(57)【要約】【課題】溶解された溶解原料を安定的に供給しながら、加熱コイル部への電力の供給の制御を容易に行うことが可能な溶解装置を提供する。【解決手段】この溶解装置１００は、溶解原料２００が挿入され、誘導加熱により溶解原料２００を溶解させる誘導加熱コイル部５０と、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の次に溶解装置本体部１０１に投入される溶解原料２０２の、溶解装置本体部１０１に投入するタイミングを設定する制御部６０とを備える。【選択図】図６
2020115055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解装置本体部を備え、
前記溶解装置本体部は、
溶解原料が挿入され、誘導加熱により前記溶解原料を溶解させる加熱コイル部と、
前記加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の次に前記溶解装置本体部に投入される第２溶解原料を前記溶解装置本体部に投入するタイミングを設定する制御部とを含む、溶解装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１溶解原料と前記第２溶解原料とが連続して溶解される際において、前記加熱コイル部のインピーダンスの変化が所定のインピーダンス閾値よりも小さくなるように、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項１に記載の溶解装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２溶解原料の投入の前記タイミングが、複数の前記第２溶解原料の挿入の前記タイミングにおいて、略一定になるように、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項１または２に記載の溶解装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第２溶解原料の挿入の前記タイミングが、前記第１溶解原料が前記加熱コイル部により生じる電磁力によって浮遊を開始する前となるように、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶解装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいて、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶解装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記加熱コイル部に挿入されている前記第１溶解原料の上端部の高さ位置が、前記加熱コイル部の上端部の高さ位置よりも高い時点を、前記タイミングとして設定するように構成されている、請求項５に記載の溶解装置。
【請求項７】
前記加熱コイル部に挿入されている前記第１溶解原料の上端部の高さ位置を検出する第１検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記第１検出部に検出された前記第１溶解原料の上端部の高さ位置に基づいて、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項５または６に記載の溶解装置。
【請求項８】
前記加熱コイル部に挿入されている前記第１溶解原料の荷重を検出する第２検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記第２検出部に検出された前記第１溶解原料の荷重に基づいて、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載の溶解装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記第２検出部に検出された前記第１溶解原料の荷重が所定の荷重閾値以下になったことに基づいて、前記タイミングを設定するように構成されている、請求項８に記載の溶解装置。
【請求項１０】
前記第２溶解原料が適切に投入されたか否かを検出するための第３検出部をさらに備える、請求項５〜９のいずれか１項に記載の溶解装置。
【請求項１１】
前記制御部は、設定した前記タイミングに基づいて、前記第２溶解原料を投入する投入装置に、前記第２溶解原料を前記溶解装置本体部に投入する指令を送信するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶解装置に関し、特に、溶解原料が挿入される加熱コイル部を備える溶解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶解原料が挿入される加熱コイル部を備える溶解装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、アルミニウムのインゴットが挿入されるとともに溶解される挿入・溶解炉を備える溶解装置が開示されている。この溶解装置では、耐火レンガなどにより形成された筒状の挿入・溶解炉の外周側に誘導コイルが設けられている。そして、挿入・溶解炉に挿入されたアルミニウムのインゴットが、誘導コイルにより加熱されることにより溶解される。また、筒状の挿入・溶解炉は、貫通孔を有する板状の冷材受けの表面上に設けられている。そして、溶解されたアルミニウムは、冷材受けの貫通孔を介して下方に滴下される。また、上記特許文献１では、溶解中のアルミニウムの上端部が誘導加熱により溶け始めた後に、次に溶解されるアルミニウムが挿入・溶解炉に挿入される。つまり、現在溶解中のアルミニウムが略溶解して、アルミニウムの形状および体積が小さくなった後に、次に溶解されるアルミニウムが挿入・溶解炉に挿入される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１９９３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のように、溶解中のアルミニウムの上端部が誘導加熱により溶け始めた後に、次に溶解されるアルミニウムを挿入・溶解炉に挿入する場合、アルミニウムの形状および体積が小さくなっているため、アルミニウムの溶解量が減少する。このため、溶解されたアルミニウムを安定的に供給できないという問題点がある。