JP6062291B2 - 線材加熱装置及び線材加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、線材を加熱する線材加熱装置及び線材加熱方法に関する。

従来から、線材に電流を通して加熱する熱処理装置が知られている。
熱処理装置として、コイル状に巻かれた線材を引き出し、引き出された線材の部分を直接通電装置で所定温度に加熱し、この所定温度に加熱された引き出し部分を冷却装置で冷却し、冷却された引き出し部分をコイル状に巻き取る従来例がある（特許文献１）。
特許文献１で示される従来例では、直接加熱装置は、線材に焼入れ焼き鈍しするものであり、電源と、線材の引出部分を挟持して通電しながら回転する２組の通電ロールとを備えている。２組の通電ロールの間を通る線材は加熱に適した目標温度となるように、制御される。

線材の熱処理を開始した直後あるいは熱処理を終了する直前では、２組の通電ロールの間を通る線材の加熱温度が目標温度に達しないため、目標温度に達するための直前あるいは直後に通電ロールを通過した線材の部分は規格外となる。
そのため、特許文献１の従来例では、線材の引出部分の移動速度を引出速度検出センサで検出し、２組の通電ロールを通過する線材の通過部分に通る電流を電流検出センサで検出し、これらの引出速度検出センサ及び電流検出センサからの出力信号に基づいて線材の通過部分が目標温度となるように電源を制御している。

特開２００２−２５６３４７号公報

特許文献１の従来例では、熱処理が施される線材は、比較的に細い線材（２ｍｍ程度）であって、熱処理後、そのままコイル状に巻き取られる。
しかし、７ｍｍ〜１９ｍｍという比較的太い線材に熱処理を施し、その線材にプレス等の加工をインライン処理することが求められることがあるが、特許文献１の従来例では、線材は熱処理後、そのままコイル状に巻き取られるものであるため、熱処理後の加工をすることができない。
この場合、直接加熱装置の下流側において、熱処理された線材を巻き取る巻き取りロールに代えて、プレス等の加工を行う加工機を配置することが考えられるが、加工機では、切断機によって線材を所定長さに切断し、切断した線材を加工する必要があることから、加工機の稼働と停止とに伴って、線材の加工機への送りの駆動と停止とを繰り返す必要がある。

直接加熱装置の下流側に加工機や切断機等の加工機構を配置する装置では、加工機構による線材の加工のために、線材の加工機構への送りを停止している状態でも、直接加熱装置が作動されることになるので、線材が必要以上に加熱されることになる。
線材の送りの停止に伴って、直接、加熱装置の作動を停止することも考えられるが、それでは、線材の加熱が不足する恐れもある。
さらに、特許文献１で示される従来例は、線材の送り速度が制御されるが、この速度制御は、歩留まり向上のために、熱処理の開始直後あるいは終了直前で実施され急激な線材速度の増減には対応できないものであり、線材に熱処理を施した後にプレス等の装置にはそのまま適用することができない。

本発明の目的は、加熱後に線材を加工するために、線材を一定温度にして常に均熱させることができる線材加熱装置及び線材加工方法を提供することにある。

本発明の線材加熱装置は、電源及びこの電源から送られる電流により線材を高周波誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱機構と、前記線材の送り速度に基づいて前記加熱コイルに送る電流を制御する制御機構と、を備え、前記誘導加熱機構は、前記加熱コイルで線材を誘導加熱する加熱領域と、この加熱領域の下流側に設けられ前記加熱コイルで誘導加熱された線材を均熱して下流端部の温度を目標温度にする均熱領域とを有し、前記制御機構は、前記均熱領域の下流端部での前記線材の温度が前記目標温度となるように前記加熱コイルに供給する電流を制御するものであって、前記制御機構は、前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、とすると、Ｉ＝ｋ×（ｖ ^０．５ ）となるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することを特徴とする。
本発明の線材加熱方法は、加熱領域にある加熱コイルに線材を送って誘導加熱し、前記加熱領域の下流側に設けられた均熱領域で前記線材を均熱する線材加熱方法であって、前記線材を前記加熱コイルに送る送り速度に基づいて、前記均熱領域の下流端部での前記線材の温度が目標温度になるように、前記加熱コイルに送る電流を制御するとともに、前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、とすると、Ｉ＝ｋ×（ｖ ^０．５ ）となるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することを特徴とする。

