JP5148439B2

JP5148439B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5148439B2
Application number: JP2008248707A
Authority: JP
Inventors: 直喜内田; 泰司矢部; 啓二川中; 秀之難波; 高広阿尾; 出山本; 弘幸矢部; 岳幸島田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Toyota Motor Corp; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Toyota Motor Corp; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010080327A

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に熱容量の異なる加熱片が連続する部材における複数の加熱片を同時に誘導加熱する場合に好適な誘導加熱装置に関する。

ツバ付シャフトのツバ部とシャフト部のように、熱容量の異なる部材が角度を持って連結されている面のそれぞれを同時に熱処理（焼入れ）する場合、従来は図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ソレノイド状の誘導加熱コイル（加熱コイル部）１つのみで、ツバ部とシャフト部の境界部を加熱するようにしていた。このような熱処理方法に近似する技術として、コーナー部分の熱処理を目的とした誘導加熱装置を挙げることができ、このような装置は、特許文献１〜特許文献４に開示されている。
特開２００６−３２１３３号公報特開２００４−１２７８５４号公報特開２００６−３０２６８３号公報特開平５−１４８５３１号公報

しかし、上記のような装置では、第１加熱片（例えばツバ部）と第２加熱片（例えばシャフト部）の熱容量が違う場合であっても、その境界部は単一の誘導加熱コイルにより誘導加熱が成される。このため、熱容量が大きい加熱片に合わせて電力を投入した場合には、熱容量の小さい加熱片が過熱されてしまうといった場合がある。また、熱容量の小さい加熱片に合わせて電力を投入した場合には、熱容量の大きい加熱片が焼き入れされないといった場合がある。

そこで本発明では、熱容量の異なる加熱片を有する部材を誘導加熱する際に、各加熱片を選択的に加熱することが可能となる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る誘導加熱装置は、コイル断面を三角形とした２つの誘導加熱コイルを、いずれか１つの辺を基準として線対称となるように配置すると共に両者の間に間隙を設け、前記間隙には少なくとも対向する辺と同じ長さを有する磁性体を配置したことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記２つの誘導加熱コイルに対する投入電力を個別に制御する電力制御ユニットを備え、前記三角形の辺のうち、他の誘導加熱コイルと対向しない辺であって、線対称な位置関係にある１つの辺をそれぞれ加熱対象部材に対向させるようにしても良い。このような構成とすることにより、熱容量の異なる加熱片を同時に加熱する場合であっても、それぞれの加熱片を適正に加熱することが可能となる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記誘導加熱コイルの表面に絶縁加工を施し、前記加熱対象物に対向させた辺で構成されるコイル面以外のコイル面を覆うように磁性体を配置すると良い。誘導加熱コイルの表面に絶縁加工を施すことにより、２つの誘導加熱コイルを一塊の磁性体に埋め込んだ場合（被覆）であっても、隣り合う誘導加熱コイルが短絡する虞が無い。また、誘導加熱コイルの外周であって、加熱領域対向面以外を被覆することにより、磁束の分布を集約することができ、加熱片に対する磁束の浸透率を高めることができ、加熱効率を向上させることができる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記２つの誘導加熱コイルのうちのいずれか一方を前記加熱対象物に近接させるように、前記対向する辺に沿ってスライドさせても良い。このような配置形態を採ることで、加熱対象物の境界部分、すなわち角部を、より効率的に加熱することができるようになる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記電力制御ユニットには、前記２つの誘導加熱コイルに供給する電流波形の位相をずらし、前記加熱対象部材において前記２つの誘導加熱コイルからの磁束が重畳する部位で前記加熱対象部材の加熱に寄与する磁束を相殺、または一部相殺するように、インバータからの出力電流の位相を制御する電力・位相調整手段を備えるようにすると良い。このような構成とすることで、加熱対象部材における磁束重畳箇所が過熱されてしまうことを防止し、加熱対象部材全体として高い精度で均一加熱を実施することができる。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、熱容量の異なる加熱片を有する部材を誘導加熱する際に、各加熱片を選択的に加熱することが可能となる。

