(57)【要約】  加工品を複数の周波数によって誘導的に加熱するための装置及び方法を提供する。回路の共振周波数を変更し、結果的に電源から負荷に伝達される誘導加熱または溶融電力の周波数を変更するため、回路内の容量性部材を選択的に追加、解除、再構成するためにスイッチ素子が使用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数で加工品を誘導加熱または溶融するための装置であって：
少なくとも２つの整流素子、少なくとも１つの共振コンデンサー、及び少なくとも１つの同調コンデンサーを備えたインバーター回路；
インバーター回路から電力を受信する誘導負荷コイル；及び、
インバーター回路から少なくとも１つの同調コンデンサーの少なくとも１つを選択的に挿入または解除するため、またはインバーター回路内で少なくとも１つの共振コンデンサー及び少なくとも１つの同調コンデンサーを再配列するための少なくとも１つのスイッチ要素を備える装置。
【請求項２】
インバーター回路が少なくとも２つの整流素子の組を備える第１支線、少なくとも１つの共振コンデンサーの組を備える第２支線、及び少なくとも１つの同調コンデンサーの第１及び第２の同調コンデンサー、少なくとも１つのスイッチ要素の第１、第２及び第３スイッチ要素、及び誘導負荷コイルを備える対角線を備え、該対角線が第１と第２の支線の中点の間に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも２つの整流素子がインバーター回路の第１支線を形成する整流素子の組を備え、少なくとも１つの共振コンデンサーがインバーター回路の第２支線を形成する第１及び第２の共振コンデンサーを備え；少なくとも１つの同調コンデンサーが第１及び第２の同調コンデンサーを備え、少なくとも１つのスイッチ要素が第１、第２及び第３のスイッチ要素を備え、第１及び第２の同調コンデンサー、第１、第２及び第３のスイッチ要素、及び誘導負荷コイルがインバーター回路の第１及び第２の支線の中点の間に配置され、第１及び第２の同調コンデンサーの各々がインバーター回路の第２支線の中点に接続された第１端子を有し、第１スイッチ要素がインバーター回路の第２支線の中点に接続された第１端子を有し、第１スイッチ要素が誘導負荷コイルの第１端子に接続された第２端子を有し、誘導負荷コイルの第２端子がインバーター回路の第１支線の中点に接続され、第２スイッチ要素が第１同調コンデンサーの第２端子を選択的にインバーター回路の第１支線の両端の第１直流端子に接続する、第１スイッチ要素の第２端子に接続する、または開放状態にするための手段を有し、第３スイッチ要素が第２同調コンデンサーの第２端子を選択的にインバーター回路のスイッチ区分の第１支線の両端の第２直流端子に接続する、第１スイッチ要素の第２端子に接続する、または開放状態にするための手段を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
インバーター回路が少なくとも２つの整流素子の組を備える第１支線、少なくとも１つの同調コンデンサーの組を備える第２支線、及び少なくとも１つの共振コンデンサー、少なくとも１つのスイッチ要素の第１スイッチ要素、及び誘導負荷コイルを備える対角線を備え、該対角線が第１と第２の支線の中点の間に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも２つの整流素子がインバーター回路の第１支線を形成する整流素子の組を備え、少なくとも１つの同調コンデンサーがインバーター回路の第２支線を形成する第１及び第２の同調コンデンサーを備え；少なくとも１つの共振コンデンサーが第１及び第２の共振コンデンサーを備え、少なくとも１つのスイッチ要素が第１スイッチ要素を備え、第１及び第２の同調コンデンサー、第１スイッチ要素、及び誘導負荷コイルがインバーター回路の第１及び第２の支線の中点の間に配置され、第１スイッチ要素の第１端子がインバーター回路の第２支線の中点に接続され、第１スイッチ要素の第２端子が第１及び第２共振コンデンサーの第１端子の間の共通接続に接続され、第１共振コンデンサーの第２端子がインバーター回路の第１支線の両端の第１直流端子に接続され、第２共振コンデンサーの第２端子がインバーター回路の第１支線の両端の第２直流端子に接続され、誘導負荷コイルの第１端子が第１スイッチ要素の第２端子に接続され、誘導負荷コイルの第２端子がインバーター回路の第１支線の中点に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
