(57)【要約】【課題】従来の高周波加熱装置では、周波数切り替えによる力率の低下を防止することが出来ない問題があった。【解決手段】本発明の高周波加熱装置は、出力電力の周波数を変更可能な電源部１０と、出力電力に応じて、被加熱体を加熱する加熱コイル３１と、被加熱体の温度を測定する温度測定手段３２と、温度測定手段によって測定された被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、電源部１０に対して出力電力の周波数の切り替えを指示する周波数切り替え信号を出力する制御部１４と、出力電力の周波数に共振周波数を整合させることで出力電力の力率を改善する力率改善部１１を有し、力率改善部１１は、加熱コイル３１と電源部１０との間に挿入された可変容量２１〜２３を有し、周波数の切り替え信号に応じて、可変容量２１〜２３の容量値をすることにより共振周波数を変更する。【選択図】図１
2017084565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電力の周波数を変更可能な電源部と、
前記出力電力に応じて、被加熱体を加熱する加熱コイルと、
前記被加熱体の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段によって測定された前記被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、前記電源部に対して前記出力電力の周波数の切り替えを指示する周波数切り替え信号を出力する制御部と、
前記出力電力の周波数に共振周波数を整合させることで前記出力電力の力率を改善する力率改善部と、を有し、
前記力率改善部は、
前記加熱コイルと前記電源部との間に挿入された可変容量を有し、
前記周波数の切り替え信号に応じて、前記可変容量の容量値を変更することにより前記共振周波数を変更する高周波加熱装置。
【請求項２】
前記可変容量は、
互いに並列に接続される複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサの少なくとも１つと直列に接続されるスイッチ素子と、を有し、
前記スイッチ素子は前記周波数切り替え信号に応じて開閉状態が制御される請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、前記電源部に対して前記出力電力の周波数が高くなるように周波数を切り替えることを指示する前記周波数切り替え信号を出力し、
前記力率改善部は、前記周波数切り替え信号に応じて前記可変容量の容量値が小さくするように容量値を切り替える請求項１又は２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
前記温度測定手段は、
放射温度計と、
前記放射温度計を覆い、前記放射温度計の温度測定部から前記加熱コイル内に向かって設けられる筒を備えるケースと、を有し、
前記ケース内から前記加熱コイル内に向かって不活性ガスを流出させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
前記力率改善部と前記加熱コイルとの間に設けられるトランスを更に有し、
前記可変容量は、前記トランスの一次側コイルと前記電源部との間に設けられる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波加熱装置に関し、例えば、加熱コイルに高周波電力を印加することでビレットを加熱する高周波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属加工方法の１つである鍛造では、材料（以下、ビレットと称す）を加熱する工程を含む。このビレットの加熱では、加熱コイル内にビレットを投入し、加熱コイルに高周波の電力を印加することで加熱コイル内のビレットを加熱する。このビレットの加熱に用いられる装置が高周波加熱装置である。この高周波加熱装置の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の高周波加熱装置は、交流電源からの電力を直流に変換する整流器と、整流器からの直流電力を高周波電力に変換するインバータと、インバータから高周波電力の供給を受け被加熱体を加熱する加熱コイルと、を含む高周波加熱装置が開示されている。そして、特許文献１の高周波加熱装置は、加熱コイルに印加される電圧値を検出する電圧検出器と、電圧検出器から得られる電圧検出信号に基づき周期的に前記電圧値の変化率を検出し、検出結果に応じて前記インバータ出力の周波数の増減を行うインバータコントローラと、を設け、被加熱体の温度変化による加熱コイルの共振周波数の変化に対してインバータの出力周波数を常に変化率が所定値以下となる電圧ピーク領域の周波数とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１９０６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の高周波加熱装置では、インバータの出力端子と加熱コイルとの間に設けられ、力率改善を改善するコンデンサの容量値が固定値となっている。