JP5247103B2 - 誘導加熱コイル及び熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱焼入装置等に装着される誘導加熱コイルと、誘導加熱に係る焼処理方法とに関するものである。

エンジンのクランクシャフト等の、炭素鋼で作られた部品は、表面硬度を上昇させるために焼き入れが行われる。クランクシャフト等を焼き入れする際には、誘導加熱装置によって高周波焼き入れされる場合が多い。
高周波焼き入れは、ワークに誘導加熱コイルを近接させ、ワークに誘導電流を発生させて昇温するものである。
高周波焼き入れに使用される誘導加熱コイルには、特許文献１〜３の様にワークに合わせて多様な形状を持つ。
また誘導加熱を利用してクランクシャフトを焼き入れを行う焼入装置として、特許文献４に開示されたものが知られている。特許文献４に開示された焼入装置では、複数の誘導加熱コイルを備え、焼き入れを行う箇所に対応するように配置されている。特許文献４に開示された焼入装置では複数の誘導加熱コイルが単一の高周波電源に対して接続されている。

特開２００４−２４４７００号公報 特開２００４−２２２１０号公報 特開２００３−１３７４３３号公報 特開２００３−３１７９１３号公報

高周波焼き入れは、誘導加熱コイルに高周波電流を通電して磁界を発生させ、近接した位置に置かれたワークに誘導電流を発生させるものであるから、誘導加熱コイルに流れる高周波電流の電圧及び電流によってワークに施される焼き入れ深さ等が変動する。そのため高周波焼き入れにおいては、誘導加熱コイルに通電する高周波電流の電圧や電流を的確に制御することが肝心である。

しかしながら、加熱処理中における誘導加熱コイルに流れる高周波電流の電流値を検知する方策は知られていない。
すなわち電流値を測定する方法自体は広く知られているが、公知の電流値測定方法を誘導加熱コイルの電流値測定に適応するには困難がある。
誘導加熱コイルに対して直列に電流計を接続することは極めて困難であるから、誘導加熱コイルに流れる電流値を測定するには、コイルに対して電気的に非接触で電流値を測定しなければならない。

ここで高周波電流を測定する実用的な方法として、ロゴスキーコイルを使用したものとホール素子を採用したものが知られている。
しかしながら前者の方法は、ロゴスキーコイルを装着するためのループや空隙部分を誘導加熱コイルの一部に設けなければならない。そのためこのループや空隙によって誘導加熱コイルにインダクタンスが生じ、誘導加熱コイルに流れる電流にロスが生じる。

後者のホール素子を採用するものにおいても同様であり、貫通電流を検出するための空隙を誘導加熱コイルに作る必要があり、誘導加熱コイルにインダクタンスが生じ、誘導加熱コイルに流れる電流にロスが生じる。

さらにロゴスキーコイルを使用する場合であってもホール素子を使用する場合であっても、ロゴスキーコイルやホール素子は、高周波電流が流れる部位と接することとなる。そのためロゴスキーコイルやホール素子に絶縁不良があれば、高周波電流が直接的に測定機器に流れ、測定機器を破損させたり、使用者に危険を及ぼすおそれがある。

また特に特許文献４の様に複数の誘導加熱コイルを有する装置では、誘導加熱コイルに対する通電不良による焼入処理の不具合を防止すべく、電力供給用に設けられた高周波電源側において流れる電流値や電圧値を検知することにより誘導加熱コイルに対する通電不良を検知することが考えられるが、上記したように複数の誘導加熱コイルを備えた構成とした場合、仮にそのうちの一つにおいて通電不良があったとしても、高周波電源側において検知される電流値や電圧値には大きな変動がない。そのため、従来技術の誘導加熱焼入装置では、一部の誘導加熱コイルにおいてのみ通電不良があった場合にこれを検知することが困難であった。

また、上記したように高周波電源側において電流値や電圧値を監視する構成とした場合は、仮に複数の誘導加熱コイルのうち一部において通電不良があることが検知できたとしても、この通電不良がどの誘導加熱コイルで起こっているのかを的確に把握することができないという問題があった。

そこでかかる問題点を解消すべく、本発明は、誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握可能な構成を備えた誘導加熱コイル、及び誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握しつつ焼入処理を実施可能な誘導加熱焼入処理方法の提供を目的とした。