インバーター回路が少なくとも２つの整流素子の第１の組を備える第１支線、少なくとも２つの整流素子の第２の組を備える第２支線、及び少なくとも１つの共振コンデンサー、少なくとも１つの同調コンデンサーの第１同調コンデンサー、少なくとも１つのスイッチ要素の第１及び第２スイッチ要素、及び誘導負荷コイルを備える対角線を備え、該対角線が第１と第２の支線の中点の間に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも２つの整流素子が整流素子の第１及び第２の組を備え、整流素子の第１の組がインバーター回路の第１支線を形成し；整流素子の第２の組がインバーター回路の第２の組を形成し；少なくとも１つの共振コンデンサーが第１共振コンデンサーを備え、少なくとも１つの同調コンデンサーが第１同調コンデンサーを備え、少なくとも１つのスイッチ要素が第１及び第２のスイッチ要素を備え、第１共振コンデンサー、第２同調コンデンサー、第１及び第２スイッチ要素、及び誘導負荷コイルがインバーター回路の第１と第２の支線の中点の間の対角線に配置され、第１共振コンデンサーがインバーター回路の第２支線の中点に接続された第１端子を有し、第１共振コンデンサーの第２端子が第１同調コンデンサーの第１端子に接続され、第１スイッチ要素の第１端子が第１同調コンデンサーの第１端子に接続され、第１スイッチ要素の第２端子が第１同調コンデンサーの第２端子に接続され、第２スイッチ要素が誘導負荷コイルの第１端子に接続され、第２スイッチ要素が誘導負荷コイルを第１同調コンデンサーの第２端子または第１共振コンデンサーの第２端子の間で選択的に切り替えるための手段を有し、そして、誘導負荷コイルの第２端子がインバーター回路の第１支線の中点に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
複数の周波数で加工品を誘導的に加熱または溶融するための装置であって：
誘導負荷コイル；
インバーター回路であって：
整流素子の組を備える第１支線；
共振コンデンサーの組を備える第２支線；
誘導負荷コイルと直列の少なくとも１つの同調コンデンサー、及び少なくとも１つの同調コンデンサーの少なくとも１つと並列のスイッチ要素を備える対角線であって、インバーター回路の第１と第２の支線の中点の間に接続されている対角線を備えるインバーター回路を備える装置。
【請求項９】
スイッチ手段が少なくとも１つの同調コンデンサーの少なくとも１つの両端に排他的に接続されたダイオードブリッジ、及び該ダイオードブリッジに排他的に接続された少なくとも１つの同調コンデンサーを選択的にバイパスするために該ダイオードブリッジの各々の中央の間に接続されたブリッジスイッチ要素を備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
加工品を誘導的に加熱または溶融する方法であって：
第１及び第２の支線及び対角線を有するインバーター回路であって、少なくとも２つの整流素子、少なくとも１つの共振コンデンサー、及び少なくとも１つの同調コンデンサーを備えるインバーター回路を形成すること；
インバーター回路の対角線に誘導負荷コイルを挿入すること；
インバーター回路の対角線に少なくとも１つのスイッチ要素を挿入すること；
インバーター回路から誘導負荷コイルに交流電力を供給すること；及び、
少なくとも１つの同調コンデンサー及び少なくとも１つの共振コンデンサーの等価容量を変更するために少なくとも１つのスイッチ要素の各々を選択的に動作させることのステップを含む方法。
【請求項１１】
加工品を誘導的に加熱または溶融する方法であって：
少なくとも１つのスイッチ要素を有するインバーター回路の対角線に配置された誘導コイル内に少なくとも部分的に加工品を配置することであって、インバーター回路の該対角線は第１及び第２の支線の間に配置されており、インバーター回路が少なくとも２つの整流素子、少なくとも１つの共振コンデンサー、少なくとも１つの同調コンデンサーを備え；
インバーター回路から誘導コイルに交流電力を供給すること；
加工品を誘導的に加熱または溶融させるため、少なくとも１つの同調コンデンサー及び少なくとも１つの共振コンデンサーの等価容量を変更するために少なくとも１つのスイッチ要素の各々を選択的に動作させることのステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気誘導によって加工品または素材を加熱または溶融するために複数の周波数を使用する誘導加熱または溶融に関する。
【背景技術】
【０００２】
この分野において複数の周波数による誘導加熱及び溶融の方法が周知である。例えば、特許文献１（米国特許No.2,444,259「Method of High-Frequency Induction Heating」）を参照。異なった周波数は加工品、サセプター、またはるつぼ内に配置された電気伝導性の材料内に異なった深さの誘導渦電流加熱を生じ、周波数が高ければ高いほど、加工品、サセプター、または電気伝導性の材料内の電流の有効誘導渦電流の深さは浅くなる。複数の周波数の電流は（１）同時または逐次的に、（２）単一または複数の誘導コイルに適用されてもよい。誘導コイルは加工品、サセプター、または電気伝導性の材料を収容しているるつぼの周りに配置される。
