JP2006147152A - 半開放鞍型高周波誘導加熱コイル - Google Patents

Abstract

【課題】 幅狭の被加熱体であっても効率が良く高周波誘導加熱することができ、耐久性の向上を図ることができる半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを提供する。
【解決手段】 幅狭の被加熱体１２（例えば、クランクシャフト１のピン部２）を高周波誘導加熱すべく被加熱体１２の円筒状外周面１２ａに対向配置される半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０において、被加熱体１２の幅方向に沿って相対向して配置される２本の加熱導体２１，２１と、２本の加熱導体２１，２１をそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体１７，１７とから成るコイル頭部２０ａとを備え、２本の加熱導体２１，２１は、コイル内径側γからコイル外径側βに向かって相互間の間隔を広げる向きに傾斜する断面形状を有するように構成すると共に、磁束集中用磁性体１７，１７は、２本の加熱導体２１，２１が互いに対向する箇所におけるコイル外径側βの幅寸法をコイル内径側γの幅寸法よりも厚く形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン用のクランクシャフトのピン部やジャーナル部のような円柱状の被加熱体を高周波焼入する際に用いられる半開放鞍型高周波誘導加熱コイルに関し、特に、被加熱体が幅狭の場合において効率的な高周波誘導加熱を行うことができる簡便構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルに関する。

図４は、４気筒のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンに使用されるクランクシャフト１を示すものである。このクランクシャフト１は、４箇所のピン部２と、５箇所のジャーナル部３と、これ等の間に設けられるカウンタウエイト部４とを有する。通常、クランクシャフト１のピン部２の円筒状外周面２ａには、例えば高周波焼入により図５に示すような焼入硬化層Ｈが形成される。また、図示を省略したが、クランクシャフト１のジャーナル部３の円筒状外周面３ａにも例えば高周波焼入により、ピン部２の焼入硬化層Ｈとほぼ同様な焼入硬化層が形成される。

図６は、上述の如き焼入硬化層Ｈを形成するために従来より一般的に用いられている高周波焼入装置５を示している。この高周波焼入装置５は、図６に示すように、互いに平行に対向配置された一対の側板６，６と、これらの側板６，６の間に設けられた半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７と、この半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７に給電用リード導体８，８を介して高周波電流を供給する高周波電源９と、この高周波電源９と給電用リード導体８，８とを接続する接続端子１０，１０と、これらの接続端子１０，１０及び給電用リード導体８，８を保持するために側板６，６の上部に取付けられた絶縁性材料から成るブロック１１と、被加熱体１２（例えば、ピン部２の円筒状外周面２ａ）と半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７との間に所定の隙間を維持するための複数（図４の場合は３箇）のセラミック製又は超硬合金製の接触子（チップ部材）１４，１４，１４と、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７の下方箇所において一対の側板６，６の下端部に取付けられた焼入冷却用の冷却液噴射手段１５，１５などから構成されている。

上述の高周波焼入装置５における半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７は、図７に示すように被加熱体１２の円筒状外周面１２ａの上半分部分に接触子１４，１４，１４を介して所定の間隔を隔てて対向配置される半開放鞍型（側面視でほぼ半円弧形状）のコイル頭部７ａを備えている。このコイル頭部７ａは、被加熱体１２の幅方向（軸線方向）に沿って相対向して配置される電極である２本の同形の加熱導体１６，１６と、これらをそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体（磁束集中部材）１７，１７とから構成されている。加熱導体１６，１６は、例えば、図示のように互いに平行に配置される断面矩形状の中空パイプ材から成り、これらは図外の接続導体により互いに直列に接続されている。なお、加熱導体１６，１６のうち被加熱体１２の円筒状外周面１２ａに対向配置される面部Ｓ，Ｓ（図７参照）が磁束集中用磁性体１７，１７の面部Ｐ，Ｐにおいて外部に露出されている。

また、磁束集中用磁性体１７，１７は、加熱効率を増加させるためのものであって、例えば、珪素鋼板やダストコアなどから構成されている。なお、図７に示すように、コイル頭部７ａの全幅Ｗ₁は、図５に示す焼入硬化層Ｈの幅Ｗ₂にほぼ見合うものであって（Ｗ₁≒Ｗ₂）、ピン部２の幅（ピン部２の軸線方向のピン幅）Ｗ₃よりも少し狭く設定されている（Ｗ₁＜Ｗ₃）。

