JP2001143859A - 高周波誘導加熱ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化及び低損失化を実現し、作業性を向上
することができる高周波誘導加熱ユニットを提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 高周波誘導加熱ユニット１は、コイル導
体３、複数の導体板４及び複数の鉄心５を備える。各導
体板４間には、補助電極板７及び誘電部材６が挿入さ
れ、これらは整合コンデンサを構成する。このように、
コイルと整合コンデンサとを一体化することによって、
ユニットの小型化を図ることができ、損失等を生じやす
いコイル−整合コンデンサ間の給電線を省くことができ
る。また、高周波電源から高周波電流を効率的に供給で
きるため、小径で可撓性の高い給電線を用いることがで
き、加熱処理の作業性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波誘導加熱ユ
ニットに関し、特に圧延ロールの局部加熱等に好適に用
いられる高周波誘導加熱ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱間圧延処理の圧延工程では、
圧延ロールのロール幅のうち被圧延板材が通過する部分
と被圧延板材が通過しない部分との間に温度差が生じ、
熱膨張差によってロール幅方向におけるロール径に差違
が生じてしまう。そのため、従来から、熱間圧延設備で
は、圧延ロールの熱膨張をロール幅方向において一定に
保つために、圧延ロールの低温部を非接触で局部加熱す
る高周波誘導加熱装置が用いられている。

【０００３】図９は、従来から用いられている高周波誘
導加熱装置を示すブロック構成図である。この高周波誘
導加熱装置１００は、加熱コイル１０５に高周波電流を
供給することによって加熱対象物を誘導加熱するための
装置であり、加熱コイル１０５のほか、高周波電源１０
１と、整合コンデンサ１０３とを備える。高周波電源１
０１は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数電力を所定
周波数の高周波電力に変換するためのものであり、その
出力インピーダンスを負荷回路のインピーダンスにマッ
チングさせるための高周波整合変圧器１０２を介して、
整合コンデンサ１０３と接続されている。整合コンデン
サ１０３は、電流変成器１０４を介して加熱コイル１０
５と接続されている。この電流変成器１０４は加熱コイ
ル１０５のインピーダンスを増大させるためのものであ
る。これら高周波電源１０１、高周波整合変圧器１０
２、整合コンデンサ１０３、電流変成器１０４、及び加
熱コイル１０５は、いずれも個別ユニットとして構成さ
れており、それぞれ高周波給電線１０６によって接続さ
れている。

【０００４】ここで、高周波誘導加熱装置１００の整合
コンデンサ１０３は、加熱周波数ｆ周辺での負荷回路の
力率を向上させるために用いられる。すなわち、加熱コ
イル１０５のインダクタンスＬに伴うリアクタンスＸ_L
（＝２πｆＬ）は、一般に、加熱コイル１０５の抵抗値
Ｒに比べて十分大きな値であるため、加熱コイル１０５
の力率（≒Ｒ／Ｘ_L）は極めて小さな値となってしま
う。そのため、加熱周波数ｆ付近に共振周波数を有する
共振回路を加熱コイル１０５と共に構成するように、所
定の電気容量Ｃを有する整合コンデンサ１０３が配置さ
れる。このように共振回路を構成することによって、加
熱コイル１０５に対する効率的な電力供給が可能とな
る。

【０００５】また、この高周波誘導加熱装置１００の作
動時には、大量の高周波電流が流れること等に伴う損失
によって各ユニット１０１〜１０５が発熱してしまうた
め、各ユニット１０１〜１０５を冷却するための冷却水
循環装置１０７が高周波誘導加熱装置１００付近に配置
される。この冷却水循環装置１０７は、還流式循環ポン
プ１０８と、熱交換器１０９とを備えており、還流式循
環ポンプ１０８は各ユニット１０１〜１０５に対して冷
却水を循環させ、熱交換器１０９は各ユニット１０１〜
１０５を循環して昇温した冷却水を再冷却する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、圧延ロールの
近傍には、ロール駆動のための電気系、油圧動力系、冷
却水系、被圧延板材のガイド、ロール径測定センサ等の
多数の機器が配置される。従って、圧延ロールを局部加
熱するための装置の設置スペースは、一定の大きさに限
定されざるを得ない。