そのため、特許文献１の高周波加熱装置では、力率を改善できる周波数が１つであり、インバータが出力する出力電力の周波数が変化したときに力率が低下してしまう問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異なる周波数の出力電力を加熱コイルに印加する場合においても高い力率を実現することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる高周波加熱装置の一態様は、出力電力の周波数を変更可能な電源部と、前記出力電力に応じて、被加熱体を加熱する加熱コイルと、前記被加熱体の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段によって測定された前記被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、前記電源部に対して前記出力電力の周波数の切り替えを指示する周波数切り替え信号を出力する制御部と、前記出力電力の周波数に共振周波数を整合させることで前記出力電力の力率を改善する力率改善部と、を有し、前記力率改善部は、前記加熱コイルと前記電源部との間に挿入された可変容量を有し、前記周波数の切り替え信号に応じて、前記可変容量の容量値を変更することにより前記共振周波数を変更する。
【０００８】
上記本発明の一態様によれば、電源部が出力する出力電力の周波数の切り替わりに合わせて、力率改善部が、力率が最も高くなるように、可変容量の容量値を変更するため、出力電力の周波数の切り替わり前後のいずれの周波数に対しても力率を高めることができる。
【０００９】
また、本発明にかかる高周波加熱装置の別の態様では、前記可変容量は、互いに並列に接続される複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサの少なくとも１つと直列に接続されるスイッチ素子と、を有し、前記スイッチ素子は前記周波数切り替え信号に応じて開閉状態が制御される。
【００１０】
上記本発明の別の態様によれば、スイッチ素子の開閉により可変容量の容量値を切り替えるため、簡単な構成により可変容量の容量値を切り替えることができる。
【００１１】
また、本発明にかかる高周波加熱装置の別の態様では、前記制御部は、前記被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、前記電源部に対して前記出力電力の周波数が高くなるように周波数を切り替えることを指示する前記周波数切り替え信号を出力し、前記力率改善部は、前記周波数切り替え信号に応じて前記可変容量の容量値が小さくするように容量値を切り替える。
【００１２】
上記本発明の別の態様によれば、被加熱体の外周部と周辺部との温度差を小さくすることで、被加熱体の温度ムラを解消すると共に、加熱時間を短縮することができる。
【００１３】
本発明にかかるモータ温度推定装置の別の態様では、前記温度測定手段は、放射温度計と、前記放射温度計を覆い、前記放射温度計の温度測定部から前記加熱コイル内に向かって設けられる筒を備えるケースと、を有し、前記ケース内から前記加熱コイル内に向かって不活性ガスを流出させる。
【００１４】
上記本発明の別の態様によれば、放射温度計によってより高い温度まで検出しながら、不活性ガスのパージによって、被加熱体の周囲で発生する酸化スケール等の汚れが放射温度計に付着することに起因する検出温度の精度の低下を防止することができる。
【００１５】
上記本発明の別の態様によれば、前記力率改善部と前記加熱コイルとの間に設けられるトランスを更に有し、前記可変容量は、前記トランスの一次側コイルと前記電源部との間に設けられる。
【００１６】
上記本発明の別の態様によれば、電源部が出力する出力電力の電圧によらず加熱コイルに最適な電圧を加熱コイルに印加することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる高周波加熱装置によれば、出力電力の周波数切り替えによる力率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１にかかる高周波加熱装置のブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかる材料加熱部の構造を説明する断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる高周波加熱装置における周波数切り替えと材料温度との関係を説明する加熱グラフである。
【図４】比較例にかかる高周波加熱装置における周波数切り替えと材料温度との関係を説明する加熱グラフである。
【図５】部材温度の変化を比較例にかかる高周波加熱装置と実施の形態１にかかる高周波加熱装置とで比較する加熱グラフである。
【図６】実施の形態１にかかる高周波加熱装置における加熱コイルの長さを説明する図である。
【図７】比較例にかかる高周波加熱装置を用いた場合の加熱工程を説明する図である。
【図８】実施の形態１にかかる高周波加熱装置を用いた場合の加熱工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００２０】
