(57)【要約】  誘導加熱又は、抵抗加熱と誘導加熱の組み合わせによる加熱システム及び方法。加熱コイルが物に誘導的に結合され、該加熱コイルに電流信号が供給される。加熱コイルは該物を誘導加熱するために印加された電流信号に基づき磁束を発生させる。該加熱要素すなわちコイルによってもたらされる誘導加熱の率、強度及び／又は動力を増強するため、又は、誘導加熱システムの寿命を増強するか或いはそのコストを削減するため、特定のプロファイルの電流パルスが用いられる。【選択図】      図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱のための加熱コイルと、高調波を有した電流パルスを前記加熱コイルに供給する電源とを備え、前記加熱コイルが物の誘導加熱のための磁束を発生する装置。
【請求項２】
前記高調波は、コイルの加熱力の抵抗部分よりも誘導部分を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電流パルスは、前記加熱コイルの電流制限を超えることなく、増量した誘導加熱を生じさせる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電流パルスは、同じルート周波数を有した正弦波形電流信号よりも増量した誘導加熱をもたらす、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電流パルスは、前記加熱コイルの境界周波数より上に関連付けられたエネルギー成分を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電流パルスは、前記加熱コイル内の自乗平均平方根（ＲＭＳ）電流を増加させずに加熱力の誘導部分を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電源はライン周波数正弦波形電流信号を入力として受け取る、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記加熱コイルは前記コイルに抵抗熱を発生させる電気抵抗導体を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記加熱コイルは前記物と熱交換している、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記加熱コイルは前記物を含む負荷と誘導的に結合している、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記負荷は強磁性基板又は強磁性物を含み、前記磁束は前記強磁性基板又は強磁性物内の渦電流を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記負荷は前記磁束のための強磁性構成要素の閉じたループ又は半ば閉じたループを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記構成要素は実質的に閉じたループを形成する強磁性コア及び強磁性ヨークを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記負荷は強磁性コアを含み、前記加熱コイルは少なくとも部分的に前記コアに埋設されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記負荷は強磁性コア及び強磁性ヨークを含み、加熱コイルは、前記コア及びヨークの間に配置されるか、それらのうち少なくとも一方の中に埋設されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
前記加熱コイルは物の表面に蛇行形態を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記加熱コイルは物に包回された円筒型形態を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記負荷は流動性材料のための経路を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１９】
前記負荷は成形材料を成形するための成形面を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項２０】
前記加熱コイルは、前記物の一部分の優先的加熱のために前記負荷に配置されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項２１】
前記物は、強磁性の第１の部分と強磁性の第２の部分とを含み、前記誘導加熱は前記第２の部分よりも前記第１の部分により集中している、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第２の部分は渦電流の流れに断絶又は制限を生じさせる、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の部分は、前記断絶又は制限を生じさせるための溝孔を有している、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
物に誘導的に結合された加熱コイルを配設することと、前記加熱コイルに対し高調波を有した電流パルスを供給して、前記物の誘導加熱のための磁束を発生させることと、を備えた方法。
【請求項２５】
被誘導加熱物と、前記物と少なくとも部分的に接触しているか又は前記物に埋設されて、前記物に誘導的に結合された加熱コイルと、磁束を発生させる加熱コイルに供給される高調波を有した電流パルス源と、を備えた装置。
【請求項２６】
コイルによって生み出される誘導加熱力及び抵抗加熱力の間の割合を調節するために、加熱コイルに対して調節可能な調波エネルギー量を有した電流パルスを供給する可変電源を備えた装置。
【請求項２７】
物と誘導的に結合された加熱コイルを備え、前記物は加熱される流動性材料のための経路を有しており、前記物内に誘導的に発生した熱を前記経路で前記流動性材料に対して前記物内で伝達し、前記経路で前記流動性材料に対して誘導加熱の伝達を調節するために、前記加熱コイルに対して調節可能な調波エネルギー量を持つ電流パルスを伝達する加熱コイルに結合された電源を備えた装置。
【請求項２８】
物に誘導的且つ熱的に結合された加熱コイルを配設することと、
前記物の誘導加熱と抵抗加熱の割合を調節するために、前記加熱コイルに対して調節可能な調波エネルギー量を有した電流パルスを供給することを備えた方法。
【請求項２９】
表面部分と強磁性本体部分とを有した物の加熱方法であって、前記表面部分の近傍に、前記強磁性本体部分に誘導的に結合させて加熱コイルを配設することと、前記強磁性本体部分を加熱するために渦電流を誘導する加熱コイルに対し高調波を有した電流パルスを供給することと、を備えた方法。
【請求項３０】
電流パルス信号の誘導加熱動力を増加させるために、ルート周波数成分及びルート周波数より上の１つ又は複数の調波成分から電流パルス信号を構築することと、加熱コイルに誘導結合された物に渦電流を誘導する加熱コイルに電流パルス信号を供給することと、を備えた誘導加熱方法。
【請求項３１】
電流パルス信号の動力を増加させるために、前記１つ又は複数の調波成分のうち少なくとも１つの振幅を増加させることを更に備えた、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
電流パルス信号の誘導加熱力を増加させるために、ルート周波数成分及びルート周波数の上の１つ又は複数の調波成分から電流パルス信号を構築することと、誘導加熱システムに電力供給するために電流パルス信号を供給することと、を備えた誘導加熱システムへの電力供給方法。
【請求項３３】
１つのルート周波数と１つの振幅を有した第１の調波成分を選択し、ルート周波数の上の１つ又は複数の調波成分を選択して前記１つ又は複数の調波成分を前記第１の高調波成分と結合して所望の強さの誘導加熱を有した統合有効周波数を生成することにより電流パルス信号を構築することを備えた、誘導加熱の強さの調節方法。
【請求項３４】
強磁性基板に誘導的に結合された加熱コイルを配設することと、高調波を有した電流パルス信号を、前記強磁性基板を加熱するための渦電流を誘導する加熱コイルに対して供給することと、前記強磁性基板から被加熱物に対して前記熱を伝達することと、誘導加熱を低減するために、加熱コイルに供給される信号を低減して前記強磁性基板を間欠冷却することと、を備えた制御式加熱方法。
【請求項３５】
前記間欠冷却は、前記基板を冷却する冷却媒体を供給することと、前記基板から熱を取り去ることと、のうち１つまたは複数を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記冷却媒体は前記基板内に供給されている請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記加熱コイルは、前記強磁性基板と接触する電気絶縁カバーを有した導電性管であり、前記冷却媒体は、前記強磁性基板を冷却するために前記管の内径内に供給されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記パルス信号は主として誘導加熱力を発生させる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記発生した動力は１０％未満の抵抗力を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記発生した動力は５％未満の抵抗力を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記発生した動力は１％未満の抵抗力を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記強磁性基板は、誘導された渦電流の浸透深さがδである場合、約３δ未満の膜厚を有している、請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
前記基板の膜厚は約３δである、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
断熱性外側層を配設することと、前記基板から前記物へと熱を伝達する伝熱性の内側層を配設することを備え、前記強磁性基板は前記外側層と前記内側層の間にある、請求項３４に記載の方法。
【請求項４５】
断熱性で強磁性の外側層を配設することと、基板から物へと熱を伝達する伝熱性の内側層を配設することとを備え、前記強磁性基板は前記内側層と前記外側層の間にある、請求項３４に記載の方法。
【請求項４６】
流動経路が前記強磁性基板内又はその近傍に配設され、前記加熱コイルと前記強磁性基板は前記流動経路内の流動性材料の制御式加熱を提供する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４７】
前記強磁性基板はノズル又は溶融経路の一部である、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記強磁性基板は圧縮成形装置の一部である、請求項４６に記載方法。
【請求項４９】
経路内の流動性材料の温度制御方法であって、
流動性材料のための経路を持つ強磁性基板と、前記強磁性基板に誘導的に結合された加熱コイルとを配設し、
前記経路に材料の流動率を生じさせるために強磁性物を加熱する渦電流を誘導する加熱コイルに対して高調波を有した電流パルス信号を印可することと、
前記加熱コイルに対する印加信号を低減すること、前記経路内の前記材料の流動を生じさせるために前記基板から熱を引き去ることのうち１つまたは複数を行うことによって前記強磁性基板を間欠冷却することと、
を備えた方法。
【請求項５０】
前記間欠冷却は、前記強磁性基板を冷却するために冷却媒体を供給することを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記加熱コイルは、前記強磁性基板と接触する伝熱カバーを有し、その内部を冷却媒体が流動する冷却経路を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
強磁性で伝熱性の基板と、前記強磁性基板に誘導結合された加熱コイルと、渦電流を誘導して前記強磁性基板を誘導加熱するために前記加熱コイルを駆動する高調波を有した電流パルス信号源と、前記強磁性基板を冷却する冷却媒体の源と、前記パルス信号と前記冷却媒体の間欠的な供給のための制御機構と、を備えた制御式誘導加熱装置。
【請求項５３】
外側の構成要素を備え、前記加熱コイルは前記外側の構成要素と前記強磁性基板の間に配置されている、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記外側の構成要素は強磁性である、請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記外側の構成要素は断熱体である、請求項５３に記載の装置。
【請求項５６】
前記外側の構成要素、前記強磁性基板、及び前記加熱コイルを包囲する電気絶縁性カバーのうち少なくとも１つに配設された、内部を前記冷却媒体が流動する冷却経路を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記強磁性基板は、内部を前記冷却媒体が流動する冷却経路を含む、請求項５２に記載の装置。
【請求項５８】
前記冷却媒体は液体又は気体の形状である、請求項５２に記載の装置。
【請求項５９】
前記加熱コイルは前記基板に接触している、又は少なくとも部分的に前記基板に埋設されている、請求項５２に記載の装置。
【請求項６０】
電気絶縁性のカバーが前記加熱コイルを包囲している、請求項５２に記載の装置。
【請求項６１】
前記加熱コイルは、
ａ）前記基板にわたり交互の方向に磁界を生じさせる、前記基板の表面上又は近傍に配置された蛇行形態、又は、
ｂ）前記コイル内部に同方向に磁界を生じさせる、前記基板に巻回された円筒形形態、
を形成する、請求項５２に記載の装置。
【請求項６２】
前記加熱コイルは前記蛇行形態であり、らせん、蛇行、環状らせん又は環状蛇行の形状をしている、請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記加熱コイルは前記円筒型形態であり、らせん、蛇行、環状らせん又は環状蛇行の形状をしている、請求項６１に記載の装置。
【請求項６４】
前記加熱コイルは中実又は中空である、請求項５２に記載の装置。
【請求項６５】
