JP5436984B2 - 誘導加熱方法および誘導加熱による溶融炉 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱方法および誘導加熱による溶融炉に関する。更に詳しくは、本発明は、被加熱金属の温度変化による加熱パラメータの変化に着目し、加熱パラメータの変化を抑制しながら誘導加熱を継続する誘導加熱方法および誘導加熱による溶融炉に関するものである。

誘導加熱を利用して金属を溶融させる炉として、例えば特開平８−８２４８４号公報に記載されているものがある。この溶融炉を図９に示す。溶融炉は、収納容器１０１の周囲に誘導コイル１０２を設け、高周波発振器１０３から誘導コイル１０２に高周波電流を供給することで収納容器１０１を誘導加熱し、その熱で収納容器１０１内の被溶融金属１０４を加熱して溶融させるものである。高周波発振器１０３から誘導コイル１０２に供給される高周波電流として、例えば３８０ｋＨｚの高周波電流が供給される。溶融後の金属塊は収納容器１０１と共に廃棄される。

特開平８−８２４８４号公報

しかしながら、金属を誘導加熱する場合、誘導加熱される金属の温度によって加熱電力Ｐが変化する。そのため、誘導加熱の全過程において効率よく誘導加熱を継続することができない。

また、上記の溶融炉では、誘導加熱中に被溶融金属１０４を撹拌することできないので、被溶融金属１０４に部分的な温度のばらつきが生じ、溶融を効率的に行うことができない。

本発明は、金属を誘導加熱する場合、被加熱金属の温度が変化しても効率良く誘導加熱することができる誘導加熱方法および誘導加熱による溶融炉を提供することを目的とする。また、本発明は、誘導加熱中に被加熱金属の撹拌が可能な誘導加熱方法および誘導加熱による溶融炉を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、容器の外に設けた加熱コイルに加熱用交流電流を供給して容器内の被加熱金属を誘導加熱する誘導加熱方法において、被加熱金属の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に加熱用交流電流の周波数を段階的に変化させながら誘導加熱を行なうものである。

また、請求項６記載の誘導加熱による溶融炉は、被加熱金属を貯える容器と、容器の外に設けた加熱コイルに加熱用交流電流を供給することで被加熱金属を誘導加熱する加熱装置とを備え、加熱装置は、被加熱金属の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に加熱用交流電流の周波数を段階的に変化させながら誘導加熱を行なうものである。

誘導加熱を行なう場合の加熱電力Ｐには数式１の関係がある。
〈数１〉
Ｐ∝{（ρμω）＾（１／２）｝×｛（ＮＩ）＾２｝
ここで、{（ρμω）＾（１／２）｝：加熱パラメータ、ρ：電気抵抗率（＝１／σ、σ：電気伝導率）、μ：透磁率、ω：角周波数２πｆ（ｆ：周波数）、Ｎ：コイルの巻き数、Ｉ：コイル電流値である。

誘導加熱を行なう場合、加熱電力Ｐを適切な範囲の値に維持する必要がある。誘導加熱によって誘導加熱の対象の温度が上昇すると、その電気抵抗率ρ，電気伝導率σ，透磁率μが変化するので、加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝が変化し、加熱電力Ｐも変化する。ここで、誘導加熱の対象とは、容器が非導電性のもので誘導加熱されない場合には被加熱金属、容器が導電性のもので誘導加熱される場合には被加熱金属と容器の両方である。加熱電力Ｐの因子ついて考えると、まず加熱コイルの巻き数Ｎは誘導加熱の対象の温度とは関係ない。また加熱用交流電流値Ｉは基本的には電圧によって調整される。したがって、加熱パラメータの変化を抑制することで、加熱電力Ｐの変化が抑制されることになる。

加熱パラメータは、加熱用交流電流の周波数ｆを上げることで増加し、周波数ｆを下げることで減少する。したがって、加熱パラメータの変化に対し、その変化量を抑制する方向、即ち誘導加熱の対象の温度上昇によって加熱パラメータが増加する場合には周波数ｆを下げ、加熱パラメータが減少する場合には周波数ｆを上げる。

