JP6299693B2 - 通電加熱装置（方法） - Google Patents

Description

本発明は、被加熱材を通電加熱する加熱装置（方法）に関するものである。

被加熱材に所定の距離を置いて一対の電極を接触させ、該電極間に電流を供給することで被加熱材を通電加熱する通電加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この通電加熱装置は、被加熱材の断面積に応じて、被加熱材の領域毎に通電加熱時間を調整することで、その通電加熱時の温度ムラを低減している。

特開２０１４−０３１５６６号公報

上記通電加熱装置において、事前に低温になると予測できる、例えば、断面積が大きい領域や幅方向端部などの領域に対しては、通電加熱時間を調整し温度ムラをある程度低減できる。しなしながら、事前に低温になると予測できない領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる領域、に対しては、通電加熱時間の調整ができず、被加熱材の温度ムラが発生する虞がある。
なお、仮に、通電加熱とは別に補助加熱手段を用いて被加熱材の補助加熱を行う場合でも、低温となる領域が分からないまま、補助加熱を行えば、かえって、この補助加熱により被加熱材の部分あるいは全体の過剰加熱となる虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、事前に低温になると予測できない被加熱材の領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる被加熱材の領域、に対しても適切に加熱を行い被加熱材の温度ムラを修正できる通電加熱装置（方法）を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、被加熱材に所定の距離を置いて複数の電極を接触させ、該電極間に電流を供給することで前記被加熱材を通電加熱する通電加熱装置であって、前記被加熱材の複数の領域の温度情報を検出する温度検出手段と、前記被加熱材の各領域を加熱する補助加熱手段と、前記被加熱材の加熱を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記通電加熱中において、前記温度検出手段により検出された被加熱材の各領域の温度に基づいて、該各領域の中で最も温度が高い領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して加熱を行うように、前記補助加熱手段を制御する、ことを特徴とする通電加熱装置である。
この一態様において、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度が、予め設定された前記被加熱材の目標温度に達したとき、前記通電加熱を停止させてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度との差が第１閾値以上となる領域に対して、加熱を行うように、前記補助加熱手段を制御してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度との差が第１閾値以上となる領域に対して、加熱を行い、該領域の温度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値未満になると該加熱を停止するように、前記補助加熱手段を制御してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、被加熱材に所定の距離を置いて複数の電極を接触させ、該電極間に電流を供給することで前記被加熱材を通電加熱する通電加熱方法であって、前記被加熱材の複数の領域の温度情報を検出するステップと、前記通電加熱中において、前記検出された被加熱材の各領域の温度に基づいて、該各領域の中で最も温度が高い領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して補助加熱を行うステップと、を含むことを特徴とする通電加熱方法であってもよい。

本発明によれば、事前に低温になると予測できない被加熱材の領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる被加熱材の領域、に対しても適切に加熱を行い被加熱材の温度ムラを修正できる通電加熱装置（方法）を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る通電加熱装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る通電加熱方法の処理フローの一例を示すフローチャートである。 温度差（Ｔmax−Ｔ）と第１乃至第３補助加熱器の加熱時間との関係情報の一例を示す図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施形態１に係る通電加熱装置は、例えば、板状金属材料（自動車構造物等）などの被加熱材に通電を行い、直接加熱を行うことで、被加熱材の熱処理を行う。

図１は本実施形態１に係る通電加熱装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る通電加熱装置１は、一対の正及び負電極２と、各正及び負電極２に電力を供給する電力供給部３と、被加熱材Ｘの複数の領域の温度情報を検出する第１乃至第３温度センサ４、５、６と、被加熱材Ｘの各領域を加熱する第１乃至第３補助加熱器７、８、９と、電力供給部３及び第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する制御装置１０と、を備えている。

正及び負電極２は、板状の被加熱材Ｘに所定の距離を置いて接触する。なお、本実施形態１において、一対の正及び負電極２が設けられる構成であるが、これに限定されない。例えば、正及び負電極２は、２対あるいは３対以上設けられる構成であってもよい。また、被加熱材Ｘの形状も板状に限定されず、例えば、円柱状、角柱状であってもよい。

