(57)【要約】【課題】インバータ装置の特性を把握していない場合においても、特定の測定機器や特殊な制御手段／検出手段を使用することなく、定量的に加熱コイルの調整を行えるようにする。【解決手段】動作負荷条件演算部２２は、誘導加熱装置のモニタ部１８に表示される情報から誘導加熱インバータ１１の詳細な動作状態を演算し、比較部２３は、誘導加熱インバータ１１の負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、負荷条件の整合または不整合を判定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱コイルに高周波電流を流して負荷を誘導加熱する誘導加熱インバータの加熱コイルに適用される加熱コイル設計製作支援装置において、
前記誘導加熱インバータの動作状態を示した情報に基づいて前記誘導加熱インバータの負荷条件を演算する動作負荷条件演算部と、
前記誘導加熱インバータの負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、前記負荷条件の整合または不整合を判定する比較部とを備えることを特徴とする加熱コイル設計製作支援装置。
【請求項２】
前記誘導加熱インバータの動作状態を示した情報は、
供給電力と、
入力電圧またはインバータ直流中間電圧のいずれか少なくとも一方が得られる情報と、  負荷電流、動作周波数および出力電流位相のいずれか少なくとも２つが得られる情報とを備えることを特徴とする請求項１記載の加熱コイル設計製作支援装置。
【請求項３】
前記整合負荷範囲は、最大電流で動作する境界、最小電流で動作する境界、最高周波数で動作する境界および最低周波数で動作する境界で囲まれた範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の加熱コイル設計製作支援装置。
【請求項４】
前記加熱コイルの開発時には、前記４つの境界を結ぶ４つの頂点のうち、前記最小電流および前記最低周波数で動作する点に近づけることを指標とすることを特徴とする請求項３記載の加熱コイル設計製作支援装置。
【請求項５】
前記誘導加熱インバータ本体と別体的に構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の加熱コイル設計製作支援装置。
【請求項６】
前記誘導加熱インバータの制御回路部に設けられ、前記負荷条件の整合判定結果を前記誘導加熱インバータの表示部または信号出力インターフェースに出力する出力機能を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の加熱コイル設計製作支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱コイル設計製作支援装置に関し、特に、一般家庭やレストランなどで使用される誘導加熱調理器や金属溶解、シームレス溶接などに使用される産業用誘導加熱装置の加熱コイルの修正に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱装置は、高周波電流を加熱コイルに供給し、電磁誘導の原理で負荷（被加熱物）に渦電流を発生させ、そのジュール熱で負荷を加熱することができ、スイッチング素子を用いて交流電源から高周波電流を生成する電力変換回路が設けられている。
図７は、誘導加熱インバータの回路構成を示す図である。
図７において、誘導加熱インバータには、スイッチング動作を行うスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が設けられ、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には帰還ダイオードＤ５、Ｄ６がそれぞれ逆並列接続されている。そして、この直列接続されたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の両端には、互いに直列接続された共振コンデンサＣr1、Ｃr2が並列接続されるとともに、平滑コンデンサＣdc2が並列接続され、さらにダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジに接続されている。
【０００３】
そして、ダイオードＤ１、Ｄ３の接続点とダイオードＤ２、Ｄ４の接続点との間には交流電源５１が接続され、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の接続点と共振コンデンサＣr1、Ｃr2の接続点との間には加熱コイルのインダクタンスＬ0および被加熱物の抵抗Ｒ0が接続される。
そして、交流電源５１から出力された交流電圧は、ダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジにて直流に変換され、平滑コンデンサＣdc2を介して直列接続されたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の両端に供給される。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にスイッチングすることにより、加熱コイルに高周波電流が供給され、負荷を誘導加熱させることができる。
【０００４】
ここで、誘導加熱インバータは、加熱コイルのインダクタンスＬ0と共振コンデンサＣr1、Ｃr2との共振周波数以上の周波数で動作され、正弦状の電流を負荷に供給することが一般的に行われている。
誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給するためには、誘導加熱インバータの仕様に合うように負荷条件を設定する必要がある。電磁調理器に使用される誘導加熱インバータは、専用の加熱コイルをセットにして製作および販売が行われるが、特殊な形状の負荷を加熱するためには、加熱コイルを新規に製作する必要がある。
【０００５】
しかし、新規に製作した加熱コイルを用いて誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給するためには、加熱コイルの大きさ、ターン数、被加熱物とのギャップなどの様々な要因に依存する要件を満たす必要があり、加熱コイルの修正作業が困難となることから、負荷に所望の電力を供給できない場合が多い。
なお、以下の説明では、誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給できる場合を整合、誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給できない場合を不整合という。
