JPH03230089A

JPH03230089A - 誘導加熱式るつぼ

Info

Publication number: JPH03230089A
Application number: JP2325084A
Authority: JP
Inventors: Otto W Stenzel; オットー　ヴェー　ステンツェル
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1991-10-14
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: DE3940029A1; DE3940029C2; JP3150143B2; US5012488A

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】（産業上の利用分野及び従来の技術）本発明は請求項１に記載されたごとくのるつぼに関わる
ものである。

金属を溶融するセラミックス製るつぼにおいては一つの
問題が存在する。すなわち、高溶融温度は有していても
、場合により、溶融物と反応したり、あるいは、もろい
るつぼ用セラミックスより小片が分離して、るつぼ内温
融物中に含有物として浮遊することである。一方、金属
製るつぼは特殊な工夫を施さない限り、しばしば高溶融
温度に耐えられない。

比較的低い溶融温度のるつぼ内において、高溶融温度を
有する材料を溶融するには、るつぼをるつぼ自身の融点
を下回る温度に冷却するために水冷することが周知であ
る。しかしながら、そうすることにより、冷却されたる
つぼと接する溶融用材料が強制的に冷却されてしまうこ
とになる。

誘導加熱手段により、水冷式金属製るつぼ内において、
高溶融温度を有する溶融用材料をるつぼの溶融温度を上
回る温度に容易に加熱することが可能である。しかしな
がら、ここにおいても、るつぼ内における渦流形成の問
題が発生する。

これにより引き起こされる渦流による損失を減少させる
には、絶縁層を配して互いに独立関係にある数多くの部
材にるつぼを細分する方法が周知である（ＤＥＰ　　５
１８　４９９、ＵＳＰ　　３　７７５　０９１、ＥＰ−
Ａ−０２７６５４４、ＤＥＡ−３８１９１５３、ＤＥ−
Ｂ−２１００３７８、ＤＥ−Ａ−２７１７４５９、ＤＥ
−Ｃ３８１９１５４、ＤＥ−Ｂｉ　　０９２　５７５、
ＥＰ−Ｂ−００５６９１５、ＤＥ−Ｂ−１６１５１９５
、ＤＤ−Ａ−１２４１４９及びＵＳＰ３　７０２　３６
８）。

（発明が解決しようとする課題）周知の冷却式るつぼの根本的な欠点は、るつぼ壁に生じ
る渦流による大きな電気的損失、および、溶融物より冷
却式るつぼ壁への熱の流出による大きな熱量損失が生じ
ることである。その工程の結果的効率は、最大限可能な
割合で溶融工程が進行するよう、ある許容規模に維持さ
れるだけである。

さらに、高周波電磁誘導式溶融るつぼの冷却ケージ（ｃ
ａｇｅ）が提案されており、周知の手段であるところの
、冷却水を横断させ、高あるいは中周波数用誘導コイル
で取り囲み、内部に溶融材料を封じ込める構造の一連の
中空部材から構成されている（米国特許第４６６０　２
１２号）。各ケージ部材の少なくとも壁面の一部は、少
なくとも２層の隣接する材料より構成されており、消耗
に抗する層が熔融すべき材料と接触状態にあり、他方の
層は良好な導電体である。誘導コイルの供給周波数同様
、前記ケージ内に誘導される渦流が主に前記の良好な導
電層内に発生するようにこれらの層の相対的厚さは選択
される。

これらるつぼ用冷却ケージの弱点は、不良な導電体であ
り抗消耗材として作用する金属が、溶融さるべき材料と
面するるつぼの内面上に配置されており、結果的により
多量の電気的および熱的損失を招くことにある。さらに
、先行技術は、誘導コイル内電流の周波数及び不良な導
電体の導電率の計算に一切触れていない。

