JP4367770B2 - 誘導加熱方法及び誘導加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、被加熱物の平坦面のうち所定の環状部分を所定の深さだけ誘導加熱する誘導加熱方法及び誘導加熱コイルに関する。

平坦面が形成されたワーク（被加熱物）が産業界で広く使用されている。このようなワークの平坦面を環状（リング状）に焼入れすることがある。この焼入れに際しては、平坦面の焼入部分とほぼ同じサイズの円形の誘導加熱コイルを平坦面に向き合わせて配置しておき、この平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱することにより環状の被加熱部分（以下、環状部分という）を形成してその直後に急冷する。

ところが、電磁誘導によってワークの環状部分に流れる渦電流はこの環状部分の最短距離を通る傾向にあるので、環状部分のうち内側部分には外側部分よりも多くの渦電流が通ることとなる。この理由は、円形の誘導加熱コイルでは、この誘導加熱コイル径の内側における磁界の強さが近接効果（加熱コイル効果）によってその外側よりも強いからである。この結果、この内側部分は外側部分よりも深くまで焼入温度に加熱されることとなる。従って、焼入硬化層の深さは内側部分では深く、外側部分では浅くなり、一様な深さの焼入硬化層が得られない。

ところで、ワークの平坦面の全体に一様な深さの焼入硬化層を形成する技術として、誘導加熱コイルの中心が平坦面の中心から偏心するように誘導加熱コイルを配置しておき、ワークを回転させながらその平坦面を誘導加熱する技術が知られている（特許文献１）。
特公昭５８−３９８８７号公報

上記した技術では、ワークの平坦面を環状に焼入れすることができないという問題と、誘導加熱コイルの中心が平坦面の中心から偏心しているのでエネルギー効率が悪いという問題がある。

本発明は上記事情に鑑み、ワークの平坦面を環状に一様な深さに誘導加熱できる誘導加熱方法及び誘導加熱コイル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第１の誘導加熱方法は、被加熱物の平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
（１）所定の外径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて環状に誘導加熱することにより環状の被加熱部分を形成し、続いて、前記第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第２誘導加熱コイルを前記環状の被加熱部分に向き合わせて誘導加熱することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するための本発明の第２の誘導加熱方法は、被加熱物の平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
（２）所定の内径をもつ円弧状の第２誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて環状に誘導加熱することにより環状の被加熱部分を形成し、続いて、前記第２誘導加熱コイルの内径と同一又は略同一の外径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルを前記環状の被加熱部分に向き合わせて該環状の被加熱部分を誘導加熱することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するための本発明の第３の誘導加熱方法は、被加熱物の平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
（３）所定の外径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルと、該第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第２誘導加熱コイルとが連続した略円形の誘導加熱コイルを形成しておき、
（４）該誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて配置し、
（５）前記平坦面のいずれかの点を中心にして該誘導加熱コイルと前記被加熱物を相対的に回転させて、前記平坦面を環状に誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成することを特徴とするものである。

ここで、
（６）その中心角が９０°以上３００°以下の範囲内の前記第２誘導加熱コイルを用いてもよい。

また、上記目的を達成するための本発明の誘導加熱コイルは、被加熱物の平坦面を誘導加熱する誘導加熱コイルにおいて、
（７）所定の外径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルと、
（８）該第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第２誘導加熱コイルとを備え、
（９）これら第１及び第２誘導加熱コイルが連続した略円形状であることを特徴とするものである。

