(57)【要約】【課題】誘導加熱されているワークの表面温度の実測値が異常であることを判定できる温度異常判定装置を提供する。【解決手段】誘導加熱制御装置１‐１は、温度異常判定装置の機能を有し、誘導加熱されているワークＷの表面温度の実測値を取得するＩＦ部１２と、誘導加熱されているワークＷの表面温度の解析値を求める解析部１１２と、実測値と解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、実測値が異常と判定する判定部１１３と、を備える。【選択図】図１
2020161493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱されているワークの表面温度の実測値を取得する取得部と、
前記誘導加熱されている前記ワークの前記表面温度の解析値を求める解析部と、
前記実測値と前記解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、前記実測値が異常と判定する判定部と、
を備える、温度異常判定装置。
【請求項２】
前記解析部は、前記誘導加熱されている前記ワークにおける磁場と伝熱の連成解析を用いて、前記解析値を求める、請求項１に記載の温度異常判定装置。
【請求項３】
前記解析部は、磁場及び温度が前記ワークの径方向で変化し、前記ワークの軸方向で一定となる条件を満たす、前記ワークの箇所を前記連成解析の対象とし、前記ワークの径方向における一次元の磁場と伝熱の前記連成解析を用いて、前記解析値を求める、請求項２に記載の温度異常判定装置。
【請求項４】
前記誘導加熱におけるコイル電流の実測値または前記誘導加熱における前記ワークの前記表面温度の前記実測値をパラメータとし、前記誘導加熱における前記ワークの内部の発熱量を示す発熱項と、前記パラメータとの関係を示すデータを予め記憶する記憶部をさらに備え、
前記解析部は、
前記誘導加熱中に取得された前記パラメータと対応する前記発熱項を前記データから取得し、
前記誘導加熱における前記ワークの表面から内部への温度分布を求めることができる式に、取得した前記発熱項を当てはめ、前記式を用いて、前記表面温度の前記解析値を求める、請求項１に記載の温度異常判定装置。
【請求項５】
前記表面温度の前記実測値が異常と判定されたとき、報知する報知部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度異常判定装置。
【請求項６】
誘導加熱されているワークの表面温度の実測値を取得する取得工程と、
前記誘導加熱されている前記ワークの前記表面温度の解析値を求める解析工程と、
前記実測値と前記解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、前記実測値が異常と判定する判定工程と、
を備える、温度異常判定方法。
【請求項７】
前記解析工程は、前記誘導加熱されている前記ワークにおける磁場と伝熱の連成解析を用いて、前記解析値を求める、請求項６に記載の温度異常判定方法。
【請求項８】
前記解析工程は、磁場及び温度が前記ワークの径方向で変化し、前記ワークの軸方向で一定となる条件を満たす、前記ワークの箇所を前記連成解析の対象とし、前記ワークの径方向における一次元の磁場と伝熱の前記連成解析を用いて、前記解析値を求める、請求項７に記載の温度異常判定方法。
【請求項９】
前記誘導加熱におけるコイル電流の実測値または前記誘導加熱における前記ワークの前記表面温度の前記実測値をパラメータとし、前記誘導加熱における前記ワークの内部の発熱量を示す発熱項と、前記パラメータとの関係を示すデータを予め準備する準備工程をさらに備え、
前記解析工程は、
前記誘導加熱中に取得された前記パラメータと対応する前記発熱項を前記データから取得し、
前記誘導加熱における前記ワークの表面から内部への温度分布を求めることができる式に、取得した前記発熱項を当てはめ、前記式を用いて、前記表面温度の前記解析値を求める、請求項６に記載の温度異常判定方法。
【請求項１０】
前記表面温度の前記実測値が異常と判定されたとき、報知する報知工程をさらに備える、請求項６〜９のいずれか一項に記載の温度異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱されるワークの表面温度を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱の用途の一つとして、金属の型鍛造がある。型鍛造の前にワーク（金属）が誘導加熱される。誘導加熱中、ワークの表面温度が所定範囲（例えば、１０００℃〜１３００℃）に制御される。ワークの表面温度が所定範囲より低くなると、型鍛造においてワークへのプレス荷重が大きくなり、この結果、型が損傷するおそれがある。ワークの表面温度が所定範囲を超えると、ワークの結晶粒が肥大化することにより、ワークの品質が劣化するおそれがある（ワークの品質劣化は、ワークが疲労破壊する原因となる）。