例えば、請求項４記載の誘導加熱方法のように、容器が非導電性のものであって被加熱金属が非磁性体の場合には、加熱用交流電流の周波数を段階的に下げるようにする。また、請求項５記載の誘導加熱方法のように、容器が非導電性のものであって被加熱金属が磁性体の場合には、加熱用交流電流の周波数を段階的に上げるようにする。

また、請求項２記載の誘導加熱方法は、加熱用交流電流に撹拌用三相交流電流を重畳して加熱コイルに供給し、容器内に被加熱金属を撹拌させる電磁力を発生させながら誘導加熱を行なうものである。また、請求項７記載の誘導加熱による溶融炉は、加熱装置が、加熱用交流電流に撹拌用三相交流電流を重畳して加熱コイルに供給し、容器内に被加熱金属を撹拌する電磁力を発生させるものである。したがって、容器内の金属を誘導加熱しながら撹拌することができる。

さらに、請求項３記載の誘導加熱方法は、加熱用交流電流の周波数を共振回路を用いて変化させるものである。また、請求項８記載の誘導加熱による溶融炉は、加熱用交流電流の周波数を増加させる共振回路を備えているものである。即ち、共振回路を用いて加熱用交流電流がつくられる。共振周波数は共振回路のコンデンサの容量に依存し、その共振周波数は共振回路を使用しない場合より大きくなる。共振回路を電源回路に接続した場合、周波数を共振周波数に設定することにより、スイッチング損失を増加させることなく電気加熱用交流電流をつくることが可能になる。

請求項１記載の誘導加熱方法および請求項６記載の誘導加熱による溶融炉では、誘導加熱によって被加熱金属の温度が変化しても加熱電力Ｐの変化を抑制することができ、適切な範囲の値の加熱電力Ｐで誘導加熱を継続することができる。

また、請求項２記載の誘導加熱方法・請求項７記載の誘導加熱による溶融炉では、撹拌しながら被加熱金属を加熱・溶融することができるので、熱を均一に行き渡らせて部分的な温度むらの発生を防止することができ、溶融時間を減少させることができる。また、溶湯（被加熱金属）を撹拌するので、被加熱金属の結晶粒が微細化され、機械的強度を向上させることができる。

また、請求項３記載の誘導加熱方法・請求項８記載の誘導加熱による溶融炉では、例えばインバータによって加熱用交流電流の周波数を変化させる場合のようにスイッチング損失が生じることがなく、効率よく加熱用交流電流の周波数を増加させることができる。

ここで、請求項４記載の誘導加熱方法のように、容器が非導電性のものであって被加熱金属が非磁性金属の場合、その温度上昇に応じて加熱用交流電流の周波数を下げることで、加熱電力の低下を抑制し、誘導加熱を維持することができる。

また、請求項５記載の誘導加熱方法のように、容器が非導電性のものであって被加熱金属が磁性体の場合、その温度上昇に応じて加熱用交流電流の周波数を上げることで、加熱電力の低下を抑制し、誘導加熱を維持することができる。

本発明の溶融炉の実施形態の一例を示す断面図である。 加熱コイルを示し、第１の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。 加熱コイルを示し、第２の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。 加熱コイルである三相交流コイルを説明するための図で、（Ａ）はその位相差を示す図、（Ｂ）は各位相の相対な関係を示す図である。 加熱コイルに加熱用交流電流及び電磁撹拌用交流電流を供給する電源回路を示すブロック図である。 本発明の溶融炉の他の実施形態を示し、容器底部に設ける加熱コイルを示す平面図である。 容器底部に設ける加熱コイルを示し、第１の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。 容器底部に設ける加熱コイルを示し、第２の加熱工程における磁力線の発生の様子を示す断面図である。 従来の溶融炉の断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明の誘導加熱による溶融炉の実施形態の一例を示す。溶融炉は、被加熱金属１を貯える容器２と、容器２の外に設けた加熱コイル４に加熱用交流電流を供給することで被加熱金属１を誘導加熱する加熱装置３とを備えている。

