JP4860946B2 - 高周波誘導加熱装置およびそれに用いる電流型インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１及び第２の電流型インバータを有し、前記第１及び第２の電流型インバータを交互に発振させるようにした高周波誘導加熱装置およびそれに用いる電流型インバータ装置に関する。

金属などの被加熱体を高品質に誘導加熱する場合には、少なくとも２つ以上の高周波誘導加熱コイルを被加熱体に対応配置せしめて加熱を行うようにした高周波誘導加熱装置が採用されている。この場合、２つの高周波誘導加熱コイルにはインバータ（回路）がそれぞれ連結され、これらの２つの高周波誘導加熱コイルは互いに近接した位置に配置される。このため、２つの高周波誘導加熱コイルを同時に作動させると相互間で干渉が生じ、同時発振がうまくいかないといった問題を生じる。そこで、このような問題をなくすための一つの方法として、２つのインバータを交互に発振させて２つの高周波誘導加熱コイルを交互に作動させるような所謂「交互発振」が行われている。

このような交互発振を行う型式の高周波誘導加熱装置に設けられるインバータとしては、電圧型インバータと電流型インバータとがある。電圧型インバータの一例としては、図２に示すものが挙げられ、公知技術の一例としては、例えば、特開平１１−２９９２５６号（特許文献１）に開示されているものが挙げられる。一方、電流型インバータとしては、図３に示すものや、特開平９−５６１７１号（特許文献２）に示すものが公知技術の一例として挙げられる。

図２に示す高周波誘導加熱装置１ａは、第１の電圧型インバータ２ａと第２の電圧型インバータ２ａ'とを備えている。なお、第１及び第２の電圧型インバータ２ａ，２ａ'は同一構造のものであるため、以下においては、第１の電圧型インバータ２ａの構造のみを説明することとし、第２の電圧型インバータ２ａ'における同一部分にはダッシュ（'）符号を付してその説明を省略する。

第１の電圧型インバータ２ａには整合トランス３ａが連結され、この整合トランス３ａは、整合コンデンサ４ａを介して高周波誘導加熱コイル５ａに連結（接続）されている。一方、第１の電圧型インバータ２ａ（第２の電圧型インバータ２ａ'も同じ）は、図２に示すように、直流電源６ａを有するループ回路７ａと、このループ回路７ａにブリッジ状に連結されるコンデンサ８ａと、スイッチング素子９ａ及び環流ダイオード１０ａを有する一対のブリッジ回路１１ａ，１２ａと、それぞれのブリッジ回路１１ａ，１２ａと整合トランス３ａの一次側とを結ぶリード線１３ａ，１４ａとから構成されている。そして、上述の整合トランス３ａの二次側には、整合コンデンサ４ａを介して高周波誘導加熱コイル５ａが連結されている。なお、高周波誘導加熱装置１ａの２つの高周波誘導加熱コイル５ａ，５ａ'が近接して配置されている。

かくして、高周波誘導加熱装置１ａの第１及び第２の電圧型インバータ２ａ，２ａ'を短時間の間隔で交互作動すると共に、第１及び第２のインバータ２ａ，２ａ'内のスイッチング素子９ａ，９ａ'を切替動作することにより、２つの高周波誘導加熱コイル５ａ，５ａ'により例えば焼入対象物である被加熱体１５の互いに接近した２つの箇所が所望の周波数の電力で交互に高周波誘導加熱するようになっている。すなわち、第１及び第２の電流型インバータ２ａ，２ａ'を交互発振（交互作動）することにより、被加熱体１５の所要箇所を有効に加熱することができるようになっている。

また、図３に示す高周波誘導加熱装置１ｂは、従来構造の第１の電流型インバータ２ｂと第２の電流型インバータ２ｂ'とを備えている。なお、第１及び第２の電流型インバータ２ｂ，２ｂ'は同一構造のものであるため、以下においては、第１の電流型インバータ２ｂの構造のみを説明することとし、第２の電流型インバータ２ｂ'における同一部分にはダッシュ（'）符号を付してその説明を省略する。

