JPWO2011083817A1 - 誘導加熱コイル、加工部材の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

非回転で軸方向へ搬送される鋼管を周方向に均一にかつ軸方向に狭い範囲で安定して加熱することができる誘導加熱コイルを提供する。被加熱体である長尺の金属材１の外周を周方向に取り巻く構成の誘導加熱コイル１０は、１巻き目のコイル本体１１と２巻き目のコイル本体１２という２つ以上の１巻きコイルを有し、これらコイルを軸方向に投影した場合の実質的なコイル巻き数がコイル全体の巻き数未満となる内周長さＬｎ（非実効コイル長）とし、投影したコイル本体の内周長さＬ０（内周コイル長）とし、Ｌｎ／Ｌ０が０．０５以下となり、コイル本体１１とコイル本体１２は接続部に絶縁部１１ｂと１２ｂを有し、絶縁部はコイル本体の中心角で５〜４５度離れた位置に存在する。

Description

本発明は、誘導加熱コイル、加工部材の製造装置および製造方法にする。本発明は、例えば焼入れ鋼管等の焼入れ鋼材を製造する際に好適に用いられる誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルを備える加工部材の製造装置と、この誘導加熱コイルを用いる加工部材の製造方法とに関する。

金属製の強度部材、補強部材または構造部材が自動車や各種機械に用いられる。高強度、軽量かつ小型であることがこれらの部材に要求される。これらの部材は、従来より、鋼製のプレス加工品の溶接、厚鋼板の打ち抜き、さらにはアルミニウム合金の鍛造等によって、製造されてきた。これらの製造方法により達成される軽量化および小型化は、限界に達している。

これらの部材は、さらに軽量化および小型化するため、例えば非特許文献１に開示されるハイドロフォームによっても製造される。ハイドロフォームは、金型の内部に配置される金属管の内部に高圧の加工液を供給して金属管を膨出変形させ、金属管を金型の内面に沿って変形させることによって、複雑な形状を有する成形品を製造する。ハイドロフォームは、冷間加工であるため、例えば引張強度が７８０ＭＰａ以上といった延性が低い素材を複雑な形状に成形することが難しい。ハイドロフォームは、通常、曲げ、プリフォームおよびハイドロフォームの３工程を要するため、工程が比較的煩雑になる。さらに、ハイドロフォームは、加工機が大型かつ比較的高価である。

本出願人は、特許文献１により曲げ部材の製造装置を開示した。図６は、この製造装置０の概略を示す説明図である。
金属管１（以降の説明では、金属管が鋼管である場合を例にとる）は、支持機構２によって軸方向へ移動自在に支持される。送り機構３は、鋼管１を上流側から下流側へ向けて送る。製造装置０は、支持機構２の下流において鋼管１に曲げ加工を行うことによって、曲げ部材８を製造する。

支持機構２の下流において、誘導加熱コイル５は、軸方向へ送られる鋼管１を部分的に焼入れ可能温度域（Ａｃ_３点以上）へ急速に誘導加熱する。水冷機構６は、誘導加熱コイル５の直ぐ下流において鋼管１を急速に冷却する。これらにより、鋼管１の軸方向へ移動する高温部１ａが、誘導加熱コイル５と水冷機構６との間の鋼管１に部分的に形成される。高温部１ａの変形抵抗は、他の部分の変形抵抗よりも著しく小さい。

可動ローラダイス４は、ロール対４ａを少なくとも一組有する。ロール対４ａは、鋼管１を送りながら支持する。可動ローラダイス４は、水冷機構６の下流の領域において、鋼管１を支持しながら二次元又は三次元の方向へ移動することによって、高温部１ａに曲げモーメントを与える。

製造装置０は、比較的安価な構成機器２〜６を用いた単純な工程によって、鋼管１に高い作業能率で曲げ加工を行って、所望の形状を有する高強度（例えば７８０ＭＰａ以上の引張強度）の曲げ部材８を製造する。

国際公開第２００６／０９３００６号パンフレット

自動車技術Ｎｏｖ．５７，Ｎｏ．６（２００３）２３〜２８頁

一般的に、例えば棒材といった中実かつ金属製の被加熱部材を誘導加熱コイルにより誘導加熱する際には、誘導加熱は、被加熱部材をその周方向へ均一に加熱するために、被加熱部材を中心軸回りに回転しながら、行われる。しかし、製造装置０において鋼管１をその中心軸回りに回転することは、支持機構２の下流において移動させる可動ローラダイス４の移動範囲に制限があるため、不可能である。このため、製造装置０は、鋼管１を回転させずに軸方向へ送りながら、誘導加熱コイル５により鋼管１を誘導加熱する。このため、鋼管１を周方向へ均一に加熱することが難しい。

誘導加熱における加熱電力は、誘導加熱コイル５に通電される電流値（Ａ）と、誘導加熱コイル５の巻き数（Ｔｕｒｎ）との積であるアンペアターン（ＡＴｕｒｎ）によって、決定される。

製造装置０は、鋼管１を精度良く加工することができる。鋼管１の軸方向への加熱幅は、製造装置０による曲げ加工の精度をさらに高めるために、できるだけ狭いことが好ましい。この加熱幅は、誘導加熱コイル５の巻き数が多くなると、広くなる。このため。誘導加熱コイル５の巻き数は、加熱幅を狭くするために、できるだけ少ないことが好ましい。

一方、一つの誘導加熱コイル５に通電可能な電流値は、その材質および断面積に依存し、一般的には最大で１００００Ａ程度である。このため、誘導加熱コイル５の巻き数は、高い生産性と良好な寸法精度とを両立するためにより多くのエネルギーを必要とする場合には、２巻き以上にしなければならないことがある。

