JP5959338B2 - 誘導加熱炉および誘導加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、コイルの形状に特徴のある誘導加熱炉に関する。

加熱処理を行う技術として誘導加熱が知られている（例えば、特許文献１を参照）。誘導加熱を行う誘導加熱炉の基本構造は、以下のようなものである。まず、最外周にソレノイドコイルがあり、その内側に耐火物で構成された筒状の炉殻があり、炉殻の内側には、断熱材料が配置され、断熱材に囲まれて発熱体となるサセプターが配置され、サセプターの内側にワーク（熱処理の対象となる部材）が収められている。ソレノイドコイルに高周波電流を流すと、サセプターが誘導加熱により発熱し、サセプターからの輻射熱により、ワークに対する熱処理が行なわれる。

特開２００３−１２９１２９号公報

熱処理工程の低コスト化を実現する方法として、ワークを大型化し、一回の処理量を増大させる方法がある。ところで、ワークを大型化した場合、それに応じて誘導加熱炉の各部も大型化する必要があるが、それに伴い各部の重量も増大する。ところで、１５００℃以上といった高温処理を行う誘導加熱炉は、サセプターの周囲に断熱材が充填され、断熱材の中にサセプターが埋まっている。したがって、ワークの搬入・排出時に炉の一部を解体し、また再構築する作業が必要となる。炉が大きくなると、これらの作業が大規模なものとなるが、通常のソレノイドコイルを用いる場合、炉殻の外側にコイルが固定されているので、コイルが作業の邪魔となる場合がある。また、断熱材やサセプターは消耗品であり、消耗あるいは傷みが進んだ段階で交換するメンテナンス作業が必要となるが、このメンテナンス作業時にもソレノイドコイルの存在が邪魔となる場合がある。

このような背景において、本発明は、大型化したワークに対応でき、組み立て性やメンテナンス性に優れた誘導加熱炉を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、面状のコイルを略逆Ｕ字形状に湾曲させた形状の誘導加熱コイルと、前記略逆Ｕ字形状に湾曲した前記誘導加熱コイルによって、両側面方向と上方向とが囲まれた状態の炉殻と、前記炉殻の内側に配置された発熱体として機能するサセプターとを備えることを特徴とする誘導加熱炉である。

請求項１に記載の発明によれば、誘導加熱コイルを炉殻から離して退避させることができるので、炉殻へのワークの搬入および排出のための作業時、あるいは炉のメンテナンス時の作業時に誘導加熱コイルが作業の支障とならない優位性が得られる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記サセプターの底面は平坦であり、前記誘導加熱コイルの下端部は前記サセプターの前記底面よりも下方に延在していることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、サセプターの底面に作用する磁束が生じるので、当該発明を採用しない場合に比較して、サセプターの加熱の均一性を高めることができる。

請求項３に記載の発明は、筒状の炉殻と、前記炉殻の内側に配置された発熱体として機能するサセプターと前記炉殻の両側面方向、上方向および底部方向を螺旋状に囲んで配設されたソレノイドコイルからなる誘導加熱コイルと、を備えた誘導加熱炉において、前記誘導加熱コイルの各ターンを、該ターンを軸方向から見た状態で上側のコイル部材と下側のコイル部材とに左右の結合部を介して分割可能に構成するとともに、前記左右の結合部の近傍に、前記上側のコイル部材と前記下側のコイル部材とに冷却水をそれぞれ独立して供給し排水するパイプがそれぞれ接続されていることを特徴とする誘導加熱炉である。

請求項３に記載の発明によれば、ソレノイド型の誘導加熱コイルを軸方向から見て上下に分離することができる。このため、誘導加熱コイルの上部を炉殻から離して退避させることができ、炉殻へのワークの搬入および排出のための作業時、あるいは炉のメンテナンス時の作業時に誘導加熱コイルが作業の支障とならない優位性が得られる。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱炉の複数と、前記複数の誘導加熱炉のいずれか一つに高周波電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源と前記複数の誘導加熱炉の間に配置され、前記高周波電源からの高周波電力を前記複数の誘導加熱炉の中の何れか一つに選択的に供給するための切り替え回路とを備えることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、一つの高周波電源を用いて、複数の誘導加熱炉を順次稼働させることで、加熱処理を連続的に行い、作業効率を高めることができる。

