JP2005011625A

JP2005011625A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2005011625A
Application number: JP2003173271A
Authority: JP
Inventors: Akio Ota; 昭男太田
Original assignee: JAPAN AJAX MAGNETHERMIC CO Ltd
Current assignee: JAPAN AJAX MAGNETHERMIC CO Ltd
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【目的】誘導加熱装置を用いた帯状の金属板の加熱において、均一な加熱が行える技術を提供する。
【構成】１組のＪ型導体１０１および１０２でなる磁束発生手段１０３において、導体１０１，１０２の湾曲部内側に磁性体からなる磁性ブロック１０４，１０６を配置する。磁性ブロック１０４，１０６により、帯状の金属板１１０の中央付近における磁束密度と端の部分における磁束密度の違いを是正し、帯状の金属板１１０の幅方向における加熱を均一に行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱により金属板を加熱する装置に係り、特に、帯状の金属板を加熱する際に幅方向における加熱の均一性を確保することができる誘導加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
帯状の金属板を加熱する誘導加熱装置として、特許文献１および特許文献２に記載された装置が知られている。図９に特許文献１および特許文献２に記載された誘導加熱装置の基本的な構造を示す。この誘導加熱装置では、Ｊ字型導体９００および９０１が組み合わされて磁束生成手段９０２が構成され、さらにＪ字型導体９０３および９０４によって別の磁束生成手段９０５が構成されている。磁束生成手段９０２と９０５は、上下に離れて配置され、それらの間に帯状の金属板９０７を通過させる構造となっている。
【０００３】
金属板９０７を磁束生成手段９０２と９０５との間に位置させた状態で、Ｊ字型導体９００と９０１との間、およびＪ字型導体９０３と９０４との間に交番電流を供給すると金属板９０７の面に平行な方向に交番磁束が発生する。この交番磁束により、金属板９０７中に渦電流が発生し、その渦電流に起因するジュール熱により金属板９０７は加熱される。
【０００４】
この誘導加熱装置は、Ｊ字型導体を矢印９０８および９０９で示すように相対的にスライドさせることで、中央部空間９０６の長さを変更し、それにより磁束生成手段の有効長を変更し、幅寸法の異なる金属板に容易に対応できる構造となっている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４７５１３６０号公報
【特許文献２】特開平８―３７０８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで図９に示した誘導加熱装置は、金属板の幅方向における加熱が均一にならないという問題がある。特に、熱処理の効率および効果を高めるために、図９に示す誘導加熱装置を金属板の搬送方向に複数並べて配置し、帯状の金属板を複数の誘導加熱装置に対して次々に通過させるように移送することで連続的に加熱処理を行う方式を採用した場合、上述の加熱が均一にならない問題がより顕著になる。
【０００７】
したがって本発明は、幅の異なる金属板に対応できる磁束生成手段を備えた誘導加熱装置において、金属板を幅方向で均一に加熱できる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の加熱の不均一性について詳細に調べたところ、誘導加熱を行った際、金属板の幅方向の中央付近での加熱温度が高く、両端（つまり金属板の縁）付近での加熱温度が低いことが判明した。この温度分布は、一組のＪ字型導体を相対的にスライドさせ、磁束生成手段の有効長を変化させると、その形状は変化するが、中央部が凸となってしまう傾向にはかわりがない。このような誘導加熱による不均一な温度分布が生じるのは、金属板の中央付近の磁束密度が相対的に強いことに原因がある。
