JP5413356B2 - 高周波誘導加熱方法およびその装置 - Google Patents

Description

この発明は、高周波誘導加熱方法およびその装置に関し、特に縦長の被加熱物を高周波誘導加熱する方法およびその装置に関するものである。

二つの部品を接合させる方法として、外側となる部品を加熱膨張させ、内側となる部品を挿入し、冷却後締め付けにより固着状態にする焼きばめという方法がある。この焼きばめにより精度良く接合させるためには、外側となる部品を均一に加熱する必要がある。

図７は、従来の高周波誘導加熱装置において、縦長の加熱対象ワークの中心を螺旋状の高周波誘導加熱コイルの中心と一致させて載置し、ＰＩＤ制御により誘導加熱した場合の加熱対象ワークの温度変化を示す図である。図において、縦軸は温度θ、横軸は時間Ｔ、θmaxは上限目標温度、θminは下限目標温度、また、ａ２、ｂ２、ｃ２およびａ３、ｂ３、ｃ３は加熱対象ワークの温度変化を示す曲線で、ａ２，ａ３はワーク上部の温度変化、ｂ２，ｂ３ はワーク中央部の温度変化、ｃ２，ｃ３はワーク下部の温度変化である。

従来の高周波誘導加熱装置においては、加熱対象ワークの中心を、螺旋状の高周波誘導加熱コイルの中心と一致させて載置し、ワーク下部の温度を基準として、ＰＩＤ制御により高周波出力（電流、電圧、周波数）を制御して誘導加熱し、ワーク温度（ワークの上部の温度およびワーク下部の温度）が上限目標温度θmax、下限目標温度θminの範囲内に収束するように調整していた。
しかしながら、加熱対象ワークが縦長形状の場合には、ワーク下部で加熱された熱量がワーク上部に溜まるため、ワークの下部とワークの上部とに温度差ができ（図中、ａ２、ｂ２、ｃ２）、ａ２に示すようにワーク上部の温度が過度に上昇し上限目標温度θmaxを越えてしまう場合があるという問題点があった。
また、温度上昇曲線を緩やかに上昇させた場合には（図中、ａ３、ｂ３、ｃ３）、ワーク温度が上限目標温度θmax、下限目標温度θminの範囲内に収束するまでに時間がかかり、一連の作業工程において設定される許容時間を越えてしまうという問題点もあった。

被加熱物を均一に加熱するものとして、特許文献１に記載の高周波誘導加熱方法があった。この高周波誘導加熱方法は、被加熱物の周りに配設した高周波誘導加熱コイルの通電により生じる高周波誘導電流によりその被加熱物を高周波誘導加熱するに際して、その被加熱物の表面温度を２箇所または３箇所以上の位置において放射温度計により計測し、その各計測箇所における計測値の差異が小さくなる方向に高周波誘導加熱コイルを被加熱物に対して相対的に移動させるようにしている（例えば、図１〜図３参照）。

また、被加熱物の部位によらず一定の温度になるように誘導加熱するものとして、特許文献２に記載の金属材の誘導加熱方法があった。この金属材の誘導加熱方法は、温度測定工程で測定された誘導加熱前の金属材の表面の温度分布の測定値および温度設定工程で予め設定された誘導加熱した後の金属材の目標温度と、金属材の形状および物性値に基づいた伝熱モデルシミュレーションとによって、交流電源の周波数を決定するようにしている（例えば、図５〜図７参照）。

特開２０００−２２８２７８号公報 特開２００８−１５９５７２号公報

しかしながら、特許文献１は、高周波誘導加熱コイルを被加熱物に対して相対的に移動させる方法であるが、比較的大型の被加熱物を高周波誘導電流により均一に熱処理あるいは接合する場合の加熱方法であって、縦長の加熱対象ワークにおいては被加熱物の温度を複数個所において計測するのは困難であるという問題点があった。

また、特許文献２は、移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを交流電源によって励磁して、金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱方法において、鋼板等の金属板や金属ストリップなどの被加熱物の移動にしたがって、温度分布の測定値および予め設定された温度を基にして、時間的に連続または断続して交流電源の周波数を決定するものであって、単品の縦長の加熱対象ワークの加熱においては、高周波出力（電流、電圧、周波数）を制御しても、均一に加熱させるのは困難であるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、縦長の加熱対象ワークを一連の作業工程において設定される許容時間内に均一に加熱することを目的とする。

