(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却されたルツボ（１０，３２）を具備した、絶縁材料のための溶融炉であって、
前記ルツボは、金属製側壁と、分割されかつ冷却されたボトム（１２）と、該ボトムの下方に配置された少なくとも１つの誘導コイル（２８，３４）と、を備えてなり、
前記１つまたは複数の誘導コイルが、唯一の加熱手段をなし、
前記ルツボの前記金属製側壁が、連続体であることを特徴とする溶融炉。
【請求項２】
前記ルツボ（１０，３２）内における溶融バスの深さ、および、前記誘導コイル（２８，３４）の励起周波数は、前記深さおよび前記ルツボの内部半径が、前記誘導コイル（２８，３４）の前記励起周波数に基づく前記バス内での表皮厚さよりも小さいように、選択されていることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。
【請求項３】
前記誘導コイル（２８，３４）の周縁部は、前記ルツボ（１０，３２）の前記側壁から離間されていることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。
【請求項４】
前記ボトム（１２）は、互いにに並置された複数のチューブから構成されていることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。
【請求項５】
前記チューブは、熱伝導性が良くかつ電気伝導性が悪い材料から形成されていることを特徴とする請求項４記載の溶融炉。
【請求項６】
金属製ベース（１４）と、金属製蓋（１６）と、を具備し、
これらベースおよび蓋は、これらベースおよび蓋が共に前記ルツボ（１０，３２）に対して連結されたときには、前記誘導コイル（２８，３４）によって生成される電磁放射を外部環境に漏らさないためのファラデーケージを形成することを特徴とする請求項１記載の溶融炉。
【請求項７】
前記ボトムの下方に配置されると共に独立に制御される複数の誘導コイル（３４）を具備していることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。
【請求項８】
前記溶融炉の形状が矩形であって、前記複数の誘導コイル（３４）が、前記矩形形状の長手方向に沿って分散配置されていることを特徴とする請求項７記載の溶融炉。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、冷ルツボ内における直接誘導による、ガラスのような絶縁材料の溶融に関するものである。
従来の技術およびその課題
任意の材料を、誘導加熱されたルツボ内における溶融によって作ることができる。最も一般的に使用され最も単純なルツボは、耐火材料から形成されている。しかしながら、このタイプのルツボは、すべての溶融バス（融液）に対して適合しているわけではない。いくつかの材料は、溶融の際に耐火材料に対して腐食性であり、また、特にガラスのような別の材料は、耐火材料によって汚染を受ける可能性がある。
よって、このような材料は、非汚染壁を有した「冷」ルツボと称される特別のルツボ内で作製されなければならない。冷ルツボは、循環水によって冷却されている金属部分から構成されており、この金属部分の内部において、作製されるべき材料が、周縁誘導コイルによって加熱される。ルツボを各部分に分割することによってあるいは仕切ることによって、ルツボ壁内における誘導に基づく温度上昇を制限することができ、炉内に導入されている材料の直接誘導加熱を可能とする。
誘導コイルは、ルツボの周囲に通常的に巻回された１つまたは複数のターンから構成されている。これは、一般にこの構成であると最良の性能を発揮できることによる。
独国特許発明明細書第３３ １６ ５４６号には、複数の部分に分割された底部の下方に配置された下部誘導コイルを備えた冷金属ルツボを具備した炉が開示されている。しかしながら、この下部誘導コイルは、付属的な加熱部材を形成しているにすぎない。主誘導コイルは、ルツボ回りに巻回されている。このことは、ルツボの金属側壁も、また、複数部分に分割されていなければならないことを意味している。
