特許 7381885 電極装置および円筒状金属コイルの加熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-08

(45)【発行日】2023-11-16

(54)【発明の名称】電極装置および円筒状金属コイルの加熱装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/36 20060101AFI20231109BHJP

【ＦＩ】

H05B6/36 D

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020038926

(22)【出願日】2020-03-06

(65)【公開番号】P2021140987

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2022-11-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣田 芳明

【審査官】西村 賢

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０４３９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１９４４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０９２０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０１９０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１０８１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５１２４５２０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｂ ６／００－６／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属帯板が円筒状に巻回された円筒状金属コイルの内周面に接触可能な第１の電極と、
前記円筒状金属コイルの外周面に接触可能な第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極を電気的に接続する導電部材と、
前記第１の電極および前記第２の電極を互いに近づける向きに押圧力を加える押圧手段と、
前記第１の電極が固定され、前記第２の電極が摺動可能に取り付けられるフレームと
を備え、
前記押圧手段は、前記フレームに反力をとって前記押圧力を加える、電極装置。

【請求項2】

前記導電部材は、
前記第１の電極に接続され、前記フレームに沿って延びる架設導体棒と、
前記架設導体棒に沿って移動可能、かつ前記架設導体棒に接触可能であり、前記第２の電極に接続される接触部材と
を含む、請求項１に記載の電極装置。

【請求項3】

金属帯板が円筒状に巻回された円筒状金属コイルの内周面に接触可能な第１の電極と、
前記円筒状金属コイルの外周面に接触可能な第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極を電気的に接続する導電部材と、
前記第１の電極および前記第２の電極を互いに近づける向きに押圧力を加える押圧手段とを備え、
前記押圧手段は、前記円筒状金属コイルの中心部を貫通する鉄心に反力をとって前記第１の電極に前記押圧力を加える、電極装置。

【請求項4】

前記第２の電極は、前記円筒状金属コイルが載置されるスキッドである、請求項３に記載の電極装置。

【請求項5】

前記円筒状金属コイルの中心部を貫通する鉄心を含むリング状トランスと、
前記リング状トランスに巻回される一次側誘導コイルと、
前記一次側誘導コイルに接続される一次電源と、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電極装置と
を含む円筒状金属コイルの加熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電極装置および円筒状金属コイルの加熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

円筒状金属コイルを効率よく、均一に短時間で熱処理する方法として、特許文献１および特許文献２には、金属帯板を板間が絶縁するように巻いた円筒状金属コイルの内側を貫通する鉄心と、一次側誘導コイル（以下、一次コイルともいう。）を巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルをトランスの二次側誘導コイル（以下、二次コイルともいう。）とするとともに、最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを導電部材で短絡して二次閉回路を構成する技術が記載されている。この場合、一次コイルに電圧を加えることによって、円筒状金属コイルに二次電流が流れて加熱される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０００－１１９７４０号公報

【文献】特開平１１－２３６６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の特許文献１および特許文献２において、導電部材をどのようにして円筒状金属コイルの最外周部および最内周部の金属帯板に取り付けるかは説明されていない。各文献の図面には、最外周部および最内周部の金属帯板を引き出して電極に連結するように図示されている。しかしながら、例えば板厚が厚い場合や、高強度鋼板などの硬質の金属帯板の場合、最外周および最内周の金属帯板を円筒状金属コイルから離して引き出すことは困難である。また、引き出した金属帯板に、電極を接続するための穴開けなどの加工をすることも容易ではなかった。

【0005】

そこで、本発明は、円筒状金属コイルの内周側および外周側に短絡手段を短時間に容易かつ確実に接続することが可能な電極装置、および電極装置を含む円筒状金属コイルの加熱装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

［１］金属帯板が円筒状に巻回された円筒状金属コイルの内周面に接触可能な第１の電極と、円筒状金属コイルの外周面に接触可能な第２の電極と、第１の電極および第２の電極を電気的に接続する導電部材と、第１の電極および第２の電極を互いに近づける向きに押圧力を加える押圧手段とを備える電極装置。
［２］第１の電極が固定され、第２の電極が摺動可能に取り付けられるフレームをさらに備え、押圧手段は、フレームに反力をとって押圧力を加える、［１］に記載の電極装置。
［３］導電部材は、第１の電極に接続され、フレームに沿って延びる架設導体棒と、架設導体棒に沿って移動可能、かつ架設導体棒に接触可能であり、第２の電極に接続される接触部材とを含む、［２］に記載の電極装置。
［４］押圧手段は、円筒状金属コイルの中心部を貫通する鉄心に反力をとって第１の電極に押圧力を加える、［１］に記載の電極装置。
［５］第２の電極は、円筒状金属コイルが載置されるスキッドである、［４］に記載の電極装置。
［６］円筒状金属コイルの中心部を貫通する鉄心を含むリング状トランスと、リング状トランスに巻回される一次側誘導コイルと、一次側誘導コイルに接続される一次電源と、［１］から［５］のいずれか１項に記載の電極装置とを含む円筒状金属コイルの加熱装置。

