(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却可能な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ながら配列することにより形成された出湯部と、
前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、
共振回路で構成され、前記コイル手段に所定周波数の電力を供給する電源手段とを備え、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によって行う誘導加熱炉において、
前記電源手段が、高周波を出力する第１電源部と、低周波を出力する第２電源部とで構成されており、
前記第２電源部の、共振周波数又は出力のいずれか一方の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果と、前記出湯部を閉口する凝固した前記溶解対象物の層の厚みとの予め求められた関係に基づいて、前記出湯部の開口を開始する時間を演算する演算手段と、
が設けられていることを特徴とする誘導加熱溶解炉の出湯装置。
【請求項２】
前記第１電源部および前記第２電源部の、いずれか一方が直列共振回路で構成され、他方が並列共振回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉の出湯装置。
【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の出湯装置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、誘導加熱と攪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ともに、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】
この種の誘導加熱溶解炉は、縦割り状の導電性セグメント、例えば、銅のセグメントを円周方向に相互に絶縁して配列して筒状の壁面を形成し、その外周に誘導コイルを設けた、いわゆるコールドクルーシブル炉として知られている。
【０００４】
従来のコールドクルーシブル炉は、例えば、特開平１１−６６８７号公報に開示されているように、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、出湯部及び側面壁の外周側に配置され、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、コイル手段に電力を供給する電源手段と、出湯部の開口と閉口とを溶解対象物の溶解と凝固とで切り替えるように、この電源手段を制御する電源制御手段とを備えている。そして、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、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、前記従来のように、出湯部の溶解対象物を溶解、凝固を行うことによる出湯部の開口、閉口を行う場合、例えば、出湯のために出湯部を閉口し、凝固した溶解対象物を溶解させるために電力を与えても、通常１〜１０分程度の時間を要し、凝固した溶解対象物が何時溶解し、出湯部が開口し、出湯が開始されるか予測できず、安心して次の関連作業の段取りが行えないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、出湯部より出湯が開始される時期を容易に予測できる誘導加熱溶解炉の出湯装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための請求項１の発明は、冷却可能な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ながら配列することにより形成された出湯部と、前記出湯部の外周側に配置され、前記出湯部に収容された溶解対象物を誘導加熱するコイル手段と、共振回路で構成され、前記コイル手段に所定周波数の電力を供給する電源手段とを備え、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によって行う誘導加熱炉において、前記電源手段が、高周波を出力する第１電源部と、低周波を出力する第２電源部とで構成されており、前記第２電源部の、共振周波数又は出力のいずれか一方の変化を検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果と、前記出湯部を閉口する凝固した前記溶解対象物の層の厚みとの予め求められた関係に基づいて、前記出湯部の開口を開始する時間を演算する演算手段と、が設けられていることを特徴とする誘導加熱溶解炉の出湯装置である。
【０００８】
