JP3654659B2 - 高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、ワークを誘導加熱して焼入したり、丸鋸台金にチップをロウ付けする際等に使用される、高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置としては、例えば、特開昭６１−４３０５号公報に開示のものが知られている。このトランジスタインバータ装置は、プッシュプル接続された一対のトランジスタと、このトランジスタのコレクタにその一次側が接続されたトランスと、トランスの二次側に接続された共振コンデンサ、帰還用コンデンサ及び出力トランスと、この出力トランスの二次側に接続された加熱コイル等を具備している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このトランジスタインバータ装置にあっては、装置自体が大型化してコストがアップすると共に、加熱効率が劣るという問題点があった。即ち、共振コンデンサ及び帰還用コンデンサは、それぞれ複数個のコンデンサを並列使用するが、その際、各コンデンサは銅板で接続するものの、例えば帰還用コンデンサとトランジスタ、共振コンデンサとトランス等は、一般的にリード線で接続している。このため、装置内の空間が有効利用されず、装置が大型化することになり、装置のコストがアップする。
【０００４】
また、リード線の使用により、その引き回しによる抵抗やインダクタンンスが大きくなって、伝達ロスが発生する等、回路に悪影響が生じる。特に、帰還用コンデンサとトランジスタ間のリード線による伝達ロスは、トランジスタのスイッチグ動作に悪影響し、正確なスイッチング動作が得られず、装置の加熱効率が劣ることになる。
【０００５】
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、装置自体を小型にし得てコストダウンが図れると共に、装置の加熱効率を向上させかつ結露による誤動作を防止し得る、高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成すべく、請求項１記載の高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置は、複数のトランジスタが並列接続された少なくとも一対のトランジスタユニットと、該ユニットの出力側に接続されるコイルと、該コイルの両端に接続された共振コンデンサ及びカレントトランスを有する共振回路と、該共振回路と前記トランジスタユニットの入力間に接続される帰還用コンデンサと、前記共振回路の出力側に接続される加熱コイルとを具備する高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置において、前記トランジスタユニットの各トランジスタをそれぞれ垂直状態で配置し、該ユニットの上方に、パターンを有し抵抗が半田付けされた基板と該基板の端子に接続された複数枚の第１の導電板を垂直状態で配置すると共に、該導電板に前記共振コンデンサ及び帰還用コンデンサを一体的に接続してなることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２記載のトランジスタインバータ装置は、前記トランジスタが、支柱に支持された一対の放熱板間に挟持された状態でかつその各端子が上方を向くように垂直状態で配置されると共に、該トランジスタの上方に、前記基板、共振用コンデンサ及び帰還用コンデンサが配置されていることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
請求項１または２に記載の高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置によれば、垂直状態で配置されたトラジスタユニットの上方に、抵抗が半田付けされた基板と複数枚の第１の導電板を垂直状態で配置する。この導電板には、共振コンデンサと帰還用コンデンサが電気的に接続され、装置内の空間が有効利用されて、装置の小型化が図れると共に、リード線による引き回しが少なくなり、伝達ロス等が低減された、加熱効率が向上すると共に、トランジスタの下方に基板等が存在しなくなり、結露の落下による基板の誤動作が防止される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置の回路図を示している。図１において、トランジスタインバータ装置１（以下、単に装置１という）は、一対のトランジスタユニット２、３と、このトランジスタユニット２、３の出力側に接続されたコイル４と、このコイル４の両端に接続された共振コンデンサ５及びカレントトランス６と、トランジスタユニット２、３を作動させるドライブ回路７等を有している。
