JP4703781B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電流が供給される超伝導コイルがヨークに設けられた誘導加熱装置に関するものである。

特許文献１には誘導加熱装置が開示されており、電導性材料から成るビレットを加熱するために、Ｃ字状のヨークの断面における２つの柱状部間の空間部において当該ビレットが回転するようになっている。このヨーク上には直流電流が供給される高温超伝導コイルが設けられており、高温超伝導体（ＨＴＳＬ）としての例えばイットリウム系超伝導体（ＹＢＣＯ）などの銅酸化物高温超伝導体及び一般的なすべての超伝導体（ＳＬ）は、液体窒素の沸点を超える転移温度によって特徴付けられている。

通常、誘導加熱装置は生産ラインに組み込まれているため、ビレットは、生産ラインにより所定の周期内で誘導加熱装置によって処理される必要がある。

特許文献２には略Ｅ字状のヨークを備えた誘導加熱装置が開示されており、この略Ｅ字状のヨークの３つの柱状部は、磁極片として形成されている。また、各柱状部は、これら各柱状部間の空間部において、柱状部に設けられつつ交流電流が供給されるコイル部によってワークピースを誘導加熱するために、互いに１２０°の角度をなして星状に配置されている。

特許文献３にはＥ字状のヨークを備えた他の誘導加熱装置が開示されており、このヨークの中央柱状部には第１のコイル部が配置されているとともに、前記ヨークの外側柱状部は互いに重なるようにして配置されている。また、加熱されるワークピースは、前記外側柱状部における互いに離間した端面間に配置されるとともに、他のコイル部によって包囲される。なお、このコイル部は、交流電流が供給されるものであり、主にワークピースの誘導加熱を行うものである。

特許文献４にはＥ字状のヨークを備えた他の誘導加熱装置が開示されており、３つの柱状部それぞれは、各柱状部間でワークピースを誘導加熱するために、交流電流が供給されるコイル部を備える構成となっている。

独国特許出願番号１０２００５０６１６７０．４号明細書 米国特許第５４１２１８３号明細書 仏国特許発明第９０４１５９号明細書 欧州特許出願公開第２６６４７０号明細書

本発明の目的は、時間当たりのビレット生産能力を高めるとともに、エネルギー消費を低減することが可能な誘導加熱装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１に係る発明の構成を備えた誘導加熱装置により達成される。なお、各従属請求項は、好ましい実施形態に対応している。

請求項１に係る誘導加熱装置は、断面が少なくとも略Ｅ字状で、かつ、２つの外側柱状部とその間の中央柱状部とで構成されたヨークを備えている。ここで、中央柱状部及び両外側柱状部は、横架部材によって互いに接続されている。また、少なくとも１つの超伝導コイルが中央柱状部及び両外側柱状部のうちいずれかに設けられている。

さらに、中央柱状部と各外側柱状部の間にはそれぞれ空間部が形成されており、この空間部においてビレットが回転し加熱される。このように、空間部が２つ形成されるため、２つのビレットを同時に加熱することが可能である。例えば、加熱されたビレットを新しい加熱されていないビレットと交換する場合でも、もう一方のビレットについては、これをもう一方の空間部内で加熱し続けることが可能である。これにより、誘導加熱装置の生産能力が向上することとなる。

また、Ｅ字状のヨークによれば、１つのみの超伝導コイルによって加熱されたビレットの生産能力を大幅に向上させることができる。通常、この超伝導コイルは、少なくとも更にコイルへのコネクタを含んで構成されたコイル部として形成されている。そして、これら超伝導コイルあるいは超伝導コイル部を中央柱状部に設けることが考えられる。一方、これに代えて、例えば、２つの超伝導コイルあるいは超伝導コイル部を横架部材（好ましくは中央柱状部の両側に１つずつ）に設けるようにしてもよい。さらに、各外側柱状部に１つずつ超伝導コイルを設けてもよい。

以下に説明する本発明の実施形態は、ヨークのＥ字状の形状、特に空間部の数に限定されるものではない。

両外側柱状部及び中央柱状部は、横架部材によって互いに接続されている。ここで、超伝導コイル部あるいは超伝導コイルを、横架部材に当接するよう中央柱状部上でスライドさせるのが望ましい。これにより、コンパクトなヨークを得ることができるのに伴い短い磁気層が得られ、誘導加熱装置の効率の向上を図ることが可能である。

