(57)【要約】３１００℃以上の温度で運転可能な誘導炉は、炉壁（７６）の上端部に選択的に取り付けられる冷却組立体（６０）を備えている。この冷却組立体は、冷却水コイル（６８）によって能動的に冷却されるドーム（６２）を有している。炉の運転のうち冷却段階の最初においては、高温領域から炉の断熱層（５８）を介した熱の伝導によって冷却は自然に進行する。炉の高温領域(２０)内の温度が約１５００℃に達すると、ドームに取り付けられた昇降機構（８０）が炉のキャップ(１６)をわずかに持ち上げて、高温領域からの高温ガスがドーム内のより低温なガスと混合するようにする。このことは高温領域の冷却速度を高め、定期的に交換しなければならないバルブあるいは他の複雑な冷却機構によって炉自身を塞ぐ必要なしに、冷却時間を大幅に減少させる。グラファイトの蒸発を抑制する柔軟なグラファイトのバリヤ層（４０）でサセプタを囲むことにより、グラファイト製のサセプタ(１０)の高い運転温度における寿命が増加する。加えて、サセプタ内に配置された実証円板（１５４）が、高温領域の正確な温度特性を提供する。
2005521855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理する品物を受け入れる内側チャンバを画成する容器と、
前記容器を加熱するための手段と、
前記容器の内側チャンバを選択的に閉鎖するキャップと、
チャンバを画成するドームと、前記キャップを選択的に持ち上げて前記容器の内側チャンバから前記ドーム内へとガスが流れるようにする昇降機構と、を有した冷却組立体と、
を備えることを特徴とする炉。
【請求項２】
前記ドームが前記容器上に選択的に装着可能であることを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項３】
前記昇降機構がリニアアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項４】
前記リニアアクチュエータがリフトロッドによって前記キャップに作動的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の炉。
【請求項５】
前記リフトロッドの下端が前記ドーム内における上下動のために取り付けられ、かつ前記リニアアクチュエータが前記ドームによって支持されていることを特徴とする請求項４に記載の炉。
【請求項６】
前記昇降機構は、前記キャップが前記容器の内側チャンバを閉じる第１の位置と前記キャップが前記ドームチャンバ内に配置される第２の位置との間で、前記キャップを移動させることを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項７】
前記ドームチャンバが不活性ガスの正圧を維持できることを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項８】
前記ドームを能動的に冷却するための冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項９】
前記冷却手段が、前記ドームの表面に取り付けられた、冷却流体が通過する冷却コイルを有することを特徴とする請求項８に記載の炉。
【請求項１０】
前記ドームの温度を監視する温度検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項１１】
前記加熱手段が誘導コイルを有するとともに前記容器がサセプタを有し、前記誘導コイルが前記サセプタに電流を誘起させて前記サセプタを加熱することを特徴とする請求項１に記載の炉。
【請求項１２】
前記ドームが非磁性材料から形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の炉。
【請求項１３】
前記サセプタがグラファイトから形成され、前記誘導炉が、前記サセプタから昇華した炭素蒸気の漏出を抑制するための柔軟なグラファイトの層を前記サセプタの外側にさらに有していることを特徴とする請求項１１に記載の炉。
【請求項１４】
誘導炉のための冷却組立体において、
内側チャンバを画成するドームと、
前記ドームを冷却するための冷却手段と、
前記誘導炉の高温領域と前記ドームとの間の流体的な連通を選択的に提供するための手段と、
前記高温領域の温度および前記内側チャンバの温度の少なくとも一つに基づいて前記連通手段を制御するための手段と、
