JP6010331B2 - 可撓性面状加熱ヒータ及びそれを用いた金属部材加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材、特に鋼板、鉄骨材、鋼管等を加熱するための可撓性面状加熱ヒータ及びそれを用いた金属部材加熱方法に関する。

鋼板、鉄骨材、鋼管等の金属部材に対して、溶接やガス切断などの加工を行うと、その熱により金属部材には局所的な残留応力及び材質硬化が生じる。この残留応力及び材質硬化を除去するために、金属部材局部の必要範囲を加熱処理している。その加熱処理には、大きく分けて電気抵抗加熱法と高周波誘導加熱法がある。
電気抵抗加熱法は、抵抗線を面状に配列したヒータを金属部材に巻き付け、抵抗線に電流を流すことによりジュール熱を発生させ、その輻射熱で金属部材を加熱する方法である。

高周波誘導加熱法としては、例えば特許文献１に開示された方法がある。
特許文献１には、被加熱体に断熱材を介して装着される加熱コイルと、加熱コイルに電流を印加する電流供給機とを備えて成る誘導加熱装置であって、耐熱性、難燃性および柔軟性を備えたベースシートと、平面上において巻回形成されベースシートの一方側表面に取り付けられ且つ可撓性を備えた加熱コイルと、ベースシートにおける他方側表面に取り付けられ且つ柔軟性を備えた断熱材とを具備し、耐熱性、難燃性、可撓性および柔軟性を備えたエラストマーにより、加熱コイルをベースシートの一方側表面に貼着するとともに、加熱コイルの外表面を上記エラストマーによって被覆し、断熱材をベースシートの他方側表面に耐熱性、柔軟性を備えた接着剤を用いて取り付けて成る可撓性を備えた加熱コイル装着ユニットを具備する誘導加熱装置が開示されている。

高周波誘導加熱と電気抵抗加熱を組み合わせた加熱方法として、特許文献２には、複数のセラミックリングが数珠状に取り付けられた電熱線を被加熱物である鋼管の外周に巻回して加熱コイルを形成し、加熱コイルの外側を断熱材で覆い、加熱コイルに高周波電流を流して、鋼管に生じる誘導電流による発熱および加熱コイルを流れる電流による加熱コイルの発熱からの輻射熱によって鋼管を昇温させる高周波加熱方法が開示されている。

特許第３９０７０７６号公報 特許第３５１０１６７号公報

上述した電気抵抗加熱方法では、通電することにより加熱したヒータの熱を主に輻射により被加熱物に伝達するため、被加熱物とヒータとの距離を一定に保てば被加熱物の温度分布が等しくなるような加熱ができる反面、輻射による伝熱であるため、被加熱物が温度上昇するのに時間が掛かるという問題がある。

前掲の特許文献１に開示された高周波誘導加熱方法では、加熱コイル自体は発熱せず、加熱コイルから発生する交番磁界が被加熱物（金属）に鎖交して、被加熱物内に高周波の渦電流が誘導され、この渦電流と被加熱物の固有抵抗とにより被加熱物内部にジュール熱が発生して被加熱物が加熱されるという加熱原理であるが、加熱コイルにより発生する磁界の分布は加熱コイル全体で均等にすることは困難であるため、均熱性に劣るという問題がある。

前掲の特許文献２に開示された加熱方法は、高周波誘導加熱と電気抵抗加熱を組み合わせて、両者の欠点を補うようにしたものであるが、複数のセラミックリングが数珠状に取り付けられた電熱線を被加熱物である鋼管の外周に巻回して加熱コイルを形成し、制御点は円周上１点のフィードバックコントロールしかできないため、鋼管の上下での温度差ができやすく、均熱性に劣るという問題がある。さらに、特許文献２の加熱方法では、電熱線に複数のセラミックリングを数珠状に連結しているため、電熱線を渦巻き状に巻いて平面状にすると可撓性に乏しい。そのため、被加熱物が鋼管の場合には一本の電熱線を手で巻き付けるしかなく、作業性、汎用性に乏しい。さらに、一本の電熱線を巻いて形成すると、制御点が１点であるため、被加熱物の温度分布を均等にしようとしても、局所的な温度制御ができないという問題がある。