【０００３】
るつぼ内に配置された金属成分等の電気伝導性材料の場合、高周波数で金属を溶融し、低周波数で金属を攪拌するために低誘導周波数と高誘導周波数の組み合わせを使用することが望ましい。
【０００４】
また、いくつかの加工品の特定の幾何構成に対しても、低誘導加熱周波数と高誘導加熱周波数の組み合わせが望まれる。例えば、ギアの歯を冶金学的に硬化させる場合、ギアを予熱するために誘導渦電流の比較的深い浸透を与える比較的低い周波数（例えば、３〜１０キロヘルツ）が望まれ、最終的な誘導加熱のために誘導渦電流の比較的浅い浸透を与える比較的高い周波数（例えば、３０〜１００キロヘルツ）が望まれることが知られている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２４４４２５９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の１つの目的は複数の周波数の間の効果的な転移手段によって加工品に複数の周波数で誘導電力を与えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの側面において、本発明は誘導負荷コイルに異なった周波数で電力を与えるために同調容量性部材のインバーター回路への接続及び非接続を切り替えることによって、またはインバーター回路内で同調容量性部材を再配列することによって２つまたそれ以上の周波数で加工品を誘導的に加熱または溶融するための装置及び方法である。
【０００８】
もう１つの側面において、本発明は第１及び第２の支線、及び該第１及び第２の支線の間に接続された対角線を有するインバーター回路を備える。インバーター回路には整流素子、少なくとも１つの共振容量性部材、及び少なくとも１つの同調容量性部材が配置される。インバーター回路の対角線には少なくとも１つの誘導負荷コイルとともに少なくとも１つのスイッチが配置される。少なくとも１つのスイッチはインバーター回路の少なくとも１つの同調容量性部材の１つまたは複数を選択的に挿入または解除するために、またはインバーター回路内で少なくとも１つの同調容量性部材及び少なくとも１つの共振容量性部材を再配列するために使用され、それによって、加工品が少なくとも１つの誘導負荷コイルを通る交流電力の流れによって生成される磁場に隣接して配置されたときに、インバーター回路の共振周波数は該加工品を誘導的に加熱または溶融するために変更される。
【０００９】
本発明の他の特徴は以下の詳細な説明及び付随する請求の範囲に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
付随する図面は発明の詳細な説明及び請求の範囲とともに本発明を実施するための１つまたは複数の非制限的な様式を図示している。本発明は図面に示されている配置及び部材に制限されるものではない。
【００１１】
図１は本発明の誘導加熱または溶融装置の１つの例を図示している。本発明のこの実施例において、共振ブリッジインバーター１０は整流素子、共振コンデンサー、同調コンデンサー、及びスイッチ部材を備える。誘導負荷コイルＬＣは実質的にこのインバーターによって電力供給される。整流素子ＳＤ１及び逆平行ダイオードＤ１、並びに整流素子ＳＤ２及び逆平行ダイオードＤ２はインバーターの第１支線を構成する。インバーターの第２支線は共振コンデンサーＲＣ１及びＲＣ２を備える。同調コンデンサーＴＣ１及びＴＣ２はスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３、及び負荷コイルとともに第１及び第２の支線の中点の間に接続されるインバーターの対角線を形成する。誘導負荷コイルＬＣは図においてインダクターとして示されているが、回路抵抗としても作用する。
【００１２】
本発明の他の実施例において、誘導負荷コイルは他の様式で構成されてもよい。例えば、コイルＬＣは加工品を囲むコイルとして作用するトランスの２次コイルに磁気的に結合したトランスの１次コイルによって置き換えられてもよい。
【００１３】
図１において、負荷コイルＬＣの周りには出力周波数Ｆで動作しているインバーターによって供給されコイルを通過する交流電流によって磁場が生成される。スイッチ部材、すなわちスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３は有効回路に対して同調コンデンサーを選択的に挿入、解除、または再接続することによってインバーターのコンデンサーを再構成するための手段を与える。加工品またはサセプターはそれらを誘導的に加熱するために磁場の付近に配置されてもよい。または、溶融金属等の電気伝導性材料を誘導的に加熱、溶融、及び／または攪拌するために該材料を収容しているるつぼの周りに負荷コイルが配置されてもよい。
