JP2015118880A - 誘導加熱コイル及び誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを誘導加熱する誘導加熱コイル及び誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】誘導加熱コイル１は、溝部３１が長手方向の軸に沿って設けられて成るワーク３０を誘導加熱する。ワーク３０の軸回りにワークを周回する導体１０を備え、この導体１０に、ワーク３０の溝部３１と向かい合うように内側に突出する突出部１１を設けることにより、誘導加熱コイル１を構成する。誘導加熱コイル１にワーク３０を挿通して、誘導加熱コイル１に高周波電流を流しながら誘導加熱コイル１、ワーク３０の何れかを軸方向へ移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを誘導加熱する誘導加熱コイル及び誘導加熱方法に関する。

円柱状のワークの表面焼入れのために、その外周面が誘導加熱コイルで加熱される（例えば特許文献１及び２）。特許文献１及び２では、誘導加熱コイルは、加熱用の固定コイルと加熱範囲調節用の可動コイルとを備え、可動コイルをワークの軸長方向に移動させることにより、ワークの全長に応じてその軸方向の加熱範囲を調整することができる。

特許第２９１３６１５号公報 特許第３１１７００８号公報

上述のように、特許文献１及び２に開示された誘導加熱コイルでは、円柱状のワークの表面のうち軸長方向の長さを指定して誘導加熱することができる。しかしながら、誘導加熱する円柱状のワークが、軸方向の断面が軸長方向で異なり、中空管体の一部又は全部を内部に向って陥没することにより溝部が外周側に向って開いて長手方向の軸に沿って設けられて成る場合には、特許文献１及び２に開示された誘導加熱コイルを用いることはできない。

そこで、本発明は、溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを誘導加熱する誘導加熱コイル及び誘導加熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達接するために、本発明の誘導加熱コイルは、
溝部が長手方向に軸に沿って設けられて成るワークを加熱する誘導加熱コイルであって、
ワークの軸回りにワークを周回する導体を備え、この導体に、ワークの溝部と向かい合うように内側に突出する突出部が設けられている。

上記目的を達成するために、本発明の誘導加熱方法は、
溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを誘導加熱するに当たり、本発明の誘導加熱コイルにワークを挿通して、誘導加熱コイル、ワークの何れかをワークの軸方向へ移動する。

本発明の誘導加熱コイルによれば、ワークの軸回りにワークを周回する導体を備え、この導体に、ワークの溝部と向かい合うように内側に突出する突出部が設けられている。よって、溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを溝部を含めて誘導加熱することができる。

本発明の誘導加熱方法によれば、本発明の誘導加熱コイルにワークを挿通して、該ワークの軸方向に誘導加熱コイルとワークとを相対移動させる。これにより、誘導加熱コイルがワークのうち加熱すべき領域と重なり合う際に、誘導加熱コイルに電流を流すことで、ワークの溝部及び背面部に誘導電流を生じさせることができる。

本発明の実施形態に係る誘導加熱コイルの平面図である。 図１に示す誘導加熱コイルの正面図である。 図１に示す誘導加熱コイルにより加熱されるワークを模式的に示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＸ−Ｘ線に沿う端面図、（ｃ）は図３（ｂ）に示すＸ−Ｘ線に沿う端面と異なる別の形態を示す端面図である。 図１に示す誘導加熱コイルを用いてワークを誘導加熱する工程を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

〔誘導加熱コイル〕
図１は本発明の実施形態に係る誘導加熱コイル１の平面図であり、図２は図１に示す誘導加熱コイル１の正面図である。第１実施形態に係る誘導加熱コイル１は、溝部３１が長手方向の軸に沿って設けられて成るワーク３０を誘導加熱する際に用いられる。

誘導加熱コイル１は、ワーク３０の軸回りにワークを周回する導体１０を備え、この導体１０に、ワーク３０の溝部３１と向かい合うように内側に突出する突出部１１を備えることにより構成されている。これにより、突出部１１をワーク３０の溝部３１に挿入して突出部１１が溝部３１に対向可能な状態にすることができ、ワーク３０の溝部３１にも誘導電流を流し易くなる。