【０００６】
そして、負荷条件の整合がとれていない状態で誘導加熱インバータを使用すると、最悪の場合には誘導加熱インバータが破損することもある。
これに対して、新規に製作した加熱コイルを用いた場合においても、誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給できるようにするために、加熱コイルとインバータとの間に接続される負荷整合回路内のタップを切り替えることで負荷条件を変化させる方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
図８は、従来の誘導加熱装置の負荷条件の切り替え方法を示すブロック図である（特許文献１）。
図８において、インバータ１０１と加熱コイル１０２との間には負荷整合回路１０３が設けられ、負荷整合回路１０３には、２次側タップ付のマッチング変圧器ＴＲ、タップＴ１〜Ｔ３をつなぎ替える電磁接触器ＭＣ１〜ＭＣ３、出力端子間に接続された力率調整コンデンサＣが設けられている。そして、操作部１０４はマッチング調整装置１０５にデータ読込指令とタップ切替指令を出力し、マッチング調整装置１０５は、マッチング変圧器ＴＲのタップが適正タップ値になるように電磁接触器ＭＣ１〜ＭＣ３のいずれかのコイルを励磁することで、インバータ１０１から負荷に所望の電力を供給することができる。
【０００８】
図８の構成では、新規に製作した加熱コイルを用いた場合においても、誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給できるが、負荷整合回路１０３内にタップ切り替え回路を設ける必要があり、負荷整合回路１０３の複雑化、大型化および高コスト化を招くという問題がある。
従って、誘導加熱インバータと整合がとれた負荷条件（加熱コイルとの被加熱物との結合）を実現する加熱コイルをどのようにして容易に製作するかが、誘導加熱インバータから負荷に所望の電力を供給できるようにするために重要である。
ここで、一度製作した加熱コイルでは、被加熱物に所望の電力を供給できなかった場合、実験を行いながら加熱コイルのターン数や被加熱物とのギャップを修正することで、負荷との整合をとる必要がある。
【０００９】
この場合、一般的には、加熱コイルの修正作業は、以下のような手順にて行われる。
（Ｊ１）加熱コイルの入力電力、出力電圧、出力電流、負荷条件（ＬＲ）などの測定
（Ｊ２）被加熱物に所望の電力を供給できない原因の判定（過電流、過電圧、出力力率１動作など）
（Ｊ３）上記の原因に応じた加熱コイルの修正（ターン数、ギャップ長の調整）
これら一連の修正作業を行う場合には、以下のような課題が存在する。
（ｉ）各値の測定には、オシロスコープ、ＬＣＲメータなどの機器が必要となり、加熱コイルの製作者が所有してない場合が多い。
（ｉｉ）被加熱物に所望の電力を供給できない原因に対して、どのように加熱コイルを調整するかを経験やノウハウに頼ることから、カット＆トライで何度も加熱コイルの調整を繰り返さなければならない場合が多い。
（ｉｉｉ）加熱コイルの一連の修正作業には、インバータ装置の特性を把握した技術者が必須であり、加熱コイルの製作者の要求に即座に対応するには多くの人員が必要となる。
【００１０】
以上のような課題に対して、特許文献２、３には、加熱コイルの製作や修正を行う際の指針とするために、誘導加熱インバータと負荷との整合または不整合を判定する方法が開示されている。
すなわち、特許文献２には、誘導加熱インバータと負荷との整合がとれているかどうかを判定する方法が詳細に記載され、特許文献３には、整合または不整合の判定方法と、加熱コイルの修正方法としてインダクタンスの大小を指示できるシステム構成が開示されている。
【００１１】
また、特許文献４〜６は、許文献２や特許文献３に開示された方法に比べると、加熱コイルの調整法について詳細な方法が記載されている。手順としては以下となっている。
（Ｐ１）誘導加熱装置を特殊な動作させることで負荷条件を検出する（特許文献４）
（Ｐ２）Ｐ１で検出した負荷条件を、動作状態を記憶した網羅的なデータベースと比較す    ることで整合／不整合を判定する。
（Ｐ３）動作周波数を横軸、抵抗成分を縦軸にとる座標の中心に整合条件を記し、検出し    た負荷条件の動作ポイントを定性的に表示する（特許文献５）。
（Ｐ４）Ｐ３で示された動作ポイントを基に、加熱コイル調整方法を定性的に文章で示す    （特許文献６）。
【００１２】
図９は、従来の誘導加熱装置の負荷条件の表示方法を示す図である（特許文献５）。
図９において、表示領域４１１Ａの整合判定処理画面５００は、画面モード領域５１０と、切換ボタン領域５２０と、動作状態領域５３０と、定格値領域５４０と、粗整合判定領域５５０と、精密整合判定領域５６０とを備えている。
画面モード領域５１０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における左上側に設けられ、整合判定処理画面５００のモードが表示される領域である。この画面モード領域５１０には、整合判定処理画面５００のモードが低周波の周波数に対応するＦ１モードである旨を表す「低周波Ｆ１整合チェック」の文字列が表示されるモード内容表示領域５１１が設けられている。なお、高周波の周波数に対応するＦ２モードの場合、モード内容表示領域５１１には、「高周波Ｆ２整合チェック」の文字列が表示される。
【００１３】
切換ボタン領域５２０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における画面モード領域５１０の右側に設けられ、整合判定処理画面５００を他の画面に切り替える際にタッチパネル４１２で入力操作されるコマンドボタンが表示される領域である。具体的には、切換ボタン領域５２０には、整合判定処理画面５００をＦ２モードに切り換える際に接触されるモード切替コマンドボタン５２１と、粗整合判定用データを表示させる際にタッチパネル４１２で入力操作されるデータ詳細コマンドボタン５２２と、整合状態の整合判定処理で取得した粗整合判定用データなどを削除するなどのリセット処理をタッチパネル４１２で入力操作されるリセットコマンドボタン５２３と、各種メニューを表示させる際に入力操作されるメニューコマンドボタン５２４とが並列に設けられている。
【００１４】
