DE69415200T2

DE69415200T2 - Temperaturregelung für einen Hochfrequenz-Induktionsheizer

Info

Publication number: DE69415200T2
Application number: DE69415200T
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Zama-Shi Kanagawa-Ken Fusato; Fumitoshi Aikou-Gun Kanagawa-Ken Kimura; Fujio C/O Fuji Jukogyo Tokyo Matsui; Isao Hatano-Shi Kanagawa-Ken Matsumoto
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd; Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2014-04-09
Also published as: JPH06295782A; EP0619692B1; EP0619692A2; JP3398172B2; DE69415200D1; US5477035A; EP0619692A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heiztemperaturregelverfahren bei einer Hochfrequenzinduktionsheizung und einen Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparat und insbesondere ein Regelverfahren und eine Vorrichtung, die für das genaue Regeln einer Heiztemperatur eines zu erwärmenden Gegenstandes geeignet sind, wenn eine Hochfrequenzinduktionsheizspule verwendet wird, um den Gegenstand mittels Hochfrequenzinduktion zu erwärmen.
Ein Katalysator, der im Weg eines Auspuffrohres eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, um das Abgas zu reinigen, wird durch das Abgas auf eine hohe Temperatur während der Bewegung des Kraftfahrzeuges erwärmt, und dementsprechend wird die Reinigung des Abgases durch den Katalysator wirksam durchgeführt, aber während sich der Katalysator auf der normalen Temperatur beim Starten eines Motors des Kraftfahrzeuges befindet, wird die Reinigung nicht wirksam durchgeführt. Um die Reinigung des Abgases beim Starten des Motors ausreichend durchzuführen, ist es dementsprechend erforderlich, den Katalysator beim Starten des Motors zwangläufig zu erwärmen.
Bei einem konventionellen Heizverfahren des Katalysators fließt daher ein Gleichstrom im Katalysator direkt, um die Joulesche Wärme zu nutzen. Fig. 12 veranschaulicht einen Regelapparat 50 für das Durchführen des konventionellen Heizverfahrens. Der Apparat 50 dient dazu, einen Katalysator 51 (der zu erwärmende Gegenstand) auf eine vorher eingestellte Temperatur zu erwärmen.
Der konventionelle Temperaturregelapparat 50 ist so ausgeführt, daß ein elektrischer Strom von einer Gleichstromversorgung 52 zum Katalysator 51, der den zu erwärmenden Gegenstand bildet, zugeführt wird und dieser durch die Joulesche Wärme erwärmt wird, und daß eine Heiztemperatur des Katalysators 51 mittels eines Thermoelement- Temperaturmeßfühlers 53 nachgewiesen wird, der am Katalysator 51 befestigt ist. Der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 erzeugt ein Spannungssignal proportional zu einer nachgewiesenen Temperatur, um es einem Vergleicher 54 zuzuführen, der das Spannungssignal mit einer vorgegebenen Bezugsspannung vergleicht.
Wenn die Temperatur, die vom Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 nachgewiesen wird, eine vorgegebene Bezugsspannung übersteigt, erzeugt der Vergleicher 54 ein vorgegebenes Steuersignal. Das Steuersignal schaltet einen Stromschalter 55 aus einem Einschaltzustand in einen Ausschaltzustand, um die Zuführung von elektrischem Strom zum Katalysator 51 zu unterbrechen, so daß das Erwärmen des Katalysators 51 unterbrochen wird.
Bei einer derartigen Schaltungsfunktion wird der Katalysator 51 auf eine vorgegebene eingestellte Temperatur erwärmt und so geregelt, daß die eingestellte Temperatur nicht überschritten wird.
Beim konventionellen Temperaturregelverfahren und dem Heiztemperatur-Regelapparat 50, wie vorangehend beschrieben wird, sind jedoch, da der Katalysator 51 durch direktes Fließen von Strom darin erwärmt wird, eine Gleichstromversorgung mit großer Kapaztität und extrem dicke Leitungsdrähte erforderlich, um den Katalysator in einer relativ kurzen Zeit zu erwärmen, und dementsprechend ist er nicht für ein Kraftfahrzeug geeignet.
Außerdem, da der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 als Nachweiseinrichtung für die Heiztemperatur des Katalysators 51 verwendet wird und der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 mit dem Katalysator 51 in Kontakt gebracht wird, um dessen Temperatur nachzuweisen, sind Mängel wie folgt zu verzeichnen. Während der Bewegung des Kraftfahrzeuges (während des Dauerbetriebes eines Motors) wird der Katalysator 51 auf eine hohe Temperatur durch das Abgas erwärmt, das auf eine hohe Temperatur erwärmt ist, und der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 wird entsprechend ebenfalls auf eine hohe Temperatur erwärmt. Dementsprechend neigt der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 dazu, daß er in seinem Anfangsstadium verschlechtert wird. Die Haltbarkeit des Thermoelement-Temperaturmeßfühlers 53 wird daher in Frage gestellt, und es besteht eine Möglichkeit, daß eine genaue Temperatur nicht nachgewiesen werden kann. Außerdem wird eine mechanische Schwingung auf den Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 durch den Katalysator 51 leicht übertragen, so daß der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 vom Katalysator 51 infolge einer großen mechanischen Schwingung getrennt wird, und es besteht eine Möglichkeit, daß der Thermoelement-Temperaturmeßfühler nicht die Temperaturnachweisfunktion verwirklichen kann.
