JP6637649B2

JP6637649B2 - 加熱装置及び加熱方法

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Publication number: JP6637649B2
Application number: JP2014142615A
Authority: JP
Inventors: 英宏安武; 田中　嘉昌; 嘉昌田中
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: JP2016018743A

Description

本発明は、ワークを誘導加熱する加熱装置及び加熱方法に関する。

ワークの熱処理において、コイルに交流電力を供給し、コイルによって形成される磁場でワークを誘導加熱する加熱方法が用いられている。コイルはワークに応じて形成され、ワークは、典型的には、加熱が完了した後に、水などの冷却液がかけられて冷却される。（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５０４５１６号公報

ワークの形状は多様であり、例えば角部や突起や孔といった過熱され易い部分が被加熱部位に含まれる場合がある。被加熱部位における局所的な過熱を抑制するには、一般的には、コイルの形状が工夫され、また、磁気シールドが使用されて、被加熱部位の各部の加熱温度が制御されるが、コイルの製造コストの上昇や設備の複雑化を伴う。

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、簡易な構成でワークの被加熱部位における加熱温度分布を調節可能な加熱装置及び加熱方法を提供することにある。

本発明の一態様の加熱装置は、交流電力が供給され、ワークを誘導加熱する磁場を形成するコイルと、少なくとも前記コイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれている前記ワークの被加熱部位に対し、前記被加熱部位における外表面と内部とで加熱温度が均一化されるように、液を含む冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状にして噴射する噴射部と、を備える。

また、本発明の一態様の加熱方法は、コイルに交流電力を供給し、前記コイルによって形成される磁場でワークを誘導加熱する加熱方法であって、少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれている前記ワークの被加熱部位に対し、前記被加熱部位における外表面と内部とで加熱温度が均一化されるように、液を含む冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状にして噴射する。

本発明によれば、簡易な構成でワークの被加熱部位における加熱温度分布を調節可能な加熱装置及び加熱方法を提供することができる。

本発明の実施形態を説明するための、加熱装置の一例の概略構成を示す図である。図１の加熱装置の構成を示す図である。図１の加熱装置のコイルの構成を示す図である。図３のコイルを用いた誘導加熱でワークに流れる渦電流を示す図である。焼き入れ処理におけるワークＷの硬化パターンを模式的に示す図である。本発明の実施形態を説明するための、加熱装置の他の例の構成を示す図である。図６におけるVII−VII線断面を示す図である。実験例のワークの硬化パターンを模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、加熱装置の一例の概略構成を示す。

図１に示す加熱装置１は長尺のワークＷを誘導加熱するものであり、ワークＷを誘導加熱するコイル１０と、噴射部１１とを備える。

ワークＷは断面矩形状に形成された角材であり、左右の側面Ｗａ，Ｗｂが加熱される。なお、ワークＷは特に限定されず、例えばワークＷは、丸棒であってもよいし断面矩形状や断面円形状の管材などであってもよく、また、角材であるワークＷの外周部全体を加熱してもよい。

長尺のワークＷは、典型的にはダイスを通して素材を引き抜くことによって成形されており、引抜加工に伴い、ワークＷにはバリやボンデかすなどが付着している。

ワークＷは長手方向に搬送され、加熱装置１に連続的に搬入される。加熱装置１は、コイル１０に交流電力を供給し、コイル１０をワークＷの搬送方向に相対移動させながらワークＷを連続的に誘導加熱する。

噴射部１１は、液を含む冷却流体を霧状にして噴射するノズル３０と、ノズル３０に冷却流体を供給する供給部３１とを有する。

なお、冷却流体を霧状にして噴射するとは、冷却流体を、雰囲気中で浮遊可能な程度の微細な粒子として噴射することを意味する。

供給部３１は、冷却流体を加圧するポンプ３２と、ノズル３０への冷却流体の供給を遮断するバルブ３３と、制御部３４とを含んで構成されており、制御部３４は、少なくともコイル１０に交流電力が供給されている期間、ノズル３０から冷却流体が噴射されるようポンプ３２を駆動し、またバルブ３３を開閉する。

