(57)【要約】【課題】冷媒流路の流路抵抗を低減して冷媒流量を増大させ、コイル全体を従来よりも低温に冷却でき、これにより、熱疲労の蓄積、ロウ付け部の溶融、及び電気抵抗の上昇を効果的に低減することができる誘導加熱コイルとその製造方法を提供する。【解決手段】被処理物１を誘導加熱するためのコイル部１０と、コイル部１０に電力を供給するための電力供給部５０とを備える。コイル部１０は、冷媒流路２０と、焼入剤流路２２と、複数の噴射流路２４とを有する。冷媒流路２０は、環状であり、コイル部１０の半径方向内側に配置され、被処理物１を囲んで冷媒３を流す。焼入剤流路２２は、環状であり、コイル部内の半径方向外側に配置され、冷媒流路２０を囲んで焼入剤４を流す。複数の噴射流路２４は、冷媒流路２０を半径方向に貫通し、焼入剤流路２２とコイル部１０の内面１０ａとの間を連通する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を誘導加熱するためのコイル部と、
前記コイル部に電力を供給するための電力供給部と、を備え、
前記コイル部は、その半径方向内側に配置され、前記被処理物を囲んで冷媒を流す環状の冷媒流路と、
前記コイル部内の半径方向外側に配置され、前記冷媒流路を囲んで焼入剤を流す環状の焼入剤流路と、
前記冷媒流路を半径方向に貫通し、前記焼入剤流路と前記コイル部の内面との間を連通する複数の噴射流路と、を有する、誘導加熱コイル。
【請求項２】
前記コイル部は、前記冷媒流路と前記噴射流路を有する中空筒形の内部構造部と、
前記内部構造部の外周面に接合され、その間に前記焼入剤流路を形成する中空筒形の外周部材と、
前記内部構造部に接合され、その間に前記冷媒流路を形成する側板と、を有する、請求項１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項３】
前記内部構造部は、前記被処理物に対向してこれを囲む中空筒状の内側リング部と、
前記外周部材の内面に接合される中空筒状の外側リング部と、
前記内側リング部と前記外側リング部を周方向に間隔を隔てて連結し、その内側に前記噴射流路を有する複数のスポーク部と、を有し、
前記スポーク部は、前記冷媒流路の冷媒内を半径方向に貫通する、請求項２に記載の誘導加熱コイル。
【請求項４】
前記内部構造部、前記外周部材、及び前記側板は、それぞれ一体成形された純銅又は銅合金からなる、請求項２に記載の誘導加熱コイル。
【請求項５】
前記噴射流路が前記スポーク部の内部で分岐する、請求項３に記載の誘導加熱コイル。
【請求項６】
前記内側リング部の内部に中空チャンバを有し、前記内側リング部の内面に前記噴射流路より小径の噴射口を有する、請求項３に記載の誘導加熱コイル。
【請求項７】
請求項１に記載の誘導加熱コイルの製造方法であって、
前記冷媒流路と前記噴射流路を有する中空筒形の内部構造部を、金属積層造形法を用いて一体成形し、
中空筒形の外周部材を前記内部構造部の外周面に接合して、その間に前記焼入剤流路を形成し、
側板を前記内部構造部に接合して、その間に前記冷媒流路を形成する、誘導加熱コイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱コイルに係り、さらに詳しくは、定置一発焼入れ用の誘導加熱コイルとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱コイルは、電磁誘導原理により金属部品を高周波焼入するために用いられる。
また、「定置一発焼入れ」とは、高周波焼入の対象物（金属部品）を定められた位置に固定し、定位置において対象物を加熱し、かつ同じ位置で対象物を急冷して焼入れする金属硬化処理方法である。
定置一発焼入れ用の誘導加熱コイルは、定位置において連続した高周波加熱と焼入剤の噴射による急冷を実施可能な多機能部品である。しかし、かかる誘導加熱コイルは、構造が複雑となり製造が困難である。
