JP2023070302A - 誘導加熱コイル - Google Patents

Abstract

【課題】造形時に、誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し傾斜させることなく、金属積層造形法を用いて製造され、冷却流路内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とを図れる、誘導加熱コイルを得る。【解決手段】誘導加熱コイル１０は、金属積層造形法によって作られ、少なくとも１つのリング状部１１，１２を含む。リング状部１１，１２に、コイル周方向に延びる冷却流路２０，２１が形成される。冷却流路２０，２１は、コイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状が、コイル径方向の内外の両端に２つの頂点がある六角形であり、コイル周方向に連続して形成される六角流路を有する。六角流路の断面形状において、コイル径方向における両端のそれぞれで、Ｖ字形を形成する２つの直線Ａ１～Ａ４がコイル径６０に対して傾斜する角度θ１，θ２，θ３，θ４は４５度以下である。【選択図】図６

Description

本発明は、金属積層造形法によって作られた誘導加熱コイルであって、冷却流路内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とに関する。

特許文献１には、金属積層造形法（金属３Ｄプリンタ成形法）によって、内部に冷却流路を有する誘導加熱コイルを製造することが記載されている。

特開２０１８－１０８７６号公報

誘導加熱コイルを金属積層造形法により製造する場合に、冷却流路の断面形状によっては、冷却流路内に形状崩れを防止するためのサポートが必要になる。例えば、冷却流路の断面において、金属積層方向に関して冷却流路の上端に、水平方向と一致する直線がある場合、例えば冷却流路の断面形状が矩形である場合には、内部にサポートが必要になる。

完成後の誘導加熱コイルは、冷却流路に冷却水を流しながらコイル内側に配置した被加熱対象物を誘導加熱する。誘導加熱コイルの電気抵抗を低くし、磁気性能を維持する面から、誘導加熱コイル自体の温度は低い方がよい。上記のサポートが冷却流路内に形成される場合には、冷却流路内の冷却水の圧力損失につながることでエネルギー損失が増大し、また、冷却水流れが円滑にならないので誘導加熱コイルの冷却能力が低下する原因となる。

一方、誘導加熱コイルの金属積層造形法による造形時に、誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し４５度の角度で傾斜させることが考えられる。この場合には、冷却流路の断面形状を矩形とする場合でも、造形時に、断面形状の矩形が４５度傾くので、金属積層方向に関して冷却流路の上端に、水平方向と一致する直線が形成されない。このため、冷却流路の内部に、上端の形状崩れを防止するためのサポートが形成されることを防止できる可能性がある。しかしながら、この場合には、誘導加熱コイルの巻き数が少ない等により軸方向全体の厚みが、コイルの直径であるコイル径の長さに比べて小さい場合に、造形時の誘導加熱コイルを上から見た平面視形状で、傾斜した厚み方向端面を上から見た長さが大きくなる。これにより、誘導加熱コイルの平面視面積が大きくなってしまう。また、金属積層造形では、造形時に、誘導加熱コイルの外形の崩れを防止するために、外面から下側に延びる外部サポートが形成されるので、上下方向に重ねた状態で複数の誘導加熱コイルを成形することはできない。このため、１つの誘導加熱コイルの造形時の平面視面積が大きくなることにより、限られた造形スペースで１度に形成できる誘導加熱コイルの数が少なくなる可能性がある。これにより、誘導加熱コイルを同時に複数製造する場合の各誘導加熱コイルのコスト上昇につながる可能性がある。

本発明の目的は、造形時に、誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し傾斜させることなく、金属積層造形法を用いて製造され、冷却流路内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とを図れる、誘導加熱コイルを得ることである。

本発明に係る誘導加熱コイルは、金属積層造形法によって作られ、少なくとも１つのリング状部を備える誘導加熱コイルであって、前記リング状部に、コイル周方向に延びる冷却流路が形成され、前記冷却流路は、コイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状が、コイル径方向の内外の両端に２つの頂点がある六角形であり、前記コイル周方向に連続して形成される六角流路を含み、前記六角流路の前記断面形状において、前記コイル径方向における両端のそれぞれで、Ｖ字形を形成する２つの直線が前記コイル径に対して傾斜する角度は４５度以下である、誘導加熱コイルである。

