JP2017224503A

JP2017224503A - 誘導加熱装置

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Publication number: JP2017224503A
Application number: JP2016119487A
Authority: JP
Inventors: 外村　徹; Toru Tonomura; 徹外村
Original assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-16
Also published as: JP6872764B2

Abstract

【課題】電力制御素子として半導体素子を用いることなく誘導加熱回路を構成し、その誘導加熱回路において力率改善用コンデンサにより力率を改善するとともに、その力率改善用コンデンサの破損を防止する。【解決手段】被加熱物を誘導加熱するための誘導コイルＬに商用周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電流を供給するとともに、誘導コイルに供給される交流電流ＩＬを可飽和リアクトルＳＲによって制御する誘導加熱回路３を有し、誘導加熱回路において可飽和リアクトル及び誘導コイルの間に、力率改善用コンデンサＣ及び力率改善用コンデンサを保護する保護用交流リアクトルＣＲが接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱装置に関するものである。

誘導加熱は力率が低くなることが多く、そのため受電容量が大きくなってしまうことが問題である。

ここで、特許文献１に示すように、電力制御素子にトランジスタやサイリスタ等の半導体素子を用いると、出力波形が歪むことで高い周波数成分が多く含まれることになる。

このような誘導加熱回路に力率改善用コンデンサを接続すると、コンデンサは高い周波数に対してインピーダンスが低下するために大きな電流が流れて、コンデンサが破損することがある。

特開２０１５−２２００５１号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、電力制御素子として半導体素子を用いることなく誘導加熱回路を構成し、その誘導加熱回路において力率改善用コンデンサにより力率を改善するとともに、その力率改善用コンデンサの破損を防止することをその主たる課題としたものである。

すなわち、本発明に係る誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱するための誘導コイルに商用周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電流を供給するとともに、前記誘導コイルに供給される交流電流を可飽和リアクトルによって制御する誘導加熱回路を有し、前記誘導加熱回路において前記可飽和リアクトル及び前記誘導コイルの間に、力率改善用コンデンサ及び当該力率改善用コンデンサを保護する保護用交流リアクトルが接続されていることを特徴とする。

この誘導加熱装置によれば、電力制御素子として可飽和リアクトルを用いた誘導加熱回路において力率改善用コンデンサを接続しているので、誘導加熱回路において力率を改善することができる。
特に、可飽和リアクトルは、動作原理が等アンペアターンによる電流制御であるため、それ自体が定電流特性を有しており、大きな電流が流れることを防止する作用がある。また、可飽和リアクトルにより比較的高い周波数成分を少なくすることができ、力率改善用コンデンサを保護するための保護用交流リアクトルを接続することで、力率改善用コンデンサが破損するような大きな電流を防止することができる。その結果、力率改善用コンデンサを破損させることなく、力率の改善が可能となる。
なお、図５に基本周波数６０Ｈｚで正弦波交流電源において、電力制御素子としてサイリスタを用いた場合と、可飽和リアクトルを用いた場合とにおける高調波成分の実測値を示している。この図５から明らかなように、可飽和リアクトルの方が、低出力時における高調波含有率の差が大きい。

巻き数（√３）Ｎの第１誘導コイルの一端を第１可飽和リアクトルを介して三相交流電源の第１相に接続し、前記第１誘導コイルの他端を巻き数２Ｎの第２誘導コイルの中央である巻き数Ｎの位置に接続し、前記第２誘導コイルの一端を第２可飽和リアクトルを介して前記三相交流電源の第２相に接続し、前記第２誘導コイルの他端を前記三相交流電源の第３相に接続することによって２組の誘導加熱回路を構成していることが望ましい。
この構成であれば、２組の誘導加熱回路で三相交流電源の各相の電流バランスを図りながら、第１誘導コイル及び第２誘導コイルの出力を個別に制御することができる。

巻き数（√３）Ｎの第１誘導コイルを流れる巻線電流は、巻き数２Ｎの第２誘導コイルに流れ込むので、第２誘導コイルの巻線電流をゼロにできないため、第２誘導コイルが作用する誘導加熱負荷量が制御できない場合が生じうる。このため、前記第２誘導コイルが作用する誘導加熱負荷量は、前記第１誘導コイルが作用する誘導加熱負荷量と同じ又はそれよりも大きくなるように設定されていることが望ましい。
この構成であれば、第１誘導コイルの巻線電流が第２誘導コイルに流れ込んでも、個別温度制御における支障が生じることを防ぐことができる。

