JP6516762B2 - 金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップをアニール処理するための抵抗アニール炉 - Google Patents

Description

本願発明は、金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップをアニール処理するための抵抗アニール炉に関する。

特に、本願発明は、有利かつ非排他的にインライン抵抗アニール炉に適応可能であり、すなわち、金属ワイヤまたはワイヤロッドを製造するための機械、例えば、延伸機の出力に直接配置可能である。それは、一般性を失うことなく、以下の説明において参照される。

延伸機にインラインで配置されるように適応された現在の直流抵抗アニール炉は、通常は、それぞれがプーリーを備えかつ金属ワイヤを送るように機動される少なくとも２つ、特に、３つの電気軸と、複数のアイドルまたは動力伝達ロール、および機動出力プルリングを有する。伝達ロールおよび出力プルリングは、ワイヤ用の所与の経路を画定するように配置される。それは第１の電気軸の回りで始まり、他の２つの軸線および伝達ロールの回りを回って、出力プルリングの回りで終わる。

アニール炉は、第２電気軸線と他の２つの電気軸線の間に印加される直流電圧を生成するための電気装置を有する。すなわち、正の電位の電圧が、第２の電気軸に印加され、かつ、負の電位の電圧が、第１および第３の電気軸の両方に印加される。アニール処理は、第２電気軸と他の２つ（第１および第３）の電気軸との間の第１のワイヤ長の電流経路によるジュール効果によって生じる。

ワイヤ経路は、第１の電気軸から第２の電気軸へ延びる第１の予熱ストレッチ、第２の電気軸から第２の電気軸に延びる実際のアニールストレッチ、および、第３の電気軸から出力プルリングに延びる冷却ストレッチに分割される。予熱ストレッチは、アニールストレッチより長く、その結果、予熱ストレッチ内のワイヤの温度は、アニールストレッチ内よりも低い。

アニール軸間に印加される電圧およびワイヤ内で循環する対応電流は、通常、アニール電圧、および、アニール電流として知られている。それは、一般的に、予熱およびアニールストレッチの長さ、経路に沿ったワイヤの送り速度、および、ワイヤの断面積に依存する。特に、それは、いわゆるアニール曲線を使ったワイヤの送り速度と、アニール電圧との間の依存性を示すことが知られている。アニール曲線に従い、要求されるアニール電圧は、送り速度の増加に従って増加する。また、アニール電流は、概して、ワイヤの断面積が増加するに従い増加する。所与のワイヤ断面積値を超えると、最大のワイヤ速度値が、さまざまなファクタ、例えば、冷却ストレッチの冷却能力によって決定される。それは、小さい断面積のワイヤに対して、速度が速くなることを導出する。低アニール電流がそれに対応し、したがって、アニール電圧は高くなければならない。一方、大きい断面積のワイヤに対して、速度はより遅くなければならない。高アニール電流がそれに対応し、したがって、アニール電圧はより低くならなければならない。

電気装置は、一次回路が、例えば、４００Ｖ、５０Ｈｚの３相ネットワークによって供給される３相変圧器と、アニール電圧を供給するべく変圧器の二次回路に接続される制御整流器回路とを有する。必要なアニール温度（摂氏数百度）に到達するために、変圧器は、得られる最大アニール電圧、および、アニール炉の全体の特徴（ワイヤ経路長、および、ワイヤ送り速度）およびワイヤの断面積に依存する最大アニール電流サイズのオーダーの振幅を有する交流電流電圧を二次回路に供給できる規模を有する。例えば、変圧器は、約１０００ｋＶＡの電力に対して約７０Ｖの交流電流電圧を供給する規模を有する。

