JP6586371B2 - 加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルに関する。

ワークの誘導加熱に用いられる加熱コイルのヘッド部は、誘導加熱されたワークからの輻射熱に晒される。この輻射熱に起因するヘッド部の変形を抑制するため、一般に、水等の冷却媒体がヘッド部の内部に流される。そして、ヘッド部を支持する支持体もまたワークからの輻射熱に晒される場合があり、特許文献１に記載された誘導加熱装置では、冷却媒体が支持体の内部にも流され、支持体の変形が抑制されている。

筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルは、典型的には、ワークに挿入されるヘッド部と、ヘッド部に接合され且つヘッド部のワークへの挿入方向と平行に互いに対向して延設された一対のリード部とを備える。一対のリード部は、ヘッド部への電力供給経路を形成し、ヘッド部の支持も兼ねている。そして、ヘッド部及び一対のリード部はいずれも管材によって形成され、冷却媒体の流路がヘッド部及び一対のリード部の内部に一続きに形成されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−０９１２１６号公報 特開２０１３−１７０２８７号公報

筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルにおいて、ヘッド部及び一対のリード部の内部に形成された一続きの流路を流れる冷却媒体は、この流路を流れる過程で次第に昇温し、ヘッド部の排出側にあたるリード部の冷却効率は、ヘッド部の導入側にあたるリード部の冷却効率より低下する。このため、一対のリード部の間で温度差が生じ、この温度差に起因して一対のリード部の長手方向の熱膨張に差が生じ、一対のリード部に反りが生じる場合がある。

ヘッド部のワークへの挿入方向と平行に互いに対向して延設された一対のリード部に反りが生じると、一対のリード部によって支持されているヘッド部がワークの内側で変位し、例えばヘッド部とワークの内面との距離が周方向の各部で変化してワークの均一な加熱が妨げられる虞があり、ヘッド部とワークの内面とが接触する虞もある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、その目的は、筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルにおいて、ヘッド部を支持する一対のリード部の反りを抑制することにある。

本発明の一態様の加熱コイルは、筒状のワークに挿入されてワークの内面を誘導加熱するヘッド部と、前記ヘッド部に接合され且つ前記ヘッド部の前記ワークへの挿入方向と平行に互いに対向して延設された第１リード部及び第２リード部と、を備え、前記ヘッド部の内部には、冷却媒体の流路が設けられており、前記第１リード部の内部には、当該第１リード部の長手方向全長に及ぶ流路であって、前記ヘッド部の前記流路の一端に接続され且つ前記ヘッド部の前記流路に冷却媒体を導入する流路が設けられており、前記第２リード部の内部には、当該第２リード部の長手方向全長に及ぶ流路であって、前記ヘッド部の前記流路の他端に接続され且つ前記ヘッド部の前記流路から冷却媒体を排出する第１流路、及び当該第２リード部の長手方向に冷却媒体を往復させる第２流路が設けられている。

本発明によれば、筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルにおいて、ヘッド部を支持する一対のリード部の反りを抑制でき、ワークの内面の加熱を均一化することができ、ヘッド部とワークの内面との接触を抑制することができる。

本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの一例の正面図である。 図１の加熱コイルの側面図である。 図１の加熱コイルのIII−III線断面図である。 図１の加熱コイルのIV-IV線断面図である。 図１の加熱コイルの使用例を示す正面図である。 図１の加熱コイルの使用例を示す側面図である。 図１の加熱コイルの使用例を示す底面図である。 図１の加熱コイルの変形例の正面図である。 実験例１の加熱コイルの供給電力とヘッド部の変位との関係を示すグラフである。 実験例２の加熱コイルの供給電力とヘッド部の変位との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１から図４は、本発明の実施形態を説明するための、加熱コイルの一例の構成を示す。

加熱コイル１は、円筒状のワークの内面の誘導加熱に用いられる加熱コイルである。加熱コイル１は、ワークに挿入されてワークの内面を誘導加熱するヘッド部２と、ヘッド部２に接合され且つヘッド部２のワークへの挿入方向と平行に互いに対向して延設された第１リード部３及び第２リード部４と、加熱コイル１に電力を供給する電源と電気的に接続される一対の接続部５とを備える。

