JP2006294396A - 誘導加熱装置 - Google Patents

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Tsutomu Ishima
勉 石間
Hajime Tomita
始 冨田
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Abstract

【課題】幅の異なる薄板状被加熱物を誘導加熱する際に、それら幅の異なる薄板状被加熱物に応じて誘導コイルを交換することなく、簡単な構成により薄板状被加熱物の幅方向における両サイドの端部たるエッジの温度上昇を抑制して、均一な温度分布を維持しながら加熱する。
【解決手段】第1の誘導コイルを配置した第1の磁性部材と第2の誘導コイルを配置した第2の磁性部材との間に形成された間隙に薄板状被加熱物を配置し、上記第1の誘導コイルと上記第2の誘導コイルとに高周波電流を供給し、上記薄板状被加熱物に高周波磁束を貫通させることにより上記薄板状被加熱物に渦電流を誘導して、上記薄板状被加熱物を加熱するトランスバース型構造の誘導加熱装置であって、上記間隙内において、上記間隙内に上記薄板状被加熱物が配置された際における上記薄板状被加熱物の両側のエッジの近傍位置に磁性体をそれぞれ配置した。
【選択図】 図4

Description

本発明は、誘導加熱装置に関し、さらに詳細には、薄板状の形状を備えた被加熱物(本明細書においては、「薄板状の形状を備えた被加熱物」を単に「薄板状被加熱物」と適宜に称する。)を加熱する際に用いて好適な誘導加熱装置に関する。
一般に、各種の形状を備えた被加熱物、例えば、薄板状被加熱物を加熱する際に、当該薄板状被加熱物がアルミニウムやステンレス鋼のような非磁性材料またはキューリー点温度を超えた磁性材料である場合には、当該薄板状被加熱物の上下に誘導コイルを配置した構造(トランスバース型構造)を備えた誘導加熱装置を用いていた。トランスバース型構造を備えた誘導加熱装置(本明細書においては、「トランスバース型構造を備えた誘導加熱装置」を単に「トランスバース型誘導加熱装置」と適宜に称する。)においては、薄板状被加熱物の上下に配置された誘導コイルが作る磁束が当該薄板状被加熱物を貫通することにより、当該薄板状被加熱物が加熱されることになる。
ここで、図1(a)には従来のトランスバース型誘導加熱装置の概念構成説明図が示されており、図1(b)には図1(a)のI−I線による概略構成断面図が示されている。
この従来のトランスバース型誘導加熱装置10は、金属の薄板状被加熱物12を通過させる所定の間隙gを開けて対向して配置された一対の磁性部材たる断面E字形状の第1フェライトコア14および第2フェライトコア16と、高周波発振器(図示せず。)により発生された高周波電流を導通する線路たるフィーダー(図示せず。)を介して当該高周波発振器から高周波電流を給電される第1誘導コイル18と第2誘導コイル20とを有して構成されている。なお、所定の間隙gは、薄板状被加熱物12の厚さtや薄板状被加熱物12の上下の位置変動あるいは加熱効率により決定される。
第1フェライトコア14と第2フェライトコア16とは、E字形状を構成する凹凸面を互いに対向させて配置された複数の磁性材14a、16aをそれぞれ隙間無く連設して構成されており、第1誘導コイル18は第1フェライトコア14を構成する磁性材14aの凹所14b内に配置され、第2誘導コイル20は第2フェライトコア16を構成する磁性材16aの凹所16b内に配置されている。
なお、薄板状被加熱物12は、所定の速度で図1(a)における紙面の垂直方向手前側に連続的に移動しているものとする。従って、図1(b)に関しては、薄板状被加熱物12は紙面の右側から左側へ連続的に移動していることになる。

以上の構成において、トランスバース型誘導加熱装置10の第1誘導コイル18および第2誘導コイル20に高周波発振器からフィーダーを介して高周波電流が給電されると、第1誘導コイル18および第2誘導コイル20が作る磁束が間隙gに位置する薄板状被加熱物12を貫通することになり、これにより薄板状被加熱物12に渦電流が誘導されて薄板状被加熱物12が加熱されることになる。

