(57)【要約】【課題】周辺装置が過剰に加熱されることを防止しつつ、不要な回生電力を熱に効率的に変換可能な、小型かつ簡便な構成を有する信頼性の高い高周波誘導加熱型抵抗器を提供する。【解決手段】本発明に係る高周波誘導加熱型抵抗器は、被加熱体と、前記被加熱体の実質的な全体を包囲する断熱体と、前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】図１
2009266916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱体と、
前記被加熱体の実質的な全体を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項２】
被加熱体および断熱体は直方体形状、円柱形状、立方体形状、または球形形状を有することを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項３】
トロイダル形状を有する被加熱体と、
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項４】
被加熱体は、加熱コイルが捲回された第１の領域と、該加熱コイルが捲回されていない第２の領域とを有し、前記被加熱体の前記第１の領域における断面積が前記第２の領域における断面積より大きいことを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項５】
断熱体から突出した少なくとも１つのフランジ部と、該フランジ部から延びる放熱フィンとを有する被加熱体と、
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項６】
断熱体から突出した一対のフランジ部と、該一対のフランジ部の間に延びる複数の被加熱バーとを有する被加熱体と、
前記被加熱体の少なくとも一部を包囲する断熱体と、
前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とする高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項７】
被加熱体が冷却フィンを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項８】
断熱体がひだ状構造体を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱型抵抗器。
【請求項９】
加熱コイルおよび被加熱体を包囲する電磁波シールド部材を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱型抵抗器。
【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し、とりわけモータなどの駆動装置の回生時に発生する高周波電力を誘導加熱コイルにより確実に熱に変換して、誘導加熱コイルを含む周辺装置が過熱することなく、安全に放熱することができる高周波誘導加熱型抵抗器に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱コイルを用いて高周波電力を熱に変換する装置は、これまで数多く提案されている。例えば特許文献１には、中空の断熱材に捲回されたソレノイド型誘導加熱コイルを有する誘導加熱炉の中に鋼板を通過させることにより、鋼板を連続的に加熱（焼き入れ）するための誘導加熱装置が開示されている。この誘導加熱コイルは、通常の高周波電源から高周波電流の供給を受けて鋼板を加熱するものであるが、上述のようなモータの回生時に発生する高周波電力を誘導加熱炉に供給して、電気エネルギを熱エネルギに変換することが可能である。
【特許文献１】特開平４−５９９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の誘導加熱装置は、誘導加熱炉の中に鋼板を連続的に通過させる機構が必要であるため、抵抗器として利用するには装置全体の寸法が大きくなるという問題がある。
