JP2004204262A - 円筒物用誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の円筒物やリング状部材で内外面の一方に凹凸を有するものを誘導加熱する場合に、凹凸面の凹部では凸部より温度が低くなるのを防止する。
【解決手段】被加熱物の内面と外面にそれぞれ隣接する内側コイルと外側コイルとを設け、内側コイルと外側コイルに同時に電流を流して円筒物の内外面を同時に加熱する。
【効果】コイルからの距離が遠くて昇温が不十分となる凹部においては、反対側のコイルによる加熱によってこの分が補償される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の円筒物やリング状部材で内外面の一方に凹凸を有するものを熱処理などのために誘導加熱する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱は表皮効果のため被加熱物の表面を集中的に加熱できるので、表面焼入れなどに多く利用されている。また誘導加熱は被加熱物自体が発熱するので急速に温度上昇し、このため炉加熱に比べて熱処理時間が著しく短縮できる。したがって誘導加熱は被加熱物全体を加熱する必要がある場合にも使用されている。このような場合、なるべく被加熱物の内部まで発熱するように電源の周波数を低くし、また保持時間をできるだけ長くして熱を拡散させ、均熱化を図るなどの方策がとられる。
【０００３】
図２は本発明が加熱対象とする内外面の一方に凹凸を有する円筒物１の斜視図であって、内面に凸部５と凹部６とを有する例を示している。このような部材を熱処理して内外面を所定の硬さにする場合、内面と外面はそれぞれこれらの面に対向するコイルを有する別々の装置により加熱することになる。上記のように従来は同時に内外面から加熱することは無く、内外面別々に加熱が行なわれている。これは高周波加熱においてはサイクルタイムが数十秒といった短いものなので、内外面同時に加熱してもさして能率向上にならないためである。
【０００４】
ところで図２のような円筒物１において、凹凸はたとえばボールやころや歯車などが転動するといった何らかの機能をさせるためにつけるのであるから、特に凹凸がある側の面については焼入れ、焼戻しなどの熱処理条件が厳しいのが普通である。ところが表面に凹凸を有する円筒物やリング状部材において、凹凸面を均一に誘導加熱するのは困難である。すなわち凹凸がある内側に円筒状に巻いたコイルを挿入して加熱する場合、被加熱物に発生する誘導電流はコイルに近い凸部５に集中するので、凹部６の温度は十分に昇温しない。このため凸部と凹部で製品の材質特性が相違するという問題が生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなことから、本発明は金属の円筒物やリング状部材で内外面の一方に凹凸を有するものを誘導加熱して熱処理する場合に、表面全体の加熱温度、特に凸部と凹部の加熱温度を従来より均等にできる方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、内外面の一方に凹凸を有する円筒物を加熱するための誘導加熱装置において、被加熱物の内面と外面にそれぞれ隣接する内側コイルと外側コイルとを設け、内側コイルと外側コイルに同時に電流を流して円筒物の内外面を同時に加熱することを特徴とする円筒物用誘導加熱装置である。ここにおいて、内側コイルと外側コイルは、互いに同位相の電流が同方向に流れるように高周波電源に接続されていること、また内側コイルの巻き回数が外側コイルの巻き回数より少なくとも１巻き多いことも特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の円筒物用誘導加熱装置を示す断面図であって、図２に示したような内面に凹凸がある円筒物１に適用した状態を示している。このように内面と外面にそれぞれ隣接する内側コイル２と外側コイル３とを設けて、同時に高周波電流を流して円筒物１の内外面を同時に加熱する。これにより内側コイル２からの距離が凸部５より遠くてこれによる昇温が不十分となる凹部６においても、外側コイル３による加熱によって十分に昇温できる。すなわち凹部６においては円筒物１の厚みが薄くなっており、外側コイル３による昇温が凸部５より大きくなるため、内側コイルによる昇温の不足分が補償されるからである。このようにすることによって従来の内面からだけ加熱する方法では凸部５と凹部６の温度差が例えば４０℃あったものが、５℃以内にできる。またさらには外面との温度差も同時に５℃以内にすることが可能である。上記は円筒物の内面に凹凸がある例であるが、外面に凹凸がある場合においても状況は同じである。
【０００８】
上記の内側コイル２と外側コイル３とに同時に高周波電流を流す方法であるが、互いに同位相の電流が同方向に流れるように高周波電源に接続するのが好ましい。このようにする具体的な方法としては、例えば内側コイルと外側コイルとを直列に接続して１つの電源に接続すればよい。すなわち図３に本発明の円筒物用誘導加熱装置の回路の例を模式的に示すように、内側コイル２と外側コイル３の巻き方向が同じなら内側コイルと外側コイルの始端と終端とお互いに接続し、残った始端と終端の間に電源を接続すれば良い。
【０００９】
また内側コイルと外側コイルを接続する場合、上記の直列接続の他に並列接続することもできる。しかし直列に接続すると両コイルの電流値が同じとなるので加熱条件の調整が容易なこと、また内側コイルと外側コイルの抵抗分とリアクタンス分との比率の相違による電流の位相のずれが無いので、通常は直列接続が好ましい。また２つの電源を使用してそれぞれに内側コイルと外側コイルを接続することもできる。この場合２つの電源が発生する高周波の位相が一致しているのが好ましいので、例えば２つの他制式のインバータ電源において共通の制御信号によって動作させれば良い。
【００１０】
上記のように内側コイルと外側コイルを互いに同位相の電流が同方向に流れるように高周波電源に接続する理由であるが、内側コイルと外側コイルによって発生する磁界が相互に強め合うことによりできるだけ被加熱部材の表面から深い部分まで発熱するようにするためである。これにより本発明が目的とする凸部と凹部の温度差を小さくする効果が最大限に発揮される。
【００１１】
すなわち高周波加熱において被加熱物とコイルとを接近させてコイルに電流を流した場合、被加熱物内での表面からの距離ｘにおける電流密度は（１）式で与えられる。ここでｉ₀ は被加熱物の表面の電流密度である。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、δは（２）式で表わせる。ただし、ρは抵抗率［Ω・ｃｍ］、ω＝２πｆ（ただしｆは周波数［Ｈｚ］）、μ＝４π×１０^-7μ_r （ただしμ_r は比透磁率）とする。
【００１４】
【数２】

