JPH11257867A

JPH11257867A - 真空炉における給電方式

Info

Publication number: JPH11257867A
Application number: JP7503198A
Authority: JP
Inventors: Kenji Abiko; 兼次安彦; Yoshihiro Ashino; 圭宏芦野; Hitoshi Kono; 等河野; Masanori Tsuda; 正徳津田; Masahiro Tadokoro; 昌宏田所
Original assignee: Ulvac PHI Inc; Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Ulvac PHI Inc; Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-24
Anticipated expiration: 2018-03-10
Also published as: JP3850547B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部電源から誘導加熱コイルに対し給電する
交流電流の誘導電流などによる電力損失をなくし、真空
槽内を高真空度に保つことができる給電方式を提供す
る。【解決手段】内周から順に、銅管製の内管２２および
中管２３と、ステンレス鋼管製の外管２４を所定の空隙
２５、２６を介して同軸に配置し、内管２２と中管２３
とは両端側で絶縁キャップにより電気的に絶縁し、且つ
空隙２５を封止し、内管２２と中管２３とをそれぞれ電
極組立体２０の第１電極２９、第２電極を介して誘導加
熱コイル２１の両端に接続し、内管２２の中空部３６お
よび空隙２６には軸方向に対向して流れる冷却水を通水
し、空隙２５には空気が封入され、真空槽のフランジ３
４、ケーブルフランジ３５などを介して真空槽に固定さ
れ、外管２４の外周面は電解研磨処理などが適用できる
構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空誘導溶解炉や
コールドクルシブル溶解炉（コールドウォール溶解炉と
も呼ぶ）など誘導加熱装置の交流電力給電方式に関し、
さらに詳しくは真空槽または雰囲気槽中で電磁誘導加熱
するための誘導加熱コイルに高周波、中周波などの交流
電力を給電するための改良された給電方式の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】交流電流による電磁誘導加熱により金属
または合金などを溶解する装置の代表例として、真空誘
導溶解炉について従来の技術を説明する。真空誘導溶解
炉では、外気に対して気密にされた真空槽内に、銅管な
どの金属導体を螺旋状に巻回した誘導加熱コイルと、こ
の誘導加熱コイルの内側に被溶解金属を収容する底付円
筒形などのルツボを配置し、誘導加熱コイル内の中空部
には冷却水を通水している。誘導加熱コイルに高周波電
流などの交流電流を通電すると交番磁界が生じ、特に磁
束密度が大きいルツボの内側に装入された被溶解金属は
誘導電流（渦電流）により発熱して溶解される。真空槽
の外部に配置された電源から真空槽内の誘導加熱コイル
に交流電力を供給する給電手段としては種々の方法が採
用されているが、特に真空槽内では導体や絶縁（被覆）
材自体も温度が上昇しやすいため、一般には冷却水通路
を備えた水冷ケーブルが使用されている。以下に給電手
段としての各種方式を説明する。

【０００３】（１）水冷ケーブル方式図３は、ゴム管１を使用した水冷ケーブル３の真空槽
（図示を省略）への引き込み構造を示すもので、同図
（Ａ）は水冷ケーブル３の軸線に沿って切断した正面断
面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ矢視側断
面図である。これらの図で、１はゴム管、２は銅製など
の導体棒、３は水冷ケーブル、４、５は外形が円板状
で、それぞれ貫通穴４ａ、５ａを有する絶縁フランジ、
６は開口部が円形である真空槽のフランジ、６ａはＯリ
ング、６ｂ、６ｃはそれぞれ絶縁フランジ４、５を真空
槽のフランジ６に固定するボルトとナットであり、７は
略中空円錐台形で前記水冷ケーブル３を貫入したゴムフ
ランジである。水冷ケーブル３の導体棒２とゴム管１と
の間の空間には冷却水が通水され、図示しない真空槽内
の誘導加熱コイルの両端に継手を介して電気的に且つ通
水路を兼ねて接続されている。この方式では、水冷ケー
ブル３の外周側にゴム管１を配して絶縁性を確保し、且
つボルト６ｂとナット６ｃとにより締め付けてゴムフラ
ンジ７とＯリング６ａの弾性力により真空槽内の気密を
保持している。

