JP2003243137A

JP2003243137A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2003243137A
Application number: JP2002038369A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Nakamura; 行延中村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の加熱コイルへの印加電力を個別に微調
整することにより、各加熱コイルに所望の電力を供給し
て被加熱材を最適に加熱できる誘導加熱装置を得ること
を目的とする。【解決手段】各電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃによって
各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が検出され
て、その値が制御装置１０に入力される。制御装置１０
では、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに実際に流れてい
る電流値と各被加熱材９ａ、９ｂ、９ｃを加熱するため
に必要な電力から求めた基準電流値との大小関係に応じ
て、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量
を個別に微調整して各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流
れる電流を増減することにより、各加熱コイル４ａ、４
ｂ、４ｃに流れる電流が基準電流値と等しくなるように
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被加熱材を複数
の加熱コイルで同時に誘導加熱する誘導加熱装置におい
て、特に加熱コイルに対する電力の印加方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、例えば特公昭６３−２９９５３
号公報に示されたものと同様の誘導加熱装置の概略構成
図である。図４において、１は高周波の交流電源を発生
するインバータ装置、２ａ、２ｂ、２ｃは整合用の変圧
器、３ａ、３ｂ、３ｃは整合用のコンデンサ、４ａ、４
ｂ、４ｃは加熱コイル、５は加熱コイル４ａ、４ｂ、４
ｃに同時に挿入された一本の棒状の被加熱材、６ａ、６
ｂ、６ｃはそれぞれ各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流
れる電流を検出する、たとえばＣＴ（計器用変流器）な
どの電流検出器である。

【０００３】次に、動作について説明する。図４におい
て、被加熱材５は静止状態で、加熱コイル４ａ、４ｂ、
４ｃにより同時に誘導加熱される。インバータ装置１か
ら発生する交流電源は整合用変圧器２ａ、２ｂ、２ｃを
通じて加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに供給され、被加熱
材５を所定の温度まで加熱、昇温させる。電流検出器６
ａ、６ｂ、６ｃでは、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに
流れる電流を実測して、図示しない制御装置にて各加熱
コイル４ａ、４ｂ、４ｃの発生電力を計算し、所要の電
力が得られるようにインバータ装置１に対して発生する
電力を指令する。なお、インバータ装置１に対して実際
に指令されるのは、出力する電圧である。通常、被加熱
材５は長手方向に均一な加熱が要求されるが、そのため
には各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに印加する電力を等
しくする必要がある。ここで、インバータ装置１から各
加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃまで給電するために必要な
ブスバーやケーブルなどの長さや配置は、装置の構成上
の制約から、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃごとに全く
同じにすることができず、いくらか異なる。そのため、
インバータ装置１が発生する電圧が各加熱コイル４ａ、
４ｂ、４ｃに均一に印加されなくなり、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに発生する電力も異なってくる。そこ
で、整合用変圧器２ａ、２ｂ、２ｃの電圧タップを適宜
選択して、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに実際に印加
される電力ができるだけ等しくなるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の誘
導加熱装置においては、整合用変圧器２ａ、２ｂ、２ｃ
の電圧タップは、おおまかな電圧調整しかできない構造
であり、また電力損失も大きいため、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに実際に印加される電力が等しくなら
ず、被加熱材５を均一に加熱するのが困難な場合がある
という問題点があった。また、この従来例の図４におい
ては、１本の被加熱材５を加熱する場合であったが、複
数の被加熱材５を複数の加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃで
それぞれ加熱する場合においても、加熱コイル４ａ、４
ｂ、４ｃごとに被加熱材５の昇温値が異なる場合がある
という問題があった。

【０００５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、複数の加熱コイルへの印加電
力を個別に微調整できるようにすることにより、各加熱
コイルに所望の電力を印加して被加熱材を最適に加熱で
きる誘導加熱装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、高周波電力
を供給するインバータ装置と、インバータ装置とそれぞ
れ並列に接続され被加熱材を誘導加熱する複数の加熱コ
イルと、各加熱コイルと並列に接続した整合用コンデン
サと、各加熱コイルに流れる電流を検出する電流検出器
と、各加熱コイルとそれぞれ直列に接続され外部から静
電容量が調整可能な直列可変コンデンサと、各加熱コイ
ルに流れる電流値と予め設定した基準電流値とに基づい
て、各直列可変コンデンサの静電容量を増減する制御装
置とを備えたものである。

