(57)【要約】【課題】ソレノイドコイルの外側を通る磁束を巧みに利用し、小形，コンパクトな誘導加熱コイルユニットを使って大形面積の金属板材，ないしブロック材の表面域を均一，かつ効率よく加熱処理できるようにした新規方式の誘導加熱装置を提供する。【解決手段】コイル導体をソレノイド状に巻回したソレノイドコイル１１の内側に磁性体の磁芯１２を内挿して構成した断面形状が偏平形になる誘導加熱コイルユニット１のフラットワイズなコイル周面を被加熱体３の表面と平行に対向配置した上で、ソレノイドコイル１１に交流電力を印加しつつ、当該コイルユニット１を産業用ロボットなどの走査駆動装置に搭載して被加熱体３の加熱面域に沿い走査移動することにより、被加熱体３の広い面域を加熱むら無しに均一に誘導加熱する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板ないし金属ブロックの被加熱体の表面を加熱する誘導加熱装置であって、コイル導体を筒状に巻回したソレノイドコイルの内側に磁性体の磁芯を内挿して誘導加熱コイルユニットを構成し、この誘導加熱コイルユニットの周面を被加熱体の表面と平行に対向配置し、この状態で前記ソレノイドコイルに交流電力を印加しつつ、コイルユニットを被加熱体の加熱面域に沿い走査移動して被加熱体を誘導加熱することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導加熱装置において、誘導加熱コイルユニットは、その断面形状が楕円形ないし長方形のような偏平な形状に構成され、そのフラットワイズ面を被加熱体に対向配置させたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかの項に記載の誘導加熱装置において、誘導加熱コイルユニットの磁芯両端部に、該磁芯を通過する交番磁束を被加熱体に向けて集中的に導く磁極片を設けたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項４】
請求項３に記載の誘導加熱装置において、磁極片がソレノイドコイルのコイル両端部に近接して配置され、前記ソレノイドコイルの外周方向に張り出す形状としたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの項に記載の誘導加熱装置において、誘導加熱コイルユニットに備えた磁芯および極片の磁性体がフェライト焼結体，もしくは薄鋼板の積層体であることを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの項に記載の誘導加熱装置において、誘導加熱コイルユニットの磁芯外周側に巻装したソレノイドコイルは、そのコイル両端部におけるコイル導体の巻回ピッチを密に、コイル中央部におけるコイル導体の巻回ピッチを粗に設定したことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかの項に記載の誘導加熱装置において、誘導加熱コイルユニットの走査移動手段として、該コイルユニットを産業用ロボットなどの走査駆動装置に搭載して被加熱体の表面を走査移動するようにしたことを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば配電盤の筐体表面，自動車の車体表面に塗装した塗装面の加熱乾燥、あるいはアルミなどの成形用金型の予熱などのために、金属板材ないし金属ブロック材の被加熱体を誘導加熱する誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今では誘導加熱が各種産業分野で広く利用されており、その適用例として自動車の車体塗装面の加熱乾燥、アルミなどの成形用金型の予熱に誘導加熱が検討されている。この種の誘導加熱装置として特許文献１、特許文献２等に示すものが知られている。
【０００３】
一方、周知のように誘導加熱方式には、コイル導体を筒状に巻回形成したソレノイド形誘導加熱コイルの内方に金属板材などの被加熱体を通過させ、誘導加熱コイルに発生させた交番磁束を金属板材の表面に沿わせて誘導加熱するソレノイドコイル方式、およびコイル導体を渦巻き状に巻回した誘導加熱コイルを被加熱体の表面に対向配置し、誘導加熱コイルに発生させた交番磁束を金属板材の板厚方向に作用させて加熱するトランスバース方式がある。
