(57)【要約】【課題】稼働率を確保しつつ、加工対象物を表面から内部まで均一に加熱する誘導加熱装置を提供する。【解決手段】誘導加熱装置５は、加工対象物の表面に対向するように配置される、超電導材料を含むコイルを内蔵する処理領域３と、コイルに２０Ｈｚ以下の周波数の交流電流を流す、電源１と周波数変換装置２とからなる電源部とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の誘導加熱に用いる誘導加熱装置であって、
前記加工対象物の表面に対向するように配置される、超電導材料を含むコイルと、
前記コイルに２０Ｈｚ以下の周波数の交流電流を流す電源部とを備える、誘導加熱装置。
【請求項２】
誘導加熱を用いて加工対象物を加熱する加熱方法であって、
前記加工対象物を準備する工程と、
前記加工対象物の表面に対向するように超電導材料を含むコイルを配置する工程と、
前記コイルに２０Ｈｚ以下の周波数の交流電流を流すことにより、前記加工対象物を加熱する工程とを備えた加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導材料を含むコイルを用いた誘導加熱装置および加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばアルミ合金を鋳造することにより形成されたビレットから、円筒状など様々な形状の加工物を形成するためには、一般的にビレットの押出し加工が行なわれる。押出し加工を行なう前に、ビレットが押出しにより所望の形状に容易に変形できるようにするために、ビレットを溶融しない程度に加熱して軟化する。
【０００３】
ビレットの加熱には、誘導加熱が一般的に用いられる。ビレットの表面を囲むようにコイルを配置し、コイルに交流電流を流すことにより、ビレットの内部に発生する渦電流を用いてビレットを加熱する。
【０００４】
上述した誘導加熱においては、超電導材料を含むコイルを用いて誘導加熱を行なう技術が、たとえば以下の特許文献１、非特許文献１に示されている。
【特許文献１】特表２００３−５１４３６０号公報
【非特許文献１】Magne Runde and Niklas Magnusson,「Design,Building and Testing of a 10kW Superconducting Induction Heater」,IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,Norway,June 2003,VOL.13,No.2,p.1612-1615
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、非特許文献１に開示されているように、超電導材料を含むコイルを用いることにより、水冷導体によるコイルを用いる場合よりも加熱効率を高くすることができる。しかし、非特許文献１においてはアルミのビレットを、超電導テープを用いて形成したコイルに５０Ｈｚの交流電流を流すことにより発生する渦電流を用いて加熱する技術が開示されている。また、特許文献１においては、超電導材料の巻線に投入した交流電流の周波数について具体的な開示がなされていない。５０Ｈｚの交流電流を用いてアルミのビレットを加熱する場合、その電流浸透深さは２０ｍｍ程度である。つまり、表皮効果によりビレットの表面近傍しか直接的に加熱できない。そこで、たとえば交流電流による入力電力のオンオフを繰り返すことにより、ビレットの表面近傍からビレット内部にまで熱が伝わる時間を確保して、ビレットの全体を加熱する方法を用いる。
【０００６】
図６は、ビレットの加熱時に入力電力のオンオフを繰り返す場合の時間と入力電力との関係を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は経過時間（ｔ）を、縦軸はコイルに投入する入力電力（Ｐ）を示している。たとえば図６に示すコイルへの入力電力Ｐ０を２７０ｋＷとし、２７０ｋＷの入力電力がパルス波を形成するように一定時間オンした後一定時間オフする、という動作を繰り返す。
【０００７】
たとえば２７０ｋＷの入力電力Ｐ０を投入し続ければ、上述したようにビレットの表面近傍だけが加熱されることによって目標としていた加熱温度を超えた温度にまで昇温される一方、熱伝導の時間が不十分なためビレットの内部は当該加熱温度まで加熱されないことがある。しかし図６のように加熱すれば、入力電力Ｐをオンにしている間（オン時間１１）にビレットの表面近傍を所定のエネルギー（熱量Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５）で加熱し、入力電力Ｐをオフにしている間（オフ時間１２）にビレットの表面近傍から内部に熱を伝えることができる。この結果、ビレット全体を均一に加熱することができる。
【０００８】
ところが、図６に示す加熱方法を用いると、オフ時間１２が必要なためコイルを含む装置全体の稼働率が低下し、生産効率が悪化することになる。また、入力電力Ｐをたとえば２７０ｋＷよりも小さくすると、入力電力Ｐをオフにしてビレット全体の温度を均熱化する時間を少なくすることはできるが、単位時間当りの入熱量が小さくなるため、加熱に要する全体の時間が長くなる。このため、図６に示す加熱方法を用いた場合と同様に、コイルを含む装置全体の稼働率が低下し、生産効率が悪化することになる。
