(57)【要約】【課題】比較的大面積の高周波誘導加熱において加熱コイルの分割数を増やしても高精度の温度制御を行うことができる高周波誘導加熱装置を提供することを課題とする。【解決手段】高周波誘導加熱装置は、被加熱板に対向して配置される、磁性体鉄心及びコイル導体からなる複数の高周波誘導加熱コイル１と、高周波誘導加熱コイル毎に対応して設けられ各加熱コイルに高周波電力を給電する複数の高周波電源装置４と、被加熱板の温度分布を測定する温度分布測定装置１４と、温度分布測定装置からの温度分布データと、予め設定してある温度テーブルとを比較演算して、高周波電源装置の出力電力を個別に制御する機能を有する温度分布制御装置１３とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱板に対向して配置される、磁性体鉄心及びコイル導体からなる複数の高周波誘導加熱コイルと、
前記複数の高周波誘導加熱コイル毎に対応して設けられ各加熱コイルに高周波電力を給電する複数の高周波電源装置と
を備えたことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
【請求項２】
前記被加熱板の温度分布を測定する温度分布測定装置と、
前記温度分布測定装置からの温度分布データと、予め設定してある温度テーブルとを比較演算して、前記高周波電源装置の出力電力を個別に制御する機能を有する温度分布制御装置と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載された高周波誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の高周波誘導加熱技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より金属を加熱する必要は様々な技術場面で存在しており、例えばブレーキ分野においては、金属製のブレーキプレートを所定の温度まで昇温した後、摩擦面用の非金属製ブレーキパッドとの接合・接着が行われる。さらに、帯状金属の防錆処理としてその表面に絶縁コーティングを行う際も、対象金属を所定の温度まで昇温した後、絶縁コーティング剤の塗布が行われる。
【０００３】
これらの金属と非金属との接合・接着のための金属の昇温においては、その温度ムラが接合・接着のムラに影響するが、高周波誘導加熱で加熱を行う場合、温度分布が均一でないという欠点があった。また、比較的面積の大きな円板状、帯状金属を静止した状態で加熱する用途においても、高周波誘導加熱を使用する場合、温度分布が均一でないという課題があった。このため、従来、これらの金属の加熱では、高周波誘導加熱に比べて作業効率が悪いにもかかわらず、雰囲気炉による加熱が主として採用されてきた。また、高周波誘導加熱を使用した場合でも、短時間の加熱や加熱停止中の熱伝導による均熱化を繰り返して徐々に昇温する必要があり、作業効率が悪い面もあった。
【０００４】
また、このような問題に鑑みて、特開平５−２９９１６３号公報に開示された、大面積の真空蒸着用るつぼを用いた均一加熱法がある。図７に、かかる公報に開示された加熱装置の回路構成を示す。すなわち、この装置においては、次のような利点があった。
【０００５】
まず、高周波加熱コイル１５ａ，１５ｂ，１５ｃを複数に分割して、個別に加熱コイルに付帯する可変インダクタンス１６ａ，１６ｂ，１６ｃを制御することで、加熱コイルの配置された被加熱金属の発熱分布を調節でき、大面積の被加熱金属の均一加熱が可能であった。
また、個別の加熱コイルに付帯する可変インダクタンスを制御することに伴い、高周波電源の運転要件としての共振周波数が変化するため、これを補正すべく、共通して設置される１個の可変インダクタンスを同時に制御することが可能であった。
さらに、１台の電源１７で済むことから、経済的であり、各加熱コイル間の磁気干渉を問題とする必要がない利点があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２９９１６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に記載の技術を、より高精度の温度分布の制御性が必要な装置に適用する場合、次のような課題が存在する。
まず、高周波加熱における加熱コイルの力率は極めて小さいため、加熱コイルのインダクタンスをＬｃ、その回路の可変インダクタンスの値をＬｉとすると、加熱コイルの加熱量は、ほぼ［Ｌｃ／（Ｌｃ＋Ｌｉ）］２に比例する。複数個の加熱コイルのうち、一つの加熱コイルに付帯する個別の可変インダクタンスＬｉを制御し、その部位の加熱量を増加（あるいは減少）させる場合の制御量は、可変インダクタンスの変化範囲と加熱コイルのインダクタンスから決まる一定比率内に制限され、ゼロに近い制御は不可能である。
