(57)【要約】【課題】簡易な制御により、加熱開始時や加熱終了時においてビレット材に生じ易いレスヒートやオーバーヒートを抑制し、ビレット材を加熱する際の歩留まりを向上させることのできるビレットヒータを提供する。【解決手段】誘導加熱コイル１２を用いたビレットヒータ１０であって、誘導加熱コイル１２に電流を供給するインバータ２０と、インバータ２０からの出力電流の周波数を検出し、予め定められた発熱量と前記周波数とに基づいて、前記発熱量を得るために必要とされる出力電圧を算出し、インバータ２０に対して前記出力電圧の補正を行うための信号を出力する制御部２６を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱コイルを用いたビレットヒータであって、
前記誘導加熱コイルに電流を供給するインバータと、
前記インバータからの出力電流の周波数を検出し、予め定められた発熱量と前記周波数とに基づいて、前記発熱量を得るために必要とされる前記インバータからの出力電圧を算出し、前記インバータに対して前記出力電圧の補正を行うための信号を出力する制御部とを有することを特徴とするビレットヒータ。
【請求項２】
誘導加熱コイルを用いたビレット材の加熱方法であって、
前記誘導加熱コイルによる加熱領域内への前記ビレット材の進入状況によって変化する前記誘導加熱コイルへの出力電流の周波数を検出し、
予め定められた発熱量と前記周波数とに基づいて、前記発熱量を得るために必要とされる出力電圧を算出し、
算出した電圧値となるように、前記出力電圧を制御して加熱を行なうことを特徴とするビレット材の加熱方法。
【請求項３】
最終材にあたるビレット材をダミーバーにより押し出す際に、
前記加熱領域への前記ダミーバーの侵入に伴って低下する前記周波数に基づいて、前記電圧を向上させることを特徴とする請求項２に記載のビレット材の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はビレットヒータ、およびビレット材の加熱方法に係り、特に連続式のビレットヒータ、およびそのビレットヒータによるビレット材の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な連続加熱方式のビレットヒータでは、材料の搬送に加熱コイル入口側に配置したピンチローラもしくはプッシャを使用している。どちらも前材を次材で押して搬送する方式のため、最終材まで加熱を行なう為に最後は、材料の代わりにコイル全長と同等の長さを有するダミーバーを加熱炉内（誘導加熱コイル内）に供給して最終材料の押し出しを行なう。このようなダミーバーは、繰り返しの使用が前提となる為、断面形状を誘導加熱されにくい形状とし、誘導加熱されにくい材質で形成されている。
【０００３】
このような連続加熱式のビレットヒータでは、ビレットの加熱開始時や、加熱終了時に、加熱炉（誘導加熱コイル）内に存在するビレット材の数が変化することによるレスヒートや、オーバーヒートに起因する歩留まりの低下が問題とされている。
【０００４】
これに対し、特許文献１に開示されているビレットヒータは、第１に、ビレットの寸法や送り速度、加熱炉内のビレット個数、炉内温度、炉入口温度（加熱コイル入口温度）、および出口温度等に基づいて、加熱炉内の熱損失を算出することが開示されている。そして第２に、インバータに接続された共振回路に対する印加電圧と周波数、および力率改善コンデンサの容量に基づく電気損失を算出することが開示されている。さらに第３に、第１、第２のステップで算出したデータに基づいて、インバータ出力を算出して制御する旨が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されているビレットヒータは、インバータの出力電力または出力電圧の検出を行い、電力設定値または電圧設定値と検出された出力電力または出力電圧を比較し、出力電力または出力電圧を所望な値に制御して運転する旨が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２２８５８９号公報
【特許文献２】特開平７−２１１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
いずれの特許文献に開示されているビレットヒータも、インバータからの出力情報や環境情報に基づいて、インバータ出力の制御を行うことで、炉内環境変化によるレスヒートやオーバーヒートを防止しようとしている。
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されているビレットヒータでは、インバータの出力情報を算出するために必要とする検出情報の数が非常に多く、計算も複雑となってしまうといった問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に開示されているビレットヒータでは、検出された出力電力または出力電圧に基づいて、制御する出力電力または出力電圧を定めることとしている。しかし、発熱量Ｑは、