【０００４】（２）銅管平行配置方式図４は、銅製の導体管８とした水冷ケーブル９の真空槽
（図示を省略）内への引き込み構造を示す断面図であ
る。同図において、８は電力を供給する銅製の導体管、
９は水冷ケーブル、１０、１１は絶縁フランジ、１２は
銅フランジ、１２ａはＯリングで、６、６ａ、６ｂおよ
び６ｃは、図３と同様にそれぞれフランジ、Ｏリング、
ボルトおよびナットである。２本の導体管８の内側には
冷却水が通水される水冷ケーブル９とされ、図示しない
真空槽内の誘導加熱コイルの両端に継手を介して電気的
に且つ通水路を兼ねて接続されている。この方式では、
絶縁フランジ１０、１１により２本の水冷ケーブル９間
および真空槽と電気的に絶縁され、且つボルト６ｂとナ
ット６ｃとを締め付けてＯリング６ａ、１２ａの弾性力
により真空槽内の気密を保持している。

【０００５】（３）同心２重管方式図５は、２本の導体管１３、１４が同心に２重に配置さ
れた水冷ケーブル１５の要部を軸線に沿って切断した断
面図である。導体管１３、１４は、銅管製でそれぞれ直
径が異なる管として形成され、同心に配置されている。
外側の導体管１４の一方（図で右側）の端部は絶縁キャ
ップ１６により封止され内側の導体管１３と絶縁されて
いる。導体管１４の一方（右側）の端部近くには、銅製
の枝管１４ａがロウ付けなどの手段により分岐して接続
されて導体管１４の一部として構成され、導体管１３、
１４のそれぞれ内径側には軸方向に向流し誘導加熱コイ
ルを経由して往復する冷却水が通水されている。真空槽
内に配置される水冷ケーブル１５の図示しない他方（左
側）の端部も、上記と同様に構成され、導体管１３、１
４は、それぞれ誘導加熱コイルの両端に電気的に且つ通
水路を兼ねて接続されている。この方式の水冷ケーブル
１５の真空槽内への引き込み構造は、図示を省略する
が、図３（Ａ）または図４と同じ方法を利用でき、同軸
に構成されているため水冷ケーブルが１本である点だけ
が異なる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の各方
式による給電方式にはそれぞれ次に示すような欠点が生
じている。（１）水冷ケーブル方式水冷ケーブルは外周側にゴム管を配置しているため、可
とう性と絶縁性とを有しているが、真空槽内で高温およ
び真空雰囲気に曝されるとゴムの内部からガスを放出す
る傾向が大きい。このため、放出ガス量を１０^-3Ｐａ・
ｍ³／ｓ・ｍ²より低く保つことが困難である（「真空ハ
ンドブック」による）。また有機化合物である絶縁フラ
ンジを使用した場合、同様に放出ガス量は１０^-4Ｐａ・
ｍ³／ｓ・ｍ²（ほぼ１０^-7Ｔｏｒｒ）程度までにしか低
くできない（同書による）。上記のそれぞれの部材が、
ともにガスを放出するため、真空槽内の真空度はさらに
低下し、被溶解材料または溶湯をガスが汚染して高純度
の金属や合金の溶解ができなくなっている。

【０００７】（２）銅管平行配置方式一対の水冷ケーブル９（図４参照）が、それぞれの周囲
に発生する漏れ磁束は水冷ケーブル中を流れる電流の方
向が逆であるため、水冷ケーブルを近接すれば漏れ磁束
の量を小さくできるが、近接寸法に限度がある上、原理
的に漏れ磁束による電流損失を全くなくすことはできな
い。例えば、銅管平行配置方式（図４）の場合、銅管外
径φ３１．８、銅管中心軸間隔７０ｍｍおよび銅管平行
部の長さを０．８ｍ（真空側０．５６７ｍ、大気側０．
２３３ｍ）とし、また導通電流を３０００Ａ、１０ｋＨ
ｚとして抵抗損失を計算すると約４ｋＷとなる（抵抗
０．４５ｍΩ）。一方、平行配置の銅管のインダクタン
スはＬ＝０．４７μＨで同じく導通電流を３０００Ａと
すると、銅管周囲に生ずる磁束は１．４１ｍＷｂとな
る。後述する本発明のケーブルで使用すると考えられる
大きさのステンレス製ノズルより真空槽内と大気側間を
出入するものとして電力損失を算出する（ノズル内径φ
２０３．３、長さ１７５ｍｍ）。ケーブルより発生して
いる磁束がノズル内表面におよぼす磁束密度は、最大８
００ガウス（０．０８テスラ）、１０ｋＨｚの交番磁束
となるため誘導加熱される電力損失はノズル全体で３７
ｋＷにもなる。そこで銅管平行配置方式をこのまま適用
すると合計４０ｋＷ以上もの損失となってしまう。実用
的には、前記ノズルを大口径のものとして使用せざるを
得ないので大口径ノズルの製作コストの増大、および絶
縁板の面積の増大に伴う放出ガス量の増大という欠点が
ある。また、２本の銅管の外表面が真空槽内で露出して
いるため、後述するようにこれらの表面からのガス放出
量が大きく真空槽内の真空度を低下（悪く）させる要因
になり、高品質の製品が得られない。

