JP2012195316A - 横断方向フラックス誘導加熱装置及び補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 工作物のエッジ部分の過熱を低減させ且つ同ショルダー部分の誘導加熱量を増大させる、横断方向フラックス誘導加熱装置の誘導コイル形態又は誘導コイルで使用する補償装置の何れかに対する需要を満たす横断方向フラックス誘導加熱装置及び補償装置を提供することである。
【解決手段】 導電性及び磁性（受動）の連結補償装置３０が導電性材料３２と磁性材料３４とを使用し、エッジ部分でのオーバーヒート誘起を防止すると共にショルダー部分での誘導加熱量を増大する。
【選択図】 図４ａ

Description

本発明は２００６年３月２９日付の米国仮出願特許番号第60/787,020号の優先権の利益を主張するものである。本発明は横断フラックス誘導加熱コイル及び補償装置に関し、詳しくは、導電性材料のシート又はストリップの断面を一様に加熱するために使用するそうした横断方向フラックス誘導加熱コイル及び補償装置に関する。

従来の代表的な横断方向フラックス誘導装置は一対の誘導コイルを含み、これら一対のコイル（以下、コイル対）の間に被誘導加熱材料を配置する。例えば図１ではコイル対が、例えば矢印方向で表す方向でコイル対を貫いて連続移動する金属ストリップである工作物９０の上下に各々配置したコイル１０１及び１０３を含む。方向付け用の三次元直交空間を図１に示すようにＸ、Ｙ、Ｚの各軸により画定すると、ストリップはＺ軸方向に移動することになる。コイル対間の間隙ｇ_c又は開口は、図では明瞭化のために拡大表示されているが、図示されるストリップの横断方向長さは一定である。コイル１０１の端子１０１ａ及び１０１ｂと、コイル１０３の端子１０３ａ及び１０３ｂとは、図示するように１つ以上の好適なＡＣ電源（図示せず）に接続され、その際、電流は瞬間的に複数化される。各コイルを通して流れる電流が、代表的なフラックスライン１０５により例示するような（点線で表す）共通の磁気フラックスを発生させる。共通の磁気フラックスはストリップを垂直方向に貫いて送られ、ストリップの平面に渦電流を発生させる。例えば、積層体またはその他の、高透磁率の低抵抗性材料である磁気フラックス収集器１１７（図ではコイル１０１の周囲にその一部を示す）を使用して、磁界をストリップに配向させ得る。誘導加熱を効率化するＡＣ電流周波数（ヘルツ数でのｆ）は以下の式で表される。
ｆ＝２×１０⁶（ρｇ_c/τ²ｄ_s）

ここで、ρはΩ・ｍでの電気抵抗測定値、ｇ_cはｍでの各コイル間間隙（開口）寸法、τはｍでの各コイルの極ピッチ（ステップ）間距離、ｄ_sはｍでのストリップ厚である。
横断方向フラックス誘導装置を使用してストリップを電気誘導加熱する場合に、ストリップ断面の横断方向（Ｘ軸に沿って）の誘導加熱温度を一定にすることは、従来より解決すべき課題とされてきている。図２は、図１の構成下に、各コイルの極ピッチが比較的短く、相当する周波数が上記式に基づいて低くなる場合での、ストリップ断面の加熱プロファイルの代表例を表す。図２のＸ軸はストリップの標準化断面座標であり、ストリップの中心が０．０、ストリップの対向する各エッジ部分が＋１．０及び−１．０、の各座標位置に示され、Ｙ軸はストリップの誘導加熱により達成される標準化温度座標であり、標準化温度１．０が、ストリップの中間領域１１１を横断する全体に一様に加熱された温度を表している。ストリップの断面誘導温度は、ストリップの各エッジ部分に近い領域１１３（ショルダー部分と称する）では標準化温度１．０より低くなり、ストリップのエッジ部分１１５では標準化温度１．０よりも高くなる。

