(57)【要約】【課題】被加熱部材に対して、互いに近接させた複数の加熱コイルと、各々に対応した共振型電源を有する誘導加熱装置において、周波数制御時にも各共振型電源の位相角の変位のバラツキを小さくして高力率運転を可能にする誘導加熱装置を提供する。【解決手段】各誘導加熱コイル電源を同期させるとともに、コイル間の相互誘導を低減する逆結合インダクタンスで各ゾーン間の相互誘導の低減を実施後、誘導加熱コイルの共振先鋭度（＝誘導性リアクタンス／等価抵抗）が全てのコイルにおいて、ほぼ同一となるように構成するとともに、共振コンデンサと構成する自己共振回路の位相をすべてのコイルにおいて、ほぼ同一となるように構成する。被加熱物の加熱にともなう等価抵抗の変化によって各電源の出力位相が変化したときに、共通の周波数制御によって、各電源出力が所定の位相角範囲になるよう制御して高力率運転する。【選択図】図５
2015035361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱部材と、互いに近接配置した複数の加熱コイルと、各加熱コイルに個別に接続され、各々の電流値および電流波形の同期制御を可能な共振型電源を有する誘導加熱装置において、
前記各加熱コイルと前記被加熱部材及び共振コンデンサからなる共振回路の誘導性リアクタンスと等価抵抗の比を一致、あるいは近似させたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記誘導性リアクタンスと前記等価抵抗の比の一致、あるいは近似は、各加熱コイルにおいて加熱対象とする前記被加熱部材の加熱領域と、各加熱コイルとの幾何学的関係を同一にすることで成すことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記各加熱コイルと前記被加熱部材、および前記共振コンデンサで造る共振回路の位相を全ての自己共振回路において同一にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記加熱コイル間の相互誘導を低減するための逆結合インダクタンスを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
前記共振型電源各々の出力電圧と出力電流の位相角が所定範囲に入るように周波数を共通に制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加熱部材を誘導加熱により加熱する装置に係り、特に、複数の加熱コイルを近接配置した上で各加熱コイルに対応した加熱対象ゾーンを加熱する場合に好適な誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、急速加熱を行う手段として、誘導加熱が有効であることは知られている。被加熱部材に対して１つの加熱コイルを採用している誘導加熱装置では、被加熱部材の状態変化（例えば、被加熱部材が常温から高温に加熱された際に生じる変化）による誘導リアクタンス及び等価抵抗の変化によって生じる共振型電源の出力位相変化に対して、周波数を制御して最高力率およびＺＶＳ（Ｚｅｒｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が確保できるよう位相角を制御している。
【０００３】
しかし、このような構成の誘導加熱装置では、被加熱部材の温度分布がバラツキ易く、均一な温度制御が必要な被加熱部材には対応することが困難であった。このため、１つの被加熱部材に対して複数に分割された加熱コイルを近接して配置し、各加熱コイル毎に共振型電源を設けるといった構成が提案されていた。しかし、この場合には、近接配置された加熱コイル間において相互誘導の影響が生じ、各加熱コイルに対する供給電力の制御ができなくなってしまうといった問題があった。このような問題に対し、特許文献１では、各加熱コイルに供給する電流の周波数を同一とすると共に、各加熱コイルに供給する電流の位相を同期させることで、相互誘導の影響を回避した電流制御の実現を図っている。
【０００４】
しかしこのような構成とした場合、各共振型電源からの出力電流の周波数を同じにする必要があるため、各共振型電源毎に周波数制御を行うことはできない。このため、被加熱部材の状態変化に応じて周波数制御を行った場合には、出力電流と出力電圧との位相角が大きく変化し、力率が低下して所定の出力を発生することができなくなる共振型電源が生じたり、高周波数時におけるハードスイッチングに起因してスイッチング損失が増大する場合などがある。
【０００５】
