JP6170919B2 - 誘導加熱システム、特には内蔵型ヒーターを備える金型の品質係数を調整する装置 - Google Patents

Description

本発明は、内蔵型の誘導加熱システムを備える金型の品質係数を調整する装置に関する。

欧州特許公開第１ ８９４ ４４２号に記載された、従来技術の公知の実施形態では、内蔵型の加熱システムを備える金型が、成形用空洞を画定する２つの金型本体を含む。このような金型は、プレス操作または熱間成形操作に使用することができる。金型本体の少なくとも一方は、インダクタを用いた内蔵型加熱システムを備える。従来技術のこの例示的な実施形態によれば、インダクタは、金型本体内の閉じた空洞を形成する溝または孔内に延びる導電体で構成されており、これらの溝または孔はインダクタの経路を画定する。インダクタの経路と、金型本体内におけるこれら経路の数および分布は、金型本体内に形成された金型凹部により画定される空洞の形状と、プレスまたは成形サイクルの間に、その空洞内で到達することが求められる温度および温度分布とによって決まる。金型本体の一部は、インダクタの影響を受ける強磁性材料から構成されている。金型本体のこの部分は、金型全体、または、このような溝または孔が作られる部分、もしくは、インダクタが配置される溝または孔の内部コーティングに限定された部分等の、金型の一部のみとすることができる。上記の金型は、例えばプレスのプラテン上の、製造環境内に取り付けられる。次いで、金型を市販の高周波電流発生器に接続する。上記の発生器をインダクタに接続し、インダクタに高周波交流電流を流すと、金型の強磁性体部の加熱をもたらす誘導電流が発生し、これによって加熱が行われる。発生した熱は金型、ひいては金型によって作られるべき部品を構成する材料に伝熱して、これらを加熱する。

高周波電流発生器は、インダクタと、それによって加熱される負荷とで構成された発振回路を共振させることによって動作する。これらの条件は、最適な誘導効率を可能とする。この条件が満たされない場合には、発生器によって分配されたエネルギーが、インダクタを構成する導体におけるジュール効果によって消費されるため、強磁性部は全くまたはほとんど加熱されなくなってしまう。したがって、エネルギー効率の不足は、金型の加熱効率の点で、大きな熱応力をインダクタにもたらす。

米国特許第１ ９４８ ７０４号には、直接誘導加熱される材料の熱処理に適した誘導加熱装置が記載されている。例えば、その装置は、バネまたは溶融材料の熱処理に適している。このようにして誘導加熱された材料は、既知の特性を有する誘導コイル内に配置される。発生器の作動条件は、コイルと発生器のアセンブリが共振回路を構成するように、装置に合わせて決められる。回路への負荷の導入と、熱処理中の、材料の融合またはキュリー点を超えた加熱によって生ずる処理材料の特性の変化とが、装置の動作条件を最適条件とは異なるものとしてしまう。したがって、この従来技術の文献に開示された装置では、発生器の応答を適応させ、常に最適な条件を維持するために、静電容量およびインダクタンスが可変である。

内蔵型のヒーターを有するツールの場合には、発振回路は、種々の技術的な理由によって形状が制約され、一般的には共振型ではない。したがって、このようなツールを高周波発生器に接続しても、多くの場合、発生器は、単純には始動しない。

図１は、従来技術であり、内蔵型の誘導加熱装置の概略的な電気回路を示している。前記ツールと相互作用する金型本体のインダクタに対応するツール回路（１２０）は、金型本体およびインダクタＲ１、Ｌ１と電気的に等価である抵抗器（１０５）と誘導器（１１５）の組み合わせであり、インピーダンスがＺ１である。また、従来技術によれば、調節可能な静電容量Ｃ３を有するキャパシタボックス（１０１）が、ツール回路（１２０）と並列で発生器（１００）に接続されている。インピーダンスがＺＧである高周波発生器（１００）が、電力を供給するためにその回路に並列に配置されている。発生器は、一般的には１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間である、所定の周波数範囲内の交流電流を供給する構成されている。ツール回路とキャパシタボックスで構成される、いわゆる負荷回路は、並列型の発振回路を形成する。最適な条件で上記の回路に電力を供給するために、電力源は、自身を発振回路の共振周波数に自動的に調整することを可能にする電子回路を含む。

いかなる共振現象とも同様に、共振周波数はｆ０であり、共鳴ピーク幅は、存在する場合には、Δｆである。発振回路の共振周波数ｆ０以下の関係式によって得られる。
Ｌ１．Ｃ３．ω_０ ^２＝１、式中、ω_０＝２πｆ０
ピーク幅は、比Ｌ１／Ｒ１と関連する。値Ｌ１／Ｒ１が大きいほど、共振ピークが狭くなる。