【０００８】（３）同心２重管方式図５の構成で導体管１３、１４間に電圧を負荷すると、
電流の方向が相互に逆であるため漏れ磁束は互いに相殺
されて誘導電流損失はなくなるが、冷却水を介して電気
的に接続されているため、冷却水の電気抵抗による電力
損失が発生する。この電力損失量Ｐは、図６に示す単純
化した同心２重管の模式図の構成により、理論的に次の
式（１）〜（３）により得られる。なお、図６の１７と
１８はそれぞれ管状の導体で、それらの間には冷却水が
充填されている。（Ｓ₁＋Ｓ₂）／２＝Ｓ（１）Ｒ＝ρ（Ｍ／Ｓ）（２）Ｐ＝Ｖ²／Ｒ（３）Ｓ₁：導体管１８に対向する導体１７の内表面積（ｍ
ｍ²）Ｓ₂：導体管１７に対向する導体１８の外表面積（ｍ
ｍ²）Ｒ：導体管１７、１８間の電気抵抗値（Ω） ρ ：冷却水の比（電気）抵抗（Ωｍｍ²／ｍ）Ｍ：導体管１７、１８の間隔（ｍ）Ｐ：電力損失量（ｋＷ）Ｖ：導体管１７、１８間の電圧（Ｖ）このように、導体管１７、１８の形状と水の比抵抗値に
依存する量の電力損失が生じ、溶解のために使用する電
力量が低減されて溶解効率が低下する。上記のような従
来技術における真空度の低下要因および電力損失をなく
し、高真空度雰囲気において高い電力効率で高純度の製
品を溶解できる給電方式を提供することを本発明の課題
とした。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の真空炉における
給電方式は、水冷ケーブルと電極組立体と絶縁キャップ
と固定部などから構成される。水冷ケーブルは、共に銅
管製で導体としての内管と中管と、ステンレス鋼管製の
外管とを、半径方向内方から内管、中管、外管の順に同
軸に且つ相互に半径方向に所定の間隔の空隙を有して同
軸に配置したものである。上記の内管と中管とは、両端
側で絶縁キャップを介して電気的に絶縁され、内管の中
空部および中管と外管との間の空隙には、軸方向に向流
し往復する冷却水を通水し、絶縁キャップで両端を封止
された内管と中管との間の空隙には空気が封入されてい
る。電極組立体には誘導加熱コイルの両端に電気的に且
つ通水路として接続される第１電極と第２電極とを相互
に絶縁して備え、第１電極と第２電極にはそれぞれ外周
側が導電性材料にされた通水路が接続されている。前記
の内管と中管とは、それぞれ誘導加熱コイルの両端に、
通水路と第１電極または通水路と第２電極を介し、電気
的に且つ通水路を兼ねて接続されている。水冷ケーブル
は、固定部としての真空槽のフランジとケーブルフラン
ジを介して真空槽内を気密に保持し、且つ真空槽とは電
気的に絶縁されて固定される。さらに、真空槽内の雰囲
気に曝される水冷ケーブルの外管として、少なくとも外
周面が電解研磨処理など超高真空に対応する処理が施さ
れたステンレス鋼管を使用することができる。本発明の
真空炉の給電方式は、上記の構成により従来の技術によ
る給電方式で生じていた課題を解決することができる。

