JP2016225189A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多様な大きさの立体形状の被加熱物を均一加熱するためには、トンネル型コイルをその都度交換する必要があり、交換時の時間を要し、交換による部品劣化により装置の品質の低下を招く恐れがある。【解決手段】第１及び第２の加熱用コイルを有し、第１及び第２の加熱用コイルは、同一形状の立体の螺旋形状の部位を備え、第１の加熱用コイルと第２の加熱用コイルは、互いに接触しない位置に配置され、かつ、第１の加熱用コイルと第２の加熱用コイルは交互に重なる位置に配置され、第１の加熱用コイルと第２の加熱用コイルとの相対位置を各々の巻線の軸線方向に対して垂直な２方向に移動可能とすることで解決できる。【選択図】図３

Description

本発明は、非磁性材および磁性材からなる立体形状の被加熱物を加熱する際、被加熱物のサイズ変化に適合が有効な誘導加熱装置に関する。

従来の誘導加熱装置としては、非磁性材および磁性材よりなる薄板状の被加熱物を加熱する際に用いて好適な装置がある（例えば、特許文献１参照）。図１は、特許文献１に記載の従来の誘導加熱装置を示す図である。

図１において、誘導加熱装置１０を用いて薄板状の被加熱物２４を加熱する場合、Ｖ字形状の加熱コイル１８をＭ字形状の加熱コイル２０に対して摺動可能に配設することにより、被加熱物２４の幅に応じて、加熱コイル１８及び加熱コイル２０が形成する空間Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３の大きさを調整することができる構成である。また、空間Ｓ２、Ｓ３は、空間Ｓ１で生じる磁束とは逆方向の磁束を生じる。

これにより、薄板状の被加熱物２４の渦電流とは逆方向の渦電流がエッジ部２４ａ、２４ｂに誘導されるため、エッジ部が過剰に加熱されることはなくなる。

従って、誘導加熱装置１０においては、磁性材または非磁性材を問わずに様々な幅の板状の被加熱物を均一に加熱できるとされる。

また、従来の誘導加熱装置として、熱処理を行うため、金属板を均一に加熱しているものもある（例えば、特許文献２参照）。図２は、特許文献２に記載の従来の誘導加熱装置を示す図である。

図２において、矢印５の方向に移動する金属板２の中央部を主に加熱する複数個の主コイル１を、金属板２の移動方向に配置し、各主コイルの出口及び入口に、金属板２のエッジ部を主に加熱する補助コイル７をエッジ毎に独立に配置する。主コイル１、補助コイル７とも各々独立に矢印８方向に位置制御をする機能を有している。

また、主コイル１の電力及び周波数を独立に調整するため、各々電源９を有している。補助コイル７についても同様に電源１０、１１を有している。

特許文献２に記載の誘導加熱装置によれば、金属板２の出口における板幅方向に均一加熱ができる。更に、長手方向に加熱コイルを分割配置することにより、出口温度（加熱最終温度）まで加熱する過程においても、板幅方向の温度差を小さくすることができる。

また、個別制御可能な補助コイルを使用することにより、従来技術による加熱コイル数より少ない加熱コイルで同じ幅の均一加熱が可能で、設備費の低減、更にはコイル交換時間の短縮が可能となるとされる。

特許第４８６２２０５号公報 特開平１−３０４６８５号公報

しかしながら、上記従来の構成は何れも、トランスバース式の加熱方式であり、幅違いの平面板を均一加熱するのには有効であるが、立体加熱用のトンネル式コイルによる誘導加熱に適応が難しいという課題を有する。

被加熱物が平面形状であれば、トランスバース式コイルを用いて１方向の位置調整で均一加熱ができるが、同じ方式にて、立体形状の被加熱物を加熱するためには、３方向について同様な機能を設ける必要があり、装置設計での配置上も難しくなり、また多大な装置費用が発生するという課題を有する。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、トンネル型コイルにて立体形状の被加熱物を加熱する際に、被加熱物のサイズが変化しても、コイル交換することなく、被加熱物の均一加熱が行えることが可能な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に、本発明の誘導加熱装置は、以下の構成要件を有する。
〔１〕第１及び第２の加熱用コイル。
〔２〕第１及び第２の加熱用コイル並びに導体部と電気的に接続される電源。
〔３〕第１及び第２の加熱用コイルは、同一形状の立体の螺旋形状の部位を備え、第１の加熱用コイルと第２の加熱用コイルは、互いに接触しない位置、かつ、交互に重なる位置に配置される点。
〔４〕第１の加熱用コイルと第２の加熱用コイルとの相対位置を各々の巻線の軸線方向に対して垂直な２方向に移動可能である点。

