(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器とを備えた電磁誘導加熱装置において、
前記流体通路出口の流体温度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整する温度調節器と、前記高周波電流発生器から前記コイルに流れる電流を測定し、前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の近辺に至ることを検知して前記高周波電流発生器の出力を調整する電流検知手段と、前記温度調節器の信号より前記電流検知手段の信号が優先して前記コイルに流れる電流を制限する電流制限手段とを設けてなる電磁誘導加熱装置の温度制御装置。
【請求項２】
前記電流制限手段は、コイルに流れる電流が所定値に達すると、前記高周波電発生器の出力を低下させ、前記発熱体が冷えると、再び前記高周波電発生器の出力を上昇させるという動作を繰り返すものである請求項１記載の電磁誘導加熱装置の温度制御装置。
【請求項３】
前記電流制限手段は、コイルに流れる電流が所定値に達すると、その所定値を維持するように制限するものである請求項１記載の電磁誘導加熱装置の温度制御装置。
【請求項４】
流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器と、前記流体通路出口の流体温度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整する温度調節器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を有する電磁誘導流体加熱装置の始動方法であって、以下の（１）〜（４）工程からなるもの。
（１）前記流体通路に流体を満たし、前記発熱体が流れない前記流体に浸る状態にする。
（２）前記温度調節器によって所定温度を設定し、高周波電流発生器から前記コイルに電流を流す。
（３）前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の近辺に至って前記コイルに流れる電流が増大すると、前記温度調節器の指令に優先して、前記電流を制限しつつ、前記発熱体及び前記流体を予熱する。
（４）前記流体通路の流体を流して始動する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体や気体等の流体に浸された磁性材料の発熱体を電磁誘導加熱で加熱し、前記流体を直接的な熱移動で加熱する電磁誘導加熱装置の温度制御装置及び始動方法に関し、特に前記発熱体を構成する磁性材料の磁気変態に係わらず加熱や始動を可能にするものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電磁誘導加熱装置１の従来例の構造を図６に基づいて説明する。流体が通過するパイプ１１を絶縁体で構成し、このパイプ１１内に収納され流体が浸かる発熱体１２をパイプ１１に巻かれたコイル１３による電磁誘導で加熱するものである。このコイル１３に交番磁界を生じさせるために、高周波電流発生器としてセンサレス高力率高周波インバータ５が用いられる。この高周波インバータ５の出力を制御するのが、位相シフト制御部３ａとゲートドライバー３ｂからなる制御器３である。パイプ１１の出口側には温度センサ１７が取り付けられ、温度制御部２が前記位相シフト制御部３ａに接続される。なお、高周波電流発生器５は、交流電源２１に対する整流部２２と、非平滑フィルタ２３と、インバータ本体２４とからなっている。
【０００３】
上述した構造の電磁誘導加熱装置１の通常の運転時においては、パイプ１１の下側から供給される低温流体１４は発熱体１２内で乱流流体１５となって熱交換され、パイプ１１の上側から高温流体１６となって排出される。この高温流体１６の温度が温度センサ１７で測定され、所定温度との差に応じた指令が温度制御部２から位相シフト制御部３ａに出力され、ゲートドライバー３ｂを経て高周波インバータ５の出力電流が適正に制御される。この直接加熱による電磁誘導加熱装置１によると、流体が浸かる発熱体１２の伝熱面積を大きくすることなどにより、発熱体１２から流体への伝熱効率を高め、始動時の立ち上がり時間を短縮できる。
【０００４】
このように発熱体１２は電磁誘導で自己発熱し、この発熱体１２が流体を直接加熱する構成になっているため、発熱体１２には特殊材料が用いられる。まず電磁誘導で自己発熱するため、強磁性体である必要がある。つぎに流体に直接接するため、耐腐食性に優れる必要がある。このような条件を満たす材料として、特願平６−２９７２８７号公報に提案されるようなＣｒ，Ｆｅを主成分とするマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような電磁誘導加熱装置１の始動時間を更に早めようとすると、電磁誘導加熱装置１の全体を予熱しておくことが考えられる。そのため、パイプ１１内に流体を充満させ、発熱体１２や温度センサ１７などが流体に浸る状態にし、その状態で高周波インバータ５を作動させると、パイプ１１や発熱体１２や流体などが予熱される。
