JP2009176584A - 被加熱材の加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡単な構造でエネルギー消費が少なく、修理や交換が容易な迅速加熱装置及び方法を提供すること。
【解決手段】平板状の被加熱材（１）の加熱装置は、断熱性を有するベースプレート（３、４）上に複数の発熱要素（２）を所定の間隔をおいて平面的に所定のパターンをもって配列して加熱接触面（２ａ）を構成し、加熱接触面（２ａ）を被加熱材（１）に直接接触させて加熱することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、平板状の被加熱材の加熱装置及び加熱方法に関し、特に複数の発熱要素を直接被加熱材に接触させて加熱する加熱装置及び加熱方法に関する。

車両部品等の成形法として、高温に加熱した鋼板を熱間プレスする熱間プレス成形法が知られている。また、プレスと同時に低温のプレス金型で冷却して焼入れを行うことでさらに引張強度等に優れた部材を成形することができる。

部材の加熱は、加熱炉等の加熱装置中に入れて加熱することが一般的であるが、例えば加熱炉内で９００℃まで昇温させるには約３〜５分程度の時間がかかり、プレス工程に要する時間よりかなり長い。そのため、プレス工程に無駄な待ち時間が生じ、生産効率低下の原因となっている。そのため、部材をより急速に加熱する方法が必要とされている。

鋼板部材を急速加熱する１つの方法としてブロックヒーター加熱法がある。これは、図１０に示すように、加熱する鋼板部材の大きさに応じた金属のブロック２２の中に電気ヒーター２０を組み込み、ブロック全体を均一に加熱して、上方から鋼板部材２１に圧力をかけて接触させて加熱する方法である。特に特許文献１では、ブロックの加熱面温度をできるだけ均一にするため、ブロック内部に熱拡散プレートを内蔵させる技術を開示している。また、特許文献２では、ブロックヒーター等の熱源からの熱を伝熱体を介して金属板に伝えて加熱する加熱装置が開示されている。

特開平１１−１４５１６６号公報 特開２００６−１１０５４９号公報

ブロックヒーター加熱装置の場合、９００℃以上に加熱する場合には、ブロックの材質が融点の高い材料に限定され、非常に高価になる。大きな部材を加熱する場合には、大量のブロックが必要になり、非常に高価な設備となる。

ブロックヒーター加熱では金属製のブロックの中にヒーターを組み込み、ブロックを加熱して鋼板に押し付けて鋼板を加熱する。ブロックと鋼板が確実に接触するためには、ブロック材質は高温に加熱されても熱変形・歪みが少ない材質に限られる。同じく、ブロックを確実に加熱するためには中に組み込んだヒーターとブロックが確実に接触している必要が有り、精密な加工精度、組立て精度が要求されるとともに、ここでも熱変形・歪みが少ない材質が要求される。

また、高温で長時間使用されることからも、ブロックに適用される材質は限られ、非常に高価な材質となる。さらに、このような材料は難加工性材料であることが多いため、加工費、設備製作費も高くなる。自動車の構造部品のような大物部品を加熱する場合は大型設備が必要になるが、以上のような理由で設備費が非常に高くなる。また、ブロック全体の昇温には時間がかかるため、ブロックを常に均一に高温に保っておく必要があり、ヒーターは常時ＯＮに近い状態となって電力も多く必要とする。

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、小型かつ簡単な構造でエネルギー消費が少なく、修理や交換が容易な迅速加熱装置及び方法を提供することである。

本発明の第１の視点において、平板状の被加熱材の加熱装置は、断熱性を有するベースプレート上に複数の発熱要素を所定の間隔をおいて平面的に所定のパターンをもって配列して加熱接触面を構成し、該加熱接触面を該被加熱材に直接接触させて加熱することを特徴とする。

前記発熱要素の形状は断面が矩形の棒状ないし帯状もしくは断面が円形又は楕円形の棒状であることが好ましい。

前記発熱要素の断面が矩形の場合、前記被加熱材と接触する面は該発熱要素全長にわたり凸曲面を有することが好ましい。

前記複数の発熱要素の間に、弾性を有するか又は加熱接触面に対し直交方向位置を可変とした断熱材を配置することが好ましい。

複数の前記発熱要素を配列して加熱接触面を構成した断熱性を有する前記ベースプレートを、前記被加熱材の両側にそれぞれ配置し、両側から前記被加熱材を挟み込んで前記加熱接触面に直接接触させて加熱することが好ましい。