動作状態領域５３０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における画面モード領域５１０の下側に設けられ、誘導加熱装置の各種動作状態が表示される領域である。具体的には、動作状態領域５３０には、商用交流電源の状態に関する主電源情報を表示する主電源表示領域５３１と、運転状態に関する運転情報を表示する運転状態表示領域５３２と、モードに対応する周波数に関するモード周波数情報を表示するモード周波数表示領域５３３とが並列に設けられている。
【００１５】
定格値領域５４０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における動作状態領域５３０の下側に設けられ、発振回路部の各種定格値が表示される領域である。具体的には、定格値領域５４０には、発振回路部から出力される低周波の電力の周波数が定格周波数として表示される発振回路値文字情報としての定格周波数表示領域５４１と、発振回路部の出力インピーダンスが定格インピーダンスとして表示される発振回路値文字情報としての定格インピーダンス表示領域５４２とが並列に設けられている。
【００１６】
粗整合判定領域５５０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における切換ボタン領域５２０の下側に設けられ、粗整合判定処理に関する各種情報が表示される領域である。そして、粗整合判定領域５５０の表示領域における右上側には、粗整合判定処理が実施可能か否かに関する粗整合判定処理情報が表示される粗整合判定処理表示領域５５１が設けられている。また、粗整合判定領域５５０の表示領域における粗整合判定処理表示領域５５１の下側には、粗整合判定処理により算出された低周波直列共振回路の直列共振周波数を表示する発振回路値文字情報としての粗整合共振周波数表示領域５５２と、低周波直列共振回路の直列共振インピーダンスが測定負荷インピーダンスとして表示される発振回路値文字情報としての粗整合測定負荷インピーダンス表示領域５５３とが並列に設けられている。
【００１７】
なお、これら粗整合共振周波数表示領域５５２および粗整合測定負荷インピーダンス表示領域５５３は、粗整合判定処理により直列共振周波数や直列共振インピーダンスの算出処理が実施されていない場合、それぞれ直列共振周波数および測定負荷インピーダンスの値を表示しない。さらに、粗整合判定領域５５０の表示領域における粗整合測定負荷インピーダンス表示領域５５３の上側には、粗整合判定処理で直列共振インピーダンスの算出処理が実施されていない場合に「Ｚ0不明」の文字列が表示される算出不可能表示領域５５４が設けられている。
【００１８】
また、粗整合判定領域５５０における粗整合共振周波数表示領域５５２および粗整合測定負荷インピーダンス表示領域５５３の下側には、グラフ領域５５５が設けられている。このグラフ領域５５５の表示領域における略中央には、横軸および縦軸でそれぞれ周波数差分およびインピーダンス差分を表す２次元の座標平面としての座標平面領域５５６が表示される。この座標平面領域５５６で表される周波数差分の範囲は例えば−２０％以上かつ＋２０％未満に設定され、座標平面領域５５６には状態Ａ〜状態Ｉの周波数差分およびインピーダンス差分に対応する例えば９つの領域が設けられている。
【００１９】
そして、座標平面領域５５６における状態Ａ〜状態Ｉに略対応する領域としては、連続同期フラグが「オン」に設定され整合状態が状態Ａ〜状態Ｉであると判定された場合、整合状態データベース４２１などに基づいてその旨を表す略正方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｉである。具体的には、差分算出手段で算出された周波数差分およびインピーダンス差分に対応する周波数差分情報およびインピーダンス差分情報を有する整合状態関連情報が検索され、この検索された整合状態関連情報のボタン位置情報に基づく位置に対応した領域のメッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｉが表示される。例えば、周波数差分およびインピーダンス差分がともに＋５％の場合、整合状態が状態Ｅであると判定され、メッセージボタン５５７Ｅが座標平面領域５５６の略中央に表示される。
【００２０】
また、グラフ領域５５５の画面表示領域における座標平面領域５５６の左上側には、低周波共振フラグが「オン」に設定され整合状態が状態Ｊと判定された場合、略正方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ｊが設けられている。さらに、グラフ領域５５５の画面表示領域における座標平面領域５５６の右上側には、連続同期フラグが「オン」に設定され整合状態が状態Ｋと判定された場合、すなわち差分算出手段で算出された周波数差分が＋２０％以上の場合、略正方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ｋが設けられている。また、このメッセージボタン５５７Ｋに隣接して、高周波共振フラグが「オン」に設定され整合状態が状態Ｌと判定された場合、略正方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ｌが設けられている。さらに、座標平面領域５５６の画面表示領域における右側には、短絡フラグが「オン」に設定され整合状態が状態ＥＲＲ１と判定された場合、略長方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ｍが設けられている。そして、このメッセージボタン５５７Ｍに隣接して、開放フラグが「オン」に設定され整合状態が状態ＥＲＲ２と判定された場合、略長方形状に表示されるメッセージボタン５５７Ｎが設けられている。
【００２１】
すなわち、グラフ領域５５５には、粗整合判定処理の結果に基づいて、メッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｍのうちのいずれか１つが表示される。そして、メッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｉのうちのいずれか１つのみが座標平面領域５５６とともに表示されることにより、整合状態が２次元のグラフとして表現される。
