JP4942571B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば鉄鋼圧延装置等に用いられ、電磁誘導によって被加熱体を加熱する機能と、その被加熱体からの輻射熱を冷却する機能とを有する誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱装置では、複数枚の鋼板と複数枚の冷却板とが交互に積層されてなるヨーク積層体（鉄心）と、そのヨーク積層体に巻回された導線からなるコイルと、各冷却板に接続された冷媒配管とによって、誘導子が構成されている。鋼板には、被加熱体の搬送経路、即ち被加熱体搬送経路に面する磁極面が設けられており、誘導子に電流が流れると、誘導子が励磁されて磁界が生じ、磁極面からの磁界が被加熱体に鎖交する。そして、被加熱体の磁界の鎖交箇所に、磁界を打ち消すようなうず電流が生じ、そのうず電流によって、被加熱体が加熱される。また、被加熱体からの輻射熱は、冷却板によって吸収され、冷媒配管内の冷媒によって放散される（例えば、特許文献１参照）。

ここで、このような従来の誘導加熱装置では、冷却板の被加熱体の被加熱体搬送経路側の端面である経路側端面と、鋼板の磁極面とが互いに面一となっており、鋼板の磁極面近傍の端部領域から積層方向への漏れ磁界（漏れ磁束）によって、冷却板自体が発熱してしまう。これにより、被加熱体からの輻射熱が冷却板に吸収されにくくなり、鋼板の発熱量が増加してしまう。その結果、鋼板の磁化特性が低下して、被加熱体への磁界が弱くなってしまい、最終的に、誘導子からの磁界の大きさが空芯コイルと同等となり、被加熱体にほとんど磁界が印加されず、被加熱体への加熱効率が大幅に低下してしまう。

これに対して、従来の誘導加熱コイルでは、ヨーク積層体の積層方向両端に配置された外部水冷銅板の経路側端面が、鋼板の磁極面よりも被加熱体搬送経路から開離するように配置されており、ヨーク積層体の積層方向両端における外部水冷銅板の発熱が抑制される。また、ヨーク積層体の積層方向中間部に配置された内部水冷銅板には、鋼板の磁極面に隣接するように、冷媒配管が内蔵されている。この冷媒配管内の冷媒によって、漏れ磁界による内部水冷銅板の発熱と、被加熱体からの輻射熱とが吸収される（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１９５４８０号公報 特開２００１−３５１７７５号公報

上記のような従来の誘導加熱コイルでは、冷媒配管が鋼板の磁極面に隣接するように内部水冷銅板に内蔵されているため、内部水冷銅板の厚さ寸法をある程度大きく設定する必要があり、隣り合う鋼板同士の間の間隔が大きくなっていた。このため、被加熱体に鎖交する磁界にむらが生じてしまい、被加熱体に加熱むらが生じてしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、漏れ磁界による被加熱体の加熱効率の低下を抑えることができるとともに、被加熱体の加熱むらを軽減させることができる誘導加熱装置を得ることを目的とする。

この発明に係る誘導加熱装置は、圧延加工用の被加熱体の搬送経路に面する磁極面を有し、互いに間隔をおいて設けられた複数の磁性体ヨーク片、被加熱体の搬送経路に面し、かつ磁極面よりも被加熱体の搬送経路から開離するように配置された冷却板対向面を有し、互いに隣り合う磁性体ヨーク片同士の間に挟まれるようにそれぞれ設けられ、磁性体ヨーク片と交互に積層されることによってヨーク積層体を形成する複数の冷却板、冷却板に接続され、かつ冷却板対向面よりも被加熱体の搬送経路から開離するように配置され、冷却板の熱を放散するための冷媒配管、及びヨーク積層体に巻き付けられた導線からなるコイルを備えたものである。