前記誘導コイルが作用する誘導負荷は、耐食性に優れた例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌ等の非磁性金属製の容器であることが望ましい。また、容器を誘導加熱する場合には、容器の側壁の外側に誘導コイルを配置して側壁を誘導加熱するとともに、容器の底壁の外側に誘導コイルを配置して底壁を誘導加熱する２面加熱方式が望ましい。さらに、非磁性金属を誘導加熱する場合には低力率となってしまうところ、本発明のように力率改善コンデンサを有する可飽和リアクトルを用いた電力制御方式が望ましい。

商用周波数による非磁性金属の誘導加熱は、高周波による非磁性金属の誘導加熱に比べて電流浸透度が高く、加熱される深度も深くなる。ここで、誘導加熱における容器２の電流浸透深さσ［ｍ］は、金属の抵抗率ρ［Ω・ｍ］と、比透磁率μと、電源周波数ｆ［Ｈｚ］とによって決まり、次式で表わされる。
σ＝５０３．３√｛ρ／（μｆ）｝

例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ製の容器が８００℃に加熱された状態において、商用周波数５０Ｈｚでは、電流浸透深さと呼ばれる表面電流密度の３６．８％となる深さは、９６．５ｍｍであり、高周波である１００００Ｈｚでは、６．８ｍｍである。商用周波数の場合の力率は高周波の場合に比べて低くなる傾向があるので、可飽和リアクトルと力率改善コンデンサと保護用交流リアクトルとの組み合わせによる力率改善は受電容量低減において有効である。

図６は、８００℃におけるＳＵＳ３１６Ｌの誘導電流の電流浸透深さを表わすグラフであり、容器の誘導コイルに対向する外側面の電流密度を１．０としたときの、電流密度と深さとの関係を示している。

例えば、容器の肉厚６．８ｍｍであるとすると、１００００Ｈｚでは外側面に対する内側面の電流密度が３６．８％であるから、外表面の発熱に対して内側面の発熱は電流密度の２乗である１３．５％となる。
一方、５０Ｈｚでは、容器の内側面の電流密度は約９５％であるから、外側面に対する内側面の発熱比は約９０％となる。

熱処理対象の収容物に伝熱するのは容器の内側面であるため、１００００Ｈｚの高周波では外側面１の加熱に対して内側面０．１３５の発熱温度を制御しなければならないのに対し、５０Ｈｚの商用周波数では外側面１の加熱で内側面０．９の発熱温度を制御すれば良い。つまり、容器の内側面及び容器の外側面との温度差の小さい商用周波数を用いることが、容器の内側面の温度制御性において優れている。

このため、前記容器を構成する非磁性金属の肉厚は、前記誘導コイルに対向する外側面の電流密度に対して、当該外側面とは反対側の内側面の電流密度が９０％以上となるように形成されていることが望ましい。容器は内側面の温度を所望の値に制御するために外側面から誘導加熱するが、内外面の温度差が大きいと制御性が悪くなる。内側面の電流密度が外側面の電流密度に比べて９０％以上であれば、内側面の発熱量は外側面の発熱量のおよそ８０％以上となることから、高い温度制御精度が得られる。

このように構成した本発明によれば、電力制御素子として半導体素子を用いることなく誘導加熱回路を構成し、その誘導加熱回路において力率改善用コンデンサにより力率を改善するとともに、その力率改善用コンデンサの破損を防止することができる。

本実施形態に係る誘導加熱装置の構成を模式的に示す断面図である。同実施形態における誘導加熱回路を示す模式図である。変形実施形態における誘導加熱回路を示す模式図である。変形実施形態における誘導加熱回路を示す模式図である。サイリスタと可飽和リアクトルの高調波成分の実測値を示す図である。８００℃におけるＳＵＳ３１６Ｌの５０Ｈｚと１００００Ｈｚの電流浸透度を示す図である。

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る誘導加熱装置１００は、図１に示すように、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌ等の耐食性に優れた非磁性金属製の容器２を誘導加熱するものであり、容器２を誘導加熱するための誘導コイルＬに交流電流を供給するとともに、誘導コイルＬに供給される交流電流を可飽和リアクトルＳＲによって制御する誘導加熱回路３を有している。

