JP2020013635A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁束が抑制され、加熱効率の高い誘導加熱装置を提供する。【解決手段】Ｃ型インダクタ１０は、一対の先端部１２ａが対向するＣ型コア１２と、一対の先端部１２ａにそれぞれ巻かれたコイル１４とを備える。開口部１６には加熱対称のワーク１８が配置される。コイル１４は、一対の先端部１２ａが対向しているＸ方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数Ｎの方が多い。コイル１４の対向面１４ａが先端部１２ａの端面１２ｂに一致している。コイル１４は、一対の先端部１２ａが対向しているＸ方向の巻き数が１である。【選択図】図２

Description

本発明は、一対の先端部が対向するＣ型コアと、これらの先端部にそれぞれ巻かれたコイルとを備える誘導加熱装置に関する。

誘導加熱はワーク内部の渦電流によって内部からの発熱ができるので比較的効率が高く迅速な加熱が可能である。誘導加熱装置としてのＣ型インダクタは鋼板縁部の加熱や各種金属部品の加熱・接合の熱源として用いられている。図６に示すように、Ｃ型インダクタ５００は鉄心のＣ型コア５０２と、その一対の先端部５０２ａにそれぞれ巻かれたコイル５０４とを備える。一対の先端部５０２ａは開口部５０６を介して対向している。開口部５０６には金属のワーク５０８が配置されて加熱される。また、特許文献１に記載のＣ型インダクタでは、コイルが開口部に向かって徐々に広がるように巻かれている。

特許第６０５４３２５号公報

図６に示すような従来のＣ型インダクタ５００では、基本的にコイル５０４の導体は一対の先端部５０２ａが対向しているＸ方向に沿って巻かれており、Ｘ方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数の方が少ない。このようなコイル５０４の巻き方では、該コイル５０４で発生した磁束がＣ型コア５０２から漏れやすい。

図７は、Ｃ型インダクタ５００における磁束密度の分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ワーク５０８は幅５０ｍｍ、厚み５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの銅材である。図７では、磁束密度が高い箇所を濃い線で示し、磁束密度が低くなるに従って薄い線で示している。図７からは磁束密度が高い箇所が比較的小さく、しかも磁束密度の低い箇所は広い範囲Ａにわたって発生していて、Ｃ型コア５０２から磁束が相当に漏れていることが確認できる。

図８は、Ｃ型インダクタ５００によって加熱されたワーク５０８の発熱密度分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。図８では、発熱密度が高い箇所を濃いドット地で示し、発熱密度が低くなるに従って薄いドット地で示している。図８からは発熱密度が高い箇所が比較的狭く、ほとんどワーク５０８の端部分だけであることが確認できる。

このように従来のＣ型インダクタ５００では漏れ磁束が多く、漏れた磁束は加熱に有効利用されないため加熱効率はいまだ十分高いとは言えない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、加熱効率を一層高めることのできる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる誘導加熱装置は、一対の先端部が対向するＣ型コアと、一対の前記先端部にそれぞれ巻かれたコイルと、を備える誘導加熱装置において、前記コイルは、一対の前記先端部が対向している方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数の方が多いことを特徴とする。

前記コイルの対向面が前記先端部の端面に一致していてもよい。

前記コイルは、一対の前記先端部が対向している方向の巻き数が１であってもよい。

本発明にかかる誘導加熱装置では、コイルが、Ｃ型コアの先端部が対向している方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数の方が多くなっていることにより漏れ磁束が抑制され、加熱効率が高まる。

図１は、実施の形態にかかるＣ型インダクタを示す模式斜視図である。 図２は、Ｃ型インダクタの断面側面図である。 図３は、Ｃ型インダクタにおける磁束密度の分布を示す図である。 図４は、Ｃ型インダクタによって加熱されたワークの発熱密度分布を示す図である。 図５は、変形例にかかるＣ型インダクタの断面側面図である。 図６は、従来技術にかかるＣ型インダクタの断面側面図である。 図７は、従来技術にかかるＣ型インダクタにおける磁束密度の分布を示す図である。 図８は、従来技術にかかるＣ型インダクタによって加熱されたワークの発熱密度分布を示す図である。

以下に、本発明にかかる誘導加熱装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる誘導加熱装置の実施形態であるＣ型インダクタ１０を示す模式斜視図であり、図２はＣ型インダクタ１０の断面側面図である。

図１および図２に示すように、Ｃ型インダクタ１０は一対の先端部１２ａが対向しているＣ型コア１２と、一対の先端部１２ａにそれぞれ巻かれたコイル１４とを備える。

Ｃ型コア１２はいわゆる鉄心であって、例えば電磁鋼板やフェライトがＣ字状に構成されている。一対の先端部１２ａは開口部１６を介してＸ方向に対向している。ここで、Ｃ字状とは字義通りの一部が欠けた円形に限定されず、開口部１６を介して一対の先端部１２ａが対向していればよい。開口部１６には加熱対象であるワーク１８が配置される。開口部１６はワーク１８のサイズに応じて適度に狭く形成されている。

