JP4886557B2 - 熱処理炉のヒータの異常予測装置 - Google Patents

Description

本発明は熱処理炉のヒータの異常を予測する装置に関する。

この種の熱処理炉の加熱用ヒータの断線を検知する装置として、ヒータに供給される電流、電圧、電力の少なくとも１つに基づいて、ヒータの断線を検知する装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
例えば、電流測定器に流れる電流を測定し、その測定された電流値と、予め設定されたヒータ断線検知用の閾値とを比較し、測定された電流値が閾値よりも小さいときに、断線を検知するようにしている。
特開平１１−５４２４４号公報

加熱炉内においては、種々の条件が刻々と変化しているため、上記の測定される電流値も安定しない状況にある。
上記公報の方法では、電流値の測定タイミングについて、何ら考慮されていない。しかしながら、電流値の測定のタイミング次第で、電流値が大きく異なる。したがって、精度良く異常検出を行うためには、あらゆる測定タイミングに適合するように閾値を設定しておくことが必要となるが、実際上、非常に困難である。

また、上記公報の方法では、ヒータの断線を事後に検出することは可能であるが、ヒータの断線を事前に予測することは不可能である。したがって、例えば、異常発生の確認の時点で製造過程にある中間製造体は、不良品として廃棄処分せざるを得ない。このため、それ迄の製造工程が全く無駄なものとなってしまう。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ヒータの異常の発生を事前に予測することができる、熱処理炉のヒータの異常予測装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、鋭意研究の結果、ヒータに関連する状態量（ヒータの抵抗値、電流値、または電圧値）を適切な測定タイミングで測定することにより、ヒータの抵抗値等を精度良く測定することができ、ひいては、ヒータの異常を確実に予測することができるという知見を得た。
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、熱処理炉(1) を加熱するヒータ(2) と、制御信号に応じてヒータを通電制御する通電制御部(6) と、熱処理炉の扉(3) の開閉を検知する開閉検知手段(13)と、ヒータの温度を検出する温度検出手段(11)と、ヒータの抵抗値またはヒータの抵抗値と相関のある状態量を検出する状態量検出手段(14)と、ヒータの異常発生の前兆を検出する異常予測手段(10)とを備え、この異常予測手段は、開閉検出手段によって熱処理炉の扉の閉鎖が検出されたときに、通電制御部が最大出力であること、および温度検出手段により検出されたヒータの温度が所定値であることを条件として、状態量検出手段によって検出された状態量が異常発生の前兆に相当する異常前兆範囲内にある場合に、ヒータの異常を予測することを特徴とするものである。

本発明によれば、熱処理炉が密閉されていること、通電制御部が最大出力になっていること、およびヒータの温度が所定値になっている、という３つの条件が満たされるタイミングで、ヒータの抵抗値等を検出することにより、正確で且つ安定した測定値を得ることができる。どのような状況であっても、その測定値と予め定められる異常前兆範囲との比較に基づいて、異常の前兆を確実に予測することができる。

また、上記異常予測手段によって異常が予測されたときに、その異常の予測を報知するための報知手段(17)を備える場合がある（請求項２）。この場合、報知音等に応じて、ヒータの取り替え等のメンテナンスを迅速に行うことができる。また、熱処理炉内で処理中の被処理部品が不良品になってしまうことを防止することができる。
また、上記異常予測手段は、開閉検出手段によって熱処理炉の扉の閉鎖が検出されたときに、通電制御部が最大出力であること、および温度検出手段により検出されたヒータの温度が所定値であることを条件として、状態量検出手段によって検出された状態量に基づいてヒータの異常を検出する機能を有する場合がある（請求項３）。異常の前兆を予測したにもかかわらず、万一、ヒータの異常発生に至った場合にも、これを検出することで、ヒータ交換等のメンテナンスを迅速に実施することが可能である。

また、上記通電制御部はサイリスタ(5) を有する電力制御回路を含む場合がある（請求項４）。この場合、タップ切替方式とは異なり接点がないため、メンテナンスが容易であり、また、電圧を直接制御できるため効率的である。
なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態の添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の熱処理炉のヒータの異常予測装置としての異常予測部を内蔵する熱処理炉用電源装置Ａの概略構成図である。図１を参照して、熱処理炉１は、炉内を加熱するための複数のヒータ２を有している。また、熱処理炉１には、熱処理炉１内に被処理対象を出入りさせるための扉３が設けられている。

商用（三相）の交流電源４からの供給電力が、双方向接続された２個のサイリスタ５からなる通電制御部としてのサイリスタ回路６によって制御され、三相トランス等の変圧器７を介して、制御電力として、ヒータ２に供給され、これにより、ヒータ２が加熱されるようになっている。図１では、１つのサイリスタ回路のみを示し、他のサイリスタ回路は省略してある。

