JP6108613B2 - 誘導加熱装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波焼入装置等の金属熱処理用の誘導加熱装置に関するものである。また本発明は、高周波焼き入れ等の鋼製ワーク（以下 単にワークと略称する場合がある）を熱処理する方法に関するものである。

鋼材を熱処理する方策の一つとして高周波焼入れが知られている。高周波焼入れは、短時間で焼入処理が可能であり、且つ、表面側だけを焼き入れ硬化させることができることから、機械部品の焼き入れに広く活用されている。

高周波焼入装置（誘導加熱装置）１００は、図６の様に高周波発振器２（交流商用電源を含む）やコンデンサ３等からなる電源部５と、変成器６と、誘導加熱コイル８等によって構成されている。そしてこれらの間が導電部材１０，１１で配線され、電源部５で作られた高周波電流が、変成器６で変圧されて誘導加熱コイル８に供給される。
図６に示す高周波焼入装置（誘導加熱装置）１００は、一つの電源部５と、一つの変成器６、一つの誘導加熱コイル８が組み合わされたものである。

特開２０１１−２３３３３９号公報 特開２０１１−５８０５９号公報

丸棒状やレール状のワークの様に、形状が単純なワークは、高周波焼き入れに適している。しかしながら、機械部品や機械製品の形状はまちまちであり、複雑な形状のワークや、肉厚の薄いワーク、面積が広いワークも多い。
この様なワークは、一般的に高周波焼き入れには適さない。特に、幅や高さが一定でなく、凹凸や開口を有するワークは、高周波焼き入れを行い難い。

即ち、複雑な構造のワークを高周波焼き入れするためには、ワークの形状に合致した構造の誘導加熱コイルを製作し、この誘導加熱コイルをワークに近接して行う必要がある。
しかしながら、誘導加熱コイルは、一般にコイルを構成する導体が直列的に接続されたものである。即ち誘導加熱コイルは、コイルを構成する導体が一筆書きのごとくに、直列に繋がっている。そのため複雑なワークに合致する形状の誘導加熱コイルは、導体が入り組み、実質的に作ることができない。

また厚さに変化があったり、凹凸がある場合には、目的の部位を適度に昇温させることが難しい。
即ち厚さの薄い部位は、誘導加熱によって急激に昇温する。これに対して厚さの厚い部位は、比較的温度上昇が緩やかとなる。
即ち誘導加熱コイルは、前記した様にコイルを構成する導体が直列的に接続されたものであるから、コイルのいずれの部位も、流れる電流値は同一である。そのためコイルのいずれの部位も、ワークに与える温度上昇効果が同一であり、薄い部位は急激に昇温し、厚さの厚い部位は所望の温度まで上昇しにくい。

また高周波焼き入れにおいては、誘導加熱コイルとワークとの距離が重要であり、誘導加熱コイルとワークとの距離が近いと、ワークの発熱量が多く、誘導加熱コイルがワークから離れると、ワークの発熱量が減少する。

この問題を解決する方法として、複数の誘導加熱コイルを準備し、電源部５に対して複数の誘導加熱コイルを並列接続することが考えられる。そして並列接続された複数の誘導加熱コイルをワークの熱処理すべき部位に近づけて配置し、電源部５から各誘導加熱コイルに高周波電流を供給してワークの各部を個別に昇温させる。

しかしながらこの方策は、各誘導加熱コイルに対する電流の分配が困難であるという問題がある。
即ち、誘導加熱コイルをワークの各部に近接して配置し、誘導加熱を行うには、各誘導加熱コイルに適量の電流を通電する必要がある。しかしながら、各誘導加熱コイルに供給される電流を調節することは困難である。
例えば、理論的には、各誘導加熱コイルに可変抵抗を取り付け、抵抗値を変えることによってコイルに適量の電流を通電することができる。しかしながら、高周波焼き入れを行うには、各誘導加熱コイルに大電流を通電する必要があるから、可変抵抗が過度に発熱してしまう。そのため可変抵抗によって電流を調節することは困難である。

