JP2013251199A

JP2013251199A - 高周波加熱装置

Info

Publication number: JP2013251199A
Application number: JP2012126325A
Authority: JP
Inventors: Eiji Suzuki; 英司鈴木
Original assignee: Miyaden Co Ltd
Current assignee: Miyaden Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: JP5963351B2

Abstract

【課題】高周波加熱時に発生する熱を電力に変換して蓄電することで、加熱装置の電力として使用できて節電対策等が可能な高周波加熱装置を提供する。
【解決手段】半導体スイッチング素子及び出力トランスを有して高周波電流を出力可能な高周波電源と、高周波電源の出力端子に接続されて被加熱物の加熱部位に近接配置された加熱コイルと、被加熱物の加熱部位の近傍に配置され被加熱物の加熱時に発生する熱を電力に変換可能な熱電変換器と、熱電変換器で変換された電力を蓄電する蓄電手段と、高周波電源を制御する制御手段と、を備え、制御手段により蓄電手段に蓄電された電力が加熱装置の電力として利用可能に構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば高周波の誘導加熱を利用して金属等の被加熱物を加熱するために使用されるエコタイプの高周波加熱装置に関する。

従来、誘導加熱を利用した高周波加熱装置は、トランジスタ式のインバータ回路と、このインバータ回路の出力端子に接続された出力トランスを有する高周波電源と、この高周波電源に接続された加熱コイル等を備えている。そして、加熱コイルを被加熱物としてのワークの加熱部位の周囲に所定間隔で配置すると共に、この加熱コイルに高周波電源から所定周波数の高周波電流を供給することにより、加熱コイルから発生する磁束によりワークの表面に渦電流を誘起させ、ワークを所定温度まで誘導加熱して例えば焼き入れや焼き鈍し等の熱処理をしたり、あるいは対になったワークをロー付けするようにしている。なお、この種の加熱装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００２−２５２０７６号公報

しかしながら、このような高周波加熱装置にあっては、ワークが例えば９００度程度まで誘導加熱されて、その周囲の温度（雰囲気）が例えば２００度程度になる場合があるが、この誘導加熱時の発生する熱は、現在においては何等利用されていない。つまり、高温とされる例えばワークを支持するためのワーク台や、加熱コイル周囲の筐体等への熱対策は考慮されているものの、熱自体を利用して加熱装置に節電対策を施すという技術的思想はないのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、高周波加熱時に発生する熱を電力に変換して蓄電することで、加熱装置の電力として使用できて節電対策等が可能な高周波加熱装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、半導体スイッチング素子及び出力トランスを有して高周波電流を出力可能な高周波電源と、該高周波電源の出力端子に接続されて被加熱物の加熱部位に近接配置された加熱コイルと、前記被加熱物の加熱部位の近傍に配置され被加熱物の加熱時に発生する熱を電力に変換可能な熱電変換器と、該熱電変換器で変換された電力を蓄電する蓄電手段と、前記高周波電源を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段により前記蓄電手段に蓄電された電力が加熱装置の電力として利用可能に構成されていることを特徴とする。

