KR102196842B1 - 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향에 있어서의 위치가 대략 동일해지도록, 도체판(S)을 사이에 두고 제1 코일(110)과 제2 코일(120)을 서로 대향시킨다. 전류의 침투 깊이가 도체판(S)의 판 두께의 절반 이하로 되는 주파수의 교류 전류를, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 역방향으로 흐르게 함으로써 도체판(S)을 유도 가열한다.

Description

유도 가열 장치 및 유도 가열 방법
본 발명은, 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법에 관한 것이다.
종래부터, 유도 가열 장치를 사용하여, 띠 형상의 강판 등의 도체판을 연속적으로 가열하는 것이 행해지고 있다. 유도 가열 장치는, 코일로부터 발생한 교번 자계(교류 자계)를 도체판에 인가하고, 전자기 유도에 의해 당해 도체판에 유기되는 와전류에 기초하는 줄 열을 당해 도체판에 발생시켜, 이 줄 열에 의해 당해 도체판을 가열하는 것이다.
이러한 유도 가열 장치로서, LF(Longitudinal Flux)식 유도 가열 장치와 TF(Transverse Flux)식 유도 가열 장치가 있다.
도 12는, LF식 유도 가열 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 12는, LF식 유도 가열 장치(1200)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다. 또한, 각 도면에 나타내는 X-Y-Z 좌표는, 각 도면에 있어서의 방향의 관계를 나타내는 것이다. 각 도면에 있어서의 X-Y-Z 좌표의 원점은 동일하다(X-Y-Z 좌표의 원점은, 각 도면에 나타내는 위치에 한정되지 않음). 또한, 가열 대상인 띠 형상의 도체판(S)은, Y축의 정의 방향(도 12의 백색 바탕 화살표 방향)으로 통판되는 것으로 한다. 이상의 내용은, 그 밖의 도면에서도 동일하다.
도 12에 나타내는 LF식 유도 가열 장치(1200)는, 솔레노이드 코일(1210)을 갖는다. 솔레노이드 코일(1210)은, 띠 형상의 도체판(S)을 둘러싸도록 도체판(S)의 통판 방향과 대략 수직인 방향에 있어서 권회된다. 따라서, LF식 유도 가열 장치(1200)에서는, 솔레노이드 코일(1210)에 흐르는 전류의 경로와, 통판되는 도체판(S)이 쇄교한다. 또한, 솔레노이드 코일(1210)에 흐르는 전류의 방향의 일례는, 도 12의 솔레노이드 코일(1210) 내에 나타내는 화살표 선의 방향이다. 솔레노이드 코일(1210)에 교류 전류를 흐르게 하여, 도체판(S)의 길이 방향으로 교번 자계를 대략 평행하게 인가한다(이러한 자계를 세로 자계(LF)라고 함). 이러한 LF식 유도 가열 장치로서, 특허문헌 1에 기재된 기술이 있다.
이상과 같이, LF식 유도 가열 장치에서는, 솔레노이드 코일의 내부를 도체판이 쇄교한 상태에서 통과한다. 이 때문에, 솔레노이드 코일의 내부에 도체판이 있는 경우, 솔레노이드 코일을 일시적으로 퇴피(이른바, 리트랙트)시킬 수 없다. 예를 들어, 유도 가열 장치보다 상류측에서 도체판이 파단되면, 도체판은 덜걱거리면서 유도 가열 장치에 통판된다. 그렇게 하면, 도체판이 코일에 접촉하여, 코일 등이 손상될 우려가 있다. 또한, 조업 재개 시에 라인에 도체판을 통과시킬 때, 코일 자체가 복귀 작업의 장해물이 되는 경우가 많다.
그래서 특허문헌 2에는, 코일의 일부의 영역을 도어부로 하고, 당해 도어부를 코일 본체에 대해 개폐 가능하게 하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술을 사용하면, 도어부를 코일 본체에 대해 개방한 후에, 코일을 수평 방향으로 이동시킴으로써, LF식 유도 가열 장치에서도 리트랙트가 가능해진다.
도 13은, TF식 유도 가열 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 13은 TF식 유도 가열 장치(1300)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다.
도 13에 도시한 바와 같이, TF식 유도 가열 장치(1300)에서는, 띠 형상의 도체판(S)의 판면을 개재시켜, 도체판(S)의 상하에 2개의 코일(1310, 1320)을 배치한다. 2개의 코일(1310, 1320)은, 도체판(S)의 판면과 대략 평행한 방향에 있어서 권회된다. 따라서 TF식 유도 가열 장치(1300)에서는, 2개의 코일(1310, 1320)에 흐르는 전류의 경로와, 통판되는 도체판(S)이 쇄교하지 않는다. 또한, 코일(1310, 1320)에 흐르는 전류의 방향의 일례는, 도 13의 코일(1310, 1320) 내에 나타내는 화살표 선의 방향이다. 2개의 코일(1310, 1320)에, 동일한 방향의 교류 전류를 흐르게 하여, 도체판(S)의 판면에 대해 교번 자계를 대략 수직으로 인가한다(이러한 자계를 가로 자계(TF)라고 함). 이때, 코일(1310, 1320)로부터는 동일한 방향의 교번 자계가 발생한다. 이 가로 자계가 클수록, 도체판(S)을 높은 온도로 가열할 수 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 도체판을 사이에 두고 배치된 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 코일 폭만큼, 도체판의 통판 방향으로 시프트시키는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일은, 코일(1310, 1320)과 동일한 역할을 갖는다. 단, 전술한 바와 같이, 코일(1310, 1320)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향은 동일하다. 한편, 특허문헌 3에 기재된 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일에 흐르게 하는 교류 전류의 방향은 반대이다. 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 코일 폭만큼, 도체판의 통판 방향으로 시프트시킴으로써, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일로부터의 가로 자계에 기인하여 도체판에 발생하는 와전류가 상쇄되는 것을 억제한다.
또한, TF식 유도 가열 장치에서는, 도체판(S)의 폭 방향에 있어서의 단부(이하의 설명에서는, 이 부분을 필요에 따라서 에지부라고 칭함)에 와전류가 집중된다. 이 때문에, 당해 에지부가 과가열되는 것이 일반적이다. 그래서 TF식 유도 가열 장치에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 코일(1310, 1320)과 도체판(S) 사이의 위치이며, 도체판(S)의 양 에지부와 대향하는 위치에 도체판(1330 내지 1360)을 배치하는 것이 행해지고 있다(특허문헌 4를 참조).
또한, 특허문헌 5에는, 도체판이 아닌, 코일을 배치하는 기술이 개시되어 있다. 도체판을 사이에 두고 도체판의 상하에 1차 코일을 배치한다. 1차 코일은, 가열 코일이며, 코일(1310, 1320)과 동일한 역할을 갖는다. 복수의 2차 코일을 도체판과 1차 코일 사이에 설치한다. 복수의 2차 코일은, 1차 코일로부터 발생하는 1차 자속 중, 도체판의 에지부 근방의 당해 1차 자속을 약화시켜, 당해 도체판에 흐르는 와전류 자체를 저감시키는 역할을 갖는다. 복수의 2차 코일을 도체판의 판면 방향을 따라 움직이게 할 수 있도록 하고 있다.
일본 특허 공개 평7-153560호 공보 일본 특허 공개 평6-88194호 공보 일본 특허 공개 제2007-324009호 공보 일본 특허 제4959651호 공보 일본 특허 공개 제2007-122924호 공보
하즈미 시게지로 저, 「전기 가열의 특질과 주파수」, 전열, 일본 전열 협회, 1992년, No.62, p.6-7
그러나 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 메인터넌스를 위한 작업 부담이 크다. 예를 들어, 도어부와 코일 본체가 균일하게 접촉하고 있지 않은 경우, 도어부와 코일 본체의 접촉 부분의 전류 밀도가 증가하거나, 도어부와 코일 본체 사이에서 방전이 일어나거나 한다. 그렇게 하면, 조업의 중단이나 도어부나 코일 본체가 부분적으로 녹아 버릴 우려가 있다. 따라서 도어부와 코일 본체의 접촉 상태를 안정시키기 위해 메인터넌스의 빈도가 높아져, 조업을 저해한다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 유도 가열 장치를, 예를 들어 도금 라인에 적용하면, 도금욕으로부터의 증기가 도어부와 코일 본체의 접촉 부분에 머무를 우려가 있다. 이 상태에서 증기가 냉각되면, 도금욕을 구성하는 금속이 도어부와 코일 본체의 접촉 부분에 부착되어, 방전 트러블을 일으키는 경우가 있다. 따라서, 이러한 금속을 제거하기 위한 메인터넌스 작업이 필요해진다.
