JP5053332B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置に関し、さらに詳細には、それぞれのインバータ回路と当該それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットを複数備え、それら複数のユニットのそれぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置して構成された誘導加熱装置に関する。

従来より、それぞれのインバータ回路と当該それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットを複数備え、それら複数のユニットのそれぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置して構成された誘導加熱装置が知られている。

こうした誘導加熱装置において、接近して配置された複数の加熱コイルに対してそれぞれのインバータ回路とそれらに接続されるそれぞれの共振回路によって同時に高周波電力を印加した場合には、各加熱コイル間における相互干渉による相互誘導作用の影響で、各加熱コイルに所望の高周波電力を適正に供給することができないという問題点があった。

このため、上記した構成の誘導加熱装置においては、接近して配置された加熱コイル間における相互干渉を防止するために、各インバータ回路を同一の周波数のスイッチング周波数で駆動することが行われている。

具体的には、直列共振型においては、上記した誘導加熱装置を構成する複数のユニットのなかで、マスターとなるユニット（マスター機）を最初から特定しておき、予め当該マスター機となるユニットについては、スレーブ機のユニットよりも共振点（共振周波数）を高く設定することにより、インダクタンス性（Ｌ性）を維持するように共振コンデンサを設定している。

しかしながら、上記した回路構成を採用する場合には、下記の（１）〜（３）に示すデメリットがあることが指摘されていた。

即ち、
（１）マスター機となるユニットの共振コンデンサ容量のみを減少させ、共振周波数を 高くするため、マスター機の共振コンデンサとスレーブ機の共振コンデンサを同 一の構成とするができないので、誘導加熱装置に用いる全てのユニットを共通化 することができない、
（２）それぞれのユニットに接続される負荷（加熱コイルとワーク）の不規則な負荷変 動により、マスター機の共振周波数よりスレーブ動作するスレーブ機の共振周波 数の方が高くなり、キャパシタンス性（Ｃ性）駆動となる恐れがあり、スレーブ 機のインバータ回路のトランジスタ損失が増大し、場合によってはトランジスタ 破壊につながる可能性がある、
（３）安全を考慮して、スレーブ機となる共振回路よりマスター機となる共振回路の共 振点をずらしすぎると、スレーブ機の出力のバラツキの要因となる、
というデメリットがあった。

なお、本願出願人の調査によれば、本発明に類似した発明として特許文献１として提示する特開２００９−３２４９８号公報に開示された発明を発見した。

しかしながら、特開２００９−３２４９８号公報に記載された発明は、誘導加熱装置において単一の高周波電源に複数の加熱コイルを接続するものであるのに対し、後述するように、本発明は、誘導加熱装置において複数のインバータ回路にそれぞれ加熱コイルを接続することにより複数の加熱コイルを設けるようにしたものである点において、両者は技術的特徴が異なる。

また、特開２００９−３２４９８号公報に記載された発明は、誘導加熱装置において加熱コイルに直列接続したサイリスタを制御するものであるのに対し、後述するように、本発明は、誘導加熱装置においてインバータ回路を駆動する駆動信号を直接制御するようにしたものである点において、両者は技術的特徴が異なる。

特開２００９−３２４９８号公報

図１は、本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の回路ブロック構成説明図である。 図２は、本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の動作を説明するために用いた共振特性を示すグラフである。 図３は、本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の動作を説明するために用いた共振特性を示すグラフである。 図４は、本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の動作を説明するために用いた共振特性を示すグラフである。 図５は、本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の動作を説明するために用いた共振特性を示すグラフである。

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記したような従来の技術の有する（１）乃至（３）の問題点を解決して、
（１）誘導加熱装置に用いる全てのインバータ回路と共振コンデンサとよりなるユニッ トを共通化することを可能にする、
（２）スレーブ動作するインバータ回路において、トランジスタ損失を増大させること なく、トランジスタ破壊につながる可能性を排除する、
（３）スレーブ動作するインバータ回路の出力のバラツキを抑止する、
ことができるようにした誘導加熱装置を提供しようとするものである。

