JP2000200677A - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パーティクルの発生原因となる薄板金属板の
振動を防止しながら積層規則充填体４を電磁誘導加熱す
る。 【解決手段】 流体が流動されるパイプ３と、パイプ３
内に設けられ、薄板金属板を積層して形成された積層規
則充填体４と、積層規則充填体４が内周側に位置するよ
うに配置され、パイプ３の外周に巻回されたコイル５
と、コイル５の一端に直列接続された共振用コンデンサ
７と、駆動電流を一定の駆動周波数に維持しながら操作
量に応じた時間比で出力するサイクル制御方式によりコ
イル５に供給することによって、積層規則充填体４を電
磁誘導加熱する高周波電源装置２とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パイプ内を流動す
る流体等を加熱する電磁誘導加熱装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年において、パイプ内の流体を電磁誘
導加熱の原理を利用して加熱する電磁誘導加熱装置が高
い加熱効率や安全性等の点で注目されている。従来の電
磁誘導加熱装置は、図３に示すように、空気や水等の流
体が流動されるパイプ５２と、パイプ５２内に収容され
た多数の薄板金属板からなる積層規則充填体５１と、パ
イプ５２の外周に巻回されたコイル５３と、コイル５３
に直列接続された共振用コンデンサ５５と、コイル５３
および共振用コンデンサ５５に対して高周波電流を供給
する高周波電源装置５４とを有している。また、高周波
電源装置５４は、フリーホイールダイオード（ＦＤ）５
６を逆並列接続された４組のスイッチング素子５７から
なるフルブリッジインバータ５８と、位相シフト制御方
式により各スイッチング素子５７を駆動すると共に、流
体の加熱温度を温度設定値とするようにフィードバック
制御する発振制御・駆動部５９とを有している。

【０００３】そして、このように構成された電磁誘導加
熱装置は、通常、高周波電源装置５４がコイル５３のイ
ンダクタンスＬとコンデンサ容量Ｃとで決まる共振周波
数に近い駆動周波数で各スイッチング素子５７を駆動す
ることによって、共振用コンデンサ５５およびコイル５
３に高周波電流を供給し、電磁誘導作用により積層規則
充填体５１を加熱して流体を温度設定値の温度に加熱す
るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電磁誘導加熱装置では、積層規則充填体５１が可撓
性を有した薄板金属板であると共に、流体を通過させる
経路を確保するように積層規則充填体５１の全体をパイ
プ５２に固定できないため、積層規則充填体５１が剛体
構造となっていない。従って、高周波電流の波形が歪む
と、その波形内に含まれる低周波の周波数成分が薄板金
属板の機械的振動を引き起こし、この振動により薄板金
属板同士や薄板金属板とパイプ５２内の固定構造物とが
摺動することによって、半導体製造関連機器にとって極
めて大きな問題となるパーティクルを発生させることに
なる。

【０００５】ところで、上記の波形歪みは、駆動周波数
（ｆ_D ）と共振周波数（ｆ_O ）とが一致しないことによ
り発生する。即ち、図４に示すように、ｆ_D ≒ｆ_O の場
合には、電流波形がほぼ正弦波になっており、電流波形
に歪みが生じていない。これに対し、図５に示すよう
に、ｆ_D ＜ｆ_O の場合には、電流波形よりもＬとＣとの
自然振動による周期の方が短いため、フリーホイールダ
イオード５６が導通し、この時に駆動電流が変化して電
流波形が歪む。そして、この電流波形に含まれる低周波
成分が薄板金属板を振動させることになる。また、図６
に示すように、ｆ _D ＞ｆ_O の場合には、電流波形よりも
ＬとＣの自然振動による周期の方が長いため、転移点で
電流変化が生じて電流波形を歪ませることになる。尚、
歪み率は、図５のｆ_D ＜ｆ_O の場合よりも大きくはな
い。

【０００６】そこで、駆動周波数（ｆ_D ）と共振周波数
（ｆ_O ）とを略等しくした状態（ｆ _D ≒ｆ_O ）で駆動す
れば、電流波形が歪むことによるパーティクルの発生を
防止できる。ところが、電磁誘導加熱装置は、少ない金
属量の薄板金属板を電磁誘導加熱する構成であるため、
低い等価抵抗により共振の鋭さ（Ｑ＝ωＬ／Ｒ）が高く
なっている。従って、ｆ_D ≒ｆ_O で駆動すると、電流ピ
ークが高くなりすぎると共に、共振特性が温度の影響等
により僅かに変化しても出力電流が大幅に変化するとい
う問題が発生する。

