JP5912478B2 - 環状金属体誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱により環状をなす非磁性金属体を加熱する環状金属体誘導加熱装置に関するものである。

被加熱物である環状金属体を誘導加熱する装置としては、特許文献１に示すように、環状金属体の周方向に沿って複数の環状鉄心を設け、入力巻き線に交流電圧を印加することによって、環状金属体に短絡電流を流すことにより環状金属体を誘導発熱するものがある。

具体的にこの誘導加熱装置は、被加熱物である環状金属体の周方向に沿って当該環状金属体が貫通するように設けられた複数の環状鉄心と、前記各環状鉄心の一部に巻装されて交流電圧が印加される入力巻き線とを備えている。

しかしながら、上記の誘導加熱装置では、１つの被加熱物に対して複数の環状鉄心を用いており、生産性が悪いという問題がある。

特開２０１１−２３２５１号公報 特開２００４−２７８９３０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、非磁性金属からなる環状金属体を効率良く加熱することができるとともに、１つの誘導加熱装置により複数の環状金属体を同時に加熱して生産性を向上させることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る環状金属体誘導加熱装置は、環状鉄心を分割して構成される複数の分割鉄心部を有し、それら分割鉄心部の少なくとも１つにおける複数の分割端部それぞれに非磁性金属からなる環状金属体が装着されることで複数の環状金属体に前記環状鉄心を貫通させ、前記複数の環状金属体それぞれの外周部又は内周部に設けた入力巻き線に交流電圧を印加して前記複数の環状金属体を誘導加熱することを特徴とする。

このようなものであれば、分割鉄心部の分割端部に環状金属体を装着して入力巻き線に交流電圧を印加させることによって、非磁性金属からなる環状金属体に短絡電流が流れて誘導発熱するので、環状金属体を効率良く加熱することができる。また、分割鉄心部の複数の分割端部それぞれに環状金属体を装着しているので１つの環状鉄心により複数の環状金属体を誘導加熱することができ、複数の環状金属体を同時に加熱して生産性を向上させることができる。

なお、環状金属体が磁性金属からなるものであれば、あえて環状金属体の内部に磁路を貫通させる構成にしなくても金属体自身が磁路と短絡回路を形成して発熱する。一方、本発明は、環状金属体が非磁性金属からなるからこそ、環状金属体の内周側に磁路を構成する鉄心を配置して、非磁性金属に磁束を貫通させる構成が必要となる。

環状鉄心を簡単な構成により複数に分割するためには、前記環状鉄心がカットコア型巻鉄心により構成されていることが望ましい。

環状鉄心をカットコア型巻鉄心により構成する場合の具体的な実施の態様としては、前記環状鉄心がカットコアからなる第１の分割鉄心部及び第２の分割鉄心部に分割されており、前記第１の分割鉄心部又は前記第２の分割鉄心部の少なくとも一方における複数の分割端部それぞれに環状金属体が装着されるように構成されていることが望ましい。

カットコア型巻鉄心以外の構成において環状鉄心を簡単な構成により複数に分割するためには、前記環状鉄心が、複数の脚鉄心と、前記複数の脚鉄心の一端部に接続される第１の継鉄心と、前記複数の脚鉄心の他端部に接続される第２の継鉄心とから構成されており、前記複数の脚鉄心が、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状をなすもの（以下、インボリュート鉄心ともいう。）であることが望ましい。

環状鉄心を複数の脚鉄心、第１の継鉄心及び第２の継鉄心により構成する場合の具体的な実施の態様としては、前記環状鉄心が、前記複数の脚鉄心及び前記第１の継鉄心からなる第１の分割鉄心部と、前記第２の継鉄心からなる第２の分割鉄心部とに分割されており、前記複数の脚鉄心それぞれに環状金属体が装着されるように構成されていることが望ましい。これならば、別部材として構成される脚鉄心及び第２の継鉄心の構成を活かして、脚鉄心を分割する等の加工を施すことなく、環状金属体を誘導加熱することができる。

環状金属体の内径の関係により、脚鉄心の断面積に制約がある場合には、入力巻き線に印加する交流電圧の周波数を上げることによって、必要な入力電圧を確保しながら、磁束密度を飽和磁束密度以下に抑えることが可能となる。ところが、この場合、周波数の上昇によって鉄損が増加して脚鉄心の温度が上昇してしまうという問題が生じる。この問題をインボリュート鉄心の構成を活かして好適に解決するためには、前記複数の脚鉄心の内側周面に密着して冷却管を設け、当該冷却管に冷却媒体を流通させることにより前記複数の脚鉄心を冷却することが望ましい。

