JP3815626B2 - 非接触給電によるコールドウォール溶解炉の炉体傾動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高純度の金属あるいは合金を溶解する真空誘導溶解装置の真空容器内に配置される真空誘導溶解炉の炉体傾動装置に関し、具体的には誘導加熱コイルと外部電源とを電気的に接続する高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来技術による真空誘導溶解装置の主要部を示す概略断面図である。
図７を参照して従来の真空誘導溶解装置による溶解法を説明すると、真空容器８０または真空室（チャンバ−とも呼ばれる）内の真空誘導溶解炉７０に炉体７１を配置し、この炉体７１の外周に設けた誘導加熱コイル７３に真空容器８０の外部に設けた外部電源７９から給電して、所定の減圧下で金属あるいは合金の被溶解材料を溶解し、溶解が完了すると炉体７１に設けた図示しない傾動装置の傾動軸が１点鎖線Ｙを中心軸として矢示Ｒ１で示すように回動して炉体７１を傾斜させて、この炉体７１内部の溶湯ｍを鋳物の鋳型またはインゴットモ−ルド７５内に注入し鋳込んでいる。
このように溶湯ｍを鋳込むため炉体７１を傾動させる必要があることから、外部電源７９から誘導加熱コイル７３に高電流を給電する接続導体７７としては、炉体７１の傾動に順応して変形できる可撓性（フレキシビリティ−）を有するとともに、外部に対して絶縁性を保持することと、飛散する溶解中の金属や溶湯からケ−ブルを保護することの可能な耐熱性を有する絶縁被覆材を用いた可撓性ケ−ブルを使用している。
【０００３】
真空誘導溶解装置の真空誘導溶解炉に使用される耐熱性を有する可撓性ケ−ブルの絶縁被覆層用の絶縁材料としては、ＪＩＳ Ｃ ４００３によれば、例えば許容最高温度１５５℃に対しては、マイカ、石綿、ガラス繊維などをシリコ−ン、アルキド樹脂で複合したもの、ポリエステルイミドなどが推奨され、許容最高温度１８０℃に対しては、マイカ、石綿、ガラス繊維などを、けい素樹脂で複合したもの、耐熱ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミドなどが推奨され、それぞれ真空誘導溶解炉に使用されている。
一方、真空誘導溶解炉としては、炉体が耐火材料で構築されたホットウォ−ル型のものと、炉体が水冷されるコ−ルドウォ−ル型のものがある。
図８はコ−ルドウォ−ル溶解炉の一例を示す主要部の断面図である。
同図において、コ−ルドウォ−ル溶解炉９０では、銅など熱伝導率が大きな金属製の炉体８１の側壁８１ａと底壁８１ｂの内部には冷却水の通路８２ａ（入口側）、８２ｂ（出口側）とが設けられ、側壁８１ａの外周側に誘導加熱コイル８３が螺旋状に巻回され、炉体８１は溶湯ｍの温度上昇あるいは炉体８１自身の誘導加熱による温度上昇を水冷により抑制している。
なお、この図では側壁８１ａは、円周方向に所定の幅の隙間（スリット）８５により分割された複数のセグメント８６により形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来より一層高純度の金属や合金を溶製する要求が高まるのに伴い、真空容器内の雰囲気をできるだけ減圧すること、つまり、可能な限り高い真空度にする必要が生じ、このような高真空度下でかつ誘導加熱コイルと接続導体自身を通した伝導熱や、輻射熱により加熱され温度が上昇する環境に置かれた、接続導体としてのケ−ブルを絶縁被覆する前記の絶縁材料は、マイカ、石綿、ガラス繊維や耐熱材料としての合成樹脂などにより構成されるため、主として水蒸気などのガスが表層に付着しており高真空化にともなって雰囲気中に放出され易く、溶湯に吸収されて不純物として溶湯を汚染したり、あるいは、これらのガスが雰囲気中に次々に放出されて真空容器内の内部圧力を上昇させ真空容器内を所定の圧力に維持するのを困難にさせる、などの問題を生じている。特に、コ−ルドウォ−ル溶解炉のように高純度金属の溶解を使命とする炉では、溶湯の汚染防止と高真空の維持が最重要な要件であり、上記の問題の影響は大きい。そこで、高温、高真空中に曝してもガス放出の少ないセラミックス等を絶縁被覆層として使用することが期待されるが、可撓性ケ−ブルの特性として絶縁被覆層を構成する絶縁材料にも可撓性が要求されるので、この点から硬く柔軟性に欠けるセラミックス等の使用は不可能である。