JP5395706B2 - 誘導加熱方法および誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は誘導加熱方法および装置に係り、特に部分的に太さや形状が異なる特殊形状材を加熱するのに好適な誘導加熱方法および装置に関する。

鍛造前加熱分野における誘導加熱装置では、通常「急速加熱」と呼ばれる加熱手法が用いられる。これは加熱初期時に大きな電力を印加し、短時間に被加熱材の平均温度を上昇させ、加熱後半では熱伝導を優先させ、放射や伝熱による熱損失を補う程度の電力で保持し、均熱を図る加熱方法である。

ところが、均一な太さのビレット材やバー材ではなく部分的に太さや形状が異なる特殊な形状の素材に本加熱手法を適用した場合、単一の周波数での加熱では加熱対象部位毎の熱容量の違いや磁束の浸透深さの違いにより、部分的な昇温速度差（温度ムラ）を生じてしまい、均熱状態での十分な保持時間を確保できない。また、部位毎に放熱特性が異なる為に昇温状態での保持時間を確保できても均熱化が難しい。
また、被加熱各部位形状毎にコイルを複数近接配置して複数の電源を接続し、同時に加熱運転を行おうとしても、各コイル間の相互誘導現象により安定した運転が困難となってしまう。

従って、従来は各部位間で同時には運転が出来ず、電源間のＯＮ−ＯＦＦ切替運転や相互誘導の影響を受け難い極端に運転周波数の離れた電源と磁気遮蔽板を併用した方式などの方法が考えられるが、加熱時間の短縮と十分な均熱性の確保の両立ができていない。
また、複数の誘導加熱コイルに対して１の電源を接続し、熱容量の大きい加熱対象部位に対応させた誘導加熱コイルから順次電流を投入していく場合には、相互誘導の影響を考慮する必要は無いが、個別の電力制御ができないために、細かな均熱制御等には不向きとなる（例えば特許文献１）。

特開２００２−２４１８４０号公報

上記のように、被加熱部材における加熱対象部位の太さや大きさ、厚み等が異なる場合、加熱対象部位における熱容量や磁束の浸透深さが異なるため、相互誘導の影響を回避して、各誘導加熱コイルに供給する電流値を変化させるだけでは被加熱物の均熱性確保や、昇温速度の向上を図ることはできない。ましてや、特許文献１に開示されているような誘導加熱装置では、相互誘導の影響を考慮しなくて良くなる一方で、詳細な温度分布制御もできなくなってしまう。
そこで本発明では、部分的に太さや形状が異なる特殊形状材を被加熱物とした場合の誘導加熱において、昇温速度と均熱性の双方の向上を確保することのできる誘導加熱方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱方法は、近接配置した複数の誘導加熱コイルを用いて、各誘導加熱コイルに対応した加熱対象部位間の熱容量に違いを有する被加熱物を加熱する誘導加熱方法であって、近接配置した前記複数の誘導加熱コイルに投入する電流周波数を予め定めた基準周波数に一致させて、各誘導加熱コイルに投入する電流値を変化させる周波数同期加熱制御を行うと共に、前記基準周波数は、加熱開始時から所定時間、または前記被加熱物からの検出温度が所定温度に達するまでは第１周波数、所定時間経過後、または所定温度に到達後から設定時間、または目標温度に到達するまでは第２周波数、設定時間経過後、または目標温度到達後には第３周波数となるように切り替え、前記第１周波数、前記第２周波数、および前記第３周波数が、第２周波数＜第１周波数＜第３周波数の関係を満たすことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、近接配置した複数の誘導加熱コイルを用いて、各誘導加熱コイルに対応した加熱対象部位間の熱容量に違いを有する被加熱物を加熱する誘導加熱装置であって、近接配置する複数の誘導加熱コイルと、前記複数の誘導加熱コイルの各々に対応し、各誘導加熱コイルに供給する電流値と周波数を定めるインバータと、加熱時間を計測するタイマと前記被加熱物の温度を計測するセンサのうちの少なくとも一方と、前記複数の誘導加熱コイルに投入する電流周波数を予め定めた基準周波数に一致させて、各誘導加熱コイルに投入する電流値を変化させる周波数同期加熱制御を行うと共に、加熱開始から前記タイマによって計測される時間が所定時間、または前記センサによって計測される被加熱物の温度が所定温度に達するまでは第１周波数、前記時間が所定時間経過後、または前記温度が所定温度に到達した後から設定時間、または目標温度に到達するまでは第２周波数、設定時間経過後、または目標温度到達後には第３周波数となるように切り替える信号を前記インバータに出力する制御部と、を備え、前記第１周波数、前記第２周波数、および前記第３周波数が、第２周波数＜第１周波数＜第３周波数の関係を満たすことを特徴とする。