電力供給部３は、正及び負電極２間に電流を供給することで被加熱材Ｘを通電加熱する。電力供給部３は、例えば、バッテリーなどの電源で構成されている。
第１乃至第３温度センサ４、５、６は、温度検出手段の一具体例である。第１乃至第３温度センサ４、５、６は、被加熱材Ｘにおける所定の領域の温度を夫々検出する。ここで、所定の領域とは、例えば、第１乃至第３温度センサ４、５、６が温度を検出する被加熱材Ｘ上の点から温度が変化しない（あるいは温度変化量が閾値以内の）所定範囲以内の領域を指すものとする。第１乃至第３温度センサ４、５、６は、例えば、放射温度計である。

例えば、第１乃至第３温度センサ４、５、６は被加熱材Ｘに長手方向に沿って配置されている。第１温度センサ４は、被加熱材Ｘの略左側（図１において上側）に配置され、被加熱材Ｘの第１領域の温度を検出する。第２温度センサ５は、被加熱材Ｘの略中央に配置され、被加熱材Ｘの第２領域の温度を検出する。第３温度センサ６は、被加熱材Ｘの略右側に配置され、被加熱材Ｘの第３領域の温度を検出する。第１乃至第３温度センサ４、５、６は、検出した各領域の温度を制御装置１０に出力する。

なお、１つ、２つ、あるいは、４つ以上の温度センサが配置されていてもよく、配置される温度センサの数は任意でよい。温度センサをより多く配置することで、被加熱材Ｘの低温領域をより精緻に検出できる。また、温度センサの配置は、被加熱材Ｘの各領域を適切に検出できれば任意でよい。

第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、補助加熱手段の一具体例である。第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、被加熱材Ｘにおける所定の領域を夫々加熱する。第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、例えば、近赤外線ヒーター、遠赤外線ヒーターである。

例えば、第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、被加熱材に長手方向に沿って配置されている。第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、第１乃至第３温度センサ４、５、６に対応した位置に設けられている。すなわち、第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、第１乃至第３温度センサ４、５、６が検出する各領域を夫々加熱する。第１補助加熱器７は、被加熱材Ｘの略左側に配置され、被加熱材Ｘの第１領域を加熱する。第２補助加熱器８は、被加熱材Ｘの略中央に配置され、被加熱材Ｘの第２領域を加熱する。第３補助加熱器９は、被加熱材Ｘの略右側に配置され、被加熱材Ｘの第３領域を加熱する。第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、制御装置１０からの制御信号に応じて、被加熱材Ｘの各領域を加熱する。

なお、１つ、２つ、あるいは、４つ以上の補助加熱器が配置されていてもよく、配置される補助加熱器の数は任意でよい。補助加熱器をより多く配置することで、被加熱材Ｘの低温領域をより精緻に加熱でき、温度ムラをより高精度に低減できる。また、補助加熱器の配置は、被加熱材Ｘの各領域を適切に検出できれば任意でよい。なお、１つ又は複数の補助加熱器をレール機構などの移動機構を用いて、被加熱材Ｘの低温領域に移動させる構成であってもよい。

制御装置１０は、制御手段の一具体例である。制御装置１０は、第１乃至第３温度センサ４、５、６から出力される温度に基づいて、電力供給部３及び第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する。制御装置１０は、電力供給部３を制御することで、各正及び負電極２間の電流を制御し被加熱材Ｘの通電加熱を実行する。制御装置１０は、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御することで、被加熱材Ｘの各領域の補助加熱を実行する。

制御装置１０は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａ、ＣＰＵ１０ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１０ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０ｃなどからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１０ａ、メモリ１０ｂ及びインターフェイス部１０ｃは、データバス１０ｄなどを介して相互に接続されている。

