(57)【要約】  本発明の冷るつぼ誘導炉はスロットを有する内側の環状の突起部を備える、スロットを有する壁を備える。スロットを有する環状の突起部はるつぼの溶融チャンバーの底部の周りに配置される。突起部は電気絶縁性材料によって充填されてもよい隙間によって底部から分離されてもよい。また、スロットは突起部及び（または）底部の外周部にも備えられてもよい。
2007522425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気伝導性材料を加熱するための冷るつぼ誘導炉であって：
電気伝導性材料が収容されるるつぼの容量を形成するための少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁及び底部；
前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁を前記底部から分離する複数の突起部；
前記誘導炉の壁の高さを少なくとも部分的に囲む少なくとも１つの誘導コイル；及び、
前記少なくとも１つの誘導コイルに交流電力を供給し、前記少なくとも１つの誘導コイルの周りに交流場を生成するために前記少なくとも１つの誘導コイルに接続された出力を有する交流電源であって、前記電気伝導性材料内に誘導される渦電流によって前記電気伝導性材料を誘導加熱するために前記交流場を前記電気伝導性材料に磁気的に結合させる交流電源を備える冷るつぼ誘導炉。
【請求項２】
前記複数の突起部の各々が前記電気伝導性材料への電流浸透の１深さにほぼ等しい幅を有する、請求項１に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項３】
前記複数の突起部の少なくとも１つが少なくとも１つの突起部スロットを有する、請求項１に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項４】
前記底部が前記底部の外周の周りに少なくとも１つの底部スロットを有する、請求項１に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項５】
前記複数の突起部の少なくとも１つが概略長方形の形状を有する、請求項１に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項６】
前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁の前記スロットの幅が前記底部の下において前記底部の上の前記スロットの幅より広い、請求項１に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項７】
電気伝導性材料を加熱するための冷るつぼ誘導炉であって：
電気伝導性材料が収容されるるつぼの容量を形成するための少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁及び底部；
前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁を前記底部から分離する複数の突起部；
前記複数の突起部及び前記底部の各々の間の隙間；
前記誘導炉の壁の高さを少なくとも部分的に囲む少なくとも１つの誘導コイル；及び、
前記少なくとも１つの誘導コイルに交流電力を供給し、前記少なくとも１つの誘導コイルの周りに交流場を生成するために前記少なくとも１つの誘導コイルに接続された出力を有する交流電源であって、前記電気伝導性材料内に誘導される渦電流によって前記電気伝導性材料を誘導加熱するために前記交流場を前記電気伝導性材料に磁気的に結合させる交流電源を備える冷るつぼ誘導炉。
【請求項８】
前記隙間が電気絶縁材料で充填されている、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項９】
前記複数の突起部の各々が前記電気伝導性材料への電流浸透の１深さにほぼ等しい幅を有する、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項１０】
前記複数の突起部の少なくとも１つが少なくとも１つの突起部スロットを有する、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項１１】
前記底部が前記底部の外周の周りに少なくとも１つの底部スロットを有する、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項１２】
前記複数の突起部の少なくとも１つが概略長方形の形状を有する、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項１３】
