(57)【要約】【課題】改善された、高周波電界による溶解物の加熱のための装置を提供する。【解決手段】高周波変換器（１４）は、制御可能な半導体スイッチング素子を有する１個以上のスイッチング装置（１４０）を備えており、当該スイッチング装置（１４０）は、半導体スイッチング素子のスイッチングによって交流電流を生成可能であり、コンデンサ装置（１６）は、２つのポート（１８、１９）の１つに接続されており、インダクタコイル（３）が接続されたとき、インダクタコイル（３）およびコンデンサ装置（１６）を含む直列共振回路（２０）が形成される。【選択図】図２
2016051701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解物（１０）を加熱するための装置（１）であって、
溶解物（２）を収容するためのるつぼ（２）と、
高周波電界を生成するための装置（６）と、
を備えており、
前記高周波電界を生成するための装置（６）は、
高周波電流を生成するための装置（５）と、
前記高周波電流を生成するための装置（５）に接続されたインダクタコイル（３）と、を備えており、当該インダクタコイル（３）は、前記高周波電流が流れる前記インダクタコイル（３）によって生成される前記高周波電界に前記るつぼ（２）が曝されるように配置されており、
前記高周波電流を発生するための装置（５）は、
幹線交流電圧を直流電圧に変換する整流器装置（１２）と、
高周波変換器（１４）と、
コンデンサ装置（１６）と、
前記インダクタコイル（３）を接続するための２つのポート（１８、１９）と、を備えており、
前記高周波変換器（１４）は、制御可能な半導体スイッチング素子を有する１個以上のスイッチング装置（１４０）を備えており、当該スイッチング装置（１４０）は、前記半導体スイッチング素子のスイッチングによって交流電流を生成可能であり、
前記コンデンサ装置（１６）は、前記２つのポート（１８、１９）の１つに接続されており、前記インダクタコイル（３）が接続されたとき、前記インダクタコイル（３）および前記コンデンサ装置（１６）を含む直列共振回路（２０）が形成される、
ことを特徴とするための装置。
【請求項２】
前記高周波変換器（１４）は、さらに、前記スイッチング装置（１４０）に接続された絶縁トランス（１４２）を備えており、前記絶縁トランス（１４２）は一次側に前記スイッチング装置（１４０）の交流電流が供給され、前記２つのポート（１８、１９）は、前記絶縁トランス（１４２）の二次回路に配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記絶縁トランス（１４２）は、出力電圧が入力電圧の１〜３倍であるように適合されている、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記スイッチング装置（１４０）は、半導体スイッチング素子として、１個以上のＩＧＢＴ（１４０１、１４０２、１４０３、１４０４）を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
４個以上、好ましくは８個以上、より好ましくは１２個以上の、並列に動作可能なスイッチング装置（１４０）を備えている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記半導体スイッチング素子を制御するための制御装置（１４４）を備えており、
前記制御装置（１４４）は、前記半導体スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチングパルスの繰り返し率によって、前記溶解物（１０）に対して与えられる出力を調節するように適合されている、
請求項１から５のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記コンデンサ装置（２０）の電圧を測定するための電圧測定装置（１４６）を備えており、
前記電圧測定装置（１４６）は、前記測定された電圧の値を送信するために、前記制御装置（１４４）に接続されており、
前記制御装置（１４４）は、前記測定された電圧の値を所定の最大電圧と比較し、前記測定された電圧の値と前記最大電圧との比較に応じて、スイッチングパルスの繰り返し率を調整するように適合されている、
請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記半導体スイッチング素子を制御するための制御装置（１４４）と、交流電流信号を表す前記測定された電流の値を送信するために前記制御装置（１４４）に結合された電流測定装置（１４５）と、を備えており、
前記制御装置（１４４）は、前記測定された電流の値を記録し、前記交流電流信号のゼロクロスを決定し、前記半導体スイッチング素子を、オンおよびオフのスイッチング時間が前記ゼロクロス周辺の範囲内にあるようにスイッチングするように適合されており、
前記スイッチング時間は、前記交流電流信号の位相に対して、±２０°以下、好ましくは、±１０°以下でシフトしている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記電流測定装置（１４５）は、前記絶縁トランス（１４２）の一次側の電流を測定するように配置されている、請求項２を引用する請求項８記載の装置。
【請求項１０】
複数のスイッチング装置（１４０）を備えており、
前記スイッチング装置（１４０）に個別の電流測定装置（１４５）が関連づけられており、
前記制御装置（１４４）は、個別の前記電流測定装置（１４５）の前記測定された電流の信号に基づいて、前記各関連づけられたスイッチング装置（１４０）に対する個別のスイッチング時間を決定し、前記決定したスイッチング時間でのスイッチングにより、前記半導体スイッチング素子を制御するように適合されている、
請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】
