JP2013041854A - 加熱部位選択的誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】肉厚の異なる複雑な形状の被加熱物を均一加熱、または選択的に加熱することができる加熱部位選択的誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための加熱部位選択的誘導加熱装置１０は、厚肉部と薄肉部とを有する被加熱物２６を誘導加熱する装置であって、被加熱物２６の内側又は裏側に配置する第１の誘導加熱コイル１２と、被加熱物２６の外側又は表側に配置する第２の誘導加熱コイル１４と、誘導加熱コイル１２と誘導加熱コイル１４に投入する電流の周波数を調整、および一致させる電源１８，１６と、誘導加熱コイル１２と誘導加熱コイル１４に投入する電流波形の位相角をずらすことで、被加熱物２６内部に生ずる渦電流の重畳と打ち消しの割合を変化させ、被加熱物２６における前記薄肉部の発熱密度と前記厚肉部の発熱密度とを調整する位相調整器２０と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱物を誘導加熱する装置に係り、特に肉厚の異なる部位を有する被加熱物を加熱する際に好適な誘導加熱装置に関する。

従来、誘導加熱を利用した複雑な形状、例えば肉厚の異なる加熱部位が混在した形状の被加熱物を加熱しようとした場合、熱容量の違いや加熱部位の形状、体積の差異などにより、加熱効率や発熱密度に差が生じ、加熱温度に差異が生ずるという問題があった。

このような実状は、被加熱物に対する表面焼入れを行う場合であっても同様であり、例えば薄肉部では熱容量が小さいために過熱現象が発生し、厚肉部では熱容量が大きく、目的とする温度まで加熱が成されないということが生ずる。

このような複雑な形状を有する被加熱物の表面焼き入れを誘導加熱を用いて高品質に行う技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、誘導加熱コイルに供給する電流の周波数を適宜選択し、筒状の被加熱物を筒の長手方向（軸方向）に回転させながら誘導加熱し、加熱箇所を冷却液により冷却するという方法を採ることにより、高品質な高周波焼き入れが行い得るとしている。

特開２００２−８０９１４号公報

しかし、特許文献１に開示されているような誘導加熱方法は、浸炭焼き入れ等のように高温状態での保持には対応することが困難となる。また、特許文献１に開示されている誘導加熱方法では、被加熱物全体を均一加熱することはできないといった問題もある。

そこで本発明では、比較的安価に、肉厚の異なる複雑な形状の被加熱物を均一加熱、保持、または選択的に加熱することができる加熱部位選択的誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る過熱部位選択的誘導加熱装置は、厚肉部と薄肉部とを有する被加熱物を誘導加熱する装置であって、前記被加熱物の内側又は裏側に配置する第１の誘導加熱コイルと、前記被加熱物の外側又は表側に配置する第２の誘導加熱コイルと、前記第１の誘導加熱コイルと前記第２の誘導加熱コイルに投入する電流の周波数を調整、および一致させる電源と、前記第１の誘導加熱コイルと前記第２の誘導加熱コイルに投入する電流波形の位相角をずらすことで、前記被加熱物内部に生ずる渦電流の重畳と打ち消しの割合を変化させ、前記被加熱物における前記薄肉部の発熱密度と前記厚肉部の発熱密度とを調整する位相調整器と、を備えていることを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する加熱部位選択的誘導加熱装置では、前記薄肉部の肉厚をｔａ、前記厚肉部の肉厚をｔｂとした場合に、ｔａとｔｂとの関係が
（Δは電流浸透深さ）

の関係を満たした際に、前記電源は、前記一致させる周波数ｆが

の関係を満たすように調整する。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、肉厚の異なる複雑な形状の被加熱物であっても、均一加熱、保持、または肉厚の異なる部位ごとに加熱割合を選択的に調整して加熱することができる。

被加熱物と誘導加熱装置の形態を示す図である。 内側誘導加熱コイルに供給される電流波形と外側誘導加熱コイルに供給される電流波形とを示す図である。

以下、本発明の加熱部位選択的誘導加熱装置の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明により誘導加熱する被加熱物２６、および誘導加熱装置１０について説明する。本実施形態で誘導加熱する被加熱物２６は、筒状態の外周部に、ほぼ等間隔に複数の凸部を有する部材である。このため、当該被加熱物は、凸部を有する部分が厚肉部２４、凸部を有さない部分が薄肉部２２となる。被加熱物２６の構成部材としては、導電性部材であれば良いが、カーボン、スチール、タングステン等の、比較的電気抵抗の高い金属部材であれば、高い加熱効率を得ることができる。

なお本実施形態では、凸部を有さない部分、すなわち薄肉部２２の厚みをｔａ、凸部を有する部分、すなわち厚肉部２４の厚みをｔｂと表すこととする。
誘導加熱コイル（内側誘導加熱コイル１２、外側誘導加熱コイル１４）は、ほぼＣ字型に形成された単巻きコイルであり、筒状を成す被加熱物２６の内側と外側に対を成して配置される。誘導加熱コイル１２，１４の構成部材は、例えば銅などの比較的安価で加工が容易な導電性部材であれば良い。また、誘導加熱コイル１２，１４の内部は中空とし、冷媒を挿通可能な構成としておくことが望ましい。冷媒は、誘導加熱コイル溶解温度よりも低温な流体であれば良く、例えば水であれば良い。

