JP2009521078A - 加工物の誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、導電性の加工物を誘導加熱する方法である。加工物を貫通する磁界の磁束密度が回転軸に沿って変化するように調整すれば、加工物に沿って変化する温度を実現することが可能である。

Description

本発明は、超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、導電性の加工物を誘導加熱する方法に関する。加工物を貫通する磁界の磁束密度は、回転軸に沿って変化するように調整される。

そのような方法は、非特許文献１により周知である。しかし、その文献は、その方法を技術的に如何にして実現することができるのかを開示していない。

特許文献１により、直流が流れるコイル構成の磁界内で加工物を回転させることが周知である。それによって、静止磁界内で加工物を一様に誘導加熱することが可能である。高温超伝導式コイル構成を用いて、低い損失で静止磁界を発生させている。特に、加工物は、例えば、アルミニウム、銅又は相応の合金から成るブロック又はビレットとすることができる。通常の直径は、５０ｍｍ〜４００ｍｍであり、通常の長さは、２０ｍｍ〜１，０００ｍｍである。加工物の回転軸は、磁界の主軸と９０°の角度を成す。周知の電磁誘導の法則によると、磁界の磁束密度を大きく、そして加工物の回転数を高くする程、単位時間当りの温度上昇が大きくなる。

非特許文献２により、ブロックに軸方向に温度分布を持たせて、その次の成形ゾーンにおいて、ブロックの長さに渡って一様で最適な温度となるようにブロックを誘導加熱することが周知である。そのためには、軽金属では、ブロックの始端又はブロックの先頭をブロックの終端よりも、例えば、１００°Ｃ未満高い温度にすべきである。銅合金では、多くの場合その逆の温度分布が望ましい。そのために、縦方向に延びる、交番磁界を発生させるコイル構成を通して直線的に動かされるブロックは、基本的な温度にまで一様に加熱された後、所望の領域内で部分的なコイルを作動させることによって更に加熱されている。この方法は、特に、コイル構成内の抵抗損と制御技術的な負担のために、コストがかかる。

特許文献２により、交流が供給される誘導コイルの内部で導電性の加工物を誘導加熱する方法が周知であり、誘導コイル自体は、少なくとも一つの電気的な短絡リングによって取り巻かれている。短絡リングの直径を変化させることによって、その無効又は有効電力消費量を制御して、誘導コイルの単位時間当りの発熱量を局所的に限定した形で連続的に変化させることが実現可能である。
国際特許公開第２００４／０６６６８１号明細書 ドイツ特許公開第１２１５２７６号明細書 "Temperature distribution in aluminum billets heated by rotation in static magnetic field produced by superconducting magnets", preprint COMPEL Vol.24, No.1, p.281 - p.290, 2004 "Strangpressen", Aluminium-Verlag Duesseldorf, 2001, 553 to 555

冒頭に挙げた形式の方法を出発点として、本発明の課題は、一般的に円筒形の加工物の温度が回転軸と一致する加工物の中心軸に沿って所望の推移、即ち、ゼロではないが、必ずしも一定ではない温度勾配を持つように、その方法の技術的な実現手段を提示することである。

加工物を貫通する磁界の磁束密度は、回転軸に沿って変化するように調整される。それは、本発明による目的通りの局所的な磁束密度の制御及び／又は常に不均一な磁界に対して相対的に回転する加工物の好適な位置決めによって実現することができる。

以下では、簡単化のために、磁束密度が小さい領域とは、磁界が（相対的に）より弱いことを表し、磁束密度が大きな領域とは、磁界が（相対的に）より強いことを表すものとする。

磁界を発生させるコイル構成は、有利には、高温超伝導タイプである。そのようなコイル構成は、特に、一つ又は複数の（複数の場合には、機械的に互いに平行に並んで配置された）ほぼ楕円形の空間を取り囲む、双極子磁界を発生させるコイル、所謂レーストラックコイルから構成することができる。この空間内において、加工物は、楕円の縦軸とほぼ一致する回転軸の周りを回転する。

例えば、磁界の部分領域内に設けられた磁気的な短絡部分を用いて、回転軸に沿って所定の通り変化する磁束密度を発生させることができる。磁気的な短絡部分は、強磁性の物体から構成することができる。その物体の近傍では、磁界が弱くなる。それに対応して、そのような磁界内に有る加工物の領域は、より弱く加熱されることとなる。