特に、本発明は、それぞれのインバータ回路とそれぞれの共振コンデンサに接続された加熱コイルを複数接近して誘導加熱する場合、インバータ回路への負荷変動の影響を受けにくい誘導加熱装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、それぞれのインバータ回路と当該それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットを複数備え、これら複数のユニットのそれぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置して構成された誘導加熱装置において、単一周波数のスイッチング周波数で駆動するようにマスター／スレーブにより各インバータ回路を制御する際のマスター機となるユニットを、自動追尾して自動的に選択して設定することができるようにした手法を提案するものである。

即ち、上記において説明したように、それぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置した誘導加熱装置においては、接近して配置された複数の加熱コイルに同時に高周波電力を印加した場合には、各加熱コイル間で相互干渉の影響を受けやすい。

これに対し、マスター／スレーブにより各インバータ回路を同一周波数のスイッチング周波数で同期して駆動することにより、上記した相互干渉の影響を排除することができる。

この際に、周波数を決定するマスター機となるユニットのインバータ回路の出力条件は、例えば、直列共振型のインバータ回路を用いた誘導加熱装置においては、全てのインバータ回路の出力電流がＬ性位相で発振することが望ましいものである。

換言すれば、複数のユニットのなかで、一番高い共振周波数をもつインバータ回路のユニットをマスター機とする必要がある。

本発明は、複数のユニットのなかからマスター機を選定する手法について提案するものである。

なお、直列共振型のインバータ回路でＣ性位相となると、インバータ損失の増大やインバータ回路内でノイズ発生が増大することが知られている。

また、本発明は、直列共振型のインバータ回路を用いた誘導加熱装置にのみ適用されるものではなく、並列共振型のインバータ回路を用いた誘導加熱装置にも適用することができるのは勿論である。

即ち、本発明の理解を容易にするために、以下に説明する「発明を実施するための形態」の項においては、直列共振型のインバータ回路を用いた誘導加熱装置について主に説明しているが、並列共振型のインバータ回路を用いた誘導加熱装置についても本発明を適用することができる。

なお、直列共振型のインバータ回路と並列共振型のインバータ回路との共振特性については、直列共振型のインバータ回路と並列共振型のインバータ回路とで共振点に対しＬ性とＣ性とが入れ替わるため、直列共振型のインバータ回路は常時Ｌ性駆動であるが、並列共振型のインバータ回路は常時Ｃ性駆動となる。

上記したような本発明は、それぞれのインバータ回路と上記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットを複数備え、上記複数のユニットのそれぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置して構成された誘導加熱装置において、それぞれのインバータ回路からそれぞれ出力される高周波交流電流の位相を検出し、上記それぞれのインバータ回路の共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを開始し、上記それぞれのインバータ回路と上記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットのなかで最初に共振点または共振点近傍に到達するユニットを選択し、上記選択したユニットの共振周波数と同一のスイッチング周波数で上記選択したユニットを除くユニットのインバータ回路を駆動するようにしたものである。

また、本発明は、上記した発明において、所定の時間間隔毎に上記周波数スイープを行い、上記周波数スイープ毎に、上記それぞれのインバータ回路と上記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットのなかで最初に共振点または共振点近傍に到達するユニットを選択し、上記選択したユニットの共振周波数と同一のスイッチング周波数で上記選択したユニットを除くユニットのインバータ回路を駆動するようにしたものである。

また、本発明は、上記した各発明において、上記選択したユニットを表示する表示手段を有するようにしたものである。

また、本発明は、上記した各発明において、上記選択したユニットの共振周波数の上限と下限とを検出し、上記検出した上限と下限との少なくともいずれか一方が規定の範囲外となったときに動作停止するようにしたものである。

また、本発明は、上記した各発明において、上記ユニットを上記ユニットの電流使用許容量または電圧使用許容量に対して９０％以下で使用するようにしたものである。

また、本発明は、上記した各発明において、上記それぞれのインバータ回路は、直列共振型のインバータ回路または並列共振型のインバータ回路のいずれか一方であるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、
（１）誘導加熱装置に用いる全てのインバータ回路と共振コンデンサとよりなるユニッ トを共通化することが可能になる、
（２）スレーブ動作するインバータ回路において、トランジスタ損失を増大させること なく、トランジスタ破壊につながる可能性を排除することが可能になる、
（３）スレーブ動作するインバータ回路の出力のバラツキを抑止することが可能になる
、
という優れた効果を奏する。

