JP3181620B2 - 加熱金属要素用の電磁装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属部品を加熱する
ための新規な装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属部品に熱を発生させるための基本的
な機構、システム又は方法はほんの少ししかないことが
知られている。直接炎、浸せき（ｉｍｍｅｒｓｉｏ
ｎ）、放射、抵抗加熱を含む従来の加熱を用いることが
でき、金属の加熱は電気の流れによって生じ、熱は機械
的な応力又は摩擦によって作られる。これらの中には、
熱が磁界の使用によって発生される誘導加熱が含まれて
いる。誘導加熱の分野で良く知られているように、金属
の加工品は交流が供給されるコイルの中に置かれ、加工
品とコイルとは誘導電流が金属に存在するように磁界に
よって結合される。この誘導電流が電気的抵抗加熱と同
様の抵抗損失によって金属を加熱する。通常、コイルは
加熱されるので、加工品の加熱をできるだけ効率的にす
るために冷却する必要がある。誘導電流の密度は加工品
の表面で最大であり、表面からの距離の増大とともに減
少する。この現象は表皮効果として知られており、これ
が重要なのは、全エネルギの大部分が誘導され加熱に利
用されるのはこの深さのみであるからである。典型的な
表皮厚さは低周波数の分野では３−４インチである。全
ての誘導加熱の分野では、加熱は渦電流のために表面で
始まり、加工品の本体へ熱が伝導される。磁界を利用す
る他の金属加熱法は移転磁束（ｔｒａｎｓｆｅｒｆｌｕ
ｘ）加熱と呼ばれる。この方法は、比較的薄い金属片の
加熱に共通に使用されており、誘導コイルの再配置によ
って磁束熱を移転し、磁束は通常の誘導加熱の場合のよ
うに加工品の周囲ではなく加工品に垂直に加工品を通過
する。加工品を通過する磁束は金属片の面内で循環する
磁束線を誘導し、これによって、同じ渦電流損失及び加
工品の加熱を生じる。

【０００３】直流を使用する別の誘導加熱法は「工業加
熱マガジン」１９９０年５月号、第２４ページのグレン
・Ｒ・ムーアの論文に記載されている。この新たな加熱
法においては、直流が利用され、加工品に関する磁界の
回転ではなく加工品の回転のために、加工品の軸方向に
電流が流れる。また、この方法は金属スラブを加熱する
ことができるものとしても記載されており、移転磁束加
熱の直流法である。この方法も、前記の論文に記載され
ているような直流磁界の浸透を決定する方法と表皮効果
とを利用している。

【０００４】しかしながら、これらの加熱システムのい
づれも、磁界において又は直接炎及びその関連方法にお
いて伝導率を変化させることなく外部から加工品を均一
に加熱することはできない。

【０００５】したがって、従来技術の欠点を克服する新
規な磁界技術を利用すること、及び、加工品をその断面
全体にわたって均一に加熱する効率を改善することが望
ましい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、金
属加工品をその断面及び長さ全体にわたって均一に加熱
する方法を提供することである。この発明の他の目的
は、こうした加熱を、伝導を利用することなく、コイル
での及び部品の表皮効果での最小の熱損失で達成するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のこれらの及び
その他の目的は新規な磁界システムによって達成され、
この新規な磁界システムは、これによって発生された磁
界の中に置かれた金属部品の均一な加熱を許容し達成す
る。磁界は磁気ループによって発生され、この磁気ルー
プは複数の薄い板と加工品を置くことができるエアーギ
ャップとを含む。次いで、加工品は囲まれ、磁気ループ
の一部となる。システムによって発生された磁界は加工
品を通過し、ループの残りの部分を通過する。この磁界
システムは５０−６０サイクルで最も良く動作するが、
これは、このシステムが全ての商用設備での利用可能な
コンセントによって分配される通常の電力を利用するこ
とができることを意味する。

【０００８】また、この発明は、磁気ループのエアーギ
ャップ内に置かれた非磁性金属をも均一に加熱する。多
数の実験を行った結果、規則的な部品及び不規則的な部
品の断面全体が所望の温度まで均一に上昇され、しかも
これらの部品が迅速に加熱されたことがわかった。

