JP6775868B2 - 通電加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、導電性を有する材料により形成された加熱容器に通電して自己発熱させ、加熱容器内に収容されたアルミニウム等の被加熱物を加熱するに際し、通電加熱を効率良く、安定した状態で継続できる通電加熱装置に関する。

一般に通電加熱装置においては、導電性を有する容器の上部及び下部に一対の電極を備え、両電極間に通電することにより容器を加熱し、容器内に収容された金属、セラミックス等の被加熱物を加熱するように構成されている。この場合、容器内に収容される被加熱物は容器内の下部側に存在し、上部側には存在しないことから容器の下部側を加熱して温度上昇させ、上部側の加熱を抑制することが望ましい。

この種の通電加熱装置が例えば特許文献１に開示されている。この通電加熱装置は、導電性を有する容器、その容器の上部に接続される上部電極及び容器の下部に接続される下部電極を備え、上部電極と下部電極との間に通電して容器を発熱させて容器内の材料を加熱するように構成されている。

前記容器の上部開口端には上方に向けて開口する凹部が設けられ、上部電極は前記凹部に挿入される凸部を備えるとともに、前記凹部には容器の熱により溶解可能な導電性の金属部材が収容されている。この通電加熱装置によれば、上部電極と容器との間で発生する局部発熱を防止して、通電加熱装置の耐久性を向上させるようになっている。

特開２０１０−３８３７６号公報

前述した特許文献１に記載されている従来構成の通電加熱装置においては、容器の上部開口端に凹部を設けるとともに、上部電極には前記凹部に挿入される凸部を設け、さらに前記凹部には導電性の金属部材を収容しなければならない。このため、上部電極と容器との接続構成が複雑であるとともに、通電加熱装置の製作が面倒であった。従って、簡易な構成で、発熱効率の良好な通電加熱を安定して継続できる通電加熱装置が求められる。

そこで、本発明の目的とするところは、簡易な構成で、通電加熱を効率良く、安定した状態で継続することができる通電加熱装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の通電加熱装置は、導電性を有する加熱容器の頂部には頂部電極を配置するとともに、加熱容器の底部には底部電極を配置し、頂部電極と底部電極との間に直流電流を通電することにより加熱容器を発熱させて加熱容器内に収容された被加熱物を加熱するように構成された通電加熱装置であって、前記加熱容器の中心軸線に直交する断面について、加熱容器の底部側における周壁の断面積を頂部側における周壁の断面積よりも小さく形成するとともに、加熱容器の頂部に頂部電極を載置して頂部電極を加熱容器に接続し、かつ頂部電極及び加熱容器の熱膨張率を５００℃において１×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋに設定したものである。

前記加熱容器の周壁は、その断面積が底部に到るほど次第に小さくなるようにテーパ状に形成されていることが好ましい。
前記テーパ状に形成された周壁の傾斜角度は、加熱容器の中心軸線に対して５〜２０°に設定されていることが好ましい。

前記加熱容器の頂部における周壁の断面積を１．０としたとき、底部における周壁の断面積は０．３〜０．７であることが好ましい。
前記頂部電極は黒鉛により形成され、加熱容器は導電性セラミックスにより形成されていることが好ましい。

前記加熱容器の周壁は均一の厚さに形成されていることが好ましい。
前記加熱容器の電気抵抗率は、５０×１０^−３〜２５０×１０^−３Ω・ｃｍであることが好ましい。

本発明の通電加熱装置によれば、簡易な構成で、通電加熱を効率良く、安定した状態で継続することができるという効果を奏する。

実施形態における通電加熱装置の全体構成を示す断面図。 加熱容器としてのルツボを示す平面図。 図１の３−３線における断面図。 図１の４−４線における断面図。 頂部電極を示す平面図。 底部電極を示す平面図。 頂部電極及びルツボの材質について、温度と熱膨張率との関係を示すグラフ。 頂部電極とルツボの周壁の頂面との接触状態を示す部分拡大断面図。 本発明の別例のルツボを示す断面図。 本発明のさらなる別例のルツボを示す断面図。

以下、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、通電加熱装置１０を構成する加熱容器としてのルツボ（坩堝）１１は、断面逆円錐台状をなし、内部にアルミニウム、亜鉛等の溶融金属よりなる被加熱物１２が収容されるとともに、上端部には加熱溶融後の被加熱物１２を取り出す注ぎ口１３が突出形成されている。このルツボ１１は、導電性を有する単一材料により形成されている。ルツボ１１の周壁１４は全体が一定の厚さに形成されるとともに、ルツボ１１の底壁１５は周壁１４よりも厚く形成されている。

