JP2009087545A

JP2009087545A - 誘導加熱装置

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Publication number: JP2009087545A
Application number: JP2007251665A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Ide; 千明井出; Takenori Kirihara; 武則桐原
Original assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Current assignee: Fuji Electronics Industry Co Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP5103117B2

Abstract

【課題】誘導加熱コイルとワークとの接触を検知する新たな方策を提案し、故障の少ない誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】焼入装置１は、高周波電源２に加熱ユニット３を接続した構成とされている。加熱ユニット３は、カレントトランス１１を有し、この二次側に二次側電気系統３３を介して誘導加熱コイル１０が接続されている。誘導加熱コイル１０は、処理対象物を加熱するための加熱処理部３１と、二つの導通部３２とを有する。導通部３２には、それぞれコア部３５が接続されており、これに装着された電流検知用コイル３８に流れる誘導電流を検知できる。電流検知用コイル３８の信号は、制御装置５に入力されて常時監視し、比較される。両者の差異が一定値を越えると、制御装置５から警報信号が発せられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼き入れ等の熱処理に利用する誘導加熱装置に関するものである。

炭素鋼で作られた部品は、表面硬度を上昇させるために焼き入れが行われる。シャフトやレール等を焼き入れする際には、誘導加熱装置によって高周波焼き入れされる場合が多い。
高周波焼き入れは、ワークに誘導加熱コイルを近接させ、ワークに誘導電流を発生させて昇温するものである。
誘導加熱を利用して焼き入れを行う焼入装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開２００３−３１７９１３号公報

高周波焼き入れは、誘導加熱コイルに高周波電流を通電して磁界を発生させ、ワークに誘導電流を発生させるものであるから、誘導加熱コイルとワークは常に非接触状態でなければならない。
すなわち誘導加熱コイルとワークが接触すると、誘導加熱コイルからワークに対して直接的に大電気が流れ、接触部分が溶変してしまう。そのため誘導加熱コイルとワークが接触した場合は、ただちに作業者にそれを知らせる警報を出したり、装置を停止するといった処置をこうじる必要がある。

誘導加熱コイルとワークが接触したことを知るための回路としては、例えば図７に示すような回路が考えられる。
図７に示す検知回路は、低電圧供給回路１００を備え、低電圧供給回路１００からトランス１０１を介して誘導加熱コイル１００とアース間に低電圧を印加するものである。従来技術の検知回路では、低電圧供給回路１００（トランス１０１の一次側）にリレー１０３が挿入されている。リレー１０３は、このコイルに一定以上の電流が供給されると図示しない接点が動作してオン又はオフ状態となる。

図７に示す検知回路では、誘導加熱コイルとワークが接触した場合、トランス１０１の二次側が誘導加熱コイル及びワークを介して短絡する。その結果、トランス１０１の一次側のインピーダンスが低下してトランスの一次側に大電流が流れる。その結果、リレー１０３が駆動して接点がオン又はオフ状態となり、警報が表示される等の所定の処置が実行される。

しかしながら、図７に示す検知回路によると、誘導加熱コイルとワークが接触した際に、誘導加熱コイルを流れる高周波電流が低電圧供給回路１００のトランス１０１に流れる。そのためトランス１０１が発熱する場合があり、甚だしい場合には、トランス１０１が焼損してしまう事態も考えられる。

そこで本発明は、誘導加熱コイルとワークとの接触を検知する新たな方策を提案し、故障の少ない誘導加熱装置を提供することを課題とするものである。

上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、処理対象物を誘導加熱するための誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、誘導加熱コイル又は誘導加熱コイルに電力を供給する回路に２以上の電流検知手段を直列に設け、前記電流検知手段によって検知される電流を監視し、両者に一定以上の差異が生じた場合に所定の処置が実行されることを特徴とする誘導加熱装置である。

また請求項２に記載の発明は、処理対象物を誘導加熱するための誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、誘導加熱コイル又は誘導加熱コイルに電力を供給する回路に２以上の電流検知手段を直列に設け、前記電流検知手段によって検知される電流を監視し、両者に一定以上の差異が生じた場合に所定の処置が実行されることを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明の誘導加熱装置では、誘導加熱コイル又は誘導加熱コイルに電力を供給する回路に２以上の電流検知手段を設け、前記電流検知手段によって検知される電流を監視する。ここで２以上の電流検知手段は、直列に設けられているから、同一の電流値が検知されるはずである。すなわち図９に示す二つの電流計は同一の値を示す。誘導加熱コイルには高周波電流が供給されるから、基本的には同一の電流が流れている。例えばワークと誘導加熱コイルとが非接触であるならば、電流検知手段ＣＴ１とＣＴ２には同一の電流Ｉｃが流れている。
しかしながらワークと誘導加熱コイルとが接触すると、一方の部位（電流検知手段ＣＴ１の部位）には電流Ｉｃが流れるが、接触点を挟んだ他の部位（電流検知手段ＣＴ２の部位）には接地を介しても電流ＩＬも流れるので、電流検知手段ＣＴ２が検知する電流は、（Ｉｃ−ＩＬ）となり、両者の間に異常値たる差異が生じる。
本発明は、この異常値又は差異が一定以上となれば、所定の処置を実行する。

