(57)【要約】ヒータ・コイルからの抵抗発熱および誘導発熱の両方を使用する、物品の温度を制御する方法および装置が提供される。
2005517265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を加熱する方法であって、
前記物品と熱的および磁気的に連絡している電気導体を提供するステップと、
前記物品において誘導熱を発生させるように、前記電気導体に電力を供給するステップと、
前記電気導体が発生した抵抗熱を前記物品に伝達するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記物品の回りで磁気回路を閉じるために、前記電気導体の回りにヨークを提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヨークが、強磁性材料から作成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ヨークの壁の厚さが、侵入度にほぼ等しいか、またはそれより厚い、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記電気導体が、比較的高い抵抗を有する材料から作成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記材料が、ＮｉＣｒである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電気導体が、ヒータ・コイルから作成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記電気導体を挿入するために、前記物品において溝を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記物品が、強磁性材料から作成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
侵入度とほぼ等しいか、または侵入度より深い深度で、前記電気導体を前記物品に配置するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気導体が、半導体材料から作成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
電流を前記電気導体に加えるステップが、誘導により実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気導体が、前記物品から電気的に絶縁される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記電気導体の前記抵抗熱が、補助冷却手段の使用を予め排除するのに十分な率で前記物品に伝達される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
流動性材料を加熱する装置であって、
前記流動性材料を伝達するための内部に形成された通路を有する細長い外部品と、
ノズル・ヘッドであって、前記外部品と、ヘッドと前記外部品との間に挿入された内部品とに固定されたノズル・ヘッドと、
前記流動性材料を出口に伝達するための、前記内部品を通って延びる前記通路と、
前記内部品および前記外部品と磁気的および熱的に連絡しているヒータ・コイルを挿入するために、前記内部品と前記外部品との間に提供された環状ギャップと、
電力を前記コイルに加えるための、前記ヒータ・コイルと電気的に連絡している電気導体とを備える装置。
【請求項１６】
前記流動性材料が、金属である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記金属が、マグネシウム合金である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記金属が、揺変状態にある、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記流動性材料が、プラスチックである、請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を加熱するなど、物体の温度を制御する装置および方法に関する。より具体的には、本発明は、ヒータによって生成される誘導加熱および抵抗加熱を組み合わせることによって、改良された加熱を実施する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照すると、従来の技術による従来の抵抗ヒータ回路１０が示されている。電源１２は、ＤＣ電圧または一般には線周波数であるＡＣ電圧を、被加熱物品２０の極めて近傍に巻かれているヒータ・コイル１４に提供することが可能である。通常、ヒータ・コイル１４は、短絡することを防止するために絶縁層１８が加えられている電気抵抗要素で作成される。また、モジュラ加熱サブアセンブリを形成するように、ヒータ・コイル全体をカバー１６に入れることが一般的である。従来の技術は、熱を物質に加えて、被加熱物品２０の温度を所定のレベルまで上昇させる方式の例が豊富である。これらの例のほとんどは、加熱される物品と機械的および熱的に連絡している抵抗発熱装置またはオーム発熱装置を使用することを中心とする。
【０００３】
