JP2006344596A - ワークピースの勾配誘導加熱 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の大きさのワークピースに対して容易に変更可能な電流周波数を用いる、ビレットの勾配誘導加熱の装置及び方法を提供する。
【解決手段】複数の誘導コイル（１４ａ〜１４ｆ）によるワークピース（１２）の勾配誘導加熱もしくは勾配誘導融解のための装置及び方法が提供される。各誘導コイルは電源供給部（１６ａ〜１６ｆ）に接続され、電源供給部は、インバータ（６２）の入力部の両端に接続される同調コンデンサを有し得る。複数の誘導コイルは、ワークピースの周囲にシーケンシャルに配置される。インバータはパルス幅変調交流出力部を有し、パルス幅変調交流出力部は、全電源供給部間の制御ラインを介して他の電源供給部のパルス幅変調交流出力部と同期制御状態となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御されたワークピースの勾配誘導加熱に関する。

あるワークピース（製造中の加工品）を、該ワークピースの寸法に沿う勾配の温度へと加熱することは有利である。例えば、押出しプロセスにかけられる円筒（もしくは円柱）状アルミニウムワークピースすなわちビレットは、一般に、押出し成形機を通って最初に引かれる該ビレットの端部の断面全体にわたって、該ビレットの反対側端部の断面よりも高い温度に加熱される。これは、押出しプロセス自体が発熱性で、ビレットをこれが押出し成形機を通過する際に加熱するために行われる。もしビレットが、その長手軸線全体に沿う断面を通じて一様に加熱される場合、ビレットの上記反対側端部は、押出し前に過度に加熱されて、押出しを不可能にする程の熱変形を被るであろう。

アルミニウム合金ビレット等の導電性ビレットの、その長手軸線に沿う勾配誘導加熱を実現する一方法は、個別の（複数の）シーケンシャル（順次的な）ソレノイド誘導コイルで該ビレットを囲むことである。各コイルは、電流源に供給ライン周波数（すなわち５０もしくは６０ヘルツ）で接続される。各ソレノイドコイルを通って流れる電流は、コイルの周りに長手軸方向磁束場を確立し、これが、該ビレットを貫通してこれを誘導加熱する。ビレットの長手軸線に沿う勾配加熱を実現するため、各コイルは、一般に、ビレットの一端部から他端部へと順に、より小さい規模の電流（電力）をコイルに供給する。コイル順に調整できる電流を実現するため、シリコン制御整流器が誘導コイルと直列に使用され得る。

供給ライン周波数の使用は、簡易な電流源に資するが、該使用は、このような配置構成において商業的に加熱され得るビレットの大きさの範囲を制限する。誘導電流の侵入深さ（侵入長）（メートル）は、式５０３（ρ／μＦ）^1/2によって定義される。ここで、ρは、ビレットの電気固有抵抗（Ω・ｍ）であり、μは、ビレットの相対（無次元）透磁率であり、Ｆは、該印加場の周波数である。アルミニウム等の非磁性ビレットの透磁率は１である。５００℃のアルミニウムは、電気固有抵抗が０．０８７μΩ・ｍである。従って、上記式から、Ｆイコール６０ヘルツで、侵入深さはほぼ１９．２ｍｍ、すなわちほぼ０．８インチと計算され得る。ビレットの誘導加熱は、ビレットの断面全体を同時に誘導加熱しようとするよりも、「灼熱（均熱）」プロセスによって特に実現される。すなわち、誘導場がビレットの断面の一部を貫通し、誘導された熱は、ビレットの中心へと広がる（にじむ）ことが許容される。一般に、ビレット断面半径の１／５の誘導場侵入深さが効率的な侵入深さとして認められている。従って、半径４インチのアルミニウムビレットは、６０ヘルツの電流により最適な侵入深さである０．８インチをもたらす。その結果、単一周波数を用いた誘導によって効率的に加熱され得るビレットサイズの範囲は制限される。
米国特許第６６９６７７０号明細書

