JPH11219777A

JPH11219777A - 電磁誘導加熱装置の温度制御装置及びその温度制御方法

Info

Publication number: JPH11219777A
Application number: JP2067098A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Watarikawa; 裕之渡川; Taizo Kawamura; 泰三川村; Yoshitaka Uchibori; 義隆内堀
Original assignee: SEDA GIKEN KK; Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: SEDA GIKEN KK; Omron Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、出力電流を制限することにより、
発熱体９の温度が磁気変態温度を越えても、高周波電流
発生器の暴走及び破損を防止する電磁誘導加熱装置の温
度制御装置を提供する。【解決手段】本発明は、発熱体９と、コイル１０と、
高周波電流発生器５とを備え、前記発熱体９の磁性材料
が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態
を起こす電磁誘導加熱装置１に対して用いられる温度制
御装置であって、流体の温度を検出する温度検出手段１
３と、検出温度に基づいて、前記発熱体への投入電力の
目標値を調整しながら、前記投入電力を制御する温度・
電力のカスケード制御手段２と、出力電流を検出する電
流検出手段６と、検出電流に基づいて、前記出力電流が
所定の制限電流を越えないように、前記温度・電力のカ
スケード制御手段２に優先して前記出力電流を制限する
電流制限手段２ｂとを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体や気体等の流
体の通路に設けられた磁性材料の発熱体を電磁誘導加熱
で加熱し、前記流体を直接的な熱移動で加熱する電磁誘
導加熱装置の温度制御装置及び温度制御方法に関し、特
に前記発熱体を構成する磁性材料の磁気変態に拘わら
ず、加熱や始動可能な電磁誘導加熱装置の温度制御装置
及び温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の電磁誘導加熱装置３１の従来例
の構造を図８に基づいて説明する。流体が通過するパイ
プ４０を絶縁体で構成し、このパイプ４０内に収納され
流体が浸かる発熱体３７をパイプ４０に巻かれたコイル
３８による電磁誘導で加熱するものである。このコイル
３８に交番磁界を生じさせるために、高周波電流発生器
としてセンサレス高力率高周波インバータ３５が用いら
れる。この高周波インバータ３５の出力を制御するの
が、位相シフト制御部３３ａとゲートドライバー３３ｂ
からなる制御器３３である。パイプ４０の出口側には温
度検出器４１が取り付けられ、温度制御部３２が前記位
相シフト制御部３３ａに接続される。なお、高周波電流
発生器３５は、交流電源３４に対する整流部４２と、非
平滑フィルタ４３と、インバータ本体４４とからなって
いる。

【０００３】上記のように発熱体３７は電磁誘導で自己
発熱し、この発熱体３７が流体を直接加熱する構成にな
っているため、発熱体３７には特殊材料が用いられる。
第１に強磁性体である必要があり、第２に、流体に直接
接するため耐腐食性に優れる必要がある。このような条
件を満たす材料として、特開平６−２９７２８７号公報
に提案されるようなＣｒ，Ｆｅを主成分とするマルテン
サイト系ステンレス鋼が用いられる。

【０００４】上述した構造の電磁誘導加熱装置３１の通
常の運転時においては、パイプ４０の下側から供給され
る低温流体３６は発熱体３７内で乱流流体３９となって
熱交換され、パイプ４０の上側から高温流体４５となっ
て排出される。この高温流体４５の温度が温度検出器４
１で測定され、所定温度との差に応じた指令が温度制御
部３２から位相シフト制御部３３ａに出力され、ゲート
ドライバー３３ｂを経て高周波インバータ３５の出力電
流が適正に制御される。この直接加熱による電磁誘導加
熱装置３１によると、流体が浸かる発熱体３７の伝熱面
積を大きくすることなどにより、発熱体３７から流体へ
の伝熱効率を高め、図９に示すように、安定な温度制御
時において発熱体３７の加熱温度Ｔ₃₇を高温流体４５の
温度Ｔ₄₅近辺に抑えることができるという特徴を持って
いる。また、温度制御立ち上げ時においては、発熱体３
７の温度Ｔ₃₇が、高温流体４５の温度Ｔ₄₅よりも先行し
て高くなるという特徴を持っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示すように、立ち上げ時には、温度検出器４１が検知す
る流体の温度Ｔ₄₅と、実際の発熱体３７の温度Ｔ₃₇との
間には相当の開きが生じるため、制御部３３は、温度検
出器４１の検知する流体の温度Ｔ₄₅が上昇するように、
センサレス高力率高周波インバータ３５を制御する。即
ち、発熱体３７の温度Ｔ₃₇をどんどん上昇させることに
より、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ₄₅を上昇
させようとするため、過度の電流が高周波インバータ３
５に流れ、機器を破損するという問題を生じた。この原
因を追求したところ、下記のことが判明した。

