JP2020181708A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導加熱を行う際にワークにおける加熱部位ごとの温度差を低減すること。【解決手段】湾曲したワーク１２の辺部を誘導加熱する誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置であって、誘導加熱コイル１１は、ワーク１２の直線部２１と湾曲部２２における熱分布が均一となるように湾曲した形状のコイル本体部を備える。これにより、ワーク１２に対するコイル１１の位置や状態を調整し、湾曲部１２ｂを有するワーク１２の加熱範囲に均一な密度の誘導電流を発生させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、加熱炉に用いられる誘導加熱装置に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２０１８−０９２８２８号公報がある。この公報に記載された誘導加熱コイルでは、被加熱物に対して平面コイルを所定間隔開けた状態で挟み込み、コイルへ高周波電流を流すことによって、被加熱物の全面もしくは一部に均等に電磁誘導加熱を実行する。

特開２０１８−０９２８２８号公報

例えば、前述した従来の誘導加熱方法では、加熱対象物（ワーク）を上下に挟み込むようにして、一対のコイルを配置して高周波電流を印加することで、電磁誘導によってワークを加熱する。

ここでワークである鋼板等を挟み込むように配置させた誘導加熱装置に対して、鋼板を一方向に送って移動させながら連続的に印加を行う工法では、送り方向に対して鋼板やその加熱範囲が同じ形状である必要がある。例えば、平面コイルを用いて板状のワークを電磁誘導により加熱する場合、ワークが長方形形状であれば均等に加熱することができる。しかしながら、プレス成型品などの立体形状を持つ鋼板や、プレスに用いるブランク材等の複雑な外形形状を持つ鋼板には適用することができないという問題がある。

また例えば、湾曲部を有するワークを加熱するために、平面コイルの形状を湾曲部に合わせた形状とすることが考えられる。しかしながら、電流は最短経路を通ろうとする性質があるため、ワークの直線形状の箇所と曲線形状の箇所では加熱温度が不均一となるおそれがある。

本発明は、湾曲部を有するワークの加熱範囲に均一な密度の誘導電流を発生させ、ワークの部位ごとの加熱による温度差を低減することができる誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置を提供するものである。

本発明にかかる誘導加熱装置は、湾曲したワークの辺部を誘導加熱する誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置であって、前記誘導加熱コイルは、前記ワークの直線部と湾曲部における熱分布が均一となるように湾曲した形状のコイル本体部を備える。
これにより、ワークに対する誘導加熱コイルの位置や状態を調整することができる。

これにより、湾曲部を有するワークの加熱範囲に均一な密度の誘導電流を発生させ、ワークの部位ごとの加熱による温度差を低減することができる。

実施の形態１にかかる誘導加熱装置の構成を示す図である。 実施の形態１にかかるワークとコイルの配置を示した上面図である。 実施の形態１にかかるワークの辺部に設定される加熱領域の一例を示した上面図である。 実施の形態１にかかるコイル幅を変更したコイルと通常のコイルを用いた場合の誘導加熱の実験結果の一例を示す図である。 実施の形態２にかかる誘導加熱装置の構成を示す図である。 実施の形態２にかかるワークとコイルの配置を示した上面図である。 実施の形態２にかかるワークの辺部に設定される加熱領域の一例を示した上面図である。 実施の形態２にかかる加熱幅を変更した場合と加熱幅を変更しない場合の誘導加熱の実験結果の一例の図である。 実施の形態３にかかる誘導加熱装置の構成を示す図である。 実施の形態３にかかるワークとコイルの配置を示した図である。 実施の形態３にかかるギャップを変更したコイルとギャップを変更しないコイルによる誘導加熱の実験結果の一例の図である。 実施の形態４にかかるワークとコイルの配置を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する誘導加熱装置１は、給電部（図示せず）と、直線部２１と湾曲部２２が形成されたコイル本体部を有する誘導加熱コイル（以下、コイル）１１と、を備える。

図１に示すように、誘導加熱装置１には、ＸＹ方向に平面を有する平板状のワーク１２が配置されているものとする。図２に示すように、ワーク１２の端部近傍には、加熱対象である直線部１２ａと、加熱対象である湾曲部１２ｂを有しており、直線部１２ａと湾曲部１２ｂは連続的に配置されているものとして説明する。なお図１及び図２において、ワーク１２における辺部であって、所定の加熱幅を有する加熱領域の一例を、斜線で示している。なお、以下の図についても同様とする。また図２は上面図の一例であり、コイル１１を点線で示している。