ここで、
（１０）前記第２誘導加熱コイルは、その中心角が９０°以上３００°以下の範囲内のものであってもよい。

本発明の誘導加熱方法によれば、先ず、第１誘導加熱コイルで平坦面を環状に誘導加熱する。この誘導加熱では、第１誘導加熱コイルに向き合う平坦面の環状の部分のうちの内側部分ではその外側部分よりも多くの渦電流が通るので、この内側部分が深くまで加熱されるが、外側部分は内側部分よりも浅くしか加熱されない。すなわち、外側部分の被加熱層（外側被加熱層）は内側部分の被加熱層（内側被加熱層）よりも浅い。逆に言えば、内側被加熱層は外側被加熱層よりも深い。このように不均一な（一様でない）深さの被加熱層が形成された環状部分を第２誘導加熱コイルで続けて誘導加熱する。この誘導加熱では、第１誘導加熱コイルの場合と同様に、内側被加熱層が外側被加熱層よりも深くなる。しかし、第２誘導加熱コイルの内径は第１誘導加熱の外径と同一又は略同一であるので、第１誘導加熱コイルで浅くしか加熱されなかった外側被加熱層が、第２誘導加熱コイルの内側被加熱層となって深くまで加熱される。一方、第１誘導加熱コイルで深く加熱された内側被加熱層は、第２誘導加熱コイルではほとんど加熱されない。以上の結果、平坦面のうち環状部分は一様な深さに加熱される。

本発明は、被加熱物の平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱することによりこの平坦面に環状の被加熱部分を形成する技術に実現された。

図１を参照して、本発明の誘導加熱コイルの一例を説明する。

図１（ａ）は、本発明の一例の誘導加熱コイルを示す平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。

誘導加熱コイル１０は、所定の外径ｒ１をもつ円弧状の第１誘導加熱コイル２０と、この外径ｒ１と同一又は略同一の内径Ｒ２をもつ円弧状の第２誘導加熱コイル３０とを有する。すなわち、ｒ１≒Ｒ２である。なお、外径ｒ１と内径Ｒ２を同じ長さにしてもよい。第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル３０はともに円弧状であり、共通の中心点Ｃをもっている。第１誘導加熱コイル２０の外径ｒ１と内径ｒ２、及び第２誘導加熱コイル３０の外径Ｒ１と内径Ｒ２は、後述するように被加熱物（ワーク）Ｗの環状部分Ｗ１のサイズ（内径及び外径）によって適宜に決められる。また、第１誘導加熱コイル２０の周方向一端部２０ａは第２誘導加熱コイル３０の周方向一端部３０ａに電気的に接続されており、第１誘導加熱コイル２０の周方向他端部２０ｂは第２誘導加熱コイル３０の周方向他端部３０ｂに電気的に接続されている。このため、誘導加熱コイル１０は、第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル３０が連続した略円形状に形成されている。第１誘導加熱コイル２０の中心角Θ１は、６０°以下２７０°以上の範囲内であり、第２誘導加熱コイル３０の中心角Θ２は９０°以上３００°以下の範囲内である。なお、常に、中心角Θ１＋中心角Θ２＝３６０°となる。また、内径がＲ２で外径がＲ１となる環状の被加熱層（範囲）とするためには、中心角Θ１≒中心角Θ２≒１８０°にする。

なお、後述する図４に示すように、中心角Θ２が１８０°を超えて３００°以下の場合、第１誘導加熱コイル２０を流れる電流の密度は第２誘導加熱コイル３０のそれよりも少なくなるので、被加熱層の形状が第２誘導加熱コイル３０の形状に近似するものとなり、一方、中心角Θ２が９０°以上１８０°以下の場合、第２誘導加熱コイル３０を流れる電流の電流密度は第１誘導加熱コイル２０のそれよりも少なくなるので、被加熱層の形状が第１誘導加熱コイル２０の形状に近似するものとなる。このような効果は、第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル３０の(合成コイル)円周上の長さ(面積)比率により得られる効果であり、被加熱層の加熱(焼入)幅を任意に設定可能となる、中心角Θ１と中心角Θ２は、ワークＷの加熱幅を適宜に得るために適正な角度に決定される。

第１誘導加熱コイル２０と第２誘導加熱コイル３０の境界部分の一方には電気的絶縁材１２を挟んで一対の導電体１４，１４が接続されており、これら導電体１４，１４は高周波電源（図示せず）に接続されている。この高周波電源から誘導加熱コイル１０に高周波電力が供給されているとき、ある一瞬では矢印Ａ方向に電流が通る。

