JP2009530495A

JP2009530495A - 物品の均一な抵抗加熱のための方法及びシステム

Info

Publication number: JP2009530495A
Application number: JP2009500628A
Authority: JP
Inventors: タッドマクロウィッツ
Original assignee: ノーブルアドヴァンストテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2009-08-27
Also published as: WO2007109546A3; US20070215588A1; EP2000004A2; BRPI0709315A2; KR20080110820A; WO2007109546A2; US7714253B2

Abstract

抵抗加熱プロセスによって加熱する物品における制御加熱プロファイルを与えるための方法を提供する。方法は、物品を複数の電極と接触させ、そして、少なくとも２つの電極を備える第１の相関性を有するグループを選択し、さらに、第１の相関性を有するグループにおける電極間の電流の流れを確立することを含む。方法はまた、少なくとも２つの電極を備える第２の相関性を有するグループを選択することを含む。ここで、第２の相関性を有するグループは、第１の相関性を有するグループとは異なる。抵抗加熱する物品のための制御された過熱プロファイルを提供する目的のために、電流の流れはまた、第２の相関性を有するグループの電極間で確立する。第２の相関性を有するグループの電極間の電流は、電流の流れが第１の相関性を有するグループの電極間で確立された後、確立することができる。加えて、第１の相関性を有するグループの電極間での電流の流れは、電流の流れが第２の相関性を有するグループの電極間で確立される前に、停止することができる。方法はまた、複数の電極の少なくとも２つからなる第３の相関性を有するグループを選択するステップ、そして、第３の相関性を有するグループの電極間での電流の流れを確立するステップをさらに含むことが可能である。それぞれの相関性を有するグループの電極間における電流フローの順序、存続期間、そして、大きさの少なくとも１つを制御するステップを、含むことが可能である。加えて、それぞれの相関性を有するグループの電極間における電流の流れは、予め選択されたプログラムによって制御することが可能である。電流の流れはまた、例えば、物品の温度や電気抵抗などの測定パラメーターに応じて、制御することができる。

Description

本発明は一般に抵抗加熱（resistance heating）に関する。より詳細には、不規則に形成されている物品を電気抵抗加熱によって均一に加熱するための方法及び装置に関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２００６年３月１６日付けの米国仮特許出願番号６０／７８２，８０１号及び２００７年３月１４日付けの米国特許出願番号１１／６８５，８７７号の利益を主張し、ここに参考文献として利用する。

電気抵抗加熱は、金属のワークピースのような導電性物品を加熱するために効果的でエネルギー効率が良い方法である。このプロセスにおいて、電流はワークピースを通じて流れる。電流の大きさを制御することによって、加熱量を簡単に管理することができる。

一般に、抵抗加熱方法は、確実で均一なワークピースの加熱を提供する。しかしながら、不規則な形状であるワークピース又は、開口部や、薄い部分などの特徴部を含むワークピースによって、特定の問題が起こることがある。この不規則性は、電流路を分離させ、電流路の分離により均一な加熱を妨げる可能性がある。例えば、開口部に近接する周辺部へ電流が集中し、その結果、開口部は周囲より加熱した状態を生じる可能性がある。同様に、ある物品の断面的に薄い又は横方向に薄い部分は、電流が集中し、周囲より加熱した状態が生じる可能性がある。電流はワークピースを通じる最短路を取る傾向があることから、不規則に形成されているワークピースを通る均一な電流の流れを確立することは、しばしば困難となる。従って、特定の領域は電流が「遮られ」、加熱が不足する可能性がある。この問題は、例えば自動車の構成用部品などの比較的薄いワークピースが加工される場合、特に顕著となる。

上記で述べた問題に応じて、Ａｒｎｏｓｋｙによる米国特許番号３，７３７，６１８は細長い溝のあるチューブを加熱するために２段階のプロセスが記載されている。第１段階のプロセスにおいて、末端領域を予め加熱するために、４組の電極は、チューブの終端部に取り付けられ、電圧が印加される。第２段階において、２組の電極は、チューブから取り外され、その結果、末端領域及び細長い溝のような領域は、同時に加熱される。また、Ｇｏｍｅｚによる米国特許番号６，８９７，４０７は２段階のプロセスを開示している。その２段階のプロセスにおいて、第２の組のシャント用電極が、ワークピースの小さな断面積領域に電流の一部を分けて流すことを可能にする間、第１の組の電極は、ワークピースを予め加熱する。第１段階では、導電的に橋絡した小さい領域で、ワークピースを通じて流れる電流を必要とする。その結果、このような領域は、少しではあるが加熱される。第２段階では、シャント用電極は、取り除かれ、ワークピース全体を加熱する。