本構成によって、立体形状の被加熱物のサイズが変化しても、コイル交換することなく、被加熱物を均一な温度に加熱することができる。

以上のように、本発明の誘導加熱装置によれば、非磁性材および磁性材からなる立体形状の被加熱物を加熱する際、非加熱物のサイズ変化に適合が有効で、品種が変化しても即座に切り替えが必要な装置のニーズにも適用できる。

特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置を示す図 特許文献２に記載された従来の誘導加熱装置を示す図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の斜視図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示す図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイル動作説明図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の斜視図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の斜視図 本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の斜視図 本発明の実施の形態４における誘導加熱装置の斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図３及び図４は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の斜視図である。

図３（ａ）は平面図、図４（ａ）及び図４（ｂ）は右側面図、図４（ｃ）は加熱コイル部の正面図であり、同一番号については同一な要素である。

図３（ａ）において、加熱コイルＡ３０１は、コイルＡ固定ブラケット３１１に動かないよう固定され、導体部３０５ａおよび導体部３０５ｂは、コイルＡ固定ブラケット３１１の中を通って、出力部３０９ａおよび入力部３０９ｂから誘導加熱用電源３０８に電気的に接続されている。

一方、加熱コイルＢ３０２は、コイルＢ固定ブラケット３１２に動かないよう固定されており、導体部３０６ａおよび導体部３０６ｂは，コイルＢ固定ブラケット３１２の中を通って、出力部３０９ａおよび入力部３０９ｂから誘導加熱用電源３０８に電気的に接続されている。

これらの加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２、導体部３０５ａ、導体部３０５ｂ、導体部３０６ａ、及び、導体部３０６ｂは、銅管にて製作されていることが一般的であり、加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２の過熱防止のため、管内部に冷却水を循環している。但し、加熱温度が低い場合は、冷却水を循環しない場合もある。この場合は、加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２は、銅単線を用い、導体部３０５ａ、導体部３０５ｂ、導体部３０６ａ、導体部３０６ｂには、電気配線を用いることもある。

また、コイルＡ固定ブラケット３１１、コイルＢ固定ブラケット３１２は、本体との絶縁のため絶縁材料（セラミック、ベーク、ピーク樹脂等）で構成されることが多い。

被加熱物３１３は、ローラ３１６上に乗せ、ローラ３１６が回転方向３１７に回転することで移動方向３１８に移動し、加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２の中央部に位置決めされる。加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２は、交互に交差した位置関係で配置され、巻き形状については同じ形状である。

加熱コイルＢ３０２のコイルＢ固定ブラケット３１２は、上下方向３０３と前後方向３０４とに各々自在に動作する構造であり、コイルＢ固定ブラケット３１２に固定されている加熱コイルＢ３０２も同様に動作をすることができる。

また、加熱コイルＢ３０２から誘導加熱用電源３０８に電気的に接続している導体部３０６ａ、３０６ｂと出力部３１０ａ、入力部３１０ｂの間は、電気配線にて接続する場合、銅管にて接続する場合の何れにおいても、加熱コイルＢ３０２が上下方向３０３、前後方向３０４に自在に動作できるよう弛み部３０７ａ，３０７ｂをもたせる。

誘導加熱装置３００にて、被加熱物３１３を加熱する場合、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、被加熱物３１３の形状に合わせて加熱コイルＢ３０２を上下方向３０３、前後方向３０４に一定量移動させ、加熱コイルＢ３０２を上下変位量４０１と前後変位量４０２だけ移動させ、被加熱物３１３と加熱コイルＡ３０１との距離Ｂ、距離Ｄ、及び加熱コイルＢ３０２との距離Ａ、距離Ｃを最適な距離に調整する。