環状金属体の着脱を容易に行うためには、前記複数の分割鉄心部における少なくとも１つの分割鉄心部を、前記環状金属体が装着されて前記複数の分割鉄心部により閉磁路が形成される装着位置及び前記環状金属体を前記分割鉄心部の分割端部から取り外すことができる取り外し位置の間で移動させる着脱機構を備えていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、非磁性金属からなる環状金属体を均一に加熱するとともに、１つの環状鉄心により複数の環状金属体を同時に加熱して生産性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。 着脱機構の具体的な構成を示す縦端面図である。 本発明の第２実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。 本発明の変形実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。 本発明の変形実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。 本発明の変形実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。 本発明の変形実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置の模式的構成を示す縦端面図である。

以下に本発明に係る環状金属体誘導加熱装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

１．第１実施形態
第１実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置１００は、例えばステンレス又はアルミニウム等の非磁性金属からなる環状金属体Ｗを誘導加熱して熱処理するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、環状鉄心２を分割して構成される複数の分割鉄心部２１、２２を有し、それら分割鉄心部２１、２２の複数の分割端部２１ｘ、２１ｙそれぞれに環状金属体Ｗが装着されることで複数の環状金属体Ｗに環状鉄心２を貫通させて、当該環状金属体Ｗの外周部又は内周部に設けた入力巻き線３に交流電圧を印加して前記環状金属体Ｗを誘導加熱するものである。なお、この環状金属体誘導加熱装置１００は、同一形状をなす複数の環状金属体Ｗを同時に誘導加熱するものである。

環状鉄心２は、カットコア型巻鉄心により構成された概略矩形環状をなすものであり、カットコアからなる第１の分割鉄心部２１及び第２の分割鉄心部２２に分割されている。第１の分割鉄心部２１及び第２分割鉄心部２２は共に、正面視において概略Ｕ字形状をなすものである。

下側に位置する第１の分割鉄心部２１は、その左右２つの分割端部２１ｘ、２１ｙそれぞれに環状金属体Ｗが包囲するように装着される。つまり、２つの分割端部２１ｘ、２１ｙは環状体金属Ｗ内に貫通するように挿入される。これら２つの分割端部２１ｘ、２１ｙは、第１の分割鉄心部２１における直線状をなす垂直部（脚鉄心部）により構成される。また、第１の分割鉄心部２１における垂直部（脚鉄心部）２１１は、環状金属体Ｗの長さ寸法（具体的には側周壁の軸方向長さ寸法）よりも長く構成されている。なお、第１の分割鉄心部２１の垂直部２１１（特に分割端部２１ｘ、２１ｙ）は、環状金属体Ｗに挿入できる程度の断面積を有するものである。

上側に位置する第２の分割鉄心部２２は、着脱機構（図１には不図示）により第１の分割鉄心部２１に対して進退移動可能に構成されており、その左右２つの分割端部２２ｘ、２２ｙの先端面（平面状のカット面２２ｘ１、２２ｙ１）は、第１の分割鉄心部２１の左右２つの分割端部２１ｘ、２１ｙの先端面（平面状のカット面２１ｘ１、２１ｙ１）に接触する。これにより、第１の分割鉄心部２１及び第２の分割鉄心部２２により閉磁路が形成される。なお、第２の分割鉄心部２２の分割端部２２ｘ、２２ｙは、前記第１の分割鉄心部２１の分割端部２１ｘ、２１ｙと略同一の断面積を有するものである。

また、上記の通り第１の分割鉄心部２１に設置された２つの環状金属体Ｗそれぞれの外周部には、周波数５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚの中周波電源（不図示）により単相交流電圧が印加される入力巻き線３が設けられている。この入力巻き線３、環状金属体Ｗ及び分割端部２１ｘ、２１ｙは同心状に配置されており、力率を向上させて加熱効率を向上させている。この入力巻き線３の上下方向の巻回幅は、環状金属体Ｗの外形の長さ寸法と略同一である。そして、入力巻き線３に単相交流電圧が印加されることにより、第１の分割鉄心部２１及び第２の分割鉄心部２２に生じる磁束を介して、環状金属体Ｗに二次電流（短絡電流）が誘起されて、環状金属体Ｗが誘導発熱することにより加熱される。

このように構成した本実施形態の環状金属体誘導加熱装置１００によれば、第１の分割鉄心部２１の分割端部２１ｘ、２１ｙに環状金属体Ｗを装着して入力巻き線３に交流電圧を印加させることによって、環状金属体Ｗに短絡電流が流れて誘導発熱するので、環状金属体Ｗを効率良く加熱することができる。また、第１の分割鉄心部２１の２つの分割端部２１ｘ、２１ｙそれぞれに環状金属体Ｗを装着しているので１つの環状鉄心２により２つの環状金属体Ｗを誘導加熱することができ、２つの環状金属体Ｗを同時に加熱して生産性を向上させることができる。

