(57)【要約】【課題】  半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル部分並びにこれを被包する珪素鋼材の全体形状を変化させずに、幅狭の軸部に対応でき、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの使用が可能であり、しかも一対の側板に溶解部が生じるのを防止し得て、電力損失の発生ひいては加熱効率の低下を来たすような不具合を回避することができるような構成の幅狭の軸部の高周波誘導加熱装置を提供する。【解決手段】  半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２のうち、互いに平行状に対向配置されると共に軸部１４の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分２ａ，２ｂの間の対向間隔を、一対のコイル部分２ａ，２ｂの対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを加熱対象である１７ｍｍ〜２２ｍｍ幅の幅狭の軸部の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを前記軸部に追従させながら、前記軸部を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのうち、互いに平行状に対向配置されると共に前記軸部の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分の間の対向間隔を、前記一対のコイル部分の対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定したことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
【請求項２】
前記軸部の幅寸法が１８ｍｍの場合において、前記一対のコイル部分の対向方向の全体幅が１３ｍｍであり、前記コイル部分の横幅寸法が４ｍｍであり、前記コイル部分の縦寸法が８ｍｍであり、前記一対のコイル部分の間の間隔が５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項３】
前記コイル部分の外周の一部を珪素鋼材により被包したことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項４】
前記珪素鋼材により被包される前記コイル部分の外周の一部は、前記軸部に対向する面を除く全体部であることを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項５】
前記高周波誘導加熱コイル、並びに、前記高周波誘導加熱コイルに連結された給電用リード導体を保持する前記側板の一部分であって、かつ、進み側の給電用リード導体と戻り側の給電用リード導体とが最も近接する位置又はその近傍位置に貫通孔を形成したことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波誘導加熱装置に関し、更に詳しくは、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを１７ｍｍ〜２２ｍｍ幅の幅狭の軸部の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを前記軸部に追従させながら、前記軸部を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置に関する。また、本発明は、例えば、小型エンジンのクランクシャフトのピン部のように幅狭の寸法の軸部に高周波焼入を行うための高周波誘導加熱コイル及びそれを保持する側板を備える高周波誘導加熱装置に関し、特に、設定電圧の低減並びに加熱時間や出力の低減を図ることができ、所望の焼入硬化層を安定して形成することができ、耐久性の向上を図ることができる高周波誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ），（ｂ）は、例えばクランクシャフトのピン部Ｐ（図５ａ及び図８参照）の如き軸部を焼入処理する高周波焼入機構に一般に使用されている高周波誘導加熱装置１’における加熱コイルまわりの構造を示すものである。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、この高周波誘導加熱装置１’は、冷却水流通用中空部を有するパイプ材から成る半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２と、これに連結される給電用リード導体３ａ，３ｂと、この給電用リード導体３ａ，３ｂと高周波電源（図示せず）とを互いに連結する接続端子（ブロック）４ａ，４ｂと、高周波誘導加熱コイル２等に冷却水を送る冷却水供給用導管５と、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２を例えば図外のクランクシャフト（加熱対象としてのワーク）のピン部に僅かな隙間を隔てて載置するためのセラミック製又は超硬合金製のチップ６ａ，６ｂ，６ｃ等を備えており、これらの部材は、互いに平行状に対向配置された一対の側板７ａ，７ｂ間に保持されて設置されている。