典型的に、整流器は、サイリスタブリッジ（ＳＣＲ）からなる。アニール電圧の変調は、サイリスタの発射角度を変化させることにより得られる。言い換えれば、電圧は、最大値から開始して、サイリスタの発射角度の減少によって減少する。しかし、発射角度は、装置の電力ファクタを減少させ、すなわち、電気ネットワークにより装置によって交換される無効電力を増加させる。高い無効電力は、アクティブな作業を創造しない電気的ネットワークの電力消費を生じさせる。また、電力ネットワークの電力分配を制御する国家機関は、無効電力が、配分活動電力の所与のパーセント割合を超えたとき、通常、ペナルティを課す。

上記した装置の他の欠点は、変圧器の扱いにくい大きさにある。実際に、それは最大電圧で最大電流を二次回路に供給することができないため、使用には大き過ぎる。

上記した装置の欠点のいくつかを克服する電気装置が知られている。他の装置は、第１次回路上に複数のタップポイントを有する変圧器を有する点で実質的に異なる。整流器のサイリスタの発射角度を最大にして、無効電力を最小化させることができる一次回路のタップポイントは、アニールすべきワイヤの断面積に応じて選択される。しかし、複数のタップポイント一次回路を有する変圧器もまたサイズが大きすぎ、単純な一次回路を有する変圧器よりも多くの場合、より複雑かつコストが高い。また、一次回路に４つ以上のタップポイントを有する大型の変圧器（例えば、２次回路で１０００ｋＶＡに対して７０Ｖ）を構成することは非経済的である。

複数のタップポイントの一次回路を有する変圧器の使用に替わる周知のアーキテクチャーは、単純な一次回路変圧器、および、該一次回路の電力電圧をより高次レベルに調節し、それにより二次回路によって印加される電圧を対応して調節するための変圧器の一次回路に接続されるＡＣ／ＡＣインバータを有する。この解決策により、無効電力を減少させることは可能であるが、変圧器の大きなサイズに関連する欠点は依然として残る。

本願発明の目的は、金属ワイヤをアニール処理するための抵抗アニール炉を与えることであり、当該炉は、上述した欠点を有せず、同時に、製造が容易かつ廉価である。

本願発明に従い、金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッド、または、ストラップをアニール処理するための抵抗アニール炉が与えられ、特許請求の範囲に記載される。

本願発明は、非限定的な例示を示す、添付図面を参照して説明される。
図１は、本願発明に従う抵抗アニール炉の略示図である。 図２は、ブロック図により、図１に記載の炉のアニール電圧ジェネレータを示す。 図３は、図２の電圧ジェネレータのさまざまな中間ポイントの電圧波形を示す。 図４は、図２の電圧ジェネレータの内部ステージを詳細に示す。

図１において、参照番号１は、後に、参照番号２として示される、例えば、銅またはアルミニウムワイヤなどの金属ワイヤをアニール処理するための直流電流抵抗アニール炉を全体として略示している。アニール炉１は、延伸機（図示せず）の出力においてインラインで挿入されるように適応されるタイプのものである。ワイヤ２は、延伸機から出て、方向３に向かって移動することにより、アニール炉１内に進入し、方向４でアニール炉１から出る。

図１を参照して、アニール炉１は、３つの電気軸５、６および７を有し、それらは、それぞれプーリー８、９，１０、２つの伝達ロール１１、１２を具備する。それらは、アイドル状態か、動力状態であり、第１の２つの電気軸５、６と、動力出力プルリング１３との間に配置されている。伝達ロール１１および１２、および、出力プルリング１３は、ワイヤ２に対して所与の経路を画定するように、配置されている。それは、電気軸５のプーリー８の回りで始まり、伝達ロール１１および１２、並びに他の２つの電気軸６および７のプーリー９および１０の回りを回って、出力プルリング１３の回りで終わる。ワイヤ２は、出力プルリング１３によって引かれる経路に沿って移動する。有利なことに、電気軸５から７は、ワイヤ２の牽引を補助するように機動されてもよい。

