(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することのできる冷るつぼ構造体の提供。【解決手段】中空状の上部キャップ及び下部キャップ、前記キャップを連結する複数のセグメント、前記セグメント間に配置されるスリット部、前記セグメントで囲まれた反応領域を含む冷るつぼ部１００と、前記冷るつぼ部の外径を囲み、前記セグメント及びスリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであることを特徴とし、前記スリット部の間隔が次の数式：2020085389.tif 000017となるように配置される冷るつぼ構造体１０。【選択図】図１
2020085389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の上部キャップ及び下部キャップ、前記上部キャップ及び下部キャップを連結する複数のセグメント、前記セグメントの間に配置されるスリット部、及び前記セグメントで囲まれた反応領域を含む冷るつぼ部と、
前記冷るつぼ部の外径を囲むように配置され、前記セグメントの長手方向及び前記スリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、
前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、
前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであり、
前記スリット部の間隔が次の数式１：
【数１】
2020085389.tif 000014
【請求項２】
前記セグメントの厚さが１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置され、
前記スリット部の数が次の数式２：
【数２】
2020085389.tif 000015
である
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項３】
前記誘導コイル部は、上端部と下端部が前記上部キャップと下部キャップからそれぞれ離隔して配置され、
前記スリット部の長さ／前記誘導コイル部の高さが次の数式３：
【数３】
2020085389.tif 000016
（ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉｌは、誘導コイル部の高さである）で形成され、
上端部と下端部のそれぞれが前記冷るつぼ部の上部と下部から所定間隔離隔するように位置する
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項４】
前記誘導コイル部は、前記セグメントの長手方向における中心領域に対応して配置される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項５】
前記冷るつぼ部は、前記セグメントの内部に配置される冷却流路を含み、
前記冷却流路の直径は、８〜１５ｍｍの範囲となるように形成される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項６】
前記下部キャップに連結される支持部と、
前記支持部を通過して前記セグメントを冷却する冷却水を供給及び排出する冷却チューブとをさらに備え、
前記冷却チューブは、前記冷却流路に連結される
請求項５に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項７】
前記冷却流路は、冷却水が供給される入水路と、冷却水が排出される排出路とを含む
請求項５に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項８】
前記スリット部の一端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離と、スリット部の他端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離は、同一隔離距離となるように配置される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷るつぼ構造体に関し、さらに詳しくは、機械的、構造的、熱的安定性を有して溶解効率を向上させた冷るつぼ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタンなどの高融点活性金属は、国家産業の基礎となる精密化学、宇宙航空、自動車産業、防衛産業、医療機器などの分野に幅広く適用されている。
【０００３】
このような高融点活性金属を溶融させるために、るつぼを用いる。一般に、高融点活性金属に限らず、ある物質の溶融のためには、溶融させる物質よりも溶融温度がはるかに高いるつぼを用いて、るつぼを誘導加熱することにより溶融させる間接加熱方式を用いる。前記方法は、溶融させる物質よりも溶融点がはるかに高いるつぼを用いなければならないので、るつぼと高温溶融物が互いに化学的に反応して溶融物に不純物が生成されることがあり、るつぼを脆弱にするという欠点がある。さらに、チタンなどの高融点活性金属を溶解させる場合は、前記欠点がより大きくなる。
【０００４】
そこで、チタンなどの高融点活性金属を効率的に溶融させるための冷るつぼ溶融法（Ｃｏｌｄ  Ｃｒｕｃｉｂｌｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）が用いられる。
【０００５】