ヘッド部２は、図３に示すように、例えば銅などの導電性を有する金属製の管材からなり、管材が螺旋状に巻かれて形成されている。管材からなるヘッド部２の内部には、水などの冷却媒体が流れる流路１０が設けられている。

なお、ヘッド部２は、ワークやワークに施される熱処理の仕様などに応じて形成されるものであり、ヘッド部２の形状（例えば、管材の断面形状、管材の巻き方、管材の巻き数）は適宜変更可能である。また、ヘッド部２の外表面を露呈させるようにヘッド部２の周囲に高透磁率材料を充填して加熱効率を高めるようにしてもよい。

第１リード部３は、螺旋状に巻かれたヘッド部２の内側を挿通され、螺旋状に巻かれたヘッド部２の一方の端部に接合されており、第２リード部４は、ヘッド部２の他方の端部に接合されている。第１リード部３及び第２リード部４は、例えば銅などの導電性を有する金属製の部材であり、ヘッド部２と電気的に接続されている。

一方の接続部５は、第１リード部３のヘッド部側とは反対側の端部に接合されており、他方の接続部５は、第２リード部４のヘッド部側とは反対側の端部に接合されている。接続部５は、例えば銅などの導電性を有する金属製の板材からなり、第１リード部側の接続部５は第１リード部３と電気的に接続されており、第２リード部側の接続部５は及び第２リード部４と電気的に接続されている。そして、一対の接続部５は、第１リード部３及び第２リード部４の長手方向及び対向方向と直交する方向に互いに対向して延設されている。

第１リード部３及び第１リード部側の接続部５と第２リード部４及び第２リード部側の接続部５との間には絶縁板６が挟み込まれている。第１リード部３及び第１リード部側の接続部５と第２リード部４及び第２リード部側の接続部５とは、絶縁板６によって互いに電気的に絶縁された状態で一体とされている。

図４に示すように、第１リード部３は、第１リード部３の長手方向に垂直な断面において、外形が半円形状である管体とされている。第２リード部４もまた、第２リード部４の長手方向に垂直な断面において、外形が半円形状である管体とされている。第１リード部３及び第２リード部４を併せた外形は円形状であり、その外径はヘッド部２の外径以下となっており、ヘッド部２が挿入されるワークに対して第１リード部３及び第２リード部４もまた挿入可能に構成されている。

管体とされた第１リード部３の内部には、第１リード部３の長手方向全長に及び、ヘッド部２の流路１０の一端に接続された冷却媒体の流路１１が設けられており、第１リード部３のヘッド部側とは反対側の端部には、流路１１に接続された継手３０（図２参照）が設けられている。

同じく管体とされた第２リード部４の内部には、第２リード部４の長手方向全長に及ぶ流路であって、ヘッド部２の流路１０の他端に接続された第１流路１２が設けられており、第２リード部４のヘッド部側とは反対側の端部には、第１流路１２に接続された継手３１（図２参照）が設けられている。

さらに、第２リード部４の内部には、第２リード部４の長手方向全長に及び、第１流路１２を除いた第２リード部４の内部で第２リード部４の長手方向に冷却媒体を往復させる第２流路１３が設けられている。

第２リード部４は、長手方向の両端が閉塞された外管部２０と、外管部２０の長手方向に外管部２０を貫通して設けられた内管部２１と、外管部２０と内管部２１との間に設けられた隔壁部２２と、を有する。第２リード部４の第１流路１２は内管部２１によって形成されている。

隔壁部２２は、外管部２０のヘッド部側の底及びヘッド部側とは反対側の底との間に隙間を開けて延設されている。外管部２０と内管部２１との間は、隔壁部２２により、第２リード部４の長手方向に延在する二つの空間に仕切られ、これら二つの空間は、第２リード部４の両端部において互いに連通している。

そして、第２リード部４には、上記二つの空間それぞれに接続された一対の継手３２（図１参照）が設けられている。これら一対の継手３２は、上記二つの空間が互いに連通している第２リード部４の長手方向の両端部を除き、第２リード部４の長手方向における適宜な位置に設けられるが、第１リード部３及び第２リード部４がヘッド部２に付随してワークに挿入される場合には、一対の継手３２は、第２リード部４においてワークに挿入される挿入部分を除いた残余部分の適宜な位置に設けられる。

