JP2010537376A

JP2010537376A - 金属製ビレットの誘導加熱方法及びその装置

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Publication number: JP2010537376A
Application number: JP2010521335A
Authority: JP
Inventors: ビューラー・カルステン; ミュラー・イェンス
Original assignee: ゼナジー・パワー・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-12-02
Also published as: EP2191691A1; US20100147833A1; WO2009024253A1; DE102007039888B4; CN101785359A; ATE525888T1; DE102007039888A1; EP2191691B1

Abstract

【課題】超伝導コイルによるビレットの誘導加熱を容易化すること。
【解決手段】保持装置によって保持されたビレット２の誘導加熱装置であって、少なくとも１つの超伝導コイル２３を有しつつビレット２の回りに回転する第１の磁石ユニット２０を備えて成り、超伝導コイル２３により発生した磁場がビレット２を貫通するよう構成された前記誘導加熱装置において、第１の磁石ユニット２０をビレット２の回りに回転させるために、第１の磁石ユニット２０の回転軸回りに回転する磁場を発生させる第２の磁石ユニット３０を設けた。

Description

本発明は、ビレットの周囲に少なくとも１つの超伝導コイル（例えば高温超伝導コイル）を備えた第１の磁石ユニットが回転することによる、ビレットの誘導加熱方法及びその装置に関するものである。

上記のような誘導加熱方法及び誘導加熱装置は特許文献１に開示されており、ビレットを加熱するために、高温超伝導コイルによって磁場が発生し、この磁場中にビレットが置かれる。このビレットと、磁場を発生させる高温超伝導コイルとは、相対的に回転し、ビレットには時間的に変化する磁場が作用する。これにより、ビレットには電流が印加されることになり、金属製のビレットの電気抵抗のために当該ビレットが電流によって所望の温度まで加熱される。

ところで、通常、回転駆動は、別途設けられつつ高温超伝導コイル又はビレットに機械的に連結されたモータによってなされ、ビレットに印加される電力は１００ｋＷほどである。そのため、複雑かつ整備に手間のかかる構造となってしまう。

なお、高温超電導体として、例えばＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＹＢＣＯ）などの希土類銅酸化物高温導電動体（イットリウム系超伝導体）が知られている。通常、高温超電導体の転移温度は７７Ｋを超える温度である。

欧州特許第１５８２０９１号明細書

本発明の目的とするところは、超伝導コイルによるビレットの誘導加熱を容易化することにある。

上記目的は、請求項１記載の誘導加熱方法及び請求項５記載の誘導加熱装置によって達成される。なお、好ましい実施形態は、各従属請求項に記載されている。

すなわち、本発明は、第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転させて該第１の磁石ユニットを駆動する磁場を第２の磁石ユニットによって発生させることを特徴としている。これにより、従来別途設けられていたモータ及びこれに付随する駆動機構が不要となるとともに、超伝導コイルとモータの機械的な接続部を介しての超伝導コイルへの熱の移動も回避されることになる。

また、本発明の一実施形態においては、ロータを備え、かつ、ビレットを収容するための孔がロータの回転軸に対して同心状に設けられつつ超伝導コイルを支持するモータを考えることができる。このロータは第１の磁石ユニットに相当し、第２の磁石ユニットは、モータのステータに相当し、ロータを駆動するための回転する磁場を発生させる。なお、第２の磁石ユニットにより発生する磁場は第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転するため、高い効率が得られる。

また、第１の磁石ユニットの周囲に設けられ、かつ、例えば該第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転する磁場を発生させる交流電流が印加されるコイルを第２の磁石ユニットに設けることも考えられる。

