(57)【要約】容器内の溶融金属または他の電気伝導性材料は誘導加熱と同時に誘導的に攪拌される。単相交流電源は容器の周囲に配置された少なくとも１つの３つのコイルの組の部分に誘導加熱電力を供給する。三相交流電源は容器の周囲に配置された少なくとも１つの３つのコイルの組の部分に誘導攪拌電力を供給する。単相交流電源は加熱用共振回路を形成するためにコイル部分に容量的に接続され、三相交流電源は攪拌用共振回路を形成するためにコイル部分に誘導的に接続される。加熱回路の容量性部材は三相交流電源の出力に対して、三相交流電源の出力から単相交流電源の入力に電力が移行することを阻止するために十分なインピーダンスを与える。攪拌回路の誘導性部材は単相交流電源の出力に対して、単相交流電源の出力から三相交流電源の入力に電力が移行することを阻止するために十分なインピーダンスを与える。
2004532502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続された複数の誘導コイルが周囲に配置されている容器内の電気伝導性材料を磁気誘導によって同時に加熱及び攪拌をするための装置であって：
誘導加熱周波数で動作する出力を有する単相交流電源；
前記誘導加熱周波数より小さい誘導攪拌周波数で動作する出力を有する三相交流電源；
前記複数の誘導コイルに交流加熱電流を供給するために、前記単相交流電源の出力を前記複数の誘導コイルに接続し、共振周波数または共振周波数付近で動作する加熱回路を形成する、少なくとも１つの容量性部材であって、動作中、前記交流加熱電流が加熱用磁場を発生し、前記加熱用磁場が前記電気伝導性材料を加熱するために前記電気伝導性材料と誘導結合することを特徴とする容量性部材；及び、
前記複数の誘導コイルに交流攪拌電流を供給するために、前記三相交流電源の出力を前記複数の誘導コイルに接続し、共振点または共振点付近で動作する攪拌回路を形成する、少なくとも１つの誘導性部材であって、動作中、前記交流攪拌電流が攪拌用磁場を発生し、前記攪拌用磁場が前記電気伝導性材料を攪拌するために前記電気伝導性材料と誘導結合することを特徴とする誘導性部材、
とから成り、前記少なくとも１つの容量性部材が前記三相交流電源の出力が前記単相交流電源の出力に電力供給することを実質的に阻止し、前記少なくとも１つの誘導性部材が前記単相交流電源の出力が前記三相交流電源の出力に電力供給することを実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置。
【請求項２】
容器内の電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置であって：
前記容器の周囲に配置された複数の誘導コイルであって、第１及び第２の開デルタ端子並びに第１及び第２の閉デルタ端子を有する開デルタ結線回路を構成する、少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続された複数の誘導コイル；
第１開デルタ端子に接続された第１コンデンサー端子、及び第２コンデンサー端子を有する加熱回路コンデンサー；
前記第２コンデンサー端子に接続された第１出力加熱供給端子、及び前記第２開デルタ端子に接続された第２出力加熱供給端子を有し、加熱周波数で動作する単相交流電源；
各々が第１インダクター端子及び第２インダクター端子を有する複数の攪拌回路インダクターであって、前記攪拌回路インダクターの各々の第１インダクター端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記第１閉デルタ端子、前記第２閉デルタ端子、及び前記第２開デルタ端子に排他的に接続されている攪拌回路インダクター；及び、
前記加熱周波数より低い攪拌周波数で動作する、３つの出力攪拌供給端子を有する三相交流電源であって、前記出力攪拌供給端子の各々が前記複数の攪拌回路インダクターの各々の前記第２インダクター端子に排他的に接続されている三相交流電源、
から成り、前記単相交流電源が前記電気伝導性材料を加熱するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に誘導性加熱電力を供給し、前記複数の攪拌回路インダクターが前記加熱電力の前記三相交流電源への入力を実質的に阻止し、前記三相交流電源が前記電気伝導性材料を攪拌するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に攪拌電力を供給し、前記加熱回路コンデンサーが前記攪拌電力の前記単相交流電源への入力を実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置。
【請求項３】
前記攪拌周波数が特定の周波数範囲内で可変である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記三相交流電源が可変な周波数出力を有するパルス幅変調式電源である、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
容器内の電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置であって：
前記容器の周囲に配置された複数の誘導コイルであって、第１及び第２の開デルタ端子及び第１及び第２の閉デルタ端子を有する開デルタ結線回路を構成する、少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続された複数の誘導コイル；
互いにほぼ等しい容量を有する第１加熱回路コンデンサー及び第２加熱回路コンデンサーであって、各々が第１端子、及び共通コンデンサー接続を形成するために互いに接続された第２端子を有する第１加熱回路コンデンサー及び第２加熱回路コンデンサー；