冷るつぼ溶融法（Ｃｏｌｄ  Ｃｒｕｃｉｂｌｅ  Ｍｅｌｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）においては、溶融させる物質自体を誘導するので、溶融させる物質自体がるつぼの内壁の役割を果たす。冷るつぼ溶融法は、溶融させる物質を直接誘導加熱するので、直接加熱ともいう。冷るつぼ溶融法は、二重管からなるチューブを用いて容器を構成し、溶融させる高融点物質を容器中に充填して冷却水を循環させながら物質を誘導加熱する方法である。この誘導加熱方法は、溶融が行われている間、溶融物の外壁が冷却されるので、溶融物とチューブで構成された冷るつぼの間に溶融物と粉末による焼結層が形成され、容器の役割を果たす。このような冷るつぼ溶融法は、溶融させる物質の純度を維持できるので、高純度の結晶成長のために用いられる方法の１つである。また、チタンなどの高融点活性金属を溶融させる場合において、非常に効率的であると言える。
【０００６】
しかしながら、前記冷るつぼ溶融法に用いられる冷るつぼは、機械的／熱的安定のみを考慮した設計であるので、透磁率、エネルギー効率及び溶解効率を低下させる要因となっている。
【０００７】
よって、冷るつぼは、機械的／熱的安定性を図りながらも、透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上するための設計因子を規格化する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、誘導コイル部と上部キャップまたは下部キャップとの隔離距離を最適化することにより、機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することのできる冷るつぼ構造体を提供することを技術的課題とする。
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の技術的課題に限定されるものではなく、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態による冷るつぼ構造体は、 中空状の上部キャップ及び下部キャップ、前記上部キャップ及び下部キャップを連結する複数のセグメント、前記セグメントの間に配置されるスリット部、及び前記セグメントで囲まれた反応領域を含む冷るつぼ部と、前記冷るつぼ部の外径を囲むように配置され、前記セグメントの長手方向及び前記スリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであることを特徴とし、前記スリット部の間隔が次の数式１となるように配置される。
【００１１】
【数１】
2020085389.tif 000003
【００１２】
【数２】
2020085389.tif 000004
【００１３】
前記誘導コイル部は、上端部と下端部が前記上部キャップと下部キャップからそれぞれ離隔して配置され、前記スリット部の長さ／前記誘導コイル部の高さが、
【００１４】
【数３】
2020085389.tif 000005
【００１５】
(ここで、ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉlｌは、誘導コイル部の高さである）の範囲となるように形成され、上端部と下端部のそれぞれが前記冷るつぼ部の上部と下部から所定間隔離隔するように位置 される。 
【００１６】
前記セグメントの厚さが１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置されることを特徴とし、前記スリット部の数が次の数式２となるように配置される。
【００１７】
【数４】
2020085389.tif 000006
【００１８】
【数５】
2020085389.tif 000007
【００１９】
前記誘導コイル部は、前記セグメントの長手方向における中心領域に対応して配置されてもよい。
【００２０】
前記スリット部の間隔は、０．３〜４ｍｍの範囲となるように配置されてもよい。
【００２１】
前記冷るつぼ部は、前記セグメントの内部に配置される冷却流路を含み、前記冷却流路の直径は、８〜１５ｍｍの範囲となるように形成されてもよい。
【００２２】
前記下部キャップに連結される支持部と、前記支持部を通過して前記セグメントを冷却する冷却水を供給及び排出する冷却チューブとをさらに備え、前記冷却チューブは、前記冷却流路に連結されてもよい。
【００２３】
前記冷却流路は、冷却水が供給される入水路と、冷却水が排出される排出路とを含んでもよい。
【００２４】
前記セグメントの厚さは、１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置されてもよい。
【００２５】
前記スリット部は、前記冷るつぼ部に１５〜６０個配置されてもよい。
【００２６】
前記スリット部の一端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離と、スリット部の他端部と誘導コイル部との間の最短隔離距離は、同一隔離距離となるように配置されてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の実施形態によれば、誘導コイル部と上部キャップまたは下部キャップとの隔離距離を最適化することにより、冷るつぼ構造体の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、るつぼの直径、るつぼの厚さ、冷却流路の直径、スリット部の間隔及びスリット部の数を最適化することにより、冷るつぼ構造体の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
【００２９】
本発明の効果は、前記効果に限定されるものではなく、本発明の詳細な説明または特許請求の範囲に記載されている発明の構成から推論可能なあらゆる効果が含まれるものと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の概略的な斜視図
【図２】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面図
