JPH0293063A - 真空蒸発装置用るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高温の蒸発用溶融金属るつぼに関する。

従来の技術を第一図ヤ第閂図に示す。

シ 第Ｈ図は、請求項１についての従来の技術を示す。

第ミ図に示す如く、従来は形状的に対をなす内貼材５と
るつぼ本体１を組合せて、るつぼに内蔵した伝熱面に冷
媒３を接触させて内貼材５を冷却する構造が用いられて
いた。

ダ 第一図は請求項２についての従来の技術を示す。

女 第８図に示す如く、従来例では形状的に対をなす内貼材
５と、るつぼ本体１を組合わせて、るつぼ本体１に内蔵
せしめられた冷媒流路２を流れる冷媒３により、内貼材
５を冷却する構成となっている。ここで２は冷媒流路、
４はるつぼ本体１が内貼材５と接する面、７はるつぼ本
体１と接する内貼材５の面であり、８は溶融金属である
。真空蒸着ではこの様なるつぼにより、溶融金属８を金
属蒸気として蒸発させる訳であるが、そのためには溶融
金属８を高温に維持するとともに全体を高真空とする必
要がある。そのため内貼材５はセラミックや炭素の様な
材料で製作され、るつぼ１は金属材料で製作される。

第せス図は請求項３又は４についての従来の技術を示す
。

乙 第°Ｆヲ図に示す如くるつぼ１００は溶融金属１０２を
保持する溶融金属保持部材１０４と冷媒流路構成部材１
０５で形成される冷媒流路Ｌｏｔと、冷媒流体との熱交
換を行なわしめる伝熱面１０Ｂを有する。

冷媒流体は熱伝達係数が大きく、かつ工業的に容易に人
手できると共に安価で無害な水を用いている。

［発明が解決しようとする課題］ （１）溶融金属から金属蒸気を蒸発せしめるには、該溶
融金属を高温に維持すると共に高真空にする必要がある
。

溶融金属を保持する内貼材５はセラミックス、炭素の如
き材料で製作され、内貼材５を担持するるつぼ１は金属
材料で製作される。

この内貼材５はるつぼ１側の担持面上７に置かれるが工
業的に製作した内貼材５とるつぼ本体１の寸法形状は３
次元形状であるため完全には一致せず、接触した位置と
離れた位置が生じる。換言すると両者間の隙間は位置に
より不同であり離れて隙間が形成されてる領域は輻射熱
伝達、接触している領域は接触熱伝達が行なわれる。こ
のような熱伝達条件の差は内貼材５の温度不均一の原因
となる。

また溶融金属池８においても高さ方向に温度の変化があ
り、底部（下方）の温度は低目となり液面部（上方）の
温度は高目となる。

内貼材５は耐熱温度の高いセラミックスなどの材料で構
成されるが、この種の材料は温度不同による熱膨張差、
即ち熱応力（熱歪）に対する許容限が小さく、温度不同
により割れ破損の問題を生じる可能性が大きい。

そのため温度不同を小さくする必要がある。

またるつぼ材（銅等）の溶融金属による侵食は温度が低
い程軽微となるので、温度も低くなるようにする必要が
ある。

（２）　　内貼材５はるつぼ側の保持面上４に置かれる
が工業的に製作した内貼材とるつぼの寸法形状は完全に
は一致せず、両者間の隙間は位置により不均一である。

そのため隙間のある部分は放射熱伝達、接触している領
域は接触熱伝達が行なわれる。このもｌな熱伝達条件の
差は内貼材５の温度不均一の原因となる。

また溶融金属池８においても高さ方向に温度の変化があ
り、底部１２の温度は低目となり、液面上部１３の温度
は高目となる。

内貼材５は耐熱？ＥＬ度の高いセラミック等の材料で構
成されているがこの種の材料は個体内の温度差による熱
膨脹差即ち熱応力（熱歪）に対する許容限が小さく温度
不均一により割れ、破損の問題を生じやすい。

そのため破損の原因となる温度不均一を小さくしたるつ
ぼが必要となる。

（３）水はガス（水蒸気）状態では熱伝達係数が小さい
ので、液状でなければ冷媒としての機能を発揮しにくい
。

例えば５　ａｔｍの水圧ではその飽和温度は１５１″Ｃ
である。この程度の温度（＜　　１５１℃）の冷媒から
その保有する熱量を経済的に回収するのは困難なため従
来は冷却水は熱回収せずに排出していた。

しかし熱回収存効利用はプラントの運転経費を低減のた
め好ましい。そのためには水の圧力を高くせねばならな
いが水の圧力を高くすることはるつぼ等の構造力学強度
の点から好ましくない。そこで、圧力を高めずに飽和温
度を高めることが必要となる。