本発明によれば、大型化したワークに対応でき、組み立て性やメンテナンス性に優れた誘導加熱炉が提供される。

実施形態の誘導加熱炉の側面透視図（Ａ）と正面透視図（Ｂ）である。 実施形態の誘導加熱コイルの側面図（Ａ）および（Ｃ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態の誘導加熱コイルの展開図である。 実施形態の誘導加熱コイルの側面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態の誘導加熱コイルの一部を拡大した拡大図である。 実施形態の誘導加熱コイルの側面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態のブロック図である。 図７のシステムを稼動させるためのタイミングチャートである。

１．第１の実施形態
図１には、実施形態の誘導加熱炉１００の側面透視図（Ａ）と正面透視図（Ｂ）が示されている。誘導加熱炉１００は、コンクリートベース１１１の上に設置された炉殻１０１を有している。炉殻１０１は、誘導加熱炉１００の骨格構造を構成する部材であり、ＳｉＣ等の耐火物により構成され、中空部を有する筒構造を有している。炉殻１０１の中空部は、図１（Ｂ）の視点（正面方向）から見て、上側が円形で両側面が垂直で底面が平坦な断面形状を有している。以下、筒状の炉殻１０１の延在方向（図１（Ａ）の左右の方向）を軸方向と称する。炉殻１０１の軸方向の前後は、蓋部材１１２，１１３によって蓋がされている。この蓋部材１１２，１１３は、例えば金属により構成され、取り外しが可能なようにボルトで炉殻１０１に取り付けられている。

炉殻１０１の内側には、炭素材料により構成される断熱材１０２が配置されている。断熱材１０２は、後述するサセプター１０３の外側と炉殻１０１の内側との間、およびサセプター１０３と蓋部材１１２，１１３との間に充填された状態で配置されている。また、蓋部材１１２とサセプター１０３との間に位置する断熱材１０２は、蓋部材１１２を取り外した状態で、取り出すことが可能とされている。こうすることで、蓋部材１１２を取り外した状態で、サセプター１０３の端面の蓋部１０３ａを露出させることができるようになっている。

断熱材１０２の内側には、ワーク（図示省略）を収納するためのサセプター１０３が配置されている。サセプター１０３は、発熱体および被熱処理部材の収納容器として機能する部材である。サセプター１０３は、グラファイトにより構成され、炉殻１０１を縮小したような形状を有し、その軸方向の前後は、同じ材質の蓋部材１０３ａと１０３ｂにより塞がれている。蓋部材１０３ａは、取り外しが可能で、ワークをサセプター１０３内に搬入する際、およびワークをサセプター１０３内から搬出する際に取り外される。サセプター１０３は、パイプ状の炭素繊維強化炭素複合材１０７を間に介して、炉殻１０１の底面上に配置されている。サセプター１０３に収納されるワークの形状や材質、さらに熱処理の形態は限定されない。

軸方向（図１（Ｂ）の視点）から見た炉殻１０１の両側の側面および半円形に湾曲した上面を覆うように誘導加熱コイル１０４が配置されている。誘導加熱コイル１０４は、面状のコイルを湾曲させ、ワークの搬入・排出方向から見ると、略逆Ｕ字形状を有した構造とされている。図２には、誘導加熱コイルの側面図（Ａ）および（Ｃ）、炉殻１０１の軸方向から見た正面図（Ｂ）が示され、図３には、図２（Ｂ）に示すような湾曲した構造の誘導加熱コイル１０４を平面に展開（つまり、湾曲させずに平面的に押し広げた）状態が示されている。すなわち、誘導加熱コイル１０４は、図３に示すような角型の渦巻きコイルを水平に配置した状態で対向する２辺（図３の上下の辺）を内側に向けて湾曲させ、逆Ｕ字型に変形させた構造とされている。誘導加熱コイル１０４には、図示しない高周波電源が接続されている。また、図示省略しているが、誘導加熱コイル１０４は中空パイプであり、その内部に冷却水を供給し、自身の過熱を防ぐ構成となっている。

