JP4232973B2

JP4232973B2 - 直接通電加熱装置

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Publication number: JP4232973B2
Application number: JP2004170603A
Authority: JP
Inventors: 力宮崎; 利明西尾
Original assignee: 株式会社ミヤデン
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP2005353328A

Description

本発明は、ワークに例えば高周波電流を通電して焼き入れ等する直接通電加熱装置に関する。

従来、この種の直接通電加熱装置としては、例えば特許文献１に開示されている。この直接通電加熱装置（焼入装置）は、電気的絶縁材を介して第１導体と第２導体が組み合わされてなる単位導体と、第１接触電極及び第２接触電極等を備えると共に、第１導体から分岐され、ラックバーの歯面に対してその長手方向に沿って間隙を持って対向配置され、その長手方向に延びる単位導体の第２導体の他端に接続される一対の分岐導体等を備えている。
特開平１０−１８３２３４号公報

しかしながら、この加熱装置にあっては、対向配置される接触電極の対向方向と同一方向に延びる第１導体と第２導体間に分岐導体を設けることにより、ワークと接触電極が非接触状態となっても、高周波電源からの電流を分岐導体に流して、ワークと接触電極との間のスパーク発生を防止できるものの、分岐導体が第１導体と第２導体の周囲を取り囲むように平面視で略ロ字状に配置されて、高周波電流を接触電極の対向方向から第１導体と第２導体を介して接触電極に供給するようにしている。

そのため、接触電極に接続される第１導体と第２導体の長さが異なることになり、一対の接触電極にその略中点位置から高周波電流を供給することが難しく、各接触電極への通電電流値にアンバランスが生じて、高精度な焼入品質を安定して得ることが困難であると共に、接触電極の周囲に分岐導体が位置する状態となって、電極部分の設置面積が増大して、焼入ラインの構成に制約を受け易く、加熱装置の設置の汎用性の面で劣るという問題点を有している。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、一対の通電電極の略中点位置から高周波電流等を供給できて、高精度な加熱品質が安定して得られると共に、電極回りをコンパクトに形成して、装置の設置の汎用性を向上させ得る直接通電加熱装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ワークの長手方向に沿って所定間隔で対向配置された一対の通電電極と、該通電電極の対向方向に沿って配置されて該通電電極を支持すると共に通電電極にそれぞれ電気的に接続された一対の導体とを備え、前記一対の導体は、前記ワークの長手方向に沿った端部に前記一対の通電電極が上下方向に突出状態で設けられて該通電電極の一方が他方に対して前記対向方向に移動可能に連結配置されると共に、上下方向に絶縁板を介して圧接挟持され、かつ前記通電電極の対向方向の略中間位置から該対向方向と略直交する水平方向に延設された端子部を有し、該端子部に所定周波数の電源が接続されることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記電源が、前記一対の通電電極に電気的に接続される出力トランスを有し、該出力トランスの二次側に通電電極と並列状態で、そのインダクタンスが通電電極に前記ワークが接触した際の通電電極間のインダクタンスに対して小さく設定された安全コイルが接続されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記通電電極間に、加熱後に前記ワークとしてのラックバーの歯面を冷却するための、前記通電電極間の間隔寸法に対応した長さの冷却ジャケットが着脱可能に配置され、該冷却ジャケットの噴射孔が歯面の山部に沿って複数設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、端部に通電電極が上下方向に突出状態で設けられた一対の導体が上下方向に絶縁板を介して圧接挟持されると共に、ワークの長手方向である通電電極の対向方向の略中間位置から対向方向と略直交する水平方向に延設された端子部を有するため、一対の通電電極に例えば高周波電流をバランス良く供給することができて、例えばワークの焼入品質が向上する等、ワークに高精度な加熱品質を安定して得ることができると共に、通電電極の周囲に突出する部分がなくなってコンパクトに形成できて、各種ライン構成に対応できる等、装置の設置の汎用性を向上させることができる。また、一対の通電電極が、その一方が他方に対して対向方向に移動可能に連結配置されているため、一対の通電電極間の間隔寸法を可変できて、通電電極間の間隔寸法をワークの形態に応じて容易に調整することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、電源の出力トランスの二次側に通電電極と並列状態で、そのインダクタンスが通電電極にワークが接触した際の通電電極間のインダクタンスに対して小さく設定された安全コイルが接続されているため、通電電極の周囲に分岐導体等を設けることなく、安全コイルにより通電電極のワークへの接触不良による悪影響を確実に防止できると共に、正常状態におけるワークの加熱状態への悪影響を防止しつつ、かつ接触不良発生時でもワークへの悪影響を最小限に抑えつつ、所定の電力でワークを加熱することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、通電電極間に着脱可能に配置される冷却ジャケットの噴射孔がラックバーの歯面の山部に沿って複数設けられているため、ラックバーの歯面の山部に沿って噴射される冷却水により、歯面の山部等を確実に急速冷却して高精度に焼入することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図７は、本発明に係わる高周波式の直接通電加熱装置の一実施形態を示し、図１がその概略構成を示す回路図、図２がその電極装置の平面図、図３がその正面図、図４が使用方法の説明図、図５が図４のＡ部の拡大図、図６及び図７が電極装置の分解斜視図である。