複数のスイッチング装置（１４０）を備えており、以下の特徴の少なくとも１つを有する、すなわち、
前記複数のスイッチング装置（１４０）が接続された、１個以上の整流器装置（１２）が設けられており、
前記複数のスイッチング装置（１４０）が個別に接続可能な複数のユニットにまとめられており、
前記複数のスイッチング装置（１４０）が、空間対称に、好ましくは、点対称、回転対称または鏡面対称に配置されており、
前記複数のスイッチング装置（１４０）が、個別の接続ケーブル（１４７）によって１個の絶縁トランス（１４２）にそれぞれ接続されている、
請求項１から１０のいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記コンデンサ装置（１６）および前記インダクタコイル（３）を含む前記直列共振回路（２０）は、５０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚの範囲、好ましくは、７５ｋＨｚ〜１７５ｋＨｚの範囲の共振周波数を有している、請求項１から１１のいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記２つのポート（１８、１９）に生じた過電圧を短絡させる過電圧保護装置（２７）を備えている、請求項１から１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
溶解物（１０）を加熱するための方法であって、
るつぼ（２）内で溶解物（１０）を形成する、または、るつぼ（２）内に溶解物（１０）を入れるステップと、
装置（６）を用いて高周波電界を生成するステップと、を含み、
高周波電界を生成するための前記装置（６）は、高周波電流を生成するための装置（５）を備えており、
高周波電流を生成するための前記装置（５）に接続され、当該高周波電流が流れるインダクタコイル（３）によって高周波電界を生成し、
前記るつぼ（２）を前記高周波電界に曝して、前記るつぼ（２）内に存在する導電性の前記溶解物（１０）内に誘導電流を生成し、前記溶解物（１０）のオーム抵抗によって前記誘導電流を熱に変換し、これにより、前記溶解物を加熱し、
高周波電流を生成するための前記装置（５）は、
幹線交流電圧を直流電圧に変換するための整流器装置（１２）と、
高周波変換器（１４）と、
コンデンサ装置（１６）と、
前記インダクタコイル（３）を接続するための２つのポート（１８、１９）と、
を備えており、
前記高周波変換器（１４）は、制御可能な半導体スイッチング素子を有するスイッチング装置（１４０）を備えており、前記半導体スイッチング素子のスイッチングによって交流電流を生成し、
前記コンデンサ装置（１６）は、前記２つのポート（１８、１９）の１つに接続されており、
前記インダクタコイル（３）の接続により、前記インダクタコイル（３）および前記コンデンサ装置（１６）を含む直列共振回路（２０）を形成し、
前記直列共振回路（２０）が共振して発振する周波数の高周波電流を生成する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
高周波電界を生成するための前記装置（６）の高周波出力を、前記半導体スイッチング素子に対するスイッチングパルス（３０）の繰り返し率の変化によって制御する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
電流測定装置（１４５）によって、交流電流信号を表す測定された電流の値を、前記半導体スイッチング素子の制御のための制御装置（１４４）に、前記半導体スイッチング素子の制御のために送信し、
前記制御装置（１４４）は、前記測定された電流の値を記録し、
前記交流電流信号のゼロクロスを決定し、
オンおよびオフのスイッチング時間がゼロクロス周辺の範囲にあり、前記スイッチング時間が、前記交流電流信号の位相に対して、±２０°以下、好ましくは±１０°以下でシフトしているように、前記半導体スイッチング素子をスイッチングする、
請求項１４または１５記載の方法。
【請求項１７】
複数のスイッチング装置（１４０）を並列に動作させ、
前記スイッチング装置（１４０）には、個別の電流測定装置（１４０）がそれぞれ関連づけられており、
前記制御装置（１４４）は、前記各関連づけられたスイッチング装置（１４０）に対する個別のスイッチング時間を決定し、前記決定されたスイッチング時間でのスイッチングにより、前記半導体スイッチング素子を制御する、
請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、溶解装置に関する。より詳細には、本発明は、内部で導電性の溶解物を誘導加熱する溶解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、るつぼ内に高周波エネルギーを導入することにより内部で加熱が行われる、無機化合物の溶解および／または精錬のための装置が開示されている。これにおいては、高周波装置は、るつぼを巻回するインダクタコイルを含む高周波共振回路と、発振器とを有している。さらに、インダクタコイルに接続可能な別の発振器が設けられている。これにより、１つの発振器の故障の場合でも装置の連続動作が保証できる。発振は自励によって形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９３９７７８Ｃ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高出力の高周波電流を生成するため、現在でも一般的に管が用いられている。しかし、管型の発生器には基本的な欠点がある。高周波管に大きな熱損失を生じることである。この損失は、通常６５％未満の全体効率につながる。たとえば１０００ｋＷの高周波出力が望まれる場合、幹線から１５５０ｋＷが必要とされる。さらに、サイリスタにより制御される出力制御が管に対して必要とされる。このような出力制御は、負荷に依存した無効電力需要を含む。これは、より高コストの、要求の多い無効電力補償につながる。別の将来的な欠点は、新しく交換した管のアベラビリティが不明確なことである。