前記加熱コイルは中空管であり、冷却媒体は前記管に供給されている、請求項６４に記載の装置。
【請求項６６】
前記中空管は誘電体絶縁により被覆されている、請求項６４に記載の装置。
【請求項６７】
前記加熱コイルは、銅又は、銅よりも固有抵抗が高い導電体を備えている、請求項５２に記載の装置。
【請求項６８】
前記加熱コイルはニッケル・クロム合金又はタングステン合金を備えている、請求項６７に記載の装置。
【請求項６９】
前記加熱コイルは、圧縮力を吸収する前記装置の一構造部品の一部である、請求項５２に記載の装置。
【請求項７０】
前記加熱コイルは、流動性材料のための経路またはノズルの一部、又は、成形材料の金型の一部である、請求項６９に記載の装置。
【請求項７１】
前記装置はノズルと、スプルーバー（sprue bar）と、溶融経路と、水加熱器と、吹込成形用金型又は圧縮成形用金型を備えている、請求項６９に記載の装置。
【請求項７２】
前記装置は成形面を備えている、請求項６９に記載の装置。
【請求項７３】
前記加熱コイルは、溶射層及び薄膜層のうち１つまたは複数を備えている、請求項５２に記載の装置。
【請求項７４】
前記層は少なくとも１つの導電層及び少なくとも１つの電気絶縁層を含む、請求項７３に記載の装置。
【請求項７５】
前記層は前記冷却媒体のための冷却経路を形成する、請求項７３に記載の装置。
【請求項７６】
前記パルス信号の動力及び／又は周波数分布帯は、異なる構成の前記加熱コイル及び強磁性基板に適合するために調整可能である、請求項５２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の実装において誘導加熱を利用する、又は、抵抗加熱と誘導加熱を組み合わせて利用することを含む加熱システム及び方法に関する。さらに、加熱は局所化され（特定の領域に指向され）てもよく、及び／又は連続的又は間欠的であってもよい。
【０００２】
（関連出願）
本出願は、Valery Kaganにより、２００３年７月２日に提出され、「誘導加熱装置及び方法」（Apparatus and Method for Inductive Heating）と題した米国特許出願第１０／６１２，２７２号の一部継続出願であり、優先権を主張し、その全体を参照として本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００３】
鋼鉄等の強磁性（高透磁率）材料のシリンダー又は管を誘導（渦）電流により誘導加熱することは一般的な方法である。渦電流は印加された磁束によって強磁性材料内に誘導され、磁束はシリンダー又は管の周りに配置された１つ又は複数の加熱コイルを介した交流電流の通過により発生する。誘導加熱のこの方法は、流体、半固形物又は固形物（例えば、溶融鋼鉄又はマグネシウム充填ポリマー又は充填なしのポリマー、ビレット及びセラミックス）を含む様々な他の種類の材料、作業片及び負荷に適合させることができる。
【０００４】
被加熱物は誘導電流によりそれ自体が加熱されてもよく、及び／又は、例えば強磁性基板で誘導発生した熱が半導体ウエハーに伝わる場合のように、別の被誘導加熱物又は基板と熱交換（例えば伝導又は輻射により）していてもよい。この点において、該加熱要素すなわちコイルの電気抵抗は、例えばコイル内で発生し被加熱物に（伝導又は輻射により）伝えられる抵抗熱量を増加させるためにより抵抗値が高い材料を用いて変化させてもよい。銅の約６０倍の電気抵抗を持つニッケル・クロミウム（ＮｉＣｒ）合金であるニクロムは、磁束内に置かれた物を誘導加熱するための磁束と、同物へ伝導又は輻射により伝達される抵抗熱（コイル内の）の両方を発生するコイルに用いられてきた。
【０００５】
伝統的な誘導加熱コイルは銅製であり、コイルの過熱防止のために水冷された。さらに、コイル冷却媒体による被加熱物からの除熱を防ぐため、水冷されたコイルと被加熱物との間にエアギャップが配設される。このエアギャップと冷却要件がこの加熱システムの複雑さとコストを増加させる。それらは装置の強度（構造的完全性）をも損ない、それは例えば圧縮成形用金型のような圧力が印加される応用例では重大になり得る。しかし、冷却しないとコイルには不具合が生じる（上昇した温度で溶ける、又は焼け切れる）。伝統的な誘導加熱システムは、コイルの促進された抵抗加熱がコイルの冷却を一層困難にして、一層大規模な冷却経路及び／又は一層低い冷却温度を必要とし、それらはそれぞれより多くの電力消費とコストにつながるため、抵抗値がより高い（例えば、ＮｉＣｒ）コイルを用いない。更に、抵抗負荷は伝統的な誘導電源では駆動されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの課題のうちいくつか又は全てを解決する加熱システム及び方法、及び／又は、そのような加熱システムにより効率よくさらに好適にはより低コストで動力を供給するエネルギー源への継続的な必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明と整合するシステム及び方法は以下の実装を含む。
【０００８】
一実装によれば、加熱装置は、物に誘導的に結合された加熱コイルを含み、電流信号が前記加熱コイルに供給される。前記加熱コイルは前記物を誘導加熱するため、電流パルス信号に基づいた磁束を発生させる。前記電流信号は好適には高調波を有した電流パルス信号である。
【０００９】
前記高調波は誘導加熱動力を多様化するために使われることができる。前記高調波は前記加熱コイルの抵抗加熱よりも誘導加熱のほうの相対比率を増加させることができる。高調波は、より低い基本（すなわちルート）周波数の供給電流（例えば５０〜６０Ｈｚのライン周波数）の使用を可能にすることができる。ルート周波数と調波周波数成分の組み合わせに基づく電流パルスの有効周波数及びその振幅は、特定応用例における前記加熱コイルの寿命を延ばし、及び／又はより急速なコイルの加熱を可能にすることができる。
【００１０】
一実施態様においては、加熱コイルは該物を含む負荷に誘導的に結合されている。前記負荷は強磁性コアと強磁性ヨークを含み、前記加熱コイルは該コアとヨークのうち少なくとも一方と接触している、それらの間に配置されている、及び／又はその中に埋設されている。場合によってはコアは流動性材料のための経路を有し、コアがその流動性材料を加熱するようになっている。前記加熱コイルは、加熱を経路内に集中させるためコア内に配置されていてもよい。
【００１１】
別の実装では、物は磁束のための実質的に閉じたループの少なくとも一部を形成する。物は、その物の第２の部分に比べて誘導加熱がより集中している第１の部分を含む。前記第２の部分は、例えば、前記第２の部分内に溝孔、エアギャップ又は強磁性がより低い材料を有することにより渦電流の流れに断絶又は制限を生じさせてもよい。
【００１２】
別の実装では、加熱コイルに対して電流信号を供給する電源が配設される。電流は好適には前記加熱コイルに対して調節可能な高周波エネルギー量を有した電流パルスとして供給される。
【００１３】
一実施態様では、加熱コイルは、加熱される流動性材料のための経路を有した物の内部に少なくとも部分的に配置され、該物内に誘導的に発生した熱は、伝導及び／又は対流により経路内の流動性材料に伝わる。電源は、振幅及び／又は周波数分布帯（調波の周波数）が多様である電流パルスを、経路内の流動性材料に対する誘導加熱の伝わり方を調節するために前記加熱コイルに伝える。該流動性材料は、渦電流が材料に誘導される（物への誘導に加えて、又は物への誘導の代わりに）ために、それ自体を強磁性としてもよい。
【００１４】
別の実装によれば、物に誘導的に結合された加熱コイルを配設するステップと、前記加熱コイルに対して電流信号を供給するステップを含んだ方法が提供される。該電流信号は好適には高調波を有した電流パルス信号である。
【００１５】
別の実装によれば、前記方法の工程は、物と熱交換し物に誘導的に結合されている加熱コイルを配設し、物の誘導加熱と抵抗加熱の間の割合を調節するための調節可能な電流パルス信号を前記加熱コイルに対して供給することを含む。
【発明の効果】
【００１６】
種々の実装によれば、本方法の工程は、加熱、冷却、及び／又は温度制御の同時、不連続的、間欠的及び／又は交互の期間と、振幅、パルス幅及び／又は周波数分布帯に対して電流パルス信号のエネルギー量を調節することと、及び／又は、被熱物から熱を取り去るための冷却機構（冷却媒体又は放熱板）を配設することを含んでいてもよい。これらの方法の工程を達成するための特定の仕組みが開示される。そのような加熱システム及び方法の種々の実施態様は、均一な加熱、温度傾斜の低減、熱応力の低減、信頼性の高い高温動作、小型設計、より短いサイクルタイム、昇温時間の短縮などといった１つ又は複数の利点を提供することができる。
【００１７】
これら及びその他の実装は下記の図面及び詳細な説明で論じられる。
【００１８】
本明細書で論じられる種々の実施態様に特定のプロファイルの電流パルスを用いて、加熱要素すなわちコイルから伝達された誘導加熱の速さ、強度及び／又は動力を増強すること、及び／又は、誘導加熱システムの寿命を増強する、或いはコストを削減することができることが確認された。特定の実施態様で、前記加熱コイルにおいて相当する電流増量を要さずとも、これを成し遂げることができる。これは、より低い周波数（例えば、５０〜６０Ｈｚ）の供給電流の使用を可能にすることもでき、又、より厳密な温度制御又はサイクルタイム短縮をもたらす指向性（局所化された）加熱及び冷却効果を可能にする構造的加熱及び冷却素子に結合されてもよい。
【００１９】
より詳細には、これらの電流パルスは誘導加熱性能を増強する、急速に変化する電流プロファイルを持っている。電流パルスは、コイル電流の基本周波数すなわちルート周波数の調波を含む、エッジが急な（最初の逸脱が大きい）別々の狭幅パルスである。ルート周波数より上のこれらの調波は本明細書では高調波と記述され、それらは好ましくは前記加熱コイル及び／又は加熱システムの境界周波数より上で発生する。加熱コイルへのそのようなパルスの供給は、コイル内の自乗平均平方根（ＲＭＳ）電流の増量を要することなく、強磁性又はその他の誘導加熱された負荷に誘導的に伝達される動力を大幅に増やすために用いられることができる。このことは、ひいては前記加熱コイルの電力消費又は冷却要求を低減し、及び／又は前記加熱コイルの寿命を延ばすことができる。
【００２０】
これらの電流パルスを単独又は本明細書に記載される構造的加熱及び冷却素子と結合させて使用することにより取り組むことができる１つの課題は、加熱コイルが耐えることができかつ有用な寿命も与えることができる最大耐久コイル電流または限界電流（Ｉｃ−ｌｉｍｉｔ）である。したがって、所与のＩｃ−ｌｉｍｉｔ（ＲＭＳ）、コイル巻数Ｎ、及び電磁結合Ｋｃ係数に対して、ここで取り組まれる１つの課題はいかにして誘導加熱動力を増やすかということである。
【００２１】
従来技術では、解決策は電力供給の周波数を増やすことであり、その場合、前記加熱コイルに供給される正弦波形の電流の共振周波数を調節（厳密に制御）するための「共振変換器」として、コイルと並列に高出力のコンデンサが配設される。この解決策の１つの問題は、電源が抵抗負荷（抵抗コイル）との協働に適合しないということである。
【００２２】
更に、従来技術での表面加熱用途の誘導加熱の使用は、浸透深さの厳密制御が必要で、それはひいては周波数の厳密制御を要する。結果として、調波は好まれず、結局、前記加熱コイルに供給される電流信号の重要でない（最小限の）部分となる。このことは一般的な高調波への冷遇と符合するもので、例えば、６０Ｈｚの正弦波形線電流を供給する際、電流供給業者は自らのシステムから高調波を取り除くために大規模なコンデンサを用いるが、それは顧客が自分たちの電気機器及びコンピュータに干渉し有効周波数を変えてしまう、供給信号内のノイズと称される調波を好まないからである。
【００２３】
対照的に本件では、電流パルスは意図的にコイル電流のルート周波数より上の高調波で供給される。これらの別々の狭い電流パルスはエッジ（振幅の変わり目）が急であり、パルス間での遅延が比較的長い。それらは、各サイクル中のパルス間で比較的大きな遅延がある裁断波又は圧縮波として現れる。
【００２４】
調波は、誘導加熱動力を高めるために該調波の振幅を高く保っている場合は特に、電流パルスの有効周波数信号に増加をもたらす。分布帯分析器で見ると、電流パルスは複数の調波周波数それぞれにおいて複数の電流成分を含む。本明細書では、電流と電圧は交換可能で等価であることを理解するべきである。
【００２５】
調波はコイル又は好ましくは加熱システムの境界周波数より上であり、電流パルス信号のルート周波数も好ましくは境界周波数より上である（ルート周波数が電流パルス信号の最大振幅成分を与え得るため）。高調波の振幅は、例えば変圧器等の使用により増強されてよい。電流パルス信号を構成するためのシステム及び方法の種々の実装、並びにそれらの使用を例示する特定の応用例に関して以下に説明する。
【００２６】
本手法の利点の一つは、従来技術の誘導加熱システムの共振正弦波形の高周波数電力供給に比べて、より単純で低コストの電源の提供である。そのような従来技術システムでは、前記加熱コイルと誘導加熱されたコアとの間に設けられたエアギャップが磁束に対して高電磁抵抗（低浸透性）を構成し、それが高い境界周波数を生んでいた。この問題を解決するため、従来技術のシステムは、エアギャップの効果を克服しコアの急速な誘導加熱を可能にするために必要と思われていた共振回路内の高周波数と高振幅の電流信号を利用していた。
【００２７】
対照的に、本発明の特定の実施態様は、例えばエアギャップを排除することにより、又、好ましくは基板にコイルを全部又は少なくとも部分的に埋設することにより、更には、磁束に対して部分的又は実質的に閉じたループを与える（強磁性ヨークがコアとのループを閉じる）ことにより、コイルと基板との間に改良された磁気結合を与え、それらの１つ又は両方を、システムの境界周波数を低減するために用いることができる。そこで、システムの境界周波数より上の調波電流パルス内でより大量のエネルギーを供給するために、この境界周波数の低減を有利に用いることができる。このことは、より低い（ルート）周波数の電流供給、及び／又はコイル内の自乗平均平方根（ＲＭＳ）電流を大幅に増加させないことを可能にする。
【００２８】