米国仮出願特許番号第60/787,020号

工作物のエッジ部分の過熱を低減させ且つ同ショルダー部分の誘導加熱量を増大させる、横断方向フラックス誘導加熱装置の誘導コイル形態又は誘導コイルで使用する補償装置の何れかに対する需要を満たす横断方向フラックス誘導加熱装置及び補償装置を提供することである。

本発明の１様相によれば、シート又はストリップ形態の導電性工作物を電気誘導加熱するための装置及び方法が提供される。横断方向フラックス誘導加熱装置が、工作物における対向する各側部方向に、反転状態で折り曲げたヘッドセクションを夫々含む同一コイルの対を含み、各コイルは組み立て状態では、工作物を誘導加熱する磁界を発生する、全体にＯ字形状の構造形態を、工作物の各側の上部に有効裡に形成する形態を有する。
本発明の他の様相によれば、横断フラックス電気誘導装置を使用してシート又はストリップ形態の導電性の工作物を電気誘導加熱するための装置及び方法であって、連結型フラックス補償装置を使用して、エッジ部分の誘導加熱量を低減し且つショルダー部分の誘導加熱量を増大させる前記装置及び方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、横断フラックス電気誘導装置を使用してシート又はストリップ形態の導電性工作物を電気誘導加熱するための装置及び方法であって、能動式及び受動式の連結補償装置を使用する前記装置及び方法が提供される。
能動式の連結補償装置は工作物のエッジ部分の誘導加熱量を低減させ、受動式の連結補償装置は同ショルダー部分の誘導加熱量を増大させる。

工作物のエッジ部分の過熱を低減させ且つ同ショルダー部分の誘導加熱量を増大させる、横断方向フラックス誘導加熱装置の誘導コイル形態又は誘導コイルで使用する補償装置の何れかに対する需要を満たす横断方向フラックス誘導加熱装置及び補償装置が提供される。

従来の横断方向フラックス誘導装置の構成の例示図である。 図１に示す横断方向フラックス誘導装置構成の代表的な断面誘導加熱特性を示すグラフである。 本発明の横断方向フラックス誘導加熱装置の一例の平面図である。 図３ａの横断方向フラックス誘導加熱装置を含む２つのコイルの一方の平面図である。 図３ａに示す横断方向フラックス誘導加熱装置が工作物の一側の上部で全体にＯ字形を有効裡に形成する状況の平面図である。 図３ａに示す横断方向フラックス誘導加熱装置を線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。 図３ａに示す横断方向フラックス誘導加熱装置を線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。 本発明の連結型フラックス補償装置の一例を示す斜視図である。 横断方向フラックス誘導加熱装置を使用する、図４ａに示す補償装置の斜視図である。 本発明の、能動式及び受動式の連結補償装置の一例の平面図である。 図５ａを線Ｃ−Ｃに沿って切断した断面図である。

同じ参照番号は同じ要素を表す図面を参照して説明するに、図３ａ〜図３ｃには本発明の横断方向フラックス誘導加熱装置の一例が示されている。図３ａに示すように組み立てられた本装置は、導電性の工作物であるストリップ９０の対向する各側に関して配向した同一の第１コイル１２及び第２コイル１４を含む。工作物は、例えば、各コイル間を通過する金属シート又は金属ストリップ（以下、ストリップ）であり得る。図３ｂは、ストリップの一方のエッジ部分を越えて折り曲げて（反対側に）反向させたヘッドセクションを有する。２つのコイルを工作物の対向する各側に関して図３ａに示すように組み立てると、以下に詳しく説明するように、横断方向コイルセクション対と、対向するヘッドコイルセクションとから各々形成される図３ｃに例示するようなＯ字形のコイル部分が、工作物の各側面に関して有効裡に形成される。

