JP2003214774A - 金属融解装置及び金属融解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 坩堝への金属塊の収容状態に拘わらず、確実
に短時間に無駄な電力消費することなく、複数の金属塊
を融解する。 【解決手段】 外周囲に高周波誘導コイル１８が設けら
れた坩堝１４に、複数の金属塊４６を収容し、コイル１
８に振幅変調された高周波電流を供給して、金属塊４６
に渦電流を生じさせて、これら金属塊４６を加熱する共
に、坩堝１４と金属塊４６とを振動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波誘導加熱に
よって金属を融解する金属融解方法及びそれに用いる装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属融解装置は、例えば歯科用や装飾品
等の小型鋳造物を精密鋳造するための鋳造装置の一部と
して使用されることがある。金属融解装置は、金属が収
容される坩堝の外周囲に高周波誘導コイルを設け、この
高周波誘導コイルに高周波電流を供給して、金属に渦電
流を発生させ、これによって金属を加熱して、融解させ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】坩堝に金属を収容する
場合、複数の金属塊を坩堝に投入することがある。この
場合、金属塊に発生する渦電流の大きさが、金属塊間の
接触状態や金属塊の位置によって影響を受け、大きくば
らつく。そのため、加熱されやすい金属塊と加熱されに
くい金属塊とが発生し、全体にバランスよく加熱融解せ
ず、大部分の金属塊が融解しているにも拘わらず、一部
の金属塊の融解が遅れ、全体が融解するまでに多くの時
間が必要になることがある。即ち、同一の重量の複数の
金属塊を坩堝内に投入しても、坩堝内の金属塊の積み込
み状態によって、加熱融解時間が大きくばらつくことが
ある。特に、加熱融解時間が延びる場合には、一部の金
属塊の融解の遅れによって、大部分の融解金属が過熱さ
れることになり、合金成分の変質が生じたり、注湯され
る鋳型において融解金属の焼きつきが発生したりして、
鋳造品の品質を低下させることが生じる。しかも、誘導
加熱電力が無駄に消費されることにもなる。

【０００４】図４（ａ）、（ｂ）は、坩堝２内に収容し
た複数の金属塊を誘導加熱によって融解する状態を示し
たものである。坩堝２の外周囲に誘導加熱コイル４が設
けられ、坩堝２内に複数個の金属塊６が収容されてい
る。図４（ａ）は、誘導加熱コイル４からの磁束を、各
金属塊６が充分に受けるように、各金属塊６が坩堝２内
に収容されている状態を示す。この場合、各金属塊６は
効率よく加熱融解される。図４（ｂ）は、坩堝２内に無
作為に金属塊６が収容された結果、誘導加熱コイルから
金属塊６の一部６ａがはみ出しており、一部の金属塊６
ａは充分に磁束を受けない状態を示している。この状態
では、金属塊６ａ以外の金属塊６は、比較的効率よく加
熱融解される。しかし、金属塊６ａは加熱が遅れ、金属
塊６ａを含む全ての金属塊６が融解されるまで長い時間
が必要になる。しかも、金属塊６ａ同士が坩堝２内にブ
リッジ状に引っかかって宙吊り状態になり、誘導加熱コ
イル４からはみ出した状態が継続し、極端な場合には、
これら宙吊り状態の金属塊６ａが融解されない可能性が
ある。

【０００５】本発明は、坩堝への金属塊の収容状態に拘
わらず、確実に短時間に無駄な電力消費することなく、
複数の金属塊を融解することができる金属融解方法及び
金属融解装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による金属融解装
置は、坩堝を有している。この坩堝の外周囲に高周波誘
導加熱コイルが設けられている。坩堝には、複数の金属
塊が無作為に収容される。この場合、金属塊の一部が、
コイルよりもはみ出すことがある。このコイルに高周波
電流を高周波電源が供給する。高周波電流の振幅が、時
間経過と共に起伏変化させられ、坩堝と金属塊とが振動
する。

【０００７】このように構成すると、高周波電流の振幅
の変化に同期して、金属塊が振動し、坩堝に収容されて
いる金属塊間の空隙が少なくなるように、各金属塊が次
第に坩堝の下部に向かって落ち込んでいく。そして、高
周波誘導加熱コイルによって発生されている磁束密度の
高い範囲に各金属塊が導入される。坩堝の下部にある金
属塊が融解し、液体に変わり始めると、高周波電流の振
幅が大きくなったときに、融解金属の液面が盛り上が
り、高周波電流の振幅が小さくなったとき液面が平坦に
なる。このように、液化し始めた金属の振動が大きくな
って、融解が遅れている金属や、宙吊りになっている金
属をゆり落とす効果が強くなり、液化金属内へ、次々と
金属塊を落下投入させて、加熱融解の遅れが防止され
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の１実施の形態の金属融解
装置は、図２に示すように、鋳造装置の一部として使用
されている。この鋳造装置は、ケース１０内の下部に鋳
型１２を有している。鋳型１２は、その上面側に湯口を
有するものである。鋳型１２の上方に金属融解装置の一
部をなす坩堝１４が配置されている。坩堝１４は、その
上方から金属塊が投入可能なように、上部に開口を有す
るもので、上下方向に２分割された坩堝形成部材１４
ａ、１４ｂからなる。この坩堝形成部材１４ａ、１４ｂ
を組み合わせて坩堝１４を形成した状態で、金属塊を坩
堝１４内に投入し、これらを融解した後、坩堝開閉操作
装置１６によって、坩堝形成部材１４ａ、１４ｂを左右
に開いて、融解金属からなる溶湯を鋳型１２内に注湯す
る。