力率の悪化に対しては、インバータの変換器容量を大きくする事に変えて、特許文献２に開示されているように、加熱コイルと共振型電源との間に、加熱コイル間に生じる相互誘導と逆極性の相互誘導を生じさせるインダクタンス（逆結合インダクタンス）を設けることで、出力位相角を小さくし、力率を改善することが提案されている。
【０００６】
また、特許文献３には、周波数制御により複数の共振型電源の出力位相角の調整を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００５−５２９４７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２５９６６５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている技術に対し、特許文献２に開示されているような技術を適用すれば、相互誘導の影響の軽減を図ることはできると考えられる。しかし、被加熱部材の状態変化に対する共振型電源の周波数調整に基づく問題に関しては、対応することができない。
【０００９】
また、特許文献３に開示されている技術は、単に、全ての加熱コイルに接続された共振型電源の出力位相角が、与えられた周波数に対して最も効率の良い運転を行うことができる共振型電源の周波数に合わせて運転されるようにし、基準とする共振型電源からの出力を、他の共振型電源からの出力に合わせ込むことで、出力のバラツキを抑えるというものである。このため、高効率な運転を行うことはできず、出力位相角が大きくなりすぎた場合には、停止することが記載されており何ら解決策がとられていない。
【００１０】
そこで本発明では、被加熱部材に対して、互いに近接させた複数の加熱コイルと、各々に対応した共振型電源を有する誘導加熱装置において、周波数制御時にも各共振型電源の出力位相角の変位のバラツキを小さくして高力率運転を可能にする誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、被加熱部材と、互いに近接配置した複数の加熱コイルと、各加熱コイルに個別に接続され、各々の電流値および電流波形の同期制御を可能な共振型電源を有する誘導加熱装置において、前記各加熱コイルと前記被加熱部材及び共振コンデンサからなる共振回路の誘導性リアクタンスと等価抵抗の比を一致、あるいは近似させたことを特徴とする。
【００１２】
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置は、前記誘導性リアクタンスと前記等価抵抗の比の一致、あるいは近似は、各加熱コイルにおいて加熱対象とする前記被加熱部材の加熱領域と、各加熱コイルとの幾何学的関係を同一にすることで成すようにすると良い。
【００１３】
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置は、前記各加熱コイルと前記被加熱部材、および前記共振コンデンサで造る共振回路の位相を全ての自己共振回路において同一にすることが望ましい。
【００１４】
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置は、前記加熱コイル間の相互誘導を低減するための逆結合インダクタンスを設けるようにすると良い。
【００１５】
さらに、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記共振型電源各々の出力電圧と出力電流の位相角が所定範囲に入るように周波数を共通に制御する制御手段を備えるようにすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、被加熱部材に対して、互いに近接させた複数の加熱コイルと、各々に対応した共振型電源を有する誘導加熱装置において、周波数制御時にも各共振型電源の出力位相角の変位のバラツキを小さくして高力率運転を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】共振先鋭度の異なる自己共振回路における周波数変化と位相変化の関係を示すグラフである。
【図２】実施形態に係る誘導加熱装置を簡単に説明するための図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３】実施形態に関係する誘導加熱装置であって、加熱コイルに対して被加熱部材の長さを短くした場合の説明をする図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面図である。