【０００７】しかしながら、従来の高周波誘導加熱装置
は、一定の大きさを持つ複数の個別ユニットによって構
成されており、上記のような狭いスペースに装置全体を
配置することは困難であった。これらの個別ユニットの
うち、高周波整合変圧器及び電流変成器は、高周波電源
及び加熱コイルのインピーダンス等を予め調整すること
により省略可能であるものの、整合コンデンサは負荷回
路の力率を向上させるために必須のユニットであるた
め、整合コンデンサを圧延ロール等から離れた位置に配
置し、加熱コイルと整合コンデンサとを接続する給電線
の距離を長くする必要があった。高周波電流供給時に
は、加熱コイルと整合コンデンサとの間には大きな共振
電流が流れるため、これらを接続する給電線が長い場
合、給電線において損失及び電圧低下を生じやすく、周
辺機器を加熱してしまうという問題も生じていた。

【０００８】また、加熱コイルと整合コンデンサとを接
続する給電線が長い場合、負荷回路（加熱コイル及び整
合コンデンサ）の力率が低下し、負荷回路に対して高周
波電源から大電流を供給しなければならないため、高周
波電源等と負荷回路とを大径の給電線で接続する必要が
生じてしまう。上述のように圧延ロールを局部加熱する
ためには、加熱コイルをロール幅方向に移動可能な構造
とする必要があるが、大径の給電線では、曲げ半径を小
さくすることが困難であり可撓性が低いため、局部加熱
処理の作業性が悪かった。

【０００９】本発明は、上記課題を解決して、小型化及
び低損失化を実現し、作業性を向上することができる高
周波誘導加熱ユニットを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による高周波誘導
加熱ユニットは、高周波電源から所定周波数の高周波電
流の供給を受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニ
ットにおいて、内部に冷却流体が循環供給される加熱コ
イルと、加熱コイルを流れる高周波電流によって高周波
磁束が形成される磁心と、互いに平行かつ向かい合うよ
うに、磁心と接触した状態で加熱コイルに固定された複
数の導体板と、各導体板間に配置された複数の誘電部材
とを備え、各導体板と各誘電部材とは、それぞれ所定の
電気容量を有するコンデンサを構成し、加熱コイルと共
に、所定周波数付近に共振周波数を有する共振回路を構
成することを特徴とする。

【００１１】この高周波誘導加熱ユニットでは、複数の
導体板が互いに平行かつ向かい合うように加熱コイルに
固定されている。これらの導体板は、加熱コイル内を流
通する冷却流体の冷熱によって磁心を冷却するための冷
却板としての役割を果すと共に、各導体板間に誘電部材
が挿入されることによって整合コンデンサの電極として
の役割も果す。このように加熱コイルと整合コンデンサ
とを一体化することによって、負荷回路の小型化を図る
ことができる。また、加熱コイルと整合コンデンサとを
接続するための給電線は不要となるため、給電線におけ
る損失及び電圧降下が発生せず、負荷回路の力率をほぼ
１．０に保つことができる。従って、負荷回路に供給す
る電流が小さくて済むため、高周波電源から電流を供給
する給電線を小径にし可撓性を高くすることができ、加
熱処理の作業性を向上することが可能になる。

【００１２】また、本発明による高周波誘導加熱ユニッ
トは、高周波電源から所定周波数の高周波電流の供給を
受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニットにおい
て、電流供給部を有し、内部に冷却流体が循環供給され
る加熱コイルと、加熱コイルを流れる高周波電流によっ
て高周波磁束が形成される磁心と、磁心と接触した状態
で加熱コイルに配置された複数の導体板と、電流供給部
に固定された複数の電極板及び各電極板間に配置された
複数の誘電部材を有し、それぞれ所定の電気容量を有す
る複数のコンデンサとを備え、加熱コイルと各コンデン
サとは、所定周波数付近に共振周波数を有する共振回路
を構成することを特徴とする。

【００１３】この高周波誘導加熱ユニットでは、加熱コ
イルの電流供給部にコンデンサの各電極板が固定され、
加熱コイルとコンデンサとが共振回路を構成する。この
ように、既製のコンデンサを用いる場合であっても、整
合コンデンサを加熱コイル近傍に配置し、加熱コイルと
整合コンデンサとをほぼ一体化することによって、負荷
回路の小型化を図ることができる。また、加熱コイルと
整合コンデンサとを接続する部分は短い電流供給部のみ
で足りるため、損失及び電圧降下の発生が減少し、負荷
回路の力率をほぼ１．０に保つことができる。従って、
負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電
源から電流を供給する給電線を小径にし可撓性を高くす
ることができ、加熱処理の作業性を向上することが可能
になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
よる高周波誘導加熱ユニットの実施形態について説明す
る。なお、同一又は相当する要素には同一の符号を付
し、重複する説明を省略する。

