JP2000515235A - 冷ルツボ内でガラスを溶融させるための誘導炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 冷却されたルツボ（１０）を具備した、絶縁材料のための溶融炉であって、ルッボは、連続した金属製側壁と、分割されかつ冷却されたフロア（１２）と、フロアの下方に配置されるとともに唯一の加熱手段をなす少なくとも１つの電磁界マグネット（２８）と、を備えている。ルツボ内における融液の液面、および、電磁界マグネットの励起周波数は、液面およびルツボの内部半径が、電磁界マグネットの励起周波数に由来する融液内での表皮厚さよりも小さいように、選択されている。

Description

【発明の詳細な説明】 冷ルツボ内でガラスを溶融させるための誘導炉 発明の属する技術分野 本発明は、冷ルツボ内における直接誘導による、ガラスのような絶縁材料の溶 融に関するものである。従来の技術およびその課題 任意の材料を、誘導加熱されたルツボ内における溶融によって作ることができる 。最も一般的に使用され最も単純なルツボは、耐火材料から形成されている。し かしながら、このタイプのルツボは、すべての溶融バス（融液）に対して適合し ているわけではない。いくつかの材料は、溶融の際に耐火材料に対して腐食性で あり、また、特にガラスのような別の材料は、耐火材料によって汚染を受ける可 能性がある。 よって、このような材料は、非汚染壁を有した「冷」ルツボと称される特別の ルツボ内で作製されなければならない。冷ルツボは、循環水によって冷却されて いる金属部分から構成されており、この金属部分の内部において、作製されるべ き材料が、周縁誘導コイルによって加熱される。ルツボを各部分に分割すること によってあるいは仕切ることによって、ルツボ壁内における誘導に基づく温度上 昇を制限することができ、炉内に導入されている材料の直接誘導加熱を可能とす る。 誘導コイルは、ルツボの周囲に通常的に巻回された１つまたは複数のターンか ら構成されている。これは、一般にこの構成であると最良の性能を発揮できるこ とによる。 独国特許発明明絹書第３３ １６ ５４６号には、複数の部分に分割された底部 の下方に配置された下部誘導コイルを備えた冷金属ルツボを具備した炉が開示さ れている。しかしながら、この下部誘導コイルは、付属的な加熱部材を形成して いるにすぎない。主誘導コイルは、ルツボ回りに巻回されている。このことは、 ルツボの金属側壁も、また、複数部分に分割されていなければならないことを意 味している。 英国特許明細書第２ ２７９ ５４３号には、絶縁材料ではなく金属合金を精錬 するための、非分割側壁を有した注入ルツボが開示されている。このルツボは、 また、分割された底部の下方に配置された誘導コイルを備えている。誘導コイル は、注入温度を決定し得るよう構成されている。この場合の注入は、誘導コイル の中央部分において行われる。しかしながら、ルツボ内に含有されている金属の 全体量を溶融して使用されることがなく、また、金属の全体量を溶融し得るよう には構成されていない。このルツボは、金属を溶融させるための主要設備ととも に使用するように構成されている。したがって、底部の誘導コイルは、付属的な 加熱部材である。側部金属壁が分割されている場合であっても、上記のような不 適合の問題をもたらすような耐火性の壁の場合であっても、いずれにしても、主 加熱は、誘導によってもたらすことができる。 独国特許発明明細書第５６４ ６９３号には、内側から加熱するような炉が開 示されていて、この炉は、底部を貫通して溶融バス内に侵入するとともに誘導タ ーンを備えたスリーブを具備している。このタイプの炉は、製造が複雑である。 特に、冷たい壁を有したものとして製造する場合には、製造が複雑である。 上記従来技術からは、ルツボの底部の下方に配置された誘導コイルを、単独の 加熱手段として使用することを考慮した人がいないことを、結論づけることがで きる。発明の概要 本発明の１つの目的は、特にガラスに対して適用される冷ルツボを備えた溶融 炉であって、とりわけ単純であるとともに安価に製造できるものでありながらも 、従来の炉と同様の性能を保証し得るような溶融炉を提供することである。 本発明の他の目的は、所定容量に対して、誘導コイルのための励起電圧を供給 するために、高価な部材の数が少なくて済むような、そのような炉を提供するこ とである。 本発明の他の目的は、誘導コイルの励起電圧を供給するために、市販の部材を 使用した、大容量の、そのような炉を提供することである。 