【０００３】
誘導加熱されるワークの表面温度を監視する技術として、例えば、特許文献１に開示された誘導加熱方法がある。この方法は、加熱すべき物体が、加熱中に１個または数個の熱記録カメラによって監視され、加熱は、前記物体について所望の温度条件が得られるまで加熱パラメータ或いは加熱条件を調整することにより制御されることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００２−５３２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワークの表面温度の測定には、通常、非接触温度センサが用いられる。測定された表面温度（表面温度の実測値）が異常であると、ワークの表面温度が上記所定範囲を外れるおそれがある。異常は、例えば、ワークの表面に発生した酸化スケール等や非接触温度センサの故障により発生する。ワークの表面に酸化スケール等が発生すると、実際の温度より低い温度が測定される。非接触温度センサが故障すると、実際の温度より低い温度または高い温度が測定される。
【０００６】
本発明の目的は、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値が異常であることを判定できる温度異常判定装置および温度異常判定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１局面に係る温度異常判定装置は、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値を取得する取得部と、前記誘導加熱されている前記ワークの前記表面温度の解析値を求める解析部と、前記実測値と前記解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、前記実測値が異常と判定する判定部と、を備える。
【０００８】
本発明の第２局面に係る温度異常判定方法は、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値を取得する取得工程と、前記誘導加熱されている前記ワークの前記表面温度の解析値を求める解析工程と、前記実測値と前記解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、前記実測値が異常と判定する判定工程と、を備える。
【０００９】
本発明者らは、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値が異常であれば、この値と誘導加熱されているワークの表面温度の解析値との差が大きくなる点に着目して、本発明の第１局面に係る温度異常判定装置および本発明の第２局面に係る温度異常判定方法を創作した。これらによれば、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値と解析値との差が予め定められた範囲内でないとき、実測値を異常と判定するので、ワークの表面温度の実測値が異常であることを判定することができる。
【００１０】
上記構成において、前記解析部は、前記誘導加熱されている前記ワークにおける磁場と伝熱の連成解析を用いて、前記解析値を求める。また、上記構成において、前記解析工程は、前記誘導加熱されている前記ワークにおける磁場と伝熱の連成解析を用いて、前記解析値を求める。
【００１１】
これらの構成は、誘導加熱されているワークの表面温度の解析値を求める手法の一例である。
【００１２】
上記構成において、前記解析部は、磁場及び温度が前記ワークの径方向で変化し、前記ワークの軸方向で一定となる条件を満たす、前記ワークの箇所を前記連成解析の対象とし、前記ワークの径方向における一次元の磁場と伝熱の前記連成解析を用いて、前記解析値を求める。また、上記構成において、前記解析工程は、磁場及び温度が前記ワークの径方向で変化し、前記ワークの軸方向で一定となる条件を満たす、前記ワークの箇所を前記連成解析の対象とし、前記ワークの径方向における一次元の磁場と伝熱の前記連成解析を用いて、前記解析値を求める。
【００１３】
