JP3752115B2

JP3752115B2 - 高周波誘導加熱ユニット

Info

Publication number: JP3752115B2
Application number: JP32551199A
Authority: JP
Inventors: 一也鶴崎; 雅司吉川; 陽一郎津村; 一正三原; 桂司水田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-11-16
Also published as: JP2001143859A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導加熱ユニットに関し、特に圧延ロールの局部加熱等に好適に用いられる高周波誘導加熱ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間圧延処理の圧延工程では、圧延ロールのロール幅のうち被圧延板材が通過する部分と被圧延板材が通過しない部分との間に温度差が生じ、熱膨張差によってロール幅方向におけるロール径に差違が生じてしまう。そのため、従来から、熱間圧延設備では、圧延ロールの熱膨張をロール幅方向において一定に保つために、圧延ロールの低温部を非接触で局部加熱する高周波誘導加熱装置が用いられている。
【０００３】
図９は、従来から用いられている高周波誘導加熱装置を示すブロック構成図である。この高周波誘導加熱装置１００は、加熱コイル１０５に高周波電流を供給することによって加熱対象物を誘導加熱するための装置であり、加熱コイル１０５のほか、高周波電源１０１と、整合コンデンサ１０３とを備える。高周波電源１０１は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数電力を所定周波数の高周波電力に変換するためのものであり、その出力インピーダンスを負荷回路のインピーダンスにマッチングさせるための高周波整合変圧器１０２を介して、整合コンデンサ１０３と接続されている。整合コンデンサ１０３は、電流変成器１０４を介して加熱コイル１０５と接続されている。この電流変成器１０４は加熱コイル１０５のインピーダンスを増大させるためのものである。これら高周波電源１０１、高周波整合変圧器１０２、整合コンデンサ１０３、電流変成器１０４、及び加熱コイル１０５は、いずれも個別ユニットとして構成されており、それぞれ高周波給電線１０６によって接続されている。
【０００４】
ここで、高周波誘導加熱装置１００の整合コンデンサ１０３は、加熱周波数ｆ周辺での負荷回路の力率を向上させるために用いられる。すなわち、加熱コイル１０５のインダクタンスＬに伴うリアクタンスＸ_L（＝２πｆＬ）は、一般に、加熱コイル１０５の抵抗値Ｒに比べて十分大きな値であるため、加熱コイル１０５の力率（≒Ｒ／Ｘ_L）は極めて小さな値となってしまう。そのため、加熱周波数ｆ付近に共振周波数を有する共振回路を加熱コイル１０５と共に構成するように、所定の電気容量Ｃを有する整合コンデンサ１０３が配置される。このように共振回路を構成することによって、加熱コイル１０５に対する効率的な電力供給が可能となる。
【０００５】
また、この高周波誘導加熱装置１００の作動時には、大量の高周波電流が流れること等に伴う損失によって各ユニット１０１〜１０５が発熱してしまうため、各ユニット１０１〜１０５を冷却するための冷却水循環装置１０７が高周波誘導加熱装置１００付近に配置される。この冷却水循環装置１０７は、還流式循環ポンプ１０８と、熱交換器１０９とを備えており、還流式循環ポンプ１０８は各ユニット１０１〜１０５に対して冷却水を循環させ、熱交換器１０９は各ユニット１０１〜１０５を循環して昇温した冷却水を再冷却する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、圧延ロールの近傍には、ロール駆動のための電気系、油圧動力系、冷却水系、被圧延板材のガイド、ロール径測定センサ等の多数の機器が配置される。従って、圧延ロールを局部加熱するための装置の設置スペースは、一定の大きさに限定されざるを得ない。
【０００７】
しかしながら、従来の高周波誘導加熱装置は、一定の大きさを持つ複数の個別ユニットによって構成されており、上記のような狭いスペースに装置全体を配置することは困難であった。これらの個別ユニットのうち、高周波整合変圧器及び電流変成器は、高周波電源及び加熱コイルのインピーダンス等を予め調整することにより省略可能であるものの、整合コンデンサは負荷回路の力率を向上させるために必須のユニットであるため、整合コンデンサを圧延ロール等から離れた位置に配置し、加熱コイルと整合コンデンサとを接続する給電線の距離を長くする必要があった。高周波電流供給時には、加熱コイルと整合コンデンサとの間には大きな共振電流が流れるため、これらを接続する給電線が長い場合、給電線において損失及び電圧低下を生じやすく、周辺機器を加熱してしまうという問題も生じていた。
【０００８】