前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁の前記スロットの幅が前記底部の下において前記底部の上の前記スロットの幅より広い、請求項７に記載の冷るつぼ誘導炉。
【請求項１４】
電気伝導性材料を誘導加熱する方法であって：
少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁及び底部からるつぼの容量を形成すること；
複数の突起部によって前記底部を前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁から分離すること；
電気伝導性材料を前記るつぼの容量内に配置すること；
前記るつぼの容量を少なくとも１つの誘導コイルで少なくとも部分的に囲むこと；及び、
前記るつぼの容量内の電気伝導性材料に結合する磁場を生成するために前記少なくとも１つの誘導コイルに交流電力を供給することのステップを含む方法。
【請求項１５】
前記突起部と前記底部の少なくとも１つの間に隙間を形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の突起部の少なくとも１つに少なくとも１つの突起部スロットを形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記底部の外周の周りに少なくとも１つの底部スロットを形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁の前記スロットの少なくとも１つを前記底部の下で幅広にするステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００４年１月１６日に出願された米国特許出願No.60/537,113の優先権を主張し、その全文は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は冷るつぼ誘導炉を利用した磁気誘導によって電気伝導性材料を溶融する技術分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
冷るつぼ誘導炉はるつぼ内に配置された電気伝導性材料に磁場を適用することによって電気伝導性材料を溶融するために利用されている。そのような誘導炉の一般的な用途は制御された気圧または真空状態でチタニウムを基材にした組成物等の、反応性金属または合金の溶融である。図１は従来の冷るつぼ誘導炉の原理的な構造を図示している。図１を参照すると、るつぼ１００は複数のスロットを備えた壁１１２を含む。壁１１２の内部は概略円筒形である。壁の上部は以下に説明するように、スカルの除去を容易にするために多少、円錐形されてもよい。壁はるつぼに配置された金属材料に反応しない材料から形成され、慣例的な手段で水冷される。チタニウムを基材にした材料の場合、銅を基材にした組成物が壁１１２に対して適している。スロット１１８は非常に小さい幅を有し（図においては、説明のために誇張して記載されている）、通常、０.２〜０.３ミリメートル程度であり、マイカ等の熱的に伝導性でかつ電気絶縁性の材料で充填されている。底部１１４は金属材料に対して有効なるつぼの容量の底部を形成している。底部は通常、壁１１２と同一の材料で形成され、慣例的な手段で水冷される。底部は支持手段１２２によって底部構成部材１２６の上に支持されている。支持手段１２２はまた、冷却媒体のための供給口及び排出口として使用されてもよい。
【０００４】
底部１１４は底部構成部材１２６より高い位置に配置されており、通常、誘導コイルの底部を底部１１４より高い位置に制限する。（図において、その厚さが誇張して描かれている）熱的に伝導性でかつ電気絶縁性の材料１２４の層は底部を壁から分離する。（制限ではないが）分離の距離は通常、０.２〜０.３ｍｍである。しかし、分離の距離は底部と壁が接する程度であってもよいし、または１.６ｍｍ程度に広くてもよい。誘導コイル１１６はるつぼの壁を囲んでおり、適当な交流電源（図示せず）に接続されている。電源が励起されると、コイル１１６を通って電流が流れ、交流磁束生成場が生成される。磁束は壁１１２、底部１１４、及びるつぼ内に配置された金属材料に渦電流を誘導する。金属材料への磁束の貫通は原則的に、スロット１１８及び境界上の壁材料の薄い層を通して起こる。金属材料内の渦電流によって生成される熱は金属材料を溶融する。冷却された壁及び底部に隣接した金属材料の部分は凝固し、るつぼから排除される溶融金属生産物の周囲にスカルを形成する。るつぼから溶融金属生産物が除去された後、スカルはるつぼから除去され、以後の同一の組成物の溶融のための破片供給物として使用することができる。適用された電気エネルギーに対する金属材料に発生したエネルギーの量はるつぼの概算的な効率を規定する。