以上に説明した半開放鞍型高周波誘導加熱コイル７に関する公知技術として特開２００２−２２６９１９（特許文献１）が挙げられる。
特開２００２-２２６９１９

図８に示すように、コイル頭部７ａの加熱導体１６，１６の一般的な配列の場合には、本願明細書においては、便宜上、一対の加熱導体１６，１６の内側面をコイル内面Ｍ，Ｍと呼称し、その外側面をコイル外面Ｎ，Ｎと呼称し、その外径をコイル外径Ｄ₁、その内径をコイル内径Ｄ₂と呼称する。図９及び図１０は、加熱導体１６，１６とこれらをそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体１７，１７との相互間の配置関係を示している。図１０のコイル頭部７ａにおけるコイル内面Ｍ，Ｍの側の部分１７ａ，１７ａは、図９に示すコイル頭部７ａにおけるコイル内面Ｍ，Ｍの側における部分１７ａ，１７ａよりも厚く形成されている。この部分１７ａ，１７ａは、厚ければ厚い程（すなわち、体積が大きければ大きい程）、加熱効率が良くなる。図７に示すようにピン部２のピン幅Ｗ₃が比較的広い場合は、図１０に示すようにコイル内面Ｍ，Ｍの部分１７ａ，１７ａの厚さｔ₀を厚くすることができるが、ピン幅Ｗ₃の寸法が狭いと、図１０に示すようにコイル内面Ｍ，Ｍの側の部分１７ａ，１７ａの厚さｔ₀を厚くすることができない。

一方、最近のレシプロエンジンに使用されるクランクシャフト１は、エンジンのコンパクト化の要請から全長が短くなって来ている。このため、ピン部２やジャーナル部３の幅寸法（軸線方向の幅）が狭くなり、上記のようにコイル内面Ｍ，Ｍの側の部分１７ａ，１７ｂの厚さｔ₀を十分に厚くすることができず（図１１参照）、加熱効率の低下を来たすといった問題点がある。

本発明は、上述のような問題点を解消すべくなされたものであって、その目的は、例えばクランクシャフトのピン部やジャーナル部のような幅寸法が狭い幅狭の被加熱体であっても効率が良く高周波誘導加熱することができ、しかも耐久性の向上を図ることができる半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明では、幅狭（軸線方向の寸法が短い）の被加熱体を平高周波誘導加熱すべく前記被加熱体の円筒状外周面に対向配置される半開放鞍型高周波誘導加熱コイルにおいて、前記被加熱体の幅方向に沿って相対向して配置される２本の加熱導体と、これら２本の加熱導体をそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体とから成るコイル頭部とを備え、前記２本の加熱導体は、コイル内径側からコイル外径側に向かって相互間の間隔を広げる向きに傾斜する断面形状を有するように構成すると共に、前記磁束集中用磁性体は、前記２本の加熱導体が互いに対向する箇所におけるコイル外径側の幅寸法をコイル内径側の幅寸法よりも厚く形成するようにしている。
また、本発明では、前記コイル頭部を、軸線方向の幅が１２．０ｍｍ〜５５．０ｍｍの前記被加熱体の円筒状外周面に対応配置するようにしている。

請求項１に記載の本発明は、被加熱体の幅方向に沿って相対向して配置される２本の加熱導体と、これら２本の加熱導体をそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体とから成るコイル頭部とを備え、２本の加熱導体は、コイル内径側からコイル外径側に向かって相互間の間隔を広げる向きに傾斜する断面形状を有するように構成すると共に、磁束集中用磁性体は、前記２本の加熱導体が互いに対向する箇所におけるコイル外径側の幅寸法をコイル内径側の幅寸法よりも厚く形成するようにしたものであるから、幅狭の被加熱体であってもこれに対向配置される磁束集中用磁性体を加熱導体のコイル内面側に厚く形成することができ、かつ、コイル外径側の磁束集中用磁性体の厚さがコイル内径側の厚さよりも厚くなるため、コイル内径側を流れる電流を増加させることができ、しかもコイル外径側における加熱導体の相互干渉による磁束の相殺を減少させることができるため、被加熱体を効率良く高周波誘導加熱することができると共に、半開放鞍型高周波コイルの耐久性の向上を図ることができる。