容器（坩堝）２は、被加熱金属１を誘導加熱する高温に耐え、被加熱金属１によって腐食されない材料を使用して形成されている。また、容器２の材料は、被加熱金属１を誘導加熱する発熱体として使用するか否かにも応じて適宜選択される。即ち、容器２を、非導電性で誘導加熱されない材料製としても良く、あるいは導電性で誘導加熱される材料製としても良い。誘導加熱されない材料としては、例えば耐火れんが、セラミック等の使用が可能である。また、誘導加熱される材料としては、例えば被加熱金属１を誘導加熱する高温に耐え、被加熱金属１によって腐食されない金属の使用が可能である。

容器２には例えば蓋２ａが設けられており、溶融前の固体状態の被加熱金属１は蓋２ａを開けて容器２内に投入される。ただし、溶融炉が専ら溶融状態の被加熱金属１を誘導加熱するものである場合等には、例えば蓋２ａに溶融状態の被加熱金属１を導入する供給口を設けて当該供給口から溶融状態の被加熱金属１を容器２内に導入するようにしても良い。また、この場合には、蓋２ａに排ガスを逃がす排ガス口を設けることが好ましい。蓋２ａによって容器２の上を塞ぐことで放熱を防ぐことができ、容器２内の温度低下を防止することができると共に、容器２内の温度管理が容易になる。ただし、必ずしも蓋２ａを設けて開閉可能にする必要はなく、例えば上述の供給口や排ガス口を設ける場合等には蓋２ａの代わりに天板等によって容器２の開口を塞ぐようにしても良い。また、容器２内の温度管理が不要等の場合には、蓋２ａや天板等を設けなくても良い。

容器２の底板２ｂには流下ノズル８が設けられている。流下ノズル８には、図示しないバルブが設けられている。バルブを開き、流下ノズル８から溶湯（溶融させた被加熱金属１）を排出することができる。

加熱装置３は、被加熱金属１の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に加熱用交流電流の周波数ｆを段階的に変化させながら誘導加熱を行なうものである。ここで、加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝のうち、ρ：誘導加熱の対象の電気抵抗率（＝１／σ、σ：電気伝導率）、μ：誘導加熱の対象の透磁率、ω：加熱用交流電流の角周波数２πｆ（ｆ：周波数）である。

加熱装置３は、誘導加熱の対象を誘導加熱する電磁場を発生させる加熱コイル４、加熱コイル４に加熱用交流電流を供給する電源回路７を備えている。ここで、誘導加熱の対象とは、容器２が非導電性のもので誘導加熱されない場合には被加熱金属１、容器２が導電性のもので誘導加熱される場合には被加熱金属１と容器２である。

加熱コイル４は、例えば容器２の周壁２ｃの外側に設けられている。ただし、加熱コイル４を設ける位置はこれに限るものではなく、容器２の底板２ｂの下側に設けても良く、あるいは周壁２ｃの外側と底板２ｂの下側の両方に設けても良い。加熱コイル４と容器２の周壁２ｃとの間には隙間が設けられている。加熱コイル４は例えば空冷コイルである。ただし、空冷コイルに限るものではなく、水等の冷媒によって冷却されるコイルであっても良い。

また、本実施形態では、加熱装置３は、加熱用交流電流に撹拌用三相交流電流を重畳して加熱コイル４に供給し、容器２内に被加熱金属１を撹拌する電磁力Ｆ１を発生させるようにしている。即ち、加熱コイル４は電磁力発生手段としても使用される。そのため、加熱コイル４として移動磁界の発生に適した三相交流コイルを使用している。

