KR20100121545A

KR20100121545A - 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법

Info

Publication number: KR20100121545A
Application number: KR1020107022532A
Authority: KR
Inventors: 히로아끼 모찌나가; 가즈나리 이시자끼; 시게노부 고가; 다까하루 가따오까; 겐지 우메쯔; 야스오 마쯔나가; 야스유끼 이께다
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤; 후지 덴키 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-11-17
Also published as: PL2265089T3; BRPI0911174A8; US20100326984A1; EP2265089B1; CN102100124B; BRPI0911174B1; RU2449510C1; CN102100124A; JP2009252643A; BRPI0911174A2; WO2009125645A1; US8420990B2; EP2265089A1; EP2265089A4; JP5038962B2; KR101215662B1

Abstract

솔레노이드 방식에 의해 강판을 연속적으로 가열하는 유도 가열 장치를 제공한다. 이 유도 가열 장치(1)는, 강판(2)이 내부를 통과하도록, 강판의 길이 방향을 따라 배치된 적어도 3개의 가열 코일(10A 내지 10D)과, 각 가열 코일과 당해 각 가열 코일에 전압을 인가하는 전원을 전기적으로 접속하는 전기 경로(11) 상에 배치되고, 자기 유도를 발생시키고, 또한 당해 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기(12A 내지 12D)를 갖고, 각 인덕턴스 조정기는 적어도 서로 인접한 인덕턴스 조정기 사이에 상호 유도가 발생하도록 배치된다.

Description

유도 가열 장치 및 유도 가열 방법{INDUCTION HEATING APPARATUS AND INDUCTION HEATING METHOD}

본 발명은, 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법에 관한 것이다.

강판의 제조 등에 있어서, 예를 들어 어닐링로ㆍ도금의 합금화로ㆍ도장 강판의 건조 등 다양한 곳에서 강판의 가열이 행해진다. 이 강판의 가열 방법으로서는, 예를 들어 가스 가열ㆍ트랜스 유도 가열 등이 있다. 예를 들어, 가스 가열은, 어닐링로에 많이 사용되고, 트랜스 유도 가열은 도금 전의 가열에 사용될 수 있지만, 주로 도금의 합금화로, 도장 강판의 건조 등에서 주로 사용되고 있다.

한편, 유도 가열 방법으로서는, 크게 나누어 솔레노이드 방식(축 방향 자속 가열)과 트랜스버스 방식(횡단 자속 가열) 등이 있다. 솔레노이드 방식은, 강판의 길이 방향을 따른 자속을 강판에 인가하여 가열한다. 트랜스버스 방식은, 강판을 관통하는 방향을 따른 자속을 강판에 인가하여 가열한다. 트랜스버스 방식의 유도 가열 방법은, 통상 비자성체 재료의 가열에 사용되고, 강판의 가열에는 주로 솔레노이드 방식의 유도 가열 방법이 사용된다. 이 솔레노이드 방식의 유도 가열 방법으로서는, 종래부터 예를 들어 특허 문헌 1, 2와 같은 방법이 알려져 있다.

특허 문헌 1의 유도 가열 방법은, 유도 가열에 사용되는 가열 코일마다 직렬 가변 콘덴서를 설치하여, 각 가열 코일에 흐르는 전류량을 동등하게 한다. 그러나 이러한 방법에서는, 예를 들어 50㎑ 등의 고주파 교류 전압을 가열 코일에 인가하면, 직렬 가변 콘덴서에서의 용량성 리액턴스값이 감소하여, 적절하게 전류량을 제어하기 위해 더욱 대용량의 직렬 가변 콘덴서가 필요해진다. 한편, 강판을 예를 들어 퀴리점 근방의 고온 영역까지 가열하거나, 가열 속도를 상승시키는 경우에는, 예를 들어 가열 코일에 대전류를 흐르게 하거나, 인가 전압의 주파수를 높이는 등의 필요가 있지만, 이 특허 문헌 1의 유도 가열 방법에서는, 상기한 이유로 고주파 전압을 인가할 수는 없어, 전류량을 상승시킬 필요가 있다. 대전류를 흐르게 하는 것이 가능하도록 장치 전체의 설계를 하는 것은 곤란하여, 예를 들어 강판을 고온 영역까지 가열하는 것 등이 곤란하였다.

한편, 특허 문헌 2의 유도 가열 방법은, 2대 이상의 싱글 턴 코일을 강판의 길이 방향을 따라 설치하고, 최후단의 가열 코일의 자화력을 최전단의 1배 내지 10배로 한다. 이 특허 문헌 2의 유도 가열 방법에 따르면, 강판을 퀴리점 근방의 고온 영역까지 가열하고, 또한 퀴리점 근방에 있어서의 승온 속도의 저하를 저감시킬 수 있다. 또한, 강판의 가열에 있어서, 승온 속도의 저하는, 예를 들어 재결정 거동이나 계면 제어 등을 애매하게 하여, 최적의 품질의 제조를 곤란하게 해 버리므로, 특허 문헌 2의 유도 가열 방법은 승온 속도의 저하를 저감시키고 있다. 그러나 특허 문헌 2의 유도 가열 방법은, 각 가열 코일과 전원 사이에 가변 저항을 삽입하고, 이 가변 저항치를 변경함으로써 각 가열 코일의 자화력을 제어하고 있다. 따라서, 이 특허 문헌 2의 유도 가열 방법에 따르면, 가변 저항에 있어서 줄열이 발생하므로, 에너지 손실(발열 손실)이 크다. 따라서, 적은 전류가 흐르는 데에는 상관없지만, 강판을 가열할 경우 예를 들어 4500A의 대전류가 흐르므로, 이러한 에너지 손실은 커져, 불필요하게 그만큼 더 큰 전류를 가열 코일에 흐르게 해야 해, 더욱 에너지 효율을 향상시키는 것이 요구되고 있다. 또한, 특허 문헌 2의 유도 가열 방법에 의해서도, 가변 저항의 저항치와 가열 코일에 흘리는 전류의 주파수에 의해서밖에 가열 코일의 기자력(起磁力)을 조정할 수 없으므로, 완전히 승온 속도를 일정하게 하는 것은 어려워, 승온 속도의 저하를 더욱 저감시키는 것이 가능한 유도 가열 방법도 요구되고 있다.

또한, 승온 속도를 제어하기 위해 최종 가열 온도를 제어하는 방법이나 승온 속도를 조정하는 방법 등의 다른 방법에서도, 최종적인 가열 속도나 승온 속도의 평균치가 제어되는 것에 그치고 있었다. 한편, 종래의 합금화 용융 아연 도금 강판의 제조 공정에 있어서, 합금화 가열의 가열로는, 예를 들어 5 내지 10m 정도로 전체 길이가 길어, 상기와 같은 평균치를 제어하는 가열 방법에서는, 퀴리점 근방의 고온 영역이 아니어도, 도금욕 온도로부터 최종 가열 도달 온도까지의 승온 속도를 일정하게 유지하는 것은 곤란하였다. 합금 구조를 엄밀하게 제어하기 위해서는, 승온 속도를 일정하게 유지하는 것이 중요하고, 이것으로부터도 승온 속도를 일정하게 유지하는 것이 가능한 유도 가열 방법이 요구되고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2003-243137호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2005-206906호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2001-21270호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 평11-257850호 공보

따라서, 본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것이며, 본 발명의 목적으로 하는 것은, 솔레노이드 방식의 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법에 있어서, 에너지 효율을 개선하면서, 강판을 가열하는 승온 속도의 변화를 저감시키는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 관점에 따르면, 솔레노이드 방식에 의해 강판을 연속적으로 가열하는 유도 가열 장치이며, 상기 강판이 내부를 통과하도록, 상기 강판의 길이 방향을 따라 배치된 적어도 3개의 가열 코일을 갖고, 또한 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일 각각에 전압을 인가하는 전원을 전기적으로 접속하는 전기 경로 상에 배치되고, 자기 유도(自己誘導)를 발생시키고, 또한 당해 자기 유도에 있어서의 자기(自己) 인덕턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기가 상기 가열 코일 각각에 구비되어 있고, 상기 인덕턴스 조정기 각각은, 적어도 서로 인접한 상기 인덕턴스 조정기 사이에 상호 유도가 발생하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치가 제공된다.

