电磁感应加热装置及其操作方法

专利名称：电磁感应加热装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及电磁感应加热装置及其操作方法，尤其涉及以电磁感应加热来加热浸入液体或气体的发热体，通过直接的热移动加热所述流体的感应性优良的电磁感应加热装置及其操作方法。
加热液体或气体等流体时，通常使用热交换器。例如，将电源放入吸热器，加热载热油，通过热交换器进行载热体与流体的热交换。
使用这样热交换器的间接加热方式，首先需要加热载热体，因此具有加热温度上升时间长、加热装置庞大的倾向。在这方面，如已公开的特开平3-98286号公报提出一种直接加热的电磁感应加热装置，该装置利用绝缘体等非磁性材料构成通过流体的管，通过电磁感应来加热该管内贮存的流体浸湿的发热体。若利用这种直接加热的电磁感应加热装置，则由于使流体浸湿的发热体导热面积变大，而可将由发热体向流体的导热效率提高到90％左右，同时也可提高其感应度。
然而，特开平3-98286号公报等所提出的电磁感应加热装置由于是小型的，只可局部加热。因此，在贮存发热体的管中容易发生局部的热应力。尤其，贮存发热体的管必须是非磁性材料，考虑到耐热性或耐药品性，可采用陶瓷管，因此存在着陶瓷管比金属管容易破裂和操作条件对高温加热或瞬时加热容易受到限制的问题。
本发明就是为解决这个问题而研制的，其目的在于，提出在高温加热或瞬时加热时可防止管破损的电磁感应加热装置及其操作方法。
为解决上述问题的本发明电磁感应加热装置，其特征是具有流入和流出的非磁性材料管，和在所述管上缠绕的线圈、和由贮存在所述管内的所述线圈的电磁感应加热的发热体，而所述管为氮化硅制品。所述氮化硅的耐热冲击温度为600℃以上，特别理想的是使用耐热冲击温度为800℃以上的氮化硅。氮化硅(Si3N4)是一种非氧化物陶瓷，非磁性材料，有很强的耐酸碱性，与同系的碳化硅相比较，弯曲强度、破坏韧性以及耐热冲击性均优。尤其，耐热冲击性通过成形、烧结、加工等的各种制造工艺管理和一般的组分管理的方法可得到耐400℃以上、800℃以下的高耐热冲击温度。特别是，若注意制造工艺与组分管理，则可得到耐600℃以上、800℃以下的高耐热冲击强度。即使是在这样的温度范围之间，与铝制品相比，也可有约三倍以上的耐热冲击温度，而且若特别精选制造工艺或组分等，则可得到超过800℃或880℃的冲击温度，可耐到相当广泛范围的高温加热或瞬时加热。
这里所谓的耐热冲击温度是指使用按JISR1601所规定的3×4×35mm的试样、实施15分钟给定温度加热之后投入20-25℃的水中、与加热前相比投入后的弯曲强度无不良变化时的最大的给定温度。
还有，氮化硅(Si3N4)与金属管等热熔化连接是困难的。尤其难于按所希望的形状进行加工成形，将凸缘部在氮化硅管的两端形成整体或将支撑发热体的支撑部在所述氮化硅管内形成整体均需高费用。
因此，本发明的电磁感应加热装置，例如在化学工厂等金属管道中装入配置时，加有上述构成，且具有与所述氮化硅管的端部接合并在所述氮化硅管的两端直径方向上形成向外侧突出的法兰盘部件，和有凸缘并与所述碳化硅管两端连接的金属管，和将所述氮化硅管两端的法兰盘部件分别与所述金属管法兰盘连接的连接部件。
再有，所述金属管的至少一根在所述氮化硅管的轴延长上具有至少沿轴方向伸缩的伸缩部件。
还有，所述金属管具有由所述金属管在所述管内支撑所述发热体的支撑部件。
