(57)【要約】【課題】誘導コイルにより発熱体を均一に誘導加熱することができる高周波加熱装置を提供する。【解決手段】導電性材料で形成されると共に内部に熱処理対象物Ｘを収容可能な発熱体１３と、発熱体１３の外周に沿って巻き付けられた誘導コイル１２と、誘導コイル１２に高周波電流を供給する電源部３０と、を備えた誘導加熱装置１０において、誘導コイル１２は、コイル軸方向に沿って直列に配置された複数の分割誘導コイル１２ａ，１２ｂからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料で形成されると共に内部に熱処理対象物を収容可能な発熱体と、
前記発熱体の外周に沿って巻き付けられた誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電流を供給する電源部と、
を備えた誘導加熱装置において、
前記誘導コイルは、コイル軸方向に沿って直列に配置された複数の分割誘導コイルからなることを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記複数の分割誘導コイルは、前記電源部に電気的に並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記分割誘導コイルは、前記コイル軸方向に沿って、それぞれ移動可能に構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記分割誘導コイルの前記コイル軸方向の配置位置は、前記発熱体内に収容される熱処理対象物に応じて設定されることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発熱体の近傍に配置した誘導コイルに高周波電流を供給することで、発熱体を誘導加熱する高周波加熱装置が知られている。
高周波加熱装置としては、円筒形等の箱体に形成した発熱体内に熱処理対象物を収容し、誘導加熱された発熱体からの輻射熱により熱処理対象物を熱処理する加熱炉がある。このような加熱炉では、誘導コイルは円筒形の発熱体の外周側面に沿って巻き付くように配置されている。
そして、誘導コイルに高周波電流を印加して、誘導コイルの周辺に高周波磁界を発生させて発熱体に渦電流を発生させることにより、発熱体は渦電流によるジュール熱で加熱される。
【特許文献１】特開平１−５６８３２号公報
【特許文献２】特許第３５７２５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した誘導コイルの周辺に発生する磁界の強さは、誘導コイルの両端部が中央部に比べて低くなる。誘導コイルの両端部では磁束密度が低くなるからである。
このため、誘導コイルが外周側面に巻き付けられた発熱体には、両端領域が中央領域に比べて低温となる部温度分布が発生するので、その内部に収容された熱処理対象物は不均一に加熱されてしまう。したがって、所望の品質を有する熱処理対象物が得られないという問題がある。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、誘導コイルにより発熱体を均一に誘導加熱することができる高周波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】
【０００５】
本発明に係る誘導加熱装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、導電性材料で形成されると共に内部に熱処理対象物を収容可能な発熱体と、前記発熱体の外周に沿って巻き付けられた誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電流を供給する電源部と、を備えた誘導加熱装置において、前記誘導コイルは、コイル軸方向に沿って直列に配置された複数の分割誘導コイルからなることを特徴とする。
【０００６】
また、前記複数の分割誘導コイルは、前記電源部に電気的に並列に接続されることを特徴とする。
また、前記分割誘導コイルは、前記コイル軸方向に沿って、それぞれ移動可能に構成されることを特徴とする。
また、前記分割誘導コイルの前記コイル軸方向の配置位置は、前記発熱体内に収容される熱処理対象物に応じて設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
発熱体の外周に沿って巻き付けられる誘導コイルが複数に分割されているので、単一の誘導コイルの場合に比べて、発熱体を均一に誘導加熱することができる。これにより、発熱体内に収容される熱処理対象物が不均一に熱処理されることを防止することができる。
また、複数の誘導コイルの位置を変更することで、発熱体の加熱状態を任意に調整することができる。
また、複数の誘導コイルを電気的に並列に接続することで、誘導コイルへの印加電圧を下げられるので、誘導コイルを真空内で使用する場合に発生する放電現象を抑制することができる。
また、複数の誘導コイルの配置位置を、発熱体内に収容される熱処理対象物に応じて設定することで、熱処理対象物の熱処理をより確実に均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の誘導加熱装置の実施形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る誘導加熱炉１０の概略構成を示す断面図である。
誘導加熱炉１０は、円筒箱形に形成されると共にその内部に熱処理対象物であるルツボＸを収容する加熱室１３と、加熱室１３の外側全体を隙間無く覆う断熱材１４と、断熱材１４の外周に沿って巻き付けられた誘導コイル１２と、これらを内部に収容する真空容器１１と、を備えている。
【０００９】
加熱室１３は、高純度のグラファイトで形成されており、誘導コイル１２により誘導加熱される。加熱室１３は、ルツボＸの焼成温度である約２０００℃であっても充分な耐熱性を有する。また、高い導電性も有する。したがって、耐久性に優れると共に、加熱効率の向上と内部空間の均熱化が図ることが可能となっている。
