JP5706633B2 - 誘導炉 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱を利用して溶解あるいは熱処理などをする誘導炉に関する。具体的には、使用電力を節減することができるとともに、省スペースが可能な誘導炉を提供せんとするものである。

従来より用いられている誘導炉の構成を、図６に示し説明する。ここで、図６は、高周波電流を使用する誘導炉の従来例の構成を示す部分縦断面図であり、説明を簡単にするため、各部を支持するための支持部材および断熱材などの付随的な構成要素の図示は省略している。

１３０は、加熱対象物を収容するための、有底円筒状に形成されたるつぼであり、その
図６において、１１０は、高周波電流が流れる誘導コイルであり、その内側に配置された、絶縁または断熱してホットゾーンを形成するための円筒状の筒体１２０の外周壁に近接して、これを巻回するようにして配設されている。筒体１２０の素材には、絶縁のためであれば、例えば石英が用いられる。

１３０は、加熱対象物を収容するための、有底円筒状に形成されたるつぼであり、その素材には、例えばイリジウムが用いられる（加熱対象物により、るつぼ材質は異なる。）。このるつぼ１３０は、図示されてはいない断熱材により、その全体が囲まれている。

以上のように配された誘導コイル１１０、筒体１２０およびるつぼ１３０は、円筒状のチャンバー１４０により覆われ、チャンバー１４０は、基台１５０により支持されている。なお、チャンバー１４０は、その軸心方向すなわち図面上で上下方向において移動可能となっている。

このような構成の誘導炉により、加熱対象物を溶解あるいは熱処理などをする場合は、加熱対象物を収容したるつぼ１３０を筒体１２０の内部に配置したうえで、誘導コイル１１０および内部にるつぼ１３０が配置された筒体１２０を、チャンバー１４０により覆う。

誘導コイル１１０および筒体１２０がチャンバー１４０により覆われたならば、加熱対象物の種類に応じて、真空吸引をしてチャンバー１４０内を真空にするか、または、雰囲気ガスを充填する。

そこで、誘導コイル１１０に高周波電流を流すと、これにより発生する渦電流によって、るつぼ１３０が発熱し、るつぼ１３０内に収容された加熱対象物は加熱される。加熱対象物が加熱されて溶融したならば、図示されてはいない昇降機構を駆動させてチャンバー１４０を上方に移動させたうえで、溶融した加熱対象物を収容しているるつぼ１３０を誘導炉より取り出すことになる。

しかしながら、図６に示した従来例によると、つぎのような解決すべき課題がある。すなわち、加熱効率の悪いサファイヤなどの酸化物を加熱する場合は、大きな電源出力を必要とする。しかし、電源出力が大きくなると、誘導コイル１１０から発生する漏洩磁束も大きくなるため、無駄な電力が消費されてしまうことになる。

また、大きな電源出力を使用することにより、誘導コイル１１０に流れる電流が増大して、誘導コイル１１０の周辺が加熱されると、誘導コイル１１０からチャンバー１４０までのギャップ（間隔）が小さければ、チャンバー１４０が加熱されてしまうことになる。

したがって、大きな電源出力を必要とする酸化物を加熱する場合は、誘導コイル１１０からチャンバー１４０までのギャップを大きくしなければならない。すなわち、大きな電源出力を必要とする場合は、チャンバー１４０のサイズを大きくしなければならず、誘導炉の占有面積が大きくなってしまう。とくに、近時は、よりサイズの大きい酸化物の結晶の作製が求められており、径の大きい誘導コイル１１０を使用してより大きな電源出力を用いる場合は、誘導炉の占有面積が一層大きくなってしまうことになる。以上のような解決すべき課題が、図６に示した従来例にはあった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明はなされたものである。そのために、本発明では、つぎのような手段を用いるようにした。すなわち、加熱対象物を収容するるつぼが内部に配置される筒体と、筒体の外周壁に近接して配設される誘導コイルと、誘導コイルの外周側に近接して配設される、誘導コイルから発生する漏洩磁束を低減する複数のコア部と、筒体、誘導コイルおよび複数のコア部を覆う軸心方向において移動可能なチャンバーとにより、誘導炉を構成するようにした。

本発明によるならば、誘導コイルからの漏洩磁束を低減するためのコア部を配設するようにしたことから、漏洩磁束を低減することができる。その結果、電源出力を有効に利用することができるので、使用電力の節減を図ることが可能となる。