また、次に溶解されるアルミニウムの挿入時に、溶解中のアルミニウムの形状および体積が大きく変化しているため、加熱コイル部の負荷インピーダンスの変動が大きくなる。このため、高周波電源からの安定的な電力の供給の制御が困難になるという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、溶解された溶解原料を安定的に供給しながら、加熱コイル部への電力の供給の制御を容易に行うことが可能な溶解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による溶解装置は、溶解装置本体部を備え、溶解装置本体部は、溶解原料が挿入され、誘導加熱により溶解原料を溶解させる加熱コイル部と、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の次に溶解装置本体部に挿入される第２溶解原料を溶解装置本体部に投入するタイミングを設定する制御部とを含む。
【０００８】
この発明の一の局面による溶解装置は、上記のように、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の次に溶解装置本体部に挿入される第２溶解原料を溶解装置本体部に投入するタイミングを設定する制御部を含む。これにより、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することにより、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に第２溶解原料の溶解が開始されるので、溶解された溶解原料を安定的に供給することができる。また、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することにより、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に第２溶解原料の溶解が開始されるので、加熱コイル部のインピーダンスの変動が大きくなるのを抑制することができる。その結果、溶解された溶解原料を安定的に供給しながら、加熱コイル部への電力の供給の制御を容易に行うことができる。
【０００９】
上記一の局面による溶解装置において、好ましくは、制御部は、第１溶解原料と第２溶解原料とが連続して溶解される際において、加熱コイル部のインピーダンスの変化が所定のインピーダンス閾値よりも小さくなるように、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第１溶解原料と第２溶解原料とが連続して溶解される際における加熱コイル部のインピーダンス（負荷インピーダンス）の変化を小さくすることができるので、加熱コイル部への電力の供給の制御をより容易に行うことができる。
【００１０】
上記一の局面による溶解装置において、好ましくは、制御部は、第２溶解原料の投入のタイミングが、複数の第２溶解原料の投入のタイミングにおいて、略一定になるように、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第２溶解原料の投入のタイミングにおける加熱コイル部のインピーダンスの変化が、いずれの第２溶解原料の投入時においても略同じ大きさになるので、加熱コイル部への電力の供給の制御をさらに容易に行うことができる。
【００１１】
上記一の局面による溶解装置において、好ましくは、制御部は、第２溶解原料の投入のタイミングが、第１溶解原料が加熱コイル部により生じる電磁力によって浮遊を開始する前となるように、タイミングを設定するように構成されている。ここで、第１溶解原料が浮遊を開始すると第１溶解原料と加熱コイル部との間の距離が変動するため、インピーダンスが変化する。このため、加熱コイル部への電力の供給の制御が困難になる。そこで、上記のように構成することによって、第１溶解原料が浮遊する前に、第２溶解原料が加熱コイル部に挿入されるので、加熱コイル部への電力の供給の制御を容易に行うことができる。
【００１２】
上記一の局面による溶解装置において、好ましくは、制御部は、第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいて、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいて、容易に、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することができる。
【００１３】
この場合、好ましくは、制御部は、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の上端部の高さ位置が、加熱コイル部の上端部の高さ位置よりも高い時点を、タイミングとして設定するように構成されている。ここで、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の上端部の高さ位置が、加熱コイル部の上端部の高さ位置よりも低くなると、加熱コイル部から発生する磁束が大きく乱れるため、加熱コイル部のインピーダンスの変化が大きくなる。そこで、上記のように構成することによって、加熱コイル部から発生する磁束が大きく乱れる前に第２溶解原料が加熱コイル部に挿入されるので、加熱コイル部への電力の供給の制御をより容易に行うことができる。
【００１４】
上記第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいてタイミングを設定する溶解装置において、好ましくは、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の上端部の高さ位置を検出する第１検出部をさらに備え、制御部は、第１検出部に検出された第１溶解原料の上端部の高さ位置に基づいて、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第１検出部に検出された第１溶解原料の上端部の高さ位置に基づいて、容易に、所望のタイミングを設定することができる。
【００１５】