英国特許明細書第２ ２７９ ５４３号には、絶縁材料ではなく金属合金を精錬するための、非分割側壁を有した注入ルツボが開示されている。このルツボは、また、分割された底部の下方に配置された誘導コイルを備えている。誘導コイルは、注入温度を決定し得るよう構成されている。この場合の注入は、誘導コイルの中央部分において行われる。しかしながら、ルツボ内に含有されている金属の全体量を溶融して使用されることがなく、また、金属の全体量を溶融し得るようには構成されていない。このルツボは、金属を溶融させるための主要設備とともに使用するように構成されている。したがって、底部の誘導コイルは、付属的な加熱部材である。側部金属壁が分割されている場合であっても、上記のような不適合の問題をもたらすような耐火性の壁の場合であっても、いずれにしても、主加熱は、誘導によってもたらすことができる。
独国特許発明明細書第５６４ ６９３号には、内側から加熱するような炉が開示されていて、この炉は、底部を貫通して溶融バス内に侵入するとともに誘導ターンを備えたスリーブを具備している。このタイプの炉は、製造が複雑である。特に、冷たい壁を有したものとして製造する場合には、製造が複雑である。
上記従来技術からは、ルツボの底部の下方に配置された誘導コイルを、単独の加熱手段として使用することを考慮した人がいないことを、結論づけることができる。
発明の概要
本発明の１つの目的は、特にガラスに対して適用される冷ルツボを備えた溶融炉であって、とりわけ単純であるとともに安価に製造できるものでありながらも、従来の炉と同様の性能を保証し得るような溶融炉を提供することである。
本発明の他の目的は、所定容量に対して、誘導コイルのための励起電圧を供給するために、高価な部材の数が少なくて済むような、そのような炉を提供することである。
本発明の他の目的は、誘導コイルの励起電圧を供給するために、市販の部材を使用した、大容量の、そのような炉を提供することである。
本発明の他の目的は、溶融バス（融液）とルツボ壁との間において特に良好な熱特性を備えた、そのような炉を提供することである。
本発明においては、上記目的を、ボトムの下方に配置された誘導コイルだけによってガラスを加熱することにより、達成する。ルツボの側壁を通して誘導コイルが何ら作用しないことにより、側壁を連続的なものとすることができる。言い換えれば、電気的に分割する必要がなく、これによって、製造が極めて容易となる。
誘導コイルの平均直径は、ルツボ周囲に巻回されていた従来の誘導コイルの直径と比較すれば、約半分である。これにより、コイルのインダクタンスを意義深く低減することができ、そのため、コイルの励起電圧を意義深く低減することができる。したがって、与えられたルツボ直径に対して、励起電圧を供給する部材として、高価ではないものを使用することができる。あるいは、現存の部材を使用した場合には、直径のより大きなルツボに対して使用することができるようになる。
誘導コイルの周縁部をルツボの側壁から離間させることは、側壁上に、凝固したガラスからなる厚い層を得ることができることを意味する。このことは、溶融バス（融液）と冷ルツボとの間における熱損失を低減する。このタイプの熱絶縁は、液体状体においても固体状態においても電気の良導体である金属の場合（金属を溶融させる場合）には、得ることができない。
金属に対しては、このタイプの炉の性能は、従来の炉において得られる性能と比較して、あまり良好ではない。しかしながら、ガラスに対しては、炉の性能は、格別のサイズとすることによって、最適化することができる。
本発明は、特に、冷却されたルツボを具備した、絶縁材料のための溶融炉であって、ルツボは、金属製側壁と、分割されかつ冷却されたボトム（あるいは、フロア）と、ボトムの下方に配置された少なくとも１つの誘導コイル（あるいは、電磁界マグネット）と、を備えてなる溶融炉を目標としている。前記誘導コイルが、唯一の加熱手段をなしているとともに、ルツボの金属製側壁が、連続体である。
本発明のある実施形態においては、ルツボ内における溶融バスの深さ（あるいは、液面高さ）、および、誘導コイルの励起周波数は、前記深さおよびルツボの内部半径が、誘導コイルの励起周波数に基づく（由来する）バス内での表皮厚さよりも小さいように、選択される。
本発明のある実施形態においては、誘導コイルの周縁部は、ルツボの側壁から離間されている（あるいは、退避位置とされている、あるいは、干渉しない位置とされている）。
本発明のある実施形態においては、ボトムは、サイドバイサイドに並置された複数のチューブから構成されている。
本発明のある実施形態においては、チューブは、熱伝導性が良くかつ電気伝導性が悪い材料から形成されている。