特定の実施態様では、低い又はライン周波数信号を供給されたパルス発生器を含む低コストの電源により、所望の電流パルスがもたらされる。ライン周波数は典型的には、一般に使われる又は個人、商業的及び工業的ユーザがすぐ利用できるヘルツ（Ｈｚ）レベル、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電源として定義される。サイリスタ、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、シリコン制御式整流器（ＳＣＲ）、及びインテグレーテッド・ゲートバイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）装置を含む種々の信号発生又はスイッチングデバイスが、ライン周波数又は直流電流（ＤＣ）から短電流パルスを供給するためにパルス発生器として用いられることができる。パルスの非正弦波形の電流信号は共振回路を必要としない。実際、パルスの高調波を維持しておくために、共振回路を設けないことが望ましい。これらの高調波の存在で、被加熱物に対して誘導伝達される動力を大幅に増やすことができる。
【００２９】
所望の電流パルスは、誘導加熱と抵抗加熱を併用するか又は主に誘導加熱を用いるかのいずれかの加熱システムの性能を大幅に向上させることができる。この電流パルスは実質的に閉じた磁気ループのシステムに使用することができるが、この電流パルスは、閉じた磁気ループを持たない誘導加熱器の性能をも向上させる。閉じた磁気ループの欠如は、加熱コイルと基板との間にエアギャップがあるシステム、磁気ループの任意の部分にエアギャップがあるシステム、又は、導電性だが非磁性体のコア又は負荷材料のための加熱システムで発生することがある。
【００３０】
以下の式は、これらの電流パルスでの特定の実施態様で得ることができる驚くべき性能向上を示す。式（１ａ）は、シリンダーを形成する強磁性材料内の渦電流（Ｒｅ）の流れに対する予想抵抗を計算するために用いられる。式（１ｂ）は、平板状プレートのための比較式である。ここで、シリンダー又はプレートは閉じた磁気ループの一部であり、正弦波形の電流が、シリンダーの周りに巻回された加熱コイル、又は該平板状プレート上に蛇（蛇行）形状に表面搭載された加熱コイルに対して、境界周波数より上の周波数で印加されることが想定される。シリンダーでは、渦電流（Ｒｅ）の流れに対する等価抵抗は以下となる。
【００３１】
【数１】
2007531200.tif 000003
【００３２】
但し、
Ｄはシリンダーの直径であり、
Ｌはシリンダーの長さであり、
ｐはシリンダー材料の固有抵抗であり、
μはシリンダー材質の浸透性であり、
ωはシリンダー内の渦電流の角周波数である。
【００３３】
プレートでは、
【００３４】
【数２】
2007531200.tif 000004
【００３５】
となるが、但し、
Ｌはコイル導体の長さであり、
ｐはコイル導体の周囲長さであり、
ｐは平板状プレート材料の固有抵抗であり、
μは平板状プレート材料の浸透性であり、
ωはプレート内の渦電流の角周波数である。
双方の場合（シリンダー及びプレート）とも、ω＝２πｆの場合、ｆは基本周波数であり、期間Ｔに関してｆ＝１／Ｔである。
【００３６】
このように、正弦波形の電流、等価渦電流抵抗Ｒｅは周波数の平方根ωとして増加する。対照的に、本明細書に説明する電流パルスを使用すれば、等価渦電流抵抗はずっと急速に増加することが実験的に判明している。この抵抗の増加は、該パルスが高調波を含むが故にそのような電流パルスの有効周波数がそれらのルート（公称又は基本）周波数より高くなっているためであるということを、本発明の範囲を限定することなく理論づけることができる。こうして、時間に対して電流の変化率が高い電流パルスを供給することにより、これらのパルスが取って代わろうとしている正弦波形の電流よりも低い基本周波数でこの電流パルスが実際に供給されることができるが、それは、これらの電流パルスの急速変化部分が、それらの低い基本周波数を補って余りある高周波を提供するからである。結果として、コア又は負荷に対して予想を上回る動力が誘導的に供給される。
【００３７】
所望の電流パルスは、パルスエネルギーの多くを高調波で生み出すための急速なスイッチングを提供する種々の電子機器によって発生されることができる。多位相の機器を更に使用すればこのパルスの基本周波数を引き上げることができる。これらの態様は、以下の種々の実施態様で、更に、比較実験に関連して（図７〜９に付随する文書参照）記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
これらの電流パルスを有利に利用することができる誘導加熱システムの種々の実装を以下に説明する。
【００３９】
（図１Ａ〜図１Ｄ埋設コイル、同軸コア／ヨーク）
図１Ａ〜１Ｂ及び図１Ｃ〜１Ｄは、被誘導加熱物（強磁性コア及びヨーク）に加熱コイルが埋設された２つの加熱システムの実施態様をそれぞれ示す。双方の実施態様とも、前記加熱コイル、コア及びヨークの間に緊密な物理的（熱）接触と磁気結合がある。
【００４０】
より詳細には、図１Ａは、加熱される流動性材料がその中を通る中空の中央経路２６を有した略円筒形状（中心線２９付近に配置された）の強磁性コア２２を含む誘導加熱システム２５の断面部分を示す。例えば、コア２２は、押出ダイ、溶融マニホールド、又は溶融コンベヤー、動的ミキサー、又は可塑化ユニットの一部であってよく、該流動性材料は任意の食物、プラスチック、金属等であってよく、該流動性材料は誘導加熱システムからの熱の最終対象物である。略円筒形で同軸の外側強磁性ヨーク２８が内部コアを包囲し、コアの外径２３とヨークの内径２７との間に実質的に直接の接触（エアギャップの実質的な除去）がある。外側ヨーク２８は、隣接した強磁性コア２２とヨーク２８内に実質的に全磁束を保持するためにループ（磁束線１９）を閉じ、それにより磁気結合を大幅に増やし、磁束に対する等価抵抗を低減し、システムの境界周波数を下げている。
【００４１】
電気絶縁体３６に包囲された導線を含む加熱コイル２０はコア２２内に埋設されている。加熱コイル２０は、コア２２の外径２３の周りのらせん形状の溝３４に囲まれている。これが緊密な物理的接触をもたらし、コイル２０に抵抗的に発生した熱がコア２２に伝わることを可能にする。
【００４２】
磁束線１９で示すように、コイル２０はコア２２に対し高度に磁気結合されている。コイル２０は銅などの固体導体から製造されることができるし、又は、ニッケル・クロムなどの高抵抗材料から製造されることができる。コア２２は、磁気結合を促進するために、鉄などの透磁材料、又は、他の強磁性材料から製造される。
【００４３】
コイル２０は、コア２２及びヨーク２８とも緊密な物理的接触により熱結合している。コイル２０は熱伝導性の電気絶縁材料（例えば、層すなわち被膜３６）により被覆されている。適切な材料は酸化マグネシウム及び種々の酸化アルミナを含む。他の電気絶縁材料も使用されることができる。
【００４４】
強磁性コア２２を通る中央中空経路２６は内壁２４により郭成されている。気体、液体、固体又はその或る種の組み合わせであってよい被加熱物は経路２６内に配置されている（又はその中を通る）。コア２２内で誘導発生した熱は、経路２６内の該被加熱物に熱伝導又は輻射で伝えられる。
【００４５】
ヨーク２８は、鉄又は鋼鉄などの透磁性材料、又は他の強磁性材料から作られている。ヨーク２８は加熱コイル２０の近傍で、加熱コイルと熱交換する配置になっている。コア２２とヨーク２８は、閉じた磁気ループを提供するとともに、増強された熱伝導を提供するために直接接触している（エアギャップの大幅な除去）。コイル２０のコア２２及びヨーク２８に対する緊密な結合はコイル２０の境界周波数を大幅に下げる。
【００４６】
類似した加熱システムの第２の実施形態が図１Ｃ〜図１Ｄに示されている。この修正システム２５'は細長い中空部分すなわち溝孔３０を有した修正ヨーク２８'を含み、その溝孔の間に、細長い立体部分すなわちリブ３１を備えている。溝孔３０とリブ３１は、コア／ヨーク中心線２９'に略平行に配置されている。溝孔３０はコア２２の周りに巻回されたコイル２０のループに対して直角である。図１Ｄ（図１Ｃの切断線１Ｄ−１Ｄに沿った断面図）に示されているように、有効にエアギャップされた溝孔３０はヨーク２８'内の渦電流３２に断絶又は制限を生じさせる。対照的に、コア２２内には、コア２２内の渦電流３３を制限する溝孔は存在しない。この機構はヨーク２８'よりもコア２２内への優先的誘導加熱を生む。これは、最終的な被加熱物が、コア２２内の経路２６にある物質である場合に望ましい。このようにして、加熱システムに届けられる動力の中でより大きな割合部分が、ヨーク２８'よりも被加熱物に対して伝わる。図１Ｄでは、コイル２０内の電流３５は反時計方向で示されており、結果として得られるコイル２０内の渦電流３３は時計方向である。各リブ３１内の２つの溝孔の間の渦電流３２は、反時計の方向である。
【００４７】
（図１Ｅ  複数の加熱区域）
図１Ｅは、前述した種類の誘導加熱システム２５を組み込んだ多温度区域バレル押出機１２を示す。この押出機は複数の加熱区域Ｚ１〜Ｚ６があるバレル区域１３と、追加加熱区域Ｚ７〜Ｚ９があるノズル区域１４を含む。（被加熱）流動性材料は押出機の一端部から流入漏斗１６を介してバレルに流入し、バレル及びノズルの種々の加熱区域１５を通って進行する。区域Ｚ２などの、加熱区域１５の任意の１つ又は複数のものは、前述したように加熱システム２５を利用してもよい。
【００４８】
（図２〜図６  電源及びスイッチングデバイス）
図２は、図１Ａ〜図１Ｄで示したのと類似した、加熱システム２５'に対して電流パルスを供給する電源を示す。パルス発生器４０は入力線４３に、約６０Ｈｚのライン周波数正弦波形電流信号４２を受け取り、出力線４４にそのライン周波数の電流パルスＩｃ、又はライン周波数の倍数の周波数を発生し、コイル２０に伝える。コイル２０に印加された電流パルスは、コア２２に緊密に結合されていてコア２２（及び最終的には経路２６内にある物質）を誘導加熱する急速に変化する磁束を発生させる。溝孔３０のためにかなりの渦電流がヨーク２８'では回避され、従ってヨーク２８'は大幅に誘導加熱されないようになっている。渦電流をコア２２内に集中させたため、全体的な誘導加熱効率は顕著に向上する。
【００４９】
パルス発生器４０は図３Ａ〜図３Ｃにそれぞれ示すように、サイリスタ４８Ａ、ＧＴＯサイリスタ４８Ｂ、又はＩＧＢＴデバイス４８Ｃなどの、１つ又は複数の高速スイッチングデバイスを含んでいてもよい。これらの装置は、図４Ａ〜図４Ｃにそれぞれ示すように、ライン周波数正弦波形電流信号４２を電流パルスＩｃに変換する。
【００５０】
図３Ａを参照すると、サイリスタ４８Ａは、例えば数千キロワット程度の高出力応用例に用いられることができる。１位相のバイポーラ整流子５１（図３Ａに破線の四角で示す）は、並列配置になった逆配向の一組のサイリスタＴ１とＴ２を含む。回路ドライバ５０は、供給ライン電圧が反転する（入力信号４２が図４Ａの水平軸を越える）間際に、Ｔ１（又はＴ２）をオンにするためピン５２に対して制御信号を供給する。オンになってからは、サイリスタは図４Ａに示すように少し遅れて発生する印加電圧の反転時にのみオフになることができる。６０Ｈｚの入力ライン周波数の期間はＴ＝（１／６０）秒であり、それは約１７ミリ秒（ｍｓ）である。結果として、狭い電流パルス４４Ａが、ライン周波数の倍で（図４Ａに示すように）１８０°、３６０°、等付近で発生する。電流パルス４４Ａの振幅は、ライン周波数正弦波形電流信号４２の入力電圧Ｕｏを強めて出力電圧Ｕにする変圧器５４によって増やされてもよい。短パルス４４Ａで供給されるＲＭＳ電流は、電圧Ｕｏのライン周波数正弦波形電流信号４２からの直接のＲＭＳ電流とほぼ等しい。加熱コイル２０に供給される電流パルス４４Ａ（Ｒｃで表わされる、前記加熱コイル回路の総抵抗に等しい）は鋭い勾配を含み、それはこの場合、急勾配で上昇する先端４６と、急勾配で下降する後端４７である（図４Ａ参照）。４４Ａのようなパルスのフーリエ変換は、パルス４４Ａのエネルギーの大部分が高調波であることを示唆している。適切なサイリスタＴ１及びＴ２は、Ｅｌ  Ｓｕｇｅｎｄｏ、ＣＡのインターナショナル・レクティファイアー・コープ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ  Ｃｏｒｐ）から入手できる。ドライバ５０を持つインテグレーテッド回路チップも、サイリスタ制御のために利用可能である。
【００５１】
数百キロワット範囲の中程度の出力レベルの応用例には、正弦波形の入力信号（図３Ｂの回路及び図４Ｂの生じた電流パルスを参照）の任意の点で電流パルス４４Ｂ（図４Ｂ参照）を供給するために、一組の反対配向になったＧＴＯサイリスタ４８Ｂ（図３Ｂ参照）で（図３Ａの）サイリスタＴ１及びＴ２を代替することができる。図４Ｂに示すように、パルス４４Ｂはライン周波数正弦波形電流信号４２のピーク４２'で供給されて、正弦波形電流信号４２を変圧器で増力する必要を低減又はなくすることが好ましい。適切なＧＴＯは、英国リンカーンのダイネックス・セミコンダクター（Ｄｙｎｅｘ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）から入手可能である。
【００５２】
低出力（数十キロワット）及び中出力（数百キロワット）レベルの応用例には、図４Ｃに示す方形波形のような高調波を有したパルス４４Ｃを供給するために、図３Ｃに示すインテグレーテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ  （ＩＧＢＴ）デバイス４８Ｃで（図３Ａの）サイリスタＴ１及びＴ２を代替することができる。制御式整流器６０が、電圧Ｕｏのライン周波数正弦波形電流信号４２を修正して直流電圧ＵＤＣを供給し、それは次いでＩＧＢＴデバイス４８Ｃに入力される。制御回路６２の指揮の下、ＩＧＢＴデバイス４８Ｃは修正電圧ＵＤＣから電流パルスＩｃを発生して、前記加熱コイルＲｃに供給される方形波パルス４４Ｃを形成する。適切なＩＧＢＴデバイスは、電圧は６００ボルトの延長時間にわたり、かつ電流は１４０アンペアの延長時間にわたり２５ＫＨｚの強度なスイッチングを提供するＩＲＧＫＩ１４０Ｕ０６など、インターナショナル・レクティファイア・コープ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ  Ｃｏｒｐ．）から入手できる。そのようなＩＧＢＴデバイスは、誘導加熱のために共振正弦波形の回路に高周波数信号を供給するために以前から用いられてきた。しかし、従前の共振システムでは、パルス内に高調波があることの利点は得られなかった。対照的に、本件では高調波を保持した電流パルスはコイル２０に直接供給され、共振回路を一切使わず又必要としない。
【００５３】
図３Ａ及び図３Ｂそれぞれにおいて、２つの反対配向になったスイッチングデバイスの並列配置は、正弦波形のライン電流供給の単一位相の各期間Ｔごとに２つのパルスを発生させる。サイリスタ又はＧＴＯのより複雑な配置を用いて、多位相供給の各期間毎に、より多数のパルスを供給してもよい。