この発明の誘導加熱装置は、冷却板対向面が磁極面よりも被加熱体の搬送経路から開離するように配置されており、冷媒配管がその冷却板対向面よりも被加熱体の搬送経路から開離するように配置されているので、冷却板が漏れ磁界を避けるように配置されていることにより、冷却板の漏れ磁界による発熱を抑制して漏れ磁界による被加熱体の加熱効率の低下を抑えることができるとともに、従来の誘導加熱コイルのような冷媒配管を磁極面の近傍に内蔵する必要が無くなることにより、被加熱体の加熱むらを軽減させることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による誘導加熱装置を示す斜視図である。図２は、図１の第１及び第２誘導子１，２を示す断面図である。なお、図２では、冷媒配管５を省略して示す。
図において、第１及び第２誘導子１，２は、上下方向に互いに間隔をおいて、互いに対向している。第１誘導子１と第２誘導子２との間には、圧延加工用金属板等の被加熱体１０の搬送経路である搬被加熱体搬送経路が、対向方向の中央線Ａを通るように配置されている。第１及び第２誘導子１，２は、それぞれヨーク積層体３、コイル４及び冷媒配管（水冷管）５を有している。

ヨーク積層体３には、互いに平行な一対のコイル溝３ａが幅方向に間隔をおいて設けられており、ヨーク積層体３の断面形状は、Ｅ字状となっている。また、ヨーク積層体３は、複数枚の磁性体ヨーク片６と複数枚の冷却板（熱伝導板）７とが交互に積層されて形成されている。ここで、ヨーク積層体３の長さ方向両端は、磁性体ヨーク片６により構成されており、冷却板７は、隣り合う磁性体ヨーク片６同士の間に挟まれるように配置されている。

コイル４の導体は、各コイル溝３ａを通して、ヨーク積層体３に巻回されており、コイル４の大部分は、各コイル溝３ａ内に配置されている。ここで、コイル４は、交番磁界を発生するように、交流励磁（ＡＣ励磁）させてもよく、間欠的に励磁させてもよく、１パルスのみで励磁させてもよい。冷媒配管５は、第１誘導子１におけるヨーク積層体３の上端面、及び第２誘導子２におけるヨーク積層体３の下端面にそれぞれ配置されている。また、冷媒配管５は、冷媒の流路を形成している。

磁性体ヨーク片６の反被加熱体経路側の端面（第１誘導子１における上端面・第２誘導子２における下端面）と、冷却板７の反被加熱体経路側の端面とは、互いに面一となっている。磁性体ヨーク片６には、例えばフェライトが用いられる。また、磁性体ヨーク片６は、コイル４からの磁界を増幅させる。さらに、磁性体ヨーク片６は、互いに間隔をおいて配置された３つの磁極面６ａと、磁極面６ａ同士の間に配置されコイル溝３ａの一部を形成する第１溝側面６ｂ、第２溝側面６ｃ及び溝底面６ｄとを有している。磁極面６ａ及び溝底面６ｄは、被加熱体搬送経路に面している。

冷却板７には、例えば銅板が用いられ、冷却板７の熱伝導率は、磁性体ヨーク片６の熱伝導率よりも大きくなっている。つまり、冷却板７は、磁性体ヨーク片６の熱を吸収する。冷却板７の熱は、冷媒配管５内の冷媒によって吸収され、その冷媒が冷媒配管５を通って熱交換器（図示せず）へ流れることによって、冷媒に吸収された熱が放散される。また、冷却板７は、互いに間隔をおいて配置された３つの冷却板対向面７ａと、冷却板対向面７ａ同士の間に配置されコイル溝３ａの一部を形成する第１溝側面７ｂ、第２溝側面７ｃ及び溝底面７ｄとを有している。冷却板対向面７ａ及び溝底面７ｄは、被加熱体搬送経路に面している。

ここで、冷却板７の長さ寸法、厚さ寸法及び高さ寸法は、いずれも磁性体ヨーク片６の長さ寸法、厚さ寸法及び高さ寸法よりも小さい寸法となっている。また、冷却板対向面７ａは、磁極面６ａよりも被加熱体搬送経路から開離した位置に配置されている。つまり、中央線Ａと冷却板対向面７ａとの間の間隔Ｂの間隔寸法は、中央線Ａと磁極面６ａとの間の間隔Ｃの間隔寸法よりも大きくなっており、間隔Ｃの間隔寸法の２倍以内に設定されている。さらに、冷却板７の溝底面７ｄは、磁性体ヨーク片６の溝底面６ｄよりも被加熱体搬送経路から開離した位置に配置されている。