【００１５】
（１）式に従って被加熱物表面からの距離ｘと電流密度ｉとの関係をグラフにすると図４のようになるが、表面から被加熱物内部に行くに従って電流密度は指数関数的に減少する。ここで図４のグラフの横軸に前記δが記入されているが、これを１つの角とする図示した四角形の面積と図４の曲線の下の面積は同一である。なぜなら（１）式を積分すれば曲線の下の面積、すなわち電流密度がｉ₀ から０に至るまでの全電流Ｉとなり、（３）式のようになるからである。
【００１６】
【数３】

【００１７】
上記のことから被加熱物の表面からδの深さまで一様な電流密度ｉ₀ が流れているとみなすことができ、このためδを電流の浸透深さという。（２）式によればωを小さく、すなわち周波数ｆを低くすればδを大きくできるが、周波数は被加熱物の形状で決まるある限界より低くなると、被加熱物への電力の吸収が阻害され加熱効率が悪くなることが知られている。内側と外側のそれぞれのコイルに単独で電流を流した場合は、上記のように周波数に依存して加熱される深さは（１）式および（２）に従って定まる。しかし同時に内側コイルと外側コイルを互いに同位相の電流が同方向に流れるようにすると、内外に発生する磁界が相互に強め合うことにより電流密度の分布が被加熱物内部に広がる。
【００１８】
また内側コイルは外側コイルとが同じ巻き数では外側コイルに比較してインダクタンスが小さく加熱効率が悪くなる。この対策として内側コイルの巻き回数を外側コイルの巻き回数より多くすると良い。内側コイルと外側コイルとの巻き数の差は少なくとも１巻きあればそれに応じた効果がある。また被加熱物とコイルとの距離が接近すると被加熱物表面の磁界の強さが大きくなり、吸収電力が増大する。したがって内側コイルについては被加熱物との距離をなるべく接近させることも有効である。
【００１９】
【実施例】
図２に示したような形状の、外径１２０ｍｍ、凸部の内径７０ｍｍ、凹凸の段差１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの鋼の材料を本発明の円筒物用誘導加熱装置によって加熱した。この材料は焼入れしたものであって、目標温度２３０℃で焼戻ししようというものである。誘導加熱装置は外側コイルの巻き数が２巻き、内側コイルの巻き数が４巻きである。電源周波数は３ｋＨｚで１５秒間通電して加熱を行なった。その結果、通電終了時の目標温度２３０℃に対して内面の凸部、凹部および外面の温度差は５℃以内であり、複数の被加熱物で繰り返し実施しても再現性は良好であった。一方、比較のため内面と外面とを別々に加熱することとし、内側コイルのみ電源周波数３ｋＨｚで１５秒間通電した。その結果凸部の温度は２３０℃なったが凹部の温度は低く、温度差は約４０℃あった。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の円筒物用誘導加熱装置は内外面の一方に凹凸を有する円筒物を加熱するにあたり、被加熱物の内面と外面にそれぞれ隣接する内側コイルと外側コイルとを設け円筒物の内外面を同時に加熱するものである。これによってコイルからの距離が遠いために昇温が不十分となる凹部は、反対側のコイルによる加熱によりこの分が補償され、凸部と凹部の温度差を縮小すことができる。このため従来は内外面を熱処理する場合においても内側コイルと外側コイルと別々の加熱装置によっていたのに比較して、被加熱物全面を均等に加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円筒物用誘導加熱装置を示す断面図
【図２】本発明が加熱対象とする円筒物の例を示す斜視図
【図３】本発明の円筒物用誘導加熱装置の回路の例を模式的に示す図
【図４】被加熱物表面からの距離と電流密度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 円筒物
２ 内側コイル
３ 外側コイル
５ 凸部
６ 凹部

Claims (3)

1. 内外面の一方に凹凸を有する円筒物を加熱するための誘導加熱装置において、被加熱物の内面と外面にそれぞれ隣接する内側コイルと外側コイルとを設け、内側コイルと外側コイルに同時に電流を流して円筒物の内外面を同時に加熱することを特徴とする円筒物用誘導加熱装置。
2. 内側コイルと外側コイルは、互いに同位相の電流が同方向に流れるように高周波電源に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の円筒物用誘導加熱装置。
3. 内側コイルの巻き回数が外側コイルの巻き回数より少なくとも１巻き多いことを特徴とする請求項１または２に記載の円筒物用誘導加熱装置。

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