JP3623815B2 - 環状リングの誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スラストベアリング、リテーナ、フラッパーバルブ等の環状リングの高周波焼入など、とくに薄板環状リングの誘導加熱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリング状被加熱体の高周波焼入れなどの誘導加熱においては、図１２に示すような巻線型加熱コイル２が用いられている。
【０００３】
しかしながら、かかる巻線型加熱コイルでは、図１２に示すように磁力線密度が被加熱体の外径側では密で内径側では粗になるため、図に示すような長軸の中空被加熱体の表面加熱には適するが、環状リングのような被加熱体の場合には環状部の幅方向の均一な加熱ができず、加熱むらにより歪が生ずるという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、２つの環状形の加熱コイルを被加熱体環状リングの両平面側に配設するという従来の誘導加熱装置の加熱コイル配置には見られなかった構成にすることにより、従来均一な加熱が困難であった薄板の環状リングについて、内外径、厚さ方向共に均一に加熱され被加熱体の歪みが少ない環状リングの誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の環状リングの誘導加熱装置は、被加熱体環状リングの両面の同心軸上に間隔をおいて配設され、同一方向に高周波電流が流れる環状形コイルを形成する第１及び第２の誘導加熱コイルを備えたものである。
【０００６】
そして、該第１及び第２の誘導加熱コイルは、該コイルの内径が被加熱体環状リングの内径より大きく、かつ該リングの外径より小さく、該コイルの外径が被加熱体環状リングの外径より大きい平板の環状導体を有して、被加熱体環状リングの平面幅方向の温度を均一加熱することを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
本発明の構成においては、被加熱体環状リングを間に挟んだ２つの環状形の誘導加熱コイルに同方向の高周波電流が流されるので被加熱体環状リングには誘導加熱コイルの電流と反対方向の電流が生じ、誘導加熱コイルと被加熱体との電磁反発力により被加熱体環状リングは誘導加熱中に両側の２つの誘導加熱コイルから等距離の中間に浮遊状態に自動的に保持される。
【０００８】
誘導加熱コイルの径と被加熱体環状リングの径との関係を図４及び図５を用いて考察すると以下のようになる。これらの図において、１は被加熱環状リング、１１及び２１は第１及び第２の誘導加熱コイルを示す。また、
Ｒ１ ＝誘導加熱コイルの内径半径
Ｒ２ ＝誘導加熱コイルの外径半径
ｒ１ ＝被加熱環状リングの内径半径
ｒ２ ＝被加熱環状リングの外径半径
ｒ＝被加熱環状リングの任意の位置における半径
を示す。また、ｍは第１及び第２の誘導加熱コイルの内側の間隔を示し、図中矢印は磁場の強さＢを定性的に示すものである。
【０００９】
まず図４において、Ｒ２ ＞ｒ２ ＞ｒ１ ＞Ｒ１ の場合、即ち被加熱体環状リングが加熱コイルに全面覆われる場合について考察するとファラデーの法則（積分形式）により数１の式（１）で表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】
式（１）においてＵｉｎｄｕ＝誘導電位差
Ｅ ＝電場の強さ
ｄｌ ＝微小円弧長さ
ｄｓ ＝微小面積
を表す。即ち、被加熱体環状リングの任意の位置に置ける半径ｒに沿う電場の強さＥ［Ｖ／ｍ］に関する周回積分は２πｒ２ ，２πｒ，２πｒ１ に於いて等しく誘導電位差Ｕｉｎｄｕ［Ｖ］となる。これらの電位差によって電流が被加熱体環状リングに流れるが、そのｒ２ 部，ｒ部，ｒ１ 部の電流密度Ｊは、
Ｊｒ２＜Ｊｒ ＜Ｊｒ１
となる。これにより、温度Ｔは
Ｔｒ２＜Ｔｒ ＜Ｔｒ１
となり被加熱環状リングの内周部の温度が高く外周部に向かって低くなる。
【００１２】
つぎに図５に示すＲ２ ＞ｒ２ ＞Ｒ１ ＞ｒ１ の場合、即ち、被加熱体環状リングの内径が加熱コイル内径より小さく内径側が加熱コイルから図中のＲ１ −ｒ１ ＝ｎだけはみ出している場合について考察すると以下のようになる。
【００１３】
図５の被加熱体環状リングのうち加熱コイルから内径がはみ出している部分、即ちＲ１ ＞ｒ＞ｒ１ のｒ点について考察すると数２の式（２）及び式（３）のようになる。
【００１４】
【数２】
【００１５】
したがってＵｉｎｄｕ Ｒ１ ＞Ｕｉｎｄｕ ｒ１ となり
被加熱体環状リングの電流密度Ｊは、
ＪＲ１＞Ｊｒ ＞Ｊｒ１
になり、温度上昇Ｔは、
ＴＲ１＞Ｔｒ ＞Ｔｒ１
になる。即ち、加熱コイルからはみ出している部分の温度は加熱コイルの内径相当部が高く被加熱リングの内径に向かって低くなる。