【００１０】上記のように、２つの導体である内管と中
管とを同軸に配置し、且つ相互間に空気を配置し、ま
た、これらの外周側にステンレス鋼製の外管を配置した
ことにより次に示すような各種の改善が達成された。１）２つの導体管からの漏れ磁束が相殺され誘導電流損
失が生じない。２）２つの導体管の間が空気により絶縁され冷却水の電
気抵抗による電力損失が生じない。３）外周側のステンレス鋼は真空および高温雰囲気中で
の発生ガス量が少ないため、真空槽内の真空度を高くす
ることができる。４）ステンレス鋼は銅より強度が大きいため水冷ケーブ
ルの使用中の変形などが生じにくい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図１と図
２を参照して要部のみについて説明する。図１は、本発
明の真空炉における給電方式を示す部分断面正面図であ
り、図２は図１のＡ部の誘導加熱コイル２１内にルツボ
３１を配置した側断面図である。本発明の真空炉におけ
る給電方式は、３本の同軸管による水冷ケーブル１９の
一方（図で右側）の端部が、電極組立体２０を介して誘
導加熱コイル２１に、他方の端部が図示しない電源およ
び給排水系に接続されたものである。水冷ケーブル１９
は、銅管製で導体としての内管２２と中管２３と、ステ
ンレス鋼管製の外管２４とが、半径方向内方から内管２
２、中管２３、外管２４の順にそれぞれ所定の間隔の空
隙２５、２６を有して同軸に配置されているもので、内
管２２と中管２３とは両端側で絶縁キャップ２７、２８
を介して電気的に絶縁され、且つ内管２２と中管２３と
の間の空隙２５が封止されているものである。電極組立
体２０には、相互に絶縁された第１電極２９と第２電極
３０と、これらの電極に接続された導電性材料内に形成
された通水路３１、３２が備えられている。水冷ケーブ
ル１９を、真空槽の外部から内部に向かって気密に、且
つ絶縁性を保って引き込むための固定構造は従来の技術
による種々の手段を利用できるが、この例では、真空槽
のノズル３３のフランジ３４に、水冷ケーブル１９の外
周側の外套部材３８に必要により絶縁して取り付けたケ
ーブルフランジ３５を、図示しないＯリング等を介して
固定している。なお、図２の３７はルツボである。

【００１２】上記の構成により、図示しない外部電源か
ら内管２２、通水路３１の周壁３１ａ、第１電極２９、
誘導加熱コイル２１、第２電極３０、通水路３２の周壁
３２ａ、中管２３を経由して外部電源に戻る電路が接続
され、交流電力が誘導加熱コイルに給電される。また、
内管２２の中空部３６と前記の空隙２６には軸方向に対
向して流れる冷却水が通水され、冷却水が中空部３６、
通水路３１、誘導加熱コイル２１の中空部、通水路３
２、空隙２６の順に流れ排水される。内管２２と中管２
３との間の空隙２５には空気が封入されて加熱用交流電
力の導体である内管２２と中管２３とを絶縁している。
上記の構成による本発明の真空炉の給電方式は、次のよ
うな特徴を有する。１）水冷ケーブルの２つの導体が同心に配置されている
ため漏れ磁束が相殺され誘導電流損失がほとんど生じな
い。例えば、同軸内管φ４０、中管φ１００、同軸ケー
ブルの長さ０．７５ｍ（真空側０．４ｍ、大気側０．３
５ｍ）として導通電流３０００Ａ、１０ｋＨｚとして抵
抗損失を計算すると約２ｋＷとなる。よって銅管平行配
置方式に比べて、ほぼ半減する。一方、同軸ケーブルの
インダクタンスは０．１４μＨで同じく導通電流３００
０Ａとすると、発生磁束は０．４２ｍＷｂとなる。しか
し、この磁束はほとんど同軸ケーブルの内管と中管の間
に存在し、同軸ケーブル外周囲にはない。よって外部金
属、例えば前述の真空槽内外を出入りするためのステン
レス製ノズルを誘導加熱するようなことがない。そこ
で、本発明による水冷ケーブルの損失は約２ｋＷとな
る。２）水冷ケーブルの２つの導体管の間が空気により絶縁
されるため従来のような冷却水の電気抵抗による電力損
失が生じない。３）水冷ケーブルの外周側にステンレス鋼が採用されて
いるため真空および高温雰囲気中に曝しても発生ガス量
が少なく、真空槽内の真空度を高くすることができる。
例えば、機械研磨した銅の場合は４．７×１０^-6Ｐａ・
ｍ³／ｓ・ｍ²までの放出ガス量を達成できるが、機械研
磨したステンレス鋼の場合は２．８×１０^-6Ｐａ・ｍ³
／ｓ・ｍ²にまで放出ガス量を低くできる。（いずれ
も、「真空ハンドブック」による）。さらに、外管とし
て電解研磨したステンレス鋼を使用すると、放出ガス量
を、１０^-8Ｐａ・ｍ³／ｓ・ｍ²まで大幅に低くすること
が可能である。４）水冷ケーブルの外周側に、銅より強度が大きいステ
ンレス鋼が支持部材として使用されているため、使用中
の変形などが生じにくい。