ところで、従来のトランスバース型誘導加熱装置10により薄板状被加熱物12を加熱するに際して、薄板状被加熱物12の幅Wが第1誘導コイル18および第2誘導コイル20の幅Wよりも短い場合、即ち、第1誘導コイル18および第2誘導コイル20の幅Wが薄板状被加熱物12の幅Wよりも大きい場合には、薄板状被加熱物12の表面全面に流れる渦電流が薄板状被加熱物12の幅方向における両方の端部たるエッジ12a、12bへ流れることになり、薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bが特有な温度上昇を示し、薄板状被加熱物12内においてエッジ12a、12bの温度のみが他の領域と比べて異常に高くなっていた。
この点について、従来のトランスバース型誘導加熱装置10における薄板状被加熱物12の一方のエッジ12aの近傍の領域を示す図1(a)の要部拡大説明図である図2を参照しながら説明すると、磁性材14aを薄板状被加熱物12の幅方向に一列に隙間無く並べた第1フェライトコア14に第1誘導コイル18が配置され、磁性材16aを薄板状被加熱物12の幅方向に一列に隙間無く並べた第2フェライトコア16に第2誘導コイル20が配置されたトランスバース型誘導加熱装置10においては、薄板状被加熱物12が配置される間隙gに生起される磁束はほぼ均一となっている。
従って、この間隙gに生起される磁束中に金属の薄板状被加熱物12が配置されると、高周波誘導電流のエッジ効果により、金属面に発生する渦電流は薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bに集中し、例えば、図3に示すように、薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bが集中的に加熱され温度が跳ね上がる。
このように、薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bにおいて異常に温度が高い領域が生じることにより、薄板状被加熱物12の温度分布の均一化が阻害されることになるという問題点があった。

従来、こうした問題点、即ち、薄板状被加熱物の幅方向における両サイドの端部たるエッジの異常な温度上昇を解消するためには、その幅が薄板状被加熱物の幅と同程度か若干短くなるように設計した誘導コイルを用いて、薄板状被加熱物の幅方向における両サイドの端部たるエッジの異常な温度上昇を発生しないようにしていた。
しかしながら、こうした従来の手法によれば、幅の異なる薄板状被加熱物を加熱する毎に、加熱する対象の薄板状被加熱物の幅に合わせて設計された誘導コイルに交換する必要があり、その作業が繁雑になるとともにコスト高を招来するという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、幅の異なる薄板状被加熱物を誘導加熱する際に、それら幅の異なる薄板状被加熱物に応じて誘導コイルを交換することなく、簡単な構成により薄板状被加熱物の幅方向における両サイドの端部たるエッジの温度上昇を抑制して、均一な温度分布を維持しながら加熱することができるようにした誘導加熱装置を提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、本発明による誘導加熱装置は、対向して配置された一対の磁性部材の間に形成された間隙内において、当該間隙内に薄板状被加熱物を配置した際における当該薄板状被加熱物の幅方向における両方のエッジ近傍に磁性体を配置するようにしたものである。
即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、第1の誘導コイルを配置した第1の磁性部材と第2の誘導コイルを配置した第2の磁性部材との間に形成された間隙に薄板状被加熱物を配置し、上記第1の誘導コイルと上記第2の誘導コイルとに高周波電流を供給し、上記薄板状被加熱物に高周波磁束を貫通させることにより上記薄板状被加熱物に渦電流を誘導して、上記薄板状被加熱物を加熱するトランスバース型構造の誘導加熱装置であって、上記間隙内において、上記間隙内に上記薄板状被加熱物が配置された際における上記薄板状被加熱物の両側のエッジの近傍位置に磁性体をそれぞれ配置したものである。
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記磁性体は棒状体であるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、本発明のうち請求項2に記載の発明において、上記磁性体は上記間隙内において移動自在であり、上記薄板状被加熱物の上記両側のエッジに対して接離自在に配置されるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項3に記載の発明において、さらに、上記間隙内において上記磁性体を移動する移動手段を有し、上記移動手段により上記薄板状被加熱物の上記両側のエッジに対して上記磁性体を接離自在に配置するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項5に記載の発明は、本発明のうち請求項4に記載の発明において、さらに、上記薄板状被加熱物の上記両側のエッジの温度をそれぞれ計測する温度測定器と、上記移動手段を制御する制御手段とを有し、上記制御手段は、上記温度測定器により計測された温度に応じて、上記移動手段を制御して上記薄板状被加熱物の上記両側のエッジに対する上記磁性体の位置を制御するようにしたものである。
本発明による誘導加熱装置は、以上説明したように構成されているので、幅の異なる薄板状被加熱物を加熱する際においても、それら幅の異なる薄板状被加熱物に応じて誘導コイルを交換する必要が無く、簡単な構成により薄板状被加熱物の幅方向における両サイドの端部たるエッジの温度上昇を抑制することができ、均一な温度分布を維持しながら加熱することが可能となるという優れた効果を奏する。
以下、添付の図面に基づいて、本発明による誘導加熱装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
なお、以下の説明においては、図1(a)(b)ならびに図2に示す従来のトランスバース型誘導加熱装置10の構成と同一または相当する構成については、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は適宜に省略する。

