JP2015220050A - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘導加熱装置において、巻き線のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、巻き線のインピーダンスと被加熱体の温度との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、インピーダンス算出部により得られたインピーダンスと関係データ格納部に格納された関係データとから被加熱体の温度を算出する被加熱体温度算出部とを備える。
【選択図】図4
Description
検証した被加熱体(外径Φ×深さL×側壁部の厚さtを有する円筒形金属製釜)の定格電圧印加時における、インピーダンスと被加熱体の被加熱面の温度との関係は、以下の近似式となる。
θ0=knZn+kn−1Zn−1+kn−2Zn−2+,・・・,+k2Z2+k1Z+k0
ここで、θ0は被加熱面の温度[℃]、Zはインピーダンス(=E/I)、kn(n=1,2,・・・,n)及びk0は、実測値により定まる係数である。
被加熱体が、発熱部の面積と発熱部から距離を置いた箇所の面積とが異なる中空円筒形状をなすものの場合と、それらの面積を実質的に同一と見なすことができる平板形状をなすものの場合と、各側壁が平板形状をなす中空多角筒形状をなすものの場合とで、それぞれに合った補正式を採用することになる。
つまり、前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する。
θ=kP/[2π/{ln(d2/d1)/λ}]
ここで、d1は前記被加熱面の直径[m]であり、d2は前記温度算出面の直径[m]であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度における熱伝導率[W/m・℃]であり、Pは熱流速[W/m]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。
つまり、インピーダンスによる被加熱体の温度の検出は被加熱面の温度の平均温度を検出するものであるから、ジャケット室によって均一化された被加熱体の各部の温度算出面の温度は、インピーダンスによって検出した温度に必要な補正を加えて温度算出面の温度に換算した値と等価であるといえる。
ここで、前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積をS[m2]とし、前記被加熱面及び前記温度算出面の間のジャケット室の断面積の総和をSj[m2]とし、前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt[m]とし、温度低下に伴う熱媒体の圧力低下によるジャケット室の機能低下の割合を示す変数をαとしたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記被加熱面の直径d1を、dj1=d1±t{1−α(1−Sj/S)}とし、前記温度算出面の直径d2を、dj2=d2±t{1−α(1−Sj/S)}として得られる温度差θを用いて、前記被加熱体の温度を補正することが望ましい。
なお、dj1は、ジャケット室による距離(肉厚)低下分を考慮した被加熱面の仮想直径であり、dj2は、ジャケット室による距離(肉厚)低下分を考慮した温度算出面の仮想直径である。また、上記dj1の式において、±部分は、d1>d2のときは、マイナスであり、d1<d2のときは、プラスである。一方、上記dj2の式において、±部分は、d1>d2のときは、プラスであり、d1<d2のときは、マイナスである。
tj=α×t(S−Sj)/S (α>1)
ここで、αは、温度低下に伴う熱媒体の圧力低下によるジャケット室の機能低下の割合を示す変数である。α−θの関係は、熱媒体の種類と、ジャケット室内の不純物濃度とによって特性が定まる。
t−tj=t−α×t(S−Sj)/S
=t{1−α(S−Sj)/S}
=t{1−α(1−Sj/S)}
dj1=d1±t{1−α(1−Sj/S)}
dj2=d2±t{1−α(1−Sj/S)}
なお、上記dj1の式において、±部分は、d1>d2のときは、マイナスであり、d1<d2のときは、プラスである。一方、上記dj2の式において、±部分は、d1>d2のときは、プラスであり、d1<d2のときは、マイナスである。
つまり、計算上の被加熱面及び温度算出面の距離が小さくなり、温度差θは小さくなるので、温度計測誤差も小さくなる。
つまり、前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する。
θ=kQ/(λS/t)
ここで、tは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離[m]であり、Sは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積[m2]であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは前記被加熱面の発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。
つまり、前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]とし、前記被加熱体の各辺における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt[m]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する。
θ=kQ/λ[{(a1+a2+・・・+an)h/t}+mn×n×h]
ここで、nは1から始まる自然数であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは前記被加熱面の発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数であり、mnはnにおける定数である。