そこで、金属積層造形法を用いた誘導加熱コイルとその製造方法が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の「誘導加熱コイル」は、被処理物を誘導加熱するためのコイル部と、コイル部に電力を供給するための電力供給部と、電力供給部内およびコイル部内に配置されコイル部に冷媒を供給するための冷媒流路と、を備える。コイル部、電力供給部、および冷媒流路は、金属積層造形法を用いて形成されている。また、冷媒流路は、コイル部に形成されたコイル部側通路を含み、コイル部側通路は起伏部を有し、起伏部はコイル部の周方向に沿って進むに従い、コイル部の厚み方向に起伏するように延びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２１９２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
定置一発焼入れ用の誘導加熱コイル（以下、コイル）を用いた高周波焼入処理は、一般的に数秒〜数十秒の加熱冷却サイクルを繰り返す。この加熱冷却サイクルによりコイルは、熱膨張と熱収縮の繰り返しにより、以下の問題が発生する。
（１）熱膨張と熱収縮の繰り返しによる熱疲労の蓄積
（２）ロウ付け部の溶融による破損
（３）電気抵抗の上昇による効率低下
【０００６】
上述した特許文献１の誘導加熱コイルは、ロウ付け部の溶融による破損を防止するため、全体が金属積層造形法を用いて形成されている。しかし、コイル部に形成された冷媒流路の起伏部がコイル部の周方向に沿って厚み方向に起伏するように延びているため、起伏部流路の断面積が小さく、冷媒流路の流路抵抗が大きく、冷媒流量が不足する。
そのため、コイル部の冷却が不足してコイル部が例えば７０℃以上に過熱され、熱疲労の蓄積と、電気抵抗の増加による効率低下の回避が困難であった。
【０００７】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、冷媒流路の流路抵抗を低減して冷媒流量を増大させ、コイル全体を従来よりも低温（例えば５０℃以下）に冷却できる誘導加熱コイルとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、被処理物を誘導加熱するためのコイル部と、
前記コイル部に電力を供給するための電力供給部と、を備え、
前記コイル部は、その半径方向内側に配置され、前記被処理物を囲んで冷媒を流す環状の冷媒流路と、
前記コイル部内の半径方向外側に配置され、前記冷媒流路を囲んで焼入剤を流す環状の焼入剤流路と、
前記冷媒流路を半径方向に貫通し、前記焼入剤流路と前記コイル部の内面との間を連通する複数の噴射流路と、を有する、誘導加熱コイルが提供される。
【０００９】
また本発明によれば、上記の誘導加熱コイルの製造方法であって、
前記冷媒流路と前記噴射流路を有する中空筒形の内部構造部を、金属積層造形法を用いて一体成形し、
中空筒形の外周部材を前記内部構造部の外周面に接合して、その間に前記焼入剤流路を形成し、
側板を前記内部構造部に接合して、その間に前記冷媒流路を形成する、誘導加熱コイルの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、コイル部の半径方向内側に配置され、冷媒を被処理物を囲んで流す環状の冷媒流路を備えるので、冷媒流路の断面積を大きく設定して冷媒流路の流路抵抗を大幅に低減できる。
【００１１】
また、複数の噴射流路が、環状の冷媒流路を半径方向に貫通し、半径方向外側に配置された焼入剤流路とコイル部の内面との間を連通するので、冷媒流路内の冷媒により噴射流路を常に冷媒に近い温度まで冷却することができる。
【００１２】
従って、本発明の構成により、冷媒流量を増大させ、コイル全体を従来よりも低温（例えば５０℃以下）に冷却でき、これにより、熱疲労の蓄積、ロウ付け部の溶融、及び電気抵抗の上昇を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による誘導加熱コイルの全体斜視図である。
【図２】誘導加熱コイルの平面図（Ａ）とそのＢ−Ｂ矢視図（Ｂ）である。
【図３】図２のＣ−Ｃ断面図（Ａ）とＤ−Ｏ−Ｄ断面図（Ｂ）である。
【図４】図３（Ｂ）の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明による誘導加熱コイル１００の全体斜視図である。
この図において、誘導加熱コイル１００は、被処理物１を誘導加熱するためのコイル部１０と、コイル部１０に電力を供給するための電力供給部５０とを備える。
