【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、良導電性金属からなるるつぼの外径側に高周波電源で供給される電流が流されるコイルが設けられ、金属などの被溶解物を入れてこれをるつぼから浮揚させ、その状態で溶解する浮揚溶解装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３はるつぼが水冷されるコールドクルーシブルと呼ばれる浮揚溶解装置の縦断面図である。 この図において、浮揚溶解装置はるつぼ１、コイル３Ａ及び図示しない高周波電源や冷却装置などからなっていて、図示のようにるつぼ１は複数のセグメント１０に分割されている。 セグメント１０は銅などの良導電性の金属からなっている。 この図では手前のセグメント１０を取り除いてある。 隣同士のセグメント１０の間には間隙があって図示しない絶縁物が挿入されて隣合うセグメント１０同士が接触しないようにしてある。 セグメント１
０には後述するように５０kHz 程度の高周波電流が流れて大きなジュール熱が発生して温度が上昇するので、後述するように中に冷却孔が設けられていて出入口である４１，４２を介して冷却水が流される。 前述の名称の「コールド」は冷却のためにるつぼ１の温度が低い状態で使用されるからであり「クルーシブル」とは「るつぼ」の英単語である。 それぞれのセグメント１０は下部で絶縁架台５に止めピン５１で固定されている。

【０００３】コイル３Ａは中に冷却孔３１が設けられた一辺が１０mmレベルの大きな断面積の長方形の導体３０
Ａが巻回されてなっていて、図では３ターンからなり、
るつぼ１の外形側形状に合わせてそれぞれのターンを構成する導体３０Ａの半径が変えられている。 るつぼ１は図示のように下が半径の小さな管状部１１とその上に向かって広がる漏斗状部１２とからなっている。 コイル３
Ａに高周波電流が流れると、セグメント１０内に誘導電圧が発生し水平断面内を巡回する渦電流が流れる。 そして、コイル３Ａに対向する側の外径面１３ではコイル３
の電流とは逆の方向に流れ、これに伴って内径側にはコイル３Ａと同じ方向の電流が流れる。 このセグメント１
０の内径側に流れる電流によってるつぼ１内に高周波磁界が発生するが、その分布は管状部１１で絞られ漏斗状部１２で上に向かって拡散する分布となる。 漏斗状部１
２内に金属があると、漏斗状部１２内の磁界によって金属内に渦電流が発生し、この渦電流と漏斗状部１２内の磁界との電磁作用によって上向きの電磁力が働き、この電磁力が金属の自重を上回ると浮き上がる。 と同時に、
渦電流によるジュール熱で金属は加熱され、浮揚した状態では冷却効果が悪いことも手伝って、溶解温度を越えて溶解しその状態で浮揚する。 このような状態では浮揚溶解している金属にるつぼ１の材料などの異種金属が混入する恐れがないことから純度の高い溶解金属を生成することができるので、これを図示しない別の装置を用いて鋳型に流し込むことによって純度の高い良質な製品を製造することができるという特長を持っている。 このような浮揚溶解による鋳造が適用される金属には、チタニウム、シリコンなどがある。

【０００４】浮揚溶解装置では、直径が２０cm程度のるつぼ１のコイル３Ａに１００ｋｗ近い電力を供給して分レベルの短時間に金属の浮揚状態で溶解させるものなので、導体３Ａの電流密度は非常に大きな値に設定して寸法が大きくならないようにしている。 したがって、コイル３Ａが発生する熱は非常に大きいのでこれを冷却するためには冷却効率の最も優れた水冷が採用される、コイル３Ａに設けられた後述の冷却孔に冷却水が流されて冷却される。

【０００５】図４は図３のセグメント１０の断面図であり、その中を下から上に貫通する冷却孔４３が設けられていて、前述の出入口４１，４２につながっていて冷却水が流される。 図５はコイル３Ａを構成する導体３０Ａ
の中を流れる電流の分布を説明するための断面図である。 この図において、コイル３Ａに流れる電流によって生ずる磁束分布を磁束線１００でその概略を示してある。 図示のように、導体３０Ａのるつぼ１側の表面近傍に沿って磁束線１３が通る傾向がある。 導体３０Ａの中を流れる電流はよく知られている表皮効果と呼ばれている現象によって、電流が反対方向に流れる導体に近い側に電流が偏った分布になる。 図の電流集中部３２Ａはるつぼ１に面する側に電流が集中して電流密度が大きくなっている断面部を表し、その他の断面部である電流排除部３３Ａでは電流が殆ど流れない断面部を表している。
実際には電流密度は連続的に変化しているので電流集中部３２Ａと電流排除部３３Ａの境界がはっきりしている訳ではなく、この図はあくまでも模式的な表現である。
ちなみに、導体３０Ａに電気銅が使用された場合、浸透深さは０．５mm程度であり、導体３０Ａの断面寸法に比べてはるかに小さな値である。