以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の誘導加熱装置に係る第１の実施形態の誘導加熱コイルの形状を示す図である。また、図２は、図１に示した誘導加熱コイルを用いてツバ付シャフトを加熱する場合の配置形態の例を示す図である。以下に示す実施形態では主に、ツバ付シャフト６０のツバ部６２とシャフト部６４のように、熱容量の異なる（厚みが異なる）部材を同時に加熱する例について説明する。

本実施形態に係る加熱コイル部２０は、ツバ付シャフト６０のツバ部６２を加熱するための第１の誘導加熱コイル２２と、シャフト部６４を加熱するための第２の誘導加熱コイル２４とを基本として構成される。第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４はそれぞれ、断面形状を三角形（図１、２に示す例では直角三角形）としたコイルである。そして、それぞれの断面を構成する三角形は、最も長い片に沿った直線（不図示）に対して線対称に配置される。断面形状を三角形とする誘導加熱コイル（第１の誘導加熱コイル２２、第２の誘導加熱コイル２４）をこのような配置形態とすることで、第１の誘導加熱コイル２２、第２の誘導加熱コイル２４のそれぞれから生じる磁束により、ツバ部（例えば第１の加熱片）６２やシャフト部（例えば第２の加熱片）６４を選択的に誘導加熱することが可能となると共に、両加熱片が成す角部を効率的に集中加熱することも可能となる。

第１の誘導加熱コイル２２、第２の誘導加熱コイル２４はそれぞれ、その周囲全体に磁束を生じさせるが、本実施形態の場合、その形態上の特徴から、ツバ部６２やシャフト部６４といった加熱対象面と対向する面を特に、加熱領域対向面２２ａ，２４ａと称することとする。

第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４の構成部材としては、導電性部材であれば特に限定するものでは無いが、耐熱性、加工の容易性、材料費等を考慮した場合には、銅（Ｃｕ）により構成することが望ましい。

また、上記のような配置形態を成す２つの誘導加熱コイル２２，２４をまとめてＣ型に形成することで、これを図２に示すツバ付シャフト６０に配置すると、第１の誘導加熱コイル２２は、シャフト部６４を加熱するソレノイド型のコイルの体を成し、第２の誘導加熱コイル２４は、ツバ部６２を加熱する平置きのＣ字型コイルの体を成すこととなる。

上記のような配置形態、形状を有する第１の誘導加熱コイル２２および第２の誘導加熱コイル２４にはそれぞれ、その周囲に絶縁加工が施されている。絶縁加工の具体例としては、耐熱性樹脂等の静電塗装を挙げることができる。さらに具体的には、エポキシ系樹脂の粉体や液体による被覆加工である。コイル表面にこのような加工を施すことで、電気的な接触がある場合であっても、短絡を生じることが無くなる。また、実施形態に係る誘導加熱コイル（第１の誘導加熱コイル、第２の誘導加熱コイル）２２，２４は、その周囲に耐熱加工が施されていることが望ましい。耐熱加工の具体例としては、パイロコートを挙げることができる。さらに、実施形態に係る誘導加熱コイル２２，２４は中空構造を成し、内部に冷媒（例えば水）を挿通させることを可能とすることが望ましい。このような構成とすることで、誘導加熱コイル２２，２４自体が過熱されてしまうこと、およびその影響により粉体塗装が劣化してしまうことを防止することができるからである。

上記第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４との間には、磁性体により構成された芯材２６が配置されている。さらに、芯材２６は、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４における加熱領域対向面２２ａ，２４ａを除く面を覆うように配置されている。このように芯材２６を配置することで、磁束は芯材２６を透過せずに導かれると共に誘導加熱コイル２２，２４それぞれの近傍に集中することとなる。そして、加熱領域対向面２２ａ，２２ｂのみを芯材２６で覆わないような構造とすることにより、当該部分で磁束が外側に膨らむこととなり、磁束は図３に破線で示すように発生する。