を備えることを特徴とする誘導炉のための冷却組立体。
【請求項１５】
前記冷却手段は、冷却流体が通過して前記ドームを冷却する冷却コイルを有していることを特徴とする請求項１４に記載の組立体。
【請求項１６】
流体的な連通を選択的に提供するための前記手段は、前記キャップが前記ドームの内側チャンバから前記高温領域を閉鎖する第１の位置と高温ガスが前記高温領域から前記ドーム内に流れる第２の位置との間で、前記炉のキャップを選択的に動かすための昇降機構を有していることを特徴とする請求項１４に記載の組立体。
【請求項１７】
処理する品物を受け入れるための内側チャンバを画成する、グラファイトから形成されたサセプタと、
前記サセプタに電流を誘起させて前記サセプタを加熱する誘導コイルと、
前記サセプタから昇華した炭素蒸気の漏出を抑制する、前記サセプタの外側にある柔軟なグラファイトの層と、
を備えることを特徴とする誘導炉。
【請求項１８】
前記柔軟なグラファイト層の周りに詰められて、前記柔軟なグラファイトの層が前記サセプタと接触するように保持する、粉末状の絶縁材料の層をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の炉。
【請求項１９】
ガスを含む第１のチャンバ内において処理する品物を加熱する段階と、
選択的に前記第１のチャンバと流体的に接続可能な、ガスを含む第２のチャンバを能動的に冷却する段階と、
前記加熱段階の後に、選択的に前記第１のチャンバを前記第２のチャンバと流体的に接続することによって前記第１のチャンバを冷却し、それによって前記第１のチャンバ内のガスから前記第２のチャンバ内のガスへと熱が流れるようにする段階と、
を備えることを特徴とする炉の運転方法。
【請求項２０】
前記第２のチャンバの温度を検出する段階と、
前記第１および第２のチャンバ間の開口の寸法を制御して、前記第２のチャンバの温度が予め選択されたレベルより低いままであることを保証する段階と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記加熱段階に先だって、前記第１のチャンバ内に実証円板を配置する段階と、
前記第１のチャンバを冷却する段階の後に、前記実証円板を取り出して検査し、前記加熱段階の間に前記実証円板がそれぞれ曝された最高温度を決定する段階と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記加熱段階が、少なくとも３０００℃の温度に前記第１のチャンバを加熱することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記加熱段階が、少なくとも３１００℃の温度に前記第１のチャンバを加熱することを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記加熱段階に先だって、前記加熱段階の間における前記壁からのグラファイトの蒸発を抑制するための柔軟なグラファイト材料により、前記第１のチャンバのグラファイトから形成された壁を囲む段階をさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１および第２のチャンバ内のガスが正圧の不活性ガスであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１のチャンバを冷却する段階は、前記第１のチャンバ内の温度が約１５００℃に低下したときに、前記第１のチャンバを選択的に前記第２のチャンバと流体的に接続することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１のチャンバを選択的に前記第２のチャンバと流体的に接続する段階は、前記キャップを昇降させることによってその寸法を調整可能な開口を、前記第１のチャンバを選択的に閉鎖するキャップを持ち上げることにより前記第１および第２のチャンバ間にもたらすことを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２のチャンバを画成するとともにキャップによって前記第１のチャンバから間隔を開けられており、かつ前記冷却段階の間に選択的に前記キャップを持ち上げて前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の流体的な連通を可能とする昇降構を支持しているドームを、前記第１のチャンバの上に取り付けて、前記第１のチャンバを周囲の環境から密封する段階をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、約３０００℃およびそれを上回る温度での運転に適した誘導炉に関する。この炉は、ピッチ繊維および他の炭素を含む繊維のグラファイト化に関連する特定の用途が見い出されており、特にそれに関して後述される。しかしながら、この炉はまた、金属不純物を取り除くためのグラファイト材料のハロゲン精製のような、他の高温プロセスにも適していることは理解されるべきである。