本実施形態では、容器２の側壁の外側に上部誘導コイルＬａが配置されるとともに、容器２の底壁の外側に下部誘導コイルＬｂが配置された場合を示している。なお、下部誘導コイルＬｂは、容器２の底壁に設けられた排出部２１を避けて設けられている。これらの誘導コイルＬａ、Ｌｂは、交流電源Ｅｓに対して直列接続されたものであってもよいし、並列接続されたものであってもよい。また、上部及び下部誘導コイルＬａ、Ｌｂの更に外側には、上部及び下部誘導コイルＬａ、Ｌｂによる磁束の漏れを低減して容器を効率的に誘導加熱するための例えば珪素鋼板などの磁性体製の磁路形成部材４が設けられている。上部誘導コイルＬａの外側に配置された磁路形成部材４は、上下方向に沿った棒状をなすものであってもよいし、上部誘導コイルＬａを取り囲むように円筒状をなすものであってもよい。また、下部誘導コイルＬｂの外側に配置される磁路形成部材４は、放射状に配置された棒状をなすものであってもよいし、下部誘導コイルＬｂに対向するような例えば円板状又は下部誘導コイルＬｂを取り囲む形状をなすものであってもよい。

誘導加熱回路３は、図２に示すように、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数の交流電源Ｅｓと、当該交流電源Ｅｓにより交流電流が供給される誘導コイルＬと、交流電源Ｅｓ及び誘導コイルＬの間に設けられて誘導コイルＬへの交流電流を制御する可飽和リアクトルＳＲとを備えている。

可飽和リアクトルＳＲは、電磁誘導作用を持つ鉄心に交流と直流の２種類の巻線を巻回した構造であり、巻回された２つの巻線に流れる電流と巻回数との積はある一定の範囲では等しくなるという等アンペアターンの法則によって、Ｉ_Ｌ×Ｎ_Ｌ＝Ｉ_ＤＣ×Ｎ_ＤＣの関係が成立する。これにより、直流電流Ｉ_ＤＣを増減することによって、交流電流Ｉ_Ｌを制御することができ、誘導コイルＬの出力を制御することができる。

そして、この誘導加熱回路３には、可飽和リアクトルＳＲ及び誘導コイルＬの間に、力率改善用コンデンサＣ及び当該力率改善用コンデンサＣを保護する保護用交流リアクトルＣＲが接続されている。

具体的には、力率改善用コンデンサＣ及び保護用交流リアクトルＣＲは、交流電源Ｅｓに対して直列となるように接続されており、保護用交流リアクトルＣＲの一端が誘導コイルＬの一端側に接続されており、力率改善用コンデンサＣを複数接続してもよいし、保護用交流リアクトルＣＲを複数接続してもよい。

また、容器２を構成する非磁性金属の肉厚は、１０ｍｍ以下である。具体的には容器２を構成する非磁性金属の肉厚は、誘導コイルＬ（Ｌ１、Ｌ２）に対向する外側面の電流密度に対して、当該外側面とは反対側の内側面の電流密度が９０％以上となるように形成されている。なお、非磁性金属の肉厚は、誘導コイルＬに対向する外側面と内側面との最短距離が１０ｍｍ以下であれば良く、また、１０ｍｍ以下であって、熱処理対象である収容物から受ける圧力や熱伸変形に耐え得る所定の機械的強度を有する肉厚以上であれば良い。

この誘導加熱装置１００では、容器２又は収容物の温度を温度検出器（不図示）により検出して、この検出温度と目標温度との偏差に応じた制御信号を可飽和リアクトルＳＲに入力して誘導コイルＬに流れる交流電流を制御している。具体的にこの制御を行う温度制御器（不図示）は、容器２又は収容物の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるようにフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御）する。

＜２．本実施形態の効果＞
このように構成した誘導加熱装置１００によれば、電力制御素子として可飽和リアクトルＳＲを用いた誘導加熱回路３において力率改善用コンデンサＣを接続しているので、誘導加熱回路３において力率を改善することができる。

特に、可飽和リアクトルＳＲは、動作原理が等アンペアターンにより電流制御であるため、それ自体が定電流特性を有しており、大きな電流が流れることを防止する作用がある。また、可飽和リアクトルＳＲにより比較的高い周波数成分を少なくすることができ、力率改善用コンデンサＣを保護するための保護用交流リアクトルＣＲを接続することで、高い周波数成分に対し、力率改善用コンデンサが低インピーダンスになった場合でも保護用交流リアクトルは高インピーダンスになるため、力率改善用コンデンサＣが破損するような大きな電流を防止することができる。その結果、力率改善用コンデンサＣを破損させることなく、力率の改善が可能となる。

さらに、肉厚が１０ｍｍ以下の容器２を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電流が供給される誘導コイルＬにより誘導加熱する構成としているので、容器２又は収容物の温度を、目標温度との偏差が±１℃未満となるように、容易に高精度にフィードバック制御することができる。