また、前記熱電変換器は、請求項２に記載の発明のように、前記加熱部位の上方に熱収集部材を介して配置されて、加熱部位周囲の雰囲気の熱を利用して熱電変換するか、あるいは請求項３に記載の発明のように、前記被加熱物を支持するワーク台に配置されて、該ワーク台を介して伝熱された熱を利用して熱電変換することを特徴とする。さらに、請求項４に記載の発明は、前記制御手段が、前記蓄電手段に蓄電された電力を、当該制御手段の表示用電力、前記高周波電源の半導体スイッチング素子の冷却用電力、前記熱電流変換器の低温側の冷却用電力の少なくとも一つとして利用することを特徴とする。また、請求項５に記載の発明は、前記熱電変換器は、多数のｎ型半導体とｐ型半導体を金属板で接合した熱電素子モジュールで構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、高周波電源、加熱コイル、高周波加熱時の熱を電力に変換する熱電変換器及び熱電変換された電力を蓄電する蓄電手段等を備え、制御手段により蓄電手段に蓄電された電力が加熱装置の電力として利用可能に構成されているため、加熱時に発生する熱を有効利用することで、加熱装置の節電対策が可能となり、従来にない新規な高周波加熱装置を提供することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、熱電変換器が加熱部位の上方に熱収集部材を介して配置されて、加熱部位周囲の雰囲気の熱を利用して熱電変換するため、加熱部位から上昇する加熱時の熱を熱収集部材で収集しつつ熱電変換器で電力に変換できて、熱電変換器による変換効率を高めることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、熱電変換器が被加熱物を支持するワーク台に配置されて、このワーク台を介して伝熱された熱を利用して熱電変換するため、加熱されたワークの熱をワーク台を介して伝熱させることで、熱電変換器の変換効率を高めることができると共に、熱電変換器の配置を容易に行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、制御手段が蓄電手段に蓄電された電力を、当該制御手段の表示用電力や高周波電源の半導体スイッチング素子の冷却用電力、熱電変換器の低温側の冷却用電力等として利用するため、蓄電手段の電力を比較的小電力の表示や冷却等に有効利用できて、コスト的に有利な加熱装置を得ることができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４に記載の発明の効果に加え、熱電変換器が多数のｎ型半導体とｐ型半導体を金属板で接合した熱電素子モジュールで構成されているため、一方の金属板の冷却効率を高めることでゼーベック効果により熱を電力に効果的に変換できると共に、熱電変換器自体の取り扱いを容易に行うことができる。

本発明に係わる高周波加熱装置の一実施形態を示すブロック構成図同その熱電変換器の断面図同その斜視図同動作の一例を示すフローチャート本発明に係わる高周波加熱装置の他の実施形態を示すブロック構成図

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明に係わる高周波加熱装置の一実施形態を示している。図１に示すように、高周波加熱装置１は、高周波電源２と、この高周波電源２に接続された加熱コイル３と、高周波電源２等を制御する制御手段４と、被加熱物としてのワークＷを支持するワーク台５と、このワーク台５を移動（例えば上下動）させるワーク台移動装置６と、ワークＷの上方に配置された熱電交換器７と、この熱電交換器７で熱電変換された電力を蓄電する蓄電手段８等を備えている。

前記高周波電源２は、例えばトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を使用したインバータ回路と、このインバータ回路の出力端子に接続された出力トランス（変流器）と、冷却水供給装置（いずれも図示せず）等を有している。そして、所定周波数の高周波電流を、出力トランスの二次側に出力ケーブル２ａを介して接続された加熱コイル３に供給するようになっている。この高周波電源２の半導体スイッチング素子の近傍には、冷却ファン等の冷却器９が設けられ、この冷却器９が作動することで、半導体スイッチング素子の発熱が抑えられるようになっている。

前記加熱コイル３は、例えば銅パイプを巻回すること等によりコイル型もしくは馬蹄型に形成され、ワーク台５にセットされたワークＷの加熱部位Ｗａの周囲に所定の間隔を有して配置されると共に、その銅パイプ内には、前記冷却水供給装置から冷却水が循環供給されて、加熱（通電）時の加熱コイル３自体の発熱が抑えられるようになっている。

また、前記ワーク台５は、熱伝導に優れた金属材で形成され、その上面にはワークＷの下端を支持する凹部５ａが形成されている。そして、このワーク台５は、制御手段４に接続されたワーク台移動装置６が、制御手段４の制御信号で作動することにより、例えば下降してワークＷを加熱コイル３内から待避させ、ワーク台５からのワークＷの取り出しや新たなワークＷのセットを可能にすると共に、上昇することによりワーク台５上のワークＷを加熱位置である加熱コイル３内にセット可能となっている。

また、前記熱電変換器７は、図２に示すように、熱電素子１１と一対の伝熱性のアルミナ・セラミック基板（セラミック基板という）１２、１３を有した熱電モジュール１０で構成されている。すなわち、熱電モジュール１０は、図３に示すように、ｎ型半導体１１ａとｐ型半導体１１ｂとを一対の金属板１１ｃ、１１ｄで接合した熱電素子１１を有し、この熱電素子１１を前後及び左右方向に多数配置して金属板１１ｃ、１１ｄで電気的に直列接続することにより全体形状が板状に形成されている。このとき、一対の金属板１１ｃ、１１ｄは、後述する蓄電手段８の＋、−端子に一対の電線等の導体で接続されている。また、各熱電素子１１として使用される半導体材料としては、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系等が使用される。