内側誘導加熱コイル１２、外側誘導加熱コイル１４にはそれぞれ、個別に電源１６，１８が接続されている。電源１６，１８としては、電流周波数の調整、電圧の調整等を行うことができるものであれば良い。各誘導加熱コイル１２，１４に接続された電源１６，１８の間には、位相調整器２０が設けられており、内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４に供給される電流波形の位相を調整可能な構成とされている。なお、内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４の電流波形の位相の調整は、例えば内側誘導加熱コイル１２に供給される電流の周波数または外側誘導加熱コイル１４に供給される電流の周波数を瞬時的に大きくまたは小さくすることで行うことができる。

次に、上記のような被加熱物に対して、上記のような構成の誘導加熱装置を用いて実施する加熱部位選択的誘導加熱方法について説明する。上記のような被加熱物２６を内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４とにより個別に誘導加熱した場合、薄肉部２２と厚肉部２４との熱容量の違いから、厚肉部２４に比べて薄肉部２２の加熱割合が高くなるという傾向にある。
なお、被加熱物に対する誘導加熱コイルの距離は、絶縁もしくは耐熱と加熱効率から決定される。

被加熱物２６を誘導加熱する際には、被加熱物２６の内部に渦電流が生ずる。この際、渦電流の分布は、被加熱物２６の内部に行くに従ってその電流密度が減少する傾向にあり、これを表皮効果と呼んでいる。被加熱物２６に生ずる渦電流の電流密度が、最表面の電流密度の０．３６８倍にまで減少した点における表面からの距離を電流浸透深さΔと呼んでいる。

ここで、電流浸透深さΔ（ｃｍ）は、

と表すことができ、当該数式に基づいて算出することができる。なお、数式１において、ρは被加熱物の抵抗率（μΩ・ｃｍ）、μは比透磁率、ｆは電流周波数（Ｈｚ）である。電流浸透深さΔは、換言すると、誘導加熱コイル１２，１４を利用して被加熱物を発熱させられる深さである。よって、薄肉部２２と厚肉部２４を有する被加熱物２６を表裏面から、すなわち筒の外側と内側から加熱する際には、外側誘導加熱コイル１４の影響によって被加熱物２６の内部に生じた渦電流と内側誘導加熱コイル１２の影響によって被加熱物２６の内部に生じた渦電流との相互の影響、すなわち渦電流の重畳や打消しによる影響を考慮する必要がある。
一般的には、厚肉部２４に比べて薄肉部２２の加熱割合が大きくなってしまうといった現象が生じるからである。

このような影響を考慮して誘導加熱を行う場合、本実施形態では特に、加熱割合が大きくなる、すなわち電流密度が高くなりがちな薄肉部２２における渦電流の重畳と打ち消しの影響を考慮するため、被加熱物２６の薄肉部２２の厚みｔａ（ｃｍ）と厚肉部２４の厚みｔｂ（ｃｍ）との関係を、それぞれ数式２、数式３の要件を満たす範囲に定めて行うこととした。

ここで、被加熱物２６の抵抗率ρ、被透磁率μは、被加熱物２６の材質により定まるため、被加熱物２６に対する電流浸透深さΔは、誘導加熱コイル１２，１４に供給する電流の周波数（電流周波数）ｆを定めることにより算出することができる。そして、電流浸透深さΔを求めることで、数式２よりｔａ、ｔｂの範囲を定めることができる。

一方で、被加熱物２６の形態が予め定められている場合、すなわち数式２、数式３の要件を満たす薄肉部２２の厚みｔａ、厚肉部２４の厚みｔｂの値が予め定められている場合、本実施形態に係る加熱部位選択的誘導加熱方法を実行するためには、誘導加熱コイル１２，１４に供給する電流周波数ｆを定める必要がある。

この場合、次のように数式を変換することで、電流周波数ｆを求める数式を導き出すことができる。まず、数式１を２乗すると、

と示すことができる。次に、数式４を電流周波数ｆについて移項すると、

となる。そして薄肉部２２の厚みｔａ、厚肉部２４の厚みｔｂについては予め定められていることから、数式２数式３を変換することで、電流浸透深さΔについて数式６、数式７に示す関係式を得ることができる。

よって、数式６および数式７により求められる範囲に該等する電流浸透深さΔを数式５に代入することで、ｔａ、ｔｂの肉厚を有する被加熱物２６を誘導加熱するための電流周波数ｆを求めることができるのである。

ここで、電流浸透深さΔは、被加熱物２６の薄肉部２２の肉厚を定めるため、あるいは厚肉部２４の肉厚に基づいて定められているため、内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４とに、同一周波数同一位相の電流を供給した場合には、薄肉部２２にて生ずる渦電流の重畳が生じ、発熱密度が高くなり、厚肉部２４にて生ずる渦電流では重畳や打消しといった影響が少ない加熱形態を採ることができる。