壁及び底部に発生した熱は処理に対する大きな損失を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１の従来の冷るつぼ１００の欠点は、壁−底部の境界面が境界面の付近の金属材料への磁束の伝達を妨げるということである。図１に示されているように、磁束線１２０は境界面の付近において、境界面の領域の金属材料の加熱を制限する、るつぼ内へ貫通する磁束の実質的な減少があることを示している。磁束の減少は誘導炉が効果的に動作する金属材料の容量の範囲を実質的に制限してしまう。例えば、図１に示されている誘導炉は、点線１２７で示されているように、金属材料の容量が満載から約６０パーセントの容量であるときに満足のいく動作を与えるだろう。しかしながら、容量が６０パーセント未満の場合、供給されるエネルギーの量及び（または）処理時間は、溶融処理が極度に非効率となる程度まで増大してしまう。結果的に、誘導炉の使用はるつぼの全容量に対する実際の容量動作範囲に極度に制限されてしまう。
【０００６】
したがって、壁−底部の境界面に隣接する金属材料への磁束が全体的な効率の増大、及び効率的に溶融することができる金属材料の充填容量の潜在的な範囲の増大を可能にする、冷るつぼによる誘導溶融のための装置及び方法に対する要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの側面において、本発明は冷るつぼ誘導炉内での電気伝導性材料の誘導溶融のための装置及び方法であって、るつぼの壁がるつぼの壁−底部の境界面にスロットを有する環状の突起部を備えており、それによって磁束が突起部のスロットを通って貫通することを可能にする、誘導溶融のための装置及び方法である。
【０００８】
もう１つの側面において、本発明は少なくとも部分的にスロットを有する誘導炉の壁及び底部から形成されたるつぼの容量を有する冷るつぼ誘導炉である。スロットを有する誘導炉の壁は複数の突起部によって底部から分離されている。突起部と底部の各々の間には隙間が備えられてもよい。誘導炉の壁の周りには少なくとも１つの誘導コイルが配置される。電源は交流電流を誘導コイルに供給し、誘導コイルはるつぼの容量に配置された電気伝導性材料に結合する磁場を生成する。誘導炉の壁と底部の間の突起部は、特に底部の領域周辺で磁場と材料の間の磁気的結合を増大させる。磁場と材料の間の結合をさらに高めるために突起部及び（または）底部の外周部にスロットが備えられてもよい。
【０００９】
本発明の他の特徴は以下の詳細な説明に記載されている。本発明を説明するために、図面に本発明の好まれる形式を示す。しかしながら、本発明がこれらの配置及び部材に限定されないことは理解されなければならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図２及び図３には、本発明の冷るつぼ誘導炉１０の１つの実施例が示されている。誘導炉１０は底部１４に隣接したるつぼの容量内に拡張する複数の突起部１１を有する壁１２を含む。突起部は壁の内側の周辺部に拡張し、壁１２と一体的に形成されてもよいし、または壁１２内に取り付けられてもよい。環状の突起部１１は通常、壁１２と同じ材料から構成されている。図において、環状の突起部は実質的に長方形の断面を有するものとして示されているが、（制限ではないが）半円形、半楕円形、または傾斜した断面等の断面形状も本発明の範囲に含まれる。また、本発明のこの特定の実施例において、全ての突起部１１は同一の寸法及び形状を有しているが、多様な寸法及び形状の突起部が単一の誘導炉に使用されてもよい。スロット１８は壁１２及び突起部１１を通して、実質的に連続的な垂直方向のスロットである。スロットはるつぼの壁の上端より下の位置で、及び（または）るつぼの底部より上の位置で終端していてもよい。しかしながら、スロットは通常、少なくとも溶融金属が溶融される長さの部分及び突起部１１の間の部分に備えられる。
【００１１】
（図においては説明のために誇張して描かれているが）スロット１８の幅は非常に小さい幅、通常、０.２〜０.３ｍｍ程度であり、マイカ等の熱的に伝導性でかつ電気絶縁性の材料で充填される。底部１４は環状の突起部１１の内側の周辺部に配置され、加熱される材料または他の電気伝導性材料のためのるつぼの容量の底部を形成する。（突起部１１を含む）壁１２及び底部１４の両方は通常、るつぼ内で溶融される材料と反応しない材料から形成され、水冷される。底部は支持手段２２によって底部構成部材２６の上に支持されている。支持手段２２はまた、冷却媒体のための供給口及び排出口として使用されてもよい。この実施例において、突起部は狭い隙間によって底部から分離されており、その隙間は熱的に伝導性でかつ電気絶縁性の材料（図示せず）によって充填されていてもよいし、充填されていなくてもよい。隙間の幅は通常、０.２〜０.３ｍｍの範囲内である。代替的に、底部と突起部は互いに熱的及び（または）電気的に接触していてもよい。