かくして、一対の側板７ａ，７ｂ間に設置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２がチップ６ａ〜６ｃを介してクランクシャフトのピン部に僅かな隙間を隔てて載置された状態の下で、図外の追従機構により、クランクシャフトの軸線を中心に回動されているピン部Ｐ（軸部）に追従移動され、この間にピン部Ｐの外周面が高周波誘導加熱されるように構成されている。
【０００３】
この場合、図外の高周波電源から高周波誘導加熱コイル２へ供給される或る瞬時の電流は、図６において矢印Ａ，Ｂで示す如く、電源側から進み側の給電用リード導体３ａから一連の高周波誘導加熱コイル２（コイル部分２ａ，２ｂを含む）に導入され、それに連続する戻り側の給電用リード導体３ｂに進み、電源側に送られる。なお、次の瞬間には、これとは逆の方向に電流が流れる。しかしながら、本明細書においては、説明の簡単化のために、便宜上、ある瞬時の一対の給電用リード導体３ａ，３ｂのうちの一方の給電用リード導体３ａを「進み側」と称し、その他の方給電用リード導体３ｂを「戻り側」と称することとする。
【０００４】
一方、クランクシャフトのピン部Ｐには、図４において示す如くピン部Ｐの軸線Ｂに沿う横方向において寸法Ｌであってかつ前記軸線Ｂに直交する深さ方向の寸法Ｔの範囲に焼入硬化層Ｓを形成することが必要であるが、例えば、ピン幅寸法が１８ｍｍ程度の幅狭のピン部Ｐの場合には、この焼入硬化層Ｓを正確に形成するためには色々な工夫が必要であり、そのために従来では図８に示すような半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２用のパイプ材８ａ，８ｂを使用していた。
【０００５】
図８に示したパイプ材８ａ，８ｂは互いに連続して接続されて相対向して配置され、かつ、同一の断面寸法形状の一対のものから成り、例えば、ピン部Ｐの横寸法が１８ｍｍの場合には、図８に示す如き寸法のものが採用されている。これらのパイプ材８ａ，８ｂ（コイル部分）は、横寸法が５ｍｍで縦寸法が９ｍｍのものから成り、パイプ材８ａ，８ｂの外周の一部（ピン部Ｐに対向する部分α，βを除く全体部分）は、加熱効率の向上を図るべく磁束集中用の珪素鋼板９ａ，９ｂにより被包されている。この珪素鋼板９ａ，９ｂは電流の流れを効率的に行うためのものであり、通常の高周波誘導加熱コイル用のパイプ材８ａ，８ｂには使用されている。なお、図８のようにパイプ材８ａ，８ｂを被包する珪素鋼板９ａ，９ｂの横方向（軸線Ｃに沿う方向）の間隔は、例えば１ｍｍに設定され、互いに対向する一対のパイプ材（コイル部分）８ａ，８ｂの間の間隔は、パイプ材８ａ，８ｂの横寸法（５ｍｍ）よりも狭く設定されている。
【０００６】
下記の表１は、図６及び図８に示した半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２によりクランクシャフトのピン部Ｐを高周波誘導加熱して急冷することにより焼入処理を施した場合の実験結果を示すものである。
【０００７】
【表１】
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【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の表１に示すように、設定電圧が４５０Ｖ〜５１０Ｖの場合には、加熱時間を１０ｓｅｃ〜１２ｓｅｃかけて出力を５７．５ｋＷ〜８２．４ｋＷとしても、形成された焼入硬化層が深さ及び範囲とも測定不可なものであった（テスト１〜７参照）。一方、条件として設定電圧を５２０Ｖ、加熱時間を１５ｓｅｃ、出力を８４．０ｋＷにした場合（テスト８参照）には、図７に示すような焼入硬化層Ｓ1（クランクシャフトのジャーナル部の軸線（図示せず）に対して相対的に遠い側のトップ部分）及び焼入硬化層Ｓ2（クランクシャフトのジャーナル部の軸線（図示せず）に対して相対的に近い側のボトム部分）に測定可能な焼入硬化層が得られたが、この焼入硬化層Ｓ1，Ｓ2では不十分のもの（不均一で浅い焼入硬化層）であった。図４に示すような理想的な焼入硬化層Ｓを形成するには更に設定電圧、加熱時間及び出力を上げる必要があって、高電力消費が必要となり、高周波誘導加熱コイル本体の破損の問題が生じる上に、加熱時間が長くなって生産性が低下するという問題点がある。なお、上述の如く不十分な焼入硬化層Ｓ1，Ｓ2となるのは、互いに対向するパイプ材８ａ，８ｂの間隔が狭く、その間隔部分で磁束の相殺が大きく生じてしまうからである。
【０００９】
