JP2020030998A - 加熱コイル及び加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを均一に且つ効率よく加熱できる加熱コイル及び加熱方法を提供する。【解決手段】加熱コイル１は、複数のループ部１０，１１，１２と、第１リード部１４及び第２リード部１５と、複数のループ部１０，１１，１２と第１リード部１４と第２リード部１５とを直列に接続している接続部１６と、を備え、複数のループ部１０，１１，１２それぞれのギャップ１０ｇ，１１ｇ，１２ｇは、軸Ａを中心とする周方向に互いにずれており、接続部１６は、複数のループ部１０，１１，１２それぞれの外周面に沿って延びる複数の円弧状接続部２１，３１，５１，６１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、加熱コイル及び加熱方法に関する。

軸状のワークに対して焼入れ等の熱処理が施される場合のワークの加熱方法として、環状の加熱コイルを用いた誘導加熱が知られている。ワークが挿通された加熱コイルに交流電流が供給されると、加熱コイルの周囲に磁界が形成され、加熱コイルの内部で磁束と鎖交するワークの表層に渦電流が生じ、ワークが誘導加熱される。そして、加熱コイルに交流電力が供給されている状態でワークが軸方向に送られることにより、ワークが連続的に加熱される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された加熱コイルは、第１のワンターン部及び第２のワンターン部と、第１のワンターン部と第２のワンターン部とを直列に接続するリード部とを備える。第１のワンターン部の両端部間のギャップと、第２のワンターン部の両端部間のギャップとは、軸を中心とする周方向にずれている。リード部は、第１のワンターン部及び第２のワンターン部の外側に配置され、第１のワンターン部の一方の端部と、第２のワンターン部の一方の端部とを接続している。

特許第５５７８４６５号公報

例えば特許文献１に記載された加熱コイルにおいて、第１のワンターン部及び第２のワンターン部それぞれのギャップの近傍に形成される磁界の強度は相対的に低い。このような磁界強度分布に対し、ワークを均一に加熱する観点から、典型的には、ワークが軸を中心にして回転されるが、装置構成上、ワークを回転させることができない場合がある。

ワークを回転させることができない場合にもワークを均一に加熱するために、特許文献１に記載された加熱コイルでは、軸を中心する円周の接線方向に直線状に延びるリード中間部がリード部に設けられており、第１のワンターン部のギャップと第２のワンターン部のギャップとの周方向の間隔が拡大されている。これにより、第１のワンターン部が第２のワンターン部のギャップを周方向に横断し、第２のワンターン部が第１のワンターン部のギャップを周方向に横断し、ギャップ近傍における磁界強度の低下が補われている。

しかし、特許文献１に記載された加熱コイルでは、リード中間部が、軸を中心とする円周の接線方向に直線状に延びている。このため、リード中間部と第１のワンターン部及び第２のワンターン部との距離、換言すればリード中間部とワークとの距離がリード中間部の長手方向に変化し、例えばリード中間部の一方の端部から他方の端部に向けて次第に拡大する。リード中間部にも交流電流が流れ、リード中間部の周囲にも磁界が形成されるが、ワークとの距離が広がる程に電磁誘導作用は減弱し、リード中間部の周囲に形成される磁界を有効に利用する観点で改善の余地がある。

そして、延長されるほどに第１のワンターン部及び第２のワンターン部から離間するリード中間部では、ギャップ間の間隔の拡大量が自ずと制限される。このため、磁界の強度が相対的に低いギャップが周方向に十分に分散されず、ワークを均一に加熱する観点でも改善の余地がある。

本発明は、ワークを均一に且つ効率よく加熱できる加熱コイル及び加熱方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の加熱コイルは、一つの軸に沿って並び且つ同軸状に配置されている複数のループ部と、電源と電気的に接続される第１リード部及び第２リード部と、上記複数のループ部と上記第１リード部と上記第２リード部とを直列に接続している接続部と、を備え、上記複数のループ部は、周方向にギャップをあけて対向する第１端部及び第２端部を有し、上記第１端部から上記第２端部に向けて上記軸を所定方向にまわっており、上記複数のループ部それぞれの上記ギャップは、上記軸を中心とする周方向に互いにずれており、上記接続部は、上記複数のループ部それぞれの外周に沿って延びる複数の円弧状接続部を有し、上記複数の円弧状接続部は、隣り合う二つのループ部のうち一方のループ部の第２端部と他方のループ部の第１端部とを電気的に接続し、上記第２端部から上記第１端部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている一つ以上のループ間円弧状接続部と、上記複数のループ部の直列接続において一端側に配置されているループ部の第１端部と上記第１リード部とを電気的に接続し、上記第１リード部から上記第１端部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている第１リード側円弧状接続部、及び／又は上記複数のループ部の直列接続において他端側に配置されているループ部の第２端部と上記第２リード部とを電気的に接続し、上記第２端部から上記第２リード部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている第２リード側円弧状接続部と、を有する。

また、本発明の一態様の加熱方法は、上記加熱コイルの上記複数のループ部にワークを挿通し、上記加熱コイルに交流電力を供給している状態で、上記加熱コイルと上記ワークとを軸方向にのみ相対移動させることにより、上記ワークを誘導加熱する。

