JP7199987B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、被加熱体の外径が小さくても大きくても、誘導加熱コイルや把持機構を交換することなく、かつ短サイクルタイムで、被加熱体を均一に加熱することが可能な誘導加熱装置を提供することを目的とする。
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体と該補助基材との間に介在して、該被加熱体を支持する把持部材をさらに具備し、
該誘導加熱装置は、第1の被加熱体と、該第1の被加熱体よりも大きい外径を有する第2の被加熱体と、を支持可能であり、
該把持部材は、
該第1の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第1の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第2の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第2の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように該被加熱体を支持するものであり、かつ、
非磁性体で構成されており、
該把持部材の該被加熱体との接触部は、厚み方向の熱伝導率が1.0W/(m・K)以下の材料からなり、
該把持部材の該被加熱体との接触部から該補助基材との接触部に至るまでの熱伝導率が、3.5W/(m・K)以上である、ことを特徴とする誘導加熱装置が提供される。
図1は、本発明の誘導加熱装置の装置概要を示す図である。
誘導加熱コイル100の長さ(図2中のL)は、誘導加熱コイル100に高周波電流を流すことによって被加熱体120だけでなく、補助基材111a、111bにも渦電流が発生する範囲の長さである。
そして、本発明に係る誘導加熱装置は、第1の被加熱体と、該第1の被加熱体よりも大きい外径を有する第2の被加熱体と、を支持可能である。
被加熱体側に位置する第1の部材150a,150bは厚み方向の熱伝導率が1.0W/(m・K)以下の材料とする。
また、補助基材側に位置する第2の部材151aは、第1の部材150aの被加熱体との接触部から補助基材111aとの接触部に至るまでの熱伝導率が、各材料間での熱伝導率の低下を考慮した上で3.5W/(m・K)以上になる材料とする。
補助基材側に位置する第2の部材151bも同様に、第1の部材150bの被加熱体との接触部から補助基材111bとの接触部に至るまでの熱伝導率が、3.5W/(m・K)以上になる材料とする。
なお、図3に記載の数値は後述する実施例で用いられた際のサイズを示すものであり、これらの数値は本発明の技術的範囲をなんら制限するものではない。
〈実施例1〉
図1に示す誘導加熱装置を用いて連続加熱試験を行った。
本実施例で使用した被加熱体120の外径、内径及び長さを表1に示す。本発明は複数の外径の被加熱体に対応できるものであるが、より連続加熱における条件が厳しくなるように被加熱体の種類を選定した。
被加熱体120の基層はアルミニウム合金で構成され、比透磁率はおよそ1.0である。被加熱体120の最外層には膜厚5.0μm程度の保護層が形成されている。
加熱は、高周波電源104により、誘導加熱コイル100に高周波電流を流すことで行う。初期温度である23℃から目標温度である117℃まで10秒で加熱できるような設定とした。
被加熱体120側の第1の部材150としては、熱伝導率が0.9W/(m・K)のPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)材を用いた。
つまり、表1に示すように、把持部材の被加熱体との接触部は、厚み方向の熱伝導率が0.9W/(m・K)である。
補助基材111a、111b側の第2の部材151としては、熱伝導率が160W/(m・K)の窒化アルミニウムを用いた。
つまり、補助基材から第1の部材に至る材料の順序は下記のとおりである。
・アルミニウム合金(補助基材111)
・窒化アルミニウム(第2の部材151)
・PEEK (第1の部材150)
さらに、PEEKと窒化アルミニウムとの間や、窒化アルミニウムと補助基材との間の微小な空気層による熱伝達の低下を抑制するために、各部品間に下記のエポキシ系接着剤を充填した上で、非図示のボルトにより、補助基材111a、111bと固定した。
・エポキシ系接着剤アラルダイト(登録商標) ハンツマン・アドバンスド・マテリアルズ社製
このようにして第1の部材と前記第2の部材との間に接着剤層を形成した。
・冷却ブロック(低温側)
・アルミニウム合金
・窒化アルミニウム
・PEEK
・加熱ブロック(高温側)
この構成に基づく、加熱ブロック側のPEEK表面からアルミニウム合金側の窒化アルミニウム表面に至るまでの算出熱伝導率が、把持部材110aの被加熱体120との接触部から補助基材111aとの接触部に至るまでの熱伝導率を示すものとなる。
同様に、前記算出熱伝導率は、把持部材110bの被加熱体120との接触部から補助基材111bとの接触部に至るまでの熱伝導率を示すものとなる。
・冷却ブロック‐アルミニウム合金間温度 :26℃
・アルミニウム合金‐窒化アルミニウム間温度:27.5℃
・PEEK‐加熱ブロック間温度 :119℃
アルミニウム合金を通過する熱量と、窒化アルミニウム及びPEEKを通過する熱量が一致し、アルミニウム合金の熱伝導率が既知である。