図７は、従来の技術的思想に基づく誘導加熱コイル５の一例を示す説明図である。図７（ａ）は、誘導加熱コイル５の斜視図である。図７（ｂ）は、誘導加熱コイル５の１巻き目の本体９−１および２巻き目の本体９−２の、鋼管１の軸方向と平行な方向への間隔を広げて描くことによって誘導加熱コイル５の構造をわかり易く示す斜視図である。図７（ｃ）は、鋼管１の軸方向への誘導加熱コイル５の投影を示す説明図であり、実線矢印は１巻き目の本体９―１における電流流れを示し、破線矢印は２巻き目の本体９―２における電流流れを示す。さらに、図７（ｄ）は誘導加熱コイル５を用いて加熱された鋼管１の数値解析シミュレーションによる温度分布の一例を示す説明図である。

製造装置０によって曲げ部材８を高い寸法精度で製造するためには、鋼管１の高温部１ａが、鋼管１の軸方向へできるだけ狭く、かつ周方向へ均一に形成される必要がある。
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、誘導加熱コイル５は環状の本体９−１、９−２を有する。本体９−１、９−２は、鋼管１の周囲に鋼管１から離れて配置される。本体９−１は絶縁板を挟むことにより形成される絶縁部９−１ａを有するとともに、本体９−２は絶縁板を挟むことにより形成される絶縁部９−２ａを有する。図７（ｃ）に示すように、二つの絶縁部９−１ａ、９−２ａは、本体９−１、９−２に交流電流を供給するための電極９−３ａ、９−３ｂの間に設けられる。

図７（ｃ）に実線の矢印により示すように、一方の電極９−３ａを介して本体９−１に供給された交流電流は本体９−１を流れる。図７（ｃ）に破線の矢印で示すように、本体９−１を流れた電流は本体９−２および電極９−３ｂの順に流れる。これにより、磁束が本体９−１、９−２の内部に発生する。流れる電流が交流であるため、磁束の大きさと向きが変化する。このため、渦電流が、その磁束の変化を打ち消すような磁束を発生するように、鋼管１に誘起される。この渦電流が鋼管１の電気抵抗によってジュール熱を発生し、これにより、鋼管１が加熱されるという誘導加熱（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ）が行われる。鋼管１の発熱は、いわゆる表皮効果によって、供給される交流電流の周波数が高いほど、鋼管１の表面層に集中する。

図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、誘導加熱コイル５の巻き数を２巻きにするためには、１巻き目の本体９−１と２巻き目の本体９−２とを接続するためのコイル接続部９−４を設ける必要がある。このため、絶縁板からなる２箇所の絶縁部９−１ａ、９−２ａが設けられる。一般的に、コイルはらせん形状を有するため、被加熱体のできるだけ近くで、かつ最短距離で１巻き目の本体９−１と２巻き目の本体９−２とを接続することが当業者の常識である。

図７（ｃ）に示すように、鋼管１の軸方向への誘導加熱コイル５の投影では、コイル接続部９−４が配置される領域Ｓ（絶縁部９−１ａおよび９−２ａの間の領域）において、電流は鋼管１の軸方向へ流れる。このため、領域Ｓにおいては、円周方向へ流れる電流は１方向となるために、誘導加熱コイル５の巻き数は実質的に１である。これに対し、領域Ｓ以外の残余の領域においては、円周方向へ流れる電流は２方向となるために、誘導加熱コイル５の巻き数は実質的に２である。このように、誘導加熱コイル５の巻き数は、本体９−１、９−２の周方向の位置に関して同じではない。

このため、誘導加熱コイル５を用いて鋼管１を誘導加熱すると、鋼管１の周方向への温度差が不可避的に発生する。例えば、外径（直径）３１．８ｍｍ、肉厚１．８ｍｍの普通鋼製の鋼管１を、８０ｍｍ／ｓｅｃの搬送速度でその軸方向へ非回転で搬送しながら、誘導加熱コイル５の内部を通過させることによって誘導加熱する場合、図７（ｄ）に示すように、コイル接続部９−４が配置される領域Ｓ（絶縁部９−１ａおよび９−２ａの間の領域）に相当する部分の鋼管１の加熱温度と、領域Ｓ以外の残余の領域に相当する部分の鋼管１の加熱温度との差が最大で約２４０℃にも達する。このように、誘導加熱コイル５は、鋼管１を、その周方向へ均一に、かつ軸方向への狭い範囲で、安定して加熱することができない。

本発明の目的は、例えば鋼管等の金属材を、その周方向へ均一に、かつ軸方向への狭い範囲で安定して加熱することができる誘導加熱コイルを提供することであり、さらに、この誘導加熱コイルを用いることによって高い寸法精度を有する加工部材を安定して確実に製造することができる加工部材の製造装置および製造方法を提供することである。

本発明による誘導加熱コイルの構成は、図１に例示される通りであり、（ｉ）長尺の金属材１の外周を周方向に取り囲み、金属材１から離れて配置される第１の絶縁部１１ｂおよび第１の電気伝導体を備えた第１の１巻きコイル本体１１と、（ｉｉ）第１の１巻きコイル本体１１の内周形状と実質的に同一の内周形状を有し、金属材１から離れて金属材１の軸方向へ第１の１巻きコイル本体１１と並列して配置される第２の絶縁部１２ｂおよび第２の電気伝導体を備えた第２の１巻きコイル本体１２と、（ｉｉｉ）第１の絶縁部１１ｂに周方向へ隣接する第１の隣接部分１１ｃ、および第２の絶縁部１２ｂに周方向へ隣接する第２の隣接部分１２ｃを接続する本体接続部１４とを備え、かつ、金属材１に対して相対的に金属材１の軸方向へ移動しながら金属材１を誘導加熱する誘導加熱コイル１０において、実効コイル長Ｌｅの誘導加熱コイルの内周コイル長Ｌ０の関係が、（Ｌ０−Ｌｅ）／Ｌ０が０．０５以下である。