上記のような特徴を有する誘導加熱方法、および装置によれば、部分的に太さや形状が異なる特殊形状材を被加熱物とした場合であっても、昇温速度と均熱性の双方を確保し、向上させることができる。

実施形態に係る誘導加熱装置と、被加熱物の形態を示すブロック図である。 基準周波数の切替タイミングの一例と、被加熱物の表面温度、中心温度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の誘導加熱方法、および誘導加熱装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置１０と、本実施形態に係る誘導加熱装置１０によって加熱する被加熱物２０の形態を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態では、被加熱物２０として、中径部２０ａ、小径部２０ｂ、大径部２０ｃといった直径の異なる加熱対象部位を有する柱状体（特殊形状部材）を採用している。
また、本実施形態に係る誘導加熱装置１０は、誘導加熱コイル１２（１２ａ〜１２ｃ）、インバータ１４（１４ａ〜１４ｃ）、センサ１６（１６ａ〜１６ｃ）、および制御部１８を、特徴的な構成として備えている。

誘導加熱コイル１２は、本実施形態の場合、被加熱物２０の中径部２０ａ、小径部２０ｂ、大径部２０ｃのそれぞれを加熱対象部位として、各加熱対象部位の外周に巻回されている。誘導加熱コイル１２は、加熱対象部単位に分割されており、本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、近接配置された３つの誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備える構成としている。
被加熱物２０と誘導加熱コイル１２との距離は、特に限定するものでは無いが、被加熱物２０の配置形態と形状によって定められる設計上における寸法制約上の最小値とすることが望ましい。磁束の到達距離の関係上、被加熱物２０と誘導加熱コイル１２の距離が近いほど、加熱効率が高いからである。

インバータ１４は、上述した各誘導加熱コイル１２毎に接続され、図示しないコンバータ、および電源部が接続されている。そしてインバータ１４は、詳細を後述する制御部１８からの信号に基づいて、コンバータから供給された直流電流の周波数と電流値を調整し、各誘導加熱コイル１２へ投入する。本実施形態におけるインバータ１４は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式の制御を行う、いわゆるＰＷＭインバータであり、図示しないコンバータにより電圧調整が行われる。ＰＷＭ制御では、電流の出力波形の半サイクル中に多数のパルス列を作り、そのパルス幅に応じて得られる等価電流を信号波に合わせて正弦波状に変化させることにより出力を得る。パルス幅は、三角波形で与えられる変調波と、出力に応じた正弦波形（信号波）を比較し、両者の交点に基づいて定められる。このようなインバータ１４を採用することにより、運転中の電流周波数調整を容易に行うことが可能となる。

センサ１６は、被加熱物２０における加熱対象部位毎の温度を計測する温度計である。センサ１６としては、熱電対や、放射温度計などを採用することができ、計測した温度を電気信号として制御部１８へ入力する。計測温度に応じて、出力電流のフィードバック制御を行うことにより、被加熱物２０の均熱制御や、任意温度分布制御が可能となるからである。

