(57)【要約】【課題】発熱体の寿命を長くする電気炉等発熱装置内の温度制御システムを提供する。【解決手段】本発明の温度制御システムは、同じ最高使用温度の複数個の発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを並列に接続した電気炉等発熱装置１内の温度を検知してこれら発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへの通電をオンオフ制御する温度制御システムにおいて、これら発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへの通電のオン時間と通電のオフ時間との割合から発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの使用本数を選定し、これら発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄへの通電オンオフを連続的に順次繰り返す制御を行って、発熱体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの寿命を向上させる。【選択図】  図１
2009070196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ最高使用温度の複数個の発熱体を並列に接続した発熱装置内の温度を検知してこれら発熱体への通電をオンオフ制御する温度制御システムにおいて、これら発熱体への通電のオン時間と通電のオフ時間との割合から発熱体の使用本数を選定し、これら発熱体への通電オンオフを連続的に順次繰り返す制御により、発熱体の寿命を向上させたことを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
前記発熱装置は電気炉であることを特徴とする請求項１記載の温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気炉等発熱装置内の温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気炉等発熱装置１内の温度制御システムを図６および図７に示す。
【０００３】
図６において、炉体１Ａの炉内温度は熱電対３により計測され温度調節計２へ伝えられる。温度調節計２は時間比例オンオフ信号出力であり、そのオンオフ信号出力はサイリスタ５にて電源１３から供給された電力をオンオフして発熱体６を制御する。この場合、図７において温度調節計２は、負荷に応じた温度調節計の出力信号１１を出力する。温度調節計の制御周期に対して温度調節計の出力信号１１ａは低い割合であり、温度調節計の出力信号１１ｂは多い割合であり、温度調節計の出力信号１１ｃは非常に多い割合であり、温度調節計の出力信号１１ｄは１００％となり制御周期を超えた連続した出力である。発熱体の温度１４は温度調節計の出力信号１１に対応し、発熱体の温度１４ｅは温度調節計の出力信号１１ａ、発熱体の温度１４ｆは温度調節計の出力信号１１ｂ、発熱体の温度１４ｇは温度調節計の出力信号１１ｃ、発熱体の温度１４ｈは温度調節計の出力信号１１ｄの時の温度を示す。発熱体の温度は１４が示すように、温度調節計の出力信号１１ａでは負荷割合が低いため発熱体の温度１４ｅは通電オンにて後発熱体温度上昇するが短時間の通電オンのため最高使用温度以内となり通電オフ後は長時間の通電オフの間に炉内雰囲気温度まで低下する。温度調節計の出力信号１１ｂではさらに負荷が増加し、通電オン時の発熱体温度１４ｆは最高使用温度付近まで上昇すると共に通電オフ時は炉内雰囲気温度よりいくぶん高い温度までしか低下しない。温度調節計の出力信号１１ｃではさらに負荷が増加し、通電オン時の発熱体温度１４ｇは長時間の通電オンのため最高使用温度を上回ると共に通電オフ時においても短時間の通電オフのため最高使用温度より僅かに低い程度しか低下しない。温度調節計の出力信号１１ｄでは連続的な通電オンのため発熱体は最高使用温度をはるかに超えた状態で維持すると共に、その後の通電オフにおいても、十分な通電オフ時間がなければ最高使用温度を下回ることがない状況となる。発熱体６の劣化の原因の多くは、発熱体自体の酸化反応によるものであり、発熱体がその最高使用温度を上回ると酸化反応は著しく促進され劣化が進む。負荷の高い、あるいは高温の電気炉においては温度調節計の出力信号は１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが出力される割合が増し、その結果、発熱体の温度１４が最高使用温度を超える状況が増し、発熱体の劣化を誘発し、発熱体の寿命低下を招くこととなる。