【０００９】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、稼働率を確保しつつ、加工対象物を表面から内部まで均一に加熱する誘導加熱装置、および当該加熱方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、鋭意研究を行った結果、以下のような知見を得た。すなわち、  ビレットの表面から内部まで均一に加熱するためには、入力電力Ｐのオンオフを調整する方法のほかに、コイルに流す交流電流の周波数を下げる方法を用いることが考えられる。コイルに流す交流電流の周波数を下げれば、ビレットを加熱するための渦電流がビレットのより内部にまで発生するためである。しかし、誘導加熱により発生する熱量を表わす式は一般に
Ｐ＝２．５ｆＨ０２ＬμｒＡＱ１０−８・・・（１）
で表わされるため、コイルに流す交流電流の周波数を下げれば、周波数に比例して発生する熱量が低下する。たとえば、アルミ合金からなるビレットの電流浸透深さは、コイルに流す交流電流の周波数が２Ｈｚであればおよそ１００ｍｍとなり、交流電流の周波数が６０Ｈｚである場合の電流浸透深さ１５ｍｍ程度に比べて格段に深くなる。しかし上述した式（１）により、コイルに流す交流電流の周波数が２Ｈｚである場合には、コイルに流す交流電流の周波数が６０Ｈｚである場合に比べて発生する熱量が１／３０に低下することになる。なお、ここで、Ｐは発生する熱量、ｆはコイルに流す交流電流の周波数、Ｈ０はコイルが発生する磁場、Ｌは加熱対象物である円柱体の長軸方向の長さ、μｒは比透磁率、Ｑは当該円柱体の半径と、表皮効果による電流浸透深さから決まる係数である。
【００１１】
したがって、交流電流の周波数を下げた状態で十分な発生熱量を確保するためには、コイルが発生する磁場であるＨ０の値を大きくすることが考えられる。Ｈ０はコイルに流す電流の大きさに比例するため、Ｈ０を大きくするためにはコイルに流す電流値を大きくすることが好ましい。ここで、現状の水冷導体によるコイルでは、流すことができる電流値の最大値を既に用いているため、電流値を現状よりも高くすることは困難である。一方、上述した超電導材料を含むコイルを用いた誘導加熱装置であれば、通常の導体（水冷導体）において流すことができる電流値より大きな値の電流をコイルに流すことが可能である。つまり、超電導材料を含むコイルを用いた場合には、交流電流の周波数を下げた状態において、十分な磁場ＨＯを実現することが可能である。発明者のこのような知見に基づいて、本発明に係る誘導加熱装置は、加工対象物の誘導加熱に用いる誘導加熱装置であって、加工対象物の表面に対向するように配置される、超電導材料を含むコイルと、コイルに２０Ｈｚ以下の周波数の交流電流を流す電源部とを備えている、誘導加熱装置である。
【００１２】
本発明に係る誘導加熱装置は、超電導材料を含むコイルを用いているため、大きな交流電流を流すことができる。このため、コイルに流す交流電流の周波数を２０Ｈｚ以下とする電源部を用いてコイルに交流電流を流すことにより、電流浸透深さを十分深くすることができるとともに、十分な発熱量を確保することができる。このため、入力電力のオンオフを行なうことなく、加工対象物の内部まで均一に加熱することができる。このような処理を行なうことにより、加工対象物に高い熱量を発生させることができ、短時間で加工対象物を加熱することができる。
【００１３】
また、本発明に係る加熱方法は、誘導加熱を用いて加工対象物を加熱する加熱方法であって、加工対象物を準備する工程と、加工対象物の表面に対向するように超電導材料を含むコイルを配置する工程と、コイルに２０Ｈｚ以下の周波数の交流電流を流すことにより、加工対象物を加熱する工程とを備えた加熱方法である。
【００１４】
本発明に係る加熱方法によれば、超電導材料を含むコイルを用いているため、大きな交流電流を流すことができる。そのため、コイルに流す交流電流の周波数を２０Ｈｚ以下とする電源部を用いてコイルに交流電流を流すことにより、電流浸透深さを十分深くすることができるとともに、十分な発熱量を確保することができる。このため、入力電力のオンオフを行なうことなく、加工対象物の内部まで均一に加熱することができる。このような処理を行なうことにより、加工対象物に高い熱量を発生させることができ、短時間で加工対象物を加熱することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る誘導加熱装置または加熱方法によれば、短時間で加工対象物を表面近傍から内部まで均一に加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略図である。図２は、図１中のコイル配置領域の概略図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置５は、たとえば電力会社から供給される電流を受け入れ、誘導加熱装置当該電流を供給するための電源１と、当該電源１の供給する交流電流の周波数を変換する周波数変換装置２と、変換された周波数を有する交流電流を用いて加工対象物に対して誘導加熱を行なう処理装置３とから構成される。