在所述的氮化硅管内，由与所述氮化硅管端部接合的法兰盘部件或金属管支撑所述发热体的支持部件，不需要在所述氮化硅管内形成凸缘部或发热体的支撑部，可将所述氮化硅管的形状作成简易型的。因此，所述氮化硅管的成型变得容易，并可控制制作费用。而且，与所述氮化硅管两端部接合的法兰盘部件容易与金属管和所述氮化硅管接合。
再有，至少在所述金属管的一根所设置的伸缩部沿轴方向恰当地避免因所述氮化硅管发热而引起的膨胀，能防止氮化硅管因热膨胀而导致的破坏。
还有，本发明的电磁感应加热装置的操作方法，其特征是使用具有流体流入与流出的非磁性材料管，在所述管上缠绕的线圈，以及由贮存在所述管内的所述线圈的电磁感应加热的发热体，而所述管为氮化硅制品的电磁感应加热装置，在流体流动之前，使所述管内以流体浸湿，通过电磁感应对所述管内的所述发热体预热之后，使流体流动。
还有，所述氮化硅的耐热冲击温度为600℃以上，若使用耐热冲击温度为800℃以上，是理想的。向以发热体预热而呈加热状态的管中迅速流入加热前的流体，即使管急剧变冷，但由于管的耐热冲击温度超过600℃，所以耐热冲击。
再有，本发明的电磁感应加热装置的操作方法适于所述流体为气体的场合，气体的热容量小，因此可迅速地由常温加热到高温。在这种情况下，将发热体预热到高温之后，将常温的气体流入管内，即使如此，由于管是氮化硅的，耐热冲击温度高，因此一开始即可流入高温气体。
如上所述，本发明的电磁感应加热装置使用耐热冲击性能优良的氮化硅作为管材，所以其效果是产生所谓高感应度的特征，即使进行高温加热或瞬时加热，也不会产生起因于热冲击的操作条件的限制，并可在广泛范围的条件下进行加热。
本发明的电磁感应加热装置的操作方法利用耐热冲击性的提高，在预先对发热体预热之后使流体流动，流动开始后即可得到给定温度的流体，即所谓的零位开始的效果。尤其，本发明的电磁感应加热装置的操作方法，特别是在要求高温加热的气体加热时，能获得所谓可适用零位开始的效果。
下面对附图作简单说明。
图1为本发明一实施例中电磁感应加热装置的垂直剖视图。
图2(a)及图2(b)为本发明一实施例中用于电磁感应加热装置的发热体的结构图；图2(a)为表示发热体结构的俯视图；图2(b)为表示发热体结构的立体图。
图3为本发明其他实施例中电磁感应加热装置的垂直剖视图。
实施例以上参照


本发明的一实施例。
图1为电磁感应加热装置的垂直剖视图。图2(a)及图2(b)为用于电磁感应加热装置的发热体的结构图。
图1中电磁感应加热装置1主要部分由法兰盘部件2、3和氮化硅管6、线圈7以及发热体8所构成。如图1中流体14由下方向上方流动所示，例如化学工厂等金属管道101、102中组装配置。于是，电磁感应加热装置1的线圈7或多个电磁感应加热装置1的线圈7共同与电力部连接，电力部11与控制部12连接，控制部12与温度传感器13连接而构成加热体系。
氮化硅管6是以凸缘部6b、6c位于壳体6a两端的形式而整体制造的，制造工艺由成型、烧结和加工等构成。成型工艺为注射成型、流铸造等；烧结工艺为抑制氮化硅分解，同时可利用高温在氮气压力下的烧结法；加工工艺为放电加工和激光加工等。即是说，利用注射成型作成如图所示的管状，通过烧结烧成硬体，通过放电加工等对接触面等进行加工制成给定形状。
此时，对氮化硅的组分与制造工艺进行管理，以便使氮化硅管6的耐热冲击性达到400℃以上、800℃以下，达到600℃以上、800℃以下更为理想。
壳体6要制造成具有给定的内径与给定的厚度。两端的凸缘部6b、6c制成圆周直径扩大到所需的最小限度，以便能形成与密封件4、5的接触面6d、6e以及与法兰盘部件2、3相对的挂住部6f、6g。