まず、図１に実施の形態１にかかる高周波加熱装置１のブロック図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１は、電源部１０、力率改善部１１、トランス１２、材料加熱部１３、制御部（例えば、加熱制御部１４）を有する。
【００２１】
電源部１０は、材料加熱部１３内の加熱コイル３１に印加する出力電力を出力する。また、電源部１０は、出力電力の周波数を加熱制御部１４からの指示に基づき変更する。力率改善部１１は、電源部１０と加熱コイル３１との間に設けられ、出力電力の周波数が特定の周波数となったときに力率を最も高くする。この力率改善部１１は、出力電力の周波数に共振周波数を整合させることで出力電力の力率を改善する。図１に示す例では、力率改善部１１と加熱コイル３１との間にトランス１２が設けられている。そして、図１に示す例では、力率改善部１１は、トランス１２の一次側コイルと電源部１０との間に設けられる。このように、力率改善部１１と加熱コイル３１との間にトランス１２を設けることで、電源部１０の出力電力の電圧によらず加熱コイルに最適な電圧を加熱コイルに印加することができる。
【００２２】
材料加熱部１３は、加熱コイル３１、温度測定手段（例えば、温度センサ３２）を有する。加熱コイル３１は、トランス１２を介して伝達される電源部１０の出力電力に応じて、被加熱体を加熱する。詳しくは後述するが、加熱コイル３１の内部に被加熱体が挿入される。温度センサ３２は、加熱コイル３１内に挿入された被加熱体の温度を測定する。加熱制御部１４は、温度センサ３２によって測定された被加熱体の温度が予め設定した切り替え温度に達したことに応じて、電源部１０に対して出力電力の周波数の切り替えを指示する周波数切り替え信号を出力する。
【００２３】
ここで、力率改善部１１の詳細な構成について説明する。力率改善部１１は、加熱コイル３１と電源部１０との間に挿入された可変容量を有し、周波数の切り替え信号に応じて、可変容量の容量値を変更することにより共振周波数を変更する。具体的には、力率改善部１１は、加熱コイル３１と電源部１０との間に挿入され、加熱制御部１４が出力する周波数の切り替え信号に応じて容量値が小さくなるように容量値を可変する可変容量を有する。図１に示す例では、力率改善部１１は、単位容量２１〜２３、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３を有する。単位容量２１〜２３は、互いに並列接続されたコンデンサである。また、単位容量２１〜２３は、それぞれ、複数の並列接続されたコンデンサを有するが、１つの単位容量内で並列接続されたコンデンサは、並列接続されたコンデンサの容量値を合成した合成容量を有する１つのコンデンサと捉えることができる。例えば、単位容量２１は、互いに並列接続されたコンデンサＣ１１〜Ｃ１４を有するが、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４の容量値を合計した容量を有する１つのコンデンサとして捉えることができる。
【００２４】
スイッチ素子ＳＷ１は、単位容量２１と直列に接続されるように設けられる。スイッチ素子ＳＷ２は、単位容量２２と直列に接続されるように設けられる。スイッチ素子ＳＷ３は、単位容量２３のコンデンサＣ３１〜Ｃ３４のうちコンデンサＣ３３、Ｃ３４と直列に接続されるように設けられる。コンデンサＣ３１、Ｃ３２は、電源部１０とトランス１２の一次側コイルとの間にスイッチ素子を介すことなく挿入される。スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３は、加熱制御部１４が電源部１０に周波数を高くすることを指示している状態のときに開状態（例えば、オン状態）となり、加熱制御部１４が電源部１０に周波数を低くすることを指示している状態のときに閉状態（例えば、オフ状態）となる。
【００２５】
力率改善部１１は、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３がオフ状態の時には容量値がコンデンサＣ３１、Ｃ３２の容量値を合計した容量値を有する１つのコンデンサとして機能する。一方、力率改善部１１は、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態の時には容量値がコンデンサＣ１１〜Ｃ１４、Ｃ２１〜Ｃ２４、Ｃ３１〜Ｃ３４の容量値を合計した容量値を有する１つのコンデンサとして機能する。つまり、力率改善部１１は、被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度よりも低く、かつ、電源部１０の出力電力の周波数が高いときには小さな容量値のコンデンサとして機能する。一方、力率改善部１１は、被加熱体の表面温度が予め設定した切り替え温度よりも高く、かつ電源部１０の出力電力の周波数が低いときには大きな容量値のコンデンサとして機能する。
【００２６】
また、力率改善部１１の単位容量２１〜２３とトランス１２の一次側コイルとは、共振回路を構成する。このことから、高周波加熱装置１では、力率改善部１１で実現される容量値を切り替えることで共振回路の共振周波数を、電源部１０の出力電力の周波数が低いときに低くし、電源部１０の出力電力の周波数が高いときに高くする機能を有すると考えることもできる。なお、共振周波数ｆは、トランス１２の一次側コイルのインダクタンスをＬ、力率改善部１１で実現される容量値をＣとした場合、（１）式で表すことができる。
