JP7263674B2 - 誘導加熱装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インバータから供給される電気の電圧を昇圧ユニットで昇圧して加熱コイルに供給する誘導加熱装置およびその製造方法に関するものであり、詳しくは製造コストを抑制できる誘導加熱装置およびその製造方法に関するものである。

棒状のビレットを加熱する誘導加熱装置が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、電源から供給される電気の電圧を単相トランスで昇圧して加熱コイルに供給する誘導加熱装置が開示されている。従来の誘導加熱装置に設置される単相トランスは、高周波に対応した専用品であるため高価であり比較的大型となる不具合があった。誘導加熱装置の製造コストを抑制することが困難であった。

日本国実開平０６－０７０１９２号公報

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は製造コストを抑制できる誘導加熱装置およびその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するための誘導加熱装置は、加熱コイルと、この加熱コイルに電気を供給するインバータと、前記加熱コイルと前記インバータとの間に接続されていて前記加熱コイルに供給される電気の電圧を昇圧する昇圧ユニットとを備える誘導加熱装置において、前記インバータと前記昇圧ユニットとの間に接続されていて環状に形成されて且つ一対の部材で構成されるブスバーと、このブスバーに対して互いに並列となる状態で接続される複数の前記インバータと、前記ブスバーに対して互いに並列となる状態で接続される複数の前記昇圧ユニットとを備えていて、前記昇圧ユニットが、前記ブスバーと前記加熱コイルとを接続する一対の電線と、この電線にそれぞれ配置される一対の第一コンデンサとを備えていて、
前記昇圧ユニットに設置されている一対の前記第一コンデンサのうち一方の前記第一コンデンサの容量に対する他方の前記第一コンデンサの容量の容量誤差が予め定められる閾値以下に設定されていることを特徴とする。

上記の目的を達成するための誘導加熱装置の製造方法は、熱コイルと、この加熱コイルに電気を供給するインバータと、前記加熱コイルと前記インバータとの間に接続されていて前記加熱コイルに供給される電気の電圧を昇圧する昇圧ユニットとを備える誘導加熱装置の製造方法において、前記インバータと前記昇圧ユニットとの間に接続されていて環状に形成されて且つ一対の部材で構成されるブスバーを予め準備して、このブスバーに対して互いに並列となる状態で複数の前記インバータを接続するとともに、前記ブスバーに対して互いに並列となる状態で複数の前記昇圧ユニットを接続して、前記昇圧ユニットが一対の電線とこの電線にそれぞれ配置される一対の第一コンデンサを備えていて、前記ブスバーと前記加熱コイルとを一対の前記電線で接続することを特徴とする。

本発明によれば、昇圧ユニットをコンデンサで構成できる。誘導加熱装置の製造コストを抑制するには有利である。

昇圧ユニットの構成を例示する説明図である。 複数の昇圧ユニットの接続状態を例示する説明図である。

以下、誘導加熱装置およびその製造方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１に例示するように誘導加熱装置１は、加熱コイル２と、この加熱コイル２に電気を供給するインバータ３と、加熱コイル２とインバータ３との間に接続される昇圧ユニット４とを備えている。図１では説明のため昇圧ユニット４の範囲を破線で示している。

昇圧ユニット４は、加熱コイル２とインバータ３とを接続する一対の電線５を有している。一対の電線５にはそれぞれ第一コンデンサ６が配置されている。二つの第一コンデンサ６により、インバータ３から出力される電気を昇圧して加熱コイル２に供給できる。

一対の電線５の間には第二コンデンサ７が配置されている。具体的には一対の電線５どうしを接続する第二電線８に、第二コンデンサ７が配置されている。第二コンデンサ７および第二電線８は、インバータ３と第一コンデンサ６との間となる位置に接続されている。第二コンデンサ７は、力率を改善するために接続されている。昇圧ユニット４が第二コンデンサ７を備えない構成としてもよい。

インバータ３から出力される交流の電気は、昇圧ユニット４で電圧を昇圧された後に加熱コイル２に供給される。加熱コイル２は誘導加熱により例えば薄板を加熱する。

昇圧ユニット４はコンデンサで構成できるので、従来の単相トランスで構成される昇圧ユニットよりも安価となる。誘導加熱装置１の製造コストを抑制するには有利である。

従来の単相トランスはインダクタンス成分の影響が大きかった。そのため誘導加熱装置１の設計時に、このインダクタンスの影響を考慮しなくてはならず、設計作業が煩雑となる不具合があった。設計時の工数が比較的多くなるため、誘導加熱装置１の製造コストを抑制することが困難であった。

これに対して昇圧ユニット４を構成するコンデンサはインダクタンス成分の影響がないため、誘導加熱装置１の設計時の工数を従来より抑制できる。誘導加熱装置１の製造コストを抑制するには有利である。

図２に例示するように加熱コイル２に供給する電流量を増加させるために、複数の昇圧ユニット４を並列となる状態で接続して加熱コイル２に電気を供給する構成とすることがある。この実施形態では環状に形成されるブスバー９を介して、八台のインバータ３と、十二台の昇圧ユニット４とを接続している。複数のインバータ３は互いに並列となる状態でブスバー９に接続されている。また複数の昇圧ユニット４は互いに並列となる状態でブスバー９に接続されている。