【００１６】
また、図５の被加熱体環状リングが誘導加熱コイルに覆われている部分、即ちｒ２ ＞ｒ＞Ｒ１ のｒ点に於いては数３の式（４）になる。
【００１７】
【数３】
【００１８】
したがってＵｉｎｄｕ ｒ２ ＝Ｕｉｎｄｕ Ｒ１ になり、
被加熱体環状リングの電流密度Ｊは、
Ｊｒ２＜Ｊｒ ＜ＪＲ１
になり、温度上昇Ｔは、
Ｔｒ２＜Ｔｒ ＜ＴＲ１
になる。即ち、加熱コイルに覆われている部分の温度は被加熱リングの外径部が低く加熱コイルの内径相当部に向かって高くなる。
【００１９】
上記の結果から被加熱体環状リングの内径が加熱コイル内径より小さく内径側が加熱コイルからはみ出している場合の被加熱体環状リングの温度は、外径部から加熱コイルの内径相当部の環状リングの中央部に向かって高くなり、そこから再び環状リングの内径部に向かって低下する。この理論的な計算結果は後述する加熱実験結果と良く一致する。被加熱環状リングの内外径の熱膨張の差により生ずる応力による歪みを生じさせないためには環状リングの幅の温度差を４０℃以下にすることが望ましいが、上記結果から被加熱環状リングの内径のはみ出し量を適切に選択することにより温度差を減少できることが考察された。
【００２０】
この様に被加熱体環状リングの加熱条件を形成するためには誘導加熱コイルに発生する磁場Ｂと被加熱体環状リング内に発生する電場Ｅとが鎖交（インターリンク）する条件を作りだすことが必要である。これは、印加周波数ｆと２つの誘導加熱コイル４及び５の間隔ｍにより定まるが、この値の精密な計算は困難であり実験によって決定される。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を図示の一実施例について具体的に説明する。図１は本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の部品構成を示す分解斜視図であり、図２はその組み立て後の平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線図である。
【００２２】
これらの図において、第１の誘導加熱コイル１１及び第２の誘導加熱コイル２１は環状形を形成し無酸素銅などの良導電体で作られる。それぞれの加熱コイル１１及び１２の円環状部１１ａ及び２１ａには、一か所に割込みが入れられ導通しないように切り離されている。この割り込み溝１１ｂ及び２１ｂの両側には、それぞれ長い足のリード部１１ｃ，２１ｃ及び短い足のリード部１１ｄ，２１ｄが設けられる。そして、第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２は、第１コイル１１の長いリード部１１ｃが第２コイル２１の短いリード部２１ｄに、第１コイル１１の短いリード部１１ｄが第２コイル２１の長いリード部２１ｃに相対するように向かい合わせて同心軸上に配設される。各誘導加熱コイル１１及び２１は円環状部１１ａ，２１ａの上端側にコイル固定用の突起部１１ｅ，２１ｅを有し、また該円環状部１１ａ，２１ａの互いに反対側の表面には水冷用の銅パイプ１２，２２が鑞付される。
本実施例では、加熱コイルの円環状部の内径をｄ＝６５ｍｍφ、外径をＤ＝１０５ｍｍφ、厚さをｔ＝６ｍｍにした。
【００２３】
第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２の間には、スペーサ３０が同心軸上に配設され、かつ２つの加熱コイルの円環状部１１ａ，２１ａの間に挟まれている。スペーサ３０は、中心に加熱コイル内径と同径の円孔を有する矩形状の２枚のセラミックなどの耐熱絶縁板３１，３１を合わせてなり、２枚の向かい合わせる面に被加熱体環状リング１を挿入するスリットを構成するスリット部３１ａ，３１ａが設けられている。この２枚の耐熱絶縁板３１，３１を４本のボルト３２ａ，ナット３２ｂ，ワッシャ３２ｃで緊締してスペーサ３０を構成する。誘導加熱の場合、加熱コイルと被加熱体との間隔は小さい方が有効でありスペーサ３０は薄い方がよいが、本実施例ではスペーサ３０の厚さを１５ｍｍ、即ち、前記２つの加熱コイル１１，２１の内側の間隔を１５ｍｍとした。
【００２４】