制御部３４によるポンプ３２の駆動制御及びバルブ３３の開閉制御のもと、交流電力が供給されて発熱したコイル１０、及びコイル１０が形成する磁場に置かれて加熱されたワークＷの被加熱部位に、ノズル３０から噴射された冷却流体の粒子が吹き付けられる。

図２は加熱装置１の構成を示し、図３はコイル１０の構成を示し、図４はワークＷに流れる渦電流を示す。

コイル１０は、ワークＷに応じて適宜形成される。角材であるワークＷの左右の側面Ｗａ，Ｗｂを加熱する本例では、コイル１０は、一方の側面Ｗａに沿って設けられた第１加熱部２０、及び他方の側面Ｗｂに沿って設けられた第２加熱部２１を有する。

第１加熱部２０は、ワークＷの長手方向と略直交する複数の加熱導体部２２と、長手方向に隣り合う二つの加熱導体部２２の端部同士を接続する複数の接続導体部２３とを含み、ワークＷの長手方向に蛇行して延設されている。第２加熱部２１もまた、複数の加熱導体部２２及び接続導体部２３を含み、第１加熱部２０と略対称に形成されている。

第１加熱部２０の一方の端部２０ａと第２加熱部２１の一方の端部２１ａとは互いに電気的に接続されている。そして、第１加熱部２０の他方の端部２０ｂと第２加熱部２１の他方の端部２１ｂが上記電源に接続され、第１加熱２０及び第２加熱２１にまたがって交流電流が流れる。

第１加熱２０及び第２加熱２１に交流電流が流れると、加熱導体部２２や接続導体部２３の周囲に交番磁場が形成される。そして、加熱導体部２２の周囲に形成される交番磁場の磁束がワークＷの側面Ｗａ又は側面Ｗｂと鎖交し、側面Ｗａや側面Ｗｂにおける鎖交部位に渦電流Ｉが生じ、鎖交部位（被加熱部位）が加熱される。

図示の例では、各加熱導体部２２にコア２４が装着されている。コア２４は、加熱導体部２２の周囲に形成される磁場の磁束の広がりを調整し、磁束をワークＷの被加熱部位に集中的に鎖交させ、被加熱部位の加熱効率を高める。

また、導体部２２，２３は筒材で形成されており、第１加熱部２０及び第２加熱部２１の内部には流通路が形成されている。電流が流れることによって発熱する第１加熱部２０及び第２加熱部２１は、内部に水などのコイル冷却液が流通され、内部から冷却される。

冷却流体を霧状にして噴射するノズル３０の数や配置は、コイル１０やワークＷに応じて適宜設定される。図示の例では、コイル１０の左右両側に略対称に複数のノズルが設けられており、ワークＷの搬送方向にコイル１０よりも上流側に配置されたノズル３０ａ、及びコイル１０の背後に配置された３０ｂを含む。

ワークＷの搬送方向にコイル１０よりも上流側に配置されたノズル３０ａの噴射方向は、コイル１０の第１加熱部２０とワークＷとの間のギャップ、又はコイル１０の第２加熱部２０とワークＷとの間のギャップに向けられている。

ノズル３０ａ，３０ｂから霧状に噴射された冷却流体の粒子は、コイル１０及びワークＷの被加熱部位の周囲に充満し、コイル１０やワークＷの被加熱部位を、それらの外表面側から冷却する。

コイル１０に流れる電流は、高周波での表皮効果や近接効果に起因して、コイル１０の外表面側を流れる傾向にある。したがって、コイル１０の外表面側の温度は相対的に高くなり易い。そこで、コイル１０の周囲に充満する冷却流体の粒子によってコイル１０を外表面から冷却することにより、コイル１０を効果的に冷却保護することができ、コイル１０の寿命を延長することができる。

また、ワークＷから剥離したスケールやボンデかすは、コイル１０の周囲に充満する霧状の冷却流体によって捕捉され、スケール類のコイル１０への付着が抑制される。それにより、スケール類の堆積に起因するコイル１０の損傷やコイル１０とワークＷとの短絡を抑制し、コイル１０を保護することができる。

