JP4719513B2 - 誘導加熱制御装置、誘導加熱装置、および、誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、異なる周波数を用いて被加熱物を誘導加熱する誘導加熱制御装置、誘導加熱装置、および、誘導加熱方法に関する。

従来、異なる周波数の電力を１つの誘導加熱コイルに供給して、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱装置が知られている。このような誘導加熱装置は、２つの異なる周波数の電力を１つの誘導加熱コイルに同時に供給し、例えば歯車などの被加熱物における凹凸の被加熱面を焼入れする（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

特許文献１に記載のものは、高周波を供給する第１の変換器と、中周波を供給する第２の変換器とを、１つの誘導コイルに並列に接続している。すなわち、高周波を供給する第１の変換器を直列共振回路として、誘導コイルの無効電力を直列補償するコンデンサにて、中周波を供給する第２の変換器からの中周波の帰還を減衰させている。また、第２の変換器に並列にコンデンサを接続して誘導コイルの無効電力を補償させるとともに、第２の変換器と、第１の変換器および第２の変換器の共通接点との間に、高周波の帰還を抑制させるリアクトルおよびこのリアクトルの無効電力を補償する追加補償のコンデンサの直列回路を直列に接続する構成が採られている。なお、高周波の帰還を抑制するリアクトルのインダクタンスは、誘導コイルのインダクタンスよりも少なくとも４倍に大きく設定している。

特許文献２に記載のものは、低い周波数の加熱電力を出力する第１の高周波電源装置の出力端子間に並列に共振コンデンサを接続するとともに、第１の高周波電源装置からの出力を高周波加熱コイルに供給する第１の変成器の１次側に接続している。また、高い周波数の加熱電力を出力する第２の高周波電源装置からの出力を、直列に接続した共振コンデンサを介して高周波加熱コイルに供給する第２の変成器の１次側に接続している。さらに、第１の変成器と高周波加熱コイルとの間に、第２の変成器の２次巻線を直列に接続させ、第１の変成器の２次側に、第２の高周波電源装置からの高周波成分をバイパスするための高周波バイパスコンデンサを並列に接続している。そして、低い周波数の第１の高周波電源装置からの電力を高い周波数の第２の高周波電源装置へ漏洩するのを防ぎつつ高周波加熱コイルに加熱電力を供給するとともに、高い周波数の第２の高周波電源装置からの電力を低い周波数の第１の高周波電源装置へ漏洩するのを防ぎつつ高周波加熱コイルに加熱電力を供給する構成が採られている。

特許第３１５０９６８号公報（第２頁右欄−第３頁右欄、第３図） 特開２００２−３５６７１５公報（第４頁右欄−第６頁右欄、図１）

しかしながら、上述した特許文献１または特許文献２に記載のような従来の誘導加熱装置では、異なる２つの周波数の電力を重畳して供給することで、被加熱物の透磁率が変化し、特に高い周波数の電力を供給する電源におけるインピーダンスが変動し、加熱効率が低下するおそれがある。このため、被加熱物の所望の焼入れが得られなくなるおそれがある問題点がある。

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、良好な誘導加熱が得られる誘導加熱制御装置、誘導加熱装置、および、誘導加熱方法を提供することにある。

本発明の誘導加熱制御装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱する加熱装置の制御をする誘導加熱制御装置であって、前記共振手段で供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率の変化に対応して高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変化する電力を、前記異なる少なくとも２つの周波数を重畳して供給する直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得する変換値取得手段と、この変換値取得手段で取得した変換値に基づいて、前記高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更させる処理手段と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルへそれぞれ異なる周波数の電力を供給する複数の共振手段で、供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより、制御手段の変換値取得手段で、変化する被加熱物の透磁率に対応して高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変化する電力を周波数が重畳した供給の直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得し、制御手段の処理手段で、変換値に基づいて高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更している。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率が変動して特に高い周波数の電力を供給する共振手段におけるインピーダンスが変動して電力が変動する分を良好に補正でき、安定して高周波の交流電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

また、本発明の誘導加熱制御装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱する加熱装置の制御をする誘導加熱制御装置であって、前記共振手段で供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する前記共振手段のインピーダンスの変化に対応して、この高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変化する電力を前記異なる少なくとも２つの周波数を重畳して供給する直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得する変換値取得手段と、この変換値取得手段で取得した変換値に基づいて、前記高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更させる処理手段と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルへそれぞれ異なる周波数の電力を供給する複数の共振手段で、供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより、制御手段の変換値取得手段で、高い周波数の電力を供給する共振手段における変動するインピーダンスに対応して高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変動する電力を、周波数が重畳した供給の直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得し、制御手段の処理手段で、変換値に基づいて高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更している。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する特に高い周波数の電力を供給する共振手段におけるインピーダンスの変動により、供給する電力が変動する分を良好に補正でき、安定して高周波の交流電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

そして、本発明では、前記変換値取得手段は、前記変換値を演算により取得する構成とすることが好ましい。この発明では、変換値取得手段にて変換値を演算して取得している。このため、例えば被加熱物の形状や材質、焼入れ状態などに対応して変換値を演算すればよく、汎用性を向上できる。

また、本発明では、前記変換値取得手段は、あらかじめ演算され記憶手段に記憶された前記変換値を読み出して取得する構成とすることが好ましい。この発明では、変換値取得手段にて、あらかじめ演算されて記憶手段に記憶された変換値を読み出して取得する。このため、あらかじめ変換値を記憶させておくことで、安定して高周波の交流電力を供給するための変換値を迅速に取得でき、処理速度を向上できる。

本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイル、および、異なる周波数の電力を少なくとも異なる２つの周波数が重畳されて前記誘導加熱コイルへ供給可能な複数の共振手段を備えた加熱装置と、この加熱装置の前記共振手段を制御する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱制御装置と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、異なる周波数の電力を少なくとも異なる２つの周波数が重畳されて供給可能な複数の共振手段を備えた加熱装置における共振手段を、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱制御装置にて制御する。このため、異なる周波数が重畳する状態で供給する電力が変動する分を補正でき、安定して高周波の交流電力を供給できる請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱制御装置を利用するので、良好な誘導加熱効率が容易に得られる。

また、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御して所定の周波数の電力を供給させる制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記第１の共振手段で供給する電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率が変化する割合に対応して前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御することを特徴とする。

この発明では、制御手段により、変圧器の１次側に接続され被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、変圧器の２次側に接続され第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段とを制御して、第１の共振手段で供給する電力の周波数と第２の共振手段で供給する電力の周波数とを重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより変化する被加熱物の透磁率の変化割合に対応して、第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御している。このため、異なる周波数が重畳する状態で第１の共振手段および第２の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率が変化して特に高い周波数の電力を供給する第１の共振手段におけるインピーダンスが変化して供給する電力が変化する状態でも、制御手段により変化する電力分を制御して供給するので、安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

そして、この発明では、前記制御手段は、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する前記第１の共振手段のインピーダンスの割合に基づいて前記被加熱物の透磁率が変化する割合を認識し、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する構成とすることが好ましい。この発明では、制御手段により、第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する第１の共振手段のインピーダンスの割合に基づいて、被加熱物の透磁率が変化する割合を認識し、第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御している。このため、被加熱物の透磁率の変化の割合に対応した第１の共振手段で供給する電力の大きさをインピーダンスにより容易に認識でき、安定した電力供給のための制御が容易にできる。

さらに、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御して所定の周波数の電力を供給させる制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する前記第１の共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御することを特徴とする。

この発明では、制御手段により、変圧器の１次側に接続され被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、変圧器の２次側に接続され第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段とを制御して、第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する第１の共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して、第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御している。このため、異なる周波数が重畳する状態で第１の共振手段および第２の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する第１の共振手段におけるインピーダンスの変動により供給する電力が変化する状態でも、制御手段により変化する電力分を制御して供給するので、安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

そして、本発明では、前記制御手段は、前記第１の共振手段のインピーダンスが前記第２の共振手段から電力を供給する直前のインピーダンスに維持される状態に前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する構成とすることが好ましい。この発明では、制御手段により、第１の共振手段で供給する電力の大きさの制御として、第１の共振手段のインピーダンスが第２の共振手段から電力を供給する直前のインピーダンスに維持される状態としている。このため、第１の共振手段で供給する電力の変動前の状態で維持させる簡単な制御ででき、第１の共振手段で供給する電力の大きさの制御が容易にできる。

また、本発明では、前記制御手段は、以下の式１に基づいて、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
ＶＲｎ：補正後の第１の共振手段から供給する電力割合
ＶＲ１：補正前の第１の共振手段から供給する電力割合
ｘ：第２の共振手段から供給する電力割合
Ｙ：第２の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
構成とすることが好ましい。この発明では、式１に基づいて演算処理して第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御するので、第１の共振手段で供給する電力の変動分を適切な電力の大きさとする制御が演算のみででき、第１の共振手段で供給する電力の大きさの制御が容易にできる。さらには、被加熱物の形状や誘導加熱条件などが異なる場合でも式１にて制御でき、汎用性を向上できる。

