JP6124599B2 - 誘導加熱用コイル - Google Patents
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Description
特許文献1に開示されている誘導加熱用コイル90は、概ね図21に示す様な形状をしている。なお、図21では、誘導加熱用コイル90を優先して描写する都合上、ワーク95を二点鎖線で描写している。
誘導加熱用コイル90は、ワーク95の回転軸方向にのびる2つの直線部91a、91bを有している。そして誘導加熱用コイル90では、主としてこの直線部91a、91bを使用してワーク95に誘導電流を励起させる。即ち誘導加熱用コイル90では、回転軸方向にのびる直線部91a、91bが有効作用部である。
即ち誘導加熱用コイル90の有効作用部は、回転軸方向にのびる直線部91a、91bであるから、ワーク95は、側面が線状に昇温される。即ちその誘導加熱用コイル90によって昇温されるのは、誘導加熱用コイル90の直線部91a、91bに対向する部位だけであるから、昇温部位は、ワーク95の側面であって、回転軸方向にのびる線である。
すなわち、特許文献1に開示されているような誘導加熱用コイル90は、回転軸方向にのびる直線部91a、91bを利用してワーク95を昇温させるから、ワーク95の側面の全周を満遍無く昇温させるためには、ワーク95を一定以上の角速度で回転させる必要がある。すなわちワーク95の特定の部位は、ワーク95が一回転するごとに、直線部91a、91bが各一回ずつ近接して昇温する。そのためワーク95を満遍なく昇温させるためには、ワーク95を一定以上の角速度で回転させ、単位時間あたりの直線部91a、91bの近接回数を均一化させる必要がある。
ここで、小径のワークであるならば、一定以上の角速度で回転させることは容易である。即ち小径のワークであるならば、高い回転数(r.p.m.)で回転させることは容易である。
そのため大径のワークを一定以上の角速度(高い回転数)で回転させるには、強い動力が必要な他、回転させる装置に高い剛性が必要である。また大径のワークを一定以上の角速度(高い回転数)で回転させるのは危険を伴う。
そのため特許文献1に開示されているような誘導加熱用コイル90は、大径のワークを加熱するのには向かないと言える。
すなわち本発明は、ワークに近接させてワークに誘導電流を励起させる誘導部を有し、回転軸を中心として回転するワークを誘導加熱してワークを熱処理する誘導加熱用コイルにおいて、前記誘導部は、中間に所定面積を囲む環状構造を形成する外部側環状部と、外部側環状部の内側に配置され中間に所定面積を囲んで環状構造を形成する内部側環状部を有し、外部側環状部と内部側環状部とが電気的に直列接続された構造であり、外部側環状部と内部側環状部は、いずれもワークの回転軸に対して平行方向に沿った軸方向成分と回転方向に沿った周方向成分の少なくともいずれかを備えた複数のラインによって構成されており、前記ラインには、軸方向成分よりも周方向成分の方が多くワークに対して概ね周方向にのびる周方向ラインと、周方向成分よりも軸方向成分の方が多くワークに対して概ね軸方向にのびる軸方向ラインとがあり、誘導加熱用コイルの中心線を前記回転軸の中心線に合致させて誘導加熱用コイルを正面視した際、外部側環状部には環状構造の一部を構成し中心線の左側にある二列の周方向ラインによって左側に突出した外環左突出部があり、且つ外部側環状部には環状構造の一部を構成し外部側環状部の中心線の右側にある二列の周方向ラインによって右側に突出した外環右突出部があり、内部側環状部にも環状構造の一部を構成し中心線の左側にある二列の周方向ラインによって左側に突出した内環左突出部があり、且つ内部側環状部には環状構造の一部を構成し内部側環状部の中心線の右側にある二列の周方向ラインによって右側に突出した内環右突出部があり、中心線の左側にある前記外環左突出部及び前記内環左突出部から成る左突出部の回転軸方向の位置と、中心線の右側にある前記外環右突出部及び前記内環右突出部から成る右突出部の回転軸方向の位置とがずれている誘導加熱用コイルである。