【発明の効果】

【0007】

上記の構成によれば、円筒状金属コイルの内周側および外周側に短絡手段を短時間に容易かつ確実に接続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る円筒状金属コイルの加熱装置の構成を概略的に示す図である。

【図2A】図１に示す加熱装置のII－II線位置から見た部分断面図である。

【図2B】図１に示す加熱装置のII－II線位置から見た部分断面図である。

【図3】図１に示す加熱装置のIII－III線位置から見た断面図である。

【図4】図１の例で利用可能な、電極装置に組み込まれる導電部材長さ調整装置の例を示す図であり、（ａ）は電極装置を電極が設置される側と反対側のフレーム面側から見た正面図であり、（ｂ）は導電部材長さ調節装置を（ａ）の側面から見た図、（ｃ）は導電部材長さ調節装置を動作させた状態を説明する図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る円筒状金属コイルの加熱装置の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0010】

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る円筒状金属コイルの加熱装置の構成を概略的に示す図である。加熱装置は、金属帯板が円筒状に巻回された円筒状金属コイル１の中心部を貫通する鉄心２と、鉄心２の両端に着脱可能に接続されるＵ字形の鉄心３と、鉄心３に巻回される一次コイル４と、電極装置５とを含む。鉄心２，３は、例えば電磁鋼板などの良磁性体で形成される。後述するように、電極装置５は、円筒状金属コイル１の内周面および外周面にそれぞれ接触する１対の電極で円筒状金属コイル１を挟持し、それによって円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の始端部と終端部とが短絡される。ここで、円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の各層の間は、巻回時に層間に介挿される絶縁体もしくは各層の表面に形成される絶縁被膜、または前工程の熱間圧延で金属帯板の表面に形成されているスケールによって実質的に絶縁されている。

【0011】

上記のような加熱装置では、一次コイル４に接続された一次電源６を用いて一次電圧を加えると、リング状トランスを構成する鉄心２，３の作用によって一次コイルの巻き数に応じた二次電圧が円筒状金属コイル１の中に誘起される。上記のように円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の各層の間は実質的に絶縁されているため、円筒状金属コイル１は鉄心２に巻回された二次コイルを構成し、金属帯板の各層と電極装置５とによって構成される二次回路に二次電流が流れることによってジュール熱が発生する。一次電源６の周波数を比較的低く設定すれば、円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の幅方向について実質的に均一な電流が流れるため、円筒状金属コイル１を均一にジュール加熱することができる。

【0012】

図２Ａおよび図２Ｂは図１に示す加熱装置のII－II線位置から見た部分断面図であり、図３は図１に示す加熱装置のIII－III線位置から見た断面図である。図示されるように、電極装置５は、電極５１，５２と、フレーム５３と、エアシリンダー５４と、ケーブル５５とを含む。電極５１は円筒状金属コイル１の内周面１Ｓに接触し、電極５２は円筒状金属コイル１の外周面１Ｅに接触する。電極５１，５２の接触面は、円筒状金属コイルの形状に合わせた円筒面であってもよい。具体的には、電極５１の接触面が凸状の円筒面であり、電極５２の接触面が凹状の円筒面であってもよい。フレーム５３は、電極５１，５２のそれぞれを支持する。図示された例において、電極５１はフレーム５３に固定され、電極５２はフレーム５３に沿って摺動可能に取り付けられる。エアシリンダー５４は、フレーム５３に反力をとって、電極５２を電極５１に近づける向きに押圧力を加える。ケーブル５５は、電極５１，５２にそれぞれ電気的に接続される。ケーブル５５は二次電流が流れることによって高温になるため、例えば水冷ケーブルなどの冷却手段が組み込まれたケーブルを用いてもよい。