한편, 특허문헌 3 내지 5에 기재된 기술에서는, 에지부의 과가열을 방지하기 위해, 가열 코일과는 다른 부재(도체판이나 2차 코일)를 부가할 필요가 있다. 이 때문에, 유도 가열 장치의 구조가 복잡해진다. 또한, 특허문헌 5에 기재된 기술에서는, 가열 대상인 도체판의 판 폭에 따라서, 복수의 2차 코일을 이동시켜야 한다. 따라서, 복수의 2차 코일을 이동시키기 위해 더욱 복잡한 기구가 부가되게 되는 것이 일반적이다.
본 발명은, 이상과 같은 과제에 비추어 이루어진 것이며, 특별한 구성을 부가하는 일 없이, 도체판의 폭 방향에 있어서의 온도 분포를 가급적 균일하게 하는 것과, 코일을 일시적으로 퇴피시키는 것의 쌍방을 실현하는 유도 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 유도 가열 장치는, 통판 중인 도체판을 유도 가열하는 유도 가열 장치이며, 교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제1 코일과, 교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제2 코일을 갖고, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일은, 상기 도체판을 사이에 두도록 위치하고, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서의 위치는 대략 동일하고, 상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고, 상기 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 상기 도체판을 유도 가열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유도 가열 방법은, 교류 전류가 흐름으로써 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제1 코일과, 교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제2 코일을 갖고, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일이, 상기 도체판을 사이에 두도록 위치하고, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서의 위치가 대략 동일한 유도 가열 장치를 사용하여 통판 중의 상기 도체판을 유도 가열하는 유도 가열 방법이며, 상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고, 상기 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 상기 도체판을 유도 가열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 특별한 구성을 부가하는 일 없이, 도체판의 폭 방향에 있어서의 온도 분포를 가급적 균일하게 하는 것과, 코일을 일시적으로 퇴피시키는 것의 쌍방을 실현하는 유도 가열 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 유도 가열 시스템의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 실시 형태의 유도 가열 장치의 Y-Z 단면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 제1 코일 및 제2 코일에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계의 방향의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 제1 코일 및 제2 코일에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계가, 도체판의 내부에 들어가는 모습의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 5a는 제1 코일에 의해 발생하는 자계에 기초하는 와전류와, 제2 코일에 의해 발생하는 자계에 기초하는 와전류가 독립적으로 존재한다고 가정한 경우의 와전류의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 5b는 도체판의 내부에 발생하는 와전류의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 폭 방향에 있어서의 도체판의 표면 온도의 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 도체판의 판 두께 방향의 위치와, 도체판에 흐르는 와전류의 전류 밀도의 관계의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 8은 유도 가열 시스템의 구성의 제1 변형예를 도시하는 도면이다.
도 9는 유도 가열 시스템의 구성의 제2 변형예를 도시하는 도면이다.
도 10은 유도 가열 시스템의 구성의 제3 변형예를 도시하는 도면이다.
도 11은 제3 변형예의 UF식 유도 가열 장치의 Y-Z 단면의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12는 LF식 유도 가열 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 TF식 유도 가열 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태를 설명한다. 또한, 각 도면에서는, 설명의 사정 및 표기의 사정상, 설명에 필요한 부분만을 필요에 따라서 간략화하여 나타낸다.
도 1은, 유도 가열 시스템의 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 1은, 유도 가열 장치(100)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다. 여기서, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(100)를 LF식 유도 가열 장치 및 TF식 유도 가열 장치와 구별하여 표기하기 위해, 필요에 따라 UF(Ulterior Flux)식 유도 가열 장치라고 칭한다. 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(100)에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120) 사이에서 도체판(S)이 없는 영역에서는, 교류에 의해 자계를 생성하고 있음에도 불구하고, 서로의 자계가 상쇄되어 보이지 않게 되도록 인가된다. 이 점에서, 본 실시 형태의 유도 가열 장치(100)의 방식을 UF식이라고 호칭하기로 하였다.
도체판(S)은, 예를 들어 강판이다. 그러나 도체판(S)은, 강판에 한정되지 않는다. 비자성 금속판이나 강자성 금속판 등의 도체판을 가열 대상으로 할 수 있다. 금속판의 표면에 도금이 실시되어 있어도 되고, 복수의 금속판의 맞댐이어도 된다. 또한, 도체판(S)의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 1[㎜] 이하의 두께의 도체판(박판)을 가열 대상으로 할 수 있다. 또한, 도 1에 있어서의 Y축의 방향은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 지면에 대해 수평한 방향이어도 되고, 지면에 대해 수직인 방향이어도 된다.
도 1에 있어서, 유도 가열 시스템은, UF식 유도 가열 장치(100)와 교류 전원(200)을 갖는다.
UF식 유도 가열 장치(100)는, 제1 코일(110)과, 제2 코일(120)과, 제1 코어(130)와, 제2 코어(140)를 갖는다. 또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에는, 교류 전원(200)이 전기적으로 접속된다.
제1 코일(110)과 제2 코일(120)은, 재질, 형상 및 크기가 동일한 코일이다. 제1 코일(110)과 제2 코일(120)은, 예를 들어 구리 등의 금속에 의해 형성된다.
제1 코일(110)은, 도체판(S)의 판면과 대략 평행한 방향에 있어서 권회되는 코일이다. 제1 코일(110)은, 그 권회되는 부분으로 구성되는 면(소위, 코일 면)이, 도체판(S)의 2개의 판면 중 한쪽 면(표면)과, 도체판(S)과 접촉하지 않도록 간격을 갖고 대략 정면으로 대향하도록 배치된다.
제2 코일(120)도, 제1 코일(110)과 마찬가지로, 도체판(S)의 판면과 대략 평행한 방향에 있어서 권회되는 코일이다. 제2 코일(120)은, 그 권회되는 부분으로 구성되는 면(소위, 코일 면)이, 도체판(S)의 2개의 판면 중 다른 쪽의 면(이면)과, 도체판(S)과 접촉하지 않도록 간격을 갖고 대략 정면으로 대향하도록 배치된다. 또한, 도체판(S)의 통판 방향(도 1에 도시한 예에서는 Y축 방향)을 따라 본 경우의, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 상단면 및 하단면은, 평면이다. 또한, 이 면은 도체판(S)의 판면과 대략 평행이다.
또한, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)은, 도체판(S)을 사이에 두고 대략 정면으로 대향하는 위치에 배치된다. 즉, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향(도체판(S)의 통판 방향)에 있어서의 위치는 대략 동일하다. 도 1에 도시한 예에서는, 제1 코일(110)과 도체판(S)의 간격과 제2 코일(120)과 도체판(S)의 간격은, 동일한 것으로 한다. 또한, 도 1에 도시한 예에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권회 수는, 모두 1[회]이다. 이와 같이 도 1에 도시한 예에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의, Z축 방향의 위치 이외의 위치는 대략 동일한 위치이다. 제1 코일(110), 제2 코일(120)은, 도 13에 도시한 코일(1310, 1320)과 동일한 구성으로 실현할 수 있다.
도 2는, UF식 유도 가열 장치(100)의 Y-Z 단면의 일례를 도시하는 도면이다. Y-Z 단면은, UF식 유도 가열 장치(100)를, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)과 판 두께 방향(Z축 방향)에 의해 정해지는 면(Y-Z 평면)을 따라, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 중심의 위치에서 절단한 경우의 단면이다.
제1 코어(130) 및 제2 코어(140)는, 재질, 형상 및 크기가 동일한 코어이다. 제1 코어(130) 및 제2 코어(140)는, 예를 들어 페라이트 등의 연자성 재료에 의해 형성된다. 제1 코어(130)는, 제1 코일(110)로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치된다. 제2 코어(140)는, 제2 코일(120)로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에서는, 제1 코어(130)는, 직육면체 형상에 대해, 제1 코일(110)의, 폭 방향(X축 방향)으로 연장 설치되는 영역의 형상에 맞추어 오목부가 형성된 형상을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 이 오목부에 제1 코일(110)이 배치된 경우에, 제1 코일(110)의, 도체판(S)과 대향하는 면과, 제1 코어(130)의, 도체판(S)과 대향하는 면이 대략 같은 평면에 있도록 제1 코어(130)의 오목부가 형성된다.
마찬가지로, 제2 코어(140)는, 직육면체 형상에 대해 제2 코일(120)의, 폭 방향(X축 방향)으로 연장 설치되는 영역의 형상에 맞추어 오목부가 형성된 형상을 갖는다. 또한, 이 오목부에 제2 코일(120)이 배치된 경우에, 제2 코일(120)의, 도체판(S)과 대향하는 면과, 제2 코어(140)의, 도체판(S)과 대향하는 면이 대략 같은 평면에 있도록 제2 코어(140)의 오목부가 형성된다.
