特開 2024-66248 加熱処理装置の設計装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024066248

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】加熱処理装置の設計装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/10 20060101AFI20240508BHJP

【ＦＩ】

H05B6/10 371

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022175712

(22)【出願日】2022-11-01

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】大塚 篤

【テーマコード（参考）】

3K059

【Ｆターム（参考）】

3K059AD04

3K059AD05

3K059CD65

(57)【要約】

【課題】ワークを誘導加熱する加熱処理装置におけるコイルの外形形状の最適形状を導出することができる加熱処理装置の設計装置を提供する。
【解決手段】コイル１０によってワークＷの被加熱部Ｗｈの表面温度をワークＷのキュリー点以上に誘導加熱する加熱処理装置３０を設計するための設計装置１である。設計装置１は、被加熱部Ｗｈの表面から所定深さの位置Ｗａを設定する深さ位置設定部３１と、被加熱部Ｗｈの深さ位置Ｗａにおける複数の任意点を測定点Ｗ１～Ｗ３…とし、誘導加熱の開始から予め指定された指定時間Ｔｓが経過した時点での測定点同士の間の温度差に相関する目的関数Ｑを設定する目的関数設定部３３と、誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間における被加熱部Ｗｈの表面温度の上昇率の最小値を規制した状態で、目的関数Ｑが最小値となるようにコイル１０の外形形状を最適化した形状を導出する最適形状演算部３５とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークの被加熱部に対向するように配置されたコイルによって、上記被加熱部の表面温度を上記ワークのキュリー点以上に誘導加熱する加熱処理装置を設計するための設計装置であって、
上記被加熱部の表面から所定深さの位置を設定する深さ位置設定部と、
上記被加熱部の上記所定深さの位置における複数の任意の点を測定点とし、上記誘導加熱の開始から予め指定された指定時間が経過した時点での上記測定点同士の間の温度差に相関する目的関数を設定する目的関数設定部と、
上記誘導加熱の開始から上記指定時間が経過する前の期間における上記被加熱部の表面温度の上昇率の最小値を規制した状態で、上記目的関数が最小値となるように上記コイルの外形形状を最適化した形状を導出する最適形状演算部と、を備える、加熱処理装置の設計装置。

【請求項2】

上記コイルの表面上の一点を位置が固定された固定点に設定し、その他の上記コイルの表面上の任意点を位置の変動が許容された変動許容点とすることにより上記上昇率を規制した状態とする固定点設定部を備え、
上記最適形状演算部は、上記目的関数が最小値となるように上記固定点を除いた上記コイルの外形形状を最適化した形状を導出する、請求項１に記載の加熱処理装置の設計装置。

【請求項3】

上記被加熱部は凹部を有し、上記固定点は上記凹部の最深部から法線方向に延ばした仮想線上に位置する、請求項２に記載の加熱処理装置の設計装置。

【請求項4】

上記加熱処理装置は、上記誘導加熱により上記ワークの焼き入れ処理を行うように構成されており、
上記深さ位置設定部は、予め設定された上記ワークの上記焼き入れ処理における有効硬化深さに基づいて上記深さの位置を設定する、請求項１～３のいずれか一項に記載の加熱処理装置の設計装置。

【請求項5】

上記目的関数設定部は、上記誘導加熱の開始から上記指定時間が経過した時点における上記測定点全体の平均温度と任意の上記測定点の温度との温度差に基づいて上記目的関数を設定する、請求項１～３のいずれか一項に記載の加熱処理装置の設計装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加熱処理装置の設計装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、コイルを用いてワークを誘導加熱して熱処理を行う構成が開示されている。当該構成では、ワークの端部に補助基材を接触させて、ワークとともに補助基材も誘導加熱する。これにより、補助基材に渦電流を生じさせて、エッジ効果によるワークの端部の過剰加熱を抑制してワークにおける熱処理の均一化を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－０３２５１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、誘導加熱によりワークにおける被加熱部の表面温度がキュリー点を超えると、被加熱部の表面は強磁性を失う。その結果、被加熱部の表面に発生していた誘導電流が被加熱部の内部に移動して当該内部の電流密度が上昇するが、一方で被加熱部に表面における電流密度は低下することとなる。これにより、被加熱部の内部では引き続き誘導加熱が行われるものの、被加熱部の表面では部分的に温度低下して表面温度にバラつきが生じ、熱処理が均一に行われない場合がある。そこで、ワークを誘導加熱する加熱処理装置において、ワークの表面温度にバラつきが生じることが抑制されるコイルの外形形状の最適形状を見つけ出すことが求められる。

