JP2020087807A - 高周波誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱コイルにクラックが発生している可能性が高い状態を初期段階で検出する。【解決手段】高周波誘導加熱装置は、高周波電流の供給を受けて高周波誘導によって加熱対象のワークに誘導電流を発生させる加熱コイル１と、加熱コイル１に高周波電流を供給する発振機２と、加熱コイル１の抵抗を測定する抵抗測定器４と、抵抗の測定値が閾値を超えているときにアラームを出力する判定部７とを備えている。【選択図】 図２

Description

本発明は、加熱コイルの状態検出機能を備えた高周波誘導加熱装置に関するものである。

高周波誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流して磁界を発生させ、加熱コイルの中あるいは加熱コイルの近傍に配置された金属製のワークに誘導電流を発生させて、この誘導電流によりワークにジュール熱を発生させることにより、ワークを加熱するものである。

加熱コイルを構成する銅管は、絶縁のためのガラスチューブで覆われているため、目視によるクラックの発見が難しい。加熱コイルにクラックが発生した初期段階では発振するが、クラック箇所での発熱によりインピーダンスが上がると、発振機と加熱コイルとのマッチング不整合が生じて正常に発振しなくなり、ワークにうず電流を効率良く発生させることができなくなって、気付かない間に加熱不足が発生する懸念がある。したがって、加熱コイルのクラック発生を初期段階で検出して、加熱コイル劣化による加熱不良品の発生を防止することは重要である。

従来、加熱コイルの温度が所定の保護温度を超え、加熱コイルに流れる出力電流が所定の閾値以下のときに異常状態の表示や通知を行う誘導加熱調理器が提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１に開示された技術では、加熱コイルの温度が所定の保護温度を超えることを異常検出の第１条件としている。しかしながら、このように加熱コイルの温度が所定の保護温度を超えることを異常検出の条件とする場合、検出した異常が加熱コイルのクラックを原因とする異常かどうか分からないという課題があった。

特開２００９−２８９５４５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、加熱コイルにクラックが発生している可能性が高い状態を初期段階で検出することができる高周波誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の高周波誘導加熱装置は、高周波電流の供給を受けて高周波誘導によって加熱対象のワークに誘導電流を発生させる加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電流を供給する発振機と、前記加熱コイルの抵抗を測定する抵抗測定器と、前記抵抗の測定値が第１の閾値を超えているときに、アラームを出力する判定部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波誘導加熱装置の１構成例において、前記判定部は、前記抵抗の測定値が前記第１の閾値を超えているときに、前記発振機の発振を禁止することを特徴とするものである。
また、本発明の高周波誘導加熱装置の１構成例は、前記発振機と前記加熱コイルとの間に設けられ、前記発振機と前記加熱コイルのインピーダンスを整合させるマッチングボックスをさらに備え、前記抵抗測定器によって測定される抵抗値は、前記加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された前記マッチングボックスの回路の合成抵抗の値であることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波誘導加熱装置の１構成例は、前記加熱コイルの温度を測定する温度測定器をさらに備え、前記判定部は、前記温度の測定値が第２の閾値を超えているときに、アラームを出力すると共に、前記発振機の発振を停止させることを特徴とするものである。

本発明によれば、加熱コイルの抵抗を測定し、抵抗の測定値が第１の閾値を超えているときにアラームを出力することにより、加熱コイルにクラックが発生している可能性が高い状態を初期段階で検出することができ、加熱コイルの劣化による加熱不良品発生を防止することができる。

また、本発明では、加熱コイルの温度を測定し、温度の測定値が第２の閾値を超えているときに、アラームを出力すると共に、発振機の発振を停止させることにより、加熱コイルの劣化を防ぐことができる。

図１は、加熱コイルの長さが一定長を超えると高周波誘導加熱装置の発振機が発振しなくなることを説明する図である。 図２は、本発明の実施例に係る高周波誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。 図３は、加熱コイルの構造を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施例に係る高周波誘導加熱装置の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係る高周波誘導加熱装置の制御部と判定部を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