前記平板状の被加熱材の両側に配置する前記複数の発熱要素が、両側で互いに交互に配置され、かつ前記両側の発熱要素の前記ベースプレートに平行な面への垂直投影面が部分的に重複するように配置されていることが好ましい。

前記発熱要素の重複は、前記被加熱材がない状態で両側の前記ベースプレートに配置された該発熱要素を互いに接触させた場合に、該発熱要素の接触点近傍の凸曲面部の曲率中心同士を結ぶ線分と該凸曲面部との交点が該発熱要素同士の接触点となるように重複させることが好ましい。

前記ベースプレートは、複数の前記発熱要素を含む複数のユニットからなることが好ましい。

前記複数の発熱要素は、各発熱要素単位又は各前記ユニット単位で加熱能力を制御可能であり、任意の加熱パターンに設定可能であることが好ましい。

前記ベースプレートはセラミックからなることが好ましい。

本発明の第２の視点において、平板状の被加熱材の加熱方法は、断熱性を有するベースプレート上に複数の発熱要素を所定の間隔をおいて平面的に所定のパターンをもって配列して加熱接触面を構成し、該ベースプレートを、前記被加熱材の両側にそれぞれ配置し、両側から前記被加熱材を挟み込んで該加熱接触面に直接接触させて加熱することを特徴とする。

本発明によれば、ブロックを使わないため、設備が小型かつ構造が簡単でコストも低くできる。そして発熱要素を直接被加熱材に接触させるため、迅速な加熱が可能である。また、ユニットごとに交換が可能であり、修理も容易である。また、ユニットごと又は発熱要素ごとの加熱制御が可能であり、加熱自由度が高い。さらに短時間で昇温できるので不使用時は加熱源を切っておくことができ、省エネルギーも達成できる。

断熱性を有するベースプレート上に、２以上の発熱要素を所定の間隔をおいて平面的に配置する。これをユニットと称する。ベースプレートにはセラミック等を用いることができる。発熱要素は断面が矩形の棒状ないし帯状もしくは断面が円形又は楕円形の棒状であり、被加熱材に接触する加熱面が全体として被加熱材に均一に接触するように配置する。発熱要素の断面が矩形の場合、各発熱要素の被加熱材との接触面は平面としてもよいが、凸状の曲面として加圧接触させるとより密接した接触が得られる。この凸曲面の高さは、発熱要素断面の幅に対して一定の割合を持つことが好ましい。このユニットを１つ又は複数平面的に配置して所要の加熱面積を持つ加熱接触面を得る。

この加熱接触面を被加熱材に直接接触させて加熱する。これにより、被加熱材を効率的に迅速加熱することができる。なお、ユニットは幅５０〜２００ｍｍ程度、長さが１００〜１５００ｍｍ程度である。このユニットを必要な個数組み合わせ、被加熱材に応じて必要な加熱面積を得る。その大きさは限定されないが、最大４０００ｍｍ×３０００ｍｍ程度が想定される。

発熱要素は基本的に何でも使用できる。必要とする加熱温度に応じ、電気ヒーター、シースヒーター、ガスヒーター（ラジアントチューブヒーター）等の公知の加熱装置を用いることができる。ヒーターはその断面において一辺の長さ又は直径が５ｍｍ〜２００ｍｍ程度の矩形もしくは円形又は楕円形で、長さが１００〜１５００ｍｍ程度の棒状ないし帯状のものが一般的である。

発熱要素の間には、断熱材を備える。これは発熱要素のない部分からの熱放散を抑制し、全体を均一に加熱するためと、後述のごとく両側で交互に発熱要素を配置した場合は、発熱要素の反対側から被加熱材を押えて接触を良くするためである。また、加熱が終了して発熱要素を押さえつけていた圧力を解放したとき、被加熱材と発熱要素とを分離しやすくする効果も有する。両側で交互に発熱要素を配置した場合、断熱材は、発熱要素を被加熱材に加圧接触したときに均一に被加熱材に接触するように、弾性を持つか又はその高さ方向の位置若しくは水平方向の位置等を変えられるような構造を有する。断熱材としては、グラスウール、アスベスト等が用いられる。