制御部１８は、上述したインバータ１４に対して誘導加熱コイル１２に投入する電流の電流値、および周波数を定める制御信号（信号波や変調波等）を出力する役割を担う。
制御部１８は、インバータ１４に対して、誘導加熱コイル１２に投入する電流の周波数を一致させ、各誘導加熱コイル１２間の電流位相を同期、あるいは所定の間隔に保った状態として電流値を変化させる制御（周波数同期加熱制御）を行う信号を出力することができる。このため、本実施形態に係る誘導加熱装置１０には、図示しない誘導加熱コイル１２の電流検出手段が備えられることとなる。検出した各誘導加熱コイル１２間の電流波形を比較し、各誘導加熱コイル１２間の電流波形の位相差、あるいは基準とする誘導加熱コイル１２と、他の誘導加熱コイル１２間の電流波形の位相差に基づいて制御信号を出力する必要があるからである。
周波数同期加熱制御では、近接配置された誘導加熱コイル１２間に生ずる相互誘導の影響を回避しつつ電流値の制御を行って、被加熱物２０の誘導加熱を行うことが可能となる。

また、制御部１８にはタイマ機能が備えられ、例えば周波数同期制御時において、所定の加熱時間毎に、被加熱物２０の直径に応じた加熱に最適な周波数を切換えて運転するように、インバータ１４へ信号を出力する。このような制御を行うことにより、直径の異なる加熱対象部位はそれぞれ、所定の時間単位で最適周波数による誘導加熱と、最適周波数よりも高い、あるいは低い周波数による誘導加熱を繰り返されることとなる。これにより、一部の径を有する加熱対象部位のみが効果的に加熱されてしまったり、一部の径を有する加熱対象部位のみが加熱不良に陥るといった事態を生じさせることが無くなり、被加熱物の均等加熱に寄与することができる。なお、周波数の切換えは、切換え値として予め定めた基準周波数に基づく合わせ込みにより、周波数同期加熱制御を行うようにすれば良く、基準とする誘導加熱コイル１２（インバータ１４）を定める場合には、この基準とするインバータ１４からの出力電流の周波数を基準周波数とすれば良い。

このように、各加熱対象部位毎の熱容量（直径）に応じた周波数制御を行う場合、制御部１８には図示しないメモリを設け、各誘導加熱コイル１２毎（各インバータ１４毎）に対応させた各加熱対象部位の熱容量や直径、厚みなどを記憶させておくようにしても良い。このような構成とすることにより、各加熱対象部位の熱容量比や直径、および厚みに応じて最適周波数の算出に基づく基準周波数の高低を定めることが可能となるからである。

これらの各制御を制御部１８は、タイマ機能による時間と、センサ１６により測定された被加熱物２０における加熱対象部位毎の表面温度に応じてそれぞれ切り替えて行うことができる。
以下、本実施形態に係る誘導加熱装置１０による誘導加熱の具体的方法の一例について、図２を参照しつつ説明する。なお、図２において上部に示すグラフは、加熱経過時間に伴う被加熱物２０の表面温度の変化、および中心温度の変化を示すグラフであり、下部に示すグラフは、加熱経過時間に従って切り替えられる基準周波数の切替タイミングの一例を示すグラフである。このため、図２は、上部に示すグラフと下部に示すグラフとを合わせて参照すると、被加熱部材の表面温度の変化に伴う基準周波数の切替タイミングを示すものとして読み取ることができる。

制御部１８はまず、複数のインバータ１４に対し、基準周波数を比較的高周波数ｆ１（例えば１５００Ｈｚ程度）に設定した周波数同期加熱制御を行う旨の信号を出力する。加熱初期段階（加熱開始時）では、被加熱物２０を高速昇温させるため、比較的高周波による表面近傍を主な加熱対象とした誘導加熱を行い、各誘導加熱コイル１２に対する電流値の調整を行う運転をする。磁性領域では、比透磁率が大きく、電流の浸透深さは周波数の違いよりも比透磁率の影響を受ける。このため、急速昇温時には周波数の差に基づく表面温度間の均熱性の差が生じ難い。なお、周波数ｆ１については、インバータ１４の定格などを考慮して定めるようにすれば良い。