誘導加熱コイル１において、図１に二点鎖線で示すように突出部１１がワーク３０の溝部３１に挿入されていない状態においても、導体１０はワーク３０を周回可能な寸法を有している。よって、ワーク３０の軸方向に溝部３１の深さが変化している場合であっても、更には部分的に溝部３１が形成されていない場合であっても、ワーク３０の軸方向全長にわたってワーク３０を誘導加熱コイル１に貫通させることができる。例えば図３を参照して後述するように、ワーク３０の両端部に溝部３１が形成されていないワーク３０を誘導加熱する場合であっても、誘導加熱コイル１の導体１０がワーク３０を周回した状態のまま、突出部１１を溝部３１に挿入したり突出部１１を溝部３１から出したりすることができる。

ここで、図１及び図２に示す誘導加熱コイル１を詳細に説明する前に、誘導加熱コイル１により加熱されるワーク３０の一例を説明する。図３はワーク３０の一例を模式的に示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＸ−Ｘ線に沿う端面図、（ｃ）は図３（ｂ）に示すＸ−Ｘ線に沿う端面と異なる別の形態を示す端面図である。

ワーク３０は、図３（ａ）に示すように、例えば、断面が円又は楕円或いは多角形等の中空の管体又は中実の長尺体で成り、軸方向、すなわち長手方向に沿って溝部凹部（本出願では、これらを総称して溝部と称する。）３１を有しており、溝部３１が形成されている領域の両端を除く部分Ｘ１が加熱すべき領域として設定されている。ワーク３０の一端部３６と他端部３７、つまり、Ｘ２、Ｘ３の部分には溝部３１が形成されていない。

ワーク３０の溝部３１について詳細に説明する。ワーク３０は、長手方向に沿う溝部３１を有している。一方の内側部３２ａと他方の内側部３２ｂとが鋭角に曲げられて溝底部３３が形成されている。一方の内側部３２ａに沿って一方の外側部３４ａが配置され、他方の内側部３２ｂに沿って他方の外側部３４ｂが配置されている。一方の内側部３２ａと一方の外側部３４ａとがつながって一方の開口縁部３５ａが形成され、他方の内側部３３ｂと他方の外側部３４ｂとがつながって他方の開口縁部３５ｂが形成されている。このようなワーク３０は、素材となる中空管体の両端部を除いて中空管体の周壁の一部が中空管体の内部に向って陥没するように、中空管体をプレス成形することによって製造することができる。ワーク３０の開口縁部３５ａ、３５ｂは図３（ｂ）に示すように、図３（ｃ）と比べて僅かに膨らんでいる点で異なるが、それ以外については図３（ｂ）と図３（ｃ）とのワーク３０の形状はほぼ共通している。本発明の実施形態では、開口縁部３５ａ，３５ｂの形状については、図３（ｂ）に示すように膨らみを有していても、図３（ｃ）に示すように膨らみを有さないで湾曲していてもよく、さらには、溝部３１が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークであれば本発明の実施形態は適用される。

図１及び図２に示す形態は、図３に示すワーク３０を誘導加熱するためのコイルに適用した例であり、具体的な構成としては次の通りである。誘導加熱コイル１は、ワーク３０を挿通するように配置される導体１０であって、導体１０にはリード部２１，２２が取り付けられている。導体１０は、ワーク３０の溝部３１の開口に向けて配置されワーク３０の溝部３１の断面形状に沿った形状を有する突出部１１と、ワーク３０の溝部３１の開口していない側に配置されワーク３０の横断面の外形寸法よりも大きな湾曲部１２の対と、湾曲部１２の一端と突出部１１の一端とを連結すると共に湾曲部１２の他端と突出部１１の他端とを連結する連結部１３と、を備える。これら突出部１１と湾曲部１２と連結部１３とは別体でそれぞれ接合されていてもよいが、一体として形成されていてもよい。

突出部１１は、内側に突出した部分をワーク３０の溝部３１の開口に向かい合うように配置される部位である。例えば、溝部３１が長手方向から見てＶ字状の断面形状を有している場合、突出部１１は長手方向から見てＶ字状をなしている。湾曲部１２は、ワーク３０の溝部３１の開口していない側、つまり溝部３１の開口とは逆側に配置される。各湾曲部１２は図１及び図２に示す形態では円弧状をなしており、各湾曲部１２ａ，１２ｂは同一面上にあって鈍角の中心角を有する。連結部１３は、湾曲部１２ａ，１２ｂの一端から溝部３１の開口の方向に直線状に延び、ワーク３０の溝部３１の開口側縁部を囲むように二回曲げられ、例えば溝部３１の開口が左側を向いている場合にはワーク３０の長手方向から見て時計回りに９０°順に曲げられて、突出部１１の先端に接続している。