加熱室１３の内部には、直径φ６５０ｍｍ、高さ７５０ｍｍの空間が形成されており、セラミックスからなる焼成処理前のルツボＸがスペーサを介して配置される。
【００１０】
断熱材１４は、グラファイトを主体として形成されており、２２００℃に耐える高温用断熱材である。したがって、誘導コイル１２により誘導加熱された加熱室１３の熱が外部に放熱されることが防止される。
なお、加熱室１３及び断熱材１４の上部の円形平板部は、取り外し可能に構成されている。そして、この円形平板部を取り外すことで、ルツボＸを加熱室１３内に出し入れ可能となっている。
【００１１】
誘導コイル１２は、高周波数交流電流の供給により交流磁場を発生させて加熱室１３を誘導加熱する。そして、加熱室１３からの輻射熱により、加熱室１３内の熱処理対象物であるルツボＸが加熱されるようになっている。
円筒形の断熱材１４の外周面に巻き付けられる誘導コイル１２は、断熱材１４の上半側に配置される上側誘導コイル１２ａと、下半側に配置される下側誘導コイル１２ｂとから構成される。
上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂとは、同一材料、同一形状（同一巻数）に形成されており、真空容器１１外に配置された高周波電源３０に対して電気的に並列に接続されている。すなわち、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂのそれぞれの端子部が高周波電源３０に接続される。なお、高周波電源３０は、整流器、直流リアクトル、インバータ等を備えており、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂに電圧及び周波数を調整した高周波電流を供給する。
【００１２】
また、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂは、断熱材１４（加熱室１３）に対して、それぞれ独立して上下方向、すなわち誘導コイル１２（１２ａ，１２ｂ）のコイル軸方向にその配置位置を変更可能に構成されている。
具体的には、後述する支持部材１１ｃ上に、スペーサ２２ｂを介して下側誘導コイル１２ｂが配置され、更にこの下側誘導コイル１２ｂ上にスペーサ２２ａを介して上側誘導コイル１２ａが配置される。そして、スペーサ２２ａ，２２ｂは、シム調整によりその厚み（高さ）を任意に調整可能となっている。
したがって、スペーサ２２ａ，２２ｂの厚みを調整することで、加熱室１３に対する上側誘導コイル１２ａ及び下側誘導コイル１２ｂの位置（コイル軸方向の位置）を所望の位置に配置させることができる。
【００１３】
真空容器１１は、略円筒形に形状設定されており、この円筒形の中心軸が水平となるように姿勢設定される。真空容器１１の一方側（図１における左側）には、真空容器１１の軸方向に水平移動するクラッチ式の蓋体１１ｂが設置される。
蓋体１１ｂの内側下方には、水平方向に延設された支持部材１１ｃが固着される。そして、この支持部材１１ｃ上に加熱室１３と断熱材１４と誘導コイル１２とが載置される。また、蓋体１１ｂの下方には、蓋体１１ｂを支持すると共に、蓋体１１ｂを水平方向に移動させる可動支持台２０が設けられる。
このような構成により、蓋体１１ｂを真空容器１１に向けて水平移動させると、加熱室１３と断熱材１４と誘導コイル１２とが真空容器１１に収容される。そして、蓋体１１ｂを真空容器本体１１ａに連結することで、真空容器１１の内側空間は外部と遮断された密閉状態となる。
【００１４】
真空容器１１には、不図示の真空ポンプが接続され、真空容器１１の内部空間が真空引きされる。また、加熱室１３内には、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）を導入するために、不図示のガス導入管が接続されている。
【００１５】
次に、誘導加熱炉１０によるルツボＸの焼成処理について説明する。
まず、予め乾燥処理と脱脂処理が施されたルツボＸを誘導加熱炉１０の加熱室１３内に搬入する。具体的には、蓋体１１ｂが真空容器本体１１ａから分離された状態において、加熱室１３及び断熱材１４の上部の円形平板部を取り外し、加熱室１３内にルツボＸを搬入する。そして、加熱室１３及び断熱材１４の上部の円形平板部を取り付けることで、加熱室１３内にルツボＸを収容する。
【００１６】
次いで、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置を調整する。上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置は、上述したように、スペーサ２２ａ，２２ｂの厚みを調整することで行われる。
なお、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置は、加熱室１３内に収容される熱処理対象物（ルツボＸ等）の形状、数量、配置等に応じて規定される。つまり、加熱室１３内に収容された熱処理対象物の略全てが均一に加熱されるように、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置を規定する。
上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置をどのように規定すべきか、すなわち、加熱室１３内に収容される熱処理対象物の略全てが均一に加熱されるか否かは、実験を繰り返すことで、経験的に求められる。
【００１７】
次に、蓋体１１ｂを真空容器本体１１ａに向けて水平移動し、蓋体１１ｂと真空容器本体１１ａとを連結する。続いて、真空容器１１の内部空間を真空引きし、その後、加熱室１３内に不活性ガスを導入する。
そして、高周波電源３０を作動させることで、焼成処理を開始する。具体的には、高周波電源３０から上側誘導コイル１２ａ及び下側誘導コイル１２ｂに対して高周波交流電流を供給して、加熱室１３を予め設定された温度パターンに従って誘導加熱する。これにより、加熱室１３内のルツボＸが加熱・焼成される。