このため、第１の誘導加熱コイル２２から生じた磁束が第２の誘導加熱コイル２４による加熱領域に干渉することが少なく、第２の誘導加熱コイル２４から生じた磁束が第１の誘導加熱コイル２２による加熱領域に干渉することも少ない。よって、各誘導加熱コイル２２，２４の加熱領域を個別に加熱することを有効に行うことができるため、両者の熱容量が異なる場合であっても、同時に同じ温度または異なる温度に加熱処理することができる。また、磁束を一部に集中させた後に加熱対象部材へ投入する構造となるため、加熱効率を高めることができる。

ここで、芯材２６を構成する磁性体とは、室温で強磁性を示す物質が良い。室温で強磁性を示す物質としては例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム等を挙げることができるが、当該物質の粉体を含有させた粘土や、当該粘土を焼成したものも含めることができる。また、形状形成は粘土状の物質として行うことができ、形成後、時間経過と共に硬化し、硬化後には芯材（コンセントレーター）２６として機能することとなる部材も挙げることができる。このような部材としてはその一例として、ＡｌｐｈａＦｏｒｍ（商品名）というものが知られている。本実施形態における誘導加熱コイル２２，２４のように、断面形状を特異なものとするコイルでは、コイル周囲に対する芯材２６の密着性を高めるために、形状形成を粘土質で行うことができるものを採用することが望ましい。

なお、本実施形態に係る誘導加熱装置１０では、加熱コイル部２０と加熱対象部材であるツバ付シャフト６０との間には、伝熱による誘導加熱コイルの過熱防止、および短絡防止のために、隙間を設けるようにすると良い。

上記のような構成の加熱コイル部に対しては、第１の誘導加熱コイル、第２の誘導加熱コイルのそれぞれに、個別に電源を備えるようにして、双方の電源をＯＮ、ＯＦＦ制御することで各加熱片を選択加熱するようにしても良いが、本発明の望ましい電源の形態としては、図３に示すような電力制御部４０を挙げることができる。

電力制御ユニット４０は、例えば、三相交流電源４２、コンバータ４４、チョッパ４６（４６ａ，４６ｂ）、およびインバータ４８（４８ａ，４８ｂ）を基本として構成される。

コンバータ４４は、三相交流電源４２から入力される三相交流電流を直流に変換して、後段に接続されるチョッパ４６へと出力する順変換部である。

前記チョッパ４６は、コンバータ４４から出力される電流の通流率を変化させ、インバータ４８に入力する電流の電圧を変化させる電圧調整部である。

前記インバータ４８は、チョッパ４６により電圧調整された直流電流を、交流電流へと変換して誘導加熱コイル２２，２４へ供給する逆変換部である。なお、本実施形態で例に挙げる誘導加熱装置１０のインバータ４８は、誘導加熱コイル２２，２４と共振コンデンサ５０，５０とを直列に配置した直列共振型のインバータとする。また、複数（本実施形態の場合は２つ）の誘導加熱コイル２２，２４にはそれぞれ、個別にインバータ４８、およびチョッパ４６が接続されている。なお、インバータ４８ａ，４８ｂから誘導加熱コイル２２，２４への出力電流の制御は、電力・位相調整手段４５からの入力信号に基づいて行うものとする。

上記のような電力制御ユニット４０によれば、コンバータ４４から出力された電流の電圧をチョッパ４６により制御し、チョッパ４６から出力された直流電流をインバータ４８により変換、周波数調整することができる。このため、チョッパ４６により出力電力を制御することができ、インバータ４８により隣接配置された誘導加熱コイル２２，２４へ投入される電流の周波数との位相調整を行うことができる。そして、出力電流における周波数の位相を同期（位相差を０にする事または０に近似させる事）、あるいは定められた間隔に保つことで、隣接配置された誘導加熱コイル２２，２４の間の相互誘導の影響を回避することができ、誘導加熱コイル２２，２４に対する投入電力を制御することで、加熱対象物の温度制御を行うことができる。