請求項３に記載の発明は、所定の処置は、異常の表示であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置である。

請求項４に記載の発明は、誘導加熱コイルは、加熱処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、加熱処理部を挟んで加熱処理部に対して電気的に導通した二つの導通部を備え、当該二つの導通部にそれぞれ電流検知手段が設けられ、当該電流検知手段は、磁性体からなるコア部が絶縁体を介して取り付けられ、当該コア部に電流検知用コイルが設けられてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置である。

本発明で採用する誘導加熱コイルは、導通部に隣接する位置に磁性体からなるコア部が配されており、これに電流検知用コイルが装着されている。そのため、本発明の誘導加熱コイルは、焼入処理を行うために通電を行うと、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が流れる。
すなわち誘導加熱コイルには高周波電流が流されるので、導通部の周辺に変動する磁界が生じ、コアは変動する磁界に晒される。その結果、変動する磁束によってコアが貫通され、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が生じる。
従って、本発明の誘導加熱コイルは、電流検知用コイルに流れる誘導電流を検知することにより、誘導加熱コイルへの通電状態を検知することができる。
また、本発明の誘導加熱コイルにおいて、電流検知用コイルには、加熱処理部に流れる電流の大きさを反映した大きさの誘導電流が流れるものと想定される。そのため、本発明の誘導加熱コイルを用いて誘導加熱焼入処理を行う場合は、誘導電流値を監視することにより、加熱処理部に流れる電流値の推移を監視することができる。
さらに本発明は、誘導加熱コイルから漏れた磁束を拾って電流を検知するものであるから、誘導加熱コイル自体のインダクタンスは変化しない。そのため誘導加熱コイルに流れる電流にロスは無い。
さらに本発明では、コア部は絶縁体を介して誘導加熱コイルに取り付けられてるから、コア部は誘導加熱コイルから絶縁されている。そのため例え電流検知用コイルに絶縁不良があっても測定機器側に過大な電流が流れることはない。

本発明の誘導加熱装置によれば、誘導加熱コイルとワークとの接触を確実に検知することができる。

続いて、本発明の一実施形態にかかる誘導加熱装置１、並びに、誘導加熱コイル１０について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。図２は、本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。図３は、図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図及び分解斜視図である。図４は、他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。
図１に示すように、誘導加熱装置１（以下、焼入装置１とも称す）は、高周波電源２と、加熱ユニット３と、制御装置５とを有する。

高周波電源２は、一次側に電気的に接続された交流電源ＡＣ（図示せず）から電力の供給を受けて二次側に高周波電力を発生させることができるものである。高周波電源２の二次側には、加熱ユニット３が接続されており、加熱ユニット３に対して高周波電源２で発生した高周波電力を供給可能とされている。加熱ユニット３は、誘導加熱コイル１０及びカレントトランス１１を備えている。

カレントトランス１１の二次側は加熱回路部３０を構成している。加熱回路部３０は、上記したカレントトランス１１の二次側に接続された部分であり、誘導加熱コイル１０を中心として構成されている。加熱回路部３０には、誘導加熱コイル１０にかかる電圧を検知するための電圧計３４が設けられている。

誘導加熱コイル１０は、焼入処理の処理対象物を誘導加熱するために設けられたコイルである。誘導加熱コイル１０は図２に示すように円形コイルである。
誘導加熱コイル１０は、焼入処理に際して処理対象物の外周側に配される加熱処理部３１と、カレントトランス１１の二次側に接続される通電部３２とを有する。
二つの通電部３２は加熱処理部３１を挟んだ位置にある。

図２や図３に示すように、誘導加熱コイル１０の二つの通電部３２には、それぞれ電流検知手段５０，５１が設けられている。
二つの電流検知手段５０，５１は、同一の構造であるから、一方の電流検知手段５０を例に構造を説明する。本実施形態では、電流検知手段５０はコア部材３５（コア部）と絶縁体３９及び電流検知用コイル３８によって構成されている。
電流検知手段５０を構成するコア部材３５（コア部）は、絶縁体３９を介して通電部３２に取り付けられている。絶縁体３９は、樹脂や雲母等で作られた薄い板である。
コア部材３５は、磁性体によって構成されており、外観が略「ロ」字型の部材である。すなわちコア部材３５は、長方形の閉ループを構成した枠体であり、コア部材３５は、図２に示すように、通電部３２に対して片持ち状に取り付けられている。