被加熱物２０の表面温度が所定温度（例えば物質の状態変化を生じさせるキューリ点（Ｔ１））に達した後、あるいは所定時間（ｔ１）経過した後、制御部１８は、各インバータ１４に対して、基準周波数を比較的低周波数（例えば５００Ｈｚ程度）に設定した周波数同期制御を行う旨の信号を出力する。加熱初期時における大電力投入時は、表面温度がキューリ点（７７０℃）を超えた直後に急激に電流の浸透深さが変化する（比透磁率が１となり深くなる）。このため、加熱効率とインバータ１４の負担を考慮して、なるべく低めの周波数による運転で、被加熱物２０の内部側からの発熱を得るようにすることで、早めの均熱を図ることができる。

さらに被加熱物２０の表面温度が目標温度（Ｔ２）に到達した場合、あるいは所定時間（ｔ２）経過後、制御部１８は、各インバータ１４に対して基準周波数を高周波（例えば２０００Ｈｚ程度）に設定した周波数同期制御を行う旨の信号を出力する。表面温度が目標温度付近に達した後、あるいは目標温度付近に到達すると予測して予め定めた設定時間経過した後には、オーバーヒートしないように、表面温度を一定に保ち、中心温度が熱伝導により上昇してくるのを待つ運転状態となる。この領域では投入電力が比較的小さくなるため、表面温度が放熱により低下しないように、被加熱物２０における表面近くでの発熱を確保する。このため、ｆ２よりも高い周波数での運転を行うようにする。ただし、この領域では、均熱のためにある程度の浸透深さを確保することのできる周波数とすることが望ましい。これにより表面温度を高温（目的温度）に保持しつつ、内部への熱伝導による均熱化を図ることができる。

なお、製造ラインのチョコ停などにより温度を保持するための運転に移行した場合（ｔ３経過後）、制御部１８は、各インバータ１４に対して基準周波数をさらに高くして（ｆ４）周波数同期制御を行う旨の信号を出力する。保持運転時には、被加熱物２０は中心部まで昇温が完了しており、材料表面への投入電力は非常に小さくなる。そのため、熱放射の影響が大きく、表面が内部よりも温度低下し易い状態になり、温度の逆転現象が生じる。電流の浸透深さが深いと、被加熱物２０の内部で温度逆転によるオーバーヒートを生じさせやすくなるため、それを防止するために周波数を高くして、電流の浸透深さを浅くした運転を行っている。

ここで、熱容量の異なる加熱部位、すなわち本実施形態における大径部２０ｃ、小径部２０ｂ、および中径部２０ａでは、上記のような加熱制御を行った場合であっても、発熱具合に差が生ずることとなる。このため制御部１８は、大径部２０ｃ、小径部２０ｂ、中径部２０ａ間においても、時間、あるいは表面温度の変化に応じて、各部位に最適な基準周波数への切換えを行う。例えば小径部２０ｂを加熱昇温させるための最適周波数が２０００Ｈｚ程度、中径部２０ａを加熱昇温させるための最適周波数が１０００Ｈｚ程度、大径部２０ｃを加熱昇温させるための最適周波数が５００Ｈｚ程度とした場合、これらの３つの基準周波数と、上記加熱開始時とキューリ点到達時、および目的温度到達時の周波数制御をタイムシェアリングしながら、より効果的な昇温、および均熱化を図れるようにする。