次に本実施形態の環状金属体誘導加熱装置１００における着脱機構４について説明する。

本実施形態の着脱機構４は、図２に示すように、下側に位置する第１の分割鉄心部２１に対して上側に位置する第２の分割鉄心部２２を進退移動させて、環状金属体Ｗを第１の分割鉄心部２１に取り付け又は取り外しを可能にするものである。つまりこの着脱機構４は、上側に位置する第２の分割鉄心部２２を、環状金属体Ｗが第１の分割鉄心部２１に装着されて２つの分割鉄心部２１、２２により閉磁路が形成される装着位置Ｐと、環状金属体Ｗを第１の分割鉄心部２１の分割端部２１ｘ、２１ｙから取り外すことができる取り外し位置Ｑとの間で移動させるものである。なお、取り外し位置Ｑは、第２の分割鉄心部２２が第１の分割鉄心部２１から離間して第１の分割鉄心部２１の上部が開放された状態である。

具体的に着脱機構４は、例えば油圧機構を用いたものが考えられ、手動又は自動により、図２に示すように、所定の回転軸Ｃを回転中心として第２の分割鉄心部２２を回転させて、第１の分割鉄心部２１の上部を開放する方式や、第２の分割鉄心部２２を第１の分割鉄心部２１に対して上方に離間させて、第１の分割鉄心部２１の上部を開放する方式や、第２の分割鉄心部２２を第１の分割鉄心部２１に対して側方に離間させて、第１の分割鉄心部２１の上方を開放する方式等が考えられる。なお、第１の分割鉄心部２１の上部が開放された状態で、環状金属体Ｗの取り付け又は取り外しを行う。

なお、第１の分割鉄心部２１の上部を開放する方式であれば、各部材をどのように移動させるものであっても良い。例えば、第１の分割鉄心部２１を、第２の分割鉄心部２２に対して下方に離間させる、第１の分割鉄心部２１を所定の回転軸を回転中心として回転させる、又は側方に移動させるものであっても良い。

２．第２実施形態
次に本発明の第２実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置１００について説明する。第２実施形態に係る環状金属体誘導加熱装置１００は、前記第１実施形態と環状鉄心２の構成が異なる。

本実施形態の環状鉄心２は、図３に示すように、２つの脚鉄心２ａ、２ａと、これら２つの脚鉄心２ａ、２ａの一端部（下端部）に接続される第１の継鉄心２ｂと、２つの脚鉄心２ａ、２ａの他端部（上端部）に接続される第２の継鉄心２ｃとから構成されている。そして、２つの脚鉄心２ａ、２ａが、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を円周方向に放射状に積層して円筒状に形成した円筒状をなすインボリュート鉄心である。

この構成の環状鉄心２は、２つの脚鉄心２ａ、２ａ及び第１の継鉄心２ｂからなる第１の分割鉄心部２１と、第２の継鉄心２ｃからなる第２の分割鉄心部２２とに分割されている。

下側に位置する第１の分割鉄心部２１の左右２つの分割端部２１ｘ、２１ｙ（２つの脚鉄心２ａ、２ａ）それぞれに環状金属体Ｗが包囲するように装着される。つまり、２つの脚鉄心２ａ、２ａは環状体金属Ｗ内に貫通するように挿入される。２つの分割端部２１ｘ、２１ｙは、第１の分割鉄心部２１における円柱状をなす２つの脚鉄心２ａ、２ａより構成される。また、第１の分割鉄心部２１における脚鉄心２ａ、２ａは、環状金属体Ｗの長さ寸法よりも大きく構成されており、環状金属体Ｗに挿入できる程度の断面積を有するものである。

上側に位置する第２の分割鉄心部２２は、着脱機構により第１の分割鉄心部２１に対して進退移動可能に構成されており、その下面は、第１の分割鉄心部２１の左右２つの分割端部２１ｘ、２１ｙの先端面（２つの脚鉄心２ａ、２ａの上端面）に接触する。これにより、第１の分割鉄心部２１及び第２の分割鉄心部２２により閉磁路が形成される。

また、本実施形態の環状鉄心２は、脚鉄心２ａの円形状をなす内側周面に密着して設けられた円筒状の冷却管５を備えており、冷却管５に冷却媒体を流通させることによって脚鉄心２ａを冷却するように構成している。

