(57)【要約】【課題】誘導電流によって溶湯をかくはんする際の効率が向上された誘導電流発生装置の提供。【解決手段】電磁石アッセンブリー（誘導電流発生装置）は、つるまき線形状の中空ワイヤー１１Ａ（長尺部材）からなるコイル１１と、溶湯９１とコイル１１とを互いに離間された状態に隔てる中空の円筒殻１２Ａとを備える。コイル１１の各巻きには、この各巻きの周方向に沿って、円筒殻１２Ａの外表面１２Ｄから中空ワイヤー１１Ａまでの距離が短い間近部分１１Ｂと、円筒殻１２Ａの外表面１２Ｄから中空ワイヤー１１Ａまでの距離が長い僻遠部分１１Ｃと、が設定される。コイル１１の各巻きにおける間近部分１１Ｂおよび僻遠部分１１Ｃの数は、各巻きのいずれにおいても同じである。また、コイル１１において互いに隣り合う２つの巻きに設定された間近部分１１Ｂおよび僻遠部分１１Ｃのそれぞれは、円筒殻１２Ａの中心軸１２Ｅが延びる方向に並ぶ。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部分が金属の溶湯の中に浸漬された浸漬状態において、当該溶湯に誘導電流を発生させる誘導電流発生装置において、
らせんの軸の周りを複数回取り巻いて当該らせんの軸が延びる方向に向かって延ばされた形状であるつるまき線形状の長尺部材からなり、かつ、前記溶湯に前記誘導電流を発生させるための磁場を発生することが可能とされたコイルと、
前記コイルを内部に収納し、かつ、前記浸漬状態においては前記溶湯に浸漬されて、当該溶湯と前記コイルとを互いに離間された状態に隔てる中空の円筒殻と、
を備え、
前記コイルの各巻きには、この各巻きの周方向に沿って、前記円筒殻の外表面から前記長尺部材までの距離が短い間近部分と、当該間近部分と比して前記円筒殻の外表面から前記長尺部材までの距離が長い僻遠部分と、が設定され、
前記コイルの各巻きにおいて設定される前記間近部分の数は、各巻きのいずれにおいても同じであり、
前記コイルの各巻きにおいて設定される前記僻遠部分の数は、各巻きのいずれにおいても同じであり、
前記コイルの各巻きのうち互いに隣り合う２つの巻きにおいて、この２つの巻きに設定された前記間近部分および前記僻遠部分のそれぞれは、前記円筒殻の中心軸が延びる方向に並ぶように位置されている、
誘導電流発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載された誘導電流発生装置であって、
前記コイルに交流電力を供給することで、当該コイルに前記磁場を発生させる交流電力供給手段と、
前記交流電力における、周波数、交流電流の実効値、または、交流電流の振幅のうち、少なくとも１つが周期的に変化されるように前記交流電力供給手段を制御する制御手段と、
を備えている、
誘導電流発生装置。
【請求項３】
請求項２に記載された誘導電流発生装置と、前記円筒殻が内部に配設されて、当該円筒殻が前記浸漬状態となるように前記溶湯を貯留することが可能とされた炉室と、を有する溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の溶湯に誘導電流を発生させる誘導電流発生装置、および、この誘導電流発生装置を有する溶解炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばアルミニウムあるいはマグネシウムなどの金属の鋳造に際しては、一般には、金属を溶解炉に投入し、この溶解炉において金属を融解させて溶湯とするステップが必要となる。ここで、溶解炉には、渦状の誘導電流を発生させる装置であるスターラーを円筒状の耐熱ケースに入れたものを溶解炉内の溶湯に浸漬させ、この溶湯に発生される渦状の誘導電流によって金属の融解と溶湯のかくはんとを行うものが存在する（例えば下記の特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４８５７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属を融解させて溶湯とする溶解炉において、溶湯をかくはんする構成は、この溶湯に効率よく熱エネルギーを与えて金属を融解させる際の効率を向上させる、という作用効果を得るために必要な構成である。ここで、特許文献１に示されている技術では、溶湯のかくはんに際して、溶湯は上記耐熱ケースの外周周りを周回する渦をなすように流れるため、溶湯がかくはんされることなく一塊となって周回する共回り現象が発生する可能性がある。このため、特許文献１に記載されたスターラーは、溶湯をかくはんする効率が悪いものであった。