JP5833866B2

JP5833866B2 - 誘導加熱コイル

Info

Publication number: JP5833866B2
Application number: JP2011189663A
Authority: JP
Inventors: 智一稲葉; 清澤　裕; 裕清澤
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013051182A

Description

本発明は、被加熱物の平面部分を誘導加熱するための誘導加熱コイルに関する。

誘導加熱を利用して鋼製部材等の被加熱物の平面部分を加熱するための誘導加熱コイルとしては、一般的には、渦巻き状（パンケーキ状）の誘導加熱コイルが用いられる。
ただし、渦巻き状の誘導加熱コイルでは、中心部の加熱が難しく、均一加熱が困難であった。
このため、本出願人は、矩形平面を均一に加熱するため、矩形平面において同じ方向に電流が流れる複数の導体部を並行に配置した誘導加熱コイルを開発した（特許文献１参照）。

特許第３７６１３２８号公報

しかしながら、前記特許文献１の誘導加熱コイルでは、並行に配置した複数の導体部で同じ方向に電流を流す必要がある。このため、並行に配置された各導体部の一端側から他端側を接続する導体部が必要となり、加熱領域に比べて誘導加熱コイルが大きくなってしまうという問題点があった。

本発明の目的は、被加熱物の平面を均一に加熱することができ、加熱領域とほぼ同程度の大きさにできる誘導加熱コイルを提供することにある。

本発明の誘導加熱コイルは、被加熱物の被加熱面である平面部分に対向する導体部を備え、前記被加熱面を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルであって、前記導体部は、前記被加熱面を複数の同心円の円周で区画した際に、最内周の同心円内の領域において中心角が第１設定角度の扇形領域に対応して設けられた中心導体部と、前記被加熱面を複数の同心円の円周で区画した際に、各同心円の円周で区画される領域において中心角が前記第１設定角度の円弧領域に対応して設けられた円弧導体部と、を備え、前記中心導体部および円弧導体部は、前記同心円の中心側から外周側に順次連続して設けられ、前記中心導体部には第１リード導体が接続され、最外周の円弧導体部には第２リード導体が接続され、前記第２リード導体は、前記最外周の円弧導体部の端部に連続し、かつ、円弧導体部の延長方向に対して直交する方向に延長された立上部を備えて構成され、前記第１リード導体は、前記中心導体部に連続し、かつ、中心導体部の延長方向に対して直交する方向に延長された第１立上部と、前記第１立上部の端部から前記第２リード導体の立上部に隣接する位置まで延長された延長部と、前記延長部の端部から前記第２リード導体の立上部に沿って延長された第２立上部とを備えて構成されていることを特徴とする。

本発明では、被加熱面に対向する導体部として、中心導体部と、円弧導体部とを備える。そして、中心導体部および円弧導体部は、各同心円の円周で区画される領域において、被加熱面の中心角が同じ第１設定角度に設定された領域に対応して設定されている。
例えば、第１設定角度が４５度の場合、中心導体部は、同心円の最内周の円に対して中心角が４５度の扇形領域を加熱するように設けられる。また、円弧導体部は、中心角が第１設定角度の円弧形状の領域、具体的には、半径の異なる２つの同心円の円周間で中心角が４５度の範囲に区画された円弧領域を加熱するように設けられる。
このため、誘導加熱コイルに対向配置された平面状の被加熱面を有する被加熱物を、前記同心円の中心を回転軸として誘導加熱コイルに対して相対的に回転しながら、誘導加熱コイルに高周波電流を流して被加熱物を誘導加熱すれば、被加熱面の同心円内の領域を均等に加熱することができる。また、中心導体部および円弧導体部からなる導体部は、被加熱面の加熱領域内のみに設ければよいため、誘導加熱コイルの大きさを加熱領域とほぼ同じサイズまで小型化できる。
さらに、本発明では、誘導加熱コイルを設計・製造する際に、各同心円で区画される領域に対して、同じ中心角で前記中心導体部および円弧導体部を設計するだけで良いため、簡単に設計、製造することができる。さらに、前記加熱領域の大きさを変更する場合は、例えば、中心導体部や円弧導体部の幅寸法を大きくして加熱領域を拡大することもできるし、同心円の数を増やしてつまり円弧導体部の数を増やして加熱領域を拡大することもできる。このため、加熱領域の大きさに応じた誘導加熱コイルを容易に設計・製造することができる。

