JP2004181499A - 高周波誘導加熱形鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属を鋳型に押し込むためのガス加圧の最適タイミングを自動的に設定する。
【解決手段】金属材料を収容するるつぼ１の外周に同軸的に配置された高周波誘導加熱用コイル５とこれに並列接続されたコンデンサ１１とにより構成された並列共振回路１２と、該並列共振回路に高周波信号を供給する高周波信号発生器１４と、上記並列共振回路に供給される高周波信号電流の大きさまたは共振周波数を検出する検出器１８と、該検出器により検出され、上記るつぼから溶融金属が鋳型の湯口に向けて落下、排出されることにより変化する上記信号電流の大きさまたは共振周波数を予め設定された基準値と比較して制御信号を発生する比較器２２と、該比較器からの制御信号に応答して、最適のタイミングで上記溶融金属を上記鋳型に押し込むためのガス加圧を開始させるための信号を発生するタイミング回路２４とを含む。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として歯科用、装身具等の小型物品を鋳造するのに適した高周波誘導加熱形鋳造装置に関するもので、特にるつぼ中の溶融金属の量的変化を電気信号として検出することにより溶融金属が鋳型に供給されるタイミングを検出し、これから溶融金属を鋳型に押し込むためのガス加圧の開始タイミングを自動的に最適タイミングに設定する機能を具えた高周波誘導加熱形鋳造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歯科用の義歯床を作成するために、例えばチタンのような金属を溶融受皿部に載せて高温ガスで溶融し、次いで溶融した金属を鋳型の湯道に流し込むと共に、流し込んだ溶湯に圧力をかけて強制的に湯道から鋳型内の空間に押し込み、鋳型内の細部に溶湯を充填させて義歯床を鋳造成形する鋳造装置が知られている（例えば特許文献１。）。また、後程説明するように溶融受皿部あるいはるつぼに収容された金属を高周波誘導加熱により溶融して、溶融金属すなわち溶湯を鋳型に注湯し、ガス圧で溶湯を強制的に鋳型内に押し込むようにした高周波誘導加熱形鋳造装置も知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１５４９５６号公報（第２〜４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
るつぼ中の溶融金属の量や粘度の相違により、るつぼ中の溶融金属が鋳型の湯口に到達するまでの時間が異なるため、従来の鋳造装置では、溶融金属すなわち溶湯を鋳型内に押し込むために圧力をかけるタイミングを適正に設定することは熟練した鋳造技術者の長年の経験によってのみ可能な非常に困難な作業であった。また、たとえ熟練した鋳造技術者であっても均質な鋳造品を鋳造することは非常に困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、るつぼ内の溶融金属を鋳型に流し込むに当たって、溶融金属がるつぼから鋳型の湯口に落下、排出されるタイミングを検出し、鋳型に供給された溶融金属がその湯口で安定した最適のタイミングでガス加圧バルブを開いてガス加圧を開始させることにより、溶融金属すなわち溶湯を鋳型の細部にまで完全に押し込み、充填させることができる鋳造装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明は、溶融金属を収容したるつぼの外周にこのるつぼと同軸的に配置された高周波誘導加熱用コイルとこれに並列接続されたコンデンサとにより構成された並列共振回路と、該並列共振回路に高周波信号を供給する高周波信号発生器と、該高周波信号発生器から上記並列共振回路に供給される高周波信号電流の値を検出する例えば高周波変流器からなる高周波電流検出器と、該高周波電流検出器により検出され、上記るつぼから溶融金属が鋳型の湯口に向けて落下、排出されることにより変化する上記信号電流の値を予め設定された基準値と比較して、検出された上記信号電流の値が上記基準値に達した時点で制御信号を発生する比較器と、該比較器からの制御信号に応答して、上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定したタイミングで上記溶融金属を上記鋳型に押し込むためのガス加圧を開始させるための信号を発生するタイミング回路と、を含んでいる。タイミング回路としては、例えば、上記制御信号が発生した時点から上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定するまでの時間を設定するための遅延回路が使用される。