【図３】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部を示す斜視図
【図４】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部と誘導コイル部を結合させた断面斜視図
【図５】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面斜視図
【図６】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の平面図
【図７】図６のＡ領域の拡大平面図
【図８】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のセグメントの厚さによる磁束密度の変化量を示すグラフ
【図９】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の間隔による磁束密度の変化量を示すグラフ
【図１０】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の数による磁束密度の変化量を示すグラフ
【図１１】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第１の配置を示す断面図
【図１２】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第２の配置を示す断面図
【図１３】本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌによる磁束密度の変化量を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して本発明について説明する。しかしながら、本発明は、様々な異なる形態で実現され得るので、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面において、本発明を明確に説明するために説明に関係のない部分は省略し、明細書全体を通して類似の部分には類似の符号を付した。
【００３２】
明細書全体を通して、ある一部分が他の部分と「連結（接続，接触，結合）」されているという場合、それには「直接連結」されているものだけでなく、その間にさらに他の部材を介して「間接的に連結」されているものも含まれる。また、ある部分がある構成要素を「含む」という場合、それは特に断らない限り他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに備えることを意味するものである。
【００３３】
本発明に用いられる用語は、単に特定の実施形態について説明するために用いられるものであり、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現には、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。本発明における「含む」、「有する」などの用語は、明細書に記載されている特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはそれらの組み合わせが存在することを示すものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはそれらの組み合わせの存在または付加可能性を予め排除するものではない。
【００３４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の概略的な斜視図であり、図２は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面図であり、図３は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部を示す斜視図である。
【００３６】
ここで、図１〜図３は、説明を容易にするために冷るつぼ構造体１０において誘導コイル部２１０を省略して示したものであり、誘導コイル部と冷るつぼ部１００が結合されたものについては後述する。
【００３７】
図１〜図３に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００と、冷却チューブ３８０と、支持部４００とを含む。
【００３８】
冷るつぼ部１００は、上部キャップ１１０と、下部キャップ１９０とを備える。上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、中空状に形成される。例えば、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、冷るつぼ部１００の機械的／熱的安定性のためにリング（ｒｉｎｇ）状に形成される。
【００３９】
ここで、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、説明を容易にするためにリング状に形成されたものを例に挙げて説明するが、四角リング状、八角リング状など、物質を通過させることのできる形状であれば、いかなる形状でもよい。
【００４０】
上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、機械的／熱的安定性のために所定の厚さに形成される。ここで、説明を容易にするためにリング状の上部キャップ１１０と下部キャップ１９０を内径と外径とからなる厚さで定義して説明すると、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０の厚さと同一となるように形成されるか、より大きな直径となるように形成される。すなわち、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０に結合させるために、セグメント１３０の厚さＤより大きくなるように形成するか、または一体に形成する場合は同じ厚さとなるように形成する。ここで、セグメントの厚さＤは、るつぼの厚さと同一であるので、統一してセグメントの厚さという。また、セグメントの厚さＤの最適化された厚さについては後述する。