【００１５】まず、本発明の第１の実施形態について説
明する。図１、図２及び図３は、それぞれ第１の実施形
態による高周波誘導加熱ユニットを示す側面図、底面図
及び立面図である。この高周波誘導加熱ユニット１は、
コイル導体３と、複数の導体板４と、複数の鉄心（磁
心）５と、複数の誘電部材６とを備える。

【００１６】図４は、コイル導体３の形状を示す斜視図
である。コイル導体３は内部に中空部３９を有する一本
の中空角銅管から構成されており、矩形状（本実施形態
においては長方形状）に形成された巻数１回のコイル部
３１と、コイル部３１の表辺に対して略直角をなすよう
に屈曲された電流供給部３３とを備える。各電流供給部
３３の上端は給電線（図示せず）を介して高周波電源
（図示せず）と接続されている。本実施形態による高周
波誘導加熱ユニット１は、負荷力率がほぼ１．０である
ため大電流を供給する必要はなく、給電線には小径で可
撓性の高い同軸ケーブル等を用いることができる。ま
た、コイル導体３の中空部３９は、冷却流路（図示せ
ず）を介して冷却水循環装置（図示せず）と接続されて
おり、誘導加熱処理時には中空部３９に冷却水が通水さ
れる。

【００１７】コイル部３１の各コイル長辺３５には、複
数（本実施形態においては各コイル長辺３５につき６枚
ずつ）の導体板４が所定間隔で配置されている。各導体
板４は、それぞれ所定の高さｈ₁を有する長方形の銅板
であり、一辺にコイル導体３の断面とほぼ同一の形状の
凹部が形成されている。これらの導体板４は、凹部がコ
イル長辺３５と嵌合するように配置され、ロウ付けによ
ってコイル長辺３５上に固定されている。誘導加熱処理
時には、コイル導体３内の中空部３９を流通する冷却水
の冷熱が各導体板４に伝導する。

【００１８】各導体板４の間には、複数（本実施形態に
おいては各コイル長辺３５につき５個ずつ）のＵ字型鉄
心５が挿入されている。これらの鉄心５には、フェライ
トコア又は積層珪素鋼板等の磁気抵抗の小さな材質が用
いられており、Ｕ字型の凹部がコイル長辺３５と嵌合す
るように配置されている。誘導加熱処理時には、各鉄心
５は、隣接する導体板４を介してコイル導体３の中空部
３９を通水する冷却水によって冷却されるため、各鉄心
５の磁気抵抗の増大が抑制される。図５に示されるよう
に、各鉄心５の高さｈ₂は各導体板４の高さｈ₁より低い
ため、各鉄心５の上方には各導体板４同士が向かい合う
空間が形成される。

【００１９】各鉄心５の上方の空間には、面積Ｓを有す
る１対の補助電極板７が各導体板４に設置されており、
各補助電極板７の間隔は所定値ｄとされる。また、各補
助電極板７間には、比誘電率ε_Sを有する誘電部材６が
挿入されている。これによって、向かい合う導体板４
（及び補助電極板７）とその間に挿入された誘電部材６
とは、所定の電気容量Ｃ₀を有するコンデンサ部を構成
する。

【００２０】このように、コイル部３１上方の空間に補
助電極板７及び誘電部材６が設置された後、両端の導体
板４の外側に配置された複数（本実施形態においては４
枚）の支持板９１と止具９３とによって固定される。ま
た、本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１では、
図３に示されるように、コイル短辺３７を屈曲して、各
コイル長辺３５上の鉄心５間を角度αとした状態に形成
される。このように相対する鉄心５間に一定の角度をつ
けることによって、圧延ロールのような曲面であっても
効率よく加熱することができる。

【００２１】図６は、本実施形態による高周波誘導加熱
ユニットの要部の等価回路図である。本実施形態による
高周波誘導加熱ユニット１は、同図に示されるように、
各導体板４によってコイル部３１が分割され、その中に
コンデンサが形成された構造を有している。すなわち、
この高周波誘導加熱ユニット１は、コイルと整合コンデ
ンサとが一体化されている。