【０００６】コイル３８と発熱体３７からなる加熱体系
は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで
表すことができ、Ｌ１、Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回路
で表示することができる。このＲ−Ｌ回路の等価抵抗を
Ｒ、同回路の固有抵抗をｒとし、同回路に流れる電流を
Ｉｃ、同回路にかかる電力をＰ₀とする。図１０は、こ
のＲ、ｒ、Ｉｃ、Ｐ₀が発熱体３７の温度Ｔ₃₇と共にど
のように変化するかを示している。

【０００７】固有抵抗ｒは温度Ｔ₃₇と共に上昇するが、
等価抵抗Ｒはある温度Ｔ₀から急激に低下する。そのた
め、発熱体３７の温度Ｔ₃₇がある温度Ｔ₀に達すると、
電流Ｉｃと電力Ｐ₀が増加に転じる。電流Ｉｃと電力Ｐ
₀が増えすぎて定格を越えると、高周波インバータ３５
を構成する電力素子が破損する。このような現象が生じ
るのは、発熱体３７そのものの温度Ｔ₃₇が高温になり、
発熱体３７を構成する磁性体が磁気変態温度Ｔ₀に達す
るからである。すなわち磁気変態を起こす温度Ｔ₀に達
すると、発熱体３７の磁性が急変して強磁性体から常磁
性体に変わるため、コイル３８が短絡状態になり、電力
素子が破損する。

【０００８】以上のように、電磁誘導加熱装置の温度制
御装置は、図８に示すように、温度検出器４１が発熱体
３７の温度Ｔ₃₇を直接検出するのではなく、温度検出器
４１が発熱体３７と熱交換した流体４５の温度Ｔ₄₅を検
出するようになっているため、温度制御立ち上がり時に
おいて、温度検出器４１が検知する流体の温度Ｔ₄₅と、
発熱体３７の実際の温度Ｔ₃₇との間には相当の開きが生
じる。その結果、制御部３３は、発熱体３７の温度Ｔ₃₇
をどんどん上昇させることにより、温度検出器４１が検
知する流体の温度Ｔ₄₅を上昇させようとする。そして、
発熱体３７の温度Ｔ₃₇が磁気変態温度Ｔ₀を越えると、
過度の電流が急激にセンサレス高力率高周波インバータ
３５に流れ込み、高周波インバータ３５が暴走し、電力
素子等の機器が破損するという問題点がある。

【０００９】そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、出力電流
を制限することにより、発熱体３７の温度Ｔ₃₇が磁気変
態温度Ｔ₀を越えても、出力電流の急増及び高周波電流
発生器の暴走、機器の破損を防止する電磁誘導加熱装置
の温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体
の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周
波電流発生器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温
になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を起こす
電磁誘導加熱装置に対して用いられる温度制御装置であ
って、前記発熱体により加熱される流体の温度を検出す
る温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に基づ
いて、前記発熱体への投入電力の目標値を調整しなが
ら、前記投入電力を制御する温度・電力のカスケード制
御手段と、前記高周波電流発生器から前記コイルに流れ
る出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手
段の検出電流に基づいて、前記出力電流が所定の制限電
流を越えないように、前記温度・電力のカスケード制御
手段に優先して前記出力電流を制限する電流制限手段と
を有することを特徴とする。これにより、出力電流の急
増や高周波電流発生器の暴走を防止できるため、機器の
破損を防止できる。また、出力電流制限時においても、
投入電力の目標値を調整変更しても、バンプレスな（目
標値が急変しない）ゼロスターティングができる。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成に加えて、前記検出電流が前記発熱体の磁性で
決まる所定の基準電流に達すると、前記温度・電力のカ
スケード制御手段から前記電流制限手段に切り替える切
替手段を有することを特徴とする。これにより、電流制
限手段を温度・電力のカスケード制御手段に容易に優先
させることができる。