【０００２】
技術の解説
バッチ誘導炉は、繊維のグラファイト化および他の高温運転のために長年にわたって用いられてきた。典型的な誘導炉は、サセプタとして知られる電気的に伝導性の容器を有している。時間と共に変動する電磁場は、誘導加熱コイルを流れる交流（AC）によって発生する。コイルが発生させる磁場はサセプタを貫通する。この磁場がサセプタに電流を誘起させ、それが熱を発生させる。加熱すべき材料は、一般に「高温領域」あるいは炉で最も熱い部分と呼ばれるサセプタ内に収納される。
【０００３】
約３０００℃もの高温を必要とする運転にとって、グラファイトはサセプタを形成するための好ましい材料である。それが電気的に伝導性であり、かつ極めて高い温度に耐えることができるからである。しかしながら、グラファイトは昇華して蒸気に変化する傾向がある。温度が約３１００℃を上回ると昇華は著しく増加する。サセプタ全体にわたる温度の変化のため、約３１００℃の公称運転温度における炉の寿命は、典型的に１週間単位で評価される。３４００℃における寿命は、多くの場合、わずかに数時間である。したがって、３０００℃を上回る温度で運転される炉は、その構成部品を交換するために相当な休止時間を必要とする問題を抱えている。
【０００４】
炭素を含む繊維のグラファイト化は、特に３０００℃を越える処理温度の恩恵を受けている。例えば、リチウム電池の形成においては、リチウムの捕集がグラファイト化の温度に依存しており、グラファイト化の温度が高くなるに連れて改善される。サセプタ全体にわたる熱分配におけるいくつかの改良は、加熱段階の間に炉内の異なる箇所の温度を高温計を用いて測定することにより達成されてきた。そして、測定された温度に基づいて、異なる密度の誘導電力がサセプタの長さに沿ってその多数の部分に供給される。しかしながら、高温計は故障する傾向があり、かつ時間が経つにつれて再較正する必要がある。
【０００５】
サセプタの寿命を伸ばすために、高温加熱運転が完了したら急速に炉を冷却することが望ましい。典型的に、冷却コイルは炉の周囲に水を持っている。しかしながら、炉は一般的に適切に断熱されているので、その運転温度から炉を冷却するためには概ね１週間かかる。用途によっては、急速な冷却のために熱交換器が用いられる。そのような設計においては、炉は断熱材を介した熱損失によって約１５００℃の温度まで冷却される。それから、高温領域の上下のバルブが開けられ、外部熱交換器を介した強制的な循環が開始される。このシステムは、２８００℃を上回る温度ではまず運転されない炉においては良好に機能する。３０００℃を上回る温度で日常的に運転される炉においては、高温領域を構成する部品の頻繁な交換が、このような設計の炉の運転を高価なものにしている。他の設計においては、炉の上の遊離している断熱材料が迅速な冷却のために払い落とされる。その結果、この断熱材料は炉を運転するごとに交換する必要がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題およびその他を解決する、新規かつ改良された誘導炉およびその使用方法を提供する。
【０００７】
発明の要約
本発明の一態様によると、一つの炉が提供される。この炉は、処理する品物を受け入れる内側チャンバを画成する容器と、この容器を加熱するための加熱手段とを備える。キャップが容器の内側のチャンバを選択的に閉鎖する。冷却組立体は、チャンバを画成するドームと、キャップを選択的に持ち上げることにより容器の内側チャンバからドームへと高温ガスが流れるようにする昇降機構とを有する。
【０００８】
本発明の他の態様によると、炉のための冷却組立体が提供される。この冷却組立体は、内側チャンバを画成するドームを有する。冷却手段がドームを冷却する。この組立体は、誘導炉の高温領域とドームとの間に流体的な連通を選択的に提供するための連通手段と、高温領域の温度および内側チャンバの温度の少なくとも一方に基づいて連通手段を制御するための手段とを有する。
