JP2010257922A

JP2010257922A - 誘導加熱方法

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Publication number: JP2010257922A
Application number: JP2009124857A
Authority: JP
Inventors: Jong-Hak Lee; ハクリージョン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-11-11
Also published as: KR20100117322A; KR101075853B1

Abstract

【課題】誘導加熱方法に関するものであって、近接して配置した複数の加熱コイル間に相互誘導干渉を与えずに好適な誘導加熱となるように構成した誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】隣接して配置した複数の加熱コイルに、周波数が同じであり、複数の加熱コイルごとにそれぞれ対応させた誘導加熱ユニットを、ＯＤＤグループとＥＶＥＮグループに分け、グループ間に相互排他的に繰り返してオン/オフ動作させ、互いに隣接している加熱コイル同士の磁界干渉を極力抑制させる誘導加熱方法に関するものであって、複数の加熱コイルを連接して誘導加熱を行うとき、それぞれの誘導加熱ユニットごとに出力を自由に可変することができ、被加熱体の温度分布を均一に保持したり、又は任意で差が生じるようにすることが可能であるので、様々な特性を要する加工工程に好適であると共に不必要な誘導加熱ユニットは電源を遮断してもよいので、省エネルギーが図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱方法に関するものであって、詳述すれば、近接して配置した複数の加熱コイル間に相互誘導干渉を与えずに好適な誘導加熱となるように構成した誘導加熱方法に関する。

誘導加熱とは、加熱コイルに電流を流す時に発生する磁場により、被加熱体から渦電流が発生し、熱に変わるという原理を用いて加熱する方法であって、抵抗体加熱法としてはあり得ない高温を得られるという長所があるので、様々な方面で幅広く用いられている。

一方、複数箇所の温度を任意に調整したい場合、誘導加熱コイルを複数配置し、それぞれ個別に出力を制御する必要があるが、この際、複数の誘導加熱コイルを隣接させて同時に作動させると、各誘導加熱コイル間に相互磁界干渉による誘導電圧が発生し、結局、誘導加熱コイルに投入される電力の制御が不能となったり、隣接しているインバータが損傷してしまう場合があった。

これに対する対策の一例で、下記に記載の発明(特許文献１)がある。特許文献１の発明は、複数の加熱ユニットのうちのひとつを主加熱ユニットとし、その残りを主加熱ユニットに従属するように制御するものである。

詳しくは、近接した複数の加熱コイルそれぞれに順変換部又はチョッパ部を備えた共振型インバータを対応させ、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法において、相互隣接している加熱コイルそれぞれに供給する電流の周波数を一致させ、各加熱コイル間の電流位相差を検出し、それぞれの加熱ユニットに属しているインバータを制御し、位相差が零となるように加熱コイルに供給される電流の位相を調整しながら、順変換部又はチョッパ部を介して各加熱コイルへの投入電力を調整し、被加熱体の温度分布を制御する。

特許文献１のような構成の回路によれば、相互誘導電圧の影響を回避し、各誘導加熱コイルへの投入電力を個別に制御し、被加熱物の温度を任意に制御することがある程度は可能である。しかし、従属側加熱ユニットの場合、インバータと加熱コイルとの間に可変リアクトルを設け、従属側加熱コイル電流と主側加熱コイル電流との位相差が零となるように可変リアクトルを調整することが基本原理となっているが、これは負荷(被加熱体)の材質又は形状によって随時にリアクタンスを可変しなければならないという不都合を伴い、リアクトルは交流回路で等価的に負荷に該当するので、自体発熱をし、不必要なエネルギーが消耗されることになる。

特許第３８３５７６６号公報

本発明は、こうした問題点等を解消するために案出されたものであって、不必要な可変要素や発熱要素なしに複数の誘導加熱コイル間に相互磁界干渉を与えずに円滑に作動する誘導加熱方法を提供することをその目的とする。