法兰盘部件2、3与所述氮化硅管6的端部接合，并将径向突出的凸缘形成于所述氮化硅管6的两端。这种结构是两个可分割的结构，例如，将半圆形部件以可开闭的形式进行铰接，同时设置可以关闭的状态固定这种半圆形部件的固定手段。此外，法兰盘部件2、3通过螺栓的孔设置在圆周的等分位置上，并且在壳体6a的外周嵌置状态下，可使螺栓沿着氮化硅管6的轴方向平行地通过。
这种法兰盘部件2、3将氮化硅管6的凸缘部6b、6c榫接，对于金属管道101、102端的法兰盘103、104通过螺栓及螺母等接合部件进行接合，这样，凸缘部6b、6c的接触面6d、6e通过密封件4、5紧贴在法兰盘103、104的接触面上进行双方的接合。这样，氮化硅管(Si3N4)与金属管等热熔化的连接是困难的。而与所述氮化硅管端部接合的法兰盘部件2、3容易与金属管和所述氮化硅管接合。
再有，法兰盘部件2、3的材料为了不受线圈7形成的磁束影响，可使用非磁性的SUS316奥式体不锈钢。此外，在位于流体14的流出侧的金属管道102上，通过插口安装温度传感器13。
还有，在氮化硅管6内贮存有发热体8，在氮化硅管6的外周，与发热体8对向的位置上，卷有线圈7。线圈7尽可能使用铜耗少的，或使用捻有利兹线的圆管、半圆管、椭圆管等铜管。
发热体8具有容易输入电力的透过率，对流体14容易进行热交换，理想的是对流体14兼具有耐腐蚀性。作为这样的材料，可使用SUS447J1马氏体不锈钢。进一步，通过图2说明发热体8的详细结构。图2(a)为表示发热体8结构的俯视图；图2(b)为表示发热体8结构的立体图。
发热体8是将平板状的第一板材21与波形状的第二板材22相互复合，第一板材21位于侧面的两端，整体制成圆柱形的。第二板材22的波峰(或谷)23与中心轴相对，尽可能使α角度倾斜配置，挟住第一板材21，使相邻接的第二板材22的波峰(或谷)交差地配置。于是，相邻接的第二板材22的波峰(或谷)23的交差点25中，第一板材21与第二板材22由点焊焊接，使之通导电气。还有，在第二板材22的表面设置为产生流体14紊流的孔26。取代或加入这个孔26，对第一板材21及/或第二板材22施行毛面加工，将表面作成粗糙面也是有效的。总之，相对于通过发热体8的中心轴24的直径方向D，大致平行地配置第一板材21与第二板材22，在与直径D大致平行的方向(横切周围部的方向)上，最容易通电。于是，电磁感应中出现的表层效应(只是发热体8的外周部分加热的状态)被破坏，发热体8的中央部也会加热。
还有，最初形成的发热体8作成在其外周面与氮化硅管6内周面之间形成环状间隙Rs的直径D，使其轴心与发热体8的轴心一致地嵌在氮化硅管6内，插入氮化硅管6内并由作为保持部件的突出部30保持。而且，发热体8的直径D是这样决定的，即在装置1中加热流体14时，在发热体8与氮化硅管6之间具有氮化硅管6在其直径方向上的热膨胀量与发热体8在其直径方向上的热膨胀量的热膨胀差以上的环状间隙Rs。作为保持部件的突出部30圆周方向截断设置，来自流入侧的流体流入环状间隙Rs之内。另外，不用突出部30，也可采用具有通过环状同隙Rs的多数孔或凹口，压入非磁性和耐热性及耐腐蚀性均优的陶瓷环。
35是环状塞件，是由非磁性和耐热性及耐腐蚀性均优的陶瓷等制作的，由流体14的流出侧嵌于氮化硅管6内，在与发热体8之间具有与该发热体8的轴方向热膨胀量相同或稍有不同的间隙Vs而被固定。还有，环状塞件35由流出侧沿直径方向横切环状间隙Rs，并位于发热体8之上，通过发热体8的热膨胀与该发热体8接合，从流出侧使环状间隙Rs闭塞。