図１及び図５に示すように、前記ルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａ上には、周壁１４の頂面１４ａと略同一の平面形状を有する平面円環状の頂部電極１６が載置されて周壁１４の頂面１４ａに接触し、頂部電極１６と周壁１４との間で電気的導通が図られている。この頂部電極１６の一部には、導線１７の一端を接続するための接続部１８が突出形成されている。

図１及び図６に示すように、ルツボ１１の底壁１５の下面１５ａには、底壁１５と略同一の平面形状を有する円板状の底部電極１９が配置され、その上面１９ａが底壁１５の下面１５ａに接触し、底部電極１９と底壁１５との間で電気的導通が図られている。この底部電極１９には導線１７の一端が接続される。

図１に示すように、前記頂部電極１６に一端が接続された導線１７の他端は直流電源２０に接続されるとともに、底部電極１９に一端が接続された導線１７の他端も直流電源２０に接続されている。そして、頂部電極１６と底部電極１９との間に直流電源２０から導線１７を介して直流電流を通電することにより、ルツボ１１の周壁１４及び底壁１５を自己発熱させてルツボ１１内の被加熱物１２を加熱溶融又は高温に保持するようになっている。

図１の二点鎖線に示すように、前記周壁１４の内周面及び外周面、並びに底壁１５の内面には、周壁１４及び底壁１５の表面を保護するための酸化膜２１が形成されている。この酸化膜２１は、頂部電極１６が接触する周壁１４の頂面１４ａ及び底部電極１９が接触する底壁１５の下面１５ａには形成されておらず、頂部電極１６と周壁１４の頂面１４ａとの間及び底部電極１９と底壁１５の下面１５ａとの間の導通性に支障を来さないようになっている。

前記ルツボ１１の周壁１４は、その断面積が底部に到るほど次第に小さくなるようにテーパ状に形成されている。ここで、周壁１４の断面積は、ルツボ１１の中心軸線（鉛直線）２２に直交する方向すなわち水平方向の断面における面積を表す。周壁１４の断面積が小さくなるほど電気抵抗値が大きくなり、周壁１４に通電されたときの発熱量が増大することから、周壁１４の頂部側の温度より底部側の温度が次第に上昇する一定の温度勾配が形成される。

図３に示すように、具体的にはルツボ１１の周壁１４の頂部における断面は一定幅の大きな直径を有する略円環状をなしている。なお、図３の二点鎖線に示すように、この断面においては、注ぎ口１３の分だけ切欠かれている。一方、図４に示すように、ルツボ１１の周壁１４の底部における断面は頂部と同じ一定幅の小さな直径を有する円環状をなしている。このため、ルツボ１１の底部側における周壁１４の断面積は、頂部側における周壁１４の断面積の例えば１／２程度に小さくなり、底部側における周壁１４の発熱量が頂部側における周壁１４の発熱量に比べて２倍程度増大する。

前記ルツボ１１の頂部と底部における周壁１４の断面積の比率は、ルツボ１１の頂部における周壁１４の断面積を１．０としたとき、底部における周壁１４の断面積を０．３〜０．７に設定することが好ましい。底部における周壁１４の断面積が０．３を下回る場合には、ルツボ１１の底部側における内容積が極端に少なくなるとともに、ルツボ１１の底部側における周壁１４の温度が急激に上昇し、被加熱物１２を安定した状態で加熱溶融することが難しくなる。一方、底部における周壁１４の断面積が０．７を上回る場合には、底部側における周壁１４の発熱が少なく、被加熱物１２の加熱効率を高めることができず好ましくない。

前記ルツボ１１に収容される被加熱物１２の加熱効率、被加熱物１２の収容量等を考慮し、テーパ状に形成された周壁１４の傾斜角度α、すなわち周壁１４とルツボ１１の中心軸線２２とのなす角度は好ましくは５〜２０°、さらに好ましくは７〜１５°である。この周壁１４の傾斜角度αが５°より小さい場合には、周壁１４をテーパ状に賦形する意義が薄れ、被加熱物１２の加熱効率が低下する。その一方、周壁１４の傾斜角度αが２０°よりも大きい場合には、周壁１４の底部側の温度上昇は大きくなるが、底部側と頂部側の温度勾配が大きくなり過ぎ、被加熱物１２の加熱速度の制御が難しくなるため好ましくない。