この最適な距離は被加熱物３１３の形態により変化するが、一般的に被加熱物３１３が対称形な形状であれば、距離Ａ，距離Ｂ，距離Ｃ，距離Ｄを同じ距離にすることで被加熱物３１３を均一加熱することができる。また、絶対寸法的に被加熱物３１３に近付けるほど加熱効率は良いが、被加熱物３１３との距離Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを小さくしすぎると、空中放電が起き加熱効率を落とす可能性があるため、被加熱物３１３の材質や周囲環境により決定している。

以上のような設定の後、加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２に高周波電流を流すことで被加熱物３１３を均一な温度に加熱する。

加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２は、誘導加熱用電源３０８に電気的に接続されており、誘導加熱用電源３０８から流す高周波電流の周波数は同期をとる必要がある。電流方向は、加熱コイルＡ３０１も加熱コイルＢ３０２も同一方向でなければ、被加熱物３１３に渦電流の乱れが発生し均一な加熱ができなくなる。

かかる構成によれば、被加熱物３１３の形状に合わせて、加熱コイルＢ３０２を上下方向３０３、前後方向３０４に一定量移動させ、被加熱物３１３と加熱コイルＡ３０１との距離Ｂ、距離Ｄ、及び加熱コイルＢ３０２との距離Ａ、距離Ｃを最適な距離に調整が可能となり、被加熱物３１３を均一な温度に加熱することができる。

なお、本実施の形態において、加熱コイルＢ３０２から誘導加熱用電源３０８に電気的に接続している弛み部３０７ａ，３０７ｂは、銅管にて接続する場合において、加熱コイルＢ３０２が上下方向３０３、前後方向３０４に自在に動作できるよう弛みを設ける形態を示した。他方、銅管の場合は、さらに自在性を持たせるため、弛み部３０７ａ、３０７ｂを図３（ｂ）に示すようなジャバラ配管３１４にするか、図３（ｃ）に示すようなラセン配管３１５を用いて構成することもある。

（実施の形態２）
図６（ａ）は、本発明の実施の形態２の誘導加熱装置の斜視図である。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、部分図である。また、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は正面図である。図６および図７において、図４および図５と同じ構成要素については説明を省略する。

図６においては、図４の構成に加えて、被加熱物３１３よりも長手方向の辺が長い被加熱物５０６を均一な温度に加熱する例であり、被加熱物５０６の底部に、加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２のコイル巻き軸に平行方向に遥動可能な回転ローラ５０１を配置したものである。

被加熱物５０６の長手方向の辺が長い場合、加熱コイルＡ３０１や加熱コイルＢ３０２から被加熱物５０６の端部が大きく飛び出してしまい、誘導加熱の均一性が保てない場合が生じる。その場合、被加熱物５０６を長手方向５０２、５０３の方向に回転ローラ５０１を一定量往復回転することで、被加熱物５０６を揺動できる構成としている。

かかる構成によれば、被加熱物５０６が大きく、誘導加熱の均一性が保てない場合、被加熱物５０６を長手方向５０２、５０３の方向に揺動することで、被加熱物５０６全体に加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２からの渦電流が発生することとなり、被加熱物５０６を均一な温度に加熱することができる。

なお、本実施の形態において、被加熱物５０６を揺動する手段として、回転ローラ５０１を用いたが、別手段として、被加熱物５０６を長手方向５０２、５０３に遥動することができる。具体的には、図６（ｂ）に示す搬送ベルト５０４、図６（ｃ）に示す搬送アーム５０５を用いて構成することもある。

この場合、回転ローラ５０１、搬送ベルト５０４、搬送アーム５０５は、加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２による渦電流が発生しない材質（セラミック、高分子樹脂等）を使用することが被加熱物５０６を均一な温度にする上で好ましい。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３の誘導加熱装置の斜視図である。

図８において、図４及び図５と同じ構成要素については説明を省略する。

図８において、図４の構成に加えて、加熱コイルＡ３０１が固定されているコイルＡ固定ブラケット３１１が、上下方向６０１と前後方向６０２とに各々自在に動作する構造となっている。このコイルＡ固定ブラケット３１１に固定されている加熱コイルＡ３０１も同様に移動をする構成となっている。