【００１１】
トランジスタユニット２、３は、電界効果トランジスタ８（以下、単にＦＥＴ８という）と、このＦＥＴ８のゲートとソースに、それぞれ接続された抵抗９、１０からなる回路を、例えば、８個それぞれ並列に接続して構成されている。そして、このトランジスタユニット２、３の、ドレイン端子２ａ、３ａはコイル４の接続端子４ｂ、４ｃに接続され、ゲート端子２ｂ、３ｂ（抵抗９の一端）は、ドライブ回路７に接続されている。また、トランジスタユニット２、３のソース端子２ｃ、３ｃ（抵抗１０の一端）は、ドライブ回路７のマイナス端子１３に接続されている。
【００１２】
コイル４は、後述する如く空芯コイルで構成され、その中間端子４ａには、直流電源のプラス端子１４に接続された直流リアクル１５が接続されている。そして、コイル４の中間端子４ａの両側には、上記接続端子４ｂ、４ｃが固定され、この接続端子４ｂ、４ｃに、トランジスタユニット２、３のドレイン端子２ａ、３ａがそれぞれ接続されている。また、コイル４の両端とトランジスタユニット２、３のゲート端子２ｂ、３ｂ間には、帰還用コンデンサ１６、１７がそれぞれ接続されている。
【００１３】
カレントトランス６は、円筒状の銅板で形成された二次コイル６ｂと、この二次コイル６ｂの内部に収納され、銅パイプを所定回数巻回させた一次コイル６ａからなり、一次コイル６ａの両端がコイル４の両端に接続されている。また、二次コイル６ｂの両端には、加熱コイル１９が接続され、この加熱コイル１９にはワーク２０が近接配置される。
【００１４】
ドライブ回路７は、例えば、ダイオードユニット（図示せず）からなる直流電源のプラス端子１２とマイナス端子１３間に接続されたコンデンサ２１と、このコンデンサ２１に並列接続された、２個の抵抗２２、２３及び抵抗２４、２５の直列回路等を有している。抵抗２４、２５の接続点は、トランジスタユニット２のゲート端子２ｂに接続され、抵抗２２、２３の接続点は、トランジスタユニット３のゲート端子３ｂに接続されている。
【００１５】
この装置１は、図２及び図３に示す如く組み立てられている。即ち、８個のＦＥＴ８を、リード端子が上方を向くようにして、一対の放熱板２７、２８間に位置させ、ネジ２９によって挟持した状態で取り付ける。そして、放熱板２８に支柱３０の上端を固定すると共に、放熱板２８の上部に、取付板３１を介して基板３２を垂直状態で固定する。この基板３２には、所定形状のパターンが形成され、このパターンには上記抵抗９、１０が予め半田付けされている。
【００１６】
ＦＥＴ８は、ゲートとソースが基板３２のパターンに半田付けされ、ドレインが放熱板２８の上面に半田付けもしくはネジ止めされている。これにより、８個のＦＥＴ８が並列接続されることになる。放熱板２７、２８には、両端にホースコネクタ３３が固定された冷却パイプ３４、３５がそれぞれロウ付け固定されている。この基板３２、放熱板２７、２８等は、一体的に組み付けられてユニット化され、このユニットは左右対称に構成されている。そして、支柱３０の下端を、装置１の底板３６に固定することにより、一対の基板３２が所定間隔を有して垂直状態で配置される。
【００１７】
この基板３２の上方には、３枚の銅板３８〜４０（第１の導電板）が垂直状態で配置されている。また、基板３２の上端部にその長手方向に形成されたパターン（ゲート端子２ｂ、３ｂ）には、銅板４１（第２の導電板）の下端が、ネジ４２によってそれぞれ固定されている。そして、銅板４１と銅板３９間及び銅板４１と銅板４０間には、例えば、同一静電容量の高周波電力用の磁器コンデンサからなる２個のコンデンサ１６ａ、１６ｂ（１６ｂは図示せず）及びコンデンサ１７ａ、１７ｂが、ネジ４３によって固定されている。この並列接続された２個のコンデンサ１６ａ、１６ｂ及びコンデンサ１７ａ、１７ｂにより、上記帰還用コンデンサ１６、１７が構成され、該コンデンサ１６、１７とトランジスタユニット２、３とが銅板４１によって接続されることになる。
【００１８】
また、銅板３８と銅板３９間及び銅板３８と銅板４０間には、４個のコンデンサ５ａ〜５ｄがネジ４５によって固定されると共に、銅板３９、４０の外側には、２個のコンデンサ５ｅ、５ｆがネジ４５によって固定されている。このコンデンサ５ｅとコンデンサ５ｆの一端は、３枚の比較的薄い銅板４６ａ〜４６ｃによって銅板３８に接続されている。これにより、６個のコンデンサ５ａ〜５ｆは並列接続されて、上記共振コンデンサ５が構成される。なお、６個のコンデンサ５ａ〜５ｆは、例えば、同一静電容量を有すると共に、帰還用コンデンサ１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂと同様、高周波電力用の磁器コンデンサで構成されている。
【００１９】
