JP2014080638A - 加熱コイル及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成により、ワークを幅方向に均一に熱処理することができる加熱コイル及び熱処理装置を提供する。
【解決手段】 ワーク１０の側面の一部を加熱する加熱導体２３，２４がワーク１０を挟むように複数配設され、複数の加熱導体２３，２４の一端部同士が連結導体２９により連結された加熱コイルであり、連結導体２９は、複数の加熱導体２３，２４の一端部同士を並列に連結するように複数設けられ、それぞれ各加熱導体２３，２４の一端部から互いに異なる方向に向けて分散配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワークの側面の複数位置を誘導加熱するための加熱コイルと、その加熱コイルを用いた熱処理装置に関するものである。

従来、ワーク側面の複数位置を部分的に誘導加熱する加熱コイルが提案されている（例えば下記特許文献１参照）。このような加熱コイル４０としては、例えば図７に示すように、一対の加熱導体４１が長尺のワーク１０を挟んで配置され、各加熱導体４１の一端部が連結導体４２で連結されて構成されたものが知られている。

このような加熱コイル４０では、一対の加熱導体４１間にワーク１０を挟んで配置することで、ワーク１０の側面の一部に各加熱導体４１を対向させ、一対の加熱導体４１の他端部間に電源を接続し、一方の加熱導体４１、連結導体４２及び他方の加熱導体４１を通して給電することで、ワーク１０の各側面を部分的に誘導加熱している。

特開２００２−２７０３５７号公報

しかしながら、従来の加熱コイル４０では、図７に示すように、ワーク１０の加熱する側面や加熱する領域に応じた幅に形成された複数の加熱導体４１間が一本の連結導体４２により連結されている。ところが電流は最短経路を流れる性質があるため、加熱導体４１と連結導体４２との連結部分では、連結部分全体の幅で均一に電流が流れるのではなく、内側に偏って流れる。そのため、偏った電流経路Ｉｐに沿う部分が強く誘導加熱されてしまい、ワーク１０の加熱すべき側面の熱処理が幅方向に不均一に偏り、熱処理品質が低下することが新たに見出された。しかも加熱導体４１の幅が広いほどその傾向が顕著になることが確認された。

そこで本発明では、簡単な構成によりワークを幅方向に均一に熱処理することができる加熱コイルを提供すると共に、そのような加熱コイルを用いた熱処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、ワークの側面の一部を加熱する加熱導体がワークを挟むように複数配設され、複数の加熱導体の一端部同士が連結導体により連結された加熱コイルであり、連結導体は、複数の加熱導体の一端部同士を並列に連結するように複数設けられ、それぞれ各加熱導体の一端部から互いに異なる方向に向けて分散配置されている。

この加熱コイルでは加熱導体と連結導体との連結部分がワークの側面位置に配置されていてもよい。そのような連結導体としては、各加熱導体の一端部から両側に向けて一対設けられているのがよい。
またワークが一方向に延びる長尺材の場合、複数の加熱導体は一方向に沿って互いに平行に配置され、一対の連結導体はワークを挟んで両側の位置に配置されるものがよい。

上記目的を達成する本発明の熱処理装置は、上述のような加熱コイルと、加熱コイルの各加熱導体の他端部に接続された電源部と、を備えている。
この熱処理装置は、ワークが加熱コイルによる加熱時に一方向に向かって所定速度で移動することが好ましい。

本発明の加熱コイル及び熱処理装置によれば、複数の加熱導体の一端部同士を並列に連結する複数の連結導体が、各加熱導体の一端部から互いに異なる方向に向けて分散配置されているので、各加熱導体と複数の連結導体との連結部分では、電流が分散して流れることになる。そのため連結部分の一部に電流が集中して流れることを防止でき、連結部分に対応するワークの側面をより均一に誘導加熱することができる。
従って、簡単な構成によりワークを幅方向に均一に熱処理することが可能な加熱コイル及び熱処理装置を提供することができる。

本発明による熱処理装置の一実施形態における要部の構成を示す概略斜視図である。 図１の熱処理装置における加熱コイルを示す正面図である。 図２の加熱コイルを示す左側面図である。 図２の加熱コイルとワークとの関係を示す概略斜視図である。 図２の加熱コイルの通電経路を模式的に示す斜視図である。 図２の加熱コイルにおける各導体の位置関係を概略正面図である。 従来の熱処理装置の一例における加熱コイルの部分側面図である。