［課題を解決するための手段］ 第１の本発明にかかる真空蒸発装置用るつぼは、高温の
溶融金属を保持する箱形状の一体形内貼材と冷却通路を
をするるつぼ本体と内貼材とるつぼ本体との間に介在す
るスペーサを具備し、内貼材とるつぼ本体の間の空間部
に液状熱媒体を充填したことを特徴とする。

第２の本発明にかかる真空蒸発用るつぼは高温の溶融金
属を保持する内貼材と該内貼材と該内貼材を保持し、か
つ冷却するるつぼ本体から構成される真空蒸発装置用る
つぼにおいて 半箱形の一体形内貼材の両側面に傾斜を設けるとともに
、相対するるつぼ本体にも同様の傾斜を設け該傾斜角θ
とまさり係数μとの関係をｔａｎθ≧μ とし、 内貼材とるつぼ本体の該傾斜部に金属又はグラファイト
等の高い熱伝導特性を有するスペーサを介在させ、この
スペーサで内貼材を保持するとともに内貼材の熱変形に
対し上記傾斜部に沿ってスライド可能とした事を特徴と
する。

第３及び第４の本発明にかかる真空蒸発装置用るつぼは
冷却装置に冷却塩を冷媒とする冷却循環系路と該系路に
水の蒸発潜熱に転換して水蒸気を発生させる熱交換器か
らなる冷却手段を接続したことを特徴とするとともに、
第１または第２の本発明の手段を具備する。

［作　用］ 第１の本発明にかかるるつぼにおいては内貼材とるつぼ
間の熱移動速度分布が該隙間内液状熱媒の作用により均
一化されると共に熱移動速度も大となる。

従って、内貼材の温度分布が均一化されて内貼材の熱応
力（熱歪）が減少すると共に内貼材の温度レベルも低下
する。これらの効果により内貼材の可使寿命が大巾に改
善される。

第２の本発明にかかるるつぼにおいては傾斜角θを内貼
材と水冷るつぼ本体の熱膨張差による拘束力が作用しな
い様に決めスライドする構成としたので内貼材の破損が
解消される。

第３及び第４の本発明においては、冷媒としての溶融塩
がるつぼの伝熱面を通過する際にるつぼを冷却する。そ
のため溶融塩は加熱されて温度が上昇する。この溶融塩
は熱回収ボイラの伝熱管内に導入され、るつぼで与えら
れた熱を水側に伝達するため、溶融塩の温度が低下する
と共に水側では熱を得て水蒸気となる。

この熱回収ボイラの運転条件（例えば圧力）を調節する
ことにより、もしくはバイパス流量を調節することによ
りるつぼ入口部の溶融塩温度を調節する。これによりる
つぼの冷却条件を調節するが溶融塩の流量制御を併用す
るも可である。たとえばバイパス流量を増せばボイラ熱
交換量は減りるつぼ入口温度が高くなりるつぼ放熱量が
減るが、溶融塩の流量を減してもるつぼ部熱伝達が減り
、るつぼ放熱量が減る。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第３図に示す。

第１図は第１実施例の断面図を示す。第１図において１
はるつぼ本体、２はるつぼに内蔵された冷媒流路であり
その表面は伝熱面となっている。

３は冷媒流路内の冷媒流である。４は内貼材に面したる
つぼ表面であって、内貼材側から移動して来る熱を冷媒
側へ移達せしめる受熱面となっている。５は内貼材、６
は内貼材表面であって溶融金属８に接している。７は内
貼材表面であって表面６の裏面に相当する。９はスペー
サーであり、面４と面７の間を適切な隙間条件に維持せ
しめる。

１０は該隙間内に充満せしめられた液状熱媒である。

第２図は本発明の第２一実施例を示す。

第２図に示すよう、内貼材５と水冷るつぼ本体１との合
わせ面に同一角度の傾斜を設ける。モして内貼材５と水
冷るつぼ本体１との間に、スペーサ２０を介在させる。

このスペーサ２０は金属又はグラファイト等の高熱伝導
体とする。内貼材５はこのスペーサ２０の部分でのみ水
冷るつぼ１に保持され、スペーサ２０の無い部分は隙間
３０となる。この様な構成とすると、内貼材５とスペー
サ２０、スペーサ２０と水冷るつぼ１は互に密管し、水
冷るつぼ１に内蔵した冷媒３により強制的に内貼材５の
側面を冷却しやすくなる。又、溶融金属８の上面１３と
下面１２の忍度差により発生する内貼材５の熱膨張で肉
詰材自体が変形すると、−点鎖線で図示するスペーサ２
０′、内貼材５′の様に熱変形に応じて自在にスライド
するので熱拘束がなく熱応力、熱変形による内貼材５の
破損が防止できる。

