JP2018073676A - 加熱装置、加熱ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇傾向の異なる領域を有する加熱対象物の全体を同程度に加熱させることの可能な加熱装置、及びこのような加熱装置に適した加熱ランプを提供する。【解決手段】本発明の加熱装置は、複数の点光源型の加熱ランプを有する。複数の加熱ランプのそれぞれは、透光性部材からなる管体と、管体に内蔵された発光体と、発光体に電力を供給するための電極を含む封止体とを備える。少なくとも一部の加熱ランプは、管体の面のうち、発光体から見て封止体とは反対側に位置する領域に塗布された第一反射部材を有する。第一反射部材を有する複数の加熱ランプにおいて、封止体と反射部材の形成領域との相対的位置関係が複数種類存在している。【選択図】 図２Ｂ

Description

本発明は、加熱装置及び加熱ランプに関する。

従来、鋼板を高強度に加工する手段としてダイクエンチと呼ばれる技術が知られている。ダイクエンチは、高温に加熱した鋼板を成形用の型（ダイ）でプレス加工すると共に、成形用の金型によって急速に冷却することによって、鋼板に焼入れを施す処理である。このダイクエンチは、例えば自動車の車体構成部品などの高強度のプレス加工品を製造するのに適しているとされている。

鋼板を高温に加熱する手段として、赤外線の照射による加熱手段が期待されている。例えば、特許文献１には、鋼板の一面に赤外線を照射する直管型の加熱ランプが多数設けられ、鋼板の輪郭形状に応じて各々の加熱ランプの出力強度を調整することによって、所
望の領域を高温に加熱する手段が開示されている。

また、プレス加工品の生産性や品質を向上させるために、厚みの異なる部分を有する鋼板（以下、「差厚鋼板」ともいう。）をプレス加工する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。例えば、高い強度が要求される領域については厚みを厚くし、前記領域よりも低い強度で問題ない領域については厚みを薄くした鋼板を利用することで、強度性と軽量性の両立を実現することができる。

特開２０１４−１４９１３３号公報 特開２００５−１３８１１２号公報

しかしながら、差厚鋼板を加熱処理する場合、鋼板の厚みによって到達する加熱温度が異なりやすいため、鋼板全体を均一に加熱することが難しいという問題がある。このように加熱の程度にムラが生じると、プレス加工後の鋼板の強度に影響が生じたりするなど、品質に影響を及ぼす可能性があり、好ましくない。

また、差厚鋼板に限らず、輪郭が特殊な形状の鋼板を加熱する際にも、部分的な温度ムラが生じやすいため、同様の課題が生じる可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、温度上昇傾向の異なる領域を有する加熱対象物の全体を同程度に加熱させることの可能な加熱装置、及びこのような加熱装置に適した加熱ランプを提供することを目的とする。

本発明は、複数の点光源型の加熱ランプを有した加熱装置であって、
複数の前記加熱ランプのそれぞれは、
透光性部材からなる管体と、
前記管体に内蔵された発光体と、
前記発光体に電力を供給するための電極を含む封止体とを備え、
少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体とは反対側に位置する領域に塗布された第一反射部材を有し、
前記第一反射部材を有する複数の前記加熱ランプにおいて、前記封止体と前記反射部材の形成領域との相対的位置関係が複数種類存在していることを特徴とする。

差厚鋼板など、場所に応じて加熱のされやすさが異なる領域を有する加熱対象物を加熱する場合、特に領域の境界部分において加熱ムラが生じやすい。厚みの厚い第一領域と、厚みの薄い第二領域を有する差厚鋼板を例に挙げて説明する。

差厚鋼板を加熱するに際し、厚みが厚い第一領域は、厚みが薄い第二領域よりも加熱されにくい。このため、第一領域と第二領域をほぼ均一に加熱するためには、第一領域に対して第二領域よりも高い熱量を供給する必要がある。このため、複数の点光源タイプの加熱ランプを用いて差厚鋼板を加熱する場合、第一領域に対向する箇所に位置する加熱ランプの出力を高くし、第二領域に対向する箇所に位置する加熱ランプの出力を低くすることで、鋼板全体を均一に加熱できるようにも思える。

しかし、加熱ランプから射出される光は所定の発散角を有する。このため、第一領域のうち、第二領域との境界に近い箇所に対向する位置に配置された加熱ランプから射出された光の一部が、第二領域側の差厚鋼板に照射される。この結果、厚みの薄い第二領域に対する照度が高まり、第二領域のうち前記境界から離れた位置と比べて過度に加熱されてしまい、加熱ムラを生じさせる。