【００４１】
冷るつぼ部１００には、上部キャップ１１０と下部キャップ１９０を連結する複数のセグメント１３０が配置される。ここで、セグメント１３０と上／下部キャップ１１０、１９０は、独立して配置してもよく、一体に配置してもよい。本実施形態においては、一体に形成したものを図示して説明する。
【００４２】
複数のセグメント１３０は、リング状の上部キャップ１１０と下部キャップ１９０に対応するように形成され、円筒状の空間を形成する。円筒状の内部は、冷るつぼ部１００の反応領域を形成する。前記反応領域において対象物を溶解させることができる。また、前記反応領域は、るつぼの直径φと同一であるので、以下るつぼの直径φという。
【００４３】
るつぼの直径φは、生産量を増加させるために対象物を多量に溶解させて生成物を増加させることが重要であるが、冷るつぼ構造体１０の溶解効率及びエネルギー効率を考慮し、１００〜３００ｍｍとなるように形成することが好ましい。
【００４４】
セグメント１３０の間にはスリット部１６０が配置される。スリット部１６０は、絶縁体で形成される。スリット部１６０は、セグメント１３０の透磁率を向上することにより、磁束密度を向上することができる。
【００４５】
一方、冷るつぼ構造体１０には、冷るつぼ部１００を支持／固定する支持部４００が配置される。冷るつぼ部１００には、支持部４００に結合される結合部１８０が下部キャップ１９０の下部に配置される。
【００４６】
また、支持部４００には、冷却チューブ３８０が配置される。冷却チューブ３８０には、冷却水をセグメント１３０の冷却流路３１０に提供する冷却水供給部と、冷るつぼ部１００の冷却を完了した冷却水を排出する冷却水排出部とが配置される。
【００４７】
ここで、冷却チューブ３８０は、セグメント１３０の内部に形成される冷却流路３１０に連結される。冷却流路３１０は、セグメント１３０の内部に形成され、下部キャップ１９０の下部に配置された冷却水孔１９５まで連結されている。
【００４８】
冷却水孔１９５は、下部キャップ１９０と結合部１８０との間に配置される。冷却水孔１９５は、冷却チューブ３８０に連結されており、冷却水を冷却流路３１０、すなわち冷るつぼ部１００に供給することにより冷るつぼ部１００を冷却する。
【００４９】
このように、冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００を冷却することができ、セグメント１３０の内径の空間に形成されたるつぼの直径φが１００〜３００となるように形成することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性を図りながらも透磁率及び溶解効率を向上することができる。
【００５０】
図４は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部と誘導コイル部を結合させた断面斜視図であり、図５は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面斜視図であり、図６は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の平面図であり、図７は、図６のＡ領域の拡大平面図である。
【００５１】
ここで、図４〜図７については、説明の重複を避けて説明を容易にするために、図１〜図３を引用して説明する。
【００５２】
図４及び図５に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００のセグメント１３０の長手方向に交差する方向に配置された誘導コイル部２１０を含む。
【００５３】
誘導コイル部２１０は、冷るつぼ部１００の外径を囲む形状に配置される。ここで、誘導コイル部２１０が冷るつぼ部１００の外径を囲んだ領域を溶解領域ＤＳＡであると定義する。溶解領域ＤＳＡの最外殻の誘導コイル部２１０とスリット部１６０との端部は、所定間隔離隔して配置する。
【００５４】
また、各セグメント１３０の間には、スリット部１６０が配置される。スリット部１６０は、セグメント１３０同士を離隔させ、セグメント１３０の内部には、冷却流路３１０が配置される。
【００５５】
図６及び図７に示すように、冷るつぼ構造体１０には、複数のセグメント１３０が配置される。前述したように、セグメント１３０は、対象物を反応させて生成物を形成することのできる反応領域を形成する。よって、反応領域を形成するためのセグメント１３０は、所定の厚さに形成されると、冷るつぼ部１００の機械的／熱的安定性を図ることができる。
【００５６】
そこで、最適なセグメント１３０の厚さＤを求めるために、るつぼの直径φが２００である冷るつぼ構造体を用いて磁束密度を測定した。
【００５７】
図８は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のセグメントの厚さＤによる磁束密度の変化量を示すグラフである。ここで、セグメントの厚さＤを変化させ、セグメントの厚さによる磁束密度の変化を測定した。
【００５８】
図８に示すように、冷るつぼ構造体１０は、セグメント１３０の厚さＤが厚いほど磁束密度が低下することが分かる。すなわち、セグメント１３０の厚さＤが厚いほど磁束密度が低下し、エネルギー効率及び溶解効率を低下させる原因となる。
【００５９】
具体的には、機械的／熱的安定性を実現するためにセグメント１３０の厚さＤを増加させると、セグメント１３０への透磁率が低下し、磁束密度が低くなる。よって、冷るつぼ構造体１０の溶解効率及びエネルギー効率が低下する要因となる。すなわち、セグメント１３０の厚さが薄いほど透磁率を高めることができ、冷るつぼ構造体１０の溶解効率を向上することができる。