請求項２に記載の本発明は、コイル頭部を、軸線方向の幅が１２．０ｍｍ〜５５．０ｍｍの前記被加熱体の円筒状外周面に対応配置するようにしたものであるから、例えば最近のレシプロエンジンなどに使用されるクランクシャフトのピン部やジャーナル部などの高周波焼入に際して効率良く高周波誘導加熱することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０について図１〜図３を参照して説明する。なお、図１〜図３において図４〜図８と同様の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１〜図３に示す本実施形態の半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０は、クランクシャフト１の幅狭のピン部２（軸線方向の幅（ピン幅）Ｗ₃が１２．０ｍｍ〜５５．０ｍｍ）を焼入処理のために高周波誘導加熱するためのものであり、高周波誘導加熱に際しては半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０のコイル頭部２０ａがピン部２の円筒状外周面２ａに対向配置されるようになっている。なお、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０の支持機構並びに給電機構は、図６に示される機構と同様である。

図１に示すように、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０は、一端が高周波電源に接続された一対の給電用リード導体８，８と、これらの給電用リード導体８，８の他端に接続されたコイル頭部２０ａと、このコイル頭部２０ａに取り付けられてコイル頭部２０ａを取り囲む磁束集中用磁性体１７，１７とを備えている。そして、上述のコイル頭部２０ａは、図２に示すように、２本の電極である加熱導体２１，２１から構成されており、これらの加熱導体３，３は、図２及び図３に示す如く所定の間隔を隔てて互いに平行に対応配置されると共に、図外の接続導体により互いに直列に接続されている。一方、磁束集中用磁性体１７，１７は、多数の板状の磁性材を重ね合わせて成る部材である。

また、図２及び図３に示すように、上述の２本の加熱導体２１，２１は、コイル内径側α，αからコイル外径側β，βに向かって相互間の間隔を広げる向きに傾斜する平行四辺形のような断面形状を有するように構成されている。一方、磁束集中用磁性体１７，１７は、前記２本の加熱導体２１，２１が互いに対向する箇所におけるコイル外径側α，αの幅寸法ｔ₁をコイル内径側β，βの幅寸法ｔ₂よりも厚く形成されている。

なお、前記加熱導体２１，２１は、幅狭の被加熱体１２の円筒状外周面５ａ（すなわち、ピン部２の円筒状外周面２ａ）に対応するものであり、コイル頭部２０ａの幅寸法Ｌ（図３参照）は、被加熱体１２であるピン部２の幅寸法Ｗ₃（図７参照）に対応することで限定される。よって、加熱導体２１，２１が図１１に示すような平行に配設される矩形の断面形状を有するもの（加熱導体１６，１６）である場合には、磁束集中用磁性体１７，１７のコイル内面Ｍ，Ｍの側の部分１７ａ，１７ａの厚さｔ₀は、コイル内径側部分もコイル外径側部分も一定の寸法（同寸法）となり、既述の如く図示の寸法より厚くすることはできない。

これに対し、本実施形態の半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０の加熱導体２１，２１は、既述のように傾斜した平行四辺形状の断面形状を有するように構成されているので、図３に示す如く加熱導体２１，２１を取り囲む磁束集中用磁性体１７，１７のコイル外径側α，αの厚さｔ₁をコイル内径側β，βの厚さｔ₂よりも厚くすることができる（ｔ₁＞ｔ₂）。このため、磁束集中用磁性体１７，１７のうちのコイル内面Ｍ，Ｍの側の部分（図３においてクロスハッチングで示す部分１７ｂ，１７ｂ）の全体積を従来のものより大幅に大きくすることができる。

図３に示すコイル頭部２０ａにあっては、一対の加熱導体２１，２１が互いに対向する面２１ａ，２１ａのなす角度θが例えば２５°に設定されている。但し、この角度θは、２５°に限定されるものではなく、必要に応じて適宜に変更可能である。また、一対の加熱導体２１，２１の面部Ｓ，Ｓ、すなわち、磁束集中用磁性体１７，１７から露出して被加熱体に対応配置される面部Ｓ，Ｓの幅をそれぞれＴ₁とし、これらの面部Ｓ，Ｓ間の間隔をＴ₂とすると、Ｔ₂＝Ｔ₁×Ｋ（ここで、Ｋ＝０．５〜１．５の定数）となるように設定されている。例えば、Ｔ₁を４．０ｍｍにした場合には、Ｔ₂は２．０ｍｍ〜６．０ｍｍに設定され、Ｔ₁を８．０ｍｍにした場合には、Ｔ₂は４．０ｍｍ〜１２．０ｍｍに設定される。

