JP5068695B2 - 誘導加熱方法及び誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材などの被加熱材を電磁誘導により加熱する誘導加熱方法及び誘導加熱装置に関する。

例えば鋼材などの被加熱材を加熱する方法として、誘導加熱方法が用いられる。誘導加熱方法では、加熱コイル（加熱用電磁コイル）に交流電流（交番電流）を通電し、その加熱コイルから発生する交番磁束により被加熱材に誘導電流を発生させる。被加熱材中では、この誘導電流と被加熱材の固有抵抗とによりジュール熱が発生し、ジュール熱により被加熱材が加熱される。このような誘導加熱方法は、非接触で被加熱材を加熱することができるだけでなく、化石燃料を燃焼する必要もないためクリーンな加熱方法として使用されている。

特開２００４−２６０９９１号公報

一方、加熱コイルから発生する交番磁束の周波数（つまり加熱コイルに流れる交流電流の周波数）は、下記（１）式のように、被加熱材に流れる誘導電流の被加熱材表面からの深さ（浸透深さ：δ）を決定し、かつ、誘導電流によるジュール熱で被加熱材を加熱する誘導加熱方法の加熱効率をも左右する。従って、加熱効率を向上させるために、加熱材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等の特性に応じて、周波数を適切な値に決定する必要がある。なお、（１）式中、ρは、被加熱材の固有抵抗であり、μ_ｒは、被加熱材の比透磁率であり、ｆは、加熱コイルから発生する交番磁束の周波数である。

誘導加熱方法を実施する関連技術に係る誘導加熱装置では、（１）式で決定される周波数ｆを発生させるために、加熱電源として下記（２）式で示される被加熱材及び加熱コイル等のインダクタンスＬと共振条件を形成する整合コンデンサＣを設置する必要がある。

関連技術に係る誘導加熱装置では、被加熱材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等の特性に対して適切な周波数ｆが決定される。そしてこの周波数ｆを発生させるため整合コンデンサＣの容量が決定される。

しかしながら、被加熱材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等が変化すれば、共振条件を形成するインダクタンスＬ等が変化する。従って、周波数ｆが適切な値から外れてしまい、被加熱材の加熱効率が低下する恐れがある。これに追従して周波数ｆを適切な値に保つためには、整合コンデンサＣの容量を変更する必要があるが、加熱中に整合コンデンサを調整することは困難である。また、加熱中以外において、被加熱材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等に応じて複数の整合コンデンサＣを切替えることも考えられるが、装置が煩雑になり製造コストが嵩むだけでなく、全ての被加熱材に応じた複数の整合コンデンサＣを用意することは現実的ではない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、様々な被加熱材に対する誘導加熱の効率を向上させることにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、加熱コイルに交流電流を流して鋼板を加熱する誘導加熱方法であって、上記鋼板の材質、形状及び大きさのうちの少なくとも１つに応じて、電源から供給される直流電流を交流電流に変換して上記加熱コイルに供給する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有する複数の逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切替を行うスイッチング周波数を、上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと上記加熱コイルとを含む回路の共振周波数よりも低くすることにより、上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有するコンデンサの充電／放電を行う周波数を変更させて、波形が台形波又は矩形波である交流電流を上記加熱コイルに流すことを特徴とする、誘導加熱方法が提供される。

この構成によれば、加熱コイルに波形が台形波又は矩形波である交流電流を流し、その交流電流により鋼板を誘導加熱することができる。このような波形が台形波又は矩形波である交流電流は、正弦波に比べて、より多くの誘導電流を鋼板に誘起することができる。よって加熱効率を向上させることができる。

また、上記加熱コイルに流れる電流の実効値を測定し、予め設定された目標値に上記実効値が近づくように、上記電源から上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチに供給される直流電流を調整してもよい。