また、抵抗器として特許文献１の誘導加熱装置を用いたとき、誘導加熱炉内で加熱された鋼板を冷却する機構も必要であり、装置全体の構成が複雑となるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、電気エネルギを熱エネルギに効率的に変換するとともに、周辺装置が過熱することなく、小型かつ簡便な構成で信頼性の高い高周波誘導加熱型抵抗器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る１つの態様による高周波誘導加熱型抵抗器は、被加熱体と、前記被加熱体の実質的な全体を包囲する断熱体と、前記断熱体の周囲に捲回された、前記被加熱体を誘導加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する電力供給手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る１つの態様によれば、周辺装置が過剰に加熱されることを防止しつつ、不要な回生電力を熱に効率的に変換可能な、小型かつ簡便な構成を有する信頼性の高い高周波誘導加熱型抵抗器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施の形態を説明する前に、一例として、エレベータを駆動するとともに、エレベータかごの電動機（モータ）の回生時に発生する高周波電力を熱エネルギに変換する装置全体について説明する。
一般に、電動機の駆動時においては電力がインバータなどの電力変換器を介して電源から電動機に供給され、電動機の制動時においては起電力が電動機に生じる。こうした電動機の制動時における電動機の動作は電力回生動作といい、電力回生動作時の電力は回生電力と呼ばれる。
【０００８】
図１１は、一般的な交流エレベータの制御装置１００の概略的な構成を示すブロック図である。この制御装置１００は、三相交流電源Ｒ、Ｓ、Ｔを直流電流に変換するコンバータ（例えばダイオードブリッジ）１０２と、コンバータ１０２の出力端に接続された電源平滑用コンデンサ１０４と、このコンデンサ１０４に並列に接続されたインバータ１０６とを備える。インバータ１０６は、コンバータ１０２からの直流電流を交流電流に変換し、電動機１０８に供給するためのものである。さらに制御装置１００は、電源平滑用コンデンサ１０４に並列に接続される、回生電力を処理するためのスイッチ１１０および抵抗器１を備える。
【０００９】
インバータ１０６からの交流電流が電動機１０８に供給されると、電動機１０８が回転し、電動機１０８の回転運動が減速ギア１１２を介して駆動綱車１１４に伝達され、駆動綱車１１４に接続されたカウンタウエイト１１６および乗客用かご１１８が昇降する。
【００１０】
一般に、電動機により駆動されるエレベータでは、かご１１８とカウンタウエイト１１６がつるべ式に結合されている。カウンタウエイト１１６の重さは、定員の約半分で均衡する重さに設定されており、電動機１０８は、乗客を含むかご１１８の重量とカウンタウエイト１１６の重量の差、およびエレベータかご１１８の昇降方向（上昇もしくは下降）に応じた駆動力をかご１１８またはカウンタウエイト１１６に与えるように構成されている。
【００１１】
すなわち電動機１０８は、かご１１８がカウンタウエイト１１６より軽い場合、かご１１８を下降させるときにはカウンタウエイト１１６を引き上げ、かご１１８がカウンタウエイト１１６より重い場合、かご１１８を上昇させるときにはかご１１８を引き上げる必要がある。
【００１２】
これに対して、かご１１８がカウンタウエイト１１６より軽い場合であって、かご１１８を上昇させるとき、およびかご１１８がカウンタウエイト１１６より重い場合であって、かご１１８を下降させるとき、電動機１０８はカウンタウエイト１１６および乗客用かご１１８を駆動する必要はなく、むしろカウンタウエイト１１６および乗客用かご１１８の昇降により、電動機１０８が回転させられ、回生電力（回生エネルギ）が生じる。
【００１３】
このように、電動機１０８が電気エネルギを消費して、カウンタウエイト１１６および乗客用かご１１８を駆動する運転を力行運転といい、カウンタウエイト１１６および乗客用かご１１８が電動機１０８を駆動して、回生電力が生じる運転を回生運転という。
【００１４】
回生電力は、通常、インバータ１０６を介して平滑用コンデンサ１０４に充電され、その両端の電圧が上昇する。このとき、平滑用コンデンサ１０４の両端の電圧がその定格電圧を超えると、平滑用コンデンサ１０４が破壊されるおそれがあり、あるいは平滑用コンデンサ１０４の両端の電圧はコンバータ１０２およびインバータ１０６にも印加されることから、同様に、これらを構成するダイオードおよびＩＧＢＴなどの電気素子を破壊するおそれがある。そこで、図１１に示すように、平滑用コンデンサ１０４に並列に接続されたスイッチ１１０および抵抗器１を用いて、回生電力を熱エネルギに適宜変換（消費）して、平滑用コンデンサ１０４の電圧上昇を抑制する必要がある。
【実施の形態１】
【００１５】
ここで図１〜図４を参照しながら、本発明に係る高周波誘導加熱型抵抗器１（以下、単に「抵抗器」という。）の実施の形態１を以下説明する。なお、以下の実施の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」など）を適宜用いるが、これ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。