一次元の磁場と伝熱の連成解析は、三次元や二次元の磁場と伝熱の連成解析と比べて、計算量を減らすことができる。従って、これらの構成によれば、ワークの表面温度の解析値の計算に必要となる計算量を減らすことができ、解析値の計算時間を短くすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記誘導加熱におけるコイル電流の実測値または前記誘導加熱における前記ワークの前記表面温度の前記実測値をパラメータとし、前記誘導加熱における前記ワークの内部の発熱量を示す発熱項と、前記パラメータとの関係を示すデータを予め記憶する記憶部をさらに備え、前記解析部は、前記誘導加熱中に取得された前記パラメータと対応する前記発熱項を前記データから取得し、前記誘導加熱における前記ワークの表面から内部への温度分布を求めることができる式に、取得した前記発熱項を当てはめ、前記式を用いて、前記表面温度の前記解析値を求める。また、上記構成において、前記誘導加熱におけるコイル電流の実測値または前記誘導加熱における前記ワークの前記表面温度の前記実測値をパラメータとし、前記誘導加熱における前記ワークの内部の発熱量を示す発熱項と、前記パラメータとの関係を示すデータを予め準備する準備工程をさらに備え、前記解析工程は、前記誘導加熱中に取得された前記パラメータと対応する前記発熱項を前記データから取得し、前記誘導加熱における前記ワークの表面から内部への温度分布を求めることができる式に、取得した前記発熱項を当てはめ、前記式を用いて、前記表面温度の前記解析値を求める。
【００１５】
これらの構成は、誘導加熱されているワークの表面温度の解析値を求める手法の他の例である。磁場と伝熱の連成解析によって、ワークの表面から内部への温度分布の解析値を求めることができる。この場合、磁場計算をし、計算した磁場を基にして発熱項を計算する必要があるので、解析値の計算に必要となる計算量が多くなる。これらの構成によれば、発熱項を予め準備しているので、ワークの表面から内部への温度分布の解析値を求める際に、磁場計算および発熱項の計算を省くことができる。これにより、解析値の計算に必要となる計算量を減らすことができ、解析値の計算時間を短くすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記表面温度の前記実測値が異常と判定されたとき、報知する報知部をさらに備える。また、上記構成において、前記表面温度の前記実測値が異常と判定されたとき、報知する報知工程をさらに備える。
【００１７】
これらの構成によれば、ワークの表面温度の実測値が異常であることを、作業者に知らせることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、誘導加熱されているワークの表面温度の実測値が異常であることを判定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る誘導加熱制御装置および誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。
【図２】コイルが密に巻かれており、コイルの長さが十分に大きい状態において、コイルの長手方向の中央部における磁場を示す模式図である。
【図３】ワークの表面温度の初期値が２０℃の場合に、第１実施形態および磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアのそれぞれを用いて求められたワークの表面から内部への温度分布の解析値を示すグラフである。
【図４】ワークの表面温度の初期値が５００℃の場合に、第１実施形態および磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアのそれぞれを用いて求められたワークの表面から内部への温度分布の解析値を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に係る温度異常判定方法を説明するフローチャートである。
【図６】第２実施形態に係る誘導加熱制御装置および誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。
【図７Ａ】データベースに格納されたデータの一例を説明する説明図である。
【図７Ｂ】データベースに格納されたデータの他の例を説明する説明図である。
【図８】第２実施形態に係る温度異常判定方法を説明するフローチャートである。
【図９】第２実施形態および磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアのそれぞれを用いて求められたワークの表面から内部への温度分布の解析値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。各図において、同一符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その構成について、既に説明している内容については、その説明を省略する。
【００２１】
図１は、第１実施形態に係る誘導加熱制御装置１‐１および誘導加熱装置２の構成を示すブロック図である。誘導加熱制御装置１‐１は、後で説明するように、温度異常判定装置の機能を有する。誘導加熱制御装置１‐１は、誘導加熱装置２を制御する。誘導加熱装置２は、ワークＷを誘導加熱する装置であり、搬送部２１と、コイル２２と、電源２３と、温度計２４と、電流計２５と、を備える。ワークＷは、例えば、直径２００〜５００ｍｍである、円柱状の細長い金属部材である。搬送部２１は、コイル２２の一端から他端へ向かう矢印Ａで示す方向にワークＷを移動させることにより、ワークＷをコイル２２内に送り出す。コイル２２の長さは、例えば、２０００ｍｍ程度である。コイル２２の長さがワークＷの長さより短いので、ワークＷのうち、コイル２２内に位置する部分Ｐ（グレーで示す部分）が加熱対象となる。
