JP4113813B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置に係り、特にチクソキャスティング法に利用されるビレットの加熱に適用して有効な技術に関する。

チクソキャスティング法は、ビレットと呼ばれる鋳造原料となる成形金属を半溶融状態に加熱し、この半溶融状態に加熱されたビレットを鋳造の型に押し込むことで、鋳造製品を製作する技術である。通常、ビレットは、円柱形状をしている。ビレットの加熱は、ソレノイドコイル構造を有する誘導加熱コイル中での誘導加熱によって行われる。

図７〜図９は、誘導加熱コイルを用いてビレットの加熱を行なう状態を説明するための概念図である。ビレット１２は、誘導加熱コイル１１の中に配置され、誘導加熱コイル１１が生成する交番磁場１３によって誘導加熱される。図７〜図９には、ビレット１２の長さ方向（コイルの軸方向）における表面温度の分布状態も示されている。

図７の場合は、誘導加熱コイル１１の長さがビレット１２の長さに比較して長過ぎる場合である。この場合、ビレット１２の端面の縁部分（円柱端部のエッジ部分）が、エッジ効果と呼ばれる現象により、過剰に加熱されてしまう。エッジ効果とは、表皮効果に起因するジュール加熱がビレットの外側表面（円柱の外側表面）と端面付近の両方において行なわれることに起因して、端面のエッジ部分における発熱量が他の部分に比較して多くなる現象である。

また、鋳造製品の品質を高める目的から、ビレットを構成する材料として高純度の材料が用いられるが、ビレットの構成材料の純度を高めた場合、ビレットの製造工程において、その円柱形状の表面近くに不純物が析出し、中央部の不純物濃度が小さくなる現象が表れる。この結果、ビレットを断面で見た場合に外側周辺部分の融点が、中央付近の融点よりやや低くなる。この現象と上述のエッジ効果の相乗作用により、ビレット端面の縁部分が先行して溶融し易い現象がより顕著になる。

このビレット１２の端面縁部分の過剰な加熱は、その部分の溶融の進行による溶融金属の漏れ出し、ビレットの変形といった不都合を引き起こす。また、部分的な溶融は、鋳造製品の材質の不均一性の原因ともなる。

上述のエッジ効果による好ましくないビレット端面の縁部分の過剰な加熱は、ビレットを数十秒というような短時間で加熱する場合に特に顕著になる。昇温速度が緩慢である場合は、基本的に熱平衡状態で全体が昇温してゆくので、ビレット端面の縁部分における過剰な加熱はあまり目立たず、それ程問題にはならない。

上述のビレット端面の縁部分の過剰な加熱を防止するには、図８に示すように、ビレット１２に対する誘導加熱コイル１１の長さを適切な寸法に調整し、ビレット１２端面付近における交番磁場の磁束密度を適切な値に調整する必要がある。ただし、誘導加熱コイルの長さがビレットに対して相対的に短く成り過ぎると、図９に示すように、ビレット１２の端面付近における交番磁束の密度が小さくなり過ぎ、逆にビレット１２端面の縁部分における加熱が不十分になる恐れがある。

図８に示すような理想的な加熱を行なう方法として、特許文献１に記載された技術がある。この技術は、誘導加熱コイルに複数のタップを配置し、タップの切り替えによって誘導加熱コイルの有効長を加減し、ビレットの長さに対応させて誘導加熱コイルの有効長を適切に調整する技術である。

また、特許文献２に示す技術も提案されている。この技術は、金属管が誘導加熱コイル内を搬送されつつ加熱される誘導加熱装置において、金属管の搬送状態に応じて誘導加熱コイルに供給する高周波電力の出力を制御し、金属管端部での過剰な加熱を抑制するものである。

また関連する技術として、特許文献３に示す技術が提案されている。特許文献３記載の技術は、ビレットの両端部分に磁性体でなる磁束ガイドを配置した状態で誘導加熱を行なうことで、ビレットを貫く磁力線が直線的に伸びる形状になるようにし、それにより均一な加熱を行なおうとするものである。

特開２００２−１４１１６５号公報 特開昭６３−２７６８９１号公報 特開平１１−２５１０４５号公報

図８に示すようなビレットに対する理想的な誘導加熱は、誘導加熱コイル中におけるビレットの位置を数ｍｍ程度という極めて微妙な精度で調整する必要がある。たとえば、ビレットの切断精度のバラツキ（３〜４ｍｍ程度）が、エッジ効果の違いに現れ、ビレットの半溶融状態に影響することが確認されている。このビレットの寸法の僅かな違いに起因するエッジ効果の違いは、短時間にビレットを加熱する場合に特に顕著になる傾向がある。