前記スペーサ３０を前記２枚の加熱コイル１１，２１で挟み、突起部１１ｅ，２１ｅとスペーサ３０を貫通させてビス３３ａ及びナット３３ｂで緊締した。また、リード部１１ｃ，と２１ｄ，リード部１１ｄと２１ｃをそれぞれビス３６ａ，ナット３６ｂで緊締した。このとき、前記各ビス３３ａ，３６ａには絶縁ワッシャ３４及び絶縁スリーブ３５を使用して各ビスにより第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２の間が導通しないように絶縁した。また、第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２のリード部の間には、導電体からなる段違い状に形成された導通ブロック１３を設けて、第１コイル１１のリード部１１ｄと第２コイル２１のリード部２１ｄの短いリード部同士を導通すると共に、絶縁ブロック１４、１５を挿入して、第１コイルのリード部１１ｃと第２コイルのリード部２１ｄ、第１コイルのリード部１１ｄと第２コイルのリード部２１ｃの長いリード部と短いリード部の間で導通しないように絶縁した。これにより、第１コイル１１と第２コイル２１の環状部１１ａ，２１ａには同一方向の電流が流れることになる。
【００２５】
第１コイル１１のリード部１１ｃは固定ブロック１８に、第２コイルのリード部２１ｃは固定ブロック２８に導通するように、それぞれ２本づつのビス１９により緊締される。また、固定ブロック１８及び２８は図示しない周波数変換装置に電気的に接続され、固定ブロック１８及び２８には図示しない冷却用の水孔が設けられ加熱コイルの冷却パイプと同様に水冷される。
【００２６】
上記構成によって、周波数変換装置から供給される電流は、固定ブロック１８から第１コイル１１の長いリード部１１ｃに導通し、環状部１１ａ，短いリード部１１ｄを通り、導通ブロック１３を介して第２コイル２１の短いリード部２１ｄ、環状部２１ａ，長いリード部２１ｃから固定ブロック２８に流れる。これにより第１コイル１１と第２コイル２１の電流は同方向に流れる。
【００２７】
次に、本構成の誘導加熱装置による環状リングの加熱実験の結果について説明する。
実験に用いた被加熱体は炭素鋼の磨鋼板で下記の４種類の寸法にした。
試料Ａ ７５ｍｍφ×１００ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｂ ６５ｍｍφ×９０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｃ ５５ｍｍφ×８０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｄ ４５ｍｍφ×７０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
【００２８】
前記の加熱コイル寸法と被加熱リングの寸法の関係を図６に示す。図示するように加熱コイル寸法は６５ｍｍφ×１０５ｍｍφであるので、試料Ａは、外径が加熱コイルより５ｍｍ小さく、内径が加熱コイルより１０ｍｍ大きいので試料全面が加熱コイルの中に覆われる。試料Ｂは、外径が加熱コイルより１５ｍｍ小さく内径は加熱コイルに等しいので、前記同様に試料全面は加熱コイルの中に覆われる。試料Ｃは内径が加熱コイルより１０ｍｍ小さく外径も加熱コイルより２５ｍｍ小さいので、内径側が僅かに加熱コイルからはみ出し残りの部分が加熱コイルに覆われる形になる。試料Ｄは外径が加熱コイル内径より５ｍｍ大きいだけで、内径は加熱コイル内径より２０ｍｍ小さく、外径部が僅かに加熱コイルに覆われるだけで中央部から内径部の大部分は加熱コイルからはみ出す形になる。
【００２９】
加熱実験は以下の加熱条件により行った。
周波数を１０ＫＨｚ
加熱時間： ２秒
出力電力： ９〜１２ｋｗ
出力電圧： ２００Ｖ
【００３０】
実験方法は、試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの被加熱体リング１を図１のスペーサー３０に設けた溝３１ａに挿入し、第１及び第２の誘導加熱コイル１１、２１に前記条件の高周波電流を通電した。被加熱体リング１は、その両側の第１及び第２加熱コイルのコイル電流の反発力により両コイルの中立点に保持された状態で加熱された。即ち被加熱体リングと両加熱コイルとの距離が等しくなる状態で加熱されるため被加熱体リングの表裏が均一に加熱された。これによって被加熱体リングに加熱による歪みがほとんど生じなかった。
【００３１】
誘導加熱による被加熱体リングの温度分布の実験結果を図７乃至図１０に示す。これらの図において、横軸は加熱コイルの通電時間を秒で示し、縦軸は被加熱リングの外径部、中心部、内径部の測定温度を℃で示す。いずれも通電により被加熱体の温度は急速に上がり２秒後に約９００度になるが各試料により内外径の温度に差が生じた。通電２秒後に電源を切ると表面の放射による温度低下と被加熱体内部の熱伝導によりこの温度差の値は減少した。
【００３２】
