JP4416819B2

JP4416819B2 - 電磁誘導加熱装置の温度制御装置

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Publication number: JP4416819B2
Application number: JP2007329861A
Authority: JP
Inventors: 裕之渡川; 泰三川村; 義隆内堀
Original assignee: Omron Corp; Seta Giken KK
Current assignee: Omron Corp; Seta Giken KK
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JP2008139015A

Description

本発明は、液体や気体等の流体の通路に設けられた磁性材料の発熱体を電磁誘導加熱で加熱し、前記流体を直接的な熱移動で加熱する電磁誘導加熱装置の温度制御装置及び温度制御方法に関し、特に前記発熱体を構成する磁性材料の磁気変態に拘わらず、加熱や始動可能な電磁誘導加熱装置に関する。

この種の電磁誘導加熱装置３１の従来例の構造を図８に基づいて説明する。流体が通過するパイプ４０を絶縁体で構成し、このパイプ４０内に収納され流体が浸かる発熱体３７をパイプ４０に巻かれたコイル３８による電磁誘導で加熱するものである。このコイル３８に交番磁界を生じさせるために、高周波電流発生器としてセンサレス高力率高周波インバータ３５が用いられる。この高周波インバータ３５の出力を制御するのが、位相シフト制御部３３ａとゲートドライバー３３ｂからなる制御器３３である。パイプ４０の出口側には温度検出器４１が取り付けられ、温度制御部３２が前記位相シフト制御部３３ａに接続される。なお、高周波電流発生器３５は、交流電源３４に対する整流部４２と、非平滑フィルタ４３と、インバータ本体４４とからなっている。

上記のように発熱体３７は電磁誘導で自己発熱し、この発熱体３７が流体を直接加熱する構成になっているため、発熱体３７には特殊材料が用いられる。第１に強磁性体である必要があり、第２に、流体に直接接するため耐腐食性に優れる必要がある。このような条件を満たす材料として特許文献１に提案されるようなＣｒ，Ｆｅを主成分とするマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられる。

上述した構造の電磁誘導加熱装置３１の通常の運転時においては、パイプ４０の下側から供給される低温流体３６は発熱体３７内で乱流流体３９となって熱交換され、パイプ４０の上側から高温流体４５となって排出される。この高温流体４５の温度が温度検出器４１で測定され、所定温度との差に応じた指令が温度制御部３２から位相シフト制御部３３ａに出力され、ゲートドライバー３３ｂを経て高周波インバータ３５の出力電流が適正に制御される。この直接加熱による電磁誘導加熱装置３１によると、流体が浸かる発熱体３７の伝熱面積を大きくすることなどにより、発熱体３７から流体への伝熱効率を高め、図９に示すように、安定な温度制御時において発熱体３７の加熱温度Ｔ37を高温流体４５の温度Ｔ45近辺に抑えることができるという特徴を持っている。また、温度制御立ち上げ時においては、発熱体３７の温度Ｔ37が、高温流体４５の温度Ｔ45よりも先行して高くなるという特徴を持っている。

特開平６−２９７２８７号公報

しかしながら、図９に示すように、立ち上げ時には、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ４５と、実際の発熱体３７の温度Ｔ37との間には相当の開きが生じるため、制御部３３は、温度検出器４１の検知する流体の温度Ｔ45が上昇するように、センサレス高力率高周波インバータ３５を制御する。即ち、発熱体３７の温度Ｔ37をどんどん上昇させることにより、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ45を上昇させようとするため、過度の電流が高周波インバータ３５に流れ、機器を破損するという問題を生じた。この原因を追求したところ、下記のことが判明した。

コイル３８と発熱体３７からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができ、Ｌ１、Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路の等価抵抗をＲ、同回路の固有抵抗をｒとし、同回路に流れる電流をＩｃ、同回路にかかる電力をＰ0 とする。図１０は、このＲ、ｒ、Ｉｃ、Ｐ0 が発熱体３７の温度Ｔ37と共にどのように変化するかを示している。