また、上記の条件で高周波誘導加熱（高周波焼入）を続行すると、図６に示すように側板７ａ，７ｂの特定箇所に溶解部Ｗ（最悪の場合には溶融穴１０）が生じてしまい、不良品となる場合がある。因みに、この溶解部Ｗは、図５（ａ），（ｂ）において符号γで示す箇所に主として形成される。この箇所γは、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２の進み側の給電用リード導体３ａと戻り側の給電用リード導体３ｂとが最も近接する位置或いはその近傍位置である。それは、その箇所γが図５（ａ）に示す如く給電用リード導体の進み側部分と戻り側部分とが最も近接する位置であって、かつ、図５（ｂ）に示す如く進み側の給電用リード導体３ａ及び戻り側の給電用リード導体３ｂとが側面視で側板７ａ，７ｂ間の幅方向において互に重なり合う配置状態となって、これらの給電用リード導体３ａ，３ｂと側板７ａ，７ｂとの間の間隔が最も狭くなる箇所（他の部分よりも狭くなる箇所）であるため、これらの間の高周波誘導作用が最も大きくなって当該部分が他の部分より一般に高熱となり、溶解部Ｗが最も発生し易い場所だからである。なお、このような溶解部Ｗが生じるような場合には、この溶解部Ｗが生じる分だけ高周波電力の損失が生じていることとなり、高周波誘導加熱の効率低下を招く結果となる。
【００１０】
本発明は、上述の如き問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル部分並びにこれを被包する珪素鋼材の全体形状を変化させずに、幅狭の軸部（例えば、クランクシャフトのピン部等）に対応でき、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの使用が可能であり、しかも一対の側板に溶解部が生じるのを防止し得て、電力損失の発生ひいては加熱効率の低下を来たすような不具合を回避することができるような構成の幅狭の軸部の高周波誘導加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明では、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを加熱対象である１７ｍｍ〜２２ｍｍ幅の幅狭の軸部の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを前記軸部に追従させながら、前記軸部を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置において、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのうち、互いに平行状に対向配置されると共に前記軸部の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分の間の対向間隔を、前記一対のコイル部分の対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定するようにしている。
また、本発明では、前記軸部の幅寸法が１８ｍｍの場合において、前記一対のコイル部分の対向方向の全体幅が１３ｍｍであり、前記コイル部分の横幅寸法が４ｍｍであり、前記コイル部分の縦寸法が８ｍｍであり、前記一対のコイル部分の間の間隔が５ｍｍであるようにしている。
また、本発明では、前記コイル部分の外周の一部を珪素鋼材により被包するようにしている。
また、本発明では、前記珪素鋼材により被包される前記コイル部分の外周の一部は、前記軸部に対向する面を除く全体部であるようにしている。
また、本発明では、前記高周波誘導加熱コイル、並びに、前記高周波誘導加熱コイルに連結された給電用リード導体を保持する前記側板の一部分であって、かつ、進み側の給電用リード導体と戻り側の給電用リード導体とが最も近接する位置又はその近傍位置に貫通孔を形成するようにしている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の本発明は、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのうち互いに平行状に対向配置されると共に軸部の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分の間の対向間隔を、一対のコイル部分の対向方向に沿う長さ寸法より幅広に設定するようにしたものであるから、一対のコイル部分の間の間隔を極力広げこれをコイル部分の横幅寸法（軸部の軸線方向に沿う幅寸法）よりも大きくすることにより、相対向する一対のコイル部分間の干渉（磁束の相殺）を抑制し得て電力損失の低減を図ることはでき、結果として低電力、短加熱時間で所望の焼入硬化層を安定して形成することが可能となる。また、半開放鞍型高周波誘導加熱コイルのコイル部分並びにこれを被包する珪素鋼材の全体形状を変化させずに、幅狭の軸部（例えば、クランクシャフトのピン部等）に対応でき、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイルの使用が可能である。