JP2014501901A - 外側面が曲面形状の金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉 - Google Patents

Abstract

本発明は金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉に関し、本発明の誘導加熱式低温溶融炉は、多数の金属材セクターが絶縁物質で絶縁されてなる壁体を含む誘導加熱式低温溶融炉であって、前記セクターは、前記壁体の外側に膨らんで前記壁体の外側面をなす外側曲面部と、前記壁体の内側面をなす内側平面部と、前記外側曲面部及び内側平面部を連結する側平面部とを含んでなることを特徴とし、電気アークの発生を防止することができ、溶融炉の運転効率を向上させることができる効果があるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は外側面が曲面形状の金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉に関し、特に溶融炉の壁体を構成する金属セクターで電気的アークが発生することを防止し、溶融炉の運転効率性を高めることができる金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉に関する。

誘導加熱式の低温溶融炉（cold crucible induction melter；CCIM）は、冷却水が循環する多数の金属セクターの間に絶縁体が挿入される円筒状の溶融チャンバを構成し、溶融チャンバに収容された物質の溶融に必要な電力を供給するために、溶融チャンバの外側には高周波の誘導コイルが備えられる。

例えば、特許文献１（特許登録日：１９７７．１１．１５）、特許文献２（特許登録日：１９９０．０５．０８）、特許文献３（特許登録日：１９８８．０４．１９）、及び特許文献４（特許登録日：２００６．０２．０７）は、溶融炉の壁体が多数の金属セクターから構成され、金属セクターの間に電気絶縁体が挿入された誘導加熱式低温溶融炉を開示している。

誘導加熱式低温溶融炉は、内部の物体を溶融させるために、高周波の電流を誘導コイルに印加することになる。一方、溶融炉の壁体は誘導された電流を制限し、電磁気場の相対的な透過性を確保するために、絶縁体で絶縁される多数の金属セクターから構成される。
また、それぞれの金属セクターは、溶融炉壁体を一定温度に維持するために、冷却水の循環によって冷却がなされ、廃棄物のガラス化過程で炉壁と接触する溶融ガラスが固化して薄層をなすことにより、溶融炉の密封性を確保することができる。

このように、金属セクターは、相対的に磁場に対する透過性を持つ金属材料を使うが、金属材料であるため、誘導電流による熱が発生し、これは溶融炉の運転効率を低下させる。
このような問題点のため、金属セクターは、誘導された電流を制限し、金属セクターの間で発生し得る電気的アーク（electric arc）の発生を防止しなければならない。
このような問題点を考慮して、金属セクターは、誘導電流の発生を最小化するために、できれば単位金属セクターのサイズを小さくするか電気的アークの発生を防止することができる形状を持つように設計され、一般的に金属セクターの断面形状は菱形または台形を持つか、あるいは角部がラウンド処理された形態を採用している。

米国特許第４，０５８，６６８号 米国特許第４，９２３，５０８号 米国特許第４，７３８，７１３号 米国特許第６，９９６，１５３号

本発明は従来の問題点に鑑みてなされたもので、電気的アークの発生を防止し、溶融炉の効率を高めることができる外側面が曲面形状の金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉を提供する。

本発明による金属セクターは、互いに電気的に絶縁されて誘導加熱式低温溶融炉の壁体を構成する金属材セクターであって、前記セクターは、壁体の外側に膨らんで前記壁体の外側面をなす外側曲面部と、壁体の内側面をなす内側平面部と、前記外側曲面部及び内側平面部を連結する側平面部とによって提供できる。

次に、このような特徴的な構造を持つ金属セクターを含む本発明の誘導加熱式低温溶融炉であって、前記セクターのそれぞれは長手方向に一つの冷却流路が形成され、隣り合う一対のセクターは冷却流路が互いに連結されることを特徴とする。

また、本発明の誘導加熱式低温溶融炉であって、前記セクターのそれぞれは長手方向に一つの冷却流路が形成され、各冷却流路は前記壁体の外部に設けられて前記冷却流路に連結される冷却チューブをさらに備えることができる。

さらに、本発明の誘導加熱式低温溶融炉であって、前記冷却チューブの数は前記セクターの数と同一であり、各冷却チューブは一つのセクターの冷却流路のみに連結されることを特徴とする。

本発明による金属セクター及びこれを含む誘導加熱式低温溶融炉は、各単位金属セクターが壁体の外側に膨らんで外側面をなす外側曲面部と、この外側曲面部に連結され、壁体の側面と外側面をなす内側平面部と、側平面部とからなり、電気アークの発生を防止することができ、金属セクター内に一つの冷却流路のみが形成され、冷却流体の循環によって冷却できるので、単位金属セクターのサイズを最小化して溶融炉の運転効率を向上させることができる効果があるものである。

