JP4117315B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、生産工程における、各種金属板の加熱処理を行う加熱装置に係り、詳しくは、磁束を有効に利用して均一な加熱を行う誘導加熱装置に関する。

金属板の加熱処理を行う誘導加熱装置は、金属板の片側に加熱コイルを設け、この加熱コイルによる磁界が金属板を貫通するとき発生する誘導電流により、金属板を加熱している。図９は、従来の誘導加熱装置の加熱部分と温度特性を示す概略図である。図９aは、従来の誘導加熱装置の加熱部分を上側から見た平面図である。図９ｂ、ｃは、それぞれ、その正面図及び右側面図である。図９aにおいて、加熱コイルである一次コイル２は、誘導加熱電源１に接続され、且つ磁心３に装着されている。金属板４は、一次コイル２と磁心３の上側にセットされ、矢印方向に移動しながら熱処理される。

図９ｄは、加熱された金属板の温度を示す温度特性図である。図９ｄにおいて、金属板が非磁性体である場合は、実線で示されるように金属板の両端部で温度が上昇し、両端より内側の部分で温度が降下している。金属板が磁性体の場合は、金属板の両端部で温度が上昇するが、破線で示されるように非磁性体に見られる温度の降下現象は発生していない。

一般に磁性体、非磁性体のいずれの金属板においても、磁束が金属板を通過すると渦電流が発生する。その結果、マクロ的には誘導電流として金属板の周辺に集中した状態で電流は分布する。従って、図９ｄに見られるように、金属板の両端部の温度が上昇することになる。ところが誘導電流が端部に集中すると、その集中した電流により発生した誘導磁界が、一次コイル２の磁束を打ち消すこととなり、端部より内側の部分で温度は降下する。温度上昇現象は、金属板の両端部において１０ｍｍ以内において発生し、温度降下現象は、両端部から５０ｍｍ内側あたりに発生することが確認されている。特許文献１には、接合予定の鋼片のコーナー部の温度を、コーナー部以外の接合予定の鋼片と同等の温度にするため、突き合わせ接合する鋼片の直上に電気回路の構成部材を備え、逆磁界を発生させる熱間圧延における鋼片の接合方法について記載されている。
特開平８−１２０３号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、加熱コイルの一次磁束が金属板の外側を通過する漏洩磁束を有効に利用して、二次コイルに発生させた逆起電力による電流を金属板下に伝送し、一次磁束と同方向、又は逆方向の二次磁束を発生させ、金属板の両端部の温度上昇と、両端部の内側部分の温度降下を緩和し、均一な加熱を行う誘導加熱装置を提供する。

本発明の誘導加熱装置は、誘導加熱電源に接続され、磁心に装着された一次コイルと、前記一次コイルが発生する金属板の外側を通過する一次磁束の漏洩磁束により二次磁束を発生する二次コイルとを有し、前記金属板を加熱する誘導加熱装置であって、
前記二次コイルは、前記金属板の外側において前記一次コイルと重なり前記一次磁束の漏洩磁束により誘導起電圧を発生するコイル部と、前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生するコイル部とが、交差して形成されるか、又は交差しないで形成されることにより１つのコイルとして形成され、
前記一次磁束の漏洩磁束により発生した誘導起電圧による電流を前記金属板下に伝送し、前記交差して形成された場合は、前記一次磁束と同方向の前記二次磁束を発生し、前記交差しないで形成された場合は、前記一次磁束と逆方向の前記二次磁束を発生し、
前記金属板の形状に応じて部分的に温度上昇させるか、又は部分的に温度降下させることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルは、
前記金属板の外側において前記一次コイルと重なり前記一次磁束の漏洩磁束により誘導起電圧を発生する誘導起電圧発生部のコイルと、前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生する一次磁束抑制部のコイルとが、交差しないで形成され、
前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生する一次磁束補強部のコイルと、前記一次磁束抑制部のコイルとが、交差して形成されることにより１つのコイルとして形成され、
前記一次磁束の漏洩磁束により発生した誘導起電圧による電流を前記金属板下に伝送し、前記一次磁束と同方向及び逆方向の前記二次磁束を同時に発生し、前記金属板の形状に応じて、部分的に温度上昇及び温度降下させることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルの巻き数は、一回以上であることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルが、磁心に装着されて成ることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルが、パイプ形状の導体で形成されて、該パイプ中に冷却液を循環させることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルに、可変抵抗器及び又は遮断器を接続し、前記二次コイルに発生する誘導電流を制御し及び又は遮断することを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記一次コイルが、トランスバース方式により前記金属板の上下に配備され、前記二次コイルが、同様に前記金属板の上下に配備されることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記金属板の上下に配備された対向する前記二次コイルが、それぞれ直列接続されることを特徴とすることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記一次コイルが磁心を有せず、前記二次コイルが前記一次コイルの内側に設置され、前記一次コイルと同一平面内に形成されることを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置の前記二次コイルが、移動ギアに着装され、前記金属板との位置を調整するため、モータ駆動により前記金属板の幅方向に可動することを特徴とする。