冷却管５は、脚鉄心２ａ及び第１の継鉄心２ｂの上下を貫通するように設けられており、その第１の継鉄心２ｂの下部に位置する端部に、冷却媒体を導入する導入ポートＰ１及び冷却媒体を導出する導出ポートＰ２を有する。導入ポートＰ１には冷却媒体供給配管（不図示）が接続され、導出ポートＰ２には冷却媒体導出配管（不図示）が接続されており、これら配管に接続された冷却媒体源（不図示）から冷却媒体が供給されることにより冷却管５内を冷却媒体が流通する。冷却媒体の温度及び流量は、図示しない例えば熱交換機などの温調機構及び例えばマスフローコントローラ等の流量制御機器等によって制御される。

具体的に冷却管５は、ステンレス製であり、導入ポートＰ１及び導出ポートＰ２が同一端部（下側端部）に設けられた二重管構造であり、導入ポートＰ１から内管５１内を通って内管５１及び外管５２の間に冷却媒体が流れ、そして外管５２に設けられた導出ポートＰ２から導出されるように構成されている。なお、上部の第２の継鉄心２ｃが脚鉄心２ａに対して着脱可能に構成されていることから、当該継鉄心２ａの着脱の邪魔とならないように、本実施形態の冷却管５は、脚鉄心２ａの上部には延出しておらず、冷却管５の上端面と脚鉄心２ａの上端面とが略面一となるように構成されている。このため導入ポートＰ１及び導出ポートＰ２は、第１の継鉄心２ｂの下部に位置するように構成されている。

ここで、冷却管５において内管５１の外側周面及び外管５２の内側周面に螺旋状のリブや溝を設けることが望ましい。この螺旋状のリブや溝により、冷却媒体が内管５１及び外管５２の間の空間で撹拌されることになり、外管５２と脚鉄心２ａとの熱交換を効率良く行うことができる。また、冷却管５と脚鉄心２ａとの間に例えばエポキシ樹脂等の耐熱性に優れ熱伝導性に優れた接着剤を充填することで脚鉄心等をより一層効率良く冷却することができる。

このように構成した第２実施形態の環状金属体誘導加熱装置１００によれば、インボリュート鉄心に環状金属体Ｗを装着して入力巻き線３に交流電圧を印加させることによって、環状金属体Ｗに短絡電流が流れて誘導発熱するので、環状金属体Ｗを効率良く加熱することができる。また、左右２つの脚鉄心２ａ、２ａそれぞれに環状金属体Ｗを装着しているので１つの環状鉄心２により２つの環状金属体Ｗを誘導加熱することができ、２つの環状金属体Ｗを同時に加熱して生産性を向上させることができる。

特に本実施形態では、冷却管５によりインボリュート鉄心２ａを冷却しているので、入力巻き線３に印加する交流電圧の周波数を上げて環状金属体Ｗを効率良く加熱しながらも、磁束密度を飽和磁束密度以下に抑えることが可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、図４に示すように、カットコア型巻鉄心を用いて構成された環状鉄心２においては、第１の分割鉄心部２１及び第２の分割鉄心部２２を共に、正面視において概略Ｅ字形状をなすものとして、３つの脚鉄心部を有する環状鉄心２としても良い。この場合、第１の分割鉄心部２１には、その左右３つの分割端部２１ｘ、２１ｙ、２１ｚそれぞれに環状金属体Ｗが包囲するように装着される。また、各環状金属体Ｗに対応して３つの入力巻き線３が設けられている。この３つの入力巻き線３には、三相電源により三相交流電圧が印加される。このようなものであれば、１つの環状金属体誘導加熱装置により同時に３つの環状金属体Ｗを誘導加熱することができる。

また、図５に示すように、インボリュート鉄心（脚鉄心）２ａ及び継鉄心２ｂ、２ｃを用いて構成された環状鉄心２においては、インボリュート鉄心（脚鉄心）を３つ有するものとしても良い。この場合、３つのインボリュート鉄心２ａ、２ａ、２ａ及び第１の継鉄心２ｂにより第１の分割鉄心部２１が構成される。このようなものであっても、１つの環状金属体誘導加熱装置１００により同時に３つの環状金属体Ｗを誘導加熱することができる。

さらに、前記実施形態では、第１の分割鉄心部２１の分割端部２１ｘ、２１ｙそれぞれに１つの環状金属体Ｗを装着するものであったが、図６に示すように、第１の分割鉄心部２１の分割端部２１ｘ、２１ｙそれぞれに２つの環状金属体Ｗを装着するとともに、当該環状金属体Ｗの外周部にそれぞれ入力巻き線３を設けた構成としても良い。これならば、２つの脚鉄心を有する環状鉄心２では４つの環状金属体Ｗを同時に誘導加熱することができ、３つの脚鉄心を有する環状鉄心２では６つの環状金属体Ｗを同時に誘導加熱することができる。