したがって、発生器を始動するための一つの条件は、発振回路の共振周波数が調整可能であること、すなわち、共振周波数の共鳴ピークが十分に狭く、かつ、共振周波数が、上記の発生器が送達可能な供給周波数範囲内となることである。そのために、品質係数は、Ｑ＝Ｌ１ω_０／Ｒ１と定義される。共鳴ピークを生じさせるため、および、発生器が発振回路の共振周波数を検出し、それに合わせて調整することができるようにするため、品質係数Ｑが２以上であることが必要である。しかし、多くの場合、上記の品質係数は実質的には１よりも小さく、発生器は始動せず、キャパシタＣ３を調整しても、品質係数Ｑを変更することはできない。

しかも、発生器よって送出されツール回路に注入される電力は、負荷インピーダンスが発生器の出力インピーダンス範囲にあるとき、または、
Ｚ１≒ＺＧ
であるときに最大である。

しかし、Ｒ１およびＬ１の値は、主に空洞の形状および前記キャビティ内の温度分布の技術的制約によって決まるので、調整の自由度はわずかである。

欧州特許公開第１ ８９４ ４４２号明細書 米国特許第１ ９４８ ７０４号明細書

従来技術の欠点を改善するために、本発明は、内蔵型の加熱装置を備えた金型に関するものである。この金型は、
ａ．抵抗Ｒ１とインダクタンスＬ１を有し、ツール回路とも称される誘導加熱回路を備えた金型本体であって、前記ツール回路は、金型本体の閉じた空洞の内部に延びるインダクタを含む、金型本体と、
ｂ．ツール回路を高周波電流発生器に接続する接続手段と、
ｃ．ツール回路と接続手段との間にあり、抵抗Ｒ２とインダクタンスＬ２とを有し、金型本体に電流を誘導せず、前記ツール回路に接続された、いわゆる調整コイルと
を備えることを特徴とする。

加熱回路にさらにコイルを挿入することにより、付加的な調整の自由度が得られる。前記コイルは負荷と相互作用しないので、その形状（長さ、巻き数）は、抵抗Ｒ２が小さいために、金型本体内の熱分布に影響を与えることなく、到達するインダクタンスＬ２によって決まる。したがって、コイルの存在によって、ツール回路の品質係数Ｑを調整し、共振させることが可能となる。前記調整コイルは金型に関連付けられており、金型に基づいて計算されているので、前記金型を任意の市販の発生器に接続し、これとともに作動させることができる。したがって、前記金型の内蔵型の加熱装置の動作は、製造環境に依存しなくなる。
本発明は、個々にまたは技術的に動作可能な任意の組み合わせで考えることができる、以下で説明する有利な形態において実施することができる。

本発明に係る金型の第１の実施形態では、調整コイルはツール回路と電気的に直列に接続されている。

本発明に係る金型の第２の実施形態では、調整コイルはツール回路と電気的に並列に接続されている。

したがって、調整コイルの接続形態に応じて、そのインダクタンスおよび抵抗は、所望の結果を達成するように、種々に組み合わせることができる。

コイルに接続されたツール回路が高周波電流発生器に接続され場合に、形成された振動電気回路の品質係数Ｑが２と５の間となるように、コイルに接続されたツール回路の、得られるインダクタンスおよび抵抗を調整すると有利である。これにより、品質係数は、発生器を問題なく始動するのには十分に高いが、しかし、特に動作中にインダクタが冷却されない場合に、インダクタの過剰な加熱を回避するよう制限されている。

本発明に係るモールドの有利な一実施形態では、ツール回路は、並列に接続された２つのインダクタを備えており、調整コイルは、インダクタの一方と直列に接続されている。これにより、品質係数の調整への前記コイルの効果に加えて、２つのインダクタ間の電流強度の共有を調整することが可能となる。２つ以上のインダクタを用いることにより、特に、本発明に従う金型が２つの金型本体を備え、２つのインダクタの各々が異なる金型本体内を延びる特定の実施形態では、金型の部分の間の熱分配を良好にすることが可能となる。

後者の実施形態では、本発明に係る金型は、２つの金型本体が互いに近接した際に、これら金型本体のインダクタ間の接続を確立するよう構成された電気的接続手段を備える。したがって、パンチすべきブランクを挿入するために、例えばパンチとダイの間に、非常に長い接続ケーブルを設置することなく、広い開口位置を配置することができる。