本発明に係る誘導加熱コイルによれば、冷却流路の六角流路のコイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状は、六角形である。これにより、コイル中心軸を水平方向に一致させた姿勢で誘導加熱コイルを金属積層造形法で造形するときに、六角流路を上下方向に沿ってコイル中心軸を含む平面、または上下方向に沿ってコイル中心軸に平行な平面で切断したときの断面形状は、上端に、水平方向に対し傾斜した２つの直線からなるＶ字形部を有する六角形となる。また、六角流路のコイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状では、コイル径方向の両端のＶ字形を形成する２つの直線がコイル径に対して傾斜する角度は４５度以下である。このため、六角流路の内部にサポートを形成することなく、六角流路の上部での形状崩れを防止できる。したがって、冷却流路内のサポートを少なくできるか、またはなくせるので、冷却流路内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とを図れる。さらに、この場合には、誘導加熱コイルの造形時に、誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し傾斜させることなく、造形効率を向上可能である。

本発明によれば、造形時に、誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し傾斜させることなく、金属積層造形法を用いて製造され、冷却流路内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とを図れる、誘導加熱コイルを得られる。

実施形態の誘導加熱コイルを組み込んだ誘導加熱装置を斜め上方から見た図である。 図１Ａの誘導加熱装置を斜め下方から見た図である。 図１の誘導加熱装置から誘導加熱コイルを取り出して示す斜視図である。 図２の誘導加熱コイルを図２の矢印Ａ方向に見た図である。 図２のＢ－Ｂ断面と、冷却流路の六角流路の複数位置での断面を示す図である。 図３のＣ－Ｃ断面を含む斜視図である。 （ａ）は図３のＣ－Ｃ断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ部拡大図である。 図３のＥ－Ｅ断面図である。 実施形態の誘導加熱コイルの製造方法において、複数の誘導加熱コイルの造形直後の状態を示す斜視図である。 金属積層造形法によって、サポートが必要になる条件を示すイメージ図である。 比較例の第１例において、誘導加熱コイルのリング状部における冷却流路の断面形状が円形である場合の不都合を示す図である。 比較例の第２例において、誘導加熱コイルのリング状部における冷却流路の断面形状が矩形である場合の不都合を示す図である。 比較例の第３例において、誘導加熱コイルのリング状部における冷却流路の断面形状が五角形である場合の不都合を示す図である。 複数の誘導加熱コイルの中心軸を水平方向に対し傾斜させた状態で製造するときの不都合を示す図である。 冷却水を用いて誘導加熱コイルを冷却する場合の温度解析に用いた、実施例と比較例１～３の誘導加熱コイルの冷却流路の断面形状を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の誘導加熱コイルを説明する。まず、図１Ａ、図１Ｂを用いて誘導加熱コイル１０を組み込んだ誘導加熱装置１００を説明する。図１Ａ、図１Ｂは、誘導加熱装置１００をそれぞれ設置時の斜め上方、斜め下方から見た図である。図１Ａ、図１Ｂでは、誘導加熱装置１００において誘導加熱コイル１０がある側を前側とし、誘導加熱装置１００の固定部（図示せず）に対する取り付け部であるリード部１０１，１０２の裏面が向く側を下側とし、誘導加熱装置１００を図１Ａの前側から見た場合の右左を、それぞれ右側、左側とする。

誘導加熱装置１００は、シャフトなどの被加熱対象物に高周波焼き入れ処理などを行うために用いられ、商用電源等からの電力によって、被加熱対象物を誘導加熱して、被加熱対象物を熱処理する。

また、誘導加熱装置１００の誘導加熱コイル１０は、導電性が優れる材料である銅等の金属材料を用いた金属積層造形法によって製造される。

誘導加熱装置１００は、リード部１０１，１０２と、複数の配管１１０，１１１，１１２，１１３と、誘導加熱コイル１０とを含んで構成される。リード部１０１，１０２には、電源から交流電力が供給され、その交流電力が誘導加熱コイル１０に供給される。