特許文献１の誘導加熱コイルにタップを設ける技術では、タップの間隔が要求される精度に比較して、どうしても大きくなってしまうので、図８に示すような理想的な加熱を行なうのは困難となる。具体的に述べると、誘導加熱コイルの線材の直径やタップの構造を考慮した場合、タップの間隔として、最低１０数ｍｍはコイル円周上に配線できるスペースを確保しなくてはならない。しかしながら、ビレットの長さが数mm変化しただけで、図８の理想的な加熱から図７あるいは図９の望ましくない加熱になってしまうので、１０数ｍｍのタップ間隔では、必要とする精度の調整が行えない。また、タップの切り替えには、大電流を扱える特殊なスイッチやリレーを必要とするので、きめ細かい制御を行なおうとする場合、装置が高コストになってしまう。

また、特許文献２の誘導加熱コイルに加える電力の強さを時間的に変化させる方法は、誘導加熱コイル内において被加熱材料を搬送させながら加熱する場合にしか適用できない。つまり、誘導加熱コイル内にビレットが配置され、動かない状態のビレットを加熱する方法には適用できない。また、誘導加熱コイルには、数ｋＷ以上の大電力を供給するので、高い精度で出力を制御するのは、技術的に困難となる。

特許文献３のビレットの両端部に磁性体を配置する方法では、ビレット端部付近における磁束の発散を抑え、逆に磁束を集中させてしまうので、上述のエッジ効果によるビレットの端部縁部分の過剰な加熱をさらに助長することになり逆効果となる。

本発明は、ビレットの微妙な寸法の違いに対応でき、また誘導加熱コイル内に静止させたビレットの加熱に適用できる技術であって、誘導加熱におけるビレット端面の縁部分における過剰な加熱を防止できる技術を低コストで提供することを目的とする。

本発明の誘導加熱装置は、所定の長さを有した円筒形状のビレットが内部に配置される誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの軸線上において、前記ビレットの両端面から離れた所定の位置のそれぞれに配置可能な２つの導電性材料と、前記２つの導電性材料のそれぞれを支持し、前記２つの導電性材料を前記ビレットの軸線上に移動させ、且つ、前記軸線上から退避させる２つのクランクと、前記２つのクランクを前記ビレットの軸線上で微動させることで、前記導電性材料を前記誘導加熱コイルの軸線方向において微動させ、前記導電性材料と前記ビレットの端面との間の距離を調整する微動手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、導電性材料には、レンツの法則により、導電性材料に誘導電流が誘起される。この誘導電流は、誘導加熱コイルが生成する交番磁場を弱める向きの磁場を生成する向きに流れる。つまり、この誘導電流が元になって生成される交番磁場は、レンツの法則により誘導加熱コイルから生成された交番磁場を打ち消す位相になる。これにより、導電性材料付近の交番磁場の強さが弱められる。従って、導電性材料を被加熱材料であるビレットの端面に近づけることで、その付近の交番磁場を弱めることができ、それにより被加熱材料であるビレットの端面縁部分におけるエッジ効果に起因する過剰な加熱を抑制することができる。このように、本発明においては、導線性材料に誘導加熱コイルが生成する交番磁場に対応した誘導電流が誘起され、該誘導電流に従って発生する磁場により前記交番磁場が弱められる。

上述の誘導加熱コイルが生成する交番磁場を弱める作用は、導電性材料が存在する領域付近において主に機能する。よって、ビレットの端面縁部分における過剰な加熱を抑制する効果は、導電性材料をビレットに近づければ強くなり、導電性材料をビレットから遠ざければ弱くなる。このように、導電性材料の位置を制御することで、ビレットの端面縁部分における加熱状態を制御することができる。

導電性材料のビレットに対する位置は、微動手段によって細かく位置決めすることができるので、上述の制御は高い精度で行なうことができる。このため、ビレットの寸法の微妙な違いに容易に対応することができる。また、本発明は、ビレットの材質の違いによる加熱状態の微妙な制御にも容易に対応することができる。また、本発明を利用することで、ビレット表面のその長さ方向における温度分布に意図的に勾配を設けるような制御を行なうこともできる。つまり、ビレットに対する導電性材料の位置を微調整することで、ビレットの表面温度が所望の温度勾配を有するようにすることもできる。

好ましい導電性材料の材質としては、銅やステンレスが挙げられる。導電性材料は、非磁性体であることが好ましい。磁性体であると、そこが磁路になり磁束が集中し、本発明が意図する効果と逆に付近の磁束密度が高まり、エッジ効果がより顕著になってしまうので好ましくない。