この熱電変換器７は、図１に示すように、前記加熱コイル３の上方、すなわちワークＷの加熱部位Ｗａの上方に所定間隔で配置された熱収集部材１４に取り付けられている。この熱収集部材１４は、熱伝導性と耐熱性に優れた所定板厚の金属板で形成され、下方に拡がった傾斜部１４ａと、この傾斜部１４ａの上面に形成された平面部１４ｂを有して、傘形状に形成されている。そして、ワークＷの加熱部位Ｗａから発生した熱を傾斜部１４ａで集めつつ平面部１４ｂ方向に上昇させるようになっている。この平面部１４ｂの外面側に前記熱電変換器７の熱電モジュール１０の高温側のセラミック基板１２が例えば密着状態で取り付けられている。

前記蓄電手段８は、例えば充電可能な車両用のバッテリィ、鉛蓄電器、アルカリ蓄電器、あるいは電気二重層コンデンサ等が使用され、熱電変換器７で変換された電力を蓄電するようになっている。そして、この蓄電手段８に蓄電されている電力は、該蓄電手段８が接続された電圧制御部１５で、直流電圧が交流電圧に変換されたり、所定の電圧値に制御されるようになっている。

また、前記制御手段４は、図示しないマイクロコンピュータや記憶部等を有し、その入力側には、前記熱収集部材１４の傾斜部１４ａの内面（もしくは外面）に取り付けられた温度センサ１６が接続されると共に、所定の入出力端子には、前記高周波電源２、電圧制御部１５、ワーク台移動装置６、冷却器９等が接続されている。そして、この制御手段４により、高周波電源２やワーク移動装置６の作動が制御されると共に、制御手段４の制御信号により電圧制御部１５の電圧を、冷却器９に供給したり、制御手段４内の各種制御状態を表示するためのＬＥＤ（図示せず）等に供給するようになっている。

次に、このように構成された高周波加熱装置１の動作の一例を図４のフローチャートに基づいて説明する。なお、図４に示すフローチャートは、制御手段４内の記憶部に予め記憶されたプログラムによって自動的に実行される。先ず、図４（ａ）に示すように、高周波加熱装置１の電源が投入されてプログラムがスタート（Ｓ０１）すると、待避（下降）位置にあるワーク台５上にワークＷが載置されると共にワーク台５が加熱位置まで上昇して加熱コイル３内にワークＷがセット（Ｓ０２）される。

このセット状態で、高周波電源２が作動（Ｓ０３）して、ワークＷの材質や熱処理形態に応じて予め設定してある所定周波数で所定出力の高周波電流が加熱コイル３に供給され、この高周波電流でワークＷの加熱部位Ｗａに渦電流が誘起されて誘導加熱される。この誘導加熱時に、加熱コイル３の銅パイプ内には前記冷却水供給装置から冷却水が循環供給される。高周波電源２が作動すると、熱電変換器７が作動（Ｓ０４）して熱電変換される。このとき、誘導加熱により例えば１００〜２００度程度の高温となった加熱部位Ｗａ周囲の高温の空気（熱）が上昇して熱収集部材１４の傾斜部１４ａを介して平面部１４ｂに集められ、この平面部１４ｂが熱せられることで、熱電変換器７により熱が電力に変換されることになる。

そして、この熱電変換された電力は蓄電手段８に蓄電（Ｓ０５）され、所定時間の誘導加熱が終了すると高周波電源２が停止（Ｓ０６）し、その後に、ワーク台５が待避位置まで下降してワーク台５上のワークＷがアンセット（Ｓ０７）されて、エンド（Ｓ０８）となる。つまり、ワークＷの加熱部位Ｗａの誘導加熱時に発生する熱を、熱収集部材１４で収集することで、熱電交換器７の熱電素子１１に、例えば高温側が２００度程度で低温側が５０度程度の大きな温度差を生じさせることができ、この温度差による熱電素子１１のゼーベック効果で所定の電力が得られ、これが蓄電手段８に蓄電（充電）されることになる。