【図４】実施形態に係る誘導加熱装置の構成を説明するための図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面図である。
【図５】実施形態に係る誘導加熱装置の構成を示す等価回路図である。
【図６】隣接配置される加熱コイルを備える自己共振回路間に逆結合インダクタンスを設ける場合の構成を示す等価回路図である。
【図７】電流同期制御を行いつつＺＶＳ制御を実施している２つの自己共振回路における電圧波形と電流波形の関係を示す図である。
【図８】電流同期制御を行いつつＺＶＳ制御を実施している２つの自己共振回路において、２つの自己共振回路におけるＱ値を一致させた上で、出力電流の周波数を変化させた場合における電圧波形と電流波形の関係を示す図である。
【図９】電流同期制御を行いつつＺＶＳ制御を実施している２つの自己共振回路において、２つの自己共振回路におけるＱ値が離れているときに、出力電流の周波数を変化させた場合における電圧波形と電流波形の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の誘導加熱装置、および誘導加熱方法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。
【００１９】
図１に示すように、相互誘導環境下において電流同期制御を行っている２つの自己共振回路であっても、共振先鋭度Ｑ（以下、Ｑ値と称す）が異なると、運転周波数（出力電流の周波数）に対する出力位相角の変化に違いが生じる。具体的には、Ｑ値が高い回路（Ｑ＝１０で示す回路）の方が、Ｑ値が低い回路（Ｑ＝５で示す回路）よりも、運転周波数の変化に対する出力位相角の変化量が大きいということを読み取ることができる。
【００２０】
このため、電流同期制御を行っている誘導加熱装置において、周波数制御を行う場合には、各自己共振回路におけるＱ値を揃えることが望ましいということを理解することができる。以下、各自己共振回路におけるＱ値の違いにより出力位相角に変化が生じる理由と、各自己共振回路におけるＱ値を揃えるための手段について説明する。
【００２１】
まず、図５に示すような、相互誘導状態にある２つの誘導加熱回路において、被加熱物を加熱するための電力を得るのに必要とされる各インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２からの出力電圧Ｖｉｖ１、Ｖｉｖ２は、それぞれ数式１と数式２で示すように、自己共振回路の電圧（Ｖｓ１、Ｖｓ２）と相互誘導電圧（Ｖｍ２１、Ｖｍ１２）を合成したものである。ここで、自己共振回路とは、加熱コイル、共振コンデンサ、および配線経路等から成る回路をいう。
【００２２】
上記のような構成の回路において、相互誘導環境でのインバータの運転状態は、
【数１】
2015035361.tif 000003
・・・数式１
と示すことができる。なお、数式１は、インバータＩＮＶ１における運転状態を示すものである。数式１において、θｉｖ１は、インバータＩＮＶ１の出力電圧Ｖｉｖ１と基準位置（基準信号）との位相差を示す。また、θｉ１、θｉ２は、各インバータ電流Ｉｉｖ１、Ｉｉｖ２と基準信号との位相差であり、θｓ１は、インバータ電流Ｉｉｖ１、Ｉ２ｉｖに対する自己共振回路の合成電圧Ｖｓ１、Ｖｓ２の位相角である。さらに、θｍは、インバータ電流Ｉｉｖ１、Ｉｉｖ２に対する相互誘導電圧Ｖｍ２１、Ｖｍ１２の位相角である。
【００２３】
数式１において、隣接配置された加熱コイル間の電流を同期させると、θｉ１＝θｉ２＝０となり、
【数２】
2015035361.tif 000004
・・・数式２
を導くことができる。
【００２４】
図５に示すような等価回路で示される誘導加熱装置では、特定の自己共振回路のインピーダンスＺｓ１と、この特定の自己共振回路に対する相互誘導インピーダンスＺｍは、それぞれ、
【数３】
2015035361.tif 000005
・・・数式３
【数４】
2015035361.tif 000006
・・・数式４
と示すことができる。
【００２５】
ここで、数式４において結合係数ｋが小さい場合には、Ｚｍの値は、Ｚｓ１の値に比べて極めて小さくなる（Ｚｍ＜＜Ｚｓ１）。このため、Ｚｍ≒０と仮定すると、数式２は、
【数５】
2015035361.tif 000007
・・・数式５
と表すことが可能となる。
【００２６】
ここで、θｓ１とθｓ２は、
【数６】
2015035361.tif 000008
・・・数式６
【数７】
2015035361.tif 000009
・・・数式７