さらに、本発明では、前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記誘導加熱コイルに供給する第１の発振手段を備え、前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記誘導加熱コイルに供給する第２の発振手段を備え、前記制御手段は、前記第１の共振手段から供給する電力の周波数に前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することで前記第１の発振手段に供給される直流電力の変動を検出し、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給する直前の直流電力に維持する状態に、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する構成とすることが好ましい。この発明では、制御手段により、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して誘導加熱コイルに供給する第１の共振手段における第１の発振手段に供給される直流電力の変動を検出し、第２の共振手段における第２の発振手段で供給される直流電力を第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して周波数を重畳させて誘導加熱コイルに供給する直前での第１の発振手段に供給される直流電力の状態に維持させる制御をする。このため、周波数が重畳する状態で電力が供給される前の第１の共振手段で供給する電力状態で維持する制御が、簡単な制御で容易に得られる。

また、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、前記第１の共振手段で供給する電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給可能に前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御するとともに、以下の式１に基づいて前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する制御手段と、
式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
ＶＲｎ：補正後の第１の共振手段から供給する電力割合
ＶＲ１：補正前の第１の共振手段から供給する電力割合
ｘ：第２の共振手段から供給する電力割合
Ｙ：第２の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
を具備したことを特徴とする。

この発明では、制御手段により、変圧器の１次側に接続され被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、変圧器の２次側に接続され第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段とを制御して、式１に基づいて第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御している。このため、異なる周波数が重畳する状態で第１の共振手段および第２の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する第１の共振手段におけるインピーダンスの変動により供給する電力が変化する状態でも、制御手段により変化する電力分を式１に基づく演算にしたがって制御して供給するので、簡単な構成で安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

さらに、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換する第１の発振手段を備え、この変換した交流電力を前記誘導加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、供給される直流電力を前記第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換する第２の発振手段を備え、この変換した交流電力を前記誘導加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、前記第１の発振手段および前記第２の発振手段に供給される直流電力を、前記第１の共振手段で供給する交流電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する交流電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに交流電力を供給可能に制御するとともに、前記第１の発振手段に供給される直流電力を前記第２の共振手段で周波数を重畳させて交流電力を供給する直前の直流電力に維持する状態に制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、制御手段により、変圧器の１次側に接続され第１の発振手段で供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、変圧器の２次側に接続され第２の発振手段で第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の電力を誘導加熱コイルに供給して被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段とにおける供給される直流電力を制御し、周波数を重畳させて第２の共振手段から交流電力を供給する直前における第１の共振手段の第１の発振手段に供給される直流電力に維持させる。このため、異なる周波数が重畳する状態で第１の共振手段および第２の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する第１の共振手段におけるインピーダンスの変動により供給する電力が変化する状態でも、制御手段により変化する電力分を、交流電力に変換する前の直流電力で制御して交流電力を供給するので、簡単な構成で安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

そして、本発明では、前記第１の共振手段は、前記第１の発振手段の出力側で前記変圧器の１次側に直列に接続され前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記変圧器で前記第２の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるコンデンサを備え、前記第２の共振手段は、前記第２の発振手段の出力側で前記変圧器の２次側に直列に接続され前記第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制するとともに前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するコンデンサを備えた構成とすることが好ましい。この発明では、第１の共振手段の第１の発振手段に１次側が接続された変圧器の１次側に直列にコンデンサを接続し、変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償させるとともに変圧器で低い周波数を供給する第２の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させる。さらに、変圧器の２次側に直列に第２の共振手段のコンデンサを直接に接続して第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制するとともに変圧器および誘導加熱コイルの無効電力を補償させる。このため、変圧器の２次側が低いインダクタンスとすることで、第２の共振手段にて供給される低い方の周波数の電流にとって低いインピーダンスとなるので、低い方の周波数の電流のバイパスとなり、第２の共振手段の低い方の周波数により誘導加熱コイルで被加熱物を効率的に加熱する。また、第２の共振手段のコンデンサは、低いインダクタンスとした変圧器の無効電力を補償するので、第１の共振手段の高い方の周波数の電流にとって低いインピーダンスに設定することが容易で、第２の共振手段のコンデンサが高い方の周波数の電流のバイパスとなり、第１の共振手段の高い方の周波数により誘導加熱コイルが効率的に加熱される。そして、変圧器の２次側が第１の共振手段の高い周波数の帰還を阻止するためのリアクトルとして機能するので、第２の共振手段に第１の共振手段の高い周波数の帰還を阻止するためのリアクトルなどを設ける必要がなく、構成が簡略化する。

また、本発明では、前記第２の共振手段は、第２の発振手段が電圧形であり、この第２の発振手段の出力側および前記変圧器の２次側に直列に接続され前記第１の共振手段の周波数の帰還を減衰させるリアクトルを備えた構成とすることが好ましい。この発明では、第２の共振手段における電圧形の第２の発振手段の出力側と変圧器の２次側に直列に、第１の共振手段の周波数の帰還を減衰させるリアクトルを接続するので、周波数の帰還を減衰させる程度の比較的に小さいリアクトルを設ける簡単な構成で、第２の発振手段として、例えば交流電源を直流電源に変換した後に所定の周波数の交流電源に変換する構成が容易な電圧形を利用することが可能となる。

そして、本発明の誘導加熱方法は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率が変化する割合に応じて高い周波数の電力を供給する前記共振手段の供給する電力の大きさを制御することを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて被加熱物を誘導加熱させる複数の共振手段から少なくとも２つの異なる周波数を重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより被加熱物の透磁率が変化する割合に応じて、高い周波数の電力を供給する共振手段で供給する電力の大きさを制御する。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率が変動して特に高い周波数の電力を供給する共振手段におけるインピーダンスが変動して供給する電力が変動する分を適切に制御し、安定して高周波の交流電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

また、本発明の誘導加熱方法は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する前記共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して前記高い周波数の電力を供給する共振手段の供給する電力の大きさを制御することを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて被加熱物を誘導加熱させる複数の共振手段から少なくとも２つの異なる周波数を重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して、高い周波数の電力を供給する共振手段で供給する電力の大きさを制御する。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する特に高い周波数の電力を供給する共振手段におけるインピーダンスの変動により電力が変動する分を適切に制御し、安定して高周波の交流電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

さらに、本発明の誘導加熱方法は、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給する際に、以下の式１に基づいて、高い周波数の電力を供給する前記共振手段で供給する電力の大きさを制御する
式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
ＶＲｎ：補正後の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
ＶＲ１：補正前の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
ｘ：低い周波数側の共振手段から供給する電力割合
Ｙ：低い周波数側の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
ことを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて被加熱物を誘導加熱させる複数の共振手段から少なくとも２つの異なる周波数を重畳して誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する共振手段で供給する電力の大きさを、式１に基づいて制御する。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する高い周波数の電力を供給する共振手段におけるインピーダンスの変動により供給する電力が変化する状態でも、制御手段により変化する電力分を式１に基づく演算にしたがって制御して供給するので、簡単な構成で安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

また、本発明の誘導加熱方法は、直流電力を所定の異なる周波数の交流電力にそれぞれ変換する複数の共振手段から被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにそれぞれ供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、前記共振手段から供給する交流電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに交流電力を供給する際に、高い周波数の交流電力を供給する前記共振手段に供給される直流電力を、低い周波数の交流電力を重畳して供給する前記共振手段で交流電力を供給する直前における直流電力に維持する状態に制御することを特徴とする。

この発明では、被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに直流電力をそれぞれ異なる周波数の交流電力に変換してそれぞれ供給させる複数の共振手段から、少なくとも２つの異なる周波数を重畳して誘導加熱コイルに交流電力を供給する際に、高い周波数の交流電力を供給する共振手段に供給される直流電力を、低い周波数の交流電力を重畳して供給する共振手段で交流電力を供給する直前における直流電力に維持する状態に制御する。このため、異なる周波数が重畳する状態で複数の共振手段から電力を供給することで、被加熱物の透磁率の変動に対応して変動する高い周波数の交流電力を供給する共振手段におけるインピーダンスの変動により供給する電力が変化する状態でも、変化する供給電力分を、交流電力に変換する前の直流電力で制御して交流電力を供給するので、簡単な構成で安定して高周波の電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られる。

以下、本発明の一実施の形態における誘導加熱装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態における誘導加熱装置は、例えば異なる２つの周波数を用いて、被加熱物を誘導加熱処理する構成について説明するが、異なる周波数としては、２種類に限らず、複数の周波数を重畳してもよい。また、被加熱物としては、表面に複数の凹凸を有する複雑な形状の例えば歯車やねじ、ボルト、ナットなどの他、シャフトのような筒状の部材、異なる材料が積層する複合材料など、いずれを対象とすることができる。図１は、本実施の形態における誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。

〔誘導加熱装置の構成〕
図１において、１００は誘導加熱装置で、この誘導加熱装置１００は、異なる２つの周波数を利用して、例えば歯車などの凹凸の被加熱面を有する被加熱物１０１を誘導加熱して焼入れする装置である。この誘導加熱装置１００は、被加熱物１０１を誘導加熱する誘導加熱コイル１１０と、変圧器としての第１の変圧器１２０と、誘導加熱コイル１１０に所定の周波数、例えば周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波の電力を供給して誘導加熱させる第１の共振手段１３０と、誘導加熱コイル１１０に第１の共振手段１３０の周波数より低い周波数、例えば１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の中周波の電力を供給して加熱させる第２の共振手段１４０と、制御手段１５０と、を備えている。

誘導加熱コイル１１０は、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０に直列に接続されている。そして、誘導加熱コイル１１０は、第１の共振手段１３０からの高周波の交流電力および第２の共振手段１４０からの中周波の交流電力が供給され、被加熱物１０１を誘導加熱する。