本発明によれば、ワークを均一に且つ効率よく加熱できる加熱コイル及び加熱方法を提供できる。

本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの一例と、この加熱コイルによって加熱されるワークの一例の斜視図である。 図１の加熱コイルの単体の斜視図である。 図２の加熱コイルの分解斜視図である。 図２の加熱コイルの正面図である。 図２の加熱コイルのＶ−Ｖ線断面図である。 本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの他の例の斜視図である。 図６の加熱コイルの分解斜視図である。 本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの他の例の斜視図である。 図８の加熱コイルの分解斜視図である。 比較例の加熱コイルの斜視図である。 図１０の加熱コイルの分解斜視図である。 図１０の加熱コイルを用いて加熱されたワークの加熱温度分布を示すグラフである。 図２の加熱コイルを用いて加熱されたワークの加熱温度分布を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの一例と、この加熱コイルによって加熱されるワークの一例を示す。

加熱コイル１は軸状のワーク２を誘導加熱するものであり、加熱コイル１には電源３から交流電流が供給される。ワーク２は、例えば鋼等の金属材料からなる断面円形状の棒材又は管材である。加熱コイル１は、ワーク２が挿通可能な環状に形成されており、ワーク２は、図示しない搬送装置によって、ワーク２の軸方向にのみ移動される。ワーク２が挿通された加熱コイル１に交流電流が供給されると、加熱コイル１の周囲に磁界が形成され、加熱コイル１の内部で磁束と鎖交するワーク２の表層に渦電流が生じ、ワーク２が誘導加熱される。そして、加熱コイル１に交流電力が供給されている状態でワーク２が軸方向に送られることにより、ワーク２が連続的に加熱される。

図２から図５は、加熱コイル１の構成を示す。

図２及び図３に示すように、加熱コイル１は、第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２と、電源３と電気的に接続される第１リード部１４及び第２リード部１５と、第１ループ部１０、第２ループ部１１、第３ループ部１２、第１リード部１４及び第２リード部１５を直列に接続している接続部１６とを備える。第１ループ部１０、第２ループ部１１、第３ループ部１２、第１リード部１４、第２リード部１５及び接続部１６は、例えば銅等の良導体からなる管材によって形成されており、これらの内部には、冷却媒体が流通される一続きの流路が形成される。冷却媒体としては、典型的には水が用いられる。

第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２は、いずれも円環状に形成されており、同一の外径及び同一の内径を有する。第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２は、一つの軸Ａに沿って第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２の順に並び、且つ同軸状に配置されている。ワーク２は、第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２それぞれの内側に挿通される。

第１ループ部１０は、周方向にギャップ１０ｇをあけて対向する第１端部１０ａ及び第２端部１０ｂを有し、第１端部１０ａから第２端部１０ｂに向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第２ループ部１１及び第３ループ部１２もまた、第１ループ部１０と同様に構成されている。第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇは、軸Ａを中心とする周方向に互いにずれており、図２及び図３に示す例では、軸Ａを中心に１２０°間隔で配置されている。

第１リード部１４及び第２リード部１５は、第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２の外側に配置されており、適宜な隙間をあけ、軸Ａを中心とする径方向に互いに平行に延びている。第１リード部１４と第２リード部１５とは、図示しない絶縁材を挟んで一体に接合されてもよい。図２及び図３に示す例では、軸Ａ側に配置されている第１リード部１４の基端部１４ａと、第２リード部１５の基端部１５ａとは、いずれも第２ループ部１１の外周面上に配置されている。

接続部１６は、第１ループ部１０の第２端部１０ｂと第２ループ部１１の第１端部１１ａとを接続している第１−第２ループ間接続部２０と、第２ループ部１１の第２端部１１ｂと第３ループ部１２の第１端部１２ａとを接続している第２−第３ループ間接続部３０と、第１リード部１４の基端部１４ａと第１ループ部１０の第１端部１０ａとを接続している第１リード側接続部５０と、第３ループ部１２の第２端部１２ｂと第２リード部１５の基端部１５ａとを接続している第２リード側接続部６０とを有する。

第１−第２ループ間接続部２０は、第１ループ部１０の第２端部１０ｂと第２ループ部１１の第１端部１１ａとを電気的に接続する第１−第２ループ間円弧状接続部２１を含む。第１−第２ループ間円弧状接続部２１は、第１ループ部１０と同心に配置されており、第１ループ部１０の外周面に沿って延びている。第１−第２ループ間円弧状接続部２１は、第１ループ部１０の第２端部１０ｂ側から第２ループ部１１の第１端部１１ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。

第１−第２ループ間円弧状接続部２１の一方の端部２１ａと、第１ループ部１０の第２端部１０ｂとは、延設部２２を介して接続されている。延設部２２は、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の一方の端部２１ａの内周部から第１ループ部１０の第２端部１０ｂの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向に直線状に延びている。第１−第２ループ間円弧状接続部２１と、第１ループ部１０のギャップ１０ｇとは、径方向に重なり合っている。第１−第２ループ間円弧状接続部２１の他方の端部２１ｂと、第２ループ部１１の第１端部１１ａとは、延設部２３を介して接続されている。延設部２３は、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の他方の端部２１ｂの第２ループ部側の側部から第２ループ部１１の第１端部１１ａの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向に直線状に延びている。

