JP2014026748A

JP2014026748A - 干渉影響抑制型誘導加熱コイル

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Publication number: JP2014026748A
Application number: JP2012164225A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Matsunaga; 哲夫松永
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】発信周波数の異なる誘導加熱用インバータであって比較的小容量で市販のものを複数台使用して大円形の広い面積を均等に誘導加熱したり長延長のパイプラインを等間隔で均等に誘導加熱できるように磁束干渉による障害を抑制できる誘導加熱用コイルにする。
【解決手段】一個の誘導加熱用コイルを二分割形状とし、夫々のコイル電流の方向は適正に誘導加熱磁束をつくり、磁気干渉によって生じる起電圧は同コイル内で相殺できるように二分割コイルを組合せ構成することによって干渉障害抑制を実現させる。
干渉影響抑制型誘導加熱コイルを使用することで隣接した他コイルとの間隔を接近させても干渉磁束誘導による高電圧の誘発を抑制できるので加熱の均等化が可能になる。
【選択図】図６

Description

この発明は20kHz以上の高周波電流によって誘導加熱するための高周波電流発生用インバータ(ＩＨインバータと称す)とそれに接続される誘導加熱用ワークコイル(コイルと称す)に関するもので20kHz以上の高周波帯で誘導加熱する際に、被加熱金属に鎖交する磁束は誘導加熱しながら他の金属やコイルにも誘導作用して数々の悪影響を及ぼす。他のコイルに障害をもたらす一つに隣接して設置した別IHインバータに接続されたコイルと鎖交して別IHインバータのコイルに高電圧を誘導しコイルの端子電圧を上昇させ、別IHインバータのスイッチング素子であるIGBTに高電圧を印加して破壊に至らしめる作用がある。この干渉磁束の影響を無くするよう干渉磁束とベクトル的に完全逆位相の磁束が影響を受けたコイル自身によって発生できるような巻き方をするコイルに関する。

高周波誘導加熱とは、コイルに高周波電流を流して磁界を発生させコイル表面に近接配置した磁性金属内に磁界の磁束を鎖交させることによってその磁性金属内に誘導渦電流を流し、この渦電流によって磁性金属内にジュール熱を発生させることを言う。

このような誘導渦電流による発熱作用を用いる誘導加熱用途は、世の中に数多くあり被加熱金属である鉄板・棒鋼・容器・パイプなどの形状物を効率よく加熱することができ電気エネルギーを高効率で熱に変えることのできる最適手段である。

しかし高周波誘導加熱を実行するためには高周波電流を流すための電源とその高周波電流を磁束に変えて被加熱体である金属に鎖交させ、金属内部に誘導渦電流を流し、上記０００２に説明したジュール熱を発生させるコイルが必要であるが電源の周波数は個々の電源に固有のものであり複数台の電源を使用すればその台数分の異なる周波数で高周波電流が流れることになる。そのため複数台の電源を使用すると必ずその異なる周波数によりコイル部分で磁束の干渉が起こるという問題があった。

この改善策として、複数台の電源から出力される高周波電流の周波数が同期するように制御しながら更に逆極性に巻いたリアクトルで相互誘導によって干渉する磁束を強制的に逆移相補正するような負荷回路を構成する方法等があるがこれに使われる特殊な補助リアクトルや冷却装置の構成などに膨大な費用と緻密な調整が必要であり装置自体が大掛かりなると同時にリアクトルなどの補助機器による電力損失も多大でエネルギー効率低下が非常に大きなものとなっている。

特開２００６−４９３３２号公報特開２００４−２５９６６５号公報

内田直喜他２名著「１５０ｋＷゾーンコントロール誘導加熱用高周波インバータ」平成１８年電気学会産業応用部門大会

解決しようとする課題は、複数台の電源から出力される高周波電流周波数の違いによる磁束干渉影響をコイル自身で抑制できるようにすることによって低価格で良質の均等加熱モードを得ることである。

誘導加熱式大円形容器又は誘導加熱式長尺パイプなどは一個のコイルまたは一台のIHインバータでは容器または長尺パイプの全体を均一に加熱することが出来ない。そのため複数台のコイルと複数台のIHインバータを並べて使用することによって必要な加熱分布と加熱力を得て最適な加熱をすることができるが大円形または長尺パイプなどで複数台のIHインバータとコイルを必要とする被加熱物は夫々のIHインバータの発信周波数の違いとコイルからの誘導磁界の干渉影響によってIHインバータの破損や不快な高音の干渉音が発生するため隣接するコイル同士はある程度離して使用することが必要最低限の運転条件になっていた。そのため被加熱物の加熱温度に極端な差が発生して加熱の均一性が得られないことや必要とする充分な加熱力が得られないなどの欠点があった。