特に、本発明は、それぞれのインバータ回路とそれぞれの共振コンデンサに接続された加熱コイルを複数接近して誘導加熱する場合、インバータ回路への負荷変動の影響を受けにくい誘導加熱装置を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による誘導加熱装置の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。

ここで、図１には本発明の実施の形態の一例による誘導加熱装置の回路ブロック構成説明図が示されている。

この誘導加熱装置１０は、後述するインバータ回路として３個の直列共振型のインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを備え、これら直列共振型のインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃにそれぞれ加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃが接続されている。

そして、３個の加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、互いに近接して配置されているものとする。

即ち、誘導加熱装置１０は、交流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃからそれぞれ供給される交流電力を所望の電圧の高周波交流電力に変換して、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃへそれぞれ供給するものである。

なお、交流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃとしては、例えば、商用交流電源を用いることができ、その場合には、誘導加熱装置１０は、商用交流電力を高周波交流電力に変換して加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃへ供給する。

より詳細には、誘導加熱装置１０は、交流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃからそれぞれ供給された交流電力を直流電力に変換して出力する整流器１８ａ、１８ｂ、１８ｃと、整流器１８ａ、１８ｂ、１８ｃからそれぞれ出力される直流電力をそれぞれ入力して高周波交流電力に逆変換して出力する直列共振型のインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃからそれぞれ出力される高周波交流電力をそれぞれ印加される加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃと加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃとにそれぞれ接続された共振コンデンサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃからそれぞれ出力される高周波交流電流の位相を示す位相信号を検出して比較する位相比較回路２２と、位相比較回路２２の比較結果に基づいてインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを駆動するスイッチング周波数を制御する駆動信号を出力する駆動回路２４と、位相比較回路２２の比較結果を表示する表示手段としての表示回路２６とを有して構成されている。

なお、誘導加熱装置１０においては、インバータ回路１２ａと共振コンデンサ２０ａとによりユニット１が構成され、また、インバータ回路１２ｂと共振コンデンサ２０ｂとによりユニット２が構成され、また、インバータ回路１２ｃと共振コンデンサ２０ｃとによりユニット３が構成されている。

さらに、誘導加熱装置１０においては、位相検出比較回路２２と駆動回路２４とにより自動追尾選択回路が構成されている。

ここで、自動追尾選択回路を構成する位相検出比較回路２２は、インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃからそれぞれ出力される高周波交流電流の位相を検出し、ユニット１、２、３の共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを開始し、ユニット１、２、３のなかで最初に共振点（共振周波数）または共振点近傍に到達するユニットをマスター機として選択する。

ここで、上記した共振点近傍とは、共振点から少しずれた周波数を意味するものであり、例えば、共振周波数よりその３％だけ高い周波数から、共振周波数よりその３％だけ低い周波数の範囲を意味するものとする。

なお、ユニット１、２、３のなかで最初に共振点近傍に到達するユニットをマスター機として選択してもよいのは、当該ユニットが最初に共振点に到達するものと見なしても実質的に問題がないからである。

また、全ユニットの共振周波数より高い周波数からのスイープは、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに高周波交流電力をそれぞれ印加開始する際の加熱オンの最初のみであり、その後は位相検出比較回路２２により自動追尾自動選択される。

なお、上記した位相検出比較回路２２によるマスター機の選択処理は、所定の時間間隔（例えば、０．０１秒毎である。）で実行される。

そして、自動追尾選択回路を構成する駆動回路２４は、位相検出比較回路２２から出力されたマスター機を示す情報であるマスター機信号に基づいて、当該マスター機のインバータ回路の共振周波数と同一のスイッチング周波数でインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを駆動する駆動信号を出力する。

