JP5021367B2 - 誘導加熱コイルおよび誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、外径寸法が異なる外周面が異形角形状の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルおよび誘導加熱装置に関する。

従来、中心からの距離が異なる角筒状の異形鋼管などの被加熱物を誘導加熱する際、被加熱物の形状に対応した角筒状の誘導加熱コイルを用いて誘導加熱している（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のものは、角筒状の誘導加熱コイルを用いて角筒状の被加熱物を誘導加熱した際に、被加熱物の角部分が平坦部に比して高温となるので、被加熱物の平坦部に対応する位置に珪素鋼板を配設して被加熱物の平坦部の加熱熱量を増大させて、均一的に加熱させる構成が採られている。
しかしながら、誘導加熱コイルに異なる組成の珪素鋼板を設けるので、製造が煩雑となるとともに、被加熱物の加熱条件に応じて珪素鋼板を設ける長さ寸法や形状などを設定する必要があるなどの不都合を生じるおそれがある。

実用新案登録第３０１８０６０号公報

ところで、例えば特開昭６３−１８７５９０号公報に記載のように、内周面が周方向で内方に向けて凹凸なる異形の筒形状の被加熱物を誘導加熱する際に、誘導加熱コイルに電力を供給するリード部の位置に対応し内周側に向けて突出する凸部が誘導加熱され難いことから、誘導加熱コイルにおける被加熱物の他の凸部の位置に、折返し状で発生磁束を互いに打ち消し合う状態に凸部対向胴体部を設け、誘導加熱のばらつきを低減する構成が採られている。
そこで、従来の特許文献１に記載の構成において、被加熱部における高温となる角部分を、上述した磁束密度を互いに打ち消し合う折返し部分を誘導加熱コイルの角部分に設けて加熱を抑制することが考えられる。
しかしながら、誘導加熱コイルの角部分に折返し部分を設けると、誘導加熱コイルの構成が極めて煩雑となり、適切に誘導加熱するための適切な寸法での誘導加熱コイルの製造が困難となる問題がある。

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で外周面が略角形状の被加熱物を容易に誘導加熱できる誘導加熱コイルおよび誘導加熱装置を提供することにある。

本発明の誘導加熱コイルは、電力供給手段から供給される電力により外周面が略角形状の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルであって、前記被加熱物が配置される内周部が形成され前記被加熱物の外面形状に対応して複数の平面部および複数の湾曲部を有した略角筒状のコイル本体と、このコイル本体の１つの前記平面部に前記コイル本体の周方向で所定の間隙を介して設けられ前記電力供給手段からの電圧が印加される対をなすリード部と、前記コイル本体における前記リード部が設けられていない他の前記平面部にそれぞれ設けられ、前記コイル本体部から前記平面部を挟んで前記内周部とは反対側の外方に向けて先端部が突出する状態に前記リード部の間隙と略同寸法の間隙で折り返し形成された折返し部と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、内周側に外周面が略角形状の被加熱物が配置され被加熱物の外径に対応して複数の平面部および複数の湾曲部を有した略角筒状のコイル本体に、電力を供給する電力供給手段からの電圧が印加される所定の間隙で対をなすリード部を１つの平面部に設ける。さらに、コイル本体におけるリード部が設けられていない他の平面部に、コイル本体から外方に向けて突出する状態にリード部の間隙と略同寸法の間隙で折返し形成される折返し部を設ける。
このことにより、電力供給手段から供給される電力の電流がコイル本体に流れる際に、リード部と同様に、折返し部で電流方向が逆方向となって発生磁束が互いに打ち消し合って、被加熱物の平面部分における熱量が略同等となり、略角形状の被加熱物における周方向での均一加熱が容易に得られる。

