JP2011526407A

JP2011526407A - 直流電磁加熱素子

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Publication number: JP2011526407A
Application number: JP2011515056A
Authority: JP
Inventors: チョン，シクピン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2011-10-06
Also published as: CN101940059A; WO2010000097A1; US20100258555A1; EP2294896A1; CA2707751A1

Abstract

ＤＣ電磁場を介した電熱エネルギー伝達の原理を用いる直流電磁加熱素子が開示される。直流電流がコイルを流れて閉じた磁場を十分にチャージしているとき、上記磁場は上記ＤＣライン回路に対する外部２Ｄ加熱空間を形成する。この２Ｄ加熱空間における磁気媒体は、非常に大きな熱エネルギーを放出する。一般のＡＣ加熱装置と比較すると、ＤＣ電磁場を介する上記ＤＣライン回路を備えた当該加熱装置は、４０％を超える電力消費の節約を行う。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、物体を加熱する発熱素子に関し、特に、ヒータに用いられる直流電磁加熱素子に関する。

〔背景技術〕
今日、種々の加熱方法が提案されている。ところで、グリーンガス排出の削減を考慮した場合、従来の化石燃料（例えば、天然ガスや石油）を使用することに代えて、電気を用いるのが望ましい。抵抗加熱や誘導過熱を含む、電気を用いた種々の方法が提案されている。抵抗加熱は、導電体に電流を流すことにより電気的に加熱する方法である。一方、誘導加熱は、交流電力を用いて導電体を電気的に加熱する方法である。交流電力が銅のような導電コイルに供給されて、交流磁場が形成される。この交流磁場によって、上記コイルに密に結合したワークピース内に、交流電圧及び交流電流が誘導される。これらの交流電圧及び交流電流は、電気抵抗損を創り出して、その結果、上記ワークピースを加熱する。ところで、このような加熱方法は、非常に多くのエネルギーを消費するので、伝統的に、石油や天然ガスによる加熱が、これまでの電気的な加熱方法よりも好まれてきた。クリーンエネルギー加熱方法に対する要求が増加しているため、同じ発熱量を創り出すために、より低消費電力あるいはより高いエネルギー効率として、従来の問題を解決した代替の電気的な加熱が望まれている。

〔発明の概要〕
本発明は、物を加熱する加熱素子に関し、特に、ヒータに用いられる直流電磁加熱素子に関する。

本発明の目的は、ヒータ、湯沸かし器、そして他の装置に用いられる直流電磁加熱素子を提供することである。

本発明の一つの特徴によれば、直流電磁加熱素子は、少なくとも一つのコイルを有し、ＤＣ（直流）電圧がコイルに印加されると、固定極性を有する閉じた磁場が十分にチャージされ、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間が形成される。

本発明の他の特徴によれば、ヒータは、直流電磁加熱素子を有し、その直流電磁加熱素子は、少なくとも一つのコイルを有し、ＤＣ（直流）電圧がコイルに印加されると、固定極性を有する閉じた磁場が十分にチャージされ、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間が形成される。

本発明のさらに他の特徴によれば、物体を加熱する方法は、少なくとも１つのコイルに直流電圧を印加して、固定極性を有する閉じた磁場を発生させるとともに上記磁場を十分にチャージし、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間を形成するステップ（ｉ）と、上記熱エネルギーを上記物体に供給するステップ（ｉｉ）とを含んでいる。

〔図面の簡単な説明〕
本発明は、添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明される。

図１〜図３は、本発明の直流電磁ヒータの直流回路の概略構成図である。

図４，５は、交流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。

図６，７は、直流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。

図８は、電磁ヒータの写真による斜視図である。

図９は、上記電磁ヒータの概略制御回路図である。

図１０は、管理された環境試験設備の概略図である。

図１１は、直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の測定テスト結果を示すグラフである。

図１２は、直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の経過時間に対する温度上昇を示す図である。

図１３は、直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の経過時間に対する全電力消費を示す図である。

〔発明の詳細な説明〕
直流（ＤＣ）電磁場による電熱エネルギー伝達の原理は、当該電熱エネルギー伝達に関係している。直流電流がコイルに流れて、閉じた磁場を十分にチャージすると、この磁場は、ＤＣライン回路に対する、外部２Ｄ加熱空間、垂直空間、あるいは他の空間を形成する。チャージされた磁場の磁気媒体は、非常に大きな熱エネルギーを放出する。

