JP5342921B2 - 金属板の誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続焼鈍工程などにおいて、搬送中の金属板を加熱するためのトランスバース型構造を備えた誘導加熱装置に関する。

従来、搬送中の被加熱材である金属板を加熱する際、金属板が、銅、アルミニウムやステンレス鋼のような非磁性材料、又はキュリー点温度以上の磁性材料である場合、金属板を挟むようにその厚み方向に対向して誘導コイルを配置したトランスバース型構造を備えた誘導加熱装置（以下、トランスバース型誘導加熱装置ともいう）が、一般に用いられている。例えば、特許文献１には、トランスバース型誘導加熱装置により、薄板状被加熱物を誘導加熱する技術が開示されている。

このトランスバース型誘導加熱装置は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、薄板状被加熱物である金属板８０を挟むように対向配置された対となる誘導コイル８１、８２を有している。この各誘導コイル８１、８２は、鉄心８３とこの鉄心８３に巻回された加熱コイル８４とで構成されており、加熱コイル８４が誘導加熱電源８５に接続され、かつ鉄心８３に装着されている。
この対向配置された誘導コイル８１、８２は、所定の間隙Ｇを形成するように離隔されており、この間隙Ｇ内に金属板８０を搬送している。

以上の構成において、誘導加熱装置の各誘導コイル８１、８２に、誘導加熱電源８５から高周波電流が供給されると、誘導コイル８１、８２が形成する磁束が、間隙Ｇ内に位置する金属板８０を貫通してこの金属板８０に渦電流が誘導され、これにより金属板８０が加熱されることになる。

特開２００６−２９４３９６号公報

しかしながら、前記従来の誘導加熱装置には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
誘導加熱装置により、金属板８０を無酸化雰囲気ガス内で加熱するに際しては、雰囲気ガスのシール及び各誘導コイル８１、８２の保護のため、図４に示すように、断熱材で構成されたケーシング８６が必要になる。また、これに伴い、対向する誘導コイル８１、８２の間隙Ｇを、ケーシング８６の厚み分だけ広げる必要がある。
この場合、各鉄心８３の磁極間の漏洩磁束８７が増加して、金属板８０を貫通する加熱用磁束８８が急激に減少してしまうため、充分な加熱効率が得られない。このため、金属板８０を充分に加熱できるように誘導コイルを増加したり、また誘導加熱電源８５の出力を高めたりする必要があり、設備コストやランニングコストが増大するという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、対向配置された誘導コイルの間隔が広げられても、低コストで金属板の加熱効率の向上が図れる金属板の誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る金属板の誘導加熱装置は、被加熱材である金属板を挟むように、該金属板の厚さ方向に該金属板とは隙間を有して対向配置された対となる誘導コイルを備えたトランスバース型の誘導加熱装置において、
対向配置された前記誘導コイルの間には、前記金属板の搬送方向に開口した断熱材のケーシングが配置され、式（１）及び式（２）を満足する。
Ｗ／Ｇ≧０．５・・・（１）
Ｇ≧５０ｍｍ・・・（２）
ここで、Ｗは誘導コイルに設けられた鉄心の隣合う磁極の内寸、Ｇは対向配置された対となる誘導コイルの間隔である。

本発明に係る金属板の誘導加熱装置において、前記鉄心は、コ字状鉄心材を隣合わせて配置し、該コ字状鉄心材の隣合わせた磁極に加熱コイルが同時巻きされていることが好ましい。

本発明に係る金属板の誘導加熱装置は、誘導コイルに設けられた鉄心の隣合う磁極の内寸と、対向配置された対となる誘導コイルの間隔との比を規定するので、例えば、誘導コイルを配置する際に、隣合う磁極の内寸Ｗを、必要とする誘導コイルの間隔Ｇに応じて、適切に設定できる。これにより、磁極間の漏洩磁束を減少させることができるので、設備コストやランニングコストの増大を招くことなく、低コストで金属板の加熱効率の向上が図れる。

また、誘導コイルの間に、金属板の搬送方向に開口した断熱材のケーシングを配置するので、対向配置された誘導コイルの間隔Ｇを、ケーシングの厚み分だけ広げる必要があるが、このような環境下においても、鉄心の磁極間の漏洩磁束を低減でき、充分な加熱効率が得られるように、隣合う磁極の内寸Ｗを適切に設定できる。このため、雰囲気ガスのシール及び各誘導コイルの保護を行った状態で、金属板を無酸化雰囲気ガス内で加熱することができる。