【００５４】
一例は図５Ａに示す３位相３パルスのユニポーラ整流子５７であり、３位相供給源５９は３つのユニポーラパルスをコイルＲｃに供給する。図６Ａに示す関連したタイミング図では、３つの電圧信号ＵＡ、ＵＢ、ＵＣは３つのパルス４４Ｄを一期間中（Ｔ＝（１／６０）ｓｅｃ≡１７ｍｓ）に生成する。
【００５５】
代替案として、３位相６パルスのバイポーラ整流子６１が図５Ｂの回路に示されており、それは図６Ｂに示すように一期間中に６つのバイポーラパルス４４Ｅを生成する。
【００５６】
図６Ａ〜図６Ｂにおいて、曲線ＵＡ、ＵＢ、ＵＣは、位相Ａ、Ｂ及びＣ内の電圧のタイミング図を示す。
【００５７】
別の代替案として、１位相２パルスのユニポーラ・パルスター供給源６３が図５Ｃの回路に示されており、それは図６Ｃに示すように一期間中に２つのユニポーラパルス４４Ｆを生成する。
【００５８】
さらに別の代替案として、図５Ｄの回路に示す３位相６パルスのユニポーラ・パルスター供給源源６５は、図６Ｄに示すように一期間中に６つのユニポーラパルス４４Ｇを生成する。
【００５９】
図６Ｄにおいて、曲線Ａ、Ｂ及びＣは電圧位相Ａ、Ｂ、Ｃに関連している。曲線ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢは対応する線電圧ＡＢ、ＡＣなどに関連している。インタバル１〜４に、サイリスタ１及び４はオンになり、ライン電圧ＡＢから負荷Ｒｃに電流パルスを供給する。インタバル１〜６に、サイリスタ１及び６はオンになり、ライン電圧ＡＣから負荷Ｒｃに電流パルスを供給する、のように続く。
【００６０】
最後に、３位相供給源６７が図５Ｅの回路に示されており、それは図６Ｅに示すように一期間中に１２のユニポーラパルス４４Ｈを生成する。図５Ｅにおいて、変圧器Ｔ１及びＴ２は３０度シフトした２系統の３位相の電圧を供給する。Ｔ１は星型接続になった三位相から供給され、Ｔ２はデルタ接続になった三位相から供給される。図６Ｅにおいて、曲線ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢは、変圧器Ｔ１から供給される対応する線電圧ＡＢ、ＡＣなどに関連している。曲線ＡＢ'、ＡＣ'、ＢＣ'、ＢＡ'、ＣＡ'、ＣＢ'は、変圧器Ｔ２から供給される対応する線電圧ＡＢ、ＡＣなどに関連している。
【００６１】
図５Ａ〜５Ｅのそれぞれにおいて、Ｒｃは前記加熱コイル回路の等価総抵抗である。
【００６２】
（多位相供給の各期間ごとに）追加パルスを供給することは、基本（ルート）周波数を増加させ、それは更に個々のパルスの高調波成分によって提供される効果を倍増させる。それゆえ、それ自体急勾配で変化する電流パルスのより高い周波数と相まって、これらのより複雑な機構により提供されるより高い基本周波数は、大幅に増強された誘導加熱を提供する。
【００６３】
（図７〜図９  性能比較）
本明細書で説明される電流パルスにより動力を与えられる統合型誘導及び抵抗加熱システムの、６０ヘルツの正弦波形信号電圧で動力を与えられる同じ加熱システムよりも改良された性能を例証する実験が行われた。図７は加熱装置を示す。図８は、加熱速度の比較である。図９は、本例で用いられる電流パルスの形状を示す。
【００６４】
図７に示すように、被加熱物は、１ｍｍ厚さで１６０ｍｍ径の平板状鋼鉄ヨーク７１で覆われた、５ｍｍ厚さで１６０ｍｍ径の平板状鋼鉄ディスク（コア）７０である（図７及び図７Ａ参照）。長さ２．９２メートルで２．５ｍｍｘ１ｍｍの断面を持つニッケル・クロム製矩形ワイヤーで形成された加熱コイル７２は、１．１７オームのコイル抵抗を提供した。コイル７２は絶縁材料７５で被覆され、前記ディスクの頂面７４内の蛇行形状の溝孔７３内に埋設された。閉じた磁気ループを提供するためコイルとディスクはヨーク７１によって覆われた。コイル７２、ディスク／コア７０及びヨーク７１はすべて緊密な物理的接触（エアギャップがあれば最小化した）状態にした。電気絶縁されたコイル７２が鋼鉄ディスク７０と鋼鉄ヨーク７１との間に埋設されている図７の構成から、境界周波数は（以下に規定する）等式２から僅か２４Ｈｚと算出された。対照的に、閉じた磁気ループなしでは（ヨーク７１なしでは）、約２ＫＨｚの境界周波数が予想される。
【００６５】
この物はまず６０Ｈｚの正弦波形信号（工業用電源）で加熱された。次いで、周辺温度まで冷却された後で、その物は図３Ｃに示し説明したものと同じＩＧＢＴ供給源からの電流パルスで加熱された。
【００６６】
コイル７２にわたって印加された正弦波形の６０Ｈｚ信号電圧で、電圧は９ボルトＲＭＳと測定され、従って１０アンペアＲＭＳの電流を供給する。コイル７２及びディスク７０に届いた動力は１１７ワットと計算された。図８に描線した、ディスク７０の温度の測定変化率は、６０Ｈｚの正弦波形電圧入で０．２７℃／秒であった。
【００６７】
誘導加熱下の電磁プロセスの分析から、又、境界周波数よりも高い周波数に関して、加熱コイル回路のためのカチョフの式（Ｋｉｒｃｈｏｆｆ'ｓ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）は以下のように表されることができる。
【００６８】
Ｕｐｓ＝1ｃ（Ｒｃ＋Ｋｃ２Ｎ２Ｒｅ）＋ＩＪω（１−Ｋｃ２）Ｌｃ    （２）
【００６９】
但し、
Ｕｐｓは電源のＲＭＳ電圧である。
ωは境界周波数より上の電源の周波数である。
Ｉｃは加熱コイル内の電流（ＲＭＳ）である。
Ｒｅは渦電流等価抵抗である。
Ｒｍは磁束回路の等価磁気抵抗である。
Ｎは加熱コイルのワイヤーの巻き数である。
Ｒｃは加熱コイルの抵抗である。
Ｌｃは加熱コイルのインダクタンスである。
Ｋｃ＜１は加熱コイルと渦電流間の電磁結合の係数である。
ｊ＝ｓｑｒｔ（−１）は仮想ユニットであり、
境界周波数ωｂ＝ＲｍＲｃ＝２πｆｂである
【００７０】
６０Ｈｚの正弦波形の供給信号では、約１．２オームの総抵抗がコイルの電圧と電流から測定された。渦電流等価抵抗Ｒｅは０．１オームと計算された（等式１ｂから）。ニッケル・クロム製ワイヤー自体の１．１７オームの抵抗を加えると、コイルでの予測総抵抗測定値は１．２７オームとなった。実際に測定された約１．２オームの抵抗は、この予測値と無理なく近似している。これらの数字から、６０Ｈｚの正弦波形の供給信号を用いた場合、動力の約８％のみが誘導的に伝えられたことが見て取れる。それ故伝えられた動力の大部分はニッケル・クロムワイヤーの抵抗加熱によるものである。
【００７１】
比較例として、図３Ｃに示したものと類似したＩＧＢＴ（インターナショナル・レクティファイアー・コープから入手したＩＲＧＰ４５０Ｕ、定格５００ボルトで６０アンペア、１０ＫＨｚへのハードスイッチング）からの電流パルスで６０Ｈｚの供給信号が置き換えられた場合、５ＫＨｚの周波数の電流パルスが供給された。これらのＩＧＢＴからのパルス８０は、各パルス中に４つの高勾配区分（８１、８２、８３、８４）と、パルス間に遅延８５を有した、図９に示すプロファイルを有した。電圧は、（６０Ｈｚの供給と）同じ１０アンペアの電流を供給するために調節された。しかし、ＩＧＢＴにより供給される高周波数で１０アンペアの電流を供給するためには、電圧は１１４ボルトに増加されていなければならなかった。この高まった電圧は、変換してコイルに返された、被加熱物のより高い渦電流等価抵抗によるものであった。コイル内の電力はここで約１１４０ワットであった。これらの電流パルスを利用した場合の鋼鉄ディスク内の温度上昇率は、図８に示すように、そこで２．６℃／秒であった。
【００７２】
５ＫＨｚの電流パルスに関する渦電流等価抵抗は等式１ｂによって計算されたが、それは、渦電流等価抵抗Ｒｅが周波数の平方根として増加することを示している。６０Ｈｚのライン周波数よりもほぼ１００回高い５ＫＨｚの周波数では、渦電流抵抗は約１０倍の高さ、すなわち、１．８オームであることが予想される。実際には、５ＫＨｚでの渦電流等価抵抗は約１０オームと測定された（１１４ボルトを１０アンペアで割り、コイル自体の１．１７オームの抵抗を差し引いた）。実際に計測された、大幅に大きい等価渦電流抵抗は、基本周波数の１００倍未満の増加から予想されるものである１０倍よりも大幅に多く増加したということを示している。したがって、有効周波数の増加は実際には５ＫＨｚよりも高かったはずである。ほぼ６倍も大きい等価抵抗に相当するには、有効周波数増加は約１８０ＫＨｚであったはずである。この大幅に高い周波数は、図９に示すように、各パルス内の高調波に起因して得られた可能性がある。
【００７３】
パルスのフーリエ変換は、これらの高調波内の高レベルのエネルギーを示すであろう。周期関数（電流パルスは周期的な関数である）のためのフーリエ変換はフーリエ級数につながる。
【００７４】
Ｆ（ｔ）＝Ａｏ＋Ａｌｓｉｎ（ωｔ）＋Ａ２ｓｉｎ（２ωｔ）＋Ａ３ｓｉｎ（３ωｔ）＋．．．
【００７５】
但し、
ω＝２πｆ＝基本角周波数，
ｆ＝１／Ｔ＝基本周波数
ｔ＝時間
Ｔ＝この周期的関数の期間
Ａｏ＝定数、
Ａ１、Ａ２、Ａ３．．．＝第１、第２、第３．．．高調波の振幅
例えば、基本周波数ωの単一方形波関数Ｆｓｗ（ωｔ）は、以下のフーリエ級数を有する：
Ｆｓｗ（ωｔ）＝４／π［ｓｉｎ（ωｔ）＋１／３ｓｉｎ（３ωｔ）＋１／５ｓｉｎ（５ωｔ）＋１／７ｓｉｎ（７ωｔ）＋．．．．］
この場合には、Ｒｅへの６倍の増加は、パルスの約６分の５＝８３％が高調波であったことを意味する。このように予想をはるかに上回る渦電流抵抗は、各パルス内のこれらの高調波の存在によって説明できる。結果として、出力のきわめて大部分が、抵抗加熱よりは誘導加熱から、被加熱物（ここでは金属ディスク）に対して供給される。
【００７６】
種々の実装では、パルスエネルギーの１５％以上、及び更に特定するならば少なくとも５０％以上を、高調波で供給することが望ましい。特定の実施態様では、この範囲のより高いほうで、少なくとも７０％が望ましいと思われる。（例えば、ノズル内の凍結プラグを急速に溶融するため、導孔内に物質を流動させるため、押出機バレルの均一な加熱のため）。５０〜６９％の中間域は第２の優先性を持ち、２５〜４９％の低域は第３の優先性を持つ。動作範囲は、最初の昇温状態から定常状態動作範囲へと多様であってよい。
【００７７】
比較のベースとして、矩形波（正弦波形の代替として、同じ振幅で）はそのエネルギーの約２５％を高調波に有しているのに対し、三角波（同じ振幅の）は約１０％を有している。
【００７８】
本発明で説明される特定の実施態様では、誘導加熱と抵抗加熱の両方を利用することが望ましい場合、電源から消費される加熱力は２つの部分を含んでいる。
ａ）抵抗加熱力
ＰＲ＝ＩＣ２ＲＣ
ｂ）誘導加熱力
Ｐｉ＝Ｉｃ２Ｋｃ２Ｎ２Ｒｅ
但しＩｃは前記加熱コイル内の電流であり（ＲＭＳ）、Ｒｃは加熱コイルの抵抗であり、Ｒｅは等価渦電流抵抗であり、Ｎはコイル巻数であり、Ｋｃは加熱コイルと渦電流の間の電磁結合の係数である。本明細書に説明された統合型抵抗／誘導の実装では、前記加熱コイルを冷やしてこの抵抗成分の加熱力を失う従来技術のシステムに比べて、抵抗成分ＰＲは、この熱が被加熱物に伝えられるとき全体的な加熱効率に寄与する。前記加熱コイルが被加熱物に埋設されている場合は、電磁結合係数はほぼＫｃ＝１まで増加し、それは同じコイル電流下で加熱力Ｐｉの誘導部分を増加させる。Ｉｃ（所与のコイルの最大許容電流）、Ｎ及びＫｃが固定されている場合、加熱力Ｐｉの誘導成分は、渦電流等価抵抗Ｒｅを増加させることにより増加される（等式１に関して前述した如く）。
【００７９】
任意の入力電流（必ずしも正弦波形の変形でなくてもよい）下での誘導加熱の電磁プロセスの分析は、渦電流の抵抗Ｒｅがコイル内の電流の変化率の関数であることを示唆している。実験データは以下を示唆する。
【００８０】
Ｒｅ〜（ｄｌｃ／ｄｔ）ｎ
【００８１】
但し、ｎ＞１で、Ｉｃはコイル内の電流であり、ｔは時間である。この関係に鑑み、コイル内の電流を増やさなくても、高い基本周波数の正弦波形の電流供給を、急勾配で変化する部分を有した電流パルスで置き換えることによって、誘導加熱による加熱の割合を大幅に増加させることができる。これらのパルスは、置き換えられる正弦波形の電流よりも低い基本周波数で供給されることができるが、それは、電流パルスの急勾配で変化する部分が、低い基本周波数を補って余りある高調波を提供するからである。
【００８２】
特定の実施態様では、エアギャップを除去し、コイルを基板内に埋設し、及び／又は、磁束に閉じたループを確実にするヨークを配設することによって生じた改良された結合で、境界周波数を下げることができる。このことは、境界周波数より高い高調波を有した電流パルスを提供することにより誘導加熱性能の向上を促進する。
【００８３】
上述のように、低い又はライン周波数で励起されるパルス発生器を含んだ、誘導加熱のための低コストの電源が提供されることができる。サイリスタ、ＧＴＯ及びＩＧＢＴデバイスを含む信号発生デバイスが、ライン周波数又は直接電流から短い電流パルスを供給するために用いられることができる。これらの電流パルス中の高調波は保存され（共振回路がないため）、被誘導加熱物への動力伝達を増加させる。さらに、従来のシステムと対照的に前記加熱コイルの冷却は必要でない。
【００８４】
説明した実験で用いられたものよりも高い電圧及び電流が可能なＩＧＢＴデバイスは、５ＫＨｚより高い周波数で動作することができ、したがって、６０Ｈｚでの実験で供給されたのと同じコイル、及び同じコイル内電流で、より多くの動力を加熱のために負荷へ供給する。
【００８５】
（図１０  炉）
図１０は、炉９０を別の加熱システムとして例示する。炉は椀状の（強磁性コアとしての）容器９１を含み、底壁９７及び上方に張り出した側壁９８と、その側壁の外周に沿って巻回された立方体の溝に埋設されたコイル９３を有している。スリーブ様のヨーク９２がコア側壁９８に直接接して覆い、磁気ループを閉じている。固定式又は取り外し可能な蓋９４が容器９１の頂部開口を覆っている。溶融されるかまたは特定の温度で保持されることが望まれる材料９５は、コア９１内に収容される。図１０Ａの詳細部分は絶縁層９６に囲まれ、コア側壁９１とヨーク９２に緊密に接触しているコイル９３を示す。
【００８６】
（図１１  温水器又は化学反応器）
図１１は、円筒形のコア１０１がその外側面に埋設コイルを有し、円筒形のヨーク１０２がそのコアを包囲しているがエアギャップ１０７によってそれから隔離されている、温水器又は化学反応器での実装を示す。ヨーク１０２と直接接触しているディスク型の下方ヨーク１０５が温水器／反応器の下端を閉じ、ヨーク１０２と直接接触しているディスク型の上方ヨーク１０４が温水器／反応器の上端を閉じており、こうして磁気ループを閉じている。前記上方強磁性ヨーク及び下方強磁性ヨーク１０４、１０５との強磁性コア１０１及び強磁性の側壁ヨーク１０２の緊密な物理的（直接）接触が、閉じた磁気ループの結合を増強する。被加熱流動性材料は温水器／反応器の中央経路１０９を通じて送られることができる。
