JP5290768B2 - 電磁インダクタを隔離する断熱スクリーン、およびそのようなスクリーンを含む熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、直交または擬似直交電界を有する電磁インダクタを加熱製品の放熱から隔離するように意図された、磁束に対して透過的な冷却式断熱スクリーンに関する。該断熱スクリーンは、断熱材で作られたブロックから構成されるマトリクスと、流体の循環によって冷却される複数の金属チューブとで形成され、これらのチューブは、前記ブロックから構成されるマトリクス内に閉じ込められており、また、該チューブ及び該ブロックから構成されるマトリクスは、加熱すべき製品の反対側に配置されている支持体上の定位置に保持されている。

本発明は、より具体的には、これに限らないが、連続走行する金属片を加熱する電磁誘導デバイス用の断熱スクリーンに関する。

欧州特許第１３４９４３１号明細書は、断熱スクリーンと、シースから構成される支持体とを有するチャンバを開示している。

該支持体の材料は、絶縁性であり、例えば、ガラス繊維と、エポキシまたは他の樹脂、ガラスまたはセラミックの複合材料から構成される。該断熱スクリーンのための該支持体は、過剰な高温にさらすべきではなく、典型的には、この支持体に用いられる材料により、１２０℃以下、および好ましくは、９０℃以下とする。

誘導加熱用電磁コイルは、該スクリーンの加熱すべき製品から反対側に配置される。良好なエネルギ効率を得るためには、これらのコイルが、加熱すべき製品にできる限り近接することが必要である。そのため、該スクリーンの様々な壁部の厚さが、できる限り薄く、同時に、十分な熱的保護を確保することが好ましい。

傾向は、特に、冶金学的理由のために該加熱製品の温度を増加させることであり、その結果、許容可能な限界以上に、該スクリーン用支持体の温度を上昇させるというリスクが実質的に増加する。

該スクリーン支持体のより良好な保護のために、流体の循環によって冷却される該チューブ間の分離を緩和することが考えられる。しかし、これらのチューブは、好ましくは、一定の長さのチューブを反対方向に数回、湾曲させることによって得られるコイルの直線状セグメントによって形成される。用いる該チューブの直径は、該チューブを湾曲させるための最小曲率半径を与えるため、該チューブの許容可能な湾曲によって与えられる値以下に該チューブ間の分離を緩和することは不可能である。

熱スクリーンステムに対する従来技術の欠点は、小さな湾曲半径で１８０°まで湾曲したチューブからヘアピンを製造するという技術的問題だけではなく、該チューブの中心間間隔の低減によって引き起こされる熱的問題にも由来する。このような該チューブの中心間間隔の低減は、
・磁界中にある該チューブの長さが増加するために、追加的な損失が該磁界内で発生する場合の熱損失の増加と、
・製品の加熱に影響を及ぼす可能性のある、該ブロックの低い表面温度と、
をもたらす。

本発明の目的は、とりわけ、絶縁材料の層の厚さを実質的に増すことなく、および流体の循環によって冷却される該チューブ間の間隔を修正することなく、スクリーン用支持体の良好な熱的保護を可能にする冷却式断熱スクリーンを提供することである。

本発明によれば、直交または擬似直交電界を有する電磁インダクタを加熱製品の放熱から隔離するように意図された、磁束に対して透過的な断熱スクリーンであって、該断熱スクリーンが、断熱材で作られたブロックから構成されるマトリクスと、流体の循環によって冷却される複数の金属チューブとで形成され、これらのチューブが、前記ブロックから構成されるマトリクス内に閉じ込められており、また、該チューブ及び該ブロックが、支持体によって定位置に保持されている断熱スクリーンにおいて、熱伝導手段が、該ブロックの後部に設けられており、これらの熱伝導手段が冷却チューブに熱的に結合されており、前記熱伝導手段は、該ブロックを通過する熱流束を遮断し、かつ該熱流束を該冷却チューブ内に放出することを特徴とする。