【００２２】
電源２３は、コイル２２に交流電流を供給する。コイル２２に流れる交流電流によって、コイル２２の周りに磁束が発生する。これにより、ワークＷのうち、コイル２２内に位置する部分Ｐに渦電流が流れてジュール熱が発生し、その部分Ｐが所定時間加熱される。所定時間経過後、搬送部２１は、ワークＷを矢印Ａ方向に移動させる。これにより、その部分Ｐが型鍛造工程へ送られ、ワークＷのうち、コイル２２内に位置する新たな部分Ｐが所定時間加熱される。以上の動作が繰り返される。
【００２３】
温度計２４は、熱電対を用いた非接触温度センサであり、コイル２２の長手方向の中央部に貫通された穴部を通して、ワークＷの表面温度を測定する。コイル２２内の熱は、コイル２２の両端から外部に放出されるので、コイル２２の両端部の温度よりもコイル２２の中央部の温度が高くなる。ワークＷのオーバーヒート回避の観点から、コイル２２の中央部でワークＷの表面温度が測定される。温度計２４によって測定されたワークＷの表面温度（表面温度の実測値）を示す温度データｔｄは、誘導加熱制御装置１‐１へ送られる。
【００２４】
電流計２５は、誘導加熱中にコイル２２に流れる電流（コイル電流）を測定する。測定されたコイル電流の値（コイル電流の実測値）を示す電流データｉｄは、誘導加熱制御装置１‐１へ送られる。
【００２５】
誘導加熱制御装置１‐１は、演算処理部１１と、ＩＦ部１２と、入力部１３と、出力部１４と、を備える。演算処理部１１は、誘導加熱制御装置１‐１の全体を統括し、誘導加熱制御装置１‐１の動作に必要な処理をする。演算処理部１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、および、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等のハードウェア、演算処理部１１の機能を実行するためのプログラムおよびデータ等によって実現される。
【００２６】
ＩＦ部１２は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１の制御に従って、外部の機器との間で信号等を入出力する。例えば、ＩＦ部１２は、温度計２４から送られてきた温度データｔｄを受信し、これを演算処理部１１へ送る。このように、ＩＦ部１２（取得部）は、誘導加熱されているワークＷの表面温度の実測値を取得する。また、ＩＦ部１２は、電流計２５から送られてきた電流データｉｄを受信し、これを演算処理部１１へ送る。ＩＦ部１２は、演算処理部１１の温度制御部１１４が生成した制御信号ｓ１を電源２３へ送る。電源２３は、制御信号ｓ１に基づいて、コイル２２に供給する交流電流を制御する。ＩＦ部１２は、演算処理部１１の搬送制御部１１５が生成した制御信号ｓ２を搬送部２１へ送る。搬送部２１は、制御信号ｓ２に基づいて、ワークＷの矢印Ａ方向への移動を制御する。ＩＦ部１２は、入出力インターフェース回路によって実現される。
【００２７】
入力部１３は、演算処理部１１に接続され、ユーザが、各種の情報、データ、命令等を入力するための装置である。入力部１３は、マウス、キーボード、タッチパネル等により実現される。出力部１４は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１の制御に従って、入力部１３から入力されたコマンド、データ等を出力する装置である。出力部１４は、液晶ディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）等により実現される。
【００２８】
演算処理部１１は、機能ブロックとして、解析部１１２と、判定部１１３と、温度制御部１１４と、搬送制御部１１５と、を備える。
【００２９】
解析部１１２は、誘導加熱されているワークＷにおける磁場と伝熱の連成解析を用いて、誘導加熱されているワークＷの表面温度の解析値を求める。
【００３０】
判定部１１３は、ワークＷの表面温度の実測値が上限温度を超えているか否か、および、下限温度より下がっているか否かを判定する。
【００３１】
温度制御部１１４は、判定部１１３によってワークの表面温度の実測値が上限温度を超えている判定がされたとき、誘導加熱されているワークＷの温度を下げる制御をする制御信号ｓ１を生成し、ＩＦ部１２は制御信号ｓ１を電源２３へ送る。ここでの制御信号ｓ１は、電源２３をオフ状態にする信号である。
【００３２】