銅板３９、４０の後端部には、一対の銅板４８ａ、４８ｂ（第３の導電板）の前端部がネジ５０によって固定され、この銅板４８ａ、４８ｂの後端部には、上記コイル４の接続板４９がネジ５１によって固定されている。これにより、コイル４は、銅板４８ａ、４８ｂによって、その両端部が銅板３９、４０に電気的が接続されると共に、機械的に固定保持されることになる。なお、コイル４は、絶縁チューブが嵌装された銅パイプを所定回数巻回した空芯コイルで構成され、その両端部には、ホースコネクタ５２が固定されると共に、上記接続板４９がそれぞれ固定されている。
【００２０】
また、銅板３９、４０の前端部には、一対の銅板５３ａ、５３ｂ（第４の導電板）の後端部がネジ５４によって固定され、この銅板５３ａ、５３ｂの前端部には、図４及び図５に示す如く、カレントトランス６が固定されている。即ち、カレントトランス６の二次コイル６ｂ内に、絶縁シート５５を介して収納された一次コイル６ａの上方に延びた両端部に、銅板からなる接続板５６ａ、５６ｂを固定し、この接続板５６ａ、５６ｂと上記銅板５３ａ、５３ｂとを図示しないネジによって固定する。なお、一次コイル６ａの両端には、ホースコネクター５７が固定されている。
【００２１】
また、二次コイル６ｂの両端部には、絶縁板５８を介して圧接固定された一対の銅板５９ａ、５９ｂの後端部が固定され、この銅板５９ａ、５９ｂの前端部は、装置１の前面板６０から外部に突出している。銅板５９ａ、５９ｂには、取付板６１ａ、６１ｂが固定され、この取付板６１ａ、６１ｂを前面板６０に固定したベーク板６２に、ネジ６３によって固定することによって、カレントトランス６が装置１の所定位置に配設される。
【００２２】
また、銅板５９ａ、５９ｂの内部には冷却水の流路Ｒが形成され、この流路Ｒは、二次コイル６ｂの外周に固定された冷却パイプ６４に連結されている。冷却パイプ６４の両端にはホースコネクタ６５が固定され、このホースコネクタ６５から、冷却水が循環供給されることにより、二次コイル６ｂ及び銅板５９ａ、５９ｂの発熱が抑えられる。銅板５９ａ、５９ｂの先端部には、コイル部１９ａと、取付部１９ｂからなる加熱コイル１９が取り付けられる。この加熱コイル１９にも、冷却水が循環供給される。
【００２３】
次に、このトランジスタインバータ装置１の動作について説明する。まず、ドライブ回路７により、トランジスタユニット２のＦＥＴ８がオンすると、直流電流が、直流リアクトル１５からコイル４の中間端子４ａに供給され、コイル４、トランジスタユニット２のＦＥＴ８、抵抗１０等を介して、マイナス端子１３に流れる。また、コイル４に電流が流れることにより、共振コンデンサ５とカレントトランス６の一次コイル６ａからなる共振回路が共振し、カレントトランス６の二次コイル６ｂには、カレントトランス６の巻数比に応じた大電流が流れ、加熱コイル１９に所定方向（図１の上から下）の電流が流れることになる。
【００２４】
そして、帰還用コンデンサ１６、１７を介して、トランジスタユニット２、３の各ＦＥＴ８のゲートに電流が帰還されることにより、ある時点で、トランジスタユニット２のＦＥＴ８がオフして、トランジスタユニット３のＦＥＴ８がオンする。これにより、コイル４、トランジスタユニット３のＦＥＴ８、抵抗１０を介して電流が流れると共に、共振回路に上記と逆方向の共振電流が流れる。この共振電流により、加熱コイル１９に、逆方向（図１の下から上）の電流が流れ、装置１は、この動作を繰り返す。これにより、加熱コイル１９には、ＦＥＴ８のオンオフに対応した高周波の大電流が流れ、この電流により、ワーク２０に渦電流が誘起されて誘導加熱される。
【００２５】
このように、上記実施例によれば、基板３２の上方に３枚の銅板３８〜４０を垂直状態で配置し、この銅板３８〜４０に共振コンデンサ５ａ〜５ｆを取り付けると共に、基板３２のパターンに固定した銅板４１と銅板３８、４０間に帰還用コンデンサ１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂを取り付けているため、装置１内の空間を有効に利用することができる。特に、共振コンデンサ５及び帰還用コンデンサ１６、１７は、静電容量的に複数個並列に接続する必要があるが、上記の配置により、これらのコンデンサを小スペース内に納めることができ、装置１の小型化が図れて、コスタダウンが可能になる。なお、上記実施例の構成によれば、従来例の構成に対して、容積比で約５０〜８０％の小型化が可能であることが確認されている。
【００２６】