【０００９】

【実施例】 図１に示すように、磁気ループシステムが
１０に示されている。この磁気ループ１０は磁気ループ
薄片構造へと形成される複数の金属片から成る。磁気片
１１は何らかの高透磁率材料が使用されるが好適な実施
例においては高透磁率けい素鋼である。金属片１１は該
金属片に取付けられるか付着された絶縁体１２を有す
る。この絶縁は通常は金属片の製造者によりされるが、
どのような周知の方法で達成されても良い。如何なる良
好な絶縁材料でも使用され得る。金属片１１は最大１．
０ミリメートルの厚さを有し、製造され得る最も薄い可
能なシートの最小厚さを有しても良い。高透磁率材料の
シートが薄ければ薄いほどシステムの性能は良くなる。
最大効率の材料は０．０００１ミリメートルかまたはよ
り薄いものである。しかし、それは現在商業的に利用で
きない。新規なシステムにおいて、磁気ループは金属片
１１用に０．３０ミリメートルで構成された。これらの
金属片１１は図１に示されるような通常は方形の形で所
望の形状に形成される。片はそれからエポキシまたはゴ
ムのり１３を有する真空室に置かれ、そこでそれは絶縁
体１２の一部になる。真空が室の中に生成され、そして
全ての外部の材料は除去される。それからエポキシまた
はゴムのりは真空が除かれた時に片にボンデイングす
る。これはこの磁気ループを製作する現在最も周知な方
法である。しかし、薄片を製作するためにを片と共に結
合するため金属片、絶縁体そして幾分のゴムのりそして
／または機械的手段を使用することは満足のいくもので
ある。

【００１０】図１に示されるように、２つのコアエリア
１５がある。このコアエリアは正方形から矩形、円形ま
たは円筒形に至る大きさまたは形状であっても良い。コ
アエリアは加熱されるべき加工品に外側に適合するよう
に選択されて良い。もし、大きな加工品が加熱されるな
らば、大きなコアエリア１５が使用されるべきである。
磁界システム即ちループは、磁力線が加工品を介して直
接にコアから他方のコアへ通過するように２つのコア間
に加工品が確実に含まれる時に最大効率で動作する。コ
アエリア１５は加工品に適合するために移動されても良
い。最適の実施となるコイルの長さと該コイルの密度ま
たは重量の間にはひとつの関係がある。現在まで、重大
な関係が唯一経験的に見いだされた。加えて、各コア１
５の上にはコイル１４が巻かれている。コイル巻きの形
状は均一の加熱には重大である。コイルの巻数および寸
法は、システム中の発生された表皮効果および損失によ
り誘導加熱を妨げるために重大である。また、コアの面
の間の距離に関係するコアの巻数と高さが重要であるこ
とが見いだされた。

【００１１】図１に示されるように、コアエリア１５
は、コアから異なる大きさを有する薄片エリア１７へコ
アシステム１０内の磁力の伝達のためにある。この薄片
エリアはＡＢに等しい。ＡおよびＢはコアエリア１５の
長さと幅である。システム内の薄片のエリアにおける端
部の大きさの変更は、加工品を介してコアの間で増加し
た磁気伝達を生じる。しかし、この大きさを変更するこ
とは必要なく、そして全コアシステム薄片は、加熱は十
分には通じないけれど、コアエリアと同じ大きさであり
得る。

【００１２】Ａ／Ｃ接続が１６に示され、コイルに接続
されている。コイルは並列または直列１９にワイヤによ
り接続される。動作において交流電流が図示されてない
交流電流源から接続１６に供給され、該電流は６０サイ
クルまたは特定エリアのラインのどのような周波数でも
ある。この交流電圧はコイル１４の両端に供給されるの
で磁力線はコアエリア１５に誘起されそしてループ１０
を介して２つのコア間に注がれる。磁束はワイヤの電流
またはパイプの液流に類似している。起磁力は磁束流の
発生源でこの特定の例では均一コア密度のコアは平方メ
ートル当たりのウエーバ数の測定可能な磁束密度を有す
る。交流電流がコイル１４に供給される時に、コア中に
起磁力を生じて正および負の値の間を交番する。これは
通常ヒステリシスループと呼ばれる磁化曲線により供給
される。鉄合金は磁化され、そして磁区と呼ばれる微小
領域から成る。各磁区の原子の電子は原子核の回りを回
転しそして自らの軸の回りをスピンする。支配的な動き
は電子スピンにより生成され、そして磁区の各原子の正
味の磁気運動は同じ方向に組織される。交流電流がコイ
ルに供給されるそして加工品がその間に置かれる時に、
加工品の磁区の境界は原子核等の回転の結果として歪が
生じる。この結果が加工品内に摩擦または機械的熱の発
生となる。磁区は通常均一に材料全体に配列されてお
り、そして磁束は断面を通して均一なので熱は均一に加
工品に発生される。この磁界が加工品を均一に加熱する
ために、ループ材料は被加熱材料よりも高い透磁性があ
ることが必要である。スチールブロックは中央および表
面上に埋込まれた熱電対を有する。挿入された加工品と
ともに周囲のエリアへの有効な熱損失を最小にするため
に、加工品はループの中に置かれ、そして加工品の全断
面が急速に（約４分以内に）そして均一に５００度Ｃの
温度に加熱される。加熱効果は、加熱される金属の融解
温度以下のあらゆる望ましい温度まで継続することがで
きる。特定の加工品を加熱するために要求される時間は
加工品の大きさおよび磁界の強さの関数である。