と表される。これを共振先鋭度Ｑを用いて表すと、ＸＬ１＝Ｑ１×Ｒ１×（Ｆ／Ｆ０）、および、ＸＣ１＝Ｑ１×Ｒ１／（Ｆ／Ｆ０）の関係から、
【数８】
2015035361.tif 000010
・・・数式８
【数９】
2015035361.tif 000011
・・・数式９
が成り立つこととなる。なお、数式６、７において、Ｆ０は、固有共振点における周波数であり、Ｆはインバータの出力電流Ｉｉｖにおいて、各自己共振回路における電流の位相角を同期させる際の特定周波数である。また、Ｑ１、Ｑ２は、それぞれ共振先鋭度である。
【００２７】
また、共振先鋭度Ｑ１、Ｑ２が相違した場合に、θｓ１とθｓ２の値が相違することも読み取ることができる。このため、インバータの出力位相角θｉｖ１とθｉｖ２は、θｓ１、θｓ２の変化の影響を大きく受ける。よって、Ｑ値が相違した場合に周波数Ｆが変化すると、θｉｖ１、θｉｖ２も大きく変化するということができる。
【００２８】
次に、各自己共振回路におけるＱ値を揃える手段について説明する。Ｑ＝ω０Ｌ／Ｒで示される一般式より、各自己共振回路のＱ値を調整するには、各加熱コイルと被加熱部材、および共振コンデンサから成る共振回路のリアクタンス値ω０Ｌ（誘導性リアクタンス）と、回路の等価抵抗値Ｒを調整すれば良い。そして、両者の比を一致、あるいは近似させることにより、各共振回路におけるＱ値を揃える（一致させる）ことができる。ここで、リアクタンス値ω０Ｌは、まず、加熱コイルの長さの長短により変化し、加熱コイルが長いほど大きくなる。また、リアクタンス値ω０Ｌは、加熱コイルにより加熱される被加熱部材の割合によっても変化する。具体的には、ω０Ｌは、加熱コイルにより加熱される被加熱部材が何も無い場合、すなわち、加熱コイル周囲に生ずる磁束が淀み無く発生している状態が最大となる。一方、加熱コイルによる被加熱部材が存在する場合、加熱コイルの周囲に生じた磁束が被加熱部材に鎖交し、被加熱部材の内部に、鎖交磁束を打ち消そうとする渦電流が発生する。そして、この渦電流回りに発生する磁束は、加熱コイル回りに生ずる磁束と逆方向の磁束となるため、両者間に打ち消し合いが生じ、リアクタンス値ω０Ｌが小さくなるのである。
【００２９】
例えば、Ｑ値を一致させる加熱装置構成の一例としては、図２に示すように、ソレノイド状に形成された４つの加熱コイル１２（１２ａ〜１２ｄ）を軸線方向に隣接配置し、加熱コイル１２により形成された囲繞空間に被加熱部材３０を配置する構成とするものを挙げることができる。なお、図２において、図２（Ａ）は、誘導加熱装置の構成を示す正面断面図であり、図２（Ｂ）は、側面図である。このような基本構成を有する装置においてＱ値を一致させるためには、まず、加熱コイル１２と被加熱部材３０との間の距離ｄ１を等しく設定する。そして、加熱コイル１２の軸線方向長さと、被加熱部材３０の軸線方向長さが等しく、かつ４つの加熱コイル１２ａ〜１２ｄによる加熱ゾーン（第１ゾーンから第４ゾーン）により加熱される被加熱部材３０の割合も等しくすることで、複数の加熱ゾーンを構成する自己共振回路のリアクタンス値ω０Ｌや等価抵抗値Ｒがそれぞれ等しくなり、共振先鋭度Ｑが近似することとなる。なお、各加熱コイル１２を構成要素の一部とする各自己共振回路には、各加熱コイル１２へ高周波電流を個別供給することができるインバータ２０（２０ａ〜２０ｄ）を設けるようにすると良い。
【００３０】
一方、図３に示すように、ソレノイド状に形成された４つの加熱コイル１２を軸線方向に隣接配置し、加熱コイル１２により形成された囲繞空間に被加熱部材３０を配置する構成とした場合であっても、加熱コイル１２の軸線方向長さに対して被加熱部材３０の軸線方向長さを短くすると、長手方向両端部（第１ゾーンと第４ゾーン）にあたる加熱コイル１２ａ，１２ｄにより加熱対象とされる被加熱部材３０の部位は、中央（第２ゾーンと第３ゾーン）にあたる加熱コイル１２ｂ，１２ｃにより加熱対象とされる被加熱部材３０の部位よりも、その割合が小さくなる。このため、図２に示す装置構成に比べて、第１ゾーンと第４ゾーンを構成する自己共振回路におけるリアクタンス値ω０Ｌが大きくなる。よって、共振先鋭度Ｑの値も大きくなる。なお、図３において、図３（Ａ）は、誘導加熱装置の構成を示す正面断面図であり、図３（Ｂ）は、側面図である。
【００３１】
また、等価抵抗値Ｒも、加熱コイルの長さ、加熱コイルと被加熱部材との距離、および加熱対象領域における被加熱部材の長さ等により変化する。
