とする。 （２３）熱を発生する方法であって、 多層構造の複数の比較的一定温度の動作点の任意の１で選択的に発熱し、前記 動作点の各々は、前記多層構造の複数の一定温度の動作点の１つに対応するキュ リー温度を有する個別の材料により作り出される工程と、 前記発熱工程における電気的特性に応じて前記動作点の１つで前記個別のキュ リー温度材料を制御する工程と、 を有することを特徴とする熱を発生する方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）定電流を発生する定電流発生手段と、 前記定電流発生手段に応じて複数の比較的一定温度の任意の１つで発熱する発 熱手段とを有し、 前記発熱手段は、少なくとも１つの電気伝導性で、非磁性材料を有するコアと 、 少なくとも２層の磁性材料であって、前記少なくとも２層の内の第１層が第１ キュリー温度を有し、そして前記少なくとも２層の内の第２層が前記第１キュリ ー温度と異なる第２キュリー温度を有し、前記コアは前記第１層及び前記第２層 とともに協動するように配置され、前記第１キュリー温度及び前記第２キュリー 温度のうちから選択される温度で発熱することを特徴とする発熱装置。 （２）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は、更に、 前記発熱手段の動作点を検出する検出手段と、 前記定電流発生手段を制御して前記動作点での動作を維持する手段と、 前記定電流発生手段を選択的に調節して前記動作点を変更する調節手段とを有 することを特徴とする。 （３）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記調節手段は更に、前記第１キュリー温度に対応する第１動作点と前記第２ キュリー温度に対応する第２動作点とを選択するスイッチを含むことを特徴とす る。 （４）請求項３に記載の発熱装置であって、 前記検出手段は更に、材料の抵抗の関数として動作点を検出する手段を含むこ とも特徴とする。 （５）請求項３に記載の発熱装置であって、 前記検出手段は更に、前記定電流発生手段から電源の関数として動作点を検出 する手段を含むことを特徴とする。 （６）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記コアが銅で形成され、前記少なくとも２層の内の前記第１層が前記第１キ ュリー温度を有する第１合金で形成され、前記少なくとも２層の内の前記第２層 が前記第１合金とは異なり、かつ前記第２キュリー温度を有する第２合金で形成 されることを特徴とする。 （７）請求項６に記載の発熱装置であって、更に、 前記少なくとも２層の内の前記第１層が３４合金で形成され、 前記少なくとも２層の内の前記第２層が３１合金で形成されことを特徴とする 。 （８）請求項６に記載の発熱装置であって、 前記コアが円筒形状を成し、前記少なくとも２層が前記コアの周りに同心で形 成されることを特徴とする。 （９）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は、更に 前記定電流の周波数を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２前記第２キ ュリー温度の内の１つで選択的に発熱させるためのスイッチ比を選択することを 特徴とする。 （１０）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記定電流のパルス幅を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２前記第２ キュリー温度の内の１つで選択的に発熱させるためのスイッチ比を選択すること を特徴とする。 （１１）請求項１に記載の発熱装置であって、 前記コアは更に、第１及び第２面と、前記磁性コアの前記第１面に配置されて いる前記少なくとも２層の磁性材料の両方を含むことを特徴とする。 （１２）請求項１１に記載の発熱装置であって、更に 前記磁性コアの第２面に配置される少なくとも２つの追加層の磁性材料を有し 、前記少なくとも２つの追加層は前記第１面に配置される前記少なくとも２層の 特性と調和する特性を有することを特徴とする。 （１３）少なくとも第１の面を有し、少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材料 と、 前記第１面に配置される少なくとも２層の磁性材料とを有し、 前記少なくとも２層の内の第１層は第１キュリー温度を有し、前記少なくとも ２層の内の第２層は前記第１キュリー温度とは異なる第２キュリー温度を有し、 前記少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材料は、前記第１層及び前記第２層と 協動するように配置され、前記第１キュリー温度及び前記第２キュリー温度のう ちから選択される温度で発熱することを特徴とする構造体として形成された発熱 体。 （１４）請求項１３に記載の装置であって、更に、 前記少なくとも１つの電気伝導性で非磁性材料は銅で形成され、 前記少なくとも２層の内の前記第１層が第１キュリー温度を有する第１合金で 形成され、前記少なくとも２層の内の前記第２層が前記第１合金とは異なり、か つ前記第２キュリー温度を有する第２合金で形成されることを特徴とする。 （１５）請求項１４に記載の装置であって、更に、 前記少なくとも２層の内の前記第１層は３４合金で形成され、前記少なくとも ２層の内の前記第２層が３１合金で形成されることを特徴とする。 （１６）請求項１５に記載の装置であって、更に、 前記コアが円筒形状を成し、前記少なくとも２層が前記コアの周りに同心で形 成されることを特徴とする。 （１７）複数の比較的一定温度の内の任意の動作点で選択的に発熱し、前記動作 点の各々は、前記複数の一定の温度動作点の１つに対応するキュリー温度を有す る個別の材料により生成する発熱手段と、 前記発熱手段の電気的特性に応じて前記動作点の１つにおいて前記発熱手段を 制御する制御手段と、 を有することを特徴とする熱を発生する装置。 （１８）請求項１７に記載の装置であって、 前記制御手段は更に、一定電流を発生する定電流発生手段を含み、前記電気的 特性は材料抵抗の関数であることを特徴とする。 （１９）請求項１８に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記発熱手段の動作点を検出する手段と、 前記定電流発生手段を制御して前記動作点で動作を維持する手段と、 前記定電流発生手段を調節して前記動作点を変更する調節手段とを含むこと を特徴とする。 （２０）請求項１９に記載の装置であって、 前記調節手段は更に、前記第１キュリー温度に対応する第１動作点と、前記第 ２キュリー温度に対応する第２動作点とを選択するスイッチを含むことを特徴と する。 （２１）請求項２０に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、 前記定電流の周波数を変更して、前記第１キュリー温度と前記第２キュリー温 度のうちの１つでの選択的に発熱させるスイッチ比を選択することを特徴とする 。 （２２）請求項２０に記載の装置であって、 前記定電流発生手段は更に、前記定電流のパルス幅を変更して、前記第１キュ リー温度と前記第２キュリー温度のうちの１つで選択的に発熱させるスイッチ比 を選択することを特徴とする。 （２３）熱を発生する方法であって、 複数の比較的一定温度の動作点の任意の１で選択的に発熱し、前記動作点の各 々は前記複数の一定温度の動作点の１つに対応するキュリー温度を有する個別の 材料により作り出される工程と、 前記発熱工程における電気的特性に応じて前記動作点の１つで前記個別のキュ リー温度材料を制御する工程と、 を有することを特徴とする熱を発生する方法。