加熱は片面のみでも可能であるが、さらに複数のユニットを両側に配置し、平板状の被加熱材を両側から挟み込んで圧接して加熱することができる。被加熱材を挟み込む方向は、上下方向からが一般的であるが、それにこだわらず左右方向からでも可能であり、さらに上下方向又は左右方向から傾斜した方向であってもかまわない。被加熱材との接触面は平面でもよいが、凸状曲面（凸曲面部）として両側から圧接することで平板状の被加熱材との接触をより確実にすることができる。この際、両側の発熱要素は交互に配置する、即ち片側の発熱要素がある範囲には反対側の発熱要素はなく、片側の発熱要素がない範囲に反対側の発熱要素を配置する。ただし一部（端部）を重複して配置することが好ましい。一部重複とは、両側の発熱要素をそれぞれベースプレートに平行な平面に垂直に投影した場合、投影面が一部重なることをいう。

発熱要素を重複配置するにあたっては、できるだけ被加熱材を両側の発熱要素のいずれかと必ず接触させ、かつできるだけ両側の発熱要素と同時に接触する範囲を少なくすることが好ましい。このためには以下の考え方で配置する。即ち、被加熱材がない状態で両側の発熱要素を互いに接触させた場合、発熱要素の凸曲面部の両端部（棒状発熱要素を長軸に垂直な断面で見た場合の両端部）付近が互いに接触する。この接触部近傍を含む凸曲面部の曲率中心（両側の発熱要素のそれぞれ）同士を結ぶ線分と発熱要素の凸曲面部の交点が接触点と一致するように重複配置する。

このように両側の発熱要素を一部重複して配置することにより、被加熱材の全域でどちらかの発熱要素に必ず接触させ、かつできるだけ両側の発熱要素と同時に接触する範囲を少なくすることにより、被加熱材全体を均一に加熱する効果を有する。

また、加熱装置は、各発熱要素又は各ユニット単位で加熱能力を制御できるように加熱制御系を備える。これにより、被加熱材の寸法、形状に応じて任意の加熱パターンかつ任意の温度に加熱することができる。不要な部分の発熱要素は加熱せず、また加熱速度が速いので待機時には全体の加熱を停止することもでき、省エネルギーにも貢献できる。

（実施例１）
図１は、本発明の一実施例に係る加熱装置の基本的な構造図である。例えば高張力鋼からなる平板（被加熱材）１を、ヒーター（発熱要素）２を配置した２つのベースプレート（上部ベースプレート３及び下部ベースプレート４）で上下から挟み込み、平板１にヒーター２を矢印で示すように上方向から加圧して直接接触（圧接）させて加熱する。なお、上部ベースプレート３とそれに配置するヒーター２とは分解図で示している。

本実施例におけるヒーター２は棒状のシースヒーターである。その長さ方向に垂直な断面での形状はほぼ矩形であり、そのうち平板１との接触面は凸曲面を有する。ヒーター２の本数は特に限定されないが、本実施例では、各ベースプレートに４本ずつのヒーター２を平面的に（平板１に均一に接触するように）配置した。１つのベースプレートに２以上のヒーター２を配置したものをユニットと呼び、被加熱材の上側のユニットを上部ユニット６、下側のユニットを下部ユニット７という。

図２は、上下ユニット６、７で平板１を挟み込むときの、ヒーター２の長さ方向に垂直な面での断面模式図である。図２（ａ）は挟み込む前、図２（ｂ）は挟み込んだ後の断面図を表す。図２（ａ）に示すように、各ユニットのヒーター２の間には、弾性のある断熱材５が、ヒーター２の頂面（凸曲面部２ａ）より突出するように配置されている。断熱材５の材料は例えばグラスウールやアスベストが用いられる。これはヒーター２が接触していない平板１の板面を保温して全体を均一に加熱するため及びヒーター２の反対側から平板１を押えて接触を良くするためである。ヒーター２の平板１との接触面は凸曲面部２ａとなってゆるやかに湾曲している。

