JP5038962B2 - 誘導加熱装置及び誘導加熱方法 - Google Patents
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Description
まず、図1〜図3を参照して、本発明の第1実施形態に係る誘導加熱装置の構成について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る誘導加熱装置を示す斜視図であり、図2は、本実施形態に係る誘導加熱装置を鋼板の通板方向から見た側面図であり、図3は、本実施形態に係る誘導加熱装置を上方から見た上面図である。
誘導加熱装置1は、上記の鋼板1の長手方向の磁束を発生させるために、図1及び図2に示すように、鋼板2を取囲むように配置された少なくとも3つ以上の加熱コイルを有する。尚、本実施形態では、説明の便宜上、誘導加熱装置1が4つの加熱コイル10A〜10Dを有する場合について説明する。しかし、加熱コイルの個数は、4つに限定されるものではなく、4つ以外の3つの加熱コイルを備える場合、誘導加熱装置1は、他の構成も加熱コイルに対応した個数を備える。
また、加熱コイル10A〜10Dのそれぞれは、相隣接する加熱コイル10A〜10Dの相互距離D1が加熱コイル10A〜10Dの高さ方向の内側の距離W1の1/10倍以上1/3倍以下となるように、配置される。このように相隣接した加熱コイル10A〜10Dの相互距離D1を、加熱コイル10A〜10Dの高さ方向の内側の距離W1の1/10以上1/3以下とすることにより、各加熱コイル10A〜10Dは、鋼板2の加熱速度を一定に保つことができ、加熱効率を高めることができる。よって、この構成によれば、キュリー点近傍で低下する鋼板2の透磁率に起因する加熱量の不足を、近接するかねるコイル10A〜10Dの加熱領域で補うことができる。
この加熱コイル10A〜10Dには、交流電源3から交流電圧が印可される。この交流電圧を印可する端子として、各加熱コイル10A〜10Dのそれぞれには、電気経路11が延設され、この電気経路11のそれぞれに交流電源3からの交流電圧が印可される。換言すれば、電気経路11は、交流電源3と各加熱コイル10A〜10Dとを電気的に接続し、交流電源3からの交流電圧を各加熱コイル10A〜10Dに印可し、交流電源3からの電流を入出力させるために用いられる入出力導線である。
各加熱コイル10A〜10Dと交流電源3との間の電気経路11のそれぞれの電気経路上には、L調整器12A〜12Dが挿入配置される。
L調整器12A〜12Dは、自己インダクタンスを調整して、回路内のリアクタンスを調整可能なインダクタンス調整器の一例であって、電気経路11を略コイル状に迂回させる。より具体的には、L調整器12A〜12Dは、図2に示すように、電気経路11を構成する一方の入出力端子111を上方(z軸正の方向)に迂回させ,他方の入出力端子112を下方(z軸負の方向)に迂回させることにより、L調整器12A〜12Dが配置され位置において、一方の入出力端子111と他方の入出力端子112とを離隔させる。換言すれば、L調整器12A〜12Dは、電気経路11の入出力端子111,112のそれぞれを略コの字状に迂回させる。その結果、L調整器12A〜12Dは、入出力端子111,112が迂回された迂回経路121,122により取囲まれた領域Sを形成する。この領域Sを取囲む入出力端子111,112の迂回経路121,122は、シングルターンコイルのような略コイルを形成する。かかる構成を有するL調整器12A〜12Dは、略コイル状の形状を有するので、交流電源3から交流電流が流れると(交流電圧が印可されると)自己誘導を発生させる。
L調整器12Aは、立設部111C,111B,112C,112Bと、連結部111M,112Mとを有する。立設部111Cは、加熱コイル10Aから延設された入出力端子111を鉛直方向(z軸方向)上方に向けて折曲げることにより形成され、立設部111Bは、交流電源3が接続される入出力端子111を同様に折曲げることにより形成される。よって、立設部111Cと立設部111Bとは、略平行に立設される。そして、連結部111Mは、この立設部111Cと立設部111Bとの間を電気的に接続する。この立設部111C,111B及び連結部111Mが、迂回経路121を形成する。
また、L調整器12A〜12Dのそれぞれは、各自の自己インダクタンスを調整可能に構成される。具体的には、L調整器12A〜12Dは、迂回経路121,122により取囲まれた領域Sの断面積(yz平面内への投影面積)、つまり略コイル状を形成する面の面積を変更することにより、自己インダクタンスを調整することができる。尚、コイルの自己インダクタンスは、例えば巻数・コイル半径・コイル長・導線の径・周囲の透磁率(コア、つまり鋼板2の透磁率)等により決定されるので、コイルの断面積を変えて例えばコイル半径等を変更することにより、コイルのインダクタンスを調整することができる。よって、L調整器12A〜12Dは、領域Sの断面積を変更することにより、自己インダクタンスを調整することができる。よって、L調整器12A〜12Dにより、回路中のリアクタンスを調整して、加熱コイル10A〜12Dのそれぞれに印可する電圧を調整することができる。よって、加熱コイル10A〜12Dによる鋼板2の加熱量を、各コイル毎に調整することができる。