（課題を解決するための手段及び作用）ゆえに、本発明
は低電気的損失の改良型冷却式非セラミツクス製誘導る
つぼを製造することを目的とする。

前記目的は請求項１記載の特徴により解決できる。

本発明により達成される利点は、誘導コイル及びるつぼ
部材の特殊な幾何的形状並びにコイル及びるつぼの特殊
な材料により、特にコイルとるつぼの相関関係による電
気的効率が高まっていることである。この効率とは、溶
融物内に放出される電力と誘導コイルに供給される電力
の比により定義される。より少ない損失により、るつぼ
を水冷する必要性がな（なり、より少量の電流使用での
操作を可能ならしめ、溶融効率を増加させる。

（実施例）本発明のるつぼは、異なる導電率の、少な（とも２部品
からなる複数の垂直部材を有している。

第１部品は溶融さるべき材料と逆向きであり、不良な導
電体からなる。第２部品は溶融さるべき材料と向き合い
、良好な導伝体からなる。前記垂直部材は、その厚さがＢ＜　　２／ｃｆカリｂ２の式を満たし、式中には第１部品の特定導電率であり、ｆは誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であり、ッα０は真空有向の透磁率であり、ｂは垂直部材の厚さである。

誘導コイルは垂直部材の周囲に巻き付けられる。

垂直部材の第１部品は、望ましくは非導電体からなる。

しかしながら、例えば、ガラス、繊維強化材あるいはセ
ラミックスからなることも可能である。

垂直部材の第２部品は、望ましくは少なくとも８０ワツ
）　／　ｍ’にの熱伝導率を有する材料からなる。第２
部品の厚さは、望ましくはｔ＜１／２月ｔｆｔｔｌであり、王は誘導コイルを通過する交流電流の周波数であり、来は透磁率であり、ｋは特定導電率である。

溶融さるべき材料と向かい合う第２部品側（第１部品と
は反対側）は溶融さるべき材料の合金化を妨げる材料層
をその上部に配している。前記層は望ましくは２Ｘ１０
’ｍｈｏ／ｍ以下の熱伝導率を有する。

誘導コイルは、望ましくは高導電体材料からなる。望ま
しくは、角部に半径ｒの丸みを帯びた方形断面を有し、ｒ≧２８であり、 δ＝１１５］ア７であり、 δは浸透測定値であり、縦は特定導電率であり、ｆは誘導コイルを通過する交流電流の周波数であり、７グＱは透磁率である。

実施例は図面に示されており、以下において詳述する。

第１図はるつぼ（１）を図示し、数個の垂直部材からな
り、そのうち３部材にはそれぞれ（２）（３）及び（４
）の番号が付されている。るつぼ（１）は冷媒人口（５
）及び冷媒出口（６）を配している。冷却には、望まし
くは水が使用される。しかしながら、例えば、Ｎ　ａ　
Ｎ　０２　、Ｎ　ａ　Ｎ　Ｏ３あるいはＫＮＯ３のごと
き塩溶液も使用可能である。冷媒は部材（２）、（３）
及び（４）内に配置された同軸パイプ（７）を通過する
。第１図においてはそのうちのパイプ（７）のみが図示
されているが、それぞれのパイプは冷媒出口（６）と接
続しており、それらの外部域は冷媒入口（５）と並行で
あり、それらの中央域は冷媒ランバック（ｒｕｌｂａｃ
ｋ）用である。媒介リング（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ
　ｒｉｎｇ）　（８）は冷却通路（９）と接しており、
入口（５）と接続している。（１０）及び（１１）は集
合通路（ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌ）を表
し、冷媒ランニングバック（ｒｕｎｎｉｎｇ　ｂａｃｋ
）が流入する。（１３）はるつぼの底部を冷却する冷媒
である。媒介リング（８）は分割線（１４）及び（１５
）により区分けされている内側部位に隣接している。さ
らに（１６）はるつぼの底部を表す。