【０００４】
電気炉の設計温度が高温になるに従い、使用する発熱体も最高使用温度の高い、丈夫なものを選択する必要に迫られる。丈夫な発熱体とは、発熱体の線径が太い物、あるいは最高使用温度のグレードが高い発熱体への変更を意味する。線径の太い発熱体６を使用すると電気抵抗が小さくなりオームの法則に従い、その分発熱体６の全長を長くする必要があるが、限られた容積を持つ炉体１Ａへの収容は困難となり太い線径でも十分な長さを取れない、消費電流の大きい物となる。またその場合においても発熱体が最高使用温度を上回ることを抑止する効果は無く、発熱体の劣化から逃れることはできず、線径の太さで劣化の時間を延ばす意味合いしか無い。最高使用温度のグレードが高い発熱体６への変更は発熱体自体のコストが高く、またＳｉＣ系発熱体などは発熱体部表面積が少なく使用本数を増やし、表面積を増やす必要があり、やはり消費電流の大きい物となり、多くの場合イニシャル、ランニングコストの増加を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の電気炉等発熱装置内の温度制御システムにおける発熱体への電力供給方法では、発熱体の寿命が短く、炉体内の温度を低く設計するなどの制約があるなどの問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点を解消し、発熱体の寿命を長くし、炉体内の温度を発熱体の最高使用温度に近づけた炉体設計が可能となる電気炉等発熱装置内の温度制御システム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】
【０００７】
本発明の温度制御システムは、同じ最高使用温度の複数個の発熱体を並列に接続した発熱装置内の温度を検知してこれら発熱体への通電をオンオフ制御し、これら発熱体への通電のオン時間と通電のオフ時間との割合から発熱体の使用本数を選定して、これら発熱体への通電オンオフを連続的に順次繰り返す制御により、発熱体の寿命を向上させたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明は電気炉を対象とした発熱装置の温度制御システムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の温度制御システムは、同じ最高使用温度の複数個の発熱体を並列に接続した発熱装置内の温度を検知してこれら発熱体への通電をオンオフ制御し、これら発熱体への通電のオン時間と通電のオフ時間との割合から発熱体の使用本数を選定して、これら発熱体への通電オンオフを連続的に順次繰り返す制御により、発熱体の寿命を向上さることができ、発熱体の最高使用温度にほぼ近い温度の炉設計が可能であり、安価で消費電力の少ないなどコスト面で有利な発熱体の選択が可能である。さらに、複数の発熱体を使用するので、発熱体の配置の自由度が高くなり、均一な炉内温度制御が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図１および図２に基づいて説明する。
【００１１】
電気炉等発熱装置１内の温度制御システムを示す図１において炉体１Ａの炉内温度は、熱電対３により計測され温度調節計２へ伝えられる。温度調節計２は時間比例オンオフ信号出力であり、設定温度と比較のうえ温度調節計の出力信号１１がマイクロコンピューター４へ送られる。マイクロコンピューターの出力１２ａはサイリスタ５ａ、発熱体６ａに対応し、マイクロコンピューターの出力１２ｂはサイリスタ５ｂ、発熱体６ｂに対応し、マイクロコンピューターの出力１２ｃはサイリスタ５ｃ、発熱体６ｃに対応し、マイクロコンピューターの出力１２ｄはサイリスタ５ｄ、発熱体６ｄに対応する。それぞれのサイリスタは電源１３から供給された電力をオンオフしそれぞれの発熱体を制御する。この場合図２において温度調節計２の出力はその負荷に相当する温度調節計の出力信号１１がマイクロコンピューター４に送られマイクロコンピューターの出力信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄへとなって出力される。マイクロコンピューター４は、接続されたサイリスタの数と、一定の出力オン時間が定義されなおかつ温度調節計の出力オンを受け、全てのサイリスタに対し一定の出力オン時間にて順次出力を行い、これを温度調節計の出力オフとなるまで繰り返す様プログラムされている。その結果、温度調節計の出力信号１１のオンからオフまでの時間はマイクロコンピューターの出力信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが繰り返すそれぞれのオンからオフまでの時間の合計と常に同じとなる。サイリスタへの出力は温度調節計の出力信号がオンの間、サイリスタ５ａ、サイリスタ５ｂ、サイリスタ５ｃ、サイリスタ５ｄの順で間断なく連続した出力を繰り返す。また、発熱体の温度１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄはマイクロコンピューターの出力信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに対応している。
