JP6179022B2 - 加熱コイル及び連続加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄肉立体形状のワークにその長手方向に連続して設定された被加熱領域を加熱するための加熱コイルと、この加熱コイルを用いた連続加熱装置と、に関する。

従来より、加熱コイルを用いた誘導加熱技術は熱処理等に多用されている。薄肉部材のワークを熱処理する際にも加熱コイルを用いた誘導加熱は利用されている（例えば下記特許文献１）。
ところが、薄肉で立体形状を有するワーク部材の一部を加熱する場合には、例えばヒーターやバーナー等の加熱手段を利用して加熱しており、誘導加熱技術は利用されていなかった。

特開２００８−２４０１１４号公報

誘導加熱を利用して薄肉で立体形状を有するワークを加熱すると、加熱時における部材の変形が大きいため、加熱コイルがワークと接触する可能性があった。またワークの変形が大きいことで所定温度範囲内に安定して加熱することが容易でなく、加熱効率も大幅に低下することがあった。さらに加熱コイルの劣化が起こり易くて長時間連続して加熱できないなどの問題点もあった。

即ち、薄肉立体形状のワークの一部を加熱すると変形が大きいため、加熱コイルとワークとのギャップを近接させて精度よく一定に保つことが困難である。そのため、加熱コイルとワークとのギャップを離間させるとすれば、加熱効率が低下する上、通電時にワークではなく、加熱コイルに装着したコアが誘導加熱されてしまい、加熱コイルがコアの発熱により劣化する。その結果、薄肉立体形状のワークを長時間連続して加熱することができなかった。

そこで本発明では、薄肉立体形状のワークでも長時間連続して加熱でき、しかも加熱効率を向上できる加熱コイルを提供することを第１の目的とし、この加熱コイルを用いた連続加熱装置を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成する本発明の加熱コイルは、長手方向に連続した被加熱領域を有する薄肉立体形状のワークを長手方向に移動させつつ被加熱領域を誘導加熱するための加熱コイルであって、ワークの長手方向に延びる複数の長手部と、複数の長手部を直列に連結する複数の連結部と、を備え、複数の長手部は、ワークの表面の一部に長手方向に連続して設定された被加熱領域に対向配置されて通電時に同じ向きに電流が流れる複数の第１長手部と、第１長手部から離間して配置され、通電時に第１長手部とは逆向きに電流が流れ、被加熱領域に隣接して長手方向に延びる隣接領域に対向配置された第２長手部と、を有する。

本発明の加熱コイルでは、複数の長手部はその周囲にコアが装着されないコアレス状態で配置されているのが好適である。
この加熱コイルでは、隣り合う第１長手部同士が、各第１長手部により加熱された所定温度範囲の昇温領域が連続するように互いに近接配置されていてもよい。
またワークが角部を有し、第１長手部と第２長手部とは角部を介して配置されているのがよい。

本発明の連続加熱装置は、薄肉立体形状のワークを一方向に移動させる搬送手段と、上記のような加熱コイルと、を備えている。

本発明の加熱コイル及び連続加熱装置によれば、複数の長手部が直列に連結されて長手方向に延びているため、加熱コイルに通電してワークを長手方向に沿って相対移動させれば、長手方向に連続するワークの被加熱領域に各長手部を長い距離で対向させることができるので、充分に加熱し易い。そのため、加熱コイルとワークとのギャップを大きくすることが可能である。
その際、ワークの被加熱領域に対向配置される複数の第１長手部に同じ向きに電流が流れるため、各第１長手部により生じる磁場が打ち消し合うことがなく、加熱効率を向上できる。また、加熱コイルの第１長手部と逆向きに電流が流れる第２長手部が、第１長手部から離間して配置されているので、加熱効率が低下し難い。