一方、上記の現象を回避すべく、第一領域のうち、第二領域との境界に近い箇所に対向する位置に配置された加熱ランプの出力を低下させると、当該領域に位置する第一領域内の鋼板が十分に加熱されずに、加熱ムラが生じてしまう。本発明者らの鋭意研究により、個々の加熱ランプの出力を微妙に調整するだけでは、差厚鋼板の加熱ムラをなくすことは困難であることが確認された。

本発明に係る加熱装置によれば、複数の加熱ランプのうちの、少なくとも一部の加熱ランプについては、管体の面のうちの、発光体から見て封止体とは反対側に位置する領域に、第一反射部材が塗布されている。そして、この第一反射部材が塗布されている複数の加熱ランプにおいて、第一反射部材が形成されている領域を完全には同一にせず、少なくとも一部で異ならせている。

管体の面のうち、発光体から見て封止体とは反対側に位置する領域とは、加熱装置で加熱対象物を加熱することを想定した場合に、加熱ランプから見て、加熱対象物が設置されている側の領域に相当する。この領域に第一反射部材が塗布されることで、発光体で生成された光の発散角及び光軸が調整されることになる。

例えば、上記の差厚鋼板を加熱する場合であれば、厚みの厚い第一領域と厚みの薄い第二領域との境界近傍において、第一領域側に存在する加熱ランプの筒体に対し、発光体から見て封止体とは反対側に位置する領域の面のうちの第二領域側の一部分に、第一反射部材を塗布することができる。この構成によれば、第一領域のうち、第二領域との境界に近い箇所に対向する位置に配置された加熱ランプから射出された光のうち、第一反射部材が存在しなければ第二領域に向かっていたであろう光を、第一反射部材によって反射させて第一領域内に照射させることができる。このため、上記加熱装置によれば、加熱対象物を、第一領域内においても、第二領域内においても、それぞれ同程度に加熱させることが可能となる。

例えば、複数の加熱ランプは縦横に配列されることができる。一方、加熱対象物の厚みの異なる境界領域は、加熱ランプの配列方向と平行でない場合が生じる。このような場合には、境界領域と加熱ランプとの位置関係に応じて、第一反射部材を形成する領域や面積を調整するものとして構わない。

前記第一反射部材は、前記発光体から射出された光を反射するコーティング材からなるものとすることができる。このコーティング材は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又はこれらの混合物などを用いることができる。

複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域に第二反射部材を有する構成としても構わない。

発光体から見て封止体の側に位置する領域とは、加熱装置で加熱対象物を加熱することを想定した場合に、加熱ランプから見て、加熱対象物が設置されている側とは反対側の領域に相当する。仮にこの方向に光が射出されたとしても、加熱対象物への加熱にはほとんど寄与しない。上記第二反射部材を設けることで、加熱対象物とは反対側に向かう光を反射させて加熱対象物に向かわせることができるため、光の利用効率が高められる。

なお、加熱装置に備えられた全ての加熱ランプが、この第二反射部材を備えるものとしても構わない。

前記第二反射部材は、前記第一反射部材と同一の材料からなり、
複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域に塗布されているものとしても構わない。

前記管体は、円筒形状を有し、
複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の側面に前記第二反射部材が塗布されているものとしても構わない。

なお、前記管体は、球形状を有するものとしても構わない。

また、本発明に係る加熱ランプは、
透光性部材からなる管体と、
前記管体に内蔵された発光体と、
前記発光体に電力を供給するための電極を含む封止体と、
前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体とは反対側に位置する領域に塗布された第一反射部材とを有することを特徴とする。

前記管体は円筒形状を有し、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域、及び側面に第二反射部材が塗布されているものとしても構わない。

本発明の加熱装置によれば、温度上昇傾向が異なる領域を有する加熱対象物を、場所によらず同程度に加熱することができる。

加熱装置の模式的な平面図である。 加熱装置の模式的な側面図である。 一の加熱ランプの構成を模式的に示す図面である。 図２Ａとは別の加熱ランプの構成例を模式的に示す図面である。 検証に用いられた加熱対象物を説明するための図面である。 実施例１及び比較例１の加熱ランプの配置態様の相違を模式的に示す図面である。 比較例１及び実施例１の双方に関し、加熱ランプから加熱対象物対して光が照射される様子を模式的に示した図面である。 加熱ランプの別の構成を模式的に示す図面である。