以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による加熱コイルを備えた熱処理装置の一実施形態の構成を示している。
［ワーク］
本実施形態の熱処理対象のワークは、図１に示すように、長手方向と直交する断面がほぼ一定の形状を有して一方向きに延びる長尺材である。ワーク１０の軸線は弧状や環状であってもよいが、本実施形態では直線の部材を熱処理するものとして説明する。

このワーク１０は、断面がほぼ矩形状を呈し、図中、左右の側面部１１が異形形状を有し、且つ上下面１２が平坦に形成されている。側面図１１と上下面１２とは角部１３において隣接している。角部１３は、側面部１１と上下面１２とが角度を有して接続される部位である。角部１３の例としては、角張った頂部，曲面，傾斜面，括れ面など何れでもよい。この角部１３は、側面部１１や上下面１２に比べて熱伝達速度が速くなる部位となっている。

側面部１１には、角部１３から離間した位置、本実施形態では側面部１１の幅方向中央部で長手方向に沿って連続した凹部１４が形成されている。凹部１４の形状は限定されず、隣接する両側部位よりも凹んでいればよい。本実施形態では、上下面１２の両側に設けられた側面部１１に、それぞれ凹部１４が設けられている。
このワーク１０は、上側面部１１及び上下面１２並びに下側面部１１に形成された凹部１４が、長尺のワーク１０の長手方向に連続してほぼ一定形状で全長に亘って連続している。

［熱処理装置］
熱処理装置２０は、ワーク１０に焼入れなどの熱処理を施すもので、ここでは、側面１１の表面層に焼入れを施す装置となっている。この熱処理装置２０は、図１に示すように、側面部１１を誘導加熱するための加熱コイル２１と、加熱コイル２１の下流側に配設されワーク１０に冷却液を吹き付けて冷却する冷却部２２と、を備えている。さらに、この熱処理装置２０では、ワーク１０を長手方向に沿って一方向Ｘへ所定の一定速度で移動させる図示しない送り機構が設けられている。

［加熱コイル］
加熱コイル２１は、図１乃至図３に示すように、ワーク１０の上下面１２を挟んだ両側の側面部１１及び凹部１４に対向する複数の狭幅導体２３及び広幅導体２４を備える。狭幅導体２３と広幅導体２４とは互いに接合されて一体化されていて、ワーク１０の側面の一部を加熱するための加熱導体を構成している。これらの狭幅導体２３及び広幅導体２４はワーク１０を挟むように配置されている。
各広幅導体２４は、それぞれ対向するワーク１０の側面部１１の図面にて上下方向Ｙ１，Ｙ２の幅に対応する幅を有し、この側面部１１と所定ギャップで対向する。各狭幅導体２３は、広幅導体２４よりも狭い幅を有し、凹部１４と所定ギャップで対向する。

広幅導体２４は、角柱乃至ブロック状の形状で、側面部１１側に向いた対向面がほぼ平面となっている。この対向面は、側面部１１全体を加熱可能な幅であればよい。
狭幅導体２３は、長丸形状で、凹部１４側が広幅導体２４より突出して概略凹部１４の形状に対応した曲面となっている。狭幅導体２３の頂部は、加熱時にワーク１０の凹部１４内に進入した状態に配置できる大きさが好適である。

狭幅導体２３及び広幅導体２４は、ワーク１０の長手方向の軸線に沿って互いに平行に配設されており、それぞれ長手方向に所定長さで設けられている。狭幅導体２３は広幅導体２４よりも長く形成されており、広幅導体２４の少なくとも一部、好ましくは全部が狭幅導体２３と重なるように配設されている。
ここでは、広幅導体２４の一端部と狭幅導体２３の一端部が同じ位置に在って、狭幅導体２３の一部が広幅導体２４よりも長手方向の一方側、具体的にはワーク１０の移動方向上流側に突出するように配設されている。

これらの狭幅導体２３及び広幅導体２４には、ワーク１０と対向しない部位に、適宜、磁束集中材２５，２６を配設して、側面部１１や凹部１４に磁束をより集中させるように構成してもよい。

各狭幅導体２３の一方側端部には端部導体２７が連結され、各端部導体２７にそれぞれ図示しない電源部と接続されたリード２８が設けられている。各広幅導体２４の他方側端部は、ワーク１０の側方位置において、連結導体２９に接合されることで、広幅導体２４同士が並列に連結されている。
連結導体２９は、図４に示すように、広幅導体２４の他方側端部から互いに異なる幅方向の両側に向かって、即ち図面にて上下方向Ｙ１，Ｙ２に向かって分散配置されている。ここでは連結導体２９はそれぞれコ字状に張り出して、広幅導体２４の端部から両側に向けて配設された一対の上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂから構成されている。