本発明の誘導加熱装置は、ビレットを加熱する場合に好適である。ビレットの加熱は、微妙な半溶融状態にする加熱が要求され、しかも生産性を向上させる観点から、より短時間でより均一な、そしてより制御性の高い加熱が要求される。本発明は、誘導加熱時におけるビレットの温度分布を高い精度で制御することができるので、ビレットの加熱のような厳しい温度制御が要求される技術に適している。

本発明において、導電性材料をビレットの端面に対向させた金属板で構成することは好ましい。これにより、上述した誘導電流による誘導加熱コイルが生成する交番磁場を弱める機能に加えて、ビレットの端面からの輻射熱を吸収し、ビレットの端面中央部における過剰な加熱を抑制する機能が得られる。

本発明において、導電性材料とビレットとの間に熱伝導性の材料を介在させることは好ましい。熱伝導性の材料により、ビレットの端面からの熱量の逃げ道が確保され、ビレットの端面中央部における過剰な加熱を抑制することができる。また、熱伝導性の材料をビレットの端面に接触させることで、ビレットの端面の溶融による材料の溶け出しや変形を物理的に抑えることができる。また、熱伝導性の材料の厚さによって、導電性材料とビレットとの間の距離を決めることができる。

上記態様において、熱伝導性というのは、空気より熱伝導率が大きいことをいう。つまり、熱伝導性の材料を配置しない場合に比較して、ビレット端面からの熱量の流出が大きくなるような熱伝導率であればよい。熱伝導性の材料の選択は、必要とする熱量の流出が得られる熱伝導率が得られる材質を選択すればよい。

本発明において、誘導加熱コイルが縦に配置されていることは好ましい。誘導加熱コイルが縦に配置されることで、ビレットも誘導加熱コイル内で縦に配置されることになる。ビレットを縦に配置することで、ビレットの端面の中央部が溶融し溶け出す現象を抑制することができる。

本発明において、導電性材料が冷却されていることは好ましい。導電性材料が冷却されることで、導電性材料が有するビレットからの輻射熱の吸収効果を高めることができる。

本発明は、ビレットが誘導加熱コイル中に静止した状態で加熱される加熱方法に適用することができる。ソレノイド形状の誘導加熱コイルを用いたビレットの加熱方法としては、誘導加熱コイル内においてビレットを搬送しつつ加熱する方法と、誘導加熱コイルにビレットを搬入し静止させた状態で加熱を行い、その後にビレットを誘導加熱コイル内から取り出す方法、の二つの方法がある。

前者の方法は、複数のビレットを連続的に流れ作業で加熱でき、高い生産性を得られる優位性があるが、制御するパラメータが増えるので、精密な温度制御には適さず、また生産速度の調整が困難であるので、鋳造装置をも含めた鋳造システムとして見た場合に、柔軟な生産量の調整が行ない難いシステムになるというマイナス面がある。

後者の方法は、ビレットを一端誘導加熱コイル内で静止させるので、生産性は前者の方法に比較して劣るが、ビレットを静止させた状態で加熱を行なうので、厳密な温度制御を行なうのに適している。また、ビレットを個別に加熱処理するので、生産調整を行ないやすいシステムにできる優位性がある。

本発明の誘導加熱方法は、誘導加熱コイルの内部に所定の長さを有した円筒形状のビレットを配置して加熱を行う誘導加熱方法であって、前記誘導加熱コイルの軸線上の前記ビレットの端面から離れた所定の位置に導電性材料を配置し、前記導電性材料を前記ビレットの端面に近づけることで、前記ビレットの端面縁部における加熱効率を低め、前記導電性材料を前記ビレットの端面から遠ざけることで、前記ビレットの端面縁部における加熱効率を高めることを特徴とする。

本発明の誘導加熱方法によれば、ビレットの端面の縁部におけるエッジ効果を低減する作用を導電性材料の位置の設定により制御することができる。また、加熱時におけるビレットの長さ方向（誘導加熱コイルの軸方向）における温度分布を所望の分布形状に調整することができる。

本発明によれば、導電性材料に誘起される誘導電流により、誘導加熱コイルが生成する交番磁場が弱められ、ビレットの端面縁部分における過剰な加熱が防止される。本発明では、導電性材料の位置を精密に制御すればよく、またその制御は容易に行えるので、ビレットの微妙な寸法の違いに容易に対応できる。また本発明は、導電性材料の位置決めのための機構を用意すればよいので、低コストで実現できる。

