CN117529973A - 高频加热装置用的加热线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频加热装置用的加热线圈，冷却效率良好，即使在高输出条件下也能够长期不损伤地持续使用，并且能够在制造时再现性良好地制造相同特性的加热线圈。加热线圈(1)使用基于三维数据反复进行由导电性物质构成的粉末的敷设、熔融、凝固、层叠的造型方法而一体地形成，并具有：一对板状的接地部(2a、2b)，用于与产生高频电流的电极抵接；一对板状的支承部(3a、3b)，配置成与各接地部(2a、2b)分别正交；以及环状的加热部(4)，设置成将这些支承部(3a、3b)的前端彼此连接。并且，在各接地部(2a、2b)、各支承部(3a、3b)和加热部(4)的内部形成有用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道(6a、6b)。

Description

高频加热装置用的加热线圈

技术领域

本发明涉及一种利用基于高频电流的电磁感应对被加工物进行加热的高频加热装置中使用的加热线圈。

背景技术

为了提高金属制的被加工物(工件)的表面附近的部分的硬度，进行将被加工物的表面加热到金属的相变点(奥氏体相变点)以上的温度后急冷的加工(所谓淬火加工)。并且，作为用于进行这样的淬火加工的方法，广泛采用如下方法：使用高频加热装置，使流过高频电流的金属制的构件(加热线圈)接近被加工物的表面，由此加热被加工物。

在现有的加热线圈中，设置有使高频电源接地的一对接地部、用于外嵌于被加工物的环状的线圈部、以及用于连结这些接地部和线圈部的一对连结部。此外，为了控制流过高频电流时的发热，在现有的加热线圈中，在线圈部设置有用于使水等冷却介质流通的冷却水通道。例如，在专利文献1中公开了一种加热线圈，通过将在内表面刻设有凹状槽的线圈板层叠而在线圈部的内部形成冷却水通道。

此外，一般的加热线圈在提高了高频电源的输出的情况下，为了防止在并列设置的一对接地部之间和一对连结部之间产生绝缘破坏，使由合成树脂构成的绝缘板介于一对接地部之间和一对连结部之间(专利文献2)。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报专利第4358292号

专利文献2：日本专利公开公报特开2020-115428号

但是，上述现有的高频加热装置用的加热线圈为了在线圈部设置中空状的冷却水通道而必须通过银焊料等粘接多个部件而形成，因此如果在高输出条件下(在施加高电压的高频电源的加工条件下)持续使用，则容易发生破损从而导致冷却介质漏出的情况。此外，现有的高频加热装置用的加热线圈由于仅在线圈部设置冷却机构，因此冷却效率差，如果在高输出条件下持续使用，则由于接地部、连结部被保持在高温下，所以绝缘板碳化、劣化，还存在产生沿面放电引起的绝缘破坏的不良情况。

此外，上述现有的加热线圈必须通过钎焊多个部件而形成，因此在制造时难以再现性良好地制造相同特性的加热线圈，因此还存在被加热的被加工物的质量产生偏差的不良情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频加热装置用的加热线圈，能够解决上述现有的高频加热装置用的加热线圈的问题，冷却效率良好，即使在高输出条件下也能够长期不损伤地持续使用，而且能够在制造时再现性良好地制造相同特性的高频加热装置用的加热线圈。

在本发明中，发明1所述的发明是一种高频加热装置用的加热线圈，在利用基于高频电流的电磁感应来加热被加工物的高频加热装置中使用，所述高频加热装置用的加热线圈的特征在于，所述加热线圈使用基于三维数据反复进行由导电物质构成的粉末的敷设、熔融、凝固、层叠的造型方法(以下称为导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法)或基于三维数据将熔融的导电性物质层叠的造型方法(以下称为导电性物质的熔融挤出层叠方法)而一体地形成，所述加热线圈具有：一对板状的接地部，用于与使高频电流流通的电极抵接；一对板状的支承部，配置成与各所述接地部分别正交；以及环状的加热部，设置成将这些支承部的前端彼此连接，在各所述接地部、各所述支承部和所述加热部的内部形成有用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道。