リード部１０１，１０２は、シート状の絶縁体(図示せず)を挟んで対向配置され、左右対称な形状に形成される。

各リード部１０１，１０２は、左右方向内端に連結され上下方向及び前側に延びる縦板部１０５と、縦板部１０５の外側面に結合された外側水路１０７とを有する。外側水路１０７の一端部は、縦板部１０５の後端部の上端から上側に導出される。外側水路１０７の他端が、複数の配管１１０，１１１によって接続されることで冷却流路を形成し、その冷却流路の内部に冷却水を流すことによりリード部１０１が冷却される。

図２は、誘導加熱装置１００から誘導加熱コイル１０を取り出して示す斜視図である。図３は、誘導加熱コイル１０を図２の矢印Ａ方向に見た図である。図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３を参照して、誘導加熱コイル１０では、上側の第１リング状部１１と下側の第２リング状部１２とが中心軸であるコイル中心軸Ｏを一致させるように対向配置される。各リング状部１１，１２は、コイル軸方向に沿った外形の断面形状が矩形であり、全体がコイル周方向の一部で分断された略円環状に形成される。第１リング状部１１の周方向一端部には、コイル径方向外側に突出する第１直線状部１３が形成される。第１直線状部１３の外面には、リード部１０１側の縦板部１０５の前端部が結合される。第２リング状部１２の周方向他端部には、第１直線状部１３の突出位置の近くから、コイル径方向外側に突出する第２直線状部１４が形成される。第２直線状部１４の外面には、リード部１０２側の縦板部１０５の前端部が結合される。

各リング状部１１，１２の外周面の複数位置には、外径側に突出する取付突部１５が形成される。誘導加熱コイル１０は、各取付突部１５を貫通したボルト（図示せず）によって、誘導加熱コイル１０を固定する固定部材（図示せず）に取り付けられる。

さらに、後で詳しく説明するように、誘導加熱コイル１０の内部には、誘導加熱コイル１０の内部に冷却水を流すための冷却流路２０，２１が形成される。冷却流路２０，２１は、第１リング状部１１及び第２リング状部１２のそれぞれに周方向に沿って形成される。冷却流路２０の第１リング状部１１に形成された部分と、冷却流路２１の第２リング状部１２に形成された部分とは、第１リング状部１１の周方向他端部と第２リング状部１２の周方向一端部との結合部１６（図１Ａ）で接続される。冷却流路２０の一端は、第１直線状部１３の後端に開口する。冷却流路２１の他端は、第２直線状部１４の後端に開口する。誘導加熱コイル１０がリード部１０１に結合された状態で、冷却流路２０において、第１直線状部１３の後端に開口する一端には、リード部１０１の外側面に隣り合って配置された配管１１２の一端が接続される。冷却流路２１において、第２直線状部１４の後端に開口する他端には、リード部１０２の外側面に隣り合って配置された配管１１３の一端が接続される。

また、誘導加熱コイル１０は、コイル中心軸Ｏ方向の厚みＤ１（図２）がコイル径方向の長さＤ２（図２）より小さい。これにより、後述のように、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて誘導加熱コイル１０を造形するときに、造形スペースを小さくできる。

誘導加熱装置１００に使用時には、２つの配管１１２，１１３の一方に図示しない水タンクから冷却水が供給され、その冷却水が誘導加熱コイル１０の内部を流れた後、２つの配管１１２，１１３の他方から排出される。これにより誘導加熱コイル１０が冷却される。

誘導加熱装置１００の使用時には、第１、第２リング状部１１，１２の間にリングシート状の絶縁体（図示せず）が配置され、リード部１０１に、電源に接続された第１端子板（図示せず）が接続され、リード部１０２に、電源に接続された第２端子板（図示せず）が接続される。電源から各端子板を介して交流電力がリード部１０１に供給されることで、誘導加熱コイル１０に高周波の交流電流が流れる。これにより、誘導加熱装置１００を用いて誘導加熱コイル１０の内側に挿入した被加熱対象物の高周波焼き入れを行える。

