(57)【要約】【課題】未溶解部であるスカルを減少させ、溶製効率が良く、合金の組成割合が正確に製造できる誘導溶解炉を提供する。【解決手段】複数の導電性セグメント１６を円周方向に相互に絶縁して配列することにより鉛直方向に形成された側面壁を有し、被溶解金属１３０を冷却可能に収容する溶解炉本体１２と、側面壁の外周側に配置され、溶解炉本体１２に収容された被溶解金属１３０を誘導加熱する誘導加熱コイル１４とを備えた誘導加熱溶解炉１０において、１ｋＨｚ以上の周波数を持つ被溶解金属１３０の溶解用の第１の電源と、第１の電源による電力よりも低い周波数であって、側面壁の内周面１６ａに張り付くように形成された凝固物１３２に対して浸透できる周波数の第２の電源とを備え、被溶解金属１３０の溶解用の第１の電源からの電力と、第２の電源からの電力とを重畳して誘導加熱コイル１４に供給するように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより鉛直方向に形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する溶解炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記溶解炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備えた誘導加熱溶解炉において、
１ｋＨｚ以上の周波数を持つ前記被溶解金属の溶解用の第１の電源と、
前記第１の電源による電力よりも低い周波数であって、前記側面壁の内周面に張り付くように形成された凝固物に対して浸透できる周波数の第２の電源とを備え、
前記被溶解金属の溶解用の第１の電源からの電力と、前記第２の電源からの電力とを重畳して前記誘導加熱コイルに供給するようにしたことを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項２】
前記第２の電源からの電力の周波数が、前記第１の電源からの電力の周波数の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項３】
前記第２の電源からの電力の周波数を、商用電力の周波数としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項４】
前記第２の電源からの電力を前記誘導加熱コイルに供給する回路として、変成器を介してこの回路を負荷と結合したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱溶解炉に係り、特に、溶解炉本体の側面壁の内周面に形成されるスカルの生成量を減少させた誘導加熱溶解炉の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に、従来の誘導加熱溶解炉（以下、簡単に「溶解炉」という場合がある。）の一例として、コールドクルーシブル誘導溶解炉が開示されている。
このコールドクルーシブル誘導溶解炉について、図５を用いて説明する。
図５は、従来の誘導溶解炉を説明するための一部裁断側面図である。
【０００３】
図５に示すように、従来のコールドクルーシブル誘導溶解炉１００は、互いに電気的に絶縁された縦割り状の導電性セグメント１１２を、円周方向に配列することにより形成された容器状の溶解炉本体１１０と、この溶解炉本体１１０の周囲に配置された誘導加熱コイル１２０とを備えた構成である。
【０００４】
また、溶解炉本体１１０は、冷却水１１４により効率良く冷却されるように、導電性セグメント１１２内部に冷却水路１１６が形成されていると共に、熱伝導率の良い金属により形成されている。
【０００５】
通常、溶解炉本体１１０内の被溶解金属１３０を誘導加熱により溶解しているときに、溶解炉１００内壁表面１１２ａの底側に、溶湯１３４の凝固物であるスカル１３２が付着している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−６２０５４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、誘導加熱による電力は、上部の溶湯部分と、溶解炉内壁表面に付着しているスカル部分に投入される。
溶湯部分に投入される電力は、有効に溶湯の加熱に利用されるが、スカル部分への電力は、付着しているルツボ面から吸熱されて、溶湯の加熱には利用されない。
このような溶融状態のときは、ルツボ底側のスカルが厚くなるという問題がある。
【０００８】
スカル量が多い溶解は、例えば次のような問題を備えている。
（１）投入した被溶解金属の投入材料のうち、溶湯となった割合が低くなり、溶解効率が悪化する。