또한, 제1 코어(130)와 도체판(S) 사이의 자계와, 제2 코어(140)와 도체판(S) 사이의 자계가 서로 역방향이 되도록, 도체판(S)에 자계를 인가시킬 수 있으면, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 형상은, 도 1에 도시한 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 코일(110)의, 도체판(S)과 대향하는 면과, 제1 코어(130)의, 도체판(S)과 대향하는 면이 대략 같은 평면에 있지 않아도 된다. 이것은, 제2 코일(120) 및 제2 코어(140)에 대해서도 동일하다.
또한, 제1 코일(110)과 제1 코어(130) 사이에는 절연 처리가 실시된다. 제2 코일(120)과 제2 코어(140) 사이에도 절연 처리가 실시된다.
도 1에서는, 표기의 사정상, 도시를 생략하고 있지만, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)은 중공 형상을 갖는다. 구체적으로 도 2에 도시한 예에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의, 교류 전류가 흐르는 방향에 수직인 단면의 형상은, 중공의 직사각형이다. 이 중공의 부분에, 냉각수를 흐르게 한다. 이 냉각수에 의해, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 수랭하여, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 발열이 커지는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 도체판(S)은, 그 폭 방향(X축 방향)의 전체의 영역이, 제1 코어(130)와 제2 코어(140) 사이에 위치하도록 통판된다. 즉, 도체판(S)은, 그 폭 방향에 있어서의 단부(에지부)가, 제1 코어(130)와 제2 코어(140)의 폭 방향(X축 방향)의 단부보다 내측에 위치하는 상태에서, 제1 코일(110)과 제2 코일(120) 사이를 통과하도록 한다. 이와 같이 할 수 있도록, UF식 유도 가열 장치(100)(제1 코일(110), 제2 코일(120), 제1 코어(130), 제2 코어(140))의 폭 방향(X축 방향)의 길이가 미리 정해진다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110)의 일단부(111)는, 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(201)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제1 코일(110)의 타단부(112)는, 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(202)에 전기적으로 접속된다.
또한, 제2 코일(120)의 2개의 단부 중, 제1 코일(110)의 타단부(112)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 일단부(121)는, 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(201)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제2 코일(120)의 2개의 단부 중, 제1 코일(110)의 일단부(111)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 타단부(122)는, 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(202)에 전기적으로 접속된다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)은 (교류 전원(200)으로부터 보았을 때의) 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 권취 방향이 서로 역방향이 되도록 교류 전원(200)에 병렬로 접속된다.
따라서, 교류 전원(200)으로부터 교류 전류를 흐르게 하면, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 서로 대향하는 영역에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의 동일한 시점으로부터 보았을 때의) 방향은, 서로 역방향이 된다(도 1의 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 내에 나타내는 화살표 선을 참조).
도 1의 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 내에 나타내는 화살표 선은, UF식 유도 가열 장치(100)를 그 상방으로부터 부감한 경우에, 제1 코일(110)에 흐르는 교류 전류의 방향이 시계 방향(우측 방향)이고, 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류의 방향이 반시계 방향(좌측 방향)인 것을 나타낸다.
여기서, 교류 전원(200)으로부터, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류는, (동 시각에 있어서의 동일한 시점으로부터 보았을 때의) 방향만이 상이하고, (동 시각에 있어서의) 크기와 주파수는, 각각 동일하다. 또한, 교류 전류의 파형은, 예를 들어 정현파이다. 단, 교류 전류의 파형은, 정현파에 한정되지 않고, 일반적인 유도 가열 장치에서 사용될 수 있는 파형과 동일한 파형으로 할 수 있다.
또한, 이하의 설명에서는, 「제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 서로 대향하는 영역에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향」을, 필요에 따라서, 「제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 교류 전류의 방향」이라고 칭한다.
도 3은, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계의 방향의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 3에서도, 도 1과 마찬가지로, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 중공 부분의 도시를 생략한다. 또한, 도 3에서는, 도 1의 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 내에 나타내는 화살표 선의 방향으로 교류 전류가 흐르고 있는 경우의 자계 방향을 예로 들어 나타낸다. 또한, 표기의 사정상, 도 3에서는, 도체판(S)의 두께를 다른 도면과 비교하여 두껍게 하여 나타낸다.
제1 코일(110)에 교류 전류가 흐름으로써, 제1 코어(130)와 도체판(S) 사이의 영역에 있어서, 도체판(S)의 판면에 대해 대략 수직인 방향(즉, 도체판(S)의 판 두께 방향)의 자계 H1이 발생한다. 마찬가지로, 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써, 제2 코어(140)와 도체판(S) 사이의 영역에 있어서, 도체판(S)의 판면에 대해 대략 수직인 방향(즉, 도체판(S)의 판 두께 방향)으로 자계 H2가 발생한다. 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류의 방향을 서로 역방향으로 하고 있으므로, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 코어(130)와 제2 코어(140)의 서로 대향하는 영역에 있어서의 자계 H1, H2의 방향은, 서로 역방향이 된다. 이때, 도체판(S)의 한쪽 면(상면)에 와전류 Ie1이, 다른 쪽 면(하면)에 와전류 Ie2가 서로 역방향으로 유도되어 흐른다. 와전류 Ie1, Ie2의 상세에 대해서는, 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면서 후술한다.
본 실시 형태의 UF식 유도 가열 장치(100)도, 배경기술에서 설명한 TF식 유도 가열 장치와 마찬가지로, 제1 코일(110), 제2 코일(120)에 흐르는 전류의 경로와, 통판되는 도체판(S)이 쇄교하지 않는다.
단, TF식 유도 가열 장치에서는, 코일(1310, 1320)에 흐르는 교류 전류의 방향을 동일한 방향으로 한다. 또한, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일로부터의 가로 자계에 기인하여 도체판에 발생하는 와전류가 상쇄되지 않도록 하기 위해, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 코일 폭만큼, 도체판의 통판 방향으로 시프트시킨다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류의 방향을 서로 역방향으로 함과 함께, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향(도체판(S)의 통판 방향)에 있어서의 위치를 대략 동일하게 한다. 이와 같이 하는 것에 상도한 것은, 본 발명자들이 금회 처음으로 알아낸 이하의 지견에 의한 것이다.
먼저, 완전히 동일한 2개의 코일에, 크기가 동일한 교류 전류를 역방향으로 흐르게 하고, 이들 2개의 코일을 근접시키면, 서로의 코일에 의해 발생하는 자계는, 크기가 동일하고 역방향이라는 점에서 대부분의 장소에서 상쇄된다.
TF식 유도 가열 장치에서는, 도체판을 관통하는 자계에 의해 도체판에 와전류를 흐르게 하고, 이 와전류에 의해 도체판을 가열한다. 이때, TF식 유도 가열 장치에서는, 2개의 코일에 흐르게 하는 전류의 방향을 동일하게 한다. 2개의 코일의 사이에 도체판을 두고, TF 방식의 유도 가열 장치에서 채용되어 있는 주파수의 전류를, 당해 2개의 코일에 역방향으로 흐르게 하면, 코일에 의해 발생하는 자계는, 도체판 내에서도 상쇄된다.
따라서, 도체판 내에 와전류는 발생하지 않고, 도체판은 유도 가열되지 않는다. TF식 유도 가열 장치에서는, 2개의 코일에 의해 발생하는 자계의 크기를 크게 함으로써, 도체판을 높은 온도로 가열할 수 있다. 따라서, 이 2개의 코일에 의해 발생하는 자계를 상쇄하도록 당해 코일에 교류 전류를 흐르게 하는 것은, TF식 유도 가열 장치의 효과를 감소시키는 것으로 이어진다.
이에 비해, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일에 흐르게 하는 교류 전류의 방향은 반대이다. 그러나 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 코일 폭만큼, 도체판의 통판 방향으로 시프트시킨다. 특허문헌 3에서는, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일로부터의 자계에 의해 도체판에 발생하는 와전류가 상쇄되는 것을 방지하기 위해, 이러한 구성을 채용하고 있다고 되어 있다. 따라서, 특허문헌 3에 기재된 기술은, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 도체판의 통판 방향으로 시프트시키지 않으면, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일로부터의 자계에 의해 도체판에 발생하는 와전류가 상쇄된다고 하는 사상에 입각하는 것이다. 그리고 특허문헌 3에 기재된 기술과 같이, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 코일 폭만큼, 도체판의 통판 방향으로 시프트시키는 구성에서는, 특허문헌 4, 5에 기재된 기술을 적용하지 않으면, 에지부의 과가열이 발생한다. 또한, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일은, LF식 유도 가열 장치를 보조하는 것이며, 그 단독으로, 도체판을 원하는 온도까지 유도 가열할 수 있는 것은 아니다.
