(57)【要約】  本発明の１つの態様に係る電気熱変換器は、導電材料からなる誘導コイルと、磁性を有する金属からなり、誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠と、誘導コイルに高周波電流を供給して、被加熱体を介して流路内の流体を加熱することを特徴とする。このように、誘導コイルに高周波電流を供給すると被加熱体が加熱され、被加熱体が流路を流れる流体と直接的に接しているので、被加熱体を介して流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。
2008129663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料からなる誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、
前記被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠と、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項２】
前記被加熱体は、前記誘導コイルを挟持する一対の金属板からなり、前記流路に沿って実質的に平行に延びることを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項３】
前記誘導コイルは、基板上にパターン形成された導電層を有することを特徴とする請求項２に記載の電気熱変換器。
【請求項４】
前記誘導コイルは、隣接する一対の前記被加熱体の間において、該被加熱体の中心軸の周りに捲回された絶縁被膜導電線を有することを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項５】
隣接する一対の前記被加熱体が支柱を介して接続され、
前記誘導コイルは、前記支柱の周りに捲回された絶縁被膜導電線を有することを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項６】
前記支柱は、非磁性体材料で形成されることを特徴とする請求項５に記載の電気熱変換器。
【請求項７】
前記被加熱体は、前記誘導コイルを包囲するように筒状に成形されることを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項８】
導電材料からなる誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された、内部に流路を有する少なくとも１つの中空の被加熱体とを備え、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項９】
前記被加熱体は、流路に沿って実質的に平行に延びる少なくとも１つの平坦な外側表面を有し、
前記誘導コイルは、前記被加熱体の前記外側表面に実質的に垂直に延びる支柱と、これに捲回された絶縁被膜導電線とを有することを特徴とする請求項８に記載の電気熱変換器。
【請求項１０】
前記支柱を貫通して延びる貫通固定具をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の電気熱変換器。
【請求項１１】
前記被加熱体は、前記流路に沿って実質的に平行に延びる内側表面を有することを特徴とする請求項８に記載の電気熱変換器。
【請求項１２】
前記被加熱体は、前記流路に沿って実質的に平行に延びる外側表面を有し、
前記誘導コイルは、前記被加熱体の前記外側表面の周りを捲回するように形成されたことを特徴とする請求項８に記載の電気熱変換器。
【請求項１３】
互いに隣接する少なくとも２組の前記被加熱体および前記誘導コイルを有し、
前記被加熱体の外側表面の周りに捲回された前記誘導コイルの捲回方向が互いに異なることを特徴とする請求項１２に記載の電気熱変換器。
【請求項１４】
前記誘導コイルに隣接し、これを包囲するように配設された中空の導体を有することを特徴とする請求項１２に記載の電気熱変換器。
【請求項１５】
前記被加熱体は、前記流路を構成する面が前記流路に対して実質的に垂直な方向の断面において凹凸を有することを特徴とする請求項１または８に記載の電気熱変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換器は、炊飯器やヘアードライアなどの一般的な家電機器をはじめ、電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生電気エネルギを熱エネルギに変換して、余剰熱を周辺空気に放熱する抵抗器などの産業機器を含め、さまざまな用途において利用されている。中でも抵抗器は、これを含む周辺機器が異常に高温にならないように、余分な電気エネルギによる余剰熱をできるだけ速やかに周辺空気に放熱することが望まれている。そのため抵抗器には放熱フィンが取り付けられ、周辺空気への放熱効果（熱伝達効果）を改善しようとするものもある。一方、電気エネルギを変換して得られた熱（例えば温風）を積極的に利用するために、こうした電気熱変換器あるいは加熱装置を用いることが可能であるが、この場合には、より少ない電気エネルギでより大容量またはより高温の空気が得られることが好ましい。いずれにしても抵抗器は、電気エネルギを熱エネルギに効率よく、かつ迅速に変換することが期待される。【０００３】
例えば特許文献１に開示された従来式の電磁誘導加熱装置は、送風機と加熱装置本体とを備え、加熱装置本体は、円筒状の絶縁体カラムと、その外周面に捲回されたコイルと、絶縁体カラムの内部に組み込まれた積層充填体とを有し、コイルに高周波電流を流すことにより積層充填体を発熱させ、積層充填体内を通過する気体を加熱する。【０００４】
また特許文献２に記載のガス体昇温装置は、非磁性体で耐熱性に優れたセラミックス製パイプと、その内部通路に配置された複数の発熱体と、パイプの外周に設けられたコイルと、コイルに高周波電流を流して発熱体を加熱する高周波電源とを備える。
【特許文献１】特開平９−１６７６７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２３３２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のとおり、特許文献１の加熱装置本体のコイルは、非金属の絶縁体カラムを介して積層充填体の周りに配設され、同様に、特許文献２に記載のガス体昇温装置のコイルも、非金属のセラミックス製パイプを介して発熱体の周りに配設されている。すなわち、コイルと積層充填体または発熱体は、実質的に離間し、かつその間には非金属（非磁性材料）の絶縁体カラムまたはセラミックス製パイプが介在している。その結果、コイルの漏れ磁束が大きくなり、積層充填体または発熱体を効率的に加熱することができない。とりわけ、特許文献２に記載されているように、電気比抵抗が大きく（２４００μΩｃｍ）、透磁率が小さい材料を用いて発熱体を形成したとき、コイルの漏れ磁束は極めて大きく、電気エネルギから熱エネルギへの変換効率は著しく低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様に係る電気熱変換器は、導電材料からなる誘導コイルと、磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、前記被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠と、誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して流路内の流体を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の１つの態様に係る電気熱変換器によれば、誘導コイルに高周波電流を供給すると被加熱体が加熱され、被加熱体は流路を流れる流体と直接的に接しているので、被加熱体を介して流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施の形態１の電気熱変換器の具体的構造を示す斜視図である。
【図２】図１の破線で示した一部を拡大した拡大斜視図である。
【図３】実施の形態１の電気熱変換器の回路配線図である。
【図４】（ａ）は実施の形態１の電気熱変換器の具体的構造を示す斜視図、（ｂ）はその正面図、および（ｃ）は図４（ｂ）のVC-VC線から見た断面図である。
【図５】加熱コイルに高周波電流を供給する電流供給回路の回路図である。
【図６】加熱コイルに供給される交流電流を示す波形図である。
【図７】実施の形態２の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図８】図７に示す電気熱変換器の１つのヒータセルの分解図である。
【図９】図７と同様の断面図であって、導電線が２重に捲回されている。
【図１０】図８と同様の分解図であって、導電線が２重に捲回されている。
【図１１】実施の形態３の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図１２】図１１に示す電気熱変換器の１つのヒータセルの分解図である。
【図１３】実施の形態３の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１４】実施の形態４の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図１５】図１４に示す電気熱変換器の一部を示す分解図である。
【図１６】実施の形態４の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１７】実施の形態４の別の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１８】実施の形態５の電気熱変換器の斜視図である。
【図１９】実施の形態５の変形例による電気熱変換器の斜視図である。
【図２０】実施の形態５の別の変形例による電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図２１】図２０に示す電気熱変換器の一部破断斜視図である。
【図２２】実施の形態１〜５の変形例による金属板および金属管のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図２３】ＩＨ電力比率と、ステンレス板の温度および空気流の温度上昇との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０００９】