【０００５】
したがって、本発明は、効率および無効電力に関して改善された、高周波電界による溶解物の加熱のための装置を提供するという課題に基づいている。この課題は、独立請求項に記載の発明によって解決される。本発明の有利な実施形態および変形例は、各従属請求項に記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このために、本発明によれば、溶解物を加熱するための装置が提供され、該溶解物を加熱するための装置は、
溶解物を収容するためのるつぼと、
高周波電界を生成するための装置と、
を備えている。高周波電界を生成するための装置は、
高周波電流を生成するための装置と、
高周波電流を生成するための装置に接続されたインダクタコイルと、を備えており、インダクタコイルは、高周波電流が流れるインダクタコイルによって生成される高周波電界にるつぼが曝されるように配置されている。
【０００７】
高周波電流を発生するための装置は、
幹線交流電圧を直流電圧に変換する整流器装置と、
高周波変換器と、
コンデンサ装置と、
インダクタコイルを接続するための２つのポートと、を備えている。高周波変換器は、制御可能な半導体スイッチング素子を有する１個以上のスイッチング装置を備えており、当該スイッチング装置は、半導体スイッチング素子のスイッチングによって交流電流を生成可能である。コンデンサ装置は、２つのポートの１つに接続されており、インダクタコイルの接続により、インダクタコイルおよびコンデンサ装置を含む直列共振回路が形成される。
【０００８】
本発明とは異なり、これまでの高周波加熱式るつぼでは、並列共振回路はコンデンサおよびインダクタコイルによって形成されていた。これにより、たとえば、特許文献１に記載のように、１つのインダクタコイルに並列に複数の発生器を動作させ、場合により、発生器のオンおよびオフを個別にスイッチングすることができる。しかし、共振励振（＝共振抵抗）において装置の抵抗は最大になる。しかし、負荷の高い抵抗は、半導体スイッチング素子による変換にとって好ましくない。これに対して、本発明により提供される直列共振回路では、理想的な、すなわち、抵抗のない回路を生じる共振の場合に、短絡が存在する。しかし、現実の場合には、短絡は回路の抵抗によって制限される。ここで重要なのは、配線のオーム抵抗だけでなく、とりわけ、インダクタコイルによって溶解物に生じる誘導電流のための溶解物のオーム抵抗である。オーム抵抗によってのみ短絡は制限されるため、直列共振回路におけるインダクタコイルの配置によって、半導体スイッチング素子における高い電圧を避け、有利には、電流制御素子として半導体スイッチング素子を動作させることができる。
【０００９】
すなわち、本発明の装置は、特に、直列共振回路が共振励振されるように動作可能である。
【００１０】
したがって、本発明によれば、溶解物を加熱するための方法が提供され、該方法は、
るつぼ内で溶解物を形成する、または、るつぼ内に溶解物を入れるステップと、
装置を用いて高周波電界を生成するステップと、を含み、
高周波電界を生成するための装置は、高周波電流を生成するための装置を備えており、
高周波電流を生成するための装置に接続され、高周波電流が流れるインダクタコイルによって高周波電界を生成し、
るつぼを高周波電界に曝して、るつぼ内に存在する導電性の溶解物内に誘導電流を生成し、誘導電流を溶解物のオーム抵抗によって熱に変換し、これにより、溶解物を加熱する。上述のように、高周波電流を生成するための装置は、幹線交流電圧を直流電圧に変換するための整流器装置と、高周波変換器と、コンデンサ装置と、を備えている。インダクタコイルは高周波電流を生成するための装置の２つのポートに接続され、コンデンサ装置は、２つのポートの１つに接続されており、インダクタコイルの接続によりインダクタコイルおよびコンデンサ装置を含む直列共振回路を形成する。直列共振回路が共振して発振する周波数の高周波電流を生成する。
【００１１】
共振発振は、正確に共振周波数を有する発振のみを意味するわけではない。むしろ、共振励振は、共振回路の共振曲線の半幅内の周波数でも生じる。
【００１２】
本発明について、例示的実施形態によって、添付図面を参照して以下に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】溶解物の加熱のための装置の構成を概略的に示す。
【図２】溶解物を加熱するための高周波電界を生成するための装置のブロック回路図である。
【図３】図２の装置の回路図である。
【図４】経時的な電流パルスの図である。
【図５】経時的なスイッチング装置の電流パルスおよびインダクタ電流を示す図である。
【図６】複数のスイッチング装置を有する、溶解物を加熱するための装置の構成を示す。
【図７】複数のスイッチング装置を有する、溶解物を加熱するための装置の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明によって実現可能な、溶解物１０を加熱するための装置を示す。装置１は、溶解材料が収容されるるつぼ２を備える。溶解物１０の加熱のため、高周波電流が供給されるインダクタコイル３が設けられている。溶解物が導電性であれば、インダクタコイル３によって生成される高周波電界が溶解物１０中に誘導電流を生じさせる。溶解物１０のオーム抵抗のために、誘導電流は熱に変換される。
【００１５】
本発明の目的のために、装置１は、好ましくはガラス溶解物を加熱するために用いられる。この場合、装置１は、溶融に限らず、ガラス溶解物の精錬のためにも用いられうる。さらに、本発明の一実施形態では、るつぼ２はいわゆるスカルるつぼとして構成されている。スカルるつぼでは、溶解物１０を加熱する間、るつぼ２の壁は同時に冷却され、これにより、固化した溶解材料の層が壁に形成される。したがって、溶解物は外部材料、特に、壁の材料と接触しない。これにより、特に純粋ガラスの溶解および／または精錬が可能となる。