抵抗ヒータは、現在使用されている主流の方法である。電流がワイヤを流れるとき生じるオーム損または抵抗損によって、抵抗熱が発生する。抵抗タイプのヒータのコイルにおいて発生した熱は、次いで、伝導または放射によって工作物に伝達されなければならない。抵抗ヒータの使用法および構造は、周知であり、ほとんどの場合、誘導ヒータを使用する場合より容易で安価である。ほとんどの抵抗ヒータは、らせんに巻かれたコイルから作成される、型の上に巻かれる、または波型ループ要素の中に形成される。
【０００４】
抵抗タイプのヒータを使用する通常の発明は、Ｊｕｌｉａｎｏらへの米国特許第５，９７３，２９６号に見ることができ、これは、円筒基板の表面上に印刷された抵抗トレースにおいてオーム損による熱を発生する厚膜ヒータ装置を教示している。オーム損によって発生した熱は、プラスチックを易流動性状態に維持するために、ノズルの溶融プラスチックに伝達される。抵抗タイプのヒータは、比較的安価であるが、いくつかの考慮すべき欠点を有する。精密許容差適合性、ホット・スポット、コイルの酸化、およびより緩慢な加熱時間は、ごく少数の例である。この加熱方法では、最大加熱電力は、ＰＲ（ｍａｘ）＝ＩＲ（ｍａｘ））２×Ｒｃを超えることができない。ＩＲ（ｍａｘ）は、抵抗ワイヤが搬送することができる最大電流であり、Ｒｃは、コイルの抵抗である。さらに、特定の物品を加熱する最小時間は、ｃを物体に特有の熱、Ｍを物体の質量、ΔＴを所望の温度変化として、ｔＲ（ｍｉｎ）＝（ｃＭΔＴ）／ＰＲ（ｍａｘ）によって規制される。抵抗加熱では、ヒータ・コイルにおける全エネルギー損失は、本質的にゼロに等しいが、その理由は、コイルに入る電源からのすべてのエネルギーが熱エネルギーに変換され、したがって、ＰＲ（ｌｏｓｓｅｓ）＝０であるからである。
【０００５】
ここで図２を参照すると、従来の技術による通常の誘導加熱回路３０が示されている。可変周波数ＡＣ電源３２が、同調キャパシタ３４と並列に接続されている。同調キャパシタ３４は、負荷の反応損を補償し、あらゆるそのような損失を最小限に抑える。誘導ヒータ・コイル３６は、通常、外表面に施された電気絶縁コーティング１８と管の内側を流れる冷却流体３９とを有する中空銅管からなる。冷却流体３９は、誘導ヒータ・コイル３６から熱を取り去るために、冷却システム３８に伝達される。ヒータ・コイル３６は、一般には、加熱される物品２０とは接触しない。電流がコイル３６を流れる際に、磁束線が、矢印４０ａおよび４０ｂによって示すように生成される。
【０００６】
誘導加熱は、交流（ＡＣ）電力で導電材料を加熱する方法である。交代磁場を創出するように、交流電力が、銅などの導電性コイルに加えられる。この交代磁場は、コイルに対し密接に結合している工作物の交流電圧および交流を誘導する。これらの交流は、電気抵抗損を発生し、それによって工作物を加熱する。したがって、誘導加熱の重要な特徴は、加熱要素と工作物とを直接接触させずに、熱を導電材料に伝達する能力である。
【０００７】
交流がコイルを流れる場合、電流量と共に変化する磁場が生成される。導電性負荷が、コイルの内側に配置された場合、渦電流が負荷の内側に誘導される。渦電流は、コイルの電流の流れとは反対の方向に流れる。負荷におけるこれらの誘導電流は、コイルによって生成される磁場とは反対の方向に磁場を生成し、場が負荷の中心まで貫通することを防止する。したがって、渦電流は、負荷の表面に集中し、中心に向かって劇的に減少する。図３Ａに示すように、誘導ヒータ・コイル３６は、円筒被加熱本体２０の回りに巻かれる。電流密度Ｊｘは、グラフの線４１によって示される。この現象の結果、ほとんどすべての電流が、円筒被加熱物体２０の領域２２において生成され、被加熱本体の中心に含まれる材料２４は、発熱のためには使用されない。この現象は、しばしば「表皮効果」と呼ばれる。
【０００８】
この技術の範囲内では、負荷の電流密度が、最大値の３７％の値に降下する深度は、侵入度（δ）と呼ばれる。簡単な想定として、負荷のすべての電流は、侵入度内にあると安全に想定することができる。この簡単な想定は、負荷について電流経路の抵抗を計算する際に有用である。負荷は、電流の流れに対して固有の抵抗を有するので、熱が負荷において発生する。発熱量（Ｑ）は、抵抗（Ｒ）と、渦電流（Ｉ）の２乗と、時間（ｔ）との積の関数Ｑ＝Ｉ２Ｒｔである。
【０００９】
侵入度は、誘導加熱システムを設計する際に最も重要なファクタの１つである。侵入度δの一般的な式は、次式によって与えられる。
【数１】
2005517265.tif 000003
上式で、μν＝真空の透磁率
μ＝負荷の比透磁率
ρ＝負荷の抵抗
ｆ＝交流の周波数
である。したがって、侵入度は、３つの変数の関数であり、変数の２つは、負荷に関係する。変数は、負荷の電気抵抗ρ、負荷の透磁率μ、およびコイルにおける交流の周波数ｆである。真空の透磁率は、４Π×１０−７（Ｗｂ／Ａｍ）に等しい定数である。
【００１０】
侵入度を計算する主な理由は、所与のサイズの負荷の内部を流れる電流の大きさを決定するためである。発生する熱は、渦電流の２乗（Ｉ２）に関係するので、負荷において可能な限り大きな電流の流れを有することが必須である。
【００１１】
