JP6789638B2 - 誘導加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、熱処理を行う板状部材を加熱する誘導加熱コイルに関する。

金属板等の板状部材は、誘導加熱コイルにより加熱して加工や表面処理を行うことがある。誘導加熱コイルの内部に配置された板状部材は、誘導加熱コイルに生じる磁場によって発生する誘導電流によって加熱される。板状部材においては誘導加熱コイルとの距離が近い部位ほど磁束の影響を受け易く誘導電流が高くなる。そのため、誘導加熱コイルとの距離が短い部位と長い部位とが混在する板状部材に対しては均一な加熱を行うことができない。

そこで、特許文献１に記載の誘導加熱装置では、金属板を誘導加熱するコイルとして１次コイルと、１次コイルと金属板との間に配置される２次コイルとを備えている。２次コイルは１次コイルの磁場により誘導電流が発生する。これにより、金属板は１次コイルに加えて２次コイルでも加熱されるようになり、金属板において面方向の温度差が軽減されるため、金属板に対して均一な加熱を行うことができる。

特開２００７−１２２９２４号公報

特許文献１の技術では、２次コイルの誘導電流は１次コイルの磁場によって発生する電流であるため、１次コイルを流れる電流よりも小さい。このため、金属板に対して２次コリルの加熱効率を高めるには、２次コイルと金属板とを近づけて配置することが好ましい。しかしながら、金属板は通常クランプ等によって保持されるため、２次コイルに対して金属板を近距離の適正位置に保持ことは容易ではない。
また、板厚の薄い金属板の場合には、誘導加熱された金属板が反って歪むことがある。

上記実情に鑑み、板状部材の熱処理に際し、歪みを抑制しつつ均一な加熱が行える誘導加熱コイルが望まれている。

本発明に係る誘導加熱コイルの特徴構成は、板状部材の熱処理を行うための誘導加熱コイルであって、前記板状部材を収容するための空間を内部に有し、通電により磁場を発生するコイルである第１導体と、前記空間内に全体が配置され、前記第１導体への通電により生じる１次磁場により誘導電流が流れる平板状の第２導体と、前記空間内において前記第２導体の一方の面に設けられた、絶縁性を有する複数の間隔保持部材と、を備え、前記板状部材の全体は、前記空間内において、複数の前記間隔保持部材を介して前記第２導体に支持され、前記板状部材は、前記１次磁場により誘導加熱されると共に、前記１次磁場により前記第２導体に生じた前記誘導電流から発生する２次磁場により誘導加熱される点にある。

第１導体と板状部材との間に第２導体が配置されることで、板状部材は第１導体に加えて第２導体によっても誘導加熱されて加熱量が増加する。ここで、第１導体のみで板状部材を加熱する場合には、板状部材と第１導体の各部との距離にばらつきが存在するため、板状部材の部位によって加熱状態が異なる。これに対して、第２導体を加えることで、板状部材に対する第１導体の影響が緩和されるため、板状部材に対して均一な加熱が可能になる。
第２導体には少なくとも何れか一方の面に絶縁性の間隔保持部材を有し、この間隔保持部材を介して板状部材が第２導体に当接して支持される。これにより、板状部材に対し第２導体を適正な間隔で配置することができるので、第２導体による板状部材の加熱効率を高めることができる。さらに、板状部材が第２導体によって支持されることで、板状部材の歪みの発生を抑制することができる。

本発明に係る誘導加熱コイルの他の特徴構成は、複数の前記間隔保持部材の夫々が、球体である点にある。

板状部材は、絶縁性の間隔保持部材を介して第２導体に支持された状態で誘導加熱される。このとき、加熱された板状部材から間隔保持部材に熱伝導が起こり、板状部材の加熱効率が低下することがある。そこで、本構成では、複数の間隔保持部材の夫々が球体である。これにより、板状部材と間隔保持部材との接触面積が少なくなり両者間の熱伝導が抑制される。その結果、誘導加熱コイルによる加熱効率の低下を抑制することができ、板状部材に対する均一な加熱状態を維持することができる。

本発明に係る誘導加熱コイルの他の特徴構成は、前記第２導体が２つあって、前記板状部材の両面に夫々対向して配置されており、複数の前記間隔保持部材は、２つの前記第２導体の夫々における前記板状部材に対向する側に設けられている点にある。

板状部材の両面に対して第２導体による誘導加熱を行うことでき、板状部材の両面において均一な加熱が可能になる。また、板状部材の両面に当接する第２導体によって板状部材が挟持されるため、板状部材１の反りをより少なくすることができる。

本発明に係る誘導加熱コイルの他の特徴構成は、前記第１導体が、前記板状部材の平面方向に沿って伸縮変形可能である点にある。

本構成の如く、第１導体が板状部材の平面方向に沿って伸縮変形可能であると、例えば第１導体が収縮状態のときは、第１導体の間隔が狭くなるため板状部材が全体的に加熱され、第１導体が伸長状態のときは、第１導体の間隔が広くなるため板状部材は部位によって加熱温度に高低が生じ易くなる。このように、第１導体が伸縮変形することで、板状部材に対する加熱温度分布を容易に制御することができ、板状部材をより均一に加熱することができる。
本発明に係る誘導加熱コイルの他の特徴構成は、前記第２導体の前記面に垂直な方向を回転軸芯として前記第２導体を回転させる回転装置を更に備える点にある。