【数１】
2017084565.tif 000003
【００２７】
なお、図１に示す例では、コンデンサの並列数を増減することで容量値を可変する例について説明したが、複数のコンデンサを直列に接続し、コンデンサの直列数をスイッチ素子により増減させることでも容量値を可変することができる。複数のコンデンサを直列に接続する場合、増減対象のコンデンサに対してスイッチ素子を並列に接続する。そして、力率改善部１１の容量値を増加させたい場合にはスイッチ素子をオフ状態とし、力率改善部１１の容量値を減少させたい場合にはスイッチ素子をオン状態とする。
【００２８】
続いて、材料加熱部１３の構成について詳細に説明する。図２に実施の形態１にかかる材料加熱部１３の構造を説明する断面図を示す。図２に示した断面図は、材料加熱部１３の構成を模式的に表したものである。
【００２９】
図２に示すように、力率改善部１１では、加熱コイル３１の内部に被加熱体である材料（以下ではビレットと称す）が投入される。この材料の投入と抜き出しは、プランジャーにより行われる。また、加熱コイル３１の上部は上蓋３３が設けられ、下部はプランジャーにより塞がれる。
【００３０】
また、図２に示す例では、温度センサ３２として温度センサ３２ａ〜３２ｄの４つの温度センサが設けられる。各温度センサは、放射温度計（図２の４１ａ〜４１ｄ）と、ケースと、を有する。ケースは、放射温度計を覆い、放射温度計の温度測定部から加熱コイル内に向かって設けられる筒を備える。そして、高周波加熱装置１では、ケース内から加熱コイル３１内に向かって不活性ガス（例えば、窒素、アルゴンなど）を流出させる不活性ガスパージを行う。また、図２では、温度センサ３２ａがビレットの上側端面の中心付近の温度を測定し、温度センサ３２ｂが図２においてビレットの中央部の表面の温度を測定し、温度センサ３２ｃ、３２ｄが図２においてビレットの端部の表面の温度を測定する。
【００３１】
ここで、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの表面温度の測定を放射温度計により実施する。鍛造における加熱工程では、ビレットを１２００℃程度まで加熱する。そのため、温度測定において熱電対を利用した場合、熱電対の劣化が激しく、頻繁な熱電対の交換が必要になるデメリットがある。一方、温度測定に放射温度計を利用した場合、放射温度計にビレットの熱が直接加わらないため放射温度計に劣化は生じない。また、加熱工程では、ビレット周辺に酸化スケール等の汚れが発生し、この汚れが放射温度計に付着すると放射温度計の温度測定精度が劣化するおそれがある。しかし、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、放射温度計の温度測定部からビレットに向かう経路に不活性ガスパージを行う。これにより、酸化スケール等の汚れの発生を低減すると共に、発生した酸化スケール等の汚れの放射温度計への付着を防ぐ。
【００３２】
また、図２に示す例では、複数の温度センサを用いてビレットの表面温度を測定する。このように、ビレットの温度測定に複数の温度センサを用いる場合、加熱制御部１４は、温度センサにより測定された温度のうち最も低い温度を用いて出力電力の周波数の切替を行うか否かを判断することが好ましい。
【００３３】
続いて、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１の周波数制御について説明する。そこで、まずビレットの電流浸透深さδについて説明する。電流浸透深さδは、ビレットの表面からどの程度の深さまで電流が浸透するか示すものである。電流浸透深さδ［ｍｍ］は、加熱コイルに印加する出力電力の周波数［Ｈｚ］をｆ、ビレットの固有抵抗［μΩ・ｃｍ］をρ、ビレットの透磁率をμｓとした場合、（２）式で表すことができる。
【数２】
2017084565.tif 000004
この（２）式より、電流浸透深さδは、出力電力の周波数が低いほど深くなることがわかる。実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの表面温度が予め設定した切り替え温度に達するまでは出力電力の周波数を低くしてビレットの中心部の加熱を促進し、ビレットの表面温度が切り替え温度に達した後は出力電力の周波数を高くすることでビレットの中心部よりも端部の加熱を促進する。
【００３４】
そこで、図３に実施の形態１にかかる高周波加熱装置における周波数切り替えと材料温度との関係を説明する加熱グラフを示す。図３に示す加熱グラフは、ビレットの表面の上部、中央部、下部と中心部の上部、中央部、下部とに熱電対を設置してビレットの各部位の温度変化を測定したものである。また、図３に示す加熱グラフでは、横軸を加熱時間、縦軸をビレットの温度としたものである。
【００３５】
図３に示すように、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの表面温度が切り替え温度（例えば、７５０℃）に達したことに応じて電源部１０の出力電力の周波数を８００Ｈｚから１２００Ｈｚに切り替える。そして、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの外周部の温度（表面温度）が目標とする１２００℃から大きくずれず、かつ、各部位の間の温度差が小さい状態で、加熱される。また、ビレットの中心部でも部位の間の温度差が小さい状態で加熱が進む。
