JPS6310554B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は高周波電磁誘導による融解用るつぼと
して使用される冷却ケージに関する。

＜従来の技術＞ 近年、技術文献に、物理化学的応用ないしは特
殊冶金の分野で使用される冷却ケージ又は冷却る
つぼと呼ばれるものが広く報告されている。この
冷却ケージ等は、特に高温での金属及び特殊合
金、耐火性及び非耐火性の絶縁材料を高周波また
は中間周波によつて誘導加熱する場合に使用して
好適である。

従来の冷却るつぼを第１図に示す。同図に示す
ように冷却ケージ１は複数のセグメント２を環状
に連結した円筒状をなすものであり、その内部に
は融解物６が貯留されている。各セグメント２は
内部に中空部を有する銅製のものであり、入口管
３から供給された冷却水が各セグメント２の中空
部を循環して冷却した後、出口管４から排出され
ることとなつている。冷却ケージ１の外周には誘
導コイル５が配置されており、この誘導コイル５
に高周波ないし中周波の電流が流されるようにな
つている。従つて、コイル５に高周波電流を流す
と、冷却ケージ１内の融解物６中に渦電流が発生
してその渦電流損で発熱し、そして溶解すること
となる。尚、図中７は融解物６が固化して冷却ケ
ージ１表面に付着した外皮であり、この外皮７を
介して溶解物６が冷却ケージ１内に貯留される。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 融解作業をるつぼと直接接触させずに保護的雰
囲気で行う場合、るつぼの材料として銅は好適で
ある。また、適切な周波数による誘導加熱によつ
て溶けた融解物６が冷却るつぼと接触して薄膜状
に固化したスラグ又は自然にできた殻によりるつ
ぼが融解物６から保護されているならば、るつぼ
の材料として銅は好適である。

しかしながら、冷却るつぼ内における融解や冶
金プロセスを何回も連続的に続けると、るつぼ内
の雰囲気が物理的または化学的に腐蝕性になつて
銅が化学的に腐食されたり、または表面からの脱
着または浸食によつて銅の原子または粒子が発生
することによつて銅が劣化する問題が生ずる。

このことによつて、るつぼが予定より早く摩耗
したり、るつぼ内で処理される材料を非常に純度
の高いものにするという意図に反して汚染される
という非常な不利益が生ずる。

これらの好ましからざる現象は銅の存在と関連
している。すなわち、銅を最近益々応用されつつ
ある誘導プラズマを閉じこめたり維持する外囲と
して使用する冷却ケージの基本的材料として用い
る時、上記の現象はよりひどくなることになる。
このような誘導プラズマトーチ炉は金属、合金、
または石英、水晶、アルミナ、珪素、チタンのよ
うな超高純度の重要な材料の製造に前よりも広く
用いられている。

本発明は従来の不利点を解消できるとともに、
冷却るつぼ内での融解や物理化学的処理の公知の
利点を維持することのできる、電磁誘導による融
解用るつぼとしての冷却ケージを提供することを
目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞ 斯かる目的を達成する本発明の構成は高周波ま
たは中間周波の誘導コイルによつて取囲まれ、冷
却水を通す中空のセグメントを複数連結してな
り、融解物を貯溜する高周波電磁誘導による融解
用るつぼとしての冷却ケージにおいて、各セグメ
ントの壁の少なくとも一部を隣接する少くとも二
層の材料で構成し、その一層は融解物を接触する
耐食性材料とし、他方の層は電気良導体とすると
ともに、これらの層の相対的厚さを誘導コイルへ
の供給周波数によりゲージ内に誘起される渦電流
が主として電気良導体層内に発生するように選ん
だことを特徴とする。

＜作用＞ 本発明の冷却ケージの構造はるつぼのセグメン
トを銅のみから構成せずに互いに密接した少くと
も二つの金属からなる複合構造とし、その一方は
たとえばジユール損失の少ない電気良導体とし、
他方はより比電気抵抗が大きく腐蝕に対してより
大きな抵抗を示す耐食性材料としたものである。
そして、この複合構造をゲージ全体に適用する
か、または腐蝕や物理化学的作用をより強くうけ
さらにはプラズマの場合には流体力学的作用をも
受ける内壁に少くとも適用したものである。