図３ａ及び図３ｂを参照するに、コイル１２が、ストリップの第１側の上部を横断方向に伸延する一対の横断方向セクション１２ａ及び１２ｂを含んでいる。弓状セクション１２ｃ及び１２ｄが、図示されるように横断方向セクションの各端部に連結され、コイルの２つのヘッドセクションの、ストリップの第１側を覆う一方を形成する。横断方向延長セクション１２ｅ及び１２ｆがストリップの第１エッジ部分を越えて伸延される。ライザセクション１２ｇ及び１２ｈがその一端において、図示されるように横断方向延長セクションの各端部に連結される。ライザセクションの対向する各端部はストリップの第２側に隣り合って位置付けられると共に、その一端が、逆向きの横断方向延長セクション（以下、横断方向逆向延長セクションとも称する）１２ｊ及び１２ｋの各端部に図示されるように連結される。横断方向逆向延長セクションは、ストリップの第２側を覆ってストリップの第１エッジ部分方向に伸延する。弓状セクション１２ｍは横断方向逆向延長セクションの各端部を相互に連結すると共に、コイルの２つのヘッドセクションの内の、ストリップの第２側を覆う一方を形成する。

コイル１４は同様に、横断方向セクション１４ａ及び１４ｂと、弓状セクション１４ｃ及び１４ｄと、横断方向延長セクション１４ｅ及び１４ｆと、ライザセクション１４ｇ及び１４Ｈと、横断方向逆向延長セクション１４ｊ及び１４ｋと、弓状セクション１４ｍと、から構成される。この非限定的実施例ではコイル１２及び１４の極ピッチτは同じである。
図３ｄ及び図３ｅにはストリップの対向する各エッジ部分位置でのコイルセクションの方向を示す側方断面を示す。本発明のある実施例では、コイル１２及び１４の極ピッチはこれらコイルのライザセクション対（１２ｇ及び１２ｈ又は１４ｇ及び１４ｈ）間の角度を変化することにより変更し得る。これらの実施例では、ライザセクション対と、横断方向延長セクション及び横断方向逆向延長セクションとの間に可撓性の電気連結部を設けることができる。

図示しない１つ以上の電源から、好適な接続部を経てコイル１２の端子１６ａ及び１６ｂと、コイル１４の端子１８ａ及び１８ｂとにＡＣ電力を好適に供給する。各コイルを通して流れる電流の瞬間的方向を、コイル１２では“１”で、コイル１４では“２”に夫々関連する矢印で示す。
本発明では、隣り合う横断方向延長セクションと、隣り合うライザセクションと、隣り合う横断方向逆向延長セクションとは、コイル１２及び１４の隣り合う各セクションを通して流れる電流によって生ずる磁界が、図３ａに電流流れ矢印でダイヤグラム表示したように相互に実質的にキャンセルされるような形態とされる。ストリップの対向する各側の上部の横断方向延長セクション及びヘッドセクションとを流れる電流が、ストリップを直交方向に貫く共通磁気フラックスを発生させ、かくしてストリップを誘導加熱する渦電流をストリップ平面内に誘起させる。

コイル１２及び１４は銅のような好適な導電体の単一片から各々一体形成され得、あるいは何れかのコイルの２つ以上のセクションを別個に形成したものを相互に連結し得る。例えば、積層体又はその他の、高透磁率を有する如き低抵抗性材料である図示しない磁気フラックス集中器を、コイルの周囲に位置付けて磁界をストリップ方向に差し向けることができる。
本発明のある実施例では、コイル１２及び１４の何れか又は両方を色々の幅寸法のストリップを収受するべく、又はストリップの幅方向のウィーヴィング（ｗｅａｖｉｎｇ）に追随させるべく、Ｘ軸方向に移動（摺動）させ得る。

本発明の他の実施例では、横断方向の各コイルは工作物の横断方向セクション（Ｘ軸方向）に関してスキューされ得る。本発明では、各コイル１２及び１４のヘッドセクションは全体に弓形であるが、形状的制約はなく、これに限定しないが、例えば半円形でもあり得る。各コイル１２及び１４は、本明細書では単巻コイルとしてダイヤグラム表示されるが、これに限定しないが、多重巻きコイル又は、直列、並列、又はそれらの組み合わせ形態のコイルのようなその他構成のものであり得る。要するに、本発明の誘導コイルの一例ではコイルの横断方向セクション対（１２ａ及び１２ｂ又は１４ａ及び１４ｂ）は相互に実質的に平行であり且つ実質的に同じ平面内に存在する。弓状セクション対（１２ｃ及び１２ｄ又は１４ｃ及び１４ｄ）はそれらの各第１端部が、図３ａに示すように横断方向セクション対の各々の隣り合う第１端部に連結され、横断方向セクション対の各横断方向セクションと実質的に同じ平面内に存在する。横断方向延長セクション対（１２ｅ及び１２ｆ又は１４ｅ及び１４ｆ）は、その各第１端部が、図３ａに示すように弓状セクション対の各々の第２端部に連結される。

