JP2002367763A

JP2002367763A - 誘導加熱装置およびこれを用いた加熱方法

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Publication number: JP2002367763A
Application number: JP2001176919A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nanba; 秀之難波; Naoki Uchida; 直喜内田; Keiji Kawanaka; 啓二川中
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-20

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷回路の電圧・電流マッチングの大きく異
なる幅広の板、幅狭の板について、一方に基準を置き、
電源装置を設計するため、他方の材料の処理量が著しく
減少してしまうという問題を解決する。【解決手段】電源部に共振型インバータを用い、加熱
コイルとの整合を行う整合コンデンサ２６と並列に調整
用コンデンサ２８ｎを接続するとともに、前記調整用コ
ンデンサへ通電回路のスイッチング手段３０ｎを設け
る。加熱対象金属板の種類に対応して前記スイッチング
手段を切換えて整合コンデンサ容量を変更可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は誘導加熱装置および
これを用いた加熱方法に係り、特に加熱対象金属板の搬
送速度が変更になった場合でも設定加熱量を維持できる
ようにした誘導加熱装置およびこれを用いた加熱方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄板を連続してガス炉などの均熱
炉で熱処理する場合、ガス炉の立ち上がり温度の管理が
困難で、温度の制御性が悪いため通板される板材の幅が
変更になったとき投入熱量の調整が問題となる。例え
ば、板幅が大きいものから小さいものへ幅変更しながら
連続加熱しようとする場合、コイラから繰り出される幅
広の板材と次の幅狭の板材とを互いに接合して連続的に
加熱炉に通すようにしている。しかし、継ぎ目部分が到
達する前に狭幅板材に合わせて加熱量を減少させると幅
広板材の加熱不足部分が発生し、逆に幅広板材の継ぎ目
部分まで幅広板材に必要な加熱量を投入すると狭幅板材
に過剰加熱部分が発生してしまう。したがって、ガス炉
のような均熱炉に連続して幅寸法の異なる板材を通過さ
せて加熱しようとすると、温度の立ち上がりが非常に緩
慢なので、異種材料の継ぎ目部分で加熱不足や過剰加熱
領域が生じてしまう。

【０００３】温度制御性が良いものとして誘導加熱装置
があるが、この種の誘導加熱装置で金属板材を加熱する
場合は、板材のサイズによって適正周波数が定まり、加
熱温度によって投入電力が定まる。したがって、通常は
連続的に通過する金属板材の速度を一定にして加熱処理
を行っている。しかし、被加熱材のサイズが変更するよ
うな場合、例えば幅広の板材から狭幅板材に連続して変
更する場合には、処理ラインでの処理トン数を板材の変
更に関係なく一定に保持しようとするため、狭幅板材の
搬送速度が速くなってしまう。これを誘導加熱装置に通
過させると、単位面積当たりに投入されるパワーが小さ
くなり、所望の加熱温度まで加熱できなくなってしま
う。したがって、従来、誘導加熱装置を用いて板材を加
熱する場合には、被加熱材の基準サイズに対応してセッ
ティングされた誘導加熱装置が用いられ、基準サイズ以
外の被加熱材においては、処理能力を制限されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、多品種少量
生産の要求に対応するために、誘導加熱装置も複数種に
対応して処理できるようにすることが望ましい。しかし
ながら、誘導加熱装置による昇温作用はコイル電流に比
例するが、コイル電流そのものは周波数、整合コンデン
サのキャパシタ、コイル電圧に比例する。また、共振型
インバータの一般的な特性は最大の定格投入電力Ｗ（ｋ
Ｗ）は定格最大電圧でセッティングされている。

【０００５】したがって、板材の加熱ラインでの処理量
を一定に維持しようとして搬送速度を上げるが、特に幅
広材から狭幅材に変更する場合、被加熱材の搬送速度を
速くすることによって加熱不足となる。これを防止する
ためにコイル電流を増大しようとすると、コイル電圧を
増大する必要が生じるが、単一の誘導加熱装置では上記
のように定格投入電力が定格の最大電圧でセッティング
されているので、パワーを上げることができないという
問題を生じてしまう。