发明2所述的发明在发明1所述的发明的基础上，其特征在于，用于向所述冷却介质流道注入冷却介质的注入口和/或用于从所述冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于所述接地部。

发明3所述的发明在发明1所述的发明的基础上，其特征在于，用于向所述冷却介质流道注入冷却介质的注入口和/或用于从所述冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于所述加热部。

发明1所述的高频加热装置用的加热线圈(以下简称为加热线圈)不仅在环状的加热部的内部、而且在各接地部和各支承部的内部形成有用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道，在被加工物的加热处理中，不仅加热部被冷却，而且接地部和支承部也同时被冷却，因此不会产生长时间保持高温状态的部分。因此，发明1所述的加热线圈不易发生绝缘板的碳化、劣化等引起的绝缘破坏、以及向特定的部分的应力集中引起的破损等情况，因此耐久性优异，即使在高输出条件下也能够长期反复进行对被加工物的加热处理。

此外，发明1所述的加热线圈通过基于三维数据的导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法或导电性物质的熔融挤出层叠方法而形成，因此不存在现有的加热线圈那样由银焊料形成的粘接部分，因此即使连续使用而导致温度上升也不会变形，能够长期实施按规格的加热处理(淬火处理)。此外，发明1所述的加热线圈通过基于三维数据的导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法或导电性物质的熔融挤出层叠方法而形成，因此能够不受制造作业者的技能左右而再现性良好且有效地制造具有相同形状、相同特性的产品。

此外，发明1所述的加热线圈不进行钎焊，而通过基于三维数据的导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法或导电性物质的熔融挤出层叠方法而一体地形成，在加热部、各接地部和各支承部的内部形成有一系列的冷却介质流道，因此不需要设置多个冷却介质供给机构，而且能够降低冷却介质的损失(即冷却介质对热交换没有很大贡献而被排出的情况)。

在发明2所述的加热线圈中，用于向冷却介质流道注入冷却介质的注入口、用于从冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于接地部，因此能够使高频加热装置的加热线圈的安装部分省空间且紧凑，而且能够使向高频加热装置的主体的安装、拆卸变得容易。

在发明3所述的加热线圈中，用于向冷却介质流道注入冷却介质的注入口、用于从冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于加热部，能够向最容易成为高温的加热部供给刚从水源导入后的低温的冷却介质，因此冷却效率极其优异，能够在施加非常高的输出的高频电源的状态下使用。

附图说明

图1是加热线圈的主视图。

图2是加热线圈的后视图。

图3是加热线圈的左侧视图。

图4是加热线圈的俯视图(透视内部的冷却介质流道的俯视图)。

图5是加热线圈的立体图。

图6是加热线圈的接地部的剖视图(图4中的A-A线端面图)。

图7是加热线圈的支承部的剖视图(图4中的B-B线端面图)。

图8是表示制造加热线圈的情况的说明图(a是俯视图，b是铅垂剖视图)。

图9是表示加热线圈的变更例的说明图。

具体实施方式

本发明的加热线圈需要通过利用三维打印并基于三维数据的造型方法一体地形成。作为上述造型方法，可以采用基于三维数据反复进行由导电性物质构成的粉末的敷设、熔融、凝固、层叠的造型方法(导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法)、或者基于三维数据将熔融的导电性物质层叠的造型方法(导电性物质的熔融挤出层叠方法)。另外，作为加热线圈的造型方法，如果使用导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法，则能够容易制造具有复杂形状和结构的加热线圈，因此是优选的。

在本发明中，作为造型的原料而使用的导电性物质是指实质上不具有磁性且具有良好的导电性的物质。作为上述导电性物质，可以举出铜、黄铜、银等。在这些导电性物质中，如果使用铜，则能够降低材料费等成本，并且在能够通过三维打印而廉价且容易地制造加热线圈的基础上，导电性极其良好，基于电磁感应的发热效率高，因此是优选的。

