(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの間に空隙が形成されるように複数の導電性セグメントを円周方向に配列することにより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炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記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、複数の前記導電性セグメント間にそれぞれ形成された前記空隙を挟むように対峙する前記導電性セグメントの少なくとも一方の面に、所定膜厚の絶縁性薄膜が、前記側面壁の内側面から前記空隙内に所定間隔を設けて、かつ、溶解された前記被溶解金属と接触することのない部分に被覆されるように、上方と下方に分割されて被覆されていることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項２】
前記絶縁性薄膜が、前記空隙を挟むように対峙する前記導電性セグメントの少なくとも一方の面に溶射されることによって形成されていることを特徴とする請求項１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、誘導加熱により金属を溶解する誘導加熱溶解炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるコールドクルーシブ法で誘導加熱により金属（特に、活性金属、高融点金属、高純度金属）を溶解する誘導加熱溶解炉として、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を円周方向に配列することにより形成された容器状の炉本体と、炉本体の周囲に配置された誘導加熱コイルとを備えたものが知られている（例えば特開平１０−１０３８７５号公報参照）。この誘導加熱溶解炉で金属を溶融するには、炉本体に対して塊状や粉状等の被溶解金属を投入した後、誘導加熱コイルに交流電力を供給する。このようにして、炉本体内の被溶解金属を交番磁場で誘導加熱して溶解させることができる。
【０００３】
上述した誘導加熱溶解炉においては、誘導加熱コイルで発生した磁束を炉本体内部に効率よく導入するために、複数の導電性セグメント間の隙間を一定に保つ必要がある。従来は、マイカなどの絶縁材の薄板を各セグメント間に挟み込むことにより、隙間を保っていた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法によると、導電性セグメントを並べるときに１枚１枚薄板を挟み込むように配置していく必要があり、また、挟み込んだ薄板がずれ易いなど、組み立てにかなりの労力を要するという問題がある。そして、セグメントを１枚１枚順番に並べていくため、最後に並べる導電性セグメントに隙間の偏りが集中してしまい、その修正も薄板がずれ易いために難しく、導電性セグメント間の隙間を一定にすることに対して非常に困難性を伴うという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、導電性セグメント間に絶縁材の薄板を挟み込む労力を省略でき、導電性セグメント間の隙間に偏りが発生することを防止し、大幅な作業効率の改善を図る誘導加熱溶解炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１に記載の誘導加熱溶解炉は、互いの間に空隙が形成されるように複数の導電性セグメントを円周方向に配列することにより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炉本体と、前記側面壁の外周側に配置され、前記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、複数の前記導電性セグメント間にそれぞれ形成された前記空隙を挟むように対峙する前記導電性セグメントの少なくとも一方の面に、所定膜厚の絶縁性薄膜が、前記側面壁の内側面から前記空隙内に所定間隔を設けて、かつ、溶解された前記被溶解金属と接触することのない部分に被覆されるように、上方と下方に分割されて被覆されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、導電性セグメント自身に絶縁性薄膜が被覆されているため、絶縁材の薄板を挟み込む作業そのものを省略できる。また、絶縁膜がずれるといった問題もそもそも発生しないため、並べた後の隙間の調整が容易であり、隙間の偏りが一箇所に集中することなく分散し、隙間を一定に保ちやすくなる。したがって、大幅な作業効率の改善を図る誘導加熱溶解炉を得ることができる。そして、絶縁性薄膜が、被溶解金属と接触することのない部分に被覆されることになり、絶縁性薄膜と被溶解金属が反応して、被溶解金属が汚染されることを防止できる。