【０００７】
本願の第２の発明は、溶融金属を収容するるつぼの外周にこのるつぼと同軸的に配置された高周波誘導加熱用コイルと該コイルに並列接続されたコンデンサとにより構成された並列共振回路と、該並列共振回路にその共振周波数をもった高周波信号を供給する高周波信号発生器と、該高周波信号発生器から上記並列共振回路に供給され、上記るつぼから溶融金属が鋳型の湯口に向けて落下、排出されることにより変化する上記高周波信号の共振周波数を検出する周波数検出器と、上記高周波信号の共振周波数を予め設定された基準周波数と比較して、検出された上記共振周波数が上記基準周波数に達した時点で制御信号を発生する比較器と、該比較器からの制御信号に応答して、上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定したタイミングで上記溶融金属を上記鋳型に押し込むためのガス加圧を開始させるための信号を発生するタイミング回路と、を含んでいる。第１の発明と同様に、タイミング回路としては、例えば、上記制御信号が発生した時点から上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定するまでの時間を設定するための遅延回路が使用される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２は本発明で使用される高周波誘導加熱形鋳造装置の構造を概略的に示した断面図である。同図で、１はるつぼで、該るつぼは垂直の中心線に沿って２分割される半部１ａ、１ｂとからなり、各半部は支持台２、２により支持されている。るつぼ１内に鋳造材料となる金属３を収容して加熱溶融する期間中には上記半部１ａ、１ｂは爪４、４により矢印で示す内側方向に押されて閉じられている。るつぼ１の外周には該るつぼ１と同軸的に高周波誘導加熱用コイル５が配置されている。るつぼ１の下には鋳型８が配置されている。９は湯口、１０は鋳型内の鋳造空間である。
【０００９】
るつぼ１内の溶融金属３を鋳型８に注湯するときは、図３に示すように爪４、４を矢印で示すように外方に移動させて半部１ａ、１ｂを開く。これによって、溶融金属３は鋳型８の湯口９に向けて落下、排出され、空間１０に注湯される。
【００１０】
図４は高周波誘導加熱用コイル５に高周波エネルギを供給するための回路をブロック図の形で示したものであり、高周波誘導加熱用コイル５と並列にコンデンサ１１が接続されていて並列共振回路１２を構成している。高周波信号発生器１４は、並列共振回路１２に高周波信号を供給する。１６は高周波信号発生器１４の電圧、周波数、位相等を調整するための制御信号を発生する制御回路で、該制御回路１６には並列共振回路１２の両端間の高周波信号電圧を表わす信号１７と、上記並列共振回路１２に供給される高周波信号電流を高周波変流器１８で検出して得られた信号１９とが供給される。制御回路１６は、これに供給される上記２つの信号１７、１９に応答して高周波信号発生器１４に、その電圧、電流、周波数等を制御するための信号２０を供給する。
【００１１】
制御回路１６は、並列共振回路１２の両端間の高周波信号電圧を表わす信号１７と、該並列共振回路１２に流れる高周波信号電流の大きさを表わす信号１９とに応答して、高周波電信号発生器１４の出力電圧と電流の位相が一致するように、上記高周波信号発生器１４の出力周波数を調整する制御信号２０を発生する。これによって並列共振回路１２に供給される電力の力率が最大になり、無効電流が最小になる。
【００１２】
るつぼ１内に溶融金属が存在するか否かによって、またるつぼ１内に存在する溶融金属の量によって高周波誘導加熱コイル５のインダクタンスが変化するために、並列共振回路１２の共振周波数は変化する。すなわち、溶融金属がるつぼ１内に存在するときは、その溶融金属内に渦電流が発生し、その溶融金属がコイル５に対して等価的な２次コイルとして作用し、その２次コイルを渦電流回路で短絡することになる。従って、コイル５中の、上記等価的な２次コイルに結合していない部分がインダクタンス分として残ることになり、上記コイル５のインダクタンスは、るつぼ１内に溶融金属が存在するときは存在しないときよりも小さくなる。
【００１３】
このことから、るつぼ１内に溶融金属が存在するときは、その溶融金属の量が多くなればなる程コイル５の実効インダクタンスは減少し、並列共振回路１２の共振周波数は高くなる。制御回路１６によって、高周波信号発生器１４の出力周波数を並列共振回路１２の共振周波数に一致させるように調整することにより、該並列共振回路１２の共振電流を常に最大値に維持することができ、高周波誘導加熱効率を高く維持することができる。このとき、高周波信号発生器１４の負荷となる並列共振回路１２の力率は実質的に１００％になり、高周波信号発生器１４は並列共振回路１２に、その損失分のみを供給すればよい。