このような回転軸に沿って変化する磁束密度は、補助コイルを用いても発生させることができる。

この補助コイルは、例えば、超伝導式コイル構成に対して軸を平行にずらした形に配置することができる。補助コイルは、例えば、楕円形の空間の一方の端部又は他方の端部の高さで、コイル構成の側方に隣接して配置されて、その領域内で何れにしても強い磁界をより一層強めることができる。それによって、その領域内に有る、回転する加工物の部分が、より強く加熱される。

別の手段は、回転軸と同軸に、かつ磁界の部分領域内において加工物を同心に取り巻くように補助コイルを配置することである。それによって、コイル構成の磁界も、それと直角な、この場合交流が供給される補助コイルの磁界も、加工物を貫通するようになる。

場所に依存して変化する磁束密度は、コイル構成の外側を取り巻く強磁性のヨークを用いても発生させることができる。ヨークの幾何学的な形状をコイルの直線的な長い側面に沿って相応に構成することによって、回転軸に沿った磁界の強さを調節することができる。このヨークは、同時に、コイル構成の磁界を外側に対して遮蔽するとともに、鎖交磁束が同じ場合に、コイル構成によって取り囲まれた空間内の磁束密度とそのため加工物を通る磁束密度を強めるという利点を有する。

磁束密度を更に高めるために、ヨークを内側に開いたトーラスと同様の形に構成することができる。

それに代わって、ヨークの横断面を閉じた又は開いたリング或いはＣ字形状として、回転軸の両側に磁極片を少なくとも一つずつ配備することもできる。（回転軸に対して直角の）横断面が開いている場合、より正確に言うと、例えば、母線に沿って開いた中空円筒の場合、加工物の回転軸は、スリット形状の開口部を画定するとともに、磁極片を構成するか、或いは磁極片として配備された中空円筒の面の間に有る。

基本的に、コイル構成は、ヨーク上の任意の位置に置くことができる。しかし、そのような磁界は、各磁極片上に一つずつコイル構成として配備された超伝導式コイルを用いても発生させることができる。

回転軸に沿って変化する磁束密度は、ヨークの磁極片の磁極面の間隔を回転軸に沿って変化させることによっても発生させることができる。

加工物を貫通する磁界の回転軸に沿って変化する磁束密度は、特に、加工物の回転軸と磁界の主軸が成す角度を変化させることによっても調整することができる。そして、この角度は、９０°と異なる。磁界の主軸に対して回転軸を傾斜させる点は、加工物の長さに渡って必要な温度分布に依存して選定することができる。回転軸が、例えば、円筒形の加工物の正面領域内に有る点の周りに傾斜している場合、そのような加工物の領域は、磁界が強い領域内に留まる一方、対向する正面領域は、弱い磁界内に有り、従って、より弱く加熱されることとなる。傾斜角は、約２°〜約２０°とし、回転軸と磁界の主軸が成す角度に応じて、約７０°〜約８８°とすることができる。

以下において、本発明による方法の実施例とそれを実施するための模式的に簡単化された構成を図面にもとづき例示的に説明する。

図１は、超伝導式レーストラックコイルＳの簡単化された模式図である。そのコイルは、図示されていない一定数の巻線を備え、直流が流れており、その結果双極子磁界を発生させる。この磁界は、導電性の材料から成る円筒形の加工物Ｗを貫通する。加工物は、例えば、アルミニウムの棒又はビレットとすることができる。加工物Ｗは、その縦軸Ｄの周りを回転するように駆動される。その駆動部は、図示されていない。このようにして、加工物Ｗは、周知の通り誘導加熱される。加工物に沿って温度勾配を作り出すために、楕円形の空間の上部には、ここでは、強磁性の材料から成る短い円筒形の磁気的な短絡部分Ｋが有る。この短絡部分Ｋの近傍では、加工物Ｗを貫通する磁界Ｂが弱められる。そのため、加工物Ｗの上端領域は、コイルＳの弱められていない磁界が貫通する加工物の領域よりも弱い加熱を受ける。

図２は、図１と基本的に同じ構成を図示しているが、コイルＳに対して軸を平行にずらした形の補助コイルＺが配置されており、その巻線には、同様に直流が流れている。補助コイルＺとコイルＳの巻線方向が同じ場合、加工物Ｗの上部を貫通する磁界全体を強めるという意味において、磁界は重なり合う。そのため、そのような加工物Ｗの部分は、その他の部分よりも強く加熱される。加工物Ｗの別の部分をその他の部分よりも強く加熱する場合には、補助コイルＺを双極子磁界の方向に対して所望の位置にスライドさせる。所望の温度差又は温度上昇は、補助コイルＺの励磁電流を変化させることによって調整することができる。