【０００９】
この構成によると、絶縁性薄膜が、さらに、被溶解金属と接触することのない部分に被覆されることになり、絶縁性薄膜と被溶解金属が反応して、被溶解金属が汚染されることを防止できる。
【００１０】
請求項２に記載の誘導加熱溶解炉は、請求項１において、前記絶縁性薄膜が、前記空隙を挟むように対峙する前記導電性セグメントの少なくとも一方の面に溶射されることによって形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によると、導電性セグメント自身に絶縁性薄膜が溶射されているため、絶縁材の薄板を挟み込む作業そのものを省略できる。また、絶縁膜がずれるといった問題もそもそも発生しないため、並べた後の隙間の調整が容易であり、隙間の偏りが一箇所に集中することなく分散し、隙間を一定に保ちやすくなる。したがって、大幅な作業効率の改善を図る誘導加熱溶解炉を得ることができる。そして、溶射によって絶縁性薄膜が形成されるため、薄く均一な絶縁膜を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。図１において、本実施形態例に係る誘導加熱溶解炉は、被溶解金属３０を収容する炉本体１を有している。炉本体１は、純銅の熱伝導率（３８９Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも小さな熱伝導率（３２２Ｗ／ｍ・Ｋ）のクロム銅により形成されており、炉本体１の機械的強度を高めていると共に、被溶解金属３０の単位時間当たりの抜熱量を純銅の場合よりも低減している。なお、炉本体１は、クロム銅の他、純銅の熱伝導率よりも小さな熱伝導率のジルコニウム銅、ベリリウム銅、クロムジルコニウム銅、テルル銅等の金属材料により形成されるのが好ましいが、純銅により形成されていてもよい。また、被溶解金属３０としては、純銅や銅合金の他、金、銀、アルミニウム、これら各金属の合金等の大きな熱伝導率を有した金属を挙げることができるとともに、鉄やコバルト、チタン、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、ニオブ、タンタル、モリブデン、ウラン、希土類金属、トリウム、これらの合金等を挙げることができる。
【００１３】
炉本体１は、炉本体１の底面壁を構成するように形成された底部材２と、炉本体１の側面壁を構成するように、底部材２上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント８とを有している。底部材２は、円柱形状に形成された柱状部３と、柱状部３の下縁部から外周方向に突設されたフランジ部４とを有している。柱状部３は、炉本体１の底面壁となるように平板状に形成された上面壁３ａを有している。一方、フランジ部４には、上下方向に貫設された複数の締結穴４ａが導電性セグメント８の配列位置に対応して形成されていると共に、冷却水路４ｂが形成されている。
【００１４】
各締結穴４ａには、ボルト部材６が挿通されている。ボルト部材６は、ナット部材７とで導電性セグメント８をフランジ部４に固定している。導電性セグメント８は、上下方向に立設され、内側面が柱状部３の側周面と対向した側壁部９と、側壁部９の下端部から直角方向に曲折され、下面がフランジ部４の上面に当接された取付部１０とを有している。取付部１０には、締結穴１０ａが形成されており、締結穴１０ａは、フランジ部４の締結穴４ａに対応するように配置され、ボルト部材６が挿通されている。
【００１５】