上記第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいてタイミングを設定する溶解装置において、好ましくは、加熱コイル部に挿入されている第１溶解原料の荷重を検出する第２検出部をさらに備え、制御部は、第２検出部に検出された第１溶解原料の荷重に基づいて、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第２検出部に検出された第１溶解原料の荷重に基づいて、容易に、所望のタイミングを設定することができる。
【００１６】
この場合、好ましくは、制御部は、第２検出部に検出された第１溶解原料の荷重が所定の荷重閾値以下になったことに基づいて、タイミングを設定するように構成されている。このように構成すれば、第１溶解原料の形状および体積が大きく変化する前に、上記のタイミングを設定することができる。
【００１７】
上記第１溶解原料の上端部の高さ位置、荷重および長さのうちの少なくとも１つに基づいてタイミングを設定する溶解装置において、好ましくは、第２溶解原料が適切に投入されたか否かを検出するための第３検出部をさらに備える。このように構成すれば、第２溶解原料が適切に投入されない状態で溶解装置の動作が継続されるのを抑制することができる。
【００１８】
上記一の局面による溶解装置において、好ましくは、制御部は、設定したタイミングに基づいて、第２溶解原料を投入する投入装置に、第２溶解原料を溶解装置本体部に投入する指令を送信するように構成されている。このように構成すれば、設定したタイミングに基づいて、投入装置によって、自動的に第２溶解原料を溶解装置本体部に投入することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、上記のように、溶解された溶解原料を安定的に供給しながら、加熱コイル部への電力の供給の制御を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態による溶解装置およびロボットアームの側面図である。
【図２】一実施形態による溶解装置およびロボットアームの上面図である。
【図３】一実施形態による溶解装置の回路図である。
【図４】一実施形態による溶解装置の断面図である。
【図５】一実施形態による溶解装置の支持部の斜視図である。
【図６】溶解装置の誘導加熱コイル部に溶解原料が挿入されている状態を示す図である。
【図７】誘導加熱コイル部に挿入された溶解原料に、次に溶解される溶解原料が積層されている状態を示す図である。
【図８】溶解している最中の溶解原料を示す図である。
【図９】誘導加熱コイル部から発生する磁束を説明するための図である。
【図１０】溶解装置に溶解原料を連続的に投入した際の電力の変化を示す図である。
【図１１】変形例による溶解装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１および図２を参照して、溶解装置１００および溶解装置１００に溶解原料２００を投入するためのロボットアーム１１０について説明する。
【００２３】
図１に示すように、ロボットアーム１１０は、溶解装置１００に隣り合うように配置されている。また、ロボットアーム１１０には、ハンド部１１１が設けられている。ハンド部１１１は、溶解原料２００を把持するように構成されている。また、ハンド部１１１には、エアシリンダ１１２が設けられている。そして、エアシリンダ１１２によって、ハンド部１１１に把持された溶解原料２００が、鉛直下方に移動される。そして、溶解原料２００が、溶解装置１００（後述する溶解装置本体部１０１）に挿入される。
【００２４】
図２に示すように、ロボットアーム１１０の近傍には、溶解原料２００が供給される供給装置１１３が配置されている。ロボットアーム１１０は、供給装置１１３によって供給された溶解原料２００を把持するとともに、溶解装置１００（溶解装置本体部１０１）に溶解原料２００を投入する。また、溶解装置１００の下方には、溶解された溶解原料２００を再加熱するための炉１１４が配置されている。
【００２５】
また、図１に示すように、溶解装置１００は、溶解装置本体部１０１を含む。溶解装置本体部１０１には、溶解装置本体部１０１に投入される溶解原料２００を案内するための案内部１０２が設けられている。
【００２６】
図３〜図９を参照して、溶解装置１００の構成について説明する。溶解装置１００は、溶解原料２００を溶解するように構成されている。
【００２７】
図３に示すように、溶解装置１００は、整流部１０を備えている。整流部１０は、三相の商用電源１の交流電力を直流電力に整流するように構成されている。具体的には、整流部１０は、三相全波整流回路を構成する複数のダイオード１１を含む。
【００２８】
また、溶解装置１００は、平滑部２０を備えている。平滑部２０は、整流部１０の出力側に設けられている。平滑部２０は、整流部１０に整流された直流電力を平滑するように構成されている。
【００２９】
平滑部２０は、フィルムコンデンサ２１と、フィルムコンデンサ２１に並列に接続される電解コンデンサ２２とを含んでいる。フィルムコンデンサ２１は、インバータ部３０のスイッチング周波数に起因する、商用電源１よりも周波数の高いリプルを低減するように構成されている。また、電解コンデンサ２２は、フィルムコンデンサ２１の容量よりも大きい容量を有する。また、電解コンデンサ２２は、商用電源１の周波数に起因するリプル（たとえば、商用電源１の周波数、商用電源１の周波数の２倍および６倍の周波数を有するリプルなど）を低減するように構成されている。これにより、負荷条件（負荷インピーダンス）の変動が比較的大きい場合でも、誘導加熱コイル部５０に供給する電流を安定的に制御することが可能になる。また、フィルムコンデンサ２１の容量は、数十μＦ〜数百μＦである。また、電解コンデンサ２２の容量は、数百μＦ〜数千μＦである。また、電解コンデンサ２２は、インバータ部３０に対して、フィルムコンデンサ２１よりも近い側に配置されている。
【００３０】
また、溶解装置１００は、インバータ部３０（高周波インバータ回路）を備えている。インバータ部３０は、平滑部２０により平滑された直流電力を交流電力に変換するように構成されている。インバータ部３０は、半導体スイッチング素子Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、および、Ｓ4を含む。
【００３１】
また、溶解装置１００は、共振コンデンサ４０を備えている。共振コンデンサ４０は、インバータ部３０の交流出力側に配置されている。共振コンデンサ４０と、誘導加熱コイル部５０と、溶解原料２００とによって共振回路が構成されている。
【００３２】
