(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部に形成された出湯部と、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側面壁とを有し、溶解対象物を冷却しながら収容する収容手段と、前記出湯部および前記側面壁の外周側に配置され、前記収容手段に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、前記出湯部の開口と閉口とを前記溶解対象物の溶解と凝固とで切り替えるように、前記電源手段を制御する電源制御手段とを有し、さらに、前記電源制御手段は、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを有し、出湯部の開口時に前記溶解用電源部から高周波電力を出力させる一方、出湯部の閉口時に前記凝固用電源部から低周波電力を出力させることを特徴とする誘導加熱溶解炉。
【請求項２】
前記出湯部は、前記収容手段の底部に接合され、上部から下方に向かって口径を減少させるように形成された導入口部と、該導入口部と一体的にその下方に形成された中空筒状の流出口部とを有したことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項３】
前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とを一体的に有し、前記電源制御手段は、前記溶解対象物の溶解時においては前記出湯部を凝固した溶解対象物で閉口する一方、前記溶解対象物の溶湯の取り出し時においては前記溶解対象物を溶解させて前記出湯部を開口させるように、前記電源手段を制御することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項４】
前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とに分離されており、前記電源手段は、前記第１コイル手段に電力を供給する第１電源手段と、前記第２コイル手段に電力を供給する第２電源手段とを有し、前記電源制御手段は、前記第１電源手段と前記第２電源手段とを独立に制御することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項５】
前記第２電源手段は、前記溶解用電源部と、前記凝固用電源部とを有していることを特徴とする請求項４記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項６】
前記電源手段の電力供給を増大させつつ、前記出湯部から前記溶解対象物を外部に強制的に引き抜く引抜手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項７】
減圧下において前記溶解対象物を溶解することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の誘導加熱溶解炉。
【請求項８】
溶解対象物の溶解された溶湯を収容する収容手段の底部に明けられた中空逆円錐状の開口部と、前記開口部の内周に接してその内方に形成された導入口部と、この導入口部と一体にその下方に形成された中空筒状の流出口部とからなり、それぞれが連続した複数のスリットにより複数のセグメントに分割され、冷却水の給排水配管に接続された漏斗状の出湯部と、前記出湯部の前記導入口部と流出口部の、それぞれの外周に配置された誘導加熱コイルと、これら誘導加熱コイルに任意に選択的に接続され、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを含んでなることを特徴とする誘導加熱溶解炉の底部出湯機構。
【請求項９】
前記出湯部は、上部が広く下方に向かって狭くなる導入口部と、該導入口部に連続して下方に延びる中空管状の流出口部とからなることを特徴とする請求項８記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構。
【請求項１０】
前記出湯部の前記導入口部と流出口部のそれぞれに配置された誘導加熱コイルに、出湯する際は前記第１周波数の高周波電力が供給され、出湯を停止する際は前記第２周波数の低周波電力が供給されることを特徴とする請求項９記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構。
【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およびその底部出湯機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反応性の高い金属を溶融して高純度の金属を得たり、所望の成分の合金を得る場合には、誘導加熱と撹拌作用により溶湯の全体を均等な温度にして品質のばらつきを無くすことができると共に、不純物の混入を低レベルに抑制して品質の低下を防止することができる誘導加熱溶解炉が注目されている。
【０００３】
従来の誘導加熱溶解炉は、例えば特開平４−３２７３４２号公報に開示されているように、出湯部を有した底部から口径を拡大させるように傾斜された後、同一口径で上端まで立ち上げられた側面壁を有している。側面壁は、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ており、この側面壁の外周側には、側面壁の内周側に収容された金属を誘導加熱するように誘導コイルが配置されている。また、出湯部には、上下に出湯路を連通された鋳型が設けられている。そして、このように構成された誘導加熱溶解炉は、金属を誘導加熱により溶解して溶湯とし、この溶湯を鋳型の出湯路に流入させることによって、溶湯を凝固させながら取り出すようになっている。
【０００４】