本発明の他の目的は、溶融バス（融液）とルツボ璧との間において特に良好な 熱特性を備えた、そのような炉を提供することである。 本発明においては、上記目的を、ボトムの下方に配置された誘導コイルだけに よってガラスを加熱することにより、達成する。ルツボの側壁を通して誘導コイ ルが何ら作用しないことにより、側壁を連続的なものとすることができる。言い 換えれば、電気的に分割する必要がなく、これによって、製造が極めて容易とな る。 誘導コイルの平均直径は、ルツボ周囲に巻回されていた従来の誘導コイルの直 径と比較すれば、約半分である。これにより、コイルのインダクタンスを意義深 く低減することができ、そのため、コイルの励起電圧を意義深く低減することが できる。したがって、与えられたルツボ直径に対して、励起電圧を供給する部材 として、高価ではないものを使用することができる。あるいは、現存の部材を使 用した場合には、直径のより大きなルツボに対して使用することができるように なる。 誘導コイルの周縁部をルツボの側壁から離問させることは、側壁上に、凝固し たガラスからなる厚い層を得ることができることを意味する。このことは、溶融 バス（融液）と冷ルツボとの間における熱損失を低減する。このタイプの熱絶縁 は、液体状体においても固体状態においても電気の良導体である金属の場合（金 属を溶融させる場合）には、得ることができない。 金属に対しては、このタイプの炉の性能は、従来の炉において得られる性能と 比較して、あまり良好ではない。しかしながら、ガラスに対しては、炉の性能は 、格別のサイズとすることによって、最適化することができる。 本発明は、特に、冷却されたルツボを具備した、絶縁材料のための溶融炉であ って、ルツボは、金属製側壁と、分割されかつ冷却されたボトム（あるいは、フ ロア）と、ボトムの下方に配置された少なくとも１つの誘導コイル（あるいは、 電磁界マグネット）と、を備えてなる溶融炉を目標としている。前記誘導コイル が、唯一の加熱手段をなしているとともに、ルツボの金属製側壁が、連続体であ る。 本発明のある実施形態においては、ルツボ内における溶融バスの深さ（あるい は、液面高さ）、および、誘導コイルの励起周波数は、前記深さおよびルツボの 内部半径が、誘導コイルの励起周波数に基づく（由来する）バス内での表皮厚さ よりも小さいように、選択される。 本発明のある実施形態においては、誘導コイルの周縁部は、ルツボの側壁から 離間されている（あるいは、退避位置とされている、あるいは、干渉しない位置 とされている）。 本発明のある実施形態においては、ボトムは、サイドバイサイドに並置された 複数のチューブから構成されている。 本発明のある実施形態においては、チューブは、熱伝導性が良くかつ電気伝導 性が悪い材料から形成されている。 本発明のある実施形態においては、溶融炉は、金属製ベースと、金属製蓋と、 を具備し、これらベースおよび蓋は、これらベースおよび蓋が共にルツボに対し て連結されたときには、誘導コイルによって生成される電磁放射から外部環境を 保護するためのファラデーケージを形成する。 本発明のある実施形態においては、溶融炉は、ボトムの下方に配置されると共 に独立に制御される複数の誘導コイルを具備している。 本発明のある実施形態においては、溶融炉は、矩形形状とされており、複数の 誘導コイルが、矩形形状の長軸に沿って分散配置されている。図面のリスト 本発明の上記のおよび他の目的、特徴点、および、利点は、添付図面に関連し た特定の実施形態に関する以下の非制限的な説明により、詳細に説明される。 図１は、本発明による溶融炉のある実施形態を示す図である。 図２は、本発明による溶融炉の第１の代替可能な例を示す図である。 図３は、本発明による溶融炉の第２の代替可能な例を示す図である。いくつかの実施形態の詳細な説明 図１には、本発明によるガラス溶融炉のある実施形態を示している。このガラ ス溶融炉は、冷却されたルツボを具備している。ルツボは、電磁界に対して透明 な水平ボトム１２上に配置された二重金属壁を有した鉛直リング状セグメント１ ０から構成されている。例えば、このアセンブリは、ボウル形状のベース１４上 に配置することができる。アセンブリは、蓋１６により閉塞することができる。 蓋１６は、いくつかのアクセス用オリフィスを有している。特に、材料投入用オ リフィス１８と、燃焼ガス排気筒２０と、を有している。例えば、ボトム１２は 、引出可能なドア２４によって閉塞された中央出口オリフィス２２を有すること ができる。この場合、ベース１４は、対応した、出口オリフィス２６を有してい る。 ただ１つの誘導加熱部材２８が、タンク１４の内部において、ボトム１２の直 下に配置されている。