従来の技術では、誘導加熱コイルは、ほとんど専ら、冷却水が内部を流れている中空銅管で作成される。抵抗ヒータなどの誘導コイルは、あるレベルの抵抗発熱を呈する。この現象は望ましくないが、その理由は、熱がコイルにおいて発生する際に、熱が、コイルのすべての物理的な特性に影響を及ぼし、かつヒータの効率に大きな影響を直接与えるからである。さらに、熱がコイルにおいて増大する際に、コイル材料の酸化が進み、これにより、コイルの寿命が極度に制限される。この理由は、従来の技術が、流体移送媒体を使用することによって誘導コイルから熱を取り去る手段を使用しているからである。従来の技術によれば、この使用されない熱は、誘導ヒータの効率全体を低下させる無駄な熱エネルギーである。さらに、流水などの稼動冷却手段をシステムに追加することにより、システムのコストが大きく増大し、かつ信頼性が低下する。したがって、全体的なヒータの複雑さを低減し、かつシステムの効率を増大する、誘導コイルにおいて発生した抵抗熱を使用する方法を見つけることが有利である。
【００１２】
従来の技術によれば、被加熱工作物の高温からコイルを保護し、かつ電気絶縁を提供するために、様々なコーティングを使用する。これらのコーティングには、セメント、繊維ガラス、およびセラミックが含まれる。
【００１３】
誘導加熱電源は、コイルに供給される電流の周波数によって分類される。これらのシステムは、線周波数システム、モータ交流システム、ソリッドステート・システム、および無線周波数システムとして分類することができる。線周波数システムは、電力グリッドから使用可能である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚにおいて動作する。これらは、最低コストのシステムであり、侵入度が大きいために、通常、大きなビレットを加熱するために使用される。周波数変換がないことが、これらのシステムの主な経済的利点である。したがって、線周波数を効率的に使用し、それによりシステムのコスト全体を低減する誘導加熱システムを設計することが有利である。
【００１４】
Ｒｏｓｓらへの米国特許第５，７９９，７２０号は、溶融金属を移送するための誘導被加熱ノズル・アセンブリを示している。このノズルは、箱様の構造であり、箱の壁と誘導コイルとの間に絶縁体を有する。箱構造の内部を流れる溶融金属は、誘導コイルを介して間接的に加熱される。
【００１５】
Ｓｈｉｂａｔａらへの米国特許第４，７２６，７５１号は、管状ノズルを有するホットランナ・プラスチック注入システムを開示しており、誘導加熱巻線がノズルの外部の回りに巻かれている。巻線は、互いに直列に高周波数電源に取り付けられる。管状ノズル自体は、誘導コイルによって加熱され、誘導コイルは、熱を溶融プラスチックに伝達する。
【００１６】
Ａａｒｓｅｔｈらへの米国特許第５，９７９，５０６号は、パイプラインの周囲に沿ってずれているヒータ・ケーブルを使用するオイル・パイプラインを加熱する方法およびシステムを開示している。ヒータ・ケーブルは、抵抗発熱および誘導発熱の両方を呈示し、この発熱は、パイプラインの壁に伝達され、それにより、パイプラインの内容物に伝達される。このように電気導体を軸方向に加えることは、抵抗は長い導体（＞１０ｋｍ）の固有抵抗に依拠するので、主にオーム加熱に使用されている。Ａａｒｓｅｔｈは、電源の周波数を０から５００Ｈｚに変化させることで、ある程度の誘導加熱を達成することができると主張している。
【００１７】
Ｉｇｕｃｈｉへの米国特許第５，０６１，８３５号は、二次的な短絡を有する低電圧電気変圧器を使用する低周波数電磁ヒータからなる装置を開示している。一次コイルの構成と、磁気鉄心と、指定抵抗を有する二次閉込めの設計とが、この開示の本質である。この開示は、従来の樹脂成形化合物が、一次コイルの回りに配置され、コアと二次パイプとの間の空間を埋める低温ヒータについて記載している。
【００１８】
Ｂｕｒｋｅへの米国特許第４，８７４，９１６号は、動作ウィンドウを通る各巻線の電流の流れを均等にするために変圧器手段と磁気コアとで構成された多層巻線を有する誘導コイルの構造を開示している。特別に構築されるコイルは、個々のストランドから作成され、各ストランドが同じ程度まですべての径方向位置を占有するように構成される。
【００１９】
しかし、加熱コイルから発生する誘導熱および抵抗熱の両方を使用する改良加熱方法と、内部に発生した熱を最適に使用するために、漏れ磁束を低減または排除し、加熱装置の内部にコイルを配置する方法とが必要である。
【特許文献１】米国特許第５，９７３，２９６号
【特許文献２】米国特許第５，７９９，７２０号
【特許文献３】米国特許第４，７２６，７５１号
【特許文献４】米国特許第５，９７９，５０６号
【特許文献５】米国特許第５，０６１，８３５号
【特許文献６】米国特許第４，８７４，９１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、本発明の目的は、ヒータ・コイルが発生する誘導熱エネルギーおよび抵抗熱エネルギーの両方を使用する改良ヒータ装置を提供することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、ヒータ・コイルが発生する誘導熱および抵抗熱の使用を最大にする最適位置にヒータ・コイルを配置することによって、ヒータの効率を改善する方法を提供することである。
【００２２】
本発明の他の目的は、所与の物品についてより迅速な加熱時間を見込むヒータを提供することである。
本発明の他の目的は、誘導ヒータ・コイルの内部冷却を必要としない誘導加熱を使用するヒータを提供することである。
