JP2013161687A

JP2013161687A - 加熱コイル及び誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2013161687A
Application number: JP2012023436A
Authority: JP
Inventors: Yuji Maekawa; 祐司前川; Yuji Takatsu; 裕二高津
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】被加熱物との距離を安定化させて被加熱物を均一あるいは安定的に加熱する。
【解決手段】電流の流れる方向が逆向きであると共に中心軸線が同一方向である複数の環状導電部ａ4〜ａ7を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導により被加熱物を加熱する加熱コイル及び誘導加熱装置に関する。

下記特許文献１には、電圧形インバータ回路から加熱コイルに高周波電流を流すことによって被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置が開示されている。このような誘導加熱装置は、周知のように、高周波電流に基づいて加熱コイルの周囲に発生する誘導磁界によって被加熱物内に誘導電流（渦電流）を発生さ、この誘導電流によるジュール熱によって被加熱物を加熱するものである。なお、誘導加熱装置については、下記特許文献２、３にも開示されている。

特開２００４−０３０９６５号公報特開２００８−２８７８９０号公報特開２００９−２５２６４３号公報

ところで、誘導加熱装置を用いた被加熱物の加熱では、加熱コイルと被加熱物との距離の設定が重要である。すなわち、被加熱物内に発生する誘導電流の大きさは、加熱コイルと被加熱物との距離に依存するので、被加熱物の均一あるいは安定的な加熱を実現するためには、加熱コイルと被加熱物との距離を一定に保持する必要がある。

しかしながら、加熱コイルと被加熱物との間にはローレンツ力が原理的に作用するため加熱コイルと被加熱物との距離が変動することがある。例えば、被加熱物の重量が比較的重い場合には、固定状態の被加熱物に対して加熱コイルが振動して加熱コイルと被加熱物との距離が変動することがある。従来の誘導加熱装置は、このようなローレンツ力に起因する加熱コイルと被加熱物との距離の安定化については考慮されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、被加熱物との距離を安定化させて被加熱物を均一あるいは安定的に加熱することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、加熱コイルに係る第１の解決手段として、電流の流れる方向が逆向きであると共に中心軸線が同一方向である複数の環状導電部を備える、という手段を採用する。

加熱コイルに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、環状導電部の個数が偶数である、という手段を採用する。

また、本発明では、誘導加熱装置に係る第１の解決手段として、上記第または第の解決手段の加熱コイルと、当該加熱コイルに交流電流を供給する交流電源とを具備する、という手段を採用する。

誘導加熱装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、加熱コイルと交流電源との間にインピーダンス整合器が介装される、という手段を採用する。

本発明によれば、複数の環状導部と被加熱物との間に作用するローレンツ力は互いに隣り合う環状導部間で逆向きとなるので、被加熱物との距離を安定化させることが可能であり、よって被加熱物を均一あるいは安定的に加熱することができる。

本発明の一実施形態に係る加熱コイルＡの構成を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置Ｂの全体構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る加熱コイルＡは、図１（ａ）に示すように、単一の巻線を中心軸線周りに各々１８０°捩じることにより３つの節部ａ1〜ａ3と個々の中心軸線が同一方向となる４つの環状導部ａ4〜ａ7とを設けたような形状を有している。

すなわち、この加熱コイルＡにおいて、４つ（偶数）の環状導部ａ4〜ａ7の大きさ（内面積）は同等である。また、環状導部ａ4の中心軸線と環状導部ａ5の中心軸線と環状導部ａ6の中心軸線と環状導部ａ7の中心軸線とは全て平行、つまり各環状導部ａ4〜ａ7の各中心軸線の方向は全て同一方向（図１（ａ）では紙面に垂直な方向、図１（ｂ）では上下方向）である。また、巻線は丸線あるいは平角線から形成されている。なお、図１では説明を容易化するために単巻コイルを示しているが、実際の加熱コイルＡは多重巻コイルである。

このように構成された加熱コイルＡでは、図１（ａ）に矢印で示すように、各節部ａ1〜ａ3を挟んで互いに隣り合う各環状導部ａ4〜ａ7には互いに異なる向きに電流が流れる。すなわち、環状導部ａ4と環状導部ａ5とでは、巻線の一端から給電される電流の流れる向きが逆方向となり、また環状導部ａ5と環状導部ａ6とでも電流の流れる向きが逆方向となり、また環状導部ａ6と環状導部ａ7とでも電流の流れる向きが逆方向となる。