Es wird außerdem in Betracht gezogen, daß eine Heizzeit auf eine vorgegebene Zeit mittels eines Zeitrelais eingestellt wird, und eine Hochfrequenzinduktionsheizung wird über die vorgegebene Zeit durchgeführt, ohne daß der Thermoelement-Temperaturmeßfühler 53 benutzt wird, während in diesem Fall die Heizzeit infolge der Veränderung hinsichtlich Abmessung und Qualität des Materials des zu erwärmenden Gegenstandes und der Verschlechterung hinsichtlich Alterung der Qualität des Materials eine Streuung zeigt, so daß eine Hochfrequenzinduktionsheizung mit hoher Genauigkeit nicht verwirklicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorangehend angeführten Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorleigenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Heiztemperaturregelverfahrens bei einer Hochfrequenzinduktionsheizung und eines Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparates, der in der Lage ist, eine Temperatur eines zu erwärmenden Gegenstandes in der berührungsfreien Weise ohne Verwendung eines Thermoelement-Temperaturmeßfühlers in Kontaktausführung bei der Hochfrequenzinduktion genau nachzuweisen, um den Gegenstand auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, und der eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist.
Die WO 82/02593 offenbart ein Heiztemperaturregelverfahren bei einer Hochfrequenzinduktion in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Heiztemperaturregelverfahren bei einer Hochfrequenzinduktionsheizung bereit, bei dem ein Resonanzkreis, der eine Hochfrequenzinduktionsheizspule aufweist, mit elektrischem Strom von einem Hochfrequenzstromversorgungsgerät versorgt wird, wobei der Resonanzkreis in einen Resonanzzustand eingestellt wird, und bei dem eine Heiztemperatur eines Gegenstandes, der mittels der Spule erwärmt werden soll, auf der Basis einer Resonanzfrequenz des Resonanzkreises geregelt wird, wobei sich die Resonanzfrequenz als eine Funktion der Temperatur des Gegenstandes verändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein Reihenresonanzkreis ist, der einen Kondensator zwischen dem Stromversorgungsgerät und der Spule umfaßt: und daß das Verfahren das Regeln des Stromversorgungsgerätes umfaßt, so daß eine Phase einer Hochfrequenzspannung, die durch das Stromversorgungsgerät erzeugt wird, im wesentlichen mit einer Phase eines Hochfrequenzstromes zusammenfällt, der durch die Spule fließt, wodurch der Resonanzkreis in einem Resonanzzustand gehalten wird.
Vorzugsweise weist das Stromversorgungsgerät einen Wechselrichter für das Verändern des Gleichstromes in Hochfrequenzwechselstrom auf, und das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Ermitteln der Induktivität der Spule, indem die Hochfrequenz auf Resonanz gebracht wird;
Ableiten einer relativen Permeabilität proportional zur Induktivität:
Berechnen einer Temperatur entsprechend der relativen Permeabilität in Übereinstimmung mit den in einem Speicher gespeicherten Daten; und
Regeln der Temperatur als Reaktion auf eine Veränderung der Hochfrequenz, um so die Spule mit einer hohen Geschwindigkeit genau zu erwärmen.
Der erwärmte Gegenstand kann ein Katalysator für das Reinigen des Abgases eines Kraftfahrzeuges beim vorangehend angeführten Heiztemperaturregelverfahren sein.