スケール類のコイル１０への付着を抑制する観点では、図示の例のように、噴射方向がコイル１０とワークＷとの間のギャップに向けられたノズル３０ａが設けられることが好ましい。それによれば、噴射された冷却流体の粒子の流動を積極的に利用して、ワークＷに付着しているバリやボンデかす、或いはコイル１０に付着したスケール類を効果的に除去することができる。特に、コア２４を有するコイル１０においては、ワークＷの被加熱部位に対向するコア２４の開放端面にバリが吸着されるが、霧状に噴射された冷却流体の粒子の流動を積極的に利用することにより、コア２４に吸着されるバリを効果的に除去することができる。

このように、コイル１０に交流電力が供給される期間にコイル１０に冷却流体を霧状にして噴射し、コイル１０を冷却し、またコイル１０に付着するスケール類を除去可能であることは、長尺のワークＷを連続的に誘導加熱する場合に特に有用である。

一方、ワークＷの被加熱部位も、被加熱部位の周囲に充満する冷却流体の粒子によって外表面側から冷却される。霧状に噴射された冷却流体の粒子は熱容量が極めて小さく、冷却流体の粒子が被加熱部位から奪う気化熱もまた極めて小さいので、霧状に噴射された冷却流体の粒子との接触によって被加熱部位が過度に冷却されることはない。

そして、ワークＷの被加熱部位に流れる渦電流は、コイル１０に流れる電流と同様、被加熱部位の外表面側を流れる傾向にあり、被加熱部位の外表面側の温度が相対的に高くなり易い。そこで、ワークＷの被加熱部位の周囲に充満する冷却流体の粒子によって被加熱部位を外表面側から冷却することにより、例えば被加熱部位の外表面側と内部とで加熱温度を均一化し、外表面側における結晶粒の粗大化を抑制することが可能である。

さらに、霧状に噴射される冷却流体の噴射方向や噴射量を調節することによって、図５に示すように、ワークＷの被加熱部位における各部の加熱温度を積極的に調節することも可能である。

図５は、焼き入れ処理におけるワークＷの硬化パターンを模式的に示す。なお、図５に示す例では、環状の加熱コイルＣを用いてワークＷの外周全体を加熱するものとして説明する。

図５（Ａ）は、ワークＷの被加熱部位に対する冷却流体の噴射を省略した場合の硬化パターンを示している。断面矩形状に形成された角材であるワークＷにおいて、被加熱部位における角部Ｅは過熱され易い部分であり、過熱されることによって相対的に深部まで硬化層が及んでいる。これに対し、図５（Ｂ）に示すように、角部Ｅに向けて冷却流体が霧状に噴射されることにより、角部Ｅの硬化層深さは浅くなり、即ち角部Ｅの過熱が抑制される。

また、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）は、側面Ｗａに向けて冷却流体を霧状にして噴射した場合の硬化パターンを示し、図５（Ｄ）に示す例は、図５（Ｃ）に示す例に比べて冷却流体の噴射量を増加させた場合の硬化パターンを示す。図５（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、霧状に噴射される冷却流体の噴射量が増加するのに伴って、側面Ｗａの冷却が促進され、その側面Ｗａの硬化層深さは浅くなる。

このように、霧状に噴射される冷却流体の噴射方向や噴射量を調節することによって、ワークＷの被加熱部位の局所的な過熱を抑制し、また、局所的に熱処理の仕様を変えることができるので、例えば角部等の易過熱部分の過熱を抑制するためのコイル形状の工夫や磁気シールドの使用を省くことができる。そして、ワークとの関係で加熱装置の出力が適正よりも高い周波数や電力であっても所望の熱処理を施すことが可能となり、例えばサイズ等が異なる同種のワークに対して共通のコイルを用いて熱処理を施すことができる。それにより、コイルの製造コストを削減でき、また、設備を簡素化することができる。