るつぼ（１）内に溶融材料（１７）が配され、アーク状
表面（１８）を有する。るつぼ（１）の周囲は中空誘導
コイル（１９）が覆っており、数条（２０，２１・・・
・・・２２．２３）に巻き付けられている。コイル（１
９）の端部（２４）及び（２５）は交流電源（２６）と
接続しており、例えば、約１０００から５０００ヘルツ
の周波数の電圧を供給している。

るつぼ（１）の上部縁には磁界勾配をいくらか直線状に
する効果を生むための短絡リンク（２７）が配置される
。コイル（１９）は上部端において突然なくなるにも拘
らず、磁界は除々に減少するに過ぎないため、そのよう
な直線化が必要となる。るつぼ繰上の磁界範囲（９）短
絡リンクすなわちリング（２７）により強制的に減少さ
せられ、溶融物表面（１８）部位内の磁界減少が生じ、
その結果、溶融物傾斜を押さえる。前記短絡リング（２
７）（９）部材（２）、（３）および（４）上に配置さ
れ、それらと接続される。

コイル（１９）の断面は方形であり、角部が約半径ｒ≧
２６の丸みを帯び、式中のは浸透測定値のことであり、Ｈは特定導電率であり、丁は誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であり、ズもは透磁率である。

コイル用材料としては、例えば、銅あるいは銀等の高導
電率を有するものが選択される。エネルギー移動損失を
低く押さえるように、コイル（１９）は、その方形形状
のため、るつぼ（１）に非常に近く配置される。相関関
係にある高磁力及び高電流密度による、方形コイルの角
部が原因で生じる弱点は、丸みを帯びた角部により回避
することが可能である。角部に生じる電界と不可分な関
係にある交流磁力は、その丸みにより、るつぼ壁を通過
して溶解物内へ穏やかに導入される。

第２図において、例えば、通常の冷却式銅製るつぼの部
材（２）等の部材の平面図を表す。ここにおいて、内部
に同軸冷却パイプが配置されている部材（２）の台形様
断面図が示されている。この冷却パイプの外部壁（３０
）は、銅製の部材（２）内にある凹部の壁により形成可
能である。

冷却パイプの中央部位はパイプ（３１）により形成され
る。冷媒（３２）は内部パイプ（３１）及び壁面（３０
）間を上昇し、部材（２）と直接接触しているまだ冷え
ている冷媒（３２）が上昇しているあいだに、パイプ（
３１）内を下降する。

第３図は本発明による部材（３４）を表し、同軸冷却パ
イプは内部壁（３５）と外部壁（３６）により形成され
る。冷媒（３７）及び（３８）の流動状態は第２図にお
ける部材（２）内に示される。部材（３４）の輻すはＫ＜　　ｚ／　　（厄ヂ友。ｂつが満たされるように選択されており、式中には特定導電率であり、ヂは誘導コイル（１９）内を通過する交流電流の周波数
であり、ノもは真空中の透磁率であり、ｂは部材すの幅である。

ここにおける導電率は渦流を回避するために小さなもの
でなければならない。

ゆえに、前記部材（３４）は変圧器内の層状構造同様に
設計されなければならない。溶融物からの熱移動をさら
に良く配分するため、例えば、銅製の熱的に優れた導伝
性層（３９）は、溶融物に面する部材（３４）の底部端
に配置されている。

前記熱的に優れた層は、望ましくは少なくとも８０ワツ
）／ｍＫの熱伝導率を有する。ウィーブマン−フランツ
の法則によれば、熱的に優れた導伝性を有する層は、ま
た同時に電気的にも優れた導伝性を有するが、追加電気
損失はまさにこの層を通じて生じる。ゆえに、この層の
厚さはこの材料の浸透測定値より薄いものでな（ではな
らない。

その厚さはも、、Ｈ／：ｚＬＱｊＫの式を満たすものであるべきであり、式中ヂは誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であり、麻は透磁率であり、んは特定導電率である。