【００２２】図６に示す等価回路図において、各導体板
４によって分割されたコイル部３１の各部分の抵抗値Ｒ
₀は、導体自体の抵抗値をＲ₁、加熱対象物を加熱するこ
とによる損失分をＲ₂とすると、 Ｒ₀＝Ｒ₁＋Ｒ₂…（１） によって与えられる。また、Ｌ₀は各導体板４によって
分割されたコイル部３１の各部分のインダクタンスを表
わす。本実施形態では、コイル部３１の各部分と各コン
デンサ部とが、加熱対象に応じた加熱周波数ｆ₀付近に
共振周波数を有する共振回路を構成するように、上記Ｒ
₀及びＬ₀に基づいて各コンデンサ部の電気容量Ｃ₀が設
定される。

【００２３】各コンデンサ部の電気容量Ｃ₀は、真空の
比誘電率ε₀、誘電部材６の比誘電率ε_S、補助電極板７
の面積Ｓ及び間隔ｄを用いて、 Ｃ₀＝ε₀・ε_S・Ｓ／ｄ…（２） と表わすことができる。このうち、補助電極板７の面積
Ｓは、ユニット全体の大きさ及び必要とされる冷却能力
等によって制限を受けるため、補助電極板７の間隔ｄ及
び挿入される誘電部材６の比誘電率ε_Sを調整すること
によって、共振回路として成立するためのコンデンサの
電気容量Ｃ₀が確保される。

【００２４】次に、本実施形態による高周波誘導加熱ユ
ニット１の作用について説明する。図７は、本実施形態
による高周波誘導加熱ユニット１を用いて圧延ロールを
誘導加熱する処理を示す模式図である。同図に示すよう
に、高周波誘導加熱ユニット１を加熱対象である圧延ロ
ール９５の近傍に配置したのち、高周波電源（図示せ
ず）からコイル導体３に所定周波数ｆ₀の高周波電流を
供給する。これにより、コイル部３１と各コンデンサ部
との間には大きな共振電流が流れ、各鉄心５内には、同
図中矢印で示されるような高周波磁束が形成される。こ
れに伴って、圧延ロール９５においても高周波磁束が発
生し、磁束の変化により圧延ロール９５表面に渦電流が
発生して圧延ロール９５表面が加熱される。

【００２５】また、このとき、冷却水循環装置（図示せ
ず）からコイル導体３内部の中空部３９に冷却水が循環
供給されており、各導体板４を介して各鉄心５が冷却さ
れる。これによって、各鉄心５内の磁気抵抗の増加が抑
制される。

【００２６】本実施形態による高周波誘導加熱ユニット
１は、加熱コイルと整合コンデンサとが一体化されてい
るため、圧延ロールの加熱等のようにスペースが狭い場
合であっても用いることができる。また、コイルと整合
コンデンサとを接続するための給電線は必要ないため、
給電線における損失及び電圧降下が発生せず、負荷回路
の力率をほぼ１．０に保つことができる。従って、負荷
回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電源か
ら電流を供給する給電線に小径かつ高可撓性の給電線を
用いることができ、加熱処理の作業性を向上することが
可能になる。

【００２７】次に、本発明による第２の実施形態につい
て説明する。図８は、第２の実施形態による高周波誘導
加熱ユニットを示す側面図である。この高周波誘導加熱
ユニット２は、コイル導体３と、複数の導体板４と、複
数の鉄心５と、平行平板コンデンサ８とを備える。

【００２８】本実施形態では、図５に示されるように、
コイル部３１上に複数の導体板４及び複数の鉄心５が第
１の実施形態と同様に配置され、支持板９１及び止具９
３によって固定される。

【００２９】平行平板コンデンサ８は、平行かつ向かい
合うように配置され、内部に中空部７１を有する複数
（本実施形態においては３枚）の電極板７と、各電極板
７の間に挿入された誘電部材６とを備える。この平行平
板コンデンサ８は、一端側の電極板７を複数の導体板４
上に載せるようにして一方のコイル長辺３５の上方に配
置されており、各電極板７は電流供給部３３に固定され
ている。高周波電流供給時には、コイル導体３の中空部
３９のほか、平行平板コンデンサ８の電極板７内の中空
部７１にも冷却水が循環供給される。また、この平行平
板コンデンサ８の電気容量Ｃ₀は、第１の実施形態と同
様に、加熱対象に応じた加熱周波数ｆ₀付近に共振周波
数を有する共振回路をコイル部３１と共に構成するよう
に設定されている。