冷却流体に含まれる液は、例えば水を好適に用いることができ、コイル１０やワークＷの被加熱部位の冷却効果を高める観点から各種の添加剤を含んでいてもよい。また、冷却流体は、液に加えて気体を含んでいてもよい。冷却流体に気体を含めることにより、冷却流体の噴射速度を高め、ワークＷに付着しているバリやボンデかす、或いはコイル１０に付着したスケール類の除去効果を高めることができる。冷却流体に用いられる気体としては、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを例示することができ、不活性ガスを用いることによってコイル１０やワークＷの酸化を抑制することもできる。

図６及び図７は、本発明の実施形態を説明するための、加熱装置の他の例の構成を示す図である。

図６及び図７に示す加熱装置は、ワークとしての歯車Ｇを誘導加熱するものであり、コイル１１０と、液を含む冷却流体を霧状にして噴射するノズル１３０を有する噴射部とを備える。

コイル１１０は、環状に形成され、歯車Ｇの外周を取り囲んで配置されている。コイル１１０に交流電流が流れると、外周部を循環する渦電流が歯車Ｇに生じ、歯車Ｇの各歯面が加熱される。歯車Ｇの各歯面の加熱温度を均一化する目的で、コイル１１０に交流電力が供給されている期間、コイル１１０と歯車Ｇとは相対回転される。

ノズル１３０は、図示の例では、コイル１１０の周方向に適宜な間隔をあけて複数設けられており、各ノズル１３０は、コイル１１０を径方向に貫通して配置され、その噴射口は、コイル１１０の内周面に露呈している。

少なくともコイル１１０に交流電力が供給されている期間、各ノズル１３０から冷却流体が霧状に噴射され、コイル１１０が形成する磁場に置かれて加熱された歯車Ｇの各歯面に、噴射された冷却流体の粒子が吹き付けられる。

上述のとおり、霧状に噴射される冷却流体の噴射方向や噴射量を調節することによって、ワークの被加熱部位における各部の加熱温度を調節することが可能であるので、例えば過熱され易い歯末の角部の過熱を抑制することができ、また、異なるモジュールの歯車に対して共通のコイルを用いて熱処理を施すこともできる。

以上、コイルをワークに対して相対移動させながらワークを誘導加熱する例について説明したが、本発明は、コイル及びワークが固定される定置型の誘導加熱にも適用可能である。

以下に、図１に示した加熱装置１において、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射し、コイル１０の冷却及びワークＷの熱処理品質を検証した実験例について説明する。

実験例１〜３は、加熱装置１を用いてワークＷの両側面Ｗａ，Ｗｂに焼き入れ処理を施したものであり、ワークＷの搬送方向におけるコイル１０の下流側にて、焼入冷却液を所定流量でワークＷにかけ、ワークＷを冷却した。表１に実験例１〜３の加熱条件示し、図８に、実験例１〜３のワークＷの硬化パターンを模式的に示す。

コイル１０の冷却について、コイル１０の内部に流通されるコイル冷却水の給水口での温度と排水口での温度との差、即ちコイル冷却水の昇温量を測定した。また、ワークＷの熱処理品質について、ワークＷから採取した試験片断面における硬化層深さ、及び外表面側の結晶粒度を測定した。測定結果を表１に併せて示す。なお、結晶粒度（ＧＳＮｏ．）は、ＪＩＳＧ０５５１で定義される粒度番号である。

コイル１０の冷却について、コイル１０及びワークＷの被加熱部位への冷却流体の噴霧を省略した実験例１に対し、実験例１と同じ加熱条件で、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射した実験例２では、コイル冷却水の昇温量が小さくなっている。また、実験例１に対して設定電力を高め、且つコイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射した実験例３では、実験例１と同等の昇温量となっている。即ち、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射することにより、コイル１０が冷却されることが分かる。

また、コイル１０及びワークＷの被加熱部位への冷却流体の噴霧を省略した実験例１では、ワークＷを３００ｍほど処理したところでコイル１０からのスパークが発生したが、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射した実験例２及び実験例３では、ワークＷを１００００ｍ処理してもコイル１０からのスパークは発生しなかった。

