(57)【要約】【課題】  誘導加熱が可能な磁性体である外管と、被加熱流体を通流させる内管との間の、線膨張係数の違いおよび温度ばらつきによって生じる熱応力を緩和することを目的とする。【解決手段】  円形の外管３と円形の内管４とから構成される二重管と、この二重管内を流れる被加熱流体８を加熱するための誘導加熱手段と、を有する誘導加熱装置である。内管４は線膨張係数が外管３の線膨張係数より小さい非磁性体で構成する。外管３は、磁性体であり、且つ外管の軸方向の長さがそれぞれ所定値以下である複数個の外管構成物３１から構成する。【選択図】  図１
2012022934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が円形の外管と断面が円形の内管とから構成される二重管と、この二重管内を流れる被加熱流体を加熱するための誘導加熱手段と、を有する誘導加熱装置において、
前記内管は非磁性体で構成し、
前記外管は磁性体であり且つ当該外管の軸方向の長さがそれぞれ所定値以下である複数個の外管構成物から構成する誘導加熱装置。
【請求項２】
前記内管は線膨張係数が前記外管の線膨張係数より小さい非磁性体で構成し、
前記外管構成物の軸方向の長さは、以下の式で求めるＬ以下である請求項１に記載の誘導加熱装置。
ｃ＝ｄ／αｔ×（１−ｃｏｓ（αｔ×Ｌ／２ｄ））
ここで、ｃ：内管の外径と外管の内径とのクリアランスの大きさ
ｄ：外管の内径
α：外管の線膨張係数
ｔ：加熱時に外管の円周方向に発生する最大温度差
Ｌ：外管構成物の軸方向の最大長さ
【請求項３】
断面が円形の外管と断面が円形の内管とから構成される二重管と、この二重管内を流れる被加熱流体を加熱するための誘導加熱手段と、を有する誘導加熱装置において、
前記内管は非磁性体で構成し、
前記外管は所定値以下の巾からなる帯状磁性体で前記内管をスパイラル状に巻いて構成する誘導加熱装置。
【請求項４】
前記内管は線膨張係数が前記外管の線膨張係数より小さい非磁性体で構成し、
前記外管の巾は、以下の式で求めるＬ以下である請求項３に記載の誘導加熱装置。
ｃ＝ｄ／αｔ×（１−ｃｏｓ（αｔ×Ｌ／２ｄ））
ここで、ｃ：内管の外径と外管の内径とのクリアランスの大きさ
ｄ：外管の内径
α：外管の線膨張係数
ｔ：加熱時に外管の円周方向に発生する最大温度差
Ｌ：外管構成物の軸方向の最大長さ
【請求項５】
前記内管は石英で構成する請求項２または４に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
前記内管の線膨張係数は、前記外管の線膨張係数の１／１０以下である請求項２または４に記載の誘導加熱装置。
【請求項７】
前記誘導加熱手段は、前記外管の長さ方向全体の周囲を巻き回す誘導加熱用コイルと、このコイルに印加する電源と、から構成する請求項１または３に記載の誘導加熱装置。
【請求項８】
前記外管構成物は、前記内管の表面に施す電鋳層で形成されている請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項９】
外管と内管とから構成される二重管と、この二重管内を流れる被加熱流体を加熱するための誘導加熱手段と、を有する誘導加熱装置において、
前記内管は非磁性体で構成し、
前記外管は磁性体であり且つ当該外管の軸方向の長さがそれぞれ所定値以下に当該外管の断面方向で分割して構成する誘導加熱装置。
【請求項１０】
誘導加熱により加熱される流体が通流する円形の外管と円形の内管とから構成される二重管において、
前記内管は非磁性体で構成し、
前記外管は磁性体であり且つ当該外管の軸方向の長さがそれぞれ所定値以下である複数個の外管構成物から構成する二重管。
【請求項１１】
誘導加熱により加熱される流体が通流する円形の外管と円形の内管とから構成される二重管において、
前記内管は非磁性体で構成し、