固有抵抗ｒは温度Ｔ37と共に上昇するが、等価抵抗Ｒはある温度Ｔ0 から急激に低下する。そのため、発熱体３７の温度Ｔ37がある温度Ｔ0 に達すると、電流Ｉｃと電力Ｐ0 が増加に転じる。電流Ｉｃと電力Ｐ0 が増えすぎて定格を越えると、高周波インバータ３５を構成する電力素子が破損する。このような現象が生じるのは、発熱体３７そのものの温度Ｔ37が高温になり、発熱体３７を構成する磁性体が磁気変態温度Ｔ0 に達するからである。すなわち磁気変態を起こす温度Ｔ0 に達すると、発熱体３７の磁性が急変して強磁性体から常磁性体に変わるため、コイル３８が短絡状態になり、電力素子が破損する。

以上のように、電磁誘導加熱装置の温度制御装置は、図８に示すように、温度検出器４１が発熱体３７の温度Ｔ37を直接検出するのではなく、温度検出器４１が発熱体３７と熱交換した流体４５の温度Ｔ45を検出するようになっているため、温度制御立ち上がり時において、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ45と、発熱体３７の実際の温度Ｔ37との間には相当の開きが生じる。その結果、制御部３３は、発熱体３７の温度Ｔ37をどんどん上昇させることにより、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ45を上昇させようとする。そして、発熱体３７の温度Ｔ37が磁気変態温度Ｔ0 を越えると、過度の電流が急激にセンサレス高力率高周波インバータ３５に流れ込み、高周波インバータ３５が暴走し、電力素子等の機器が破損するという問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、出力電流を制限することにより、発熱体３７の温度Ｔ37が磁気変態温度Ｔ0 を越えても、出力電流の急増及び高周波電流発生器の暴走、機器の破損を防止する電磁誘導加熱装置の温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器を備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を起こす電磁誘導加熱装置に対して用いられる温度制御装置であって、前記発熱体により加熱される流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記発熱体への投入電力を調整して温度を制御する温度制御部と電流検出部が検出した検出電流と発熱体の素材で決まる基準電流に基づいて作動するスイッチ切替部を備え、前記温度制御部を温度制御ループと電力制御ループで構成してあり、前記温度制御ループを、高温流体の設定温度である第１設定値と温度検出部の検出温度とに基づいて温度偏差を算出する第１比較部と、この温度偏差に基づいてPID制御を行う第1演算部と、この第1演算部を電力制御ループの第2設定値または電力制御ループの第3設定値が接続する温度制御ループの追従部のいずれかに出力させるよう切り換えるスイッチＳＷ２とを備えた構成にすると共に、前記電力制御ループを、電流検出部が検出した検出電流と温度制御ループの第１演算部に接続する前記第2設定値または温度制御ループの第１演算部に追従部を介して接続する前記第3設定値の何れかに基づいて電流偏差を算出する第2比較部と、この電流偏差に基づいてPID制御を行い高周波電流制御部への操作信号を発生する第2演算部と、前記第２比較部を前記第2設定値か第3設定値の何れかに接続するスイッチＳＷ１とを備えた構成とし、
前記スイッチ切替部を、電流検出部が検出した検出電流が発熱体の素材で決まる基準電流を超えないとき前記温度制御ループの前記第１演算部を電力制御ループの第２設定値に接続するように前記スイッチＳＷ２を作動させると同時に電力制御ループの第２比較部を前記第２設定値に接続するよう前記スイッチＳＷ１を作動させ、電流検出部が検出した検出電流が発熱体の素材で決まる基準電流以上になったとき前記温度制御ループの前記第１演算部を追従部に接続するように前記スイッチＳＷ２を作動させると同時に電力制御フープの第２比較部を前記第３設定値に接続するよう前記スイッチＳＷ１を作動させる構成したことを特徴とする。
これにより、電流検出部で検出した検出電流と発熱体の材質できまる基準電流を比較して、検出電流が基準電流以上となった場合は、独自の設定値（第３設定値）を有する電力制御ループの単独制御により操作信号を制御するので、発熱体を低い温度に保ち高温による発熱体の腐食などによる損傷を防止する。また、検出電流が基準電流より低くなった場合は、電力制御ループが温度制御ル−プで算出された値を設定値（第２設定値）にして、発熱体を高温流体の設定温度に対応するよう制御する。（温度・電力カスケード制御）この様に発熱体を必要時のみに高温にしそれ以外は低い温度にすることで発熱体の保護できるものである。また、電力ループの単独制御時の設定値（第３設置値）は温度制御ループの追従部に追従しているので、電力ループの単独制御から温度・電力カスケード制御に切り替わってもその設定値に変動がないので、電力制御ループの単独制御時にその投入電力の目標値を調整変更しても、バンプレスな（目標値が急変しない）ゼロスターティングができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、電磁誘導加熱装置１は、装置本体２７と、温度制御装置２・３・６・７・１３と、交流電源４と、高周波電流発生器５とを有しており、発熱体９を介して低温流体８を加熱するようになっている。