さらに具体的には、コア部材３５は、誘導加熱コイル１０の通電部３２に固定される固定部３７と、これに対して略平行な位置関係にある芯部３６とを有する。固定部３７と芯部３６との間には空間４１がある。
固定部３７と通電部３２との間には前記した絶縁体３９が介在されており、固定部３７と通電部３２とは電気的に絶縁されている。本実施形態においては、コア部材３５の取付け姿勢は、図２、図３の様に固定部３７及び芯部３６が通電部３２の電流の流れ方向と平行となる姿勢であるが、図４に示すように固定部３７及び芯部３６を電流の流れ方向に対して直行する姿勢に取り付けてもよい。

芯部３６には、電流検知用コイル３８が巻き付けられている。電流検知用コイル３８は、導電性を有する線状の導体、又は被覆電線により構成されており、二次側電気系統３３や誘導加熱コイル１０には直接的に接触していない。すなわち、電流検知用コイル３８は、誘導加熱コイル１０の通電部３２に対して隣接する位置に存在している。

電流検知用コイル３８には、電流計４０（電流検知手段）が接続されている。そのため、カレントトランス１１の二次側に電力が供給されると、誘導加熱コイル１０に電流Ｉｃが流れると共に、芯部３６に巻き付けられた電流検知用コイル３８に誘導加熱コイル１０に流れる電流値に応じた大きさの誘導電流Ｉｙが流れ、これが電流計４０によって検知される。
二つの電流検知手段５０，５１の電流検知用コイル３８の信号は、制御装置５に入力されて監視される。

制御装置５は、加熱ユニット３に設けられた電圧計３４によって検知される電圧値および電流計４０によって検知される電流値に基づき、誘導加熱コイル１０に供給されている電力の大きさを監視している。また、制御装置５は、電圧計３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に対する電力の印加状態が焼入処理を施す処理対象物に対する焼き入れ具合を所定の状態とするのに最適な状態になるように調整する。すなわち、制御装置５は、電圧計３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に印加される電力を調整する。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０を構成する導通部３２の中途にコア部材３５が取り付けられており、誘導加熱コイル１０への通電に伴い、コア部材３５の芯部３６に装着された電流検知用コイル３８に、誘導加熱コイル１０への通電量に応じた誘導電流Ｉｙが流れる。そして、この誘導電流Ｉｙこれを電流計４０で検知できる構成とされている。そのため、焼入装置１により焼入処理を行えば、加熱回路部３０が備える電流計４０により検知される誘導電流Ｉｙの電流値を監視することにより、誘導加熱コイル１０に流れる電流の大きさを的確に把握することができる。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０毎に通電により流れる電流値の大きさを把握できると共に、電圧計３４により誘導加熱コイル１０に作用する電圧値を把握することができる。そのため、焼入装置１では、誘導加熱コイル１０に印加される電力の大きさを監視し、電力の供給状態を焼入処理に適した状態とすることができる。

さらに本実施形態の焼入装置１では、二つの電流検知手段５０，５１の電流検知用コイル３８の信号は、制御装置５に入力されて常時監視し、比較される。そして両者の差異が一定値を越えると、制御装置５から警報信号が発せられる。
すなわち電流検知手段５０，５１は、直列状態に接続されているから、両者の電流は同一のはずである。
しかしながら誘導加熱コイル１０とワークが接触する事態となれば、誘導加熱コイル１０からワークに対して電流が流れ、平衡関係が崩れて電流検知手段５０，５１が検知する電流値に差異が生じる。そこで本発明は、二つの電流検知手段５０，５１の電流検知用コイル３８の信号を常時監視して比較し、両者の差異が一定値を越えると、誘導加熱コイル１０とワークが接触したものと判断して警報を発する。

焼入装置１において採用されている誘導加熱コイル１０は、通電時に極めて高温になる加熱処理部１１を外れた位置、具体的には導通部１２に並列部３５が設けられている。すなわち、並列部３５は、通電時に過度に高温になる部分を避けて設けられている。そのため、上記した構成によれば、電流検知用コイル３８が溶断するといったような並列部３５が高温になることによる弊害が起こりにくい。

誘導加熱コイル１０は、加熱処理部１１を外れた位置にコア部材３５が設けられており、焼入処理時に処理対象物が配される位置から離れた位置に電流検知用コイル３８が存在している。そのため、誘導加熱コイル１０を用いて焼入処理を行う場合は、コア部材３５や誘導加熱コイル１０が焼入処理に際して邪魔にならない。また、焼入装置１は、コア部材３５や誘導加熱コイル１０が焼入処理の邪魔にならない位置に設けられているため、誘導加熱コイル１０を処理対象物にあわせて高密度に配置することができる。