【００８７】
（図１２  ヒーターパッチ）
図１２は、薬品容器又は反応器１１２がその上にヒーターパッチを搭載している、更に別の加熱システム１１０を示す。２つの別の種類のヒーターパッチ、すなわち、右側に環状ディスク１１４及び左側に矩形又は方形プレート１１６が示されている。これらのヒーターパッチの構造は図７の構造と類似したものであってよい。
【００８８】
（図１３〜図１９  層状加熱構造）
図１３は、外側層１２２と、内側の強磁性層１２６と、前記外側層と内側層との間に配置された加熱要素１２４と、前記内側強磁性層に隣接した被加熱物１２８とを含む加熱装置１２０の模式断面図である。加熱要素は、導電体を内側強磁性層と外側層から隔離するために電気絶縁体１２５で包囲されている。外側層は、強磁性又は非強磁性材料、導電性材料又は非導電性材料、及び断熱材料又は非断熱材料を含む種々の材料のうち任意のものであってよい。外側層はまた全体的にあるいは部分的にエアギャップであってよい。
【００８９】
図１４は、外側層１３２と、内側の強磁性層１３６と、前記外側層と内側層との間に配置された加熱要素（導電体１３４と絶縁被覆１３５）と、前記内側強磁性層に隣接した被加熱物１３８とを含む別の装置１３０を示す。ここで、内側強磁性層は約３＊の厚みＡを有している。デルタ（＊）は、内側層１３６の強磁性材料に誘導された渦電流の浸透深さである。この厚みＡが、強磁性層１３６から被加熱物／材料１３８への熱の伝送の好適な効率をもたらす。
【００９０】
図１５は、外側層１４２と、内側の強磁性層１４６／１４９と、前記外側層と内側層との間に配置された加熱要素（絶縁被覆１４５が付いた導電体１４４）とを含む別の装置１４０を示す。再び、被加熱物１４８は前記内側強磁性層に隣接して配置されている。ここでは、内側層１４６／１４９は冷却経路１４７を含み、それを通じて必要に応じ内側層１４６／１４９の温度を下げるために冷却媒体を（例えば間欠的に）通すことができる。別の方法として、冷却経路を外側層１４２内に配置してもよく、又は、冷却経路を外側層と内側層両方に配設してもよい。
【００９１】
図１６は、外側層１５２と、内側の強磁性層１５６と、前記外側層と内側層との間に配置された加熱要素（絶縁被覆１５５が付いた導電体１５４）とを含む更に別の装置１５０を示す。再び、被加熱物１５８は前記内側強磁性層１５６に隣接して配置されている。本実施例では、加熱要素は、内部冷却経路１５７を持つ中空・方形の導電性加熱要素１５４である。冷却媒体を、内側層１５６及び／又は外側層１５２の冷却（例えば間欠的）のために中央冷却経路を通過させることができる。
【００９２】
図１７は、加熱要素（導電体１６４と絶縁被覆１６５）を包囲した強磁性の外側層１６２と強磁性の内側層１６６をそれぞれ含む、別の実装を示す。内側層１６６は被加熱物１６８に隣接した耐食性で熱伝導性層１６９を含む。外側強磁性層及び内側強磁性層１６２、１６６は誘導磁界のための実質的に閉じた磁気ループを形成する。外側層１６２は断熱性であってよい。
【００９３】
溶射（ＴＳ）法は、図１３〜図１７で説明し、又図１８〜図１９で以下に論じる種々の構造内の一体型層状加熱要素を製造するために用いられることができる。これらの一体型層状構造は加熱要素を装置の構造要素の一部にすることを可能にし、例えば、溶融経路、吹込成形用金型、又は圧縮成形システムに対して印加される圧縮力に耐えることができる。
【００９４】
図１８〜図１８Ａは、例えば外側層１７２と内側強磁性層１７６との間に配置された加熱要素を含む層状加熱装置を示す。加熱要素は外側誘電層１７５Ａ、内部冷却経路１７７、導電コイル層１７４及び内側誘電層１７５Ｂを有している。別案として、冷却経路は加熱要素内から除かれてもよく、又は、それは加熱装置の他の場所に配置されてもよい。この構造を製造するには、経路１７１は内側層１７６の外側面１７３に形成される。内側誘電層１７５Ｂは経路１７１内に溶射される。次に、導電性コイル層１７４が内側誘電層１７５Ｂ上に溶射される。この塗布層１７５Ｂ及び１７４は外側面１７３の経路１７１を除く部分から除去されてもよい。第２の誘電層１７５Ａが外側層１７２の内側面に溶射されてもよい。外側及び内側区分は次いで、層１７５Ａと１７４の間に冷却経路１７７を残して結合される。
【００９５】
別の溶射の実装が図１９〜図１９Ａに示されている。ここで、装置１８０は外側の非強磁性金型ベース１８２と、外側の誘電絶縁溶射層１８５Ａと、加熱コイル層１８４、内側の誘電溶射層１８５Ｂと、内側強磁性成形面層１８６及び、内側成形面に隣接配置された被加熱物１８８を含む。印加された磁界は内側の強磁性成形面層１８６に渦電流を誘導する。実質的に非強磁性（例えば、アルミニウム）金型ベース１８２は内側層１８６に比べて顕著な誘導渦電流を持たないため大幅に冷たい。加熱要素１８４がオフにされると、成形面層１８６の急速な冷却が発生し得る。より冷たい外側金型ベース１８２の大幅に大きい塊は、大幅に小さな塊の成形面層１８６から熱を引き去る。ここで、冷却媒体又は機構は、放熱板として機能する外側の非強磁性金型ベース１８２そのものである。
【００９６】
（図２０〜図２２  射出ノズル）
伝統的なノズル加熱構体では、抵抗加熱バンドが射出ノズルの外周上に配置されている。加熱バンド内で抵抗的に発生した熱は、次いでノズルの外側面からその内側面へと熱伝導され、その内側面では（被加熱）材料が中央ノズル経路を通って流動する。これは比較的効率が悪い加熱方法であり、均一温度も急速加熱も提供することは難しい。ノズルが急速に熱せられ過ぎると熱勾配が生じ、ノズルの構造的不具合（例えば亀裂）につながることがある。ノズル自体は押出機／バレル装置の延長部であり、典型的には例えば５〜１０％の型締トン数である数トンの勢力にさらされる。過度の熱勾配によって誘発された小さな亀裂は進行して最終的な不具合につながる可能性がある。
【００９７】
さらに従来技術の設計では、成形品を取り出すために金型が開けられる際にプラスチック溶融体の「垂れ落ち」又は「糸曳き」を防止するために、独立した冷却回路が射出ノズルに配設されている。こうして、各成形サイクルに、射出金型の可動側が開けられ、金型取り外し作業が続く間、溶融プラスチックのノズルへの流れを停止しなければならない。隔離された溶融経路（金型内及びノズル内）から垂れ落ち又は糸曳きが発生すれば、それを除去しなければならず、中断時間と材料の損失を招く。この問題を制御する別の方法は費用が嵩むか、又は多くの場合実用的でない。押出機の減圧やノズルの機械的停止は垂れ落ちを防止するかもしれないが、或る種の成形材料では成形品に欠陥を生じさせる（空気混入）ので減圧を許容しない。機械的停止デバイスは、余分な動作部品、電気センサ、液圧ホース（水圧による漏れと火事のリスクを伴って）、成分の磨耗、停止ピンの精密な嵌め合い、及びメンテナンスを必要とするため問題がある。
【００９８】
したがって、溶融経路開口部の温度を厳密な範囲で制御すること、及び／又は、開口部の急速加熱及び冷却を可能にすることが望ましいであろう。これで機械的停止デバイスの必要は低減されるか又はなくなるであろう。更に、そのような溶融体の熱制御は、溶融体が垂れ落ちたり糸を曳いたりしないように、凝固した区分や半凝固した部分の形成、又は、溶融体の粘度増加を可能にする。
【００９９】
ノズルの外側面に付けられた伝統的な抵抗加熱バンドに比べて、より小型でエネルギー効率の良い加熱装置を配設することも望ましい。これらの従来から知られているデバイスでは、加熱及び冷却は、所望の加熱又は冷却領域（中央経路）から遠く離れた場所から加えられており、その結果熱応答時間は芳しくなかった。結果として、熱効率の悪さを補うために加熱及び冷却ハードウェアは大型化し、加熱及び冷却装置を非常に嵩高いものにしていた。さらに、華氏６００度などの温度での抵抗ヒーターの寿命は非常に限られたものであり、そのヒーターの交換が必要なときに停止時間を増加させていた。
【０１００】
図２０〜図２２は、射出ノズル構体のための改良された加熱及び冷却システムを示す。ノズル構体２００は、第１の端部すなわちバレル／押出機側の端部２１０から第２の金型側端部２１２へと延在している中央貫通経路２０８を有して略円筒形である。ノズルは、内側構成要素２０２及び同軸の外側構成要素２０４、及び、前記内側構成要素と外側構成要素の間に配置されたコイル状の加熱要素２０６を含む。加熱要素２０６は、金型側端部の内側ノズル構成要素２０２上の管２１４の外側円筒形表面２１３の周りに巻回されたらせんコイルの形状をしている。その管と加熱要素は、図２１に示すように、前記外側構成要素２０４の内孔２１６内に嵌っている。途切れのない貫通経路が、金型端部２１２の外側ノズル２０４の中央孔２２０によって形成され、内側ノズル２０２の長さをパレル／押出機側端部２１０まで延長している中央経路２２２を通って続いている。
【０１０１】
プラスチック溶融体は押出機から発して中央経路を通り抜け、ノズル２００を通り、ホットランナーシステムを通り、金型へと通る。ノズル２００から金型への所定量のプラスチック溶融体の射出の後、さらに金型内での少々の冷却時間の後に金型は開けられ、すなわち、ノズルから分離されるが、そのときノズルを通るプラスチック溶融体の流れは停止しなければならない。本件ノズルの加熱及び冷却素子は、射出サイクル内の溶融体の流れを制御する、エネルギー効率が良く比較的単純な機構を可能にする。
【０１０２】
射出サイクルの第１の部分において、溶融プラスチックは、加熱されたノズル構体の中央経路２０８を通って流れる。電流パルス信号が加熱要素２０６に印加され、それは交番磁界を発生させる。この磁界は内側ノズルの強磁性管２１４内に誘導渦電流を発生させ、内側ノズル管を加熱する。内側ノズル管内の熱は、内側ノズルの中央経路２２２を通って流れる溶融プラスチックに伝えられる。加熱要素２１６は、ノズル構体の外側面に付けられた従来技術の抵抗加熱バンドよりも比較的中央経路２２２に近い位置に配置されている。
【０１０３】
示された実施態様では、前記加熱コイルは、コイル内に生じた抵抗熱の量を減らすため比較的広い断面を有したニッケル・クロム合金（ＮｉＣｒ）コイル状素子である。コイルは、内側ノズル構成要素２０２と外側ノズル構成要素２０４から加熱要素を電気絶縁するために、電気絶縁材料によって被覆されている。更に、冷却媒体を通過させることができる経路２３０が、内側ノズル構成要素と外側ノズル構成要素の間に形成されている。射出成形サイクルの第２の部分において、電流パルス信号は、強磁性内側ノズル２０２内に生じた誘導加熱を低減するか除去して、それにより経路２２２内の溶融プラスチックに伝えられる熱を減らすために、部分的又は全面的に減らされることができる。内側ノズル管２１４から熱を取り去り強磁性内側ノズル２０２を冷却するため、冷却経路２３０を冷却媒体が通される。これが、前記サイクルの前記第２の部分中プラスチック溶融体の急速な冷却を可能にする。次いで金型を開けることができ、プラスチックは、凝固した区分や半凝固した部分の形成、又は、プラスチックの粘度増加により、もはやノズルから流れ出ることはない。
【０１０４】
外側ノズルの誘導加熱が望ましくない場合は、外側ノズル２０４は強磁性材料製としなくてもよい。別案として、外側ノズル並びに内側ノズルを誘導加熱することが望まれる場合には、外側ノズルは強磁性材料で作られていてもよい。
【０１０５】
このノズル設計が、均一すなわち定常状態の加熱を達成するための急速加熱並びに射出サイクルの別の部分中の急速な冷却を可能にする。比較的低温度の応用例では、銅の加熱コイル２０６を冷却期間一切なしで用いることが可能である。しかし、例えば華氏６００度などのより高い温度の応用例では、銅コイルは酸化して短時間の間に灰化してしまう。より高い温度の応用例では、より高い温度に耐えることができるニクロム（ＮｉＣｒ）コイルを使うことが好ましい。
【０１０６】
更に、本実施態様は小型で効率良いノズル設計を提供する。熱は、加熱される材料に熱が伝えられる場所である中央経路２２２に近いところで発生する。射出サイクルの金型開け（取り外し）部分の間に内側ノズルと溶融体の急速な冷却を可能にするため、冷却も、内側ノズルに近いところで施される。
【０１０７】
（図２３〜図２５  多区域ホットランナーノズル）
図２３〜図２５は、多温度区域ノズル構体２４０に組み込まれた加熱装置の別の実施形態を示す。鋼鉄製ホットランナーノズル２４２は中央経路２４６がある長い円筒形の部分２４４を有している。加熱スリーブ構体２４７は、管又はスリーブ２５０上に配置されて外側層２５４に覆われた加熱コイル２４８を含む。導電性コイル２４８は内側スリーブ２５０の外側面２５２上に蛇行形態に配設されている。スリーブ構体２４７はノズル２４２のシリンダー２４４上を滑動する。内側スリーブ２５０と外側層２５４は、導電体２４８と強磁性鋼鉄ノズルシリンダー２４４の間の電気絶縁を提供する。強磁性鋼鉄ノズルの誘導加熱に主に基づく本実施形態では、加熱構体とノズルの間に緊密な物理的接触を持たせることは（導電体によって発生した抵抗熱の伝達に必要であるほどは）必要でない。
【０１０８】
図２３は、射出成形ノズルのための多区域加熱構体の分解図を示す。外側層２５４は構体から取り外された状態で示しているが、実際は加熱要素と内側スリーブ２５０の上から恒久的に取り付けられている。２つの温度制御区域（区域１及び区域２）が示されており、それは蛇行形態になった隣接素子と比較的間隔が接近している上方導電体形態２５６と、下方のより間隔が広い形態２５８で図解されている。上方及び下方導電形態が同じ信号を動力源にしていれば、上方形態２５６は、間隔が広い下方形態２５８よりも多くの熱を伝える。蛇行形態の使用は、この複数の区域からのリード線２６０の背面退出を可能にする。電気コネクタ２６２が内側スリーブの下方端に配設されている。
【０１０９】
図２４は加熱スリーブがノズル２４２上に装着されている構体の断面図である。種々の長さと個数の区域が、異なるノズル長を適合させるために実装されることができる。図２５及び図２５Ａは、内側誘電（例えば、セラミック製）管２５０と外側誘電（例えば、セラミック製）層２５４の間に配置された加熱要素２４８を描いた断面図を示す。
【０１１０】
このノズル及び加熱スリーブ構体の利点は、ノズルを清浄にする或いは点検するために加熱スリーブ構体２４７をノズル２４２から迅速に取り外すことができることである。対照的に従来の加熱要素は、ノズルへの緊密な許容嵌合が必要で、それが点検を困難かつ時間のかかるものにしていた。例えば、抵抗加熱要素が故障して交換が必要な場合、ノズルから、てこで外さなければならないことが多かった。ここでは、比較的嵌合がゆるいセラミックスリーブが、例えば内側スリーブ２５０とノズルシリンダー２４４の間に半ミリメートルまでのギャップを設けて、ノズルの有効な誘導加熱を提供することができる。さらに、加熱スリーブ構体は、内側セラミック管２５０を配設し、管２５０の外側面に加熱要素２４８を噴射し、次いで外側セラミック層２５４を加熱要素２４８及び管２５０の上にキャストすることにより経済的に製造することができる。キャストされた外側層２５４がスリーブの構造的統合性の大部分を提供することができる。