ここで、「内周コイル長（Ｉｎｎｅｒ−Ｃｏｉｌ−Ｌｅｎｇｔｈ）Ｌ０」とは、第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の内側表面の１周分（絶縁部を含む）の長さをいい、「実効コイル長（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−Ｃｏｉｌ−Ｌｅｎｇｔｈ）Ｌｅ」とは、金属材１に対する誘導加熱コイル１０の相対的な移動方向に直交する断面に第１の電気伝導体および第２の電気伝導体を投影したときに重畳する（重なり合う）領域の内周長さ、すわなち、実質的な周方向の巻き数がコイル全体の巻き数と等しくなる内周長さをいう。

例えば、内周コイル長は、内径Ｒの円形コイルでは２πＲとなり、内側短辺ａおよび内側長辺ｂの長方形コイルでは２×（ａ＋ｂ）となる。図１に例示する本発明において、実効コイル長Ｌｅは、内周コイル長Ｌ０から２カ所の絶縁部１１ｂ、１２ｂの周方向長さＬ１、Ｌ２の和（Ｌ１＋Ｌ２）を減じた「２πＲ−Ｌ１−Ｌ２」である。さらに、非実効コイル長（Ｎｏｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅ-Ｃｏｉｌ-Ｌｅｎｇｔｈ）Ｌｎとは、実質的に周方向長さの巻き数がコイル全体の巻き数未満となる領域のコイル内周長さをいい、Ｌｎ＝Ｌ０−Ｌｅとなる。

したがって、本発明は、望ましくは、被加熱体である長尺の金属材の外周を周方向に取り巻く第１の１巻きコイル本体および第２の１巻きコイル本体を少なくとも有し、回転を伴わない長尺の金属材に対して相対的に移動しながら当該金属材を誘導加熱する加熱コイルであって、前記金属材に対する相対的な移動方向へコイルを投影した場合の実質的なコイル巻き数が、コイル全体の巻き数未満となる領域のコイル内周長さをＬｎとするとともに前記投影したコイル内周の長さをＬ０とした場合に、Ｌｎ／Ｌ０が０．０５以下であることを特徴とする誘導加熱コイルである。

さらに、本発明では、第１の隣接部分１１ｃと、第２の隣接部分１２ｃとが、前記断面内において、互いに異なる位置に存在すること、具体的には、第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の中心角で５〜４５度離れた位置に存在することが望ましい。

従来の技術的思想に基づく誘導加熱コイルでは、被加熱体とコイルとの距離を均一とし、加熱効率を高めるためにコイル全長が最短となるように設計することが常識であった。しかし、本発明による誘導加熱コイルは、図１に例示されるように、従来の当業者の常識により想到される形状とは、顕著に異なる形状を有する。すなわち、本発明は、コイル全長が増加することや、コイルと被加熱体の距離が大きくなることを厭わずに、周方向に関してコイル巻き数が均一となることを最も重要視した結果、完成したものであって、非回転の被加熱体の外周を均一に加熱できるという予期せぬ効果を得られる。

別の観点からは、本発明は、図２に例示されるように、誘導加熱コイル１０と、誘導加熱コイル１０とともに金属材１に対して相対的に移動しながら、誘導加熱コイル１０により誘導加熱された金属材１を冷却することによって、金属材１の軸方向へ移動する高温部１ａを金属材１に形成する冷却機構２３と、高温部１ａに曲げモーメントを与える加工機構２４、２９とを備えることを特徴とする加工部材の製造装置２０である。

さらに別の観点からは、本発明は、図２に例示されるように、誘導加熱コイル１０を、中心軸回りに回転しない長尺の金属材１に対して相対的に金属材１の軸方向へ移動しながら金属材１を誘導加熱するとともに、誘導加熱コイル１０とともに金属材１に対して相対的に移動する冷却機構２３により、誘導加熱コイル１０により誘導加熱された金属材１を冷却することによって、金属材１の軸方向へ移動する高温部１ａを金属材１に形成した後に、高温部１ａに曲げモーメントを与えることを特徴とする加工部材の製造方法である。

これらの本発明では、金属材１が、閉じた横断面形状を有する中空の鋼材であること、例えば鋼管であることが望ましい。

本発明によれば、金属材をその周方向に均一にかつ軸方向への狭い範囲で安定して加熱することが可能になるので、高い寸法精度で加工部材を安定して確実に製造することができるようになる。

図１は、本発明に係る誘導加熱コイルの一例を示す説明図であり、図１（ａ）は、誘導加熱コイルの斜視図であり、図１（ｂ）は、誘導加熱コイルの第１の１巻きコイル本体および第２の１巻きコイル本体の、鋼管の軸方向と平行な方向への間隔を広げて描くことによって誘導加熱コイルの構造をわかり易く示す斜視図であり、図１（ｃ）は、鋼管の軸方向への誘導加熱コイルの投影を示す説明図であり、図１（ｄ）は誘導加熱コイルを用いて加熱された鋼管の数値解析シミュレーションによる温度分布の一例を示す説明図である。 図２は、本発明に係る誘導加熱コイルを適用された加工部材の製造装置を模式的に示す説明図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、いずれも、本発明に係る誘導加熱コイルおよび鋼管の位置関係を示す説明図であり、図３（ａ）は、第１の１巻きコイル本体および第２の１巻きコイル本体と鋼管との間隔が均等に３．０ｍｍとなる場合であり、図３（ｂ）は、第１の１巻きコイル本体および第２の１巻きコイル本体それぞれの絶縁部と鋼管との間隔が２．０ｍｍであるとともに、絶縁部以外の部位における誘導加熱コイルと鋼管との間隔が２．０〜４．０ｍｍの範囲で不均一となる場合である。 図４は、本発明に係る誘導加熱コイルにより鋼管を加熱した場合の軸方向の温度分布を示すグラフである。 図５は、比較例に係る誘導加熱コイルにより鋼管を加熱した場合の軸方向の温度分布を示すグラフである。 図６は、特許文献１により開示された曲げ加工装置の概略を示す説明図である。 図７は、従来の技術的思想に基づく誘導加熱コイルの一例を示す説明図であり、図７（ａ）は、誘導加熱コイルの斜視図であり、図７（ｂ）は、誘導加熱コイルの１巻き目の本体および２巻き目の本体の、鋼管の軸方向と平行な方向への間隔を広げて描くことによって誘導加熱コイルの構造をわかり易く示す斜視図であり、図７（ｃ）は、鋼管の軸方向への誘導加熱コイルの投影を示す説明図であり、図７（ｄ）は誘導加熱コイルを用いて加熱された鋼管の数値解析シミュレーションによる温度分布の一例を示す説明図である。

