JP3903339B2

JP3903339B2 - Fluid heating device by electromagnetic induction

Info

Publication number: JP3903339B2
Application number: JP2001347202A
Authority: JP
Inventors: 毅之小久保; 浩三森田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2003151736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導により発熱体に発生する渦電流で発熱体を加熱し、この発熱体に接触させた気体や液体などの流体を加熱する電磁誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気体や液体を加熱する方法には、ボイラーなどのように石油やガスの燃焼エネルギーを熱源にする方法や、太陽光などのように自然エネルギーを熱源にする方法や、電気エネルギーを熱源にする方法がある。
【０００３】
燃焼エネルギーを熱源にする方法は、燃料の供給システムなどの補機にコストを費やす必要があり、又、燃焼に対する安全性確保や燃焼で生じる排気ガスの適正処理にも余分にコストがかかってしまう。さらに温度コントロールの応答性が非常に悪い。
【０００４】
自然エネルギーを熱源にする方法は、コストが高いばかりでなく、自然条件の影響を直に受けるため、安定した加熱が得られにくい。
【０００５】
電気エネルギーを熱源にする方法として、抵抗加熱、赤外線加熱などが工業用に使用されている。抵抗加熱や赤外線加熱は、気体や液体を加熱する熱交換器が、発熱体であるヒータからの熱伝導により加熱される間接加熱式であり、加熱効率や温度コントロールの応答性が悪い。
【０００６】
これに対して、電気エネルギーを熱源にする方法の一つとして、熱交換器自体が発熱体となる直接加熱式の電磁誘導加熱がある。
【０００７】
図６は、直接加熱式の電磁誘導加熱の原理を示す図である。
これは、伝導性を有する発熱体１１と、前記発熱体１１の周囲に導線をコイル状にして配設した誘導コイル１２とから構成されている。誘導コイル１２に高周波電流Ｉを流すと、交番磁束φが発生する。この交番磁束φにより、発熱体１１に渦電流が流れ、この渦電流により発熱体１１が発熱する。その結果、発熱体１１に直接接触する気体や液体の流体が加熱される。この方式は、温度コントロールの応答性がよく、熱効率も非常に優れていることが知られている。
【０００８】
電磁誘導加熱方式はその原理上、高い熱交換率が期待できる。さらに熱交換率を向上させるために、これまでに電磁誘導加熱による流体の加熱方式に関係する技術提案として以下のようなものがある。
電磁誘導加熱を行う誘導加熱セルで熱交換率を向上させる場合、以下のように、いずれの方法も、微細な発熱体を複数使用して、発熱体の伝熱面積を増大させることに主眼が置かれている。
【０００９】
例えば、特開平９−２６００４２号公報においては、流体管路内に発熱体となる粒状、線状、棒状の小片を多数充填して、流体に接する上記小片の面積を増やし、流体管路の外周の加熱コイルに電流を流すことで、電磁誘導により加熱された上記小片が流体を加熱する方法が示されている。
【００１０】
又、特開平９−１６７６７９号公報においては、波板を積層することで、全体として多数の筒を形成し、伝熱面積を大きくして、それらを発熱体とすることで、熱効率を改良する方法も示されている。
【００１１】
更に、特開平８−２６４２７２号公報においては、電磁誘導加熱装置の使用周波数帯や伝熱面積に関する具体的な目安を示している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、流体加熱装置となる一般的な誘導加熱セルの構造を示すものである。
図７（ａ）は円筒状の誘導加熱セルの断面を示し、図７（ｂ）は直方体の誘導加熱セルの断面を示す。
【００１３】
図７に示す誘導加熱セル１３、１４の構造は、電磁誘導により発熱をする発熱体１５と、発熱体１５を収容する加熱セルケース１６と、加熱セルケース１６の外周に配設する誘導コイル１７からなっており、誘導加熱セル１３、１４各々同様の構造となっている。発熱体１５は、複数の微細な伝導性のあるパイプや格子状の微細な伝導性のある板などから構成されている。誘導コイル１７の保護のため、加熱セルケース１６は絶縁性のものからなり、電気的、且つ熱的に発熱体１５から絶縁されている。流体を加熱セルケース１６内の発熱体１５に直接接触するように流しており、それにより流体を加熱している。
【００１４】
熱交換率を向上させるには、図７に示すように、微細な伝導体を複数使用して、発熱体の伝熱面積を増大させ、発熱体で発生する熱をより多く流体に伝達する必要がある。この熱伝達量は次式で表され、伝熱面積、熱伝達率、そして熱源と流体との温度差によって決まる。
Ｑ＝Ｓ×ｈ×ΔＴ
ここで、Ｑは熱伝達量［Ｗ］、Ｓは伝熱面積［ｍ²］、ｈは熱伝達率［Ｗ／（ｍ²・℃）］、△Ｔは熱源と流体との温度差［℃］を表す。
【００１５】
上記式より、熱交換率（熱伝達量）の向上には、伝熱面積を増大させることの他に、熱伝達率と温度差の積を増大させることが考えられる。
このうち、熱伝達率は、次式で表される。
ｈ＝１．９３×（ｖ／ｘ）^1/2
ここで、ｖは流体の流速［ｍ／ｓ］、ｘは伝熱部の入口からの距離［ｍ］を表す。
【００１６】
上記式より、熱伝達率を改善するためには、流体の流速を高める必要があるが、単純に流量を増しただけでは、流体の使用量が増えることになり、実際の製造装置に適用すると、大幅なコストアップにつながってしまう。
【００１７】
そこで、熱伝達量の増加に関わるパラメータとして、温度差に注目する。
【００１８】
実際に電磁誘導方式の加熱セルを構築すると、発熱体の流体の流れ方向や流れに垂直な面には、温度分布のばらつきがある。一般に、電磁誘導方式で発熱体の温度分布をコントロールするには、誘導コイルの巻き方を調整することが考えられるが、巻き方によっては多くのスペースを必要とする場合があるなど、自由度にも制限が出てくる。
【００１９】
そのため、誘導コイルの巻き方以外で発熱体の温度分布をコントロールする方法が求められる。
【００２０】
その方法としては、発熱体として磁性体と非磁性体の最適な組合せでコントロールする方法が考えられる。実際に考案されている方法としては、磁性パイプと非磁性パイプの組合せ方を最適化することにより、発熱体の流体の流れに垂直な面の温度分布を均一化する方法がある。しかし、発熱体の流体の流れ方向の温度分布を最適化する方法については例がない。