本発明の誘導加熱式低温溶融炉の横断面構成を示す図である。 本発明による誘導加熱式低温溶融炉の他の実施例を示す図である。 本発明による誘導加熱式低温溶融炉のさらに他の実施例を示す図である。 本発明による誘導加熱式低温溶融炉のさらに他の実施例を示す図である。 金属セクターに対する電磁気解釈モデルを示す図であり、（ａ）は本発明による金属セクター、（ｂ）は従来技術による金属セクターである。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本発明による金属セクターは、誘導加熱式低温溶融炉（以下、“溶融炉”は低温溶融炉をいう）の壁体を構成するもので、壁体１００の外側に膨らんで壁体１００の外側面をなす外側曲面部１１１と、壁体１００の内側面をなす内側平面部１１２と、外側曲面部１１１及び内側平面部１１２を連結する側平面部１１３、１１４とを含む。

本発明において、金属セクター１１０は全体としてバー（bar）状を持ち、内部には長手方向に冷却流路が形成されて、冷却水の循環によって溶融炉壁体を冷却させる。

図１は本発明の誘導加熱式低温溶融炉の断面構成を示す図で、溶融炉の一部のみを示しており、同一構造を持つセクターが同一に配置されて全体として溶融炉の形状は円筒状である。

具体的に、図１を参照すれば、セクター１１０は、壁体１００の外側に膨らんで壁体１００の外側面をなす外側曲面部１１１と、壁体１００の内側面をなす内側平面部１１２と、外側曲面部１１１及び内側平面部１１２を連結する側平面部１１３、１１４とを含む。
各セクター１１０は、長手方向に一つまたはそれ以上の冷却流路１１５が形成されて、冷却水が循環して溶融炉壁体の冷却がなされる。
内側平面部１１１と側平面部１１３、１１４の接する角はラウンド状を持つか面取りされることができる。

セクターの材質はステンレススチールを用いることができ、各セクターの間は絶縁物質が設けられて電気的な絶縁がなされる。好ましくは、本発明において、各セクター間の電気的な絶縁は少なくともセクターの内側平面部１１２及び側平面部１１３、１１４にコートされる絶縁層１２０によって提供できる。

絶縁層１２０としては電気絶縁性に優れた多様な材料を用いることができ、好ましくは電気絶縁性のほかに耐磨耗性、耐食性などに優れて効果的な絶縁体物質として利用可能なアルミナ、ジルコニア、ジルコニウムが使用できる。このような絶縁層１２０は、電気絶縁のほかに熱を緩衝する機能を有することができる。一方、絶縁層１２０が塗布されるセクターの表面１１２には凹凸または粗さ（roughness）を持つようにして、コーティング結合力を向上させることができる。

図２を参照すれば、本発明において、各セクターは図１のような形状を持ち、別途の絶縁層をコーティングせずに、各セクター２１１、２１２、２１３の間には電気絶縁のために雲母などの絶縁板２２１、２２２が挿入されて、セクター間の電気的な絶縁をなすことができる。

前述したように、本発明において、セクターは、長手方向に冷却流体が流れる中空部が形成され、特に本発明によるそれぞれの金属セクターは、一つの中空部のみが形成されて、冷却流体の循環がなされることを特徴とする。
二つ以上の中空部が形成されて冷却流体が循環する従来の金属セクターに比べ、本発明の金属セクターは、一つの中空部だけでもセクターの冷却が可能なので、単位金属セクターのサイズを減らすことができる。

また、冷却流入及び流出のために一つのセクターに二つの中空部を要する従来の金属セクターに比べ、本発明の金属セクターは、一つの中空部のみによって冷却流体の循環が可能なので、セクターの設計時にセクターの全体サイズを大きく変更することなく、必要な冷却流体流量に対する冷却流路のサイズ変更が容易で設計自由度が高く、溶融壁体における誘導電流の吸収を最小化し、溶融炉の運転効率を高めることができる。

具体的に、図３を参照すれば、単位金属セクターは図１または図２の実施例の構成を含むが、隣り合う一対のセクター３１０、３２０は冷却流路が互いに連結されて、冷却流体の循環がなされることを特徴とする。
具体的に、隣り合う一対のセクター３１０、３２０は、それぞれ一つの第１冷却流路３１１と第２冷却流路３２１が形成され、第１及び第２冷却流路３１１、３２１は、各セクター３１０、３２０の上端または下端で連結配管３３０を介して連結される。図示は省略するが、第１冷却流路と第２冷却流路には、冷却流体を循環させるために循環ポンプのような冷却流体循環装置が連結される。