正の直流バス及び負の直流バス、並びに第１出力加熱供給端子及び第２出力加熱供給端子を有し、加熱周波数で動作する単相加熱交流電源であって、前記第１出力加熱供給端子が前記単相加熱交流電源の半ブリッジの中央部分を構成し、前記正の直流バスが前記第１加熱回路コンデンサーの第１端子に接続されており、前記負の直流バスが前記第２加熱回路コンデンサーの第１端子に接続されている単相加熱交流電源；
各々が第１インダクター端子及び第２インダクター端子を有する複数の攪拌回路インダクターであって、前記攪拌回路インダクターの各々の第１インダクター端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記第１閉デルタ端子、前記第２閉デルタ端子、及び前記第２開デルタ端子に排他的に接続されている攪拌回路インダクター；及び、
前記加熱周波数より低い攪拌周波数で動作する、３つの出力攪拌供給端子を有する三相交流電源であって、前記出力攪拌供給端子の各々が前記複数の攪拌回路インダクターの各々の前記第２インダクター端子に排他的に接続されている三相交流電源、
から成り、前記単相交流電源が前記電気伝導性材料を加熱するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に加熱電力を供給し、前記複数の攪拌回路インダクターが前記加熱電力の前記三相交流電源への入力を実質的に阻止し、前記三相交流電源が前記電気伝導性材料を攪拌するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に攪拌電力を供給し、前記加熱回路コンデンサーが前記攪拌電力の前記単相交流電源への入力を実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置。
【請求項６】
前記攪拌周波数が特定の周波数範囲内で可変である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記三相交流電源が可変な周波数出力を有するパルス幅変調式電源である、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
容器内の電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置であって：
前記容器の周囲に配置された複数の誘導コイルであって、前記複数の誘導コイルの全てに対する共通端子、第１端子、第２端子、及び第３端子を有するＹ結線回路を構成する、少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続されている複数の誘導コイル；
各々が第１コンデンサー端子及び第２コンデンサー端子を有する複数の加熱回路コンデンサーであって、前記加熱回路コンデンサーの各々の前記第１コンデンサー端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子に排他的に接続されている加熱回路コンデンサー；
第１出力加熱供給端子及び第２出力加熱供給端子を有する単相加熱交流電源であって、前記第１出力加熱供給端子が前記複数の加熱回路コンデンサーの全ての前記第２コンデンサー端子に接続されており、前記第２出力加熱供給端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記共通端子に接続されている単相加熱交流電源；
各々が第１インダクター端子及び第２インダクター端子を有する複数の攪拌回路インダクターであって、前記攪拌回路インダクターの各々の第１インダクター端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子に排他的に接続されている攪拌回路インダクター；及び、
前記加熱周波数より低い攪拌周波数で動作する、３つの出力攪拌供給端子を有する三相交流電源であって、前記出力攪拌供給端子の各々が前記複数の攪拌回路インダクターの各々の前記第２インダクター端子に排他的に接続されている三相交流電源、
から成り、前記単相交流電源が前記電気伝導性材料を加熱するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に誘導性加熱電力を供給し、前記複数の攪拌回路インダクターが前記加熱電力の前記三相交流電源への入力を実質的に阻止し、前記三相交流電源が前記電気伝導性材料を攪拌するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に攪拌電力を供給し、前記加熱回路コンデンサーが前記攪拌電力の前記単相交流電源への入力を実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置。
【請求項９】
前記攪拌周波数が特定の周波数範囲内で可変である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記三相交流電源が可変な周波数出力を有するパルス幅変調式電源である、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
容器内の電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置であって：
前記容器の周囲に配置された複数の誘導コイルであって、前記複数の誘導コイルの全てに対する共通端子、第１端子、第２端子、及び第３端子を有するＹ結線回路を構成する、少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続されている複数の誘導コイル；
各々が第１コンデンサー端子及び第２コンデンサー端子を有する複数の加熱回路コンデンサーであって、前記加熱回路コンデンサーの各々の前記第１コンデンサー端子が前記三相インピーダンス回路の前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子に排他的に接続されている加熱回路コンデンサー；
