JP2001167867A - 金属要素加熱用の電磁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属を均一に加熱するための磁界加熱装置を
提供する。 【構成】 異なる金属部品を均一に加熱するために、交
番磁界を発生させて該磁界に前記部品を通過させるため
の手段を備える。これが部品の誘導加熱と異なるのは、
金属部品が均一に加熱され、部品の表面又は外側だけに
限られないからである。この独自の加熱は、加熱される
金属部品に高密度の交番磁界を発生させるための新規な
磁気ループを利用することによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属部品を加熱する
ための新規な装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属部品に熱を発生させるための基本的
な機構、システム又は方法はほんの少ししかないことが
知られている。直接火炎、浸せき（ｉｍｍｅｒｓｉｏ
ｎ）、放射、抵抗加熱を含む従来の加熱を用いることが
でき、金属の加熱は電流によって生じ、熱は機械的な応
力又は摩擦によって作られる。これらの中には、熱が磁
界の使用によって発生される誘導加熱が含まれている。
誘導加熱の分野で良く知られているように、金属の加工
品は交流が供給されるコイルの中に置かれ、加工品とコ
イルと磁界の作用下におけば誘導電流が金属中に発生す
る。この誘導電流が電気抵抗加熱と同様の抵抗損失熱に
よって金属を加熱する。通常、コイルは加熱されるの
で、加工品の加熱をできるだけ効率的にするために冷却
する必要がある。誘導電流の密度は加工品の表面で最大
となり、表面からの距離の増大とともに減少する。この
現象は表皮効果として知られており、これが重要なの
は、全エネルギの大部分が誘導され加熱に利用されるの
はこの深さのみであるからである。典型的な表皮厚さは
低周波数の分野では３−４インチである。全ての誘導加
熱の分野では、加熱は渦電流のために表面で始まり、加
工品の内部へ熱が伝導される。磁界を利用する他の金属
加熱法は磁力線透過式の加熱と呼ばれる。この方法は、
比較的薄い金属片の加熱に共通に使用されており、誘導
コイルの再配置によって磁束熱を移転し、磁束は通常の
誘導加熱の場合のように加工品の周囲ではなく加工品に
垂直に加工品を透過する。加工品を透過する磁束は金属
片の面内で循環する磁束線を誘導し、これによって、同
じ渦電流損失及び加工品の加熱を生じる。

【０００３】直流を使用する別の誘導加熱法は「工業加
熱マガジン」１９９０年５月号、第２４ページのグレン
・Ｒ・ムーアの論文に記載されている。この新加熱法に
おいては、直流が利用され、加工品に関する磁界の回転
の代わりに加工品自体を回転して、加工品の軸方向に電
流が流れる。また、この方法は金属スラブを加熱するこ
とができるものとしても記載されており、透過磁力線加
熱の直流方式である。この方法も、前記の論文に記載さ
れているような直流磁界の貫通を決定する方法と表皮効
果とを利用している。

【０００４】しかしながら、これらの加熱システムのい
づれも、磁界において又は直接火炎及びその関連方法に
おいて熱伝導を変化させることなく外部から加工品を均
一に加熱することはできない。

【０００５】したがって、従来技術の欠点を克服する新
規な磁界技術を利用すること、及び、加工品をその断面
全体にわたって均一に加熱する効率を改善することが望
ましい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、金
属加工品をその断面及び長さ全体にわたって均一に加熱
する方法を提供することである。この発明の他の目的
は、こうした加熱を、熱伝導を利用することなく、コイ
ルでの及び部品の表皮効果における最小の熱損失で達成
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のこれらの及び
その他の目的は新規な磁界システムによって達成され、
この新規な磁界システムは、これによって発生された磁
界の中に置かれた金属部品の均一な加熱を許容し達成す
る。磁界は磁気ループによって発生され、この磁気ルー
プは複数の薄い板と加工品を置くことができるエアーギ
ャップとを含む。次いで、加工品はループに含まれ、磁
気ループの一部となる。システムによって発生された磁
界は加工品を透過し、ループの残りの部分を通過する。
この磁界システムは５０−６０サイクルで最も良く動作
するが、これは、このシステムが全ての商用設備での利
用可能な配電盤から得られる通常の電力を利用すること
ができることを意味する。

【０００８】また、この発明は、磁気ループのエアーギ
ャップ内に置かれた非磁性金属をも均一に加熱する。多
数の実験を行った結果、規則的な部品及び不規則的な部
品の断面全体が所望の温度まで均一に上昇され、しかも
これらの部品が迅速に加熱されたことがわかった。