例えば、図５に示す等価回路のように構成される２つの自己共振回路において、任意の出力周波数で電流同期制御を行っている場合、電流、電圧の波形は、図７に示すようなものとなる。ここで、２つの自己共振回路におけるＱ値を揃えている場合には、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２からの出力電流の周波数を上昇させた場合であっても、２つの自己共振回路における出力電圧Ｖｉｖ１，Ｖｉｖ２と基準位置との間の位相角θｉｖ１，θｉｖ２は、図８に示すように、図７に示す任意の出力周波数での電流同期制御時と殆ど変わらず、θｉｖ１とθｉｖ２との間の位相差も小さい。このため、出力電流Ｉｉｖ１，Ｉｉｖ２の出力周波数を変化させた際に生ずる各自己共振回路間における力率の変動は近似することとなり、誘導加熱装置全体として高効率運転となる周波数を選択することが可能となる。
【００３２】
一方、２つの自己共振回路におけるＱ値に差がある場合には、出力電流Ｉｉｖ１，Ｉｉｖ２の出力周波数を上昇させ、この状態で電流同期制御を実施しようとすると、図９に示すように、各自己共振回路間における出力電圧Ｖｉｖ１，Ｖｉｖ２と基準値との間に生ずる位相差に大きな違いが生ずることとなる。このため、図９に示す例では、Ｑ値が大きい自己共振回路における出力電圧Ｖｉｖ１と出力電流Ｉｉｖ１との位相差θｓ１が、Ｑ値が小さい自己共振回路における出力電圧Ｖｉｖ２と出力電流Ｉｉｖ２との位相差θｓ２に比べて極端に大きくなる。このため、電流同期制御時に、Ｑ値の小さい自己共振回路における力率を良好に保とうとする周波数で運転すると、Ｑ値の大きい自己共振回路における力率が低くなってしまう。また、図示はしないが、Ｑ値が大きい自己共振回路における力率を良好に保つ周波数で運転した場合には、Ｑ値の小さい自己共振回路では、電流が電圧に対して進み位相となり、ＺＶＳ制御ができなくなってしまう虞が生ずる。
【００３３】
また、上記実施形態では、Ｑ値と加熱コイル１２、および被加熱部材３０の関係を簡単化して説明するために、被加熱部材３０を円柱材のように示しているが、実際に加熱装置１０を構成する場合には、図４に示すように、加熱コイル１２の内周側に、被加熱部材３０としてのサセプタ（グラファイト）を配置する構成とすると良い。サセプタは、加熱コイル１２の囲繞形状に沿った筒型を成し、筒の内部に、加熱処理するための被処理部材４０を収容する構成とする。なお、図４において、図４（Ａ）は、誘導加熱装置の正面構成を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、側面図である。
【００３４】
このような構成とした場合、加熱コイル１２により加熱される部材は、被加熱部材３０であるサセプタとなる。よって、各加熱コイル１２の長手方向長さと、各加熱コイル１２の加熱対象となるサセプタの長手方向長さ、および各加熱コイル１２とサセプタとの間の距離ｄ１を合わせ、各加熱コイル１２を備える自己共振回路間のＱ値を揃えるようにする。そして、被処理部材４０は、加熱コイル１２やサセプタよりも、その長手方向長さを短くし、サセプタの長手方向中心位置を基点として、両端が、サセプタ端部よりも内側に位置するように配置し、熱処理を行うようにすることが望ましい。
【００３５】
このような配置構成とした上で熱処理を行うことで、被処理部材４０の端部からの放熱を考慮して、被処理部材４０全体を均等加熱することが可能となるからである。
【００３６】
また、上記実施形態では、隣接して配置されている加熱コイル間の結合係数ｋが小さい場合に、Ｚｍ≒０とみなすことができ、数式５が成り立つと説明した。しかしながら、結合係数ｋが比較的大きい場合であっても、図６に示すように、自己共振回路間に逆結合インダクタンスＬｓ１を設けるようにすることで、Ｚｍを小さく抑えることができ、数式５を成立させることができる。なお、本実施形態において逆結合インダクタンスとは、加熱コイル間に生ずる相互誘導電力と逆極性の相互誘導電力を生じさせるコイルである。
【符号の説明】
【００３７】
１０………誘導加熱装置、１２（１２ａ〜１２ｄ）………加熱コイル、２０（２０ａ〜２０ｄ）………インバータ、３０………被加熱部材、４０………被処理部材。
【図１】
2015035361.tif 000012
【図２】
2015035361.tif 000013
【図３】
2015035361.tif 000014
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015035361.tif 000018
【図８】
2015035361.tif 000019
【図９】
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