本発明に記載の誘導加熱装置は、請求項１に記載の誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルのリード部へ電力を供給する電力供給手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、請求項１に記載の誘導加熱コイルのリード部へ、電力供給手段から電力を供給させる。
このことにより、外周面が略角形状の被加熱物を請求項１に記載の誘導加熱コイルを用いて誘導加熱するので、特別な構成の電力供給手段を用いることなく従来の電力を供給する構成を利用して、外周面が略角形状の被加熱物の周方向における略均一な誘導加熱が得られる。

そして、この発明では、請求項２に記載の誘導加熱装置であって、前記被加熱物および前記誘導加熱コイルのうちの少なくともいずれか一方を軸方向で相対的に移動させる移動手段と、前記誘導加熱コイルにおける前記被加熱物が前記誘導加熱コイルに対して相対的に移動される移動側に位置して配設され、内部に冷却媒体が流通される筒状の冷却ジャケットと、を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、被加熱物および誘導加熱コイルのうちの少なくともいずれか一方を移動手段により軸方向で相対的に移動させ、被加熱物が誘導加熱コイルに対して相対的に移動される移動側に位置して配設され内部に冷却媒体が流通される筒状の冷却ジャケットにて誘導加熱した被加熱物を冷却させる。
このことにより、例えば中実の柱状物や中空の筒状物、内周側に異なる金属が設けられた複合材料など、各種被加熱物の良好な熱処理が容易に得られる。

以下、本発明の一実施形態における誘導加熱装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態における誘導加熱装置は、略角筒状の鋼管であるステンレス鋼管を誘導加熱する構成を例示するが、筒形状に限らず、外周面が角形状の各種被加熱物を誘導加熱する構成に適用できる。
図１は、本実施形態における誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、誘導加熱コイルを示す斜視図である。

〔誘導加熱装置の構成〕
図１において、１００は誘導加熱装置で、この誘導加熱装置１００は、図示しない略角筒状の被加熱物を誘導加熱する装置である。
ここで、被加熱物は、例えば四角筒状のステンレス鋼管である。なお、被加熱物としては、ステンレス鋼管に限らず、誘導加熱可能ないずれの材質のものも適用できる。さらに、四角筒状に限らず、略三角筒状や六角筒状など、多角筒状のものでもよい。また、内周側に異なる金属が設けられた複合材料、さらには内部まで同材質となる中実物である柱状物など、外周面が角形状であれば適用できる。
そして、誘導加熱装置１００は、電力を供給する電力供給手段２００と、この電力供給手段２００から供給された電力により被加熱物を誘導加熱する加熱処理部３００と、を備えている。

電力供給手段２００は、コンバータ２１０と、このコンバータ２１０に接続されたインバータ２２０と、制御手段２３０と、を備えている。
コンバータ２１０は、例えば各種のブリッジ整流回路が用いられる順変換回路で、商用交流電源ｅに接続されて商用交流電源ｅを直流電源に変換する。この変換した直流電源は、インバータ２２０へ適宜出力される。
インバータ２２０は、コンバータ２１０から出力される直流電源を、一定の周波数の電圧方形波の単相交流電力に変換する。具体的には、インバータ２２０は、スイッチング素子である図示しないトランジスタなどを有し、スイッチング素子のオンオフ制御により、電圧方形波を適宜出力させる。
制御手段２３０は、加熱処理部３００で被加熱物を誘導加熱する状態を制御、すなわち所定の周波数の電力を供給させる制御をする。