【００６０】
よって、冷るつぼ構造体１０は、エネルギー効率及び溶解効率を考慮し、９０Ｇ以上の磁束密度を有するセグメント１３０の厚さＤを用いることが好ましい。図８に示すように、セグメント１３０の厚さＤが１５〜２５ｍｍの範囲であれば、９０Ｇ以上の磁束密度が得られ、エネルギー効率及び溶解効率が向上することが分かる。
【００６１】
また、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、機械的安定性、透磁率及びエネルギー効率を考慮し、セグメント１３０の厚さＤが１６〜１９ｍｍの範囲のものが最適な厚さであると判断される。
【００６２】
ここで、最適なセグメント１３０の厚さＤは、るつぼの直径φが１００または３００ｍｍであれば、セグメント１３０の厚さＤに応じて磁束密度を変更してもよく、るつぼの直径φに応じてセグメント１３０の厚さＤを変更して対応することが好ましい。
【００６３】
よって、前述した条件を考慮し、セグメント１３０の厚さＤが１５〜２５ｍｍの範囲となるように形成することにより、冷却流路３１０の大きさ、機械的安定性及び溶解効率を向上することができる。
【００６４】
また、図６及び図７に示すように、それぞれのセグメント１３０の内部に冷却流路３１０が配置される。冷却流路３１０には、入水路と出水路が配置される。入水路は、冷るつぼ部１００を冷却する冷却水が供給される通路であり、セグメント１３０に隣接して配置される。出水路は、冷却を完了した冷却水が排出される通路である。入水路と出水路との間にパイプを備え、入水路と出水路を区分する。
【００６５】
冷却流路３１０は、冷るつぼ部１００を冷却するために所定の大きさに形成しなければならない。すなわち、冷却流路３１０を大きく形成すると、冷却水の供給が増加して冷却効率が向上し、冷却流路３１０の大きさが小さくなると、冷却水の供給量が減少して冷却効率が低下する。
【００６６】
さらに、冷却流路３１０は、セグメント１３０の内部に配置されるので、セグメント１３０の厚さによる制約を受ける。すなわち、冷却流路３１０を大きく形成するためには、セグメント１３０の厚さを増加させなければならないという問題が生じる。また、セグメント１３０の厚さを考慮したとしても、冷却効率を向上する目的で冷却流路３１０を大きく形成すると、冷るつぼ部１００の機械的安定性が低下することもある。
【００６７】
よって、冷却流路３１０の大きさによる磁束密度の変化を測定する必要がある。表１は、冷却流路３１０の大きさを変化させて磁束密度を測定したデータを整理した表である。
【００６８】
ここで、表１は、冷却流路３１０の形状による磁束密度の傾向を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとして測定した。
【００６９】
【表１】
2020085389.tif 000008
【００７０】
表１に示すように、冷却流路３１０の直径は、磁束密度、浸透量に影響を与えなかった。例えば、冷却流路３１０の直径を小さくすることができれば、それだけセグメントの厚さＤを小さく形成することができるので、冷るつぼ１０で消費されるエネルギー損失を低減することができる。
【００７１】
一方、冷却流路３１０の直径が小さすぎると、冷却効率が低下し、冷却流路３１０を通る冷却水が過熱されて冷却流路３１０が膨張したり、冷却水の一部が気化し、冷却流路３１０の内部の圧力が爆発的に増加する。このような場合、冷却流路３１０に連結される冷却水ラインが破裂しかねがい。
【００７２】
よって、冷るつぼ１０で消費されるエネルギー損失を最小限に抑えるために、冷却流路３１０の直径は、８ｍｍ以上に形成することが好ましく、十分な冷却効率のために、冷却流路３１０の直径は、１５ｍｍ以下に形成することが好ましい。
【００７３】
結論として、測定によると、セグメント１３０の厚さ及び冷却効率を考慮し、冷却流路３１０の直径が８〜１５ｍｍとなるように形成することが好ましい。
【００７４】
また、図６に示すように、冷るつぼ部１００には、複数のセグメント１３０をそれぞれ離隔させるスリット部１６０がそれぞれ配置される。前述したように、スリット部１６０の間隔ｄｓｌｉｔが大きくなるほど、セグメント１３０に形成される磁束密度は増加する。しかしながら、磁束密度の増加のためにスリット部の間隔ｄｓｌｉｔを大きくすると、生成物または反応物の漏れなどの問題が生じる。よって、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは、前記条件を満たす間隔となるように配置することが好ましい。
【００７５】
図９は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の間隔による磁束密度の変化量を示すグラフである。
【００７６】
ここで、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔによる磁束密度の変化量を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとし、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔを変化させて磁束密度の変化量を測定した。
【００７７】
図９に示すように、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔが大きくなるほど磁束密度が増加するが、飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）地点も存在するものと判断される。
【００７８】
スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは、数式１により最適な間隔に形成することができる。
【００７９】
【数６】
