JPH0221084A - 電磁弁 - 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】 本発明は電磁弁、特に溶融金属を容器から放出する場合
に使用する電磁弁に関する。

ＧＢ−Ａ−７７７２１３号明細書には、溶融金属を容器
から、溶融金属の液面より低い位置にある容器の通路を
通して放出する際の、放出を制御、禁止する方法を開示
しており、該方法は、容器の周りに配置した誘導コイル
によって溶融金属内に生じる電磁力を利用して、溶融金
属を容器の放出通路から離すように動かしている。コイ
ルが励磁されていないときは、溶融金属が重力の作用で
容器から放出通路を通って流出し、コイルが励磁された
ときは、溶融金属は放出通路から離れ、流出することは
ない。

金属を放出通路から離すように磁場が加えられると、空
気ｌ金属境界が形成される。空気の上に濃い溶融金属が
存在する場合には、この自由表面は本来不安定である。

溶融金属の表面張力、密度、および加えられる磁場の大
きさ、周波数が、安定である表面の最大広さを決定する
。典型的には、自由表面の最大寸法は数十ミリメートル
を越えることは出来ず、このことは、磁場を加えて流れ
を遮断する能力を維持しつつ、最大の流量を実現しよう
とする場合の放出通路の最大寸法に制限を与える。

ＦＲ−Ａ−２３１６０２６号明細書には、使用時に溶融
金属が重力作用の下で流出する放出通路を有する本体と
、通路の周りに位置する誘導コイルと、および前記コイ
ルに高周波電流を供給する装置とを有し、コイルが通路
内の溶融金属に電流を起こさせ、該磁場と電流との相互
作用が溶融金属を、通路の軸方向に通路から離そうとす
る力を生じさせている電磁弁が開示されている。かくて
、通路の溶融金属に電磁的な過度の圧力が形成され、該
圧力が容器からの溶融金属の流れを制御するのに用いら
れる。

本文献には、コイルに加える電流の周波数は、溶融金属
内に浸透する磁場の深さδが下記条件を満たすように充
分高い必要があるとのべている。

δ＜Ｒ（１） ここで、Ｒは電磁場を加えて縮流される前の、通路を流
れる溶融金属の流れの半径である。

周波数と表面層の厚さとの間の関係は、δ＋Ｖ口石１石 であり、従って、 属の導電率である。

実験によれば、流れ制御を効率よく行うためには、表面
層の厚さδは、通路内の溶融金属の流れの半径Ｒの１７
３に等しいか、それ以下であるべきで以上線めると、現
在の技術では、電流周波数は、表面層深さが、通路内の
溶融金属の流れの半径に比較して、小さくなるように、
充分高くなければならない。

溶融金属放出操作の多くの場合においては、金属流れの
直径は１３〜２０ミ□リメータである。例えば、鉄合金
の場合には、第（３）式の等号を満足する周波数は８０
〜３０ｋＨｚの範囲にある。例えばアルミニウムのよう
な非鉄金属の場合には、周波数範囲は１５〜６　ｋＨｚ
になる。電磁的の流れ制御弁の主要関心は、高溶融点金
属に対してであり、特に鉄合金が重要である。これら合
金に対しては、必要な流れ制御を得るためには、１／３
テスラ程度の磁場の強さが必要であろう。かかる磁場の
強さを生むには、通常数千アンペアの電流が必要であろ
う。高電流と高周波数との組み合わせは、困難な電気工
学的問題を提起する。使用される誘導コイルは小さく、
数マイクロヘンリーのインダクタンスを有するに過ぎず
、一方、マツチング変圧器を溶融金属の流れの近くに配
置することも不可能である。

かくて、コイルに電流を供給するために、一般に低イン
ダクタンスのブスバーが使用されねばならない。さらに
高周波数から生じる一つの問題は、コイルと溶融金属の
中で消費されるパワーが大きくなる可能性があることで
ある。

本発明によれば、上述したような電磁弁において、通路
が、容器に隣接した半径ＲＢの第１部分と、該第１部分
から通路の自由端に向かって延びる、より小さい半径Ｒ
Ｅの第２部分とを有している。

本発明は、コイルに供給される電流の周波数を、通路の
出口直径に無関係に選択することが出来る電磁弁を提供
する。

以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図と第２図に示した弁は、使用時、溶融金属が重力
作用のもとて容器（図示せず）から流れ出す放出通路２
，３を備えた耐火材料による本体１を有している。通路
は、容器に隣接した半径ＲＢの第１部分２と、該第１部
分２から通路の自由端に向かって延びる、より小さい半
径ＲＥの第２部分３とを有している。

水冷式銅コイル４が通路２，３を取り囲み、コイル４の
中心面が通路２，３の接合部と同じ高さに位置されてい
る。交流電流が既知の方法でコイル４に供給の交流磁場
が通路部分２内の溶融金属の周囲に形成される。磁場は
、溶融金属流の中心に近付くに従って減衰し、周波数が
充分高い場合には、流れの中心部においてほぼ零になる
。周辺方向の誘導電流の分布は、通路部分２内の溶融金
属の流れの外周における最大電流密度の分布と相似であ
る。誘導電流と磁場Ｂとの間の相互作用が、半径方向に
流れの中心に向かう電磁力を生じさせ、該電磁力は通路
部分２の外周において最大で、中心部分において零に減
衰する。従って、流れの中心部に過度な圧力が形成され
、外圧力は電磁力を半径に沿って積分したものに等しい
。本実施例の条件では、この過度圧力はほぼＢ２／２μ
である。