（２）合金を溶製する場合、スカルになった部分により組成が目的の割合と相違してしまう。また、添加物を有効に溶融できないことがある。
【０００９】
ところで、誘導加熱コイルに供給する高周波電力の周波数と、スカルの生成量には、以下述べるような関係がある。
なお、以下の説明では、大型の誘導加熱溶解炉の場合と、小型の誘導加熱溶解炉の場合に分けて、図５及び図６を参照して説明するものとする。
図６は、溶解炉本体から剥離したスカルの状態を示す一部拡大側面図である。
【００１０】
（Ａ）大型の誘導加熱溶解炉の場合
溶解炉１００の内径が、概ねΦ３００程度以上の大型誘導加熱溶解炉１００の場合は、その被溶解金属１３０の溶解用電源（図示せず）には、１ｋＨｚ程度以下の高周波電源が適用できる。
【００１１】
例えば、溶解炉１００の内径が、Φ４００とした場合、電源周波数ｆを８００Ｈｚ、スカル１３２の電気抵抗率を１００×１０−８Ω・ｍとすると、高周波電力により生成される磁場の浸透深さは、次式（式１）より、
【数１】
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δ＝１８ｍｍと算出できる。
【００１２】
（式１）において、
ρ：電気抵抗率［Ω・ｍ］
μ０：真空の透磁率（４π×１０−７）
ω：２πｆ
ｆ：周波数［Ｈｚ］
とした。
【００１３】
溶解炉本体１１０の内壁１１２ａに付着したスカル１３２の厚さが数ｍｍ以下ならば、十分に磁場が溶湯まで浸透し、図５に示すように、スカル１３２が存在しても、溶湯１３４をドーム状に整形できる。
このような状況によると、内壁面１１２ａのスカル１３２は冷却され、内壁面１１２ａとの接触が凝固収縮で緩くなる。
また、スリット部１１８に対応するスカル１３２は溶融し、図６に示すように、「切り取り線」状に穴１３３があいた状態になる。
溶湯１３４が揺れて、スカル１３２に付着した際に、スカル片として剥離される。
【００１４】
（Ｂ）小型の誘導加熱溶解炉の場合
溶解炉の内径が、Φ２００程度以下の小型誘導加熱溶解炉１００の場合は、その被溶解金属１３０の溶解用電源（図示せず）には、数ｋＨｚ程度以上の高周波電源を適用する。
例えば、溶解炉１００の内径が、Φ１３６とした場合、電源周波数ｆを１０ｋＨｚ、スカル１３２の電気抵抗率を１００×１０−８Ω・ｍとすると、高周波電力により生成される磁場の浸透深さδは、（式１）より、
δ＝５ｍｍと算出できる。
【００１５】
小型の誘導加熱溶解炉１００の内壁１１２ａに付着したスカル１３２が数ｍｍ程度であるから、小型の誘導加熱溶解炉１００の場合は、磁場の浸透深さδは、スカル１３２と同程度、又は、スカル１３２の厚さより小さいことになる。
この結果、スカル１３２により磁場が遮蔽され、大型の誘導加熱溶解炉１００の場合とは異なり、溶湯１３４が揺れてスカル１３２に付着した際に、スカル片として剥離される状態にはなり難い。
【００１６】
この対策として、小型誘導加熱溶解炉１００に、被溶解金属１３０の溶解用電源として、１ｋＨｚ程度以下の周波数の電源を用いると、、溶解に必要な電力では、電磁力が極端に大きくなり過ぎ、溶湯１３４が非常に乱れた状態となり、逆にスカル１３２が大量に生成されるという問題が生じる。
【００１７】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、被溶解金属の溶解用電源に、１ｋＨｚ程度以上の周波数の電源を用いた場合において、未溶解部であるスカルを減少させ、溶製効率が良く、合金の組成割合が正確に製造できる誘導溶解炉を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導加熱溶解炉は、請求項１に記載のものでは、複数の導電性セグメントを円周方向に相互に絶縁して配列することにより鉛直方向に形成された側面壁を有し、被溶解金属を冷却可能に収容する溶解炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記溶解炉本体に収容された被溶解金属を誘導加熱する誘導加熱コイルとを備えた誘導加熱溶解炉において、１ｋＨｚ以上の周波数を持つ前記被溶解金属の溶解用の第１の電源と、前記第１の電源による電力よりも低い周波数であって、前記側面壁の内周面に張り付くように形成された凝固物に対して浸透できる周波数の第２の電源とを備え、前記被溶解金属の溶解用の第１の電源からの電力と、前記第２の電源からの電力とを重畳して前記誘導加熱コイルに供給するように構成した。
【００１９】
このように構成すると、小型の誘導溶解炉の場合でも、被溶解金属の溶解用の電力とは別に、該電力の周波数よりも低い周波数の電力を重畳して誘導加熱コイルに供給でき、この結果、溶解炉の内壁面に付着した凝固物に遮蔽されず、溶解炉本体内の溶湯に電磁力を供給するのが可能になる。
