(57)【要約】【課題】金属加工対象物の直接加熱に利用可能とすることによって、ジュールの法則の利用範囲を拡大する装置を提供する。【解決手段】加工対象物を加熱するための電気／電子装置１は、調節可能電源ドライバ２、加熱およびデータ取得コントローラ３、電源変圧器４を有し、調節可能電源コントローラは、加熱処理を制御する目的のために、種々の設定パラメータを介して調節可能な、三相および／又は単相とすることが可能な、電圧と周波数を作り出し、加熱およびデータ取得コントローラ３は、複数のセンサ３２として構成される入力部と、処理ユニットと、出力部と、ＨＭＩとを備えるマイクロプロセッサ装置であり、電源変圧器４は、特定の特性を有し、二次巻線が一次巻線と異なり、冷却水がそれ通って流れる二次コアに形成された押出しキャビティを介して冷却される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置であって、調節可能電源ドライバと、加熱およびデータ取得コントローラと、電源変圧器とを備え、
前記調節可能電源ドライバが、整流器と、フィルタと、切替回路と、マイクロプロセッサ制御ユニットとを備えると共に、ＤＣ又はＡＣ出力部を選択的に備え、
前記加熱およびデータ取得コントローラが、入力部と、センサと、処理ユニットと、ＨＭＩ（ヒューマン・マシーンインターフェース）と、デジタル／アナログ出力部と、標準「イーサネットＩＰ」通信とを有し、
前記電源変圧器が、前記調節可能電源ドライバに直列又は並列接続された入力部と出力部と、二次コア中での冷却水の循環のための押出しキャビティとを備えることを特徴とする、金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【請求項２】
前記調節可能電源コントローラの前記マイクロプロセッサ制御ユニットは、ＩＧＢＴの「ファイアリング（ｆｉｒｉｎｇ）」制御、即ち、すべての「制御ロジック」とパルス発生、の役割を担い、
前記マイクロプロセッサ制御ユニットは、前記調節可能電源ドライバのパラメータとデータの全部を格納している、請求項１に記載の金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【請求項３】
前記加熱およびデータ取得コントローラの制御によって、前記調節可能電源ドライバは、前記電源変圧器に、加熱中にすべての必要なエネルギを提供するとともに、すべての加熱エネルギ需要の供給の役割を担うように構成されている、請求項１に記載の金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【請求項４】
前記調節可能電源ドライバは、種々のプリセットされたパラメータによって、三相および／又は単相とし得る調節可能な電圧と周波数を発生する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【請求項５】
前記調節可能電源ドライバは、プリセットされたパラメータによって、前記加熱およびデータ取得コントローラから信号を受け取り、閉じループ制御ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＩＤコントローラ））を実行する、請求項１に記載の金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【請求項６】
前記加熱およびデータ取得コントローラは、マイクロプロセッサ装置であり、温度センサ又は熱カメラ、電流計、電圧計、等であるように構成される入力部、処理ユニット、デジタル／アナログ出力部、ＣＩＰ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）通信基準「イーサネットＩＰ」、およびＨＭＩ（ヒューマン・マシーンインターフェース）から構成される、請求項１に記載の金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工産業に関連し、ジュール効果による金属加工対象物の実用的加熱を安全に行うことを可能にする電気／電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流は、導体を通過する時に、温度上昇を引き起こすことが知られており、その温度上昇は、ジュール効果又は熱効果としても知られているジュールの法則によって計算することができる。ここで、１８４０年にその現象を研究したジェームス・プレスコット・ジュール（１８１８−１８８９）に敬意を表すために、ジュールの法則と名づけられている。この物理法則は所定の時間に導体を流れる電流と発生する熱との間の関係を表すものである。例えば、抵抗器は、電流によって電気エネルギを熱に完全に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）変換する装置である。
【０００３】
現在の技術において、産業におけるジュール効果の利用は、実質的には、ランプやヒューズ等の種々の電気機器の製造に帰着しており、これらにおいて、その他の物理法則とともにジュールの法則によってこのような装置の適切な作動に適したサイズ（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）を計算することができる。