そのため、通電時に加熱コイルの複数の長手部及び連結部が加熱され難く、長時間連続して使用することができる。また、加熱コイルとワークとのギャップを大きくできるため、薄肉立体形状のワークの一部を加熱した際に大きな変形が生じても、コイルとワークとが接触することを防止でき、薄肉立体形状のワークを長時間、連続して加熱することが可能である。
その結果、薄肉立体形状のワークを長時間連続して加熱でき、しかも加熱効率を向上できる加熱コイルと、そのような加熱コイルを用いた連続加熱装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態における連続加熱装置を示す部分正面図である。 本発明の実施形態における連続加熱装置を示す側面図である。 本発明の実施形態における加熱コイルの底面図である。 本発明の実施形態における加熱コイルを模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態において、加熱コイルの互いに隣接配置された長手部により加熱される領域を模式的に示した説明図である。 本発明の実施形態における加熱対象のワーク及び連続加熱装置の要部を示す断面図である。 本発明の実施形態における連続加熱装置の変形例を説明する図であり、加熱コイルの複数の長手部の配置を示している。 本発明の実施形態における連続加熱装置の他の変形例を説明する図であり、加熱コイルの複数の長手部の配置を示している。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
加熱対象のワークは、薄肉立体形状を有し、誘導加熱可能な被加熱領域が長手方向に連続して設けられたものである。
この実施形態のワークＷは、図６に示すように、長方形の断面形状が長手方向に連続した形状を有する中空の金属製薄肉部材である。このワークＷには、２つの角部近傍の表面の一部に、長手方向に連続した帯状の被加熱領域Ｗｈが一対設定されている。

ワークＷの被加熱領域Ｗｈの用途や加熱目的は特に限定されず、例えば焼戻し等の熱処理、各種の加熱加工、付着物質の加熱処理などであってもよい。この実施形態では、被加熱領域Ｗｈを後工程で必要な温度とするために、例えば１００℃〜８００℃の温度に加熱する。

このようなワークＷの被加熱領域Ｗｈを加熱するための連続加熱装置１０は、図１及び図６に示すように、ワークＷを長手方向に移動させる搬送手段１１と、移動するワークＷに対向配置される加熱コイル２０と、を備えている。この実施形態では、一対の被加熱領域Ｗｈを加熱するために、互いに勝手反対の一対の加熱コイル２０を備えている。
搬送手段１１は、複数のワークＷを順次載置して長手方向に沿って略一定速度で移動可能に構成されており、例えば駆動ローラ等を備えている。

各加熱コイル２０は、図１乃至図３に示すように、ワークＷの長手方向に沿って配置される複数の長手部２１と、複数の長手部２１間を直列に連結する複数の連結部２３と、直列に連結された長手部２１及び連結部２３に電力を導くリード部２５と、を備えている。図４に示すように、この加熱コイル２０では、一方のリード部２５から他方のリード部２５まで分岐なく各部が一連に連続している。

本実施形態の複数の長手部２１及び連結部２３は、略同一の断面形状を有する中空角材等により形成されており、内部に冷却液が通液可能となっている。各部は一体に接合されており、一対のリード部２５の端部に設けられた図示しない取付部により装置本体に固定されている。

複数の長手部２１は、通電時に同じ向きに電流が流れる複数の第１長手部２１ａと、第１長手部２１ａと離間して配置され通電時に第１長手部２１ａとは逆向きに電流が流れる第２長手部２１ｂと、を有する。

複数の第１長手部２１ａは、搬送手段１１により搬送されるワークＷの被加熱領域Ｗｈに対向するように配置されている。これらの第１長手部２１ａは、何れも搬送手段の搬送方向と略平行に配置されている。複数の第１長手部２１ａが互いに隣り合うように配置されることで、第１長手部２１ａの間に第２長手部２１ｂが配置されていない。

第１長手部２１ａ間の間隔は、ワークＷの被加熱領域Ｗｈの広さ、第１長手部２１ａの大きさ、数などに応じて適宜設定できる。この実施形態では、隣り合う第１長手部２１ａ同士の間隔は、各第１長手部２１ａにより加熱された所定温度範囲の昇温領域が連続するように互いに近接配置されている。ここで、所定温度範囲は加熱後のワークＷの被加熱領域Ｗｈの許容温度範囲である。