本例では、誘導加熱コイル１０は、金属積層造形法によって作られる。造形された誘導加熱コイル１０は、リード部１０１にロウ付けによって接合される。「金属積層造形法」は、金属粉末を薄い層状に敷く工程と、層状の金属粉末をレーザ照射装置のレーザ光により選択的に溶融し凝固により固化する工程とを繰り返すことで、複数の固化した金属層が積層状態で結合されて誘導加熱コイル１０が造形される。

このように誘導加熱コイル１０を金属積層造形法で製造する場合に、誘導加熱コイル１０の外側には形状崩れを防止するための外部サポートの形成が必要である。また、冷却流路の断面形状によっては、冷却流路の内部にサポートを形成する必要がある。外部サポートは、誘導加熱コイルの造形後に機械加工で容易に除去できる。一方、冷却流路の内部に形成されたサポートは容易には除去できない。これにより、冷却流路の内部にサポートが残ったままとなる可能性がある。このため、冷却流路内の冷却水の圧力損失につながることでエネルギー損失が増大し、また、冷却水流れが円滑にならないので誘導加熱コイルの冷却能力が低下する原因となる。このような事情から、本例の誘導加熱コイル１０では、冷却流路２０，２１の形状の改良によって、内部サポートを不要としている。

図４～図８を用いて、誘導加熱コイル１０の冷却流路２０，２１を詳しく説明する。図４は、図２のＢ－Ｂ断面と、複数位置での冷却流路の断面を概略的に示している。図５は、図３のＣ－Ｃ断面を含む斜視図である。図６（ａ）は、図３のＣ－Ｃ断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ部拡大図である。図７は、図３のＥ－Ｅ断面図である。

図４～図７に示すように、誘導加熱コイル１０の内部には、冷却流路２０，２１が形成される。冷却流路２０，２１は、第１リング状部１１及び第２リング状部１２に形成されたリング状流路部２２，２３と、第１直線状部１３及び第２直線状部１４に形成された直線状流路部３１，３２とを含む。図５、図６に示すように、各リング状部１１，１２のリング状流路部２２，２３は、２つのリング状部１１，１２の結合部１６に設けられた部分同士が、連結流路部２８で接続される。ここで、冷却流路２０，２１の各リング状流路部２２，２３の、連結流路部２８とコイル周方向に一致する部分を除く部分には、対応するリング状部１１，１２のコイル周方向に連続して断面六角形の流路部である六角流路が形成される。

なお、第２リング状部１２の外形では、内周面の軸方向一方側にテーパ面４０が形成され、軸方向他方側に円筒面４１が形成された形状となっているが、第１リング状部１１の内周面に形成された円筒面４２と同様に、軸方向の全体が円筒面であってもよい。

六角流路は、コイル軸であるコイル中心軸Ｏの方向に沿って切断した場合の断面形状（コイル軸方向断面の形状）、例えば図４に示すよ、コイル軸方向断面１、コイル軸方向断面２が、コイル径６０方向の内外の両端に２つの頂点Ｐ１、Ｐ２がある六角形である。

さらに、図６に示すように、六角流路のコイル軸方向断面の形状において、コイル径６０方向における両端のそれぞれで、Ｖ字形を形成する２つの直線Ａ１，Ａ２、Ａ３，Ａ４がコイル径６０に対し傾斜する角度θ１、θ２、θ３、θ４はそれぞれ４５度以下である。これにより、後述のように、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて誘導加熱コイル１０を造形するときに、六角流路の内部に形状崩れを防止するためのサポートを形成する必要がなくなる。

さらに、図５、図６に示すように、２つのリング状流路部２２，２３が、連結流路部２８で接続される部分では、それぞれ六角流路のコイル径６０に対して一方側の形状を有する断面五角形の五角形部４３，４４が、連結流路部２８で接続される。連結流路部２８は、コイル径方向外側の外壁部２９で五角形部４３，４４の外端同士を接続し、コイル径方向内側の内壁部３０で五角形部４３，４４の内端同士を接続する。このとき、外壁部２９は、コイル中心軸Ｏの軸方向について第１リング状流路部２２から第２リング状流路部２３に向かってコイル径方向の内側に傾斜した傾斜面となっている。これにより、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて、かつ各直線状部１３，１４及び連結流路部２８が金属積層方向の上端部に位置するように誘導加熱コイル１０を造形するときに、連結流路部２８の上端となる外壁部２９の内面が水平方向に対し傾斜する。このため、外壁部２９のコイル周方向の長さが短い場合に、連結流路部２８の内部に形状崩れを防止するためのサポートを形成する必要がなくなる。