第１実施形態の斜視図である。 第１実施形態の側断面図である。 第１実施形態の平面図である。 第２実施形態の側断面図である。 収縮状態の第１導体を示す図である。 伸長状態の第１導体を示す図である。 間隔保持部材の変形例である。 間隔保持部材の変形例である。 間隔保持部材の変形例である。 他の実施形態の斜視図である。 他の実施形態を示す図である。

以下に本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔第１実施形態〕
図１〜図３に示すように、誘導加熱コイル１０は、板状部材１を加熱する際に用いられ、第１導体１１と第２導体１２とを備える。第１導体１１は、加熱対象の板状部材１を収容可能な空間を有するコイルであり、誘導加熱電源（不図示）に接続されている。第２導体１２は、平板状に形成されており、例えば銅板によって構成されている。

第１導体１１の内部には板状部材１が配置され、第１導体１１と板状部材１との間に第２導体１２が配置される。第２導体１２と板状部材１とは、第１導体１１の内部に順に配置されるか、事前に重ねられた状態で第１導体１１の内部に配置される。

誘導加熱電源から第１導体１１に電流が流れると、第１導体１１に１次磁場が生じる。
この１次磁場によって板状部材１に誘導電流が流れ、板状部材１が加熱される。このとき、第２導体１２にも１次磁場による誘導電流が流れ、これに伴って第２導体１２に発生した２次磁場により板状部材１が誘導加熱される。

このように、第１導体１１に加えて第２導体１２によって板状部材１が誘導加熱されることで、板状部材１において誘導電流の局部的な偏りが是正されて、板状部材１に対する均一な加熱が可能になる。第２導体１２は、水冷式であり大電力を用いた加熱処理が可能である。なお、第２導体１２の冷却は、冷却効率の面から水冷式が好ましいが、水冷式以外の冷却方式を採用しても良い。

第２導体１２には、板状部材１の少なくとも何れか一方の面に当接することで板状部材１を支持する絶縁性の間隔保持部材１３が設けられている。間隔保持部材１３は、例えばセラミックボール等の球体であり、複数備えられている。間隔保持部材１３は第２導体１２の一方の面にねじ止めや接着等によって固着されている。間隔保持部材１３を構成する球体の夫々には、板状部材１の一方の面に対して点接触する当接部１４が備えられている。

第２導体１２が絶縁性の間隔保持部材１３を介して板状部材１を支持することで、板状部材１に対して第２導体１２を適正な間隔で配置することができる。これにより、第２導体１２によって板状部材１を確実に誘導加熱することができる。さらに、板状部材１が第２導体１２によって支持されることで、板状部材１の歪みの発生を抑制することができる。

板状部材１は、絶縁性の間隔保持部材１３を介して第２導体１２に支持された状態で誘導加熱される。このとき、加熱された板状部材１から間隔保持部材１３に熱伝導が起こり、板状部材１の加熱効率が低下することがある。そのため、本構成では、間隔保持部材１３が板状部材１に点接触する当接部１４を複数備えている。これにより、板状部材１と間隔保持部材１３との接触面積が少なくなり両者間の熱伝導が抑制される。その結果、誘導加熱コイル１０による加熱効率の低下を抑制することができ、板状部材１に対する均一な加熱状態を維持することができる。

第２導体１２は、回転装置２０に載置されている。第２導体１２及び板状部材１が回転装置２０の軸芯Ｘ周りに回転することで、第１導体１１と板状部材１との距離のばらつきが是正されるため、板状部材１に対する誘導加熱をより均一にすることができる。

〔第２実施形態〕
本実施形態では、図４に示すように、板状部材１の両面に第２導体１２が配置されている。第２導体１２には、板状部材１に対向する側に夫々間隔保持部材１３が設けられている。これにより、板状部材１は間隔保持部材１３を介して両側の第２導体１２，１２によって挟持される。板状部材１は、上方側に位置する第２導体１２の自重を受けて上下両側の第２導体１２，１２の間に保持される。なお、板状部材１の下方側に位置する第２導体１２は回転装置２０に支持されている。

本構成により、板状部材１の両面に対して第２導体１２による誘導加熱を行うことでき、板状部材１の両面において均一な加熱が可能になる。また、板状部材１の両面に当接する第２導体１２によって板状部材１が挟持されるため、板状部材１の反りをより少なくすることができる。

〔第２実施形態の変形例〕
板状部材１を挟持する第２導体１２、１２は、板状部材１に向けて一方又は双方が押圧付勢されていてもよい。図４では、第２導体１２の付勢部材が破線で示されており、バネ等の付勢部材によって板状部材１が押圧される。本構成により、第２導体１２による板状部材１の挟持力が高まるため、板状部材１の端部の反りをより効果的に抑制することができる。