ところで、熱電変換器７の作動は、図４（ｂ）に示すようにして行われる。すなわち、熱電変換のプログラムがスタート（Ｓ１０１）すると、前記温度センサ１６で検出された検出温度Ｔｉが所定温度Ｔｓ以上が否かが判断（Ｓ１０２）され、この判断Ｓ１０２は「ＹＥＳ」になるまで繰り返され、「ＹＥＳ」となった時点で、熱電変換器７が作動すると共に蓄電手段８に蓄電（Ｓ１０３）される。

そして、温度センサ１６の検出温度Ｔｉが所定温度Ｔｓ未満か否かが判断（Ｓ１０４）され、この判断Ｓ１０４で「ＮＯ」の場合、すなわち検出温度Ｔｉが所定温度Ｔｓ以上の場合は、ステップＳ１０３に戻り熱電変換と蓄電を継続する。また、判断Ｓ１０４「ＮＯ」の場合、すなわち高周波電源２が停止してワークＷの誘導加熱が終了して加熱部位Ｗａ周囲の温度が所定温度Ｔｓ未満下がった場合は、エンド（Ｓ１０５）となる。つまり、熱収集部材１４に設けた温度センサ１６の検出温度Ｔｉが、予め設定した所定温度Ｔｓ以上の場合にのみ、熱電変換と蓄電が行われることになる。

このように、前記実施形態の高周波加熱装置１においては、高周波電源２、加熱コイル３、高周波加熱時の熱を電力に変換する熱電変換器７及び熱電変換された電力を蓄電する蓄電手段８等を備え、制御手段４により蓄電手段８に蓄電された電力が加熱装置１に利用可能に構成されているため、蓄電手段８に蓄電された電力を高周波加熱装置１の各種電力として使用することができ、該加熱装置１の節電対策が可能になると共に、加熱装置１自らの動作で発生させた熱を有効利用できる。その結果、加熱装置１全体の消費電力をその出力電圧に対して少なくすることができる等、時代背景に適したエコタイプの従来にない新規な高周波加熱装置１を提供することが可能となる。

また、熱電変換器７が加熱部位Ｗａの上方に熱収集部材１４を介して配置されて、加熱部位Ｗａ周囲の雰囲気の熱を利用して熱電変換するため、加熱部位Ｗａから上昇する加熱時の熱を熱収集部材１４で収集しつつ熱電変換器７で熱電変換できて、熱電変換器７による変換効率を高めることができる。さらに、制御手段４が蓄電手段８に蓄電された電力を、当該制御手段８の表示用電力や高周波電源２の半導体スイッチング素子の冷却用電力等として利用するため、蓄電手段８の電力を比較的小電力の表示や冷却に利用できて、コスト的に有利な高周波加熱装置１を得ることができる。

また、熱電変換器７が多数のｎ型半導体１１ａとｐ型半導体１１ｂを金属板１１ｃ、１１ｄで接合した熱電素子モジュール１０で構成されているため、例えば一方の金属板１１ｄの冷却効率を高めることでゼーベック効果により熱を電力に効果的に変換できると共に、熱電変換器７自体の取り扱いを容易に行うことができる。

図５は本発明に係わる高周波加熱装置の他の実施形態を示すブロック構成図である。以下、前記実施形態と同一部位には、同一符号を付して説明する。この実施形態の高周波加熱装置１の特徴は、熱電変換器７の熱電変換を加熱部位Ｗａ上方の雰囲気熱の利用によるものではなく、前記ワーク台５を介した熱伝導を利用したもので、熱電変換器７を前記ワーク台５の例えば下面５ｂに取り付けるようにしたものである。

すなわち、誘導加熱で加熱されたワークＷの熱は、伝熱性に優れた金属材からなるワーク台５の下面５ｂまで伝熱されるため、この熱を下面５ｂの全域に取り付けた熱電変換器７で熱電変換させ、この熱電変換された電力を蓄電手段８に蓄電させる。この例の場合、熱電変換器７のワーク台５への取付位置は下面５ｂに限らず、例えばワーク台５を角柱形状として各側面５ｃに取り付けることも勿論可能である。

なお、この実施形態の場合は、ワーク台５に熱電変換器７が取り付けられることから、ワーク台５は固定とし、図５の二点鎖線で示すように、加熱コイル３を制御手段４の制御信号により上下動させるコイル移動装置１７を設けることが好ましい。この実施形態の高周波加熱装置１においても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる他に、熱電変換器７の低温側が誘導加熱時に発生する上昇熱の影響を受け難いため、ワーク台５の形状や材質の選定により熱電変換器７の熱電効率を高めることができる等の作用効果を得ることができる。

