JP5126526B2 - 誘導加熱コイル - Google Patents

Description

本発明は、ワークの複雑形状の端面を表面硬化処理するための高周波誘導加熱用のコイル（以下、誘導加熱コイルと言う）に関するものである。

従来、自動車の駆動機構には、図４に示す金属製のダイヤフラムスプリング（以下、ワークと言う場合がある）５０が利用されている。この種のダイヤフラムスプリング５０にあっては、耐摩耗性を高めるために表面に硬化処理を施すことが望ましい。
一般に、自動車のボディなどの構造部品は、高周波加熱によってその表面に硬化処理が施される。

特許文献１には、所定の幅を有し孔や溝が穿設されている環状の被加熱面を誘導加熱するための高周波加熱コイル体が開示されている。
実開平６−６００９６号公報

しかし、ダイヤフラムスプリング５０は、図４に示すように、円形の外周縁５０Ａを有する表面に、外周縁５０Ａの円と同心で外周縁５０Ａより小さい径の円形の内周縁５０Ｂによって画成された開口部５１と、内周縁５０Ｂから外周縁５０Ａへ半径方向に沿って内周縁５０Ｂと外周縁５０Ａとの間まで延出していて外周縁５０Ａ及び内周縁５０Ｂの中心５０Ｃまわりに等角度間隔に設けられた複数の切欠部５２と、を有している。
さらに、切欠部５２として、第１切欠部５２Ａとこれよりも幅狭の第２切欠部５２Ｂとが交互に並んでいる。隣り合う第１切欠部５２Ａと第２切欠部５２Ｂとの間は、半径方向に長手で細幅の第１領域Ｓ１として形成されており、各第１領域Ｓ１は、第１切欠部５２Ａ及び第２切欠部５２Ｂの外側の端部から外周縁５０Ａまで広がったリング状の第２領域Ｓ２に連続している。図４では、第１領域Ｓ１にシングルハッチングを付し、第２領域Ｓ２にダブルハッチングを付して表している。
また、第１切欠部５２Ａ同士は、図４に示すように、二つの第１切欠部５２Ａ，５２Ａの真ん中を通る仮想線Ｘ，Ｘ’が６０°の角度を成すように形成されている。同様に、第２切欠部５２Ｂ同士は、図４に示すように、二つの第２切欠部５２Ｂ，５２Ｂの真ん中を通る仮想線Ｙ，Ｙ’が６０°の角度を成すように形成されている。
さらに、ダイヤフラムスプリング５０は、外周縁５０Ａから外側へ突出していて、中心５０Ｃまわりに等角度間隔に設けられた複数の凸部５３を有する。
このように、ダイヤフラムスプリング５０の表面は複雑に形成されている。

この種の複雑形状の平板ワーク５０の表面を加熱するための高周波誘導加熱用のコイルは、複雑形状を有さない円盤状のワーク（図示省略）の表面を加熱するための高周波誘導加熱コイルをそのまま利用することはできない。
そこで、本発明者らは、この種の複雑形状の平板ワーク５０の表面を加熱するための高周波誘導加熱用のコイルとして様々なタイプのコイルを設計し、シミュレーションによって当該コイル表面の温度等を確認した。
以下、本発明者らが試作したコイルの一例、即ち第１〜第５の試作品について説明する。

〔第１の試作品について〕
図５に示す高周波誘導加熱用のコイル１００は、大径の第１コイル部１０１と、この第１コイル部１０１の内側に配設される小径の第２コイル部１０２と、を備えている。これらの第１コイル部１０１及び第２コイル部１０２は、断面が四角型に形成された金属でなる筒状部材である。第１コイル部の幅Ｗ４は第２コイルの幅Ｗ５よりも広く、高さＨ１も第２コイルの高さＨ２より高くなるように寸法が選定されている。
第１コイル部１０１は、その底面がダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａの内側から外側に亘る領域を覆うように配設され、第２コイル部１０２は、その底面がダイヤフラムスプリング５０の内周縁５０Ｂの内側から外側に亘る領域を覆うように配設されている。
しかし、このように設計したコイル１００をシミュレーションによってダイヤフラムスプリング５０の加熱される表面の温度を確認したところ、表面全体にむらなく加熱することはできないことが判明した。