〔他の実施形態〕
（１）図５及び図６に示すように、第１導体１１は、板状部材１の平面方向に沿って伸縮変形可能に構成されていてもよい。図５及び図６では、第２導体１２を省略して第１導体１１の伸縮状態を示している。第１導体１１には例えば伸縮変形させるための付勢機構や移動機構等が設けられている。

図５は第１導体１１のコイルが収縮した状態であり、コイルの間隔が狭いため板状部材１が全体的に加熱される。一方、図６は第１導体１１のコイルが伸長した状態であり、コイルの間隔が広くなるため板状部材１は部位によって加熱温度に高低が生じ易い。このように、第１導体１１が伸縮変形することで、板状部材１の平面方向における加熱温度分布を容易に制御することができる。これにより、板状部材１に対してその形状や加熱する部位に応じて効率よく誘導加熱することができる。

（２）上記の実施形態では、回転装置２０によって第２導体１２と板状部材１とを回転させる例を示したが、回転装置２０に代えて第２導体１２を回転させずに載置する支持体を設けて構成してもよい。

（３）上記の実施形態では、間隔保持部材１３を球体にした例を示したが、間隔保持部材１３の形状は球体に特定されない。間隔保持部材１３は、例えば図７に示すように、当接部１４が頂部となる山形形状でもよい。こうすると、板状部材１と接触する当接部１４の領域をより小さくすることができる。間隔保持部材１３は、図８に示すように、側面視において波形状に形成し、当接部１４が板状部材１に線接触するものでもよい。こうすると、板状部材１が間隔保持部材１３によって連続的に支持されるため、板状部材１を安定的に保持することができる。

（４）間隔保持部材１３は、図９に示すように、当接部１４を平坦にして板状部材１と面接触する構成でもよい。こうすると、板状部材１が間隔保持部材１３によって支持される面積が増大するため、板状部材１の単位面積当たりの荷重が小さくなる。これにより、板状部材１の表面に圧痕等が付加されるのを防止することができる。その他、間隔保持部材１３は、全体が角柱状や円柱状でもよい。

（５）上記実施形態では、板状部材１と第２導体１２とを回転装置２０に載置した状態で回転させて第１導体１１による加熱を均一にする例を示したが、回転装置２０に代えて、図１０に示すように、板状部材１と第２導体１２とを第１導体１１の内部に対して搬入及び搬出する搬送装置３０を備えてもよい。搬送装置３０と、上記実施形態で示した回転装置２０とを両方を備えて構成してもよい。

（６）上記実施形態では、誘導加熱コイル１０によって板状部材１の全体を加熱する例を示したが、誘導加熱コイル１０によって板状部材１の一部を加熱してもよい。
例えば、図１１に示すように、板状部材１において加熱部位に第２導体１２を対向配置し、非加熱部位には間隔保持部材１３を含む第２導体１２と同高さのマスク材１５を対向配置する。これにより、誘導加熱コイル１０によって板状部材１を部分加熱することができる。

（７）ケースの内部に誘導加熱コイル１０を収容し、ケースに窒素ガスを封入した密閉状態にして板状部材１を誘導加熱すると好適である。こうすると、ケース中に酸素が存在しないため、誘導加熱される板状部材１の酸化を防止することができる。

（８）上記実施形態では、板状の第２導体１２を用いた例を示したが、第２導体１２はコイルで形成してもよい。

本発明に係る誘導加熱コイルは、板状部材の熱処理等に広く用いることができる。

１ ：板状部材
１０ ：誘導加熱コイル
１１ ：第１導体
１２ ：第２導体
１３ ：間隔保持部材
１４ ：当接部
１５ ：マスク材
２０ ：回転テーブル

Claims (5)

1. 板状部材の熱処理を行うための誘導加熱コイルであって、
   前記板状部材を収容するための空間を内部に有し、通電により磁場を発生するコイルである第１導体と、
   前記空間内に全体が配置され、前記第１導体への通電により生じる１次磁場により誘導電流が流れる平板状の第２導体と、
   前記空間内において前記第２導体の一方の面に設けられた、絶縁性を有する複数の間隔保持部材と、を備え、
   前記板状部材の全体は、前記空間内において、複数の前記間隔保持部材を介して前記第２導体に支持され、
   前記板状部材は、前記１次磁場により誘導加熱されると共に、前記１次磁場により前記第２導体に生じた前記誘導電流から発生する２次磁場により誘導加熱される誘導加熱コイル。
2. 複数の前記間隔保持部材の夫々が、球体である請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 前記第２導体が２つあって、前記板状部材の両面に夫々対向して配置されており、
   複数の前記間隔保持部材は、２つの前記第２導体の夫々における前記板状部材に対向する側に設けられている請求項１又は２に記載の誘導加熱コイル。
4. 前記第１導体が、前記板状部材の平面方向に沿って伸縮変形可能である請求項１〜３の何れか一項に記載の誘導加熱コイル。
5. 前記第２導体の前記面に垂直な方向を回転軸芯として前記第２導体を回転させる回転装置を更に備える請求項１〜４の何れか一項に記載の誘導加熱コイル。

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