本発明の誘導加熱装置によれば、一次コイルの漏洩磁束を有効に利用して、金属板の両端部の温度上昇と、両端部の内側部分の温度降下を緩和することが可能となり、形状の異なる金属板においても二次コイルを交換する必要がないため、装置の利用効率を高め、且つ均一な温度分布を保った熱処理を行うことができる。

本発明による実施の形態について、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分と温度特性の概略図である。図１aは、本発明の誘導加熱装置の加熱部分を上側から見た平面図である。図１ｂ、ｃは、それぞれ、その正面図及び右側面図である。図１aにおいて、加熱コイルである一次コイル２は、誘導加熱電源１に接続され、且つ磁心３に装着されている。一次コイル２の一次磁束が金属板の外側を通過する一次磁束の漏洩磁束を利用する二次コイル５が、一次コイル２の上側に配備され、金属板４は、さらに二次コイル５の上側にセットされ、矢印方向に移動しながら熱処理される。

図１ａにおいて二次コイル５は、金属板４の下で一次コイル２の一次磁束と同方向の二次磁束を発生させるため、導線を途中で一度交差させて形成されている。誘導加熱電源１により一次コイル２に実線矢印方向の電流が流れると、一次磁束が発生される。金属板４の外側の一次コイル２と重なる二次コイル５には、この一次磁束による誘導起電圧が発生し、二次コイル５には、破線矢印で示される一次コイル２とは逆方向の電流が流れ始める。この電流は、二次コイル５が途中で一度交差しているため、金属板４の下の部分では、一次コイル２と同方向の電流となり、一次コイル２から発生される一次磁束を補強するように二次磁束を発生する。図１ｄは、加熱された金属板の温度を示す温度特性図である。図１ｄにおいて、図９ｄで説明した温度の降下部分は、磁束が補強されることにより温度が上昇し、平坦な温度特性になっている。

図２は、本発明の第２の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分と温度特性の概略図である。図２aは、本発明の誘導加熱装置の加熱部分を上側から見た平面図である。図２ｂ、ｃは、それぞれ、その正面図及び右側面図である。図２aにおいて、加熱コイルである一次コイル２は、誘導加熱電源１に接続され、且つ磁心３に装着されている。一次コイル２の漏れ磁束を利用する二次コイル５が、一次コイル２の上側に配備され、金属板４は、さらに二次コイル５の上側にセットされ、矢印方向に移動しながら熱処理される。

図２ａにおいて二次コイル５は、金属板４の下で一次コイル２の一次磁束と逆方向の二次磁束を発生させるため、図１ａで示された一次コイルと異なり、導線を途中で交差させないで形成されている。このため金属板４の下の部分においても、破線矢印で示されるように一次コイル２とは逆方向の電流が流れ、発生した二次磁束は、一次磁束を抑制するように働く。図２ｄは、加熱された金属板の温度を示す温度特性図である。図２ｄにおいて、図９ｄで説明した温度の上昇部分は、磁束が抑制されることにより温度が降下し、平坦な温度特性になっている。