図4(a)には本発明による誘導加熱装置の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されており、図4(b)には図4(a)のIV−IV線による概略構成断面図が示されている。なお、図4(a)は図1(a)に対応する概念構成説明図であり、図4(b)は図1(b)に対応する概略構成断面図である。
また、図5は、本発明による誘導加熱装置における薄板状被加熱物の一方のエッジの近傍の近傍の領域を示す要部拡大説明図である。なお、図5は、図2に対応する要部拡大説明図である。
これら図4(a)(b)ならびに図5に示す本発明による誘導加熱装置100は、薄板状被加熱物12が通過する第1フェライトコア14と第2フェライトコア16との間に形成された間隙g内において、薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bの近傍に磁性体102a、102bがそれぞれ配置されている点において、従来のトランスバース型誘導加熱装置10とは異なる。
この磁性体102a、102bは、この実施の形態における誘導加熱装置100においては、直線状に延長する棒形状を備えた中実の棒状体により構成されており、第1フェライトコア14と第2フェライトコア16との間にそれぞれ所定の間隙g、gを形成するようにして配置されている。なお、所定の間隙g、gは、薄板状被加熱物12の材質などを考慮して、温度分布均一性により決定される。

以上の構成において、誘導加熱装置100によれば、図5に示すように、金属の薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bの外側近傍に配置された磁性体102a、102bの存在により、第1誘導コイル18を備えた第1フェライトコア14と第2誘導コイル20を備えた第2フェライトコア16との間に形成された間隙gに生起される磁束が、磁性体102a、102bを集中的に通過するようになるため、エッジ12a、12bの領域を通過する磁束が減少し、エッジ12a、12bに集中して流れる誘導渦電流を減少することができる。
このため、薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bの集中加熱を抑制することができるようになる。
また、エッジ12a、12bに対する磁性体102a、102bの配置場所を変化させると、エッジ12a、12bの領域を通過する磁束が増減されるため、磁性体102a、102bの配置場所を適宜に選択することにより、エッジ12a、12bにおける加熱温度を制御することができる。
即ち、図6には、誘導加熱装置100により薄板状被加熱物12を加熱する際の薄板状被加熱物12の温度分布の特性曲線が示されており、磁性体102a、102bを薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bに向かって移動させる、即ち、磁性体102a、102bを薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bへそれぞれ近づけていくと、エッジ12a、12bの加熱温度が徐々に下がっていき、薄板状被加熱物12の温度分布は、従来のトランスバース型誘導加熱装置10による特性を示すパターンaからパターンbへと移行し、均一加熱となるパターンcが得られる。
このパターンcが得られた磁性体102a、102bの位置より、磁性体102a、102bをさらにエッジ12a、12bへそれぞれ近づけると、パターンdのようにエッジ12a、12bの温度は、薄板状被加熱物12の他の領域の温度よりも低下することになる。
なお、この実施の形態の誘導加熱装置100における磁性体102a、102bのように、その形状が棒形状を備えるようにすると、磁性体102a、102bとエッジ12a、12bとの間の距離をそれぞれ大きくとることができるようになり、薄板状被加熱物12を加熱する際の温度分布が制御し易くなる。

次に、図7を参照しながら、本発明による誘導加熱装置100を用いたシステムの具体的な構成の一例について説明するものとする。
即ち、このシステムは、1つのラインで、薄板状被加熱物12として幅の異なる複数種類のアルミ薄板を連続加熱処理するようにしたものである。
このシステムにおいては、第1誘導コイル18を備えた第1フェライトコア14と第2誘導コイル20を備えた第2フェライトコア16との間に形成された間隙gに、第1誘導コイル18ならびに第2誘導コイル20の幅Wより幅の狭い幅Wを備えた薄板状被加熱物12が位置して、当該薄板状被加熱物12が所定の速度で紙面の垂直方向手前側に連続的に移動しているものとする。
そして、薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bの外側近傍には、棒状体の磁性体102a、102bが配置されている。この磁性体102a、102bは、非金属性のロッド104a、104bを介して磁性体位置設定器106a、106bにそれぞれ接続されている。
磁性体102aは、磁性体位置設定器106aの作動により薄板状被加熱物12の幅方向たる矢印A方向に移動して、薄板状被加熱物12の幅方向において任意の位置に位置設定ができるようになされている。同様に、磁性体102bは、磁性体位置設定器106bの作動により薄板状被加熱物12の幅方向たる矢印B方向に移動して、薄板状被加熱物12の幅方向において任意の位置に位置設定ができるようになされている。
さらに、薄板状被加熱物12の第1には、薄板状被加熱物12の両方のエッジ12a、12bの温度をそれぞれ計測する放射温度計108a、108bと、薄板状被加熱物12の中央部位の温度を計測する放射温度計108cとが設置されている。
ここで、放射温度計108aは、薄板状被加熱物12の幅に応じてエッジ12aの略直上に配置可能なように、薄板状被加熱物12の幅方向たる矢印C方向に移動可能となされている。同様に、放射温度計108bは、薄板状被加熱物12の幅に応じてエッジ12bの略直上に配置可能なように、薄板状被加熱物12の幅方向たる矢印D方向に移動可能となされている。
なお、符号110は、放射温度計108a、108b、108cにより計測された温度を示す温度信号を入力されて、この温度信号に応じた処理を行うコンピュータにより構成された制御部である。また、符号112は、第1誘導コイル18および第2誘導コイル20へ高周波電流を供給する高周波電源である。