【0005】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、ワークを誘導加熱する加熱処理装置におけるコイルの外形形状の最適形状を導出することができる加熱処理装置の設計装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、ワークの被加熱部に対向するように配置されたコイルによって、上記被加熱部の表面温度を上記ワークのキュリー点以上に誘導加熱する加熱処理装置を設計するための設計装置であって、
上記被加熱部の表面から所定深さの位置を設定する深さ位置設定部と、
上記誘導加熱の開始から予め指定された指定時間が経過したときの上記被加熱部における上記所定深さの位置での任意点間の温度差に相関する目的関数を設定する目的関数設定部と、
上記誘導加熱の開始から上記指定時間が経過する前の期間における上記被加熱部の表面温度の上昇率の最小値を規制した状態で、上記目的関数が最小値となるように上記コイルの外形形状を最適化した形状を導出する最適形状演算部と、を備える、設計装置にある。

【発明の効果】

【0007】

上記一態様の設計装置では、ワークの被加熱部の表面温度をキュリー点以上に誘導加熱する加熱処理装置におけるコイルの外形形状は、誘導加熱から予め指定された指定時間を経過した時点における被加熱部の表面から所定深さの位置の任意点間の温度差に相関する目的関数が最小値となるように最適化された形状としている。これにより、コイルの外形形状の最適化において、被加熱部の内部の電流密度の変化を考慮することができ、ワークの被加熱部の表面温度のバラつきを抑制することができるコイルの外形形状を導出することができる。

【0008】

さらに、上記一態様の設計装置では、誘導加熱の開始から上記指定時間経過した時点の上記温度差に相関する目的関数の最小化をするものであるため、当該指定時間経過時点以外の上記温度差を考慮する必要がない。これにより、設計装置における演算量を大幅に低減でき、演算負荷を低減することができる。

【0009】

また、上記最適形状の導出は、誘導加熱の開始から指定時間が経過する前の期間における被加熱部の表面温度の上昇率の最小値を規制した状態で行っている。そのため、単に誘導加熱による被加熱部の温度上昇を緩やかにすることで指定時間経過した時点では表面温度がキュリー点に達していない場合を除外することができるため、最適形状の精度を向上することができる。

【0010】

以上のごとく、上記態様によれば、ワークを誘導加熱する加熱処理装置におけるコイルの外形形状の最適形状を導出することができる加熱処理装置の設計装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態１における、設計装置の概念図。

【図2】実施形態１における、設計装置の機能ブロック図。

【図3】実施形態１における、ワーク及び初期形状を有するコイルの図１のIII－III線位置断面図。

【図4】実施形態１における、設計装置による熱処理解析と最適化処理の概要を説明する図。

【図5】実施形態１における、設計装置による最適化のフロー図。

【図6】実施形態１における、ワーク及び最適形状を有するコイルの図１のIII－III線位置断面図。

【図7】確認試験における、（ａ）試験例のコイル内部の測定点温度の例、（ｂ）試験例のコイル表面の測定点温度の例を示す図。

【図8】確認試験における、（ａ）比較例１のコイル表面の測定点温度の例を示す図、（ｂ）比較例２のコイル表面の測定点温度の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（実施形態１）
１．設計装置１の構成
実施形態１における設計装置１について、図１を参照して説明する。設計装置１は、記憶装置と演算装置とにより構成され、熱処理解析部２と、最適化処理部３とを含む。設計装置１は、後述するコイル１０の外形形状の最適形状を算出する。

【0013】

２．熱処理解析部２の構成
熱処理解析部２は、図１及び図２に示すように、解析モデルとして、コイル１０及び制御部２０を備える加熱処理装置３０とワークＷとを含む。コイル１０の外形形状が、後述する設計装置１の設計対象となる。コイル１０は、図１に示すように円環状をなしており、図３に示すように、内部に冷却用の冷媒が流通する冷媒流路１０ａを有する。コイル１０の内側には、後述するワークＷが位置している。コイル１０は、図３に示すように最適化前の初期状態では、断面の外形形状は矩形となっており、ワークＷに対向するコイル内側面１０ｂは初期状態で平面となっている。制御部２０は、コイル１０に高周波の交流電流を流して、コイル１０の内側に設けられたワークＷを誘導加熱する。