第１出力加熱供給端子及び第２出力加熱供給端子を有する単相加熱交流電源であって、前記第１出力加熱供給端子が前記複数の加熱回路コンデンサーの全ての第２コンデンサー端子に接続されており、前記第２出力加熱供給端子が前記三相インピーダンス回路の前記共通端子に接続されている単相加熱交流電源；
各々が第１インダクター端子及び第２インダクター端子を有する複数の攪拌回路インダクターであって、前記攪拌回路インダクターの各々の第１インダクター端子が前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路の前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子に排他的に接続されている攪拌回路インダクター；及び、
前記加熱周波数より低い攪拌周波数で動作する、３つの出力端子を有する三相交流電源であって、前記出力端子の各々が前記複数の攪拌回路インダクターの１つの前記第２インダクター端子に排他的に接続されている三相交流電源、
から成り、前記単相交流電源が前記電気伝導性材料を加熱するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に加熱電力を供給し、前記複数の攪拌回路インダクターが前記加熱電力の前記三相交流電源への入力を実質的に阻止し、前記三相交流電源が前記電気伝導性材料を攪拌するために前記少なくとも１つの三相インピーダンス回路に攪拌電力を供給し、前記加熱回路コンデンサーが前記攪拌電力の前記単相交流電源への入力を実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための装置。
【請求項１２】
前記攪拌周波数が特定の周波数範囲内で可変である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記三相交流電源が可変な周波数出力を有するパルス幅変調式電源である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの三相インピーダンス回路を形成するために互いに接続された複数の誘導コイルが周囲に配置されている容器内の電気伝導性材料を磁気誘導によって、同時に加熱及び攪拌をするための方法であって：
誘導加熱周波数で動作する出力を有する単相交流電源を備えること；
前記誘導加熱周波数より小さい誘導攪拌周波数で動作する出力を有する三相交流電源を備えること；
前記電気伝導性材料と誘導結合することによって前記電気伝導性材料を加熱する加熱用磁場を発生する交流加熱電流を前記複数の誘導コイルに供給するための、共振周波数または共振周波数付近で動作する加熱回路を形成するために、少なくとも１つの容量性部材によって前記単相交流電源の出力を前記複数の誘導コイルに接続すること；及び、
前記電気伝導性材料と誘導結合することによって前記電気伝導性材料を攪拌する攪拌用磁場を発生する交流攪拌電流を前記複数の誘導コイルに供給するための、共振周波数または共振周波数付近で動作する攪拌回路を形成するために、少なくとも１つの誘導性部材によって前記三相交流電源の出力を前記複数の誘導コイルに接続すること、
のステップから成り、前記少なくとも１つの容量性部材が前記三相交流電源の出力が前記単相交流電源の出力に電力供給することを実質的に阻止し、前記少なくとも１つの誘導性部材が前記単相交流電源の出力が前記三相交流電源の出力に電力供給することを実質的に阻止する、電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌をするための方法。
【請求項１５】
前記攪拌周波数を特定の周波数範囲内で変化させ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】
前記三相交流電源が可変な周波数出力を有するパルス幅変調式電源である、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気伝導性の溶融材料の誘導加熱及び誘導攪拌（または、乱流攪拌）に関し、特に、溶融材料の同時的な誘導加熱及び誘導攪拌に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等の電気伝導性材料を誘導炉や坩堝に入れ、電気伝導性材料を交流磁場に磁気的に結合させることによって、電気伝導性材料を加熱及び保温する技術はこの分野で周知である。磁場は坩堝の周りに配置された１つまたは複数の誘導コイルに電源から交流電流を流すことによって発生させられる。一般に、誘導加熱と共に適当な大きさ及びパターンの電磁気的攪拌（electromagnetic stirring）を達成するために、誘導炉の容量及び印加される誘導電力（及び誘導電流）が増大するにつれて、電流の周波数は減少させられる。例えば、１６トン（３５,０００ポンド）の鉄を収容することが可能な容量を持った炉の最適な電力周波数が約１５０Ｈｚであるのに対し、２.２５トン（５,０００ポンド）の鉄を収容することが可能な容量を持った炉の最適な電力周波数は約６００Ｈｚである。
【０００３】
この分野において、交流磁場中に置かれた溶融物は、与えられた磁場によって溶融物中に発生した渦電流が与えられた磁場に対向する磁束場（flux field）を発生するときに移動することが知られている。一般に、高い周波数の電流によって発生する磁場は攪拌動作をほとんど生じず、低い周波数の電流によって発生する磁場は溶融物中に環状の流れを伴う所望の電磁気攪拌動作を生じる。また、与えられた磁場（すなわち、印加された電流）の大きさが増大すると、流れの乱流（turbulence）も増大する。
【０００４】
