JPH0982464A - 電磁誘導加熱装置の温度制御装置及び始動方法 - Google Patents
電磁誘導加熱装置の温度制御装置及び始動方法Info
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Abstract
波電流発生器が暴走することがない電磁誘導加熱装置の
温度制御する装置と始動方法を提供する。 【解決手段】 発熱体12とコイル13と高周波電流発
生器5とを備え、発熱体12の温度を検知する電流検知
手段31と、コイル13に流れる電流を制限する電流制
限手段32を設ける。発熱体12の温度が上昇して磁気
変態温度付近に至ると、電流値の上昇を検知手段31で
検出し、上昇する電流を電流制限手段32によって制限
する。始動方法は流体通路11に流体を満たし、温度調
節器2によって所定温度を設定し、高周波電流発生器5
からコイル13に電流を流し、発熱体12の磁性材料の
温度が磁気変態の付近に至ってコイル13に流れる電流
が増大すると、温度調節器2の指令に優先して、電流を
制限しつつ、発熱体12及び流体を予熱し、流体通路1
1に流体を流し始動する。
Description
体に浸された磁性材料の発熱体を電磁誘導加熱で加熱
し、前記流体を直接的な熱移動で加熱する電磁誘導加熱
装置の温度制御装置及び始動方法に関し、特に前記発熱
体を構成する磁性材料の磁気変態に係わらず加熱や始動
を可能にするものに関する。
構造を図6に基づいて説明する。流体が通過するパイプ
11を絶縁体で構成し、このパイプ11内に収納され流
体が浸かる発熱体12をパイプ11に巻かれたコイル1
3による電磁誘導で加熱するものである。このコイル1
3に交番磁界を生じさせるために、高周波電流発生器と
してセンサレス高力率高周波インバータ5が用いられ
る。この高周波インバータ5の出力を制御するのが、位
相シフト制御部3aとゲートドライバー3bからなる制
御器3である。パイプ11の出口側には温度センサ17
が取り付けられ、温度制御部2が前記位相シフト制御部
3aに接続される。なお、高周波電流発生器5は、交流
電源21に対する整流部22と、非平滑フィルタ23
と、インバータ本体24とからなっている。
の運転時においては、パイプ11の下側から供給される
低温流体14は発熱体12内で乱流流体15となって熱
交換され、パイプ11の上側から高温流体16となって
排出される。この高温流体16の温度が温度センサ17
で測定され、所定温度との差に応じた指令が温度制御部
2から位相シフト制御部3aに出力され、ゲートドライ
バー3bを経て高周波インバータ5の出力電流が適正に
制御される。この直接加熱による電磁誘導加熱装置1に
よると、流体が浸かる発熱体12の伝熱面積を大きくす
ることなどにより、発熱体12から流体への伝熱効率を
高め、始動時の立ち上がり時間を短縮できる。
熱し、この発熱体12が流体を直接加熱する構成になっ
ているため、発熱体12には特殊材料が用いられる。ま
ず電磁誘導で自己発熱するため、強磁性体である必要が
ある。つぎに流体に直接接するため、耐腐食性に優れる
必要がある。このような条件を満たす材料として、特願
平6−297287号公報に提案されるようなCr,F
eを主成分とするマルテンサイト系ステンレス鋼が用い
られる。
導加熱装置1の始動時間を更に早めようとすると、電磁
誘導加熱装置1の全体を予熱しておくことが考えられ
る。そのため、パイプ11内に流体を充満させ、発熱体
12や温度センサ17などが流体に浸る状態にし、その
状態で高周波インバータ5を作動させると、パイプ11
や発熱体12や流体などが予熱される。
い状態にあるため、温度センサ17が検知する流体の温
度と発熱体12の実際の温度との間には相当の開きが生
じる。そのため発熱体12の温度がどんどん上昇し、高
周波インバータ5に過度の電流が流れ、機器の破損が生
じる場合がある。この原因を追求したところ、下記のこ
とが判明した。
は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルで
表すことができ、L1,R1からなる単純なR−L回路
で表示することができる。このR−L回路の等価抵抗を
R、同回路の固有抵抗をrとし、同回路に流れる電流を
Ic、同回路にかかる電力をP0 とする。このR、r、
Ic、P0 が発熱体12の温度とともにどのように変化
するかを図示したのが図7である。
昇するが、等価抵抗Rはある温度T0 から急激に低下す
る。そのため、温度T0 から電流Icと電力P0 が増加
に転じる。電流Icと電力P0 が増えすぎて定格を越え
ると、高周波インバータ5を構成する電力素子が破損す
