JP6263165B2 - 金属の検出装置 - Google Patents
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Description
更に、加熱装置が目標としている加熱対象物よりも大きいため、加熱に要するエネルギーが分散し、加熱対象物である金属材料にエネルギーを集約することができず、エネルギーロスが大きいという問題があった。また、加熱装置には、高耐圧、高容量の半導体素子が必要となり、電源も大容量となり、省エネルギー化の傾向に反することになる。
本発明の他の目的は、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出装置を提供することにある。
金属材料又は金属として、粒径20μm〜3mmのものを用いることができる。
金属材料又は金属として、鉄、鋼、ステンレス、真鍮、銅、アルミニウム、及びこれらの1種以上を含む合金からなる群から選ばれた1種を用いることができる。
高周波の周波数として、特に、100kHz〜100MHzを用いることができる。
更には、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生する赤外線を検出する赤外線センサーとすることができる。
あるいは、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生した熱による金属材料近傍の被検査体の変色及び/又は変形を検知する手段とすることができる。更には、金属の発熱を検出する手段を、金属から発生した熱による金属近傍の被検査体に形成された空孔を検知する手段とすることができる。
更に、誘導加熱手段は、前記金属の種類に適正な加熱周波数に応じて高周波が制御されるものとすることができる。
本発明の第2の態様によれば、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出方法が提供される。
本発明の第3の態様によれば、任意の形状及び大きさの被検査体に含まれる金属を短時間で高精度に検出することを可能とする金属の検出装置が提供される。
本発明の第1の実施形態に係る金属材料の加熱方法は、磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなる誘導加熱手段の前記ギャップの外側に、金属材料を配置する工程、及び前記コイルに高周波を流し、前記ギャップの外側に湾曲磁界を発生させ、前記金属材料に湾曲磁界を作用させ、前記湾曲磁界により生じた電磁誘導によって前記金属材料を加熱する工程を具備することを特徴とする。
鋼管を曲げたり、溶接したりする際に、大きなサイズの金属を誘導加熱により直接加熱することは、従来知られていたが、本発明において初めて、粒径3mm以下の金属材料を誘導加熱により直接加熱することが可能となった。
以上のように、本実施形態に係る金属材料の加熱方法において、100kHz以上の、従来使用されていなかった高周波による誘導加熱を用いると、粒径3mm以下の金属材料を、急速に短時間で加熱することが可能である。
また、100kHz以上の高周波を用いることにより、誘導加熱装置を従来使用されてきたものよりもはるかに小型化することが可能である。そのため、磁束密度の高密度化を図ることができ、エネルギーロスのない高効率の加熱が可能である。
以下、100kHz以上の高周波を用いることにより装置の小型化が可能となる理由について説明する。
このような誘導加熱装置において、コイル13にI(A)の電流を流し、1MHz及び75kHzの高周波を発生させ、ギャップ14間に配置されたステンレス(SUS304)の金属材料(図示せず)を加熱する場合を考える。
粒径1mmのステンレス(SUS304)の金属材料を5秒間に200℃昇温するのに必要な磁束密度を、磁束密度の公式により計算で求めると、次のようになる。
1MHzの高周波の場合 4.6mT
75kHzの高周波の場合 60.96mT
コイルの巻数Nは、下記式により表される。
N=BLg/μ0I
ここで、Bは上で求めた磁束密度であり、ギャップ長Lgを5mm、真空の透磁率μ0を4π・10−7、電流実効値Iを8Aとすると、コイルの巻数Nは次のようになる。
1MHzの高周波の場合 N=2.4
75kHzの高周波の場合 N=30.3
コア1の窓面積Q(mm2)は、下記の式により表される。
Q=IN/pq (pは電流密度、qは占積率)
コア1の体積Vは、下記式により表される。
V=a・b・c
=(Q1/2+2Ae1/2)2・Ae1/2 (Aeはコア断面積)
1MHzの高周波の場合 V=7734mm3
75kHzの高周波の場合 V=23445mm3