この構成の本発明では、線材が誘導加熱機構に送られると、誘導加熱機構では、加熱コイルに電源から電流が供給されることで電磁誘導の作用により線材表面にコイル電流とは逆の渦電流が生じジュール発熱にて線材が加熱される。
ここで、線材の送りが停止されると、線材の送り速度が所定速度から下がることになり、均熱領域での線材の温度が目標温度から離れることになる。本発明では、制御機構によって、均熱領域の下流端部での線材の温度が目標温度と一致するように電源から加熱コイルに供給する電流が制御される。つまり、加熱コイルに供給する電流と加熱コイルによる発熱量とは比例関係にあるので、加熱コイルに供給する電流を制御することで、線材の表面の加熱量が制御されることになる。
線材の送りが再開されると、線材の送り速度が所定速度まで上がることになり、均熱領域での線材の温度が目標温度から離れることになるが、前述の通り、制御機構によって、線材の温度が目標温度と一致するように電源から加熱コイルに供給する電流が制御される。
従って、本発明では、線材の送りと停止とが繰り返されても、制御機構によって、均熱領域の下流端部が目標温度となるように加熱コイルに制御された電流が送られる。そのため、線材の送り速度が変化しても、線材が必要以上に加熱されたり、加熱が不足したりすることがなくなるので、線材が常に均熱される。
即ち、本発明者は、速度に関係なく、線材に一定量の電力を突入する方法として加熱コイルの電流制御を考えたものである。

また、この構成では、線材の速度から加熱コイルに供給する電流を計算式により正確に求めることができるから、送り速度にかかわらず線材の均熱を容易に実現することができる。

前記制御機構は、前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、待機電流をΔＩ、とすると、Ｉ＝ｋ×（ｖ^０．５）＋ΔＩとなるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することが好ましい。
速度の急減速・急加速に対応するためには、加熱をＯＮする指令から実際に加熱されるには電磁発振のタイムラグが問題となるが、この構成では、待機電流ΔＩがある分、電流Ｉは発振のための遅れがなくなり、線材の加熱のタイミングも遅れることがなくなり、線材への加熱が十分に行える。

前記目標温度は、３００℃以上５００℃以下である構成が好ましい。
この構成では、目標温度が３００℃以上５００℃以下であるため、温間加工に適した加熱を実現できる。

本発明の線材加熱装置では、前述の構成の誘導加熱機構及び制御機構と、前記誘導加熱機構で誘導加熱された線材を加工する加工機構と、前記誘導加熱機構に線材を断続的に送る線材送り機構と、前記線材送り機構で送られる線材の送り速度を検出するとともに検出された線材の送り速度を前記制御機構に送る線材送り速度検出機構と、を備えた構成が好ましい。

この構成の本発明では、線材送り機構から線材が誘導加熱機構に送られる。誘導加熱機構では、加熱領域で加熱された線材が均熱領域の下流端部の位置に到達し、目標温度となって、加工機構に送られる。ここで、加工機構で線材を加工するために、線材送り機構による線材の送りが停止される。すると、線材の送り速度が所定速度から０まで下がることになって、線材の温度が目標温度から離れることになるが、線材の送り速度が線材送り速度検出機構で検出されて制御機構に送られ、この制御機構によって、均熱領域の下流端部での線材の温度が目標温度と一致するように電源から加熱コイルに供給する電流が制御される。
そのため、均熱領域での線材の温度が目標温度から離れることになるが、前述の通り、線材送り速度検出機構及び制御機構によって、線材の温度が目標温度と一致するように電源から加熱コイルに供給する電流が制御される。
線材の送りが再開されると、線材の送り速度が０から所定速度まで上がることになり、均熱領域での線材の温度が目標温度から離れることになるが、前述の通り、線材送り速度検出機構及び制御機構によって、線材の温度が目標温度と一致するように電源から加熱コイルに供給する電流が制御される。
従って、本発明では、加工機構による線材の加工に伴って、線材送り機構による線材の送りと停止とが繰り返されても、線材送り速度検出機構及び制御機構によって、均熱領域の下流端部が目標温度となるように加熱コイルに制御された電流が送られる。そのため、線材の送りを停止している状態では、線材が必要以上に加熱されたり、加熱が不足したりすることがなくなるので、誘導加熱された線材の部分が加工用として利用できることになり、歩留まりが向上する。

本発明の一実施形態にかかる線材加熱装置の概略図。 時間と線材が送られる速度ｖ及び加熱コイルに供給する電流Ｉとの関係を示すグラフ。 シミュレーションにおける時間と線材の送り速度との関係を示すグラフ。 定速区間終了時における線材軸方向の温度分布を示すグラフ。 本実施形態によって加熱コイルの電流を制御した場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布を示すグラフ。 本実施形態によって加熱コイルの電流を制御した場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴を示すグラフ。 停止区間で定速区間と同様な線材の加熱を行った場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布を示すグラフ。 停止区間で定速区間と同様な線材の加熱を行った場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴を示すグラフ。 停止区間で加熱を行わない場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布を示すグラフ。 停止区間で加熱を行わない場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴を示すグラフ。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には本実施形態の全体構成が示されている。
図１において、線材加熱装置は、線材巻き取りローラ（図示せず）から引き出される線材Ｗを所定の方向に送る線材送り機構１と、この線材送り機構１から送られた線材Ｗを高周波誘導加熱する誘導加熱機構２と、この誘導加熱機構２で加熱された線材Ｗを加工する加工機構３と、線材送り機構１で送られる線材の送り速度を検出する線材送り速度検出機構４と、この線材送り速度検出機構４から検出された線材の送り速度に基づいて誘導加熱機構２を制御する制御機構５とを備える。なお、本実施形態では、誘導加熱機構２及び制御機構５から加熱装置が構成されている。
線材Ｗは、直径が７ｍｍ〜１９ｍｍの鋼線である。