更に、本発明によるゲージの必須の構成要件と
して、耐蝕性材料と電気良導体のそれぞれの厚み
を、誘導コイルによつてゲージ内に渦電流が電磁
誘導されるように選択することにより、これらの
配置される位置におけるその深さは誘導周波数に
依存するという事実に基づいて、渦電流を主とし
て電気良導体層内に発生させるようにしてジユー
ル損失を最小にしたものである。

本発明によれば、るつぼの内側に面したセグメ
ントの面上に設ける耐食性材料として作用する金
属は、腐食性媒体内において良好な耐食性を示す
ものとして知られているステンレス鋼が例えば用
いられる。しかしながら、よく知られているよう
に、ステンレス鋼の厚さが作動周波数における電
流の貫通深さに等しいかこれより大きい時には、
すなわち、厚さが10キロヘルツで約５mm、１メガ
ヘルツで約5/10mmに等しいかこれより大きい時に
は、外側のステンレス鋼の層に生ずるジユール損
失は、壁部を同じ寸法の銅で作つた時に観察され
るものの６倍ないし７倍となる。このことは、こ
のようなるつぼ内での電気的効率を良くするのに
非常に好ましくないが、本発明ではこの不利をさ
けることができる。即ち、銅とステンレス鋼の層
の厚さおよび誘導周波数を適切に選ぶことによつ
て、高い電気的効率と両立する優れた耐食性と低
いジユール損失との両方を有する冷却るつぼの実
際の構成を本発明は提供することができるのであ
る。

＜実施例＞ 以下、高周波電磁誘導による融解用るつぼとし
て使用される本発明の冷却ケージの幾つかの実施
例について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の冷却ケージの一実施例に係るセグメン
ト２を第２ａ図及び第２ｂ図に示す。両図に示さ
れるように本発明のこの第一実施例においては、
セグメント２の内層は適当な厚さ、たとえば大体
において１mmないし３mmの厚さの銅板８で構成し
ている。内層８の外側面に設けられた外層は、た
とえば、四角の一様なステンレス鋼９のコーテイ
ングであつて、その厚さは電流のステンレス鋼内
への貫通の深さより少なくしてある。たとえば、
コーテイングの厚さは１メガヘルツ以上では
20μmないし40μmとし、500キロヘルツと１メガ
ヘルツとの間では50μmないし100μmとするのが
好しい。計算と経験によれば、この配置からなる
るつぼは腐食に対して良好な抵抗を示す一方、ジ
ユール損失は銅製のるつぼのものより僅かに大き
い程度である。ステンレス鋼９のコーテイング
は、たとえば200μm以下の厚みとする場合には、
スパタリングのような公知の物理化学的技法によ
つて形成する。もつと大きい厚さ、特に、10分の
数mmから数mmの間の厚さの場合は、シユーピング
（schooping）を用いることができる。

第３図に示す第二の実施例ではセグメント２の
一部分のみを銅とステンレス鋼の複合構造とした
ものである。即ち、セグメント２の面のうち、る
つぼの内側に面する一面のみを銅８の内層にステ
ンレス鋼９を外層として積層したものであり、そ
の他の三面は銅８の単一層としている。従つて、
銅８は融解物により腐蝕されることがない。この
構造は前述の構造に比べて簡単化したもので、腐
蝕性融解物に面するるつぼの内面だけが腐蝕を受
ける場合、特に、溶けた材料に面するセグメント
の他の面の絶縁性が良好な場合に用いることがで
きる。