図１１は、図７乃至１０の被加熱体リングの各部の最高温度の結果をまとめたものである。即ち、被加熱体リング全面が加熱コイルに覆われた試料Ａでは、内径側の温度が高く中央部、外径側に向かって温度が低くなり、その温度差は外径部と中央部で約６０℃、中央部と内径部で約７０℃で全体で約１３０℃になった。これは前述したように内径円周全長が外径円周全長より小さく内径側全抵抗が外径側の全抵抗より低いためである。内径が加熱コイルの内径と等しい試料Ｂは、内径部と中央部はほぼ等しいが、外径側の温度が低く、その温度差は、約８０℃であった。内径部が加熱コイルから僅かにはみ出した試料Ｃでは、外径部から内径部に向かって温度が低下し、外径部と中央部の温度差は約１０℃、中央部と内径部の温度差は約３０℃で全体の温度差は４０℃と最も少なかった。試料Ｃは試料Ａ又は試料Ｂと異なり被加熱体リングの内径側が加熱コイルに覆われないため温度上昇が少なく温度曲線の傾向が異なる。外径部が僅かに加熱コイルに覆われる試料Ｄでは、試料Ｃと同様に外径部から内径部に向かって温度が下がるが、その温度差は外径部と中央部で約８０℃、中央部内径部で約１２０℃と全体で約２００℃の温度差が生じた。これらの実験結果から、加熱コイルの内径は被加熱リングの内径よりやや大きく、加熱コイルの外径は被加熱リングの外径より大きくして、加熱コイルが被加熱リングを覆う面積と被加熱リングが加熱コイルからはみだす面積を適切に選択することにより均一な加熱ができることが分かった。上記の実験結果による温度測定値の傾向は前述した理論的考察の結果と良く一致することが認められた。
【００３３】
なお、本実施例においては、被加熱体を円形の環状リングについて行ったが、多角形の環状体リングについて多角形環状形の誘導加熱コイルを使用する場合にも適用できる。また、本実施例の図１３のａのような均一断面の環状リングのみでなく図１３のｂ乃至ｇに示すような異形断面の環状リングや全体同時に誘導加熱は困難な大径のリングの誘導加熱も可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の構成によれば、被加熱体リングが両側の加熱コイルの電磁力により反発され、誘導加熱中に両加熱コイルの中央に浮遊状態で保持され、両面の加熱が均一になり薄肉の環状リングでも誘導加熱による歪みを減少できる。このような２つの環状加熱コイルを、被加熱環状リングの両面に配設した例は無く、本発明者の新しい着想による効果である。
【００３５】
また、加熱コイルの内径を被加熱環状リングの内径より大きくすることにより、被加熱体の内径円周全長が外径円周全長より短く抵抗が少ないため生ずる内径側の温度上昇を抑えて幅の広い環状リングの加熱においても幅方向の均一な加熱が可能となる。これにより加熱むらによる歪みが減少する。
【００３６】
即ち、被加熱体の両側に配設した２つの誘導加熱コイルの間隔と、誘導加熱コイルの内径と被加熱体環状リングの内径の差の値と、使用周波数を適切に選択することにより被加熱体環状リングの幅の温度差を熱膨張差により歪みの生じない４０℃以下に短時間で加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の部品構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線図である。
【図４】被加熱体環状リングが誘導加熱コイルに全面覆われる場合の説明図である。
【図５】被加熱体環状リングの内径部が誘導加熱コイルの内径部からはみ出す場合の説明図である。
【図６】本発明実施例の誘導加熱コイルと被加熱体リングとの寸法の関係を示す図である。
【図７】本発明実施例の被加熱体リング試料Ａの温度を示す図である。
【図８】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｂの温度を示す図である。
【図９】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｃの温度を示す図である。
【図１０】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｄの温度を示す図である。
【図１１】本発明実施例の被加熱体リング試料の最高温度の実験結果をまとめた図である。
【図１２】従来の誘導加熱コイルと、その磁力線分布を示す図である。
【図１３】本発明の誘導加熱装置により誘導加熱が可能な異形断面の環状リングの例である。
【符号の説明】
１ 被加熱体環状リング
２ 巻線型誘導加熱コイル
１１ 第１の誘導加熱コイル
１２ 冷却水パイプ
１３ 導通ブロック
１４ 絶縁ブロック
１５ 絶縁ブロック
１８ 固定ブロック
１９ ビス
２１ 第２の誘導加熱コイル
２２ 冷却水パイプ
２８ 固定ブロック
３２ａ ボルト
３２ｂ ナット
３２ｃ ワッシャ
３３ａ ビス
３３ｂ ナット
３４ 絶縁ワッシャ
３５ 絶縁ブッシュ
３６ａ ビス
３６ｂ ナット
【産業上の利用分野】
本発明は、スラストベアリング、リテーナ、フラッパーバルブ等の環状リングの高周波焼入など、とくに薄板環状リングの誘導加熱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリング状被加熱体の高周波焼入れなどの誘導加熱においては、図１２に示すような巻線型加熱コイル２が用いられている。