そして、ルツボＸの加熱が完了した後は、上記工程を逆の順序に行って、加熱室１３からルツボＸを搬出することで、ルツボＸの焼成処理が完了する。
【００１８】
ここで、上側誘導コイル１２ａ及び下側誘導コイル１２ｂにより誘導加熱された加熱室１３の側壁の温度分布について従来例と比較しつつ説明する。
図２は、加熱室１３の側壁の温度分布を示す図である。また、図３は、従来の加熱室の側壁の温度分布を示す図である。
なお、図２，３において、加熱室１３の側壁の色の濃淡は温度の高低を示し、色の濃い部分が高温、薄い部分が低温を示す。
まず、図３に示すように、従来例の加熱室１３の側壁では、中央部が上部及び下部に比べて高温となる。つまり、中央部と上部及び下部との温度差が大きくなっている。これに伴って、加熱室１３内のルツボＸも、高さ方向の中央部が上部及び下部に比べて高温に加熱されてしまう。
このため、ルツボＸの上部及び下部が十分に加熱されず、焼成が不十分となってしまう可能性がある。このような不都合を回避するために、焼成（加熱）の時間を延ばしたり、加熱温度を高くしたりしなければならない。
【００１９】
一方、図２に示すように、本実施形態の加熱室１３の側壁では、中央部と上部及び下部との温度差が従来例に比べて小さくなっている。したがって、加熱室１３内のルツボＸは、均一に加熱、焼成される。このため、従来例に比べて効率のよい焼成処理が可能となる。
特に、誘導コイル１２を、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂに分割し、電気的に並列に接続しているので、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂに印加すべき高周波電流の電圧を低く抑えることが可能となっている。つまり、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂに分割しているので、従来例に比べて印加電圧を約半減させることができ、したがって効率のよい誘導加熱が可能となっている。
また、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂに印加すべき高周波電流の電圧を低く抑えることができるので、真空容器１１内における放電現象の発生も抑制される。
【００２０】
上述したように、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置（高さ）は、加熱室１３内に収容される熱処理対象物の形状、数、配置、材質等に応じて、適宜、調整される。予め実験的に焼成処理を行うことで、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの最適な配置位置（高さ）を求めておくことで、最適な焼成処理を行うことができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態の誘導加熱炉１０によれば、加熱室１３の外周に沿って巻き付けられる誘導コイル１２が複数に分割（上側誘導コイル１２ａ，下側誘導コイル１２ｂ）されているので、単一の誘導コイルの場合に比べて、加熱室１３を均一に誘導加熱することができる。これにより、加熱室１３内に収容される熱処理対象物（ルツボＸ）が不均一に熱処理されることを防止することができる。
また、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの位置を変更することで、加熱室１３の加熱状態を任意に調整することができる。
そして、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂの配置位置を、加熱室１３内に収容された熱処理対象物（ルツボＸ）の形状、数、配置等に応じて設定することで、熱処理対象物の熱処理をより確実に均一化することができる。
また、上側誘導コイル１２ａと下側誘導コイル１２ｂとを電気的に並列に接続することで、誘導コイル１２への印加電圧を下げられるので、誘導コイル１２を真空内で使用する場合に発生する放電現象を抑制することができる。
【００２２】
なお、上述述した実施形態における各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００２３】
例えば、誘導コイル１２が二つの誘導コイル（上側誘導コイル１２ａ，下側誘導コイル１２ｂ）で構成される場合について説明したが、これに限らず、三つやそれ以上の誘導コイルで構成される場合であってもよい。
【００２４】
また、各誘導コイル１２ａ，１２ｂは、必ずしも同一形状、同一巻数である必要はない。また、各誘導コイル１２ａ，１２ｂに印加する高周波電流の周波数や電圧を異ならせるようにしてもよい。
【００２５】
誘導加熱炉１０としては、バッチ式の焼成炉に限らず、連続式の焼成炉であってもよい。また、真空容器１１を備えるものである必要はない。
また、加熱室１３の形状としては、円筒形に限らず、直方体形であってもよい。また、箱体に限らず、上方に開口を有するカップ形等であってもよい。
また、熱処理対象物としては、セラミックスからなるルツボＸに限らない。金属類を溶解処理する場合等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る誘導加熱炉１０の概略構成を示す断面図である。
【図２】加熱室１３の側壁の温度分布を示す図である。
【図３】加熱室の側壁の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…誘導加熱炉（誘導加熱装置）
１１…真空容器
１１ａ…真空容器本体
１１ｂ…蓋体
１１ｃ…支持部材
１２…誘導コイル
１２ａ…上側誘導コイル（分割誘導コイル）
１２ｂ…下側誘導コイル（分割誘導コイル）
１３…加熱室（発熱体）
１４…断熱材
２０…可動支持台
２２ａ，２２ｂ…スペーサ
３０…高周波電源部
Ｘ…ルツボ（熱処理対象物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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