【００１３】磁界ループのコア部分の材料は、磁界の方
向の変化中にヒステリシスループの最大の大きさを越え
ないように該材料が選択されているので、コア部分は加
熱されることはない。それに比して小さいヒステリシス
ループを有する加工品部分は各交番サイクル中に磁力線
の強さがヒステリシス曲線を超えてしまうので、加工品
の加熱を生じる。

【００１４】この同様な磁界加熱装置はまた、金属が磁
性材料のドメインの動作と同様な動作によって整列され
ている結晶構造を有する限り非磁性材料に作用する。結
晶構造は、該構造がその融点かまたはその近くまで整列
されるであろう。アルミニュウムの結晶構造に同様な効
果がそれが突き入れられ時にみられる。熱は結晶構造の
強力な機械的な転覆により発生される。

【００１５】好ましい実施例の別の面で変更が本発明の
趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者に可能で
あろう。特許請求の範囲の記載において、図１を参照す
ることにより明らかなように、磁気ループのエアギャッ
プを間にして互いに向合うコアエリア１５の端面をコア
端面と称している。また、磁気ループのエアギャップを
間にして互いに向合う薄片エリア１７の端面（コアエリ
ア１５を除去した場合の薄片エリア１７の端面）、例え
ばコアエリア１５においてコア端面の裏面のうち薄片エ
リア１７が占有する面（裏面の一部と一致している）、
をループ端面と称している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の磁気システムの１例である。

【図２】図２は薄片の詳細を示す２−２線に沿った図１
の断面図である。

【符号の説明】

１０ 磁気ループシステム １１ 金属片 １２ 絶縁体 １４ コイル １５ コアエリア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 6/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの互いに向合うループ端面の間に開
   空間を有する磁気ループと、 前記磁気ループは、前記互いに向合うループ端面を有す
   る複数の平行な高透磁率導電材料の薄いプレートを含
   み、 前記ループ端面の面積より大きい面積を有しかつ前記磁
   気ループの薄いプレートに対して直角であるコア端面を
   有する第２の複数の平行な高透磁率導電材料の薄いプレ
   ートを含む、前記ループ端面のそれぞれに隣接した複数
   のコアエリアと、 前記プレートは互いに密接に離間されかつ絶縁されてお
   り、 巻線が前記ループ端面に隣接するコアエリアのそれぞれ
   に巻回され、交流源に接続されて該交流源の周波数で前
   記磁界を反転する、導電性巻線により形成された複数の
   巻線と、 を含む金属加熱用の装置。
2. 【請求項２】 ２つの互いに向合うコア端面の間に開空
   間を有する磁気ループと、 前記磁気ループは、前記コア端面を有する複数の平行な
   高透磁率導電材料の薄いプレートを含み、 前記プレートは互いに密接に離間されかつ絶縁されてお
   り、 前記複数の平行な高透磁率導電材料の薄いプレートの前
   記コア端面を含む該プレートの各端部により構成された
   それぞれのコアエリアと、 巻線が前記コアエリアのそれぞれに巻回され、交流源に
   接続されて該交流源の周波数で前記磁界を反転する、導
   電性巻線により形成された複数の巻線と、 を含む金属加熱用の装置。
3. 【請求項３】 前記複数のプレートのそれぞれは１．０
   ０ｍｍから０．０００１ｍｍの間の厚さを有する請求項
   １または２に記載の金属加熱用の装置。
4. 【請求項４】 前記コア端面の間の前記開空間の寸法
   は、前記コア端面の最小の寸法よりも大きいことを特徴
   とする請求項１または２に記載の金属加熱用の装置。
5. 【請求項５】 前記コアエリアのひとつは他のコアエリ
   アに対して直角に移動可能であり、前記コア端面の間の
   開空間の寸法を調整することを特徴とする請求項１また
   は２に記載の金属加熱用の装置。
6. 【請求項６】 前記巻線はコアの誘導加熱が最小になる
   ような巻線の巻数と巻線の幅と長さと間の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属加熱用
   の装置。