【０１１１】
（図２６〜図２９  吹込成形用金型）
図２６〜図３０は、加熱装置が容器吹込成形装置３００に組み込まれている別の実施例を示す。この例では、加熱要素は、主として金型の内側面に配設された強磁性材料（金型インサート）の薄膜を急速加熱するために誘導加熱を供給する。そうすると金型の外側はより低温度に保たれることができる。この薄い強磁性成形面層の急速な加熱及び冷却が、吹込成形及び／又は容器の温度状態調節の全体的なサイクルタイムの節減を可能にする。
【０１１２】
従来の温度調節工程は、吹込成形用金型内でプラスチック容器を状態調節するために高い金型温度を利用している。この高い金型温度は、容器を過度の収縮や変形なしで金型から取り出すことを可能にするために、被吹込み容器の内面上で空冷の使用を必要とする。これらの従来の金型は華氏２６０度から華氏２８０度の表面温度を有し、外側が熱い金型と接している間、容器の内部表面を冷やすため、圧力６００ｐｓｉ（４０バール）の圧縮空気の持続的な導入と排出を必要とする。使用ポリマーによっては、この種の熱加工が、増加したレベルの結晶度をもたらすために使われることができる。
【０１１３】
高い金型温度及び内部エアフラッシング／冷却の使用は、動作温度がより低い金型に比べてスループットを低下させる。例えば、華氏１９０度の低い金型温度では、ボトル製造業者は１時間当たり金型ごとに１４００個の容器を製造することができる。それに対して、華氏２６０度〜２８０度の高い金型温度では、この数は１時間当たり１２００ボトル又はそれ以下に減少する。この工程スループットの低下は、空冷によって必要とされる成形装置の増大したコストと複雑さに加えて、非常に費用的に不利である。
【０１１４】
図２６〜図２７は、プラスチックボトル２９０製造のための出願者の吹込成形装置３００の半分を示す。図２７の分解図において、アルミニウムＡｌ製の外側金型部分３０６は、容器側壁の半分を形成する内側造形輪郭３０８を有している。蛇行溝３１０がこの内側金型表面に配設されており、それは加熱コイル３０２及び隣接した外側誘電コイル３１２を適合させる形状になっている。前記加熱コイル３０２は、こちらも蛇行形態で配設されているこの外側誘電コイル３１２と、連続したシートとして示されている内側誘電層３１４との間に配置されている。隣接した内側誘電層３１４の反対側付近には、比較的薄い層の（外側金型３０６と比べて）強磁性金型インサート３０４があり、ここでは例えばＮｉＣｒ製であって連続シートとして形成されている。金型インサート３０４は、内側誘電層３１４と接している外側面３１８を有し、その詳細が吹込みされた側壁２９２に複製される造形輪郭を、内側面３２０として有する。外側金型ベース３０６には、溝３２２と、前記加熱コイル３０２に電流を供給するリード線の電気コネクタ３２４が配設されている。
【０１１５】
図２８は、ボトル壁の金型表面加熱を図解した模式断面図である。周りを囲む誘電層３１２、３１４を持つ前記加熱コイル３０２が、外側金型ベース３０６と、ずっと薄い金型インサート３０４との間に配置されて示されている。加熱コイル３０２内の電流は磁束３０１を発生させ、それはＮｉＣｒ金型インサート３０４さらにＡｌ金型ベース３０６へと延出している。Ａｌ金型ベース３０６はＮｉＣｒ金型インサート３０４に比べて渦電流に対する抵抗がずっと低いので、金型ベース３０６は渦電流から大量の熱を発生させない。対照的に金型インサート３０４は大量の渦電流を発生させ、それが金型インサート３０４を誘導加熱する。ボトル側壁２９２は、成形工程の間金型インサート３０４付近に保たれ、そうして熱は、誘導加熱された金型インサート３０４からボトル壁２９２へと伝えられる。
【０１１６】
図２９は、この吹込成形用金型装置の使用により達成できるサイクルタイム短縮を例証する。吹込成形サイクル３４０のステップが、グラフの左側に列挙されている。横軸は秒（ｓｅｃ）単位の時間である。破線３４２は、同グラフの右側に設けられた目盛り３４４により、ボトル側壁の温度を表したものである。さらに離れた右側には、サイクルの各部分の秒単位での概略表示（継続時間３４６）が設けられている。
【０１１７】
新規サイクルの始動時、加熱済みプリフォーム（ボトル形成のもとになる）が金型に挿入される（継続時間０．１秒）。プリフォームは、外側金型ベースとほぼ同じ約華氏１９０度の温度で金型に入る。金型インサートは所望の最高温度すなわち華氏２８０度まで加熱される。金型インサートの誘導加熱はサイクルの１．５秒間継続する。金型は閉じられ（サイクルでｔ＝０．１秒で）、プリフォームの延伸吹込成形が始動する（０．２秒継続）。膨らんだプリフォーム容器は加熱された金型インサートに接触し、側壁温度は金型インサートの温度である華氏２８０度に達するまで上昇を続ける（サイクルでｔ＝０．７秒で）。温度調節の目的のため、ボトル側壁を金型に接したまま保つために圧力が保持される。（継続時間１．２秒、ｔ＝０．３から１．５秒までサイクルで）。温度調節のこの時点で、誘導加熱は減じられか或いは止められ、金型インサートの冷却が始まる。温度がより低い外側金型ベースはこのとき金型インサートから熱を取り去り、結果として、金型インサートとまだ接した状態のボトル壁は温度が低下する（ｔ＝１．５から１．９秒までサイクルで）。次に、吹込圧力が使い果たされるので（ｔ＝１．９秒で）、冷却されたボトル壁は、金型からの排出を容認できる温度に達する。金型は開けられ（ｔ＝２．１秒で）、容器が排出される（ｔ＝２．３秒で）。その部品が排出されると、金型インサートの加熱は次のサイクルを再び開始する。望ましい金型インサートの最高温度が達成され、次のプリフォームが挿入されて新規サイクルを開始する。容器を華氏１９０度から華氏２８０度の温度範囲にわたり加熱、膨張及び調節することを含む総サイクルタイム（プリフォームの挿入から容器の排出まで）は、約２．４秒である。
【０１１８】
この例では、誘導加熱は薄膜強磁性成形面（すなわち、金型インサート３０４）の急速加熱を可能にする。前記加熱コイル３０２への動力を途絶えさせる（又は大幅に減らす）ことにより、強磁性フィルムは、より低い外側金型温度（金型ベース３０６の華氏１９０度）まで急速に冷える。このことが、被吹込み容器の内部空気循環の必要をなくする。容器の内部空冷の必要をなくすることにより、かなりの資本、エネルギー及び保守面での省力がある。吹込成形面の急速な熱サイクル動作は、温度調節による改良特性を持つ容器を提供することができ、それは例えば、側壁のよりくっきりした細部、及び／又は容器のより堅固な触感などである。このことは、高い金型ベース温度によりスループットが遅くなる必要や、内部空冷に係るコストなしで達成される。
【０１１９】
この装置及び方法は高レベルの温度調節で容器を製造するために使われる従来技術の二型成形工程よりも重大な利点を提供する。二型成形工程では、容器は第１の金型に吹き込まれ、取り出されて、状態調節炉内で輻射熱にさらされ、次いで第２の吹込成形用金型に移送されて最終的な所望の形状へと吹込み成形される。結果とした得られた容器は非常に高い使用温度（例えば、低温殺菌応用例）に典型的に使われる。本誘導加熱要素を使用して、より長いサイクルタイムにわたり成形することにより、要求される高い結晶化レベルが、単一の成形工程で達成されることができる。このことは資本及び操業費を大幅に削減する。さらに別の代替案として、ボトル壁を直接、並びに成形インサートからの熱伝達により誘導加熱するために、ボトルが吹込み成形されるもとになるポリマーに強磁性の添加剤を配合することも可能である。
【０１２０】
（図３０〜図３６  圧縮成形用金型）
図３０〜３６は、加熱装置が圧縮成形用金型４００内に組み込まれている別の実施態様を図解する。閉じた状態の圧縮成形用金型が図３０に示されている。図３１は、圧縮成形用金型の種々の部品を示した分解断面図であり、上から下への番号順に、
コア４０２、
リング４０４、
金型インサート４０６、
上方誘電層４０８、
加熱要素４１０、
下方誘電層４１２、
ヒータープレート４１４、
冷却プレート４１６、
絶縁板４１８、
受け板４２０、
を含んでいる。
【０１２１】
組み立て後の構成要素は図３３に断面図で示されている。図３４〜図３５は拡大断面図である。
【０１２２】
図３２の模式部分断面は、金型インサート４０６とヒータープレート４１４の誘導加熱、及びそれに続くヒータープレート４１４の冷却を説明するために用いることができる。図３２において、絶縁板４１８（ここでは上端に示されている）が断熱を提供している。次の層は、以下の工程で説明するように、間欠冷却のために冷却経路４２２が設けられている冷却プレート４１６である。次の層は強磁性ヒータープレート４１４であり、その下に金型インサート４０６及び成形品４３０がある。導電性要素４１０がヒータープレート４１４内の溝４２４内に配置されている。コイル４１０内の電流は磁束を発生させ、それがヒータープレート４１４と隣接した金型インサート４０６両方に渦電流を誘発する。金型インサート４０６内に発生した熱は、次いで隣接した物４３０（コア４０２と金型インサート４０６の間のリング４０４内で成形される）に伝えられる。この例では、物４３０はバイポーラプレート又は燃料電池である。金型インサート４０６から、ヒータープレート４１４に伝えられるよりも多くの熱が、隣接した物４３０に対して伝えられる。冷却プレート４１６内の冷却経路４２２はヒータープレート４１４の間欠冷却を可能にする。別の実施態様では、ヒータープレート４１４と金型インサート４０６の１つのみが強磁性である。
【０１２３】
図３６で説明される１つの方法実施形態によれば、図３０〜図３５に示された装置は以下のように用いられることができる。本方法のステップ４４０は、図３６の最左列４４０に示されている。横軸は秒（ｓｅｃ）単位の時間である。破線４４２は、同グラフの右側の温度目盛り４４４により、ヒータープレート４１４の温度を表したものである。各方法工程の継続時間４４６が、同グラフのさらに離れた右側に設けられている。この成形サイクル中、金型温度の変化は、華氏２３０度から華氏４３０度への華氏２００度である。総体サイクルタイムを縮減するために、最短時間でヒータープレート４１４を加熱し冷却することが課題である。
【０１２４】
新規サイクル開始の最初のステップで、金型インサート４０６は華氏４３０度の最高温度まで加熱されている。そのサイクルの最初の３０秒間に、ヒータープレート４１４の温度は華氏２３０度から華氏４３０度へと上昇する。この加熱工程の後半部分中、成形材料は金型内に装着される（ｔ＝２０〜２５秒のサイクルで）。金型の表面温度が華氏４３０度の高温に達すると、金型は閉じられて圧縮が加えられることができる（ｔ＝２５〜３０秒のサイクルで）。保持及び硬化段階（ｔ＝３０〜７０秒）の間、金型温度は華氏４３０度に維持される。成形品を４０秒間華氏４３０度に保った後で、サイクルの冷却部分が始まる。冷却媒体が金型ベース内の冷却経路に施され（ｔ＝７０秒で）、熱はヒータープレート４１４から、そして最終的には金型インサート４０６、及び成形品４３０から取り去られる。ヒータープレート４１４の温度は、金型が開けられて（４５秒後）部品が排出される（ｔ＝１１５秒で）まで安定的に降下する（ｔ＝７０〜１１５秒から）。金型インサートの温度はそこで華氏２３０度である。そこで、ヒータープレート４１４が華氏２３０度の低温にあるように、冷却経路から冷却流体が抜かれる（ｔ＝１１５〜１２０秒から）。同時に、金型インサート４０６の加熱を再開するために加熱要素４１０がオンにされる。この最後の工程は５秒ほどかかる。全体的なサイクルタイムは約２分である。
【０１２５】
（別の実施態様及び別例）
前記加熱コイルは、交流電流を供給されると交番磁界を発生させる目的で、導電性の（種々のレベルの固有抵抗を持った）任意の種類の材料又は要素であってよい。それは任意の特定の形態（例えば、ワイヤー、ストランド、コイル、厚膜又は薄膜、ペン印刷又はスクリーン印刷、溶射、化学気相蒸着又は物理気相蒸着、ウエハーその他）又は任意の特定の形状に限定されるものではない。
【０１２６】
ニッケル・クロム加熱コイルは、抵抗が銅よりもかなり高い材料として、本明細書の１つ又は複数の実装で説明されている。他の「抵抗性導体」は例えば、ニッケル、タングステン、クロム、アルミニウム、鉄、銅その他の合金を含む。
【０１２７】
被冷却物は、全体的又は部分的に強磁性であって、そこに渦電流を誘導するために磁束を印加するとそれ自体が誘導加熱されるか、又は、直接又は間接に誘導加熱される別の物から伝えられた熱を受ける、任意の物体、基板又は材料（気体、液体、固体又はそれらの組み合わせ）であってよい。形状寸法、寸法、及び／又は前記加熱コイルに対する該物の物理的位置に関しては何ら制限はない。
【０１２８】
誘導加熱を受ける物は、例えば或る種の実施態様で述べられたような磁性コアのような単一の物に限られることはなく、複数の物を含んでいてよい。被加熱物としてのコアに加えて（又はその代わりに）、最終的な被加熱物は、コア内の流動経路を通る導電性材料（アルミニウム又はマグネシウムなど）であってよい。流動経路にある材料は、それ自体が誘導加熱されても、及び／又は、コアからの熱伝達によって加熱されてもよい。
【０１２９】
磁束ループを（コアで）閉じるが溝孔（本質的にはエアギャップ）のために誘導加熱の面では効率がより低い物の一実装で説明した、溝孔を設けたヨークは、磁界に断絶又は制限を生じさせる。そのような断絶又は制限を生じさせるために、その他の多くの構造を用いることができるが、それは例えばヨークの一部を、透磁性がない又は強磁性コアに比べて非常に透磁率が低い材料（空気以外）で製造するか、又は、渦電流の流れに対して高い固有抵抗を有しているフェライト、フラックストロン（fluxtron）又は同様な材料で製造してもよい。さらに、ヨークは広範に用いられ、特定の構造、形状又は材料に限定されない。
【０１３０】