本発明は、このようなガス放出の問題なしに、誘導加熱コイルと外部電源とを電気的に接続し、かつ炉体の傾動を可能にする傾動装置を有する高真空コールドウォール溶解炉を開発することを課題とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、真空誘導溶解装置において、高真空コールドウォール溶解炉の炉体またはるつぼの外周に配置された誘導加熱コイルと真空容器外に配置された外部電源との間に、所定の間隔を有して対向配置され、それぞれに電磁コイルが巻回された１次側のコアと２次側のコアとにより構成されると共にその２次側のコアと１次側のコアとが中間に真空容器の壁を挟んで対向されているポット型トランス方式の非接触給電装置、又は、１次側のコアが前記真空容器の壁に、溶接、ろう付け、Ｏリングなどにより真空容器外の大気からシ−ルされた状態で、前記１次側のコアが真空容器を貫通して真空容器内に突出しているポット型トランス方式の非接触給電装置を配置し、誘導加熱コイルと外部電源間を非接触給電装置を介して電気的に接続し、誘導加熱コイルと非接触給電装置の２次側のコアの電磁コイルとの間を水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−で接続し、２次側のコアが１次側のコアと２次側のコアの同軸の回転対称軸を回動の中心軸として傾動され、これにより、炉体を傾動する場合も非接触給電装置の２次側部分のみが上記の回転対称軸を中心軸として回動するため、給電された状態のまま傾動に追従するので、従来技術のように真空容器内に絶縁被覆層を有する可撓性ケ−ブルを使用する必要がなくなり、絶縁被覆層からのガス放出による真空容器内の圧力上昇の問題とそのガスによる溶湯の汚染を解消する。
【０００６】
必要に応じて、誘導加熱コイルと２次側のコアとを接続する水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−および／または２次側のコアと炉体とを、セラミックスなどの絶縁性材料製の支持部材で固定することにより、傾動時の水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−の変形を確実に防止する。
上記の非接触型給電装置は真空容器の内部に、あるいは真空容器の壁部を挟んで配置することができる。いずれの場合も、誘導加熱コイルと２次側のコアの電磁コイルとの間は接続導体として上記のように水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−を使用するが、１次側のコアの電磁コイルと外部電源との間の接続導体には真空容器内にある部分だけ水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−を使用し、真空容器外にある部分には通常の水冷ケ−ブルあるいは絶縁ケ−ブルを使用できる。
本発明では上記の構成により課題を解決した。
【０００７】
【作用】
誘導加熱コイルと非接触給電装置の２次側のコアの電磁コイルとに接続される水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−は、炉体に固定したセラミックス等の支持板に取り付けられ、炉体の傾動に追従して、ポット型トランス方式の非接触給電装置の１次側のコアと同じ２次側のコアの回転対称軸を中心にして回転されるので絶縁被覆層を有する可撓性ケ−ブルを使用する必要が無く、絶縁被覆層からのガス放出の問題を解消でき高真空下での真空誘導溶解炉、特に導電性金属製水冷セグメントるつぼを使用する高真空コ−ルドウォ−ル溶解炉における高純度の金属あるいは合金の溶解を一層確実にする。
