(57)【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、
前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、
前記炉本体と誘導加熱コイルとの間に、耐熱性を有すると共に、絶縁性および非磁性の少なくとも一方を有した材料により前記炉本体の側面壁の変形を防止するように形成されたスタンプ部材が設けられ、
前記底部出湯機構は、
前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、
前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、
前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、
前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、
前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項２】
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、
前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、
前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路中には、流路を２以上に区分する仕切り壁が設けられ、
前記底部出湯機構は、
前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、
前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、
前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、
前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、
前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項３】
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、
前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、
前記炉本体が純銅よりも強度の高い銅合金で形成されており、
前記底部出湯機構は、
前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、
前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、
前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、
前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、
前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項４】
前記出湯構造体の表面温度を検出する温度検出装置を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項５】
前記炉本体が配置された上側空間部と、前記底部出湯機構が配置された下側空間部とを独立して有した真空容器と、
前記上側空間部と下側空間部との圧力差を変更することによって、前記底部出湯機構における出湯流速を制御する出湯制御手段とを有する請求項１乃至４のいずれかに記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項６】
前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路は、冷却能力を高めたい部分の流路断面積が縮小されている請求項１乃至５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】
従来の誘導加熱溶解炉は、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ている。そして、炉本体は、冷却水により効率良く冷却されるように、導電性セグメントの内部に冷却水路が形成されていると共に大きな熱伝導率の純銅により形成されている。また、機種によっては、炉本体を傾倒させることなく溶湯を出湯口から取り出すことができるように、出湯口が炉本体の底部に形成されている。
【０００３】