この発明に係る高周波誘導加熱装置は、螺旋状の高周波誘導加熱コイルと、高周波誘導加熱コイルの中央位置においてワークを載置すると共に、高周波誘導加熱コイルの下端部を固定するワーク載置手段と、高周波誘導加熱コイルの上端部を固定する第一テーブルと、ワーク載置手段と第一テーブルとの間に位置し、高周波誘導加熱コイルの一部を固定する第二テーブルと、第一テーブルと第二テーブルを高周波誘導加熱コイルの長手方向に移動させる駆動手段と、を有し、第一テーブルと第二テーブルを移動させることにより、高周波誘導加熱コイルの巻き密度を可変させる。

この発明によれば、縦長の加熱対象ワークを一連の作業工程において設定される許容時間内に均一に加熱することができるという効果を有する。

実施の形態１に係る高周波誘導加熱装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係るモデルワークの例である。 実施の形態１に係るモデルワークを誘導加熱した場合の温度変化を示す図である。 実施の形態１に係るモデルワークを誘導加熱して作成したデータ例である。 実施の形態１に係るモデルワークを誘導加熱して作成したプロファイルデータ例である。 実施の形態３に係る高周波誘導加熱装置の構成を示す図である。 従来の高周波誘導加熱装置において、螺旋状の高周波誘導加熱コイルの中央位置に、縦長の加熱対象ワークを載置し、ＰＩＤ制御により誘導加熱した場合の温度変化を示す図である。

以下に、この発明に係る高周波誘導加熱装置の好適な実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る高周波誘導加熱装置の構成を示す図である。図において、１は螺旋状の高周波誘導加熱コイル、２ａは第一テーブルであり、高周波誘導加熱コイル１の上端部を固定するテーブル、２ｂは第二テーブルであり、高周波誘導加熱コイル１の一部を固定するテーブル、３は加熱対象となる縦長のワーク、４は高周波誘導加熱コイル１の中央位置にワーク３を載置すると共に、高周波誘導加熱コイル１の下端部を固定するワーク載置手段としてのワーク台、５ａ、５ｂはテーブル２ａ、２ｂを上下移動するサーボモータなどの駆動手段、６ａ１はワーク台４に設置されワーク３の温度を検出する温度検出手段である。また、７は複数のワーク対応のプロファイルデータを記憶する記憶手段（図示せず）と、複数のプロファイルデータから使用するプロファイルデータを選択する選択手段（図示せず）と、を有し、選択されたプロファイルデータに基づき、高周波誘導加熱コイル１に高周波電力を供給する高周波電源（図示せず）の高周波出力（電流、電圧、周波数）をＰＩＤ制御するとともに、駆動手段５ａ、５ｂを駆動する制御手段である。

ここで、プロファイルデータは、ワークを過熱してワークの温度を目標温度範囲内に収束する条件として、高周波出力（電流、電圧、周波数）、移動時間、テーブル高さ、移動速度、などの制御データから構成される。

高周波誘導加熱コイルの巻き密度は均一のものが一般であるが、縦長のワークの場合には、ワーク上下で温度差が発生することから、高周波誘導加熱コイル１は、ワーク下部から上部にかけて、巻き密度が密から粗となる形状として、ワーク上部の加熱量を減らし、ワーク上部が過度に上昇しないようにしたものである。

図２はモデルワークの例である。モデルワークには上部から下部の複数個所に等間隔に温度検出手段（６ｂ１〜６ｂｍ）を取り付ける。

図３は、モデルワークを誘導加熱した場合の温度変化を示す図である。図において、縦軸は温度θおよびテーブル高さＨ、横軸は時間Ｔ、θmaxは上限目標温度、θminは下限目標温度、ｔａはテーブル２ａ、２ｂを移動する移動開始時、ｈａ、ｈｂはテーブル高さ、ｖａ、ｖｂは移動速度である。また、ａ１はワーク上部の温度変化、ｂ１はワーク中央部の温度変化、ｃ１はワーク下部の温度変化である。モデルワークには複数個所に温度検出手段６ｂ１〜６ｂｍを取り付けて温度を検出しているが、図では３箇所として示した。
予め選択しておいた温度検出手段の温度（通常はワーク上部の温度）が下限目標温度θminを越えた後、移動開始時ｔａ、ｔｂにおいて、移動速度ｖａ、ｖｂでテーブル２ａ、２ｂをテーブル高さｈａ、ｈｂまで移動させることにより、モデルワークの温度を均一に加熱するようにする。