【００３６】
ここで、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１によるビレットの温度変化をより説明するために、電源部１０の出力電力の周波数を１２００Ｈｚで固定して加熱を行う比較例について説明する。図４に比較例にかかる高周波加熱装置における周波数切り替えと材料温度との関係を説明する加熱グラフを示す。
【００３７】
図４に示すように比較例にかかる高周波加熱装置では、ビレットの外周部の温度差が実施の形態１にかかる高周波加熱装置１による加熱を行った場合に比べて大きくなる。特に、ビレットの外周部の上部では、他の部位に比べて１００℃程度温度が高くなる。１３００℃を超える温度は、鍛造を行う上でオーバーヒート状態であり、不良と判断される。
【００３８】
このような温度ムラは、ビレット内の入熱と輻射熱による放熱とのバランスが部位によって異なるために発生する。具体的には、出力電力の周波数が高いため、外周部の入熱が中心部の入熱よりも促進されやすい。一方、放熱に関しては、ビレットの下部では、加熱コイルによる誘導加熱の影響を受けないプランジャーからの抜熱を受けやすいのに対して、ビレットの上部ではプランジャーからの抜熱の影響が少なく加熱が促進されやすい。
【００３９】
一方、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、低い周波数の出力電力の周波数でビレットの内部の加熱を最初に促進し、ビレットの表面温度が切り替え温度に達したことに応じてビレットの外周部の加熱が促進されやすい出力電力の周波数に切り替える。これにより、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、入熱と放熱のバランスを比較例に比べて改善することができる。
【００４０】
ここで、比較例にかかる高周波加熱装置と実施の形態１にかかる高周波加熱装置１とで加熱時間を比較する。そこで、図５に部材温度の変化を比較例にかかる高周波加熱装置と実施の形態１にかかる高周波加熱装置とで比較する加熱グラフを示す。図５は、図３の外周部と中心部の中央部の加熱グラフと、図４の外周部と中心部の中央部の加熱グラフを１つのグラフにしたものである。
【００４１】
図５に示すように、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた加熱工程では、比較例に比べて中心部の加熱速度が速く、外周部の加熱速度が遅くなる。しかし、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた加熱工程では、中心部と外周部の加熱速度の差が比較例に比べて小さくなる。そのため、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた加熱工程では、ビレットの加熱完了までの時間が比較例に比べて短くなる。
【００４２】
より具体的には、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの温度が低い期間は加熱コイル３１を駆動する出力電力の周波数を低く設定することで、ビレット内部の昇温勾配を上げる。一方、比較例にかかる高周波加熱装置１では、ビレット表面からの熱移動に基づきビレット内部の温度を上昇させる。また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、加熱当初は低い周波数の出力電力によりビレットを加熱するが、出力電力の周波数が低いとビレットの端部が加熱されにくくなる。そこで、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、鉄が磁性を持つキュリー温度（例えば、７５０℃）程度の温度を切り替え温度に設定し、ビレット表面の温度がこの切り替え温度に達した以降は、ビレット表面がオーバーヒート状態ならない程度の周波数（例えば、１２００Ｈｚ程度）を有する出力電力を加熱コイル３１に与える。そして、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、高い周波数の出力電力により加熱を進めることで、表面温度を均一化させつつ、ビレット内部を規定温度まで加熱する。このようなことから、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた加熱工程では、ビレットの加熱完了までの時間が比較例に比べて短くなる。
【００４３】
上記説明より、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、出力電力の周波数の切り替えに合わせて力率改善部１１の容量値を切り替えることで、出力電力の周波数切り替えによる力率の低下を防止することができる。
