JP2005281801A - 薄板金属の通電加熱装置および通電加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、被加熱材料の大きさの変更に容易に対応でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担の少ない薄板金属の通電加熱装置および通電加熱方法を提供する。
【解決手段】被加熱材料６の幅方向両端部に一対の電極２を配置し、この一対の電極２を被加熱材料６の幅方向を回転軸方向とする回転円柱体２として、被加熱材料６の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能とし、電極２に高周波電源１から高周波電流を供給して被加熱材料６に高周波電流を流して通電加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は長手方向に移動する薄板金属を幅方向にムラなく急速加熱する薄板金属の通電加熱装置および通電加熱方法に関するものである。

薄板金属の焼きなましなどの熱処理装置として、セラミックチューブ炉などの雰囲気を加熱する間接加熱装置が用いられているが、被加熱材料を急速に加熱する必要がある場合は、間接加熱装置では対応できないため、直接加熱装置が使用される。ここで、被加熱材料が非磁性材の場合は、直接加熱装置としてトランスバース加熱装置が使用されることがある。

トランスバース加熱装置は、被加熱材料の平面と直角方向に磁束を通すトランスバースコイルを用いて、被加熱材料を流れるうず電流によって加熱するが、被加熱材料の両端部は中央部よりも電流密度が高く、また熱伝導面積が小さくなるので被加熱材料を幅方向に均一に加熱することが困難となる。
熱処理において、被加熱材料の幅方向に加熱ムラが生じると熱処理後の材料の品質にばらつきが発生するので、幅方向の加熱ムラをなくし、均一に加熱することが求められる。
そこで、被加熱材料の幅方向の加熱ムラを解消するためにトランスバースコイルのコアの位置などを改良することなどが行われているが、被加熱材料の大きさごとにコアの位置を変更する必要があるため、被加熱材料の寸法変化に対応し難いという欠点がある。また、トランスバース加熱装置は、装置が大規模かつ複雑であり、コスト負担が大きくなるという問題もある。

一方、被加熱材料の寸法によらず、均一に加熱できる板状金属材料の通電加熱装置が提案されている（特許文献１参照）。この装置は、被加熱材料の幅方向両端部に、被加熱材料の移動方向の長さが長短異なる一対の電極を配置して、この対となる電極を被加熱材料の移動方向に長短の組み合わせを換えて交互に配置し、さらにそれぞれの一対の電極を挟むように良磁性材リング状コアを設けたものである。そして、このリング状コアの開口部を被加熱材料が移動、通過する構造となっている。

ここで被加熱材料の幅方向両端部に設けた電極に商用周波数の交流電流２１を用いて被加熱材料６に電流Ａ１を流すと図４に示すように、一対の電極２間を最短経路で流れず、電流Ａ１が広がって流れることになる。これは、通電加熱によって被加熱材料６の温度が上昇し、抵抗分布が生じるためである。したがって、被加熱材料６の幅方向の加熱にばらつきが生じて幅方向に均一に被加熱材料６を加熱することができない。

そこで、この提案では良磁性材リング状コアを用いて電磁誘導によりリング状コアの中にある板状金属材料を流れる交流電流と逆位相の電流を板状金属材料に誘起させて幅方向の電流の広がりを抑えるようにしている。

しかし、この装置では、長さが長短異なる一対の電極を交互に配置する必要があり、また良磁性材リング状コアを設置しなければならず、設備が大規模となり、またコストもかかる。また被加熱材料が良磁性材リング状コアの開口部を通過、移動しなければならないため、被加熱材料の寸法はこの開口部の大きさに規制されることになる。
特開平１０―３１７０６５号公報

本発明は前記したような従来技術の問題点を解決するためになされたものである。即ち、被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、被加熱材料の大きさの変更に容易に対応でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担の少ない薄板金属の通電加熱装置および通電加熱方法を提供することにある。

請求項１に記載の薄板金属の通電加熱装置は、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する通電加熱装置であって、前記被加熱材料の幅方向両端部に配置され前記被加熱材料に電流を流す一対の電極と、該一対の電極に高周波電流を供給する高周波電源と、からなり、該一対の電極は被加熱材料の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能としたものである。

請求項２に記載の薄板金属の通電加熱装置は、請求項１に記載の薄板金属の通電加熱装置において、一対の電極を被加熱材料の幅方向を回転軸方向とする回転円柱体としたものである。

ここでの回転円柱体とは外周断面形状が円形であればよく、円筒体も含むものである。

請求項３に記載の薄板金属の通電加熱方法は、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する薄板金属の通電加熱方法であって、前記被加熱材料の幅方向両端部に一対の電極を配置し、該一対の電極に高周波電源から高周波電流を供給して前記被加熱材料に高周波電流を流して通電加熱し、該一対の電極は被加熱材料の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能としたものである。