また、特開平８−１４５５７１号公報には、出湯部を有した平面状の底部から同一口径で上端まで立ち上げられた側面壁と、出湯部を閉口した底蓋とを有した誘導加熱溶解炉が開示されている。そして、この誘導加熱溶解炉は、金属が誘導加熱で溶解されて溶湯となったときに、底蓋を溶解して出湯部を開口させることによって、溶湯を外部に取り出すようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように、出湯部に鋳型を設けた構成では、鋳型の出湯路における凝固層と側面壁の凝固層とが接続した状態になるため、鋳型から金属を取り出そうとすると、極めて大きな引抜力を要することになって取り出し作業が困難となる。また、出湯部を底蓋で閉口した構成では、底蓋を一旦溶解して開口すると、全溶湯の取り出しを完了するまで出湯部を閉口することができないため、金属の溶解と取り出しとを容易に切り替えることができない。即ち、従来の構成は、金属の溶解および取り出しの作業を容易に行うことができないと共に、これらの溶解および取り出しの切り替え操作を簡単に行うことができないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の問題を解決することができる誘導加熱溶解炉およびその底部出湯機構を提供しようとするものである。
【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の発明は、誘導加熱溶解炉であって、底部に形成された出湯部と、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側面壁とを有し、セグメント（または側面壁）を冷却しながら溶解対象物を収容する収容手段と、前記出湯部および前記側面壁の外周側に配置され、前記収容手段に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、前記出湯部の開口と閉口とを前記溶解対象物の溶解と凝固とで切り替えるように、前記電源手段を制御する電源制御手段とを有し、さらに、前記電源制御手段は、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを有し、出湯部の開口時に前記溶解用電源部から高周波電力を出力させる一方、出湯部の閉口時に前記凝固用電源部から低周波電力を出力させることを特徴としている。
【０００８】
上記の構成によれば、収容手段に収容した溶解対象物が誘導加熱されると、この加熱により溶解対象物が溶解して溶湯になると共に、収容手段の側面壁や底部の壁面、出湯部の壁面に接触する部分においては、溶湯が冷却されて溶解対象物が凝固した状態となる。従って、電源制御手段が電源手段による誘導加熱を制御することによって、溶解対象物の溶解時においては凝固した溶解対象物で出湯部を閉口し、溶解対象物の溶湯の取り出し時においては凝固した溶解対象物を溶解させることで出湯部を開口させることができる。これにより、溶解対象物の溶解および取り出しの作業を容易に行うことができると共に、これらの溶解および取り出しの切り替え操作を極めて簡単に行うことができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記出湯部は、前記収容手段の底部に接合され、上部から下方に向かって口径を減少させるように形成された導入口部と、該導入口部と一体的にその下方に形成された中空筒状の流出口部とを有したことを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、出湯部の壁面に沿って溶解対象物が凝固した後、内周方向に凝固が進行する。従って、出湯部の閉口動作は、導入口部の最も小さな口径の下部から始まって上部方向に順に進行する。これにより、出湯部の全体が溶解対象物の凝固により大きな力で急激に閉口することがないため、出湯部の開口率を容易に増減させることが可能になり、結果として出湯量を微調整しながら溶湯を取り出すことができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とを一体的に有し、前記電源制御手段は、前記溶解対象物の溶解時においては前記出湯部を凝固した溶解対象物で閉口する一方、前記溶解対象物の溶湯の取り出し時においては前記溶解対象物を溶解させて前記出湯部を開口させるように、前記電源手段を制御することを特徴としている。上記の構成によれば、第１コイル手段と第２コイル手段とを一つのコイルで連続的に形成してコイル手段とすることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とに分離されており、前記電源手段は、前記第１コイル手段に電力を供給する第１電源手段と、前記第２コイル手段に電力を供給する第２電源手段とを有し、前記電源制御手段は、前記第１電源手段と前記第２電源手段とを独立に制御することを特徴としている。上記の構成によれば、溶解対象物の溶解と、溶湯の取り出しをそれぞれ独立して行うことができるため、生産性を向上させることができる。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４記載の誘導加熱溶解炉であって、前記第２電源手段は、前記溶解用電源部と、前記凝固用電源部とを有していることを特徴としている。
上記の構成によれば、溶解用電源部と凝固用電源部との切り替えによって、出湯部の開口と閉口を容易に切り替えることができると共に、高周波および低周波の電力の供給時間を調整することによって、出湯量の調整も容易にできる。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記電源手段の電力供給を増大させつつ、前記出湯部から前記溶解対象物を外部に強制的に引き抜く引抜手段を備えたことを特徴としている。上記の構成によれば、溶解対象物の凝固が進行した場合でも、溶解対象物を出湯部から強制的に引き抜くことができるため、所望の凝固状態の溶解対象物を得ることができる。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の誘導加熱溶解炉であって、減圧下において前記溶解対象物を溶解することを特徴としている。上記の構成によれば、多量のガスが発生する減圧下において好適に使用することができる。
【００１６】