そこで本発明は、複雑な形状のワークや、肉厚の薄いワーク、面積が広いワークであっても所望の位置を適度に昇温することができる誘導加熱装置を開発することを課題とするものである。
また併せて、本発明は、複雑な形状のワークや、肉厚の薄いワーク、面積が広いワークであっても誘導加熱によって加熱することができる熱処理方法を提案するものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、鋼製ワークに近接して前記鋼製ワークに誘導電流を発生させる誘導加熱コイルを有し、鋼製ワークに発生した誘導電流によって鋼製ワーク自身を発熱させて鋼製ワークに熱処理を施す誘導加熱装置において、一つの鋼製ワークを加熱する複数の誘導加熱コイルを有し、一部又は全部の誘導加熱コイルは、前記鋼製ワークに近接して実質的に鋼製ワークの発熱に寄与する実動部と、実動部を含む誘導加熱コイルの通電距離を変更する通電距離調節部を有し、前記複数の誘導加熱コイルは電気的に並列接続され、複数の誘導加熱コイルに流れる電流を前記通電距離調節部によって調節することが可能であり、前記通電距離調節部は、複数の導体と、前記複数の導体と同時に接触して前記複数の導体を短絡させる短絡部材とを有し、複数の導体の間には空間があり、短絡部材は、前記複数の導体との接触位置を変更可能であり、前記通電距離調節部と前記実動部とが平面視して重なる様に近接した位置関係に配置されていることを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明の誘導加熱装置は、複数の誘導加熱コイルを備えている。そのため、各誘導加熱コイルをワークの適所に近接することができる。
また本発明の誘導加熱装置では、複数の誘導加熱コイルが並列に接続されているが、一部又は全部の誘導加熱コイルは、実動部を含む誘導加熱コイルの通電距離を変更する通電距離調節部を有している。
そのため通電距離調節部を調節することにより、実動部を含む誘導加熱コイルの通電距離が変わり、コイルのインピーダンスが変わる。その結果、コイルに流れる電流を所望の値に変更することができる。

請求項２に記載の発明は、二つの誘導加熱コイルを有し、前記二つの誘導加熱コイルにはそれぞれ一個ずつ実動部があり、一方の誘導加熱コイルにのみ前記通電距離調節部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置である。
通電距離調節部は、複数の導体と、前記複数の導体と同時に接触して前記複数の導体を短絡させる短絡部材とを有し、短絡部材は、前記複数の導体との接触位置を変更可能であり、一又は一群の導体の一部と、他の一又は一群の導体の一部が、実動部に対して直列に接続され、実動部と、一又は一群の導体と、短絡部材と、他の一又は一群の導体とが直列に接続されることとなることが望ましい。

請求項１に記載の発明の誘導加熱装置では、短絡部材を移動させることによって通電距離を変更し、インピーダンスを変えることができる。

請求項３に記載の発明は、二つの誘導加熱コイルを有し、前記通電距離調節部は前記二つの誘導加熱コイルの実動部と平面視して重なる様に近接した位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置である。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導加熱装置を使用して鋼製ワークを熱処理する熱処理方法において、鋼製ワークの所定の位置に一つの誘導加熱コイルの実動部を近接させ、鋼製ワークの他の位置に他の一つの誘導加熱コイルの実動部を近接させ、前記鋼製ワークの複数の箇所を同時に発熱させることを特徴とする熱処理方法である。

本発明によると、形が複雑であったり、厚さが不均一なワークであっても、誘導加熱による熱処理を施すことができる。

本発明によると、形が複雑であったり、厚さが不均一なワークであっても、誘導加熱による熱処理を施すことができる。

本発明の実施形態の誘導加熱装置の概念図である。 鋼製ワークの斜視図である。 本発明の実施形態の誘導加熱装置の斜視図である。 図３の誘導加熱装置の分解斜視図である。 図３の誘導加熱装置の通電距離調節部の分解斜視図である。 従来技術の誘導加熱装置の概念図である。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の誘導加熱装置１は、図１の様に高周波発振器２（交流商用電源を含む）やコンデンサ３等からなる電源部５と、変成器６と、第一誘導加熱コイル２０と第二誘導加熱コイル２１等によって構成されている。
本実施形態では、第一誘導加熱コイル２０と第二誘導加熱コイル２１は、並列に接続されている。即ち、第一誘導加熱コイル２０は、接続端子Ａ，Ｂを有し、第二誘導加熱コイル２１は、接続端子ａ，ｂを有している。
また変成器６は、出力端子Ｃ，Ｄを有している。そして変成器６は、出力端子Ｃが、第一誘導加熱コイル２０の接続端子Ａと、第二誘導加熱コイル２１の接続端子ａに接続されている。
またそして変成器６の出力端子Ｄが、第一誘導加熱コイル２０の接続端子Ｂと、第二誘導加熱コイル２１の接続端子ｂに接続されている。