【0014】

加熱処理装置３０による加熱処理の種類は限定されないが、後述するワークＷのキュリー点Ｃｐ以上の温度まで加熱する処理とし、例えば、焼き入れ処理、焼きなまし処理、焼きならし処理などとすることができる。本実施形態１では、加熱処理装置３０によりワークＷの焼き入れ処理を行うものとする。焼き入れ処理の条件は、例えば、約９００℃、１０ｓｅｃの誘導加熱を行う。なお、高周波誘導電流による焼き入れ処理によって、ワークＷにおいて必要な所だけ部分的に硬化させることができるとともに、処理時間の短縮を図ることができる。

【0015】

ワークＷは、図１に示すように、コイル１０の内側に挿通された状態で、加熱処理装置３０により誘導加熱される。ワークＷは強磁性を有する材料であればよく、例えば、鉄、炭素鋼、ステンレス鋼などとすることができる。ワークＷにおけるキュリー点Ｃｐ（キュリー温度）は、ワークＷを形成する材料に基づいて定まる。例えば、キュリー点Ｃｐは、鉄では約７７０℃であり、炭素鋼では７００～８００℃、ステンレス鋼では約７５０℃である。本実施形態１では、ワークＷの材料はＳ５５Ｃ（機械構造用炭素鋼材）であり、そのキュリー点は約７３５℃である。なお、キュリー点Ｃｐは、磁性体において強磁性と常磁性の相転移が起こる温度であって、キュリー点を超えると磁性体は強磁性が消失し常磁性を有することとなる。

【0016】

ワークＷの形状は限定されないが、コイル１０の内側に挿通可能な形状及び大きさであるものとする。本実施形態１では、ワークＷは略円柱状をなしており、軸方向Ｚの中ほどに凹部Ｗ０を有している。凹部Ｗ０は、ワークＷの周方向に連続した溝状に形成されており、その断面形状は、図３に示すように、略半円弧状の凹曲面をなしている。

【0017】

３．最適化処理部３の構成
図１に示す最適化処理部３は、コイル１０の外形形状の最適化の処理を行う。最適化処理部３は、図２に示すように、深さ位置設定部３１、測定点温度取得部３２、目的関数設定部３３、固定点設定部３４、最適形状演算部３５を備える。

【0018】

深さ位置設定部３１は、図３に示すワークＷの被加熱部Ｗｈにおける測定点Ｗ１～Ｗ３・・・の深さ位置Ｗａを設定する。深さ位置Ｗａは、被加熱部Ｗｈの表面からの所定深さの位置Ｗａを指す。深さ位置Ｗａの深さａは限定されないが、加熱処理装置３０がワークＷの焼き入れ処理を行うものである場合には、予め設定された焼き入れ処理における有効硬化深さと同等とすることができ、例えば、深さａは、１．０～１０ｍｍ、好ましくは１．０～５．０ｍｍとすることができ、本実施形態１では、深さａは３．０ｍｍとしている。本実施形態１では、深さ位置Ｗａは凹部Ｗ０の形状に対応した円弧部を有している。なお、有効硬化深さとは、焼き入れのまま又は２００℃を超えない温度で焼き戻しを行ったときにおいて、硬化層の表面からビッカース硬さ５５０（５５０ＨＶ）の位置までの距離をいう。

【0019】

測定点温度取得部３２は、ワークＷの被加熱部Ｗｈにおいて深さ位置Ｗａにおける測定点の温度を取得する。測定点は深さ位置Ｗａ上の任意の点を設定することができる。本実施形態１では、深さ位置Ｗａ上の第１～第３測定点Ｗ１～Ｗ３を例示する。なお、第１測定点Ｗ１は深さ位置Ｗａの円弧部の上端位置であり、第２測定点Ｗ２は深さ位置Ｗａの円弧部の中央位置であり、第３測定点Ｗ３は深さ位置Ｗａの円弧部の下端位置である。なお、測定点温度取得部３２により取得される測定点の温度は、熱処理解析部２において計算により求めれた理論値やシミュレーションに基づく推定値とすることができるが、これらに替えて、実際のワークＷを誘導加熱して測定された実測値としてもよい。