【００１６】
被処理物１は、好ましくはコイル部１０の中心軸に対し、この例では実質的に同心に位置する円筒形の金属部材であるが、その他の形状（例えば多角形）であってもよい。
【００１７】
コイル部１０は、その一部に半径方向（Ｚ軸に直交するＸ方向）に延びるスリット溝１１を有する中空筒形部材（この例では中空円筒形部材）である。コイル部１０は、この例で円筒形の内面１０ａ、円筒形の外面１０ｂ、及び軸方向の側面１０ｃ，１０ｄを有する。
内面１０ａと外面１０ｂは、好ましくは同心に構成されている。また、側面１０ｃ，１０ｄは、好ましくはＺ軸に直交し、互いに平行に位置する。
【００１８】
コイル部１０は、さらにスリット溝１１を間に挟んでＸ方向に延びる１対の電力導入部１２を有する。電力導入部１２のＸ方向外端部は、１対の電力供給部５０にそれぞれ連結されている。なお、電力導入部１２と電力供給部５０の連結部２は、連結部材（例えば、ボルトとナット）又はロウ付け等で強固に連結され、その間の電気抵抗が実質的に母材と同等程度に低くなっている。
【００１９】
１対の電力供給部５０には、それぞれボルト穴５１が設けられている。このボルト穴５１は、図示しない高周波電源の１対の端子と連結するために用いられる。
【００２０】
上述した構成により、高周波電源から１対の電力供給部５０を介してコイル部１０に、図に矢印５で示すように、高周波電流Ｉを流し、被処理物１を誘導加熱することができる。
【００２１】
図２は、誘導加熱コイル１００の平面図（Ａ）とそのＢ−Ｂ矢視図（Ｂ）である。
【００２２】
この図において、コイル部１０の１対の電力導入部１２には、冷媒流入口１２ａと冷媒流出口１２ｂがそれぞれ設けられている。冷媒流入口１２ａと冷媒流出口１２ｂは、電力導入部１２及びコイル部１０の内部で連通している。
この構成により、冷媒流入口１２ａから冷媒３を供給し、電力導入部１２及びコイル部１０を冷却して加熱された冷媒３を、冷媒流出口１２ｂから外部に排出することができる。冷媒３は、例えば冷却水であるが、その他の液体であってもよい。
【００２３】
図１と図２において、コイル部１０の外面１０ｂには、焼入剤供給口１３が複数設けられている。この例で、Ｙ方向に対向して１対の焼入剤供給口１３が設けられているが、１以上であってもよい。
【００２４】
また、コイル部１０の内面１０ａには、複数の噴射口１４が設けられている。
さらに、焼入剤供給口１３と噴射口１４は、コイル部１０の内部で連通しており、かつ冷媒３とは図示しない隔壁で分離されている。
この構成により、焼入剤供給口１３から焼入剤４を供給し、噴射口１４から誘導加熱された被処理物１の外面に向けて焼入剤４を内側に噴射することで、被処理物１を焼入れすることができる。焼入剤４は、例えば水、エマルジョン水、又は油であるが、その他の液体であってもよい。
【００２５】
図３は、図２のＣ−Ｃ断面図（Ａ）とＤ−Ｏ−Ｄ断面図（Ｂ）である。
この図において、コイル部１０は、冷媒流路２０、焼入剤流路２２、及び複数の噴射流路２４を有する。
【００２６】
冷媒流路２０は、環状（この例では円環状）であり、コイル部１０の半径方向内側に配置され、被処理物１を囲んで冷媒３を流すようになっている。
この例で冷媒流路２０の円環は、スリット溝１１の部分で周方向に分離されており、分離された周方向端部は、電力導入部１２の内部に設けられた１対の端部流路２１を介して冷媒流入口１２ａ及び冷媒流出口１２ｂと連通している。
この構成により、冷媒流入口１２ａから冷媒３を供給し、電力導入部１２及びコイル部１０を冷却して加熱された冷媒３を、冷媒流出口１２ｂから外部に排出することができる。
【００２７】
また、冷媒流路２０及び端部流路２１の断面形状は、それぞれ実質的に単一の矩形であり、流路抵抗を小さくするように大きく設定されている。この構成により、冷媒流路２０の流路抵抗を大幅に低減できる。
【００２８】
焼入剤流路２２は、環状（この例では円環状）であり、コイル部内の半径方向外側に配置され、冷媒流路２０を囲んで焼入剤４を流すようになっている。
この例で焼入剤流路２２の円環は、スリット溝１１の部分で周方向に分離されている。また焼入剤流路２２は、複数（この例で１対）の焼入剤供給口１３と連通している。