【００１６】
図１に示されるように、インダクタコイル３は、好ましくは、るつぼ２を包囲している。しかし、他の構成、たとえば、るつぼと一体化されたインダクタコイルを備えた構成も考えられる。
【００１７】
インダクタコイル３に対して高周波電流を与えるため、高周波電流を生成するための装置５が設けられており、これには、インダクタコイル３が接続されている。インダクタコイル３は、装置５とともに、高周波電界を生成するための装置６を構成している。
【００１８】
ガラスおよび他の無機材料の溶解には、一般に非常に高い加熱力が必要とされる。好ましくは、出力損失の排除のため、流体冷却システム、好ましくは水冷システムが設けられており、これにより、装置５および／またはインダクタコイル３が冷却される。流体冷却システムは、るつぼ２の冷却にも好ましい。図１に示される実施例では、るつぼ２だけでなく、インダクタコイル３および高周波電流を生成するための装置５にも冷却水を供給する冷却水導管７が設けられている。
【００１９】
図２は、高周波電界を生成するための装置６の例示的実施形態のブロック回路図を示す。
【００２０】
概して、図１および２に示される特定の実施例に限定されることなく、本発明は、溶解物１０を加熱するための装置１を含み、これは、
図１に例示されるような、溶解物１０を収容するためのるつぼ２と、
高周波電界を生成するための装置６と、を備えており、
高周波電界を生成するための装置６は、
高周波電流を生成するための装置５と、
高周波電流を生成するための装置５に接続され、高周波電流が流れるインダクタコイル３によって生成される高周波電界にるつぼ２が曝されるように配置されたインダクタコイル３と、
を備えている。
【００２１】
図２の実施例に示されるように、高周波電流を生成するための装置５は、
幹線交流電圧を直流電圧に変換するための整流器装置１２と、
高周波変換器１４と、
コンデンサ装置１６と、
インダクタコイル３を接続するための２つのポート１８、１９と、
を備えている。
【００２２】
高周波変換器１４は、制御可能な半導体スイッチング素子を有するスイッチング装置を備えており、半導体スイッチング素子のスイッチングによって交流電流が生成でき、コンデンサ装置１６はポート１８、１９の１つに接続されており、インダクタコイル３の接続により、インダクタコイル３およびコンデンサ装置１６を含む直列共振回路２０が形成される。
【００２３】
図２を補足して、図３には、図１における溶解物の加熱のための、本発明の実施形態に係る装置１に対して適用可能であるような、スイッチング装置１４０を有する装置６の回路の例示的実施形態が示されている。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、スイッチング装置１４０を有する高周波変換器に対する入力直流電圧は、３００Ｖ〜１０００Ｖの範囲、好ましくは、４００Ｖ〜６００Ｖの間にある。典型的には、３相の整流において、約５００Ｖの整流器装置の出力電圧が得られ、これが、高周波変換器１４のスイッチング装置１４０に対する入力電圧を形成する。
【００２５】
図２および３に示される実施例におけるように、本発明の好ましい実施形態では、高周波変換器１４は、さらに、スイッチング装置１４０に接続された絶縁トランス１４２を備えており、絶縁トランス１４２の一次側には、スイッチング装置１４０の交流電流が供給され、絶縁トランス１４２の二次回路には出力１８、１９が設けられている。出力１８、１９は二次回路に設けられているため、コンデンサ装置１６およびインダクタコイル３を含んで形成される直列共振回路２０は二次回路に設けられ、および／または、絶縁トランス１４２は直列共振回路２０のための電流源を構成する。
【００２６】
本発明のさらに別の変形例では、絶縁トランス１４２は、固定の変換比で構成されてもよい。これにより、簡単でロバストな構成が得られる。可変の変換比も同じく可能である。後者の場合、特に、開始始動の前またはその際に、特定の変換比を選択し、この変換比を有する装置を試験し、場合によって、適切な変換比を調整することが可能となる。
【００２７】
絶縁トランスの変換比は、好ましくは、１〜３の範囲である。換言すれば、本発明のこの実施形態では、絶縁トランス１４２は、出力電圧が入力電圧の１〜３倍であるように適合されている。
【００２８】
装置６には、幹線接続２５を介して幹線電圧が供給される。装置の幹線接続２５との間の接続および切断は、幹線電圧スイッチングユニット２１によって行われる。好ましくは、３相接続が幹線接続２５として用いられる。
【００２９】
整流器ダイオード１２０の他に、整流器装置１２は好ましくは平滑化装置を有している。インダクタ１２３およびコンデンサ１２４を含む適切なＬＣ素子１２２が、整流された交流電流を平滑化するための平滑化装置として設けられていてよい。代替的にまたは付加的に、能動的な平滑化装置が設けられてもよい。しかし、制御されない整流器、すなわち、特に例示のような、複数の整流ダイオードを有する制御されない整流器が特に好ましい。このような制御されない整流によって、装置の無効電力需要を、位相角度制御によるような能動的な整流と比べて大きく低減できる。
【００３０】
整流器装置１２によって供給される直流は、その後、高周波変換器１４に供給される。上述のように、高周波変換器１４は、スイッチング装置１４０と、本発明の改善において、スイッチング装置１４０の下流の絶縁トランス１４２とを有している。
【００３１】
概して、スイッチング装置は、素子のスイッチングによって直流電流から交流電圧を生成するために、特にトランジスタの形態の、１個以上の半導体スイッチング素子を有している。半導体スイッチング素子として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が概して好ましく用いられる。基本的に、スイッチングによって直流電流をチョップし、このようなコンデンサ１６およびインダクタコイルを有する共振回路の励振のための交流電流を生成するには単一の半導体スイッチング素子で十分であるが、スイッチング装置の各出力、すなわち、装置５の２つの出力１８、１９のそれぞれを、半導体スイッチング素子を用いて個別にスイッチングすることが好ましい。