本発明に係る加熱装置及び加熱ランプの実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

図１Ａは加熱装置の模式的な平面図であり、図１Ｂは加熱装置の模式的な側面図である。加熱装置１は、複数の加熱ランプ１０が縦横に複数配列されて構成されている。加熱装置１は支持部５を有し、支持部５によって加熱対象物３を固定して設置できるように構成されている。各加熱ランプ１０から射出された光が加熱対象物３に照射されることで、加熱対象物３が加熱される。

以下では、必要に応じて、図１Ａ及び図１Ｂに示すＸＹＺ座標系を用いて説明する。

図２Ａは、図１に示す複数の加熱ランプ１０のうち、一の加熱ランプ１０ａの構成の一例を模式的に示す図面である。

加熱ランプ１０ａは、管体１１と、管体１１に内蔵された発光体１３と、発光体１３に電力を供給するための電極（不図示）を含む封止体１５とを備える。

管体１１は、発光体１３から射出される光を透過させる材料で構成されており、例えば石英ガラスからなる。発光体１３は、例えばタングステンよりなる線材がコイル状に巻回されて形成されている。管体１１内には、ハロゲンガスなどのガスが封入されている。封止体１５は、例えばセラミックスで構成されており、内部に発光体１３（タングステン）のそれぞれの端部に接続された電極が配置されている。

図２Ａに示す加熱ランプ１０ａは、管体１１の側面と、封止体１５側、すなわち−Ｚ側の面に反射部材２２（「第二反射部材」に対応する。）が塗布されている。反射部材２２は、管体１１の面にコーティングされており、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又はこれらの混合物などからなる。一方、加熱ランプ１０ａは、管体１１の面のうち、発光体１３から見て封止体１５とは反対側に位置する領域、すなわち＋Ｚ側に位置する面には反射部材が設けられていない。図２Ａでは、反射部材２２が設けられている箇所にハッチングを施している。

加熱装置１が備える加熱ランプ１０は、反射部材の形成態様を異ならせた複数の種類が存在する。この点につき、図２Ｂを参照して説明する。

図２Ｂに示す加熱ランプ１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃは、反射部材の形成態様のみが相互に異なっており、他の構成は同一である。なお、以下では、加熱ランプ１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃを総称して「加熱ランプ１０」と記載し、それぞれを個別に説明するときには加熱ランプ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと符号を区別して説明する。

加熱ランプ１０ａは、図２Ａを参照して上述したように、管体１１の＋Ｚ側に位置する面には反射部材が設けられていない。一方、加熱ランプ１０ｂ及び１０ｃは、管体１１の＋Ｚ側に位置する面の一部にも反射部材２１（「第一反射部材」に対応する。）が設けられている。加熱ランプ１０ｂと１０ｃは、反射部材２１が形成されている領域の面積が相互に異なっている。図２Ｂでは、反射部材２２と同様に、反射部材２１が設けられている箇所にハッチングを施している。

本実施形態において、反射部材２１は反射部材２２と同一の材料で構成されており、両者が管体１１の面上で連絡されていてもよい。この場合、反射部材２１と反射部材２２とは一体化される。

本実施形態では、加熱ランプ１０には、管体１１の封止体１５側、すなわち−Ｚ側には反射部材２２が設けられている。これは、発光体１３から−Ｚ方向に向かう光を＋Ｚ側に反射させる意図である。すなわち、管体１１の面のうち＋Ｚ側の面は、光を放射させることを意図した面（光射出面）を構成する。つまり、加熱ランプ１０に対して＋Ｚ方向に係る位置に加熱対象物３が設置される（図１Ｂ参照）。

加熱ランプ１０ｂ及び１０ｃは、この光射出面の一部に反射部材２１を有している。この状態は、本来であれば光を出したい側の面に反射部材２１を設けていることになり、単に光取り出し量を減らすことになりかねない。しかし、本発明者らの鋭意研究により、加熱装置１が、このように光射出面を構成する領域に反射部材２１を設けた加熱ランプ１０ｂ、１０ｃを含むことで、厚みの異なる領域を有する加熱対象物３（例えば、差厚鋼板）を加熱する場合に、全体を同程度に加熱することができることを見出した。以下、実施例を参照して説明する。

［検証］
図３は、検証に用いられた加熱対象物３を説明するための図面である。加熱対象物３は、Ｙ１−Ｙ１線を境界として、厚みの厚い領域３ａと、厚みの薄い領域３ｂとを有している。ここでは、検証の容易化のために、領域３ａと３ｂの境界Ｙ１−Ｙ１線が加熱ランプ１０の配列方向に平行となるように、加熱対象物３を配置した。