また、導体部３０５ａ、導体部３０５ｂは誘導加熱用電源３０８に電気的に接続されているが、加熱コイルＡ３０１が上下方向６０１、前後方向６０２に自在に移動できるための弛み部６０３ａ，６０３ｂを構成してある。

かかる構成によれば、被加熱物３１３と加熱コイルＡ３０１との距離Ｂ、距離Ｄを任意の距離に変更でき、被加熱物３１３の形状に応じた均一な温度への加熱が可能となる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４の誘導加熱装置の斜視図である。

図９において、図４および図５と同じ構成要素については説明を省略する。

図９において、図４の構成と異なる箇所は、加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２と誘導加熱用電源３０８との接続方法である。

まず、電流は誘導加熱用電源３０８の入出力部３０９ａを経由し、導体部３０５ａを経由し加熱コイルＡ３０１に入り、導体部３０５ｂから導体部７０１を経由して、導体部３０６ａから加熱コイルＢ３０２に入り、導体部３０６ｂを経由して誘導加熱用電源３０８の入力部３１０ｂより誘導加熱用電源３０８に戻る回路構成となる。

図４の回路構成は加熱コイルＡ３０１、加熱コイルＢ３０２とも並列に誘導加熱用電源３０８に電気接続をしているのに対して、図９の場合は直列接続となる。

かかる構成によれば、加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２を直列接続していることで、加熱コイルＡ３０１と加熱コイルＢ３０２に流す周波数や電流の値を常に一定にすることが可能となる。加えて、誘導加熱用電源３０８で周波数、電流値を制御しなくても各々の加熱コイルの同期が取れ、被加熱物３１３を均一な温度に加熱することができる。

本発明の誘導加熱装置は、立体形状の被加熱物のサイズが変化しても、コイル交換することなく、被加熱物を均一加熱することができる能力を有し、非磁性材および磁性材からなる立体形状の被加熱物を加熱する際、非加熱物のサイズ変化に適合が有効で、品種が変化しても即座に切り替えが必要な装置のニーズにも適用できる。

１０，３００ 誘導加熱装置
１８，２０ 加熱コイル
３０１ 加熱コイルＡ
３０２ 加熱コイルＢ
３０３，６０１ 上下方向
３０４，６０２ 前後方向
３０５ａ 導体部
３０５ｂ 導体部
３０６ａ 導体部
３０６ｂ 導体部
３０７ａ 弛み部
３０７ｂ 弛み部
３０８ 誘導加熱用電源
３０９ａ 出力部
３０９ｂ 入力部
３１０ａ 出力部
３１０ｂ 入力部
３１１ コイルＡ固定ブラケット
３１２ コイルＢ固定ブラケット
２４，３１３，５０６ 被加熱物
３１４ ジャバラ配管
３１５ ラセン配管
３１６ ローラ
３１７ 回転方向
３１８ 移動方向
６０３ａ 弛み部
６０３ｂ 弛み部
７０１ 導体部

Claims (4)

1. 第１及び第２の加熱用コイルと、
   前記第１及び第２の加熱用コイル並びに導体部と電気的に接続される電源と、を有し、
   前記第１及び第２の加熱用コイルは、同一形状の立体の螺旋形状の部位を備え、
   前記第１の加熱用コイルと前記第２の加熱用コイルは、互いに接触しない位置、かつ、交互に重なる位置に配置され、
   前記第１の加熱用コイルと前記第２の加熱用コイルとの相対位置を各々の巻線の軸線方向に対して垂直な２方向に移動可能とすること、
   を特徴とする誘導加熱装置。
2. 被加熱物を前記第１及び第２の加熱用コイルの巻線の軸線方向と平行、かつ、前記第１及び第２の加熱用コイルとの相対位置を一定量変化させる、
   請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記導体部は、前記第１及び第２の加熱用コイルを構成する巻線の軸線方向に対して、垂直な方向に自在に変形可能な形態である、
   請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記第１の加熱用コイルと前記第２の加熱用コイルの磁束方向が常時に同方向に発生するように、前記電源と電気的に接続されている、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の誘導加熱装置。

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