이에 비해, 본 발명자들은, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향(도체판(S)의 통판 방향)에 있어서의 위치를 대략 동일하게 한 상태에서 제1 코일(110)과 제2 코일(120) 사이에 도체판(S)을 배치하고, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류의 방향을 서로 역방향으로 해도, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수를 조정하면, 도체판(S)의 내부에 있어서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1, H2가 상쇄되지 않는 상태가 되어, 자계 H1, H2에 기초하는 와전류가 도체판(S)의 내부에 발생하는 것을 알아냈다.
도 4는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1, H2가, 도체판(S)의 내부에 들어가는 모습의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다.
전자기 유도에 의해 도체 내에 발생하는 전류의 분포는, 표피 효과에 의해 표면에 치우치는 성질이 있고, 이 경향은 주파수가 높을수록 강해진다. 비특허문헌 1 등에 기재되어 있는 바와 같이, 도체에 있어서의 전류의 침투 깊이(도체의 표면으로부터, 전류 밀도가 표면의 1/e(＝0.368)로 감소하는 점까지의 깊이) δ[m]는, 이하의 (1)식으로 표시된다.
Figure 112018077334243-pct00001
(1)식에 있어서, ρ는, 도체의 저항률[Ω·m], ω는, 각주파수[rad/s](＝2πf), μ는, 도체의 투자율[H/m], μs는, 도체의 비투자율[-], f는, 주파수 f[Hz]이다. 투자율 μ(비투자율 μs) 및 저항률 ρ의 값은, 도체판(S)의 주로 목표 가열 온도에 있어서의 값이다.
본 발명자들은, 상기 (1)식에 기초하여, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수((1)식의 f)를 조정함으로써, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향(도체판(S)의 통판 방향)에 있어서의 위치를 대략 동일하게 한 상태에서 제1 코일(110)과 제2 코일(120) 사이에 도체판(S)을 배치하고, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류의 방향을 서로 역방향으로 해도, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계가 도체판(S) 내에 있어서 상쇄되지 않는 것을 알아냈다.
이러한 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수의 바람직한 범위로서, 본 발명자들은, 이하의 범위를 알아냈다. 즉, 본 발명자들은, 이하의 (2)식을 만족시키는 범위에서, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수((1)식의 f)를 정하는 것이 바람직한 것을 알아냈다.
Figure 112018077334243-pct00002
(2)식에 있어서, d는, 도체판(S)의 판 두께[m]이다. (2)식에 나타낸 바와 같이, 도체판(S)에 있어서의 전류의 침투 깊이 δ가, 도체판(S)의 판 두께 d[m]의 1/2배 이하로 되도록, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수를 정하면, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1, H2의, 도체판(S) 내에 들어가는 범위가 분리된다. 따라서, 이 자계 H1, H2가 들어가는 영역에 있어서, 서로 역방향의 와전류 Ie1, Ie2가 제각기 분리되어 나타난다. 와전류 Ie1에 의해, 도체판(S)의 한쪽 면측을 가열할 수 있고, 와전류 Ie2에 의해, 도체판(S)의 다른 쪽 면측을 가열할 수 있다. 또한, 도 4에 도시한 와전류 Ie1, Ie2의 방향은 일례이고, 후술하는 도 5b에 도시한 바와 같이, 와전류 Ie1, Ie2의 방향이 도 4에 도시한 방향과 역방향인 영역도 있다.
한편, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수의 상한값은 특별히 한정되지 않고, 용도 등에 따라서 적절하게 설정된다. 예를 들어, 도체판(S)의 내부 전체를 가능한 한 균일하게 유도 가열하고자 하는 경우에는, (1)식을 만족시키는 범위에서, 가능한 한 낮은 주파수를 선택하면 된다. 한편, 도체판(S)의 표면에 가까운 영역만을 가열하고자 하는 경우에는, 가열하고자 하는 영역의 표면으로부터의 두께에 따라서, 높은 주파수를 선택하면 된다(가열하고자 하는 범위로서, 표면으로부터의 두께 방향의 범위가 작을수록, 높은 주파수를 선택하면 된다).
도 5a 및 도 5b는, 도체판(S)의 내부에 발생하는 와전류의 일례를 설명하는 도면이다. 구체적으로 도 5a는, 제1 코일(110)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1에 기초하는 와전류와, 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H2에 기초하는 와전류가 독립적으로 존재한다고 가정한 경우의 와전류의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 5b는, 도체판(S)의 내부에 발생하는 와전류의 일례를 개념적으로 도시하는 도면이다. 도 5a 및 도 5b에서는, 도체판(S) 중, UF식 유도 가열 장치(100)의 내부(제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 사이)에 있는 영역 부근만을 나타낸다.
여기서, 도 5a 및 도 5b에서는, 도 1에 도시한 방향으로 교류 전류가 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르고 있는 경우에 발생하는 와전류를 예로 들어 나타낸다. 즉, 제1 코일(110)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1의 방향은, Z축의 부의 방향이다. 또한, 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H2의 방향은, Z축의 정의 방향이다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서는, (1)식을 만족시키는 주파수 f의 교류 전류가 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르고 있는 것으로 한다.
즉, 제1 코일(110)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H1에 기초하는 와전류 I1은, 자계 H1을 상쇄하는 방향으로 흐른다(도 5a를 참조). 또한, 제2 코일(120)에 교류 전류가 흐름으로써 발생하는 자계 H2에 기초하는 와전류 I2는, 자계 H2를 상쇄하는 방향으로 흐른다(도 5a를 참조). 이들 와전류 I1과 I2는, 자계 H1과 H2에 각각 호응하여 독립적으로 생성된다.
그러나 도 5a에 있어서, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)의 영역에서는, 당해 단부의 끝에는(도체판(S)을 구성함) 도체가 존재하지 않는다(당해 단부의 판 두께 부분도 표면이 됨). 따라서, 와전류 I1, I2 중, 이 영역의 와전류는, 서로 혼합되어 상쇄되어, 이 영역에 와전류는 흐르지 않는다.
한편, 도 5a에 있어서, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)로부터 이격된 영역에서는, 그 주위에 (도체판(S)을 구성하는) 도체가 존재한다(통판 방향(Y축 방향)에 있어서는 도체판(S)이 연속하여 존재함). 따라서, 와전류 I1, I2 중, 이 영역의 와전류는, 분리된 상태 그대로이며, 서로 혼합되는 일 없이 존재한다.
이상으로부터, 도 5a에 도시한 와전류 I1, I2 중, 실제로 도체판(S)에 발생하는 와전류는, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)에 수직인 영역(면)에 존재하는 와전류만이 된다. 즉, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)를 따르는 와전류는 발생하지 않는다. 그 결과, 도 5b에 도시한 바와 같이, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)에 수직인 영역(면)에 있어서, 도체판(S)의 한쪽 면(상면)에 와전류 Ie1이, 다른 쪽 면(하면)에 와전류 Ie2가, 각각 서로 역방향으로 흐른다. 그 결과, 도 5b에 도시한 바와 같이, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)에 수직인, 도체판(S) 내의 영역(면)이며, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)에 있어서 간격을 갖는 2개의 영역에, 서로 역방향의 와전류 Ie1, Ie2(의 루프)가 발생한다.
이상과 같이, 본 발명자들은, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 대해 서로 역방향의 교류 전류를 흐르게 한 경우에는, TF식 유도 가열 장치와 마찬가지로, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)로부터 도체판(S)의 판면에 대해 수직인 방향으로 자계(가로 자계)를 발생시킴에도 불구하고, LF식 유도 가열 장치와 마찬가지로, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)에 수직인 영역(면)에 있어서 와전류 Ie1, Ie2가 흐른다고 하는 지견을 얻었다.
이 와전류 Ie1, Ie2는, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)를 길이 방향(Y축 방향)을 따라 흐르지 않는다. 따라서, TF식 유도 가열 장치와 같이, 에지부가 과가열은 되지 않는다. 따라서, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)에 있어서의 온도 분포를 대략 균일하게 할 수 있다. 게다가, 도체판(S)에 흐르는 와전류 Ie1, Ie2의 방향은, 서로 역방향이다. 이것은, LF식 유도 가열 장치를, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)으로 2개 배치하고, 이들 2개의 LF식 유도 가열 장치의 코일에 흐르게 하는 전류의 방향을 서로 역방향으로 한 경우에 발생하는 와전류와 등가가 된다. 즉, 하나의 유도 가열 장치로, 2개의 LF식 유도 가열 장치에서 발생시키는 와전류와 등가인 와전류를 발생시킬 수 있다.