上記の誘導加熱コイル１０の製造時には、まずコンピュータを用いて誘導加熱コイル１０を３Ｄモデル化し、３Ｄモデルのデータを、コンピュータで、誘導加熱コイル１０の画像を上下方向に沿って所定の間隔毎にスライスして得られる複数のレイヤー画像である２次元画像に分割する。コンピュータは、その複数の２次元画像に基づいて、金属積層造形装置により誘導加熱コイル１０を造形する。このとき、各レイヤー画像に対応する厚み分の薄い厚みの金属粉末層を敷いて、造形する部分にレーザ光を照射し金属粉末を溶融固化する工程を繰り返して、複数の金属層を上下に積層しながら結合して誘導加熱コイル１０を造形する。造形後の誘導加熱コイル１０は、リード部１０１，１０２とロウ付け接合して誘導加熱装置１００を製造する。完成した誘導加熱装置１００は、高周波焼き入れ設備に取り付けられる。

図８は、誘導加熱コイル１０の製造方法において、複数の誘導加熱コイル１０の造形直後の状態を示す斜視図である。図８に示すように、上記の誘導加熱コイル１０は、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて、金属積層造形法によって製造する。このとき、誘導加熱コイル１０は、コイル中心軸Ｏ方向の厚みＤ１がコイル径方向の長さＤ２より小さいので、造形のための造形スペースを小さくできる。このため、図８に示すように、限られた造形スペースで、コイル中心軸Ｏ方向に多くの（図示の例では４つの）誘導加熱コイル１０を並べて形成し、それを１列として、横方向に複数列（図示の例では２列）を並べることができる。このとき、誘導加熱コイル１０の外面の下側には、形状崩れを防止するための外部サポート６１が形成されるが、外部サポート６１は、誘導加熱コイル１０の造形後に、機械加工によって容易に除去できる。

さらに、本実施形態では、各誘導加熱コイル１０の製造において、図８のようにコイル中心軸Ｏが水平方向に一致しているので、図２～図７で示した誘導加熱コイル１０の前後方向が、金属積層方向についての上下方向（金属積層時上下方向）となる。この場合に、本例の誘導加熱コイル１０では、冷却流路２０，２１のうち、リング状部１１，１２に形成される六角流路の、コイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状が、コイル径方向の内外の両端に２つの頂点Ｐ１，Ｐ２がある六角形であり、コイル周方向に連続して形成される。これにより、図８の姿勢で誘導加熱コイル１０を金属積層造形法で造形するときに、六角流路を金属積層時の上下方向に沿って、コイル中心軸Ｏを含む、またはコイル中心軸Ｏに平行な平面で切断したときの断面形状は、図４の前後方向断面や、コイル軸方向断面１、２、図５～図７の断面形状のように、前後方向に切断した断面形状と同じである。これにより、その断面形状は、金属積層方向について、上端と下端とのそれぞれに、水平方向に対し傾斜した２つの直線Ａ１～Ａ４（図６）からなるＶ字形部を有する六角形となる。

また、六角流路のコイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状では、コイル径方向の両端のＶ字形を形成する２つの直線Ａ１～Ａ４がコイル径６０に対して傾斜する角度は４５度以下である。これにより、上記の姿勢で誘導加熱コイル１０を造形するときの金属積層時の上下方向に沿って切断した断面形状では、六角形の上端を形成するＶ字形の２つの直線Ａ１，Ａ２がその上下方向に対し傾斜する角度も４５度以下である。

例えば、図４のコイル軸方向断面１や、図６の各リング状流路部２２，２３の前端部の断面形状では、前後方向、すなわち金属積層時の上下方向に沿って、コイル中心軸Ｏを含む平面で切断したときの断面形状と、コイル径方向の断面形状とは一致する。このとき、図６（ｂ）に示すように、その断面形状における六角流路の金属積層時の上端部でのＶ字形の２つの直線Ａ１，Ａ２が、金属積層時の上下方向に対し傾斜する角度θ１、θ２は、４５度以下となる。これにより、後述のように、六角流路の上記の断面で内部にサポートを形成することなく、形状崩れを防止できる。