つまり、前記被加熱体の各側壁部それぞれの前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθn[℃]とし、前記被加熱体の各側壁部それぞれの前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt1、t2、・・・tn[m]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θnを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する。
θn=knQn/(λnSn/tn)
ここで、tnはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離[m]であり、Snはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積[m2]であり、λnはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qnはn番目の側壁部における前記被加熱面の発熱量[W]であり、knは、実測値から算出した補正係数である。
ここで、出荷時の電源電圧V1で算出したインピーダンス−温度特性式(前記関係データ)を、ユーザの使用時における電源電圧V2に応じて補正しなければならない。
これは、図6に示す単相の誘導加熱装置の等価回路において、電源電圧が変わると、磁気回路における磁束密度が変化するため、励磁インピーダンスr0、l0及び被加熱体のリアクタンスl2が変化し、また、磁束密度の変化による被加熱体の透磁率が変化することで電流浸透度が変わって被加熱体の抵抗r2が変化し、回路インピーダンスも変化するためである。
被加熱体の電流浸透度σは、σ=5.033√(ρ/μs×f)で計算できる。式中のρは固有抵抗、μsは比透磁率、fは周波数である。ここで、磁性材製の被加熱体の比透磁率は磁束密度によって変化し、金属種毎に固有の特性を示す。この磁性材の比透磁率−磁束密度特性を予め測定しておき、入力電圧に応じた磁束密度のときの電流浸透度を算出して、電流浸透度に反比例したインピーダンスを修正して温度を読み取ることになる。また、固有抵抗も金属種毎に温度との固有の変化特性を示すので、温度変化に伴って電流浸透度σも変化してインピーダンスが変わる。しかし、被加熱体の発熱部温度(被加熱面の温度)とインピーダンスの関係近似式は、被加熱体の発熱部温度の変化を含んだ式であり、これに関する補正は必要ない。
また、入力電圧の変化による磁束密度の変化によって、図6の等価回路の被加熱体のリアクタンスl2の値も変化する。被加熱体のリアクタンスl2は、被加熱体の固有抵抗及び磁束密度に関係した変化を示すので、前もって特性を測定しておいてインピーダンスを補正することになる。またリアクタンスl1は、被加熱体の構造によって決まる値であり、前もって計算しておく必要がある。
Zn={1−a(E−Vin)b}Zon
ここで、Eは定格電源電圧であり、Vinは制御素子入力電圧であり、Zonは補正前の時間tnにおけるインピーダンスであり、nは検出順を表わす数であり、aおよびbは被加熱体毎の定数である。
例えば数十マイクロ秒程度に区切った時間tn間の実効電圧及び実効電流から算出したZonを、上記補正式に代入して、補正したインピーダンスZnを求める。
さらに次の区切られた時間t(n+1)の実効電圧及び実効電流から求めたZo(n+1)を補正式に代入し、補正インピーダンスZ(n+1)を求める。こうして順次区切られた時間ごとのインピーダンス補正を連続的に行う。
サイリスタの位相角変化による影響を補正した補正インピーダンスZは、下記となる。
Z=a×Zx
ここで、C=V/Vinとすると、
a=anCn+an−1Cn−1+an−2Cn−2+,・・・,+a2C2+a1C+a0
ここで、anは各誘導加熱装置により定まる実測値に基づく係数であり、a0は定数である。
また、Zxは、補正前のインピーダンスであり、Vinは、サイリスタの受電電圧であり、Vは、サイリスタの出力電圧である。
r1=kL/100S[Ω]
k=2.1(234.5+θc)/309.5
ここで、Lは電線長[m]であり、Sは電線断面積[mm2]であり、θcは巻き線温度[℃]である。
巻き線抵抗値は、巻き線に数秒以内の短時間に一定の直流電圧を印加して、当該直流電圧を巻き線に流れる直流電流で除せば算出できる。ここで、直流電圧であれば誘導作用は無いので、直流電流は、被加熱体の影響は受けず、巻き線抵抗値のみとの関係となる。なお、巻き線温度は急激には変化しないことから、周期的且つ短時間の測定値を採用しても、大きな測定誤差を生むことは無い。
以下に本発明に係る誘導加熱装置の第1実施形態について図面を参照して説明する。
Z2=a×Z1
ここで、C=V/Vinとすると、
a=anCn+an−1Cn−1+an−2Cn−2+,・・・,+a2C2+a1C+a0
ここで、anは各誘導加熱装置により定まる実測値に基づく係数であり、a0は定数である。
また、Z1は、補正前のインピーダンスであり、Vinは、サイリスタの受電電圧であり、Vは、サイリスタの出力電圧である。
Z3={1−a(E−Vin)b}Z2
ここで、Eは定格電源電圧であり、Vinは制御素子入力電圧であり、Z2は補正前のインピーダンスであり、aおよびbは被加熱体(誘導加熱ユニット)毎の定数である。この補正は区切られた時間ごとに連続的に行なう。
r1=kL/100S[Ω]
k=2.1(234.5+θc)/309.5
ここで、Lは電線長[m]であり、Sは電線断面積[mm2]であり、θcは巻き線温度[℃]である。
θ=kP/[2π/{ln(d2/d1)/λ}]
ここで、d1は被加熱面2hの直径[m]であり、d2は前記温度算出面2xの直径[m]であり、λは被加熱面2h及び前記温度算出面2xの間の平均温度における熱伝導率[W/m・℃]であり、Pは熱流速[W/m]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。熱流速P[W/m]は、ここでは被加熱体2の内面の発熱量[W]を発熱内面長[m](巻き線幅に等しい)で除した値であり、熱流速[W/m]を求めるに当たって、被加熱体温度算出部64は、電力検出部11から得られる電力値を用いる。
次に本発明に係る第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る誘導加熱装置は、前記第1実施形態とは、被加熱体2の構成及び被加熱体温度算出部64の機能が異なる。