図８に示すように頂部電極１６の下面１６ａはルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａに面接触しているが、図８の二点鎖線に示すように、前記頂部電極１６は円環状に形成され、熱膨張により変形（反り）が生じやすい。このため、前記頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの間の面接触を良好に維持すべく、頂部電極１６及びルツボ１１の熱膨張率（線膨張率）は５００℃において１×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋの範囲に設定される。この熱膨張率の範囲内において、頂部電極１６の熱膨張率とルツボ１１の熱膨張率はできるだけ近い値に設定することが望ましい。

前記熱膨張率が１×１０^−６／Ｋより小さい場合、頂部電極１６又はルツボ１１の材質として、良好な導電性と低い熱膨張率とを兼ね備えた材料の選定が難しくなって好ましくない。その一方、熱膨張率が１０×１０^−６／Ｋより大きい場合、頂部電極１６及びルツボ１１の熱膨張が大きくなり、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの接触不良が生じやすくなって接触部での局部発熱や導通不良が起きて好ましくない。

前記頂部電極１６は、熱膨張率の小さい黒鉛（グラファイト）等により形成されることが好ましい。下記表１及び図７に示すように、前記黒鉛の熱膨張率（熱膨張係数）は、５００℃において３．３×１０^−６／Ｋである。この黒鉛の熱膨張率は、３０℃〜５３０℃の温度範囲において略同じ値を示す。電極材料としての銅の熱膨張率は、５００℃において約２０×１０^−６／Ｋであり、黒鉛に比べて大きな値を示す。

なお、底部電極１９とルツボ１１の底壁１５との間の導通については、底部電極１９の形状が円板状であり、熱膨張による変形が少ないことから、底部電極１９とルツボ１１の底壁１５との接触は高温時にも維持され、底部電極１９の上面１９ａとルツボ１１の底壁１５の下面１５ａとの間の導通は経時的に良好に保持される。このため、底部電極１９は、通常銅等により形成される。

一方、前記ルツボ１１を形成する導電性を有する材料としては、例えばカーボン（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及びムライト（Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２）の混合物より形成される導電性セラミックスが好適に用いられる。

前記導電性セラミックスとして、例えば次の表１に示すような組成、５００℃における熱膨張率及び電気抵抗率を有する導電性セラミックス１から導電性セラミックス４が用いられる。なお、ムライトは、アルミナとシリカの化合物よりなるアルミノケイ酸塩である。

表１に示したように、導電性セラミックス１から導電性セラミックス４の５００℃における熱膨張率は３．４９×１０^−６〜３．６０×１０^−６／Ｋであり、いずれも黒鉛の熱膨張率に近似する値を示す。このため、頂部電極１６とルツボ１１の周壁１４の熱膨張は同等であり、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの接触状態が保持される。

一方、図８の二点鎖線に示すように、頂部電極１６を銅で形成した場合には、頂部電極１６の熱膨張が大きいために頂部電極１６の反りが生じ、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの間が点接触又は線接触となり、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの間で局部加熱が生ずる。

前記ルツボ１１の電気抵抗率（電気比抵抗）は、ルツボ１１の導電性と発熱性を考慮して、５０×１０^−３〜２５０×１０^−３Ω・ｃｍであることが好ましい。ルツボ１１の電気抵抗率が５０×１０^−３Ω・ｃｍより小さい場合、ルツボ１１の導電性を高めることはできるが、ルツボ１１の発熱性が低くなり、ルツボ１１の周壁１４下部における温度上昇が不足する傾向を示して好ましくない。その一方、ルツボ１１の電気抵抗率が２５０×１０^−３Ω・ｃｍより大きい場合、ルツボ１１の発熱性を高めることはできるが、発熱量が過剰になったり、ルツボ１１の導電性が低くなってルツボ１１に十分通電することが難しくなったりして好ましくない。

次に、前記のように構成された実施形態の通電加熱装置１０について作用を説明する。
さて、図１に示すように、通電加熱装置１０によりルツボ１１内に収容される被加熱物１２としてのアルミニウムを加熱溶融する場合には、底部電極１９をルツボ１１の底壁１５の下に配置して接触させるとともに、頂部電極１６をルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａ上に載せて接触させる。底部電極１９と頂部電極１６は、それぞれ導線１７を介して直流電源２０に接続する。続いて、ルツボ１１内の下部にアルミニウムを収容する。