図３は、本発明の第３の実施例を示す誘導加熱装置の二次コイルの概略図である。図３において、二次コイル５は図１及び２で示された二次コイルの機能を合成したものとなっており、詳しくは、誘導起電圧発生部３１と一次磁束抑制部３２と一次磁束補強部３３とに分かれて機能する。一次磁束抑制部３２の電流方向は、誘導起電圧発生部３１で生じた起電力による電流方向と同じであるため、金属板４の両端の温度上昇を抑えることができ、図２ｄの温度特性が得られる。一次磁束補強部３３の電流方向は、逆起電力発生部３１に電流方向とは逆になるため、金属板４の両端より内側の温度降下部分の温度を上昇させることができ、図１ｄの温度特性が得られる。

図４は、本発明の第４の実施例を示す誘導加熱装置の二次コイルの概略図である。図４において、二次コイル５は可変抵抗器６及び遮断器７と直列に接続されている。金属板４を連続して熱処理する際、可変抵抗器６を調整することにより、金属の形状の変化に合わせて、連続的に一次磁束の強化あるいは抑制を行うことができる。また連続処理の工程において、一時的に制御を停止したい場合は、遮断器７により停止することができる。この制御操作は、後で説明する図８の制御部で制御するように接続することにより、自動的に制御することが可能となる。

以上説明した誘導加熱装置の二次コイルは、熱処理条件に合わせてコイルの巻き数が調整されている。すなわち、一次コイルの漏洩磁束を利用して逆起電力を発生させる部分の巻き数と、温度調整を行うための二次磁束を発生させる部分の巻き数は、同じとは限らず、所定の巻き数に調整されて形成される。二次コイルの導体をパイプ形状にすることにより、冷却液を循環させ、大電力による熱処理が可能となり、多量の熱容量を必要とする熱処理に適用できる。また二次コイルが、一次コイルと同様に磁心に装着されることにより、より効率的に一次コイルの漏洩磁束を利用することが可能となる。

図５は、本発明の第５の実施例を示すトランスバース方式による誘導加熱装置の加熱部分の概略図である。図５aは、本発明の誘導加熱装置の加熱部分を上側から見た平面図である。図５ｂ、ｃは、それぞれ、その正面図及び右側面図である。図５ｂにおいて、一次コイル２は、誘導加熱電源１に接続され、上下２つの磁心３に装着されている。二次コイル５は、金属板４と一次コイル２との間にそれぞれ配備されている。図６は、図５の二次コイルの異なる接続方法を示す二次コイル接続図である。図６ａにおいて、上下に対向する二次コイルが、互いに接続されている。図６ｂにおいて、その接続は、上下の二次コイルの電流方向が同方向となるように接続される。図５及び６に示されるトランスバース方式による誘導加熱装置は、これまでに記載した二次コイルに関する要素技術を適用することにより図１〜図３に記載されると同様の温度特性を有する熱処理を行うことができる。

図７は、本発明の第６の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分の概略図である。誘導加熱電源１に接続される一次コイル２、及び二次コイル５は、共に磁心を持たないため、一次コイル２と二次コイル５とを同一面内に設置することができる。これは、作業環境の特定の条件、設定温度の特定の条件により磁心が使えない場合、装置のコンパクト性が求められる場合に適用される。

図８は、本発明の第７の実施例を示す誘導加熱装置の装置構成図である。図８において、誘導加熱電源１、一次コイル２、磁心３、金属板４および二次コイルの配置、接続関係は、これまでに記載したと同様になされている。また二次コイル５は、移動ギア７４に固定され、移動ギア７４はモータ７３に接続されている。二次コイル５の上部に設置されるセンサ７２とモータ７３は、制御部７１に接続されている。

図８において、金属板４の幅の変化、厚みの変化、磁性体又は非磁性体等のデータを制御部７１にセットし、金属板４に適合する巻き方及び形状の二次コイル５をセットする。金属板４が連続して移動するにつれ、制御部７１はデータに従ってモータ７３を駆動し、移動ギアが二次コイル５の位置を調整する。センサ７２は、二次コイル５の位置関係を常にモニターし、制御部７１へフィードバックする。必要に応じ、図４の説明で記載した要素技術を適用することにより、より精度の良い熱処理を連続して行うことができる。

