JP2008288200A - 金属板の誘導加熱装置および誘導加熱方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘導コイルの内側を通過する金属板を誘導加熱する装置であって、前記誘導コイルを前記金属板の長手方向に2組以上隣り合わせて配置し、前記金属板の表面側と裏面側の誘導コイルを構成する導体を、それぞれ前記金属板へ垂直投影した際の垂直投影像において、前記2組以上の誘導コイルそれぞれにおける前記金属板の中央部では、前記表面側と裏面側の導体が、前記金属板の長手方向に対して互いに重ならないようにずらして配置され、更に前記表面側の導体同士が近接すると共に前記裏面側の導体同士がそれよりも離れて配置され、又は、前記裏面側の導体同士が近接していると共に前記表面側の導体同士がそれよりも離れて配置されることを特徴とする。
【選択図】図9(a)
Description
δ[mm]=5.03×105(ρ/μrf)0.5 ・・・ 〈1〉
ここで、ρ:比抵抗[Ωm]、μr:比透磁率[−]、f:加熱周波数[Hz]
そこで、本発明者は特許文献4および特許文献5、並びに特許文献6において、金属板端部を流れる電流を制御するため、金属板端部において誘導コイルを傾斜させる等の方法により、金属板端部を流れる電流密度、加熱時間を制御する方法を提案するとともに、蛇行や板幅変更へ対応する方法について提案した。特許文献4および5、並びに特許文献6の方法では、上述の3方式に比べて、大幅に温度分布制御が可能であるものの、条件によっては金属板端部と中央部の温度偏差を十分には解消できないケースもあった。
(2)金属板の表面との間に間隙を有して金属板の幅方向に周回するように、金属板の表面側の導体と裏面側の導体を接続して形成された誘導コイルを有し、この周回する誘導コイルの内側を通過する金属板を誘導加熱する装置であって、前記誘導コイルを前記金属板の長手方向に2組以上隣り合わせて配置し、前記金属板の表面側と裏面側の誘導コイルを構成する導体をそれぞれ前記金属板へ垂直投影した際の垂直投影像において、前記2組以上誘導コイルのそれぞれにおける前記金属板の中央部では、前記表面側の導体と裏面側の導体が、前記金属板の長手方向に対して互いに重ならないように間隔を有して配置され、前記2組以上の誘導コイルのそれぞれにおける前記表面側および裏面側の導体の少なくとも何れかは、前記金属板の少なくともいずれかの幅方向の端部に向かって幅方向に対して傾斜する部分を有し、さらに、前記隣り合う2組以上の誘導コイルにおいて、前記表面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記裏面側の導体同士が前記表面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置され、または、前記裏面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記表面側の導体同士が前記裏面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置されることを特徴とする金属板の誘導加熱装置。
(3)前記誘導コイルに交流を通電した際に、前記近接する導体同士に同じ向きの同相の電流が流れるように装置が構成されていることを特徴とする(1)または(2)に記載の金属板の誘導加熱装置。
(4)少なくとも前記金属板の長手方向における最も外側に配置された誘導コイルの前記表面側および裏面側の導体の少なくとも何れかは、前記金属板の少なくともいずれかの幅方向の端部に向かって幅方向に対して傾斜する部分を有するように配置され、当該最も外側に配置された傾斜を有する導体の傾斜部分の外側に、前記金属板の少なくとも幅方向端部を覆うように、前記金属板の表面側から裏面側にわたる磁性体コアを備えていることを特徴とする(2)または(3)に記載の金属板の誘導加熱方法。
(5)前記磁性体コアが、水平方向に移動する機構を有し、金属板の端部からの覆う量を変えることができることを特徴とする(4)に記載の金属板の誘導加熱装置。
(6)前記誘導コイルの表面側の導体および裏面側の導体の少なくとも一方が金属板の幅方向に移動可能とする機構を有し、幅方向に対して傾斜する部分を有するように配置された導体の傾斜部の前記金属板に対する幅方向の位置を変えることができることを特徴とする(2)〜(5)のいずれか1項に記載の金属板の誘導加熱装置。