【０００６】
このような予熱を行う場合、流体が流れない状態にあるため、温度センサ１７が検知する流体の温度と発熱体１２の実際の温度との間には相当の開きが生じる。そのため発熱体１２の温度がどんどん上昇し、高周波インバータ５に過度の電流が流れ、機器の破損が生じる場合がある。この原因を追求したところ、下記のことが判明した。
【０００７】
コイル１３と発熱体１２からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができ、Ｌ１，Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路の等価抵抗をＲ、同回路の固有抵抗をｒとし、同回路に流れる電流をＩｃ、同回路にかかる電力をＰ0 とする。このＲ、ｒ、Ｉｃ、Ｐ0 が発熱体１２の温度とともにどのように変化するかを図示したのが図７である。
【０００８】
図７において、固有抵抗ｒは温度と共に上昇するが、等価抵抗Ｒはある温度Ｔ0 から急激に低下する。そのため、温度Ｔ0 から電流Ｉｃと電力Ｐ0 が増加に転じる。電流Ｉｃと電力Ｐ0 が増えすぎて定格を越えると、高周波インバータ５を構成する電力素子が破損する。このような現象が生じるのは、発熱体１２そのものの温度が高温になり、発熱体１２を構成する磁性体が磁気変態温度に達するからである。すなわち磁気変態を起こす温度Ｔ0 なると、発熱体１２の磁性が急変して強磁性体から常磁性体に変わるため、コイル１３が短絡状態になる。
【０００９】
そこで発熱体１２の化学組成を変えて、その磁気変態温度Ｔ0 をより高温側にシフトさせることも考えられるが、発熱体１２の化学組成を変えると、耐腐食性が悪くなるという問題点がある。また、温度センサ１７が発熱体１２の温度を直接検出するのではなく、発熱体１２と熱交換した流体１６の温度を温度センサ１７が検出するようになっているため、流体１４を流すことなく加熱する場合には、発熱体１２に対する高周波インバータ５の暴走は避けられないという問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明のうち請求項１乃至３記載の発明は、発熱体が磁気変態温度の近辺に至っても高周波電流発生器が暴走することがない電磁誘導加熱装置の温度制御装置を提供することを目的としたものである。
請求項４記載の発明は、発熱体が磁気変態温度の近辺に至っても、流れる電流を制限して静止流体を予熱し、その後に始動させるゼロスターティングができる電磁誘導加熱装置の始動方法を提供することを目的としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器とを備えた電磁誘導加熱装置において、前記流体通路出口の流体温度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整する温度調節器と、前記高周波電流発生器から前記コイルに流れる電流を測定し、前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の近辺に至ることを検知して前記高周波電流発生器の出力を調整する電流検知手段と、前記温度調節器の信号より前記電流検知手段の信号が優先して前記コイルに流れる電流を制限する電流制限手段とを設けてなることを特徴としたものである。
発熱体自体の温度が上昇して磁気変態温度に至ると、等価抵抗が小さくなって電流値が上昇する。この電流値の上昇を検知手段で検出し、前記磁気変態温度に至って上昇しようとする電流を前記電流制限手段によって制限する。また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成のうち前記電流制限手段が、コイルに流れる電流が所定値に達すると、前記高周波電発生器の出力を低下させ、前記発熱体が冷えると、再び前記高周波電発生器の出力を上昇させるという動作を繰り返すものであることを特徴とする。発熱体の自己発熱と、停止時の静止流体への熱伝達との繰り返しによって、発熱体の過度の温度上昇を抑えながら静止流体を加熱する。また請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の構成のうち前記電流制限手段が、コイルに流れる電流が所定値に達すると、その所定値を維持するように制限するものであることを特徴とする。電流制限手段によって発熱体の自己発熱を制限しながら、静止流体を加熱する。また請求項４記載の発明は、流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器と、前記流体通路出口の流体温度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整する温度調節器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を有する電磁誘導流体加熱装置の始動方法であって、以下の（１）〜（４）工程からなることを特徴とする。