ブスバー９は、環状に形成される主経路９ａと、この主経路９ａから複数のインバータ３にそれぞれ延設される副経路９ｂと、主経路９ａから複数の昇圧ユニット４にそれぞれ延設される副経路９ｃとで構成されている。ブスバー９を構成する主経路９ａおよび副経路９ｂ、９ｃは、交流の電気が流れるため一対の電線や銅板等で構成される。図２では説明のため副経路９ｂ、９ｃを一点鎖線で示している。インバータ３と昇圧ユニット４とはブスバー９により接続される構成に限定されない。電線など従来の構成を利用してインバータ３と昇圧ユニット４とが接続されてもよい。

複数の昇圧ユニット４は、加熱コイル２と例えば第二ブスバー１０で接続されている。第二ブスバー１０もブスバー９と同様に主経路および副経路で構成されている。図２では説明のため第二ブスバー１０の副経路を一点鎖線で示している。昇圧ユニット４と加熱コイル２とは第二ブスバー１０により接続される構成に限定されない。電線など従来の構成を利用して昇圧ユニット４と加熱コイル２とが接続されてもよい。

図１に例示する昇圧ユニット４において、二つの第一コンデンサ６のうち一方の第一コンデンサ６の容量に対する他方の第一コンデンサ６の容量の容量誤差が予め定められる閾値以下となる状態で一対の第一コンデンサ６のそれぞれの容量が決定されている。

容量誤差とは、一方の第一コンデンサ６の容量を基準として、二つの第一コンデンサ６の容量の差の絶対値の割合を百分率で示すものである。具体的には一方の第一コンデンサ６の容量をＣ１として、他方の第一コンデンサ６の容量をＣ２とすると、容量誤差ｄ＝（Ｃ１－Ｃ２）／Ｃ１で示すことができる。Ｃ１＝１１．０μＦ、Ｃ２＝１０．５μＦとすると、容量誤差ｄは約４．５％となる。基準となる第一コンデンサ６を入れ替えてＣ１＝１０．５μＦ、Ｃ２＝１１．０μＦとすると、容量誤差ｄは約４．８％となる。一対の第一コンデンサ６のうちいずれを基準とした場合であっても予め定められる閾値以下となる状態で、一対の第一コンデンサ６の組み合わせを決定する。なお容量Ｃ１およびＣ２はいずれもコンデンサの容量の実測値である。

容量誤差ｄの閾値は例えば５％に設定することができる。望ましくは２％以下、更に望ましくは１％以下となる値に閾値を設定する。

容量誤差ｄを抑制することで、並列に接続される昇圧ユニット４の間で異常電流が発生する不具合を抑制できる。図２に例示する実施形態では、インバータ３と昇圧ユニット４との間に接続されているブスバー９に大電流が流れてブスバー９が高温になる不具合を抑制できる。

誘導加熱装置１の製造時に、容量誤差ｄが大きいとブスバー９を循環する大電流が発生することを発見した。また容量誤差ｄを抑制することでこの異常電流を防止できることを、シミュレーションおよび誘導加熱装置１を用いた実験の両方において発見した。

第一コンデンサ６の容量Ｃや第一コンデンサ６どうしを接続する方法に応じて、閾値は適宜設定できる。例えばシミュレーションにより異常電流が発生しない範囲の閾値を確認した上で、閾値を適宜設定することができる。

複数の昇圧ユニット４のうち、ある昇圧ユニット４の第一コンデンサ６の容量Ｃと、別の昇圧ユニット４の第一コンデンサ６の容量Ｃとの容量誤差ｄは、異常電流の発生に影響しないことをシミュレーションおよび実験の両方において発見した。つまり異なる昇圧ユニット４に設置されている第一コンデンサ６どうしの容量誤差ｄは、閾値を超える範囲であっても許容される。

誘導加熱装置１を製造する際には、この誘導加熱装置１の回路図を利用してシミュレーションを行い容量誤差ｄの閾値を予め設定しておく。また複数のコンデンサを予め準備しておく。

複数のコンデンサの中から容量誤差ｄが設定された閾値以下となる組を作り、一対の第一コンデンサ６として昇圧ユニット４に組み込む。例えばコンデンサの容量Ｃが、１０．１μＦ、１０．３μＦ、１０．５μＦ、１０．６μＦの場合、１０．１μＦと１０．３μＦのコンデンサを組として一つの昇圧ユニット４に組み込む。このとき容量誤差ｄは約２．０％および約１．９％となる。また１０．５μＦと１０．６μＦのコンデンサを組として上記とは別の昇圧ユニット４に組み込む。このとき容量誤差ｄは約０．９５％および約０．９７％となる。

一対の第一コンデンサ６の容量誤差ｄが、閾値以下で且つ可能な限り小さくなる状態でコンデンサを組み合わせると更によい。ブスバー９に流れる異常電流をより小さくできるためである。