本発明のある実施形態においては、溶融炉は、金属製ベースと、金属製蓋と、を具備し、これらベースおよび蓋は、これらベースおよび蓋が共にルツボに対して連結されたときには、誘導コイルによって生成される電磁放射から外部環境を保護するためのファラデーケージを形成する。
本発明のある実施形態においては、溶融炉は、ボトムの下方に配置されると共に独立に制御される複数の誘導コイルを具備している。
本発明のある実施形態においては、溶融炉は、矩形形状とされており、複数の誘導コイルが、矩形形状の長軸に沿って分散配置されている。
図面のリスト
本発明の上記のおよび他の目的、特徴点、および、利点は、添付図面に関連した特定の実施形態に関する以下の非制限的な説明により、詳細に説明される。
図１は、本発明による溶融炉のある実施形態を示す図である。
図２は、本発明による溶融炉の第１の代替可能な例を示す図である。
図３は、本発明による溶融炉の第２の代替可能な例を示す図である。
いくつかの実施形態の詳細な説明
図１には、本発明によるガラス溶融炉のある実施形態を示している。このガラス溶融炉は、冷却されたルツボを具備している。ルツボは、電磁界に対して透明な水平ボトム１２上に配置された二重金属壁を有した鉛直リング状セグメント１０から構成されている。例えば、このアセンブリは、ボウル形状のベース１４上に配置することができる。アセンブリは、蓋１６により閉塞することができる。蓋１６は、いくつかのアクセス用オリフィスを有している。特に、材料投入用オリフィス１８と、燃焼ガス排気筒２０と、を有している。例えば、ボトム１２は、引出可能なドア２４によって閉塞された中央出口オリフィス２２を有することができる。この場合、ベース１４は、対応した、出口オリフィス２６を有している。
ただ１つの誘導加熱部材２８が、タンク１４の内部において、ボトム１２の直下に配置されている。この実施形態においては、この加熱部材は、１つまたは複数のターンを有した誘導コイルである。
鉛直リング状セグメント１０およびボトム１２は、それぞれ、ダクト３０によって概略的に示されているように、冷却液体の循環が可能であるように構成されている。リングセグメントは、連続した内壁と外壁とを有しており、これら内壁と外壁との間を、冷却液体が循環するようになっている。均一な冷却を行うために、これら２つの壁間に、バッフルを設けることができる。
このタイプのリングセグメント１０は、比較的複雑な（台形の）部分をまず作っておいてその後電気絶縁体を使用して密封式に個々に組み立てるといった分割式リングセグメントと比較して、製造が特に容易であって安価に製造できる。
誘導コイル２８は、一点鎖線で図示するような、ボトム１２を挿通する電磁界を生成する。
ボトム１２だけが分割されている。詳細に後述するように、ボトムを分割することは、ルツボの側壁を分割することと比較して、ずっと容易である。
誘導コイル２８の外径は、リング状セグメント１０の内径よりも小さい。そのため、リング状セグメント１０における電磁界は、小さい。その結果、リングセグメントの壁に近い箇所の温度は、比較的低く、この壁上において凝固するガラス層は、比較的厚い。固体ガラスが良好な熱絶縁体であることにより、エネルギー損失が、意義深く低減される。この利点は、相にかかわらず良好な熱伝導体である金属の場合（金属を溶融させる場合）には得られないことに注意されたい。
誘導コイルの平均直径は、ルツボ回りに巻回された従来の誘導コイルの直径の、約半分である。これは、誘導コイルのインダクタンスを意義深く低減し、このため、所定エネルギーを伝達するための励起電圧を意義深く低減する。これは、特にガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）には、とりわけ有利である。というのは、ガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）には、励起電圧の周波数が特に高いからである。よって、所定の炉直径に対して、誘導コイルの励起電圧を供給しているコンバーターの部材として、従来炉の場合と比較して、絶縁破壊電圧のずっと小さなものを使用することができる。さらに、現存の部材を使用して形成される炉の直径を、従来炉の直径よりも、大きくすることができる。
金属の場合（金属を溶融させる場合）には、誘導コイルの周波数がガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）と比較してずっと小さいことのために、炉直径の増大化のために部材を選択するに際して何の特別の問題も存在しないことに注意されたい。