【０００９】
本発明のさらに他の態様によると、誘導炉が提供される。この炉は、処理する品物を受け入れるための内側チャンバを画成する、グラファイトから形成されたサセプタを備える。誘導コイルがサセプタに電流を誘起させ、サセプタを加熱する。柔軟なグラファイトの層がサセプタの外側にあって、サセプタから昇華した炭素蒸気の漏出を抑制する。
【００１０】
本発明のさらに他の態様によると、炉を運転する方法が提供される。この方法は、ガスを含んでいる第１のチャンバ内で処理される品物を加熱する段階と、ガスを含んでいる第２のチャンバを能動的に冷却する段階とを備える。第２のチャンバは、選択的に第１のチャンバと流体的に連通させることができる。加熱段階の後、選択的に第１のチャンバを第２のチャンバと流体的に連通させることによって第１のチャンバが冷却され、それによって第１のチャンバ内のガスから第２のチャンバ内のガスへと熱が流れるようにする。
【００１１】
本発明の少なくとも一つの実施例の利点は、炉の寿命の大幅な増加が得られることにある。
【００１２】
本発明の少なくとも一つの実施例の他の利点は、冷却時間が減少することにある。
【００１３】
本発明の少なくとも一つの実施例の他の利点は、冷却組立体を炉から容易に取り外すことができて、サセプタおよび高温領域を構成する他の部品の取りはずしと交換が簡単になることにある。
【００１４】
本発明の少なくとも一つの実施例の他の利点は、炉の全体にわたって炉の温度の変化を測定する際におけるより高い精度から得られる。
【００１５】
本発明の更なる利点は、以下の開示を読みかつ添付の図面に目を通すことにより、当業者には直ちに明らかなものとなる。
【００１６】
好適な実施形態の詳細な説明
図１および図２を参照すると、３０００℃を上回る温度での運転に適した誘導炉は、グラファイトのような導電性材料から形成されたサセプタ１０を備えている。このサセプタは、ベース１４によってその底部が閉じられている円筒状の側壁１２を有している。取り外し可能な断熱キャップ１６は、サセプタ上部の開放端１８を閉鎖し、処理する品物を受け入れる高温領域となる内側チャンバ２０を画成している。キャップ１６は、上端１８に隣接してサセプタにより画成された段部２４に着座する、グラファイトから成形された蓋部分２２を有している。この蓋部分２２は、好ましくはグラファイト製硬質絶縁体のような硬い絶縁材料から形成された大きな断熱プラグ２６の下面に取り付けられている。プラグ２６は、外側に延びる周縁フランジ２８をその上端部に有している。キャップ１６は、誘導炉の運転サイクルにおける加熱段階の間に内側チャンバ２０を閉鎖し、アルゴンのような不活性ガスのわずかな正圧の下で炉を運転できるようにしている。この不活性ガスは、炉を構成する部品および熱処理する製品がさらされる温度範囲において、これらの構成部品あるいは製品と反応しないものである。このことは、炭素およびグラファイト製の炉構成部品と熱処理する製品の酸化を防止する。約１９００℃より低い運転温度では、不活性ガスとして窒素を用いることができるが、温度がこのレベルに達するとアルゴンに置き換えられる。正圧は、好ましくは最高で約２０ｋｇ／ｍ2である。
【００１７】
サセプタ１０は、交流電源（図示せず）から電力が供給される誘導コイル３０によって誘導加熱される。このコイル３０は、サセプタを貫通する交番磁界を生じさせ、サセプタに電流を誘起させてサセプタを加熱する。熱処理する品物、例えばグラファイトを成形するためのピッチ繊維は、好ましくはグラファイトから形成されたキャニスタ３２の内部に配置される。キャニスタ３２は、炉を運転する前にサセプタのチャンバ２０内に装てんされる。熱は、放射によってサセプタからファイバへと伝達される。
【００１８】
サセプタ１０を貫通して流れる誘導電流は、その断面全体にわたって一様ではない。電流密度は外側表面３４において最大であり、内側表面３６に向かって指数関数的に減少する。サセプタの厚みは、サセプタを貫通する比較的一様な電流特性が達成され、いくらかの電流が誘起して炉の内部のグラファイト製キャニスタ３２が直接加熱されるように選択される。炉の適切な厚みは約５ｃｍである。サセプタの断面における温度特性は、外側表面３４から増加してサセプタの内部で最大となる温度および内側表面３６に向かって次第に減少する温度のいずかれかである。
【００１９】