加熱処理部３００は、誘導加熱コイル３１０と、冷却ジャケット３２０と、移動手段３３０と、を備えている。
誘導加熱コイル３１０は、電力供給手段２００のインバータ２２０に接続され、電力供給手段２００から所定の交流電力が供給されて被加熱物１０１を誘導加熱する。
この誘導加熱コイル３１０は、図２に示すように、内周側に被加熱物１０１が配設され被加熱物１０１の外径すなわち外形状に対応して略四角筒状に形成されたコイル本体３１１を備えている。このコイル本体３１１は、四角筒状の被加熱物１０１の外形状に対応して、平面を有する平面部３１１Ａと、曲面を有する湾曲部３１１Ｂとを有し、略四角筒状に形成されている。
また、コイル本体３１１には、１つの平面部３１１Ａの周方向における中間位置にリード部３１２が設けられている。このリード部３１２は、電力供給手段２００のインバータ２２０に接続されて交流電力が供給可能に、所定の間隙を介して対をなして設けられている。
さらに、コイル本体３１１には、リード部３１２が設けられていない他の平面部３１１Ａの周方向におけるリード部３１２に対応する中間位置に、コイル本体３１１から外方に向けて突出する状態に、リード部３１２の間隙と略同寸法の間隙で折り返し形成された平面視で略コ字状となる折返し部３１３が設けられている。
なお、誘導加熱コイル３１０の設計に際しては、リード部３１２と熱量が同等となるように、曲面状の湾曲部３１１Ｂを設計するとともに、平面部３１１Ａとリード部３１２が位置する平面部３１１Ａと、リード部３１２が位置しない平面部３１１Ａとの熱量が同等となるように折返し部３１３を設ける形状に設計している。また、被加熱物１０１の外周面と誘導加熱コイル３１０の内周面との間隙は、２ｍｍ以上３ｍｍ以下となる形状に設計することが好ましい。

冷却ジャケット３２０は、内周側に被加熱物１０１が配設される略円筒状に形成されている。
この冷却ジャケット３２０は、内部を周方向で冷却媒体である冷却水が流通可能に中空状に形成されている。そして、この冷却ジャケット３２０には、冷却水が供給される図示しない供給部および流通する冷却水を排出する図示しない排出部がそれぞれ設けられている。

移動手段３３０は、被加熱物１０１を支持し誘導加熱コイル３１０に対して相対的に軸方向で移動させる。
この移動手段３３０は、被加熱物１０１を着脱可能に軸方向で支持する図示しない支持部と、この支持部に支持された被加熱物１０１を軸方向で移動させる移動部とを備えている。移動部は、電力供給手段２００の制御手段２３０に接続され、制御手段２３０により被加熱物１０１の移動量や移動速度などの移動状況が制御される。

〔誘導加熱装置の動作〕
次に、上記誘導加熱装置１００の動作について、図面を参照して説明する。

まず、加熱処理部３００の移動手段３３０の支持部に被加熱物１０１を装着する。また、冷却ジャケット３２０に冷却水を流通させる。
そして、あらかじめ電力供給手段２００の制御手段２３０に設定された加熱条件、すなわち電力の供給条件に基づいて、電力供給手段２００から加熱処理部３００の誘導加熱コイル３１０へ所定の周波数の電力を供給させる。この供給される電力は、誘導加熱コイル３１０のリード部３１２へ供給される。さらに、制御手段２３０は、あらかじめ設定された移動条件で移動手段３３０を制御し被加熱物１０１を軸方向で移動させる。

この電力供給手段２００から誘導加熱コイル３１０への電力の供給により、リード部３１２からコイル本体３１１に交流電流が流れ、誘導加熱コイル３１０の内周側に位置する被加熱物１０１は誘導加熱されつつ軸方向に移動され、冷却ジャケット３２０により直ちに冷却され、被加熱物１０１は軸方向で焼き鈍しされる。
この誘導加熱の際、リード部３１２では、流れる電流の方向が逆となるので、発生磁束が打ち消し合い、このリード部３１２の位置に対応する被加熱物１０１の部分は、熱量が少なくなる。また、コイル本体３１１に流れる電流は、折返し部３１３にも流れるが、この折返し部３１３でも流れる電流方向は逆となるので、リード部３１２と同様に折返し部３１３の位置に対応する被加熱物１０１の部分は、熱量が少なくなる。そして、リード部３１２の間隙と折返し部３１３の間隙は、略同寸法であることから、少なくなる熱量は同等となり、誘導加熱コイル３１０の各平面部３１１Ａに対応する被加熱物１０１の各平面部分の熱量は同等となり、周方向で均一な加熱が得られる。