第２−第３ループ間接続部３０は、第２ループ部１１の第２端部１１ｂと第３ループ部１２の第１端部１２ａとを電気的に接続する第２−第３ループ間円弧状接続部３１を含む。第２−第３ループ間円弧状接続部３１は、第３ループ部１２と同心に配置されており、第３ループ部１２の外周面に沿って延びている。第２−第３ループ間円弧状接続部３１は、第２ループ部１１の第２端部１１ｂ側から第３ループ部１２の第１端部１２ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。

第２−第３ループ間円弧状接続部３１の一方の端部３１ａと、第２ループ部１１の第２端部１１ｂとは、延設部３２を介して接続されている。延設部３２は、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の一方の端部３１ａの第２ループ部側の側部から第２ループ部１１の第２端部１１ｂの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向に直線状に延びている。第２−第３ループ間円弧状接続部３１の他方の端部３１ｂと、第３ループ部１２の第１端部１２ａとは、延設部３３を介して接続されている。延設部３３は、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の他方の端部３１ｂの内周部から第３ループ部１２の第１端部１２ａの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向に直線状に延びている。第２−第３ループ間円弧状接続部３１と、第３ループ部１２のギャップ１２ｇとは、径方向に重なり合っている。

第１リード側接続部５０は、第１リード部１４の基端部１４ａと第１ループ部１０の第１端部１０ａとを電気的に接続する第１リード側円弧状接続部５１を含む。第１リード側円弧状接続部５１は、第２ループ部１１と同心に配置されており、第２ループ部１１の外周面に沿って延びている。第１リード側円弧状接続部５１は、第１リード部１４の基端部１４ａ側から第１ループ部１０の第１端部１０ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。

第１リード側円弧状接続部５１の一方の端部５１ａと、第１リード部１４の基端部１４ａとは直接に接続されている。第１リード側円弧状接続部５１の他方の端部５１ｂと、第１ループ部１０の第１端部１０ａとは、延設部５２を介して接続されている。延設部５２は、第１リード側円弧状接続部５１の他方の端部５１ｂの内周部から第１ループ部１０の第１端部１０ａの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向にクランク状に延びており、第１ループ部１０と第１−第２ループ間円弧状接続部２１との間に入り込んで第１ループ部１０の第１端部１０ａに接続されている。

第２リード側接続部６０は、第２リード部１５の基端部１５ａと第３ループ部１２の第２端部１２ｂとを電気的に接続する第２リード側円弧状接続部６１を含む。第２リード側円弧状接続部６１は、第２ループ部１１と同心に配置されており、第２ループ部１１の外周面に沿って延びている。第２リード側円弧状接続部６１は、第３ループ部１２の第２端部１２ｂ側から第２リード部１５の基端部１５ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。

第２リード側円弧状接続部６１の一方の端部６１ａと、第３ループ部１２の第２端部１２ｂとは、延設部６２を介して接続されている。延設部６２は、第２リード側円弧状接続部６１の一方の端部６１ａの内周部から第３ループ部１２の第２端部１２ｂの外周部に向けて、軸Ａを中心とする径方向にクランク状に延びており、第３ループ部１２と第２−第３ループ間円弧状接続部３１との間に入り込んで第３ループ部１２の第２端部１２ｂに接続されている。第２リード側円弧状接続部６１の他方の端部６１ｂと、第２リード部１５の基端部１５ａとは直接に接続されている。

図４に示すように、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇが、軸Ａを中心に１２０°間隔で配置されている本例において、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の円弧中心角度θ１、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の円弧中心角度θ２、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の合計の円弧中心角度θ３は、いずれも１２０°であり、円弧中心角度θ１，θ２，θ３の合計は３６０°である。換言すれば、第１−第２ループ間円弧状接続部２１と、第２−第３ループ間円弧状接続部３１と、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１とを同一円周上に配置した場合に、これらの円弧状接続部２１，３１，５１，６１は、軸Ａを１周する。

なお、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇが、軸Ａを中心に２４０°間隔で配置される場合に、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の円弧中心角度θ１、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の円弧中心角度θ２、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の合計の円弧中心角度θ３は、いずれも２４０°となり、これらの円弧状接続部２１，３１，５１，６１は軸Ａを２周する。

図５に示すように、第１ループ部１０の内周面の幅は外周面の幅よりも小さい。同様に、第２ループ部１１の内周面の幅は外周面の幅よりも小さく、第３ループ部１２の内周面の幅は外周面の幅よりも小さい。第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２に流れる交流電流は、各ループ部の最短経路である内周部を流れる。第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２それぞれの内周面の幅を相対的に小さくすることによって、冷却媒体が流通される内部の流路の断面積を確保しつつ、電流密度を高めることができる。そして、電流密度を高めることにより、第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２の周囲に形成される磁界の強度を高め、ワーク２の加熱効率を向上させることができる。

以上のように構成された加熱コイル１において、例えば交流電流が第１ループ部１０を第１端部１０ａから第２端部１０ｂに向けて流れるタイミングで、第１ループ部１０を流れる交流電流と、第１−第２ループ間円弧状接続部２１を流れる交流電流とは、いずれも軸Ａを所定方向Ｂにまわる。したがって、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の周囲に形成される磁界は、第１ループ部１０の周囲に形成される磁界を増強させる。そして、第１ループ部１０の外周面に沿って延びる第１−第２ループ間円弧状接続部２１と第１ループ部１０との距離、換言すれば第１−第２ループ間円弧状接続部２１とワーク２との距離は、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の長手方向に一定である。したがって、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の周囲に形成される磁界が、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。特に、第１−第２ループ間円弧状接続部２１は、第１ループ部１０のギャップ１０ｇと径方向に重なり合っており、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の周囲に形成される磁界によってギャップ１０ｇの近傍における磁界強度の低下が補われるので、ワーク２の加熱効率が一層高まる。