請求項８の発明は、誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、溶解対象物の溶解された溶湯を収容する収容手段の底部に明けられた中空逆円錐状の開口部と、前記開口部の内周に接してその内方に形成された導入口部と、この導入口部と一体にその下方に形成された中空筒状の流出口部とからなり、それぞれが連続した複数のスリットにより複数のセグメントに分割され、冷却水の給排水配管に接続された漏斗状の出湯部と、前記出湯部の前記導入口部と流出口部の、それぞれの外周に配置された誘導加熱コイルと、これら誘導加熱コイルに任意に選択的に接続され、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを含んでなることを特徴としている。上記の構成によれば、比較的に簡単な構成により溶解と出湯の時間と量を制御することができる。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項８記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、前記出湯部は、上部が広く下方に向かって狭くなる導入口部と、該導入口部に連続して下方に延びる中空管状の流出口部とからなることを特徴としている。上記の構成によれば、出湯部の開口率を容易に増減させることができるため、出湯量を微調整しながら溶湯を取り出すことができる。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項９記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、前記出湯部の前記導入口部と流出口部のそれぞれに配置された誘導加熱コイルに、出湯する際は前記第１周波数の高周波電力が供給され、出湯を停止する際は前記第２周波数の低周波電力が供給されることを特徴としている。上記の構成によれば底部出湯機構を一層簡単な構成にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態を図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２に示すように、チタン等の溶解対象物１３を収容する銅製の炉本体１を有している。尚、炉本体１は、純銅や銅合金からなる銅製の他、電気抵抗率の低い金や銀または場合によってはステンレス等を用いることができる。また、溶解対象物１３としては、チタンの他、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、およびこれらの合金から選ばれる金属からなる反応性金属を挙げることができる。
【００２０】
上記の炉本体１は、高真空から大気圧までの任意の圧力に減圧可能な図示しない真空チャンバ内に設けられている。また、炉本体１は、底部に配置された出湯部２と、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜された逆円錐形状の側面壁３とを有している。出湯部２は、図１に示すように、炉本体１の底部を開口し、この開口を上下方向に連通させる連通穴２ａを有している。また、出湯部２および側面壁３は、縦割り状の複数（８個）の導電性セグメント４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、絶縁は、絶縁部材を導電性セグメント４・４間に介装したり、導電性セグメント４・４間を離隔することにより行われている。
【００２１】
上記の導電性セグメント４は、冷却水が流動する冷却水路４ａを内部に有している。冷却水路４ａは、導電性セグメント４の上端部（側面壁３の上端部）から下端部（出湯部２の下端部）にかけて形成されている。上端部の冷却水路４ａは、図示しない冷却水供給装置に接続されており、下端部の冷却水路４ａは、連絡口４ｂを介して隣接する導電性セグメント４の冷却水路４ａに連通されている。そして、冷却水路４ａは、隣接する２つの導電性セグメント４・４を一組として冷却系を構成している。これにより、冷却系は、一方の導電性セグメント４の上端部から冷却水を導入して下端部に流動させることにより一方の導電性セグメント４を冷却した後、下端部の連絡口４ｂを介して隣接する導電性セグメント４の冷却水路４ａに流入させ、この冷却水路４ａの下端部から上端部に流動させることにより他方の導電性セグメント４を冷却するようになっている。
【００２２】
上記のように構成された炉本体１の外周側には、第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とに分離された誘導加熱コイル１６が設けられている。第１誘導加熱コイル５は、側面壁３の底部から上端部にかけて巻回されている。一方、第２誘導加熱コイル６は、出湯部２の下端から上端にかけて巻回されている。そして、第１誘導加熱コイル５および第２誘導加熱コイル６は、電源装置１７の溶解用電源７および出湯用電源８にそれぞれ接続されており、これらの電源７・８から交流電力が供給されたときに、側面壁３および出湯部２の壁面に沿って交番磁場９を生成するようになっている。
【００２３】
上記の溶解用電源７は、溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力するように設定されていると共に、周波数を任意に変更可能になっている。一方、出湯用電源８は、溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力する溶解用電源部１０と、溶解対象物１３を凝固させる程度の第２周波数の交流電力を出力する凝固用電源部１１とを有している。そして、両電源部１０・１１は、上述の溶解用電源７と同様に周波数を任意に変更可能になっている。
【００２４】
上記の電源部１０・１１および溶解用電源７は、電源制御装置１２に接続されている。溶解用電源７および溶解用電源部１０の第１周波数は、２ｋＨｚ程度の高周波数に設定するようになっている。尚、凝固用電源部１１の第２周波数は、通常、商用電源の周波数（１００〜２００Ｈｚ程度の低周波数）に設定されている。また、電源制御装置１２は、動作信号を各電源７・８に出力することによって、各電源７・８における交流電力の出力と停止とを切り替え可能になっていると共に、出湯用電源８における溶解用電源部１０と凝固用電源部１１との作動を切り替え可能になっている。
【００２５】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作について説明する。先ず、炉本体１の上方から溶解対象物１３が投入されることによって、炉本体１への溶解対象物１３の収容が行われる。この際、炉本体１の側面壁３は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜された逆円錐形状に形成されているため、上縁部が最も大きな開口径となっている。従って、溶解対象物１３の投入位置に多少の誤差があった場合や、体積が大きく異なる溶解対象物１３を混在させながら投入した場合であっても、溶解対象物１３の全量を確実に炉本体１に投入することができる。