上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、高周波電源に対して電気的に接続されて誘導加熱焼入処理に使用される誘導加熱コイルにおいて、焼入処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、前記導通部には、磁性体からなるコア部が絶縁体を介して片持ち状に取り付けられ、当該コア部に電流検知用コイルが設けられており、コア部は閉ループを構成する枠状であり、当該枠に対して前記電流検知用コイルが巻かれていることを特徴とする誘導加熱コイルである。

本発明の誘導加熱コイルは、導通部に隣接する位置に磁性体からなるコア部が配されており、これに電流検知用コイルが装着されている。そのため、本発明の誘導加熱コイルは、焼入処理を行うために通電を行うと、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が流れる。
すなわち誘導加熱コイルには高周波電流が流されるので、導通部の周辺に変動する磁界が生じ、コアは変動する磁界に晒される。その結果、変動する磁束によってコアが貫通され、コア部に巻き付けられた電流検知用コイルに誘導電流が生じる。
従って、本発明の誘導加熱コイルは、電流検知用コイルに流れる誘導電流を検知することにより、誘導加熱コイルへの通電状態を検知することができる。
また、本発明の誘導加熱コイルにおいて、電流検知用コイルには、加熱処理部に流れる電流の大きさを反映した大きさの誘導電流が流れるものと想定される。そのため、本発明の誘導加熱コイルを用いて誘導加熱焼入処理を行う場合は、誘導電流値を監視することにより、加熱処理部に流れる電流値の推移を監視することができる。
さらに本発明は、誘導加熱コイルから漏れた磁束を拾って電流を検知するものであるから、誘導加熱コイル自体のインダクタンスは変化しない。そのため誘導加熱コイルに流れる電流にロスは無い。
さらに本発明では、コア部は絶縁体を介して誘導加熱コイルに取り付けられているから、コア部は誘導加熱コイルから絶縁されている。そのため例え電流検知用コイルに絶縁不良があっても測定機器側に過大な電流が流れることはない。

また、本発明の誘導加熱コイルではコア部は閉ループを構成する枠状であるから、コアを貫通する磁束密度が高く、電流値の測定精度が高い。

コア部は、絶縁体を介して導通部に取り付けられる固定部と、電流検知用コイルが巻かれる芯部とを有するように構成することもできる（請求項２）。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の誘導加熱コイルを使用し、電流検知用コイルに発生する誘導電流を検知しつつ、処理対象物を熱処理することを特徴とする熱処理方法である。

本発明では、電流検知用コイルに発生する誘導電流を検知しつつ、処理対象物を熱処理するので、誘導加熱コイルに流れる電流を監視しながら熱処理することとなる。そのため電流検知用コイルに対する通電不良や過電流を検知することができ、製品不良を検出したり、不良の発生を未然に防止することができる。

本発明によれば、誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握可能な構成を備えた誘導加熱コイル、誘導加熱コイルにおける通電状態を的確に把握しつつ焼入処理を実施可能な誘導加熱焼入処理方法を提供することができる。

続いて、本発明の一実施形態にかかる誘導加熱焼入装置１、並びに、誘導加熱コイル１０について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。図２は、本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。図３は、図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図及び分解斜視図である。図４は、他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。
図１に示すように、誘導加熱焼入装置１（以下、焼入装置１とも称す）は、高周波電源２と、加熱ユニット３と、制御装置５とを有する。

高周波電源２は、一次側に電気的に接続された交流電源ＡＣ（図示せず）から電力の供給を受けて二次側に高周波電力を発生させることができるものである。高周波電源２の二次側には、加熱ユニット３が接続されており、加熱ユニット３に対して高周波電源２で発生した高周波電力を供給可能とされている。加熱ユニット３は、誘導加熱コイル１０及びカレントトランス１１を備えている。

カレントトランス１１の二次側は加熱回路部３０を構成している。加熱回路部３０は、上記したカレントトランス１１の二次側に接続された部分であり、誘導加熱コイル１０を中心として構成されている。加熱回路部３０には、誘導加熱コイル１０にかかる電圧を検知するための電圧計３４が設けられている。