【０００６】本発明は、上記従来の問題点に着目し、周
波数を切り換えることなく異なるサイズの被加熱材を誘
導加熱するため、負荷回路の電圧・電流マッチングの大
きく異なる幅広の板、幅狭の板について、一方に基準を
置き、電源装置を設計するため、他方の材料の処理量が
著しく減少してしまうという問題を解決することのでき
る誘導加熱装置を提供することを目的としている。広範
囲の板幅の材料において、誘導加熱装置における負荷回
路のマッチングの制約から発生する処理量の低下を抑制
することを目的とする。

【０００７】また、ガス炉などの均熱炉にて異なる種類
の被加熱材を連続的に加熱する際、材種の変更に合わせ
て均熱炉の温度調整を行ったときの過渡的な温度調整に
伴う加熱不足や過剰加熱となる領域の発生を防止するこ
とのできる加熱方法を提供することを目的とする。すな
わち、均熱炉のような均熱炉で、立ち上がり温度の管理
の補助的な加熱手段として、温度制御性の高い誘導加熱
装置を用いることによって板幅の異なる板材を連続して
適正加熱することができる加熱方法を提供するを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る誘導加熱装置は、電源部に共振型イン
バータを用い、加熱コイルとの整合を行う整合コンデン
サと並列に調整用コンデンサを接続するとともに、前記
調整用コンデンサへ通電回路のスイッチング手段を設
け、加熱対象金属板の種類に対応して前記スイッチング
手段を切換えて整合コンデンサ容量を変更可能としたも
のである。

【０００９】また、本発明に係る誘導加熱装置は、電源
部に共振型インバータを用い、加熱コイルとの整合を行
う複数の並列接続された整合コンデンサと、前記整合コ
ンデンサへ通電回路のスイッチング手段を設け、加熱対
象金属板の種類に対応して前記スイッチング手段を切換
えるコントローラを設けた構成としている。

【００１０】本発明に係る誘導加熱装置を用いた加熱方
法は、ガス炉その他の均熱炉へ投入される加熱対象金属
板のサイズ変更に伴う均熱炉の温度調整をサイズ変更箇
所の到達以前に行い、温度調整に伴う加熱不足領域を誘
導加熱装置により調整加熱して均熱加熱をなすように構
成した。

【００１１】また、ガス炉その他の均熱炉へ投入される
加熱対象金属板のサイズ変更に伴う均熱炉の温度調整を
サイズ変更箇所の到達以後に行い、温度調整に伴う加熱
不足領域を誘導加熱装置により調整加熱して均熱加熱を
なすように構成した。これらの場合において、前記誘導
加熱装置は電源部に共振型インバータを用い、加熱コイ
ルとの整合を行う整合コンデンサの容量を加熱対象金属
板のサイズの変更に応じて変更して定格投入電力近傍で
加熱可能としている。

【００１２】上述構成によれば、加熱コイルに流れる電
流について、前段の幅広材よりは高速で搬送されてしま
うために、より大電流が必要な幅狭材に対し、より低い
加熱周波数を適用することにより、インバータ出力電流
あるいは電圧の制限に起因する出力制限を回避でき、広
範囲の板幅の薄板を処理量の低下なく加熱できるように
したものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る誘導加熱装
置およびこれを用いた加熱方法の具体的実施形態を、図
面を参照しつつ、詳細に説明する。図１は、本発明の実
施の形態に係る誘導加熱装置の構成図である。この実施
形態に係る誘導加熱装置１０は、電源部１２と、当該電
源部１２から電力を供給される整合部４０および負荷コ
イル部１４を備えている。電源部１２は、サイリスタに
よってブリッジ回路を形成した整流回路である順変換部
１６を有し、当該順変換部１６に交流電源１８を接続し
ている。そして、順変換部１６の出力側には、平滑リア
クトル１８を介してインバータ（逆変換部）２０が接続
されている。インバータ２０は、実施形態の場合、電流
型であって、周知のようにダイオードとトランジスタと
を直列接続した辺からなるブリッジ回路によって形成し
ている。

