JP5878838B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、水門設備等に装備され、冬季における水の凍結を防止する誘導加熱装置に係り、特に、凍結し易い水面近傍のみを集中して加熱でき、消費電力の低減を図った誘導加熱装置に関する。

誘導加熱（Induction Heating）を利用した誘導加熱装置として、発熱体となる管体と、管体に挿通された絶縁電線と、絶縁電線に接続された交流電源とを備えたものが知られている（特許文献１〜３参照）。この誘導加熱装置は、交流電源から絶縁電線に通電された交流電流の交番磁束によって管体に電磁誘導による誘導電流（渦電流）を生起させ、誘導電流が流れる管体の電気抵抗に基づくジュール熱によって管体を発熱させるものである。

かかる誘導加熱装置を水門設備に使用する場合、発熱体となる管体を、水門設備の扉体が当てられる戸当板の裏側（扉体が当てられる側とは反対側）に、その長手方向に沿って敷設する。そして、冬季や厳冬期において、発熱する管体により戸当板を加熱することで、扉体が戸当板に氷着することを防止していた。

特開２００９−２４３１９０号公報 特開２００９−２５６９４２号公報 特開２００９−２８７３８９号公報

ところで、冬季や厳冬期、水門設備においては水面近傍から水が凍り始める。よって、扉体の戸当板への氷着を効率よく防止するには、凍結の起点となる水面近傍の戸当板を集中的に加熱することが求められる。しかし、従来の誘導加熱装置は、管体がその全長に亘って発熱するため、管体によって戸当板全体が加熱されてしまい、無駄なエネルギーを消費することになっていた。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、凍結し易い水面近傍を集中して加熱でき、消費電力の低減を図った誘導加熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明に係る誘導加熱装置は、水面の下方から上方に架けて配設され、下方から水が導かれるガイド管と、ガイド管内に上下方向に移動自在に収容された発熱管片と、発熱管片に取り付けられ、発熱管片をガイド管内に導かれた水の水面に浮かせるためのフロートと、ガイド管および発熱管片に挿通された絶縁電線とを備え、発熱管片の材質が、絶縁電線に交流電流を通電した際、ガイド管の材質よりも誘導電流が生じ易い材質であることを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明の誘導加熱装置は、発熱管片の上部および下部に、ガイド管の内周面と隙間を隔てて断熱材を夫々設け、断熱材に、絶縁電線が上下方向に移動自在に挿通される孔を形成してもよい。

本発明の誘導加熱装置は、発熱管片の下部に設けられた断熱材が、フロートを兼ねるものであってもよい。

本発明の誘導加熱装置は、フロートの浮力を、発熱管片の下端がガイド管内の水面に位置するように設定してもよい。

本発明の誘導加熱装置は、ガイド管が、上下方向に沿って配置された一対の直線管と、これら直線管の下端を接続する屈曲管とからＵ字状に形成され、直線管および屈曲管の少なくとも一方に、管外の水を管内に導くための導水孔を設け、発熱管片が、一対の直線管の内部に、導水孔よりも上方に位置して夫々上下方向に移動自在に収容され、絶縁電線が、一対の直線管の一方の上部から挿入され、発熱管片、屈曲管、発熱管片を通して一対の直線管の他方の上部から取り出され、その絶縁電線の両端に、交流電源を接続してもよい。

本発明の誘導加熱装置は、ガイド管が、水門設備の扉体が当てられる戸当板に設けられてもよい。

本発明の誘導加熱装置は、発熱管片の材質が、ガイド管の材質よりも透磁率が大きい材質であってもよい。

本発明の誘導加熱装置は、発熱管片の材質が磁性体であり、ガイド管の材質が非磁性体であってもよい。

本発明に係る誘導加熱装置によれば、ガイド管および発熱管片に挿通された絶縁電線に交流電流を通電した際、発熱管片の材質がガイド管の材質よりも誘導電流が生じ易い材質となっていることから、ガイド管よりも発熱管片が高温に加熱される。