また、チャンバーへの加熱を抑えることができるので、誘導コイルからチャンバーまでのギャップを大きくする必要がなく、誘導炉の占有面積を可能な限り小さなものとすることができる。すなわち、省スペースの要請に応えることが可能となる。したがって、本発明によりもたらされる効果は、実用上極めて大きい。

本発明の参考例１の構成を示す部分縦断面図である。 図１に示したコア部の構成を示す側面図である。 図１に示したコア部の構成を示す平面図である。 本発明の参考例２の構成を示す部分縦断面図である。 本発明の実施例１の構成を示す部分縦断面図である。 従来例の構成を示す部分縦断面図である。

本発明による誘導炉は、加熱対象物を収容するるつぼが内部に配置される円筒状の筒体の外周壁に近接して配設される誘導コイルの外周側に、誘導コイルから発生する漏洩磁束を低減するための複数のコア部を、誘導コイルに近接して配設する。以下、参考例により詳しく説明する。

本発明の参考例１の構成を、図１に示し説明する。ここで、図１は、本参考例における誘導炉の構成を示す部分縦断面図であり、説明を簡単にするため、図６と同様に、各部を支持するための支持部材および断熱材などの付随的な構成要素の図示は省略している。

図１において、本参考例における誘導炉の構成が、図６に示した従来例の構成と異なるところを説明する。発明による誘導炉では、誘導コイル１１０の外周側に、誘導コイル１１０から発生する漏洩磁束を低減するためのコア部１０を、誘導コイル１１０に近接して配設している。その他の構成は、図６に示した従来例と同じである。

このコア部１０は、図２（側面図）に示すように、２枚の細長方形板状の水冷銅板１２によって、図３（平面図）に示すように、相互に接する多数の細長方形板状の珪素鋼板の薄板を用いたコア１１を挟むことにより構成されている。コア１１の幅および長さは、水冷銅板１２と同一であり、誘導コイル１１０上端の上方から下端の下方にわたって配設され、コア１１と誘導コイル１１０との間には、セラミックを用いた絶縁物１５が介装されている。

このような構成のコア部１０は、水冷銅板１２およびコア１１を貫通するネジが螺合するコ字状のコア・クランプ１３によって、支持されている。コア部１０を支持するコア・クランプ１３は、図２に示すように、３つ用いられており、上方と下方の２つのコア・クランプ１３が、コア押え１４を介して、下端が基台１５０（図１）に固着された細長角柱状の支柱１６に固定されている。このようなコア部１０は、図３に示すように、８つ配設されている。

以上のような構成の誘導炉により、加熱対象物を溶解あるいは熱処理などをする場合は、筒体１２０の内部に加熱対象物を収容したるつぼ１３０を配置したうえで、誘導コイル１１０および内部にるつぼ１３０が配置された筒体１２０を、チャンバー１４０により覆う。

誘導コイル１１０および筒体１２０がチャンバー１４０により覆われたならば、加熱対象物の種類に応じて、真空吸引をしてチャンバー１４０内を真空にするか、または、雰囲気ガスを充填する。そこで、誘導コイル１１０に高周波電流を流すと、これにより発生する渦電流によって、るつぼ１３０が発熱し、るつぼ１３０内に収容された加熱対象物は、加熱され溶融することになる。

同時に、誘導コイル１１０に近接して配設されたコア１１（図３）により、誘導コイル１１０から発生する漏洩磁束が低減される。本願発明者が行った実験によると、厚さが15mmで内径が400mmの誘導コイル１１０を用いて、加熱温度を2030〜2050℃（サァイヤの溶融温度）とする場合は、従来例によれば92.9ｋＷの電源出力を必要とするのに対して、図１に示した誘導炉によれば、72.6ｋＷの電源出力で足り、約22％の電力節減が可能であるとの結果を得ている。

また、実験によれば、コア１１両端部の水冷銅板１２からの冷却水排水温度は、加熱対象物の溶融時でも約39℃（△Ｔ７℃）までしか上昇しておらず、コア１１の温度は、チャンバー１４０（図１）を異常に加熱する程には上昇していないものと考えることができる。したがって、誘導コイル１１０からチャンバー１４０までのギャップを大きくする必要はないことになる。

このように、本参考例による誘導炉によれば、使用電力を節減することができるとともに、誘導コイル１１０からチャンバー１４０までのギャップを大きくする必要はないことから、省スペースの要請にも応えることができることになる。

図４は、本発明の参考例２の構成を示す部分縦断面図であり、図１における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