또한, 가열 코일의 개수라 함은, 1개의 전원으로부터 전기적으로 병렬로 분기된 가열 코일의 수를 가리킨다.

이러한 구성에 따르면, 서로 인접한 가열 코일에 의해 발생하는 강판의 가열 밀도를 중첩시킬 수 있다. 인덕턴스 조정기의 자기 인덕턴스를 조정함으로써, 적어도 3개의 가열 코일에 인가되는 전압을 조정할 수 있다. 또한, 서로 인접한 인덕턴스 조정기 사이의 상호 인덕턴스에 의해, 인덕턴스 조정의 효과를 상승시킬 수 있다.

또한, 강판의 길이 방향의 최전단의 가열 코일 및 최후단의 가열 코일의 각 인덕턴스 조정기가 발생시키는 자기 인덕턴스는, 최전단의 가열 코일과 최후단의 가열 코일 사이에 배치된 가열 코일의 인덕턴스 조정기가 발생시키는 자기 인덕턴스보다도 작아지도록 조정되어도 좋다.

또한, 서로 인접한 가열 코일의 상호 거리는, 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리의 1/10 이상 1/3 이하이고, 각 인덕턴스 조정기는 전기 경로에 대해 교차하는 방향으로 우회 경로를 형성함으로써 구성되고, 서로 인접한 인덕턴스 조정기끼리의 간극은 50㎜ 내지 500㎜라도 좋다.

또한, 각 인덕턴스 조정기는, 당해 인덕턴스 조정기가 배치된 전기 경로를 대략 코일 형상으로 우회시킴으로써 자기 유도를 발생시키고, 또한 우회시킨 전기 경로의 대략 코일 형상의 우회 경로에 둘러싸인 영역의 단면적을 변경함으로써 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정해도 좋다.

또한, 각 가열 코일과 전원을 접속하는 전기 경로의 각각은, 각 가열 코일로부터 장척(長尺) 형상으로 연장된 한 쌍의 입출력 단자에 의해 구성되고, 인덕턴스 조정기는 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽이 서로 이격되도록 한 쌍의 입출력 단자를 우회시키고, 또한 우회 경로에 있어서의 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽 사이의 거리를 변경하여 우회 경로에 둘러싸인 영역의 단면적을 변경해도 좋다.

또한, 각 가열 코일과 당해 가열 코일에 접속된 인덕턴스 조정기의 간극은, 500㎜ 내지 2000㎜라도 좋다.

또한, 각 가열 코일은 싱글 턴 코일 또는 더블 턴 코일이라도 좋다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 솔레노이드 방식에 의해 강판을 연속적으로 가열하는 유도 가열 방법이며, 적어도 3개의 가열 코일을, 상기 강판이 내부를 통과하도록 상기 강판의 길이 방향을 따라 배치하고, 자기 유도를 발생시키고, 또한 당해 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기를, 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일 각각에 전압을 인가하는 전원을 전기적으로 접속하는 전기 경로 상에 있어서, 적어도 서로 인접한 상기 인덕턴스 조정기 사이에 상호 유도가 발생하도록 상기 가열 코일 각각에 대해 배치하여, 상기 강판의 길이 방향의 최전단의 상기 가열 코일 및 최후단의 상기 가열 코일에 구비되어 있는 상기 인덕턴스 조정기 각각이 발생시키는 자기 인덕턴스를, 상기 최전단의 가열 코일과 상기 최후단의 가열 코일 사이에 배치된 상기 가열 코일의 상기 인덕턴스 조정기가 발생시키는 자기 인덕턴스보다도 작아지도록 조정하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 방법이 제공된다.

또한, 서로 인접한 가열 코일의 상호 거리는, 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리의 1/10 이상 1/3 이하이고, 각 인덕턴스 조정기는, 전기 경로에 대해 교차하는 방향으로 우회 경로를 형성함으로써 구성되고, 서로 인접한 인덕턴스 조정기끼리의 간극은 50㎜ 내지 500㎜라도 좋다.

또한, 각 가열 코일과 전원을 접속하는 전기 경로의 각각은, 각 가열 코일로부터 장척 형상으로 연장된 한 쌍의 입출력 단자에 의해 구성되고, 인덕턴스 조정기는 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽이 서로 이격되도록 한 쌍의 입출력 단자를 우회시키고, 또한 우회 경로에 있어서의 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽 사이의 거리를 변경하여 우회 경로에 둘러싸인 영역의 단면적을 변경해도 좋다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 강판의 통판(通板) 방향으로부터 본 측면도이다.
도 3은 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 상방으로부터 본 상면도이다.
도 4a는 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서, 가열 코일에 의해 발생하는 강판 상의 가열 밀도를 설명하기 위한 설명도로, 서로 인접한 가열 코일의 상호 거리를, 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상 1/3 이하로 한 경우를 도시하는 도면이다.
도 4b는 동 실시 형태와 비교하기 위한 유도 가열 장치에 있어서, 가열 코일에 의해 발생하는 강판 상의 가열 밀도를 설명하기 위한 설명도로, 코일의 도선의 폭을 일정하게 하여, 서로 인접한 가열 코일의 상호 거리를, 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리의 1/3 초과로 한 경우를 도시하는 도면이다.
도 5는 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서, L 조정기의 조정 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서, L 조정기를 조정하였을 때의 가열 코일을 흐르는 전류량을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 의한 강판의 길이 방향에 있어서의 승온 속도를 개략적으로 설명하기 위한 설명도이다.
도 7b는 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 의한 강판의 길이 방향에 있어서의 승온 속도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 양단부 완전 개방에 있어서의 승온 속도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 중앙 완전 개방에 있어서의 승온 속도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 L 조정기의 면적비에 대한 가열 코일의 전류비를 나타낸 그래프이다.
도 11은 동 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서, 교류 전원의 교류 전압의 주파수에 대한 교류 전압을 나타내는 그래프이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

<유도 가열 장치의 구성>

우선, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 구성에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 강판의 통판 방향으로부터 본 측면도이고, 도 3은 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치를 상방으로부터 본 상면도이다.

본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 가열 코일(10A 내지 10D), 전기 경로(11) 및 L 조정기(12A 내지 12D)를 갖는다. 따라서, 이하에서는 우선, 이들의 각 구성에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 통판 방향(J1)으로 통과되는 강판(2)을 솔레노이드 방식에 의해 가열한다. 솔레노이드 방식(축 방향 자속 가열)이라 함은, 거의 피가열체[예를 들어, 강판(2)]의 길이 방향(축 방향, x축 방향)을 향한 자속을 피가열체의 내부에 발생시켜, 이 자속을 변화시킴으로써, 피가열체 내부에 와전류를 발생시키고, 이 와전류의 줄열에 의해 피가열체를 가열하는 유도 가열 방식이다.

(가열 코일)

유도 가열 장치(1)는, 상기한 강판(1)의 길이 방향의 자속을 발생시키기 위해, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 강판(2)을 둘러싸도록 배치된 적어도 3개 이상의 가열 코일을 갖는다. 또한, 본 실시 형태에서는, 설명의 편의상, 유도 가열 장치(1)가 4개의 가열 코일(10A 내지 10D)을 갖는 경우에 대해 설명한다. 그러나 가열 코일의 개수는, 4개에 한정되는 것은 아니며, 4개 이외의 3개의 가열 코일을 구비하는 경우, 유도 가열 장치(1)는 다른 구성도 가열 코일에 대응한 개수를 구비한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 가열 코일(10A 내지 10D) 각각은, 강판(1)이 내부를 통과하도록 강판(1)을 둘러싸게 형성되고, 강판(2)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 배치된다. 환언하면, 가열 코일(10A 내지 10D)은 코일을 형성하는 형성면이 대략 평행으로 되고, 또한 형성면의 중심점이 대략 동일 직선 상에 위치하도록 배열되어 배치된다. 이때, 가열 코일(10A 내지 10D)의 코일 형성면의 중심점을 강판(2)이 통과하도록 각 가열 코일(10A 내지 10D)을 배치하면, 가열 효율을 높일 수 있다.