【０００９】坩堝１４内で金属塊を融解するために、坩
堝１４の外周囲には、高周波誘導加熱コイル１８が巻回
されている。この高周波誘導加熱コイル１８は、坩堝１
４の下部から上部に向かって巻回されているが、坩堝１
４の最上部まで完全には巻回されていない。このコイル
１８に並列にコンデンサ２０が接続されて、タンク回路
２２が構成されている。このタンク回路２２には、変圧
器２４を介してインバータ２６から、例えば５０乃至１
００ｋＨｚ或いはそれ以上の周波数の高周波電流が供給
されている。この高周波電流がコイル１８に印加される
ことによって、坩堝１４内に磁束が発生し、この磁束に
よって坩堝１４内の金属塊に渦電流が流れ、金属塊が加
熱され、融解される。但し、坩堝１４の最上部付近にあ
る金属塊には、磁束が供給されにくく、加熱が円滑に進
まない。

【００１０】インバータ２６は、例えば商用交流電源２
８からの交流電源を整流回路３０によって整流して得た
直流電源を基に、高周波電流を発生する。インバータ２
６は、それの出力電流及び出力電圧の値を検出し、これ
ら検出値に基づいて、インバータ制御回路３２によって
制御されている。インバータ制御回路３２には、可変利
得増幅器３４によって振幅が調整された、例えば約５乃
至３０Ｈｚの低周波信号が低周波発振器３６から供給さ
れている。この低周波信号に基づいて、インバータ制御
回路３２は、インバータ２６が発生する高周波電流を、
例えば図３に示すように振幅変調されたものとしてい
る。即ち、高周波電流は、約５乃至３０Ｈｚの繰り返し
周波数で、振幅が予め定めた第１の値となることと、第
２の値（第１の値＞第２の値）となることとを繰り返す
ものとなる。

【００１１】整流回路３０も、整流回路制御回路３８に
よって制御され、整流回路制御回路３８は、インバータ
２６の出力電圧の値に基づいて、インバータ２６に一定
値の直流電圧を供給できるように整流回路３０を制御し
ている。

【００１２】なお、坩堝１４の上方には、覗き窓４０を
介して光学検出器４２が設けられており、坩堝１４内の
融解金属が発する光が、光学検出器４２によって検出さ
れ、この検出値が制御回路４４に供給され、所定値にな
ったとき、坩堝開閉操作装置１６が坩堝１４を開く。

【００１３】このように構成された鋳造装置では、図１
（ａ）に示すように、坩堝１４内に無作為に複数の金属
塊４６が投入され、高周波誘導コイル１８に高周波電流
が流される。無作為に金属塊４６が投入されているため
に、各金属塊４６の間には空隙が存在し、また、高周波
誘導加熱コイル１８の上端よりも上方にも、例えば金属
塊４６ａのような金属塊が存在する。この金属塊４６ａ
には、高周波誘導加熱コイル１８が発生する磁束が余り
印加されにくい。

【００１４】高周波誘導加熱コイル１８に供給される高
周波電流が振幅変調されていることにより、振幅変調周
波数に同期して、充分に磁束を受けている金属塊４６が
振動を開始する。この振動は、やがて坩堝１４全体の振
動となり、坩堝１４自体も振動させられるようになる。
このため、図１（ｂ）に示すように、次第に各金属塊４
６、４６ａの空隙が減少し、坩堝１４の下部側に徐々に
密集していく。同図（ｃ）に示すように、磁束密度が高
く、周囲からの輻射熱も高くなっている坩堝１４の下部
に位置する金属塊４６が次第に液化し始める。これによ
って、上部に位置し、加熱が遅れている金属塊４６の大
部分が、坩堝１４の上下振動及びバランスの変化に伴っ
て、融解金属中に落下没入し、融解される。

【００１５】融解液化した溶湯は、高周波電流の振幅変
調周波数に同期して、液面が図１（ｃ）、（ｄ）に示す
ように、上下振動する。各金属塊４６の下部が液化し
て、その面積が振動に伴って大きく変化するので、上部
の金属塊４６に与えられる振動も強くなる。これによっ
て、図１（ｅ）、（ｆ）に示すように、坩堝１４の上部
に位置していた金属塊４６ａが磁束密度の大きい下方の
溶湯中に移動する。或いは、金属塊４６ａ同士が接触し
て、坩堝１４の内壁にブリッジを形成して、宙吊り状態
になっていても、この宙吊り状態にある金属塊４６ａが
揺り動かされて、強制的に溶湯内に落下する。このよう
に宙吊り状態のまま金属塊が坩堝内に維持されることが
なく、このような宙吊り状態の金属塊を融解する必要が
ないので、融解に要する時間を短縮することができる
し、必要とされる高周波電力も少なくて済む。