〔第２の試作品について〕
図６に示す高周波誘導加熱用のコイル１１０は、３つの扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃを中心５０Ｃまわりに等角度間隔に連成して構成されている。
各扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃは、ダイヤフラムスプリング５０の中心５０Ｃの傍らの位置から半径方向に沿ってダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａ側へ延出していて所定の角度で開いた二つの径方向部１１２Ａ，１１２Ｂと、これらの径方向部１１２Ａ，１１２Ｂの外周縁５０Ａ側の端部を連結する円弧部１１２Ｃと、からなる。各扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃは、一方の径方向部１１２Ａ（１１２Ｂ）における中心５０Ｃ側の端部を連結部１１３を介して隣り合う扇状コイルの隣接側の径方向部１１２Ｂ（１１２Ａ）における中心側の端部に連結されている。
円弧部１１２Ｃは、その底面がダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａの内側から外側に亘る領域を覆うように配設されている。
しかし、このように設計したコイル１１０をシミュレーションによってダイヤフラムスプリングの加熱される表面の温度を確認したところ、表面全体にむらなく加熱することができないことが判明した。

〔第３の試作品について〕
図７に示す高周波誘導加熱用のコイル１２０は、３つの扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃを中心５０Ｃまわりに等角度間隔に連成して構成されている点で図６のコイル１１０と同じであるが、さらに、各径方向部１１２Ａ，１１２Ｂが、その長手方向における中間部に磁性体１２１Ａ，１２１Ｂを巻回するように設計した。
しかし、このように設計したコイル１２０をシミュレーションによってダイヤフラムスプリング５０の加熱される表面の温度を確認したところ、表面全体にむらなく加熱することができないことが判明した。

〔第４の試作品について〕
図８に示す高周波誘導加熱用のコイル１３０は、３つの扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃを中心５０Ｃまわりに等角度間隔に連成して構成されている点で図６のコイル１１０と同じであるが、図６のコイル１１０に比して各径方向部１１２Ａ，１１２Ｂが短く形成されている。
具体的には、各円弧部１１２Ｃが、切欠部５２の半径方向外側の端部から外周縁５０Ａへ亘る中間領域でダイヤフラムスプリング５０と同心で、外周縁の円より半径の小さい第１の仮想円ａ’上に沿うように配設されていることを特徴としている。ここで、第１の仮想円ａ’の半径は、切欠部５２の半径方向外側の端部と外周縁５０Ａとの中間位置から中心５０Ｃまでの長さに設定されている。
しかし、このように設計したコイル１３０をシミュレーションによってダイヤフラムスプリング５０の加熱される表面の温度を確認したところ、表面全体にむらなく加熱することができないことが判明した。特に、ダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａに形成された各凸部５３に対する加熱が十分でなかった。

〔第５の試作品について〕
図９に示す高周波誘導加熱用のコイル１４０は、３つの扇状コイル部１１１Ａ〜１１１Ｃを中心５０Ｃまわりに等角度間隔に連成して構成した点で図６のコイル１１０と同じであるが、図６のコイル１１０に比して、各径方向部１１２Ａ，１１２Ｂを長く形成した。具体的には、各円弧部１１２Ｃが前記凸部を覆うように、上記第１の仮想円ａ’よりも半径の大きい第２の仮想円ｂ’上に沿うように配設されていることを特徴としている。
しかし、このように設計したコイル１４０をシミュレーションによってダイヤフラムスプリング５０の加熱される表面の温度を確認したところ、表面全体にむらなく加熱することができないことが判明した。特に、切欠部５２の半径方向外側の端部と外周縁５０Ａとの中間領域、即ち前述の第２領域Ｓ２に対する加熱が十分でなかった。