上記の装置本体２７は、流体通路を形成する非金属パイプ１２内に、発熱体９を収納し、非金属パイプ１２の外周にコイル１０を巻き付けたものである。このコイル１０には、高周波電流発生器５を介して交流電源４が接続されており、発熱体９に磁場を印加するようになっている。また、発熱体９には、流体通路が設けられており、発熱体９の流体通路内で低温流体８を均一加熱するようになっている。

上記の温度制御装置２・３・６・７・１３は、温度・電流のカスケード制御手段及び電流制限手段を構成する温度制御部２と、高周波電流制御部３と、温度検出手段を構成する温度検出器１３と、電流検出手段を構成する電流検出部６と、電流制限手段及び切替手段を構成するスイッチ切替部７とを有しており、検出温度と検出電流Ieとに基づいて高周波電流発生器５を制御することにより、高温流体２８の温度を調整するようになっている。

上記の温度検出器１３は、非金属パイプ１２の上側の出口付近に設けられており、発熱体９により加熱された高温流体の温度を検出するようになっている。この温度検出器１３は、温度制御部２に接続されており、検出温度を温度制御部２に送るようになっている。

上記の電流検出部６は、高周波電流発生器５に接続されており、高周波電流発生器５の出力する電流Icを検出するようになっている。また、温度制御部２に接続されており、検出電流ＰＶ２を温度制御部２に送るようになっている。

上記のスイッチ切替部７は、図２で示すように、電流検出部６に接続されており、電流検出部６から検出電流を受取ると、基準電流Idと比較し、（検出電流ＰＶ２）＜（基準電流Id）の場合、スイッチＳＷ１・ＳＷ２をＯＮ状態に切り替え、（検出電流ＰＶ２）≧（基準電流Id）の場合、ＯＦＦ状態に切り替えるようになっている。尚、基準電流Idは、発熱体９の材質で決まる値であり、予め設定されている。

上記の温度制御部２は、図２に示すように、温度制御ループ２ａと、電力制御ループ２ｂを有しており、検出温度と検出電流ＰＶ２とに基づいた動作信号（温度偏差・電流偏差）を算出するようになっている。この温度制御ループ２ａは、第１比較部１７と、第１演算部１８と、スイッチＳＷ２と、追従部１９とを有しており、スイッチＳＷ２がＯＮ状態の場合（温度・電力のカスケード制御時）には、高温流体の設定温度である第１設定値ＳＰ(set point) と検出温度ＰＶ(process value) とに基づいて、出力電流Icの目標値である第２設定値ＣＳＰ(cascade set point) を算出するようになっている。即ち、第１比較部１７が、第１設定値ＳＰと検出温度ＰＶとの温度偏差ＤＶ（deviation value)を算出し、第１演算部１８が、温度偏差ＤＶに基づいてＰＩＤ制御を行い、第２設定値ＣＳＰを算出するようになっている。尚、第１設定値ＳＰは、オペレータが所望の温度に設定することにより変化する基準値であるが、設定後は、固定の基準値である。また、第２設定値ＣＳＰは、温度・電力のカスケード制御によって、検出温度ＰＶの変化に伴い常時変化する基準値である。

また、スイッチＳＷ２がＯＦＦ状態の場合（電力制御ループ２ｂの単独制御時）には、出力電流Icの設定電流である第３設定値ＦＳＰ(fix set point) が追従部１９を介して追従値ＣＴＶ(cascade tracing value) に変換され、第１演算部１８に追従するようになっている。即ち、第１演算部１８は、温度偏差ＤＶと追従値ＣＴＶに基づいてＰＩＤ制御を行い、ＯＮ状態になったときに第２設定値ＣＳＰが急変しないようになっている。尚、第３設定値ＦＳＰは、オペレータが設定することにより変化する基準値であるが、設定後は、固定の基準値である。