【００１３】

【発明の効果】上記の構成による本発明の真空炉の給電
装置は、誘導加熱コイルに供給する電力の誘導電流損失
や冷却水の電気抵抗による損失をなくし、また、真空槽
内の真空度を低下させないため、高真空中での溶解を可
能にすると共に、水冷ケーブルの剛性を大きくして構造
的に安定させるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空炉における給電方式の一実施の形
態を示す部分断面正面図である。

【図２】図１中のＡ部の誘導加熱コイル内にルツボを配
置した側断面図である。

【図３】従来技術によるゴム管を使用した水冷ケーブル
とその真空槽内への引き込み構造を示すもので、同図
（Ａ）は水冷ケーブルの軸線に沿って切断した断面正面
図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図
である。

【図４】別の従来技術による銅管を導体とした水冷ケー
ブルと、その真空槽内への引き込み構造を示す断面図で
ある。

【図５】従来の技術による更に別の２本の導体管が同心
に配置された水冷ケーブルの要部を軸に沿って切断した
断面図である。

【図６】図５を単純化した２重同軸管の模式図である。

【符号の説明】

１９：水冷ケーブル２０：電極組立体２１：誘導加熱コイル２２：内管２３：中管２４：外管２５、２６：空隙２７、２８：絶縁キャップ２９：第１電極３０：第２電極３１、３２：通水路３３：ノズル３４：フランジ３５：ケーブルフランジ３６：中空部３７：ルツボ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芦野圭宏神奈川県茅ヶ崎市円蔵370番地アルバック・ファイ株式会社内 (72)発明者河野等愛知県伊勢市竹ケ鼻町100番地神鋼電機株式会社伊勢事業所内 (72)発明者津田正徳愛知県伊勢市竹ケ鼻町100番地神鋼電機株式会社伊勢事業所内 (72)発明者田所昌宏愛知県豊橋市三弥町字元屋敷150番地神鋼電機株式会社豊橋事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空槽内のルツボ（３７）中に装入され
た被溶解金属または合金を加熱して溶解するため、前記
ルツボ（３７）の外周に配置された誘導加熱コイル（２
１）に外部電源からの高周波など交流電流を給電するた
めの給電方式として、半径方向内方から内管、中管、外管の順にそれぞれ所定
の間隔の空隙（２５）と（２６）を有して同軸に配置さ
れ、銅または鋼管製で導体としての内管（２２）および
中管（２３）と、外管（２４）とを有し、前記内管（２
２）と中管（２３）とは両端側で絶縁キャップ（２７、
２８）を介して電気的に絶縁され、前記内管（２２）と
中管（２３）との間の空隙（２５）が封止されている水
冷ケーブル（１９）と、相互に絶縁された第１電極（２９）と第２電極（３０）
と、これらの電極にそれぞれ接続された導電性部材内に
形成された通水路（３１、３２）とを備えた電極組立体
（２０）と、を含んで成り、前記水冷ケーブル（１９）は、外套の外周側に絶縁して
取り付けたケーブルフランジ（３５）が真空槽のノズル
（３３）のフランジ（３４）に気密手段を介して真空槽
に固定され、前記内管（２２）と中管（２３）とは、それぞれ通水路
（３１、３２）に、前記第１電極（２９）と第２電極
（３０）とは、それぞれ前記誘導加熱コイル（２１）の
両端に接続され、外部電源からの交流電力が前記誘導加
熱コイル（２１）に給電されることを特徴とする真空炉
における給電方式。
【請求項２】前記内管（２２）の中空部（３６）と前
記空隙（２６）とには軸方向に向流され前記誘導加熱コ
イル（２１）内を経由する冷却水が通水されて、前記空
隙（２５）には空気が封入され、前記内管（２２）と中
管（２３）とが絶縁されていることを特徴とする請求項
１記載の真空炉における給電方式。
【請求項３】前記外管（２４）がステンレス鋼製で、
少なくともその外周面が電解研磨処理などの放出ガスを
少なくする表面処理が施工されていることを特徴とする
請求項１記載の真空炉における給電方式。
【請求項４】前記真空槽内の圧力を１０^-7Ｔｏｒｒ未
満に保持可能であることを特徴とする請求項１記載の真
空炉における給電方式。