１．実施形態の構成
図１は、本発明の誘導加熱装置の一実施形態の概要を示す斜視図である。図１において、ソレノイド形状の誘導加熱コイル１０１は、円筒形状の断熱材１０２の内側に固定され、断熱材１０２は、支え部材１０３によって台座１０４に固定されている。台座１０４には、シリンダ支持部材１０５が固定され、シリンダ支持部材１０５には軸受け１０６を備えた支持部材１０７が固定されている。軸受け１０６には、シリンダ１０８が回転可能な状態で支持され、それによりシリンダ１０８は、シリンダ支持部材１０５に対して、軸受け１０６を回転中心とした回転可能な状態で結合されている。シリンダ１０８の内側には油圧によってシリンダ１０８から出入りするピストン１０９が備えられ、ピストン１０９の一端には、軸受け１１０が設けられている。

軸受け１１０には、シリンダ支持部材１１２が回転可能な状態で支持され、シリンダ支持部材１１２は、シリンダ１１１に固定されている。この構造により、シリンダ１１１は、ピストン１０９に対して、軸受け１１０を回転中心とした回転可能な状態で結合されている。

シリンダ１１１は、油圧により両端から個別に出し入れが可能なピストン１１３，１１４を備え、他方で結合部材１１５によってシャフト１１６に固定されている。ピストン１１３の先端は、クランク１１７の一端に固定され、クランク１１７の他端は直角に折り曲がり、その先端部１１８には減磁用リング１１９が固定されている。クランク１１７は、軸受け１２０において、シャフト１１６に対して軸受け１２０を中心として回転可能で、かつシャフト１１６に対してスライド可能な状態でシャフト１１６に対して結合されている。つまり、軸受１２０は、シャフト１１６に対してスライド可能な構造となっている。また、シャフト１１６は、台座１０４に固定された支持部材１２５に対して回転可能な状態で固定されている。

ピストン１１４の先端は、クランク１２１の一端に固定され、クランク１２１の他端は直角に折り曲がり、その先端部１２２に減磁用リング１２３が固定されている。クランク１２１は、軸受け１２４を備え、シャフト１１６を軸として回転可能であり、かつシャフト１１６に対してスライド可能な状態でシャフト１１６に対して結合されている。

減磁用リング１１９，１２３は、中空の銅パイプをビレット２０３の外径に合わせた直径を有した円形に加工したもので、図示しない冷却水の供給機構から内部に冷却水を流せる構造となっている。

誘導加熱コイル１０１に高周波電流が流されると、誘導加熱コイル１０１中にその軸方向で向きが周期的に交互に変化する交番磁束が発生する。図１に示す状態においては、この交番磁束の一部は、減磁用リング１１９，１２３の中をも貫く。この結果、電磁誘導の原理から、減磁用リング１１９，１２３には、誘導加熱コイル１０１に供給されている高周波電流と同じ周波数の高周波電流が誘導電流として流れる。この誘導電流は、レンツの法則から、加わる磁場を弱める向きの磁場を生成する方向に流れる。従って、減磁用リング１１９，１２３に誘導電流が誘起されることで、その誘導電流に従う交番磁場によって減磁用リング１１９，１２３付近における交番磁場の強さが弱められる。

シリンダ１０８からピストン１０９を出し入れすることで、シャフト１１６を中心軸としてクランク１１７が回転し、その先端の減磁用リング１１９はシャフト１１６を中心軸とした円周上を移動する。たとえば、図１の状態において、減磁用リング１１９は、誘導加熱コイル１０１と同一軸上に位置しているが、この状態でピストン１０９をシリンダ１０８に収まる方向に移動させると、減磁用リング１１９は上方に円弧を描く軌道上に沿って移動する。なお、ピストン１０９の移動に従う減磁用リング１２３の動きは、減磁用リング１１９と同じとなる。つまり、ピストン１０９を移動させることで、減磁用リング１１９，１２３は同時に同じように動く。

また、ピストン１１３をシリンダ１１１から飛び出す方向に移動させると、シリンダ１１３が伸びて、クランク１１７がシャフト１１６に対してスライドし、減磁用リング１１９が誘導加熱コイル１０１から離れる方向に平行移動する。逆に、ピストン１１３をシリンダ１１１に収まる方向に移動させると、ピストン１１３が縮み、クランク１１７がシャフト１１６に対してスライドし、減磁用リング１１９が誘導加熱コイル１０１に近づく方向に平行移動する。同様に減磁用リング１２３もピストン１１４の動きに応じて、誘導加熱コイル１０１に対して、近づき、あるいは遠ざかる移動を行なう。この機構により、誘導加熱コイル１０１内に配置されたビレットに対する減磁用リング１１９，１２３の誘導加熱コイル１０１の軸線方向における微妙な位置調整が行なわれる。

減磁用リング１１９，１２３の外径は、誘導加熱コイル１０１の内径より小さく設定され、さらにクランク部材１１７，１２１の先端部１１８，１２２は、誘導加熱コイル１０１の方向に向かって９０°折れ曲がり、誘導加熱コイル１０１の方向に向かって伸びている。したがって、ピストン１１３，１１４をシリンダ１１１から出し入れすることで、減磁用リング１１９，１２３を誘導加熱コイル１０１内に出し入れすることができる。