以上により、図１に示すように、第２リード部４のヘッド部側の端部にて折り返されて一対の継手３２の間を繋ぐ流路部分１３ａと、第２リード部４のヘッド部側とは反対側の端部にて折り返されて一対の継手３２の間を繋ぐ流路部分１３ｂとが、上記二つの空間によって形成され、これら二つの流路部分１３ａ，１３ｂによって第２流路１３が形成される。このようにして形成された第２流路１３は、第１流路１２の周囲に設けられている。

なお、隔壁部２２は、外管部２０の両端のうち少なくともヘッド部側の底との間に隙間をあけて外管部２０の長手方向に延設されていればよく、ヘッド部側とは反対側の底に達してもよい。隔壁部２２が外管部２０のヘッド部側とは反対側の底に達する場合に、外管部２０と内管部２１との間は、隔壁部２２により、第２リード部４の長手方向に延在し、且つ第２リード部４のヘッド側の端部においてのみ互いに連通する二つの空間に仕切られる。この場合には、第２リード部４のヘッド部側とは反対側の端部に一対の継手３２を設ければよく、第２リード部４のヘッド部側の端部にて折り返されて一対の継手３２の間を繋ぐ一つの流路として第２流路１３が形成される。

また、例えば内管部２１を略Ｕ字状に形成し、この内管部２１によって第２流路１３を形成し、外管部２０のヘッド部側の底を開放して外管部２０のヘッド部側の端部をヘッド部２に接合し、外管部２０と内管部２１との間に第１流路１２を形成することもできる。この場合には第２流路１３の周囲に第１流路１２が設けられることになる。

図５から図７は、加熱コイル１の使用例を示す。

図５から図７に示す加熱コイル１の使用例は、加熱コイル１を円筒状のワークＷの内面の移動加熱に使用するものである。

一対の接続部５が電源（不図示）に電気的に接続され、第１リード部３及び第１リード部側の接続部５と第２リード部４及び第２リード部側の接続部５とを介して、電源からヘッド部２に高周波の電力が供給される。

また、第１リード部３の継手３０が冷却媒体供給部（不図示）に接続され、第２リード部４の継手３１が冷却媒体回収部（不図示）に接続される。冷却媒体供給部から継手３０に供給された冷却媒体は、第１リード部３の流路１１を通してヘッド部２の流路１０に導入される。そして、ヘッド部２の流路１０を流れた冷却媒体は第２リード部４の第１流路１２に排出され、第１流路１２を通して継手３１から冷却媒体回収部に送出される。

併せて、第２リード部４の二つの継手３２のうち一方の継手３２が冷却媒体供給部（不図示）に接続され、他方の継手３２が冷却媒体回収部（不図示）に接続される。冷却媒体供給部から一方の継手３２に供給された冷却媒体は、第２リード部４の内部を第２リード部４の長手方向に往復するように第２リード部４の第２流路１３を流れ、他方の継手３２から冷却媒体回収部に送出される。

以上の状態にて、ワークＷが軸方向に移動され、加熱コイル１がワークＷの軸方向（Ｚ方向）に相対移動される。加熱コイル１の相対移動に伴い、ヘッド部２が、ワークＷに挿入され、ワークＷの内側でワークＷの中心軸に沿って移動される。これにより、ワークＷの内面が、ヘッド部２の移動方向に連続的に誘導加熱される。本例では、第１リード部３及び第２リード部４もまたヘッド部２に付随してワークＷに挿入される。

ヘッド部２は誘導加熱されたワークＷからの輻射熱に晒されて加熱される。また、本例では、ヘッド部２に付随してワークＷに挿入された第１リード部３及び第２リード部４の挿入部分もまた誘導加熱されたワークＷからの輻射熱に晒されて加熱される。さらにまた、ヘッド部２と第１リード部３と第２リード部４とは、それらの電気抵抗に起因して発生するジュール熱によっても加熱される。