【０００４】
前記した特許文献１，２の誘導加熱装置は、いずれもコイル導体を渦巻き状に巻回した誘導加熱コイルを用いたトランスバース方式を採用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−６９５００号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８４７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記の特許文献１，２に開示されているトランスバース方式の誘導加熱装置は、均一加熱性の面で次記のような課題がある。
【０００７】
すなわち、コイル導体を渦巻き状に巻回した誘導加熱コイルは、そのコイル形状、コイル導体の巻回ピッチなどの影響によりコイルに発生する磁界強度、磁束分布が不均一となり、特に渦巻き状コイルの中心部の磁界強度が低く、このために誘導加熱コイルに対向する被加熱体の加熱エリアはドーナツ形状となって加熱面域に加熱むらが生じ、被加熱体の表面を均一に加熱することが難しい。そのほか、誘導加熱コイル外周側が被加熱体（板材）のエッジ部にかかると、被加熱体に誘起された誘導電流が板材のエッジ部に集中して流れるため、この部位が局部的に過熱される問題もある。
【０００８】
かかる問題に対して、前述の特許文献２では渦巻き状の誘導加熱コイルを被加熱体の面上に移動させて被加熱体に作用する磁界の死角部（加熱コイルの中心部に対応）の発生を防ぐようにする方式が開示されているものの、この方式を採用しても被加熱体の加熱温度むらを解消することはできない。
【０００９】
一方、ソレノイド状の誘導加熱コイルは、ソレノイド状コイルの内方の磁界強度，磁束分布が略均一となるため、前記した渦巻き状コイルのような加熱むらの問題は生じないが、配電盤，自動車の車体のような大形構造の被加熱体に適用するには、この大形な被加熱体を包囲する巨大なソレノイド状コイルが必要となるので実用的ではない。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ソレノイドコイルの外側を通る磁束を巧みに利用することにより、小形の誘導加熱コイルユニットを使って大面積の金属板材，ないし金属ブロック材の表面域を均一、かつ効率よく加熱処理できるようにした誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明の誘導加熱装置によれば、その誘導加熱コイルがコイル導体を筒状に巻回したソレノイドコイルの内側に磁性体の磁芯を内挿して誘導加熱コイルユニットを構成し、この誘導加熱コイルユニットの周面を被加熱体の表面と平行に対向配置し、この状態で前記ソレノイドコイルに交流電力を印加しつつ、コイルユニットを被加熱体の加熱面域に沿い走査移動して被加熱体を誘導加熱するものとする（請求項１）。
【００１２】
また、前記の誘導加熱コイルユニットについては、具体的に次記のような態様で構成することができる。
（１）誘導加熱コイルユニットは、その断面形状を楕円形，ないし長方形のような偏平な形状に構成してそのフラットワイズ面を被加熱体に対向させる（請求項２）。
（２）誘導加熱コイルユニットの磁芯両端部に、該磁芯を通過する磁束を被加熱体に向けて集中的に導く磁極片を設ける（請求項３）。
（３）前項（２）において、磁極片がソレノイドコイルのコイル端部に近接してそのコイルターンの側方に張り出すフランジ形状になる（請求項４）。
（４）誘導加熱コイルユニットに備えた磁芯および極片の磁性体がフェライト焼結体，もしくはケイ素鋼板の積層体である（請求項５）。
（５）誘導加熱コイルユニットの磁芯外周側に巻装したソレノイドコイルは、そのコイル両端部におけるコイル導体の巻回ピッチを密に、コイル中央部におけるコイル導体の巻回ピッチを粗に設定して巻回する（請求項６）。
（６）誘導加熱コイルユニットの走査移動手段として、前記コイルユニットを産業用ロボットなどの走査駆動装置に搭載して被加熱体の表面を走査移動するようにする（請求項７）。
【発明の効果】
【００１３】
このような構成の本発明の誘導加熱装置によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）走査移動のハンドリングが楽に行える小形のソレノイドコイルユニットを使用して大形面積を有する板材，ブロック材などの被加熱体の広い面域を加熱むら無く、均一に加熱することか可能である。