【０００８】
また、加熱コイルの分割数を増加し、一つの加熱コイルの加熱領域を狭くして、温度分布の制御性を向上させる場合、加熱コイルのインピーダンスが小さくなり、可変インダクタンスの損失が無視できなくなる。
【０００９】
さらに、加熱コイルの分割数が増加するほど、共振周波数追従のために共通して設置される１個の可変インダクタンスの必要変化範囲は大きくなり、実現不可能となる場合もある。
【００１０】
したがって本発明は、比較的大面積の高周波誘導加熱において加熱コイルの分割数を増やしても高精度の温度制御を行うことができる高周波誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の高周波誘導加熱装置は、被加熱板に対向して配置される、磁性体鉄心及びコイル導体からなる複数の高周波誘導加熱コイルと、前記複数の高周波誘導加熱コイル毎に対応して設けられ各加熱コイルに高周波電力を給電する複数の高周波電源装置とを備えたことを特徴とする。
また、好適には、高周波誘導加熱装置は、前記被加熱板の温度分布を測定する温度分布測定装置と、前記温度分布測定装置からの温度分布データ及び予め設定してある温度テーブルを比較演算して、前記高周波電源装置の出力電力を個別に制御する機能を有する温度分布制御装置とをさらに備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、本実施の形態における複数個の加熱コイルと、高周波電力を供給する高周波電源及び制御装置との接続関係を表す図を示す。
【００１３】
図１において、ｎ個の加熱コイル１に対し、それぞれ個別に小容量の高周波電源装置４が配置される。高周波電源装置４は商用電源１２から供給される商用周波数（５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚ）電力を順変換回路６で直流電力に、次の逆変換回路５で出力電力に適合した周波数の高周波電力に変換する。
【００１４】
高周波電源装置４の高周波出力は、出力変圧器３、共振用コンデンサ２及び後述する高周波ケーブル３５を介して加熱コイル１に供給される。
ｎ個の加熱コイルによって加熱される被加熱板４０（図２参照）の温度分布は、温度分布測定装置１４により測定され、温度分布制御装置１３に信号として送出される。
【００１５】
温度分布制御装置１３には、温度テーブルすなわち予定された被加熱板の加熱履歴（時間−温度）や許容温度差と、温度分布測定装置１４により測定された経過時間や温度分布信号とから、ｎ個の加熱コイルの各加熱量を演算し、それぞれに対応する高周波電源装置４に出力指令値として信号送出される。さらに、過去の実績データなどによる出力履歴データベースによって高周波電源装置４の出力を制御すると好適である。
【００１６】
高周波電源装置４は、入力電源電流測定用ＣＴ（変流器）９、及び入力電源電圧測定用ＰＴ（計器用変圧器）１０の出力を、電力変換器１１を介して入力電力信号としてフィードバックし、これと温度分布制御装置１３からの出力指令値とを、比較演算回路８でつきあわせ、逆変換回路５の各素子のタイミングを制御することで、電源装置の出力電力を温度分布制御装置１３からの指令値に合致させる方向に機能する。
【００１７】
高周波電源装置４は、１個の加熱コイル１に対応していることにより、各加熱コイルは、出力０％〜１００％の間を個別に制御出来ることから、精度の高い温度分布制御が可能となる。
【００１８】
上記、高周波電源装置４のフィードバック、出力制御対象は、一つの例であり、他に無数の組合せがあり、いずれの場合にも、高周波電源装置４の実際の出力信号と、温度分布制御装置１３からの出力指令値とを比較し、この偏差を小さく制御するものであれば、形態にはとらわれない。
【００１９】
図２に、被加熱板に対し複数個の加熱コイルを配置した状態を模式的に示す。厚さｔ、直径ΦＤの円板状の被加熱板４０に、ギャップｇを有して複数個の加熱コイル１が配置される。図２の実施の形態では合計３７個の加熱コイルが配置されているが、この個数は任意である。
【００２０】
また、加熱コイルが配置されていない方向は、フリースペースであるため、被加熱板のアクセス、及び温度分布測定器（図示されていない）設置スペースなどとして使用可能である。
図２において、複数個配置された各加熱コイル１には、それぞれ高周波ケーブル３５が接続され、個別の高周波電源（図示されていない）から、個別に制御された高周波電力が供給される。
【００２１】
なお、それぞれの電流・周波数によって、高周波ケーブル３５相互間の磁気干渉が問題となる場合は、それぞれ、銅製、あるいはアルミ製の磁気シールドチューブ（図示されていない）で被覆される。
【００２２】