【０００６】るつぼ１の斜めの外径面１３に対して導体３０Ａは１つの角部が対向して配置されているために、
この角部に電流が集中して電流集中部３２Ａの断面積が小さい。 したがって、同じ電流値に対してジュール損が大きくなるという問題がある。 ただ、導体３０Ａの内径側は同一半径なので、断面が階段状で順次半径が変わる巻枠を用いて巻回すれば、導体３０Ａをよじることなく巻回することができるので、巻回作業が容易であるとともに、あらかじめ被覆絶縁を施した導体３０Ａを用いて巻回することが可能である。

【０００７】図６は導体の断面形状が円の場合の電流の分布の説明図である。 この図において、導体３０Ｂは円形なのでるつぼ１の辺１３に対向する側は円形となるので、電流の集中が緩和され電流集中部３２Ｂの面積が図５の電流集中部３２Ａに比べて大きくなるので、ジュール損が小さくなる。 また、巻回作業においては図５のコイル３Ａと同様によじることなく巻回することができしたがってあらかじめ被覆絶縁を施しておくことも可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、るつぼ１の漏斗状部１２の外径側に従来の巻回法で巻回したコイル３Ａを配置するとき、コイル３Ａを構成する導体の角部がるつぼ１の斜めの外径面１３に対向するので、表皮効果によって導体の前述の角部近傍に電流が集中する電流集中部３２Ａの断面積が小さく、結果的にコイル３
Ａに流れる電流によるジュール損が大きくなってコイル３を冷却するための冷却装置の容量が大きくなるばかりでなく、ジュール損分はコイル３から投入する高周波電力に加算されるものなので、投入電力が増大することによる高周波電源容量が大きくなるためにコストアップにつながるという問題がある。 図６に示すように、導体断面形状を円形にし導体３０Ｂを使用したコイル３Ｂの場合は、図５の断面形状が長方形の導体３０Ａに比べて幾分なりと改善されるが充分ではない。

【０００９】この発明の目的はこのような問題を解決し、コイル導体に生ずるジュール損を低減することのできる浮揚溶解装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、この発明によれば、上に開いた漏斗状部を有し良導電性金属からなるるつぼと、このるつぼの外径側に配置され高周波電流が流されるコイルとを備えた浮揚溶解装置において、コイルを構成する導体のるつぼに対向する面が、るつぼの外径面に平行であるものとし、また、導体の断面形状が長方形であり、その１つの面がるつぼの外径面に平行であるものとし、また、導体の断面が長方形の一辺を円弧状にした形状であり、この円弧の辺に対向する直線の面がるつぼの外径面に平行であるものとする。

【００１１】

【作用】この発明の構成において、コイルの導体のるつぼの外径面に対向する面をるつぼの外径面に平行にすることによって、電磁誘導作用によってコイル導体の電流とは反対方向に電流が流れるるつぼの外径面対向する導体の面に表皮効果によって電流が集中し電流集中部を形成するが、この電流集中部の断面の表面に沿う長さが長くなって電流集中部内の電流密度が低減されてジュール損の発生量が低減する。

【００１２】また、導体の断面形状を長方形として、その１つの面をるつぼの外径面に平行にすることによって前述と同じ作用が生ずる。 また、るつぼに対向する直線の面とは別の面の断面が円弧状の導体を使用してよい。

【００１３】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す断面図であり、図３と同じ部材には共通の符号を付けて詳しい説明を省く。 この図において、コイル３を構成する導体３０は長方形断面をしており、その断面の１つの辺である対向面３４をるつぼ１の断面の外形側の外径面１３に平行になるように導体３０を配置してある。