【００１２】
本発明のいくつかの実施例において、１つまたは複数の突起部１１はスロットを備えていてもよい。すなわち、１つまたは複数の突起部は壁のスロットに一致しない突起部スロットを備えていてもよい。いくつかのデザインにおいて、突起部スロットを備えることにより、磁束が材料に結合するための付加的な経路を与えることができる。突起部スロットは通常、るつぼの上部の壁のスロットの幅に応じた範囲の幅を有する。付加的に、スロットは突起部に隣接して底部の周囲に作製されてもよいし、任意の隙間または間隔で底部の周囲に配置されて作製されてもよい。また、本発明のいくつかの実施例において、突起部スロット及び底部の周囲のスロットの両方が使用されてもよい。図６は突起部１１に突起部スロット１１ａが備えられ、底部に底部スロット１４ａが備えられている、本発明の１つの実施例を図示している。
【００１３】
交流電流の表皮効果に帰すことができる渦電流の浸透の深さは金属材料の電気抵抗率及び透磁率、及び誘導コイル１６に電流を供給している交流電源の周波数の関数である。渦電流の約６３パーセント及び溶融電力の８６パーセントは「電流浸透の１深さ」として定義される場所に集中される。それゆえ、本発明の冷るつぼ１０は通常、（制限ではないが）るつぼの底部付近の金属材料への電流浸透の１深さにほぼ等しい幅を有する突起部を備え、それによって、るつぼが図１のるつぼに対して有効な材料の容量よりも小さい材料の容量を含む広い範囲の材料の容量とともに、より高い効率で効果的に使用されることを可能にする。
【００１４】
誘導コイル１６は概略、底部１４の上でるつぼの壁を囲み、適当な交流電源（図示せず）に接続される。電源が励起されたとき、電流がコイル１６を通って流れ、交流磁束生成場が発生する。磁束は壁１２、底部１４、及びるつぼ内の金属材料に渦電流を誘発する。金属材料への磁束の浸透は原則的に壁及び突起部１１の間のスロット１８、及び壁の境界の材料の薄い層を通して起こる。材料内の渦電流によって発生した熱は材料を溶融する。
【００１５】
上述したように、スロット１８は非常に狭い幅を有する。広い幅を有するスロットは溶融金属材料がスロット内の絶縁物を溶かし、溶融金属がスロット内に浸透し、そこでスカルとして凝固ことを可能にするので、底部１４の上のスロットの幅は非常に小さくなければならない。これらの不規則なスロット内への浸透によって形成されるスカルはるつぼから除去することが非常に困難であり、通常、るつぼの損傷を引き起こす。本発明のもう１つの実施例において、底部１４の下のスロットは図３に示されているように幅広にされてもよい。幅広にされた下部の部分的スロット１８ａは突起部１１とともに使用されたときに、壁−底部の境界面領域へのより多くの磁束の浸透を可能にし、それは壁−底部境界面領域の材料の全体的な磁束を増大させる。底部１４の上の上部の部分的スロットの幅は液体状の金属のスロットへの浸透を防止するための要求によって制限されている。底部１４の下側にはこの制限が適用されないが、（突起部の領域またはその下の領域の）下部の部分的スロットの幅の最大値は壁の各区分の冷却媒体の配置によって実質的に制限される。したがって、（制限ではないが）上部の部分的スロット１８ｂの幅は通常、０.２５ｍｍであり、下部の部分的スロット１８ａの対応する幅は通常、幅広にされるが、対応する上部の部分的の幅の２〜４倍の範囲である。いくつかの場合において、下部の部分的スロットは対応する上部の部分的スロットの幅の８倍以下にされてもよいが、そのような場合であっても、下部の部分的スロットを幅広にすることによる長所は、本発明の場合のように、材料に結合する付加的な磁束に対する経路が確保されているときのみ得られる。また、本発明のいくつかの実施例において、壁−底部境界面領域へのさらなる磁束の浸透を形づくるために、可変の下部の部分的スロットが使用されてもよい。
【００１６】
（制限ではないが）本発明の１つの実施例において、突起部は図４ｂに示されているように、９.７ｍｍ（０.３８インチ）の高さｈp、及び対応する壁の区分の幅によって決まる長さを有する。突起部の数は通常、十分に大きい数である壁の区分の数に一致し、したがって、突起部は概略長方形の縦方向の断面を有する。すなわち、図４ｃに示されているように、外側の長さｌoutは内側の長さｌinと実質的に同じ長さである。スロット１８は約０.２５ｍｍの幅を有し、誘導炉１０はるつぼ及び電気伝導性の合金または金属に対して特定された設計範囲内の重量の金属材料で充填される。金属材料の固体状態の体積は通常、図２の（６０パーセントの材料に対する線）線２７によって示されている量以上である。