第１の変圧器１２０は、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０に接続されるとともに誘導加熱コイル１１０に接続され、所定の周波数の交流電力を誘導加熱コイル１１０に供給する。この第１の変圧器１２０は、例えば自己インダクタンスが小さいもの、すなわち空芯結合形のもので、２次側となる２次巻線１２２および３次巻線１２３が１回巻きで、これら２次巻線１２２および３次巻線１２３のインダクタンスの値と、誘導加熱コイル１１０のインダクタンスの値とが略同一となる状態に設定されたものである。そして、第１の変圧器１２０は、２次巻線１２２の一端側と、３次巻線１２３の他端側との間に、誘導加熱コイル１１０が接続されている。

第１の共振手段１３０は、第１の発振手段１３１と、第２の変圧器１３２と、第１のコンデンサＣ１と、を備えている。また、第１の発振手段１３１は、第１のコンバータ１３１Ａと、第１の平滑コンデンサＣｆ１と、第１のインバータ１３１Ｂと、を備えている。第１のコンバータ１３１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流電力を直流電力に変換する。この変換した直流電力は、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して適宜平滑され、第１のインバータ１３１Ｂへ出力される。第１のインバータ１３１Ｂは、例えば電圧形インバータで、第１の平滑コンデンサＣｆ１を介して入力される直流電力を所定の周波数である上述した高周波の交流電力に変換する。また、第１のインバータ１３１Ｂの出力端子間には、第２の変圧器１３２の１次巻線１３２Ａが直列に接続されている。

そして、第１の共振手段１３０は、第２の変圧器１３２の２次巻線１３２Ｂの出力端子間に、第１のコンデンサＣ１および第１の変圧器１２０の１次巻線１２１の直列回路が直列に接続されて構成される。すなわち、第１のコンデンサＣ１は、第１のインバータ１３１Ｂから出力され第２の変圧器１３２を介して供給される所定の高周波の交流電力により直列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０にて被加熱物１０１を誘導加熱させる。また、第１のコンデンサＣ１は、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償するとともに、第１の変圧器１２０で第２の共振手段１４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する。そして、第１の共振手段１３０は、上述したように、周波数が５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波の交流電力を第１の変圧器１２０を介して誘導加熱コイル１１０に供給し、第１のコンデンサＣ１で直列共振により、被加熱物１０１を誘導加熱させる。ここで、周波数が５０ｋＨｚより低くなると、特に歯車での被加熱面が凹凸の被加熱物１０１の良好な焼入れが得られなくなるおそれがある。一方、１ＭＨｚより高くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。このため、第１の共振手段１３０で供給する周波数は、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲に設定することが好ましい。

第２の共振手段１４０は、第２の発振手段１４１と、リアクトルＬ１と、第２のコンデンサＣ２と、第３の変圧器１４２と、第３のコンデンサＣ３と、第４のコンデンサＣ４と、を備えている。また、第２の発振手段１４１は、第１の共振手段１３０と同様に、第２のコンバータ１４１Ａと、第２の平滑コンデンサＣｆ２と、第２のインバータ１４１Ｂと、を備えている。第２のコンバータ１４１Ａは、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅの交流電力を直流電力に変換する。この変換した直流電力は、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して適宜平滑され、第２のインバータ１４１Ｂへ出力される。第２のインバータ１４１Ｂは、例えば電圧形インバータで、第２の平滑コンデンサＣｆ２を介して入力される直流電力を所定の周波数である上述した中周波の交流電力に変換する。

そして、第２の共振手段１４０は、第２のインバータ１４１Ｂの出力端子間に、リアクトルＬ１と、第２のコンデンサＣ２と、第３の変圧器１４２の１次巻線１４２Ａとの直列回路が接続されている。また、第２の共振手段１４０は、第３の変圧器１４２の２次巻線１４２Ｂ間に、第３のコンデンサＣ３および第４のコンデンサＣ４の直列回路が接続されている。この第３のコンデンサＣ３および第４のコンデンサＣ４の接続点は、グランドに接続されている。さらに、第２の共振手段１４０は、第３の変圧器１４２の２次巻線１４２Ｂの出力端子が、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２の他方および３次巻線１２３の一方に接続されている。そして、第２の共振手段１４０は、リアクトルＬ１が第１の共振手段１３０の高周波の帰還成分を減衰し、直列共振回路を構成する。また、第３のコンデンサＣ３および第４のコンデンサＣ４は、中周波の交流電流をバイパスするために第１の変圧器１２０の２次側を低いインダクタンスとした第１の変圧器１２０の無効電力を補償する。そして、第２の共振手段１４０は、上述したように、周波数が１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の中周波の交流電力を誘導加熱コイル１１０に供給し、リアクトルＬ１および第２のコンデンサＣ２の直列共振により、被加熱物１０１を誘導加熱させる。ここで、周波数が１ｋＨｚより低くなると、良好な誘導加熱が得られにくくなるおそれがある。一方、５０ｋＨｚより高くなると、被加熱物１０１の内部に亘る良好な誘導加熱が得られなくなるおそれがある。このことから、第２の共振手段１４０にて供給する周波数は、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下が好ましい。

制御手段１５０は、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０の動作を制御する。この制御手段１５０は、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０から誘導加熱コイル１１０に供給する交流電力の大きさを、作業者による入力操作にて設定する図示しない操作手段を備えている。具体的には、操作手段は、例えば作業者が入力操作可能な操作つまみを有する操作手段を備え、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０の最大出力をそれぞれ１００％として、０％以上１００％以下の範囲で操作つまみが入力操作されることで、第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０を電流一定制御にて、それぞれ入力操作された設定値に対応する電流値となる交流電力をそれぞれ設定入力する。そして、制御手段１５０は、第１の共振手段１３０で所定の高周波の交流電力を、設定された出力割合で電流値が一定となる状態に電流一定制御で誘導加熱コイル１１０に供給させる。さらに、制御手段１５０は、第２の共振手段１４０で所定の中周波の交流電力を、同様に電流一定制御で設定された出力割合の交流電力を誘導加熱コイル１１０に供給させる。これら高周波の交流電力および中周波の交流電力は、それぞれ独立して供給可能であるとともに、高周波および中周波が適宜重畳する状態に供給可能となっている。そして、制御手段１５０は、高周波および中周波が重畳する状態に交流電力を供給させる際、以下に示す式１に基づいて、第１の共振手段１３０の設定値を補正し、一定の交流電力を供給する状態に制御する。なお、電流一定制御であることから、設定値と供給される電流値とは正比例する関係、例えば最大規格値が１００００Ａである場合、設定値が９％であれば約９００Ａ、５０％であれば約５０００Ａ、１００％であれば約１００００Ａとなる。

すなわち、制御手段１５０は、プログラムとしての、図示しない変換値取得手段と、処理手段と、などを備えている。変換値取得手段は、異なる高周波および中周波を重畳する状態で交流電力を第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０から供給することにより、被加熱物１０１の透磁率が変化し、この変化する透磁率に対応して高い周波数側となる第１の共振手段１３０におけるインピーダンスが低下し、第１の共振手段１３０から供給する交流電力が低下することとなる。このことにより、変換値取得手段は、低下する電力分を、重畳する前の状態に補正するための変換値としての補正値を、式１に基づいて演算する。すなわち、設定値と電流値が正比例する関係であることから、１次関数で補正値が演算される。なお、式１は、例えば制御手段１５０に構成された図示しないメモリなどの記憶手段に適宜記憶される。また、本実施の形態では、変換値として、設定値を補正する補正値である補正された設定値を演算する構成について説明するが、変換値としてはこの限りではなく、例えば被加熱物１０１の形状や材質、誘導加熱条件などに基づいてあらかじめマトリックス状に設定された変換値を読み取ったり、被加熱物１０１の形状や材質など毎に、式１からより詳細に設定された式に基づいて演算、具体的には設定値と電流値とが正比例の関係でない２次や指数などの関数関係である場合、その関数に基づいて演算すればよい。そして、記憶する構成としては、あらかじめ式や変換値が記録された記録媒体から制御手段１５０に記憶させたり、操作手段による入力操作にて制御手段１５０に設定して記憶させるなど、いずれの方法が利用できる。そして、この変換値取得手段で演算した補正値に基づいて、処理手段が第１の共振手段１３０を制御し、変換した補正後の設定による電流値の交流電力を供給させる。

（式１）
ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
ＶＲｎ：補正後の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
（すなわち補正後の第１の共振手段１３０における設定値）
ＶＲ１：補正前の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
（すなわち補正前の第１の共振手段１３０における設定値）
ｘ：低い周波数側の共振手段から供給する電力割合
（すなわち第２の共振手段１４０における設定値（＝ＶＲ２））
Ｙ：低い周波数側の共振手段（第２の共振手段１４０）から規格最大電力値（規格最大設定値：ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段１３０の負荷抵抗
ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）

〔誘導加熱装置の動作〕
（誘導加熱処理）
次に、上述した一実施の形態における誘導加熱装置１００の動作として、誘導加熱処理の動作を説明する。

制御手段１５０により、あらかじめ誘導加熱する状態に対応して設定された設定値に基づいて第１の共振手段１３０における第１の発振手段１３１で変換された高周波の交流電力が出力されると、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、第１の変圧器１２０を介して誘導加熱コイル１１０に供給され、誘導加熱コイル１１０により被加熱物１０１を誘導加熱する。この誘導加熱コイル１１０へ高周波の交流電力を供給している際、第２の共振手段１４０において、リアクトルＬ１が第１の共振手段１３０の高周波の帰還成分を減衰するとともに、第３のコンデンサＣ３および第４のコンデンサＣ４が第１の変圧器１２０の無効電力を補償する。