導体１０は、各周回部１０ａ，１０ｂがワーク３０の長手方向、つまり軸方向に、離隔して同軸に配置されて各周回部１０ａ，１０ｂが直列に接続されて構成されていることが好ましい。図示した形態にあっては、一方の周回部１０ａの一端にリード部２１が溝部３１の開口と逆側で接続され、一方の周回部１０ａの他端から連結部１５が鉛直方向に延びて他方の周回部１０ｂの一端に接続され、他方の周回部１０ｂの他端に溝部３１の開口と逆側でリード部２２が接続される。このように、一方の周回部１０ａと他方の周回部１０ｂとが直列に接続されて順巻で導体１０が構成されている。リード部２１及び２２は、整合器を経由して高周波電源に接続される。

導体１０が二段の周回部１０ａ，１０ｂを順巻で直列接続して構成するのが好ましい理由について説明する。一方の周回部１０ａはその両端が接近しており、他方の周回部１０ｂはその両端が接近している。つまり、各周回部１０ａ，１０ｂは必ずしも環状とはなっていない。一方で、周回部１０ａ，１０ｂに挿通するワーク３０を回転させないために、各周回部１０ａ，１０ｂにおいて各端は接近するが隙間を有するわけであり、その隙間には高周波電流が流れないことから、磁場が軸回りに生じない部分が生じる。そのため、周回部１０ａ，１０ｂを一段にせず二段で構成する。その際、順巻の方向に電流が流れるようにする。よって、ワーク３０を軸回りに回転しなくても、ワーク３０の軸回りに出来るだけ一様に誘導磁場を周回部１０ａ，１０ｂから生じさせることができる。

非導電性の支持部１６ａ，１６ｂが鉛直方向に延びて配置され、各周回部１０ａ，１０ｂに固定されている。これにより、一方の周回部１０ａと他方の周回部１０ｂとを間隔をあけてその間隔を一定に保ちつつ水平に維持することができる。

導体１０は、所定の形状を有する中空導体部材をろう付け等で接続して形成されている。これにより、冷却液を外部から注入し、中空導体部材に流して冷却し、外部に排出することができる。導体１０には冷却液注入口、排出口については図示していないが、例えばリード部２１，２２に設けられている。

図１及び図２に示す形態にあっては、湾曲部１２はワーク３０の断面半径の寸法よりも大きい半径で湾曲しており、湾曲部１２は連結部１３を経由して突出部１１に接続されている。よって、ワーク３０の断面が、図１に二点鎖線で示すように、ワーク３０の両端部３６，３７がやや扁平した円周状をなして、両端部３６，３７を除く中間部がＶ字状の溝部３１を有していても、ワーク３０の一端部３６から他端部３７までを導体１０に挿通することができる。

〔誘導加熱方法〕
本発明の実施形態に係る誘導加熱方法は、図３に示すように、溝部３１が長手方向の軸に沿って設けられて成るワーク３０を加熱する場合に用いられる。本発明の実施形態に係る誘導加熱コイル１にワーク３０を挿通して、誘導加熱コイル１、ワーク３０の何れかを軸方向へ移動する。これにより、誘導加熱コイル１がワーク３０のうち加熱すべき領域と重なり合う際には誘導加熱コイル１に電流を流すことにより、ワーク３０の溝部３１及び背面部３８に誘導電流を生じさせることができる。

その際、誘導加熱コイル１の突出部１１とワーク３０の溝部３１とのギャップが一定の範囲内に収まるように、誘導加熱コイル１、ワーク３０の何れかを相対的に移動することが好ましい。これにより、ワーク３０の背面部３８のみならず溝部３１にも効率的に誘導電流を生じさせることができ、ワーク３０を、例えば変態点温度以上で均一に加熱することができる。