図３および図４に最も良く示されているように、サセプタの外側表面３４は、柔軟なグラファイト製シート材料のバリヤ層４０で包まれている。適切なグラファイト製シートは、オハイオ州レークウッドのGraftech IncからGrafoil（登録商標）の商品名で入手することができる。柔軟なグラファイト製シート材料は、好ましくは、硫酸と硝酸との組み合わせのような酸から成る層間剥離水溶液によって片状グラファイトを層間剥離させ、次いで層間剥離させた小片を加熱して剥ぎ落すことによって形成される。典型的に約７００℃あるいはそれより上の充分に高い温度にさらすと、アコーディオン状に膨張した小片はぜん虫状（vermiform）の外観を有する小片となる。これらの「ワーム（worm）」は、典型的に「柔軟なグラファイト」と呼ばれる膨張グラファイトの柔軟なあるいは一体化されたシートへと、バインダを必要とすることなく圧縮することができる。
【００２０】
バリヤ層４０のためのシート材料の密度および厚みは、圧縮の度合いを制御することによって変化させることができる。シート材料の密度は一般的に約０．４ｇ／立方センチメートル〜約２．０ｇ／立方センチメートルの範囲であり、かつその厚みは好ましくは約０．７〜１．６ｍｍである。
【００２１】
炉を組み立てる間にシートをサセプタと接触させておくために、柔軟なグラファイトシート４０とサセプタ１０の外側表面３４との間に接着剤（図示せず）を塗布することができる。一般的に「高温領域」と呼ばれる最も高い温度に加熱される領域のみに隣接させてグラファイトシートを使用することも考えられるが、好ましくは、グラファイトシートは側壁１２および底面１４を含むサセプタの外側表面３４の全体を覆う。このグラファイトシート材料は、サセプタの周りで防湿層としての役割を果たし、サセプタの表面３４から昇華した炭素蒸気の漏出を防止する。このことは、サセプタに隣接する領域における炭素蒸気の分圧を増加させる。炭素が蒸発する割合とサセプタ上に再析する割合との間の平衡がすぐに達成され、サセプタからのグラファイトのさらなる蒸気損失を抑制する。
【００２２】
続けて図１および図３を参照すると、サセプタは、アルミニウムから形成された下部フランジ５２を有する、例えばグラスファイバから形成された圧力容器５０内に収容されている。この圧力容器は、好ましくは銅のような非磁性材料から形成された冷却管５４で裏打ちされている。この冷却コイルは、縦方向に蛇行するように循環している。冷却管は、円周方向に電流が流れることを防止するために互いに電気的に絶縁されている。水のような冷却流体が常に流れて、管および炉の他の構成部品の過熱を防止している。
【００２３】
冷却管は、良好な熱伝導率、強度および電気的な絶縁をもたらす炭化珪素を主成分とする耐火材料の厚い層５６の内部に鋳造されている。カーボンブラックのような絶縁材料の層５８は、耐火材料とサセプタ１０の側壁１２および底部１４に隣接する部分との間に詰められている。柔軟なグラファイト層４０は、炉を運転する間に、絶縁材料の層５８によって所定位置に保持される。カーボンブラックは好ましくは微粉であり、サセプタを１０を交換しあるいは修理するときに、真空掃除機で炉から除去できるようになっている。次いで、サセプタが容易に炉から取り除かれる。絶縁材料の層５８の厚みは最小に保たれ、冷却時間を短くできるようになっている。断熱レベルは、好ましくは過度の熱損失を防止しつつ冷却期間が最も短くなるように選択される。従来の炉と比較して増加する加熱のために必要な動力は、短い冷却時間から得られる炉の生産性における利益によって相殺される。
【００２４】
ここで図５を参照すると、選択的に冷却組立体６０を炉の上部に装着し、サセプタチャンバ２０の上端部を取り囲むことができる。この冷却組立体は、銅あるいは他の非磁性材料から形成されたドーム６２を有している。このドーム６２は、不活性ガスをわずかな正圧下に保つ、内側の気密ドームチャンバ６４を画成している。炉の運転サイクルのうち加熱段階において、ドームの下端部６６は炉キャップ１６（図１）によってサセプタチャンバ２０から閉止されている。キャップ１６が内側チャンバ２０を周囲環境から密封する必要はない。ドームがこの目的を役割を果たしているからである。炉の運転サイクルのうち冷却段階において、ドームは積極的に冷却される。詳しくは、図９および図１０に示したように、冷却コイル６８がドームの外側表面に取り付けられ、かつ外部熱交換器７０に接続されている。好ましくは、除熱速度を最大とするために、ドームの表面全体が冷却のために用いられる。冷却コイルの第１の組６８Ａがドームの円筒側壁７２を囲み、冷却コイルの第２の組６８Ｂがドームの上部壁７４の外側に配置されている。