【００１４】
説明を簡単にするために、本願において用語「加工品」は加熱される加工品、サセプター、またはるつぼ内に配置された電気伝導性材料を示すために使用される。また、本発明の１つまたは複数の誘導負荷コイルに関連した用語「加工品を囲む」は、１つまたは複数の誘導負荷コイルを通る交流電流の流れによって生成される磁場が加工品に浸透するように配置された該加工品に対する配置を含む。
【００１５】
理想的には、インバーターの出力から負荷コイルへの電力の伝達を最大にするために、インバーターの出力周波数は共振周波数またはそれに近い周波数にされる。ＬＣ回路の場合、共振周波数Ｆは以下の式によって計算される。
【数１】
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ここで、Ｌは回路の等価インダクタンスであり、Ｃは共振回路の等価容量（Ｃeq）である。
【００１６】
図１を参照すると、同調コンデンサーＴＣ１及びＴＣ２は（制限ではないが）好まれるものとして実質的に同一の容量ＣTCを有し、共振コンデンサーＲＣ１及びＲＣ２は実質的に同一の容量ＣRCを有する。この構成により、両方の同調コンデンサーと両方の共振コンデンサーが全て直列に接続された場合（スイッチＳ１が開放、スイッチＳ２が位置１、及びスイッチＳ３が位置２の場合）、共振周波数Ｆにおける等価回路容量Ｃeqは以下の式によって計算することができる。
【数２】
2008547162.tif 000004
【００１７】
スイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３の位置が変化したときの上述の計算値に対するＣeqの変化及び共振周波数Ｆの変化は以下の表に示されている。
【表１】
2008547162.tif 000005
【００１８】
したがって、本発明の非制限的な実施例において、誘導加熱または溶融の周波数はＦ、０.７Ｆ、及び０.５Ｆの間で切り替えられ、その切り替えの速度は特定の用途に応じて電気機械式またはソリッドステート式等の多様な形式であってもよいスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３の切り替え速度に依存する。
【００１９】
図２は本発明の誘導加熱または溶融装置のもう１つの実施例を図示しており、そこにおいて単一のスイッチＳ４は同調コンデンサーＴＣ３及びＴＣ４、及び共振コンデンサーＲＣ３及びＲＣ４の回路構成を切り替えるための手段を与える。図示されているようにスイッチＳ４が開放位置にある場合、同調コンデンサーＴＣ３及びＴＣ４の直列結合は共振コンデンサーＲＣ３及びＲＣ４の直列結合と並列であり、スイッチＳ４が閉鎖位置にある場合、同調コンデンサーＴＣ３と共振コンデンサーＲＣ３の並列結合は同調コンデンサーＴＣ４と共振コンデンサーＲＣ４の並列結合と並列である。この構成によって、スイッチＳ４が開放位置と閉鎖位置の間で変化したときに等価負荷回路容量は負荷回路の共振周波数とともに変化する。
【００２０】
図３は本発明の誘導加熱または溶融装置のもう１つの実施例を図示している。この実施例において、整流素子ＳＤ１及び逆平行ダイオードＤ１、並びに整流素子ＳＤ２及び逆平行ダイオードＤ２はインバーターの第１支線を構成し、整流素子ＳＤ３及び逆平行ダイオードＤ３、並びに整流素子ＳＤ４及び逆平行ダイオードＤ４はインバーターの第２支線を構成する。同調コンデンサーＴＣ５及び共振コンデンサーＲＣ５はスイッチＳ５及びＳ６及び負荷コイルＬＣとともに第１及び第２の支線の中点の間に接続されるインバーターの対角線を形成する。
【００２１】
同調コンデンサーＴＣ５が共振コンデンサーＲＣ５と実質的に同一の容量Ｃを有する非制限的な実施例において、スイッチＳ５及びＳ６の位置が変化したときの上述のＣに対するＣの変化及び共振周波数Ｆの変化は以下の表に示されている。
【表２】
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【００２２】
図４ａは本発明の誘導加熱または溶融装置のもう１つの実施例を図示している。この構成において、整流素子ＳＤ１及び逆平行ダイオードＤ１、並びに整流素子ＳＤ２及び逆平行ダイオードＤ２はインバーターの第１支線を構成し、共振コンデンサーＲＣ６及びＲＣ７はインバーターの第２支線を構成する。同調コンデンサーＴＣ６はスイッチＳ７及び負荷コイルＬＣとともに第１及び第２の支線の中点の間に接続されるインバーターの対角線を形成する。インバーターから供給された交流電流が誘導負荷コイルを通って流れると、磁場が発生する。後で説明されるように、該加工品を誘導的に加熱または溶融するために誘導負荷コイルを通って流れる交流電流によって生成される磁場が該加工品に浸透するように該加工品を配置することができる。