図４において、ここに示した参考例２の構成が、図１に示した参考例１の構成と異なるところは、コア部１０を支えるための支柱１６Ｂの固着位置である。図１に示した参考例１では、支柱１６は、その下端を基台１５０（図１）に固着していた。

これに対して、本参考例では、支柱１６Ｂは、その両端部が、チャンバー１４０の内壁に固着された２つの方形板状の支持部材１７により支持されている。これに伴い、支柱１６Ｂの長さは、図１に示した参考例１における支柱１６よりは短いものとなっている。その他の構成は、図１に示した参考例１の構成と同じである。

このように構成するならば、誘導炉の作動により加熱対象物が溶融した後、チャンバー１４０を上方に移動させる場合に、コア部１０もともに上方に移動する。コア部１０が移動すれば、コア部１０のメンテナンス、あるいは、るつぼ１３０や断熱材のセッティングなども容易に行えることができることになる。

図５は、本発明の実施例１の構成を示す部分縦断面図であり、図４における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

図５において、ここにおける実施例１の構成が、図４に示した参考例２の構成と異なるところは、チャンバー１４０Ｂおよび基台１５０Ｂが縦断面方向において２等分されて、それぞれキャスター１５２を装着した各基台半部１５１に支持された各チャンバー半部１４１が、それぞれチャンバー１４０Ｂの軸心方向と直交する方向すなわち図面上で水平方向において移動可能となっていることである。その他の構成は、図４に示した参考例２の構成と同じである。

このように構成するならば、誘導炉を作動させて加熱対象物が溶融した後、各チャンバー半部１４１をそれぞれ水平方向において移動させると、コア部１０もともに水平方向において移動する。コア部１０が移動すれば、図４に示した参考例２と同様に、コア部１０のメンテナンス、あるいは、るつぼ１３０や断熱材のセッティングなども容易に行えることができることになる。

以上においては、８つのコア部１０を用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。複数のコア部１０を用いる場合について、本発明は適用され得るものである。

また、高周波電流を使用する誘導炉について説明したが、本発明は、これに限られるものではない。低周波電流を使用する誘導炉についても、本発明は適用することができるものである。

さらに、コア１１（図３）の素材が珪素鋼板である場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。フェライト・コアおよび金属コアを用いる場合についても、本発明は適用し得るものである。

なお、図１に示した誘導炉におけるチヤンバー１４０には、点検などのための開閉扉を設けるようにしてもよい。

また、図４および図５にそれぞれ示した誘導炉は、各図面上で時計方向または反時計方向に９０°回転させた状態で設置して、図４の誘導炉ではチヤンバー１４０を水平方向に移動可能な構成とし、図５の誘導炉では各チヤンバー半部１４１を垂直方向に移動可能な構成とするようにしてもよい。その場合は、誘導炉は、加熱処理用として、すなわち、るつぼ１３０を用いずに加熱対象物を熱処理するものとして用いられることになる。

１０ コア部
１１ コア
１２ 水冷銅板
１３ コア・クランプ
１４ コア押え
１５ 絶縁物
１６，１６Ｂ 支柱
１７ 支持部材
１１０ 誘導コイル
１２０ 筒体
１３０ るつぼ
１４０，１４０Ｂ チャンバー
１４１ チャンバー半部
１５０ 基台

Claims (1)

1. 加熱対象物を収容するためのるつぼ（１３０）が内部に配置される筒体（１２０）と、
   前記筒体の外周壁に近接して配設された誘導コイル（１１０）と、
   前記誘導コイルの外周側に近接して配設された、前記誘導コイルから発生する漏洩磁束を低減するためのコア（１１）を備えてなる複数のコア部（１０）であって、前記コア（１１）は複数の珪素鋼板によってなり、前記コアを挟むように配置される水冷銅板（１２）で挟持された前記珪素鋼板が、横断面視コ字状のコア・クランプ（１３）によって螺合される、複数のコア部（１０）と、
   前記筒体、前記誘導コイルおよび前記複数のコア部を覆うための、縦断面方向において二分することにより形成され軸心方向と直交する方向においてキャスター（１５２）で移動可能な二つのチャンバー半部（１４１）によってなるチャンバー（１４０）と
   を具備し、
   前記コア・クランプが、端部が支持部材（１７）によって前記チャンバーの内壁に固着された支柱（１６Ｂ）にコア押え（１４）を介して固定されていることを特徴とする誘導炉。

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