こうした目的を達成するための本発明による誘導加熱方法は、
複数の加熱コイルを相互隣接して配置し、それぞれの加熱コイルごとに共振型インバータを対応させた誘導加熱ユニットと、交流電流を整流する順変換部と、パルスを発生するＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス発生器及び、同期信号発生器を有する誘導加熱装置により被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法において、前記複数の加熱コイルそれぞれに、周波数が同じで位相が同じである電流を流す段階及び、前記段階の間、誘導加熱ユニットをＯＤＤグループとＥＶＥＮグループに分け、グループ間に相互排他的に繰り返してオン/オフ動作させ、互いに隣接している加熱コイル同士の磁界干渉を極力抑制させる段階を含めてなされたことを特徴とする。

望ましくは、前記磁界干渉を極力抑制させる段階は、同一グループ内の誘導加熱ユニットの加熱コイル同士は、開始点の極性が互いに反対となるように接続し、相互干渉磁界エネルギーが被加熱体にて熱エネルギーに消尽されるように構成したことを特徴とする。

そして、前記磁界干渉を極力抑制させる段階は、前記排他的時分割動作による投入電力の半分化を補うために、誘導加熱ユニットの出力容量を要求定格の２倍となるようにしたことを特徴とする。

また、前記電流を流す段階は、前記加熱コイルに、周波数が同じで位相も同じである電流を流すために専用同期信号発生器からタイムベース(ｔｉｍｅｂａｓｅ)を出力するようにして、誘導加熱ユニット全てがそのタイムベースに歩調を合わせて動作するようにしたことを特徴とする。

本発明による誘導加熱装置は、複数の加熱コイルを連接せしめ、誘導加熱を行う時、それぞれの誘導加熱ユニットごとに自由に出力を可変することができ、被加熱体の温度分布を均一に保持したり、又は任意で差が生じるようにすることが可能であるので、様々な特性を要する加工工程に好適であると共に不必要な誘導加熱ユニットは電源を遮断してもよいので、省エネルギーが図れる。

本発明による誘導加熱装置を示した図面である。本発明の電源位相ＥｖによるＯＤＤパルスとＥＶＥＮパルスを示した図面である。本発明の誘導加熱による容器加熱装置を示した図面である。誘導加熱出力が低い時のＱパルスとゲートパルスＱａ、Ｑｂの位相関係を示した図面である。誘導加熱出力が高い時のＱパルスとゲートパルスＱａ、Ｑｂの位相関係を示した図面である。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。
図１の誘導加熱装置は、本発明による誘導加熱装置を例に挙げて示したものである。
図示したように、本発明による誘導加熱装置１００は、誘導加熱ユニット１０ｄ、１０ｅ、２０ｄ、２０ｅと、電力を供給する電源部３０、変圧器３１、ＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス発生器３２及び同期信号発生器３３と、交流電流を整流する順変換部４０とからなる。

順変換部４０は、再びＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス信号によりオン/オフとなるサイリスター４１、４２、４３、４５、４６、４７、サイリスター駆動部４４、４８及び整流ダイオード４９、５０、５１からなり、これらサイリスターと整流ダイオードとの組合わせによるブリッジ整流回路を通じて交流電源が直流に変わる。但し、サイリスター４１、４２、４３がオンになると、電源部ＯＤＤグループ用電源ライン３５に直流電源が供給され、且つ、サイリスター４５、４６、４７がオンになると、電源部ＥＶＥＮグループ用電源ライン３６に直流電源が供給される。

誘導加熱ユニットは、便宜上、四つを例にしているが、これらは加熱コイルの接続方向のみが一部異なっているだけで、ハードウエアとしては全て同じであるので、特別な言及がない限り、以下、１０ｄを代表図として引用する。

誘導加熱ユニット１０ｄは、駆動制御部１２ｄ、インバータ部(逆変換部)１１ｄ、加熱コイル１７ｄ、コンデンサー１５ｄ、１６ｄ、平滑リアクター１３ｄ及び出力設定器１４ｄからなる。