(가열 밀도의 중첩)

또한, 가열 코일(10A 내지 10D) 각각은, 서로 인접하는 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)가 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10배 이상 1/3배 이하로 되도록 배치된다. 이와 같이 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상 1/3 이하로 함으로써, 각 가열 코일(10A 내지 10D)은 강판(2)의 가열 속도를 일정하게 유지할 수 있어, 가열 효율을 높일 수 있다. 따라서, 이 구성에 따르면, 퀴리점 근방에서 저하되는 강판(2)의 투자율(透磁率)에 기인하는 가열량의 부족을, 근접하기 어려운 코일(10A 내지 10D)의 가열 영역에서 보충할 수 있다.

또한, 상기한 구성에 따르면, 각 가열 코일(10A 내지 10D) 사이에 있어서 상호 인덕턴스가 발생하여, 이 상호 인덕턴스의 영향을 상승시킬 수 있다. 즉, 단부에 배치된 가열 코일(10A, 10D)(최전단과 최후단의 가열 코일)에 흐르는 전류를 크게 할 수 있다. 이것은, 가열 코일(10A 내지 10D)을 근접시킨 결과, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)에 있어서의 인덕턴스가 증가하였으므로, 상대적으로 단부의 가열 코일(10A, 10D)의 인덕턴스가 저하된 것에 의한다. 그리고 이러한 상호 인덕턴스에 의해, 최후단에 있어서의 가열 코일(10A)[및 최전단에 있어서의 가열 코일(10D)]에서의 가열 속도를, 다른 가열 코일(10B, 10C)에서의 가열 속도보다도 크게 할 수 있다. 따라서, 최후단에 있어서 퀴리점 근방으로 가열된 강판(2)의 가열 속도를 크게 할 수 있다.

또한, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 미만으로 하면, 고주파 교류 전압을 인가한 경우에 서로 인접하는 가열 코일(10A 내지 10D) 사이에서 방전이 발생할 우려가 있다. 또한, 이하에서 설명하는 바와 같이, 가열 코일(10A 내지 10D)에 인가하는 전압은, 코일 자체에 기인한 전위차 이외에도, 하기의 L 조정기(12A 내지 12D)에 의해 각 코일마다 조정 가능해, 코일 사이에 전위차가 발생한다. 따라서, 이러한 전위차에 의해서도 방전이 발생할 우려가 있다. 따라서, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)는, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상인 것이 바람직하다. 또한, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/3 초과로 하면, 서로 인접하는 가열 코일(10A 내지 10D)의 가열 효율을 향상시킬 수 없다. 이 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/3 이하로 하는 것에 의한 강판(2)의 가열에 대해, 도 4를 참조하여 개략적으로 설명한다.

도 4는 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서, 가열 코일(10C, 10D)에 의해 발생하는 강판 상의 가열 밀도를 설명하기 위한 설명도이다. 구체적으로, 도 4a는 본 실시 형태의 경우, 즉 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상 1/3 이하로 한 경우를 도시한다. 도 4b는 본 실시 형태와 비교하기 위해, 코일의 도선의 폭을 일정하게 하여, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/3 초과로 한 경우를 도시한다.

도 4a에 도시하는 바와 같이, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상 1/3 이하로 한 경우, 가열 코일(10D)에 의해 발생하는 가열 밀도(단위는,「Q/㎡」. 이하 동일.)(H1)와, 가열 코일(10C)에 의해 발생하는 가열 밀도(H2)는, 강판(2)의 길이 방향에 대해 대략 가우스 분포가 된다. 따라서, 가열 밀도(H1)와 가열 밀도(H2)는, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)가, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10 이상 1/3 이하로 되도록, 가열 코일(10C, 10D)이 인접 배치됨으로써 경사가 완만한 부분이 중첩된다. 따라서, 실제로 강판(2)을 가열하는 가열 밀도(T1)는, 가열 코일(10D)과 가열 코일(10C) 사이에 있어서도 높은 값을 유지하는 것, 즉 승온 속도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/3 초과로 한 경우에는, 당연히 가열 밀도(H1, H2)의 중첩이 소실되어, 일정한 승온 속도를 유지할 수 없는 것은 물론이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 설명의 편의상, 도 1 등에 도시하는 바와 같이 가열 코일(10A 내지 10D)은 싱글 턴 코일이지만, 그러나 가열 코일은 더블 턴이라도 좋다.

(전기 경로)

이 가열 코일(10A 내지 10D)에는, 교류 전원(3)으로부터 교류 전압이 인가된다. 이 교류 전압을 인가하는 단자로서, 각 가열 코일(10A 내지 10D) 각각에는 전기 경로(11)가 연장되고, 이 전기 경로(11)의 각각에 교류 전원(3)으로부터의 교류 전압이 인가된다. 환언하면, 전기 경로(11)는 교류 전원(3)과 각 가열 코일(10A 내지 10D)을 전기적으로 접속하고, 교류 전원(3)으로부터의 교류 전압을 각 가열 코일(10A 내지 10D)에 인가하여, 교류 전원(3)으로부터의 전류를 입출력시키기 위해 사용되는 입출력 도선이다.

전기 경로(11)는 가열 코일(10A 내지 10D)의 코일 형상의 양단부로부터 각각 장척 형상으로 연장된 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)에 의해 구성된다. 또한, 이 한 쌍의 입출력 단자(111, 112) 각각은, 접속된 가열 코일(10A 내지 10D)과 일체로 형성된다. 이 구성에 따르면, 양자가 별개로 형성되는 경우에 비해, 가열 코일(10A 내지 10D)과 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)의 접속 부위에서의 전기 저항을 저감하고, 강도를 높이고, 또한 제조를 용이하게 할 수 있다. 그러나 가열 코일(10A 내지 10D)과 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)를 별개로 형성하는 것도 가능한 것은 물론이다. 또한, 도 1 등에는, 가열 코일(10A 내지 10D)이 폭이 넓은 판재에 의해 형성되는 경우를 도시하고, 이 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)도 가열 코일(10A 내지 10D)과 동일한 폭을 갖게 하고 있다. 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)는 폭이 넓은 판재로 형성됨으로써, 내전류 강도를 높여 대전류를 흐르게 할 수 있지만, 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)는 반드시 판재에 의해 구성될 필요는 없다.

또한, 한 쌍의 입출력 단자(111, 112)는 서로 대략 평행하게 연장된다. 그리고 한 쌍의 입출력 단자(111, 112) 각각[즉, 전기 경로(11)끼리]은, 접속된 각 가열 코일(10A 내지 10D)에 상관없이 대략 동일 평면 내(xy 평면 내)에 있어서 대략 동일한 방향(y축 방향)으로 연장되는 것이 바람직하다. 이 구성에 따르면, 유도 가열 장치(1)를 콤팩트화(소형화)할 수 있고, 또한 각 가열 코일(10A 내지 10D)을 동일한 형상으로 형성할 수 있으므로, 제조가 용이하다.

(L 조정기)

각 가열 코일(10A 내지 10D)과 교류 전원(3) 사이의 전기 경로(11)의 각각의 전기 경로 상에는, L 조정기(12A 내지 12D)가 삽입 배치된다.