【００１４】インバータ２０の出力側に接続した負荷コ
イル部１４は、被加熱材を加熱するための負荷コイルで
ある加熱コイル２２を有している。そして、加熱コイル
２２とその負荷等価抵抗２４とには、整合コンデンサ２
６が並列に接続してあって、加熱コイル２２と整合コン
デンサ２６とによって並列共振回路を形成している。す
なわち、実施形態の場合、インバータ２０は、並列共振
型インバータを構成しているのである。

【００１５】ここで、実施形態に係る誘導加熱装置１０
では、前記整合コンデンサ２６と並列に、やはり整合コ
ンデンサとしての機能をなす複数の調整用コンデンサ２
８ｎ（ｎ＝1,2,……）を接続している。また、前記調整
用コンデンサ２８ｎへ通電回路のスイッチング手段３０
ｎ（ｎ＝1,2,……）を設けており、加熱対象金属板の種
類に対応して前記スイッチング手段３０ｎを切換えて整
合コンデンサ容量を変更可能としている。このスイッチ
ング手段３０ｎを選択的に作動させるためのコントロー
ラ３２が設けられており、コントローラ３２の指令によ
って選択された調整用コンデンサ２８ｎが作動状態にな
り、加熱コイル２２の整合キャパシタを変えることがで
きる。

【００１６】今、薄板を被加熱部材とする場合について
コントローラ３２により整合キャパシタを変更するには
次のように行う。薄板の場合には周波数を高くするた
め、加熱コイル２２は、図２に示すように、１ターンと
なる。薄板３４の単位表面積に投入できるエネルギ密度
Ｗ／ｃｍ²は、

【数１】として表すことができる。ここで、Ｉ：コイル電流、
ｆ：加熱周波数、Ｋ：電流浸透深さと板厚から決定され
る定数である。定数Ｋは、次のように表される。

【数２】ここで、ａ：板厚、Δ：電流浸透深さである（図３参
照）。また、浸透深さΔは、

【数３】として表される。

【００１７】ここで、コイル電流とコイル電圧の関係
は、

【数４】と表すことができる。ただし、Ｃ：整合コンデンサ量、
Ｖ：コイル電圧、Ｌ：コイルインダクタンスである。

【００１８】また、周波数とＣ、Ｌの関係は、

【数５】であるから、５式を４式のコイル電流Ｉの関係式に代入
すると、

【数６】

【００１９】次に、５式、６式を１式に代入すると、

【数７】となる。

【００２０】コイルが１種類の場合は、Ｌが一定である
ため、Ｖを固定してＷ／ｃｍ²を大きくする場合は、Ｃ
を大きくすれば良い。ここで、５式より、Ｃを大きくす
るとｆが小さくなり、その結果、３式に示す電流浸透深
さが大きくなり、Ｋが減少する。すなわち、Ｋが減少し
ない範囲でＣを大きくすることにより、投入パワーＷ／
ｃｍ²を大きくできるのである。

【００２１】一方、周波数変換器すなわちインバータの
一般的な特性として、出力電圧Ｖと出力可能電力ｋＷの
関係は図４に示すようになっている。すなわち、Ｖ＝１
００％のときにｋＷ＝１００％を得ることができる。
今、上記７式から、

【数８】となり、Ｖを１００％で固定した場合、必要Ｗ／ｃｍ²
を入力すれば、Ｃは決定する。したがって、Ｃを自動演
算することができるのである。

【００２２】したがって、コントローラ３２には、被加
熱材料の板幅寸法、板厚、ライン速度、昇温値などを演
算用入力データとして入力し、これに基づいて必要な投
入パワーＷ／ｃｍ²を算出させる。これにより、上記式
８に基づいて最適な整合コンデンサのキャパシタＣが決
定される。この実施形態では図１に示しているように、
整合コンデンサ２６と並列に調整用コンデンサ２８ｎを
複数接続した構成となっているので、主たる整合コンデ
ンサ２６のキャパシタは固定であるので、これと演算さ
れたキャパシタとの差分を求め、その差分に相当するキ
ャパシタ分に一致もしくは近似するように調整用コンデ
ンサ２６ｎに対応するスイッチング手段３０ｎをオン動
作させれば良い。これによって、整合コンデンサ量が大
きくなって周波数が低くなり、コイル電圧が低くなるの
で、これを定格の電圧分に設定することによりコイル電
流を増大させ、もって投入パワーを大きくすることがで
きる。