図３〜５に本実施の形態に係る複数配置用加熱コイル１個の構造図を示す。図３〜５において、フェライトコアなどの磁性材を使用した同軸型コア３２を巻込む形で、水冷式の銅管からなるコイル導体３１が配置され、コイル導体３１には、接続端子３４、並びに水冷式の高周波ケーブル３５から、高周波電流、並びに冷却水が供給される。
【００２３】
加熱コイル１全体は、絶縁カバー３３で保護される。被加熱金属の温度によっては、絶縁カバー３３は、断熱・耐熱性の材料で構成されることも可能である。図３〜５では、コイル導体３１、及び高周波ケーブル３５は、水冷式の例で示したが、高周波電流の値が小さいときは、コイル導体３１、及び高周波ケーブル３５とも、自然空冷の高周波用撚り線（リッツ線）を使用することも可能である。
【００２４】
図６に、加熱コイルによる被加熱金属の加熱のモデルを示す。
被加熱板４０にギャップｇを有し、対向して配置された加熱コイル１のコイル導体３１に、図示のような高周波電流４１が流れると、同軸型コア３２〜被加熱板４０を取り巻く図示のループに高周波磁束４２が発生し、この磁束の変化を妨げるように、被加熱板４０に誘導電流が流れ、図示する発熱分布が得られる。
【００２５】
この際、コイル導体３１に流れる高周波電流４１によって発生する高周波磁束４２は、同軸型コア３２の閉じられた範囲に限定されるため、外部への磁気干渉も防止され、かつ、磁性材によるコアを利用することにより磁束発生効率が増加すると同時に、加熱コイルのインダクタンスが増加し、配線での電圧降下率が低減される。
【００２６】
図６に示す１個の加熱コイルによる、被加熱板発熱分布はイメージ図であり、被加熱板の材質、ギャップ、周波数によって変化するが、加熱時間によって、非加熱領域への熱伝導により１個の加熱コイルが担当する領域が、ほぼ均一に加熱される。
【００２７】
このように本発明は、フェライトコアなどの磁性材を使用した同軸状の鉄心とコイル導体とからなる複数の加熱コイルと、各加熱コイルに小容量の高周波電源を接続した構成とすることで、上記、従来装置の課題を解決するものである。
【００２８】
すなわち、フェライトコアなどの磁性材を使用した同軸状の鉄心とコイル導体とからなる加熱コイルを採用することで、コイル導体に流れる電流で発生する高周波磁束は、鉄心内に収束され、必要最低限の部分のみで被加熱金属に作用するようになるため、各加熱コイル間の不要な磁気干渉が防止される。
【００２９】
同時に、鉄心の使用により磁気パーミアンスが増大し、鉄心を有しない場合に比べ加熱効率が増加すると同時に、コイルのインダクタンスが増加し、配線での電圧降下率が低減される効果も現れる。
【００３０】
上記、複数の加熱コイル間の不要な磁気干渉を防止することにより、加熱コイルごとに高周波電源を設けることが可能となり、個別に０％〜１００％の加熱量制御ができるため、高精度な温度分布制御が可能となる。
【００３１】
なお、昨今のパワーエレクトロニクスの進歩と大量生産により、例えば数ｋＷの高周波電源は従来に比べ極めて低コストとなっており、これらを複数台使用する方が、１台の受注生産の大容量電源より、安価となる場合もあるため、電源を複数台設置することの欠点はなくなっていると判断できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波誘導加熱装置によれば、比較的大面積の高周波誘導加熱において加熱コイルの分割数を増やしても高精度の温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における複数個の加熱コイルと、高周波電力を供給する高周波電源及び制御装置との接続関係を示す図である。
【図２】被加熱板に対し複数個の加熱コイルを配置した状態を模式的に示す図である。
【図３】本実施の形態に係る複数配置用の加熱コイルの縦断面図である。
【図４】加熱コイルに関し、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】加熱コイルに関し、図３のＶ方向からみた図である。
【図６】加熱コイルによる被加熱金属の加熱のモデルを示す図である。
【図７】従来の加熱装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１  加熱コイル、４  高周波電源装置、１３  温度分布制御装置、１４  温度分布測定装置、３１  コイル導体、３２  同軸型コア（磁性体鉄心）、４０  被加熱板。
【図１】
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【図２】
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【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】
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