【００１６】
本発明に係る実施の形態１の抵抗器１は、図１に示すように、概略、被加熱体１０と、被加熱体１０を包囲する断熱体２０と、断熱体２０の周囲をソレノイド状に捲回された加熱コイル３０と、加熱コイル３０に高周波電力を供給する高周波電源４０とを有する。
【００１７】
被加熱体１０を構成する材料は、加熱コイル３０により誘導加熱されるものであれば任意のものを選択することができ、磁性または非磁性の金属材料であってもよい。磁性の金属材料とは磁石によって吸引される金属材料で、非磁性の金属材料とは磁石によって吸引されない金属材料である。非磁性の金属材料であっても誘導加熱できることは、例えばＩＨクッキングヒータで銅鍋やアルミ鍋が加熱できることからも理解されるように、抵抗器１の加熱コイル３０に供給される高周波電流の駆動条件を調整することで非磁性の金属材料であっても加熱することができる。ただし、より効率的に誘導加熱するためには、被加熱体１０は、ニッケル、鉄、または珪素を添加した鋼板など透磁率の高いものが好ましく、後述のように蓄熱量の大きくするためには熱容量の大きい鉄を主成分とするものがより好ましい。さらに安価に入手でき、組成が変化しにくい（炭素比のより少ない）観点からはＪＩＳ規格ＳＳ４００などが最も好ましい。
【００１８】
断熱体２０は、通常、セメント板などの断熱材料で構成されている。断熱体２０は、被加熱体１０で生じた熱を徐々に外部に放熱し、加熱コイル３０および周辺装置（図示せず）が過熱することを防止するためのものである。したがって、断熱体２０は、図２に示すように、被加熱体１０の少なくとも一部を覆うものであり、必ずしも被加熱体１０の全面を包囲する必要はないが、長手方向（Ｘ方向）の端部においても被加熱体１０からの熱を遮断する必要がある場合には、断熱体２０と同様の構成材料からなる蓋部２１ａおよび底部２１ｂを配設して、被加熱体１０全体が包囲される。
また、外部への放熱作用を抑制し、断熱体２０内の蓄熱作用を増大させるために、図３に示すように、より高い断熱効果を有する材料からなる防熱層１２を、被加熱体１０と断熱体２０との間に配設してもよい。防熱層１２は、例えばセラミック繊維で構成することができる。セラミック繊維はガラスウールやジェル状の断熱材など固着しにくいものであってもよい。
【００１９】
加熱コイル３０は、任意の導電性材料で構成され、例えば一般に市販された絶縁被膜付き電線であってもよく、電動機１０８からの回生電力である高周波電源４０から数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの交流電流を受けて交流磁場を生じ、その結果、被加熱体１０内に渦電流を形成して、この渦電流により被加熱体１０を誘導加熱するものである。
【００２０】
上述のように、本発明の抵抗器１がエレベータの電動機１０８で生じる回生電力を消費するために用いられる場合、こうした回生電力は断続的に生じるものであるから、抵抗器１は、回生電力をエネルギ変換した熱を一時的に蓄熱し、回生電力が発生しない期間において徐々に放熱することができる。したがって、本発明に係る抵抗器１は、上述のように、加熱コイル３０および周辺装置が過熱しないように、被加熱体１０で生じた熱を徐々に外部に放熱することが好ましい。
【００２１】
一方、従来のセメント抵抗は有線の抵抗体からなり、許容耐熱温度を超えると断線などの不具合が生じやすい。これに対し、本発明に係る抵抗器１は、被加熱体１０を誘導加熱するものであり、加熱コイル３０自体の温度を相対的に低く抑えることができるので、被加熱体１０がキュリー点（例えば鉄材であれば約７００℃）に達しない限り、被加熱体１０をより高温に加熱することができる。すなわち本発明に係る抵抗器１は、従来のセメント抵抗より大容量の回生電力を信頼性高く（断線などの不具合が生じることなく）熱に変換することができる。さらに換言すると、同一容量の回生電力を熱に変換するとき、本発明の抵抗器１は従来のセメント抵抗より小型化することができ、長寿命化を図ることができる。さらに、本発明に係る抵抗器１は、被加熱体１０、断熱体２０、および加熱コイル３０を容易に分解することができるので、これら分解したものを再利用または再資源化することができる。
【００２２】
さらに付言すると、本発明に係る抵抗器１を設計する際には、被加熱体１０がキュリー点を超えないように構成することの他、加熱コイル３０および周辺装置がそれらの許容耐熱温度を超えないように構成することについても同様に留意すべきである。このとき加熱コイル３０は、通電によるジュール熱と被加熱体１０からの輻射熱により温度上昇する。
また、加熱コイル３０に供給された回生電力は、加熱コイル３０で消費されるジュール熱と、加熱コイル３０により誘導加熱されて被加熱体１０が生じる熱に変換されるが、被加熱体１０を透磁率の高い材料で構成するなどして、被加熱体１０から生じる発熱量が加熱コイル３０に比してより大きくなるように抵抗器１を構成することが好ましい。