【００１２】請求項３記載の発明は、流体通路に設けら
れた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられ
たコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器とを
備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程
度が急激に減少する磁気変態を起こす電磁誘導加熱装置
の温度制御方法であって、前記発熱体が流体に浸かるよ
うに前記流体通路に流体を満たし、前記流体を流さない
状態で、検出温度に基づいて投入電力量の目標値を調整
する温度・電力のカスケード制御を行いながら加熱する
予熱工程と、前記予熱工程時に、検出電流が、発熱体の
材質で決まる所定の基準電流に達すると、前記温度・電
力のカスケード制御から電力制御単独に切り替え、前記
出力電流が所定の制限電流を越えないように制御しなが
ら加熱する単独制御工程と、予熱工程終了後、前記流体
通路の流体を流し、再び、前記温度・電力のカスケード
制御を行いながら加熱する通常加熱工程とを含むことを
特徴とする。これにより、出力電流の急増や高周波電流
発生器の暴走を防止できるため、機器の破損を防止でき
る。また、この予熱後に流体を流すと、スタート時から
高温流体を得ることができる。さらに、出力電流制限時
においても、投入電力の目標値を調整変更しても、通常
加熱工程移行時にバンプレスな（目標値が急変しない）
ゼロスターティングができる。また、予熱工程で電力制
御単独時に検出温度が予熱温度を越える場合、温度・電
力カスケード制御を行い、予熱温度を最適温度に維持す
ることができる。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明に加えて、前記通常加熱工程時において、何らかの外
部要因により流体の流れが止まった場合、前記単独制御
工程に切り替えて加熱することを特徴とする。これによ
り、流量センサ等の他の異常検出手段を設けること無く
異常検出及び復帰後動作ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、電磁誘導加熱装
置１は、装置本体２７と、温度制御装置２・３・６・７
・１３と、交流電源４と、高周波電流発生器５とを有し
ており、発熱体９を介して低温流体８を加熱するように
なっている。

【００１５】上記の装置本体２７は、流体通路を形成す
る非金属パイプ１２内に、発熱体９を収納し、非金属パ
イプ１２の外周にコイル１０を巻き付けたものである。
このコイル１０には、高周波電流発生器５を介して交流
電源４が接続されており、発熱体９に磁場を印加するよ
うになっている。また、発熱体９には、流体通路が設け
られており、発熱体９の流体通路内で低温流体８を均一
加熱するようになっている。

【００１６】上記の温度制御装置２・３・６・７・１３
は、温度・電流のカスケード制御手段及び電流制限手段
を構成する温度制御部２と、高周波電流制御部３と、温
度検出手段を構成する温度検出器１３と、電流検出手段
を構成する電流検出部６と、電流制限手段及び切替手段
を構成するスイッチ切替部７とを有しており、検出温度
と検出電流Ieとに基づいて高周波電流発生器５を制御す
ることにより、高温流体２８の温度を調整するようにな
っている。

【００１７】上記の温度検出器１３は、非金属パイプ１
２の上側の出口付近に設けられており、発熱体９により
加熱された高温流体の温度を検出するようになってい
る。この温度検出器１３は、温度制御部２に接続されて
おり、検出温度を温度制御部２に送るようになってい
る。

【００１８】上記の電流検出部６は、高周波電流発生器
５に接続されており、高周波電流発生器５の出力する電
流Icを検出するようになっている。また、温度制御部２
に接続されており、検出電流ＰＶ２を温度制御部２に送
るようになっている。

【００１９】上記のスイッチ切替部７は、図２で示すよ
うに、電流検出部６に接続されており、電流検出部６か
ら検出電流を受取ると、基準電流Idと比較し、（検出電
流ＰＶ２）＜（基準電流Id）の場合、スイッチＳＷ１・
ＳＷ２をＯＮ状態に切り替え、（検出電流ＰＶ２）≧
（基準電流Id）の場合、ＯＦＦ状態に切り替えるように
なっている。尚、基準電流Idは、発熱体９の材質で決ま
る値であり、予め設定されている。

【００２０】上記の温度制御部２は、図２に示すよう
に、温度制御ループ２ａと、電力制御ループ２ｂを有し
ており、検出温度と検出電流ＰＶ２とに基づいた動作信
号（温度偏差・電流偏差）を算出するようになってい
る。この温度制御ループ２ａは、第１比較部１７と、第
１演算部１８と、スイッチＳＷ２と、追従部１９とを有
しており、スイッチＳＷ２がＯＮ状態の場合（温度・電
力のカスケード制御時）には、高温流体の設定温度であ
る第１設定値ＳＰ(set point) と検出温度ＰＶ(process
value) とに基づいて、出力電流Icの目標値である第２
設定値ＣＳＰ(cascade set point) を算出するようにな
っている。即ち、第１比較部１７が、第１設定値ＳＰと
検出温度ＰＶとの温度偏差ＤＶ（deviation value)を算
出し、第１演算部１８が、温度偏差ＤＶに基づいてＰＩ
Ｄ制御を行い、第２設定値ＣＳＰを算出するようになっ
ている。尚、第１設定値ＳＰは、オペレータが所望の温
度に設定することにより変化する基準値であるが、設定
後は、固定の基準値である。また、第２設定値ＣＳＰ
は、温度・電力のカスケード制御によって、検出温度Ｐ
Ｖの変化に伴い常時変化する基準値である。