また、各メッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｉは、インピーダンス差分に対応した色で表示される。例えば、状態Ａ，Ｄ，Ｇに対応するものが水色で、状態Ｂ，Ｅ，Ｈに対応するものが緑色で、状態Ｃ，Ｆ，Ｉに対応するものが朱色で、それぞれ表示される。さらに、各メッセージボタン５５７Ｊ〜５５７Ｎは、各メッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｉとは異なる色、例えばそれぞれ紺色、赤紫色、橙色、赤色、青色で表示される。また、座標平面領域５５６におけるインピーダンス差分が−１０％以上かつ＋１０％未満、または、周波数差分が−２％以上かつ＋１０％未満である旨を表す略十字状の十字領域５５６Ａ、すなわちメッセージボタン５５７Ｂ，５５７Ｄ，５５７Ｅ，５５７Ｆ，５５７Ｈを囲む十字領域５５６Ａは、座標平面領域５５６の十字領域５５６Ａ以外の領域および各メッセージボタン５５７Ａ〜５５７Ｎとは異なる色、例えば薄紫色で表示される。
【００２２】
さらに、粗整合判定領域５５０の画面表示領域におけるグラフ領域５５５の下側には、略長方形状に表示される粗整合判定処理ボタン５５８が設けられている。この粗整合判定処理ボタン５５８には、例えば低周波の周波数に対する粗整合判定処理のスタンバイ状態の際に「低周波側整合開始」の文字列が、粗整合判定処理の実施中に「低周波側整合チェック中」の文字列が重畳されて表示される。
【００２３】
精密整合判定領域５６０は、整合判定処理画面５００の画面表示領域における定格値領域５４０の下側に設けられ、精密整合判定処理に関する各種情報が表示される領域である。この精密整合判定領域５６０の画面表示領域における上側には、粗整合判定処理により整合状態が状態Ｄまたは状態Ｅと判定された場合に精密整合判定処理が実施可能である旨の「精密測定可」の文字列が、状態Ｄおよび状態Ｅ以外であると判定された場合に精密整合判定処理が実施不可能である旨の「精密測定不可」の文字列が、精密整合判定処理情報として表示される精密整合判定処理表示領域５６１が設けられている。
【００２４】
また、精密整合判定領域５６０の画面表示領域における精密整合判定処理表示領域５６１の下側には、精密整合判定処理により算出された低周波直列共振回路３２５の直列共振周波数を表示する精密整合共振周波数表示領域５６２と、低周波直列共振回路３２５の直列共振インピーダンスが測定負荷インピーダンスとして表示される精密整合測定負荷インピーダンス情報５６３とが並列に設けられている。さらに、精密整合判定領域５６０の画面表示領域における精密整合測定負荷インピーダンス情報５６３の下側には、略長方形状に表示される精密整合判定処理ボタン５６４が設けられている。この精密整合判定処理ボタン５６４には、粗整合判定処理ボタン５５８と同様の文字列が重畳されて適宜表示される。
【００２５】
【特許文献１】特開平１０−２４１８４６号公報
【特許文献２】特開平１１−５４２４９号公報
【特許文献３】特開２００６−３２０３８号公報
【特許文献４】特開２００７−１２４７９号公報
【特許文献５】特開２００７−１２４８０号公報
【特許文献６】特開２００７−１２４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
しかしながら、特許文献２〜６に開示された方法では、加熱コイルを修正する指針は示されているものの、加熱コイルをどのように変更するかを定量的（例えば、インダクタンスを変化させるために、加熱コイルのターン数をどのように変更するか）に示すことができないという問題があった。
これは、上述した手順（Ｊ１）〜（Ｊ３）で示した誘導加熱インバータの動作状態を詳細に把握できていないことに起因するため、特許文献２〜３に開示された方法では、上述した課題（ｉ）〜（ｉｉｉ）のすべてについて解決することができない。
【００２７】
また、特許文献４〜６の発明では、加熱コイルの負荷状態を判定する特殊な制御手段（所定の周波数の交流電力から順次低い周波数の交流電力に変換させる）が必要になったり、そのための動作状態検出手段が必要となるなど、適用できる誘導加熱装置に制約があり汎用性に欠ける。つまり、特定の誘導加熱装置ならば、上記課題を一部、解決できるものの、特殊な機能を持たない誘導加熱装置（例えば過去に販売された製品や他社製品）には適用できない。また、加熱コイルをどのように変更するかを定量的（例えば、インダクタンスを変化させるために、加熱コイルのターン数をどのように変更するか）に示すことは依然としてできない。
そこで、本発明の目的は、インバータ装置の特性を把握していない場合においても、特定の測定機器や特殊な制御手段／検出手段を使用することなく、定量的に加熱コイルの調整を行うことが可能な加熱コイル設計製作支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、加熱コイルに高周波電流を流して負荷を誘導加熱する誘導加熱インバータの加熱コイルに適用される加熱コイル設計製作支援装置において、前記誘導加熱インバータの動作状態を示した情報に基づいて前記誘導加熱インバータの負荷条件を演算する動作負荷条件演算部と、前記誘導加熱インバータの負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、前記負荷条件の整合または不整合を判定する比較部とを備えることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項２記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、前記誘導加熱インバータの動作状態を示した情報は、供給電力と、入力電圧またはインバータ直流中間電圧のいずれか少なくとも一方が得られる情報と、負荷電流、動作周波数および出力電流位相のいずれか少なくとも２つが得られる情報とを備えることを特徴とする。
また、請求項３記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、前記整合負荷範囲は、最大電流で動作する境界、最小電流で動作する境界、最高周波数で動作する境界および最低周波数で動作する境界で囲まれた範囲であることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項４記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、前記加熱コイルの開発時には、前記４つの境界を結ぶ４つの頂点のうち、前記最小電流および前記最低周波数で動作する点に近づけることを指標とすることを特徴とする。
また、請求項５記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、前記誘導加熱インバータ本体と別体的に構成されていることを特徴とする。