図２に示すように、誘導加熱コイル１０４は、サポート部材１１４，１１５により、その形状が保持され、サポート部材１１５が図示しない土台に固定されることで、誘導加熱コイル１０４は図１に図示される位置に保持されている。図１には、誘導加熱コイル１０４の略逆Ｕ字形状の部分が、炉殻１０１の上方から被せられ、誘導加熱コイル１０４の略逆Ｕ字形状の部分の内側に炉殻１０１が位置した状態が示されている。この構造では、面状のコイルを略逆Ｕ字形状に湾曲させた形状の誘導加熱コイル１０４によって、炉殻１０１の両側面方向と上方向とが囲まれた状態となる。図１（Ｂ）の視点から見ると、誘導加熱コイル１０４は、下方向に開放されているので、そのまま上方に移動させ、炉殻１０１から離間させることできる。また、誘導加熱コイル１０４の下端１０４ａの位置は、サセプター１０３の底部１０３ｃよりも下側に位置する位置関係とされている。符合１０５は、サセプター１０３の内部にガス(例えば、窒素ガス等)を送り込むガス導入管である。また、符合１０６は、サセプター１０３の内部からガスを排出するガス排気管である。

（加熱処理工程の一例）
まず、蓋部材１１２、蓋部材１１２とサセプター１０３の蓋部１０３ａとの間の断熱材１０２、および蓋部１０３ａを取り外した状態とする。この状態で、サセプター１０３の内部が露出する。次に、サセプター１０３の内側にワークを搬入し、蓋部１０３ａをサセプター１０３に取り付け、更にその手前に断熱材１０２を充填し、最後に蓋部材１１２を炉殻１０１に取り付け、図１に示す状態とする。この状態で、サセプター１０３の内部にワーク（図示省略）が納まった状態を得る。なおこの際、ガス導入管１０５を図示する状態で取り付ける。

図１に示す状態において、サセプター１０３の内部にワークが納まった状態を得たら、誘導加熱コイル１０４に高周波電流（例えば、数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚの高周波電流）を流し、熱処理を行なう。この際、グラファイトにより構成されたサセプター１０３に誘導電流が流れ、この誘導電流に起因するジュール熱によりサセプター１０３が発熱する。この発熱の輻射熱により、サセプター１０３内のワーク（図示省略）が加熱され、当該ワークに対する熱処理が行なわれる。熱処理が終了したら、冷却するのを待って、上記と逆の手順により、ワークを外部に搬出する。

（優位性）
誘導加熱炉１００を組み立てる作業において、炉殻１０１およびその内部構造を完成させた段階で、上方から逆Ｕ字型形状の誘導加熱コイル１０４を炉殻１０１に被せるようにして配置できる。このため、大型化したワークに対応するために、全体の構造が大きくなった場合であっても、炉の組み立て作業が行い易い。また、炉内へのワークの搬入、炉内からのワークの排出を行なう作業において、一部の断熱材１０２の除去や再配置、炉殻１０１の一部の取り外しや再取り付けといった作業が必要となる場合があるが、これらの作業時に炉殻１０１から誘導加熱コイル１０４を離間させ、退避させることができるので、これらの作業に誘導加熱コイル１０４が邪魔になることがない。

また、サセプター１０３や断熱材１０２は消耗品であり、ある程度使用した段階で交換するメンテナンス作業が必要となるが、誘導加熱コイル１０４を上方に退避させることが容易であるので、このメンテナンス作業を容易に行うことができる。

２．第２の実施形態
本実施形態では、第１の実施形態における誘導加熱コイル１０４の代わりに上下に２分割できるソレノイド型の誘導加熱コイルを用いる場合の形態を説明する。図４には、誘導加熱コイルの部分だけの構造が示されている。図４（Ａ）には、誘導加熱コイル４０１の側面図が示され、図４（Ｂ）には、軸方向から見た正面図が示されている。誘導加熱コイル４０１は、軸方向から見た状態において、上部が半円形で、下部の左右が角の丸い略コの字形状を有している。この誘導加熱コイル４０１は、ソレノイド構造のコイルとして機能する。

誘導加熱コイル４０１は、各ターンの軸方向から見た左右の部分に結合部４０２を有している。図５は、図４（Ｂ）の右側の結合部４０２の拡大図である。図５に示すように、結合部４０２は、上側のコイル部材４０１ａのフランジ部４０７と下側のコイル部材４０１ｂのフランジ部４０８とを締結部材であるボルト４０９ａとナット４０９ｂによって締結し、結合した構造を有している。コイル部材４０１ａと４０１ｂは、銅材であり、フランジ部４０７と４０８が接触することで、電気的な導通が確保されている。この構造では、ボルト４０９ａとナット４０９ｂの締結を解除することで、上側のコイル部材４０１ａと下側のコイル部材４０１ｂとを切り離し、誘導加熱コイル４０１を上下に分離することができる。