図２と図３を参照して、誘導加熱コイル１０を用いて被加熱物（ワーク）の平坦面を環状に所定の深さだけ誘導加熱する誘導加熱方法を説明する。

図２（ａ）は、ワークの平坦面に近接させて配置された誘導加熱コイルを示す平面図であり、（ｂ）は、第１誘導加熱コイルのみによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図であり、（ｃ）は、第２誘導加熱コイルのみによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図であり、（ｄ）は、第１及び第２誘導加熱コイルによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、ワークの被加熱層と第１誘導加熱コイルの位置関係を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、ワークの被加熱層と第２誘導加熱コイルの位置関係を模式的に示す断面図である。

ワークＷの平坦面Ｗａを環状に所定の深さだけ誘導加熱することによりこの平坦面に環状の被加熱部分（環状部分Ｗ１という）を形成する方法を説明する。ここでいう被加熱部分とは、加熱されたときに略同じ（一様な）深さまで略同じ（一様な）温度になる部分をいい、この温度と略同じ温度であってもこの深さよりも浅い部分は被加熱部分には含まれていない。従って、このワークＷを焼入れしたときは、被加熱部分（環状部分Ｗ１）では硬化深さが同じ（一様）になる。

この環状部分Ｗ１は内径がｒ２であって、第１誘導加熱コイル２０の内径ｒ２に等しい。また、環状部分Ｗ１の外径はｒ３であり、第１誘導加熱コイル２０の外径ｒ１よりも大きくて、第２誘導加熱コイル３０の外径Ｒ１よりも小さい。すなわち、ｒ１<ｒ３<Ｒ１ である。

誘導加熱コイル１０の中心点Ｃが環状部分Ｗ１の中心点Ｃ’（本発明にいう平坦面のいずれかの点の一例である）に一致するように、環状部分Ｗ１の上方に近接させて誘導加熱コイル１０を配置する。その後、高周波電源から誘導加熱コイル１０に電力を供給しながら誘導加熱コイル１０とワークＷを相対的に回転させる。ここでは、環状部分Ｗ１の中心点Ｃ’を中心にしてワークＷを回転させた。

第１誘導加熱コイル２０のみによる誘導加熱の場合、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示すように、環状部分Ｗ１のうち第１誘導加熱コイル２０のほぼ真下に相当する部分（被加熱部分）Ｈ１のみが誘導加熱される。この場合、被加熱部分Ｈ１のうちの内側部分Ｈ１ａではその外側部分Ｈ１ｂよりも多くの渦電流が通るので、図２（ｂ）に示すように、この内側部分Ｈ１ａが深くまで加熱されるが、外側部分Ｈ１ｂは内側部分Ｈ１ａよりも浅くしか加熱されない。すなわち、外側部分Ｈ１ｂの被加熱層（外側被加熱層Ｈ１ｂとする）は内側部分Ｈ１ａの被加熱層（内側被加熱層Ｈ１ａとする）よりも浅い。逆に言えば、内側被加熱層Ｈ１ａは外側被加熱層Ｈ１ｂよりも深い。

上記と同様に、第２誘導加熱コイル３０のみによる誘導加熱の場合、図２（ｃ）に示すように、環状部分Ｗ１のうち第２誘導加熱コイル３０のほぼ真下に相当する部分（被加熱部分）Ｈ２のみが誘導加熱される。この場合、被加熱部分Ｈ２のうちの内側部分Ｈ２ａではその外側部分Ｈ２ｂよりも多くの渦電流が通るので、この内側部分Ｈ２ａが深くまで加熱されるが、外側部分Ｈ２ｂは内側部分Ｈ２ａよりも浅くしか加熱されない。すなわち、外側部分Ｈ２ｂの被加熱層（外側被加熱層Ｈ２ｂとする）は内側部分Ｈ２ａの被加熱層（内側被加熱層Ｈ２ａとする）よりも浅い。逆に言えば、内側被加熱層Ｈ２ａは外側被加熱層Ｈ２ｂよりも深い。