【００２１】また、スイッチＳＷ２がＯＦＦ状態の場合
（電力制御ループ２ｂの単独制御時）には、出力電流Ic
の設定電流である第３設定値ＦＳＰ(fix set point) が
追従部１９を介して追従値ＣＴＶ(cascade tracing val
ue) に変換され、第１演算部１８に追従するようになっ
ている。即ち、第１演算部１８は、温度偏差ＤＶと追従
値ＣＴＶに基づいてＰＩＤ制御を行い、ＯＮ状態になっ
たときに第２設定値ＣＳＰが急変しないようになってい
る。尚、第３設定値ＦＳＰは、オペレータが設定するこ
とにより変化する基準値であるが、設定後は、固定の基
準値である。

【００２２】上記の電力制御ループ２ｂは、第２比較部
２０と、第２演算部２１と、スイッチＳＷ１とを有して
おり、操作信号ＭＶ（manipulated value)を算出するよ
うになっている。即ち、スイッチＳＷ１・ＳＷ２が共に
ＯＮ状態の場合（温度・電力のカスケード制御時）に
は、第２比較部２０は、第２設定値ＣＳＰと検出電流Ｐ
Ｖ２(process value) とに基づいて、電流偏差ＤＶ２
（deviation value)を算出するようになっており、第２
演算部２１は、その電流偏差ＤＶ２に基づいてＰＩＤ制
御を行い、操作信号ＭＶを算出するようになっている。
また、スイッチＳＷ１・ＳＷ２が共にＯＦＦ状態の場合
（電力制御ループ２ｂの単独制御時）には、第２比較部
２０は、第３設定値ＦＳＰと検出電流ＰＶ２とに基づい
て、電流偏差ＤＶ２を算出するようになっており、第２
演算部２１は、その電流偏差ＤＶ２に基づいてＰＩＤ制
御を行い、操作信号ＭＶを算出するようになっている。

【００２３】上記の高周波電流制御部３は、図１に示す
ように、位相シフト制御部３ａと、ゲートドライバー３
ｂとを有しており、高周波電流発生器５を制御するよう
になっている。位相シフト制御部３ａは、電力制御ルー
プ２ｂに接続されており、操作信号ＭＶを受信すると、
制御信号を算出し、ゲートドライバー３ｂを介して高周
波電流発生器５を制御するようになっている。

【００２４】高周波電流発生器５は、交流電源４に対す
る整流部１４と、非平滑フィルタ１５と、インバータ１
６とを有しており、操作信号に基づいて交流電流を適当
な高周波電流に変換するようになっている。また、コイ
ル１０に接続されており、高周波電流をコイル１０に通
電するようになっている。尚、本実施形態では、センサ
レス高力率高周波インバータが用いられている。

【００２５】上記の構成において、電磁誘導加熱装置１
の動作を説明する。図３に示すように、オペレータは、
予熱運転するか否か判断する（Ｓ１）。予熱運転する場
合（Ｓ１、ＹＥＳ）、温度制御ループ２ａの第１設定値
ＳＰを所望の予熱温度に設定する。予熱温度が設定され
ると、図１に示すように、非金属パイプ１２内に流体８
を導入し、温度検出器１３が浸るまで低温流体８を充填
する（Ｓ２）。低温流体８を充填すると、電磁誘導加熱
装置１の運転が開始され、高周波電流発生器５によりコ
イル１０に通電され、発熱体９が加熱される。発熱体９
が加熱されると、充填された流体８は、徐々に加熱され
る。但し、予熱運転の始動時においては、流体８が乱流
流体１１のように流れておらず、流体全体の熱伝達が自
然対流だけであるため、熱伝達効率が悪い。即ち、一定
の間、流体温度は、低いままである。一方、温度検出器
１３は、流体８の温度を検出し、温度制御ループ２ａに
検出温度ＰＶを送る。また、電流検出部６は、高周波電
流発生器５の出力電流を検出し、電力制御ループ２ｂに
検出電流ＰＶ２を送る。