このように、100kHzを超える高周波を用いた場合には、誘導加熱装置を従来使用されてきたものよりもはるかに小型化することが可能である。そのため、エネルギーロスのない高効率の加熱が可能である。
実施例1
図4は、本実施形態において金属材料の加熱に用いた誘導加熱装置21の模式図を示す。図4に示す誘導加熱装置21は、図3(a)に示す誘導加熱コイル11と同様の構成を有し、コア22に巻数Nのコイル23を巻回してなる。コア22は、例えば、図示する寸法を有する枠状体の一辺にギャップ長Lg(5mm)のギャップ24が設けられた形状を有する。
コイル23は、電圧50V、周波数1MHzのフルブリッジ高周波電源(図示せず)に接続されている。
なお、図3(a)に示す誘導加熱コイル11ではなく、図1(a)に示す2つのコイルが巻回された誘導加熱コイル1を用いてもよい。
コイル23に周波数1MHz、電流8Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25の誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、平均粒径約1mmの鉄粒子を用いた。
被加熱試料25の上方に配置されたサーモグラフィー26により、被加熱試料25である鉄粒子の温度を測定したところ、鉄粒子は、室温18℃から193.7℃上昇した。
コイル23に周波数75kHzにおいて、共振する回路定数を与え、エネルギーの投入条件を同等にして、電流8Aの高周波を5秒間流し加熱したところ、鉄粒子は、室温17.8℃から6.9℃しか上昇しなかった。また、3秒間加熱しても、16.0℃しか上昇せず、5分間加熱しても16.8℃しか上昇しなかった。
図4に示す誘導加熱装置21のコア22にコイル23を10回巻き、周波数1MHz、電流7Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25をギャップ24内の中心に配置して誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、木製の支持棒に固定した300μmの鋼球(SUS304)を用いた。コア22の正面に配置したサーモグラフィー(図示せず)により、被加熱試料25である鋼球の温度を測定したところ、鋼球は室温17.3℃から9.8℃上昇した。さらに、鋼球から指示棒に熱伝導が行われ、サーモグラフィー上では加熱された鋼球が5〜30倍の大きさに拡大されて観察された。
図4に示す誘導加熱装置21のコア22にコイル23を8回巻き、周波数1MHz、電流8Aの高周波を5秒間流し、被加熱試料25をギャップ24の中心から8.0mm上方に配置して誘導加熱を行った。なお、被加熱試料25としては、木製の支持棒に固定した1.0mmの鋼球(SUJ−2)を用いた。コア22の正面に配置したサーモグラフィー(図示せず)により、被加熱試料25である鋼球の温度を測定した。
以上のように、周波数1MHzの高周波を用いて誘導加熱を行うことにより、平均粒径1mmという微小の鉄粒子を、5秒間という短期間に約200℃の昇温という急速加熱を行うことが可能であることがわかる。
以上説明した本発明の第1の実施形態は、金属材料の様々な加熱に適用することが出来る。例えば、金属材料の溶融、半溶融、若しくは、金属材料と他素材の接合、溶着、更には、金属材料性を加熱し、その金属の発熱を利用して、非磁性で絶縁体素材の微細加工への応用などが考えられる。
誘導加熱コイルの中に金属を配置し、コイルに高周波電流を流すと、コイルに発生する磁界の作用により金属に渦電流が発生し、これにより金属が加熱されることはよく知られている。更にこの応用技術として、コアを入れギャップを設けることにより、この現象を利用して、ギャップに被検査体を配置し、被検査体に含まれる金属を検出することが出来る。
しかし、上述したように、このような方法では、被検査体としてギャップに配置可能な小さいサイズのものしか用いることはできない。
その結果、長尺な被検査体と誘導加熱コイルとを相対的に被検査体の長手方向に移動させつつ、被検査体を検査し、その中に含まれる金属を連続的に検出することが可能となった。
本実施形態は、このような知見に基づきなされたものである。
本実施形態に係る金属検出装置において、誘導加熱コイル31に流す高周波としては、既に記述したが高い周波数であることが好ましく、100kHz〜100MHzが好ましい。このように100kHz以上の高周波を用いることにより、粒径3mm以下の微小金属を短時間で検出することが可能である。
なお、誘導加熱コイル31のギャップの直上に赤外線検出器39を配置し、垂直な位置から発熱部を検出した場合には、ギャップ近傍全体が発熱として検出されてしまい、金属37の発熱を正確に検出することが困難な場合がある。このような場合、図5に示すように、赤外線検出器39を樹脂シート36の移動方向下流側に配置し、斜め方向から赤外線を検出することが望ましい。