【００２１】
図８は、誘導加熱セルにおける発熱体の流体の流れ方向の温度分布を示す図である。
図８では、温度分布のグラフとの対応関係がわかり易いように、図の上部に誘導加熱セルの長手方向の断面を模式的に示す。
【００２２】
図８に示すように、誘導加熱セルの発熱体の流体の流れ方向の温度分布は、発熱体の端部に比較して、その中央部が数１０℃程度高い凸型分布となっている。これは、上流側と下流側の端部では、漏れ磁束や放熱の影響が出てしまい、中央部より温度が低くなるためである。
【００２３】
発熱体が図８に示すような温度分布を持つため、流体への伝熱量を増やそうとして、電源の出力を大きくする場合、発熱体の中央部近傍のみ加熱セルケースの材質の限界温度に近づいてしまい、耐熱性は誘導加熱セルの中央部が律則となる。
又、発熱体から流体への熱伝達量が流体の熱容量を超えた場合、流体に伝わらなかった熱は、周囲の加熱セルケースや誘導コイルに伝わる。これは、熱損失となるため、熱交換率の低下につながってしまう。
【００２４】
従って、上記課題に鑑み、本発明は、流体の流れ方向の温度分布を最適化して、熱交換率の向上を図る電磁誘導による流体加熱装置を提供する。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、非磁性体を有する発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する磁性体と上流側端部に挿入する磁性体の長さを異なるものとしたことを特徴とする。上記発明により、発熱体の下流側及び上流側の温度を、発熱体の長手方向の中央部の温度に近づけ、同等とすることができる。
【００２６】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くしたことを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する本発明に係る電磁誘導による流体加熱装置は、前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにしたことを特徴とする。
上記発明により、適切な長さの磁性体の微細なパイプを非磁性体の微細なパイプの中に、適切に配置することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の実施形態に係る流体加熱装置（以下、誘導加熱セルと呼ぶ。）の構造である。
図１（ａ）は、誘導加熱セル１の流体の上流側の端部の構造を示す図であり、図１（ｂ）は、誘導加熱セル１の流れ方向の構造を示す図であり、図１（ｃ）は、誘導加熱セル１の流体の下流側の端部の構造を示す図である。
【００２９】
誘導加熱セル１は直方体の形状をしており、非磁性体の微細なパイプ状の非磁性パイプ２ａと、これらの複数の非磁性パイプ２ａを収容し、かつ、絶縁性を有するセルケース３と、セルケース３の外周を覆うように設けた断熱材４と、断熱材４の外周に配設する誘導コイル５とを有している。上記複数の非磁性パイプ２ａが、電磁誘導により発熱をする発熱体となる。一般的な加熱セルと同様に、誘導コイル５に電流を流すことで電磁誘導を起こし、電磁誘導によりこの発熱体を発熱させて、セルケース３内に流れる流体の加熱を行う。
【００３０】
具体的には、セルケース３の材質は、電気絶縁性のセラミックス（鳴海製陶製ネオセラム）とした。寸法は幅２５４ｍｍ×高さ１１．８ｍｍ×長さ８０ｍｍ、肉厚が３ｍｍである。セルケース３の周囲に設けた断熱材４にはイソライト製カオウールを使用し、その外周に設置した誘導コイル５は、日立電線製ＫＩＦ線（耐熱電線）の２．０ｍｍ²サイズを２本並列に使用し、巻き数は９ターンとした。
【００３１】
発熱体は、ステンレスの微細な非磁性パイプ２ａを集合させた構造となっている。非磁性パイプ２ａの寸法は、外径１．０ｍｍ×内径０．９ｍｍ×長さ７０ｍｍである。又、材質には、非磁性体であるＳＵＳ３１６を使用する。
【００３２】
一部の非磁性パイプ２ａの中には、磁性体であるＳＵＳ４３０を使用した微細な磁性パイプ２ｂを挿入する。磁性パイプ２ｂは、低い周波数でも効率良く加熱される磁性体を使用しており、非磁性体と組み合わせて発熱体とすることにより、誘導加熱セル１の発熱体の流体の流れに垂直な面内の温度及び流体の流れ方向の温度の均一化と効率の良い加熱を両立できる。
【００３３】
電源周波数と誘導加熱の効率は、電流の浸透深さｄ［ｃｍ］を用いて考えることができる。電流の浸透深さは、次式で示される。この式は誘導加熱では重要なパラメータとなっている。
ｄ＝５０３０×（ρ／（μ×ｆ））^1/2
ここで、μは透磁率、ρは抵抗率［Ω・ｃｍ］、ｆは電源周波数［Ｈｚ］である。
【００３４】
ＳＵＳ４３０では、μ＞＞１、ρ＝６０×１０^-6［Ω・ｃｍ］より、電源周波数が５０ｋＨｚのとき、電流の浸透深さが０．０５ｍｍ以下となる。電流の浸透深さが、磁性パイプ２ｂの肉厚（０．０５ｍｍ）以下となることから、ＳＵＳ４３０は５０ｋＨｚ以上の電源周波数では効率よく加熱することができる。
【００３５】
図１（ｃ）に示すように、誘導加熱セル１では、発熱体の流体の流れに垂直な面内の温度及び流体の流れ方向の温度の均一化と加熱の効率化のため、磁性パイプ２ｂの挿入位置を誘導加熱セル１の下流側とし、外径０．８８ｍｍ×内径０．６８ｍｍ×長さ２０ｍｍの磁性パイプ２ｂを、一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。これは、発熱体の流体の流れに垂直な面に対しては、密で均一な密度で磁性パイプ２ｂが挿入されることとなる。
【００３６】
又、図１（ａ）に示すように、使用しているセルケース３の流体の流れ方向に垂直な断面が、縦横比の大きな長方形であるので、この断面の長手方向の温度分布を均一化するため、上流側の非磁性パイプ２ａにも、適切な位置に磁性パイプ２ｂを挿入する。この磁性パイプ２ｂのサイズは外径０．８８ｍｍ×内径０．６８ｍｍ×長さ５０ｍｍである。
【００３７】
図２は、温度一定の平板の発熱体上を流れる流体の温度境界層を示す図であり、下部に発熱体の温度及び流体の流れ方向に対する熱伝達量の変化をグラフにしている。誘導加熱セルは、電源周波数５０ｋＨｚで加熱し、流体となるガスにはエアを使用し、その流量は５ｌ／ｍｉｎとする。
【００３８】
図２において、発熱体は、その表面が流体の流れ方向に一定の温度Ｔｈを持っており、その発熱体の表面上に初期温度Ｔ０を持つ流体を流す。図２に示すように、流体及び発熱体と異なる温度を持つ領域である温度境界層は、流体の下流側で広い領域を持つようになる。一般に、温度一定の平板からの熱伝達は、温度境界層のために下流側に行くほど発熱体と流体との温度差が小さくなり、熱伝達量は減少する。