また、隣接する導電性セグメント８は、それぞれ各セグメント間にスリット１５を構成するように空隙を隔てて配置されており、また、各導電性セグメント８における幅方向の中心部には、上端部を残して縦方向にスリット１６を有している。そして、図２に導電性セグメント８の断面を含む要部斜視図を示すが、スリット１５の外周側にかけて、スリット１５よりも広幅の切欠部９ａが設けられている。切欠部９ａは、スリット１５を構成するように対峙するスリット面９ｃを導電性セグメント８の上下部に残すように設けられており、スリット面９ｃにおける上部に残された面（以下、「上部面」という）９ｄおよび下部に残された面（以下、「下部面」という）９ｅには、それぞれ絶縁性薄膜２０ａ及び２０ｂが被覆されている。この絶縁性薄膜２０ａ及び２０ｂは、セラミック、アルミナ、ジルコニア、シリカなどの絶縁性を有した材料が上部面９ｄ及び下部面９ｅに直接溶射されることによって形成されており、一定の膜厚を有するように形成されている。なお、溶射によって絶縁性薄膜が形成されるため、薄く均一な絶縁膜を得ることができる。
また、これらスリット１５、切欠部９ａ、絶縁性薄膜２０ａ、２０ｂによって、各導電性セグメント８間が互いに電気的に絶縁状態に保たれている。
【００１６】
図３は、炉本体１の断面を示す模式図である。本図に示すように、絶縁性薄膜２０ａ及び２０ｂは、上部面９ｄ及び下部面９ｅに略四角形状に溶射されており、側壁部９の内側面から所定間隔αを隔てて形成されている。そして、絶縁性薄膜２０ｂについては、上面壁３ａよりも下側に位置するように下部面９ｅに設けられている。これらの構成によって、炉本体１内で溶解された被溶解金属と接触することのない部分に、前記絶縁性薄膜２０ａ及び２０ｂが形成されることになり、絶縁性薄膜２０ａ、２０ｂと被溶解金属が反応して、被溶解金属が汚染されることを防止できる。
【００１７】
また、図２において、スリット１６の外周側には、スリット１５と同様に、スリット１６よりも広幅の切欠部９ｂが設けられている。スリット１６および切欠部９ｂは、導電性セグメント８の上端部を除く部分を縦方向に二分割しており、導電性セグメント８の二分割された一方の側壁部９および取付部１０と他方の側壁部９および取付部１０とは、スリット１６および切欠部９ｂを介して互いに電気的に絶縁状態にされている。なお、切欠部９ａ、９ｂは、誘導加熱による損失を減少させるように、所定の強度を維持できる範囲内で側壁部９の横断面積を減少させている。
【００１８】
また、本実施形態例においては、スリット面９ｃの両面ともに絶縁性薄膜を有するものが示されているが、必ずしもこのとおりでなくてもよく、例えば、片側のスリット面９ｃにのみ絶縁性薄膜を有して、導電性セグメント８間を互いに絶縁可能に保つものであってもよい。
【００１９】
次に、図１および図２において、各導電性セグメント８の内部には、冷却水路８ａと連通路８ｂとが形成されている。冷却水路８ａは、スリット１６で二分割された一方の側壁部９と他方の側壁部９とにそれぞれ形成されている。また、連通路８ｂは、導電性セグメント８の上端部に形成されており、両側壁部９における冷却水路８ａの上端部同士を連通している。また、各冷却水路８ａの下端は、上述のフランジ部４の冷却水路４ｂに連通されており、これらの冷却水路８ａ、４ｂは、冷却水を流通させることによって、過度の熱変形等を生じないように炉本体１の全体を所定の温度以下に冷却している。
【００２０】
そして、側壁部９の外周側には、誘導加熱コイル１１が巻回されており、誘導加熱コイル１１には、任意の周波数の交流電力を出力可能な図示しない電源装置が接続されている。電源装置は、誘導加熱コイル１１に対して交流電力を供給して交番磁場を発生させ、この交番磁場を炉本体１に収容された被溶解金属３０に浸透させて誘導加熱する。
【００２１】
以上が、本実施形態例に係る誘導加熱溶解炉における炉本体１の構成である。この構成によると、導電性セグメント８自身に絶縁性薄膜が被覆されているため、従来行っていたような絶縁材の薄板を挟み込む作業そのものを省略できる。また、絶縁膜がずれるといった問題もそもそも発生しないため、導電性セグメント８を並べた後の各セグメント間の隙間の調整が容易であり、隙間の偏りが一箇所に集中することなく分散し、隙間を一定に保ちやすくなる。
【００２２】
次に、本実施形態例に係る誘導加熱溶解炉の動作について図１をもとに説明する。まず、塊状や粉状の被溶解金属３０が炉本体１に投入される。そして、側壁部９の冷却水路８ａに冷却水が供給されることにより炉本体１が冷却されながら、誘導加熱コイル１１に交流電力が供給されることによって、誘導加熱コイル１１の周囲に交番磁場が生成される。誘導加熱コイル１１の内周側における交番磁場は、縦方向に分割された導電性セグメント８を介して炉本体１の内側に透過することによって、被溶解金属３０に浸透し、被溶解金属３０を誘導加熱する。これにより、被溶解金属３０は、溶融温度に昇温した表面側から溶解を開始して溶湯３０ｂとなり、炉本体１の底面壁に向かって流れ落ちる。そして、溶湯３０ｂが炉本体１の底面壁に到達したときに、炉本体１により冷却されて凝固し、皿状に冷却固化したスカル３０ａを形成する。