第一誘導加熱コイル２０と第二誘導加熱コイル２１は、ワーク２３に近接して実質的にワークの発熱に寄与する実動部２５，２６を有し、これら実動部２５，２６が、ワーク２３の異なる部位に近接してワーク２３の各部を発熱させる。

また本実施形態の誘導加熱装置１では、第二誘導加熱コイル２１に通電距離調節部３０が設けられている。
通電距離調節部３０は、二列の導体３１，３２と、短絡部材３３によって構成されている。
そして一方の導体３１の一端側は、第二誘導加熱コイル２１の実動部２６と連通している。導体３１の他端側は、自由端である。
また他方の導体３２の一端側は、第二誘導加熱コイル２１の接続端子ｂと連通している。導体３２の他端側は、自由端である。
二列の導体３１，３２自体は、直接接触していない。

短絡部材３３は、二列の導体３１，３２の双方と接触し、二列の導体３１，３２を電気的に接続するものである。また短絡部材３３は、二列の導体３１，３２に対して接触しつつ摺動可能である。
従って、第二誘導加熱コイル２１の接続端子ａ、実動部２６、導体３１、短絡部材３３、導体３２及び接続端子ｂは、直列接続状態となる。

本実施形態の誘導加熱装置１では、通電距離調節部３０が第二誘導加熱コイル２１の導電経路の一部を構成している。また本実施形態の誘導加熱装置１では、短絡部材３３は、二列の導体３１，３２に対して接触しつつ摺動可能である。従って短絡部材３３を移動させると、導体３１，３２と短絡部材３３との接触位置が変わり、導体３１，３２における導電経路の一部として寄与する部分の長さが変わる。
そのため第二誘導加熱コイル２１のインダクタンスが変わる。その結果、高周波電流を通電した際のインピーダンスが変わり、第二誘導加熱コイル２１に流れる電流値が変わる。

本実施形態の誘導加熱装置１では、ワーク２３を量産的に熱処理する前に、短絡部材３３の適正位置を決める。即ち量産に先立って、ワーク２３のサンプルを試験的に焼き入れし、その際に、サンプルごとに、短絡部材３３の位置を変える。そして最も適切な位置を求める。以後の量産は、当該位置に短絡部材３３を固定して行う。

次に、より実用に近い実施形態を第二実施形態として説明する。
図２は、高周波焼き入れを実施する鋼製のワーク４０を図示している。
ワーク４０は、平面形状があたかもブーメランの如くに湾曲している。また中央と両端の近傍に開口４１，４２，４３がある。さらに中央に溝４５がある。

本第二実施形態の誘導加熱装置４８においても、第一誘導加熱コイル５０と第二誘導加熱コイル５１を有している。
第一誘導加熱コイル５０は、ワンターンコイルであり、実動部５３の平面形状は、図３の様に湾曲している。第一誘導加熱コイル５０は、接続端子Ａ，Ｂを有している。
なお本実施形態では、第一誘導加熱コイル５０の実動部５３は、図３の様にワーク４０の上面側であって、外側の曲面８０に近い部位に配される。
第二誘導加熱コイル５１についてもワンターンコイルであり、実動部５５の平面形状は、図４の様に湾曲している。第二誘導加熱コイル５１は、接続端子ａ，ｂを有している。
なお本実施形態では、第二誘導加熱コイル５１の実動部５５は、図３の様にワーク４０の上面側であって、内側の曲面８１に近い部位に配される。

また本実施形態の誘導加熱装置４８では、第二誘導加熱コイル５１に通電距離調節部６０が設けられている。
通電距離調節部６０は、二列の導体６１，６２と、短絡部材６３及びスペーサ６５によって構成されている。
導体６１，６２は、いずれも断面形状が長方形のバーである。即ち導体６１，６２は、いずれも短冊状である。導体６１，６２には、中央に長手方向に延びるスリット６６，６７が設けられている。
短絡部材６３は、銅等の導電性の高い素材で作られたものであり、断面形状が長方形のブロックである。短絡部材６３には貫通孔６８（図５）が設けられている。
スペーサ６５は、絶縁体のブロックである。

通電距離調節部６０は、二列の導体６１，６２が対向して配され、両者の端部にスペーサ６５が介在されている。従って、二列の導体６１，６２は、平行に配され、両者の間に空間がある。
そして当該空間に短絡部材６３が摺動可能に配されている。そして導体６１，６２のスリット６６，６７及び短絡部材６３の貫通孔６８にボルト・ナット７０が挿通されている。