【０００９】

【実施例】 図１に示すように、磁気ループシステムが
１０に示されている。この磁気ループ１０は磁気ループ
薄片構造へと形成される複数の金属片から成る。磁気片
１１は何らかの高透磁率材料が使用されるが好適な実施
例においては高透磁率けい素鋼である。金属片１１は該
金属片に取付けられるか付着された絶縁体１２を有す
る。この絶縁は通常は金属片の製造者によりされるが、
どのような周知の方法で達成されても良い。如何なる良
好な絶縁材料でも使用され得る。金属片１１は最大１．
０ミリメートルの厚さを有し、製造され得る最も薄い可
能なシートの最小厚さを有しても良い。高透磁率材料の
シートが薄ければ薄いほどシステムの性能は良くなる。
最大効率の材料は０．０００１ミリメートルかまたはよ
り薄いものである。しかし、それは現在商業的に利用で
きない。新規なシステムにおいて、磁気ループは金属片
１１用に０．３０ミリメートルで構成された。これらの
金属片１１は図１に示されるような通常は方形の形で所
望の形状に形成される。片はそれからエポキシまたはゴ
ムのり１３を有する真空室に置かれ、そこでそれは絶縁
体１２の一部になる。真空が室の中に生成され、そして
全ての外部の材料は除去される。それからエポキシまた
はゴムのりは真空が除かれた時に片にボンデイングす
る。これはこの磁気ループを製作する現在最も周知な方
法である。しかし、薄片を製作するために片と共に結合
するため金属片、絶縁体そして幾分のゴムのりそして／
または機械的手段を使用することは満足のいくものであ
る。

【００１０】図１に示されるように、２つのコアエリア
１５がある。このコアエリアは正方形から矩形、円形ま
たは円筒形に至る大きさまたは形状であっても良い。コ
アエリアは加熱されるべき加工品（被加熱部材）に外側
に適合するように選択されて良い。もし、大きな加工品
が加熱されるならば、大きなコアエリア１５が使用され
るべきである。磁界システム即ちループは、磁力線が加
工品を通り抜けて直接にコアから他方のコアへ通るよう
に２つのコア間に加工品が確実に含まれる時に最大効率
で動作する。コアエリア１５は加工品に適合するために
移動されても良い。最適の実施となるコイルの長さと該
コイルの密度または高さの間にはひとつの関係がある。
現在まで、重大な関係が唯一経験的に見いだされた。加
えて、各コア１５の上にはコイル１４が巻かれている。
コイル巻きの形状は均一の加熱には重大である。コイル
の巻数および寸法は、システム中の発生された表皮効果
および損失により誘導加熱を妨げるために重大である。
また、コアの面の間の距離に関係するコアの巻数と高さ
が重大であることが見いだされた。

【００１１】図１に示されるように、コアエリア１５
は、コアから異なる大きさを有する薄片エリア１７へコ
アシステム１０内の磁力の伝達のためにある。この薄片
エリアはＡＢに等しい。ＡおよびＢはコアエリア１５の
長さと幅である。システム内の薄片のエリアにおける端
部の大きさ変更は、加工品を介してコアの間で増加した
磁気伝達を生じる。しかし、この大きさを変更すること
は必要なく、そして全コアシステム薄片は、加熱が十分
には通じないけれど、コアエリアと同じ大きさであり得
る。