Der Regelapparat entsprechend der vorliegenden Erfindung weist auf:
(a) ein Hochfrequenzstromversorgungsgerät;
(b) einen Resonanzkreis, der einen Reihenresonanzkreis einer Hochfrequenzinduktionsheizspule für die Hochfrequenzinduktionsheizung eines zu erwärmenden Gegenstandes und einen Kondensator umfaßt, damit elektrischer Hochfrequenzstrom vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät zugeführt wird;
(c) einen Phasenregelkreis für das Regeln der Stromversorgungsfrequenz des Hochfrequenzstromversorgungsgerätes, so daß eine Phase einer Hochfrequenzspannung, die durch das Hochfrequenzstromversorgungsgerät erzeugt wird, im wesentlichen mit einer Phase eines Hochfrequenzstromes zusammenfällt, der durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule fließt, um immer den Resonanzkreis in einen Resonanzzustand einzustellen: und
(d) einen Markierungssignalerzeugungskreis für das Nachweisen, daß die Stromversorgungsfrequenz des Hochfrequenzstromversorgungsgerätes eine vorgegebene Frequenz erreicht, um ein vorgegebenes Markierungssignal zu erzeugen:
wodurch der Gegenstand kontinuierlich hochfrequenzinduktionserwärmt wird, während der Resonanzkreis immer in den Resonanzzustand durch den Regelkreis als Reaktion auf eine Veränderung der Impedanz der Hochfrequenzinduktionsheizspule infolge der erhöhten Temperatur des zu erwärmenden Gegenstandes eingestellt wird, und die Zuführung von elektrischem Strom zum Resonanzkreis von der Hochfrequenzstromversorgung auf der Basis des Markierungssignales unterbrochen wird, das durch den Markierungssignalerzeugungskreis erzeugt wird, wenn eine Resonanzfrequenz des Resonanzkreises eine vorgegebene Frequenz erreicht.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist die folgende. Das heißt, die Resonanzfrequenz in dem Fall, wo der Resonanzkreis, der die Hochfrequenzinduktionsheizspule umfaßt, in den Resonanzzustand eingestellt wird, wird bei erhöhter Temperatur des zu erwärmenden Gegenstandes verändert. Dementsprechend wird die Veränderung der Temperatur des zu erwärmenden Gegenstandes vorher für einen Parameter der Resonanzfrequenz in dem Fall erhalten, wo der Resonanzkreis immer in den Resonanzzustand eingestellt ist, so daß eine Heiztemperatur des zu erwärmenden Gegenstandes auf der Basis der Resonanzfrequenz nachgewiesen und das Erwärmen des Gegenstandes als Reaktion auf den Nachweis zur Regelung der Heiztemperatur unterbrochen werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Teils des Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur- Regelapparates, der benutzt wird, um ein Heiztemperaturregelverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung durchzuführen:
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die einen Katalysator veranschaulicht, der ein zu erwärmender Gegenstand ist, und der in einer Hochfrequenzinduktionsheizspule angeordnet ist:
Fig. 3 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung der Induktivität L und der relativen Permeabilität us der Hochfrequenzinduktionsheizspule zeigt:
Fig. 4 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung der Temperatur T und der relativen Permeabilität us des zu erwärmenden Gegenstandes zeigt:
Fig. 5 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung der Temperatur T des zu erwärmenden Gegenstandes und der Induktivität L der Hochfrequenzinduktionsheizspule zeigt:
Fig. 6 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung der Temperatur T des zu erwärmenden Gegenstandes und der Resonanzfrequenz fo zeigt:
Fig. 7 ein Schaltbild, das ein tatsächliches Beispiel eines Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparates entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt:
Fig. 8 eine grafische Darstellung, die die Temperatur T in einer Position r eines Katalysators zeigt, der ein zu erwärmender Gegenstand ist:
Fig. 9 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung der Heizzeit t und der Temperatur T des Katalysators zeigt:
Fig. 10 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung einer Heizzeit t und einer Resonanzfrequenz 1% zeigt:
Fig. 11 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung einer Heizzeit t und einer Temperatur T des Katalysators zeigt: und
Fig. 12 ein Schaltbild eines konventionellen Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur- Regelapparates.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt detailliert mit Bezugnahme auf Fig. 1 bis 11 beschrieben.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch einen Teil eines Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparates 1, der verwendet wird, um ein Heiztemperaturregelverfahren bei einer Hochfrequenzheizung entsprechend der vorliegenden Erfindung durchzuführen. In Fig. 1 kennzeichnet die Zahl 2 eine Gleichstromversorgung. 3 einen Wechselrichter für das Umwandeln des von der Gleichstromversorgung 2 zugeführten elektrischen Stromes in einen elektrischen Hochfrequenzstrom, 4 einen Resonanzkreis, der durch einen Reihenkreis eines Resonanzkondensators 5 und einer Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 gebildet wird, der mit elektrischem Hochfrequenzstrom vom Wechselrichter 3 versorgt wird, 7 einen Stromwandler für das Nachweisen eines Hochfrequenzstromes, der durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 fließt, und 8 einen Phasenregelkreis-Schwingungskreis, der mit einem Strom, der durch den Stromwandler 7 fließt, und einer Ausgangsspannung des Wechselrichters 3 versorgt wird.
Außerdem kennzeichnet in Fig. 1 die Zahl 9 einen Gegenstand, der mittels der Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 durch Hochfrequenzinduktion erwärmt werden soll, und der zu erwärmende Gegenstand der Ausführung ist ein Katalysator für das Reinigen von Abgas, der in einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, umfaßt der Katalysator 9 eine Tafel Stahlblech, das spiralförmig gewickelt ist und eine katalytische Schicht aus Platin oder dergleichen aufweist, die auf deren Oberfläche gebildet wird. Die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 ist über dem Katalysator 9 konzentrisch angeordnet.