具体的に説明すると、誘導加熱コイル１には移動機構（図示せず）が取り付けられており、移動機構が誘導加熱コイル１を水平二軸方向に移動する。よって、突出部１１をワーク３０の溝部３１に出し入れ自在に導体１０を水平方向に移動することができる。ワーク３０の各端部３６，３７を導体１０に挿通している状態では、溝部３１に突出部１１を挿入せず、一方、ワーク３０の中間部を導体１０に挿通している状態では、溝部３１に突出部１１を挿入するようにすることできる。これにより、ワーク３０の溝部３１の深さが軸方向に変化していても、ワーク３０の溝部３１が直線的に延びておらず屈曲していても、ワーク３０の溝部３１の形状に応じてワーク３０の溝部３１を誘導加熱することができる。溝部３１に突出部１１を挿入しないと、突出部１１とワーク３０の溝部３１とのギャップが大きいため、突出部１１から溝部３１への誘導電流が分散されて流れることになる。すると、ワーク３０の溝部３１と逆側、つまり、リード部２１，２２側の背面側に大きな誘導電流が流れるようになり、ワーク３０の背面側だけが部分的に加熱される端面加熱の状態となる。そこで、本発明の実施形態のように、溝部３１に突出部１１を挿入し、好ましくは、溝部３１の深さに応じて突出部１１と溝部３１のギャップを所定の一定範囲内とすることにより、突出部１１からワーク３０の溝部３１に誘導電流が分散せずに流れ、ワーク３０の溝部３１とワーク３０の背面部３８とに環状に誘導電流を流すことができ、それにより、ワーク３０の断面の周方向に均一に電流が流れ、高周波電流の大きさを調整することによりワーク３０を均一に加熱することができる。

以下では、図３に示すように、ワーク３０の両端部３２，３３を除く中間部に長手方向に沿って溝部３１が形成されているワークを誘導加熱する場合を例に挙げる。図１及び図２に示す誘導加熱コイル１を用いて、図３に示すワーク３０の溝部３１の部分Ｘ１を誘導加熱する方法について説明する。図４は、図１に示す誘導加熱コイル１を用いてワーク３０を誘導加熱する工程を模式的に示す図である。図４（ａ）〜（ｄ）に順次示すように、ワークの溝部３１の加熱処理を行うには、誘導加熱コイル１の突出部１１をワーク３０の溝部３１内の加熱始点Ｓに挿入し、この溝３１内に沿ってワーク３０の溝部３１内の加熱終点Ｆまで誘導加熱コイル１の突出部１１をスライド移動させる。そしてこの加熱終点Ｆにおいて突出部１１をワークの溝部３１から引き出すことで、溝３１の所定個所の加熱が終了する。このとき、ワーク３０と誘導加熱コイル１とは、何れを移動させてもよい。

具体的に説明すると、先ず、誘導加熱コイル１の中心軸が鉛直方向になるよう誘導加熱コイル１を水平に配置し、導体１０にワーク３０を挿通する。例えば図４に示すように、導体１０の下側に、焼入れ液を噴射するための中空のジャケット４０が配置されており、ジャケット４０の上方に同軸に二段の周回部１０ａ，１０ｂが配置されている。そのような状態において、二段の周回部１０ａ，１０ｂに、同軸にワーク３０の他端部３２を挿入する。なお、ワーク３０の一端部及び他端部３２，３３にはチャック機構４１，４１がそれぞれ取り付けられ、図示しない移動機構によりチャック機構４１，４１を上下方向に移動する。

次に、図４（ａ）に示すように、突出部１１をワーク３０の溝部３１に挿入しないで、ワーク３０の鉛直下方への移動を開始する。そして、ワーク３０の溝部３１の一端が下側の周回部１０ｂを通過すると、突出部１１をワーク３０の溝部３１に挿入する。これが溝部３１の加熱始点Ｓとなり、その状態を示したのが図４（ｂ）である。

導体１０を図示しない移動機構により相対移動して、突出部１１を溝部３１に挿入するのと同時に又はその前後において、誘導加熱コイル１に高周波電流を流す。これにより、導体１０により、ワーク３０のうち、誘導加熱コイル１の周回部１０ａ，１０ｂに挿入されて重なり合う部分が誘導加熱される。

上下のチャック機構４１，４１が下方に移動することにより、ワーク３０が長手方向に沿って下降する。これにより、ワーク３０の加熱すべき領域が中間部Ｘ１の下端から上端に移動することになる。

さらに、ワーク３０の溝部３１の上端が上側の周回部１０ａを通過する前に、すなわち溝部３１の加熱終点Ｆにおいて導体１０を移動することにより突出部１１をワーク３０の溝部３１から取り出す。この取り出しと同時又はその前後において、誘導加熱コイル１への通電を停止する。

以上の手順により、ワーク３０の溝部３１のうち、例えば図３に示すＸ１の部分だけを焼入れすることができる。さらに突出部１１が溝部３１に挿入されているような状態のうち或る一定の状態だけ通電時間を調整することにより、ワーク３０の溝部３１及び背面部３８の全長ではなく一部分を熱処理することができる。