また、上記加熱コイルに流す交流電流の波形を変更することにより、上記被加熱材の昇温量を調整してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、加熱コイルに交流電流を流して鋼板を加熱する誘導加熱装置であって、電源から供給される直流電流を交流電流に変換して上記加熱コイルに供給する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有する逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切替を行う制御装置と、を有し、上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチは、第１経路に第１逆導通型半導体スイッチと第４逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして直列に配置され、第２経路に第２逆導通型半導体スイッチと第３逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして直列に配置されたブリッジ回路と、上記第１逆導通型半導体スイッチと上記第４逆導通型半導体スイッチとの間の上記第１経路と、上記第２逆導通型半導体スイッチと上記第３逆導通型半導体スイッチとの間の上記第２経路との間に接続されたコンデンサと、を含み、上記加熱コイルの両端は、上記第１経路及び上記第２経路の両端に接続され、上記コンデンサの両端は、上記電源に接続され、上記制御装置は、波形が台形波又は矩形波である交流電流を上記加熱コイルに流すように、上記鋼板の材質、形状及び大きさのうちの少なくとも１つに応じて、上記第１逆導通型半導体スイッチならびに上記第３逆導通型半導体スイッチ、及び上記第２逆導通型半導体スイッチならびに上記第４逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切り替えを行うスイッチング周波数を、上記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと上記加熱コイルとを含む回路の共振周波数よりも低くすることにより、上記コンデンサの充電／放電を行う周波数を変更させることを特徴とする、誘導加熱装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、様々な被加熱材に対する誘導加熱の効率を向上させることできる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

誘導加熱方法では、加熱コイルに交流電流を流して交番磁束を発生させ、この交番磁束による電磁誘導により被加熱材を加熱する。本発明の発明者らは、この誘導加熱方法について鋭意研究を行った結果、加熱コイルに流す交流電流の「波形」を、正弦波とは異なる波形に変更することにより、電流値に対する被加熱材の昇温量を向上させて、加熱効率を向上させることが可能であることなどを見出して、本発明を完成させた。なお、ここでいう波形とは、交流電流における繰り返し形状を意味する。

また以下では、本発明を理解しやすいように、一実施形態として、このような交流電流の波形を変更することができる装置の一例を用いた誘導加熱方法について説明し、その後、加熱コイルに流す交流電流の波形を正弦波から変更することによる効果等について説明する。しかしながら、上述の通り、以下で説明する一実施形態で使用する誘導加熱装置は、あくまで一例であり、本発明は、交流電流の波形を変更することが可能な様々な誘導加熱装置を使用することができることは、言うまでもない。また、説明の便宜上、以下では、誘導加熱方法により加熱される被加熱材として「鋼材」を例に挙げて説明するが、この被加熱材も鋼材に限定されるものではなく、金属材料などのように導電率が高く通常の誘導加熱が可能な被加熱材であれば如何なる被加熱材をも加熱できる。

＜一実施形態に係る誘導加熱方法＞
本発明の一実施形態に係る誘導加熱方法で使用される誘導加熱装置の構成の概要を、図１に示す。図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置の構成の概要を説明するための説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る誘導加熱装置は、大きく分けて、加熱コイル１と、電源２と、磁気エネルギー回生双方向電流スイッチ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ、以下単に「ＭＥＲＳ」ともいう。）１０とを有する。

加熱コイル１は、ＭＥＲＳ１０に接続され、ＭＥＲＳ１０は、電源２に接続される。そして、加熱コイル１には、ＭＥＲＳ１０を介して交流電流が通電し、この交流電流により交番磁束が発生する。被加熱材である鋼材（図示せず。）は、この加熱コイル１が発生する交番磁束による磁界中に配置される。よって、被加熱材では、交番磁束で電磁誘導が発生し、その誘導電流によるジュール熱が被加熱材を加熱することになる。

上述の通り、加熱コイル１に流される交流電流は、ＭＥＲＳ１０を介して供給される。また、ＭＥＲＳ１０には、電源２から直流電圧が印加される。本実施形態に係る誘導加熱装置の図１では、電源２として交流電源を使用し、電源２から供給される交流電圧をリアクトル３を介して整流装置（例えばダイオード整流装置）２により整流してＭＥＲＳ１０に印加する場合について示している。なお、ＭＥＲＳ１０への直流電圧の印加経路は、このような例に限定されるものではなく、例えば、直流電源を使用することももちろん可能である。

なお、ＭＥＲＳ１０と加熱コイル１との間には、加熱コイル１に流れる電流の実効値をフィードバックする電流計３１が配置され、電源２とＭＥＲＳ１０との間には、ＭＥＲＳ１０に供給される電力を調整する電力調整装置（例えばサイリスタ電力調整装置）３２が配置される。また、加熱コイル１に流すべき電流の実効値が、出力電流設定装置３３により設定され、電力調整装置３２は、加熱コイル１に流れる電流（実効値）と、出力電流設定装置３３が設定した電流とが一致するように、両信号の差により制御される。

出力電流設定装置３３は、加熱する鋼材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等の特性に関する情報を取得して、その特性や加熱条件に応じた電流値を設定する。出力電流設定装置３３が設定する電流値は、予め稼働状態や実験等により測定されて決定されることが望ましい。このように加熱する鋼材に応じた適切な電流を加熱コイル１に通電させることにより、更に加熱効率を向上させることができる。