さらに、被加熱体１０で生じた熱を十分に蓄熱して、よりゆっくり（緩慢な速度で）放熱させるためには、被加熱体１０の体積に対する表面積が極力小さくすることが必要であり、具体的には、抵抗器１を図１に示すような直方体形状（四角柱）とするよりも、図３に示すような円柱形状、あるいは立方体形状または球形形状（図示せず）とすることが好ましい。
【実施の形態２】
【００２３】
図５〜図７を参照しながら、実施の形態２の抵抗器２について以下説明する。
実施の形態２の抵抗器２は、被加熱体１０を直方体形状に形成する代わりに、トロイダル形状（ドーナツ状）に構成する点を除き、実施の形態１の抵抗器１と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。
【００２４】
上述のように、実施の形態２の被加熱体１０は、図５および図６に示すように、トロイダル形状を有するように構成され、加熱コイル３０が捲回された第１の領域１４と、加熱コイル３０が捲回されていない第２の領域１６とを有する。すなわち、実施の形態２に係る抵抗器２は、回生電力をエネルギ変換した熱を被加熱体１０内で蓄熱するだけでなく、被加熱体１０で生じた熱をより迅速に外部に放熱するように構成されている。なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様、被加熱体１０から伝達される熱により加熱コイル３０が許容耐熱温度を超えることのないように、第１の領域１４においては加熱コイル３０と被加熱体１０との間に断熱体２０が設けられている。
【００２５】
同様に図示されているように、被加熱体１０のＹ−Ｚ平面に平行な断面の断面積は、第１の領域１４より第２の領域１６において大きくなるように構成されている。すなわち、加熱コイル３０の高周波磁場により被加熱体１０で生じる熱量（いわゆる鉄損）は磁束密度に依存して大きくなるが、上記のように構成することにより、断面積の大きい第１の領域１４における発熱量を抑制し、断面積のより小さい第２の領域１６での発熱量をより大きくすることができる。こうして、断熱体２０から露出した第２の領域１６の被加熱体１０を周辺空気に曝して、放熱効果を増大させるとともに、第１の領域１４での被加熱体１０がキュリー点に達するまで許容される回生電力量、すなわち回生電力の処理（消費）能力を格段に改善することができる。
また、実施の形態２に係る抵抗器２は、実施の形態１と同様、従来の有線のセメント抵抗を用いないので、断線による不具合を生じることなく、信頼性高く熱に変換することができる。
【００２６】
さらに、実施の形態２に係る抵抗器２は、トロイダル形状の被加熱体１０に配置された開口部１７に空気または水など流体を通過させる機構（図示せず）を設けて、第２の領域１６にある被加熱体１０をより効率的に冷却することができる。こうして、抵抗器２の回生電力の処理能力をさらに改善し、あるいは抵抗器２をより小型化することができる。
【００２７】
追加的または択一的には、被加熱体１０で生じた熱をより効率的に放熱するために、被加熱体１０は、図７に示すような複数の冷却フィン１８を有していてもよい。また被加熱体１０は、第１および第２の領域１４，１６において異なる材料で構成してもよく、第１の領域１４ではより発熱しにくい材料（例えば硅素鋼板）を用い、第２の領域１６ではより発熱しやすい材料（例えばＳＳ４００）を用いて被加熱体１０を構成してもよい。
【実施の形態３】
【００２８】
図８〜図９を参照しながら、実施の形態３の抵抗器３について以下説明する。
実施の形態３の抵抗器３は、概略、被加熱体１０が少なくとも１つ、好適には一対のフランジ５０を有する点を除き、実施の形態１の抵抗器１と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。
【００２９】
上述のように、図８に示す被加熱体１０は、一対のフランジ５０を有し、各フランジ５０は、Ｙ−Ｚ平面に平行な断面において、加熱コイル３０で覆われた第１の領域１４における断面積よりも大きい断面積を有する。図８では、被加熱体１０および断熱体２０は、円柱形状を有し、フランジ５０は円板形状を有するものとして図示されている。またフランジ５０は、長手方向（Ｘ方向）に突出した複数の放熱フィン５２を有する。放熱フィン５２は、フランジ５０の周端部付近に周方向に等間隔で配置してもよく、熱伝導性の高い金属材料で形成されていることが好ましい。また、フランジ５０および放熱フィン５２は、被加熱体１０と同一の金属材料を用いて構成してもよい。
したがって、実施の形態３の抵抗器３は、被加熱体１０で生じた熱をより効率的に放熱し、回生電力の処理能力がより高い、あるいはより小型化された（処理能力が同一である場合）抵抗器３を実現することができる。