［発明の原理］
図１は加熱コイルの長さが一定長を超える（抵抗値が一定値を超える）と高周波誘導加熱装置の発振機が発振しなくなることを説明する図である。図１の例では、加熱コイルの抵抗値がＲ１の場合は発振し、抵抗値がＲ２になると発振しない。図１によれば、正常な加熱コイルの抵抗値は数ｍΩである。一方、過熱により加熱コイルの銅管が脆化してクラックが発生した場合、数Ω程度に抵抗値が上がることが分かっている。
そこで、発明者は、加熱コイルの抵抗値を常時監視し、抵抗値が閾値を超えたときにアラームを出力することにより、加熱コイルのクラックを早期発見できることに想到した。

図２は本実施例の高周波誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。高周波誘導加熱装置は、高周波電流の供給を受けて高周波誘導によって加熱対象のワークに誘導電流を発生させる加熱コイル１と、加熱コイル１に高周波電流を供給する発振機２と、発振機２と加熱コイル１との間に設けられたマッチングボックス３と、加熱コイル１の抵抗を測定する抵抗測定器４と、加熱コイル１の端部の温度を測定する温度測定器５と、高周波誘導加熱装置全体を制御する制御部６と、加熱コイル１の状態を判定する判定部７とを備えている。図２の８は発振機２側に直流電流を流さないための直流阻止コンデンサである。

図３は加熱コイル１の構造を示す斜視図である。加熱コイル１は、銅管１０をコイル状に加工したものである。この銅管１０の表面は、絶縁のためのガラスチューブ１１で覆われている。図３に示すように、加熱コイル１の中（あるいは加熱コイル１の近傍）に加熱対象のワーク１２が配置される。ワーク１２の例としては、例えば加熱された状態で樹脂部品に圧入されるボルトやナットなどがある。

高周波誘導加熱装置においては、加熱コイル１の焼損を防ぐために銅管１０の内部に空気または水（以下、冷却剤）を流して加熱コイル１を冷却するようになっている。冷却剤は、加熱コイル１の一端の供給口から銅管１０の内部に導入され、他端の排出口から排出される。このとき、銅管１０の２つの端部のうちどちらを冷却剤の供給口とし、どちらを冷却剤の排出口とするかによって２つの端部の温度が変わるが、供給口と排出口の選択はユーザによって異なる。

加熱コイル１の銅管１０とマッチングボックス３との間は、銅管１０の両端に設けられた端子１３，１４を介して電気的に接続されている。同様に、銅管１０と抵抗測定器４との間は、端子１３，１４を介して電気的に接続されている。また、加熱コイル１の銅管１０には、例えば熱電対からなる温度測定器５が取り付けられている。温度測定器５の銅管１０への取り付け方法としては、例えばねじ留め、はんだ付け等がある。

次に、本実施例の高周波誘導加熱装置の動作を図４を参照して説明する。まず、制御部６は、オペレータからの加熱開始の指示に応じて（図４ステップＳ１においてＹＥＳ）、発振機２に対して発振開始の指示信号を出力する。この発振開始の指示信号の出力により、発振機２は、マッチングボックス３を介して加熱コイル１に高周波電流の供給を開始する（図４ステップＳ２）。

マッチングボックス３は、マッチングトランス３０を含む回路からなり、発振機２と加熱コイル１のインピーダンスを整合させて、発振機２から加熱コイル１への高周波電流の供給効率を向上させるものである。加熱コイル１に高周波電流を供給することにより、加熱コイル１の中に配置された金属製のワーク１２に誘導電流が発生し、この誘導電流によりワーク１２にジュール熱が発生する。

判定部７は、発振機２の発振中に、温度測定器５によって測定された加熱コイル１の温度の測定値を取得する（図４ステップＳ３）。なお、温度測定器５は加熱コイル１から発生する磁界の影響を受けてノイズが発生し易いため、温度測定器５（熱電対）と判定部７との間の配線を例えばアルミ材で被覆することが好ましい。