誘導加熱コイル１０１の内側には、ＳＵＳまたはＣｕ製の固定ステージ１２６が固定され、固定ステージ１２６上にはレール１２７が固定されている。このレール１２７上においてビレット２０３を載せた後述する移動ステージ２０１が移動する。

ステンレスで構成された移動ステージ２０１上には、耐熱セラミックスで構成された台座２０２が固定され、台座２０２上にビレット２０３が載せられる。移動ステージ２０１は、図示しない搬送機構によって、レール１２７上でレール１２７の延長方向に沿って移動する。移動ステージ２０１をレール１２７上で移動させる搬送機構としては、ロボットアームやピストンを用いた機構が挙げられる。

減磁用リング１１９，１２３の形状は、円形でなくてもよく、たとえば、多角形であってもよい。また、減磁用リング１１９，１２３の代わりに円板や多角形状の導電性の板材を用いても良い。減磁用リング１１９，１２３を移動させる機構は、油圧シリンダに限定されず、同様な動きを実現できる機構であればよい。

２．実施形態の動作
次に、図１に例示した誘導加熱装置の動作の一例を説明する。まず、ビレット２０３として、その長さが、誘導加熱コイル１０１の長さより短いものを用意する。また、ピストン１０９を縮め、減磁用リング１１９，１２３を上方に跳ね上げておく。そして、ビレット２０３を台座２０２の上に載せ、図示しない搬送機構により移動ステージ２０１をレール１２７上で滑らせ、誘導加熱コイル１０１内に収納する。

次にピストン１０９を伸ばし、減磁用リング１１９，１２３の中心が、ビレット２０３の中心軸に一致する位置にまで、減磁用リング１１９，１２３の位置を下げる。次に、ピストン１１３，１１４を縮め、減磁用リング１１９，１２３を誘導加熱コイル１０１内部のビレット２０３の端面に対して、所定の位置関係になるように近づける。つまり、ピストン１１３，１１４を動かして減磁用リング１１９，１２３を誘導加熱コイル１０１の軸線上で微動させ、ビレット２０３に対する減磁用リング１１９，１２３の位置を決定する。なお、誘導加熱コイル１０１内部におけるビレット２０３の位置と、減磁用リング１１９，１２３の位置との関係は、予め実験的に最良な位置を求めておき、それを利用する。

ここでは、減磁用リング１１９，１２３の位置は、誘導加熱コイル１０１の内部になる場合を説明するが、その位置は、ビレット２０３の寸法、材質、高周波電流の周波数やその出力によって異なり、必ずしも誘導加熱コイル１０１の内部に限定されるものではない。

減磁用リング１１９，１２３の位置決めを行なったら、誘導加熱コイル１０１に図示しない高周波電源から高周波電流を流し、ビレットに対する誘導加熱を行なう。高周波電流の周波数は、５０Ｈｚ〜３ｋＨｚから適宜選択される。

誘導加熱が終了したら、ピストン１１３，１１４を伸ばして減磁用リング１１９，１２３を誘導加熱コイル１０１から離し、さらにピストン１０９を縮めて減磁用リング１１９，１２３を上方に移動させ、ビレット２０４の搬送に支障のない状態とする。そして、ビレット２０３が載った移動ステージ２０１を図示しない搬送機構を用いて誘導加熱コイル１０１の内部から引き出す。こうして、半溶融状態に加熱されたビレット２０３が移動ステージごと、誘導加熱コイル１０１内から取り出される。半溶融状態になったビレット２０３は、図示しない鋳造装置（ダイカストマシン）に、図示しないロボットハンド等により移動ステージ２０１ごと搬送される。以上の動作を繰り返すことで、ビレットの加熱が次々に行なわれる。

次に減磁用リング１１９，１２３の作用について説明する。図２および図３は、減磁用リング１１９，１２３の作用を説明するための概念図である。図２は、ビレット１０３の長さに比較して、誘導加熱コイル１０１の長さが長すぎる場合における加熱時のビレット表面の温度分布（相対値）が示されている。図２には、エッジ効果により、ビレット２０３の端面縁部分の温度が、高くなった状態が示されている。

ここで、図３に示すように減磁用リング１１９，１２３をビレット２０３の端面に近づけると、減磁用リング１１９，１２３に誘起される誘導電流により、符号３０１で示される付近の磁束が弱められる。つまり、誘導加熱コイル１０１で生成される交番磁場によって、減磁用リング１１９，１２３に誘導電流が誘起されるのであるが、この誘導電流はレンツの法則により減磁用リング１１９，１２３を貫く磁束を打ち消す方向に磁束を生成する向きに流れるので、その誘導電流が生成する交番磁場によって、その付近における磁場が弱められる。