その状態で、頂部電極１６と底部電極１９との間に直流電流を通電すると、直流電流は頂部電極１６からルツボ１１の周壁１４及び底壁１５を通って底部電極１９へと流れ、ルツボ１１の周壁１４及び底壁１５が自己発熱する。このとき、ルツボ１１は下部ほど縮径するテーパ状に形成され、ルツボ１１の周壁１４の断面積は頂部側から底部側へ向かうに従って次第に減少するようになっている。ルツボ１１の周壁１４を流れる直流電流についての電気抵抗は周壁１４の断面積に反比例することから、ルツボ１１の周壁１４の頂部側から底部側に向かうほどジュール熱による発熱量が漸増する。

すなわち、ルツボ１１の底部側で温度上昇が大きく、頂部側で温度上昇が抑えられる。言い換えれば、ルツボ１１内の下部に収容されたアルミニウムは速やかに加熱される一方、アルミニウムが収容されていないルツボ１１内の上部における加熱が抑えられる。

前記通電加熱を継続すると、ルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａに接触する頂部電極１６の温度も上昇し、ルツボ１１の周壁１４と頂部電極１６とが高温に達する。このため、ルツボ１１の周壁１４と頂部電極１６とがともに熱膨張する。

このとき、ルツボ１１の周壁１４と頂部電極１６の熱膨張率は共に１×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋの範囲内に設定されている。例えば、前記導電性セラミックスで形成される周壁１４の熱膨張率は約３．５×１０^−６／Ｋであり、黒鉛で形成される頂部電極１６の熱膨張率は約５．０×１０^−６／Ｋであって、略同等に設定されている。このため、周壁１４の熱膨張と頂部電極１６の熱膨張との熱膨張差は許容範囲内に収められ、頂部電極１６の下面１６ａと周壁１４の頂面１４ａとの面接触が良好に維持され、点接触や線接触による局所発熱（異常発熱）を抑えて両者間の電気的な導通が経時的に良好に保持される。その結果、ルツボ１１の周壁１４の加熱を安定した状態で継続することができる。

以上の実施形態により発揮される効果を以下にまとめて記載する。
（１）この実施形態の通電加熱装置１０においては、ルツボ１１の底部側における周壁１４の断面積を頂部側における周壁１４の断面積よりも小さくなるようにルツボ１１を形成した。このため、ルツボ１１の底部側を縮径する形状により、底部側における周壁１４の断面積を簡単に小さくすることができ、被加熱物１２を加熱するために必要な底部側の周壁１４の温度を容易に高めることができる。

さらに、頂部電極１６及びルツボ１１の熱膨張率を１×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋの範囲に設定した。そのため、頂部電極１６及びルツボ１１の頂部の熱膨張を同等にすることができ、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの間の導通性を長期に亘って良好に保持することができる。

従って、この実施形態の通電加熱装置１０によれば、簡易な構成で、通電加熱を効率良く、安定した状態で継続することができる。
（２）前記ルツボ１１の周壁１４は、その断面積が底部に到るほど次第に小さくなるようにテーパ状に形成されている。このため、ルツボ１１の製作を容易に行うことができるとともに、ルツボ１１の周壁１４の底部側ほど次第に温度上昇するように構成でき、温度制御を明瞭に行うことができる。

（３）前記テーパ状に形成された周壁１４の傾斜角度αは５〜２０°に設定される。そのため、ルツボ１１の周壁１４の底部側から頂部側への温度勾配を適切なものにでき、被加熱物１２の加熱を円滑に行うことができる。

（４）前記ルツボ１１の頂部における周壁１４の断面積を１．０としたとき、底部における周壁１４の断面積は０．３〜０．７である。この場合には、ルツボ１１の底部における周壁１４の温度上昇を適切に設定でき、被加熱物１２の加熱を速やかに行うことができる。

（５）前記頂部電極１６は黒鉛により形成され、ルツボ１１は前記導電性セラミックスにより形成されている。このとき、頂部電極１６とルツボ１１の周壁１４との熱膨張差を極力抑えることができ、頂部電極１６の下面１６ａとルツボ１１の周壁１４の頂面１４ａとの接触を良好に維持でき、両者間の導通を長期間保持することができる。