本発明による該断熱スクリーンは、その作動温度を低下させることにより、該支持体を保護する。

好ましくは、該熱伝導手段は、磁束によって生成された誘導電流に起因する熱損失を防ぐかまたは低減する手段も備えている。

該熱伝導手段は、ステンレス鋼、青銅、銅、または他の適当な材料で形成することができる。

該熱伝導手段は、冷却チューブに熱的に結合された熱伝導材料、特に金属材料で形成されたスクリーンによって形成することができる。好都合には、該スクリーンは、該ブロックの背後に延びる金属フィンによって形成され、各フィンは、冷却チューブと熱的に接触している。

誘導電流の生成を防ぐかまたは低減する手段は、該熱伝導手段内に形成されたスロットを備えることができる。該スロットは、大部分は、該チューブの長手方向に対して横方向に向けられているが、該スロットは、該長手方向に対して斜めにしてもよい。

好都合には、該スロットは、該金属スクリーンの長手方向縁部に開口しており、中心部分付近で終わっている。

該断熱スクリーンは、該誘導電流が非常に小さい場合に最適化される。このことを行うために、磁界に対して直角な十分に小さな領域を有するフィンが設けられる。該スロットのピッチを小さくすることにより、該スロットの幅を変えることによりおよび／または該フィンの幅およびその厚さを変えることにより、良好な結果が得られる。

一実施形態によれば、該フィンは、該冷却チューブに対して径方向に配置され、かつ固定されている数本のワイヤによって形成することができる。

各フィンは、１つのチューブの各側面に、２つの隣接するチューブ間のギャップの実質的に半分にわたって延びることができる。

各フィンは、対応するチューブに溶接することができる。該チューブと接触する該フィンの領域は、該チューブの輪郭の一部に追従するクレードルの形を有することができる。

該フィンは、押出または延伸金属スクリーンおよび／または単一部材として形成されたチューブアセンブリ内に形成されたスロットによって形成することができる。

好ましくは、該フィンは、熱流束から保護されるべきインダクタの領域内において、該チューブの全長にわたって延びる。

また、本発明は、熱処理装置、特に、製品を加熱するために、直交または擬似直交電界を有する電磁インダクタを含む炉であって、該加熱製品の熱放射から該インダクタを保護するために、上述したような少なくとも１つの断熱スクリーンを含むことを特徴とする炉に関する。

本発明は、上述した構成は別として、限定するものではない、添付図面を参照して説明される例示的実施形態に関して詳細に後述される多数の他の構成から構成される。

図１は、一定または可変速度で走行する、金属片１、特に帯鋼の熱処理のためのラインの垂直炉Ｈを概略的に示す。図示した実施例において、金属片１は、２つのローラ、すなわち、下方ローラ２と上方ローラ３の間を垂直方向に走行する。この実施例は、非限定的であり、すなわち、金属片１は、水平炉内において水平方向に走行することができる。

該炉は、一般的に、矩形断面の角柱形状を有し、その内部空間は、外部雰囲気と隔離されている。該炉内部でのガス混合物の組成は、当該ゾーンにより変化する可能性がある。このガス混合物は、熱交換に好都合な、比較的高い割合の水素を含む。

炉Ｈは、金属片１の各側面に、直交または擬似直交磁束５ａ、５ｂを有するハーフインダクタを備えた少なくとも１つの加熱部４を含む。１組のハーフインダクタは、１つの加熱インダクタを構成する。

金属片１によって形成される加熱製品に直面する該インダクタを熱的に保護するために、ハーフインダクタ５ａ、５ｂには、磁束に対して透過的な断熱スクリーンＥが設けられている。

図２を見て分かるように、スクリーンＥは、電気的絶縁性で、かつ特に、ガス不透過性の材料から形成された支持体６を備える。好都合には、支持体６は、エポキシまたは同様の樹脂との複合材料で形成される。

金属片１と直交する方向に沿った、スクリーンＥの対向面間の間隔の最小寸法ｋ（図２）は、該金属片と、該スクリーンの内面のどのような接触も避けるという目的について考慮することによって与えられる。この寸法ｋは、約２０ｃｍとすることができる。