以上説明した本発明の第2の実施形態に係る金属材料検出装置によると、被検査体に含まれる金属を、高周波を用いた誘導加熱により短時間で加熱することにより、その発熱を赤外線センサーにより高精度に検出することが可能である。また、その金属と被検査体に伝導した発熱を含めて検出できるため、更に容易に、また、簡便に検出が可能である。
即ち、図6において、図5に示す誘導加熱コイル31と同様の構成の誘導加熱装置41が配置され、この誘導加熱装置41に隣接して光源45が配置されており、光源45の上方にCCDカメラ48が設置されている。
なお、図6に示す例では、非耐熱性樹脂シート42を走行させて誘導加熱装置41に対し走査したが、非耐熱性樹脂シート42を固定して、誘導加熱装置41、光源45及びCCDカメラ48を移動してもよい。
以上説明した本発明の第3の実施形態に係る金属検出装置によると、被検査体に含まれる金属を、短時間で加熱し、その周囲を溶融・空孔化することにより、その微細な空孔をCCDカメラにより高精度に検出することが可能である。
即ち、上述の第2の実施形態において、樹脂シート36に含まれる金属37及び周辺部38から発する赤外線40を赤外線検出器39により検出しているが、発熱した金属37からの赤外線の放射率は、金属の種類により相違する。従って、金属37からの赤外線の放射率を検出すれば、金属37の種類を特定することができる。
鉄の場合:非酸化面 0.35、 酸化面 0.85
真鍮の場合:酸化面0.7
銅の場合:0.06
アルミニウムの場合:非酸化面0.13、酸化面0.4
例えば、鉄を検出したい場合、赤外線センサー39の代わりに放射温度計を設置し、放射温度計の放射率を0.85に設定しておくと、鉄以外の金属は放射率が0.85ではないため検出できないが、鉄を検出することができる。
また、金属の種類の特定は、高周波の周波数の制御によっても行うことができる。即ち、高周波により金属を誘導加熱する場合、金属の種類に応じて適正加熱周波数が存在する。従って、検出の対象となる金属の適正加熱周波数により被検査体に含まれる金属を誘導加熱すれば、他の金属を加熱することなく目的の金属を加熱することができるので、目的金属を検出することが可能である。
鋼(1200℃):500Hz〜1kHz
ステンレス/18−8(1200℃):1kHz
真鍮(1800℃):500Hz〜3kHz
銅(850℃):50Hz〜10kHz
アルミニウム(500℃):50Hz〜10kHz
しかし、今回のように100kHz以上の高い周波数で微小金属の加熱行う場合でも、本発明の第4の実施形態によれば100kHz以上での適正周波数と温度上昇率から、被検査体に含まれる金属の存在の有無の検出にとどまらず、金属の種類を特定することが可能である。
2,2a,12,22,32…ヨークコア
2b…ヨーク
3,13,23,33…コイル
4,14,24,34…ギャップ
5,5a,5b,35…湾曲磁界
21,41…誘導加熱装置
25…被加熱試料
26…サーモグラフィー
36…樹脂シート
37,43…金属
38…金属材料周辺部
39…赤外線検出器
40…赤外線
42…非耐熱性樹脂シート
44…溶融樹脂
45…光源
46…空孔
47…光
48…CCDカメラ
49…モニター
50…画像
Claims (4)
- 磁極間のギャップを有する枠状ヨークコアにコイルを巻回してなり、前記ギャップ近傍に湾曲磁界を発生させ、前記ギャップ近傍に配置された被検査体に前記湾曲磁界を作用させる誘導加熱手段、
前記被検査体と前記誘導加熱手段とを相対的に移動させ、前記被検査体の被検査部を前記誘導加熱手段により走査する手段、及び
前記湾曲磁界による電磁誘導によって加熱された前記被検査体内に含まれる金属の発熱及び周囲への伝熱を赤外線により検出する赤外線センサーを備え、
前記赤外線センサーは、前記誘導加熱手段に対し相対的に移動する前記被検査体の下流側に配置されることを特徴とする金属の検出装置。 - 前記枠状ヨークコアの磁極の下面のギャップ間隙までが緩やかに傾斜していることを特徴とする請求項1に記載の金属の検出装置。
- 前記枠状ヨークコアの磁極の上面には、ヨークが設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属の検出装置。
- 前記誘導加熱手段は、前記金属の種類に適正な加熱周波数に応じて高周波が制御されることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の金属の検出装置。
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