同様に、第３ループ部１２の外周面に沿って延びる第２−第３ループ間円弧状接続部３１の周囲に形成される磁界は、第３ループ部１２の周囲に形成される磁界を増強させ、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。また、第２ループ部１１の外周面に沿って延びる第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の周囲に形成される磁界は、第２ループ部１１の周囲に形成される磁界を増強させ、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。

そして、第１−第２ループ間円弧状接続部２１と第１ループ部１０との距離は、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の長さによらず一定である。同様に、第２−第３ループ間円弧状接続部３１と第３ループ部１２との距離は、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の長さによらず一定であり、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１と第２ループ部１１との距離は、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の長さによらず一定である。したがって、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇの配置の自由度が高まり、磁界の強度が相対的に低いこれらのギャップ１０ｇ，１１ｇ，１２ｇを、軸Ａを中心とする周方向に十分に分散させ、ワーク２の加熱温度を均一化できる。

好ましくは、図４に示したように、第１−第２ループ間円弧状接続部２１の円弧中心角度θ１と、第２−第３ループ間円弧状接続部３１の円弧中心角度θ２と、第１リード側円弧状接続部５１及び第２リード側円弧状接続部６１の合計の円弧中心角度θ３との合計は３６０°以上である。これにより、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇを、軸Ａを中心とする周方向に十分に分散させることができ、ワーク２の加熱温度をさらに均一化できる。さらに、好ましくは、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇは、軸Ａを中心に等角度間隔（１２０°間隔）で配置される。これにより、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇを、軸Ａを中心とする周方向に均等に分散させることができ、ワーク２の加熱温度をさらに均一化できる。

図６及び図７は、加熱コイルの他の例を示す。

図６及び図７に示す加熱コイル１０１は、第１ループ部１１０及び第２ループ部１１１と、電源と電気的に接続される第１リード部１１４及び第２リード部１１５と、第１ループ部１１０、第２ループ部１１１、第１リード部１１４及び第２リード部１１５を直列に接続している接続部１１６とを備える。第１ループ部１１０及び第２ループ部１１１は、いずれも円環状に形成されており、同一の外径及び同一の内径を有する。

第１ループ部１１０は、周方向にギャップ１１０ｇをあけて対向する第１端部１１０ａ及び第２端部１１０ｂを有し、第１端部１１０ａから第２端部１１０ｂに向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第２ループ部１１１もまた、第１ループ部１１０と同様に構成されている。第１ループ部１１０のギャップ１１０ｇ及び第２ループ部１１１のギャップ１１１ｇは、軸Ａを中心とする周方向に互いにずれており、図６及び図７に示す例では、軸Ａを中心に１８０°間隔で配置されている。

第１リード部１１４及び第２リード部１１５は、第１ループ部１１０及び第２ループ部１１１の外側に配置されており、適宜な隙間をあけ、軸Ａを中心とする径方向に互いに平行に延びている。図６及び図７に示す例では、軸Ａ側に配置されている第１リード部１１４の基端部１１４ａと、第２リード部１１５の基端部１１５ａとは、いずれも第１ループ部１１０の外周面上に配置されている。

接続部１１６は、第１ループ部１１０の第２端部１１０ｂと第２ループ部１１１の第１端部１１１ａとを接続している第１−第２ループ間接続部１２０と、第１リード部１１４の基端部１１４ａと第１ループ部１１０の第１端部１１０ａとを接続している第１リード側接続部１５０と、第２ループ部１１１の第２端部１１１ｂと第２リード部１１５の基端部１１５ａとを接続している第２リード側接続部１６０とを有する。

第１−第２ループ間接続部１２０は、第１ループ部１１０の第２端部１１０ｂと第２ループ部１１１の第１端部１１１ａとを電気的に接続する第１−第２ループ間円弧状接続部１２１を含む。第１−第２ループ間円弧状接続部１２１は、第２ループ部１１１と同心に配置されており、第２ループ部１１１の外周面に沿って延びている。第１−第２ループ間円弧状接続部１２１は、第１ループ部１１０の第２端部１１０ｂ側から第２ループ部１１１の第１端部１１１ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第１−第２ループ間円弧状接続部１２１と、第２ループ部１１１のギャップ１１１ｇとは、径方向に重なり合っている。

第１リード側接続部１５０は、第１リード部１１４の基端部１１４ａと第１ループ部１１０の第１端部１１０ａとを電気的に接続する第１リード側円弧状接続部１５１を含む。第１リード側円弧状接続部１５１は、第１ループ部１１０と同心に配置されており、第１ループ部１１０の外周面に沿って延びている。第１リード側円弧状接続部１５１は、第１リード部１１４の基端部１１４ａ側から第１ループ部１１０の第１端部１１０ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第１リード側円弧状接続部１５１と、第１ループ部１１０のギャップ１１０ｇとは、径方向に重なり合っている。