此外，在使用铜作为导电性物质的情况下，也可以使用纯铜，但如果使用在铜中以比铜少的比例含有铁、锡、镍、钛、铍、锆、铬、硅等的合金(高铜合金)，则能够提高激光的吸收而促进温度上升，因此是优选的。此外，在这些铜合金中，如果使用在铜中含有铬的铜铬合金，则能够在较高地维持基于三维打印的制造效率的状态下有效地提高加热线圈的强度，因此是更优选的，如果使用在铜中以规定的比例含有铬和锆的合金(C18150，即含有98.71～99.45质量％的铜、0.50～1.00质量％的铬、0.05～0.25质量％的锆)，则是特别优选的。

在利用导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法对本发明的加热线圈进行造型的情况下，需要通过激光或电子束的照射使所敷设的造型的原料(即由导电性物质构成的粉末)熔融。作为此时的激光，可以适当地使用半导体激光、二氧化碳激光、准分子激光、YAG激光、光纤激光等，如果使用光纤激光(即，将添加了Yb等稀土类元素的光纤用作激光介质的激光)，则能够通过小型装置以高输出得到光轴没有偏移的激光，能够非常高效地制造尺寸精度高的加热线圈，因此是优选的。

此外，通过导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法对加热线圈进行造型时的光纤激光的输出、波长没有特别限定，但如果将输出调整为400～1,000w的范围内、将波长调整为1,000～1,100nm的范围内，则能够在短时间内进行有效的造型，因此是优选的。此外，在使用铜(纯铜)作为导电性物质的情况下，为了提高铜粉末中的激光的吸光率来提高加热线圈的制造效率，也可以在铜粉末中添加由石墨和无机氧化物的混合粉末等构成的吸收剂。

此外，本发明的加热线圈需要具有：一对板状的接地部，用于与使高频电流流通的电极抵接；一对板状的支承部，配置成与各接地部分别正交；以及环状的加热部，设置成将这些支承部的前端彼此连接。加热部需要形成为环状，但不限定于圆环状，也可以是非圆环状(例如俯视为矩形)。另一方面，各支承部只要是配置成与各接地部分别正交的一对板状(或棒状)的支承部，则其形状没有特别限定，但优选对于角部进行倒角，以使在施加电力时不产生放电现象。

此外，本发明的加热线圈需要在各接地部、各支承部和加热部的内部形成用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道。该冷却介质流道可以是设置成连接左右的接地部、左右的支承部和加热部的内部的单一流道，也可以是设置成在加热线圈的左右分别连接接地部、支承部和加热部的内部的两条流道。此外，如果将冷却介质流道形成为在内壁上没有接缝或规定的高度以上(1.0mm以上)的台阶的流道、或形成为弯曲部分、连结部分为平缓的曲线状(曲率半径为5mm以上的曲线状)的流道，则冷却介质的流通方式非常顺畅，加热线圈的接地部、支承部的冷却效率极其良好，因此是优选的。

实施例

[实施例1]

<加热线圈的结构>

以下，基于附图对本发明的加热线圈的一个实施方式进行详细说明。图1～图7表示加热线圈，加热线圈1包括由铜(高铜合金，C18150)一体形成的线圈主体21、由具有绝缘性和耐热性的合成树脂(氟树脂)形成为片状的绝缘板31、螺钉构件(未图示)。并且，加热线圈1具有纵(前后)×横(宽度)×高度＝300mm×225mm×200mm(纵、横、高度均为最大部分的长度)的大小。

线圈主体21通过利用后述的三维打印的造型方法而成形，具有用于与高频电源的电极抵接的接地部2a、2b、用于通过感应加热来加热被加工物(工件)的加热部4、以及用于在从各接地部2a、2b离开的位置支承加热部4的支承部3a、3b。另外，线圈主体21通过利用三维打印的造型方法而成形，因此整体呈相同颜色，表面整体成为相同的粗糙度(表面粗糙度)。

各接地部2a、2b形成为左右一对扁平的长方体状(板状)，在使一方的侧面相对的状态下，隔开规定的距离(约2mm)并左右相邻地配置。此外，在各接地部2a、2b的上表面分别以向上方突出的方式设置有圆筒形的排水管7a、7b。