（制限ではないが）これに対する誘導コイル１６内の電流は本発明の実施例において８ｋＨｚである。突起部を有さない誘導炉（突起部の幅０）から約１４.４ｍｍ（０.５６７インチ）の幅ｗpを有する突起部を備える誘導炉の範囲に対する、全抵抗損（すなわち、コイル＋壁＋底部＋溶融金属の抵抗損）の百分率での底部１４に結合した抵抗損の典型的な減少の推定値は図５ａのグラフに示されている。突起部を有さない誘導炉から約１４.４ｍｍ（０.５６７インチ）の幅ｗpを有する突起部を備える誘導炉の範囲に対する、溶融金属の抵抗損に対するスロット付壁の抵抗損の減少は図５ｂのグラフに示されている。図５ｃはスロット付壁が銅を含み、誘導コイル電流の大きさが７,５９０アンペアのときの、溶融金属の抵抗損に対するスロット付壁１２の抵抗損の減少を図示している。図５ａ及び図５ｂの設計データを有する誘導炉に対する、全体的な誘導炉の効率の利得は、突起部を有さない誘導炉から約１４.４ｍｍ（０.５６７インチ）の幅ｗpを有する突起部を備える誘導炉の範囲に対して図５ｄのグラフで示されている。上述のグラフは周知の三次元、有限要素分析、電磁場モデリングソフトウェアを使用して対応する電磁場をモデル化することによって作成された。
【００１７】
上述の実施例は本発明の範囲を制限するためのものではない。本発明の範囲は付随する請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は従来の冷るつぼ誘導炉の立面断面図である。
【図２】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例の部分的な断面図である。
【図３】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例の立面断面図である。
【図４ａ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例で使用される、突起部を備えたスロット付壁の上から見たときの断面図である。
【図４ｂ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例で使用される、突起部の横から見たときの断面図である。
【図４ｃ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例で使用される、突起部を備えたスロット付壁の１つの詳細な図である。
【図５ａ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の（制限ではないが）典型的な１つの実施例の底部の、突起部の幅が増大したときの抵抗損の減少を示しているグラフである。
【図５ｂ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の（制限ではないが）典型的な１つの実施例の壁の、突起部の幅が増大したときの抵抗損の減少を示しているグラフである。
【図５ｃ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の（制限ではないが）典型的なもう１つの実施例の壁の、突起部の幅が増大したときの抵抗損の減少を示しているグラフである。
【図５ｄ】本発明に従った冷るつぼ誘導炉の、突起部の幅が増大したときの全体的な効率の増大を示しているグラフである。
【図６】誘導炉の突起部及び底部にスロットが備えられている、本発明に従った冷るつぼ誘導炉の１つの実施例を図示している。
【符号の説明】
【００１９】
１０    冷るつぼ誘導炉
１１    環状の突起部
１１ａ  突起部スロット
１２    壁
１４    底部
１４ａ  底部スロット
１６    誘導コイル
１８    スロット
１８ａ  下部のスロット
１８ｂ  上部のスロット
２２    支持手段
２６    底部構成部材
１１０  冷るつぼ誘導炉
１１２  壁
１１４  底部
１１６  誘導コイル
１１８  スロット
１２０  磁束線
１２２  支持手段
１２４  電気絶縁性材料
１２６  底部構成部材
【図１】
2007522425.tif 000003
【図２】
2007522425.tif 000004
【図３】
2007522425.tif 000005
【図４（ａ）】
2007522425.tif 000006
【図４（ｂ）】
2007522425.tif 000007
【図４（ｃ）】
2007522425.tif 000008
【図５ａ】
2007522425.tif 000009
【図５ｂ】
2007522425.tif 000010
【図５ｃ】
2007522425.tif 000011
【図５ｄ】
2007522425.tif 000012
【図６】
2007522425.tif 000013
【国際調査報告】
2007522425.tif 000014