本発明によれば、第１リード導体の第２立上部と、第２リード導体の立上部とを並設できるため、これらのリード導体に接合される給電用の端子板も並設でき、各端子板を高周波電源に容易に接続できる。
また、中心導体部に連続する第１リード導体の第１立上部は、中心導体部の延長方向に対して直交する方向、つまり被加熱面に対して直交し、被加熱面から離れる方向に延長されているので、延長部も被加熱面から第１立上部の立上り寸法分だけ離れて配置される。このため、延長部を含む第１リード導体が、被加熱面の加熱に影響することを防止でき、誘導加熱コイルを設計する際に、リード導体の影響を考慮する必要がないため、容易に設計できる。

本発明の誘導加熱コイルにおいて、前記第１設定角度は９０度に設定され、前記導体部は、最内周の同心円において、中心角が９０度の扇形領域を加熱する中心導体部と、この中心導体部の他端側から略直角に折れ曲がって延長され、最内周の同心円と内側から２番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円弧領域を加熱する第１円弧導体部と、前記第１円弧導体部の他端側から略直角に折れ曲がりさらに略直角に折れ曲がって延長され、内側から２番目および３番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円弧領域を加熱する第２円弧導体部と、前記第２円弧導体部の他端側から略直角に折れ曲がりさらに略直角に折れ曲がって延長され、内側から３番目および４番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円弧領域を加熱する第３円弧導体部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、４つの同心円の円周で区画された４つの領域を、中心導体部および第１〜３円弧導体部で均一に加熱することができる。また、誘導加熱コイルを製造する際に、角パイプの折曲回数もそれほど多くなく、かつ、比較的広い面積を加熱することができ、誘導加熱コイルの製造コストと、加熱性能とのバランスを良好なものにできる。

本発明の誘導加熱コイルの要部を示す斜視図。前記誘導加熱コイルの要部を示す側面図。前記誘導加熱コイルの要部を示す平面図。本発明の第２実施形態の誘導加熱コイルの要部を示す平面図。本発明の第３実施形態の誘導加熱コイルの要部を示す平面図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態における誘導加熱コイル１は、図１，２に示すように、円柱状の被加熱物Ｗの端面（被加熱面Ｗ１）を加熱するものである。
誘導加熱コイル１は、銅製の角パイプを折り曲げて構成される。そして、誘導加熱コイル１は、前記被加熱面Ｗ１に対向する導体部２と、導体部２から被加熱面Ｗ１に対して離れる方向に延長された第１リード部３、第２リード部４を備えている。

導体部２は、図３にも示すように、中心導体部２０、第１円弧導体部２１、第２円弧導体部２２、第３円弧導体部２３を備えている。
中心導体部２０は、被加熱面Ｗ１を４つの同心円１１〜１４の円周で仮想的に区画した際に、最内周の同心円１１の領域を４等分した領域、つまり中心角が９０度（第１設定角度）の扇形領域１１Ａに対応して設けられている。なお、同心円１１は、半径が誘導加熱コイル１の幅寸法と同じ寸法に設定されている。他の同心円１１〜１４は、半径が同心円１１の２〜４倍とされている。このため、各同心円１１〜１４の円周間のリング状（円環状）の領域の幅寸法も誘導加熱コイル１の幅寸法と同じ寸法に設定されている。