【０００７】さらに、上記従来の電磁誘導加熱装置は、
位相シフト制御方式により駆動電流を形成しているた
め、図７に示すように、或る導通角において電流波形を
歪ませない周波数で駆動電流を形成していても、図８に
示すように、運転中の位相シフトにより導通角が変化す
ることによって、電流波形に歪みを生じさせてしまうこ
とになる。また、位相シフト制御方式は、出力電流が複
雑な波形形状になるため、操作量と出力電力との関係を
リニアにできないという欠点も存在する。

【０００８】そこで、本発明は、このような従来の問題
点に着目してなされたもので、パーティクルの発生原因
となる薄板金属板の振動を防止しながら積層規則充填体
を電磁誘導加熱することができる電磁誘導加熱装置を提
供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、電磁誘導加熱装置であって、流
体が流動されるパイプと、前記パイプ内に設けられ、薄
板金属板を積層して形成された積層規則充填体と、前記
積層規則充填体が内周側に位置するように配置され、前
記パイプの外周に巻回されたコイルと、前記コイルの一
端に直列接続された共振用コンデンサと、駆動電流を一
定の駆動周波数に維持しながら操作量に応じた時間比で
出力するサイクル制御方式により前記コイルに供給する
ことによって、前記積層規則充填体を電磁誘導加熱する
高周波電源装置とを有することを特徴としている。

【００１０】上記の構成によれば、駆動電流の周波数を
一定の駆動周波数に維持しながら、駆動電流の出力の時
間比を変更することにより電磁誘導加熱の制御を行うた
め、従来の駆動周波数を変更して制御する位相シフト制
御方式のように、制御中に駆動電流の電流波形に歪みを
生じさせて低周波成分を含ませることがない。これによ
り、駆動周波数を低周波成分を含まない周波数に一旦設
定しておけば、制御中に低周波成分の電流波形による積
層規則充填体の機械的振動が生じないため、パーティク
ルの発生を十分に防止しながら積層規則充填体を電磁誘
導加熱することができる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１記載の電磁誘
導加熱装置であって、前記高周波電源装置は、フリーホ
イールダイオードを逆並列接続されたスイッチング素子
を備えたインバータ部と、前記共振用コンデンサのコン
デンサ容量および前記コイルのインダクタンスによる共
振周波数よりも十分に高い駆動周波数で前記スイッチン
グ素子を駆動することによって、前記駆動電流を出力す
る発振制御・駆動部とを有することを特徴としている。

【００１２】上記の構成によれば、共振周波数よりも十
分に高い駆動周波数で駆動電流を供給して電磁誘導加熱
するため、共振周波数よりも低い駆動周波数に設定され
た場合のようにフリーホイールダイオードが導通するこ
とによる波形歪みを生じることがない。従って、フリー
ホイールダイオードの導通に起因した積層規則充填体の
振動を防止することによって、パーティクルの発生をよ
り十分に防止することができる。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の電磁誘導加熱装置であって、前記高周波電源装置は、
さらに、前記駆動電流の供給開始時において徐々に電流
量を増大させる一方、前記駆動電流の供給停止時におい
て徐々に電流量を減少させるソフトスタート・ソフトス
トップ回路を有していることを特徴としている。上記の
構成によれば、積層規則充填体が急激な電流変化（磁界
強度の変化）により機械的共振周波数を移動させたり、
熱的歪みを発生させることがないため、積層規則充填体
の振動を一層低減することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１および
図２に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係る電
磁誘導加熱装置は、図１に示すように、気体や液体等の
流体を加熱する加熱装置本体１と、加熱装置本体１に対
して電力を供給する高周波電源装置２とを有している。
加熱装置本体１は、流体が矢符方向に流動されるパイプ
３と、パイプ３内に設けられ、ステンレス鋼やチタン合
金等の薄板金属板を積層して形成された積層規則充填体
４と、積層規則充填体４が内周側に位置するように配置
され、パイプ３の外周に巻回されたコイル５と、コイル
５の一端に直列接続された共振用コンデンサ７と、積層
規則充填体４よりも下流側のパイプ３内に設けられ、流
体の温度を検出する温度検出器６とを有している。

