JPH0648798Y2 - 加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は誘導加熱炉に関する。本考案はリアクタンスの
異なる各種の被加熱物を加熱する誘導加熱炉に適用で
き、たとえば鍛造用誘導加熱炉に適用できる。

［従来の技術］ 従来の鍛造用誘導加熱炉の模式図を第５図に示す。

この誘導加熱炉は、同心状に巻回され一列に配置された
３個の並列接続型加熱コイル２、３、４と、これら並列
接続型加熱コイル２、３、４を並列的に接続し、各コイ
ル２、３、４に数KHz程度の交流電圧Ｖを供給する可変
電圧型の交流電源部とからなり、ユニバーサルジョイン
トヨーク用の鍛造用棒材100を誘導加熱するものであ
る。なお、従来の誘導加熱炉において各加熱コイルを並
列接続していたのは、交流電源部の出力電圧が過大とな
るのを防止するためである。

［考案が解決しようとする課題］ しかしながら上記したような並列接続型加熱コイルを具
備する従来の誘導加熱炉において、交流電源部側から見
た負荷インピーダンス（特に負荷リアクタンス）が小さ
い小型の鍛造用棒材100を加熱する場合には、それに応
じて交流電源部の出力電圧を小さくする必要があり、そ
の結果として鍛造用棒材100の加熱に供される加熱用有
効電力が小さくなり、希望する温度まで加熱するのに必
要な加熱時間が増加する欠点があった。

これは、交流電源部が一般にサイリスタなどの電力用半
導体素子で構成されて数KHz程度の周波数の交流電圧を
発振するインバータ回路を具備しているので、電力用半
導体素子の作動温度範囲を許容レベルに維持するために
許容最大出力電流値を超える出力電流を交流電源部が出
力できないからであり、出力電流が同じであれば、負荷
インピーダンスが小さいと、交流電源部の出力電力及び
この出力電力の内で加熱に供される加熱用有効電力Peが
小さくなるからである。

本考案はこのような課題に鑑みなされたものであり、負
荷インピーダンスの変動にも拘らず許容電流範囲内及び
許容電圧範囲内で加熱用有効電力を高く維持し得る誘導
加熱炉を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本考案の加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉は、互
いに直列接続された複数の直列接続型加熱コイルと、前
記各直列接続型加熱コイルと並列接続された１個乃至２
個以上の並列接続型加熱コイルと、前記各直列加熱コイ
ルの少なくとも一つの両端に着脱可能に接続された加熱
コイル短絡バーと、前記各直列接続型加熱コイル及び並
列接続型加熱コイルに接続された電圧可変の交流電源部
とからなることを特徴とする。

交流電源部は、所定周波数範囲内の交流電流を負荷に供
給するものであり、たとえばサイリスタ・インバーター
回路などの半導体発振回路で構成できる他、周波数逓倍
回路等の各種高周波電源装置を使用することができる。
交流電源部は、直列に接続された直列接続型加熱コイル
の両端、及び各並列型加熱コイルの両端に、一般に数KH
z乃至数＋KHz程度の交流電圧を供給する。

［作用］ 本考案の加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉におい
て、交流電源部から見て小さな負荷インピーダンスをも
つ被加熱物を加熱する場合には、加熱コイル短絡バーは
直列接続型加熱コイルの端子からはずされてその短絡を
解除し、交流電源部から見た負荷インピーダンスを増加
させる。その結果、交流電源部の出力電流をその許容最
大出力電流値Imaxに設定した場合に、交流電源部の出力
電力Ｐ、及び被加熱物に供給される加熱用有効電力Pe
は、前記負荷インピーダンスの増大に比例して増加す
る。

即ち、加熱コイルの力率をcosΘ、加熱コイルの抵抗損
失をPrとすれば、加熱用有効電力Peはほぼ、PXcosΘ−P
rであり、ほぼ交流電源部の出力電力Ｐに比例する。

また、交流電源部から見て大きな負荷インピーダンスを
もつ被加熱物を加熱する場合には、加熱コイル短絡バー
により直列接続型加熱コイルの少なくとも一つを短絡し
て負荷インピーダンスを減らす。このようにすれば、交
流電源部から見た負荷インピーダンスＺの過剰な増加は
抑制され、交流電源部の出力電流をその許容最大出力電
流値Imaxに設定した場合に、交流電源部の出力電圧Ｖを
それぞれ許容レベル以下に押えることができる。