ＭＥＲＳ１０は、上述の電源２から他の構成を通じて供給される直流電流を交流電流に変換して加熱コイルに供給する。ＭＥＲＳ１０は、複数の逆導通型半導体スイッチと、コンデンサＣとを有し、この逆導通型半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦは、制御装置２０により制御される。その結果、ＭＥＲＳ１０は、コンデンサが充電・放電するサイクル時間（つまり周波数）が制御され、加熱コイル１に流す交流電流の波形を制御することができる。すなわち、コンデンサＣが充・放電した後、次回の充・放電までの時間が制御されることで、加熱コイル１に流れる交流電流は、鋼材等のインダクタンスＬと抵抗Ｒなどで決まる時定数により、除々に波形が変化することになる。このＭＥＲＳ１０による電流波形の制御過程については、詳しく後述するが、その前に、ＭＥＲＳ１０の構成と接続関係などについて説明する。なおＭＥＲＳ１０の構成等については、上記特許文献１にも記載されている。

（ＭＥＲＳ１０の構成）
図１に示すように、ＭＥＲＳ１０は、ブリッジ回路と、コンデンサＣと、を含む。
ブリッジ回路は、加熱コイル１と閉回路を形成する２つの経路と、その２つの経路上に、２つずつ配置された４つの逆導通型半導体スイッチ１１〜１４（第１〜第４逆導通型半導体スイッチ）によって構成され、コンデンサＣは、ブリッジ回路の２つの経路の間に配置される。

より詳細には、ブリッジ回路は、加熱コイル１の一端と接続される交流端子ａ（以下、端子ａという）から、端子ｂを介して、加熱コイル１の他端と接続される交流端子ｄ（以下、端子ｄという）までの経路である第１経路と、端子ａから端子ｃを介して端子ｄまでの経路である第２経路とを含み、第１経路には、端子ｄと端子ｂとの間に逆導通型半導体スイッチ１１が配置され、端子ｂと端子ａとの間に逆導通型半導体スイッチ１４が配置される。そして、第２経路には、端子ｄと端子ｃとの間に逆導通型半導体スイッチ１２が配置され、端子ｃと端子ａとの間に逆導通型半導体スイッチ１３が配置される。そして、コンデンサＣは、端子ｂと端子ｃとの間に配置される。

各逆導通型半導体スイッチ１１〜１４は、スイッチＯＦＦで一方向（以下「順方向」という。）に導通し、スイッチＯＮで他方向（以下「逆方向」という。）にも導通するスイッチであり、例えば、半導体スイッチとダイオードとの並列接続によって構成される。より詳細には、逆導通型半導体スイッチ１１〜１４のそれぞれは、１つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、当該ダイオードＤ１〜Ｄ４に並列に接続された１つの半導体スイッチＳ１〜Ｓ４とを含む。

しかし、逆導通型半導体スイッチは、かかる例に限定されず、上記の導通方向の制御が可能であれば如何なるスイッチであってもよく、例えば、パワーＭＯＳ ＦＥＴ、逆導通型ＧＴＯサイリスタ等であってもよく、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチとダイオードとの並列接続であってもよい。

また、各逆導通型半導体スイッチ１１〜１４は、順方向が以下のようになるように配置される。つまり、逆導通型半導体スイッチ１１及び逆導通型半導体スイッチ１３を第１ペアとし、逆導通型半導体スイッチ１２及び逆導通型半導体スイッチ１４を第２ペアとすると、第１ペアの逆導通型半導体スイッチ１１及び逆導通型半導体スイッチ１３は、順方向が同じ方向になるように配置され、第２ペアの逆導通型半導体スイッチ１２及び逆導通型半導体スイッチ１４は、順方向が同じ方向になるように配置され、第１ペアと第２ペアとは、順方向が相互に逆向きになるように配置される。

すなわち、並列に配置される逆導通型半導体スイッチ同士は、各順方向が逆向きになり、かつ、直列に配置される逆導通型半導体スイッチ同士も、各順方向が逆向きになるように配置される。還元すれば、対角線上に配置された逆導通型半導体スイッチは、各順方向が同方向になるように配置される。

各逆導通型半導体スイッチ１１〜１４のスイッチＯＮ／ＯＦＦ、つまり、半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦは、それぞれのゲートＧ１〜Ｇ４へのＯＮ信号の入力によって行われる。より詳細には、各ゲートＧ１〜Ｇ４には、制御装置２０に接続されており、制御装置２０が生成するゲート信号（ＯＮ信号）が入力する。つまり、スイッチ制御部１２０のゲート信号が入力された場合に、各逆導通型半導体スイッチ１１〜１４は、順方向だけでなく逆方向にも導通する。