本発明の他の目的は、特定の応用に必要な熱エネルギーを提供するために、ヒータ・コイルの設計が所与の電源と整合するのを可能にする加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、同じコイル内において誘導または抵抗によって発生する熱が、特定の応用に基づいて変動することを可能にする加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ヒータ・コイルから電磁雑音を大きく低減するまたは排除する誘導加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、精確な温度制御を呈示するヒータを提供することである。
本発明の他の目的は、ほぼ１００％のエネルギーを電源から被加熱物品に伝達し、それにより、同調キャパシタの必要性を不要にする加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、抵抗加熱および誘導加熱の両方を使用するために、コイルを流れる同じ電流がより高い加熱率を提供する加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、誘導コイルの冷却が必要でない加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、被加熱物体の内部における温度分布を改善し、それにより熱勾配を低減する加熱方法を提供することである。
本発明の他の目的は、コイルと被加熱物品との熱伝達が改善された加熱手段を提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、プロセス制御装置によって制御可能な可変周波数を有する電源を使用する加熱方法を提供することであり、この可変周波数は、誘導コイルの共振周波数要件とは無関係であるが、コイルの熱出力を規制するように可変である。
本発明の他の目的は、従来の技術の抵抗ヒータが過度に大型である場合、可変抵抗および／または誘導熱出力を有するコンパクトなヒータを提供することである。
本発明の他の目的は、複数の被加熱ゾーンの加熱手段を提供することである。この場合、誘導生成エネルギーを多重モードで使用することが可能であり（２つのコイル間の誘導コイル干渉を回避するために一度に１つ）、一方、同時コイル動作に適切なレベルまで誘導加熱を最小限に抑えながら、同じコイルの抵抗生成エネルギーを使用して、温度を設定温度に維持することができる。これは、可変周波数電源を使用することによって達成可能であり、供給電流の周波数は、同じ被加熱物体内の誘導結合を低減するように、低くすることができる。
本発明の他の目的は、ヒータ・コイルと被加熱物品との間の誘導結合をほとんど漏れインダクタンスがないほぼ１００％に改善する加熱方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このために、本発明は、導電性基板および／または強磁性基板の内部に埋め込まれた特別に適合された誘導ヒータ・コイルを使用する加熱の方法および装置を提供する。基板の配置は、ヒータ設計の解析的分析に基づいており、最大の使用可能な発熱を提供する最適位置をもたらす。基板内のヒータ・コイルは、抵抗熱および誘導熱の両方を発生し、この熱は、加熱される物品または媒体に向けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図３を参照すると、本発明の例示的な実施形態４１の簡略的な概略図が、全体的に示されている。電源４２は、本体２０ａおよび２０ｂの回りに巻かれ、かつそれと連絡しているヒータ・コイル４４に交流を提供する。好ましい実施形態では、限定的ではなく、コイル４２は、本体２０ａと、閉磁気構造を形成する本体２０ｂとの間に形成される溝４６の内部に配置される。交流がコイル４４に加えられたとき、磁束線が、矢印４０ａおよび４０ｂによって示すように生成される。複数の磁束線が、本体の全周囲の回りに生成され、簡略化して２つの線４０ａおよび４０ｂが示されていることに留意されたい。これらの磁束線は、本体２０ａおよび２０ｂにおいて渦電流を生成し、これにより、前述した表皮効果の原理に従って熱が発生する。好ましい実施形態では、本体２０ａおよび２０ｂは、可能な最大の熱を生成するために、磁束線２０ａおよび２０ｂを最大にするように最適に設計することができる。さらに、コイル４４は、本体２０ａおよび２０ｂと熱連絡しており、コイル４４において発生するあらゆる抵抗熱は、本体に伝達される。
【００２６】
ここで図３Ｂおよび３Ｃを参照すると、本発明の他の例示的な好ましい実施形態４７が、全体的に示されている。本明細書では、円筒が主に示され、議論されているが、本出願の円筒または管という用語は、円柱または管には全く限定されないことを理解されたい。これらの用語は、あらゆる断面形状を包含することを意図している。さらに、示されている電気回路構成は、すべて、電源との直接接続またはオーム接続を使用するが、本発明の適用の範囲は、電源が加熱要素と誘導的または容量的に電気結合される場合も含むので、本発明は、そのように限定されないことを理解されたい。
【００２７】
ヒータ・コイル５２が、コア４８の回りにらせん状に巻かれる。好ましい実施形態では、ヒータ・コイル５２は、銅などの固体金属材料または他の非磁性の導電性および伝熱性の材料から作成される。代替として、コイルは、高抵抗高温度の抵抗から作成することができる。低抵抗導体を使用することにより、誘導電力率が増大され、これは、いくつかの加熱応用分野では有用なことがある。低抵抗コイルに使用することができる１つのワイヤ構造は、リッツ・ワイヤである。リッツ・ワイヤ構造は、表皮効果により固体導体において呈示される電力損を最小限に抑えるように設計される。表皮効果は、高周波数電流が導体の表面に集中する傾向である。リッツ構造は、導体のサイズを著しく増大させずに、表面積を大きくすることによって、この効果を打ち消す。リッツ・ワイヤは、数線の微細銅ワイヤからなり、各ストランドは、直径が．００１インチ程度であり、各ストランドが独立導体として作用するように、各ストランドの回りに電気絶縁体が加えられる。