以上の構成において、放射温度計108a、108b、108cにより計測された温度を示す温度信号は、制御部110へ入力される。
制御部110は、まず、薄板状被加熱物12の中央部位の温度を示す放射温度計108cの温度信号が、予め設定した設定温度を示す温度信号と一致するように、高周波電源112に制御信号を出力して当該高周波電源112をフィードバック制御する。
高周波電源112は、制御信号に応じて第1誘導コイル18および第2誘導コイル20へ高周波電流を供給して、制御信号に応じた出力で薄板状被加熱物12を誘導加熱する。
次に、制御部110は、放射温度計108a、108bにより計測された薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bの温度を示す温度信号からは、エッジ12a、12bの温度が中央部位と同じ温度となるように、磁性体位置設定器106a、106bへ制御信号を出力して、磁性体位置設定器106a、106bをフィードバック制御することにより磁性体102a、102bの位置を設定する。
なお、幅の異なる薄板状被加熱物12を加熱する場合には、磁性体位置設定器106a、106bにより予め決められた位置に磁性体102a、102bを移動させ、その後は上記したと同様な処理を行えばよい。

従って、上記した誘導加熱装置100によれば、幅の異なる薄板状被加熱物12を加熱する際においても、それら幅の異なる薄板状被加熱物12に応じて第1誘導コイル18および第2誘導コイル20を交換する必要が無く、簡単な構成により薄板状被加熱物12の両サイドにおける端部たるエッジ12a、12bの温度上昇を抑制することができ、均一な温度分布を維持しながら薄板状被加熱物12を加熱することが可能となり、多種類の幅の金属薄板などに対して均一加熱が可能となる。
また、誘導加熱装置100によれば、薄板状被加熱物12が蛇行しても、磁性体102a、102bの位置を制御することにより、薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bの温度を一定に制御することができる。
さらに、誘導加熱装置100によれば、磁性体102a、102bの位置を制御することにより、薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bの温度を任意に設定できるため、従来より知られたエッジ専用加熱装置を用いる必要がない。
さらにまた、誘導加熱装置100によれば、薄板状被加熱物12のエッジ12a、12bの温度を下げる場合にも、その温度制御が可能となった。