本発明の一つの目的は、種々の大きさのワークピースに対して容易に変更可能な電流周波数を用いる、ビレットの勾配誘導加熱の装置及び方法を提供することである。

一側面において、本発明は、複数の誘導コイルによるワークピースの勾配誘導加熱もしくは勾配誘導融解（溶融）のための装置及び方法である。各誘導コイルは電源供給部に接続され、電源供給部は、インバータの入力部にわたる（入力部の両端に接続される）同調コンデンサを有する。各インバータはパルス幅変調交流出力部を有し、パルス幅変調交流出力部は、全電源供給部間の制御ラインを介して他の電源供給部のパルス幅変調交流出力部と同期制御状態となる。

本発明の他の側面は、本明細書及び特許請求の範囲に記載される。

図面は、本明細書及び特許請求の範囲と共に、本発明の実施の一又は複数の非限定的なモードを例示する。本発明は、例示されたレイアウト及び図面の内容に限定されない。

本発明の勾配誘導加熱装置１０の一例が図１に示される。この非限定的な特定例におけるワークピースはビレット１２である。図１のビレットの寸法は、ワークピース周囲のシーケンシャル（順次的な）誘導コイル１４ａ〜１４ｆを示すために誇張されている。その寸法の一側面に沿う勾配加熱を必要とするどのような種類の導電性ワークピースでもあり得るが、便宜のため、この特定の例においてワークピースはビレットと称され、また、勾配加熱は、該ビレットの長手軸線に沿って遂行される。本発明の他の例において、ワークピースは、るつぼ内に配置される導電性材料、又は別の材料に熱を移すために加熱されるサセプタであり得る。本発明のこれらの例において、誘導コイルは、るつぼ内に置かれた材料又はサセプタの勾配加熱を提供するため、るつぼ又はサセプタの周囲に配置される。

誘導コイル１４ａ〜１４ｆは、図１に概略的に示される。実際、これらコイルは、しっかりと密に巻き付けられたソレノイドコイルであり、コイル間の短絡を防ぐために必要な離隔を持って互いに隣り合う。この離隔は、コイル間に絶縁（誘電）材料を置くことで実現され得る。他のコイル構成も本発明の範囲内にあるものと企図される。

パルス幅変調（ＰＷＭ）電源供給部１６ａ〜１６ｆは、コイル１４ａ〜１４ｆそれぞれに異なるｒｍｓ値（実効値）電流（電力）を供給することができる。図２に示すように、また、タイトル「同調コンデンサを利用する誘導加熱もしくは誘導融解電源供給部（Induction Heating or Melting Power Supply Utilizing a Tuning Capacitor）」の米国特許第６，６９６，７７０号に開示されるように、各電源供給部は、整流器／インバータ電源供給部であって、ローパスフィルタコンデンサ（Ｃ_F）が整流器６０の出力部の両端に（出力部にわたって）接続され、かつ同調コンデンサ（Ｃ_TF）がインバータ６２の入力部の両端に（入力部にわたって）接続される整流器／インバータ電源供給部を含む。上記米国特許第６，６９６，７７０号は、その全体の参照により本明細書中に組み込まれる。図２において、Ｌ_fcは、随意的なラインフィルタであり、Ｌ_clrは、限流リアクトルである。各電源供給部の出力は、各誘導コイルへのパルス幅変調電圧である。

図２は、典型的な電源供給部の詳細を更に例示する。ここで、各電源供給部に対する非限定的な電源（指定ラインＡ、Ｂ及びＣ）は、４００ボルト、３０ヘルツである。インバータ６２は、ＩＧＢＴスイッチング素子を利用するフルブリッジインバータからなる。本発明の他の例において、インバータは、共振インバータ、もしくは他の種類のスイッチング素子を利用するインバータ等のように別の態様で構成され得る。マイクロコントローラＭＣは、電源供給部に対する制御及び表示（指示）機能のための手段を提供する。本発明に最も関連して、マイクロコントローラは、ブリッジ回路における四つのＩＧＢＴスイッチング素子に対するゲート回路を制御する。本発明のこの非限定的な例において、上記ゲート回路は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）によって表され、また、ゲート信号は、光ファイバリンク（図２において破線６１で示す）によってゲートＧ１〜Ｇ４に供給され得る。図２に示す電源供給部の出力部に接続される誘導コイルは、ロードコイルＬ_loadとして表される。ロードコイルＬ_loadは、図１における誘導コイル１４ａ〜１４ｆの一つを表す。図２の抵抗素子Ｒは、図１に示すようにビレットに挿入される加熱されたビレット１２の抵抗インピーダンスを表す。