また、加熱コイルと整合コンデンサとを接続する給電線が長い場合、負荷回路（加熱コイル及び整合コンデンサ）の力率が低下し、負荷回路に対して高周波電源から大電流を供給しなければならないため、高周波電源等と負荷回路とを大径の給電線で接続する必要が生じてしまう。上述のように圧延ロールを局部加熱するためには、加熱コイルをロール幅方向に移動可能な構造とする必要があるが、大径の給電線では、曲げ半径を小さくすることが困難であり可撓性が低いため、局部加熱処理の作業性が悪かった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決して、小型化及び低損失化を実現し、作業性を向上することができる高周波誘導加熱ユニットを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による高周波誘導加熱ユニットは、高周波電源から所定周波数の高周波電流の供給を受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニットにおいて、内部に冷却流体が循環供給される加熱コイルと、互いに平行かつ向かい合うように、それぞれが前記加熱コイルの一部分に対して電気的導通可能に立設される導体板と、前記導体板の向かい合う面の一部分同士に挟設されると共に、前記加熱コイルに嵌合され、前記加熱コイルを流れる前記高周波電流によって高周波磁束が形成される磁心と、前記各導体板間の前記磁心が挟設される部分以外の部分に挟設された複数の誘電部材と、を備え、前記各導体板と前記各誘電部材とは、それぞれ所定の電気容量を有するコンデンサを構成し、前記加熱コイルと共に、前記所定周波数付近に共振周波数を有する共振回路を構成するようにしたものである。
【００１１】
この高周波誘導加熱ユニットでは、複数の導体板が互いに平行かつ向かい合うように加熱コイルに固定されている。これらの導体板は、加熱コイル内を流通する冷却流体の冷熱によって磁心を冷却するための冷却板としての役割を果すと共に、各導体板間に誘電部材が挿入されることによって整合コンデンサの電極としての役割も果す。このように加熱コイルと整合コンデンサとを一体化することによって、負荷回路の小型化を図ることができる。また、加熱コイルと整合コンデンサとを接続するための給電線は不要となるため、給電線における損失及び電圧降下が発生せず、負荷回路の力率をほぼ１．０に保つことができる。従って、負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電源から電流を供給する給電線を小径にし可撓性を高くすることができ、加熱処理の作業性を向上することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による高周波誘導加熱ユニットの実施形態について説明する。なお、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１、図２、及び図３は、それぞれ第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットを示す側面図、底面図及び立面図である。この高周波誘導加熱ユニット１は、コイル導体３と、複数の導体板４と、複数の鉄心（磁心）５と、複数の誘電部材６とを備える。
【００１４】
図４は、コイル導体３の形状を示す斜視図である。コイル導体３は内部に中空部３９を有する一本の中空角銅管から構成されており、矩形状（本実施形態においては長方形状）に形成された巻数１回のコイル部３１と、コイル部３１の表辺に対して略直角をなすように屈曲された電流供給部３３とを備える。各電流供給部３３の上端は給電線（図示せず）を介して高周波電源（図示せず）と接続されている。本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１は、負荷力率がほぼ１．０であるため大電流を供給する必要はなく、給電線には小径で可撓性の高い同軸ケーブル等を用いることができる。また、コイル導体３の中空部３９は、冷却流路（図示せず）を介して冷却水循環装置（図示せず）と接続されており、誘導加熱処理時には中空部３９に冷却水が通水される。
【００１５】
コイル部３１の各コイル長辺３５には、複数（本実施形態においては各コイル長辺３５につき６枚ずつ）の導体板４が所定間隔で配置されている。各導体板４は、それぞれ所定の高さｈ₁を有する長方形の銅板であり、一辺にコイル導体３の断面とほぼ同一の形状の凹部が形成されている。これらの導体板４は、凹部がコイル長辺３５と嵌合するように配置され、ロウ付けによってコイル長辺３５上に固定されている。誘導加熱処理時には、コイル導体３内の中空部３９を流通する冷却水の冷熱が各導体板４に伝導する。
【００１６】
各導体板４の間には、複数（本実施形態においては各コイル長辺３５につき５個ずつ）のＵ字型鉄心５が挿入されている。これらの鉄心５には、フェライトコア又は積層珪素鋼板等の磁気抵抗の小さな材質が用いられており、Ｕ字型の凹部がコイル長辺３５と嵌合するように配置されている。誘導加熱処理時には、各鉄心５は、隣接する導体板４を介してコイル導体３の中空部３９を通水する冷却水によって冷却されるため、各鉄心５の磁気抵抗の増大が抑制される。図５に示されるように、各鉄心５の高さｈ₂は各導体板４の高さｈ₁より低いため、各鉄心５の上方には各導体板４同士が向かい合う空間が形成される。