上述では、移動開始時ｔａでテーブル２ａ、２ｂを同時に移動する例を示したが、個別に移動するようにしても良い。

図４は、モデルワークを誘導加熱して作成したデータ例である。図において、１１は、データＮＯ、ワーク（モデルワーク）の材質、形状（長さ、外径、厚さ）、加熱条件（目標温度、目標温度範囲内に収束するまでの許容時間）、高周波出力（電流、電圧、周波数）など基本データ、テーブル２ａ、２ｂをテーブル高さ、移動速度などの運転状況データである。
また、１２は、検出データであり、ワーク温度データθ１ｎ〜θｍｎはモデルワークに取り付けた温度検出手段（６ｂ１〜６ｂｍ）で検出された温度データ、ワーク温度データθｗ０〜θｗｎは温度検出手段６ａ１で検出された温度データである。
また、ｔａ，ｔｂはテーブル２ａ、２ｂを移動する移動開始時、ｈａ，ｈｂはテーブル高さであり、ｖａ，ｖｂは移動速度である。

図１〜図４により、モデルワークを誘導加熱してデータを作成する例について説明する。
（１）モデルワークを対応するワーク台４に載置する。（このとき、モデルワークは高周波誘導加熱コイル１の中央位置に載置される。）
（２）ワークの材質、形状（長さ、外径、厚さ）から、高周波電源の高周波出力（電流、電圧、周波数）を決定し、温度検出手段６ａ１で検出したワーク下部の温度を目安として、ＰＩＤ制御により高周波出力（電流、電圧、周波数）を制御して誘導加熱する。
（３）モデルワークに取り付けた温度検出手段６ｂ１〜６ｂｍの内、予め選択しておいた温度検出手段の温度が下限目標温度θminを越えた後、移動開始時時点ｔａで、駆動手段５ａ、５ｂを制御してテーブル２ａ、２ｂを移動する（テーブル高さｈａ，ｈｂ、移動速度ｖａ，ｖｂ）。これにより、モデルワークのワーク上下の加熱量を制御して、モデルワークの温度を均一に加熱するようにする。

上記データの作成においては、テーブル移動について、移動タイミング（選択する温度検出手段を変更）、テーブル高さ、移動速度など、条件を変え、データを採取する。

図５はモデルワークを誘導加熱して作成したプロファイルデータ例で、ワーク全体温度を目標温度内に入れるようにした運転状況を記憶したものである。
図において、２１は、データＮＯ、ワーク（モデルワーク）の材質、形状（長さ、外径、厚さ）、加熱条件（目標温度、目標温度範囲内に収束するまでの許容時間）、高周波出力（電流、電圧、周波数）など基本データ、テーブル２ａ、２ｂを移動するテーブル高さｈａ，ｈｂ、移動速度ｖａ，ｖｂなどの運転状況データである。
また、２２は、検出データであり、ワーク温度データθｗ０〜θｗｎは温度検出手段６ａ１で検出された温度データである。

実施の形態２．
この発明の高周波誘導加熱方法について説明する。
（１）図１の構成の高周波誘導加熱装置で加熱する加熱対象となるワークのモデルワークを複数準備する。（加熱条件の異なるデータを検出するため）
（２）電流、テーブル移動変更時点、テーブル高さ、テーブル移動時間など変化させ、複数の温度データを検出する。
（３）上記データから、ワークの材質、形状（長さ、外径、厚さ）、加熱条件に適したプロファイルデータを作成する。
（４）加熱対象となるワークの加熱に際して、ワークの材質、形状（長さ、外径、厚さ）、加熱条件に適したプロファイルデータを選択する。
（５）加熱対象となるワークをワーク載置手段に載置し、選択したプロファイルデータに基づき加熱する。

実施の形態１に係る高周波誘導加熱装置、実施の形態２に係る高周波誘導加熱方法において使用する高周波誘導加熱コイルは、ワーク下部から上部にかけて、加熱コイルの巻き密度が密から粗となる形状として、ワーク下部とワーク上部との加熱量に差異を持たせるようにしているが、さらに、高周波誘導加熱コイルを伸縮させ、巻き密度を調整することによってワーク上下の加熱量を制御できるようにしたものである。

実施の形態３．
図６は実施の形態３に係る高周波誘導加熱装置の構成を示す図である。図において、１、２ａ、２ｂ、３、４、５ａ、５ｂ、７は、図１と同様であり、その説明を省略する。
６ａ２、６ａ３はワーク３の温度を検出する温度検出手段で、テーブル２ａ、２ｂ近傍のワーク温度を検出するようにしたものである。

ワーク３の温度を検出する温度検出手段６ａ２、６ａ３を複数設置することにより、測定温度の低い箇所は巻き密度を密に、測定温度の高い箇所は巻き密度が粗になるように制御することにより、容易に温度差が小さくなるよう制御でき、ワークの温度を均一に加熱することが可能となる。

上述では、２個以上設置したワーク３の温度を検出する温度検出手段６ａ２、６ａ３の測定温度により、テーブル高さｈａ，ｈｂを変更する例を示したが、予めプロファイルデータを作成しておき、選択したプロファイルデータに基づき加熱するようにしてもよい。