このような設計変更を繰り返した結果、本発明者らは、図４に示すダイヤフラムスプリングに適したコイルを創作することができた。
そこで、本発明は、端面に複雑形状を有する被加熱部材を効率的に高周波誘導加熱するためのコイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、円形の外周縁を有する端面にこの円形と同心でこの円形より小さい径を有する円形の内周縁によって画成された開口部と、上記内周縁から外周縁へ半径方向に沿って内周縁と外周縁との間まで延出していて円形の中心まわりに等角度間隔に設けられた複数の切欠部と、を有すると共に、外周縁から外側へ突出していて円形の中心まわりに等角度間隔に設けられた複数の凸部と、を有する被加熱部材を加熱するための誘導加熱コイルであって、二つの第１扇状コイル部と一つの第２扇状コイル部とが連なっていて、第１扇状コイル部は、上記中心の傍らの位置から半径方向に沿って外周縁側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第１径方向部と、これらの第１径方向部の外周縁側の端部を連結する弧状の第１円弧部と、から成り、第２扇状コイル部は、中心の傍らの位置から半径方向に沿って外周縁側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第２径方向部と、これらの第２径方向部の外周縁側の端部を連結する弧状の第２円弧部と、から成り、第１円弧部は、切欠部の半径方向外側の端部から外周縁までに亘る中間領域で円形と同心の第１の仮想円に沿うように配設され、第２円弧部は凸部を覆うように第１の仮想円よりも半径の大きい第２の仮想円に沿うように配設されていることを特徴としている。

本発明の誘導加熱コイルにおいて、好ましくは、二つの第２径方向部が成す角度は、二つの第１径方向部が成す角度よりも大きいことを特徴としている。
さらに、本発明の誘導加熱コイルは、各第１扇状コイル部における二つの第１径方向が成す角度（θ１）が７５°、第２扇状コイル部における二つの第２径方向が成す角度（θ３）が９０°、第２扇状コイル部の両側にそれぞれ配置される第１扇状コイル部と当該第２扇状コイル部とにおける第１径方向とそれに隣り合う第２径方向とが成す角度（θ４）が３０°、一方の第１扇状コイル部における他方の第１扇状コイル部側の第１径方向部とこの第１径方向部と隣り合う他方の第１扇状コイル部における第１径方向部とが成す角度（θ２）が６０°、に設定されていて、外部からコイル内に水を供給するための給水管が一方の第１扇状コイル部の第１径方向部における端部に連結され、コイル内の水を排出するための排水管が他方の第１扇状コイル部の第１径方向部の端部に連結されていることを特徴としている。

本発明によれば、三つの扇型のコイル部材、即ち二つの第１扇状コイル部及び一つの第２扇状コイル部を連結し、その内の一つのコイル部材、すなわち第２扇状コイル部が加熱する領域を他のコイル部材による加熱領域と部分的にずらしている。したがって、本発明のコイルによれば、ダイヤフラムスプリング５０の表面全体をむらなく加熱できる。よって、本コイルによれば、複雑形状を円形の表面に有する薄板を十分に表面加工処理することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明するが、背景技術で説明した部材と同一の部材については、同じ符号を付してその説明は省略する。
図１は本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱用のコイル１の平面図であり、図２は図４のダイヤフラムスプリング５０に対して図１のコイル１を配置した状態を示す図である。
本実施形態におけるダイヤフラムスプリング５０の寸法は、外周縁を成す円の半径Ｒ１（図４参照）が５５ｍｍであり、内周縁を成す円の半径Ｒ２（図４参照）が１３ｍｍである。