上記の電力制御ループ２ｂは、第２比較部２０と、第２演算部２１と、スイッチＳＷ１とを有しており、操作信号ＭＶ（manipulated value)を算出するようになっている。即ち、スイッチＳＷ１・ＳＷ２が共にＯＮ状態の場合（温度・電力のカスケード制御時）には、第２比較部２０は、第２設定値ＣＳＰと検出電流ＰＶ２(process value) とに基づいて、電流偏差ＤＶ２（deviation value)を算出するようになっており、第２演算部２１は、その電流偏差ＤＶ２に基づいてＰＩＤ制御を行い、操作信号ＭＶを算出するようになっている。また、スイッチＳＷ１・ＳＷ２が共にＯＦＦ状態の場合（電力制御ループ２ｂの単独制御時）には、第２比較部２０は、第３設定値ＦＳＰと検出電流ＰＶ２とに基づいて、電流偏差ＤＶ２を算出するようになっており、第２演算部２１は、その電流偏差ＤＶ２に基づいてＰＩＤ制御を行い、操作信号ＭＶを算出するようになっている。

上記の高周波電流制御部３は、図１に示すように、位相シフト制御部３ａと、ゲートドライバー３ｂとを有しており、高周波電流発生器５を制御するようになっている。位相シフト制御部３ａは、電力制御ループ２ｂに接続されており、操作信号ＭＶを受信すると、制御信号を算出し、ゲートドライバー３ｂを介して高周波電流発生器５を制御するようになっている。

高周波電流発生器５は、交流電源４に対する整流部１４と、非平滑フィルタ１５と、インバータ１６とを有しており、操作信号に基づいて交流電流を適当な高周波電流に変換するようになっている。また、コイル１０に接続されており、高周波電流をコイル１０に通電するようになっている。尚、本実施形態では、センサレス高力率高周波インバータが用いられている。

上記の構成において、電磁誘導加熱装置１の動作を説明する。図３に示すように、オペレータは、予熱運転するか否か判断する（Ｓ１）。予熱運転する場合（Ｓ１、ＹＥＳ）、温度制御ループ２ａの第１設定値ＳＰを所望の予熱温度に設定する。予熱温度が設定されると、図１に示すように、非金属パイプ１２内に流体８を導入し、温度検出器１３が浸るまで低温流体８を充填する（Ｓ２）。低温流体８を充填すると、電磁誘導加熱装置１の運転が開始され、高周波電流発生器５によりコイル１０に通電され、発熱体９が加熱される。発熱体９が加熱されると、充填された流体８は、徐々に加熱される。但し、予熱運転の始動時においては、流体８が乱流流体１１のように流れておらず、流体全体の熱伝達が自然対流だけであるため、熱伝達効率が悪い。即ち、一定の間、流体温度は、低いままである。一方、温度検出器１３は、流体８の温度を検出し、温度制御ループ２ａに検出温度ＰＶを送る。また、電流検出部６は、高周波電流発生器５の出力電流を検出し、電力制御ループ２ｂに検出電流ＰＶ２を送る。

温度制御部２が各検出信号ＰＶ・ＰＶ２を受信すると、温度制御部２は、装置本体２７が低温流体８を予熱温度まで加熱するように、予熱での温度・電力のカスケード制御を行う（Ｓ３）。図２に示すように、温度制御ループ２ａは、第１比較部１７により第１設定値ＳＰと検出温度ＰＶとの温度偏差ＤＶを算出し、第１演算部１８によりＰＩＤ制御を行い、第２設定値ＣＳＰを算出する。一方、電力制御ループ２ｂは、第２比較部２０により第２設定値ＣＳＰと検出電流ＰＶ２との電流偏差ＤＶ２を算出し、第２演算部２１によりＰＩＤ制御を行って、操作信号ＭＶを算出し、位相シフト制御部３ａに送る。

位相シフト制御部３ａが操作信号ＭＶを受信すると、図１に示すように、高周波電流制御部３は、ゲートドライバー３ｂを介して高周波電流発生器５に制御信号を送る。高周波電流発生器５は、制御信号に基づいて交流電流を制御してコイル１０に通電する。