以上説明したように、本発明の誘導加熱装置によれば、一次コイルの漏洩磁束を有効に利用して、金属板の部分的な温度上昇と、温度降下を連続して制御することが可能となり、形状の異なる金属板においても二次コイルを交換する必要がないため、装置の利用効率を高め、且つ均一な温度分布を保った熱処理を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分と温度特性の概略図。 本発明の第２の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分と温度特性の概略図。 本発明による第３の実施例を示す誘導加熱装置の二次コイルの概略図。 本発明の第４の実施例を示す誘導加熱装置の二次コイルの概略図。 本発明の第５の実施例を示すトランスバース方式による誘導加熱装置の加熱部分の概略図。 本発明の二次コイルの異なる接続方法を示す二次コイル接続図。 本発明の第６の実施例を示す誘導加熱装置の加熱部分の概略図。 本発明の第７の実施例を示す誘導加熱装置の装置構成図。 従来の誘導加熱装置の加熱部分と温度特性を示す概略図。

符号の説明

１ 誘導加熱電源
２ 一次コイル
３ 磁心
４ 金属板
５ 二次コイル
６ 可変抵抗器
７ 遮断器
３１ 誘導起電圧発生部
３２ 一次磁束抑制部
３３ 一次磁束補強部
７１ 制御部
７２ センサ
７３ モータ
７４ 移動ギア

Claims (10)

1. 誘導加熱電源に接続され、磁心に装着された一次コイルと、前記一次コイルが発生する金属板の外側を通過する一次磁束の漏洩磁束により二次磁束を発生する複数個の二次コイルとを有し、前記金属板を加熱する誘導加熱装置であって、
   前記二次コイルは、前記金属板の外側において前記一次コイルと重なり前記一次磁束の漏洩磁束により誘導起電圧を発生するコイル部と、前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生するコイル部とが、交差して形成されるか、又は交差しないで形成されることにより１つのコイルとして形成され、
   前記一次磁束の漏洩磁束により発生した誘導起電圧による電流を前記金属板下に伝送し、前記交差して形成された場合は、前記一次磁束と同方向の前記二次磁束を発生し、前記交差しないで形成された場合は、前記一次磁束と逆方向の前記二次磁束を発生し、
   前記金属板の形状に応じて部分的に温度上昇させるか、又は部分的に温度降下させることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記二次コイルは、
   前記金属板の外側において前記一次コイルと重なり前記一次磁束の漏洩磁束により誘導起電圧を発生する誘導起電圧発生部のコイルと、前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生する一次磁束抑制部のコイルとが、交差しないで形成され、
   前記金属板の内側において前記一次コイルと重なり前記誘導起電圧により二次磁束を発生する一次磁束補強部のコイルと、前記一次磁束抑制部のコイルとが、交差して形成されることにより１つのコイルとして形成され、
   前記一次磁束の漏洩磁束により発生した誘導起電圧による電流を前記金属板下に伝送し、前記一次磁束と同方向及び逆方向の前記二次磁束を同時に発生し、前記金属板の形状に応じて、部分的に温度上昇及び温度降下させることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記二次コイルの巻き数は、一回以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記二次コイルが、磁心に装着されて成ることを特徴とする請求項１乃至３に記載の誘導加熱装置。
5. 前記二次コイルが、パイプ形状の導体で形成されて、該パイプ中に冷却液を循環させることを特徴とする請求項１乃至４に記載の誘導加熱装置。
6. 前記二次コイルに可変抵抗器及び又は遮断器を接続し、前記二次コイルに発生する誘導電流を制御し及び又は遮断することを特徴とする請求項１乃至５に記載の誘導加熱装置。
7. 前記一次コイルが、トランスバース方式により前記金属板の上下に配備され、前記二次コイルが、同様に前記金属板の上下に配備されることを特徴とする請求項１乃至６に記載の誘導加熱装置。
8. 前記金属板の上下に配備された対向する前記二次コイルが、それぞれ直列接続されることを特徴とする請求項７に記載の誘導加熱装置。
9. 前記一次コイルが磁心を有せず、前記二次コイルが前記一次コイルの内側に設置され、前記一次コイルと同一平面内に形成されることを特徴とする請求項１乃至７に記載の誘導加熱装置。
10. 前記二次コイルが移動ギアに着装され、前記金属板との位置を調整するため、モータ駆動により前記金属板の幅方向に可動することを特徴とする請求項１乃至９に記載の誘導加熱装置。

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