１０：外枠，１２：開口部，１４：ヒータセル，１６：配線板，１７：配線端子，１８：外部端子，２０：加熱コイル（誘導コイル），２２：端子，２３：基板，２４：金属薄膜（導電層），２５：ポリプロピレン樹脂膜，２６：ガラスエポキシ樹脂膜，２７：貫通孔，２８：端子，３０：金属板（被加熱体），３１：ＩＧＢＴ素子，３２：ＦＷＤ素子，３３：ゲート制御信号，３４：電源，３６：整流回路，３８：金属管（被加熱体），４０：流路，４２：絶縁被膜導電線，４４：支柱，５０：中空の金属管（被加熱体），５２：平坦面，５４：貫通固定具，５５：固定手段，５６：スペーサ，６０：金属管（中空の導体）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明に係る電気熱変換器の実施形態を説明する。以下の実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、「Ｚ方向」、「上方」または「下方」など）を適宜用いるが、これらは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。また、各添付図面において、同様の構成部品は同様の参照符号を用いて図示されている。【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の電気熱変換器１の斜視図であり、図２は、図１の破線で示した一部を拡大した斜視図である。電気熱変換器１は、図１に示すように、Ｚ方向に貫通する開口部１２を有する外枠１０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された複数（図１では１５個の）のヒータセル１４とを有する。各ヒータセル１４は、図２に示すように、加熱コイル（誘導コイル）２０と、これを挟持する一対の金属板（被加熱体）３０とからなる。図２は、最も右側に示したヒータセル１４の右側の金属板３０を省略して図示している。このとき、隣接するヒータセル１４の金属板３０と外枠１０（図２では図示せず）との間に、Ｚ方向に延びる複数の流路４０が形成されている。【００１２】
加熱コイル２０は、任意の導電性材料で構成されるが、金属板３０とは電気的に絶縁されている。隣接する３つのヒータセル１４の加熱コイル２０は並列に接続されており、図２の一方の端子２２ａは、図１に示す外枠１０上に取り付けられた配線板１６の上方にある配線端子１７ａに接続され、他方の端子２２ｂは、配線板１６の下方にある配線端子１７ｂに接続されている。また、配線板１６の複数の配線端子１７ａ，１７ｂは直列に接続されており、電気熱変換器１は、図３の回路図ように並列に接続された３つの加熱コイル２０からなる組を、５組直列にして配線され、外部端子１８ａ，１８ｂを介して適当な高周波電流供給回路（図示せず）に電気的に接続されている。【００１３】
このように構成された電気熱変換器１において、電源から電流供給回路を介して、高周波電流が加熱コイル２０に供給され、加熱コイル２０は、高周波電流により交流磁場を形成する。金属板３０は、交流磁場により誘起された渦電流を生じ、発熱する。発熱した金属板３０は、金属板３０は流路４０内の空気などの流体と直接的に接しているので、流路４０内にある流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。また送風機などのフロー形成器（図示せず）を用いて、流体を流路４０に沿ってＺ方向に流し、加熱された流体を電気熱変換器１の外部へ順次排出するように構成してもよい。このとき、流体の流れを極力妨げないように、各流路４０の幅（隣接するヒータセル１４の間隔）は、約１ｍｍ〜５ｍｍ、好適には約３ｍｍとなるように設計されている。【００１４】
上記電源が電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生エネルギ電源である場合、本発明に係る電気熱変換器１は、余分な電気エネルギを極めて迅速かつ効率的に熱エネルギに変換できる抵抗器として利用することができる。また、上記電源が家庭用電源であって、熱エネルギを得るための家電機器に電気熱変換器１を組み込む場合、電気エネルギを有効に活用し、電流供給回路の制御により機敏に反応して熱エネルギを生成できる加熱装置として電気熱変換器１を用いることができる。【００１５】
とりわけ実施の形態１の加熱コイル２０は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ガラスエポキシ樹脂からなる基板２３と、その上に銅などの金属からなる渦巻状にパターン形成された薄膜（導電層）２４とを有する。また加熱コイル２０は、金属板３０から電気的に絶縁し、熱的に保護するために、金属薄膜２４上にポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６を有する（図４（ｃ））。なお、金属薄膜２３、ポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６は、基板２３の両面上に形成され、加熱コイル２０を挟持する一対の金属板３０を効率的に加熱することが好ましい（ポリプロピレン樹脂膜２５は図面を理解しやすくするためにハッチングを省略した。）。このとき図４（ｃ）において、基板２３の両面に設けられた金属薄膜２４が互いに電気的に接続されるように、基板２３および金属薄膜２４の中心付近において、金属めっき加工された貫通孔２７が設けられている。こうして電流は、基板２３の表面側に設けた端子２８ａから金属薄膜２４、貫通孔２７、裏面側の金属薄膜２４および端子２８ｂを流れる。なお、基板２３の両面に設けられた金属薄膜２４は、形成される磁界の方向を一致させるために、その渦巻方向が互いに逆方向（時計方向および反時計方向）となるようにパターン形成されている。【００１６】
なお、これに限定するものではないが、金属板３０の寸法は６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍであってもよく、加熱コイル２０の基板２３、金属薄膜２４、ポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６の厚みは、それぞれ４００μｍ、１０５μｍ、１００μｍおよび１００μｍであってもよい。【００１７】
また金属板３０を構成する材料は、加熱コイル２０により加熱されるものであれば任意の材料であってもよいが、ステンレス板であることが好ましく、中でもＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）規格で規定されたステンレス鋼板ＳＵＳ４３０は、腐食しにくく、透磁率が高く、しかも安価であるので特に好ましい。金属板３０は、他にも鉄板や珪素鋼板、ニッケル板、パーマロイ板などであってもよく、鉄板や珪素鋼板は安価で透磁率が高いため有用であるが、腐食しやすいので、適宜、熱伝導率が大きく非腐食性の金属をめっき処理するか、あるいは塗装処理するなどして表面処理することが好ましい。【００１８】
表面処理を行った場合、電磁誘導加熱によって発熱する鉄板などの金属板３０は、流路４０を通る流体に直接的に接しないことになるが、金属めっきまたは塗装の膜厚が十分薄ければ、熱伝導性に悪影響を与えることはない。同様に、熱伝導の小さい樹脂を鉄板などの金属板３０に被膜してもよい。また金属板３０は、非磁性のステンレス板や銅板、アルミニウム板など非磁性の金属でもよく、非磁性材料の場合であっても周波数を高くするなど駆動条件を適宜調整することにより加熱することができる。【００１９】
図５は、加熱コイル２０に高周波電流を供給するための電流供給回路の回路図である。加熱コイル２０は、直列に接続されたインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓの等価回路で表され、図５の破線で囲んだ部分に相当する。なお、上述のように、電気熱変換器１は複数の加熱コイル２０を用いて構成してもよく、上記インダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓは、電気熱変換器１の複数の加熱コイル２０の全体のインダクタンスおよび抵抗を表すものとする。そして加熱コイル２０は、これに並列に接続されたキャパシタＣ１とともにＬＣ共振回路を構成し、互いに逆方向に並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子３１およびＦＷＤ（Free Wheel Diode）素子３２と直列に接続されている。通常の家庭用電源３４（交流電圧：１００Ｖまたは２００Ｖ）からの電流がダイオードブリッジなどの整流回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）３６で直流電流に整流され、直流電流がキャパシタＣ２により平滑化される。加熱コイル２０に供給される直流電流は必ずしも平滑化される必要はなく、図示しない全波整流または半波整流された電源あるいは直流電源から直接、加熱コイル２０に電源供給してもよい。【００２０】
ＩＧＢＴ素子３１は、電流供給回路からの矩形波のゲート制御信号３３によりＯＮ−ＯＦＦスイッチングする。ＩＧＢＴ素子３１がＯＮ状態のとき、整流回路３６およびキャパシタＣ２からの直流電流は、加熱コイル２０に供給され、すなわちインダクタンスＬｓ、抵抗ＲｓおよびＩＧＢＴ素子３１を流れる。ＩＧＢＴ素子３１がＯＦＦ状態になったとき、インダクタンスＬｓは電流を流し続けようとするので、キャパシタＣ１を含む閉ループに電流が流れ、キャパシタＣ１を充電する。そしてキャパシタＣ１の電圧が上昇し、インダクタンスＬｓを流れる電流が減少し、やがてキャパシタＣ１からの放電電流がインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓに逆方向に流れる。その後再び、ＩＧＢＴ素子３１がＯＮ状態に切り換わると、順方向の電流がインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓに流れる。こうしたＩＧＢＴ素子３１のスイッチング動作を反復させることにより、図６に示すような鋸歯状の交流電流を加熱コイル２０に流すことができる。上述のとおり、加熱コイル２０は、制御回路５を介して高周波電流が供給されると、交流電流を受けて高周波磁界を形成し、金属板３０は、高周波磁界により内部で生じた渦電流により発熱する。発熱した金属板３０は、加熱すべき流路４０内の流体に直に接しているので、極めて有効に、かつ応答性よく流体を加熱することができる。【００２１】
ＩＧＢＴ素子３１に入力される駆動信号は、使用される加熱コイル２０のインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓや、キャパシタＣ１の静電容量、発振周波数、電源電圧、期待される電気熱変換器１の出力熱量および回路構成などに基づいて適宜調整することができる。換言すると、期待される電気熱変換器１の出力熱量に応じて、ＩＧＢＴ素子３１の駆動条件を調整することができる。例えば、図３に示すように隣接する３つの加熱コイル２０を並列接続した組を５組直列に接続して構成された電気熱変換器１において、各加熱コイル２０のインダクタンスＬｓが３３μＨ、抵抗Ｒｓが３ｍΩ、キャパシタＣ１の静電容量が０．３μＦ、発振周波数が２０ｋＨｚ（周期５０μｓ）、ＩＧＢＴ素子３１に入力される駆動信号のＯＮ時間が３７μｓで、ＯＦＦ時間が１３μｓで、電源電圧が１００Ｖであるとき、約１ｋＷの消費電力（出力熱量）を得ることができる。電気熱変換器１で消費される電力は、整流回路３６から出力される直流電圧を制御することにより調整することができるが、好適にはＩＧＢＴ素子３１のＯＦＦ時間を固定して、ＯＮ時間を調整することにより容易に制御することができる。【００２２】
なお、電気熱変換器１の駆動回路は、これに限定されるものではなく、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路を用いたものでもよく、各種誘導加熱装置で用いられている駆動回路を用いることができる。【００２３】
実施の形態２．