In der Vorrichtung 1 wird der Wechselrichter 3 gesteuert, damit er auf der Basis einer Frequenz f eines Steuersignales betrieben wird, das vom Phasenregelkreis- Schwingungskreis 8 erzeugt wird, und der Wechselrichter 3 erzeugt einen elektrischen Hochfrequenzstrom, der die gleiche Frequenz wie die Frequenz f aufweist, so daß der Resonanzkreis 4 immer in den Resonanzzustand eingestellt wird.
Wenn eine Impedanz Zr der Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 ausgedrückt wird, wie durch die folgende Gleichung (a) beschrieben wird, wird eine Impedanz Zo, wenn sie von der Stromversorgungsseite aus betrachtet wird, so ausgedrückt, wie sie durch die folgende Gleichung (b) beschrieben wird, da der Resonanzkondensator C und die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 einen Reihenkreis bilden.
Zr = r + i · 2πf · L... (a)
worin sind: r eine reine Widerstandskomponente der Spule 6, wenn der Katalysator 9 in die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 eingesetzt wird: L eine Induktivität der Spule 6: und f eine Frequenz.
Zo = (r + i · 2πf · L) - i · 1/2πfC = r + i · (2πfL - 1/2πfC) = Zo · &epsi;¹&sup8;... (b)
worin ist:
Wenn der Resonanzkreis 4, der durch den Reihenkreis des Resonanzkondensators C und die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 gebildet wird, so gesteuert wird, daß er sich im Resonanzzustand befindet, beträgt B der vorangehend angeführten Gleichung (c) 0 Grad (θ = 0º). Die Resonanzfrequenz zu diesem Zeitpunkt ist, wie durch die folgende Gleichung (d) beschrieben wird.
worin k&sub1; eine Konstante ist.
Andererseits ist eine Beziehung der Induktivität L und der relativen Permeabilität us der Hochfrequenzinduktionsheizspule 6, wenn von der Stromversorgungsseite betrachtet wird, in dem Zustand, wo der Katalysator 9 in die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 eingesetzt wird, in einem proportionalen Verhältnis, wie in Fig. 3 gezeigt wird, und wird durch die folgende Gleichung (e) ausgedrückt.
L k&sub2; · us... (e)
worin k&sub2; eine Konstante und us die relative Permeabilität sind.
Außerdem ist eine Beziehung der relativen Permeabilität us und einer Temperatur T des zu erwärmenden Gegenstandes in einer Korrelationsbeziehung, wie in Fig. 4 gezeigt wird, und weist eine lineare Funktion in ihrem spezifischen Bereich R auf, wie in der folgenden Gleichung (f) gezeigt wird. Eine Beziehung der Temperatur T des Gegenstandes und der Induktivität L der Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 ist so, wie in Fig. 5 gezeigt wird.
usF(T)... (f)
Wenn eine Beziehung der Temperatur T des Gegenstandes und der Resonanzfrequenz fo aus den vorangehend angeführten Gleichungen (d), (e) und (f) erhalten wird, wird daher die folgende Gleichung (g) erhalten. Deren Beziehung ist, wie in Fig. 6 gezeigt wird.
worin K eine Konstante ist.
Dementsprechend wird man aus der Gleichung (g) verstehen, daß die Temperatur T und die Resonanzfrequenz fo eine eineindeutige Übereinstimmung zueinander im spezifischen Bereich aufweisen. Dementsprechend kann man verstehen, daß die Temperatur T des zu erwärmenden Gegenstandes (Katalysator 9) auf der Basis der Resonanzfrequenz fo nachgewiesen werden kann.
Im Apparat 1 der Fig. 1 fließt daher, da der elektrische Hochfrequenzstrom dem Resonanzkreis 4 vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät 10, das die Gleichstromversorgung 2 und den Wechselrichter 3 umfaßt, zugeführt wird, ein Hochfrequenzstrom durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6, um dadurch den Katalysator 9 durch Induktion zu erwärmen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Ausgangsspannung v des Hochfrequenzstromversorgungsgerätes 10 dem Phasenregelkreis, Schwingungskreis 8 zugeführt, und ein Hochfrequenzstrom i, der durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 fließt, wird ebenfalls dem Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 durch den Stromwandler 7 zugeführt, so daß ein Steuersignal mit einer Frequenz f in Übereinstimmung mit der Hochfrequenzspannung v und dem Hochfrequenzstrom i, der dem Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 zugeführt wird, dem Wechselrichter 3 vom Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 zugeführt wird. Folglich wird der elektrische Hochfrequenzstrom mit der gleichen Frequenz f wie der des Steuersignales dem Resonanzkreis 4 vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät 10 zugeführt, so daß der Resonanzkreis 4 gesteuert wird, damit er immer im Resonanzzustand ist.