加熱コイル４を図２及び図３に示す。加熱コイル４は周壁２ｃを囲むように設けられている。加熱コイル４である三相交流コイルは、Ａ−Ｘ，Ｂ−Ｙ，Ｃ−Ｚの組み合わせで各コイル４ａがそれぞれペアとなって結線され、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａは巻き方向が同一であり、Ｘ，Ｙ，Ｚのコイル４ａは巻き方向が同一であり、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａとＸ，Ｙ，Ｚのコイル４ａの巻き方向は逆になっている。ここで、（磁場の強さ）＝（巻き数）×（電流）の条件を見たすように、巻き数Ｎが決められる。また、各コイル４ａに流す電流Ｉは、（電流）＝（電圧）÷（インピーダンス）から求められる。

各コイル４ａは容器２の軸方向上側に向けてＡ→Ｚ→Ｂ→Ｘ→Ｃ→Ｙ→Ａ→…→Ｙの順番に配置され、各コイル４ａの位相差は６０度となっている。例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ａが０度のとき、Ｚが６０度、Ｂが１２０度、Ｘが１８０度、Ｃが２４０度、Ｙが３００度である。加熱コイル４に電源回路７より電磁力発生用の三相交流の電流（撹拌用三相交流電流）が供給されると、例えば図３に矢印で示すように、コイル４ａの周囲に磁力線Ｂ１が容器２の周壁２ｃを貫通して被加熱金属１に達するように生じて、各コイル４ａに流れる電流の変化によって容器２の軸方向上向きの移動磁界が形成される。

加熱コイル４によって上向きの移動磁界を形成することで、被加熱金属１の容器２近傍位置、即ち磁力線Ｂ１が径方向に貫通する位置に円周方向に流れる電流が発生する。例えば、図３のＰ１位置では同図の奥側から手前側に向かう電流が、Ｐ２位置では同図の手前側から奥側に向かう電流が発生する。移動磁界と被加熱金属１中に生じる電流とによってフレミングの左手の法則から上向きの電磁力Ｆ１が発生する。被加熱金属１中に発生する電流は場所によって方向が逆になるが、Ａ，Ｂ，Ｃのコイル４ａとＸ，Ｙ，Ｚのコイル４ａの巻き方向も逆になっているので、常に上向きの電磁力Ｆ１が発生する。この電磁力Ｆ１は容器２に比較的近い位置に発生し、容器２に比較的近い位置の被加熱金属１を上向きに駆動する。

本実施形態では、被加熱金属１の誘導加熱には単相交流電流が使用され、被加熱金属１を撹拌する（電磁撹拌）ための電磁力Ｆ１を発生させる場合には三相交流電流が使用される。誘導加熱に単相交流電流ではなく三相交流電流を使用しても良いが、三相交流電流を使用すると溶融前の固体状態の被加熱金属１に電磁力Ｆ１が作用してこれを動かすことになるので、このような現象の発生を防ぐために本実施形態では誘導加熱に単相交流電流を使用する。誘導加熱と電磁撹拌の両方を同時に行なう場合には、誘導加熱用の単相交流電流（加熱用交流電流）に撹拌用三相交流電流が重畳されて加熱コイル４に供給される。

加熱装置３の電源回路７を図５に示す。なお、図５では、三相交流の線を１本の線に省略してに記載している。交流電源９から供給される交流電流はインバータ１０を介して加熱コイル４に供給される。インバータ１０は加熱コイル４に供給される交流電流の周波数を変化させる。また、インバータ１０は単相の加熱用交流電流と三相の撹拌用交流電流を発生させる。

電源回路７にはスイッチ機構１２が設けられている。スイッチ機構１２の切り換えによってインバータ１０及び加熱コイル４に対してコンデンサ１１ａを含む回路とコンデンサを含まない回路の接続・切り離し操作される。コンデンサ１１ａを含む回路を接続した場合、加熱コイル４とコンデンサ１１ａは直列共振回路を構成することになるので、これを共振回路１１と呼ぶことにする。また、共振回路１１が接続されている状態をスイッチ機構１２のオン状態といい、スイッチ機構１２をオン状態にすることをオン操作するということにする。また、共振回路１１が接続されていない状態をスイッチ機構１２のオフ状態といい、スイッチ機構１２をオフ状態にすることをオフ操作するということにする。