この発熱管片は、フロートによってガイド管内の水面に浮かされているので、凍結し易い水面近傍のみを集中して加熱できる。このように、フロートによりガイド管内の水面に浮かされた発熱管片によって水面近傍を集中的に加熱できるので、管の全長に亘って発熱していた従来例と比べて、無駄なエネルギーの消費を抑制でき、消費電力の低減を図ることができる。

また、ガイド管内の水面が昇降すると、それに伴ってフロートも昇降するので、フロートによって浮かされている発熱管片は、水面の昇降に応じて昇降し、水面の昇降に拘わらず的確に水面近傍を加熱できる。

本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置が設けられた水門設備の説明図であり、（ａ）は水門設備および誘導加熱装置の平面図、（ｂ）は水門設備および誘導加熱装置の正面図である。 誘導加熱装置の説明図であり、（ａ）は図１（ａ）の部分拡大図、（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線矢視図である。 誘導加熱装置の説明図であり、図２（ｂ）の斜視図である。 誘導加熱装置の要部を示す側断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（水門設備１）
図１〜図３に、本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置２が組み込まれた水門設備１の概略を、図４に誘導加熱装置２の要部を示す。特に、図１（ａ）は水門設備１および誘導加熱装置２の平面図、図１（ｂ）はそれらの正面図、図２（ａ）は図１（ａ）の部分拡大図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線矢視図、図３は図２（ｂ）の斜視図、図４は誘導加熱装置２の要部を示す側断面図である。

図１に示すように、この水門設備１は、河川の底３に所定間隔を隔てて立設された堰柱４と、堰柱４同士の間に配設されて昇降される扉体５とを備えている。堰柱４には、扉体５の側面に対向するように、戸当板６が上下方向に沿って設けられており、扉体５の側面には、戸当板６との間を止水するシール７が上下方向に沿って設けられている。冬季や厳冬期には、扉体５と戸当板６との間のシール７の部分の水面８近傍から凍結が始まる。

（誘導加熱装置２）
本実施形態に係る誘導加熱装置２は、戸当板６の水面８近傍を集中的に加熱するものであり、これにより扉体５の戸当板６への氷着を効率よく防止している。この誘導加熱装置２は、図１〜図４に示すように、堰柱４内の戸当板６の裏側（扉体５が当てられる側とは反対側）に上下方向に沿って配設されたガイド管９と、ガイド管９内に上下方向に移動自在に収容された発熱管片１０と、発熱管片１０に取り付けられたフロート１１と、ガイド管９および発熱管片１０に挿通された絶縁電線１２とを備えている。なお、図１（ｂ）、図３においては、作図の都合上、ガイド管９の内部には発熱管片１０のみを表示し、フロート１１および後述する断熱材１３を省略している。以下、各構成要素について説明する。

（ガイド管９）
図２〜図４に示すように、ガイド管９は、コンクリート製の堰柱４内に、戸当板６の裏側に接するように配設されており、下方から水が導かれて内部に水面８ａが位置されるようになっている。なお、図４にてガイド管９内のドットは水を表す。ガイド管９は、戸当板６の裏側に上下方向に沿って配設された一対の直線管９ａ、９ｂと、これら直線管９ａ、９ｂの下端を接続する屈曲管９ｃとからＵ字状に形成されている。直線管９ａ、９ｂの下部には、管外の水を管内に導くための導水孔９ｄが設けられている。

図２、図３に示すように、導水孔９ｄは、その開口の一方が直線管９ａ、９ｂに繋がり、他方が戸当板６を貫通して堰柱４の外の水面８下（水中）に開放されている。導水孔９ｄは、扉体５のシール７と干渉しないように、上方から見てシール７を挟むようにして設けられている。導水孔９ｄからガイド管９に導かれた水によって、ガイド管９の直線管９ａ、９ｂの内部には水面８ａ（図４参照）が位置される。なお、導水孔９ｄは、管外の水を管内に導く機能を有していればよく、直線管９ａ、９ｂの下部および屈曲管９ｃの少なくとも一方に設けられていればよい。

