JP2011023251A

JP2011023251A - 環状金属加熱装置

Info

Publication number: JP2011023251A
Application number: JP2009168235A
Authority: JP
Inventors: Toru Tonomura; 徹外村
Original assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Current assignee: Tokuden Co Ltd Kyoto
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】環状金属体を効率良く加熱することができるとともに、一台の装置によって開口サイズの異なる環状金属体に対応可能にする。
【解決手段】環状金属体Ｗの周方向に沿って設けられた複数の環状鉄心２と、各環状鉄心２の一部に巻装された入力巻線３と、複数の鉄心要素２１、２２の少なくとも１つを移動させて閉磁路を形成させ、又は環状金属体Ｗを着脱交換可能にする接離移動機構４と、複数の環状鉄心２が環状金属体Ｗのサイズに対応した位置となるように、複数の環状鉄心２の少なくとも１つを移動させる拡縮移動機構５と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車輌用タイヤのリム等の環状金属体を加熱するための環状金属加熱装置に関するものである。

車輌用タイヤ等のリムは、アルミニウム合金を用いて構成されているものがあり、その製造過程において溶体化処理（固溶化処理）が行われている。具体的にこの処理は、例えば４００〜５００℃で所定時間加熱後急冷して、アルミニウム合金中の合金成分を固溶化するものである。

そして従来、この溶体化処理における加熱は例えば特許文献１に示すように加熱炉を用いて行われている。

しかしながら、このような加熱炉を用いるものでは、昇温速度が遅い等の昇温効率の問題や、熱効率が悪いといった問題がある。また、リムの形状（例えば開口径等）は種々存在し、それらに合わせて加熱炉を用意するとすれば設備コストが増大するだけでなく、設置スペースにおいても問題がある。

特開２００４−２７８９３０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、環状金属体を効率良く加熱することができるとともに、一台の装置によって開口サイズの異なる環状金属体に対応可能にすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る環状金属加熱装置は、被加熱物である環状金属体の周方向に沿って当該環状金属体が貫通するように設けられ、互いに接離可能な複数の鉄心要素からなる複数の環状鉄心と、前記各環状鉄心の一部に巻装され、交流電圧が印加される入力巻線と、前記複数の鉄心要素が互いに接触して閉磁路を形成する接触位置、及び、前記複数の鉄心要素の少なくとも１つが離間して環状金属体が着脱交換可能な離間位置の間で、前記複数の鉄心要素の少なくとも１つを移動させる接離移動機構と、前記複数の環状鉄心が環状金属体の開口サイズに対応した位置となるように、前記複数の環状鉄心の少なくとも１つを移動させる拡縮移動機構と、を具備することを特徴とする。なお、環状金属体としては、円環状、楕円環状、多角環状のものが考えられる。

このようなものであれば、環状金属体の周方向に沿って複数の環状鉄心を設け、入力巻線に交流電圧を印加することによって、環状金属体に短絡電流が流れて誘導発熱するので、環状金属体を効率良く加熱することができる。また、環状鉄心を複数設けることによって、環状鉄心と環状金属体との磁気結合を良くすることができ、力率を向上させることができる。さらに、拡縮移動機構によって複数の環状鉄心の少なくとも１つを移動させることによって、開口サイズの異なる環状金属体を複数の環状鉄心内に装着することができ、その環状金属体を加熱することができる。

環状金属体の構成を生かして、環状金属加熱装置を小型化するためには、前記入力巻線が、前記環状鉄心における前記環状金属体の中空部内に位置するように巻装されていることが望ましい。また、これにより、複数の入力巻線が環状金属体の中空部内に近接して配置されることになり、互いに漏れ磁束を消滅させて力率を向上させることができる。

上記漏れ磁束の消滅を最大にして一層力率を向上させると共に、環状金属体を均一に加熱するためには、前記複数の環状鉄心が、前記環状金属体の周方向に沿って等分配置（等間隔に配置）されていることが望ましい。

環状鉄心の構造の簡単化及び製造の容易化を図り、接離移動機構及び拡縮移動機構の取り付けを容易にするためには前記環状鉄心が、カットコア型の巻鉄心を用いて構成されていることが望ましい。つまり、環状鉄心の鉄心要素がカットコア型の巻鉄心により構成される。