誘導加熱コイル４０１は、各ターンにおいて、上側の部分と下側の部分とのそれぞれに対して、独立に冷却水の供給パイプと排出パイプが接続されている。すなわち、上側のコイル部材４０１ａには、冷却水供給パイプ４１０から冷却水が供給される。上側のコイル部材４０１ａに供給された冷却水は、図４（Ｂ）の左側の同様の部分に接続された冷却水排水パイプ４１１から排水される。下側のコイル部材４０１ｂには、冷却水供給パイプ４１２から冷却水が供給される。下側のコイル部材４０１ｂに供給された冷却水は、図４（Ｂ）の左側の同様の部分に接続された冷却水排水パイプ４１３から排水される。

また、誘導加熱コイル４０１には、図１および図２に示す誘導加熱コイル１０４と異なり、炉殻の下側を横断する底部の部分が存在する。ここでは、図１（Ａ）に示されるコンクリートベース１１１の隣接する部分の間の隙間に誘導加熱コイル４０１の底部の部分を通す構造とする。この際、隣接するコンクリートベース１１１の間を通す該当する部分におけるコイル線材は、複数を一束として寄せて纏めた状態とする。なお、寄せて纏められた部分のコイル線材には、絶縁被覆を施し、互いに短絡しないようにする。

図６には、図４に示す誘導加熱コイル４０１を軸方向に３つ並べた例が示されている。このように、誘導炉の長さに対応して、複数の誘導加熱コイル４０１を直列に配置する構造も可能であることから、炉の延長を容易に行うことができる。

（優位性）
図４に示す誘導加熱コイル４０１は、軸方向から見てサセプター(図１の符合１０３)の周囲全てを覆う（つまり、サセプターの下方にもコイルがある）ので、サセプターの加熱を均一に行う点で図１の構造に比較して有利となる。すなわち、サセプターの下方にもコイルがあることで、サセプターの底部に作用する磁束が効率よく生成され、サセプター全体の発熱の均一性を高くできる。また、図５に図示するコイルの結合構造を採用することで、上下方向における分離結合が自在にできる。このため、誘導加熱炉の組み立てやメンテナンス時に誘導加熱コイル４０１の上側を取り外した状態で作業が行え、高い作業性が得られる。

誘導加熱コイル４０１の各ターンにおいて、上側のコイル部分４０１ａと下側のコイル部材４０１ｂとの間で冷却水の通す構造が必要とされず、電気伝導が確保されればよいので、結合部の構造が簡素化される。

３．第３の実施形態
図７には、本発明を利用した誘導加熱炉を複数用いたシステムのブロック図が示されている。図７には、誘導加熱炉を２台用いる例が示されている。図７には、誘導加熱炉７０１と７０２が示されている。誘導加熱炉７０１と７０２は、同じ構造であり、第１または第２の実施形態に示す構造を有している。誘導加熱炉７０１と７０２には、高周波電源７０４から高周波電力が供給される。切り替え回路７０３は、高周波電源７０４から供給される高周波電力の供給先を切り替える。切り替え回路７０３が第１の誘導加熱炉７０１を選択している状況では、高周波電源７０４から第１の誘導加熱炉７０１に高周波電力が供給され、第２の誘導加熱炉７０２への高周波電力の供給は行われない。また、切り替え回路７０３が第２の誘導加熱炉７０２を選択している状況では、高周波電源７０４から第２の誘導加熱炉７０２に高周波電力が供給され、第１の誘導加熱炉７０１への高周波電力の供給は行われない。高周波電源７０４は、誘導加熱炉７０１および７０２が必要とする高周波電力を出力する。使用する周波数や電力値は、任意であり、用途によって適宜選択される。

誘導加熱炉７０１，７０２として、図１の誘導加熱炉１００を用いた場合を例に挙げ、図７に示すシステムの動作の一例を説明する。図８には、この場合の作業チャートの一例が示されている。まず、第１の誘導加熱炉７０１にワークを搬入し、炉の組み立てを行なう。第１の誘導加熱炉７０１の組み立てが終了したら、切り替え回路７０３を用いて高周波電源７０４を第１の誘導加熱炉７０１に接続し、第１の誘導加熱炉７０１での熱処理を開始する。そして、誘導加熱炉７０１の熱処理および熱処理後の冷却（この冷却にも熱処理と同程度以上の時間が必要とされる）を行なっている間に、高周波電源７０４が接続されていない第２の誘導加熱炉７０２へのワークの搬入および炉の組み立てを行なう。