判定部７は、温度測定器５から取得した温度の測定値が所定の温度閾値を超えているかどうかを判定する（図４ステップＳ４）。判定部７は、温度の測定値が温度閾値を超えている場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、アラームを出力する（図４ステップＳ５）。アラームの出力方法としては、例えばアラーム発生を知らせるメッセージを表示したり、アラーム発生を知らせるＬＥＤを点灯または点滅させたり、アラーム発生を知らせる音声を出力したりする方法がある。

さらに、判定部７は、温度の測定値が温度閾値を超えている場合、制御部６に対して発振停止を通知する（図４ステップＳ６）。この発振停止の通知により、制御部６は、発振機２の発振を停止させて、発振機２から加熱コイル１への高周波電流の供給を停止させる。これにより、加熱コイル１内に配置されたワーク１２の加熱も終了する。

温度閾値は、ワーク１２や加熱コイル１の仕様、マッチング設定、および測定箇所によって変わるため、実際にワーク１２を加熱して製品の製造を行う前に、製造時と同じ加熱コイル１およびワーク１２を使用して、事前の加熱試験を複数回行い、加熱コイル１の温度のデータを取得して、取得した複数回のデータに対して、割り増しした値を温度閾値として決定すればよい。また、上記のとおり、測定箇所によって温度が変わるため、予め測定箇所を決めておく必要がある。本実施例では、加熱コイル１の銅管１０の２つの端部のうち冷却剤の排出口側の端部に温度測定器５を取り付けている。排出口側に温度測定器５を取り付ける理由は、供給口よりも排出口の方が温度が上がり易く、温度監視に向いているためである。

一方、判定部７からの発振停止の通知がない場合、制御部６は、発振開始から所定時間が経過したかどうかを判定する（図４ステップＳ７）。所定時間が経過していない場合には、ステップＳ３に戻る。制御部６は、発振開始から所定時間が経過すると（ステップＳ７においてＹＥＳ）、発振機２に対して発振停止の指示信号を出力する。この発振停止の指示信号の出力により、発振機２は、発振を停止し、加熱コイル１への高周波電流の供給を停止する（図４ステップＳ８）。こうして、ワーク１２の加熱が終了する。

判定部７は、発振停止の直後に、抵抗測定器４によって測定された加熱コイル１の抵抗の測定値を取得する（図４ステップＳ９）。抵抗測定器４としては、加熱コイル１に電流を流して加熱コイル１の両端の電圧を測定して抵抗値を求める一般的な測定器を用いることができる。なお、本実施例では、加熱コイル１と並列にマッチングボックス３のマッチングトランス３０の二次巻線が接続されているので、抵抗測定器４によって実際に測定されるのは、加熱コイル１とマッチングトランス３０の二次巻線との合成抵抗の値となる。

判定部７は、抵抗測定器４から取得した抵抗の測定値が所定の抵抗閾値を超えているかどうかを判定する（図４ステップＳ１０）。判定部７は、抵抗の測定値が抵抗閾値を超えている場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、ステップＳ５と同様にアラームを出力する（図４ステップＳ１１）。

さらに、判定部７は、抵抗の測定値が抵抗閾値を超えている場合、制御部６に対して発振禁止を通知する（図４ステップＳ１２）。この通知以降は、発振機２から加熱コイル１への高周波電流の供給が禁止される。

図１の例では、加熱コイル１の抵抗値が３．５ｍΩ前後で発振しなくなることが分かるが、ワーク１２の材質や形状、マッチング設定によって発振しなくなる抵抗値が変わるため、抵抗閾値は、加熱コイル１毎およびワーク１２毎に固有の値を予め設定しておく必要がある。具体的には、実際にワーク１２を加熱して製品の製造を行う前に、製造時と同じ加熱コイル１およびワーク１２を使用して、事前の加熱試験を複数回行い、加熱コイル１の抵抗値のデータを取得して、取得した複数回のデータに対して、割り増しした値を抵抗閾値として決定すればよい。