【００３０】
択一的には、実施の形態３の抵抗器３は、放熱フィン５２の代わりに、図９に示すように、一対のフランジ５０間に延び、両者を接続する複数の被加熱バー５４を有していてもよい。被加熱バー５４は、放熱フィン５２と同様、熱伝導性の高い金属材料で形成されるが、好適にはフランジ５０および被加熱体１０と同一の金属材料を用いて構成され、被加熱体１０で生じた熱をより効率的に放熱する効果を得ることができる。さらに被加熱バー５４は、被加熱体１０およびフランジ５０とともに磁束閉ループを形成するので、自らも発熱する（加熱される）。しかも、被加熱バー５４は、被加熱体１０より実質的に小さい断面積を有するので、被加熱バー５４内の磁束密度が高くなり、その発熱量が大きくなり、複数の被加熱バー５４全体の表面積も大きくなるので、冷却効果を飛躍的に改善することができる。
【変形例】
【００３１】
ここで、上述の実施の形態に係る抵抗器に適用可能ないくつかの変形列について説明する。
【００３２】
（変形例１）
図１０に示す変形例１によれば、断熱体２０にひだ状構造体６０が取り付けられ、または一体成形されている。断熱体２０は、通常、被加熱体１０からの輻射熱から加熱コイル３０を保護するためのものであるので、断熱体２０の表面温度が極力低いことが好ましい。そこで、変形例１に係る断熱体２０は、ひだ状構造体６０を配設して、断熱体２０の表面積を拡大することにより、放熱効果を改善しようとするものである。したがって、断熱体２０の表面積を拡大するものであれば任意の形状を有する構造体を断熱体２０に配設してもよく、こうした構造体として、例えば突起状のもの、凹凸状のものであってもよい。
【００３３】
（変形例２）
加熱コイル３０および被加熱体１０で生じる高周波磁場は、ＥＭＩ（電磁障害）ノイズとして周辺装置に悪影響を与える可能性がある。そこで、こうしたＥＭＩノイズを排除するために、上記実施の形態に係る抵抗器１〜３全体を金属箔または金属ケース（図示せず）などの電磁波シールド部材で包囲して、こうしたＥＭＩノイズが外部へ漏れないように遮断することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る実施の形態１の抵抗器の概略的な斜視図である。
【図２】図１に示す抵抗器をＹ−Ｚ平面で切断したときの断面図である。
【図３】図２に示す抵抗器に防熱層を追加したときの断面図である。
【図４】円筒形状を有する抵抗器の図１と同様の斜視図である。
【図５】本発明に係る実施の形態２の抵抗器の概略的な斜視図である。
【図６】図５に示す抵抗器の平面図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図である（ｃ）。
【図７】図５に示す抵抗器に冷却フィンを追加したときの平面図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図である（ｃ）。
【図８】本発明に係る実施の形態３の抵抗器の平面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態３の別の抵抗器の平面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態３の変形例１の抵抗器の概略的な斜視図である。
【図１１】交流エレベータの制御装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１〜３：高周波誘導加熱型抵抗器、１０：被加熱体、１２：防熱層、１４：第１の領域、１６：第２の領域、１８：冷却フィン、２０：断熱体、２１ａ：蓋部、２１ｂ：底部、３０：加熱コイル、４０：高周波電源、５０：フランジ、５２：放熱フィン、５４：被加熱バー、６０：ひだ状構造体、１００：交流エレベータ制御装置、
１０２：コンバータ、１０４：電源平滑用コンデンサ、１０６：インバータ、１０８：電動機、１１０：スイッチ、１１２：減速ギア、１１４：駆動綱車、１１６：カウンタウエイト、１１８：乗客用エレベータかご。
【図１】
2009266916.tif 000003
【図２】
2009266916.tif 000004
【図３】
2009266916.tif 000005
【図４】
2009266916.tif 000006
【図５】
2009266916.tif 000007
【図６】
2009266916.tif 000008
【図７】
2009266916.tif 000009
【図８】
2009266916.tif 000010
【図９】
2009266916.tif 000011
【図１０】
2009266916.tif 000012
【図１１】
2009266916.tif 000013