誘導部の内側環状部は、外部側環状部の内側に配置され中間に所定面積を囲んで環状構造を形成する。そして、内環左突出部の二列の周方向ラインには、交流が同期して異なる向きに流れるが、両周方向ラインは、離間して配置されているので、両周方向ラインがワークに励起させる誘導電流は相殺されない。同様に、内環右突出部の二列の周方向ラインも離間して配置されているので、両周方向ラインがワークに励起させる誘導電流は相殺されない。
また、誘導部の外側環状部は、内部環状部の外側に配置されているので、外側環状部の各周方向ラインは、内側環状部の各周方向ラインよりも外側に配置されている。そのため、外側環状部を構成する各周方向ライン同士も離間しており、各周方向ラインによってワークに励起される誘導電流は相殺されない。
また、中心線の左側にある外環左突出部及び内環左突出部から成る左突出部の回転軸方向の位置と、中心線の右側にある外環右突出部及び内環右突出部から成る右突出部の回転軸方向の位置とがずれているので、回転軸を中心に回転するワークの広範囲に渡って、誘導部の各周方向ラインが対向する。そのため、ワークを広範囲に渡って誘導加熱することができる。
さらに、誘導加熱用コイルは、ワークに対して、ワークの半径方向から接近させたり、離間させることができる。そのため、誘導加熱用コイルをワークに近接対向させるのが容易である。
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン
A群
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外下周方向ライン
(4)内下周方向ライン
B
外環左突出部の2列の周方向ラインと、外環右突出部の2列の周方向ラインと、内環左突出部の2列の周方向ラインと、内環右突出部の2列の周方向ライン合計を4で除した長さ。
そこで、請求項6に記載の発明では、ワークの上部又は下部に近接するA群の各周方向ラインの長さを、ワークの中央部付近に近接する各周方向ラインの平均の長さ(Bの長さ)よりも短くした。これにより、ワークの中央部付近の加熱量は、上部及び下部の加熱量よりも多くなる。そのため、当該ワークは、比較的昇温しにくい中央部の加熱量が多く、比較的昇温し易い上部及び下部の加熱量が少ないので、ワークの全領域に渡って、略均一に加熱することが可能である。
ワークの重量が比較的重い場合には、ワークを高速回転させることができない。この場合においても、ワークの回転軸周りに沿う周方向成分が多い各周方向ラインが、各々ワークに近接対向しているので、周方向ラインが対向している間、ワークにおける対向部位に連続して誘導電流を励起させることができる。
また、各周方向ラインは、誘導加熱用コイルの中心線がのびる方向にずれて、各々ワークに近接対向しているので、ワークの広範囲に、誘導電流を励起させることができる。
よって、ワークを、広範囲に渡って良好に誘導加熱することができる。
ワーク40における、回転軸41がのびる方向の両端には、平坦な端部55a、55bが設けられている。また、ワーク40には、端部55a側から端部55b側へ、回転軸41がのびる方向に貫通する貫通孔56が設けられている。貫通孔56によって、ワーク40には内周面40bが形成されている。
ワーク40を熱処理する為の各装置は、ワーク40を支持した状態で回転させる支持装置65(図2)と、ワーク40を誘導加熱するための誘導加熱装置103(図1)に分けられる。
そして回転駆動装置58の上に支持台88が配置されている。支持台88の中心は、回転駆動装置58の回転中心と一致している。
図4は、支持台88に前記したワーク40が支持されている状態を図示している。
即ちワーク40は、ワーク40の端部55bが下に、端部55aが上になる姿勢で支持台88によって支持されている。
まず、前者の載置部材70について説明する。図3(a)に示す様に、載置部材70は、固定部材72と支持部材73によって構成されている。
前者の固定部材72は、上板66の上面71上で起立する板状の部材である。固定部材72の下端は、上板66の上面71に対して一体固着されている。