アニール炉１は、ＤＣ電圧ジェネレータ１４を有する。それは、ＡＣ電圧によって、特に、３相電気ネットワーク１５によって供給される３相電圧Ｕａｃによって給電され、ＤＣ電圧、図中Ｕａｎｎによって示されるアニール電圧を生成する。それは、電気軸６と、２つの電気軸５および７との間に供給される。言い換えれば、電圧Ｕａｎｎの正の電位は、電気軸６に印加され、電圧Ｕａｎｎの負の電位は２つの電気軸５および７に印加される。アニール処理は、電気軸６と２つの電気軸５および７との間のワイヤ長に流れる電流経路のジュール効果によって生じる。

ワイヤ２の経路は、参照番号１６によって示され、伝達ロール１１および１２を通過して電気軸６から電気軸５へ進む予熱ストレッチ、参照番号１７で示され、電気軸６から電気軸７へ向かう実際のアニールストレッチ、および、参照番号１８で示され、電気軸７から出力プルリング１３へ進む冷却および乾燥ストレッチに分割される。ワイヤ２が銅またはアルミニウムによって形成されるような例において、予熱ストレッチ１６は、アニールストレッチよりも長く、その結果、ストレッチ１７に沿ったワイヤ部分２内を流れる電流Ｉａｎｎより小さい電流Ｉｐｒｈが、ストレッチ１６に沿った断面積が等しいワイヤ２の一部を流れる。このようにして、ストレッチ１６内のワイヤ２の温度は、ストレッチ１７内のワイヤ２の温度より低くなる。冷却および乾燥ストレッチ１８は、冷媒用タンクと交差し、乾燥デバイスを具備する。タンクおよび乾燥デバイスは、周知のものであるので説明は省略する。

図２を参照して、本願発明に従う電圧ジェネレータ１４は、３相ラインまたは３相電圧Ｕａｃによって給電されるバス２５によって、３相電気ネットワークに接続される入力を有し、かつ、Ｕｄｃで示す中間ＤＣ電圧を供給するように適応された、入力電圧整流器ステージ１９と、中間電圧Ｕｄｃを、Ｕｍ１で表され、かつ、ゼロの平均値および中間電圧Ｕａｃと実質的に等しい振幅を有する第１ＰＷＭ電圧に変換する中間パルス幅変調ステージ２０または単純にＰＷＭ変調ステージと、電圧Ｕｍ１を、電圧Ｕｍ１より小さい振幅とゼロ以外の平均値を有し、かつ、Ｕｍ２で表される、対応する第２ＰＷＭ電圧に変換するための１より高い変換比率を有する高周波電圧変圧器２１と、電圧Ｕｍ２をアニール電圧Ｕａｎｎに変換するための出力電圧整流器ステージ２２と、ポイント２４において内部３相電気ライン２５と並列に接続された、簡単にアクティブフィルタと呼ぶ３層アクティブ電力フィルタ（ＡＰＦ）２３とを有する。

図３は、例示的に、さまざまな電圧Ｕａｃ、Ｕｄｃ、Ｕｍ１、Ｕｍ２およびＵａｎｎの波形の量的関係を示したものである。

整流器ステージ１９は、受動非制御タイプのものであり、特に、３相整流ダイオードブリッジおよびローパスフィルタＬＣを有する。例として、３相電圧Ｕａｃが４００Ｖ、５０Ｈｚであると仮定すると、整流器ステージ１９は、３相ライン２５上で、０．８より小さい電力ファクタを画定する無効成分を有する３相電流ｉＬを印加しつつ、約５３０と５４０Ｖの間の中間電圧Ｕｄｃを給電する。

周知のアクティブフィルタ２３は、詳細に説明しないが、整流器ステージ１９へ入力される３相電流ｉＬを歪ませる高調波電流を減少させる機能を有する。この高調波電流は、整流器ステージ１９の負荷である、ＰＷＭ変調ステージ２０によって生成される。言い換えれば、アクティブフィルタ２３の機能は、３相電力ネットワーク１５から見た電力ファクタを増加させることである。アクティブフィルタ２３は、複数のＩＧＢＴデバイスを含む制御された３相ブリッジ、３相ブリッジの上流側に接続されたＬＣフィルタ、３相ブリッジの負荷として接続された複数のコンデンサ、および、３相ブリッジを制御する制御ユニットを有する。

