JP7457970B2

JP7457970B2 - 誘導加熱コイル及び誘導加熱装置

Info

Publication number: JP7457970B2
Application number: JP2021058910A
Authority: JP
Inventors: 力宮崎; 英司鈴木
Original assignee: 株式会社ミヤデン
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2041-03-31
Also published as: JP2022155600A

Description

本発明は、例えば内周面に歯部を有する被加熱物の内周面に、誘導加熱を利用して焼入れ等の熱処理を行う際に使用される誘導加熱コイル及び誘導加熱装置に関する。

従来、この種の誘導加熱コイルは、例えば特許文献１に開示されている。この誘導加熱コイル（内径面誘導加熱コイル）は、絶縁体で形成され板状部の中央部位に内径突出部が形成されたベース部材、及び大径の膨出部と細径の外径突出部を備えたカバー部材からなる中空のケースと、このケースの内部に配設された薄板状の導体を所定回数巻回した加熱部材とを備え、加熱部材に高周波電流を供給すると共に加熱部材を配設したケース内に冷却水を供給して、被加熱物（ワーク）の内径面を誘導加熱するようにしたものである。

特許第３６２１６８５号公報

しかしながら、このような誘導加熱コイルにあっては、銅板等の薄板状の導体をコイル状に巻回した加熱部材のケース内に冷却水を供給して加熱部材の通電時の発熱を抑えるようにしているため、被加熱物の内周面を誘導加熱するだけで、誘導加熱コイルで加熱した被加熱物の内周面（内径面）等を冷却することはできず、例えば内周面に歯部を有する被加熱物の内周面に形成された歯部に焼入れ等の熱処理を行うことは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、例えば内周面に歯部等を有する被加熱物であっても、誘導加熱を利用して内周面に焼入れ等の所定の熱処理を行うことが可能な誘導加熱コイル及び誘導加熱装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、内部に冷却水流路が設けられると共に長手方向他端部に冷却水噴射部が設けられた絶縁体からなる円柱状部材と、該円柱状部材の長手方向所定位置の外周面に配置されたコイル部材と、該コイル部材と前記冷却水噴射部の外側を覆うことが可能なガイド部材を備え、前記ガイド部材が被加熱物の内周面の誘導加熱時に当該被加熱物の外周面への熱影響を抑制可能な材質及び／又は形態であり、前記円柱状部材を前記被加熱物の内周面の内側に配置しその外周面の外側に前記ガイド部材を上下動可能に配置した状態で、前記被加熱物の誘導加熱と冷却を略連続して可能に構成したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記ガイド部材が、底壁及び４分割された平面視円弧形状の真鍮製ガイド板を円周方向に連設することで形成された側壁を有して、平面視で有底リング形状に形成されていることを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、前記円柱状部材が、その長手方向一端側に前記冷却水流路の供給口が設けられ、当該円柱状部材の長手方向他端側に前記冷却水噴射部が設けられてその外周面から外側方向に冷却水が噴射可能であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記ガイド部材が、上昇位置で前記被加熱物の外周面が前記コイル部材の内周面に対向し下降位置で前記被加熱物の内周面が前記円柱状部材の冷却水噴射部の外周面に対向することを特徴とする。さらに、請求項５に記載の発明は、前記コイル部材が、所定の導体の巻回により略円筒状に形成されたコイルと、該コイルの上下面と内周面を覆う如く配置された断面略コ字状のコアを備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、内部に冷却水流路が設けられると共に長手方向他端部に冷却水噴射部が設けられた絶縁体からなる円柱状部材、該円柱状部材の長手方向所定位置の外周面に配置されたコイル部材、該コイル部材と前記冷却水噴射部の外側を覆うことが可能で被加熱物の内周面の誘導加熱時に当該被加熱物の外周面への熱影響を抑制可能な材質及び／又は形態であるガイド部材を有して、前記円柱状部材が前記被加熱物の内周面の内側に配置可能で当該被加熱物の外周面の外側に前記ガイド部材を上下動可能に配置可能な誘導加熱コイルと、前記コイル部材の両端部に所定の高周波電流を供給可能な高周波発振機と、前記円柱状部材の冷却水流路に冷却水を供給可能な冷却水供給装置と、前記ガイド部材を上下動させるためのガイド上下装置を備えることを特徴とする。