誘導加熱コイル１０は、焼入処理の処理対象物を誘導加熱するために設けられたコイルである。誘導加熱コイル１０は図２に示すように円形コイルである。
誘導加熱コイル１０は、焼入処理に際して処理対象物の外周側に配される加熱処理部３１と、カレントトランス１１の二次側に接続される導通部３２とを有する。

図２や図３に示すように、誘導加熱コイル１０の導通部３２には、コア部材３５（コア部）が絶縁体３９を介して取り付けられている。絶縁体３９は、樹脂や雲母等で作られた薄い板である。
コア部材３５は、磁性体によって構成されており、外観が略「ロ」字型の部材である。すなわちコア部材３５は、長方形の閉ループを構成した枠体であり、コア部材３５は、図２に示すように、導通部３２に対して片持ち状に取り付けられている。

さらに具体的には、コア部材３５は、誘導加熱コイル１０の導通部３２に固定される固定部３７と、これに対して略平行な位置関係にある芯部３６とを有する。固定部３７と芯部３６との間には空間４１がある。
固定部３７と導通部３２との間には前記した絶縁体３９が介在されており、固定部３７と導通部３２とは電気的に絶縁されている。本実施形態においては、コア部材３５の取付け姿勢は、図２、図３の様に固定部３７及び芯部３６が導通部３２の電流の流れ方向と平行となる姿勢であるが、図４に示すように固定部３７及び芯部３６を電流の流れ方向に対して直行する姿勢に取り付けてもよい。

芯部３６には、電流検知用コイル３８が巻き付けられている。電流検知用コイル３８は、導電性を有する線状の導体、又は被覆電線により構成されており、二次側電気系統３３や誘導加熱コイル１０には直接的に接触していない。すなわち、電流検知用コイル３８は、誘導加熱コイル１０の導通部３２に対して隣接する位置に存在している。

電流検知用コイル３８には、電流計４０（電流検知手段）が接続されている。そのため、カレントトランス１１の二次側に電力が供給されると、誘導加熱コイル１０に電流Ｉｃが流れると共に、芯部３６に巻き付けられた電流検知用コイル３８に誘導加熱コイル１０に流れる電流値に応じた大きさの誘導電流Ｉｙが流れ、これが電流計４０によって検知される。

制御装置５は、加熱ユニット３に設けられた電圧計３４によって検知される電圧値および電流計４０によって検知される電流値に基づき、誘導加熱コイル１０に供給されている電力の大きさを監視している。また、制御装置５は、電圧計３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に対する電力の印加状態が焼入処理を施す処理対象物に対する焼き入れ具合を所定の状態とするのに最適な状態になるように調整する。すなわち、制御装置５は、電圧計３４や電流計４０によって検知される電圧値や電流値等に基づき、誘導加熱コイル１０に印加される電力を調整する。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０を構成する導通部３２の中途にコア部材３５が取り付けられており、誘導加熱コイル１０への通電に伴い、コア部材３５の芯部３６に装着された電流検知用コイル３８に、誘導加熱コイル１０への通電量に応じた誘導電流Ｉｙが流れる。そして、この誘導電流Ｉｙを電流計４０で検知できる構成とされている。そのため、焼入装置１により焼入処理を行えば、加熱回路部３０が備える電流計４０により検知される誘導電流Ｉｙの電流値を監視することにより、誘導加熱コイル１０に流れる電流の大きさを的確に把握することができる。

本実施形態の焼入装置１では、誘導加熱コイル１０毎に通電により流れる電流値の大きさを把握できると共に、電圧計３４により誘導加熱コイル１０に作用する電圧値を把握することができる。そのため、焼入装置１では、誘導加熱コイル１０に印加される電力の大きさを監視し、電力の供給状態を焼入処理に適した状態とすることができる。

焼入装置１において採用されている誘導加熱コイル１０は、通電時に極めて高温になる加熱処理部１１を外れた位置、具体的には導通部３２にコア部材３５が設けられている。すなわち、並列部３５は、通電時に過度に高温になる部分を避けて設けられている。そのため、上記した構成によれば、電流検知用コイル３８が溶断するといったようなコア部材３５が高温になることによる弊害が起こりにくい。