次に、本発明の誘導加熱方法について説明する。誘電加熱方法は、容器２の外に設けた加熱コイル４に加熱用交流電流を供給して容器２内の被加熱金属１を誘導加熱するもので、被加熱金属１の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に加熱用交流電流の周波数ｆを段階的に変化させながら誘導加熱を行なうものである。本実施形態では、上述の溶融炉を使用した場合について説明するが、これ以外のものを使用して当該誘導加熱方法を実施しても良い。

加熱コイル４が発生させる磁力線の磁気浸透距離δは数式２によって求められる。
〈数２〉
δ＝（２／ωσμ）＾（１／２）
ここで、ω：交流電流の角周波数２πｆ（ｆ：周波数）、σ：誘導加熱の対象の電気伝導率、μ：誘導加熱の対象の透磁率である。

即ち、使用する加熱用交流電流の周波数ｆを変化させると、加熱コイル４が発生させる磁力線Ｂ１の磁気浸透距離δが変化する。容器２が非導電性のもので誘導加熱されないものである場合には、後述する第１の加熱工程及び第２の加熱工程において、容器２内の被加熱金属１に電磁場が到達するようにする。また、容器２が導電性のもので誘導加熱されるものの場合には、磁力線が、第１の加熱工程では容器２の周壁２ｃまで到達するようにし、第２の加熱工程では容器２内の被加熱金属１に到達するようにする。また、第２の加熱工程では、被加熱金属１に対して磁力線Ｂ１をある程度深く浸入させて効率的な加熱を行うことができるように磁気浸透距離δを設定する。

また、誘導加熱の加熱電力Ｐには数式３の関係がある。
〈数３〉
Ｐ∝{（ρμω）＾（１／２）｝｛（ＮＩ）＾２｝
ここで、ρ：誘導加熱の対象の電気抵抗率（＝１／σ、σ：誘導加熱の対象の電気伝導率）、μ：誘導加熱の対象の透磁率、ω：加熱用交流電流の角周波数２πｆ（ｆ：周波数）、Ｎ：加熱コイル４の巻き数、Ｉ：加熱用交流電流値である。

なお、必要とされる加熱電力Ｐの値は誘導加熱の対象の容積によって異なるので、加熱電力Ｐの値は誘導加熱の対象の容積に応じて適宜設定される。また、加熱コイル４の巻き数Ｎ、加熱用交流電流値Ｉ等が誘導加熱の対象の容積に応じて適宜設定される。

加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝は、例えば１０＾(−４)オーダー又はこれに近い値になるようにする。代表的な金属の加熱パラメータを表１に示す。
例えば、銅の場合は、２０℃のときには加熱用交流電流の周波数ｆを６０ｋＨｚとして加熱パラメータを８．９６×１０＾(−５)とし、１２００℃のときには周波数ｆを２０ｋＨｚとして加熱パラメータを１．８３×１０＾(−４)にする。また、鉄の場合は、２０℃のときには加熱用交流電流の周波数ｆを１ｋＨｚとして加熱パラメータを３．９９×１０＾(−４)とし、１５３６℃のときには周波数ｆを２０ｋＨｚとして加熱パラメータを４．６８×１０＾(−４)にする。

誘導加熱を行なう場合、加熱電力Ｐを適切な範囲の値に維持する必要がある。誘導加熱によって誘導加熱の対象の温度が上昇すると、その電気抵抗率ρ，電気伝導率σ，透磁率μが変化するので、加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝が変化し、加熱電力Ｐも変化する。加熱コイル４の巻き数Ｎ，加熱用交流電流値Ｉは誘導加熱の対象の温度が変化しても変化しないので、加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化を抑制することで、加熱電力Ｐの変化を抑えることができる。

加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝は、角周波数ω＝２πｆより、加熱用交流電流の周波数ｆを上げることで増加し、周波数ｆを下げることで減少する。したがって、温度上昇に伴う加熱パラメータの変化に対し、その変化量を抑制する方向、即ち、誘導加熱の対象の温度上昇によって加熱パラメータが増加する場合には周波数ｆを下げ、加熱パラメータが減少する場合には周波数ｆを上げることで、加熱電力Ｐの変化を抑制し、その値が誘導加熱の対象に応じた適切な範囲から外れることを防止することができる。