次に、動作について説明する。コイル４に交番電流が流れると、各誘導子１，２が励磁されて、各磁極面６ａから各誘導子１，２の対向方向に磁界が発生する。その磁界が被加熱体１０に入射されると、被加熱体１０の表面にその磁界を打ち消すようなうず電流が発生し、そのうず電流によって、被加熱体１０が加熱される。ここで、磁性体ヨーク片６は、被加熱体１０からの輻射熱によって加熱され、その被加熱体１０の熱は、冷却板７に吸収されて、冷却板７全体に拡散される。そして、その熱が冷却板７から冷媒配管５に伝わり、冷媒配管５を流れる冷媒によって放散される。

ここで、各誘導子１，２からの磁界の漏れ磁界（磁界の冷却板７への垂直鎖交成分）について説明する。図３は、図１の磁性体ヨーク片６及び冷却板７を示す断面図である。各誘導子１，２から生じる磁界は、アンペールの法則により以下の（１）式によって表される。

但し、Ｈ：磁界（磁場）の強さ、ｌ：単位磁路長、Ｎ：コイル４の巻数、Ｉ：コイル電流（即ちＮＩ：コイル起電力）である。

ここで、磁性体ヨーク片６が磁気飽和していないとして、磁性体ヨーク片６（フェライト）中の磁界（磁気抵抗）を無視し、空気中の単位磁路長ｌが磁路長Ｌとし、磁場の強さＨが一様であると仮定して、（１）式の周回積分を一次近似すると、以下の（２）式が成り立つ。
Ｈ・Ｌ＝ＮＩ ・・・（２）式

また、磁極面６ａから中央線Ａへの投影領域における磁極面６ａと中央線Ａと間の磁路長Ｌは、中央線Ａと磁極面６ａとの間の間隔Ｃの間隔寸法（ギャップ寸法）ｇと等しい。これに加えて、磁界の強さＨを磁束密度Ｂに変換（Ｂ＝Ｈ・μ_０）すると、以下の（３）式となる。
Ｂ＝μ_０・ＮＩ／ｇ・・・（３）式
但し、μ_０：透磁率である。

そして、電流源でコイル４に電流を流す場合、（２）式又は（３）式が常に成立する。また、中央線Ａ上において、磁極面６ａの中央線Ａへの投影領域から積層方向（図３の左右方向）へ遠ざかるにつれて、磁路長Ｌが大きくなり、磁界の強さＨが小さくなる。即ち、漏れ磁界における磁界の強さＨは、冷却板対向面７ａの被加熱体搬送経路への投影領域における磁極面６ａ近傍の箇所（図中領域Ｄ）で最も大きくなる。従って、従来の誘導加熱装置のように冷却板対向面７ａと磁極面６ａとが面一に構成されている場合には、その冷却板７の発熱量が、磁極面６ａの近傍の箇所で最も大きくなる。

ここで、間隔Ｂの間隔寸法は、間隔Ｃの間隔寸法の２倍以下に設定されており、間隔Ｂの間隔寸法が間隔Ｃの間隔寸法の２倍と仮定すると、上記（２）式のように、冷却板７に印加される磁界の強さＨが、間隔Ｂ及び間隔Ｃの間隔寸法が一致している場合（従来の誘導加熱装置と同等の場合）の１／２倍となる。これに加えて、発熱量は、磁束密度の二乗に比例するので、漏れ磁界による冷却板７の発熱量は、間隔Ｂ及び間隔Ｃの間隔寸法が一致している場合の１／４倍となる。

次に、温度と自発磁化との関係について説明する。図４は、温度と自発磁化との関係を示すグラフを示す。なお、図４は、磁気工学の基礎Ｉ(共立全書、昭和４８年６月１日初版、Ｐ−１４８、図３．２−２）に記載されたグラフを示す。また、図４の横軸は、キューリー温度に対する温度比を示す。さらに、横軸左端が絶対零度であり、横軸右端がキューリー温度である。また、図４の縦軸は、飽和磁化に対する自発磁化（相対磁化）の大きさを示す。さらに、図中のＪ＝１／２の曲線(Ｊ＝角運動量)が実測値に近似しており、磁性体ヨーク片６にフェライトを用いているため、図中のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの特性が磁性体ヨーク片６の特性とほぼ一致していると言える。