ＭＥＲＳ１０において、ペア内の逆導通型半導体スイッチは、同時にＯＮ／ＯＦＦされ、一方のペアがＯＮの時、他方のペアはＯＦＦにされる。ここでは、この一方のペアがＯＮされ他方のペアがＯＦＦされた状態から、一方のペアがＯＦＦされ他方のペアがＯＮされた状態への切り替えを「スイッチング」といい、このスイッチングが行われる時点を「スイッチ切替タイミング」といい、このスイッチングが行われる周期及び周波数を、加熱コイル１に流さる交流電流の周期及び周波数と区別するために、ここでは「スイッチング周期」及び「スイッチング周波数」という。

（電流波形の変更原理）
次に、このようなＭＥＲＳ１０による電流波形の変更原理について、図２Ａ〜図２Ｂ及び図３を参照しつつ説明する。図２Ａ〜図２Ｂは、本実施形態に係るＭＥＲＳの動作の一例を説明するための説明図である。図３は、本実施形態に係るＭＥＲＳから出力される電流の一例を説明するための説明図である。

図３に示すように、逆導通型半導体スイッチのスイッチング周波数をＴとする。つまり、各逆導通型半導体スイッチは、制御装置２０により、１／Ｔ間隔で、半導体スイッチＳ１，Ｓ３がＯＮで半導体スイッチＳ２，Ｓ４がＯＦＦな状態と、半導体スイッチＳ１，Ｓ３がＯＦＦで半導体スイッチＳ２，Ｓ４がＯＮな状態とが切替えられる。この半周期１／Ｔ（半導体スイッチＳ１，Ｓ３がＯＮ）におけるＭＥＲＳ１０中の電流の流れ等について説明すれば、以下の通りである。

コンデンサＣの充電量が０の状態で、半導体スイッチＳ２，Ｓ４がＯＦＦされると、電源２から流入する電流（波線矢印）は、図２Ａに実線矢印で示すような経路を辿り、加熱コイル１を紙面下方から上方へと流れる。この際、加熱コイル１に流れる電流の向きを負とする。この期間は、図３中の（ａ）期間に相当する。一方、コンデンサＣは、電流の経路上に位置するため充電される。この状態で、コンデンサＣが充電を完了すると、加熱コイル１に流れる電流は０になる（図３中の（ａ）期間と（ｂ）期間との間）。

次に、コンデンサＣの充電が完了するまでに、半導体スイッチＳ１，Ｓ３がＯＮされていると、コンデンサＣに充電されたエネルギーは、半導体スイッチＳ１，Ｓ３を介して放電され、図２Ｂに実線矢印で示すような経路を辿り、電流が加熱コイル１を紙面上方から下方に流れだし、図３に示すように正の電流値が増加する（図３中の（ｂ）期間）。そして、コンデンサＣが放電を完了すると、コンデンサＣの電圧は０になる（図３中の（ｂ）期間と（ｃ）期間との間）。

その後、半導体スイッチＳ２，Ｓ４に対応するダイオードＤ２，Ｄ４が逆電圧でなくなり導通する。よって、逆導通型半導体スイッチ１４から逆導通型半導体スイッチ１１と、逆導通型半導体スイッチ１３から逆導通型半導体スイッチ１２との２つのパスを通して、電流が加熱コイル１を紙面上方から下方に増加して流れる（図３中の（ｃ）期間）。この（ｃ）期間では、電流は、加熱コイル１とＭＥＲＳ１０とを還流しているので、加熱コイルと鋼材とのインピーダンスなどから決定される時定数により電流は減衰する。

その後、半導体スイッチＳ１，Ｓ３がＯＦＦされ、半導体スイッチＳ２，Ｓ４がＯＮされると、上記（ａ）〜（ｂ）で説明した方向とは逆に電流が流れることになる。

このようにＭＥＲＳ１０から加熱コイル１に流れる電流を、再度図３を参照して説明する。加熱コイル１に流れる電流は、上述のようにＭＥＲＳ１０中を通電して供給される。すると、加熱コイル１に流れる電流は、スイッチ切替タイミングから（ａ）期間だけ遅延した時点で０となり、コンデンサＣの充・放電などにより電流が増減しながら、通電時間が正弦波から（ｃ）期間程度延長される。その結果、加熱コイル１に流れる電流波形は、台形波状となる。従って、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、スイッチング周波数を増減させることにより、（ｃ）期間を伸張させて、加熱コイル１に流れる電流波形を正弦波から変更することが可能となる。