L 조정기(12A 내지 12D)는, 자기 인덕턴스를 조정하여, 회로 내의 리액턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기의 일례이며, 전기 경로(11)를 대략 코일 형상으로 우회시킨다. 보다 구체적으로는, L 조정기(12A 내지 12D)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전기 경로(11)를 구성하는 한쪽의 입출력 단자(111)를 상방(z축 플러스 방향)으로 우회시키고, 다른 쪽의 입출력 단자(112)를 하방(z축 마이너스 방향)으로 우회시킴으로써, L 조정기(12A 내지 12D)가 배치된 위치에 있어서, 한쪽의 입출력 단자(111)와 다른 쪽의 입출력 단자(112)를 이격시킨다. 환언하면, L 조정기(12A 내지 12D)는 전기 경로(11)의 입출력 단자(111, 112)의 각각을 대략 역ㄷ자 형상으로 우회시킨다. 그 결과, L 조정기(12A 내지 12D)는, 입출력 단자(111, 112)가 우회된 우회 경로(121, 122)에 의해 둘러싸인 영역(S)을 형성한다. 이 영역(S)을 둘러싸는 입출력 단자(111, 112)의 우회 경로(121, 122)는, 싱글 턴 코일과 같은 대략 코일 형상을 형성한다. 이러한 구성을 갖는 L 조정기(12A 내지 12D)는, 대략 코일 형상의 형상을 가지므로, 교류 전원(3)으로부터 교류 전류가 흐르면(교류 전압이 인가되면) 자기 유도를 발생시킨다.

도 2를 참조하여, L 조정기(12A 내지 12D)의 각 구성예에 대해, L 조정기(12A)를 예로, 더욱 구체적으로 설명한다.

L 조정기(12A)는 기립 설치부(111C, 111B, 112C, 112B)와, 연결부(111M, 112M)를 갖는다. 기립 설치부(111C)는, 가열 코일(10A)로부터 연장된 입출력 단자(111)를 연직 방향(z축 방향) 상방을 향해 절곡함으로써 형성되고, 기립 설치부(111B)는, 교류 전원(3)이 접속되는 입출력 단자(111)를 마찬가지로 절곡함으로써 형성된다. 따라서, 기립 설치부(111C)와 기립 설치부(111B)는 대략 평행하게 기립 설치된다. 그리고 연결부(111M)는 이 기립 설치부(111C)와 기립 설치부(111B) 사이를 전기적으로 접속한다. 이 기립 설치부(111C, 111B) 및 연결부(111M)가 우회 경로(121)를 형성한다.

한편, 기립 설치부(112C)는, 가열 코일(10A)로부터 연장된 입출력 단자(112)를 연직 방향(z축 방향) 하방을 향해 절곡함으로써 형성되고, 기립 설치부(112B)는, 교류 전원(3)이 접속되는 입출력 단자(111)를 마찬가지로 절곡함으로써 형성된다. 따라서, 기립 설치부(112C)와 기립 설치부(112B)는, 대략 평행하게 기립 설치된다. 그리고 연결부(112M)는, 이 기립 설치부(112C)와 기립 설치부(112B) 사이를 전기적으로 접속한다. 이 기립 설치부(112C, 112B) 및 연결부(112M)가, 우회 경로(122)를 형성한다. 즉, 이 우회 경로(121)와 우회 경로(121) 사이의 공간이 영역(S)을 형성하고, 이 영역(S)을 형성함으로써, L 조정기(12A 내지 12D)는 대략 코일 형상을 형성하여, 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 발생시킨다.

(자기 인덕턴스)

또한, L 조정기(12A 내지 12D) 각각은, 각자의 자기 인덕턴스를 조정 가능하게 구성된다. 구체적으로는, L 조정기(12A 내지 12D)는, 우회 경로(121, 122)에 의해 둘러싸인 영역(S)의 단면적(yz 평면 내로의 투영 면적), 즉 대략 코일 형상을 형성하는 면의 면적을 변경함으로써 자기 인덕턴스를 조정할 수 있다. 또한, 코일의 자기 인덕턴스는, 예를 들어 권취수ㆍ코일 반경ㆍ코일 길이ㆍ도선의 직경ㆍ주위의 투자율[코어, 즉 강판(2)의 투자율] 등에 의해 결정되므로, 코일의 단면적을 바꾸어 예를 들어 코일 반경 등을 변경함으로써, 코일의 인덕턴스를 조정할 수 있다. 따라서, L 조정기(12A 내지 12D)는, 영역(S)의 단면적을 변경함으로써, 자기 인덕턴스를 조정할 수 있다. 따라서, L 조정기(12A 내지 12D)에 의해, 회로 중의 리액턴스를 조정하여, 가열 코일(10A 내지 12D)의 각각에 인가하는 전압을 조정할 수 있다. 따라서, 가열 코일(10A 내지 12D)에 의한 강판(2)의 가열량을, 각 코일마다 조정할 수 있다.

도 2를 참조하여, 이 자기 인덕턴스 조정을 위한 단면적 변경에 대해, L 조정기(12A)를 예로 더욱 구체적으로 설명한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 우회 경로(121)와 우회 경로(122) 사이에서 평행하게 연장된 부위, 즉 연결부(111M)와 연결부(112M)는 이격 거리를 조정할 수 있도록 배치된다. 즉, 연결부(111M, 112M)는 상하 이동 가능하게 배치되고, 이 연결부(111M, 112M)를 상하 이동시킴으로써, L 조정기(112A)는 영역(S)의 단면적을 조정한다. 또한, 이 연결부(111M, 112M)는 기립 설치부(111C, 111B, 112C, 112B)의 연장된 길이의 범위 내에서 상하 이동하고, 영역(S)의 중심점(O)이, 입출력 단자(111, 112) 사이의 중심에 위치하도록 상하 이동되는 것이 바람직하다. 즉, 연결부(111M)가 최하단부에 위치하여, 입출력 단자(111)와 대략 평행하게 된 상태(우회하고 있지 않은 상태)로부터의 연결부(111M)의 상방으로의 이동 거리는, 연결부(112M)가 최상단부에 위치하여, 입출력 단자(112)와 대략 평행하게 된 상태(우회하고 있지 않은 상태)로부터의 연결부(112M)의 하방으로의 이동 거리와 거의 동등해지도록, 연결부(111M, 112M)는 상하 이동된다.

또한, 이와 같이 L 조정기(12A 내지 12D)의 단면적을 변경하는 방법으로서는, 연결부(111M, 112M)를 상하 이동시켜 L 조정기(12A 내지 12D)의 높이를 변경하는 방법 이외에도, 기립 설치부(111C, 111B, 112C, 112B)를 평행 이동시켜 L 조정기(12A 내지 12D)의 폭을 변경하는 방법도 가능하다. 그러나 유도 가열 장치(1)는, 예를 들어 버스 바(Bus bar)나 정합기 등과 접속되어 있으므로, 폭을 변경하는 방법에서는, 그들의 접속 위치를 변경할 필요가 있어, 장치의 설계상 곤란성이 높다. 한편, 높이를 변경하는 방법은, 변경 가능한 높이에 제한이 있다. 그러나 이하에서 설명하는 L 조정기(12A 내지 12D) 사이에서 상호 인덕턴스를 발생시킬 때에, L 조정기(12A 내지 12D)와 가열 코일(10A 내지 10D) 사이의 상호 인덕턴스를 기하학적으로 분리할 수 있으므로, L 조정기 사이의 상호 인덕턴스 조정이 용이하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 각 연결부(111M, 112M)는 예를 들어 볼트 등의 체결 수단에 의해, 기립 설치부(111C, 111B, 112C, 112B)에 전기적으로 접속되어 체결 고정된다.

또한, 구성상 완전히 다르고, 다른 기술 분야이기는 하지만, 인덕턴스를 조정하여 전압을 변경하는 기술로서, 예를 들어 상기한 특허 문헌 3과 같은 아크식 전기로의 전기로용 변압기도 들 수 있다. 그러나 이 변압기에 있어서의 조정은, 3상 전원의 각 상의 단자간 거리를 변경하여, 1개의 회로 내의 상(相) 사이의 상호 인덕턴스를 변경하여, 회로 내의 임피던스를 조정하고 있다. 한편, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 1개의 회로 내의 자기 인덕턴스를 조정하므로, 완전히 다른 구성을 갖는다. 또한, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 이하에서 설명하는 바와 같이 각 회로간의 상호 리액턴스를 이용하여, 전압 조정의 기구를 특허 문헌 3에 비해 콤팩트화하는 것이 가능하다.