一方、図４の前後方向断面や、図７の各リング状流路部２２，２３の前側、後側それぞれの断面形状は、コイル軸方向の断面形状と一致せず、コイル中心軸Ｏから左右方向に離れた分だけ、リング状流路部２２，２３における前後方向長さが大きくなる。このとき、リング状流路部２２，２３のコイル中心軸Ｏ方向と平行な方向の流路幅ｗは、リング状流路部２２，２３がコイル中心軸Ｏから左右方向に離れても一定であるので、前後方向断面の形状は、コイル軸方向断面１より全体的に前後方向に細長くなる。このため、六角流路の前後方向断面の上端部でのＶ字形の２つの直線が、金属積層時の上下方向に対し傾斜する角度は、コイル軸方向断面１の場合の角度よりさらに小さい、４５度以下となる。これにより、六角流路の金属積層時の上下方向に沿った断面は、コイル中心軸Ｏを含む断面以外でも、上端のＶ字形の直線が上下方向に対し傾斜する角度は、４５度以下と小さくなる。これにより、後述のように、六角流路の金属積層時の上下方向に沿ったいずれの断面でも、内部にサポートを形成することなく、形状崩れを防止できる。

図９は、金属積層造形法によって、サポートが必要になる条件を示すイメージ図である。図９に示すように金属積層造形法では、金属粉末６２の薄い層を敷いた状態で造形する部分にレーザ光６３を照射し、金属粉末６２を溶融固化させて層状の溶融固化部６５を形成する。図９では、砂地を付した部分により溶融固化部６５を示している。溶融固化部６５の隣接する位置には、全体の形状が固定されない金属粉末６２が位置する。このとき、溶融固化部６５の積層された層によって水平方向に対し傾斜した傾斜面Ｓａを形成する場合に、鉛直方向に対し傾斜面Ｓａが傾斜する角度である自己支持角θｋが４５度より大きくなると、傾斜面Ｓａの大きさによっては形状崩れが発生しやすくなる。このため、自己支持角θｋが４５度より大きく、かつ傾斜面Ｓａがある程度大きい場合には、傾斜面Ｓａを支えるためのサポートを、溶融固化部の一部として形成する必要がある。

本実施形態では、上記のように六角流路において、金属積層時の上端部におけるＶ字形の２つの直線が鉛直方向に対し傾斜する角度が４５度以下となる。これにより、六角流路の内部にサポートを形成することなく、六角流路の上部での形状崩れを防止できる。したがって、冷却流路２０，２１内のサポートを少なくできるか、またはなくせるので、冷却流路２０，２１内の圧力損失の低減と冷却能力の向上とを図れる。

図１０は、比較例の第１例において、誘導加熱コイルのリング状部７０における冷却流路７１の断面形状が円形である場合の不都合を示す図である。図１０の比較例でも、実施形態と同様に、誘導加熱コイルを、コイル中心軸を水平方向に一致させて、金属積層造形法によって製造する。図１０の比較例では、リング状部７０での冷却流路７１の断面形状が円形である。この場合には、冷却流路の断面形状の内径が比較的大きい場合、例えば冷却流路２０，２１の円形の内径Ｄ３が５ｍｍ以上の場合には、形状精度を高くする面からサポート７２の形成が望まれる。また、誘導加熱コイル１０を銅材料等の熱伝導が高い材料により形成する場合には、冷却流路７１の内径Ｄ３が小さい場合、例えば冷却流路２０，２１の内径Ｄ３が４ｍｍでも、溶融固化部に隣接した金属粉末に熱が伝わりやすくなり、円形断面の冷却流路の上端での造形不良が発生しやすいので、サポート７２の形成が望まれる。