この構成により、スリット溝１１の部分を除く冷媒流路２０の半径方向外側の全体を焼入剤流路２２が実質的に均等に囲んでおり、かつ焼入剤流路２２の全体に実質的に動圧の焼入剤４を供給することができる。
【００２９】
複数の噴射流路２４は、冷媒流路２０を半径方向に貫通し、焼入剤流路２２とコイル部１０の内面１０ａとの間を連通する。噴射口１４は、噴射流路２４の内面１０ａにおける開口である。
この例で複数の噴射口１４が、コイル部１０の内面１０ａに実質的に均等に配置されている。
上述した構成により、焼入剤供給口１３から焼入剤４を供給し、誘導加熱された被処理物１の外面に向けて噴射流路２４の内端（すなわち噴射口１４）から焼入剤４を内側に噴射することができる。
【００３０】
図３において、コイル部１０は、内部構造部３０、外周部材３２、１対の側板３４からなる。
【００３１】
内部構造部３０は、中空筒形（この例では中空円筒形）であり、冷媒流路２０と噴射流路２４を有する。内部構造部３０の詳細は後述する。
【００３２】
外周部材３２は、中空筒形（この例では中空円筒形）であり、内部構造部３０の外周面に接合され、内部構造部３０との間に焼入剤流路２２を形成する。
１対の側板３４は、内部構造部３０に接合され、その間に冷媒流路２０を形成する。
外周部材３２と内部構造部３０との接合、及び側板３４と内部構造部３０との接合は、好ましくはロウ付けによるのがよい。またこの場合、ロウ付け材は、好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは１００℃以上の耐熱性能を有するものを使用する。
【００３３】
この例で、内部構造部３０は、内側リング部３０ａ、外側リング部３０ｂ、及び複数のスポーク部３０ｃを有する。
内側リング部３０ａは中空筒状（この例では中空円筒状）であり、その内面が被処理物１に対向してこれを囲む。
外側リング部３０ｂは中空筒状（この例では中空円筒状）であり、その外周面が外周部材３２の内面に接合され、外周部材３２との間に焼入剤流路２２を形成する。
複数のスポーク部３０ｃは、内側リング部３０ａと外側リング部３０ｂを周方向に間隔を隔てて連結し、その内側に噴射流路２４を有する。スポーク部３０ｃは、冷媒流路２０の冷媒内を半径方向に貫通する。
【００３４】
この例で、内部構造部３０は、金属積層造形法を用いて一体成形されている。
【００３５】
また、内部構造部３０、外周部材３２、及び側板３４は、それぞれ一体成形された純銅又は銅合金からなる。
この構成により、コイル部全体の電気抵抗を低減することができる。
【００３６】
図３（Ｂ）において、スポーク部３０ｃは、その内側に噴射流路２４を有する限りで、その周囲を冷媒３が低抵抗で流れるように、断面積が小さく設定されている。
なお、スポーク部３０ｃは、この例ではそれぞれ単一の噴射流路２４を有する円管である。しかし、単一のスポーク部３０ｃが複数の噴射流路２４を有してもよい。
【００３７】
図４は、図３（Ｂ）の別の実施形態を示す図である。
図３の例では、噴射流路２４は半径方向に延びる直線流路であるが、図４（Ａ）に示すように、スポーク部３０ｃの内部で分岐してもよい。
例えば、１本の噴射流路２４を内部で２本に分岐し、焼入剤流路２２に１本の噴射流路２４が連通し、コイル部１０の内面１０ａに２本の噴射流路２４が連通するようにしてもよい。
さらに、例えば、２本の噴射流路２４を内部で３本に分岐し、焼入剤流路２２に２本の噴射流路２４が連通し、コイル部１０の内面１０ａに３本の噴射流路２４が連通するようにしてもよい。
【００３８】
また、図４（Ｂ）に示すように、内側リング部３０ａの内部に中空チャンバ３５を有し、内側リング部３０ａの内面１０ａに噴射流路２４より小径の多数の噴射口１４を均等に設けてもよい。この場合、スポーク部３０ｃの噴射流路２４の断面積を相対的に大きく設定して必要数を減らし、内面１０ａの噴射口１４の断面積は均等に噴射するように相対的に小さく設定するのがよい。
【００３９】
本発明による誘導加熱コイル１００の製造方法は、Ｓ１〜Ｓ３のステップ（工程）からなる。
【００４０】
ステップＳ１では、冷媒流路２０と噴射流路２４を有する中空筒形の内部構造部３０を、金属積層造形法を用いて一体成形する。内部構造部３０の素材には、純銅又は銅合金を用いる。