(7)(2)〜(6)のいずれか1項に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記誘導加熱装置の誘導コイルの内側に金属板を通過させ、前記誘導コイルに交流を通電して、前記誘導コイルの近接する導体同士に同じ方向の同相の電流を流すことで、前記金属板の内部に、前記誘導加熱装置の前記2組以上の誘導コイルそれぞれにおける前記表面側と裏面側の導体の前記金属板への垂直投影像とほぼ同一形状で、かつ、前記通電により前記表面側と裏面側の導体に流れる交流の向きと逆向きである主たる誘導電流を発生させると共に、前記表面側と裏面側の導体の前記金属板への垂直投影像において、前記金属板の幅方向に対して傾斜を有するように配置された前記導体の傾斜部分の外側で、かつ、前記隣り合う誘導コイルで挟まれた領域で、前記隣り合う誘導コイルの一方により発生する従たる誘導電流のマイナーループと、他方より発生する従たる誘導電流のマイナーループの誘導電流の向きを逆向きに発生させることにより、互いのマイナーループを打ち消し、従たる誘導電流の発生を防止しつつ、金属板を加熱することを特徴とする金属板の誘導加熱方法。
(8)(5)または(6)に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記磁性体コアの金属板の端部からの覆う量を変えることにより、金属板端部の温度分布を変更することを特徴とする(7)に記載の金属板の誘導加熱方法。
(9)(6)に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記誘導コイルの表面側の導体および裏面側の導体の少なくとも一方を金属板の幅方向に移動させ、前記導体の傾斜部の金属板に対する位置を調整して前記金属板の温度分布を調整することを特徴とする(7)に記載の金属板の誘導加熱方法。
本発明では、先ず、図3に示すように誘導コイル2の内側を通過する金属板1の表面側と裏面側の誘導コイルを構成する導体2aおよび2bを、それぞれ該金属板へ垂直投影した際に、表面側と裏面側の該導体の垂直投影像が、金属板の長手方向に対して互いに間隔を有する(ずれる)ように該導体を配置する。すると、図4の側断面図に示すように(簡単にするため2a導体のみで説明)、金属板1には斜めに磁束4が貫通し、その磁束により誘導電流6aが発生する。したがって、斜めに電流パスが広がることで生じた誘導電流6aの浸透深さδが板厚tより厚くても、誘導電流は流れるようになる。
導体の傾斜する部分の幅方向の範囲は特に限定するものではないが、導体は幅方向の少なくとも一方の金属板の幅方向端部の近傍に傾斜部を有するようにする。
更に、本発明では、隣り合わせた誘導コイルの表面側の導体同士が金属板の長手方向に近接するように配置すると共に裏面側の導体同士がそれよりも離れて、すなわち、表面側の導体同士の近接した間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有するように配置されるようにする、あるいは、裏面側の導体同士が金属板の長手方向に近接するように配置するとともに、表面側の導体同士がそれよりも離れて、すなわち、裏面側の導体同士の近接した間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有するように配置されるようにする。そして、誘導コイルに交流を通電した際に、近接する導体同士に一次電流が同方向で同相になるように流すことを特徴とする。
図9(a)は、裏面側の導体同士が近接している例で、一次電流が誘導コイルを流れるルートとしては、高周波電源11から接続導体7aを通り、導体3a→接続導体7b→導体2b→端部接続導体8→導体2a→接続導体7c→導体3b→接続導体7d→高周波電源11の経路で流れ、隣接する裏面側の導体2bと3bには同じ方向に同相の一次電流が流れるようになる。
第一の理由は、前述のとおり誘導コイルで発生した磁束を集中させることができるため加熱効率が上げられることにある。
第2の理由は、先に説明したように、傾斜部分を有する導体の場合には、図8に示すようなマイナーループ9が生じることにより、金属板端部の温度が上がりやすくなるのに対し、2組の誘導コイルを隣り合わせて配置し、裏面側の導体同士(又は表面側の導体同士)を近接して並べ同相の一次電流を流す図11や図9(a)の場合には、図10に示すように、金属板の幅方向に対して傾斜を有するように配置された導体の外側領域(傾斜部分の外側の領域)で、且つ、前記隣り合う誘導コイルに挟まれた領域で、前記隣り合う誘導コイルの一方(図9(a)では3b側)により発生する従たる誘導電流のマイナーループ10aと、他方(図9(b)では2b側)により発生する従たる誘導電流のマイナーループ10bとの誘導電流の向きを逆向きに発生させることができ、互いのマイナーループを打ち消しあって、マイナーループ10を流れる従たる誘導電流を減少させることができ、金属板端部の温度上昇を抑制し、加熱温度分布の均一化を図ることができるためである。