ライザセクション対（１２ｇ及び１２ｈ又は１４ｇ及び１４ｈ）は、その各第１端部が、図３ａに示すように横断方向セクション対の各々の第２端部に連結され、横断方向セクション対の各々の平面から離間する方向に伸延される。図３ｄ及び図３ｅに最も良く示されるように、ライザセクション対の各々の第２端部は、各ライザセクション間に或る角度が形成されるように各ライザセクションの第１端部から離れる方向に大きく拡開される。横断方向逆向延長セクション対（１２ｊ及び１２ｋまたは１４ｊ及び１４ｋ）は、その各第１端部がライザセクション対の各々の第２端部に連結され且つ横断方向セクション対の各々の平面と実質的に平行な平面内にあり、且つ横断方向セクション対の方向に伸延される。閉鎖弓状セクション（１２ｍ又は１４ｍ）は、その対向する各端部が横断方向逆向延長セクションの各々の第２端部に連結される。誘導加熱装置は、先に説明した２つの誘導コイルの第２コイル１４において、第１コイル１２の下方の第２コイルの閉鎖弓状セクション１４ｍを、これら第１及び第２の各コイル間のストリップ９０の一方のエッジ部分に近接する状態下に、第１コイル１２の横断方向セクション対（１２ａ及び１２ｂ）間に配向することにより形成され得る。ストリップ９０の他方のエッジ部分に近接する状態下に、図３ａに示すように、第１コイルの閉鎖弓状セクション１２ｍが第２コイルの横断方向セクション対（１４ａ及び１４ｂ）間に配向される。

上述した横断方向フラックス誘導加熱装置は、図１に示す従来の横断方向フラックス誘導装置の改良型となるものである。図１の従来装置の各エッジ部分及びショルダー部分における誘導加熱特性は、当該従来装置に本発明の補償装置の１つを連結することにより改善され得る。本発明の連結型フラックス補償装置の一例は、図４ａに示す、導電性及び磁性（受動）の連結補償装置３０である。導電性材料３２と磁性材料３４とを使用することにより、エッジ部分でのオーバーヒート誘起を防止すると共に、ショルダー（膝）部分での誘導加熱量を増大することで、図２に例示した従来状況が克服される。図４ａの構造要素９９、案内ブロック９８、側方インサート９７ａ、センターインサート９７ｂは、導電性及び磁性の各材料を含む非限定例を表すものであり、導電性材料はフラックスシールドとして作用し、磁性材料はフラックス集中体として作用する。