図７〜図１０を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態２について説明する。実施の形態２の電気熱変換器１は、実施の形態１と同様の構成を有するので、実施の形態１とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。【００２４】
図７は、実施の形態２の電気熱変換器１のＸ−Ｙ平面で切断された断面図であり、図８は、各ヒータセル１４の分解図である。図８に示す電気熱変換器１は、実施の形態１と同様、Ｚ方向に貫通する開口部１２を有する外枠１０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された４つのヒータセル１４とを有する。各ヒータセル１４は、加熱コイル（誘導コイル）２０と、これを挟持する一対の金属板（被加熱体）３０とからなる。各加熱コイル２０は、直列に接続されて、電流供給回路５により駆動される。なお、ヒータセル１４の個数は４つに限定されるものではなく、任意の数のヒータセル１４を直列に接続してもよい。また、実施の形態１のように、複数のヒータセル１４を並列に接続した組を、複数組（例えば５組）直列に接続してもよい。【００２５】
実施の形態２の流路４０は、実施の形態１と同様、隣接するヒータセル１４および枠体１０の間に形成され、隣接するヒータセル１４の間隔は約１ｍｍ〜５ｍｍ、好適には約３ｍｍとなるように構成され、加熱コイル２０は、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に形成されている。【００２６】
しかし実施の形態２の各加熱コイル２０は、実施の形態１とは異なり、図７および図８に示すように、一対の金属板３０の間において、絶縁膜で被膜された導電線４２をヒータセル１４の中心部まで延伸させた後、その周囲を捲回することにより形成される。絶縁膜で被膜された導電線４２は、任意のものを利用することができるが、エナメル線やホルマル線であってもよい。【００２７】
また加熱コイル２０と金属板３０とを確実に絶縁するために、図示しない絶縁シートまたは空間を設けてもよい。さらに金属板３０は、実施の形態１と同様、ステンレスの他、鉄、銅またはアルミニウム等の金属材料を用いて形成してもよい。【００２８】
一般に、本発明に係る電気熱変換器１（ヒータセル１４）で消費される電力は、加熱コイル２０自体から生じるジュール熱（Ｈｃ）と、金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）に変換される。ここで、全ジュール熱（Ｈｃ＋Ｈｍ）に対する金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）の割合｛Ｈｍ／（Ｈｃ＋Ｈｍ）｝をＩＨ電力比率と定義すると、ＩＨ電力比率は、加熱コイル２０の抵抗値（Ｒｃ）と金属板３０の抵抗値（Ｒｍ）で表される抵抗比率｛Ｒｍ／（Ｒｃ＋Ｒｍ）｝に比例する。すなわち、加熱コイル２０自体から生じるジュール熱（Ｈｃ）を極力抑え、金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）を最大化して、流路４０内の流体を効率よく加熱するためには、ＩＨ電力比率または抵抗比率｛Ｒｍ／（Ｒｃ＋Ｒｍ）｝が極力大きくなるように、加熱コイル２０および金属板３０を適宜設計する必要がある。【００２９】
上記のように、加熱コイル２０を絶縁膜で被膜された導電線４２を捲回することにより形成した場合、導電線４２の断面積を容易に大きくして、加熱コイル２０の抵抗値を小さくすることができる。これに対し、実施の形態１による加熱コイル２０の抵抗値を小さくするためには金属薄膜２４を厚く形成する必要があるが、こうした金属薄膜２４は加工しにくい。したがって、実施の形態２による加熱コイル２０は、実施の形態１より簡便な構成を用いて、ＩＨ電力比率を大きくして、より効率的に流路４０内の流体を加熱することができる。例えば、直径約１ｍｍの銅線を２５ターン捲回して加熱コイル２０を作製したとき、加熱コイル２０のＩＨ電力比率は、実施の形態１では７１．９％であったものが、実施の形態２では９８％まで改善することができる。【００３０】
なお、実施の形態２による加熱コイル２０は、Ｙ−Ｚ平面において円形などの任意の平面形状を有していてもよいが、金属板３０の面全体が発熱して、金属板３０と流体の接触面積を最大化するために、金属板３０と同様の平面形状を有することが好ましい。【００３１】
さらに、実施の形態２による加熱コイル２０は、図７および図８では導電線４２を１重に捲回したが、図９および図１０に示すように２重に、あるいはそれ以上に重ねて捲回してもよい。【００３２】
実施の形態３．
図１１〜図１３を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態３について説明する。実施の形態３の電気熱変換器１は、各ヒータセル１４の構成以外は実施の形態２と同様であるので、重複する内容については説明を省略する。【００３３】
図１１は、実施の形態３の電気熱変換器１の断面図であり、図１２は、各ヒータセル１４の分解図であって、それぞれ図７および図８と同様の図である。実施の形態３のヒータセル１４は、実施の形態２とは異なり、一対の金属板３０の間に支柱４４を設け、その周囲に絶縁膜で被膜された導電線４２を捲回することにより構成される。【００３４】
実施の形態３のヒータセル１４で採用された支柱４４は、同一材料を用いて一対の金属板３０と一体に成形してもよく、金属板３０とは別の材料を用いて形成した後、一対の金属板３０に、溶接、ねじ止めまたは接着剤などの任意の接続手段を用いて接続してもよい。このように、実施の形態３のヒータセル１４は、裁縫ミシンで用いられるボビンのような形態を有する。【００３５】
なお、支柱４４が磁性金属からなる場合、加熱コイル２０の交流磁場を受けて支柱４４自体が発熱するが、流路４０を流れる流体に直接的に接していないので、支柱４４の熱の伝達効率は金属板３０より劣る。そこで、加熱コイル２０の交流磁場を受けて、金属板３０がより優先的に発熱するためには、支柱４４は、銅やアルミニウム、樹脂、セラミックなどの非磁性材料で構成されることが好ましい。【００３６】
また実施の形態３の加熱コイル２０は、実施の形態２と同様、Ｙ−Ｚ平面において円形などの任意の平面形状を有していてもよいが、金属板３０の面全体が発熱して、金属板３０と流体の接触面積を最大化するために、金属板３０と同様の平面形状を有するように形成されることが好ましい。そこで、支柱４４に捲回される導電線４２の平面形状が金属板３０と同様（相似形）の平面形状を有するように、支柱４４も金属板３０と同様の平面形状を有するように成形される。【００３７】
ところで上記実施の形態において、外枠１０は、任意の材料を用いて形成することができ、また金属板３０の側端部３７（Ｙ方向の両端部、図１１参照）との間に空間やスペーサを設けてもよいが、外枠１０が非磁性体材料で形成された場合や、金属板３０から実質的に離間している場合、加熱コイル２０で生じた磁束（磁界）は、非磁性体の外枠１０内または空間を通ることができず、漏れ磁束が生じる。このとき、加熱コイル２０が生じる交流磁界により金属板３０が発熱する効率が、漏れ磁束により低減する。そこでヒータセル１４は、一対の金属板３０に代わり、図１３に示すように、磁性材料からなり、加熱コイル２０を包囲するように筒状に一体成形された金属管（被加熱体）３８を有していてもよい。これにより、Ｘ−Ｙ平面における漏れ磁束を抑制して、被加熱体３８のより効率的な発熱を支援することができる。なお、上述の一体成形された中空直方体状の被加熱体３８の代わりに、一対の金属板３０の側端部３７を接続する別体の側壁部（図示せず）を設けて、漏れ磁束を抑制してもよい。【００３８】
実施の形態４．
図１４〜図１６を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態４について説明する。実施の形態４の電気熱変換器１は、実施の形態１と同様の構成を有するので、実施の形態１とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。【００３９】
図１４は、実施の形態４の電気熱変換器１のＸ−Ｙ平面で切断された断面図であり、図１５は、電気熱変換器１の一部を示す分解図である。図１４および図１５に示す電気熱変換器１は、概略、Ｚ方向に貫通して延びる流路４０を有する複数（図１４では５つ）の中空の金属管（被加熱体）５０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された複数（図１４では４つ）の加熱コイル２０とを有する。各加熱コイル２０は、直列に電気的に接続されて、電流供給回路５により駆動される。なお、加熱コイル２０の個数は４つに限定されるものではなく、任意の数の加熱コイル２０を直列に接続してもよい。また実施の形態１および２で示したように、複数の加熱コイル２０を並列に接続したり、並列接続した複数の加熱コイル２０の組を直列に接続したり、あるいは並列接続および直列接続を任意に組み合わせて接続してもよい。このとき、複数の加熱コイル２０により発生する磁場の向きは同一であることが好ましい。また各金属管５０は、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行な平坦面５２を有し、隣接する金属管５０の平坦面５２は、その間に設けられた実施の形態３と同様の支柱４４により連結されている。すなわち、実施の形態４の加熱コイル２０は、実施の形態３と同様、支柱４４の周りに絶縁被膜された導電線４２を捲回することにより形成されている。【００４０】
実施の形態４の電気熱変換器１は、実施の形態１とは異なり、金属管５０の中空空間に流路４０が形成されており、外枠１０を必ずしも必要とせず、省略できるので、電気熱変換器１をより簡便な構成で安価に製造することができる。また、実施の形態１〜３の電気熱変換器１が、それぞれ個別に作製された複数のヒータセル１４を外枠１０内に組み込むことにより製造されるのに対し、実施の形態４の電気熱変換器１は、連結された複数の金属管５０の支柱４４の周りに絶縁被膜された導電線４２を捲回することにより製造されるので、製造が容易で製造コストをよりいっそう削減することができる。【００４１】
こうして構成された電気熱変換器１において、加熱コイル２０に高周波電流が供給されると、磁力線を生じ、金属管５０は、これにより誘起された渦電流が形成されて、発熱する。発熱した金属管５０は、流路４０に流れる流体と直接的に接しているので、流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。【００４２】
また実施の形態４の電気熱変換器１は、図１６に示すように、Ｘ方向に延び、複数の金属管５０および支柱４４を貫通する貫通固定具５４を有していてもよい。貫通固定具５４は、一般的なねじなどの固定手段（ボルト、ナット）５５を用いて構成され、一連の金属管５０に固定される。こうして、電気熱変換器１を機械的に補強するとともに、製造時の組み立て作業性を改善することができる。【００４３】
さらに、実施の形態４の電気熱変換器１の被加熱体は金属管５０であるとして説明したが、図１７に示すように、実施の形態１〜３と同様の一対の金属板３０を用いてもよい。このとき、流体が流れる流路４０内にあって貫通固定具５４の周囲にスペーサ５６を別途設けてもよい。必要ならば、スペーサ５６を非磁性材料で形成し、加熱コイル２０の交流磁場により、貫通固定具５４より金属板３０を優先的に発熱させることができる。【００４４】