（１）前記流体通路に流体を満たし、前記発熱体が流れない前記流体に浸る状態にする。
（２）前記温度調節器によって所定温度を設定し、高周波電流発生器から前記コイルに電流を流す。
（３）前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の付近に至って前記コイルに流れる電流が増大すると、前記温度調節器の指令に優先して、前記電流を制限しつつ、前記発熱体及び前記流体を予熱する。
（４）前記流体通路の流体を流して始動する。
温度調整器によって所定温度に設定したとしても、静止流体であるため、温度調整器は作動させずに、電流制限によって発熱体の磁気変態を回避しつつ静止流体を加熱する。この加熱後に流体を流すと、スタート時から高温流体が得られ、且つ温度調整器も作動するゼロスターティングになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る電磁誘導加熱装置及びその温度調節装置の機器構成図である。
【００１３】
装置本体１は、流体通路を形成する非金属パイプ１１内に、発熱体１２を収納し、パイプ１１の外周にコイル１３を巻き付けたものである。パイプ１１の下側から入る低温流体１４は発熱体１２内の流体通路を通過することで混合流体１５となって均一加熱された後、パイプ１１の上側の出口から高温流体１６となって流出する。この高温流体１６の温度は温度センサ１７で検出され、温度センサ１７は温度制御部２に接続されている。
【００１４】
位相シフト制御部とゲートドライバーとからなる制御部３によって作動する高周波電流発生器５は、交流電源２１に対する整流部２２と、非平滑フィルタ２３と、インバータ２４とからなっている。
【００１５】
インバータ２４による非金属パイプ１１と導電性金属の発熱体１２からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができ、Ｌ１，Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変回路系とすることができる。そのため、共振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適設計回路が行える。
【００１６】
インバータ２４は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ２とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直列に接続したものを並列に接続してなっている。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はスイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。
【００１７】
スイッチＳ１，Ｓ４が閉じると、ａ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ点に至る回路に電流が流れ、スイッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことになる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデューディサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッチＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜１８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力を０から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる最大出力まで連続的に変化させることができる。
【００１８】
このような電磁誘導加熱装置に適用される温度調整装置は、高周波電流発生器５から前記コイル１３に流れる電流を測定し、前記発熱体１２の磁性材料の温度が磁気変態付近に至ったことを検知する電流検知手段３１と、該電流検知手段３１に基づいて前記コイル１３に流れる電流を制限する電流制限手段３２とを備えてなっている。
【００１９】