【００２８】
コア４８の内壁４９は、加熱される流体材料または固体材料を移送するための経路５８を画定する。好ましい実施形態では、単なる例として、流体材料は、気体、水、溶融プラスチック、溶融金属、またはあらゆる他の材料とすることができる。ヨーク５０が、ヒータ・コイル５２の回りに配置され、それと熱連絡する。好ましい実施形態では、ヨーク５０は、やはり強磁性材料から作成されることが好ましい（しかし限定ではない）。コイル５２は、コア４８とヨーク５０との間に提供される溝５４に配置することが可能である。コア４８およびヨーク５０は、ヒータ・コイル５２と熱連絡することが好ましい。ヒータ・コイル５２とコアまたはヨークとの間の伝熱を増大させるために、ヒータ・コイル５２をさらに設置して、内部の接触領域を増大させるように、適切ならせん溝を少なくともコアまたはヨークにおいて提供することが可能である。接触領域がこのように増大することにより、ヒータ・コイル５２からコアまたはヨークへの伝熱が増大する。
【００２９】
適切な周波数の交流源（図示せず）が、コイル５２を流れる電流を伝達するために、コイル５２に直列に接続される。好ましい実施形態では、電流源の周波数は、ヒータの物理的な設計と整合するように選択される。代替として、電流源の周波数は、加熱システムのコストを低減するように、好ましくは５０〜６０Ｈｚの近傍に固定することができ、コア４８および／またはヨーク５０とヒータ・コイル５２との物理的なサイズは、その所与の周波数について最も効率的なヒータを生成するように変更することができる。
【００３０】
ヒータ・コイル５２を流れる交流を加えることにより、ヒータ・コイル５２の誘導加熱および抵抗加熱の両方が生成され、前述したように渦電流が発生することによって、コア４８およびヨーク５０において熱が発生する。コア４８の直径および壁の厚さは、可能な最高のヒータ効率を達成するように選択され、最も効率的なコイルの直径を決定する。以下で記述する方法に基づいて、ヒータ・コイルの直径は、所与のヒータ設計の様々な物理的特性と性能パラメータとに基づいて選択される。
【００３１】
図３Ｃを参照すると、ヒータ・コイル５２の拡大断面図が、様々な構成要素の電流密度を示すグラフと共に示されている。交流源からの高周波数交流が、主軸または全長に沿ってヒータ・コイル５２を横断する。この電流の流れの作用は、図３Ｃに示すように、ヒータ・コイル１０６の断面に沿って、電流密度プロファイルを創出することである。当業者なら明瞭に理解するように、曲線５８、６０、および５６は、それぞれ、構成要素のそれぞれの内部における表皮効果を表す。コイル５２では、コイルは、トレース６０に示すように、導体の外縁において最大で、導体の中心に向かって指数関数的に減少する導体断面の電流密度を示す。
【００３２】
本発明は、ヒータ・コイル５２を強磁性コア４８とヨーク５０との間に配置するので、表皮効果減少も、これらの構成要素において生じることになる。図３Ｃは、ヨークおよびコアの断面領域内における電流密度プロファイルを示す。前述したように、すべての実用上の目的のために、すべての誘導電流は、３δに等しい深度において各構成要素の表皮に沿った領域で包含される。曲線５６は、コア４８において誘導された電流密度を示す。コイルの中心から３δの距離において、本質的に１００％の電流が、コアに包含され、熱を発生するように作用する。しかし、曲線５８は、影付き領域６２によって示す一部の電流が、ヨークに包含されず、したがって熱を発生していないヨーク５０における電流密度を示す。熱エネルギーを生成する機会をこのように失うことにより、ヒータ全体の効率が低下する。
【００３３】
この加熱方法では、高度に効率的なヒータを生成するように、ヒータ設計の様々なパラメータを分析して、変更することができる。これらのパラメータには、以下が含まれる。
Ｉｃｏｉｌ＝ヒータ・コイルの電流
ｎ＝ヒータ・コイルの巻き数
ｄ＝コイル・ワイヤの直径
Ｒｏ＝ヒータ・コイルの半径
ｌ＝コイルの長さ
ρｃｏｉｌ＝ヒータ・コイルに特有の抵抗
Ｃｃｏｉｌ＝ヒータ・コイルに特有の熱
νｃｏｉｌ＝コイルの密度
ｈｙ＝外管の厚さ
Ｄｈ＝溶融チャネルの直径
μｓｕｂｓｔｒａｔｅ＝基板に特有の熱
νｓｕｂｓｔｒａｔｅ＝基板に特有の密度
ｆ＝交流の周波数
ΔＴ＝温度上昇
【００３４】
コイルの電気特有抵抗（ρｃｏｉｌ）およびコイルの物理的な寸法（ｎ、ｄ、Ｒｏ、ｌ）は、コイルにおいて抵抗熱エネルギーを創出することに主に寄与するものである。これまで、従来の技術は、この発熱を使用不能であると見なし、それを軽減するためにいくつかの方法を使用した。まず、リッツ・ワイヤを使用して、抵抗発熱を低減し、次に、適切な冷却材でコイルを冷却する。その結果、ヒータは、最大効率では動作しない。
【００３５】