溶融物の種類や用途によっては、予め選択された単一の周波数を持った交流電源が処理に必要な、十分な程度の加熱及び攪拌を与えることができる場合もある。しかしながら、一般的には、加熱及び攪拌に対して異なった周波数が使用される。加熱機能及び攪拌機能を達成するために、２つの異なった周波数で交流電力を印加するための多様な従来技術がこの分野で知られている。初期の従来技術は加熱及び攪拌のための電源を誘導コイルから交互に分離するスイッチ装置を利用していた。しかしながら、スイッチ装置は加熱と攪拌を同時に行うことができず、また、付加的な部材を必要とするという欠点を持つ。
【０００５】
これに対し、近年の従来技術は（予め選択された加熱用の周波数を持つ）加熱用の電力と（予め選択された攪拌用の周波数を持つ）攪拌用の電力を同時に印加する構成を利用している。しかしながら、これらの構成は同時に印加される加熱用の電源と攪拌用の電源との間に十分な電気的絶縁を確立する必要がある。この絶縁が不十分であると、互いに異なった電圧及び（または）周波数で動作している２つの電源の出力が接続された状態となり、電源内で使用されている電子部材が正常に動作しなかったり、故障してしまったりする可能性がある。
【０００６】
この問題に対する１つの解決策は米国特許No.5,012,487「Induction Melting」に開示されている。図１は米国特許No.5,012,487に開示されている従来技術を概略的に表している回路図である。図１において、一次巻線１２４及び二次巻線１２８を備える、静電的に遮蔽された三相変圧器１２６は、誘導加熱用容器の周囲に配置される誘導コイルを構成する３つのコイル１１４ａ、１１４ｂ及び１１４ｃから成る部分に攪拌用の電力を与えるために使用されている。攪拌用電力は５０Ｈｚの三相電源１２０（商用電力）によって与えられている。変圧器１２６はまた、三相デルタ結線（delta-connection）された力率補正装置（図示せず）に電力供給する三次の三相巻線１２７を備えている。
【０００７】
図１に示されているように、３つのコイルから成る部分にはコンデンサー１３８ａ、１３８ｂが接続されている。１５０Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数範囲で動作している加熱用電源１３６の高電圧単相出力はコンデンサーを介して３つのコイル部分に加熱用電力を供給する。結果的に生ずるＬＣ直列回路が加熱用電源の動作周波数に共振するように、コンデンサー、コイル部分、及び変圧器の二次巻線のインピーダンスを適当に選択することによって、加熱用電力は加熱用電源からコイル部分に移される。この構成において、５０Ｈｚの攪拌用電源は上記の共振周波数とは異なる周波数で動作しており、攪拌用電源１２０と加熱用電源１３６との間には同調された直列共振回路が存在するので、攪拌用電源１２０の電力は加熱用電源１３６の端子に実質的に移されない。また逆に、変圧器１２６の二次巻線は加熱用電源の動作周波数で、実質的に並列（parallel）なので、加熱用電力は攪拌用電源に実質的に移されない。
【０００８】
しかしながら、米国特許No.5,012,487に開示された回路構成にもいくつかの欠点がある。米国特許No.5,012,487で使用されている電圧タップ切換器（voltage tap changer）（図示せず）及び三次巻線を備えた電力変圧器１２６は比較的高価な部品である。また、直列共振回路が適当な動作をするためには、加熱用電源と攪拌用電源との間に適当な範囲の周波数の差が存在しなければならない。この問題は大きい容量を持った溶融用容器を使用するときに、特に深刻な問題となる。
【０００９】
したがって、攪拌用電源の周波数（及び、それによって誘導される磁場の周波数）が加熱用電源の周波数より小さい場合、または攪拌用電源の周波数が加熱用電源の周波数に近い場合に、分離用のスイッチや変圧器を必要とせずに、２つの別個の電源から供給される電力によって同時に加熱と攪拌を行うための装置及び方法に対する必要性が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は上述の課題を解決し、改善した加熱と攪拌を同時に行うための装置及び方法を提供することである。換言すると、本発明の目的は、特に、攪拌用電源の周波数が加熱用電源の周波数より小さい場合、または攪拌用電源の周波数と加熱用電源の周波数が接近している場合に、分離用のスイッチや高価な変圧器を必要とせずに、２つの別個の電源から供給される電力によって加熱と攪拌（または、乱流攪拌）を同時に行うための装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの側面において、本発明は周囲に少なくとも１つの、３つの相互に接続された誘導コイルから成る部分が配置された容器の内部に収容された電気伝導性材料を同時に加熱及び攪拌するための装置及び方法を提供する。電気伝導性材料の誘導加熱は１つまたは複数の容量性部材（同調コンデンサー）を介してコイル部分に単相の交流電力を供給することによって達成され、電気伝導性材料の誘導攪拌は１つまたは複数の誘導性部材（インダクターまたはコイル）を介してコイル部分に三相交流電力を供給することによって達成される。
【００１２】
単相交流電源と三相交流電源との間の電力の移動を防止するために、容量性部材を備えた加熱回路とコイル部分は第１共振周波数またはその付近で動作し、誘導性部材を備えた攪拌回路とコイル部分は第２共振周波数またはその付近で動作する。この構成により、加熱回路の容量性部材（コンデンサー）は三相交流電源の出力に対して、三相交流電源の出力から単相交流電源の入力に電力が移行することを阻止するために十分なインピーダンスを与え、攪拌回路の誘導性部材（インダクターまたはコイル）は単相交流電源の出力に対して、単相交流電源の出力から三相交流電源の入力に電力が移動することを阻止するために十分なインピーダンスを与える。結果として、本発明は付加的な分離用のスイッチや高価な変圧器を必要とせずに、２つの別個の電源から供給される電力によって同時に加熱と攪拌を行うことが可能な装置及び方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を図面と共に以下に詳細に説明する。しかしながら、以下の説明及び図面は説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は付随する請求の範囲によって規定される。