図１において、直接通電加熱装置１は、トランジスタ式のインバータ回路２を有し、このインバータ回路２は、４つのアーム２ａ〜２ｄにそれぞれ接続された半導体スイッチング素子としての４個のＦＥＴ３ａ〜３ｄ等を有している。

そして、このインバータ回路２の各アーム２ａ〜２ｄは、アーム２ａとアーム２ｂが直列接続され、アーム２ｃとアーム２ｄが直列接続されると共に、アーム２ａとアーム２ｃの接続点が直流電源の＋端子４ａに接続され、アーム２ｂとアーム２ｄの接続点が直流電源の−端子４ｂに接続されることにより、フルブリッジ回路を形成している。なお、前記端子４ａ、４ｂ間には、電解コンデンサ５と、抵抗６及びダイオード７の直列回路が接続されている。

また、インバータ回路２のアーム２ａとアーム２ｂの接続点には、トランス８の一次側コイルの一方側が接続され、アーム２ｃとアーム２ｄの接続点には、前記トランス８の一次側コイルの他方側が接続されている。このトランス８の二次側には、出力トランス９（変流器）の一次コイル９ａが接続され、出力トランス９の二次コイル９ｂには後述する電極装置１０が着脱可能に接続されている。

さらに、インバータ回路２のアーム２ａとアーム２ｃの接続点と、アーム２ａのＦＥＴ３ａのドレイン間及びアーム２ｃのＦＥＴ３ｃのドレイン間、アーム２ｂとアーム２ｄの接続点と、アーム２ｂのＦＥＴ３ｂのソース間及びアーム２ｄのＦＥＴ３ｄのソース間には、各アーム２ａ〜２ｄの電流をバランスさせる差動トランス１１がそれぞれ接続されている。また、アーム２ｂ、２ｄには、検出トランス等からなる電流検出器１２がそれぞれ接続され、この電流検出器１２は、その出力側にＦＥＴ３ａ〜３ｄをオ・オフさせるための図示しない発振器や電源回路が接続された制御装置１３に接続されている。

前記出力トランス９の二次コイル９ｂは、例えば略円筒形状の銅板もしくは銅パイプ等により１ターンに形成され、この二次コイル９ｂには安全コイル１４が並列接続されている。この安全コイル１４は、そのインダクタンス等の電気的特性値が、電極装置１０の通電電極１５ａ、１５ｂ間にワークであるラックバー１６が接触した際の電気的特性値に対して、１／２〜１／１０程度の小さい値となるように設定されている。

なお、この安全コイル１４の電気的特性値は、１／２を超える場合には安全コイル１４の電気的特性値が大きくなり過ぎて通電電極１５ａ、１５ｂ間の電気的特性値に悪影響を与え、１／１０未満の場合には通電電極１５ａ、１５ｂ間の電気的特性値に対して小さくなり過ぎて、通電電極１５ａ、１５ｂの接触不良等に的確に対応できないという、実験結果に基づいて求めた値である。

前記電極装置１０は、図２〜図７に示すように、ワークとしての棒状のラックバー１６の長手方向（軸方向）に沿って対向配置された一対の通電電極１５ａ、１５ｂと、この通電電極１５ａ、１５ｂをそれぞれ支持する一対の導体１７ａ、１７ｂと、通電電極１５ａ、１５ｂ間の下部に配置された冷却ジャケット１８等を有している。