これを考慮して、本発明は、誘導コイルのすべてのエネルギーを利用し、このエネルギーをプロセスの加熱に利用する。コイルのすべてのエネルギーをプロセスに効果的に移動させるために、材料を選択し、プロセス加熱用件、機械構造要件、および加熱速度の分析に基づく最適位置（または深度）にある基板の内部に誘導コイルを配置する。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態では、たとえば図３Ｂに示すように、コイル５２の材料は、銅より６倍大きい抵抗を有するニクロムとすることができる。このように抵抗が大きいので、従来の技術において示唆されている銅コイルを使用する場合より６倍大きい熱を生成することができる。純粋な誘導加熱システムでは、通常使用される高周波数誘導加熱機器は、ヒータの抵抗が増大している場合動作することができない。現在既知の電源は、加熱装置の共振状態を支持する最小限のコイル抵抗で動作する。通常、従来の技術によれば、コイルの抵抗が増大することにより、加熱システムの効率は著しく減少することになる。
【００３７】
コイル５２は、動作するために、コアおよびヨークから電気的に絶縁されなければならない。したがって、コイル５２の回りの高い誘電絶縁コーティング５３を提供する材料を提供しなければならない。コイル絶縁体５３は、また、コイル５２からヨークおよびコアへの伝熱可能にするように、良好な熱導体でもなければならない。良好な誘電体特性と優れた伝熱性とを有する材料が、容易に利用可能である。最後に、コイル５２は、被加熱コアおよびヨークと密接に接触して配置されなければならない。良好な伝熱性を有する誘電体は、固体の形態、ならびに粉末の形態、および注封化合物として市販されている。どの形態の誘電体を使用するかは、個々の応用分野による。
【００３８】
ヨークおよびコアの内部に装備されたコイル５２が発生する有用な全エネルギーは、以下の関係によって与えられる。
Ｐｃｏｍｂｏ＝Ｑ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）＋Ｑ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）
Ｐｃｏｍｂｏ＝Ｉｃ２Ｒｃ＋Ｉｅｃ２Ｒｅｃ
上式で、
Ｑ＝熱エネルギー
Ｐｃｏｍｂｏ＝誘導加熱と抵抗加熱との組合わせによって生成されるエネルギー率
Ｉｃ＝加熱コイルの全電流
Ｒｃ＝誘導コイル抵抗
Ｉｅｃ＝被加熱物体の全等価渦電流
Ｒｅｃ＝被加熱物体の等価渦電流抵抗
【００３９】
上式の第２部分は、コイルを流れる電流と、コアおよびヨークにおける誘導渦電流との結果である誘導の寄与である。コイル５２は、コア４８とヨーク５０の間に配置されるので、結合損はなく、したがって、最大エネルギー伝達が達成される。エネルギーの式から、純粋な抵抗による方法または純粋な誘導による方法と比較して、同じコイル電流が、より多くの加熱電力を提供することがわかる。したがって、同じ電力レベルでは、ヒータ・コイルの温度は、純粋な抵抗加熱と比較して著しく低くすることができる。現在の誘導加熱では、誘導コイルにおいてオーム損として生成されるすべてのエネルギーは、以前に議論したように、冷却によって除去される。
【００４０】
構造部品を加熱する場合では、部品の熱勾配を低減することが重要である。抵抗および誘導加熱は、熱勾配を生成し、両方の加熱手段の組合わせは、同じ電力率では、熱勾配を著しく低減する。抵抗加熱要素は、１６００°Ｆの温度に到達することがあるが、被加熱物品は、ある時間の間、準表面層の中への伝熱を開始しないことがある。この熱の遅れは、材料表面において大きな温度勾配をもたらす。著しい引張り応力が、動的熱勾配のために被加熱物体の表皮に存在する。同様に、誘導加熱は、高い率で被加熱物体の薄い表皮層においてのみ熱を創出する。これらの有害な影響は、本発明により２つの別々の加熱減を１つに組み合わせることによって、著しく低減することができ、これにより、温度勾配が一様になり、したがって局所的な応力レベルが低減する。
【００４１】
ここで図４および４Ａを参照すると、本発明の他の例示的な好ましい実施形態１００が全体的に示されている。これらの図は、マグネシウムなどの注入成形金属の通常の構成を示すが、当業者なら些少な努力で、プラスチックなどの注入成形材料の多くの他の構成を容易に構想することができることを理解されたい。
【００４２】
被加熱ノズル１００は、流体を伝達するための内部に形成された経路１０４を有する細長い外部品１０２からなる。流体は、たとえばマグネシウムなどの成形金属、プラスチック、または他の同様の流体とすることができる。好ましい実施形態では、流体は、揺変状態にあるマグネシウム合金である。好ましい実施形態では、ねじ山１０３が、ノズル・ヘッド１０８の上に形成されたねじ山と連係する外部品１０２の近位端において提供される。ノズル・ヘッド１０８は、外部品１０２に堅固に固定され、内部品１１６が、ヘッド１０８と外部品１０２との間に挿入される。経路１０４は、流体を出口１１０に伝達するように内部品１１６を通って続く。環状ギャップ１０７が、ヒータ・コイル１０６を挿入するために、内部品１１６と外部品１０２との間に提供される。この好ましい実施形態では、テーパ１１２が、良好な機械的接続を保証するために、ノズル・ヘッド１０８と内部品１１６との間に提供される。電気導体１１８および１２０が、ヒータ・コイル１０６に接続されるために、それぞれ溝１１４および１１５を通って挿入される。ヒータ・コイル１０６は、前述したように、電気絶縁性コーティングを備えることが好ましい。
【００４３】
図によって示すように、この構成では、ヒータ・コイル１０６は、強磁性内部品１１６と、コイルの回りに閉磁気回路を形成する強磁性外部品１０２とによってはさまれていた。ヒータ・コイル１０６は、コイルからの伝熱を増大させるために、内部品１１６および外部品１０２の両方と物理的に接触することが好ましい。しかし、ヒータ・コイル１０６と内部品および外部品との間のわずかなギャップは、依然として適切に機能する。