【００１４】
るつぼ１内に溶融金属が存在しないときは、並列共振回路１２の損失分は、コイル５およびコンデンサ１１の抵抗損失分と、周辺の金属部分を加熱するエネルギに相当する損失分のみであり、高周波信号発生器１４から並列共振回路１２に供給される高周波電流は最小になる。一方、るつぼ１内に溶融金属が存在するときは、その溶融金属内で発生する渦電流損やヒステリシス損が上記並列共振回路１２固有の損失分に加算されることになり、該並列共振回路１２に供給される高周波電流は、るつぼ１内の溶融金属の量が多くなればなる程大きくなる。
【００１５】
以上のように、るつぼ１内の溶融金属の量的変化によって並列共振回路１２に供給される高周波電流の大きさが変化することを利用して、その電流の変化からるつぼ１内に存在する溶融金属の量を大略計測することができ、また、るつぼ１内の溶融金属の量的変化によって並列共振回路１２の共振周波数が変化することを利用して、その共振周波数の変化からるつぼ１内に存在する溶融金属の相対的な量的変化を大略計測することが可能になる。さらに、並列共振回路１２に流れる高周波信号電流の大きさと、並列共振回路１２の共振周波数を同時に検出して、るつぼ１内の溶融金属の量を計測することもできる。
【００１６】
図５は、図２に示すようにるつぼ１が閉じていて、るつぼ１内に溶融金属３が存在する状態から、図３に示すように爪４、４を矢印方向に移動させて半部１ａ、１ｂを分離してるつぼ１を開き、溶融金属３を鋳型８に向けて落下、排出し終わるまでの、並列共振回路１２に供給される高周波電流の変化を示した図である。期間Ｔ１は図２に示すようにるつぼ１が閉じていて内部に溶融金属３が存在する期間であり、この期間Ｔ１における高周波電流はＩ１の大きさ（振幅）をもっている。期間Ｔ２は図３に示すようにるつぼ１が開いている期間を示す。この期間Ｔ２中の期間Ｔ３は、るつぼ１が開いた直後から溶融金属３がるつぼ１内から鋳型８の湯口９に完全に落下、排出されるまでの期間を示している。るつぼ１内のすべての溶融金属が鋳型８の湯口９に供給された後の高周波信号電流の大きさ（振幅）はＩ２で、前述の理由により、Ｉ１＞Ｉ２である。るつぼ１から溶融金属３が鋳型８に向けて落下、排出されつつある期間Ｔ３では、高周波信号電流の大きさはＩ１からＩ２に向けて低下する。
【００１７】
図６は、るつぼ１が図２に示すように閉じている状態から図３に示すように開いて溶融金属３が鋳型８に向けて落下、排出されるときの並列共振回路１２の共振周波数の変化を示した図である。期間Ｔ１はるつぼ１が閉じていて内部に溶融金属３が存在するときの期間で、このときコイル５のインダクタンスは前述の理由により最小で、高い共振周波数Ｆ１を示す。Ｔ２はるつぼ１が開いて溶融金属３が鋳型８に落下、排出される期間を示し、すべての溶融金属３が鋳型８の湯口９に供給されると、コイルのインダクタンスは最大になり、共振周波数Ｆ２は最も低くなる。期間Ｔ２中の期間Ｔ３は、るつぼ１から溶融金属３が鋳型８の湯口９に向けて落下、排出されつつあるときの期間で、この期間中は上記共振周波数はＦ１からＦ２に向けて低下する。
【００１８】
るつぼ１を開いて溶融金属３を鋳型８の湯口９に注湯するときは、その周囲を一旦真空状態にまで減圧し、溶融金属と鋳型内に含まれるガスを除去すると共に、鋳型８の空間１０内に湯が行きわたり易くする。るつぼ１内の溶融金属３が落下して鋳型８の湯口９に溶融金属が供給された時点で、鋳型８の周囲に不活性ガス、例えばアルゴンガスを吹き込んで、鋳型８の周囲の圧力を瞬間的に上昇させ、鋳型８の空間１０の細部にまで湯を強制的に押し込み、充填する。
【００１９】
不活性ガスによる圧力上昇、すなわちガス加圧のタイミングは、るつぼ１内の溶融金属３がすべて鋳型８の湯口９に供給されて安定した時点が最適とされている。このタイミングが早すぎると、るつぼ１から鋳型８に向けて落下中の溶融金属が存在し、溶融金属がガスを巻き込んで内部にボイド（孔、巣）が発生する可能性がある。一方、上記のタイミングが遅すぎると、鋳型８の湯口９に溜まった湯（溶融金属）の温度が低下して粘性が大きくなり、ガス加圧による鋳型の空間１０内への押し込み効果が低下する。
【００２０】