線材送り機構１は、線材Ｗを挟んで対向配置される一対の送りローラ１１と、これらの送りローラ１１を回転駆動する駆動部１２とを有する。
この駆動部１２は、線材Ｗを誘導加熱機構２に送る定速区間と停止区間とに断続的に切り換えられる。
定速区間は、線材Ｗを一定の等速度で誘導加熱機構２に送る状態であり、この区間では、加工機構３による線材Ｗの加工は行われない。
停止区間は、速度が０となる速度０区間と、定速区間から速度０区間に減速する減速区間と、速度０区間から定速区間に加速する加速区間とからなる。
本実施形態では、駆動部１２は制御機構５からの指令を受けて駆動するものでもよく、あるいは、制御機構５とは別の制御装置からの指令を受けて駆動するものでもよい。

誘導加熱機構２は、電源２１と、この電源２１からそれぞれ送られる電流により線材Ｗを高周波誘導加熱する加熱コイル２２とを有する。本実施形態では、電源２１が複数、例えば、２個設けられており、これらの電源２１に対して、それぞれ複数、例えば２個の加熱コイル２２と対となって設けられている。合計４個の加熱コイル２２は線材Ｗの送り方向に沿って、第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３及び第４コイル２２４が並んで配置されている。
ここで、電源２１、第１コイル２２１及び第２コイル２２２から１つの加熱ユニット２０が構成され、電源２１、第３コイル２２３及び第４コイル２２４から別の加熱ユニット２０が構成される。これらの加熱ユニット２０の電源２１は、それぞれ制御機構５からの信号により制御されている。なお、本実施形態では、コイル１台に対して、電源１つ設ける構成としてもよい。

隣合う加熱ユニット２０における第２コイル２２２と第３コイル２２３との間の寸法はＬ１である。第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３及び第４コイル２２４は、その軸方向に沿った長さ寸法は、それぞれＬ２である。第１コイル２２１と第２コイル２２２との間の寸法、第３コイル２２３と第４コイル２２４との間の寸法は、それぞれＬ３である。本実施形態では、線材Ｗの送り方向において最も上流側に配置された加熱コイル２２の下流側位置と最も下流側に配置された加熱コイル２２の下流側位置との長さ（Ｌ１＋４×Ｌ２＋２×Ｌ３）の領域が加熱領域２Ａとされる。加熱領域２Ａの長さは装置全体の処理能力、線材径、その他の条件により設定されるが、例えば、２４００ｍｍである。
加熱領域２Ａの下流側には長さＭの均熱領域２Ｂが設けられている。この均熱領域２Ｂは、加熱コイル２２で誘導加熱された線材Ｗを自然放熱によって均熱し加工機構３の温度を３００℃以上５００℃以下の目標温度にするための領域である。均熱領域２Ｂの長さＭは、加熱領域２Ａと同様に、装置全体の処理能力、その他の条件により設定されるが、例えば、１０００ｍｍである。

加工機構３は、加熱された線材Ｗを加工するものであり、加工機３１と、この加工機３１の上流側に配置された切断機３２とを有する。
加工機３１は、開閉可能な上下の型を有するものであり、線材Ｗを所定形状、例えば、直角あるいは鋭角に折り曲げたり、螺旋状に曲げたりして加工品Ｇを成形するものであって、プレス装置、その他の加工装置を例示できる。
切断機３２は均熱領域２Ｂの下流端部に配置されている。つまり、均熱領域２Ｂの下流端部は目標温度が設定される位置であって、線材Ｗが切断機３２で切断される切断位置である。切断機３２は、上下の刃物を有するものである。

線材送り速度検出機構４は、線材Ｗの送り速度を検出するために適宜な位置、例えば、図１では線材送り機構１の上流側に配置されており、線材Ｗに接触する回転体（図示せず）の回転から線材Ｗの送り速度を検出するものや、線材Ｗにレーザー光を照射し線材Ｗから反射された光を受光して線材Ｗの送り速度を検出するものや、送りローラ１１の回転軸に設けられたロータリーエンコーダ（図示せず）で線材Ｗの送り速度を検出するもの等、適宜な構成を採用することができる。