これにより、溶製効率が良く、合金の組成割合が正確に製造できる誘導溶解炉とすることができる。
【００２０】
請求項２に記載の誘導加熱溶解炉は、前記第２の電源からの電力の周波数が、前記第１の電源からの電力の周波数の１０分の１以下である構成とした。
【００２１】
このように構成すると、第１の電源及び第２の電源からの相互の周波数の電力の影響を遮断して、誘導加熱コイルに電力を供給できる。
【００２２】
請求項３に記載の誘導加熱溶解炉は、前記第２の電源からの電力の周波数を、商用電力の周波数とした構成とした。
【００２３】
このように構成すると、第２の電源を安価にすることができる。
【００２４】
請求項４に記載の誘導加熱溶解炉は、前記第２の電源からの電力を前記誘導加熱コイルに供給する回路として、変成器を介してこの回路を負荷と結合した構成とした。
【００２５】
このように構成すると、第２の電源の共振電流を小さくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態について、図１及び図４を用いて説明する。
図１は、本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態を示す一部裁断側面図である。
図２は、本発明の誘導加熱溶解炉に用いる電源回路の構成を示すブロック図である。
図３は、本発明の誘導加熱溶解炉において、溶解炉内壁面にスカルが付着していない溶融状態を示す一部裁断側面図である。
図４は、本発明の誘導加熱溶解炉に用いる他の電源回路の構成を示すブロック図である。
【００２７】
先ず、本発明の誘導加熱溶解炉１０の基本構成について、図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０は、図５に示す従来の誘導加熱溶解炉１００同様に、複数の導電性セグメント１６を円周方向に相互に絶縁して配列することにより鉛直方向に形成された側面壁を有し、被溶解金属１３０を冷却可能に収容する溶解炉本体１２と、側面壁の外周側に配置され、溶解炉本体１２に収容された被溶解金属１３０を誘導加熱する誘導加熱コイル１４とを備えている。
【００２８】
一方、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０では、図２に示すように、誘導加熱コイル１４に高周波電力を供給する電源回路２０は、１ｋＨｚ以上の周波数を持つ被溶解金属の溶解用の第１の電源２２と、第１の電源２２からの電力よりも低い周波数であって、側面壁の内周面に張り付くように形成されたスカル（凝固物）に対して浸透できる周波数の第２の電源２６を備えたことにその特徴を有している。
【００２９】
即ち、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０は、溶解用の第１の電源２２の他に、溶解炉本体１２の内壁１６ａに付着したスカル１３２に遮蔽されず、十分に磁場が溶湯１３４まで浸透し、溶湯１３４をドーム状に整形でき、溶湯１３４が揺れてスカル１３２に付着した際に、スカル片として剥離され、スカル１３２を低減するため、第１の電源２２からの高周波電力よりも低い周波数の第２の電源２６を取り付けるようにしたものである。
【００３０】
図２において、高周波側電源２１は、第１の電源２２とコンデンサ２３を備え、低周波側電源２５は、第２の電源２６、低周波共振用の交流リアクトル２７とコンデンサ２８とを備えた構成である。
また、第１の電源２２の周波数は、１ｋＨｚ以上で、第２の電源２６の周波数は、第１の電源２２の周波数の１０分の１以下としている。
なお、図２において、２４は負荷である誘導加熱コイル１４と溶解炉本体１２である。
【００３１】
以上の構成において、本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０の基本動作を説明する。
本実施の形態の誘導加熱溶解炉１０では、従来の誘導加熱溶解炉１００（図５参照）とは異なり、第１の電源２２から被溶解金属１３０の溶解用の第１の電源２２からの高周波電力と、第２の電源２６から、第１の電源２２からの電力よりも低い周波数の電力とを重畳して、誘導加熱コイル１４に供給するようにする。
【００３２】
このようにすると、図１に示すように、溶解炉本体１２の内壁１６ａにスカル１３２が付着している場合でも、電磁力がスカル１３２に遮蔽されず、溶湯１３４が電磁力により押されて、図１のようにスカル１３２が減少し、最終的には、図３のように、溶解炉本体１２の内壁面１６ａにスカル１３２が付着していない溶融状態を実現できる。