るつぼ１が開いて、るつぼ１内のすべての溶融金属３が鋳型８の湯口９に落下、排出されるまでの時間は、溶融金属の量、温度、組成等の諸条件によって変化する。このため、従来はガス加圧のタイミングは経験的にるつぼ１が開いた時点から、るつぼ１内の溶融金属が完全に排出されるまでの最長時間を基準として設定されていた。すなわち、るつぼ１が開いたことを表わす信号の発生に応答して固定された遅延時間が設定されたタイマーを起動し、設定された遅延時間のタイムアップと同時にガス供給バルブを開いてガス加圧を開始している。
【００２１】
ところが、このような方法では、溶融金属が少量の場合、あるいは溶融金属の粘度が低く、流動性が高い場合には、溶融金属は短時間でるつぼ１から落下して鋳型に供給され、鋳型８の湯口９での滞留時間が長くなって温度が低下し、粘度が高くなる。そこで、このような場合、湯口９での溶融金属の温度の低下を補償するために、熟練した鋳造技術者は長年の経験からるつぼ１中の溶融金属３の温度を若干高めになるように過加熱してから上記溶融金属を鋳型８に注湯するという微妙な調整操作を行っていた。従って、未熟な鋳造技術者では実際問題として均質な鋳造品を鋳造することは不可能であった。
【００２２】
本発明による高周波誘導加熱形鋳造装置は、るつぼ１が図３のように開いて、内部の溶融金属３が鋳型８の湯口９に向けて落下、排出される時点を検出して、この時点からガス加圧のタイミングを最適タイミングに設定する機能を具えたもので、溶融金属の量、温度、組成が変わっても最適タイミングでガス加圧を実行して均質な鋳造品を製造することができるものである。
【００２３】
図１は、本発明によるガス加圧タイミング制御装置を具えた高周波誘導加熱形鋳造装置の一実施形態を示すもので、図４に示す従来から使用されている制御回路に、高周波電流レベル比較回路２２，該比較回路２２の出力信号に対して所定の大きさの遅延を与える例えば遅延回路からなるタイミング回路２４、および該タイミング回路２４の出力信号に応答してガス加圧を開始させる例えばガス加圧バルブ２６を追加して構成されている。
【００２４】
比較回路２２には、高周波変流器１８で検出された高周波電流の大きさを表わす信号が供給される。比較回路２２には、基準値として、るつぼ１内に溶融金属が全く存在しないときの高周波信号電流の大きさである図５のＩ２のレベルとほぼ等しいレベル、具体的にはＩ２のレベルよりも僅かに高いレベルが予め設定されている。比較回路２２は、高周波変流器１８で検出されたそのときの高周波電流のレベル（これをＩｖとする）を上記基準レベルと比較する。Ｉｖが上記基準レベルよりも大のときは、るつぼ１内にまだ溶融金属が存在しているか、または開いたるつぼ１から未だすべての溶融金属が鋳型８の湯口９に供給されていない状態を表わすから、上記比較回路２２は出力信号を発生しない。開いたるつぼ１からすべての溶融金属３が鋳型８の湯口９に供給されて、高周波変流器１８で検出された高周波信号電流のレベルＩｖがＩ２になると、Ｉ２は上記基準レベル以下であるから、比較回路２２は出力信号を発生する。タイミング回路２４は上記出力信号を、上記るつぼ１の溶融金属がすべて鋳型８の湯口９に供給されて安定するまでの時間だけ遅延させて、ガス加圧開始信号を発生する。この信号によって例えばガス加圧バルブ２６は開かれてガス源からのガスによるガス加圧を開始させ、鋳型８の湯口９にある溶融金属は鋳型８の空間１０の細部にまで強制的に押し込まれて充填される。上記のガス加圧の前に鋳型８の周囲を一旦真空状態に減圧することは前述の従来の鋳造装置と同様である。
【００２５】
るつぼ１内の溶融金属の量の変化によって並列共振回路１２の共振周波数が変化することを利用して、るつぼ１からすべての溶融金属３が鋳型８の湯口９に供給されるタイミングを検出することもできる。この場合、比較回路２２として周波数比較回路が使用される。高周波変流器１８によって、高周波信号発生器１４から並列共振回路１２に供給される高周波信号の共振周波数を検出し、その共振周波数（これをＦｖとする）を表わす信号を上記比較回路２２に供給する。比較回路２２には基準周波数として、図６に示されている周波数Ｆ２とほぼ等しい周波数、例えばＦ２よりも僅かに高い周波数、すなわちるつぼ１内に溶融金属が存在しないときの並列共振回路１２の共振周波数Ｆ２よりも僅かに高い周波数が設定されている。比較回路２２に供給されるそのときの共振周波数Ｆｖが上記基準周波数よりも低くなると、該比較回路２２は出力信号を発生する。タイミング回路２４は上記出力信号を、上記るつぼ１の溶融金属がすべて鋳型８の湯口９に供給されて安定するまでの時間だけ遅延させて、ガス加圧開始信号を発生する。この信号によって例えばガス加圧バルブ２６を開いてガス加圧を開始させ、鋳型８の湯口９にある溶融金属は鋳型８の空間１０の細部にまで強制的に押し込まれて充填される。