任意のタイプの材料のための誘導炉においては、良好な熱効率を得るための試みがなされている。表皮効果のために、溶融バス内に誘起されたエネルギーは、誘導コイルの近傍において最大であって、離れるにしたがって急速に減少する。誘起エネルギーは、表皮厚さ（あるいは、表皮深さ）と称される距離を超えると急速に減少する。表皮厚さは、与えられた材料に対しては、励起周波数だけに依存する。表皮厚さは、周波数が増大するにつれて減少する。
よって、表皮効果によって集中してエネルギーを、誘導や対流によって、バスの残部に対して伝達しなければならない。したがって、バス内の温度の一様性を改良するためには、表皮厚さを増大させることが有利である。しかしながら、表皮厚さが増大すれば、電気効率が落ちる。そのため、一様な加熱と電気効率との間において、妥協点を見出さなければならない。
金属バスは、通常、流体であって、良好な熱伝導度を有している。これにより、誘導や対流による一様な混合が促進される。ルツボの周囲に巻回された誘導コイルを備えた従来の炉においては、表皮厚さが溶融ルツボの内部半径の４分の１よりも小さい場合には、電気効率を改良するための、良好な妥協点が得られる。
ガラスバス（ガラス融液）は、通常、粘度の大きなものであって、熱伝導性が悪い。このため、一様な温度を得ることが困難である。比較的大きな表皮厚さが選択されなければならない。従来の炉においては、表皮厚さがルツボの内部半径に近い場合に、良好な妥協点が得られる。大きな表皮厚さを選択したことに基づいて、金属バス（金属融液）の場合の対応した可能な値と比較して、電気効率が小さいことは、溶融ガラスが金属よりも非常に大きな抵抗値を有していることによって補償される。つまり、電気効率は、溶融バスの抵抗値につれて増大するからである。
図１に示すように、ボトムの下方に配置された状態で、誘導コイルが使用されている場合には、表皮効果は、リング状セグメント１０からというよりは、ボトム１２を起点として発生する。上記妥協点を維持するために、誘導コイル２８の励起周波数は、表皮厚さが、誘導コイルがルツボ回りに巻回されている場合に選択されるような表皮厚さの半分であるように、選択することができる。したがって、金属の場合（金属を溶融させる場合）には、表皮厚さは、ルツボの内部半径の８分の１であるように選択されることとなる。これに対して、ガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）には、表皮厚さは、ルツボの内部半径の半分であるように選択されることとなる。
よって、誘導コイル２８を溶融バス（融液）の下方に配置することにより、表皮厚さを半分に低減することができ、その場合でも、熱の一様性を所望に維持することができる。表皮厚さを低減することは、電気効率を増大させる傾向がある。
しかしながら、特定の予防措置がとられなければ、熱効率が、ルツボ回りに誘導コイルを巻回した従来炉の熱効率を下回ってしまうことが見出された。本発明者らは、溶融バス（融液）の深さの関数として効率を変化させること、また、表皮厚さ以下のバス深さに対して最適の効率を得ることを、実現した。
受け入れられた妥協点が維持されているときには、金属に対するバス深さは、ルツボの内部半径の８分の１よりも小さく選択されなければならない。これは、炉の比率を不合理なものとする。したがって、金属に対しては、ボトムだけから加熱を行う炉は、適切ではない。
しかしながら、ガラスに対しては、本発明によれば、バス深さは、半径の半分以下である。このことは、合理的な炉の比率をもたらす。例示として、図１には、ガラス溶融炉において最適の熱効率を得るために必要な比率を概略的に示している。
本発明による炉は、同容量の従来のガラス炉よりも、熱損失が小さい。側壁近傍に加熱源がないことにより、側壁上において固化したガラス層が、従来炉におけるものよりもずっと厚い。ボトムにおいてはなおも比較的大きな損失があるけれども、これらは、必然的で避けられないものである。というのは、本発明の炉においては、任意の従来炉と同様に、溶融ガラスを良好な状態で注入し得るように、バスのボトムが、高温でなければならないからである。