（発熱管片１０）
図２〜図４に示すように、発熱管片１０は、円筒状に成形されており、ガイド管９を構成する一対の直線管９ａ、９ｂの内部に、導水孔９ｄよりも上方に位置して、夫々上下方向に移動自在に収容されている。図４に示すように、発熱管片１０の外周面と直線管９ａ、９ｂの内周面との間には、発熱管片１０の昇降を許容するための隙間Ｇ１が形成されている。この隙間Ｇ１は、発熱管片１０から直線管９ａ、９ｂへの伝熱性の悪化を抑えるため、出来るだけ小さく設定されている。

発熱管片１０およびガイド管９には、絶縁電線１２が挿通されており、絶縁電線１２に交流電流を通電した際、その交番磁束が発熱管片１０およびガイド管９の双方に作用するようになっている。ここで、発熱管片１０の材質は、ガイド管９の材質よりも透磁率が大きい材質が用いられる。透磁率が大きい材質の方が透磁率の小さい材質よりも交番磁束によって誘導電流が生起され易く、発熱管片１０をガイド管９よりも高温に発熱させることができるからである。また、発熱管片１０の材質に磁性体を用い、ガイド管９の材質に非磁性体を用いることが好ましい。磁性体には誘導電流が生起されるが、非磁性体には誘導電流が殆ど生起されないため、ガイド管９を殆ど発熱させることなく発熱管片１０を集中的に発熱させることが可能となるからである。具体的には、本実施形態では、発熱管片１０には、磁性体としてＳＧＰ管（鋼製）が用いられ、ガイド管９には非磁性体としてＳＵＳ管（SUS304等のオーステナイト系ステンレス製）が用いられている。

（フロート１１）
図４に示すように、発熱管片１０の下部には、フロート１１が取り付けられている。フロート１１は、発熱管片１０をガイド管９内の水面８ａに浮かせるものであり、発泡スチロール等の水よりも比重の小さい材質からなる浮き部を有している。フロート１１は、ガイド管９の内周面から隙間Ｇ２が隔てられた円柱状に成形されていると共に、絶縁電線１２が上下方向に移動自在に挿通される孔１１ａを中心に上下に貫通形成されている。かかるフロート１１は、ガイド管９内にて絶縁電線１２に沿って上下方向に移動自在となっている。フロート１１の浮力は、発熱管片１０の重量および後述の断熱材１３の重量を考慮して、発熱管片１０の下端１０ａがガイド管９内の水面８ａに位置するように、設定されている。

また、図４に示すように、発熱管片１０の上部には、ガイド管９の内周面と隙間Ｇ３を隔てて断熱材（上部断熱材）１３が設けられている。上部断熱材１３は、発泡スチロール等の断熱機能を有する材質から成り、フロート１１と同様の形状となっている。すなわち、上部断熱材１３は、ガイド管９の内周面から隙間Ｇ３が隔てられた円柱状に成形されていると共に、絶縁電線１２が上下方向に移動自在に挿通される孔１３ａを中心に上下に貫通形成されており、ガイド管９内にて絶縁電線１２に沿って上下方向に移動自在となっている。この上部断熱材１３は、発熱管片１０に生じた熱がガイド管９内の上方に逃げることを抑制する。また、発熱管片１０の下部にも、上述したフロート１１とは別に、発熱管片１０に生じた熱がガイド管９内の下方に逃げることを抑制するための断熱材（下部断熱材）を設けてもよいが、本実施形態ではフロート１１が発泡スチロール等の断熱性を有する材質からなっているため、フロート１１が下部断熱材を兼用している。

フロート１１とガイド管９との隙間Ｇ２、断熱材１３とガイド管９との隙間Ｇ３は、ガイド管９内をフロート１１および断熱材１３がスムーズに昇降できる隙間に設定されている。これらの隙間Ｇ２、Ｇ３は、等しくても異なっていてもよい。また、発熱管片１０とガイド管９との隙間Ｇ１は、隙間Ｇ２、Ｇ３よりも狭く設定されており、発熱管片１０のスムーズな昇降を確保した上で、発熱管片１０からガイド管９への伝熱性の悪化を極力抑えている。