作動中、各電源供給部１６ａ〜１６ｆのインバータのパルス幅変調出力は、ビレットの勾配誘導加熱に必要な程度を実現するため、継続時間、位相及び／又は大きさ（magnitude）が変更され得る。図３は、三つの隣り合う誘導コイルに対する電源供給部からの電圧出力（Ｖ₁、Ｖ₂及びＶ₃）における変化の典型的なグラフ例示であり、これが、ロードコイル電流Ｉ₁、Ｉ₂及びＩ₃をそれぞれもたらす。望ましい加熱分布（加熱断面）は、各電源供給部におけるマイクロコントローラと通信するマスタコンピュータによって実行される一又は複数のコンピュータプログラムに組み込まれ得る。誘導コイルは、相互インダクタンスを有し、低周波数ビート振動を防ぐため、すべてのコイルは、実質的に同じ周波数で動作するべきである。パルス幅変調出力部を有するインバータの使用によって与えられる柔軟性（フレキシビリティー）の利用において、すべてのインバータは同期させられる。すなわち、全インバータの出力周波数及び位相がおおむね同期させられる。

エネルギーは各インバータの出力部からその関連した誘導コイルへと流れる際、二つの対角線状に配置されたスイッチング素子（例えば図２のＳ₁及びＳ₃もしくはＳ₂及びＳ₄）が伝導し、電圧がロードコイルの両端にかかる。また別の時には、コイルは短絡され、電流は、一つのスイッチング素子及び逆並列ダイオード（例えば図２のＳ₁及びＤ₂；Ｓ₂及びＤ₁；Ｓ₃及びＤ₄；もしくはＳ₄及びＤ₃）を介して流れる。これは、隣り合うコイルからのエネルギーのピックアップを最小にする。

再び図１を参照して、複数の電源供給部の電力出力の同期制御は、隣り合うコイル間の回路干渉を最小にするように使用される。直列制御ループ４０は、複数の電源供給部の電力出力の同期制御のための非限定的な手段を表す。本発明のこの非限定的な例において、直列制御ループ４０は、電源供給部のすべてを直列に接続する光ファイバケーブルリンク（ＦＯＬ）を備え得る。各電源供給部に対する上記制御リンクの制御入力部（図１の制御入力部）は、光ファイバ受信部（ＦＯＲ）であり得、各電源供給部からの制御リンクの制御出力部（図１の制御出力部）は、光ファイバ送信部（ＦＯＴ）であり得る。複数の電源供給部のコントローラの一つ、例えば電源供給部１６ａの制御部（コントローラ）は、マスタコントローラとしてプログラム可能に選択される。電源供給部１６ａのマスタコントローラの制御出力部は、電源供給部１６ｆのスレーブコントローラの制御入力部に正常同期パルス２０を出力する。もし電源供給部１６ｆのスレーブコントローラが正常動作状態にあるなら、該コントローラは、電源供給部１６ｅのスレーブコントローラに正常同期パルスを送り、これが、正常同期パルスが電源供給部１６ａのマスタコントローラの制御入力部に戻るまで続く。更に、各コントローラは、複数の電力供給部における各インバータに対して独立パルス幅変調交流出力電力を発生させる。電源供給部のいずれか一つに異常状態が発生した場合、該異常が生じたコントローラは、次の電源供給部のコントローラに異常動作パルスを出力する。例えば、正常同期パルスは、約２マイクロ秒であり得るのに対し、異常動作パルスは約５０マイクロ秒であり得る。異常動作パルスは、誘導加熱プロセスを停止するかもしくは変更するように、電源供給部の上流コントローラによって処理される。一般に、マスタコントローラからマスタコントローラへの同期パルスの往復伝達における時間遅延は無視してよい。コントローラの一つに障害が発生した場合、同期信号はマスタコントローラには戻らず、これは、その後の正常同期パルスの発生を止める等の異常状態ルーチンの実行をもたらす。

本発明の非限定的な上記例において、六つの電源供給部及び誘導コイルが使用されている。本発明の他の例において、本発明の範囲から逸脱することなく、他の数の電源供給部及びコイルが使用され得る。

本発明の例は、特定の電気部品への言及を含む。当業者は、必ずしも同じ種類ではないが、本発明の望ましい状態を作り出すかもしくは望ましい結果を実現する部品（構成要素）に取り替えて、本発明を実施し得る。例えば、単一構成要素は複数の構成要素に取り替えることができ、その逆もあり得る。