そこで、本発明では、この傾斜部のマイナーな誘導電流を減少させるため、図13に示すように金属板1における最も外側に配置された傾斜を有する導体の傾斜部分の外側(隣接する導体が存在しない導体2a及び3aの外側)に、金属板1の端部に、金属板の端部を覆うように前記金属板の表面側から裏面側に渡る磁性体コア12a、12bを設置する。金属板の端部を覆うような形状としては、例えば、断面がコの字状の磁性体コアとすれば良い。
図18(a)は、誘導コイルの傾斜する部分を構成する導体と金属板端部部分を取り出し、金属板端部と導体との位置関係を示す模式図で、図中のAのラインは、金属板端部が傾斜する導体の途中を通過する場合を、Bのラインは、金属板端部が傾斜する導体が裏面の導体と重なり再び金属板に垂直に金属板の端部外側に伸び始める近傍を通過する場合を示し、Cのラインは、傾斜する表側の導体が金属板端部の内側で裏面の導体と重なり、表裏導体が完全に重なって金属板に垂直に金属板の端部外側に伸びている途中を金属板端部が通過する場合を示す。
上述したように、本発明の加熱方法を用いると、傾斜する導体の金属板との相対的位置を調整することにより、金属板の加熱温度分布を制御することが可能になる。
さらに、各誘導コイルセットを板幅方向で自在に移動可能とすると、金属板の蛇行や金属板の幅が変更になった場合でも自由に追従可能となり、操業変動への対応が容易になる。
また、各誘導コイルのセットにおいて、表面側の導体と裏面側の導体とを傾斜部の外側(非傾斜部)において相互に、或いは一方が他方に対して幅方向に移動可能に接続することにより、各セットにおいても誘導コイルの導体の傾斜部の位置と金属板端部の位置との関係を調整することができる。
これら磁性体コア12bを動かすための部材は、強磁場に置かれることから、できるだけ強度のある樹脂やセラミックスなどの非導電体で構成するのが望ましく、やむを得ず金属を使う場合にはSUS304などの非磁性材の金属を用い、発熱が懸念される場合には冷却構造が必要となる。
本発明の効果を確認するため、0.5mm厚×600mm幅の非磁性鋼であるSUS304を通板しながら加熱する実験を行った。
使用した電源は、10kHz、max100kWの高周波電源で、共振周波数を調整するための整合用コンデンサを誘導コイルのインダクタンスに合わせて容量を増減し、整合をとるようにした。使用した誘導コイルは、幅150mm、板厚10mmの銅板に、外形10mm、内径8mmの水冷銅パイプを鋼板と反対側(外側)にロウ付けした水冷銅板製である。本実施例において導体は、銅板と銅パイプの両方を指す。
被加熱材と誘導コイルとのギャップは100mmとし、図6に示すように2組の誘導コイルを隣り合わせて平行に金属板の長手方向に150mmずらして配置し同相の一次電流を流した本発明による実施例1、誘導コイルの数を4組(各誘導コイルの金属板長手方向のずれは150mmとした)を、隣り合わせの配置となるように直列接続して2Tとしたもの2組を並列に接続した本発明による実施例2(図示せず)と、比較例1として図3のように1組の誘導コイルを単独に用いた場合とで、加熱後の温度偏差を比較した。なお、実施例1、2において裏面側または表面側で近接する導体同士の金属板長手方向の間隔は20mmとした。加熱は、K熱電対を溶着した被加熱材を5m/minで走行させながら行った。熱電対は、被加熱材の中央部と端部に取付けた。
結果を表1に示す。表中の温度偏差比は、昇温温度が各実施例で異なることから、板内の温度分布における最高昇温量([加熱後温度−加熱前温度]の最大値)と最低昇温量([加熱後温度−加熱前温度]の最小値)より、温度偏差比=最高昇温量÷最低昇温量で定義し、昇温温度分布のばらつき具合を同じ尺度で比較できるようにしたものである。
幅150mmの水冷銅板製の傾斜部を有する誘導コイル2組を図9(a)の配置とし、鋼板の表裏面で鋼板進行方向に中央で200mmずらすとともに、傾斜部を有する誘導コイルは傾斜部の傾斜が金属板の端部となす角度αを20°とした本発明による実施例3、誘導コイル4組(各誘導コイルの金属板の表裏面での鋼板進行方向の中央でのずれは200mm、傾斜部の傾斜が金属板端部となす角度は20°とした。)を図12のように配置して図12の導体の傾斜が終了する位置Pが金属板端部となるようにして加熱した実施例4と、比較例として同誘導コイルを1組(図示せず)で加熱した比較例2とで実験を行った。なお、実施例3、4において、表面側または裏面側で近接する導体同士の金属板長手方向の間隔は15mmとした。金属板端部と誘導コイルを構成する導体との位置関係は、図12に示すように傾斜部の終端部を金属板端部が通過するように配置した。評価は、K熱電対を溶着した被加熱材を通板しながら加熱し、昇温温度で行った。通板速度は、5m/minである。