加熱されたヘッド部２と第１リード部３と第２リード部４とは、第１リード部３の流路１１、ヘッド部２の流路１０、そして第２リード部４の第１流路１２を順に流れる冷却媒体によって冷却される。

一方で、冷却媒体は、第１リード部３の流路１１、ヘッド部２の流路１０、そして第２リード部４の第１流路１２を順に流れる過程で次第に昇温し、ヘッド部２の流路１０の排出側にあたる第２リード部４の第１流路１２を流れる冷却媒体の温度は、流路１０の導入側に位置する第１リード部３の流路１１を流れる冷却媒体の温度に対して高くなっている。このため、第１流路１２を流れる冷却媒体による第２リード部４の冷却効率は、流路１１を流れる冷却媒体による第１リード部３の冷却効率より低下する。

しかし、第２リード部４の内部には第２リード部４の長手方向に冷却媒体を往復させる第２流路１３が別に設けられており、第２リード部４は、第２流路１３を流れる冷却媒体によっても冷却される。これにより、第１流路１２を流れる冷却媒体による第２リード部４の冷却効率の低下が補われ、第１リード部３と第２リード部４との間の温度差が低減される。

そして、第１リード部３と第２リード部４との間の温度差が低減されることにより、第１リード部３と第２リード部４との間の長手方向の熱膨張差もまた低減され、第１リード部３及び第２リード部４の対向方向（Ｘ方向）の反りが抑制される。これにより、第１リード部３及び第２リード部４によって支持されているヘッド部２の変位を抑制し、ヘッド部２とワークＷの内面との接触を回避することができ、さらには、ヘッド部２とワークＷの内面との距離を周方向の各部で一定に保ってワークＷの内面の均一な加熱を可能とすることができる。

なお、上記のとおり、第２リード部４において第２流路１３の周囲に第１流路１２を設けることもできるが、本例のように、内管部２１によって第１流路を形成し、外管部２０と内管部２１との間に第２流路１３を形成して、第２流路１３を第１流路１２の周囲に設けることが好ましい。

一体とされて互いに拘束しあう第１リード部３及び第２リード部４のうち、熱膨張が相対的に大きい第２リード部４は熱膨張が相対的に小さい第１リード部３に引っ張られて長手方向に圧縮され、逆に第１リード部３は第２リード部４に引っ張られて長手方向に伸張される。そして、第１リード部３に作用する伸張力及び第２リード部４に作用する圧縮力の作用線がずれていることによって生じるモーメントに起因して第１リード部３及び第２リード部４に反りが生じる。このことから、反りを抑制するためには伸張力及び圧縮力を低減すればよい。

第２リード部４に作用する圧縮力と第２リード部４の歪（単位長さ当たりの伸縮量）及び断面積とは互いに関連し、第２リード部４を構成する外管部２０及び内管部２１のうち、断面積が相対的に小の内管部２１の歪を小さくするよりも、断面積が相対的に大の外管部２０の歪を小さくしたほうが、第２リード部４に作用する圧縮力を効果的に低減することができる。

そして、内管部２１によって第１流路１２を形成し、外管部２０と内管部２１との間に第２流路１３を形成して、第２流路１３を第１流路１２の周囲に設けることにより、外管部２０が第１流路１２を流れる比較的高温の冷却媒体によって加熱されることを抑制して、外管部２０の熱膨張を小さくすることができる。結果として、第１リード部３に引っ張られて圧縮されることによる外管部２０の歪を小さくでき、第２リード部４に作用する圧縮力、及びこの圧縮力と釣り合う第１リード部３に作用する伸張力を効果的に低減し、第１リード部３及び第２リード部４の反りを効果的に抑制することができる。

ここまで、第１リード部３と第２リード部４との間の長手方向の熱膨張差に起因した第１リード部３及び第２リード部４の対向方向（Ｘ方向）の反りについて説明したが、対向方向と直交する方向（Ｙ方向）の反りが第１リード部３及び第２リード部４に生じる場合もある。

