JP4219875B2 - 誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加熱物を一様に誘導加熱するための誘導加熱方法に関する。

被加熱物（ワーク）に近接して配置された誘導加熱コイルに交流電流を流して（通して）このワークに渦電流を誘導（電磁誘導）し、そのジュール熱でワークを誘導加熱する技術が広く知られている。この誘導加熱では、電流の性質上、ワークに、渦電流が流れ易い部分（電流密度の高い部分）と流れにくい部分（電流密度の低い部分）とが存在する。渦電流が流れ易い部分は速やかに昇温するが、渦電流が流れにくい部分は昇温しにくい。このため、ワークには温度の高い部分と低い部分とが生じてワーク全体の温度は一様にはならないことがある。

ワーク全体を一様な温度に加熱して急冷することによりワークを一様な硬さにしたい場合、ワーク全体の温度が同時に一様になるようにワークを加熱する工夫が必要となる。この工夫としては、例えば誘導加熱コイルの形状をワーク形状に応じて適宜に変更することが挙げられる。しかし、ワークには多種多様な形状があるので、ワークの形状に応じて誘導加熱コイルの形状を適宜に変更することは非常に困難なこととなる。

ワークの形状の一例として、所定間隔離れてほぼ平行に配置された一対の環状部と、この一対の環状部をつなぐ柱状部とからなるものが挙げられる。このような形状のワーク全体を一様に加熱するための誘導加熱コイルは知られていない。

本発明は、上記事情に鑑み、上記した形状のワーク全体を同時に一様な温度に誘導加熱するための誘導加熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の誘導加熱方法は、所定間隔離れて並行に配置された一対の環状部と、この一対の環状部をつなぐ柱状部とからなる被加熱物の全体を誘導加熱するための誘導加熱方法であって、
（１）前記一対の環状部が離れている間隔よりも長い間隔離れると共にその曲率半径が前記環状部よりも大きい、複数の円弧状導電部が同一円上に不連続に配置された不連続環状導電部と、
（２）前記複数の円弧状導電部の円周方向両端部から立ち上がって互いに平行に延びる、前記柱状部よりも長い複数本の柱状導電部と、
（３）これら複数本の柱状導電部のうち異なる前記円弧状導電部から立ち上がって互いに隣り合うものの上端を電気的に接続する接続導電部とを備えた誘導加熱コイルを使用し、
（４）前記一対の環状部が上下に位置するように前記被加熱物を立てておき、前記一対の環状部のうち上方のものを前記接続導電部よりも下方に位置させると共に、前記一対の環状部のうち下方のものを前記不連続環状導電部よりも上方に位置させるように前記被加熱物を誘導加熱コイルの内側に配置して、前記被加熱物の前記柱状部に前記柱状導電部を接近させて前記被加熱物を回転させながら前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給して前記柱状部に渦電流を誘導することにより、前記被加熱物の全体を誘導加熱することを特徴とするものである。

ここで、
（５）渦電流を誘導するシールドリングを、前記一対の環状部のうち上方のものの上に載せると共に、前記一対の環状部のうち下方のものの下に配置して、前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給してもよい。

また、
（６）交番磁束を導くコアを前記柱状導電部の長手方向中央部に取り付けて、前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給してもよい。

本発明の誘導加熱コイルによれば、柱状導電部を流れる交流電流によって一対の環状部及び柱状部に一様な電流密度の渦電流が誘導される。このため、被加熱物の全体が同時に一様な温度に加熱されて一様な硬さに硬化されることとなる。

本発明は、誘導加熱によってワークを所定温度に加熱する技術に実現された。

図１を参照して、本発明の対象となるワークの一例を説明する。

図１は、本発明の対象となるワークの一例を示す斜視図である。

ワーク１０は、所定間隔（後述する柱状部１６の高さに相当する）離れて並行に配置された一対の環状部１２，１４と、この一対の環状部１２，１４をつなぐ（接続する）４本の柱状部１６とから構成されている。環状部１２，１４の外径はｒであり、４本の柱状部１６の高さ（長さ）はｈである。

上記した形状のワーク１０を、このワーク１０に近接させた従来の誘導加熱コイルで誘導加熱した場合、電流の性質上、一対の環状部１２，１４には渦電流が流れ易く（電流密度が高く）、４本の柱状部１６には渦電流が流れにくい（電流密度が低い）。従って、一対の環状部１２，１４は短時間で所定温度（例えば焼入温度）に昇温するが、４本の柱状部１６は短時間では所定温度に昇温しない。４本の柱状部１６を所定温度に昇温させるためにはやや長めの時間が必要となるが、４本の柱状部１６が所定温度に昇温したときには、一対の環状部１２，１４が所定温度を遥かに超えてしまう。従って、従来の誘導加熱コイルでは、ワーク１０の全体（一対の環状部１２，１４及び４本の柱状部１６）を同時に一様な温度に誘導加熱できない。

