JP2008256233A

JP2008256233A - 誘導加熱コイルおよび誘導溶解炉

Info

Publication number: JP2008256233A
Application number: JP2007096735A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nakai; 泰弘中井; Masahiro Tadokoro; 昌宏田所; Masanori Tsuda; 正徳津田; Shukichi Shutoku; 修吉酒徳
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】高熱による焼損やガス放出の発生、あるいはピンホールや剥離といった欠陥が起こりにくく十分な絶縁性が発揮される誘導加熱コイルを提供する。
【解決手段】坩堝の周囲に巻回される中空パイプ２１を主体とする誘導加熱コイルは、パイプ２１の表面に絶縁材２２が被覆されている。絶縁材２２は、布地状のガラステープ２３をパイプ２１に巻き付けてから、このガラステープ２３に、アルミナやシリカ等の無機絶縁含浸材２４を溶剤に分散させた液状のものを染み込ませて含浸し、乾燥させて得る。
【選択図】図３

Description

本発明は、誘導加熱コイル、および該誘導加熱コイルを備えた誘導溶解炉に関する。

電磁誘導作用によって金属を溶解する誘導溶解炉は、一般に、金属が投入される坩堝の周囲に誘導加熱コイルが巻回された構成となっている。コイルは中空の銅製パイプがよく用いられ、該銅製パイプの内部に冷却水等の冷媒が流通される。また、コイルは絶縁のために表面に絶縁材が被覆されることが多く、絶縁材としては、シリコーンゴム、ガラステープ、あるいは有機系ワニス等が用いられている。

ところが、これらの絶縁材の中には高温になると熱分解を起こしてガスを放出するものがあり、特に真空中や減圧不活性雰囲気中で溶解を行う真空誘導溶解炉では、溶解雰囲気中にこれらのガスが放出されることで正常な雰囲気でなくなること、さらに圧力も上昇するとなどにより溶解金属に酸化などの反応を生じ、品質の低下を引き起こす。また、ガス放出が多くなると放電を引き起こす可能性が高まり、さらに、高温環境では有機系材料の炭化などが発生して絶縁機能を維持できなくなり、絶縁破壊に至り、安全な操業ができなくなる。そこで、無機材料のセラミックスを絶縁材としたものが提案され、さらには、絶縁材を被覆しない裸コイルが提案されている（特許文献１等参照）。
特開平８−１００９９８号公報

コイルの表面に被覆される絶縁材は、高熱にさらされることによって焼損しやすいものであった。また、上記ガス放出はできるだけ低減されなければならないものの、ガス放出のない裸コイルでは絶縁性が不十分である。また、セラミックス絶縁材では、ピンホールが生じたり剥離したりして十分な絶縁性を得にくいといった問題があった。

よって本発明は、高熱による焼損やガス放出の発生が抑えられるとともに、ピンホールや剥離といった欠陥が起こりにくく、かつ十分な絶縁性が発揮される誘導加熱コイル、および該誘導加熱コイルを備えた誘導溶解炉を提供することを目的としている。

本発明の誘導加熱コイルは、巻回されたパイプの表面に、無機絶縁材からなる布地状の基材に無機絶縁含浸材が含浸されてなる絶縁材が被覆されていることを特徴としている。本発明の無機絶縁材からなる基材は、ガラス繊維をテープ状に編んだガラステープが好適に用いられる。無機絶縁含浸材は基材の気孔に入り込んで含浸した状態となっており、このように含浸状態とするには、無機絶縁含浸材を溶剤に分散して液状としたものを基材に染み込ませて含浸し、この後、該液状の無機絶縁含浸材を乾燥させると本発明の絶縁材として適切なものをパイプ表面に形成することができる。

本発明の誘導加熱コイルによれば、パイプの表面に被覆された絶縁材は、無機絶縁材からなる基材に無機絶縁含浸材を含浸させた無機物からなるものであるから、この絶縁材は、高熱化においても焼損するおそれがない。また、本発明の絶縁材は、無機絶縁含浸材を基材に含浸させた構成によりピンホールが発生しにくいとともに、ヒートサイクルを受けても剥離しにくい。また、基材および無機絶縁含浸材は有機物のように熱分解を起こさないため、高温状態でもガス放出することがない。このような絶縁材が被覆された本発明の誘導加熱コイルは、絶縁性が十分に発揮される。