上記のように構成された誘導加熱溶解炉により例えば所望の金属を製造する場合には、先ず、炉本体に対して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して交番磁場を発生させる。そして、被溶解金属を誘導加熱し、ほぼ全量が溶解して溶湯となったことを確認した後、出湯口を開栓し、溶湯を自重により出湯口から排出して容器に払い出す。この後、１ロット分の製造が終了すると、余った溶湯を出湯口から排出させて回収することにより炉本体を空状態にする。そして、次ロット分の金属を炉本体に投入し、同様の動作により溶解して所望の金属を製造する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、出湯口の出口付近に凝固物が付着したり、余った溶湯を出湯口から排出したときに、炉本体のコーナー部に溶湯の一部や未溶解のスカルが残留することがある。従って、例えば引き続き、溶解および出湯をしようとしても、出湯口の出口付近の凝固物が溶解せずに開栓されたままとなって出湯できない。このため、出湯口先端部の清掃や取替えが必要となる。また、被溶解金属の種類を切り換える場合には、残留した前回の金属が不純物として作用しないように、炉本体を清掃等して完全に被溶解金属を除去することが必要になる。この結果、従来は、ロットの切替え時等に要する被溶解金属の除去作業が生産性を低下させると共にオペレータの負担にもなっているため、除去作業を簡単且つ短時間で行えることが望まれている。
【０００５】
また、上記従来の構成では、溶湯を容器に払い出すときに、出湯時に溶湯に発生したコリオリの作用によって回転流が生じて、溶湯が出湯口から周方向に拡散しながら排出されるため、拡散の程度によっては溶湯の一部が容器に収容されない場合がある。従って、歩留りを向上させるため、溶湯の全量を容器に確実に収容できることが望まれている。さらに、生産性の観点から払い出しを短時間で行えることも望まれている。
【０００６】
従って、本発明は、簡単且つ短時間で被溶解金属の除去作業を完了することができる誘導加熱溶解炉を提供し、払い出し時に出湯口から溶湯を確実に容器に収容させることができる誘導加熱溶解炉を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明の誘導加熱溶解炉は、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体と誘導加熱コイルとの間に、耐熱性を有すると共に、絶縁性および非磁性の少なくとも一方を有した材料により前記炉本体の側面壁の変形を防止するように形成されたスタンプ部材が設けられ、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、スタンプ部材が側面壁の外周方向への変形を防止するため、側面壁を構成するセグメント間の隙間やセグメントと炉本体の底面壁との隙間が拡大することがない。この結果、被溶解金属が誘導加熱されて溶湯となっても、この溶湯がセグメント間の隙間等に差し込むことを十分に防止することができる。これにより、被溶解金属が凝固したときに、セグメントが外側に膨れて被溶解金属が炉本体に引っ掛かった状態にならないため、被溶解金属を炉本体から引き上げて実施する除去作業を容易且つ短時間で行うことができる。
【０００９】
請求項２の発明は、誘導加熱溶解炉であって、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路中には、流路を２以上に区分する仕切り壁が設けられ、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、冷却水路全体としては流動抵抗を増大させることなく、導電性セグメントを仕切り壁により補強して変形し難いものとすることができる。
【００１０】
請求項３の発明は、誘導加熱溶解炉であって、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体が純銅よりも強度の高い銅合金で形成されており、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、炉本体が純銅よりも強度の高い銅合金で形成されることにより変形し難いものとなるため、側面壁の変形を防止することができる。
【００１５】
また、請求項１乃至３の発明は、上記の構成によれば、溶湯を炉本体から払い出すときに、出湯ノズルにより溶湯の流動方向を規制して排出時の拡散を防止することができるため、底部出湯機構の下方に設けられた容器内に溶湯を確実に収容させることができる。そして、誘導加熱コイルに交流電力を供給することによって、出湯ノズルに残留した溶湯の付着物や凝固物等の残留物を誘導加熱して溶解させ、出湯ノズルから完全に除去することができる。これにより、出湯ノズルが残留物で詰まることによって、次ロット分の溶湯の払い出しが困難や不可能になる等の不具合を防止することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの発明において、前記出湯構造体の表面温度を検出する温度検出装置を有することを特徴としている。上記の構成によれば、温度検出装置により検出された出湯構造体の表面温度に基づいて被溶解金属の出湯開始時期を推定することができる。
【００１７】