一対のコイル１４は、それぞれ導線２０が巻回されて形成されている。導線２０は、例えばリッツ線や銅パイプであり表面が絶縁されている。導線２０は円形断面に限らず、例えば角型断面でもよい。一対のコイル１４は直列接続されており、図示しないインバータによって高周波電流が供給される。

コイル１４の導線２０は先端部１２ａの開口部１６近くに集中して巻回されており、Ｘ方向の巻き数が１であるのに対して、その直交面方向の巻き数がＮ（Ｎ＞２）となっている。すなわち、コイル１４は、一対の先端部１２ａが対向しているＸ方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数の方が多くなっている。また、コイル１４は対向面１４ａが先端部１２ａの端面１２ｂに一致するように設けられている。図２では導線２０の巻き数１，２，３…Ｎを添え字で示している。

このように構成されるＣ型インダクタ１０では、コイル１４の導線２０が先端部１２ａにおいて開口部１６に近い位置に集中して巻回されていることから磁束の漏れが少なくなって、磁束が有効利用されて加熱効率が高まる。特に、Ｘ方向に並ぶ巻き数を１として、しかもコイル１４の対向面１４ａが先端部１２ａの端面１２ｂに一致するように構成されていることから漏れ磁束が一層少なくなり、効率が向上する。これにより高出力、省エネルギー、電源負荷の低減が可能になる。また、従来のＩＨインバータやコアなどの装置構成や制御条件については変更することなく、コイル１４の部分の変更だけで適用させることが可能である。

さらに、Ｃ型インダクタ１０ではコイル１４が開口部１６に近い位置に集中していることから扁平状となり、Ｘ方向寸法が短くなる。これにより仮想線で示すように先端部１２ａも短くすることが可能になり、Ｃ型インダクタ１０がコンパクトになるとともに、Ｃ型コア１２が小型化、軽量化および低コスト化される。

図３は、Ｃ型インダクタ１０における磁束密度の分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ワーク１８は図７で示したワーク５０８と同じである。図３では、図７と同様に磁束密度が高い箇所を濃い線で示し、磁束密度が低くなるに従って薄い線で示している。図３からは磁束密度が高い箇所が大きく、しかも磁束は先端部１２ａの端面１２ｂの周囲に集中しており、Ｃ型コア１２からの磁束の漏れが非常に少なくなり、磁束がワーク１８に集中していることが確認できる。

図４は、Ｃ型インダクタ１０によって加熱されたワーク１８の発熱密度分布をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。図４では、図８と同様に発熱密度が高い箇所を濃いドット地で示し、発熱密度が低くなるに従って薄いドット地で示している。ここで、図４は、コイル１４のＸ方向の巻き数に対してその直交方向の巻き数Ｎを６倍にしたときのワーク１８の発熱密度分布を示すものであり、図８は、コイル１４のＸ方向の巻き数に対してその直交方向の巻き数Ｎを１／４倍にしたときのワーク１８の発熱密度分布を示すものである。

図４からは発熱密度が高い箇所が比較的広く、ワーク１８の端部分だけでなく幅が広くなっていることが確認できる。また、中温域であるやや薄いドット地の部分は左右全幅にわたって確認できる。これらの特徴は従来技術のＣ型インダクタ５００による同様のシミュレーション結果である図７および図８と比較すると明らかである。具体的にはＣ型インダクタ１０は、従来のＣ型インダクタ５００に比べて加熱効率が２．５倍になっていることが本願発明者によって確認された。

このようにＣ型インダクタ１０では漏れ磁束が少なく、磁束が加熱に有効利用されていて加熱効率が高い。

なお、Ｃ型インダクタ１０ではコイル１４のＸ方向の巻き数は１としているが、より一層の加熱能力が求められる場合には、図５のＣ型インダクタ１０ａのようにＸ方向の巻き数を２以上として、その直交面方向の巻き数Ｎをそれ以上（つまり３以上）としてもよい。また、コイル１４を先端部１２ａの端面１２ｂ周辺に集中的に巻回して漏れ磁束を特に少なくするためには、コイル１４のＸ方向の巻き数に対して、その直交面方向の巻き数Ｎを２倍以上にし、さらにスペース条件などの範囲内で可能な限り鉄心先端に巻くとよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０，１０ａ Ｃ型インダクタ（誘導加熱装置）
１２ Ｃ型コア
１２ａ 先端部
１２ｂ 端面
１４ コイル
１４ａ 対向面
１６ 開口部
１８ ワーク
２０ 導線

Claims (3)

1. 一対の先端部が対向するＣ型コアと、
   一対の前記先端部にそれぞれ巻かれたコイルと、
   を備える誘導加熱装置において、
   前記コイルは、一対の前記先端部が対向している方向に並ぶ巻き数よりも、その直交面方向に並ぶ巻き数の方が多いことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
   前記コイルの対向面が前記先端部の端面に一致することを特徴とする誘導加熱装置。
3. 請求項１または２に記載の誘導加熱装置において、
   前記コイルは、一対の前記先端部が対向している方向の巻き数が１であることを特徴とする誘導加熱装置。