【００２５】
冷却組立体６０は、適切に配置されたホイスト（図示せず）により、炉より離間した位置から炉の上部位置へと動くことができる。ドーム下端の周縁フランジ７６は、サセプタの上方に延びている（図２）、（耐火材料の上端部およびグラスファイバ製圧力容器から成る）炉壁の上側部分７８に固定される。
【００２６】
ドームは、冷却段階において炉のための熱交換器としての役割を果たす。図５に示したように、昇降機構８０は、炉キャップ１６を持ち上げるように運転可能である。これは、炉チャンバとドームチャンバ６４との間に開口８２（図２）をもたらす。詳しくは、キャップ１６は、蓋部分２２が段部２４上に着座している（図１に示した）閉鎖位置から、蓋部分が段部から離間している（図２に示した）開放位置へと持ち上げられる。サセプタチャンバ２０からの高温ガスとドーム６２内の冷却されたガスとの急速な混合が自然対流によって生じる。温度の検出および制御が特に正確なより高い温度を選択的に維持することもできるが、ドームチャンバ６４内の温度を銅の融点よりも低い温度、好ましくは約２００〜３００℃の範囲に制限するために、フィードバック制御を用いつつキャップ１６を持ち上げることによって開口の度合いを調整する。キャップ１６は、ドームの内部に完全に収容される（図５）位置へと、矢印Ｂの方向に無限に可変な量で動かすことができる。
【００２７】
冷却組立体６０の全体を炉から取り外すことができ、修復あるいは交換のためのサセプタ１０の取り外しを容易にしている。クランプ機構８４は、図１１に最も良く示されているように、冷却機構の周縁フランジ７６を選択的に炉壁７８に締付ける。このようにして、ドーム６２は、炉を運転する間に、チャンバ２０の上端部とドームチャンバ６４とを外部の周囲環境から密封する。クランプ機構８４は、冷却水が供給される冷却コイル８６を有し、低温に保たれる。炉壁７８の上端部に起こりうる破損を回避するために、図１に示したように、選択的に、ドームの重さの大部分を外部支持構造８８によって支持することができる。
【００２８】
図５を参照すると、１つ若しくは複数の熱電対のような温度検出器９０がドーム６２に配置されている。これらの温度検出器は、制御システム９２に信号を送り、ドームチャンバ６４内の温度が高くなったときには昇降機構８０がキャップを降ろして開口８２の寸法を減少させ、温度が予め選択されたレベルより低下したときには、昇降機構８０がキャップ１６を持ち上げて開口８２の寸法を増加させるようにする。
【００２９】
サセプタチャンバ２０とドームチャンバ６４との間のガス循環を改善するために、図５に示したように、選択的に、ファン９４のような流体混合手段をドームチャンバ６４内に設ける。
【００３０】
約１５００℃より上では、炉の側面を介して最も急速に熱が流れるので、断熱層５８を介した冷却速度は比較的高い。したがって、運転サイクルの冷却段階の最初においては、ドーム６２の冷却効果は一般的に有益ではない。したがって、この冷却段階の最初の約３１００℃から約１５００℃の間は、炉キャップ１６は好ましくは閉じたままに保たれる。炉の温度が約１５００℃に達すると、絶縁材料が冷却を抑制するので、ドーム６２の冷却作用が有効になる。したがって、この段階においてキャップ１６の上昇を開始する。
【００３１】
図６は、炉の冷却速度に対する上部冷却組立体６０の効果を示している。２つのカーブが示されているが、その一方はドームのない炉の予測される冷却を示し、他方はドーム６２を用いた炉の予測される冷却を示している。ドームを用いたときの冷却期間が約４８時間であり、全体的な冷却期間を少なくとも半分に減少させることが判る。これらの結果は、内径が６３ｃｍで高さが２４１ｃｍのサセプタ、および熱伝達面積（すなわち、ドームの側壁７２および上部壁７４の総面積）が４．６５ｍ2のドームについて予測したものである。
【００３２】
もう一度図５を参照しつつ図７を参照すると、昇降機構８０が、有利にはリニアアクチュエータ１００を有している。このアクチュエータ１００は、その下端が継手１０４によって取付板１０２に接続されている。取付板１０２は、ボルト１０６あるいは他の適切な取付け部材によって、ドームの上部壁７４に取り付けられている。リニアアクチュエータ１００は、空気圧あるいは油圧によって駆動されるピストン１０７を有しており、滑車機構１１０の全体を通過するローラチェーン１０８の一端をその伸縮によって引張りあるいは緩める。チェーン１０８の他端は、上下方向に延びる円筒状リフトロッド１１２の上端に接続されている。リニアアクチュエータ１００、取付板１０２、チェーン１０８、および滑車機構１１０は、ステンレス鋼等から形成されたハウジング１１４内に支持されていて、ドームチャンバ６４内の高温ガスに曝されないようになっている。