前記外管は所定値以下の巾からなる帯状磁性体で前記内管をスパイラル状に巻いて構成する二重管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱を利用した誘導加熱装置、およびそのための二重管に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、二重管内を流れる流体を誘導加熱する装置が開示されている。この二重管は、誘導加熱に適した磁性体からなる外管の内部に、誘導加熱に適さない非磁性体からなる内管が嵌合するように構成されている。このような二重管に流体を通流して誘導加熱すると、主に磁性体である外管が発熱し、この熱が非磁性体からなる内管を介して二重管内を流れる流体へ熱伝導することで、流体が加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３４０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の先行技術では、外管と内管の線膨張係数が異なる場合、誘導加熱したときに生じる熱応力で、外管もしくは内管が破損する恐れがある。たとえば、外管に線膨張係数が１１．７×１０-6／Ｋ程度である鋼管ＳＳ４００を用い、内管に線膨張係数が０．５８×１０-6／Ｋ程度である石英管を用いて誘導加熱する。このとき、加熱時に外管に生じる温度ばらつきによって外管が曲がることで、内管の石英管が曲げ応力を受けて破損する恐れがある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、外管と内管の線膨張係数が異なるように構成した二重管を誘導加熱したときに、二重管が破損する恐れを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、円形の外管と円形の内管とから構成される二重管と、この二重管内を流れる被加熱流体を加熱するための誘導加熱手段と、を有する誘導加熱装置において、前記内管は非磁性体で構成し、前記外管は磁性体であり且つ当該外管の軸方向の長さがそれぞれ所定値以下である複数個の外管構成物から構成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、外管と内管の線膨張係数が異なるように構成した二重管を誘導加熱したときに、二重管が破損する恐れを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の誘導加熱装置の一例を示す図である。
【図２】外管３の詳細を説明する図である。
【図３】外管構成物３１の軸方向の長さをどのように決めるかを説明する図である。
【図４】図１の構成における実験結果を示す図である。
【図５】外管３を電鋳層で構成した図である。
【図６】外管３をスパイラル状に構成した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
添付図面を適宜参照しながら、本発明にかかる誘導加熱装置の好適な実施の形態について説明する。
図１は、本発明の誘導加熱装置の一例を示す図である。図１（ａ）は、誘導加熱装置の管やコイルなどに対し、管の長さ方向からみた断面図である。図１（ｂ）は、管の軸方向に対する断面図である。
【００１０】
誘導加熱装置は、交流電源１と、誘導加熱用のコイル２と、断面が同心円形の外管３と、断面が同心円形の内管４とを有する。誘導加熱装置は、さらに、外管３と内管４との間に充填する潤滑剤５と、コイル２と外管３との間に敷設する断熱材６と、コイル２を冷却するためコイル２の外周にあるコイル冷却ジャケット７から構成する。内管４には、図面において矢印で示した方向に、被加熱流体８、たとえば硫酸が通流する。誘導加熱手段は、交流電源１とコイル２とから構成される。
【００１１】
交流電源１には、５０／６０Ｈｚから４５０ｋＨｚの周波数を使用する。
コイル２には、１ｋＨｚ以上の高周波を流す場合、リッツ線を用いる。リッツ線は、細いエナメル線を複数本より合わせたものであり、高周波を流す場合に表皮効果により電気抵抗が増加することを防ぐため、導体を細分化して導体表面積を大きくしている。コイル２は、内管４・外管３・断熱材６の周囲を巻き回す形で構成する。コイル２は、外管の長さ方向全体の周囲を巻き回すだけの長さがある。
【００１２】
内管４は外管３の中に挿入しており、断面が円形の二重管として構成する。すなわち、内管４と外管３とを同軸上に形成する。内管４と外管３、もしくは内管４と後述する外管構成物３１とは、所定の大きさのクリアランスを有する。クリアランスとは、内管４の外径と、外管３の内径との差である。クリアランスは、製造時の精度を考慮すると、０．１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００１３】