請求項４に記載の薄板金属の通電加熱方法は、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する薄板金属の通電加熱方法であって、高周波電源から前記被加熱材料の幅方向両端部の電極へ至る高周波電流通電部を被加熱材料表面近傍に配置し、被加熱材料内に流れる高周波電流の経路を限定するものである。

請求項１に記載の薄板金属の通電加熱装置は、長手方向に移動する薄板金属のされた一対の電極によって被加熱材料に直接、電流を流して通電加熱するので、急速に加熱することができる。
また、通電させる電流を高周波電流として、更に被加熱材料内に流れる高周波電流の経路を限定するため被加熱材料表面近傍に高周波電源から前記被加熱材料の幅方向両端部の電極へ至る高周波電流通電部を配置する。高周波電流は通電経路のインピーダンスが最小となる経路を集中的に流れるため、電極間を流れる電流の広がりを抑制出来、被加熱材料を幅方向にムラなく均一に急速加熱することができる。
さらに、電極を被加熱材料の幅方向両端部に配置することで、電極の移動を容易にして被加熱材料の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能にしたので、様々な大きさの被加熱材料に適用し易くなった。
そして、装置の構造を比較的簡易にできるのでコスト負担を少なくすることができる。

特に、通常の誘導加熱では加熱しにくい銅、アルミニウムなどの非鉄金属または非磁性ステンレス鋼、非磁性領域の鉄の薄板金属についても幅方向にムラなく均一に急速加熱できる装置なので、これらの金属については好適である。

即ち、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、被加熱材料の大きさの変更に容易に対応でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担の少ない加熱装置とすることができる。

請求項２に記載の薄板金属の通電加熱装置は、一対の電極を被加熱材料の幅方向を回転軸方向とする回転円柱体とした。そこで、この回転円柱体は被加熱材料の長手方向の移動に伴って、その外周面を被加熱材料と接して回転するので円滑に被加熱材料に高周波電流を流すことができる。また、電極と被加熱材料との接触圧力を均一で小さくすることができ、接触圧力による被加熱材料の変形を抑えることができる。
即ち、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、被加熱材料の大きさの変更に容易に対応でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担の少ない加熱装置とすることができる。

請求項３に記載の薄板金属の通電加熱方法では、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、被加熱材料の大きさの変更に容易に対応でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担を少なくして薄板金属を加熱することができる。

請求項４に記載の薄板金属の通電加熱方法では、高周波電源から前記被加熱材料の幅方向両端部の電極へ至る高周波電流通電部を被加熱材料表面近傍に配置し、被加熱材料内に流れる高周波電流の経路を限定したので、長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料内を流れる高周波電流が広がらずに、被加熱材料を幅方向にムラなく、均一に急速加熱でき、かつ比較的簡易な構造でコスト負担を少なくして加熱することができる。そして、被加熱材料表面近傍の高周波電流通電部の位置を変えることによって、被加熱材料内を流れる高周波電流の経路位置を変えることができる。

以下、本発明による薄板金属の通電加熱装置の第一の実施形態を図１に基づいて説明する。尚、本発明の通電加熱方法もこの説明に含めて説明するものとする。図示しない搬送装置によって矢印の方向に移動する被加熱材料６の幅方向両端部には一対の電極２が支持体４に軸支されて配置され、高周波電源１から高周波電流Ａ２が供給される。即ち、高周波電源１から被加熱材料６の幅方向両端部の電極２へ至る高周波電流通電部８が被加熱材料６表面近傍に配置されている。電極２は被加熱材料６の幅方向を回転軸方向とする回転円柱体２となっていて、電極２の下方に支持体４に軸支された押えロール３とともに、被加熱材料６を挟む構造となっている。電極２と押えロール３との間隔は高さ調整部５で変更可能となっていて高さ調節部５によって、電極２が被加熱材料６の厚み方向に移動可能となる。この高さ調整部５は送りネジ機構などの一般的な調節機構を採用すればよく、被加熱材料６の厚みによって電極２と押えロール３の間隔を変更することで様々な厚みに容易に対応できる。

また、それぞれの支持体４は被加熱材料６の幅方向に移動可能となっているので、被加熱材料６の幅に応じて両支持体４の間隔を変更するだけでよく、様々な幅に容易に対応できる。両支持体４の間隔変更は送りネジ機構などの一般的な間隔変更機構を用いればよい。このように電極２と押えロール３との間隔変更と両支持体４の間隔変更のいずれも可能とするのが様々な大きさの被加熱材料６に対応できて好ましい。