熱処理用電源装置Ａの制御部８は、サイリスタ回路６に制御信号を出力する温度制御部９と、ヒータ２の異常の前兆を検出（異常を予測）し、また、ヒータ２の異常を検出する異常予測・異常検出部１０とを備えている。
温度制御部９には、ヒータ２の温度を検出するヒータ温度検出手段としてのヒータ温度検出器１１と、熱処理炉１内の温度を検出する炉内温度検出手段としての炉内温度検出器１２と、扉３の開閉を検出する扉開閉検出手段としての扉開閉検出器１３と、ヒータ２の抵抗値を検出する状態量検出手段としてのヒータ抵抗検出器１４とが接続されており、これらヒータ温度検出器１１、炉内温度検出器１２、扉開閉検出器１３およびヒータ抵抗検出器１４からの信号が制御部８に入力されるようになっている。

温度制御部９は、ヒータ温度検出器１１により検出されたヒータ検出温度と炉内温度検出器１２により検出された炉内検出温度とに基づいて、ヒータ２に供給すべき電力を設定する電力設定部１５と、電力設定部１５により設定された電力に応じて、サイリスタ回路６のサイリスタ５をオンするときの交流電力の位相角を制御して、サイリスタ５へのゲート信号を生成する位相制御部１６とを備えている。位相制御部１６では、交流電源４に同期する同期信号を取り込み、この同期信号に同期させて、上記のゲート信号を生成するようになっている。

また、異常予測・異常検出部１０には、ヒータ２の異常予測がなされたときや、ヒータ２の断線等の異常が検出されたときに、それらを報知する報知装置１７が接続されている。報知装置１７としては、信号音を発したり、信号ランプを点滅、点灯させたり、異常メールを発報する報知装置を例示することができる。例えば、異常予測（異常前兆の検出）に応じて、警告灯を点滅し、異常検出に応じて、警報音を発する装置を用いる場合がある。

また、制御部８には、ヒータ２の異常が検出されたときに、上記の報知の他に、熱処理炉１の運転停止等の異常処理を行う異常処理部１８が備えられている。
次いで、図２を参照して、異常予測・異常検出の処理の流れについて説明する。
まず、ステップＳ１において、扉開閉検出器１３の出力信号が読み込まれ、ステップＳ２において、扉３が閉鎖されているか否かが判定される（ステップＳ２）。扉３が開放されている（ステップＳ２の判定がＮＯである）場合には、ステップＳ１に戻り、扉３が閉鎖されている（ステップＳ２の判定がＹＥＳである）場合には、ステップＳ３において、電力設定部１５による電力の設定値が読み込まれる。次いで、ステップＳ４において、読み込まれた設定値が最大値（１００％：最大出力に相当）であるか否かが判定される。

読み込まれた設定値が最大値でない（ステップＳ４の判定がＮＯである）場合には、ステップＳ１に戻り、電力の設定値が最大値（１００％）である（ステップＳ４の判定がＹＥＳである）場合には、ヒータ温度検出器１１により検出されたヒータ検出温度ｔが読み込まれる（ステップＳ５）。
次いで、ステップＳ６において、読み込まれたヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１（例えば８００°Ｃ）であるか否かが判定される。

読み込まれたヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１でない（ステップＳ６の判定がＮＯである）場合には、ステップＳ１に戻り。読み込まれたヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１である（ステップＳ６の判定がＹＥＳである）場合には、ステップＳ７に進む。すなわち、ステップＳ１〜Ｓ６において、熱処理炉１が閉鎖されていること、電力設定部１５による電力の設定値が最大値（１００％）になっていること、およびヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１になっていることの３つの条件が監視されていることになる。

具体的には、温度変化および電力設定値の経時変化を示す図３を参照して、タイミングｅで扉が開放されると、炉内温度が次第に低下し、電力設定値は次第に増加する。扉が開放されたタイミングｅから所定時間経過後のタイミングｆで、電力設定値が１００％に達するが、炉内温度は低下を続ける。
扉が閉鎖されると、そのタイミングｇから所定時間経過したタイミングで炉内温度が上昇に転じ、タイミングｈでヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１に達する。これにより、扉が閉鎖されていること、電力設定値が１００％であること、およびヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１であることの３つの条件が満足されるので、このタイミングｈで、状態量として、ヒータ２の抵抗値がヒータ抵抗検出器１４により検出されることになる。

再び、図２のフローチャートを参照して、上記のように３つの条件が満足された場合には、ヒータ抵抗検出器１４により検出された検出抵抗Ｒが読み込まれ（ステップＳ７）、読み込んだ検出抵抗Ｒに基づいて、異常予測、異常検出が実施される（ステップＳ８〜Ｓ１２）。
具体的には、ステップＳ８において、読み込まれた検出抵抗Ｒが図４に示すように非異常範囲（Ｒ１−ｂからＲ１＋ｂまでの間）にあるか否かが判定される。すなわち、Ｒ１−ｂ≦Ｒ≦Ｒ１＋ｂが成立するか否かが判定される。

検出抵抗Ｒが上記非異常範囲を逸脱する（ステップＳ８の判定がＮＯである）場合には、報知装置１７に対して、異常を報知（例えば信号灯を点滅）させるための異常報知指令信号を出力する（ステップＳ９）。また、異常処理部１８に対して熱処理炉１の運転停止等の異常処理を行わせるための信号を出力する。
また、検出抵抗Ｒが上記非異常範囲内にある（ステップＳ８の判定がＹＥＳである）場合には、検出抵抗Ｒが図４に示す正常範囲（Ｒ１−ｃからＲ１＋ｃまでの間：ただしｃ＜ｂである）にあるか否かが判定される。すなわち、Ｒ１−ｃ≦Ｒ≦Ｒ１＋ｃが成立するか否かが判定される。