【0020】

目的関数設定部３３は、コイル１０の外形形状の最適化のための目的関数を設定する。目的関数は、ワークＷの被加熱部Ｗｈの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過した時点での、任意の点を測定点同士の間の温度差に相関する関数として設定する。目的関数は、例えば、ワークＷの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過した時点における、測定点全体の平均温度と任意の測定点の温度との温度差に基づいて規定することができる。本実施形態１では、目的関数Ｑは、ワークＷの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過した時点における、測定点全体の平均温度Ｔ_ａｖｅとし、任意の測定点の温度Ｔとし、被加熱部Ｗｈの範囲Ωとしたとき、下記の式（１）により表す関数として規定される。

【0021】

【数1】

【0022】

目的関数における温度差を取得する指定時間Ｔｓは限定されないが、例えば、加熱処理装置３０がワークＷの焼き入れ処理を行う場合には、指定時間Ｔｓは予め設定された焼き入れ処理時間と同等の時間とすることができる。本実施形態１では、指定時間Ｔｓは焼き入れ処理時間と同等の１０ｓｅｃとしている。なお、指定時間Ｔｓは加熱処理装置３０における加熱処理の種類によらず、ユーザにより予め設定された任意の時間としてもよい。

【0023】

固定点設定部３４は、図３に示すように、コイル１０の外形形状の最適化において変動しない固定点１７を設定する。コイル１０における固定点１７の位置は限定されないが、本実施形態１では、凹部Ｗ０の最深部から法線方向（図３に示す断面ではＸ方向）に延ばした仮想線Ｗｂ上に位置する点とする。すなわち、仮想線Ｗｂと、最適化前の初期状態におけるワークＷとコイル内側面１０ｂとの交点を固定点１７とする。

【0024】

コイル１０の外形形状において、固定点１７以外の点はコイル１０の外形形状の最適化において変動が許容された変動許容点となる。変動許容点はコイル１０の外形形状の固定点１７以外の任意の点とすることができる。本実施形態１では、図３において、コイル内側面１０ｂにおける変動許容点１１～１６を例示した。

【0025】

固定点設定部３４により固定点１７を設定することで、コイル１０がワークＷから過度に離間することが抑制されることとなる。これにより、ワークＷの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間における被加熱部Ｗｈの表面温度の上昇率の最小値を規制した状態となる。なお、当該最小値を規制した状態とするには、固定点１７を設定することに替えて、ワークＷの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間において、被加熱部Ｗｈの表面温度を２点以上の時刻で取得してその変化率を上昇率として算出し、当該上昇率の最小値が規制されるように後述の最適化を行うこととしてもよい。

【0026】

最適形状演算部３５は、ワークＷの誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間における被加熱部Ｗｈの表面温度の上昇率の最小値を規制した状態において、目的関数Ｑが最小値となるようにコイル１０の外形形状を最適化した形状を導出する。本実施形態１では、上述の通り、上記上昇率を規制した状態として固定点１７を設定しており、上記固定点を除いた変動許容点１１～１６においてコイル１０の外形形状を最適化した形状を導出する。

【0027】

最適形状演算部３５における最適化アルゴリズムは限定されず、最小二乗法、最急降下法、Pattern Search法、Nelder-Mead法、遺伝的アルゴリズム、粒子群最適化、差分進化法、カッコウ探索、ホタルアルゴリズムなど公知のアルゴリズムを用いることができる。本実施形態１では、最適化アルゴリズムとして最小二乗法を採用した。

【0028】

４．コイル外形形状の最適化処理
本実施形態１における、コイル１０の外形形状の最適化処理のフローについて、図４、図５を参照しながら説明する。当該最適化処理は、図４に示すように、熱処理解析部２での加熱処理と最適化処理部３でのコイル１０の外形形状の変更とを繰り替えし、最適化のアルゴリズムに基づいて、コイル１０の外形形状の最適形状を算出する。

