JP4741277B2 - 高周波加熱コイル - Google Patents

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Description

本発明は、角パイプを接続して形成された高周波加熱コイルに関する。
角パイプを接続して形成された高周波加熱コイルは、高周波電源に接続される一対のリード導体部の間に、被加熱物の周りに沿わされる直線状や円弧状の加熱導体部が接続されており、リード導体部や加熱導体部の内部には冷却水が通される。通常、これらのリード導体部や加熱導体部を形成する角パイプは矩形断面とされ、ろう付けで接続されている（例えば、特許文献１参照）。
このような高周波加熱コイルでは、リード導体部と加熱導体部との接続箇所や、加熱導体部同士の接続箇所に屈曲部が形成されることが多い。この高周波加熱コイルの屈曲部では、高周波電源からの電流が屈曲内側の角パイプコーナ部に集中することが知られている。このため、多数の被加熱物を加熱するのに繰り返し通電される高周波加熱コイルは、この電流が集中する屈曲部の屈曲内側の角パイプコーナ部における加熱、冷却による温度振幅が他の部分よりも大きくなって、角パイプコーナ部のろう付けが剥がれたり、角パイプ自体に亀裂が発生したりし、内部の冷却水が漏れることによる寿命の低下が問題になっている。
このような高周波加熱コイルの屈曲部での屈曲内側の角パイプコーナ部への電流集中を防止する手段としては、屈曲部に相当する部位に湾曲した別体の接続導体を組み込んで接続する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
実開昭５８−１６４１９６号公報（第１図） 特許第２６１４１６７号公報（第１−８図）
特許文献２に記載されたように、屈曲部に相当する部位に湾曲した別体の接続導体を組み込んで接続した高周波加熱コイルは、導体の個数が増加するとともに接続箇所も増加するので、接続部分の加工やろう付けの手間が増加して製造コストが高くなる問題がある。また、角パイプで形成された接続導体を精度よく湾曲させて曲げ加工することが難しく、高周波加熱コイルの寸法精度が低下する問題もある。
そこで、本発明の課題は、安価な手段で寸法精度を低下させることなく、高周波加熱コイルの屈曲部での屈曲内側の角パイプコーナ部への電流集中を防止することである。
上記の課題を解決するために、本発明は、角パイプを接続して形成され、この角パイプの接続箇所に屈曲部が形成された高周波加熱コイルにおいて、前記屈曲部で接続される少なくとも一方の角パイプの断面形状を、屈曲部の屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する多角形断面とした構成を採用した。
すなわち、屈曲部で接続される少なくとも一方の角パイプの断面形状を、屈曲部の屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する多角形断面とすることにより、屈曲内側の角パイプコーナ部に集中する電流を、この角パイプコーナ部の間に設けた頂点の部分に分散させ、安価な手段で寸法精度を低下させることなく、屈曲内側の角パイプコーナ部への電流集中を防止できるようにした。
前記屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する角パイプの多角形断面を、屈曲内側の２つの角パイプコーナ部の間に１つの頂点を有する五角形断面とすることにより、多角形断面の角パイプを安価に形成することができる。
本発明の高周波加熱コイルは、屈曲部で接続される少なくとも一方の角パイプの断面形状を、屈曲部の屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する多角形断面としたので、屈曲内側の角パイプコーナ部に集中する電流を、この角パイプコーナ部の間に設けた頂点の部分に分散させ、安価な手段で寸法精度を低下させることなく、屈曲内側の角パイプコーナ部への電流集中を防止できるようにし、角パイプコーナ部でのろう付けの剥がれや、角パイプ自体の亀裂の発生を防止して、高周波加熱コイルの寿命を長く確保することができる。
前記屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する角パイプの多角形断面を、屈曲内側の２つの角パイプコーナ部の間に１つの頂点を有する五角形断面とすることにより、多角形断面の角パイプを安価に形成することができる。
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この高周波加熱コイルは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、高周波電源（図示省略）に接続される一対のリード導体部１の間に、被加熱物Ａの周りに沿わされる一対の円弧状の加熱導体部２と直線状の加熱導体部３および半円弧状の加熱導体部４がろう付けで接続されている。各リード導体部１と各加熱導体部２、３、４は銅製の角パイプで形成され、その内部に冷却水が通されるようになっている。