前記した通電距離調節部６０の一方の導体６２の端部（スペーサ６５が無い側）は、第二誘導加熱コイル５１の実動部５５と連通している。
また他方の導体６１の端部（スペーサ６５が無い側）には、接続端子ｂが設けられている。なお接続端子ｂは、第二誘導加熱コイル５１全体の端子として機能する。
本実施形態においても、第二誘導加熱コイル５１の接続端子ａ、実動部５５、導体６２、短絡部材６３、導体６１及び接続端子ｂは、直列接続状態となる。
そして先の実施形態と同様に、出力端子Ｃが、第一誘導加熱コイル５０の接続端子Ａと、第二誘導加熱コイル５１の接続端子ａに接続されている。
またそして変成器６の出力端子Ｄが、第一誘導加熱コイル５０の接続端子Ｂと、第二誘導加熱コイル５１の接続端子ｂに接続されている。

本第二実施形態の誘導加熱装置４８についても、短絡部材６３は、二列の導体６１，６２に対して接触しつつ摺動可能である。従ってボルト・ナット７０を緩めて、短絡部材６３を移動させると、導体６１，６２と短絡部材６３との接触位置が変わる。またボルト・ナット７０を締めつけると、二列の導体６１，６２の間が短絡部材６３を介して締めつけられ、抵抗が下がって導通が確保される。
本第二実施形態の誘導加熱装置４８についても、短絡部材６３を移動させることによって第二誘導加熱コイル５１のインダクタンスが変わる。その結果、高周波電流を通電した際のインピーダンスが変わり、第二誘導加熱コイル５１に流れる電流値が変わる。

以上説明した実施形態では、ブーメラン状のワーク４０を例にとって説明したが、ワークの形状は任意である。また上記した実施形態では、誘導加熱コイルを２基使用したが、２基以上の誘導加熱コイルを使用してもよい。また上記した実施形態では、一方の誘導加熱コイル２１，５１にのみ通電距離調節部３０，６０を設けたが、複数の誘導加熱コイルに通電距離調節部３０，６０を設けてもよい。

１ 誘導加熱装置
２ 高周波発振器
５ 電源部
６ 変成器
２０ 第一誘導加熱コイル
２１ 第二誘導加熱コイル
２３ ワーク（鋼製ワーク）
２５，２６ 実動部
３０ 通電距離調節部
３１，３２ 導体
３３ 短絡部材
４０ ワーク
４８ 誘導加熱装置
５０ 第一誘導加熱コイル
５１ 第二誘導加熱コイル
５３，５５ 実動部
６０ 通電距離調節部
６１，６２ 導体
６５ スペーサ
６６，６７ スリット
Ａ，Ｂ 接続端子
ａ，ｂ 接続端子
Ｃ，Ｄ 出力端子

Claims (4)

1. 鋼製ワークに近接して前記鋼製ワークに誘導電流を発生させる誘導加熱コイルを有し、鋼製ワークに発生した誘導電流によって鋼製ワーク自身を発熱させて鋼製ワークに熱処理を施す誘導加熱装置において、
   一つの鋼製ワークを加熱する複数の誘導加熱コイルを有し、一部又は全部の誘導加熱コイルは、前記鋼製ワークに近接して実質的に鋼製ワークの発熱に寄与する実動部と、実動部を含む誘導加熱コイルの通電距離を変更する通電距離調節部を有し、
   前記複数の誘導加熱コイルは電気的に並列接続され、複数の誘導加熱コイルに流れる電流を前記通電距離調節部によって調節することが可能であり、
   前記通電距離調節部は、複数の導体と、前記複数の導体と同時に接触して前記複数の導体を短絡させる短絡部材とを有し、複数の導体の間には空間があり、短絡部材は、前記複数の導体との接触位置を変更可能であり、
   前記通電距離調節部と前記実動部とが平面視して重なる様に近接した位置関係に配置されていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 二つの誘導加熱コイルを有し、前記二つの誘導加熱コイルにはそれぞれ一個ずつ実動部があり、一方の誘導加熱コイルにのみ前記通電距離調節部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 二つの誘導加熱コイルを有し、前記通電距離調節部は前記二つの誘導加熱コイルの実動部と平面視して重なる様に近接した位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導加熱装置を使用して鋼製ワークを熱処理する熱処理方法において、鋼製ワークの所定の位置に一つの誘導加熱コイルの実動部を近接させ、鋼製ワークの他の位置に他の一つの誘導加熱コイルの実動部を近接させ、前記鋼製ワークの複数の箇所を同時に発熱させることを特徴とする熱処理方法。

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