請求項５の発明の誘導加熱溶解炉は、請求項１乃至４のいずれかの発明において、前記炉本体が配置された上側空間部と、前記底部出湯機構が配置された下側空間部とを独立して有した真空容器と、前記上側空間部と下側空間部との圧力差を変更することによって、前記底部出湯機構における出湯流速を制御する出湯制御手段とを有することを特徴としている。上記の構成によれば、出湯時に上側空間部が下側空間部よりも高い圧力となるように両空間部の圧力差を変更することによって、この圧力差と溶湯の自重とで出湯の速度を大きくすることができるため、短時間で溶湯の払い出しを完了することができる。また、出湯終了時に上側空間部が下側空間部よりも低い圧力となるように両空間部の圧力差を変更することによって、この圧力差で出湯の速度を制御でき、また、出湯速度を小さくして溶湯の凝固を促進することができるため、短時間で出湯を停止することができる。
【００１８】
請求項６の発明の誘導加熱溶解炉は、請求項１乃至５のいずれかの発明において、前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路は、冷却能力を高めたい部分の流路断面積が縮小されていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、冷却水路の流路断面積が部分的に縮小されているため、冷却水路全体としては流動抵抗を増大させることなく、流路断面積の縮小により冷却水の流動速度を増大させることによって、この流路断面積の縮小された部分における冷却能力を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図７に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る誘導加熱溶解炉は、図１に示すように、被溶解金属２０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２０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。尚、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やベリリウム銅、クロムジルコニウム銅、テルル銅等の金属材料を用いることができる。また、被溶解金属２０としては、純銅や銅合金の他、金や銀、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共に、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。
【００２１】
上記の炉本体１は、炉本体１の底面壁を構成するように形成されたベース体２と、炉本体１の側面壁を構成するように、ベース体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。ベース体２は、導電性セグメント８で囲まれた円筒部３と、円筒部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。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。
【００２２】
上記の各締結穴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、鉛直方向に立設され、内側面が円筒部３の側周面に当接された側壁部９と、側壁部９の下端部から外周方向に曲折され、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。
【００２３】
上記の導電性セグメント８は、隣接するセグメント８・８同士が互いに電気的に絶縁状態にされている。また、図３にも示すように、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８ａと、スリット８ａよりも広幅の切欠部９ａとが内周側から外周側にかけてこの順に形成されている。スリット８ａおよび切欠部９ａは、導電性セグメント８を縦方向に二分割しており、導電性セグメント８の側壁部９と取付部１０とは、スリット８ａを介して互いに電気的に絶縁状態にされている。さらに、切欠部９ａは、側壁部９の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。
【００２４】
また、各導電性セグメント８の内部には、冷却水路８ｂと連通路８ｃとが形成されている。冷却水路８ｂは、スリット８ａ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８ｃ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・９における冷却水路８ｂ・８ｂの上端部同士を連通している。また、各冷却水路８ｂの下端は、上述のフランジ部４の冷却水路４ｂに連通されている。これらの冷却水路８ｂ・４ｂは、冷却水を流通させることによって、導電性セグメント８を含む炉本体１の全体を所定の温度（被溶解金属２０との反応温度）以下に冷却している。
【００２５】