検出抵抗Ｒが上記正常範囲内にある（ステップＳ１１の判定がＹＥＳである）場合には、ヒータ２が正常であるので、ステップＳ１に戻る。検出抵抗Ｒが上記正常範囲を逸脱する（ステップＳ１１の判定がＮＯである）場合には、すなわち、図４を参照して、Ｒ１−ｂ＜Ｒ＜Ｒ１−ｃまたはＲ１＋ｃ＜Ｒ＜Ｒ１＋ｂの何れか一方が成立する場合には、ヒータ２の異常の前兆であるので、報知装置１７に対して、ヒータ２の異常予測を報知（例えば信号灯を点滅）させるための異常予測報知指令信号を出力した（ステップＳ１２）後、ステップＳ１に戻る。

本実施の形態によれば、熱処理炉１が閉鎖されていること、電力設定部１５により設定された電力が最大値（１００％）になっていること（通電制御部としてのサイリスタ回路６が最大出力になっていることに相当）、およびヒータ検出温度ｔが所定値ｔ１になっている、という３つの条件が満たされるタイミングで、ヒータ２の検出抵抗Ｒを測定する。測定に最も適したタイミングで測定することにより、正確で且つ安定した検出抵抗Ｒ（測定値）を得ることができる。したがって、どのような状況であっても、上記の検出抵抗Ｒ（測定値）と予め定められた異常前兆範囲との比較に基づいて、ヒータ２の異常の前兆を確実に予測することができる。また、ヒータ２の異常を確実に検出することができる。

また、ヒータ２の異常が予測されたときに、報知装置１７による報知音等に応じて、ヒータの取り替え等のメンテナンスを迅速に行うことができる。また、熱処理炉１内で処理中の被処理部品が不良品になってしまうことを防止することができる。
また、ヒータ２の異常の前兆を予測したにもかかわらず、万一、ヒータ２の異常発生に至った場合にも、これを検出することで、ヒータ２交換等のメンテナンスを迅速に実施することが可能である。

また、ヒータ２の通電制御部として、サイリスタ５を有するサイリスタ回路６（電力制御回路）を用いるので、タップ切替方式とは異なり接点がないため、メンテナンスが容易である。また、電圧を直接制御できるため効率的である。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、状態量検出手段として、各ヒータ２の流れる電流を検出する電流検出器や、各ヒータ２に負荷される電圧を検出する電圧検出器を用いるようにしてもよい。その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施の形態の熱処理炉のヒータの異常予測・異常検出部を内蔵する、熱処理炉用の電源装置の模式図である。 異常予測、異常検出にす関する処理の流れを示すフローチャートである。 炉内検出温度および電力の制御量の変化を示すグラフ図である。 ヒータの検出抵抗の変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１…熱処理炉、２…ヒータ、３…扉、４…交流電源、５サイリスタ、６…サイリスタ回路（通電制御部。電力制御部）、８…制御部、９…温度制御部、１０…異常予測・異常検出部（異常予測手段）、１１…ヒータ温度検出器（温度検出手段）、１２…炉内温度検出器、１３…扉開閉検出器（扉開閉検出手段）、１４…ヒータ抵抗検出器（状態量検出手段）、１５…電力設定部、１６…位相制御部、１７…報知装置

Claims (4)

1. 熱処理炉を加熱するヒータと、
   制御信号に応じてヒータを通電制御する通電制御部と、
   熱処理炉の扉の開閉を検知する開閉検知手段と、
   ヒータの温度を検出する温度検出手段と、
   ヒータの抵抗値またはヒータの抵抗値と相関のある状態量を検出する状態量検出手段と、
   ヒータの異常発生の前兆を検出する異常予測手段とを備え、
   この異常予測手段は、開閉検出手段によって熱処理炉の扉の閉鎖が検出されたときに、通電制御部が最大出力であること、および温度検出手段により検出されたヒータの温度が所定値であることを条件として、状態量検出手段によって検出された状態量が異常発生の前兆に相当する異常前兆範囲内にある場合に、ヒータの異常を予測することを特徴とする、熱処理炉のヒータの異常予測装置。
2. 請求項１において、上記異常予測手段によって異常が予測されたときに、その異常の予測を報知するための報知手段を備えることを特徴とする、熱処理炉のヒータの異常予測装置。
3. 請求項１または２において、上記異常予測手段は、開閉検出手段によって熱処理炉の扉の閉鎖が検出されたときに、通電制御部が最大出力であること、および温度検出手段により検出されたヒータの温度が所定値であることを条件として、状態量検出手段によって検出された状態量に基づいてヒータの異常を検出する機能を有することを特徴とする、熱処理炉のヒータの異常予測装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１項において、上記通電制御部はサイリスタを有する電力制御回路を含むことを特徴とする熱処理炉のヒータの異常予測装置。

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