【００１５】上記のコイル５および共振用コンデンサ７
には、高周波電源装置２が接続されている。高周波電源
装置２は、直流電力を交流電力に変換するインバータ部
８と、インバータ部８を駆動および制御する発振制御・
駆動部９と、交流電力を整流してインバータ部８に供給
する整流部１０とを有している。整流部１０は、４個の
ダイオードをブリッジ状に接続した整流ブリッジ回路１
８と、コイルおよびコンデンサからなるチョークインプ
ット型の平滑回路１９とを有しており、交流電源１７か
らの交流電力を整流ブリッジ回路１８で全波整流した
後、平滑回路１９で平滑化することにより直流電力を形
成するようになっている。

【００１６】上記の整流部１０から直流電力が供給され
るインバータ部８は、駆動信号によりオンオフ状態が切
り換えられるＩＧＢＴ等のスイッチング素子１１と、こ
のスイッチング素子１１に対して逆並列接続されたフリ
ーホイールダイオード（ＦＤ）１２とを４組有したフル
ブリッジ型に構成されている。そして、各スイッチング
素子１１には、駆動信号を出力する発振制御・駆動部９
が接続されている。

【００１７】上記の発振制御・駆動部９は、温度検出器
６からの温度検出信号と温度設定値との差分である操作
量に応じた電力を加熱装置本体１に供給することによっ
て、流体の温度を温度設定値となるようにフィードバッ
ク制御するように構成されている。

【００１８】即ち、発振制御・駆動部９は、サイクル制
御方式で動作するサイクル制御回路１３を有している。
尚、サイクル制御方式とは、図２（ａ）に示すように、
一定周波数および一定導通角の駆動電流を操作量に応じ
た時間比で出力する方式のことである。そして、図１に
示すように、この方式で動作するサイクル制御回路１３
は、駆動信号の周波数をコイル５のインダクタンスＬお
よび共振用コンデンサ７のコンデンサ容量Ｃによる共振
周波数（ｆ_O ）よりも十分に高い駆動周波数（ｆ_D ）に
設定することによって、積層規則充填体４の機械的振動
の発生を抑制している。

【００１９】また、発振制御・駆動部９は、駆動電流の
コイル５への供給開始時および供給停止時における急激
な電流変化を防止するソフトスタート・ソフトストップ
回路１４を有している。ソフトスタート・ソフトストッ
プ回路１４は、駆動電流の供給開始時および供給停止時
における電流変化率を設定する遅延回路１５と、電流変
化率に基づいて駆動電流の導通角を設定する導通角制御
回路１６とを有しており、駆動電流のコイル５への供給
開始時において徐々に電流量を増大させる一方、供給停
止時において徐々に電流量を減少させるソフト処理を行
うようになっている。

【００２０】上記の構成において、電磁誘導加熱装置の
動作について説明する。先ず、図示しない制御盤に対し
てオペレータが所望の温度設定値を入力する。この後、
オペレータが制御盤の加熱開始スイッチを押圧すると、
制御盤は、加熱装置本体１のパイプ３内に流体を供給し
て流動させると共に、温度設定値を出力しながら高周波
電源装置２を作動させる。

【００２１】高周波電源装置２が作動を開始すると、サ
イクル制御回路１３が共振周波数（ｆ_O ）よりも十分に
高い駆動周波数（ｆ_D ）で発振する駆動信号を形成す
る。そして、温度検出器６からの温度検出信号と温度設
定値との差分である操作量を取り込み、操作量に対応す
る電力となる時間比を求めた後、この時間比の間隔で駆
動電流を間欠的に出力するように駆動信号の出力と停止
とを交互に繰り返す。

【００２２】上記の駆動信号は、信号全体の外形が図２
（ａ）の方形波状となりながら遅延回路１５に入力され
る。遅延回路１５は、駆動信号の入力開始時と入力終了
時とをそれぞれ検出することによって、駆動信号の先端
と終端とを検出する。そして、駆動信号の先端部分にお
いて所定の電流変化率で駆動電流を増大させるように駆
動信号の外形を変更すると共に、終端部分において所定
の電流変化率で駆動電流を減少させるように駆動信号の
外形を変更する。そして、このように先端部分および終
端部分が変更された駆動信号は、信号全体の外形が図２
（ｂ）の台形波状となりながら導通角制御回路１６に入
力される。この後、導通角制御回路１６が台形波状の外
形に対応した導通角となるように駆動信号を制御しなが
ら出力し、各スイッチング素子１１を駆動することによ
って、インバータ部８から駆動周波数（ｆ_D ）で振幅す
る駆動電流を上述の時間比でもって加熱装置本体１に供
給する。