０ 曲げ加工装置
１ 鋼管
２ 支持機構
３ 送り機構
４ 可動ローラダイス
４ａ ロール対
５ 誘導加熱コイル
６ 水冷機構
８ 曲げ部材
９−１ １巻き目の本体
９−２ ２巻き目の本体
９−１ａ、９−２ａ 絶縁部
９−３ａ、９−３ｂ 電極
９−４ コイル接続部
１０ 本発明に係る誘導加熱コイル
１１ 第１の１巻きコイル本体
１１ｂ 第１の絶縁部
１１ｃ 第１の隣接部分
１２ 第２の１巻きコイル本体
１２ｂ 第２の絶縁部
１２ｃ 第２の隣接部分
１３ａ、１３ｃ 電極
１４ 本体接続部
２０ 本発明に係る製造装置
２１ 送り機構
２２ 支持機構
２３ 冷却機構
２４ 把持機構
２５ つかみ機構
２６ 本体
２７ 第１の基盤
２８ 第２の基盤
２９ 移動機構

以降の説明では、本発明における金属材が鋼管である場合を例にとる。本発明は、金属材が鋼管である場合に限定されない。本発明は、閉じた横断面形状を有する金属製の中空部材に適用される。例えば、矩形、楕円形、長円形、多角形、多角形と円の組み合わせの横断面形状、または、多角形と楕円の組み合わせの横断面形状を有する中空の金属材が、この中空部材として例示される。

［誘導加熱コイル１０］
図１は、本発明に係る誘導加熱コイル１０の一例を示す説明図である。図１（ａ）は、誘導加熱コイル１０の斜視図であり、図１（ｂ）は、誘導加熱コイル１０の第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２の、鋼管１の軸方向と平行な方向への間隔を広げて描くことによって誘導加熱コイル１０の構造をわかり易く示す斜視図であり、図１（ｃ）は、鋼管１の軸方向への誘導加熱コイル１０の投影を示す説明図であり、図１（ｄ）は誘導加熱コイル１０を用いて加熱された鋼管１の数値解析シミュレーションによる温度分布の一例を示す説明図である。図１（ｄ）において、凡例における一番上のデザインは９５０℃超１０００℃以下であることを示し、上から２番目のデザインは９００℃超９５０℃以下であることを示し、以下同様であって、一番下のデザインは５５０℃以下であることを示す。

誘導加熱コイル１０は、鋼管１の軸方向へ鋼管１に対して相対的に移動しながら、鋼管１を誘導加熱する。
誘導加熱コイル１０は、第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２を備える。誘導加熱コイル１０は、１巻きの第１の加熱コイル１１と１巻きの第２の加熱コイル１２とを備えることに、実質的に同じである。

長尺の鋼管１は、中心軸回りに回転せずにその軸方向へ向けて送られる。
第１の１巻きコイル本体１１は、銅合金製であり、環状の外形を備える。第１の１巻きコイル本体１１は、第１の電気伝導体と、周方向の一部に第１の絶縁部１１ｂとを有する。第１の絶縁部１１ｂの厚みは薄いことが望ましい。第１の絶縁部１１ｂの厚みは、絶縁性を確実に確保するために、１〜２ｍｍ程度であることが例示される。第１の１巻きコイル本体１１は、鋼管１の周囲に鋼管１から所定距離離れて、かつ鋼管１の全周を覆って、配置される。

電極１３ａが、第１の絶縁部１１ｂの隣に位置する、第１の電気伝導体の第１の隣接部分１１ｃに設けられる。電極１３ａから第１の１巻きコイル本体１１へ供給された交流電流は、第１の１巻きコイル本体１１の第１の電気伝導体を周回した後、後述する本体接続部１４を介して第２の１巻きコイル本体１２の第２の電気伝導体へ流れる。これにより、磁束が第１の１巻きコイル本体１１の内部に発生する。流れる電流が交流であるため磁束の大きさと向きが変化し、渦電流が、その磁束の変化を打ち消すような磁束を発生するように、鋼管１に誘起される。このとき、渦電流が鋼管１の電気抵抗によってジュール熱を発生し、これにより鋼管１が加熱されるという誘導加熱（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ）が行われる。

第２の１巻きコイル本体１２は、銅合金製であり、環状の外形を有する。第２の１巻きコイル本体１２は、第２の電気伝導体と、周方向の一部に第２の絶縁部１２ｂとを有する。第２の絶縁部１２ｂの厚みは薄いことが望ましい。絶縁性を確実に確保するために、第２の絶縁部１２ｂの厚みは１〜２ｍｍ程度であることが例示される。第２の１巻きコイル本体１２は、鋼管１の周囲に鋼管１から所定距離離れて、かつ鋼管１の全周を覆って、配置される。第２の１巻きコイル本体１２は、鋼管１の軸方向へ第１の１巻きコイル本体１１と一列に配置される。