【００３３】
図２に示すような電源回路２０においては、第１及び第２の電源２２、２６共に、負荷２４を介して接続されているため、相互に他の電源２２、２６の影響を受けるが、両方の電源２２、２６の周波数は１０倍以上違うので、相互に他の周波数の電力の影響を遮断できる。
【００３４】
なお、誘導加熱コイルに１４に電力を供給する電源回路３０の他の構成例としては、図４に示すように、負荷２４と低周波側電源３５との間に変成器３２を接続すると、低周波側電源３５内の共振電流を小さくできるので、低周波側電源３５内の交流リアクトル３７、コンデンサ３８を小さくすることができる。
また、低周波側電源３５内の第２の電源３６の周波数を商用周波数とすると、電源３６を安価にすることができる。
【００３５】
本発明の誘導加熱溶解炉は、上記実施の形態に限定されず種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、誘導加熱コイルに供給する電源回路の例を、図２及び図４に示したが、本発明の特徴は、被溶解金属の溶解用の第１の電源と、この第１の電力よりも低い周波数の第２の電源を取り付けたことであるので、かかる回路構成に限定されないのは勿論のことである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の誘導加熱溶解炉は、上記のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように、誘導加熱溶解炉において、１ｋＨｚ以上の周波数を持つ被溶解金属の溶解用の第１の電源と、第１の電源による電力よりも低い周波数であって、側面壁の内周面に張り付くように形成された凝固物に対して浸透できる周波数の第２の電源とを備え、被溶解金属の溶解用の第１の電源からの電力と、第２の電源からの電力とを重畳して誘導加熱コイルに供給するように構成すると、小型の誘導溶解炉の場合でも、被溶解金属の溶解用の電力とは別に、該電力の周波数よりも低い周波数の電力を重畳して誘導加熱コイルに供給でき、この結果、溶解炉の内壁面に付着した凝固物に遮蔽されず、溶解炉本体内の溶湯に電磁力を供給するのが可能になる。
（２）これにより、溶製効率が良く、合金の組成割合が正確に製造できる誘導溶解炉とすることができる。
【００３７】
（３）請求項２に記載したように、第２の電源からの電力の周波数が、第１の電源からの電力の周波数の１０分の１以下である構成とすると、第１の電源及び第２の電源からの相互の周波数の電力の影響を遮断して、誘導加熱コイルに電力を供給できる。
【００３８】
（４）請求項３に記載したように、第２の電源からの電力の周波数を、商用電力の周波数とした構成とすると、第２の電源を安価にすることができる。
【００３９】
（５）請求項４に記載したように、第２の電源からの電力を誘導加熱コイルに供給する回路として、変成器を介してこの回路を負荷と結合した構成とすると、第２の電源の共振電流を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導加熱溶解炉の一実施の形態を示す一部裁断側面図である。
【図２】本発明の誘導加熱溶解炉に用いる電源回路の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の誘導加熱溶解炉において、溶解炉内壁面にスカルが付着していない溶融状態を示す一部裁断側面図である。
【図４】本発明の誘導加熱溶解炉に用いる他の電源回路の構成を示すブロック図である。
【図５】従来の誘導溶解炉を説明するための一部裁断側面図である。
【図６】溶解炉本体から剥離したスカルの状態を示す一部拡大側面図である。
【符号の説明】
１０：誘導加熱溶解炉
１２：溶解炉本体
１４：誘導加熱コイル
１６：導電性セグメント
１６ａ：側面壁の内周面
２０、３０：電源回路
２２：第１の電源
２６、３６：第２の電源
３２：変成器
１３０：被溶解金属
１３２：凝固物（スカル）
【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】
2004301413.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月31日(2003.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
例えば、溶解炉１００の内径が、Φ４００とした場合、電源周波数ｆを８００Ｈｚ、スカル１３２の電気抵抗率を１００×１０−８Ω・ｍとすると、高周波電力により生成される磁場の浸透深さは、次式（式１）より、
【数１】
2004301413.tif 000010
δ＝１８ｍｍと算出できる。