ここで、連結導体２９の上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂは、図示の場合、一体に構成されているが、別体に構成されていてもよく、また別体に構成されたものを接合等により一体化してもよい。
そして、連結導体２９は、その上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂが、ワーク１０の移動路の上下にてワーク１０から離間するように配置され、それぞれ広幅導体２４の他方側端部を並列に連結すると共に、全体としてワーク１０の移動路を包囲するロ字状の形状となっている。

ここで、連結導体２９は、その左右両側において、上下方向の中央部が、各広幅導体２４の他方側端部全体に対して連結されて電気的に接続している。この連結部分では広幅導体２４と連結導体２９とは屈曲して接続されていて、各導体２４，２９の軸方向の間の角度が略直交方向となっている。そして広幅導体２４と連結導体２９との連結部分は、ワーク１０の側面部１１の全幅に亘って側面位置に対向配置されている。

この加熱コイル２１では、図５に示すように、一方のリード２８から端部導体２７を介して一方の狭幅導体２３及び広幅導体２４の順に給電され、連結導体２９の上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂを並列に経由して、即ちワーク１０の上下を通過して、他方側の広幅導体２４及び狭幅導体２３の順に給電され、端部導体２７を介して他方のリード２８に達するように電流が流れる。

この加熱コイル２１には、各リード２８の接点部２８ａと連結導体２９の接点部とに、それぞれ冷却水の導入部３１及び排出部３２が設けられている。各導体２３，２４，２７及び２９は、それぞれ銅管などの中空部材により形成され、これらが互いに連通すると共に、冷却水の導入部３１及び排出部３２と連通することによって、冷却水流路が形成されている。ここでは、連結導体２９の中腹で遮蔽されて、ワーク１０の各側面部１１側で別系統の冷却水流路が形成されている。

本発明実施形態による熱処理装置２０は、以上のように構成されており、以下のように動作する。
即ち、図１に示すように、加熱コイル２１に高周波電力を供給すると共に、冷却部２２に冷却液を供給した状態で、ワーク１０を長手方向に沿ってＸ方向に所定速度で相対移動させて、加熱コイル２１と冷却部２２とを通過させる。

ワーク１０が狭幅導体２３の位置を通過することにより、ワーク１０の両側の凹部１４近傍が誘導加熱される。次いで、ワーク１０が広幅導体２４の位置を通過することにより、ワーク１０の両側面部１１全体が誘導加熱される。
この状態で、ワーク１０は加熱コイル２１の連結導体２９を通過した直後の位置で、冷却部２２から冷却液が吹き付けされて急冷される。これにより、ワーク１０の両側面部１１の形状に沿って表面層が焼入れされ、熱処理が終了する。その後、ワーク１０の焼入れされていない状態の上下面１２に関して、ネジ穴等の切削加工を施すことが可能である。

［実施形態の作用効果］
以上のような本発明実施形態による熱処理装置２０によれば、一定速度でＸ方向に移動するワーク１０の長手方向に連続する一部の側面の誘導加熱を行なうことができる。
その際、図４及び図６に示すように、連結導体２９は広幅導体２４の他方側端部から上下方向Ｙ１，Ｙ２に互いに異なる方向となるように張り出して、分散配置されているので、狭幅導体２３から広幅導体２４を介して連結導体２９に流れる電流は、連結導体２９の上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂの両方に並列に流れる。

即ち、図６に示すように、広幅導体２４と連結導体２９との間を流れる電流は、広幅導体２４内において、上下方向Ｙ１，Ｙ２に斜めの最短経路Ｉ１，Ｉ２を流れることになる。従って、これらの最短経路Ｉ１，Ｉ２により、広幅導体２４内、特に広幅導体２４と連結導体２９との連結部分付近で電流が一側だけに片寄ることなく、最短経路Ｉ１，Ｉ２の両方に分散することができる。そのため、本発明によれば、従来の熱処理装置２０のようにワーク１０の幅方向における一方側が過剰に誘導加熱されるような不均一な加熱を防止することができ、ワーク１０の両側面を広幅導体２４により幅方向に関してより均一に誘導加熱して熱処理することが可能である。

特にこの実施形態の場合、広幅導体２４のワーク１０と対向する面の幅が広く形成されている。しかも広幅導体２４の軸方向に対して連結導体２９の軸方向に対して大きく屈曲している。このような加熱コイル２１では、広幅導体２４と連結導体２９との連結部分における電流の偏りが顕著となるため、複数の連結導体２９を分散配置することで、ワーク１０の幅方向における不均一な加熱を有効に防止することが可能である。従って、ワーク１０の側面部１１に対する熱処理品質が向上する。