【００２６】
この後、冷却水路４ａに冷却水を流すことにより炉本体１を冷却し、溶解の準備を完了する。そして、オペレータが溶解開始の指令を電源制御装置１２に入力したとき、電源制御装置１２は、溶解用電源７を動作状態にすることによって、第１周波数（高周波数）の交流電力を第１誘導加熱コイル５に出力させる。第１誘導加熱コイル５に交流電力が供給されると、第１誘導加熱コイル５から側面壁３の壁面に沿って交番磁場９が生成され、この交番磁場９により溶解対象物１３が誘導加熱されることにより塊状片の表面から溶解される。そして、溶解した溶解対象物１３が側面壁３の壁面に接触すると、側面壁３の冷却作用により溶解対象物１３が再び凝固することによって、スカル１４が側面壁３に沿って容器状に形成される。これにより、溶解初期においては、図３に示すように、大きな層厚のスカル１４上に塊状の溶解対象物１３と溶解した溶解対象物１３とが混在しながら載置された状態となる。
【００２７】
この後、図４に示すように、誘導加熱を継続して全溶解対象物１３を溶解すると、スカル１４で囲まれた容器部に溶解対象物１３の溶湯が収容された状態となる。尚、通電されていない第２誘導加熱コイル６は、交番磁場９を生成していないため、出湯部２の周辺には、第１誘導加熱コイル５による小さな交番磁場９が存在しているだけである。従って、出湯部２は、側面壁３による冷却で形成された大きな層厚のスカル１４により閉口された状態になっている。
【００２８】
この後、図５に示すように、誘導加熱による加熱電力が側面壁３の壁面に接触している側から内側に向かって減衰するように加えられる。そして、図１に示すように、溶解対象物１３の抜熱と交番磁場９の誘導加熱による入熱とが平衡したスカル１４の層厚になったときに、スカル１４を浸透した交番磁場９の一部で溶解対象物１３を誘導加熱することにより溶融状態を保持する。尚、溶解対象物１３の抜熱の要因には、溶解対象物１３の湯面１３ａからの放射、湯面１３ａにおけるガスの対流、および側面壁３による冷却があるが、スカル１４の層厚は、側面壁３の冷却と交番磁場９の誘導加熱とで主に決定される。
【００２９】
上述のようにして溶解対象物１３が溶解されて溶湯になると、湯面１３ａから溶解対象物１３が蒸発すると共に、溶湯内で生成されたガス成分が湯面１３ａから放散する。この際、側面壁３は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜されているため、溶解対象物１３の蒸発や湯面１３ａで気化したガス成分の上昇（矢符方向）を遮ることがない。従って、蒸発する溶解対象物１３が湯面１３ａから上方の側面壁３に接触することが殆どないため、側面壁３に対する溶解対象物１３の付着量が低減されたものになる。また、溶湯より上昇するガスが側面壁３に接触することも殆どないため、ガスの排気抵抗が低減されることによって、溶湯中のガスが十分に除去される。
【００３０】
次に、溶解対象物１３の溶湯を取り出す場合には、溶解用電源部１０を動作状態にすることによって、第１周波数（高周波数）の交流電力を第２誘導加熱コイル６に出力させる。第２誘導加熱コイル６に交流電力が供給されると、第２誘導加熱コイル６により高周波の交番磁場９が出湯部２の周辺に生成される。これにより、出湯部２の上方に存在するスカル１４が誘導加熱により溶解することによって、出湯部２が開口した状態となり、溶解対象物１３の溶湯が自重により出湯部２を介して外部に出湯される。
【００３１】
また、溶湯の取り出しを途中で中断したり、取り出し量を調整する場合には、第２誘導加熱コイル６への電力供給を溶解用電源部１０から凝固用電源部１１に切り替える。凝固用電源部１１に切り替えると、出湯部２の周辺に第２周波数（低周波数）の交番磁場９が生成され、溶湯の表面からかなり深い部分まで渦電流が生じる。そして、この部分における電力密度が低くなり、加熱よりも専ら磁気圧が溶湯を上方に持ち上げるように作用する。これにより、出湯部２に加わる溶湯の自重による圧力が低減されることによって、出湯量が減少する。
【００３２】
このようにして出湯量が減少すると、溶湯から供給される熱量が減少し、出湯部２に接触している部分から凝固が始まり、出湯量をさらに減少させることによって、出湯部２の開口径が順次減少していくことになる。そして、溶解対象物１３の凝固を完全に進行させれば、出湯部２が閉口するため、出湯を停止させることができる。一方、出湯部２が所定の開口径となったときに、第２誘導加熱コイル６への電力供給を凝固用電源部１１から溶解用電源部１０に切り替えれば、出湯部２の開口径の減少を停止させた後、開口径を増大させる方向に反転させることができる。従って、凝固用電源部１１と溶解用電源部１０との切り替えを制御することによって、出湯部２の開口径を一定に維持して所定の出湯量で溶解対象物１３を取り出すことができる。
【００３３】
以上のように、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜され、縦割り状の複数の導電性セグメント４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側面壁３を有した炉本体１（収容手段）と、側面壁３の外周側に配置され、炉本体１に収容された溶解対象物１３を誘導加熱する第１誘導加熱コイル５（第１コイル手段）と、第１誘導加熱コイル５に交流電力を供給する溶解用電源７（第１電源手段）とを備えた第１の構成を有している。
【００３４】
尚、誘導加熱溶解炉が第１の構成を有していれば、炉本体１は、本実施形態のように底部に出湯部２を有し、この出湯部２から溶解対象物１３を取り出す構造であっても良いし、出湯部２を備えずに炉本体１を傾けて溶解対象物１３を取り出す構造であっても良い。また、側面壁３の壁面は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜されていれば、直線状であっても湾曲状であっても良い。
【００３５】