【００３２】
図３に示される、本発明の好ましい実施形態にかかる実施例では、スイッチング装置１４０は、整流器装置１２の出力の間に直列接続された半導体スイッチング素子の２つの対を含み、回路の接続点は、直列共振回路２０を励振するために、各対の半導体スイッチング素子の間に配置されている。
【００３３】
図示の例では、４つのＩＧＢＴ１４０１、１４０２、１４０３、１４０４が半導体スイッチング素子として設けられている。回路図では、ＩＧＢＴ１４０１と１４０２が一方の対、ＩＧＢＴ１４０３と１４０４が他方の対を構成している。ＩＧＢＴ１４０１と１４０２の間、および、ＩＧＢＴ１４０３と１４０４の間には、共振回路２０を励振するための回路が接続されている。後者の回路は、直列共振回路２０自身の電気回路であってもよい。絶縁トランスを有する実施形態では、この回路は、絶縁トランス１４２の一次回路によって構成されている。
【００３４】
半導体スイッチング素子のスイッチングは、半導体スイッチング素子の制御入力への制御電圧または制御電流の供給によって行われる。したがって、ＩＧＢＴが好ましく設けられている場合、制御電圧がＩＧＢＴのゲート入力１４１１、１４１２、１４１３、１４１４に印加される。直列共振回路２０を励振するための交流パルスを生成するため、ＩＧＢＴは対で、交差的に動作される。したがって、ＩＧＢＴ１４０１と１４０４、または、ＩＧＢＴ１４０３と１４０２が、電流パルスの符号に依存してスイッチングされる。
【００３５】
図３の実施例では、単一のスイッチング装置１４０のみが設けられている。本発明の一実施形態では、変換器１４は、同様に、特に高い出力を供給するために、好ましくは並列で動作される複数のスイッチング装置１４０を含んでもよい。
【００３６】
本発明の一実施形態では、３個以上、好ましくは、８個以上、より好ましくは１２個以上の、並列で動作可能なスイッチング装置１４０が設けられている。たとえば、スイッチング装置１４０は、１５０キロワットのスイッチング出力用に設計されてもよい。各３個のスイッチング装置が１つのユニットにグループ化されてよく、これにより、全体で１２個のスイッチング装置１４０を用いて、４５０キロワット（３個のスイッチング装置）、９００キロワット（６個のスイッチング装置）、または、１８００キロワット（１２個のスイッチング装置）の出力電力を選択的に用いることができる。さらに、複数のスイッチング装置１４０は、この場合、自身の整流器装置１２を有してよい。しかし、とりわけ、非常の高い出力用の整流器ダイオードを用いることができることから、複数のスイッチング装置１４０について単一の整流器装置１２を設けることが特に好ましい。
【００３７】
個別の複数のスイッチング装置１４０を接続するため、幹線電圧スイッチングユニット２１を簡単に用いることができる。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態では、インダクタコイル３およびコンデンサ装置１６を含む直列共振回路２０は、５〜１５０の範囲のＱを持つ。Ｑは溶解物の導電性にも依存する。溶解物がより高温であるほど、より多くの誘導電流が誘導され、すなわち、抵抗損失が増大するため、たとえば、より高い導電性のより高温のガラス溶解物は、より低温のまたは固化した溶解物よりも低いＱを有する。高温のガラス溶解物に関して、共振回路のＱは好ましくは５〜２０である。典型的には、通常動作における共振回路のＱは、おおよそ、Ｑ＝８およびＱ＝１２の間である。
【００３９】
励振した共振回路は、Ｑに依存して、異なる持続時間で共振する。導入可能な出力はＱにも依存する。高いＱの場合、共振回路内の電流およびインダクタコイルの電圧が次第に大きくなるようにされない限り、半導体スイッチング素子のスイッチング動作ごとに僅かな出力しか導入されえない。したがって、高周波電界を生成するための装置６の出力を制御することが一般的に好ましい。出力制御のため、整流器装置の出力電圧は、たとえば、能動的な整流の場合に調整される。
【００４０】
しかし、１つ以上の半導体スイッチング素子の制御、すなわち、図３に示される実施例のＩＧＢＴ１４０１〜１４０４の制御によって、装置６の出力を制御することが特に好ましい。本発明の一実施形態では、高周波電界を生成するための装置６の高周波出力は、半導体スイッチング素子のスイッチングパルスの繰り返し率によって制御または調整される。
【００４１】
詳細には、半導体スイッチング素子を制御するための制御装置１４４が設けられており、制御装置１４４は、半導体スイッチング素子のスイッチングのためのスイッチングパルスの繰り返し率によって溶解物１０に対して供給される出力を調整するよう適合されている。図３に示される実施例では、ＩＧＢＴ１４０１〜１４０４のゲート入力１４１１〜１４１４は、このために制御装置１４４に接続されている。トランジスタの種類に依存して、ＩＧＢＴ１４０１〜１４０４は制御装置１４４によって、低インピーダンスまたは高インピーダンスのいずれかにスイッチングされる。図３に示される実施例では、ノーマリオフのｎチャネルＩＧＢＴが用いられている。しかし、勿論、４つの種類のＩＧＢＴ（ノーマリオン型またはノーマリオフ型、ｎチャネル型またはｐチャネル型）のそれぞれを用いてもよい。スイッチング装置１４において異なる種類のＩＧＢＴを互いに組み合わせてもよい。
【００４２】
図３に例示されるような、本発明の装置６は、出力損失を１０％未満に制限可能とする。これに対して、特許文献１に記載されるような管型の発生器は、典型的には、３５％超の出力損失を示す。
【００４３】