異なる昇圧ユニット４に組み込まれている第一コンデンサ６どうしの容量誤差ｄは異常電流の原因にならない。そのため予め準備される全てのコンデンサの容量が精度良く揃っている必要はない。同じ昇圧ユニット４に組み込まれる一対の第一コンデンサ６の容量誤差ｄが閾値以下であればよい。多数のコンデンサを準備する際のコストを抑制するには有利である。また予め準備した多数のコンデンサを有効に利用できる。

第一コンデンサ６や第二コンデンサ７が故障した場合には、昇圧ユニット４ごと交換すればよいため、メンテナンス性を向上できる。一つの昇圧ユニット４の中で一対の第一コンデンサ６の容量誤差ｄが閾値以下に設定されていれば、昇圧ユニット４の交換に伴い異常電流が発生する不具合を抑制できる。

誘導加熱装置１はブスバー９を備える構成に限定されない。電線等を利用して複数の昇圧ユニット４が設置される構成を誘導加熱装置１が備えていてもよい。この場合であってもそれぞれの昇圧ユニット４の中で一対の第一コンデンサ６の容量誤差ｄが閾値以下となる状態に設定されていれば、一方の昇圧ユニット４から他方の昇圧ユニット４に想定外の電流が流れる不具合を抑制できる。

昇圧ユニット４の間で異常電流が発生することを抑制できるので、昇圧ユニット４から加熱コイル２に電力を正常に供給するには有利である。

１ 誘導加熱装置
２ 加熱コイル
３ インバータ
４ 昇圧ユニット
５ 電線
６ 第一コンデンサ
７ 第二コンデンサ
８ 第二電線
９ ブスバー
９ａ 主経路
９ｂ 副経路
９ｃ 副経路
１０ 第二ブスバー
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ コンデンサの容量
ｄ 容量誤差

Claims (8)

1. 加熱コイルと、この加熱コイルに電気を供給するインバータと、前記加熱コイルと前記インバータとの間に接続されていて前記加熱コイルに供給される電気の電圧を昇圧する昇圧ユニットとを備える誘導加熱装置において、
   前記インバータと前記昇圧ユニットとの間に接続されていて環状に形成されて且つ一対の部材で構成されるブスバーと、このブスバーに対して互いに並列となる状態で接続される複数の前記インバータと、前記ブスバーに対して互いに並列となる状態で接続される複数の前記昇圧ユニットとを備えていて、
   前記昇圧ユニットが、前記ブスバーと前記加熱コイルとを接続する一対の電線と、この電線にそれぞれ配置される一対の第一コンデンサとを備えていて、
   前記昇圧ユニットに設置されている一対の前記第一コンデンサのうち一方の前記第一コンデンサの容量に対する他方の前記第一コンデンサの容量の容量誤差が予め定められる閾値以下に設定されていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記昇圧ユニットに設置されている一対の前記第一コンデンサのうち一方の前記第一コンデンサの実測値の容量に対する他方の前記第一コンデンサの実測値の容量の容量誤差が予め定められる閾値以下に設定されている請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記閾値が５．０％に設定されている請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記昇圧ユニットに設置されている前記第一コンデンサと、この昇圧ユニットとは別の前記昇圧ユニットに設置されている前記第一コンデンサとの容量誤差が前記閾値を超えている請求項１～３のいずれかに記載の誘導加熱装置。
5. 加熱コイルと、この加熱コイルに電気を供給するインバータと、前記加熱コイルと前記インバータとの間に接続されていて前記加熱コイルに供給される電気の電圧を昇圧する昇圧ユニットとを備える誘導加熱装置の製造方法において、
   前記インバータと前記昇圧ユニットとの間に接続されていて環状に形成されて且つ一対の部材で構成されるブスバーを予め準備して、このブスバーに対して互いに並列となる状態で複数の前記インバータを接続するとともに、前記ブスバーに対して互いに並列となる状態で複数の前記昇圧ユニットを接続して、
   前記昇圧ユニットが一対の電線とこの電線にそれぞれ配置される一対の第一コンデンサを備えていて、前記ブスバーと前記加熱コイルとを一対の前記電線で接続することを特徴とする誘導加熱装置の製造方法。
6. 予め準備される複数のコンデンサの中から、一方の前記コンデンサに対する他方の前記コンデンサの容量誤差が予め定められる閾値以下となる状態で一対の前記コンデンサが選択されて、このコンデンサが一対の前記第一コンデンサとして一つの前記昇圧ユニットに組み込まれる請求項５に記載の誘導加熱装置の製造方法。
7. 予め準備される複数のコンデンサの中から、一方の前記コンデンサに対する他方の前記コンデンサの実測値の容量誤差が予め定められる閾値以下となる状態で一対の前記コンデンサが選択されて、このコンデンサが一対の前記第一コンデンサとして一つの前記昇圧ユニットに組み込まれる請求項５に記載の誘導加熱装置の製造方法。
8. 前記昇圧ユニットに設置されている前記第一コンデンサと、この昇圧ユニットとは別の前記昇圧ユニットに設置されている前記第一コンデンサとの容量誤差が前記閾値を超えている請求項６または７に記載の誘導加熱装置の製造方法。

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