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、軸部の幅寸法が１８ｍｍの場合（幅狭の軸部の場合）において、一対のコイル部分の対向方向の全体幅が１３ｍｍであり、コイル部分の横幅寸法が４ｍｍであり、コイル部分の縦寸法が８ｍｍであり、一対のコイル部分の間の間隔が５ｍｍであるようにしたものであるから、軸部の寸法を上記の如く限定した場合において規準の構造のコイル部分（例えば、パイプ材）を用いることにより、最も幅狭の軸部に対して上記の如き作用効果を効率良く奏することができることが実験により確かめられた。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明は、コイル部分の外周の一部を珪素鋼材により被包するようにしたものであるから、被加熱部への磁束の集中を行なうことができて、高周波誘導加熱の一層の効率化を図ることができ、ひいては所望の焼入硬化層を形成することが可能となる。
【００１５】
また、請求項４に記載の本発明は、珪素鋼材により被包されるコイル部分の外周の一部は、軸部に対向する面を除く全体部であるようにしたものであるから、高周波誘導加熱のより一層の効率化を図り得て、所望の焼入硬化層を確実に形成することが可能となる。
【００１６】
また、請求項５に記載の本発明は、高周波誘導加熱コイル、並びに、高周波誘導加熱コイルに連結された給電用リード導体を保持する側板の一部分であって、かつ、給電用リード導体の進み側部分と戻り側部分とが最も近接する位置又はその近傍位置に貫通孔を形成したものであるから、側板の所定位置に貫通孔が存在するため、この貫通孔の形成部位に高熱が発生することがなくなり、側板における溶解部の発生を確実に防止することができ、ひいては高周波誘導加熱装置の耐久性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱装置１について図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態の高周波誘導加熱装置１は、図５（ａ），（ｂ）に示すものと同様の型式の装置であって、互いに対向する一対の側板間に配置された半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２を加熱対象である１７ｍｍ〜２２ｍｍ幅の幅狭の軸部１４の上に隙間を隔てて載置した状態の下で、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２を軸部１４（クランクシャフトのピン部Ｐ）に追従させながら、前記軸部１４を高周波誘導加熱するようにした高周波誘導加熱装置である。従って、図１〜図４において図５〜図９に示す部分と同様の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１８】
本実施形態における高周波誘導加熱装置１（図１参照）に用いられる高周波誘導加熱コイル２は、図２に示すように、互いに対向して平行状に延びる一対のコイル部分２ａ，２ｂに珪素鋼材９ａ，９ｂを被包して成るものであって、冷却液流通用の中空部１２を有する矩形断面のパイプ材８ａ，８ｂから成るものである。本実施形態の高周波誘導加熱コイル２は、軸線に沿う寸法が１８ｍｍの幅狭の軸部（例えば、クランククシャフトのピン部Ｐ）１４を高周波誘導加熱するのに適用されるものであるが、軸部１４の寸法がこれとは相違する場合においても本例とほぼ同様の全体形態を有するものを採用することが可能であり、その詳細寸法は実験的に決めるのが望ましい。この場合、既存の構造の半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２の使用が可能である。
【００１９】
本実施形態にあっては、半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２のうち互いに平行状に対向配置されると共に軸部１４の被加熱面に対向配置される、互いに等しい幅を有する一対のコイル部分２ａ，２ｂの間の対向間隔Ｌ1が５ｍｍに設定され、一対のコイル部分２ａ，２ｂの対向方向に沿う長さ寸法Ｌ2（４ｍｍ）より幅広に設定されている。具体的には、軸部１４の幅寸法が１８ｍｍの場合において、コイル部分２ａ，２ｂの横幅寸法Ｌ2がそれぞれ４ｍｍであり、コイル部分２ａ，２ｂの縦寸法Ｌ3が８ｍｍであり、これら一対のコイル部分２ａ，２ｂの間の間隔Ｌ1が５ｍｍである。ここで、Ｌ1＞Ｌ2としているのは、一対のコイル部分２ａ，２ｂ間の間隔をできるだけ広げてこれらの間における磁束の相殺を回避するためである。また、コイル部分２ａ，２ｂの一部（本実施形態にあっては、軸部１４に対向する面２ｃ，２ｄを除く全体部）が珪素鋼材９ａ，９ｂにより被包されるが、相対向する珪素鋼材９ａ，９ｂの横方向の隙間Ｌ4は１ｍｍに設定されている（図２参照）。