なお、上記した実施の形態は、以下の(1)〜(6)に示すように変形することができるものである。
(1)上記した実施の形態においては、第1誘導コイル18を備えた第1フェライトコア14と第2誘導コイル20を備えた第2フェライトコア16とを、薄板状被加熱物12を挟んで上下方向に対向して配置したが、これに限れるものではないことは勿論であり、薄板状被加熱物12を垂直に挟んで左右方向に対向するなど、適宜に配置してよいことは勿論である。
(2)上記した実施の形態においては、金属の薄板状被加熱物12を通過させる所定の間隙gを開けて対向して配置された一対の磁性部材を第1フェライトコア14および第2フェライトコア16により構成したが、こうした一対の磁性部材はフェライトにより構成されたものに限られるものではないことは勿論であり、例えば、ケイ素鋼板なども用いることが可能である。
(3)上記した実施の形態においては、磁性体102a、102bは直線状に延長する棒形状を備えた中実の棒状体により構成したが、これに限れるものではないことは勿論であり、適宜の形状を備えるようにしてよく、また、内部が中空であってもよい。
例えば、図8に示すように、磁性体102aを構成する棒状体の断面形状を、薄板状被加熱物12のエッジ12a側に開口したコ字形状に形成するとともに、磁性体102bを構成する棒状体の断面形状を、薄板状被加熱物12のエッジ12b側に開口した反コ字形状に形成して、両者を対向して配置すると温度調整範囲が大きくなり温度分布をとりやすくなる。
(4)上記した実施の形態においては、第1フェライトコア14ならびに第2フェライトコア16は、複数の磁性材14aならびに磁性材16aを薄板状被加熱物12の幅方向に一列に隙間無く並べて形成したが、これに限れるものではないことは勿論であり、それぞれ単一の磁性材により構成してもよい。
(5)上記した実施の形態においては、第1フェライトコア14ならびに第2フェライトコア16は断面E字形状を備えるようにしたが、これに限れるものではないことは勿論であり、断面U字形状や断面I字形状などの適宜の形状を備えるようにしてよい。
(6)上記した実施の形態ならびに上記した(1)〜(5)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
本発明は、鋼板や非磁性金属板などの薄板製品を熱処理する際に利用することができるものであり、より詳細には、メッキ後の熱処理加熱やラミネート用加熱あるいはコーティング乾燥加熱などの工業分野において利用することができる。
図1(a)は、従来のトランスバース型誘導加熱装置の概念構成説明図であり、また、図1(b)は、図1(a)のI−I線による概略構成断面図である。 図2は、従来のトランスバース型誘導加熱装置における薄板状被加熱物の一方のエッジの近傍の領域を示す図1(a)の要部拡大説明図である。 図3は、従来のトランスバース型誘導加熱装置により薄板状被加熱物を加熱する際の当該薄板状被加熱物の温度分布の特性曲線を示すグラフである。 図4(a)は、本発明による誘導加熱装置の実施の形態の一例の概念構成説明図であり、また、図4(b)は、図4(a)のIV−IV線による概略構成断面図である。なお、図4(a)は図1(a)に対応し、図4(b)は図1(b)に対応する。 図5は、本発明による誘導加熱装置における薄板状被加熱物の一方のエッジの近傍の近傍の領域を示す要部拡大説明図である。なお、図5は、図2に対応する。 図6は、本発明による誘導加熱装置により薄板状被加熱物を加熱する際の当該薄板状被加熱物の温度分布の特性曲線を示すグラフである。 図7は、本発明による誘導加熱装置を用いたシステムの具体的な構成の一例を示す説明図である。 図8は、本発明による誘導加熱装置における磁性体の変形例を示す概念構成説明図であり、図4(a)に対応するものである。
符号の説明
10 従来のトランスバース型誘導加熱装置
12 薄板状被加熱物
12a エッジ
12b エッジ
14 第1フェライトコア
14a 磁性材
14b 凹所
16 第2フェライトコア
16a 磁性材
16b 凹所
18 第1誘導コイル
20 第2誘導コイル
100 誘導加熱装置
102a 磁性体
102b 磁性体
104a ロッド
104b ロッド
106a 磁性体位置設定器
106b 磁性体位置設定器
108a 放射温度計
108b 放射温度計
108c 放射温度計
110 制御部
112 高周波電源

Claims (5)

  1. 第1の誘導コイルを配置した第1の磁性部材と第2の誘導コイルを配置した第2の磁性部材との間に形成された間隙に薄板状被加熱物を配置し、前記第1の誘導コイルと前記第2の誘導コイルとに高周波電流を供給し、前記薄板状被加熱物に高周波磁束を貫通させることにより前記薄板状被加熱物に渦電流を誘導して、前記薄板状被加熱物を加熱するトランスバース型構造の誘導加熱装置であって、
    前記間隙内において、前記間隙内に前記薄板状被加熱物が配置された際における前記薄板状被加熱物の両側のエッジの近傍位置に磁性体をそれぞれ配置した
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
  2. 請求項1に記載の誘導加熱装置において、
    前記磁性体は、棒状体である
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
  3. 請求項2に記載の誘導加熱装置において、
    前記磁性体は前記間隙内において移動自在であり、前記薄板状被加熱物の前記両側のエッジに対して接離自在に配置される
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
  4. 請求項3に記載の誘導加熱装置において、さらに、
    前記間隙内において前記磁性体を移動する移動手段を有し、
    前記移動手段により前記薄板状被加熱物の前記両側のエッジに対して前記磁性体を接離自在に配置する
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
  5. 請求項4に記載の誘導加熱装置において、さらに、
    前記薄板状被加熱物の前記両側のエッジの温度をそれぞれ計測する温度測定器と、
    前記移動手段を制御する制御手段と
    を有し、
    前記制御手段は、前記温度測定器により計測された温度に応じて、前記移動手段を制御して前記薄板状被加熱物の前記両側のエッジに対する前記磁性体の位置を制御する
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
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