電源２３がオフすることにより、コイル２２に交流電流が供給されないので、誘導加熱が停止し、ワークＷの温度が徐々に低下する。温度制御部１１４は、判定部１１３によって表面温度の実測値が下限温度より小さいと判定されたとき、ワークＷの温度を上げる制御をする制御信号ｓ１を生成し、ＩＦ部１２は制御信号ｓ１を電源２３へ送る。ここでの制御信号ｓ１は、電源２３をオン状態にする信号である。
【００３３】
搬送制御部１１５は、制御信号ｓ２を生成する。ＩＦ部１２は、制御信号ｓ２を搬送部２１へ送る。搬送部２１は、制御信号ｓ２に基づいて、ワークＷを矢印Ａ方向に移動させることにより、ワークＷをコイル２２内に搬送する。
【００３４】
上述したように、判定部１１３は、ワークＷの表面温度の実測値が上限温度を超えているか否か、および、下限温度より下がっているか否かを判定する機能を有する。判定部１１３は、さらに、ワークＷの表面温度の実測値と解析部１１２が求めたワークの表面温度の解析値との差が予め定められた範囲内であるか否かを判定する機能を有する。
【００３５】
判定部１１３が、ワークＷの表面温度の実測値と解析値との差が予め定められた範囲内でないと判定したとき、ワークＷの表面温度の実測値が異常と見なし、演算処理部１１は、出力部１４の画面に所定の表示をすることにより報知をする。これにより、作業者は、ワークＷの表面温度の実測値が異常であることを知ることができる。出力部１４が音声を出力する機能を有する場合、音声で報知してもよいし、音声と画面表示の両方で報知してもよい。
【００３６】
以上説明したように、誘導加熱制御装置１‐１は、誘導加熱されているワークＷの表面温度の実測値が異常か否かを判定する温度異常判定装置の機能を有する。
【００３７】
ワークＷの表面温度の解析値の求め方を説明する。解析部１１２は、磁場および温度がワークＷの径方向で変化し、ワークＷの軸方向で一定（ほぼ一定）となる条件を満たす、ワークＷの箇所を連成解析の対象とし、ワークＷの径方向における一次元の磁場と伝熱の連成解析を用いて、解析値を求める（一次元の磁場と伝熱の連成解析は、言い換えれば、軸対称モデルの中で、径方向の成分のみを用いて、磁場と伝熱の連成解析をすることである）。上記条件は、例えば、ワークＷの直径に対してコイル２２の長さが十分に大きく、かつ、コイル２２が密に巻かれており、コイル２２の長さが十分に大きい場合である。
【００３８】
詳しく説明する。ワークＷの直径に対してコイル２２の長さが十分に大きいとき、コイル２２の長手方向の中央部において、ワークＷの軸方向（コイル２２の長手方向）におけるワークＷの温度は、一定（ほぼ一定）となる。この場合、ワークＷの径方向でワークＷの温度が変化する。よって、ワークＷの径方向にのみ温度分布（一次元の温度分布）が生じると見なすことができる。
【００３９】
図２は、コイル２２が密に巻かれており、コイル２２の長さが十分に大きい状態において、コイル２２の長手方向の中央部における磁場を示す模式図である。点線が磁場を示している。コイル２２が密に巻かれており、コイル２２の長さが十分に大きいとき、コイル２２の長手方向の中央部では、コイル２２の長手方向（ｚ）に磁場が発生し、コイル２２の径方向（ｒ）に磁場が発生しない。この場合、コイル２２の径方向（ｒ）でコイル２２の長手方向（ｚ）の磁場が変化する。よって、コイル２２の径方向（ワークＷの径方向）にのみ磁場分布（一次元の磁場分布）が生じると見なすことができる。
【００４０】
以上より、ワークＷの直径に対してコイル２２の長さが十分に大きく、かつ、コイル２２が密に巻かれており、コイル２２の長さが十分に大きい場合、磁場および温度がワークＷの径方向で変化し、ワークＷの軸方向で一定（ほぼ一定）となる条件を満たすことになる。
【００４１】
一次元の磁場と伝熱の連成解析について詳しく説明する。誘導加熱は、電磁誘導によりワークＷに流れる電流に対する電気抵抗によって発生する。電磁誘導現象は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式によって説明され、コイル２２に流れるコイル電流の値、コイル２２の巻き密度、および、ワークＷの温度分布に基づいて磁場計算がされることにより、ワークＷ内の電流密度分布を求めることができる。具体的には、ワークＷの中心軸から半径方向にｒ離れた地点における、コイル２２の長手方向の中央部における磁場の強さＨＺは、式（１）を解くことで得られる。σはワークＷの電気伝導率を示し、μはワークＷの比透磁率を示し、ｆはコイル電流の周波数を示し、ｊは虚数単位を示す。
【数１】
2020161493.tif 000003
【００４２】
式（１）は、０次のＢｅｓｓｅｌの微分方程式と呼ばれ、一般解は式（２）で表される。
【数２】
2020161493.tif 000004
【００４３】
ここで、Ｉ０は第１種０次のＢｅｓｓｅｌ関数であり、Ｋ０は第２種０次のＢｅｓｓｅｌ関数であり、Ａ及びＢは定数である。式（２）を求める（すなわち、Ａ及びＢの値を求める）ための境界条件として、外部印加磁界Ｈ０を与える。外部印加磁界Ｈ０は、式（３）で表される。Ｉはコイル電流の値（コイル電流の実測値）を示し、Ｎはコイル２２の巻き密度を示す。