この実施形態においては、この加熱部材は、１つまたは複 数のターンを有した誘導コイルである。 鉛直リング状セグメント１０およびボトム１２は、それそれ、ダクト３０によ って概略的に示されているように、冷却液体の循環が可能であるように構成され ている。リングセグメントは、連続した内璧と外壁とを有しており、これら内壁 と外壁との間を、冷却液体が循環するようになっている。均一な冷却を行うため に、これら２つの壁間に、バッフルを設けることができる。 このタイプのリングセグメント１０は、比較的複雑な（台形の）部分をまず作 っておいてその後電気絶縁体を使用して密封式に個々に組み立てるといった分割 式リングセグメントと比較して、製造が特に容易であって安価に製造できる。 誘導コイル２８は、一点鎖線で図示するような、ボトム１２を挿通する電磁界 を生成する。 ボトム１２だけが分割されている。詳細に後述するように、ボトムを分割する ことは、ルツボの側壁を分割することと比較して、ずっと容易である。 誘導コイル２８の外径は、リング状セグメント１０の内径よりも小さい。その ため、リング状セグメント１０における電磁界は、小さい。その結果、リングセ グメントの壁に近い箇所の温度は、比較的低く、この壁上において凝固するガラ ス層は、比較的厚い。固体ガラスが良好な熱絶縁体であることにより、エネルギ ー損失が、意義深く低減される。この利点は、相にかかわらず良好な熱伝導体で ある金属の場合（金属を溶融させる場合）には得られないことに注意されたい。 誘導コイルの平均直径は、ルツボ回りに巻回された従来の誘導コイルの直径の 、約半分である。これは、誘導コイルのインダクタンスを意義深く低減し、この ため、所定エネルギーを伝達するための励起電圧を意義深く低減する。これは、 特にガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）には、とりわけ有利である。とい うのは、ガラスの場合（ガラスを溶融させる場合）には、励起電圧の周波数が特 に高いからである。よって、所定の炉直径に対して、誘導コイルの励起電圧を供 給しているコンバーターの部材として、従来炉の場合と比較して、絶縁破壊電圧 のずっと小さなものを使用することができる。さらに、現存の部材を使用して形 成される炉の直径を、従来炉の直径よりも、大きくすることができる。 金属の場合（金属を溶融させる場合）には、誘導コイルの周波数がガラスの場 合（ガラスを溶融させる場合）と比較してずっと小さいことのために、炉直径の 増大化のために部材を選択するに際して何の特別の問題も存在しないことに注意 されたい。 任意のタイプの材料のための誘導炉においては、良好な熱効率を得るための試 みがなされている。表皮効果のために、溶融バス内に誘起されたエネルギーは、 誘導コイルの近傍において最大であって、離れるにしたがって急速に減少する。 誘起エネルギーは、表皮厚さ（あるいは、表皮深さ）と称される距離を超えると 急速に減少する。表皮厚さは、与えられた材料に対しては、励起周波数だけに依 存する。表皮厚さは、周波数が増大するにつれて減少する。 よって、表皮効果によって集中してエネルギーを、誘導や対流によって、バス の残部に対して伝達しなければならない。したがって、バス内の温度の一様性を 改良するためには、表皮厚さを増大させることが有利である。しかしながら、表 皮厚さが増大すれば、電気効率が落ちる。そのため、一様な加熱と電気効率との 間において、妥協点を見出さなければならない。 金属バスは、通常、流体であって、良好な熱伝導度を有している。これにより 、誘導や対流による一様な混合が促進される。ルツボの周囲に巻回された誘導コ イルを備えた従来の炉においては、表皮厚さが溶融ルツボの内部半径の４分の１ よりも小さい場合には、電気効率を改良するための、良好な妥協点か得られる。 ガラスバス（ガラス融液）は、通常、粘度の大きなものであって、熱伝導性が 悪い。このため、一様な温度を得ることが困難である。比較的大きな表皮厚さが 選択されなければならない。従来の炉においては、表皮厚さがルツボの内部半径 に近い場合に、良好な妥協点が得られる。大きな表皮厚さを選択したことに基づ いて、金属バス（金属融液）の場合の対応した可能な値と比較して、電気効率が 小さいことは、溶融ガラスが金属よりも非常に大きな抵抗値を有していることに よって補償される。つまり、電気効率は、溶融バスの抵抗値につれて増大するか らである。 図１に示すように、ボトムの下方に配置された状態で、誘導コイルが使用され ている場合には、表皮効果は、リング状セグメント１０からというよりは、ボト ム１２を起点として発生する。