【００４４】
好ましい実施形態では、交流が、ヒータ・コイル１０６を通って伝達され、それにより外部品１０２および内部品１１６と、同様にノズル・ヘッド１０８とにおいて誘導熱が発生する。コイル１０６を流れる電流は、また、コイル自体において抵抗熱を発生し、この熱は、外部品および内部品に伝達される。この構成では、熱エネルギーの損失または浪費はわずかであるか、または全くなく、加熱される物品に向けられる。
【００４５】
ここで図６を参照すると、以前に議論したそれぞれの加熱方法の様々な設計基準を比較する表が示されている。この表から、読者は、本発明による方法を使用することに関連する利点を迅速に理解することができる。本発明によれば、補助的な冷却を使用せずに、および共振フィルタを使用せずに、より少ないエネルギー損失で、より多くの熱エネルギーが生成される。その結果、所要の物品を加熱する時間は、より短く、ヒータ・コイルの設計に応じて、より制御された方式で達成される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】当技術分野において既知の抵抗加熱の簡略的な概略図である。
【図２】当技術分野において既知の誘導加熱の簡略的な概略図である。
【図３】本発明による加熱要素を示す部分的な概略図である。
【図３Ａ】誘導タイプのヒータ・コイルの導体における「表皮効果」を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明による加熱要素の断面図である。
【図３Ｃ】本発明の各構成要素における電流密度分布を示す、本発明による好ましい実施形態の拡大断面図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態の部分的な断面等角投影図である。
【図４Ａ】図４に示した実施形態の断面図である。
【図５】抵抗加熱と、誘導加熱と、本発明による加熱方法との設計基準を比較する表である。
【図１】
2005517265.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月2日(2003.9.2)
【手続補正１】
【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】
物品を、前記物品と熱的および磁気的に連絡しているコイル状電気導体で加熱する方法であって、
前記コイル状電気導体の回りで磁気回路を閉じることと、
前記物品において誘導熱を発生させ、かつ前記コイル状電気導体において抵抗熱を発生させるように、前記コイル状電気導体に電力を供給することと、
前記コイル状電気導体において発生したほぼすべての抵抗熱を、コイル状電気導体の表面に加えられた誘電絶縁体の熱絶縁特性を限定することによって、前記物品に直接伝達することとを備える方法。
【請求項２】
磁気回路が、物品を少なくとも２つの部分に作成することによって閉じられ、少なくとも２つの部分が、内部分および外部分を含み、コイル状電気導体が、内部分と外部分との間に配置され、かつ内部分の回りに巻き付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記内部分および前記外部分が、強磁性材料から作成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
使用の際に、前記物品において誘導された電流が、侵入度を有し、前記外部分が、侵入度とほぼ等しいか、または侵入度より厚い壁の厚さを有する、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
電気導体と前記物品の熱的および磁気的な連絡が、前記物品においてらせん溝を提供し、かつ前記電気導体を前記溝に装備することによって達成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記導体が、内部冷却能力を有していない、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記電気導体が、電力を供給することによって使用する際に、前記物品において誘導された電流の侵入度とほぼ等しいか、または侵入度より深い深度で前記物品に配置される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記コイル状電気導体が、銅の抵抗より大きい抵抗を有する材料から作成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記材料が、ニクロムである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気導体が、半導体材料から作成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
電流が、前記電気導体に誘導に加えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気導体の前記抵抗熱が、前記導体について補助冷却手段を使用することを予め排除するのに十分な率で前記物品に伝達される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
流動性材料を加熱する装置であって、
流動性材料を伝達するための内部に形成された通路を有し、外表面を有するコアと、