結果を表2に示す。温度測定位置は実施例その1と同じ位置であり、表中の温度偏差比は、実施例その1と同様の定義である。
実施例その2で行った4組の誘導コイル(図12の配置)を用い、誘導コイルの傾斜部の位置と金属板端部との位置を変えて実験を行った。図12の傾斜が終了する位置Pを金属板端部から50mm内側にして加熱した実施例5、金属板端部から外側へ50mmの位置にして加熱した実施例6について、実施例2同様に加熱を行った。なお、4組の誘導コイルとも金属板との位置関係は同じとした。
表3に結果を示す。実施例5の場合には、金属板端部の温度上昇が小さく金属板中央部の温度が高くなり、温度偏差比は大きくなった。反対に実施例6の場合には、金属板の端部側の温度が高く、上記実施例その2の実施例4では、やや金属板端部が金属板板中央部よりも温度が低くなるもののほぼ均一な温度となり、誘導コイルの傾斜部を金属板端部が横切る位置により加熱温度分布が変えられることを確認した。
実施例その2で行った2組の誘導コイルを用いた実施例3に、図13、図14のようにコ字型のフェライトコア(断面25mm×15mm 開口部間口170mm、高さ220mm、奥行き120mm)を鋼板端部にかかる位置を変えて配置し、実施例2と同様の加熱実験を行った。実施例7は、金属板端部と磁性体コアの端部(金属板の中央部へ向う端部)を揃えた場合で、温度偏差比は磁性体コア無しの場合の実施例3よりわずかに低下する。さらに磁性体コアの端部の位置を金属板端部から20mm入れた実施例8では更に低下し、温度偏差比は1.23となり磁性体コアの端部の位置を金属板端部から50mm入れた実施例9では更に低下し、温度偏差比は1.18となり、磁性体コアが金属板端部を覆う位置により温度分布が制御できることを確認した。
2 誘導コイル
2a 表面側の導体
2b 裏面側の導体
3a 表面側の導体
3b 裏面側の導体
2a’ 表面側の導体
2b’ 裏面側の導体
3a’ 表面側の導体
3b’ 裏面側の導体
3h 表面側の導体
4 磁束
5 一次電流
6 誘導電流路
6a 誘導電流
6b 誘導電流
7 導電部材
7a,7b,7c,7d,7e 導電部材
8、8‘ 接続導体
9 誘導電流のマイナーループ
10,10a,10b 誘導電流のマイナーループ
11 高周波電源
12a、12b、12c、12d 磁性体コア
13、13a、13b 磁束
14 台座
15 レール
16 駆動装置
t 金属板の厚み
δ 電流の浸透深さ
d1 表面側のコイル導体を流れる一次電流により金属体に発生する誘導電流の幅
d2 表面側のコイル導体と表面側のコイル導体を流れる一次電流により金属体に発生する誘導電流をつなぐ金属板端部を流れる誘導電流
d3 表面側のコイル導体と表面側のコイル導体を流れる一次電流により金属体に発生する誘導電流のずれ幅
A 金属板端部が誘導コイルの傾斜部の途中を通過するライン
B 金属板端部が誘導コイルの傾斜部の終端近傍を通過するライン
C 金属板端部が誘導コイルの傾斜部の外側の非傾斜部を通過するライン
P 誘導コイルの傾斜部の終端部
d 磁性体コアの奥行き
w 磁性体コアの幅
L 誘導コイルの傾斜部と磁性体コアとの距離
Claims (9)
- 金属板の表面との間に間隙を有して金属板の幅方向に周回するように、金属板の表面側の導体と裏面側の導体を接続して形成された誘導コイルを有し、この周回する誘導コイルの内側を通過する金属板を誘導加熱する装置であって、前記誘導コイルを前記金属板の長手方向に2組以上隣り合わせて配置し、前記金属板の表面側と裏面側の誘導コイルを構成する導体をそれぞれ前記金属板へ垂直投影した際の垂直投影像において、前記2組以上誘導コイルのそれぞれにおける前記金属板の中央部では、前記表面側の導体と裏面側の導体が、前記金属板の長手方向に対して互いに重ならないように間隔を有して配置され、さらに、前記隣り合う2組以上の誘導コイルにおいて、前記表面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記裏面側の導体同士が前記表面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置され、または、前記裏面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記表面側の導体同士が前記裏面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置されることを特徴とする金属板の誘導加熱装置。