第１リード部３及び第２リード部４のＹ方向の反りの要因として、第１リード部３及び第２リード部４並びに一対の接続部５の周囲に形成される磁場の影響が考えられる。第１リード部３及び第２リード部４並びに一対の接続部５に高周波の電流が流れることにより、第１リード部３の周囲、及び第２リード部４の周囲、並びに一対の接続部５それぞれの周囲に磁場が形成される。通常、第１リード部３の周囲に形成される磁場と第２リード部４の周囲に形成される磁場とは互いに打ち消し合い、一方の接続部５の周囲に形成される磁場と他方の接続部５の周囲に形成される磁場もまた互い打ち消し合うが、第１リード部３の周囲の磁場と第１リード部側の接続部５の周囲の磁場とが互いに反発し、また、第２リード部４の周囲の磁場と第２リード部側の接続部５の周囲の磁場とが互いに反発することにより、第１リード部３及び第２リード部４にＹ方向の反りが生じると考えられる。

図８に示す加熱コイル１の変形例は、一対の接続部５と第１リード部３及び第２リード部４との間に形成される隅部に設けられ、一対の接続部５及び第１リード部３及び第２リード部４に架け渡された補強部７をさらに備える。

第１リード部３及び第１リード部側の接続部５と第２リード部４及び第２リード部側の接続部５との間に挟み込まれた絶縁板６の一部が、一対の接続部５と第１リード部３及び第２リード部４との間に形成される隅部に突出して配置されており、補強部７は、この絶縁板６の突出部分によって形成されている。

一対の接続部５及び第１リード部３及び第２リード部４に架け渡された補強部７により、Ｙ方向の反りに対する第１リード部３及び第２リード部４の剛性が高められ、第１リード部３及び第２リード部４のＹ方向の反りが抑制される。これにより、第１リード部３及び第２リード部４によって支持されているヘッド部２の変位を一層抑制し、ヘッド部２とワークＷの内面との接触を回避することができ、さらには、ヘッド部２とワークＷの内面との距離を周方向の各部で一定に保ってワークＷの内面の一層均一な加熱を可能とすることができる。

以下、実験例について説明する。

実験例１では、図８に示した構成の加熱コイルを用い、第１リード部３の流路１１、ヘッド部２の流路１０、そして第２リード部４の第１流路１２からなるヘッド部冷却系統の流路に流量７．２Ｌ／ｍｉｎにて水を流し、また、第２リード部４の第２流路１３からなるリード部冷却系統の流路に流量１２．５Ｌ／ｍｉｎにて水を流した状態で、円筒状のワークの内面を誘導加熱した。

実験例２では、実験例１の加熱コイルから補強部７を省いた加熱コイルを用い、第１リード部３の流路１１、ヘッド部２の流路１０、そして第２リード部４の第１流路１２からなるヘッド部冷却系統の流路にのみ流量７．５Ｌ／ｍｉｎにて水を流した状態で、円筒状のワークの内面を誘導加熱した。

加熱コイルに電力を供給していない状態ではヘッド部とワークとの間のギャップは２．０ｍｍであり、加熱コイルに供給する電力を種々に変えてヘッド部２のＸ方向及びＹ方向の変位を測定した。実験例１の加熱コイルの測定結果を表１及び図９に示し、実験例２の加熱コイルの測定結果を表２及び図１０に示す。

表１及び表２並びに図９及び図１０に示すとおり、実験例１の加熱コイル及び実験例２の加熱コイルに共通して、電力が大きくなる程にヘッド部２のＸ方向の変位量及びＹ方向の変位量も大きくなっているが、第１リード部３の流路１１、ヘッド部２の流路１０、そして第２リード部４の第１流路１２からなるヘッド部冷却系統の流路にのみ水を流した実験例２の加熱コイルに対し、ヘッド部冷却系統の流路に加えて第２リード部４の第２流路１３からなるリード部冷却系統にも水を流した実験例１の加熱コイルでは、ヘッド部２のＸ方向の変位量が低減された。また、補強部７を省いた実験例２の加熱コイルに対し、補強部７を有する実験例１の加熱コイル１では、Ｙ方向の変位量も低減された。実験例２の加熱コイルでは、電力８０ｋｗではヘッド部２とワークの内面とが接触したのに対し、実験例１の加熱コイルでは、電力８０ｋｗでもヘッド部２とワークの内面との接触は生じなかった。