第１の電流型インバータ２ｂには、図２に示す第１の電圧型インバータ１ａの場合と同様に、リード線１３ｂ，１４ｂ、整合トランス３ｂ、整合コンデンサ４ｂ、及び高周波誘導加熱コイル５ｂが連結されている。一方、第１の電流型インバータ２ｂ（第２の電流型インバータ２ｂ'も同じ）は、直流電源６ｂと直流リアクトル１６ｂとを有するループ回路７ｂと、スイッチング素子９ｂとダイオード１０ｂとを有する一対のブリッジ回路１１ｂ，１２ｂと、このブリッジ回路１１ｂ，１２ｂと整合トランス３ｂの一次側とを連結するリード線１３ｂ，１４ｂとから構成されている。なお、電圧型インバータ２ａの場合には、図２に示す如くスイッチング素子９ａと環流ダイオード１０ａとが逆並列接続されるが、電流型インバータ２ｂの場合には、図３に示す如くスイッチング素子９ｂとダイオード１０ｂとは直列に接続される。なお、高周波誘導加熱装置１ｂの２つの高周波誘導加熱コイル５ｂ，５ｂ'は近接して配置されている。

かくして、高周波誘導加熱装置１ｂの第１及び第２の電流型インバータ２ｂ，２ｂ'を短時間の間隔で交互に作動すると共に、第１及び第２のインバータ２ｂ，２ｂ'内のスイッチング素子９ｂ，９ｂ'を切替動作することにより、２つの高周波誘導加熱コイル５ｂ，５ｂ'により例えば焼入対象物である被加熱体１５の互いに接近した２つの箇所が所望の周波数の電力で交互に高周波誘導加熱するようになっている。すなわち、第１及び第２の電流型インバータ２ｂ，２ｂ'を交互発振（交互作動）することにより被加熱体の所要箇所を有効に加熱することができるようになっている。
特開平１１−２９９２５６号 特開平９−５６１７１号

図２に示すような第１及び第２の電圧型インバータ２ａ，２ａ'を用いた高周波誘導加熱装置１ａ、すなわち、電圧型インバータ構造を有する高周波誘導加熱装置１ａにあっては、環流ダイオード１０ａがスイッチング素子９ａに対して逆並列接続されているため、例えば、一方側の電圧型インバータがＯＮ状態で他方側の電圧型インバータがＯＦＦ状態であっても、一方側のＯＮ状態の電圧型インバータから他方側のＯＦＦ状態の電圧型インバータへの干渉が生じにくく、従って、インバータ動作が安定である。しかしながら、整合トランス３ａの一次側と二次側とに流れる電流の大きさが異なり、整合コンデンサ４ａ側に流れる電流が極めて大きいため、整合トランス３ａ及び整合コンデンサ４ａを大型で大容量のものにする必要があり、設備（装置）のコンパクト化ができず、しかも高価なものとなるといった問題点がある。

一方、図３に示すような第１及び第２の電流型インバータ２ｂ，２ｂ'を用いた高周波誘導加熱装置１ｂ、すなわち、電流型インバータ構造を有する高周波誘導加熱装置１ｂにあっては、第１及び第２の電圧型インバータ２ａ，２ａ'の如き直列共振構造と異なり、並列共振構造であるため、整合部（整合トランス３ｂや整合コンデンサ４ｂ等）のコンパクト化が可能になるといった利点があるが、以下に述べるような問題点がある。すなわち、電流型インバータ構造の場合には、ダイオード１０ｂがスイッチング素子９ｂと直列に接続されているため、一方側の電流型インバータが発振している際に、電圧型インバータ回路の双対回路とした考え方で動作させると、他方側のスイッチング素子をＯＮ状態にする必要があり、負荷側（発振側）から見たインピーダンスが極小となり、最適な発振とはならない。そのため、電流型インバータの場合には、発振していない側の電流型インバータのスイッチング素子９ｂ（又は９ｂ'）をＯＦＦ状態にする必要があるが、このように遮断状態にすると整合部が完全にフローティング状態となり、相互干渉による電力は、すべて、他方側の電流型インバータの整合コンデンサ４ｂに蓄積されてしまうこととなる。このため、整合コンデンサ４ｂの電圧が上昇し、ダメージが生じる結果を招くおそれがある。