以上のように、予熱での温度・電力のカスケード制御を行うが、予熱運転は、流体を流さないで行うため、温度検出器１３の検出温度ＰＶは、低いままである。従って、予熱での温度・電力のカスケード制御を継続すると、図５に示すように、発熱体９の温度がどんどん上昇し、従来のように、出力電流Iaが急増するため、高周波電流発生器５が暴走する。そこで、本発明では、暴走しないように、電力制御ループ２ｂの単独制御を行う。

次に、単独制御について説明する。スイッチ切替部７は、電流検出部６からの検出電流ＰＶ２を受取ると、検出電流ＰＶ２と、予め設定されている基準電流Ibとを比較し、（検出電流ＰＶ２）≧（基準電流Ib）か否かを判定する（Ｓ４）。（検出電流ＰＶ２）≧（基準電流Id）である場合（Ｓ４、ＹＥＳ）、図４に示すように、スイッチ切替部７は、スイッチＳＷ１・ＳＷ２をＯＦＦ状態にし、電力制御ループ２ｂの単独制御に切り替える（Ｓ５）。

電力制御ループ２ｂの単独制御に切り替えると、電力制御ループ２ｂは、単独制御を行う（Ｓ６）。具体的には、第２比較部２０により第３設定値ＦＳＰと検出電流ＰＶ２との電流偏差ＤＶ２を算出し、第２演算部２１によりその電流偏差ＤＶに基づいて、出力電流Icが所定の制限電流Ib（図５参照）を越えないような操作信号ＭＶを算出し、位相シフト制御部３ａに送信る（Ｓ６）。位相シフト制御部３ａが操作信号ＭＶを受取ると、図１に示すように、高周波電流制御部３は、ゲートドライバー３ｂを介して高周波電流発生器５に制御信号を送る。高周波電流発生器５は、制御信号に基づいて交流電流を制御してコイル１０に通電する。

これにより、図５に示すように、発熱体９の温度Ｔ9 が、磁気変態温度Ｔ0 を越えて上昇しても、コイル１０に通電される出力電流Icは、制限電流Ibを越えないように制限されるため、高周波電流発生器５の暴走を防止し、電力素子等の機器の破損を防止できる。

また、Ｓ６において、第３設定値ＦＳＰは、追従部１９により追従値ＣＴＶに変換されて第１演算部１８に追従される。このように、追従させることとしたのは、通常での温度・電力のカスケード制御に復帰した際に、第２設定値ＣＳＰが急変しないようにするためである。即ち、単独制御時において、オペレータは、手動で第３設定値ＦＳＰを調整変更するが、その設定値によっては、その後カスケード制御に復帰した際、発熱体９が磁気変態温度に至る程の電流を流す場合があり、従来のように、過度の電流が高周波電流発生器５に急激に流れないようにするためである。

一方、Ｓ４において、（検出電流ＰＶ２）＜（基準電流Id）である場合（Ｓ４、ＮＯ）、図２に示すように、スイッチＳＷ１・ＳＷ２はＯＮ状態に維持され、Ｓ７へ移行する。

検出温度ＰＶが予熱温度である第１設定値ＳＰを越える場合には（Ｓ６′、ＹＥＳ）、Ｓ３へ移行し、検出温度ＰＶが第１設定値ＳＰに近づくように予熱での温度・電力のカスケード制御を行い、予熱温度を最適温度に維持しておく。一方、温度検出器１３の検出温度ＰＶが第１設定値ＳＰに達し一定時間経過等により、オペレータが予熱運転完了と判断した場合には（Ｓ６′、ＮＯ，Ｓ７、ＹＥＳ）、予熱運転を終了して、図１に示すように、パイプ１２内に乱流流体１１を流す（Ｓ８）。流体１１が流れると、通常での温度・電力のカスケード制御を行う（Ｓ９）。

通常での温度・電力のカスケード制御では、図２に示すように、予熱での温度・電力のカスケード制御の場合と同様に、スイッチＳＷ１・ＳＷ２を共にＯＮ状態にして、センサレス高力率高周波インバータ５を制御する。

次に、通常運転時に、何らかの外乱により流体の流れが停止すると、（検出電流ＰＶ２）≧（基準電流Id）となり（Ｓ１０、ＹＥＳ）、電力制御ループ２ｂの単独制御に切替える（Ｓ５）。流体の流れの停止により予熱運転時のように、流体の熱効率が悪化するため、発熱体の温度が上昇している場合でも、温度検出器１３の検出温度が低いままになるためである。