次に、加熱コイルに供給する電力を、実験例２の加熱コイルにおいてヘッド部２とワークの内面とのギャップが保たれた７０ｋｗとして、ヘッド部冷却系統の流路における給水温度（第１リード部３の継手３０における水温）及び排水温度（第２リード部４の継手３１における水温）、並びにリード部冷却系統の流路における給水温度（第２リード部４の一方の継手３２における水温）及び排水温度（第２リード部４の他方の継手３２における水温）を測定した。測定結果を表３に示す。

表３に示すとおり、ヘッド部冷却系統の流路にのみ水を流した実験例２の加熱コイルでは、ヘッド部冷却系統の流路における給排水温度差が２９．７℃であったのに対し、ヘッド部冷却系統の流路に加えてリード部冷却系統の流路にも水を流した実験例１の加熱コイルでは、ヘッド部冷却系統の流路における給排水温度差が１５．７℃となり、実験例２の加熱コイルでの給排水温度差よりも低減された。この結果から、リード部冷却系統の流路にも水を流した実験例１の加熱コイルでは、第１リード部３と第２リード部４と間の温度差が低減されていることがわかる。そして、実験例１の加熱コイルでは、第１リード部３と第２リード部４との温度差が低減されたことにより、第１リード部３と第２リード部４との間の長手方向の熱膨張差もまた低減され、第１リード部３及び第２リード部４のＸ方向の反り、即ちヘッド部２のＸ方向の変位が抑制されたものと認められる。

１ 加熱コイル
２ ヘッド部
３ 第１リード部
４ 第２リード部
５ 接続部
６ 絶縁板
７ 補強部
１０ 流路
１１ 流路
１２ 第１流路
１３ 第２流路
１３ａ 流路部分
１３ｂ 流路部分
２０ 外管部
２１ 内管部
２２ 隔壁部
３０ 継手
３１ 継手
３２ 継手
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 筒状のワークに挿入されてワークの内面を誘導加熱するヘッド部と、
   前記ヘッド部に接合され且つ前記ヘッド部の前記ワークへの挿入方向と平行に互いに対向して延設された第１リード部及び第２リード部と、
   を備え、
   前記ヘッド部の内部には、冷却媒体の流路が設けられており、
   前記第１リード部の内部には、当該第１リード部の長手方向全長に及ぶ流路であって、前記ヘッド部の前記流路の一端に接続され且つ前記ヘッド部の前記流路に冷却媒体を導入する流路が設けられており、
   前記第２リード部の内部には、当該第２リード部の長手方向全長に及ぶ流路であって、前記ヘッド部の前記流路の他端に接続され且つ前記ヘッド部の前記流路から冷却媒体を排出する第１流路、及び当該第２リード部の長手方向に冷却媒体を往復させる第２流路が設けられている加熱コイル。
2. 請求項１記載の加熱コイルであって、
   前記第２リード部の長手方向に垂直な断面において、前記第２流路は、前記第１流路の周囲に設けられている加熱コイル。
3. 請求項２記載の加熱コイルであって、
   前記第２リード部は、長手方向の両端が閉塞された外管部と、前記外管部の長手方向に前記外管部を貫通して設けられ前記第１流路を形成する内管部と、前記外管部と前記内管部との間に設けられた隔壁部と、を有し、
   前記隔壁部は、前記外管部の両端のうち少なくとも前記ヘッド部側の底との間に隙間をあけて前記外管部の長手方向に延設されており、前記外管部と前記内管部との間に前記第２流路を形成している加熱コイル。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載の加熱コイルであって、
   加熱コイルに電力を供給する電源と電気的に接続される一対の接続部であって、前記第１リード部及び前記第２リード部の長手方向の両側の端部のうち前記ヘッド部側とは反対側の端部に接合されており、前記第１リード部及び前記第２リード部の長手方向及び対向方向に直交する方向に互いに対向して延設された一対の接続部と、
   前記一対の接続部と前記第１リード部及び前記第２リード部との間に形成される隅部に設けられ、前記一対の接続部及び前記第１リード部及び前記第２リード部に架け渡された補強部と、
   をさらに備える加熱コイル。

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