例えば、加熱用交流電流の周波数ｆを２段階に変化させる。つまり、固体状態の被加熱金属１が溶融するまでの第１の加熱工程と、溶融後の第２の加熱工程とで加熱用交流電流の周波数ｆを変化させる。

（誘導加熱の対象の例１）
容器２が非導電性のもので誘導加熱されない場合（容器２が発熱体にならない場合）、即ち誘導加熱の対象が被加熱金属１である場合において、被加熱金属１が非磁性体のときには、第１の加熱工程よりも第２の加熱工程の方の周波数ｆを低くする。非磁性の金属は、低温と高温、即ち固体状態と溶融状態とでは電気伝導率σが１桁程度異なるので、即ち低温の方が高いので、誘導加熱を行なう場合、加熱パラメータの変化を抑えて加熱電力Ｐの変化を抑制するという観点から誘導加熱の工程を次のような２段階に分けることにより、効率的な加熱が可能になる。なお、非磁性の金属として、例えば銅、アルミニウム等があるがこれらに限るものではない。

・第１の加熱工程：比較的高い周波数ｆ（例えば６０ｋＨｚ）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。
・第２の加熱工程：比較的低い周波数ｆ（例えば２０ｋＨｚ）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。

このように加熱用交流電流の周波数ｆを２段階に変化させることで、各工程とも加熱パラメータを１０＾(−４)オーダー又はこれに近い値にすることができる。

なお、被加熱金属１の温度変化に伴い透磁率μも変化するが、非磁性金属の場合、透磁率μの変化が加熱パラメータの変化に与える影響は、電気伝導率σ（電気抵抗率ρ）の変化が加熱パラメータの変化に与える影響よりも十分小さい。したがって、非磁性金属の場合には、電気伝導率σ（電気抵抗率ρ）の変化を対象にして加熱用交流電流の周波数ｆを調整する。

例えば、電源回路７の交流電源９として商用周波数５０Ｈｚのものを使用し、インバータ１０によって第２の加熱工程で使用する周波数２０ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る。そして、第１の加熱工程で使用する周波数６０ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る場合には、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った２０ｋＨｚの単相交流の周波数を３倍に引き上げて６０ｋＨｚにする。ここで、共振回路１１のコンデンサ１１ａは３倍共振させる容量を有している。

即ち、第１の加熱工程では、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った周波数２０ｋＨｚの単相交流を３倍共振させて、周波数６０ｋＨｚの加熱用交流電流にして加熱コイル４に供給する。そして、第２の加熱工程では、スイッチ機構１２をオフ操作して共振回路１１を切り離し、インバータ１０が作った周波数２０ｋＨｚの単相交流をそのまま加熱用交流電流として加熱コイル４に供給する。

スイッチ機構１２の操作は、例えば、オペレータが手動操作しても良いし、コンピュータによって自動操作しても良い。コンピュータによる自動操作としては、例えば被加熱金属１の温度を温度センサによって検出し、検出温度が被加熱金属１の融点に達した場合にスイッチ機構１２をオン状態からオフ状態に切替駆動することが考えられる。ただし、これに限るものではない。

本実施形態では、加熱用交流電流の周波数ｆの切り替えに共振回路１１を利用しているので、例えばインバータによって周波数を変化させる場合のようなスイッチング損失が発生せず、効率的に加熱用交流電流の周波数ｆを高くすることができる。特に、本組み合わせ１の第１の加熱工程のように加熱用交流電流の周波数が高い場合には、インバータのスイッチング損失は顕著になるので、共振回路１１を利用する場合の効果は大きい。

また、例えば周波数６０ｋＨｚのように高い周波数の交流電流を加熱コイル４に供給すると、コイル表面に電流が集中する表皮効果が顕著になり、加熱コイル４の冷却や絶縁性維持などの健全性の確保が難しくなる。本実施例では、被加熱金属１がより高温になる第２の加熱工程では加熱用交流電流の周波数ｆを下げることができ、加熱コイル４の健全性確保の観点からも有利である。