【０００７】また、制御装置は、各加熱コイルに流れる
電流がすべて等しくなるように制御するようにしたもの
である。

【０００８】また、直列可変コンデンサの静電容量を整
合用コンデンサの静電容量よりも大きく設定したもので
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の一形態を図１から図３に基づいて、従来と同一ま
たは相当部分には同一符号を付して説明する。図１は、
この発明の実施の形態１の誘導加熱装置の構成図、図２
および図３は直列可変コンデンサの静電容量を可変する
一方法を示す説明図である。図１から図３において、７
は各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃと並列に接続した整合
用コンデンサ、８ａ、８ｂ、８ｃは直列可変コンデンサ
で、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれと直列に
接続されており、静電容量が調整できるようになってい
る。９ａ、９ｂ、９ｃは各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃ
にそれぞれ挿入された同じ種類の棒状の被加熱材、１０
は制御装置であり、この制御装置１０の指令で各直列可
変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量を増減するこ
とにより、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流
を微調整できるようになっている。図２において、２１
は各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃに可変コンデ
ンサ２２を使用した場合に静電容量を可変するための駆
動機構部、図３において、３１ａ〜３１ｄはコンデン
サ、３２ａ〜３２ｄはコンデンサ３１ａ〜３１ｄの開閉
用のスイッチである。

【００１０】次に、動作について説明する。インバータ
装置１から発生する電圧は設定された値（Ｖｉとする）
に維持されるが、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに至る
までに、途中のブスバー、ケーブルなどのラインインピ
ーダンス分による電圧降下があり、その低下の程度は各
加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃごとに異なる。したがっ
て、最終的に各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに印加され
る電圧は、それぞれ設定値Ｖｉより低く、かつ、いくら
か異なった電圧になる。

【００１１】一般に、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに
発生する電圧は電流に比例する。したがって、各加熱コ
イル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流がすべて等しいなら
ば、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに印加する電圧をす
べて等しくすることができる。ここで、３個の加熱コイ
ル４ａ、４ｂ、４ｃのうちの１個を例にとって説明す
る。たとえば、加熱コイル４ａと直列可変コンデンサ８
ａとのインピーダンスの和Ｚ_Ｔは、加熱コイル４ａのイ
ンピーダンスＺ_Ｌと直列可変コンデンサ８ａのインピー
ダンスＺ_Ｃとの和であるから、加熱コイル４ａのインダ
クタンスをＬ、直列可変コンデンサ８ａの静電容量をＣ
_１とすると、以下のような関係が成立する。Ｚ_Ｌ＝ｊωＬ・・・・・・（１）Ｚ_Ｃ＝１／ｊωＣ_１・・・・（２）Ｚ_Ｔ＝Ｚ_Ｌ＋Ｚ_Ｃ・・・・・（３）ただし、ωは角速度（ω＝２πｆ）、ｆは周波数であ
る。ここで、実際には加熱コイル４ａのインピーダンス
Ｚ_Ｌには抵抗分が存在するが、インダクタンス分による
インピーダンスに比べてきわめて小さく、この発明の場
合には無視しても差し支えない。

【００１２】上記の各式に基づいて、直列可変コンデン
サ８ａの各インピーダンスＺ_Ｃは、加熱コイル４ａのイ
ンピーダンスＺ_Ｌに比べて十分小さくなるように選定す
る。たとえば、加熱コイル４ａのインダクタンスＬが１
０μＨの場合、インバータ装置１の発生する周波数を３
ＫＨｚとすると、加熱コイル４ａのインピーダンスＺ _Ｌ
は０．１８８オームとなる。そして、直列可変コンデン
サ８ａのインピーダンスＺ_Ｃを、少なくとも加熱コイル
４ａのインピーダンスＺ_Ｌの１／１０以下、たとえば
０．０１８８オームとすると、直列可変コンデンサ８ａ
の静電容量Ｃ_１は約２８００μＦとなる。

【００１３】このようにして、各直列可変コンデンサ８
ａ、８ｂ、８ｃのインピーダンス_Ｃを各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃのインピーダンスに比べて十分小さくす
ることにより、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃ
のインピーダンスによる電圧低下の影響をできるだけ少
なくして、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに実際に印加
される電圧が低下するのを防止することができる。

【００１４】また、整合用コンデンサ７の静電容量に与
える影響を少なくする目的もある。整合用コンデンサ７
の静電容量Ｃ_２は各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃのイン
ダクタンスとの共振周波数で決められる。たとえば、各
加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃおよび各直列可変コンデン
サ８ａ、８ｂ、８ｃが共に上記と同じ設定条件の場合、
共振の関係から以下のような関係が成立する。 ω^２＝１／（Ｃ_２ｘＬ／３）・・・・・（４）ただし、上式中Ｌを３で割っているのは、加熱コイルが
３個並列になっているからである。この式より、整合用
コンデンサの静電容量Ｃ_２は約８４４μＦとなり、各直
列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃの合計３個分の静電
容量約２８００μＦｘ３に比べてはるかに小さい値にな
る。このように、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８
ｃの静電容量を整合用コンデンサ７の静電容量よりも大
きくなるようにすれば、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃ
と直列に各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃを接続
しても、本来の加熱に必要な共振周波数への影響をでき
るだけ少なくすることができる。