ここで、小径部２０ｂは、大径部２０ａに比べて熱容量が小さいため、周波数の変化による昇温速度、および保温時の表面温度の変化が激しい。このため、時間配分による基準周波数の調整を行う場合には、小径部２０ｂ＞中径部２０ａ＞大径部２０ｃといった割合で時間配分を定めるようにすると良い。
このような手法で加熱を行うことにより、大径部２０ｃや中径部２０ａの均熱性を高めることができる。また、各加熱対象部位に応じた最適周波数を選択切換えしながら加熱制御を行うことにより、昇温時間の短縮も図ることができる。なお、具体的な時間配分については、被加熱物２０の規格や要求される温度分布精度、加熱時間等に応じて、適宜選定することで、加熱対象とされる被加熱物毎の最適化を図ることができる。

このように制御部１８は、時々刻々と変化する被加熱物２０の表面温度や、経過時間に応じて周波数同期加熱制御による基準周波数の切換えを行いつつ、電流値の設定を行う信号を出力する。これにより、太さや厚みの違いにより熱容量の異なる部位が存在する被加熱物２０であっても、被加熱物２０の均等加熱、あるいは任意の温度分布を持たせた状態での加熱が可能となる。
なお、上記実施形態ではインバータ１４によりＰＷＭ制御を行う旨記載した。しかしながら、本実施形態に係る誘導加熱方法では、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を採用することにより、上記加熱制御を実現しても良い。また、上記実施形態は、被加熱部２０の材質を鉄とした場合の例である。

１０………誘導加熱装置、１２（１２ａ〜１２ｃ）………誘導加熱コイル、１４（１４ａ〜１４ｃ）………インバータ、１６（１６ａ〜１６ｃ）………センサ、１８………制御部、２０………被加熱物、２０ａ………中径部、２０ｂ………小径部、２０ｃ………大径部。

Claims (2)

1. 近接配置した複数の誘導加熱コイルを用いて、各誘導加熱コイルに対応した加熱対象部位間の熱容量に違いを有する被加熱物を加熱する誘導加熱方法であって、
   近接配置した前記複数の誘導加熱コイルに投入する電流周波数を予め定めた基準周波数に一致させて、各誘導加熱コイルに投入する電流値を変化させる周波数同期加熱制御を行うと共に、
   前記基準周波数は、加熱開始時から所定時間、または前記被加熱物からの検出温度が所定温度に達するまでは第１周波数、所定時間経過後、または所定温度に到達後から設定時間、または目標温度に到達するまでは第２周波数、設定時間経過後、または目標温度到達後には第３周波数となるように切り替え、
   前記第１周波数、前記第２周波数、および前記第３周波数が、第２周波数＜第１周波数＜第３周波数の関係を満たすことを特徴とする誘導加熱方法。
2. 近接配置した複数の誘導加熱コイルを用いて、各誘導加熱コイルに対応した加熱対象部位間の熱容量に違いを有する被加熱物を加熱する誘導加熱装置であって、
   近接配置する複数の誘導加熱コイルと、
   前記複数の誘導加熱コイルの各々に対応し、各誘導加熱コイルに供給する電流値と周波数を定めるインバータと、
   加熱時間を計測するタイマと前記被加熱物の温度を計測するセンサのうちの少なくとも一方と、
   前記複数の誘導加熱コイルに投入する電流周波数を予め定めた基準周波数に一致させて、各誘導加熱コイルに投入する電流値を変化させる周波数同期加熱制御を行うと共に、加熱開始から前記タイマによって計測される時間が所定時間、または前記センサによって計測される被加熱物の温度が所定温度に達するまでは第１周波数、前記時間が所定時間経過後、または前記温度が所定温度に到達した後から設定時間、または目標温度に到達するまでは第２周波数、設定時間経過後、または目標温度到達後には第３周波数となるように切り替える信号を前記インバータに出力する制御部と、を備え、
   前記第１周波数、前記第２周波数、および前記第３周波数が、第２周波数＜第１周波数＜第３周波数の関係を満たすことを特徴とする誘導加熱装置。

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