【００１９】
電源１は、たとえば２７０ｋＷの電力を供給する。供給された電流は、周波数変換装置２を用いて、所望の周波数の交流電流に変換される。電源１および周波数変換装置２は、処理装置３に内蔵されるコイル配置領域４に配置されている、誘導加熱を行なうコイル１０（図２参照）に流す、所望の周波数の交流電流を供給する。このため、ここでは電源１および周波数変換装置２を合わせて「電源部」と呼ぶことにする。
【００２０】
図２に示すコイル１０は、処理装置３に内蔵されるコイル配置領域４に配置され、誘導加熱を行なうためのものである。このコイル１０は、超電導材料を含んでいればよく、薄膜の超電導層を備えた超電導テープを巻回した構成のコイルであってもよいし、長尺状の円筒形部材の内部に超電導材料の粉末を充填して加工・焼成した超電導テープを巻回した構成のコイルであってもよい。また、超電導材料としてはたとえばＢｉ２２２３相やＢｉ２２１２相を含む超電導材料や、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ系酸化物超電導体（ＲＥ１２３系酸化物超電導体：なお、ＲＥとは、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、ＬｕおよびＹから選択される１種または２種以上の元素を意味する）など任意の材料を用いることができる。なお、コイル１０は図２に示すように加工対象物としてのビレット２０の周囲を巻回された状態で配置されていてもよいが、ビレット２０の表面に対抗するように配置されていれば異なる配置とされていてもよい。
【００２１】
たとえば上述したように、従来からの水冷導体を用いたコイルによる加熱方法において誘導加熱を行なう場合にはコイルに６０Ｈｚの交流電流を流していた。この場合、コイルに流す交流電流の電流密度は最大でも１０Ａ／ｍｍ２程度が限界であった。この場合の渦電流のアルミビレット内部への電流浸透深さは約１５ｍｍである。これに対して、本発明の超電導材料を含んだコイル１０を用いた場合には、コイル１０に流す交流電流の電流密度を２５Ａ／ｍｍ２以上とすることができる。超電導材料を用いたコイルは従来のコイルよりも高い電流を流すことができるためである。
【００２２】
ここで、コイルに交流電流を流したときに発生する磁場の強さはコイルに流す交流電流の大きさに比例する。このため、上述した式（１）より、コイル１０を用いると従来のコイルを用いた場合に比べて電流密度を２．５倍以上にすることができることから、発生する熱量を６倍以上とすることができる。したがって、上述した式（１）より、発生する熱量を従来のコイルを用いた場合と同量とするためには、コイル１０に流す交流電流の周波数を従来のコイルを用いた場合の周波数の１／６以下、すなわち１０Ｈｚ以下とすることができる。このとき、渦電流のアルミビレット内部への電流浸透深さは約４５ｍｍ以上にすることができる。
【００２３】
したがって、本発明の超電導材料を含むコイル１０を用いた場合には、従来のコイルを用いた場合に比べて大きな交流電流を流すことができるため、従来よりも低い周波数の交流電流を用いて、ビレット２０の表面から内部まで均一に、短時間で高効率に加熱することができる。
【００２４】
以上より、本誘導加熱装置５を用いれば、誘導加熱を行なうコイル１０に流す交流電流の電流値を高く、当該交流電流の周波数を低くすることができる。このため、本誘導加熱装置５は、短時間でビレット２０の表面から内部まで均一に加熱することができる。
【００２５】
図３は、誘導加熱装置５を用いてビレットを加熱した場合の時間と入力電力との関係を示す第１のグラフである。図４は、誘導加熱装置５を用いてビレットを加熱した場合の時間と入力電力との関係を示す第２のグラフである。図３および図４においても図６と同様に、横軸は経過時間を、縦軸はコイルに投入する入力電力を示している。
【００２６】
図３と上述した図６とを比較して、誘導加熱装置５では超電導材料を含むコイル１０を用いているため、従来のコイルを用いた場合よりも大きな交流電流を流すことができる。このため、コイル１０には従来のコイルよりも低い周波数（２０Ｈｚ以下）の交流電流を流すことができる。低い周波数の交流電流を流すと、ビレット２０での電流浸透深さが深くなるため、図６に示すようなオン時間１１やオフ時間１２を設定する必要がなく、入力電力Ｐを連続的に供給することができる。しかも、連続的に入力電力Ｐを供給することができるため、一時に供給すべき電力Ｐの値を小さくすることができる。たとえば、図６において、各オン時間１１は各オフ時間１２の１／５であったとすると、図６では各オン時間１１においてＰ０の入力電力Ｐを供給した場合、ｔ１の時間に発生する熱量はＱ３とＱ４とＱ５の面積の和（Ｑ３＋Ｑ４＋Ｑ５）となる。このＱ３＋Ｑ４＋Ｑ５と同じ熱量を発生させるためには、図３において、ｔ１の時間にＰ０／６の入力電力Ｐを供給すればよい。このようにすれば、図３においてｔ１の時間に誘導加熱装置５が発生する熱量を示すＱ１は、Ｑ３＋Ｑ４＋Ｑ５に等しくなる。以上より、誘導加熱装置５のコイル１０には、図６のコイルの１／６の入力電力を与えれば、同一時間に同量の熱量を供給することができるといえる。このことから、従来のコイルを用いた場合と同一時間だけ入力電力を供給する場合においては、投入する入力電力Ｐの値を小さくすることができる。このため、誘導加熱装置５のコイル１０の寿命を延長させるなどの効果を奏する。