実施の形態５．
図１８〜図２２を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態５について説明する。実施の形態５の電気熱変換器１は、実施の形態４と同様の構成を有するので、実施の形態４とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。【００４５】
図１８は、実施の形態５の電気熱変換器１の斜視図である。図１８の電気熱変換器１は、複数（図１８では３つ）のヒータセル１４を有し、各ヒータセル１４は、Ｚ方向に貫通して延びる流路４０を有する中空の金属管（被加熱体）５０と、その外側表面５８の周りに絶縁被膜された導電線４２が捲回された加熱コイル２０とを有する。各ヒータセル１４の導電線４２は、直列に接続されて、電流供給回路により駆動される。なお、ヒータセル１４の個数は３つに限定されるものではなく、任意の数のヒータセル１４を直列に接続してもよい。また複数のヒータセル１４を並列に接続したり、並列接続および直列接続を任意に組み合わせて接続してもよい。なお各金属管５０は、図１８では直方体形状を有するが、円筒形状等の任意の中空形状を有していてもよい。実施の形態５の電気熱変換器１は、実施の形態４と同様、金属管５０の中空空間に流路４０が形成されており、外枠１０を必ずしも必要とせず、省略することもできる。【００４６】
こうして構成された実施の形態５の電気熱変換器１によれば、これまでの実施の形態と同様、加熱コイル２０に高周波電流が供給されると、磁力線を生じ、金属管５０は、これにより誘起された渦電流が形成されて、発熱する。発熱した金属管５０は、流路４０に流れる流体と直接的に接しているので、流路４０内の流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。【００４７】
なお、図１８に示す電気熱変換器１の加熱コイル２０は、上から見て、導電線４２を時計方向に捲回することにより形成されているので、図中の矢印で示した方向に電流が流れているとき、各ヒータセル１４は、下がＮ極で上がＳ極の磁性極を有する。しかし、隣接するヒータセル１４の磁束が互いに干渉することを回避するために、隣接するヒータセル１４の磁性極が互いに異ならせることが好ましい。これを実現するために、図１９に示すように、３つの連続するヒータセル１４のうち、中央のヒータセル１４の導電線４２は、金属管５０の外側表面５８に沿って反時計方向に捲回される。すなわち、中央に配置されたヒータセル１４はＮ極が上方に、他の隣接するヒータセル１４はＳ極が上方に形成されるように構成されている。こうして、隣接するヒータセル１４の磁束は互いに干渉することなく、電磁場エネルギを熱エネルギにより効率的に変換可能な電気熱変換器１を提供することができる。【００４８】
また、実施の形態５の加熱コイル２０は、その内側に配設された金属管５０を加熱するものであるが、加熱コイル２０により生じる交流磁場は、当然に加熱コイル２０の外側にも形成される。そこで、図２０および図２１に示すように、加熱コイル２０の外側に別の金属管（中空の導体）６０を配設して、加熱コイル２０の外側に形成される交流磁場エネルギを効率的に熱エネルギに変換することが好ましい。また外側金属管、すなわち中空の導体６０は、好適には、加熱コイル２０の内側に設けた金属管５０と同様の金属材料で構成される。このとき、内側金属管５０の内側に形成された内側流路４０と、中空の導体６０の外側にあって、図２０の枠体１０の内側に形成された外側流路４１とが形成される。必要ならば、内側流路４０および外側流路４１に流れる流体は、合流して別のダクト（図示せず）内に案内してもよい。こうして、加熱コイル２０で生じる交流磁場を極めて効率的に熱エネルギに変換できる電気熱変換器１を実現することができる。【００４９】
なお、これまで説明した実施の形態において、流路４０を形成する面（一対の金属板３０の平坦な表面、金属管５０の内側表面、および中空の導体６０の外側表面）は、流体の流れを妨げないように、流路４０と実質的に平行に延びているが、放熱効果を改善するために、表面積を拡大するような形態を有することが好ましい。すなわち、流路４０を形成する面は、図２２（ａ）および（ｂ）に示すように、流路４０に対して実質的に垂直な方向の断面（すなわちＹ−Ｚ平面）において、凹凸を有するように構成されることが好ましい。
【実施例１】
【００５０】
本発明に係る電気熱変換器１の性能を確認するために以下のような実験を行った。ここで用いた電気熱変換器１は、図１で示したものと同様のものであるが、５個並列に接続されたヒータセル１４の組を４組直列に接続したものであり、各ヒータセル１４の加熱コイル２０は、基板２３の両面上に渦巻状にパターン形成された銅薄膜２４を有する（図４参照）。加熱コイル２０のそれぞれは、巻き数を２５ターン、銅薄膜２４の厚みを３５μｍとした。このとき加熱コイル２０の抵抗値は、インピーダンスアナライザを用いて周波数２０ｋＨｚで測定したところ、１．１９Ωであった。また金属板３０は、磁性ステンレスであるＳＵＳ４３０（ＪＩＳ規格）と非磁性ステンレスであるＳＵＳ３０４（ＪＩＳ規格）の２種類のステンレスを用いて、６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍの寸法に成形した（図２参照）。加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板、およびＳＵＳ３０４ステンレス板で挟持したヒータセル１４の抵抗値は、同様に周波数２０ｋＨｚで測定したところ、それぞれ４．２４Ωおよび２．２０Ωであった。これらの抵抗値は、加熱コイル２０の抵抗値と金属板（ステンレス板）３０の抵抗値の合計値であるので、抵抗値の合計値から加熱コイル２０の抵抗値を差し引くと、ＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板の抵抗値は、それぞれ３．０５Ωおよび１．０１Ωとなる（なお、ＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板の電気比抵抗は、それぞれ６０μΩｃｍおよび７２μΩｃｍである。）。【００５１】
一般に、加熱コイルに供給された電力（電気エネルギ）は、加熱コイル２０および各ステンレス板３０で消費されて熱エネルギに変換されるが、加熱コイル２０から生じるジュール熱（Ｈｃ）と、ステンレス板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）により、ＩＨ電力比率｛Ｈｍ／（Ｈｃ＋Ｈｍ）｝が定義される。このとき、ＩＨ電力比率は、加熱コイルの抵抗値とステンレス板の抵抗値の合計値に対するステンレス板の抵抗値の比に等しいと考えてよい。供給された電力全体（Ｗｔ）に対するＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板で変換される熱エネルギ（Ｗ４３０，Ｗ３０４）の割合、すなわちＩＨ電力比率は、加熱コイルの抵抗値とステンレス板の抵抗値の合計値に対するステンレス板の抵抗値の比から、それぞれ７１．９％（Ｗ４３０／Ｗｔ）および４５．９％（Ｗ３０４／Ｗｔ）となる。したがって、ＩＨ電力比率が大きいほど、電気−熱のエネルギ変換効率を増大させることができるので、金属板３０は、非磁性ステンレスＳＵＳ３０４より磁性ステンレスＳＵＳ４３０を用いて形成することが好ましい。換言すると、加熱コイル２０の抵抗値をステンレス板の抵抗値に比して極力抑えることにより、各ヒータセル１４の電気−熱のエネルギ変換効率を格段に改善することができる。【００５２】
これを確認するために、上記加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板で挟持して作製した電気熱変換器に高周波電流を供給したもの（それぞれのＩＨ電力比率は７１．９％および４５．９％である。）、ならびに加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板で挟持して作製した電気熱変換器に直流電流を供給したもの（ＩＨ電力比率は０％である。）にそれぞれ９４５Ｗの電力を供給した。このとき送風機を用いて、各ヒータセル１４の流路４０内に流量２．５ｍ３／分の空気が通過するように構成した。そして各ステンレス板の温度および空気の温度上昇を測定し、各ＩＨ電力比率（７１．９％、４５．９％および０％）とともにプロットし、図２３のグラフを得た。【００５３】
図２３から明らかなように、ＩＨ電力比率が大きいほど各ステンレス板の温度および空気の温度上昇は１次関数的に大きくなる。したがって、本発明に係る電気熱変換器１の電気−熱のエネルギ変換効率を改善するためには、ＩＨ電力比率を極力１００％に近づくように設計することが必要であり、そのためには上述のとおり、加熱コイル２０の抵抗値をステンレス板の抵抗値に比して極力抑えることが必要である。例えば図４に示した加熱コイル２０の銅薄膜２３の厚みを３５μｍから１０５μｍに厚くすると、加熱コイル２０の抵抗は１／３になるので、ＩＨ電力比率は７１．９％から８８％に改善することができる。さらに銅箔の厚みを３５０μｍとすれば、ＩＨ電力比率は９６％となる。付言すると、コイルのターン数を少なくして、加熱コイル２０の全体の長さを短くすることにより、同様にＩＨ電力比率を大きくすることができる。またステンレス板の厚みを変更したり、ステンレスではなく他の透磁率が大きいあるいは体積抵抗率が大きい材料を用いることで、加熱コイル２０を変更することなく、ヒータセル１４のＩＨ電力比率を大きくすることができる。【００５４】
また図２３において、空気流の温度上昇がより大きいということは、電気熱変換器１から放出される熱量がより大きく、電気熱変換器１に蓄熱される熱量がより小さいということを意味する。したがって、ＩＨ電力比率を大きい電気熱変換器１を抵抗器として利用した場合、電気熱変換器１をより小型化しやすく、余分な電気エネルギによる余剰熱をできるだけ速やかに周辺空気に放熱し、電気熱変換器１の周辺機器を異常な高温に曝さないようにすることができる。【００５５】
本発明に係る電気熱変換器は、上述のように、一般的な家電機器をはじめ、電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生電気エネルギを熱エネルギに変換して、余剰熱を周辺空気に放熱する抵抗器などの産業機器を含め、さまざまな用途において利用することができる。すなわち、本発明は、実施の形態および実施例に限定して解釈されるべきではなく、添付されたクレームにより定義されるものであり、当業者にとって明らかな変形および変更は、本発明の精神と範疇から逸脱することなく、本発明に含まれるものと理解すべきである。
【図１】
2008129663.tif 000003
【図２】
2008129663.tif 000004
【図３】
2008129663.tif 000005
【図４】
2008129663.tif 000006
【図５】
2008129663.tif 000007
【図６】
2008129663.tif 000008
【図７】
2008129663.tif 000009
【図８】
2008129663.tif 000010
【図９】
2008129663.tif 000011
【図１０】
2008129663.tif 000012