なお、チャック機構を下方に移動してワーク３０を下降させる場合のみならず、チャック機構を上方に移動してワーク３０を上昇させてもよいし、さらには、チャック機構をワーク３０の長手方向に沿って移動してもよい。

本発明の実施形態に係る誘導加熱コイルは、図１及び図２に示す形態のみならず、ワーク３０の溝部３１の形状に応じて適宜変更することができる。以下では便宜上図示した符号を合わせて記載することにする。
ワーク３０の溝部３１は、その断面がＶ字状である場合に限らず、略凹字状、略Ｕ字状等、窪んでいればよく、誘導加熱コイル１の突出部１１の形状はその窪みの形状に沿ったものでとしてもよい。
さらに、ワークの溝部の横断面形状が非対称であれば、突出部１１はワーク３０の溝部３１の形状に対応して非対称でもよく、その場合には溝部３１の各面と突出部３１の外周面とが一定の距離を保つ形状であることが好ましい。
ワーク３０の湾曲部１２は円弧状である必要はなく、連結部１３及び突出部１１とでワーク３０を環状に取り巻くものであればよい。

本発明の実施形態に係る誘導加熱方法及び誘導加熱方法は、図３に例示するワーク３０に限ることなく、溝部３１がワーク３０の全長に形成されていてもよく、溝部３１の深さが軸方向に沿って変化していてもよい。この場合には誘導加熱コイル１の突出部１１がワーク３０の溝部３１に挿入されている部位を調整すればよい。
さらには、ワーク３０の軸方向に沿う形状が直線状である必要はなく、ワーク３０の用途に応じて両端部だけが屈曲した形状を有していてもよい。この場合には、軸方向を法線とする面上で少なくとも二方向に誘導加熱コイル１を移動機構により移動させればよい。

１：誘導加熱コイル
１０：導体
１０ａ，１０ｂ：周回部
１１：突出部
１２，１２ａ，１２ｂ：湾曲部
１３：連結部
１５：連結部
１６ａ，１６ｂ：支持部
２１，２２：リード部
３０：ワーク
３１：溝部
３２ａ，３２ｂ：内側部
３３：溝底部
３４ａ，３４ｂ：外側部
３５ａ，３５ｂ：開口縁部
３６，３７：ワークの端部
３８：背面部
４０：ジャケット
４１：チャック機構

Claims (8)

1. 溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを加熱する誘導加熱コイルであって、
   上記ワークの軸回りに該ワークを周回する導体を備え、この導体に、上記ワークの溝部と向かい合うように内側に突出する突出部を設けた、誘導加熱コイル。
2. 前記突出部が前記ワークの溝部に挿入されていない状態において、前記導体は前記ワークを周回可能な寸法を有している、請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 前記導体は、前記ワークの溝部の開口に向けて配置され該ワークの溝部の断面形状に沿った形状を有する前記突出部と、前記ワークの溝部の開口していない側に配置され該ワークの断面形状よりも大きな湾曲部と、前記湾曲部の各端と前記突出部の各端とを連結する連結部と、を備える、請求項１又は２に記載の誘導加熱コイル。
4. 前記導体は、前記ワークの軸方向に間隔をあけて対を成して構成されており、
   上記対を成す導体同士が直列に接続されている、請求項１乃至３の何れかに記載の誘導加熱コイル。
5. 溝部が長手方向の軸に沿って設けられて成るワークを加熱するに当たり、
   請求項１乃至４の何れかに記載の誘導加熱コイルに上記ワークを挿通して、上記誘導加熱コイル、上記ワークの何れかをワークの軸方向へ移動する、誘導加熱方法。
6. 前記誘導加熱コイルの突出部と前記ワークの溝部とのギャップが一定の範囲内に収まるように前記誘導加熱コイル、前記ワークの何れかを移動する、請求項５に記載の誘導加熱方法。
7. 前記ワークの溝部の深さに応じて前記誘導加熱コイルの突出部と前記ワークの溝部とのギャップを変化させる、請求項５又は６に記載の誘導加熱方法。
8. 前記第２導体の突出部を前記ワークの溝部の加熱始点に挿入すると共に、前記ワークの溝部の加熱終点まで前記第２導体を相対移動させ、該加熱終点において前記第２導体の突出部を前記ワークの溝部から引き出す、請求項５乃至７の何れかに記載の誘導加熱方法。

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