Genauer gesagt, da der Katalysator 9 durch Induktion erwärmt und seine Temperatur angehoben wird, wird die relative Permeabilität us verändert. Daher wird der Resonanzkreis 4 immer durch die Funktion des Phasenregelkreis-Schwingungskreises 8 in den Resonanzzustand eingestellt, um so der Veränderung der relativen Permeabilität zu folgen. Auf diese Weise, wenn die Resonanzfrequenz allmählich verändert wird, und eine vorgegebene Frequenz erreicht, wird die Zuführung von elektrischem Strom vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät 10 unterbrochen.
In diesem Fall wird eine Beziehung der Resonanzfrequenz fo des Resonanzkreises 4 und der Heiztemperatur T des Katalysators 9 vorher erhalten. Wenn die Resonanzfrequenz, die einer gewünschten Heiztemperatur entspricht, erreicht wird, kann die Zuführung von elektrischem Strom unterbrochen werden, um dadurch die Heiztemperatur des Katalysators 9 auf eine gewünschte Temperatur einzustellen.
Fig. 7 veranschaulicht schematisch ein eindeutiges Beispiel, bei dem der Kreis aus Fig. 1 benutzt wird, d. h., ein Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparat 12 entsprechend der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 werden gleiche Elemente wie jene in Fig. 1 mit den gleichen Zahlen gekennzeichnet, und ihre detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
Wie in Fig. 7 veranschaulicht wird, umfaßt der Apparat 12 dieses Beispiels: das Hochfrequenzstromversorgungsgerät 10, das aus der Gleichstromversorgung 2 und dem Wechselrichter 3 besteht: den Resonanzkreis 4, der aus dem Resonanzkondensator 5 und der Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 besteht: einen Phasenregelkreis 15, der aus dem Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 und ersten und zweiten Torschaltungen 13 und 14 besteht: einen Markierungssignalerzeugungskreis 16 für das Erzeugen eines vorgegebenen Markierungssignales auf der Basis einer Ausgangsfrequenz des Phasenregelkreis- Schwingungskreises 8: und ein Flipflop 18 für das Erzeugen eines Umschaltsignales für das Umschalten eines Umschalters 17 für das Unterbrechen der Erwärmung aus einem Einschaltzustand in einen Ausschaltzustand auf der Basis des Markierungssignales.
Der Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 umfaßt: einen Phasenvergleicher 20 für das Vergleichen einer Phase der Hochfrequenzspannung v vom Wechselrichter 3 mit einer Phase des Hochfrequenzstromes i vom Stromwandler 7: einen Tiefpaßfilter 21, durch den ein Ausgang des Phasenvergleichers 20 hindurchgeht: und einen spannungsgesteuerten Oszillator 22, der auf der Basis einer Steuerspannung vom Tiefpaßfilter 21 betrieben wird.
Andererseits umfaßt der Markierungssignalerzeugungskreis 16: einen Frequenzzähler 24, der mit einem Ausgang des spannungsgesteuerten Osziallators 22 des Phasenregelkreis- Schwingungskreises 8 versorgt wird: eine Frequenzeinstellvorrichtung 25, die in der Lage ist, eine gewünschte Frequenz einzustellen: und einen Frequenzvergleicher 26 für das Vergleichen eines Ausganges des Frequenzzählers 24 mit einem Ausgang der Frequenzeinstellvorrichtung 25, um das Markierungssignal dem Flipflop 18 zuzuführen, wenn einer vorgegebenen Bedingung entsprochen wird.
Außerdem wird der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 22 des Phasenregelkreis-Schwingungskreises 8 der ersten Torschaltung 13 zugeführt. Die zweite Torschaltung 14 wird mit einem Ausgangssignal des Flipflop 18 versorgt, und sie, wird ebenfalls mit einer vorgegebenen Eingangsspannung +V durch den Umschalter 17 versorgt. Daher wird ein Ausgangssignal von der zweiten Torschaltung 14 der ersten Torschaltung 13 zugeführt, und ein Ausgangssignal der ersten Torschaltung 13 wird dem Wechselrichter 3 als das Frequenzsteuersignal zugeführt.
Die Funktionsweise des so aufgebauten Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur- Regelapparates 12 wird jetzt beschrieben.
Zuerst zu Beginn der Heizung wird der Umschalter eingeschaltet, und die Ausgangsfrequenz des Phasenregelkreis-Schwingungskreises 8 wird durch die erste Torschaltung 13 dem Wechselrichter 3 zugeführt.
In diesem Zustand, wenn die Gleichspannung dem Wechselrichter 3 von der Gleichstromversorgung 2 zugeführt wird, wird die Gleichspannung durch den Wechselrichter 3 in die Hochfrequenzspannung umgewandelt. In diesem Fall wird der Wechselrichter 3 durch das Steuersignal angetrieben, das von der ersten Torschaltung 13 zugeführt wird, und der Wechselrichter 3 erzeugt die Hochfrequenzspannung v mit der gleichen Frequenz f wie der des Steuersignales.