- 金属板の表面との間に間隙を有して金属板の幅方向に周回するように、金属板の表面側の導体と裏面側の導体を接続して形成された誘導コイルを有し、この周回する誘導コイルの内側を通過する金属板を誘導加熱する装置であって、前記誘導コイルを前記金属板の長手方向に2組以上隣り合わせて配置し、前記金属板の表面側と裏面側の誘導コイルを構成する導体をそれぞれ前記金属板へ垂直投影した際の垂直投影像において、前記2組以上誘導コイルのそれぞれにおける前記金属板の中央部では、前記表面側の導体と裏面側の導体が、前記金属板の長手方向に対して互いに重ならないように間隔を有して配置され、前記2組以上の誘導コイルのそれぞれにおける前記表面側および裏面側の導体の少なくとも何れかは、前記金属板の少なくともいずれかの幅方向の端部に向かって幅方向に対して傾斜する部分を有し、さらに、前記隣り合う2組以上の誘導コイルにおいて、前記表面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記裏面側の導体同士が前記表面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置され、または、前記裏面側の導体同士が、金属板の長手方向に近接すると共に、前記表面側の導体同士が前記裏面側の導体同士の近接する間隔よりも大きい金属板長手方向の間隔を有して配置されることを特徴とする金属板の誘導加熱装置。
- 前記誘導コイルに交流を通電した際に、前記近接する導体同士に同じ向きの同相の電流が流れるように装置が構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の金属板の誘導加熱装置。
- 少なくとも前記金属板の長手方向における最も外側に配置された誘導コイルの前記表面側および裏面側の導体の少なくとも何れかは、前記金属板の少なくともいずれかの幅方向の端部に向かって幅方向に対して傾斜する部分を有するように配置され、当該最も外側に配置された傾斜を有する導体の傾斜部分の外側に、前記金属板の少なくとも幅方向端部を覆うように、前記金属板の表面側から裏面側にわたる磁性体コアを備えていることを特徴とする請求項2または3に記載の金属板の誘導加熱装置。
- 前記磁性体コアが、水平方向に移動する機構を有し、金属板の端部からの覆う量を変えることができることを特徴とする請求項4に記載の金属板の誘導加熱装置。
- 前記誘導コイルの表面側の導体および裏面側の導体の少なくとも一方が金属板の幅方向に移動可能とする機構を有し、幅方向に対して傾斜する部分を有するように配置された導体の傾斜部の前記金属板に対する幅方向の位置を変えることができることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の金属板の誘導加熱装置。
- 請求項2〜6のいずれか1項に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記誘導加熱装置の誘導コイルの内側に金属板を通過させ、前記誘導コイルに交流を通電して、前記誘導コイルの近接する導体同士に同じ方向の同相の電流を流すことで、前記金属板の内部に、前記誘導加熱装置の前記2組以上の誘導コイルそれぞれにおける前記表面側と裏面側の導体の前記金属板への垂直投影像とほぼ同一形状で、かつ、前記通電により前記表面側と裏面側の導体に流れる交流の向きと逆向きである主たる誘導電流を発生させると共に、前記表面側と裏面側の導体の前記金属板への垂直投影像において、前記金属板の幅方向に対して傾斜を有するように配置された前記導体の傾斜部分の外側で、かつ、前記隣り合う誘導コイルで挟まれた領域で、前記隣り合う誘導コイルの一方により発生する従たる誘導電流のマイナーループと、他方より発生する従たる誘導電流のマイナーループの誘導電流の向きを逆向きに発生させることにより、互いのマイナーループを打ち消し、従たる誘導電流の発生を防止しつつ、金属板を加熱することを特徴とする金属板の誘導加熱方法。
- 請求項5または6に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記磁性体コアの金属板の端部からの覆う量を変えることにより、金属板端部の温度分布を変更することを特徴とする請求項7記載の金属板の誘導加熱方法。
- 請求項6に記載の金属板の誘導加熱装置を用いた誘導加熱方法であって、前記誘導コイルの表面側の導体および裏面側の導体の少なくとも一方を金属板の幅方向に移動させ、前記導体の傾斜部の金属板に対する位置を調整して前記金属板の温度分布を調整することを特徴とする請求項7に記載の金属板の誘導加熱方法。
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