【００４４】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの温度が切り替え温度に達したことに応じて、出力電力の周波数が高くなるように切り替えを行う。これにより、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの温度ムラを解消しながら、加熱時間を短縮することができる。
【００４５】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、力率改善部１１内に可変容量を有し、当該可変容量を所定の容量値を有する複数のコンデンサと、当該コンデンサに直列に接続されたスイッチ素子により構成する。そして、スイッチ素子の開閉状態を制御することで可変容量の容量値を増減させる。このような構成とすることで、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、簡単な構成により可変容量の容量値を切り替えることができる。
【００４６】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ビレットの温度測定に、ケースに収められた放射温度計を用いる。そして、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、ケースに設けられた筒内に不活性ガスを流すことで、ケース内からビレットに向けて不活性ガスパージを行う。これにより、ビレットの周囲に発生した酸化スケール等により放射温度計の温度測定部が汚れることを防止することができる。また、加熱コイル内に不活性ガスパージを行うことでビレット周辺に酸化スケールが発生することを防止することができる。
【００４７】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、力率改善部１１と加熱コイル３１との間にトランス１２を設けた。これにより、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、電源部１０が出力する出力電力の電圧によらず加熱コイル３１に最適な電圧を加熱コイル３１に印加することができる。
【００４８】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた場合、加熱コイル３１のコイル長を短くすることができる。この効果を図６を用いて具体的に説明する。そこで、図６に実施の形態１にかかる高周波加熱装置における加熱コイルの長さを説明する図を示す。
【００４９】
図６の最上段の図は、コイル長を実施の形態１にかかる加熱コイル３１と同じＬ１とし、かつ、出力電力の周波数切り替えを行わない第１の比較例におけるビレットの加熱状態を説明するものである。この第１の比較例では、ビレットの長さＹに対するコイル長のオーバーハングをＸ１とした。図６の中段の図は、コイル長を実施の形態１にかかる加熱コイル３１よりも長いＬ２とし、かつ、出力電力の周波数切り替えを行わない第２の比較例におけるビレットの加熱状態を説明するものである。この第２の比較例では、ビレットの長さＹに対するコイル長のオーバーハングをＸ１よりも長いＸ２とした。図６の最下段の図は、コイル長をＬ１とした実施の形態１にかかる加熱コイル３１を用いた場合のビレットの加熱状態を説明するものである。
【００５０】
図６に示すように、第１の比較例では、ビレットの端部の加熱が不十分になってしまうため、焼きムラが発生する。加熱コイルに印加する出力電力の周波数切り替え制御を行うことなくこの焼きムラを解消したものが第２の比較例である。第２の比較例では、オーバーハング量をＸ１からＸ２に増加させることで、端部における浸透電流を増加させて焼きムラを解消する。しかし、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、出力電力の周波数を制御することで、ビレットの中心部と端部の温度差を小さくするため、短いコイル長であっても焼きムラを発生させることなくビレットを加熱すことができる。
【００５１】
加熱コイル３１における正味効率は６５％程度であり、３５％程度の損失が生じる。この３５％の損失のうち２０％程度の損失は、加熱コイルの銅損に起因する損失である。そのため、加熱コイル３１のコイル長を短くすることで銅損に起因する損失を減らすことができる。そして、加熱コイル３１の損失を小さくすることで、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、消費電力を低減することができる。
【００５２】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いることで、鍛造工程全体の生産性及び鍛造工程に要する設備の設置面積の柔軟性を高めることができる。この効果を図７及び図８を用いて具体的に説明する。図７は、比較例にかかる高周波加熱装置を用いた場合の加熱工程を説明する図である。この比較例は、鍛造製品の量産工程で利用されている連続加熱方式の高周波加熱装置の加熱コイル部分の模式図である。図７に示すように、比較例にかかる高周波加熱装置では、長いコイルにビレットを流すことでビレットの加熱を行い、ビレットが加熱コイルの末端部に達するまでの間にビレットを規定の温度まで加熱する。そして、規定の温度まで加熱されたビレットを鍛造装置に供給する。また、図７に示す比較例にかかる高周波加熱装置では、加熱コイルを密閉することが出来ないため、ビレットの周囲に酸化スケールが付着する。