【００３９】
従来の誘導加熱セルでは、発熱体は表面温度が一定ではなく、図８に示したように凸型の温度分布である。そのため、発熱体から流体への熱伝達量は、下流側で顕著に減少する。
【００４０】
これに対し、誘導加熱セル１では、電磁誘導の効果が非常に大きい磁性体を、下流側では密に挿入しているため、発熱体の温度が下流側で、従来の誘導加熱セルより高くなる。このため、下流側において、発熱体表面と流体の温度差が大きくなり、総熱伝達量を増加させることができる。
【００４１】
図３は、流体の流れ方向に対する上記誘導加熱セル１での発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４２】
図３のグラフに示すように、誘導加熱セル１では、誘導加熱セルの下流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、そのため、誘導加熱セルの下流側における流体への熱伝達量を多くすることができる。
【００４３】
これは、従来では利用できなかった誘導加熱セル１の下流側の磁束（漏れ磁束）を使用して、発熱体の下流側の温度を高めているため、電源出力は従来と同等の状態で熱伝達量が多くなり、熱交換率の向上に効果がある。
【００４４】
（実施例２）
実施例１での誘導加熱セル１は、非磁性パイプ２ａの下流側に磁性パイプ２ｂを密に均一な密度で追加挿入したが、他の実施例として、非磁性パイプ２ａの上流側に磁性パイプ２ｂを密に均一な密度で追加挿入することが考えられる。磁性パイプの挿入位置は、誘導加熱セルの上流側であり、磁性パイプ２ｂを一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。又、使用しているセルケース３の流体の流れ方向に垂直な断面が、縦横比の大きな長方形であるので、この断面の長手方向の温度分布を均一化するため、下流側の非磁性パイプ２ａにも、適切な位置に磁性パイプ２ｂを挿入する。
【００４５】
図４は、流体の流れ方向に対する実施例２の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４６】
図４に示すように、従来の誘導加熱セルに対して、上流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、そのため、上流側における流体への熱伝達量を多くすることができる。これも、実施例１の誘導加熱セル１と同様に、従来の漏れ磁束を使用できるようになったものであり、熱交換率の向上に効果がある。
【００４７】
（実施例３）
更に他の実施例として、非磁性パイプ２ａの上流側、下流側ともに密に均一な密度で磁性パイプ２ｂを追加挿入することが考えられる。磁性パイプ２ｂの挿入位置は、誘導加熱セルの上流側及び下流側であり、磁性パイプ２ｂを一つ置きで非磁性パイプ２ａに挿入する。
【００４８】
図５は、流体の流れ方向に対する実施例３の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。比較のため、従来の誘導加熱セルでの発熱体の温度分布及び熱伝達量を併記する。
【００４９】
図５に示すように、誘導加熱セルの上流側及び下流側ともに、密に均一な密度で磁性パイプ２ｂを追加挿入するため、従来の誘導加熱セルに対して、上流側及び下流側の発熱体の温度を、発熱体の長手方向中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、その結果、さらに熱交換率が向上する。
又、発熱体の温度分布が流体の流れ方向に均一化されることから、温度を高めていくにつれ、発熱体の一部のみがセルケースの限界温度に達するということがなくなるため、同じ限界温度の誘導加熱セルでも、より高出力な領域まで使用することができる。
【００５０】
上記実施例１、２及び３、図１においては、幅２５４ｍｍ×高さ１１．８ｍｍ×長さ８０ｍｍの直方体の誘導加熱セルを用いて説明したが、本発明に係る誘導加熱セルの形状、大きさはこれに限定するものではなく、流体の種類、流量等に応じて、適宜変更可能である。
【００５１】
又、発熱体となる非磁性パイプ及び追加挿入する磁性パイプの長さ、本数、挿入位置等も、誘導加熱セルの形状、大きさに応じて、加熱セルケース端部での熱伝達量の落ち込みを抑え、発熱体の温度を流体の流れ方向に均一に保てるように適宜変更可能であり、発熱体自体の形状もパイプ状のものに限らず、他の粒状、線状、棒状、板状等のものも適用できる。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１、２に係る発明によれば、非磁性体を有する発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する磁性体と上流側端部に挿入する磁性体の長さを異なるものとした構成であるため、更には、下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くした構成であるため、発熱体の下流側及び上流側の温度を、発熱体の長手方向の中央部の温度に近づけ、同等とすることができ、流体への熱伝達量を多くすることができる。又、従来では利用できなかった誘導加熱セルの端部の漏れ磁束を用いて、発熱体の端部の温度を高めているため、従来と同等の電源出力のままで熱伝達量を多くでき、その結果、熱交換率を向上させることができる。又、発熱体の温度分布が流体の流れ方向に均一化されることから、発熱体の一部のみがセルケースの限界温度に達するということがなくなり、より高出力な領域まで使用することができる。
【００５４】
請求項３に係る発明によれば、前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにした構成であるため、適切な長さの磁性体の微細なパイプを非磁性体の微細なパイプの中に、適切に配置することができ、それにより上記温度分布を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る誘導加熱セルの構造図である。（ａ）は誘導加熱セルの上流側の端部での構造図であり、（ｂ）は誘導加熱セルの長手方向の断面の構造図であり、（ｃ）は誘導加熱セルの下流側の端部での構造図である。