後者の支持部材73は、セラミックス等の絶縁性を有する素材で構成された細長い四角柱状の部材である。支持部材73は、鉛直姿勢で固定部材72に対してねじ止めされている。そのため支持部材73は、上板66に対して一体的に固定されている。なお支持部材73の上端は、固定部材72の上端よりも上方へ突出している。
図3(a)に示す様に、押圧部材69は、固定部材74、支持部材75、当接部材76等を有している。固定部材74は、上板66の上面71上で起立する板状の部材である。固定部材74には、孔85a、85bが設けられている。固定部材74の下端は、上板66の上面71に対して一体固着されている。
即ちワーク40の端部55b(下端)は、支持台88の上板66の上面71上に均等間隔に配された載置部材70の支持部材73上に載置されている。本実施形態では、載置部材70は、支持台88の円周上の4箇所に設けられている。すなわち、ワーク40は、4箇所に配された載置部材70によって支持されている。換言すると、ワーク40の下端55b(図3(a))が、複数の載置部材70によって、不連続に支持されている。
図1に示す様に、誘導加熱装置103は、内面用誘導加熱装置101と外面用誘導加熱装置102とで構成されている。内面用誘導加熱装置101は、後述の様にワーク40の貫通孔56内に配置されて、ワーク40の内周面40bを誘導加熱するものである。
一方、外面用誘導加熱装置102は、ワーク40の外周面40aに近接配置されて、外周面40aを誘導加熱するものである。以下、誘導加熱装置103の構成を順に説明する。
誘導部3は、ワーク40の周方向(水平方向)に沿うラインと、ワーク40の上下方向に沿うラインによって構成されている。
ワーク40の周方向に沿うラインは、当然に湾曲している。また本実施形態で加熱するワーク40は、樽型であるから、ワーク40の上下方向に沿うラインについても湾曲している。そのため、本実施形態の外面用誘導加熱用コイル1の誘導部3は、直線のラインを持たず、全てのラインが湾曲している。
また各ラインの名称は、次の定義に従う。
(1)誘導部3は、二重の囲みがあって渦巻き形状となっており、その外側の囲いを「外部側環状」と称し、内側の囲いを「内部側環状」と称する。またこれらをそれぞれ「外環」、「内環」と略称する。また単に「外」、「内」と略称する場合もある。
(2)ワークに対して概ね周方向(水平方向)にのびるラインを「周方向ライン」と称し、ワークに対して概ね軸方向にのびるラインを「軸方向ライン」と称する。
(3)各囲みの展開図を概観したとき、左側に突出する部分を「左突出部」と称し、右側に突出する部分を「右突出部」と称する。
(4)各囲みの展開図を概観したとき、上側に突出する部分を「上突出部」と称し、下側に突出する部分を「下突出部」と称する。
(5)各囲みの中で、最も上側にある「周方向ライン」を「上周方向ライン」と称し、最も下側にある「周方向ライン」を「下周方向ライン」と称する。
(6)各囲みの中で、中間にある2本の「周方向ライン」を「中上周方向ライン」「中下周方向ライン」と称する。
(7)各囲みの中で、最も上側にある軸方向ラインを「上軸方向ライン」と称し、最も下側にある軸方向ラインを「下軸方向ライン」と称し、中間にある軸方向ラインを「中軸方向ライン」と称する。
外部側環状部4と内部側環状部5は、電気的に直列に接続されている。誘導部3は、外部側環状部4と内部側環状部5とが、図5(a)に示す様に接続されている。なお実際には、前記した様に全てのラインが湾曲しているから、図5(b)に示す様に、矢印A1方向と矢印A2方向に湾曲している。
本実施形態では、誘導部3を構成するラインは、中空形状である。誘導部3を構成するラインの断面形状の外形は、「周方向ライン」と「軸方向ライン」とで異なり、「周方向ライン」の断面形状は、図9に示す様に円形であり、「軸方向ライン」の断面形状は、図9に示す様に四角形である。
誘導部3は、「周方向ライン」を構成する中空で断面の外形が円形の部材と、「軸方向ライン」を構成する中空で断面の外形が四角形の部材を個別に成形し、これらを順次溶接して環状に繋いだものである。
そして外側上突出部10は、図6に示す様に、外側左上軸方向ライン18と、外側右上軸方向ライン19と、外上周方向ライン20a、20bによって構成されている。
外側左下軸方向ライン21は、外側右下軸方向ライン22よりも長い。