【０００４】
この現象は、電気アイロン、電気シャワー、髪なでつけ板（縮れ毛矯正ボード）、電気オーブン等の電気加熱装置の基礎として、家電装置の製造に広く利用されている。これらの装置はすべて電気抵抗をその基礎構成要素とし、これを横切る電流によって、電気エネルギを熱エネルギ、即ち、熱、に変換することによって加熱される。日常生活におけるジュール効果のもう一つの実用途は、１９世紀にトーマス・エジソンによって発明された白熱灯である。このランプは、その内部に、非常に高い融点を有する金属である、タングステンのフィラメントを有し、これに電流が流れると、それによって加熱されて、２５００℃もの温度に達して、白熱し光を発することができる。
【０００５】
産業的には、この効果は、金属加工対象物の溶接にも使用され、そこでは、電流が（ジュール効果によって）二つのプレート間の一つのポイントをそれら金属の融点にまで加熱し、それによってこれらを共に溶接する。前記効果は又、ヒューズの製造にも使用されるが、ヒューズは、ある値を超える電流を中断することによって電気回路を保護するのに使用される低融点金属フィラメントからなる装置である。電気回路を流れる電流のリミッターとして使用されるこれらの装置は、自動車、ハウジング、電気機器等に見ることができる。
【０００６】
しかしながら、産業におけるジュールの法則の利用は僅かであって、実際には、その利用は産業炉において熱を作り出すことに限られ、その危険性の欠点によってそれは熱処理のための金属加工対象物の加熱には使用されていない。その大きな理由は、熱の製造における電気エネルギの使用は損失と、いくつかの状況においては、特に、短絡や接触不良がある場合、には多少なりとも深刻なダメージに対応している。この場合、電流をサポートするために、又、適切な保護と絶縁、更には、効率的な電流制御システムを提供するためには、適切な規格を有する伝導体を使用することが必要であるが、その達成は困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の点に鑑み、本発明は、適用された実質的に全てのエネルギが熱に変換されることから加熱時間が短縮されることにより、その他の可能な産業用途の中でもとりわけ、金属加工対象物の熱スタンピング又はこれら作業物の熱処理のために当該金属加工対象物の直接加熱にそれを利用可能とすることによってジュールの法則の利用範囲を拡大する装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明にかかる、金属加工対象物を加熱するための電気／電子制御装置は、調節可能電源ドライバと、加熱およびデータ取得コントローラと、電源変圧器とを備え、
前記調節可能電源ドライバが、整流器と、フィルタと、切替回路と、マイクロプロセッサ制御ユニットとを備えると共に、ＤＣ又はＡＣ出力部を選択的に備え、
前記加熱およびデータ取得コントローラが、入力部と、センサと、処理ユニットと、ＨＭＩ（ヒューマン・マシーンインターフェース）と、デジタル／アナログ出力部と、標準「イーサネットＩＰ」通信とを有し、
前記電源変圧器が、前記調節可能電源ドライバに直列又は並列接続された入力部と出力部と、二次コア中での冷却水の循環のための押出しキャビティとを備えることを特徴とする。
この装置は、データ処理によって、電流周波数と電圧値との自動調節を可能にする温度のリアルタイムな読み取りによってスタンピングされる加工対象物の温度の正確な調節を行う。
【０００９】
これは、そこではすべての電力が、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）スイッチングによって、電源コントローラの中間電子回路中において発生される、低エネルギ装置である。それは、又、加熱速度が速く、誘導加熱による加熱より２倍速く、輻射加熱より６１倍速い、最大４００℃／秒での金属加工対象物の加熱度に達することを可能にしながら、その体積が小さいことによって小さなスペースに設置することが可能なコンパクトな装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】前記装置の概略図である。
【図２】加熱コントローラの詳細内部図である。
【図３】電源変圧器の三つの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明による金属加工対象物の加熱用の前記電気／電子装置は、本明細書の一部を構成するとともに本発明の技術的特徴と併せた参照番号を含む添付の図面を参照することによってより理解することができる。これらの図面は、寸法、割合、使用される仕上げのタイプ、に関してその構成を限定するものではなく、それらの実用途も限定するものではない。
【００１２】
これらの図面とそれらの参照番号を参照すると、本発明は、加工対象物を加熱するための電気／電子装置（１）に関し、調節可能電源ドライバ（２）、加熱およびデータ取得コントローラ（３）、および電源変圧器（４）から構成される。図１に示されている。
【００１３】