【図２】温度一定の平板の発熱体上を流れる流体の温度境界層を示す図であり、下部は発熱体の温度及び流体の流れ方向に対する発熱体の熱伝達量を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例１の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図４】本発明に係る実施例２の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施例３の誘導加熱セルでの流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布及び熱伝達量を示すグラフである。
【図６】直接加熱式の電磁誘導加熱の原理を示す図である。
【図７】誘導加熱セルの構造を示す図である。（ａ）は円筒状の誘導加熱セルの断面図であり、（ｂ）は直方体の誘導加熱セルの断面図である。
【図８】誘導加熱セルの長手方向の模式図及び流体の流れ方向に対する発熱体の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１誘導加熱セル
２ａ非磁性パイプ
２ｂ磁性パイプ
３セルケース
４断熱材
５誘導コイル
１１発熱体
１２誘導コイル
１３円筒状誘導加熱セル
１４直方体誘導加熱セル
１５発熱体
１６加熱セルケース
１７誘導コイル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetic induction heating device that heats a heating element with an eddy current generated in the heating element by electromagnetic induction and heats a fluid such as a gas or a liquid brought into contact with the heating element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, gas and liquid are heated by using oil or gas combustion energy as a heat source such as a boiler, using natural energy as a heat source such as sunlight, or using electric energy as a heat source. There is a way to do it.
[0003]
The method of using combustion energy as a heat source requires cost for auxiliary equipment such as a fuel supply system, and also requires extra cost for ensuring safety against combustion and proper processing of exhaust gas generated by combustion. . Furthermore, the responsiveness of temperature control is very poor.
[0004]
The method using natural energy as a heat source is not only high in cost but also directly affected by natural conditions, so that stable heating is difficult to obtain.
[0005]
As a method of using electric energy as a heat source, resistance heating, infrared heating, and the like are used for industrial purposes. Resistance heating or infrared heating is an indirect heating type in which a heat exchanger that heats a gas or liquid is heated by heat conduction from a heater that is a heating element, and heating efficiency and responsiveness of temperature control are poor.
[0006]
On the other hand, as one method of using electrical energy as a heat source, there is direct heating type electromagnetic induction heating in which the heat exchanger itself becomes a heating element.
[0007]
FIG. 6 is a diagram showing the principle of direct heating type electromagnetic induction heating.
This is composed of a heat generating element 11 having conductivity and an induction coil 12 in which a conductive wire is arranged around the heat generating element 11 in a coil shape. When a high-frequency current I is passed through the induction coil 12, an alternating magnetic flux φ is generated. Due to this alternating magnetic flux φ, an eddy current flows through the heating element 11, and the heating element 11 generates heat due to this eddy current. As a result, the gas or liquid fluid in direct contact with the heating element 11 is heated. This method is known to have good temperature control responsiveness and excellent thermal efficiency.