当然被加熱体の温度が不均一になることによる熱歪みも極端に大きくなり容器の底が凸凹になったりパイプの変形曲がりが起こっていた。
深刻な問題は加熱運転中に被加熱体が変形して加熱定数が変化し隣接する異コイル間の干渉磁束が増加してコイルに高電圧が誘導され突然IHインバータが破壊することであった。

複数台のIHインバータとコイルを共通する被加熱体に配置して同時に加熱運転をしても異コイル同士の磁束干渉が起こらないことにより不快な干渉音が無いことは勿論であるが異コイル同士の近接配置を容易にできることで加熱の均一性を可能ならしめ、コイルに誘導される干渉高電圧をコイル自身で消滅させることができIHインバータが破壊することなく加熱運転できる干渉影響抑制型コイルを提供することを目的とする。

本発明は、請求項1の内容による如く巻き中心を共通にして複数個のコイルを渦巻き状に巻く際に夫々のコイルを二分割にして個々のコイルを渦巻き状に巻いたことを特徴とする。この二分割にした個々のコイルは夫々半月状に渦巻き、円周上で互いに逆方向の電流が流れるように接続して使用する。その際仮に他のコイルからの干渉磁束の影響を受けた場合、自身のコイル内でその起電圧を打ち消せるようにした。即ち円周上で発生した干渉磁束によって誘導された起電圧を2分割されたコイル夫々に逆方向で同じ起電圧が発生するようにして干渉磁束によって誘導された起電圧を消滅せしめる回路を形成したことを最も主要な特徴とする。

００１２と同様に請求項2の内容による如く長尺パイプを均等に加熱する際に複数個の円筒コイルを並べて配置した場合、この円筒コイルを形成するにあたり巻き方向が同じの長方形型平板コイル2個を作り表面側から見たとき同じ方向に巻かれた長方形型平板コイルとして裏側に向かって夫々湾曲状に滑らかに曲げて2個のコルを突き合わせることで円筒を形成するようにしたことを特徴とする。この二分割にした円筒コイルは円筒周上で互いに逆方向の電流が流れるように組み合わせて使用する。仮に他のコイルからの干渉磁束の影響を受けた場合、自身のコイル内でその起電圧を打ち消せるようにした。即ち円筒周上で発生した干渉磁束によって誘導された起電圧を2分割されたコイル夫々に逆方向の同じ起電圧が発生するようにして干渉磁束によって誘導された起電圧を消滅せしめる回路を形成したことを特徴とする。

本発明の干渉影響抑制型誘導加熱コイルによれば、〜φ1000クラスの大円形タンクの中に入れた流体を均等に加熱し流体の対流方向を制御したい場合などに複数台のIHインバータの加熱力を夫々自由に制御できることから容易に行うことができる利点がある。

更に長距離のパイプラインなどで全長を百数十℃に維持しながら通流運搬させなければ固まってパイプが詰まるような油などの流体運搬用パイプの誘導加熱にこの干渉影響抑制型誘導加熱コイルを用いたパイプラインであれば高精度の温度制御が可能であることも優位に働きIHインバータの複数台使用が可能で無制限に延長したパイプの均等加熱も可能になる。

図１は平板コイルの巻き中心を共通にして２個以上の複数コイル配置した従来の方法図図２は図1を改善する目的でコイル間磁路にフェライトコアを挿入した図図３は干渉影響抑制型誘導加熱コイルを配置した図図４は干渉影響抑制型誘導加熱コイルの巻き中心とコイル間の磁路にフェライトコアを挿入した図図５は干渉影響抑制型誘導加熱コイルの効果を説明した図図６は干渉影響抑制型誘導加熱コイルと平板コイルを組合せした図図７は干渉影響抑制型誘導加熱コイルの円筒コイルでの効果を説明した図図８は干渉影響抑制型誘導加熱コイルと一般円筒コイルを組合せした図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、従来のままの形状をした平板コイルでありこれによれば二個のコイルと二台のIHインバータによって構成された誘導加熱装置であり１のコイルと2のコイルは夫々別々の周波数を持つIHインバータ4と5によって運転されている。その結果1と2の間で磁束干渉が起こり4と5にその干渉誘起電圧による高電圧が印加されインバータが破損する可能性があるがそうならないように干渉影響が許容値以下になるまで1と3の間を8のように大きく離して運転しなければならない。その距離は150mm以上であるがこの上に被加熱体を置いて加熱した時被加熱体の加熱分布は150mm以上の誘導効果緩衝帯のために不均一な状態になる。