加工対象物を加熱するためのこの電気／電子装置（１）は、その設置場所の電力網（Ｒ）から電力を供給され、加熱中に、変圧器に、必要エネルギの全部を提供し、調節可能電源ドライバ（２）を介して加熱コントローラおよびデータ取得部（３）によって加熱処理を制御するために種々のプリセットされたパラメータによって調節可能な三相および／又は単相とすることが可能な、電圧と周波数を発生する。前記加熱およびデータ取得コントローラ（３）の前記プリセットパラメータからの信号を受信すると、このような閉じループ制御（ＰＩＤ−Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒによる）が実行され、加工対象物（５）の均質な加熱を達成するために必要な電力（電圧と電流）を提供する。
【００１４】
この加工対象物加熱用電気／電子装置（１）は、ＡＣ（交流）エネルギをＤＣ（直流）エネルギに変換する整流回路（２１）と、前記回路出力を平滑化するためのコンデンサによって形成されるフィルタ（２２）と、可変周波数および電圧出力を得るためにＤＣがトランジスタによって高速にＯｎ／Ｏｆｆスイッチングされる「パルス幅変調」（ＰＷＭ）制御法によって作動する「ＩＧＢＴ’Ｓ」パワートランジスタのネットワークである切替回路（２３）、前記「ＩＧＢＴ’Ｓ」ファイアリング（ｆｉｒｉｎｇ）制御を担うマイクロプロセッサ制御ユニット（２４）とから形成される。このマイクロプロセッサ制御ユニット（２４）は、「制御ロジック」とパルス発生の全てを実行し、前記調節可能電源ドライバ（２）のパラメータとデータとの全部が格納されるところでもある。
【００１５】
前記調節可能電源ドライバ（２）は、又、その必要性とその機能に応じて、「ＤＣ」又は「ＡＣ」（直流又は交流）出力部を備えることができ、前記加熱およびデータ取得コントローラ（３）の「スタート」コマンドを受け取ると、加工対象物（５）に、その大きさが前記加熱およびデータ取得コントローラ（３）によって設定された制御基準に関連する調節可能周波数交流電圧を直接送り、それによって前記電気回路において発生しうる変動を補償し、その出力における電圧およびリニアプロファイル電流を得ることを可能とし、更に、周波数と電圧とをその作動範囲内で独立して制御することが可能な制御プログラムの構築を可能にする。
【００１６】
前記加熱およびデータ取得コントローラ（３）は、温度センサ（３２）又は熱カメラ、電流計、電圧計、等から構成される入力部（３１）、すべてのプリセット入力およびパラメータを収集し処理し、プリセットされたロジック（「アルゴリズム」）から出力値を提供する処理ユニット（３３）、加熱中に前記調節可能電源コントローラ（２）を制御するために必要な信号を提供するデジタル／アナログ出力部（３４）、遠隔モニタリングとスタートアップのために監視システムとの相互接続を可能にするＣＩＰ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）通信基準「イーサネットＩＰ」から構成されるマイクロプロセッサ装置である。図２に示されている。
【００１７】
前記加熱およびデータ取得コントローラ（３）は、前記処理ユニット（３３）のメモリに予め格納されている専用プログラムの実行に基づいて、加熱に使用される電力の均一な配分を制御する。前記入力部３１と出力部３４とに加えて、前記処理ユニット（３３）で得られた特定の熱制御パラメータの挿入を可能にするＨＭＩ（ヒューマン−マシンインターフェース）（３５）が設けられている。
【００１８】
前記使用される電源変圧器（４）は、特定の構造的特徴を有し、その二次巻線（４１）は一次巻線（４２）と異なっている。これらの巻線は互いに物理的に分離され、一般に、前記装置における電流の伝動を行う二つの単純なターンから成る、フラットな導電体と丸みを帯びたコーナーとから形成され、前記二次巻線（４１）に対する前記一次巻線（４２）の「変圧」率は、巻回の数（ターンの数）によって定義される。各巻線は、加工対象物（１）を加熱するための前記電気／電子装置の前記調節可能電源ドライバ（２）に接続される（直列又は並列で）入力部（４３）と出力部（４４）をそれぞれ有している。
【００１９】
前記電源変圧器（４）のクーラーは、二次コア（４１）に押出しキャビティ（ｅｘｔｒｕｄｅｄ  ｃａｖｉｔｉｅｓ）を有し、これらを通して冷却された水（４５）が流れる。その構造は強化され、可動部分を有さない。そのコアにおいて、二種類の材料、従来のケイ素鋼と、一般に「Ｈｙｐｅｒｓｉｌ（商標）」（高透磁率ケイ素鋼）として一般に知られている、方向性電磁鋼、が使用されている。図３に示されている。
【００２０】
前記電源変圧器（４）の目的は、前記調節可能電源コントローラ（２）によって提供される電圧と電流とを所定の（一次／二次）変圧率から、加熱されるべき加工対象物（５）に対して直接加えられるレベルへと変換することである。
【００２１】
実用において、前記加工対象物加熱用の前記電気／電子装置（１）は、その他の産業用途の中でも、金属加工対象物（５）の熱スタンピング又は熱処理のために金属シートを急速、均質で、制御された状態で加熱することを必要とするすべての工業製造方法又はシステムに使用することが可能である。なぜなら、それは、加えられるエネルギの全部が実質的に熱に変換されるので、加熱時間の短縮と使用エネルギの完全利用とを提供するからである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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