るつぼ壁土に部分的に接触するのみの溶融物の固形層か
らの熱を平均化するため、その最小の厚さは、溶融材料
の接触部の密度及び熱導伝率により決定される。接触部
の密度（インチあたりの接触部数）は、表面張力、固体
から液体への変わり目における収縮（膨張係数）等の溶
融物の数多くの物理的変数により決定される。

物理的相関関係の複雑さ、及び特定の工程上必要な事項
のため、溶融物の異なる合金に対する接触部の密度は計
算不可能である。稀な場合以外には、るつぼは単一合金
用に使用されることがないので、複数の材料の特定合金
においては実験的にのみ決定可能である。

ある場合においては、銅あるいは良好な熱伝導体である
他の材料からなる５マイクロメートルの層で充分である
。しかしながら、大抵の合金においては、１００から５
００マイクロメートルの層厚により、渦流損失の減少と
部分的溶融の危険性との間の調整が可能である。

第４図は本発明の別の実施例を表し、一部材（４０）は
高さより大きな値の広さを有する。ここにおいてもまた
、同軸冷却パイプ（４１）及び（４２）が配置される。

この部材の外部部位（４３）は、例えば、ＶＡ鋼、Ｃｒ
Ｎｉ、金属セラミックス合成物、ガラス、繊維強化材、
ある０はセラミックス等の電気的に劣る導伝体からなり
、この部材の内部層（４４）は、例えば、アルミニウム
、銀、あるいは銅等の電気的に優れた導伝体からなる。

ここにおいて幅すは実際には、ｂは輻あるいは高さでは
なく、むしろ最も薄い部位を表しているという事実の結
果であるところのその高さのことである。層（４４）の
下部には、非常に薄く、溶融物の部分的合金化を防ぐ材
料からなる追加層（４５）が配置される。この材料は、
その時点で存在する特定溶融物に応じて選択される。

これは、溶融物及び材料それ自体により形成される二物
質方式において、両材料の溶融下限より摂氏２００度下
回る低温溶融混合物を形成する材料のことである。この
層は、望ましくは２×１０ｍｈｏ／ｍ以下の導電率を有
している。

第５図においてさらに記載されている部材（５０）には
、そこの２つの通路（５１）及び（５２）が配設されて
いる。冷却液は通路（５１）から図の下方に流れ、さら
に図の上方に冷却通路（５２）内を流れる。この部材（
５０）には良好な導伝層（５３）が設けられている。

第６図は互いに通路（５８）から（６１）と隣接する数
個の部材（５４）から（５７）を表す。

ここにおいて、冷却液は通路（５８）と（６０）に流入
し、通路（５９）と（６１）から流出する。

第７図は本発明による部材（６２）の別の実施例を表し
、そこではＭ形銅部品（６３）及び、例えば、セラミッ
クス部品（６４）のみが依然として配置されている。こ
れら２部品（６３）及び（６４）は互いに接続され、冷
却液（６５）ｌまそれらの内部を流れる。銅部品（６３
）は溶融物と向かい合う。

第４図による追加層（４５）もまた、部材（２）、（３
４）、及び（５０）から（５７）並び（６５）に提供可
能であることが理解される。

いくつかの使用状態における溶融物（ま、まｔこ多少な
りともそれら部材間の隙間に侵入し、製造上の理由によ
りその角部が丸みを帯びて（箋る力１斜角に切られてい
るので、それらの層をその角部周辺から側面に多少延長
するのが望ましＬ）。

表面上での部分的合金化の危険を減少させるｔこめ、主
として突然部分的に付着する溶融物４＝関して、望まし
くは、例えば、ＣｒあるＬｓｌｉＺｒ等の溶融物と低温
溶融共晶を起こさな（、ｓ溶融物（＝面しているるつぼ
の部材表面上に、金属製表面層力く配置される。表面層
は、例えば、メ・ツキ、コーテイング、溶射、スパッタ
リング、蒸着あるいは浸着（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）等の
異なる手段により形成可能である。