上記妥協点を維持するために、誘導コイル２８の 励起周波数は、表皮厚さが、誘導コイルがルツボ回りに巻回されている場合に選 択されるような表皮厚さの半分であるように、選択することができる。したがっ て、金属の場合（金属を溶融させる場合）には、表皮厚さは、ルツボの内部半径 の８分の１であるように選択されることとなる。これに対して、ガラスの場合（ ガラスを溶融させる場合）には、表皮厚さは、ルツボの内部半径の半分であるよ うに選択されることとなる。 よって、誘導コイル２８を溶融バス（融液）の下方に配置することにより、表 皮厚さを半分に低減することがでぎ、その場合でも、熱の一様性を所望に維持す ることができる。表皮厚さを低減することは、電気効率を増大させる傾向がある 。 しかしながら、特定の予防措置がとられなければ、熱効率が、ルツボ回りに誘 導コイルを巻回した従来炉の熱効率を下回ってしまうことが見出された。本発明 者らは、溶融バス（融液）の深さの関数として効率を変化させること、また、表 皮厚さ以下のバス深さに対して最適の効率を得ることを、実現した。 受け入れられた妥協点が維持されているときには、金属に対するバス深さは、 ルツボの内部半径の８分の１よりも小さく選択されなければならない。これは、 炉の比率を不合理なものとする。したがって、金属に対しては、ボトムだけから 加熱を行う炉は、適切ではない。 しかしながら、ガラスに対しては、本発明によれば、バス深さは、半径の半分 以下である。このことは、合理的な炉の比率をもたらす。例示として、図１には 、ガラス溶融炉において最適の熱効率を得るために必要な比率を概略的に示して いる。 本発明による炉は、同容量の従来のガラス炉よりも、熱損失が小さい。側壁近 傍に加熱源がないことにより、側璧上において固化したガラス層が、従来炉にお けるものよりもずっと厚い。ボトムにおいてはなおも比較的大きな損失があるけ れども、これらは、必然的で避けられないものである。というのは、本発明の炉 においては、任意の従来炉と同様に、溶融ガラスを良好な状態で注入し得るよう に、バスのボトムが、高温でなければならないからである。 ある有利な実施形態においては、ボトム１２は、互いに絶縁した状態で互いに 水平方向に隣接して固定された複数のチューブから構成されている。これにより 、ボトムを磁界に対して透明とすることができる。図示のように、各チューブは 、ルツボのボトムをフラットとし得るよう、好ましくは、正方形をなす横断面と されている。 ルツボの分割型鉛直壁を製造に際して直面する問題点の１つは、各部分どうし の間を密封状態に維持しつつかつ電気絶縁状態に維持しつつ、これら部分どうし を互いに固定することである。ボトム１２の場合には、チューブ１２どうしの間 にコンクリートを部分的に流し込むことによって、この問題を容易に解決するこ とができる。この場合、チューブどうしは、互いにわずかに離間されており、コ ンクリートがチューブどうしの間の絶縁をもたらすことができる。誘導コイル２ ８は、また、同じ操作の際に、コンクリートでくっつけることができる。 チューブは、有利には、シリコンカーバイドのような、熱伝導が良好でありか つ電気伝導性が悪い材料から形成することができる。この材料が使用された場合 には、原理的には、ボトムを仕切る必要がない。というのは、その場合には、ボ トムを、中間領域を冷却流体が流れ得る２つのプレートから構成できるからてあ る。しかしながら、これら材料は、ろう付けしたり溶接したりすることができな い。そのため、アセンブリを、特にコーナーアセンブリを、シールすることが困 難である。しかしながら、チューブの端部においてシールされたアセンブリを提 供することは、常に容易である。このタイプの端部アセンブリは、「Ｓ」字構成 とされたボトム１２をなすチューブどうしを連結するために使用されることとな る。これにより、冷却液体の循環が可能とされる。 好ましくは、蓋１５およびタンク１４は、電気伝導性材料から形成される。こ の場合には、これら蓋１５およびタンク１４は、フアラデーケージを形成して、 誘導コイル２８によって生成された電磁放射が周囲環境に漏れることを防止する 。 本発明においては、ルツボ周囲に誘導コイルが巻回されていないことにより、 ルツボの形状を、任意の形状とすることができる。単一の誘導コイルが使用され る場合には、製造を容易とするよう、円筒形状が好ましい。しかしながら、ルツ ボの形状は、いくつかの誘導コイルの空間的レイアウトに適合させることができ る。