【００２７】
次に、図４と上述した図６とを比較して、誘導加熱装置５には超電導材料を含むコイル１０を用いているため、図３の場合と同様に、オフ時間１２を設ける必要がない。また、コイル１０は従来の水冷導体コイルよりも高い電流値の交流電流を流すことができるため、図６の場合と同一の入力電力Ｐ０を連続的に供給することができる。したがって、図６においてｔ１の時間に発生する熱量であるＱ３＋Ｑ４＋Ｑ５を発生させるためには、コイル１０にはｔ１／６の時間だけＰ０の入力電力Ｐを供給すればよい。このことから、従来のコイルを用いた場合と同一の入力電力を供給する場合においては、入力電力を投入する時間を短くすることができる。このため、誘導加熱装置５がビレット２０を加熱する効率を上げる効果を奏する。
【００２８】
次に、誘導加熱装置５を用いた加熱方法について説明する。図５は、誘導加熱装置５を用いた加熱方法の手順を示すフローチャートである。図５に示すように、まず加工対象物を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、上述したビレット２０を準備する工程である。
【００２９】
ビレット２０としてはたとえば上述したようにアルミ合金からなるアルミビレットを挙げることができるが、他の金属から構成されるビレットを用いてもよい。たとえばアルミビレットを加工対象物として準備する場合、アルミナの粉末からアルミ地金を製造する。これを溶解、鋳造することによりアルミのインゴットを形成する。アルミのインゴットに対して均質化のための熱処理を行なったのち、所望の長軸方向の長さを有するビレット２０（円柱形状のアルミのインゴット）に切断する加工を行なう。
【００３０】
次に超電導コイルを配置する工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、準備したビレット２０を、上述した誘導加熱装置５のコイル１０（超電導材料を含む超電導コイル）が巻回された領域の内部に、図２に示すように配置する工程である。図２に示すように、ビレット２０の長軸方向がコイル１０の巻回される長軸方向に沿った方向となるように、コイル１０の内部にビレット２０を配置することが好ましい。すなわちコイル１０がビレット２０の、長軸方向に延在する曲面を外側から囲むような配置とすることが好ましい。
【００３１】
そして超電導コイルに２０Ｈｚ以下の交流電流を流す工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、上述したようにビレット２０を配置したコイル１０に２０Ｈｚ以下の交流電流を投入する。するとコイル１０の内部に配置されたビレット２０の内部には、表面から比較的内部の（表面から３０ｍｍ以上の深さ）領域にかけて、コイル１０に流れる交流電流により渦電流が発生し、ビレット２０が加熱される。このとき、コイル１０は超電導コイルであることから、従来のコイルを用いた場合よりも高い交流電流を投入することができる。このため、上述した式（１）の関係により、従来のコイルを用いた場合よりも低い周波数の交流電流をコイル１０に流しても、従来のコイルを用いた場合と同一の熱量を、短時間で高効率に発生させることができるとともに、ビレット２０の表面近傍から内部まで均一に加熱を行なうことができる。
【００３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、押出し加工を行なう前のビレットを効率よく内部まで均一に加熱することができる技術として、特に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置の概略図である。
【図２】図１中のコイル配置領域の概略図である。
【図３】誘導加熱装置５を用いてビレットを加熱した場合の時間と入力電力との関係を示す第１のグラフである。
【図４】誘導加熱装置５を用いてビレットを加熱した場合の時間と入力電力との関係を示す第２のグラフである。
【図５】誘導加熱装置５を用いた加熱方法の手順を示すフローチャートである。
【図６】ビレットの加熱時に入力電力のオンオフを繰り返す場合の時間と入力電力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  電源、２  周波数変換装置、３  処理装置、４  コイル配置領域、５  誘導加熱装置、１０  コイル、１１  オン時間、１２  オフ時間、２０  ビレット。
【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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