また、請求項６記載の加熱コイル設計製作支援装置によれば、前記誘導加熱インバータの制御回路部に設けられ、前記負荷条件の整合判定結果を前記誘導加熱インバータの表示部または信号出力インターフェースに出力する出力機能を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、誘導加熱インバータの負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、負荷条件の整合または不整合を判定することが可能となり、インバータ装置の特性を把握していない場合においても、特定の測定機器を使用することなく、加熱コイルの調整を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態に係る加熱コイル設計製作支援装置について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る加熱コイル設計製作支援装置が適用される誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、誘導加熱インバータ１１には、スイッチング動作に基づいて高周波電流を生成するスイッチング回路１５が設けられ、スイッチング回路１５は平滑コンデンサＣdc2を介してダイオードブリッジ回路１３に接続されている。そして、スイッチング回路１５の出力側には加熱コイル１６が設けられ、ダイオードブリッジ回路１３の出力側には交流電源１２が接続されている。
【００３４】
そして、誘導加熱装置には、スイッチング回路１５のスイッチング制御を行う制御回路部１７が設けられるとともに、誘導加熱インバータの動作状態をモニタするモニタ部１８が設けられている。
また、加熱コイル設計製作支援装置には負荷整合判別部２１が設けられ、負荷整合判別部２１には、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報に基づいて負荷条件を演算する動作負荷条件演算部２２、誘導加熱インバータ１１の整合負荷範囲を演算または記憶する整合負荷範囲演算部２４および動作負荷条件演算部２２にて演算された負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、負荷条件の整合または不整合を判定する比較部２３が設けられている。
【００３５】
そして、動作負荷条件演算部２２は、誘導加熱装置のモニタ部１８に表示される情報から誘導加熱インバータ１１の詳細な動作状態を演算する。そして、比較部２３は、誘導加熱インバータ１１の負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、負荷条件の整合または不整合を判定することができ、誘導加熱インバータ１１の特性を把握していない場合においても、特定の測定機器を使用することなく、加熱コイル１６の調整を行うことが可能となる。
なお、上述した実施形態では、動作負荷条件演算部２２は、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報を誘導加熱装置のモニタ部１８から取得する方法について説明したが、信号出力インターフェースに出力するなどのそれ以外の方法で、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報を取得するようにしてもよい。
【実施例２】
【００３６】
以降では、図１の誘導加熱装置のモニタ部１８から得られる情報に基づいて、誘導加熱インバータ１１の動作状態を推定する方法について説明する。
誘導加熱インバータ１１の動作状態を把握するために誘導加熱装置で得る情報として、制御回路部１７で必要となる情報を用いることで、加熱コイル設計製作支援装置用に新たに検出しないようにすることができる。
【００３７】
ここで、図１の誘導加熱装置のモニタ部１８から得られる情報としては、以下の情報を挙げることできる。
・入力電圧Ｖin
・入力電力Ｐin
・スイッチング周波数ｆs
・出力電流ＩL0
・出力電流位相角θ
例えば、図７の誘導加熱インバータでは、加熱コイルの負荷は加熱コイルと被加熱物とが磁気結合し、インダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0からなり、誘導加熱インバータの負荷条件に相当する。
【００３８】
しかし、加熱コイルのインダクタンスＬ0と被加熱物の抵抗Ｒ0は、被加熱物と結合状態により大きく変化する上に、被加熱物の温度や供給電流量によって非線形に変化することから、これらのインダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0を正確に測定することは困難である。
従って、これらのインダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0の正確な値を求めることができるならば、誘導加熱インバータの詳細な動作状態を把握することができる。
図７の誘導加熱インバータでは、インバータ入力電圧ｖinv、インバータ出力電流ｉL0、インバータ出力電力Ｐout、動作周波数ｆsには、以下の関係式（１）〜（４）が成り立つ。
【００３９】
【数１】
2008269940.tif 000003
【００４０】
【数２】
2008269940.tif 000004
【００４１】
【数３】
2008269940.tif 000005
【００４２】
【数４】
2008269940.tif 000006
【００４３】
以上の（１）〜（４）式は、簡単化のため、動作周波数ｆsの基本波周波数成分のみ記述しているが、高周波成分についても同様の関係式を導出することができる。
ここで、（１）式の直流中間電圧Ｖdcは入力電圧Ｖinから簡単に演算することができ、誘導加熱装置内の損失を無視すると、（３）式において、Ｐout＝Ｐinが成り立つ。なお、誘導加熱装置内の効率ηを考慮すると、Ｐout＝ηＰinとなる。
【００４４】
すなわち、入力電圧Ｖinや入力電力Ｐinは、誘導加熱インバータに供給される電圧とインバータ出力電力Ｐoutを得るために検出されるため、それらの値が得られるならば、どのような検出器を用いるようにしてもよい。例えば、ＡＣ−ＡＣ直接変換回路の場合では、直流中間電圧Ｖdcは存在しないが、入力電圧Ｖinから動作状態を求めることができる。また、入力電流と入力力率から直流中間電圧Ｖdcまたは入力電圧Ｖinを換算する方法もあるが、検出器が多いだけで本質的に同じ方法で動作状態を求めることができる。
【００４５】