【図１１】
2008129663.tif 000013
【図１２】
2008129663.tif 000014
【図１３】
2008129663.tif 000015
【図１４】
2008129663.tif 000016
【図１５】
2008129663.tif 000017
【図１６】
2008129663.tif 000018
【図１７】
2008129663.tif 000019
【図１８】
2008129663.tif 000020
【図１９】
2008129663.tif 000021
【図２０】
2008129663.tif 000022
【図２１】
2008129663.tif 000023
【図２２】
2008129663.tif 000024
【図２３】
2008129663.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月5日(2009.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換器は、炊飯器やヘアードライアなどの一般的な家電機器をはじめ、電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生電気エネルギを熱エネルギに変換して、余剰熱を周辺空気に放熱する抵抗器などの産業機器を含め、さまざまな用途において利用されている。中でも抵抗器は、これを含む周辺機器が異常に高温にならないように、余分な電気エネルギによる余剰熱をできるだけ速やかに周辺空気に放熱することが望まれている。そのため抵抗器には放熱フィンが取り付けられ、周辺空気への放熱効果（熱伝達効果）を改善しようとするものもある。一方、電気エネルギを変換して得られた熱（例えば温風）を積極的に利用するために、こうした電気熱変換器あるいは加熱装置を用いることが可能であるが、この場合には、より少ない電気エネルギでより大容量またはより高温の空気が得られることが好ましい。いずれにしても抵抗器は、電気エネルギを熱エネルギに効率よく、かつ迅速に変換することが期待される。
【０００３】
例えば特許文献１に開示された従来式の電磁誘導加熱装置は、送風機と加熱装置本体とを備え、加熱装置本体は、円筒状の絶縁体カラムと、その外周面に捲回されたコイルと、絶縁体カラムの内部に組み込まれた積層充填体とを有し、コイルに高周波電流を流すことにより積層充填体を発熱させ、積層充填体内を通過する気体を加熱する。
【０００４】
また特許文献２に記載のガス体昇温装置は、非磁性体で耐熱性に優れたセラミックス製パイプと、その内部通路に配置された複数の発熱体と、パイプの外周に設けられたコイルと、コイルに高周波電流を流して発熱体を加熱する高周波電源とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１６７６７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２３３２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のとおり、特許文献１の加熱装置本体のコイルは、非金属の絶縁体カラムを介して積層充填体の周りに配設され、同様に、特許文献２に記載のガス体昇温装置のコイルも、非金属のセラミックス製パイプを介して発熱体の周りに配設されている。すなわち、コイルと積層充填体または発熱体は、実質的に離間し、かつその間には非金属（非磁性材料）の絶縁体カラムまたはセラミックス製パイプが介在している。その結果、コイルの漏れ磁束が大きくなり、積層充填体または発熱体を効率的に加熱することができない。とりわけ、特許文献２に記載されているように、電気比抵抗が大きく（２４００μΩｃｍ）、透磁率が小さい材料を用いて発熱体を形成したとき、コイルの漏れ磁束は極めて大きく、電気エネルギから熱エネルギへの変換効率は著しく低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様に係る電気熱変換器は、導電材料からなり、平面状に捲回された誘導コイルと、磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、前記被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠とを備え、誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して流路内の流体を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の１つの態様に係る電気熱変換器によれば、誘導コイルに高周波電流を供給すると被加熱体が加熱され、被加熱体は流路を流れる流体と直接的に接しているので、被加熱体を介して流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る実施の形態１の電気熱変換器の具体的構造を示す斜視図である。
【図２】図１の破線で示した一部を拡大した拡大斜視図である。
【図３】実施の形態１の電気熱変換器の回路配線図である。
【図４】（ａ）は実施の形態１の電気熱変換器の具体的構造を示す斜視図、（ｂ）はその正面図、および（ｃ）は図４（ｂ）のVC-VC線から見た断面図である。
【図５】加熱コイルに高周波電流を供給する電流供給回路の回路図である。
【図６】加熱コイルに供給される交流電流を示す波形図である。
【図７】実施の形態２の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図８】図７に示す電気熱変換器の１つのヒータセルの分解図である。
【図９】図７と同様の断面図であって、導電線が２重に捲回されている。
【図１０】図８と同様の分解図であって、導電線が２重に捲回されている。
【図１１】実施の形態３の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図１２】図１１に示す電気熱変換器の１つのヒータセルの分解図である。
【図１３】実施の形態３の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１４】実施の形態４の電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図１５】図１４に示す電気熱変換器の一部を示す分解図である。
【図１６】実施の形態４の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１７】実施の形態４の別の変形例による電気熱変換器の断面図である。
【図１８】実施の形態５の電気熱変換器の斜視図である。
【図１９】実施の形態５の変形例による電気熱変換器の斜視図である。
【図２０】実施の形態５の別の変形例による電気熱変換器のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図２１】図２０に示す電気熱変換器の一部破断斜視図である。
【図２２】実施の形態１〜５の変形例による金属板および金属管のＸ−Ｙ平面で切断された断面図である。
【図２３】ＩＨ電力比率と、ステンレス板の温度および空気流の温度上昇との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明に係る電気熱変換器の実施形態を説明する。以下の実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、「Ｚ方向」、「上方」または「下方」など）を適宜用いるが、これらは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。また、各添付図面において、同様の構成部品は同様の参照符号を用いて図示されている。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の電気熱変換器１の斜視図であり、図２は、図１の破線で示した一部を拡大した斜視図である。電気熱変換器１は、図１に示すように、Ｚ方向に貫通する開口部１２を有する外枠１０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された複数（図１では１５個の）のヒータセル１４とを有する。各ヒータセル１４は、図２に示すように、加熱コイル（誘導コイル）２０と、これを挟持する一対の金属板（被加熱体）３０とからなる。図２は、最も右側に示したヒータセル１４の右側の金属板３０を省略して図示している。このとき、隣接するヒータセル１４の金属板３０と外枠１０（図２では図示せず）との間に、Ｚ方向に延びる複数の流路４０が形成されている。
【００１２】
加熱コイル２０は、任意の導電性材料で構成されるが、金属板３０とは電気的に絶縁されている。隣接する３つのヒータセル１４の加熱コイル２０は並列に接続されており、図２の一方の端子２２ａは、図１に示す外枠１０上に取り付けられた配線板１６の上方にある配線端子１７ａに接続され、他方の端子２２ｂは、配線板１６の下方にある配線端子１７ｂに接続されている。また、配線板１６の複数の配線端子１７ａ，１７ｂは直列に接続されており、電気熱変換器１は、図３の回路図ように並列に接続された３つの加熱コイル２０からなる組を、５組直列にして配線され、外部端子１８ａ，１８ｂを介して適当な高周波電流供給回路（図示せず）に電気的に接続されている。
【００１３】
このように構成された電気熱変換器１において、電源から電流供給回路を介して、高周波電流が加熱コイル２０に供給され、加熱コイル２０は、高周波電流により交流磁場を形成する。金属板３０は、交流磁場により誘起された渦電流を生じ、発熱する。発熱した金属板３０は、金属板３０は流路４０内の空気などの流体と直接的に接しているので、流路４０内にある流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。また送風機などのフロー形成器（図示せず）を用いて、流体を流路４０に沿ってＺ方向に流し、加熱された流体を電気熱変換器１の外部へ順次排出するように構成してもよい。このとき、流体の流れを極力妨げないように、各流路４０の幅（隣接するヒータセル１４の間隔）は、約１ｍｍ〜５ｍｍ、好適には約３ｍｍとなるように設計されている。
【００１４】
上記電源が電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生エネルギ電源である場合、本発明に係る電気熱変換器１は、余分な電気エネルギを極めて迅速かつ効率的に熱エネルギに変換できる抵抗器として利用することができる。また、上記電源が家庭用電源であって、熱エネルギを得るための家電機器に電気熱変換器１を組み込む場合、電気エネルギを有効に活用し、電流供給回路の制御により機敏に反応して熱エネルギを生成できる加熱装置として電気熱変換器１を用いることができる。
【００１５】