誘導加熱コイル１０１中における領域３０１付近の交番磁場が弱められることで、ビレット２０３に対するエッジ効果が弱まり、ビレット２０３の端面縁部分における過剰な加熱が緩和される。こうして、図３に示すように、ビレット２０３の表面温度の分布をその長さ方向において均一にできる。

減磁用リング１１９，１２３の機能を利用することで、ビレット２０３の端付近における磁場の強さを調整することができる。すなわち、減磁用リング１１９，１２３の位置をビレット２０３から離すことで、領域３０１付近における交番磁場を弱める作用を弱くでき、逆に減磁用リング１１９，１２３の位置をビレット２０３に近づけることで、領域３０１付近における交番磁場を弱める作用を強くできる。この作用の強弱の制御は、減磁用リング１１９，１２３の位置を微調整することで、高い精度で行なえる。

したがって、減磁用リング１１９，１２３の位置を微調整することで、ビレット２０３の温度分布を均一にする制御のみならず、その温度分布に意図的に勾配を付けた制御を行なうこともできる。たとえば、減磁用リング１１９，１２３の位置をビレット２０３から離すことで、ビレット２０３の両端の温度を中央（ビレットの長さ方向における中央）に比較して高い温度に加熱する傾向とする制御が行なえる。また、たとえば、減磁用リング１１９，１２３の位置をビレット２０３に近づけることで、ビレット２０３の両端の温度を中央に比較して低い温度に加熱する傾向の制御が行なえる。また、たとえば、減磁用リング１１９のビレット２０３に対する距離と、減磁用リング１２３のビレット２０３に対する距離とを異ならせることで、ビレット２０３の一端から他端に向かって所定の温度勾配を有するような温度制御を実現することができる。

また、たとえば、ビレットの寸法に合わせて、減磁用リング１１９，１２３の最適な位置を予め求めておけば、異なる寸法のビレットに対応した最適な加熱を行なうことができる。減磁用リング１１９，１２３の位置は、mm単位で調整することが可能であるので、微妙な加熱の加減を容易に実現できる。また、たとえば、放射温度計等の適当な温度計測手段によってビレットの端面縁付近の温度をリアルタイムで計測し、加熱中にその計測値に対応させて減磁用リング１１９，１２３の位置を微調整してもよい。

本実施の形態において、減磁用リング１１９，１２３の内部には冷却水が流され冷却されているので、減磁用リング１１９，１２３には、ビレット２０３からの輻射熱を一部吸収し、それによるビレット２０３の端面縁部の温度上昇を抑える効果も得ることができる。

３．他の実施の形態
図４は、他の実施形態を説明するための概念図である。本実施の形態は、図１に示す誘導加熱装置において、減磁用リング１１９，１２３の代わりに導電性の円板を用いる場合の例である。図４には、誘導加熱コイル１０１内にビレット２０３が配置された状態が示されている。この態様では、加熱に際して、ビレット２０３の両端に近接させて、銅製の減磁用円板４０１，４０２を配置する。

減磁用円板４０１，４０２は、支柱４０３，４０４によって支持され、図１の減磁用リングと同様な動きが可能になっている。また、減磁用円板４０１，４０２は、銅製でビレット２０３に対向する面と逆の面に図示しない螺旋形状の銅パイプが固定されている。この銅パイプに冷却水を流すことで、減磁用円板４０１，４０２の冷却が行なわれる。

減磁用円板４０１，４０２は、減磁用リング１１９，１２３と同様に、レンツの法則に従って、自らを貫く交番磁束を打ち消す向きに磁場を生成し、付近における誘導加熱コイル１０１が生成する交番磁場を弱める作用を有する。また、この作用に加えて、減磁用円板４０１，４０２は、ビレット２０３の両端面中央付近（たとえば符号４０５で示される部分）からの放射熱を吸収し、それによりビレット２０３の両端面中央付近の温度上昇を抑制する機能を有する。このように、減磁用円板４０１，４０２は、図１の減磁用リング１１９，１２３の有する機能に加えて、ビレット２０３端面の中心付近の温度上昇を抑制する機能を有している。

この減磁用円板４０１，４０２による、ビレット２０３端部縁部分と端面中央部分の温度制御は、減磁用円板４０１，４０２の位置を制御することで、高い精度でもって行なうことができる。

本実施の形態によれば、ビレット端面中央部における温度上昇を抑制できるので、ビレット端面の中央において、ビレットが部分的に溶融し、溶融した材料が流れ出してしまう、あるいはその部分が変形してしまう現象を防止することができる。