アクティブフィルタ２３の接続ポイント２４の上流の３相ライン２５に接続された３組の電圧センサは、アクティブフィルタ２３と一緒になって、３相電圧Ｕａｃを測定する。３組の電流センサ２７は、アクティブフィルタ２３の接続ポイント２４の下流側の３相ライン２５に接続されており、３相電流ｉＬを測定する。アクティブフィルタ２３の制御ユニットは、センサ２６および２７によって供給される信号の関数としてすなわち、センサ２６および２７によって測定された電圧および電流の関数として、３相ブリッジを制御する。その結果、アクティブフィルタ２３は３相ライン２５から、３相電流ｉＬに加えることで歪みのない３相電流を生成する３相電流ｉＣを導出し、実質的に、３相電気ネットワーク１５上に正弦曲線をもたらす。言い換えれば、アクティブフィルタ２３は、３相ライン２５の整流器ステージ１９の入力において、実質的にそれを補償する高調波電流を導入する。アクティブフィルタ２３により、３相電気ネットワーク１５から見た電力ファクタが得られ、その値は０．９５より大きい。

図４を参照して、ＰＷＭ変調ステージ２０は、中間電圧Ｕｄｃが印加される電気スイッチングデバイス３１、特に、ＩＧＢＴデバイスのブリッジＨ、および、電圧Ｕｍ１を生成し、かつ、電圧Ｕｍ１のパルスの幅を、ワイヤ２の現在の送り速度（図２でＶｗで示す）と、送り速度の最大値と最小値との差の間の比率と関連づけて変調するように、ブリッジＨ３１を制御するべく構成されたコントローラ３２を有する。ワイヤ２の送り速度の最大値および最小値は、アニール炉１の特徴に依存する。電圧周波数Ｕｍ１は、ＩＧＢＴデバイスの性能および電圧変圧器２１の性能に従って予め決定される。

それぞれの速度Ｖｗの値は、所望のアニール電圧に対応し、以下、アニールセットポイントＵｒｅｆと呼ぶ。アニール電圧は、ワイヤ２の送り速度の２乗根に定数Ｋをかけ算することにより計算され、それは、アニール炉１の全体の特徴に依存し、周知の技術に従って決定可能である。コントローラ３２は、外部のデバイス、例えば、アニール炉１の入力に結合された延伸機の制御ユニットから、または、ワイヤ２の速度で回転する部材（伝達ロール１１、１２、電気軸５、６、７、またはプルリング１３）のひとつに結合された速度取得ユニットから、ワイヤ２の速度Ｖｗを受信する。コントローラ３２は、速度Ｖｗの二乗根に定数Ｋをかけ算することによりアニールセットポイントＵｒｅｆを計算するように構成されている。そして、アニールセットポイントＵｒｅｆは、最小値Ｕｒｅｆｍｉｎと最大値Ｕｒｅｆｍａｘとの間で変化する。

より詳細には、コントローラ３２は、伝導オフセット、すなわち、アニールセットポイントＵｒｅｆと、ＵｒｅｆｍｉｎとＵｒｅｆｍａｘとの差の間の比率に比例するブリッジＨ３１の一方側（半分）に対する他方側の伝導遅延を調節することにより、ブリッジＨ３１を制御する。したがって、変調した信号Ｕｍ１は、コントローラ３２によって設定された伝導遅延の関数として、０と０．５の間で変化するディーティサイクルを有する。特に、最小値Ｕｒｅｆｍｉｎは、ゼロに等しいディーティサイクルに対応し、最大値Ｕｒｅｆｍａｘは０．５に等しいディーティサイクル（ゼロの平均値を有する方形波）に対応する。