前記通電電極１５ａ、１５ｂは、例えば所定板厚の銅板により正面視略Ｌ字形状に形成され、垂直方向に突出した部分の先端には幅狭に形成された接触部１９ａ、１９ｂが形成されている。また、この一対の通電電極１５ａ、１５ｂのうち、一方の通電電極１５ａは、一方の導体１７ａの上面に連結板を介して固定され、他方の通電電極１５ｂは、他方の導体１７ｂの上面に例えばガイド２２を介して移動可能に連結配置されている。

前記一対の導体１７ａ、１７ｂは、ラックバー１６の長手方向に沿った所定板厚の銅板で形成されると共に、その長手方向の側方に先端に垂直部を有する端子部２０ａ、２０ｂが水平状態で突出形成されて平面視で略Ｔ字形状を呈している。この時、各端子部２０ａ、２０ｂは各銅板の長手方向の略中間位置に設けられることにより、端子部２０ａ、２０ｂから各通電電極１５ａ、１５ｂへの距離が略同一となるように設定されている。

そして、この一対の導体１７ａ、１７ｂは、絶縁板２１を介してネジ固定されること等により上下方向に圧接挟持状態にされると共に、導体１７ｂ上に配置された移動可能な通電電極１５ｂにより、通電電極１５ａ、１５ｂ間の間隔寸法がワーク（ラックバー１６）の形態に応じて可変（調整）できるようになっている。なお、この通電電極１５ａ、１５ｂ間の間隔調整は、手動で行ったりモータによる電動で行っても良いし、両方の通電電極１５ａ、１５ｂを導体１７ａ、１７ｂに対して共に移動可能に配置しても良い。また、ワークの形態が特定される場合は、ガイド２２を設けることなくワークに応じて通電電極１５ａ、１５ｂを固定的に配置してもよい。

前記冷却ジャケット１８は、その全長がラックバー１６の焼入する歯面１６ａの長さに対応した長さに設定されて、例えば通電電極１５ａ、１５ｂ間の下部に、使用される電極間隔に応じて着脱し得るようにブロック２５を介して装着されている。そして、その平坦な上面には、図５に示すように、歯面１６ａの例えば山部に沿って複数個（図では５個）の噴射孔１８ａが上方に指向して設けられている。また、冷却ジャケット１８には、各導体１７ａ、１７ｂの端子部２０ａ、２０ｂの表面にロウ付け固定された冷却パイプ２３を介して冷却水が供給され、この冷却水が上面の噴射孔１８ａから上方に噴出されるようになっている。

この時、冷却パイプ２８は、端子部２０ａ、２０ｂ表面に固定されることにより、端子部２０ａ、２０ｂ自体の冷却にも使用され、この冷却パイプ２３の端部には、図示しないホースが接続されるホースコネクタ２４が固着されている。なお、冷却ジャケット１８への冷却水の供給は、この例に限定されず、例えば冷却ジャケット１８専用の冷却ホースを使用して、これを図示しない冷却水供給装置に接続しても良いし、冷却ジャケット１８の噴射孔１８ａが形成される上面をラックバー１６の歯面１６ａに対応した円弧形状に形成して、冷却水の噴射距離を歯面１６ａの円周方向において略均一となるように設定しても良い。

この加熱装置１は次のように動作する。すなわち、先ず、ラックバー１６の歯面１６ａの長さ等の形態に応じて、通電電極１５ａ、１５ｂ間の間隔寸法を所定値に設定すると共に、この間隔寸法に対応した長さの冷却ジャケット１８を通電電極１５ａ、１５ｂ間の下部に設置する。この状態で、図示しない操作盤の例えば加熱スイッチをオンさせると、前記発振器が作動してインバータ回路２のＦＥＴ３ａ〜３ｄがオン・オフして、トランス８の一次側に発振器の周期数に応じた所定周波数の高周波電流が供給される。

この高周波電流は、トランス８の二次側に接続された出力トランス９で大電流に変換されて、電極装置１０の導体１７ａ、１７ｂを介して通電電極１５ａ、１５ｂに供給される。この時、電極装置１０の導体１７ａ、１７ｂが通電電極１５ａ、１５ｂ間の間隔寸法の略中間位置から引き出されていることから、高周波電流が通電電極１５ａ、１５ｂにバランス良く供給される。この通電電極１５ａ、１５ｂへの高周波電流の供給により、該高周波電流がラックバー１６の歯面１６ａで通電電極１５ａ、１５ｂの接触部１９ａ、１９ｂが接触している間に流れ、そのジュール熱で自己発熱して歯面１６ａが所定温度まで加熱される。