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、上述した不都合を解決するために、第１の直線部と該第１の直線部から湾曲部を介して前記第１の直線部と平行に延在する第２の直線部とを備えたほぼ同形状の一対の導体を備え、これら導体の前記第１の直線部と前記第２の直線部とを互いに近接させて点対称に配置することにより前記一対の導体の前記第１の直線部および湾曲部によって囲まれる中央部空間を設けた磁束生成手段と、前記中央部空間の端部近傍に配置された磁性体からなる磁性ブロックとを備えことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、中央部空間の端部近傍に磁性ブロックが配置されることで、その部分の磁束密度が高くなり、それにより金属板の中央部付近における磁束密度の集中が緩和されて金属板の中央部付近の過熱が是正される。つまり、磁性ブロックを中央部空間の端部近傍に配置することにより、中央部空間の端部近傍に磁束が集まり易くし、それにより金属板の両端付近と中央付近との間における磁束密度のアンバランスを是正し、誘導加熱が金属板の幅方向において均一に行われる。
【００１１】
本発明の誘導加熱装置において、磁性ブロックは、第１および第２の導体の湾曲部の内周に接触または近接して配置されていることが好ましい。本発明者らの実験によれば、第１および第２の導体で囲まれた中央部空間の湾曲部の部分に磁性ブロックを配置した場合に、最も均一な加熱状態が得られることが判明している。
【００１２】
本発明の誘導加熱装置において、磁束生成手段が複数並べて配置された構成とし、隣接する磁束生成手段の間にリング状の導体を、上から見て金属板の幅方向の中央付近に位置するように配置することは好ましい。この態様によれば、リング状の導体にレンツの法則により誘導電流が流れ、その誘導電流により生成される交番磁束によって、リング状の導体が配置された付近における交番磁場の磁束密度が弱められ、それにより金属板の中央付近における過度の加熱が緩和される。磁性ブロックの配置に加えて、このリング状の導体を配置することで、両者の相乗効果が得られ、さらに均一な加熱を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の誘導加熱装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図１および図４は、本発明の誘導加熱装置の概要を示す図である。図２は、磁束生成手段の概要を示す図である。図３は、図１の誘導加熱装置を上から見た断面図である。図１は見やすいように磁束ガイドを省略した図であり、図４は磁束ガイドを記載した図である。
【００１４】
誘導加熱装置は、帯状の金属板１１０の搬送方向に誘導加熱ユニット１０８を複数（この実施形態では５つ）並べた構成を有している。誘導加熱ユニット１０８は、上下に離間して配置された同じ構造を有する磁束生成手段１０３，１０７を備えている。隣り合う誘導加熱ユニット１０８の間には、上下一対のリング状の導体１０９が４組計８個配置されている。リング状の導体１０９は、上から見て金属板１１０の幅方向における中央に位置し、且つ隣接する磁束生成手段が配置された面と同一の面に配置されている。
【００１５】
図２に示すように、磁束生成手段１０３は、直線部２０１と、この直線部２０１の端部からほぼ９０°の範囲に亘って円弧状に延在する湾曲部２０２と、この湾曲部２０２の端部から直線部２０１と平行に延在する直線部２０３とから構成される同形状の一対の導体１０１，１０２を備えている。これら導体は、直線部２０１と直線部２０６、直線部２０３と直線部２０４とを互いに近接させて互いに点対称な位置に配置されている。また、直線部２０１，２０４、湾曲部２０２，２０５によって囲まれる中央部空間１０４が設けられている。磁束生成手段１０３は、導体１０１，１０２を相対的に矢印２０７，２０８の方向に移動させることで、中央部空間１０４の長さを変更することができ、これにより異なる幅の帯状の金属板１１０に対応することができる。
【００１６】
なお点対称な位置とは、導体１０１と１０２とで形成される図形の中心点に対して、一方の導体（例えば１０１）を１８０度回転させると、それが他方の導体（例えば１０２）に一致する位置の関係をいう。
【００１７】
導体１０１と１０２に互いに逆位相の交番電流を流すことにより、中央部空間１０４を取り囲む部分の導体がコイルのように機能し、磁束生成手段１０３から交番磁束が発生する。この状態で帯状の金属板１１０が上下に離間した磁束生成手段１０３と１０７との間に位置していると、発生した交番磁束は金属板１１０の面に平行な方向で金属板１１０をその面に沿って貫き、それにより金属板１１０内でジュール熱が発生して加熱が行われる。
