JP2007200813A

JP2007200813A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2007200813A
Application number: JP2006020698A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Wakamatsu; 健一郎若松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】ワークを挟む上下コイルによる誘導加熱において、ワークの温度分布をさらに均一化することである。
【解決手段】誘導加熱装置１０は、ワーク８を挟んで配置される上側コイル群１２と下側コイル群１４、上側コイル群１２に高周波電流を供給する上側高周波電源１６と、下側コイル群１４に高周波電流を供給する下側高周波電源１８とを含んで構成される。上側高周波電源１６の電流波形２０は、下側高周波電源１８の電流波形２２に対し、位相差が９０°あり、時間軸上でΔｔずれることで同じ電流波形となる。上側コイル群１２も、下側コイル群１４も、共にワーク８の搬送方向に沿って配置される複数のコイルから構成される。そして、上側コイル群１２の配置と下側コイル群１４の配置の間では、Ｐ／２だけワーク８の搬送方向に沿ってずれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に、ワークの搬送方向に沿ってワークの表側と裏側にそれぞれ複数配置されるコイルに高周波電流を供給してワークを加熱する誘導加熱装置に関する。

薄板材を急速に加熱する手段として、誘導加熱法が用いられている。誘導加熱法とは、薄板導体に交流磁場を与えたときにその表面に渦電流が生じることを利用し、そのジュール熱によって薄板を加熱する方法である。交流磁場を与える方法として、薄板材に平行に加熱用コイルが配置される。しかし、渦電流は、その名の通り、渦状、つまり環状に電流が流れるので、電流の流れるところは十分加熱されるが、渦の中心で電流の流れないところは加熱が十分でなく、環状の温度分布ができる。

例えば、特許文献１には、直交（横断）磁束加熱方式において、通電される加熱コイルの幅に対し加熱される板幅が大きければ両端が加熱不足となり、板幅が小さければオーバーヒートとなる課題に対する誘導加熱コイル装置が開示されている。ここでは、加熱コイルの導体部分とそれに囲まれた空隙部分について、その導体幅と空隙とを同程度とし、加熱される板を挟む上下の加熱コイルを交互に位置をずらし、一方の空隙の中間に他方の導体が来るようにする配置が述べられている。そして、これによって、コイルに通電して生じる磁束、ひいては磁束によってできた起電力に基づいて平板に誘起される電流を平均化できる、と述べられている。
また、特許文献２には、トランスバース形誘導加熱装置で加熱対象の板幅方向に複数の加熱コイルを並べる場合に、複数のコイルの間の相互誘導作用をなくして温度分布の均一化を図ることができる板材用誘導加熱装置が開示されている。ここでは、複数の加熱コイルのそれぞれに共振型インバータを配置し、少なくとも１つをマスターインバータとし、他をスレーブインバータとする。そして、スレーブインバータの電流と電圧の位相を位相差検出により一致させ、さらにマスターインバータの位相とスレーブインバータの位相を一致させて、複数の加熱コイル間の相互誘導の影響を受けることなく、温度分布を均一にできることが述べられている。

実開平２−７９５９４号公報特開２００２−３１３５４７号公報

このように、誘導加熱法を用いてワークを均一に加熱できるように、複数の加熱コイルの配置を工夫し、相互誘導を防ぐために電流と電圧の位相差を一致させることが従来技術において開示されている。

特許文献１においては、ワークを挟む上下の加熱コイルの配置位置をずらすことで、加熱コイルによる環状の温度分布を上下でずらして、温度分布の均一化を図る。しかし、この場合に、上コイルが生成する磁束と下コイルが生成する磁束が干渉すると、加熱効率が落ちる。特許文献２は、加熱コイル間の相互誘導の影響を抑制するため、各加熱コイルの電流・電圧の位相を一致させることについて述べているが、上下コイルの磁束の干渉については触れていない。

本発明の目的は、ワークを挟む上下コイルによる誘導加熱において、ワークの温度分布をさらに均一化する誘導加熱装置を提供することである。

本発明に係る誘導加熱装置は、ワークの上面に対向し、ワークの搬送方向に沿って所定のピッチで複数配置される上側コイル群と、ワークの下面に対向し、ワークの搬送方向に沿って上側コイル群の配置ピッチと同じピッチで複数配置される下側コイル群と、上側コイル群の各コイルに高周波電流を供給する表側電源と、下側コイル群の各コイルに高周波電流を供給する裏側電源と、を備え、ワークを誘導加熱する誘導加熱装置において、上側コイル群の各コイルの中心位置は、下側コイル群の各コイルの中心位置と半ピッチずれて配置され、上側電源の高周波電流の位相は、下側電源の高周波電流の位相と９０°ずれていることを特徴とする。