此外，各支承部3a、3b形成为左右一对扁平的长方体状(板状)，在使一方的板面相对的状态下，隔开规定的距离(约2mm)并左右相邻地配置。并且，各支承部3a、3b的基端缘的部分与左右的接地部2a、2b的内侧的端缘附近相连，各支承部3a、3b的板面成为与各接地部2a、2b的板面正交的状态。

另一方面，加热部4用于在插入有被加工物(工件)的状态下进行加热，具有将配置在上侧的上圆弧状体9a、9b和配置在下侧的下圆弧状体10分别通过铅垂的连接体11a、11b连接的形状。并且，上圆弧状体9a、9b和下圆弧状体10俯视为环状(圆环状)。另外，上圆弧状体9a、9b在内侧的板面相对的状态下，隔开规定的距离(约2mm)并左右相邻地配置，成为形成一个圆弧的状态。并且，各上圆弧状体9a、9b分别成为经由管状的连结体12a、12b连接于左右的支承部3a、3b的前端的状态。

此外，上圆弧状体9a、9b与下圆弧状体10均为与长边方向垂直的铅垂截面的形状(倒角的圆角矩形)。并且，在下圆弧状体10的左端缘附近的上表面，用于从外部注入冷却介质的内侧注入管13a和外侧注入管13b设置成沿铅垂方向朝向上方伸长。

并且，加热线圈1在接地部2a、2b、支承部3a、3b和加热部4的内部形成有用于使冷却用的介质(水)流通的左右两个一系列的冷却介质流道6a、6b。即，左侧的冷却介质流道6a从内侧注入管13a经由下圆弧状体10的内部(比内侧注入管13a靠向上侧的内部)、左侧的连接体11a、左侧的上圆弧状体9a的内部、左侧的支承部3a的内部、左侧的接地部2a到达左侧的排水管7a。

另一方面，右侧的冷却介质流道6b从外侧注入管13b经由下圆弧状体10的内部(比外侧注入管13b靠向下侧的内部)、右侧的连接体11b、右侧的上圆弧状体9b的内部、右侧的支承部3b的内部、右侧的接地部2b到达右侧的排水管7b。另外，左侧的冷却介质流道6a、右侧的冷却介质流道6b均分别在支承部3a、3b的内部暂时分为三路(6α、6β、6γ)，在分别被单独引导到左右的接地部2a、2b的内部之后，在各接地部2a、2b的内部成为汇集为一路的状态。

另外，加热线圈1通过三维打印一体地形成，因此左侧的冷却介质流道6a、右侧的冷却介质流道6b均形成为所有弯曲部分、连结部分为平缓的曲线状(曲率半径为5mm以上的曲线状)，成为没有形成急剧的弯折形状的状态。此外，左侧的冷却介质流道6a、右侧的冷却介质流道6b均成为在内壁没有形成接缝或规定的高度(1.0mm)以上的台阶的状态。

此外，在线圈主体21的左右的接地部2a、2b之间、左右的支承部3a、3b之间、加热部4的左右的上圆弧状体9a、9b之间、以及左右的连结体12a、12b之间夹入有规定的厚度(约2.0mm)的片状的绝缘板31，在该状态下，左右的支承部3a、3b和绝缘板31通过插通螺纹孔8、8的螺栓(未图示)螺纹连接。另外，这些螺栓成为经由具有绝缘性、耐热性的合成树脂(玻璃环氧树脂)制的衬套(未图示)将支承部3a、3b和绝缘板31螺纹连接的状态，支承部3a、3b彼此不会通过该螺栓导通。

<加热线圈的制造方法>

图8表示形成加热线圈1的情况，用于形成加热线圈1的三维打印装置M具有：在中央形成有长方体状的凹状部的框架F、设置成相对于该框架F能够升降的升降构件、用于照射激光L的照射单元S、用于反射激光的反射单元R、以及用于使升降构件升降的驱动单元(未图示)等。并且，在升降构件设置有具有与框架F的凹状部的开口部分大致相同面积的工作台T。