Ｑ＝ＲＩｋ  ・・・（１）
で示すことができ、交流の場合は
Ｉ＝２πｆＣＶ  ・・・（２）
と示すことができることより、（２）を（１）に代入すると、
Ｑ＝Ｒ（２πｆＣＶ）ｋ  ・・・（３）
となる。ここで、Ｒは抵抗、ｆは電流の周波数、Ｃは回路の静電容量、Ｖは出力電圧を示す。また、通常ｋは、非磁性領域ではｋ＝２、磁性領域ではｋ＝３／２として定められる。このことより、仮にＶに変化が無い場合であっても、周波数ｆに変化があった場合、出力電流Ｉは変化し、発熱量Ｑも変動することとなる。このため、出力電圧の検出値と設定値とを一致させて運転させた場合であっても、結果としてレスヒートやオーバーヒートを生じさせてしまう虞がある。
【００１０】
そこで本発明では、簡易な制御により、加熱開始時や加熱終了時においてビレット材に生じ易いレスヒートやオーバーヒートを抑制し、ビレット材を加熱する際の歩留まりを向上させることのできるビレットヒータ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ビレットヒータは、誘導加熱コイルを用いたビレットヒータであって、前記誘導加熱コイルに電流を供給するインバータと、前記インバータからの出力電流の周波数を検出し、予め定められた発熱量と前記周波数とに基づいて、前記発熱量を得るために必要とされる前記インバータからの出力電圧を算出し、前記インバータに対して前記出力電圧の補正を行うための信号を出力する制御部とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的を達成するための、本発明に係るビレット材の加熱方法は、誘導加熱コイルを用いたビレット材の加熱方法であって、前記誘導加熱コイルによる加熱領域内への前記ビレット材の進入状況によって変化する前記誘導加熱コイルへの出力電流の周波数を検出し、予め定められた発熱量と前記周波数とに基づいて、前記発熱量を得るために必要とされる出力電圧を算出し、算出した電圧値となるように、前記出力電圧を制御して加熱を行なうことを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記のような特徴を有するビレット材の加熱方法では、最終材にあたるビレット材をダミーバーにより押し出す際に、前記加熱領域への前記ダミーバーの侵入に伴って低下する前記周波数に基づいて、前記電圧を向上させるようにすると良い。
【発明の効果】
【００１４】
このような特徴を有するビレットヒータ、およびビレット材の加熱方法によれば、簡易な制御により、加熱開始時や加熱終了時においてビレット材に生じ易いレスヒートやオーバーヒートを抑制し、ビレット材を加熱する際の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るビレットヒータの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のビレットヒータおよびビレットの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。
実施形態に係るビレットヒータ１０は図１に示すように、スキッドレール１４と、ピンチローラ１６、誘導加熱コイル１２、電源部１８、およびケーシング２８を基本として構成される。
【００１７】
スキッドレール１４は、詳細を後述する誘導加熱コイル１２が備えられた加熱炉内へ被加熱物であるビレット材３０を搬送するためのレールである。スキッドレール１４は耐熱部材により構成されると共に、内部を中空構造とされ、レール自体が過加熱されてしまうことを防止するための冷媒を送通可能に形成されている。
【００１８】
ピンチローラ１６は、加熱炉の入口側に配置された一対のローラである。対を成すローラは互いに逆向きの回転をしており、対を成すローラ間に供給されるビレット材３０を加熱炉内へ押し出す役割を担う。
【００１９】
誘導加熱コイル１２は、電磁誘導の作用によりビレット材３０を加熱する役割を担う。誘導加熱コイル１２は、スキッドレール１４上を搬送されるビレット材３０の断面方向中心が中心位置となるように、ビレット材３０の送通路を螺旋状に囲繞する銅管である。内部を中空とすることで、過加熱防止用の冷媒を送通させることが可能となる。
【００２０】
電源部１８は、三相交流電源２４、整流器としてのコンバータ２２、およびインバータ２０などから成り、誘導加熱コイル１２へ供給する電力の制御を行う役割を担う。コンバータ２２は、三相交流電源２４から出力された交流電流を直流化することで電流の平滑化を行い、後段のインバータ２０へと出力する。インバータ２０は、コンバータ２２より出力された直流電流を交流へ変換すると共に、電流、電圧、および周波数の制御を行い、誘導加熱コイル１２へと出力する電流形の並列共振インバータである。
【００２１】