また、Ｃrは誘導加熱インバータの共振コンデンサ容量であり、図７の構成では、Ｃr＝Ｃr1＋Ｃr2が成り立つ。従って、以上の（１）〜（４）式のうち、未知数は、加熱コイルのインダクタンスＬ0と被加熱物の抵抗Ｒ0だけとなり、（１）〜（４）式と上述した情報から様々の組み合わせによってインダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0を求めることが可能となることから、誘導加熱インバータの負荷条件を正確に求めることが可能となるとともに、誘導加熱インバータの詳細な動作状態を把握することができる。
【００４６】
そして、図１の負荷整合判別部２１では、加熱コイル１６の整合が取れていないために負荷に所望の電力が供給されていない場合においても、誘導加熱インバータ１１の負荷条件を求めることが可能となるとともに、被加熱物に実際に電力が供給されることで、負荷に電流を流さない状態でＬＣＲメータにて測定する方法では把握できないような、被加熱物の温度や供給電流量に起因する非線形性を含めて、加熱コイル１６のインダクタンスＬ0と被加熱物の抵抗Ｒ0の値を詳細かつ正確に演算することができる。これは、特許文献4のように特殊な制御手段（所定の周波数の交流電力から順次低い周波数の交流電力に変換させる）や特殊な動作状態検出手段を必要とせず、現在動作している１ポイントの動作状態から演算できる特徴を持つ。
【００４７】
以上により、誘導加熱インバータ１１の負荷条件を詳細かつ正確に求めることができ、誘導加熱インバータ１１のメーカから提供される整合負荷範囲から、例えば、加熱コイル１６のインダクタンスＬ0がどれだけ小さいかを容易に求めることができる。そして、インダクタンスＬ0の値は巻線の２乗に比例する特性を持っていることから、製作した加熱コイル１６のターン数と修正後のターン数とを定量的に求めることができる。
【００４８】
このように、誘導加熱インバータ１１の整合負荷範囲と詳細な負荷条件を求めることで、加熱コイル１６の修正方法を的確に示すことができる。
ここで、図１の負荷整合判別部２１は、誘導加熱装置の制御回路部１７の各種検出結果としてモニタ部１８に表示された情報に基づいて、誘導加熱インバータ１１の詳細な負荷条件を求めることから、特定の測定機器を使用することなく、加熱コイル１６の修正方法を的確に示し、誘導加熱インバータ１１の特性を把握してない人であっても、加熱コイル１６を調整することができる。
【実施例３】
【００４９】
以降では、図１の整合負荷範囲演算部２４の構成例について説明する。
誘導加熱インバータ１１の整合負荷範囲は、誘導加熱インバータ１１の固有であり、誘導加熱インバータ１１の設計条件によって変化する。この整合負荷範囲は、誘導加熱インバータ１１のメーカから加熱コイル１６の製作者に提供される重要な情報の一つである。
しかしながら、従来技術では整合負荷範囲を正確に求めることができなかった。これは、図９に示したように、負荷の整合／不整合ご判断する際の整合負荷範囲が一点（E）のみで記載されていることからも明らかである。
それに対し、本発明によると、誘導加熱インバータに応じた整合負荷範囲を正確に求めることができる。
【００５０】
図２は、本発明の一実施形態に係る負荷整合判別方法に用いられる整合負荷範囲を示す図である。なお、図２の例では、横軸をインダクタンスＬ0、縦軸をクオリティファクタＱ0として、整合負荷範囲を示した。ここで、クオリティファクタＱ0は、以下の（５）式で定義することができる。
Ｑ0＝２πｆsＬ0／Ｒ0                                            ・・・（５）
図２において、誘導加熱インバータ１１の動作状態は、横軸をインダクタンスＬ0、縦軸をクオリティファクタＱ0とした整合負荷範囲の表現方法に結び付けられて示されている。
すなわち、最大電流で動作する境界ＫＩｘ、最小電流で動作する境界ＫＩｎ、最高周波数で動作する境界ＫＦｘおよび最低周波数で動作する境界ＫＦｎで囲まれた範囲を整合負荷範囲とすることができる。
【００５１】
また、これら４つの境界ＫＩｘ、ＫＩｎ、ＫＦｘ、ＫＦｎを結ぶ４つの頂点Ｐ１〜Ｐ４も以下の動作状態から求めることができる。
頂点Ｐ１：最小電流、最低周波数条件
頂点Ｐ２：最大電流、最高周波数条件
頂点Ｐ３：最大電流、最低周波数条件
頂点Ｐ４：最小電流、最高周波数条件
そして、誘導加熱インバータ１１から得られた情報に基づいて演算した負荷条件（インダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0の値）と、動作周波数ｆsから求められる負荷条件（インダクタンスＬ0とクオリティファクタＱ0の値）を図２の整合負荷範囲上に重なるようにプロットすることで、負荷条件の整合または不整合を判定することができる。
【００５２】
すなわち、４つの境界ＫＩｘ、ＫＩｎ、ＫＦｘ、ＫＦｎで囲まれた範囲が所望の電力を負荷に供給できる整合負荷範囲となるのに対して、４つの境界ＫＩｘ、ＫＩｎ、ＫＦｘ、ＫＦｎで囲まれた範囲外の領域は不整合となる。そして、誘導加熱インバータ１１の動作状態を整合負荷範囲と結び付けて表現することにより、不整合の原因を瞬時に把握することが可能となる。
【００５３】
例えば、誘導加熱インバータ１１の詳細な負荷条件（インダクタンスＬ0と抵抗Ｒ0とクオリティファクタＱ0の値）を求めた結果を整合負荷範囲上に重なるようにプロットした場合、インダクタンスＬ0が整合負荷範囲よりも小さかったとする。この場合、最高周波数で動作する境界ＫＦｘよりも左側に負荷条件がプロットされるため、負荷条件が不整合となる原因は、動作周波数ｆsが高くなりすぎて所望の電力を負荷に供給できないことであると、加熱コイル１６の製作者は瞬時に把握することが可能となる。
【００５４】
そして、動作周波数ｆsを低くするためには、インダクタンスＬ0が増加するように加熱コイル１６を修正すればよく、負荷条件を整合負荷範囲内に収めるためには、インダクタンスＬ0をどれだけ大きくすればよいかを容易に判断することが可能となる。そして、インダクタンスＬ0の値は巻線の２乗に比例する特性を持っていることから、製作した加熱コイル１６のターン数と修正後のターン数とを定量的に求めることができる。
また、図２の整合負荷範囲を参照することで、インダクタンスＬ0の大小だけでなく、抵抗Ｒ0（またはクオリティファクタＱ0）に対する修正方法も把握することが可能となる。
【００５５】