制御機構５は、均熱領域２Ｂの下流端部での線材Ｗの温度が目標温度となるように、線材送り速度検出機構４から検出された線材の送り速度に基づいて加熱コイル２２に供給する電流を制御するものである。
具体的には、制御機構５は、現時点での加熱コイル２２に供給する電流をＩ、現時点での線材Ｗが送られる速度をｖ、定速区間での加熱コイル２２に供給する電流をＩo、定速区間での線材Ｗが送られる速度をｖｏ、待機電流をΔＩ、とすると、
Ｉ＝Ｉｏ×（ｖ／ｖｏ）^０．５＋ΔＩ
である。ここで、比例定数ｋを、Ｉｏ／（ｖｏ^０．５）とすると、
Ｉ＝ｋ×（ｖ^０．５）＋ΔＩ
である。
本実施形態では、上記式を満たすように、加熱コイル２２に電流を通す電源２１を制御機構５で制御することで、線材Ｗの送り速度ｖを変更中であっても、均熱領域２Ｂの下流端部の温度を３００℃以上５００℃以下の目標温度に均熱する。

図２には、時間と線材Ｗが送られる速度ｖ及び加熱コイル２２に供給する電流Ｉとの関係が示されている。
図２において、定速区間では、線材Ｗが送られる速度はｖｏであり、加熱コイル２２に供給する電流ＩはＩｏである。定速区間から減速して速度ｖが０となるまでの減速区間Ｑ１では、速度ｖは等しく減速するが、電流Ｉは前述の式より曲線状に降下して待機電流ΔＩとなる。速度ｖが０の速度０区間Ｑ２では、電流Ｉは待機電流ΔＩのままであり、速度ｖが０からｖｏまで加速した加速区間Ｑ３では、速度ｖは均一に加速（等加速）するが、電流Ｉは前述の式より曲線状に上昇して電流Ｉｏとなる。
線材Ｗは適宜な場所に設置されたサポートローラ６１，６２で支持されている。本実施形態では第２コイル２２２の出口側と第４コイル２２４の出口側との２箇所にサポートローラ６１，６２が配置されている。

この構成の線材加熱装置では、線材巻き取りローラから引き出された線材Ｗは線材送り機構１によって誘導加熱機構２に送られる。線材送り機構１では、定速区間と停止区間とを繰り返しながら線材Ｗが誘導加熱機構２に送られる。
線材Ｗの送り速度ｖは線材送り速度検出機構４により検出され、この検出信号が制御機構５に送られる。
定速区間では、線材Ｗは、速度ｖｏで誘導加熱機構２に送られる。制御機構５により電源２１から加熱コイル２２に送られる電流ＩはＩｏである。誘導加熱機構２では、加熱領域２Ａに位置する第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３及び第４コイル２２４に線材Ｗが送られることになり、所定温度に加熱された後、均熱領域２Ｂに送られる。均熱領域２Ｂの下流端部では、線材Ｗが目標温度になるように均熱される。均熱領域２Ｂで均熱された線材Ｗは加工機構３に送られる。

線材送り機構１によって、誘導加熱機構２に送られる線材Ｗが定速区間から停止区間に切り替わると、まず、減速区間で、線材Ｗが速度ｖｏから０まで減速し、その後、速度０区間で一定時間、速度０の停止状態を維持し、その後、加速区間で、速度ｖが０からｖｏとなるまで加速する。減速区間、速度０区間及び加速区間からなる停止区間では、線材Ｗの送り速度ｖは大きく変化するが、この速度ｖの変化が線材送り速度検出機構４により検出され、この信号が制御機構５に送られる。
制御機構５では、線材Ｗの送り速度ｖによって、前述の式に基づいて第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３及び第４コイル２２４に供給する電流Ｉを変化させるように電源２１を制御する。

これにより、線材Ｗの送り速度ｖに応じた線材Ｗの加熱がされることになり、均熱領域２Ｂの下流端部での目標温度が維持されることになる。
さらに、線材送り機構１による線材Ｗの送り速度ｖが０の速度０区間では、制御機構５から加工機構３に信号が送られ、均熱領域２Ｂの下流端部において切断機３２で線材Ｗが切断され、その後、切断された線材Ｗが加工機３１で所定の加工がされて加工品Ｇが成形される。
そして、線材送り機構１により誘導加熱機構２に送られる線材Ｗが停止区間から定速区間に切り替わり、前述と同様の加工が行われる。なお、停止区間では、電源２１から加熱コイル２２に送られる電流Ｉは待機電流ΔＩから変化する。

従って、本実施形態では、次の効果を奏することができる。
（１）電源２１から送られる電流により線材Ｗを加熱コイル２２で高周波誘導加熱する誘導加熱機構２と、この誘導加熱された線材Ｗを加工する加工機構３と、誘導加熱機構２に線材Ｗを断続的に送る線材送り機構１と、線材の送り速度ｖを検出する線材送り速度検出機構４と、線材送り速度検出機構４から検出された線材Ｗの送り速度ｖに基づいて加熱コイル２２に送る電流を制御する制御機構５と、を備え、誘導加熱機構２を、線材送り機構１から断続的に送られる線材Ｗを加熱コイル２２で加熱する加熱領域２Ａと、加熱領域２Ａの下流側に設けられ加熱コイル２２で誘導加熱された線材Ｗを均熱して下流端部の温度を３００℃以上５００℃以下の目標温度にする均熱領域２Ｂとを含んで構成し、制御機構５を、均熱領域２Ｂでの線材Ｗの温度が目標温度となるように加熱コイル２２に供給する電流Ｉを制御する構成とした。そのため、加工機構３における線材Ｗの加工に伴って、線材送り機構１によって線材Ｗが断続的に送られて定速区間と停止区間とが繰り返されても、均熱領域２Ｂの下流端部が温間加工に適した目標温度となるように加熱コイル２２に電流が送られる。従って、線材Ｗが定速区間から減速区間、速度０区間、加速区間に切り替わる際に、制御機構５によって加熱コイル２２に送られる電流が適正に制御されるので、加熱コイル２２での線材Ｗが過不足無く加熱されるので、歩留まりが向上する。