即ち、前記短絡により、出力電圧Ｖ（＝Ｚ×Imax）は交
流電源部の許容最大出力電圧値Vmax以下に維持される。

なお、大きな負荷インピーダンスをもつ被加熱物を加熱
する場合に、前記短絡を実行せずに、単に交流電源部の
出力電圧Ｖを許容レベル範囲に維持する場合には、出力
電力Ｐ（＜Vmax²/Z）はＺの増加に反比例して小さくな
り、加熱時間が増大してしまう。

［実施例］ 本考案の加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉の一実
施例を、図面により説明する。

この加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉は、第１図
に示すように、鍛造用棒材100の搬送経路に沿って直列
に配置され電気的に直列接続された複数の直列接続型加
熱コイル１、２と、直列接続型加熱コイル１、２と同列
に配置され直列接続型加熱コイル１、２と電気的に並列
接続された並列接続型加熱コイル３、４と、直列加熱コ
イル１の両端を短絡する着脱可能な短絡バー５と、並列
接続型加熱コイル３、４及び直列接続型加熱コイル１、
２に出力電圧を供給する電圧可変の交流電源部６とから
なる。

直列接続型加熱コイル１は、第３図の一部斜視図に示す
ように、アスベスト製の箱体部11と、箱体部11に内蔵さ
れる銅製のコイル部（図示せず）と、箱体部11の内部に
満たされコイル部を絶縁し冷却する絶縁オイルと、箱体
部11に保持され箱体部11に対して絶縁された一対の銅バ
ー製の出力端子12、13とから構成されている。出力端子
12、13は箱体部11の側壁から外部に突出している。

同様に、直列接続型コイル２及び並列接続型加熱コイル
３、４は軸方向ｘに見たコイル厚（第１図参照）及び巻
回数の他は直列接続型加熱コイル１と同じ構成をもつ。

直列接続型加熱コイル１、２及び並列接続型加熱コイル
３、４の各箱体部（たとえば、11）は、鍛造用棒材100
を挿通するための開孔部をそれぞれ形成されており、こ
れら開孔部は同一の中心軸をもつように配置されてい
る。前記各コイル部（図示せず）が巻回されたこれら開
孔部は48mmの直径をもつ。直列接続型加熱コイル２及び
並列接続型加熱コイル３、４はそれぞれ67ターンの巻回
数をもち、直列接続型加熱コイル１は25ターンの巻回数
をもつ。前記各コイル部の両端はそれぞれの箱体部から
導出され、直列または並列に接続されて、交流電源部６
から出力電圧を供給される。

短絡バー５は、第３図に示すように、銅バーで構成され
ており、その両端はネジ（図示せず）により、直列接続
型加熱コイル１の銅バー製の出力端子12、13にそれぞれ
締付けられている。更に出力端子12には交流電源部に伸
びる銅バー14の一端が締付けられ、出力端子13には直列
接続型の銅バー製の出力端子（図示せず）に連結するた
めの銅バー15の一端が締付けられている。

交流電源部６は、サイリスタ（図示せず）・インバータ
回路を具備しており、その許容最大出力電圧値Vmaxは10
00V、許容最大出力電流値Imaxは1000A、許容最大有効電
力800KWである。

以下、直径44mm、長さ33cmのユニバーサルジョイントヨ
ーク用の鍛造用棒材100を加熱する場合を例として、本
実施例の誘導加熱炉の動作を説明する。ただし、直列接
続型加熱コイル２及び並列接続型加熱コイル３、４のイ
ンピーダンスをそれぞれZ0、直列接続型加熱コイル１の
インピーダンスをZ1とする。

まず、直列接続型加熱コイル１の出力端子12と13とを短
絡バー５で短絡する場合を説明する。この場合、鍛造用
棒材100が直列接続型加熱コイル１、２及び並列接続型
加熱コイル３、４を挿通した状態において、第２図の等
価回路図に示すように、各インピーダンスZ0は2.1オー
ム、交流電源部６から見た負荷インピーダンスＺは0.7
オームになり、1000A（＝Imax）を供給する場合に、交
流電源部６の出力電圧Ｖは700V、その出力電力は620K
W、発振周波数は2.7KHzとなり、約1200℃まで加熱する
のに要した時間は9.5秒であった。

次に、出力端子12と13とを短絡バー５で短絡しない場合
を説明する。この場合、鍛造用棒材100が直列接続型加
熱コイル１、２及び並列接続型加熱コイル３、４を挿通
した状態において、交流電源部６から見た負荷インピー
ダンスＺは0.85オームになり、1000A（＝Imax）を供給
する場合に、交流電源部６の出力電圧は850V、その出力
電力は750KW、発振周波数は3.05KHzとなり、約1200℃ま
で加熱するのに要した時間は8.5秒であった。