なお、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態で実施することができる。
例えば上記では互いに平行に配置された一対の加熱導体を有する加熱コイル２１を用いて、一定断面形状の長尺材からなるワーク１０を加熱する例について説明したが、ワークは特に限定されず、側面が直線的に連続するものではなく、全体が湾曲したり種々の曲面形状を有したものであってもよい。その場合であっても、ワークＷの側面の一部に対向する加熱導体を複数有し、その複数の加熱導体間を互いに異なる方向に向けて分散配置した複数の連結導体により並列に連結した加熱コイルを用いれば、本発明を同様に適用することは可能である。

また上記実施形態では各加熱導体として、狭幅導体２３と広幅導体２４とが一体化したものを例示したが、一定形状の断面が長手方向に全体に連続した加熱導体であっても本発明の加熱コイルを用いることが可能である。

また上記実施形態では、連結導体２９の上方部分２９ａ及び下方部分２９ｂは、それぞれ狭幅導体２３及び広幅導体２４の長手方向に対して垂直な上下方向Ｙ１，Ｙ２に張り出しているが、これに限らず、上記長手方向とは異なる方向に張り出していてもよい。

上記実施形態においては、広幅導体２４の少なくとも一部が狭幅導体２３と重なるように配設されているが、これに限らず、狭幅導体２３及び広幅導体２４は、ワーク１０の長手方向の異なる位置に配置されていてもよい。その際、狭幅導体２３が広幅導体２４よりも上流側に配設されることが好適である。これにより、凹部１４が狭幅導体２３により加熱された後に、側面部１１全体が広幅導体２４により加熱されるため、冷却部２２に到達する前に凹部１４の温度が過剰に低下するようなことはない。

上記実施形態においては、加熱導体として狭幅導体２３及び広幅導体２４が設けられているが、これに限らず、ワーク１０が凹部１４を備えていない場合やワーク１０の側面部１１全体のみを加熱する場合には、狭幅導体２３が省略され、広幅導体２４のみが加熱導体として設けられてもよい。
さらに上記では一対の加熱導体を用いたが、３つ以上の加熱導体を複数の連結導体により連結した加熱コイルや、複数の加熱導体を３つ以上の連結導体により連結した加熱コイルであっても本発明を適用可能である。３つ以上の連結導体を用いる場合には、各加熱導体と連結導体との連結部分において、電流がなるべく均等に分散して流れるように連結するのが好適である。

上記実施形態においては、長尺のワーク１０を送り機構により一定速度で移動させながら、熱処理装置２０により誘導加熱するように構成されているが、これに限らず、ワーク１０の長さに対応して長手方向に配置された加熱導体を設けることにより、静止した状態のワーク１０に対して、その全長に亘って誘導加熱を行なうことも可能である。これにより、ワーク１０が長尺材でない場合でも、本発明実施形態による熱処理装置２０により、ワーク１０の全長に亘って誘導加熱を行なうことができる。

１０ ワーク
１１ 側面部
１２ 上下面
１３ 角部
１４ 凹部
２０ 熱処理装置
２１ 加熱コイル
２２ 冷却部
２３ 狭幅導体
２４ 広幅導体
２５，２６ 磁束集中材
２７ 端部導体
２８ リード
２８ａ 接点部
２９ 連結導体
２９ａ 上方部分
２９ｂ 下方部分
３１ 冷却水導入部
３２ 冷却水排出部

Claims (6)

1. ワークの側面の一部を加熱する加熱導体が該ワークを挟むように複数配設され、該複数の加熱導体の一端部同士が連結導体により連結された加熱コイルであって、
   上記連結導体は、上記複数の加熱導体の一端部同士を並列に連結するように複数設けられ、それぞれ各加熱導体の一端部から互いに異なる方向に向けて分散配置されている、加熱コイル。
2. 前記加熱導体と前記連結導体との連結部分が前記ワークの側面位置に配置されている、請求項１に記載の加熱コイル。
3. 前記連結導体は前記各加熱導体の一端部から両側に向けて一対設けられている、請求項１又は２に記載の加熱コイル。
4. 前記ワークは一方向に延びる長尺材であり、前記複数の加熱導体は上記一方向に沿って互いに平行に配置され、前記一対の連結導体は上記ワークを挟んで両側の位置に配置される、請求項３に記載の加熱コイル。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の加熱コイルと、前記加熱コイルの各加熱導体の他端部に接続された電源部と、を備えている熱処理装置。
6. 前記ワークが加熱コイルによる加熱時に前記一方向に向かって所定速度で移動することを特徴とする、請求項５に記載の熱処理装置。

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