【００２６】温度制御部２が各検出信号ＰＶ・ＰＶ２を
受信すると、温度制御部２は、装置本体２７が低温流体
８を予熱温度まで加熱するように、予熱での温度・電力
のカスケード制御を行う（Ｓ３）。図２に示すように、
温度制御ループ２ａは、第１比較部１７により第１設定
値ＳＰと検出温度ＰＶとの温度偏差ＤＶを算出し、第１
演算部１８によりＰＩＤ制御を行い、第２設定値ＣＳＰ
を算出する。一方、電力制御ループ２ｂは、第２比較部
２０により第２設定値ＣＳＰと検出電流ＰＶ２との電流
偏差ＤＶ２を算出し、第２演算部２１によりＰＩＤ制御
を行って、操作信号ＭＶを算出し、位相シフト制御部３
ａに送る。

【００２７】位相シフト制御部３ａが操作信号ＭＶを受
信すると、図１に示すように、高周波電流制御部３は、
ゲートドライバー３ｂを介して高周波電流発生器５に制
御信号を送る。高周波電流発生器５は、制御信号に基づ
いて交流電流を制御してコイル１０に通電する。

【００２８】以上のように、予熱での温度・電力のカス
ケード制御を行うが、予熱運転は、流体を流さないで行
うため、温度検出器１３の検出温度ＰＶは、低いままで
ある。従って、予熱での温度・電力のカスケード制御を
継続すると、図５に示すように、発熱体９の温度がどん
どん上昇し、従来のように、出力電流Iaが急増するた
め、高周波電流発生器５が暴走する。そこで、本発明で
は、暴走しないように、電力制御ループ２ｂの単独制御
を行う。

【００２９】次に、単独制御について説明する。スイッ
チ切替部７は、電流検出部６からの検出電流ＰＶ２を受
取ると、検出電流ＰＶ２と、予め設定されている基準電
流Ibとを比較し、（検出電流ＰＶ２）≧（基準電流Ib）
か否かを判定する（Ｓ４）。（検出電流ＰＶ２）≧（基
準電流Id）である場合（Ｓ４、ＹＥＳ）、図４に示すよ
うに、スイッチ切替部７は、スイッチＳＷ１・ＳＷ２を
ＯＦＦ状態にし、電力制御ループ２ｂの単独制御に切り
替える（Ｓ５）。

【００３０】電力制御ループ２ｂの単独制御に切り替え
ると、電力制御ループ２ｂは、単独制御を行う（Ｓ
６）。具体的には、第２比較部２０により第３設定値Ｆ
ＳＰと検出電流ＰＶ２との電流偏差ＤＶ２を算出し、第
２演算部２１によりその電流偏差ＤＶに基づいて、出力
電流Icが所定の制限電流Ib（図５参照）を越えないよう
な操作信号ＭＶを算出し、位相シフト制御部３ａに送信
る（Ｓ６）。位相シフト制御部３ａが操作信号ＭＶを受
取ると、図１に示すように、高周波電流制御部３は、ゲ
ートドライバー３ｂを介して高周波電流発生器５に制御
信号を送る。高周波電流発生器５は、制御信号に基づい
て交流電流を制御してコイル１０に通電する。

【００３１】これにより、図５に示すように、発熱体９
の温度Ｔ₉が、磁気変態温度Ｔ₀を越えて上昇しても、
コイル１０に通電される出力電流Icは、制限電流Ibを越
えないように制限されるため、高周波電流発生器５の暴
走を防止し、電力素子等の機器の破損を防止できる。

【００３２】また、Ｓ６において、第３設定値ＦＳＰ
は、追従部１９により追従値ＣＴＶに変換されて第１演
算部１８に追従される。このように、追従させることと
したのは、通常での温度・電力のカスケード制御に復帰
した際に、第２設定値ＣＳＰが急変しないようにするた
めである。即ち、単独制御時において、オペレータは、
手動で第３設定値ＦＳＰを調整変更するが、その設定値
によっては、その後カスケード制御に復帰した際、発熱
体９が磁気変態温度に至る程の電流を流す場合があり、
従来のように、過度の電流が高周波電流発生器５に急激
に流れないようにするためである。

【００３３】一方、Ｓ４において、（検出電流ＰＶ２）
＜（基準電流Id）である場合（Ｓ４、ＮＯ）、図２に示
すように、スイッチＳＷ１・ＳＷ２はＯＮ状態に維持さ
れ、Ｓ７へ移行する。

【００３４】検出温度ＰＶが予熱温度である第１設定値
ＳＰを越える場合には（Ｓ６′、ＹＥＳ）、Ｓ３へ移行
し、検出温度ＰＶが第１設定値ＳＰに近づくように予熱
での温度・電力のカスケード制御を行い、予熱温度を最
適温度に維持しておく。一方、温度検出器１３の検出温
度ＰＶが第１設定値ＳＰに達し一定時間経過等により、
オペレータが予熱運転完了と判断した場合には（Ｓ
６′、ＮＯ，Ｓ７、ＹＥＳ）、予熱運転を終了して、図
１に示すように、パイプ１２内に乱流流体１１を流す
（Ｓ８）。流体１１が流れると、通常での温度・電力の
カスケード制御を行う（Ｓ９）。