つまり、まず誘導加熱装置を作成する段階で、任意の周波数ｆ０で負荷のインダクタンス（加熱コイル１を含む）と共振条件となるＭＥＲＳ１０のコンデンサＣの容量を、上記（２）式により選定して、誘導加熱装置を作成する。つまりこの際、加熱コイル１及び鋼材によるインダクタンスとＭＥＲＳ１０となどを含む回路全体の共振周波数は、周波数ｆ０となる。この誘導加熱装置において、制御装置２０がスイッチング周波数を共振周波数ｆ０（例えば１０００Ｈｚ）にすると、加熱コイル１に流れる電流波形は、図４Ａに示すように正弦波状となる。

そして、本実施形態に係る誘導加熱方法では、コンデンサＣの容量を固定して、制御装置２０がスイッチング周波数を共振周波数ｆ０から減少させる（例えば４７５Ｈｚ）。すると、電流が加熱コイル１とＭＥＲＳ１０との間を還流する図３に示す（ｃ）期間が長くなり、かつ、鋼材などのインピーダンスから決まる時定数により電流が徐々に減少するので、加熱コイル１に流れる電流波形は、正弦波状から、図４Ｂに示すように台形波状に変化することとなる。

更に、制御装置２０がスイッチング周波数を減少させる（例えば１７５Ｈｚ）。すると、電流が加熱コイル１とＭＥＲＳ１０との間を還流する図３に示す（ｃ）期間は、更に長くなり、加熱コイル１に流れる電流波形は、矩形波状へと変化する。このように、ＭＥＲＳ１０を使用する本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、制御装置２０によりスイッチング周波数を共振周波数から変更することにより、加熱コイル１に流れる交流電流の波形を正弦波から変更することが可能である。ここでは図３，図４Ｂ及び図４Ｃに示す波形を、台形波又は矩形波と呼んだが、これは正確な台形又は矩形を示すものではなく、正弦波に比べて、台形波又は矩形波に近いことを意味している。

なお、図４Ａ〜図４Ｃに示す通り、加熱コイル１に流れる電流の周波数は、このスイッチング周波数と対応している。つまり、スイッチング周波数を減少させると、加熱コイル１に流れる電流の周波数も減少し、スイッチング周波数を増加させると、加熱コイル１に流れる電流の周波数も増加する。従って、本実施形態に係る誘導電流加熱方法によれば、このＭＥＲＳ１０を用いて、スイッチング周波数を調整することにより、加熱コイル１に流れる電流の周波数をも変更することができ、周波数可変型の誘導加熱が実現できる。

上述の通りスイッチング周期は、制御装置２０により変更される。
このスイッチング周波数を変更する上で、制御装置２０は、正弦波とは異なる波形の交流電流が加熱コイル１に流れるように予め決定されたスイッチング周波数で、スイッチングを行ってもよい。しかし、制御装置２０は、固定された周波数を使用するだけなく、加熱中にスイッチング周波数を変更することにより、加熱コイル１に流す電流波形及び周波数を変更することも可能である。このような加熱中のダイナミックな波形の変更は、例えば、鋼材に対する昇温速度を調整することを可能にすると共に、加熱する鋼材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等の特性に応じた最適な加熱を行うことを可能にすることができる。

つまり、加熱中にスイッチング周波数を変更する場合、例えば、制御装置２０は、別途の制御装置（図示せず）などから、実際に加熱する鋼材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等の特性に関する情報を取得し、この特性の少なくとも１つに基づいて、正弦波とは異なる波形の交流電流が加熱コイル１に流れるように、スイッチング周波数を最適な値へと変更することもできる。更にこの際、連続的に加熱している段階で、被加熱材である鋼材の特性が変化した場合、制御装置２０は、この特性の変化に応じてスイッチング周波数を最適な値へと変更することも可能である。なお、予め決定されたスイッチング周波数や鋼材に対する最適なスイッチング周波数は、予め稼働状態や実験等により測定されて決定されることが望ましい。

また、制御装置２０は、別途の温度測定装置（図示せず）で測定した鋼材の温度と、その鋼材に対する加熱スケジュールなどを取得して、その加熱スケジュールに定められた昇温速度を実現するように、スイッチング周波数を変更することも可能である。