また、冷却水路８ｂの複数箇所には、図４（ａ）・（ｂ）に示すように、冷却水路８ｂの流路を２つに区分する平板状の仕切り壁３０が設けられている。仕切り壁３０は、左右の両端部が冷却水路８ｂに接合されており、両壁面３０ａが冷却水の流動方向に対して平行となるように配置されている。また、仕切り壁３０の上端部および下端部は、冷却水の流動抵抗を減少させるように縦断面が砲弾形状に形成されている。そして、この仕切り壁３０は、冷却水路８ｂの流路断面積を減少させ、この部分における冷却水の流動速度を増大させることによって、冷却水路８ｂ全体としては流動抵抗を増大させることなく、導電性セグメント８に対する冷却効率を高めると共に、導電性セグメント８を補強するように機能している。尚、仕切り壁３０は、冷却水路８ｂを３つ以上に区分するものであっても良い。また、仕切り壁３０は、溶湯２０ｂやスカル２０ａが導電性セグメント８に接触し易い部分に設けられていることが望ましい。
【００２６】
図２に示すように、上記のように構成された炉本体１の外周側には、炉本体１の内側に交番磁場を発生させる誘導加熱コイル１１が巻回されている。また、炉本体１の側面壁と誘導加熱コイル１１との間には、円筒形状のスタンプ部材３１が設けられている。スタンプ部材３１は、砂やセメント、ケイ砂等の耐熱性を有すると共に、絶縁性および非磁性の少なくとも一方を有した材料により一体的に形成されており、少なくとも炉本体１の側面壁全体に当接または接合されている。そして、スタンプ部材３１は、炉本体１における側面壁の外周方向への変形を防止している。
【００２７】
一方、炉本体１の底面壁は、上述のベース体２の円筒部３により形成されている。円筒部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。上面壁３ａの中心部には、溶湯２０ｂを出湯する底部出湯機構２１が設けられている。底部出湯機構２１は、上面壁３ａに形成された開口部３ｂと、開口部３ｂの下方に位置するように上面壁３ａの下面に設けられた出湯構造体２２と、出湯構造体２２の両側に配設された永久磁石２３と、出湯構造体２２から垂下するように取付けられた出湯ノズル２５と、出湯構造体２２および出湯ノズル２５の周囲に配設された誘導加熱コイル２４とを有している。
【００２８】
上記の開口部３ｂは、上面壁３ａの上面位置から下面位置にかけて開口面積を減少させるように逆円錐状に形成されている。開口部３ｂの下方には、上述の出湯構造体２２が設けられている。出湯構造体２２は、上下方向に連通された出湯穴２２ａを有している。出湯穴２２ａは、開口部３ｂ側の上端位置から中間位置までの開口面積が開口部３ｂと同様の割合で減少する逆円錐形状に形成された後、中間位置から下端位置にまでの開口面積が同一となる円柱形状に形成されることによって、全体として漏斗状に形成されている。出湯構造体２２は、縦割り状の複数の導電性セグメント２２ｂを円周方向に相互に絶縁して配列することにより形成されている。尚、導電性セグメント２２ｂは、上述の炉本体１と同様に、クロム銅により形成することができると共に、純銅や電気抵抗率の低い金や銀等を用いることができる。
【００２９】
上記の出湯構造体２２における円柱形状の出湯穴２２ａには、溶湯２０ｂの払い出し時における流動方向を下方向に規制する出湯ノズル２５が設けられている。出湯ノズル２５は、熱衝撃に強いカーボンにより形成されている。
【００３０】
また、出湯構造体２２の両側には、永久磁石２３が設けられている。永久磁石２３は、Ｎ極およびＳ極が出湯構造体２２を挟んで両側に対向配置されている。そして、永久磁石２３は、溶湯２０ｂの流動方向に対して垂直方向に直流磁界を生成することによって、溶湯２０ｂ内に生じている回転流を減少または消滅させるようになっている。
【００３１】
上記の永久磁石２３の下方には、出湯構造体２２および出湯ノズル２５の周囲に巻回され、溶湯２０ｂの流動方向に沿って磁界を生成する誘導加熱コイル２４が設けられている。誘導加熱コイル２４には、図１に示すように、出湯用電源１５が接続されている。出湯用電源１５は、被溶解金属２０を凝固させる程度の第２周波数の交流電力を出力可能な凝固用電源部と、被溶解金属２０を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力可能な溶解用電源部と、直流電源部とを有している。
【００３２】
尚、溶解用電源部の第１周波数は、凝固用電源部の第２周波数よりも高周波数に設定されている。具体的には、溶解用電源部の第１周波数が４ｋＨｚ程度の高周波数に設定されており、凝固用電源部の第２周波数が例えば商用電源程度の周波数（５０〜１００Ｈｚ程度の低周波数）に設定されている。そして、これらの電源部を備えた出湯用電源１５は、電源制御装置１８に接続されており、電源制御装置１８は、２段階の周波数の交流電力と直流電力とを選択的に出湯用電源１５から出力させるように、凝固用電源部と溶解用電源部と直流電源部との作動を切替え可能になっている。
【００３３】
また、電源制御装置１８には、出湯構造体２２の表面温度を検出する温度検出装置が接続されている。温度検出装置は、温度測定器１９と図示しない熱電対からなる温度センサとを備えている。尚、温度センサは、非接触式の赤外線センサであっても良い。熱電対からなる温度センサは、出湯構造体２２に接合されており、出湯構造体２２の表面温度に対応した電流値や電圧値を検出信号として温度測定器１９に出力する。また、温度測定器１９は、検出信号に基づいて出湯構造体２２内を流動する溶湯２０ｂの温度である出湯温度を求めた後、この出湯温度をデジタル値やアナログ値の出湯温度信号として電源制御装置１８に出力する。そして、電源制御装置１８は、出力温度信号に基づいて出湯開始時期を推定する。