図３では、コイルＳによって取り囲まれた空間内において、かつ加工物Ｗを同心に取り巻くとともに、双極子磁界に沿ってスライド可能な形に配置された、交流が供給される補助コイルＺ１によって、同じ効果を実現している。

図４では、図１と同様に、コイルＳによって取り囲まれた空間内にただ一つの磁気的な短絡部分を配備する代わりに、コイルＳの上方の短い辺の周りに閉じたヨークＪを配置することができる。このヨークＪは、磁気的な短絡部分を改善すると同時に、その位置におけるコイルＳの磁界を外側に対して遮蔽している。それに対応して、この実施形態においても、加工物Ｗの上方領域は、その他の領域よりも弱く加熱される。

この実施形態の変化形が、図５に図解されている。ヨークＪ１が、コイル構成全体を取り囲んでおり、そのため磁界全体を外側に対して十分に遮蔽している。それと同時に、流れの方向Ｂに磁界を発生させるために必要な励磁電力、より正確に言うと、コイルＳを通る励磁電流が低下している。加工物Ｗの加熱を変化させること、即ち、その軸に沿った温度勾配は、ここの図１〜３にもとづき説明した手段を備えた構成においても実現することができる。

図６ａに図示されている構成は、磁極片Ｐ１とＰ２の各々が電気的に直列に接続された、直流が流れる超伝導式コイルＳ１又はＳ２を装着した閉じたヨークＪ２を出発点としている。磁界の強さの相違は、磁力線を表す矢印の線の太さによって示されている。側面図から分かる通り、加工物Ｗをその回転軸Ｄに沿って大きい又は小さい幅でスライドさせることによって、ヨークＪ２の外では益々弱くなって行く漂遊磁界内において加工物Ｗの端部を回転させ、それに対応して、加工物Ｗのその他の領域よりも弱く加熱することを実現することができる。

図６ｂは、図６ａと同様の構成を図示しているが、この場合加工物Ｗは、回転軸Ｄに沿ってスライドさせるのではなく、その回転軸をコイル構成Ｓ１，Ｓ２，Ｊの縦軸に対して傾斜させることによって実現している。そのことは、図６ｂの正面図で円筒形の加工物Ｗが傾斜している斜視図で示されている。

図７ａは、超伝導式コイルＳ３がＣ字形状のヨークＪ３の長い辺を取り囲み、そのヨークの磁極片Ｐ３とＰ４の間で加工物が回転する構成を図している。断面図と回転させた平面図は、磁極片Ｐ３とＰ４が加工物Ｗの周囲を右から左に狭くなって行く楔形の空間として画定しており、その結果加工物Ｗは、右から左に進むのに応じて空隙が小さくなって行き益々強く加熱されることとなる。この構成は、温度勾配が加工物の長さに渡ってほぼ一定になるとの利点を有する。

図７ｂによる構成は、同じ原理にもとづき動作し、一つのコイルに代わって、この場合二つの超伝導式コイルＳ４とＳ５を使用し、その各々が磁極片Ｐ５とＰ６を取り巻いていることが唯一の相違点である。

図８ａに図示されている構成は、図１と同様のレーストラックコイルＳを用いて動作するが、加工物Ｗをその回転軸Ｄに沿って変化する形で加熱することは、この回転軸をコイルＳの中心面に対して中心軸Ｍ上に有る点の周りに角度αだけ傾斜させることによって実現されている。そうすることによって、磁束密度Ｂは、加工物Ｗの下端から上端に向かって低下して行き、その結果加工物の上端は、その他の領域よりも弱く加熱されることとなる。

図８ｂによる構成は、同じ原理にもとづき動作するが、二つの超伝導式コイルＳ６とＳ７が同軸に並んで、或いは相前後して配置されており、そうすることによって、より高い磁束密度Ｂが達成されている。

図９も、加工物Ｗを取り囲むレーストラックコイルＳを図示している。しかし、加工物は、コイルＳによって取り囲まれた空間内において対称的な位置から回転軸Ｄに沿って上方にスライドされる。そのために、加工物Ｗの上部は、加工物のその他の領域よりも大きな磁束密度Ｂの領域内に有る、即ち、より強く加熱される。そして、図８ａの構成と同様に、望ましくは、更に、本発明の目的に適うこととして上部正面領域内に有る点の周りに加工物をコイルＳの中心面から傾斜させることもできる（図示されていない）。