上記のような加熱コイル部２０、および電力制御ユニット４０を有する誘導加熱装置により、図２に示すようなツバ付シャフト６０を加熱すると、ツバ部６２とシャフト部６４とを同時に、あるいは選択的に加熱しつつツバ部６２とシャフト部６４のそれぞれの加熱温度を個別に制御しながら加熱処理を行うことが可能となる。

また、上記実施形態では、加熱領域対向面２２ａ，２４ａを除く誘導加熱コイルの周囲を磁性体により覆う旨記載したが、本発明を実施する上では、必ずしも誘導加熱コイル２２，２４の周囲を磁性体（芯材２６）により覆う必要性は無い。本発明を実施する上での誘導加熱コイル２２，２４の形態として、簡易なものの例を挙げると、図４に示すような形態とすることができる。すなわち、磁性体（芯材）の配置を第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４との間のみにした形態である。このような形態であっても、相互の加熱対象領域に対する磁束の影響を回避することができるため、加熱効率以外の点で、上述した加熱コイル部２０と同様の効果を得ることができる。

上述した実施形態に示した加熱コイル部２０ではいずれも、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４とを線対称な位置関係とするように示しているが、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４とは必ずしも線対称な位置関係とする必要は無い。具体的には図５に示すように、シャフト部を加熱するための第２の誘導加熱コイル２４を第１の誘導加熱コイル２２との対向面（直角三角形の断面における最も長い辺）に沿って加熱対象物側へスライドさせた形態であっても、本実施形態の一部とみなすことができる。加熱コイル部２０をこのような形態とすることによれば、シャフト部とツバ部との境界部であるコーナー部をより効率的に加熱することが可能となる。また、このような構成であれば、図５に示すように、コーナー部に括れが存在する場合であっても、当該部分にまで加熱領域を広げ、効率的に熱処理を施すことが可能となる。

なお、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４とを上記のような配置形態とした場合、第２の誘導加熱コイル２４の磁束は、第２の誘導加熱コイル２４が芯材２６からはみ出した部分で膨らむこととなる。このため、加熱対象部材では、図５に斜線で示すように、２つの誘導加熱コイル２２，２４の磁束が干渉し、重複して入力される箇所が生じることとなる。このような場合には、第１の誘導加熱コイル２２に供給する電流波形の位相（ゼロクロスの位置）と、第２の誘導加熱コイル２４に供給する電流波形の位相（ゼロクロスの位置）とを所定の間隔をあけるようにズラすことで、磁束の打ち消しが生じ、磁束の重畳部分での過熱を防ぐことができる。例えば単純な例を挙げると、第１の誘導加熱コイル２２に供給する電流のゼロクロスの位置と第２の誘導加熱コイルに供給する電流のゼロクロスの位置とを１／４波長分ズラすことで、磁束の重複部分では双方の誘導加熱コイル２２，２４から供給される磁束が通常の約半分となる。このため、加熱対象物全体として見た場合には、磁束が重複していない部分と加熱割合が同じとなるため、加熱対象部材全体を均等に加熱することが可能となる。

ゼロクロス位置のシフトに関しては、インバータ４８ａまたはインバータ４８ｂからの出力電流の周波数を瞬時的に高める（または低くする）ことにより、成しえる。このため、電力・位相調整手段４５は、位相のズラし幅に合わせたタイミングで、インバータ４８ａ，４８ｂにゲート信号を出力すれば良い。

また、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４の断面における対向する辺は、必ずしも平行でなく、図６に示すように、両者を傾けた状態となるように配置しても良い。加熱コイル部２０をこのような形態とした場合、例えばツバ部６２の傾斜角θが大きくなったとしても、加熱領域対向面２２ａ，２４ａをツバ部６２を構成する面やシャフト部６４を構成する面に平行に配置することができ、加熱効率を良好に保つことが可能となる。

さらに、上記実施形態では、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４は互いに断面を直角三角形とし、最も長い辺を対向させるように記載したが、図７に示すような形態であっても良い。すなわち、各誘導加熱コイル２２，２４は、三角形であれば良く、いずれか１つの辺を基準として線対称に形成していれば良いのである。