また、帰還用コンデンサ１６、１７が、銅板４１等によって、最短距離で接続されるため、引き回しによる抵抗及びインダクタンスを最小にすることができ、伝達ロス等による回路への悪影響がなくなる。これにより、トランジスタユニット２、３のＦＥＴ８のスイッチング動作が確実に行われ、回路損失が少なくなって、加熱効率が向上する。さらに、銅板４８ａ、４８ｂ及び銅板５３ａ、５３ｂによって、銅板３９、４０に、コイル４とカレントトランス６を、電気的に接続すると共に機械的に保持するため、専用の取付部材が不要になる等、部品点数の削減が図れ、装置１の一層の小型化及びコストダウンが可能になる。
【００２７】
また、共振コンデンサ５及び帰還用コンデンサ１６、１７に、高周波電力用の磁器コンデンサを使用しているため、負荷能力が大きく部品自体が小型になって、装置１の小型化を一層図ることができると共に、部品の取り扱いが便利で、組み立て作業及び交換作業等を容易に行うことができる。また、トランジスタユニット２、３は、ＦＥＴ８の上方に基板３２を垂直状態で配置しているため、ＦＥＴ８に生じる結露が、基板３２上に落下するのを防止することができて、基板３２の誤動作が防止される等、信頼性の高い装置１が得られると共に、ＦＥＴ８等がユニット化されるため、その組み立て作業も容易になる。
【００２８】
さらにまた、上記実施例に示すような、自励式のトランジスタインバータ回路にあっては、図１に二点鎖線で示すように、トランジスユニット２、３のゲート端子２ｂ、３ｂとマイナス端子１３間に、コンデンサＣを接続するのが一般的であるが、上記実施例においては、適宜規格のＦＥＴ８を使用して、トランジスタユニット２、３内の浮遊容量等を利用することにより、このコンデンサＣを省略している。これにより、部品点数が削減されて、より一層のコストダウンが可能になる。
【００２９】
なお、上記実施例においては、トランジスタとしてＦＥＴを使用したが、本発明にこれに何等限定されず、例えばパワートランジスタ、ＩＧＢＴ等の他のトランジスタ（ユニットも含む）を使用しても良いし、並列接続するトランジスタの個数も、装置の出力に応じて適宜増減し得る。また、上記実施例においては、基板の上方に３枚の導電板を配置したが、使用するコンデンサの個数によっては、２枚でも良いし４枚以上でも良い。また、上記実施例における、ドライブ回路、トランジスタユニット、コイル、カレントトランス等の構成は一例であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置によれば、装置内の空間を有効利用することができ、装置自体を小型にし得てコストダウンが図れると共に、銅板を効果的に使用することにより、引き回しによる影響を少なくし得て、装置の加熱効率を向上させることができる。また、トランジスタの下方に基板等が存在しなくなり、トランジスタから落下した結露による基板の誤動作等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置の回路図
【図２】同要部の一部破断斜視図
【図３】同要部の正面図
【図４】同要部の側面図
【図５】同その平面図
【符号の説明】
１ トランジスタインバータ装置
２、３ トランジスタユニット
４ コイル
５、５ａ〜５ｆ 共振コンデンサ
６ カレントトランス
８ ＦＥＴ
１６、１６ａ、１６ｂ、１７、１７ａ、１７ｂ 帰還用コンデンサ
１９ 加熱コイル
２０ ワーク
３２ 基板
３８〜３９ 銅板（第１の導電板）
４１ 銅板（第２の導電板）
４８ａ、４８ｂ 銅板（第３の導電板）
５３ａ、５３ｂ 銅板（第４の導電板）

Claims (2)

1. 複数のトランジスタが並列接続された少なくとも一対のトランジスタユニットと、該ユニットの出力側に接続されるコイルと、該コイルの両端に接続された共振コンデンサ及びカレントトランスを有する共振回路と、該共振回路と前記トランジスタユニットの入力間に接続される帰還用コンデンサと、前記共振回路の出力側に接続される加熱コイルとを具備する高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置において、前記トランジスタユニットの各トランジスタをそれぞれ垂直状態で配置し、該ユニットの上方に、パターンを有し抵抗が半田付けされた基板と該基板の端子に接続された複数枚の第１の導電板を垂直状態で配置すると共に、該導電板に前記共振コンデンサ及び帰還用コンデンサを一体的に接続してなることを特徴とする高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置。
2. 前記トランジスタは、支柱に支持された一対の放熱板間に挟持された状態でかつその各端子が上方を向くように垂直状態で配置されると共に、該トランジスタの上方に、前記基板、共振用コンデンサ及び帰還用コンデンサが配置されていることを特徴とする請求項１記載の高周波誘導加熱用のトランジスタインバータ装置。

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