JP2007080647A - 被加熱体の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は被加熱体の温度制御方法に関し、被加熱体の温度制御を精密に行なうことができる被加熱体の温度制御方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 複数のコイルを使用して誘導加熱により被加熱体を加熱する装置において、現状温度から被加熱体の温度を変更するに際し、被加熱体の目標温度と現状温度との温度差を決定する工程１と、予め各コイル毎に電圧を変化させ、各コイルにおける１Ｖ当たりの被加熱体の温度変化率を求める工程２と、この温度変化率を係数とし、この係数と工程１で決定した温度差との連立１次方程式から各コイルにおける変更電圧を算出する工程３と、算出した各コイルにおける変更電圧を元に、各コイルの現状電圧を増減設定し、被加熱体の温度制御を行なう工程４、とから構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は被加熱体の温度制御方法に関する。

従来より被加熱体中を流れるか乃至は被加熱体中に存在する物質、例えば流体を加熱する装置が知られている。図４はコイルと流体の関係を示す図である。図において、１は被加熱体、２は被加熱体１の内表面、３は該被加熱体１の中を流れる流体である。流体は、気体、液体の何れであってもよい。また、流れない物質であってもよい。４は被加熱体１の外周に巻回された誘導加熱用のコイルである。このように構成された装置において、コイル４に高周波の電流を流すと誘導加熱により被加熱体１が加熱され、被加熱体１内部を流れる流体３は、被加熱体１からの伝熱により温度が上昇する。本発明は、この流体３の被加熱体の温度を温度制御するシステムに関するものである。

従来の温度制御では、被加熱体の温度が上昇または下降した現象が生じて初めて、各加熱手段の制御（例えば電源のオン／オフ動作、ＰＩＤ動作等）を行ない、被加熱体を目標の温度にするという方法が採られていた。この方法は、各加熱手段がお互いに影響を与えることが少ない場合には、非常に優れた手段である（例えば非特許文献１参照）。
理化工業株式会社、"温度制御の手引き"、「ｏｎｌｉｎｅ」、「平成１７年９月２日検索」、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.rkcinst.co.jp/ondo-j.htm〉

しかしながら、前記した従来装置の温度制御では、高周波加熱、特に複数のコイルを使用して被加熱体を加熱するに際し、被加熱体の一部の温度を上昇又は下降するため、加熱手段の制御、即ち、被加熱体の温度を変更しようとする部分を主に加熱しているコイルの電圧を変えてしまうと、その前後の被加熱体の部分において温度変化が大きくなるという問題があった。また、特に、流体が被加熱体中で流動する場合には、流体自体の温度が、被加熱体の内表面の温度に影響を与えるため、更に温度変化が大きくなるという問題があった。

本発明者らの検討によると、例えば被加熱体の一部の温度を高めるために、その部分を主に加熱できるコイルの電圧だけ高くすると、そのコイルの電圧が変化することによって、前後のコイルに影響を与えることがわかった。つまり、一つのコイルの電圧を変化させると、前後のコイルとの相互誘導が発生し、それに伴い各コイルに流れる電流が変化し、被加熱体を目標の温度とすることができないということが分かった。

そのため、複数のコイルにより被加熱体を加熱するに際し、各コイルにおける１Ｖ当たりの被加熱体の温度変化率を係数として、係数行列の逆行列と定数項列の積を算出することにより、各コイルにおける変更電圧を求め、この変更電圧に従い、各コイルの電圧を変更することにより、被加熱体の温度制御を精密に行なうことを見いだした。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、被加熱体の温度制御を精密に行なうことができる被加熱体の温度制御方法を提供することを目的としている。

（１） 複数のコイルを使用して誘導加熱により被加熱体を加熱する装置において、現状温度から被加熱体の温度を変更するに際し、被加熱体の目標温度と現状温度との温度差を決定する工程１と、予め各コイル毎に電圧を変化させ、各コイルにおける１Ｖ当たりの被加熱体の温度変化率を求める工程２と、この温度変化率を係数とし、この係数と工程１で決定した温度差との連立１次方程式から各コイルにおける変更電圧を算出する工程３と、算出した各コイルにおける変更電圧を元に、各コイルの現状電圧を増減設定し、被加熱体の温度制御を行なう工程４とからなることを特徴とする。