そこで本発明は、可撓性があり、被加熱物全体の温度分布をほぼ均等に制御することが可能であり、さらに昇温時間を早くすることのできる可撓性面状加熱ヒータ及びそれを用いた金属部材加熱方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、２本の電熱線挿通孔が平行に設けられた耐熱性絶縁体からなる複数の扁平状碍子ブロックが千鳥状に平面配置され、前記各電熱線挿通孔に可撓性の電熱線を挿通するとともに、電熱線全体で角形渦巻きが形成されるようにした可撓性面状加熱ヒータである。このように扁平状碍子ブロックを配置して加熱ヒータを形成することにより、電熱線の挿通方向と直交する方向に可撓性となり、被加熱物の形状に沿わせて加熱ヒータを取り付けることができる。

本発明の第２の構成は、第１の構成の可撓性面状加熱ヒータを複数用いて被加熱物の表面に付着させ、前記可撓性面状加熱ヒータの電熱線に高周波電流を流して前記電熱線によるジュール熱と、当該電熱線から発生する交番磁界により被加熱物に誘導される高周波電流によるジュール熱によって、被加熱物を加熱することを特徴とする金属部材加熱方法である。この抵抗加熱と高周波加熱を組み合わせることにより、相乗効果で昇温速度を向上することができる。また、高周波誘導加熱装置の限界点である磁気変態点を超えた加熱も可能となる。

本発明の第３の構成は、第２の構成において、前記複数の可撓性面状加熱ヒータに流す高周波電流の電流値を個別に制御して、被加熱物の温度分布が均等になるように温度制御することを特徴とする。このように複数の加熱ヒータを個別に温度制御することにより、被加熱物の温度むらを解消し、均熱性を向上することができる。

本発明によれば、２本の電熱線挿通孔が平行に設けられた耐熱性絶縁体からなる複数の扁平状碍子ブロックが千鳥状に平面配置され、前記各電熱線挿通孔に可撓性の電熱線を挿通するとともに、電熱線全体で角形渦巻きが形成されるようにした可撓性面状加熱ヒータを用いることにより、被加熱物の外形に適合するように加熱ヒータを付着することができ、また複数の加熱ヒータを個別に温度制御することにより被加熱物全体の温度分布をほぼ均等に制御することができ、さらに電気抵抗加熱と高周波誘導加熱の双方が被加熱物に作用するため、昇温時間を早くすることができる。

本発明の実施の形態に係る可撓性面状加熱ヒータの平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 第１の扁平状碍子ブロックの形状を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の扁平状碍子ブロックの形状を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の扁平状碍子ブロックの形状を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本実施の形態の可撓性面状加熱ヒータを被加熱物である鋼管の表面に巻き付けた状態を示す斜視図である。 本発明の昇温特性を測定するために鋼板に取り付けた熱電対の位置を示す説明図である。 電気抵抗加熱装置を用いた従来型面状ヒータの加熱試験の温度チャートである。 電気抵抗加熱装置を用いた誘導型面状ヒータの加熱試験の温度チャートである。 高周波誘導加熱装置を用いた本発明の加熱ヒータの加熱試験の温度チャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて具体的に説明する。
図１〜図３に示すように、本実施の形態の可撓性面状加熱ヒータ（以下、単に「加熱ヒータ」と言うことがある。）１０は、２本の電熱線挿通孔１ａを平行に設けた耐熱性絶縁体からなる第１の扁平状碍子ブロック１が千鳥状に平面配置され、各電熱線挿通孔１ａに可撓性電熱線５を、加熱ヒータ１０全体で角形渦巻きとなるように挿通したものである。