そして、中心導体部２０は、同心円１１の少なくとも第１設定角度の扇形領域１１Ａと平面的に重なっており、被加熱面Ｗ１におけるこの扇形領域１１Ａを加熱できるように構成されている。実際には、図３に示すように、中心導体部２０の第１リード部３に接続する側（一端側）は、扇形領域１１Ａから突出しており、中心導体部２０は、この突出部分も加熱することになる。すなわち、中心導体部２０は、被加熱面Ｗ１における同心円１１の１／４の面積よりも多少広い面積を加熱する。
中心導体部２０の他端側は、被加熱面Ｗ１の同心円１１および同心円１２の各円周間に区画される領域まで延長されている。そして、中心導体部２０の他端側からは略直角に折れ曲がって第１円弧導体部２１が延長されている。

第１円弧導体部２１は、同心円１１、１２の各円周間に区画される円環状の領域を４等分した領域、つまり中心角が９０度（第１設定角度）の円弧領域１２Ａに対応して設けられている。すなわち、第１円弧導体部２１は、前記円弧領域１２Ａと平面的に重なっており、被加熱面Ｗ１におけるこの円弧領域１２Ａを加熱できるように構成されている。実際には、図３に示すように、第１円弧導体部２１の中心導体部２０に接続する側（一端側）および第２円弧導体部２２に接続する側（他端側）は、それぞれ円弧領域１２Ａから突出している。このため、第１円弧導体部２１は、同心円１１、１２の各円周間に区画されるリング状の領域の１／４の面積よりも多少広い面積を加熱する。
第１円弧導体部２１の他端側は、略直角に折れ曲がって被加熱面Ｗ１の同心円１２および同心円１３の各円周間に区画されるリング状の領域に延長され、さらに略直角に折れ曲がって第２円弧導体部２２が延長されている。

第２円弧導体部２２も第１円弧導体部２１と同様に、同心円１２、１３の各円周間に区画されるリング状の領域を４等分した中心角が９０度（第１設定角度）の円弧領域１３Ａに対応して設けられている。
従って、第２円弧導体部２２は、前記円弧領域１３Ａと平面的に重なっており、被加熱面Ｗ１におけるこの円弧領域１３Ａを加熱できるように構成されている。実際には、図３に示すように、第２円弧導体部２２の両端は、それぞれ円弧領域１３Ａから突出し、第２円弧導体部２２は、同心円１２、１３の各円周間に区画されるリング状の領域の１／４の面積よりも多少広い面積を加熱する。
第２円弧導体部２２の他端側は、略直角に折れ曲がって被加熱面Ｗ１の同心円１３および同心円１４の各円周間に区画されるリング状の領域に延長され、さらに略直角に折れ曲がって第３円弧導体部２３が円弧状に延長されている。

第３円弧導体部２３も第１円弧導体部２１や第２円弧導体部２２と同様に、同心円１３、１４の各円周間に区画されるリング状の領域を４等分した中心角が９０度（第１設定角度）の円弧領域１４Ａに対応して設けられている。
従って、第３円弧導体部２３は、前記円弧領域１４Ａと平面的に重なっており、被加熱面Ｗ１におけるこの円弧領域１４Ａを加熱できるように構成されている。実際には、図３に示すように、第３円弧導体部２３の両端は、それぞれ円弧領域１４Ａから突出し、第３円弧導体部２３は、同心円１３、１４の各円周間に区画されるリング状の領域の１／４の面積よりも多少広い面積を加熱する。
第３円弧導体部２３の他端側は、被加熱面Ｗ１に交差する方向に略直角に折れ曲がって第２リード部４が延長されている。

第１リード部３は、図２にも示すように、中心導体部２０の一端側から、被加熱面Ｗ１に交差する方向に略直角に折れ曲がって延長された第１立上部３１と、第１立上部３１の上端から略直角に折れ曲がって第２リード部４に隣接する位置まで延長された延長部３２と、延長部３２の先端から略直角に折れ曲がって第２リード部４に沿って延長された第２立上部３３とを備えている。
第２リード部４は、第３円弧導体部２３の一端側から、被加熱面Ｗ１に交差する方向に略直角に折れ曲がって延長されている。
そして、第１リード部３および第２リード部４には、図示略の端子板が接合される。高周波電源からの高周波電流は、前記端子板および各リード部３，４を介して導体部２に流れる。