（６）前記ルツボ１１の周壁１４は均一の厚さに形成されている。この場合には、ルツボ１１の周壁１４の厚さによらず、ルツボ１１のテーパ形状によりルツボ１１の発熱量を制御することができる。

（７）前記ルツボ１１の電気抵抗率は、５０×１０^−３〜２５０×１０^−３Ω・ｃｍである。このため、ルツボ１１の周壁１４及び底壁１５における良好な導通を図ることができると同時に、周壁１４の適切な発熱を図ることができる。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・図９に示すように、ルツボ１１の下部を有底円筒部２３で構成し、上部を頂部側ほど拡径するテーパ部２４で構成してもよい。この場合、被加熱物１２はルツボ１１の下部側の有底円筒部２３内に収容される。そして、ルツボ１１の下部側の周壁１４の断面積は上部側の周壁１４の断面積より小さく設定されているので、被加熱物１２を効率良く加熱することができる。

・図１０に示すように、ルツボ１１の下部を有底円筒部２３で構成するとともに、上部を下部側の有底円筒部２３より直径の大きい大径円筒部２５で構成してもよい。この場合にも、被加熱物１２はルツボ１１の下部側の有底円筒部２３内に収容される。そして、ルツボ１１の下部側の周壁１４の断面積は上部側の周壁１４の断面積より小さく設定されているので、被加熱物１２の加熱効率を向上させることができる。

・前記加熱容器を、四角筒状等の角筒状に形成し、底部側における周壁１４の断面積が頂部側における周壁１４の断面積より小さくなるように構成してもよい。
・前記底部電極１９と直流電源２０との間や頂部電極１６と直流電源２０との間に遮熱板を配置してもよい。

１０…通電加熱装置、１１…加熱容器としてのルツボ、１２…被加熱物、１４…周壁、１６…頂部電極、１９…底部電極、２２…中心軸線、α…傾斜角度。

Claims (5)

1. 導電性を有する加熱容器の頂部には頂部電極を配置するとともに、加熱容器の底部には底部電極を配置し、頂部電極と底部電極との間に直流電流を通電することにより加熱容器を発熱させて加熱容器内に収容された被加熱物を加熱するように構成された通電加熱装置であって、
   前記加熱容器の中心軸線に直交する断面について、前記加熱容器の頂部側において加熱容器の周壁の断面積が頂部側ほど大きくなるように前記周壁がテーパ状をなす頂部側容器部分と前記加熱容器の底部側において加熱容器の周壁の断面積が底部側に向かって変化しない底部側容器部分とを有しこれにより加熱容器の底部側容器部分における周壁の断面積を頂部側容器部分における周壁の断面積よりも小さく形成するとともに、加熱容器の頂部に頂部電極を載置して頂部電極を加熱容器に接続し、かつ頂部電極及び加熱容器の熱膨張率を５００℃において１×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋに設定した通電加熱装置。
2. 導電性を有する加熱容器の頂部には頂部電極を配置するとともに、加熱容器の底部には底部電極を配置し、頂部電極と底部電極との間に直流電流を通電することにより加熱容器を発熱させて加熱容器内に収容された被加熱物を加熱するように構成された通電加熱装置であって、
   前記加熱容器の中心軸線に直交する断面について、前記加熱容器の頂部側において加熱容器の周壁の断面積が頂部側に向かって変化しない頂部側容器部分と前記加熱容器の底部側において加熱容器の周壁の断面積が底部側に向かって変化しない底部側容器部分とを有し加熱容器の底部側容器部分における周壁の断面積を頂部側容器部分における周壁の断面積よりも小さく形成するとともに、加熱容器の頂部に頂部電極を載置して頂部電極を加熱容器に接続し、かつ頂部電極及び加熱容器の熱膨張率を５００℃において１×１０ ^−６ 〜１０×１０ ^−６ ／Ｋに設定した通電加熱装置。
3. 前記頂部電極は黒鉛により形成され、加熱容器は導電性セラミックスにより形成されている請求項１又は請求項２に記載の通電加熱装置。
4. 前記加熱容器の周壁は均一の厚さに形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の通電加熱装置。
5. 前記加熱容器の電気抵抗率は、５０×１０^−３〜２５０×１０^−３Ω・ｃｍである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の通電加熱装置。