한편, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 2개의 싱글 턴 유도 가열 코일을, 도체판의 통판 방향으로 시프트시킨다. 따라서, 도 5a에 나타내는 와전류 I1, I2가, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)의 위치를 상이하게 하여 존재하게 된다. 즉, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 도 5b에 도시한 바와 같은 와전류 Ie1, Ie2는 흐르지 않고, 와전류는, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)를 길이 방향(Y축 방향)을 따라 흐른다. 이것으로부터, 전술한 바와 같이, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 에지부의 과가열이 발생한다.
또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)은, TF식 유도 가열 장치와 동일한 코일에서 실현할 수 있다. 따라서, TF식 유도 가열 장치와 마찬가지로, 예를 들어 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 이동시키는 것만으로, UF식 유도 가열 장치(100)를 일시적으로 퇴피(리트랙트)시킬 수 있다.
리트랙트의 방법으로서는, 예를 들어 이하의 방법이 있다.
제1 방법으로서, UF식 유도 가열 장치(100)가, 도체판(S)의 판면과 서로 대향하지 않게 될 때까지, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 수평 방향으로 이동시키는 방법을 들 수 있다.
구체적으로는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 동일한 방향으로 이동시킬 수 있다. 즉, X축의 정의 방향 또는 부의 방향으로 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 이동시킨다.
또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 상이한 방향으로 이동시킬 수도 있다. 즉, 제1 코일(110)을 X축의 부의 방향으로 이동시키고, 제2 코일(120)을 X축의 정의 방향으로 이동시킨다. 또한, 제1 코일(110)을 X축의 정의 방향으로 이동시키고, 제2 코일(120)을 X축의 부의 방향으로 이동시켜도 된다.
또한, 이상의 제1 방법에 있어서, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 중 어느 한쪽만을 이동시켜도 된다.
제2 방법으로서, UF식 유도 가열 장치(100)가, 도체판(S)과 접촉할 우려가 없는 위치까지, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 연직 방향(높이 방향)으로 이동시키는 방법을 들 수 있다.
구체적으로는, 제1 코일(110)을 Z축의 정의 방향으로 이동시키고, 제2 코일(120)을 Z축의 부의 방향으로 이동시킨다.
또한, 이상의 제2 방법에 있어서, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 중 어느 한쪽만을 이동시켜도 된다.
제3 방법으로서, UF식 유도 가열 장치(100)가, 도체판(S)의 판면과 서로 대향하지 않게 될 때까지, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의, 교류 전원(200)과 접속되어 있는 측의 소정의 위치를 회전 축으로 하여, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 회전시키는 방법이 있다. 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 회전을, 수평면 내(도 1의 X-Y 평면 내)에서 행할 수 있다. 수평면 내(도 1의 X-Y 평면 내)에서 회전을 행하는 경우의 회전 축의 방향은 Z축의 방향이 된다. 또한, 수평면 내(도 1의 X-Y 평면 내)에서 회전을 행하는 경우의 회전의 방향은, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에서 동일해도 되고, 상이해도 된다. 한편, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 회전을, 수직면 내(도 1의 X-Z 평면 내)에서 행할 수도 있다. 수직면 내(도 1의 X-Z 평면 내)에서 행하는 경우의 회전 축의 방향은 Y축의 방향이 된다. 또한, 수직면 내(도 1의 X-Z 평면 내)에서 행하는 경우의 회전의 방향은, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에서 각각 도체판(S)으로부터 이격되는 방향이면 된다. 또한, 제3 방법에 있어서, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 중 어느 한쪽만을 회전시켜도 된다.
그 밖에, 전술한 제1 방법 내지 제3 방법 중 적어도 2개의 방법을 조합한 방법으로 UF식 유도 가열 장치(100)를 일시적으로 퇴피(리트랙트)시켜도 된다.
이상과 같이 하여 UF식 유도 가열 장치(100)를 일시적으로 퇴피(리트랙트) 시키는 경우에는, UF식 유도 가열 장치(100)를 이동시키기 위한 제어 장치도 유전 가열 시스템의 구성에 포함된다.
도 6은, 폭 방향(X축 방향)에 있어서의 도체판의 표면 온도의 분포의 일례(실측값)를 나타내는 도면이다. 여기서는, 도체판으로서 강판을 사용하였다. 도 6에 있어서, 센터로부터의 거리라 함은, 강판의 폭 방향(X축 방향)을 따라 측정한 경우의, 강판의 폭 방향(X축 방향)의 중심의 위치로부터의 거리이다. 도 6에서는, 강판의 폭 방향(X축 방향)의 중심의 위치를 0(제로)으로 한다. 또한, 도 6에서는, 강판의 폭 방향(X축 방향)의 영역의 절반 영역에 대해서만 나타낸다.
본 발명자들은, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 본 실시 형태와 같이 역방향으로 한 경우와, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 TF식 유도 가열 장치와 같이 동일한 방향으로 한 경우의 각각에 대해 측정을 행하였다. 이들의 측정 시에, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향 이외의 측정 조건에 대해서는, 각각 동일하게 하였다.
구체적인 측정 조건은, 이하와 같다.
강판의 판 두께: 1.1[㎜]
강판의 판 폭: 1[m]
통판 속도: 55[m/min]
강판의 목표 가열 온도에서의 도전율: 1.0×107[S/m]
강판의 목표 가열 온도에서의 실효 투자율: 80
전류: 10000[AT]
전류의 주파수: 10[㎑]
이상으로부터, (1)식으로 표시되는 (강판의 목표 가열 온도에서의) 전류의 침투 깊이 δ는 0.18[㎜]가 된다.
도 6에 있어서, 그래프(601)는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 역방향으로 한 경우의 결과를 나타낸다. 그래프(602)는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 동일하게 한 경우의 결과를 나타낸다. 어느 경우에 있어서도, 센터(폭 방향(X축 방향)의 중심의 위치)에서는, 강판 표면 온도는, 200[℃] 전후 상승하였다.
또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 역방향으로 한 경우, 폭 방향(X축 방향)의 강판 표면 온도의 편차(최댓값으로부터 최솟값을 감산한 값)는 2[℃]였다(그래프 601을 참조). 한편, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 방향을 동일하게 한 경우, 폭 방향(X축 방향)의 단부(에지부)에 있어서의 강판 표면 온도는, 다른 영역보다 훨씬 높아져, 1300[℃]를 초과하였다(그래프 602를 참조).
이상과 같이 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 Y축 방향(도체판(S)의 통판 방향)에 있어서의 위치가 대략 동일해지도록 도체판(S)을 개재시켜 제1 코일(110)과 제2 코일(120)을 서로 대향시킨다. 그리고 전류의 침투 깊이 δ가 도체판(S)의 판 두께 d의 절반 이하로 되는 주파수 f의 교류 전류를, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 역방향으로 흐르게 함으로써, 통판 중인 도체판(S)을 유도 가열한다.
따라서, UF식 유도 가열 장치(100)는, 코일과 코어만으로 구성할 수 있다. 따라서, TF식 유도 가열 장치와 같이, 도체판(S)의 폭 방향에 있어서의 단부(에지부)의 과가열을 억제하기 위해 도체판이나 2차 코일과 같은 특별한 구조체를 설치할 필요가 없어진다. 또한, 도체판(S)의 폭 방향에 있어서의 단부(에지부)의 과가열을 억제하기 위해 특별한 구조물을 설치할 필요가 없다. 따라서, 도체판(S)의 폭에 따라서, 유도 가열 장치(100)의 세팅을 변경할 필요가 없어진다.
또한, UF식 유도 가열 장치(100)에서는, TF식 유도 가열 장치와 마찬가지로, 도체판(S)의 판면에 대해 수직인 방향으로 자계를 발생시킨다. 따라서, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 TF식 유도 가열 장치와 마찬가지인 코일로 할 수 있다. 따라서, UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 코일을 분리하기 위한 기구를 설치하지 않아도 용이하게 일시적으로 퇴피(리트랙트)시킬 수 있다. 또한, 코일을 분리하기 위한 기구를 설치할 필요가 없으므로, 코일의 메인터넌스 작업의 부담을 경감시킬 수 있다. 이와 같이, 사용하는 전류 및 주파수의 조건이 맞으면, TF식 유도 가열 장치(코일과 코어)를 유용하여, 전술한 바와 같이 하여 코일에 역방향의 전류를 흐르게 함으로써, UF식 유도 가열 장치(100)를 실현할 수 있다. 따라서, TF식 유도 가열 장치가 있는 경우에는, 그 설비를 크게 변경하는 일 없이, UF식 유도 가열 장치(100)를 실현할 수 있다.