コイル１は、一本の断面四角形の筒状部を屈曲形成させたように、二つの第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂと、一つの第２扇状コイル部２０と、が連なって構成されている。
各第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂは、ダイヤフラムスプリングの中心５０Ｃから所定距離隔てた傍らの位置から半径方向に沿ってダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａ側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第１径方向部１１Ａ，１１Ｂと、これらの第１径方向部１１Ａ，１１Ｂの外周縁側の端部を連結する弧状の第１円弧部１１Ｃと、から成る。ここで、ダイヤフラムスプリング５０の中心５０Ｃの傍らとは、中心５０Ｃから例えば半径１０〜４０ｍｍの円内の領域を言う。
第１径方向部１１Ａ，１１Ｂ及び第１円弧部１１Ｃの幅、即ちコイル１を成す角筒の幅Ｗ１は、ダイヤフラムスプリングにおける隣り合う第１切欠部５２Ａと第２切欠部５２Ｂとの幅Ｗ２程度に、例えば８ｍｍに設定されている。
二つの第１径方向部１１Ａ，１１Ｂが成す角度θ１は、図示の場合、７５°であるが、４５°〜１０５°であってもよい。角度θ１及び後述する角度θ２〜θ４は、第１径方向部等の半径方向に延びる部材を成す角筒の幅方向における中間を通る線を基準としたものである。
第１円弧部１１Ｃは、切欠部５２の半径方向外側の端部から外周縁までの中間領域、即ち第２領域Ｓ２（図４のダブルハッチングで示す領域）でダイヤフラムスプリング５０と同心の第１の仮想円Ｃ１（図１参照）上に沿うように配設されている。図示例の場合、第１の仮想円Ｃ１の半径は４５ｍｍであり、第１円弧部１１Ｃの内側の縁１１Ｄが第１の仮想円Ｃ１に沿うように形成されている。
二つの第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂは、図示のように、一方の第１扇状コイル部１０Ａにおける他方の第１扇状コイル部１０Ｂ側の第１径方向部１１Ａと、この第１径方向部１１Ａと隣り合う他方の第１扇状コイル部１０Ｂにおける第１径方向部１１Ｂとが成す角度θ２が６０°になるように配設されている。第１扇状コイル部１０Ａの第１径方向部１１Ａにおける中心５０Ｃ側の端部には、外部からコイル１内に水を供給するための給水管４１が、他方の第１扇状コイル部１０Ｂの第１径方向部１１Ｂにおける中心５０Ｃ側の端部には、コイル１内の水を排出するための排水管４２が連結されている。これらの給水管４１、排水管４２は、コイル１と同様に、金属、例えば銅で構成されている。

第２扇状コイル部２０は、ダイヤフラムスプリングの中心５０Ｃの近傍の位置から半径方向に沿って外周縁５０Ａ側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第２径方向部２１Ａ，２１Ｂと、これらの第２径方向部２１Ａ，２１Ｂの外周縁５０Ａ側の端部を連結する弧状の第２円弧部２１Ｃと、から成る。
二つの第２径方向部２１Ａ，２１Ｂが成す角度θ３は、図示の場合、９０°であるが、４５°〜１８０°であってもよい。
第２円弧部２１Ｃは、ダイヤフラムスプリング５０の凸部５３を覆うように、第１の仮想円Ｃ１よりも半径の大きい第２の仮想円Ｃ２上に沿うように配設されている。図示例の場合、第２の仮想円Ｃ２の半径は５５ｍｍであり、第２円弧部２１Ｃの内側の縁２１Ｄが第２の仮想円Ｃ２に沿うように形成されている。これにより、第２円弧部２１Ｃは、半径方向において第１円弧部１１Ｃよりも外側に配設されている。
第２扇状コイル部２０を成す角筒も、第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂと同様に、例えば幅Ｗ３が８ｍｍに設定されている。
この第２扇状コイル部２０は、第２径方向部２１Ａ（２１Ｂ）とその隣の第１扇状コイル部１０Ａ（１０Ｂ）の第１径方向部１１Ｂ（１１Ａ）とで成す角度θ４が３０°となるように配設されている。第２径方向部２１Ａ（２１Ｂ）は、中心５０Ｃ側の端部を隣りの第１扇状コイル部１０Ａ（１０Ｂ）の第１径方向部１１Ｂ（１１Ａ）の中心５０Ｃ側の端部と、連結部３０Ａ（３０Ｂ）を介して連結している。

二つの第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂと一つの第２扇状コイル部２０とは、それらの内部が連通するように一体に構成されている。