フェライトのキューリー温度は６５３Ｋ(３８０℃)である。そして、室温での温度比は、（２９８／６５３＝）約０．４６となり、磁性体ヨーク片６の自発磁化の大きさは、約０．９５となり、磁性体ヨーク片６の温度上昇がない場合（通電初期段階）では、この領域で使用する。なお、発熱により磁性体ヨーク片６の温度が上昇し、キューリー温度まで上昇すれば、磁性体ヨーク片６の自発磁化は零になり、ほとんど磁界は発生しない(渦電流を無視できれば、空芯コイルの磁界と同じになる)。

冷却板７の発熱量が１／４倍の場合、断熱モデルにおける冷却板７の発熱量が磁性体ヨーク片６の温度上昇に比例すると仮定すると、磁性体ヨーク片６の温度上昇はこの１／４になるので、磁性体ヨーク片６の温度比が（０．４６＋（１−０．４６）／４＝）約０．５９５となり、磁性体ヨーク片６の自発磁化の大きさが約０．９程度となる。即ち、冷却板７が発熱しても、磁性体ヨーク片６は、ほぼ室温と同じ磁界を発生できる。従って、間隔Ｂの間隔寸法を間隔Ｃの間隔寸法の２倍以内に設定すれば、磁性体ヨーク片６からの磁界の大きさをほとんど低減させずに、冷却板７の発熱を抑制できる。

上記のような誘導加熱装置では、冷却板対向面７ａが磁極面６ａよりも被加熱体１０の搬送経路から開離するように配置されており、冷媒配管５がその冷却板対向面７ａよりも被加熱体１０の搬送経路から開離するように配置されているので、冷却板７が漏れ磁界を避けるように配置されていることにより、冷却板７の漏れ磁界による発熱を抑制して漏れ磁界による被加熱体１０の加熱効率の低下を抑えることができる。これとともに、従来の誘導加熱コイルのような冷媒配管を冷却板７における磁極面６ａの近傍に内蔵する必要が無くなり、冷却板７の厚さ寸法（磁性体ヨーク片６同士の間の間隔寸法）を従来の誘導加熱コイルの水冷銅板の厚さ寸法よりも小さく設定可能となることにより、被加熱体１０の加熱むらを軽減させることができる。

また、間隔Ｂの間隔寸法が間隔Ｃの間隔寸法の２倍以内に設定されているので、冷却板７の面積を発熱箇所以外の箇所で最大にすることができ、磁性体ヨーク片６に対する冷却性能と、冷却板７に対する発熱抑制性能とのバランスを保つことができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図５は、実施の形態２による誘導加熱装置の一部を示す断面図である。なお、図５は、第１誘導子１の磁性体ヨーク片６及び冷却板７を示す。実施の形態１では、冷却板７の長さ寸法及び高さ寸法がそれぞれ磁性体ヨーク片６の長さ寸法及び高さ寸法よりも小さかったが、この例に限る物ではなく、冷却板７の長さ寸法が磁性体ヨーク片６の長さ寸法と同等であり、冷却板対向面７ａが磁極面６ａよりも被加熱体搬送経路から開離した位置に配置されていればよい。このような構成であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。図６は、実施の形態３による誘導加熱装置の一部を示す断面図である。なお、図６は、第１誘導子１の磁性体ヨーク片６及び冷却板７を示す。実施の形態３の冷却板７の長さ方向両端面（図の左右方向の端面）は、長さ方向外側から長さ方向内側へ向けて高さ方向で傾斜する傾斜端面（斜めカット部）７ｅを有している。また、冷却板７の第１及び第２溝側面７ｂ，７ｃは、それぞれコイル溝３ａの口が広がるように傾斜する溝傾斜面（斜めカット部）７ｆを有している。他の構成は、実施の形態２と同様である。

ここで、実施の形態１における（２）式の関係により、冷却板対向面７ａが中央線Ａから上方へ行く程（間隔Ｂの間隔寸法が大きくなる程）、冷却板７に鎖交する漏れ磁界は小さくなる。また、冷却板７の積層方向面の面積が冷却板７の厚さ寸法（表皮厚）よりも充分に大きい場合、漏れ磁界によるうず電流は、冷却板７における冷却板対向面７ａの近傍箇所（下端）の表面に集中して流れ、発熱もその箇所に集中する。つまり、傾斜端面７ｅ及び溝傾斜面７ｆによって、磁性体ヨーク片６からの漏れ磁界（磁界の図中手前・奥側への磁界）の一部が冷却板７に鎖交しなくなり、冷却板７の発熱箇所が、実施の形態２における冷却板の発熱箇所よりも小さくなる。