また、ヨークにおける各柱状部を中実体として形成するのが好ましい。超伝導コイルには直流電流が供給されるので、渦電流によって引き起こされるヨーク内での渦電流損失について妥協する必要がないとともに、多層状のパネルから成るような高価なヨークを用いる必要もない。また、絶縁材を含むラミネート加工を必要としないため、多層状のパネルの場合と比較して磁気的な充填比を高めることが可能である。これにより、磁場の強化、又は同じ磁場強度に対してより簡易な材料を用いて、かつ、安価な構造を達成することができる。

ところで、超伝導コイル部は、少なくとも１つの高温超伝導コイルを収容する真空室を備える構成となっている。この真空室により、高温超伝導コイルの良好な断熱が達成される。さらに、金属蒸着（好ましくはアルミニウム蒸着）されたフィルムを重ねた層によって高温超伝導コイルを被覆すれば、断熱性を更に向上させることができる。なお、高温超伝導コイルを、プラスチックホルダによって真空室内に保持することが考えられる。

そして、コイル部と空間部の開口端部との間で断熱を行うことにより、高温超伝導コイルを冷却するのに必要なエネルギーを低減することが可能である。この場合、この断熱材を、特にケイ酸カルシウムなどの微孔性材料で形成するのが好ましい。さらに、このような断熱に代えて、又は加えて、例えば金蒸着されたセラミックから成り、赤外線をビレットへ向けて反射する赤外線反射材を空間部に設けてもよく、これにより熱損失が低減される。なお、赤外線反射材をＵ字状に形成し、その中心部においてビレットが回転するようにするのが望ましい。

また、コイル部を保護するために、ヨークに比して大きな磁気抵抗を有する、例えば特殊鋼（Ｖ２Ａ，Ｖ４Ａなど）から成る衝撃吸収プレートを各空間部に設けるのが好ましい。すなわち、この衝撃吸収プレートは、回転しているビレット１０がその取付部から脱離した場合に、高価かつ衝撃に弱い超伝導コイル部を損傷から保護する役目を果たすものである。なお、この衝撃吸収プレートについて、これを、例えば空間部におけるそれぞれ互いに対向する２つの溝内に配置することが考えられる。

また、各空間部を、各柱状部の自由端の方向へ先細に形成するのが好ましい。すなわち、各柱状部はその自由端の方向へ厚みが増すように形成される。これによって、各柱状部間の空間、すなわちビレットが回転する空間が狭まり、磁気抵抗の低減並びに最大加熱出力及び効率の向上を図ることが可能となる。

また、各空間部を、外部に対して、断熱材によって閉鎖してもよい。なお、この場合、この断熱材は、各空間部が開口するよう可動に構成される。さらに、このような構成に代えて、又は加えて、各空間部を、外部に対して、非磁性材料から成る保護プレートで閉鎖することが考えられる。この保護プレートは、ビレットが加熱中に不意にその取付部から脱離するような場合に、このビレットが空間部へ到達したり、他の部材が損傷したり、あるいは人が負傷したりするのを防ぐものである。なお、この場合にも、各空間部が開口するよう保護プレートを可動に構成してもよい。

また、各空間部の幅を調整可能に構成するのが好ましい。こうすることで、異なる直径を有する様々なビレットに空間部を対応させることができる。このような調整は、例えば、外側柱状部の少なくとも下部を摺動又は揺動させることで行える。この場合、この外側柱状部の下部を一平面内において回転軸に対して直角に分割されるように構成することが考えられる。そして、各空間部の調整時には、この分割された部分が独立して摺動又は揺動するようになっている。なお、このような構成に代えて、各空間部の幅の調整を、ヨークにおける各柱状部に交換可能に設けられた強磁性金属プレートにより行うようにしてもよい。

この強磁性金属プレートはヨークよりも大きな透磁率を有しているため、強磁性金属プレートによる磁束は、該強磁性金属プレート及び該強磁性金属プレート間で回転するビレットを集中的に通過することになる。一方、比較的大きなビレットを加熱する場合には、強磁性金属プレートの透磁率をヨークの透磁率よりも小さく設定することも考えられる。このようにすることで、強磁性金属プレートが分散的に作用し、磁束が均一に作用することになる。