図２に示すように、各ユニットで配列の両端部を、一方はヒーター２、他方は断熱材５とすることが好ましい。こうすると複数のユニットを組み合わせた場合に全体として、ヒーター２と断熱材５とを交互に隙間なく配列することができる。

図２（ｂ）は上部ユニット６を上から加圧して平板１を挟み込んだ時の断面図である。ヒーター２の平板１との湾曲した接触面（凸曲面部２ａ）により、平板１を挟み込んだ時に平板１は凸曲面部２ａに沿って湾曲し、ヒーター２と密接に隙間なく接触させることができる。同時に断熱材５が平板１の板面に沿って弾性変形し、密接に接触することにより、熱の放散が抑制されて平板１の全体を均一に加熱することができる。

ヒーター２の凸曲面部２ａは、図２（ａ）に示すように、ヒーター２の断面幅Ｗに対して、凸曲面部の高さｈが１〜２０％の範囲であることが好ましく、特に１０％程度であることが好ましい。

図２に示すように、ヒーター２は上下ベースプレートでその位置が交互になるように配置されている。即ち、上部ベースプレート３にヒーター２がある範囲には下部ベースプレート４にはヒーター２ではなく断熱材５を、上部ベースプレート３にヒーター２ではなく断熱材５がある範囲に、下部ベースプレート４のヒーター２を配置する。これによりヒーター２の本数を最小限に抑えることができる。ただし、図２（ｂ）の拡大図（図中の楕円内、ただし平板１は図示せず）部分に示すように、上下のヒーターを一部（図中Ｘで示す範囲）を重複させて配置することが好ましい。こうすることにより、平板１全体が上下のヒーターどちらかに必ず接触し、平板１全体を均一に加熱することができる。

なお、重複配置する場合は、平板１が上下いずれかのヒーター２と必ず接触するとともに、上下のヒーター２の両方に接触する範囲をできるだけ少なくすることが好ましい。図３（ｂ）は上下を一部重複させたヒーター２で平板１を挟んだ場合の断面模式図である。Ｘはヒーターの重複範囲、ｙは図中円内に示すように平板１が上下のヒーター２の両方に接触している範囲である。図３（ｃ）は、図中円内に示すようにｙがゼロとなるような接触図であり、このように接触させることが好ましい。

そのためには以下のようにする。図３（ａ）は、平板１（被加熱材）がない状態で上下側のヒーター２を接触させた場合の断面模式図である。接触点近傍（発熱要素端部）を含む凸曲面部２ａの一部分は、図中の点線で示すようにある曲率を有する曲面であるが、この曲面の曲率中心を下部ヒーター２でＣ、上部のヒーター２でＣ’とする。このＣ及びＣ’を結ぶ仮想線分と両ヒーター２の凸曲面部２ａとの交点が接触点と一致するようにする。

なお、ヒーター２の平板１との接触面（凸曲面部２ａ）が湾曲していることで、被加熱材である平板１にも若干湾曲面が形成されるが、これは加熱後のプレス工程で所要の形状に加工する際に解消されるので問題とはならない。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２に係る加熱装置の断面模式図である。実施例１と異なる部分は、ヒーター２の間に配置される弾性のある断熱材５のかわりに、弾性のない断熱ブロック８をばね部材９を用いて上下ベースプレート３、４に弾力的に接続し、高さ方向（上下方向）にその位置を変えられる構造としたことである。図４（ａ）は上下ユニット６、７で被加熱材である平板１を挟み込む前の断面図を表したものであり、断熱ブロック８はヒーター２の接触面より突出する高さ位置にばね部材９で保持されている。

図４（ｂ）は上下ユニット６、７で平板１を挟み込んだ後の断面図を表したものであり、平板１が上下のヒーター２で圧接され、断熱ブロック８は押さえ込まれて平板１と接触した状態にある。他の構造は実施例１と同様であり、例えば上下のヒーター２は若干重複して配置されている。なお、ばね部材９を高温から保護するため、ベースプレート３、４に孔を設け、孔の底部でばね部材を接続し、挟み込まれたときにばね部材９が孔内に縮んで収納される構造としても良い（図示せず）。