誘導加熱装置Ｂは、上述した加熱コイルＡに加え、高周波電源１とインピーダンス整合器２とから構成されている。高周波電源１とインピーダンス整合器２とは一体として装置本体を構成している。誘導加熱装置Ｂは、このような装置本体に所定の電力伝送線を介して加熱コイルＡが着脱自在に接続されたものである。

高周波電源１は、図示するようにコンバータ１ａ、インバータ１ｂ及び制御部１ｃから構成されており、三相２００Ｖあるいは三相４００Ｖ等の系統電源から供給された交流電力（系統電力）を加熱コイルＡに適した周波数（系統周波数よりも高周波）の交流電力（高周波電力）に変換する電力変換器である。コンバータ１ａは、系統電力を直流電力に変換する一種の整流器であり、当該直流電力をインバータ１ｂに出力する。

インバータ１ｂは、上記直流電力を加熱コイルＡに適した周波数の交流電力（高周波電力）に変換する電力変換器であり、当該高周波電力をインピーダンス整合器２に出力する。すなわち、このインバータ１ｂは、制御部１ｃから入力されるスイッチング信号に基づいて上記直流電力をスイッチングすることにより高周波電力を生成し、この高周波電力をインピーダンス整合器２に出力する。なお、上記高周波電力の周波数は、例えば数百ヘルツ〜数キロヘルツ程度である。

一方、インピーダンス整合器２は、整合トランス２ａ及び共振コンデンサ２ｂから構成された受動回路である。このインピーダンス整合器２は、高周波電力の給電側である高周波電源１と高周波電力の受電側である加熱コイルＡとのインピーダンスマッチングをとると共に、整合トランス２ａの２次巻線と加熱コイルＡとからなる２次側回路を高周波電力の周波数と共振させるためのである。すなわち、このインピーダンス整合器２は、上記インピーダンスマッチングをとると共に２次側回路を高周波電力の周波数に共振させることにより、高周波電源１が出力する高周波電力を効率良く加熱コイルＡに伝送させるためのものである。

整合トランス２ａは、電磁気的に結合した１次巻線と２次巻線とを備え、インバータ１ｂから１次巻線に入力される高周波電力を１次巻線と２次巻線との巻線比に応じた変圧比で変圧して２次巻線に出力する。また、この整合トランス２ａは、上記インピーダンスマッチングをとるために、上記高周波電力の給電側を加熱コイルＡのインピーダンスと略同一のインピーダンスとする。共振コンデンサ２ｂは、上記２次側回路を高周波電力の周波数に共振させるために、２次側回路に静電容量を付加して共振回路とする回路素子である。

次に、このように構成された誘導加熱装置Ｂの動作及び加熱コイルＡの作用効果について詳しく説明する。

本誘導加熱装置Ｂでは、高周波電源１によって加熱コイルＡに適した高周波電力が生成され、インピーダンス整合器２を介して加熱コイルＡに供給される。すなわち、系統電力は、コンバータ１ａによって直流電力に変換されてインバータ１ｂに供給され、該直流電力は、が制御部１ｃから入力されるスイッチング信号に基づいてインバータ１ｂで加熱コイルＡに適した高周波電力に変換されてインピーダンス整合器２に供給される。そして、上記高周波電力は、整合トランス２ａによって変圧されると共に加熱コイルＡとインピーダンスマッチングがとられ、共振コンデンサ２ｂを介して加熱コイルＡに供給される。

ここで、装置本体の出力インピーダンスは、整合トランス２ａによって加熱コイルＡのインピーダンスとマッチングしているので、また加熱コイルＡを含む整合トランス２ａの２次側回路は共振コンデンサ２ｂによって高周波電力の周波数を共振周波数とする共振回路になっているので、インバータ１ｂが整合トランス２ａの１次巻線に供給する高周波電力は、効率良く加熱コイルＡに伝送される。

加熱コイルＡでは、上記高周波電力の通電によって周囲に高周波磁界が発生し、当該高周波磁界が近接配置された被加熱物Ｘに作用して当該被加熱物Ｘの内部に誘導電流を誘起させる。この結果、被加熱物Ｘは、上記誘導電流に起因するジュール熱によって加熱される。