る。このような現象が生じるのは、発熱体12そのもの
の温度が高温になり、発熱体12を構成する磁性体が磁
気変態温度に達するからである。すなわち磁気変態を起
こす温度T0 なると、発熱体12の磁性が急変して強磁
性体から常磁性体に変わるため、コイル13が短絡状態
になる。
の磁気変態温度T0 をより高温側にシフトさせることも
考えられるが、発熱体12の化学組成を変えると、耐腐
食性が悪くなるという問題点がある。また、温度センサ
17が発熱体12の温度を直接検出するのではなく、発
熱体12と熱交換した流体16の温度を温度センサ17
が検出するようになっているため、流体14を流すこと
なく加熱する場合には、発熱体12に対する高周波イン
バータ5の暴走は避けられないという問題点がある。
の発明は、発熱体が磁気変態温度の近辺に至っても高周
波電流発生器が暴走することがない電磁誘導加熱装置の
温度制御装置を提供することを目的としたものである。
請求項4記載の発明は、発熱体が磁気変態温度の近辺に
至っても、流れる電流を制限して静止流体を予熱し、そ
の後に始動させるゼロスターティングができる電磁誘導
加熱装置の始動方法を提供することを目的としたもので
ある。
ために、本発明のうちで請求項1記載の発明は、流体通
路に設けられた磁性材料の発熱体と、前記発熱体の周囲
に設けられたコイルと、前記コイルに対する高周波電流
発生器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温になる
と磁性の程度が急激に減少する磁気変態を有する電磁誘
導流体加熱装置に対して用いられる温度制御装置であっ
て、前記高周波電流発生器から前記コイルに流れる電流
を測定し、前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の付
近に至ったことを検知する電流検知手段と、該電流検知
手段に基づいて前記コイルに流れる電流を制限する電流
制限手段とを設けてなることを特徴としたものである。
発熱体自体の温度が上昇して磁気変態温度に至ると、等
価抵抗が小さくなって電流値が上昇する。この電流値の
上昇を検知手段で検出し、前記磁気変態温度に至って上
昇しようとする電流を前記電流制限手段によって制限す
る。また請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明の
構成のうち前記電流制限手段が、コイルに流れる電流が
所定値に達すると、前記高周波電発生器の出力を低下さ
せ、前記発熱体が冷えると、再び前記高周波電発生器の
出力を上昇させるという動作を繰り返すものであること
を特徴とする。発熱体の自己発熱と、停止時の静止流体
への熱伝達との繰り返しによって、発熱体の過度の温度
上昇を抑えながら静止流体を加熱する。また請求項3記
載の発明は、請求項1記載の発明の構成のうち前記電流
制限手段が、コイルに流れる電流が所定値に達すると、
その所定値を維持するように制限するものであることを
特徴とする。電流制限手段によって発熱体の自己発熱を
制限しながら、静止流体を加熱する。また請求項4記載
の発明は、流体通路に設けられた磁性材料の発熱体と、
前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイルに
対する高周波電流発生器と、前記流体通路出口の流体温
度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整する温
度調節器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温にな
ると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を有する電磁
誘導流体加熱装置の始動方法であって、以下の〜工
程からなることを特徴とする。 前記流体通路に流体を満たし、前記発熱体が流れない
前記流体に浸る状態にする。 前記温度調節器によって所定温度を設定し、高周波電
流発生器から前記コイルに電流を流す。 前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の付近に至っ
て前記コイルに流れる電流が増大すると、前記温度調節
器の指令に優先して、前記電流を制限しつつ、前記発熱
体及び前記流体を予熱する。 前記流体通路の流体を流して始動する。 温度調整器によって所定温度に設定したとしても、静止
流体であるため、温度調整器は作動させずに、電流制限
によって発熱体の磁気変態を回避しつつ静止流体を加熱
する。この加熱後に流体を流すと、スタート時から高温