【００３３】
リフトロッド１１２の下端はドームチャンバ６４内に延び、ステンレス鋼製の継手１２０によって炉キャップ１６に接続されている。継手１２０は、キャップ１６を直角に貫通して延びるグラファイト製の支持ロッド１２１に取り付けられている。図８を参照すると、ロッド１１２は、アクチュエータ取付板１０２の第１の開口１２２、およびドームの上部壁７４にある第２の開口１２４を通過している。
【００３４】
引き続いて図８を参照すると、密封案内組立体１３０は、ロッド１１２の下端部が開口１２２、１２４を通るように案内するとともに、ドームチャンバ６４とハウジング１１４の内部との間の密封をもたらしている。詳しくは、この密封案内組立体は、ステンレス鋼から形成された筒状スリーブ１３２を有している。このスリーブは、その下端１３３の上方近傍が溶接あるいは他の方法によって環状の取付フランジ１３４に取り付けられ、さらにこの取付フランジは開口１２２の周りで取付板１０２にボルトで締結されている。また、スリーブの上端はボルト１３８によって第２の環状フランジ１３６に取り付けられている。スリーブ１３２の下端１３３は、取付けフランジ１０２の下方に延びている。オーリングのような環状シール１４０が、スリーブ１３２の下端１３３によって、ドームの上部壁７４の上側表面に押圧されている。このシールは、それを貫通してリフトロッド１１２が上下動するときに密封的に係合する。スペーサ管１４２は、フランジ１３６およびシール１４０にそれぞれ着座している上下の軸受１４４，１４６の間でスリーブ１３２内に支持されている。このスペーサ管１４２は、それを貫通するリフトロッド１１２を受け入れている。
【００３５】
もう一度炉の運転に話を戻すと、いくつかの高温計１５０（好ましい実施例においては３つ）が、サセプタの側壁１２をサセプタチャンバ２０内に貫通している対応チューブ１５２と熱的に連通するように取り付けられている（図２〜図４）。高温計１５０は、サセプタチャンバ２０の異なる区域に配置されて、サセプタチャンバを加熱しかつ冷却する間における周囲温度の連続した測定を可能としている。好ましくは、高温計１５０は制御システム９２に信号を送出し、かつこの制御システム９２は検出温度を用いてキャップ１６の上昇を開始させるべく昇降機構８０に信号を送るべき時を決定する。
【００３６】
いくつかの実証円板１５４が、炉運転サイクルの開始に先だって、サセプタチャンバ２０内の高温領域全体の異なる位置に配置される。これらの実証円板１５４は、それぞれが曝された最高温度の正確な測定をもたらす。好ましい実施例において、実証円板は炭素から形成され、炉を運転している間にグラファイトになる。最高温度は、曝された円板１５４のグラファイト結晶子の寸法を測定し、正確に較正されたサンプル円板から得られている測定値と比較することによって決定される。得られた回折パターンから結晶子寸法を自動的に測定するために、Ｘ線回折技術を利用することができる。
【００３７】
実証円板１５４は炉を運転した後に検査され、高温計１５０のみから得られるものよりも詳細な温度分布パターンを明らかにする。加えて、これらの円板１５４は、時間がたつにつれて較正が損なわれ、あるいは完全に故障する傾向にある高温計１５０の検査を提供する。これらの円板が低コストであり、かつ使い易いため、高温計において実行可能であるよりも多くの円板を用いることができる。円板１５４は炉を運転する毎に廃棄され、新しい円板に交換される。
【００３８】
好ましくは、高温計の示度および円板の測定値を保存するためにデータベースが各炉毎に維持され、その傾向が分析される。いくつかの炉運転サイクルの過程にわたって高温計の誤差、誘導コイルの端効果、および断熱が不十分な領域を検出し、修正することができる。
【００３９】
