JP2015032382A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接配置された加熱コイル間における端子間電圧を低減し、隣接配置した加熱コイル間における放電を防止することのできる誘導加熱装置を提供する。【解決手段】近接配置された複数の加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃのそれぞれに個別に接続され、供給する電流の周波数、および位相を一致させた電流を供給するインバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃとを有する誘導加熱装置１０であって、加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうち、隣接して配置されている加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、互いに巻回方向を逆向きとし、隣接している加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれ正結合となるように、各コイル電流を同期制御することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に、複数の加熱コイルを近接配置し、各加熱コイルに供給する電力を個別制御可能とした誘導加熱装置に関する。

従来、近接配置された加熱コイルに対して個別電力制御を行うために共振型電源を設ける場合には、相互誘導の影響を回避するために、近接配置されたコイルに供給する電流の周波数を大きく乖離させる必要がある。このような構成を採用する場合に、隣接配置された加熱コイル間における周波数の乖離幅としては、例えば１．５倍以上とする。

また、近接配置された加熱コイルに対して個別電力制御を行うために共振型電源を設けた誘導加熱装置としては、相互誘導の影響を回避するために、近接配置された加熱コイルに供給する電流の周波数を一致させ、その位相を同期させて運転するという技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１５９７５９号公報

上記のような技術を用いた誘導加熱装置によれば、いずれの技術を採用する場合であっても、相互誘導の影響を抑制することができる。特に、特許文献１に開示されている技術によれば、各共振型電源において、高精度な電力制御が可能となる。

一方で、いずれの技術を採用した装置においても、隣接配置した加熱コイル間における電圧差が大きくなるといった問題が生ずることとなる。このため、構造上、加熱コイルに絶縁を施せない誘導加熱装置では、隣接加熱コイル間において放電が発生し、運転に支障を来たしたり、機器の損傷を招いたりする可能性がある。

そこで本発明では、供給電流の周波数を一致させ、その位相を同期させるという技術の特徴を活かし、隣接配置された加熱コイル間における電圧を低減し、隣接配置した加熱コイル間における放電を防止することのできる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、近接配置された複数の加熱コイルと、前記加熱コイルのそれぞれに個別に接続され、供給する電流の周波数、および位相を一致させた電流を供給する共振型電源とを有する誘導加熱装置であって、前記加熱コイルのうち、隣接して配置されている加熱コイルは、互いに巻回方向を逆向きにしたことを特徴とする。

また、上記特徴を有する誘導加熱装置では、隣接して配置されている前記加熱コイルが、正結合となるように、各コイル電流を同期制御するようにすると良い。

また、上記特徴を有する誘導加熱装置において前記加熱コイルは、筒型に形成した被誘導加熱部材に対し、当該筒型の軸線方向に沿ってソレノイド状に巻回するように配置することができる。

さらに、上記特徴を有する誘導加熱装置では、前記加熱コイルは、平板型に形成した被誘導加熱部材に対し、当該被誘導加熱部材の平面に沿った渦巻き状に巻回して構成することもできる。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、隣接配置された加熱コイル間における端子間電圧を低減し、隣接配置した加熱コイル間における放電を防止することができる。

第１の実施形態に係る誘導加熱装置の正面断面を示す概略構成図である。 図１における熱処理部の側面を示す概略構成図である。 加熱コイルの配置形態の具体例を示す正面図である。 第２の実施形態に係る誘導加熱装置の正面断面を示す概略構成図である。 第２の実施形態に係る誘導加熱装置における加熱コイルの平面形態を示す図である。

以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図１から図３を参照して、第１の実施形態に係る誘導加熱装置について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置における正面断面を示す概略構成図である。図２は、図１に示す熱処理部の側面を示す概略構成図である。また、図３は、加熱コイルの配置形態の具体例を示す正面図である。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０は、熱処理部１２と電源部１８とを有する。熱処理部１２は、被加熱部材３０の周囲を覆う筒状のサセプタ１６と、このサセプタ１６をソレノイド状に囲繞する複数の加熱コイル１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）を有する。一方、電源部１８は、複数の加熱コイル１４それぞれに接続された共振型電源であり、少なくとも、インバータ２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）、変圧器２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）、および共振コンデンサ２４（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）を有する。

サセプタ１６は、グラファイト等により構成されており、加熱コイル１４から磁束の提供を受けることにより発熱する。加熱コイル１４は、冷媒を挿通可能な管状体により構成されており、例えば銅管などにより構成されている。また、複数の加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれ近接配置されていると共に、サセプタ１６に対しても近接して配置されている。電磁誘導によりサセプタ１６を発熱させる他、加熱コイル１４内に挿通させた冷媒によりサセプタ１６を冷却する役割を担うためである。

また、隣接して配置されている加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、図３にその具体例を示すように巻回方向がそれぞれ逆向きとなるように配置されている。図３に示す形態の場合、両端に配置された加熱コイル１４ａと加熱コイル１４ｃの巻回方向を同一とし、中央に配置された加熱コイル１４ｂの巻回方向を逆向きとしている。

隣接配置されている加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃに接続されている各共振型電源は、出力電流の周波数を一致させ、かつ出力電流の位相を同期させる制御を実施可能なインバータ２０を備えている。そして、各インバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、隣接しているリード線に対して、それぞれ同位相の電流を供給することで、隣接している加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃが、それぞれ正結合となるように電流同期制御を行うように構成している。なお、図示しないが、各インバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃには、電流同期制御を可能とするための制御手段が接続されている。

また、本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、隣接配置された加熱コイル１４間において、隣接しているリード線は、互いに接地線、または互いに非接地線となるように、接地側の接続線（リード線）を定めている。