本発明の別の構成では、スイッチング装置１４は、直列共振回路２０から分離されている。したがって、図３に示す実施例では、制御装置１４４は、直列共振回路２０への直接のフィードバックを有しない。換言すれば、直列共振回路２０の電圧または電流は、スイッチング装置１４に常には結合されない。これに対して、管型の発生器では、たとえば、共振回路の電圧は、管の幹線にフィードバックされ、発生器は自励発振する。これに対して、本発明の構成では、直列共振回路は励振時に強制された発振を行い、これは、半導体スイッチング素子の周期的スイッチングによって予め設定される。これは、一見不利に見えるが、このようにすると、高周波電流を生成するための装置６が自励発振器を構成しないため、直列共振回路２０は受動的となる。
【００４４】
しかし、共振回路２０を励振する電流の分離されたスイッチング、たとえば、直列共振回路２０からのフィードバックの無い半導体スイッチング素子の接続は、むしろ、実質的なメリットをもたらす。こうすると、とりわけ、突然の電圧変化、たとえば過電圧保護装置２７による過電圧排除の場合の突然の電圧変化がフィードバックされることが避けられる。さらに、出力制御（以下でより詳細に記載される）が非常に簡単なものとなる。分離された制御装置によって、出力制御は、スイッチング時間の直接の制御によってこのようにして実現できる。
【００４５】
しかし、間接的な結合が好ましい。たとえば、間接的な結合は、自由発振時の直列共振回路２０の発振周波数の測定、および、この測定された値の制御装置１４４への供給によって行うことができる。後者によって、スイッチングパルスの期間を測定された周期に応じた新たな値に調整できる。
【００４６】
図４は、パルス繰り返し率の修正による出力制御の例を示す。いくつかの電流パルス３０のみが示されている。図３に示されるような半導体スイッチング素子の２つの対を含むスイッチング装置１４０によって、正および負の符号を有する、すなわち、反対の流れ方向の電流パルス３０が生成できる。電流パルス３０と反対方向のその後の電流パルスとによって、持続時間τ１を有する高周波電流の発振期間が定められる。
【００４７】
期間τ１は、経時的に一定に維持される。これによって、確実に、インダクタ３およびコンデンサ装置１６を含む直列共振回路が連続的に共振して励振される。しかし、電流パルス３０の対の間の期間τ２は変化する。期間τ２が短いほど、パルス繰り返し率はより大きく、より多くの電力が直列共振回路２０に入る。したがって、図４に示す例では、電流パルス間の期間τ２が減少するため、出力は経時的に増大する。すなわち、図４において、時間ｔ１における期間τ２（ｔ１）は、その後の時間ｔ２における期間τ２（ｔ２）よりも長い。
【００４８】
このような動作モードは、固体状態では導電性の無い、固体または固化した溶融材料を収容するるつぼの開始動作において有用であり得る。これは特に、軟化状態においてのみイオンが可動となることによって導電性となるガラスに当てはまる。開始時に、溶解すべき材料の一部のみが導電性であり、非常に大きい出力が既に結合されている場合、過電圧およびアークが生じうる。生じる過電圧を低減するため、図３に示されるように、ポート１８、１９に生じる過電圧を短絡させる過電圧保護装置２７が設けられていてよい。たとえば、スパークギャップまたはバリスタが過電圧保護装置２７として用いられてもよい。
【００４９】
したがって、概して、本発明の他の実施形態では、溶解物１０の加熱の間、すなわち溶解物の温度および／または溶解した材料の量が増大する間、スイッチング装置１４０によって生成される電流パルスの繰り返し率が増大されるか、または、時間間隔が短くされる。
【００５０】
電流パルスでもって共振励振を生じさせるため、期間τ１は、直列共振回路２０の共振周波数に適合されている。本発明の一実施形態では、コンデンサ装置１６のキャパシタンスおよびインダクタコイルのインダクタンスは、好ましくは、直列共振回路２０の共振周波数が５０ｋＨｚ〜３５０ｋＨｚの範囲内、好ましくは、７５ｋＨｚ〜１７５ｋＨｚの範囲内にあるように適合されている。
【００５１】
例示的実施形態では、インダクタコイル３のインダクタンスおよびコンデンサ装置１６のキャパシタンスは、直列共振回路２０の共振周波数が２０〜１３０ｋＨｚであるように選択される。
【００５２】
図５のグラフは、インダクタコイル３を通る電流の経時的な曲線３３を示す。図４に示される例と同様に、反対符号の連続した電流パルス３０が生成されている。示されるように、共振回路は２つの電流パルスによって励振され、その後は自由に発振する。減衰のため、インダクタコイル３を通る電流の増幅は低下する。したがって、同じ符号を有する電流パルス３０の時間間隔は、直列共振回路の共振周波数の期間よりも長い。図５に示される例では、共振回路は、５番目の発振期間ごとにのみ励振される。出力制御のため、電流パルスの繰り返し率は上述のように調整でき、出力増大のために繰り返し率は増大され、出力低下のために繰り返し率は低くされる。すなわち、この実施形態では、高周波電界を生成するための装置６の高周波出力の制御または調整は、半導体スイッチング素子のスイッチングパルス３０の繰り返し率を修正することにより実現される。特に装置の開始動作の間、すなわち、るつぼにおける初期の溶解の間の出力の制御のため、コンデンサ装置１６の電圧が測定されうる。測定された値は、電流パルス３０の繰り返し率、すなわち出力を制御するために用いられる。図３に示される例では、そのための、測定された電圧値を送信するための制御装置１４４に接続された電圧測定装置１４６が設けられている。測定された電圧は、その後、制御装置１４４によって、所定の最大値と比較され、測定された値の所定の最大値との比較に基づいてまたは偏差に基づいて、パルス繰り返し率が調整される。したがって、本発明の改善においては、半導体スイッチング素子によってスイッチングパルスを生成し、すなわち、直列共振回路を励振する電流パルスを生成するために、半導体スイッチング素子、好ましくは、ＩＧＢＴ１４０１、１４０２、１４０３、１４０４を制御する制御装置１４４が設けられている。コンデンサ装置１６の電圧を測定するための電圧測定装置１４６は、測定された電圧値を送信するための制御装置に接続されており、制御装置１４４は、所定の最大電圧と測定された電圧値とを比較し，最大電圧と測定された電圧値との比較に基づいてスイッチングパルスの繰り返し率またはパルス繰り返し率を設定するように適合されている。スイッチング時間の位相が維持でき、半導体スイッチング素子は十分にスイッチングされ、したがって、低インピーダンスにスイッチングできるため、パルス繰り返し率による出力制御が特に好ましい。