また、制御手段１５０により、あらかじめ誘導加熱する状態に対応して設定された設定値に基づいて第２の共振手段１４０における第２の発振手段１４１で変換された中周波の交流電力が出力されると、リアクトルＬ１および第２のコンデンサＣ２が直列共振状態となり、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２および３次巻線１２３をバイパスして、誘導加熱コイル１１０に供給され、誘導加熱コイル１１０により被加熱物１０１を誘導加熱する。この誘導加熱コイル１１０へ中周波の交流電力を供給している際、第１のコンデンサＣ１が中周波の帰還を減衰し、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２および３次巻線１２３をバイパスして誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給される。

ここで、高周波および中周波の交流電力を、高周波と中周波とが重畳する状態で供給する場合、供給する中周波の交流電力の電流値が高くなるにしたがって、被加熱物１０１の透磁率の変化に伴って高周波側となる第１の共振手段１３０における交流電力のインピーダンスが低下する。このことにより、制御手段１５０は、第１の共振手段１３０におけるインピーダンスの低下による供給する交流電力の電流値の低下分を、上述した式１に基づいて補う補正制御をする。具体的には、制御手段１５０の変換値取得手段にて、記憶手段に記憶された式１に基づいて、操作手段で作業者により設定された設定値ＶＲ１から補正後の設定値ＶＲｎを演算する。この演算した補正後の設定値ＶＲｎで第１の共振手段１３０から交流電力を供給させる状態で、制御手段１５０の処理手段で第１の共振手段１３０を制御し、周波数が重畳する状態で交流電力を供給する直前で供給していた状態と同様の大きさの交流電力を供給させる。

（補正値）
ここで、第１の共振手段１３０から供給する電力の低下分を補正するための上述した式１について、以下に図面を参照して説明する。図２は、本発明のおける高周波側の第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する制御方法を設定するための実験装置を示す回路図である。図３は、異なる周波数の交流電力の供給状況による第１の共振手段における電圧値および電流値を測定するタイミングを説明するタイミングチャートで、（Ａ）は第１の共振手段における交流電力の供給状況を示す波形図、（Ｂ）は第２の共振手段における交流電力供給状況を示す波形図である。図４は、第２の共振手段で周波数を重畳して交流電力を供給した際の中周波のバイアス電流の大きさに対する第１の共振手段におけるインピーダンスの変化率を示すグラフである。

まず、周波数が重畳する状態で交流電力を供給した場合の高周波側のインピーダンスが低下する状況を認識する実験を実施した。実験装置として、図２に示す構成の誘導加熱装置２００を利用した。なお、図１に示す誘導加熱装置１００と同一の構成については同一の符号を付して、説明を省略する。

図２に示す誘導加熱装置２００は、上述した図１に示す誘導加熱装置１００における電圧形直列共振タイプの第２の共振手段１４０に代えて、電流形並列共振タイプの第２の共振手段２４０としたものである。すなわち、誘導加熱装置２００は、誘導加熱コイル１１０と、変圧器としての第１の変圧器１２０と、高周波側が電圧形直列共振タイプの第１の共振手段１３０と、中周波側が電流形並列共振タイプの第２の共振手段２４０と、などを備えている。誘導加熱コイル１１０は、例えば内径１３５．０ｍｍ、幅寸法１４０．０ｍｍ、巻数１回のものである。第１の変圧器１２０は、第１の変圧器１２０と同様に、自己インダクタンスが小さいもの、例えば空芯結合形のもので、さらには２次側である２次巻線１２２が１回巻きで誘導加熱コイル１１０のインダクタンスの値と略同一に設定されたものである。第１の共振手段１３０は、誘導加熱装置１００と同様に、第１の発振手段１３１における第１のインバータ１３１Ｂの出力端子間に、第１のコンデンサＣ１および第１の変圧器１２０の１次巻線１２１の直列回路が接続されて構成されている。そして、第１のコンデンサＣ１は、第１のインバータ１３１Ｂから出力される所定の電圧で所定の高周波の交流電力により、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０にて被加熱物１０１を誘導加熱させる。この第１のコンデンサＣ１は、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償するとともに、第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する。

第２の共振手段２４０は、第２のコンバータ１４１Ａ、第２のリアクトルＬｆ２、および第２のインバータ２４１Ｂを備えた第２の発振手段２４１と、第３のコンデンサＣ３と、を備えている。第２の発振手段２４１の第２のコンバータ１４１Ａは、第１のコンバータ１３１Ａと同様に、順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅからの交流電力を直流電力に変換し、第２のリアクトルＬｆ２を介して直流電流が急変しないように第２のインバータ２４１Ｂへ出力する。第２のインバータ２４１Ｂは、例えば電流形インバータで、第２のリアクトルＬｆ２を介して入力される直流電力を所定の周波数である中周波の交流電力に変換して出力する。第３のコンデンサＣ３は、誘導加熱コイル１１０に並列で第１の変圧器１２０の２次巻線１２２に直列に接続され、第２のインバータ２４１Ｂから出力される中周波の交流電力により並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０にて被加熱物１０１を誘導加熱させる。この第３のコンデンサＣ３は、第１の共振手段１３０の高周波の電流にとって十分に小さいインピーダンスに設定され、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償する。すなわち、第２のコンデンサＣ３は、インダクタンスが小さく設定された第１の変圧器１２０の無効電力と、第１の変圧器１２０が略同一に設定されたインダクタンスである誘導加熱コイル１１０の無効電力とを補償する程度に設定されていればよく、高周波の交流電流にとって低いインピーダンスに設定される。さらに、第３のコンデンサＣ３は、第１の共振手段１３０からの高周波の帰還を抑制する。

そして、誘導加熱装置２００は、第１の共振手段１３０の第１の発振手段１３１から高周波の交流電力が出力されると、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換して２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０へ供給される。この誘導加熱コイル１１０への高周波の供給の際、第２の共振手段２４０の第３のコンデンサＣ３は、インピーダンスが十分に小さく設定されているので、高周波の電流のバイパスとなり、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給され、誘導加熱コイル１１０で被加熱物１０１を誘導加熱する。なお、第２の共振手段２４０の第３のコンデンサＣ３により、第１の共振手段１３０からの高周波の帰還が抑制され、高周波の帰還による第２の共振手段２４０の損傷が防止される。また、第２の発振手段２４１から中周波の交流電力が出力されると、第３のコンデンサＣ３が並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０へ中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１が誘導加熱される。この中周波の供給の際、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２が低いインダクタンスであることから中周波の交流電流にとって低いインピーダンスとなるので、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２が中周波の交流電流のバイパスとなり、中周波が誘導加熱コイル１１０へ効率よく供給される。なお、第１の共振手段１３０の第１のコンデンサＣ１により、第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０からの中周波の帰還が減衰され、中周波の帰還による第１の共振手段１３０の損傷が防止される。

この誘導加熱装置２００を用いて、誘導加熱を実施し、交流電力の供給状況を測定する実験を実施した。被加熱物１０１としては、外形が１１５．０ｍｍの鋼管を用いた。また、誘導加熱装置２００は、第１の共振手段１３０における第１の発振手段１３１を出力２００ｋＷで周波数２１２ｋＨｚ、第２の共振手段２４０における第２の発振手段２４１を出力２００ｋＷで周波数１２ｋＨｚに設定した。そして、誘導加熱の処理は、まず第１の共振手段１３０で設定値が４０％、交流電流が１８０Ａ、周波数が２１２ｋＨｚの高周波の交流電力を誘導加熱コイル１１０へ供給させる電流一定制御をし、被加熱物１０１が誘導加熱されて供給する交流電力が安定した状態で第２の共振手段２４０から、各設定値の出力で中周波の交流電力を誘導加熱コイル１１０へ高周波に重畳する状態に電圧一定制御で電圧が安定するまで供給し、鋼管を誘導加熱した。この中周波の供給開始時の直前および直後と、中周波の供給停止時の直前および直後との４点のタイミングで第１の共振手段１３０における交流電力の供給状況を測定、すなわち、図３に示す測定点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのタイミングで電圧値および電流値をそれぞれ測定した。そして、これら電圧値および電流値に基づいてインピーダンスを演算し、第１の共振手段１３０におけるインピーダンスの変化状況を確認した。その結果を、表１、表２および図４に示す。

これら表１、表２および図４に示す結果から、中周波の供給開始時の前後と供給停止時の前後とにおける第１の共振手段１３０でのインピーダンスの変化の割合（ＺB／ＺAとＺC／ＺD）には、ほぼ等しく、被加熱物１０１の誘導加熱による温度の影響はあまり認められなかった。そして、中周波を重畳して供給することにより、第１の共振手段１３０は電流一定制御をしているので、第２の共振手段２４０から供給する交流電力のバイアス電流値が高くなるにしたがって、第１の共振手段１３０から供給する高周波の交流電力の電圧値が低下、すなわち第１の共振手段１３０におけるインピーダンスが低下することが認められた。すなわち、異なる周波数を重畳して誘導加熱コイル１１０に交流電力を供給することで、被加熱物１０１の透磁率が低下する状態に変動し、特に高周波側のインピーダンスが低下するものと考えられる。したがって、第１の共振手段１３０からの高周波の出力が低下することとなるので、高周波による被加熱物１０１の表面における所望する焼入れが得られるためには、第１の共振手段１３０から供給する高周波の交流電力を、第２の共振手段２４０から中周波の交流電力を供給する直前の状態に維持する必要がある。すなわち、周波数を重畳する状態で交流電力を供給する場合では、透磁率の変動に対応して高周波側のインピーダンスの低下により、必要な高周波のコイル電流に対して減少する分を補う処理が必要となる。