【００１８】
帯状の金属板１１０は、各誘導加熱ユニットを構成する一組の磁束生成手段の間を図示しない搬送装置により搬送され、各誘導加熱ユニットにより加熱される。
【００１９】
中央部空間１０４の端部近傍の導体の湾曲部２０２，２０５（図２参照）の内側に密着させて磁性体からなる磁性ブロック１０５，１０６が配置されている。磁性ブロック１０５，１０６は、鉄粉をバインダーで固めて導体の湾曲部２０２，２０５に合うようなブロック形状に成型加工したものである。磁性ブロックの材質はフェライトでもよく、また他の磁性材料であってもよい。
【００２０】
磁性ブロック１０５，１０６が配置されることにより、導体１０１，１０２の湾曲部２０２，２０５の内側（中央部空間１０４側）に磁束が集まり、それにより金属板１１０の中央付近がより強く加熱されてしまう状態が緩和される。
【００２１】
リング状の導体１０９は、銅パイプで構成され、内部を冷却水が流れる構造となっている。リング状の導体１０９は、各磁束生成手段で生成される交番磁束のエネルギーを金属板１１０の中央線上で弱め、金属板１１０の中央における集中的な加熱を緩和する。すなわち、各誘導加熱ユニット１０８を構成する磁束生成手段１０３，１０７で交番磁束が生成されると、相互誘導によりリング状の導体１０９に誘導電流が流れ、その誘導電流により生成される交番磁束により、リング状の導体１０９付近における交番磁束が一部打ち消されて弱まり、それにより金属板１１０の中央における集中的な加熱が緩和される。
【００２２】
各誘導加熱ユニット１０８の上方には、図４に示すように鉄板を積層して構成した磁束ガイド３０１と３０２が配置され、下方には同様な構造の磁束ガイド３０３と３０４が配置されている。磁束ガイドにより、金属板１１０の面に平行な磁束を効率よく生成することができる。
【００２３】
以下、図１〜４に図示する加熱装置を用いて帯状の金属板を加熱した場合における金属板の幅方向における加熱の均一性を調べた結果を示す。図５は、磁性ブロック１０５および１０６を全ての磁束生成手段に取り付けた場合におけるデータである。図６は、磁性ブロックを全て取り外した場合におけるデータである。
【００２４】
図５および図６に示されているデータは、図１〜４に図示する誘導加熱装置において、厚さ１．０ｍｍ、幅３００ｍｍの帯状のステンレス板を６ｍ／分の速さで移送させて加熱を行った場合における温度分布を計測した結果である。
【００２５】
図５および図６において、リング投入数とは、リング状の導体の配置数である。図５および図６には、リング状の導体を配置しない場合（リング投入数＝０）、リング状の導体を上側に４個配置した場合（リング投入数＝４）、リング状の導体を上下に各４個、計８個を配置した場合（リング投入数＝８）のデータが示されている。コイル幅とは、中央部空間１０４の長さ（金属板の幅方向に一致する向きの長さ）である。図５および図６には、コイル幅を２９０ｍｍ、３００ｍｍ、３１０ｍｍとした場合のデータが示されている。
【００２６】
図５と図６を比較すれば明らかなように、コイル幅が２９０ｍｍと３００ｍｍの場合には、磁性ブロックを配置することで、加熱の均一性が大きく改善される。例えば、コイル幅が２９０ｍｍ、リング投入数が０である場合、磁性ブロックを配置しないと図６に示されるように、幅方向の端と中央とでは最大で７０℃以上の温度差が存在する。しかし、磁性ブロックを配置することで、図５に示されるようにその差は４５℃程度に抑えられる。
【００２７】
また、リング状の導体を配置することで、加熱の均一性が高まることも分かる。例えば、図５においてコイル幅が２９０ｍｍである場合、リング状の導体の配置数を増やすことによって、温度差の凹凸が小さくなることが分かる。
【００２８】
図５および図６から、磁性ブロックを配置することで、加熱の均一性が向上し、さらにリング状の導体を配置することで、さらに加熱の均一性が向上することが分かる。つまり、磁性ブロックとリング状の導体との相乗効果が認められる。特に、磁性ブロックと全てのリング状の導体を配置した場合には、図５のデータ（Ａ）およびデータ（Ｂ）に示されるように劇的に温度分布の均一性が改善される。
【００２９】
図７は、図５と同様な条件において、スレンレス板の板厚を２．０ｍｍにした場合のデータである。図７より、板厚を厚くしても、図５の場合と同様に金属板の幅方向における温度分布を均一にする効果が得られることが分かる。