【０００３】
しかしながら、かかる巻線型加熱コイルでは、図１２に示すように磁力線密度が被加熱体の外径側では密で内径側では粗になるため、図に示すような長軸の中空被加熱体の表面加熱には適するが、環状リングのような被加熱体の場合には環状部の幅方向の均一な加熱ができず、加熱むらにより歪が生ずるという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、２つの環状形の加熱コイルを被加熱体環状リングの両平面側に配設するという従来の誘導加熱装置の加熱コイル配置には見られなかった構成にすることにより、従来均一な加熱が困難であった薄板の環状リングについて、内外径、厚さ方向共に均一に加熱され被加熱体の歪みが少ない環状リングの誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の環状リングの誘導加熱装置は、被加熱体環状リングの両面の同心軸上に間隔をおいて配設され、同一方向に高周波電流が流れる環状形コイルを形成する第１及び第２の誘導加熱コイルを備えたものである。
【０００６】
そして、該第１及び第２の誘導加熱コイルは、該コイルの内径が被加熱体環状リングの内径より大きく、かつ該リングの外径より小さく、該コイルの外径が被加熱体環状リングの外径より大きい平板の環状導体を有して、被加熱体環状リングの平面幅方向の温度を均一加熱することを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】
本発明の構成においては、被加熱体環状リングを間に挟んだ２つの環状形の誘導加熱コイルに同方向の高周波電流が流されるので被加熱体環状リングには誘導加熱コイルの電流と反対方向の電流が生じ、誘導加熱コイルと被加熱体との電磁反発力により被加熱体環状リングは誘導加熱中に両側の２つの誘導加熱コイルから等距離の中間に浮遊状態に自動的に保持される。
【０００８】
誘導加熱コイルの径と被加熱体環状リングの径との関係を図４及び図５を用いて考察すると以下のようになる。これらの図において、１は被加熱環状リング、１１及び２１は第１及び第２の誘導加熱コイルを示す。また、
Ｒ１ ＝誘導加熱コイルの内径半径
Ｒ２ ＝誘導加熱コイルの外径半径
ｒ１ ＝被加熱環状リングの内径半径
ｒ２ ＝被加熱環状リングの外径半径
ｒ＝被加熱環状リングの任意の位置における半径
を示す。また、ｍは第１及び第２の誘導加熱コイルの内側の間隔を示し、図中矢印は磁場の強さＢを定性的に示すものである。
【０００９】
まず図４において、Ｒ２ ＞ｒ２ ＞ｒ１ ＞Ｒ１ の場合、即ち被加熱体環状リングが加熱コイルに全面覆われる場合について考察するとファラデーの法則（積分形式）により数１の式（１）で表される。
【００１０】
【数１】
式（１）においてＵｉｎｄｕ＝誘導電位差
Ｅ ＝電場の強さ
ｄｌ ＝微小円弧長さ
ｄｓ ＝微小面積
を表す。即ち、被加熱体環状リングの任意の位置に置ける半径ｒに沿う電場の強さＥ［Ｖ／ｍ］に関する周回積分は２πｒ２ ，２πｒ，２πｒ１ に於いて等しく誘導電位差Ｕｉｎｄｕ［Ｖ］となる。これらの電位差によって電流が被加熱体環状リングに流れるが、そのｒ２ 部，ｒ部，ｒ１ 部の電流密度Ｊは、
Ｊｒ２＜Ｊｒ ＜Ｊｒ１
となる。これにより、温度Ｔは
Ｔｒ２＜Ｔｒ ＜Ｔｒ１
となり被加熱環状リングの内周部の温度が高く外周部に向かって低くなる。
【００１２】
つぎに図５に示すＲ２ ＞ｒ２ ＞Ｒ１ ＞ｒ１ の場合、即ち、被加熱体環状リングの内径が加熱コイル内径より小さく内径側が加熱コイルから図中のＲ１ −ｒ１ ＝ｎだけはみ出している場合について考察すると以下のようになる。
【００１３】
図５の被加熱体環状リングのうち加熱コイルから内径がはみ出している部分、即ちＲ１ ＞ｒ＞ｒ１ のｒ点について考察すると数２の式（２）及び式（３）のようになる。
【００１４】
【数２】
したがってＵｉｎｄｕ Ｒ１ ＞Ｕｉｎｄｕ ｒ１ となり
被加熱体環状リングの電流密度Ｊは、
ＪＲ１＞Ｊｒ ＞Ｊｒ１
になり、温度上昇Ｔは、
ＴＲ１＞Ｔｒ ＞Ｔｒ１
になる。即ち、加熱コイルからはみ出している部分の温度は加熱コイルの内径相当部が高く被加熱リングの内径に向かって低くなる。
【００１６】
また、図５の被加熱体環状リングが誘導加熱コイルに覆われている部分、即ちｒ２ ＞ｒ＞Ｒ１ のｒ点に於いては数３の式（４）になる。
【００１７】
【数３】
したがってＵｉｎｄｕ ｒ２ ＝Ｕｉｎｄｕ Ｒ１ になり、
被加熱体環状リングの電流密度Ｊは、
Ｊｒ２＜Ｊｒ ＜ＪＲ１
になり、温度上昇Ｔは、
Ｔｒ２＜Ｔｒ ＜ＴＲ１
になる。即ち、加熱コイルに覆われている部分の温度は被加熱リングの外径部が低く加熱コイルの内径相当部に向かって高くなる。