上記構成により、上側コイル群の各コイルの中心位置は、下側コイル群の各コイルの中心位置と半ピッチずれて配置されるので、上側コイルによる渦電流の環状の温度分布と、下側コイルによる渦電流の環状の温度分布とが相互に半ピッチずれる。また、上側コイル群への高周波電流の位相は下側コイル群への高周波電流の位相と９０°ずれている。９０°位相がずれることで、一方側のコイルに流れる電流が最大のとき、他方側のコイルに流れる電流がゼロになる。同様に一方側のコイルによる磁束が最大のとき、他方側コイルによる磁束はゼロとなり、一方側のコイルによる磁束と他方側コイルによる磁束の干渉を抑制できる。これにより、ワークを挟む上下コイルによる誘導加熱において、ワークの温度分布をさらに均一化することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ロールからロールに渡ってワークを連続的に搬送する途中に設けられ、ワークを搬送しながら加熱する誘導加熱装置について説明するが、ロールを用いる方法以外でワークを搬送するものであってもよい。また、ワークは薄板材として説明するが、薄板以外の形状であっても、誘導加熱により加熱されるものであればよい。

図１は、誘導加熱装置１０の構成を示す図である。ここでは誘導加熱装置１０の構成要素ではないが、誘導加熱の対象であるワーク８も図示されている。図１（ａ）は、誘導加熱装置１０の２つの高周波電源の電流位相関係を説明する図、（ｂ）は誘導加熱装置１０全体の斜視図、（ｃ）は断面構成図である。

誘導加熱装置１０は、図１（ｂ）に示されるように、ロールからロールに渡って搬送される金属薄板材であるワーク８を挟んで配置される上側コイル群１２と下側コイル群１４、上側コイル群１２に高周波電流を供給する上側高周波電源１６と、下側コイル群１４に高周波電流を供給する下側高周波電源１８とを含んで構成される。

図１（ａ）は、上側高周波電源１６と下側高周波電源１８の電流位相関係を示す図で、縦軸に電源の電流の大きさをとり、横軸に時間をとり、各電源の電流波形を示したものである。ここで示されるように、上側高周波電源１６の電流波形２０は、下側高周波電源１８の電流波形２２に対し、位相差が９０°あり、時間軸上でΔｔずれることで同じ電流波形となる。すなわち、上側高周波電源１６の電流が絶対値で最大値をとるとき、下側高周波電源１８の電流はゼロとなる。逆に、下側高周波電源１８の電流が絶対値で最大値をとるとき、上側高周波電源１６の電流はゼロとなる。換言すれば、上側高周波電源１６の電流が絶対値で最大値をとった時刻では下側高周波電源１８の電流はゼロで、その時刻からΔｔ遅れて下側高周波電源１８の電流が同じ最大値をとるが、そのとき上側高周波電源１６の電流はゼロとなる。

図１（ｃ）は、上側コイル群１２と下側コイル群１４の関係を示す図で、ここでは、図１（ｂ）の断面図が示されている。上側コイル群１２も、下側コイル群１４も、共にワーク８の搬送方向に沿って配置される複数のコイルから構成される。ワーク８の搬送方向は、図１（ｂ），（ｃ）において矢印で示されている。図１（ｂ），（ｃ）の例では、上側コイル群１２がワーク８の上面に対向してワーク８の搬送方向に沿ってピッチＰで３つ配置され、同様に下側コイル群１４がワーク８の上面に対向してワーク８の搬送方向に沿ってピッチＰで３つ配置される。そして、上側コイル群１２の配置と下側コイル群１４の配置の間では、Ｐ／２だけワーク８の搬送方向に沿ってずれている。すなわち、上側コイル群１２の各コイルの中心は、下側コイル群１４の各コイルの導体部分に位置するように配置され、逆に下側コイル群１４の各コイルの中心は、上側コイル群１２の各コイルの導体部分に位置するように配置される。

図１（ｂ）に示すように、上側コイル群１２を構成する各コイルは、上側高周波電源１６に並列に接続される。そのときの接続方法は、隣接するコイルの間で流れる電流の向きが相互に逆になるようにすることが好ましい。図１（ｂ）では、上側コイル群１２を構成するコイルの中で、ワーク８の搬送方向について最も上流側のコイルに流れる電流の向きを紙面上で反時計方向とすると、中央のコイルに流れる電流の向きを紙面上で時計方向に、最も下流側のコイルに流れる電流の向きを紙面上で反時計方向とすることが好ましい。このことで、ワーク８に各コイルによって誘起される複数の渦電流が、隣接同士で打ち消しあうことが抑制される。下側コイル群１４を構成する各コイルも同様な接続方法で、下側高周波電源１８にそれぞれ並列に接続される。

上記構成の誘導加熱装置１０の作用を図２、図３を用いて説明する。図２は、上側コイル群１２による温度分布と下側コイル群１４による温度分布の様子をそれぞれ説明する図で、図３は、総合的な温度分布の様子を説明する図である。

図２は、ワーク８に渦電流の流れる様子を（ａ）に、ワーク８が渦電流のジュール熱により加熱されて生じる環状の温度分布の様子を（ｂ）に、それぞれ時刻ｔ₁と時刻ｔ₁＋Δｔに分けて示す図である。Δｔは、図１で説明したように、上側高周波電源１６と下側高周波電源１８の電流の位相差に相当する時刻差であり、時刻ｔ₁で上側高周波電源１６の電流の絶対値が最大となり、時刻ｔ₁＋Δｔで下側高周波電源１８の電流の絶対値が最大値となる。なお、上側コイル群１２、下側コイル群１４は、それぞれ１つのコイルで代表して示してある。また、説明の便宜上、時刻差Δｔの間におけるワーク８の搬送速度を無視してある。