θ=kQ/(λS/t)
ここで、tは被加熱面2h及び温度算出面2xの間の距離[m]であり、Sは被加熱面2h及び温度算出面2xの間の断面積[m2]であり、λは被加熱面2h及び前記温度算出面2xの間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは前記被加熱面2hの発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。
次に本発明に係る第3実施形態について説明する。第3実施形態に係る誘導加熱装置は、前記第1、2実施形態とは、被加熱体2の構成及び被加熱体温度算出部64の機能が異なる。
θ=kQ/λ[{(a1+a2+・・・+an)h/t}+mn×n×h]
ここで、nは1から始まる自然数であり、λは被加熱面2h及び温度算出面2xの間の平均温度[℃]における被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは被加熱面2hの発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数であり、mnはnにおける定数である。なお、例えばn=4の場合、m4=0.54である。
次に本発明に係る第4実施形態について説明する。第4実施形態に係る誘導加熱装置は、前記第1〜3実施形態とは、被加熱体2の構成及び被加熱体温度算出部64の機能が異なる。
θn=knQn/(λnSn/tn)
ここで、tnはn番目の側壁部における被加熱面2h及び温度算出面2xの間の距離[m]であり、Snはn番目の側壁部における被加熱面2h及び温度算出面2xの間の断面積[m2]であり、λnはn番目の側壁部における被加熱面2h及び温度算出面2xの間の平均温度[℃]における被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qnはn番目の側壁部における被加熱面2hの発熱量[W]であり、knは、実測値から算出した補正係数である。
2・・・被加熱体
2h・・・被加熱面
2x・・・温度算出面
2S・・・ジャケット室
3・・・巻き線
4・・・制御素子
5・・・電源回路
6・・・制御装置
61・・・インピーダンス算出部
62・・・インピーダンス補正部
63・・・関係データ格納部
64・・・被加熱体温度算出部
7・・・交流電流検出部
8・・・交流電圧検出部
9・・・電源電圧検出部
10・・・温度検出部
11・・・電力検出部
Claims (13)
- 磁束発生機構の巻き線に接続されるとともに、交流電流又は交流電圧を制御する制御素子が設けられた電源回路を備え、前記磁束発生機構により被加熱体を誘導加熱する誘導加熱装置であって、
前記巻き線を流れる交流電流を検出する交流電流検出部から得られる交流電流値及び前記巻き線に印加される交流電圧を検出する交流電圧検出部から得られる交流電圧値により、前記巻き線のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、
前記巻き線のインピーダンスと前記被加熱体の温度との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、
前記インピーダンス算出部により得られたインピーダンスと前記関係データ格納部に格納された関係データとから前記被加熱体の温度を算出する被加熱体温度算出部とを備える誘導加熱装置。 - 前記被加熱体が、中空円筒形状をなし、
前記磁束発生機構が、前記被加熱体を外周側又は内周側から誘導加熱するものであり、
前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する請求項1記載の誘導加熱装置。
θ=kP/[2π/{ln(d2/d1)/λ}]
ここで、d1は前記被加熱面の直径[m]であり、d2は前記温度算出面の直径[m]であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度における熱伝導率[W/m・℃]であり、Pは熱流速[W/m]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。 - 前記被加熱体の側周壁に気液二相の熱媒体が封入されるジャケット室が形成されており、
前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積をS[m2]とし、前記被加熱面及び前記温度算出面の間のジャケット室の断面積の総和をSj[m2]とし、前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt[m]とし、温度低下に伴う熱媒体の圧力低下によるジャケット室の機能低下の割合を示す変数をαとしたときに、
前記被加熱体温度算出部が、前記被加熱面の直径d1を、dj1=d1±t{1−α(1−Sj/S)}とし、前記温度算出面の直径d2を、dj2=d2±t{1−α(1−Sj/S)}として得られる温度差θを用いて、前記被加熱体の温度を補正する請求項2記載の誘導加熱装置。
なお、前記dj1の式において、±部分は、d1>d2のときは、マイナスであり、d1<d2のときは、プラスである。一方、前記dj2の式において、±部分は、d1>d2のときは、プラスであり、d1<d2のときは、マイナスである。 - 前記被加熱体が、平板形状をなし、
前記磁束発生機構が、前記被加熱体を片面側から誘導加熱するものであり、
前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する請求項1記載の誘導加熱装置。
θ=kQ/(λS/t)
ここで、tは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離[m]であり、Sは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積[m2]であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは前記被加熱面の発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数である。 - 前記被加熱体が、高さがh[m]、n辺の長さがそれぞれa1、a2、・・・an[m]の中空n角筒形状をなし、