ある有利な実施形態においては、ボトム１２は、互いに絶縁した状態で互いに水平方向に隣接して固定された複数のチューブから構成されている。これにより、ボトムを磁界に対して透過性のものとすることができる。図示のように、各チューブは、ルツボのボトムをフラットとし得るよう、好ましくは、正方形をなす横断面とされている。
ルツボの分割型鉛直壁を製造に際して直面する問題点の１つは、各部分どうしの間を密封状態に維持しつつかつ電気絶縁状態に維持しつつ、これら部分どうしを互いに固定することである。ボトム１２の場合には、チューブ１２どうしの間にコンクリートを部分的に流し込むことによって、この問題を容易に解決することができる。この場合、チューブどうしは、互いにわずかに離間されており、コンクリートがチューブどうしの間の絶縁をもたらすことができる。誘導コイル２８は、また、同じ操作の際に、コンクリートでくっつけることができる。
チューブは、有利には、シリコンカーバイドのような、熱伝導が良好でありかつ電気伝導性が悪い材料から形成することができる。この材料が使用された場合には、原理的には、ボトムを仕切る必要がない。というのは、その場合には、ボトムを、中間領域を冷却流体が流れ得る２つのプレートから構成できるからである。しかしながら、これら材料は、ろう付けしたり溶接したりすることができない。そのため、アセンブリを、特にコーナーアセンブリを、シールすることが困難である。しかしながら、チューブの端部においてシールされたアセンブリを提供することは、常に容易である。このタイプの端部アセンブリは、「Ｓ」字構成とされたボトム１２をなすチューブどうしを連結するために使用されることとなる。これにより、冷却液体の循環が可能とされる。
好ましくは、蓋１５およびタンク１４は、電気伝導性材料から形成される。この場合には、これら蓋１５およびタンク１４は、ファラデーケージを形成して、誘導コイル２８によって生成された電磁放射が周囲環境に漏れることを防止する。
本発明においては、ルツボ周囲に誘導コイルが巻回されていないことにより、ルツボの形状を、任意の形状とすることができる。単一の誘導コイルが使用される場合には、製造を容易とするよう、円筒形状が好ましい。しかしながら、ルツボの形状は、いくつかの誘導コイルの空間的レイアウトに適合させることができる。これによって、炉の容量を増大化させたり、あるいは、特別の処理を行うことができる。この場合、バスの深さおよび励起周波数は、各誘導コイルによってカバーされた領域の状況に対応した半径を考慮して、選択される。
図２は、本発明による、いくつかの誘導コイルを備えた炉の第１の例を示す図である。炉のルツボ３２の横断面は、３つの円筒を組み合わせることによって形成されている。各円筒は、それぞれのボトムに、螺旋誘導コイル３４を有している。各誘導コイルには、２つの導体３６が電力供給可能に接続されている。これにより、大容量の炉を構成することができる、あるいは、内部温度をそれぞれ独立に制御可能ないくつかの領域を有していてそれぞれ異なる溶融温度および注入温度を有した炉を構成することができる。
このタイプの炉は、溶融ガラスの精製操作に利用される。
図３は、本発明による炉の第２の例を示している。この炉は、ガラスの精製に、より好適である。炉の形状は、矩形であって、誘導コイル３４は、互いに独立に制御されており、矩形形状の主軸に沿って配置されている。端部誘導コイルのうちの１つは、例えば、溶融されるべきガラスの注入箇所近傍に位置した誘導コイルは、最大エネルギーを出力するように励起される。これに対して、他の誘導コイルは、より小さなエネルギーを出力するよう励起される。精製されたガラスは、最小出力の誘導コイルに対応する場所から抽出される。
この炉構成は、理想的には、炎によって加熱されるタイプの従来のガラス炉において使用されている構成と同様である。
上記のように複数の誘導コイルを備えた炉においては、誘導コイルどうしは、均質な動作をもたらし得る程度には、互いに十分に近接していなければならない。しかしながら、互いの干渉を防止し得る程度には、互いに十分に離間していなければならない。
当業者であれば、本発明に多くの変形や変更をなし得ることがわかるであろう。説明した応用は、ガラスに関するものであるけれども、本発明による炉が、液体状体において電気伝導度と熱伝導度とが小さな任意の材料に対して応用可能であることは、明らかである。
【図１】
0004012572.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004012572.tif 000004