このため、上記のような条件、すなわち内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４とに、同一周波数同一位相の電流を供給して被加熱物２６の誘導加熱を行った場合、厚肉部２４の加熱温度に比べ、薄肉部２２の加熱温度が極端に高くなるといった現象が生ずることとなる。

次に、内側誘導加熱コイル１２と外側誘導加熱コイル１４の電流波形の位相を、位相調整器２０を用いて調整し、両者の位相をずらして行くことで、被加熱物２６の薄肉部２２に生ずる渦電流の重畳と打ち消しとのバランスを調整することができる。

例えば、上述したように、内側誘導加熱コイル１２に供給する電流と外側誘導加熱コイル１４に供給する電流との位相角（位相）が０度の場合には、双方の誘導加熱コイル１２，１４に供給される電流が同一方向に流れることとなるため、被加熱物２６の内部に生ずる渦電流も同一方向を向くこととなる。このため、渦電流が重畳した薄肉部２２では、発熱密度が高くなる。一方で、内側誘導加熱コイル１２に供給する電流と外側誘導加熱コイル１４に供給する電流との位相角を広げた場合には、双方の誘導加熱コイル１２，１４に供給される電流の流れ方向にずれが生ずることとなり、被加熱物２６の内部に生ずる渦電流の向きにもずれが生じ、ずれ分だけの打ち消しが生ずることとなる。

このような理由から、内側誘導加熱コイル１２に供給する電流と外側誘導加熱コイル１４に供給する電流との位相角をずらして行くと、薄肉部２２に生ずる渦電流の重畳と打ち消しのバランスから、薄肉部２２の発熱密度と厚肉部２４の発熱密度がつりあう点が現れることとなる。例えば、図２に示すように、内側誘導加熱コイル１２に供給する電流と外側誘導加熱コイル１４に供給する電流との位相を９０度ずらした場合に薄肉部２２の発熱密度と厚肉部２４の発熱密度が釣り合ったとすると、このような位相角を保った状態で被加熱物を加熱することで、薄肉部２２と厚肉部２４とを有する被加熱物２６を均等加熱することが可能となる。

また、上記のように、薄肉部２２の発熱分布と厚肉部２４の発熱分布とが釣り合った状態から、内側誘導加熱コイル１２に供給する電流と外側誘導加熱コイル１４に供給する電流との位相角をさらに大きくした場合には、薄肉部２２に生ずる渦電流の重畳と打ち消しは、打消しの割合の方が大きくなり、発熱密度のバランスは、厚肉部２４の方が高くなることとなる。

このように、誘導加熱コイルを２つ用いた被加熱物の熱処理では、被加熱物の肉厚と電流浸透深さΔを考慮した電流周波数ｆの選定、および内側誘導加熱コイルに供給する電流と外側誘導加熱コイルに供給する電流との間の位相角の制御により、被加熱物の加熱部位を選択的に誘導加熱することが可能となり、条件を合わせることにより、均一加熱することも可能となる。
なお、被加熱物２６と誘導加熱装置１０との関係を上記のようにした場合、被加熱物２６、または誘導加熱コイル１２，１４を筒状を成す被加熱物の軸方向へスライドさせることで、被加熱物２６全体が加熱されることとなる。

また、上記実施形態では被加熱物２６を筒状態として、誘導加熱コイル１２，１４を被加熱物の内側と外側に配置した上で誘導加熱を行う旨を記載した。しかしながら本発明に係る加熱部位選択的誘導加熱方法は、必ずしも被加熱物２６を筒状態とする必要性は無い。例えば、被加熱物２６が凹凸を有する板部材であった場合、誘導加熱コイルは、当該板部材の表裏面にそれぞれ行うようにすれば良い。

１０………誘導加熱装置、１２………内側誘導加熱コイル（誘導加熱コイル）、１４………外側誘導加熱コイル（誘導加熱コイル）、１６，１８………電源、２０………位相調整器、２２………薄肉部、２４………厚肉部、２６………被加熱物。

Claims (2)

1. 厚肉部と薄肉部とを有する被加熱物を誘導加熱する装置であって、
   前記被加熱物の内側又は裏側に配置する第１の誘導加熱コイルと、
   前記被加熱物の外側又は表側に配置する第２の誘導加熱コイルと、
   前記第１の誘導加熱コイルと前記第２の誘導加熱コイルに投入する電流の周波数を調整、および一致させる電源と、
   前記第１の誘導加熱コイルと前記第２の誘導加熱コイルに投入する電流波形の位相角をずらすことで、前記被加熱物内部に生ずる渦電流の重畳と打ち消しの割合を変化させ、前記被加熱物における前記薄肉部の発熱密度と前記厚肉部の発熱密度とを調整する位相調整器と、
   を備えていることを特徴とする加熱部位選択的誘導加熱装置。
2. 請求項１に記載の加熱部位選択的誘導加熱装置において、
   前記薄肉部の肉厚をｔａ、前記厚肉部の肉厚をｔｂとした場合に、ｔａとｔｂとの関係が
   （Δは電流浸透深さ）
   
   の関係を満たした際に、前記電源は、前記一致させる周波数ｆが
   
   の関係を満たすように調整することを特徴とする加熱部位選択的誘導加熱装置。