ワーク１０の全体（一対の環状部１２，１４及び４本の柱状部１６）を同時に一様な温度に誘導加熱するための誘導加熱コイル２０について、図２と図３を参照して説明する。

図２は、本発明の誘導加熱コイルの一例を示す斜視図である。図３は、図２の誘導加熱コイルを模式的に示す平面図であり、その一部は省略されている。

誘導加熱コイル２０は、高周波電源（図示せず）に接続された電源接続部２２，２４を有する。電源接続部２２，２４の先端部分（高周波電源から最も離れた部分）２２ａ，２４ａは円弧状に形成されている。これら２つの円弧状の先端部分２２ａ，２４ａは同一円上に配置されている。この同一円上には、２つの円弧状導電部２６，２８が配置されている。円弧状の先端部分２２ａ，２４ａ及び２つの円弧状導電部２６，２８によって、本発明にいう不連続環状導電部が形成されており、先端部分２２ａ、円弧状導電部２６、円弧状導電部２８、先端部分２４ａの順に、同一円上に配置された構成になっている。このため、先端部分２２ａ、円弧状導電部２６、円弧状導電部２８、及び先端部分２４ａの曲率半径は等しい。先端部分２２ａと円弧状導電部２６の間には空間３１が存在しており、円弧状導電部２６と円弧状導電部２８の間には空間３２が存在しており、円弧状導電部２８と先端部分２４ａの間には空間３３が存在している。

上記した先端部分２２ａの中央部からは１本の柱状導電部４１が立ち上がっている。また、円弧状導電部２６の円周方向一端部からは１本の柱状導電部４２が立ち上がっており、円周方向他端部からは１本の柱状導電部４３が立ち上がっている。さらに、円弧状導電部２８の円周方向一端部からは１本の柱状導電部４４が立ち上がっており、円周方向他端部からは１本の柱状導電部４５が立ち上がっている。さらに、先端部分２４ａの中央部からも１本の柱状導電部４６が立ち上がっている。

これらの柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６は、先端部分２２ａ、円弧状導電部２６、円弧状導電部２８、及び先端部分２４ａによって形成される円の同じ側であってこの円に垂直な方向に延びている。各柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の長さ（高さ）Ｈは全て等しく、この長さＨは図１に示すワーク１０の４本の柱状部１６の高さ（長さ）ｈの約１．５倍から２倍の範囲内の長さである。また、６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６を上面から見たときは、図３に示すように、中心角θが６０°になるように等間隔で配置されている。隣り合う柱状導電部４１，４２の間隔（距離）は各柱状導電部４１，４２の厚さｔの１．５倍以上とする。この間隔が近過ぎる（１．５未満の）場合、柱状導電部４１，４２を流れる交流電流によって生成される交番磁束が打ち消しあってワーク１０に渦電流が生じないこととなる。この点は、隣り合う柱状導電部４２，４３と、隣り合う柱状導電部４３，４４と、隣り合う柱状導電部４４，４５と、隣り合う柱状導電部４５，４６と、隣り合う柱状導電部４６，４１についても同様である。

各柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６のうち隣り合うもの同士は電気的に接続されている。柱状導電部４１の上端と柱状導電部４２の上端は接続導電部５１で電気的に接続されている。柱状導電部４３の上端と柱状導電部４４の上端は接続導電部５２で電気的に接続されている。柱状導電部４５の上端と柱状導電部４６の上端は接続導電部５３で電気的に接続されている。従って、誘導加熱コイル２０に交流電流が流れているときのある一瞬においては、交流電流は電源接続部２２、柱状導電部４１、接続導電部５１、柱状導電部４２、円弧状導電部２６、柱状導電部４３、接続導電部５２、柱状導電部４４、円弧状導電部２８、柱状導電部４５、接続導電部５３、柱状導電部４６、電源接続部２４の順に流れる。

図４を参照して、ワーク１０を誘導加熱コイル２０で誘導加熱するときの両者の位置関係について説明する。

図４は、ワーク１０を誘導加熱コイル２０で誘導加熱するときの両者の位置関係を示す斜視図である。この図では、図１から図３までに示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。

ワーク１０は誘導加熱コイル２０の６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６に囲まれる位置に配置される。ワーク１０は、その一対の環状部１２，１４を接続導電部５１、円弧状導電部２６、接続導電部５２、及び円弧状導電部２８にほぼ平行にすると共に、４本の柱状部１６を６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６にほぼ平行にした状態（６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６が４本の柱状部１６に並行に延びた状態）で、誘導加熱コイル２０の高さ方向中央部に配置される。誘導加熱コイル２０の６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の長さＨを、ワーク１０の柱状部１６の長さｈの１．５倍とした場合、環状部１２は、６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の上端から下方に０．２５Ｈの近傍に位置し、環状部１４は、６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の下端から上方に０．２５Ｈの近傍に位置することとなる。すなわち、６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の一端（図４では上端）４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａが４本の柱状部１６の一端（図４では上端）１６ａよりもその長手方向前方（図４では上方）に位置すると共に、その他端（図４では下端）４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂ（図示せず），４５ｂ（図示せず），４６ｂが柱状部１６の他端１６ｂ（図４では下端）よりもその長手方向前方（図４では下方）に位置する。なお、ワーク１０はワーク支持台（図示せず）に支持されている。