【数３】
2020161493.tif 000005
【００４４】
コイル電流の値Ｉ（コイル電流の実測値）は時々刻々と変動する値であるため、電流計２５から送らてくる電流データｉｄ（図１）を式（３）に反映することで、計算精度を向上させることが可能である。以上の式（１）〜（３）に基づいて、コイル２２の長手方向の中央部における磁場の強さＨＺを求めることができる。
【００４５】
磁場の成分をコイル２２の長手方向（ｚ方向）のみと仮定したとき、電場は円周方向成分のみが有効となり、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を式変形することで、円周方向の電場成分Ｅφを示す式（４）が得られる。
【数４】
2020161493.tif 000006
【００４６】
このとき、渦電流密度ｉφは、式（５）で与えられるため、式（５）からワークＷ内部の電流密度分布を求めることができる。式（５）で求めた電流密度分布および式（６）を用いてワークＷ内部の発熱量ｑが得られる。
【数５】
2020161493.tif 000007
【数６】
2020161493.tif 000008
【００４７】
得られた発熱量ｑを式（７）の伝熱解析における発熱項ΔＱとして、式（７）が計算されることにより、誘導加熱工程におけるワークＷの表面から内部への温度分布の解析値が求められる。ρはワークＷの密度を示し、ｃはワークＷの比熱を示し、λ´はワークＷの熱伝導率を示し、Ｔは解析値（温度）を示し、ｔは時間を示す。
【数７】
2020161493.tif 000009
【００４８】
連成解析の対象が、上述したように、磁場および温度がワークＷの径方向で変化し、ワークＷの軸方向で一定（ほぼ一定）となる条件を満たす、ワークＷの箇所の場合、一次元の磁場と伝熱の連成解析であっても、ワークＷの表面温度の解析値は十分に信頼性を有することを説明する。図３および図４は、第１実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値と、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアを用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値とを比較するグラフである。コイル２２を流れる電流の値（コイル電流の実測値）は４５００Ａとし、コイル２２の巻き密度は３１．５（１／ｍ）とした。図３、図４は、それぞれワークＷの表面温度の実測値の初期温度が２０℃、５００℃の場合を示す。グラフの横軸は、ワークＷの表面からの距離（深さ）を示す。グラフの縦軸は、ワークＷの温度の解析値を示す。ワークＷの表面からの距離が０の場合、ワークの表面温度の解析値を示す。
【００４９】
図３および図４において、線で示すデータは、第１実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を示し、プロットで示すデータは、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアを用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を示す。初期温度の計測から２０秒経過後の解析値、１分経過後の解析値、５分経過後の解析値、１０分経過後の解析値、２０分経過後の解析値、４０分経過後の解析値のいずれにおいても、線で示すデータは、プロットで示すデータと同様の結果が得られることが分かった。従って、第１実施形態によれば、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアと同様の解析値が得られるので、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアと同様の信頼性を有する。
【００５０】
第１実施形態では、一次元の磁場と伝熱の連成解析でワークＷの表面温度の解析値を求めるので、計算量を減らすことができる。実際、第１実施形態を用いて求められたワークＷの表面温度の解析値の計算時間は、数分程度であり、実用化に支障がない。
【００５１】
第１実施形態に係る温度異常判定方法を説明する。図５は、これを説明するフローチャートである。図１および図５を参照して、ワークＷの部分Ｐ（加熱対象となる部分）の誘導加熱時間は所定時間（例えば、６０分）であり、所定時間中にＩＦ部１２は、温度計２４から逐次送られてくる温度データｔｄ（ワークの表面温度の実測値）および電流計２５から逐次送られてくる電流データｉｄ（コイル電流の実測値）を取得する（Ｓ１）。ＩＦ部１２は、ワークＷの表面温度の実測値を判定部１１３へ送り、コイル電流の実測値を解析部１１２へ送る。