前記磁束発生機構が、前記被加熱体を外周側又は内周側から誘導加熱するものであり、
前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθ[℃]とし、前記被加熱体の各辺における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt[m]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する請求項1記載の誘導加熱装置。
θ=kQ/λ[{(a1+a2+・・・+an)h/t}+mn×n×h]
ここで、nは1から始まる自然数であり、λは前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qは前記被加熱面の発熱量[W]であり、kは、実測値から算出した補正係数であり、mnはnにおける定数である。 - 前記被加熱体の肉厚内に気液二相の熱媒体が封入されるジャケット室が形成されており、
前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積をS[m2]とし、前記被加熱面及び前記温度算出面の間のジャケット室の断面積の総和をSj[m2]とし、温度低下に伴う熱媒体の圧力低下によるジャケット室の機能低下の割合を示す変数をαとしたときに、
前記被加熱体温度算出部が、前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離tを、tj=αt(S−Sj)/Sとして得られる温度差θを用いて、前記被加熱体の温度を補正する請求項4又は5記載の誘導加熱装置。 - 前記被加熱体が、高さがh[m]、n辺の長さがそれぞれa1、a2、・・・an[m]の中空n角筒形状をなし、
前記磁束発生機構が、前記被加熱体を外周側又は内周側から誘導加熱するものであり、
前記被加熱体の各側壁部それぞれの前記巻き線に対向する前記被加熱体の被加熱面と温度を算出する面である温度算出面との温度差をθn[℃]とし、前記被加熱体の各側壁部それぞれの前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離をt1、t2、・・・tn[m]としたときに、前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンスと前記関係データとから得られた前記被加熱体の温度を、以下の式を用いて得られる温度差θnを用いて補正して、前記温度算出面の温度を算出する請求項1記載の誘導加熱装置。
θn=knQn/(λnSn/tn)
ここで、tnはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離[m]であり、Snはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積[m2]であり、λnはn番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の平均温度[℃]における前記被加熱体の熱伝導率[W/m・℃]であり、Qnはn番目の側壁部における前記被加熱面の発熱量[W]であり、knは、実測値から算出した補正係数である。 - 前記被加熱体の肉厚内に気液二相の熱媒体が封入されるジャケット室が形成されており、
n番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の断面積をSn[m2]とし、n番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間のジャケット室の断面積の総和をSnj[m2]とし、温度低下に伴う熱媒体の圧力低下によるジャケット室の機能低下の割合を示す変数をαとしたときに、
前記被加熱体温度算出部が、n番目の側壁部における前記被加熱面及び前記温度算出面の間の距離tnを、tnj=αtn(Sn−Snj)/Snとして得られる温度差θnを用いて、前記被加熱体の温度を補正する請求項7記載の誘導加熱装置。 - 前記インピーダンス算出部により得られたインピーダンスを、前記電源回路の電源電圧を検出する電源電圧検出部から得られる電源電圧値により補正するインピーダンス補正部を更に備え、
前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンス補正部により補正された補正インピーダンスと前記関係データとから前記被加熱体の温度を算出する請求項1乃至8の何れかに記載の誘導加熱装置。 - 前記制御素子が、半導体により交流電流又は交流電圧の通電角を制御するものであり、
前記インピーダンス算出部により得られたインピーダンスを、前記制御素子の通電角により補正するインピーダンス補正部を更に備え、
前記被加熱体温度算出部が、前記インピーダンス補正部により補正された補正インピーダンスと前記関係データとから前記被加熱体の温度を算出する請求項1乃至9の何れかに記載の誘導加熱装置。 - 前記インピーダンス補正部が、前記インピーダンス算出部により得られたインピーダンスを、前記巻き線の温度を検出する温度検出部から得られる巻き線温度により補正するものである請求項9又は10記載の誘導加熱装置。
- 直流電源を制御して、前記巻き線に間欠的に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記直流電圧印加部により印加される直流電圧と当該直流電圧を印加したときに前記巻き線に流れる直流電流とから前記巻き線の抵抗値を算出する抵抗値算出部とをさらに備え、
前記インピーダンス補正部が、前記インピーダンス算出部により得られたインピーダンスを、前記抵抗値算出部から得られる抵抗値により補正するものである請求項9又は10記載の誘導加熱装置。 - 前記巻き線の抵抗値と前記巻き線の温度との抵抗値−温度関係を示す関係データを格納する関係データ格納部と、
前記抵抗値算出部により得られた抵抗値と前記関係データが示す抵抗値−温度関係とから前記巻き線の温度を算出する巻き線温度算出部とをさらに備える請求項12記載の誘導加熱装置。
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