流体が得られ、且つ温度調整器も作動するゼロスターテ
ィングになる。
基づいて説明する。図1は本発明に係る電磁誘導加熱装
置及びその温度調節装置の機器構成図である。
パイプ11内に、発熱体12を収納し、パイプ11の外
周にコイル13を巻き付けたものである。パイプ11の
下側から入る低温流体14は発熱体12内の流体通路を
通過することで混合流体15となって均一加熱された
後、パイプ11の上側の出口から高温流体16となって
流出する。この高温流体16の温度は温度センサ17で
検出され、温度センサ17は温度制御部2に接続されて
いる。
らなる制御部3によって作動する高周波電流発生器5
は、交流電源21に対する整流部22と、非平滑フィル
タ23と、インバータ24とからなっている。
導電性金属の発熱体12からなる加熱体系は、漏れイン
ダクタンスの大きいトランス回路モデルで表すことがで
き、L1,R1からなる単純なR−L回路で表示するこ
とができる。このR−L回路に補償コンデンサC1を直
列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変
回路系とすることができる。そのため、共振コンデンサ
C1でR−L負荷系のL分を補償した同調が取りやす
く、作動周波数と共振コンデンサC1の最適設計回路が
行える。
子Q1〜Q4を用いたものであり、Q1とQ2とを直列
に接続したものと、Q3とQ4とを直列に接続したもの
を並列に接続してなっている。このスイッチング素子Q
1〜Q4はスイッチS1〜S4とダイオードD1〜D4
とを並列に接続した回路で表され、SIT(Stati
c Induction Transistor)、B
−SIT、MOSFET(Metal−Oxide S
emiconductor FET)、IGBT、MC
T等の半導体パワーデバイスを用いて形成される。
負荷L1,R1を経てb点に至る回路に電流が流れ、ス
イッチS2,S3が閉じると、b点から負荷L1,R1
を経てa点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷
L1,R1から見ると、正又は逆に電流が流れたことに
なる。各スイッチS1〜S4はそれぞれ50%弱のデュ
ーディサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチS
1,S2の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッ
チS3,S4の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。
基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを0〜1
80°まで連続的に変化させることにより出力電圧をP
WM(Pulse Width Modulatio
n)によって制御することができ、理論的には出力電力
を0から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる
最大出力まで連続的に変化させることができる。
温度調整装置は、高周波電流発生器5から前記コイル1
3に流れる電流を測定し、前記発熱体12の磁性材料の
温度が磁気変態付近に至ったことを検知する電流検知手
段31と、該電流検知手段31に基づいて前記コイル1
3に流れる電流を制限する電流制限手段32とを備えて
なっている。
点からb点に至る回路の適所に設けられ、この回路に流
れる電流を測定する測定部33と、この測定部33から
の電流値を変換し所定値と比較するコンパレータ34と
を有している。なお、35は整流器、36はバイパスコ
ンデンサ、37は並列抵抗、38は直列抵抗であり、こ
れらによってコンパレータ34に入力可能な電圧に変換
される。コンパレータ34でこの電圧値が所定の基準電
圧発生器39からの基準電圧と比較され、基準電圧から
大きくなるとコンパレータ34はオン信号を発する。
るタイマー内蔵のON−OFF指令器である。コンパレ
ータ34からのオン信号があると、ON−OFF指令器
32が制御部3にゼロ出力指令を発する。すなわち、制
御部3内の位相シフト制御部が、基準相と制御相との電
圧駆動パルスの位相差φを0に変化させることにより出
力電圧をゼロ又はゼロ近くまで低下させる。そして、O
N−OFF指令器32内のタイマーがカウントアウトす
ると、制御部3が温度制御部2で作動する通常の状態に
戻す。
方法を図1及び図2により説明する。図1の装置本体1
のパイプ11内に流体14を導入し、温度センサ17が
浸る程度まで液面を上昇させ、その状態を保持する。温