また、前記実施形態において、熱電変換器７の熱電モジュール１０の一対のセラミック板１２、１３の外面に、図２の二点鎖線で示すように、冷却パイプ１８と蓄熱材１９を配置するようにしても良い。すなわち、熱電モジュール１０の低温側のセラミック基板１３の外面に前記冷却水供給装置から冷却水が循環供給される銅パイプからなる冷却パイプ１８を固着する。また、高温側のセラミック基板１２の外面に密閉したカバー２０を取り付け、このカバー２０内に例えば相変化蓄熱材等の蓄熱材１９を充填する。

この構成によれば、熱電素子１１の低温側を冷却水で冷却できて高温側との温度差を一層大きくできると共に、蓄熱材１９で熱電素子１１の高温側の温度の急激な低下を防止でき、所定の温度差を長時間維持できる等、熱電変換器７による熱電変換効率を高めること等が可能になる。この例の場合は、冷却パイプ１８と蓄熱材１９の少なくとも一方を使用する構成としても良い。

なお、前記各実施形態における、熱電変換器７の構成やその設置箇所、蓄電された電力の使用形態及び高周波加熱装置１のブロック構成図等は一例であって、例えば熱電変換器７を図１の二点鎖線で示すように熱収集部材１４の傾斜部１４ａにも設けたり、あるいはワークＷの加熱部位Ｗａ周囲の筐体に設けて筐体等の熱を利用するようにして良い。また、蓄電された電力を冷却水供給装置の冷却水冷却用や熱電変換器７の低温側冷却用のファンの電力として使用したり、ワーク台移動装置６のモータ等の作動用電力として使用することもできる。さらに、電圧制御部１５の機能を制御手段４に持たせたり、熱電変換器として熱電素子以外の構成を採用する等、本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更することができる。

本発明は、高周波の誘導加熱によってワークを加熱する加熱装置に限らず、高周波の誘電加熱によってワークを加熱する加熱装置等の各種の高周波加熱装置に適用できる。

１・・・高周波加熱装置、２・・・高周波電源、２ａ・・・出力ケーブル、３・・・加熱コイル、４・・・制御手段、５・・・ワーク台、６・・・ワーク台移動装置、７・・・熱電変換器、８・・・蓄電手段、９・・・冷却器、１０・・・熱電モジュール、１１・・・熱電素子、１１ａ・・・ｎ型半導体、１１ｂ・・・ｐ型半導体、１１ｃ、１１ｄ・・・金属板、１２、１３・・・アルミナ・セラミック基板、１４・・・熱収集部材、１４ａ・・・傾斜部、１４ｂ・・・平面部、１５・・・電圧制御部、１６・・・温度センサ、１７・・・コイル移動装置、１８・・・冷却パイプ、１９・・・蓄熱材、２０・・・カバー。

Claims

半導体スイッチング素子及び出力トランスを有して高周波電流を出力可能な高周波電源と、該高周波電源の出力端子に接続されて被加熱物の加熱部位に近接配置された加熱コイルと、前記被加熱物の加熱部位の近傍に配置され被加熱物の加熱時に発生する熱を電力に変換可能な熱電変換器と、該熱電変換器で変換された電力を蓄電する蓄電手段と、前記高周波電源を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段により前記蓄電手段に蓄電された電力が加熱装置の電力として利用可能に構成されていることを特徴とする高周波加熱装置。
前記熱電変換器は、前記加熱部位の上方に熱収集部材を介して配置されて、加熱部位周囲の雰囲気の熱を利用して熱電変換することを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱装置。
前記熱電変換器は、前記被加熱物を支持するワーク台に配置されて、該ワーク台を介して伝熱された熱を利用して熱電変換することを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱装置。
前記制御手段は、前記蓄電手段に蓄電された電力を、当該制御手段の表示用電力、前記高周波電源の半導体スイッチング素子の冷却用電力、前記熱電流変換器の低温側の冷却用電力の少なくとも一つとして利用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高周波加熱装置。
前記熱電変換器は、多数のｎ型半導体とｐ型半導体を金属板で接合した熱電素子モジュールで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波加熱装置。