이상과 같이 본 실시 형태의 UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 도체판(S)의 폭 방향에 있어서의 단부(에지부)의 과가열을 억제하거나, 코일을 일시적으로 퇴피(리트랙트)시키거나 하기 위해 특별한 구성을 부가하는 일 없이, 간소한 구성에 의해, 도체판(S)의 폭 방향에 있어서의 온도 분포를 가급적 균일하게 하는 것과, 코일을 일시적으로 퇴피시키는 것의 쌍방을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140) 사이의 영역 중, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140) 사이에 도체판(S)이 존재하고 있지 않은 영역(유도 가열 장치(100)의 폭 방향(X축 방향)에 있어서의 단부의 영역)에 있어서, 크기가 동일하고 방향이 역방향인 자계가 발생한다. 따라서, 당해 영역에 있어서의 자계는 상쇄된다.
따라서, UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 그 주위에 누설되는 자계를 최소화할 수 있고, 주위에 부여하는 전자 장애도 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 일반적으로, 유도 가열 장치는, 부하인 도체판(S)이 없는 경우, 코일 및 코어에 의한 강한 자계를 생성한다. 이 때문에, 유도 가열 장치의 인덕턴스가 커진다. 따라서, 코일에 교류 전류를 흐르게 하기 시작하면, 코일의 양단부의 전압이 급격하게 상승한다. 따라서, 도체판(S)이 없는 상태에서는, 유도 가열 장치의 정격 전류까지 코일에 교류 전류를 흐르게 하는 것이 용이하지 않기 때문에, 전원 계통의 건전성을 사전에 확인할 수 없는 경우가 있다.
이에 비해, 본 실시 형태의 UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120) 사이의 영역 이외의 영역에서는, 자계가 상쇄되어 거의 사라진다. 이 때문에, UF식 유도 가열 장치(100)의 인덕턴스는 0(제로)에 가까워, 도체판(S)이 없는 상태라도, UF식 유도 가열 장치(100)의 정격 전류까지 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 전원 계통의 건전성을 사전에 확인할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 도체판(S)의 가열 중이라도, 일반적인 유도 가열 장치에 비해, 인덕턴스가 작다. 이 때문에, 일반적인 유도 가열 장치에 비해, 코일(제1 코일(110) 및 제2 코일(120))의 양단부에 인가하는 전압을 작게 할 수 있다. 따라서, 교류 전원(200)의 용량을 억제할 수 있다. 또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 있어서의 절연 처리의 부담이 저감된다. 또한, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)이 방전되는 것에 의한 트러블을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도체판(S)의 통판 방향(도 1에 도시한 예에서는 Y축 방향)을 따라 본 경우의, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 상단면 및 하단면을 평면으로 하였다. 또한, 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우의, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140)의 상단면 및 하단면도, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 맞추어 평면으로 하였다. 따라서, UF식 유도 가열 장치(100)의 가열 효율을 높일 수 있다. 또한, 도체판(S)의 통판과 리트랙트를 안전하게 행할 수 있다. 또한, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140) 사이의 영역 중, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140) 사이에 도체판(S)이 존재하고 있지 않은 영역에 있어서의 자계를 충분히 상쇄할 수 있다.
(변형예)
본 실시 형태에서는, 도체판(S)에 있어서의 전류의 침투 깊이 δ가, 도체판(S)의 판 두께 d[m]의 1/2배(＝d/2) 이하로 되도록 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수((1)식의 f)를 정하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 이와 같이 하면, UF식 유도 가열 장치(100)에 있어서의 가열 효율을 높일 수 있으므로 바람직하다. 그러나 도체판(S)의 유도 가열을 할 수 있는 범위이면, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수를, 반드시 이와 같이 하여 정할 필요는 없다.
도 7은, 도체판(S)의 판 두께 방향의 위치와, 도체판(S)에 흐르는 와전류 Ie1, Ie2의 전류 밀도의 관계의 일례를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면서 설명한 바와 같이, 자계 H1에 의해, 도체판(S)의 한쪽 면(상면)에 와전류 Ie1이 흐르고, 자계 H2에 의해, 도체판(S)의 다른 쪽 면(하면)에 와전류 Ie2가 와전류 Ie1과 역방향으로 흐른다(도 7의 좌측 도면을 참조). 와전류 Ie1, Ie2의 침투 깊이 δ가, 도체판(S)의 두께 d라도, 도 7의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 와전류 Ie1, Ie2의 전류 밀도는, 도체판(S)의 판 두께 방향에 있어서 일정하지 않고, 표면으로부터 이격될수록 작아진다. 따라서, 도 7의 우측 도면에 나타낸 바와 같이, 와전류 Ie1, Ie2의 일부는 상쇄되지만, 나머지 일부는 상쇄되지 않고 존재한다. 따라서, 예를 들어 도체판(S)에 있어서의 전류의 침투 깊이 δ가, 도체판(S)의 판 두께 d[m] 이하(또는 미만)가 되도록, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르게 하는 교류 전류의 주파수((1)식의 f)를 정해도 된다. 즉, (1)식 대신에, δ≤d 또는 δ＜d의 조건을 채용해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 1개의 교류 전원(200)으로부터 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류를 흐르게 하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 자계의 방향이 서로 역방향이 되도록 하면, 교류 전원의 수는 1개에 한정되지 않는다.
도 8은, 유도 가열 시스템의 구성의 제1 변형예를 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 8은, 유도 가열 장치(100)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다.
도 8에 있어서, 유도 가열 시스템은, UF식 유도 가열 장치(100)와, 교류 전원(210, 220)과, 제어 장치(230)를 갖는다.
UF식 유도 가열 장치(100)는, 도 1에 도시한 것과 동일하다. 교류 전원(210, 220)은, 도 1에 도시한 교류 전원(200)과 동일하다. 제1 코일(110)의 일단부(111)는, 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(211)에 전기적으로 접속되고, 제1 코일(110)의 타단부(112)는 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(212)에 전기적으로 접속된다. 제2 코일(120)의 일단부(121)는 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(221)에 전기적으로 접속되고, 제2 코일(120)의 타단부(122)는 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(222)에 전기적으로 접속된다. 교류 전원(210, 220)은, 동기하여 동작한다. 즉, 교류 전원(210, 220)은 각각, 동 시각에 있어서, 동일한 파형, 동일한 주파수의 교류 전류를, 제1 코일(110), 제2 코일(120)에 흐르게 한다. 단, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 서로 대향하는 영역에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향은, 서로 역방향이 되도록 한다. 제어 장치(230)는, 교류 전원(210, 220)이, 이와 같이 하여 동기하여 동작하기 때문에, 교류 전원(210, 220)에 있어서의 출력의 타이밍을 제어한다.
이상과 같이, 예를 들어 2개의 교류 전원을, 동기만 취할 수 있도록 해 두면, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 각각에 1개씩 개별로 접속해도 된다.
또한, 도 8에서는, 도체판(S)의 폭 방향의 단부 중, 한쪽 단부측(X축의 정의 방향측)에 2개의 교류 전원(210, 220)을 배치하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 반드시 이와 같이 할 필요는 없다. 예를 들어, 도체판(S)의 폭 방향의 단부 중, 한쪽 단부측(X축의 정의 방향측)에, 제1 코일(110)에 전류를 흐르게 하는 교류 전원(210)을 배치하고, 다른 쪽 단부측(X축의 부의 방향측)에, 제2 코일(120)에 전류를 흐르게 하는 교류 전원(220)을 배치해도 된다. 이 경우, 도 8에 도시한 제2 코일(120)을, X-Y 평면에 있어서(즉, Z축을 회전 축으로 하여), 180°회전시킨 상태에서 배치한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)을 병렬로 접속하고, 1개의 교류 전원(200)으로부터 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류를 병렬로 흐르게 하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 자계의 방향이 서로 역방향이 되도록 하면, 1개의 교류 전원(200)으로부터 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 교류 전류를 직렬로 흐르게 해도 된다.
도 9는, 유도 가열 시스템의 구성의 제2 변형예를 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 9는, 유도 가열 장치(900)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다.
도 9에 있어서, 유도 가열 시스템은, UF식 유도 가열 장치(900)와, 교류 전원(200)을 갖는다.
UF식 유도 가열 장치(900)는, 제1 코일(910)과, 제2 코일(920)과, 제1 코어(130)와, 제2 코어(140)를 갖는다.