減磁用リングは、ビレットに加わる磁場の強さを制御する関係上、表皮効果による電流の浸透深さ程度までの温度調整には有効に機能するが、ビレット端面の中央付近の温度調整はそれ程精度よく行なえない。これは、ビレット端面の中央部分の加熱が、ビレットの内部から供給される熱量に主に支配されているからである。

本実施形態では、ビレット端面中央部の輻射熱を積極的に吸収することができるので、上述したビレット端面中央部の過度の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態の変形としては、減磁用円板の中央部を他の材料で構成し、ビレットの端面中央部からの輻射熱の吸収状態をその材質により調整した構成が挙げられる。また、輻射熱の吸収状態の調整は、冷却水による冷却状態の制御によって行なってもよい。

また、減磁用円板４０１，４０２に非磁性の絶縁体でなる耐熱材料（たとえばセラミックス材料）を取り付け、この耐熱材料がビレットの端面に接触した状態で加熱が行なわれる構造としてもよい。この場合、誘導電流の誘起によるエッジ効果の抑制に加えて、耐熱材料を介してのビレット端面からの熱の逃げ道が確保され、ビレット端面の過剰な加熱が抑制される。また、この態様では、耐熱材料の熱伝導率を選択することでもビレット端面における温度上昇を制御することができる。

図５は、本発明の他の実施形態を示す図である。図５に示す実施形態では、誘導加熱コイルが縦（コイルの軸が鉛直方向）に配置され、ビレットは縦に置かれた状態で加熱される。図５に示す誘導加熱装置は、縦に配置された誘導加熱コイル５０１、減磁用リング５０３，５０４、断熱材５０５、台座兼シリンダ５０６、ピストン５０７およびビレット５０２が載せられるステージ５０８を備えている。

減磁用リング５０３，５０４は、図１の減磁用リング１１９，１２３と同じ構成を有し、図示しない移動機構により、独立に上下に移動可能となっている。また、図には示されていないが、ビレット５０２の取り出しに際して、減磁用リング５０３が邪魔にならないように、ビレット５０２の移動を妨げない位置に減磁用リング５０３を退避させる移動機構を備えている。

ステージ５０８は、耐熱セラミックス材料で構成されており、ピストン５０７の上下移動により、上に乗せたビレット５０２を上下に移動させる機能を有する。ステージ５０８は、誘導加熱コイル５０１の上部から飛び出す程度に上昇が可能となっている。

以下、図５の誘導加熱装置を用いたビレットの加熱動作の一例を説明する。まず、減磁用リング５０３を上方に引き上げておいて、ステージ５０８を誘導加熱コイル５０１の上部から飛び出す程度まで上昇させる。この状態でステージ５０８上に図示しないロボットアームによってビレット５０２を載せ、ステージ５０８を所定の位置にまで下げる。次に減磁用リング５０３，５０４を所定の位置に移動させ、誘導加熱コイル５０１に高周波電流を流して、ビレット５０２を加熱する。

ビレット５０２の加熱が終了したら、減磁用リング５０３を上方に退避させ、ステージ５０８を上昇させ、ビレット５０２を図示しないロボットアームでつかみ、図示しない鋳造装置へと搬送する。

この実施形態では、ビレットが縦に置かれた状態で加熱が行なわれるので、ビレット端面の中央部における溶融によるビレット構成材料の漏れや流出を抑制できる。つまり、縦に配置されたビレットの上端面は、水平であるので、ビレット上端面の中央部においてビレットの構成材料が軟化しても、構成材料が流出し難い。また、他方でビレットの下側端面は、ステージ５０８に接触しているので、ビレット下端面の中央部が軟化しても、構成材料の流出が防止される。

図６は、本発明の他の実施形態を示す図である。図６に示す実施形態では、図５に示す構造と同様に誘導加熱コイルが縦（コイルの軸が鉛直方向）に配置され、ビレットは縦に置かれた状態で加熱される。

図６の実施形態は、ビレットを上下に移動させるのではなく、ビレットを載せた台は固定され、誘導加熱コイルが上下に移動する。図６に示す誘導加熱装置は、台座６０１、ビレット６０３を載せるステージ６０２、誘導加熱コイル６０４、誘導加熱コイル６０４を保持する部材で断熱性を有する材料でなる円筒形状の誘導加熱コイル保持部材６０５、誘導加熱コイル保持部材６０５に固定された支持部材６０６、支持部材６０６に固定されたピストン６０７、ピストン６０７が収まるシリンダ６０８、上下に微動可能な減磁用リング６０９，６１０を備えている。