【００１２】Ａ／Ｃ接続が１６に示され、コイルに接続
されている。コイルは並列または直列１９にワイヤによ
り接続される。動作において交流電流が図示されてない
交流電流源から接続１６に供給され、該電流は６０サイ
クルまたは特定エリアのラインのどのような周波数でも
良い。この交流電圧はコイル１４の両端に供給されるの
で磁力線はコアエリア１５に生成されそしてループ１０
を介して２つのコア間を透過する。磁束はワイヤの電流
またはパイプの液流に類似している。起磁力は磁束流の
発生源でこの特定の例では均一コア密度のコアは１平方
メートル当たりのウエーバ数の測定可能な磁束密度を有
する。交流電流がコイル１４に供給される時に、コア中
に起磁力を生じて正および負の値の間を交番する。これ
は通常ヒステリシスループと呼ばれる磁化曲線に従って
供給される。鉄合金は磁化され、そして磁区と呼ばれる
微小領域にから成っている。各磁区の原子の持つ電子は
原子核の回りに回転しそして自らの軸の回りをスピンす
る。運動を支配するのは電子スピンであり、そして磁区
の各原子の正味の磁気運動は同じ方向に揃っている。交
流電流がコイルに供給されそして加工品がその間に置か
れる時に、加工品の磁区の境界は原子核等の回転の結果
として歪みが生じる。この結果が加工品内に摩擦または
機械的熱の発生となる。磁区は通常均一に材料全体に配
列されており、そして磁束は断面を通して均一なので熱
は均一に加工品に発生される。この磁界が加工品を均一
に加熱するために、ループ材料は被加熱材料よりも高い
透磁性があることが必要である。スチールブロックは中
央および表面上に埋め込まれた熱電対を有する。挿入さ
れた加工品とともに周囲のエリアへの有効な熱損失を最
小にするために、加工品はループの中に置かれ、そして
加工品の全断面が急速に（約４分以内に）そして均一に
５００度Ｃの温度に加熱される。加熱効果は、加熱され
る金属の融点以下の希望温度まで継続することができ
る。特定の加工品を加熱するために要求される時間は加
工品の大きさおよび磁界の強さの関数である。

【００１３】磁界ループのコア部分の材料は、磁界の方
向の変化中にヒステリシスループの最大の大きさを越え
ないように該材料が選択されているので、コア部分は加
熱されることはない。それに比して小さいヒステリシス
ループを有する加工品部分は各交番サイクル中に磁力線
の強さがヒステリシス曲線を超えてしまうので、加工品
の加熱を生じる。

【００１４】この同様な磁界加熱装置はまた、金属が磁
性材料の磁区の動作と同様な動作によって整列（方向を
揃えて配列）されている結晶構造を有する限り非磁性材
料に作用する。結晶構造は、該構造がその融点かまたは
その近傍の温度まで整列されるであろう。アルミニュウ
ムの結晶構造に同様な効果がそれが押出し加工した場合
にみられる。熱は結晶構造の強力な機械的な圧縮により
発生される。

【００１５】好ましい実施例の別の面で変更が本発明の
趣旨および範囲から逸脱するこのなく、当業者に可能で
あろう。特許請求の範囲の記載において、図１を参照す
ることにより明らかなように、磁気ループのエアギャッ
プを間にして互いに向合うコアエリア１５の端面をコア
端面と称している。また、互いに向合う薄片エリア１７
の端面（コアエリア１５を除去した場合の薄片エリア１
７の端面）、例えばコアエリア１５においてコア端面の
裏面のうち薄片エリア１７が占有する面（裏面の一部と
一致している）、をループ端面と称している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の磁気システムの１例である。

【図２】図２は薄片の詳細を示す２−２線に沿った図１
の断面図である。

【符号の説明】

１０ 磁気ループシステム １１ 金属片 １２ 絶縁体 １４ コイル １５ コアエリア

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月２８日（２０００．１２．
２８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の平行な高透磁率導電材料の薄いプ
   レートから構成され、起磁力を生成するための複数のコ
   アエリアと、 ２つの互いに向合う前記コアエリアのコア端面の間の開
   空間と、 ループ端面を備え、起磁力の磁気ループを形成するため
   の第２の複数の平行な高透磁率導電材料の薄いプレート
   と、前記ループ端面は、前記コアエリアのコア端面より
   小さいまたは等しく、かつ前記コア端面の裏面の一部ま
   たは全部と一致しており、 前記プレートは互いに密接に離間されかつ絶縁されてお
   り、 巻線が前記コアエリアのそれぞれに巻回され、交流源に
   接続されて該交流源の周波数で前記磁界を反転する、導
   電性巻線により形成された複数の巻線と、を含む金属加
   熱用の装置。
2. 【請求項２】 前記複数のプレートのそれぞれは１．０
   ０ｍｍから０．０００１ｍｍの間の厚さを有する請求項
   １に記載の加熱金属用の装置。
3. 【請求項３】 前記コア端面の間の前記開空間の寸法は
   前記コアエリアのそれぞれの面の最小の寸法よりも大き
   いことを特徴とする請求項１に記載の金属加熱用の装
   置。
4. 【請求項４】 前記コアエリアのひとつは他のコアエリ
   アに対して直角に移動可能であり、前記コアエリアの面
   の間の開空間の寸法を調整することを特徴とする請求項
   １に記載の金属加熱用の装置。
5. 【請求項５】 前記巻線はコアの誘導加熱が最小になる
   ような巻線の巻数と巻線の幅と長さと間の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属加熱用の装置。