【0013】

円筒状金属コイル１に電極装置５を取り付ける場合、まず電極５１，５２が接触する金属帯板の内周面１Ｓおよび外周面１Ｅの部分で、あらかじめグラインダーなどの研磨装置により表層のスケールなどの抵抗層ないし絶縁層を除去して導電性の良い金属表面を露出させておく必要が有る。この円筒状金属コイル１の金属表面を露出させる作業は、前記の様に人がグラインダーで行っても良いし、研磨機械などで自動的に行っても良く手段は問わない。その後、図２Ａおよび図３に示すように、電極５１，５２の間を円筒状金属コイル１の巻き厚よりも大きくした状態で、電極５１，５２およびフレーム５３によって形成されるＵ字形またはコの字形の内側に円筒状金属コイル１の端面が入るように電極装置５を配置する。電極装置５の移動には、例えば図３に示すような移動台車５６が用いられてもよい。このとき、電極５１は円筒状金属コイル１の内周面１Ｓに対向し、電極５２は円筒状金属コイル１の外周面１Ｅに対向し、フレーム５３は円筒状金属コイル１の径方向に延びる。次に、図２Ｂに示すように、エアシリンダー５４を用いて電極５２を電極５１に向けて押圧することによって、電極５２および電極５１をそれぞれ円筒状金属コイル１の内周面１Ｓおよび外周面１Ｅに接触させる。図１～図３の例では、円筒状金属コイル１の幅方向片側だけに電極装置を配置する場合を示しているが、幅方向の両側に配置しても構わないし、挟む場所も１点ではなく複数部位でも構わない。

【0014】

上記のような構成によって、本実施形態では、円筒状金属コイル１の内周面１Ｓおよび外周面１Ｅに電極５１，５２およびケーブル５５からなる短絡手段を容易かつ確実に接続することができる。円筒状金属コイル１の内周面１Ｓおよび外周面１Ｅにそれぞれ接触する電極５１，５２で円筒状金属コイル１を挟持することによって、金属帯板を引き出すことなく容易に円筒状金属コイル１に短絡手段を接続することができる。また、エアシリンダー５４を用いて電極５１，５２の間に押圧力を加えることによって、ボルトなどで電極を締結する場合などのように金属帯板に穴開け等の加工をしなくても確実に円筒状金属コイル１に短絡手段を接続することができる。なお、このような本実施形態に係る電極装置５は、例えばステンレス鋼や高張力鋼などの硬質の金属帯板を巻回した円筒状金属コイル１についてより有利に用いられるが、これらの例には限定されない。

【0015】

なお、上述のように一次電源６、一次コイルにより誘起される二次電流は、円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の幅方向について拡散して流れるため、電極５１，５２は円筒状金属コイル１の端面付近、すなわち金属帯板の幅方向端部付近に接触していてもよい。また、円筒状金属コイル１に巻回された金属帯板の各層の間は電気的に絶縁されているが熱は伝わるため、必ずしも電極５１，５２が接触する内周面１Ｓおよび外周面１Ｅは金属帯板の始端および終端に一致していなくてもよい。

【0016】

上記の例では電極５１，５２を互いに近づける向きに押圧力を加える押圧手段としてエアシリンダー５４を用いたが、他の例ではスプリングなどを用いて押圧力が加えられてもよい。フレーム５３に形成されたねじ穴に螺合し、電極５２に向かって締め込まれるボルトによって押圧力を加えてもよい。また、上記の例ではエアシリンダー５４を用いて電極５２を電極５１に向けて押圧したが、エアシリンダー、または他の押圧手段を用いて、電極５１を電極５２に向けて押圧してもよい。

【0017】

図４（ａ）～（ｃ）は、図１の例で利用可能な、電極装置に組み込まれる導電部材長さ調整装置の例を示す図である。上述した電極装置５では、電極５２がフレーム５３に沿って摺動可能に取り付けられ、電極５１，５２の間の距離が可変であることによって、円筒状金属コイル１への電極装置５の取り付けが容易になり、また同じ電極装置５を異なる巻き厚の円筒状金属コイル１の短絡手段として用いることができる。しかしながら、この場合、導電部材であるケーブル５５の長さが電極５１，５２の間の最大の距離に対応する結果、エアシリンダー５４による押圧によって電極５１，５２の間の距離が縮まった場合にはケーブル５５の長さが余り、円筒状金属コイル１との不要な接触によるスパークなどのトラブルを起こす可能性があったり、不要な長さ分のインピーダンスが高くなってジュール加熱の効率が低下する可能性がある。

【0018】

そこで、例えば図４に示されるような導電部材長さ調整装置を電極装置５に組み込んでもよい。図４に示された例において、導電部材は、電極５１に接続されるケーブル５５Ａと、ケーブル５５Ａを介して電極５１に接続され、フレーム５３に沿って延びる架設導体棒５５Ｂと、架設導体棒５５Ｂに沿って移動可能、かつ架設導体棒５５Ｂに接触可能であり、電極５２に接続される接触部材５５Ｃとを含む。接触部材５５Ｃは、例えばスプリングやねじなどを用いて架設導体棒５５Ｂに押し付け可能に構成されている。接触部材５５Ｃが架設導体棒５５Ｂに押し付けられることによって接触部材５５Ｃが架設導体棒５５Ｂに接触した状態で固定され、電極５１，５２の間がケーブル５５Ａ，架設導体棒５５Ｂ、および接触部材５５Ｃを介して導通する。接触部材５５Ｃが架設導体棒５５Ｂに押し付けられていない間は、接触部材５５Ｃが電極５２とともに移動可能になる。