在通过三维打印装置M制造加热线圈1时，首先，在位于上升位置的升降构件的工作台T的表面以成为规定的厚度(例如30μm)的方式敷设铜合金(含有99.3质量％的Cu、0.6质量％的Cr和0.10质量％的Zr的C18150)的粉末(仅在工作台T的表面与框架F的外框的表面的间隙铺上铜粉末)。并且，对该铜合金粉末以规定形状照射规定输出的激光(光纤激光)L，使铜合金粉末的一部分熔融、冷却并凝固，由此形成加热线圈1的一部分。

如上所述，在形成加热线圈1的一部分之后，通过驱动单元使升降构件的工作台T下降规定的高度(例如30μm)。并且，在该高度位置，反复进行“在先形成的加热线圈1的一部分的上侧上的铜合金粉末的敷设→对铜合金粉末照射激光L→熔融的铜合金的冷却、固化(基于凝固的固化)”这样的动作。并且，如上所述，通过将“使升降构件的工作台T下降→敷设铜合金粉末→对铜合金粉末照射激光L→熔融的铜合金的冷却、固化”这样的动作反复进行规定的次数(例如5,000次)，能够一体地形成由铜合金构成的加热线圈1。

<加热线圈的使用方法>

以上述方式构成的加热线圈1使左右的接地部2a、2b与电极接地，在将被加工物(工件)插入到加热部4的环状部分(即由上圆弧状体9a、9b和下圆弧状体10形成的环)的内部的状态下，经由电极接通外部电源(高频电源)，能够利用电磁感应现象来加热被加工物。此外，从内侧注入管13a将冷却介质(水)注入到左侧的冷却介质流道6a并从排水管7a排水，并且从外侧注入管13b将冷却介质注入到右侧的冷却介质流道6b并从排水管7b排水，由此通过有效地冷却加热部4以及接地部2a、2b和支承部3a、3b，能够防止由绝缘板31的熔融导致损伤等情况。

<加热线圈的效果>

如上所述，加热线圈1不仅在加热部4的内部，而且在各接地部2a、2b和各支承部3a、3b的内部也形成有用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道6a、6b，因此在被加工物的加热处理中，不仅加热部4被冷却，而且各接地部2a、2b和各支承部3a、3b也同时被冷却，所以不会发生长时间保持高温的情况。因此，加热线圈1不会发生绝缘板31的碳化、劣化引起的绝缘破坏、以及向特定的部分的应力集中引起的破损等情况，因此耐久性优异，即使在高输出条件下也能够长期反复进行对被加工物的加热处理。

此外，加热线圈1通过使用了三维打印装置M的造型方法(即基于三维数据的导电性物质粉末层的部分熔接层叠方法)而形成，不存在现有的加热线圈那样由银焊料等形成的粘接部分，因此不会因连续使用而变形，能够长期实施按规格的淬火处理。此外，加热线圈1通过使用了三维打印装置M的造型方法而形成，因此能够不受制造作业者的技能左右而再现性良好且有效地制造具有相同形状、相同特性的产品。此外，加热线圈1不进行钎焊，而通过使用了三维打印装置M的造型方法，在加热部4、各接地部2a、2b和各支承部3a、3b的内部形成有一系列的冷却介质流道6a、6b，因此不需要设置多个冷却水供给机构，而且能够降低冷却水的损失。

此外，在加热线圈1中，用于从冷却介质流道6a、6b排出冷却介质的排出口7a、7b设置于接地部2a、2b，因此能够将高频加热装置的加热线圈的安装部分省空间且紧凑地设计，而且能够使向高频加热装置的主体的安装、拆卸变得容易。

此外，在加热线圈1中，用于向冷却介质流道6a、6b注入冷却介质的注入口13a、13b设置于加热部4，因此能够向最容易成为高温的加热部4供给刚从水源导入后的低温的冷却介质，因此冷却效率极其优异，能够在以非常高的输出施加高频电源的状态下使用。