【０００８】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例として、非接触給電装置を真空容器内に配置した高真空コールドウォール溶解炉（以下、単に「コールドウォール溶解炉」とのみいう場合がある。）の主要部の概略断面図である。非接触給電装置は真空容器の内部に配置することも真空容器の壁部に配置することも可能であるが、第１実施例として真空容器の内部に配置した場合を示し、真空容器の壁部に設置する実施例については後述する。図１を参照して本発明の第１実施例を説明すると、符号１０は通常のコールドウォール溶解炉であり、また符号１１は炉体であり、非接触給電装置１６の一次側のコア１６ａおよび２次側のコア１６ｂの共通の回転対称軸を回動の中心軸Ｘとして矢示Ｒの方向に所定の角度だけ回動され、炉体１１の内部で所定の溶解作業を終わった溶湯ｍをインゴットモ−ルド１５または通常の鋳物の鋳型（図示せず）内に注入する。本発明の非接触給電装置１６は、例えば図示のようにポット型トランスにより成り、その１次側のコア１６ａに巻回された電磁コイル２４ａは外部電源１９に接続されるが、その接続導体１７の真空容器２０内にある部分は水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−を使用するものとする。本発明の以下に示す各実施例の給電装置のすべての２次側のコアと接続導体とは、図示はしないが図１に示したものと同様に１次側のコアと２次側のコアとの共通の回転対称軸を回動の中心軸として回動される。
【０００９】
一方、２次側の電磁コイル２４ｂは、高真空コールドウォール溶解炉１０の誘導加熱コイル１３に接続導体１８としての水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−により接続され、２次側のコア１６ｂと接続導体１８とはセラミックスなどの支持部材により炉体１１に取り付けられて、高真空コールドウォール溶解炉１０の傾動とともにこれと一体に回動されるので、可撓性ケ−ブルを使用する必要はなく、さらに必要に応じ絶縁被覆材としてセラミックスなどを使用することもできる。なお真空容器２０の内部と外部とにある接続導体１７は、真空容器２０の中間フランジ部などに設けられた絶縁材料製の円板２０ａに埋め込まれた導体を介して、真空容器２０内の気密を破ることなく相互に電気的に接続される。図２は非接触給電装置１６の斜視図である。また、図３は非接触給電装置１６内に生じる磁束φを示す断面図である。この磁束φは一次側コイルを流れる電流の方向反転と同時に方向を反転する。図２と図３を参照して非接触給電装置について概略説明する。斜視図としての図２と磁束を示す図３の断面図に示されるように、ポット型トランスと呼ばれるこの非接触給電装置１６は、それぞれ対向する断面形状がＥ字形で底付円筒状の１対のポット型のコア１６ａ、１６ｂの、底部２３ａ、２３ｂと、これらの底部２３ａ、２３ｂの外周部に設けられた円筒状の周壁２１ａ、２１ｂと、各底部の軸心部から周壁２１ａ、２１ｂに平行にそれぞれ軸方向内方に突出した突出部２２ａ、２２ｂと、これらの突出部２２ａ、２２ｂの外周に巻かれた電磁コイル２４ａ、２４ｂとから成る。
【００１０】
電磁コイル２４ａを外部電源に接続して１次側とした時、１次側の電磁コイル２４ａを流れる電流によって発生する磁界の磁束φは突出部２２ａから軸方向外方に向かい底部２３ａを経由し、さらに上下両側の周壁２１ａに向かって放射状に拡散して均一に形成され、所定の間隔を保って対向して配置された２次側のコア１６ｂの側壁２１ｂに向かって均一に流れ、さらに底部２３ａを経て突出部２２ｂに至り、１次側のコア１６ａに還流する。この磁束φは一次側コイルを流れる電流の方向反転と同時に方向を反転する。
この磁束φにより、２次側の電磁コイル２４ｂに発生した誘導電流が、水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−による接続導体１８を通して前記の誘導加熱コイル１３（図１参照）に供給され炉体１０の内部に装入された被溶解材料が誘導加熱される。
図４は本発明の第２実施例を示す概略断面図であり、炉体や外部電源の部分は第１実施例と同一なので図示を省略した。
この実施例では１次側の電磁コイル３４ａと２次側の電磁コイル３４ｂの中間に、真空容器３０のフランジ部３１にボルト３５等でＯリング３３を介して気密に固定した例えば円板状の壁３１ａが配置され、１次側の電磁コイル３４ａと外部電源との間の接続導体１７ａとしては通常の水冷ケ−ブルあるいは通常の絶縁ケ−ブルで接続される。
【００１１】
それぞれ対向する１次側のコア２６ａと２次側のコア２６ｂとの間の壁３１ａの材質は、磁束φの漏洩を少なくし２次側に発生する電流を大きく保つため、非導電材料とするのが好ましい。