（誘導加熱の対象の例２）
容器２が非導電性のもので誘導加熱されない場合（容器２が発熱体にならない場合）、即ち誘導加熱の対象が被加熱金属１である場合において、被加熱金属１が磁性体のときには、第１の加熱工程よりも第２の加熱工程の方の周波数ｆを高くする。磁性体の金属は、低温と高温、即ち固体状態と溶融状態とでは透磁率μが２桁程度異なるので、即ち低温の方が高いので、誘導加熱を行なう場合、加熱パラメータの変化を抑えて加熱電力Ｐの変化を抑制するという観点から誘導加熱の工程を次のような２段階に分けることにより、効率的な加熱が可能になる。なお、磁性体の金属として、例えば鉄、ニッケル、コバルト等があるがこれらに限るものではない。

・第１の加熱工程：比較的低い周波数ｆ（例えば１ｋＨｚ）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。
・第２の加熱工程：比較的高い周波数ｆ（例えば２０ｋＨｚ）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。

このように加熱用交流電流の周波数ｆを２段階に変化させることで、磁場浸透距離δを極端に小さくすることなく、各工程とも加熱パラメータを１０＾(−４)オーダー又はこれに近い値にすることができる。

なお、被加熱金属１の温度変化に伴い電気伝導率σ（電気抵抗率ρ）も変化するが、磁性体金属の場合、電気伝導率σ（電気抵抗率ρ）の変化が加熱パラメータの変化に与える影響は、透磁率μの変化が加熱パラメータの変化に与える影響よりも十分小さい。したがって、磁性体金属の場合には、透磁率μの変化を対象にして加熱用交流電流の周波数ｆを調整する。

例えば、電源回路７の交流電源９として商用周波数５０Ｈｚのものを使用し、インバータ１０によって第１の加熱工程で使用する周波数１ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る。そして、第２の加熱工程で使用する周波数２０ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る場合には、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った１ｋＨｚの単相交流の周波数を２０倍に引き上げて２０ｋＨｚにする。ここで、共振回路１１のコンデンサ１１ａは２０倍共振させる容量を有している。

即ち、第１の加熱工程では、スイッチ機構１２をオフ操作して共振回路１１を切り離し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流をそのまま加熱用交流電流として加熱コイル４に供給する。そして、第２の加熱工程では、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流を２０倍共振させて、周波数２０ｋＨｚの加熱用交流電流にして加熱コイル４に供給する。

スイッチ機構１２の操作は、例えば、オペレータが手動操作しても良いし、コンピュータによって自動操作しても良い。コンピュータによる自動操作としては、例えば被加熱金属１の温度を温度センサによって検出し、検出温度が被加熱金属１の融点に達した場合にスイッチ機構１２をオフ状態からオン状態に切替駆動することが考えられる。ただし、これに限るものではない。

本実施形態では、加熱用交流電流の周波数ｆの切り替えに共振回路１１を利用しているので、例えばインバータによって周波数ｆを上げる場合のようなスイッチング損失が発生することがなく、効率的に加熱用交流電流の周波数ｆを高くすることができる。

（誘導加熱の対象の例３）
容器２が導電性のもので誘導加熱される場合（容器２が被加熱金属１を加熱する発熱体になる場合）、例えば第１の加熱工程では電磁場の磁気浸透距離δを容器２には届くが被加熱金属１には届かない距離にして容器２のみを誘導加熱するようにし、第２の加熱工程では電磁場の磁気浸透距離δを容器２を貫通して被加熱金属１にまで届く距離にして容器２と被加熱金属１との両方を誘導加熱するようにする。第１の加熱工程から第２の加熱工程への切り替えは、例えば被加熱金属１が溶融するタイミングとする。即ち、溶融前の第１の加熱工程では容器２のみを誘導加熱し、溶融後の第２の加熱工程では容器２及び被加熱金属１を誘導加熱する。上述の通り、電磁場の磁気浸透距離δは加熱用交流電流の周波数ｆによって変化するので、第１の加熱工程と第２の加熱工程とで加熱用交流電流の周波数ｆを切り替えることで電磁場の磁気浸透距離δを変化させ、誘導加熱の対象を変化させる。