図１１は、比較例の第２例において、誘導加熱コイル１０ａのリング状部７３，７４における冷却流路７５の断面形状が矩形である場合の不都合を示す図である。図１１の比較例でも、実施形態と同様に、誘導加熱コイル１０ａを、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて、金属積層造形法によって製造する。図１１の比較例では、リング状部７３，７４での冷却流路７５の断面形状が矩形である。この場合には、冷却流路７５の金属積層方向についての上下方向に切断した断面形状において、上端が水平方向と一致した直線状となるので、図９に示した自己支持角θｋが９０度となる。このため、サポートが必要になる。例えば、図１１で示したように、冷却流路７５の内部に複数のリング状のサポート７６が形成される。

図１２は、比較例の第３例において、誘導加熱コイル１０ｂのリング状部７７，７８における冷却流路７９の断面形状が五角形である場合の不都合を示す図である。図１２の比較例でも、実施形態と同様に、誘導加熱コイル１０ｂを、コイル中心軸Ｏを水平方向に一致させて、金属積層造形法によって製造する。

図１２の比較例では、リング状部７７，７８での冷却流路７９の断面形状がコイル径方向の内周端にＶ字形の頂点を有する五角形である。この場合には、冷却流路２０，２１のうち、金属積層方向について下側となる流路の断面では上端にＶ字形部が形成されるので、実施形態と同様にサポートが不要になる可能性はある。しかしながら、冷却流路２０，２１のうち、金属積層方向について上側となる流路の断面では上端が水平方向と一致した直線状となるので、流路の内部に複数のサポート８０が必要になる。

図１０～図１２で示した各比較例の場合には、サポートが必要になるか、または大きさによってサポートが必要になる。これにより、冷却流路内の圧力損失が増大し、冷却能力が低下する可能性がある。

図１３は、複数の誘導加熱コイル１０ｃのコイル中心軸Ｏを水平方向に対し傾斜させた状態で製造するときの不都合を示す図である。図１３に示すように、図１０～図１２の各比較例のいずれかにおいて、コイル中心軸Ｏを水平方向に対し例えば４５度傾斜させた状態で、金属積層造形を行うことが考えられる。この場合には、冷却流路の断面形状を例えば図１１の比較例と同様に矩形または円形とする場合でも、造形時に、金属積層方向に関して冷却流路の上端に、水平方向と一致する直線が形成されない等により、冷却流路の内部に、上端の形状崩れを防止するためのサポートが形成されることを防止できる可能性がある。

一方、図１３の状態で誘導加熱コイル１０ｃを造形する場合には、誘導加熱コイル１０ｃの巻き数が少ない等により軸方向全体の厚みがコイル径の長さに比べて小さい場合に、造形時の誘導加熱コイル１０ｃを上から見た平面視形状で、傾斜した厚み方向端面を上から見た長さが大きくなる。これにより、誘導加熱コイル１０ｃの平面視面積が大きくなってしまう。また、金属積層造形では、造形時に、誘導加熱コイル１０の外形の崩れを防止するために、外面から下側に延びる外部サポート６１が形成されるので、上下方向に重ねた状態で複数の誘導加熱コイル１０ｃを成形することはできない。このため、１つの誘導加熱コイル１０の造形時の平面視面積が大きくなることにより、限られた造形スペースで１度に形成できる誘導加熱コイル１０ｃの数が少なくなる。図１３の場合には、図８の実施形態の場合と同様のスペースで同じ大きさの誘導加熱コイル１０を複数製造することを検討した結果、図８の場合の半分の４つの誘導加熱コイル１０ｃしか製造できないことが分かった。これにより、誘導加熱コイル１０ｃを同時に複数製造する場合の各誘導加熱コイル１０ｃのコスト上昇につながる可能性がある。

図１～図８で示した実施形態では、図１０～図１２の比較例及び図１３の製造方法での不都合をいずれもなくすことができる。

次に、実施形態と同様の形状を有する実施例の誘導加熱コイル１０と、比較例１～３の誘導加熱コイル１０ｄ、１０ｅ、１０ｆとを用いて、冷却水による冷却を行いながら高周波焼き入れを行うときのコイルの最大温度を確認したＣＡＥでの温度解析結果を説明する。