（２）加熱コイル２２に供給する電流Ｉ、線材Ｗが送られる速度ｖ、比例定数ｋが、Ｉ＝ｋ×（ｖ^０．５）の式を満たすように、加熱コイル２２に供給する電流を制御機構５で制御するので、線材送り速度検出機構４で検出される線材Ｗの速度から加熱コイル２２に供給する電流Ｉを計算により正確に求めることで、歩留まりの向上を容易に行うことができる。

（３）前述の式に待機電流ΔＩを加える式、つまり、Ｉ＝ｋ×（ｖ^０．５）＋ΔＩとなる式に基づいて、加熱コイル２２に供給する電流Ｉを制御機構５で制御するから、電源発振の立ち上がりが線材の移動より速度が大きい場合において、待機電流ΔＩがある分、電流Ｉの立ち上がりが速くなり、線材Ｗの送り速度ｖを所定速度に到達させるための時間を短縮することができる。これに対して、待機電流ΔＩをなくし、停止状態での電流が０であるとすると、図２に示される通り、制御機構５からの指令を受けて電源２１を制御する際に、電流Ｉは発振のための遅れが生じてＩ’となる。線材Ｗの加熱のタイミングが遅れることになり、線材Ｗへの加熱が十分に行えない。

（４）第１コイル２２１、第２コイル２２２及び電源２１を有する加熱ユニット２０と、第３コイル２２３、第４コイル２２４及び電源２１を有する加熱ユニット２０とから２つのユニットを構成し、これらのユニット毎に制御機構５で電源２１を制御するようにしたから、第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３及び第４コイル２２４にそれぞれ電源２１を接続し、これらの電源２１を個別に制御する場合に比べて、線材Ｗの加熱のための管理が容易となる。

本実施形態の効果を確認するためのシミュレーションについて説明をする。
［シミュレーション条件］
線材Ｗの直径φ：１７ｍｍ
線材Ｗの材質：ばね鋼
第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３、第４コイル２２４：
１個あたりの長さＬ２は４００ｍｍ
３０ターン
第２コイル２２２と第３コイル２２３との間の寸法Ｌ１：４００ｍｍ
第１コイル２２１と第２コイル２２２との間の寸法Ｌ３及び第３コイル２２３と第４コイル２２４との間の寸法Ｌ３：２００ｍｍ
加熱領域２Ａの長さ：Ｌ１＋４×Ｌ２＋２×Ｌ３＝２４００ｍｍ
均熱領域２Ｂの長さ：１０００ｍｍ
周波数：１０ｋＨｚ
初期温度：２０℃
加熱温度：
第２コイル２２２の出口 ４００℃
第４コイル２２４の出口 ４００℃
加工装置の目標温度 ３００±２０℃

線材Ｗの送り速度ｖ：
図３に示される通り、定速区間では、線材Ｗの送り速度ｖは、１０００ｍｍ／ｓである。停止区間において、線材Ｗの送り速度ｖは、減速状態では０．２秒で１０００ｍｍ／ｓから０ｍｍ／ｓとなり、停止状態では、０を１．０秒間維持し、加速状態では０．２秒で０ｍｍ／ｓから１０００ｍｍ／ｓとなる。
加熱条件：加熱コイル電流制御
解析方法：有限要素法（ＦＥＭ）による磁場−熱の連成解析
解析モデル：２次元軸対称ＦＥＭモデル