【００１４】
図２には、本発明に従った、同時式誘導加熱及び誘導攪拌装置１０の１つの例が概略的な回路図として図示されている。単相加熱電源１２はコイルＬ１に誘導加熱用電力を与えることができれば、どのような種類のものであってもよい。コイルＬ１は電気伝導性溶融材料または溶融物を収容している加熱用容器または坩堝（図示せず）の周りに配置される。誘導加熱用電力は容器内の電気伝導性材料を溶融したり、付加的な溶融物が加えられたときに溶融された溶融物を保温したりするために使用される。したがって、本願で使用される用語「加熱」は容器内の材料を溶融するための誘導加熱を意味する。（制限ではないが）好まれるものとして、電気伝導性材料を加熱するために使用される電源の周波数範囲は約１００Ｈｚから１００ｋＨｚである。図２において、記号Ｃ１はＣ１−Ｌ１直列回路の力率を改善するために使用される、１つまたは複数の同調コンデンサーを表している。電源１６ａは三相攪拌用電源の１つの相（phase）を表している。三相攪拌用電源は誘導コイルＬ１に電磁気攪拌用電力を与えることができれば、どのような種類のものであってもよい。（制限ではないが）攪拌電源の適当な出力周波数の範囲は約１Ｈｚから１００Ｈｚの間である。
【００１５】
図２を再び参照すると、例として、１６０Ｈｚの周波数ｆhで動作し、５０・１０-6ヘンリーのインダクタンスＬ1を有する誘導コイルＬ１に対して、コイルＬ１と共に直列共振回路を形成するためのコンデンサーＣ１の容量Ｃ1は以下の式によって与えられる。
【００１６】
【数１】
2004532502.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｔ＝２Ｂｆhである。この式から得られる容量Ｃ1の値は約２０ｍＦである。また、１６０Ｈｚでの共振に対する、コイルＬ１のリアクティブインピーダンス（reactive impedance）ＸL1は（式ＸL1＝ＴＬ1から）約０.０５ohmであり、コンデンサーＣ１のリアクティブインピーダンスＸC1は（式ＸC1＝１／ＴＣ1から）約０.０５ohmである。図において、コイルの抵抗値は抵抗性要素Ｒ１によって表されている。誘導コイルＬ１の負荷に反映される、誘導コイルの抵抗値の典型的な値Ｒ１heatはコイルＬ１のリアクティブインピーダンスの約１０パーセントである。したがって、Ｒ１heatは約０.００５ohmである。５ＭＷ（５・１０6Ｗ）に等しい加熱電力の大きさに対して、Ｌ１−Ｃ１共振回路が加熱電源１２から引き出す電流は以下の式から計算することができ、その値は約３１,５０００Ａである。
【００１８】
【数２】
2004532502.tif 000004
【００１９】
例として、２.５Ｈｚの周波数ｆsで動作している攪拌電源に対する、２.５Ｈｚでの誘導コイルＬ１の抵抗Ｒ１stirは以下の式によって計算され、その値は約０.０００６２ohmである。
【００２０】
【数３】
2004532502.tif 000005
【００２１】
攪拌用周波数が２.５Ｈｚ場合、コイルＬ１のリアクティブインピーダンスは約０.０００７９ohmであり、コンデンサーＣ１のリアクティブインピーダンスは約３.２ohmである。攪拌電源１６の出力は、誘導コイルＬ１が加熱電流の約半分程度の電流を引き出すように調節される。この例において、攪拌用電流Ｉstirは約８,０００Ａである。攪拌電力Ｐstirは式によって計算され、その値は４０ｋＷまたは加熱電力の０.８％となる。攪拌電源１６に直列に接続されたインダクターＬ２は誘導コイルＬ１のインピーダンスに対して大きいインピーダンスを持つように選択される。この例において、インダクターＬ２は４・１０-3ヘンリーであり、その値はコイルＬ１の約８０倍である。１６０Ｈｚの場合、インダクターＬ２のリアクティブインピーダンスは約４.０ohmであると計算される。２.５Ｈｚの場合、インダクターＬ２のリアクティブインピーダンスは約０.００６ohmであると計算される。インダクターＬ２の抵抗値はインダクターのリアクタンスに対して非常に小さいので無視することができる。
【００２２】
以下の表はこの実施例に対する各受動回路素子のおおよそのインピーダンスをまとめたものである。
【００２３】
【表１】
2004532502.tif 000006
【００２４】
図２の回路に対して上記の表に示されたインピーダンス値によって示されているように、Ｃ１−Ｌ１−Ｒ１直列回路は加熱電源１２から出力回路への経路に対し比較的小さいインピーダンスを与える。逆に、インダクターＬ２は加熱電源（１６０Ｈｚ）に対して比較的大きいインピーダンスを与え、加熱電源１２からの電流が攪拌電源１６に流れ込むことを効果的に防止する。同様に、Ｌ２−Ｌ１−Ｒ１直列回路が攪拌電源１６から出力回路への経路に比較的小さいインピーダンスを与えるのに対し、コンデンサーＣ１は攪拌電源１６（２.５Ｈｚ）に対して比較的大きいインピーダンスを与え、攪拌電源１６から加熱電源１２へ電流が流れ込むことを効果的に防止する。
【００２５】
以下の表は加熱電源及び攪拌電源からコイルＬ１への電圧、電流、及び電力の寄与をまとめたものである。
【００２６】
【表２】
2004532502.tif 000007
【００２７】
コイルＬ１の電圧は各電源に対する、コイルＬ１の電流とコイルＬ１の（リアクティブ及び抵抗性）インピーダンスの大きさとの積によって計算されたものである。
【００２８】