外管３と内管４の線膨張係数が異なることで加熱時に外管３が内管４を引っ張る熱応力が発生するが、クリアランスを大きくとれば、この応力により外管３が歪む距離をクリアランスで吸収できるので、二重管が破損する恐れを小さくできる。しかしながら、誘導加熱された外管３から内管４へ効率よく熱伝導するには、クリアランスは小さい方がよい。
【００１４】
図１に示す実施形態の要旨は、クリアランスを小さくして効率よく熱伝導しつつ、外管３を構成する複数個の外管構成物の軸方向の長さを所定値以下にして外管構成物の歪む距離を小さくすることで、加熱時に二重管が破損する恐れを小さくする点にある。
【００１５】
誘導加熱したときに流体をなるべく均等に加熱できるように、コイル２・外管３・内管４は、それぞれの中心軸が一致するよう同軸かつ同心円状に形成するのが望ましい。本実施例では、図１（ｂ）に示すように、コイル２、外管３、内管４、断熱材６、コイル冷却ジャケット７は、同心円状に形成している。
【００１６】
外管３は磁性体でできており、電磁誘導により非常に密度の高いうず電流が生じる。外管３の厚さは、表皮効果を得るため、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。外管３の一例としては、ＳＳ４００（線膨張係数が１１．７×１０-6／Ｋ、スチール）やＳＵＳ４３０（線膨張係数が１０．４×１０-6／Ｋ、アルミニウム）が挙げられる。
【００１７】
ここで、図２を参照して、外管３の詳細に言及する。
外管３は、外管長さ方向の長さ、すなわち軸方向の長さが所定値以下である複数個の外管構成物３１から構成されている。図２の例では、外管３は６個の外管構成物３１から構成されている。外管３は、予め作製した外管構成物３１を複数個組み合わせて構成してもよい。外管３は、１本の外管３を軸方向の長さが所定値以下となるように、外管３の断面方向に複数に分割して構成してもよい。外管３を、軸方向の断面で分割しても、誘導加熱によるうず電流が外管３の円周方向に円滑に流れないので、あまり影響がない。
【００１８】
なお、図１（ａ）および図２では、複数の外管構成物３１はそれぞれ所定の間隔をあけて配置しているが、これは外管３が複数の外管構成物３１から構成されることを図示しただけである。図１（ａ）の誘導加熱装置は、コイル２、外管３、内管４からなる加熱部分を横方向に設置する場合、複数の外管構成物３１はそれぞれ所定の距離をあけて配置されることがある。図１（ａ）の誘導加熱装置は、コイル２、外管３、内管４からなる加熱部分を縦方向に設置する場合、複数の外管構成物３１は重力の影響で積み重なって配置されるので、外管構成物間に大きな間隔はない。
【００１９】
図１（ａ）に戻り、内管４には、耐食性が高いこともあり、線膨張係数が０．５８×１０-6／Ｋである石英が使われることが多い。石英管の厚さは、機械的強度を確保するため、１．５ｍｍ以上であることが望ましい。内管４の他の例としては、セラミックを使うことが挙げられる。
【００２０】
外管３と内管４の材質は、内管４の線膨張係数が、外管３の線膨張係数の１／１０倍以下であるように選択すると望ましいことを、本発明者らは実験によって確認している。上述のように材質を選択すると、誘導加熱時に外管３が熱応力で歪む距離に比べ、内管４が歪む距離は十分に小さいため考慮しなくてもよくなり、外管３を構成する外管構成物３１の長さを算出しやすくなる。
【００２１】
なお、上述した材質の選択方法は、外管３の線膨張係数を考慮して、内管４の材質をいわば相対的に決めるものである。他の選択方法としては、線膨張係数が汎用的な磁性体材料よりも小さい石英を内管４に採用することを、絶対値的に決めることもできる。
【００２２】
なお、外管３と内管４との間に、潤滑剤５が充填されている。潤滑剤５としては、たとえば「スミコーＧＳコート（住鉱潤滑剤株式会社製、登録商標）」を使うことができる。潤滑剤５の使用は必須ではない。潤滑剤５を使用するかどうかは、外管３や内管４の材質や、外管３と内管４との間のクリアランスの大きさを考慮して決める。