第１の扁平状碍子ブロック１は、図４に示すように、電熱線挿通孔１ａのほかに、それと直交する方向に第２の電熱線挿通孔１ｂが設けられ、また対向する端面の一方に凸部１ｃ、他方に凹部１ｄが設けられている。さらに、別の対向する端面の一方は半円凸部１ｅ、他方は半円凹部１ｆとなっている。

第１の扁平状碍子ブロック１を複数、横方向と縦方向に凸部１ｃ、凹部１ｄ、または半円凸部１ｅ、半円凹部１ｆを接合させて千鳥状に配列するが、端部は、図５に示す、凸部のない第２の扁平状碍子ブロック２を連結する。第２の扁平状碍子ブロック２は、電熱線挿入孔２ａ，２ｂ、凹部２ｃ、半円凸部２ｄ、半円凹部２ｅを有している。

電熱線５の曲げ部には、図６に示す第３の扁平状碍子ブロック３を２枚、上下から挟んでネジ止め固定する。この第３の扁平状碍子ブロック３は、凹部３ａと、中心にネジ穴３ｂを有しており、凹部３ｃ、１／４円状凸部３ｄと１／４円状凹部３ｅを有している。

千鳥状に平面配置される第１の扁平状碍子ブロック１、第２の扁平状碍子ブロック２、第３の扁平状碍子ブロック３の端部における電熱線５は各扁平状碍子ブロック１，２，３では被覆されない部分が交互に現れるので、その部分は電熱線挿通孔４ａ付きの筒状碍子４で被覆する。

なお、扁平状碍子ブロック１、２、３と筒状碍子４は、耐熱性のセラミックで製作する。電熱線５は、単線ではなく小径の電線を撚った撚り線を用いることにより、可撓性を持たせることができる。

このように、加熱ヒータ１０を千鳥状に組み合わせた扁平状碍子ブロック１、２、３を用いて組み立てることにより、縦方向または横方向の両端部を丸める方向に曲げることができる。

図７は、鋼管Ｐに、２つの加熱ヒータ１０を上と下から半円形に曲げて取り付けた状態を示すものである。そして、各加熱ヒータ１０の電熱線５にそれぞれ高周波電流、例えば１ｋＨｚ、５０Ａの電流を流す。そうすると、電熱線５自体が発生するジュール熱と高周波誘導加熱により鋼管Ｐの表面に誘導される渦電流によるジュール熱の双方で鋼管Ｐは加熱される。２つの加熱ヒータ１０の発熱量が等しいと、熱の特性上、上部に伝わり易いので、鋼管Ｐの上部の方が下部よりも温度が高くなる傾向がある。そこで、下の方の加熱ヒータ１０の温度設定を高くすることにより、鋼管Ｐの全体の温度分布を均等にすることができる。

次に、本発明による電気抵抗加熱と高周波誘導加熱を組み合わせた加熱による昇温時間を、電気抵抗加熱単独、高周波誘導加熱単独の場合と比較した実験例を示す。
この実験では、被加熱物を鋼板として測定した。

施工物材質 炭素鋼
施工物寸法 ２３０Ｗ×５００Ｌ×６ｔ

（１）比較例：電気抵抗加熱方式の面状ヒータ
ヒータ全長：７３００ｍｍ
ヒータ寸法：３００ｍｍ×３００ｍｍ
面積：０．１ｍ²
ヒータ容量：２．０７ｋＷ（５０Ａとして）
ヒータ線材料：Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ線またはＮｉＣｒ線 φ３．５

（２）比較例：電気抵抗加熱方式の渦巻き型ヒータ

（３）本発明実施例：高周波加熱方式の渦巻き型ヒータ

図８に、熱電対取付け位置を示す。（１）〜（３）のどの加熱方式も鉄板の上にシリカクロスを敷き、ヒータを載せ、断熱材で覆った。
図８のＰ１〜Ｐ５の位置に、熱電対番号１〜５を設置した。制御点は熱電対１が設置されたＰ１の位置とする。