また、溶解装置１００は、誘導加熱コイル部５０を備えている。誘導加熱コイル部５０は、インバータ部３０の出力側に配置されている。具体的には、半導体スイッチング素子Ｓ1と半導体スイッチング素子Ｓ2との接続点に共振コンデンサ４０の一方電極が接続されている。共振コンデンサ４０の他方電極は、誘導加熱コイル部５０の一方端に接続されている。誘導加熱コイル部５０の他方端は、半導体スイッチング素子Ｓ3と半導体スイッチング素子Ｓ4との接続点に接続されている。なお、誘導加熱コイル部５０は、特許請求の範囲の「加熱コイル部」の一例である。
【００３３】
また、誘導加熱コイル部５０は、溶解原料２００を加熱して溶解するように構成されている。たとえば、溶解原料２００は、アルミニウムのインゴットである。
【００３４】
具体的には、図４に示すように、誘導加熱コイル部５０は、溶解炉５１の周囲に巻回されている。溶解炉５１は、筒形状を有する。筒形状の溶解炉５１の内部に溶解原料２００が配置される。また、溶解原料２００の下端は、支持部５２により支持されている。支持部５２の上面５２ａ（溶解原料２００を支持する面）は、誘導加熱コイル部５０の下端よりも上方に配置されている。これにより、溶解原料２００の下端は、誘導加熱コイル部５０の内部に配置される。つまり、溶解原料２００の下端は、誘導加熱コイル部５０から下方に突出しない。これにより、効率的に、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束によって溶解原料２００を溶解することが可能になる。
【００３５】
また、図５に示すように、支持部５２には、２つの貫通孔５２ｂが設けられている。貫通孔５２ｂは、溶解した溶解原料２００を、支持部５２の下方に配置された炉１１４（図４参照）に導くように構成されている。また、貫通孔５２ｂは、上方から見て、略円形状を有する。
【００３６】
また、図６および図７に示すように、溶解装置１００は、制御部６０を備えている。ここで、本実施形態では、制御部６０は、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の次に溶解装置本体部１０１に投入される溶解原料２０２を、溶解装置本体部１０１に投入されるタイミングを設定するように構成されている。具体的には、制御部６０は、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２、および、溶解原料２０１の荷重のうちの少なくとも一方（本実施形態では、両方）に基づいて、上記のタイミングを設定するように構成されている。なお、溶解原料２０１および溶解原料２０２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１溶解原料」および「第２溶解原料」の一例である。
【００３７】
ここで、インピーダンス（負荷インピーダンス）の変動について説明する。インピーダンスは、誘導加熱コイル部５０によって溶解される溶解原料２００が、先に誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１から後に挿入される溶解原料２０２に切り替わる瞬間などに大きく変動する。制御部６０は、誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの変化を極力抑制するように（たとえば、所定のインピーダンス閾値よりも小さくなるように）、タイミングを設定するように構成されている。所定のインピーダンス閾値とは、たとえば、図１０に示すように、１本目の溶解原料２００が誘導加熱コイル部５０によって溶解される際の、初期のインピーダンスの変化の大きさよりも小さい大きさである。以下、１本の溶解原料２００を溶解する場合において、インピーダンスの変化が大きくなるタイミングについて説明する。
【００３８】
まず、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の加熱の開始から溶解が始まる直前（以下、期間１とする）では、インピーダンスが略一定である。そして、溶解原料２０１の溶解の開始から一定の形状となるまで（以下、期間２とする）では、インピーダンスが少しずつ変化する。そして、期間１と期間２との間において、インピーダンスの変化が大きくなる（インピーダンスが急激に変化する）。その後、溶解原料２０１が一定の形状を有した状態で溶解原料２０１の溶解が継続される（以下、期間３とする）。なお、溶解原料２０１の一定の形状とは、たとえば、図８に示すように、溶解原料２０１の下方側の部分が、支持部５２の２つの貫通孔５２ｂに挿入されるように、２つに分岐されている形状である。
【００３９】
また、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１が、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束によって浮遊する場合がある。この場合、溶解原料２０１の浮遊の開始から溶解原料２０１が溶け終わるまで（固体の状態の溶解原料２０１が全て液体になるまで）では（以下、期間４−１とする）、インピーダンスが少しずつ変化する。そして、期間３と期間４−１との間において、インピーダンスの変化が大きくなる。そして、溶解原料２０１の溶解が完了して、誘導加熱コイル部５０から溶解された溶解原料２０１がすべて排出される（以下、期間５−１とする）。期間４−１と期間５−１との間において、インピーダンスの変化が大きくなる。
【００４０】
また、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１が磁束によって浮遊しないように、何らかの手段によって上方から押圧されている場合（固定されている場合）について説明する。溶解原料２０１の上端部２０１ａが誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａよりも下方に配置された時点から、溶解原料２０１が溶け終わるまで（以下、期間４−２とする）では、インピーダンスが少しずつ変化する。そして、期間３と期間４−２との間において、インピーダンスの変化が大きくなる。その後、溶解原料２０１の溶解が完了して、誘導加熱コイル部５０から溶解された溶解原料２０１がすべて排出される（以下、期間５−２とする）。期間４−２と期間５−２との間において、インピーダンスの変化が大きくなる。
【００４１】