上記の第１の構成において、溶解用電源７から第１誘導加熱コイル５に交流電力を供給すると、第１誘導加熱コイル５が交番磁場９を発生させることによって、炉本体１に収容された溶解対象物１３を誘導加熱して溶解させる。そして、溶解対象物１３が溶解して溶湯になると、湯面１３ａから溶解対象物１３が蒸発すると共に、溶湯内で生成されたガス成分が湯面１３ａから放散する。この際、炉本体１の側面壁３は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜されているため、溶解対象物１３の蒸発や湯面１３ａで気化したガス成分の上昇を遮ることがない。従って、蒸発する溶解対象物１３が湯面１３ａから上方の側面壁３に接触することが殆どないため、側面壁３に溶解対象物１３が大量に付着することによる不具合を低減することができる。即ち、不純物を多量に含む付着物が溶湯中に落下することによる溶解対象物１３の純度の低下や組成比のバラツキを低減することができると共に、付着物を除去する際の負担を低減することができる。また、湯面１３ａで気化して上昇するガスが側面壁３に接触することも殆どないため、ガスの排気抵抗を低減することが可能になり、結果として溶湯中のガス成分を十分に除去することができる。
【００３６】
また、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、上述の第１の構成に加えて、側面壁３の底部に形成された出湯部２と、出湯部２の外周側に配置され、溶解対象物１３を誘導加熱する第２誘導加熱コイル６（第２コイル手段）と、第２誘導加熱コイル６に交流電力を供給する出湯用電源８（第２電源手段）と、出湯部２の開口と閉口とを溶解対象物１３の溶解と凝固とで切り替えるように出湯用電源８を制御する電源制御装置１２（電源制御手段）とを備えた第２の構成を有している。
【００３７】
尚、誘導加熱溶解炉が第２の構成を有していれば、図６に示すように、炉本体１の側面壁３は、底部から半径を増大させるように傾斜された後、鉛直方向に立ち上げられた構造であっても良い。
【００３８】
上記の第２の構成によれば、炉本体１に収容した溶解対象物１３が誘導加熱されると、この加熱により溶解対象物１３が溶解して溶湯になると共に、炉本体１の側面壁３や底部の壁面、出湯部２の壁面に接触する部分においては、溶湯が冷却されて溶解対象物１３が凝固した状態となる。従って、電源制御装置１２が出湯用電源８による誘導加熱を制御することによって、溶解対象物１３の溶解時においては凝固した溶解対象物１３（スカル１４）で出湯部２を閉口し、溶解対象物１３の溶湯の取り出し時においてはスカル１４を溶解させることで出湯部２を開口させることができる。これにより、溶解対象物１３の溶解および取り出しの作業を容易に行うことができると共に、これらの溶解および取り出しの切り替え操作を極めて簡単に行うことができる。
【００３９】
また、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、誘導加熱コイル１６が第１誘導加熱コイル５（第１コイル手段）と第２誘導加熱コイル６（第２コイル手段）とに分離されており、電源装置１７が第１誘導加熱コイル５に交流電力を供給する溶解用電源７（第１電源手段）と第２誘導加熱コイル６に交流電力を供給する出湯用電源８（第２電源手段）とを有し、電源制御装置１２が溶解用電源７と出湯用電源８とを独立に制御する構成を有している。これにより、第１誘導加熱コイル５の誘導加熱炉による溶解対象物１３の溶解と、第２誘導加熱コイル６の誘導加熱による溶湯の取り出しとをそれぞれ独立して行うことができるため、生産性を向上させることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態の誘導加熱溶解炉は、出湯用電源８が溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力する溶解用電源部１０と、溶解対象物１３を凝固させる程度の第２周波数の交流電力を出力する凝固用電源部１１とを有し、電源制御装置１２が出湯部２の開口時に溶解用電源部１０から交流電力を出力させる一方、出湯部２の閉口時に凝固用電源部１１から交流電力を出力させる構成を有している。これにより、溶解用電源部１０と凝固用電源部１１との切り替えによって、出湯部２の開口と閉口を容易に切り替えることができると共に、第１周波数および第２周波数の交流電力の供給時間を調整することによって、出湯量の調整も容易にできる。
【００４１】
尚、本実施形態においては、誘導加熱コイル１６を第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とを分離し、各コイル５・６を独立して作動させるようになっているが、これに限定されることはない。即ち、誘導加熱溶解炉は、図７に示すように、第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とを一体的に有した誘導加熱コイル１６と、このコイル１６に任意の周波数で交流電力を供給可能な溶解・出湯用電源１８（電源手段）と、溶解対象物１３の溶解時においては出湯部２を凝固した溶解対象物１３で閉口する一方、溶解対象物１３の溶湯の取り出し時においては溶解対象物１３を溶解させて出湯部２を開口させるように、溶解・出湯用電源１８を制御する電源制御装置１２とを備えた構成にされていても良い。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態を図８ないし図１１に基づいて説明する。尚、第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付記してその説明を省略する。
【００４３】
第２の実施形態の誘導加熱溶解炉は、図９に示すように、底部に出湯部２を有し、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜され、縦割り状の複数の導電性セグメント４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側面壁３を有した炉本体１（収容手段）を有している。炉本体１の外周側には、図８に示すように、炉本体１に収容された溶解対象物１３を誘導加熱する誘導加熱コイル１６が設けられている。
【００４４】