ところで、従来の通電加熱装置において、事前に低温になると予測できる、例えば、断面積が大きい領域や幅方向端部などの領域に対しては、通電加熱時間などを調整し温度ムラをある程度低減できる。しかしながら、事前に低温になると予測できない領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる領域、に対しては、通電加熱時間の調整ができず、被加熱材の温度ムラが発生する虞がある。なお、仮に、通電加熱とは別に補助加熱器を用いて被加熱材の補助加熱を行う場合でも、低温となる領域が分からないまま、補助加熱を行えば、かえって、この補助加熱により被加熱材の部分あるいは全体の過剰加熱となる虞がある。

これに対し、本実施形態１において、制御装置１０は、通電加熱中において、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された被加熱材Ｘの第１乃至第３領域の温度に基づいて、第１乃至第３領域の中で最も温度が高い領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して加熱を行うように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する。これにより、事前に低温になると予測できない被加熱材の領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる被加熱材の領域がある場合でも、第１乃至第３温度センサ４、５、６を用いてその低温領域を検出できる。そして、検出した低温領域に対して、第１乃至第３補助加熱器７、８、９によって適切に補助加熱を行うことで、被加熱材の温度ムラを修正できる。

例えば、制御装置１０は、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された温度に基づいて、被加熱材Ｘの最も温度が高い領域（以下、最高温領域）の温度Ｔmaxとの温度差が第１閾値以上となる低温の領域（以下、低温領域）に対して、加熱を行うように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する。なお、上記第１閾値は、例えば、被加熱材Ｘの加工精度に応じて予めメモリ１０ｂに設定される。より具体的には、被加熱材Ｘの加工精度が高くなるに従がって、第１閾値を小さく設定する。これにより、被加熱材Ｘの温度ムラをより高精度に修正できる。

制御装置１０は、例えば、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱出力を一定に設定しつつ、加熱時間を制御することで、被加熱材Ｘの低温領域に対する加熱を制御しているが、これに限定されない。制御装置１０は、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間を一定に設定しつつ、加熱出力を制御することで、被加熱材Ｘの低温領域に対する加熱を制御してもよい。さらには、制御装置１０は、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間及び加熱出力を同時に制御することで、被加熱材Ｘの低温領域に対する加熱を制御してもよい。

次に、本実施形態１に係る通電加熱方法について説明する。図２は、本実施形態１に係る通電加熱方法の処理フローの一例を示すフローチャートである。制御装置１０は、電力供給部３を制御して正及び負電極２間に電流を供給することで被加熱材Ｘを通電加熱する（ステップＳ１０１）。

制御装置１０は、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された温度Ｔに基づいて、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxが目標温度に到達したか否かを判断する（ステップＳ１０２）。なお、目標温度は、例えば、被加熱材Ｘの特性を考慮して予めメモリ１０ｂに設定されている。

制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxが目標温度に到達していないと判断したとき（ステップＳ１０２のＮＯ）、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）が第１閾値Ａ（例えば、Ａ＝８℃）以上となる低温領域があるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）が第１閾値Ａ以上となる低温領域があると判断したとき（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、その判断した低温領域を、該低温領域に対応する第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御して補助加熱する（ステップＳ１０４）。一方、制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）が第１閾値Ａ以上となる低温領域がないと判断したとき（ステップＳ１０３のＮＯ）、上記（ステップＳ１０２）の処理に戻る。

制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxと低温領域の温度Ｔlowとの温度差（Ｔmax−Ｔlow）が第１閾値Ａよりも小さな第２閾値Ｂ（例えば、Ｂ＝６℃）未満になったか否かを判断する（ステップＳ１０５）。なお、上記第２閾値Ｂは、例えば、被加熱材Ｘの加工精度に応じて予めメモリ１０ｂに設定される。より具体的には、被加熱材Ｘの加工精度が高くなるに従がって、第２閾値Ｂを大きく設定する。これにより、被加熱材Ｘの温度ムラをより高精度に修正できる。