上述したように誘導加熱コイル１０の中心点Ｃが環状部分Ｗ１の中心点Ｃ’に一致するように、環状部分Ｗ１の上方に近接させて誘導加熱コイル１０を配置しておき、高周波電源から誘導加熱コイル１０に電力を供給しながら環状部分Ｗ１の中心点Ｃ’を中心にしてワークＷを回転させる。これにより、ワークＷが回転し始めた直後には、環状部分Ｗ１のうち第１誘導加熱２０に向き合っている部分（例えばＨ１に相当する部分）では、先ず、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示すように被加熱部分Ｈ１が形成される。その後、ワークＷの回転に伴って、被加熱部分Ｈ１に重なって（重畳して）被加熱部分Ｈ２が形成される。この結果、図２（ｄ）と図３（ｂ）に示すように環状部分Ｗ１には一様な深さの被加熱層Ｈ３が形成される。

一方、ワークＷが回転し始めた直後には、環状部分Ｗ１のうち第２誘導加熱コイル３０に向き合っている部分（例えばＨ２に相当する部分）では、先ず、図２（ｃ）に示すように被加熱部分Ｈ２が形成される。その後、ワークＷの回転に伴って、被加熱部分Ｈ２に重なって（重畳して）被加熱部分Ｈ１が形成される。この結果、図２（ｄ）と図３（ｂ）に示すように、環状部分Ｗ１には一様な深さの被加熱層Ｈ３が形成される。ワークＷを繰り返して回転させることにより被加熱部分Ｈ１と被加熱部分Ｈ２が繰り返して形成される。この結果、環状部分Ｗ１には一様な深さの被加熱層Ｈ３がいっそう確実に形成されることとなる。

なお、ワークＷが鋼製であって被加熱層Ｈ３を焼入温度まで一様に加熱した直後に、この被加熱層Ｈ３に冷却液を噴射して急冷することにより環状部分Ｗ１には一様な深さ（図２（ｄ）のｈで示す深さ）の硬化層が得られることとなる。

図４を参照して、上記の中心角Θ２が変化することに起因して被加熱層の幅を変える技術を説明する。

図４は、中心角Θ２を変化させることにより幅が変わった被加熱層を示す模式図であり、（ａ）は、中心角Θ２が１８０°（中心角Θ１も１８０°）のときの被加熱層を示し、（ｂ）は、中心角Θ２が３００°（中心角Θ１は６０°）のときの被加熱層を示し、（ｃ）は、中心角Θ２が９０°（中心角Θ１は２７０°）のときの被加熱層を示す。この図では、図２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。

中心角Θ１＝中心角Θ２＝１８０°の場合は、（ａ）に示すように、内径ｒ２で外径Ｒ１となる広い幅の環状で一様な深さの被加熱層Ｈ４が得られる。中心角Θ２＝３００°で中心角Θ１＝６０°の場合は、第１誘導加熱コイル２０を流れる電流の密度は第２誘導加熱コイル３０のそれよりも少なくなるので、（ｂ）に示すように被加熱層の形状が第２誘導加熱コイル３０の形状に近似するものとなり、内径Ｒ２で外径Ｒ１となる環状で一様な深さの被加熱層Ｈ５が得られる。中心角Θ２＝９０°で中心角Θ１＝２７０°の場合は、第２誘導加熱コイル３０を流れる電流の電流密度は第１誘導加熱コイル２０のそれよりも少なくなるので、（ｃ）に示すように、内径ｒ２で外径ｒ１となる環状で一様な深さの被加熱層Ｈ６が得られる。

（ａ）は、本発明の一例の誘導加熱コイルを示す平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。 （ａ）は、ワークの平坦面に近接させて配置された誘導加熱コイルを示す平面図であり、（ｂ）は、第１誘導加熱コイルのみによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図であり、（ｃ）は、第２誘導加熱コイルのみによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図であり、（ｄ）は、第１及び第２誘導加熱コイルによって加熱された被加熱層を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、ワークの被加熱層と第１誘導加熱コイルの位置関係を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、ワークの被加熱層と第２誘導加熱コイルの位置関係を模式的に示す断面図である。 中心角Θ２を変化させることにより幅が変わった被加熱層を示す模式図であり、（ａ）は、中心角Θ２が１８０°（中心角Θ１も１８０°）のときの被加熱層を示し、（ｂ）は、中心角Θ２が３００°（中心角Θ１は６０°）のときの被加熱層を示し、（ｃ）は、中心角Θ２が９０°（中心角Θ１は２７０°）のときの被加熱層を示す。