第４図に示す第三の実施例においては、冷却ケ
ージのセグメントはるつぼの内側に面する一面の
みがステンレス鋼９の単一層とし、他の三面はス
テンレス鋼９と銅８との複合構造となつている。
従つて銅層８は溶けた材料により腐蝕されない。
銅層８の厚さは、作動周波数における銅内への電
流の貫通の深さと等しいかそれより僅かに大きい
厚みを有する。この銅層８の厚さは周波数１メガ
ヘルツないし５メガヘルツの範囲で約20ミクロ
ン、数百キロヘルツないし１メガヘルツの範囲で
約50ミクロン、約10キロヘルツで数百ミクロンと
するのが好しい。この実施例では、ジユール損失
は銅製のるつぼの損失と比べてほんの僅かに増
え、その程度はセグメントの全周に対して存在す
るステンレス鋼の有効長さに比例する。

本発明の第四の実施例を第５図に示す。同図に
示す実施例は、第３図および第４図で延べた二つ
の構成を組合せた３層の複合構造としたものであ
る。第５図に銅−ステンレス鋼−銅からなる構造
を示したがこれに限るものでなく、ステンレス鋼
−銅−ステンレス鋼の構造としても良い。第５図
では、８は銅層を示し、９はステンレス銅層を示
す。

＜発明の効果＞ 以上、実施例に基づいて具体的に説明したよう
に本発明の冷却ケージは耐食性材料と電気良導体
との複合構造としたので融解物により腐蝕される
ことがなく、長寿命である。しかも、耐食性材料
と電気良導体との厚さを適切に選択したので、電
磁誘導により冷却ケージ内で生じるジユール損失
を最小として高い電気的効率を達成することがで
きる。

尚、本発明の冷却ケージは数多くの科学および
産業上の広い分野に適用できるもので、その範囲
は、いわゆる「オートクルーシブル」、すなわち、
ガラスや耐火物酸化物等の絶縁物の誘導融解から
チタン、ジルコニウム、ステンレス鋼等の導電性
合金や金属のスラグの存在下における融解や非常
に腐食性の強い媒体、例えば、ハロゲンや水素を
媒体とするプラズマのような誘導的プラズマ熱源
の生成まで広範囲に適用できる。

本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、特に冷却ケージを構成するセグメントの形状
は四角形以外の形状、例えば、円形、台形等の形
状でも良く、これらも本発明の範囲に属すること
は明白である。

更に、本発明は円筒形以外の冷却ケージにも適
用できるもので、例えば截頭円錐形や円筒状円錐
形のものにも適用でき、特にプラズマ用として使
用の場合には、所望の冶金的や物理化学的目的に
見合う選択的な動的効果を発揮できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の冷却るつぼの斜視図、第２ａ図
は本発明の冷却ケージの第一実施例のセグメント
の縦断面図、第２ｂ図は第２ａ図中のＡ−Ａ線横
断面図、第３図、第４図、第５図は各々本発明の
冷却ケージに係る第二、第三、第四実施例の横断
面図である。 図面中、１は冷却ケージ、２はセグメント、３
は入口管、４は出口管、５は誘導コイル、６は融
解物、７は外皮、８は銅又は銅層、９はステンレ
ス鋼又はステンレス鋼層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高周波または中間周波の誘導コイルによつて
   取囲まれ、冷却水を通す中空のセグメントを複数
   連結してなり、融解物を貯溜する高周波電磁誘導
   による融解用るつぼとしての冷却ケージにおい
   て、各セグメントの壁の少なくとも一部を隣接す
   る少くとも二層の材料で構成し、その一層は融解
   物と接触する耐食性材料とし、他方の層は電気良
   導体とするとともに、これらの層の相対的厚さを
   誘導コイルへの供給周波数によりケージ内に誘起
   される渦電流が主として電気良導体層内に発生す
   るように選んだことを特徴とする冷却ケージ。 ２ 上記耐食性材料はステンレス鋼であり、上記
   電気良導体は銅であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の冷却ケージ。 ３ 各セグメントは電気良導体層の内側面に耐蝕
   性材料をコーテイングしてなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の冷却ケ
   ージ。 ４ 各セグメントは耐蝕性材料層の外側面に電気
   良導体を部分的にコーテイングしてなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の冷却ケージ。 ５ 各セグメントは耐蝕性材料層の内側面に電気
   良導体のコーテイングを有することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の冷却ケージ。