また、各L調整器12A〜12Dのそれぞれは、電気経路11の延設方向と交差する方向(図1のx軸方向)に沿って配置される。換言すれば、図2に示すように、各L調整器12A〜12Dの領域Sの中心点Oが略同一直線上に位置するように、各L調整器12A〜12Dは配置される。より具体的には、図1等に示すように、各L調整器12A〜12Dは、加熱コイル10A〜12Dの配列方向と同様の方向に沿って、領域Sの断面が略平行になるように配置される。つまり、各L調整器12A〜12Dの立設部111C同士は、平行となるように折曲げて形成される。他の立設部111B,112C,112Bも同様に形成される。また、この際、各L調整器12A〜12Dは、鋼板2の通板方向(x軸方向)と平行な方向に並べられることが好ましい。
また、L調整器12A〜12Dは、各加熱コイル10A〜10Dとそれに接続された各L調整器12A〜12Dとの間の間隙D3が500mm〜2000mmとなるように配置される。この間隙D3を空けてL調整器12A〜12Dを配置することにより、L調整器12A〜12Dによるインダクタンス調整をより容易かつ安定して行うことができる。すなわち、この間隙D3が500mm未満である場合には、L調整器12A〜12Dで発生する磁場が加熱コイル10A〜10Dに干渉してしまい、両者の間に相互インダクタンスが発生する。よって、L調整器12A〜12Dの調整が困難になる。一方、間隙D3の上限2000mmは、対地間耐圧を確保することが可能な、加熱コイル10A〜10DとL調整器12A〜12Dを含めた回路全体のインピーダンスの値により決定される。つまり、間隙D3が2000mm超過の場合には、装置全体の構成が大きくなりコンパクト化を妨げるだけでなく、回路全体のインピーダンスが増加し、コイル間の電位差が増加して放電し易くなる。
以上のように構成されるL調整器12A〜12Dは、装置全体のコンパクト化が可能で、かつ、加熱コイル10A〜10Bそれぞれの電流量を調整することが可能である。電流量を調整する際、このL調整器12A〜12Dは、上記特許文献2のような抵抗を使用しないため、ジュール熱の発生によるエネルギー損失が発生せず、本実施形態に係る誘導加熱装置1は、エネルギー効率を向上させることができる。また、各L調整器12A〜12Dは、自己インダクタンスを調整することができるため、例えば、鋼板2の材質や板厚、板幅等に応じて、自己インダクタンスを調整して鋼板2の加熱を調整することが容易である。
更に、本実施形態に係る誘導加熱装置1は、L調整器12A〜12Dの面積を調整することにより自己インダクタンスだけでなく相互インダクタンスをも調整することにより、キュリー点近傍においても一定の昇温速度を保つことを可能にしている。高温域において昇温速度を一定に保つ際のL調整器12A〜12Dの面積調整について、以下で説明する。なお、以下で説明するL調整器12A〜12Dの面積調整だけでなく、上記の各構成等も作用してキュリー点近傍における昇温速度を一定に保つことを可能にしていることは、いうまでもない。
このL調整器12A〜12Dの調整による電流量や加熱密度の変化について、実施例を示す。この本実施形態に係る実施例では、加熱コイル10A〜10Dの幅(図1のy軸方向の幅)は、1000mmとし、高さ(図1のz軸方向の長さ、図2の距離W1)は、400mmとし、各加熱コイル10A〜10Dのコイル長さは100mm、相隣接した加熱コイル10A〜10Dの相互距離D1は、50mmとした(つまりこの場合、相隣接した加熱コイル10A〜10Dの相互距離D1は、加熱コイル10A〜10Dの高さ方向の内側の距離W1の1/8倍)。そして、L調整器12A〜12Dの幅(図1のy軸方向の幅)は、400mmとして、高さ(図1のz軸方向の長さ)は、0mm(入出力端子111,112間の間隙)〜300mmまで変化させた。
図7は、本実施形態に係る誘導加熱装置1による鋼板2の長手方向における昇温速度を概略的に説明するための説明図であり、図8は、両端全開における昇温速度を表したグラフであり、図9は、中央全開における昇温速度を表したグラフである。
図10は、L調整器12A〜12Dの面積比に対する加熱コイル10A〜10Dの電流比を表したグラフである。
次に、図11を参照して、本実施形態に係るL調整器12A〜12Dを有する誘導加熱装置1に印可する交流電圧の周波数(運転周波数ともいう。)について説明する。図11は、本実施形態に係る誘導加熱装置1において、交流電源3の交流電圧の周波数に対する交流電圧を示すグラフである。
コイル電圧[V]=2×π×(運転周波数f[Hz])
×(コイルのインダクタンスL[H])×コイル電流I
≦30kV ・・・(数式1)
2 鋼板
3 交流電源
10A〜10D 加熱コイル
11 電気経路
12A〜12D L調整器
111,112 入出力端子
111B,112B 立設部
111C,112C 立設部
111M,112M 連結部
Claims (13)
- ソレノイド方式により鋼板を連続的に加熱する誘導加熱装置であって、
前記鋼板が内部を通過するように、前記鋼板の長手方向に沿って配置された少なくとも3つの加熱コイルと、