これにより強度信頼性と耐久性が大幅に向上し、安定し
た操業が行なえる。

尚、内貼材の傾斜角θは熱膨張によるスライド方向の力
が摩擦力よりも大きくなるという条件（ｔａｎθ≧μ）
から定める。

なわち、内貼材の膨張力をＦとすると、第２図（Ｂ）に
示すように、内貼材にはスライド力とじてＦｓ１口θ、
まさつ力としてμＦ　ｅｏｓ　θが働らく、従って Ｆｓｌｎθ＞　μＦ　ｃｏｓθ（ｔａｎθ＞　ｕ　）−
（１）であれば、スペーサは、熱膨張時に上方へスライ
ドする。

ただし　θ：傾斜角（鉛直線と側面のなす角）μ：内貼
材と水冷るつぼ間の摩擦係数 そして、冷却時には重力により自然に下方へスライドす
る。

第３図は本発明の第３実施例を示す。第３図において１
０１〜１０６はるつぼ１００の構造例を示したちので、
１０１は冷媒流路、＋０２は溶融金属、１０３はシール
用Ｏリング、１０４は溶融金属保持部材、１０５は冷媒
流路構成部材、１０Ｂは冷却伝熱面である。冷媒として
は、無機化合物を加熱溶融させて液体としたものを用い
る。（以下溶融塩と称する）例えばＮａＮＯ３とＫＮＯ
３の混合物（混合比等モル）は約２００℃で溶融し、加
圧することなく約６００℃までを常用温度にできる上に
、液体であるため熱伝達係数も２．０００〜５．０００
　Ｋｃａｌ／　ｍｈ　’Ｃ（流速で異なる）と大きい。

そして第３図に示す液循環系を設ける。２０５は溶融塩
入口ノズル、２０６は溶融塩出口ノズルであって、入口
ノズル２０５から流入した溶融塩は伝熱面で１０８で熱
を与えられ、温度が上昇して出口ノズル２０６から流出
する。

このノズル２０５とノズル２０Ｂの間の温度上昇と流量
を制御しながら、るつぼの運転を行い、かつ溶融塩の温
度をその使用可能温度範囲内に維持するため２０７〜２
１３に示す構成とする。２０７は多管式熱交換器であり
、伝熱管の管内にはるつぼ出口ノズル２０６からの溶融
塩が流動する如くならしめ、かつ管外には飽和温度の加
圧水を位置せしめる。

熱交換器２０７の伝熱管内を通過する間に溶融塩は温度
が低下して溶融塩タンク２０９に送入されるが、この温
度が許容条件以下になった時は該伝熱管外表面に接する
加圧水の圧力を大とならしめるかバイパス弁２０８を開
くこと１こより塩温度を上昇せしめる。また、熱交換器
２０７の出口溶融温度が許容条件以上になった時は伝熱
管外表面に接する加圧水の圧力を小とならしめることに
より塩温度を低下せしめる。

２１０は溶融塩送出ポンプであり、２１１は流口調ｆｆ
ｌ弁、２１２はバイパス弁である。流量調節弁２１１を
通過した溶融塩はるつぼの人口ノズル２０５へ送られる
。

２１３は気水分離器である。熱交換器２０７の伝熱管外
表面に接する水は管壁を介した熱移動により蒸発潜熱が
供給され、水蒸気泡の浮力により気水混合流として気水
分離器２１３内へ上昇流入して来る。この水蒸気と水を
気水分離器１３で分離して水蒸気を取出し、水は熱交換
器２０７へ再循環させる。水蒸気として分離流出せしめ
た量だけ循環水量が減少するので、気水分離器２１３の
水位を測定して補給水２１Ｇを調節弁２１４を介して補
給する。

２１５は運転開始時に無機塩を溶融させるための加熱器
である。

溶融塩としてはＮａＮＯ３とＫＮＯ３の混合物等を用い
る。ノズル２０５とノズル２０６の間で温度上昇と流量
を制御してるつぼの運転を行う方法としては、通常運転
時には冷媒の温度上昇が大きくなりすぎないように十分
な流量を流し°、るつぼの蒸発負荷が小さく加熱量も小
さいときは加熱量に比例させて流量を低下させ温度上昇
はかわらないようにする。これは温度を運転条件にかか
わらず一定として、系の温度条件を安定化するため、及
び不必要な流量を流して循環ポンプの動力を消費するこ
とを避けるためである。