そして、高周波電流が所定時間供給されて歯面１６ａが所定温度まで加熱されると、この加熱状態で高周波電流の供給が停止されると共に、制御装置１３の制御信号により冷却ジャケット１８に冷却水が供給されて、その噴射孔１８ａから歯面１６ａに向けて冷却水が噴射される。この冷却水の噴射により、加熱された歯面１６ａが急速冷却されて焼入され、この時、冷却ジャケット１８の噴射孔１８ａが歯面１６ａの山部に沿って複数個設けられていることから、冷却水が歯面１６ａの山部に効果的に噴射されて該山部が所定強度で焼入されることになる。

また、通電電極１５ａ、１５ｂを介してラックバー１６への高周波電流の供給時に、インバータ回路２の出力トランス９の二次コイル９ｂに歯面１６ａと並列的に安全コイル１４が接続されていることから、高周波電流が歯面１６ａを流れると同時に安全コイル１４にも分岐して常時流れる状態となる。これにより、例えば通電電極１５ａ、１５ｂの接触部１９ａ、１９ｂが歯面１６ａに対して接触不良を起こした場合でも、出力トランス９から供給される高周波電流が安全コイル１４を流れる状態となり、通電電極１５ａ、１５ｂの接触部１９ａ、１９ｂと歯面１６ａ間のスパーク等による歯面１６ａの傷付け等が確実に防止されることになる。

つまり、出力トランス９に、その二次コイル９ｂと並列的にすなわちラックバー１６の歯面１６ａと並列的に安全コイル１４を接続することにより、通電電極１５ａ、１５ｂへの高周波電流の供給時に、該通電電極１５ａ、１５ｂ間が完全オープンとなることがなくなり、間隙の小さい通電電極１５ａ、１５ｂとラックバー１６間に高電圧が印加される状態を回避できて、大きなスパークによる歯面１６ａの傷付き等が防止される。

また、安全コイル１４が出力トランス９の二次コイル９ｂに常時接続されていることから、通電電極１５ａ、１５ｂと歯面１６ａ間に瞬間的に接触不良が生じても、インバータ回路２の作動を一々停止させる必要がなくなり、接触不良が解消するまでの間、インバータ回路２を作動状態とすることができると共に、安全コイル１４の最適な電気的特性値の設定により、正常時における加熱状態への悪影響を抑えることができて、効率的な加熱作業が可能となる。

このように、上記実施形態の加熱装置１においては、一対の導体１７ａ、１７ｂが絶縁板２１を介して上下方向に圧接挟持されると共に、通電電極１５ａ、１５ｂの対向方向の略中間位置から対向方向と略直交する方向に延設された端子部２０ａ、２０ｂを有するため、一対の通電電極１５ａ、１５ｂに高周波電流をバランス良く供給することができる。特に、インバータ回路２の出力トランス９の二次コイル９ｂに通電電極１５ａ、１５ｂと並列状態で安全コイル１４が接続されていることから、通電電極１５ａ、１５ｂの周囲に分岐導体等を設けることなく、安全コイル１４によって通電電極１５ａ、１５ｂのラックバー１６への接触不良による悪影響を確実に防止することができる。

また、安全コイル１４のインダクタンスが通電電極１５ａ、１５ｂにラックバー１６が接触した際の通電電極１５ａ、１５ｂ間のインダクタンスより所定値小さく設定されているため、正常状態におけるラックバー１６の加熱状態への悪影響を防止しつつ、かつ接触不良発生時でもラックバー１６への悪影響を最小限に抑えつつ、所定の電力でラックバー１６の歯面１６ａを加熱することができる。

さらに、通電電極１５ａ、１５ｂ間に配置される冷却ジャケット１８の噴射孔１８ａが、ラックバー１６の歯面１６ａの山部に沿って複数設けられているため、ラックバー１６の歯面１６ａの山部に沿って噴射される冷却水により、歯面１６ａの山部を確実に急速冷却できて、歯面１６ａの所定位置を高精度に焼入することができ、これらにより、例えばラックバー１６の歯面１６ａの焼入品質が向上する等、ラックバー１６に高精度な加熱品質を安定して得ることが可能となる。