本発明の一実施の形態に係る金属板の誘導加熱装置の説明図である。 鉄心の隣合う磁極の内寸と対向配置された誘導コイルの間隔との比が金属板の加熱効率に及ぼす影響を示す説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来例に係る誘導加熱装置の平面図、正面図、側面図である。 従来例に係る誘導加熱装置で発生する磁束の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る金属板の誘導加熱装置（以下、単に誘導加熱装置又はトランスバース型誘導加熱装置ともいう）１０は、被加熱材である金属板１１を挟むように、金属板１１の厚さ方向に金属板１１とは隙間を有して対向配置された対となる誘導コイル（誘導加熱源）１２、１３を有するトランスバース型構造を備えた加熱装置であり、対向配置された誘導コイル１２、１３の間隔Ｇが広げられても、低コストで金属板１１の加熱効率の向上が図れる装置である。以下、詳しく説明する。

各誘導コイル１２、１３は、鉄心１４、１５をそれぞれ有している。
この鉄心１４（鉄心１５も同様）は、両端部に、磁極１６、１７と、磁極１８、１９をそれぞれ備える２つのコ字状鉄心材２０、２１を、その磁極１７と磁極１８を隣合わせて配置した構成となっており、側面視してＥの字状になっている。この隣合わせた磁極１７と磁極１８は、金属板１１に面してその軸心が、金属板１１の搬送方向に直交している。そして、この隣合わせた磁極１７と磁極１８には、加熱コイル２２が、垂直方向（金属板１１の搬送方向に垂直な方向）に同時巻き（共巻きともいう）されている。なお、加熱コイルは、水平方向（金属板１１の搬送方向に平行な方向）に同時巻きしてもよい。
上記した加熱コイル２２は、誘導加熱電源（図示しない）に接続されている。

この対向配置された誘導コイル１２、１３の間には、金属板１１の搬送方向の上流側に搬入口２３が、下流側に搬出口２４が、それぞれ設けられた断熱材のケーシング２５が配置されている。
このように、対向配置された誘導コイル１２、１３の間に、断熱材で構成されたケーシング２５を配置することで、例えば、金属板１１を無酸化雰囲気ガス内で加熱するに際しても、雰囲気ガスのシール及び各誘導コイル１２、１３の保護が図れる。

しかし、このとき、対向配置された誘導コイル１２、１３の間隔、即ち鉄心１４の各磁極１６〜１９と、鉄心１５の各磁極１６〜１９との間隔Ｇを、ケーシング２５の厚み分だけ広げる必要がある。
このため、各鉄心１４、１５の磁極１６と磁極１７との間、及び磁極１８と磁極１９との間の漏洩磁束２６が増加して、金属板１１を貫通する加熱用磁束２７が急激に減少してしまうため、充分な加熱効率が得られない。この加熱効率とは、金属板１１が実際に加熱された熱量を、誘導コイル入力に投入した電力で除した値をパーセント表示した値である。

そこで、鉄心１４、１５の隣合う磁極１６と磁極１７、及び隣合う磁極１８と磁極１９の各内寸Ｗと、対向配置された誘導コイル１２、１３の間隔Ｇとの関係について検討した。この結果を、図２を参照しながら説明する。
なお、図２は、金属板にステンレス鋼（ここでは、ＳＵＳ３０４）を使用し、その加熱温度を３００〜５００℃とした場合の結果である。また、図２においては、内寸Ｗを６０〜２４０ｍｍの間で、間隔Ｇを４５〜２００ｍｍの間で、それぞれ変更した。
図２から明らかなように、内寸Ｗと間隔Ｇとの比（Ｗ／Ｇ）を０．５以上に調整することにより、ステンレス鋼の加熱において、５０％以上の加熱効率（設備コストやランニングコストの過剰な上昇を招かない加熱効率）を達成できることを確認できた。