【００１４】
すなわち、被加熱体の表面に平行して前記のソレノイド状の誘導加熱コイルユニットを対向配置してそのソレノイドコイルに外部電源から高周波の交番電力を供給すると、その発生磁界（交番磁界）によりコイルユニット両端からコイルの外周側を通る磁束が被加熱体の面方向に沿って貫通する。この場合に、ソレノイドコイルの内方に磁芯を内挿しておくことで、空芯コイルと比べてコイルユニットに発生する磁束密度を高めることができ、かつ磁束の大半は磁気抵抗が小さい磁芯を通過して被加熱体を面方向に貫通する閉ループ状の経路を辿る。
【００１５】
これにより、コイルユニットからの磁束貫通によって被加熱体には誘導電流（渦電流）が誘起してその誘導電流が被加熱体の表面側に集中して流れ（誘導電流の浸透深さは交番電源の周波数，被加熱体の金属固有抵抗，比透磁率により決まる）、その誘導電流のジュール発熱により、コイルユニットと対向する被加熱体の面域（コイルユニットの磁束が貫通する略長方形な面域）が均一に加熱される。そして、この誘導加熱コイルユニットを産業用ロボットなどの走査駆動装置に搭載し、被加熱体の加熱処理面域に沿って順次走査移動制御することで、被加熱体の広い面域を均一に誘導加熱することが可能となる。
（２）ここで、前記の誘導加熱コイルユニットは、その断面形状が楕円形，ないし長方形の偏平な形状をなし、そのフラットワイズな外周面を被加熱体に対向させることで、該コイルユニットの周面（幅広なフラットワイズ面）に対応して被加熱体に誘導電流が誘起する面域の面積が拡大して、大面積の被加熱体でも作業効率よく加熱処理できる。
（３）また、前記誘導加熱コイルユニットの磁芯両端部に、該磁芯を通過する交番磁束を被加熱体に向けて集中的に導く磁極片を設けることにより、被加熱体の加熱効率を高めることができ、かつその磁極片については、磁極片がソレノイドコイルのコイル端部に近接して磁心からコイルの外周側へ張り出す形状とすることにより、ソレノイドコイル端部における漏れ磁束の発生、およびこの漏れ磁束の干渉に起因するコイル端部の電流分布の偏りを抑えて、コイル導体の過渡な温度上昇，コイル損失（銅損）を効果的に低減できる。
（４）また、誘導加熱コイルユニットの磁芯およびその両端に配した磁極片については、その磁性体をフェライト焼結体（ソフトフェライト），もしくはケイ素鋼板の積層体とすることで、鉄損を低く抑えることができる。
（５）さらに、コイル導体を均一に巻回したソレノイドコイルにおける発生磁界強度はコイル中央部に比べて両端部が低下する傾向があるが、かかる点、前記した磁芯の磁極片と併せて、誘導加熱コイルユニットのソレノイドコイル両端部におけるコイル導体の巻回ピッチを密に、コイル中央部におけるコイル導体の巻回ピッチを粗に設定して巻回することにより、コイルユニットから被加熱体に向かう磁束のコイルの軸方向の分布の均一性を高めて被加熱体を効率よく均一に加熱することかできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１による誘導加熱装置の構成を示す模式構成図であって、（ａ）は断面形状が楕円形になる誘導加熱コイルユニットを被加熱体に対向配置した状態の斜視図、（ｂ）は（ａ）に対応する磁束分布を表す図である。
【図２】断面形状を扁平な長方形した誘導加熱コイルユニットを用いた本発明の実施例２による誘導加熱装置の構成を示す模式構成図である。
【図３】被加熱体の全面域を誘導加熱処理する際の誘導加熱コイルユニットの走査移動経路を表す図である。
【図４】誘導加熱コイルユニットを産業用ロボットに搭載して被加熱体に走査移動する使用状態を表す図である。
【図５】誘導加熱コイルユニットの設計モデルＩに対応する被加熱体の貫通磁束分布を表す説明図であって、（ａ）はコイルユニットと被加熱体の配置断面図、（ｂ）は磁束分布図である。
【図６】磁芯の両端に磁極片を配した誘導加熱コイルユニットの設計モデルIIに対応する被加熱体の貫通磁束分布を表す説明図であって、（ａ）はコイルユニットと被加熱体の配置断面図、（ｂ）は磁束分布図である。
【図７】ソレノイドコイルの両端部に近接して磁極片を配した誘導加熱コイルユニットの設計モデルIIIに対応する被加熱体の貫通磁束分布を表す説明図であって、（ａ）はコイルユニットと被加熱体の配置断面図、（ｂ）は磁束分布図である。