以上説明した実施形態では、コイルの形状として円形のものを例示したがも、本発明は他の形状のコイルにも適用することができる。
図５は、本発明の他の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。
図５に示す誘導加熱コイル５３は、断面形状角形のパイプを複雑に折り曲げる等して形成された、いわゆる開放型の鞍型コイルである。さらに詳細に説明すると、誘導加熱コイル５３は、その一端側（端部１０ａ）から他端側（端部１０ｂ）に至るまで一連とされている。また、誘導加熱コイル５３は、内部に形成された通液路４５についても端部１０ａから端部１０ｂに至る全区間にわたって連通している。

誘導加熱コイル５３は、図５に示す状態において下方側に位置する加熱処理部３１と、上方側に位置する導通部３２とを有する。

図５に示す状態において、導通部３２は、加熱処理部３１に対して上方に位置しており、第一導通部３２ａと、第二導通部３２ｂと、中間導通部３２ｃとを有する。第一導通部３２ａは、端部１０ａ側から加熱処理部３１に至る部分であり、第一加熱処理部３１において上方側に位置する水平部８２に繋がっている。また、第二導通部３２ｂは、端部１０ｂ側から加熱処理部３１に至る部分であり、第二加熱処理部３１において下方側に位置する水平部８８に繋がっている。第一、二導通部３２ａ，３２ｂ間にはわずかな隙間が設けられており、両者の間は絶縁されている。

図５に示すように、第一導通部３２ａには、コア部材３５が溶接等により片持ち状に取り付けられている。なおコア部材３５と第一導通部３２ａとの間には図示しない絶縁体が介在されており、コア部材３５と第一導通部３２ａとの間は電気的に絶縁されている。また、コア部材３５の芯部３６には、電流検知用コイル３８が装着されている。

同様に第一導通部３２ｂにも、コア部材３５が溶接等により片持ち状に取り付けられている。またコア部材３５と第一導通部３２ａとの間には図示しない絶縁体が介在されており、コア部材３５と第一導通部３２ａとの間は電気的に絶縁されている。コア部材３５の芯部３６には、電流検知用コイル３８が装着されている。

そのため先の実施形態と同様、誘導加熱コイル５３に電流Ｉｃが流れると共に、芯部３６に巻き付けられた電流検知用コイル３８に誘導加熱コイル１０に流れる電流値に応じた大きさの誘導電流Ｉｙが流れ、これが電流計４０によって検知される。

制御装置５は、各コイルユニット６０毎に設けられ電流計４０により、各誘導加熱コイル１０のコア部材３５に装着された電流検知用コイル３８に流れる誘導電流Ｉｙを監視する。制御装置５は、電圧計３４によって検知される電圧値や、電流計４０によって検知される電流値に基づき、各誘導加熱コイル１０において通電不良が起こっていないかを確認すると共に、各誘導加熱コイル１０への電力供給量を適宜調整する。

また制御装置５は、二つの電流検知手段５０，５１の電流検知用コイル３８の信号を比較し、両者の差異が一定値を越えると、誘導加熱コイル１０がワークと接触したと見なして警報信号を発する。

本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図（ａ）及び分解斜視図（ｂ）である。他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。本発明の他の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。本発明の焼入装置の原理を示す概念図である。他の接触検知回路を備えた焼入装置の原理を示す概念図である。

符号の説明

１誘導加熱装置（焼入装置）
２高周波電源
３加熱ユニット
１０誘導加熱コイル
１１カレントトランス
３１加熱処理部
３２導通部
３５コア部材（コア部）
３９絶縁体
３８電流検知用コイル
４０電流計（電流検知手段）
５０，５１電流検知手段

Claims

処理対象物を誘導加熱するための誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、誘導加熱コイル又は誘導加熱コイルに電力を供給する回路に２以上の電流検知手段を直列に設け、前記電流検知手段によって検知される電流を監視し、両者に一定以上の異常が生じた場合に所定の処置が実行されることを特徴とする誘導加熱装置。
処理対象物を誘導加熱するための誘導加熱コイルを備えた誘導加熱装置において、誘導加熱コイル又は誘導加熱コイルに電力を供給する回路に２以上の電流検知手段を直列に設け、前記電流検知手段によって検知される電流を監視し、両者に一定以上の差異が生じた場合に所定の処置が実行されることを特徴とする誘導加熱装置。
所定の処置は、異常の表示であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
誘導加熱コイルは、加熱処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、加熱処理部を挟んで加熱処理部に対して電気的に導通した二つの導通部を備え、当該二つの導通部にそれぞれ電流検知手段が設けられ、当該電流検知手段は、磁性体からなるコア部が絶縁体を介して取り付けられ、当該コア部に電流検知用コイルが設けられてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。