【００１９】
上記の結果から被加熱体環状リングの内径が加熱コイル内径より小さく内径側が加熱コイルからはみ出している場合の被加熱体環状リングの温度は、外径部から加熱コイルの内径相当部の環状リングの中央部に向かって高くなり、そこから再び環状リングの内径部に向かって低下する。この理論的な計算結果は後述する加熱実験結果と良く一致する。被加熱環状リングの内外径の熱膨張の差により生ずる応力による歪みを生じさせないためには環状リングの幅の温度差を４０℃以下にすることが望ましいが、上記結果から被加熱環状リングの内径のはみ出し量を適切に選択することにより温度差を減少できることが考察された。
【００２０】
この様に被加熱体環状リングの加熱条件を形成するためには誘導加熱コイルに発生する磁場Ｂと被加熱体環状リング内に発生する電場Ｅとが鎖交（インターリンク）する条件を作りだすことが必要である。これは、印加周波数ｆと２つの誘導加熱コイル４及び５の間隔ｍにより定まるが、この値の精密な計算は困難であり実験によって決定される。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を図示の一実施例について具体的に説明する。図１は本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の部品構成を示す分解斜視図であり、図２はその組み立て後の平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線図である。
【００２２】
これらの図において、第１の誘導加熱コイル１１及び第２の誘導加熱コイル２１は環状形を形成し無酸素銅などの良導電体で作られる。それぞれの加熱コイル１１及び１２の円環状部１１ａ及び２１ａには、一か所に割込みが入れられ導通しないように切り離されている。この割り込み溝１１ｂ及び２１ｂの両側には、それぞれ長い足のリード部１１ｃ，２１ｃ及び短い足のリード部１１ｄ，２１ｄが設けられる。そして、第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２は、第１コイル１１の長いリード部１１ｃが第２コイル２１の短いリード部２１ｄに、第１コイル１１の短いリード部１１ｄが第２コイル２１の長いリード部２１ｃに相対するように向かい合わせて同心軸上に配設される。各誘導加熱コイル１１及び２１は円環状部１１ａ，２１ａの上端側にコイル固定用の突起部１１ｅ，２１ｅを有し、また該円環状部１１ａ，２１ａの互いに反対側の表面には水冷用の銅パイプ１２，２２が鑞付される。
本実施例では、加熱コイルの円環状部の内径をｄ＝６５ｍｍφ、外径をＤ＝１０５ｍｍφ、厚さをｔ＝６ｍｍにした。
【００２３】
第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２の間には、スペーサ３０が同心軸上に配設され、かつ２つの加熱コイルの円環状部１１ａ，２１ａの間に挟まれている。スペーサ３０は、中心に加熱コイル内径と同径の円孔を有する矩形状の２枚のセラミックなどの耐熱絶縁板３１，３１を合わせてなり、２枚の向かい合わせる面に被加熱体環状リング１を挿入するスリットを構成するスリット部３１ａ，３１ａが設けられている。この２枚の耐熱絶縁板３１，３１を４本のボルト３２ａ，ナット３２ｂ，ワッシャ３２ｃで緊締してスペーサ３０を構成する。誘導加熱の場合、加熱コイルと被加熱体との間隔は小さい方が有効でありスペーサ３０は薄い方がよいが、本実施例ではスペーサ３０の厚さを１５ｍｍ、即ち、前記２つの加熱コイル１１，２１の内側の間隔を１５ｍｍとした。
【００２４】
前記スペーサ３０を前記２枚の加熱コイル１１，２１で挟み、突起部１１ｅ，２１ｅとスペーサ３０を貫通させてビス３３ａ及びナット３３ｂで緊締した。また、リード部１１ｃ，と２１ｄ，リード部１１ｄと２１ｃをそれぞれビス３６ａ，ナット３６ｂで緊締した。このとき、前記各ビス３３ａ，３６ａには絶縁ワッシャ３４及び絶縁スリーブ３５を使用して各ビスにより第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２の間が導通しないように絶縁した。また、第１の誘導加熱コイル１１と第２の誘導加熱コイル１２のリード部の間には、導電体からなる段違い状に形成された導通ブロック１３を設けて、第１コイル１１のリード部１１ｄと第２コイル２１のリード部２１ｄの短いリード部同士を導通すると共に、絶縁ブロック１４、１５を挿入して、第１コイルのリード部１１ｃと第２コイルのリード部２１ｄ、第１コイルのリード部１１ｄと第２コイルのリード部２１ｃの長いリード部と短いリード部の間で導通しないように絶縁した。これにより、第１コイル１１と第２コイル２１の環状部１１ａ，２１ａには同一方向の電流が流れることになる。