上記先行技術の方法はともに、左右対称のワークピース上において、複数の段階の処理を必要とする。よって、これらシステムは、極めて不規則なピースを加熱するために必要な制御を提供することはできない。そして、この先行技術のプロセスにおける２段階の性質では、高速な自動化プロセスでの使用を困難にする。従って、当然のことながら、１段階の方法及び装置の必要性が存在する。それによって、電気抵抗加熱は、不規則な特徴を有するワークピースを均一に加熱するように利用することが可能となる。そして、ワークピースの測定パラメーターは、加熱システムを制御するのに役立つ。後述する通り、本発明はこの必要性を達成する。

本発明の概要
抵抗加熱プロセスによって加熱する物品における制御加熱プロファイルを与えるための方法を提供する。方法は、物品を複数の電極と接触させ、そして、少なくとも２つの電極を備える第１の相関性を有するグループを選択し、さらに、第１の相関性を有するグループにおける電極間の電流の流れを確立することを含む。方法はまた、少なくとも２つの電極を備える第２の相関性を有するグループを選択することを含む。ここで、第２の相関性を有するグループは、第１の相関性を有するグループとは異なる。抵抗加熱する物品のための制御された過熱プロファイルを提供する目的のために、電流の流れはまた、第２の相関性を有するグループの電極間で確立する。

第２の相関性を有するグループの電極間の電流は、電流の流れが第１の相関性を有するグループの電極間で確立された後、確立することができる。加えて、第１の相関性を有するグループの電極間での電流の流れは、電流の流れが第２の相関性を有するグループの電極間で確立される前に、停止することができる。方法はまた、複数の電極の少なくとも２つからなる第３の相関性を有するグループを選択するステップ、そして、第３の相関性を有するグループの電極間での電流の流れを確立するステップをさらに含むことが可能である。

それぞれの相関性を有するグループの電極間における電流フローの順序、存続期間、そして、大きさの少なくとも１つを制御するステップを、含むことが可能である。加えて、それぞれの相関性を有するグループの電極間における電流の流れは、予め選択されたプログラムによって制御することが可能である。電流の流れはまた、例えば、物品の温度や電気抵抗などの測定パラメーターに応じて、制御することができる。部材を橋絡することは、ワークピースの開口部や薄い部分の領域における電流フローを制御するために用いることが可能である。

上記説明した通り、不規則に形成されているワークピースに均一な電流フローを確立することは困難となりがちである。本発明は、複数の電極をワークピースに取り付け、そして、電極の相関性を有するグループに印加する複数電極のシステム及び方法を提供する。その印加はワークピースを均一に加熱するさまざま順序に応じて行われる。

図１を参照すると、不規則に形成されているワークピース１０を加熱するような、本発明のある一つの実装を示す。ワークピースは、一連の電極１２ａ乃至１２ｉと接触している。その電極はワークピースの周辺部に取り付けられている。電極１２ａ乃至１２ｉそれぞれは、電流源や接地に選択的に接続可能である。選択可能な接続は、スイッチボードやコントローラー又は、当業者であれば明らかなそれら同等なものを介して確立することができる。

本発明の動作において、ここで「相関性を有するグループ」と呼ぶグループのような電極のグループは、選択的に印加される。その結果、ワークピースを流れる電流フローを制御し、導くことができる。例えば、ワークピース１０の全幅に実質的に沿って流れる電流を発生させるために、電極１２ａ及び１２ｆに印加することが可能である。この電流路は、電極１２ｃ及び１２ｂの領域におけるワークピースの角を適切に加熱することはできない。この領域は、電極１２ｂ又は１２ｃと電極１２ｆとの間で電流が確立されることによって、加熱することが可能となる。同様に、電極１２ｉと１２ｄの間を通る電流によって、この領域を加熱することができる。場合によって、電流路は、２つより多い電極を用いることによって確立される可能性がある。例えば、電極１２ｂと電極１２ｉ及び１２ｈのそれぞれとの間の電流路は、ワークピースの角の領域を加熱するよう用いることが可能である。別の方法では、図２に示す角の電極１１ａや１１ｂのような角に適応するよう設計された電極は、ワークピースの角の領域を加熱するために用いることができる。本発明の使用において、速く、そして、効率的にワークピース１０の温度を均一にするため、電極のさまざまな組み合わせは、順序によって、またある場合には同時に印加することが可能である。ワークピースに適用する電流パルスのタイミング、存続期間、そして、大きさの制御は、ワークピースに均一な温度を提供し維持するような測定パラメーター又は記憶されているプログラムに応じて調整することが可能である。