第２リード側接続部１６０は、第２リード部１１５の基端部１１５ａと第２ループ部１１１の第２端部１１１ｂとを電気的に接続する第２リード側円弧状接続部１６１を含む。第２リード側円弧状接続部１６１は、第１ループ部１１０と同心に配置されており、第１ループ部１１０の外周面に沿って延びている。第２リード側円弧状接続部１６１は、第２ループ部１１１の第２端部１１１ｂ側から第２リード部１１５の基端部１１５ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。

第２ループ部１１１の外周面に沿って延びる第１−第２ループ間円弧状接続部１２１の周囲に形成される磁界は、第２ループ部１１１の周囲に形成される磁界を増強させ、第１−第２ループ間円弧状接続部１２１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。第１ループ部１１０の外周面に沿って延びる第１リード側円弧状接続部１５１及び第２リード側円弧状接続部１６１の周囲に形成される磁界は、第１ループ部１１０の周囲に形成される磁界を増強させ、第１リード側円弧状接続部１５１及び第２リード側円弧状接続部１６１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。

そして、第１−第２ループ間円弧状接続部１２１と第２ループ部１１１との距離は、第１−第２ループ間円弧状接続部１２１の長さによらず一定であり、第１リード側円弧状接続部１５１及び第２リード側円弧状接続部１６１と第１ループ部１１０との距離は、第１リード側円弧状接続部１５１及び第２リード側円弧状接続部１６１の長さによらず一定である。したがって、第１ループ部１１０のギャップ１１０ｇ及び第２ループ部１１１のギャップ１１１ｇの配置の自由度が高まり、磁界の強度が相対的に低いこれらのギャップ１１０ｇ，１１１ｇを、軸Ａを中心とする周方向に十分に分散させ、ワーク２の加熱温度を均一化できる。

図８及び図９は、加熱コイルの他の例を示す。

図８及び図９に示す加熱コイル２０１は、第１ループ部２１０、第２ループ部２１１、第３ループ部２１２、及び第４ループ部２１３と、電源と電気的に接続される第１リード部２１４及び第２リード部２１５と、第１ループ部２１０、第２ループ部２１１、第３ループ部２１２、第４ループ部２１３、第１リード部２１４及び第２リード部２１５を直列に接続している接続部２１６とを備える。第１ループ部２１０、第２ループ部２１１、第３ループ部２１２及び第４ループ部２１３は、いずれも円環状に形成されており、同一の外径及び同一の内径を有する。

第１ループ部２１０は、周方向にギャップ２１０ｇをあけて対向する第１端部２１０ａ及び第２端部２１０ｂを有し、第１端部２１０ａから第２端部２１０ｂに向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第２ループ部２１１、第３ループ部２１２及び第４ループ部２１３もまた、第１ループ部２１０と同様に構成されている。第１ループ部２１０のギャップ２１０ｇ、第２ループ部２１１のギャップ２１１ｇ、第３ループ部２１２のギャップ２１２ｇ及び第４ループ部２１３のギャップ２１３ｇは、軸Ａを中心とする周方向に互いにずれており、図８及び図９に示す例では、軸Ａを中心に９０°間隔で配置されている。

第１リード部２１４及び第２リード部２１５は、第１ループ部２１０、第２ループ部２１１、第３ループ部２１２及び第４ループ部２１３の外側に配置されており、適宜な隙間をあけ、軸Ａを中心とする径方向に互いに平行に延びている。図８及び図９に示す例では、軸Ａ側に配置されている第１リード部２１４の基端部２１４ａは、第２ループ部２１１の外周面上に配置されており、第２リード部２１５の基端部２１５ａは、第３ループ部２１２の外周面上に配置されている。

接続部２１６は、第１ループ部２１０の第２端部２１０ｂと第２ループ部２１１の第１端部２１１ａとを接続している第１−第２ループ間接続部２２０と、第２ループ部２１１の第２端部２１１ｂと第３ループ部２１２の第１端部２１２ａとを接続している第２−第３ループ間接続部２３０と、第３ループ部２１２の第２端部２１２ｂと第４ループ部２１３の第１端部２１３ａとを接続している第３−第４ループ間接続部２４０と、第１リード部２１４の基端部２１４ａと第１ループ部２１０の第１端部２１０ａとを接続している第１リード側接続部２５０と、第４ループ部２１３の第２端部２１３ｂと第２リード部２１５の基端部２１５ａとを接続している第２リード側接続部２６０とを有する。

第１−第２ループ間接続部２２０は、第１ループ部２１０の第２端部２１０ｂと第２ループ部２１１の第１端部２１１ａとを電気的に接続する第１−第２ループ間円弧状接続部２２１を含む。第１−第２ループ間円弧状接続部２２１は、第２ループ部２１１と同心に配置されており、第２ループ部２１１の外周面に沿って延びている。第１−第２ループ間円弧状接続部２２１は、第１ループ部２１０の第２端部２１０ｂ側から第２ループ部２１１の第１端部２１１ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第１−第２ループ間円弧状接続部２２１と、第２ループ部２１１のギャップ２１１ｇとは、径方向に重なり合っている。