【００２５】
第１コイル１１のリード部１１ｃは固定ブロック１８に、第２コイルのリード部２１ｃは固定ブロック２８に導通するように、それぞれ２本づつのビス１９により緊締される。また、固定ブロック１８及び２８は図示しない周波数変換装置に電気的に接続され、固定ブロック１８及び２８には図示しない冷却用の水孔が設けられ加熱コイルの冷却パイプと同様に水冷される。
【００２６】
上記構成によって、周波数変換装置から供給される電流は、固定ブロック１８から第１コイル１１の長いリード部１１ｃに導通し、環状部１１ａ，短いリード部１１ｄを通り、導通ブロック１３を介して第２コイル２１の短いリード部２１ｄ、環状部２１ａ，長いリード部２１ｃから固定ブロック２８に流れる。これにより第１コイル１１と第２コイル２１の電流は同方向に流れる。
【００２７】
次に、本構成の誘導加熱装置による環状リングの加熱実験の結果について説明する。
実験に用いた被加熱体は炭素鋼の磨鋼板で下記の４種類の寸法にした。
試料Ａ ７５ｍｍφ×１００ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｂ ６５ｍｍφ×９０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｃ ５５ｍｍφ×８０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
試料Ｄ ４５ｍｍφ×７０ｍｍφ×１．２ｍｍｔ
【００２８】
前記の加熱コイル寸法と被加熱リングの寸法の関係を図６に示す。図示するように加熱コイル寸法は６５ｍｍφ×１０５ｍｍφであるので、試料Ａは、外径が加熱コイルより５ｍｍ小さく、内径が加熱コイルより１０ｍｍ大きいので試料全面が加熱コイルの中に覆われる。試料Ｂは、外径が加熱コイルより１５ｍｍ小さく内径は加熱コイルに等しいので、前記同様に試料全面は加熱コイルの中に覆われる。試料Ｃは内径が加熱コイルより１０ｍｍ小さく外径も加熱コイルより２５ｍｍ小さいので、内径側が僅かに加熱コイルからはみ出し残りの部分が加熱コイルに覆われる形になる。試料Ｄは外径が加熱コイル内径より５ｍｍ大きいだけで、内径は加熱コイル内径より２０ｍｍ小さく、外径部が僅かに加熱コイルに覆われるだけで中央部から内径部の大部分は加熱コイルからはみ出す形になる。
【００２９】
加熱実験は以下の加熱条件により行った。
周波数を１０ＫＨｚ
加熱時間： ２秒
出力電力： ９〜１２ｋｗ
出力電圧： ２００Ｖ
【００３０】
実験方法は、試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの被加熱体リング１を図１のスペーサー３０に設けた溝３１ａに挿入し、第１及び第２の誘導加熱コイル１１、２１に前記条件の高周波電流を通電した。被加熱体リング１は、その両側の第１及び第２加熱コイルのコイル電流の反発力により両コイルの中立点に保持された状態で加熱された。即ち被加熱体リングと両加熱コイルとの距離が等しくなる状態で加熱されるため被加熱体リングの表裏が均一に加熱された。これによって被加熱体リングに加熱による歪みがほとんど生じなかった。
【００３１】
誘導加熱による被加熱体リングの温度分布の実験結果を図７乃至図１０に示す。これらの図において、横軸は加熱コイルの通電時間を秒で示し、縦軸は被加熱リングの外径部、中心部、内径部の測定温度を℃で示す。いずれも通電により被加熱体の温度は急速に上がり２秒後に約９００度になるが各試料により内外径の温度に差が生じた。通電２秒後に電源を切ると表面の放射による温度低下と被加熱体内部の熱伝導によりこの温度差の値は減少した。
【００３２】
図１１は、図７乃至１０の被加熱体リングの各部の最高温度の結果をまとめたものである。即ち、被加熱体リング全面が加熱コイルに覆われた試料Ａでは、内径側の温度が高く中央部、外径側に向かって温度が低くなり、その温度差は外径部と中央部で約６０℃、中央部と内径部で約７０℃で全体で約１３０℃になった。これは前述したように内径円周全長が外径円周全長より小さく内径側全抵抗が外径側の全抵抗より低いためである。内径が加熱コイルの内径と等しい試料Ｂは、内径部と中央部はほぼ等しいが、外径側の温度が低く、その温度差は、約８０℃であった。内径部が加熱コイルから僅かにはみ出した試料Ｃでは、外径部から内径部に向かって温度が低下し、外径部と中央部の温度差は約１０℃、中央部と内径部の温度差は約３０℃で全体の温度差は４０℃と最も少なかった。試料Ｃは試料Ａ又は試料Ｂと異なり被加熱体リングの内径側が加熱コイルに覆われないため温度上昇が少なく温度曲線の傾向が異なる。外径部が僅かに加熱コイルに覆われる試料Ｄでは、試料Ｃと同様に外径部から内径部に向かって温度が下がるが、その温度差は外径部と中央部で約８０℃、中央部内径部で約１２０℃と全体で約２００℃の温度差が生じた。これらの実験結果から、加熱コイルの内径は被加熱リングの内径よりやや大きく、加熱コイルの外径は被加熱リングの外径より大きくして、加熱コイルが被加熱リングを覆う面積と被加熱リングが加熱コイルからはみだす面積を適切に選択することにより均一な加熱ができることが分かった。上記の実験結果による温度測定値の傾向は前述した理論的考察の結果と良く一致することが認められた。