【００１４】図２は図１のコイル３を構成する導体３０
の中を流れる電流の分布を説明するための断面図であり、前述の図５や図６と類似である。 この図において、
導体３０の断面の１つの辺となる対向面３４がるつぼ１
の外径面１３に平行になるようにそれぞれのターンを構成する導体３０が配置されているために、電流集中部３
２は対向面３４に一様に分布する。 磁束線１００も導体３０とるつぼ１との間の空間を略一様にかつそれぞれの辺１３，３４に平行に通る分布となる。 その結果、電流集中部３２の断面積が大きくなるのでジュール損は図５
のコイル３Ａは勿論図６のコイル３Ｂに比べても大幅に低減する。

【００１５】コイル３を製作するには、前述のコイル３
Ａのように、単にターンごとに半径を変えて巻回するだけではなく、導体３０を所定の角度だけ傾けた状態で巻回する必要がある。 これに使用する巻枠は円錐状のものが妥当であり、その表面に導体３０の１つの面が密着するように巻回する。 このとき導体３０にはよじりの力を加える必要がある。 巻枠が円錐状なので各ターンの半径寸法も変化する。 導体３０の断面寸法は１０mm角程度なので、このように円錐形の巻枠に密着させるためによじる変形を与えながら巻回するのは常温では困難であり、
バーナーで加熱して柔らかくしながら巻回する必要がある。 そして巻回後常温に戻ったときには図１に示すような形に巻き癖が付いた状態になるので、これに絶縁被覆を施し図示しない所定の固定具に取付けることでコイル３として完成したことになる。

【００１６】図１、図２では導体３０を正方形の中央に冷却孔３１を設けた断面形状として図示してあるが、これにこだわるものではない。 るつぼ１に面する側の対向面３４が直線であれば他の辺の形状は本質的には任意である。 実際に大電流を流し冷却孔３１を持つ導体として、図示のような正方形を含む長方形のものが実用されており、また、電流集中部３２とは反対側の２つの角を落として丸みを持たせた形状のものも大容量の誘導炉用コイルなどに使用されている。 前述のように、電流集中部３２の厚みは１mm以下なので、その他の導体３０の断面部である電流排除部３３は電流の通路としては必要ではなく冷却孔３４を設けるためにあると言ってもよく、
この電流排除部３３の形状をこの発明によって制約されることはない。 ただ、対向面３４の長さをなるべく大きくするためには対向面３４の幅と導体３０Ａの最大幅とを実質的に一致せるのが妥当である。

【００１７】

【発明の効果】この発明は前述のように、コイルに高周波電流が流れると、るつぼを構成するセグメントには電磁誘導作用によってその表面に電流が流れ、コイル導体と対向するるつぼの外径面にはコイルとは反対方向に電流が流れる効果によって電流が集中し電流集中部を形成するが、コイルの導体のるつぼに対向する面がるつぼの外径面に平行になるように導体を配置することによって、この電流集中部の断面長さが長くなって実質上の電流が流れる電流集中部の断面積が大きくなって電流密度が小さくなりジュール損の発生量が低減するという効果が得られる。 この損失が低減することによってコイルの冷却装置が小さくてよくなるとともに、投入する電力も減ることになり、その分高周波電源としてのインバータの容量が小さくすることができることによるコストダウンが計られる。

【００１８】また、導体の断面形状を長方形として、その１つの面をるつぼの外径面に平行に配置すること、また、るつぼに対向する直線の面とは別の面の断面が円弧状の導体を使用することによっても前述と同じ効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す浮揚溶解装置の縦断面図

【図２】図１のコイル導体の中の電流分布を説明のための断面図

【図３】従来の浮揚溶解装置の縦断面図

【図４】図３のセグメントの断面図

【図５】図３のコイル導体の中の電流分布を説明するための断面図

【図６】導体の断面形状が円の場合の導体の中の電流分布を説明するための断面図

【符号の説明】

１ るつぼ １２ 漏斗状部 １３ 外径面 ３ コイル ３０ 導体 ３２ 電流集中部 ３３ 電流排除部 ３４ 対向面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻谷 和之 東京都目黒区中目黒２丁目３番12号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 渡邉 敏昭 東京都目黒区中目黒２丁目３番12号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 岩崎 智 東京都目黒区中目黒２丁目３番12号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 山崎 素央 浜松市半田町4937−３ (72)発明者 森田 公 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 武 達男 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 藤田 満 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内