ワークＷの熱処理品質について、コイル１０及びワークＷの被加熱部位への冷却流体の噴霧を省略した実験例１と同じ加熱条件で、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射した実験例２では、実験例１と同等の硬化層深さが得られている。そして、実験例１に対してワーク搬送速度を速めた実験例３において、実験例１と同等の硬化層深さを得るためには設定電力を高めてより高温に加熱する必要があり、高温に加熱することで典型的には結晶粒が粗大化するが、コイル１０及びワークＷの被加熱部位に冷却流体を霧状にして噴射した実験例３では、結晶粒の粗大化が抑制されている。

以上、説明したとおり、本明細書には下記の事項が開示されている。
（１）交流電力が供給され、ワークを誘導加熱する磁場を形成するコイルと、少なくとも前記コイルに交流電力が供給される期間、前記コイルに、液を含む冷却流体を霧状にして噴射する噴射部と、を備える加熱装置。
（２）上記（１）の加熱装置であって、前記噴射部は、前記コイルと前記ワークとの間のギャップに向けて前記冷却流体を霧状に噴射する加熱装置。
（３）上記（２）の加熱装置であって、前記コイルはコアを有する加熱装置。
（４）上記（１）から（３）のいずれか一つの加熱装置であって、前記コイルは、前記ワークに対して相対移動されながら、相対移動方向に前記ワークを連続的に誘導加熱する加熱装置。
（５）交流電力が供給され、ワークを誘導加熱する磁場を形成するコイルと、少なくとも前記コイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれる前記ワークの被加熱部位に、液を含む冷却流体を霧状にして噴射する噴射部と、を備える加熱装置。
（６）上記（５）の加熱装置であって、前記噴射部は、前記ワークの前記被加熱部位における易過熱部分に向けて前記冷却流体を霧状に噴射する加熱装置。
（７）コイルに交流電力を供給し、前記コイルによって形成される磁場でワークを誘導加熱する加熱方法であって、少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記コイルに、液を含む冷却流体を霧状に噴射する加熱方法。
（８）上記（７）の加熱方法であって、少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記コイルと前記ワークとの間におかれるギャップに向けて前記冷却流体を噴射する加熱方法。
（９）上記（８）の加熱方法であって、コアを有するコイルを用いて前記ワークを誘導加熱する加熱方法。
（１０）上記（７）から（９）のいずれか一つの加熱方法であって、前記コイルを前記ワークに対して相対移動させながら、相対移動方向に前記ワークを連続的に誘導加熱する加熱方法。
（１１）コイルに交流電力を供給し、前記コイルによって形成される磁場でワークを誘導加熱する加熱方法であって、少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれる前記ワークの被加熱部位に、液を含む冷却流体を霧状に噴射する加熱方法。
（１２）上記（１１）の加熱方法であって、少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記ワークの前記被加熱部位における易過熱部分に向けて前記冷却流体を霧状に噴射する加熱方法。

１加熱装置
１０コイル
１１噴射部
２４コア
３０ノズル
Ｗワーク

Claims

交流電力が供給され、ワークを誘導加熱する磁場を形成するコイルと、
少なくとも前記コイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれている前記ワークの被加熱部位に対し、前記被加熱部位における外表面と内部とで加熱温度が均一化されるように、液を含む冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状にして噴射する噴射部と、
を備える加熱装置。
請求項１記載の加熱装置であって、
前記噴射部は、前記ワークの前記被加熱部位における易過熱部分に向けて前記冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状に噴射する加熱装置。
コイルに交流電力を供給し、前記コイルによって形成される磁場でワークを誘導加熱する加熱方法であって、
少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記磁場に置かれている前記ワークの被加熱部位に対し、前記被加熱部位における外表面と内部とで加熱温度が均一化されるように、液を含む冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状にして噴射する加熱方法。
請求項３記載の加熱方法であって、
少なくともコイルに交流電力が供給される期間、前記ワークの前記被加熱部位における易過熱部分に向けて前記冷却流体を雰囲気中で浮遊可能な微細な粒子状に噴射する加熱方法。