図４から図６には本実施形態の効果を確認するためのグラフが示されている。
図４には、定速区間終了時における線材軸方向の温度分布が示されている。なお、図４において、位置を示す横軸は線材Ｗが送られるラインの位置を示すものであり、０は線材送り機構１の位置であり、５００は第１コイル２２１の上流側端部の位置であり、３９００は均熱領域２Ｂの下端部である線材Ｗの切断位置である。なお、図４の温度は、図３において、定速区間から減速区間に切り替わる時点Ｐ１でのものである。
図４に示される通り、表面温度Ｔ１は第１コイル２２１の入口付近までは初期温度２０℃であるが、第１コイル２２１の出口付近では２７０℃程度となる。表面温度Ｔ１は第１コイル２２１の出口付近から第２コイル２２２の入口付近にかけて若干下がるが、第２コイル２２２の出口側では４００℃まで上昇する。表面温度Ｔ１は、第３コイル２２３の入口付近で降下した後、出口付近で上昇し、さらに、第４コイル２２４の入口付近で降下した後、出口付近で４００℃程度まで上昇する。第４コイル２２４の出口から開始する均熱領域２Ｂでは表面温度Ｔ１が徐々に降下し、切断位置では表面温度Ｔ１が目標温度である３２４℃となる。一方、第１コイル２２１を通過する線材Ｗの中心温度ｔ１は、第２コイル２２２の入口付近まで初期温度２０℃と変化がないが、第２コイル２２２の位置、第３コイル２２３の位置及び第４コイル２２４の位置から均熱領域２Ｂにかけて上昇し、切断位置では２７８℃となる。切断位置における表面温度Ｔ１と中心温度ｔ１との温度差は４６℃である。

図５には、本実施形態によって加熱コイルの電流を制御した場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布が示されている。なお、図５において、位置を示す横軸は図４の横軸と同じである。図５の温度は、図３において、加速区間から定速区間に切り替わる時点Ｐ２である。
図５に示される通り、表面温度Ｔ２は第１コイル２２１の入口付近までは初期温度２０℃であるが、第１コイル２２１の出口付近では１９０℃程度となる。表面温度Ｔ２は第１コイル２２１の出口付近から第２コイル２２２の入口付近にかけて急激に下がるが、第２コイル２２２の出口側では３００℃まで上昇し、第３コイル２２３の入口付近で降下した後、出口付近で再度３００℃まで上昇し、第４コイル２２４の入口付近で降下した後、出口付近で３４０℃程度まで上昇する。表面温度Ｔ２は第４コイル２２４の出口から徐々に降下し、切断位置では表面温度Ｔ２が３００℃程度となる。
線材Ｗの中心温度ｔ２は、第１コイル２２１で初期温度２０℃から８０℃程度まで上昇し、第２コイル２２２の出口位置で１６０℃程度まで上昇し、さらに、第３コイル２２３の出口で２２０℃程度まで上昇し、第４コイル２２４の出口で２８０℃程度まで上昇し、切断位置では３００℃まで上昇する。
つまり、均熱領域２Ｂの下流端部では、線材Ｗの表面温度と中心温度とが同じになる。

図６には、本実施形態の式に従って加熱コイルの電流が制御された場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴が示されている。
図６において、時間が０（秒）の位置は、開始時点であって、定速区間から減速区間に切り替わった時点である。減速区間は開始時点（０秒）から０．２秒までの０．２秒間続き、速度０区間が０．２秒から１．２秒までの１．０秒間続き、加速区間が１．２秒から１．４秒までの０．２秒間続く。つまり、停止区間は開始時点の０秒から１．４秒まで続き、開始時点から１．４秒後に停止区間から定速区間に切り替わる。
図６において、切断位置の表面温度Ｔ３Ｍは、停止区間の開始から終了まで（開始時点から１．４秒の間）において、３２０℃から３１０℃まで降下し、定速区間に切り替わって１．１秒（開始時点から２．５秒）経過すると、３２０℃まで上昇し、一定となる。
切断位置の中心温度ｔ３Ｍは、停止区間の開始から終了までは、２８０℃程度から３１０℃程度まで上昇し、その後、停止区間から定速区間に切り替わって１．０秒（開始時点から２．４秒）経過すると、２８０℃に一定となる。

次に、停止区間で定速区間と同様な線材の加熱を行った場合について、図７及び図８に基づき説明する。図７には、停止区間で定速区間と同様な線材の加熱を行った場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布が示されている。なお、図７において、位置を示す横軸は図４の横軸と同じである。図７の温度は、図３において、加速区間から定速区間に切り替わる時点Ｐ２でのものである。

図７に示される通り、表面温度Ｔ４は第１コイル２２１の入口付近までは初期温度２０℃であるが、第１コイル２２１の出口付近では６５０℃程度となる。表面温度Ｔ４は第１コイル２２１の出口付近から第２コイル２２２の入口付近にかけて急激に下がるが、第２コイル２２２の出口側では７００℃を超えるまで上昇する。表面温度Ｔ４は、第３コイル２２３の入口付近で降下した後、出口付近で５００℃まで上昇し、さらに、第４コイル２２４の入口付近で降下した後、出口付近で５５０℃程度まで上昇する。第４コイル２２４の出口から開始する均熱領域２Ｂでは表面温度Ｔ４が徐々に降下し、切断位置では表面温度Ｔ４が３１０℃程度となる。一方、第１コイル２２１を通過する線材Ｗの中心温度ｔ４は、第１コイル２２１で初期温度２０℃から１６０℃程度まで上昇し、第２コイル２２２の入口付近で降下した後、第２コイル２２２の出口位置で２５０℃程度まで上昇し、さらに、第３コイル２２３の入口で降下した後、出口で２７０℃程度まで上昇し、第４コイル２２４の入口で降下した後、出口で３１０℃程度まで上昇し、この出口より下流側で若干降下した後、均熱領域２Ｂで上昇して切断位置では３１０℃程度となる。