前記加熱コイルは、物の表面上に配置されるか又はそれに隣接した蛇行形態で形成され、物を横切って（位置の面では）交互の方向に磁界をもたらす。前記加熱コイルは、立体の物の周りに巻回された円筒型形態で形成されることができ、コイル内部で同方向に（位置に対して）磁界を生じさせる。種々の実施態様では、導電体は、らせん状、蛇行状、環状らせん又は環状蛇行などの中空素子又は固体素子であってよい。環状らせん又は環状蛇行の素子の利点の一つは、両方の電気リード線が同じ場所から退出できるということである。導電コイルは可変ピッチ（コイル間距離）を有しており、それは結果として得られる磁界に影響を与える。利用できるスペースと望まれる加熱力によって加熱力密度を変えるために、形状とコイル間距離を変動させることができる。基本的な加熱コイル設計は、１９８８年６月、８月及び１０月発行の、「熱処理」（Ｈｅａｔ  Ｔｒｅａｔｉｎｇ）に掲載された、Ｓ．ツインとＬ．セミアテン（Ｓ．Ｚｉｎｎ、Ｓ．Ｌ．Ｓｅｍｉａｔｅｎ）による３部形式の記事、「コイル設計と製造」（Ｃｏｉｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）に見出すことができる。
【０１３１】
コイルの加熱出力は、加熱要素の周波数、電流又は巻き数の関数である。この相関関係は以下のように記述できる：
【０１３２】
【数３】
2007531200.tif 000005
【０１３３】
但し、αは材料と形状寸法の関数である。
1＝電流
Ｎ＝巻き数
Ｑ＝電源の周波数
Ｐｒｅｑ＝材料を加熱するのに必要な動力
加熱及び冷却経路の構成は、速度、均一性及び効率の所望の加熱プロファイル又は形態を得るために変動させてよい。
【０１３４】
図３７〜図４６は、前記加熱コイル（加熱要素）の異なる構成により、異なる誘導磁場が如何にして形成されるかを例示する。例は、円筒形のらせん状コイル（図３７〜図３８）、平板状らせんコイル（図３９〜図４０）、平板状環状らせんコイル（図４１〜図４２）、平板状蛇行コイル（図４３〜図４４）及び平板状環状蛇行コイル（図４５〜図４６）の形態に形作られたコイルを含む。断面図とともに、斜視図も提供されている。磁束は矢印で示され、コイル電流はｌｃ、渦電流はｌｅで示されている。
【０１３５】
以下の式は、例えば、以下のそれぞれの形状を有するコイルにより発生される誘導力ＰＩを計算するために使用されることができる。
【０１３６】
らせん：
【数４】
2007531200.tif 000006
【０１３７】
蛇行状：
【数５】
2007531200.tif 000007
【０１３８】
環状らせん：
【数６】
2007531200.tif 000008
【０１３９】
但し、
Ｒ＝強磁性負荷の渦電流抵抗
ｊｇｅｎ＝コイル内の電流密度
ｄ＝コイル直径
Δ１＝コイル間距離
μ＝強磁性負荷の透磁率
ｐ＝強磁性負荷の固有抵抗
ω＝負荷内の渦電流の角周波数
である。
【０１４０】
図３７〜図３８は、固体円筒形の強磁性コア５０４の周りに巻回された円筒形のらせんコイル５０２を示す。図３８は、コイル素子５０６の上列を断面図で示し、そこに電流方向Ｉｃが平盤に入り、コアの上方部分５１０内に時計方向に磁束５０８を発生させ、それが、コアの上方部内の平盤から出てくる渦電流ｌｅを発生させる。下方の組のコイル素子５１２内に、平盤から出て電流が入り込み、コアの下方部分５１６内に時計の磁界５１４を発生させ、コアの下方部内の平盤内に入っていく渦電流ｌｅを発生させる。上方及び下方磁界５０８及び５１４は、コア５０４内で互いに増強し合う。
【０１４１】
図３９〜図４０は、平板状強磁性物５２６の上方面５２４に搭載された平板状らせんコイル５２２を図解する。図４０は、物の上方面５２４に付近の、左側の組５３０と右側の組５３６を断面で示す。コイル素子の左側の組５３０は平盤に流れ込む電流ｌｃを有し、物の左側部分５３４に反時計の磁界５３２を発生させ、渦電流ｌｅは平盤から流れ出ていく。この方向は、物の右側部分５４０のコイル電流ｌｃ、磁界５３８及び渦電流ｌｅでは反転する。
【０１４２】
図４１から図４２は、平板状強磁性物５５６の上部表面５５２に搭載された平板状環状らせんコイル５５０を示す。環状らせん内の４つの隣接したコイル区分はＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと識別されている。図４２は、４つの識別されたコイル区分の、それぞれのコイル電流Ｉｃ、磁界５５８及び渦電流Ｉｅの方向を断面図で示す。
【０１４３】
図４３〜図４４は、平板状強磁性物５７４の上部表面５７２に搭載された平板状蛇行らせんコイル５７０を示す。蛇行コイル内の４つの隣接したコイル区分はＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと標示されている。図４４は、４つのコイル区分の、それぞれのコイル電流Ｉｃ、磁界５７８及び渦電流ｌｅの方向を断面図で示す。
【０１４４】
図４５〜図４６は、平板状強磁性物５８４の上部表面５８２に搭載された平板状環状蛇行コイル５８０を示す。蛇行コイル内の４つの隣接したコイル区分はＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと標示されている。図４６は、４つのコイル区分のコイル電流Ｉｃ、磁界５８８及び渦電流ｌｅの方向を断面図で示す。
【０１４５】
コイル内のＲＭＳ電流と、コイルによって供給される動力は、一定なパルス幅でパルスの期間（基本周波数）を変動させることにより、又は、コイルに供給されるパルスの一定な基本周波数でパルス幅を変動させることにより、或いは、その両方で制御することができる。
【０１４６】
基本周波数とは、パルスの繰り返しの周波数を意味する。各パルスは複数の勾配部分又は急なエッジ（高調波部分）を含む可能性があるが、各パルスには比較的大きな遅延期間がある。基本周波数は、１つのそのような遅延を含む、最も低い周期区分の周波数である。
【０１４７】
有効周波数とは、電流パルス信号と同じ誘導加熱効果をもたらす純粋な正弦波形信号の周波数を意味する。
【０１４８】
高調波とは、複数の基本周波数すなわちルート周波数よりも上の周波数の調波を意味する。
【０１４９】
分布帯分析器が、高調波を有した電流パルス信号を分析するために用いられることができる。比較として、図４７は、振幅Ａ及び周波数ωの単一の正弦波の波形７００を示し、そこで波形はＡｓｉｎ（ωｔ＋Φｏ）として説明されている。図４８は、この単一正弦波７００の周波数分布帯７１０を示し、そこで振幅Ａのすべては単一の周波数ωに担持される。それに対して、図４９は高調波を有した電流パルス信号７２０（裁断波とも称される）の一例を示す。図５０は裁断波７２０の分布帯７３０を示すが、それは、振幅ａ１のルート周波数ω、及び、ルート周波数より上の、２ωで振幅ａ２、３ωで振幅ａ３、４ωで振幅ａ４、などの高調波から開始した余弦波の合計である。振幅は周波数が増加すると概ね減少する。周波数が増加するにつれ振幅は高くあることが好ましい。
【０１５０】
加熱回路では、発生する出力（熱）量を概ね表しているのは周波数と電流である。電流は、以下の式でわかるように、周波数よりもずっと大きな影響を有している。
【０１５１】
Ｐ＝Ｉ２√ω
【０１５２】
このように、周波数を増やすにつれ電流は高く保たれることが好ましい。
【０１５３】
高調波を有した電流パルス信号は、急勾配のエッジと、電圧ジャンプごとの間に長い中断を持つ波である。それは裁断波と呼ぶこともできる。裁断波は、高調波が高く保持される場合、同じルート周波数の正弦波よりも１０倍高い動力を供給することができる。
【０１５４】
要約すると、「ルート周波数」とは、波を分解しながらも周期性を保った最小の時間である。高調波は、ルート周波数より上の周波数の波であり、ルート周波数とともに所望の波を「構築」することができる。一般に、動力が高く保たれるように、調波内に大きな振幅を生成することが望ましい。５０〜６０Ｈｚのルート周波数は、グリッドからすぐに入手できるため望ましい。電源は次いで、所望の高調波を発生するためにグリッドから直接来る正弦波形の波を「裁断」することができる。
【０１５５】
高調波を有した電流パルス信号が、基本（ルート）周波数すなわち第１の高調波と、該ルート周波数よりも上の高調波の両方を含むものとして説明されてきた。こうして信号はそのような成分から構成されていると理解されることができる。そのような構成は、物理的世界では、ルート周波数信号（例えば正弦波形の）から開始して、波の一部を取り除いて１つ又は複数の調波成分を保持させるようにすることによってパルス信号を構成することを含むと理解されるべきである。それは例えば、方形パルスから開始して方形パルスの形を変えることを含んでいてもよい。
【０１５６】
さらに、前の例（図３〜図６）は、正弦波形信号の各半期ごとに１つのパルスが発生していることを示す。しかし、かわりにこの正弦波形信号を半期ごとに複数回裁断して、半期ごとに複数のパルスを発生させてもよい。さらに、バイポーラスイッチを用いる代わりに、信号を裁断（各半期に１回又は複数回）する前に、まず正弦波形信号をダイオードブリッジで修正してもよい。
【０１５７】
本明細書に説明された特定の実施態様は、被加熱物を加熱していないときにその物の温度を例えば間欠的に下げるために冷却媒体を利用する。図５１は、冷却剤供給及び調整器７８２から冷却媒体を必要に応じて交互に及び／又は同時に供給し、かつ、パルス発生器７８３から、加熱要素、冷却経路及び、被加熱及び被冷却物を含む装置７８４に対して、電流パルス信号を供給するための制御回路７８１を有した加熱及び冷却装置７８０を模式的に示す。
【０１５８】
本発明の別の実施態様は、本明細書に開示された本発明の明細と実践を考慮することにより、当業者には明らかであろう。この明細と例は典型的としてのみ考慮され、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲によって示されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１Ａ】コイルとコア／ヨークの間に閉じた磁気ループ（矢印参照）を提供し、強化された電磁結合を提供するために、同軸の内部強磁性コアと外側強磁性ヨークとの間に、巻回された加熱コイルが埋設されている、誘導加熱と抵抗加熱両方を提供する加熱システムの一実装の断面模式図である。
【図１Ｂ】コアの溝に配置された電気絶縁されたコイルを示す、図１Ａの丸で囲まれた区分１Ｂの拡大部分図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示したものと同じであるがヨーク内に溝孔がある、加熱システムの第２の実装の部分的な切欠側面図である。
【図１Ｄ】コイル内の電流に対して反対向きのコア内の誘導（渦）電流を示し、かつ、溝孔によるヨーク内の渦電流の断絶を示す、図１Ｃの線１Ｄ−１Ｄに沿った断面図である。
【図１Ｅ】図１Ａ〜図１Ｄの加熱システムを組み込んでいてもよい、複数の温度領域を有したバレル押出機の模式図である。
【図２】本発明の一実装による、図１Ａ〜図１Ｄに示した種類の加熱システムに対して、高調波を有した電流パルスを供給する電源の概要模式図である。
【図３Ａ】電流パルスを供給するためにサイリスタを用いている電源の回路図である。
【図３Ｂ】電流パルスを供給するためにゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタを用いている電源の回路図である。
【図３Ｃ】電流パルスを供給するためにインテグレーテッドゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）装置を用いている電源の回路図である。
【図４Ａ】図３Ａのサイリスタによるライン周波数電流供給から発生した電流パルスを示すタイミング図である。
【図４Ｂ】図３ＢのＧＴＯサイリスタによるライン周波数電流供給から発生した電流パルスを示すタイミング図である。
【図４Ｃ】図３ＣのＩＧＢＴ装置によるライン周波数電流供給から発生した電流パルスを示すタイミング図である。
【図５Ａ】ライン周波数供給の追加位相から追加電流パルスを供給する３位相、３パルスのユニポーラ整流子の回路図である。
【図５Ｂ】ライン周波数供給の追加位相から追加電流パルスを供給する３位相、６パルスのバイポーラ整流子の回路図である。
【図５Ｃ】ライン周波数供給のブリッジ回路から追加電流パルスを供給する１位相、２パルスのユニポーラパルスターの回路図である。
【図５Ｄ】ライン周波数供給の追加位相から追加電流パルスを供給する３位相、６パルスのユニポーラパルスターの回路図である。
【図５Ｅ】ライン周波数供給から追加電流パルスを供給する３位相、１２パルスのユニポーラパルスターの回路図である。
【図６Ａ】図５Ａに関連するタイミング図である。
【図６Ｂ】図５Ｂに関連するタイミング図である。
【図６Ｃ】図５Ｃに関連するタイミング図である。
【図６Ｄ】図５Ｄに関連するタイミング図である。
【図６Ｅ】図５Ｅに関連するタイミング図である。
【図７】正弦波形のライン周波数電流の加熱性能を、高調波を有した電流パルスと比較した実験に用いられる加熱システムの等角図である。
【図７Ａ】図７の線７Ａ−７Ａに沿った拡大断面図である。
【図８】図７の加熱システムで実施された実験からの記録データの温度／時間グラフであり、電流パルスの加熱率が正弦波形の電流よりも大幅に高いことを示している。
【図９】図７の実験で用いられた電流パルスの概略輪郭である。
【図１０】加熱装置が炉に組み込まれている別の実装の断面模式図である。
【図１０Ａ】図１０の丸で囲んだ区分１０Ａの拡大部分図である。
【図１１】加熱装置が温水器又は化学反応器に組み込まれている別の実装の断面模式図である。
【図１２】加熱装置が、薬品容器又は化学反応器の表面に搭載されたヒーターパッチとして組み込まれている別の実装の模式図である。
【図１３】層状加熱機構である一実装の断面模式図である。
【図１４】厚みＡの内部強磁性層を有した層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１５】冷却経路が内部強磁性層にある、層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１６】冷却経路が加熱要素にある、層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１７】内部層が耐腐食及び伝熱ライナーを含む、層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１８】溶射法によって形成された層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１８Ａ】図１８の丸で囲んだ区分１８Ａの拡大部分図である。
【図１９】溶射法によって形成された層状加熱機構である別の実装の断面模式図である。
【図１９Ａ】図１９の丸で囲んだ区分１９Ａの拡大部分図である。
【図２０】コイル状の加熱要素を有した射出ノズル構体の分解部分図である。
【図２１】図２２の線２１−２２に沿った断面図である。
【図２２】図２０のノズル構体の端面図（金型側での）である。