【００３０】本実施形態による高周波誘導加熱ユニット
２が第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット１と
異なる点は、コイル部３１の近傍に整合コンデンサとし
て既製の平行平板コンデンサ８が配置され、コイル部３
１と平行平板コンデンサ８とが共振回路を構成する点で
ある。このように、既製のコンデンサを用いる場合であ
っても、コイルとコンデンサとがほぼ一体化されている
ため、圧延ロールの加熱等のようにスペースが狭い場合
であっても用いることができる。また、コイルとコンデ
ンサを接続する部分は短い電流供給部３３のみであるた
め、損失及び電圧降下の発生が減少し、負荷回路の力率
をほぼ１．０に保つことができる。従って、負荷回路に
供給する電流が小さくて済むため、高周波電源から電流
を供給する給電線に小径かつ高可撓性の給電線を用いる
ことができ、加熱処理の作業性を向上することが可能に
なる。

【００３１】本発明による高周波誘導加熱ユニットは、
上記実施形態に限定されず、他の条件等に応じたさまざ
まな変形態様をとることが可能である。また、圧延ロー
ル以外の他の加熱対象物に対しても、本発明による高周
波誘導加熱ユニットを用いることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による高周
波誘導加熱ユニットは、加熱コイルと整合コンデンサと
が一体構造とされているため、設置スペースが狭い場合
であっても用いることができる。また、このような構造
を有することにより、負荷回路（共振回路）における損
失や電圧降下が低減するため、負荷回路の力率をほぼ
１．０に保ち、効率的な電力供給をすることができる。
従って、負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、
高周波電源から電流を供給する給電線に小径かつ高可撓
性の給電線を用いることができ、作業性を向上すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の側面図である。

【図２】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の底面図である。

【図３】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の立面図である。

【図４】第１及び第２の実施形態によるコイル導体の形
状を示す斜視図である。

【図５】第１及び第２の実施形態による高周波誘導加熱
ユニットにおけるコイル導体、鉄心及び導体板の配置を
示す側面図である。

【図６】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の要部の等価回路図である。

【図７】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の作動時を示す模式図である。

【図８】第２の実施形態による高周波誘導加熱ユニット
の側面図である。

【図９】従来の高周波誘導加熱装置の構成図である。

【符号の説明】

１…高周波誘導加熱ユニット、２…高周波誘導加熱ユニ
ット、３…コイル導体、４…導体板、５…鉄心、６…誘
電部材、７…（補助）電極板、８…平行平板コンデン
サ、３１…コイル部、３３…電流供給部、３５…コイル
長辺、３７…コイル短辺、３９…中空部、７１…中空
部、９１…支持板、９３…止具、９５…圧延ロール、１
００…高周波誘導加熱装置、１０１…高周波電源、１０
２…高周波整合変圧器、１０３…整合コンデンサ、１０
４…電流変成器、１０５…加熱コイル、１０６…高周波
給電線、１０７…冷却水循環装置、１０８…還流式循環
ポンプ、１０９…熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津村 陽一郎 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 三原 一正 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内 (72)発明者 水田 桂司 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内 Ｆターム(参考） 3K059 AA07 AA08 AA10 AA16 AB00 AB19 AB20 AB26 AC07 AC10 AC54 AD03 AD25 AD32 AD40 CD52 CD54 CD73 CD74

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波電源から所定周波数の高周波電流
   の供給を受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニッ
   トにおいて、 内部に冷却流体が循環供給される加熱コイルと、 前記加熱コイルを流れる前記高周波電流によって高周波
   磁束が形成される磁心と、 互いに平行かつ向かい合うように、前記磁心と接触した
   状態で前記加熱コイルに固定された複数の導体板と、 前記各導体板間に配置された複数の誘電部材と、 を備え、 前記各導体板と前記各誘電部材とは、それぞれ所定の電
   気容量を有するコンデンサを構成し、前記加熱コイルと
   共に、前記所定周波数付近に共振周波数を有する共振回
   路を構成することを特徴とする高周波誘導加熱ユニッ
   ト。
2. 【請求項２】 高周波電源から所定周波数の高周波電流
   の供給を受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニッ
   トにおいて、 電流供給部を有し、内部に冷却流体が循環供給される加
   熱コイルと、 前記加熱コイルを流れる前記高周波電流によって高周波
   磁束が形成される磁心と、 前記磁心と接触した状態で前記加熱コイルに固定された
   複数の導体板と、 前記電流供給部に固定された複数の電極板及び前記各電
   極板間に配置された複数の誘電部材を有し、それぞれ所
   定の電気容量を有する複数のコンデンサと、 を備え、 前記加熱コイルと前記各コンデンサとは、前記所定周波
   数付近に共振周波数を有する共振回路を構成することを
   特徴とする高周波誘導加熱ユニット。