制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxと低温領域の温度Ｔlowとの温度差（Ｔmax−Ｔlow）が第２閾値Ｂ未満になっていないと判断すると（ステップＳ１０５のＮＯ）、上記（ステップＳ１０４）の処理に戻る。これにより、第１乃至第３補助加熱器７、８、９は、低温領域の加熱を継続する。一方、制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxと低温領域の温度Ｔlowとの温度差（Ｔmax−Ｔlow）が第２閾値Ｂ未満になっていると判断すると（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、上記（ステップＳ１０２）の処理に戻る。

なお、制御装置１０は、上記（ステップＳ１０５）の閾値判断を行わずに、最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）に応じて第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間を制御して低温領域を加熱してもよい。
例えば、制御装置１０は、最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）が増加するに従がって、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間が長くなるように設定する。

図３に示す如く、最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）と第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間との関係情報が、予めメモリ１０ｂに設定されている。制御装置１０は、メモリ１０ｂに記憶された上記関係情報と、最高温領域の温度Ｔmaxとの温度差（Ｔmax−Ｔ）と、に基づいて、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の加熱時間を設定し、設定した加熱時間で低温領域を加熱してもよい。これにより、第２閾値Ｂの判断が不要となるため、制御装置１０の制御処理が簡略化（高速化）される。なお、上述のように、第２閾値Ｂの判断処理を行うことで、より第１乃至第３補助加熱器７、８、９の補助加熱を高精度に制御でき、被加熱材Ｘの温度ムラをより高精度に修正できる。

制御装置１０は、被加熱材Ｘの最高温領域の温度Ｔmaxが目標温度に到達したと判断したとき（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、電力供給部３を制御して、被加熱材Ｘの通電加熱を停止させる（ステップＳ１０６）。その後、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の補助加熱は設定された加熱時間分だけ継続され、本処理は終了する。

このように、被加熱材Ｘの最高温領域の温度が目標温度に到達したときに、通電加熱を禁止することで、最高温度領域の温度に強制的に制限がかかる。したがって、過剰加熱される領域が被加熱材Ｘに部分的に発生することを確実に抑制できる。さらに、被加熱材Ｘの最高温領域の温度が目標温度以下に制限されるように、通電加熱を行いつつ、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の補助加熱を行っている。これにより、通電加熱による過剰加熱だけでなく、第１乃至第３補助加熱器７、８、９の補助加熱による過剰加熱をも確実に抑制できるため、より広い被加熱材Ｘ領域にわたって、その過剰加熱を抑制できる。

例えば、幅３００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの金属材料の被加熱材において、従来の通電加熱装置による通電加熱で、面内温度差が１２０℃であった。一方、上記実施形態に係る通電加熱装置１を用いて通電加熱及び補助加熱を行うことで、同一の被加熱材において、その面内温度差が６０℃に低減され、被加熱材の温度ムラを大幅に修正でき、歩留まりが１６％向上した。

以上、本実施形態１に係る通電加熱装置１において、制御装置１０は、通電加熱中において、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された被加熱材Ｘの第１乃至第３領域の温度に基づいて、最高温度領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して加熱を行うように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する。これにより、事前に低温になると予測できない被加熱材の領域、あるいは事前の予測とは異なり低温となる被加熱材の領域がある場合でも、第１乃至第３温度センサ４、５、６を用いてその低温領域を検出できる。そして、検出した低温領域に対して、第１乃至第３補助加熱器７、８、９によって適切に加熱を行うことで、被加熱材の温度ムラを修正できる。

実施形態２
本発明の実施形態２において、制御装置１０は、通電加熱中において、第１乃至第３領域のうち最高温度領域となる領域を特定し、その最高温度領域以外の領域を補助加熱するように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御してもよい。なお、本実施形態２に係る通電加熱装置１の構成は、上記実施形態１に係る通電加熱装置１の構成と同一であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

制御装置１０は、通電加熱開始して所定時間経過後、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された被加熱材Ｘの第１乃至第３領域の温度に基づいて、第１乃至第３領域のうち最高温度領域となる領域を特定する。なお、上記所定時間は、被加熱材の材料特性Ｘ、通電加熱力などを考慮して、被加熱材Ｘにおいて温度が生じる時間を設定する。そして、制御装置１０は、その特定した最高温度領域以外の領域を補助加熱するように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御する。