給電部は、コイル１１と接続されている。給電部では、コイル１１に対して電流の供給を行う。

コイル１１は、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２１と湾曲部２２を有する。具体的には、ワーク１２において、直線部１２ａをＺ方向間（上下）で挟んで覆うように一対の直線部２１が配置されており、湾曲部１２ｂを上下で挟んで覆うように一対の湾曲部２２が配置されているものとする。例えば、上面視した場合に、ワーク１２の湾曲部１２ｂの曲線形状と、コイル１１の湾曲部２２の曲線形状が略同一である。なお図１に示すように、ワーク１２の上側に配置されるコイルを上側コイル１１ａ、ワーク１２の下側に配置されるコイルを下側コイル１１ｂとする。

図２に示すように、コイル１１の湾曲部２２は、直線部２１とはコイル幅が異なるように形成されている。すなわち、コイル１１の湾曲部２２のコイル幅は、直線部２１のコイル幅に比べて長く形成された状態とすることや、逆に、直線部２１のコイル幅に比べて短く形成された状態とすることができる。なお湾曲部２２のコイル幅を適宜変更することで、ワーク１２への加熱状態を調整できる。言い換えると、コイル１１のコイル幅を適宜変更することで、ワーク１２の各部位にかかる誘導電力を調整することができる。

なお図１や図２に示すように、コイル幅とは、上面視における直線部２１の延在方向に対する法線方向、および、湾曲部２２における曲線の法線方向である。

典型的には、湾曲部２２のコイル幅が、直線部２１のコイル幅に比べて短くなるようにコイル１１が形成されていることにより、ワーク１２の直線部１２ａと湾曲部１２ｂを均等に加熱できる。

なお、ＸＹ方向に平板状であるワーク１２と、上側コイル１１ａ及び下側コイル１１ｂの上下方向の距離は、いずれの箇所においても略一定である。すなわち、ワーク１２から上側コイル１１ａまでの上下方向の距離について、直線部２１、湾曲部２２にかかわらず略同一である。同様に、ワーク１２と下側コイル１１ｂの上下方向の距離についても、直線部２１、湾曲部２２にかかわらず略同一である。

図３は、直線部１２ａと湾曲部１２ｂとを有するワーク１２の一例である。また図３に示すように、ワーク１２の辺部に、所定の加熱幅である加熱領域が設定されている。

さらに図４は、図３に示したワーク１２について、コイル１１の幅が直線部２１と湾曲部２２とで異なるコイル１１を用いて加熱した場合と、コイル幅の変更を行っていない通常のコイルを用いて加熱した場合の加熱試験の結果の一例である。

図４では、図３に示した測定箇所１〜６について加熱後に温度測定を行った場合に、通常のコイルを用いた加熱では、測定箇所間の差が１５０℃以上となる箇所がある状態が示されている。一方、直線部２１と湾曲部２２とのコイル幅が異なるように形成されたコイル１１を用いた場合には、全ての測定箇所間の温度差が約３０℃以内であって、通常のコイルを用いる場合より、温度差が低くなる状態が示されている。

したがって、コイル幅が異なる直線部２１と湾曲部２２と、を有するコイル１１を用いて電磁誘導加熱を行うことで、誘導電流が加熱領域上を均一に流れることにより、直線部１２ａ及び湾曲部１２ｂの熱分布を均一にし、温度差を低減することができる。

実施の形態２
実施の形態１では、湾曲部２２のコイル幅が直線部２１のコイル幅と異なるように形成されたコイル１１を用いることで、誘導加熱による加熱量を調整することについて説明した。実施の形態２では、湾曲部のコイル幅が直線部のコイル幅と略同一であるコイルを用いて、ワーク１２の直線部１２ａと湾曲部１２ｂの温度差を低減する方法について説明する。なお以下では、実施の形態１の誘導加熱装置１と同様の機能を奏する構成物品等については、同一の符号を付し、説明を省略する。

誘導加熱装置２は、給電部（図示せず）と、直線部２３と湾曲部２４が形成されたコイル本体部を有するコイル１３と、を備える。なお図５に示すように、誘導加熱装置２には、ＸＹ方向に平面を有する平板状のワーク１２が、コイル１３を形成している上側コイル１３ａと下側コイル１３ｂの間に配置されているものとする。

コイル１３は、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２３と湾曲部２４を有する。具体的には、ワーク１２において、直線部１２ａをＺ方向間で挟んで覆うように一対の直線部２３が配置されており、湾曲部１２ｂを上下で挟んで覆うように一対の湾曲部２４が配置されているものとする。

また図６は上面図の一例であり、コイル１３を点線で示している。例えばコイル１３は、湾曲部２４が湾曲部１２ｂと上下方向に重なることで設定される湾曲部１２ｂの加熱領域の加熱幅が、直線部１２ａにおける加熱幅とは異なる状態となるように配置されている。