〔誘導加熱装置の作用効果〕
上述したように、上記実施の形態では、内周側に外周面が略角筒状の被加熱物１０１が配置され被加熱物１０１の外形状に対応して複数の平面部３１１Ａおよび複数の湾曲部３１１Ｂを有した略角筒状のコイル本体３１１に、電力を供給する電力供給手段２００からの電圧が印加される所定の間隙で対をなすリード部３１２を１つの平面部３１１Ａに設ける。さらに、コイル本体３１１におけるリード部３１２が設けられていない他の平面部３１１Ａに、コイル本体３１１から外方に向けて突出する状態にリード部３１２の間隙と略同寸法の間隙で折返し形成される折返し部３１３を設けている。
このため、電力供給手段２００から供給される電力の電流がコイル本体３１１に流れる際に、リード部３１２と同様に、折返し部３１３で電流方向が逆方向となって発生磁束が互いに打ち消し合って、別部材を設けることなく、被加熱物１０１の平面部分における熱量が略同等となり、外周面が略角筒状の被加熱物１０１における周方向での均一加熱が容易に得られる。
すなわち、誘導加熱コイル３１０は、リード部３１２と熱量が同等となるように、曲面状の湾曲部３１１Ｂを設計するとともに、平面部３１１Ａとリード部３１２が位置する平面部３１１Ａと、リード部３１２が位置しない平面部３１１Ａとの熱量が同等となるように折返し部３１３を設ける形状に設計している。このため、別部材を設けることなく、被加熱物１０１の周方向で略均一な熱量となり、均一加熱が得られる。
特に、異なる材質のものを用いることがないので、角筒状の被加熱物１０１でも均一加熱が得られる誘導加熱コイル３１０を容易に形成できる。

また、被加熱物１０１を加熱する条件に応じて、折返し部３１３における間隙の深さ寸法、すなわちコイル本体３１１の内周面から突出方向における間隙の長さ寸法を適宜設定して誘導加熱コイル３１０を形成することで、加熱する熱量を適宜設定でき、汎用性を向上できる。
すなわち、折返し部３１３で電流方向が逆方向となって発生磁束が互いに打ち消し合うので、間隙の深さ寸法が小さい（浅い）と、電流はコイルの表面近くに流れて熱量が多くなり、間隙の深さ寸法が大きい（深い）と電流は表面から離れた位置を流れるため熱量は少なくなることとなるので、リード部３１２と併せて間隙の深さ寸法を適宜設定することで、加熱する熱量を適宜設定でき、汎用性を向上できる。

そして、上記実施形態では、圧延加工により加工硬化して割れが発生するステンレス鋼管の焼き鈍しに適用している。
このため、ステンレス鋼管の略均一な焼き鈍しが得られ、割れが生じることなく圧延加工できる。
特に、加熱後に直ちに冷却ジャケット３２０にて冷却するので、加熱による悪影響を与えることなくステンレス鋼管の焼き鈍しが容易に得られる。

〔実施の形態の変形例〕
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などの種々の変更は本発明に含まれるものである。

すなわち、被加熱物１０１を誘導加熱するために誘導加熱コイル３１０に供給する電力としては、１つの周波数の電力のみならず、異なる周波数を重畳させた電力として供給させたり、短時間に異なる周波数を切り替えて供給したりするなどしてもよい。また、焼き鈍し処理を例示したが、焼入れ処理や焼戻し処理など、各種加熱処理に適用できる。
そして、誘導加熱コイル３１０としては、四角筒状のものを用いたが、上述したように、被加熱物１０１の外形状に対応したいわゆる相似形の多角筒状であればよい。
また、折返し部３１３を平面部３１１Ａ毎に１つ設けて説明したが、設定する熱量に応じて複数設けてもよい。さらに、１つの平面部３１１Ａに複数の折返し部３１３を設ける場合、それぞれの間隙の深さ寸法が異なる状態に設けてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構成に変更するなどしてもよい。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例などの内容に何ら限定されるものではない。
図３は、本実施形態の誘導加熱コイルを用いて移動速度１ｍｍ／秒で誘導加熱した際の表面の平面部分および角部分の温度を示すグラフである。