この構成によれば、検出手段で、溶解対象物を溶解するために電力を供給している電源手段の周波数又は出力のいずれか一方の変化を検出することで、凝固して出湯部を閉口している溶解対象物の凝固層の厚みの変化を知ることができる。また、検出手段の検出結果から凝固して出湯部を閉口している溶解対象物の凝固層の厚みの変化が判るため、厚みの変化を予測して、出湯部の開口する時期、すなわち、出湯が開始する時期を演算することができる。また、低周波を出力する第２電源部を検出専用とでき、これによる磁束を深くまで浸透できるので、出湯部に凝固している溶解対象物の溶解開始時期を早く検出することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、前記第１電源部および前記第２電源部の、いずれか一方が直列共振回路で構成され、他方が並列共振回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱溶解炉の出湯装置である。
【００１４】
この構成によれば、電源手段を第１電源部と第２電源部の２系統にした場合であっても、互いの電源の干渉を少なくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。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、チタン等の溶解対象物６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６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。
【００１６】
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５と、炉本体１の側面壁を構成するように、ベース体５上に円周方向に配設された複数の導電性セグメント３とを有している。ベース体５は、リング形状に形成され、セグメント３がその下端部に形成されたフランジ７を介してボルト等の締結部材８で締結、固定され、溶解対象物６を収容する収容部となっている。
【００１７】
また、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１０を有し、この出湯部１０より溶解した金属を出湯できるようになっている。
【００１８】
出湯部１０は、図２に拡大して示すように、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１１と、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出湯路１２を有している。また、出湯部１０は、縦割り状の複数の導電性セグメント１４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１４・１４間に介装したり、導電性セグメント１４・１４間を離隔することにより行われている。
【００１９】
上記の導電性セグメント３及び１４は、冷却水が流動する冷却水路４及び１５を内部に有している。冷却水路４は、導電性セグメント３の上端部から下端部にかけて形成されている。上端部の冷却水路４は、図示しない冷却水供給装置に接続されており、冷却水路４は、連絡口９を介して隣接する導電性セグメント３の冷却水路４に連通されている。そして、冷却水路４は、隣接する２つの導電性セグメント３・３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３の下端部から冷却水を導入して上端部に流動させることにより一方の導電性セグメント３を冷却した後、上端部の連絡口９を介して隣接する導電性セグメント３の冷却水路４に流入させ、この冷却水路４の上端部から下端部に流動させることにより他方の導電性セグメント３を冷却し、図示しない冷却水出口より排水されている。
【００２０】
また、出湯部１０を構成するセグメント１４内の冷却水路１５は、前述の冷却水路４同様に、図示しない冷却水供給装置に接続されており、連絡口１６を介して隣接する導電性セグメント１４の冷却水路１５に連通されている。そして、冷却水路１５は、隣接する２つの導電性セグメント１４・１４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１４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１４を冷却した後、下端部の連絡口１６を介して隣接する導電性セグメント１４の冷却水路１５に流入させ、この冷却水路１５の上端部から下端部に流動させることにより他方の導電性セグメント１４を冷却し、冷却水出口より排水されている。
【００２１】
上記のように構成された炉本体１の外周側には、セグメント３・３によって形成されている収容部内の溶解対象物６を溶解する第１誘導加熱コイル２が設けられ、第１誘導加熱コイル２に所定周波数の電力を供給する主電源２０が接続されている。出湯部１０には、出湯路１２の外周及び側面壁１１の外周に第２誘導加熱コイル（コイル手段）１３が設けられ、第２誘導加熱コイル１３に所定周波数の電力を供給する電源２１が接続されている。この第２誘導加熱コイル１３は、出湯路１２の下端から側面壁３の底部から上端部にかけて巻回されて、出湯部１０におけるスカル６ｂを制御するために用いられる。