なお、制御装置２０は、上記のようなスイッチングを行うだけでなく、スイッチング周波数を共振周波数とすることにより、加熱コイル１に正弦波の交流電流を流すことも、もちろん可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、ＭＥＲＳ１０のコンデンサＣの容量を固定して、制御装置２０でスイッチング周波数を変更することにより、加熱コイル１に流す電流波形及び周波数を変更することができる。よって、この誘導加熱方法によれば、被加熱材である鋼材の特性や加熱スケジュールなどに応じて、電流波形及び周波数を最適な形状及び値へと容易に変更することができる。従って、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、上記の関連技術に係る誘導加熱方法のように整合コンデンサの容量を可変とする必要はなく、電流波形及び周波数の調整を、加熱中でも行うことが可能である。

（電流波形の変更の他の例）
なお、「電流波形」の変更は、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、コンデンサＣの容量を変更することでも可能である。つまり、上記（１）式に示すように、スイッチング周波数を増加又は減少させることは、コンデンサＣの容量を減少又は増加させることに相当する。従って、スイッチング周波数を増減させる代わりに、共振周波数ｆ０におけるコンデンサＣの容量を減増させることにより、図３中の（ｃ）期間を伸張させて、加熱コイル１に流れる電流波形を変更することも可能となる。なお、この際、スイッチング周波数を一定にすると、加熱コイル１に流れる交流電流の周波数もほぼ一定となる。

そこで以下では、本実施形態に係る誘導加熱方法のように、交流電流の「波形」を正弦波から変更することによる加熱効率向上効果などを説明するために、スイッチング周波数を一定にしてコンデンサＣの容量を変更した場合、つまり、交流電流の「波形」のみを変更した場合の加熱効率について、図５Ａ及び図５Ｂを参照しつつ説明する。

（一実施形態による効果の例）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態に係る誘導加熱方法による加熱効率向上効果について説明するための説明図である。ここでは、３００ｍｍ幅×１０ｍｍ厚の鋼板を被加熱材として使用し、電源２としてＡＣ４００Ｖの交流電源を使用した。そして、加熱コイル１及び他の構成によるリアクタンスは、４ｍＨとした。

このように構成した誘導加熱装置を用いて、スイッチング周波数を３２５Ｈｚに一定にして、コンデンサＣの容量を変更した場合に、加熱コイル１に流れる電流に対する鋼板の幅方向端部の昇温量を測定した（図５Ａ）。そして、スイッチング周波数を４７５Ｈｚで一定にした場合についても同様に測定した（図５Ｂ）。

図５Ａに示すように、スイッチング周波数を３２５Ｈｚに一定にし、コンデンサＣの容量を、共振周波数６０μＦから、３０μＦ，７．５μＦと変更した場合、加熱コイル１に流れる交流電流は、正弦波から、台形波、矩形波へと変化した。

例えば必要な昇温量を２０℃とした場合、図５Ａに示すように、正弦波状の交流電流では、７０．５Ａの電流が必要であるのに対して、台形波状の交流電流は、電流量を低減でき、矩形波状の交流電流に至っては、５０Ａ程度で良いことが判る。電流量に対する鋼板の昇温量の増加量を、昇温効率とすると、昇温効率は、正弦波状の交流電流の場合、０．２８℃／Ａ（＝２０℃／７０．５Ａ）であるのに対して、矩形波状の交流電流の場合、０．４℃／Ａ（＝２０℃／５０Ａ）となる。すなわち、加熱電流波形を正弦波から変更することにより、被加熱材の加熱効率を約４０％程度向上できることが判る。

同様に、図５Ｂに示すように、スイッチング周波数を４７５Ｈｚに一定にし、コンデンサＣの容量を、共振周波数３０μＦから、１５μＦ，７．５μＦと変更した場合、加熱コイル１に流れる交流電流は、正弦波から、台形波、矩形波へと変化した。

例えば必要な昇温量を４５℃とした場合、図５Ｂに示すように、正弦波状の交流電流では、７５Ａの電流が必要であるのに対して、台形波状の交流電流は、電流量を低減でき、矩形波状の交流電流に至っては、６８Ａ程度で良いことが判る。この場合の昇温効率は、正弦波状の交流電流の場合、０．６℃／Ａ（＝４５℃／７５Ａ）であるのに対して、矩形波状の交流電流の場合、０．７℃／Ａ（＝４５℃／６８Ａ）となる。すなわち、この場合でも、加熱電流波形を正弦波から変更することにより、被加熱材の加熱効率を約２０％程度向上できることが判る。