本発明は、上述の如き問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、直列共振よりも得策な電流型インバータ構造を採用すると共に、従来の電流型インバータ構造の問題点となる整合部のフローティング現象をなくし、被加熱体を効果的に交互加熱することができるような高周波焼入装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために、本発明は、第１及び第２の電流型インバータ（２１ｂ；２１ｂ'）と、前記第１及び第２の電流型インバータから整合トランス（３ｂ；３ｂ'）をそれぞれ介して高周波電力が供給される第１及び第２の高周波誘導加熱コイル（５ｂ；５ｂ'）と、前記高周波誘導加熱コイルと並列に接続された整合コンデンサ（４ｂ；４ｂ'）と、を備え、前記第１及び第２の電流型インバータを交互に発振させることによって、前記第１及び第２の高周波誘導加熱コイルに近接配置された被加熱体（１５）を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、前記第１及び第２の電流型インバータは、それぞれ、４つのスイッチング素子（９ｂ；９ｂ'）及びそれらに直列接続されたダイオード（１０ｂ；１０ｂ'）からなるブリッジ回路（１１ｂ−１２ｂ；１１ｂ'−１２ｂ'）を備え、前記ブリッジ回路の入力側端は直流電源（６ｂ；６ｂ'）に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端は前記整合トランスの一次側に接続され、かつ、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する４つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４；Ｒ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４'）を備えた。

上述の高周波誘導加熱装置において、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子のうち同時開閉される何れか１組のスイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する２つの抵抗（Ｒ１，Ｒ４、または、Ｒ２，Ｒ３；Ｒ１'，Ｒ４'、または、Ｒ２'，Ｒ３'）を備えることもできる。

また、本発明は、近接配置された２つの高周波誘導加熱コイル（５ｂ；５ｂ'）を交互に作動させるべく組み合わせて用いられかつ交互に発振される電流型インバータ装置（２１ｂ；２１ｂ'）であって、４つのスイッチング素子（９ｂ；９ｂ'）及びそれらに直列接続されたダイオード（１０ｂ；１０ｂ'）からなるブリッジ回路（１１ｂ−１２ｂ；１１ｂ'−１２ｂ'）を備え、前記ブリッジ回路の入力側端は直流電源（６ｂ；６ｂ'）に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端が整合トランス（３ｂ；３ｂ'）を介して前記高周波誘導加熱コイルに接続されるものにおいて、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する４つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４；Ｒ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４'）を備えた。

上述の電流型インバータ装置において、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子のうち同時開閉される何れか１組のスイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する２つの抵抗（Ｒ１，Ｒ４、または、Ｒ２，Ｒ３；Ｒ１'，Ｒ４'、または、Ｒ２'，Ｒ３'）を備えることもできる。

本発明に係る高周波誘導加熱装置およびそれに用いられる電流型インバータは、上述の通り、ブリッジ回路の入力側端と出力側端とを、各スイッチング素子及びダイオードの直列接続に対して並列に接続する４つの抵抗を備えることによって、整合トランス入力端の電位を安定させ、かつ、遮断状態時には抵抗のみの回路構成を作って電位を低く維持するようにしているので、発振側でない側の電流型インバータのフローティング現象を回避することができ、全体の回路系の安定化を図ることができる。従って、高周波誘導加熱装置における整合部（負荷部）の電位の安定化と、それに伴う、被加熱体の効果的な高周波誘導加熱（交互加熱）を、簡単な構造の電流型インバータによって達成できる。
また、ブリッジ回路の入力側端と出力側端とを、各スイッチング素子のうち同時開閉される何れか１組のスイッチング素子及びダイオードの直列接続に対して並列に接続する２つの抵抗を備える態様では、抵抗をブリッジ回路の何れか一方のスイッチング極性に対応させて設けることにより、上述と同様の効果を発揮することができ、全体として安価に実施することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱装置について図１を参照して説明する。なお、図１において図３と同様の部分には同一の符号を付することとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱装置２０を示すものであって、この高周波誘導加熱装置２０は、例えば、高周波焼入設備に備えられるものである。高周波誘導加熱装置２０は、第１の電流型インバータ２１ｂと第２の電流型インバータ２１ｂ'とを備えている。なお、第１及び第２の電流型インバータ２１ｂ，２１ｂ'は同一構造のものであるため、以下においては、第１の電流型インバータ２１ｂの構造のみを説明することとし、第２の電流型インバータ２１ｂ'における同一部分にはダッシュ（'）符号を付してその説明を省略する。