【００３０】
なお、磁性ブロック１０５，１０６を磁束生成手段１０３の中央部空間１０４ではなくその外側、つまり湾曲部２０２，２０５の外側に配置した場合、加熱の均一性を向上させる効果はそれ程得られない。図８に示すのは、図１〜図４に示す加熱装置において、全ての磁性ブロックを湾曲部２０２，２０５の外側に配置した場合における金属板１１０の幅方向における加熱状態を計測したデータである。なお、図８はリング状の導体１０９を８個配置し、磁性ブロックの配置状態以外は、図５（Ａ）の場合と同じ条件で加熱を行った場合のデータである。図８と図５（Ａ）のデータとを比較すれば分かるように、磁性ブロック１０５，１０６を湾曲部２０２，２０５の外側に配置したのでは、加熱の均一性を高める効果はそれ程得られない。このことから、所定の効果を得るためには、磁性ブロック１０５，１０６は中央部空間１０４側に配置する必要があることが結論される。
【００３１】
本実施形態では、ステンレス板を３００℃程度に加熱にする場合のデータを説明したが、被加熱対象物は、鋼板、アルミ板、銅板、あるいは各種の合金板であってもよい。また、加熱の温度は特に限定されず、例えば８００℃以上といったより高温度であってもよい。本発明の熱処理装置は、熱処理により金属板の各種の物性を制御する技術に利用することができる。
【００３２】
本発明において、磁束生成手段を構成する導体の形状は、Ｌ字型に近い形状に変形してもよい。また、リング状の導体の形状は、円形が好ましいが、４角形や６角形といった多角形、あるいは楕円形であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、幅の異なる金属板に対応できる磁束生成手段を備えた誘導加熱装置において、金属板を均一に加熱できる技術が提供される。また、そのような構造を有する誘導加熱装置を複数並べて配置した構成において、金属板を均一に加熱できる技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導加熱装置の概要を示す斜視図である。
【図２】本発明の誘導加熱装置の一部を示す上面図である。
【図３】本発明の誘導加熱装置の概要を示す上面図である。
【図４】本発明の誘導加熱装置の概要を示す斜視図である。
【図５】本発明の誘導加熱装置による加熱の温度分布を示す線図である。
【図６】図５の温度分布と比較される温度分布を示す線図である。
【図７】本発明の誘導加熱装置による加熱の温度分布を示す線図である。
【図８】磁性ブロックの配置位置を変えた場合の温度分布を示す線図である。
【図９】従来技術における誘導加熱装置の概要を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１…導体、１０２…導体、１０３…磁束生成手段、１０４…中央部空間、１０５…磁性ブロック、１０６…磁性ブロック、１０７…磁束生成手段、１０８…誘導加熱ユニット、１０９…リング状の導体、１１０…帯状の金属板、２０１…直線部、２０２…湾曲部、２０３…直線部、２０４…直線部、２０５…湾曲部、２０６…直線部、２０７…スライドさせる方向、２０８…スライドさせる方向、９００…Ｊ字型導体、９０１…Ｊ字型導体、９０２…磁束生成手段、９０３…Ｊ字型導体、９０４…Ｊ字型導体、９０５…磁束生成手段、９０６…中央部空間、９０７…帯状の金属板、９０８…スライドさせる方向、９０９…スライドさせる方向。

Claims

第１の直線部と該第１の直線部から湾曲部を介して前記第１の直線部と平行に延在する第２の直線部とを備えたほぼ同形状の一対の導体を備え、これら導体の前記第１の直線部と前記第２の直線部とを互いに近接させて点対称に配置することにより前記一対の導体の前記第１の直線部および湾曲部によって囲まれる中央部空間を設けた磁束生成手段と、
前記中央部空間の端部近傍に配置された磁性体からなる磁性ブロックと
を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
前記磁性ブロックは、前記湾曲部の内周に接触または近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記磁束生成手段が複数並べて配置され、隣接する前記磁束生成手段の間には、リング状の導体が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。