上記実施の形態１及び実施の形態３においては、加熱コイルの巻き密度を変更により加熱量を制御する例を示したが、さらに加熱量を減らす必要がある場合には、コイルの上部よりワークが出るように制御する。

上記実施の形態１及び実施の形態３においては、テーブル２ａ、２ｂを移動して加熱コイルの巻き密度を変更する例を示したが、テーブルを３個以上使用して加熱コイルの巻き密度を変更するようにしても良い。また、駆動手段５ａ、５ｂとしては、サーボモータの他、ステッピングモータやインダクションモータ、あるいはシリンダー等を用いてもよい。

以上のように、本発明に係る高周波誘導加熱装置は、縦長の加熱対象ワークを一連の作業工程における許容時間内に均一に加熱させる場合に有用である。

１ 螺旋状の高周波誘導加熱コイル
２ａ、２ｂ 高周波誘導加熱コイル１の一部を固定するテーブル
３ 加熱対象となる縦長のワーク
４ 高周波誘導加熱コイル１の中央位置にワーク３を載置するワーク載置手段としてのワーク台
５ａ、５ｂ テーブル２ａ、２ｂを上下移動する駆動手段
６ａ１、６ａ２、６ａ３ ワーク３の温度を検出する温度検出手段
６ｂ１〜６ｂｍ モデルワークの複数個所に取り付け温度を検出する温度検出手段
７ 制御手段
ａ１、ａ２、ａ３ ワーク上部の温度変化
ｂ１、ｂ２、ｂ３ ワーク中央部の温度変化
ｃ１、ｃ２、ｃ３ ワーク下部の温度変化
θmax 上限目標温度
θmin 下限目標温度
ｔａ，ｔｂ 移動開始時
ｈａ，ｈｂ テーブル高さ
ｖａ，ｖｂ 移動速度

Claims (7)

1. 螺旋状の高周波誘導加熱コイルと、
   該高周波誘導加熱コイルの中央位置においてワークを載置すると共に、前記高周波誘導加熱コイルの下端部を固定するワーク載置手段と、
   前記高周波誘導加熱コイルの上端部を固定する第一テーブルと、
   前記ワーク載置手段と前記第一テーブルとの間に位置し、前記高周波誘導加熱コイルの一部を固定する第二テーブルと、
   前記第一テーブルと前記第二テーブルを前記高周波誘導加熱コイルの長手方向に移動させる駆動手段と、
   を有し、
   前記第一テーブルと前記第二テーブルを移動させることにより、前記高周波誘導加熱コイルの巻き密度を可変させることを特徴とする高周波誘導加熱装置。
2. 前記第二テーブルは複数のテーブルで構成されることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱装置。
3. 前記高周波誘導加熱コイルの巻き密度は前記ワークの下部から上部にかけて密から粗であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高周波誘導加熱装置。
4. 前記ワークの温度を検出する温度検出手段と、
   時間を計測する時間計測手段と、
   ワーク対応の複数のプロファイルデータを記憶する記憶手段と、
   複数のプロファイルデータから使用するプロファイルデータを選択する選択手段と、
   この選択されたプロファイルデータに基づき、高周波電源及び前記移動手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波誘導加熱装置。
5. 前記温度検出手段は、前記第一テーブルと前記第二テーブルに設置されることを特徴とする請求項４に記載の高周波誘導加熱装置。
6. 前記記憶手段に記憶するワーク対応の複数のプロファイルデータは、
   データＮＯ、ワークの材質、形状（長さ、外径、厚さ）、加熱条件（目標温度、目標温度範囲内に収束するまでの許容時間）、高周波出力（電流、電圧、周波数）で構成される基本データと、
   前記第一テーブルと前記第二テーブルを移動させる移動速度、前記第一テーブルと前記第二テーブルの高さで構成される運転状況データと、
   前記第一テーブルと前記第二テーブルを移動させる移動開始時間を含む温度データと、
   を含むものであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の高周波誘導加熱装置。
7. 前記高周波誘導加熱コイルの中央位置に加熱対象ワークを載置する段階、
   予めモデルワークによる温度上昇状態を測定し作成したワーク対応の複数のプロファイルデータから、前記基本データが加熱対象ワークに該当するプロファイルデータを選択する段階、
   選択されたプロファイルデータの前記温度データに基づき、前記高周波誘導加熱コイルを固定する前記第一テーブルと前記第二テーブルのテーブル高さを調整する段階、
   により所定のサイクルタイム内にワーク全体温度を目標温度内に入れるように加熱することを特徴とする請求項６に記載の高周波誘導加熱装置を備えた高周波誘導加熱方法。

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