一例として、加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃを上記のように配置、構成し、出力電流を上記のように制御し、各加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃのリード線と各インバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃにおける二次側のリード線を上記のように接続することによれば、隣接配置された加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃ間の電圧（コイル間電圧：電圧差）を抑制することができる。具体的には、加熱コイル１４ａと加熱コイル１４ｂのように、隣接配置されたコイルにおいて隣り合うリード線が、互いに接地線である場合、接地線の対地電圧は０（Ｖ）であるため、両コイル加熱コイル１４ａ，１４ｂにおけるリード線間に電圧差は生じ得ず、コイル間電圧は０（Ｖ）となる。また、加熱コイル１４ｂと加熱コイル１４ｃのように、隣接配置されたコイルにおいて隣り合うリード線が、互いに非接地線である場合であっても、両リード線に供給される電流の位相は同期しているため、コイル間電圧はＶ２−Ｖ３（Ｖ）となり、抑制されることとなる。

このため、各加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃ間における電圧（コイル間電圧）が抑制され、両者間における放電を防止することができる。よって、加熱コイル１４を配置する空間を真空領域とし、加熱コイル１４に供給する電流の電圧を高めた場合であっても、隣接配置した加熱コイル間における放電を抑制することが可能となる。

また、図１に、加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃ回りに発生する磁束を破線で示している。上記のような構成、制御とすることによれば、隣接して配置される加熱コイル１４ａと加熱コイル１４ｂ、加熱コイル１４ｂと加熱コイル１４ｃは、それぞれ正結合となる。このため、隣接配置した加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、いずれも同じ向きの磁束（互いに発生磁束を強め合う方向の磁束）が発生することとなる。よって、コイル間における磁束の打ち消し合いによる加熱不良が生じることも無い。

このような構成の加熱装置１０では、各加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃに電力を供給することでサセプタ１６を誘導加熱し、発熱させ、被加熱部材３０の熱処理を行う。また、各加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対する電力供給は、各インバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃにより電流同期制御が行われているため、相互誘導の影響を回避しつつ、それぞれ任意に出力を調整することができる。よって、被加熱部材３０を高精度に均等加熱することができる。

また、実施形態に係る加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃの内部には、冷却水等の冷媒が挿通されている。このため、加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対する電力の供給を停止した場合には、サセプタ１６からの放射熱を加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃが吸収することとなり、結果として、サセプタ１６を冷却し、被加熱部材３０を冷却する効果を担うこととなる。

このように、サセプタ１６に対して加熱と冷却の双方の役割を担う加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、断熱材や絶縁材を配置、被覆させることができない。このため、上記のようにしてコイル間電圧を抑制することは、コイル間に生ずる放電（パッシェン放電）を防止するのに好適である。

次に、第２の実施形態に係る誘導加熱装置について、図４、図５を参照して説明する。なお、図４は、本実施形態に係る誘導加熱装置の正面断面を示す概略構成図である。図５は、本実施形態に係る誘導加熱装置における加熱コイルの平面形態を示す図である。

本実施形態に係る誘導加熱装置１０Ａも、その基本的な構成や作用は、第１の実施形態に係る誘導加熱装置１０と同様である。よって、その構成を同様とする箇所には、図面に同一符号を付して、その詳細な説明を省略することとする。第１の実施形態に係る誘導加熱装置１０との相違点としては、サセプタ１６Ａ、および加熱コイル１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１の形態にある。

すなわち、第１の実施形態では筒状としていたサセプタ１６を、本実施形態では平板型のサセプタ１６Ａとしている。そして、ソレノイド型としていた加熱コイル１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、サセプタの形状、あるいはサセプタ１６Ａを配置したテーブル２６の形状に沿って形成される渦巻き型の加熱コイル１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１としている。本実施形態では、加熱コイル１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１は、円の内側から外側にかけて、複数（図４、図５に示す例では３つ）、隣接して配置する構成を採っている。そして、隣接配置している加熱コイル１４ａ１，１４ｂ１、４ｃ１は、それぞれ巻回方向が逆向きとなるように配置されている。また、第１の実施形態と同様に、隣接配置された加熱コイル１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１に供給する電流は、その向きが逆向きとなるように、インバータ２０ａ，２０ｂ，２０ｃが接続されている。

このような構成の誘導加熱装置であっても、上述した第１の実施形態に係る誘導加熱装置１０と同様に、隣接配置した加熱コイル間の電圧（コイル間電圧）を抑制することができ、両者間に生ずる放電を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、説明を簡単化するために、加熱コイルを基点として、接地線、非接地線との表現を使っているが、接地が中性点である場合でも、同様な効果を得ることができる。

１０，１０Ａ………誘導加熱装置、１２………熱処理部、１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ），（１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ１）………加熱コイル、１６，１６Ａ………サセプタ、１８………電源部、２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）………インバータ、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）………変圧器、２４（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）………共振コンデンサ、２６………テーブル、３０………被加熱部材。

Claims (4)

1. 近接配置された複数の加熱コイルと、前記加熱コイルのそれぞれに個別に接続され、供給する電流の周波数、および位相を一致させた電流を供給する共振型電源とを有する誘導加熱装置であって、
   前記加熱コイルのうち、隣接して配置されている加熱コイルは、互いに巻回方向を逆向きにしたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 隣接して配置されている前記加熱コイルが、正結合となるように、各コイル電流を同期制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記加熱コイルは、筒型に形成した被誘導加熱部材に対し、当該筒型の軸線方向に沿ってソレノイド状に巻回するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記加熱コイルは、平板型に形成した被誘導加熱部材に対し、当該被誘導加熱部材の平面に沿った渦巻き状に巻回して構成ことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
   

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