また、本発明の一実施形態は、磁場を発生させるために、第２の磁石ユニットにおける直流電流が印加される少なくとも１つのコイル及び／又は永久磁石を第１の磁石ユニット回りに回転させることを特徴としている。このような方法については、従来技術による方法のように、永久磁石又は直流電流が印加されるコイルを駆動するための機構を備えたモータが必要であるが、従来技術による第１の磁石ユニットの駆動について利点を有するものである。すなわち、本発明に係る方法によれば、第１の磁石ユニット及びこれに設けられた超伝導コイルがギヤ等を介して強固にモータと接続されているわけではないので、従来技術において必要であった駆動機構を介した超伝導コイルへの熱の移動を回避することが可能である。

また、超伝導コイルには、特に定電流源から直流電流を供給するのが好ましい。これにより、超伝導コイルに交流電流を供給する場合に比して必要な冷却用エネルギーを低減することができる。なお、コイルを、初期電流の供給後にバイパスさせることが考えられ、この場合には超伝導コイルに供給される電流はほぼ一定に保持されることになる。

ところで、本発明による誘導加熱方法を実行する誘電加熱装置は、保持装置で保持された金属製のビレットの回りに回転する第１の磁石ユニットを備えている。この第１の磁石ユニットは少なくとも１つの超伝導コイル（典型的にはベルト状の高温超電導体から成る。）を備えており、この第１の磁石ユニットにより発生する磁場は、ビレットを貫通するようになっている。

本発明に係る誘導加熱装置は、第１の磁石ユニットを回転駆動させるために、該第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転する磁場を発生させる第２の磁石ユニットを備えている。なお、超伝導コイルを定電流源に接続するのが好ましい。

また、本発明の一実施形態は、ビレットを挿通する孔を第１の磁石ユニットに設けたことを特徴としている。これにより、前記孔の周囲すなわちこの孔に挿通されるビレットの周囲における第１の磁石ユニットに設けられた超伝導コイルの磁極をより多く配置することが可能であり、ビレットを貫通する磁場強度を高めることができる。

また、本発明の一実施形態は、保持装置に固定され、かつ、交流電流を印加される少なくとも２つ（好ましくは３つ以上）のコイルを第２の磁石ユニットに設けたことを特徴としている。これにより、第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転する磁場を容易に発生させることができる。

また、本発明の一実施形態は、永久磁石及び／又は第１の磁石ユニットの回転軸回りに（例えばモータによって）回転駆動され、かつ、直流電流が印加されるコイルを第２の磁石ユニットに設けたことを特徴としている。

また、本発明の一実施形態は、超伝導コイルと共に回転する永久磁石を第１の磁石ユニットに設けるとともに、永久磁石を超伝導コイルと第２の磁石ユニットの間に配置したことを特徴としている。このような磁石ユニットにおいては、永久磁石が第２の磁石ユニットにより発生する外側の磁場と交互に作用し、超伝導コイルは、基本的に、ビレットを貫通する磁場を発生させる役割を担うものとなっている。なお、永久磁石の代わりに、第１の磁石ユニットに少なくとも１つのコイルを設けてもよい。

ところで、コイルに直流電流を供給するようにしてもよく、この場合には、同期モータの原理に基づき回転駆動がなされる。一方、コイルが金属製であり、バイパスされていれば、回転駆動は非同期モータによりなされる。

また、第１の磁石ユニットに複数の超伝導コイルを設けることも可能であり、当該第１の磁石ユニットにおけるビレットを挿通するための孔の周囲に例えば２つ又は４つのコイルを互いに等間隔に配置することが考えられる。これにより、ビレットを貫通する磁場及び加熱性能を高めることが可能である。

また、超伝導コイルと第２の磁石ユニットの間に断熱部材を配置するのが望ましい。こうすることで、必要な冷却用エネルギーを低減することができる。この断熱部材の外周部には永久磁石を配置することが考えられ、その磁場は、上述のように、第１の磁石ユニットを加熱すべきビレットの回りに回転させるために、第２の磁石ユニットによる外側の磁場と交互に作用する。なお、超伝導コイルと第２の磁石ユニットの間の断熱を、例えば真空の中空室によって達成することが可能である。また、これに加えて、又はこれに代えて、例えば真空の中空室によって、超伝導コイルをビレット側でも断熱するのが望ましい。