本発明に係る金型の実施形態にかかわらず、電気的ツール回路が直列に接続された２つのインダクタを備えると有利である。このように、誘導加熱効果を、パンチ形状の表面上に良好に分散させることができ、直列接続により、同じ強度が２つのインダクタを確実に通過することを可能にすることができる。調整コイルが存在することで、インダクタが非常に長いことに起因する品質係数の低下を補償することができる。

図１〜５を参照しつつ、以下の好適な実施形態を用いて本発明を説明する。これら実施形態は、いかなる意味においも限定的に解釈すべきものではない。

図１は、従来技術に関連するものであり、高周波電流発生器に接続されている内蔵型の誘導加熱装置を有する金型に対応する電気アセンブリを示す。 図２は、パンチとダイを含む、本発明に係る金型の例示的な実施形態の斜視図である。 図３は、本発明の例示的な実施形態に従う金型の等価電気回路を、図２Ｂおよび２Ｃの、本発明の例示的な実施形態に従う高周波交流電流発生器に金型を接続した状態で示す。 図４は、２つの並列な誘導回路を含む本発明の金型の例示的な実施形態の電気回路図である。 図５は、並列に接続された２つのインダクタと、２つのインダクタの一方と直列に接続されたコイルを備える本発明の例示的実施形態における金型の電気回路図を示す。

図２の、本発明に従う金型の例示的な一実施形態において、金型は、パンチを形成する雄部を備える第１の金型本体（２１０）と、ダイを形成する雌部を備える第２の金型本体（２２０）を含む。２つの金型本体の各々は、前記ツールを実質的に一回りする導体によって形成される電気誘導回路（２１５、２２５）を含む。この例示的な実施形態によれば、パンチ（２１０）はインダクタ（２１５）を備え、ダイ（２２０）は直列に接続された２つのインダクタ（２２５）を備える。これらのインダクタ（２１５、２２５）の各々は金型本体内を延び、内部に誘導電流を生成することによって金型本体と相互作用する。例示的な一実施形態では、前記金型（２００）は強磁性材料から構成されており、これらの誘導電流が金型を加熱し、パンチ（２１０）とダイ（２２０）の間に形成される材料を変形させるのに適した温度まで、迅速に金型の温度を上昇させる。また、この例示的実施形態では、ダイ（２２０）およびパンチ（２１０）は接続手段（２３０）を備えており、ダイ（２２０）がパンチに近づけられると、ダイ（２２０）のインダクタ（２２５）がパンチ（２１０）のインダクタと並列に電気的に接続され、一緒に誘導回路を形成する。この誘導回路は、適当な接続手段（２５０）により、高周波発生器（図示せず）に接続される。ツールと相互作用しない、いわゆる調整コイル（２４０）は、このようにして形成された電気回路内で、接続手段（２５０）とツール回路の間に配置されると有利である。そのような調整コイル（２４０）は、銅等の電気の良導体である材料で形成され、直径と巻き数の点で、このように構成された電気回路がエネルギー効率と発電可能条件を満たすようなインダクタンスＬ２を有するように設計されている。

従来技術に係る図１に戻り、誘導加熱装置は、インダクタンスがＬｉでオーム抵抗がＲｉであるインダクタを備え、このインダクタは、金型本体により構成される負荷と相互作用し、この負荷は抵抗がＲｃｈでインダクタンスがＬｃｈである。負荷とインダクタの特性の組み合わせにより、高周波発生器（１００）に接続されている、ツール回路（１２０）と称される電気回路の特性が決まる。調節可能な静電容量を有するキャパシタボックス（１０１）は、ツール回路に並列に接続されており、静電容量の値は、この例ではＣ３に設定されている。キャパシタとツール回路を集めてなるアセンブリは、発生器（１００）に接続された発振回路を画定する。発振回路は、抵抗Ｒ１、インダクタンスＬ１及び静電容量Ｃ３の結果として生じる特性に依存するインピーダンスＺ１を有する。したがって、
Ｚ１＝Ｌ１／（Ｃ３．Ｒ１）
式中、Ｃ３は、調整可能なキャパシタボックス（１０１）の設定値である。発振回路の、得られたインダクタンス（１１５）は以下のように定義される。
Ｌ１ ＝Ｌｉ−Ｌｃｈ