典型的な炉の運転は、次のように進行する。グラファイト化させるピッチ繊維のような処理する品物を、一つ若しくは複数のキャニスタ３２に装てんする。キャニスタを閉じて、いくつかの新しい実証円板１５４と共にサセプタチャンバ２０内に配置する。適切に配置されたホイスト（図示せず）により、フランジ７６が炉壁部分７８上に着座するまで、冷却組立体を動かす。サセプタチャンバ２０およびドームチャンバ６４内の大気を、わずかに正圧の不活性ガスに入れ換える。運転の間、不活性ガスが、吸排気供給配管（図示せず）を介して連続的にチャンバ２０内を通過するようにする。キャップ１６をリニアアクチュエータ１００によって閉鎖位置に降下させ、サセプタチャンバ２０を閉じる。冷却管５４を介した冷却水の循環を開始する（ドームの冷却は、キャップ１６を持ち上げる前に、いくらか遅らせることができる）。誘導コイル３０に電力を供給してサセプタ１０を加熱し、それによってサセプタチャンバ２０を運転温度に至らせる。このために、１日〜２日、あるいはそれ以上の時間をかけることができる。運転温度、例えば３１５０℃に達すると、サセプタチャンバ２０における温度を充分な期間にわたって運転温度に維持し、所望レベルのグラファイト化を達成しあるいは処理プロセスを完了させる。制御システム９２は、高温計の測定値に基づいたフィードバック制御を行い、検出した温度に基づいて誘導コイル３０を作動させる。
【００４０】
加熱段階が終了すると、誘導コイル３０への電力供給が遮断され、断熱層５８を介した熱伝導によって炉が冷え始める。サセプタチャンバ２０の温度が約１５００℃に低下すると、リニアアクチュエータ１００がキャップ１６を開放位置へとわずかに持ち上げるように指令し、サセプタチャンバ２０内の高温ガスがドームチャンバ６４内の低温ガスと混合するようにする。サセプタチャンバ内の温度が低下すると、アクチュエータ１００はキャップ１６がさらにチャンバから離れるように持ち上げて、開口８２の寸法を増加させ、ドームチャンバ６４を過熱させることなく最大速度での冷却を維持できるようにする。約１０００℃より低い温度では、高温計１５０は好ましくは熱電対に置き換えられる。サセプタチャンバ２０の温度が適切に低下すると、冷却組立体６０が取り除かれ、あるいは例えばドーム６２内のバルブ（図示せず）を開くことによって大気に開放される。
【００４１】
冷却組立体６０によってもたらされる改良された冷却、柔軟なグラファイトのバリヤ層４０、および上述した実証円板１５４によってもたらされる正確な温度測定の全てが、炉の運転の改善に貢献している。サセプタの寿命は、柔軟なグラファイトを用いることによって大幅に改善される。サセプタの一部分を柔軟なグラファイトによって保護するとともに他の部分を保護しないままとした試験は、短い期間の後に、サセプタのこれらの部分の厚みに目に見える違いが生じることを示した。３０００℃を越える温度での炉の運転における、サセプタを交換するまでの運転時間が、柔軟なグラファイトバリヤ層４０が無い従来の炉に対して４〜５倍持続することが判明した。この誘導炉は、従来の誘導炉では実行できなかった、最高で３１５０℃に達する運転温度における長い運転時間に適している。
【００４２】
誘導炉を参照しつつ冷却組立体について説明したが、この冷却システムは、高い温度で運転される他のタイプの炉にも使用できることが判る。
【００４３】
本発明を好ましい実施例に関して説明してきた。先行する詳細な説明を読みかつ理解すると、修正および変更が他の者によって見出されることは明らかである。本発明は、添付の請求の範囲あるいはその均等の範囲にある限りにおいて、そのような全ての修正および変更を含むものと解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】閉鎖位置にある炉キャップを示す、本発明によるバッチ誘導炉の側面断面図。
【図２】開放位置にある炉キャップを示す、図１のバッチ誘導炉の側面断面図。
【図３】その内部に取り付けられた高温計を示す、図２のＡ−Ａ破断線に沿った炉壁の拡大断面図。
【図４】その内部に取り付けられた高温計を示す、図１および図２の炉壁の拡大側面断面図。
【図５】図１の冷却組立体の側面断面図。
【図６】炉温度に対する冷却組立体の効果を時間と共に示す線図。
【図７】図５のアクチュエータの拡大側面断面図。
【図８】図５の密封および案内機構の拡大断面図。
【図９】外側に取り付けられた冷却コイルを示す、図５のドームの側面図。
【図１０】図１０は、外側に取り付けられた冷却コイルを示す、図５のドームの平面図。
【図１１】図５のクランプ機構の側面断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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