【００２０】
一方、本実施形態の高周波誘導加熱装置１に用いられている一対の側板７ａ，７ｂには、図１及び図３に示すように、特定の箇所γ、すなわち、進み側の給電用リード導体３ａと戻り側の給電用リード導体３ｂとが最も近接する位置であって、かつ、給電用リード導体３ａ，３ｂと側板７ａ，７ｂとの間の間隔が最も狭くなる箇所γ（本来的に最も高熱となる場所）に対応する部分に、貫通孔１５がそれぞれ予め形成されている。
【００２１】
上述のような構成の高周波誘導加熱装置１により軸部１４を高周波誘導加熱して焼入処理を施した場合の焼入硬化層Ｓの形成状態を下記の表２に示す。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
上記の表２に示すように、設定電圧３００Ｖ又は３５０Ｖで加熱時間を８ｓｅｃから１０ｓｅｃかけ、出力を２７．０ｋｗ〜３６．５ｋｗとして図２に示した半開放鞍型高周波誘導加熱コイル２を用いて高周波誘導加熱を行って焼入処理を行ったところ、表２のように深さ及び範囲とも、夫々、所望値に近い又は所望値通りの結果を得ることができた。これにより、図２に示す高周波誘導加熱コイル２を表２の条件で寸法が１８ｍｍの軸部１４に適用することにより、図４に示すような良好な焼入硬化層Ｓを形成することができることが確認された。なお、下記の表３は本発明と従来技術とを比較するために行った実験結果を示す。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
表３に示すように、本発明テスト（ａ）の場合は設定電圧が３００Ｖで加熱時間が８．０ｓｅｃで出力が２７．０ｋＶであり、及び本発明テスト６（ｂ）の場合は設定電圧が３５０Ｖで加熱時間が８．０ｓｅｃで出力が３４．０ｋＶであるに対して、従来テスト１（ｃ）では設定電圧４５０Ｖで加熱時間が１０．０ｓｅｃで出力を５７．５ｋｗ、従来テスト８（ｄ）では設定電圧５２０Ｖで加熱時間が１５ｓｅｃで出力を８４．０ｋｗ投入しても、形成される焼入硬化層の形状は本発明の方が所望のものと同じであり、かつ安定して形成されるに対して、従来技術のものは所望値を満足するものを安定的に形成することができないことがわかった。また、側板７ａ，７ｂについては貫通孔１５の存在により、本発明のものは溶解部が全く発生しなかった。
【００２６】
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、記述に実施形態では  １８ｍｍ幅の軸体（ピン部）について述べたが、本発明は、１７ｍｍ〜２２ｍｍ幅の幅狭の軸部についての高周波誘導加熱に適用可能である。また、既述の実施形態において例示したコイル部分２ａ，２ｂの断面形状や断面寸法等に限定されるものではなく、さらにコイル部分２ａ，２ｂはパイプ材８ａ，８ｂではなく中空部のない無垢の導体であっても良い。また、側板７ａ，７ｂに形成する貫通孔１５の形状は上下両端が半円弧状の長手孔に限らず、長方形状や正方形状などの各種形状のものであってもよい。また、珪素鋼材９ａ，９ｂの寸法及び形状は、互いに同一でなくてもよく、例えば図９（ａ），図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示す如く、必要に応じて全体寸法及び各部の寸法を適宜に変更して所望の焼入硬化層を得るようにすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る高周波誘導加熱装置の側面図である。
【図２】図１の高周波誘導加熱装置に用いられている高周波誘導加熱コイルの断面形状を示すものである。
【図３】図１の高周波誘導加熱装置に用いられている側板の正面図である。
【図４】図１の高周波誘導加熱装置にて軸部を高周波誘導加熱して焼入処理した場合に得られる焼入硬化層を示す断面図である。
【図５】従来の高周波誘導加熱装置を示す図であって。図５（ａ）は従来の高周波誘導加熱装置の正面図、図５（ｂ）は従来の高周波誘導加熱装置の側面図である。
【図６】高周波誘導加熱コイルを概念的に示す斜視図である。
【図７】図６の高周波誘導加熱コイルにて軸部を高周波誘導加熱して焼入処理した場合に得られる焼入硬化層を示す断面図である。
【図８】従来の高周波誘導加熱装置の用いられている高周波誘導加熱コイルの断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  高周波誘導加熱装置
２  高周波誘導加熱コイル
３  給電用リード導体
３ａ  進み側の給電用リード導体
３ｂ  戻り側の給電用リード導体
７ａ，７ｂ  側板
８ａ，８ｂ  パイプ材
９ａ，９ｂ  珪素鋼材
１４  軸部
１５  貫通孔
【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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