【００１６】その後、溶湯内で金属塊４６ａも融解さ
れ、図１（ｇ）、（ｈ）に示すように、各金属塊が一様
に融解液化される。この一様に液化された融解金属の液
面が、高周波電流の振幅変調周波数に同期して、上下動
させられ、溶湯が攪拌されて、溶湯全体が均一な温度と
される。

【００１７】このようにして均一の温度とされている溶
湯の温度が所定の温度になったとき、図２に示す制御回
路４４が坩堝開閉装置１６に坩堝１４を開かせ、鋳型１
２に溶湯を注入する。

【００１８】以上のように、本実施の形態によれば、金
属塊を無作為に坩堝１４内に投入しても、高周波電流が
振幅変調されていることにより、金属塊や坩堝が振動す
ることによって、均一な温度の溶湯に融解される。

【００１９】上記の実施の形態では、振幅変調周波数は
約５乃至３０Ｈｚとし、図３に示したように振幅変調波
形は正弦波としたが、坩堝１４の形状、金属の粘度、金
属の表面に形成されている酸化膜の性質、鋳造操作上等
の条件に応じて、変調周波数は種々の値とすることがで
きるし、また波形も種々のデューティ比を持つパルス
波、鋸歯状波等の種々の波形とすることができる。ま
た、上記の実施の形態では、一定周波数によって振幅変
調された高周波電流を高周波誘導加熱コイル１８に供給
したが、ランダムに振幅変調した高周波電流を高周波誘
導加熱コイル１８に供給してもよい。また、上記の実施
の形態では、金属塊の加熱の開始から終了まで、振幅変
調された高周波電流を高周波誘導加熱コイル１８に供給
したが、加熱の開始から金属の融解直前まで振幅変調さ
れた高周波電流を供給し、その後、一定振幅の高周波電
流を供給したり、或いは加熱の開始から金属の融解直前
まで一定振幅の高周波電流を供給し、その後に振幅変調
された高周波電流を供給したりしてもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、坩堝へ
の金属塊がどのように収容されていても、坩堝及び複数
の金属塊に振動を与えることができ、確実に短時間に無
駄な電力消費することなく、複数の金属塊を融解するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態における金属融解装置での
金属塊の融解の進行状態を示す図である。

【図２】上記１実施形態の金属融解装置のブロック図で
ある。

【図３】図２の金属融解装置において坩堝に供給される
高周波電流の波形を示す図である。

【図４】従来の金属融解装置における金属塊の融解状態
を示す図である。

【符号の説明】

１４ 坩堝 １８ 高周波誘導加熱コイル ４６ ４６ａ 金属塊

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｂ 6/06 ３０１ Ｈ０５Ｂ 6/06 ３０１ 6/24 6/24 (72)発明者 黒原 久美子 大阪府大阪市東淀川区西淡路３丁目１番56 号 株式会社三社電機製作所内 (72)発明者 小室 嘉明 大阪府大阪市東淀川区西淡路３丁目１番56 号 株式会社三社電機製作所内 Ｆターム(参考） 3K059 AA02 AA08 AA15 AB16 AB25 AB28 AC07 AC35 AC40 AD03 CD18 CD62 4K001 FA14 GA17 GB12 4K046 AA01 BA00 CD02 CD11 CE01 CE08 EA03 4K063 AA04 AA12 BA02 BA03 CA01 CA06 FA34 FA43 FA48

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の金属塊が無作為に収容される坩堝
   と、 この坩堝の外周囲に設けられた高周波誘導加熱コイル
   と、 このコイルに高周波電流を供給する高周波電源とを、具
   備し、前記高周波電流の振幅を、時間経過と共に起伏変
   化させて、前記坩堝と金属塊とを振動させることを特徴
   とする金属融解装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の金属融解装置において、
   前記高周波電流の振幅を、第１の振幅と、第１の振幅と
   異なる大きさの第２の振幅との間で、交互に変化させる
   金属融解装置。
3. 【請求項３】 外周囲に高周波誘導コイルが設けられた
   坩堝に、一部が前記コイルよりもはみ出した状態に、複
   数の金属塊を収容する過程と、 前記コイルに時間経過と共に振幅が変化する高周波電流
   を供給して、前記金属塊に渦電流を生じさせて、これら
   金属塊を加熱する共に、前記坩堝と前記金属塊とを振動
   させる過程とを、具備する金属融解方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の金属融解方法において、
   前記高周波電流の振幅を、第１の振幅と、第１の振幅と
   異なる大きさの第２の振幅との間で、交互に変化させる
   金属融解方法。