図３に示すように、説明の都合上、境界Ｙ１−Ｙ１線の近傍に位置する加熱ランプに符号５１〜５４の番号を付している。そして、加熱対象物３のうち、加熱ランプ５１〜５４に対向する領域に、それぞれ５１ａ〜５４ａと符号を付している。すなわち、加熱対象物３の領域５１ａは、主として加熱ランプ５１から光が照射されることで加熱される。領域５１ｂ，５１ｃ，５１ｄについても同様に説明が可能である。

（実施例１）
加熱ランプ５１及び５２に加熱ランプ１０ｂを用い、加熱ランプ５３及び５４に加熱ランプ１０ａを用いた。
（比較例１）
加熱ランプ５１〜５４に加熱ランプ１０ａを用いた。

図４は、実施例１及び比較例１の加熱ランプ１０の配置態様の相違を模式的に示す図面であり、実施例１では反射部材２１が設けられている領域をハッチングにて図示している。なお、説明の都合上、図４においても、図３と同様に加熱対象物３の段差部分を併せて図示している。

実施例１及び比較例１の双方において、全ての測定点の温度が９００℃を超えるように同一の条件下で加熱ランプ１０を発光させて加熱処理を施した。

比較例１では、領域５１ａと５３ａの間、及び領域５２ａと５４ａの間、すなわち境界Ｙ１−Ｙ１線を挟んで隣接する領域間で温度上昇の傾向に大きな差が生じた。これに対し、実施例１では、比較例１よりも場所によらず同様の温度変化を示していることが確認された。具体的には、比較例１においては、全ての測定点の温度が９００℃を超えたとき、領域５１ａと５３ａの間、及び領域５２ａと５４ａの間で、温度差が２００℃程度生じていた。これに対し、実施例１では、全ての測定点の温度が９００℃を超えたとき、領域５１ａと５３ａの間、及び領域５２ａと５４ａの間の温度差が１００℃以内を示し、温度差が大幅に抑制できていた。

この結果につき、図５を参照して説明する。図５は、比較例１及び実施例１の双方に関し、加熱ランプ１０（１０ａ，１０ｂ）から加熱対象物３に対して光を照射する様子を模式的に示したものである。なお、図５において、管体１１の底面（封止体１５側の面）及び側面に設けられた反射部材２２の図示は省略されている。

比較例１のように、境界Ｙ１−Ｙ１線近傍において、厚みの厚い領域３ａに対向する位置と厚みの薄い領域３ｂに対向する位置の双方に加熱ランプ１０ａを配置した場合、領域３ａ側に配置された加熱ランプ１０ａからの光が領域３ｂ内に照射されてしまう（領域Ａ１）。この結果、特に領域Ａ１は、隣接する領域３ａよりも温度上昇がしやすくなり、加熱ムラが生じる。

これに対し、実施例１では、境界Ｙ１−Ｙ１線近傍において、厚みの厚い領域３ａに対向する位置に、光射出面のうちの領域３ｂ側の一部分に反射部材２１を設けた加熱ランプ１０ｂを配置している。これにより、領域３ａ側に配置された加熱ランプ１０ｂからの光が領域３ｂ内に照射されにくくなる。この結果、加熱対象物３の厚みが異なる境界Ｙ１−Ｙ１線近傍において、領域３ａと３ｂとを同等に加熱することが可能となる。

上記の検証では、加熱対象物３の厚みが異なる境界を示す線が、複数の加熱ランプ１０の配列方向に平行である場合について説明した。これに対し、境界線が加熱ランプ１０の配列方向に対して非平行である場合には、場所に応じて加熱ランプ１０ｂ、１０ｃを組み合わせる等、光射出面側に設けられた反射部材２１の位置及び面積を適宜異ならせることで、同様の効果が実現される。

一例として、加熱対象物３の面のうちの加熱ランプ１０に対向する領域と、加熱対象物３の厚みが異なる境界線が重なっていない場合には、前記領域の外縁部と前記境界線との離間距離及び離間方向に応じて、加熱ランプ１０の光射出面側に設けられる反射部材２１の位置及び面積が設定されるものとすることができる。また、前記境界線が、加熱対象物３の面のうちの加熱ランプ１０に対向する領域を横切っている場合には、前記境界線によって分けられた前記領域のうち、厚みの厚い領域３ａと厚みの薄い領域３ｂの面積の比率、及び前記境界線の延伸方向に応じて、加熱ランプ１０の光射出面側に設けられる反射部材２１の位置及び面積が設定されるものとすることができる。