上記の例は開示した本発明の範囲を限定しない。開示した本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載される。

本発明の勾配誘導加熱もしくは融解装置の一例を示す簡易概略図である。 本発明の勾配誘導加熱もしくは融解装置に使用する複数の電源供給部の一つを示す簡易概略図である。 本発明の勾配誘導加熱もしくは融解装置の一例のためのインバータ出力電圧の変化に対するロードコイル電流の典型的な結果を例示するグラフである。

符号の説明

１０ 勾配誘導加熱装置
１２ ビレット
１４ａ〜１４ｆ 誘導コイル
１６ａ〜１６ｆ パルス幅変調電源供給部
４０ 直列制御ループ
６０ 整流器
６１ 光ファイバリンク
６２ インバータ

Claims (16)

1. ワークピースの勾配誘導加熱もしくは勾配誘導融解のための装置であって、
   ワークピースの周囲に順次配置される複数の誘導コイルと、
   各誘導コイルのための電源供給部であって、関連する誘導コイルに接続される調整可能なパルス幅変調交流出力部を有するインバータを備えた電源供給部と、
   電源供給部のパルス幅変調交流出力部を同期制御するために電源供給部間に接続される制御ラインとを備えた装置。
2. 前記インバータの少なくとも一つは、該インバータの入力部の両端に接続される同調コンデンサを有する請求項１の装置。
3. 前記複数の誘導コイルは、密に巻かれたソレノイド誘導コイルであり、かつ隣り合うコイル間の短絡を防ぐため、絶縁離隔を持って互いに隣接配置される請求項１の装置。
4. 前記ワークピースは、るつぼ内に配置される導電性材料からなる請求項１の装置。
5. 前記ワークピースはサセプタからなる請求項１の装置。
6. ワークピースの勾配誘導加熱もしくは勾配誘導融解のための装置であって、
   ワークピースの周囲に順次配置される二以上の誘導コイルと、
   各誘導コイルのためのインバータであって、各インバータが、少なくとも四つの固定スイッチング素子を備え、かつ関連する誘導コイルに接続されるパルス幅変調交流出力部を有するインバータと、
   インバータの前記スイッチング素子を制御する、各インバータに関連するコントローラと、
   インバータの前記出力部を同期制御するためにインバータ間に接続される制御ラインとを備えた装置。
7. 前記インバータの少なくとも一つは、該インバータの入力部の両端に接続される同調コンデンサを有する請求項６の装置。
8. 前記複数の誘導コイルは、密に巻かれたソレノイド誘導コイルであり、かつ隣り合うコイル間の短絡を防ぐため、絶縁離隔を持って互いに隣接する請求項６の装置。
9. 前記ワークピースは、るつぼ内に配置される導電性材料からなる請求項６の装置。
10. 前記ワークピースはサセプタからなる請求項６の装置。
11. 誘導によるワークピースの勾配加熱もしくは勾配融解の方法であって、
    複数の誘導コイルそれぞれに磁場を誘導するため、複数のインバータの出力部から該複数の誘導コイルへとパルス幅変調交流電力を供給する工程であって、複数の誘導コイルそれぞれが複数のインバータの一つの出力部に排他的に接続される当該工程と、
    各誘導コイルにおいて発生した前記磁場の領域にワークピースを導入する工程と、
    各インバータのパルス幅変調交流出力を変える工程とを含む方法。
12. 前記複数のインバータの少なくとも一つの入力部の両端に同調コンデンサを挿入する工程を更に含む請求項１１の方法。
13. 前記複数のインバータの出力部からのパルス幅変調交流電力を同期させる工程を更に含む請求項１１の方法。
14. 前記複数のインバータの出力部からのパルス幅変調交流電力を同期させるため、該複数のインバータ間に制御信号を直列に送る工程を更に含む請求項１３の方法。
15. 前記制御信号は、複数のインバータの一つにおいて発生するマスタ制御信号であって、残りのインバータへの直列伝達のためのマスタ制御信号からなる請求項１４の方法。
16. 前記複数のインバータの一つが、前記マスタ制御信号が発生する複数のインバータの一つに直列に異常制御信号を発生させる工程を更に含む請求項１５の方法。

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