各前記加熱コイルと当該各加熱コイルに電圧を印可する電源とを電気的に接続する電気経路上に配置され、自己誘導を発生させ、かつ、当該自己誘導における自己インダクタンスを調整可能なインダクタンス調整器と、
を有し、
各前記インダクタンス調整器は、少なくとも相隣接した前記インダクタンス調整器の間に相互誘導が発生するように配置されることを特徴とする、誘導加熱装置。 - 前記鋼板の長手方向における最前段の前記加熱コイル及び最後段の前記加熱コイルの各前記インダクタンス調整器が発生させる自己インダクタンスは、前記最前段の加熱コイルと前記最後段の加熱コイルとの間に配置された前記加熱コイルの前記インダクタンス調整器が発生させる自己インダクタンスよりも小さくなるように調整されることを特徴とする、請求項1に記載の誘導加熱装置。
- 相隣接した前記加熱コイルの相互距離は、前記加熱コイルの高さ方向の内側の距離の1/10以上1/3以下であり、
前記各インダクタンス調整器は、前記電気経路に対して交差する方向に沿って配置され、
前記相隣接したインダクタンス調整器同士の間隙は、50mm〜500mmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の誘導加熱装置。 - 前記各インダクタンス調整器は、当該インダクタンス調整器が配置された前記電気経路を略コイル状に迂回させることにより前記自己誘導を発生させ、かつ、迂回させた前記電気経路の略コイル状の迂回経路に囲まれた領域の断面積を変更することにより前記自己誘導における自己インダクタンスを調整することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の誘導加熱装置。
- 前記各加熱コイルと前記電源とを接続する前記電気経路のそれぞれは、前記各加熱コイルから長尺状に延設された一対の入出力端子により構成され、
前記インダクタンス調整器は、前記一対の入出力端子の一方と他方とが互いに離隔するように前記一対の入出力端子を迂回させ、かつ、前記迂回経路における前記一対の入出力端子の一方と他方との間の距離を変更して前記迂回経路に囲まれた領域の前記断面積を変更することを特徴とする、請求項4に記載の誘導加熱装置。 - 前記各加熱コイルと当該加熱コイルに接続された前記インダクタンス調整器との間隙は、500mm〜2000mmであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の誘導加熱装置。
- 前記各加熱コイルは、シングルターンコイル又はダブルターンコイルであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の誘導加熱装置。
- ソレノイド方式により鋼板を連続的に加熱する誘導加熱方法であって、
少なくとも3つの加熱コイルを、前記鋼板が内部を通過するように前記鋼板の長手方向に沿って配置し、
自己誘導を発生させ、かつ、当該自己誘導における自己インダクタンスを調整可能なインダクタンス調整器を、各前記加熱コイルと当該各加熱コイルに電圧を印可する電源とを電気的に接続する電気経路上において、少なくとも相隣接した前記インダクタンス調整器の間に相互誘導が発生するように配置して、
前記鋼板の長手方向の最前段の前記加熱コイル及び最後段の前記加熱コイルの各前記インダクタンス調整器が発生させる自己インダクタンスを、前記最前段の加熱コイルと前記最後段の加熱コイルとの間に配置された前記加熱コイルの前記インダクタンス調整器が発生させる自己インダクタンスよりも小さくなるように調整することを特徴とする、誘導加熱方法。 - 相隣接した前記加熱コイルの相互距離は、前記加熱コイルの高さ方向の内側の距離の1/10以上1/3以下であり、
前記各インダクタンス調整器は、前記電気経路に対して交差する方向に沿って配置され、
前記相隣接したインダクタンス調整器同士の間隙は、50mm〜500mmであることを特徴とする、請求項8に記載の誘導加熱方法。 - 前記各インダクタンス調整器は、当該インダクタンス調整器が配置された前記電気経路を略コイル状に迂回させることにより前記自己誘導を発生させ、かつ、迂回させた前記電気経路の略コイル状の迂回経路に囲まれた領域の断面積を変更することにより前記自己誘導における自己インダクタンスを調整することを特徴とする、請求項8又は9に記載の誘導加熱方法。
- 前記各加熱コイルと前記電源とを接続する前記電気経路のそれぞれは、前記各加熱コイルから長尺状に延設された一対の入出力端子により構成され、
前記インダクタンス調整器は、前記一対の入出力端子の一方と他方とが互いに離隔するように前記一対の入出力端子を迂回させ、かつ、前記迂回経路における前記一対の入出力端子の一方と他方との間の距離を変更して前記迂回経路に囲まれた領域の前記断面積を変更することを特徴とする、請求項10に記載の誘導加熱方法。 - 前記各加熱コイルと当該加熱コイルに接続された前記インダクタンス調整器との間隙は、500mm〜2000mmであることを特徴とする、請求項8〜11のいずれかに記載の誘導加熱方法。
- 前記各加熱コイルは、シングルターンコイル又はダブルターンコイルであることを特徴とする、請求項8〜12のいずれかに記載の誘導加熱方法。
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