第２の１巻きコイル本体１２は、第１の１巻きコイル本体１１の内周形状と同一の内周形状を有する。また、第２の１巻きコイル本体１２は、第１の１巻きコイル本体１１の外周形状と同一の外周形状を有する。

電極１３ｃが、第２の絶縁部１２ｂの隣に位置する、第２の電気伝導体の第２の隣接部分１２ｃに設けられる。後述する本体接続部１４から第２の１巻きコイル本体１２の第２の電気伝導体に供給された交流電流は、第２の１巻きコイル本体１２の第２の電気伝導体を周回した後、電極１３ｃへ流れる。これにより、磁束が第２の１巻きコイル本体１２の内部に発生する。流れる電流が交流であるため磁束の大きさと向きが変化し、渦電流が、その磁束の変化を打ち消すような磁束を発生するように、鋼管１に誘起される。このとき、渦電流が鋼管１の電気抵抗によってジュール熱を発生し、これにより鋼管１が加熱されるという誘導加熱（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ）が行われる。

本体接続部１４は、第１の絶縁部１１ｂに周方向へ隣接する第１の隣接部分１１ｃと、第２の絶縁部１２ｂに周方向へ隣接する第２の隣接部分１２ｃとを接続する。
後述するように、鋼管１に対する誘導加熱コイル１０の相対的な移動方向に直交するとともに鋼管１の軸方向へ投影された断面（以降、本明細書では「投影横断面」と省略して記載する）において、第１の隣接部分１１ｃと、第２の隣接部分１２ｃとが互いに異なる位置に存在するため、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本体接続部１４は、略Ｌ字型に９０度屈曲した断面形状を有する。

本体接続部１４は、第１の１巻きコイル本体１１の第１の隣接部分１１ｃから流れ込む交流電流を、第２の１巻きコイル本体の第２の隣接部分１２ｃを介して、第２の１巻きコイル本体１２に供給する。

誘導加熱コイル１０では、図１（ｃ）に示すように、実質的な周方向のコイル巻き数が全体のコイル巻き数未満となる非実効コイル長Ｌｎが、第２の絶縁部１２ｂの幅と第１の絶縁部１１ｂのＬ２との合計長さ（Ｌ１＋Ｌ２）であり、非実効コイル長Ｌｎが内周コイル長Ｌ０の５％以下である。望ましくは、Ｌｎ≦０．０３×Ｌ０である。

また、誘導加熱コイル１０では、図１（ｃ）に示すように、第１の隣接部分１１ｃと、第２の隣接部分１２ｃとが、投影横断面において、互いに異なる位置に存在すること、具体的には、第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の中心角で５〜４５度離れた位置に存在することが望ましい。

図７（ｃ）に示す従来の技術的思想による高周波誘導加熱コイル５では、コイル巻き数が実質的に１となる非実効コイル長は、コイル接続部９−４が配置される領域Ｓ（絶縁部９−１ａおよび９−２ａの間の領域）に絶縁部９−１ａおよび絶縁部９−２ａを加えた長さであり、コイル幅と同程度の広い幅となる。これに対し、本発明の図１（ｃ）に示す誘導加熱コイル１０においてコイル巻き数が実質的に１となる領域は、第１の絶縁部１１ｂが存在する領域、および第２の絶縁部１２ｂが存在する領域だけとなり、円周方向へ流れる電流が実質的に１巻き分となる領域は、大幅に削減される。

例えば、第１の絶縁部１１ｂ、および第２の絶縁部１２ｂの厚みがいずれも２ｍｍである場合、鋼管１の直径を３１．８ｍｍとするとともに第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の内径を３７．８ｍｍとすると、第２の絶縁部１２ｂの幅Ｌ１と、第１の絶縁部１１ｂの幅Ｌ２との合計長さ（Ｌ１＋Ｌ２）は、第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の内側コイル長１１８．７５ｍｍの約３．４％となる。

また、鋼管１の直径を２５．４ｍｍとするとともに第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の内径を３１．４ｍｍとすると、合計長さ（Ｌ１＋Ｌ２）は、第１の１巻きコイル本体１１または第２の１巻きコイル本体１２の内側コイル長の約４．１％となる。

なお、従来の技術的思想に基づく誘導加熱コイル５では、非実効コイル長はコイル幅とほぼ等しくなる。１巻き目の本体９−１の内径が３１．４ｍｍであるとともにコイル幅が１５ｍｍである場合に、その非実効コイル長は、内側コイル長の約１５％である。

図１（ｄ）および図７（ｄ）を対比することにより理解されるように、本発明の誘導加熱コイル１０を用いて鋼管１を誘導加熱すると、従来の技術的思想に基づく誘導加熱コイル５を用いて鋼管１を誘導加熱する場合よりも、鋼管１の周方向の温度差が顕著に低減される。例えば、外径（直径）３１．８ｍｍ、肉厚１．８ｍｍの普通鋼製の鋼管１を、８０ｍｍ／ｓｅｃの搬送速度でその軸方向へ非回転で搬送しながら、誘導加熱コイル１０または誘導加熱コイル５の内部を通過させることにより誘導加熱する。すると、鋼管１に生じる周方向の温度差は、誘導加熱コイル５では約２４０℃であるが、誘導加熱コイル１０では約８０℃程度に低減される。このように、誘導加熱コイル１０は、鋼管１を周方向に均一にかつ狭い範囲で安定して加熱することができる。

以上の説明は、誘導加熱コイル１０が２つの１巻きコイル本体１１、１２を備える形態を例にとった。本発明はこの形態には制限されない。本発明の誘導加熱コイルは、３つ以上の１巻きコイル本体を有していてもよい。第３の１巻コイル本体は、第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２の間や、第１の１巻きコイル本体１２または第２の１巻きコイル本体１２の隣に、第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２と一列に、配置される。加熱幅を狭くすることや設置場所の制約等の理由により、１巻きコイル本体の設置数は２つもしくは３つであることが望ましい。