通路２，３を流れる溶融金属のような流体の流れにおい
ては、速度と圧力との間に、圧力が増加すると速度が減
少するというベルヌーイの式として知られている関係が
存在する。コイル４に加える電流周波数、ＲＢ、ＲＥを
適当に選択することにより、電磁力は過度圧力Ｂ２　／
　２ｐを通路部分３の頂部を横切って生じさせる。かく
て、この位置における速度は、零磁場におけるＵｏから
、磁場ＢにおけるＵにまで減少される。ここで、 この式において、ｈは通路部分３の頂部上方の金属の深
さであり、ｐは通路２，３における溶融金属の密度であ
り、ｇは重力加速度である。

上述の説明から、通路２，３を通る流量を最もよく制御
するためには、通路部分３の全体にわたり、過度圧力Ｂ
２　／　２ｐが形成されなければならない。この過度圧
力は電磁力を半径に沿いＲＢとＲＥとの間で積分するこ
とによりえられるのであるから、最大の効率を得るため
には、電磁力は、溶融金属の流れの周辺から測って距離
ＲＢ　−ＲＥの位置でほぼ零に減衰しなければならない
。そのためには、周波数ｆが充分高く、従って表面層の
深さδが充分小さく、磁場Ｂと誘導電流が上記距離ＲＢ
　−ＲＥにおいて同じくほぼ零に減衰しなければならな
い。実用上の目的のためには、通常は表面層の深さδを
、ＲＢ　−ＲＥの１／３に等しくすれば充分であり、そ
の際、周波数は次式で与えられる。

ＲＢがＲＥより顕著に大きい場合には、式（５）は次の
ように簡単になる。

周波数を選択するとき考慮すべき他の要因から見て、少
しの効率を犠牲にした式（６）の方が、式（５）よりも
優っている。

式（４）を導き出すためには、いくつかの仮定がなされ
ている。特に、電磁力は流線の形状を変化させない、す
なわち、通路の放出係数が変化しないということが仮定
されている。この仮定が成立する限りは、通路部分３の
頂部を横切る速度の比は、ノズルを通る質量流れの比と
同じである。

ここで、虫は磁場値Ｂにおける質量流量であり、ｔｈｏ
は磁場強さ零における質量流量である。第（７）式によ
れば、質量流量比（ｔｈｌｔｈｏ）の自乗を、パラメー
タＢ２　／　２１１ｐｇｈに対してプロットすれば、勾
配−１の直線になるべきである。しかも、これは全ての
金属に対して共通である。Ｂ２　／　２１１ｐｇｈが１
に近付くときには、明らかに、金属が部分的に空中飛揚
することが可能になり、金属が電磁力により通路の壁か
ら押し退けられる。このような条件においては、式（７
）１よ成立しない。

本発明に従う特殊な弁においては、通路部分２の半径Ｒ
Ｂは１７ｍｍであり、通路部分３の半径ＲＥは６．５　
ｍｍであった。弁は、アルミニウムを使用し、周波数２
．１４　ｋＨｚで試験された。かかる条件でＲＢ／δ＝
３、および式（６）が満足された。流量比が種々の値の
金属深さｈ、磁場の強さＢに対して計測された。これら
値は、零磁場における流量編と、同じ金属深とにより無
次元化された。第３図に、比（ｒｎ／１ｈｏ）の自乗が
Ｂ２　／　２ｐｐｇｈに対してプロットされている。Ｂ
２　／　２１１ｐｇｈの値が０．３に達する迄は、流量
は約１０％大きくなっており、流れの直径が大きくなっ
ていることが認められる。これは、電磁力が流線の形状
を変化させ、弁の放出係数を改良したことの結果である
。より大きいＢ２　／　２１１ｐｇｈの値に対しては、
流量は減少し、式（７）の示す理論的な性能に近付いて
いる。図示の実施例では、流量は磁場の強さ零の場合の
流量の１１０％から３０％の間で変化し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の弁の放出通路部分の、第２図の線Ｂ
−Ｈに沿う垂直断面図、 第２図は、第１図の線Ａ−Ａに沿う水平断面図、る。 図において、１・・・本体、 ４・・・誘導コイル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融金属を容器から放出するために使用する電磁
   弁にして、使用時に溶融金属が容器から重力作用の下で
   流出する放出通路（２、３）を有する本体（１）と、通
   路（２、３）の周りに位置する誘導コイル（４）と、お
   よび前記コイル（４）に高周波電流を供給する装置とを
   有し、コイル（４）が通路（２、３）内の溶融金属に電
   流を起こす交流磁場を生じさせ、該磁場と電流との相互
   作用が溶融金属を、前記通路の軸方向に通路（２、３）
   から離そうとする力を生じさせている電磁弁において、
   前記通路が、容器に隣接し半径Ｒ＿Ｂを有する第１部分
   （２）と、該第１部分（２）から通路（２、３）の自由
   端に向かつて延び、より小さい半径Ｒ＿Ｅを有する第２
   部分（３）とを備えていることを特徴とする電磁弁。
2. （２）前記高周波電流を供給する装置が、通路（２、３
   ）内の溶融金属への磁場の浸透が、表面層の深さδで測
   つて、Ｒ＿Ｂ−Ｒ＿Ｅの一部分であるように、周波数を
   もつ電流を供給していることを特徴とする請求項１記載
   の電磁弁。
3. （３）前記電流の周波数（ｆ）が下式 ｆ≧９／ｎμσ（Ｒ＿Ｂ−Ｒ＿Ｅ）＾２ ここで、μは溶融金属の透磁率であり、σは溶融金属の
   電導率； を満足することを特徴とする請求項１または２記載の電
   磁弁。
4. （４）前記電流の周波数が下式 ｆ≧９／ｎμσＲ＿Ｂ＾２ を満足することを特徴とする請求項３記載の電磁弁。