上突出部6(図9)は、外部側環状部4の外側上突出部10と、内部側環状部5の内側上突出部14によって構成されている。
左突出部8(図11)は、外部側環状部4の外側左突出部12と、内部側環状部5の内側左突出部16によって構成されている。
右突出部9(図13)は、外部側環状部4の外側右突出部13と、内部側環状部5の内側右突出部17によって構成されている。
下突出部7(図15)は、外部側環状部4の外側下突出部11と、内部側環状部5の内側下突出部15によって構成されている。
このように、ワーク40の外周面40aは、上部から下部に至るまで広範囲に渡って良好に誘導加熱される。
ワーク59は、回転軸64を有する球面すべり軸受であり、外形が球形である。すなわち、ワーク59の外面59aは球面である。また、ワーク59は、回転軸64を貫通する貫通孔60を有している。貫通孔60によって、ワーク59には、内面59bが形成されている。ワーク59の上端には上端部84aが形成されており、下端には下端部84bが形成されている。上端部84a、下端部84bは、平面である。
球形のワーク59に貫通孔60が設けられた結果、ワーク59のヒートマスは、上端部84a及び下端部84bから中央部に近付くほど大きくなる。そのため、上端部84a及び下端部84bから中央部にかけて外面59aに沿って配置された各周方向ライン同士の中心間隔S1〜S8は、図20に示す様に、ヒートマスが比較的小さい上端部84a及び下端部84bに近付くほど広く、ヒートマスが比較的大きい中央部に近付くほど狭くなるように設定されている。すなわち、端部側の中心間隔S1、S8が最も大きく、中央部に近づくほど徐々に中心間隔が狭くなり、中央部の中心間隔S4、S5が最も小さい。
1a 誘導加熱用コイルの中心線
3 誘導部
4 外部側環状部
5 内部側環状部
10 外側上突出部
11 外側下突出部
12 外側左突出部
13 外側右突出部
14 内側上突出部
15 内側下突出部
16 内側左突出部
17 内側右突出部
18 外側左上軸方向ライン
19 外側右上軸方向ライン
20a、20b 外上周方向ライン
21 外側左下軸方向ライン
22 外側右下軸方向ライン
23 外下周方向ライン
24a、24b 外側左周方向ライン
25 外側左軸方向ライン
26a、26b 外側右周方向ライン
27 外側右軸方向ライン
28 内側左上軸方向ライン
29 内側右上軸方向ライン
30 内上周方向ライン
31 内側左下軸方向ライン
32 内側右下軸方向ライン
33 内下周方向ライン
34a、34b 内側左周方向ライン
35 内側左軸方向ライン
36a、36b 内側右周方向ライン
37 内側右軸方向ライン
40 ワーク
41 ワークの回転軸
A1 周方向成分
A2 軸方向成分
Claims (5)
- ワークに近接させてワークに誘導電流を励起させる誘導部を有し、回転軸を中心として回転するワークを誘導加熱してワークを熱処理する誘導加熱用コイルにおいて、
前記誘導部は、中間に所定面積を囲む環状構造を形成する外部側環状部と、外部側環状部の内側に配置され中間に所定面積を囲んで環状構造を形成する内部側環状部を有し、外部側環状部と内部側環状部とが電気的に直列接続された構造であり、
外部側環状部と内部側環状部は、いずれもワークの回転軸に対して平行方向に沿った軸方向成分と回転方向に沿った周方向成分の少なくともいずれかを備えた複数のラインによって構成されており、
前記ラインには、軸方向成分よりも周方向成分の方が多くワークに対して概ね周方向にのびる周方向ラインと、周方向成分よりも軸方向成分の方が多くワークに対して概ね軸方向にのびる軸方向ラインとがあり、
誘導加熱用コイルの中心線を前記回転軸の中心線に合致させて誘導加熱用コイルを正面視した際、外部側環状部には環状構造の一部を構成し中心線の左側にある二列の周方向ラインによって左側に突出した外環左突出部があり、且つ外部側環状部には環状構造の一部を構成し外部側環状部の中心線の右側にある二列の周方向ラインによって右側に突出した外環右突出部があり、