【００３５】通常での温度・電力のカスケード制御で
は、図２に示すように、予熱での温度・電力のカスケー
ド制御の場合と同様に、スイッチＳＷ１・ＳＷ２を共に
ＯＮ状態にして、センサレス高力率高周波インバータ５
を制御する。

【００３６】次に、通常運転時に、何らかの外乱により
流体の流れが停止すると、（検出電流ＰＶ２）≧（基準
電流Id）となり（Ｓ１０、ＹＥＳ）、電力制御ループ２
ｂの単独制御に切替える（Ｓ５）。流体の流れの停止に
より予熱運転時のように、流体の熱効率が悪化するた
め、発熱体の温度が上昇している場合でも、温度検出器
１３の検出温度が低いままになるためである。

【００３７】外乱での電力制御ループ単独制御が行われ
ると、Ｓ５からＳ６′の処理が繰り返される。そして、
オペレータは、外乱による異常から復帰したと判断した
場合には（Ｓ７、ＹＥＳ）、異常復帰運転を終了して、
図１に示すように、再び乱流流体１１をパイプ１２内に
流す（Ｓ８）。流体１１が流れると、再び、通常での温
度・電力のカスケード制御が行われる（Ｓ９）。尚、Ｓ
７において、予熱運転または、異常復帰が完了していな
い場合は（Ｓ７、ＮＯ）、単独制御中であれば（Ｓ
７′、ＹＥＳ）、Ｓ６へ移行し、単独制御中でなければ
（Ｓ７′、ＮＯ）、Ｓ３へ移行する。

【００３８】また、Ｓ１０において、何らかの外乱がな
い場合には（Ｓ１０、ＮＯ）、オペレータは、運転を継
続するか判断する（Ｓ１１）。運転を継続する場合には
（Ｓ１１、ＹＥＳ）、Ｓ９からＳ１０の処理が繰り返さ
れる。一方、運転を停止する場合には（Ｓ１１、Ｎ
Ｏ）、オペレータは、電磁誘導加熱装置１を停止させる
（エンド）。

【００３９】尚、流体として液体を用いる場合のゼロス
ターティング方法を説明したが、流体として気体を加熱
する場合のゼロスターティングにも適用できる。例えば
水素を加熱する場合、スタート時から水素を流すのでは
なく、不活性ガスの窒素を電磁誘導加熱装置を含む加熱
系に充満させ、電磁誘導加熱装置の予熱後に水素を流し
て窒素を追い出すというゼロスターティングが行われ
る。したがって、予熱時に用いられる流体と、始動後の
流体とは必ずしも一致させる必要がない。

【００４０】また、流体として液体を用いる場合のゼロ
スターティングであっても、電磁誘導加熱装置を窒素や
空気等でパージした状態で予熱してからゼロスターティ
ングさせることができる。この場合も予熱時の流体とゼ
ロスターティングで流す流体が一致しない。しかし予熱
時に何らかの流体が充満され、予熱後にこの流体が押し
出される点については共通している。

【００４１】尚、本実施形態に係る電磁誘導加熱装置１
の加熱体系は、図６に示すように、インバータ１６によ
る非金属パイプ１２と導電性金属の発熱体９からなり、
漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで表す
ことができるため、Ｌ１，Ｒ１からなる単純なＲ−Ｌ回
路で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コン
デンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変
化しない不時変回路系とすることができる。そのため、
共振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同
調が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最
適設計回路が行える。

【００４２】インバータ１６は、４個のスイッチング素
子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ２とを直列
に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直列に接続したもの
を並列に接続してなっている。このスイッチング素子Ｑ
１〜Ｑ４はスイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４
とを並列に接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉ
ｃＩｎｄｕｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ
−ＳＩＴ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＭＣ
Ｔ等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。

【００４３】スイッチＳ１，Ｓ４が閉じると、ａ点から
負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ点に至る回路に電流が流れ、ス
イッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１
を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷
Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことに
なる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデュ
ーティサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ
１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッ
チＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。
基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜１
８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰ
ＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力
を０から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる
最大出力まで連続的に変化させることができる。

【００４４】尚、上記の電流検出部６は、インバータ１
６のａ点からｂ点に至る回路の適所に設けられ、この回
路に流れる電流を測定する測定部２２と、この測定部２
２からの電流値を変換する整流器２３、バイパスコンデ
ンサ２４、並列抵抗２５、直列抵抗２６を有し、これら
によって電力制御ループ２ｂに入力可能な電圧に変換さ
れる。