これにより、ユニット１、２、３のなかでマスター機として選択されたユニットを除くユニットのインバータ回路が、スレーブ動作することになる。

また、表示回路２６は、例えば、ユニット１、２、３とそれぞれ対応して設けられたＬＥＤ表示灯などを備えており、位相検出比較回路２２から出力されたマスター機を示す情報であるマスター機信号に基づいて、位相検出比較回路２２によりマスター機として選択されたユニットがユニット１、２、３のいずれであるかを、当該ＬＥＤ表示灯を点灯するなどして表示する。

以上の構成において、誘導加熱装置１０は、交流電源１６ａ、１６ｂ、１６ｃから供給された交流電力を整流器１８ａ、１８ｂ、１８ｃで直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃで高周波交流電力に逆変換し、高周波交流電力を加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに供給するようになされている。

ここで、誘導加熱装置１０においては、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに高周波交流電力をそれぞれ印加開始する際の加熱オンの最初に、位相検出比較回路２２がインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃからそれぞれ出力される高周波交流電流の位相を検出し、図２に示すように、位相検出比較回路２２はユニット１、２、３の共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを開始し、ユニット１、２、３のなかで最初に共振点（共振周波数）または共振点近傍に到達するユニットをマスター機として自動選択する。

上記のようにして、位相検出比較回路２２がマスター機を自動選択すると、位相検出比較回路２２は駆動回路２４に対してマスター機を示す情報であるマスター機信号を出力する。

そして、マスター機信号を入力した駆動回路２４は、マスター機信号に基づいて、当該マスター機のインバータ回路の共振周波数と同一のスイッチング周波数でインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを駆動する駆動信号を出力する。

こうして、インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃのなかでマスター機として選択されたユニットのインバータ回路を除くユニットのインバータ回路がスレーブ動作することになり、マスター機の共振周波数である単一周波数のスイッチング周波数で駆動するように、マスター／スレーブにより各インバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを制御することができる。

また、位相検出比較回路２２がマスター機を自動選択すると、位相検出比較回路２２は表示回路２６に対してもマスター機を示す情報であるマスター機信号を出力する。

マスター機信号を入力した表示回路２６は、マスター機信号に基づいて、位相検出比較回路２２によりマスター機として選択されたユニットがユニット１、２、３のいずれであるかを、ＬＥＤ表示灯を点灯するなどして表示する。

そして、上記のようにして、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃに高周波交流電力をそれぞれ印加開始する際の加熱オンの最初にマスター機を選択した後は、所定の時間間隔で位相検出比較回路２２がマスター機を自動追尾自動選択する。

ところで、上記において説明した誘導加熱装置１０において、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃによる加熱中の負荷変動により回路条件が変化した場合には、例えば、マスター機として選択していたユニットの共振周波数が、負荷変動によりスレーブ機の共振周波数より低下する場合がある。

この場合には、位相検出比較回路２２によるマスター機の選択処理により、スレーブ機のなかで最初に共振点（共振周波数）または共振点近傍に到達するユニットを新たなマスター機として選択して（図３を参照する。）、上記において説明したと同様な処理を行うことになる。

上記処理により新たなマスター機が選択される前のマスター機、即ち、旧マスター機は、スレーブ機となる。

こうした処理により、加熱コイル１４ａ、１４ｂ、１４ｃによる加熱中の負荷変動により回路条件が変化しても、常に最も共振周波数が高いユニットのインバータ回路の共振周波数と同一のスイッチング周波数でインバータ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃを駆動する駆動信号を出力することができ、全てのインバータ回路がＬ性駆動する状態を維持することができるようになる。

なお、上記した例においては、マスター機として選択していたユニットの共振周波数が、負荷変動によりスレーブ機の共振周波数より低下した場合を示したが、いずれかのスレーブ機のユニットの共振周波数が、負荷変動によりマスター機の共振周波数より上昇した場合も、上記と同様に当該共振周波数が上昇したスレーブ機が新たなマスター機となり、新たなマスター機が選択される前のマスター機、即ち、旧マスター機は、スレーブ機となる。

なお、上記において説明した誘導加熱装置１０においては、加熱オンの最初、即ち、加熱の初回のみ共振周波数より高い周波数からスイープを開始したが、所定の時間間隔毎にスイープを行い、スイープ毎にマスター機を選択するようにしてもよい。