冷媒の循環回路における温度変化は、第３図（１３）の
ようになる。

［発明の効果］ 本発明は上記のように構成されているので、以下に述べ
るような効果を奏する。

（１）肉詰材の温度分布が均一化されて熱応力が小とな
ると共に温度レベルが低下する、これにより肉詰材の可
使寿命が大となる。

（２）　　肉詰材の破損が解消され、強度的にも耐久性
的にも信頼性が向上し、安定した生産操業が可能となる
。

（３）溶融塩という高温の冷媒を用いることによりるつ
ぼの熱応力を減少できる。そして高温の冷媒を用いるこ
とにより、廃熱回収ボイラで有効に熱回収を行い、副生
水蒸気を得ることができる、例えば蒸発金属の蒸発温度
は２０００℃以上という高温であり冷媒が水の場合はる
つぼの温度勾配が大となり熱応力大となるのに比し溶融
塩は液温約５００℃で運転できるのでるつぼの熱応力減
少にも有効である。

回収ボイラでは溶融塩の温度が高いので圧力５　ａｔｍ
以上の水蒸気を得ることが可能で、この水蒸気は動力用
熱媒用として工業的に有効に利用できる。

例えば 溶融塩温度４００℃の場合、約１００ａｔ■（飽和温度
約３００℃）の蒸気が発生する。

このような圧力の大きい水蒸気はボイラの加熱用熱媒と
して温度の高い溶融塩を用いたことにより可能となる。

溶融塩は可使温度範囲が大きいので、熱回収ボイラの運
転条件を制御することによりるつぼ冷却条件を＋ｌｌ広
く調節することが可能であ、る。

例えばｐＪ　ａ　ＮＯ３とＫＮＯ３の混合物である溶融
塩の使用範囲は１５０℃〜５００℃である。これを使用
するとるつぼの温度は１００℃上昇し蒸発量は約２倍に
増大する。

これはるつぼ側、即ち金属蒸気発生速度範囲を大となし
得る点で有効である。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の第１実施例を示す図、第２２１０・
・・ポンプ、２１１，２１２，２１４・・・弁、２１３
・・・気水分離器、２１５・・・加熱器。 従来例を示す図である。 １・・・るつぼ本体、２・・・冷媒流路、３・・・冷媒
、５・・・肉詰材、８・・・溶融金属、９・・・スペー
サ、１０・・・熱媒、２０・・・スペーサ、３０・・・
隙間、１００・・・るつぼ、１０１・・・冷媒流路、１
０２・・・溶融金属、１０３・・・Ｏリング、１０４・
・・溶融金属保持部材、１０５・・・冷媒流路構成部材
、１０Ｂ・・・冷却伝熱面、２０５・・・溶融塩入口ノ
ズル、２０Ｂ・・・溶融塩出口ノズル、２０７・・・熱
交換器、２０８・・・バイパス弁、２０９・・・溶融塩
タンク、出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦９・・
・スペーサ １０・・・熱媒 ｊ 第 図 肉詰材表面 第 図 断面 Ａ−Ａ 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温の溶融金属を保持する箱形状の一体形内貼材
   と冷却通路を有するるつぼ本体と内貼材とるつぼ本体と
   の間に介在するスペーサを具備し、内貼材とるつぼ本体
   の間の空間部に液状熱媒体を充填したことを特徴とする
   真空蒸発装置用るつぼ。
2. （２）高温の溶融金属を保持する内貼材と該内貼材を保
   持し、かつ冷却するるつぼ本体から構成される真空蒸発
   装置用るつぼにおいて 半箱形の一体形内貼材の両側面に傾斜を設けるとともに
   、相対するるつぼ本体にも同様の傾斜を設け該傾斜角θ
   とまさつ係数μとの関係を ｔａｎθ≧μ とし、 内貼材とるつぼ本体の該傾斜部に金属又はグラファイト
   等の高い熱伝導特性を有するスペーサを介在させ、この
   スペーサで内貼材を保持するとともに内貼材の熱変形に
   対し上記傾斜部に沿ってスライド可能とした事を特徴と
   する真空蒸発装置用るつぼ
3. （３）冷却装置に冷却塩を冷媒とする冷却循環系路と該
   系路に水の蒸発潜熱に転換して水蒸気を発生させる熱交
   換器からなる冷却手段を接続したことを特徴とする請求
   項１の真空蒸発装置用るつぼ
4. （４）冷却装置に冷却塩を冷媒とする冷却循環系路と該
   系路に水の蒸発潜熱に転換して水蒸気を発生させる熱交
   換器からなる冷却手段を接続したことを特徴とする請求
   項２の真空蒸発装置用るつぼ