また、誘導加熱コイルの形状は円形に限定されるものではなく、例えば、矩形、楕円形、長円形、多角形、多角形と円の組み合わせの横断面形状、または、多角形と楕円の組み合わせの横断面形状でよい。

［製造装置２０および製造方法］
誘導加熱コイル１０を曲げ加工装置０に適用して、加工部材を製造する状況を説明する。

図２は、本発明に係る誘導加熱コイル１０を適用された加工部材の製造装置２０を模式的に示す説明図である。
同図に示すように、この製造装置２０は、送り機構２１と、支持機構２２と、誘導加熱コイル１０と、冷却機構２３と、把持機構２４とを備える。これらの構成機器を順次説明する。

［送り機構２１］
送り機構２１は、鋼管１をその長手方向へ送る。
電動サーボシリンダーを用いた機構が送り機構２１として例示される。送り機構２１は、特定の型式の機構には限定されない。例えば、ボールネジを用いた機構やタイミングベルトやチェーンを用いた機構といった、鋼管１のこの種の送り機構として公知の機構が等しく用いられる。

鋼管１は、つかみ機構２５で移動自在に支持される。送り機構２１は、所定の送り速度で鋼管１をその軸方向（長手方向）へ送る。つかみ機構２５は、鋼管１を送るために鋼管１を支持する。つかみ機構２５は、後述する支持機構２２が設置される場合には省略してもよい。

製造装置２０では、送り機構２１が鋼管１をその軸方向へ送るとともに、誘導加熱コイル１０および冷却機構２３が固定して設置される。しかし、本発明はこの形態には限定されない。誘導加熱コイル１０および冷却装置２３が鋼管１に対して相対的に移動自在に設置されればよい。例えば、（ａ）鋼管１を送らずに固定して配置するとともに、誘導加熱コイル１０および冷却機構２３が鋼管１に対して移動することや、（ｂ）鋼管１をその軸方向へ送るとともに、誘導加熱コイル１０および冷却機構２３が鋼管１に対してさらに移動することも許容される。

［支持機構２２］
支持機構２２は、送り機構２１により軸方向へ送られる鋼管１を、第１の位置Ａにおいて移動自在に支持する。

固定ガイドが支持機構２２として例示される。支持機構２２は、特定の型式の機構には限定されない。例えば、対向して配置される一対あるいは一対以上の非駆動のロールが支持機構２２として用いられてもよい。この種の支持機構として公知の機構が支持機構２２として等しく用いられる。

鋼管１は、支持機構の設置位置Ａを通過して、軸方向へ送られる。支持機構２２は、つかみ機構２５により代用されてもよい。
［誘導加熱コイル１０］
誘導加熱コイル１０は、第１の位置Ａよりも鋼管１の送り方向の下流に位置する第２の位置Ｂにおいて、鋼管１を急速に加熱する。

誘導加熱コイル１０は、第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２に、周波数が５〜１００ｋＨｚの交流電流を供給されることによって、５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度で送られる鋼管１を、第２の位置Ｂにおいて誘導加熱する。

鋼管１に対する誘導加熱コイル１０の、鋼管１の軸方向と直交する方向と平行な方向への距離を変更することによって、鋼管１の一部をその周方向へ不均一に加熱することができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、いずれも、誘導加熱コイル１０および鋼管１の位置関係を示す説明図であり、図３（ａ）は、第１の１巻きコイル本体１１および第２の１巻きコイル本体１２と鋼管１との間隔が均等に３．０ｍｍとなる場合であり、図３（ｂ）は、第１の１巻きコイル本体１１の絶縁部１１ｂおよび第２の１巻きコイル本体の第２の絶縁部１２ｂと鋼管１との間隔が２．０ｍｍであるとともに、第１の絶縁部１１ｂおよび第２の絶縁部１２ｂ以外の部位における誘導加熱コイル１０と鋼管１との間隔が２．０〜４．０ｍｍの範囲で不均一となる場合である。

図３（ａ）に示す場合には、第１の絶縁部１１ｂおよび第２の絶縁部１２ｂ付近における鋼管１の温度が他の位置の鋼管１の温度よりも低くなり、鋼管１の周方向の温度差は８０℃程度となる。

これに対し、図３（ｂ）に示す場合には、第１の絶縁部１１ｂおよび第２の絶縁部１２ｂ付近における鋼管１の温度と、他の位置の鋼管１の温度との差が小さくなり、鋼管１の周方向の温度差は４０℃程度となる。

誘導加熱コイル１０の上流側に少なくとも１つ以上設けられる鋼管１の予熱手段を併用することによって、鋼管１を複数回加熱することができる。これにより、鋼管１の周方向の温度差をさらに小さくすることができる。

さらに、誘導加熱コイル１０の上流側に少なくとも１つ以上設けられる鋼管１の予熱手段を併用することによって、送り出される鋼管１をその周方向または軸方向へ不均一に加熱することもできる。これにより、鋼管１の周方向の温度差をさらに小さくすることができる。

鋼管１は、誘導加熱コイル１０により、図１（ｄ）に例示するように、周方向の温度差を顕著に低減されながら、急速に加熱される。
［冷却機構２３］
冷却機構２３は、第２の位置Ｂよりも鋼管１の送り方向の下流の第３の位置Ｃに、配置される。冷却機構２３は、加熱された鋼管１を冷却する。鋼管１は、冷却機構２３により冷却されることにより、鋼管１の軸方向へ移動する高温部１ａが部分的に形成される。高温部１ａは、他の部分よりも変形抵抗が大幅に低下している。