誘導加熱コイル１０は、加熱処理部３１を外れた位置にコア部材３５が設けられており、焼入処理時に処理対象物が配される位置から離れた位置に電流検知用コイル３８が存在している。そのため、誘導加熱コイル１０を用いて焼入処理を行う場合は、コア部材３５や電流検知用コイル３８が焼入処理に際して邪魔にならない。また、焼入装置１は、コア部材３５や電流検知用コイル３８が焼入処理の邪魔にならない位置に設けられているため、誘導加熱コイル１０を処理対象物にあわせて高密度に配置することができる。

以上説明した実施形態では、コイルの形状として円形のものを例示したが、本発明は他の形状のコイルにも適用することができる。
図５は、本発明の他の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。
図５に示す誘導加熱コイル５３は、断面形状角形のパイプを複雑に折り曲げる等して形成された、いわゆる開放型の鞍型コイルである。さらに詳細に説明すると、誘導加熱コイル５３は、その一端側（端部１０ａ）から他端側（端部１０ｂ）に至るまで一連とされている。また、誘導加熱コイル５３は、内部に形成された通液路４５についても端部１０ａから端部１０ｂに至る全区間にわたって連通している。

誘導加熱コイル５３は、図５に示す状態において下方側に位置する加熱処理部３１と、上方側に位置する導通部３２とを有する。

図５に示す状態において、導通部３２は、加熱処理部３１に対して上方に位置しており、第一導通部３２ａと、第二導通部３２ａと、中間導通部３２ｃとを有する。第一導通部３２ａは、端部１０ａ側から加熱処理部３１に至る部分であり、第一加熱処理部３１において上方側に位置する水平部８２に繋がっている。また、第二導通部３２ｂは、端部１０ｂ側から加熱処理部３１に至る部分であり、第二加熱処理部３１において下方側に位置する水平部８８に繋がっている。第一、二導通部３２ａ，３２ｂ間にはわずかな隙間が設けられており、両者の間は絶縁されている。

図５に示すように、第一導通部３２ａには、コア部材３５が溶接等により片持ち状に取り付けられている。なおコア部材３５と第一導通部３２ａとの間には図示しない絶縁体が介在されており、コア部材３５と第一導通部３２ａとの間は電気的に絶縁されている。また、コア部材３５の芯部３６には、電流検知用コイル３８が装着されている。

そのため先の実施形態と同様、誘導加熱コイル５３に電流Ｉｃが流れると共に、芯部３６に巻き付けられた電流検知用コイル３８に誘導加熱コイル１０に流れる電流値に応じた大きさの誘導電流Ｉｙが流れ、これが電流計４０によって検知される。

本発明の一実施形態にかかる焼入装置の回路構成図である。 本発明の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。 図２の誘導加熱コイルのコア部の斜視図（ａ）及び分解斜視図（ｂ）である。 他の実施形態における誘導加熱コイルのコア部の斜視図である。 本発明の他の実施形態の誘導加熱コイルの概念図である。

１ 誘導加熱焼入装置（焼入装置）
２ 高周波電源
３ 加熱ユニット
１０ 誘導加熱コイル
３１ 加熱処理部
３２ 導通部
３３ 二次側電気系統
３５ コア部材（コア部）
３９ 絶縁体
３８ 電流検知用コイル
４０ 電流計（電流検知手段）
５３ 誘導加熱コイル

Claims (3)

1. 高周波電源に対して電気的に接続されて誘導加熱焼入処理に使用される誘導加熱コイルにおいて、焼入処理時に処理対象物に対向する位置に配される加熱処理部と、加熱処理部に対して電気的に導通した導通部とを有し、前記導通部には、磁性体からなるコア部が絶縁体を介して片持ち状に取り付けられ、当該コア部に電流検知用コイルが設けられており、コア部は閉ループを構成する枠状であり、当該枠に対して前記電流検知用コイルが巻かれていることを特徴とする誘導加熱コイル。
2. コア部は、絶縁体を介して導通部に取り付けられる固定部と、電流検知用コイルが巻かれる芯部とを有することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 請求項１又は２に記載の誘導加熱コイルを使用し、電流検知用コイルに発生する誘導電流を検知しつつ、処理対象物を熱処理することを特徴とする熱処理方法。

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