支持体６の内面は、断熱材料、特にセラミックで形成されたブロック７と、流体、一般的に水によって冷却される複数のチューブ８とから構成されるマトリクスＢを、固定手段（図示せず）によって定位置に支持及び保持する。チューブ８は、一般的に、金属で形成されるが、他の材料、例えば、磁界に対して完全に透過性のガラスで形成することができる。チューブ８は、ブロック７から構成されるマトリクス内に閉じ込められており、金属片１からの直接放射から保護される。

チューブ８は、好ましくは、直線状セグメントから構成される。図３に示す実施例によれば、チューブ８は、１本のチューブを１８０°反対方向に連続的に湾曲させることによって得られる連続コイルから構成されるセグメントである。冷却流体用の入口及び出口が各コイルに設けられている。連続パネルを構成するいくつかのコイルは、支持体６の内壁に対向して並置することができる。チューブ８の内径は、約８〜１０ｍｍである。

ブロック７は、図２及び図４を見て分かるように、実質的に矩形の平行六面体ブロックによって形成され、その２つの長手方向面は、２つの連続チューブ８の輪郭に追従するのに適した円筒形部分の形をした凹部７ａ、７ｂを含む。従って、ブロック７は、２つの直線状チューブ８の間に係合することができる。ブロック７は、チューブ８の長手方向に沿って互いに支えあっている。小さな横断空間９（図４）を、２つの隣接するブロック７間に残してもよい。

ブロック７の前面７ｃは、金属片１からの熱放射に直接さらされる面である。金属片１から最も遠い面である該ブロックの後面７ｄは、ブロック７による耐熱性およびチューブ８及び冷却流体によって取り出された熱のため、面７ｃの温度よりもかなり低い温度である。

金属片１が、直交または擬似直交磁束による電磁誘導によって、最大エネルギ効率で加熱されるためには、該インダクタをできる限り金属片１に近づけて配置することが好ましい。金属片１の処理温度が増加すると、支持体６が非常に高い温度にさらされるリスクがある。

断熱ブロック７の厚さの増加、および連続チューブ８の間の距離の縮小を伴うことなく、支持体６の有効な熱的保護を確かにするために、本発明は、該ブロックの後面７ｄに、ブロック７を通過する熱流束Ｑを遮断するために配置された熱伝導手段１０を設けている。これらの熱伝導手段１０は、熱流束Ｑを該チューブ内、および該チューブ内を循環する冷却液中に放出するために、冷却チューブ８に熱結合されている。さらに、熱伝導手段１０は、図６に示すように、直交交番電磁束によって生成される誘導電流の生成を防ぐかまたは低減する手段１１を備えている。

好ましくは、熱伝導手段１０は、薄い厚さｊ、特に、５ｍｍ以下の金属スクリーンＳ（図４）から構成される。スクリーンＳは、該ブロックの後面７ｄのほとんどをカバーする。

金属スクリーンＳは、互いに離間された金属フィン１２から構成されるセットによって形成される。該ブロックの後面７ｄをカバーする金属フィン１２は、各チューブ８に付随しており、各フィンは、関連する冷却チューブ８と熱的に接触している。「ヒートシンク」または「冷却器」という用語は、「フィン」という用語と同義語として用いることができる。

各フィン１２は、好ましくは、チューブ８の全長にわたって延びている金属ストリップによって形成される。該ストリップは、２つの連続ブロック７の背面縁部間の自由空間１３に係合する突起状中央長手方向部分１２ａを有する。中央部分１２ａは、好ましくは、該中央部分が溶接されるチューブ８の壁部に接触する。該金属ストリップは、各ブロック７の中間幅に実質的に合うブレード１２ｂ、１２ｃによって、中央部分１２ａの両側に対称的または非対称的に延びている。このような構成は、熱をチューブ８内に放出する経路の長さを、１つのブロック７の実質的に半分に限定することを可能にする。連続する２つのフィンのブレード１２ｂ、１２ｃの端部は、小さな幅ｍ（図４）、特に、５ｍｍ以下、および好ましくは、２ｍｍ以下のギャップによって離間されている。従って、各ブロックの後面７ｄは、実際的には、フィン１２によって全体的にカバーされる。