上記の誘導加熱コイル１６は、側面壁３の外周側に配置された第１誘導加熱コイル５と、出湯部２の外周側に配置された第２誘導加熱コイル６とに分離されており、これらのコイル５・６は、溶解用電源７および出湯用電源８にそれぞれ接続されている。そして、両コイル５・６で構成された電源装置１７は、電源制御装置１２に接続されている。
【００４５】
上記の出湯部２は、上下に同一径で貫通された連通穴２ｃを有していると共に、導電性の短絡部２ｂを下部に有している。短絡部２ｂは、各導電性セグメント４を電気的に接続しており、連通穴２ｃへの交番磁場９の浸透を抑制することによって、溶解対象物１３の凝固を促進させるようになっている。また、出湯部２の連通穴２ｃには、冷却水等により冷却された棒状のスターティングブロック１９が移動自在に挿入されている。スターティングブロック１９の上端面には、上部から下部にかけて開口径を増大させた係合部１９ａが形成されており、係合部１９ａは、凝固した溶解対象物１３に係合することによって、溶解対象物１３に引き抜き力を確実に付与するようになっている。スターティングブロック１９は、引抜装置２０に連結されており、引抜装置２０は、スターティングブロック１９を任意の速度およびタイミングで昇降可能になっている。その他の構成は、第１の実施形態と同一であるのでその説明を省略する。
【００４６】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の動作を説明する。溶解対象物１３を炉本体１に投入すると共に、冷却水路４ａに冷却水を流すことにより炉本体１を冷却し、溶解の準備を完了する。そして、溶解用電源７および出湯用電源８を動作状態にすることによって、交流電力を第１誘導加熱コイル５および第２誘導加熱コイル６に出力させる。これらのコイル５・６に交流電力が供給されると、側面壁３の壁面および出湯部２の連通穴２ｃに沿って交番磁場９が生成され、この交番磁場９により溶解対象物１３が誘導加熱されることにより塊状片の表面から溶解される。そして、溶解した溶解対象物１３が側面壁３、出湯部２およびスターティングブロック１９に接触すると、側面壁３等の冷却作用により溶解対象物１３が再び凝固することによって、スカル１４が形成される。これにより、溶解初期においては、図１０に示すように、大きな層厚のスカル１４上に塊状の溶解対象物１３と溶解した溶解対象物１３とが混在しながら載置された状態となる。
【００４７】
この後、図８に示すように、誘導加熱を継続して全溶解対象物１３を溶解すると、湯面１３ａから溶解対象物１３が蒸発すると共に、溶湯内に発生した不純物を含むガス成分が溶湯中を上昇して湯面１３ａから放散する。この際、側面壁３は、底部から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜されているため、溶解対象物１３の蒸発や湯面１３ａで気化したガス成分の上昇を遮ることがない。従って、蒸発する溶解対象物１３が湯面１３ａから上方の側面壁３に接触することが殆どないため、側面壁３に対する溶解対象物１３の付着量が低減されたものになる。また、湯面１３ａで気化したガス成分が側面壁３に接触することも殆どないため、ガスの排気抵抗が低減されることによって、溶湯中のガスが十分に除去される。
【００４８】
次に、溶解対象物１３の溶湯を取り出す場合には、出湯用電源８をスカル１４が溶解するぐらい第２誘導加熱コイル６への電力供給を増大する。この後、引抜装置２０を作動させ、スターティングブロック１９を下降させる。スターティングブロック１９が下降すると、スターティングブロック１９の係合部１９ａに凝固した溶解対象物１３が係合しているため、スターティングブロック１９の引き抜き力が溶解対象物１３に確実に付与される。これにより、溶解対象物１３がスターティングブロック１９と共に下降する。そして、出湯部２の短絡部２ｂにおいて、溶解対象物１３の凝固が一層促進された後、図１１に示すように、所望の凝固状態となった溶解対象物１３が出湯部２から引き出されることになる。
【００４９】
以上のように、第２の実施形態の誘導加熱溶解炉は、出湯部２から溶解対象物１３を外部に強制的に引き抜くスターティングブロック１９および引抜装置２０（引抜手段）を備えた構成を有している。これにより、溶解対象物１３を出湯部２から強制的に引き抜くことができるため、所望の凝固状態の溶解対象物１３を得ることができる。
【００５０】
尚、第２の実施形態においては、誘導加熱コイル１６を第１誘導加熱コイル５と第２誘導加熱コイル６とで構成し、電源装置１７を溶解用電源７と出湯用電源８とで構成しているが、単一のコイルおよび電源からなる誘導加熱コイル１６および電源装置１７とで構成されていても良い。
【００５１】
次に、本発明の第３の実施形態を図１２ないし図１３に基づいて説明する。本実施形態の誘導加熱溶解炉は、図１２（Ａ）に示すように、外周側に誘導加熱コイル３８が巻回された円筒形状の側面壁３３と、側面壁３３の底部を形成する平板状の底壁３４とからなる炉本体３１を有しており、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ている。
【００５２】
上記の底壁３４の下面には、底部出湯機構３０が設けられている。底部出湯機構３０は、炉本体３１の底壁３４に明けられた中空逆円錐状の開口部２５と、この開口部２５に設けられた出湯部２１とを有している。
【００５３】
上記の開口部２５には、図１２（Ｂ）にも示すように、出湯部２１の上端部が接合されている。出湯部２１は、上部が広く、内方に向かって所定の幅まで狭くなる漏斗状の導入口部２１ａと、この導入口部２１ａに連続して下方に延びる中空管状の流出口部２１ｂとからなり、断面が『く』の字状で全体として漏斗状になるように形成されている。
【００５４】
上記の出湯部２１は、図１２（Ｃ）にも示すように、軸線方向に延びる複数のスリット２２により複数の導電性セグメント２１ｓに分割されている。各セグメント２１ｓの内部には、冷却水の通路となる中空部２１ｃが形成されている。そして、中空部２１ｃの端部には、図１３に示すように、冷却水の流入管２１ｅと流出管２１ｆとが接続されている。
【００５５】