(상호 인덕턴스)

또한, 각 L 조정기(12A 내지 12D) 각각은, 전기 경로(11)의 연장 방향과 교차하는 방향(도 1의 x축 방향)을 따라 배치된다. 환언하면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 L 조정기(12A 내지 12D)의 영역(S)의 중심점(O)이 대략 동일 직선 상에 위치하도록 각 L 조정기(12A 내지 12D)는 배치된다. 보다 구체적으로는, 도 1 등에 도시하는 바와 같이, 각 L 조정기(12A 내지 12D)는, 가열 코일(10A 내지 12D)의 배열 방향과 동일한 방향을 따라, 영역(S)의 단면이 대략 평행해지도록 배치된다. 즉, 각 L 조정기(12A 내지 12D)의 기립 설치부(111C)끼리는, 평행해지도록 절곡하여 형성된다. 다른 기립 설치부(111B, 112C, 112B)도 마찬가지로 형성된다. 또한, 이때, 각 L 조정기(12A 내지 12D)는, 강판(2)의 통판 방향(x축 방향)과 평행한 방향으로 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 각 L 조정기(12A 내지 12D) 각각은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 서로 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D)끼리의 간극(D2)이 50㎜ 내지 500㎜가 되도록 배치된다. 상기와 같이, L 조정기(12A 내지 12D)를, 동일 직선 상에 병렬로 50㎜ 내지 500㎜의 간극(D2)을 두고 배치함으로써, 적어도 서로 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D)끼리의 사이에 상호 인덕턴스를 발생시켜, 상호 유도를 발생시킬 수 있다. 상호 유도를 발생시킴으로써, L 조정기(12A 내지 12D)는 자기 인덕턴스의 조정에 의한 회로 내의 리액턴스 조정 효과 및 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, L 조정기(12A 내지 12D)에 의한 자기 인덕턴스 조정의 폭을 작게 할 수 있다. 즉, L 조정기(12A 내지 12D)의 단면적 등을 감소시켜, 유도 가열 장치(1) 전체의 구성을 작게 할 수 있어, 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.

한편, 예를 들어 상기 특허 문헌 3의 전압 조정 기구에 따르면, 임피던스를 약 40％ 조정하는 데 각 상의 단자간의 거리를 900㎜ 이상이나 변경할 필요가 있다. 이러한 전압 조정 기구는, 장치의 구성이 커질 뿐만 아니라, 예를 들어 버스 바나 정합기 등과 접속할 필요가 있어 레이아웃의 변경이 곤란한 유도 가열 장치에는 적용하는 것은 곤란하다. 한편, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 상기와 같이 자기 인덕턴스 조정을 L 조정기(12A 내지 12D)의 높이 조정만으로 행함으로써 콤팩트화할 수 있을 뿐만 아니라, 상호 인덕턴스를 이용함으로써 L 조정기(12A 내지 12D)를 더욱 콤팩트화하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)가 갖는 전압 조정 기구는, 특허 문헌 3이 갖는 전압 조정 기구보다도 매우 콤팩트하여, 장치 전체의 구성을 소형화하는 것이 가능하다.

또한, 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D)끼리의 간극(D2)이 50㎜ 미만인 경우에는, 고주파 교류 전압을 인가한 경우에 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D) 사이에서 방전이 발생할 우려가 있다. 또한, 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D)끼리의 간극(D2)이 500㎜ 초과인 경우에는, 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 상호 인덕턴스가 감소한다.

이 L 조정기(12A 내지 12D)의 상대적인 배치 위치에 대해, 상호 인덕턴스의 관점으로부터 설명하는 이하와 같아진다. 상기와 같이 각 L 조정기(12A 내지 12D)를 배치함으로써, 서로 인접하는 L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 상호 인덕턴스를, 각 L 조정기(12A 내지 12D)의 자기 인덕턴스의 5 내지 30％로 조정할 수 있다. 또한, 상호 인덕턴스가 자기 인덕턴스의 30％를 초과하면, 1개의 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적 변화에 대해 가열 코일(10A 내지 10D)의 전류 변화량이 지나치게 크다. 즉, 이 경우, L 조정기(12A 내지 12D)의 조정이 지나치게 민감해져, 승온 속도를 제어하기 위해, 고정밀도의 조정(1㎜ 단위의 조정)이 필요해진다. 따라서, 승온 속도의 제어가 곤란해진다. 또한, 상호 인덕턴스가 자기 인덕턴스의 5％ 미만이면, 1개의 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적 변화에 대해 가열 코일(10A 내지 10D)의 전류의 변화량이 지나치게 작아, L 조정기(12A 내지 12D)의 콤팩트화가 어려워진다.

또한, 이 경우, L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 상호 인덕턴스는, 가열 코일(10A 내지 10D)에 대한 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적 변화의 비와, 그 가열 코일(10A 내지 10D)에 흐르는 전류 변화의 비에 의해 개략적으로 구할 수 있다. 즉, 전류 변화의 비를 면적 변화의 비로 나눈 값이 1.2인 경우, 이 값의 증가분(0.2)이, 상호 인덕턴스에 대응한다. 따라서, 이 경우 상호 인덕턴스는 L 조정기(12A 내지 12D)의 자기 인덕턴스의 20％이면 산출할 수 있다.

(가열 코일과 L 조정기의 관계)

또한, L 조정기(12A 내지 12D)는, 각 가열 코일(10A 내지 10D)과 그것에 접속된 각 L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 간극(D3)이 500㎜ 내지 2000㎜가 되도록 배치된다. 이 간극(D3)을 두고 L 조정기(12A 내지 12D)를 배치함으로써, L 조정기(12A 내지 12D)에 의한 인덕턴스 조정을 보다 용이하고 또한 안정적으로 행할 수 있다. 즉, 이 간극(D3)이 500㎜ 미만인 경우에는, L 조정기(12A 내지 12D)에서 발생하는 자장이 가열 코일(10A 내지 10D)에 간섭되어 버려, 양자간에 상호 인덕턴스가 발생한다. 따라서, L 조정기(12A 내지 12D)의 조정이 곤란해진다. 한편, 간극(D3)의 상한 2000㎜는, 대지간 내압을 확보하는 것이 가능한, 가열 코일(10A 내지 10D)과 L 조정기(12A 내지 12D)를 포함한 회로 전체의 임피던스의 값에 의해 결정된다. 즉, 간극(D3)이 2000㎜ 초과인 경우에는, 장치 전체의 구성이 커져 콤팩트화를 방해할 뿐만 아니라, 회로 전체의 임피던스가 증가하고, 코일간의 전위차가 증가하여 방전되기 쉬워진다.

또한, 강판(2)의 크기에도 기인하지만, L 조정기(12A 내지 12D)의 강판(2)의 판폭 방향(y축 방향)의 폭은, 예를 들어 500 내지 2500㎜[가열 코일(10A 내지 10D)의 약 30 내지 50％], L 조정기(12A 내지 12D)의 강판(2)의 판 두께 방향(z축 방향)의 높이는, 예를 들어 100 내지 200㎜[가열 코일(10A 내지 10D)의 약 20 내지 200％]로 설정되는 것이 바람직하다. 환언하면, L 조정기(12A 내지 12D)의 크기는, (가열 코일의 면적＋L 조정기의 면적)/가열 코일의 면적＝1 내지 3이 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, L 조정기(12A 내지 12D)의 강판(2)의 통판 방향(J1)의 폭은, 가열 코일(10A 내지 10D)과 대략 동일하게 설정된다.

(L 조정기의 효과의 예)

이상과 같이 구성되는 L 조정기(12A 내지 12D)는, 장치 전체의 콤팩트화가 가능하고, 또한 가열 코일(10A 내지 10B) 각각의 전류량을 조정하는 것이 가능하다. 전류량을 조정할 때, 이 L 조정기(12A 내지 12D)는 상기 특허 문헌 2와 같은 저항을 사용하지 않으므로, 줄열의 발생에 의한 에너지 손실이 발생하지 않아, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 L 조정기(12A 내지 12D)는 자기 인덕턴스를 조정할 수 있으므로, 예를 들어 강판(2)의 재질이나 판 두께, 판 폭 등에 따라서 자기 인덕턴스를 조정하여 강판(2)의 가열을 조정하는 것이 용이하다.