第２−第３ループ間接続部２３０は、第２ループ部２１１の第２端部２１１ｂと第３ループ部２１２の第１端部２１２ａとを電気的に接続する第２−第３ループ間円弧状接続部２３１を含む。第２−第３ループ間円弧状接続部２３１は、第３ループ部２１２と同心に配置されており、第３ループ部２１２の外周面に沿って延びている。第２−第３ループ間円弧状接続部２３１は、第２ループ部２１１の第２端部２１１ｂ側から第３ループ部２１２の第１端部２１２ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第２−第３ループ間円弧状接続部２３１と、第３ループ部２１２のギャップ２１２ｇとは、径方向に重なり合っている。

第３−第４ループ間接続部２４０は、第３ループ部２１２の第２端部２１２ｂと第４ループ部２１３の第１端部２１３ａとを電気的に接続する第３−第４ループ間円弧状接続部２４１を含む。第３−第４ループ間円弧状接続部２４１は、第４ループ部２１３と同心に配置されており、第４ループ部２１３の外周面に沿って延びている。第３−第４ループ間円弧状接続部２４１は、第３ループ部２１２の第２端部２１２ｂ側から第４ループ部２１３の第１端部２１３ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第３−第４ループ間円弧状接続部２４１と、第４ループ部２１３のギャップ２１３ｇとは、径方向に重なり合っている。

第１リード側接続部２５０は、第１リード部２１４の基端部２１４ａと第１ループ部２１０の第１端部２１０ａとを電気的に接続する第１リード側円弧状接続部２５１を含む。第１リード側円弧状接続部２５１は、第１ループ部２１０と同心に配置されており、第１ループ部２１０の外周面に沿って延びている。第１リード側円弧状接続部２５１は、第１リード部２１４の基端部２１４ａ側から第１ループ部２１０の第１端部２１０ａ側に向けて軸Ａを所定方向Ｂにまわっている。第１リード側円弧状接続部２５１と、第１ループ部２１０のギャップ２１０ｇとは、径方向に重なり合っている。

第２ループ部２１１の外周面に沿って延びる第１−第２ループ間円弧状接続部２２１の周囲に形成される磁界は、第２ループ部２１１の周囲に形成される磁界を増強させ、第１−第２ループ間円弧状接続部２２１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。第３ループ部２１２の外周面に沿って延びる第２−第３ループ間円弧状接続部２３１の周囲に形成される磁界は、第３ループ部２１２の周囲に形成される磁界を増強させ、第２−第３ループ間円弧状接続部２３１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。第４ループ部２１３の外周面に沿って延びる第３−第４ループ間円弧状接続部２４１の周囲に形成される磁界は、第４ループ部２１３の周囲に形成される磁界を増強させ、第３−第４ループ間円弧状接続部２４１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。第１ループ部２１０の外周面に沿って延びる第１リード側円弧状接続部２５１の周囲に形成される磁界は、第１ループ部２１０の周囲に形成される磁界を増強させ、第１リード側円弧状接続部２５１の全長にわたってワーク２の誘導加熱に有効に利用される。

そして、第１−第２ループ間円弧状接続部２２１と第２ループ部２１１との距離は、第１−第２ループ間円弧状接続部２２１の長さによらず一定であり、第２−第３ループ間円弧状接続部２３１と第３ループ部２１２との距離は、第２−第３ループ間円弧状接続部２３１の長さによらず一定であり、第３−第４ループ間円弧状接続部２４１と第４ループ部２１３との距離は、第３−第４ループ間円弧状接続部２４１の長さによらず一定であり、第１リード側円弧状接続部２５１と第１ループ部２１０との距離は、第１リード側円弧状接続部２５１の長さによらず一定である。したがって、第１ループ部２１０のギャップ２１０ｇ、第２ループ部２１１のギャップ２１１ｇ、第３ループ部２１２のギャップ２１２ｇ及び第４ループ部２１３のギャップ２１３ｇの配置の自由度が高まり、磁界の強度が相対的に低いこれらのギャップ２１０ｇ，２１１ｇ，２１２ｇ，２１３ｇを、軸Ａを中心とする周方向に十分に分散させ、ワーク２の加熱温度を均一化できる。

ここまで、２つから４つのループ部を有する加熱コイルについて説明したが、ループ部は５以上の複数設けられてもよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。

＜実施例＞
Ｓ４５Ｃからなる外径３５ｍｍ、厚み２ｍｍの管材をワークとし、このワークを軸方向にのみ１５０ｍｍ／秒の移動速度で移動させながら、図２及び図３に示した加熱コイル１を用いて誘導加熱した際の、ワークの周方向の加熱温度分布をシミュレーションにより求めた。加熱コイル１に供給する交流電流の周波数は１０ｋＨｚとし、ワークの目標加熱温度は１０００℃とした。第１ループ部１０、第２ループ部１１及び第３ループ部１２の内径は、いずれも３９ｍｍであり、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇの間隔は１２０°である。

＜比較例＞
実施例と同一のワークを、実施例と同様に軸方向にのみ１５０ｍｍ／秒の移動速度で移動させながら、図１０及び図１１に示す加熱コイル３０１を用いて誘導加熱した際の、ワークの周方向の加熱温度分布をシミュレーションにより求めた。加熱コイル３０１に供給する交流電流の周波数は１０ｋＨｚとし、ワークの目標加熱温度は１０００℃とした。以下、比較例の加熱コイル３０１について説明する。