ところで、空間部の幅の調整は、該幅がヨークの端面側から中央側へ増大するようになされる。このために、強磁性の金属製くさび状部材をヨークの各柱状部に設けることが考えられる。空間部のこのような形状によりヨークの端面側に生じる漏れ磁界を低減されるのに伴い、ビレットを通過する磁束が増大することになる。

また、外側柱状部の一部を摺動又は揺動させたり、交換可能に設けられた強磁性金属プレート又は金属製くさび状部材を交換するなどして空間部の幅を調整する際には、まず、高温超伝導コイルの作動が停止され、次いで、空間部の幅が容易に変更される。このとき、高温超伝導コイルの作動を停止した後、かつ、各空間部の幅を変更する前にヨークを消磁すれば、特に容易に空間部の幅の変更を行うことが可能である。

さらに、例えば、ヨーク上に配置されたコイル部（特に超伝導コイル部）に交流電流を供給するようにしてもよい。このとき、交流電流の電流値は、直流電流における定格電流値よりも小さく、特に直流電流における定格電流値の１０〜２０％に設定される。

本発明によれば、誘導加熱装置において、時間当たりのビレット生産能力を高めるとともに、エネルギー消費を低減することが可能である。

部分的に断面で示す、誘電加熱装置の側面図である。 図１に示す誘導加熱装置における磁石ユニットの断面図である。 図１に示す誘導加熱装置における磁石ユニットの側面図である。 図３におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 誘導加熱装置における磁石ユニットの別形態の断面図である。 別形態の磁石ユニットを下から見た図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示す誘導加熱装置は、２つの部材で構成されつつ誘導加熱装置１００の空間部内にビレット１０を保持する取付器具２ａ，２ｂを備えている。このビレット１０は、取付器具の一部２ａ、ギヤ装置３及びモータ１によって回転駆動される。また、ビレット１０は、取付器具２ａ，２ｂによって、図中に双方向の矢印で示すように上下動するようになっている。さらに、取付器具２ａ，２ｂも、図中に双方向の矢印で示すように水平方向に変位するようになっている。

ビレット１０はＥ字状のヨーク１４０の断面における空間部１５１ｌ内に配置され、このヨーク１４０の中央柱状部にはコイル部１２０が設けられている（図２及び図４参照）。このヨーク１４０は、その断面がＥ字状に形成されているとともに、横架部材１４１を介して中央柱状部１４３に接続する外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒを備えている。また、外側柱状部１４２ｌと中央柱状部１４３の間及び外側柱状部１４２ｒと中央柱状部１４３の間には、それぞれ下方へ開口した空間部１５０ｌ，１５０ｒが形成されている。なお、ヨーク１４０は、中実体（固体）で構成されている。

ところで、コイル部１２０は真空室１２５から成っており、この真空室１２５内には、例えば液体窒素により冷却された高温超伝導コイル１２１が収納されている（冷却回路及び電気配線については図示していない。）。ここで、高温超伝導コイル１２１は、不図示のプラスチックホルダにより真空室１２５において固定されている。

また、高温超伝導コイル１２１は、断熱のために、アルミニウム蒸着されたポリエステルフィルム１２３を多数重ねた層で被覆されている。ここで、良好な断熱性を得るためには、フィルムを約４０〜６０層重ねるのが好ましく、また、エッジ部においては更に１０〜２０層重ねるのが望ましい。

また、真空室１２５の下部における各空間部１５０ｌ，１５０ｒにはそれぞれ衝撃吸収プレート１５３が設けられており、これら衝撃吸収プレート１５３は、例えば特殊鋼などの非磁性材料から成るとともに、空間部１５０ｌ，１５０ｒにおいて、互いに向き合う長手方向溝１５２内に配置されている。ここで、この衝撃吸収プレート１５３の組付は、当該衝撃吸収プレート１５３をヨーク１４０の端面から長手方向溝１５２へ挿入し、ここで固定することにより行われる。なお、この衝撃吸収プレート１５２は、回転しているビレット１０が取付器具２ａ，２ｂから脱離した場合に、コイル部１２０を損傷から保護する役目を果たすものである。

衝撃吸収プレート１５３の下部には、ここではケイ酸カルシウムプレートから成る断熱材１５４が直接設けられている。この断熱材１５４は、該断熱材１５４に結着されつつ金蒸着されたセラミックから成るＵ字状断面の赤外線反射材１５８と同様、コイル部１２０をビレット１０の熱から保護する役目を果たすものである。さらに、ビレット１０からヨーク１４０への熱損失も低減されることになる。