【００１７】
各鉄心５の上方の空間には、面積Ｓを有する１対の補助電極板７が各導体板４に設置されており、各補助電極板７の間隔は所定値ｄとされる。また、各補助電極板７間には、比誘電率ε_Sを有する誘電部材６が挿入されている。これによって、向かい合う導体板４（及び補助電極板７）とその間に挿入された誘電部材６とは、所定の電気容量Ｃ₀を有するコンデンサ部を構成する。
【００１８】
このように、コイル部３１上方の空間に補助電極板７及び誘電部材６が設置された後、両端の導体板４の外側に配置された複数（本実施形態においては４枚）の支持板９１と止具９３とによって固定される。また、本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１では、図３に示されるように、コイル短辺３７を屈曲して、各コイル長辺３５上の鉄心５間を角度αとした状態に形成される。このように相対する鉄心５間に一定の角度をつけることによって、圧延ロールのような曲面であっても効率よく加熱することができる。
【００１９】
図６は、本実施形態による高周波誘導加熱ユニットの要部の等価回路図である。本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１は、同図に示されるように、各導体板４によってコイル部３１が分割され、その中にコンデンサが形成された構造を有している。すなわち、この高周波誘導加熱ユニット１は、コイルと整合コンデンサとが一体化されている。
【００２０】
図６に示す等価回路図において、各導体板４によって分割されたコイル部３１の各部分の抵抗値Ｒ₀は、導体自体の抵抗値をＲ₁、加熱対象物を加熱することによる損失分をＲ₂とすると、Ｒ₀＝Ｒ₁＋Ｒ₂…（１）によって与えられる。また、Ｌ₀は各導体板４によって分割されたコイル部３１の各部分のインダクタンスを表わす。本実施形態では、コイル部３１の各部分と各コンデンサ部とが、加熱対象に応じた加熱周波数ｆ₀付近に共振周波数を有する共振回路を構成するように、上記Ｒ₀及びＬ₀に基づいて各コンデンサ部の電気容量Ｃ₀が設定される。
【００２１】
各コンデンサ部の電気容量Ｃ₀は、真空の比誘電率ε₀、誘電部材６の比誘電率ε_S、補助電極板７の面積Ｓ及び間隔ｄを用いて、Ｃ₀＝ε₀・ε_S・Ｓ／ｄ…（２）と表わすことができる。このうち、補助電極板７の面積Ｓは、ユニット全体の大きさ及び必要とされる冷却能力等によって制限を受けるため、補助電極板７の間隔ｄ及び挿入される誘電部材６の比誘電率ε_Sを調整することによって、共振回路として成立するためのコンデンサの電気容量Ｃ₀が確保される。
【００２２】
次に、本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１の作用について説明する。図７は、本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１を用いて圧延ロールを誘導加熱する処理を示す模式図である。同図に示すように、高周波誘導加熱ユニット１を加熱対象である圧延ロール９５の近傍に配置したのち、高周波電源（図示せず）からコイル導体３に所定周波数ｆ₀の高周波電流を供給する。これにより、コイル部３１と各コンデンサ部との間には大きな共振電流が流れ、各鉄心５内には、同図中矢印で示されるような高周波磁束が形成される。これに伴って、圧延ロール９５においても高周波磁束が発生し、磁束の変化により圧延ロール９５表面に渦電流が発生して圧延ロール９５表面が加熱される。
【００２３】
また、このとき、冷却水循環装置（図示せず）からコイル導体３内部の中空部３９に冷却水が循環供給されており、各導体板４を介して各鉄心５が冷却される。これによって、各鉄心５内の磁気抵抗の増加が抑制される。
【００２４】
本実施形態による高周波誘導加熱ユニット１は、加熱コイルと整合コンデンサとが一体化されているため、圧延ロールの加熱等のようにスペースが狭い場合であっても用いることができる。また、コイルと整合コンデンサとを接続するための給電線は必要ないため、給電線における損失及び電圧降下が発生せず、負荷回路の力率をほぼ１．０に保つことができる。従って、負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電源から電流を供給する給電線に小径かつ高可撓性の給電線を用いることができ、加熱処理の作業性を向上することが可能になる。
【００２５】
次に、本発明による第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態による高周波誘導加熱ユニットを示す側面図である。この高周波誘導加熱ユニット２は、コイル導体３と、複数の導体板４と、複数の鉄心５と、平行平板コンデンサ８とを備える。
【００２６】
本実施形態では、図５に示されるように、コイル部３１上に複数の導体板４及び複数の鉄心５が第１の実施形態と同様に配置され、支持板９１及び止具９３によって固定される。
【００２７】