この実施形態では一対の電極２を一つ、被加熱材料６の両端部に配置したが、長手方向に距離をおいて別の一対の電極２を設け、幅方向の位置を変えて、被加熱材料６を加熱すると幅方向の加熱状態を変えることもできる。即ち、被加熱材料６の長手方向に複数の一対の電極２を配置して、この電極２の幅方向の配置位置も変えることで被加熱材料６の幅方向の加熱状態をコントロールすることもできる。

電極２は支持体４や押えロール３に通電しないように絶縁状態で軸支され、材質はステンレス鋼、鉄などの導電性のよい金属や導電性セラミックなどを用いる。電極２の回転円柱体２の径、長さは被加熱材料６の仕様などに応じて適宜、決定する。また電極２は回転円柱体２に限らず、擦り板状やブラシ状などでもよいが、摩擦抵抗や円滑な高周波電流Ａ２の供給などを考慮すると回転円柱体２が好適である。

つぎに、使用方法について説明する。まず、被加熱材料６の寸法に合わせて両支持体４の間隔および電極２と押えロール３の間隔を設定し、電極２と押えロール３の間で被加熱材料６を挟むようにする。
本加熱装置で通電加熱する被加熱材料６の厚みは、概ね６ｍｍ以下であるが、素材の抵抗率によって違いがある。たとえば、銅などの低抵抗率材料については０．１〜２ｍｍ程度、ステンレス鋼や非磁性領域の鉄などは０．２〜５ｍｍ程度である。

電極２は外周面が被加熱材料６と適度の圧力で接するように調整し、その後、図示しない搬送装置で被加熱材料６を長手方向に移動させつつ、高周波電源１で電極２に高周波電流Ａ２を供給し、被加熱材料６を通電加熱する。
この高周波電流Ａ２は図３に示すように電極２間を最短経路で急速に通電するので被加熱材料６を幅方向にムラなく、均一に急速加熱することができる。ここで用いる高周波電流Ａ２の周波数は、被加熱材料の材質、寸法により異なるが、数ｋＨｚ以上、好ましくは１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度である。

つぎに、第二の実施形態について図２に基づいて説明する。回転円柱体２の電極２が支持体４から下方に延設された高さ調節部５の先端に軸支され、長手方向に移動する被加熱材料６の両端部に配置されている。この電極２と押えロール３との間に被加熱材料６が挟まれて移動することになる。
電極２は高さ調節部５によって、被加熱材料６の厚み方向に移動可能であり、また、支持体４を移動させることで被加熱材料６の幅方向に移動可能となっている。この厚み方向、幅方向の移動や加熱装置の使用方法は第一の実施形態と同様である。

ここで、被加熱材料６上には温度測定部１０が設けられており、被加熱材料６の加熱温度が測定できるようになっている。この温度測定部１０は制御部１１に信号を送り、この信号により制御部１１が高周波電源１を制御して周波数や電力を変化させて被加熱材料６の加熱状態を制御するようになっている。
この温度測定部１０を幅方向に多く設ければ、被加熱材料６の幅方向の加熱状態を細かく把握することができる。

第一の実施形態の構造概要を示す斜視図である。 第二の実施形態の構造概要を示す斜視図である。 高周波電流が電極間を流れる状態を説明する斜視図である。 商用周波数電流が電極間を流れる状態を説明する斜視図である。

符号の説明

１ 高周波電源 ２ 電極（回転円柱体） ３ 押えロール
４ 支持体 ５ 高さ調節部 ６ 被加熱材料
８ 高周波電流通電部
１０ 温度測定部 １１ 制御部
２１ 商用周波数の交流電源

Claims (4)

1. 長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する通電加熱装置であって、
   前記被加熱材料の幅方向両端部に配置され前記被加熱材料に電流を流す一対の電極と、
   該一対の電極に高周波電流を供給する高周波電源と、からなり、
   該一対の電極は被加熱材料の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能である薄板金属の通電加熱装置。
2. 一対の電極が被加熱材料の幅方向を回転軸方向とする回転円柱体である請求項１に記載の薄板金属の通電加熱装置。
3. 長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する薄板金属の通電加熱方法であって、
   前記被加熱材料の幅方向両端部に一対の電極を配置し、
   該一対の電極に高周波電源から高周波電流を供給して前記被加熱材料に高周波電流を流して通電加熱し、
   該一対の電極は被加熱材料の幅方向または厚さ方向の少なくともいずれか一方に移動可能とした薄板金属の通電加熱方法。
4. 長手方向に移動する薄板金属の被加熱材料に電流を流して加熱する薄板金属の通電加熱方法であって、
   高周波電源から前記被加熱材料の幅方向両端部の電極へ至る高周波電流通電部を被加熱材料表面近傍に配置し、被加熱材料内に流れる高周波電流の経路を限定する薄板金属の通電加熱方法。
   
   
   
   

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