【図２３】上方及び下方の蛇行導体形態を有した多温度領域ノズル構体の分解部分図である。
【図２４】図２３の組立ノズルの側面図である。
【図２５】図２４の線２５−２５に沿った断面図である。
【図２５Ａ】図２５の丸で囲まれた区分２５Ａの拡大部分図である。
【図２６】吹込成形装置の半分の正面図である。
【図２７】図２６の吹込成形装置の分解部分図である。
【図２８】図２７の装置の加熱要素及び隣接層の模式部分図である。
【図２９】吹込成形法及び温度調節方法のタイミング図である。
【図３０】圧縮成形用金型の模式斜視図である。
【図３１】図３０の圧縮成形用金型の分解部品図である。
【図３２】図３０の圧縮成形用金型の加熱要素及び隣接層の模式部分図である。
【図３３】図３１の組立部品の模式断面図である。
【図３４】図３３の円で囲んだ区分３４の拡大部分図である。
【図３５】図３４の円で囲んだ区分３５の拡大部分図である。
【図３６】圧縮成形方法のタイミング図である。
【図３７】コアの周りに巻回された円筒状加熱コイルの模式斜視図である。
【図３８】図３７のコイル及びコアの模式断面図である。
【図３９】プレート上に搭載された平板状らせんコイルの模式正面図である。
【図４０】図３９のコイルとプレートの模式断面図である。
【図４１】プレート上に搭載された平板状環状らせんコイルの模式正面図である。
【図４２】図４１のコイルとプレートの模式断面図である。
【図４３】プレート上に搭載された平板状蛇行コイルの模式正面図である。
【図４４】図４３のコイルとプレートの模式断面図である。
【図４５】プレート上に搭載された平板状環状蛇行コイルの模式正面図である。
【図４６】図４５のコイルとプレートの模式断面図である。
【図４７】単一正弦波を示している、時間に対する振幅のグラフである。
【図４８】図４７の正弦波の周波数分布帯のグラフである。
【図４９】高調波を有した電流パルス信号を示している、時間に対する振幅のグラフである。
【図５０】図４９の電流パルス信号の周波数分布帯を示すグラフである。
【図５１】加熱及び冷却装置のための制御回路の模式図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１２  バレル押出機
１３  バレル区域
１４  ノズル区域
１５  加熱区域
１６  流入漏斗
１９  磁束線
２０  加熱コイル
２２  強磁性コア
２３  外径
２４  内壁
２５  加熱システム
２５'  修正システム
２６  中央中空経路
２７  内径
２８  外側部強磁性ヨーク
２８'  修正ヨーク
２９  中心線
３０  溝孔
３１  リブ
３２  渦電流
３４  溝
３５  電流
３６  電気絶縁体
４０  パルス発生器
４３  入力線
４４  出力線
４４Ａ  電流パルス
４４Ｂ  電流パルス
４４Ｃ  方形波パルス
４８Ａ  サイリスタ
４８Ｂ  ＧＴＯサイリスタ
４８Ｃ  ＩＧＢＴデバイス
５０  ドライバ
５４  変圧器
６０  制御式整流器
６２  制御回路
６７  ３位相供給源
７０  鋼鉄ディスク
７１  鋼鉄ヨーク
７２  加熱コイル
７３  溝孔
７４  頂面
７５  絶縁材料
８１、８２、８３、８４  高勾配区分
８５  遅延
９０  炉
９１  容器（強磁性コア）
９２  ヨーク
９３  コイル
９４  蓋
９５  材料
９６  絶縁層
９７  底壁
９８  側壁
１０１  コア
１０２  ヨーク
１０４  上方ヨーク
１０５  下方ヨーク
１０９  中央経路
１１０  加熱システム
１１２  反応器
１１４  環状ディスク
１１６  矩形又は方形プレート
１２０  加熱装置
１２２  外側層
１２４  加熱要素
１２５  電気絶縁体
１２６  内側の強磁性層
１２８  被加熱物
１３０  装置
１３２  外側層
１３４  導電体
１３５  絶縁被覆
１３６  内側層
１３８  被加熱物
１４０  装置
１４２  外側層
１４４  導電体
１４５  絶縁被覆
１４６／１４９  内側の強磁性層
１４８  被加熱物
１５０  装置
１５２  外側層
１５４  導電体
１５５  絶縁被覆
１５６  内側の強磁性層
１５８  被加熱物
１５７  内部冷却経路
１６２  外側層
１６４  導電体
１６５  絶縁被覆
１６６  内側層
１６８  被加熱物
１６９  耐食性・熱伝導性層
１７２  外側層
１７４  導電コイル層
１７５Ａ  外側誘電層
１７５Ｂ  内側誘電層
１７６  内側強磁性層
１７７  内部冷却経路
１８０  装置
１８２  金型ベース
１８４  加熱コイル層
１８５Ａ  誘電絶縁溶射層
１８５Ｂ  内側の誘電溶射層
１８６  内側強磁性成形面層
１８８  被加熱物
２００  ノズル構体
２０２  内側ノズル構成要素
２０４  外側構成要素
２０６  加熱要素
２０８  中央貫通経路
２１０  端部
２１２  端部
２１３  表面
２１４  強磁性管
２１６  加熱要素
２２０  中央孔
２２２  貫通中央経路
２３０  経路
２４０  多温度区域ノズル構体
２４２  ホットランナーノズル
２４４  ノズルシリンダー
２４６  中央経路
２４７  加熱スリーブ構体
２４８  導電体
２５０  内側スリーブ
２５４  外側層
２５６  上方形態
２５８  下方形態
２６０  リード線
２６２  電気コネクタ
２９０  プラスチックボトル
２９２  側壁
３００  吹込成形装置
３０２  加熱コイル
３０４  強磁性金型インサート
３０６  外側金型
３０８  内側造形輪郭
３１０  蛇行溝
３１２  外側誘電コイル
３１４  内側誘電層
３１８  外側面
３２０  内側面
３２２  溝
３４０  吹込成形サイクル
３４２  破線
３４４  目盛り
４００  圧縮成形用金型
４０２  コア
４０４  リング
４０６  金型インサート
４０８  上方誘電層
４１０  加熱要素
４１２  下方誘電層
４１４  ヒータープレート
４１６  冷却プレート
４１８  絶縁板
４２０  受け板
４２４  溝
５０２  らせんコイル
５０４  強磁性コア
５０６  コイル素子
５０８  磁束
５１０  上方部分
５１２  下方の組のコイル素子
５１４  磁界
５１６  下方部分
５２２  平板状らせんコイル
５２４  上方面
５２６  平板状強磁性物
５３０  左側の組
５３２  磁界
５３４  左側部分
５３６  右側の組
５４０  右側部分
５５０  平板状環状らせんコイル
５５２  上部表面
５５６  平板状強磁性物
５７０  平板状蛇行らせんコイル
５７２  上部表面
５７４  平板状強磁性物
５８２  上部表面
５８４  平板状強磁性物
５８０  平板状環状蛇行コイル
７００  正弦波の波形
７１０  周波数分布帯
７２０  電流パルス信号（裁断波）
７３０  分布帯
７８１  制御回路
７８２  冷却剤供給及び調整器
７８３  パルス発生器
７８４  装置
【図１Ａ】
2007531200.tif 000009
【図１Ｂ】
2007531200.tif 000010
【図１Ｃ】
2007531200.tif 000011
【図１Ｄ】
2007531200.tif 000012
【図１Ｅ】
2007531200.tif 000013
【図２】
2007531200.tif 000014
【図３Ａ】
2007531200.tif 000015
【図３Ｂ】
2007531200.tif 000016
【図３Ｃ】
2007531200.tif 000017
【図４Ａ】
2007531200.tif 000018
【図４Ｂ】
2007531200.tif 000019
【図４Ｃ】
2007531200.tif 000020
【図５Ａ】
2007531200.tif 000021
【図５Ｂ】
2007531200.tif 000022
【図５Ｃ】
2007531200.tif 000023
【図５Ｄ】
2007531200.tif 000024
【図５Ｅ】
2007531200.tif 000025
【図６Ａ】
2007531200.tif 000026
【図６Ｂ】
2007531200.tif 000027
【図６Ｃ】
2007531200.tif 000028
【図６Ｄ】
2007531200.tif 000029
【図６Ｅ】
2007531200.tif 000030
【図７】
2007531200.tif 000031
【図７Ａ】
2007531200.tif 000032
【図８】
2007531200.tif 000033
【図９】
2007531200.tif 000034
【図１０】
2007531200.tif 000035
【図１０Ａ】
2007531200.tif 000036
【図１１】
2007531200.tif 000037
【図１２】
2007531200.tif 000038
【図１３】
2007531200.tif 000039
【図１４】
2007531200.tif 000040
【図１５】
2007531200.tif 000041
【図１６】
2007531200.tif 000042
【図１７】
2007531200.tif 000043
【図１８】
2007531200.tif 000044
【図１８Ａ】
2007531200.tif 000045
【図１９】
2007531200.tif 000046
【図１９Ａ】
2007531200.tif 000047
【図２０】
2007531200.tif 000048
【図２１】
2007531200.tif 000049
【図２２】
2007531200.tif 000050
【図２３】
2007531200.tif 000051
【図２４】
2007531200.tif 000052
【図２５】
2007531200.tif 000053
【図２５Ａ】
2007531200.tif 000054
【図２６】
2007531200.tif 000055
【図２７】
2007531200.tif 000056
【図２８】
2007531200.tif 000057
【図２９】
2007531200.tif 000058
【図３０】
2007531200.tif 000059
【図３１】
2007531200.tif 000060
【図３２】
2007531200.tif 000061
【図３３】
2007531200.tif 000062
【図３４】
2007531200.tif 000063
【図３５】
2007531200.tif 000064
【図３６】
2007531200.tif 000065
【図３７】
2007531200.tif 000066
【図３８】
2007531200.tif 000067
【図３９】
2007531200.tif 000068
【図４０】
2007531200.tif 000069
【図４１】
2007531200.tif 000070
【図４２】
2007531200.tif 000071
【図４３】
2007531200.tif 000072
【図４４】
2007531200.tif 000073
【図４５】
2007531200.tif 000074
【図４６】
2007531200.tif 000075
【図４７】
2007531200.tif 000076
【図４８】
2007531200.tif 000077
【図４９】
2007531200.tif 000078
【図５０】
2007531200.tif 000079
【図５１】
2007531200.tif 000080
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月2日(2007.7.2)
【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】
誘導加熱用の加熱コイルと、
前記加熱コイル内に高調波をもたらす急峻に変化する部分を有する非正弦波電流パルスを前記加熱コイルへ供給する電源とを備え、前記加熱コイルが物の誘導加熱用磁束を生成する、ことを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
前記加熱コイルは前記物を含む負荷に誘導結合した、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記負荷は前記磁束用閉ループを含む、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記負荷は前記閉ループを形成するコア及びヨークを含む、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記負荷はコアとヨークとを含み、前記加熱コイルは前記コアとヨークの間か又は少なくとも一方に配置した、請求項２記載の装置。
【請求項６】
前記負荷は流動性材料用の経路を有するコアを含む、請求項２記載の装置。
【請求項７】
前記コアが前記流動性材料を加熱する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記加熱コイルを前記コア内に配置し、加熱を前記経路内に集中させるようにした、請求項６記載の装置。
【請求項９】
前記負荷の一部が渦電流の流れに対する断絶部或いは制限部を有し、該負荷の他部分に誘導加熱を集中させる、請求項２記載の物。
【請求項１０】
前記物は前記磁束用閉ループの少なくとも一部を形成する、請求項１記載の物。
【請求項１１】
前記電源は低周波或いはライン周波電流源を含む、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記電源は前記加熱コイルに供給する前記電流パルスのエネルギー量を調整できるよう可変とした、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
前記加熱コイルはコアを含む負荷に誘導結合してあり、前記加熱コイルは前記コア内に少なくとも一部埋設した、請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記加熱コイルは前記物の周りに巻回した、請求項１記載の装置。
【請求項１５】
前記加熱コイルは前記物の表面に装着した、請求項１記載の物。
【請求項１６】
加熱装置の加熱コイルへ電流を供給して誘導加熱する方法であって、前記加熱コイル内に高調波をもたらす急峻に変化する部分を有する非正弦波電流パルスを前記加熱コイルへ供給するステップを備え、前記加熱コイルが物の誘導加熱用磁束を生成する、ことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2007531200.tif 000081
2007531200.tif 000082
2007531200.tif 000083
2007531200.tif 000084