次に、本発明の誘導溶解炉は、上記本発明の誘導加熱コイルが坩堝の周囲に巻回されていることを特徴としている。本発明の誘導溶解炉は、誘導加熱コイルに電流を流すと坩堝に投入された金属が誘導電磁作用によって溶解される形式のもので、高周波電流を流す高周波誘導溶解炉や高周波真空誘導溶解炉等を含む。

本発明は、高熱による焼損やガス放出の発生が抑えられるとともに、ピンホールや剥離といった欠陥が起こりにくく十分な絶縁性が発揮される絶縁材が表面に被覆された誘導加熱コイルと、このような誘導加熱コイルを備えた誘導溶解炉を得ることができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
＜１＞高周波誘導溶解炉
図１は本発明の一実施形態に係る誘導溶解炉を示している。この溶解炉１は、有底円筒状の坩堝１０と、この坩堝１０の胴部１０ａの周囲に巻回された状態で配された誘導加熱コイル２０と、このコイル２０に電流を流す電源３０とを備えてなる。この溶解炉１によれば、コイル２０に電源３０から電流を流すことにより、坩堝１０内に装入された金属に渦電流が発生し、該金属がジュール熱によって加熱し、溶解される。

溶解炉１の種類としては特に制限はなく、例えば、真空雰囲気内で金属を溶解する真空溶解炉や、坩堝１０内で溶解した金属が未溶解の金属上で浮遊状態となって炉内壁には接触しないコールドクルーシブル型の溶解炉等が挙げられる。また、電源３０としては低周波、中周波、あるいは高周波の形式がある。坩堝１０は溶解炉１の形式によって材質が異なり、一般的にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やマグネシア（ＭｇＯ）等の耐火物が用いられる。また、コールドクルーシブル型の溶解炉では、坩堝１０は水冷された銅製のものが用いられる。坩堝１０内に装入されて溶解される金属は、鉄、もしくは非鉄系金属またはそれらの合金形態である。溶解金属に応じて坩堝１０の材質やコイル２０に流される電流値が適宜選択される。

＜２＞誘導加熱コイル
上記コイル２０は、図２に示すように、断面矩形状の中空銅製パイプ２１を主体として構成されている。このパイプ２１は、坩堝１０の胴部１０ａの周囲に、該胴部１０ａとの間に適宜間隔を空けて複数回にわたり螺旋状に巻回されている。このパイプ２１に電源３０から例えば高周波電流が流されることにより、坩堝１０内に装入された金属が溶解されるが、パイプ２１の中空部２１ａには過熱を抑えるために冷却水が流される。また、パイプ２１の表面には、図２に示すように絶縁材２２が被覆されている。

この絶縁材２２は、シリカ（二酸化ケイ素：ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の無機絶縁材料によって厚さが０．１〜１ｍｍ程度の布地状に加工され、かつテープ状に形成されたガラステープ（無機絶縁材）２３に、無機絶縁含浸材２４が含浸されてなるものである。無機絶縁含浸材２４は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、トリア（ＴｈＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）等の金属酸化物の１種類、もしくは複数種類の混合物が用いられる。無機絶縁含浸材２４はガラステープ２３の繊維間の気孔に入り込んで含浸し、かつガラステープ２３の表面を被覆する厚さで、ガラステープ２３に被覆されている。

無機絶縁含浸材２４をガラステープ２３に含浸させるには、液体溶剤が混入された希釈溶剤中に粒状あるいは粉状の無機絶縁含浸材２４を分散させて液状としたものをガラステープ２３に染み込ませる。この後、該液状の無機絶縁含浸材２４を乾燥させることにより、乾燥した無機絶縁含浸材２４がガラステープ２３中に含浸された絶縁材２２を得ることができる。液体溶剤としては、トルエン、キシレン、アセトン、アルコール等およびバインダーが用いられる。