さらに、保持装置を、第１の磁石ユニットの回転軸に対して平行に摺動可能に構成することが考えられる。このような摺動により、ビレットと第１の磁石ユニットの間の追加的な相対運動がなされ、これによりビレットに印加される電流の向きを変化させることが可能である。したがって、ビレットの均等な加熱及び大きな電力の供給を行うことができる。

本発明によれば、超伝導コイルによるビレットの誘導加熱を容易化することが可能である。

誘導加熱を行うための設備を示す図である。図１における磁石システムを示す図である。図１における磁石システムの断面図である。図３における部分Ｃを拡大して示す図である。本発明の第２の実施形態に基づく図１における磁石システムを示す図である。図４における磁石システムの断面図である。図６における部分Ｃを拡大して示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示す設備は、加熱すべきビレット２を固定するための２つの固定器具１ａ，１ｂを備えつつ双方向の矢印で示す方向へ摺動可能なビレット保持装置を有している。また、２つの固定器具１ａ，１ｂの間には、ビレット２が挿通する孔を有する磁石システム（誘導加熱装置）１０が設けられている。なお、この磁石システム１０は、ビレット２を貫通する非定常の磁束を発生させ、ビレット２に電流（渦電流）を印加するものである。

＜実施の形態１＞
図２〜図４には磁石システム１０の第１の実施形態が示されており、この磁石システム１０の中心部には、四角形状の断面を有するビレット２が挿通されている。このビレット２から放射状に、リング状の第１の断熱部材２１を備えつつビレット２の回りに回転する第１の磁石ユニット２０が設けられている。ここで、第１の断熱部材２１の内部空間でビレット２を保持するようになっている。

第１の断熱部材２１の周囲には４つの鉄心２２が等間隔に配置されており、これら鉄心２２の長手軸（不図示）は、所定の箇所で第１の断熱部材の長手軸（不図示）と交差している。また、各鉄心２２には高温超伝導コイル２３が設けられており、この高温超伝導コイル２３は、直流電流（不図示）が供給されている。さらに、高温超伝導コイル２３の周囲にはリング状の第２の断熱部材２４が配置されており、該第２の断熱部材２４に鉄心２２が嵌設されている（図４）。

ところで、第１の磁石ユニット２０は第２の磁石ユニット３０によって同心状に包囲されており、この第２の磁石ユニット３０は、それぞれコイル３２から磁極片３３へ延びる９つの電磁石３１を備えている。この電磁石３１は、個々に制御されるとともに、リング状の磁気のリターンパス３４を備えている。

しかして、電磁石３１を制御することでビレット２に対して回転する磁場が発生し、この磁場は、直流電流を供給される第１の磁石ユニット２０における高温超伝導コイル２３の磁場と相互作用し、第１の磁石ユニット２０がビレット２の回りで回転する。これにより、高温超伝導コイル２３により発生しビレット２を貫通する磁束が変化し、ビレット２に電流が印加されることになる。

なお、鉄心２２が第２の断熱部材２４の外縁部近傍まで嵌設されているため、第１の磁石ユニット２０と第２の磁石ユニット３０の間に良好な磁気的な接続がなされ、高い効率が得られる。

＜実施の形態２＞
図５〜図７には、磁石システム１０の第２の実施形態が示されている。当該第２の実施形態における磁石システム１０の基本的な構造は図２〜図４に示すものと同様であるため、図５〜図７においては図２〜図４に示したものと同一の要素には同一符号を付し、以下、本実施の形態における第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

本実施の形態においては、高温超伝導コイル２３’の鉄心２２’が第２の断熱部材２４’に嵌設されていない点で第１の実施形態と相違している（図６及び図７）。そのため、本実施の形態においては、高温超伝導コイル２３’の断熱性の改善を図ることが可能である。