2020085389.tif 000009
【００８０】
【数７】
2020085389.tif 000010
【００８１】
例えば、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは１．２ｍｍが最適な間隔となる。これは、るつぼの直径φが２００ｍｍの場合であり、るつぼの直径φが１００ｍｍまたは３００ｍｍであれば、前記数式１により０．６〜１．８ｍｍがスリット部１６０の最適な間隔となる。
【００８２】
しかしながら、透磁率を高めるために、スリット部１６０の間隔が０．３ｍｍ〜４ｍｍの範囲となるように形成することが好ましい。
【００８３】
一方、図６に示すように、冷るつぼ部１００には、複数のセグメント１３０をそれぞれ離隔させるスリット部１６０がそれぞれ配置される。前述したように、スリット部１６０のスリット部の数ｎｓｌｉｔが多くなるほど、セグメント１３０に形成される磁束密度は増加する。
【００８４】
しかしながら、磁束密度の増加のためにスリット部の数ｎｓｌｉｔを増加させると、冷却流路３１０を形成する空間が低減するので、冷却流量を十分に確保することができず、冷却効率が低下する。よって、スリット部の数ｎｓｌｉｔは、前記条件を満たす数となるように配置することが好ましい。
【００８５】
図１０は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の数による磁束密度の変化量を示すグラフである。
【００８６】
ここで、スリット部の数ｎｓｌｉｔによる磁束密度の変化量を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとし、１／４領域のスリット部の数ｎｓｌｉｔを変化させて磁束密度の変化量を測定した。
【００８７】
図１０に示すように、スリット部の数ｎｓｌｉｔが大きくなるほど磁束密度が増加するが、飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）地点も存在するものと判断される。
【００８８】
スリット部の数ｎｓｌｉｔは、下記の数式２により最適な数に形成することができる。
【００８９】
【数８】
2020085389.tif 000011
【００９０】
【数９】
2020085389.tif 000012
【００９１】
例えば、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、スリット部の数ｎｓｌｉｔは３６個が最適な数となる。これは、るつぼの直径φが２００ｍｍの場合であり、るつぼの直径φが３００ｍｍであれば、前記数式２により５４個までがスリット部の数ｎｓｌｉｔの最適な配置数となる。
【００９２】
しかしながら、透磁率を向上させ、機械的安定性及び冷却流量を確保するために、スリット部の数ｎｓｌｉｔが１５〜６０個の範囲となるように形成することが好ましい。
【００９３】
このように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１は、るつぼの直径φに応じてセグメントの厚さＤ、冷却流路３１０の直径、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔ、及びスリット部の数ｎｓｌｉｔを最適化することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
【００９４】
また、図４及び図５に示すように、セグメント１３０及びスリット部１６０の長手方向に交差する方向に冷るつぼ部１００の外殻を囲む誘導コイル部２１０が配置される。このように、スリット部１６０及びセグメント１３０と、誘導コイル部２１０とを重ねることにより溶解領域ＤＳＡを形成することができる。
【００９５】
ここで、溶解領域ＤＳＡは、溶解対象を溶解させることのできる領域であり、磁束の透過率を増加させ、溶解効率を向上することが好ましい。
【００９６】
しかしながら、冷るつぼ部１００の機械的安定性のために配置した上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０のように分離された構成ではなく、リング状に連結形成されて磁束の透過を妨害する。
【００９７】
よって、誘導コイル部２１０は、上部キャップ１１０と下部キャップ１９０からそれぞれ離隔して配置しなければならない。上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０が誘導コイル部２１０から遠ざかるようにスリット部１６０を配置することにより、冷るつぼ部１００への磁束の透過率を向上することができる。
【００９８】
よって、溶解領域ＤＳＡは、スリット部１３０の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部２１０の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３の範囲となるように形成することが好ましい。これを数式化したものを数式３に示す。数式３は以下の通りである。
【００９９】
【数１０】
2020085389.tif 000013
【０１００】
ここで、ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉｌは、誘導コイル部の高さである。
【０１０１】
それでは、図１１〜図１３を参照してより具体的に説明する。
【０１０２】
図１１は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第１の配置を示す断面図であり、図１２は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第２の配置を示す断面図であり、図１３は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌによる磁束密度の変化量を示すグラフである。