【００２２】
電源手段としての電源２１は、直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータ部２２と、インバータ部２２を駆動及び制御するドライバ２３と、交流電力を整流してインバータ部２２に供給する整流部２４と、電圧変換のためのトランス部２５と、共振のための整合コンデンサ２６とを備えて成る。
【００２３】
整流部２４は、例えば、３相交流ならば、６個のサイリスタをブリッジ状に接続した整流ブリッジ回路２７と、リアクトルなどからなる平滑回路２８とを有しており、交流電源２９からの交流電流を整流ブリッジ回路２７で整流した後、平滑回路２８で平滑化することにより直流電流を形成する。
【００２４】
インバータ部２２は、ドライバ２３からの駆動信号によりオンオフ状態が切り換えられるＩＧＢＴ等のスイッチング素子３０を４組有したフルブリッジ型に構成され、平滑回路２８の直流電力を所定周波数の交流電力に変換する。インバータ部２２からの交流電力は、トランス部２５を経て所定電圧まで上げられる。更に、交流電力回路にコンデンサを並列に接続した整合部２６により、コイルと抵抗の所定インダクタンスの等価回路になる第２誘導加熱コイル１３との共振が確保される。ドライバ２３は、第２誘導加熱コイル１３の側のインダクタンスの変化に応じて、インバータ部２２からの交流電力がたえず共振周波数になるように制御している。
【００２５】
電源２１のトランス部２５と整合部２６の間の回路に、並列して出力状態の検出回路（検出手段）３１が接続されている。この検出回路３１に、更に演算回路（演算手段）３２及び表示器（表示手段）３３が接続されている。
【００２６】
検出手段３１は、第２誘導加熱コイル１３へ供給される交流電力を制御回路電圧レベルまで降圧する変圧器３５と、正弦波を矩形波に変える波形整形器３６と、その波形より周波数を測定する周波数測定装置３７とで構成されている。
【００２７】
この検出手段３１により共振周波数の変化が測定され、出力状態即ち溶湯の状態が検出できる。この原理は以下の通りである。図２において、スカル６ｂは、温度上昇して、溶解を開始すると、その電気抵抗率が増加する。この電気抵抗率の増加により、交番磁場１７の磁束の浸透深さが大きくなる。この磁束の浸透深さが大きくなるに従い、出湯部１０内の磁路断面積が増え、此れに従って、インダクタンスが増大する。図１の電源２１は、このインダクタンスの変化に伴って、常に共振周波数になるように動作する共振回路によって構成されているため、インダクタンスが増大することによって、この共振回路の周波数が低下するようになる。即ち、スカル６ｂの層厚さが薄くなるに従って、電源２１の共振周波数が低下する。したがって、この共振周波数を検出手段３１の周波数測定装置３７で測定することで出湯開始時期を予測することができる。
【００２８】
周波数測定装置３７の測定方法としては、波形整形器３６で、矩形波に変形された波の数を単位時間ごとにカウンターによって測定する方法や、波長を測定する方法がある。これらによって、デジタル出力される数値は、そのまま数値処理することもできるし、また、Ｄ／Ａ変換器にて、アナログ信号に変換して処理することもできる。また、波形整形器３６によって、変形された矩形波を周波数／電圧変換回路によって、アナログ信号に変換して、数値処理することも可能である。
【００２９】
演算回路３２は、検出回路３１で数値処理された結果を、予め求められていたスカル６ｂの層厚さとの関係より、出湯開始時間を演算するものである。共振周波数即ち溶融状態から出湯時間を計算する予め決められた数式に基づき、共振周波数の変化から出湯時間を演算する。この出湯時間は、作業員にわかるように表示器３３によって表示する。表示方法は、出湯時間が近づくと高くなる音や、点滅度合いが速くなる光、若しくは残り時間を液晶表示するなど任意の方法を単独又は複数組み合わせることができる。
【００３０】
上記の構成において、誘導加熱溶解炉の出湯装置の動作について説明する。図１において、先ず、炉本体１の上方から溶解対象物６が投入されることによって、炉本体１への溶解対象物６の収容が行われる。
【００３１】
この後、冷却水路４及び１５に冷却水を流すことにより炉本体１及び出湯部１０を冷却し、溶解の準備を完了する。そして、第１誘導加熱コイル２に交流電力が供給されると、交番磁場がセグメント３の壁面内に生成され、この交番磁場により溶解対象物６が誘導加熱される。溶解対象物６は、塊状片の表面から溶解され、交番磁場の影響で、炉中央部が高くなるように丸く溶解される。そして、溶解した溶解対象物６は、冷却されているセグメント３及び出湯部１０のセグメント１４の壁面に接触すると、壁面の冷却作用により溶解対象物６が再び凝固することによって、スカル６ｂが壁面に沿って容器上に形成される。
【００３２】
この後、誘導加熱を継続して全溶解対象物６を溶解すると、スカル６ｂで囲まれた容器部に溶解対象物６の溶湯６ａ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１３は、交番磁場９を生成していないため、出湯部１０の周辺には、第１誘導加熱コイル２による小さな交番磁場が存在しているだけである。従って、出湯部１０は、側面壁１１による冷却で形成された大きな層厚のスカル６ｂにより閉口された状態になっている。