【００１２】
マイクロコンピューターの出力信号のオン時間は発熱体の温度上昇と関係し、オン時間が短いと、発熱体の温度はわずかな上昇となり、長いと発熱体の温度は大きな上昇を示す。またマイクロコンピューターのオフ時間が長いと発熱体は十分な冷却ができ、短いと発熱体は不十分な冷却となるため、オン時間は短くオフ時間は長い方が発熱体の寿命にとっては良いこととなる。ただしオン時間を短く設定することは、発熱体の温度と炉内の雰囲気温度との差が少なくなることでもあり、熱効率の低化を伴うため寿命と熱効率の両面を検討の上オン時間を決定する。オフ時間は直前に通電オンした発熱体の温度が冷却されるに必要な時間と順次出力する発熱体との本数の関係でありの最低必要な本数は次の式で求めることができる。
発熱体本数＝（通電オフ時間÷通電オン時間）＋１
温度調節計の出力信号１１のオン時間は負荷に応じて変化し、温度調節計の制御周期に対して多いあるいは１００％の連続した出力の場合、通常の制御ではいずれの場合も発熱体の温度は最高使用温度を上回る状況となるが、そのオン時間をマイクロコンピューターによりマイクロコンピューターの出力信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに分割出力することで、発熱体の温度１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄはそれぞれに対応するマイクロコンピューターの出力信号がオンにおいて一瞬上昇するが最高使用温度を超えることはなくその後、それぞれに対応するマイクロコンピューターの出力信号がオフにて炉内雰囲気温度まで低下する。このことは温度調節計の出力１１の状態に関わらず発熱体を常に一定した条件で使用を可能とします。その結果発熱体の異常な劣化は抑えられ、長期間発熱体を使用することが可能になる。
【００１３】
上記電気炉等発熱装置１内の温度制御システムによると、発熱体の温度はマイクロコンピューターの出力に応じて炉内雰囲気温度より一瞬上昇するが最高使用温度を超えることはないため、この温度差を少なくする様、炉内雰囲気温度を高めることで、設計温度の高い炉の実現が可能となる。また、一般的で安価な発熱体を用いて、高温炉の設計が可能であり、発熱体の損傷修理に必要な補修部品としての発熱体も安価とすることができる。さらに、発熱体の温度上昇が制限されているため、異常な高温による局部的な昇温が押さえられると共に、発熱体の数を複数にすることで、伝熱面積が増加し熱効率改善に寄与し、均一な加熱のための発熱体の設置が可能となる。
【００１４】
なお、上記サイリスタ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはインバーターに置き換えても良い。
【００１５】
次に、本発明の電気炉等発熱装置内の温度制御システムを応用した電気炉等発熱装置の実施例を、以下、図３から図５に基づいて説明する。
【００１６】
図３において炉体１Ａに対して発熱体ユニット２０を縦型に設置および、炉扉１Ｂに発熱体ユニット２０を設置した状態を示し、発熱体ユニット２０は図４にて示すように発熱体フレーム２１と発熱体２２から構成される。発熱体フレーム２１はセラミックファイバーボードなど耐熱性に優れ、軽量で加工が容易な物で構成されたフレームであり上部および下部のフレームには発熱体を取り付けるために上下に貫通した穴を有する。発熱体２２はコイル状に加工を行った電熱線であり、発熱体フレーム２１に収容されている。なお発熱体２２の両端部にはリード２２ａがある。発熱体フレーム２１の下部には左右2箇所に発熱体ユニット補助固定穴２１ａを有する。図５は発熱体ユニット２０の炉内壁面への取り付け方法を示した断面図であり、リード２２ａは炉内から断熱材２３を貫通し、外部のターミナル２７の金具にて電源ケーブル２８と結線され電源が供給される。左右２本のリード２２ａをヒーターユニット２０が炉内壁面に密着するように長さを調整のうえターミナル２７に固定するのみで、軽いヒーターユニット２０を簡単に設置することができて、設計上での発熱体設置場所の自由度を高める物である。