図2は図１を改良したもので各渦巻状コイルとコイルの間にフェライトコア9・10・11を挿入したものである。この方法によれば１と2のコイルに更に追加して3のコイルを配置しても前項で言うコイル同士の間隔である8を150mmから50mm程度まで縮小できることから仕上り最外径を図1と同程度にすることができ同じ被加熱体に対して加熱力の増加が可能になる。

第3図は今回発明の二分割コイルとその結合により干渉影響抑制型誘導加熱コイルとして平板コイル12〜15を前項の図１・図2に示す2・3の代替コイルとして配置した基本形の例である。請求項1に示す如くコイル1からの干渉磁束がコイル２に影響した場合コイル2の二分割中の一個のコイルに発生する干渉磁束による起電圧はもう一方のコイル2によって完全に逆起電圧になりお互いに相殺されて干渉磁束起電圧は消滅する。この間の原理は図5によって説明する。

第4図は第3図の効果を強力にしたもので図2で施されたフェライトコアの効果をそのまま応用した。図2との違いは干渉影響抑制型誘導加熱コイル12〜15の巻き始めの隙間にフェライトコア19〜22を挿入してコイルの発生磁束が回帰できるように磁束通過用の磁路を形成して夫々のコイルからの干渉磁束が発生しないようにすると同時に逆起電圧の発生を適正にして他コイルからの干渉磁束の影響を確実に消滅できるようにした。

第5図及び第6図は第4図で構成した干渉影響抑制型誘導加熱コイル12〜15の内14・15を省略し一般の渦巻きコイル3にしたものでありこれによっても干渉影響抑制型誘導加熱コイル機能が果たせることを説明したものである。即ち各コイル端子16〜18から高周波の電流が流入して夫々のコイルに磁界が形成されるのであるが中心の平板コイル1の高周波電流29・29aによる干渉磁束30・30aが干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13に鎖交した際にコイル電流方向23と25に見るようにコイル12側で高電圧を誘起するように働いたとしてもコイル13側では低電圧になるような誘起電圧になり同じ干渉影響抑制型誘導加熱コイルの中ではお互いに相殺する方向になり干渉磁束の影響は消滅する。逆に干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13から平板コイル１側にはコイル12と13によって常に互いに逆方向の干渉磁束が影響するため平板コイル1側には干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13からの影響は無いことになる。

同様に各コイル端子16〜18から高周波の電流が流入して夫々のコイルに磁界が形成された際、外径側の平板コイル3の高周波電流28・28aによる干渉磁束27・27aが干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13に鎖交した際にコイル電流方向24と26に見るようにコイル12側で高電圧を誘起するように働いたとしてもコイル13側では低電圧になるような誘起電圧になり同じ干渉影響抑制型誘導加熱コイルの中ではお互いに相殺する方向になり干渉磁束の影響は消滅する。上記に説明した如く逆に干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13から平板コイル3側への影響は無いことになる。

第6図は第5図で説明した内容の原理をより強固に実行せしめるために干渉影響抑制型誘導加熱コイル12・13の巻き始めと3種類の各コイル相互の間にフェライトコア9〜11・19・20を挿入した例

第7図は請求項２で述べる円筒コイルによる干渉影響抑制型誘導加熱コイル31の形成例でありこのコイルを一般の円筒コイル32と共に交互に使用した例である。
干渉影響抑制型誘導加熱コイル31は同一方向に巻いた四角形状の平板コイルを二枚用意して両方のコイルとも巻き方向が同じになるように見て表側とした場合裏側に向かって半円形に曲げこれを組み合わせると図のようになる。この二個の同じコイルの巻き終わり側を図中配線31aのように接続し、両コイルの巻き始め側にIHインバータ36を接続して給電する。

溶解アルミニューム湯などの運搬用パイプなどは数百℃に保温しておかなければならないが水冷式の干渉影響抑制型誘導加熱コイルを用いたパイプラインであれば高精度の温度制御が可能であることも優位に働きIHインバータの複数台使用が可能になるためアルミニュームの溶湯炉からダイキャスト型までが遠距離であっても運搬可能になる。更にビレットヒーターなどのように長い円柱の金属ビレットを全体的に部分制御しながら加熱することも可能になる。