本実施形態に係る電源部１８には、インバータ２０からの出力電圧の調整を行う制御部２６が備えられている。制御部２６は、インバータ２０からの出力電流の周波数（運転周波数）ｆを検出し、この周波数ｆと、ビレット材を所望する温度まで加熱するために必要とされる発熱量として予め定められている値（発熱量Ｑ）とに基づいて、発熱に必要とされる電圧Ｖを算出し、インバータ２０に対して補正指令を出力する。補正指令の出力は、発熱量Ｑを得るために必要とされる電圧Ｖと、インバータ２０の出力電圧とを比較し、差分を無くすように、インバータ２０のゲートのＯＮ、ＯＦＦタイミングを切替える信号（制御信号）を出力するというものである。なお、図１において制御部２６は、インバータ２０から直接、運転周波数ｆを得るように示しているが、共振回路内に電流計（不図示）などの検出器を設け、これを介して運転周波数ｆを得るようにしても良い。
【００２２】
ケーシング２８は、加熱炉内におけるビレット材３０の送通路を保温すると共に、誘導加熱コイル１２によって生ずる磁力線が外部へ漏洩することを抑制する役割を担うカバーである。
【００２３】
このような構成のビレットヒータ１０では、例えば図１に示すように、最終材となるビレット材３０の後端にはダミーバー３２が押し当てられ、ダミーバー３２がビレット材３０を押し出すような加熱形態が採られる。ダミーバー３２は一般に、繰り返し使用されることが前提とされるため、誘導加熱されにくい材質により構成されると共に、誘導加熱されにくい断面形状を有している。このような特徴を有するダミーバー３２が加熱炉内の誘導加熱コイル１２の内部に進入すると、ビレット材３０の加熱時に比べ、コイルインピーダンスが低下する。
【００２４】
コイルインピーダンスＸＬは、
ＸＬ＝ｊωＬ＝２πｆＬ  ・・・（４）
で示すことができ、２πＬは定数であることより、コイルインピーダンスの低下＝周波数ｆの低下を招いているということができる。ここで、発熱量Ｑは、
Ｑ＝ＲＩｋ＝Ｒ（２πｆＣＶ）ｋ  ・・・（５）
（ｋは非磁性領域では２、磁性領域では３／２とする）
と示すことができることより、周波数ｆの低下は、発熱量Ｑの低下を招くということができる。
【００２５】
そして、Ｑを比例式で示すと、
Ｑ∝（√ｆ）×（２πｆＣＶ）ｋ×Ｋｐ  ・・・（６）
と示すことができる。なお、数式（６）において、Ｋｐは、電気機械結合係数である。
【００２６】
ビレット加熱の場合、周波数ｆが共振周波数に近いと、Ｋｐは１／Δにほぼ比例する。このことより、１／Δと√ｆとの関係は、
１／Δ∝√ｆ  ・・・（７）
と示すことができる。数式（６）において、２πＣは定数であることを考慮すると、数式（６）は近似的に、
Ｑ∝ｆ（１＋ｋ）・Ｖｋ  ・・・（８）
と表すことができる。通常、電流形並列共振インバータでは、運転周波数を自由に制御することは困難である。このため、コイルインピーダンスの変化による周波数変化の影響による発熱量の変化を、周波数制御により補正することはできない。これに対し、数式（８）に示すように、周波数ｆと電圧Ｖとの積が発熱量Ｑに比例する事実から、周波数ｆの低下（変化）に伴う発熱量Ｑの低下（変化）は、電圧Ｖを増加させることにより補うことができるということができる。なお、必要とする電圧Ｖについては、必要とされる発熱量Ｑをｆ（１＋ｋ）で除した値を１／ｋ乗することで求めることができる。
【００２７】
このようなビレットヒータ１０によれば、加熱炉から最終材を押し出すために、加熱炉内にダミーバー３２が進入してくることによりコイルインピーダンスが変化し、周波数が低下した場合であっても、制御部２６によりインバータ２０からの出力電圧を調整し、ビレット材３２の加熱に必要とされる発熱量を生じさせることができる。これにより、発熱量の不足によるレスヒートの発生を抑制することができ、ビレット加熱の歩留まりを向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態に係るビレットヒータ１０では、発熱量Ｑを補正するための検出情報は周波数ｆだけであるため、検出、および補正値としての電圧Ｖの算出が容易である。
【００２９】
上記実施形態では、最終材としてのビレット材３０をダミーバー３２により押し出す際のレスヒートを抑制する旨を記載した。しかしながら、本発明に係るビレットヒータ１０は、先頭材としてのビレット材３０が加熱炉に進入する際の加熱制御にも応用することができる。加熱炉内の環境変化（ビレット材３０の進入状況）によって、誘導加熱コイル１２のコイルインピーダンスは変化する。このため、コイルインピーダンスの変化に伴って変動する周波数に起因する発熱量Ｑの変化を電圧Ｖの補正により抑制することが可能となる。また、このような制御を行うことにより、ムダ焼き材の減少による歩留まりの向上に寄与することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０………ビレットヒータ、１２………誘導加熱コイル、１４………スキッドレール、１６………ピンチローラ、１８………電源部、２０………インバータ、２２………コンバータ、２４………三相交流電源、２６………制御部、２８………ケーシング、３０………ビレット材、３２………ダミーバー。
【図１】
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