図２に示す実施例において、上記断熱スクリーンの断面は、実質的に矩形状の閉じた外形を有する。この実施例は限定的ではない。該断熱スクリーンは、上記金属片の各側部の、いくつかの層（断熱ブロック、冷却チューブ、熱伝導手段）を有するプレートから構成される。この場合、該スクリーンの断面は、図４に示すような直線状セグメントになる。本発明によるプレート状熱スクリーンは、特に、２００５年６月２４日に出願された、同じ出願会社であるＣＥＬＥＳによる仏国特許出願０５／０６４６２号明細書および仏国特許出願０５／０６４６３号明細書において意図された装置等の装置に適している。

図４に示す例示的な実施形態によれば、該フィンの中央部分１２ａは、その凸状側がチューブ８の方に向いているドーム形状を有し、前記ドームは、該ドームを溶接するための楕円形の開口部を有している。

変形例として、図７に示すように、突起状中央部分１２ａは、チューブ８の対向部に追従し、かつ熱伝達のためのより大きな接触を実現できるクレードルを形成する凹部を有する。

別の実施形態によれば、該フィンは、単一部材として押出または延伸されたチューブ８／金属スクリーンＳアセンブリに形成されたスロットによって形成することができる。

磁束によって生成される誘導電流の生成を防ぐかまたは低減する手段１１は、好ましくは、フィン１２内にスロット１５を備える。該スロットは、図６に示すように、大部分は該フィンの長手方向に対して横方向に向けられているが、該長手方向に対して斜めにしてもよい。互いに平行なスロット１５は、該金属スクリーンＳの長手方向縁部に開口しており、中央部分１２ａの近くで閉じている。

該断熱スクリーンは、誘導電流が極端に少ない場合に最適化される。このことを行うために、磁界に対して直角な十分に小さな領域を有するフィンが設けられる。該スロットのピッチを小さくすることにより、該スロットの幅を変えることにより、特に、該スロットを構成するのこぎり状の切れ目の厚さを変えることにより、および／または該フィンの幅および厚さを変えることにより、良好な結果が得られる。一実施例によれば、該スロットの幅は０．５ｍｍであり、２つのスロットの間の該フィンの幅は、このフィンに誘導される電流の電気的損失に適応される。

変形例として、該フィンは、何本かのワイヤによって形成することができる。該ワイヤは、冷却チューブ８に対して横方向、径方向または斜め方向に向けて配置され、チューブ８に固定、特に溶接され、該アセンブリは、くしに似ており、その歯は、数本のワイヤによって形成されることになる。該ワイヤの直径は、各ワイヤ間のギャップを０．３ｍｍとして、１ｍｍとすることができ、このギャップは、スロット１５を構成する。

フィン１２は、図６に示されているように上から見ると、魚の骨に似た形状を有している。

磁束によって生成される誘導電流を大幅に低減するスロット１５の存在は、エネルギ効率を低下させる寄生加熱を低減する。

好都合には、チューブ８および／またはフィン１２は、ステンレス鋼で形成される。変形例として、チューブ８および／またはフィン１２は、青銅または銅で形成されるが、他の金属を想定してもよい。

該実施は、上記の説明に起因する。

直交交番磁界は、金属片１を加熱し、該金属片１は、この金属片を囲む面に向かって熱を放射する。ブロック７を通過して後面７ｄに達する熱流束Ｑは、フィン１２によって大部分が遮断され、チューブ８内および冷却流体内に放出される。支持体６は、この磁束Ｑによるであろう加熱から良好に保護される。

本発明は、熱スクリーンＥの厚さが実質的に増加することなく、およびチューブ８の間隔を変更することなく、高温、例えば、１１５０℃の金属片１に対して、支持体６の有効な熱的保護を実現することができる。

上記説明は、金属片１に関して示されているが、本発明は、他の種類の金属製品、特に、スチール、銅またはアルミニウム製ワイヤまたはプレートにも適応する。該製品は、走行する製品であってもなくてもよい。