【００１５】このようにして、各直列可変コンデンサ８
ａ、８ｂ、８ｃの静電容量の大きさを変えれば、各加熱
コイル４ａ、４ｂ、４ｃと各直列可変コンデンサ８ａ、
８ｂ、８ｃとのインピーダンスの和の大きさが変わり、
その結果、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流
の大きさを変えることができる。

【００１６】実際の動作は以下のようにして行われる。
各電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃによって各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が検出されて、その値が制
御装置１０に入力される。制御装置１０には、各加熱コ
イル４ａ、４ｂ、４ｃに流すべき基準電流値があらかじ
め設定されている。この基準電流値とは、被加熱材９
ａ、９ｂ、９ｃに最適な加熱条件に基づき、各加熱コイ
ル４ａ、４ｂ、４ｃに印加すべき電圧と各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃのインピーダンスとから計算された電流
値である。制御装置１０では、各加熱コイル４ａ、４
ｂ、４ｃに流れる電流値と基準電流値との大小関係に応
じて、以下のように各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、
８ｃの静電容量を可変することによって、各加熱コイル
４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流を増減させて各加熱コイ
ル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流がすべて等しくなるよ
うに制御する。各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる
電流が基準電流より大きい場合には、各直列可変コンデ
ンサ８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量を小さくするように指
示する。静電容量が小さくなれば、各直列可変コンデン
サ８ａ、８ｂ、８ｃのインピーダンスは大きくなるの
で、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃと各直列可変コンデ
ンサ８ａ、８ｂ、８ｃとのインピーダンスの和が大きく
なって、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が
小さくなり基準電流値に近づく。このようにして、各加
熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が基準電流値と
一致するまで、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、８ｃ
の静電容量を小さくしていく。逆に、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が基準電流より小さい場合
には、基準電流値と一致するまで各直列可変コンデンサ
８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量を大きくするように指示す
る。

【００１７】なお、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、
８ｃの静電容量を外部から可変するためには、たとえば
図２のように、直列可変コンデンサ８ａとして静電容量
を無段階に可変できる駆動機構部２１を有する可変コン
デンサ２２を使用し、制御装置１０から駆動機構部２１
に指令することによって直列可変コンデンサ８ａの静電
容量を微調整することができる。

【００１８】また、図３のように、たとえば１個の直列
可変コンデンサ８ａを、並列接続した小さな容量の複数
のコンデンサ３１ａ〜３１ｄに分割しておき、各々のコ
ンデンサ３１ａ〜３１ｄに開閉用のスイッチ３２ａ〜３
２ｄを設け、このスイッチ３２ａ〜３２ｄの開閉を制御
装置１０から指令することによって直列可変コンデンサ
８ａの静電容量を変えてもよい。この場合、静電容量の
調整は段階的になるが、各直列可変コンデンサ８ａ、８
ｂ、８ｃのインピーダンスは各加熱コイル４ａ、４ｂ、
４ｃのインピーダンスに比べて十分小さくなるようにし
ているので、従来の変圧器の電圧タップによる調整方式
よりもはるかに微調整が可能であり、また変圧器に比べ
て電力の損失が少ないという利点もある。

【００１９】このように、各電流検出器６ａ、６ｂ、６
ｃによって検出された各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃの
電流値と基準電流値との関係により、各直列可変コンデ
ンサ８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量を個別に微調整して各
加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流値がすべて等
しくなるように制御することにより、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに印加される電力が等しくなり、各被加
熱材９ａ、９ｂ、９ｃを均一に同時加熱することができ
る。

【００２０】また、各直列可変コンデンサ８ａ、８ｂ、
８ｃの静電容量を整合用コンデンサ７の静電容量よりも
大きく設定することにより、本来の加熱に必要な共振周
波数への影響をできるだけ少なくすることができる。

【００２１】なお、この実施の形態１では、加熱コイル
が３個の場合を示したが、２個あるいは４個以上の加熱
コイルの場合にも同様の効果を奏する。

【００２２】また、この実施の形態１では、３個の被加
熱材９ａ、９ｂ、９ｃをそれぞれ別々の加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃで均一に同時加熱する場合を示したが、
１個の被加熱材を複数の加熱コイルで同時加熱する場合
にも同様の効果を奏する。