なお、本実施例では、発振停止の直後に加熱コイル１の抵抗値を測定しているが、これに限るものではなく、発振機２が発振していないタイミングであれば、抵抗値を何時測定しても構わない。

一般的な抵抗測定器４（テスタ）で通電中に加熱コイル１の抵抗値を測定することは難しい。ただし、例えば通電中に交流成分に比べて無視できるほどの直流電流を抵抗測定器４から流して端子１３と１４間の両端電圧を検出し、検出した電圧からローパスフィルタで直流電圧の降下分のみを取り出すようにすれば、直流電流値と直流電圧の降下分とから加熱コイル１の抵抗値（マッチングトランス３０の二次巻線との合成抵抗値）を算出することができる。このような抵抗測定器４を使用すれば、発振中に加熱コイル１の抵抗値を測定することが可能である。この場合、判定部７は、発振中に抵抗の測定値が抵抗閾値を超えた時点でアラームを出力すればよい。

本実施例では、加熱コイル１の抵抗値を監視し、抵抗値が閾値を超えたときにアラームを出力することにより、加熱コイル１にクラックが発生している可能性が高い状態を初期段階で検出することができる。

本発明では、加熱コイル１の温度の測定と測定した温度に基づく判定は、必須の構成要件ではない。高周波誘導加熱装置は、特許文献１に開示された誘導加熱調理器のように装置構成が固定されているものではなく、冷却剤の供給口と排出口の選択がユーザに委ねられており、加熱コイル１の銅管１０の２つの端部のうちどちらを冷却剤の供給口とし、どちらを冷却剤の排出口とするかによって２つの端部の温度が変わるため、温度測定器５を取り付ける位置をユーザの装置構成によって変えなければならない可能性がある。ただし、加熱コイル１の温度の測定によって過熱状態を検出し、加熱コイル１の脆化を防ぐことができるので、装置構成が明らかである場合には、温度の測定は有効である。

本実施例で説明した制御部６と判定部７とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図５に示す。コンピュータは、ＣＰＵ１００と、記憶装置１０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）１０２とを備えている。Ｉ／Ｆ１０２には、発振機２と抵抗測定器４と温度測定器５などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明を実現するためのプログラムは記憶装置１０１に格納される。ＣＰＵ１００は、記憶装置１０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、高周波誘導加熱装置の状態を監視する技術に適用することができる。

１…加熱コイル、２…発振機、３…マッチングボックス、４…抵抗測定器、５…温度測定器、６…制御部、７…判定部、８…コンデンサ、１０…銅管、１１…ガラスチューブ、１２…ワーク、１３，１４…端子、３０…マッチングトランス。

Claims (4)

1. 高周波電流の供給を受けて高周波誘導によって加熱対象のワークに誘導電流を発生させる加熱コイルと、
   前記加熱コイルに高周波電流を供給する発振機と、
   前記加熱コイルの抵抗を測定する抵抗測定器と、
   前記抵抗の測定値が第１の閾値を超えているときに、アラームを出力する判定部とを備えることを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 請求項１記載の高周波誘導加熱装置において、
   前記判定部は、前記抵抗の測定値が前記第１の閾値を超えているときに、前記発振機の発振を禁止することを特徴とする高周波誘導加熱装置。
3. 請求項１または２記載の高周波誘導加熱装置において、
   前記発振機と前記加熱コイルとの間に設けられ、前記発振機と前記加熱コイルのインピーダンスを整合させるマッチングボックスをさらに備え、
   前記抵抗測定器によって測定される抵抗値は、前記加熱コイルと、この加熱コイルと並列に接続された前記マッチングボックスの回路の合成抵抗の値であることを特徴とする高周波誘導加熱装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波誘導加熱装置において、
   前記加熱コイルの温度を測定する温度測定器をさらに備え、
   前記判定部は、前記温度の測定値が第２の閾値を超えているときに、アラームを出力すると共に、前記発振機の発振を停止させることを特徴とする高周波誘導加熱装置。