具体的には、第１の共振手段１３０のみから交流電力を供給する高周波単独運転では、第１の共振手段１３０の設定値ＶＲ１を４０％とした場合、表１に示すように、交流電力の電圧値Ｖdcは約１９３Ｖで電流値Ｉdcは１８０Ａとなり、電力値Ｐdcは約３４．７ｋＷ（＝１９３〔Ｖ〕×１８０〔Ａ〕）となる。また、誘導加熱装置２００の第１の共振手段１３０における直流インピーダンスと逆変換器出力インピーダンスとの変換係数を０．８とすると、第１の共振手段１３０から見た誘導加熱コイル１１０のインピーダンスＺは、０．８×Ｚdc＝０．８×（１９３／１８０）≒０．８６〔Ω〕となる。

一方、高周波に中周波を重畳して交流電力を供給する状態では、第２の共振手段２４０の設定値ＶＲ２を７０％とした場合、第１の共振手段１３０からの交流電力の電圧値Ｖdcは１１５Ｖで電流値Ｉdcは１８０Ａとなり、電力値Ｐdcは約２０．７ｋＷ（＝１１５〔Ｖ〕×１８０〔Ａ〕）となる。このため、第１の共振手段１３０から見た誘導加熱コイル１１０のインピーダンスＺは、０．８×Ｚdc＝０．８×（１１５／１８０）＝０．５１〔Ω〕となる。このため、インピーダンスの減少割合は、０．５１／０．８６≒０．５９となる。すなわち、投入する電力も２０．７／３４．７≒０．６となり、６０％減少することとなる。

そして、上述したように、設定値と電流値とが正比例となる電圧形で電流一定制御をしている。このため、補う電流値分が設定値にほぼ対応することとなるので、設定値をインピーダンスの減少割合に対応して補正すればよいこととなる。すなわち、以下に示す式２にて、インピーダンスの減少割合の逆数で設定値を補正できることとなる。

（式２）
ＶＲｎ＝Ｋ×ＶＲ１
ＶＲｎ：補正後の第１の共振手段における設定値
ＶＲ１：補正前の第１の共振手段における設定値
Ｋ：補正定数

ここで、第１の共振手段１３０における設定値は電流のため、交流電力と２乗の関係ある。このことにより、補正定数Ｋは、以下に示す式３で表される。

（式３）
Ｋ＝（１／ｙ）^1/2
ｙ：インピーダンスの減少割合

そして、第２の共振手段２４０の設定値が約３５％となる誘導加熱コイル１１０におけるコイル電流が３６００Ａから高くなると、インピーダンスはほぼ安定した。すなわち、インピーダンスの減少割合は、図４のグラフ形状からも分かるように、ある程度の中周波のバイアス電流値で安定し、おおよそ指数関係となっている。したがって、インピーダンスの減少割合ｙは、以下に示す式４で表される。

（式４）
ｙ＝（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ
ｘ：第２の共振手段における設定値（＝ＶＲ２）
（すなわち、０≦ＶＲ１≦１）
Ｙ：第２の共振手段における最大設定値（ＶＲ２max）時の第１の共振手段におけるインピーダンスの減少割合（ＺB／ＺA）
（すなわち、第１の共振手段におけるインピーダンスが安定する減少分）
ｐ：減衰定数

ここで、所望の焼入れが得られるように誤差分を小さくすべく、第２の共振手段２４０における最大設定値時で第１の共振手段１３０におけるインピーダンスが安定する漸近線に対する誤差を１％以下に設定する。すなわち、減衰定数ｐは、以下に示す式５で表される。

（式５）
ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝
＝１／４．６
＝０．２１７
ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値

これら式２ないし式５に基づいて、周波数が重畳する状態で高周波のインピーダンスが低下する分を補正するための補正値を演算する関係式は、上述した式１で表される。すなわち、インピーダンスの低下分を補うために設定値が補正された補正値は、式１に基づいて演算される。

そして、式１を用いて、上述した誘導加熱装置２００における鋼管を輪郭焼入れ、すなわち外面から所定の厚さで焼入れする処理では、以下の式６に示すように補正値が演算される。

（式６）
ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
＝（１／（（１−０．５９）ｅ^(-70/21.7)＋０．５９）^1/2）×０．４０
＝１．２８５×０．４０
＝０．５１４

一方、この得られた補正値である新たな設定値で運転した場合、第１の共振手段１３０からの交流電力の電圧値Ｖdcは１１５〔Ｖ〕×１．２８５＝１４８〔Ｖ〕、電流値Ｉdcは１８０〔Ａ〕×１．２８５＝２３１〔Ａ〕となり、電力値Ｐdcは３４．２ｋＷ（＝１４８〔Ｖ〕×２３１〔Ａ〕）となる。そして、第１の共振手段１３０からのみ交流電力を供給する単独運転時、すなわち測定点Ａでは上述したように、３４．７ｋＷであることから、ほぼ同じ値となり、良好に補正できることがわかる。なお、補正後におけるインピーダンスは、０．８×（１４８〔Ｖ〕／２３１〔Ａ〕）＝０．５１〔Ω〕で、測定点Ｂにおける周波数を重畳して供給することによるインピーダンスと同一であるが、電力値は３４．２ｋＷである。このことから、制御手段１５０による制御により、周波数を重畳して供給することによる高周波のインピーダンスが低下する分を補償し、周波数を重畳して交流電力を供給する直前の測定点Ａにおける誘導加熱と同一の状態で誘導加熱できる。

なお、被加熱物１０１として鋼管に代えて歯車を輪郭焼入れする条件でも同様に実験した結果、第１の共振手段１３０におけるインピーダンスの変化率は、同様に、ほぼ指数関数的に減少することが認められた。

〔誘導加熱装置の作用効果〕
上述したように、上記実施の形態では、被加熱物１０１を誘導加熱する誘導加熱コイル１１０へそれぞれ異なる周波数の電力を供給する第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０，２４０で、供給する交流電力の異なる少なくとも２つの周波数である高周波と中周波とを重畳して誘導加熱コイル１１０に交流電力を供給することにより、制御手段１５０の変換値取得手段で、変化する被加熱物１０１の透磁率に対応して高い周波数の電力を供給する第１の共振手段１３０で大きさが変化する電力を周波数が重畳した供給の直前で供給していた電力状態に維持させるための補正値を取得すなわち演算し、制御手段１５０の処理手段で、演算した補正値に基づいて高い周波数の交流電力を供給する第１の共振手段１３０から供給する電力の供給状況を変更している。このため、異なる周波数が重畳する状態で第１の共振手段１３０および第２の共振手段１４０，２４０から電力を供給することで、被加熱物１０１の透磁率が変動して特に高い周波数の交流電力を供給する第１の共振手段１３０におけるインピーダンスが変動して電力が変動する分を補正でき、安定して高周波の交流電力を供給でき、良好な誘導加熱効率が得られ、良好な輪郭焼入れ処理が得られる。

そして、制御手段１５０は、第２の共振手段１４０，２４０で周波数を重畳させて交流電力を供給することにより変動する第１の共振手段１３０のインピーダンスの変化の割合に基づいて被加熱物１０１の透磁率が変化する割合を認識し、第１の共振手段１３０で供給する交流電力の大きさを制御している。このため、被加熱物１０１の透磁率の変化の割合に対応した第１の共振手段１３０で供給する電力の大きさをインピーダンスにより容易に認識でき、安定した電力供給のための制御が容易にできる。

さらに、制御手段１５０は、具体的に式１に基づいて、第１の共振手段１３０で供給する電力の大きさを制御している。このため、第１の共振手段１３０で供給する電力の変動分を適切な電力の大きさとする制御が演算のみででき、第１の共振手段１３０で透磁率の変動に対応してインピーダンスが変動する状況に応じて供給する電力の大きさの制御が容易にできる。特に、実験値に基づいてインピーダンスの変化率に基づき、この変化する割合分を補正する式１、すなわち指数関数的に変動するインピーダンスの変化率に対応した式１を求め、この式１に基づいて補正値を演算している。このため、適切に電力の減少分を補う制御が得られる。さらには、被加熱物１０１の形状や誘導加熱条件などが異なる場合でも式１にて制御でき、汎用性を向上できる。また、制御手段１５０の変換値取得手段は、式１に基づいて演算により変動する電力分を補正する補正値を取得している。このため、被加熱物１０１の形状や材質、焼入れ状態などの誘導加熱条件などに対応して補正値を適宜演算すればよく、汎用性を向上できる。

また、制御手段１５０により、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して誘導加熱コイル１１０に供給する第１の共振手段１３０における第１の発振手段１３１の第１のインバータ１３１Ｂに供給される直流電力の変動を検出し、第２の共振手段１４０，２４０における第２の発振手段１４１，２４１の第２のインバータ１４１Ｂ，２４１Ｂで供給される直流電力を第１の発振手段１３１で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して周波数を重畳させて誘導加熱コイル１１０に供給する直前での第１の発振手段１３１における第１のインバータ１３１Ｂに供給される直流電力の状態に維持させる制御をする。このため、周波数が重畳する状態で電力が供給される前の第１の共振手段１３０で供給する電力状態で維持する制御が、直流電力の簡単な制御で容易に得られる。