入力巻線に用いられるコイルは、その耐熱がＨ種絶縁の許容最高温度（約２００℃）の材料ものが多く用いられている。前記許容最高温度を超える耐熱材料のものあるが、種類が少なく高価で機械強度も弱いという特性がある。一方で、環状金属体の加熱温度がアルミニウム合金の溶体化処理では４００〜５００℃、鉄の固溶化処理では、７００〜８００℃である。このような用途において好適に用いるためには、前記入力巻線が中空導管を用いて構成され、当該中空導管内に水又は油等の冷却媒体を流通させていることが望ましい。これならば、コイル温度をＨ種絶縁の許容最高温度以下に保つことができ、コイル寸法も小さくすることができる。

このように構成した本発明によれば、環状金属体を効率良く加熱することができるとともに、一台の装置によって開口サイズの異なる環状金属体に対応可能にすることができる。

本実施形態に係る環状金属加熱装置の環状鉄心及び入力巻線の配置図である。同実施形態におけるＯ−Ｒ線断面図である。同実施形態におけるＡ−Ａ線断面図である。同実施形態における結線を示す図である。接離移動機構の具体例を示す模式図である。環状鉄心１つを内部配置した場合と４つの内部配置及び外部配置した場合の実測データを示す表である。図６に示すそれぞれの場合の力率特性を示す図である。比較例における温度測定ポイントを示す図である。４つの環状鉄心の入力巻線を並列結線した場合の昇温特性データである。４つの環状鉄心の入力巻線を直列結線した場合の昇温特性データである。

以下に本発明に係る環状金属加熱装置１００の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係る環状金属加熱装置１００は、例えばアルミニウム合金製のリム等の溶体化処理といった環状金属体Ｗの加熱処理に用いるものであって、図１に示すように、環状金属体Ｗの周方向に沿って設けられた２つの鉄心要素２１、２２からなる複数の環状鉄心２と、当該各環状鉄心２の一部に巻装された入力巻線３と、各環状鉄心２の２つの鉄心要素２１、２２同士を接離移動させる接離移動機構４と、複数の環状鉄心２が環状金属体Ｗの開口サイズに対応した位置となるように、各環状鉄心２を移動させる拡縮移動機構５と、を備える。

複数の環状鉄心２は、環状金属体Ｗの周方向に沿って等分配置されている。本実施形態の環状金属加熱装置１００は３つの環状鉄心２を備え、それらは１２０度等配となるように環状金属体Ｗの周方向に沿うように同一平面上に環状に配置されている。

各環状鉄心２は、図２に示すように、概略矩形環状をなすものであり、その中空部２Ｓ内に環状金属体Ｗが貫通するように設けられる。また環状鉄心２は、互いに接離可能な第１鉄心要素２１と第２鉄心要素２２とからなり、環状金属体Ｗの周方向に沿った外側周面を囲むものである。

具体的に第１鉄心要素２１は、上部に開放部を有する概略コの字形状をなすものであり、カットコア型の巻鉄心により構成されている。その一方の起立部２１ａ（内側の起立部２１ａ）に入力巻線３が巻装されている。そして、環状金属体Ｗが装着された状態において、図２、図３に示すように、当該環状金属体Ｗの外側周面と他方の起立部２１ｂ（外側の起立部２１ｂ）の内面とが対向する。このように各環状鉄心２の第１鉄心要素２１が、上部に開放部を有する概略コの字形状をなすものであり、環状金属体Ｗは、第１鉄心要素２１に上部から着脱交換される。

第２鉄心要素２２は、第１鉄心要素２１の上部開放部を閉じて、第１鉄心要素２１との間で閉磁路を形成するものであり、カットコア型の巻鉄心により構成されている

入力巻線３は、図２及び図３に示すように、各環状鉄心２の第１鉄心要素２１の起立部２１ａに複数回巻回されて設けられている。このように、入力巻線３が内側の起立部２１ａに巻装されていることによって、入力巻線３を環状金属体Ｗの中空部ＷＳ内に配置する構成として（図１参照）、環状金属体Ｗ内部の空間を有効に活用し、環状金属体Ｗ外側の装置構成を簡略化している。さらに、入力巻線３が近接して等分配置されていることで、漏れ磁束が最大限消滅され、力率向上を図ることができる。また、各環状鉄心２に設けられた入力巻線３は、図４に示すように、商用周波数電源６に対して並列に結線されている。なお、並列に限られず直列に結線するようにしても良い。