例えば、誘導加熱インバータ１１の動作状態から求めた負荷条件（インダクタンスＬ0とクオリティファクタＱ0の値）において、インダクタンスＬ0は整合負荷範囲内にあり、最小電流で動作する境界ＫＩｎよりもクオリティファクタＱ0が小さい場合には、負荷条件の抵抗Ｒ0が大きくなりすぎて所望の電力を負荷に供給できないと瞬時に判断することができる。そして、負荷条件を整合負荷範囲内に収めるためには、インダクタンスＬ0の値を変更することなく、例えば、加熱コイル１６と被加熱物とのギャップ長を短縮することで、クオリティファクタＱ0の値を大きくすればよい（あるいは抵抗Ｒ0の値を小さくすればよい）と判断することができる。
【実施例４】
【００５６】
図２の整合負荷範囲は、誘導加熱インバータ１１の仕様に基づいて算出することができ、誘導加熱インバータ１１の動作状態と負荷条件とを結びつけることで、加熱コイル１６の修正方法を容易に決定することができる。
しかし、図２の整合負荷範囲は、明確な動作状態を基に詳細に求められることから、負荷条件の整合または不整合を判定する方法だけでなく、現状の加熱コイル１６で所望の電力を負荷に供給できる場合においても、加熱コイル１６を高効率化するための調整方法にも用いることができる。
【００５７】
加熱コイル１６を高効率化するためには、最小の損失で動作する条件に設定すればよいことから、図２の頂点Ｐ１の最小電流、最低周波数条件にできるだけ近づくように加熱コイル１６を作製すればよいことが容易に判別することができる。
以上説明したように、上述した実施例によれば、特定の測定機器を使用することなく、加熱コイル１６の調整方法を的確に示し、誘導加熱インバータ１１の特性を把握してない人であっても、加熱コイル１６を調整することができる。
【実施例５】
【００５８】
図１の負荷整合判別部２１は、誘導加熱装置とは別体的に構成するようにしてもよい。これにより、加熱コイル１６の製作者に対し、加熱コイル設計製作支援装置を誘導加熱装置と別個に提供することが可能となり、加熱コイル１６の製作者が独自に加熱コイル１６を修正することができる。また、加熱コイル１６の製作者が修正に迷った場合においても、誘導加熱インバータ１１の特性を把握した遠隔地の技術者が加熱コイル設計製作支援装置を使用することで、加熱コイル１６の調整方法を的確に示すことが可能となる。このため、誘導加熱インバータ１１の特性を把握した技術者が加熱コイル１６の製作現場まで出向く必要がなくなり、加熱コイル１６の製作者の要求に即座に応えることが可能となる。
【実施例６】
【００５９】
図３は、本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成の一例を示す図である。
図３において、誘導加熱インバータ１１ａには、スイッチング動作に基づいて高周波電流を生成するスイッチング回路１５ａが設けられ、スイッチング回路１５ａは平滑コンデンサＣdcを介してダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジ回路１３ａに接続されている。
ここで、スイッチング回路１５ａには、スイッチング動作を行うスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が設けられ、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には帰還ダイオードＤ５、Ｄ６がそれぞれ逆並列接続されている。
【００６０】
そして、ダイオードＤ１、Ｄ３の接続点とダイオードＤ２、Ｄ４の接続点との間には交流電源１２が接続され、加熱コイル１６には共振コンデンサＣｓが直列接続され、共振コンデンサＣｓが直列接続された加熱コイル１６はスイッチング素子Ｓ２に並列接続されている。
そして、交流電源１２から出力された交流電圧は、ダイオードブリッジ回路１３ａにて直流に変換され、平滑コンデンサＣdcを介してスイッチング回路１５ａに供給される。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にスイッチングし、加熱コイル１６のインダクタンスＬ0と共振コンデンサＣｓとの共振周波数以上の周波数で動作させながら、加熱コイル１６に高周波電流を供給することで、負荷を誘導加熱させることができる。
【実施例７】
【００６１】
図４は、本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成のその他の例を示す図である。
図４において、誘導加熱インバータ１１ｂには、スイッチング動作に基づいて高周波電流を生成するスイッチング回路１５ｂが設けられ、スイッチング回路１５ｂは平滑コンデンサＣdcを介してダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジ回路１３ｂに接続されている。
ここで、スイッチング回路１５ｂには、スイッチング動作を行うスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が設けられ、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には帰還ダイオードＤ５、Ｄ６がそれぞれ逆並列接続され、この直列接続されたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の両端には、互いに直列接続された共振コンデンサＣr1、Ｃr2が並列接続されている。
【００６２】
そして、ダイオードＤ１、Ｄ３の接続点とダイオードＤ２、Ｄ４の接続点との間には交流電源１２が接続され、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の接続点と共振コンデンサＣr1、Ｃr2の接続点との間には加熱コイル１６が接続されている。
そして、交流電源１２から出力された交流電圧は、ダイオードブリッジ回路１３ｂにて直流に変換され、平滑コンデンサＣdcを介してスイッチング回路１５ｂに供給される。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にスイッチングし、加熱コイル１６のインダクタンスＬ0と共振コンデンサＣr1、Ｃr2との共振周波数以上の周波数で動作させながら、加熱コイル１６に高周波電流を供給することで、負荷を誘導加熱させることができる。
【実施例８】
【００６３】
図５は、本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成のさらにその他の例を示す図である。
図５において、誘導加熱インバータ１１ｃには、スイッチング動作に基づいて高周波電流を生成するスイッチング回路１５ｃが設けられ、スイッチング回路１５ｃは平滑コンデンサＣdcを介してダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジ回路１３ｃに接続されている。