上記のような誘導加熱装置では、冷却板７の発熱箇所を小さくしつつ、冷却板７の面積を最大に設定することができ、磁性体ヨーク片６に対する冷却性能と、冷却板７に対する発熱抑制性能とのバランスを保つことができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。図７は、実施の形態４による誘導加熱装置を示す断面図である。なお、図７は、第１誘導子１の磁性体ヨーク片６及び冷却板７を示す。実施の形態３では、冷却板７の長さ方向両端面が傾斜端面７ｅを有しており、かつ第１及び第２溝側面７ｂ，７ｃが溝傾斜面７ｆを有していたが、実施の形態４では、第１及び第２溝側面７ｂ，７ｃが溝傾斜面７ｆを有しており、冷却板７の長さ方向両端面が磁性体ヨーク片６の長さ方向両端面と面一になっている。このような構成であっても、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１による誘導加熱装置を示す斜視図である。 図１の第１及び第２誘導子を示す断面図である。 図１の磁性体ヨーク片及び冷却板を示す断面図である。 温度と自発磁化との関係を示すグラフを示す。 この発明の実施の形態２による誘導加熱装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による誘導加熱装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による誘導加熱装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 第１誘導子、２ 第２誘導子、３ ヨーク積層体、３ａ コイル溝、４ コイル、５ 冷媒配管、６ 磁性体ヨーク片、６ａ 磁極面、６ｂ 第１溝側面、６ｃ 第２溝側面、６ｄ 溝底面、７ 冷却板、７ａ 冷却板対向面、７ｂ 第１溝側面、７ｃ 第２溝側面、７ｄ 溝底面、７ｅ 傾斜端面、７ｆ 溝傾斜面、１０ 被加熱体。

Claims (3)

1. 圧延加工用の被加熱体の搬送経路に面する磁極面を有し、互いに間隔をおいて設けられた複数の磁性体ヨーク片、
   上記被加熱体の搬送経路に面し、かつ上記磁極面よりも上記被加熱体の搬送経路から開離するように配置された冷却板対向面を有し、互いに隣り合う上記磁性体ヨーク片同士の間に挟まれるようにそれぞれ設けられ、上記磁性体ヨーク片と交互に積層されることによってヨーク積層体を形成する複数の冷却板、
   上記冷却板に接続され、かつ上記冷却板対向面よりも上記被加熱体の搬送経路から開離するように配置され、上記冷却板の熱を放散するための冷媒配管、及び
   上記ヨーク積層体に巻き付けられた導線からなるコイル
   を備えており、
   上記ヨーク積層体の上記被加熱体の搬送経路側の端面には、上記コイルが配置されるコイル溝が設けられており、
   上記コイル溝は、上記磁性体ヨーク片及び上記冷却板の各々に設けられ互いに対向する第１及び第２溝側面と、上記第１及び第２溝側面間に設けられ上記被加熱体の搬送経路に面し上記冷却板対向面よりも上記被加熱体の搬送経路から開離するように配置された溝底面とにより形成されており、
   上記冷却板の上記第１及び第２溝側面は、上記溝底面側から上記冷却板対向面側へ、上記コイル溝の口が広がるように傾斜しており、
   上記冷却板の上記搬送経路側の上記コイル溝の口は、上記磁性体ヨーク片の上記搬送経路側の上記コイル溝の口よりも広がっていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 上記冷却板の長さ寸法は、上記磁性体ヨーク片の長さ寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 上記磁性体ヨーク片、上記冷却板、上記冷媒配管及び上記コイルをそれぞれ有し、上記磁極面同士が対向するように、互いに間隔をおいて設けられた第１及び第２誘導子
   をさらに備え、
   上記第１及び第２誘導子の対向方向の中央と上記冷却板対向面との間の間隔寸法は、上記第１及び第２誘導子の対向方向の中央と上記磁極面との間の間隔寸法の２倍以内に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置。

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