図８には、停止区間で定速区間と同様な線材の加熱を行った場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴が示されている。
均熱領域２Ｂの下流端部の切断位置の表面温度Ｔ５Ｍは、停止区間から定速区間に切り替わって０．９秒（開始時点から２．３秒）経過後に、開始時点の３２０℃から４８０℃程度まで上昇し、その後、３２０℃まで降下し、さらに、同様の昇降を繰り返す。定速区間に切り替わって２．４秒（開始時点から３．８秒）経過すると、表面温度Ｔ５Ｍは、６１０℃程度まで上昇し、その後、３２０℃まで降下した後、再度、６２０℃まで上昇し、定速区間に切り替わって３．３秒（開始時点から４．７秒）経過した後では、３２０℃程度の一定温度となる。
切断位置の中心温度ｔ５Ｍは、停止区間から定速区間に切り替わって０．９秒経過後、２８０℃から４００℃程度まで上昇し、その後、３００℃まで降下する。定速区間に切り替わって２．４秒（開始時点から３．８秒）経過すると、表面温度ｔ５Ｍは５６０℃程度まで上昇し、その後、２８０℃まで降下し、この昇降を繰り返す。中心温度ｔ５Ｍは、定速区間に切り替わって３．４秒（開始から４．８秒）経過した後では、２８０℃程度の一定温度となる。
このように、切断位置の表面温度Ｔ５Ｍの温度差ΔＴＭは３００℃であり、切断位置の中心温度ｔ５Ｍの温度差ΔｔＭは２８０℃である。つまり、停止区間において、線材Ｗを加熱すると、温度が一定であることが求められる均熱領域２Ｂの下流端部（切断位置）において、表面温度の温度差ΔＴＭが３００℃、中心温度の温度差ΔｔＭが２８０℃という大きな値となり、この状態で、線材Ｗの加工をすると、加工品Ｇの品質が一定しないことになる。

さらに、停止区間で線材の加熱を行わない場合について、図９及び図１０に基づき説明する。
図９には、停止区間で加熱を行わない場合において、停止区間終了時での線材軸方向の温度分布が示されている。なお、図９において、位置を示す横軸は図４の横軸と同じである。図９の温度は、図３において、停止区間から定速区間に切り替わる時点Ｐ２である。
図９に示される通り、表面温度Ｔ６は第１コイル２２１の中間位置までは初期温度２０℃であるが、第２コイル２２２の中間位置では１４０℃程度となり、第２コイル２２２と第３コイル２２３の中間位置では２２０℃まで上昇し、第４コイル２２４の中間位置では２８０℃まで上昇し、さらに、均熱領域２Ｂの途中位置では３２０℃まで上昇して切断位置まで続く。一方、線材Ｗの中心温度ｔ６は、第２コイル２２２の入口で初期温度２０℃から１００℃程度まで上昇し、第２コイル２２２と第３コイル２２３の中間位置では２００℃まで上昇し、さらに、第４コイル２２４の出口では２８０℃まで上昇し、切断位置では３２０℃まで上昇する。

図１０には、停止区間で加熱を行わない場合において、停止区間終了時での加工位置における線材温度の時間履歴が示されている。
図１０では、切断位置の表面温度Ｔ７Ｍは、停止区間の開始から終了まで（開始時点から１．４秒の間）において、３３０℃から３２０℃まで降下し、定速区間に切り替わって０．８秒（開始時点から２．２秒）経過するまでは、２９０℃まで降下し、その後、３１０℃まで上昇する。表面温度Ｔ７Ｍは、昇降を繰り返し、定速区間に切り替わって２．４秒（開始時点から４．８秒）経過した後、３３０℃の一定温度となる。
切断位置の中心温度ｔ７Ｍは、停止区間の開始から終了までは、２８０℃程度から３１０℃程度まで上昇し、その後、昇降を繰り返した後、定速区間に切り替わって３．１秒（開始時点から４．５秒）経過すると、２２０℃に降下し、さらに、定速区間に切り替わって３．４秒（開始時点から４．８秒）経過後、２８０℃に一定となる。
このように、切断位置の表面温度Ｔ７Ｍの温度差ΔＴＭは３０℃であり、切断位置の中心温度ｔ７Ｍの温度差ΔｔＭは６０℃である。つまり、停止区間において、線材Ｗを加熱しないと、温度が一定であることが求められる均熱領域２Ｂの下流端部（切断位置）において、表面温度の温度差ΔＴＭ及び中心温度の温度差ΔｔＭが生じることになり、この状態で、線材Ｗの加工をすると、加工品Ｇの品質が一定しないことになる。