結果として、加熱電源１２はコイルＬ１に約３１,５００Ａの電流を供給し、攪拌電源１６の入力に約４２５Ａ（加熱電源１２に対するコイルＬ１の電圧（１,７００Ｖ）をインダクターＬ２の加熱用周波数でのインピーダンス（４.０ohm）で割ることによって計算）の電流を供給する。攪拌電源１６はコイルＬ１に約８,０００Ａの電流を供給し、加熱電源１２の入力に約３.４Ａ（攪拌電源１６に対するコイルＬ１の電圧（１１Ｖ）をコンデンサーＣ１の攪拌用周波数でのインピーダンス（３.２ohm）で割ることによって計算）の電流を供給する。後で説明されるように、好まれるものとして固体素子の（または、半導体素子の）パルス幅変調電源である攪拌電源１６の入力に課される約４２５アンペアは攪拌電源の特性に対して影響を与えない程度の容認可能な電流レベルであると考えられる。同様に、後で説明されるように、好まれるものとして固体素子の（または、半導体素子の）直列共振電源である加熱電源１２の入力に課される約３.４アンペアも加熱電源の特性に対して影響を与えない程度の容認可能な電流レベルであると考えられる。
【００２９】
図３ａは三相のデルタ結線（delta configuration）インピーダンス回路を形成するために、３つの誘導コイル部分１４ａ、１４ｂ及び１４ｃが相互に接続されている、本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための実施例の回路図である。図示されているように、コイル部分１４ａ及び１４ｃの端子１ａと端子４ａとは接続されていない。それゆえ、誘導コイル部分のこの回路構成は開デルタ結線（open-delta configuration）三相インピーダンス回路とも呼ばれる。図３ａはまた、（制限ではないが）３つのコイル部分を、電気伝導性材料を収容している容器１１の周囲に巻く１つの例としての方法を図示している。コンデンサーＣ１２の容量は、加熱電源に接続されたときに、誘導コイル部分１４ａ、１４ｂ及び１４ｃと共に加熱用の共振周波数または共振周波数付近で動作する直列回路を形成するように選択される。
【００３０】
この例において、単相交流加熱電源は三相交流電源２０に接続する入力を備えたＡＣ−ＤＣ整流器部分２１に接続された電圧給電全ブリッジ変換器（voltage-fed full bridge converter）１２ａである。電源の全ブリッジ変換器１２ａの出力端子はＴ１１及びＴ１２で示されている。コンデンサーＣ１１及びインダクターＬ１１は整流器部分からの直流電力出力をフィルタリング（または、濾波）するために使用される。フィルタリングされた直流電力は変換器１２ａのインバーター部分で可変な交流電力に変換される。三相インピーダンス回路の開デルタ端子（open delta terminal）４ａと単相交流源の出力端子の１つＴ１１はコンデンサーＣ１２を介して接続されている。単相交流源の第２の出力端子Ｔ１２は三相インピーダンス回路の開デルタ端子１ａに接続されている。この構成により、単相交流加熱電源から供給され、コイル部分を流れる交流電流は容器内の電気伝導性材料を加熱するために、容器内の電気伝導性材料と磁気的に結合する磁場を発生する。コンデンサーＣ１２の容量は、コンデンサーＣ１２が３つのコイル部分と共に直列共振回路を形成し、かつ、加熱電源の周波数より低い攪拌周波数で動作している三相攪拌電源の出力に対して比較的大きいインピーダンスを与えるように選択される。
【００３１】
攪拌電源１６ａは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワートランジスタ（power transistor）を含む、固体素子（または、半導体素子）のスイッチング構成を利用する三相ＤＣ−ＡＣインバーターであってもよい。攪拌電源１６ａの入力として別個の整流器装置が使用されてもよいが、図示された実施例においては、整流器装置２１が相互接続直流出力バスＤＣ１（正）及びＤＣ２（負）を介して、攪拌電源のインバーターに直流入力を供給している。三相インバーター電源の各出力ライン（Ｔ３１、Ｔ３２及びＴ３３）はそれぞれ、インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃを介してコイル部分１４ａ、１４ｂ及び１４ｃの開デルタ端子１ａ、閉デルタ端子（closed delta terminal）２ａ、及び閉デルタ端子３ａに接続されている。インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃは（制限ではないが、好まれるものとして金属性のコアを利用した）パワーインダクター（power inductor）である。インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃは各々がほぼ同じ大きさで、かつ、コイル部分のインダクタンスに比べて非常に大きいインダクタンスを持つ。この構成により、三相交流攪拌電源から供給され、コイル部分を流れる交流電流は容器内の電気伝導性材料を攪拌（または、乱流攪拌）するために、容器内の電気伝導性材料と磁気的に結合する磁場を発生する。インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃのインダクタンスは、インダクターが３つのコイル部分と共に直列共振回路を形成し、かつ、比較的高い周波数で動作している単相加熱電源の出力に対して比較的大きいインピーダンスを与えるように選択される。
【００３２】
一般に、攪拌電源１６ａの出力周波数は加熱電源の出力周波数より低い。攪拌電源１６ａから出力される三相交流電力の大きさ及び周波数は、この分野で周知の回路を利用してパワートランジスタのゲートタイミングを制御することによって電子的に調節されてもよい。溶融物を加熱しながら溶融物を攪拌するために、攪拌電源１６ａから引き出される攪拌用電流の大きさ及び周波数は多様な攪拌パターンを達成するために変化させられてもよい。一般に、攪拌電流の周波数は磁気的攪拌のパターンに影響を与え、攪拌電流の大きさは攪拌動作の強度に影響を与える。図４及び図５に図示されているように、攪拌電源１６ａがＰＷＭ電源として動作する場合、曲線４０ａ及び４０ｂによって示されているような、出力電源電流パルスのパルス幅及び周波数の変化は曲線４２ａ及び４２ｂによって示されているような出力攪拌電流の大きさ及び周波数の変化の結果となる。