例えば図５（ａ）のように、隣り合う第１長手部２１ａ同士を離間させて配置した場合には、所定温度範囲の昇温領域Ｗｈａが各第１長手部２１ａに対応する２つの部分となる。
ところが本実施形態では、図５（ｂ）のように、第１長手部２１ａ同士を近接配置しているため、所定温度範囲の昇温領域Ｗｈａが各第１長手部２１ａに対応する部分に加えて第１長手部２１ａ間の部分も含められる。

これらの複数の第１長手部２１ａとワークＷの被加熱領域Ｗｈとの間のギャップは適宜設定可能であるが、この実施形態では複数の第１長手部２１ａが、何れもワークＷの被加熱領域Ｗｈとの間のギャップが略等しくなるように配置されている。
この第１長手部２１ａと被加熱領域Ｗｈとの間のギャップは、連続して搬送されるワークＷと加熱コイル２０とが接触したり衝突したりしないように広くするのがよく、例えば２ｍｍ以上、更には５ｍｍ以上としてもよい。

一方、複数の第２長手部２１ｂは、ワークＷの被加熱領域Ｗｈの両側に隣接して長手方向に延びる隣接領域Ｗｓを加熱するように搬送されるワークＷの隣接領域Ｗｓに対向する位置に配置されている。複数の第２長手部２１ｂは何れも搬送手段の搬送方向と略平行に配置されている。

この実施形態では、加熱コイル２０の各第２長手部２１ｂは第１長手部から離間して配置されている。ここでは図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）と同程度に第２長手部２１ｂを第１長手部と近接させると、第２長手部２１ｂと第１長手部とで生じる磁場が互いに打ち消されて、各長手部２１ａ，２１ｂで生じるワークＷの昇温領域Ｗｈａ，Ｗｈｂが小さくなる。そのため、各第２長手部２１ｂを第１長手部から、例えば複数の第１長手部２１ａ間の間隔よりも離間させて、各長手部２１で生じる磁場が打ち消されて加熱効率が低下するのを防止できる程度にしている。
なお、加熱コイル２０の複数の第２長手部２１ｂとワークＷの隣接領域Ｗｓとの間のギャップは、各第１長手部２１ａと被加熱領域Ｗｈとの間のギャップと同等としている。

本実施形態の加熱コイル２０における複数の長手部２１は、周囲にコアが装着されないコアレス状態で配置されている。コアレス状態とは、加熱コイル２０の長手部２１の周囲に、長手部２１により形成される磁束を集中させるためのコアを装着しない状態である。

各種の部材を高温に誘導加熱する場合、加熱コイル２０の周囲にコアを装着することで、加熱時に磁束を集中させて加熱効率を向上できる。ところが、薄板立体形状のワークＷでは、装置に導入されるワークＷの形状に誤差が存在する場合が多く、また加熱時にワークＷの変形が生じ易い。特にワークＷの一部を加熱する場合には大きな変形が生じ易い。そのため、形状の誤差や大きな変形が生じても加熱できるように、加熱コイル２０とワークＷとのギャップを大きく設けるとすれば、コアが加熱されてコア自体や加熱コイルが熱により劣化が生じる。そこでこの実施形態では、複数の長手部２１をコアレス状態で配置する。

このような連続加熱装置１０の動作について説明すると、まず一対の勝手反対の加熱コイル２０を連続加熱装置１０の所定位置に固定し、電力を常時給電しておく。この状態で複数のワークＷを順次搬送手段１１により載置して長手方向に沿って略一定速度で移動させる。
するとワークＷの被加熱領域Ｗｈが、加熱コイル２０の複数の第１長手部２１ａと対向する位置を通過することで、被加熱領域Ｗｈが所定温度範囲に加熱される。これと同時に、ワークＷの隣接領域Ｗｓが複数の第２長手部２１ｂと対向する位置を通過することで、隣接領域Ｗｓが所定温度範囲に加熱される。
そしてワークＷを順次供給することで、長時間連続して多数のワークＷを加熱処理することが行われる。