つまり、図５Ａ及び図５Ｂに示す通り、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、加熱コイル１に正弦波とは異なる波形（例えば台形波又は矩形波）の交流電流を印加することにより、同一電流値における昇温量を向上させることができ、加熱効率を向上させることができる。この際、本実施形態に係る誘導加熱方法では、スイッチング周波数を変更することにより交流電流の波形を変更するので、コンデンサＣの容量を変更せずに上述のような加熱効率向上効果を奏することができ、かつ、装置構成を複雑化したり製造コストを増加させることなく、加熱中でも調整が可能となる。

また、この際、スイッチング周波数を減少させる場合、矩形波に近づき、加熱効率を向上させることができるが、スイッチング周波数が減少すれば、加熱コイル１に流される交流電流の周波数も減少することになる。このことは、上記（１）式からも判るように、鋼材に流れる誘導電流の浸透深さδが大きくなる（深くなる）ことを意味する。例えば通常の加熱コイルにおいて、加熱効率を向上させるために、加熱コイル１に流される交流電流の周波数を増加させると、浸透深さδは小さくなる。このことは、誘導電流が鋼材の表面に集中してしまうことを意味する。これに対して、本実施形態に係る誘導加熱方法は、上述の通り、加熱効率を向上させる際に、浸透深さδを大きくすることができる。従って、本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、加熱効率を向上させつつ、昇温における温度分布を、鋼材の表面だけでなく、より深い浸透深さδにまで到達させることができ、鋼材の均一な加熱を可能とすることができる。このように本実施形態に係る誘導加熱方法によれば、鋼材の材質・形状・大きさ（厚みや幅など）等に寄らずに鋼材の温度分布を最適化することができるので、より高い品質の造り込みができ、かつ、鋼材の高性能化に大きく寄与することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、正弦波とは異なる波形の交流電流を加熱コイル１に流すために、直流電圧を交流電圧に変換するＭＥＲＳ１０を使用する場合について説明した。しかしながら、本発明はかかる例に限定されるものではなく、正弦波とは異なる波形、例えば、上述の台形波・矩形波等の交流電流を生成することができる電源や回路（パルス生成電源やパルス生成回路等）などを使用することも可能である。しかしながら、この場合、被加熱材の材質・形状・大きさ等に応じて共振周波数が変化する。よって、最適な波形の交流電流を生成するためには、複数の電源や回路を用意する必要がある。これに対して上記実施形態で使用したＭＥＲＳ１０の場合、スイッチング周波数を変更するだけで、被加熱材の材質・形状・大きさ等に応じた最適な波形の交流電流を生成することができるため、装置構成が容易で、かつ、加熱中であってもダイナミックな波形の制御が可能である。

また、上記実施形態では、このＭＥＲＳ１０を用いる際、スイッチング周波数を変更することにより、交流電流の波形を変更する場合について説明した。しかしながら、ＭＥＲＳ１０は、例えば上述の通り、コンデンサＣとして可変容量コンデンサを使用して、その容量を変更することで、波形を制御することも可能である。この場合、制御装置２０は、スイッチングを行うと共に、コンデンサＣの容量を変更することになる。一般に可変容量コンデンサは高価であり、コンデンサＣを制御できるように制御装置２０を構成する必要がある。これに対して、上記実施形態では、スイッチング周波数を変更するだけで済み、通常のコンデンサＣを使用することができるので、やはり装置構成が容易で、かつ、ＭＥＲＳ１０自体の制御を容易に行うことができる。

更に、上記実施形態のようにＭＥＲＳ１０を使用する場合、スイッチングを行う際に、制御装置２０から出力され、半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ間隔を決定する信号のパルス幅変調（ＰＷＭ、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行うこと可能である。このように半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦの間隔の調整を、スイッチング周波数の変更の代わりとしたり、スイッチング周波数の変更と組み合わせることにより、より細かい電流波形の制御が可能となる。このことは、台形波・矩形波以外の波形を交流電流を加熱コイル１に流すことを可能にすることができる。