度制御部2の設定は所望の温度にしておく。
センサ17からの出力は低いため、制御部3の位相シフ
ト制御部が出力電圧100%の指令を出力する。発熱体
12の温度が上昇すると、熱伝達により発熱体12に接
する流体の温度も上昇する。しかし流体が流れていない
ため、流体全体の熱伝達は自然対流だけであり、熱伝達
効率が悪い。そのため発熱体12の温度がどんどん上昇
する。発熱体12にマルテンサイト系ステンレスである
SUS447J1を使用した場合、600〜700°C
近辺に磁気変態がある。発熱体12の温度が500°C
付近になると、コイル13に流れる電流が急増する。
し、コンパレータ34で基準値と比較する。図2におい
て、曲線aがコイル13に流れる電流値Icを示す。発
熱体12の温度が磁気変態に近づくと、電流値Icは急
上昇する。コイル13に流れる電流値Icが発熱体12
の材質で決まる所定値bを越えると、ON−OFF指令
器32が作動し、制御部3から高周波電流発生器5に対
して出力ゼロの指令が出力され、電流値Icが途絶え
る。発熱体12が発熱しなくなり、ON−OFF指令器
32内のタイマーで決まる時間Δtが経過すると、周囲
の流体との熱伝達により発熱体12が冷える。この時間
Δt経過後に、高周波電流発生器5が作動すると、発熱
体12が冷えているので、再起動時の電流値は低くなっ
ている。c点で再起動すると、発熱体12の温度が再び
磁気変態付近に至り、電流値Icは急上昇し所定値bに
至る。以上の繰り返しによって、発熱体12の温度が磁
気変態温度近辺から更に上昇することなく、高温/低温
を繰り返し、静止状態の流体及びパイプ11などが予熱
される。
用いる場合のゼロスターティング方法を説明したが、流
体として気体を加熱する場合のゼロスターティングにも
適用できる。例えば水素を加熱する場合、スタート時か
ら水素を流すのではなく、不活性ガスの窒素を電磁誘導
加熱装置を含む加熱系に充満させ、電磁誘導加熱装置の
予熱後に水素を流して窒素を追い出すというゼロスター
ティングが行われる。したがって、予熱時に用いられる
流体と、始動後の流体とは必ずしも一致させる必要がな
い。また、流体として液体を用いる場合のゼロスターテ
ィングであっても、電磁誘導加熱装置を窒素や空気等で
パージした状態で予熱してからゼロスターティングさせ
ることができる。この場合も予熱時の流体とゼロスター
ティングで流す流体が一致しない。しかし予熱時に何ら
かの流体が充満され、予熱後にこの流体が押し出される
点については共通している。
イル13に至る回路に対する電流の検出部33、整流器
35、バイパスコンデンサ36、並列抵抗37、直列抵
抗38からなる電流検知手段51の構成は図1と同様で
ある。温度調節器2と制御器3との間に、上記電流検知
手段51の出力を受けて作動する電流制御手段52が設
けられている。この電流制御手段52は、電流検知手段
51からの電圧と温度調節器2からの電圧を高位選択す
るダイオード53,54と、Vd点の電圧を所定電圧
(例えば5V)と比較するコンパレータ55と、コンパ
レータ55に対する並列抵抗56とを主たる部分として
なっている。
である。例えばVd点の出力が5Vであると、コンパレ
ータ55は制御器3に対して最大出力を指令し、Vd点
の出力が10Vであると、コンパレータ55は制御器3
に対して最低出力を指令するようになっている。したが
って、温度調節器2が最大出力に相当する5Vを出力し
ていても、電流検知手段51が最小出力に相当する10
Vを出力していると、この10Vがコンパレータ55に
対する出力として選択され、コンパレータ55は制御器
3に対して最低出力を指令する。
の温度が磁気変態温度T0 に至り、電流値Icが上昇し
始めても、所定の電流値Ic−maxを越えないように
なる。出力電力P0 も徐々に減少し、液体に対する発熱
体12の加熱温度は磁気変態温度T0 近辺に保たれる。
なお、この図3の他の温度制御装置を用いた、電磁誘導
加熱装置の始動方法は図1で説明したものと同様であ
る。
により説明する。図5(a)は発熱体12の構造を示す
上面図、図5(b)は発熱体12の構造を示す斜視図で
ある。発熱体12は、平板状の第1シート材121と波
形状の第2シート材122を交互に積層し、側面の両端
には第1シート材121が位置するようにし、全体とし
て円柱状に形成したものである。このような多層積層体
にした規則充填材であると、始動時に静止流体と接する
面積が大きく、静止流体に対する発熱体からの熱移動が
短時間で行われる。そのため、上述したゼロスターティ
ングに有効な発熱体12となる。なお、この発熱体12
は流れる流体を均一に加熱することができる構造になっ