【００４５】つぎに、発熱体９の好ましい態様を図７に
より説明する。図７（ａ）は発熱体９の構造を示す上面
図、図７（ｂ）は発熱体９の構造を示す斜視図である。
発熱体９は、平板状の第１シート材９１と波形状の第２
シート材９２を交互に積層し、側面の両端には第１シー
ト材９１が位置するようにし、全体として円柱状に形成
したものである。このような多層積層体にした規則充填
材であると、始動時に静止流体と接する面積が大きく、
静止流体に対する発熱体からの熱移動が短時間で行われ
る。そのため、上述したゼロスターティングに有効な発
熱体９となる。なお、この発熱体９は流れる流体を均一
に加熱することができる構造になっており、その構造を
以下に説明する。

【００４６】第２シート材９２の波の山（又は谷）９３
は中心軸９４に対して角度αだけ傾くように配置され、
第１シート材９１を挟んで隣り合う第２シート材９２の
波の山（又は谷）９３が交差するように配置されてい
る。そして、隣り合う第２シート材９２における波の山
（又は谷）９３の交差点９５において、第１シート材９
１と第２シート材９２はスポット溶接で溶着され、電気
的に導通可能になっている。また、第２シート材９２の
表面には、流体の乱流を生じさせるための孔９６が設け
られている。この孔９６に代わるか又は加えて、第１シ
ート材９１及び／又は第２シート材９２に梨地加工を施
して表面をザラザラにすることも有効である。

【００４７】要するに、発熱体９の中心軸９４を通る直
径方向Ｄに対して、略平行に第１シート材９１と第２シ
ート材９２が配置され、電気的には直径Ｄと略平行な方
向（周辺部を横切る方向）に最も流れやすくなってい
る。すると、電磁誘導において現れる表皮効果（発熱体
９の外周部分だけが加熱される状態）が出現せず、発熱
体９の中央部も加熱される。このように発熱体９の中央
部が加熱される形式の発熱体としては、シート材９１，
９２の積層構造に限らず、小径管の多数を集合させて形
成した発熱体であってもよい。この場合、小径管の各々
の表面が加熱され、全体として略均一な加熱が可能な発
熱体が得られる。

【００４８】尚、コイル１０の短絡状態を防止する方法
として、発熱体９の化学組成を変えて、その磁気変態温
度Ｔ₀をより高温側にシフトさせることも考えられる
が、発熱体９の化学組成を変えると、耐腐食性が悪くな
るため、妥当な解決方法ではない。

【００４９】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、流体通路に設け
られた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けら
れたコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器と
を備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の
程度が急激に減少する磁気変態を起こす電磁誘導加熱装
置に対して用いられる温度制御装置であって、前記発熱
体により加熱される流体の温度を検出する温度検出手段
と、前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記発熱
体への投入電力の目標値を調整しながら、前記投入電力
を制御する温度・電力のカスケード制御手段と、前記高
周波電流発生器から前記コイルに流れる出力電流を検出
する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出電流に基
づいて、前記出力電流が所定の制限電流を越えないよう
に、前記温度・電力のカスケード制御手段に優先して前
記出力電流を制限する電流制限手段とを有する構成であ
る。これにより、出力電流の急増や高周波電流発生器の
暴走を防止できるため、機器の破損を防止できるという
効果を奏する。また、出力電流制限時においても、投入
電力の目標値を調整変更しても、バンプレスな（目標値
が急変しない）ゼロスターティングができるという効果
を奏する。

【００５０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成に加えて、前記検出電流が前記発熱体の磁性で
決まる所定の基準電流に達すると、前記温度・電力のカ
スケード制御手段から前記電流制限手段に切り替える切
替手段を有する構成である。これにより、電流制限手段
を温度・電力のカスケード制御手段に容易に優先させる
ことができるという効果を奏する。