なお、誘導加熱コイル１の具体的な寸法は、被加熱面Ｗ１の大きさなどで設定されるが、一例を挙げれば以下のとおりである。すなわち、本実施形態では、誘導加熱コイル１を構成する銅パイプは、断面の幅寸法および高さ寸法が６ｍｍである。そして、同心円１１〜１４の各半径は６，１２，１８，２４ｍｍであり、前記誘導加熱コイル１の幅寸法の１〜４倍である。
また、図２において、導体部２の上面から延長部３２の下面までの寸法は１０ｍｍである。さらに、図３において、リード部３，４間の隙間寸法は２ｍｍである。

このような誘導加熱コイル１を用いて被加熱物Ｗの被加熱面Ｗ１を加熱するには、以下のように行えばよい。
すなわち、被加熱物Ｗを、被加熱面Ｗ１に直交し、前記同心円１１〜１４の中心を通る軸を回転軸として回転させながら、誘導加熱コイル１に高周波電流を流して誘導加熱を行う。なお、電流の周波数や加熱時間は、主に被加熱面Ｗ１の熱処理深さ寸法に基づいて行われる。例えば、被加熱物Ｗの表面を高周波焼入で処理する場合、高周波焼入深さが１．６ｍｍなどと浅い場合は、例えば２００ｋＨｚと高い周波数に設定し、加熱時間は１．６秒などと短めに設定する。同様に、高周波焼入深さが２．６ｍｍの場合、周波数２００ｋＨｚで加熱時間４．５秒等に設定する。さらに、高周波焼入深さが３．６ｍｍの場合、周波数１０ｋＨｚで加熱時間６．０秒等に設定する。
このような条件設定で焼入処理を行えばよい。なお、高周波焼入の具体的な方法は公知の方法と変わらないので説明を省略する。

以上のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
本実施形態によれば、導体部２の中心導体部２０、第１円弧導体部２１、第２円弧導体部２２、第３円弧導体部２３を、被加熱面Ｗ１を同心円１１〜１４の円周で区画した領域において、中心角が第１設定角度の領域に対応して設けている。このため、各区画領域の面積に対する導体部２による加熱面積の割合が、各中心導体部２０、円弧導体部２１〜２３でほぼ同じである。従って、誘導加熱コイル１の導体部２に対して被加熱物Ｗを回転させながら加熱処理すれば、被加熱面Ｗ１の同心円１１〜１４の円周で区画した各領域を均一に加熱することができる。
特に、被加熱物Ｗにおいて、高周波焼入れの深さ寸法が大きい場合は、加熱時間も長くなるため、加熱位置によって多少のムラがあっても熱が高い部分から低い部分に熱が伝わるため、被加熱物Ｗにおいて均一に加熱することは比較的容易である。
一方、被加熱物Ｗにおいて、高周波焼入れの深さ寸法が小さい場合は、加熱時間も短いため、熱が伝わることで均一に加熱することができない。これに対し、本実施形態では、導体部２の中心導体部２０、円弧導体部２１〜２３で各同心円１１〜１４の円周で区画される領域を均一に加熱できるため、高周波焼入れの深さ寸法が小さい場合でも平坦な被加熱面Ｗ１を均一に加熱できる。

また、誘導加熱コイル１の導体部２は、被加熱面Ｗ１の加熱領域つまり同心円１４の領域内に納まる大きさにできる。このため、誘導加熱コイル１の大きさを加熱領域とほぼ同じサイズに設定でき、誘導加熱コイル１を必要最小限のサイズにでき、その分、コストも低減できる。