本発明のうち請求項１または２に記載の発明によれば、冷却水噴射部が設けられた円柱状部材、円柱状部材の外周面に配置されたコイル部材、及びコイル部材の外面を覆うことが可能なガイド部材を備え、円柱状部材を被加熱物の内周面の内側に配置しその外周面の外側にガイド部材を上下動可能に配置した状態で誘導加熱と冷却を略連続して可能に構成しているため、例えば内周面に歯部等を有する略リング状の被加熱物であっても、コイル部材に高周波電流を供給した後に略連続して冷却水噴射部から冷却水を噴射することで、被加熱物の内周面を誘導加熱を利用して焼入れ等の所定の熱処理を簡単に行うことが可能になり、被加熱物の内周面に所定品質の熱処理状態を安定かつ高精度に形成することができる。

また、ガイド部材が、被加熱物の内周面の誘導加熱時にその外周面への熱影響を抑制可能な材質及び／又は形態であるため、ガイド部材を４分割された平面視円弧形状の真鍮製ガイド板等で有底リング形状に形成することにより、被加熱物の内周面を誘導加熱して所定の焼入れパターンを形成する場合に、焼入れパターンの外周面側への流れこみ等を防止できて、被加熱物の内周面に一層高精度な熱処理状態を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、円柱状部材の長手方向一端側に冷却水流路の供給口が設けられ、円柱状部材の長手方向他端側に冷却水噴射部が設けられてその外周面から外側方向に冷却水が噴射可能であるため、所定量の冷却水を冷却水噴射部に供給しつつ噴射孔から被加熱物の内周面に均一かつスムーズに噴射できて、内周面に良好な熱処理状態を得ることができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加え、ガイド部材が、上昇位置で被加熱物の内周面がコイル部材の外周面に対向し下降位置で被加熱物の内周面が円柱状部材と冷却水噴射部の外周面に対向するため、ガイド部材内に被加熱物をセットし、円柱状部材の外周面に沿って上下動させるだけで、加熱位置と冷却位置とに簡単かつ確実に設定できて、焼入れ処理等の作業能率を高めることができる。

さらに、請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４に記載の発明の効果に加え、コイル部材が、所定の導体を所定回数巻回することで略円筒状に形成されたコイルと、コイルの上下面と内周面を覆う如く配置されたコアとを備えるため、コイル部材による加熱効率を高めることができて、加熱コイルの省電力化を図ったり、小径の内周面から大径の内周面にも適用できて、各種形態の被加熱物への対応を容易に行うことができる。

また、請求項６に記載の誘導加熱装置によれば、誘導加熱コイルが円柱状部材、高周波発振機に接続されたコイル部材及びガイド上下装置により上下動可能で焼入れパターンの外周面側への流れこみ等を防止できるガイド部材を備え、円柱状部材を被加熱物の内周面の内側に配置し当該被加熱物の外周面の外側にガイド部材を上下動可能に配置した状態で誘導加熱と冷却を略連続して可能に構成しているため、請求項１に記載の発明の効果と同様に、例えば内周面に歯部等を有する略円筒形状の被加熱物であっても、コイル部材に高周波電流を供給した後に円柱状部材の冷却水噴射部から冷却水を噴射することで、被加熱物の内周面を誘導加熱を利用して焼入れ等の所定の熱処理を行うことが可能になり、被加熱物の内周面に所定品質の熱処理状態を安定かつ高精度に形成することができる。

本発明に係わる誘導加熱用コイルの一実施形態を示す平面図同その正面図同図２のＡ－Ａ線概略断面図同ガイド部材を取り外した状態の右側面図本発明に係わる誘導加熱コイルを使用可能な誘導加熱装置の概略構成図

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１～図５は、本発明に係わる誘導加熱コイルの一実施形態を示している。図１及び図２に示すように、誘導加熱コイル１（加熱コイル１という）は、略円柱状のコイル体２と、このコイル体２の上端部を支持するコイルクランプ部３を備えている。

前記コイル体２は、図１～図４に示すように、例えば樹脂製で所定長さの円柱状部材４と、この円柱状部材４の長手（中心軸）方向の略中間部の外周面に配置されたコイル部材５と、このコイル部材５の外周面と前記円柱状部材４の下部を覆うことが可能なガイド部材６を有している。

前記円柱状部材４は、図３に示すように、その内部の軸方向（図３の上下方向）に一端が円柱状部材４の上面に開口した冷却水流路４ａが２本形成されており、この冷却水流路４ａの下端は、円柱状部材４の下端部に設けられた空間状の冷却水噴射部４ｂの上部にそれぞれ連通している。この冷却水噴射部４ｂの外周面には、所定形態で小径の噴射孔４ｂ１が多数形成されると共に、冷却水噴射部４ｂの下面開口は底板４ｃで閉塞されている。