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、誘導電流によって溶湯をかくはんする際の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における１つの特徴によると、少なくとも一部分が金属の溶湯の中に浸漬された浸漬状態において、この溶湯に誘導電流を発生させる誘導電流発生装置が提供される。この誘導電流発生装置は、つるまき線形状の長尺部材からなり、かつ、溶湯に誘導電流を発生させるための磁場を発生することが可能とされたコイルを備えている。ここで、上記つるまき線形状は、らせんの軸の周りを取り巻いてこのらせんの軸が延びる方向に向かって延ばされた形状である。また、上記誘導電流発生装置は、上記コイルを内部に収納し、かつ、上記浸漬状態においては上記溶湯に浸漬されて、この溶湯とコイルとを互いに離間された状態に隔てる中空の円筒殻を備えている。上記コイルの各巻きには、この各巻きの周方向に沿って、円筒殻の外表面から長尺部材までの距離が短い間近部分と、この間近部分と比して円筒殻の外表面から長尺部材までの距離が長い僻遠部分と、が設定されている。また、上記コイルの各巻きにおいて設定される間近部分の数は、各巻きのいずれにおいても同じである。また、上記コイルの各巻きにおいて設定される僻遠部分の数は、各巻きのいずれにおいても同じである。また、上記コイルの各巻きのうち互いに隣り合う２つの巻きにおいて、この２つの巻きに設定された間近部分および僻遠部分のそれぞれは、円筒殻の中心軸が延びる方向に並ぶように位置されている。
【０００７】
上記誘導電流発生装置における好ましい実施形態の１つにおいては、誘導電流発生装置は、上記コイルに交流電力を供給することで、このコイルに上記磁場を発生させる交流電力供給手段を備えている。また、上記誘導電流発生装置は、上記交流電力における、周波数、交流電流の実効値、または、交流電流の振幅のうち、少なくとも１つが周期的に変化されるように交流電力供給手段を制御する制御手段を備えている。
【０００８】
また、上記実施形態の誘導電流を発生させる装置と、上記円筒殻が内部に配設されて、この円筒殻が上記浸漬状態となるように溶湯を貯留することが可能とされた炉室と、を有する溶解炉の発明も提供される。
【発明の効果】
【０００９】
溶湯に誘導電流を発生させて溶湯をかくはんする際の溶湯の流速は、誘導電流を発生させる磁場の発生源と溶湯との距離が近いほど速い。ここで、本発明の誘導電流発生装置は、コイルを収納した円筒殻が金属の溶湯の中に浸漬された浸漬状態において、この溶湯と磁場を発生するコイルの長尺部材との距離が近い間近部分を、所定の方向に並ぶように設定する。このため、溶湯に誘導電流を発生させて溶湯をかくはんする際において、この溶湯が一塊とならないように溶湯の流速に差をつけて共回り現象の発生を抑え、溶湯をかくはんする際の効率を向上させることができる。
【００１０】
また、交流電力により溶湯に誘導電流を発生させる場合、この誘導電流が発生される範囲の広さは、上記交流電力の周波数および電流の大きさに応じて変動する。ここで、上記誘導電流を発生させる装置に上記交流電力供給手段および上記制御手段を備えさせた場合には、溶湯がかくはんされる範囲の広さが周期的に変化される。このため、溶湯に誘導電流を発生させて溶湯をかくはんする際において、溶湯が周期的に揺動される波打現象を発生させて溶湯が一塊とならないようにし、溶湯をかくはんする際の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる溶解炉９０の構成を表した平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面矢視図である。
【図３】図２のＩＩＩ部拡大図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線断面矢視図である。
【図５】図１の交流電力供給手段１３が供給する交流電力１３Ａにおける、交流電流の実効値の周期変化をプロットしたグラフである。
【図６】図４のコイル１１の変形例を表した要部断面図である。
【図７】図４のコイル１１の変形例を表した要部断面図である。
【図８】図４のコイル１１の変形例を表した要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の代表的な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下において、溶解炉９０からの溶湯９１（図２参照）の取り出しを実現させるストークなどの付随的な構成については、その図示および詳細な説明を省略する。
【００１３】