そして、上記の期間３と期間４−１との間、期間４−１と期間５−１との間、期間３と期間４−２との間、および、期間４−１と期間５−１との間のインピーダンスの変化を低減する必要がある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、制御部６０は、溶解原料２０２の投入のタイミングが、複数の溶解原料２０２の投入のタイミングにおいて、略一定になるように、タイミングを設定するように構成されている。つまり、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の状態を検知することにより、溶解原料２０２の投入のタイミングにおいて、溶解原料２０１の状態が、常に同様になるように、溶解原料２０２の投入のタイミングが設定される。これにより、インピーダンスの変化を抑制することが可能になる。その結果、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御を容易に行うことが可能になる。
【００４３】
具体的には、本実施形態では、溶解装置１００には、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２を検出する検出部７１が設けられている。検出部７１は、たとえば、溶解原料２０１に赤外線レーザを照射するとともに、溶解原料２０１から反射した赤外線レーザを検出することにより、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２を検出する。なお、検出部７１は、特許請求の範囲の「第１検出部」の一例である。
【００４４】
そして、本実施形態では、制御部６０は、検出部７１に検出された溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２に基づいて、溶解原料２０２の投入のタイミングを設定するように構成されている。たとえば、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１が溶け始めてから、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａからはみ出した溶解原料２０１の高さ位置ｈ２が、溶解原料２０１の溶解前の高さ位置ｈ２よりも低くなったことが検出部７１により検出されたことに基づいて、溶解原料２０２の投入のタイミングを設定する。
【００４５】
そして、本実施形態では、制御部６０は、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２に基づいて設定されたタイミングに基づいて、溶解原料２０２を挿入するロボットアーム１１０に、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する指令を送信するように構成されている。これにより、ロボットアーム１１０は、供給装置１１３に配置されている溶解原料２０２を把持するとともに、把持した溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する。
【００４６】
また、本実施形態では、溶解装置１００には、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の荷重を検出する検出部７２が設けられている。検出部７２は、支持部５２の下方に配置されている。これにより、検出部７２は、溶解原料２０１の荷重を検出するように構成されている。具体的には、検出部７２には、支持部５２の自重と溶解原料２０１の自重（図７の下向き矢印）とがかかる。一方、溶解原料２０１には、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束によって溶解原料２０１を上方に浮遊させる電磁力（図７の上向き矢印）が働く。なお、支持部５２は、耐火レンガなどにより構成されているため、支持部５２には電磁力は働かない。このため、検出部７２は、溶解原料２０１の自重そのものを検出しているわけではない。なお、検出部７２は、特許請求の範囲の「第２検出部」の一例である。
【００４７】
そして、本実施形態では、制御部６０は、検出部７２に検出された溶解原料２０１の荷重に基づいて、溶解原料２０２の投入のタイミングを設定するように構成されている。具体的には、制御部６０は、検出部７２に検出された溶解原料２０１の荷重が所定の荷重閾値以下になったことに基づいて、タイミングを設定するように構成されている。たとえば、検出部７２に検出される荷重が、誘導加熱コイル部５０によって溶解原料２０１を加熱した直後の荷重よりも小さくなったことが検出部７２により検出されたことに基づいて、溶解原料２０２の投入のタイミングが設定される。
【００４８】
そして、本実施形態では、制御部６０は、溶解原料２０１の荷重に基づいて設定されたタイミングに基づいて、ロボットアーム１１０に、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する指令を送信するように構成されている。
【００４９】
また、本実施形態では、制御部６０は、溶解原料２０２の投入のタイミングが、溶解原料２０１が誘導加熱コイル部５０により生じる電磁力によって浮遊を開始する前となるように、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２および荷重のうちの少なくとも一方に基づいて、タイミングを設定するように構成されている。これにより、溶解原料２０１に積層された溶解原料２０２の自重によって、溶解中の溶解原料２０１が下方に押圧される。その結果、溶解原料２０１の浮遊が抑制される。これにより、溶解原料２０１の浮遊に起因して、インピーダンスの変化が大きくなるのが抑制される。また、たとえば、溶解原料２０１が浮遊を開始する前の状態で、検出部７２により検出される荷重を荷重閾値とすることにより、溶解原料２０２の投入のタイミングを、浮遊を開始する前にすることが可能になる。また、溶解原料２０１が浮遊を開始する前の状態の高さ位置ｈ２に基づいて、溶解原料２０２の投入のタイミングを設定することにより、溶解原料２０２の投入のタイミングを、浮遊を開始する前にすることが可能になる。
【００５０】