【００２３】上記の駆動電流は、加熱装置本体１の共振
用コンデンサ７を介してコイル５に供給される。そし
て、コイル５が駆動電流の導通毎に磁界を生成し、電磁
誘導作用により積層規則充填体４を加熱し、積層規則充
填体４が熱交換により流体を加熱する。そして、この流
体の温度が温度検出器６により検出され、温度検出器６
から出力された温度検出信号を温度設定値に一致させる
ように駆動電流の出力の時間比がフィードバック制御さ
れる。

【００２４】この際、コイル５に供給される駆動電流
は、共振周波数（ｆ_O ）よりも十分に高い駆動周波数
（ｆ_D ）に設定されているため、図５の共振周波数（ｆ
_O ）よりも低い駆動周波数（ｆ_D ）に設定された場合の
ようにフリーホイールダイオード１２が導通することに
よる波形歪みを生じることがない。従って、駆動電流の
電流波形中に低周波成分が付加されないため、この駆動
電流に対応して生成された磁界が積層規則充填体４を低
周波成分により電磁誘導して振動させることはない。

【００２５】また、図２（ｂ）に示すように、駆動電流
は、供給開始時において最小量（０％）から徐々に最大
量（１００％）に増大された後、この最大量（１００
％）で一定期間供給され、供給停止時において徐々に最
小量（０％）に減少されている。従って、積層規則充填
体４が急激な電流変化（磁界強度の変化）により機械的
共振周波数を移動させたり、熱的歪みを発生させること
がないため、積層規則充填体４の振動が一層低減されて
いる。

【００２６】これにより、図１に示すように、積層規則
充填体４は、電磁誘導加熱時に機械的な振動が殆ど生じ
ないため、積層規則充填体４の薄板金属板同士や薄板金
属板とパイプ３内の固定構造物とが摺動することによる
パーティクルの発生が十分に防止されている。

【００２７】以上のように、本実施形態の電磁誘導加熱
装置は、駆動電流を一定の駆動周波数に維持しながら操
作量に応じた時間比で出力するサイクル制御方式により
コイル５に供給することによって、積層規則充填体４を
電磁誘導加熱する構成にされていることから、従来の駆
動周波数を変更して制御する位相シフト制御方式のよう
に、制御中に駆動電流の電流波形に歪みを生じさせて低
周波成分を含ませることがない。これにより、駆動周波
数を低周波成分を含まない周波数に一旦設定しておけ
ば、制御中に低周波成分の電流波形による積層規則充填
体４の機械的振動が生じないため、パーティクルの発生
を十分に防止しながら積層規則充填体４を電磁誘導加熱
することができる。

【００２８】尚、本実施形態においては、インバータ部
８がフルフルブリッジ型に構成されているが、これに限
定されることはなく、ハーフブリッジ型に構成されてい
ても良い。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明は、電磁誘導加熱装置で
あって、流体が流動されるパイプと、前記パイプ内に設
けられ、薄板金属板を積層して形成された積層規則充填
体と、前記積層規則充填体が内周側に位置するように配
置され、前記パイプの外周に巻回されたコイルと、前記
コイルの一端に直列接続された共振用コンデンサと、駆
動電流を一定の駆動周波数に維持しながら操作量に応じ
た時間比で出力するサイクル制御方式により前記コイル
に供給することによって、前記積層規則充填体を電磁誘
導加熱する高周波電源装置とを有する構成である。

【００３０】上記の構成によれば、駆動電流の周波数を
一定の駆動周波数に維持しながら、駆動電流の出力の時
間比を変更することにより電磁誘導加熱の制御を行うた
め、従来の駆動周波数を変更して制御する位相シフト制
御方式のように、制御中に駆動電流の電流波形に歪みを
生じさせて低周波成分を含ませることがない。これによ
り、駆動周波数を低周波成分を含まない周波数に一旦設
定しておけば、制御中に低周波成分の電流波形による積
層規則充填体の機械的振動が生じないため、パーティク
ルの発生を十分に防止しながら積層規則充填体を電磁誘
導加熱することができるという効果を奏する。