Die Hochfrequenzspannung v wird dem Resonanzkreis 4 zugeführt, so daß der Hochfrequenzstrom in die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 fließt, um dadurch den Katalysator 9 (der zu erwärmende Gegenstand) durch Induktion zu erwärmen, der in die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 eingesetzt wird, so daß die Temperatur des Katalysators erhöht wird. In diesem Fall wird der Katalysator 9 allmählich von seinem äußeren Umfang aus erwärmt, wie in Fig. 8 gezeigt wird, und die Temperatur T des Katalysators 9 wird mit dem Vergehen der Heizzeit t verändert, wie in Fig. 9 gezeigt wird.
Während der vorangehend angeführten Induktionsheizung wird der Hochfrequenzstrom, der durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 fließt, dem Phasenvergleicher 20 durch den Stromwandler 7 zugeführt. Der Phasenvergleicher 20 vergleicht die Phase des Hochfrequenzstromes i vom Stromwandler 7 mit der Phase der Ausgangsspannung v vom Wechselrichter 3, um ein Spannungssignal proportional einer Phasendifferenz zwischen dem Hochfrequenzstrom i und der Ausgangsspannung v zu erzeugen. Eine Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 20 wird dem Tiefpaßfilter 21 zugeführt, in dem harmonische Oberschwingungen der Ausgangsspannung entfernt werden, damit sie in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Die Gleichspannung wird dem spannungsgesteuerten Oszillator 22 zugeführt.
Daher funktioniert der Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 so, daß die Frequenz f des Schwingungsausganges des spannungsgesteuerten Oszillators 22 hoch ist, wenn die Phase des Hochfrequenzstromes i voreilt (θ < 0º) verglichen mit der Phase der Ausgangsspannung v, und im Gegensatz wird die Frequenz f niedrig, wenn die Phase des Hochfrequenzstromes i verzögert wird (θ > 0º), verglichen mit der Phase der Ausgangsspannung v.
Andererseits wird beim Schwingungskreis 4, der den Reihenkreis des Resonanzkondensators 5 und der Hochfrequenzinduktionsheizung 6 umfaßt, wenn die Frequenz der Stromversorgungsspannung, die vom Wechselrichter 3 zugeführt wird (d. h.. die Schwingungsfrequenz f des spannungskontrollierten Oszillators 22), hoch ist, die Phase des Hochfrequenzstromes i verzögert, verglichen mit der Phase der Ausgangsspannung v, und im Gegensatz, wenn die Frequenz f der Stromversorgungsspannung niedrig ist, eilt die Phase des Hochfrequenzstromes i vor, verglichen mit der Phase der Ausgangsspannung v. Daher, wenn der Resonanzkondensator 5 und die Hochfrequenzinduktionsheizspule 6 in Resonanz gebracht werden, so daß sich der Resonanzkreis 4 im Resonanzzustand befindet, funktioniert der Phasenregelkreis-Schwingungskreis, um die Phasendifferenz der Ausgangsspannung v und des Hochfrequenzstromes i zu minimieren (θ = 0º).
Dementsprechend befindet sich die Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 20 im Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8' im negativen Rückkopplungszustand mit Bezugnahme auf die Schwingungsfrequenz f des spannungskontrollierten Oszillators 22, und schließlich wird die Phasendifferenz B der Ausgangsspannung v und des Hochfrequenzstromes i automatisch so gesteuert, daß sie 0º gleicht, d. h., der Resonanzkreis 4 wird automatisch so gesteuert, daß er sich im Resonanzzustand befindet.
Die relative Permeabilität us wird mit Zunahme der Heiztemperatur des Katalysators 9 verändert, wie es vorangehend beschrieben wird, um dadurch die Resonanzfrequenz fo zu verschieben, während der Resonanzzustand immer automatisch mittels des Phasengleichlaufes durch den Phasenregelkreis-Schwingungskreis 8 eingestellt wird, und der folgende Arbeitsgang zum Resonanzzustand wird automatisch für einen Parameter der Schwingungsfrequenz f durchgeführt. Daher wird die Resonanzfrequenz fo mit dem Vergehen der Heizzeit t verändert, wie in Fig. 10 gezeigt wird.
Andererseits wird die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 22 dem Frequenzzähler 24 zugeführt, so daß die Schwingungsfrequenz f in ein Digitalsignal durch den Frequenzzähler 24 umgewandelt wird. Das Digitalsignal wird dem Frequenzvergleicher 26 zugeführt, damit es mit einem Sollwert der Frequenzeinstellvorrichtung 25 verglichen wird. Der Einstellvorgang des Sollwertes wird so ausgeführt, daß eine Beziehung der Resonanzfrequenz und der Heiztemperatur im zu erwärmenden Katalysator 9 vorher erhalten wird, und die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird gleich dem Zahlenwert der Resonanzfrequenz eingestellt, die einer gewünschten Heiztemperatur entspricht.