前記コイル部材５は、図３及び図４に示すように、例えば丸もしくは角の銅パイプを所定回数（１回もしくは複数回）巻回等して外形が略円筒状に形成されたコイル５ａと、このコイル５ａの内周面と上下面を覆うように配置されたコア５ｂを有している。コア５ｂは、上下面の径方向の幅が内側が狭く外側が広い幅狭な断面略コ字状のコアを円周方向に多数個連設することで、コイル５ａの内周面と上下面の略全域に配置され、また、コイル５ａの外周面は、例えば絶縁テープ等で被覆されている。なお、コイル５ａの銅パイプの両端部は、例えば後述するコイルクランプ部３の冷却用の角銅パイプ１３に電気的及び機械的に接続されている。

前記ガイド部材６は、図１～図３に示すように、側壁６ａと底壁６ｂを有し、側壁６ａは例えば４枚の円弧形状の真鍮製ガイド板を円周方向に連設することで平面視で有底リング形状に形成されている。側壁６ａの下面側の開口には底壁６ｂが固定され、この底壁６の下面（外面）の中心位置には、ガイド部材６を図３の矢印イの如く上下動させるための突起６ｂ１が設けられると共に、底壁６ｂ外周部と側壁６ａの下部には冷却水噴射部４ｂに供給される冷却水を下方の排水タンク等に排水するための所定形態の小径の排水孔６ｂ２が複数個形成されている。

なお、このガイド部材６の側壁６ａの内周面と前記コイル部材５のコイル５ａの外周面との間には、リング形状の被加熱物（ワークＷという）がセット可能な所定寸法の隙間が形成されると共に、側壁６ａの内周面の所定高さ位置（中間位置）には、ワークＷをガイド部材６内の上部に支持するための凸部６ａ１（図３参照）が、円周方向の全域もしくは円周方向の複数箇所に一体成形されている。

前記コイルクランプ部３は、図１～図４に示すように、平面視でＬ字形状に屈曲された一対の銅板７を有し、これが複数のボルト８とナット９により絶縁板１０を介して圧接固定されている。そして、各銅板７の基端側となる一対の屈曲部が端子部７ａとして機能し、後述する誘導加熱装置２０のトランジスタインバータや変流器等を有する高周波発振機２１の出力端子に接続可能となっている。また、各銅板７の先端側には、絶縁性の支持板１１が連結固定され、この支持板１１の先端部下面に前記円柱状部材４の上端部がボルト１２等により支持固定されている。

なお、各銅板７の外面には、各銅板７を冷却するための角銅パイプ１３がそれぞれ固定され、この各角銅パイプ１３の基端部には、ホースジョイント１４がそれぞれ固定されると共に、各角銅パイプ１３の先端が、前記コイル部材５のコイル５ａの両端に電気的及び機械的に接続固定されている。これにより、一方のホースジョイント１４から供給される冷却水が、コイル５ａの銅パイプ内を流れて他方のホースジョイント１４から後述する冷却水供給装置２２に戻されるようになっている。

また、前記コイル部材５を支持する支持板１１の先端には、円柱状部材４の冷却水流路４ａの開口に固定したホースジョイント１５の上部が突出しており、この突出部分に図示しないワーク冷却用の冷却水を冷却水噴射部４ｂに供給するためのホースが接続可能となっている。つまり、前記加熱コイル１の場合、コイル部材５を支持する円柱状部材４にワーク冷却用の冷却水流路４ａが形成されると共に、コイル部材５を支持するコイルクランプ部材３からコイル５ａに掛けてコイル５ａ自体を冷却するための角銅パイプ１３からなる冷却水流路が形成されていることになる。

次に、このように構成された加熱コイル１によるワークＷの焼入れ方法の一例を、図５等に基づいて説明する。先ず、前記加熱コイル１が設置される誘導加熱装置２０は、所定の高周波電流を出力可能な高周波発振機（高周波発信機）２１と、冷却水を循環供給可能な冷却水供給装置２２及びガイド部材６を上下動可能なガイド上下装置２３と、これらを制御可能な制御装置等を備えている。そして、加熱コイル１は、その端子部７ａを高周波発振機２１の出力端子に電気的に接続し、そのホースジョイント１４とホースジョイント１５を冷却水供給装置２２にホースでそれぞれ接続する。