【図８】応用実施例としてソレノイドコイルを疎，密巻きした誘導加熱コイルユニットの模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による誘導加熱装置の実施の形態を図１〜図８に示す実施例に基づいて説明する。
【００１８】
先ず、本発明の実施例１として、断面形状を楕円形にして偏平な形状にした誘導加熱コイルユニットの構造，およびその誘導加熱機能を図１で説明する。
【００１９】
図１（ａ）、（ｂ）において、１はソレノイド形の誘導加熱コイルユニット、２は高周波電源、３は被加熱体（導電性金属板材）である。ここで、ソレノイド型の誘導加熱コイルユニット１は、コイル導体を楕円形状に巻回した偏平形のソレノイドコイル１１と、該ソレノイドコイル１１に内挿したフェライト焼結体（ソフトフェライト）、もしくはケイ素鋼板の積層体になる磁芯１２とから構成されている。
【００２０】
そして、この誘導加熱コイルユニット１を使って被加熱体３の面域を誘導加熱するには、図示のようにコイルユニット１のフラットワイズ面を被加熱体３の表面と平行に対向配置し、ソレノイドコイル１１を高周波電源２に接続して励磁する。これにより、ソレノイドコイル１１に交番磁界が発生して磁束φが生じることは周知の通りである。この磁束φは図１（ｂ）に示すように磁芯１２を通過してソレノイドコイル１１の外周側を通る閉ループとなるが、そのループ経路の途上で磁束φの一部は被加熱体３をその表面方向に貫通する。
【００２１】
これにより、被加熱体３には誘導電流（渦電流）が誘起し、その誘導電流が被加熱体の表面側に沿って集中し（誘導電流の浸透深さは交番電源の周波数，被加熱体の金属固有抵抗，比透磁率により決まる）、この誘導電流のジュール発熱によりコイルユニット１のフラットワイズな外周面と対向する被加熱体３の面域（コイルユニットの磁束が貫通する略長方形な面域）が均一に加熱される。そして、この誘導加熱コイルユニット１を被加熱体３の面に沿って図示矢印の方向（コイルユニット１の軸方向と直角の向き）に走査移動すれば、これにつれて被加熱体３の加熱面域も矢印方向に移るのでコイルユニット１の軸方向長さに対応する幅の面域が加熱むらの発生無しに均一に加熱されることになる。
【００２２】
次に、誘導加熱コイルユニット１の断面形状を長方形としてそのフラットワイズ面を被加熱体３に対向させた実施例２の構成を図２に示す。なお、この実施例２のコイルユニット１に発生する交番磁束の分布、およびコイルユニット１の走査移動による被加熱体３の誘導加熱面域の経緯は図１で述べた実施例１と同様である。
【００２３】
ここで、大面積の被加熱体３に対し、実施例１実施例２の誘導加熱コイルユニット１を走査移動して被加熱体３の板面全面域を誘導加熱する場合におけるコイルユニット１の走査移動経路を図３に示す。すなわち、図示のように被加熱体３の板面の一角に対向配置しコイルユニット１を、被加熱体１の面上に仮定した座標軸Ｘ−Ｙに沿って図示矢印のようにジグザグに順次走査移動することで、被加熱体３の全面を誘導加熱することができる。また、コイルユニット１を所望の走査経路に沿って移動する走査駆動手段としては、図４に示すように誘導加熱コイルユニット１を産業用ロボット４のロボットアームに搭載し、座標軸Ｘ−Ｙに沿って加熱体３の板面上を移動制御することにより容易に実現できる。
【００２４】
次に、前記したソレノイド形の誘導加熱コイルユニット１について、発明者等が設計した各種設計モデルにおける磁束分布，コイル損失等を考察した結果を以下に述べる。
【００２５】
まず、図５（ａ）に示す基本的な設計モデル（Ｉ）の誘導加熱コイルユニット１は、ソレノイドコイル１１の内側に内挿した磁芯１２の両端をソレノイドコイル１１の端部より軸方向に多少突き出した構造で、被加熱体３（ブロック状体）の表面に接近して平行配置している。
【００２６】
この設計モデル（Ｉ）のコイルユニットについて、ソレノイドコイル１１に高周波の交番電流を流して被加熱体３を誘導加熱したところ、短時間の通電で被加熱体３の表面温度が目標温度まで昇温する以前にソレノイドコイル１１の両端部におけるコイル導体が異常発熱して赤熱するため誘導加熱が困難となる。そこで、コイルユニット１の磁束分布について、シミュレーション手法により検証したところ、図５（ｂ）に示すように磁芯１２の中を通る磁束φが磁芯の端部からソレノイドコイル１１の端部域を通るように湾曲して分散通過していることが判った。このために、ソレノイドコイル１１のコイル端部におけるコイル導体の電流分布に局部的な偏りが生じ、これが基でコイル端部の損失（抵抗損）が増加してコイル導体に異常発熱（ジュール発熱）が生じたものと推察される。