電流検知手段３１は、インバータ２４のａ点からｂ点に至る回路の適所に設けられ、この回路に流れる電流を測定する測定部３３と、この測定部３３からの電流値を変換し所定値と比較するコンパレータ３４とを有している。なお、３５は整流器、３６はバイパスコンデンサ、３７は並列抵抗、３８は直列抵抗であり、これらによってコンパレータ３４に入力可能な電圧に変換される。コンパレータ３４でこの電圧値が所定の基準電圧発生器３９からの基準電圧と比較され、基準電圧から大きくなるとコンパレータ３４はオン信号を発する。
【００２０】
電流制限手段３２は、制御部３に接続されるタイマー内蔵のＯＮ−ＯＦＦ指令器である。コンパレータ３４からのオン信号があると、ＯＮ−ＯＦＦ指令器３２が制御部３にゼロ出力指令を発する。すなわち、制御部３内の位相シフト制御部が、基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０に変化させることにより出力電圧をゼロ又はゼロ近くまで低下させる。そして、ＯＮ−ＯＦＦ指令器３２内のタイマーがカウントアウトすると、制御部３が温度制御部２で作動する通常の状態に戻す。
【００２１】
つぎに、上述した温度制御装置による始動方法を図１及び図２により説明する。図１の装置本体１のパイプ１１内に流体１４を導入し、温度センサ１７が浸る程度まで液面を上昇させ、その状態を保持する。温度制御部２の設定は所望の温度にしておく。
【００２２】
高周波電流発生器５を作動させると、温度センサ１７からの出力は低いため、制御部３の位相シフト制御部が出力電圧１００％の指令を出力する。発熱体１２の温度が上昇すると、熱伝達により発熱体１２に接する流体の温度も上昇する。しかし流体が流れていないため、流体全体の熱伝達は自然対流だけであり、熱伝達効率が悪い。そのため発熱体１２の温度がどんどん上昇する。発熱体１２にマルテンサイト系ステンレスであるＳＵＳ４４７Ｊ１を使用した場合、６００〜７００°Ｃ近辺に磁気変態がある。発熱体１２の温度が５００°Ｃ付近になると、コイル１３に流れる電流が急増する。
【００２３】
この電流を検出部３３で測定し電圧に変換し、コンパレータ３４で基準値と比較する。図２において、曲線ａがコイル１３に流れる電流値Ｉｃを示す。発熱体１２の温度が磁気変態に近づくと、電流値Ｉｃは急上昇する。コイル１３に流れる電流値Ｉｃが発熱体１２の材質で決まる所定値ｂを越えると、ＯＮ−ＯＦＦ指令器３２が作動し、制御部３から高周波電流発生器５に対して出力ゼロの指令が出力され、電流値Ｉｃが途絶える。発熱体１２が発熱しなくなり、ＯＮ−ＯＦＦ指令器３２内のタイマーで決まる時間Δｔが経過すると、周囲の流体との熱伝達により発熱体１２が冷える。この時間Δｔ経過後に、高周波電流発生器５が作動すると、発熱体１２が冷えているので、再起動時の電流値は低くなっている。ｃ点で再起動すると、発熱体１２の温度が再び磁気変態付近に至り、電流値Ｉｃは急上昇し所定値ｂに至る。以上の繰り返しによって、発熱体１２の温度が磁気変態温度近辺から更に上昇することなく、高温／低温を繰り返し、静止状態の流体及びパイプ１１などが予熱される。
【００２４】
なお上述した説明では、流体として液体を用いる場合のゼロスターティング方法を説明したが、流体として気体を加熱する場合のゼロスターティングにも適用できる。例えば水素を加熱する場合、スタート時から水素を流すのではなく、不活性ガスの窒素を電磁誘導加熱装置を含む加熱系に充満させ、電磁誘導加熱装置の予熱後に水素を流して窒素を追い出すというゼロスターティングが行われる。したがって、予熱時に用いられる流体と、始動後の流体とは必ずしも一致させる必要がない。また、流体として液体を用いる場合のゼロスターティングであっても、電磁誘導加熱装置を窒素や空気等でパージした状態で予熱してからゼロスターティングさせることができる。この場合も予熱時の流体とゼロスターティングで流す流体が一致しない。しかし予熱時に何らかの流体が充満され、予熱後にこの流体が押し出される点については共通している。
【００２５】
図３は他の温度制御装置の要部を示す。コイル１３に至る回路に対する電流の検出部３３、整流器３５、バイパスコンデンサ３６、並列抵抗３７、直列抵抗３８からなる電流検知手段５１の構成は図１と同様である。温度調節器２と制御器３との間に、上記電流検知手段５１の出力を受けて作動する電流制御手段５２が設けられている。この電流制御手段５２は、電流検知手段５１からの電圧と温度調節器２からの電圧を高位選択するダイオード５３，５４と、Ｖｄ点の電圧を所定電圧（例えば５Ｖ）と比較するコンパレータ５５と、コンパレータ５５に対する並列抵抗５６とを主たる部分としてなっている。
【００２６】