【００３３】
図３（ｂ）は本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。この例において、単相交流加熱電源は半ブリッジインバーター部分２２ａを備えた電圧給電半ブリッジ変換器１２ｂである。図３ａの実施例のコンデンサーＣ１２の代わりに、互いにほぼ同じ大きさの容量を持ったコンデンサーＣ１２ａ及びＣ１２ｂが半ブリッジ回路の出力部分に利用されている。コンデンサーＣ１２ａ及びＣ１２ｂは加熱電源の正及び負の直流バスＤＣ１及びＤＣ２の間に直列に接続されている。この構成において、電源の出力端子はＴ１１ａ及びＴ１２ａで示されている。端子Ｔ１１ａは半ブリッジ回路の中央に接続されており、端子Ｔ１２ａはコンデンサーＣ１２ａ及びＣ１２ｂの共通接続部に接続されている。開デルタ端子４ｂは端子Ｔ１１ａに接続されており、開デルタ端子１ｂは端子Ｔ１２ａに接続されている。この実施例の上記の部分以外は図３ａに図示されている実施例と同一である。
【００３４】
図６（ａ）は本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。この実施例は、３つの誘導コイル１４ａ、１４ｂ及び１４ｃが開デルタ結線の三相インピーダンス回路ではなく、Ｙ結線（wye configuration）の三相インピーダンス回路で接続されている点で図３ａの実施例と異なる。図６ａはまた、（制限ではないが）３つのコイル部分を、電気伝導性材料を収容している容器１１の周囲に巻く１つの例としての方法を図示している。Ｙ結線三相インピーダンス回路は位相コイル端子（phase coil terminal）１ｃ、２ｃ、３ｃ、及び全ての誘導コイル部分に対して共通な共通コイル端子４ｃを有する。コンデンサーＣ１２ｃ、Ｃ１２ｄ及びＣ１２ｅの各々の一方の端子はそれぞれ、コイル端子１ｃ、２ｃ及び３ｃに接続されている。各コンデンサーの第２の端子は単相交流源１２ａの出力端子Ｔ１１に接続されている。単相交流源の第２の出力端子Ｔ１２は共通コイル端子４ｃに接続されている。三相インバーター電源の各出力ラインＴ３１、Ｔ３２及びＴ３３はそれぞれ、インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃを介してコイル部分１４ａ、１４ｂ及び１４ｃのコイル端子１ｃ、２ｃ及び３ｃに接続されている。この実施例の上記の部分以外は図３ａに図示されている実施例と同一である。
【００３５】
図７は図６ａの単相交流源の出力端子Ｔ１１及びＴ１２の間に単巻変圧器（autotransformer）４０を配置することによって、単相交流源の出力の電圧逓昇（voltage step-up）及び電圧逓降（voltage step-down）を与えるための１つの方法を図示している。図７においては単巻変圧器が使用されているが、単巻変圧器の代わりに４端子変圧器が使用されてもよい。また、図６ａの三相交流源の出力の電圧逓昇及び電圧逓降はインダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃの代わりに、図７に示されている変圧器要素Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ及びＴ２ｃを使用することによって達成されてもよい。また、これらの電圧変圧構成は適当な変更と共に、本発明の他の実施例に適用されてもよい。
【００３６】
図６ｂは本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。この実施例は、３つの誘導コイル１４ａ、１４ｂ及び１４ｃが開デルタ結線の三相インピーダンス回路ではなく、Ｙ結線の三相インピーダンス回路で接続されている点で図３ｂの実施例と異なる。コンデンサーＣ１２ｆ、Ｃ１２ｇ及びＣ１２ｈの各々の一方の端子はそれぞれ、コイル端子１ｃ、２ｃ及び３ｃに接続されている。各コンデンサーの第２の端子は単相交流源１２ｂの出力端子Ｔ１２ａに接続されている。単相交流源の第２の出力端子Ｔ１１ｂは共通コイル端子４ｃに接続されている。三相インバーター電源の各出力ラインＴ３１、Ｔ３２及びＴ３３はそれぞれ、インダクターＬ２ａ、Ｌ２ｂ及びＬ２ｃを介してコイル部分１４ａ、１４ｂ及び１４ｃのコイル端子１ｃ、２ｃ及び３ｃに接続されている。この実施例の上記の部分以外は図３ｂに図示されている実施例と同一である。
【００３７】
上述の実施例と共に図示されたように、本発明は誘導加熱回路を形成するために１つまたは複数の容量性部材を介して、容器の周囲に配置された誘導コイルインピーダンス回路に接続された単相交流加熱電源に関するものである。誘導加熱回路の構成要素は、誘導加熱用周波数で動作する加熱電源によって駆動されたときに、回路が加熱用の共振点または共振点付近で動作するように選択される。三相交流攪拌電源は誘導性の攪拌回路を形成するために誘導性部材を介して容器の誘導コイルインピーダンス回路に接続される。誘導攪拌回路の構成要素は、誘導攪拌用周波数で動作する攪拌電源によって駆動されたときに、回路が攪拌用の共振点または共振点付近で動作するように選択される。また、容量性部材及び誘導性部材はそれぞれ、加熱電源から攪拌電源への電力の出力、及び、攪拌電源から加熱電源への電力の出力を阻止するために十分なインピーダンスを与えるように選択される。一般に、誘導攪拌用周波数は誘導加熱用周波数より小さい。また、攪拌用周波数は電磁気的攪拌の可変なパターンを与えるために適当な範囲内で可変にされてもよい。この構成は共振点からずれた周波数での回路動作を生ずるが、周波数の変化の大きさは本発明のインピーダンスによる各電源間の電力移動阻止を無効にする程度のものではない。
【００３８】