【００５３】
図４を参照して説明した実施例と同様に、特に溶解物の加熱開始時に、初期に低い繰り返し率を用いることができ、たとえば、１５個の発振期間の１つの期間の間に、反対符号の２つの電流パルス列が開始されてもよい。溶解物の加熱および／または溶解した材料の体積の増加のために、増大する抵抗損失によってＱは減少する。したがって、電流パルス後の共振回路の自由な発振は、より早く弱まり、繰り返し率は、図５のグラフに示されるような、たとえば、各４番目の期間後の２つの電流パルスによる励振へ増大される。
【００５４】
図５からさらにわかるように、電流パルス３０のスイッチング時間は、インダクタコイル９を通る電流３３のゼロクロスと同期している。示した特定の例に限定されることなく、この同期は、出力損失を最少化するための、本発明の特に好ましい実施形態を構成する。このような同期を実現するため、本発明の一実施形態では、交流電流信号を表す測定された電流値を送信するための制御装置１４４に結合された電流測定装置が設けられている。制御装置１４４は、測定された電流値を記録し、交流電流信号のゼロクロスを決定し、スイッチング時間のオンおよびオフがゼロクロスにまたはその範囲内にあるように半導体スイッチング素子をスイッチングするように適合されている。場合によっては、正確にゼロクロスでのスイッチング時間は実現できない。しかし、ゼロクロスの範囲内のスイッチング時間とは、交流電流信号の１つの期間は３６０°の角度を示すとして、交流電流信号の位相に対して±１５°以下、好ましくは、±５°以下でシフトしたスイッチング時間を意味する。
【００５５】
図３に示されるように、出力損失を最少化するために特に有利には、電流信号は、直列共振回路からスイッチング装置１４０を分離する絶縁トランスの一次側の、または、スイッチング装置１４０にできるだけ近い電流測定装置１４５によって測定される。位相シフトがスイッチング装置の出力と絶縁トランス１４２の二次側との間に生じうるため、これは好ましい。一次回路の電流は、すべてのＩＧＢＴ１４０１、１４０２、１４０３、１４０４が高いインピーダンスにある場合でも、電流測定装置１４５によって測定できる。本発明の一実施形態では、各ＩＧＢＴに並列に逆方向に接続された保護ダイオードまたはフライバックダイオード１４１５がこのために設けられている。この場合、逆発振電流はこれらの保護ダイオード１４１５を通して導かれる。多くの場合、このような保護ダイオード１４１５は、ＩＧＢＴ装置に工場で一体化されている。したがって、図３では、保護ダイオード１４１５は、ＩＧＢＴ１４０１、１４０２、１４０３、１４０４の装置符号において示されている。しかし、高インピーダンスにスイッチングされた半導体スイッチング素子において、直列共振回路の発振、特にそのゼロクロスを検出するため、他の代替的または付加的な手段も考えられる。
【００５６】
本発明の他の別の好ましい実施形態では、個々の電流パルスは電流信号の期間の半分の長さ、またはより一般的には、同様の直列共振回路の共振周波数の期間の半分の長さを有する。換言すれば、このパルス長は、好ましくは、電流信号の、またはより一般的には、直列共振回路の発振の半幅の期間または持続時間に調整される。スイッチング時間の制御、すなわち、ゼロクロスに基づいたスイッチング時間のオンおよびオフにより、パルス持続時間が、有利に、同時に制御できる。
【００５７】
本発明に係る溶解物１０を加熱するための装置１の有利な構成について以下に説明する。上述のように、複数のスイッチング装置１４０に対して１つの整流器装置１２を設けることが有利である。さらに上述のように、インダクタコイル３およびコンデンサ装置１６を含む直列共振回路を励振させるため、好ましくは８個以上の、より好ましくは１２個以上のスイッチング装置１４０が用いられる。整流器装置１２は、簡単なやり方で、たとえば、整流ダイオードを並列に接続することにより、非常に大きい出力用に設計可能である。したがって、本発明の一実施形態では、装置１は、複数のスイッチング装置１４０を備え、１個以上の整流器装置１２が設けられており、整流器装置１２に複数のスイッチング装置１４０、場合により全てのスイッチング装置１４０が接続されている。図６は、１２個のスイッチング装置１４０が高周波変換器の要素として好ましく設けられている構成を示す。
【００５８】
この構成は２個の整流器装置１２によって構成されており、各整流器装置１２に６個のスイッチング装置１４０がそれぞれ接続されている。
【００５９】
図６に示される例のように、複数のスイッチング装置１４０が設けられている場合でも、これらは好ましくは、直列共振回路２０の励振のために並列に動作され、すなわち、スイッチング装置１４０によって形成される高周波変換器１４は、単一のインダクタコイル３に接続される。複数の直列共振回路２０を有する構成も可能であるが、この場合、好ましくは、１個以上の直列共振回路は複数のスイッチング装置１４０によって励振される。しかし、複数のインダクタコイルの場合、相互インダクタンス、すなわち、直列共振回路同士の結合が考慮されるべきである。
【００６０】
本発明のさらに別の実施形態では、複数のスイッチング装置１４０は個別に接続可能なユニットまたはグループにまとめられる。図６に示される実施例では、変換器キャビネット１５がこのために個別に接続可能なユニットとして設けられている。各変換器キャビネット１５は、各３つのスイッチング装置１４０を有している。２つの変換器キャビネット１５は、それぞれ、１つの整流器装置１２に接続されている。さらに有利には、複数のスイッチング装置１４０は、空間対称に、好ましくは、点対称、回転対称または鏡面対称に配置されている。なかでも、これによって簡単に同じケーブル長を使用でき、これは、直列共振回路２０を励振するための複数のスイッチング装置１４０の並列動作の場合に特にメリットがある。