제1 코어(130)와 제2 코어(140)는, 도 1에 도시한 것과 동일하다.
제1 코일(910), 제2 코일(920)은, 도 1에 도시한 제1 코일(110)의 타단부(112)와, 제2 코일(120)의 제2 코일(120)의 일단부(121)가 연결된 것이다. 그 밖에 대해서는, 제1 코일(910), 제2 코일(920)과, 제1 코일(110), 제2 코일(120)은 동일하다. 제1 코일(910)의 일단부(111)는, 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(201)에 전기적으로 접속되고, 제2 코일(920)의 타단부(122)는 교류 전원(200)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(202)에 전기적으로 접속된다. 이와 같이, 제1 코일(910) 및 제2 코일(920)을 직접적으로 접속하여, 1개의 교류 전원(200)으로부터 제1 코일(910) 및 제2 코일(920)에 교류 전류를 직렬로 흐르게 할 수 있다. 또한, 도 9에 도시한 구성에서는, UF식 유도 가열 장치(900)를 X축의 정의 방향측으로 일시적으로 퇴피(리트랙트)시키게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110) 및 도체판(S)의 간격과, 제2 코일(120) 및 도체판(S)의 간격을, 동일하게 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 도체판(S)을 가열할 수 있는 위치에 있으면, 제1 코일(110) 및 도체판(S)의 간격과, 제2 코일(120) 및 도체판(S)의 간격을 완전히 동일하게 할 필요는 없다. 도체판(S)에 있어서의 전류의 침투 깊이 δ는, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)과, 도체판(S)의 간격에 의존하지 않기 위해서이다.
단, 도체판(S)의 온도가 상승함에 따라, 도체판(S)의 비투자율 μs가 급격하게 내려간다. 도체판(S)의 온도가 퀴리 온도에 도달하면, 도체판(S)의 비투자율 μs는 진공과 동일한 1이 된다. 이 온도 이상에서는 (1)식에 의해 (2)식이 성립되지 않게 되는 경우가 있다. 따라서, 도체판(S)의 온도 영역(예를 들어, 목표 가열 온도)이 (1)식에 의해 (2)식이 성립되는 범위인지 여부를 확인해 둘 필요가 있다. 한편, 저항률 ρ에 대해서는 비투자율과 같은 온도에 의존한 급격한 변화는 없어, 통상, 특별한 고려를 요하지 않는다.
또한, 본 실시 형태에서는, UF식 유도 가열 장치(100)(제1 코일(110), 제2 코일(120), 제1 코어(130) 및 제2 코어(140))의, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향) 쪽이, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향)보다 긴 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 이와는 반대로, UF식 유도 가열 장치의, 도체판(S)의 통판 방향(Y축 방향) 쪽이, 도체판(S)의 폭 방향(X축 방향)보다 길어지도록 UF식 유도 가열 장치(제1 코일, 제2 코일, 제1 코어 및 제2 코어)를 구성해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 형상이며, 교류 전원(200)으로부터의 교류 전류가 흐르는 방향에 수직인 단면의 형상이, 중공의 직사각형인 경우를 예로 들어 설명하였다(도 2를 참조). 그러나 이러한 형상은, 중공의 원형이나 중공의 타원형 등, 그 밖의 형상이어도 된다. 또한, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)은 중공 형상을 갖고 있지 않아도 된다. 또한, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 냉각 방식은, 공랭 방식이어도 되고, 외부 수랭 방식이어도 되고, 각 냉각 방식을 조합해도 된다.
또한, 본 실시 형태와 같이, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140)를 사용하면, 도체판(S)에 인가하는 자계의 크기를 크게 할 수 있고, 이에 의해, 도체판(S)의 가열 효율을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 또한, 제1 코어(130) 및 제2 코어(140)를 사용하면, UF식 유도 가열 장치(100)의 주위로의 전자 장애를 억제할 수 있으므로 바람직하다. 그러나 반드시 제1 코어(130)와 제2 코어(140)를 사용하지는 않아도 된다.
또한, 사용하는 주파수가 높은 경우에는, 코어가 발열하기 때문에, 코어를 사용할 수 없는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 제1 코어(130)와 제2 코어(140)를 사용하지 않고 UF식 유도 가열 장치를 구성하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권회 수가 각각 1[회](1턴)인 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권회 수는 2[회] 이상이어도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, UF식 유도 가열 장치(100)를 도체판(S)에 대해 1대 배치하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 예를 들어 교류 전원(200)의 용량 부족에 의해, 1대의 UF식 유도 가열 장치(100)에서는, 도체판(S)을 원하는 온도까지 승온시킬 수 없는 경우가 있다. 또한, UF식 유도 가열 장치(100)의 설치 스페이스가 없어, 대형의 UF식 유도 가열 장치(100)를 배치할 수 없는 경우가 있다. 또한, 도체판(S)의 온도 패턴의 제약이 있고, 그 온도 패턴이, 복수의 승온 과정을 요구하는 경우가 있다. 그래서 UF식 유도 가열 장치(100)를 복수 대, 도체판(S)의 통판 방향과 평행하게 나열하여 배치해도 된다. 그 경우, 각각의 UF식 유도 가열 장치(100)에 1개씩 교류 전원(200)을 접속할 수 있다. 이들 복수의 교류 전원(200)의 전압, 전류 및 주파수 중 적어도 어느 하나는 동일할 필요는 없다. 또한, 각 유도 가열 장치마다 코일의 권회 수나 코어의 재질을 변경해도 된다. 또한, 교류 전원(200)의 용량이 큰 경우, 당해 교류 전원(200)을 복수 대의 UF식 유도 가열 장치(100)에 접속할 수도 있다.
또한, 제1 코어, 제2 코어를 각각 1개로 하고, 복수의 제1 코일, 복수의 제2 코일을, 각각 제1 코어와 제2 코어에 설치하고, 제1 코일, 제2 코일을 각각, 도체판(S)의 통판 방향과 평행하게 나열하도록 해도 된다.
도 10은, 유도 가열 시스템의 구성의 제3 변형예를 도시하는 도면이다. 구체적으로 도 10은, 유도 가열 장치(1000)를 그 상방으로부터 부감한 모습을 도시하는 도면이다. 도 10에 있어서, 유도 가열 시스템은, UF식 유도 가열 장치(1000)와, 교류 전원(210, 220)을 갖는다.
UF식 유도 가열 장치(1000)는, 2개의 제1 코일(1110, 1130)과, 2개의 제2 코일(1120, 1140)과, 제1 코어(1150)와, 제2 코어(1160)를 갖는다.
제1 코일(1110, 1130) 및 제2 코일(1120, 1140)은, 도 1에 도시한 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)과 동일하다. 교류 전원(210, 220)은, 도 1에 도시한 교류 전원(200)과 동일하다.
도 11은, 제3 변형예의 UF식 유도 가열 장치(1000)의 Y-Z 단면의 일례를 도시하는 도면이다. 도 11은, 도 2에 대응하는 도면이다.
제1 코어(1150) 및 제2 코어(1160)는, 재질, 형상 및 크기가 동일한 코어이다. 제1 코어(1150) 및 제2 코어(1160)는, 도 1에 도시한 제1 코어(130), 제2 코어(140)와 마찬가지로, 예를 들어 페라이트 등의 연자성 재료에 의해 형성된다.
도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 본 변형예에서는, 제1 코어(1150)는, 직육면체 형상에 대해, 제1 코일(1110, 1130)의, 폭 방향(X축 방향)으로 연장 설치되는 영역의 형상에 맞추어 오목부가 형성된 형상을 갖는다. 본 변형예에서도, 이 오목부에 제1 코일(1110, 1130)이 배치된 경우에, 제1 코일(1110, 1130)의, 도체판(S)과 대향하는 면과, 제1 코어(1150)의, 도체판(S)과 대향하는 면이 대략 같은 평면에 있도록 제1 코어(1150)의 오목부가 형성된다.
마찬가지로, 제2 코어(1160)는, 직육면체 형상에 대해 제2 코일(1120, 1140)의, 폭 방향(X축 방향)으로 연장 설치되는 영역의 형상에 맞추어 오목부가 형성된 형상을 갖는다. 또한, 이 오목부에 제2 코일(1120, 1140)이 배치된 경우에, 제2 코일(1120, 1140)의, 도체판(S)과 대향하는 면과, 제2 코어(1160)의, 도체판(S)과 대향하는 면이 대략 같은 평면에 있도록 제2 코어(1160)의 오목부가 형성된다.
단, 이것들이 대략 같은 평면에 있지 않도록 해도 되는 것은 전술한 바와 같다.