Wenn die Frequenz des Frequenzzählers 24 die Frequenz der Frequenzeinstellvorrichtung 25 übersteigt, wird das Markierungssignal durch den Frequenzvergleicher 26 erzeugt und dem Flipflop 18 zugeführt, damit es im Flipflop gehalten wird. Der Flipflop 18 erzeugt ein vorgegebenes Heizungsunterbrechungssignal als Reaktion auf das Markierungssignal, das einem Regler zugeführt wird, der nicht gezeigt wird. Daher wird das Heizungsunterbrechungssignal der zweiten Torschaltung 14 zugeführt, und der Umschalter 17 wird vom Einschaltzustand in den Ausschaltzustand in Übereinstimmung mit dem Heizungsunterbrechungssignal umgeschaltet, um dadurch die Zuführung des elektrischen Stromes +V zur zweiten Torschaltung 14 zu unterbrechen. Folglich wird der Frequenzausgang des Phasenregelkreis-Kreises 8 durch die erste Torschaltung 13 unterbrochen und nicht dem Wechselrichter 3 zugeführt.
Im Ergebnis dessen wird die Zuführung der Hochfrequenzspannung zum Resonanzkreis 4 unterbrochen, und die Induktionsheizung wird unterbrochen, unmittelbar nachdem die Temperatur des Katalysators 9 die gewünschte eingestellte Temperatur erreicht hat. Entsprechend dem Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparat 12, der vorangehend beschrieben wird, kann der Resonanzkreis 4 immer in den Resonanzzustand eingestellt werden, und der Katalysator 9 kann genau auf die gewünschte Temperatur für einen Parameter der Resonanzfrequenz fo induktionserwärmt werden, die sich mit dem Anstieg der Heiztemperatur des Katalysators 9 verändert. Das heißt, da die Temperatur T des Katalysators 9 eine eineindeutige Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz fo aufweist, wie in Fig. 11 gezeigt wird, kann die Heiztemperatur des Katalysators 9 auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden, indem vorher der Zahlenwert der Resonanzfrequenz fo der Frequenzeinstellvorrichtung 25 eingegeben wird. Dementsprechend kann genau verhindert werden, daß der Katalysator 9 auf die eingestellte Temperatur erwärmt oder auf eine Temperatur überhitzt wird, die höher ist als die eingestellte Temperatur.
Bei der Ausführung ist der zu erwärmende Gegenstand der Katalysator 9, der ein spiralförmig gewickelter Körper ist, wie er vorangehend beschrieben wird. Dementsprechend, wenn der Katalysator induktionserwärmt wird, tritt eine große Differenz hinsichtlich der Temperatur zwischen dessen äußerem Umfang und innerem Umfang auf. Dementsprechend taucht die Frage auf, wie die Heiztemperatur des Katalysators 9 ermittelt wird. Dementsprechend kann beispielsweise die Beziehung der Heiztemperatur und der Resonanzfrequenz vorher unter der Bedingung erhalten werden, daß eine Temperatur des äußeren peripheren Teils, der etwa 75% der gesamten Querschnittfläche aufweist, senkrecht zu einer axialen Linie des Katalysators 9, eine gewünschte Heiztemperatur übersteigt.
Die vorangegangene Beschreibung wurde für die Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgenommen, während die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführung beschränkt ist, und innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung können verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise können die Nachweiseinrichtung und die Nachweisstelle des Markierungssignales, die Heizungsunterbrechungseinrichtung auf der Basis des Markierungssignales und dergleichen angemessen verändert werden, wenn es erforderlich ist. Außerdem ist es selbstverständlich, daß das Heiztemperaturregelverfahren und der Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparat der vorliegenden Erfindung nicht nur beim Katalysator 9 zur Anwendung gebracht werden können, sondern ebenfalls bei verschiedenen durch Induktion zu erwärmenden Gegenständen.
Wie es vorangehend beschrieben wird, kann entsprechend der vorliegenden Erfindung da der Resonanzkreis mit der Hochfrequenzinduktionsheizspule in den Resonanzzustand eingestellt wird und die Heiztemperatur des zu erwärmenden Gegenstandes auf der Basis der Resonanzfrequenz gesteuert wird, die sich mit erhöhter Temperatur des Gegenstandes im Resonanzzustand verändert, der Gegenstand genau und schnell auf eine gewünschte Temperatur ohne Verwendung eines Thermoelement-Meßfühlers und eines Zeitrelais erwärmt werden. Mit anderen Worten, da die Heiztemperatur des zu erwärmenden Gegenstandes für einen Parameter der Resonanzfrequenz bei der Induktionsheizung nachgewiesen wird, kann der Gegenstand mit hoher Genauigkeit induktionserwärmt werden, und die Heiztemperatur kann äußerst schnell nachgewiesen werden, verglichen mit dem Fall, wo ein Thermoelement-Meßfühler verwendet wird, um dadurch eine für die Heizung erforderliche Zeit zu reduzieren.