その上、図７に示すように、第１の分割鉄心部２１の一方の分割端部２１ｘ及び第２の分割鉄心部２２の一方の分割端部２２ｘの両方並びに第１の分割鉄心部２１の他方の分割端部２１ｙ及び第２の分割鉄心部２２の他方の分割端部２２ｙの両方を包囲するように環状金属体Ｗが装着されるように構成しても良い。

加えて、前記第２実施形態においては、冷却管５の替わりにヒートパイプを脚鉄心の内側周面に密着して設けても良い。この場合、ヒートパイプの一端部を脚鉄心の下面から外部に延出するようにして、この延出した部分を冷却するように構成しても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、前記実施形態では入力巻き線３が環状金属体Ｗの外周部に設けられているが、入力巻き線３を環状金属体Ｗの内周部に設けたものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・環状金属体誘導加熱装置
Ｗ・・・環状金属体
２・・・環状鉄心
２１・・・第１の分割鉄心部
２１ｘ、２１ｙ・・・分割端部
２２・・・第２の分割鉄心部
２２ｘ、２２ｙ・・・分割端部
２ａ・・・脚鉄心
２ｂ・・・第１の継鉄心
２ｃ・・・第２の継鉄心
３・・・入力巻き線
４・・・着脱機構
５・・・冷却管

Claims (4)

1. 複数の脚鉄心及び前記複数の脚鉄心の一端部に接続される第１の継鉄心からなる第１の分割鉄心部と、前記複数の脚鉄心の他端部に接続される第２の継鉄心からなる第２の分割鉄心部とを有し、前記複数の脚鉄心それぞれに非磁性金属からなる環状金属体が装着されることで複数の環状金属体に前記脚鉄心を貫通させ、前記複数の環状金属体それぞれの外周部又は内周部に設けた入力巻き線に交流電圧を印加して前記複数の環状金属体を誘導加熱するものであり、
   前記複数の脚鉄心が、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状をなすものであり、
   前記第２の分割鉄心部を、前記環状金属体が装着されて前記第１の分割鉄心部及び前記第２の分割鉄心部により閉磁路が形成される装着位置及び前記環状金属体を前記第１の分割鉄心部から取り外すことができる取り外し位置の間で移動させる着脱機構を備えており、
   前記複数の脚鉄心の内側周面に密着して冷却管を設け、当該冷却管に冷却媒体を流通させることにより前記複数の脚鉄心を冷却するものであり、
   前記冷却管における前記脚鉄心の一端部側に前記冷却媒体を導入する導入ポート及び前記冷却媒体を導出する導出ポートが設けられている環状金属体誘導加熱装置。
2. 複数の脚鉄心及び前記複数の脚鉄心の一端部に接続される第１の継鉄心からなる第１の分割鉄心部と、前記複数の脚鉄心の他端部に接続される第２の継鉄心からなる第２の分割鉄心部とを有し、前記複数の脚鉄心それぞれに非磁性金属からなる環状金属体が装着されることで複数の環状金属体に前記脚鉄心を貫通させ、前記複数の環状金属体それぞれの外周部又は内周部に設けた入力巻き線に交流電圧を印加して前記複数の環状金属体を誘導加熱するものであり、
   前記複数の脚鉄心が、インボリュート形状に湾曲された湾曲部を有する多数の磁性鋼板を放射状に積層して円筒状に形成した円筒状をなすものであり、
   前記第２の分割鉄心部を、前記環状金属体が装着されて前記第１の分割鉄心部及び前記第２の分割鉄心部により閉磁路が形成される装着位置及び前記環状金属体を前記第１の分割鉄心部から取り外すことができる取り外し位置の間で移動させる着脱機構を備えており、
   前記複数の脚鉄心の内側周面に密着してヒートパイプを設け、当該ヒートパイプに冷却媒体を流通させることにより前記複数の脚鉄心を冷却するものであり、
   前記ヒートパイプの一端部が、前記脚鉄心の一端部側から外部に延出するとともに、この延出した部分が冷却されるように構成されている環状金属体誘導加熱装置。
3. 前記環状金属体及び入力巻き線が２組設けられており、前記入力巻き線に交流電圧を印加する入力電源が単相電源である請求項１又は２記載の環状金属体誘導加熱装置。
4. 前記環状金属体及び入力巻き線が３組設けられており、前記入力巻き線に交流電圧を印加する入力電源が三相電源である請求項１、２又は３記載の環状金属体誘導加熱装置。