(L 조정기의 조정 방법)

또한, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, L 조정기(12A 내지 12D)의 면적을 조정함으로써 자기 인덕턴스뿐만 아니라 상호 인덕턴스도 조정함으로써, 퀴리점 근방에 있어서도 일정한 승온 속도를 유지하는 것을 가능하게 하고 있다. 고온 영역에 있어서 승온 속도를 일정하게 유지할 때의 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적 조정에 대해, 이하에서 설명한다. 또한, 이하에서 설명하는 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적 조정뿐만 아니라, 상기한 각 구성 등도 작용하여 퀴리점 근방에 있어서의 승온 속도를 일정하게 유지하는 것을 가능하게 하고 있는 것은, 물론이다.

L 조정기(12A 내지 12D)는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 강판(2)의 길이 방향의 최전단의 가열 코일(10D)과, 최후단의 가열 코일(10A)에 각각 접속된 L 조정기(12D, 12A)에서 발생하는 자기 인덕턴스가, 그들 사이의 L 조정기(12C, 12B)에서 발생하는 자기 인덕턴스보다도 작아지도록 조정된다.

보다 구체적으로는, L 조정기(12D, 12A)의 영역(S)에 있어서의 단면적이, L 조정기(12C, 12B)의 영역(S)에 있어서의 단면적보다도 작아지도록 L 조정기(12A 내지 12D)는 조정된다. 환언하면, L 조정기(12D, 12A)에 있어서의 연결부(111M, 112M) 사이의 이격 거리는, L 조정기(12C, 12B)에 있어서의 연결부(111M, 112M) 사이의 이격 거리보다도 작아지도록 L 조정기(12A 내지 12D)는 조정된다. L 조정기(12A 내지 12D)의 높이로 설명하면, L 조정기(12D, 12A)의 높이는, L 조정기(12B, 12C)의 높이보다도 낮아진다.

이러한 구성으로 하면, L 조정기(12D, 12A)가 배치된 회로 내의 리액턴스가, 다른 회로와 비교하여 작아져, 결과적으로 가열 코일(10D, 10A)에 가열 코일(10C, 10B)보다도 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 이와 같이 최전단과 최후단의 가열 코일(10D, 10A)의 전류량을 크게 함으로써, 이 가열 코일(10D, 10A)에 대응한 강판(2)에서 가열 밀도를 크게 할 수 있어, 퀴리점 근방에서의 강판(2)의 승온 속도를 일정하게 유지할 수 있다.

(실시예)

이 L 조정기(12A 내지 12D)의 조정에 의한 전류량이나 가열 밀도의 변화에 대해, 실시예를 나타낸다. 이 본 실시 형태에 관한 실시예에서는, 가열 코일(10A 내지 10D)의 폭(도 1의 y축 방향의 폭)은 1000㎜로 하고, 높이[도 1의 z축 방향의 길이, 도 2의 거리(W1)]는 400㎜로 하고, 각 가열 코일(10A 내지 10D)의 코일 길이는 100㎜, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)는 50㎜로 하였다[즉, 이 경우, 서로 인접한 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)는, 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/8배]. 그리고 L 조정기(12A 내지 12D)의 폭(도 1의 y축 방향의 폭)은 400㎜로 하고, 높이(도 1의 z축 방향의 길이)는 0㎜[입출력 단자(111, 112) 사이의 간극] 내지 300㎜까지 변화시켰다.

이때, L 조정기(12A 내지 12D)의 면적을 조정한 결과, 대응한 가열 코일(10A 내지 10D)에 흐르는 전류의 변화를 도 6에 도시한다. 또한, 도 6 중, 횡축은 각 가열 코일(10D, 10C, 10B, 10A)을 나타내고, 종축은 각 가열 코일에 흐르는 전류를 나타낸다. 그리고「완전 개방」은, L 조정기를 개방한 경우, 즉 연결부(111M)를 최상단부에 위치시키고, 연결부(112M)를 최하단부에 위치시켜, L 조정기의 영역(S)의 단면적을 최대로 한 경우를 의미한다. 구체적으로는, 이 실시예의 경우, L 조정기의 높이[연결부(111M, 112M) 사이의 거리]를 300㎜로 한 상태를 나타낸다. 또한,「완전 개방」의 반대인 의미인「완전 폐쇄」는, L 조정기를 폐쇄한 경우, 즉 연결부(111M)를 최하단부에 위치시켜 입출력 단자(111)의 직선 상에 배치하고, 연결부(112M)를 최상단부에 위치시켜 입출력 단자(112)의 직선 상에 배치한 경우를 의미한다. 구체적으로는, 이 실시예의 경우, L 조정기의 높이를 0㎜[입출력 단자(111, 112) 사이의 간극]로 한 상태를 나타낸다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 모두 완전 개방인 경우, 즉 L 조정기(12A 내지 12D)를 완전 개방으로 한 경우, 최전단의 가열 코일(10A, 10D)의 전류량이 증가하였다. 이 경우, L 조정기(12A 내지 12D)는, 전기 경로(111)를 우회시키고 있어, 상술한 가열 코일(10A 내지 10D)을 근접 배치한 결과의 상호 인덕턴스에 의한 영향에 의해, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)의 전류량을 증가시킬 수 있다. 즉, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에서의 인덕턴스가, 그들 사이의 가열 코일(10B, 10C)에서의 인덕턴스보다도 작아진 결과, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)의 전류량을 증가시킬 수 있다.

한편, 중앙 완전 개방인 경우, 즉, 양단부의 L 조정기(12A, 12D)를 완전 폐쇄로 하고, 그들 사이의 중앙의 L 조정기(12B, 12C)를 완전 개방으로 한 경우, 최전단의 가열 코일(10A, 10D)의 전류량이 더욱 증가하였다. 이 경우, 중앙의 L 조정기(12B, 12C)에서 발생하는 인덕턴스에 의해, 그것에 접속된 가열 코일(10B, 10C)에 흐르는 전류는 감소한다. 그리고 L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 상호 인덕턴스 및 가열 코일(10A 내지 10D) 사이의 상호 인덕턴스에 의해, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.

한편, 양단부 완전 개방인 경우, 즉, 양단부의 L 조정기(12A, 12D)를 완전 개방으로 하고, 그들 사이의 중앙의 L 조정기(12B, 12C)를 완전 폐쇄로 한 경우, 이 가열 코일(10A 내지 10D)에 있어서의 전류량의 차는 감소하여, 대략 동일한 전류가 가열 코일(10A 내지 10D)에 흐른다. 이 경우, 양단부의 L 조정기(12A, 12D)에서 발생하는 인덕턴스에 의해, 그것에 접속된 가열 코일(10A, 10D)에 흐르는 전류는 감소한다. 그러나 L 조정기(12A 내지 12D) 사이의 상호 인덕턴스 및 가열 코일(10A 내지 10D) 사이의 상호 인덕턴스에 의해, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)에 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 각 가열 코일(10A 내지 10D)에서 흐르는 전류를, 거의 일정하게 조정할 수 있다.

이러한 L 조정기(12A 내지 12D)의 높이 조정에 의한 가열 코일(10A 내지 10D)의 전류량의 변화는, 서로 인접하는 가열 코일(10A 내지 10D)의 상호 거리(D1)를 가열 코일(10A 내지 10D)의 높이 방향의 내측의 거리(W1)의 1/10배 이상 1/3배 이하로 변경하고, 가열 코일(10A 내지 10D)의 폭을 1000㎜, 1500㎜, 2000㎜로 변경해도 동일한 경향이 얻어진다.