そして、図１に示す誘導加熱装置１００の構成では、第２の共振手段１４０は、第２の発振手段１４１が電圧形であり、この第２の発振手段１４１の出力側および第１の変圧器１２０の２次側に対して直列に接続され第１の共振手段１３０の周波数の帰還を減衰させるリアクトルＬ１を備えた構成としている。このため、周波数の帰還を減衰させる程度の比較的に小さいリアクトルＬ１を設ける簡単な構成で、第２の発振手段１４１として、例えば交流電源を直流電源に変換した後に所定の周波数の交流電源に変換する構成が容易な電圧形を利用することができる。

また、図２に示す誘導加熱装置２００の構成では、第１の共振手段１３０として、第１の発振手段１３１の出力側で第１の変圧器１２０の１次側に直列に接続され第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償するとともに第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０から帰還される周波数成分を減衰させる第１のコンデンサＣ１を備えた構成としている。また、第２の共振手段２４０としては、第２の発振手段２４１の出力側で第１の変圧器１２０の２次側に直列に接続され第１の共振手段１３０からの周波数の帰還を抑制するとともに第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償する第３のコンデンサＣ３を備えた構成としている。このため、第１の変圧器１２０の２次側を低いインダクタンスとすることで、第２の共振手段２４０にて供給される低い方の周波数の電流にとって低いインピーダンスとなるので、低い方の周波数の電流のバイパスとなり、第２の共振手段２４０の低い方の周波数により誘導加熱コイル１１０で被加熱物１０１を効率的に加熱する。また、第２の共振手段２４０の第３のコンデンサＣ３は、低いインダクタンスとした第１の変圧器１２０の無効電力を補償するので、第１の共振手段１３０の高い方の周波数の電流にとって低いインピーダンスに設定することが容易で、第２の共振手段２４０の第３のコンデンサＣ３が高い方の周波数の電流のバイパスとなり、第１の共振手段１３０の高い方の周波数により誘導加熱コイル１１０で被加熱物１０１が効率的に誘導加熱される。そして、第１の変圧器１２０の２次側が第１の共振手段１３０の高い周波数の帰還を阻止するためのリアクトルとして機能するので、第２の共振手段２４０に第１の共振手段１３０の高い周波数の帰還を阻止するためのリアクトルなどを設ける必要がなく、構成が簡略化する。

〔実施の形態の変形例〕
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などの種々の変更は本発明に含まれるものである。

例えば、図１に示す誘導加熱装置１００、すなわち第１の共振手段１３０として電圧形直列共振タイプで、第２の共振手段１４０として電圧形直列共振タイプとした構成としては、例えば図５に示す構成としてもよい。図５は、本発明におけるさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図で、図１に示す誘導加熱装置１００および図２に示す誘導加熱装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。具体的には、図５に示す誘導加熱装置３００は、誘導加熱コイル１１０と、第１の変圧器１２０と、高周波側となる電圧形直列共振タイプの第１の共振手段３３０と、中周波側となる電圧形直列共振タイプの第２の共振手段３４０と、を備えている。

第１の共振手段３３０は、図１に示す誘導加熱装置１００と同様の第１の発振手段１３１と、第１のコンデンサＣ１と、を備えている。この第１の共振手段３３０は、誘導加熱装置１００と同様に、第１の発振手段１３１における第１のインバータ１３１Ｂの出力端子間に、第１のコンデンサＣ１および第１の変圧器１２０の１次巻線１２１の直列回路が接続されている。

第２の共振手段３４０は、図１に示す誘導加熱装置１００と同様の第２の発振手段１４１と、リアクトルＬ１と、第３のコンデンサＣ３と、を備えている。リアクトルＬ１は、第２のインバータ１４１Ｂの出力端に第１の変圧器１２０の２次巻線１２２および誘導加熱コイル１１０の直列回路に直列で、第３のコンデンサＣ３に並列に接続され、第１の共振手段３３０における高周波の帰還成分を減衰し、直列共振回路を構成している。

そして、誘導加熱装置３００は、第１の共振手段３３０の第１の発振手段１３１で変換された高周波の交流電力が出力されと、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換して２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０に供給される。この誘導加熱コイル１１０への高周波の供給の際、第２の共振手段３４０の第３のコンデンサＣ３は、インピーダンスが十分に小さく設定されているので、高周波の電流のバイパスとなり、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。この高周波の供給により、誘導加熱コイル１１０が被加熱物１０１を誘導加熱させる。なお、第２の共振手段３４０のリアクトルＬ１により、第１の共振手段３３０からの高周波の帰還を減衰し、高周波の帰還による第２の共振手段３４０の損傷が防止される。

また、第２の共振手段３４０の第２の発振手段１４１で変換された中周波の交流電力が出力されると、第３のコンデンサＣ３およびリアクトルＬ１が直並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１が誘導加熱される。この中周波の供給の際、図１に示す誘導加熱装置１００と同様に、第１のコンデンサＣ１が中周波の帰還を減衰し、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２がバイパスとなり、中周波が効率よく供給される。

この図５に示す誘導加熱装置３００では、図１に示す誘導加熱装置１００と同様に、中周波の供給として電圧形インバータである第２のインバータ１４１Ｂを用い、この第２のインバータ１４１Ｂの出力端にリアクトルＬ１を直列に接続して第１の共振手段３３０，１３０における高周波の帰還を減衰させて直並列共振回路を構成させている。このため、所定の周波数の交流電力に変換することが容易な電圧形が、リアクトルＬ１を設ける簡単な構成で得られる。そして、リアクトルＬ１は、高周波の帰還を減衰させる程度でよいことから、電流形インバータを用いる場合に必要となるリアクトルＬｆより安価となり、コストの低減が容易に図れる。

また、本発明の誘導加熱装置として、高周波側および中周波側にそれぞれ電流形インバータを用いてもよい。すなわち、図２に示す誘導加熱装置２００の第１の共振手段１３０における電圧形インバータに代えて、図６に示すように、電流形インバータを用いてもよい。図６は、本発明におけるさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図で、図１に示す誘導加熱装置１００および図２に示す誘導加熱装置２００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。具体的には、図６に示す誘導加熱装置４００は、誘導加熱コイル１１０と、第１の変圧器１２０と、高周波側となる第１の共振手段４３０と、中周波側となる第２の共振手段２４０と、を備えている。

そして、第１の共振手段４３０は、第１の発振手段４３１と、並列コンデンサＣ５と、直列コンデンサＣ６と、を備えている。第１の発振手段４３１は、第２の発振手段２４１と同様に、第１のコンバータ１３１Ａと、第１のリアクトルＬｆ１と、第１のインバータ４３１Ｂと、を備えている。第１のインバータ４３１Ｂは、電流がインバータで、第１のリアクトルＬｆ１を介して直流電流が急変しないように第１のコンバータ１３１Ａから入力される直流電力を所定の周波数となる高周波の交流電力に変換する。並列コンデンサＣ５は、第１の変圧器１２０の１次巻線１２１に並列に接続され、第１のインバータ４３１Ｂから出力される所定の電圧で所定の高周波の交流電力により並列共振状態となる。この並列コンデンサＣ５は、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償する。直列コンデンサＣ６は、第１の変圧器１２０の１次巻線１２１に直列に接続され、並列コンデンサＣ５とにより並直列共振回路を構成する。この直列コンデンサＣ６は、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償するとともに、第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する。

この図６に示す誘導加熱装置４００は、第１の共振手段４３０の第１の発振手段４３１で変換された高周波の交流電力が出力されると、並列コンデンサＣ５および直列コンデンサＣ６が並直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換されて２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０に供給し、被加熱物１０１を誘導加熱させる。この誘導加熱コイル１１０への高周波の供給の際、図２に示す誘導加熱装置２００と同様に、第２の共振手段２４０の第３のコンデンサＣ３により、高周波の帰還を抑制し、第３のコンデンサＣ３がバイパスとなって、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。

また、第２の共振手段２４０の第２の発振手段２４１で変換された中周波の交流電力が出力されると、図２に示す誘導加熱装置２００と同様に、第３のコンデンサＣ３が並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１を誘導加熱させる。この中周波の供給の際、図２にしめす誘導加熱装置２００と同様に、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２がバイパスとなり、中周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。また、直列コンデンサＣ６が第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する。

この図６に示す誘導加熱装置４００では、高周波の供給として電流形インバータである第１のインバータ４３１Ｂを用い、第１の変圧器１２０の１次巻線１２１に並列に並列コンデンサＣ５を接続し、第１の変圧器１２０および誘導加熱コイル１１０の無効電力を補償させ、第１の変圧器１２０で第２の共振手段２４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰する直列コンデンサＣ６とにて並直列共振回路を構成させている。このため、仮に誘導加熱コイル１１０が短絡するなどの損傷が生じても、高周波の電流値は規格的に小さいことから、第１の発振手段４３１が損傷するなどを抑制できる。

さらに、本発明の誘導加熱装置として、図２に示す誘導加熱装置２００の電圧形インバータの構成と電流形インバータの構成とを逆、すなわち、図５に示す誘導加熱装置３００の第１の共振手段１３０における電圧形インバータに代えて、図７に示すように、電流形インバータを用いてもよい。図７は、本発明におけるさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図で、上述した各誘導加熱装置１００〜４００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。具体的には、図７に示す誘導加熱装置５００は、誘導加熱コイル１１０と、第１の変圧器１２０と、図６に示す誘導加熱装置４００と同様の第１の共振手段４３０と、図５に示す誘導加熱装置３００と同様の第２の共振手段３４０と、を備えている。