上記のようにワーク１０と誘導加熱コイル２０の位置関係を設定した場合、誘導加熱コイル２０の接続導電部５１，５２，５３はワーク１０の環状部１２から離れており、円弧状導電部２６，２８、先端部分２２ａ，２４ａはワーク１０の環状部１４から離れている。一方、ワーク１０の回転中においては、ワーク１０の４本の柱状部１６は６本の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６に接近している。従って、ワーク１０を上記のように回転させながら誘導加熱コイル２０に高周波電力（例えば周波数１５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ、電力は約２５ｋＷ）を供給した場合、誘導加熱コイル２０に流れる高周波電流によって生成される交番磁束は、ワーク１０の４本の柱状部１６を主に貫通して、この４本の柱状部１６に渦電流が誘導される。この渦電流は、ワーク１０の全体に一様に流れる。一方、上記の交番磁束はワーク１０の環状部１２，１４をほとんど貫通しないので、この環状部１２，１４には渦電流はほとんど誘導されない。従って、ワーク１０全体では、４本の柱状部１６に誘導された渦電流が流れるので、ワーク１０の全体が同時に一様な温度に加熱されることとなる。

上記した例では、ワーク１０の柱状部１６を４本としたが、１本以上であれば何本でもよい。また、誘導加熱コイル２０の柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６を６本としたが、１本以上であればよい。さらに、ワーク１０の環状部１２，１４に誘導される渦電流をいっそう減少させるために、銅製のシールドリング（図示せず）をワーク１０の環状部１２の上に載せると共に、環状部１４の下にも配置する。これにより、シールドリングに渦電流が誘導されるので、環状部１２，１４に誘導される渦電流を減少でき、ワーク１０全体をいっそう一様な温度に誘導加熱できる。

なお、各柱状導電部４１，４２，４３，４４，４５，４６の長手方向中央部にコアを取り付けてもよい。このコアによって、ワーク１０の４本の柱状部１６の長手方向中央部にいっそう多くの交番磁束が貫通するので、４本の柱状部１６の長手方向上端部及び下端部が長手方向中央部よりも昇温し易い（長手方向中央部が昇温しにくい）場合は、ワーク１０全体をいっそう一様な温度に誘導加熱できる。

本発明の対象となるワークの一例を示す斜視図である。 本発明の誘導加熱コイルの一例を示す斜視図である。 図２の誘導加熱コイルを模式的に示す平面図であり、その一部は省略されている。 ワークを誘導加熱コイルで誘導加熱するときの両者の位置関係を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ワーク
１２，１４ ワークの環状部
１６ ワークの柱状部
２０ 誘導加熱コイル
２６，２８ 円弧状導電部
４１，４２，４３，４４，４５，４６ 柱状導電部
５１，５２，５３ 接続導電部

Claims (3)

1. 所定間隔離れて並行に配置された一対の環状部と、この一対の環状部をつなぐ柱状部とからなる被加熱物の全体を誘導加熱するための誘導加熱方法であって、
   前記一対の環状部が離れている間隔よりも長い間隔離れると共にその曲率半径が前記環状部よりも大きい、複数の円弧状導電部が同一円上に不連続に配置された不連続環状導電部と、
   前記複数の円弧状導電部の円周方向両端部から立ち上がって互いに平行に延びる、前記柱状部よりも長い複数本の柱状導電部と、
   これら複数本の柱状導電部のうち異なる前記円弧状導電部から立ち上がって互いに隣り合うものの上端を電気的に接続する接続導電部とを備えた誘導加熱コイルを使用し、
   前記一対の環状部が上下に位置するように前記被加熱物を立てておき、前記一対の環状部のうち上方のものを前記接続導電部よりも下方に位置させると共に、前記一対の環状部のうち下方のものを前記不連続環状導電部よりも上方に位置させるように前記被加熱物を誘導加熱コイルの内側に配置して、前記被加熱物の前記柱状部に前記柱状導電部を接近させて前記被加熱物を回転させながら前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給して前記柱状部に渦電流を誘導することにより、前記被加熱物の全体を誘導加熱することを特徴とする誘導加熱方法。
2. 渦電流を誘導するシールドリングを、前記一対の環状部のうち上方のものの上に載せると共に、前記一対の環状部のうち下方のものの下に配置して、前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱方法。
3. 交番磁束を導くコアを前記柱状導電部の長手方向中央部に取り付けて、前記誘導加熱コイルに高周波電力を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱方法。

Images