また、安全コイル１４が出力トランス９の二次コイル９ｂに並列的に接続されているため、通電電極１５ａ、１５ｂの周囲に従来の分岐導体のように突出する部分がなくなって、電極装置１０をコンパクトに形成できて、例えば各種の焼入ライン構成に対応できる等、加熱装置１の設置の汎用性を向上させることが可能になると共に、通電電極１５ａ、１５ｂの接触不良によるインバータ回路２の過度な停止を防止することができて、接触不良による高価なＦＥＴ３ａ〜３ｄの破損を確実に防止でき、破損によるメンテナンス作業の回数を減少させてそのコストの低減化を図ることができる。

またさらに、インバータ回路２に作動トランス１１が設けられているため、インバータ回路２の各アーム２ａ〜２ｄを流れる電流値を平均化することができると共に、アーム２ｂ、２ｄに電流検出器１３が設けられているため、この電流検出器１３で異常電流を検出してインバータ回路２の作動を停止させることができる。これらのことから、異常電流に強く安全性や信頼性に優れると共に、使い勝手に優れたインバータ回路２を有する加熱装置１を提供することが可能となる。

なお、上記実施形態においては、安全コイル１４を出力トランス９の二次コイル９ｂ側で出力トランス９内に配置したが、本発明はこれに限定されず、例えば図１の二点鎖線で示すように、出力トランス９の二次コイル９ｂ側と電極装置１０との間の適宜位置に配置することができるし、電源として高周波電源に限らず、中周波や低周波等の電源を使用することもできる。また、上記実施形態においては、インバータ回路２の半導体スイッチング素子として、ＦＥＴ３ａ〜３ｄを使用したが、例えば一般的なトランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ等の各種の半導体スイッチング素子を使用することもできる。

さらに、上記実施形態において、通電電極１５ａ、１５ｂの接触不良時に、警告灯で表示したりブザーを鳴らす等の警報を発するようにしても良いし、インバータ回路２の出力側に出力トランス９のみを設ける回路構成としたり、一対の導体１７ａ、１７ｂの引き出し方向を通電電極１５ａ、１５ｂの対向方向と直交する方向の同一方向ではなく反対方向とする等、本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜に変更することができる。

本発明は、通電電極を直接出力トランスの二次側に接続する構成に限らず、適宜のホルダーや適宜のトランスを介して接続する構成にも適用できる。

本発明に係わる直接通電加熱装置の一実施形態の概略構成を示す回路図同その電極装置の平面図同その正面図同使用方法の説明図同図４のＡ部の拡大図同電極装置の分解斜視図同他方向からの分解斜視図

符号の説明

１・・・直接通電加熱装置、２・・・インバータ回路、２ａ〜２ｄ・・・アーム、３ａ〜３ｄ・・・ＦＥＴ、８・・・トランス、９・・・出力トランス、９ａ・・・一次コイル、９ｂ・・・二次コイル、１０・・・電極装置、１１・・・作動トランス、１２・・・電流検出器、１３・・・制御装置、１４・・・安全コイル、１５ａ、１５ｂ・・・通電電極、１６・・・ラックバー、１６ａ・・・歯面、１７ａ、１７ｂ・・・導体、１８・・・冷却ジャケット、１８ａ・・・噴射孔、１９ａ、１９ｂ・・・接触部、２０ａ、２０ｂ・・・端子部、２１・・・絶縁板、２３・・・冷却パイプ。

Claims

ワークの長手方向に沿って所定間隔で対向配置された一対の通電電極と、該通電電極の対向方向に沿って配置されて該通電電極を支持すると共に通電電極にそれぞれ電気的に接続された一対の導体とを備え、
前記一対の導体は、前記ワークの長手方向に沿った端部に前記一対の通電電極が上下方向に突出状態で設けられて該通電電極の一方が他方に対して前記対向方向に移動可能に連結配置されると共に、上下方向に絶縁板を介して圧接挟持され、かつ前記通電電極の対向方向の略中間位置から該対向方向と略直交する水平方向に延設された端子部を有し、該端子部に所定周波数の電源が接続されることを特徴とする直接通電加熱装置。
前記電源は、前記一対の通電電極に電気的に接続される出力トランスを有し、該出力トランスの二次側に通電電極と並列状態で、そのインダクタンスが通電電極に前記ワークが接触した際の通電電極間のインダクタンスに対して小さく設定された安全コイルが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直接通電加熱装置。
前記通電電極間に、加熱後に前記ワークとしてのラックバーの歯面を冷却するための、前記通電電極間の間隔寸法に対応した長さの冷却ジャケットが着脱可能に配置され、該冷却ジャケットの噴射孔が歯面の山部に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の直接通電加熱装置。