導電性材料は、例えば、２次元配置した銅プレートであり得、磁性材料は、例えば、２次元配置した、鉄配合物から形成したブロックであり得る。導電性及び磁性の連結補償装置３０は、横断方向フラックスコイルを番号１０３として点線で表した図４ｂに示されるように、横断方向フラックス誘導装置とストリップとの間に組み込み得る。導電性材料は全体的に、ストリップ（図４ｂには明瞭化のために示されないので図１及び図２を参照されたい）のエッジ部分１１５を超えて位置決めされる。一般に、導電性材料３２はコイルのヘッド部分（ストリップのエッジ部分）に近い側の第１端部（ｗ１）が幅広であり、反対側の、磁性材料の縁部に隣り合い且つストリップのショルダー部分に近い側の第２端部（ｗ２）が狭幅であり、かくしてコイルのヘッド部分の周囲に好適なシールド作用を提供する。磁性材料は全体的にストリップのショルダー部分１１３を覆って位置決めされる。図４ｂに更に示されるように、受動式の連結補償装置は、横断方向フラックス誘導装置を構成するコイル対を通して移動する際のストリップ幅の変化又はストリップの側方揺れの補償作用を最適化するために移動し得るよう、コイルの横断方向（Ｘ軸方向）に沿って可動取り付けされ得る。この非限定的構成ではコイル１０３は、インサート側方溝９６ａ及びインサートセンター溝９６ｂを含むエンクロージャー９４内に配置される。側方インサート９７ａ及びセンターインサート９７ｂとが図示の如く受動式の連結補償装置に取り付けられ、夫々インサート側方溝９６ａ及びインサートセンター溝９６ｂ内に挿通され、かくして受動式の連結補償装置はコイルの横断方向に摺動可能となる。受動式の連結補償装置を、コイルと横断方向に整合し続けられるように助成するガイドブロック９８を設け得る。構造要素９９が、磁性材料用のハウジングと、この磁性材料を導電性材料に取り付ける方法とを提供し得る。

図５ａ及び図５ｂには、その間部分にストリップ９０を位置付けて成る図１に示す横断方向フラックス誘導コイル１０１及び１０３と共に使用可能な、本発明の能動式及び受動式の連結補償装置４０の一例を例示する。この非限定例では能動式の連結補償装置は、ストリップの各エッジ部分に隣り合って位置付けた一対の導電体であるコイル４２ａ及び４２ｂを含む。各コイルは、横断方向フラックス誘導コイル１０１及び１０３にＡＣ電力を供給する電源又は、そうしたＡＣ電源と同じ周波数で運転される１つ以上のＡＣ電源に接続される。電源は、例えば、コイル４２ａ用の端子４２ａ’及び４２ａ”位置で、及びコイル４２ｂ用の端子４２ｂ’及び４２ｂ”位置で接続され得る。コイル４２ａ及び４２ｂの周囲に発生する磁界が、ストリップ内に誘起される電流（コイル１０１及び１０３内を流れる電流により発生する磁界からの）をストリップのエッジ部分から引き離し、かくして先に説明したエッジ部分のオーバーヒートを前もって減少させる。この非限定例では受動式の連結補償装置は、Ｕ字形の２つの、受動式の連結補償装置４４を含み、図５ａ及び図５ｂに示すように、各連結補償装置４４はコイル１０１及び１０３間でストリップの各エッジ部分の周囲に位置付けられ、図示した如く、Ｕ字形の導電要素の各脚部に連結した磁性要素４４ｂ（例えば鉄の積層体）と、この磁性要素に組み合わせた導電性要素４４ａ（例えば銅）とを含んでいる。本発明のこの非限定例ではＵ字形の受動型補償装置４４は、ベース部と、受動型補償装置４４における、導電性要素４４ａを含む上方脚部セグメントと、磁性要素４４ｂを含む下方脚部セグメントとを含み、ストリップのエッジ部分の周囲に位置付けた導電性要素がストリップのエッジ部分における誘導加熱量を低減させ、ストリップのショルダー部分の略上部及び下部に位置付けた磁性材料がストリップのショルダー部分における誘導加熱量を増大させる。この非限定例では、Ｕ字形の受動型補償装置４４は図示したように導電体、即ちコイル４２ａ及び４２ｂの周囲に嵌着される。能動式及び受動式の連結補償装置４０は、コイル間を通過するストリップ幅の変化時に、又はストリップの側方揺れ時に補償装置をストリップのエッジ部分に関して（Ｘ軸方向で）離間又は接近させる好適な作動機械（アクチュエーター）に連結することができる。