そして、この誘導加熱装置５００は、第１の共振手段４３０の第１の発振手段４３１で変換された高周波の交流電力が出力されると、並列コンデンサＣ５および直列コンデンサＣ６が並直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換して２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０に供給され、被加熱物１０１を誘導加熱する。この誘導加熱コイル１１０への高周波の供給の際、図５に示す誘導加熱装置３００と同様に、第２の共振手段３４０のリアクトルＬ１により、第１の共振手段４３０からの高周波の帰還を減衰し、第３のコンデンサＣ３がバイパスとなり、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。また、第２の共振手段３４０の第２の発振手段１４１で変換された中周波の交流電力が出力されると、第３のコンデンサＣ３およびリアクトルＬ１が直並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１が誘導加熱される。この中周波の供給の際、図６に示す誘導加熱装置４００と同様に、直列コンデンサＣ６が第１の変圧器１２０で第２の共振手段３４０から帰還される交流電力の中周波成分を減衰し、第１の変圧器１２０の２次巻線１２２がバイパスとなり、中周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。

また、本発明の誘導加熱装置として、図５に示す誘導加熱装置３００におけるコンバータおよび平滑コンデンサを、図８に示すように、共有化したものである。すなわち、図１に示す誘導加熱装置１００や図５に示す誘導加熱装置３００のように、それぞれのインバータが電圧形の場合、直流電力を供給する電源側の共有化を図ることができる。図８は、本発明におけるさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図で、上述した各誘導加熱装置１００〜５００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。この図８に示す誘導加熱装置６００は、誘導加熱コイル１１０と、第１の変圧器１２０と、交流電力を直流電力に変換する直流変換手段であるコンバータ６５０と、平滑コンデンサＣｆと、第１の共振手段６３０と、第２の共振手段６４０と、を備えている。

コンバータ６５０は、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続され交流電力を直流電力に変換する。第１の共振手段６３０は、第１の発振手段として機能する第１のインバータ１３１Ｂと、第１のコンデンサＣ１と、を備えている。第１のインバータ１３１Ｂは、コンバータ６５０で変換され平滑コンデンサＣｆを介して平滑されて入力される直流電力を所定の周波数となる高周波の交流電力に変換する。第２の共振手段６４０は、第２の発振手段として機能する第２のインバータ１４１Ｂと、第３のコンデンサＣ３と、リアクトルＬ１と、を備えている。そして、第２のインバータ１４１Ｂは、コンバータ６５０で変換され平滑コンデンサＣｆを介して平滑されて入力される直流電力を所定の周波数となる中周波の交流電力に変換する。

そして、図８に示す誘導加熱装置６００は、コンバータ６５０で変換され平滑コンデンサＣｆで平滑された直流電力を、第１のインバータ１３１Ｂにて所定の高周波の交流電力に変換するとともに、第２のインバータ１４１Ｂにて所定の中周波の交流電力に変換する。そして、第１の共振手段６３０の第１のインバータ１３１Ｂから高周波の交流電力が出力されると、第１のコンデンサＣ１が直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換して２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０に供給され、被加熱物１０１を誘導加熱する。この高周波の供給の際、上述したように、第２の共振手段６４０のリアクトルＬ１により、第１の共振手段６３０からの高周波の帰還を減衰し、第３のコンデンサＣ３がバイパスとなり、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。また、第２の共振手段６４０の第２のインバータ１４１Ｂから中周波の交流電力が出力されると、第３のコンデンサＣ３およびリアクトルＬ１が直並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１を誘導加熱する。この中周波の供給の際、上述したように、第１のコンデンサＣ１が中周波の帰還を減衰し第１の変圧器１２０の２次巻線１２２がバイパスとなり、中周波が効率よく供給される。

この図８に示す誘導加熱装置６００では、コンバータ６５０および平滑コンデンサＣｆが共有化され、部品点数が減少し、製造性の向上や装置コストの低減、小型軽量化が得られる。さらには、接続する電源が１つで済み設備が縮小化するなども容易に得られる。

また、本発明の誘導加熱装置としては、図８に示す誘導加熱装置６００におけるコンバータ６５０を共有化する構成において、例えば図９に示すように、誘導加熱装置６００の第１のインバータ１３１Ｂに電流形インバータを用いた構成である。すなわち、図７に示す誘導加熱装置５００におけるコンバータの共有化を図ったものである。図９は、本発明におけるさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図で、上述した各誘導加熱装置１００〜６００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。具体的には、図９に示す誘導加熱装置７００は、誘導加熱コイル１１０と、第１の変圧器１２０と、コンバータ６５０と、平滑コンデンサＣｆと、第１の共振手段７３０と、第２の共振手段６４０と、を備えている。

第１の共振手段７３０は、第１の発振手段７３１と、並列コンデンサＣ５と、直列コンデンサＣ６と、を備えている。第１の発振手段７３１は、コンバータ６５０に平滑コンデンサＣｆを介して接続されるチョッパ回路７６０と、リアクトルＬ３と、第１のインバータ４３１Ｂと、を備えている。そして、第１の発振手段７３１は、コンバータ６５０で変換され平滑コンデンサＣｆで平滑された直流電力を、チョッパ回路７６０で適宜遮断し、リアクトルＬ３を介して直流電流が急変しないように第１のインバータ４３１Ｂに入力させ、所定の周波数となる高周波の交流電力に変換する。

そして、図９に示す誘導加熱装置７００は、コンバータ６５０で変換され平滑コンデンサＣｆで平滑された直流電力を、チョッパ回路７６０にて適宜遮断してリアクトルＬ３を介して直流電流が急変しないように第１のインバータ１３１Ｂに入力させ、所定の周波数となる高周波の交流電力に変換するとともに、第２のインバータ１４１Ｂにて所定の中周波の交流電力に変換する。そして、第１の共振手段７３０の第１の発振手段７３１で変換された高周波の交流電力が出力されると、上述したように、並列コンデンサＣ５および直列コンデンサＣ６が並直列共振状態となり、第１の変圧器１２０で所定の電圧に変換されて２次巻線１２２から誘導加熱コイル１１０に供給され、被加熱物１０１を誘導加熱する。この高周波の供給の際、上述したように、第２の共振手段６４０のリアクトルＬ１により、第１の共振手段７３０からの高周波の帰還を減衰し、第３のコンデンサＣ３がバイパスとなり、高周波が誘導加熱コイル１１０に効率よく供給される。また、第２の共振手段６４０の第２のインバータ１４１Ｂで変換された中周波の交流電力が出力されると、第３のコンデンサＣ３およびリアクトルＬ１が直並列共振状態となり、誘導加熱コイル１１０に中周波の交流電力が供給されて被加熱物１０１を誘導加熱する。この中周波の供給の際、上述したように、第１のコンデンサＣ１が中周波の帰還を減衰し第１の変圧器１２０の２次巻線１２２がバイパスとなり、中周波が効率よく供給される。

さらに、本発明の誘導加熱装置として、図９に示す誘導加熱装置７００で、高周波側に電流がインバータを用いる構成について例示したが、その逆に、中周波側に電流形インバータを用いてよい。さらには、双方に電流形インバータを用いる構成についてもコンバータの共用化を図った構成としてもよい。

また、被加熱物１０１としては、上述したように、鋼管や表面に複数の凹凸を有した複雑な形状の歯車や複数の部材が積層するような複合材料など、誘導加熱されるいずれのものを対象とすることができる。また、高周波と中周波とを供給する構成について説明したが、さらに他の周波数を供給する構成としてもよい。さらには、高周波および中周波のみに限らず、少なくとも２つの異なる周波数を重畳して供給可能な構成とすることができる。

そして、誘導加熱装置１００〜７００の構成において、誘導加熱コイル１１０を備えた構成として説明したが、誘導加熱コイル１１０を別体として、誘導加熱する被加熱物１０１に対応して構成した誘導加熱コイル１１０を適宜接続する構成としてもよい。

また、制御手段１５０として、第１の発振手段１３１，４３１および第２の発振手段１４１，２４１の双方を制御、あるいは、コンバータ６５０と、第１のインバータ１３１Ｂおよび第２のインバータ１４１Ｂとをそれぞれ制御、さらには、コンバータ６５０と、チョッパ回路７６０と、第１のインバータ１３１Ｂおよび第２のインバータ１４１Ｂとをそれぞれ制御して説明したが、例えば第１の発振手段１３１，４３１を制御する高周波側の制御手段と、第２の発振手段１４１，２４１を制御する中周波側の制御手段とに分けて、それぞれで制御するなどしてもよい。

さらに、式１に基づいて演算して得られた補正値で制御する構成に限らず、例えば上述したように、被加熱物１０１の形状や材質、誘導加熱条件などに基づいてあらかじめマトリックス状に設定された補正値を読み取ったり、被加熱物１０１の形状や材質など毎に、式１からより詳細に設定された式に基づいて演算、具体的には設定値と電流値とが正比例の関係でない２次や指数などの関数関係である場合、その関数に基づいて補正する演算をするなど、被加熱物１０１が変動する透磁率に対応して供給する高周波側の電力の低減分を補正するいずれの制御方法を利用することができる。