【００３３】
この後、誘導加熱による加熱電力が側面壁１１のセグメント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、溶解対象物６の抜熱と交番磁場の誘導加熱による入熱とが平衡したスカル６ｂの層厚になったときに、スカル６ｂを浸透した交番磁場の一部で溶解対象物６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６の抜熱の要因には、溶解対象物６の湯面からの放射、湯面におけるガスの対流、および側面壁１１による冷却があるが、スカル６ｂの層厚は、側面壁１１の冷却と第１誘導加熱コイル２による交番磁場の誘導加熱とで主に決定される。
【００３４】
次に、溶解対象物６の溶湯を取り出す場合には高周波数の交流電力を第２誘導加熱コイル１３に出力させる。第２誘導加熱コイル１３に交流電力が供給されると、第２誘導加熱コイル１３により高周波の交番磁場１７が出湯部１０の周辺に生成される。これにより、出湯部１０の上方に存在するスカル６ｂが誘導加熱されることによって、スカル６ｂ層の厚みが薄くなり、出湯部１０の側面壁１１の出湯路１２の付近が開口した状態となり、溶解対象物６の溶湯６ａが自重により出湯部１０の出湯路１２を介して外部に出湯される。
【００３５】
次に、この出湯過程において、スカル６ｂ層の厚みが薄くなる様子を電源２１に並列に接続されている検出回路３１によって検出される。また、演算回路３２が、検出回路３１で数値処理された結果から、予め求められていたスカル６ｂの層厚さとの関係より、出湯開始時間を演算する。また、表示器３３が、作業員にわかるように出湯開始時間を表示する。
【００３６】
以上のように、本実施形態の誘導加熱溶解炉の出湯装置は、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１４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１１と、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出湯路１２を有している。そして、出湯路１２の下端部から側面壁１１の上端部に向かって巻き回された第２誘導加熱コイル１３とで構成され、この第２誘導加熱コイル１３に接続され、この第２誘導加熱コイル１３に電力を供給する電源２１の共振周波数を測定することによって、側面壁１１上に形成されたスカル６ｂ層の層厚さの変化を知り、出湯路１２からの出湯開始時間を予測し表示するものである。したがって、出湯開始時間を予測することができるため、この後に続く関連作業の段取りを安心して行うことができる。
【００３７】
また、出湯路１２を閉口しているスカル６ｂ層の厚さがどの程度か推定できるため、例えば、出湯部１０に巻き回されている第２誘導加熱コイル１３への電力の供給を大小に制御し、その供給電力をスカル６ｂの層厚さによって調整することができる制御器を接続することもできる。すなわち、大きな電力を与えすぎて、スカル６ｂ層が溶湯６ａ側から薄くなる前に、出湯路１２の近くのスカル６ｂが先に溶解してしまい、出湯路１２の出口付近で空洞が形成され、この空洞化によって、磁束密度が、磁路断面積の増加に伴って小さくなり空洞側のスカル６ｂを有効に誘導加熱できなくなるという事態を回避することができる。
【００３８】
次に本発明の他の実施形態例を図３により説明する。本実施形態にかかる炉本体１は、出湯部１０の第２誘導加熱コイル１３に電力を供給する電源が、第１電源部４１及び第２電源部４２で構成されている。ここで、第１電源部４１は、電流型インバータを内蔵し、約２０ｋＨｚ程度の高周波を出力をするように設定され、主に出湯時に使用される電源として使用できる。また、第２電源部４２は、電圧型インバータを内蔵し、約１ｋＨｚ以下に設定でき、出湯を停止する時に使用することができるようになっている。
【００３９】
第１電源部４１は、整流部が直列接続のリアクトル４３で形成され、整合部が並列接続のコンデンサ４４であって、全体として、並列共振回路を構成している。一方、第２電源部４２は、整流部が並列接続のコンデンサ４６で形成され、整合部が直列接続のコンデンサ４７であって、全体として、直列共振回路を構成している。その他の回路の詳細は、図１で説明したものと同様である。このように、並列共振回路の第１電源部４１と直列共振回路の第２電源部４２を組み合わせることで、お互いの高周波電源への影響を下げることができて、安定な動作が可能となる。なお、この並列共振回路と直列共振回路を組み合わせは、いずれか一方が、並列共振回路ならば、他方を直列共振回路にするようにすればよい。
【００４０】