インバータ部１１ｄは、インバータトランジスタ１１１ｄ、１１２ｄからなる。

特に、コンデンサー１５ｄ、１６ｄと加熱コイル１７ｄは、並列共振回路を構成しているので、誘導加熱ユニット１０ｄをわけて共振型インバータとも呼ぶ。

こうした本発明による誘導加熱装置の動作は、次の通りである。
本発明による誘導加熱装置は、隣接して配置された複数の誘導加熱コイルに電流を供給するときに発生する相互磁界干渉の影響を受けないようにする誘導加熱方法として、本発明の実施形態は、多数の誘導加熱ユニットを、ＯＤＤ側とＥＶＥＮ側の２グループに分けて、ＯＤＤ、ＥＶＥＮ、ＯＤＤ、ＥＶＥＮ……の順に配列した後、ＯＤＤグループ誘導加熱ユニットとＥＶＥＮグループ誘導加熱ユニットを、同一周期を基に互いに排他的時分割動作をさせることによって、全ての誘導加熱ユニットが、そのうちの何れか一つでも、隣接の誘導加熱ユニットとは同時に作動しないようにする。

さらに詳細には、主電源ラインを基本的にＯＤＤグループ用電源ライン３５とＥＶＥＮグループ用電源ライン３６の２系統に分離し、ＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス発生器３２から発生するタイミングパルスのうち、ＯＤＤ信号が、‘Ｈ’であり、ＥＶＥＮ信号が‘Ｌ’である時は、ＯＤＤグループ用電源ライン３５に電源が供給され、ＯＤＤグループ内の誘導加熱ユニット１０ｄ、２０ｄを作動させ、ＥＶＥＮグループ内の誘導加熱ユニット１０ｅ、２０ｅは休止期を、反対に、ＯＤＤ信号が、‘Ｌ’であり、ＥＶＥＮ信号が‘Ｈ’である時は、ＥＶＥＮグループ用電源ライン３６に電源が供給され、ＥＶＥＮグループ内の誘導加熱ユニット１０ｅ、２０ｅを作動させ、ＯＤＤグループ内誘導加熱ユニット１０ｄ、２０ｄは休止期を持つようにする。

このように２個グループ間の誘導加熱ユニットを相互排他的に動作させる目的は、出力制御のためではなく、前述したように、誘導加熱ユニットが何れか一つでも隣接の誘導加熱ユニットとは同時に作動しないようにし、相互磁界干渉を極力抑制するためである。出力制御は、別の方法により各誘導加熱ユニットごとに独自的に行われ、これに対する詳しい説明は後述する。

このようにＯＤＤ周期とＥＶＥＮ周期にしたがって誘導加熱ユニットが排他的に作動すると、結局、全ての誘導加熱ユニットの出力が半分に減るという短所があるが、この点は、当初、誘導加熱インバータの出力容量を２倍に設定することによって、簡単に解決できるものである。

図２は、電源位相ＥｖによるＯＤＤパルスとＥＶＥＮパルスを示したものである。
図示したように、ＯＤＤとＥＶＥＮの二つパルスの１周期を４サイクル(２ＣＹＣＬＥＨＩＧＨ、２ＣＹＣＬＥＬＯＷ)に例示したが、この値は、ＯＤＤグループとＥＶＥＮグループの誘導加熱ユニットを、いくら頻繁に繰り返してオン/オフするか、という切換スピードのことであって、本実施例で便宜上定めた値であるので、絶対値ではない。この切換スピードが遅すぎると、被加熱体の温度が揺動し得ないなので、可能であれば短いものが良く、大略１０サイクル以内にすれば実用上差し支えない。

ＯＤＤ/ＥＶＥＮパルス発生器３２は、変圧器３１から周波数とゼロクロシング(ｚｅｒｏｃｒｏｓｓｉｎｇ)信号を参照し、出力パルスの状態変化が、いつもゼロクロシング時点で行われるようにする。