また、誘導加熱装置１００〜７００を構成する制御手段１５０に限らず、誘導加熱するための装置に適宜接続可能とし、適切に交流電力を供給させる制御をする制御手段１５０を独立した構成としてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構成に変更するなどしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。 上記一実施の形態における第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する制御方法を設定するための本発明の他の実施の形態である実験装置を示す回路図である。 上記一実施の形態における図２に示す実験装置による実験の際の異なる周波数の交流電力の供給状況による第１の共振手段における電圧値および電流値を測定するタイミングを説明するタイミングチャートで、（Ａ）は第１の共振手段における交流電力の供給状況を示す波形図、（Ｂ）は第２の共振手段における交流電力供給状況を示す波形図である。 上記一実施の形態における図２に示す実験装置による実験により第２の共振手段で周波数を重畳して交流電力を供給した際の中周波のバイアス電流の大きさに対する第１の共振手段におけるインピーダンスの変化率を示すグラフである。 本発明のさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示す回路図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００…誘導加熱装置
１０１…被加熱物
１１０…誘導加熱装置
１２０…変圧器としての第１の変圧器
１３０，３３０，４３０，６３０，７３０…共振手段である第１の共振手段
１３１，４３１，７３１…第１の発振手段
１３１Ｂ…第１の発振手段としても機能し得る第１のインバータ
１４０，２４０，３４０，６４０…共振手段である第２の共振手段
１４１，２４１…第２の発振手段
１４１Ｂ…第２の発振手段としても機能し得る第２のインバータ

Claims (19)

1. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱する加熱装置の制御をする誘導加熱制御装置であって、
   前記共振手段で供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率の変化に対応して高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変化する電力を、前記異なる少なくとも２つの周波数を重畳して供給する直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得する変換値取得手段と、
   この変換値取得手段で取得した変換値に基づいて、前記高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更させる処理手段と、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱制御装置。
2. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱する加熱装置の制御をする誘導加熱制御装置であって、
   前記共振手段で供給する電力の異なる少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する前記共振手段のインピーダンスの変化に対応して、この高い周波数の電力を供給する共振手段で大きさが変化する電力を前記異なる少なくとも２つの周波数を重畳して供給する直前で供給していた電力状態に維持させるための変換値を取得する変換値取得手段と、
   この変換値取得手段で取得した変換値に基づいて、前記高い周波数の電力を供給する共振手段から供給する電力の供給状況を変更させる処理手段と、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の誘導加熱制御装置であって、
   前記変換値取得手段は、前記変換値を演算により取得する
   ことを特徴とした誘導加熱制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の誘導加熱制御装置であって、
   前記変換値取得手段は、あらかじめ演算され記憶手段に記憶された前記変換値を読み出して取得する
   ことを特徴とした誘導加熱制御装置。
5. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイル、および、異なる周波数の電力を少なくとも異なる２つの周波数が重畳されて前記誘導加熱コイルへ供給可能な複数の共振手段を備えた加熱装置と、
   この加熱装置の前記共振手段を制御する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱制御装置と、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱装置。
6. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
   この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、
   前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、
   前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、
   前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御して所定の周波数の電力を供給させる制御手段と、を具備し、
   前記制御手段は、前記第１の共振手段で供給する電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率が変化する割合に対応して前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
   ことを特徴とした誘導加熱装置。
7. 請求項６に記載の誘導加熱装置であって、
   前記制御手段は、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する前記第１の共振手段のインピーダンスの割合に基づいて前記被加熱物の透磁率が変化する割合を認識し、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
   ことを特徴とした誘導加熱装置。
8. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
   この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、
   前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、
   前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、
   前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御して所定の周波数の電力を供給させる制御手段と、を具備し、
   前記制御手段は、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することにより変動する前記第１の共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
   ことを特徴とした誘導加熱装置。
9. 請求項７または請求項８に記載の誘導加熱装置であって、
   前記制御手段は、前記第１の共振手段のインピーダンスが前記第２の共振手段から電力を供給する直前のインピーダンスに維持される状態に前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
   ことを特徴とした誘導加熱装置。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
    前記制御手段は、以下の式１に基づいて、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
    式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
    ＶＲｎ：補正後の第１の共振手段から供給する電力割合
    ＶＲ１：補正前の第１の共振手段から供給する電力割合
    ｘ：第２の共振手段から供給する電力割合
    Ｙ：第２の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
    ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
    ことを特徴とした誘導加熱装置。
11. 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
    前記第１の共振手段は、供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記誘導加熱コイルに供給する第１の発振手段を備え、
    前記第２の共振手段は、供給される直流電力を前記第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換して前記誘導加熱コイルに供給する第２の発振手段を備え、
    前記制御手段は、前記第１の共振手段から供給する電力の周波数に前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給することで前記第１の発振手段に供給される直流電力の変動を検出し、前記第２の共振手段で周波数を重畳させて電力を供給する直前の直流電力に維持する状態に、前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する
    ことを特徴とした誘導加熱装置。
12. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
    この誘導加熱コイルに所定の周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、
    前記誘導加熱コイルに前記第１の共振手段の周波数より低い周波数の電力を供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、
    前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、
    前記第１の共振手段で供給する電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給可能に前記第１の共振手段および前記第２の共振手段を制御するとともに、以下の式１に基づいて前記第１の共振手段で供給する電力の大きさを制御する制御手段と、
    式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
    ＶＲｎ：補正後の第１の共振手段から供給する電力割合
    ＶＲ１：補正前の第１の共振手段から供給する電力割合
    ｘ：第２の共振手段から供給する電力割合
    Ｙ：第２の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
    ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
    を具備したことを特徴とした誘導加熱装置。
13. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
    供給される直流電力を所定の周波数の交流電力に変換する第１の発振手段を備え、この変換した交流電力を前記誘導加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第１の共振手段と、
    供給される直流電力を前記第１の発振手段で変換する周波数より低い周波数の交流電力に変換する第２の発振手段を備え、この変換した交流電力を前記誘導加熱コイルに供給して前記被加熱物を誘導加熱させる第２の共振手段と、
    前記第１の共振手段に１次側が接続され前記第２の共振手段に２次側が接続された変圧器と、
    前記第１の発振手段および前記第２の発振手段に供給される直流電力を、前記第１の共振手段で供給する交流電力の周波数と前記第２の共振手段で供給する交流電力の周波数とを重畳して前記誘導加熱コイルに交流電力を供給可能に制御するとともに、前記第１の発振手段に供給される直流電力を前記第２の共振手段で周波数を重畳させて交流電力を供給する直前の直流電力に維持する状態に制御する制御手段と、
    を具備したことを特徴とした誘導加熱装置。
14. 請求項１１または請求項１３に記載の誘導加熱装置であって、
    前記第１の共振手段は、前記第１の発振手段の出力側で前記変圧器の１次側に直列に接続され前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するとともに前記変圧器で前記第２の共振手段から帰還される周波数成分を減衰させるコンデンサを備え、
    前記第２の共振手段は、前記第２の発振手段の出力側で前記変圧器の２次側に直列に接続され前記第１の共振手段からの周波数の帰還を抑制するとともに前記変圧器および前記誘導加熱コイルの無効電力を補償するコンデンサを備えた
    ことを特徴とした誘導加熱装置。
15. 請求項１１、請求項１３および請求項１４のうちのいずれかに記載の誘導加熱装置であって、
    前記第２の共振手段は、
    第２の発振手段が電圧形であり、
    この第２の発振手段の出力側および前記変圧器の２次側に直列に接続され前記第１の共振手段の周波数の帰還を減衰させるリアクトルを備えた
    ことを特徴とした誘導加熱装置。
16. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、
    前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより前記被加熱物の透磁率が変化する割合に応じて高い周波数の電力を供給する前記共振手段の供給する電力の大きさを制御する
    ことを特徴とする誘導加熱方法。
17. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、
    前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給することにより高い周波数の電力を供給する前記共振手段のインピーダンスの変動状況に対応して前記高い周波数の電力を供給する共振手段の供給する電力の大きさを制御する
    ことを特徴とする誘導加熱方法。
18. 被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルに複数の共振手段からそれぞれ異なる周波数の電力を供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、
    前記共振手段から供給する電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに電力を供給する際に、以下の式１に基づいて、高い周波数の電力を供給する前記共振手段で供給する電力の大きさを制御する
    式１：ＶＲｎ＝（１／（（１−Ｙ）ｅ^-x/p＋Ｙ）^1/2）×ＶＲ１
    ＶＲｎ：補正後の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
    ＶＲ１：補正前の高い周波数側の共振手段から供給する電力割合
    ｘ：低い周波数側の共振手段から供給する電力割合
    Ｙ：低い周波数側の共振手段から規格最大電力値（ＶＲ２max）で供給する際の第１の共振手段の負荷抵抗
    ｐ：減衰定数（ｐ＝ＶＲ２max／ＡＢＳ｛ｌｎ（１％）｝，ＡＢＳ｛ｍ｝：ｍの絶対値）
    ことを特徴とする誘導加熱方法。
19. 直流電力を所定の異なる周波数の交流電力にそれぞれ変換する複数の共振手段から被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにそれぞれ供給させて前記被加熱物を誘導加熱する誘導加熱方法であって、
    前記共振手段から供給する交流電力の少なくとも２つの周波数を重畳して前記誘導加熱コイルに交流電力を供給する際に、高い周波数の交流電力を供給する前記共振手段に供給される直流電力を、低い周波数の交流電力を重畳して供給する前記共振手段で交流電力を供給する直前における直流電力に維持する状態に制御する
    ことを特徴とする誘導加熱方法。

Images