始めに、本発明の一実施形態にかかる溶解炉９０の構成について説明する。この溶解炉９０は、図１に示すように、内部に固体の金属（図示せず、具体的には例えばアルミニウム）が入れられて、この固体の金属を融解させて溶湯９１とするようになっている。ここで、溶解炉９０は、溶湯９１を貯留することが可能とされた炉室９０Ａと、この炉室９０Ａに貯留された溶湯９１に誘導電流（図示せず）を発生させる誘導電流発生装置である電磁石アッセンブリー１０と、を備えている。
【００１４】
電磁石アッセンブリー１０は、それぞれが長尺部材としての中空ワイヤー１１Ａを成形してなる３組のコイル１１と、この各コイル１１に交流電力１３Ａを供給する交流電力供給手段１３と、この交流電力供給手段１３を制御する制御手段１４と、を備えている。ここで、制御手段１４は、交流電力供給手段１３に制御信号１４Ａを送ることで、交流電力供給手段１３から各コイル１１への交流電力１３Ａの供給を制御する。なお、制御手段１４は、交流電力供給手段１３が常時一定の出力で供給する交流電力１３Ｂによって動作される。
【００１５】
各コイル１１は、図２に示すように、それぞれが絶縁性のファインセラミックス（例えばシリコンナイトライド）からなる中空のヒーターチューブ１２の中に収納された状態で、溶解炉９０の炉室９０Ａ内に配設される。ここで、各ヒーターチューブ１２は、一端が半球殻１２Ｂでふさがれた中空の円筒殻１２Ａを有し、半球殻１２Ｂを下にして円筒殻１２Ａを上下方向（図２では上下方向）に延ばした状態に配設される。また、各ヒーターチューブ１２は、半球殻１２Ｂとは反対側（図２では上側）に位置される他端に、先端側が大径となる筒をなす逆テーパー１２Ｃを備えている。この逆テーパー１２Ｃは、炉室９０Ａにおける上側の壁を貫通して、この壁に対しテーパーすりにより密着された状態に接合されることで、ヒーターチューブ１２の炉室９０Ａへの据え付けを実現させる。
【００１６】
また、各コイル１１において、中空ワイヤー１１Ａは、図２および図４に示すように、ヒーターチューブ１２における円筒殻１２Ａの中心軸１２Ｅをらせんの軸１１Ｄとしたつるまき線形状をなしている。ここで、上記つるまき線形状は、らせんの軸１１Ｄの周りを取り巻いてこのらせんの軸１１Ｄが延びる方向（図２では上下方向）に向かって延ばされた形状である。そして、各コイル１１は、各ヒーターチューブ１２における円筒殻１２Ａの内部に収納された状態に位置される。
【００１７】
なお、各コイル１１は、中空ワイヤー１１Ａにおいて直線状に延ばされた直線部分１１Ｅを取り巻くように中空ワイヤー１１Ａを曲げ加工することによって成形される。この手法によれば、らせんの軸１１Ｄに直線部分１１Ｅを一致させることでこの直線部分１１Ｅをらせんの軸１１Ｄの目印とし、このらせんの軸１１Ｄを円筒殻１２Ａの中心軸１２Ｅと一致させるコイル１１の位置決め作業の能率を向上させることができる。
【００１８】
ところで、溶解炉９０の炉室９０Ａは、図２に示すように、炉室９０Ａ内の３組のヒーターチューブ１２における各円筒殻１２Ａの少なくとも一部分が溶湯９１の中に浸漬された浸漬状態となるように溶湯９１を貯留することができるように構成されている。ここで、上記浸漬状態において、ヒーターチューブ１２の円筒殻１２Ａおよび半球殻１２Ｂは、円筒殻１２Ａの内部に収納されたコイル１１と炉室９０Ａ内の溶湯９１とを互いに離間された状態に隔てる機能を発揮する。
【００１９】
上記各構成によれば、上記浸漬状態において交流電力供給手段１３（図１参照）からの交流電力１３Ａがコイル１１に供給されると、このコイル１１は、図３に示すように、貯留された状態の溶湯９１を通るように磁場１０Ａを発生させる。この磁場１０Ａは、溶湯９１に作用してこの溶湯９１に誘導電流（図示せず）を発生させる。この誘導電流は、溶湯９１内を流れてジュール熱を発生させることで、上述した金属を融解させるための熱エネルギーの供給を実現させる。また、溶湯９１内を流れる誘導電流は、磁場１０Ａとの作用により溶湯９１にローレンツ力を印加して、この溶湯９１をかくはんする流れ９１Ａを溶湯９１内に生じさせる。すなわち、電磁石アッセンブリー１０は、上記浸漬状態において溶湯９１に誘導電流を発生させることにより、上述した金属の融解と溶湯９１のかくはんとを同時に実現させる。
【００２０】
さて、コイル１１の上記つるまき線形状をなす部分において、中空ワイヤー１１Ａは、らせんの軸１１Ｄ上に原点のある円筒座標系（Ｆ，Ｃ，Ｈ）において以下の（式１）を満足する曲線に沿うように配置されている。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