また、溶解原料２０１の溶解によって溶解原料２０１の長さが短くなることにより、溶解原料２０２も徐々に誘導加熱コイル部５０側に近づいてくる。これにより、溶解原料２０２が予備的に加熱される。その結果、溶解原料２０１が溶け切った後に、直ちに、溶解原料２０２の溶解が開始される。これにより、溶解原料２００を連続的に溶解することが可能になる。その結果、溶解原料２００の溶解量を安定させることが可能になる。溶解原料２００を連続的に溶解することが可能になるので、インピーダンスの変化が大きくなるのがより抑制される。
【００５１】
また、本実施形態では、制御部６０は、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも高い時点を、タイミングとして設定するように構成されている。図９に示すように、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束は、鉛直方向における誘導加熱コイル部５０の中央部において最も集中する。一方、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束は、鉛直方向における誘導加熱コイル部５０の両端部から離間するほど分散する。つまり、誘導加熱コイル部５０の内部の磁束が比較的に集中している領域Ａに溶解原料２０１を配置することにより、溶解原料２０１を効率よく加熱することが可能になる。
【００５２】
また、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が低くなることにより、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束が大きく乱れる。このため、インピーダンスの変化が大きくなるので、誘導加熱コイル部５０に電力を供給する電源の安定的な動作が困難になる。そこで、上記のように、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも高い時点において、溶解原料２０２を溶解原料２０１に積層することによって、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束が大きく乱れるのが抑制される。また、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束を、溶解原料２０２の予備的な加熱のために利用することが可能になる。その結果、溶解原料２００を連続的に溶解することが可能になるので、溶解原料２００の溶解量の安定と、インピーダンスの変化が大きくなることの抑制とを図ることが可能になる。
【００５３】
また、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が比較的低い時点で、溶解原料２０２を投入することにより、ロボットアーム１１０が溶解原料２０２を比較的高い位置に持ち上げる必要がなくなるので、ロボットアーム１１０を含めた溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入するための装置を小型化することが可能になる。
【００５４】
また、溶解原料２０１が浮遊を開始するタイミング（以下、第１の条件とする）と、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が低くなるタイミング（以下、第２の条件とする）とが、どちらが早いのかは、溶解装置１００の仕様などに依存する。このため、第１の条件と第２の条件とのうち、いずれかの条件が満たされれば、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入するように、制御部６０を構成する必要がある。
【００５５】
また、制御部６０からロボットアーム１１０に、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する指令が送信された後に、ロボットアーム１１０が溶解原料２０２を把持するとともに、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する。つまり、ロボットアーム１１０への指令の送信の時間と、溶解原料２０２の投入の時間との間にはタイムラグが生じる。そこで、制御部６０からロボットアーム１１０に指令が送信されてから溶解原料２０２が溶解装置本体部１０１に投入されるまでの間の時間を考慮して、検出部７１の検出の閾値、および、検出部７２の検出の閾値を設定することにより、溶解原料２０２の投入のタイミングが遅延することに起因するインピーダンスの変化の増大を抑制することが可能になる。
【００５６】
次に、図１０を参照して、溶解装置１００に溶解原料２００を連続的に投入した際のインピーダンスの変化を確かめるために行った実験について説明する。図１０では、横軸は、時間を表している。また、縦軸は、誘導加熱コイル部５０に供給される電力を表している。なお、誘導加熱コイル部５０には、略一定の大きさの電流が供給されている。これにより、誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの大きさが変化すると、誘導加熱コイル部５０に供給される電力の大きさが変化する。つまり、誘導加熱コイル部５０に供給される電力の変化は、インピーダンスの大きさの変化に対応している。
【００５７】
図１０に示すように、溶解装置１００の誘導加熱コイル部５０に１本目の溶解原料２００が挿入された後、１本目の溶解原料２００が誘導加熱コイル部５０によって溶解される開始の時点において、電力が急激に変化するこが確認された。そして、２本目以降の溶解原料２００の投入のタイミングは、上記のように、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の上端部の高さ位置ｈ２、および、溶解原料２００の荷重に基づいて設定されている。これにより、２本目以降の溶解原料２００が投入された際の電力の変化は、１本目の溶解原料２００の溶解の開始時に比べて、大幅に小さくなることが確認された。なお、この実験において、連続的に投入される溶解原料２００の個数は、７本である。また、７本目の溶解原料２００の溶解が終了した際には、電力が急激に変化することが確認された。
【００５８】
［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００５９】