また、第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４の断面形状は、必ずしも直角三角形とする必要は無く、また、図８に示すように、加熱対象とするツバ部６２やシャフト部６４に対して、加熱領域対向面２２ａ，２４ａを平行に保つ必要性も無い。例えば図８に示すように、加熱コイル部２０を構成する第１の誘導加熱コイル２２と第２の誘導加熱コイル２４との成す角が、ツバ付シャフト６０を構成するツバ部６２とシャフト部６４との成す角よりも極端に鋭角である場合、加熱コイル部２０を角部へ近接配置することが可能となり、括れを有する角部等を効率的に加熱することも可能となる。このような形態であっても、本発明の一部とみなすことができる。

なお、誘導加熱コイルの断面形状として説明した三角形には、頂点部分に丸みを帯びた形態のものも含むこととする。

上記実施形態では、誘導加熱コイルをリング状（ソレノイド型加熱をするものと、平面焼きをするもの）としていたため、加熱対象とする部材は、ツバ付の軸部材に限られていた。しかしながら、誘導加熱コイルを直線のライン形状とすることにより、本発明に係る誘導加熱コイルは、図９に示すようなＬ字状の鋼材を加熱する場合にも利用することが可能となる。

本発明の誘導加熱装置を構成する加熱コイル部を示す部分断面斜視図である。図１に示す加熱コイル部を、加熱対象とするツバ付シャフトに配置した加熱形態を示す。加熱コイル部と、電力制御ユニットとを合わせた誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る誘導加熱装置における加熱コイル部の応用形態を示す図である。加熱コイル部を構成する２つの誘導加熱コイルを対向する辺に沿ってスライドさせた形態を示す図である。加熱コイル部を構成する２つの誘導加熱コイルにおいて対向する辺をそれぞれ傾斜させて配置した形態の例を示す図である。加熱コイル部を構成する２つの誘導加熱コイルの断面形状を、直角三角形以外の三角形とし、最も長い辺以外の辺を基準として線対称な配置形態とした場合の例を示す図である。ツバ部とシャフト部が成す角に対して、２つの誘導加熱コイルが成す角を極めて小さくした場合の例を示す図である。本発明に係る誘導加熱装置の使用における応用例を示す図である。ツバ付シャフトを誘導加熱装置を用いて加熱する際の従来の形態を示す図である。

符号の説明

１０………誘導加熱装置、２０………加熱コイル部、２２………第１の誘導加熱コイル、２４………第２の誘導加熱コイル、２６………芯材、４０………電力制御ユニット、４４………コンバータ、４６（４６ａ，４６ｂ）………チョッパ、４８（４８ａ，４８ｄ）………インバータ、５０………共振コンデンサ。

Claims

コイル断面を三角形とした２つの誘導加熱コイルを、いずれか１つの辺を基準として線対称となるように配置すると共に両者の間に間隙を設け、前記間隙には少なくとも対向する辺と同じ長さを有する磁性体を配置したことを特徴とする誘導加熱装置。
前記２つの誘導加熱コイルに対する投入電力を個別に制御する電力制御ユニットを備え、
前記三角形の辺のうち、他の誘導加熱コイルと対向しない辺であって、線対称な位置関係にある１つの辺をそれぞれ加熱対象部材に対向させることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記誘導加熱コイルの表面に絶縁加工を施し、前記加熱対象物に対向させた辺で構成されるコイル面以外のコイル面を覆うように磁性体を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導加熱装置。
前記２つの誘導加熱コイルのうちのいずれか一方を前記加熱対象物に近接させるように、前記対向する辺に沿ってスライドさせたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の誘導加熱装置。
前記電力制御ユニットには、前記２つの誘導加熱コイルに供給する電流波形の位相をずらし、前記加熱対象部材において前記２つの誘導加熱コイルからの磁束が重畳する部位で前記加熱対象部材の加熱に寄与する磁束を相殺、または一部相殺するように、インバータからの出力電流の位相を制御する電力・位相調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の誘導加熱装置。