第１の電流型インバータ２１ｂは、直流電源６ｂ及び直流リアクトル１６ｂを回路内に有するループ回路７ｂと、このループ回路７ｂに連結され、かつ、互いに直列に接続されたスイッチング素子９ｂ及びダイオード１０ｂをそれぞれ有する２つのブリッジ回路１１ｂ，１２ｂと、これらの２つのブリッジ回路１１ｂ，１２ｂの各々に連結され、かつ、整合トランス３ｂの一次側に連結されるリード線１３ｂ，１４ｂと、これらのリード線１３ｂ，１４ｂとループ回路７ｂとにそれぞれ連結される回線α，β，γ，δ内に設けられた抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とから構成されている。更に詳細に述べると、ループ回路７ｂのプラス極側の端子Ａとリード線１４ｂの端子Ｂとの間（回線α）に抵抗Ｒ１が接続され、ループ回路７ｂのマイナス極側の端子Ｃとリード線１４ｂの端子Ｂとの間（回線β）に抵抗Ｒ２が接続され、ループ回路７ｂのプラス極側の端子Ｄとリード線１３ｂの端子Ｅとの間（回線γ）に抵抗Ｒ３が接続され、ループ回路７ｂのマイナス極側の端子Ｆとリード線１３ｂの端子Ｅとの間（回線δ）に抵抗Ｒ４が接続されている。なお、これらの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値は、発振状態に対応して適宜設定されるようになっている。

また、第１のインバータ２１ｂは、図１に示すように、リード線１３ｂ，１４ｂを介して整合トランス４の一次側に連結され、整合トランス３ｂの二次側は、ブリッジ状に連結された整合コンデンサ４ｂを介して第１の高周波誘導加熱コイル５ｂに連結されている。この高周波誘導加熱コイル５ｂは、第２の電流型インバータ２１ｂ'に連結された第２の高周波誘導加熱コイル５ｂ'に近接して配置され、第１及び第２の電流型インバータ２１ｂ，２１ｂ'が交互発振されるのに伴ってこれらの高周波誘導加熱コイル２１ｂ，２１ｂ'にて被加熱体１５が高周波誘導加熱されるようになっている。

このような構成の高周波誘導加熱装置２０にあっては、第１及び第２の電流型インバータ２１ｂ，２１ｂ'が交互に発振された場合に、発振側でない電流型インバータのスイッチング素子９ｂ（又は９ｂ'）をＯＦＦ状態にしてダイオード１０ｂ（又は１０ｂ'）を遮断状態にしても、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４（又はＲ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４'）をそれぞれ含む回線α，β，γ，δ（又はα'，β'，γ'，δ'）の存在により負荷側の整合部の電位が安定し、整合コンデンサ４ｂ（又は４ｂ'）の電荷蓄積量の増大化が防止され、ダメージを与えることがなくなる。従って、上述の高周波誘導加熱装置２０によれば、電流型インバータ７ｂ及び７ｂ'に回線α，β，γ，δ及びα'，β'，γ'，δ'を設けてその内に抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４及びＲ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４'を付設するだけの簡便構造のものでありながら、これらの抵抗を設けたことにより、抵抗Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ１'〜Ｒ４'を通して電気回路が構成されるため、整合トランス３ｂ，３ｂ'の入力端の電位が安定したものとなり、また、遮断状態時は抵抗のみの回路構成となるので、電位は低く維持されるため、整合部におけるフローディング現象を回避することができ、高周波誘導加熱を比較的安価にしかも安定性良く実施することができる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、既述の実施形態では抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４及びＲ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４'をループ回路７ｂ，７ｂ'のプラス極性及びマイナス極性の側の双方に設けるようにしたが、何れか一方の側だけに抵抗を設けるようにしても上述の如き作用効果を奏することができる。このように構成した場合には、全体として安価に実施することができる。また、本発明は、高周波誘導加熱装置のインバータとして利用されるものに限らず、交互発振を行うその他の装置の電流型インバータのすべてに広く適用することが可能である。