コアに接して複数回巻き付けられ、使用時に、抵抗および誘導の両方によりコアを加熱し、表面に加えられた誘電絶縁層によってコアから電気的に絶縁された電気要素であって、誘電絶縁層が、前記電気要素において発生したほぼすべての抵抗熱を前記コアに伝達するのを支持するように高い伝熱性を有する、電気要素とを備える装置。
【請求項１４】
電気要素が、補助冷却能力を有していない、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
コアの外表面が、電気要素が受けられる少なくとも１つのらせん溝を有する、請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
誘電絶縁層が、金属シースによって囲まれる、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
溝が輪郭を有し、シースの少なくとも一部が、その輪郭と合致する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
溝が、電気要素を溝に保持するようにシースと共動するほぼ垂直の壁を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
電気要素の外表面が、コアの外表面とほぼ同じ高さであるように、溝が十分に深い、請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
コアの回りに配置されたヨークをさらに備える、請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
コアおよびヨークが、強磁性材料で作成される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
ヨークが、電気要素に密着してはめ込まれているスリーブを備える、請求項２０または２１に記載の装置。
【請求項２３】
スリーブが、コアよりかなり薄い、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
スリーブが、コアとほぼ同じ厚さである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
電気要素の外表面が、コアの外表面を越えて延びる、請求項１３乃至２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
導体が、ニッケル・クロミウム合金で作成される、請求項１３乃至２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
物品を、前記物品と熱的および磁気的連絡している電気導体を使用して加熱する方法であって、
前記物品と密接に熱接触している前記導体を前記物品の内部に配置することと、
適切な周波数の電流を前記導体に加えることであって、前記電流が、前記導体にとって最大許容可能な電流より小さいかまたは等しく、前記周波数が、前記物品の内部において発生する誘導熱の所望のレベルによって決定され、前記電流が、前記導体が発生する抵抗熱の所望の量によって決定されることとを備える方法。
【請求項２８】
前記物品が、導電性基板であり、好ましくは強磁性基板である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板と前記導体との間に、電気絶縁性かつ伝熱性の層を形成するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記基板が、円筒であり、内部円筒スリーブおよび外部円筒スリーブを備え、前記導体が、前記スリーブの両方と密接に熱接触して前記スリーブの間に配置され、前記スリーブが、閉磁気回路のコアおよびヨークを形成し、前記密接な熱接触が、誘電体材料により提供される、請求項２８または２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
所与の周波数において、前記電流の侵入度に等しいか、または侵入度より厚い壁の厚さを有する前記ヨークを提供することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
閉磁気回路が、基板を少なくとも２つの部分に作成することによって提供され、少なくとも２つの部分が、内部分および外部分を含み、電気導体が、内部分と外部分との間に配置され、かつ内部分の回りに巻き付けられる、請求項２８乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記内部分および前記外部分の両方が、導電性強磁性材料から作成される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
使用の際に、前記基板において誘導された電流が、侵入度を有し、前記外部分が、侵入度にほぼ等しいか、または侵入度より厚い壁の厚さを有する、請求項３２または３３に記載の方法。
【請求項３５】
電気導体と前記基板との熱的および磁気的な連絡が、らせん溝を前記基板において提供し、かつ前記電気導体を前記溝に装備することによって達成される、請求項３２乃至３４のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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