例えば、循環ポンプ（図示せず）によって冷却流体が第１冷却流路３１１を通じて流入し、連結配管３３０に沿って第２冷却流路３２１を通じて排出され、循環ポンプに還収されることで、冷却流体の循環がなされるので、互いに隣接して位置する一対のセクター単位で冷却がなされる。
このように一対のセクターを単位として構成された溶融炉は全体的に偶数のセクターで構成されることができる。

図４は本発明による誘導加熱式低温溶融炉のさらに他の実施例を示す図であり、同様に単位金属セクターは図１または図２の実施例と同様な構成を含むが、各金属セクターは溶融炉壁体の外側に位置する冷却チューブに連結されて、冷却流体の循環がなされることを特徴とする。

具体的に、図４を参照すれば、各セクター４１０には、それに対応する冷却チューブ４２０が設けられ、冷却流路４１１はセクターの上端または下端で連結配管４３０を介して冷却チューブ４２０と連結される。
冷却流路４１１または冷却チューブ４２０は図示しない一つまたは複数の共通冷却流体ヘッダーで連結されることができ、冷却流路と冷却チューブは冷却流体循環装置（図示せず）に連結されて、冷却流体の循環がなされることができる。

図４は一つのセクターに一つの冷却チューブのみが連結されるものを示しているが、二つ以上のセクターが一つの冷却チューブで連結されて、冷却流体の循環がなされることもできる。一方、図４は絶縁層がコートされた各セクターの間に絶縁板が挿入されて壁体をなすものを示す。

図５は金属セクターの構造的な形状に対する電磁気解釈モデルを示す図であり、（ａ）は本発明による金属セクター、（ｂ）は従来技術による金属セクターである。
図５の（ａ）において、本発明による金属セクターの外側にＣｕ誘導コイルが配置され、金属セクターの内側にはガラスと、誘導電流によってガラスに溶融熱を提供するチタンリングがあると仮定して解釈した。図５（ｂ）は従来技術による金属セクターであり、図５（ａ）と同一条件であるが、一つの金属セクター内に二つの冷却流路が形成された金属セクターの構造に対する解釈結果である。

以下の表１は、解釈結果から得たモデル別電流分布の割合（％）を定量的に示すもので、本発明によるセクターの構造は従来技術に比べてガラスに伝達される誘導電流の割合が高いことを確認することができる。

したがって、本発明による誘導加熱式低温溶融炉は、従来のセクター構造に比べ、運転効率を高めることができる。

前記実施例は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例であり、本発明の範囲は前記の図面や実施例に限定されない。

１００ 溶融壁体
１１０ セクター
１１１ 外側曲面部
１１２ 内側平面部
１１３、１１４ 側平面部
１２０ 絶縁層

Claims (8)

1. 多数の金属材セクターが絶縁物質で絶縁されてなる壁体を含む誘導加熱式低温溶融炉において、
   前記セクターは、前記壁体の外側に膨らんで前記壁体の外側面をなす外側曲面部と、前記壁体の内側面をなす内側平面部と、前記外側曲面部及び内側平面部を連結する側平面部とを含んでなることを特徴とする、誘導加熱式低温溶融炉。
2. 前記セクターは、少なくとも前記内側平面部及び側平面部にコートされる絶縁層をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱式低温溶融炉。
3. 前記セクターのそれぞれは長手方向に一つの冷却流路が形成され、隣り合う一対のセクターは冷却流路が互いに連結されることを特徴とする、請求項１または２に記載の誘導加熱式低温溶融炉。
4. 前記セクターのそれぞれは長手方向に一つの冷却流路が形成され、各冷却流路は前記壁体の外部に設けられて前記冷却流路と連結される冷却チューブをさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の誘導加熱式低温溶融炉。
5. 前記冷却チューブの数は前記セクターの数と同一であり、各冷却チューブは一つのセクターの冷却流路のみに連結されることを特徴とする、請求項４に記載の誘導加熱式低温溶融炉。
6. 互いに電気的に絶縁されて誘導加熱式低温溶融炉の壁体をなす金属材セクターにおいて、
   前記セクターは、前記壁体の外側に膨らんで前記壁体の外側面をなす外側曲面部と、壁体の内側面をなす内側平面部と、前記外側曲面部及び内側平面部を連結する側平面部とを含んでなることを特徴とする、金属セクター。
7. 前記セクターは、少なくとも前記内側平面部及び側平面部に絶縁層がコートされることを特徴とする、請求項６に記載の金属セクター。
8. 前記セクターは、長手方向に一つの中空部が形成されることを特徴とする、請求項６または７に記載の金属セクター。
   
   

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