図４では、真空容器３０にフランジ部３１を設けて、このフランジ部３１に壁３１ａを固定したが、第２実施例の別の実施態様としては、壁３１ａと同じ材質の壁をねじ込みあるいはろう付けなど他の方法を利用して真空容器に気密に取り付けることによっても同じ効果が得られる。
図５は本発明の第３実施例を示す概略断面図であ。
本実施例では、１次側のコア３６ａの周壁４１ａの内周面と、中心部の突出部４２ａの外周面との間には、内外両面にＯリング４５ａと４５ｂとがはめ込まれた環状のシ−ル部材４７によりシ−ルされる。
第２実施例と同様に、前記コア３６ａの周壁４１ａの外周と真空容器４０との間には、Ｏリング４８が配置されて真空容器４０内が外部の大気からシ−ルされる。
従って、１次側の電磁コイル４４ａと外部電源との間の接続導体１７ｂとしては通常の水冷銅パイプあるいは絶縁ケ−ブルを用いて接続することができる。
【００１２】
本実施例のシ−ル部材４７は非導電性であることが好ましい。また、１次側の電磁コイル４４ａが発生した磁束を２次側の部材以外に漏洩させることのないようにするため、真空容器４０と１次側のコア３６ａの周壁４１ａの外周との間隔を大きくするか、または真空容器４０の１次側のコア３６ａに近接する部分だけ非導電性の材料で構成することによって、２次側のコア３６ｂに流れる磁束を大きくすることが好ましい。
なお、図５では簡略化して示したが、真空容器４０の内部の圧力と外側の大気圧との圧力差により、シ−ル部材４７や１次側のコア３６ａが真空容器の内方に引き込まれることがないよう、非導電性材料製の係止部材５０、５１を配置する必要がある。
図６は本発明の第４実施例を示す概略断面図である。同図においてこれまでに示した部材と同じ効果を有する部材には特に符号を付していない。
本実施例は、第２実施例と同様の手段により１次側のコア６６ａに近接する部分だけ非導電性材料で構成した真空容器６７に、Ｏリング６１などシ−ル材料を介して気密に固定した１次側のコア６６ａに所定の間隔を有して２次側のコア６６ｂを対向して配置するものである。
この場合、１次側のコア６６ａの底部６３ａの接続導体１７ｃを導入する部分に真空容器内の気密を保つため一対のシ−ル部材６３ｃが設けられている。
接続導体１７ｃに水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−を使用する場合、１次側のコアの軸方向外方に配置したコネクタ１７ｄを介して外部電源１９からの絶縁ケ−ブルなどによる接続導体１７ｅと接続する。コネクタ１７ｄには上記の水冷銅パイプなどのため図示しない冷却水の給、排水口が設けられている。
【００１３】
高真空コ−ルドウォ−ル溶解炉は炉体の内部に冷却水を供給して炉体の温度上昇を抑制して、銅などを炉体材料として使用可能にし、セラミックスの微粒子が脱粒したり、高温下における化学反応を生じたりして溶湯に混入することを防止できるので、高真空コ−ルドウォ−ル溶解炉を使用する真空誘導溶解炉に対して上記各実施例が好適に適用可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明では、ポット型トランスによる非接触給電装置を用い、少なくとも２次側のコアを真空容器の内部に備え、また２次側の接続導体に水冷銅パイプあるいは水冷銅ブスバ−を使用し、２次側のこれら部材をセラミックスなどによる支持部材で炉体に固定して炉体に追従して回動可能にしたため、高温高真空中でガスを放出する可撓性の絶縁ケ−ブル不必要とし、真空容器内での上記のガスの発生を防止して、放出ガスによる真空容器内の圧力上昇を防止して、溶湯の汚染を防止することにより高純度の金属あるいは合金の溶解が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例として、非接触給電装置を真空容器内に配置した高真空コールドウォール溶解炉の主要部の概略断面図である。
【図２】 非接触給電装置の斜視図である。
【図３】 非接触給電装置内に生じる磁束φを示す断面図である。
【図４】 本発明の第２実施例を示す概略断面図である。
【図５】 本発明の第３実施例を示す概略断面図である。
【図６】 本発明の第４実施例を示す概略断面図である。
【図７】 従来技術による真空誘導溶解装置の主要部を示す概略断面図である。
【図８】 コ−ルドウォ−ル溶解炉の一例を示す主要部の断面図である。