本実施形態では、上記のように、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の次に溶解装置本体部１０１に挿入される溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入するタイミングを設定する制御部６０を含む。これにより、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することにより、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に溶解原料２０２の溶解が開始されるので、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２および荷重のうちの少なくとも一方に基づいて、溶解された溶解原料２００を安定的に供給することができる。また、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することにより、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に溶解原料２０２の溶解が開始されるので、誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの変動が大きくなるのを抑制することができる。その結果、溶解された溶解原料２００を安定的に供給しながら、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御を容易に行うことができる。
【００６０】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、溶解原料２０１と溶解原料２０２とが連続して溶解される際において、誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの変化が所定のインピーダンス閾値よりも小さくなるように、タイミングを設定するように構成されている。これにより、溶解原料２０１と溶解原料２０２とが連続して溶解される際における誘導加熱コイル部５０のインピーダンス（負荷インピーダンス）の変化を小さくすることができるので、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御をより容易に行うことができる。
【００６１】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、溶解原料２０２の投入のタイミングが、複数の溶解原料２０２の投入のタイミングにおいて、略一定になるように、タイミングを設定するように構成されている。これにより、溶解原料２０２の投入のタイミングにおける誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの変化が、いずれの溶解原料２０２の投入時においても略同じ大きさになるので、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御をさらに容易に行うことができる。
【００６２】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、溶解原料２０２の投入のタイミングが、溶解原料２０１が誘導加熱コイル部５０により生じる電磁力によって浮遊を開始する前となるように、タイミングを設定するように構成されている。ここで、溶解原料２０１が浮遊を開始すると溶解原料２０１と誘導加熱コイル部５０との間の距離が変動するため、インピーダンスが変化する。このため、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御が困難になる。そこで、上記のように構成することによって、溶解原料２０１が浮遊する前に、溶解原料２０２が誘導加熱コイル部５０に挿入されるので、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御を容易に行うことができる。
【００６３】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２および荷重のうちの少なくとも１つに基づいて、タイミングを設定するように構成されている。これにより、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２および荷重のうちの少なくとも１つに基づいて、容易に、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも高い時点を、タイミングとして設定するように構成されている。ここで、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２が、誘導加熱コイル部５０の上端部５０ａの高さ位置ｈ１よりも低くなると、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束が大きく乱れるため、誘導加熱コイル部５０のインピーダンスの変化が大きくなる。そこで、上記のように構成することによって、誘導加熱コイル部５０から発生する磁束が大きく乱れる前に溶解原料２０２が誘導加熱コイル部５０に挿入されるので、誘導加熱コイル部５０への電力の供給の制御をより容易に行うことができる。
【００６５】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、検出部７１に検出された溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２に基づいて、タイミングを設定するように構成されている。これにより、検出部７１に検出された溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２に基づいて、容易に、所望のタイミングを設定することができる。