【００５２】
解析部１１２は、コイル電流の実測値、および、式（１）〜式（３）を用いて、磁場の強さＨＺを計算する（Ｓ２）。次に、解析部１１２は、処理Ｓ２で計算した磁場の強さＨＺ、および、式（４）〜式（６）を用いて、発熱量ｑを計算する（Ｓ３）。そして、解析部１１２は、処理Ｓ３で計算した発熱量ｑを式（７）の発熱項ΔＱに代入して、伝熱計算をする（Ｓ４）。これにより、ワークＷの表面から内部への温度分布の解析値が得られる。
【００５３】
判定部１１３は、処理Ｓ４で得られたワークＷの表面温度の解析値と、処理Ｓ１で得られたワークＷの表面温度の実測値との差分が予め定められたしきい値を超えているか否かを判定する（Ｓ５）。判定部１１３が、上記差分がしきい値を超えていないと判定したとき（Ｓ５でＮｏ）、ワークＷの表面温度の実測値を正常と見なし、演算処理部１１は、上記所定時間が経過したか否かを判断する（Ｓ７）。
【００５４】
演算処理部１１が、所定時間が経過したと判断したとき（Ｓ７でＹｅｓ）、部分Ｐの誘導加熱が終了し、演算処理部１１が、所定時間が経過していないと判断したとき（Ｓ７でＮｏ）、部分Ｐの誘導加熱が継続するので、ＩＦ部１２は処理Ｓ１を実行する。
【００５５】
判定部１１３が、上記差分がしきい値を超えていると判定したとき（Ｓ５でＹｅｓ）、ワークＷの表面温度の実測値を異常と見なし、演算処理部１１は、出力部１４の画面に所定の表示をすることにより、ワークＷの表面温度の実測値が異常であることを報知する（Ｓ６）。そして、演算処理部１１は、処理Ｓ７を実行する。
【００５６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、ワークＷの誘導加熱中、ワークＷの表面温度の実測値が異常と判定されたとき、報知するので、ワークＷの表面温度の測定精度が低下した状態で、誘導加熱されることを防止できる。
【００５７】
第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主に説明する。第２実施形態は、ワークＷの表面温度の解析値の求め方が第１実施形態と異なる。第２実施形態では、式（１）〜式（６）の計算を省略して、ワークＷの表面温度の解析値を求める。図６は、第２実施形態に係る誘導加熱制御装置１‐２および誘導加熱装置２の構成を示すブロック図である。演算処理部１１は、判定部１１３、温度制御部１１４および搬送制御部１１５に加えて、さらにデータベース１１６および解析部１１７を備える。
【００５８】
データベース１１６には、コイル電流の実測値と発熱項との関係を示すデータが表形式で格納されている。図７Ａは、データベース１１６に格納されたデータの一例を説明する説明図である。発熱項は、誘導加熱におけるワークＷの内部の発熱量を示す。発熱項は、あるコイル電流の下でコイル２２に発生する磁場について、磁場計算することによって予め求められている。例えば、コイル電流の実測値ｉ１のとき発熱項ｑ１であり、コイル電流の実測値ｉ２のとき発熱項ｑ２であり、コイル電流の実測値ｉ３のとき発熱項ｑ３である。
【００５９】
図６を参照して、解析部１１７は、電流計２５から送られてきた電流データｉｄ（誘導加熱におけるコイル電流の実測値）に基づいて、誘導加熱されているワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を求める。詳しくは、解析部１１７は、電流計２５から送られてきた電流データｉｄ（コイル電流の実測値）をパラメータとして、このパラメータ（コイル電流の実測値）と対応する発熱項をデータベース１１６から取得し、式７の発熱項ΔＱに、取得した発熱項を当てはめ、式７を用いて、誘導加熱におけるワークＷの径方向ｒの温度分布Ｔ（誘導加熱されているワークＷの表面から内部への温度分布の解析値）を求める。
【００６０】
データベース１１６に格納されたデータの他の例を説明する。他の例は、ワークＷの表面温度の実測値と発熱項との関係を示すデータである。図７Ｂは、他の例を説明する説明図である。発熱項は、誘導加熱におけるワークＷの内部の発熱量を示す。発熱項は、ワークＷの表面温度の実測値の下でコイル２２に発生する磁場について、磁場計算することによって予め求められている。例えば、表面温度の実測値ｔ１のとき発熱項ｑ１であり、表面温度の実測値ｔ２のとき発熱項ｑ２であり、表面温度の実測値ｔ３のとき発熱項ｑ３である。
【００６１】
データベース１１６の他の例の場合、解析部１１７は、温度計２４から送られてきた温度データｔｄ（誘導加熱におけるワークＷの表面温度の実測値）に基づいて、誘導加熱されているワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を求める。詳しくは、解析部１１７は、温度計２４から送られてきた温度データｔｄ（表面温度の実測値）をパラメータとし、このパラメータ（表面温度の実測値）と対応する発熱項をデータベース１１６から取得し、式７の発熱項ΔＱに、取得した発熱項を当てはめ、式７を用いて、誘導加熱におけるワークＷの径方向ｒの温度分布Ｔ（誘導加熱されているワークＷの表面から内部への温度分布の解析値）を求める。