平行平板コンデンサ８は、平行かつ向かい合うように配置され、内部に中空部７１を有する複数（本実施形態においては３枚）の電極板７と、各電極板７の間に挿入された誘電部材６とを備える。この平行平板コンデンサ８は、一端側の電極板７を複数の導体板４上に載せるようにして一方のコイル長辺３５の上方に配置されており、各電極板７は電流供給部３３に固定されている。高周波電流供給時には、コイル導体３の中空部３９のほか、平行平板コンデンサ８の電極板７内の中空部７１にも冷却水が循環供給される。また、この平行平板コンデンサ８の電気容量Ｃ₀は、第１の実施形態と同様に、加熱対象に応じた加熱周波数ｆ₀付近に共振周波数を有する共振回路をコイル部３１と共に構成するように設定されている。
【００２８】
本実施形態による高周波誘導加熱ユニット２が第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニット１と異なる点は、コイル部３１の近傍に整合コンデンサとして既製の平行平板コンデンサ８が配置され、コイル部３１と平行平板コンデンサ８とが共振回路を構成する点である。このように、既製のコンデンサを用いる場合であっても、コイルとコンデンサとがほぼ一体化されているため、圧延ロールの加熱等のようにスペースが狭い場合であっても用いることができる。また、コイルとコンデンサを接続する部分は短い電流供給部３３のみであるため、損失及び電圧降下の発生が減少し、負荷回路の力率をほぼ１．０に保つことができる。従って、負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電源から電流を供給する給電線に小径かつ高可撓性の給電線を用いることができ、加熱処理の作業性を向上することが可能になる。
【００２９】
本発明による高周波誘導加熱ユニットは、上記実施形態に限定されず、他の条件等に応じたさまざまな変形態様をとることが可能である。また、圧延ロール以外の他の加熱対象物に対しても、本発明による高周波誘導加熱ユニットを用いることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による高周波誘導加熱ユニットは、加熱コイルと整合コンデンサとが一体構造とされているため、設置スペースが狭い場合であっても用いることができる。また、このような構造を有することにより、負荷回路（共振回路）における損失や電圧降下が低減するため、負荷回路の力率をほぼ１．０に保ち、効率的な電力供給をすることができる。従って、負荷回路に供給する電流が小さくて済むため、高周波電源から電流を供給する給電線に小径かつ高可撓性の給電線を用いることができ、作業性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの側面図である。
【図２】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの底面図である。
【図３】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの立面図である。
【図４】第１及び第２の実施形態によるコイル導体の形状を示す斜視図である。
【図５】第１及び第２の実施形態による高周波誘導加熱ユニットにおけるコイル導体、鉄心及び導体板の配置を示す側面図である。
【図６】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの要部の等価回路図である。
【図７】第１の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの作動時を示す模式図である。
【図８】第２の実施形態による高周波誘導加熱ユニットの側面図である。
【図９】従来の高周波誘導加熱装置の構成図である。
【符号の説明】
１…高周波誘導加熱ユニット、２…高周波誘導加熱ユニット、３…コイル導体、４…導体板、５…鉄心、６…誘電部材、７…（補助）電極板、８…平行平板コンデンサ、３１…コイル部、３３…電流供給部、３５…コイル長辺、３７…コイル短辺、３９…中空部、７１…中空部、９１…支持板、９３…止具、９５…圧延ロール、１００…高周波誘導加熱装置、１０１…高周波電源、１０２…高周波整合変圧器、１０３…整合コンデンサ、１０４…電流変成器、１０５…加熱コイル、１０６…高周波給電線、１０７…冷却水循環装置、１０８…還流式循環ポンプ、１０９…熱交換器

Claims

高周波電源から所定周波数の高周波電流の供給を受けて加熱処理を行なう高周波誘導加熱ユニットにおいて、
内部に冷却流体が循環供給される加熱コイルと、
互いに平行かつ向かい合うように、それぞれが前記加熱コイルの一部分に対して電気的導通可能に立設される導体板と、
前記導体板の向かい合う面の一部分同士に挟設されると共に、前記加熱コイルに嵌合され、前記加熱コイルを流れる前記高周波電流によって高周波磁束が形成される磁心と、
前記各導体板間の前記磁心が挟設される部分以外の部分に挟設された複数の誘電部材と、
を備え、
前記各導体板と前記各誘電部材とは、それぞれ所定の電気容量を有するコンデンサを構成し、前記加熱コイルと共に、前記所定周波数付近に共振周波数を有する共振回路を構成することを特徴とする高周波誘導加熱ユニット。