電気技術の分野において、通常動作における変流器（ＣＴ）の回路（すなわち２次側回路）を開放すると、変成器が過熱されることによって損傷を受けることは、一般に知られている。この損傷は、ＣＴに過度にチャージされた電磁場によって引き起こされる。尤も、これは、交流（ＡＣ）ライン回路において知られている。

事実、ＤＣライン回路において、ＤＣ電流がコイルに流れて閉じた磁場を十分にチャージすると、電磁場における磁気媒体は、非常に大きな熱エネルギーを放出する。このＤＣライン回路の通常動作においては、誘導抵抗が無い代わりに、コイルの純粋な内部抵抗のみがあり、それによって、それを通るＤＣ電流の最適な量が与えられる。従って、コイルに印加される非常に低いＤＣ電圧は、コイルに対して十分な量のＤＣ電流を流し、磁場を十分にチャージすることを可能にする。このＤＣ回路の電力消費は非常に小さいが、安定した、連続的な、そして静的な方法で、非常に大きな熱エネルギー容量を生成する。

このＤＣ回路は、以下に示す２つの特徴点を有している。

１．電磁場がＤＣライン回路内に加わることで、当該ライン回路に対する新たな外部２Ｄ加熱空間が形成される。この空間から放出される熱エネルギーの、容量／量は、ＡＣ加熱方法によって生成される熱エネルギーよりも、さらに大きくそして安定している。

２．電磁場がＤＣライン回路内に存在するか否かに関わらず、回路全体の電力消費は、変化することなく維持される。この回路において、コイルによって消費される電気エネルギーは、紛れも無く、ジュール則に従って正しく熱エネルギーに変換される。しかしながら、ＤＣ磁場の外部２Ｄ加熱空間からの熱エネルギーは、ジュール則に従った計算から外れると考えられる。一般的なＡＣ加熱に比べて、この磁場を伴うＤＣ回路はより少ない電力を消費する。

図１〜３に示すように、コイル１０は、内部抵抗Ｒを有している。図１，２，３では、コイル１０に流す電流を、それぞれＩ１、Ｉ２、Ｉ３と記す。同様に、図１，２，３では、コイル１０で消費される電力を、それぞれＷ１，Ｗ２、Ｗ３と記し、電力エネルギーを、それぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３と記す。

図１は、第２コイル（図示せず）を除いた第１コイルのみを備えた変流器に相当する回路図である。ＤＣ電圧がコイル１０に印加されると、ＤＣ電流Ｉ１がコイルを流れ、閉じた回路の磁場をチャージする。このＤＣで磁場は、新たな外部２Ｄ加熱空間２０（図３）を形成する。

図２において、磁場が形成される前に、この回路２００で消費される電力は、Ｗ２＝Ｉ２^２Ｒワットとなり、ジュール則に従った電力エネルギーは、Ｐ２＝Ｗ２ｔ＝Ｉ２^２Ｒｔジュールとなる。

図３において、磁場が回路３００に一旦形成されると、コイル１０の端子Ａ３−Ｂ３間の電圧とそのコイルを流れる電流Ｉ３とは、図２に示すコイル１０の端子ＡＩ２−Ｂ２間の電圧とそのコイルを流れる電流Ｉ２と同じ一定値、すなわちＩ２＝Ｉ３、を保つ。これは、まさに、磁場が存在するか否かに関わらず、このＤＣライン回路の電力消費が不変であることを意味している。外部２Ｄ加熱空間２０は、これまで電力消費が不変であった全体の回路に入り込む。このことによって、回路３００の全電力エネルギーは、以下のようになる。

Ｐ３＝Ｉ３^２Ｒｔ＋２Ｄｔ
ここで、Ｉ３＝Ｉ２であるから、
Ｐ３＝Ｉ３^２Ｒｔ＋２Ｄｔ＝Ｉ２^２Ｒｔ＋２Ｄｔ＝Ｐ２＋２Ｄｔ
となる。

上記結果は、回路３００の電力エネルギーが回路２００の電力エネルギーよりも２Ｄｔ分大きいにも関わらず、回路２００と回路３００との電力消費が依然として等しいことを示している。