発熱体フレーム２１は発熱体２２の温度変化や重力による変形を常に抑える形状で収容するため、どのような取り付け方向に対しても安定して使用することができる。ユニット固定金具２５は発熱体に使用する電熱線等などを使用する。発熱体ユニット受け２４は耐火断熱材の加工品である。ユニット固定金具２５はその１端を折り曲げ加工の上発熱体ユニット補助固定と穴２１ａから断熱材２３を貫通し外部に設けられた固定ビス２６などで固定することができる。発熱体ユニット受け２４は発熱体ユニット２０の垂直方向の加重を分散して支えるものである。この場合リード２２ａと合わせて４箇所の固定が可能となり様々な取り付け方向に対応することができる。従来の波型に加工した電熱線を炉壁にピンで固定する方法や、炉壁に加工した溝にコイル状の電熱線を取り付ける場合と比べて、断線トラブル時の交換作業が格段に容易となり、また発熱体である電熱線が炉壁に直接接することが無く、壁面へ直接吸収される熱のロスが少ない。また発熱体ユニット２０はこのように簡単な構造であるため安価に製作が可能である。さらに発熱体設置のための電熱線の波型加工や炉の溝切り加工も不要となる。特に高温で使用する炉においては、断線時でも、簡単で安価に発熱体ユニットの交換修理が短時間でできるので、本発明の温度制御システムと合わせて使用することでより高い温度域での使用を気軽に行うことができる環境を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例を示す電気炉等発熱装置内の温度制御システムの概略図である。
【図２】同上の発熱体への入出力関係を示す温度状態図である。
【図３】本発明の電気炉等発熱装置内の温度制御システムを応用した電気炉等発熱装置の実施例を示す。
【図４】同上の実施例にて電気炉等発熱装置内に用いるヒーターユニットの概略図である。
【図５】同上の実施例にて電気炉等発熱装置内へヒーターユニットの設置方法についての説明図である。
【図６】従来の電気炉等発熱装置内の温度制御システムの概略図である。
【図７】従来の同上の発熱体への入出力関係を示す温度状態図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  電気炉等発熱装置
１Ａ  炉体
１Ｂ  炉扉
２  温度調節計
３  熱電対
４  マイクロコンピューター
５    サイリスタ
５ａ  サイリスタ
５ｂ  サイリスタ
５ｃ  サイリスタ
５ｄ  サイリスタ
６    発熱体
６ａ  発熱体
６ｂ  発熱体
６ｃ  発熱体
６ｄ  発熱体
１１    温度調節計の出力信号
１１ａ  温度調節計の出力信号
１１ｂ  温度調節計の出力信号
１１ｃ  温度調節計の出力信号
１１ｄ  温度調節計の出力信号
１２ａ  マイクロコンピューターの出力信号
１２ｂ  マイクロコンピューターの出力信号
１２ｃ  マイクロコンピューターの出力信号
１２ｄ  マイクロコンピューターの出力信号
１３  供給電力
１４    発熱体の温度
１４ａ  発熱体の温度
１４ｂ  発熱体の温度
１４ｃ  発熱体の温度
１４ｄ  発熱体の温度
１４ｅ  発熱体の温度
１４ｆ  発熱体の温度
１４ｇ  発熱体の温度
１４ｈ  発熱体の温度
２０  発熱体ユニット
２１  発熱体フレーム
２１ａ  発熱体ユニット補助固定穴
２２  発熱体
２２ａ  リード
２３  断熱材
２４  発熱体ユニット受け
２５  ユニット固定金具
２６  固定ビス
２７  ターミナル
２８  電源ケーブル
【図１】
2009070196.tif 000003
【図２】
2009070196.tif 000004
【図３】
2009070196.tif 000005
【図４】
2009070196.tif 000006
【図５】
2009070196.tif 000007
【図６】
2009070196.tif 000008
【図７】
2009070196.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月20日(2008.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体は１本で装置を運転するのに十分な発熱容量の物を、同じ装置内に複数の発熱体を並列に接続し、装置内の温度を検知して制御する制御装置より発熱体への通電要求を、これら複数の発熱体に分散し順次負荷をかけてゆくシステムであり、発熱体自体の温度に着目した場合、最高使用温度で保持している炉において炉内の安定温度である均衡温度から最高温度へ上げるのに要する一定の通電時間（通電オン時間）、最高温度から均衡温度に下げるのに要する一定の通電オフ時間（通電オフ時間）の割合から使用本数を決定し、通電において一つの発熱体が最高使用温度に達する直前に次の発熱体へ通電を切り替えることを順次行い、常に最高使用温度を超える事無く発熱体を使用し、使用電力は発熱体を１本使用した通常の装置と同一で有り発熱体の寿命向上を特徴とした温度制御システム。