于是，若由装置1的流入侧向流出侧流出流体14，通过氮化硅管6、发热体8由线圈7电磁感应加热流体14时，则在氮化硅管6及发热体8产生其直径方向的热膨胀差，而且在氮化硅管6与发热体8之间形成其热膨胀差以上的环状同隙Rs，因此使该环状间隙Rs变窄，吸收热膨胀差，防止由于发热体8与氮化硅管6接触押作而产生的应力作用，而且发热体8也沿其轴方向发生热膨胀。但是，这种热膨胀会通过与环状塞件35之间所形成的间隙Vs的热膨胀而被吸收。
此时，由金属管道101流入装置1流入侧的流体14，流入发热体8内而被加热，流向流出侧的同时，流体14的一部分由流入侧直接地或者由发热体8流入环状间隙Rs，通过环状间隙Rs流入流入侧。但是，发热体8通过轴方向的热膨胀而与环状塞件35接合，以此使环状间隙Rs的流出侧闭塞，阻止流体14直接流向流出侧，因此，在环状间隙Rs内由于来自流入侧的流体14的流动，在流出侧产生受押的压力，通过这种压力可使流入环状同隙Rs内的流体14流入发热体8内。
因此，通过线圈7的电磁感应加热发热体8，也可防止起因于发热体8的热膨胀的氮化硅管6的破损，同时形成用于吸收发热体8的热膨胀的环状间隙Rs，通过发热体8发生热膨胀，并与环状塞件35接合，由流出侧使环状间隙Rs闭塞，可使该环状间隙Rs流出的流体14流入发热体8内，所以通过发热体8可均匀地加热流体14。
其次，说明利用上述的电磁感应加热装置1加热流体时的操作方法。有一种边使流体14流动，边通过电磁感应开始加热发热体8的开始方法。但是，在这种情况下，发热体8在达到给定温度之前，流体14直接脱离给定温度而流动。因此，若利用电磁感应加热装置1所具有的优良感应性能，则有可能从一开始就流出接近于给定温度流体的所谓零位开始方法。首先，使流体装满氮化硅管6内，发热体8在流体中呈浸湿状态。通过电磁感应加热该状态的发热体8。于是，发热体8及流体加热到给定温度。此后，由于发热体8的感应性优良，所以流体一开始流动，则流动的流体从最初起即可开始接近给定温度。
此时，氮化硅管6也加热到与发热体8相同的程度，这种状态加热前的流体流入氮化硅管时，氮化硅管6由高温状态急剧冷却而受到热冲击。然而，管是由耐热冲击性能优良的氮化硅管制成的，所以其耐热冲击性的程度为400℃以上、800℃以下，因此可耐热冲击。
尤其，若流体为气体，则可加热到600℃，有时则可加热到800℃以上的高温。在这种情况下，热冲击强度变大。然而，通过特别管理氮化硅组分与制造工艺，则可制造出具有耐880℃以上的耐热冲击的产品。例如，有日本特殊陶业型号EC-141氮化硅，其耐热冲击温度超过880℃。通过将具有如此高的耐热冲击强度的氮化硅制成管，反复地进行上述零位开始，可耐热冲击。
其次，根据图3说明有关本发明其他实施例的电磁感应加热装置。对于与图1具有相同功能的部分加了与图1相同的符号，故其说明从略。
与图1不同的部分是在流体流出侧的金属管102设置伸缩部40，从流体流入及流出金属管101、102起，在所述氮化硅管41内设置支撑所述发热体用的第一及第二支撑部件42、43。因此，在氮化硅管41内，没有像在图1氮化硅管6中那样设置保持发热体8用的保持部件----突出部30，两端的外周成为稍扩直径的圆筒乃至简易的成形。
所述金属管102的伸缩部40，按轴方向恰当地摆脱氮化硅管41热膨胀，防止热膨胀引起的的氮化硅管41的破损，因此沿轴方向伸缩。在沿轴方向高效率地摆脱氮化硅管41热膨胀意义上来说，这种伸缩部40最好设置在尽可能接近氮化硅管41的地方。因此，本实施例将伸缩部40设置在最接近氮化硅管41与金属管102接合部分的凸缘104附近。