（実施例３）
図５は、発熱要素２として断面が円形であるラジアントチューブヒーターを用いた場合の、本発明の実施例３に係る加熱装置（平板１を加熱している）の断面図である。ラジアントチューブヒーター２は発熱部の断面が円形の棒状発熱体である。ラジアントチューブヒーターは直径が２００ｍｍ程度のものが実用化されている。これを実施例１、２と同様に上下ベースプレート３、４に交互に並べて配置している。平板１は上下のラジアントチューブヒーター２に挟み込まれて加熱される。ラジアントチューブヒーター２は、上下である程度の長さ（図５中のＸで示す）を重複させて配列し、平板１が全体として必ず上下のラジアントチューブヒーター２のいずれかと接触するようにしている。各ベースプレート上のラジアントチューブヒーター２の間には断熱材５が配置され、全体が均一に加熱されるようにしている。

（実施例４）
本発明に係る加熱装置は、２以上の発熱要素を含むベースプレート（ユニット）を複数配列して広い加熱面積を得ることができる。さらに、被加熱材の寸法、形状に応じて各ヒーター、又は各ユニット単位で加熱制御系１５を用いて加熱能力を制御可能である。図６は、本発明の実施例４に係る加熱装置の構造及び使用態様を示す概略図である。実施例４では、３本のヒーター２を１つのベースプレート上に配置した下部ユニット７を、縦に４列、横に１５列並べて１つの加熱装置を構成している。

図６では、車両用部材であるドアビームを形成するための鋼板（被加熱材）１２を加熱する場合の、加熱するヒーター１０を黒い太線で示し、加熱しないヒーター１１を白抜き線で示した。またドアビーム用鋼板（被加熱材）１２の形状を白抜き点線で示した。このように、ドアビーム用鋼板（被加熱材）１２の寸法及び形状に応じて、必要な範囲のみを加熱することができる。

図６では下部ユニット７の配列のみを示しているが、これに対応する上部ユニット６を上記実施例１〜３に示すように組み合わせて配列して用いることができる。以下の実施例においても同様である。

（実施例５）
図７は、実施例４と同様に３本のヒーター２を１つのベースプレート上に配置したユニットを、縦に４列、横に１５列並べた加熱装置を用いて、異なる被加熱材（バンパーを形成するための鋼板）１３を加熱する場合の加熱するヒーター２の配置を示した。ここでも同様に加熱するヒーター１０を黒い太線で示し、加熱しないヒーター１１を白抜き線で示した。またバンパー用鋼板（被加熱材）１３の形状を白抜き点線で示した。

（実施例６）
図８は、実施例４及び５と同様の加熱装置を用いて、異なる被加熱材（Ｂピラーを形成するための鋼板）１４を加熱する場合の加熱範囲図である。ここでも同様に加熱するヒーター１０を黒い太線で示し、加熱しないヒーター１１を白抜き線で示した。またＢピラー用鋼板（被加熱材）１４の形状を白抜き点線で示した。