図４は、図１，２，３に示す端子Ａ１−Ｂ１，Ａ２−Ｂ２，Ａ３−Ｂ３それぞれにおいて、ＡＣ電圧が印加されたとき、その電圧３０が、時間経過に伴って１サイクルごとに変化する様子を示している。多くの国において、交流は、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚで供給されている。従って、上記電圧３０は、１秒間に５０回あるいは６０回のサイクルを示す。図４に示すように、電圧３０は、１サイクルの最初の半分には正極性を示し、１サイクルの後半の半分には負極性に振れる。

図５は、図１，２，３におけるコイル１０を通した電圧３０と電流３５とが時間経過に伴って変化する様子を示している。同様に、ＡＣ電圧３０は、正極性と負極性とに交互に入れ替わり（時間経過に伴う正弦波によって示している）、コイル１０を流れる電流３５もまた電圧３０に従って正極性と負極性とに交互に入れ替わる。さらに、コイル１０の内部抵抗Ｒに加えて、コイル１０を流れるＡＣ電流の大きさは、主にコイル１０の誘導抵抗に比例する。最初の半サイクル（０とＭとの間）でコイル１０の回りに磁場が形成されるが、次の半サイクル（ＭとＮとの間）で他の磁場が形成されることによって弱まり消失する。ある半サイクルで形成される任意の磁場は、その前の半サイクルに形成された磁場によって破壊あるいは影響され、そして、次の磁場に影響を与える。さらに、各々のサイクルの全体を通して、実質的にチャージされた磁場の値は０である。

図６は、図１，２，３に示す端子Ａ１−Ｂ１，Ａ２−Ｂ２，Ａ３−Ｂ３のそれぞれにおいて、ＤＣ電圧が印加されたとき、時間経過に伴うＤＣ電圧３０’の値を示している。図７から分かるように、ＤＣ電流３５’はコイル１０の内部抵抗Ｒに抗することのみに比例した大きさに達する。時間経過に伴ってこのようなＤＣ電流３５’がコイル１０を流れるならば、磁場が効率的に形成される。このようなプロセスは、また、さらなる熱発生を促進する。ＡＣ電圧の場合とは異なって、コイル１０にＤＣ電圧が印加されると、当該電圧は、固定された向きの極性を有する同じ磁場をチャージし続けるため、コイル１０にＡＣ電圧が印加されるとしたならば発生するようなリアクティブな電圧が発生しない。コイル１０へのＤＣ電圧の印加は、コイル１０の周りに効率的に磁場のチャージおよび励磁を行い、熱伝達のための磁場へのチャージを大いに強める。

図８に、前述した、ＤＣ電磁場を介した電熱エネルギー伝達の原理に従う３００ＷのＤＣ電磁ヒータ５４を示す。当該電磁ヒータは、直列に接続された５つのコイルを備えている。各コイルのコアは３２ｍｍ×６２ｍｍの大きさを有しており、１．９＃あるいは１．１２ｍｍ直径のゲージのエナメル銅線が周囲に１層あたり４３巻回されたものを６層分、従って合計で１コイルあたり２５８巻回、を備えている。（電磁ヒータ５４は５つのコイルを備えているので、実際は、合計で１２９０巻回を有している。）このヒータの電源は、ＤＣ４８−６０Ｖ／５．５−５．６Ａである。

図９に、電磁ヒータ５４の制御回路図を示す。ＡＣ電圧が端子ＡおよびＢにおいて電磁ヒータ５４に供給される。電磁ヒータ５４は、１次巻線の長さを選択するためのスイッチ７０を介して接続された変圧器７５を備えており、ヒートシンク７７の下のコイル（図示せず）で発生する熱の量を制御する。ブリッジ整流回路７６が変圧器７５の２次巻線に接続されており、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。電磁ヒータ５４はさらに、温度サンプリング端子８５において電磁ヒータ５４のヒートシンク７７の温度をサンプリングする温度モニタ８０を備えている。電磁ヒータ５４はまた、気流を発生させる複数のファン９５を備えており、ファン９５によって電磁ヒータ５４の外部へ効率的に放熱を行うとともに、電磁ヒータに指定された温度範囲内で動作を行わせる。ファン９５はファン電源９０に接続されて制御される。ファン電源９０は温度モニタ８０と通信しており、温度モニタ８０からの信号によって、ヒートシンク温度を冷却低下させるように電源が投入されるか、次の冷却低下まで待機するように電源供給が停止されるかの制御が行われる。所望の温度範囲内でこのヒータの温度を制御するために、温度モニタ８０を、開始時および停止時の所望の温度、および、温度の変動範囲を調整することによってプリセットする。