（１）本発明によれば、複数のコイルにより被加熱体を加熱する場合、温度制御を迅速、かつ高精度に行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
本発明の構成は、図４に示す被加熱体が長い場合、その長さを複数個のゾーンに区切り、それぞれのゾーン毎にコイルを巻回し、このコイルに電圧を印加して所定の高周波電流を流して誘導加熱し、各ゾーンを所定の目標温度になるように制御するものである。

図１は各ゾーンの１Ｖあたりの温度変化率を示す図である。図４に示すような被加熱体の場合、図１に示す通り、あるゾーンの電圧を変化させると、相互誘導や流体自体の温度によって他のゾーンの被加熱体の内表面の温度にも影響を与えることが明らかである。

この実施の形態例では、コイルを巻回している被加熱体を７つのゾーンに分けて、各ゾーン毎に温度制御を行なうようにしたものである。ゾーンをＺ１〜Ｚ７で表わす。この時、各ゾーンに対応するコイルをコイル１〜コイル７とする。ここでは、ゾーンを７つに設定しているが、これに限るものではない。図では、ゾーンＺ１〜Ｚ７に対応するコイル１〜７にかかる電圧を１％増加した時の各ゾーンの１Ｖ当たりの温度変化率（℃／Ｖ）を示している。ｆ１はＺ１の温度変化率を、ｆ２はＺ２の温度変化率を、ｆ３はＺ３の温度変化率を、ｆ４はＺ４の温度変化率を、ｆ５はＺ５の温度変化率を、ｆ６はＺ６の温度変化率を、ｆ７はＺ７の温度変化率をそれぞれ示す。

この特性図において、Ｚ１に対応するコイル１の電圧を１Ｖだけ上昇させると、Ｚ１は３．５６０℃、Ｚ２は３．３４６℃、Ｚ３は１．５７３℃、Ｚ４は０．９１６℃、Ｚ５は０．７４４℃、Ｚ６は０．６６１℃、Ｚ７は０．４３９℃の温度上昇が見られている。Ｚ１の温度を１Ｖだけ上昇させることにより、Ｚ１に近いゾーンから離れるに従って、温度上昇は漸次、減少していることが分かる。他の特性も同様である。次に、Ｚ４の電圧を１Ｖだけ上昇させると、Ｚ４では、４．８２６℃、Ｚ３では１．５８５℃、Ｚ２では、０．５５６℃、Ｚ１では０．３０４℃温度上昇があり、Ｚ５では６．２７０℃、Ｚ６では３．１４１℃、Ｚ７では１．７４４℃の温度上昇があることを示している。この場合には、上昇させたゾーンＺ４の後ろのゾーンに当たるＺ５を中心として、その前ゾーン及び後ゾーンでは漸次温度上昇が小さくなっていることが分かる。

その他のゾーンについても同様に、電圧を１Ｖだけ上昇させた際の各ゾーンの１Ｖあたりの温度変化率を求めた。その具体的な例を図１に示した。以下、本発明を詳細に説明する。
１）工程１
現状温度から被加熱体の温度を変更するに際し、あるゾーンＺｉ（ｉ＝１〜７）を目標温度に変化させる場合に、ゾーンＺ１〜Ｚ７を現状温度から何度変化させればよいかを決定する。ここでは、ゾーンＺ３のみを１０℃変化させるものとする。その他のゾーンは温度を変化させないものとする。
２）工程２
予め各コイル毎に電圧を変化させる。ここでは、ゾーンＺ１〜Ｚ７に対応するコイル１〜７にかかる電圧を１％増加させるものとする。なお、各ゾーンに対応するコイルとは、ゾーン毎に巻回したコイルを示すものである。この電圧を１％増加した際の温度変化値より、各コイルにおける１Ｖ当たりの被加熱体の温度変化率を求める。温度変化率は、電圧を所定値だけ変化した時に、温度が何度変化するかを求めるものである。これにより、被加熱体の温度変化率（℃／Ｖ）を求めることができる。具体的には、図１に示す特性から求めることができる。
３）工程３
前記工程２で求めた温度変化率を係数とし、この係数と工程１で決定した温度差との連立１次方程式から各コイルにおける変更電圧を算出する。連立１次方程式を用いて変更電圧を算出することにより、複雑な計算をすることなく正確に変更電圧を求めることが可能となる。あるゾーンに対応するコイルの電圧を変化させると、他のゾーンには図１に示したように影響が出るから、あるゾーンＺｉを求めるための連立１次方程式は、図２に示すようなものとなる。ここでＺｉ（ｉ＝１〜７）にかかる係数は、温度変化率（℃／Ｖ）である。即ち、電圧を１Ｖ変化させると、温度が何度変化するかを示す係数である。