本発明において、他の種類の単相電源及び三相電源が加熱及び攪拌電源として使用されてもよい。また、本発明の範囲から外れることなく、三相誘導コイルの他の構成を使用することもできるだろう。例えば、コイル部分は加熱容器内の溶融材料の高さに沿った特定の加熱または溶融の変化を達成するために、容器の適当な場所に配置されてもよい。また、共通の加熱電源及び（または）攪拌用電源に接続された複数の（または、複式の）三相誘導コイル構成が使用されてもよいし、個々の加熱電源及び（または）攪拌用電源を備える複数の（または、複式の）三相誘導コイル構成が使用されてもよい。
【００３９】
さらに、本発明は特定の電子部材と共に説明されてきたが、他の種類の部材を使用して本発明の同様な効果を達成することができることは当業者にとって明白であるだろう。例えば、実施例において、単一の構成要素として示されている部材を複数の部材で構成してもよいし、逆に、複数の構成要素を単一の部材で構成してもよい。したがって、上述の説明は本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定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】
【００４０】
【図１】誘導溶融用容器内の溶融物の加熱及び攪拌を同時に行うための、従来技術の構成の概略図である。
【図２】本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための実施例を概略的に図示した回路図である。
【図３ａ】単相加熱電源として電圧給電全ブリッジ変換器を使用し、三相攪拌電源として三相ＤＣ−ＡＣインバーターを使用し、容器の周りに配置された誘導コイル部分が三相攪拌電源に対して開デルタ結線（open-delta configuration）で接続されている、本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための実施例の回路図である。
【図３ｂ】単相加熱電源として電圧給電半ブリッジ変換器を使用し、三相攪拌電源として三相ＤＣ−ＡＣインバーターを使用し、容器の周りに配置された誘導コイル部分が三相攪拌電源に対して開デルタ結線で接続されている、本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。
【図４】本発明の電磁気攪拌のための三相電源としての、パルス幅変調（ＰＷＭ）電源からの出力電流を図示している第１のグラフである。
【図５】本発明の電磁気攪拌のための三相電源としての、パルス幅変調（ＰＷＭ）電源からの出力電流を図示している第２のグラフである。
【図６ａ】単相加熱電源として電圧給電全ブリッジ変換器を使用し、三相攪拌電源として三相ＤＣ−ＡＣインバーターを使用し、容器の周りに配置された誘導コイル部分が三相攪拌電源に対してＹ結線（wye configuration）で接続されている、本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。
【図６ｂ】単相加熱電源として電圧給電半ブリッジ変換器を使用し、三相攪拌電源として三相ＤＣ−ＡＣインバーターを使用し、容器の周りに配置された誘導コイル部分が三相攪拌電源に対してＹ結線で接続されている、本発明に従った、電気伝導性溶融材料の同時的な誘導加熱及び攪拌を行うための、もう１つの実施例の回路図である。
【図７】本発明の実施例で使用される単相加熱電源または三相攪拌電源の出力特性を変化させるために変圧器を使用する１つの方法を概略的に図示している。
【符号の説明】
【００４１】
１０    同時式誘導加熱及び誘導攪拌装置
１１    容器
１２    加熱用交流電源
１２ａ  単相加熱用交流電源（電圧給電全ブリッジ変換器）
１２ｂ  単相加熱用交流電源（電圧給電半ブリッジ変換器）
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  誘導コイル
１６    攪拌用交流電源
１６ａ  三相攪拌用交流電源
２０    三相交流電源
２１    ＡＣ−ＤＣ整流器部分
２２    全ブリッジインバーター部分
２２ａ  半ブリッジインバーター部分
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ  誘導コイル
１２０  三相電源
１２４  一次巻線
１２６  三相変圧器
１２７  三次巻線
１２８  二次巻線
１３６  加熱用電源
１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ  コンデンサー
Ｃ１    コンデンサー
Ｃ１１  コンデンサー
Ｃ１２  コンデンサー
Ｃ１２ａ，Ｃ１２ｂ  コンデンサー
Ｃ１２ｃ，Ｃ１２ｄ，Ｃ１２ｅ  コンデンサー
Ｃ１２ｆ，Ｃ１２ｇ，Ｃ１２ｈ  コンデンサー
ＤＣ１  正の直流バス
ＤＣ２  負の直流バス
Ｌ１    誘導コイル
Ｌ１１  インダクター
Ｌ２    インダクター
Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ  インダクター
Ｒ１    コイルの抵抗値
【国際公開パンフレット】
2004532502.tif 000008
2004532502.tif 000009
2004532502.tif 000010
2004532502.tif 000011
2004532502.tif 000012
2004532502.tif 000013
2004532502.tif 000014
2004532502.tif 000015
2004532502.tif 000016
2004532502.tif 000017
2004532502.tif 000018
2004532502.tif 000019
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2004532502.tif 000035
2004532502.tif 000036
【国際調査報告】
2004532502.tif 000037
2004532502.tif 000038