そして、第１の誘導加熱炉７０１の加熱終了後で、且つ、第２の誘導加熱炉７０２の準備が整った段階で、高周波電源７０４の接続を第１の誘導加熱炉７０１から第２の誘導加熱炉７０２に変更し、第２の誘導加熱炉７０２での加熱処理を開始する。この第２の誘導加熱炉７０２での熱処理およびその後の冷却を行う期間において、第１の誘導加熱炉７０１における熱処理済みのワークの搬出、および次の未熱処理状態のワークの炉内への搬入および炉の組み立てが行なわれる。こうして、第１の誘導加熱炉７０１と第２の誘導加熱炉７０２を交互に用いての連続的なワークへの熱処理が繰り返し行なわれる。

（優位性）
一方の誘導加熱炉における熱処理および冷却処理の間に、他方の誘導加熱炉におけるワークの搬入・排出に係る処理を行えるので、高い作業効率が得られる。また、高周波電源は一つでよいので設備コストを抑えることができる。また、ワークの搬入作業、排出作業、およびそれらの作業時における炉の一部の解体や組み立てに要する作業において、誘導加熱コイルを退避（第１の実施形態の場合）あるいは誘導加熱コイルの上半分を分離し退避（第２の実施形態の場合）させ、作業空間を確保することができる。このため、誘導加熱炉に対するワークの搬入作業、排出作業、およびそれらの作業時における炉の一部の解体や組み立てにおいて、高い作業性が得られる。

（その他）
利用する誘導加熱炉を３台以上とすることもできる。例えば、誘導加熱炉を３台用いる場合、１台が誘導加熱および冷却工程である期間に、他の２台において誘導加熱および冷却以外の作業が行われる。また、１台目が加熱後の冷却工程、２台目がワークの搬入・排出工程、３台目が加熱工程という組み合わせにし、それを順次ずらしてゆくことで、３台の誘導加熱炉を用いた連続処理も可能である。

本発明は、誘導加熱を行う技術に利用することができる。

１００…誘導加熱炉、１０１…炉殻、１０２…断熱材、１０３…サセプター、１０３ａ…サセプターの蓋部、１０３ｂ…サセプターの蓋部、１０３ｃ…サセプターの底部、１０４…誘導加熱コイル、１０５…ガス導入管、１０６…ガス排出管、１０７…パイプ状の炭素繊維強化炭素複合材、１１１…コンクリートベース、１１２…蓋部材、１１３…蓋部材、１１４…サポート部材、１１５…サポート部材、４０１…誘導加熱コイル、４０１ａ…上側のコイル部材、４０１ｂ…下側のコイル部材、４０２…結合部、４０７…フランジ部、４０８…フランジ部、４０９ａ…ボルト、４０９ｂ…ナット、４１０…冷却水供給パイプ、４１１…冷却水排水パイプ、４１２…冷却水供給パイプ、４１３…冷却水排水パイプ。

Claims (4)

1. 面状のコイルを略逆Ｕ字形状に湾曲させた形状の誘導加熱コイルと、
   前記略逆Ｕ字形状に湾曲した前記誘導加熱コイルによって、両側面方向と上方向とが囲まれた状態の炉殻と、
   前記炉殻の内側に配置された発熱体として機能するサセプターと
   を備えることを特徴とする誘導加熱炉。
2. 前記サセプターの底面は平坦であり、前記誘導加熱コイルの下端部は前記サセプターの前記底面よりも下方に延在していることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱炉。
3. 筒状の炉殻と、
   前記炉殻の内側に配置された発熱体として機能するサセプターと
   前記炉殻の両側面方向、上方向および底部方向を螺旋状に囲んで配設されたソレノイドコイルからなる誘導加熱コイルと、を備えた誘導加熱炉において、
   前記誘導加熱コイルの各ターンを、該ターンを軸方向から見た状態で上側のコイル部材と下側のコイル部材とに左右の結合部を介して分割可能に構成するとともに、
   前記左右の結合部の近傍に、前記上側のコイル部材と前記下側のコイル部材とに冷却水をそれぞれ独立して供給し排水するパイプがそれぞれ接続されていることを特徴とする誘導加熱炉。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱炉の複数と、
   前記複数の誘導加熱炉のいずれか一つに高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記高周波電源と前記複数の誘導加熱炉の間に配置され、前記高周波電源からの高周波電力を前記複数の誘導加熱炉の中の何れか一つに選択的に供給するための切り替え回路と
   を備えることを特徴とする誘導加熱システム。

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