図２に示すような連立１次方程式は、行列式を用いて簡単に解くことができる。具体的には、係数行列（温度変化率）の逆行列と定数項列（工程１で決定した温度差）の積より求められる。図３は連立１次方程式の解を示す図である。ゾーンをＺ１〜Ｚ７とし、各ゾーンに対応するコイルをコイル１〜７とする。各ゾーンに対する現状温度が同一であるものとする。ここで、それぞれの目標温度はゾーンＺ３のみ１０℃高いものとし、その他は現状と同じ温度とする。従って、温度差はゾーンＺ３のみ１０℃であり、その他は０℃である。温度変化率係数は、図３に示すようなものであるとすると、求めるべきゾーンＺ１〜Ｚ７に対応するコイルの変更電圧は、次式に示すようなものとなる。ここでは、コイル１＝０Ｖ、コイル２＝−１Ｖ、コイル３＝６Ｖ、コイル４＝−９Ｖ、コイル５＝１４Ｖ、コイル６＝−１９Ｖ、コイル７＝２７Ｖとなった。
４）工程４
算出した各コイルにおける変更電圧を元に、各コイルの現状電圧を増減設定する。ここで、求めたコイル電圧を図４に示すような装置に適用する。即ち、現状電圧からコイル１の電圧を０Ｖ（変更無し）、コイル２の電圧を−１Ｖ、コイル３の電圧を＋６Ｖ、コイル４の電圧を−９Ｖ、コイル５の電圧を＋１４Ｖ、コイル６の電圧を−１９Ｖ、コイル７の電圧を＋２７Ｖに増減設定すると、ゾーンＺ３のみ温度を１０℃変化させることができる。

本発明によれば、複数のコイルにより被加熱体を加熱する場合、温度制御を迅速、かつ高精度に行なうことができる。
前述の実施の形態例では、１つのゾーンのみの温度を変化させる場合について説明したが、本発明はこれに限るものではない。複数のゾーンの温度変化量を設定して、複数のゾーンが所定の温度だけ変化するようにすることができる。

各ゾーンの１Ｖあたりの温度変化率を示す図である。 ７元連立１次方程式を示す図である。 連立１次方程式の解を示す図である。 コイルと流体の関係を示す図である。

符号の説明

１ 被加熱体
２ 被加熱体の内表面
３ 流体
４ コイル

Claims (1)

1. 複数のコイルを使用して誘導加熱により被加熱体を加熱する装置において、
   現状温度から被加熱体の温度を変更するに際し、被加熱体の目標温度と現状温度との温度差を決定する工程１と、
   予め各コイル毎に電圧を変化させ、各コイルにおける１Ｖ当たりの被加熱体の温度変化率を求める工程２と、
   この温度変化率を係数とし、この係数と工程１で決定した温度差との連立１次方程式から各コイルにおける変更電圧を算出する工程３と、
   算出した各コイルにおける変更電圧を元に、各コイルの現状電圧を増減設定し、被加熱体の温度制御を行なう工程４、
   とからなる被加熱体の温度制御方法。

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