<耐久性的评价>

制造十个上述加热线圈1，为了评价耐久性，一边进行利用了冷却介质流道6a、6b的冷却(冷却水的流量＝80L/min.)、一边在60kVA×10秒的使用条件下反复进行10万次的照射(通过高频电源的通电进行的被加工物的加热处理)，但在任意一个加热线圈中均未发生由绝缘板31的碳化、劣化引起的绝缘破坏。此外，测量上述使用条件下的被加工物的加热处理中的加热线圈1的支承部3a、3b的表面温度，未发现从照射开始前(约30℃)有大的温度上升。表1表示该表面温度的测量结果。

[比较例1]

使用与实施例1同样的原料，使用与实施例1同样的三维打印装置M的造型方法，由此制造比较例1的加热线圈1’，该比较例1的加热线圈1’具有与实施例1的加热线圈外形相同且在接地部和支承部的内部没有形成冷却介质流道的形状(使内侧注入管13a和外侧注入管13b在加热部4的内部连通，形成了“内侧注入管13a→加热部4→外侧注入管13b”的路径的冷却介质流道)。并且，使用该比较例1的加热线圈1’，在一边进行仅对加热部4的冷却(冷却水的流量＝80L/min.)、一边在60kVA×10秒的使用条件下反复照射约30分钟之后，测量加热线圈1’的支承部3a、3b的表面温度。其结果，可知温度从照射开始前有大幅上升。表1表示该表面温度的测量结果。

[表1]

<加热线圈的变更例>

本发明的加热线圈不限定于上述实施方式的方式，能够根据需要在不脱离本发明的主旨的范围内，适当变更材质、接地部、支承部、加热部的形状、结构等构成。

例如，本发明的加热线圈不限定于上述实施方式那样通过上圆弧状体和下圆弧状体设置环状的加热部，也可以如图9那样设置单纯的圆环状的加热部等，能够根据使加热部、接地部、支承部的形状适合于被加工物的形状的目的等而作成任意的形状。此外，本发明的加热线圈不限定于上述实施方式那样设置有多个冷却介质流道，也可以变更为设置有单一的冷却介质流道(例如，如图9的加热线圈1那样，从单侧的注入管14经由接地部2a’、支承部3a’到达加热部4，从加热部4经由支承部3b’、接地部2b’到达相反侧的注入管15)等。

此外，本发明的加热线圈不限定于上述实施方式那样通过由氟树脂(PTFE、PFA、FEP、ETFE、PCTFE、ECTFE、PVDF)构成的绝缘板而使一对接地部和一对支承部绝缘，也可以变更为通过由聚缩醛(POM)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等具有绝缘性和耐热性的其他合成树脂构成的绝缘板而使一对接地部和一对支承部绝缘等。

工业实用性

本发明的加热线圈起到如上所述的优异的效果，因此能够适当地用作用于利用电磁感应来加热被加工物的构件。

附图标记说明

1、1’…加热线圈

2a、2b、2a’、2b’…接地部

3a、3b、3a’、3b’…支承部

4、4’…加热部

6a、6b、6’…冷却介质流道

7a、7b…排出管

13a…内侧注入管

13b…外侧注入管

14…注入管

15…排出管

Claims (3)

1.一种高频加热装置用的加热线圈，在利用基于高频电流的电磁感应来加热被加工物的高频加热装置中使用，所述高频加热装置用的加热线圈的特征在于，

所述加热线圈使用基于三维数据反复进行由导电物质构成的粉末的敷设、熔融、凝固、层叠的造型方法或基于三维数据将熔融的导电性物质层叠的造型方法而一体地形成，

所述加热线圈具有：

一对板状的接地部，用于与使高频电流流通的电极抵接；

一对板状的支承部，配置成与各所述接地部分别正交；以及

环状的加热部，设置成将这些支承部的前端彼此连接，

在各所述接地部、各所述支承部和所述加热部的内部形成有用于使冷却用的介质流通的一系列的冷却介质流道。

2.根据权利要求1所述的高频加热装置用的加热线圈，其特征在于，用于向所述冷却介质流道注入冷却介质的注入口和/或用于从所述冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于所述接地部。

3.根据权利要求1所述的高频加热装置用的加热线圈，其特征在于，用于向所述冷却介质流道注入冷却介质的注入口和/或用于从所述冷却介质流道排出冷却介质的排出口设置于所述加热部。