（絶縁電線１２）
図２、図４に示すように、ガイド管９および発熱管片１０には、絶縁電線１２が挿通されている。絶縁電線１２は、ガイド管９を構成する一方の直線管９ａの上部から挿入され、断熱材１３、発熱管片１０、フロート１１、屈曲管９ｃ、フロート１１、発熱管片１０、断熱材１３を通し、他方の直線管９ｂの上部から取り出されている。この絶縁電線１２の両端には、交流電源１４が接続されており、絶縁電線１２に交流電流が通電されるようになっている。交流電源１４には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数の交流電源を用いてもよいが、これに限られるものではない。

（作用・効果）
図４に示すように、この誘導加熱装置２においては、ガイド管９内の水面８ａに位置する発熱管片１０の材質（鋼）がガイド管９の材質（オーステナイト系ステンレス）よりも誘導電流が生じ易い材質となっている。よって、ガイド管９および発熱管片１０に挿通された絶縁電線１２に交流電流を通電した際、ガイド管９が殆ど発熱することなく発熱管片１０が集中的に発熱する。

発熱管片１０は、フロート１１によってガイド管９内の水面８ａに浮かされているので、凍結し易い水面８ａ近傍のガイド管９のみが集中して加熱され、そのガイド管９の熱が伝わることでガイド管９外の水面８近傍の戸当板６（図１〜図３参照）が集中的に加熱される。この結果、管全長に亘って発熱して戸当板６を全長に亘って加熱していた従来例と比べて、無駄なエネルギーの消費を抑制でき、消費電力の低減を図ることができる。

図２、図３に示すように、ガイド管９が導水孔９ｄを介して堰柱４の外部の水面８下の水と繋がっており、堰柱４の外部の水面８が昇降するに応じて、ガイド管９の内部の水面８ａが昇降するようになっている。ガイド管９内の水面８ａが昇降すると、それに伴ってフロート１１も昇降するので、フロート１１により浮かされている発熱管片１０によって、水面８ａの昇降に拘わらず的確に水面８ａ近傍のガイド管９を加熱できる。この結果、堰柱４の外部の水面８の高さが変動しても、凍結し易い水面８近傍の戸当板６を的確に加熱でき、扉体５の戸当板６へ氷着を効率よく防止できる。

図４に示すように、発熱管片１０の上部に上部断熱材１３が設けられ、発熱管片１０の下部に設けられたフロート１１が下部断熱材を兼ねるので、発熱管片１０にて生じた熱がガイド管９内の上下に逃げてしまうことを抑制できる。よって、発熱管片１０の熱を有効に側方のガイド管９（水面８ａ近傍のガイド管９）に伝えることができる。また、フロート１１が下部断熱材を兼用しているので、フロート１１とは別に下部断熱材を設けた場合と比べて低コスト化を図ることができる。

図４に示すように、フロート１１の浮力は、発熱管片１０および断熱材１３の重量を考慮して、発熱管片１０の下端１０ａがガイド管９内の水面８ａに位置するように設定されている。これにより、発熱管片１０がガイド管９内の水に浸かることによる発熱管片１０の熱の水への放出（放熱）を防止しつつ、発熱管片１０を可及的に水面８ａに近付けられるため、発熱管片１０の熱を有効且つ的確に側方の水面８ａ近傍のガイド管９に伝えることができる。