以下の表は、実現可能な温度と温度差の数値的な例を具体的に示している。加工物は、長さが８００ｍｍで直径が２５０ｍｍのビレットから構成される。この表では、図１０ａに記入されている点における誘導加熱終了後から温度検出前までの待ち時間を「平準化時間」と表示している。第一列の傾斜角αは、図８ａと１０ｂで定義されている通りの角度である。第二列の直線的なずれとは、図９にもとづき説明した加工物の回転軸Ｄに沿ってのずれを表す。特に、最後の５行に記入された値は、基本的に別個に使用することが可能な加工物のスライドとその回転軸の傾斜の二つの手段を組み合わせて使用するのが有利である場合も有ることを示している。

図１１は、レーストラックコイル内において回転軸を傾斜させたビレットを斜視的ではあるが、模式的に簡単化して図解している。

磁気的な短絡部分を備えた超伝導式レーストラックコイルの平面図と側面図 軸を平行にずらした補助コイルを備えた図１と同様のコイルの図 交流が供給される補助コイルを備えた図１と同様のコイルの図 コイル辺を取り囲む追加ヨークを備えた図１と同様のコイルの図 ヨークによって取り巻かれた超伝導式コイルの横断面図 ヨークを備えた超伝導式コイル構成の別の実施構成の正面図と側面の部分破断図 加工物の回転軸を傾斜させた、図６ａと同様のコイル構成の図 Ｃ字形状のヨークの辺上に配備された超伝導式コイルの正面図と９０°回転させた平面の部分断面図 二つの超伝導式コイルから成る構成とＣ字形状のヨークの正面図 加工物の回転軸を傾斜させた図１と同様のレーストラックコイルの図 二つの同軸の超伝導式コイルから成る構成の断面図 コイルの内部空間内において、加工物を回転軸に沿って直線的にスライドさせる形の図１と同様のレーストラックコイルの図 温度測定点を示した加工物の図 磁界の主軸と直角な軸に対して回転軸を６°傾斜させた図１０ａと同様の加工物の図 周りを取り巻くレーストラックコイルの面に対して縦軸及び回転軸を傾斜させた円筒形の加工物の簡単化した斜視図

Claims (11)

1. 導電性の加工物を誘導加熱する方法であって、超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、その磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、加工物を貫通する磁界の磁束密度が回転軸に沿って変化するように調整する方法において、
   この回転軸に沿って変化する磁束密度が、磁界の部分領域内における磁気的な短絡部分を用いて発生されることを特徴とする方法
2. 導電性の加工物を誘導加熱する方法であって、超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、その磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、加工物を貫通する磁界の磁束密度が回転軸に沿って変化するように調整する方法において、
   この回転軸に沿って変化する磁束密度が、補助コイルを用いて発生されることを特徴とする方法
3. 導電性の加工物を誘導加熱する方法であって、超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、その磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、加工物を貫通する磁界の磁束密度が回転軸に沿って変化するように調整する方法において、
   この回転軸に沿って変化する磁束密度が、コイル構成の外側を取り巻く強磁性のヨークを用いて発生されることを特徴とする方法
4. 導電性の加工物を誘導加熱する方法であって、超伝導式巻線を備えた、直流が流れるコイル構成の磁界内で、その磁界の主軸と一定の角度を成す回転軸の周りに加工物を回転させることによって、加工物を貫通する磁界の磁束密度が回転軸に沿って変化するように調整する方法において、
   この回転軸に沿って変化する磁束密度が、回転軸と磁界の主軸が成す角度を変化させることによって調整されることを特徴とする方法
5. 当該の補助コイルが、コイル構成に対して軸を平行にずらした形に配置されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 当該の補助コイルが、磁界の部分領域内において、回転軸と同軸に、かつ加工物を同心に取り巻く形に配置されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. 当該のヨークが、内側に開いたトーラスと同様の形に構成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 回転軸の両側にそれぞれ磁極片が少なくとも一つずつ配備された、横断面が開いた、或いは閉じたリング又はＣ字形状のヨークを使用することを特徴とする請求項３に記載の方法。
9. 各磁極片上にそれぞれ一つずつコイル構成として配備された超伝導式コイルを用いて、当該の磁界を発生させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 当該の回転軸に沿って変化する磁束密度が、磁極片の磁極面の間隔を回転軸に沿って変化させることによって発生されることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
11. 当該の回転軸と磁界の主軸が成す角度が、約７０°〜約８８°の値に調整されることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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