【００２３】したがって、板幅が大きいものから小さい
ものへ変更された場合、生産トン数を維持するために搬
送速度を速くした場合、加熱エネルギ不足により被加熱
板材が低温状態となることを防止することができる。こ
のため、一種類の誘導加熱装置で異なるサイズの板材の
加熱に対処することができるものとなっている。このこ
とは、コンデンサを加算するたびに周波数−投入パワー
特性が、図５に示すように、ａからｂ、ｃに変化し、常
に許容最大エネルギのところで加熱処理できることを意
味している。

【００２４】ところで、このような誘導加熱装置をガス
炉や重油炉などの均熱炉と併用して金属材料を加熱する
には次のように行うことにより、均熱炉の立ち上がり温
度特性の加熱不足あるいは過剰加熱に対処することがで
きる。すなわち、ガス炉均熱炉では被加熱材のサイズ変
更に伴って均熱温度を変更する。しかし、均熱炉では温
度の立ち上がり特性が悪いので、例えばサイズの大きい
金属板材に連続してサイズの小さな金属板材を繋いで、
これを連続的に均熱炉に通板する場合、継ぎ目の前後で
加熱条件を変更する。通常、前者の温度条件から後者の
温度条件に変更する場合には、均熱炉の温度を下げる。
しかし、継ぎ目が均熱炉に到達したとしても温度変化は
緩慢にしか変動しないため、本実施形態では次のような
方法を採用する。

【００２５】すなわち、図６に示すように、先行する厚
板部材３４とこれに続く薄板部材３６の継ぎ目３８が到
達する前に温度降下処理を行わせ、継ぎ目到達時点では
薄板加熱に必要な温度条件となっているように処理す
る。そうすると厚板部材３４に温度不足領域３４Ａが発
生する。不足温度は図示ハッチング部分となることが判
る。そこで、炉内もしくはその近傍に図１に示した構成
を有する誘導加熱装置１０を配置し、これで板厚部材３
４の温度不足領域３４Ａを必要温度となるように加熱す
るのである。これによって、均熱炉に連続してサイズの
異なる板材を通したときに、継ぎ目部分の前後で加熱不
足や過剰加熱となっていた領域の発生を防止することが
できる。

【００２６】逆に薄板部材３６が先行して、厚板部材３
４が後続する場合には、継ぎ目３８が到達した後に均熱
炉の昇温処理を行い、炉内で加熱不足が発生する領域を
誘導加熱装置によって最適温度まで調整することができ
る。

【００２７】以上説明したように、本実施形態に係る誘
導加熱装置１０によれば、サイズの異なる被加熱部材を
同一の装置によって定格運転状態で加熱することがで
き、連続してサイズの異なる被加熱部材を加熱処理する
場合に、負荷回路の電圧・電流マッチングの大きく異な
る幅広の板、幅狭の板について、均等な処理トン数を維
持しようとして搬送速度条件が変わったとしても、他方
の材料の処理量が著しく減少してしまうようなことを防
止できる。

【００２８】また、本実施形態に係る誘導加熱装置をガ
ス炉などの均熱炉の補助加熱手段として用いることによ
り、均熱炉の温度条件を変えてサイズの異なる被加熱材
を加熱処理しようとする場合の加熱不足部分の発生を防
止することができる。したがって、立ち上がり温度の管
理の補助的な加熱手段として、温度制御性の高い誘導加
熱装置を用いることによって板幅の異なる板材を連続し
て適正加熱することができるのである。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電源部に共振型インバータを用い、加熱コイルとの整合
を行う整合コンデンサと並列に調整用コンデンサを接続
するとともに、前記調整用コンデンサへ通電回路のスイ
ッチング手段を設け、加熱対象金属板の種類に対応して
前記スイッチング手段を切換えて整合コンデンサ容量を
変更可能とした誘導加熱装置構成としたので、異なるサ
イズの被加熱材を連続して同一の装置で誘導加熱するこ
とができる。