即ち、本実施例の誘導加熱炉において、直列接続型加熱
コイル１の短絡を解除すると、交流電源部から見た負荷
インピーダンスは、Ｋ＝Z1/Z0とすれば、Z0/3からZ0×
（１＋Ｋ）／（３＋2K）に増加し、交流電源部６はより
大きな出力電圧を発生でき、加熱時間を短縮することが
できる。

なお、交流電源部６から見て大きな負荷インピーダンス
をもつ鍛造用棒材100が挿入された場合には、短絡バー
５により直列接続型加熱コイル１を短絡する。その結
果、交流電源部６から見て負荷インピーダンスはZ0×
（１＋Ｋ）／（３＋2K）からZ0/3に減少し、交流電源部
５の出力電圧を1000V以下に維持することができる。な
お、この場合に、直列接続型加熱コイル１を短絡せずに
交流電源部５の出力電圧を1000V以下に減少すると、そ
れに応じて出力電流も低下し、出力電力が大幅に小さく
なる不具合を生ずる。

また、既述の実施例では、銅製の短絡バーの螺合により
短絡を実行している。従って、鍛造用誘導加熱炉のよう
に高振動環境においても、短絡を確実とするこができ
る。

更に第１図の誘導加熱炉では、直列接続型加熱コイル１
を短絡する場合には、第４図の特性線Ａに示すように、
誘導加熱炉の軸方向ｘ、即搬送方向において、単位長さ
当たりの発熱量はほぼ一定となる。第１図、第４図のx1
〜x5は各加熱コイル１〜４の境界位置を示す。

直列接続型加熱コイル１を短絡しない場合には、第４図
の特性線Ｂに示すように、直列接続型加熱コイル１、２
が巻回されている前半部分で低発熱量、並列接続型加熱
コイル３、４が巻回されている後半部分で高発熱量とな
る。従って、本実施例の誘導加熱炉によれば、直列接続
型加熱コイル１を短絡したり、短絡を解除するだけで、
誘導加熱炉の軸方向ｘの発熱量の分布特性を変更するこ
とができる。特に、鋼材の焼き込れ等の表面処理におい
ては、温度上昇が急速であることが好ましく、この場合
には並列接続型加熱コイルを入口側に、直列接続型加熱
コイルを出口側に配置することが好ましい。更に、既述
の実施例では並列接続型加熱コイルは同じ巻回数とした
が、異なっていてもよいことはもちろんである。

なお、直列接続型加熱コイル１、２は鍛造用棒材100の
搬送方向の中央部または下流側に配置することも可能で
ある。

［考案の効果］ 以上説明したように本考案の誘導加熱炉は、互いに直列
接続された複数の直列接続型加熱コイルと、各直列接続
型加熱コイルと並列接続された１個乃至２個以上の並列
接続型加熱コイルと、各直列加熱コイルの少なくとも一
つの両端に着脱可能に接続された加熱コイル短絡バー
と、各直列接続型加熱コイル及び並列接続型加熱コイル
に接続された電圧可変の交流電源部とから構成されてい
るので、異なる電磁特性をもつ被加熱材の種類に応じ
て、交流電源部の許容最大出力電流及び許容最大出力電
圧の範囲内で、出力電力を増加することが可能となる。

また、単に短絡バーの脱着のみで、発熱量の分布特性を
変更できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の誘導加熱炉の一実施例を示す模式図、
第２図はその等価回路図、第３図は第１図の誘導加熱炉
の一部斜視図、第４図は第１図の誘導加熱炉の発熱特性
図、第５図は従来の誘導加熱炉の模式図である。 １、２……直列接続型加熱コイル ３、４……並列接続型加熱コイル ５……短絡バー ６……交流電源部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直列接続された複数の直列接続型加
   熱コイルと、 前記各直列接続型加熱コイルと並列接続された１個乃至
   ２個以上の並列接続型加熱コイルと、 前記各直列加熱コイルの少なくとも一つの両端に着脱可
   能に接続された加熱コイル短絡バーと、 前記各直列接続型加熱コイル及び並列接続型加熱コイル
   に接続された電圧可変の交流電源部とからなることを特
   徴とする加熱コイル短絡バーを有する誘導加熱炉。