この場合も、上記のガス加圧の前に鋳型８の周囲を一旦真空状態に減圧することは前述の従来の鋳造装置と同様である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、るつぼ内の溶融金属の量、温度、組成等を考慮して、タイミング回路２４の遅延時間を、上記るつぼ１の溶融金属がすべて鋳型８の湯口９に落下、排出されて安定するまでの時間に予め設定しておくことにより、常に最適のタイミングでガス加圧を開始させることができ、熟練した鋳造技術者でなくても均質で品質の良い鋳造物を製造することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、溶融金属がるつぼに収容されているときの高周波入力信号電流の大きさ、並列共振回路の共振周波数からるつぼ内の溶融金属の量を知ることができるから、高周波誘導加熱電力の大きさ、加熱時間を溶融金属の量に応じた最適値に自動調整することができ、また各種動作シーケンスのタイミングの自動調整も可能になり、自動鋳造化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるガス加圧タイミング制御装置を具えた鋳造装置用の高周波誘導加熱装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は、閉じられた状態にあるるつぼと鋳型を示す概略断面図である。
【図３】図３は、るつぼが開いて溶融金属が鋳型に向けて落下、排出される状態にあるときの上記るつぼと鋳型を示す概略断面図である。
【図４】図４は、従来の鋳造装置用の高周波誘導加熱装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図５】図５は、るつぼに溶融金属が収容されているときと、るつぼから溶融金属が鋳型に落下、排出されるときの並列共振回路に供給される高周波入力電流の大きさの変化の例を示す図である。
【図６】図６は、るつぼに溶融金属が収容されているときと、るつぼから溶融金属が鋳型に落下、排出されるときの並列共振回路の共振周波数の変化の例を示す図である。
【符号の説明】
１ るつぼ
５ 高周波誘導加熱用コイル
８ 鋳型
９ 湯口
１０ 鋳型の空間
１１ コンデンサ
１２ 並列共振回路
１４ 高周波信号発生器
１６ 制御回路
１８ 高周波変流器
２２ 比較回路
２４ タイミング回路
２６ ガス加圧バルブ

Claims (3)

1. 溶融金属を収容するるつぼの外周に同軸的に配置された高周波誘導加熱用コイルと該コイルに並列接続されたコンデンサとにより構成された並列共振回路と、該並列共振回路に高周波信号を供給する高周波信号発生器と、上記並列共振回路に供給される高周波信号電流の大きさを検出する高周波電流検出器と、該高周波電流検出器により検出され、上記るつぼから溶融金属が鋳型に向けて落下、排出されることにより変化する上記高周波信号電流の値を予め設定された基準値と比較して、検出された上記高周波信号電流の値が上記基準値に達すると制御信号を発生する比較器と、該比較器からの制御信号に応答して、上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定したタイミングで上記溶融金属を上記鋳型に押し込むためのガス加圧を開始させるための信号を発生するタイミング回路と、を含む高周波誘導加熱形鋳造装置。
2. 溶融金属を収容するるつぼの外周に同軸的に配置された高周波誘導加熱用コイルと該コイルに並列接続されたコンデンサとにより構成された並列共振回路と、該並列共振回路にその共振周波数をもった高周波信号を供給する高周波信号発生器と、上記並列共振回路に供給され、上記るつぼから溶融金属が鋳型に向けて落下、排出されることにより変化する上記高周波信号の共振周波数を検出する周波数検出器と、上記高周波信号の共振周波数を予め設定された基準周波数と比較して、検出された上記共振周波数が上記基準周波数に達すると制御信号を発生する比較器と、該比較器からの制御信号に応答して、上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定したタイミングで上記溶融金属を上記鋳型に押し込むためのガス加圧を開始させるための信号を発生するタイミング回路と、を含む高周波誘導加熱形鋳造装置。
3. 上記タイミング回路は、上記制御信号が発生した時点から上記溶融金属が上記鋳型の湯口に到達して安定するまでの時間を設定するための遅延回路により構成されている、請求項１または２に記載の高周波誘導加熱形鋳造装置。

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