言い換えると、コイル１３の直線部２３の幅は一定であり、直線部１２ａと上下方向に重なる幅も一定であるように配置される。一方、図６に示すように湾曲部２４においてもコイル１３の幅は直線部２３と同様であるが、ワーク１２の湾曲部１２ｂと湾曲部２４が上下方向に重なることで設定される加熱幅は、直線部１２ａとは異なる加熱幅となるように配置されている。

すなわち、湾曲部１２ｂでは湾曲部２４が上下方向に重なる加熱幅を広くし、湾曲部１２ｂでの加熱量を大きくすることや、上下方向に重なる加熱幅を狭くして、湾曲部１２ｂでの加熱量を小さくすることができる。図８は、図７に示した測定箇所１〜６を設定したワーク１２について、湾曲部１２ｂにおいて湾曲部２４が上下方向に重なる加熱幅を調整したコイル１３を用いた場合と、加熱幅の調整を行っていない配置の通常のコイルを用いて加熱した場合の加熱試験の結果の一例である。

図８に示すように、加熱幅の調整を行っていない通常のコイルを用いた加熱では、測定箇所間の差が１５０℃以上となる箇所がある状態が示されている。一方、加熱幅が直線部２１と湾曲部２２とで異なるように配置されたコイル１３を用いた場合には、全ての測定箇所間の温度差が約３０℃以内であって、調整を行っていない通常のコイルを用いる場合より、温度差が低くなる状態が示されている。

したがって、コイル１３の幅については直線部２１も湾曲部２２も同程度とし、上面視においてワーク１２と上下方向に重なる加熱幅を湾曲部２２において変更した状態で電磁誘導加熱を行うことによって、加熱領域にかかる温度が均一となるため、直線部１２ａ及び湾曲部１２ｂの加熱時の温度差を低減することができる。

実施の形態３
次に、コイルからワーク１２までの距離を変更することによって、ワーク１２の直線部１２ａと湾曲部１２ｂの温度差を低減する方法について説明する。なお以下では、実施の形態１及び実施の形態２に示した構成物品と同様の機能を奏する構成物品については、同一の符号を付し、説明を省略する。

誘導加熱装置３は、給電部（図示せず）と、直線部２５と湾曲部２６が形成されたコイル本体部を有するコイル１４と、を備える。なお図９に示すように、誘導加熱装置３には、ＸＹ方向に平面を有する平板状のワーク１２が、上下のコイル１４ａ、１４ｂの間に配置されているものとする。

図１０（ａ）に示すように、コイル１４は、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２５と湾曲部２６を有する。具体的には、ワーク１２において、直線部１２ａをＺ方向間（上下）で挟んで覆うように一対の直線部２５が配置されており、湾曲部１２ｂを上下で挟んで覆うように一対の湾曲部２６が配置されているものとする。

例えば、上面視した場合に、ワーク１２の湾曲部１２ｂの曲線形状と、コイル１１の湾曲部２６の曲線形状が略同一である。なお、ワーク１２の上側に配置されるコイルを上側コイル１４ａ、ワーク１２の下側に配置されるコイルを下側コイル１４ｂとする。ここで、上側コイル１４ａの下面からワーク１２の上面までの上下方向の距離、及び、下側コイル１４ｂの上面からワーク１２の下目までの上下方向の距離を、ギャップとする。

図１０（ｂ）は、直線部１２ａおよび直線部２５のＡ−Ａ断面図である。図１０（ｂ）に示すように、ワーク１２の直線部１２ａにおいて、ワーク１２とコイル１４のギャップ間隔は一定とする。

図１０（ｃ）は、湾曲部１２ｂおよび湾曲部２６のＢ−Ｂ断面図である。図１０（ｃ）に示すように、ワーク１２の湾曲部１２ｂにおいて、ワーク１２と対向するコイル１４の一部に凹凸を設けることで、ワーク１２とコイル１４のギャップ間隔を変更する。

例えば、湾曲部１２ｂにおいて、上側コイル１４ａの下面が下方に凸状に設けられていることにより、ワーク１２の上面に対して上側コイル１４ａが、直線部１２ａに比べて近接するように形成されている。

図１１は、図１０（ａ）に示した測定箇所１〜４について、湾曲部１２ｂと湾曲部２６とのギャップを調整したコイル１４を用いてワーク１２を誘導加熱した場合と、ギャップの調整を行わない通常のコイル１４を用いて誘導加熱を行った場合の結果を示した図である。

図１１に示すように、ギャップの調整を行っていない通常のコイルを用いた加熱では、測定箇所間の差が大きくなる状態が示されている。一方、ギャップの調整を行ったコイル１４を用いた場合には、全ての測定箇所間の温度差が低減された状態が示されている。

したがって、ワーク１２に対するギャップの調整を行ったコイル１４を用いることによって、加熱領域にかかる温度が均一となるため、ワーク１２の加熱状態を調整することができる。