１平板コイル(中心配置)
２平板コイル(中間配置)
３平板コイル(外周配置)
４中心配置コイル用IHインバータ
５外周配置コイル用IHインバータ
６中間配置コイル用IHインバータ
７コイル固定ベース
８平板コイルと平板コイルの間隔
９コイル中心用磁路形成フェライトコア
１０異コイル同士中間配置用磁路形成フェライトコア
１１同上
１２中間干渉影響抑制型誘導加熱コイル二分割中の一個
１３中間干渉影響抑制型誘導加熱コイル二分割中の一個
１４外周干渉影響抑制型誘導加熱コイル二分割中の一個
１５外周干渉影響抑制型誘導加熱コイル二分割中の一個
１６中心コイル引き出し端子
１７中間コイル引き出し端子
１８外周コイル引き出し端子
１９中間干渉影響抑制型誘導加熱コイル巻き芯用フェライトコア
２０同上
２１外周干渉影響抑制型誘導加熱コイル巻き芯用フェライトコア
２２同上
２３中間干渉影響抑制型誘導加熱コイル電流方向
２４同上
２５同上
２６同上
２７・２７ａ外周平板コイル発生干渉磁束
２８・２８ａ外周平板コイル電流方向
２９・２９ａ中心平板コイル電流方向
３０・３０ａ中心平板コイル発生干渉磁束
３１干渉影響抑制型誘導加熱円筒コイル
３２円筒コイル
３３円筒コイル電流方向
３３ａ円筒コイル漏れ磁束
３４円筒コイル電流方向
３４ａ円筒コイル漏れ磁束
３５円筒コイル用IHインバータ
３６干渉影響抑制型誘導加熱円筒コイル用IHインバータ

Claims

電磁誘導加熱用渦巻き状ワークコイル(以下平板コイルと称す)を平坦な水平面に巻き中心位置を一致させ、同心円状に複数個並べて配置し、夫々のコイルに数十kHz以上の高周波誘導電流発生用スイッチング電源（以下IHインバータと称す）を個別に接続して加熱運転することに関し、隣接したコイル夫々に接続したインバータの発信周波数の違いによってコイル間に磁束干渉現象が起こるがこの干渉影響分磁束が常に逆位相に磁束交差して無誘導状態になるように一個のコイルを二分割し夫々のコイルを半月状に巻き、二個のコイルを合わせた時、真円形状になるように形成し、この真円の内外径側に当たる夫々のコイルの外周電流が互いに向き合うように接続したことを特徴とする。
上記と同様に同軸円筒面上に円筒コイルを複数個並べて配置する場合、円筒コイル形状として二分割した平板コイルを夫々湾曲半円筒状に曲げてこの二個のコイルを突き合わせることで円筒になるように形成し円筒の長手方向端面部コイルの外周電流が互いに向き合うように接続したことを特徴とする。
請求項1及び請求項2に成るコイルの巻き始め中心部を長円にしてその中心部分にフェライトコアを配置し、磁束がコイル巻き中心に集中するようにしたことを特徴とするが、隣接するコイルとの間にもフェライトコアを配置しコイル外周に流れるベクトル的に互いに逆方向の電流によって干渉防止の効果が発揮できる磁束が有効に発生できるようにしたことを特徴とする。
請求項1及び請求項2に成るコイルと隣接するコイルを従来の一般平板コイル又は円筒コイルを交互に配置してその組合せにより干渉磁束の発生を打ち消せるようにしたことを特徴とする。
この二個分割のコイルと従来の一般平板コイル又は円筒コイルの組み合わせを交互に繰り返して配置し何個でも無制限に干渉影響抑制型誘導加熱コイル列が完成することを特徴とする。
請求項4に成るコイルの組合せを平板から円筒に連続して組み合わせることにより大型ドラム形状のタンクを平面底から円筒立ち上がりまで均等な加熱力で加熱でき干渉影響抑制型誘導加熱コイル効果によりコイル個別に別々のインバータが接続できることで部分的に加熱の強弱が自由に調整できるようにしたことを特徴とする。
請求項1及び請求項2に成るコイルを連続して配置した場合に夫々二分割の突合せ部分が角度90°変位して組み合わさることで確実に干渉磁束の発生を打ち消せるようにしたことを特徴とするが説明図に示すようにこの変位角度は任意に変えることもでき、当然その場合の組合せも請求内容に含まれる。