【００５３】
また、図７に示すように、比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程では、加熱工程の後の工程で不具合が生じて工程が停止した場合、加熱コイルに投入したビレットを熱冷まし材として廃棄する必要がある。これは、比較例にかかる高周波加熱装置では、加熱コイル内でビレットの温度を一定に保持した状態で停止できないためである。そして、比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程では、後工程が回復したことに応じて加熱コイル内へのビレットの投入を再開する。
【００５４】
つまり、図７に示した比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程では、後工程が停止した場合に熱冷まし材が発生する。また、図７に示した比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程では、工程の再開に時間が掛かる問題が生じる。さらに、図７に示した比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程では、工程の製造能力にかかわらず加熱コイルの長さを短くすることができないため、工程の製造能力にかかわらず常に一定の装置設置面積が必要になる。また、装置の大きさが変わらないため、工程の製品生産量にかかわらず高周波加熱装置で一定の電力が消費される。
【００５５】
図８は、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた場合の加熱工程を説明する図である。図８に示すように、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、加熱コイルの長さがビレット１つを加熱できるだけしかなく、ビレットは１つずつ個別に加熱される。そして、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、後工程が稼働している状態では、ビレットを１つずつ加熱して、加熱完了後のビレットを後工程に移送する。
【００５６】
一方、後工程が不具合により停止した場合、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１では、加熱コイル内でビレットを保温する。これは、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１が、ビレットを１つずつ加熱し、かつ、加熱温度を加熱コイルに与える出力電力の周波数を調節することができるために、可能になる機能である。そして、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、後工程が回復したことに応じて、ビレットを再加熱して、ビレットの加熱が完了したことに応じて、加熱されたビレットを後工程に移送する。
【００５７】
実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、後工程が停止した場合においても熱冷まし材等の廃棄部材が発生しないため、高い生産効率を実現することができる。また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、後工程が停止した後に回復した場合にも保温状態のビレットを再加熱することで、比較例にかかる高周波加熱装置を用いた工程よりも短時間で後工程に加熱済みビレットを供給することができる。つまり、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、工程の稼働効率を高めることができる。
【００５８】
また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、設置する装置の台数を増減させることで、加熱工程に要求される生産能力の変化に柔軟に対応することができる。また、実施の形態１にかかる高周波加熱装置１を用いた工程では、要求される生産能力が小さい場合には、装置の設置台数を減らして、消費電力及び装置の設置面積を削減することができる。
【００５９】
上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６０】
１  高周波加熱装置
１０  電源部
１１  力率改善部
１２  トランス
１３  材料加熱部
１４  加熱制御部
２１  単位容量
２２  単位容量
２３  単位容量
３１  加熱コイル
３２  温度センサ
３３  上蓋
４１  放射温度計
ＳＷ１  スイッチ素子
ＳＷ２  スイッチ素子
ＳＷ３  スイッチ素子
【図１】
2017084565.tif 000005
【図２】
2017084565.tif 000006
【図３】
2017084565.tif 000007
【図４】
2017084565.tif 000008
【図５】
2017084565.tif 000009
【図６】
2017084565.tif 000010
【図７】
2017084565.tif 000011
【図８】
2017084565.tif 000012