（実施例７）
本発明に係る加熱装置は、部材の中でも高温に加熱する必要がある部分と、それほど高温でなくとも良い部分がある場合にも適用可能である。図９は、実施例６において、さらに加熱量をヒーター２（又はユニット）ごとに変えた場合の加熱範囲を示した（加熱制御系１５は図示せず）。図９では、右側の縦４列、横５列のユニット（の一部のヒーターで、斜線で示したもの）を鋼板のＡ_１変態点以下の比較的低温で加熱し（低温部Ｌ）、それ以外の部分（の一部のヒーターで、黒線で示したもの）を鋼板のＡ_１変態点以上の焼入れ可能な程度の高温で加熱する（高温部Ｈ）例を示した。このように加熱が必要な部分の位置、形状に応じて任意の加熱パターンかつ任意の温度に加熱することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の一実施例に係る加熱装置の基本的な構造図である。 本発明に係る実施例１の断面模式図であり、（ａ）は平板を上下ユニットで挟み込む前、（ｂ）は平板を上下ユニットで挟み込んだ後の断面図を表す。 （ａ）本発明の実施例１に係る上下のヒーターを重複配置する方法を示す断面模式図である。（ｂ）上下のヒーターの両方に接触する平板の範囲を示す断面模式図である。（ｃ）上下のヒーターの両方に接触する平板の範囲がゼロである場合を示す断面模式図である。 本発明の実施例２に係る加熱装置の断面模式図であり、（ａ）は平板を上下ユニットで挟み込む前、（ｂ）は平板を上下ユニットで挟み込んだ後の断面図を表す。 本発明の実施例３に係る加熱装置の断面模式図である。 本発明の実施例４に係る加熱装置の構造及び使用態様を示す概略図である。 本発明の実施例５に係る加熱装置の使用態様を示す概略図である。 本発明の実施例６に係る加熱装置の使用態様を示す概略図である。 本発明の実施例７に係る加熱装置の使用態様を示す概略図である。 従来技術のブロックヒーター加熱装置である。

符号の説明

１ 平板（被加熱材）
２ ヒーター（発熱要素）
２ａ 凸曲面部
３ 上部ベースプレート
４ 下部ベースプレート
５ 断熱材
６ 上部ユニット
７ 下部ユニット
８ 断熱ブロック
９ ばね部材
１０ 加熱するヒーター
１１ 加熱しないヒーター
１２ ドアビーム用鋼板（被加熱材）
１３ バンパー用鋼板（被加熱材）
１４ Ｂピラー用鋼板（被加熱材）
１５ 加熱制御系
２０ 電気ヒーター
２１ 鋼板部材
２２ ブロック

Claims (11)

1. 平板状の被加熱材の加熱装置であって、
   断熱性を有するベースプレート上に複数の発熱要素を所定の間隔をおいて平面的に所定のパターンをもって配列して加熱接触面を構成し、該加熱接触面を該被加熱材に直接接触させて加熱することを特徴とする、加熱装置。
2. 前記発熱要素の形状は断面が矩形の棒状ないし帯状もしくは断面が円形又は楕円形の棒状であることを特徴とする、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記発熱要素の断面が矩形の場合、前記被加熱材と接触する面は該発熱要素全長にわたり凸曲面を有することを特徴とする、請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記複数の発熱要素の間に、弾性を有するか又は加熱接触面に対し直交方向位置を可変とした断熱材を配置したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の加熱装置。
5. 複数の前記発熱要素を配列して加熱接触面を構成した断熱性を有する前記ベースプレートを、前記被加熱材の両側にそれぞれ配置し、両側から前記被加熱材を挟み込んで前記加熱接触面に直接接触させて加熱することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の加熱装置。
6. 前記平板状の被加熱材の両側に配置する前記複数の発熱要素が、両側で互いに交互に配置され、かつ前記両側の発熱要素の前記ベースプレートに平行な面への垂直投影面が部分的に重複するように配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の加熱装置。
7. 前記発熱要素の重複は、前記被加熱材がない状態で両側の前記ベースプレートに配置された該発熱要素を互いに接触させた場合に、該発熱要素の接触点近傍の凸曲面部の曲率中心同士を結ぶ線分と該凸曲面部との交点が該発熱要素同士の接触点となるように重複させることを特徴とする、請求項６に記載の加熱装置。
8. 前記ベースプレートは、複数の前記発熱要素を含む複数のユニットからなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の加熱装置。
9. 前記複数の発熱要素は、各発熱要素単位又は各前記ユニット単位で加熱能力を制御可能であり、任意の加熱パターンに設定可能であることを特徴とする、請求項８に記載の加熱装置。
10. 前記ベースプレートはセラミックからなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の加熱装置。
11. 平板状の被加熱材の加熱方法であって、
    断熱性を有するベースプレート上に複数の発熱要素を所定の間隔をおいて平面的に所定のパターンをもって配列して加熱接触面を構成し、
    該ベースプレートを、前記被加熱材の両側にそれぞれ配置し、両側から前記被加熱材を挟み込んで該加熱接触面に直接接触させて加熱することを特徴とする、加熱方法。

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