図２（ａ）は、上段に時刻ｔ₁のときに上側コイル群１２によってワーク８に流れる渦電流３０を示す。このとき下側コイル群１４には電流は流れないので、渦電流３０は専ら上側高周波電源１６から供給される電流による磁束２４によって誘起される。下段は、次に時刻ｔ₁＋Δｔのときに下側コイル群１４によってワーク８に流れる渦電流３２の様子を示す。上側コイル群１２と下側コイル群１４とは、コイルの配置ピッチＰの半分であるＰ／２だけずれているので、渦電流３２は、時刻ｔ₁のときに誘起された渦電流３０とワーク８の搬送方向に沿ってＰ／２ずれた位置に誘起される。このとき上側コイル群１２には電流は流れないので、渦電流３２は専ら下側高周波電源１８から供給される電流による磁束２６によって誘起される。

図２（ｂ）は、上段に時刻ｔ₁のときのワーク８の温度分布３４を示すものである。温度の高低は、ハッチングのない部分が最も低温で、一方向のハッチングで示される部分が次に高温で、２方向のハッチングで示されている環状部分が最も高温である。このように、渦電流３０によってワーク８に環状の温度分布が生じる。下段は、時刻ｔ₁＋Δｔのときのワーク８の温度分布３６を示すものである。ここでも渦電流３２によってワーク８に同様な環状の温度分布３６が生じるが、温度分布３４と温度分布３６とはワーク８の搬送方向に沿ってＰ／２だけ位置がずれている。この温度分布の位置ずれは、渦電流３０による温度分布３４の中心部分で最も低温である位置に、渦電流３２による温度分布３６の最も高温の部分が来るようになる。また、逆に、渦電流３２による温度分布３６の中心部分で最も低温である位置に、渦電流３０による温度分布３４の最も高温の部分が来るようになる。

したがって、ワーク８についていえば、上側コイル群１２に起因する渦電流３０のジュール熱による環状温度分布３４と、下側コイル群１４に起因する渦電流３２のジュール熱による環状温度分布３６とが、相互に補完しあって、ワークの搬送方向に沿ってほぼ均一な温度分布を形成することになる。その様子を図３に示す。図３に示す３つのグラフは、横軸にワーク８の搬送方向に沿った位置をとり、縦軸にワーク８の温度をとってワーク８の搬送方向に沿った誘導加熱による温度分布を示す図で、（ａ）は上側コイル群１２による誘導加熱の温度分布３４を、（ｂ）は下側コイル群１４による誘導加熱の温度分布３６を、（ｃ）は上側コイル群１２と下側コイル群１４とによる総合的な誘導加熱の温度分布３８をそれぞれ示す。ここでは、上側コイル群１２として６つのコイル、下側コイル群１４として６つのコイルがそれぞれ用いられている。

図３（ｃ）に示されるように、上側コイル群１２による温度分布３４と下側コイル群１４による温度分布３６とが補完しあって、総合的な温度分布３８は、ワーク８の搬送方向に沿ってほぼ一様な温度分布となっている。

このように、ワークを挟む上下コイルについて、上側コイル群の各コイルと下側コイル群の各コイルとの配置関係を、ワークの搬送方向に沿ってコイルの配置ピッチの半ピッチずらし、また、上側コイル群への高周波電流と下側コイル群への高周波電流の位相との間の位相差を９０°とすることで、ワークの搬送方向に沿った誘導加熱の温度分布をほぼ一様にすることができる。

本発明に係る実施の形態における誘導加熱装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、上側コイル群による温度分布と下側コイル群による温度分布の様子をそれぞれ説明する図である。本発明に係る実施の形態において、総合的な温度分布の様子を説明する図である。

符号の説明

８ワーク、１０誘導加熱装置、１２上側コイル群、１４下側コイル群、１６上側高周波電源、１８下側高周波電源、２０，２２電流波形、２４，２６磁束、３０，３２渦電流、３４，３６，３８温度分布。

Claims

ワークの上面に対向し、ワークの搬送方向に沿って所定のピッチで複数配置される上側コイル群と、
ワークの下面に対向し、ワークの搬送方向に沿って上側コイル群の配置ピッチと同じピッチで複数配置される下側コイル群と、
上側コイル群の各コイルに高周波電流を供給する表側電源と、
下側コイル群の各コイルに高周波電流を供給する裏側電源と、
を備え、ワークを誘導加熱する誘導加熱装置において、
上側コイル群の各コイルの中心位置は、下側コイル群の各コイルの中心位置と半ピッチずれて配置され、
上側電源の高周波電流の位相は、下側電源の高周波電流の位相と９０°ずれていることを特徴とする誘導加熱装置。