図１０及び図１１に示す加熱コイル３０１は、第１ループ部３１０、第２ループ部３１１及び第３ループ部３１２と、電源３と電気的に接続される第１リード部３１４及び第２リード部３１５と、第１ループ部３１０、第２ループ部３１１、第３ループ部３１２、第１リード部３１４及び第２リード部３１５を直列に接続している接続部３１６とを備える。第１ループ部３１０、第２ループ部３１１及び第３ループ部３１２は、いずれも円環状に形成されており、同一の外径及び同一の内径を有する。

第１ループ部３１０は、周方向にギャップ３１０ｇをあけて対向する第１端部３１０ａ及び第２端部３１０ｂを有し、第１端部３１０ａから第２端部３１０ｂに向けて軸Ａを所定方向Ｃにまわっている。第２ループ部３１１及び第３ループ部３１２もまた、第１ループ部３１０と同様に構成されている。第１ループ部３１０のギャップ３１０ｇ、第２ループ部３１１のギャップ３１１ｇ及び第３ループ部３１２のギャップ３１２ｇは、軸Ａを中心とする周方向に互いにずれている。

接続部３１６は、第１ループ部３１０の第２端部３１０ｂと第２ループ部３１１の第１端部３１１ａとを接続している第１−第２ループ間接続部３２０と、第２ループ部３１１の第２端部３１１ｂと第３ループ部３１２の第１端部３１２ａとを接続している第２−第３ループ間接続部３３０と、第１リード部３１４の基端部３１４ａと第１ループ部３１０の第１端部３１０ａとを接続している第１リード側接続部３５０と、第３ループ部３１２の第２端部３１２ｂと第２リード部３１５の基端部３１５ａとを接続している第２リード側接続部３６０とを有する。

第１−第２ループ間接続部３２０は、第１ループ部３１０の外側で、軸Ａを中心とする円周の接線方向に直線状に延びる中間部３２１を含む。第２−第３ループ間接続部３３０は、第３ループ部３１２の外側で、軸Ａを中心とする円周の接線方向に直線状に延びる中間部３３１を含む。

以上のように構成された加熱コイル３０１において、第１ループ部３１０、第２ループ部３１１及び第３ループ部３１２の内径は、いずれも３９ｍｍであり、第１ループ部３１０のギャップ３１０ｇ、第２ループ部３１１のギャップ３１１ｇ及び第３ループ部３１２のギャップ１２ｇの間隔は３５°である。

図１２は、比較例のワークの加熱温度分布のシミュレーション結果を示し、図１３は、実施例のワークの加熱温度分布のシミュレーション結果を示す。なお、図１２及び図１３において、横軸は、ワーク各部の周方向の位置を中心軸まわりの回転角度（°）によって示し、第１リード部と第２リード部との間の隙間と径方向に重なる点を原点としている。

図１２に示すように、比較例では、ワーク各部の温度差の最大値が８０℃（最高温度１０１０℃、最低温度９３０℃）となり、この加熱温度分布を得るにあたって加熱コイル３０１に供給される電力は１４９ｋＷとなった。比較例の加熱コイル３０１では、第１ループ部３１０のギャップ３１０ｇ、第２ループ部３１１のギャップ３１１ｇ及び第３ループ部３１２のギャップ３１２ｇが３５°間隔で配置されており、これらのギャップ３１０ｇ、３１１ｇ、３１２ｇが集まる原点近傍において、ワークの加熱が不足することがわかる。

一方、図１３に示すように、実施例では、ワーク各部の温度差の最大値が１８℃（最高温度１０１０℃、最低温度９９２℃）となり、この加熱温度分布を得るにあたって加熱コイル３０１に供給される電力は１５３ｋＷとなった。実施例の加熱コイル１では、第１ループ部１０のギャップ１０ｇ、第２ループ部１１のギャップ１１ｇ及び第３ループ部１２のギャップ１２ｇが１２０°間隔で配置されており、これらのギャップ１０ｇ、１１ｇ、１２ｇが周方向に十分に分散されることによってワークの加熱温度が均一化されていることがわかる。また、加熱コイルに供給される電力が実施例と比較例とで略同じであり、複数のループ部１０，１１，１２それぞれの外周面に沿って延びる複数の円弧状接続部２１，３１，５１，６１の周囲に形成される磁界がワークの加熱に有効に利用されることによってワークの加熱効率が向上していることがわかる。

以上、説明したとおり、本明細書に開示された加熱コイルは、一つの軸に沿って並び且つ同軸状に配置されている複数のループ部と、電源と電気的に接続される第１リード部及び第２リード部と、上記複数のループ部と上記第１リード部と上記第２リード部とを直列に接続している接続部と、を備え、上記複数のループ部は、周方向にギャップをあけて対向する第１端部及び第２端部を有し、上記第１端部から上記第２端部に向けて上記軸を所定方向にまわっており、上記複数のループ部それぞれの上記ギャップは、上記軸を中心とする周方向に互いにずれており、上記接続部は、上記複数のループ部それぞれの外周面に沿って延びる複数の円弧状接続部を有し、上記複数の円弧状接続部は、隣り合う二つのループ部のうち一方のループ部の第２端部と他方のループ部の第１端部とを電気的に接続し、上記第２端部から上記第１端部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている一つ以上のループ間円弧状接続部と、上記複数のループ部の直列接続において一端側に配置されているループ部の第１端部と上記第１リード部とを電気的に接続し、上記第１リード部から上記第１端部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている第１リード側円弧状接続部、及び／又は上記複数のループ部の直列接続において他端側に配置されているループ部の第２端部と上記第２リード部とを電気的に接続し、上記第２端部から上記第２リード部に向けて上記軸を上記所定方向にまわっている第２リード側円弧状接続部と、を有する。