例えば、制御装置１０は、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された被加熱材Ｘの第１乃至第３領域の温度に基づいて、第１領域が最高温度領域であると特定した場合、その第１領域以外の第２領域及び第３領域を補助加熱するように、第２補助加熱器８及び第３補助加熱器９を制御する。

制御装置１０は、第１乃至第３温度センサ４、５、６により検出された被加熱材Ｘの第１乃至第３領域の温度に基づいて、第１乃至第３領域のうちいずれかの温度が予め設定された目標温度に到達すると、電力供給部３を制御して通電加熱を停止する。

以上、本実施形態２によれば、第１乃至第３温度センサ４、５、６を用いて最高温度領域も温度が低い低温領域を検出し、その低温領域に対して、第１乃至第３補助加熱器７、８、９によって適切に加熱を行うことで、被加熱材Ｘの温度ムラを修正できる。また、上記実施形態１のように閾値を判断して補助加熱を行っていないため、処理が簡略化され、被加熱材Ｘの加熱時間を短縮できる。

なお、制御装置１０は、通電加熱中において、第１乃至第３領域のうち最も温度が低くなる最低温度領域を特定し、その最低温度領域のみを補助加熱するように、第１乃至第３補助加熱器７、８、９を制御してもよい。この場合、被加熱材Ｘの形状（形状変化が大きい場合など）や材質（被加熱材が複数の材料で構成されている場合など）によって、領域間の温度差が大きく生じ易い場合に有効的である。第１乃至第３温度センサ４、５、６を用いて最低温度領域のみを特定し、最低温度領域のみ特に集中的に補助加熱を行うことで、被加熱材の温度ムラをピンポイントで修正できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 通電加熱装置、２ 正及び負電極、３ 電力供給部、４ 第１温度センサ、５ 第２温度センサ、６ 第３温度センサ、７ 第１補助加熱器、８ 第２補助加熱器、９ 第３補助加熱器、１０ 制御装置

Claims (5)

1. 被加熱材に所定の距離を置いて複数の電極を接触させ、該電極間に電流を供給することで前記被加熱材を通電加熱する通電加熱装置であって、
   前記被加熱材の複数の領域の温度情報を検出する温度検出手段と、
   前記被加熱材の各領域を加熱する補助加熱手段と、
   前記被加熱材の加熱を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記通電加熱中において、前記温度検出手段により検出された被加熱材の各領域の温度に基づいて、該各領域の中で最も温度が高い領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して加熱を行うように、前記補助加熱手段を制御する、ことを特徴とする通電加熱装置。
2. 請求項１記載の通電加熱装置であって、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度が、予め設定された前記被加熱材の目標温度に達したとき、前記通電加熱を停止させる、ことを特徴とする通電加熱装置。
3. 請求項１又は２記載の通電加熱装置であって、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度との差が第１閾値以上となる領域に対して、加熱を行うように、前記補助加熱手段を制御する、ことを特徴とする通電加熱装置。
4. 請求項３記載の通電加熱装置であって、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された各領域の温度に基づいて、最も温度が高い領域の温度との差が第１閾値以上となる領域に対して、加熱を行い、該領域の温度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値未満になると該加熱を停止するように、前記補助加熱手段を制御する、ことを特徴とする通電加熱装置。
5. 被加熱材に所定の距離を置いて複数の電極を接触させ、該電極間に電流を供給することで前記被加熱材を通電加熱する通電加熱方法であって、
   前記被加熱材の複数の領域の温度情報を検出するステップと、
   前記通電加熱中において、前記検出された被加熱材の各領域の温度に基づいて、該各領域の中で最も温度が高い領域の温度よりも低い温度の領域の一部又は全部に対して補助加熱を行うステップと、
   を含むことを特徴とする通電加熱方法。

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