電磁ヒータ５４は、香港科学工科大学の制御環境試験設備において試験され、欧州製（すなわちワールプール製）の「オイル放熱器」ヒータと比較することにより、上記ＤＣ電磁ヒータおよび上記オイル放熱器の性能の測定および比較が行われた。上記オイル放熱器は２０００Ｗの加熱パワーを発生する。

〔試験設備〕
図１０に、制御環境試験設備４０の概略図を示す。制御環境試験設備４０は、閉じたループのエア循環を有し、ヒートシンクと制御環境試験設備４０との間を行き来する熱の断熱材４５によって取り囲まれている。制御環境試験設備４０は２つのセクション、すなわち、試験セクション５０とリコンディショニングセクション６０とを備えている。リコンディショニングセクション６０にはリコンディショニング装置が備えられている。当該リコンディショニング装置は、リコンディショニングヒータ６１と、制御環境試験設備４０の内部の雰囲気温度を制御するリコンディショニング冷却コイル６２と、エアを循環させるリコンディショニングファン６３とを備えている。試験セクション５０には、リコンディショニングセクション６０においてコンディショニングが行われた給気５１が吹き出され、層流が生成される。試験セクション５０の中央に２つの室温サンプリングユニット５３ａ・５３ｂが配置され、制御環境試験設備４０の雰囲気温度の収集および測定を行う。また、試験セクション５０の内側にユニットアンダーテスト５４が配置されている。帰還エア５５が回収されてリコンディショニングセクション６０に戻される。

〔試験のセットアップおよび手順〕
ユニットアンダーテストが制御環境試験設備４０の内側に配置されて稼動状態に保持される。制御環境試験設備４０の温度は１８℃に設定され、リコンディショニング装置によってその温度が維持される。試験セクション５０の中央に２つの室温サンプリングユニット５３ａ・５３ｂが配置され、試験中は固定される。一旦、制御環境試験設備４０の雰囲気温度が１時間だけ１８．０℃に安定するように維持されると、リコンディショニングヒータ６１およびリコンディショニング冷却コイル６２の電源が切られるが、リコンディショニングファンは試験の間を通して稼動するように維持される。上記雰囲気温度が２つの室温サンプリングユニット５３ａ・５３ｂによって、毎分、測定および記録される。当該試験は、制御環境試験設備４０の雰囲気温度が２８℃に達するまで続けられる。ユニットアンダーテストによる全消費電力は、電力計、すなわちYokogawa（登録商標） Power Meter WT-110 によって、毎分、測定および記録される。制御環境試験設備４０の雰囲気温度は、ハイブリッドレコーダ、すなわちYokogawa（登録商標）Hybrid Recorder DR-242を用いて、毎分、記録される。室温サンプリングユニット５３ａ・５３ｂとして、Chino（登録商標） Resistance Thermometer (Sampling Unit) Pt-100s が使用される。