上記の実施形態では、反射部材２１を設けた加熱ランプ１０として、加熱ランプ１０ｂ及び１０ｃを採り上げて説明した。しかし、加熱ランプ１０の光射出面側に設けられる反射部材２１の位置や面積を更に異ならせた加熱ランプ１０を用いても構わない。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉 上記の実施形態では、加熱ランプ１０は、管体１１の側面に反射部材２２が設けられている構成としたが、例えば図６に示すように、光射出面に近い側（＋Ｚ側）の側面には反射部材２２を設けない構成としても構わない。このような構成とすると、加熱ランプ１０から射出される光の発散角を大きくすることができる。

なお、本発明は、加熱装置１内に、管体１１の側面や封止体１５側（−Ｚ側）の面に反射部材２２が設けれていない加熱ランプ１０が含まれることを排除しない。ただし、管体１１の封止体１５側の面に反射部材２２が設けられることで、発光体１３から発せられた光を高効率で加熱対象物３に向かわせることができる。

〈２〉 上記の実施形態では、加熱ランプ１０は円筒形状の管体１１を有する構成としたが、管体１１の形状は円筒形状に限定されない。例えば、管体１１を球形状としても構わない。この場合も、加熱ランプ１０は、管体１１の面のうち、封止体１５側の面に反射部材２２を設けるものとしても構わない。また、複数の加熱ランプ１０のうちの少なくとも一部は、管体１１の面のうち、封止体１５とは反対側、すなわち光射出面側に反射部材２１を設けるものととして構わない。

〈３〉 加熱装置１は、各加熱ランプ１０の発光強度を個別に制御することのできる制御手段を備えても構わない。少なくとも一部の加熱ランプ１０に反射部材２１を備えた上で、上記の制御手段によって、各加熱ランプ１０への発光強度を制御することで、加熱対象物３に対して更に均一性の高い加熱が実現できる。

〈４〉 上記の実施形態では、加熱装置１が備える複数の加熱ランプ１０は、反射部材２１の形成態様のみを異ならせていると記載した。しかし、本発明は、加熱装置１に備えられた複数の加熱ランプ１０のうちの一部の加熱ランプ１０が、形状や材料などを異ならせることを排除するものではない。

１ ： 加熱装置
３ ： 加熱対象物
３ａ ： 加熱対象物の厚い領域
３ｂ ： 加熱対象物の薄い領域
５ ： 支持部
１０ ： 加熱ランプ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ： 加熱ランプ
１１ ： 管体
１３ ： 発光体
１５ ： 封止体
２１ ： 反射部材（第一反射部材）
２２ ： 反射部材（第二反射部材）
５１，５２，５３，５４ ： 加熱ランプ
５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ ： 加熱対象物上の領域

Claims (7)

1. 複数の点光源型の加熱ランプを有した加熱装置であって、
   複数の前記加熱ランプのそれぞれは、
   透光性部材からなる管体と、
   前記管体に内蔵された発光体と、
   前記発光体に電力を供給するための電極を含む封止体とを備え、
   少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体とは反対側に位置する領域に塗布された第一反射部材を有し、
   前記第一反射部材を有する複数の前記加熱ランプにおいて、前記封止体と前記反射部材の形成領域との相対的位置関係が複数種類存在していることを特徴とする加熱装置。
2. 前記第一反射部材は、前記発光体から射出された光を反射するコーティング材からなることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域に第二反射部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱装置。
4. 前記第二反射部材は、前記第一反射部材と同一の材料からなり、
   複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域に塗布されたことを有することを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記管体は、円筒形状を有し、
   複数の前記加熱ランプのうち、少なくとも一部の前記加熱ランプは、前記管体の側面に前記第二反射部材が塗布されていることを特徴とする請求項４に記載の加熱装置。
6. 透光性部材からなる管体と、
   前記管体に内蔵された発光体と、
   前記発光体に電力を供給するための電極を含む封止体と、
   前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体とは反対側に位置する領域に塗布された第一反射部材とを有することを特徴とする加熱ランプ。
7. 前記管体は円筒形状を有し、前記管体の面のうち、前記発光体から見て前記封止体の側に位置する領域、及び側面に第二反射部材が塗布されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱ランプ。

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