Außerdem besteht beim konventionellen Verfahren bei Verwendung eines Zeitrelais die Möglichkeit, daß der Gegenstand nicht auf eine vorgegebene Temperatur infolge der Streuung einer Abmessung des Gegenstandes (Verformung und Exzentrizität), die in nicht kleinen Mengen auftritt, und einer Verschlechterung der Materialmenge, die durch eine säkulare Veränderung hervorgerufen werden, erwärmt wird, selbst wenn ein vorgegebener elektrischer Strom zugeführt wird, obgleich entsprechend der vorliegenden Erfindung, da die Resonanzfrequenz als Nachweis für die Heiztemperatur benutzt wird, der Gegenstand immer auf eine gewünschte Temperatur ohne Einfluß einer säkularen Veränderung für einzelne Gegenstände induktionserwärmt werden kann und sehr praktisch ist.

Claims

1. Heiztemperaturregelverfahren bei der Hochfrequenzinduktionsheizung, bei dem ein Resonanzkreis, der eine Hochfrequenzinduktionsheizspule aufweist, mit elektrischem Strom von einem Hochfrequenzstromversorgungsgerät versorgt wird, wobei der Resonanzkreis in einen Resonanzzustand eingestellt wird, und bei dem eine Heiztemperatur eines Gegenstandes, der mittels der Spule erwärmt werden soll, auf der Basis einer Resonanzfrequenz des Resonanzkreises geregelt wird, wobei sich die Resonanzfrequenz als eine Funktion der Temperatur des Gegenstandes verändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein Reihenresonanzkreis ist, der einen Kondensator zwischen dem Stromversorgungsgerät und der Spule umfaßt: und daß das Verfahren das Regeln des Stromversorgungsgerätes umfaßt, so daß eine Phase einer Hochfrequenzspannung, die durch das Stromversorgungsgerät erzeugt wird, im wesentlichen mit einer Phase eines Hochfrequenzstromes zusammenfällt, der durch die Spule fließt, wodurch der Resonanzkreis in einem Resonanzzustand gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Stromversorgungsgerät einen Wechselrichter für das Verändern des Gleichstromes in Hochfrequenzwechselstrom aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Ermitteln der Induktivität (L) der Spule, indem die Hochfrequenz auf Resonanz gebracht wird:

Ableiten einer relativen Permeabilität (us) proportional zur Induktivität (L);

Berechnen einer Temperatur (T) entsprechend der relativen Permeabilität (us) in Übereinstimmung mit den in einem Speicher gespeicherten Daten: und Regeln der Temperatur.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zu erwärmende Gegenstand ein Katalysator für das Reinigen des Abgases eines Kraftfahrzeuges ist.

4. Hochfrequenzinduktionsheiztemperatur-Regelapparat, der aufweist: ein Hochfrequenzstromversorgungsgerät (10): und einen Resonanzkreis (4), der vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät (10) mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei der Resonanzkreis (4) eine Hochfrequenzinduktionsheizspule (6) für die Hochfrequenzinduktionsheizung eines Gegenstandes (9) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Resonanzkreis (4) ein Reihenresonanzkreis ist, der einen Kondensator (5) zwischen dem Hochfrequenzstromversorgungsgerät (10) und der Hochfrequenzinduktionsheizspule (6) umfaßt;

einen Phasenregelkreis (15) für das Regeln der Stromversorgungsfrequenz des Hochfrequenzstromversorgungsgerätes (10), so daß eine Phase einer Hochfrequenzspannung, die durch das Hochfrequenzstromversorgungsgerät (10) erzeugt wird, im wesentlichen mit einer Phase eines Hochfrequenzstromes zusammenfällt, der durch die

Hochfrequenzinduktionsheizspule (6) fließt, um immer den Resonanzkreis (4) in einen Resonanzzustand einzustellen: und

einen Markierungssignalerzeugungskreis (16) für das Nachweisen, daß das Stromversorgungsgerät (10) eine vorgegebene Frequenz erreicht, und für das Erzeugen eines vorgegebenen Markierungssignales;

wodurch der Gegenstand (9) kontinuierlich hochfrequenzinduktionserwärmt wird, während der Resonanzkreis (4) immer in den Resonanzzustand durch den Regelkreis (15) als Reaktion auf eine Veränderung der Impedanz der Hochfrequenzinduktionsheizspule (6) infolge der erhöhten Temperatur des zu erwärmenden Gegenstandes (9) eingestellt wird, und die Zuführung von elektrischem Strom zum Resonanzkreis (4) vom Hochfrequenzstromversorgungsgerät (10) auf der Basis des Markierungssignales unterbrochen wird, das erzeugt wird, wenn die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises (4) die vorgegebene Frequenz erreicht.