とりわけ実施の形態１の加熱コイル２０は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ガラスエポキシ樹脂からなる基板２３と、その上に銅などの金属からなる渦巻状にパターン形成された薄膜（導電層）２４とを有する。また加熱コイル２０は、金属板３０から電気的に絶縁し、熱的に保護するために、金属薄膜２４上にポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６を有する（図４（ｃ））。なお、金属薄膜２４、ポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６は、基板２３の両面上に形成され、加熱コイル２０を挟持する一対の金属板３０を効率的に加熱することが好ましい（ポリプロピレン樹脂膜２５は図面を理解しやすくするためにハッチングを省略した。）。このとき図４（ｃ）において、基板２３の両面に設けられた金属薄膜２４が互いに電気的に接続されるように、基板２３および金属薄膜２４の中心付近において、金属めっき加工された貫通孔２７が設けられている。こうして電流は、基板２３の表面側に設けた端子２８ａから金属薄膜２４、貫通孔２７、裏面側の金属薄膜２４および端子２８ｂを流れる。なお、基板２３の両面に設けられた金属薄膜２４は、形成される磁界の方向を一致させるために、その渦巻方向が互いに逆方向（時計方向および反時計方向）となるようにパターン形成されている。
【００１６】
なお、これに限定するものではないが、金属板３０の寸法は６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６ｍｍであってもよく、加熱コイル２０の基板２３、金属薄膜２４、ポリプロピレン樹脂膜２５およびガラスエポキシ樹脂膜２６の厚みは、それぞれ４００μｍ、１０５μｍ、１００μｍおよび１００μｍであってもよい。
【００１７】
また金属板３０を構成する材料は、加熱コイル２０により加熱されるものであれば任意の材料であってもよいが、ステンレス板であることが好ましく、中でもＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）規格で規定されたステンレス鋼板ＳＵＳ４３０は、腐食しにくく、透磁率が高く、しかも安価であるので特に好ましい。金属板３０は、他にも鉄板や珪素鋼板、ニッケル板、パーマロイ板などであってもよく、鉄板や珪素鋼板は安価で透磁率が高いため有用であるが、腐食しやすいので、適宜、熱伝導率が大きく非腐食性の金属をめっき処理するか、あるいは塗装処理するなどして表面処理することが好ましい。
【００１８】
表面処理を行った場合、電磁誘導加熱によって発熱する鉄板などの金属板３０は、流路４０を通る流体に直接的に接しないことになるが、金属めっきまたは塗装の膜厚が十分薄ければ、熱伝導性に悪影響を与えることはない。同様に、熱伝導の小さい樹脂を鉄板などの金属板３０に被膜してもよい。また金属板３０は、非磁性のステンレス板や銅板、アルミニウム板など非磁性の金属でもよく、非磁性材料の場合であっても周波数を高くするなど駆動条件を適宜調整することにより加熱することができる。
【００１９】
図５は、加熱コイル２０に高周波電流を供給するための電流供給回路の回路図である。加熱コイル２０は、直列に接続されたインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓの等価回路で表され、図５の破線で囲んだ部分に相当する。なお、上述のように、電気熱変換器１は複数の加熱コイル２０を用いて構成してもよく、上記インダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓは、電気熱変換器１の複数の加熱コイル２０の全体のインダクタンスおよび抵抗を表すものとする。そして加熱コイル２０は、これに並列に接続されたキャパシタＣ１とともにＬＣ共振回路を構成し、互いに逆方向に並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子３１およびＦＷＤ（Free Wheel Diode）素子３２と直列に接続されている。通常の家庭用電源３４（交流電圧：１００Ｖまたは２００Ｖ）からの電流がダイオードブリッジなどの整流回路（ＡＣ／ＤＣコンバータ）３６で直流電流に整流され、直流電流がキャパシタＣ２により平滑化される。加熱コイル２０に供給される直流電流は必ずしも平滑化される必要はなく、図示しない全波整流または半波整流された電源あるいは直流電源から直接、加熱コイル２０に電源供給してもよい。
【００２０】
ＩＧＢＴ素子３１は、電流供給回路からの矩形波のゲート制御信号３３によりＯＮ−ＯＦＦスイッチングする。ＩＧＢＴ素子３１がＯＮ状態のとき、整流回路３６およびキャパシタＣ２からの直流電流は、加熱コイル２０に供給され、すなわちインダクタンスＬｓ、抵抗ＲｓおよびＩＧＢＴ素子３１を流れる。ＩＧＢＴ素子３１がＯＦＦ状態になったとき、インダクタンスＬｓは電流を流し続けようとするので、キャパシタＣ１を含む閉ループに電流が流れ、キャパシタＣ１を充電する。そしてキャパシタＣ１の電圧が上昇し、インダクタンスＬｓを流れる電流が減少し、やがてキャパシタＣ１からの放電電流がインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓに逆方向に流れる。その後再び、ＩＧＢＴ素子３１がＯＮ状態に切り換わると、順方向の電流がインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓに流れる。こうしたＩＧＢＴ素子３１のスイッチング動作を反復させることにより、図６に示すような鋸歯状の交流電流を加熱コイル２０に流すことができる。上述のとおり、加熱コイル２０は、制御回路５を介して高周波電流が供給されると、交流電流を受けて高周波磁界を形成し、金属板３０は、高周波磁界により内部で生じた渦電流により発熱する。発熱した金属板３０は、加熱すべき流路４０内の流体に直に接しているので、極めて有効に、かつ応答性よく流体を加熱することができる。
【００２１】
ＩＧＢＴ素子３１に入力される駆動信号は、使用される加熱コイル２０のインダクタンスＬｓおよび抵抗Ｒｓや、キャパシタＣ１の静電容量、発振周波数、電源電圧、期待される電気熱変換器１の出力熱量および回路構成などに基づいて適宜調整することができる。換言すると、期待される電気熱変換器１の出力熱量に応じて、ＩＧＢＴ素子３１の駆動条件を調整することができる。例えば、図３に示すように隣接する３つの加熱コイル２０を並列接続した組を５組直列に接続して構成された電気熱変換器１において、各加熱コイル２０のインダクタンスＬｓが３３μＨ、抵抗Ｒｓが３ｍΩ、キャパシタＣ１の静電容量が０．３μＦ、発振周波数が２０ｋＨｚ（周期５０μｓ）、ＩＧＢＴ素子３１に入力される駆動信号のＯＮ時間が３７μｓで、ＯＦＦ時間が１３μｓで、電源電圧が１００Ｖであるとき、約１ｋＷの消費電力（出力熱量）を得ることができる。電気熱変換器１で消費される電力は、整流回路３６から出力される直流電圧を制御することにより調整することができるが、好適にはＩＧＢＴ素子３１のＯＦＦ時間を固定して、ＯＮ時間を調整することにより容易に制御することができる。
【００２２】
なお、電気熱変換器１の駆動回路は、これに限定されるものではなく、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路を用いたものでもよく、各種誘導加熱装置で用いられている駆動回路を用いることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図７〜図１０を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態２について説明する。実施の形態２の電気熱変換器１は、実施の形態１と同様の構成を有するので、実施の形態１とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。
【００２４】
図７は、実施の形態２の電気熱変換器１のＸ−Ｙ平面で切断された断面図であり、図８は、各ヒータセル１４の分解図である。図８に示す電気熱変換器１は、実施の形態１と同様、Ｚ方向に貫通する開口部１２を有する外枠１０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された４つのヒータセル１４とを有する。各ヒータセル１４は、加熱コイル（誘導コイル）２０と、これを挟持する一対の金属板（被加熱体）３０とからなる。各加熱コイル２０は、直列に接続されて、電流供給回路５により駆動される。なお、ヒータセル１４の個数は４つに限定されるものではなく、任意の数のヒータセル１４を直列に接続してもよい。また、実施の形態１のように、複数のヒータセル１４を並列に接続した組を、複数組（例えば５組）直列に接続してもよい。
【００２５】
実施の形態２の流路４０は、実施の形態１と同様、隣接するヒータセル１４および枠体１０の間に形成され、隣接するヒータセル１４の間隔は約１ｍｍ〜５ｍｍ、好適には約３ｍｍとなるように構成され、加熱コイル２０は、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に形成されている。
【００２６】
しかし実施の形態２の各加熱コイル２０は、実施の形態１とは異なり、図７および図８に示すように、一対の金属板３０の間において、絶縁膜で被膜された導電線４２をヒータセル１４の中心部まで延伸させた後、その周囲を捲回することにより形成される。絶縁膜で被膜された導電線４２は、任意のものを利用することができるが、エナメル線やホルマル線であってもよい。
【００２７】
また加熱コイル２０と金属板３０とを確実に絶縁するために、図示しない絶縁シートまたは空間を設けてもよい。さらに金属板３０は、実施の形態１と同様、ステンレスの他、鉄、銅またはアルミニウム等の金属材料を用いて形成してもよい。
【００２８】
一般に、本発明に係る電気熱変換器１（ヒータセル１４）で消費される電力は、加熱コイル２０自体から生じるジュール熱（Ｈｃ）と、金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）に変換される。ここで、全ジュール熱（Ｈｃ＋Ｈｍ）に対する金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）の割合｛Ｈｍ／（Ｈｃ＋Ｈｍ）｝をＩＨ電力比率と定義すると、ＩＨ電力比率は、加熱コイル２０の抵抗値（Ｒｃ）と金属板３０の抵抗値（Ｒｍ）で表される抵抗比率｛Ｒｍ／（Ｒｃ＋Ｒｍ）｝に比例する。すなわち、加熱コイル２０自体から生じるジュール熱（Ｈｃ）を極力抑え、金属板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）を最大化して、流路４０内の流体を効率よく加熱するためには、ＩＨ電力比率または抵抗比率｛Ｒｍ／（Ｒｃ＋Ｒｍ）｝が極力大きくなるように、加熱コイル２０および金属板３０を適宜設計する必要がある。
【００２９】
上記のように、加熱コイル２０を絶縁膜で被膜された導電線４２を捲回することにより形成した場合、導電線４２の断面積を容易に大きくして、加熱コイル２０の抵抗値を小さくすることができる。これに対し、実施の形態１による加熱コイル２０の抵抗値を小さくするためには金属薄膜２４を厚く形成する必要があるが、こうした金属薄膜２４は加工しにくい。したがって、実施の形態２による加熱コイル２０は、実施の形態１より簡便な構成を用いて、ＩＨ電力比率を大きくして、より効率的に流路４０内の流体を加熱することができる。例えば、直径約１ｍｍの銅線を２５ターン捲回して加熱コイル２０を作製したとき、加熱コイル２０のＩＨ電力比率は、実施の形態１では７１．９％であったものが、実施の形態２では９８％まで改善することができる。
【００３０】