シリンダ６０８からピストン６０７を出し入れすることで、誘導加熱コイル６０４をビレット６０３に対して上下に移動することができる。ピストン６０７を伸ばし、誘導加熱コイル６０４を持ち上げることで、ステージ６０２上へのビレットの配置、またはステージ６０２上に配置されたビレットの取り出しを行なえる。ビレットの搬送は、図示しないロボットアームによって行なう。減磁用リング６０９，６１０は、水冷され、個別に上下微動が可能で、その位置を調整することで、ビレット６０３の上下面端部縁部における加熱状態を調整できる。

以下、図６に示す誘導加熱装置の動作の一例を説明する。まず、ピストン６０７を伸ばし、誘導加熱コイル６０４を上方に移動させておく。この状態でステージ６０２上に図示しないロボットアームによりビレット６０３を載せる。次にピストン６０７を縮めてビレット６０３の周囲に誘導加熱コイル６０４を位置させ、図６に示す状態を得る。さらに、減磁用リング６０９，６１０の位置決めを行い、その後に誘導加熱コイル６０４に高周波電流を供給してビレット６０３に対する誘導加熱を行なう。

誘導加熱が終了したら、ピストン６０７を伸ばし、誘導加熱コイル６０４を上方に移動させ、ビレット６０３を取り出せる状態とする。そして、図示しないロボットアームによってビレット６０３を取り出し、図示しない鋳造装置に移送する。この作業を繰り返すことで、ビレットの加熱を連続して行なうことができる。

図６の誘導加熱装置は、図５の誘導加熱装置の場合と同様に、ビレット６０３の上下面における溶融を抑制できる効果を有する。図５および図６に示した実施形態において、減磁用リング６１０として水冷機構を備えた円板を採用してもよい。また、この場合、円板とビレット６０３との間に耐熱材料を介在させてもよい。

発明を利用した誘導加熱装置の概要を示す斜視図である。 発明の原理を説明するための概念図である。 発明の原理を説明するための概念図である。 発明の他の実施形態を説明するための概念図である。 発明の他の実施形態を示す断面図である。 発明の他の実施形態を示す断面図である。 従来技術を説明するための概念図である。 従来技術を説明するための概念図である。 従来技術を説明するための概念図である。

符号の説明

１０１…誘導加熱コイル、１０２…断熱材、１０３…支え部材、１０４…台座、１０５…シリンダ支持部材、１０６…軸受け、１０７…支持部材、１０８…シリンダ、１０９…ピストン、１１０…軸受け、１１１…シリンダ、１１２…シリンダ支持部材、１１３…ピストン，１１４…ピストン、１１５…結合部材、１１６…シャフト、１１７…クランク、１１８…クランクの先端部、１１９…減磁用リング、１２０…軸受け、１２１…クランク、１２２…クランクの先端部、１２３…減磁用リング、１２４…軸受け、１２５…支持部材、１２６…固定ステージ、１２７…レール、２０１…移動ステージ、２０２…台座、２０３…ビレット、４０１…減磁用円板、４０２…減磁用円板、４０３…支柱、４０４…支柱、４０５…ビレットの端面中央部、５０１…誘導加熱コイル、５０２…ビレット、５０３…減磁用リング、５０４…減磁用リング、５０５…断熱材、５０６…台座兼ピストン、５０７…シリンダ、５０８…ステージ、６０１…台座、６０２…ステージ、ビレット…６０３、６０４…誘導加熱コイル、６０５…誘導加熱コイル保持部材、６０６…支持部材、６０７…ピストン、６０８…シリンダ、６０９…減磁用リング、６１０…減磁用リング。

Claims (6)

1. 所定の長さを有した円筒形状のビレットが内部に配置される誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの軸線上において、前記ビレットの両端面から離れた所定の位置のそれぞれに配置可能な２つの導電性材料と、
   前記２つの導電性材料のそれぞれを支持し、前記２つの導電性材料を前記ビレットの軸線上に移動させ、且つ、前記軸線上から退避させる２つのクランクと、
   前記２つのクランクを前記ビレットの軸線上で微動させることで、前記導電性材料を前記誘導加熱コイルの軸線方向において微動させ、前記導電性材料と前記ビレットの端面との間の距離を調整する微動手段と
   を備えていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記導電性材料には、前記誘導加熱コイルが生成する交番磁場に対応して誘導電流が誘起され、該誘導電流に従って発生する磁場により前記交番磁場が弱められることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記導電性材料を前記ビレットに近づけることで、前記ビレットの端面縁部の加熱を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記導電性材料を前記ビレットの端面に対向させた金属板で構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の誘導加熱装置。
5. 前記導電性材料が冷却されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の誘導加熱装置。
6. 前記ビレットは、前記誘導加熱コイル中に静止した状態で加熱されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の誘導加熱装置。
   

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