インダクタが主たる要因となる。

得られる抵抗（１０５）は以下のように定義される。
Ｒ１＝Ｒｉ＋Ｒｃｈ

負荷抵抗が主たる要因となる。

インダクタが長くなるほど、結果として得られるインダクタンス（１１５）が大きくなる。したがって、このパラメータは、装置の形状に大きく影響され、抵抗（１０５）Ｒ１は、主として負荷の性質およびその質量によって影響されるであろう。

図２に示す実施例では、形状は、金型の形状および空洞に求められる温度分布に関する機能的な要因によって制約される。このように、条件Ｌ１．Ｃ１．ω_０ ^２＝１、Ｌ１．ω_０／Ｒ１≧２、Ｚ１≒ＺＧまたはＺＧ（ＺＧは発生器（１００）のインピーダンスである）を満たすことは困難である。

図３Ａ及び図３Ｂにおいて、接続端子（２５０）とツール回路の間の回路に追加のインダクタンス（３４１、３４２）を導入し、この追加のインダクタンスをツール回路に、図３Ａでは直列（３４１）に、図２Ｃでは並列（３４２）に接続すると、発振回路の特性の調整が可能となるので、上記の条件が検証され、したがって、発生器が始動し、装置が理想的なエネルギー効率条件で動作できる。

図２に戻り、銅製の調整コイル（２４０）のオーム抵抗は非常に小さいので、前記コイルを直列に接続した場合に、その抵抗は無視でき、かかる直列接続では実用上Ｒ２＝０となる。調整コイル（２４０）が発振回路と並列に接続されている場合、Ｒ２の抵抗値が低いと、発振回路の共振特性、特に、共振ピークの幅、すなわち品質係数Ｑに重要な影響を与える。

したがって、図３Ａにおいて、直列アセンブリの場合には、回路の抵抗Ｒｃは本質的に負荷の抵抗であるＲ１によって決まり、ＬＣ回路のインダクタンスは、組み合わせ（Ｌ１＋Ｌ２）によって決まる。したがって、調整コイル（３４１）のインダクタンスＬ２によってインダクタンスの値を増加させることにより、品質係数Ｑを増加させ、静電容量（１０１）の値を変更することによって、すなわち、その調整コイルとともに供給される金型を変更することなく、発生器（１００）の特性に関連してインピーダンスと周波数を適応させる。
図３Ｂにおいて、調整コイル（３４２）が並列に接続されている場合、回路のインダクタンスＬｃは、以下の関係式で与えられる。
ＬＣ＝Ｌ１．Ｌ２／（Ｌ１ ＋ Ｌ２）

したがって、調整コイルが発振回路内で直列接続（３４１）に構成されているか、または、並列接続（３４２）に構成されているかの場合、負荷に電流を誘導せず、インダクタンスＬ２を調節することによって、高周波発生器の始動に適した品質係数Ｑを達成することが可能となる。したがって、前記金型に電力を供給する発生器の始動の可能性を考慮することなく、かつ、発生器の存在下でのエネルギー効率を考慮することなく、ツール回路は、空洞の形状、空洞内に得られる温度分布、およびツールの質量に基づいて決定される。次いで、ツール回路に基づいて、共振するように調整コイルを計算する。ツール回路に直列および並列を組み合わせて接続した複数の調整コイルにより、内蔵型の加熱金型の動作パラメータの微調整が可能となる。したがって、かかる調整コイルの使用によって、金型の設計の自由度が高くなり、空洞の表面の熱分布が理想的な金型を作ることが可能となり、成形部品の品質の向上につながる。

図４に、本発明における金型の他の例示的な実施形態を示す。等価抵抗（４０５）とインダクタンス（４１５）によって特徴付けられる第１の誘導回路は、発生器（１００）に接続されている。非限定的な例として、第１の誘導回路は、パンチを加熱するために使用される。電流ｉ１は、第１の誘導回路を通って流れる。等価抵抗（４２５）とインダクタンス（４３５）によって特徴付けられる第２の誘導回路は、例えば、金型のダイを加熱するために使用される。第２の誘導回路は、第１の誘導性回路と並列に発生器（１００）に接続され、電流ｉ２が第２の誘導回路を流れる。２つの誘導回路の特性が類似している場合、すなわち、インダクタの長さおよび誘導加熱された体積が、二つの回路で実質的に等価である場合、
ｉ１＝ｉ２であり、ｉ１＋ｉ２ ＝Ｑ．ｉである。
式中、ｉは発生器によって供給される電流であり、Ｑは発振回路の品質係数である。このような構成では、回路内に調整コイル（４４０）を挿入することにより、発生器（１００）の始動に適した品質係数、すなわち、少なくとも２に等しい係数Ｑを得ることと、係数Ｑを最小に維持して、インダクタ（４１５、４３５）に過度に高い強度で電流を流すことを回避することとの、両方が可能となる。