図１で説明したものと同様の検出回路３１、演算回路３２、表示器３３が、低周波を出力する第２電源部４２側に接続される。これによって、出湯開始時期を早く検出することができる。具体的に説明すると、例えば、先に説明した電源２１単独で、第２誘導加熱コイル１３に電力を供給する場合は、加熱と検出とが同一電源２１で行うようになっている。この場合、出湯することを優先的に電源周波数を設定するため、その周波数は数ｋＨｚ以上に設定することになる。例えば、この時の設定周波数を４ｋＨｚにした場合、スカル６ｂの抵抗率を９０μΩ・ｃｍと仮定すると、磁束の浸透深さは７．５ｍｍとなる。一方、本実施形態例の場合、加熱用電源（第１電源部４１）と独立に検出用電源（第２電源部４２）を有しているため、第２電源部４２で、検出することを優先的に電源周波数を設定することができる。そこで、検出感度として、その磁束の浸透深さを５０ｍｍにすると、スカル６ｂの抵抗率が９０μΩ・ｃｍの場合、周波数を１５０Ｈｚにすればよいことになる。したがって、スカル６ｂの溶解が開始する時期を早く知りたいときは、第２電源部４２の周波数を低く設定することで対応することが可能となる。
【００４１】
なお、前記実施形態では、出湯部１０の第２誘導加熱コイル１３に接続されている電源の共振周波数を測定するとにより、その周波数の変化によって、スカル６ｂの層厚さを検出してきたが、共振回路においては、周波数を固定して電源を動作させることもできる。この場合、動作周波数は、共振周波数よりもわずかに高い周波数に設定しておく（図４（ａ））。スカル６ｂの厚みが薄くなることにより、インダクタンスが増大し、本来の共振周波数は低下する。この時、出力電圧を一定としておくと、電力が図４（ｂ）で示すように減少する。このため、電力と周波数の関係を表す曲線が左へ移動し、動作周波数での電力が減少する。逆に出湯時の共振周波数よりもわずかに低く動作周波数を設定しておくと、前記とは逆にスカル６ｂが薄くなるにつれて、電力が増大する。このように、スカル６ｂの厚みの変化によって、出力（電力）が変化するため、この出力の変化によりスカル６ｂの溶解開始時期を知ることができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態によれば、スカル６ｂの溶解開始点を電源の周波数変化若しくは出力変化から知ることができるため、この出湯作業に続く関連作業の段取りを安心して行うことができる。
【００４３】
尚、本実施形態においては、第２誘導加熱コイル１３が一体化している場合について説明してきたが、側面壁１１に巻き回されている誘導加熱コイルと、出湯路１２の外周に巻き回されている誘導加熱コイルとに分離、独立して作動させることも可能である。
【００４４】
また、セグメント３と第１誘導加熱コイル２が省かれ、図２のように、漏斗状の炉本体にした場合であっても、電源２１で誘導加熱により金属を溶解し、出湯制御を行うこともできる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、検出手段で、溶解対象物を溶解するために電力を供給している電源手段の周波数又は出力のいずれか一方の変化を検出することで、凝固して出湯部を閉口している溶解対象物の凝固層の厚みの変化を知ることができる。このため、出湯開始時期が予測できるため、出湯に引き続く関連作業の段取りを安心して行うことができる。
【００４６】
請求項１の発明によると、演算手段の演算結果から、出湯部の開口する時期、すなわち、出湯が開始する時期を視覚的若しくは聴覚的に知ることができるため、他の作業を行っていても、出湯開始を予測できる。
【００４７】
請求項１の発明によると、低周波を出力する第２電源部を検出専用とでき、これによる磁束を深くまで浸透できるので、出湯部に凝固している溶解対象物の溶解開始時期を早く検出することができる。また、検出手段による検出結果より出湯部に凝固している溶解対象物の状態を予測しつつ、第１電源部の電力を制御して、溶解対象物の溶解速度を制御することができる。
【００４８】
請求項２によると、電源手段を第１電源部と第２電源部の２系統にした場合であっても、互いの電源の干渉を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導加熱溶解炉の一実施形態例の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１における出湯装置部分を拡大した説明図である。
【図３】本発明に係る誘導加熱溶解炉の他の実施形態例の概略構成を示す説明図である。
【図４】スカルの厚みの変化と出力変化の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  出湯部
１１  側面壁
１２  出湯路
１３  第２誘導加熱コイル（コイル手段）
１４  セグメント
１５  冷却水炉
１６  連絡口
２１  電源（電源手段）
２２  インバータ部
２６  整合部
３１  検出回路（検出手段）
３２  演算回路（演算手段）
３３  表示器
３７  周波数測定装置
４１  第１電源部
４２  第２電源部
【図１】
0004378857.tif 000002
【図２】
0004378857.tif 000003
【図３】
0004378857.tif 000004
【図４】
0004378857.tif 000005