外乱での電力制御ループ単独制御が行われると、Ｓ５からＳ６′の処理が繰り返される。そして、オペレータは、外乱による異常から復帰したと判断した場合には（Ｓ７、ＹＥＳ）、異常復帰運転を終了して、図１に示すように、再び乱流流体１１をパイプ１２内に流す（Ｓ８）。流体１１が流れると、再び、通常での温度・電力のカスケード制御が行われる（Ｓ９）。尚、Ｓ７において、予熱運転または、異常復帰が完了していない場合は（Ｓ７、ＮＯ）、単独制御中であれば（Ｓ７′、ＹＥＳ）、Ｓ６へ移行し、単独制御中でなければ（Ｓ７′、ＮＯ）、Ｓ３へ移行する。

また、Ｓ１０において、何らかの外乱がない場合には（Ｓ１０、ＮＯ）、オペレータは、運転を継続するか判断する（Ｓ１１）。運転を継続する場合には（Ｓ１１、ＹＥＳ）、Ｓ９からＳ１０の処理が繰り返される。一方、運転を停止する場合には（Ｓ１１、ＮＯ）、オペレータは、電磁誘導加熱装置１を停止させる（エンド）。

尚、流体として液体を用いる場合のゼロスターティング方法を説明したが、流体として気体を加熱する場合のゼロスターティングにも適用できる。例えば水素を加熱する場合、スタート時から水素を流すのではなく、不活性ガスの窒素を電磁誘導加熱装置を含む加熱系に充満させ、電磁誘導加熱装置の予熱後に水素を流して窒素を追い出すというゼロスターティングが行われる。したがって、予熱時に用いられる流体と、始動後の流体とは必ずしも一致させる必要がない。

また、流体として液体を用いる場合のゼロスターティングであっても、電磁誘導加熱装置を窒素や空気等でパージした状態で予熱してからゼロスターティングさせることができる。この場合も予熱時の流体とゼロスターティングで流す流体が一致しない。しかし予熱時に何らかの流体が充満され、予熱後にこの流体が押し出される点については共通している。

尚、本実施形態に係る電磁誘導加熱装置１の加熱体系は、図６に示すように、インバータ１６による非金属パイプ１２と導電性金属の発熱体９からなり、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことができるため、Ｌ１，Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変回路系とすることができる。そのため、共振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適設計回路が行える。

インバータ１６は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ２とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直列に接続したものを並列に接続してなっている。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はスイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に接続した回路で表され、ＳＩＴ（ＳｔａｔｉｃＩｎｄｕｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。

スイッチＳ１，Ｓ４が閉じると、ａ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ点に至る回路に電流が流れ、スイッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことになる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデューティサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッチＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜１８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力を０から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる最大出力まで連続的に変化させることができる。

尚、上記の電流検出部６は、インバータ１６のａ点からｂ点に至る回路の適所に設けられ、この回路に流れる電流を測定する測定部２２と、この測定部２２からの電流値を変換する整流器２３、バイパスコンデンサ２４、並列抵抗２５、直列抵抗２６を有し、これらによって電力制御ループ２ｂに入力可能な電圧に変換される。

つぎに、発熱体９の好ましい態様を図７により説明する。図７（ａ）は発熱体９の構造を示す上面図、図７（ｂ）は発熱体９の構造を示す斜視図である。発熱体９は、平板状の第１シート材９１と波形状の第２シート材９２を交互に積層し、側面の両端には第１シート材９１が位置するようにし、全体として円柱状に形成したものである。このような多層積層体にした規則充填材であると、始動時に静止流体と接する面積が大きく、静止流体に対する発熱体からの熱移動が短時間で行われる。そのため、上述したゼロスターティングに有効な発熱体９となる。なお、この発熱体９は流れる流体を均一に加熱することができる構造になっており、その構造を以下に説明する。

第２シート材９２の波の山（又は谷）９３は中心軸９４に対して角度αだけ傾くように配置され、第１シート材９１を挟んで隣り合う第２シート材９２の波の山（又は谷）９３が交差するように配置されている。そして、隣り合う第２シート材９２における波の山（又は谷）９３の交差点９５において、第１シート材９１と第２シート材９２はスポット溶接で溶着され、電気的に導通可能になっている。また、第２シート材９２の表面には、流体の乱流を生じさせるための孔９６が設けられている。この孔９６に代わるか又は加えて、第１シート材９１及び／又は第２シート材９２に梨地加工を施して表面をザラザラにすることも有効である。