[0008]
The electromagnetic induction heating method can be expected to have a high heat exchange rate in principle. In order to further improve the heat exchange rate, there are the following technical proposals related to the fluid heating method using electromagnetic induction heating.
In the case of improving the heat exchange rate in an induction heating cell that performs electromagnetic induction heating, as described below, each method mainly uses multiple fine heating elements to increase the heat transfer area of the heating elements. It has been placed.
[0009]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-260042, a fluid pipe is filled with a large number of granular, linear, and rod-like pieces serving as heating elements to increase the area of the small piece in contact with the fluid. A method is shown in which the small piece heated by electromagnetic induction heats the fluid by passing a current through the heating coil.
[0010]
In JP-A-9-167679, by laminating corrugated sheets, a large number of cylinders are formed as a whole, the heat transfer area is increased, and these are used as heating elements to improve thermal efficiency. A method is also shown.
[0011]
Furthermore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-264272, specific guidelines regarding the operating frequency band and heat transfer area of the electromagnetic induction heating device are shown.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 7 shows a structure of a general induction heating cell serving as a fluid heating device.
FIG. 7A shows a cross section of a cylindrical induction heating cell, and FIG. 7B shows a cross section of a rectangular parallelepiped induction heating cell.
[0013]
The structure of the induction heating cells 13 and 14 shown in FIG. 7 includes a heating element 15 that generates heat by electromagnetic induction, a heating cell case 16 that houses the heating element 15, and an induction coil 17 that is disposed on the outer periphery of the heating cell case 16. The induction heating cells 13 and 14 have the same structure. The heating element 15 is composed of a plurality of fine conductive pipes, a lattice-like fine conductive plate, and the like. In order to protect the induction coil 17, the heating cell case 16 is made of an insulating material and is electrically and thermally insulated from the heating element 15. The fluid is allowed to flow in direct contact with the heating element 15 in the heating cell case 16, thereby heating the fluid.
[0014]
In order to improve the heat exchange rate, as shown in FIG. 7, it is necessary to use a plurality of fine conductors to increase the heat transfer area of the heating element and to transfer more heat generated by the heating element to the fluid. There is. This heat transfer amount is expressed by the following equation, and is determined by the heat transfer area, the heat transfer rate, and the temperature difference between the heat source and the fluid.
Q = S × h × ΔT
Here, Q is the heat transfer amount [W], S is the heat transfer area [m ² ], h is the heat transfer coefficient [W / (m ² · ° C.)], and ΔT is the temperature difference between the heat source and the fluid [° C. ].
[0015]
From the above formula, in order to improve the heat exchange rate (heat transfer amount), it is conceivable to increase the product of the heat transfer rate and the temperature difference in addition to increasing the heat transfer area.
Of these, the heat transfer coefficient is expressed by the following equation.
h = 1.93 × (v / x) ^1/2
Here, v represents the flow velocity [m / s] of the fluid, and x represents the distance [m] from the inlet of the heat transfer section.
[0016]
From the above formula, in order to improve the heat transfer rate, it is necessary to increase the flow rate of the fluid, but simply increasing the flow rate will increase the amount of fluid used, and when applied to an actual manufacturing device , Leading to a significant cost increase.
[0017]
Therefore, attention is paid to the temperature difference as a parameter related to an increase in the amount of heat transfer.
[0018]
When an electromagnetic induction heating cell is actually constructed, there is a variation in temperature distribution in the flow direction of the fluid of the heating element and the plane perpendicular to the flow. In general, in order to control the temperature distribution of a heating element by electromagnetic induction, it is conceivable to adjust the winding method of the induction coil. However, depending on the winding method, a large amount of space may be required. Even restrictions come out.
[0019]
Therefore, a method for controlling the temperature distribution of the heating element other than the method of winding the induction coil is required.
[0020]
As the method, a method of controlling the heating element with an optimal combination of a magnetic substance and a non-magnetic substance can be considered. As a method actually devised, there is a method of making the temperature distribution of the surface perpendicular to the fluid flow of the heating element uniform by optimizing the combination of the magnetic pipe and the non-magnetic pipe. However, there is no example of a method for optimizing the temperature distribution in the fluid flow direction of the heating element.
[0021]
FIG. 8 is a diagram showing a temperature distribution in the fluid flow direction of the heating element in the induction heating cell.
In FIG. 8, a cross section in the longitudinal direction of the induction heating cell is schematically shown at the top of the drawing so that the correspondence relationship with the graph of the temperature distribution can be easily understood.
[0022]
As shown in FIG. 8, the temperature distribution in the fluid flow direction of the heating element of the induction heating cell has a convex distribution whose central part is higher by about several tens of degrees C. than the end part of the heating element. This is because the upstream and downstream ends are affected by leakage magnetic flux and heat dissipation, and the temperature is lower than that at the center.
[0023]
Since the heating element has a temperature distribution as shown in FIG. 8, when the output of the power source is increased in order to increase the amount of heat transfer to the fluid, only the central part of the heating element approaches the limit temperature of the material of the heating cell case. Therefore, the heat resistance is governed by the center of the induction heating cell.
When the heat transfer amount from the heating element to the fluid exceeds the heat capacity of the fluid, the heat that has not been transferred to the fluid is transferred to the surrounding heating cell case or induction coil. This becomes a heat loss, which leads to a decrease in the heat exchange rate.