以上のような加熱コイル２０を用いた連続加熱装置１０によれば、複数の長手部２１が直列に連結されて長手方向に延びているため、加熱コイルに通電してワークＷを長手方向に沿って相対移動させれば、長手方向に連続する被加熱領域Ｗｈに各長手部２１ａ，２１ｂを長い距離で対向させることができるので、充分に加熱できる。そのため加熱コイル２０とワークＷとのギャップを大きくできる。

その際、ワークＷの被加熱領域Ｗｈに対向配置される複数の第１長手部２１ａに同じ向きに電流が流れるため、各第１長手部２１ａにより生じる磁場が打消し合うことがなく、加熱効率を向上できる。また第１長手部２１ａと逆向きに電流が流れる第２長手部２１ｂが第１長手部２１ａから離間して配置されているので、加熱効率を低下し難い。

そのため、通電時に複数の長手部２１及び連結部２３が加熱され難く、長時間連続して使用することができる。また加熱コイル２０とワークＷとのギャップを大きくできるため、薄肉立体形状のワークＷの一部を加熱した際に大きな変形が生じても、加熱コイル２０とワークＷとが接触するようなことを防止でき、薄肉立体形状のワークＷを長時間連続して加熱することができる。

また複数の第１長手部２１ａ及び第２長手部２１ｂが直列に連結され、通電時に逆方向に電流が流れることで逆位相となるため、互いに略平行に配置された第１長手部２１ａと第２長手部２１ｂとの間隔を調整することで、昇温領域の幅を容易に調整することができる。
例えば、第１長手部２１ａに対してワークＷの角部を介して配置される第２長手部２１ｂの相対位置をワークＷに応じて調整することにより、第１長手部２１ａ及び第２長手部２１ｂの昇温領域の幅を狭くし、各昇温領域にワークＷの角部が含まれないようにすることも可能である。これにより、ワークＷの角部の過加熱を防止しつつ、被加熱領域Ｗｈの加熱温度を上昇させることもできる。

この実施形態の加熱コイル２０では、複数の長手部２１を周囲にコアが装着されないコアレス状態で配置されているので、加熱コイル２０とワークＷとの間の間隔を広くしてもコアが加熱されてコア自体や加熱コイル２０が劣化するようなことがない。そのため、ワークＷと加熱コイル２０との間のギャップを大きく設けることが可能で、ワークＷの形状にバラツキが存在したり、加熱時の変形が大きく生じたりしても、ワークＷと加熱コイル２０とが衝突したり接触したりするのを防止できる。その結果、薄肉立体形状のワークＷを長手方向に移動させつつ長時間連続して加熱することが可能である。

この実施形態の加熱コイル２０では、隣り合う第１長手部２１ａ同士が互いに近接配置されているので、各第１長手部２１ａ間の磁束密度を高めることができる。そのため、各第１長手部２１ａの対向する領域を昇温するだけでなく、各第１長手部２１ａの対向する領域間の領域も昇温できる。
このように、各第１長手部２１ａにより加熱されたワークＷの所定温度範囲の昇温領域Ｗｈａを連続させれば、隣り合う第１長手部２１ａにより所定温度範囲に加熱される昇温領域Ｗｈａを広げて、発熱量及び加熱効率を向上することができる。
その結果、加熱コイル２０の第１長手部２１ａ同士を互いに近接配置することで、コアを配置していない開放状態であっても、コアを配置した場合と同程度の加熱効率を得ることが可能である。

この実施形態の加熱コイル２０よれば、第２長手部２１ｂが被加熱領域Ｗｈに隣接して長手方向に延びる隣接領域Ｗｓに対向可能に配置されているので、第２長手部２１ｂにより隣接領域Ｗｓを加熱できる。これにより、ワークＷの被加熱領域Ｗｈから隣接領域Ｗｓへの伝熱で被加熱領域Ｗｈの温度が低下することを防止でき、所定温度範囲を保ち易くできる。