【００６４】
ここで、スイッチング回路１５ｃには、スイッチング動作を行うスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４が設けられ、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には帰還ダイオードＤ５、Ｄ６がそれぞれ逆並列接続され、さらにスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４は互いに直列接続されるとともに、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４には帰還ダイオードＤ７、Ｄ８がそれぞれ逆並列接続されている。
【００６５】
そして、ダイオードＤ１、Ｄ３の接続点とダイオードＤ２、Ｄ４の接続点との間には交流電源１２が接続され、加熱コイル１６には共振コンデンサＣｓが直列接続されている。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の接続点とスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４の接続点との間には、共振コンデンサＣｓが直列接続された加熱コイル１６が接続されている。
【００６６】
そして、交流電源１２から出力された交流電圧は、ダイオードブリッジ回路１３ａにて直流に変換され、平滑コンデンサＣdcを介してスイッチング回路１５ａに供給される。そして、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３とを交互にスイッチングし、加熱コイル１６のインダクタンスＬ0と共振コンデンサＣｓとの共振周波数以上の周波数で動作させながら、加熱コイル１６に高周波電流を供給することで、負荷を誘導加熱させることができる。
なお、上述した回路構成以外にも、インダクタンスＬ0および共振コンデンサが直列共振または並列共振して負荷に電力を供給する回路ならば、演算式が異なる場合においても、本発明に適用することができる。
【実施例９】
【００６７】
図６は、本発明の第２実施形態に係る加熱コイル設計製作支援装置が適用される誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図６において、誘導加熱装置の制御回路部３１には、加熱コイル設計製作支援装置が設けられ、加熱コイル設計製作支援装置には、負荷整合判別部２１が設けられている。そして、負荷整合判別部３２には、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報に基づいて負荷条件を演算する動作状態演算部３３、誘導加熱インバータ１１の整合負荷範囲を演算または記憶する整合負荷範囲演算部３５および動作状態演算部３３にて演算された負荷条件を整合負荷範囲と比較することで、負荷条件の整合または不整合を判定する比較部３４が設けられている。
【００６８】
ここで、動作状態演算部３３は、制御回路部３１の信号出力インターフェースを介して各種検出結果を取り込むことで、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報を取得することができる。そして、負荷整合判別部３２は、負荷条件の整合判定結果を誘導加熱装置のモニタ部１８または制御回路部３１の信号出力インターフェースに出力することができる。
【００６９】
これにより、加熱コイル１６の製作者がモニタ部１８や信号出力インターフェースの出力を見ながら、誘導加熱インバータ１１の動作状態を示した情報を動作状態演算部３３に入力する手間を省くことができ、加熱コイル設計製作支援装置の利便性を向上させることができる。
なお、本発明に適用できる誘導加熱インバータの回路構成の一例として、同様な演算手法が使える図３〜５、図７の４種についてのみ記載したが、直列共振または並列共振を応用した誘導加熱インバータの回路構成においては、一部演算手法を変更するだけで適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る加熱コイル設計製作支援装置が適用される誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る負荷整合判別方法に用いられる整合負荷範囲を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成のその他の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る誘導加熱インバータの回路構成のさらにその他の例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る加熱コイル設計製作支援装置が適用される誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】誘導加熱インバータの回路構成を示す図である。
【図８】従来の誘導加熱装置の負荷条件の切り替え方法を示すブロック図である。
【図９】従来の誘導加熱装置の負荷条件の表示方法を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１１、１１ａ〜１１ｃ  誘導加熱インバータ
１２  交流電源
１３、１３ａ〜１３ｃ  ダイオードブリッジ回路
１５、１５ａ〜１５ｃ  スイッチング回路
１６  加熱コイル
１７  制御回路部
１８  モニタ部
２１、３２  負荷整合判別部
２２、３３  動作負荷条件演算部
２３、３４  比較部
２４、３５  整合負荷範囲演算部
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
Ｃdc  平滑コンデンサ
Ｃr1、Ｃr2、Ｃｓ  共振コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ４  スイッチング素子
Ｄ５〜Ｄ８  帰還ダイオード
【図１】
2008269940.tif 000007
【図２】
2008269940.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008269940.tif 000013
【図８】
2008269940.tif 000014
【図９】
2008269940.tif 000015