冷却機構２３は、鋼管１を所望の冷却速度で冷却することができるものであればよく、特定の型式の冷却機構には限定されない。一般的には、冷却水を鋼管１の外表面の所定の位置に噴射することによって鋼管１を冷却する水冷機構が冷却機構２３として例示される。

図１に示すように、冷却水は、鋼管１の送り方向へ向けて傾斜して吹き付けられる。鋼管１に対する冷却機構２３の、鋼管１の軸方向と直交する方向と平行な方向への距離を変更することによって、高温部１ａの軸方向への長さを調整することができる。

［把持機構２４］
把持機構２４は、第３の位置Ｃよりも鋼管１の送り方向の下流の領域Ｄに配置される。把持機構２４は、鋼管１を把持しながら、第３の位置Ｃよりも鋼管１の送り方向の上流側の空間を含むワークスペース（ｗｏｒｋ ｓｐａｃｅ）内において三次元の方向へ移動する。これにより、把持機構２４は、鋼管１に形成されている高温部１ａに曲げモーメントを与える。一般的には、チャック機構が把持機構２４として用いられる。

なお、本発明では、三次元に移動自在である把持機構２４を二次元に移動することは当然可能である。把持機構２４を二次元に移動することにより、曲げ方向が二次元的に異なる曲げ加工を行って屈曲部材、例えばＳ字曲げのような曲げ方向が二次元的に異なる屈曲部材を製造することも可能である。

「ワークスペース」とは、式（１）、（２）および（３）により規定される三次元空間を意味する。
ｘ＜０かつ（ｙ＝０またはｙ≧０．５Ｄ）かつ０≦θ＜３６０° ・・・・・（１）
ｘ^２＋（ｙ−Ｒｍｉｎ）^２≧Ｒｍｉｎ^２ ・・・・（２）
ｘ^２＋（ｙ＋Ｒｍｉｎ）^２≧Ｒｍｉｎ^２−（０．５Ｄ−Ｒｍｉｎ）^２＋（０．５Ｄ＋Ｒｍｉｎ）^２ ・・・・（３）
ただし、式（１）〜（３）において、Ｄは屈曲部材の最小外形寸法（ｍｍ）を意味し、Ｒｍｉｎは屈曲部材の最小曲率半径（ｍｍ）を意味し、ｘ、ｙ、θは第２の位置を原点とする円柱座標系であって、屈曲部材の瞬間的な送り方向をｘの正方向とし、ｘと水平面内で直交する方向をｙとし、周方向の角度をθとする。

把持機構２４がワークスペース内において三次元の方向へ移動することによって鋼管１に曲げ加工が行われ、これにより、屈曲部を長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える屈曲部材が製造される。

ワークスペースは観念的に認識される空間であるので、このワークスペース内に例えば各種機構といった有体物が存在していてもよい。
把持機構２４は、柱状の外形を有する本体２６と移動機構２９とを備える。

本体２６は中空体により構成される。中空体は、鋼管１の外周面に沿う形状の内周面を有する。本体２６は、鋼管１の先端部の外面に当接して配置されることによって、鋼管１を把持する。

なお、本体２６は、図１に示す例とは異なり、鋼管１の内周面に沿う形状の外周面を有する筒体により構成されていてもよい。この場合、本体２６は、鋼管１の先端部の内部に挿入して配置されることによって、鋼管１を把持する。

移動機構２９は、第１の基盤２７および第２の基盤２８により構成される。第１の基盤２７は、本体２６を搭載するとともに第１の位置Ａにおける鋼管１の送り方向と直交する方向（図１における上下方向）へ移動自在に配置される。第２の基盤２８は、第１の基盤２７に前記送り方向へ移動自在に配置される。

第１の基盤２７の移動、および、第２の基盤２８の移動は、いずれも、ボールネジおよび駆動モータを用いて行われる。この移動機構２９により本体２６は、水平面内で二次元に移動自在に配置される。なお、図１における符号３０はＸ軸チルトモータを示し、符号３１はＸ軸シフトモータを示し、符号３２はＹ軸チルトモータを示し、符号３３はＹ軸シフトモータを示し、符号３４はＺ軸チルトモータを示し、さらに、符号３５はＺ軸シフトモータを示す。

さらに、図２に示す移動機構２９に替えて、少なくとも１軸以上の軸廻りに回動可能な関節を有する関節型ロボットが本体２６を支持するようにしてもよい。関節型ロボットを用いることにより、本体２６を三次元の方向へ移動自在に支持することが容易になる。

製造装置２０によって、三次元に屈曲する曲げ加工部を、長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える加工製品を製造する状況を説明する。
閉じた断面形状を有する長尺の鋼管１を、支持機構２２により第１の位置Ａにおいて支持するとともに送り機構２１によりその長手方向へ送る。

第２の位置Ｂにおいて誘導加熱コイル１０に周波数が５〜１００ｋＨｚの交流電流を供給することにより、５〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの送り速度で送られる鋼管１を誘導加熱する。

第３の位置Ｃにおいて冷却機構２３により鋼管１を冷却することにより、鋼管１に高温部１ａを形成する。
さらに、領域Ｄで、把持機構２４の位置を、第３の位置Ｃよりも鋼管１の送り方向の上流側の空間を含むワークスペース内において三次元の方向へ変更して、鋼管１の高温部１ａに曲げモーメントを与えることを、目標とする製品形状に合わせて継続して行う。

これにより、三次元に屈曲する曲げ加工部を、長手方向へ向けて断続的又は連続的に備える曲げ加工製品が、連続的に製造される。
この場合に、第２の位置Ｂにおいて鋼管１を部分的に焼入れが可能な温度に加熱するとともに、第３の位置Ｃにおいて所定の冷却速度で冷却することにより、鋼管１の一部または全部を焼入れることができる。これにより、曲げ加工製品は、少なくとも長手方向及び／又はこの長手方向と交差する断面内における外周方向へ向けて、断続的又は連続的に焼入れ部を有する。