【００３４】
さらに、電源制御装置１８は、溶解用電源１６にも接続されている。溶解用電源１６は、上述の炉本体１の周囲を取り囲むように設けられた誘導加熱コイル１１に接続されている。溶解用電源１６は、交流電力を誘導加熱コイル１１に供給して炉本体１の内壁面に沿った交番磁場を生成させ、この交番磁場を炉本体１に収容された被溶解金属２０に浸透させて誘導加熱する。
【００３５】
また、炉本体１は、真空容器３２内に設けられている。真空容器３２は、炉本体１を収容し、上面開口部３３ａを有した収容体３３と、収容体３３の上面開口部３３ａに対して着脱可能に設けられた蓋体３４とを備えている。収容体３３の内壁面には、ベース体２のフランジ部４が気密状態に接合されている。フランジ部４は、真空容器３２の内部を二分割することによって、炉本体１により被溶解金属２０を溶解する上側空間部３５と、炉本体１から被溶解金属２０を払い出す下側空間部３６とに区分している。
【００３６】
上記の収容体３３の側面壁には、上側排気穴３３ａが上側空間部３５に対応して形成されていると共に、下側排気穴３３ｂが下側空間部３６に対応して形成されている。上側排気穴３３ａは、電磁バルブ３７ａおよび圧力調整器３７ｂからなる第１圧力調整機構３７（出湯制御手段）を介して真空ポンプ３９に接続されている。また、下側排気穴３３ｂは、電磁バルブ３８ａおよび圧力調整器３８ｂからなる第２圧力調整機構３８（出湯制御手段）を介して真空ポンプ３９に接続されている。さらに、上側排気穴３３ａおよび下側排気穴３３ｂには、バルブ３７ｃ・３８ｃを介して不活性ガスがそれぞれ導入可能にされており、バルブ３７ｃ・３８ｃは、上部空間部３５および下部空間部３６に圧力差を生じさせることを可能にしている。そして、例えばこれらの圧力調整機構３７・３８は、炉本体１から被溶解金属２０を払い出すときに被溶解金属２０の排出を補助するように、下側空間部３６の圧力を上側空間部３５の圧力よりも低くするように調整する。
【００３７】
一方、蓋体３４の上面壁には、引上機構４０が設けられている。引上機構４０は、炉本体１に残留した被溶解金属２０と接合される接合部材４１と、接合部材４１を昇降させる昇降シリンダ４２（昇降装置）と、接合部材４１と昇降シリンダ４２とを着脱可能に連結する連結部材４３とを有している。そして、このように構成された引上機構４０は、接合部材４１を溶融状態の被溶解金属２０に浸漬し、被溶解金属２０が凝固したときに、この被溶解金属２０を接合部材４１と共に引き上げることにより炉本体１から抜き取って外部に搬出する。
【００３８】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作を説明する。
先ず、真空容器３２の蓋体３４が図示二点鎖線等の待機位置に移動され、収容体３３の上面開口部３３ａが開口されることによって、上面開口部３３ａの上方から塊状や粉状の被溶解金属２０が炉本体１に投入される。そして、１バッチ分の被溶解金属２０が投入された後、収容体３３の上面開口部３３ａが蓋体３４により密封される。
【００３９】
次に、真空容器３２内の上側空間部３５および下側空間部３６の減圧が開始されると共に、側壁部９の冷却水路８ｂに冷却水が供給されることにより炉本体１が冷却される。この際、図３および図４（ａ）・（ｂ）に示すように、冷却水路８ｂの流路断面積が仕切り壁３０により縮小されているため、仕切り壁３０により分割された各流路を冷却水が他の部分よりも高速で流動する。従って、仕切り壁３０が設けられた部分が他の部分よりも高い冷却能力でもって冷却されながら導電性セグメント８の冷却が行われる。尚、仕切り壁３０が冷却水路８ｂ中に部分的に配置されているため、仕切り壁３０の存在によっては冷却水路８ｂの流動抵抗が殆ど増大することがない。この結果、導電性セグメント８を含む炉本体１が冷却水により効率良く冷却されることになる。
【００４０】
この後、各空間部３５・３６の圧力が圧力調整機構３７・３８により例えば４．０×１０4 Ｐａ等の所定圧力にまで減圧されたときに、電源制御装置１８からの指令により溶解用電源１６から誘導加熱コイル１１に対して交流電力が供給される。誘導加熱コイル１１に交流電力が供給されると、誘導加熱コイル１１の周囲に交番磁場が生成されることになり、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および隔壁部材１２を介して炉本体１の内側に透過し、被溶解金属２０を誘導加熱する。
【００４１】