[0024]
Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a fluid heating apparatus by electromagnetic induction that optimizes the temperature distribution in the fluid flow direction and improves the heat exchange rate.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
Fluid heating device by electromagnetic induction according to the present invention to solve the above problems, as the temperature of the lower stream side and the upstream side of the heating element having a non-magnetic material approaches the temperature of the longitudinal center portion of the heating element , inserting the magnetic body of the nonmagnetic material shorter length, it is inserted into the lower flow side end and the upstream end of the heating element, the magnetic body and the upstream end to be inserted at the downstream end The length of the magnetic material is different . The above invention, the temperature of the lower stream side and the upstream side of the heating element, close to the temperature of the longitudinal center portion of the heating element, can be made equal.
[0026]
The fluid heating apparatus using electromagnetic induction according to the present invention that solves the above-described problems is characterized in that the length of the magnetic body inserted into the downstream end is shorter than the length of the magnetic body inserted into the upstream end. to.
[0027]
The fluid heating apparatus by electromagnetic induction according to the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the non-magnetic body and the magnetic body are made into fine pipes, and the magnetic body can be inserted into the non-magnetic body. And
According to the above invention, a fine pipe made of a magnetic material having an appropriate length can be appropriately arranged in a fine pipe made of a non-magnetic material.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 shows the structure of a fluid heating apparatus (hereinafter referred to as induction heating cell) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1A is a diagram showing the structure of the upstream end of the fluid of the induction heating cell 1, and FIG. 1B is a diagram showing the structure of the induction heating cell 1 in the flow direction. 1 (c) is a diagram showing the structure of the downstream end of the fluid in the induction heating cell 1. FIG.
[0029]
The induction heating cell 1 has a rectangular parallelepiped shape, a non-magnetic fine pipe-like non-magnetic pipe 2a, and a cell case 3 containing the plurality of non-magnetic pipes 2a and having an insulating property. The heat insulating material 4 provided so as to cover the outer periphery of the cell case 3 and the induction coil 5 disposed on the outer periphery of the heat insulating material 4 are provided. The plurality of nonmagnetic pipes 2a serve as heating elements that generate heat by electromagnetic induction. Similarly to a general heating cell, electromagnetic induction is caused by passing an electric current through the induction coil 5, and the heating element is heated by electromagnetic induction to heat the fluid flowing in the cell case 3.
[0030]
Specifically, the material of the cell case 3 was an electrically insulating ceramic (Narumi ceramic neo-ceram). The dimensions are 254 mm width × 11.8 mm height × 80 mm length, and the wall thickness is 3 mm. Isolite-made kao wool is used for the heat insulating material 4 provided around the cell case 3, and the induction coil 5 installed on the outer periphery thereof has two 2.0mm ² sizes of KIF wires (heat-resistant wires) made by Hitachi Cable in parallel. Used and the number of windings was 9 turns.
[0031]
The heating element has a structure in which fine non-magnetic pipes 2a made of stainless steel are assembled. The nonmagnetic pipe 2a has dimensions of an outer diameter of 1.0 mm, an inner diameter of 0.9 mm, and a length of 70 mm. As a material, SUS316 which is a non-magnetic material is used.
[0032]
A fine magnetic pipe 2b using SUS430, which is a magnetic material, is inserted into some of the nonmagnetic pipes 2a. The magnetic pipe 2b uses a magnetic body that is efficiently heated even at a low frequency, and is combined with a non-magnetic body to form a heating element, so that the in-plane perpendicular to the fluid flow of the heating element of the induction heating cell 1 is obtained. It is possible to achieve both uniform temperature uniformity and temperature in the fluid flow direction and efficient heating.
[0033]
The power source frequency and the efficiency of induction heating can be considered using the current penetration depth d [cm]. The penetration depth of the current is expressed by the following equation. This equation is an important parameter in induction heating.
d = 5030 × (ρ / (μ × f)) ^1/2
Here, μ is magnetic permeability, ρ is resistivity [Ω · cm], and f is power supply frequency [Hz].
[0034]
In SUS430, from μ >> 1, ρ = 60 × 10 ⁻⁶ [Ω · cm], when the power supply frequency is 50 kHz, the current penetration depth is 0.05 mm or less. Since the penetration depth of the current is equal to or less than the thickness (0.05 mm) of the magnetic pipe 2b, the SUS430 can be efficiently heated at a power supply frequency of 50 kHz or more.
[0035]
As shown in FIG. 1 (c), in the induction heating cell 1, the magnetic pipe 2b is used to make the temperature in the plane perpendicular to the fluid flow of the heating element and the temperature in the fluid flow direction uniform and to improve the heating efficiency. Is inserted downstream of the induction heating cell 1, and every other magnetic pipe 2b having an outer diameter of 0.88 mm, an inner diameter of 0.68 mm, and a length of 20 mm is inserted into the non-magnetic pipe 2a. This means that the magnetic pipe 2b is inserted with a dense and uniform density on the surface of the heating element perpendicular to the fluid flow.
[0036]
Further, as shown in FIG. 1A, the cross section perpendicular to the fluid flow direction of the cell case 3 being used is a rectangle having a large aspect ratio, so that the temperature distribution in the longitudinal direction of the cross section is made uniform. Therefore, the magnetic pipe 2b is also inserted at an appropriate position in the nonmagnetic pipe 2a on the upstream side. The magnetic pipe 2b has a size of an outer diameter of 0.88 mm, an inner diameter of 0.68 mm, and a length of 50 mm.