【０１０３】
まず、溶解領域ＤＳＡは、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３の範囲となるように形成されるが、そのうち１．５の場合を第１の配置として説明し、３の場合を第２の配置として説明する。
【０１０４】
図１１に示すように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５であれば、理解を助けるためにスリット部の長さｈｓｌｉｔを単位長さとして１０ａと仮定すると、前記数式３により１０ａ／Ｘ＝１．５となる。ここで、Ｘは、スリット部の長さｈｓｌｉｔである。
【０１０５】
従って、Ｘの値は６．６６６６ａとなる。よって、残りの値は３．４４４４４ａとなる。
【０１０６】
なお、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０が離隔された最短距離を隔離距離Ｑ１とする。
【０１０７】
すなわち、３．４４４ａ程度の空間が生じるが、そこで誘導コイル部２１０を介して上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、３．４４４ａを半分にした１．６６ａの隔離距離Ｑ１を置いて配置される。
【０１０８】
ここで、誘導コイル部２１０が上／下部キャップ１１０、１９０との隔離距離を置くために上部／下部キャップ１１０、１９０のいずれか一方に偏ると、他方は相対的に隔離距離が狭くなるように配置される。よって、隣接して配置されたいずれか一方は磁束透過率が低下する。
【０１０９】
具体的には、磁束透過率は、誘導コイル部２１０に隣接して配置された上／下部キャップ１１０、１９０のいずれかから影響を受け、磁束密度が相対的に低下するので、誘導コイル部２１０は、磁束透過率を向上するために、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。すなわち、スリット部１６０の一端部から他端部までの長さにおける中心領域に誘導コイル部２１０が配置される。
【０１１０】
よって、スリット部の一端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１と、スリット部の他端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１が等距離となるように配置される。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１は、これら２つの構成間の最短距離を意味する。
【０１１１】
図１２に示すように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが３であれば、前記数式３により１０ａ／Ｘ＝３となる。ここで、Ｘは、スリット部の長さｈｓｌｉｔである。
【０１１２】
従って、Ｘの値は３．３３３ａとなる。よって、残りの値は６．６６６６ａとなる。
【０１１３】
ここで、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。すなわち、６．６６６６ａ程度の離隔距離が生じるが、上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、６．６６６ａを半分にした３．３３３ａの離隔空間を置いて配置される。
【０１１４】
従って、誘導コイル部２１０は、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。よって、誘導コイル部２１０が上／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるために、６．６６ａを半分にした３．３３３３ａとなる。
【０１１５】
ここで、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０が離隔された最短距離を隔離距離Ｑ２とする。
【０１１６】
すなわち、６．６６６ａ程度の空間が生じるが、そこで誘導コイル部２１０を介して上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、６．６６６ａを半分にした３．３３３ａの隔離距離Ｑ２を置いて配置される。
【０１１７】
前述したように、磁束透過率は、誘導コイル部２１０に隣接して配置された上／下部キャップ１１０、１９０のいずれかから影響を受け、磁束密度が相対的に低下するので、誘導コイル部２１０は、磁束透過率を向上するために、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。すなわち、スリット部１６０の一端部から他端部までの長さにおける中心領域に誘導コイル部２１０が配置される。
【０１１８】
よって、スリット部の一端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２と、スリット部の他端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２が等距離となるように配置される。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２は、これら２つの構成間の最短距離を意味する。
【０１１９】
図１３に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ１０の磁束密度が８５Ｇ以上となるのは、１．５〜３のときであった。すなわち、誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１００ｍｍであれば、スリット部の長さｈｓｌｉｔが１５０〜３００ｍｍとなるように配置されればよいと考えられる。ここで、スリット部の長さｈｓｌｉｔを同図にｈ０で表示した。