さらに、誘導加熱コイル１は、同心円１１〜１４の円周で区画した領域に対し、中心導体部２０、第１円弧導体部２１、第２円弧導体部２２、第３円弧導体部２３による加熱面積の割合がほぼ同じになるように、中心角の角度が第１設定角度に設定された領域に対応して設計すればよい。このため、誘導加熱コイル１の設計や製造が比較的簡単に行うことができる。
従って、従来のように、テストを繰り返して試行錯誤しながら誘導加熱コイル１を設計・製造する必要が無く、被加熱面Ｗ１の加熱領域（面積）に応じて誘導加熱コイル１の設計を定量的に行うことができる。
特に、被加熱面Ｗ１の面積が多少増減した場合には、誘導加熱コイル１のコイル幅を変えるだけで、その面積用の誘導加熱コイル１を容易に設計できる。
さらに、本実施形態の誘導加熱コイル１は、製造する際に角パイプの折曲回数もそれほど多くなく、かつ、比較的広い面積を加熱することができ、誘導加熱コイル１の製造コストと、加熱性能とのバランスを良好なものにできる。

［第２実施形態］
前記第１実施形態の誘導加熱コイル１は、４個の同心円１１〜１４の円周で区画された４個の領域を加熱するものであった。これに対し、図４に示すように、第２実施形態の誘導加熱コイル１Ａは、６個の同心円１１〜１６の円周で区画された６個の領域を加熱するものである。
誘導加熱コイル１Ａの導体部２Ａは、中心導体部２０Ａ、第１円弧導体部２１Ａ、第２円弧導体部２２Ａ、第３円弧導体部２３Ａ、第４円弧導体部２４Ａ、第５円弧導体部２５Ａの６個の導体部を備えており、それぞれが各リング領域において中心角（第１設定角度）が６０度に設定された領域に対応して設けられている。

この誘導加熱コイル１Ａにおいても、被加熱物Ｗが回転した際に各導体部２０Ａ〜２５Ａで加熱されるリング状の領域に対する各導体部２０Ａ〜２５Ａの加熱面積の割合が約１／６でほぼ同じであるため、被加熱面Ｗ１を均一に加熱することができる。
また、前記誘導加熱コイル１に比べて導体部が２つ多いため、銅パイプの幅寸法が同じであれば、前記誘導加熱コイル１よりも大きな面積の被加熱面Ｗ１を加熱できる。
なお、円弧導体部の数は前述の例に限定されず、銅パイプの幅寸法と、被加熱面Ｗ１の面積に応じて設定すればよい。

［第３実施形態］
第３実施形態の誘導加熱コイルは、図５に示すように、８個の同心円１１〜１８の円周で区画された８個の領域を加熱する誘導加熱コイル１Ｂである。この誘導加熱コイル１Ｂは、円弧導体部が渦巻き状に２周以上にわたって配置される構成としている。
すなわち、図５に示す誘導加熱コイル１Ｂの導体部２Ｂは、中心導体部２０Ｂ、第１円弧導体部２１Ｂ、第２円弧導体部２２Ｂ、第３円弧導体部２３Ｂ、第４円弧導体部２４Ｂ、第５円弧導体部２５Ｂ、第６円弧導体部２６Ｂ、第７円弧導体部２７Ｂの８個の導体部を備えている。
中心導体部２０Ｂ、第１円弧導体部２１Ｂ、第２円弧導体部２２Ｂ、第３円弧導体部２３Ｂは、第１実施形態の誘導加熱コイル１と同じく、同心円１４の内側の各領域において中心角が９０度（第１設定角度）の領域に対応して設けられている。
一方、第４円弧導体部２４Ｂ、第５円弧導体部２５Ｂ、第６円弧導体部２６Ｂ、第７円弧導体部２７Ｂは、同心円１４の外側の各リング状の領域において中心角が９０度（第１設定角度）の領域に対応して設けられている。

この誘導加熱コイル１Ｂにおいても、前記各実施形態と同様に、被加熱物Ｗが回転した際に各導体部２０Ｂ〜２７Ｂで加熱されるリング状の領域に対する各導体部２０Ｂ〜２７Ｂの加熱面積の割合が約１／４でほぼ同じであるため、被加熱面Ｗ１を均一に加熱することができる。