この状態で、内周面に歯部Ｗａを有するワークＷの歯部Ｗａを焼入れする場合、前記ガイド上下装置２３を作動させて前記ガイド部材６を下降位置に設定し、その上面開口部の上方を開放した状態でガイド部材６の側壁６ａ内側にワークＷをセットする。このとき、ワークＷは、その内周面の歯部Ｗａの内周面全域がコイル部材５の外周面全域と対向するようにしてセットされる。

ワークＷをガイド部材６内部にセットしたら、ガイド上下装置２３を作動させて上昇させ図５に示す位置、すなわちワークＷの内周面（歯部Ｗａ）の内側に加熱コイル１のコイル５を位置させる。この状態で、高周波発振機２１を作動させて加熱コイル１に所定の高周波電流を所定時間供給することにより、ワークＷの内周面が所定温度まで誘導加熱される。

誘導加熱が終了したら、ガイド上下装置２３を作動させて下降させワークＷの内周面（歯部Ｗａ）が円柱状部材４の冷却水噴射部４ｂの外周面と対向する位置に設定し、冷却水供給装置２２を作動させて冷却水噴射部４ｂの噴射孔６ｂ２から冷却水をワークＷの歯部Ｗａの全域に向けてに向けて放射状に噴射する。この冷却水の噴射により、所定温度まで加熱されているワークＷの歯部Ｗａ全域が同時に急速冷却されて歯部Ｗａが所定パターンで焼入れ処理される。

この歯部Ｗａの焼入れ時に、ワークＷの外周面がガイド部材６の真鍮製ガイド板に接触状態か略接触状態とされていることから、内周面の歯部Ｗａに形成される焼入れパターンが、ワークＷの外周面側にまで流れることを抑制できて、歯部Ｗａに所定形状の焼入れパターンを高精度に形成することが可能になる。特に、ガイド部材６の側壁６ａを真鍮製ガイド板で４分割していることから、誘導加熱時の熱によるガイド部材６自体の熱膨張等を各ガイド板の接合部やその材質等で吸収できて、歯部Ｗａのみに一層高精度な焼入れパターンの形成が可能となる。

つまり、前記誘導加熱装置２０においては、ワークＷがセットされたガイド部材６を上昇位置に設定した状態でコイル部材５によりワークＷの歯部Ｗａの誘導加熱が行われ、この誘導加熱されたワークＷをガイド部材６と一体で下降位置に設定して冷却水供給部４ｂから冷却水を噴射、すなわち誘導加熱と冷却を略連続して行うことで、加熱された歯部Ｗａが急速冷却される。これにより、ワークＷの焼入れに必要な誘導加熱工程と急速冷却工程が制御装置の制御で自動化されることになる。

このように、前記加熱コイル１によれば、冷却水流路４ａと冷却水噴射部４ｂが設けられた円柱状部材４、円柱状部材４の外周面に配置されたコイル部材５、及びコイル部材５の外面側を覆うことが可能なリング状のガイド部材６を備え、円柱状部材４をワークＷの歯部Ｗａの内側に位置させると共に、ワークＷの外周面の外側にガイド部材６を上下動可能に配置した状態で誘導加熱と冷却を略連続して可能に構成しているため、内周面に歯部Ｗａを有するワークＷであっても、コイル部材５に高周波電流を供給した後に冷却水噴射部４ｂから冷却水を噴射することで、ワークＷの内周面を誘導加熱を利用して焼入れ等の所定の熱処理を簡単に行うことが可能になり、ワークＷの内周面に所定品質の熱処理状態を安定かつ高精度に形成することができる。

また、円柱状部材４の長手方向の一端側に冷却水流路４ａの供給口（ホースジョイント１５）が設けられ、円柱状部材４の他端側に冷却水噴射部４ｂが設けられてその外周面から外側方向に冷却水が噴射可能であるめ、所定量の冷却水を冷却水噴射部４ａに供給しつつ噴射孔４ｂ１からワークＷの内周面に放射状に均一かつスムーズに噴射できて、内周面の歯部Ｗａに高精度な熱処理を施すことができる。

また、ガイド部材６が、上昇位置でワークＷの内周面がコイル部材５の外周面に対向し下降位置でワークＷの内周面が円柱状部材４の冷却水噴射部４ｂの外周面に対向するため、ガイド部材６内にワークＷをセットし、これを円柱状部材４の外周面に沿って上下動させるだけで、加熱位置と冷却位置に簡単かつ確実にセットできて、焼入れ作業の段取り時間が短縮できる等、その作業能率を高めることができる。

さらに、ガイド部材６の側壁６ａが４分割された円弧形状の真鍮製ガイド板の連設で形成されているため、ワークＷの内周面の誘導加熱時にその外周面への熱影響を抑制できて、焼入れパターンの外周面への流れこみ等を防止できる等、ワークＷの内周面に一層高精度な熱処理品質を得ることができる。