空間部１５０ｌ，１５０ｒは、その下端部において、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒ又は中央柱状部１４３に交換可能に取り付けられた強磁性金属プレート１５５により、先細となっている。これにより、ヨーク１４０における各柱状部１４２ｌ，１４２ｒ，１４３とビレット１０との間の間隙が小さくなり、これに伴い、誘導加熱装置１００の磁気抵抗も低減される。また、強磁性金属プレート１５５はヨーク１４０よりも大きな透磁率を有しているため、強磁性金属プレート１５５による磁束は、ビレット１０を集中的に通過することになる。

上記のような実施形態は、空間部が強磁性金属プレート１５５との間にわずかな一定幅の間隙を有するような実施形態に比して、空間部１５０ｌ，１５０ｒを上方へ効果的に拡張することができ、これにより真空室１２５がより大きく突出し、高温超伝導コイル１２１の断熱性が向上するという利点が得られるものである。また、強磁性金属プレート１５５が交換可能であることにより、誘導加熱装置１００の容易な組付や、空間部１５０ｌ，１５０ｒの幅をビレット１０の幅に対応させることが可能である。

空間部１５０ｌ，１５０ｒの下部は更なる断熱材１５６によって閉鎖されており、この断熱材１５６は、３つの保護プレート１５７から成る通路内に配置されている。この保護プレート１５７は、例えば特殊鋼などの非磁性材料から成っており、事故防止の役割を果たすものである。すなわち、保護プレート１５７は、万一、ビレット１０が加熱中に不意に取付器具２ａ，２ｂから脱離するような場合に、このビレット１０が空間部１５０ｌ，１５０ｒへ到達しないようにするためのものである。これにより、他の部材が損傷したり、人が負傷したりすることが防止される。

なお、図中に双方向の矢印で示すように、断熱材１５６及び保護プレート１５７は、上下動可能となっている。これにより、ビレット１０を下方から空間部へ導入できるよう空間部１５０ｌ，１５０ｒを開口させることが可能である。

図５に示す実施形態は、図１〜図４に示す実施形態とほぼ同様であるが、空間部１５０ｌ，１５０ｒの幅をビレット１０の幅に対応させることができるよう、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒの下部が摺動するようになっている（図５において、図１〜図４に示したものと同一の要素には同一符号を付している。）。ここで、図５においては、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒにおけるこの摺動可能な部分について、２つの位置が示されており、開位置における摺動可能部分は、ヨーク１４０に対して付された斜線に対して逆（垂直）の斜線で示されている。

そして、断熱材１５４及び赤外線反射材１５８を空間部の変化する幅に対応させるためには、これらを完全に交換するか、又は望遠鏡状に（レンズのピント合わせのように）調整することが考えられる（不図示）。

図６に示す誘導加熱装置１００は、他の図に示すものとほぼ同様だが、図２及び図５に示す衝撃吸収プレート１５３の代わりに、金属製の複数のくさび状部材１５５ｂが、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒ及び中央柱状部１４３の両側において、交換可能かつ互いに摺動可能に設けられている。これにより、空間部１５０ｌ，１５０ｒの幅が端面側から中央側へ増大することになる。

そして、これにより、端面側に生じる漏れ磁界が減少するとともに、所定の磁界形状を形成するための適合が可能である。また、金属製のくさび状部材１５５ｂを回転軸に対して平行に摺動させることにより、様々な材料又は形状に対応することが可能である。さらに、これに伴い、誘導加熱装置１００の効率も向上することになる。

図７〜図１０に示す誘導加熱装置１００は図１〜図４に示す誘導加熱装置１００に類似しているので、以下では、同一要素又は類似要素には同一符号を用いて、相違点についてのみ説明する。

図７に示す誘導加熱装置１００は、図１〜図４に示すような中央柱状部１４３上のコイル部１２０の代わりに、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒ上にコイル部１２０を有している。

図８に示す誘導加熱装置１００は外側柱状部１４２ｌ上に配置されたコイル部１２０のみを有しており、このコイル部１２０は、横架部材１４１に当接するまで上方へ移動可能となっている。

図９には、外側柱状部１４２ｌと中央柱状部１４３の間において横架部材１４１上にコイル部１２０を配置した誘導加熱装置１００が示されている。あらかじめ組み立てられたコイル部１２０を組み付けるために、外側柱状部１４２ｌを取り外すことができるようになっている（不図示）。

