JPS63218187A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、誘導コイルの共振周波数を切換えることで
被加熱物体の加熱部位を変えることができる誘導加熱装
置に関する。

〔従来の技術〕

交番磁界内に金属物体を置くと、電磁誘導作用によりこ
の金属物体に渦電流が流れ、渦電流損失を発生する。こ
の渦電流損失により生じる発熱ｉこより当該金属物体を
加熱するようにした装置が誘導加熱装置であって、その
原理は周知である。

交番磁界を発生させるためには、一般に誘導コイルを設
け、この誘導コイルに交流電流を流すのであるが、被加
熱物体である上記金属物体Ｉこ生じる渦電流は、表皮効
果によりこの金属物体の表面に近いほど電流密度が高く
する。また渦電流が浸透する深さは、誘導コイルに流す
交流電流の値が犬であるほど、また交流の周波数が高く
なるほど浅くなることが知られており、さらにこの誘導
コイルに流す交流電流の値が大になるほど、また交流の
周波数が高くなるほど前述の渦電流損失が増大すること
もよく知られている。

そこで被加熱物体である金属物体の表面部と内部との加
熱状態−Ｈ２えたいような場合、たとえば棒状の鋼材を
全体的に加熱するとともに表面部を特に高温にして焼入
れをしたいような場合には、複数の誘導加熱装置を設け
て表面部と内部とを別個に誘導加熱するようにしていた
。

第３図は被加熱物体の表面部と内部とを別個に誘導加熱
する従来例を示す主回路接続図である。

この第３図において、交流電源２から供給される交流電
力は、第１整流器１３により直流電力に変換され、第１
平滑コンデンサ１４を介して第１インバータ１５に与え
られ、この第１インバータ１５からは所望の周、波数と
電圧の単相交流電力が出力される。この交流電力は第１
コンデンサ１６と第１誘導コイル１７とで構成された直
列回路に供給され、第１誘導コイル１７の中にある被加
熱物体としての棒ｇ４９を誘導加熱するようになってい
る。

Ｎｇ２整流器２３も交流電源２からの交流電力を直流電
力に変換し、この直流電力が第２平滑コンデンサ２４を
介して第２インバータ２５へ入力される。よってこの第
２インバータ２５から出力される交流電力が第２コンデ
ンサ２６と第２誘導コイル２７との直列回路へ与えられ
ることにより、上記と同様に、第２誘導コイル２７によ
り棒鋼９が誘導加熱される。

このとき、棒ｇＩ４９を矢印方向へ移動させるようにし
ておき、第１インバータ１５が相対的に低い周波数の交
流を出力するようにしておくならば、第１誘導コイル１
７により棒鋼９の深部が加熱されることになる。次いで
この棒鋼９が第２誘導コイル２７の位置へ来ると、第２
インバータ２５が比較的高い周波数の交流を出力するこ
とから、当該棒鋼９の表面部が高温になって焼入れがな
されることとなる。

第３図に示す従来例からあきらかなように、棒鋼９を加
熱する部位に対応した周波数の交流を出力させるために
、それぞれ複数の整流器やインバータならびに誘導コイ
ルを用意しなければならないことから、設備に大きな費
用を必要とする欠点がある。

第４図は被加熱物体の表面部と内部とを別個に誘導加熱
する第２の従来例を示す主回路接続図であって、上述の
第３図に示す従来例回路の欠点を除去する考慮が払われ
ている。

第４図において、交流電源２からの交流電力は整流器３
により直流電力に変換されるが、この直流電力は平滑コ
ンデンサ４を介してインバータ５へ入力さね、る。この
インバータ５は、たとえばパルス幅変調制御により、入
力直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換でき
るので、この交流電力を複数の（第４図においては２組
の）直列回路へ供給するようζこしている。すなわち第
１の直列回路は第１コンデンサ１６と第１誘導コイル１
７とで構成され、第２の直列回路は第２コンデンサ２６
と第２誘導コイル２７とで構成され、これら第１誘導コ
イル１７と第２誘導コイル２７との中に置かれた被加熱
物体としての棒＠９を誘導加熱するようになっている。

第１コンデンサ１６の静電容量をＣｓ、第１誘導コイル
１７のインダクタンスをＬｌとするとき、第１直列回路
に流れる電流１１は（１）式で示される。ただしＥは電
圧、ωｌは角周波数、Ｒ１は第１直列回路の抵抗である
。