上記の出湯部２１における流出口部２１ｂと導入口部２１ａのそれぞれの外周側には、外壁面に沿って誘導加熱コイル２６ａ・２６ｂが配置されている。これらの誘導加熱コイル２６ａ・２６ｂは、交流電力を出力する出湯用電源２８に接続されている。出湯用電源２８は、溶解対象物１３を凝固させる程度の第２周波数の交流電力を出力する凝固用電源部２３と、溶解対象物１３を溶解させる程度の第１周波数の交流電力を出力する溶解用電源部２４とを有している。尚、溶解用電源部２４の第１周波数は、凝固用電源部２３の第２周波数よりも高周波数に設定されている。そして、出湯用電源２８は、電源制御装置２９に接続されており、電源制御装置２９は、出湯用電源２８における凝固用電源部２３と溶解用電源部２４との作動を切り替え可能になっている。
【００５６】
上記の構成において、溶解および出湯する場合には、図１２（Ａ）に示すように、側面壁３３の外周側に配置された溶解用の誘導加熱コイル３８に通電して溶解対象物１３を溶解する。溶解が進行して炉本体３１内部で溶解された溶湯が、所定の溶融状態に達した時点で出湯を開始する。
【００５７】
即ち、図１３に示すように、溶解用電源部２４から第１周波数の高周波電力を誘導加熱コイル２６ａ・２６ｂに供給する。下側の誘導加熱コイル２６ａに第１周波数の高周波電力が供給されると、高周波電力により高周波の交番磁場が生じ、高周波の交番磁場９は、流出口部２１ｂ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、この薄い凝固層での電力密度が高いため、出湯部２１の流出口部２１ｂの内表面に凝固している溶解対象物１３が表面から溶解し、凝固層が下方に落下することにより出湯が可能な状態となる。
【００５８】
一方、上側の誘導加熱コイル２６ｂは、導入口部２１ａの導電性セングメント２１ｓと接触している凝固層の薄い層に対して渦電流を生じさせる。そして、図１２（Ａ）に示すように、疑似断熱作用により導入口部２１ａのスカル３５を凝固界面部から溶湯に接触させて溶解させる。つまり、導電性セグメント２１ｓに接触している部分が誘導加熱され、疑似断熱層を形成して導電性セグメント２１ｓの吸熱が抑制されることによって、凝固界面３５”から溶解が進行する。また、この部分での溶湯の流れＶも導入口部２１ａのスカル３５の低減を促し、最終的には導入口部２１ａ、流出口部２１ｂともにスカル３５が薄くなることによって、溶湯の圧力により出湯することになる。
【００５９】
次に、出湯を停止する場合には、図１３に示すように、流出口部２１ｂの誘導加熱コイル２６ａと、導入口部２１ａの誘導加熱コイル２６ｂに、溶解用電源部２４から例えば商用周波数の低周波電力を供給する。この低周波電力で生じた低周波磁場は、溶湯の表面からかなり厚い層まで渦電流を生じさせる。これにより、電力密度が低くなることによって、誘導加熱よりも専ら磁気圧を溶湯に生じさせる。この現象により流出口部２１ｂでは溶湯の流れが細くなり、流量が抑制される。そして、導入口部２１ａにおいては溶湯を上方へ持ち上げる効果が生じ、下方向の圧力の低減により出湯量が抑制される。
【００６０】
この後、出湯部２１を通過する溶湯量が減ると、溶湯より供給される熱量が減り、導入口部２１ａの導電性セグメント２１ｓに接触している部分から凝固が始まる。そして、出湯量がさらに減少し、最終的に出湯が停止される。また、ただ単に溶解用電源２４からの高周波電力を停止しても、導入口部２１ａ付近のスカル層が増大することにより流出口部２１ｂへの開口部２５がスカル３５により詰まってしまい流出量が落ちる。そして、益々スカル３５が増大し、開口部２５が閉鎖され、上記と同様に出湯が停止される。
【００６１】
尚、第３の実施形態においては、側面壁３３が垂直方向に立設されているが、これに限定されることはなく、底壁３４から上縁部にかけて半径を増大させるように傾斜されていても良い。そして、この場合には、第１および第２の実施形態のように、溶解対象物１３の側面壁３３への付着量を低減することができると共に、溶湯内のガスを十分に除去することができる。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、誘導加熱溶解炉であって、底部に形成された出湯部と、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側面壁とを有し、セグメント（または側面壁）を冷却しながら溶解対象物を収容する収容手段と、前記出湯部および前記側面壁の外周側に配置され、前記収容手段に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、前記コイル手段に電力を供給する電源手段と、前記出湯部の開口と閉口とを前記溶解対象物の溶解と凝固とで切り替えるように、前記電源手段を制御する電源制御手段とを有し、さらに、前記電源制御手段は、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを有し、出湯部の開口時に前記溶解用電源部から高周波電力を出力させる一方、出湯部の閉口時に前記凝固用電源部から低周波電力を出力させることを特徴とする構成である。
【００６３】
上記の構成によれば、収容手段に収容した溶解対象物が誘導加熱されると、この加熱により溶解対象物が溶解して溶湯になると共に、収容手段の側面壁や底部の壁面、出湯部の壁面に接触する部分においては、溶湯が冷却されて溶解対象物が凝固した状態となる。従って、電源制御手段が電源手段による誘導加熱を制御することによって、溶解対象物の溶解時においては凝固した溶解対象物で出湯部を閉口し、溶解対象物の溶湯の取り出し時においては凝固した溶解対象物を溶解させることで出湯部を開口させることができる。これにより、溶解対象物の溶解および取り出しの作業を容易に行うことができると共に、これらの溶解および取り出しの切り替え操作を極めて簡単に行うことができるという効果を奏する。
【００６４】
請求項２の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記出湯部は、前記収容手段の底部に接合され、上部から下方に向かって口径を減少させるように形成された導入口部と、該導入口部と一体的にその下方に形成された中空筒状の流出口部とを有した構成である。
【００６５】
上記の構成によれば、出湯部の壁面に沿って溶解対象物が凝固した後、内周方向に凝固が進行する。従って、出湯部の閉口動作は、導入口部の最も小さな口径の下部から始まって上部方向に順に進行する。これにより、出湯部の全体が溶解対象物の凝固により大きな力で急激に閉口することがないため、出湯部の開口率を容易に増減させることが可能になり、結果として出湯量を微調整しながら溶湯を取り出すことができるという効果を奏する。