図１４は、上記の温度解析に用いた、実施例（ａ）と比較例１～３（（ｂ）～（ｄ））の誘導加熱コイル１０，１０ｄ、１０ｅ、１０ｆの冷却流路２０（２１），８１～８３の断面形状を示している。比較例１の冷却流路８１は、コイル径方向に切断した断面形状が長円形である。比較例２の冷却流路８２は、コイル径方向に切断した断面形状が矩形である。比較例３の冷却流路８３は、コイル径方向に切断した断面形状が三角形である。比較例１～３のいずれも内部にサポートは形成されないと仮定する。

比較例３の三角形の冷却流路８３では、実施形態と同様に、コイル中心軸を水平方向に一致させて金属積層造形法によって製造した場合でも、冷却流路８３の金属積層方向の上下方向に切断した断面形状の上端を、水平方向に対し大きく傾斜した直線とできるので、サポートが不要になる可能性はある。一方、比較例１では、コイル中心軸を水平方向に一致させて金属積層造形法によって製造する場合に、冷却流路８１の断面形状における内径を小さくしない限り、サポートが必要になる。比較例２では、コイル中心軸を水平方向に一致させて金属積層造形法によって製造する場合には、サポートが必要になる。

一方、上記の温度解析によって、誘導加熱コイル１０，１０ｄ、１０ｅ、１０ｆの最大温度は、実施例で８８．０℃、比較例１で８４．６℃、比較例２で８０．６℃、比較例３で９１．３℃となった。このため、実施例及び比較例１，２では、誘導加熱コイル１０，１０ｄ、１０ｅの最大温度は許容範囲となったが、比較例３では誘導加熱コイル１０ｆの温度が大幅に上昇し許容範囲を超えることが分かった。この理由は、誘導加熱コイルの断面形状における冷却流路８３の面積割合が小さくなることによると考えられる。このため、比較例３のように冷却流路８３の断面形状を三角形とした場合には、実施形態と異なり、冷却能力の向上を図ることが困難である。

また、実施形態と異なり、冷却流路の断面形状が六角形より角数が多い多角形であると、自己支持角θｋが４５度より大きくなるか、その断面形状が円形に近づくため、造形時にコイル中心軸を水平方向に対し傾斜させない限り、冷却流路の断面形状の大きさによっては冷却流路の内部にサポートが必要になる。このため、誘導加熱コイルの冷却能力が低下し、圧力損失が増大する可能性がある。実施形態によれば、冷却流路２０，２１の六角流路にサポートが形成されないので、誘導加熱コイルの冷却能力の向上及び圧力損失の低減を図れる。

なお、上記の実施形態の誘導加熱コイル１０では、リング状部１１，１２が２つである場合を説明したが、これに限定せず、リング状部は、１つのみ、または３つ以上としてもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 誘導加熱コイル、１１ 第１リング状部、１２ 第２リング状部、１３ 第１直線状部、１４ 第２直線状部、１５ 取付突部、１６ 結合部、２０，２１ 冷却流路、２２，２３ リング状流路部、２８ 連結流路部、２９ 外壁部、３０ 内壁部、３１，３２ 直線状流路部、４０ テーパ面、４１、４２ 円筒面、６０ コイル径、６１ 外部サポート、６２ 金属粉末、６３ レーザ光、６５ 溶融固化部、７０ リング状部、７１ 冷却流路、７２ サポート、７３、７４ リング状部、７５ 冷却流路、７６ サポート、７７，７８ リング状部、７９冷却流路、８０ サポート、８１，８２，８３ 冷却流路、１００ 誘導加熱装置、１０１，１０２ リード部、１０５ 縦板部、１０７ 外側水路、１１０，１１１、１１２，１１３ 配管。

Claims (1)

1. 金属積層造形法によって作られ、少なくとも１つのリング状部を備える誘導加熱コイルであって、
   前記リング状部に、コイル周方向に延びる冷却流路が形成され、
   前記冷却流路は、コイル軸方向に沿って切断した場合の断面形状が、コイル径方向の内外の両端に２つの頂点がある六角形であり、前記コイル周方向に連続して形成される六角流路を含み、
   前記六角流路の前記断面形状において、前記コイル径方向における両端のそれぞれで、Ｖ字形を形成する２つの直線が前記コイル径に対して傾斜する角度は４５度以下である、
   誘導加熱コイル。
   
   
   
   

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