製造装置２０を、
（ａ）電縫鋼管製造ラインを構成する、帯状鋼板を連続的に繰り出すアンコイラーと、繰り出された帯状鋼板を所定の断面形状の管に成形する成形装置と、突き合わされた帯状鋼板の両側縁を溶接して連続する管を形成する溶接装置と、溶接ビードの切削および必要に応じてポストアニールやサイジングをする後処理装置とを備える曲げ加工製品の連続製造装置における後処理装置の出側に、配置すること、または
（ｂ）ロールフォーミングラインを構成する、帯状鋼板を連続的に繰り出すアンコイラーと、繰り出された帯状鋼板を所定の断面形状に成形する成形機構とを備える曲げ加工製品の連続製造装置における成形機構の出側に配置すること
によって、曲げ加工製品を連続的に製造することができる。

本発明によれば、曲げ方向が３次元的に異なる曲げを行って曲げ加工製品を製造する場合であっても、さらに高強度の金属材の曲げ加工が必要な場合であっても、被加熱体である金属材の周方向に均一にかつ金属材の軸方向の狭い範囲に安定して加熱領域を形成することができる。

これにより、高強度で形状凍結性がよく、所定の硬度分布を有するとともに所望の寸法精度を有し、さらに、長手方向への曲率半径が一定ではなく、長手方向へ少なくとも二つの互いに異なる曲率半径の部分を有する曲げ加工製品を、効率的かつ安価に製造することができる。

しかも、例えば多関節型のロボット等により支持された把持手段によって金属材を把持して金属材に曲げ加工を行うことにより、曲げ加工の角度を大きく確保することができ、表面性状や表面疵を抑制することができ、また曲げ加工精度を確保することができるとともに、作業能率に優れた曲げ加工が可能になる。

本発明は、例えば、さらに高度化する例えば自動車用の曲げ加工製品の曲げ加工技術として、広く適用される。
本発明により製造される焼入れ鋼材は、例えば、以下に例示する用途（ｉ）〜（ｖｉｉ）に対して適用可能である。

（ｉ）自動車のサスペンションのロアーアームやブレーキペダルといった自動車の強度部材、
（ｉｉ）自動車の各種レインフォース、ブレース等の補強部材、
（ｉｉｉ）バンパー、ドアインパクトビーム、サイドメンバー、サスペンションマウントメンバー、ピラー、サイドシル等の自動車の構造部材、
（ｉｖ）自転車や自動二輪車等のフレーム、クランク
（ｖ）電車等の車輛の補強部材、台車部品（台車枠、各種梁等）
（ｖｉ）船体等のフレーム部品、補強部材、
（ｖｉｉ）家電製品の強度部材、補強部材または構造部材

図１に示す誘導加熱コイル１０を図６に示す製造装置０に適用した製造装置と、図７に示す比較例の誘導加熱コイル５を図６に示す製造装置０に適用した製造装置とを用いて、外径（直径）３１．８ｍｍ、肉厚１．８ｍｍの普通鋼製の鋼管１を、８０ｍｍ／ｓｅｃの搬送速度でその軸方向へ非回転で搬送しながら、誘導加熱コイル１０または５の内部を通過させることにより誘導加熱した。そして、鋼管１の周方向の二箇所の部位Ｐ１、Ｐ２に熱電対を複数個装着し、鋼管１を搬送しながら、加熱時の鋼管１の温度を測定した。

図４は、本発明例の結果を示すグラフであり、図５は、比較例の結果を示すグラフである。
なお、測定位置は、図４、５のグラフ中に併記した部位Ｐ１、Ｐ２である。部位Ｐ１は、横断面内において第１の絶縁部１１ｂおよび第２の絶縁部１２ｂに挟まれた領域の位置、すなわち比較例の誘導加熱コイル５ではコイル巻き数が実質的に一巻きとなる位置である。また部位Ｐ２は、部位Ｐ１から本体１１の中心角で９０度離れた位置である。図４、５のグラフにおける実線が部位Ｐの測定結果であり、破線が部位Ｐ２の測定結果である。

また、図４、５のグラフにおける縦軸Ｔは鋼管１の温度（℃）を示し、横軸ＳＰは鋼管１の軸方向への送り位置（ｍｍ）を示す。
図５にグラフで示すように、比較例では鋼管１の周方向の温度差が約２６０℃であるのに対し、図４にグラフで示すように本発明例によれば鋼管１の周方向の温度差は約８０℃に低減される。

Claims (3)

1. 回転を伴わない長尺の金属材に対して相対的に移動しながら当該金属材を誘導加熱する加熱コイルにおいて、
   非実効コイル長をＬｎとし、内周コイル長をＬ０とした場合に、Ｌｎ／Ｌ０が０．０５以下であること
   を特徴とする誘導加熱コイル。
2. 請求項１に記載された誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルとともに前記金属材に対して相対的に移動しながら、前記誘導加熱コイルにより誘導加熱された前記金属材を冷却することによって、前記金属材の軸方向へ移動する高温部を前記金属材に形成する冷却機構と、
   前記高温部に曲げモーメントを与える加工機構と
   を備えることを特徴とする加工部材の製造装置。
3. 請求項１に記載された誘導加熱コイルを、中心軸回りに回転しない長尺の金属材に対して相対的に該金属材の軸方向へ移動しながら当該金属材を誘導加熱するとともに、前記誘導加熱コイルとともに前記金属材に対して相対的に移動する冷却機構により、前記誘導加熱コイルにより誘導加熱された前記金属材を冷却することによって、前記金属材の軸方向へ移動する高温部を前記金属材に形成した後に、該高温部に曲げモーメントを与えることを特徴とする加工部材の製造方法。

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