本発明の誘導加熱方法は、各同一グループ内の誘導加熱ユニットの加熱コイル同士は、開始点の極性が互いに反対となるように接続し、加熱コイルに電流を流す時に発生する磁気場の回転方向が休止期側の加熱コイル方向に共に集まるようにすることによって、相互干渉磁界エネルギーが被加熱体にて元の目的の通り熱エネルギーに消尽されるようにする。

以下、本発明の実施形態について図３を通じてさらに詳しく説明する。
図３は、本発明の誘導加熱による容器加熱装置の概略を示した図面である。一番上側の容器加熱装置５０に図示された加熱コイルは、ＯＤＤ１７ｄ、ＥＶＥＮ１７ｅ、ＯＤＤ２７ｄ、ＥＶＥＮ２７ｅの順に配置されており、加熱コイルの開始点１７ｄｓ、１７ｅｓ、２７ｄｓ、２７ｅｓの位置が、同一グループ内の加熱コイル(１７ｄ、２７ｄ)、(１７ｅ、２７ｅ)同士は、互いに反対方向となっている。これは、同一グループ内の加熱コイル同士は、磁界が互いに衝突することなく、被加熱体の方に向かうようにするためである。

中間の容器加熱装置５０ｄと最下側の容器加熱装置５０ｅは、それぞれＯＤＤグループとＥＶＥＮグループの加熱コイルに電流が流れるとき、コイル周辺に形成される磁気場の様子を概略的に示したものであるが、これら２つの場合において、磁界は休止期の加熱コイル側を通過しながら、被過熱体５１にて熱エネルギーに変わる。加熱コイルに流れる電流の方向が反対になると、磁界の方向も当然のことながら反対となり、その時の作用も前述したものと同様である。

前述したように本発明の目的は、隣接して配置された複数の誘導加熱コイル相互間に磁界干渉なしに円滑に作動される誘導加熱装置を提供するものであるが、これを達成するための第１の条件は、各加熱コイルに印加する電流の周波数と位相とが同じではなければならず、第２の条件は、各誘導加熱ユニットごとに個別的に出力可変が自由に行われなければならない。

これに対する本発明の実施形態は、同期信号発生器３３で一種類の基本パルスＣＫを造り、全ての駆動制御部１２ｄ、１２ｅ、２２ｄ、２２ｅに供給し、駆動制御部１２ｄは、このＣＫパルスをタイムベースにしてインバータトランジスタ１１１ｄ、１１２ｄのゲートパルスＱａ、Ｑｂを造る。

図４は、ＣＫパルスを基準とし、そこにＱパルスとゲートパルスＱａ、Ｑｂの位相関係を示したものであるが、そこでＱパルスについて詳述する。

駆動制御部１２ｄ内のパルス幅生成器は、ＶＩ値に比例したＱパルスを出力するが、出力設定器１４ｄを通じて出力設定電圧ＶＩを可変させると、Ｑパルス幅も従って変わる。

Ｑパルスは、図４に示したように、そのままＱａパルスになり、/Ｑ(‘ＱＢａｒ’と言い、Ｑの逆を意味する)は、そのままＱｂパルスとなる。

タイミング手順に応じて、Ｑａパルスが‘Ｈ’、Ｑｂパルスが‘Ｌ’になると、インバータトランジスタ１１１ｄがオンになり、加熱コイル１７ｄとコンデンサ１６ｄに電流が流れ、次いでＱａパルスが‘Ｌ’、Ｑｂパルスが‘Ｈ’となると、インバータトランジスタ１１１ｄがオフとなり、インバータトランジスタ１１２ｄがオンとなりながら、加熱コイル１７ｄとコンデンサ１６ｄに充電された電気エネルギーがインバータトランジスタ１１２ｄとコンデンサ１５ｄを通じて放電されることになる。この過程が繰り返されることにより、誘導加熱作用が行われる。