上記（式１）において、Ａは、上記つるまき線形状をなす部分における中空ワイヤー１１Ａの平均半径（図４参照）である。また、Ｂは、自然数であり、図４に示すコイル１１においてはＢ＝４である。また、Ｃは、上記つるまき線形状において最も半球殻１２Ｂ（図２参照）に近い側に位置される箇所かららせんの軸１１Ｄに下ろした垂線（図示せず）を基準としたらせんの軸１１Ｄ周りの位置角を、弧度法の角として表したものである。また、Ｄは、上記つるまき線形状をなす部分における中空ワイヤー１１Ａの半径の最大偏差（図４参照）である。また、Ｅは、上記つるまき線形状の１巻きにおける、らせんの軸１１Ｄが延びる方向への延び量（すなわち上記つるまき線形状のピッチ）である。ここで、図２に示すコイル１１においては、上記つるまき線形状の各巻きにおけるピッチＥの大きさは等しい。また、Ｆは、上記つるまき線形状における所定の位置かららせんの軸１１Ｄまでの距離であり、上記位置角Ｃのみをパラメータとした関数となるものである。また、Ｇは、上記原点をらせんの軸１１Ｄ上のどの位置に設定するかによって決定される定数である。また、Ｈは、上記所定の位置から上記原点までの間の、らせんの軸１１Ｄに沿う方向の距離である。また、Ｊは、所定の定数であり、図４に示すコイル１１においてはＪ＝０である。また、πは円周率である。
【００２３】
上述した中空ワイヤー１１Ａの配置によれば、コイル１１の各巻きには、図３および図４に示すように、この各巻きの周方向に沿って、円筒殻１２Ａの外表面１２Ｄから中空ワイヤー１１Ａまでの距離が短い間近部分１１Ｂが、上記Ｂと同じ数だけ設定される。さらに、コイル１１の各巻きには、間近部分１１Ｂと比して円筒殻１２Ａの外表面１２Ｄから中空ワイヤー１１Ａまでの距離が長い僻遠部分１１Ｃが、上記Ｂと同じ数だけ設定される。また、コイル１１の各巻きのうち互いに隣り合う２つの巻きにおいて、この２つの巻きに設定された間近部分１１Ｂおよび僻遠部分１１Ｃのそれぞれは、円筒殻１２Ａの中心軸１２Ｅ（図４参照）が延びる方向（図３では上下方向）に並ぶように位置される。
【００２４】
ところで、溶湯９１に流れる誘導電流により発生されてこの溶湯９１をかくはんする溶湯９１の流れ９１Ａは、磁場１０Ａ（図３参照）の発生源たる中空ワイヤー１１Ａと溶湯９１との距離が近いほどその流速が速くなる。ここで、上述した電磁石アッセンブリー１０によれば、コイル１１を収納した円筒殻１２Ａが金属の溶湯９１の中に浸漬された浸漬状態において、この溶湯９１と中空ワイヤー１１Ａとの距離が近い間近部分１１Ｂが所定の方向（図３では上下方向）に並ぶ。このため、上記浸漬状態において円筒殻１２Ａを取り巻く溶湯９１の流れ９１Ａは、間近部分１１Ｂが並ぶ部分に比較的近い部分においてその流速が速く、僻遠部分１１Ｃが並ぶ部分に比較的近い部分においてその流速が遅くなる。この流速の違いは、上記浸漬状態において円筒殻１２Ａを取り巻く溶湯９１の流れ９１Ａを、規則的あるいは不規則に分割された状態で円筒殻１２Ａの外周周りを取り囲む複数の渦（図４参照）とする。この複数の渦は、共回り現象を発生させうる、円筒殻１２Ａを周回する渦（図示せず）よりも溶湯９１のかくはんの効率が高いものである。すなわち、上述した電磁石アッセンブリー１０によれば、誘導電流による溶湯９１のかくはんに際して、この溶湯９１が一塊とならないようにその流れ９１Ａの流速に差をつけて共回り現象の発生を抑え、溶湯９１をかくはんする際の効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、溶湯９１が、電荷を持つ流体の流れにより生じる電流である対流電流の影響を無視できない物質が流体となっているものである場合には、溶湯９１においてジュール熱が発生される範囲を、渦をなす流れ９１Ａから生じる対流電流により広げることができる。この作用は、上述した電磁石アッセンブリー１０による溶湯９１の加熱の効率を向上させる、という効果を有する。
【００２６】
さて、図１に示す電磁石アッセンブリー１０において、制御手段１４は、交流電力供給手段１３が供給する交流電力１３Ａを、その交流電流の実効値が所定の周期変化をするように制御する。この制御によれば、溶湯９１に誘導電流を発生させて溶湯９１をかくはんする際に、この溶湯９１がかくはんされる範囲の広さを周期的に変化させて、この溶湯９１が周期的に揺動される波打現象を発生させることができる。これにより、溶湯９１が一塊とならないようにしてこの溶湯９１をかくはんする際の効率が向上された電磁石アッセンブリー１０を提供することができる。
【００２７】
ここで、上記交流電流の実効値は、図５に示すように、初期値Ｋから不規則な増減を所定の回数（例えば３回）繰り返した後に元の初期値Ｋに戻るという変化を１周期として、この周期を繰り返すような周期変化をするように制御される。この制御によれば、上記波打現象を溶湯９１に発生させながらこの溶湯９１をかくはんする際に、この溶湯９１に上記波打現象とは別の乱れを発生させることができる。これにより、溶湯９１が一塊とならないようにしてこの溶湯９１をかくはんする際の効率が向上された電磁石アッセンブリー１０を提供することができる。