【0029】

具体的なフローについて、図５に示す。まず、図５のステップＳ１において、熱処理解析部２における解析モデルとして、焼き入れ処理の対象となるワークＷを設定する。ワークＷは直径Ｄ１が５０ｍｍ、長さが１４９ｍｍの円柱状とし、図１に示すように軸方向Ｚの中ほどに設定された被加熱部Ｗｈに、図３に示すように深さａが３ｍｍの断面形状が半円形の凹部Ｗ０が設けられている。そして、ワークＷを加熱処理装置３０に備えられたコイル１０の内側に挿通した状態とする。

【0030】

次いで、図５のステップＳ２において、コイル１０の外形形状の初期形状と固定点１７を設定する。本実施形態１では、図１に示すように、コイル１０の外形形状の初期形状は円環状であって、内径をＤ２、外径をＤ３、高さをＨ１とし、断面形状は矩形である。そして、コイル１０におけるワークＷに対向するコイル内側面１０ｂがワークＷの軸方向Ｚに平行となるようにワークＷを配置するものとした。固定点１７は上述の通り、仮想線Ｗｂと初期状態におけるコイル内側面１０ｂとの交点とした。

【0031】

次に、ステップＳ３において、深さ位置設定部３１によりワークＷにおいて深さ位置Ｗａを設定し、ステップＳ４において、目的関数設定部により、上記式（１）に示す目的関数Ｑを設定する。その後、ステップＳ５において、熱処理解析部２により、コイル１０に高周波電流を流してワークＷの誘導加熱を開始し、ワークＷの熱処理解析を行う。

【0032】

そして、ステップＳ６において、測定点温度取得部３２により、予め設定された指定時間Ｔｓである１０ｓｅｃ経過後の深さ位置Ｗａ上の任意の測定点の温度を取得して、最適形状演算部３５により、目的関数Ｑの値を算出する。その後、ステップＳ７において、目的関数Ｑが最小二乗法のアルゴリズムに基づいて最小値であるか否かを判定し、目的関数Ｑが最小値でないと判定された場合は、ステップＳ７のＮｏに進み、ステップＳ８において次のコイル１０の外形形状を変更する。コイル１０の外形形状の変更は、固定点１７を維持した状態で変動許容点１１～１６の位置を変更することにより行う。そして、再度、ステップＳ５に戻り、新たなコイル１０の外形形状に基づいてワークＷの誘導加熱を開始し、ワークＷの熱処理解析を行う。

【0033】

一方、ステップＳ７において、目的関数Ｑが最小二乗法のアルゴリズムに基づいて最小値であると判定された場合は、ステップＳ７のＹｅｓに進み、ステップＳ９においてコイル１０の外形形状の最適形状を決定し、当該フローを終了する。本実施形態１では、図６に示すコイル１０の外形形状を最適形状として算出した。そして、当該フローを終了する。

【0034】

５．最適形状の確認試験
次に、実施形態１の設計装置１により算出された最適形状を有するコイル１０の確認試験を行った。確認試験の試験条件は、ワークＷの材質はＳ５５Ｃ（キュリー点７３５℃）、深さ位置Ｗａの深さａを３．０ｍｍ、コイル１０に流れる高周波電流の周波数を６．８ｋＨｚ、電流値を５８００Ａ、加熱時間を２０ｓｅｃとし、加熱処理装置３０においてコイル１０によりワークＷを誘導加熱するものとした。

【0035】

試験例として設計装置１により算出された図６に示す最適形状を有するコイル１０を用いて上記条件でワークＷを誘導加熱したときの、ワークＷの深さ位置Ｗａ上の測定点Ｗ１～Ｗ３の温度変化と被加熱部Ｗｈの表面上の測定点Ｗ１’～Ｗ３’の温度変化を取得し、それぞれ図７（ａ）及び図７（ｂ）に示した。なお、第１測定点Ｗ１’は凹部Ｗ０の円弧部の上端位置であり、第２測定点Ｗ２’は凹部Ｗ０の最深部であり、第３測定点Ｗ３は深さ位置Ｗａの円弧部の下端位置である。また、比較例１として、初期形状のコイル１０を用いて上記条件でワークＷを誘導加熱したときの被加熱部Ｗｈの表面上の測定点Ｗ１’～Ｗ３’の温度変化を取得し、図８（ａ）に示した。