【００２３】
ここで、スカル３０ａが所定以上の厚みとなって炉本体１による冷却能力よりも誘導加熱による加熱能力が上回ると、スカル３０ａ上に溶湯３０ｂが滞留していくことになる。そして、滞留する溶湯３０ｂの量が増加すると、溶湯３０ｂが交番磁場と誘導電流との相互作用および重力の作用を受けることによって、周辺部から中央部にかけて盛り上がったドーム形状の外形を呈しながら撹拌されることになる。なお、スカル３０ａ上に多量の溶湯３０ｂを形成して維持するためには、炉本体１の溶湯３０ｂに対する抜熱量よりも大きな熱量で溶湯３０ｂが加熱されるように、誘導加熱コイル１１への電力供給が継続される必要がある。
【００２４】
また、このような溶湯３０ｂの形成時において、絶縁性薄膜２０ａ及び２０ｂは、前述のように、溶湯３０ｂと接触することのない部分に形成されているため、絶縁性薄膜２０ａ、２０ｂと被溶解金属が反応して、被溶解金属が汚染されることもない。
【００２５】
以上、本発明の好適な実施形態例について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、導電性セグメント８の中心部にスリット１６を縦向き方向に形成して側壁部９を二分割し、両側の側壁部９にそれぞれ冷却水路８ａを形成することによって、炉本体１を冷却するように構成にされているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、参考例の図４に示すように、冷却水路２１は、フランジ部４の中心部に取水口２１ａおよび排水口２１ｂを形成し、取水口２１ａから立ち上げてフランジ部４で外周方向に曲折し、さらに、側壁部９内の壁面側を通るように立ち上げた後、上端部で１８０°転換し、側壁部９の内部を通るように立ち下げて排水口２１ｂに連結した二重構造となっているものであってもよい。
【００２６】
また、本実施形態例に係る炉本体１は、側壁部９の内側面と柱状部３の側周面とが互いに対向するように形成する空隙には何も有していないが、前記内側面あるいは側周面の少なくとも一方に絶縁性薄膜が溶射などの方法によって形成されており、これにより、スカル３０ａが前記空隙に侵入することを防止するものであってもよい。
【００２８】
また、絶縁性薄膜は、必ずしも１層からなるものでなく、複数層からなるものであってもよい。そして、絶縁性薄膜の形成方法についても、必ずしも溶射に限定されるものでなく、蒸着などの他の方法によるものであってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る誘導加熱溶解炉によると、導電性セグメント自身に絶縁性薄膜が被覆されているため、絶縁材の薄板を挟み込む作業そのものを省略できる。また、絶縁膜がずれるといった問題もそもそも発生しないため、並べた後の隙間の調整が容易であり、隙間の偏りが一箇所に集中することなく分散し、隙間を一定に保ちやすくなる。したがって、大幅な作業効率の改善を図る誘導加熱溶解炉を得ることができる。
そして、絶縁性薄膜が、被溶解金属と接触することのない部分に被覆されることになり、絶縁性薄膜と被溶解金属が反応して、被溶解金属が汚染されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【図２】図１の誘導加熱溶解炉における導電性セグメントの断面を示した要部斜視図である。
【図３】図１の誘導加熱溶解炉における炉本体の断面模式図である。
【図４】参考例の誘導加熱溶解炉における被溶解金属の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
８ 導電性セグメント
８ａ 冷却水路
８ｂ 連通路
９ 側壁部
９ａ、９ｂ 切欠部
９ｃ スリット面
１１ 誘導加熱コイル
１５ スリット（隣り合う導電性セグメント間における）
１６ スリット（導電性セグメントにおける）
２０ａ、２０ｂ 絶縁性薄膜
３０ 被溶解金属
３０ａ スカル
３０ｂ 溶湯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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