図３を参照すると、複数の電極１２ａ乃至１２ｅ及び電源１６と通信するコントローラー１４を備える本発明の他の特徴を示す。本発明の方法を実行するために、コントローラー１４は、電源１６を介して、複数の電極１２ａ乃至１２ｅのグループを選択的に印加するように動作する。そして、コントローラー１４は、複数又は相関性の有するグループにおける電極間の電流フローの順序、存続期間、大きさの少なくとも１つを制御するよう動作することが可能である。コントローラーはまた、記憶されている予め選択されたプログラムに従って、電極に印加することができる。

他の例では、システムはさらに温度センサー１８のようなセンサーを備える。温度センサー１８もまた、コントローラーと通信する。温度センサーは、光温度計（optical pyrometer）、赤外線感度カメラ（infrared sensitive camera）、熱電温度計アレイ（thermocouple array）又はワークピースの温度を感知するよう動作する他の装置とすることができる。そして、温度センサーは、コントローラーが電極の通電を適切に制御することを可能にする制御信号を提供する。ある例では、温度センサーは、ワークピースの熱エネルギーの分布を示す信号を提供する。この信号は、ワークピース内の周囲より加熱している又は冷えている領域を示す情報を伝達する。そして、この信号を適切に読み取ることによって、コントローラーは、装置の全体で所望する温度プロファイルを提供し維持するために、選択的に特定の電極のグループに印加又は印加の中止を行うことができる。通常、このプロファイルは、均一な温度プロファイルであると思われるが、ある場合には、予め選択された均一では無いプロファイルを維持する必要性が存在しうる。このようなプロファイルは本発明で達成することができる。

当技術分野で周知のように、金属体における多くのパラメーター又は物理的性質は、金属の温度関数として変化する。そのようなパラメーターは、検知することが可能であり、本発明の制御システムの一部として用いることができる。例えば、金属は、温度上昇に従って電気抵抗が減少することを示す。ワークピースにける電気抵抗の空間的プロファイルは、加熱を制御するように容易に測定し用いることができる。例えば、前述の電極はまた、ワークピースにおける抵抗を測定するためのプローブとしての役割を果すことができることによって、センサーアレイとしての役割も果すことが可能である。鉄や強磁性合金などの磁気特性はまた、温度関数として変化する。それら特性はまた、測定することができ、同様に、制御信号を提供するよう用いることも可能である。

同様に構成された一群のワークピースが連続して処理されるような場合には、ワークピースの一つ又は、比較的わずかな数のワークピースの分析に基づいて、制御プロファイルのセットを設定することができる。そして、これらプロファイルは、コントローラーに記憶することができ、また、ワークピース毎に細かい温度測定を必要とすることなく次のワークピースを処理するために用いることができる。

ワークピース内の穴部又は開口部における薄い又は狭い部分などの存在は、抵抗の加熱プロセスにおいて、ある特定の問題をもたらす可能性がある。例えば、図１のワークピース１０は、その中に穴部２０を含む。その中にある穴部２０が存在する領域にわたって流れる電流は、穴部の周辺部に沿って、多数の点で集中する傾向がある。その結果、ある領域内において周囲より加熱した個所が生成される。ある場合、開口部の周りに電流を効果的に「導く」適切な電極グループの使用によって、この問題を軽減することができる。しかしながら、ある場合には、このアプローチは困難であり、実用的ではない。従って、本発明のさらなる態様に従うと、開口部の周りに電流を分流（shunt）するため、導電性フィラー部材を配列する。その結果、フィラー部材は、均一なフラックスを提供し、そして、その結果として生じる均一な加熱を提供する。

図４を参照すると、穴部２０を埋め、その周りに流れる電流を提供するために、配列したフィラー部材２２を用いたワークピース１０の一部を示す。フィラー部材２２は、導電性材料から作ることが可能であり、望ましくは、ワークピースと反応しないものとすべきである。フィラー部材はワークピースより厚くなるよう構成することができる。しかし、比較的大きいフィラー部材は、熱の降下をもたらし、ワークピースの温度が均一であることに影響を及ぼす。このことから、フィラー部材の熱キャパシティーは、本発明のシステム設計において考慮されるべきである。フィラー部材は、全ての場合において、ワークピースの全周辺部と接触する必要は無い。接触の度合いは、電流フローの方向、そして、開口部自体の性質に依存すると考えられる。図４で示すように、フィラー部材２２は、栓(plug)の形態として示されている。そして、フィラー部材２２は、装置に差し込むとき、ワークピースと接触するために上げ下げが可能である。示すとおり、栓は開口部に直接取り付けるが、他の場合には、栓は縁や、接触の位置調整及び設定に役立つような特徴などを備えることが可能である。例えば、図５には、栓２４に先細である部材を用いたシステムを示す。