下記の表１には、従来のコイル（従来品）と本発明のコイル（本発明品）との比較を示すものであり、加熱電力，加熱時間，加熱電力量に応じたコイル損傷等の加熱効率に関連する項目の比較データが示されている。なお、下記の表１に記載のデータは、同一焼入深さの場合の比較データである。

上記の表１に示すように、本発明品は、従来品に較べて加熱電力，加熱時間，コイル損失の全ての点において減少し、大幅な加熱効率の向上が確保されることが分かる。また、加熱時間を同一にした場合には、加熱電力は、更に少なくて済む。また、従来品に較べて本発明品は、コイル外径側αのコイル周長が長くなり、これに応じてその部分を流れる高周波電流が減少すると共にコイル内径側βを流れる電流が増加することなるため、加熱効率の向上を図ることができる。また、コイル外径側αにおけるコイル間隔が拡がることに起因して、コイル間の相互干渉による磁束の相殺作用が減少することとなるため、加熱効率の更なる向上を図ることができる。以上のことから、熱処理時間（加熱時間や冷却時間）を短縮することが可能となり、しかも電力量も少なくて済むため、ライニングコストを低減することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、既述の実施形態では、自動車等のエンジンのクランクシャフト１のピン部２を高周波誘導加熱するのに用いられる半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２０について述べたが、本発明の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルは、クランクシャフト１のジャーナル部３（軸線方向のジャーナル幅がピン部２のピン幅と同様に１２．０ｍｍ〜５５．０ｍｍ）は勿論、その他の各種の被加熱体を高周波誘導加熱するのに利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る幅狭の被加熱体用の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの正面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面である。 図１の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル頭部を拡大して示す断面図である。 ４気筒エンジン用のクランクシャフトを示す平面図である。 クランクシャフトのピン部における焼入硬化層を示す断面図である。 半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを備えた高周波焼入装置の正面図である。 クランクシャフトのピン部を高周波誘導加熱するための半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル頭部を示す断面図である。 コイル頭部の加熱導体の配置と各部の呼称を説明するための説明図である。 従来の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル頭部の一例を示す断面図である。 磁束集中用磁性体のコイル内面側の部分の厚さが厚い従来の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル頭部を示す断面図である。 幅狭の円筒形被加熱体に適用される従来の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル頭部を示す断面図である。

符号の説明

１ クランクシャフト
２ ピン部
２ａ 円筒状外周面
３ ジャーナル部
３ａ 円筒状外周面
５ 高周波焼入装置
１２ 被加熱体
１２ａ 円筒状外周面
１７ 磁束集中用磁性体
２０ 半開放鞍型高周波誘導加熱コイル
２０ａ コイル頭部
２１ 加熱導体
α コイル外径側
β コイル内径側
Ｍ コイル内面
Ｎ コイル外面

Claims (2)

1. 幅狭の被加熱体を高周波誘導加熱すべく前記被加熱体の円筒状外周面に対向配置される半開放鞍型高周波誘導加熱コイルにおいて、前記被加熱体の幅方向に沿って相対向して配置される２本の加熱導体と、これら２本の加熱導体をそれぞれ取り囲む磁束集中用磁性体とから成るコイル頭部とを備え、前記２本の加熱導体は、コイル内径側からコイル外径側に向かって相互間の間隔を広げる向きに傾斜する断面形状を有するように構成すると共に、前記磁束集中用磁性体は、前記２本の加熱導体が互いに対向する箇所におけるコイル外径側の幅寸法をコイル内径側の幅寸法よりも厚く形成して成ることを特徴とする半開放鞍型高周波誘導加熱コイル。
2. 前記コイル頭部を、軸線方向の幅が１２．０ｍｍ〜５５．０ｍｍの前記被加熱体の円筒状外周面に対応配置するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半開放鞍型高周波誘導加熱コイル。
   
   

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