（発明の効果）本発明により達成される利点は、誘導コイル及びるつぼ
部材の特殊な幾何的形状並びにコイル及びるつぼの特殊
な材料により、特にコイルとるつぼの相関関係による電
気的効率を高めることである。この効率とは、溶融物内
に放出される電力と誘導コイルに供給される電力の比に
より定義される。より少ない損失により、るつぼを水冷
する必要性がなくなり、より少量の電流使用による操作
を可能ならしめ、溶融効率を太き（増加さぜることか可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、るつぼ壁が複数の部材からなる水冷式るつぼ
を表す断面図。第２図は、水冷式るつぼのるつぼ部材を表す断面図。第３図は、本発明による第２の実施例のるつぼ部材を表
す断面図。第４図は、本発明による第３の実施例のるつぼ部材を表
す断面図。第５図は、本発明による第４の実施例のるつぼ部材を表
す断面図。第６図は、本発明による数個の部材からなる第５の実施
例のるつぼ部を表す断面図。第７図は、Ｍ形導伝体及びそこに配置された非導伝体か
らなる部材を表す断面図。 ■・・・・・るつぼ　　　　　７・・・・・・同軸パイ
プ１９・・・誘導コイル３４．４３．５０・・・・・・第１部品３９．４４．５
３・・・・・第２部品４５・・・・追加層

Claims

【特許請求の範囲】

（１）材料を誘導加熱するためのるつぼであって、異なる導伝率を有する少なくとも２つの部品からなる複
数の垂直部材、即ち、低い導電率を有する導電体よりなり、材料と面しない第
１部品と、高い導電率を有する導電体よりなり、材料と面する第２
部品とからなり、前記垂直部材の厚さがＫ＜２／πｆμ＿０ｂ＾２の式を満たすものであり、式中Ｋは第１部品の特定導電率であり、ｆは誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であり、 μ＿０は真空中の透磁率（ｍａｇｎｅｔｉｃｐｅｒｍｅ
ａｂｉｌｉｔｙ）であり、ｂは垂直部材の厚さであり、誘導コイルが垂直部材周囲を覆っていることを特徴とする誘導加熱式るつぼ。
（２）前記第１部品は非伝導体よりなることを特徴とす
る請求項１記載のるつぼ。
（３）前記第１部品は金属セラミックス合成物からなる
ことを特徴とする請求項２記載のるつぼ。
（４）前記第２部品は少なくとも８０ワット／ｍＫの熱
伝導率を有する物質からなることを特徴とする請求項１
記載のるつぼ。
（５）材料の部分的合金化を防止する物質の層が前記第
１部品と反対側の前記第２部品側にさらに取り付けられ
ていることを特徴とする請求項１記載のるつぼ。
（６）前記第２部品の厚さはｔ≦１／２√（πｆμＫ）を満たすものであり、式中ｆは前記誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であ
り、 μは透磁率であり、Ｋは特定導電率であることを特徴とする請求項４記載のるつぼ。
（７）前記第１部品はガラス、繊維強化材及びセラミッ
クスからなるグループより選択された物質からなること
を特徴とする請求項１記載のるつぼ。
（８）前記垂直部材内に配置された同軸冷却パイプをさ
らに有することを特徴とする請求項１記載のるつぼ。
（９）同軸冷却装置をさらに有し、前記垂直部材は前記
同軸冷却装置の外部壁を形成することを特徴とする請求
項１記載のるつぼ。
（１０）前記層は２×１０＾６ｍｈｏ／ｍ以内の導電率
を有することを特徴とする請求項５記載のるつぼ。
（１１）前記誘導コイルは高い導電率を有する物質から
なり、角部に丸みｒを有する方形断面を有し、ｒ≧２δ を満たし、 δ＝１／√（πｆμ＿０Ｋ）であり、式中 δは浸透測定値であり、Ｋは特定導電率であり、ｆは前記誘導コイル内を通過する交流電流の周波数であ
り、 μ＿０は透磁率であることを特徴とする請求項１記載のるつぼ。