これにより、図２に示すように、被溶解金属２０は、溶融温度に昇温した表面側から溶解を開始して溶湯２０ｂ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２０ｂ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、皿状のスカル２０ａを形成する。そして、スカル２０ａ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２０ａ上に溶湯２０ｂとして滞留していくことになる。そして、溶湯２０ｂの滞留量が増加すると、溶湯２０ｂ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。また、このような溶湯２０ｂの形成時において、被溶解金属２０のスカル２０ａと接触する内面側が反応温度以下に冷却されているため、炉本体１の不純物がスカル２０ａを介して溶湯２０ｂに移行することもない。
【００４２】
次に、図１に示すように、電源制御装置１８において、被溶解金属２０の溶解が開始されてからの経過時間と、温度測定器１９により計測された出湯構造体２２の表面温度とに基づいて溶湯２０ｂの出湯開始時期が推定される。即ち、図５（ａ）に示すように、被溶解金属２０の溶解が進行することによって、出湯構造体２２の上方に位置するスカル２０ａの層厚が薄くなっていくと、これに伴って出湯構造体２２の表面温度が上昇する。そして、スカル２０ａの層厚が十分に薄くなったときの表面温度となったときに、上述の経過時間も加味されながら出湯開始時期であると推定される。尚、この経過時間と表面温度とに基づく推定は、オペレータにより行われても良い。
【００４３】
溶湯２０ｂの出湯開始時期であると推定された場合には、図１に示すように、第２圧力調整機構３８の設定圧力が例えば１．３Ｐａ等のように変更されることによって、下側空間部３６の圧力が上側空間部３５の圧力よりも低くなるように減圧される。また、電源制御装置１８から出湯用電源１５に対して溶解用電源部を作動させるように指令されることによって、図２に示すように、出湯用電源１５から高周波数の交流電力が誘導加熱コイル２４に供給され、誘導加熱コイル２４の周辺に高周波数の交番磁場が生成される。
【００４４】
高周波数の交番磁場は、図５（ａ）に示すように、出湯構造体２２および開口部３ｂの内面の薄い凝固層（浸透深さ）にのみ渦電流を流す。これにより、図５（ｂ）に示すように、この薄い凝固層での電流密度が高いため、出湯構造体２２および開口部３ｂの内表面に凝固しているスカル２０ａが凝固界面側から溶解して薄くなることによって、最終的には溶湯２０ｂの自重による圧力および空間部３５・３６の圧力差により短時間で出湯し始めることになる。
【００４５】
尚、図５（ｃ）に示すように、出湯構造体２２の表面温度に基づいて溶湯２０ｂの出湯開始時期が推定されずに、出湯構造体２２の上方に位置するスカル２０ａの層厚が厚い状態でこのスカル２０ａに対して誘導加熱が行われた場合には、図５（ｄ）に示すように、スカル２０ａの凝固界面側からの溶解だけではスカル２０ａの層厚を出湯可能な程度にまで薄くすることができないため、溶湯２０ｂを出湯させることはできない。
【００４６】
出湯が開始されると、図２に示すように、出湯用電源１５の直流電源部が作動するように切り換えられ、出湯構造体２２および出湯ノズル２５の内部に溶湯２０ｂの流動方向に沿った直流磁場が生成される。また、出湯時においては、溶湯２０ｂが出湯構造体２２の深部へ進行するのに従って溶湯２０ｂ内の角運動量保存則により高速に旋回する作用を受けることになるが、永久磁石２３の直流磁界が回転流を減少させるため、溶湯２０ｂの旋回が抑制される。また、上述の出湯用電源１５の直流電源部による溶湯２０ｂの流動方向に沿った直流磁場によって、溶湯２０ｂの旋回や乱れがさらに抑制される。この結果、溶湯２０ｂが出湯ノズル２５から排出されたときに、高速の旋回により極端に拡散することがない。さらに、出湯構造体２２から垂下された出湯ノズル２５が溶湯２０ｂの流動方向を一方向に規制している。これにより、溶湯２０ｂは、出湯ノズル２５からほぼ直線的に排出され、排出方向に配置された容器４４内に確実に収容されることになる。
【００４７】
上記の払い出しにより炉本体１における溶湯２０ｂが少なくなると、溶湯２０ｂの自重によっては単位時間当たりの排出量が減少することになるが、空間部３５・３６の圧力差により排出量の減少が最小限に抑制される。この結果、払い出しが短時間で完了することになる。そして、払い出しが完了すると、下側空間部３６の圧力が上側空間部３５の圧力と同等の状態に復帰され、出湯が停止される。尚、払い出しを完了した後の出湯終了時においては、下側空間部３６の圧力が上側空間部３５の圧力よりも高くなるように圧力調整されても良い。この場合には、両空間部３６・３５の圧力差により溶湯２０ｂの出湯流速を低下させることができるため、出湯を短時間で停止させることができる。
【００４８】
出湯が終了すると、電源制御装置１８により指令を受けた出湯用電源１５が誘導加熱コイル２４に高周波数の交流電力を供給する。これにより、出湯ノズル２５内に残留した溶湯２０ｂやスカル２０ａの付着物や凝固物からなる残留物が誘導加熱され、溶融状態となって滴下することによって、出湯ノズル２５から完全に除去される。この結果、出湯ノズル２５が残留物で詰まることによって、次ロット分の溶湯２０ｂの払い出しが困難や不可能になる等の不具合が防止される。