なお上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。例えば上記実施形態では、複数の第１長手部２１ａを互いに近接配置した例について説明したが、被加熱領域Ｗｈの幅が広い場合には、互いに離間させて配置しても本発明を適用することは可能である。

上記実施形態では、加熱対象のワークＷとして、長方形の断面形状が連続した中空部材を加熱したが、ワークＷの形状は長手方向に連続した被加熱領域を有する薄肉立体形状であれば特に限定されるものではない。
例えば長手方向と直交する断面形状が、図７に示すような矩形のワークＷでもよい。その場合、図中の頂面をワークＷの被加熱領域Ｗｈとして設定したとすると、加熱コイル２０にはその頂面に対向配置可能な一対の第１長手部２１ａを設ける。また頂面と隣接するワークＷの左右の側面の頂面側を隣接領域Ｗｓとして設定し、各隣接領域Ｗｓに対向配置して第２長手部２１ｂをそれぞれ設けることで、上記実施形態と同様に本発明を適用することができる。

また、長手方向と直交する断面形状が、図８に示すような略Ｃ字形状のワークＷで内側端が内部側に折り曲げ整形されているものであってもよい。その場合、ワークＷの略Ｃ字形状の両端側における図中の頂面を被加熱領域Ｗｈとして設定し、ワークＷの両側面及び内側端面を隣接領域Ｗｓとして設定する。そして、加熱コイル２０には、頂面に対向配置可能な一対の第１長手部２１ａを設ける。またワークＷの頂面と隣接する左右の側面の頂面側には隣接領域Ｗｓとして設定し、各隣接領域Ｗｓに近接配置される第２長手部２１ｂをそれぞれ設ければよい。
さらに、長手方向と直交するワークＷの断面形状が円形、楕円形、略コ字状、略Ｌ字状、略Ｈ字状、各種の異形形状などであっても、何ら制限されることなく本発明を同様に適用することができる。

上記実施形態では、加熱コイル２０に長手部２１を４本設けた例について説明したが、第１長手部２１ａ及び第２長手部２１ｂの数は特に限定されない。その場合であっても、ワークＷの被加熱領域Ｗｈに第１長手部２１を複数並べて配置するのが好適である。

Ｗ ワーク
Ｗｈ 被加熱領域
Ｗｈａ 昇温領域
Ｗｓ 隣接領域
１０ 連続加熱装置
１１ 搬送手段
１２ 駆動ローラ
２０ 加熱コイル
２１ 長手部
２１ａ 第１長手部
２１ｂ 第２長手部
２３ 連結部
２５ リード部

Claims (5)

1. 長手方向に連続した被加熱領域を有する薄肉立体形状のワークを前記長手方向に移動させつつ前記被加熱領域を誘導加熱するための加熱コイルであって、
   前記ワークの長手方向に延びる複数の長手部と、該複数の長手部を直列に連結する複数の連結部と、を備え、
   前記複数の長手部は、前記ワークの表面の一部に長手方向に連続して設定された前記被加熱領域に対向配置されて通電時に同じ向きに電流が流れる複数の第１長手部と、該第１長手部から離間して配置され、通電時に該第１長手部とは逆向きに電流が流れ、前記被加熱領域に隣接して長手方向に延びる隣接領域に対向配置された第２長手部と、を有する、加熱コイル。
2. 前記複数の長手部は、その周囲にコアが装着されないコアレス状態で配置されている、請求項１に記載の加熱コイル。
3. 前記各第１長手部により加熱された前記ワークの所定温度範囲の昇温領域が互いに連続するように、隣り合う上記第１長手部同士が近接配置されている、請求項１又は２に記載の加熱コイル。
4. 前記ワークは角部を有し、前記第１長手部と前記第２長手部とは前記角部を介して配置されている、請求項１に記載の加熱コイル。
5. 薄肉立体形状の前記ワークを一方向に移動させる搬送手段と、請求項１乃至４の何れかに記載の加熱コイルと、を備えた連続加熱装置。

Images