【００２３】
潤滑剤５をクリアランスに充填することで、外管３から内管４への接触熱抵抗を低減し、かつ外管３と内管４の線膨張係数の違いによる摺動を促して二重管の破損を低減する効果を期待できる。しかしながら、潤滑剤５を使用するだけでは、二重管の破損を防ぎ切れない場合がある。図１（ｂ）に示すように、コイル２、外管３、内管４をそれぞれの中心軸が一致するように同心円状に形成したとしても、製造誤差がある以上、それぞれの中心軸が完全に一致することは難しい。中心軸が少しでもずれると、コイル２が形成する交番磁束密度に偏りが生じ、外管３表面の所定部分と、この所定部分の円周方向における外管３表面の反対部分とでは、発生する加熱エネルギーが異なってくる。よって、外管３には温度ばらつきが生じるため、外管３が所定の方向に曲がってしまい、内管４が破損する問題が実際に発生している。
【００２４】
図１に示す実施形態によれば、たとえば製造誤差によりコイル２、外管３、内管４のそれぞれの中心軸が完全には一致しない場合でも、外管３を構成する複数個の外管構成物３１の長さを所定値以下にして外管構成物の歪む距離を小さくすることで、加熱時に二重管が破損する恐れを小さくできる。
【００２５】
断熱材６には、セラミックやガラス繊維を用いる。外管３の熱を逃さないように断熱材６を敷設することで、誘導加熱装置の加熱効率を向上でき、また、コイル２の過熱を防ぐことができる。
【００２６】
コイル冷却ジャケット７は、コイル２の自己発熱を水冷方式で冷却して過熱を防止するために設けるものであり、冷却水９が内部で循環するように構成されている。本実施例では、強制対流による水冷方式で例示したが、必要とされる冷却能力の大きさによっては、自然対流もしくは強制対流による空冷方式とすることもできる。
【００２７】
図３は、外管構成物３１の軸方向の長さの決め方を説明する図である。
前述したように、円形の外管３表面の所定部分と、この所定部分の円周方向における外管３表面の反対部分とでは、発生する加熱エネルギーが異なってくるので、温度ばらつきが生じる外管３は所定の方向に曲がる。つまり、外管３を構成する外管構成物３１は、図３に示すように、加熱時には外管３の円周方向に発生する温度差によって曲がる。
【００２８】
図３に示す各種記号を以下のように定める。
α：外管３（外管構成物３１）の線膨張係数
ｔ：加熱昇温時に外管３（外管構成物３１）の円周方向に発生する最大温度差
ｄ：外管３（外管構成物３１）の内径
Ｌ：外管構成物３１の軸方向の最大長さ
ｒ：加熱時の外管構成物３１の曲げ半径
θ：外管構成物３１が加熱により曲がるときの曲げ角度
このとき、曲げ半径：ｒと曲げ角度：θと外管構成物３１の軸方向の最大長さ：Ｌとの間には、次の（１）・（２）式の関係がある。
【００２９】
ｒθ＝Ｌ                          ・・・（１）式
（ｒ＋ｄ）θ＝Ｌ（１＋αｔ）      ・・・（２）式
（１）・（２）式より、次の（３）・（４）式が求まる。
【００３０】
ｄθ＝αｔ×Ｌ                    ・・・（３）式
ｒ＝ｄ／αｔ                      ・・・（４）式
外管３（外管構成物３１）の内径と、この曲がった外管３内を貫通するまっすぐな内管４の外径との差であるクリアランス：ｃとすると、次の（５）式が成り立つ。なお、外管３と内管４の材質は、内管４の線膨張係数が、外管３の線膨張係数の１／１０倍以下であるように選択する。もしくは、内管４を、線膨張係数が汎用的な磁性体材料よりも小さい、たとえば石英で構成する。よって、内管４は、加熱時に発生する温度差によって曲がらないと仮定している。
【００３１】
ｃ＝ｒ（１−ｃｏｓ（θ／２））    ・・・（５）式
（３）〜（５）式より、次の（６）式が求まる。そして、この（６）式を満たす外管構成物３１の軸方向の最大長さ：Ｌを求め、実際はこのＬ以下となるように外管構成物３１を作製する。
【００３２】
ｃ＝ｄ／αｔ×（１−ｃｏｓ（αｔ×Ｌ／２ｄ））    ・・・（６）式
たとえば、外管３として線膨張係数が１１．７×１０-6／ＫであるＳＳ４００、内管４として線膨張係数が０．５８×１０-6／Ｋである石英を使った場合のＬを計算する。実験値よりｔ＝２００Ｋとし、ｄ＝２０ｍｍ、製造上の精度から考えてｃ＝０．１ｍｍとした場合、Ｌ≒８０ｍｍとなる。よって、外管構成物３１の軸方向の長さは、外管３（外管構成物３１）の内径：ｄの４倍以内、８０ｍｍ以内に形成して誘導加熱を行えばよい。