そして、この入力巻線３には、商用周波数電源６から５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧が印加される。また、本実施形態において入力巻線３は、Ｈ種絶縁の許容最高温度（約２００℃）の材料のものを用いて環状金属体Ｗを加熱すべく、中空導管を用いて構成され、当該中空導管内に水又は油等の冷却媒体を流通させている。これにより、コイル温度をＨ種絶縁の許容最高温度以下に保つことができ、コイル寸法も小さくすることができる。

接離移動機構４は、各環状鉄心２毎に設けられ、各環状鉄心２の第１鉄心要素２１及び第２鉄心要素２２が互いに接触してそれら鉄心要素２１、２１が閉磁路を形成する接触位置Ｐ、及び、第１鉄心要素２１及び第２鉄心要素２２が離間する離間位置Ｑの間で、第２鉄心要素２２を移動させるものである。

具体的な構成は、図５（Ａ）に示すように、第１鉄心要素２１に対して第２鉄心要素２２を接触位置Ｐ及び離間位置Ｑの間で回転移動させるもの、図５（Ｂ）に示すように、第１鉄心要素２１に対して第２鉄心要素２２を接触位置Ｐ及び離間位置Ｑの間で上方又は側方にスライド移動させるもの等が考えられる。

図５（Ａ）に示す接離移動機構４に関しては、第２鉄心要素２２を所定の回転軸を有するヒンジ部４１によって第１鉄心要素２１に対して回転可能に支持し、例えば駆動モータ又は油圧シリンダ等の駆動機構を用いて第２鉄心要素２２を接触位置Ｐ及び離間位置Ｑの間で回転移動させる。一方、図５（Ｂ）に示す接離移動機構４に関しては、第２鉄心要素２２をレール部材４２によってスライド可能に支持し、例えば駆動モータ又は油圧シリンダ等の駆動機構を用いて第２鉄心要素２２を接触位置Ｐ及び離間位置Ｑの間でスライド移動させる。

拡縮移動機構５は、複数の環状鉄心２が環状金属体Ｗのサイズに対応した位置となるように、複数の環状鉄心２を移動させるものである。本実施形態の拡縮移動機構５は、全ての環状鉄心２をその環状配置の中心Ｏに対して放射状に進退移動させるものである。つまり、各環状鉄心２それぞれは、図１中Ｏ−Ｓ方向、Ｏ−Ｒ方向及びＯ−Ｔ方向に移動する。また、各環状鉄心２には接離移動機構４がそれぞれ設けられており、拡縮移動機構５は、環状鉄心２とともに接離移動機構４も併せて前記方向に移動させる。

その具体的な構成は、図１に示すように、環状配置の中心Ｏに対して放射状に延設され、環状鉄心２がスライド可能に載置されるレール部材５１と、当該レール部材上で環状鉄心２を中心Ｏに対して進退移動させる例えばボールねじを用いた直動駆動機構（不図示）とを備えている。なお、拡縮移動機構５は、環状配置の中心Ｏに対して放射状に延設され、環状鉄心２がスライド可能に載置されるレール部材５１のみを有し、ユーザが手動で位置決めした後、図示しない固定機構によって固定するように構成しても良い。

次に、本実施形態の環状金属加熱装置１００の用いた比較例について説明する。なお、以下の比較例において環状金属体Ｗは、アルミニウム合金製のものである。

まず、環状金属体Ｗの中空部内に環状鉄心２を１つ設けた場合と、環状金属体Ｗの中空部内に環状鉄心２を４つ周方向に等分配置した場合と、環状金属体Ｗの中空部外に環状鉄心２を４つ周方向に等分配置した場合との実測データを図６に示す。また、それぞれの場合の力率特性を図７に示す。この図７から分かるように、１つの環状鉄心２を配置した場合及び外部に配置した場合に比べて複数の環状鉄心２を内部に配置した場合の方が、力率を向上させて、効率良く環状金属体Ｗを加熱できることが分かる。