パイプ２１の表面に絶縁材２２を被覆するには、まず、図３（ａ）に示すパイプ２１の表面に、図３（ｂ）に示すようにガラステープ２３を巻き付ける。ガラステープ２３は、図４に示すように、間隔が空いてパイプ２１の表面が露出しないように螺旋状に巻き付け、また、複数層になるように巻き付けてよい。巻き付ける層の数が多いほど厚さは増し、絶縁性能が向上するが、熱膨張による割れ等を考慮し、適宜厚さを決める。次いで、上記のように希釈溶剤に分散させた液状の無機絶縁含浸材２４を、図３（ｃ）に示すようにガラステープ２３に塗布して染み込ませ、十分に含浸させる。この後、液状の無機絶縁含浸材２４を乾燥させて、ガラステープ２３に無機絶縁含浸材２４が含浸された絶縁材２２を得る。

液状の無機絶縁含浸材２４をガラステープ２３に塗布するには、刷毛による塗布やスプレーによる塗布などの方法が採用される。また、乾燥は３００℃程度に加熱することにより、希釈溶剤が短時間で確実に揮発し、絶縁材２２をガラステープ２３および無機絶縁含浸材２４のみからなるものとすることができる。乾燥のための加熱方法は、ヒータ等の適宜な加熱手段を用いてもよく、また、パイプ２１に電流を流して溶解炉１を運転状態とすることによっても加熱することができる。

なお、可能であれば、はじめにガラステープ２３に液状の無機絶縁含浸材２４を含浸させた湿潤した絶縁材２２を作製し、この絶縁材２２をパイプ２１に巻き付け、この後に乾燥させるといった方法でパイプ２１に絶縁材２２を被覆する方法、あるいはガラステープを巻き付けながら無機絶縁材を含浸させる方法もある。しかしながら、上記のようにはじめにガラステープ２３をパイプ２１に巻き付けてから無機絶縁含浸材２４を塗布して含浸させる方法の方が、ガラステープ２３の巻き付け易さなどの観点から好ましい。

図５は本発明の別の実施例で、本発明に係るコイル２０を、溶解炉ではなく、被加熱材料１１を直接加熱するのに用いた例を示したものである。これは、コイル２０は被加熱材料１１を所定の温度になるように直接加熱する。被加熱物１１は所望の金属、合金の他黒鉛などである。この場合、被加熱材からコイルに直接輻射を受け、コイル表面が高温にさらされるが、本発明のコイル２０では、１０００℃の輻射を繰り返し受ける場合にも問題なく使用できる。

以上が本実施形態のコイル２０であり、このコイル２０によれば、パイプ２１の表面に被覆された絶縁材２２は、無機絶縁材２２からなるガラステープ２３に無機絶縁含浸材２４を含浸させた無機物からなるものであるから、この絶縁材２２は、高熱化においても焼損するおそれがない。また、この絶縁材２２は、無機絶縁含浸材２４をガラステープ２３に含浸させた構成により、ピンホールが発生しにくいとともにヒートサイクルを受けても剥離しにくいといった利点がある。また、ガラステープ２３および無機絶縁含浸材２４は有機物のように熱分解を起こさないため、高温状態でもガス放出することがない。そして、このような絶縁材２２が被覆された本発明の誘導加熱コイルは、絶縁性が十分に発揮される。

本発明の一実施形態に係る誘導溶解炉の側面断面図である。一実施形態に係る誘導加熱コイルを構成するパイプの断面図である。パイプに絶縁材を被覆する課程を（ａ）〜（ｃ）の順で示す断面図である。ガラステープが巻き付けられている状態のパイプの側面図である。本発明の他の実施例を示した側面図である。

符号の説明

１…誘導溶解炉
２０…誘導加熱コイル
２１…パイプ
２２…絶縁材
２３…ガラステープ（基材）
２４…無機絶縁含浸材

Claims

巻回されたパイプの表面に、無機絶縁材からなる布地状の基材に無機絶縁含浸材が含浸されてなる絶縁材が被覆されていることを特徴とする誘導加熱コイル。
前記無機絶縁含浸材は、溶剤に分散された液状のものとして前記基材に含浸され、この後、該液状の無機絶縁含浸材が乾燥されて前記絶縁材に形成されることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。
前記基材はガラステープであることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱コイル。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱コイルが坩堝の周囲に巻回されてなる誘導溶解炉。