内部側環状部にも環状構造の一部を構成し中心線の左側にある二列の周方向ラインによって左側に突出した内環左突出部があり、且つ内部側環状部には環状構造の一部を構成し内部側環状部の中心線の右側にある二列の周方向ラインによって右側に突出した内環右突出部があり、
中心線の左側にある前記外環左突出部及び前記内環左突出部から成る左突出部の回転軸方向の位置と、中心線の右側にある前記外環右突出部及び前記内環右突出部から成る右突出部の回転軸方向の位置とがずれており、
誘導加熱用コイルの中心線を前記回転軸の中心線に合致させて誘導加熱用コイルを正面視した際、
外部側環状部には環状構造の一部を構成し外環左突出部よりも上に位置する外左上軸方向ラインと、外環右突出部よりも上に位置する外右上軸方向ラインとによって上側に突出した外環上突出部があり、
外左上軸方向ラインと外右上軸方向ラインは外上周方向ラインによって連結され、
外部側環状部には環状構造の一部を構成し外環左突出部よりも下に位置する外左下軸方向ラインと、外環右突出部よりも下に位置する外右下軸方向ラインとによって下側に突出した外環下突出部があり、
内部側環状部には環状構造の一部を構成し内環左突出部よりも上に位置する内左上軸方向ラインと、内環右突出部よりも上に位置する内右上軸方向ラインとによって上側に突出した内環上突出部があり、
内左上軸方向ラインと内右上軸方向ラインは内上周方向ラインによって連結され、
内部側環状部には環状構造の一部を構成し内環左突出部よりも下に位置する内左下軸方向ラインと、内環右突出部よりも下に位置する内右下軸方向ラインとによって下側に突出した内環下突出部があり、
外左下軸方向ラインと内右下軸方向ラインは内下周方向ラインによって連結され、
内左下軸方向ラインと外右下軸方向ラインは外下周方向ラインによって連結されていることを特徴とする誘導加熱用コイル。 - 誘導加熱用コイルの中心線を前記回転軸の中心線に合致させて誘導加熱用コイルを正面視した際、次の各周方向ラインの一方の端部の中心は略均等に配されており、隣接する各中心間の距離の標準偏差は、各周方向ラインの平均径の30パーセント以下であることを特徴とする請求項1に記載の誘導加熱用コイル。
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン - 誘導加熱用コイルの中心線を前記回転軸の中心線に合致させて誘導加熱用コイルを正面視した際、次の各周方向ラインの一方の端部の中心間の距離は、上部側及び下部側に位置する周方向ライン間の中心間の距離が、中央部に位置する周方向ライン間の中心間の距離よりも長いことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の誘導加熱用コイル。
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン - 誘導加熱用コイルをワークの回転軸を中心として回転させた場合を想定したとき、次の各周方向ラインの一方の端部の中心が通過する回転軌跡は、重ならないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の誘導加熱用コイル。
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外環左突出部の二列の周方向ライン
(4)内環左突出部の二列の周方向ライン
(5)外環右突出部の二列の周方向ライン
(6)内環右突出部の二列の周方向ライン
(7)外下周方向ライン
(8)内下周方向ライン - 誘導加熱用コイルの熱処理の対象たるワークは、中央部の径が両端の径よりも大きいものであり、A群の構成する周方向ラインの各長さは、いずれもBの長さよりも短いことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の誘導加熱用コイル。
A群
(1)外上周方向ライン
(2)内上周方向ライン
(3)外下周方向ライン
(4)内下周方向ライン
B
外環左突出部の2列の周方向ラインと、外環右突出部の2列の周方向ラインと、内環左突出部の2列の周方向ラインと、内環右突出部の2列の周方向ライン合計を4で除した長さ。
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