本発明によると、フィラー部材は、ワークピースを装置に置く前に、ワークピースへ、はめ込むことができる。また、装置にワークピースを配置した後、はめ込むこともできる。ある場合では、フィラー部材は、装置によって自動的に配置され、そして、ワークピースから取り出される。さらに他の場合では、フィラー部材は、実際にワークピース自体の一部とすることが可能である。そのような場合、フィラー部材は、ワークピースの弱い部分によって形を定めることができ、そのワークピースの弱い部分は、ワークピースの薄い部分又は、穴の開いたウェブ近くの余り部分に支えられる。この一体を成すフィラー部材は、加熱処理の後、穴あけ作業又はそれと同様な作業によって、取り除かれる。そして、ある場合には、この穴あけ作業は、ワークピースがまだ高温である間に実行されるのが望ましい。他の場合では、硬化作業又はそれと同様な作業の後、実行することもできる。図６は、薄いウェブ部分４４によって保持される一体を成すフィラー部材４２を有するワークピース４０の切断面を示す。

ある実施例において、抵抗加熱によって加熱される物品は、凹んだ領域又は空洞な領域を有する。それら領域は、薄い領域を形成し、均一では無い加熱が発生する可能性がある。図７に示すように、本発明は、そのような領域に均一な加熱を提供する。凹んだ領域５４を有する物品５０は、フィラー部材５２のはめ込みによって、隣接している凹んだ領域５４に均一な抵抗加熱を提供する。フィラー部材５２は、上記説明したフィラー部材２２及び２４と同様であり、それらを通して流れる電流をもたらす。

図８に示すように、物品５０の凹んだ領域５４はまた、フィラー部材５６を用いて橋絡することができる。フィラー部材５６は、複数のワイヤーやシート５８を含む。そのフィラー部材は、凹んだ領域５４の隔たりや、領域、体積を補う。フィラー部材５２と同様に働く。

図９を参照すると、厚い部分６２から薄い部分６４までの切断面が薄くなる物品６０における本発明の異なる実施例を示す。例えば(例示の目的のみのために示す)、物品６０は、抵抗加熱の加熱処理を受けるボルトや、くぎ締めパンチ（nail set punch）、機械的伸張性試料（mechanical tensile sample）を表しているものとすることができる。本発明は、領域６６に橋絡する複数の電極６８を備えるフィラー部材を取り付けることによって、物品６０に沿って均一な加熱を提供する。領域６６に取り付けられた電極６８はコントローラー１４に接続することができる。一又は二以上の電極６８はまた、センサー１８（図３）として機能させることができ、領域６６の温度や電気抵抗を監視する。

ここに示した示唆を考慮すると、当然のことながら、他の本発明の変形や変更は、当業者にとって明らかである。上記の図面や議論、説明は特定の例示であるが、それを理由として実施を制限することを意図しない。添付の請求項及びその均等物は特許請求の範囲によって定義される。

本発明に従い、電極を取り付けた物品の上面図である。本発明に従った、角の電極の上面図である。本発明に従った、コントローラー、一連の電極、電源、センサーの概略図である。本発明に従い、栓型のフィラー部材を備えた物品の側面切断図である。本発明に従い、栓型のフィラー部材を備えた物品の側面切断図である。本発明に従い、一体を成すフィラー部材を備えた物品の側面切断図である。本発明に従い、凹み部分及びフィラー部材を備えた物品の側面切断図である。本発明に従い、凹み部分及びフィラー部材を備えた物品の側面切断図である。本発明に従い、取り除かれた断面及びワイヤー接合を取り付けた物品の側面切断図である。