ここで、図１（ｂ）には、加熱コイルＡの側面が示されていると共に、加熱コイルＡを挟んで上下に各々４つの被加熱物Ｘ、つまり加熱コイルＡの各環状導部ａ4〜ａ7に対応した被加熱物Ｘが設けられ、これら合計８個の被加熱物Ｘを１つの加熱コイルＡで同時に加熱する状態が示されている。加熱コイルＡと各被加熱物Ｘとは、高周波磁界が被加熱物Ｘに効果的に作用するように、姿勢関係が各環状導部ａ4〜ａ7の各中心軸線の方向（紙面の上下方向）が被加熱物Ｘの加熱対象面ｘ1と直交するように設定されている。また、加熱コイルＡは、上下の各被加熱物Ｘの間隔の中心に位置設定されている。

また、このように各環状導部ａ4〜ａ7の各中心軸線が各加熱対象面ｘ1と直交する状態で加熱コイルＡと各被加熱物Ｘとが対峙した状態で、装置本体から加熱コイルＡに高周波電力を給電すると、上述したように互いに隣り合う各環状導部ａ4〜ａ7には互いに異なる向きに電流が流れる。この結果、各環状導部ａ4〜ａ7と各被加熱物Ｘとの間に作用するローレンツ力は、互いに隣り合う各環状導部ａ4〜ａ7間で逆方向になる。

本実施形態によれば、各環状導部ａ4〜ａ7の各中心軸線が各加熱対象面ｘ1と直交する状態であり、かつ、各環状導部ａ4〜ａ7と上下の各被加熱物Ｘまでの距離が等距離なので、上下の各被加熱物Ｘには各環状導部ａ4〜ａ7が発生する高周波磁界が均等に作用する。したがって、本実施形態によれば全ての被加熱物Ｘが均一に加熱される。

また、本実施形態によれば、４つの環状導部ａ4〜ａ7のうち、環状導部ａ4，ａ6と環状導部ａ5，ａ7とでは各被加熱物Ｘとの間に作用するローレンツ力が逆方向になる。また、４つの環状導部ａ4〜ａ7に流れる高周波電流は全く同一なので、ローレンツ力が相互に相殺されるので、例えば各被加熱物Ｘが十分に固定されている状態においては、加熱コイルＡが上下の各被加熱物Ｘの間で振動することが大幅に抑制される。したがって、本実施形態によれば、各被加熱物Ｘが均一かつ安定的に加熱される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、４つ（偶数）の環状導部ａ4〜ａ7を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば３つ（奇数）であっても、２つの環状導部と残りの１つの環状導部との高周波電流の流れる向きが逆向きになるので、加熱コイルＡに全体として作用するローレンツ力が軽減され、これによって加熱コイルＡの振動を抑制することができる。また、環状導部の個数は、２つ以上であれば幾つでもよい。

（２）上記実施形態では、４つの環状導部ａ4〜ａ7が一列に並ぶように配列したが、本発明はこれに限定されない。環状導部の配列パターンは、被加熱物の配列状態や大きさ等に応じて適宜設定すればよい。例えば、４つの環状導部ａ4〜ａ7を環状導部ａ4→環状導部ａ5→環状導部ａ6→環状導部ａ7の順で所定間隔を空けて円環状に配列させてもよい。

（３）上記実施形態では、インピーダンス整合器２を設けたが、必要に応じてインピーダンス整合器２を省略してもよい。

Ａ…加熱コイル、ａ1〜ａ3…節部、ａ4〜ａ7…環状導部、Ｂ…誘導加熱装置、１…高周波電源、１ａ…コンバータ、１ｂ…インバータ、１ｃ…制御部、２…インピーダンス整合器、２ａ…整合トランス、２ｂ…共振コンデンサ

Claims

電流の流れる方向が逆向きであると共に中心軸線が同一方向である複数の環状導電部を備えることを特徴とする加熱コイル。
前記環状導電部の個数が偶数であることことを特徴とする請求項１記載の加熱コイル。
請求項１または２記載の加熱コイルと、
当該加熱コイルに交流電流を供給する交流電源と
を具備することを特徴とする誘導加熱装置。
前記加熱コイルと前記交流電源との間にインピーダンス整合器が介装されることを特徴とする請求項５記載の誘導加熱装置。