但是，在氮化硅管的轴延长上，在管道的任一地方至少沿轴方向设置伸缩的伸缩部时，则可沿轴方向恰当地摆脱氮化硅管的热膨胀。例如在距离氮化硅管约1m的地方设置伸缩部，则可防止热膨胀导致的氮化硅管的破损。
还有，本实施例中只在气体流出侧的金属管102的地方设置伸缩部40。但是，根据不同的情况，也可以将伸缩部40设置在气体流入侧的金属管101及气体流出侧的金属管102的两方，也可以只设置在气体流入侧金属管101的一方。
伸缩部40由滑动内管40a和波纹管40b及连接部件40c所构成；滑动内管40是与金属外管102a、102b的内周相连接并在内侧设置金属管102的外管102a与102b；波纹管40b被固定在所述外管102a与102b之间，并包围该滑动内管40a的外周；连接部件40c相对于外管102b、沿轴方向可使所述外管102a移动，连接所述外管102a与102b。
所述连接部件40c是内侧含有所述外管102a、102b的圆筒体，沿轴方向具有多个长的狭缝部50。在连接部件40c的一端插入并固定所述外管102b，在另一端插入外管102a，沿轴方向可摺动地嵌入所述狭缝部50内的销部件51被固着在所述外管102a上。
所述氮化硅管41受热膨胀时，则所述外管102a沿所述滑动内管40a的外周移动，与该外管102a的移动相适应，所述波纹管40b伸缩。
还有，作为伸缩部40除使用上述波纹管结构之外，也可以使用在管中有褶、通过该褶的作用沿轴方向伸缩的、可自由伸缩状的联接管。在这种情况下，不仅可吸收轴方向上膨胀，而且也可以吸收氮化硅管向金属管道装入时所产生的轴应力。
所述第一支撑部件42由从金属管102的内周面向直径中心延伸的第一突出部件42a，和由该第一突出部件42a突出终端沿轴方向延伸至所述环状塞件35的第一柱部件42b，以及由所述第一柱部件42b的环状塞件35侧沿直径方向延伸并横切所述环状塞件35的梁部件42c所构成。
所述第一支撑部件42的第一突出部件42a通过焊接方法装在金属管102内，因此，最好使用与金属管102相同的材料。所述第一支撑部件42的第一柱部件42b可与所述第一突出部件42a整体成形，或者通过焊接、粘接或螺栓等进行连接，所以可使用与金属管相同的材料或氮化硅管陶瓷等，但是，为了不受线圈7成形的磁束影响，使用非磁性陶瓷是理想的。
所述第一支撑部42可定位安装，以使所述梁部件42c与所述环状塞件35相接。所述第一支撑部件42向金属管102内的安装，是通过将所述第一突出部件42a焊接在金属管102的内周面等固定来进行的。这样做，即使流入管内的流体速度变大，也不会使所述环状塞件35的位置发生偏移，所述氮化硅管41内的发热体8的位置被保持在给定位置。
所述第二支撑部件43由从金属管101的内周面延至直径中心的第二突出部件43a，和由该第二突部件43a的突出终端沿轴方向沿至所述发热体8的第二柱部件43b所构成。
所述第二支撑部材43的第二突出部件43a及第二柱部件43b的材料，与所述第一支撑部件42的第一突出部件42a及第一柱部件42b是相同的。
所述第二支撑部件43可定位安装，以使所述第二柱部件43b的一端与所述发热体8相接。所述第二支撑部件43向所述金属管101内的安装，是通过将所述第二突出部件43a焊接在金属管101的内周面等固定来进行的。这样做，可将所述发热体8同所述第一支撑部件一起保持在所述氮化硅管41内的给定位置。为此，如图1所示的所述氮化硅管6那样，不需要作为保持发热体8的保持部件的突出部30。