本発明による、磁束に対して透過的な断熱スクリーンを有する金属片熱処理装置の図である。 切り欠き部分を有する、断熱スクリーンの拡大断面図である。 断熱スクリーンの切り欠き部分を有する平面図である。 本発明による熱伝導手段を示す、図１の詳細IVの拡大断面図である。 熱伝導手段の端面図である。 図５に関連する部分平面図である。 垂直断面における熱伝導手段の代替的実施形態を示す。

符号の説明

１ 金属片
２ 下方ローラ
３ 上方ローラ
４ 加熱部
５ａ、５ｂ 直交または擬似直交磁束
６ 支持体
７ ブロック
８ チューブ
９ 横断空間
１０ 熱伝導手段
１１ 電流の生成を防ぐかまたは低減する手段
１２ フィン
１３ 自由空間

Claims (15)

1. 直交電界を有する電磁インダクタを加熱製品（１）の放熱から隔離するように意図された、磁束に対して透過的な断熱スクリーンであって、前記断熱スクリーンが、断熱材で作られたブロックから構成されるマトリクス（７）と、流体の循環によって冷却される複数のチューブ（８）とで形成され、これらのチューブが、前記ブロックから構成されるマトリクス内に閉じ込められており、前記チューブ及びブロックが、支持体によって定位置に保持されている断熱スクリーンにおいて、該断熱スクリーンが前記ブロックの背後に、前記ブロックを通過する熱流束を遮断するように配置された熱伝導手段（１０）を含み、これらの熱伝導手段が、前記熱流束を前記チューブ内に放出する冷却チューブ（８）に熱的に結合されていることを特徴とする、断熱スクリーン。
2. 熱伝導手段（１０）が、磁束によって引き起こされる電流の生成を防ぐかまたは低減する手段（１１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の断熱スクリーン。
3. 熱伝導手段（１０）が、冷却チューブ（８）に熱的に結合された金属スクリーンＳによって形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の断熱スクリーン。
4. 金属スクリーンＳは、前記ブロックの後部にわたって延びる金属フィン（１２）によって形成され、各フィン（１２）は、冷却チューブ（８）と熱的に接触していることを特徴とする、請求項３に記載の断熱スクリーン。
5. 前記フィンは、前記冷却チューブに固定されている数本の金属ワイヤによって形成されることを特徴とする、請求項４に記載の断熱スクリーン。
6. 前記磁束によって引き起こされる電流の生成を防ぐかまたは低減する手段（１１）は、熱伝導手段（１０）に形成されたスロット（１５）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の断熱スクリーン。
7. スロット（１５）が、チューブ（８）の長手方向に対して横方向に向けられて配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の断熱スクリーン。
8. スロット（１５）が、前記金属スクリーンの長手方向縁部に開口しており、前記中央部分近くで閉じていることを特徴とする、請求項４、６及び請求項７のいずれかに記載の断熱スクリーン。
9. 各フィン（１２）は、チューブ（８）の両側に延びていることを特徴とする、請求項４に記載の断熱スクリーン。
10. 各フィン（１２）は、チューブ（８）の各側で、隣接する２つのチューブ（８）の間のギャップの実質的に半分にわたって延びていることを特徴とする、請求項９に記載の断熱スクリーン。
11. 各フィン（１２）がチューブ（８）に溶接されていることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の断熱スクリーン。
12. 前記フィンは、単一部材として形成された、押出または延伸金属スクリーン／チューブアセンブリに形成されたスロットによって形成されることを特徴とする、請求項４、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の断熱スクリーン。
13. 前記チューブに隣接する前記フィンの領域は、前記チューブの輪郭の一部に追従するクレードル（１２ａ）の形を有することを特徴とする、請求項４に記載の断熱スクリーン。
14. 前記フィン（１２）は、前記磁束から保護すべき前記インダクタの領域内において、前記チューブの全長にわたって設けられることを特徴とする、請求項４に記載の断熱スクリーン。
15. 製品を加熱するための、直交電界を有する電磁インダクタを含む熱処理装置、特に炉において、加熱された製品の熱放射から前記インダクタを保護するために、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の少なくとも１つの断熱スクリーンを含むことを特徴とする、熱処理装置。

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