【００２３】実施の形態２．実施の形態１では、複数の
加熱コイルに流れる電流がすべて基準電流値に等しくな
るように制御する場合について説明したが、この実施の
形態２では、たとえば、材質が違うために基準電流値が
それぞれ異なる３種類の棒状の被加熱材を、図１に示し
た誘導加熱装置で同時加熱する場合について説明する。
図１において、各電流検出器６ａ、６ｂ、６ｃによって
各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃの各々に流れる電流が検
出されて、その値が制御装置１０に入力される。制御装
置１０には、異なる材質の被加熱材９ａ、９ｂ、９ｃの
それぞれに最適な加熱条件に基づき、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃごとに異なった値の基準電流値があらか
じめ設定されている。そして、制御装置１０では、各加
熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流値と基準電流値
との大小関係に応じて、各直列可変コンデンサ８ａ、８
ｂ、８ｃの静電容量を個別に微調整することによって、
各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流を増減させ
て、各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流が基準
電流値と等しくなるように制御する。

【００２４】このように、各電流検出器６ａ、６ｂ、６
ｃによって検出された各加熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃの
電流値と基準電流値との関係により、直列可変コンデン
サ８ａ、８ｂ、８ｃの静電容量を個別に微調整して各加
熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃに流れる電流値が基準電流値
と一致するように制御することにより、各加熱コイル４
ａ、４ｂ、４ｃに印加される電力がそれぞれの被加熱材
９ａ、９ｂ、９ｃの最適値となり、異なる加熱条件の被
加熱材９ａ、９ｂ、９ｃを同時に加熱することができ
る。

【００２５】なお、この実施の形態２では、材質が違う
ために基準電流値がそれぞれ異なる被加熱材９ａ、９
ｂ、９ｃを同時加熱する場合について説明したが、各加
熱コイル４ａ、４ｂ、４ｃのインピーダンスが被加熱材
９ａ、９ｂ、９ｃの加熱中に変化した場合の基準電流値
の微調整などにも適用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、高周
波電力を供給するインバータ装置と、インバータ装置と
それぞれ並列に接続され被加熱材を誘導加熱する複数の
加熱コイルと、各加熱コイルと並列に接続した整合用コ
ンデンサと、各加熱コイルに流れる電流を検出する電流
検出器と、各加熱コイルとそれぞれ直列に接続され外部
から静電容量が調整可能な直列可変コンデンサと、各加
熱コイルに流れる電流値と予め設定した基準電流値とに
基づいて、各直列可変コンデンサの静電容量を増減する
制御装置とを備え、複数の加熱コイルへの印加電力を個
別に微調整できるようにすることにより、各加熱コイル
に所望の電力を印加して被加熱材を最適に加熱すること
ができるという効果がある。

【００２７】また、制御装置は、各加熱コイルに流れる
電流がすべて等しくなるように制御するようにしたの
で、各加熱コイルに印加される電力が等しくなり、被加
熱材を均一に加熱することができるという効果がある。

【００２８】また、直列可変コンデンサの静電容量を整
合用コンデンサの静電容量よりも大きく設定したので、
加熱に必要な共振周波数への影響をできるだけ少なくす
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の誘導加熱装置の構成図である。

【図２】この発明の直列可変コンデンサの静電容量を
可変する一方法を示す説明図である。

【図３】この発明の直列可変コンデンサの静電容量を
可変する他の一方法を示す説明図である。

【図４】従来の誘導加熱装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１インバータ装置、４ａ、４ｂ、４ｃ加熱コイ
ル、６ａ、６ｂ、６ｃ電流検出器、７整合用コン
デンサ、８ａ、８ｂ、８ｃ直列可変コンデンサ、９
ａ、９ｂ、９ｃ被加熱材、１０制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電力を供給するインバータ装置
と、このインバータ装置とそれぞれ並列に接続され被加
熱材を誘導加熱する複数の加熱コイルと、この各加熱コ
イルと並列に接続した整合用コンデンサと、上記各加熱
コイルに流れる電流を検出する電流検出器と、上記各加
熱コイルとそれぞれ直列に接続され外部から静電容量が
調整可能な直列可変コンデンサと、上記各加熱コイルに
流れる電流値と予め設定した基準電流値とに基づいて、
上記各直列可変コンデンサの静電容量を増減する制御装
置とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】請求項１に記載の誘導加熱装置におい
て、制御装置は、各加熱コイルに流れる電流がすべて等
しくなるように制御することを特徴とする誘導加熱装
置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の誘導加
熱装置において、直列可変コンデンサの静電容量を整合
用コンデンサの静電容量よりも大きく設定したことを特
徴とする誘導加熱装置。