【００６６】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、検出部７２に検出された溶解原料２０１の荷重に基づいて、タイミングを設定するように構成されている。これにより、検出部７２に検出された溶解原料２０１の荷重に基づいて、容易に、所望のタイミングを設定することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、検出部７２に検出された溶解原料２０１の荷重が所定の荷重閾値以下になったことに基づいて、タイミングを設定するように構成されている。これにより、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に、上記のタイミングを設定することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、上記のように、制御部６０は、設定したタイミングに基づいて、溶解原料２０２を挿入するロボットアーム１１０に、溶解原料２０２を溶解装置本体部１０１に投入する指令を送信するように構成されている。これにより、設定したタイミングに基づいて、ロボットアーム１１０によって、自動的に溶解装置本体部１０１を溶解装置１００に投入することができる。
【００６９】
[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００７０】
たとえば、上記実施形態では、特許請求の範囲の「加熱コイル部」として、高周波電流が供給される誘導加熱式の加熱コイル部を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、誘導加熱式以外の加熱コイル部を用いてもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、支持部に２つの貫通孔が設けられる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、支持部に設けられる孔の数は、２つ以外でもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、溶解原料の投入のタイミングが、複数の溶解原料の投入のタイミングにおいて、略一定になるように、上記のタイミングが設定されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、インピーダンスの変化が大きく変化するのが抑制されていれば、溶解原料の投入のタイミングを一定にしなくてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、溶解原料に赤外線レーザを照射することにより、溶解原料の上端部の高さ位置を検出する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、溶解原料を撮像するカメラにより撮像された溶解原料の画像に基づいて、溶解原料の上端部の高さ位置を検出してもよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、溶解原料の投入のタイミングを設定するために、溶解原料が浮遊を開始する前という条件と、溶解原料の上端部の高さ位置が誘導加熱コイル部の上端部の高さ位置よりも高い時点という条件との２つの条件が設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、溶解原料の投入のタイミングを設定するための条件が１つであってもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、特許請求の範囲の「投入装置」の一例としてロボットアームを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、特許請求の範囲の「投入装置」の一例としてロボットアーム以外の装置を用いてもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では、溶解原料の上端部の高さ位置および荷重に基づいて、次に投入される溶解原料の投入のタイミングを設定する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１１の変形例の溶解装置３００に示すように、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の長さに基づいて、次に投入される溶解原料２０２の投入のタイミングを設定してもよい。具体的には、溶解装置３００には、光電センサなどにより構成されている検出部３７１および検出部３７２が設けられている。検出部３７１は、案内部１０２よりも上方に配置されている。また、検出部３７２は、案内部１０２の下方側に対応する位置に配置されている。そして、検出部３７２によって、溶解原料２０１がなくなったこと（溶解原料２０１の長さが検出部３７２に検出されない程度に短くなったこと）に基づいて、溶解原料２０２が溶解装置３００に投入されるようにタイミングが設定される。つまり、誘導加熱コイル部５０に挿入されている溶解原料２０１の長さに基づいて、タイミングが設定されている。これにより、容易に、溶解原料２０１の形状および体積が大きく変化する前に上記のタイミングを設定することができる。なお、検出部３７１は、溶解原料２０２が適切に投入されたか否かを検出するために設けられている。これにより、溶解原料２０２が適切に投入されない状態で溶解装置３００の動作が継続されるのを抑制することができる。また、検出部３７１は、特許請求の範囲の「第３検出部」の一例である。また、溶解原料２０１の上端部２０１ａの高さ位置ｈ２、荷重および長さの全て（または、いずれか１つ、まは、いずれか２つ）に基づいて、次に投入される溶解原料の投入のタイミングを設定してもよい。
【符号の説明】
【００７７】
５０  誘導加熱コイル部（加熱コイル部）
５０ａ  上端部
６０  制御部
７１  検出部（第１検出部）
７２  検出部（第２検出部）
１００、３００  溶解装置
１０１  溶解装置本体部
２００  溶解原料
２０１  溶解原料（第１溶解原料）
２０１ａ  上端部
２０２  溶解原料（第２溶解原料）
３７１  検出部（第３検出部）
【図１】
2020115055.tif 000003
【図２】
2020115055.tif 000004
【図３】
2020115055.tif 000005
【図４】
2020115055.tif 000006
【図５】
2020115055.tif 000007
【図６】
2020115055.tif 000008
【図７】
2020115055.tif 000009
【図８】
2020115055.tif 000010
【図９】
2020115055.tif 000011
【図１０】
2020115055.tif 000012
【図１１】
2020115055.tif 000013