この電流制御手段５２の作動は以下の通りである。例えばＶｄ点の出力が５Ｖであると、コンパレータ５５は制御器３に対して最大出力を指令し、Ｖｄ点の出力が１０Ｖであると、コンパレータ５５は制御器３に対して最低出力を指令するようになっている。したがって、温度調節器２が最大出力に相当する５Ｖを出力していても、電流検知手段５１が最小出力に相当する１０Ｖを出力していると、この１０Ｖがコンパレータ５５に対する出力として選択され、コンパレータ５５は制御器３に対して最低出力を指令する。
【００２７】
その結果、図４に示すように、発熱体１２の温度が磁気変態温度Ｔ0 に至り、電流値Ｉｃが上昇し始めても、所定の電流値Ｉｃ−ｍａｘを越えないようになる。出力電力Ｐ0 も徐々に減少し、液体に対する発熱体１２の加熱温度は磁気変態温度Ｔ0 近辺に保たれる。なお、この図３の他の温度制御装置を用いた、電磁誘導加熱装置の始動方法は図１で説明したものと同様である。
【００２８】
つぎに、発熱体１２の好ましい態様を図５により説明する。図５（ａ）は発熱体１２の構造を示す上面図、図５（ｂ）は発熱体１２の構造を示す斜視図である。発熱体１２は、平板状の第１シート材１２１と波形状の第２シート材１２２を交互に積層し、側面の両端には第１シート材１２１が位置するようにし、全体として円柱状に形成したものである。このような多層積層体にした規則充填材であると、始動時に静止流体と接する面積が大きく、静止流体に対する発熱体からの熱移動が短時間で行われる。そのため、上述したゼロスターティングに有効な発熱体１２となる。なお、この発熱体１２は流れる流体を均一に加熱することができる構造になっており、その構造を以下に説明する。
【００２９】
第２シート材１２２の波の山（又は谷）１２３は中心軸１２４に対して角度αだけ傾くように配置され、第１シート材１２１を挟んで隣り合う第２シート材１２２の波の山（又は谷）１２３が交差するように配置されている。そして、隣り合う第２シート材１２２における波の山（又は谷）１２３の交差点１２５において、第１シート材１２１と第２シート材１２２はスポット溶接で溶着され、電気的に導通可能になっている。また、第２シート材１２２の表面には、流体の乱流を生じさせるための孔１２６が設けられている。この孔１２６に代わるか又は加えて、第１シート材１２１及び／又は第２シート材１２２に梨地加工を施して表面をザラザラにすることも有効である。要するに、発熱体１２の中心軸１２４を通る直径方向Ｄに対して、略平行に第１シート材１２１と第２シート材１２２が配置され、電気的には直径Ｄと略平行な方向（周辺部を横切る方向）に最も流れやすくなっている。すると、電磁誘導において現れる表皮効果（発熱体１２の外周部分だけが加熱される状態）が出現せず、発熱体１２の中央部も加熱される。このように発熱体１２の中央部が加熱される形式の発熱体としては、シート材１２１，１２２の積層構造に限らず、小径管の多数を集合させて形成した発熱体であってもよい。この場合、小径管の各々の表面が加熱され、全体として略均一な加熱が可能な発熱体が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１記載の発明は、電流制限手段によって発熱体が磁気変態温度の近辺に至っても、高周波電流発生器に流れる電流が制限されるので、静止流体を加熱する場合のように温度制御器が作動しない場合でも、高周波電流発生器を暴走させることなく、高温加熱することを可能とするものである。
請求項２，３記載の発明は、請求項１記載の効果を、簡単な機器構成で実現するという効果が加わったものである。
請求項４記載の発明は、電磁誘導加熱装置の始動前に静止流体を満たして予熱し、始動時から高温流体が得られるというゼロスターティングを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁誘導加熱装置及びその温度調節装置の機器構成図である。
【図２】温度調節装置の作動図である。
【図３】本発明の他の温度調節装置の要部のブロック図である。
【図４】他の温度調節装置の作動図である。
【図５】発熱体の構造図である。
【図６】従来の電磁誘導加熱装置及びその温度調節装置の機器構成図である。
【図７】従来の温度調節装置の作動図である。
【符号の説明】
２  温度制御部
３  制御部
５  高周波電流発生器
１１  パイプ（流体通路）
１２  発熱体
１３  コイル
３１  電流検知手段
３２  ＯＮ−ＯＦＦ指令器（電流制限手段）
５１  電流検知手段
５２  電流制限手段
【図１】
0003724857.tif 000002
【図２】
0003724857.tif 000003
【図３】
0003724857.tif 000004
【図４】
0003724857.tif 000005
【図５】
0003724857.tif 000006
【図６】
0003724857.tif 000007
【図７】
0003724857.tif 000008