図５の例示的な一実施形態において、本発明における金型は、等価抵抗（５０５、５２５）または全く異なるインダクタンス（５１５、５３５）を有する２つの並列な誘導回路を含む。これらの異なる等価インピーダンスは、例えば、パンチおよびダイを加熱するのに用いられるインダクタの長さの違いから、または、各誘導回路の加熱された体積の差から、生じ得る。したがって、他の要素が存在しないので、発生器（１００）により発生した電流は、それぞれのインピーダンスに応じて、これら２つの回路の間に分配され、インピーダンスの低い回路に強い電流が流れ、このため、原理的には、より少量の材料が加熱される。調整コイル（５４０）の使用は、上述の効果に加えて、この場合には、２つの誘導回路の間の電流の分布の調整を可能とし、第１の回路に流れる電流ｉ１と第２の回路を流れる電流ｉ２とが、負荷の特性に応じて必要とされる用途に適した加熱効果を発生させる。

共振条件では、インダクタに流れる強度が、発生器によって生成される強度の係数Ｑに応じて複数である。したがって、そのように、発生器の始動を可能とする品質係数Ｑの最小値を確保しつつ、品質係数の最大値を設定するために、調整コイルの特性を操作することが有用であり、インダクタを流れる強度は、インダクタ自身の熱によってインダクタを損傷する危険がない。

上記の説明および例示的実施形態は、本発明が求める目的を達成すること、特に、内蔵型ヒーターを有する金型のツール回路の特性を調節可能とすることを示しており、前記ツール回路を高周波発生器に接続した際に形成される発振回路が、前記発生器を始動するように構成されており、係数Ｑが２より大きくなるようなエネルギー効率の達成を可能とする。ツール回路とツール回路の接続端子の間に接続された、したがって、ツールに取り付けられた調整コイルの使用により、ツールをある製造環境から他の製造環境に移すことが可能となる。

Claims (7)

1. 高周波電流発生器を備える内蔵型の加熱装置を備えた金型（２００）において、前記金型は、
   ａ．抵抗（１０５、４０５、４２５、５０５、５２５）Ｒ１およびインダクタンス（１１５、４１５、４３５、５１５、５３５）Ｌ１を有するツール回路を含む金型本体（２１０、２２０）であって、前記ツール回路は、金型本体の閉じた空洞の内部に延びるインダクタ（２１５、２２５）を含む、金型本体と、
   ｂ．前記ツール回路を高周波電流発生器（１００）に接続するための接続手段（２５０）と、を備え、
   前記金型は、
   ｃ．前記ツール回路と接続手段（２５０）の間にあり、抵抗Ｒ２およびインダクタンスＬ２を有し、金型本体に電流を誘導せず、前記ツール回路に接続された、調整コイル（２４０、３４１、３４２、４４０、５４０）を備え、前記ツール回路の前記抵抗及び前記インダクタンスは、前記調整コイルの前記抵抗及び前記インダクタンスと組み合わされることにより、前記内蔵型の加熱装置に備わる前記金型の動作パラメータを調整すると共に、共振周波数ｆ０＝ω _０ ／２πを有する振動電気回路を形成し、前記調整コイルに接続された前記ツール回路を高周波電流発生器（１００）に接続した際に形成される前記振動電気回路の品質係数Ｑ＝Ｌ１ω _０ ／Ｒ１が２と５の間となるようにすることを特徴とする金型。
2. 調整用コイル（３４１）が前記ツール回路に電気的に直列に接続されている、請求項１に記載の金型。
3. 調整用コイル（３４２）が前記ツール回路と電気的に並列に接続されている、請求項１に記載の金型。
4. 前記ツール回路は、並列に接続された２つのインダクタ（４１５、４３５）を備え、前記調整用コイル（４４０）は、前記インダクタの一方に接続される、請求項１に記載の金型。
5. ２つの金型本体（２１０、２２０）を更に備え、前記２つのインダクタ（２１５，２２５）の各々は、異なる金型本体内に延びている、請求項４に記載の金型。
6. 金型本体が互いに近接された場合に、前記２つの金型本体のインダクタ（２１５，２２５）の間の接続を確立するように適合された電気的接続手段（１３０）を更に備える、請求項５に記載の金型。
7. 前記ツール回路は、直列に接続された２つのインダクタを備える、請求項１に記載の金型。

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