【００３３】
図４は、図１の構成における実験結果を示す図である。
外管３としては、線膨張係数がα＝１１．７×１０-6／ＫであるＳＳ４００を用いた。外管３の内径はｄ＝１６．１ｍｍ、外管構成物３１の軸方向の長さは５０ｍｍとした。
【００３４】
内管４としては、線膨張係数が０．５８×１０-6／Ｋである石英を用いた。内管４の外径は１６．０ｍｍ、内管４の軸方向の長さは８０ｍｍとした。すなわち、外管３（外管構成物３１）の内径と内管４の外径との差であるクリアランスｃ＝０．１ｍｍとした。
【００３５】
上述したように、外管３にＳＳ４００を使い、内管４に石英を使い、クリアランスｃ＝０．１ｍｍとしたとき、外管構成物３１の軸方向の最大長さ：Ｌは、外管３（外管構成物３１）の内径：ｄの４倍程度である。図４の実験では、外管３の内径ｄ：１６．１ｍｍ、外管構成物３１の軸方向の長さ：５０ｍｍとしており、すなわち外管構成物３１の軸方向の長さは、外管３（外管構成物３１）の内径：ｄの３倍程度と少し余裕を持たせてある。
【００３６】
図１の本発明による構成、すなわち軸方向の長さ：５０ｍｍの外管構成物３１を６個組み合わせて誘導加熱したとき、入力電力＝１２ｋＷを加えて外管３を７００℃まで約１分で急速加熱しても、石英からなる内管４は破損しなかった。
【００３７】
一方、従来のように外管３が３００ｍｍ、すなわち５０ｍｍの外管構成物３１が６個つながったものと同等の外管３を誘導加熱したとき、入力電力＝３．６ｋＷを加えて外管３が３８０℃になった時点で、石英からなる内管４が破損してしまった。なお、このような従来構成では、外管３が３００ｍｍというのは、外管３の内径：ｄの１８倍以上である。
【００３８】
よって、図１のように外管３を構成する複数個の外管構成物３１の軸方向長さが所定値以下となるようにすれば、従来構成と比較して高いエネルギーを加えても、内管４が破損する恐れを小さくできる。
【００３９】
図５は、外管３を構成する複数個の外管構成物３１を、電鋳層で構成した図である。
電鋳層３２は、石英からなる内管４に、ＳＳ４００を電鋳で形成する。内管４に複数個の外管構成物３１からなる電鋳層３２を形成するには、内管４の所定位置にマスクをしてＳＳ４００を電鋳で形成し、電鋳層３２の形成後にマスクを除去すればよい。
【００４０】
このように、外管３を構成する複数個の外管構成物３１を電鋳層３２で形成すると、外管３と内管４との間のクリアランスがないため効率よく熱伝導することができ、外管３を構成する複数個の外管構成物３１の軸方向の長さを所定値以下にして外管構成物の歪む距離を小さくすることで、加熱時に二重管が破損する恐れを小さくできる。
【００４１】
図６は、外管３をスパイラル状に巻いて構成した図である。
外管３は、所定値以下の巾からなる帯状の板である帯状磁性体３２を使い、帯状磁性体３２同士が重なり合わないよう内管４をスパイラル状に巻いて構成する。帯状磁性体３２は、いわば磁性体テープである。帯状磁性体３２の巾は、図２における外管構成物３１の軸方向の長さを決めたときと同様に求められる。
【００４２】
このように、外管３を、内管４をスパイラル状に巻く帯状磁性体３２で形成すると、外管３の歪む距離を小さくすることで、加熱時に二重管が破損する恐れを小さくできる。さらに、図２における外管構成物３１よりも部品点数を少なくできるという利点がある。
【符号の説明】
【００４３】
１    交流電源
２    コイル
３    外管
４    内管
５    潤滑剤
６    断熱材
７    コイル冷却ジャケット
８    被加熱流体
９    冷却水
【図１】
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【図２】
2012022934.tif 000004
【図３】
2012022934.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012022934.tif 000007
【図６】
2012022934.tif 000008