前記各直線状の加熱導体部３と各円弧状の加熱導体部２および半円弧状の加熱導体部４との接続箇所には、それぞれ直角の屈曲部５ａ、５ｂが形成されている。これらの各屈曲部５ａ、５ｂで接続された各加熱導体部２、４の角パイプは、それぞれ屈曲内側の２つの角パイプコーナ部に頂点を有し、かつその両コーナ部の間に１つの頂点２ａ、４ａを有する五角形断面とされている。また、各加熱導体部２に接続されたリード導体部１の断面形状も、加熱導体部２と同じ１つの頂点１ａを有する五角形断面とされている。なお、直線状の加熱導体部３の角パイプは矩形断面とされている。
実施例として、前記リード導体部１および各加熱導体部２、４の五角形断面の角パイプを図２（ａ）に示す断面寸法に、各加熱導体部３の矩形断面の角パイプを図２（ｂ）に示す断面寸法とした高周波加熱コイルを用意した。比較例として、リード導体部および各加熱導体部を形成する全ての角パイプを、図２（ｂ）に示した加熱導体部３の角パイプと同じ断面寸法とした高周波加熱コイルも用意した。なお、各角パイプの肉厚はいずれも１ｍｍである。
まず、上述した実施例と比較例の高周波加熱コイルについて、同一の電流と周波数で高周波電流を流したときの電流密度分布を、有限要素法による汎用解析シミュレータを用いて数値解析した。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ実施例と比較例の高周波加熱コイルの電流密度分布を示す解析シミュレータのカラー画像である。このカラー画像は、加熱導体部２と加熱導体部３との接続箇所の屈曲部５ａを内側から見たものであるが、比較例のものでは、屈曲部５ａの屈曲内側の角パイプコーナ部で電流密度が約１７００Ａ／ｍｍ２と非常に高くなっている。これに対して、実施例のものでは、屈曲部５ａの屈曲内側の角パイプコーナ部と、加熱導体部２の五角形断面の頂点２ａの部分とで少し電流密度が高くなっているが、その値は高々８００Ａ／ｍｍ２程度である。
上記解析シミュレータを用いた電流密度分布の数値解析より、実施例の高周波加熱コイルは、屈曲内側の角パイプコーナ部に集中する電流が、角パイプコーナ部の間に設けた五角形断面の頂点の部分に分散されることが確認された。
つぎに、図４（ａ）に示すように、上述した実施例と比較例の各高周波加熱コイルに、矢印で示す高周波電流を流し、被加熱物Ａを高周波焼入れする高周波焼入れ実験を行なった。被加熱物Ａの寸法と焼入れパターンは、図４（ｂ）に示す通りである。実施例と比較例の高周波加熱コイルのコイル本数Ｎは３本ずつとし、それぞれのコイル寿命を調査した。コイル寿命は、破損（冷却水漏れ）するまでに焼入れできた被加熱物Ａの焼入れ個数で評価した。実施例と比較例の高周波焼入れ条件は以下の通りである。
・高周波電力：１２０ｋＷ
・周波数 ：１０ｋＨｚ
・加熱時間 ：４秒
上記高周波焼入れ実験の結果を表１に示す。表中には、実施例と比較例の３個ずつの高周波加熱コイルの平均焼入れ個数も示す。なお、比較例のものは、いずれも屈曲部の屈曲内側の角パイプコーナ部で冷却水漏れが発生し、実施例のものは、１本が屈曲部の屈曲内側の角パイプコーナ部で、他の２本は屈曲内側の角パイプの五角形断面の頂点の部分で冷却水漏れが発生した。この結果からも分かるように、屈曲部の屈曲内側の角パイプコーナ部での電流集中を防止した実施例のものは、比較例のものに対して、平均焼入れ可能個数が２倍以上となっており、コイル寿命が著しく向上することが分かる。
上述した実施形態では、屈曲部で接続される一方の角パイプの断面形状を、屈曲部の屈曲内側の角パイプコーナ部の間に１つの頂点を有する五角形断面としたが、この角パイプの断面形状は、屈曲内側の角パイプコーナ部の間に２つ以上の頂点を有する多角形断面とすることもでき、これらの頂点に丸みを持たせることもできる。また、屈曲部で接続される両方の角パイプの断面形状を、このような多角形断面としてもよい。
ａは高周波加熱コイルの実施形態を示す下方からの斜視図、ｂはａの一部切欠き斜視図 ａは実施例のリード導体部と円弧状の加熱導体部の角パイプの断面寸法を示す断面図、ｂは実施例の直線状の加熱導体部の角パイプの断面寸法を示す断面図 ａ、ｂは、それぞれ実施例と比較例の電流密度分布を示す解析シミュレータのカラー画像 ａは被加熱物の高周波焼入れ実験方法を示す斜視図、ｂはａの被加熱物の寸法と焼入れパターンを示す断面図
符号の説明
１ リード導体部
２、３、４ 加熱導体部
１ａ、２ａ、４ａ 頂点
５ａ、５ｂ 屈曲部

Claims (2)

  1. 角パイプを接続して形成され、この角パイプの接続箇所に屈曲部が形成された高周波加熱コイルにおいて、前記屈曲部で接続される少なくとも一方の角パイプの断面形状を、屈曲部の屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する多角形断面としたことを特徴とする高周波加熱コイル。
  2. 前記屈曲内側の２つの角パイプコーナ部と、その両コーナ部の間にそれぞれ頂点を有する角パイプの多角形断面を、屈曲内側の２つの角パイプコーナ部の間に１つの頂点を有する五角形断面とした請求項１に記載の高周波加熱コイル。
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