【0036】

さらに、比較例２として、誘導加熱開始から１０ｓｅｃ後におけるワークＷの被加熱部Ｗｈにおける表面測定点（Ｗ１’～Ｗ３’を含む）の温度がバラつきを目的関数とし当該目的関数が最小化されるように算出した比較最適形状を有するコイルによりワークＷを誘導加熱したときの被加熱部Ｗｈの表面上の測定点Ｗ１’～Ｗ３’の温度変化を取得し、図８ｂａ）に示した。

【0037】

図７（ａ）に示すように、最適形状を有するコイル１０では、最適形状演算部３５による演算結果の通り、誘導加熱の開始から１０ｓｅｃ経過したときに目的関数Ｑが最小値となっている。そして、このときのワークＷの表面Ｗ１’～Ｗ３’の温度は図７（ｂ）に示すように、バラつきが少なく、キュリー点Ｃｐをほぼ同時に超えており、早期に加熱されて誘導加熱の開始から約９ｓｅｃ後に安定した温度となっている。

【0038】

一方、図８（ａ）に示すように、初期状態におけるコイル１０では、ワークＷの表面Ｗ１’～Ｗ３’のうち凹部Ｗ０の最深部の第２測定点Ｗ２’において、誘導加熱の開始から約７ｓｅｃ～１１ｓｅｃ後において温度低下が発生していた。そして、測定点Ｗ１’～Ｗ３’において、温度が安定するのに約１２ｓｅｃを要した。

【0039】

ここで、図８（ａ）に示すように比較例では、第１測定点Ｗ１’及び第３測定点Ｗ３’は凹部Ｗ０のエッジに位置するため、誘導加熱により磁束が集中しやすく、第２測定点Ｗ２’よりも早期にキュリー点に到達している。そのため、第１測定点Ｗ１’及び第３測定点Ｗ３’では、強磁性が消失して誘導電流はワークＷの内部に移行して分散することとなる。そして、第１測定点Ｗ１’及び第３測定点Ｗ３’は電流密度が上昇した内部からの熱の流入がある温度が低下するには至らないが、第２測定点Ｗ２’では、誘導電流の分散と強磁性が消失した第１測定点Ｗ１’及び第３測定点Ｗ３’からの熱の流入がなくなった結果、温度低下したものと推察される。

【0040】

さらに、図８（ｂ）に示すように、比較例２では、誘導加熱開始から１０ｓｅｃ後には、表面温度は概ね均一化されていたが、この場合は、誘導加熱開始から１０ｓｅｃに至るまでの表面温度の上昇率が図７（ａ）に示す試験例の場合よりも小さくなっており誘導加熱開始から１０ｓｅｃに至るまでに表面測定点の温度はキュリー点Ｃｐに到達していなかった。そして、その後の誘導加熱により表面測定点の温度がキュリー点Ｃｐに到達すると初期形状の場合と同様に第２測定点Ｗ２’の温度低下が発生していた。

【0041】

以上のように、本確認試験によれば、本実施形態１の設計装置１による最適形状を有するコイル１０によれば、誘導加熱開始から１０ｓｅｃ後の深さ位置Ｗａの温度が均一化されたことを確認することで、ワークＷの被加熱部Ｗｈの表面温度が均一な状態でキュリー点を超えて早期に安定した温度で加熱できることが確認できた。

【0042】

なお、本確認試験では、ワークＷの表面温度は８００℃未満であって、通常の焼き入れ処理をする場合の目標温度である約９００℃には達していない状態としたが、ワークＷの表面温度はキュリー点Ｃｐを超えているため、ワークＷの表面温度を焼き入れ処理の目標温度まで加熱した場合であっても、本確認試験と同等の結果が得られるものと推察される。

【0043】

６．作用効果
以下、本実施形態１の設計装置１における作用効果について述べる。当該設計装置１では、ワークＷの被加熱部Ｗｈの表面温度をキュリー点Ｃｐ以上に誘導加熱する加熱処理装置３０におけるコイル１０の外形形状は、誘導加熱から予め指定された指定時間Ｔｓを経過した時点における被加熱部Ｗｈの表面から所定深さの位置Ｗａの任意点間の温度差に相関する目的関数Ｑが最小値となるように最適化された形状としている。これにより、コイル１０の外形形状の最適化において、被加熱部Ｗｈの内部の電流密度の変化を考慮することができ、ワークＷの被加熱部Ｗｈの表面温度のバラつきを抑制することができるコイル１０の外形形状を導出することができる。