このように構成された本発明の実施形態に係るコイル１によってダイヤフラムスプリングを加熱した場合の作用について説明する。なお、コイル１は固定配置され、ダイヤフラムスプリング５０が中心５０Ｃまわりに所定の角速度で矢印Ａ（図２参照）方向へ回転する。
図３は、図２に示す状態でコイル１を通電してダイヤフラムスプリング５０を加熱した場合に、ダイヤフラムスプリング５０の表面において特に加熱された部分を斜線で強調して模式的に表した図である。
本実施形態に係るコイル１において、二つの第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂによれば、図３に示すＡ１，Ａ２の斜線領域が集中的に加熱される。具体的には、第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂの第１径方向部１１Ａ，１１Ｂによって、内周縁５０Ｂから半径方向に沿った第１領域Ｓ１、図示の場合、第２切欠部５２Ｂの長手方向に沿ってその両縁周辺が加熱された状態を示している。
また、第２領域Ｓ２では、第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂの第１円弧部１１Ｃによって、第１切欠部５２Ａ及び第２切欠部５２Ｂの外側端部寄り部分が集中的に加熱されている。このように、第１円弧部１１Ｃによって加熱される第２領域Ｓ２における部分より外側、即ち半径方向外側が、別の斜線Ａ３で示すように、第２扇状コイル部２０の第２円弧部２１Ｃによって加熱される。また、第２扇状コイル部２０の第１径方向部２１Ａ，２１Ｂによっても、第１領域Ｓ１が加熱される。
そして、所定の速度でダイヤフラムスプリング５０が回転されることで、ダイヤフラムスプリング５０の表面はむらなく全体が十分に加熱される。

このように、本実施形態に係るコイル１によれば、上記したように、三つの扇型のコイル部材、即ち第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂ及び第２扇状コイル部２０を連結し、その内の一つのコイル部材、即ち第２扇状コイル部２０が加熱する領域を他のコイル部材による加熱領域と部分的にずらしている。この場合、第１扇状コイル部１０Ａ，１０Ｂの第１円弧部１１Ｃではカバーできない、第２領域Ｓ２におけるダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａ寄りの部分は、ダイヤフラムスプリング５０の中心５０Ｃから離れた箇所であり、第２領域Ｓ２における切欠部５２寄りの部分よりも外周縁５０Ａに沿っていて面積が広いため、第２円弧部２１Ｃは第１円弧部１１Ｃよりも長く設定されていて、当該第２領域Ｓ２におけるダイヤフラムスプリング５０の外周縁５０Ａ寄りの部分を十分に加熱できるように構成されている。
したがって、本発明に実施形態に係るコイル１によれば、ダイヤフラムスプリング５０の表面全体をむらなく加熱できる。よって、本コイル１によれば、複雑形状を円形の表面に有する薄板を十分に表面加工処理することが可能である。

本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更した形態を含むものである。
例えば、本発明のコイルによって誘導加熱処理を施すワークは、上記のダイヤフラムスプリング５０に限らず、図４に示す形状の端面を端部に有する筒状部材であってもよい。
本発明のコイルは、上記実施形態の数値に寸法や角度が限定されるものではない。たとえば、第２扇状コイル部における第２径方向部２１Ａ，２１Ｂが成す角度θ３は、第１扇状コイル部における第１径方向部１１Ａ，１１Ｂが成す角度θ１と同じであってもよい。

本発明の実施の形態に係る高周波誘導加熱用のコイルの平面図である。 図４に示すワークに対して図１のコイルを配置した状態の平面図である。 図２に示す状態で加熱した場合に、ダイヤフラムスプリングの表面において特に加熱される領域を模式的に示す図である 従来のダイヤフラムスプリングの平面図である。 図４のダイヤフラムスプリングを加熱する第１の試作品のコイルを示す斜視図である。 図４のダイヤフラムスプリングを加熱する第２の試作品のコイルを示す斜視図である。 図４のダイヤフラムスプリングを加熱する第３の試作品のコイルを示す斜視図である。 図４のダイヤフラムスプリングを加熱する第４の試作品のコイルを示す斜視図である。 図４のダイヤフラムスプリングを加熱する第５の試作品のコイルを示す斜視図である。