이 경우, 중앙 완전 개방으로 한 쪽이, 전체 온도 영역에서의 승온 속도를 균일화할 수 있다. 이것에 대해, 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

(중앙 완전 개방)

도 7은 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에 의한 강판(2)의 길이 방향에 있어서의 승온 속도를 개략적으로 설명하기 위한 설명도이고, 도 8은 양단부 완전 개방에 있어서의 승온 속도를 나타낸 그래프이고, 도 9는 중앙 완전 개방에 있어서의 승온 속도를 나타낸 그래프이다.

도 7a에 도시하는, 길이 방향에 있어서의 강판(2)의 위치 x1, x2, x3은, 각각 가열 코일(10A) 내지 가열 코일(10D)의 중앙, x1로부터 100㎜ 후방[가열 코일(10B)의 중심], x3으로부터 300㎜ 후방[가열 코일(10A)의 중심]을 나타낸다. 그리고 도 8 및 도 9에 나타내는 측정치 L1, L2, L3은, 각각 위치 x1, x2, x3에 있어서의 강판(2)의 온도 변화를 나타낸다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 양단부 완전 개방으로 하여, 각 가열 코일(10A 내지 10D)에 흐르는 전류량을 일정하게 한 경우, 위치 x3에 있어서의 승온 속도(L3의 기울기)는, 위치 x1, x2에 있어서의 승온 속도(L1, L2의 기울기)보다도 작아진다. 이것은, 강판(2)의 온도가 퀴리점(예를 들어, 약 770℃) 근방(예를 들어, 약 650℃)의 고온 영역으로 되어, 강판(2)의 투자율이 저하된 결과, 승온 속도가 저하된 것에 의한다. 한편, 도 9에 나타내는 바와 같이, 중앙 완전 개방으로 하여, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에 흐르는 전류량을 증가시킨 경우, 위치 x3에 있어서의 승온 속도(L3의 기울기)는, 위치 x1, x2에 있어서의 승온 속도(L1, L2의 기울기)의 약 100℃/s에 근접한다. 따라서, 퀴리점 근방의 온도 영역에 있어서의 강판(2)의 승온 속도의 저하를 감소시킬 수 있다.

이 경우의 강판(2)의 승온 속도를 유도 가열 장치(1)의 전체에 걸쳐 개략적으로 설명하면, 이하와 같아진다.

즉, 도 7b에 나타내는 바와 같이, L 조정기(12A 내지 12D)를 양단부 완전 개방으로 하여 전류를 일정하게 한 경우, 강판(2)의 입구측의 가열 코일(10D)은, 가열 개시시에 필요한 가열 밀도가 얻어지지 않아 승온 속도가 저하된다. 한편, 출구측의 가열 코일(10A)은, 강판(2)의 온도가 고온 영역에 도달한 결과, 투자율이 저하되어 승온 속도가 저하된다. 이들에 대해, L 조정기(12A 내지 12D)를 중앙 완전 개방으로 한 경우, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)에 있어서의 전류량이 저하되어 승온 속도가 감소하지만, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에 있어서의 전류량이 증가하여 승온 속도를 증가시킬 수 있다. 이때, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)에 있어서의 승온 속도의 감소는, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에 있어서의 승온 속도의 증가에 의한 효과보다도 영향이 적어도 된다. 이것은, L 조정기(12 내지 12D) 사이에 있어서 상호 리액턴스가 작용하는 것에 의한다.

즉, 중앙 완전 개방으로 한 경우, 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에는, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)보다도 큰 전류를 흐르게 할 수 있어, 승온 속도의 변화를 저감시키는 것이 가능하다. 또한, 이러한 승온 속도를 실현하기 위해, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에서는 코일 전류는 최고라도 약 3000A였다. 한편, 예를 들어 가변 저항을 이용한 상기 특허 문헌에서는, 각 코일 전압을 동일한 값으로 사용하는 것으로 하는 경우, 약 4500A의 전류를 필요로 하였다. 즉, 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에 따르면, 소비 전력에서 약 33％의 에너지를 삭감할 수 있다. 이 삭감량은, 가정용 소비 전력의 약 수천호분의 전력에 상당한다. 또한, 이 에너지 삭감은, L 조정기(12A 내지 12D)의 상호 인덕턴스에 의한 효과가 커, 예를 들어 특허 문헌 1과 같이 가변 콘덴서를 사용하였다고 해도, 이러한 에너지 삭감을 실현하는 것은 어렵다.

이것을, 도 10을 참조하여, L 조정기(12A 내지 12D)의 면적비로 고찰한다.

도 10은 L 조정기(12A 내지 12D)의 면적비에 대한 가열 코일(10A 내지 10D)의 전류비를 나타낸 그래프이다.

또한, 도 10의 횡축에는 중앙의 L 조정기(12B, 12C)의 면적에 대한 양단부의 L 조정기(12A, 12D)의 면적의 비를 나타내고, 종축에는 양단부의 가열 코일(10A, 10D)의 전류에 대한 중앙의 가열 코일(10B, 10C)의 전류의 비를 나타낸다. 그리고 이 경우, 각 측정점의 근사 직선은, 횡축을 x로 하고, 종축을 y로 하면, y＝1.22x－0.50으로 나타내어진다.

도 10에 나타내는 바와 같이, L 조정기의 면적비를 변경함으로써, 가열 코일의 전류비를 변경할 수 있다. 구체적으로는, 중앙의 L 조정기(12B, 12C)와 양단부의 L 조정기(12A, 12D)의 면적을 동등하게 하면(면적비를 1로 하면), 중앙의 가열 코일(10B, 10C)보다도 양단부의 가열 코일(10A, 10D)에 흐르는 전류의 쪽이 커진다. 한편, 중앙의 L 조정기(12B, 12C)의 면적을, 양단부의 L 조정기(12A, 12D)보다도 크게 하면(예를 들어, 면적비를 0.8로 하면), 양단부의 가열 코일(10A, 10D)의 전류는 더욱 증가하여, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)의 전류의 약 2배가 된다(전류비가 약 0.5가 된다). 한편, 중앙의 L 조정기(12B, 12C)의 면적을, 양단부의 L 조정기(12A, 12D)보다도 작게 하면(예를 들어, 면적비를 1.2로 하면), 양단부의 가열 코일(10A, 10D)의 전류는 감소하여, 중앙의 가열 코일(10B, 10C)의 전류와 거의 동등해진다(전류비가 약 1이 된다).

즉, 면적비를 0.8로부터 1.2로 하여 약 1.5배로 증가시키면, 전류는 0.5로부터 1.0으로 약 2배로 증가시킬 수 있다. 즉, L 조정기(12A 내지 12D)의 면적을 변화시킴으로써, 전류량을 효율적으로 제어할 수 있는 것을 알 수 있다. 이것은, L 조정기(12A 내지 12D)가 자기 인덕턴스를 발생시킬 뿐만 아니라, 서로의 사이에서 상호 인덕턴스를 발생시키는 것에 의한다.

(인가 전압의 주파수)

다음에, 도 11을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 L 조정기(12A 내지 12D)를 갖는 유도 가열 장치(1)에 인가하는 교류 전압의 주파수(운전 주파수라고도 함)에 대해 설명한다. 도 11은 본 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에 있어서, 교류 전원(3)의 교류 전압의 주파수에 대한 교류 전압을 나타내는 그래프이다.

가열하는 강판(1)의 승온 범위/승온 속도 등의 사용에 의해, 가열 코일(10A 내지 10D)에 흘려져야 할 전류(I)가 결정된다. 이 전류 및 그 주파수(전압의 주파수)와, 각 코일 및 버스 바 등에 의한 코일의 인덕턴스에 의해 가열 코일(10A 내지 10D)의 코일 전압과 버스 바 사이의 전압이 발생한다. 이 코일 전압에는, 장치의 허용 전압 또는 공급 전압 등의 관계상, 하기의 [수학식 1]의 제약이 걸린다.

[수학식 1]

이 [수학식 1]의 제약상, 운전 주파수 f와, L×I(즉, 코일 전압)의 관계는, 도 11의 그래프와 같아진다.