【００３１】請求項２の発明は、請求項１記載の電磁誘
導加熱装置であって、前記高周波電源装置は、フリーホ
イールダイオードを逆並列接続されたスイッチング素子
を備えたインバータ部と、前記共振用コンデンサのコン
デンサ容量および前記コイルのインダクタンスによる共
振周波数よりも十分に高い駆動周波数で前記スイッチン
グ素子を駆動することによって、前記駆動電流を出力す
る発振制御・駆動部とを有する構成である。

【００３２】上記の構成によれば、共振周波数よりも十
分に高い駆動周波数で駆動電流を供給して電磁誘導加熱
するため、共振周波数よりも低い駆動周波数に設定され
た場合のようにフリーホイールダイオードが導通するこ
とによる波形歪みを生じることがない。従って、フリー
ホイールダイオードの導通に起因した積層規則充填体の
振動を防止することによって、パーティクルの発生をよ
り十分に防止することができるという効果を奏する。

【００３３】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の電磁誘導加熱装置であって、前記高周波電源装置は、
さらに、前記駆動電流の供給開始時において徐々に電流
量を増大させる一方、前記駆動電流の供給停止時におい
て徐々に電流量を減少させるソフトスタート・ソフトス
トップ回路を有している構成である。上記の構成によれ
ば、積層規則充填体が急激な電流変化（磁界強度の変
化）により機械的共振周波数を移動させたり、熱的歪み
を発生させることがないため、積層規則充填体の振動を
一層低減することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電磁誘導加熱装置のブロック図である。

【図２】サイクル制御方式における駆動電流（駆動信
号）の状態を示すものであり、（ａ）はソフト処理前の
状態、（ｂ）はソフト処理後の状態である。

【図３】従来の電磁誘導加熱装置のブロック図である。

【図４】位相シフト制御方式おける駆動信号と駆動電流
の関係を示す説明図である。

【図５】位相シフト制御方式おける駆動信号と駆動電流
の関係を示す説明図である。

【図６】位相シフト制御方式おける駆動信号と駆動電流
の関係を示す説明図である。

【図７】位相シフト制御方式おける駆動信号と駆動電流
の関係を示す説明図である。

【図８】位相シフト制御方式おける駆動信号と駆動電流
の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 加熱装置本体 ２ 高周波電源装置 ３ パイプ ４ 積層規則充填体 ５ コイル ６ 温度検出器 ７ 共振用コンデンサ ８ インバータ部 ９ 発振制御・駆動部 １０ 整流部 １１ スイッチング素子 １２ フリーホイールダイオード １３ サイクル制御回路 １４ ソフトスタート・ソフトストップ回路 １５ 遅延回路 １６ 導通角制御回路 １７ 交流電源 １８ 整流ブリッジ回路 １９ 平滑回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内堀 義隆 大阪府茨木市美沢町19番21号 株式会社瀬 田技研内 (72)発明者 形山 雅一 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 奥 誓二 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 宮津 多佑 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 Ｆターム(参考） 3K059 AA06 AA07 AA14 AA15 AB26 AB28 AC07 AC12 AC15 AC26 AC33 AC35 AC54 AD22 AD23 BD05 BD10 CD05 CD07 CD09 CD10 CD23 CD44 CD73 CD77

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流動されるパイプと、 前記パイプ内に設けられ、薄板金属板を積層して形成さ
   れた積層規則充填体と、 前記積層規則充填体が内周側に位置するように配置さ
   れ、前記パイプの外周に巻回されたコイルと、 前記コイルの一端に直列接続された共振用コンデンサ
   と、 駆動電流を一定の駆動周波数に維持しながら操作量に応
   じた時間比で出力するサイクル制御方式により前記コイ
   ルに供給することによって、前記積層規則充填体を電磁
   誘導加熱する高周波電源装置とを有することを特徴とす
   る電磁誘導加熱装置。
2. 【請求項２】 前記高周波電源装置は、 フリーホイールダイオードを逆並列接続されたスイッチ
   ング素子を備えたインバータ部と、 前記共振用コンデンサのコンデンサ容量および前記コイ
   ルのインダクタンスによる共振周波数よりも十分に高い
   駆動周波数で前記スイッチング素子を駆動することによ
   って、前記駆動電流を出力する発振制御・駆動部とを有
   することを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加熱装
   置。
3. 【請求項３】 前記高周波電源装置は、さらに、 前記駆動電流の供給開始時において徐々に電流量を増大
   させる一方、前記駆動電流の供給停止時において徐々に
   電流量を減少させるソフトスタート・ソフトストップ回
   路を有することを特徴とする請求項１または２記載の電
   磁誘導加熱装置。