〔試験結果〕
ＤＣ電磁ヒータとオイル放熱器とのそれぞれは、独立に、２回ずつ、同じ試験条件／手順の下で試験された。それらの動作の結果を、図１１において記録および比較した。図１２は、時間経過に対する温度上昇を示す図である。図１３は、時間経過に対する全消費電力を示す図である。図１１に示されるように、ＤＣ電磁ヒータは、試験室温を１８℃から２８℃まで上昇させるのに平均１７０５ＷＨを消費したのに対して、オイル放熱器は、同じ結果を得るのに平均３１２１ＷＨを消費した。理論的には、２つのヒータは同じ室温を１８℃から２８℃まで上昇させるのに同じ量の熱エネルギーを放出したことになる。また、ジュール則の計算によれば、１７０５ＷＨは、オイル放熱器による３１２１ＷＨが生成した熱エネルギーと同じ量の熱エネルギーを生成してはいない。図１３から分かるように、オイル放熱器の傾斜ラインはステップ状のラインであることを示しているが、電磁ヒータのラインはもっと連続的な直線状であることを示している。なお、オイル放熱器のステップ状のラインは、オイル放熱器がヒートシンクの温度を過熱から保護するように制御および保持する電源を遮断したことに起因している。電磁ヒータの温度が非常に小さな変化の範囲内で制御されることが観察された。また、オイル放熱器ヒータのヒートシンク温度が５２℃−７２℃の範囲（２０℃範囲）内にあるのに対して、電磁ヒータのヒートシンク温度は６１℃−６４℃の範囲（３℃範囲）内にあることが観察された。このことは、電磁加熱が非常に安定した加熱方法であることを意味している。電磁ヒータは低電圧（約６０Ｖ）を用いるので、これは他の従来の方法よりも安全に物体を加熱する方法である。

２つのヒータ（オイル放熱器およびＤＣ電磁ヒータ）は同じ量の熱エネルギーを生成したので、
３１２１ＷＨ＝１７０５ＷＨ＋２Ｄｔ
従って、
２Ｄｔ＝３１２１ＷＨ−１７０５ＷＨ＝１４１６ＷＨ
となる。

換言すれば、ＤＣ電磁ヒータの２Ｄ空間は、２６５分という試験期間内に１４１６ＷＨの熱エネルギーを生成し、オイルヒータが生成した熱量を生成するエネルギーの４０％を超えるエネルギーの節約を提供する。

ここに示され記述された実施形態およびその変形例は、単に発明の原理を例示したものに過ぎず、当業者によって発明の精神および範囲を逸脱することなく様々に修正して実施され得るものであることを考慮されたい。

本発明の直流電磁ヒータの直流回路の概略構成図である。本発明の直流電磁ヒータの直流回路の概略構成図である。本発明の直流電磁ヒータの直流回路の概略構成図である。交流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。交流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。直流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。直流電圧がコイルに印加されるときの磁場影響下の電圧・電流と時間との関係を示すグラフである。電磁ヒータの写真による斜視図である。上記電磁ヒータの概略制御回路図である。管理された環境試験設備の概略図である。直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の測定テスト結果を示すグラフである。直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の経過時間に対する温度上昇を示す図である。直流電磁ヒータおよび交流オイル放熱器の経過時間に対する全電力消費を示す図である。

Claims

直流電磁加熱素子であって、
少なくとも１つのコイルを備えており、
上記少なくとも１つのコイルにＤＣ電圧が印加されると、固定極性を有する閉じた磁場が十分にチャージされ、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間が形成されることを特徴とする直流電磁加熱素子。
直流電磁加熱素子を備えるヒータであって、
上記直流電磁加熱素子は少なくとも１つのコイルを備えており、
上記少なくとも１つのコイルにＤＣ電圧が印加されると、固定極性を有する閉じた磁場が十分にチャージされ、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間が形成されることを特徴とするヒータ。
上記少なくとも１つのコイルは、ＤＣ電圧が印加されると、誘導リアクタンスが減少するとともに純粋な内部抵抗を呈し、電力消費を低減するのに最適な大きさの電流が上記少なくとも１つのコイルに流れることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
温度モニタと、上記直流電磁加熱素子によって生成される熱のモニタリングおよび調整を行うために上記温度モニタと通信する少なくとも１つの温度サンプリング端子と、上記少なくとも１つのコイルに印加されるＤＣ電圧を調整するために上記温度モニタによって駆動されるスイッチとをさらに備えており、上記センサは上記ヒータを指定された温度範囲内に制御するための温度をモンタリングすることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
上記少なくとも１つのコイルは直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のヒータ。
物体を加熱する方法であって、
少なくとも１つのコイルに直流電圧を印加して、固定極性を有する閉じた磁場を発生させるとともに上記磁場を十分にチャージし、さらに、上記磁場によって、熱エネルギーを放出するための、上記コイルに対する外部２Ｄ加熱空間を形成するステップ（ｉ）と、
上記熱エネルギーを上記物体に供給するステップ（ｉｉ）とを含んでいることを特徴とする方法。