また、第１の磁石ユニット２０’と第２の磁石ユニット３０の間の磁気的な接続のために、第２の断熱部材２４’の外面に永久磁石２９’が固設されている。第１の磁石ユニット２０’の回転駆動は図２に示す第１の実施形態と同様に第２の磁石ユニットにおけるコイル３２に交流電流を印加することでなされるが、コイル３２の磁場は基本的に永久磁石２９’の磁場と相互作用し、これにより第１の磁石ユニット２０’が回転駆動される。

なお、第２の断熱部材２４’と鉄心２２’の間に例えば鉄製リングから成る不図示の磁気のリターンパスを設けてもよい。

１ａ，１ｂ固定器具
２ビレット
１０磁石システム
２０，２０’ 第１の磁石ユニット
２１第１の断熱部材
２２，２２’ 鉄心
２３，２３’ 高温超伝導コイル
２４，２４’ 第２の断熱部材
２９’ 永久磁石
３０第２の磁石ユニット
３１電磁石
３２コイル
３３磁極片
３４リターンパス

Claims

ビレットの周囲に少なくとも１つの超伝導コイルを備えた第１の磁石ユニットが回転することによる、ビレットの誘導加熱方法において、
前記第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転させて該第１の磁石ユニットを駆動する磁場を第２の磁石ユニットによって発生させることを特徴とする誘導加熱方法。
磁場を発生させるために、前記第２の磁石ユニットにおける、前記第１の磁石ユニットの周囲に配置した複数のコイルに交流電流を印加することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
磁場を発生させるために、前記第２の磁石ユニットにおける直流電流が印加される少なくとも１つのコイル及び／又は永久磁石を前記第１の磁石ユニット回りに回転させることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
前記超伝導コイルに直流電流を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱方法。
保持装置によって保持されたビレット（２）の誘導加熱装置であって、少なくとも１つの超伝導コイル（２３，２３’）を有しつつ前記ビレット（２）の回りに回転する第１の磁石ユニット（２０，２０’）を備えて成り、前記超伝導コイル（２３，２３’）により発生した磁場が前記ビレット（２）を貫通するよう構成された前記誘導加熱装置において、
前記第１の磁石ユニット（２０，２０’）を前記ビレット（２）の回りに回転させるために、前記第１の磁石ユニット（２０，２０’）の回転軸回りに回転する磁場を発生させる第２の磁石ユニット（３０）を設けたことを特徴とする誘導加熱装置。
前記超伝導コイル（２３，２３’）を定電流源に接続したことを特徴とする請求項５記載の誘導加熱装置。
前記ビレット（２）を挿通する孔を前記第１の磁石ユニット（２０，２０’）に設けたことを特徴とする請求項５又は６記載の誘導加熱装置。
前記孔の周囲に少なくとも略等間隔に配置された少なくとも２つの前記超伝導コイル（２３，２３’）を前記第１の磁石ユニット（２０，２０’）に設けたことを特徴とする請求項７記載の誘導加熱装置。
前記保持装置に固定され、かつ、交流電流を印加される少なくとも２つのコイルを前記第２の磁石ユニット（３０）に設けたことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
永久磁石及び／又は前記第１の磁石ユニットの回転軸回りに回転駆動され、かつ、直流電流が印加される少なくとも１つのコイルを前記第２の磁石ユニット（３０）に設けたことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
前記超伝導コイル（２３’）と共に回転する永久磁石（２９’）を前記第１の磁石ユニット（２０’）に設けるとともに、前記永久磁石（２９’）を前記超伝導コイル（２３’）と前記第２の磁石ユニット（３０）の間に配置したことを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
前記超伝導コイル（２３，２３’）と前記第２の磁石ユニット（３０）の間に断熱部材を配置したことを特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
前記超伝導コイル（２３，２３’）と前記第２の磁石ユニット（３０）の間に配置した前記断熱部材を、真空の中空室としたことを特徴とする請求項１２記載の誘導加熱装置。
前記保持装置を、前記第１の磁石ユニット（２０，２０’）の回転軸に対して平行に摺動可能に構成したことを特徴とする請求項５〜１３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。