被加熱物１０１として、１辺が３５ｍｍ、長さ寸法が７０ｍｍ、厚さ寸法が３．０ｍｍのステンレス鋼管（ＳＵＳ３０４）を被加熱物１０１として用いた。
また、誘導加熱コイル３１０として、コイル本体３１１の内径が４０ｍｍ、コイル本体の高さ寸法が１５ｍｍ、リード部３１２および折返し部３１３の間隙が２ｍｍ、折返し部３１３の間隙の深さ寸法であるコイル本体３１１の内周面からの長さ寸法が３０ｍｍに形成したものを用いた。
そして、加熱条件として周波数２００ｋＨｚ、被加熱物１０１の移動条件として１ｍｍ／秒の条件に設定し、被加熱物１０１を誘導加熱した。
この誘導加熱時の被加熱物１０１の表面温度の平面部分および角部分の温度をそれぞれ測定した。なお、温度の測定は、各位置に配設した熱電対により測定した。その結果を、図３に示す。
また、誘導加熱前後における被加熱物１０１の硬さを測定した。この硬さの測定は、硬さ測定装置（明石製作所社製、商品名；ＡＲＫ−Ｆ１０００）を用いて、荷重１５ｋｇｆ（１４７Ｎ）および６０ｋｇｆ（５８８Ｎ）の条件で測定した。

この図３に示すように、被加熱物１０１の平面部分と角部分との温度も略同等であることが認められた。
そして、誘導加熱前後の硬さを測定した結果、ロックウェルＡスケール硬さでは６７．３から５２．６に、ロックウェルＣスケール硬さでは３４．０から２．０となっており、焼き鈍しにより硬さが低下、すなわち良好な熱処理が得られていることが認められた。

本発明の一実施形態に係る誘導加熱装置の概略構成を示すブロック図である。 上記一実施形態における誘導加熱コイルの概略構成を示す斜視図である。 上記一実施形態における誘導加熱コイルを用いて移動速度１ｍｍ／秒で誘導加熱した際の表面の平面部分および角部分の温度を示すグラフである。

符号の説明

１００……誘導加熱装置
１０１……被加熱物
２００……電力供給手段
３１０……誘導加熱コイル
３１１……コイル本体
３１１Ａ…平面部
３１１Ｂ…湾曲部
３１２……リード部
３１３……折返し部
３２０……冷却ジャケット
３３０……移動手段

Claims (3)

1. 電力供給手段から供給される電力により外周面が略角形状の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルであって、
   前記被加熱物が配置される内周部が形成され前記被加熱物の外面形状に対応して複数の平面部および複数の湾曲部を有した略角筒状のコイル本体と、
   このコイル本体の１つの前記平面部に前記コイル本体の周方向で所定の間隙を介して設けられ前記電力供給手段からの電圧が印加される対をなすリード部と、
   前記コイル本体における前記リード部が設けられていない他の前記平面部にそれぞれ設けられ、前記コイル本体部から前記平面部を挟んで前記内周部とは反対側の外方に向けて先端部が突出する状態に前記リード部の間隙と略同寸法の間隙で折り返し形成された折返し部と、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱コイル。
2. 請求項１に記載の誘導加熱コイルと、
   この誘導加熱コイルのリード部へ電力を供給する電力供給手段と、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱装置。
3. 請求項２に記載の誘導加熱装置であって、
   前記被加熱物および前記誘導加熱コイルのうちの少なくともいずれか一方を軸方向で相対的に移動させる移動手段と、
   前記誘導加熱コイルにおける前記被加熱物が前記誘導加熱コイルに対して相対的に移動される移動側に位置して配設され内部に冷却媒体が流通される筒状の冷却ジャケットと、
   を具備したことを特徴とした誘導加熱装置。

Images