＜３．本発明の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では単相交流電源Ｅｓを用いた誘導加熱回路３について説明したが、図３に示すように、誘導加熱装置１００は、三相交流電源Ｅｔを用いた誘導加熱回路３を有する構成としてもよい。この場合、三相交流電源ＥｔのＵＶ相間に第１の誘導加熱回路３１が形成され、ＶＷ相間に第２の誘導加熱回路３２が形成され、ＷＵ相間に第３の誘導加熱回路３３が形成される。これら３組の誘導加熱回路３１〜３３それぞれにおいて可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ３及び誘導コイルＬ１〜Ｌ３の間に力率改善用コンデンサＣ１〜Ｃ３及び保護用交流リアクトルＣＲ１〜ＣＲ３が接続される。

また、図４に示すように、第１誘導コイルＬ１及び第２誘導コイルＬ２がスコット結線されたものであっても良い。具体的には、巻き数（√３）Ｎの第１誘導コイルＬ１の一端を第１可飽和リアクトルＳＲ１を介して三相交流電源Ｅｔの第１相に接続し、第１誘導コイルＬ１の他端を巻き数２Ｎの第２誘導コイルＬ２の中央である巻き数Ｎの位置に接続し、第２誘導コイルＬ２の一端を第２可飽和リアクトルＳＲ２を介して三相交流電源Ｅｔの第２相に接続し、第２誘導コイルＬ２の他端を三相交流電源Ｅｔの第３相に接続することによって２組の誘導加熱回路３１、３２を構成しても良い。この構成であれば、２組の誘導加熱回路３１、３２で三相交流電源Ｅｔの各相の電流バランスを図りながら、第１誘導コイルＬ１及び第２誘導コイルＬ２の出力を個別に制御することができる。

この場合、巻き数（√３）Ｎの第１誘導コイルＬ１を流れる巻線電流は、巻き数２Ｎの第２誘導コイルＬ２に流れ込むので、第２誘導コイルＬ２の巻線電流をゼロにできないため、第２誘導コイルＬ２が作用する誘導加熱負荷量をゼロに制御できない場合が生じうる。このため、第２誘導コイルＬ２が作用する誘導加熱負荷量は、第１誘導コイルＬ１が作用する誘導加熱負荷量と同じ又はそれよりも大きくなるように設定されていることが望ましい。この構成であれば、第１誘導コイルＬ１の巻線電流が第２誘導コイルＬ２に流れ込んでも、個別温度制御における支障が生じることを防ぐことができる。

また、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物が飽和水蒸気又は過熱水蒸気を生成するための加熱容器や加熱導体管である過熱水蒸気生成装置であっても良いし、誘導発熱ローラ装置であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・誘導加熱装置
２・・・容器
３・・・誘導加熱回路
Ｅｓ・・・単相交流電源
Ｌ・・・誘導コイル
ＳＲ・・・可飽和リアクトル
Ｃ・・・力率改善用コンデンサ
ＣＲ・・・保護用交流リアクトル
Ｌ１・・・第１誘導コイル
Ｌ２・・・第２誘導コイル
ＳＲ１・・・第１可飽和リアクトル
ＳＲ２・・・第２可飽和リアクトル
Ｅｔ・・・三相交流電源

Claims

被加熱物を誘導加熱するための誘導コイルに商用周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電流を供給するとともに、前記誘導コイルに供給される交流電流を可飽和リアクトルによって制御する誘導加熱回路を有し、
前記誘導加熱回路において前記可飽和リアクトル及び前記誘導コイルの間に、力率改善用コンデンサ及び当該力率改善用コンデンサを保護する保護用交流リアクトルが接続されている誘導加熱装置。
巻き数（√３）Ｎの第１誘導コイルの一端を第１可飽和リアクトルを介して三相交流電源の第１相に接続し、前記第１誘導コイルの他端を巻き数２Ｎの第２誘導コイルの中央である巻き数Ｎの位置に接続し、
前記第２誘導コイルの一端を第２可飽和リアクトルを介して前記三相交流電源の第２相に接続し、前記第２誘導コイルの他端を前記三相交流電源の第３相に接続することによって２組の誘導加熱回路を構成している請求項１記載の誘導加熱装置。
前記第２誘導コイルが作用する誘導加熱負荷量は、前記第１誘導コイルが作用する誘導加熱負荷量と同じ又はそれよりも大きくなるように設定されている請求項２記載の誘導加熱装置。
前記誘導コイルが作用する誘導負荷は、非磁性金属製の容器である請求項１乃至３の何れか一項に記載の誘導加熱装置。
前記容器を構成する非磁性金属の肉厚は１０ｍｍ以下である請求項４記載の誘導加熱装置。
前記容器を構成する非磁性金属の肉厚は、前記誘導コイルに対向する外側面の電流密度に対して、当該外側面とは反対側の内側面の電流密度が９０％以上となるように形成されている請求項４又は５記載の誘導加熱装置。