いずれの加熱試験もそれぞれ電流を出力１００％（５０Ａに設定）で流した場合に、被加熱物の昇温目標温度である６５０℃までの昇温速度の比較を行う。

実験結果
（１）電気抵抗加熱装置を用いた面状ヒータ従来型の加熱
図９に示すように、目標温度に達するまで４５分ほどかかり、各測定点の温度は、制御点−７０℃内に入っていた。昇温速度は、１０００℃／ｈ（１００℃から５００℃の間で計算）であった。

（２）電気抵抗加熱装置を用いた面状加熱ヒータ誘導型（渦巻き型）の加熱
図１０に示すように、目標温度に達するまで４５分ほどかかり、目標温度に達するまでの昇温時間については従来型とほぼ同じ結果になった。各測定点の温度は、制御点−５０℃から＋２０℃内に入っていた。昇温速度は、従来型と同じ１１１１℃／ｈ（１００℃から５００℃の間で計算）であった。

（３）高周波誘導加熱装置を用いた面状加熱ヒータ誘導型（渦巻き型）の加熱
図１１に示すように、目標温度に達するまで２２分ほどかかった。上記実験のいずれよりも早い時間で目標温度まで達した。各測定点の温度は、制御点±６０℃内に入っていて、上記２つの実験に比べるとばらついていた。昇温速度は、１７３９℃／ｈ（１００℃から５００℃の間で計算）で上記２つの実験と比べるとかなり早く目標温度まで昇温可能であることが分かった。

上記３つの実験のいずれにおいても、熱電対Ｎｏ，５の温度が低かった理由は、熱電対Ｎｏ．５が鉄板の長辺方向に並んでいる他の測定点（熱電対Ｎｏ．１、熱電対Ｎｏ．４）より外側に位置しているため、熱伝導により温度が奪われたためであると考えられる。

本発明は、被加熱物の外形に適合するように加熱ヒータを付着することができ、また複数の加熱ヒータを個別に温度制御することにより被加熱物全体の温度分布をほぼ均等に制御することができ、さらに昇温時間を早くすることができる可撓性面状加熱ヒータ及び金属部材加熱方法として、鋼板、鉄骨材、鋼管等の熱処理の分野に好適に利用することができる。

１ 第１の扁平状碍子ブロック
１ａ 電熱線挿通孔
１ｂ 第２の電熱線挿通孔
１ｃ 凸部
１ｄ 凹部
１ｅ 半円凸部
１ｆ 半円凹部
２ 第２の扁平状碍子ブロック
２ａ，２ｂ 電熱線挿入孔
２ｃ 凹部
２ｄ 半円凸部
２ｅ 半円凹部
３ 第３の扁平状碍子ブロック
３ａ 凹部
３ｂ ネジ穴
３ｃ 凹部
３ｄ １／４円状凸部
３ｅ １／４円状凹部
４ 筒状碍子
４ａ 電熱線挿通孔
５ 電熱線
１０ 加熱ヒータ
Ｐ 鋼管

Claims (3)

1. ２本の電熱線挿通孔が平行に設けられているとともに、前記電熱線挿通孔と直交する方向に２本の第２の電熱線挿通孔が設けられた耐熱性絶縁体からなる複数の扁平状碍子ブロックが千鳥状に平面配置され、可撓性の電熱線が、前記電熱線の曲げ部ごとに、前記各電熱線挿通孔と前記第２の電熱線挿通孔とを交互に挿通することで、電熱線全体で角形渦巻きが形成されるようにした可撓性面状加熱ヒータ。
2. 請求項１記載の可撓性面状加熱ヒータを複数用いて被加熱物の表面に付着させ、前記可撓性面状加熱ヒータの電熱線に高周波電流を流して前記電熱線によるジュール熱と、当該電熱線から発生する交番磁界により被加熱物に誘導される高周波電流によるジュール熱によって、被加熱物を加熱することを特徴とする金属部材加熱方法。
3. 前記複数の可撓性面状加熱ヒータに流す高周波電流の電流値を個別に制御して、被加熱物の温度分布が均等になるように温度制御することを特徴とする請求項２記載の金属部材加熱方法。