【0044】

さらに、本実施形態１の設計装置１では、誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓを経過した時点の上記温度差に相関する目的関数Ｑの最小化をするものであるため、指定時間Ｔｓが経過した時点以外の上記温度差を考慮する必要がない。これにより、設計装置１における演算量を大幅に低減でき、演算負荷を低減することができる。

【0045】

また、コイル１０の最適形状の導出は、誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間における被加熱部Ｗｈの表面温度の上昇率の最小値を規制した状態で行っている。そのため、単に誘導加熱による被加熱部Ｗｈの温度上昇を緩やかにすることで指定時間Ｔｓが経過した時点では表面温度がキュリー点に達していない場合を除外することができるため、最適形状の精度を向上することができる。

【0046】

また、本実施形態１では、コイル１０の表面上の一点を位置が固定された固定点１７に設定し、その他のコイル１０の表面上の任意点を位置の変動が許容された変動許容点１１～１６とする固定点設定部３４を備える。これにより、誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過する前の期間における被加熱部Ｗｈの表面温度の上昇率の最小値を規制した状態としている。そして、最適形状演算部３５は、目的関数Ｑが最小値となるように固定点１７を除いたコイル１０の外形形状を最適化した形状を導出する。これにより、過度に負荷がかかる演算を行うことなく、コイル１０がワークＷから過度に離間することを防止して、誘導加熱開始から指定時間Ｔｓに至るまでに表面測定点の温度がキュリー点に到達するようにすることができ、コイル１０の最適化の演算負荷を低減することができる。

【0047】

また、本実施形態１では、被加熱部Ｗｈは凹部Ｗ０を有し、固定点１７は凹部Ｗ０の最深部Ｗ２’から法線方向に延ばした仮想線Ｗｂ上に位置する。最深部Ｗ２’は、被加熱部Ｗｈにおいて、コイル１０から最も離間した位置となりやすく加熱されにくい箇所であるため、当該最深部Ｗ２’を固定点１７とすることで、加熱されにくい箇所が変動許容点となってワークＷからさらに離間して誘導加熱開始から指定時間ＴｓまでにワークＷの被加熱部Ｗｈの表面がキュリー点Ｃｐを超えなくなることを防止することができる。

【0048】

また、本実施形態１では、加熱処理装置３０は、誘導加熱によりワークＷの焼き入れ処理を行うように構成されており、深さ位置設定部３１は、予め設定されたワークＷの焼き入れ処理における有効硬化深さに基づいて深さａの位置を設定する。これにより、焼き入れ処理がなされる深さ位置Ｗａでの温度を算出することとなるため、焼き入れ処理の影響を考慮することができ、コイル１０の最適化の精度を向上できる。

【0049】

また、本実施形態１では、目的関数設定部３３は、誘導加熱の開始から指定時間Ｔｓが経過した時点における深さ位置Ｗａの測定点Ｗ全体の平均温度と深さ位置Ｗａにおける任意の測定点の温度との温度差に基づいて目的関数Ｑを設定する。これにより、ワークＷに焼き入れ処理を行う際に、有効硬化深さまで硬化層が形成されたことを確認でき、信頼性の向上を図ることができる。

【0050】

なお、本実施形態１の設計装置１では、最適化を行う前のコイル１０の初期形状として図３に示すように断面矩形の形状を採用したが、必ずしもこれに限定されず、異なる形状を初期形状としてもよい。

【0051】

以上のごとく、上記態様によれば、ワークを誘導加熱する加熱処理装置３０におけるコイル１０の外形形状の最適形状を導出することができる加熱処理装置３０の設計装置１を提供することができる。

【0052】

本発明は上記実施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実施形態に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 設計装置
２ 熱処理解析部
２０ 加熱処理装置
１０ コイル
１１～１６ 変動許容点
１７ 固定点
３ 最適化処理部
３１ 深さ位置設定部
３２ 測定点温度取得部
３３ 目的関数設定部
３４ 固定点設定部
３５ 最適形状演算部
Ｗ ワーク
Ｗ１～Ｗ３ 測定点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】