コントローラ３２は、周知の技術に従ってアニール電圧値Ｕａｎｎを測定するべく、整流器ステージ２２の出力に接続されたＡ／Ｄコンバータ３４を含む電圧測定手段を有する。コントローラ３２は、アニール電圧Ｕａｎｎの測定電圧の関数として、伝導オフセットを調節することによりブリッジＨ３１を制御し、その結果、アニール電圧Ｕａｎｎは、アニールセットポイントＵｒｅｆに従う。アニール中、ワイヤ２の材料の硬化状態およびワイヤ２とプーリー８〜１０の間の接触の質の関数としてワイヤ２内を循環する電流は変化する。

電圧変圧器２１は、単相で、高周波電力変圧器であり、すなわち、５ｋＨｚより高い周波数で動作可能である。これにより、５ｋＨｚ以上、好適には、８ｋＨｚと等しい周波数で電圧Ｕｍ１を生成するように、ＰＷＭ変調ステージ２０をプログラムすることができる。

また、電圧変圧器２１は、平均ゼロ値を有する電圧Ｕｍ１を、平均非ゼロ値電圧を有する電圧Ｕｍ２に変換するべく、セントラルゼロを有する二次回路巻き線を有し、中間電圧Ｕｄｃおよび最大電圧Ｕｒｅｆｍａｘの関数として予め定められる、公称変換比率を有する。最大電圧値Ｕｒｅｆｍａｘが１００Ｖに等しいと仮定すると、ワイヤ２の広範囲の断面値をアニール可能であり、ワイヤ２の広範囲の送り速度をアニール可能である。中間電圧が６００Ｖに等しいと仮定すると、公称変換比率は、６に等しい。

上述した電圧変圧器２１は、使用される材料は同じであるが、アニール電圧を生成する周知の電気装置の電圧変圧器よりも非常に小さく、コストが安い。

整流器ステージ２２は、受動非制御タイプであり、特に、各々が電圧変圧器２１の二次回路の半分とそれぞれ関連し、半分波整流器として動作する２つのダイオードと、そのダイオードの下流側に接続されたローパスフィルタＬＣとを有する。

電圧ジェネレータ１４は、ワイヤ用のインライン抵抗アニール炉での使用に限定されず、金属のストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップ用の抵抗アニール炉での使用にも適している。それらは、インラインまたはオフラインで送られてよい。すなわち、単純なかせ糸として巻かれて送られるか、コイル、または金属または厚紙ドラムの回りに巻かれて送られる。

また、電圧ジェネレータ１４は、２つの電気軸のみを有する、すなわち、ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたは金属ストラップの予熱ストレッチがない、アニール炉１内で概して使用可能である。

上述したアニール炉１の主な利点は、電圧ジェネレータ１４の入力において３相ライン２５に配置されたアクティブフィルタ２３の存在により、３相電気ネットワーク１５によって交換される無効電力を最小にすることである。また、アニール炉１は、アクティブ供給ステージ１９と、電圧変圧器２１との間に接続されたＰＷＭ変調器２０の存在によって、広範囲で変化する値の断面を有し、かつ、広範囲の送り速度の金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップをアニール処理するように容易に構成可能である。最後に、高周波の単一相の電圧変圧器２１は、周知のアニール炉で典型的に使用される５０Ｈｚの３相変圧器よりもかなりコンパクトでかつコストが安い。

Claims (11)