【００３０】また、ガス炉その他の均熱炉へ投入される
加熱対象金属板のサイズ変更に伴う均熱炉の温度調整を
サイズ変更箇所の到達以前もしくは到達以後に行い、温
度調整に伴う加熱不足領域を上記構成の誘導加熱装置に
より調整加熱して均熱加熱をなすようにしたことによ
り、均熱炉でサイズの異なる材料を加熱する場合の温度
条件を変えた場合に、温度の立ち上がり性の悪さを誘導
加熱装置が補助することになって、サイズ変化部分を含
んで全体的に適正な温度に加熱することができる効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る誘導加熱装置の回路構成図であ
る。

【図２】加熱コイル部分の模式図である。

【図３】誘導加熱装置における投入パワーにおける定数
Ｋと電流浸透深さの関係を示す特性図である。

【図４】誘導加熱装置のコイル電圧と投入パワーとの関
係を示す特性図である。

【図５】コンデンサ加算に伴う周波数−投入パワー特性
図の変化を示す図である。

【図６】異種材料連続通板させる場合の均熱炉の温度変
更状態を示す図である。

【符号の説明】

１０………誘導加熱装置、１２………電源部、１４……
…負荷コイル部、１６………順変換部、１８………交流
電源、２０………インバータ、２２………加熱コイル、
２４………内部抵抗、２６………整合コンデンサ、２８
ｎ………調整用コンデンサ、３０ｎ………スイッチング
手段、３２………コントローラ、３４………厚板部材、
３６………薄板部材、４０………整合部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川中啓二岡山県玉野市玉３丁目１番１号三井造船株式会社玉野事業所内Ｆターム(参考） 3K059 AA07 AB26 AD02 AD05 AD19 CD19 CD40 4K043 AA01 CA04 EA05 FA03 FA12 5H007 AA07 BB04 CA01 CB02 CB05 CB09 CC09 DA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源部に共振型インバータを用い、加熱
コイルとの整合を行う整合コンデンサと並列に調整用コ
ンデンサを接続するとともに、前記調整用コンデンサへ
通電回路のスイッチング手段を設け、加熱対象金属板の
種類に対応して前記スイッチング手段を切換えて整合コ
ンデンサ容量を変更可能としたことを特徴とする誘導加
熱装置。
【請求項２】電源部に共振型インバータを用い、加熱
コイルとの整合を行う複数の並列接続された整合コンデ
ンサと、前記整合コンデンサへ通電回路のスイッチング
手段を設け、加熱対象金属板の種類に対応して前記スイ
ッチング手段を切換えるコントローラを設けてなること
を特徴とする誘導加熱装置。
【請求項３】ガス炉その他の均熱炉へ投入される加熱
対象金属板のサイズ変更に伴う均熱炉の温度調整をサイ
ズ変更箇所の到達以前に行い、温度調整に伴う加熱不足
領域を誘導加熱装置により調整加熱して均熱加熱をなす
ことを特徴とする誘導加熱装置を用いた加熱方法。
【請求項４】ガス炉その他の均熱炉へ投入される加熱
対象金属板のサイズ変更に伴う均熱炉の温度調整をサイ
ズ変更箇所の到達以後に行い、温度調整に伴う加熱不足
領域を誘導加熱装置により調整加熱して均熱加熱をなす
ことを特徴とする誘導加熱装置を用いた加熱方法。
【請求項５】前記誘導加熱装置は電源部に共振型インバ
ータを用い、加熱コイルとの整合を行う整合コンデンサ
の容量を加熱対象金属板のサイズの変更に応じて変更し
て定格投入電力近傍で加熱可能としてなることを特徴と
する請求項３または４に記載の誘導加熱装置を用いた加
熱方法。