この所定の時間間隔毎のスイープは、例えば、６０秒毎に繰り返し実行されるようにすればよい。

また、上記したスイープに伴うマスター機の選択動作は、何らかの異常で誘導加熱装置１０がアラーム停止（装置保護のための自動的な動作停止）したときに、実施するようにしてもよい。

また、上記において説明した誘導加熱装置１０においては、複数のスレーブ機とマスター機とは同一共振回路ではないため、周波数は同じでも必ずしも同一の出力とはならない（図４を参照する。）。

従って、両者の間で少なからず出力バラツキを生じる可能性があるが、これを補う手法としては、それぞれのユニットを構成する部品の最大値からも決められるユニットの電流使用許容量または電圧使用許容量に対して９０％以下で使用することなどの手法が挙げられる。

これにより、それぞれの負荷インダクタンスの変動に起因した共振周波数の変動による出力バラツキを無くすことができる。

図５には、上記した補正の具体例として、マスター機をスレーブ機と同じレベルまで出力ダウンした補正について示している。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、インバータ回路と加熱コイルとにより構成されるユニットを３個設けた場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、インバータ回路と加熱コイルとにより構成されるユニットは２個でもよいし、あるいは、インバータ回路と加熱コイルとにより構成されるユニットは４個以上でもよい。

（２）上記した実施の形態において、選択したマスター機の周波数の上限と下限とを検出する検出手段を設けるとともに、当該検出手段により検出された上限と下限との少なくともいずれか一方が規定の範囲外となったときにアラーム停止（装置保護のための自動的な動作停止）を行う保護手段を設けるようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、インバータ回路として直列共振型のインバータ回路を用いた場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、インバータ回路として並列共振型のインバータ回路を用いてもよい。

なお、並列共振型のインバータ回路は、図２乃至図４に示す共振特性について、共振点に対しＬ性とＣ性とが入れ替わるため、常時Ｃ性駆動となる。

並列共振型のインバータ回路を用いた場合でも、上記した実施の形態と同様に、共振周波数の高い方から周波数スイープを開始し、最も高い共振周波数のインバータ回路をマスター機として選択すればよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、各種形状の物体を加熱する際に用いてことができる。

１０ 誘導加熱装置
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ インバータ回路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 加熱コイル
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 交流電源
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 整流器
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 共振コンデンサ
２２ 位相比較回路
２４ 駆動回路
２６ 表示回路

Claims (6)

1. それぞれのインバータ回路と前記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットを複数備え、前記複数のユニットのそれぞれのインバータ回路によって高周波電力をそれぞれ印加される加熱コイルを複数近接して配置して構成された誘導加熱装置において、
   それぞれのインバータ回路からそれぞれ出力される高周波交流電流の位相を検出し、
   前記それぞれのインバータ回路の共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを開始し、
   前記それぞれのインバータ回路と前記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットのなかで最初に共振点または共振点近傍に到達するユニットを選択し、
   前記選択したユニットの共振周波数と同一のスイッチング周波数で前記選択したユニットを除くユニットのインバータ回路を駆動する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
   所定の時間間隔毎に前記周波数スイープを行い、
   前記周波数スイープ毎に、前記それぞれのインバータ回路と前記それぞれのインバータ回路にそれぞれ接続された共振コンデンサとよりなるユニットのなかで最初に共振点または共振点近傍に到達するユニットを選択し、
   前記選択したユニットの共振周波数と同一のスイッチング周波数で前記選択したユニットを除くユニットのインバータ回路を駆動する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の誘導加熱装置において、
   前記選択したユニットを表示する表示手段を有する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置において、
   前記選択したユニットの共振周波数の上限と下限とを検出し、
   前記検出した上限と下限との少なくともいずれか一方が規定の範囲外となったときに動作停止する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
5. 請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置において、
   前記ユニットを前記ユニットの電流使用許容量または電圧使用許容量に対して９０％以下で使用する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
6. 請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置において、
   前記それぞれのインバータ回路は、直列共振型のインバータ回路または並列共振型のインバータ回路のいずれか一方である
   ことを特徴とする誘導加熱装置。

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