【００６１】
図６に示す実施例では、変換器キャビネット１５内のスイッチング装置１４０は、それぞれ同じに配置されている。変換器キャビネット１５は、２ｘ２の配列で配置されており、したがって、複数のスイッチング装置１４０は変換器キャビネット１５の間の中心Ｍに対して点対称に配置されている。
【００６２】
図７の実施例は、さらに、絶縁トランス１４２へのスイッチング装置１４０の接続の好ましい実施形態を示している。この実施例では、また、各３個のスイッチング装置１４０を備えた４個の変換器キャビネット１５が、高周波変換器１４の要素として設けられている。変換器キャビネットおよびスイッチング装置１４０を列状に配置してもよい。しかし、この配置は、とりわけわかりやすい例示のためである。図６を参照して説明したような、スイッチング装置の対称的な配置は、以下に示す実施例にも同様に用いることができる。
【００６３】
スイッチング装置１４０を、個別の接続ケーブル１４７によって絶縁トランス１４２に接続することが特に有利であることがわかっている。好ましくは、図７に示されるように、二心接続ケーブルが用いられる。すなわち、本発明の一実施形態では、複数のスイッチング装置１４０および１つの絶縁トランス１４２が設けられており、複数のスイッチング装置１４０、好ましくは、全てのスイッチング装置が、個別の接続ケーブルによって、絶縁トランス、または、絶縁トランスの接続点に接続されている。わかりやすくするため、最も上の２つのスイッチング装置１４０のみがケーブル１４７とともに図７に示されている。接続ケーブル１４７が同じ長さを有する場合がさらに特に有利である。
【００６４】
一見して、多数の接続ケーブルを有するこのような構成は非常に複雑に見える。しかし、この構成は、スイッチング装置１４０から絶縁トランス１４２に高電流を伝導するために、そして同時に、個々のスイッチング装置１４０の間のクロストークまたは不所望の結合を最少化するために好ましいことがわかっている。
【００６５】
等しいケーブル長を用いた好ましい対称配置にもかかわらず、絶縁トランス１４２を通してフィードバックされ、接続ケーブルを通して伝達される直列共振回路２０の電流信号は、個々のスイッチング装置において異なる位相シフトを有しうる。特に好ましく所望のスイッチング時間を電流信号のゼロクロスにできるだけ正確に一致させるため、図７の例示的実施形態および図６および７の例示的構成に限定されない本発明の一実施形態では、複数のスイッチング装置１４０が並列に動作する場合、個別の電流測定装置１４５がスイッチング装置１４０に関連づけられ、図７に示されていない制御装置１４４が、個々の電流測定装置１４５からの測定された電流信号に基づいて、各関連づけられたスイッチング装置１４０に対する個々のスイッチング時間を決定し、各決定されたスイッチング時間でスイッチングするように対応して半導体スイッチング素子を駆動する。図７に示されるように、電流測定装置１４５は、スイッチング装置１４０に一体化されてもよい。しかし、電流測定装置１４５を接続ケーブル１４７に、または、接続ケーブル１４７へのスイッチング装置１４０の接続に設けることも可能である。
【００６６】
本発明が例示の実施形態に限定されず、むしろ種々のやり方で変えることができ、特に、個々の例示的実施形態の特徴が互いに組み合わせ可能であることは当業者には明らかであろう。たとえば、図４におけるパルス繰り返し率の調整は、パルス幅変調と組み合わされてもよい。さらに、実施例では、単一の制御装置１４４でもって記載した。個別に制御される複数のスイッチング装置の場合には、制御装置１４４は複数のスイッチング装置を制御するための個々の独立のユニットに分割されてもよい。
【００６７】
さらに、図４および５の実施例では、時間的に近い電流パルス間の距離は、等しいサイズであり、図４の場合には、距離は連続的に低減される。しかし、繰り返し率を間欠的に低減させる、または、電流パルス３０の距離を間欠的に増大させることも可能である。この場合、たとえば、そうでなければ等距離のパルス列において、いくつかのパルスが省かれてもよい。このやり方ではパルスの繰り返し率に対して期間の有理な各比率を時間的に平均して調整できるため、これによりほぼ連続的に可変に出力を制御できる。
【符号の説明】
【００６８】
１  溶解物加熱装置
２  るつぼ
３  インダクタコイル
５  高周波電流発生装置
６  高周波電界発生装置
７  冷却水導管
１０  溶解物
１２  整流器装置
１４  高周波変換器
１５  変換器キャビネット
１６  コンデンサ装置
２０  直列共振回路
１８、１９  インダクタコイル３用ポート
２１  幹線電圧スイッチングユニット
２５  幹線接続
２７  過電圧保護装置
３０  電流パルス
３３  インダクタコイル３を流れる電流
１２０  整流ダイオード
１２２  ＬＣ素子
１２３  １２２のインダクタ
１２４  １２２のコンデンサ
１４０  スイッチング装置
１４２  絶縁トランス
１４４  制御装置
１４５  電流測定装置
１４６  電圧測定装置
１４７  接続ケーブル
１４０１、１４０２、１４０３、１４０４  ＩＧＢＴ
１４１１、１４１２、１４１３、１４１４  ゲート入力
１４１５  保護ダイオード、フライバックダイオード
【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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【外国語明細書】
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