【０１２０】
このように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３であれば、磁束透過率が向上し、冷るつぼの直径などに関係なく、磁場透過効率を向上することが分かる。
【０１２１】
このように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１は、誘導コイル部２１０の配置を最適化することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
【０１２２】
前述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態に容易に変形できる。よって、前述の実施形態はあくまで例示的なものであり、限定的なものでない。例えば、単一型で説明された各構成要素を分散して実施してもよく、同様に分散したものと説明された構成要素を結合された形態に実施してもよい。
【０１２３】
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、並びにその均等概念から導かれるあらゆる変更または変形された形態も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１２４】
１０：冷るつぼ構造体
１００：冷るつぼ部
１１０：上部キャップ
１３０：セグメント
Ｄ：セグメントの厚さ
１６０：スリット部
１８０：結合部
１９０：下部キャップ
１９５：冷却水孔
２１０：誘導コイル部
ＤＳＡ：溶解領域
３１０：冷却流路
３８０：冷却チューブ
４００：支持部
φ：るつぼの直径
Ｄｓｌｉｔ：スリット部の間隔
Ｑ：隔離距離
【図１】
2020085389.tif 000018
【図２】
2020085389.tif 000019
【図３】
2020085389.tif 000020
【図４】
2020085389.tif 000021
【図５】
2020085389.tif 000022
【図６】
2020085389.tif 000023
【図７】
2020085389.tif 000024
【図８】
2020085389.tif 000025
【図９】
2020085389.tif 000026
【図１０】
2020085389.tif 000027
【図１１】
2020085389.tif 000028
【図１２】
2020085389.tif 000029
【図１３】
2020085389.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月13日(2020.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の上部キャップ及び下部キャップ、前記上部キャップ及び下部キャップを連結する複数のセグメント、前記セグメントの間に配置されるスリット部、及び前記セグメントで囲まれた反応領域を含む冷るつぼ部と、
前記冷るつぼ部の外径を囲むように配置され、前記セグメントの長手方向及び前記スリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、
前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、
前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであり、
前記スリット部の間隔が次の数式１：
【数１】
2020085389.tif 000031
であり、
前記セグメントの厚さが１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置され、
前記スリット部の数が次の数式２：
【数２】
2020085389.tif 000032
であり、
前記誘導コイル部は、上端部と下端部が前記上部キャップと下部キャップからそれぞれ離隔して配置され、
前記スリット部の長さ／前記誘導コイル部の高さが次の数式３：
【数３】
2020085389.tif 000033
（ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉｌは、誘導コイル部の高さである）
で形成され、
上端部と下端部のそれぞれが前記冷るつぼ部の上部と下部から所定間隔離隔するように位置する
ことを特徴とする冷るつぼ構造体。
【請求項２】
前記誘導コイル部は、前記セグメントの長手方向における中心領域に対応して配置される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項３】
前記冷るつぼ部は、前記セグメントの内部に配置される冷却流路を含み、
前記冷却流路の直径は、８〜１５ｍｍの範囲となるように形成される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項４】
前記下部キャップに連結される支持部と、
前記支持部を通過して前記セグメントを冷却する冷却水を供給及び排出する冷却チューブとをさらに備え、
前記冷却チューブは、前記冷却流路に連結される
請求項３に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項５】
前記冷却流路は、冷却水が供給される入水路と、冷却水が排出される排出路とを含む
請求項３に記載の冷るつぼ構造体。
【請求項６】
前記スリット部の一端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離と、スリット部の他端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離は、同一隔離距離となるように配置される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。