これによって、炉の容量を増大化させたり、あるいは、特別の処理を行うこ とができる。この場合、バスの深さおよび励起周波数は、各誘導コイルによって カバーされた領域の状況に対応した半径を考慮して、選択される。 図２は、本発明による、いくつかの誘導コイルを備えた炉の第１の例を示す図 である。炉のルツボ３２の横断面は、３つの円筒を組み合わせることによって形 成されている。各円筒は、それそれのボトムに、螺旋誘導コイル３４を有してい る。各誘導コイルには、２つの導体３６が電力供給可能に接続されている。これ により、大容量の炉を構成することができる、あるいは、内部温度をそれそれ独 立に制御可能ないくつかの領域を有していてそれぞれ異なる溶融温度および注入 温度を有した炉を構成することができる。 このタイプの炉は、溶融ガラスの精製操作に利用される。 図３は、本発明による炉の第２の例を示している。この炉は、ガラスの精製に 、より好適である。炉の形状は、矩形であって、誘導コイル３４は、互いに独立 に制御されており、矩形形状の主軸に沿って配置されている。端部誘導コイルの うちの１つは、例えば、溶融されるべきガラスの注入箇所近傍に位置した誘導コ イルは、最大エネルギーを出力するように励起される。これに対して、他の誘導 コイルは、より小さなエネルギーを出力するよう励起される。精製されたガラス は、最小出力の誘導コイルに対応する場所から抽出される。 この炉構成は、理想的には、炎によって加熱されるタイプの従来のガラス炉に おいて使用されている構成と同様である。 上記のように複数の誘導コイルを備えた炉においては、誘導コイルどうしは、 均質な動作をもたらし得る程度には、互いに十分に近接していなければならない 。しかしながら、互いの千渉を防止し得る程度には、互いに十分に離間していな ければならない。 当業者であれば、本発明に多くの変形や変更をなし得ることがわかるであろう 。説明した応用は、ガラスに関するものであるけれども、本発明による炉が、液 体状体において電気伝導度と熱伝導度とが小さな任意の材料に対して応用可能で あることは、明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｂ 6/24 Ｈ０５Ｂ 6/24 6/36 6/36 Ｚ 6/44 6/44 (72)発明者 ラディラ，クリスティアン フランス国 30126 サン―ローラン―デ ―ザーブル シュマン ドゥ ラ コスト ドゥ レヴェスク（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．冷却されたルツボ（１０，３２）を具備した、絶縁材料のための溶融炉であ って、 前記ルツボは、金属製側壁と、分割されかつ冷却されたボトム（１２）と、該 ボトムの下方に配置された少なくとも１つの誘導コイル（２８，３４）と、を備 えてなり、 前記１つまたは複数の誘導コイルが、唯一の加熱手段をなし、 前記ルツボの前記金属製側壁が、連続体であることを特徴とする溶融炉。 ２．前記ルツボ（１０，３２）内における溶融バスの深さ、および、前記誘導コ イル（２８，３４）の励起周波数は、前記深さおよび前記ルツボの内部半径が、 前記誘導コイル（２８，３４）の前記励起周波数に基づく前記バス内での表皮厚 さよりも小さいように、選択されていることを特徴とする請求項１記載の溶融炉 。 ３．前記誘導コイル（２８，３４）の周縁部は、前記ルツボ（１０，３２）の前 記側壁から離間されていることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。 ４．前記ボトム（１２）は、互いにに並置された複数のチューブから構成されて いることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。 ５．前記チューブは、熱伝導性が良くかつ電気伝導性が悪い材料から形成されて いることを特徴とする請求項４記載の溶融炉。 ６．金属製ベース（１４）と、金属製蓋（１６）と、を具備し、 これらベースおよび蓋は、これらベースおよび蓋が共に前記ルツボ（１０，３ ２）に対して連結されたときには、前記誘導コイル（２８，３４）によって生成 される電磁放射を外部環境に漏らさないためのファラデーケージを形成すること を特徴とする請求項１記載の溶融炉。 ７．前記ボトムの下方に配置されると共に独立に制御される複数の誘導コイル（ ３４）を具備していることを特徴とする請求項１記載の溶融炉。 ８．形状が矩形であって、前記複数の誘導コイル（３４）が、前記矩形形状の長 軸に沿って分散配置されていることを特徴とする請求項７記載の溶融炉。