【００３３】
なお、本実施例においては、被加熱体を円形の環状リングについて行ったが、多角形の環状体リングについて多角形環状形の誘導加熱コイルを使用する場合にも適用できる。また、本実施例の図１３のａのような均一断面の環状リングのみでなく図１３のｂ乃至ｇに示すような異形断面の環状リングや全体同時に誘導加熱は困難な大径のリングの誘導加熱も可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の構成によれば、被加熱体リングが両側の加熱コイルの電磁力により反発され、誘導加熱中に両加熱コイルの中央に浮遊状態で保持され、両面の加熱が均一になり薄肉の環状リングでも誘導加熱による歪みを減少できる。このような２つの環状加熱コイルを、被加熱環状リングの両面に配設した例は無く、本発明者の新しい着想による効果である。
【００３５】
また、加熱コイルの内径を被加熱環状リングの内径より大きくすることにより、被加熱体の内径円周全長が外径円周全長より短く抵抗が少ないため生ずる内径側の温度上昇を抑えて幅の広い環状リングの加熱においても幅方向の均一な加熱が可能となる。これにより加熱むらによる歪みが減少する。
【００３６】
即ち、被加熱体の両側に配設した２つの誘導加熱コイルの間隔と、誘導加熱コイルの内径と被加熱体環状リングの内径の差の値と、使用周波数を適切に選択することにより被加熱体環状リングの幅の温度差を熱膨張差により歪みの生じない４０℃以下に短時間で加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の部品構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明実施例の環状リングの誘導加熱装置の平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線図である。
【図４】被加熱体環状リングが誘導加熱コイルに全面覆われる場合の説明図である。
【図５】被加熱体環状リングの内径部が誘導加熱コイルの内径部からはみ出す場合の説明図である。
【図６】本発明実施例の誘導加熱コイルと被加熱体リングとの寸法の関係を示す図である。
【図７】本発明実施例の被加熱体リング試料Ａの温度を示す図である。
【図８】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｂの温度を示す図である。
【図９】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｃの温度を示す図である。
【図１０】本発明実施例の被加熱体リング試料Ｄの温度を示す図である。
【図１１】本発明実施例の被加熱体リング試料の最高温度の実験結果をまとめた図である。
【図１２】従来の誘導加熱コイルと、その磁力線分布を示す図である。
【図１３】本発明の誘導加熱装置により誘導加熱が可能な異形断面の環状リングの例である。
【符号の説明】
１ 被加熱体環状リング
２ 巻線型誘導加熱コイル
１１ 第１の誘導加熱コイル
１２ 冷却水パイプ
１３ 導通ブロック
１４ 絶縁ブロック
１５ 絶縁ブロック
１８ 固定ブロック
１９ ビス
２１ 第２の誘導加熱コイル
２２ 冷却水パイプ
２８ 固定ブロック
３２ａ ボルト
３２ｂ ナット
３２ｃ ワッシャ
３３ａ ビス
３３ｂ ナット
３４ 絶縁ワッシャ
３５ 絶縁ブッシュ
３６ａ ビス
３６ｂ ナット
Claims (1)
- 被加熱体環状リングの両面の同心軸上に間隔をおいて配設され、同一方向に高周波電流が流れる環状形コイルを形成する第１及び第２の誘導加熱コイルを備え、該第１及び第２の誘導加熱コイルは、該コイルの内径が被加熱体環状リングの内径より大きく、かつ該リングの外径より小さく、該コイルの外径が被加熱体環状リングの外径より大きい平板の環状導体を有して、被加熱体環状リングの平面幅方向の温度を均一加熱することを特徴とする環状リングの誘導加熱装置。
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| JP33663494A JP3623815B2 (ja) | 1994-12-26 | 1994-12-26 | 環状リングの誘導加熱装置 |
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