【請求項２】
前記発熱体は電気炉であることを特徴とする請求項１記載の温度制御システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の温度制御システムは、発熱体自体の温度がその使用限界温度を超えないように決定された固定的な通電オン時間・オフ時間との割合から発熱体の使用本数を選定した同じ最高使用温度の複数個の発熱体を並列に接続した発熱装置内の温度を検知し、温度調節計より発熱体へ出力要求が有る間、その出力をこれら複数の発熱体へ同時に通電される事が無く、かつ出力は途切れることの無い様に順次オン・オフを連続的に繰り返す制御をすることにより、発熱体の寿命を向上させたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
発熱体への通電を複数同時に通電される事が無く、かつ出力は途切れることの無い様に順次オン・オフを連続的に繰り返す制御をすることにより、1本の発熱体を使用したのと同じ電力で発熱体の寿命を向上さることができ、発熱体の最高使用温度にほぼ近い温度の炉設計を可能とするものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
通常の炉設計において炉の最高使用温度を決定するためには、それより高い最高使用温度の発熱体の使用が求められ、運転時において炉が最高使用温度を保持している場合でも、その制御基準となる温度は温度センサーが炉内の特定空間を検出した温度にすぎず発熱体自体の温度とは違い、発熱体は炉の外部放熱に応じた熱量を炉内に供給すべく通電され炉内温度よりさらに高温と成っている。
この場合、炉の最高使用温度が高くなるほど発熱体の最高使用温度との差は小さくなり、発熱体の最高使用温度を超える使用状態が発生し、発熱体の寿命低下を招く可能性が高くなる。
説明上、最高使用温度で運転保持している炉にて「均衡温度」とは発熱体が通電オフの状態で、限りなく炉温度と均衡している状態と定義し、「限界温度」とは発熱体が通電オンと成り発熱体自体がその最高使用温度に達した状態と定義します。
運用上この概念に基づき、「均衡温度」は炉最高使用温度と等しいまたはやや上回る値であり、「限界温度」よりは低い値として設定します。
通電オン時間は「均衡温度」の発熱体を通電オンし「限界温度」に到達するまでの固定的な時間と定義します。
通電オフ時間は「限界温度」に到達すると同時に発熱体を通電オフし「均衡温度」に降下するまでに要する固定的な時間と定義します。
ただし、発熱体の正確な温度計測を高速にて計測するのは難しいため、実運転より適した通電オン・オフ時間を決定する事も有り得る。
みかけ上、温度調節計よりの出力要求がある間、常に通電を連続して行うには、一つの発熱体が「限界温度」に達する直前に次の発熱体へ通電を切り替えることで可能と成り、使用する本数は最初に通電オンとした発熱体が「均衡温度」に戻るまでの時間に相当する通電オンするための本数であり、これを順次繰り返すことで常にいずれの発熱体も最高使用温度を超える事無く寿命を延ばす為の制御を行うことが可能と成り最低必要な発熱体の本数は次の式で求めることができる。
発熱体本数＝（通電オフ時間÷通電オン時間）＋１
温度調節計の出力信号１１のオン時間は負荷に応じて変化し、温度調節計の出力要求が多いあるいは１００％の連続した出力の場合、通常の制御ではいずれの場合も発熱体の温度は「限界温度」を上回る状況となるが、そのオン時間をマイクロコンピューターによりマイクロコンピューターの出力信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに分割出力することで、発熱体の温度１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄはそれぞれに対応するマイクロコンピューターの出力信号がオンにおいて一瞬上昇するが「限界温度」を超えることはなくその後、それぞれに対応するマイクロコンピューターの出力信号がオフにて「均衡温度」まで低下する。このことは温度調節計の出力１１の状態に関わらず発熱体を常に一定した条件で使用を可能とします。その結果発熱体の異常な劣化は抑えられ、長期間発熱体を使用することが可能になる。