以上の通り、本実施形態にように、停止区間での線材Ｗへの加熱を前述の式に基づいて行う場合では、図８で示される停止区間で定速区間と同じ線材への加熱を実施する場合や、図１０で示される停止区間での線材への加熱を行わない場合に比べると、各位置における時間経過に伴う表面温度及び中心温度の変化が小さい。
即ち、本実施形態では、線材Ｗの切断位置における表面温度Ｔ３Ｍの温度差ΔＴＭは１０℃であり、切断位置における中心温度ｔ３Ｍの温度差ΔｔＭは３０℃である。
停止区間では、前述の式に基づいて線材Ｗを加熱すると、温度が一定であることが求められる均熱領域２Ｂの下流端部（切断位置）において、表面温度の温度差ΔＴＭや中心温度の温度差ΔｔＭが極めて小さな値となる。そのため、この状態で、線材Ｗの加工をすると、加工品Ｇの品質が一定となる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。
例えば、前記実施形態では、加熱コイル２２に供給する電流Ｉを制御する式の中に、待機電流ΔＩを加えたが、本発明では、急速立上りタイプの電源では待機電流ΔＩを当該式から省略するものでもよい。
さらに、第１コイル２２１、第２コイル２２２及び電源２１を有する加熱ユニット２０と、第３コイル２２３、第４コイル２２４及び電源２１を有する加熱ユニット２０とから２つのユニットを構成したが、本発明では、ユニット化せずに１つの電源で複数のコイルに電流を供給するものでもよく、コイルの数も４つに限定されるものではなく、１つ、２つ、３つ、５個以上であってもよい。

前記実施形態では、線材送り速度検出機構４を、線材送り機構１の上流側に配置したが、本発明では、この位置に限定されるものではなく、例えば、誘導加熱機構２の途中、誘導加熱機構２の下流側であってもよい。
さらに、本発明では、線材送り機構１、加工機構３及び線材送り速度検出機構４を省略し、誘導加熱機構２及び制御機構５からなる加熱装置を他の装置と組み合わせるものであってもよい。例えば、線材Ｗの送り速度の変化が予め制御機構５に記憶されているのであれば、線材送り速度検出機構４を省略することができる。
また、本発明では、一定時間若しくは一定間隔の複数回の停止にも対応することができる。

１…線材送り機構、２…誘導加熱機構（加熱装置）、２Ａ…加熱領域、２Ｂ…均熱領域、２１…電源、２２…加熱コイル、２２１…第１コイル、２２２…第２コイル、２２３…第３コイル、２２４…第４コイル、３…加工機構、３１…加工機、３２…切断機、４…線材送り速度検出機構、５…制御機構、Ｑ１…減速区間、Ｑ２…速度０区間、Ｑ３…加速区間

Claims (5)

1. 電源及びこの電源から送られる電流により線材を高周波誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱機構と、
   前記線材の送り速度に基づいて前記加熱コイルに送る電流を制御する制御機構と、を備え、
   前記誘導加熱機構は、前記加熱コイルで前記線材を誘導加熱する加熱領域と、この加熱領域の下流側に設けられ前記加熱コイルで誘導加熱された前記線材を均熱して下流端部の温度を目標温度にする均熱領域とを有し、
   前記制御機構は、前記均熱領域の下流端部での前記線材の温度が前記目標温度となるように前記加熱コイルに供給する電流を制御するものであって、
   前記制御機構は、
   前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、とすると、
   Ｉ＝ｋ×（ｖ ^０．５ ）
   となるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することを特徴とする線材加熱装置。
2. 請求項１に記載された線材加熱装置において、
   前記制御機構は、
   前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、待機電流をΔＩ、とすると、
   Ｉ＝ｋ×（ｖ^０．５）＋ΔＩ
   となるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することを特徴とする線材加熱装置。
3. 請求項１または請求項２に記載された線材加熱装置において、
   前記目標温度は、３００℃以上５００℃以下であることを特徴とする線材加熱装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された線材加熱装置において、
   前記誘導加熱機構で誘導加熱された前記線材を加工する加工機構と、
   前記誘導加熱機構に前記線材を断続的に送る線材送り機構と、
   前記線材送り機構で送られる前記線材の送り速度を検出するとともに検出された線材の送り速度を前記制御機構に送る線材送り速度検出機構と、を備えたことを特徴とする線材加熱装置。
5. 加熱領域にある加熱コイルに線材を送って誘導加熱し、前記加熱領域の下流側に設けられた均熱領域で前記線材を均熱する線材加熱方法であって、
   前記線材を前記加熱コイルに送る送り速度に基づいて、前記均熱領域の下流端部での前記線材の温度が目標温度になるように、前記加熱コイルに送る電流を制御するとともに、
   前記加熱コイルに供給する電流をＩ、前記線材が送られる速度をｖ、比例定数をｋ、とすると、
   Ｉ＝ｋ×（ｖ ^０．５ ）
   となるように、前記加熱コイルに供給する電流を制御することを特徴とする線材加熱方法。

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