【００５１】請求項３記載の発明は、流体通路に設けら
れた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲に設けられ
たコイルと、前記コイルに対する高周波電流発生器とを
備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になると磁性の程
度が急激に減少する磁気変態を起こす電磁誘導加熱装置
の温度制御方法であって、前記発熱体が流体に浸かるよ
うに前記流体通路に流体を満たし、前記流体を流さない
状態で、検出温度に基づいて投入電力量の目標値を調整
する温度・電力のカスケード制御を行いながら加熱する
予熱工程と、前記予熱工程時に、前記コイルに流れる出
力電流が、発熱体の材質で決まる所定の基準電流に達す
ると、前記温度・電力のカスケード制御から電力制御単
独に切り替え、前記出力電流が所定の制限電流を越えな
いように制御しながら加熱する単独制御工程と、予熱工
程終了後、前記流体通路の流体を流し、再び、前記温度
・電力のカスケード制御を行いながら加熱する通常加熱
工程とを含む方法である。これにより、出力電流の急増
や高周波電流発生器の暴走を防止できるため、機器の破
損を防止できるという効果を奏する。また、この予熱後
に流体を流すと、スタート時から高温流体を得ることが
できるという効果を奏する。さらに、出力電流制限時に
おいても、投入電力の目標値を調整変更しても、通常加
熱工程移行時にバンプレスな（目標値が急変しない）ゼ
ロスターティングができるという効果を奏する。また、
予熱工程で検出温度が予熱温度を越える場合、温度・電
力カスケード制御を行い、予熱温度を最適温度に維持で
きるという効果を奏する。

【００５２】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明に加えて、前記通常加熱工程時において、何らかの外
部要因により流体の流れが止まった場合、前記単独制御
工程に切り替えて加熱する方法である。これにより、流
量センサ等の他の異常検出手段を設けること無く異常検
出及び復帰後動作ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電磁誘導加熱装置及びその温度制
御装置のブロック図である。

【図２】温度制御ループと電力制御ループを説明するブ
ロック図である。

【図３】電磁誘導加熱装置の温度制御を説明するフロー
チャートである。

【図４】温度制御ループと電力制御ループを説明するブ
ロック図である。

【図５】コイルへの出力電流と発熱体の温度との関係を
説明する図である。

【図６】高周波電流発生器と電流検出部との機器構成図
である。

【図７】発熱体の構造図である。

【図８】従来の電磁誘導加熱装置及びその温度制御装置
のブロック図である。

【図９】加熱時間と発熱体の温度及び検出温度との関係
を説明する図である。

【図１０】従来の温度制御装置における出力電流と発熱
体の温度との関係を説明する図である。

【符号の説明】

１電磁誘導流体加熱装置２温度制御部３高周波電流制御部４交流電源５高周波電流発生器６電流検出部７スイッチ切替部８低温流体９発熱体１０コイル１１乱流流体１２パイプ１３温度検出器１７第１比較部１８第１演算部１９追従部２０第２比較部２１第２演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内堀義隆大阪府茨木市美沢町19番21号株式会社瀬田技研内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体通路に設けられた磁性材料の発熱体
と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイ
ルに対する高周波電流発生器とを備え、前記発熱体の磁
性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁
気変態を起こす電磁誘導加熱装置に対して用いられる温
度制御装置であって、前記発熱体により加熱される流体の温度を検出する温度
検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記発熱体へ
の投入電力の目標値を調整しながら、前記投入電力を制
御する温度・電力のカスケード制御手段と、前記高周波電流発生器から前記コイルに流れる出力電流
を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出電流に基づいて、前記出力電流
が所定の制限電流を越えないように、前記温度・電力の
カスケード制御手段に優先して前記出力電流を制限する
電流制限手段と、を有することを特徴とする電磁誘導加
熱装置の温度制御装置。
【請求項２】前記検出電流が前記発熱体の磁性で決ま
る所定の基準電流に達すると、前記温度・電力のカスケ
ード制御手段から前記電流制限手段に切り替える切替手
段を有することを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加
熱装置の温度制御装置。
【請求項３】流体通路に設けられた磁性材料の発熱体
と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイ
ルに対する高周波電流発生器とを備え、前記発熱体の磁
性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁
気変態を起こす電磁誘導加熱装置の温度制御方法であっ
て、前記発熱体が流体に浸かるように前記流体通路に流体を
満たし、前記流体を流さない状態で、検出温度に基づい
て投入電力量の目標値を調整する温度・電力のカスケー
ド制御を行いながら加熱する予熱工程と、前記予熱工程時に、検出電流が、発熱体の材質で決まる
所定の基準電流に達すると、前記温度・電力のカスケー
ド制御から電力制御単独に切り替え、前記出力電流が所
定の制限電流を越えないように制御しながら加熱する単
独制御工程と、予熱工程終了後、前記流体通路の流体を流し、再び、前
記温度・電力のカスケード制御を行いながら加熱する通
常加熱工程と、を含むことを特徴とする電磁誘導加熱装
置の温度制御方法。
【請求項４】前記通常加熱工程時において、何らかの
外部要因により流体の流れが止まった場合、前記単独制
御工程に切り替えて加熱することを特徴とする請求項３
記載の電磁誘導加熱装置の温度制御方法。