この（１）式で示される電流工１が最大になるのは、右
辺の分母が最小になる条件、すなわち（２）式が成立す
るときである。

ω・Ｌｔ＊Ｃｔ＝１　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）こ
のときの周波数をＦｌとすると、ω１＝２π・Ｆ。

なる関係から下記の（３）式が得られる。

Ｆ　１　＝　−”−＝−一尤＝−・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）２π　　２
πＪＬ１．Ｃ１ この（３）式で示される周波数Ｆ１が第１直列回路の′
共振周波数であって、インバータ５から出力される交流
の周波数がＦｌのききに第１直列回路は最大電力を吸収
して棒鋼９を加熱することになる。

第２直列回路を構成している第２コンデンサ２６の静電
容量をＣ２）第２誘導コイル２７のインダクタンスをＬ
２とし、この第２直列回路が直列共振する周波数をＦ２
とするならば、前述の（３）式と同様に、これらの間に
は（４）式で示す関係が成立する。

＠５図は第４図に示す第２の従来例回路における周波数
と吸収電力との関係をあられしたグラフであって、横軸
が周波数、縦軸が吸収電力をあられしている。この第５
図からあきらかなように、インバータ５がＦｌなる周波
数の交流を出力している場合、第１直列回路は直列共振
状態にあって大きな電力を吸収しているので、第１誘導
コイル１７により棒鋼９を誘導加熱するのであるが、こ
のＦｌなる周波数は第２直列回路に対しては直列共振し
ておらず、その吸収電力はごく僅かであり、無視するこ
とができる。

次にインバータ５が出力する交流の周波数をＦｌからＦ
２に上昇させると、第１直列回路の吸収電力はごく僅か
となるが、ｆＫ　２直列回路が直列共振状態になって大
きな電力を吸収し、従って第２誘導コイル２７が棒鋼９
を誘導加熱する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第４図に示す第２の従来例回路では、誘導コイル１７と
２７とに切換えて電力を送出する整流器やインバータが
共通化されているので、第３図に示す従来例回路に比し
て設備コストを大幅に低減でき、装置を小形化できる効
果を発揮できるのであるが、たとえば棒鋼９の深部を第
１誘導コイル１７で加熱したのち、同じ位置の表面部を
加熱しようとするときは、棒鋼９を矢印方向に移動させ
、誘導コイル２７によりその表面部分を誘導加熱するこ
とになる。

しかしながら被加熱物体を移動させる間にその温度が低
下するので、再加熱により所定温度まで上昇させるのに
余分のエネルギーを必要とする欠点がある。さらに、同
一部位の表面部と深部との加熱を別個に行うために、こ
の移動中に被加熱物体の内部温度の分布が所望値とは異
ったものになってしまう欠点もある。

そこでこの発明の目的は、異った周波数の交流電力で被
加熱物体を誘導加熱するさいに、この被加熱物体を移動
させることなく加熱することで、この切換え時の温度低
下や内部温度分布の変化を抑制しようとするものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、この発明の誘導加熱装置
は、被加熱物体を誘導加熱するための誘導コイルに所望
周波数の交流電力を供給する電力変換手段を接続して構
成されている誘導加熱装置に８いて、静電容量の異なる
複数のコンデンサのそれぞれに開閉手段を直列接続して
いるコンデンサ群を、前記誘導コイルに直列に接続する
ものとする。さらにこのコンデンサ群と誘導コイルとは
、マツチング変圧器を介して接続する構成にすることも
できるものとする。

〔作用〕

この発明においては、誘導コイルのインダクタンス値を
変えなくても、この誘導コイルに直列接続されるコンデ
ンサの静電容量を変化させれば、直列共振の周波数を所
望値にできることに着目したものであって、誘導コイル
は１組とし、静電容量の異なる複数のコンデンサのそれ
ぞれに開閉手段を直列に接続したコンデンサ群を前記の
誘導コイルに直列に、あるいはマツチング変圧器を介し
て直列に接続することで、所望の共振周波数を得ること
ができるコンデンサを、前記の開閉手段により選択でき
るようにすることで、被加熱物体を移動させることなく
、その表面部や深部を加熱できるようにするものである
。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す主回路接続図である。こ
の第１図において、交流電源２からの交流電力は整流器
３＃こより直流電力に変換されるが、この直流電力は平
滑コンデンサ４を介してインバータ５へ入力される。こ
のインバータ５は、たとえばパルス幅変調制御により、
入力直流を所望の電圧と周波数の交流電力に変換できる
ようになっているのは、第４図に示す第２の従来例回路
の場合と同じである。