また、本明細書に開示された加熱コイルは、上記複数の円弧状接続部それぞれの円弧中心角度の合計は、３６０°以上である。

また、本明細書に開示された加熱コイルは、上記複数のループ部それぞれの上記ギャップは、上記軸を中心に等角度間隔で配置されている。

また、本明細書に開示された加熱コイルは、上記複数のループ部のうち少なくとも一つのループ部の上記ギャップと、このループ部の外周面に沿って配置されている円弧状接続とは、径方向に重なり合っている。

また、本明細書に開示された加熱コイルは、上記複数のループ部それぞれの内周面の幅は、外周面の幅よりも小さい。

また、本明細書に開示された加熱方法は、上記加熱コイルの上記複数のループ部にワークを挿通し、上記加熱コイルに交流電力を供給している状態で、上記加熱コイルと上記ワークとを軸方向にのみ相対移動させることにより、上記ワークを誘導加熱する。

１ 加熱コイル
２ ワーク
３ 電源
１０ 第１ループ部
１１ 第２ループ部
１２ 第３ループ部
１４ 第１リード部
１５ 第２リード部
１６ 接続部
２０ 第１−第２ループ間接続部
２１ 第１−第２ループ間円弧状接続部
３０ 第３ループ間接続部
３１ 第３ループ間円弧状接続部
５０ 第１リード側接続部
５１ 第１リード側円弧状接続部
６０ 第２リード側接続部
６１ 第２リード側円弧状接続部
１０１ 加熱コイル
１１０ 第１ループ部
１１１ 第２ループ部
１１４ 第１リード部
１１５ 第２リード部
１１６ 接続部
１２０ 第２ループ間接続部
１２１ 第２ループ間円弧状接続部
１５０ 第１リード側接続部
１５１ 第１リード側円弧状接続部
１６０ 第２リード側接続部
１６１ 第２リード側円弧状接続部
２０１ 加熱コイル
２１０ 第１ループ部
２１１ 第２ループ部
２１２ 第３ループ部
２１３ 第４ループ部
２１４ 第１リード部
２１５ 第２リード部
２１６ 接続部
２２０ 第１−第２ループ間接続部
２２１ 第１−第２ループ間円弧状接続部
２３０ 第２−第３ループ間接続部
２３１ 第２−第３ループ間円弧状接続部
２４０ 第３−第４ループ間接続部
２４１ 第３−第４ループ間円弧状接続部
２５０ 第１リード側接続部
２５１ 第１リード側円弧状接続部
２６０ 第２リード側接続部
Ａ 軸
Ｂ 所定方向

Claims (6)

1. 一つの軸に沿って並び且つ同軸状に配置されている複数のループ部と、
   電源と電気的に接続される第１リード部及び第２リード部と、
   前記複数のループ部と前記第１リード部と前記第２リード部とを直列に接続している接続部と、
   を備え、
   前記複数のループ部は、周方向にギャップをあけて対向する第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部から前記第２端部に向けて前記軸を所定方向にまわっており、
   前記複数のループ部それぞれの前記ギャップは、前記軸を中心とする周方向に互いにずれており、
   前記接続部は、前記複数のループ部それぞれの外周面に沿って延びる複数の円弧状接続部を有し、
   前記複数の円弧状接続部は、
   隣り合う二つのループ部のうち一方のループ部の第２端部と他方のループ部の第１端部とを電気的に接続し、前記第２端部から前記第１端部に向けて前記軸を前記所定方向にまわっている一つ以上のループ間円弧状接続部と、
   前記複数のループ部の直列接続において一端側に配置されているループ部の第１端部と前記第１リード部とを電気的に接続し、前記第１リード部から前記第１端部に向けて前記軸を前記所定方向にまわっている第１リード側円弧状接続部、及び／又は前記複数のループ部の直列接続において他端側に配置されているループ部の第２端部と前記第２リード部とを電気的に接続し、前記第２端部から前記第２リード部に向けて前記軸を前記所定方向にまわっている第２リード側円弧状接続部と、
   を有する加熱コイル。
2. 請求項１記載の加熱コイルであって、
   前記複数の円弧状接続部それぞれの円弧中心角度の合計は、３６０°以上である加熱コイル。
3. 請求項１又は２記載の加熱コイルであって、
   前記複数のループ部それぞれの前記ギャップは、前記軸を中心に等角度間隔で配置されている加熱コイル。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の加熱コイルであって、
   前記複数のループ部のうち少なくとも一つのループ部の前記ギャップと、当該ループ部の外周面に沿って配置されている円弧状接続とは、径方向に重なり合っている加熱コイル。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の加熱コイルであって、
   前記複数のループ部それぞれの内周面の幅は、外周面の幅よりも小さい加熱コイル。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の加熱コイルの前記複数のループ部にワークを挿通し、
   前記加熱コイルに交流電力を供給している状態で、前記加熱コイルと前記ワークとを軸方向にのみ相対移動させることにより、前記ワークを誘導加熱する加熱方法。

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