1. 金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップをアニール処理するための抵抗アニール炉であって、
   前記金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップを運ぶべく、プーリーをそれぞれ具備する少なくとも２つの電気軸と、
   ジュール効果によるアニールを生じさせるべく、前記少なくとも２つの電気軸の間で、前記金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップの断面に電流を流すよう、前記少なくとも２つの電気軸の間に印加されるアニール電圧を生成する、ＡＣ電圧ソースによって給電可能なＤＣ電圧ジェネレータ手段と
   を備え、
   前記ＤＣ電圧ジェネレータ手段は、
   中間ＤＣ電圧を生成するべく、前記ＡＣ電圧ソースに接続可能な第１電圧整流器手段と、
   前記第１電圧整流器手段と前記ＡＣ電圧ソースとを接続するＡＣバスのポイントに、前記第１電圧整流器手段の入力と並列に接続されたアクティブフィルタ手段であって、前記ＡＣバスを通じて、前記ＡＣ電圧ソースから前記第１電圧整流器手段へ入力される電流の高調波成分を減少させることで、無効電力を減少させるように構成されたアクティブフィルタ手段と、
   前記中間ＤＣ電圧を、同じ振幅を有する第１ＰＷＭ電圧に変換するためのパルス幅変調手段と、
   前記第１ＰＷＭ電圧を、より小さい振幅を有する対応する第２ＰＷＭ電圧に変換するための電圧変圧器と、
   前記第２ＰＷＭ電圧を前記アニール電圧に変換するための第２電圧整流器手段と
   を有する、抵抗アニール炉。
2. 前記第１電圧整流器手段は、受動非制御タイプである、ことを特徴とする請求項１に記載の抵抗アニール炉。
3. 前記第１電圧整流器手段は、整流ダイオードブリッジおよびＬＣローパスフィルタを有する、ことを特徴とする請求項２に記載の抵抗アニール炉。
4. 前記アクティブフィルタ手段は、ＩＧＢＴデバイスのブリッジ、前記ＩＧＢＴデバイスのブリッジの上流側に接続されたＬＣフィルタ、前記ＩＧＢＴデバイスのブリッジの負荷として接続された複数のコンデンサ、および前記ＩＧＢＴデバイスのブリッジを制御するための第１制御手段を有する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。
5. 前記ＤＣ電圧ジェネレータ手段は、前記ＡＣバスの前記ポイントの上流側のＡＣ電圧を測定する電圧センサ手段、および、前記ＡＣバスの前記ポイントの下流側の電流を測定する電流センサ手段を有し、
   前記第１制御手段は、前記電圧および電流センサ手段によって得られた電圧値および電流値の関数として、前記ＩＧＢＴデバイスのブリッジを制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の抵抗アニール炉。
6. 前記パルス幅変調手段は、前記金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッドまたはストラップの送り速度と、前記送り速度の最大値と最小値の差との比率に関連して、前記第１ＰＷＭ電圧のパルス幅を変調するように構成されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。
7. 前記パルス幅変調手段は、
   前記中間ＤＣ電圧が給電される電気スイッチングデバイスのＨブリッジと、
   前記第１ＰＷＭ電圧を生成し、前記金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッド、または、ストラップの送り速度と、前記送り速度の最大値と最小値の差との比率に関連して、前記第１ＰＷＭ電圧のパルス幅を変調するべく、前記電気スイッチングデバイスのＨブリッジを制御するように構成された第２制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。
8. 前記パルス幅変調手段は、
   前記中間ＤＣ電圧が給電される電気スイッチングデバイスのＨブリッジと、
   前記アニール電圧を測定するための電圧測定手段と、
   前記金属ワイヤ、ストランド、ストリング、ワイヤロッド、または、ストリップの送り速度の関数として、所望のアニール電圧値を計算するように、かつ、前記第１ＰＷＭ電圧を生成し、前記アニール電圧が前記所望のアニール電圧値に従うように、前記所望のアニール電圧値および前記アニール電圧の測定値の関数として、前記第１ＰＷＭ電圧を変調するべく、前記電気スイッチングデバイスのＨブリッジを制御するように構成された第２制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。
9. 前記電気スイッチングデバイスのＨブリッジは、ＩＧＢＴデバイスのＨブリッジからなる、ことを特徴とする請求項７または８に記載の抵抗アニール炉。
10. 前記電圧変圧器は、高周波変圧器であり、前記第１および第２ＰＷＭ電圧は、同じ周波数を有し、それは、５Ｈｚより高い、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。
11. 前記電圧変圧器は、高周波変圧器であり、前記第１および第２ＰＷＭ電圧は、同じ周波数を有し、それは、８ｋＨｚと等しい、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の抵抗アニール炉。

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