以上のことから、例えば、誘導コイル１２、１３を配置する際に、隣合う磁極１６と磁極１７、及び隣合う磁極１８と磁極１９の各内寸Ｗを、必要とする誘導コイル１２、１３の間隔Ｇに応じて、式（１）及び式（２）を満足するように設定する。
Ｗ／Ｇ≧０．５ ・・・（１）
Ｇ≧５０ｍｍ ・・・（２）
なお、誘導コイル１２、１３の間隔Ｇを５０ｍｍ以上としたのは、例えば、誘導コイル１２、１３の間に断熱材のケーシング２５を配置した場合に、必要とする誘導コイルの間隔Ｇが５０ｍｍ以上であることによる。
ここでは、上記したように、隣合う磁極の２つの内寸を同一にした場合について説明したが、式（１）及び式（２）を満足するのであれば、異なる値でもよい。

上記した式（１）及び式（２）においては、内寸Ｗと間隔Ｇの比（Ｗ／Ｇ）の上限値を、特に規定していない。これは、内寸Ｗが、誘導加熱装置を設置可能なスペースがあれば、いくらでも大きくできるからである。なお、現実的には、内寸Ｗの上限は３０００ｍｍ程度である。
また、誘導コイル１２、１３の間隔Ｇの上限値についても、特に規定していないが、現実的には５００ｍｍ程度（好ましくは４００ｍｍ程度）である。

次に、本発明の一実施の形態に係る金属板の誘導加熱装置１０を用いて、金属板１１を加熱する方法について説明する。
まず、誘導コイル１２、１３を配置する際に、隣合う磁極１６と磁極１７、及び隣合う磁極１８と磁極１９の各内寸Ｗを、誘導コイル１２、１３の間隔Ｇに応じて、前記した式（１）及び式（２）を満足するように設定する。なお、各内寸Ｗが予め決まっている場合は、この内寸Ｗに応じて、誘導コイル１２、１３の間隔Ｇを、前記した式（１）及び式（２）を満足するように設定することもできる。

そして、誘導加熱装置１０の各誘導コイル１２、１３に、誘導加熱電源（図示しない）から高周波電流（例えば、周波数：５〜３０ｋＨｚ程度）を供給する。
これにより、誘導コイル１２、１３が形成する磁束が、断熱材のケーシング２５内を通過する金属板１１を貫通して、この金属板１１に渦電流が誘導され、ジュール熱により金属板１１が加熱される。

この加熱対象である金属板１１は、例えば、銅、アルミニウムやステンレス鋼のような非磁性材料、又はキュリー点温度以上の磁性材料である。
これにより、磁極間の漏洩磁束２６を減少させ、金属板１１を貫通する加熱用磁束２７を増加させることができる。従って、対向配置された誘導コイル１２、１３の間隔Ｇが広げられても、低コストで金属板１０の加熱効率の向上が図れる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の金属板の誘導加熱装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、各誘導コイルを、２つのコ字状鉄心材を隣合わせて配置して構成した場合について説明したが、３つ以上のコ字状鉄心材を隣合わせて配置して構成してもよい。この場合、コ字状鉄心材の端部の隣合わせた磁極に加熱コイルを同時巻きする。
また、各誘導コイルを、１つのコ字状鉄心材で構成してもよい。この場合、鉄心の両端部又は中央部に加熱コイルを巻く。

１０：金属板の誘導加熱装置、１１：金属板、１２、１３：誘導コイル、１４、１５：鉄心、１６〜１９：磁極、２０、２１：コ字状鉄心材、２２：加熱コイル、２３：搬入口、２４：搬出口、２５：ケーシング、２６：漏洩磁束、２７：加熱用磁束

Claims (2)

1. 被加熱材である金属板を挟むように、該金属板の厚さ方向に該金属板とは隙間を有して対向配置された対となる誘導コイルを備えたトランスバース型の誘導加熱装置において、
   対向配置された前記誘導コイルの間には、前記金属板の搬送方向に開口した断熱材のケーシングが配置され、式（１）及び式（２）を満足することを特徴とする金属板の誘導加熱装置。
   Ｗ／Ｇ≧０．５・・・（１）
   Ｇ≧５０ｍｍ・・・（２）
   ここで、Ｗは誘導コイルに設けられた鉄心の隣合う磁極の内寸、Ｇは対向配置された対となる誘導コイルの間隔である。
2. 請求項１記載の金属板の誘導加熱装置において、前記鉄心は、コ字状鉄心材を隣合わせて配置し、該コ字状鉄心材の隣合わせた磁極に加熱コイルが同時巻きされていることを特徴とする金属板の誘導加熱装置。

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