符号の説明

１ コイル
１０Ａ，１０Ｂ 第１扇状コイル部
１１Ａ，１１Ｂ 第１径方向部
１１Ｃ 第１円弧部
１１Ｄ 縁
２０ 第２扇状コイル部
２１Ａ，２１Ｂ 第２径方向部
２１Ｃ 第２円弧部
２１Ｄ 縁
３０Ａ，３０ｂ 連結部
４１ 給水管
４２ 排水管
５０ ダイヤフラムスプリング（ワーク）
５０Ａ 外周縁
５０Ｂ 内周縁
５０Ｃ 中心
５１ 開口部
５２ 切欠部
５２Ａ 第１切欠部
５２Ｂ 第２切欠部
５３ 凸部
Ｃ１ 第１の仮想円
Ｃ２ 第２の仮想円
Ｒ１，Ｒ２ 半径
Ｓ１ 第１領域
Ｓ２ 第２領域
Ｗ１〜Ｗ５ 幅
θ１〜θ４ 角度

Claims (5)

1. 円形の外周縁を有する端面に、上記円形と同心で該円形より小さい径を有する円形の内周縁によって画成された開口部と、上記内周縁から上記外周縁へ半径方向に沿って上記内周縁と上記外周縁との間まで延出していて上記円形の中心まわりに等角度間隔に設けられた複数の切欠部と、さらに、上記外周縁から外側へ突出していて上記円形の中心まわりに等角度間隔に設けられた複数の凸部と、を有する被加熱部材を加熱するための誘導加熱コイルであって、
   二つの第１扇状コイル部と一つの第２扇状コイル部とが連なっていて、
   上記第１扇状コイル部は、上記中心の傍らの位置から上記半径方向に沿って上記外周縁側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第１径方向部と、これらの第１径方向部の上記外周縁側の端部を連結する弧状の第１円弧部と、から成り、
   上記第２扇状コイル部は、上記中心の傍らの位置から上記半径方向に沿って上記外周縁側へ延出していて所定の角度で開いた二つの第２径方向部と、これらの第２径方向部の上記外周縁側の端部を連結する弧状の第２円弧部と、から成り、
   上記第１円弧部は、上記切欠部の半径方向外側の端部から上記外周縁までに亘る中間領域で上記円形と同心の第１の仮想円に沿うように配設され、
   上記第２円弧部は、上記凸部を覆うように、上記第１の仮想円よりも半径の大きい第２の仮想円に沿うように配設されていることを特徴とする、誘導加熱コイル。
2. 前記二つの第２径方向部が成す角度は、前記二つの第１径方向部が成す角度よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱コイル。
3. 各第１扇状コイル部における二つの第１径方向が成す角度（θ１）が７５°、
   第２扇状コイル部における二つの第２径方向が成す角度（θ３）が９０°、
   第２扇状コイル部の両側にそれぞれ配置される第１扇状コイル部と当該第２扇状コイル部とにおける第１径方向とそれに隣り合う第２径方向とが成す角度（θ４）が３０°、
   一方の第１扇状コイル部における他方の第１扇状コイル部側の第１径方向部とこの第１径方向部と隣り合う他方の第１扇状コイル部における第１径方向部とが成す角度（θ２）が６０°、に設定されていて、
   外部からコイル内に水を供給するための給水管が一方の第１扇状コイル部の第１径方向部における端部に連結され、コイル内の水を排出するための排水管が他方の第１扇状コイル部の第１径方向部の端部に連結されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘導加熱コイル。
4. 前記被加熱部材が薄板状部材であり、前記端面が上記薄板状部材の一方の面であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の誘導加熱コイル。
5. 前記被加熱部材が筒状部材であり、前記端面が上記筒状部材の一方の端部の面であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の誘導加熱コイル。