以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ 横断方向セクション
１２ｃ、１２ｄ、１４ｃ、１４ｄ 弓状セクション
１２ｅ、１２ｆ、１４ｅ、１４ｆ 横断方向延長セクション
１２ｇ、１２ｈ、１４ｇ、１４ｈ ライザセクション
１２ｊ、１２ｋ、１４ｊ、１４ｋ 横断方向逆向延長セクション
１２ｍ、１４ｍ 閉鎖弓状セクション
１２ 第１コイル
１４ 第２コイル
１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ 端子
３０ 導電性及び磁性（受動）複合補償装置
３２ 導電性材料
３４ 磁性材料
４０ 能動式及び受動式の連結補償装置
４２ａ’、４２ａ”、４２ｂ’、４２ｂ” 端子
４２ａ、４２ｂ コイル
４４ａ 導電性要素
４４ｂ 磁性要素
４４ 受動型補償装置
９０ ストリップ、工作物
９４ エンクロージャー
９６ａ インサート側方溝
９６ｂ インサートセンター溝
９７ａ 側方インサート
９７ｂ センターインサート
９８ ガイドブロック、案内ブロック
９９ 構造要素
１０１、１０３ コイル
１１３ ショルダー部分
１１５ エッジ部分

Claims (7)

1. 横断方向フラックス誘導コイル対を用いてストリップを誘導加熱する連結型フラックス補償装置であって、
   第１端部及び該第１端部と対向する第２端部を有する導電性材料にして、平面方向に配置され且つ第１端部が第２端部より短い導電性材料と、
   少なくとも部分的に導電性材料と平行且つ隣り合う平面内にあり且つ導電材料の第１端部に隣り合う状態で平面方向に配置した磁性材料と、
   を含む連結型フラックス補償装置。
2. 横断方向フラックス誘導コイルのヘッド部分の周囲に発生する磁気フラックスを制御するための方法であって、
   第１端部及び該第１端部と対向する第２端部を有する導電性材料にして、平面方向に配置され且つ第１端部が第２端部よりも短い導電性材料と、少なくとも部分的に導電性材料と平行且つ隣り合う平面内にあり且つ導電材料の第１端部に隣り合う状態で平面方向に配置した磁性材料とから連結型フラックス補償装置を形成すること、
   該連結型フラックス補償装置の前記平面方向に配置した導電性材料の第２端部を、横断方向フラックス誘導コイルのヘッド部分を覆い且つ前記平面方向に配置した導電性材料の第１端部よりも接近して配置し、かくして、前記連結型フラックス補償装置の上方のストリップのエッジ部分及びショルダー部分を前記平面方向に配置した導電性材料を覆うように位置付けること、
   を含む方法。
3. 連結型フラックス補償装置を、横断方向フラックス誘導コイルの横断方向に沿って摺動させることにより、ストリップのエッジ部分及びショルダー部分の移動を補償させることを更に含む請求項２の方法。
4. 連結型フラックス補償装置をフレーム内に配置することを更に含む請求項２または３の方法。
5. 少なくとも１つの誘導加熱用電源に接続した横断方向誘導コイル対間のストリップを誘導加熱するための能動式及び受動式の連結補償装置であって、
   導電体対にして、各導電体がストリップの対向する各エッジ部分に隣り合って配置され、前記少なくとも１つの誘導加熱用電源の周波数と実質的に同じ周波数で動作する電源に接続した導電体対と、
   各一方の導電体の周囲を伸延するＵ字形の補償装置にして、各補償装置のベース部分及び上方脚部分を導電性材料から形成し、下方脚部分を磁性材料から形成した補償装置と、
   を含む能動式及び受動式の連結補償装置。
6. オペレーターが、能動式及び受動式の連結補償装置を移動させてストリップのエッジ部分に関して接近又は離間させる請求項５の能動式及び受動式の連結補償装置。
7. ストリップの誘導加熱方法であって、
   少なくとも１つの誘導加熱用電源に接続した横断方向誘導コイル対間にストリップを通すこと、
   ストリップの対向する各端部に隣り合う各位置に、少なくとも１つの誘導加熱電源の周波数と実質的に同じ周波数で作動する電源に接続した誘電体及び、各一方の導電体の周囲を伸延するＵ字形の補償装置にして、各補償装置のベース部分及び上方脚部分を導電性材料から形成し、下方脚部分を磁性材料から形成した補償装置、を夫々配置すること、
   を含む方法。

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