[0037]
FIG. 2 is a diagram showing a temperature boundary layer of a fluid flowing on a flat heating element having a constant temperature, and a graph showing changes in the amount of heat transfer with respect to the temperature of the heating element and the flow direction of the fluid in the lower part. The induction heating cell is heated at a power supply frequency of 50 kHz, air is used as a fluid gas, and its flow rate is 5 l / min.
[0038]
In FIG. 2, the surface of the heating element has a constant temperature Th in the fluid flow direction, and a fluid having an initial temperature T0 flows on the surface of the heating element. As shown in FIG. 2, the temperature boundary layer, which is a region having a temperature different from that of the fluid and the heating element, has a wide region on the downstream side of the fluid. In general, in the heat transfer from a flat plate having a constant temperature, the temperature difference between the heating element and the fluid decreases toward the downstream side due to the temperature boundary layer, and the amount of heat transfer decreases.
[0039]
In the conventional induction heating cell, the surface of the heating element is not constant, and has a convex temperature distribution as shown in FIG. Therefore, the heat transfer amount from the heating element to the fluid is significantly reduced on the downstream side.
[0040]
On the other hand, in the induction heating cell 1, since the magnetic body having a very large electromagnetic induction effect is densely inserted on the downstream side, the temperature of the heating element is higher on the downstream side than that of the conventional induction heating cell. . For this reason, on the downstream side, the temperature difference between the heating element surface and the fluid becomes large, and the total heat transfer amount can be increased.
[0041]
FIG. 3 is a graph showing the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the induction heating cell 1 with respect to the fluid flow direction. For comparison, the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the conventional induction heating cell are also shown.
[0042]
As shown in the graph of FIG. 3, in the induction heating cell 1, the temperature of the heating element on the downstream side of the induction heating cell can be brought close to and equal to the temperature of the central portion in the longitudinal direction of the heating element. The amount of heat transfer to the fluid on the downstream side of the heating cell can be increased.
[0043]
This is because the temperature on the downstream side of the heating element is increased by using the magnetic flux (leakage magnetic flux) on the downstream side of the induction heating cell 1 that could not be used in the prior art. The amount of transmission increases, which is effective in improving the heat exchange rate.
[0044]
(Example 2)
In the induction heating cell 1 according to the first embodiment, the magnetic pipe 2b is additionally inserted densely and uniformly at the downstream side of the nonmagnetic pipe 2a. However, as another embodiment, the magnetic pipe is disposed upstream of the nonmagnetic pipe 2a. It is conceivable to additionally insert 2b at a dense and uniform density. The insertion position of the magnetic pipe is on the upstream side of the induction heating cell, and every other magnetic pipe 2b is inserted into the non-magnetic pipe 2a. Further, since the cross section perpendicular to the fluid flow direction of the cell case 3 being used is a rectangle having a large aspect ratio, the nonmagnetic pipe 2a on the downstream side is made uniform in order to uniformize the temperature distribution in the longitudinal direction of the cross section. In addition, the magnetic pipe 2b is inserted at an appropriate position.
[0045]
FIG. 4 is a graph showing the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the induction heating cell of Example 2 with respect to the fluid flow direction. For comparison, the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the conventional induction heating cell are also shown.
[0046]
As shown in FIG. 4, compared with the conventional induction heating cell, the temperature of the heating element on the upstream side can be brought close to and equal to the temperature of the central portion in the longitudinal direction of the heating element, so that the fluid on the upstream side The amount of heat transfer to can be increased. Similarly to the induction heating cell 1 of the first embodiment, this can use the conventional leakage magnetic flux and is effective in improving the heat exchange rate.
[0047]
(Example 3)
As yet another embodiment, it is conceivable to additionally insert the magnetic pipe 2b with a dense and uniform density on both the upstream and downstream sides of the nonmagnetic pipe 2a. The insertion positions of the magnetic pipe 2b are upstream and downstream of the induction heating cell, and every other magnetic pipe 2b is inserted into the non-magnetic pipe 2a.
[0048]
FIG. 5 is a graph showing the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the induction heating cell of Example 3 with respect to the fluid flow direction. For comparison, the temperature distribution and heat transfer amount of the heating element in the conventional induction heating cell are also shown.
[0049]
As shown in FIG. 5, both the upstream side and downstream side of the induction heating cell are additionally inserted with magnetic pipes 2b with a dense and uniform density, so that the heating elements upstream and downstream of the conventional induction heating cell. Can be made equal to the temperature of the central portion in the longitudinal direction of the heating element, and as a result, the heat exchange rate can be further improved.
In addition, since the temperature distribution of the heating element is made uniform in the fluid flow direction, only part of the heating element will not reach the limit temperature of the cell case as the temperature is increased. Even the induction heating cell can be used up to a higher output area.
[0050]
In the above-described Examples 1, 2 and 3, and FIG. 1, a rectangular parallelepiped induction heating cell having a width of 254 mm × height 11.8 mm × length 80 mm has been described. However, the shape and size of the induction heating cell according to the present invention are described. However, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed according to the type of fluid, the flow rate, and the like.
[0051]
In addition, the length, number, insertion position, etc. of the non-magnetic pipe as the heating element and the additional magnetic pipe to be inserted also depend on the shape and size of the induction heating cell. The temperature of the heating element can be appropriately changed so that the temperature of the heating element can be kept uniform in the fluid flow direction, and the shape of the heating element itself is not limited to the pipe shape, but other granular, linear, rod-like, plate-like, etc. Can also be applied.