【００２３】
動作中、スイッチＳ７は同調コンデンサーを回路内に含めるために、または回路中で同調コンデンサーをバイパスするために、それぞれ図示されているように開放されてもよいし、または閉鎖されてもよい。負荷コイル、同調コンデンサー（有効回路内に存在する場合）、及び共振コンデンサーの回路インピーダンスはインバーターの出力によって現れる結果的な負荷インピーダンスを決定する。したがって、スイッチＳ７の閉鎖による同調コンデンサーＴＣ６の短絡は回路の等価容量を増大させ、結果的に回路の共振周波数を低下させるだろう。逆に、スイッチＳ７の開放は回路の容量を減少させ、結果的に回路の共振周波数を増大させるだろう。
【００２４】
図４ｂは図４ａのスイッチＳ７に対してスイッチ手段を与えるための１つの非制限的な実施例を図示している。図４ｂにおいて、同調コンデンサーＴＣ６を短絡させるためのスイッチ手段はダイオードＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３及びＢＤ４から形成され、同調コンデンサーの両端に接続されたダイオードブリッジによって達成されている。例えばトランジスターであってもよいスイッチＳ８は、スイッチが閉じられたときに同調コンデンサーを短絡させるためにブリッジの中央の間に接続されている。
【００２５】
非制限的な実施例において、約３〜１０キロヘルツの低周波数と約３０〜１００キロヘルツの高周波数とともに、加工品の複式周波数誘導加熱を達成するために図４ａまたは図４ｂの装置が使用される場合、同調コンデンサーＴＣ６の容量は共振コンデンサーＲＣ６及びＲＣ７の容量に対して約１００倍以上小さい値から選択されるべきである。
【００２６】
本発明の上述の実施例においては共振インバーターが使用されているが、本発明の請求の範囲から外れることなく他のインバーター構成または幾何構成が使用されてもよい。本発明の全ての実施例において、インバーターの出力は固定した周波数で動作してもよいし、可変の周波数で動作してもよい。絶縁ゲートバイポーラトランジスターのシンボルで図示されている整流素子等の、トランジスターまたは他のソリッドステート素子を含む本発明の上述の実施例で使用されているスイッチ素子は例としてのものであり、他の適当なスイッチ素子または部材によって置き換えられてもよい。
【００２７】
本発明の例は特定の電気部材への参照を含む。当業者は必ずしも同種のものではないが、所望の条件を達成する、または本発明の所望の結果を達成する部材で図示された部材を置き換えることによって本発明を実施してもよい。例えば、複数の部材に対して単一の部材が使用されてもよいし、逆に単一の部材に対して複数の部材が使用されてもよい。
【００２８】
上述の実施例は本発明の範囲を制限するためのものではない。本発明の範囲は付随する請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の複周波数誘導加熱または溶融装置の１つの例を図示している簡略化された回路図である。
【図２】本発明の複周波数誘導加熱または溶融装置のもう１つの例を図示している簡略化された回路図である。
【図３】本発明の複周波数誘導加熱または溶融装置のもう１つの例を図示している簡略化された回路図である。
【図４ａ】本発明の複周波数誘導加熱または溶融装置のもう１つの例を図示している簡略化された回路図である。
【図４ｂ】同調容量性部材に関連したスイッチがダイオードブリッジ及びスイッチ部材を備えている、図４ａに示されている本発明の複周波数誘導加熱または溶融装置のもう１つの例を図示している簡略化された回路図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０            共振ブリッジインバーター
ＢＤ１−ＢＤ４  ダイオード
Ｄ１−Ｄ４      逆平行ダイオード
ＬＣ            誘導負荷コイル
ＲＣ１−ＲＣ７  共振コンデンサー
Ｓ１−Ｓ８      スイッチ
ＳＤ１−ＳＤ４  整流素子
ＴＣ１−ＴＣ６  同調コンデンサー
【図１】
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【図２】
2008547162.tif 000008
【図３】
2008547162.tif 000009
【図４（ａ）】
2008547162.tif 000010
【図４（ｂ）】
2008547162.tif 000011
【国際調査報告】
2008547162.tif 000012