符号の説明

１０ 誘導加熱コイル
２０ 第１誘導加熱コイル
３０ 第２誘導加熱コイル

Claims (6)

1. 被加熱物の平坦面のうちその外周縁よりも内側の部分を環状に誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
   前記環状の被加熱部分の中心から該環状の被加熱部分のうち幅方向中央部までの長さと同一又は略同一の外径及び前記環状の被加熱部分の内径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて誘導加熱し、前記第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径及び前記環状の被加熱部分の外径と同一又は略同一の外径をもつと共に前記第１誘導加熱コイルに連続して略円形を形成する円弧状の第２誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて誘導加熱する際に、前記略円形を形成する前記第１及び第２誘導加熱コイルの円弧の中心角を変えることにより前記環状の被加熱部分の幅を変えることを特徴とする誘導加熱方法。
2. 被加熱物の平坦面のうちその外周縁よりも内側の部分を環状に誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
   前記環状の被加熱部分の中心から該環状の被加熱部分のうち幅方向中央部までの長さと同一又は略同一の内径及び前記環状の被加熱部分の外径と同一又は略同一の外径をもつ円弧状の第２誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて誘導加熱し、前記第２誘導加熱コイルの内径と同一又は略同一の外径及び前記環状の被加熱部分の内径と同一又は略同一の内径をもつと共に前記第２誘導加熱コイルに連続して略円形を形成する円弧状の第１誘導加熱コイルを前記平坦面に向き合わせて誘導加熱する際に、前記略円形を形成する前記第１及び第２誘導加熱コイルの円弧の中心角を変えることにより前記環状の被加熱部分の幅を変えることを特徴とする誘導加熱方法。
3. 被加熱物の平坦面のうちその外周縁よりも内側の部分を環状に誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分を形成する誘導加熱方法において、
   前記環状の被加熱部分の中心から該環状の被加熱部分のうち幅方向中央部までの長さと同一又は略同一の外径及び前記環状の被加熱部分の内径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルと、該第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径及び前記環状の被加熱部分の外径と同一又は略同一の外径をもつと共に前記第１誘導加熱コイルに連続して略円形を形成する円弧状の第２誘導加熱コイルとを用意しておき、
   前記略円形を形成する前記第１及び第２誘導加熱コイルの円弧の中心角を変えることにより前記環状の被加熱部分の幅を変えることを特徴とする誘導加熱方法。
4. 前記中心角が９０°以上３００°以下の範囲内の前記第２誘導加熱コイルを用いることを特徴とする請求項１，２，又は３に記載の誘導加熱方法。
5. 被加熱物の平坦面のうちその外周縁よりも内側の部分を環状に誘導加熱することにより前記平坦面に環状の被加熱部分をその幅を変えて形成するための誘導加熱コイルにおいて、
   前記環状の被加熱部分の中心から該環状の被加熱部分のうち幅方向中央部までの長さと同一又は略同一の外径及び前記環状の被加熱部分の内径と同一又は略同一の内径をもつ円弧状の第１誘導加熱コイルと、
   前記環状の被加熱部分の外径と同一又は略同一の外径及び前記第１誘導加熱コイルの外径と同一又は略同一の内径をもつと共に前記第１誘導加熱コイルに連続して略円形を形成する円弧状の第２誘導加熱コイルとを備え、
   その中心が前記環状の被加熱部分の中心に一致するように前記略円形を形成する前記第１及び第２誘導加熱コイルは、
   それぞれの円弧の中心角の合計が３６０°を満たすように組み合わされた前記第１及び第２誘導加熱コイルで略円形を形成して前記被加熱物を回転させながら前記被加熱部分を誘導加熱することにより該被加熱部分の幅を変えるものであることを特徴とする誘導加熱コイル。
6. 前記第２誘導加熱コイルは、
   前記中心角が９０°以上３００°以下の範囲内のものであることを特徴とする請求項５に記載の誘導加熱コイル。

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