図１０には、中央柱状部１４３の両側において横架部材１４１上にコイル部１２０を配置した誘導加熱装置１００が示されている。あらかじめ組み立てられたコイル部１２０を組み付けるために、外側柱状部１４２ｌ，１４２ｒを取り外すことができるようになっている（不図示）。

１ モータ
２ａ，２ｂ 取付器具
３ ギヤ装置
１０ ビレット
１００ 誘導加熱装置
１２０ コイル部
１２１ 高温超伝導コイル
１２２ ケーシング
１２３ ポリエステルフィルム
１２５ 真空室
１４０ ヨーク
１４１ 横架部材
１４２ｌ 外側柱状部
１４２ｒ 外側柱状部
１４３ 中央柱状部
１５０ｌ 空間部
１５０ｒ 空間部
１５２ 長手方向溝
１５３ 衝撃吸収プレート
１５４ 断熱材
１５５ 強磁性金属プレート
１５５ｂ くさび状部材
１５６ 断熱材
１５７ 保護プレート
１５８ 赤外線反射材

Claims (18)

1. 直流電流が供給される少なくとも１つの超伝導コイル（１２１）がヨーク（１４０）における所定の面に設けられた、ビレットを加熱するための誘導加熱装置において、
   前記ヨーク（１４０）が、共通の横架部材（１４１）の両端部から下方へ向けて設けた２つの外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）と、これら各外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）の間に位置する１つの中央柱状部（１４３）を備えるとともに、該中央柱状部（１４３）と前記各外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）との間にそれぞれビレットを収容するための空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）を備える構成としたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記超伝導コイル（１２１）を、前記ヨークにおける前記中央柱状部（１４３）上の前記横架部材（１４１）に当接するまで変位可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記ヨークにおける、前記横架部材（１４１）、前記外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）及び前記中央柱状部（１４３）のうち少なくとも１つを中実体としたことを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。
4. 前記超伝導コイル（１２１）を、高温超伝導コイルとして形成するとともに真空室（１２５）によって包囲したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記超伝導コイル（１２１）を、プラスチックホルダにより前記真空室（１２５）内に保持する構成としたことを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
6. 前記超伝導コイル（１２１）を、金属蒸着されたフィルム（１２３）を重ねた層によって被覆したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
7. 前記空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）において、前記ビレット（１０）と該ビレット（１０）の上方に位置する前記超伝導コイル（１２１）との間に第１の断熱材（１５４）を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
8. 前記第１の断熱材（１５４）を微孔性材料で形成したことを特徴とする請求項７記載の誘導加熱装置。
9. 前記第１の断熱材（１５４）をケイ酸カルシウムで形成したことを特徴とする請求項７又は８記載の誘導加熱装置。
10. 非磁性材料から成る衝撃吸収プレートを前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）に設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
11. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）に、前記衝撃吸収プレート（１５３）を配置するための、互いに対向する２つの長手方向溝（１５２）を設けたことを特徴とする請求項１０記載の誘導加熱装置。
12. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）の自由端を、前記外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）及び前記中央柱状部（１４３）の自由端の方向へ先細に形成したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
13. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）を、外部に対して、第２の断熱材（１５６）で閉鎖するとともに、該第２の断熱材（１５６）を、前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）が開口するよう可動に構成したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
14. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）を、外部に対して、非磁性材料から成る保護プレートで閉鎖するとともに、該保護プレート（１５７）を、前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）が開口するよう可動に構成したことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
15. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）における前記中央柱状部（１４３）と前記各外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）の間の間隔を調整可能に構成したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
16. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）における前記間隔の調整を、前記外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）の少なくとも一部を摺動又は揺動させて行うよう構成したことを特徴とする請求項１５記載の誘導加熱装置。
17. 前記各空間部（１５０ｌ，１５０ｒ）における前記間隔の調整を、前記ヨークにおける前記外側柱状部（１４２ｌ，１４２ｒ）及び前記中央柱状部（１４３）に交換可能に設けられた強磁性金属プレート（１５５）により行うよう構成したことを特徴とする請求項１５又は１６記載の誘導加熱装置。
18. 前記強磁性金属プレート（１５５）の透磁率を、前記ヨーク（１４０）の透磁率と異ならせたことを特徴とする請求項１７記載の誘導加熱装置。

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