한편, 각 코일의 인덕턴스는 대지간 내압, 코일 전류 I 및 운전 주파수 f에 의해 범위를 결정할 필요가 있다. 따라서, 상기와 같이 L 조정기(12A 내지 12D)의 인덕턴스를 조정하기 위해서는, 운전 주파수 f는 예를 들어 50㎑ 내지 500㎑의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 50㎑ 내지 500㎑의 범위에서는, L 조정기(12A 내지 12D)를 포함한 코일에 의한 인덕턴스가 전체의 인덕턴스의 99％ 이상이 되므로, 코어로서의 강판(2)에 의한 부하에 의한 영향을 억제하여, L 조정기(12A 내지 12D)에 의해 각 가열 코일(10A 내지 10D)에 흐르는 전류를 조정할 수 있다.

또한, 운전 주파수 f가 50㎑ 미만에서는, 코어로서의 강판(2)에 의한 저항의 영향을 받아, L 조정기(12A 내지 12D)에 의한 전류의 조정의 효과가 작아진다. 한편, 운전 주파수 f가 500㎑ 초과에서는, L 조정기(12A 내지 12D)에 의한 인덕턴스의 변화에 대해, 대지간 내압의 여유가 적어져, L 조정기(12A 내지 12D)의 높이 조정의 범위가 좁은 범위로 한정되어 버려, 적절하게 전류를 조정하는 것이 어려워진다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자이면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라 양해된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, L 조정기(12A 내지 12D)에 있어서, 연결부(111M, 112M)의 체결 수단은, 예를 들어 볼트라고 하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연결 수단은 연결부와 기립 설치부 사이를 전기적으로 접속하는 것이 가능하면 되며, 예를 들어 래치 등을 사용해도 좋다. 래치 등을 사용하는 경우, 예를 들어 모터 등의 구동 수단에 의해, 래치를 제거하여 체결 상태를 해제할 수 있고, 다른 구동 수단에 의해 자동으로 연결부(111M, 112M)를 상하 이동시키는 것도 가능하다. 이 경우, 예를 들어 각 가열 코일(10A 내지 10D)에서의 전류량이나 대응한 위치에서의 강판(2)의 온도 등을 측정하여, 원하는 승온 속도 등이 실현되도록 자동으로 연결부(111M, 112M)를 상하 이동시키는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 에너지 효율을 개선하면서, 강판을 가열하는 승온 속도의 변화를 저감시킬 수 있다.

Claims

솔레노이드 방식에 의해 강판을 연속적으로 가열하는 유도 가열 장치이며,
상기 강판이 내부를 통과하도록, 상기 강판의 길이 방향을 따라 배치된 적어도 3개의 가열 코일을 갖고,
또한, 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일 각각에 전압을 인가하는 전원을 전기적으로 접속하는 전기 경로 상에 배치되고, 자기 유도를 발생시키고, 또한 당해 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기가 상기 가열 코일 각각에 구비되어 있고,
상기 인덕턴스 조정기 각각은, 적어도 서로 인접한 상기 인덕턴스 조정기 사이에 상호 유도가 발생하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제1항에 있어서, 상기 강판의 길이 방향에 있어서의 최전단의 상기 가열 코일 및 최후단의 상기 가열 코일에 구비되어 있는 상기 인덕턴스 조정기 각각이 발생시키는 자기 인덕턴스는, 상기 최전단의 가열 코일과 상기 최후단의 가열 코일 사이에 배치된 상기 가열 코일의 상기 인덕턴스 조정기가 발생시키는 자기 인덕턴스보다도 작아지도록 조정되는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제2항에 있어서, 서로 인접한 상기 가열 코일의 상호 거리는, 상기 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리의 1/10 이상 1/3 이하이고,
상기 인덕턴스 조정기 각각은, 상기 전기 경로에 대해 교차하는 방향으로 우회 경로를 형성함으로써 구성되고,
상기 서로 인접한 인덕턴스 조정기끼리의 간극은, 50㎜ 내지 500㎜인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제3항에 있어서, 상기 인덕턴스 조정기 각각은, 당해 인덕턴스 조정기가 배치된 상기 전기 경로를 대략 코일 형상으로 우회시킴으로써 상기 자기 유도를 발생시키고, 또한 우회시킨 상기 전기 경로의 대략 코일 형상의 우회 경로에 둘러싸인 영역의 단면적을 변경함으로써 상기 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제4항에 있어서, 상기 가열 코일 각각과 상기 전원을 접속하는 상기 전기 경로 각각은, 상기 가열 코일 각각으로부터 장척 형상으로 연장된 한 쌍의 입출력 단자에 의해 구성되고,
상기 인덕턴스 조정기는, 상기 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽이 서로 이격되도록 상기 한 쌍의 입출력 단자를 우회시키고, 또한 상기 우회 경로에 있어서의 상기 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽 사이의 거리를 변경하여 상기 우회 경로에 둘러싸인 영역의 상기 단면적을 변경하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제5항에 있어서, 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일에 접속된 상기 인덕턴스 조정기의 간극은 500㎜ 내지 2000㎜인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 가열 코일 각각은, 싱글 턴 코일 또는 더블 턴 코일인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 장치.
솔레노이드 방식에 의해 강판을 연속적으로 가열하는 유도 가열 방법이며,
적어도 3개의 가열 코일을, 상기 강판이 내부를 통과하도록 상기 강판의 길이 방향을 따라 배치하고,
자기 유도를 발생시키고, 또한 당해 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정 가능한 인덕턴스 조정기를, 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일 각각에 전압을 인가하는 전원을 전기적으로 접속하는 전기 경로 상에 있어서, 적어도 서로 인접한 상기 인덕턴스 조정기 사이에 상호 유도가 발생하도록 상기 가열 코일 각각에 배치하여,
상기 강판의 길이 방향의 최전단의 상기 가열 코일 및 최후단의 상기 가열 코일에 구비되어 있는 상기 인덕턴스 조정기 각각이 발생시키는 자기 인덕턴스를, 상기 최전단의 가열 코일과 상기 최후단의 가열 코일 사이에 배치된 상기 가열 코일의 상기 인덕턴스 조정기가 발생시키는 자기 인덕턴스보다도 작아지도록 조정하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
제8항에 있어서, 서로 인접한 상기 가열 코일의 상호 거리는, 상기 가열 코일의 높이 방향의 내측의 거리의 1/10 이상 1/3 이하이고,
상기 인덕턴스 조정기 각각은, 상기 전기 경로에 대해 교차하는 방향으로 우회 경로를 형성함으로써 구성되고,
상기 서로 인접한 인덕턴스 조정기끼리의 간극은, 50㎜ 내지 500㎜인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
제9항에 있어서, 상기 인덕턴스 조정기 각각은, 당해 인덕턴스 조정기가 배치된 상기 전기 경로를 대략 코일 형상으로 우회시킴으로써 상기 자기 유도를 발생시키고, 또한 우회시킨 상기 전기 경로의 대략 코일 형상의 우회 경로에 둘러싸인 영역의 단면적을 변경함으로써 상기 자기 유도에 있어서의 자기 인덕턴스를 조정하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
제10항에 있어서, 상기 가열 코일 각각과 상기 전원을 접속하는 상기 전기 경로 각각은, 상기 가열 코일 각각으로부터 장척 형상으로 연장된 한 쌍의 입출력 단자에 의해 구성되고,
상기 인덕턴스 조정기는, 상기 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽이 서로 이격되도록 상기 한 쌍의 입출력 단자를 우회시키고, 또한 상기 우회 경로에 있어서의 상기 한 쌍의 입출력 단자의 한쪽과 다른 쪽 사이의 거리를 변경하여 상기 우회 경로에 둘러싸인 영역의 상기 단면적을 변경하는 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
제11항에 있어서, 상기 가열 코일 각각과 당해 가열 코일에 접속된 상기 인덕턴스 조정기의 간극은, 500㎜ 내지 2000㎜인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.
제12항에 있어서, 상기 가열 코일 각각은, 싱글 턴 코일 또는 더블 턴 코일인 것을 특징으로 하는, 유도 가열 방법.