次に、４つの環状鉄心２により環状金属体Ｗを加熱した場合において、各環状鉄心２に設けられる入力巻線３を並列接続した場合と、直列接続した場合の昇温特性の比較を行った。このときの温度測定ポイントを図８に示す。図９は、並列接続した場合の各測定ポイントにおける昇温特性を示すグラフであり、図１０は、直列接続した場合の各測定ポイントにおける昇温特性を示すグラフである。

これらのグラフを比較すると、（１）並列接続の場合、４５０℃での容量は６．３ｋＷ、４５０℃での力率は０．７１３、４５０℃までの昇温時間は３．５分であり、（２）直列接続の場合、４５０℃での容量は３．２ｋＷ、４５０℃での力率は０．７２５、４５０℃までの昇温時間は１１．０分である。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る環状金属加熱装置１００によれば、環状金属体Ｗの周方向に沿って複数の環状鉄心２を設け、入力巻線３に交流電圧を印加することによって、環状金属体Ｗに短絡電流が流れて誘導発熱するので、環状金属体Ｗを効率良く加熱することができる。また、環状鉄心２を複数設けることによって、環状鉄心２と環状金属体Ｗとの磁気結合を良くすることができ、力率を向上させることができる。さらに、拡縮移動機構５によって複数の環状鉄心２の少なくとも１つを移動させることによって、開口サイズ（中空部２Ｓのサイズ）の異なる環状金属体Ｗを複数の環状鉄心２内に装着することができ、その環状金属体Ｗを加熱することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の環状金属体は、円環状をなすものであったが、その他、楕円環状又は多角環状をなすものであっても良い。

また、前記環状鉄心は、上部が開放するものであったが、下部が開放するものであっても良い。

さらに、環状鉄心は、２つの鉄心要素からなるものであったが、３つ以上の鉄心要素から構成しても良い。この場合、接離移動機構は、環状金属体を着脱交換可能とする範囲であれば、１つの鉄心要素を移動させるものであっても良いし、２つ以上の鉄心要素を移動させるものであっても良い。

加えて、前記実施形態の２つの鉄心要素をいずれも概略コの字形状をとして、それらの開口端部を合わせることによって環状鉄心を構成するようにしても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・環状金属加熱装置
Ｗ・・・環状金属体
２・・・環状鉄心
２１、２２・・・鉄心要素
３・・・入力巻線
Ｐ・・・接触位置
Ｑ・・・離間位置
４・・・接離移動機構
５・・・拡縮移動機構

Claims

被加熱物である環状金属体の周方向に沿って当該環状金属体が貫通するように設けられ、互いに接離可能な複数の鉄心要素からなる複数の環状鉄心と、
前記各環状鉄心の一部に巻装され、交流電圧が印加される入力巻線と、
前記複数の鉄心要素が互いに接触して閉磁路を形成する接触位置、及び、前記複数の鉄心要素の少なくとも１つが離間して環状金属体が着脱交換可能な離間位置の間で、前記複数の鉄心要素の少なくとも１つを移動させる接離移動機構と、
前記複数の環状鉄心が環状金属体の開口サイズに対応した位置となるように、前記複数の環状鉄心の少なくとも１つを移動させる拡縮移動機構と、を具備する環状金属加熱装置。
前記入力巻線が、前記環状鉄心における前記環状金属体の中空部内に巻装されている請求項１記載の環状金属加熱装置。
前記複数の環状鉄心が、前記環状金属体の周方向に沿って等分配置されている請求項１又は２記載の環状金属加熱装置。
前記環状鉄心が、カットコア型の巻鉄心を用いて構成されている請求項１、２又は３記載の環状金属加熱装置。
前記入力巻線が中空導管を用いて構成され、当該中空導管内に冷却媒体を流通させている請求項１、２、３又は４記載の環状金属加熱装置。