また、上記実施形態で説明したように、加熱コイル１に流す交流電流は、正弦波とは異なる波形を有することにより、加熱効率を向上させるなどの効果を奏することができる。その一例として、上記実施形態では、台形波及び矩形波について説明した。しかしながら、正弦波とは異なる波形は、台形波及び矩形波に限定されるものではない。正弦波とは異なる波形の他の例としては、例えば、ノコギリ波・方形波・三角波等が挙げられる。なお、本発明の発明者らは、正弦波とは異なる波形の交流電流を加熱コイル１に流すことによって加熱効率が向上する要因の一つを以下のように考察している。正弦波は、滑らかな曲線を描き、その傾き（変化量）は緩やかに変化するのに対して、台形波・矩形波等の正弦波とは異なる波形は、傾きが大きく変化するような変曲点が存在する。このような傾きの変化量が大きい変曲点では、過渡現象に似た現象が生じ、被加熱材中に大きな誘導電流を流すことが可能となる。その結果、加熱効率が向上する。このような考察は、本発明を限定するものではないが、このことからは、上記実施形態で使用した台形波・矩形波等以外の正弦波とは異なる波形の交流電流であっても、上記実施形態で説明した加熱効率の向上効果を得ることが可能であることを示している。なお、これらの波形の交流電流を加熱コイル１に流す場合、ＭＥＲＳ１０におけるＰＷＭによるスイッチングを行ったり、その波形を生成することが可能なパルス生成電源やパルス生成回路等を使用することにより、これらの波形を生成することが可能である。

更に、台形波及び矩形波は、同一周波数の正弦波の傾きよりも大きな傾きを有し、この台形波及び矩形波の傾きは、他の波形に比べても大きくなる。本発明の発明者らは、このように大きな傾きも同様に、加熱効率を向上する要因の一つであると考察している。従って、上記実施形態のように、加熱コイル１に台形波及び矩形波の交流電流を流すことが、他の正弦波とは異なる波形よりも望ましく、より大きく加熱効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の構成の概要を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳの動作の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳの動作の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳの動作の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳから出力される電流の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳから出力される電流の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳから出力される電流の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係るＭＥＲＳから出力される電流の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る誘導加熱方法による加熱効率向上効果について説明するための説明図である。 同実施形態に係る誘導加熱方法による加熱効率向上効果について説明するための説明図である。

符号の説明

１ 加熱コイル
２ 電源
３ リアクトル
４ 整流装置
１０ ＭＥＲＳ
１１，１２，１３，１４ 逆導通型半導体スイッチ
２０ 制御装置
３１ 電流計
３２ 電力調整装置
３３ 出力電流設定装置
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 半導体スイッチ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ ゲート
Ｃ コンデンサ

Claims (4)

1. 加熱コイルに交流電流を流して鋼板を加熱する誘導加熱方法であって、
   前記鋼板の材質、形状及び大きさのうちの少なくとも１つに応じて、電源から供給される直流電流を交流電流に変換して前記加熱コイルに供給する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有する複数の逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切替を行うスイッチング周波数を、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと前記加熱コイルとを含む回路の共振周波数よりも低くすることにより、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有するコンデンサの充電／放電を行う周波数を変更させて、波形が台形波又は矩形波である交流電流を前記加熱コイルに流すことを特徴とする誘導加熱方法。
2. 前記加熱コイルに流れる電流の実効値を測定し、
   予め設定された目標値に前記実効値が近づくように、前記電源から前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチに供給される直流電流を調整することを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱方法。
3. 前記加熱コイルに流す交流電流の波形を変更することにより、前記鋼板の昇温量を調整することを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘導加熱方法。
4. 加熱コイルに交流電流を流して鋼板を加熱する誘導加熱装置であって、
   電源から供給される直流電流を交流電流に変換して前記加熱コイルに供給する磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと、
   前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチが有する逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切替を行う制御装置と、
   を有し、
   前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチは、
   第１経路に第１逆導通型半導体スイッチと第４逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして直列に配置され、第２経路に第２逆導通型半導体スイッチと第３逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして直列に配置されたブリッジ回路と、
   前記第１逆導通型半導体スイッチと前記第４逆導通型半導体スイッチとの間の前記第１経路と、前記第２逆導通型半導体スイッチと前記第３逆導通型半導体スイッチとの間の前記第２経路との間に接続されたコンデンサと、
   を含み、
   前記加熱コイルの両端は、前記第１経路及び前記第２経路の両端に接続され、
   前記コンデンサの両端は、前記電源に接続され、
   前記制御装置は、波形が台形波又は矩形波である交流電流を前記加熱コイルに流すように、前記鋼板の材質、形状及び大きさのうちの少なくとも１つに応じて、前記第１逆導通型半導体スイッチならびに前記第３逆導通型半導体スイッチ、及び前記第２逆導通型半導体スイッチならびに前記第４逆導通型半導体スイッチのオン／オフ切り替えを行うスイッチング周波数を、前記磁気エネルギー回生双方向電流スイッチと前記加熱コイルとを含む回路の共振周波数よりも低くすることにより、前記コンデンサの充電／放電を行う周波数を変更させることを特徴とする、誘導加熱装置。