【００４９】
次に、例えば被溶解金属２０の種類を切り換える場合には、炉本体１内の不要な被溶解金属２０が引上機構４０を用いて除去される。即ち、図１に示すように、誘導加熱コイル１１への電力供給が停止されることによって、被溶解金属２０に対する誘導加熱が停止される。そして、被溶解金属２０が溶湯２０ｂの状態を維持している間に、接合部材４１が下降されて溶湯２０ｂに浸漬される。被溶解金属２０が凝固したときに、接合部材４１が上昇されることによって、全ての被溶解金属２０が引き上げられて炉本体１から一気に抜脱される。尚、本実施形態においては、昇降シリンダ４２により溶解金属２０を引き上げているが、より大きな炉では、接合部材４１に例えばネジ構造の連結部を設けておき、工場内のクレーン装置により連結部にワイヤ等を連結して吊り上げるようになっていても良い。
【００５０】
この際、被溶解金属２０の溶解時においては、炉本体１における側面壁が外周方向に変形し易いという性質を有しているが、この側面壁をスタンプ部材３１および図２の仕切り壁３０が補強していると共に、炉本体１が純銅よりも大きな強度のクロム銅により形成されているため、炉本体１の側面壁が外周方向に太鼓状に変形することはない。従って、引っ掛かった状態にならないため、引上機構４０による被溶解金属２０の引き上げが極めて簡単に完了することになる。
【００５１】
上記のようにして被溶解金属２０の除去作業を完了し、空間部３５・３６が大気圧になると、引上機構４０を搭載した蓋体３４が図示二点鎖線の待機位置に移動される。そして、この蓋体３４の待機位置において、連結部材４３が切り離されることによって、被溶解金属２０が回収される。
【００５２】
尚、本実施形態においては、スタンプ部材３１により炉本体１の側面壁の変形を防止することによって、被溶解金属２０の引き上げを簡単化しているが、これに限定されるものではない。即ち、図５に示すように、導電性セグメント８の締結穴１０ａを半径方向に長径方向が一致した長穴形状とする。そして、被溶解金属２０の溶解時においては、導電性セグメント８を図示実線の位置に前進させておき、溶解が完了して被溶解金属２０が凝固したときに、導電性セグメント８を図示二点鎖線の位置に後退させることによって、導電性セグメント８の側壁部９と円筒部３との隙間を拡大させた後、被溶解金属２０を引き上げるようになっていても良い。そして、この場合には、円筒部３と側壁部９との間に差し込んだ部分を側壁部９から引き離すことができるため、被溶解金属２０を容易に引き上げることができる。
【００５３】
また、本実施形態においては、図２に示すように、出湯ノズル２５を介して出湯する場合について説明しているが、これに限定されるものでもない。図７に示すように、誘導加熱コイル２４と永久磁石２３とを備えていれば、出湯ノズル２５を用いなくても溶湯２０ｂの拡散を十分に防止しながら出湯することができる。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明の誘導加熱溶解炉は、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体と誘導加熱コイルとの間に、耐熱性を有すると共に、絶縁性および非磁性の少なくとも一方を有した材料により前記炉本体の側面壁の変形を防止するように形成されたスタンプ部材が設けられ、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有する構成である。
【００５５】
上記の構成によれば、スタンプ部材が側面壁の外周方向への変形を防止するため、側面壁を構成するセグメント間の隙間やセグメントと炉本体の底面壁との隙間が拡大することがない。この結果、被溶解金属が誘導加熱されて溶湯となっても、この溶湯がセグメント間の隙間等に差し込むことを十分に防止することができる。これにより、被溶解金属が凝固したときに、セグメントが外側に膨れて被溶解金属が炉本体に引っ掛かった状態にならないため、被溶解金属を炉本体から引き上げて実施する除去作業を容易且つ短時間で行うことができるという効果を奏する。
【００５６】
請求項２の発明は、誘導加熱溶解炉であって、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路中には、流路を２以上に区分する仕切り壁が設けられ、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有する構成である。上記の構成によれば、冷却水路全体としては流動抵抗を増大させることなく、導電性セグメントを仕切り壁により補強して変形し難いものとすることができるという効果を奏する。
【００５７】