要するに、発熱体９の中心軸９４を通る直径方向Ｄに対して、略平行に第１シート材９１と第２シート材９２が配置され、電気的には直径Ｄと略平行な方向（周辺部を横切る方向）に最も流れやすくなっている。すると、電磁誘導において現れる表皮効果（発熱体９の外周部分だけが加熱される状態）が出現せず、発熱体９の中央部も加熱される。このように発熱体９の中央部が加熱される形式の発熱体としては、シート材９１，９２の積層構造に限らず、小径管の多数を集合させて形成した発熱体であってもよい。この場合、小径管の各々の表面が加熱され、全体として略均一な加熱が可能な発熱体が得られる。

尚、コイル１０の短絡状態を防止する方法として、発熱体９の化学組成を変えて、その磁気変態温度Ｔ0 をより高温側にシフトさせることも考えられるが、発熱体９の化学組成を変えると、耐腐食性が悪くなるため、妥当な解決方法ではない。

本発明に係る電磁誘導加熱装置及びその温度制御装置のブロック図である。温度制御ループと電力制御ループを説明するブロック図である。電磁誘導加熱装置の温度制御を説明するフローチャートである。温度制御ループと電力制御ループを説明するブロック図である。コイルへの出力電流と発熱体の温度との関係を説明する図である。高周波電流発生器と電流検出部との機器構成図である。発熱体の構造図である。従来の電磁誘導加熱装置及びその温度制御装置のブロック図である。加熱時間と発熱体の温度及び検出温度との関係を説明する図である。従来の温度制御装置における出力電流と発熱体の温度との関係を説明する図である。

符号の説明

１電磁誘導流体加熱装置
２温度制御部
３高周波電流制御部
４交流電源
５高周波電流発生器
６電流検出部
７スイッチ切替部
８低温流体
９発熱体
１０コイル
１１乱流流体
１２パイプ
１３温度検出器
１７第１比較部
１８第１演算部
１９追従部
２０第２比較部
２１第２演算部

Claims

流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器を備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を起こす電磁誘導加熱装置に対して用いられる温度制御装置であって、前記発熱体により加熱される流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記発熱体への投入電力を調整して温度を制御する温度制御部と電流検出部が検出した検出電流と発熱体の素材で決まる基準電流に基づいて作動するスイッチ切替部を備え、前記温度制御部を温度制御ループと電力制御ループで構成してあり、
前記温度制御ループを、高温流体の設定温度である第１設定値と温度検出部の検出温度とに基づいて温度偏差を算出する第１比較部と、この温度偏差に基づいてPID制御を行う第1演算部と、この第1演算部を電力制御ループの第2設定値または電力制御ループの第3設定値が接続する温度制御ループの追従部のいずれかに出力させるよう切り換えるスイッチＳＷ２とを備えた構成にすると共に
前記電力制御ループを、電流検出部が検出した検出電流と温度制御ループの第１演算部に接続する前記第2設定値または温度制御ループの第１演算部に追従部を介して接続する前記第3設定値の何れかに基づいて電流偏差を算出する第2比較部と、この電流偏差に基づいてPID制御を行い高周波電流制御部への操作信号を発生する第2演算部と、前記第２比較部を前記第2設定値か第3設定値の何れかに接続するスイッチＳＷ１とを備えた構成とし、
前記スイッチ切替部を、電流検出部が検出した検出電流が発熱体の素材で決まる基準電流を超えないとき前記温度制御ループの前記第１演算部を電力制御ループの第２設定値に接続するように前記スイッチＳＷ２を作動させると同時に電力制御ループの第２比較部を前記第２設定値に接続するよう前記スイッチＳＷ１を作動させ、電流検出部が検出した検出電流が発熱体の素材で決まる基準電流以上になったとき前記温度制御ループの前記第１演算部を追従部に接続するように前記スイッチＳＷ２を作動させると同時に電力制御フープの第２比較部を前記第３設定値に接続するよう前記スイッチＳＷ１を作動させる構成したことを特徴とする電磁誘導加熱装置の温度制御装置。