また、コイル部材５が、銅パイプからなるコイル５ａと、コイル５ａの上下面と内周面を覆う如く配置された幅狭な断面略コ字状の多数のコア５ｂを備えると共に、コイル５ａ内に冷却水が循環供給されるため、コイル５ａからの磁束をワークに効率良く供給したりコイル部材５への通電による発熱が抑えられる等、加熱効率を高めることができて、加熱コイル１の省電力化を図ることも可能になる。また、ガイド部材６の形状を熱処理するワークＷの形状に合わせて複数種類準備することにより、ガイド部材６の交換で各種形態のワークＷに適用できて、加熱コイル１の汎用性を高めることもできる。

なお、上記実施形態における、円柱状部材４やコイル部材５あるいはガイド部材６の形状や材質等の形態は一例であって、同等の作用効果が得られかつ本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

本発明は、内面に歯部を有する被加熱物に限らず、内外周面を有する全ての各種形状の被加熱物の内周面の焼入れや焼鈍し等の熱処理に利用できる。

１・・・誘導加熱コイル、２・・・コイル体、３・・・コイルクランプ部、４・・・円柱状部材、４ａ・・・冷却水流路、４ｂ・・・冷却水噴射部、４ｂ１・・・噴射孔、５・・・コイル部材、５ａ・・・コイル、５ｂ・・・コア、６・・・ガイド部材、６ａ・・・側壁、６ａ１・・・凸部、６ｂ・・・底壁、６ｂ１・・・突起、６ｂ２・・・排水孔、７・・・銅板、７ａ・・・端子部、１０・・・絶縁板、１１・・・支持板、１３・・・角銅パイプ、２０・・・誘導加熱装置、２１・・・高周波発振機、２２・・・冷却水供給装置、２３・・・ガイド上下装置、Ｗ・・・ワーク（被加熱物）Ｗａ・・・歯部。

Claims

内部に冷却水流路が設けられると共に長手方向他端部に冷却水噴射部が設けられた絶縁体からなる円柱状部材と、該円柱状部材の長手方向所定位置の外周面に配置されたコイル部材と、該コイル部材と前記冷却水噴射部の外側を覆うことが可能なガイド部材を備え、
前記ガイド部材が被加熱物の内周面の誘導加熱時に当該被加熱物の外周面への熱影響を抑制可能な材質及び／又は形態であり、前記円柱状部材を被加熱物の内周面の内側に配置しその外周面の外側に前記ガイド部材を上下動可能に配置した状態で、前記被加熱物の誘導加熱と冷却を略連続して可能に構成したことを特徴とする誘導加熱コイル。
前記ガイド部材は、底壁と４分割された平面視円弧形状の真鍮製ガイド板を円周方向に連設することで形成された側壁を有して、平面視で有底リング形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。
前記円柱状部材は、その長手方向一端側に前記冷却水流路の供給口が設けられ、当該円柱状部材の長手方向他端側に前記冷却水噴射部が設けられてその外周面から外側方向に冷却水が噴射可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱コイル。
前記ガイド部材は、上昇位置で前記被加熱物の内周面が前記コイル部材の外周面に対向し下降位置で前記被加熱物の内周面が前記円柱状部材の冷却水噴射部の外周面に対向することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の誘導加熱コイル。
前記コイル部材は、所定の導体の巻回により略円筒状に形成されたコイルと、該コイルの上下面と内周面を覆う如く配置された断面略コ字状のコアを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の誘導加熱コイル。
内部に冷却水流路が設けられると共に長手方向他端部に冷却水噴射部が設けられた絶縁体からなる円柱状部材、該円柱状部材の長手方向所定位置の外周面に配置されたコイル部材、該コイル部材と前記冷却水噴射部の外側を覆うことが可能で被加熱物の内周面の誘導加熱時に当該被加熱物の外周面への熱影響を抑制可能な材質及び／又は形態であるガイド部材を有して、前記円柱状部材が前記被加熱物の内周面の内側に配置可能で当該被加熱物の外周面の外側に前記ガイド部材を上下動可能に配置可能な誘導加熱コイルと、前記コイル部材の両端部に所定の高周波電流を供給可能な高周波発振機と、前記円柱状部材の冷却水流路に冷却水を供給可能な冷却水供給装置と、前記ガイド部材を上下動させるためのガイド上下装置を備えることを特徴とする誘導加熱装置。