並行して、外周部材３２と側板３４を、純銅又は銅合金を用いて一体成形する。外周部材３２と側板３４の製造は、金属積層造形法に限定されず、その他の加工方法（例えば機械加工）であってもよい。
【００４１】
ステップＳ２では、中空筒形の外周部材３２を内部構造部３０の外周面に接合して、その間に焼入剤流路２２を形成する。
ステップＳ３では、側板３４を内部構造部３０に接合して、その間に冷媒流路２０を形成する。
【００４２】
ステップＳ２，Ｓ３における接合は、好ましくはロウ付けによるのがよい。またこの場合、ロウ付け材は、好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは１００℃以上の耐熱性能を有するものを使用する。
なおステップＳ２，Ｓ３の順序は逆でもよい。
また内部構造部３０、外周部材３２、及び側板３４を金属積層造形法を用いて一体で加工してもよい。
【実施例】
【００４３】
上述した誘導加熱コイルについて、シミュレーションを実施した。
（シミュレーション条件）
コイル部１０の寸法：内径３４ｍｍ、外形７６ｍｍ、厚さ１６ｍｍ
材質：純銅
被処理物１の放射率０．２、周囲温度９５０℃
コイル部外面の熱伝達率２０Ｗ／ｍ２Ｋ、周囲温度３０℃
コイル部内部の熱伝達率３００Ｗ／ｍ２Ｋ、
【００４４】
（シミュレーション結果）
特許文献１の誘導加熱コイルの場合、同一条件において、コイル部表面の最高温度７１．７℃、最低温度７１．１℃であった。
また、本発明の誘導加熱コイル１００の場合、同一条件において、コイル部表面の最高温度３６．５℃、最低温度３５．７℃であった。
【００４５】
特許文献１の誘導加熱コイルは、コイル部に形成された冷媒流路の起伏部がコイル部の周方向に沿って厚み方向に起伏するように延びているため、起伏部の断面積が小さく、冷媒流路の流路抵抗が大きく、冷媒流量が不足する。
そのため、コイル部の冷却が不足してコイル部が例えば７０℃以上に過熱されたと判断することができる。
【００４６】
これに対し、本発明の誘導加熱コイル１００は、コイル部１０の半径方向内側に配置され、被処理物１を囲んで冷媒３を流す環状の冷媒流路２０を備える。従って、冷媒流路２０の断面積を大きく設定して冷媒流路２０の流路抵抗を大幅に低減できるので、冷媒流量を増大させ、コイル全体を従来よりも低温（例えば５０℃以下）に冷却できたと判断することができる。
【００４７】
上述した本発明の実施形態によれば、コイル部１０の半径方向内側に配置され、冷媒３を被処理物１を囲んで流す環状の冷媒流路２０を備えるので、冷媒流路２０の断面積を大きく設定して冷媒流路２０の流路抵抗を大幅に低減できる。
【００４８】
また、複数の噴射流路２４が、環状の冷媒流路２０を半径方向に貫通し、半径方向外側に配置された焼入剤流路２２とコイル部１０の内面１０ａとの間を連通するので、冷媒流路内の冷媒３により噴射流路２４を常に冷媒３に近い温度まで冷却することができる。
【００４９】
従って、本発明の構成により、冷媒流量を増大させ、コイル全体を従来よりも低温（例えば５０℃以下）に冷却でき、これにより、熱疲労の蓄積、ロウ付け部の溶融、及び電気抵抗の上昇を効果的に低減することができる。
【００５０】
なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５１】
１  被処理物、２  連結部、３  冷媒、４  焼入剤、１０  コイル部、
１０ａ  内面、１０ｂ  外面、１０ｃ，１０ｄ  側面、１１  スリット溝、
１２  電力導入部、１２ａ  冷媒流入口、１２ｂ  冷媒流出口、
１３  焼入剤供給口、１４  噴射口、２０  冷媒流路、２１  端部流路、
２２  焼入剤流路、２４  噴射流路、３０  内部構造部、
３０ａ  内側リング部、３０ｂ  外側リング部、３０ｃ  スポーク部、
３２  外周部材、３４  側板、３５  中空チャンバ、
５０  電力供給部、５１  ボルト穴、１００  誘導加熱コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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