[0052]
【The invention's effect】
According to the invention of claim 1, 2, so that the temperature of the lower stream side and the upstream side of the heating element having a non-magnetic body approaches the temperature of the longitudinal center portion of the heating element, said non-magnetic material the length of the magnetic member to insert the shorter length magnetic material, is inserted into the lower flow side end and the upstream end of the heating element, the magnetic body and the upstream end to be inserted at the downstream end In addition, since the length of the magnetic body inserted into the downstream end is shorter than the length of the magnetic body inserted into the upstream end , the heating element the temperature of the lower stream side and the upstream side of, close to the temperature of the longitudinal center portion of the heating element, can be equal, it is possible to increase the heat transfer to the fluid. In addition, since the temperature at the end of the heating element is increased by using the leakage magnetic flux at the end of the induction heating cell that could not be used in the past, the amount of heat transfer can be increased with the power output equivalent to the conventional one, As a result, the heat exchange rate can be improved. In addition, since the temperature distribution of the heating element is made uniform in the fluid flow direction, only a part of the heating element does not reach the limit temperature of the cell case, and can be used up to a higher output area. .
[0054]
According to the invention of claim 3, the non-magnetic body and the magnetic body are formed as fine pipes, and the magnetic body can be inserted into the non-magnetic body. A fine pipe made of a magnetic material can be appropriately arranged in a fine pipe made of a non-magnetic material, whereby the above temperature distribution can be easily realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram of an induction heating cell according to an embodiment of the present invention. (A) is a structural diagram at the upstream end of the induction heating cell, (b) is a structural diagram of a cross section in the longitudinal direction of the induction heating cell, and (c) is a downstream end of the induction heating cell. FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a temperature boundary layer of a fluid flowing on a flat heating element having a constant temperature, and a lower part is a graph showing the heat transfer amount of the heating element with respect to the temperature of the heating element and the flow direction of the fluid.
FIG. 3 is a graph showing a temperature distribution and a heat transfer amount of a heating element with respect to a fluid flow direction in the induction heating cell of Example 1 according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a temperature distribution and a heat transfer amount of a heating element with respect to a fluid flow direction in the induction heating cell of Example 2 according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a temperature distribution and a heat transfer amount of a heating element with respect to a fluid flow direction in an induction heating cell of Example 3 according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the principle of direct heating type electromagnetic induction heating.
FIG. 7 is a diagram showing the structure of an induction heating cell. (A) is sectional drawing of a cylindrical induction heating cell, (b) is sectional drawing of a rectangular parallelepiped induction heating cell.
FIG. 8 is a schematic diagram in the longitudinal direction of an induction heating cell and a diagram showing a temperature distribution of a heating element with respect to a fluid flow direction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Induction heating cell 2a Nonmagnetic pipe 2b Magnetic pipe 3 Cell case 4 Heat insulating material 5 Induction coil 11 Heating body 12 Induction coil 13 Cylindrical induction heating cell 14 Rectangular induction heating cell 15 Heating body 16 Heating cell case 17 Induction coil

Claims

絶縁性を有するセルケースと、前記セルケースに収容された複数の非磁性体と、前記セルケースの外周に巻回された誘導コイルとを有し、前記誘導コイルに電流を流すことで起こした電磁誘導により、前記非磁性体を発熱体として発熱させ、前記発熱体が前記セルケース内に流れる流体の加熱を行う流体加熱装置において、
前記発熱体の下流側及び上流側の温度が、前記発熱体の長手方向の中央部の温度に近づくように、前記非磁性体より短い長さの磁性体を、前記発熱体の下流側端部及び上流側端部に挿入すると共に、下流側端部に挿入する前記磁性体と上流側端部に挿入する前記磁性体の長さを異なるものとしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。It has a cell case having an insulating property, a plurality of nonmagnetic materials accommodated in the cell case, and an induction coil wound around the outer periphery of the cell case, and is caused by passing a current through the induction coil In the fluid heating device that heats the non-magnetic body as a heating element by electromagnetic induction and heats the fluid flowing in the cell case,
Wherein the temperature of the lower stream side and the upstream side of the heating element, so as to approach the temperature of the longitudinal center portion of the heating element, wherein the magnetic material of the nonmagnetic shorter length, the lower flow side of the heating element is inserted into the end portion and the upstream end, a fluid by electromagnetic induction, characterized in that the length of the magnetic material inserted into the magnetic body and the upstream end to be inserted into the downstream end portion different Heating device.

請求項１記載の電磁誘導による流体加熱装置において、The fluid heating apparatus by electromagnetic induction according to claim 1,
下流側端部に挿入する前記磁性体の長さを、上流側端部に挿入する前記磁性体の長さより短くしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。A fluid heating apparatus using electromagnetic induction, wherein a length of the magnetic body inserted into the downstream end is shorter than a length of the magnetic body inserted into the upstream end.

請求項１又は請求項２記載の電磁誘導による流体加熱装置において、
前記非磁性体及び前記磁性体を微細なパイプとし、前記磁性体を前記非磁性体の中に挿入できるようにしたことを特徴とする電磁誘導による流体加熱装置。In the fluid heating apparatus by electromagnetic induction according to claim 1 or 2,
A fluid heating apparatus using electromagnetic induction, wherein the non-magnetic body and the magnetic body are made into fine pipes, and the magnetic body can be inserted into the non-magnetic body.