【００６６】
請求項３の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とを一体的に有し、前記電源制御手段は、前記溶解対象物の溶解時においては前記出湯部を凝固した溶解対象物で閉口する一方、前記溶解対象物の溶湯の取り出し時においては前記溶解対象物を溶解させて前記出湯部を開口させるように、前記電源手段を制御する構成である。上記の構成によれば、第１コイル手段と第２コイル手段とを一つのコイルで連続的に形成してコイル手段とすることができるという効果を奏する。
【００６７】
請求項４の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記コイル手段は、前記側面壁の外周側に配置された第１コイル手段と、前記出湯部の外周側に配置された第２コイル手段とに分離されており、前記電源手段は、前記第１コイル手段に電力を供給する第１電源手段と、前記第２コイル手段に電力を供給する第２電源手段とを有し、前記電源制御手段は、前記第１電源手段と前記第２電源手段とを独立に制御する構成である。上記の構成によれば、溶解対象物の溶解と、溶湯の取り出しをそれぞれ独立して行うことができるため、生産性を向上させることができるという効果を奏する。
【００６８】
請求項５の発明は、請求項４記載の誘導加熱溶解炉であって、前記第２電源手段は、前記溶解用電源部と、前記凝固用電源部とを有している構成である。上記の構成によれば、溶解用電源部と凝固用電源部との切り替えによって、出湯部の開口と閉口を容易に切り替えることができると共に、高周波および低周波の電力の供給時間を調整することによって、出湯量の調整も容易にできるという効果を奏する。
【００６９】
請求項６の発明は、請求項１記載の誘導加熱溶解炉であって、前記電源手段の電力供給を増大させつつ、前記出湯部から前記溶解対象物を外部に強制的に引き抜く引抜手段を備えた構成である。上記の構成によれば、溶解対象物を流出口の下部で凝固させつつ強制的に引き抜くことができるため、所望の凝固状態の溶解対象物を得ることができるという効果を奏する。
【００７０】
請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の誘導加熱溶解炉であって、減圧下において前記溶解対象物を溶解する構成である。上記の構成によれば、多量のガスが発生する減圧下において好適に使用することができるという効果を奏する。
【００７１】
請求項８の発明は、誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、溶解対象物の溶解された溶湯を収容する収容手段の底部に明けられた中空逆円錐状の開口部と、前記開口部の内周に接してその内方に形成された導入口部と、この導入口部と一体にその下方に形成された中空筒状の流出口部とからなり、それぞれが連続した複数のスリットにより複数のセグメントに分割され、冷却水の給排水配管に接続された漏斗状の出湯部と、前記出湯部の前記導入口部と流出口部の、それぞれの外周に配置された誘導加熱コイルとこれら誘導加熱コイルに任意に選択的に接続され、溶解対象物を溶解させる第１周波数の高周波電力を出力する溶解用電源部と、加熱よりも専ら磁気圧が溶解対象物の溶湯を上方に持ち上げる第２周波数の低周波電力を出力する凝固用電源部とを含んでなる構成である。上記の構成によれば、比較的に簡単な構成により溶解と出湯の時間と量を制御することができるという効果を奏する。
【００７２】
請求項９の発明は、請求項８記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、前記出湯部は、上部が広く下方に向かって狭くなる導入口部と、該導入口部に連続して下方に延びる中空管状の流出口部とからなる構成である。上記の構成によれば、出湯部の開口率を容易に増減させることができるため、出湯量を微調整しながら溶湯を取り出すことができるという効果を奏する。
【００７３】
請求項１０の発明は、請求項９記載の誘導加熱溶解炉の底部出湯機構であって、前記出湯部の前記導入口部と流出口部のそれぞれに配置された誘導加熱コイルに、出湯する際は前記第１周波数の高周波電力が供給され、出湯を停止する際は前記第２周波数の低周波電力が供給される構成である。上記の構成によれば底部出湯機構を一層簡単な構成にす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】第１の実施形態における誘導加熱溶解炉の概略構成を示す説明図である。
【図２】誘導加熱溶解炉の斜視図である。
【図３】溶解対象物の溶解される過程を示す説明図である。
【図４】溶解対象物が溶解された状態を示す説明図である。
【図５】表面距離と加熱電力との関係におけるスカルの層厚を示す説明図である。
【図６】誘導加熱溶解炉の概略構成図である。
【図７】誘導加熱溶解炉の斜視図である。
【図８】第２の実施形態における誘導加熱溶解炉の概略構成図である。
【図９】誘導加熱溶解炉の斜視図である。
【図１０】溶解対象物の溶解される過程を示す説明図である。
【図１１】溶解対象物が溶解された状態を示す説明図である。
【図１２】第３の実施形態における誘導加熱溶解炉の概略構成図であり、（Ａ）は誘導加熱溶解炉の断面側面図、（Ｂ）は出湯部の拡大断面側面図、（Ｃ）は出湯部の斜視図である。
【図１３】底部出湯機構の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ 出湯部
３ 側面壁
４ 導電性セグメント
５ 第１誘導加熱コイル
６ 第２誘導加熱コイル
７ 溶解用電源
８ 出湯用電源
９ 交番磁場
１０ 溶解用電源部
１１ 凝固用電源部
１２ 電源制御装置
１３ 溶解対象物
１４ スカル
１６ 誘導加熱コイル
１７ 電源装置
１８ 溶解・出湯用電源
１９ スターティングブロック
２０ 引抜装置
２１ 出湯部
２２ スリット
２３ 凝固用電源部
２４ 溶解用電源部
２５ 開口部
３０ 底部出湯機構
３１ 炉本体
３３ 側面壁
３４ 底壁
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004147604.tif 000014