Claims

抵抗加熱プロセスによって加熱する物品における制御加熱プロファイルを提供するための方法であって、該方法は、
前記物品を、少なくとも３つの電極を具備する複数の電極と接触させるステップと、
予め選択されたプログラムあるいは前記物品の測定パラメーターに従って、前記複数の電極間の電流を制御するよう機能するコントローラーを提供するステップと、
前記複数の電極の少なくとも２つを備える第１の相関性を有するグループを選択するステップと、
前記第１の相関性を有するグループの電極間の電流の流れを確立するステップと、
前記複数の電極の少なくとも２つを備える第２の相関性を有するグループを選択するステップであって、前記第２の相関性を有するグループは前記第１の相関性を有するグループとは異なる、前記第２の相関性を有するグループを選択するステップと、
前記第２の相関性を有するグループの電極間の電流の流れを確立するステップと、
抵抗加熱プロセスによって加熱する物品における制御加熱プロファイルを提供する目的のために、前記予め選択されたプログラム又は前記物品の測定パラメーターに従い前記コントローラーを用いて、前記第１の相関性を有するグループと前記第２の相関性を有するグループの電極間の電流の流れを制御するステップと、
を含む方法。
前記第１の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを確立した後に、前記第２の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを確立することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第２の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを確立する前に、前記第１の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを停止することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第２の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを確立した後に、前記第１の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを停止することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第２の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを停止する前に、前記第１の相関性を有するグループの電極間における電流の流れを停止することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複数の電極は３つより多い電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複数の電極の少なくとも２つを備える第３の相関性を有するグループを選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記コントローラーは、前記相関性を有するグループの電極間の電流フローの順序、存続期間、大きさの少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記コントローラーは、予め選択されたプログラムに従って、前記電流フローを制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記コントローラーは、前記物品の測定パラメーターに応じて、前記電流フローを制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記パラメーターには、温度を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記パラメーターには、前記物品の温度における空間的変化を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記パラメーターには、前記物品の電気抵抗を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記パラメーターには、前記物品の電気抵抗における空間的変化を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記物品は、決められた開口部又は薄い部分を含み、その結果、前記方法は、前記開口部又は前記薄い部分と接触する導電性フィラー部材を配列するステップをさらに含み、前記フィラー部材は前記開口部又は前記薄い部分にわたって電流を導くよう動作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
ワークピースを加熱するためのシステムであって、該システムは、
少なくとも３つの電極を具備し、前記ワークピースに接触するよう構成されている複数の電極と、
前記電極が前記ワークピースと接触した場合、予め選択されたプログラムあるいは前記ワークピースの測定パラメーターに従って、
Ｉ．前記複数の電極の少なくとも２つを備える第１の相関性を有するグループ間の第１の電流の流れと、
ＩＩ．前記複数の電極の少なくとも２つを備える第２の相関性を有するグループ間の第２の電流の流れと、
を選択的に確立するよう動作するコントローラーと、
を備えるシステム。
前記コントローラーは、前記電流フローの流れの少なくとも１つの特徴を制御するようさらに動作し、前記特徴は、前記電流フローの順序、タイミング、存続期間、大きさ、及び、それらの組み合わせから成る群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
前記コントローラーは、予め選択されたプログラムに従って、前記少なくとも１つの特徴を制御するよう動作することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
前記システムは、前記ワークピースの少なくとも１つの物理的性質を測定するよう動作するセンサーを備え、前記コントローラーは、前記ワークピースの測定された前記物理的性質に従って前記少なくとも１つの特徴を制御するよう動作することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
前記センサーは、前記ワークピースの温度を測定するよう動作することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
前記センサーは、前記ワークピースの温度における空間分布を測定するよう動作することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
前記センサーは、前記ワークピースの電気抵抗を測定するよう動作することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
前記センサーは、前記ワークピースの電気抵抗における空間分布を測定するよう動作することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
前記ワークピースは、決められた開口部又は薄い部分を含み、前記システムは、導電性フィラー部材を配列するよう動作するアクチュエーターを備え、前記フィラー部材は、前記開口部又は前記薄い部分の周辺部の少なくとも１つの部分と接触し、これにより、電流を流すことが可能となることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
決められた開口部又は薄い部分を有するワークピースの抵抗加熱を均一にするための方法であって、該方法は、
導電性フィラー部材を提供し、
前記ワークピースにおける前記開口部又は前記薄い部分の周辺部の少なくとも１つの部分と電気的に通信する前記フィラー部材を配列し、
前記ワークピースを通る電流の流れを確立し、これにより、前記電流の流れが前記ワークピースを抵抗によって加熱し、前記フィラー部材は、前記開口部又は前記薄い部分へ前記電流の少なくとも一部分が流れることを可能にする方法。
決められた開口部又は薄い部分を有するワークピースの均一な抵抗加熱のための装置であって、該装置は、
前記ワークピースと電気的な通信を確立するよう動作する第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に通信する電流源であって、前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に通信するワークピースを通る電流の流れを確立するよう選択的に動作する前記電流源と、
前記ワークピースにおける前記開口部又は前記薄い部分の周辺部の少なくとも１つの部分と電気的に通信して配列するよう構成された導電性フィラー部材であって、前記電流が前記ワークピースを流れた場合、前記開口部又は前記薄い部分に前記電流の少なくとも一部分が流れることを可能にする前記フィラー部材と、
を備える装置。