本発明の電流型インバータ装置を備えた高周波誘導加熱装置の構成を示す回路図である。 従来の電圧型インバータ装置を備えた高周波誘導加熱装置の構成を示す回路図である。 従来の電流型インバータ装置を備えた高周波誘導加熱装置の構成を示す回路図である。

２ｂ，２ｂ' 電流型インバータ
３ｂ，３ｂ' 整合トランス
４ｂ，４ｂ' 整合コンデンサ
５ｂ，５ｂ' 高周波誘導加熱コイル
６ｂ，６ｂ' 直流電源
７ｂ，７ｂ' ループ回路
９ｂ，９ｂ' スイッチング素子
１０ｂ，１０ｂ' ダイオード
１１ｂ，１２ｂ、１１ｂ'，１２ｂ' ブリッジ回路
１３ｂ，１４ｂ、１３ｂ'，１４ｂ' リード線
１６ｂ 直流リアクトル
２０ 高周波誘導加熱装置
２１ｂ 第１の電流型インバータ
２１ｂ' 第２の電流型インバータ
α，β，γ，δ、α'，β'，γ'，δ' 回線
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ 端子
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、Ｒ１'，Ｒ２'，Ｒ３'，Ｒ４' 抵抗

Claims (4)

1. 第１及び第２の電流型インバータと、前記第１及び第２の電流型インバータから整合トランスをそれぞれ介して高周波電力が供給される第１及び第２の高周波誘導加熱コイルと、前記高周波誘導加熱コイルと並列に接続された整合コンデンサと、を備え、前記第１及び第２の電流型インバータを交互に発振させることによって、前記第１及び第２の高周波誘導加熱コイルに近接配置された被加熱体を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、
   前記第１及び第２の電流型インバータは、それぞれ、４つのスイッチング素子及びそれらに直列接続されたダイオードからなるブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の入力側端は直流電源に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端は前記整合トランスの一次側に接続され、かつ、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する４つの抵抗を備えたことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 第１及び第２の電流型インバータと、前記第１及び第２の電流型インバータから整合トランスをそれぞれ介して高周波電力が供給される第１及び第２の高周波誘導加熱コイルと、前記高周波誘導加熱コイルと並列に接続された整合コンデンサと、を備え、前記第１及び第２の電流型インバータを交互に発振させることによって、前記第１及び第２の高周波誘導加熱コイルに近接配置された被加熱体を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、
   前記第１及び第２の電流型インバータは、それぞれ、４つのスイッチング素子及びそれらに直列接続されたダイオードからなるブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の入力側端は直流電源に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端は前記整合トランスの一次側に接続され、かつ、前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子のうち同時開閉される何れか１組のスイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する２つの抵抗を備えたことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
3. 近接配置された２つの高周波誘導加熱コイルを交互に作動させるべく組み合わせて用いられかつ交互に発振される電流型インバータ装置であって、４つのスイッチング素子及びそれらに直列接続されたダイオードからなるブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の入力側端が直流電源に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端が整合トランスを介して前記高周波誘導加熱コイルに接続されるものにおいて、
   前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する４つの抵抗を備えたことを特徴とする電流型インバータ装置。
4. 近接配置された２つの高周波誘導加熱コイルを交互に作動させるべく組み合わせて用いられかつ交互に発振される電流型インバータ装置であって、４つのスイッチング素子及びそれらに直列接続されたダイオードからなるブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路の入力側端が直流電源に接続され、前記ブリッジ回路の出力側端が整合トランスを介して前記高周波誘導加熱コイルに接続されるものにおいて、
   前記入力側端と前記出力側端とを、前記各スイッチング素子のうち同時開閉される何れか１組のスイッチング素子及び前記ダイオードの直列接続に対して並列に接続する２つの抵抗を備えたことを特徴とする電流型インバータ装置。

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