【符号の説明】
１０ 高真空コールドウォール溶解炉
１１ 炉体
１３ 誘導加熱コイル
１６ 非接触給電装置
１６ａ、２６ａ、３６ａ、６６ａ １次側のコア
１６ｂ、２６ｂ、６６ｂ ２次側のコア
１７、１７ａ、１７ｃ、１７ｅ、１８ 接続導体
１９ 外部電源
２０、３０、４０ 真空容器
２１ａ、２１ｂ、４１ａ 周壁
２２ａ、２２ｂ、４２ａ 突出部
２３ａ、２３ｂ、６３ａ 底部
３１ａ、４０、６７ 壁
３３、４５ａ、４５ｂ、４８、６１ Ｏリング
４７ シ−ル部材
Ｘ 回転対称軸

Claims (7)

1. 真空容器内に収容され外部電源に接続された真空誘導溶解炉により金属や合金を溶解し、炉体を傾動して溶湯を注湯するコールドウォール溶解炉の炉体傾動装置において：
   前記コールドウォール溶解炉の炉体の外周に配置された誘導加熱コイルと外部電源との間に配置され、２次側のコアが１次側のコアから分離されて炉体の傾動に追従して回動されると共に、その２次側のコアと１次側のコアとが中間に真空容器の壁を挟んで対向されている非接触給電装置と、
   該非接触給電装置と前記誘導加熱コイルとを接続する水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−と、
   前記非接触給電装置と外部電源との間に接続される導体と、
   を含んで成る非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
2. 前記非接触給電装置は断面がＥ形で、円板状の底部の外周側に周壁を、中心部に突出部を有する底付円筒状の１対のコアが、それぞれの凹面部が対向されて所定の間隔を保って対称に配置され、前記２次側のコアが前記１対のコアの共通の回転対称軸の周りに回動可能にされた非接触型変圧器である請求項１記載の非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
3. 前記２次側のコアと１次側のコアとの間に挟まれた真空容器の壁の磁束通過部が、セラミックスなどの非導電性材料製である請求項１又は２記載の非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
4. 真空容器内に収容され外部電源に接続された真空誘導溶解炉により金属や合金を溶解し、炉体を傾動して溶湯を注湯するコールドウォール溶解炉の炉体傾動装置において：
   前記コールドウォール溶解炉の炉体の外周に配置された誘導加熱コイルと外部電源との間に配置され、２次側のコアが１次側のコアから分離されて炉体の傾動に追従して回動されると共に、１次側のコアが前記真空容器の壁に、溶接、ろう付け、Ｏリングなどにより真空容器外の大気からシ−ルされた状態で、前記１次側のコアが真空容器を貫通して真空容器内に突出している非接触給電装置と、
   該非接触給電装置と前記誘導加熱コイルとを接続する水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−と、
   前記非接触給電装置と外部電源との間に接続される導体と、
   を含んで成る非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
5. 前記非接触給電装置は断面がＥ形で、円板状の底部の外周側に周壁を、中心部に突出部を有する底付円筒状の１対のコアが、それぞれの凹面部が対向されて所定の間隔を保って対称に配置され、前記２次側のコアが前記１対のコアの共通の回転対称軸の周りに回動可能にされた非接触型変圧器である請求項４記載の非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
6. 前記１次側のコアの前記周壁の内周と前記突出部の外周との間にＯリングを介して円環状で非導電性材料製のシ−ル部材を配置した請求項４又は５記載の非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。
7. 前記水冷銅パイプまたは水冷銅ブスバ−の絶縁被覆として、前記真空容器内の雰囲気の減圧と昇温によってもガス放出の可能性の無いセラミックスなどが使用されている請求項１から６までのいずれかに記載の非接触給電による高真空コールドウォール溶解炉の炉体傾動装置。

Images