実施の形態４
次に、複数のコイルを利用することによって、ワークの湾曲部の加熱状態を調整する方法について説明する。なお、実施の形態４では、実施の形態１〜３に示したような幅広の１つのコイルを用いることに代えて、複数のコイルを用いる。なお以下では、実施の形態１〜３に示した構成物品と同様の機能を奏する構成物品については、同一の符号を付し、説明を省略する。

誘導加熱装置４は、給電部（図示せず）と、給電部にそれぞれ接続されるコイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、を備える。なお、誘導加熱装置２には、ＸＹ方向に平面を有する平板状のワーク１２が配置されているものとする。

コイル１５ａは、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２７ａと湾曲部２８ａが形成されたコイル本体部を有する。コイル１５ｂは、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２７ｂと湾曲部２８ｂが形成されたコイル本体部を有する。コイル１５ｃは、ワーク１２の直線部１２ａや湾曲部１２ｂに対応した形状の直線部２７ｃと湾曲部２８ｃが形成されたコイル本体部を有する。

なお、コイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、それぞれ幅が狭く形成されたコイルであって、上面視した場合にコイル１５ｂを挟むように、コイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃが僅かに離間した状態で平行に配置されているものとする。

図１２（ａ）は複数のコイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃをワーク１２の湾曲部１２ｂの上下に配置した状態を示す上面図、図１２（ｂ）は、幅広のコイルをワークの上下に配置した状態を示す上面図である。

図１２（ｂ）に示すように、湾曲部において幅広のコイルを上下方向で挟むように配置した場合、電流の直進性のために内側に電流が偏ることがあり、内側の誘導加熱が強くなる場合がある。

一方、図１２（ａ）に示すように、湾曲部１２ｂにおいて、コイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃにそれぞれ電流を流して誘導加熱することにより、例えば内側に配置されるコイル１５ａと、外側に配置されるコイル１５ｃには、それぞれ同様に電流が流れ、誘導加熱が行われる。これにより、いずれのコイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃで均等に誘導加熱が実行されるため、湾曲部１２ｂにおいて内側と外側で均等に加熱される。

したがって、複数のコイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃを用いてワーク１２を加熱することによって、湾曲部１２ｂにおける内外の加熱状態の偏りを低減できる。すなわち、誘導電流が加熱領域上を均一に流れることにより、ワーク１２の加熱状態を調整することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

例えば実施の形態１において、それぞれの実施の形態において、ワーク１２に複数の湾曲部１２ｂが設けられている場合にはコイル１１に複数の湾曲部２２を設けることができるが、複数の湾曲部１２ｂの湾曲の度合いに応じて、湾曲部２２の幅を変更することができる。

同様にして、実施の形態２において、湾曲部１２ｂの湾曲の度合いに応じて加熱幅を変更することや、実施の形態３において、湾曲部１２ｂの湾曲の度合いに応じてギャップ幅を変更することができる。

さらに、実施の形態１〜４に示したコイルの形状や配置について、実施の形態１〜４に示したうちのいずれか複数を、選択的に組み合わせて用いることができる。例えば、実施の形態１に示したように、ワーク１２の湾曲部１２ｂ近傍におけるコイルのコイル幅を調整しながら、実施の形態２に示したように湾曲部１２ｂにかかる加熱幅を調整するようにコイルの配置を変更することができる。さらにこのコイルについて、実施の形態３に示したようにワークとコイルのギャップを調整したものを利用できる。

実施の形態４において、コイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃの３つを用いるものとしたが、コイルの個数は任意に変更することが可能である。また例えば、実施の形態４に示したコイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃを１つのコイル群として扱うとともに、実施の形態２に示したように加熱幅を調整することもできる。

また、ワーク１２が湾曲部を有する平板状であるものとして説明したが、平板状に限られず、立体的な形状を有するワークについても適用することができることは明らかである。

１−４ 誘導加熱装置
１１ コイル
１１ａ 上側コイル
１１ｂ 下側コイル
１２ ワーク
１２ａ 直線部
１２ｂ 湾曲部
１３ コイル
１４ コイル
１４ａ 上側コイル
１４ｂ 下側コイル
１５ａ コイル
１５ｂ コイル
１５ｃ コイル
２１ 直線部
２２ 湾曲部
２３ 直線部
２４ 湾曲部
２５ 直線部
２６ 湾曲部
２７ａ 直線部
２７ｂ 直線部
２７ｃ 直線部
２８ａ 湾曲部
２８ｂ 湾曲部
２８ｃ 湾曲部

Claims (1)

1. 湾曲したワークの辺部を誘導加熱する誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置であって、
   前記誘導加熱コイルは、
   前記ワークの直線部と湾曲部における熱分布が均一となるように湾曲した形状のコイル本体部を備える、
   誘導加熱装置。

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