なお、実施の形態２による加熱コイル２０は、Ｙ−Ｚ平面において円形などの任意の平面形状を有していてもよいが、金属板３０の面全体が発熱して、金属板３０と流体の接触面積を最大化するために、金属板３０と同様の平面形状を有することが好ましい。
【００３１】
さらに、実施の形態２による加熱コイル２０は、図７および図８では導電線４２を１重に捲回したが、図９および図１０に示すように２重に、あるいはそれ以上に重ねて捲回してもよい。
【００３２】
実施の形態３．
図１１〜図１３を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態３について説明する。実施の形態３の電気熱変換器１は、各ヒータセル１４の構成以外は実施の形態２と同様であるので、重複する内容については説明を省略する。
【００３３】
図１１は、実施の形態３の電気熱変換器１の断面図であり、図１２は、各ヒータセル１４の分解図であって、それぞれ図７および図８と同様の図である。実施の形態３のヒータセル１４は、実施の形態２とは異なり、一対の金属板３０の間に支柱４４を設け、その周囲に絶縁膜で被膜された導電線４２を捲回することにより構成される。
【００３４】
実施の形態３のヒータセル１４で採用された支柱４４は、同一材料を用いて一対の金属板３０と一体に成形してもよく、金属板３０とは別の材料を用いて形成した後、一対の金属板３０に、溶接、ねじ止めまたは接着剤などの任意の接続手段を用いて接続してもよい。このように、実施の形態３のヒータセル１４は、裁縫ミシンで用いられるボビンのような形態を有する。
【００３５】
なお、支柱４４が磁性金属からなる場合、加熱コイル２０の交流磁場を受けて支柱４４自体が発熱するが、流路４０を流れる流体に直接的に接していないので、支柱４４の熱の伝達効率は金属板３０より劣る。そこで、加熱コイル２０の交流磁場を受けて、金属板３０がより優先的に発熱するためには、支柱４４は、銅やアルミニウム、樹脂、セラミックなどの非磁性材料で構成されることが好ましい。
【００３６】
また実施の形態３の加熱コイル２０は、実施の形態２と同様、Ｙ−Ｚ平面において円形などの任意の平面形状を有していてもよいが、金属板３０の面全体が発熱して、金属板３０と流体の接触面積を最大化するために、金属板３０と同様の平面形状を有するように形成されることが好ましい。そこで、支柱４４に捲回される導電線４２の平面形状が金属板３０と同様（相似形）の平面形状を有するように、支柱４４も金属板３０と同様の平面形状を有するように成形される。
【００３７】
ところで上記実施の形態において、外枠１０は、任意の材料を用いて形成することができ、また金属板３０の側端部３７（Ｙ方向の両端部、図１１参照）との間に空間やスペーサを設けてもよいが、外枠１０が非磁性体材料で形成された場合や、金属板３０から実質的に離間している場合、加熱コイル２０で生じた磁束（磁界）は、非磁性体の外枠１０内または空間を通ることができず、漏れ磁束が生じる。このとき、加熱コイル２０が生じる交流磁界により金属板３０が発熱する効率が、漏れ磁束により低減する。そこでヒータセル１４は、一対の金属板３０に代わり、図１３に示すように、磁性材料からなり、加熱コイル２０を包囲するように筒状に一体成形された金属管（被加熱体）３８を有していてもよい。これにより、Ｘ−Ｙ平面における漏れ磁束を抑制して、被加熱体３８のより効率的な発熱を支援することができる。なお、上述の一体成形された中空直方体状の被加熱体３８の代わりに、一対の金属板３０の側端部３７を接続する別体の側壁部（図示せず）を設けて、漏れ磁束を抑制してもよい。
【００３８】
実施の形態４．
図１４〜図１６を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態４について説明する。実施の形態４の電気熱変換器１は、実施の形態１と同様の構成を有するので、実施の形態１とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。
【００３９】
図１４は、実施の形態４の電気熱変換器１のＸ−Ｙ平面で切断された断面図であり、図１５は、電気熱変換器１の一部を示す分解図である。図１４および図１５に示す電気熱変換器１は、概略、Ｚ方向に貫通して延びる流路４０を有する複数（図１４では５つ）の中空の金属管（被加熱体）５０と、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行に配置された複数（図１４では４つ）の加熱コイル２０とを有する。各加熱コイル２０は、直列に電気的に接続されて、電流供給回路５により駆動される。なお、加熱コイル２０の個数は４つに限定されるものではなく、任意の数の加熱コイル２０を直列に接続してもよい。また実施の形態１および２で示したように、複数の加熱コイル２０を並列に接続したり、並列接続した複数の加熱コイル２０の組を直列に接続したり、あるいは並列接続および直列接続を任意に組み合わせて接続してもよい。このとき、複数の加熱コイル２０により発生する磁場の向きは同一であることが好ましい。また各金属管５０は、Ｙ−Ｚ平面に実質的に平行な平坦面５２を有し、隣接する金属管５０の平坦面５２は、その間に設けられた実施の形態３と同様の支柱４４により連結されている。すなわち、実施の形態４の加熱コイル２０は、実施の形態３と同様、支柱４４の周りに絶縁被膜された導電線４２を捲回することにより形成されている。
【００４０】
実施の形態４の電気熱変換器１は、実施の形態１とは異なり、金属管５０の中空空間に流路４０が形成されており、外枠１０を必ずしも必要とせず、省略できるので、電気熱変換器１をより簡便な構成で安価に製造することができる。また、実施の形態１〜３の電気熱変換器１が、それぞれ個別に作製された複数のヒータセル１４を外枠１０内に組み込むことにより製造されるのに対し、実施の形態４の電気熱変換器１は、連結された複数の金属管５０の支柱４４の周りに絶縁被膜された導電線４２を捲回することにより製造されるので、製造が容易で製造コストをよりいっそう削減することができる。
【００４１】
こうして構成された電気熱変換器１において、加熱コイル２０に高周波電流が供給されると、磁力線を生じ、金属管５０は、これにより誘起された渦電流が形成されて、発熱する。発熱した金属管５０は、流路４０に流れる流体と直接的に接しているので、流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。
【００４２】
また実施の形態４の電気熱変換器１は、図１６に示すように、Ｘ方向に延び、複数の金属管５０および支柱４４を貫通する貫通固定具５４を有していてもよい。貫通固定具５４は、一般的なねじなどの固定手段（ボルト、ナット）５５を用いて構成され、一連の金属管５０に固定される。こうして、電気熱変換器１を機械的に補強するとともに、製造時の組み立て作業性を改善することができる。
【００４３】
さらに、実施の形態４の電気熱変換器１の被加熱体は金属管５０であるとして説明したが、図１７に示すように、実施の形態１〜３と同様の一対の金属板３０を用いてもよい。このとき、流体が流れる流路４０内にあって貫通固定具５４の周囲にスペーサ５６を別途設けてもよい。必要ならば、スペーサ５６を非磁性材料で形成し、加熱コイル２０の交流磁場により、貫通固定具５４より金属板３０を優先的に発熱させることができる。
【００４４】
実施の形態５．
図１８〜図２２を参照しながら、本発明に係る電気熱変換器の実施の形態５について説明する。実施の形態５の電気熱変換器１は、実施の形態４と同様の構成を有するので、実施の形態４とは異なる点を中心に説明し、重複する内容については説明を省略する。
【００４５】
図１８は、実施の形態５の電気熱変換器１の斜視図である。図１８の電気熱変換器１は、複数（図１８では３つ）のヒータセル１４を有し、各ヒータセル１４は、Ｚ方向に貫通して延びる流路４０を有する中空の金属管（被加熱体）５０と、その外側表面５８の周りに絶縁被膜された導電線４２が捲回された加熱コイル２０とを有する。各ヒータセル１４の導電線４２は、直列に接続されて、電流供給回路により駆動される。なお、ヒータセル１４の個数は３つに限定されるものではなく、任意の数のヒータセル１４を直列に接続してもよい。また複数のヒータセル１４を並列に接続したり、並列接続および直列接続を任意に組み合わせて接続してもよい。なお各金属管５０は、図１８では直方体形状を有するが、円筒形状等の任意の中空形状を有していてもよい。実施の形態５の電気熱変換器１は、実施の形態４と同様、金属管５０の中空空間に流路４０が形成されており、外枠１０を必ずしも必要とせず、省略することもできる。
【００４６】
こうして構成された実施の形態５の電気熱変換器１によれば、これまでの実施の形態と同様、加熱コイル２０に高周波電流が供給されると、磁力線を生じ、金属管５０は、これにより誘起された渦電流が形成されて、発熱する。発熱した金属管５０は、流路４０に流れる流体と直接的に接しているので、流路４０内の流体を極めて効率的に、かつ応答性よく加熱することができる。
【００４７】
なお、図１８に示す電気熱変換器１の加熱コイル２０は、上から見て、導電線４２を時計方向に捲回することにより形成されているので、図中の矢印で示した方向に電流が流れているとき、各ヒータセル１４は、下がＮ極で上がＳ極の磁性極を有する。しかし、隣接するヒータセル１４の磁束が互いに干渉することを回避するために、隣接するヒータセル１４の磁性極が互いに異ならせることが好ましい。これを実現するために、図１９に示すように、３つの連続するヒータセル１４のうち、中央のヒータセル１４の導電線４２は、金属管５０の外側表面５８に沿って反時計方向に捲回される。すなわち、中央に配置されたヒータセル１４はＮ極が上方に、他の隣接するヒータセル１４はＳ極が上方に形成されるように構成されている。こうして、隣接するヒータセル１４の磁束は互いに干渉することなく、電磁場エネルギを熱エネルギにより効率的に変換可能な電気熱変換器１を提供することができる。
【００４８】
また、実施の形態５の加熱コイル２０は、その内側に配設された金属管５０を加熱するものであるが、加熱コイル２０により生じる交流磁場は、当然に加熱コイル２０の外側にも形成される。そこで、図２０および図２１に示すように、加熱コイル２０の外側に別の金属管（中空の導体）６０を配設して、加熱コイル２０の外側に形成される交流磁場エネルギを効率的に熱エネルギに変換することが好ましい。また外側金属管、すなわち中空の導体６０は、好適には、加熱コイル２０の内側に設けた金属管５０と同様の金属材料で構成される。このとき、内側金属管５０の内側に形成された内側流路４０と、中空の導体６０の外側にあって、図２０の枠体１０の内側に形成された外側流路４１とが形成される。必要ならば、内側流路４０および外側流路４１に流れる流体は、合流して別のダクト（図示せず）内に案内してもよい。こうして、加熱コイル２０で生じる交流磁場を極めて効率的に熱エネルギに変換できる電気熱変換器１を実現することができる。
【００４９】
なお、これまで説明した実施の形態において、流路４０を形成する面（一対の金属板３０の平坦な表面、金属管５０の内側表面、および中空の導体６０の外側表面）は、流体の流れを妨げないように、流路４０と実質的に平行に延びているが、放熱効果を改善するために、表面積を拡大するような形態を有することが好ましい。すなわち、流路４０を形成する面は、図２２（ａ）および（ｂ）に示すように、流路４０に対して実質的に垂直な方向の断面（すなわちＹ−Ｚ平面）において、凹凸を有するように構成されることが好ましい。