請求項３の発明は、誘導加熱溶解炉であって、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、前記炉本体の底面壁に設けられた底部出湯機構とを有し、前記炉本体が純銅よりも強度の高い銅合金で形成されており、前記底部出湯機構は、前記底面壁に逆円錐形状に形成された開口部と、前記開口部の下方に設けられ、上下方向に連通された出湯穴を有するように、縦割り状の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形成された出湯構造体と、前記出湯構造体の出湯穴から垂下されたカーボン製の出湯ノズルと、前記出湯構造体および出湯ノズルの周囲に配設された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波数の交流電力を供給可能な出湯用電源と、前記誘導加熱コイルに前記高周波数の交流電力を供給するように前記出湯用電源を制御する電源制御装置とを有する構成である。上記の構成によれば、炉本体が純銅よりも強度の高い銅合金で形成されることにより変形し難いものとなるため、側面壁の変形を防止することができるという効果を奏する。
【００６２】
また、請求項１乃至３の発明は、上記の構成によれば、溶湯を炉本体から払い出すときに、出湯ノズルにより溶湯の流動方向を規制して排出時の拡散を防止することができるため、底部出湯機構の下方に設けられた容器内に溶湯を確実に収容させることができる。そして、出湯終了後に誘導加熱コイルに交流電力を供給することによって、出湯ノズルに残留した溶湯の付着物や凝固物等の残留物を誘導加熱して溶解させ、出湯ノズルから完全に除去することができる。これにより、出湯ノズルが残留物で詰まることによって、次ロット分の溶湯の払い出しが困難や不可能になる等の不具合を防止することができるという効果を奏する。
【００６３】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの発明において、前記出湯構造体の表面温度を検出する温度検出装置を有する構成である。上記の構成によれば、温度検出装置により検出された出湯構造体の表面温度に基づいて被溶解金属の出湯開始時期を推定することができるという効果を奏する。
【００６４】
請求項５の発明の誘導加熱溶解炉は、請求項１乃至４のいずれかの発明において、前記炉本体が配置された上側空間部と、前記底部出湯機構が配置された下側空間部とを独立して有した真空容器と、前記上側空間部と下側空間部との圧力差を変更することによって、前記底部出湯機構における出湯流速を制御する出湯制御手段とを有する構成である。
【００６５】
上記の構成によれば、出湯時に上側空間部が下側空間部よりも高い圧力となるように両空間部の圧力差を変更することによって、この圧力差と溶湯の自重とで出湯の速度を大きくすることができるため、短時間で溶湯の払い出しを完了することができる。また、出湯終了時に上側空間部が下側空間部よりも低い圧力となるように両空間部の圧力差を変更することによって、この圧力差で出湯の速度を制御でき、また、出湯速度を小さくして溶湯の凝固を促進することができるため、短時間で出湯を停止することができるという効果を奏する。
【００６６】
請求項６の発明の誘導加熱溶解炉は、請求項１乃至５のいずれかの発明において、前記炉本体の導電性セグメントには、冷却水を流通させる冷却水路が形成されており、該冷却水路は、冷却能力を高めたい部分の流路断面積が縮小されている構成である。
【００６７】
上記の構成によれば、冷却水路の流路断面積が部分的に縮小されているため、冷却水路全体としては流動抵抗を増大させることなく、流路断面積の縮小により冷却水の流動速度を増大させることによって、この流路断面積の縮小された部分における冷却能力を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘導加熱溶解炉の動作状態を示す説明図である。
【図２】炉本体内での溶湯の状態を示す説明図である。
【図３】導電性セグメントの要部斜視図である。
【図４】導電性セグメント内の仕切り壁を示すものであり、（ａ）は正面視した状態、（ｂ）は平面視した状態の説明図である。
【図５】出湯構造体の上方に位置するスカルの状態を示したものであり、（ａ）はスカルの層厚が薄くなってから誘導加熱した状態の説明図、（ｂ）は出湯した状態の説明図、（ｃ）はスカルの層厚が厚いうちに誘導加熱した状態の説明図、（ｄ）は出湯されない状態の説明図である。
【図６】炉本体内での溶湯の状態を示す説明図である。
【図７】炉本体内での溶湯の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  炉本体
２  ベース体
３  柱状部
４  フランジ部
６  ボルト部材
７  ナット部材
８  導電性セグメント
９  側壁部
１０  取付部
１１  誘導加熱コイル
２０  被溶解金属
２０ａ  スカル
２０ｂ  溶湯
２１  底部出湯機構
２２  出湯構造体
２４  誘導加熱コイル
２５  出湯ノズル
３０  仕切り壁
３１  スタンプ部材
３２  真空容器
３４  蓋体
３５  上側空間部
３６  下側空間部
３７  第１圧力調整機構
３８  第２圧力調整機構
４０  引上機構
４１  接合部材
４２  昇降シリンダ
４３  連結部材
４４  容器
【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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