【００２８】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明した。しかしながら、当業者であれば、本発明の目的を逸脱することなく種々の代用、手直し、あるいは変更が可能であることは明らかである。すなわち、本発明を実施するための形態は、本明細書に添付した特許請求の範囲の精神および目的を逸脱しない全ての代用、手直し、あるいは変更を含みうるものである。例えば、本発明を実施するための形態として、以下のような各種の形態を採用することができる。
【００２９】
（１）上述した電磁石アッセンブリーにおけるコイルの形状は、図２ないし図４に示したコイル１１の形状に限定されない。すなわち、円筒殻１２Ａに収納されるコイル１１は、例えば上述した（式１）におけるＢがＢ＝１となる曲線に沿うようにされたコイル２１（図６参照）に置き換えることができる。また、円筒殻１２Ａに収納されるコイル１１は、例えば上述した（式１）におけるＢがＢ＝２となる曲線に沿うようにされたコイル３１（図７参照）に置き換えることができる。また、円筒殻１２Ａに収納されるコイル１１は、例えば上述した（式１）におけるＢがＢ＝３となる曲線に沿うようにされたコイル４１（図８参照）に置き換えることができる。また、上述した（式１）における定数Ｊの値は適宜変更することができる。例えば、図４に示すコイル１１および図７に示すコイル３１においては、上記（式１）における定数Ｊの値は０となっている。また、図６に示すコイル２１および図８に示すコイル４１においては、上記（式１）における定数Ｊの値はπとなっている。また、円筒殻１２Ａに収納されるコイル１１は、中実のワイヤーを成形してなるコイルに置き換えることができる。
【００３０】
（２）上述した電磁石アッセンブリーにおける制御手段は、交流電力供給手段が供給する交流電力における交流電流の実効値を制御するものに限定されない。すなわち、上記制御手段を、交流電力供給手段が供給する交流電力における周波数を制御することで、上述した波打現象を溶湯に発生させるものとすることができる。また、上記制御手段を、交流電力供給手段が供給する交流電力における交流電流の振幅を制御することで、上述した波打現象を溶湯に発生させるものとすることもできる。ここで、上記「交流電流の振幅」は、交流電流の振幅の半波平均値、交流電流の最大振幅、交流電流のピークピーク値、および、位相角の正弦が所定の値をとる各タイミングにおける交流電流の瞬時値のいずれであってもよい。
【００３１】
（３）本発明の溶解炉を、その電磁石アッセンブリーにおける中空ワイヤーの中に空気を流しこむ空圧源が備えた構成の溶解炉とすることができる。この場合、中空ワイヤーからなるコイルを空圧源からの空気によって空冷して、このコイルが過熱状態となってダメージを受けることを抑えることができる。なお、上記構成の溶解炉においては、空圧源からの空気を常温あるいはそれ以下の温度の圧縮空気にすることで、空圧源からの空気が上記コイルから熱エネルギーを奪う速度を上昇させて、このコイルの空冷における冷却効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０    電磁石アッセンブリー（誘導電流発生装置）
１０Ａ  磁場
１１    コイル
１１Ａ  中空ワイヤー（長尺部材）
１１Ｂ  間近部分
１１Ｃ  僻遠部分
１１Ｄ  らせんの軸
１１Ｅ  直線部分
１２    ヒーターチューブ
１２Ａ  円筒殻
１２Ｂ  半球殻
１２Ｃ  逆テーパー
１２Ｄ  外表面
１２Ｅ  中心軸
１３    交流電力供給手段
１３Ａ  交流電力
１３Ｂ  交流電力
１４    制御手段
１４Ａ  制御信号
２１    コイル
３１    コイル
４１    コイル
９０    溶解炉
９０Ａ  炉室
９１    溶湯
９１Ａ  流れ
Ａ      平均半径
Ｃ      位置角
Ｄ      最大偏差
Ｅ      ピッチ
Ｆ      距離
Ｋ      初期値
【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】
2017227359.tif 000009
【図７】
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【図８】
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