【００６２】
第２実施形態に係る温度異常判定方法について、図６および図８を参照して説明する。図８は、これを説明するフローチャートである。データベース１１６に格納されたデータは、図７Ａに示す例とする。
【００６３】
処理Ｓ１は、図５に示す処理Ｓ１と同じなので説明を省略する。解析部１１７は、データベース１１６に格納された図７Ａに示すデータを参照して、処理Ｓ１で取得されたコイル電流の実測値（電流計２５から送られてきた電流データｉｄが示すコイル電流の値）に対応する発熱項を取得する（Ｓ１０）。解析部１１７は、処理Ｓ１０で取得した発熱項を、式（７）の発熱項ΔＱに代入して、伝熱計算をする（Ｓ４）。これにより、ワークＷの表面から内部への温度分布の解析値が得られる。処理Ｓ５〜処理Ｓ７は、図５に示す処理Ｓ５〜処理Ｓ７と同じなので説明を省略する。
【００６４】
図９は、第２実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値と、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアを用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値とを比較するグラフである。グラフの横軸は、ワークＷの表面からの距離（深さ）を示す。グラフの縦軸は、ワークＷの温度の解析値を示す。
【００６５】
（Ａ）〜（Ｇ）の線は、第２実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を示す。（Ａ）の線は、誘導加熱の開始から２０秒後の解析値を示す。（Ｂ）の線は、誘導加熱の開始から１分後の解析値を示す。（Ｃ）の線は、誘導加熱の開始から５分後の解析値を示す。（Ｄ）の線は、誘導加熱の開始から１０分後の解析値を示す。（Ｅ）の線は、誘導加熱の開始から２０分後の解析値を示す。（Ｆ）の線は、誘導加熱の開始から４０分後の解析値を示す。（Ｇ）の線は、誘導加熱の開始から６０分後の解析値を示す。
【００６６】
（ａ）〜（ｇ）のプロットは、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアを用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を示す。（ａ）のプロットは、誘導加熱の開始から２０秒後の解析値を示す。（ｂ）のプロットは、誘導加熱の開始から１分後の解析値を示す。（ｃ）のプロットは、誘導加熱の開始から５分後の解析値を示す。（ｄ）のプロットは、誘導加熱の開始から１０分後の解析値を示す。（ｅ）のプロットは、誘導加熱の開始から２０分後の解析値を示す。（ｆ）のプロットは、誘導加熱の開始から４０分後の解析値を示す。（ｇ）のプロットは、誘導加熱の開始から６０分後の解析値を示す。
【００６７】
第２実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値は、磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアを用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値とほぼ一致していることが分かる。
【００６８】
磁場と伝熱の連成解析の汎用ソフトウェアによってワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を求める場合、磁場計算をし、計算した磁場を基にして発熱項を計算する必要があるので、解析値の計算に必要となる計算量が多くなる。第２実施形態によれば、図７Ａまたは図７Ｂに示すデータが格納されたデータベース１１６を用いることにより、ワークＷの表面から内部への温度分布の解析値を求める際に、磁場計算および発熱項の計算を省くことができる。従って、解析値の計算に必要となる計算量を減らすことができるので、解析値の計算時間を短くすることができる。具体的には、第２実施形態を用いて求められたワークＷの表面から内部への温度分布の解析値の計算時間は、１分程度であり、実用化に支障がない。
【符号の説明】
【００６９】
１‐１、１‐２  誘導加熱制御装置
２  誘導加熱装置
２２  コイル
２４  温度計
Ｗ  ワーク
Ｐ  ワークのうち、コイル内に位置する部分（加熱対象となる部分）
ｔｄ  温度データ
ｉｄ  電流データ
ｓ１  制御信号
ｓ２  制御信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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