インバータトランジスタ１１１ｄのオンタイム幅(Ｑａパルス幅)を大きくすると、誘導加熱出力も大きくなるが、これは、オンタイム(ＯＮＴＩＭＥ)幅が大きいほど加熱コイル１７ｄとコンデンサ１６ｄに多量のエネルギーが充電されてから、放電されるからである。出力設定器１４ｄは、このオンタイム幅を調整するための道具であって、これを通じて誘導加熱出力が調整される。

図４と図５は、基本的に同じ図面であって、図４は、誘導加熱出力が低い時の例示としてＱ、Ｑａパルス幅が狭く、Ｑｂパルス幅が広い反面、図５は、誘導加熱出力側が高い時の例示としてＱ、Ｑａパルス幅が広く、Ｑｂパルス幅が狭い。

駆動制御部１２ｄ内のゲート信号発生器は、モノシンク(ＭＯＮＯＳＹＮＣ)形態のＱパルスを相補対称パルスＱａ、Ｑｂに分離生成し、出力する。

以上で説明したように、本発明は、各加熱コイルに周波数が同じで位相も同じである電流を流すようにするものの、誘導加熱ユニットをＯＤＤグループとＥＶＥＮグループに分けて相互排他的に繰り返してオン/オフ動作させることによって、互いに隣接している加熱コイル同士の磁界干渉を極力抑制することができるようにし、それぞれの誘導加熱ユニットごとに自由に出力を可変し得るようにしたものである。

したがって、被加熱体の温度分布を均一に維持したり、又は任意で差が付くように構成することが可能であるため、様々な特性を要する誘導加熱加工工程に好適であり、不必要な誘導加熱ユニットは電源を遮断しても良いので、省エネルギーを実現できる。

１００誘導加熱装置
１０ｄ、１０ｅ、２０ｄ、２０ｅ誘導加熱ユニット
１１ｄ、１１ｅ、２１ｄ、２１ｅインバータ部
１２ｄ、１２ｅ、２２ｄ、２２ｅ駆動制御部
１３ｄ、１３ｅ、２３ｄ、２３ｅリアクター
１４ｄ、１４ｅ、２４ｄ、２４ｅ出力設定器
１５ｄ、１６ｅ、１５ｅ、１６ｅ、２５ｄ、２６ｄ、２５ｅ、２６ｅコンデンサ
１７ｄ、１７ｅ、２７ｄ、２７ｅ加熱コイル
３２ＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス発生器
３３同期信発生器
４０順変換部

Claims

複数の加熱コイルを相互間に隣接して配置し、それぞれの加熱コイルごとに共振型インバータを対応させた誘導加熱ユニットと、交流電流を整流する順変換部と、パルスを発生するＯＤＤ／ＥＶＥＮパルス発生器及び、同期信号発生器を有する誘導加熱装置により被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法において、
前記複数の加熱コイルそれぞれに周波数が同じであり、位相が同じである電流を流す段階、及び
前記段階の間、誘導加熱ユニットを、ＯＤＤグループとＥＶＥＮグループに分け、グループ間に相互排他的に繰り返してオン/オフ動作をさせることにより、互いに隣接している加熱コイル同士の磁界干渉を極力抑制する段階を含めてなされた誘導加熱方法。
前記磁界干渉を極力抑制する段階は、
同一グループ内の誘導加熱ユニットの加熱コイル同士は、開始点の極性が互いに反対となるように接続し、相互干渉磁界エネルギーが被加熱体にて熱エネルギーに消尽されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱方法。
前記磁界干渉を極力抑制する段階は、
前記排他的時分割動作による投入電力の半分化を補うために、誘導加熱ユニットの出力容量を要求定格の２倍になるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱方法。
前記電流を流す段階は、
前記加熱コイルに、周波数が同じであり、位相が同じである電流を流すために専用同期信号発生器からタイムベースを出力するようにして、全誘導加熱ユニットがそのタイムベースに歩調を合わせて動作するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱方法。