ており、その構造を以下に説明する。
23は中心軸124に対して角度αだけ傾くように配置
され、第1シート材121を挟んで隣り合う第2シート
材122の波の山(又は谷)123が交差するように配
置されている。そして、隣り合う第2シート材122に
おける波の山(又は谷)123の交差点125におい
て、第1シート材121と第2シート材122はスポッ
ト溶接で溶着され、電気的に導通可能になっている。ま
た、第2シート材122の表面には、流体の乱流を生じ
させるための孔126が設けられている。この孔126
に代わるか又は加えて、第1シート材121及び/又は
第2シート材122に梨地加工を施して表面をザラザラ
にすることも有効である。要するに、発熱体12の中心
軸124を通る直径方向Dに対して、略平行に第1シー
ト材121と第2シート材122が配置され、電気的に
は直径Dと略平行な方向(周辺部を横切る方向)に最も
流れやすくなっている。すると、電磁誘導において現れ
る表皮効果(発熱体12の外周部分だけが加熱される状
態)が出現せず、発熱体12の中央部も加熱される。こ
のように発熱体12の中央部が加熱される形式の発熱体
としては、シート材121,122の積層構造に限ら
ず、小径管の多数を集合させて形成した発熱体であって
もよい。この場合、小径管の各々の表面が加熱され、全
体として略均一な加熱が可能な発熱体が得られる。
項1記載の発明は、電流制限手段によって発熱体が磁気
変態温度の近辺に至っても、高周波電流発生器に流れる
電流が制限されるので、静止流体を加熱する場合のよう
に温度制御器が作動しない場合でも、高周波電流発生器
を暴走させることなく、高温加熱することを可能とする
ものである。請求項2,3記載の発明は、請求項1記載
の効果を、簡単な機器構成で実現するという効果が加わ
ったものである。請求項4記載の発明は、電磁誘導加熱
装置の始動前に静止流体を満たして予熱し、始動時から
高温流体が得られるというゼロスターティングを可能と
するものである。
節装置の機器構成図である。
である。
の機器構成図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 流体通路に設けられた磁性材料の発熱体
と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイ
ルに対する高周波電流発生器とを備え、前記発熱体の磁
性材料が、高温になると磁性の程度が急激に減少する磁
気変態を有する電磁誘導流体加熱装置に対して用いられ
る温度制御装置であって、 前記高周波電流発生器から前記コイルに流れる電流を測
定し、前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の近辺に
至ることを検知する電流検知手段と、該電流検知手段に
基づいて前記コイルに流れる電流を制限する電流制限手
段とを設けてなる電磁誘導加熱装置の温度制御装置。 - 【請求項2】 前記電流制限手段は、コイルに流れる電
流が所定値に達すると、前記高周波電発生器の出力を低
下させ、前記発熱体が冷えると、再び前記高周波電発生
器の出力を上昇させるという動作を繰り返すものである
請求項1記載の電磁誘導加熱装置の温度制御装置。 - 【請求項3】 前記電流制限手段は、コイルに流れる電
流が所定値に達すると、その所定値を維持するように制
限するものである請求項1記載の電磁誘導加熱装置の温
度制御装置。 - 【請求項4】 流体通路に設けられた磁性材料の発熱体
と、前記発熱体の周囲に設けられたコイルと、前記コイ
ルに対する高周波電流発生器と、前記流体通路出口の流
体温度を測定して前記高周波電流発生器の出力を調整す
る温度調節器とを備え、前記発熱体の磁性材料が、高温
になると磁性の程度が急激に減少する磁気変態を有する
電磁誘導流体加熱装置の始動方法であって、以下の〜
工程からなるもの。 前記流体通路に流体を満たし、前記発熱体が流れない
前記流体に浸る状態にする。 前記温度調節器によって所定温度を設定し、高周波電
流発生器から前記コイルに電流を流す。 前記発熱体の磁性材料の温度が磁気変態の近辺に至っ
て前記コイルに流れる電流が増大すると、前記温度調節
器の指令に優先して、前記電流を制限しつつ、前記発熱
体及び前記流体を予熱する。 前記流体通路の流体を流して始動する。
Priority Applications (7)
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|---|---|---|---|
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