【００２７】
一方、発明者等は磁芯１２を通過した磁束φを被加熱体３に向けて集中的に導く手段として、図６，図７に示すように磁芯１２の端部に磁極片１３を追加した設計モデル（II）、設計モデル（III）について、前記と同様に検証したところ、前記の設計モデル（Ｉ）で問題になっていたコイル端部の異常発熱を抑えて損失を低減できることが検証できた。
【００２８】
すなわち、図６（ａ）、（ｂ）に示す設計モデル（II）の誘導加熱コイルユニットでは、磁芯１２の両端に磁心１２といくらかの間隔をおいて先端を被加熱体３に向けて延在する平板状の磁極片１３を付設している。
【００２９】
一方、図７（ａ）、（ｂ）に示す設計モデル（III）の誘導加熱コイルユニットは、磁極片１３がソレノイドコイル１１のコイル両端部に接合あるいはソレノイドコイル１１のコイル両端部に近接して配置され、ソレノイドコイル１１の外周に向かって張り出して磁心１２のフランジ部を形成している。
【００３０】
なお、前記設計モデル（II）、（III）における磁極片１３は、先記の磁芯１２と同様にフェライト焼結体（ソフトフェライト）、もしくは薄ケイ素鋼板の積層体として鉄損増加を防ぐようにし、特に設計モデル（III）(図７参照)においては、磁極片１３をフェライト焼結体の磁芯１２と一体に形成するのがよい。
【００３１】
ここで、前記の設計モデル（Ｉ）、（II）、（III）について、誘導加熱コイルユニットに２０kWの電力を通電して被加熱体３を誘導加熱する条件で求めた各コイルユニットのコイル損失を次記の表１に記す。ここで、コイルユニットのソレノイドコイルは全巻き数が１２ターンのものであるが、表１には、巻始め１ターンから中央の６ターンまでを示している。７ターンから巻終わりの１２ターンまでは、１ターンから６ターンまでとほぼ対称的なデータを示すので省略している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
上記の表１から判るように、基本的な設計モデル（Ｉ）に対して、磁芯１２に磁極片１３を追加した設計モデル（II）、（III）によれば、ソレノイドコイル１１の各ターンの損失、および全コイル損失が、磁極片の追加のない基本的な設計モデル（Ｉ）対して大きく低減され、特に磁極片１３をコイル端部に接合して配した設計モデル（III）ではコイル損失の低減効果が顕著である。
【００３４】
次に、本発明のソレノイド形誘導加熱コイルユニット１について、前記した磁極片１３(図６，図７参照)の追加に加えて、ソレノイドコイル１１の巻回ピッチを次記のように変更し、該コイルユニットに発生する外部磁界の磁界強度，均一性を高めて被加熱体３を効率よく均一加熱することかできるように改良した応用実施例を図８に示す。
【００３５】
この実施例においては、コイルユニットの設計仕様に対応するソレノイドコイル全体の巻回数に対して、図示のようにソレノイドコイル１１の両端部におけるほどコイル導体の巻回ピッチｐ１を密にし、コイル中央部におけるほどコイル導体の巻回ピッチｐ２を粗（ｐ1＜ｐ2）に設定して巻回するようにしている。
【００３６】
すなわち、コイル全域でコイル導体を均一に巻回したソレノイドコイルの軸方向の発生磁束密度はコイル中央部に比べて両端部が低下する傾向があるが、図８のようにコイルピッチを変えてコイル導体を疎密巻きにすることにより、コイルユニット１の端部から被加熱体３に向かう磁束密度の軸方向の分布の均一性を高めることができるので、被加熱体を効率よく均一に加熱することかできる。
【符号の説明】
【００３７】
１：ソレノイド形誘導加熱コイルユニット
１１：ソレノイドコイル
１２：磁芯
１３：磁極片
２：高周波電源
３：被加熱体
φ：交番磁束
【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７】
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【図８】
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