如上所述，与所述氮化硅管41端部接合的法兰盘部件2、3，或在所述氮化硅管内由所述金属管101、102支撑所述发热体8的第一及第二支撑部件42、43，不需要在所述氮化硅管中形成凸缘部或发热体的支撑部。其结果，可使所述氮化硅管的形状制成如图3所示的非常简易的形状，易于形成所述氮化硅管，并可控制制造费用。
由上述可知，本发明最适于作为可防止高温加热或瞬时加热时管的破损的电磁感应加热装置及其操作方法。
权利要求
1.一种电磁感应加热装置，其特征是具有流入和流出的非磁性材料管(6或41)、和在所述管(6或41)上缠绕的线圈(7)以及由贮存在所述管(6或41)的所述线圈(7)的电磁感应加热的发热体(8)，所述管(6或41)是氮化硅管。
2.根据权利要求1所述的电磁感应加热器，其特征是所述氮化硅的耐热冲击温度为600℃以上。
3.根据权利要求1或2所述的任一电磁感应加热装置，其特征是具有与所述氮化硅管(6或41)的端部接合并在所述氮化硅管(6或41)的两端直径向方向上形成向外侧突出的凸缘部的法兰盘部件(2、3)、和有法兰盘(103、104)并与所述氮化硅管(6或41)的两端连接的金属管(101、102)、和将所述氮化硅管(6或41)的两端的法兰盘部件(2、3)分别与所述金属管(101、102)的法兰盘(103、104)连接的连接部件(9、10)。
4.根据权利要求3所述的电磁感应加热装置，其特征是所述金属管(101、102)的至少一根在所述氮化硅管(6或41)的轴延长上具有至少沿轴万向伸缩的伸缩部件(40)。
5.根据权利要求4所述的电磁感应加热装置，其特征是所述金属管(101、103)具有在所述氮化硅管(41)内支撑所述发热体(8)的支撑部件(42、43)。
6.一种电磁感应加热装置的操作方法，其特征是使用具有流体流入与流出的非磁性材料管(6或41)和在所述管(6或41)上缠绕的线圈(7)以及由所述管(6或41)内贮存的所述线圈(7)的电磁感应加热的发热体(8)，而所述管(6或41)是氮化硅制品的电磁感应加热装置，在流体流动之前，使所述管(6或41)内以流体浸湿，通过电磁感应对所述管内的所述发热体(8)预热之后，使流体流动。
7.根据权利要求6所述的电磁感应加热装置的操作方法，其特征是所述氮化硅的耐热冲击温度为600℃以上。
8.根据权利要求6或7所述的任一电磁感应加热装置的操作方法，其特征是所述流体为气体。
全文摘要
本发明的电磁感应加热装置具有流体流入与流出的非磁性材料氮化硅管6或41、氮化硅管6或41上缠绕的线圈7、和由贮存在氮化硅管6或41内的线圈7的电磁感应加热的发热体8,还有与氮化硅管6或41的端部接合并在氮化硅管6或41的两端径向方向上形成向外侧突出的凸缘的法兰盘部件2、3,有法兰盘103、104并与氮化硅管6或41两端连接的金属管101、102、和将氮化硅管6或41两端的法兰盘部件2、3分别连接在金属管101、102的法兰盘103、104的连接部件9、10。本发明的电磁感应加热装置的操作方法是,使用所述电磁感应加热装置,在流体流动之前,使所述管内以流体浸湿,通过电磁感应对所述管内的所述发热体预热之后,使流动流体的电磁感应加热装置运转。
文档编号H05B6/02GK1192318SQ96195994
公开日1998年9月2日 申请日期1996年7月31日 优先权日1995年8月3日
发明者川村泰三, 内掘义隆 申请人:株式会社濑田技研, 欧姆龙株式会社