このため、加熱ブロック側のPEEK表面(把持部材の被加熱体との接触部)からアルミニウム合金側の窒化アルミニウム表面(把持部材の補助基材との接触部)に至るまでの熱伝導率が算出できる。算出の結果、熱伝導率は3.5W/(m・K)となった。
つまり、表1に示すように、把持部材の被加熱体との接触部から補助基材との接触部に至るまでの熱伝導率は、3.5W/(m・K)である。
把持部材110a、110bと被加熱体120とは10~20Nの力で押圧されているため滑ることなく、把持部材110a、110bと被加熱体120とは同じ速度で回転することができる。加熱時に被加熱体120を回転させることによって、被加熱体の周方向に温度ムラが生じることを抑制する。
まず、昇降機構114bを下降させた状態で被加熱体120を把持部材111bの上に載置する。その後、昇降機構114bを上昇させ、誘導加熱コイル100の内部に被加熱体を挿入し、把持部材110aと110bとで被加熱体120を上下から挟み込む。
約10秒後、被加熱体120の長手中央温度が目標温度である117℃に到達すると、加熱と回転が停止される。
・把持部材110aの表面温度
・被加熱体120の中央部(被加熱体120の長手中央位置)の温度
・上部(被加熱体120の上端から10mm下方の位置)の温度
・中央部と上部との温度差
把持部材110aの表面温度の変化が極めて小さく、被加熱体の上部の温度変化も1℃以下であった。
なお、今回の実験においては、上下対称の構成であり、把持部材110bの表面温度は把持部材110aの表面温度と同じであり、被加熱体120の下部の温度は被加熱体120の上部の温度と同じであった。このため、把持部材110bの表面温度及び被加熱体120の下部の温度については記載を省略した。
また、本実施例においては、把持部材110a、110bの被加熱体120との接触部は全周テーパー形状とした。より被加熱体120加熱時の被加熱体120と把持部材110a、110bの熱の移動を抑制したい場合は、把持部材110a、110bの被加熱体120との当接面に凹凸や溝を形成し、被加熱体120との接触面積を減らす構成としても良い。
図5は、円錐台形状の把持部材110bの側面に、ほぼ同じ形状かつ大きさの凸部501bと凹部502bとを、放射線状にかつ交互に設けた例である。把持部材110bの被加熱体120との当接面を図5に示したような凹凸形状とした場合、凸部501bは被加熱体120と接触するが、凹部502bは被加熱体120と接触しない。このため、把持部材110bと被加熱体120との接触面積は、把持部材110bに凸部501b及び凹部502bを形成しない場合の接触面積と比べて、ほぼ半分に減少する。
図4に示す把持部材を用いて、実施例1と同様の加熱試験を行った。
図4に示す把持部材410a、410bはPEEKのバルクで構成され、外形形状は実施例1において用いた把持部材110a、110bと同じである。把持部材110aに代えて把持部材410aを、把持部材110bに代えて把持部材410bを用いた以外は実施例1と同じ条件とした。
・把持部材410aの表面温度
・被加熱体120の中央部(被加熱体120の長手中央位置)の温度
・上部(被加熱体120の上端から10mm下方の位置)の温度
・中央部と上部との温度差
把持部材410a,410bの表面温度の変化が大きく、被加熱体120の温度差の変化が2.5℃であった。
101 コイル支持部材
102 コイル台座
103 整合器
104 高周波電源
110 把持部材
111 補助基材
112 軸受部
113 回転機構
114 昇降機構
115 制御部
120 被加熱物
130 位置調整手段
140 冷却水循環用流路
141 回転継手
142 冷却水循環機構
150 第1の部材
151 第2の部材
210 情報蓄積部
Claims (4)
- 円筒状の被加熱体が内部に配置される誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内部に配置され、該誘導加熱コイルによって渦電流を発生し発熱する補助基材と、を具備する誘導加熱装置であって、
該誘導加熱コイルの内部に該被加熱体が配置されたときに、該被加熱体と該補助基材との間に介在して、該被加熱体を支持する把持部材をさらに具備し、
該誘導加熱装置は、第1の被加熱体と、該第1の被加熱体よりも大きい外径を有する第2の被加熱体と、を支持可能であり、
該把持部材は、
該第1の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第1の被加熱体の一端と該補助基材との距離が、該第2の被加熱体が該誘導加熱コイルの内部に配置されたときの該第2の被加熱体の一端と該補助基材との距離よりも、長くなるように該被加熱体を支持するものであり、かつ、
非磁性体で構成されており、
該把持部材の該被加熱体との接触部は、厚み方向の熱伝導率が1.0W/(m・K)以下の材料からなり、
該把持部材の該被加熱体との接触部から該補助基材との接触部に至るまでの熱伝導率が、3.5W/(m・K)以上である、ことを特徴とする誘導加熱装置。 - 前記把持部材が、前記被加熱体の接触部を構成する第1の部材と、該第1の部材よりも前記補助基材側に位置してなる第2の部材と、を具備し、
該第1の部材がポリエーテルエーテルケトン(PEEK)からなり、
該第2の部材が窒化アルミニウムからなる請求項1に記載の誘導加熱装置。 - 前記第1の部材と前記第2の部材との間に接着剤層を有する請求項2に記載の誘導加熱装置。
- 前記接着剤層が、エポキシ系接着剤からなる請求項3に記載の誘導加熱装置。
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