【実施例１】
【００５０】
本発明に係る電気熱変換器１の性能を確認するために以下のような実験を行った。ここで用いた電気熱変換器１は、図１で示したものと同様のものであるが、５個並列に接続されたヒータセル１４の組を４組直列に接続したものであり、各ヒータセル１４の加熱コイル２０は、基板２３の両面上に渦巻状にパターン形成された銅薄膜２４を有する（図４参照）。加熱コイル２０のそれぞれは、巻き数を２５ターン、銅薄膜２４の厚みを３５μｍとした。このとき加熱コイル２０の抵抗値は、インピーダンスアナライザを用いて周波数２０ｋＨｚで測定したところ、１．１９Ωであった。また金属板３０は、磁性ステンレスであるＳＵＳ４３０（ＪＩＳ規格）と非磁性ステンレスであるＳＵＳ３０４（ＪＩＳ規格）の２種類のステンレスを用いて、６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍの寸法に成形した（図２参照）。加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板、およびＳＵＳ３０４ステンレス板で挟持したヒータセル１４の抵抗値は、同様に周波数２０ｋＨｚで測定したところ、それぞれ４．２４Ωおよび２．２０Ωであった。これらの抵抗値は、加熱コイル２０の抵抗値と金属板（ステンレス板）３０の抵抗値の合計値であるので、抵抗値の合計値から加熱コイル２０の抵抗値を差し引くと、ＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板の抵抗値は、それぞれ３．０５Ωおよび１．０１Ωとなる（なお、ＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板の電気比抵抗は、それぞれ６０μΩｃｍおよび７２μΩｃｍである。）。
【００５１】
一般に、加熱コイルに供給された電力（電気エネルギ）は、加熱コイル２０および各ステンレス板３０で消費されて熱エネルギに変換されるが、加熱コイル２０から生じるジュール熱（Ｈｃ）と、ステンレス板３０で生じるジュール熱（Ｈｍ）により、ＩＨ電力比率｛Ｈｍ／（Ｈｃ＋Ｈｍ）｝が定義される。このとき、ＩＨ電力比率は、加熱コイルの抵抗値とステンレス板の抵抗値の合計値に対するステンレス板の抵抗値の比に等しいと考えてよい。供給された電力全体（Ｗｔ）に対するＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板で変換される熱エネルギ（Ｗ４３０，Ｗ３０４）の割合、すなわちＩＨ電力比率は、加熱コイルの抵抗値とステンレス板の抵抗値の合計値に対するステンレス板の抵抗値の比から、それぞれ７１．９％（Ｗ４３０／Ｗｔ）および４５．９％（Ｗ３０４／Ｗｔ）となる。したがって、ＩＨ電力比率が大きいほど、電気−熱のエネルギ変換効率を増大させることができるので、金属板３０は、非磁性ステンレスＳＵＳ３０４より磁性ステンレスＳＵＳ４３０を用いて形成することが好ましい。換言すると、加熱コイル２０の抵抗値をステンレス板の抵抗値に比して極力抑えることにより、各ヒータセル１４の電気−熱のエネルギ変換効率を格段に改善することができる。
【００５２】
これを確認するために、上記加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板およびＳＵＳ３０４ステンレス板で挟持して作製した電気熱変換器に高周波電流を供給したもの（それぞれのＩＨ電力比率は７１．９％および４５．９％である。）、ならびに加熱コイル２０を一対のＳＵＳ４３０ステンレス板で挟持して作製した電気熱変換器に直流電流を供給したもの（ＩＨ電力比率は０％である。）にそれぞれ９４５Ｗの電力を供給した。このとき送風機を用いて、各ヒータセル１４の流路４０内に流量２．５ｍ３／分の空気が通過するように構成した。そして各ステンレス板の温度および空気の温度上昇を測定し、各ＩＨ電力比率（７１．９％、４５．９％および０％）とともにプロットし、図２３のグラフを得た。
【００５３】
図２３から明らかなように、ＩＨ電力比率が大きいほど各ステンレス板の温度および空気の温度上昇は１次関数的に大きくなる。したがって、本発明に係る電気熱変換器１の電気−熱のエネルギ変換効率を改善するためには、ＩＨ電力比率を極力１００％に近づくように設計することが必要であり、そのためには上述のとおり、加熱コイル２０の抵抗値をステンレス板の抵抗値に比して極力抑えることが必要である。例えば図４に示した加熱コイル２０の銅薄膜２３の厚みを３５μｍから１０５μｍに厚くすると、加熱コイル２０の抵抗は１／３になるので、ＩＨ電力比率は７１．９％から８８％に改善することができる。さらに銅箔の厚みを３５０μｍとすれば、ＩＨ電力比率は９６％となる。付言すると、コイルのターン数を少なくして、加熱コイル２０の全体の長さを短くすることにより、同様にＩＨ電力比率を大きくすることができる。またステンレス板の厚みを変更したり、ステンレスではなく他の透磁率が大きいあるいは体積抵抗率が大きい材料を用いることで、加熱コイル２０を変更することなく、ヒータセル１４のＩＨ電力比率を大きくすることができる。
【００５４】
また図２３において、空気流の温度上昇がより大きいということは、電気熱変換器１から放出される熱量がより大きく、電気熱変換器１に蓄熱される熱量がより小さいということを意味する。したがって、ＩＨ電力比率を大きい電気熱変換器１を抵抗器として利用した場合、電気熱変換器１をより小型化しやすく、余分な電気エネルギによる余剰熱をできるだけ速やかに周辺空気に放熱し、電気熱変換器１の周辺機器を異常な高温に曝さないようにすることができる。
【００５５】
本発明に係る電気熱変換器は、上述のように、一般的な家電機器をはじめ、電気車両やエレベータなどの慣性質量の大きい物体を駆動するモータの減速時に生じる余分な回生電気エネルギを熱エネルギに変換して、余剰熱を周辺空気に放熱する抵抗器などの産業機器を含め、さまざまな用途において利用することができる。すなわち、本発明は、実施の形態および実施例に限定して解釈されるべきではなく、添付されたクレームにより定義されるものであり、当業者にとって明らかな変形および変更は、本発明の精神と範疇から逸脱することなく、本発明に含まれるものと理解すべきである。
【符号の説明】
【００５６】
１０：外枠，１２：開口部，１４：ヒータセル，１６：配線板，１７：配線端子，１８：外部端子，２０：加熱コイル（誘導コイル），２２：端子，２３：基板，２４：金属薄膜（導電層），２５：ポリプロピレン樹脂膜，２６：ガラスエポキシ樹脂膜，２７：貫通孔，２８：端子，３０：金属板（被加熱体），３１：ＩＧＢＴ素子，３２：ＦＷＤ素子，３３：ゲート制御信号，３４：電源，３６：整流回路，３８：金属管（被加熱体），４０：流路，４２：絶縁被膜導電線，４４：支柱，５０：中空の金属管（被加熱体），５２：平坦面，５４：貫通固定具，５５：固定手段，５６：スペーサ，６０：金属管（中空の導体）
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料からなり、平面状に捲回された誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、
前記被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠とを備え、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項２】
前記被加熱体は、前記誘導コイルを挟持する一対の金属板からなり、前記流路に沿って実質的に平行に延びることを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項３】
前記誘導コイルは、基板上にパターン形成された導電層を有することを特徴とする請求項２に記載の電気熱変換器。
【請求項４】
前記誘導コイルは、隣接する一対の前記被加熱体の間において、該被加熱体の中心軸の周りに捲回された絶縁被膜導電線を有することを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項５】
導電材料からなる誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された少なくとも１つの被加熱体と、
前記被加熱体との間に少なくとも１つの流路を形成する外枠とを備え、
隣接する一対の前記被加熱体が支柱を介して接続され、
前記誘導コイルは、前記支柱の周りに捲回された絶縁被膜導電線を有し、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項６】
前記支柱は、非磁性体材料で形成されることを特徴とする請求項５に記載の電気熱変換器。
【請求項７】
前記被加熱体は、前記誘導コイルを包囲するように筒状に成形されることを特徴とする請求項１に記載の電気熱変換器。
【請求項８】
導電材料からなり、平面状に捲回された誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された、内部に流路を有する少なくとも１つの中空の被加熱体とを備え、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項９】
導電材料からなる誘導コイルと、
磁性を有する金属からなり、前記誘導コイルに隣接して配設された、内部に流路を有する少なくとも１つの中空の被加熱体とを備え、
前記被加熱体は、流路に沿って実質的に平行に延びる少なくとも１つの平坦な外側表面を有し、
前記誘導コイルは、前記被加熱体の前記外側表面に実質的に垂直に延びる支柱と、これに捲回された絶縁被膜導電線とを有し、
前記誘導コイルに高周波電流を供給して、前記被加熱体を介して前記流路内の流体を加熱することを特徴とする電気熱変換器。
【請求項１０】
前記支柱を貫通して延びる貫通固定具をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の電気熱変換器。
【請求項１１】
前記被加熱体は、前記流路に沿って実質的に平行に延びる内側表面を有することを特徴とする請求項８に記載の電気熱変換器。
【請求項１２】
前記被加熱体は、前記流路に沿って実質的に平行に延びる外側表面を有し、
前記誘導コイルは、前記被加熱体の前記外側表面の周りを捲回するように形成されたことを特徴とする請求項８に記載の電気熱変換器。
【請求項１３】
互いに隣接する少なくとも２組の前記被加熱体および前記誘導コイルを有し、
前記被加熱体の外側表面の周りに捲回された前記誘導コイルの捲回方向が互いに異なることを特徴とする請求項１２に記載の電気熱変換器。
【請求項１４】
前記誘導コイルに隣接し、これを包囲するように配設された中空の導体を有することを特徴とする請求項１２に記載の電気熱変換器。
【請求項１５】
前記被加熱体は、前記流路を構成する面が前記流路に対して実質的に垂直な方向の断面において凹凸を有することを特徴とする請求項１または８に記載の電気熱変換器。
【国際調査報告】
2008129663.tif 000026
2008129663.tif 000027
2008129663.tif 000028
2008129663.tif 000029
2008129663.tif 000030
2008129663.tif 000031
2008129663.tif 000032
2008129663.tif 000033