本発明に２いては、複数の（第１図にあっては２組）コ
ンデンサ、すなわち第１コンデンサ３２と第２コンデン
サ３４おがあって、それぞれにはサイリスタで構成され
た第１交流スイツチ３１と第２交流スイツチ３３が直列
に接続されるのであるが、このようＪこ構成されたコン
デンサ群に誘導コイル３０を直列に接続することで、被
加熱物体としての棒鋼９を加熱する。

ここで第１コンデンサ３２と第２コンデンサ３４の静電
容量は異なった値であって、誘導コイル３０のインダク
タンス値とにより、所望の周波数で直列共振できるよう
にしておく。

たとえば第１交流スイツチ３１をオン、ボ２交流スイッ
チ３３をオフの状態で、第１コンデンサ３２と誘導コイ
ル３０とが直列共振する周波数の交流電力をインバータ
５から供給して棒鋼９を加熱する。この棒鋼９の表面部
あるいは深部が所定温度まで上昇すれば、まずインバー
タ５の運転を停止させて、誘導コイル３０の電圧がほぼ
零に低下するのを待って（この時間はごく短い。）＠１
交流スイッチ３１をオフ、第２交流スイツチ３３そオン
にし、インバータ５から異った共振周波数の交流電力を
供給すればよい。

＠２図は本発明の第２の実施例を示す主回路接続図であ
る。この第２図における交流電源２）整流器３、平滑コ
ンデンサ４、インバータ５、棒鋼９、誘導コイル３０、
第１交流スイツチ３１、第１コンデンサ３２）第２交流
スイ、チ３３′ｊ６よぴ第２コンデンサ３４の名称・用
途・機態は、第１図に示す実施例回路の場合と同一であ
るから、これらの説明は省略する。

第２図に示す第２の実施例回路では、誘導コイル３０と
コンデンサ群との間にマツチング変圧器４０が挿入され
ており、このマツチング変圧器４０により、インバータ
５と誘導コイル３０とを絶縁するとともに、電圧を任意
の値に変換できる効果を有する。

なお、インバータ５の運転周波数として、使用するコン
デンサと誘導コイルとで直列共振を生じる周波数を用い
ると、回路のインピーダンスが最小となってインバータ
５が過電流ζこなる８それがあるので、そのときはこの
共振周波数から適宜にずれた値を選定するようにして、
吸収電力を調整する配慮が必要なことは勿論である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、誘導加熱用のコイル２上び交流電力
供給源は１組とし、誘導コイルに直列接続するコンデン
サの静電容量を切換えることにより、直列共振周波数を
変化させるとともに、交流電源からはこの共振周波数に
適した周波数の交流電力を出力させるようにしているの
で、被加熱物体を移動させることなく、静止状態のまま
でその表面部あるいは内部を任意に加熱することができ
るので、従来のように被加熱物体を移動させる必要がな
く、従って移動中の温度低下や内部温度分布の変化が解
消され、るので、エネルギーの節約や、被加熱物体の所
定位置を所望どおりに加熱できる効果を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す主回路接続図であり、第
２図は本発明の第２の実施例を示す主回路接続図である
。第３図は被加熱物体の表面部と内部とを別個に誘導加
熱する従来例を示す主回路接続図、９４図は被加熱物体
の表面部と内部とを別個に誘導加熱する第２の従来例を
示す主回路接続図であり、第５図はｌＫ４図に示す第２
の従来例回路における周波数と吸収電力との関係をあら
れしたグラフである。 ２・・・交流電源、３・・・整流器、４・・・平滑コン
デンサ、５・・・インバータ、９・・・被加熱物体とし
ての棒鋼、１３．２３・・・第１または第２整流器、１
４．２４・・・第１または第２平滑コンデンサ、１５．
２５・・・第１または第２インバータ、１６．２６・・
・第１または第２コンデンサ、１７．２７・・・第１ま
たは第２誘導コイル、３０・・・誘導コイル、３１・・
・第１交流スイツチ、３２・・・第１コンデンサ、３３
・・・第２交流スイツチ、３４・・・第２コンデンサ、
４０・・・マツチング変圧器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被加熱物体を誘導加熱するための誘導コイルに所望
   周波数の交流電力を供給する電力変換手段を接続して構
   成されている誘導加熱装置において、静電容量の異なる
   複数のコンデンサのそれぞれに開閉手段を直列接続して
   いるコンデンサ群を、前記誘導コイルに直列に接続する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の誘導加熱装置において
   、前記コンデンサ群と誘導コイルとは、マッチング変圧
   器を介して接続することを特徴とする誘導加熱装置。