【0019】

図４（ａ）に示されるように、フレーム５３には長手方向に延びる開口部５３Ａが形成され、架設導体棒５５Ｂは開口部５３Ａの上方に、開口部５３Ａを長手方向に横切って架設される。接触部材５５Ｃは、開口部５３Ａを通ってフレーム５３の反対側に取り付けられた電極５２に接続されている。架設導体棒５５Ｂは、ケーブル５５Ａとは反対側で、支持部材５３Ｂを介してフレーム５３に固定される。接触部材５５Ｃを架設導体棒５５Ｂに沿って移動させるために、ボールねじを構成するねじ軸６１、ナット６２、およびねじ軸固定部６３，６４、ならびにナット６２を接触部材５５Ｃに連結する連結部材６５を含む移動支持機構が設けられる。移動支持機構は、例えば上記で説明したエアシリンダー５４のような押圧手段と共通であってもよいし、押圧手段とは別に設けられてもよい。

【0020】

図４（ｂ）および図４（ｃ）に示されるように、接触部材５５Ｃを電極５２とともに架設導体棒５５Ｂに沿って移動させ、移動先で接触部材５５Ｃを架設導体棒５５Ｂに押し付けることによって、導電部材のうち導通する部分を電極５１，５２の間の距離、すなわち円筒状金属コイル１の巻き厚に応じた最低限の長さにすることができる。図４（ｂ）には円筒状金属コイル１の最小巻き厚に対応する電極５１，５２の間の距離ｄ１が示され、図４（ｂ）には円筒状金属コイル１の最大巻き厚に対応する電極５１，５２巻の距離ｄ２が示されているが、それぞれの例において導電部材のうち導通する部分の長さは長さｄ１，ｄ２とほぼ同じになる。これによって、不要な長さ分のインピーダンスが高くなってジュール加熱の効率が低下することを防止できる。また、上記の例では、導電部材のうち導通する部分の長さが架設導体棒５５Ｂを用いて調節され、架設導体棒５５Ｂの余った部分は支持部材５３Ｂを介してフレーム５３に固定されるため、余った導電部材が円筒状金属コイルに接触してスパークするなどの不要なトラブルを避けることができる。

【0021】

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る円筒状金属コイルの加熱装置の構成を示す断面図である。図５は図２と同じ方向の断面図であり、図５に示された構成を除いて本実施形態に係る加熱装置の構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態では、加熱装置が、電極５１，５２と、エアシリンダー５４と、ケーブル５５と、絶縁体５７とを含む。本実施形態において、エアシリンダー５４は、円筒状金属コイル１の中心部を貫通している鉄心２に反力をとって、電極５１を電極５２に近づける向きに押圧力を加える。絶縁体５７は、エアシリンダー５４と電極５１との間に介挿され、エアシリンダー５４の押圧力を電極５１に伝えるとともに電極５１と鉄心２との間を絶縁する。別の例では、絶縁体がエアシリンダー５４と鉄心２との間に介挿されてもよい。

【0022】

本実施形態では、エアシリンダー５４が円筒状金属コイル１の内側に配置されるため、円筒状金属コイル１をスキッド７に載せ、電極５２を円筒状金属コイル１とスキッド７との間に挟み込んで配置することができる。あるいは、スキッド７を円筒状金属コイル１の外周面１Ｅに接触する電極として利用してもよい。この場合、ケーブル５５は電極５１およびスキッド７にそれぞれ電気的に接続される。本実施形態でも、エアシリンダー５４に代えてスプリングやボルトなどの他の押圧手段を用いてもよい。また、短絡のための導電部材ならびに電極には、必要に応じて水冷装置などの冷却機構を設けても良い。
なお、上記の実施形態では、トランスを用いた場合について説明したが、トランスを用いずに円筒状金属コイルの始端部と終端部とに電極を取りつけ直接通電加熱する場合にも本発明は適用可能である。

【0023】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0024】

１…円筒状金属コイル、１Ｅ…外周面、１Ｓ…内周面、２，３…鉄心、４…一次コイル（一次側誘導コイル）、５…電極装置、６…一次電源、７…スキッド、５１，５２…電極、５３…フレーム、５４…エアシリンダー、５５…ケーブル（導電部材）、５５Ａ…ケーブル、５５Ｂ…架設導体棒、５５Ｃ…接触部材、５６…移動台車、５７…絶縁体。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】