도 10에 도시한 바와 같이, 제1 코일(1110)의 일단부(1111)는, 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(211)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제1 코일(1110)의 타단부(1112)는, 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(212)에 전기적으로 접속된다.
또한, 제2 코일(1120)의 2개의 단부 중, 제1 코일(1110)의 타단부(1112)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 일단부(1121)는, 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(211)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제2 코일(1120)의 2개의 단부 중, 제1 코일(1110)의 일단부(1111)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 타단부(1122)는, 교류 전원(210)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(212)에 전기적으로 접속된다.
또한, 제1 코일(1130)의 일단부(1131)는, 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(221)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제1 코일(1130)의 타단부(1132)는, 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(222)에 전기적으로 접속된다.
또한, 제2 코일(1140)의 2개의 단부 중, 제1 코일(1130)의 타단부(1132)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 일단부(1141)는, 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 한쪽 단자(221)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제2 코일(1140)의 2개의 단부 중, 제1 코일(1130)의 일단부(1131)와 Z축 방향에 있어서 서로 대향하는 위치에 있는 타단부(1142)는, 교류 전원(220)의 2개의 출력 단자 중 다른 쪽 단자(222)에 전기적으로 접속된다.
이와 같이, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1120)은, (교류 전원(210)으로부터 보았을 때의) 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1120)의 권취 방향이 서로 역방향이 되도록, 교류 전원(210)에 병렬로 접속된다. 마찬가지로, 제1 코일(1130) 및 제2 코일(1140)은, (교류 전원(220)으로부터 보았을 때의) 제1 코일(1130) 및 제2 코일(1140)의 권취 방향이 서로 역방향이 되도록, 교류 전원(220)에 병렬로 접속된다.
따라서, 교류 전원(210)으로부터 교류 전류를 흐르게 하면, 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1120)의 서로 대향하는 영역에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향은, 서로 역방향으로 된다(도 10의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1120) 내에 나타내는 화살표 선을 참조). 마찬가지로, 교류 전원(220)으로부터 교류 전류를 흐르게 하면, 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 코일(1130) 및 제2 코일(1140)의 서로 대향하는 영역에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향은, 서로 역방향으로 된다(도 10의 제1 코일(1130) 및 제2 코일(1140) 내에 나타내는 화살표 선을 참조).
도 10에서는, 도체판(S)의 통판 방향과 평행하게 나열되는 2개의 제1 코일(1110, 1130)에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향이 동일하고, 또한 도체판(S)의 통판 방향과 평행하게 나열되는 2개의 제2 코일(1120, 1140)에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향이 동일한 경우를 예로 들어 나타냈다. 그러나 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1120)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 자계의 방향이 서로 역방향이 되고, 또한 제1 코일(1130) 및 제2 코일(1140)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 자계의 방향이 서로 역방향이 되도록 하고 있으면, 제1 코일(1110, 1130)에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향, 및 제2 코일(1120, 1140)에 흐르는 교류 전류의 (동 시각에 있어서의) 방향은 반대여도 된다.
또한, 전술한 바와 같이, UF식 유도 가열 장치(100)의 가열 효율을 높이는 등의 효과를 충분히 발휘할 수 있으므로, 도체판(S)의 통판 방향(도 1에 도시한 예에서는 Y축 방향)을 따라 본 경우의, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 상단면 및 하단면을 평면으로 하는 것이 바람직하다. 그러나 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우의, 제1 코일 및 제2 코일의 상단면 및 하단면은 평면에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우에, 도체판(S)의 중앙에 가까운 위치일수록, 제1 코일·제2 코일과 도체판(S) 사이의 거리가 길어지도록, 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우의, 제1 코일 및 제2 코일의 상단면 및 하단면을, 매끄러운 곡면, 또는 굴곡면으로 해도 된다. 또한, 예를 들어 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우에, 도체판(S)의 중앙에 가까운 위치일수록, 제1 코일·제2 코일과 도체판(S) 사이의 거리가 짧아지도록, 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우의, 제1 코일 및 제2 코일의 상단면 및 하단면을, 매끄러운 곡면, 또는 굴곡면으로 해도 된다. 이상과 같은 제1 코일 및 제2 코일에 코어를 설치하는 경우, 제1 코일 및 제2 코일의 형상에 맞추어, 도체판(S)의 통판 방향을 따라 본 경우의, 코어의 상단면 및 하단면을, 매끄러운 곡선, 또는 굴곡면으로 할 수 있다.
그 밖에, 이상의 변형예의 적어도 어느 2개를 조합해도 된다.
또한, 이상 설명한 본 발명의 실시 형태는, 모두 본 발명을 실시하는 데 있어서의 구체화의 예를 나타낸 것에 불과하며, 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어는 안 되는 것이다. 즉, 본 발명은 그 기술 사상, 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 실시할 수 있다.
본 발명은, 도체판의 유도 가열에 이용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 통판 중인 도체판을 유도 가열하는 유도 가열 장치이며,
    교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제1 코일과,
    교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제2 코일을 갖고,
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일은, 상기 도체판을 사이에 두도록 위치하고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서의 위치는 동일하고,
    상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고,
    상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 와전류를 발생시키고,
    상기 와전류에 의해 상기 도체판을 유도 가열하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전류로서, 이하의 (A)식을 만족시키는 범위의 주파수 f의 교류 전류를, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 흐르게 함으로써, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
    (A)식에 있어서, d는, 상기 도체판의 판 두께[m]임. (A)식에 있어서, δ는, 상기 도체판에 있어서의 전류의 침투 깊이[m]이고, 이하의 (B)식으로 표시됨. (B)식에 있어서, ρ는, 상기 도체판의 저항률[Ω·m]이고, f는, 상기 교류 전류의 주파수[Hz]이고, μs는, 상기 도체판의 비투자율[-]임.
    [수학식 1]
    Figure 112018077334243-pct00003

    Figure 112018077334243-pct00004
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일의 권회 수와, 상기 제2 코일의 권회 수는 동일한 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치되고, 상기 도체판과의 사이에 자계를 발생시키기 위한 제1 코어와,
    상기 제2 코일로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치되고, 상기 도체판과의 사이에 자계를 발생시키기 위한 제2 코어를 갖고,
    상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코어와 상기 도체판 사이와, 상기 제2 코어와 상기 도체판 사이에, 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고, 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 서로 역방향의 와전류를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해, 상기 도체판의 폭 방향의 단부에, 상기 도체판의 통판 방향을 따르는 와전류를 발생시키지 않고, 상기 도체판의 통판 방향에 수직인, 상기 도체판 내의 영역이며, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서 간격을 갖는 2개의 영역에, 서로 역방향의 와전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 코일로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치되고, 상기 도체판과의 사이에 자계를 발생시키기 위한 제1 코어와,
    상기 제2 코일로부터 발생하는 자속의 자로가 되는 위치에 배치되고, 상기 도체판과의 사이에 자계를 발생시키기 위한 제2 코어를 갖고,
    상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코어와 상기 도체판 사이와, 상기 제2 코어와 상기 도체판 사이에, 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고, 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 서로 역방향의 와전류를 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해, 상기 도체판의 폭 방향의 단부에, 상기 도체판의 통판 방향을 따르는 와전류를 발생시키지 않고, 상기 도체판의 통판 방향에 수직인, 상기 도체판 내의 영역이며, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서 간격을 갖는 2개의 영역에, 서로 역방향의 와전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해, 상기 도체판의 폭 방향의 단부에, 상기 도체판의 통판 방향을 따르는 와전류를 발생시키지 않고, 상기 도체판의 통판 방향에 수직인, 상기 도체판 내의 영역이며, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서 간격을 갖는 2개의 영역에, 서로 역방향의 와전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 와전류가 상기 도체판의 판 두께 방향의 중심을 사이에 두는 제1 면 측의 영역과 제2 면 측의 영역을 통해 하나의 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
  15. 교류 전류가 흐름으로써 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제1 코일과,
    교류 전류가 흐름으로써 상기 도체판의 판 두께 방향으로 자계를 발생시키는 제2 코일을 갖고,
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일이, 상기 도체판을 사이에 두도록 위치하고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의, 상기 도체판의 통판 방향에 있어서의 위치가 동일한 유도 가열 장치를 사용하여 통판 중인 상기 도체판을 유도 가열하는 유도 가열 방법이며,
    상기 교류 전류에 의해, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일로부터 상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계를 발생시키고,
    상기 도체판의 판 두께 방향으로 서로 역방향의 자계에 의해 상기 도체판의 내부에 와전류를 발생시키고,
    상기 와전류에 의해 상기 도체판을 유도 가열하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
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