また、前記誘導加熱コイル１に比べて、内側から２周目の第４円弧導体部２４Ｂ、第５円弧導体部２５Ｂ、第６円弧導体部２６Ｂ、第７円弧導体部２７Ｂを備えているので、誘導加熱コイル１に比べて導体部が４つ多い。
このため、銅パイプの幅寸法が同じであれば、前記誘導加熱コイル１よりも大きな面積の被加熱面Ｗ１を加熱できる。一方で、被加熱面Ｗ１の大きさが第１実施形態と同じ場合、銅パイプの幅寸法を小さくすることができる。

〔本発明の変形例〕
なお、本発明は前記実施形態の構成に限らない。
例えば、誘導加熱コイルにおける円弧導体部の数は前述の例に限定されず、銅パイプの幅寸法と、被加熱面Ｗ１の面積に応じて設定すればよい。
また、第１リード部３、第２リード部４の構成も前記実施形態のものに限らない。例えば、第１リード部３としては第１立上部３１をそのまま延長して構成してもよい。

１、１Ａ、１Ｂ…誘導加熱コイル、２、２Ａ、２Ｂ…導体部、３…第１リード部、４…第２リード部、１１〜１８…同心円、２０、２０Ａ、２０Ｂ…中心導体部、２１、２１Ａ、２１Ｂ…第１円弧導体部、２２、２２Ａ、２２Ｂ…第２円弧導体部、２３、２３Ａ、２３Ｂ…第３円弧導体部、２４Ａ、２４Ｂ…第４円弧導体部、２５Ａ、２５Ｂ…第５円弧導体部、２６Ｂ…第６円弧導体部、２７Ｂ…第７円弧導体部、３１…第１立上部、３２…延長部、３３…第２立上部、Ｗ…被加熱物、Ｗ１…被加熱面。

Claims

被加熱物の被加熱面である平面部分に対向する導体部を備え、前記被加熱面を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルであって、
前記導体部は、
前記被加熱面を複数の同心円の円周で区画した際に、最内周の同心円内の領域において中心角が第１設定角度の扇形領域に対応して設けられた中心導体部と、
前記被加熱面を複数の同心円の円周で区画した際に、各同心円の円周で区画される領域において中心角が前記第１設定角度の円弧領域に対応して設けられた円弧導体部と、を備え、
前記中心導体部および円弧導体部は、前記同心円の中心側から外周側に順次連続して設けられ、
前記中心導体部には第１リード導体が接続され、最外周の円弧導体部には第２リード導体が接続され、
前記第２リード導体は、前記最外周の円弧導体部の端部に連続し、かつ、円弧導体部の延長方向に対して直交する方向に延長された立上部を備えて構成され、
前記第１リード導体は、前記中心導体部に連続し、かつ、中心導体部の延長方向に対して直交する方向に延長された第１立上部と、前記第１立上部の端部から前記第２リード導体の立上部に隣接する位置まで延長された延長部と、前記延長部の端部から前記第２リード導体の立上部に沿って延長された第２立上部とを備えて構成されている
ことを特徴とする誘導加熱コイル。
請求項１に記載の誘導加熱コイルにおいて、
前記第１設定角度は９０度に設定され、
前記導体部は、
最内周の同心円において、中心角が９０度の扇形領域を加熱する中心導体部と、
この中心導体部の他端側から略直角に折れ曲がって延長され、最内周の同心円と内側か
ら２番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円弧領域を加熱する第１円弧
導体部と、
前記第１円弧導体部の他端側から略直角に折れ曲がりさらに略直角に折れ曲がって延長
され、内側から２番目および３番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円
弧領域を加熱する第２円弧導体部と、
前記第２円弧導体部の他端側から略直角に折れ曲がりさらに略直角に折れ曲がって延長
され、内側から３番目および４番目の同心円の各円周間に区画された中心角が９０度の円
弧領域を加熱する第３円弧導体部と、を備える
ことを特徴とする誘導加熱コイル。