図２に示すように、ガイド管９が一対の直線管９ａ、９ｂとそれらの下端を接続する屈曲管９ｃとからＵ字状に成形され、各直線管９ａ、９ｂに夫々発熱管片１０を収容し、絶縁電線１２を、一方の直線管９ａの上部から挿入し、発熱管片１０、屈曲管９ｃ、発熱管片１０を通して他方の直線管９ｂの上部から取り出し、その絶縁電線１２の両端に交流電源１４を接続している。これにより、一本の絶縁電線１２によって２個の発熱管片１０を加熱することができると共に、交流電源１４を無理なく水面８の上方に配設できる。すなわち、水が存在しないガイド管９の上方から集中して電力を供給できる。

図４に示すように、絶縁電線１２は、断熱材１３に貫通形成された孔１３ａ、フロート１１に貫通形成された孔１１ａに挿通されることで、ガイド管９の中心に保持され、発熱管片１０の内周面から離間されている。よって、発熱管片１０の内周面と断熱電線１２との間の空間Ｓが空気断熱層となり、発熱管片１０が発熱しても、その熱によって絶縁電線１２が劣化することを防止できる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、断熱材１３の外周面、フロート１１の外周面、発熱管片１０の外周面に凹凸を形成することでガイド管９の内周面との接触面積を減らし、断熱材１３、フロート１１、発熱管片１０がガイド管９に沿って昇降する際の摺動抵抗（摩擦抵抗）の低下を図ってもよい。

本発明は、水門設備等に装備され、冬季における水の凍結を防止する誘導加熱装置において、凍結し易い水面近傍のみを集中して加熱でき、消費電力の低減を図った誘導加熱装置に利用できる。

１ 水門設備
２ 誘導加熱装置
５ 扉体
６ 戸当板
８ 水面（ガイド管外）
８ａ 水面（ガイド管内）
９ ガイド管
９ａ 直線管
９ｂ 直線管
９ｃ 屈曲管
９ｄ 導水孔
１０ 発熱管片
１０ａ 下端
１１ フロート（下部断熱材を兼用）
１１ａ 孔
１２ 絶縁電線
１３ 断熱材（上部断熱材）
１３ａ 孔
１４ 交流電源
Ｇ１ 隙間
Ｇ２ 隙間
Ｇ３ 隙間

Claims (8)

1. 水面の下方から上方に架けて配設され、下方から水が導かれるガイド管と、
   該ガイド管内に上下方向に移動自在に収容された発熱管片と、
   該発熱管片に取り付けられ、前記発熱管片を前記ガイド管内に導かれた水の水面に浮かせるためのフロートと、
   前記ガイド管および前記発熱管片に挿通された絶縁電線とを備え、
   前記発熱管片の材質が、前記絶縁電線に交流電流を通電した際、前記ガイド管の材質よりも誘導電流が生じ易い材質であることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記発熱管片の上部および下部に、前記ガイド管の内周面と隙間を隔てて断熱材を夫々設け、該断熱材に、前記絶縁電線が上下方向に移動自在に挿通される孔を形成したことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記発熱管片の下部に設けられた断熱材が、前記フロートを兼ねるものであることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記フロートの浮力を、前記発熱管片の下端が前記ガイド管内の水面に位置するように設定したことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記ガイド管が、上下方向に沿って配置された一対の直線管と、これら直線管の下端を接続する屈曲管とからＵ字状に形成され、
   前記直線管および前記屈曲管の少なくとも一方に、管外の水を管内に導くための導水孔を設け、
   前記発熱管片が、前記一対の直線管の内部に、前記導水孔よりも上方に位置して夫々上下方向に移動自在に収容され、
   前記絶縁電線が、前記一対の直線管の一方の上部から挿入され、前記発熱管片、前記屈曲管、前記発熱管片を通して前記一対の直線管の他方の上部から取り出され、
   その絶縁電線の両端に、交流電源を接続したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の誘導加熱装置。
6. 前記ガイド管が、水門設備の扉体が当てられる戸当板に設けられたことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の誘導加熱装置。
7. 前記発熱管片の材質が、前記ガイド管の材質よりも透磁率が大きい材質であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の誘導加熱装置。
8. 前記発熱管片の材質が磁性体であり、前記ガイド管の材質が非磁性体であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の誘導加熱装置。

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