ここで、電磁場が被加熱金属１にまで到達する第２の加熱工程では、被加熱金属１が非磁性体か磁性体かを考慮する必要があり、容器２と被加熱金属１との両方の電気伝導率σ又は透磁率μを考慮して加熱用交流電流の周波数ｆを決定する。

つまり、容器２が導電性のもので誘導加熱される場合には、（１）電磁場の磁気浸透距離δと、（２）容器２、あるいは容器２及び被加熱金属１の電気伝導率σ又は透磁率μとの両方を考慮し、被加熱金属１及び容器２の温度上昇に伴う加熱パラメータの変化を抑制するように、第１の加熱工程と第２の加熱工程とで加熱用交流電流の周波数ｆを切り替える。即ち、（１）第２の加熱工程では電磁場が容器２を通過して被加熱金属１にまで届くことと、（２）第１の加熱工程では容器２の加熱パラメータが、第２の加熱工程では被加熱金属１の加熱パラメータがそれぞれ適切な範囲（例えば１０＾(−４)オーダー、あるいはこれに近い値）になることが必要である。

容器２や被加熱金属１の加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝を決定するρ（＝１／σ），μは材質や温度等によって異なるものであり、各加熱工程における加熱用交流電流の周波数ｆは容器２や被加熱金属１の材質や温度等に応じて適宜設定される。即ち、一律に決定することはできないが、例えば、容器２が非磁性体の金属の場合には、次のような２段階加熱になる。

・第１の加熱工程：比較的高い周波数ｆ（例えば６０ｋＨｚ）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。
・第２の加熱工程：比較的低い周波数ｆ（例えば１ｋＨｚオーダー）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。

このように加熱用交流電流の周波数ｆを２段階に変化させることで、各工程とも加熱パラメータを１０＾(−４)オーダー又はこれに近い値にすることができる。また、第２の加熱工程では容器２のみ温度を上昇させるのではなく、被加熱金属１も加熱することになるので、効率的な加熱が可能となる。

例えば、容器２：厚さ５ｍｍのＳＵＳ３０４製、被加熱金属１：アルミの場合には第２の加熱工程での加熱用交流電流の周波数ｆを１ｋＨｚとすることで、被加熱金属１及び容器２の温度が８００℃であるとすると、ＳＵＳ３０４製容器２の電磁場の磁気浸透距離δが１７．６ｍｍとなり、被加熱金属１（アルミ）の加熱パラメータは４．６×１０＾(−４)となる。加熱パラメータは１０＾(−４)オーダーあるいはこれに近い値が一般的に適しているので、この例では被加熱金属１の誘導加熱を十分行うことができる。

例えば、電源回路７の交流電源９として商用周波数５０Ｈｚのものを使用し、インバータ１０によって第２の加熱工程で使用する周波数１ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る。そして、第１の加熱工程で使用する周波数６０ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る場合には、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った１ｋＨｚの単相交流の周波数を６０倍に引き上げて６０ｋＨｚにする。ここで、共振回路１１のコンデンサ１１ａは６０倍共振させる容量を有している。

即ち、第１の加熱工程では、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流を６０倍共振させて、周波数６０ｋＨｚの加熱用交流電流にして加熱コイル４に供給する。そして、第２の加熱工程では、スイッチ機構１２をオフ操作して共振回路１１を切り離し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流をそのまま加熱用交流電流として加熱コイル４に供給する。

スイッチ機構１２の操作は、例えば、オペレータが手動操作しても良いし、コンピュータによって自動操作しても良い。コンピュータによる自動操作としては、例えば被加熱金属１の温度を温度センサによって検出し、検出温度が被加熱金属１の融点に達した場合にスイッチ機構１２をオン状態からオフ状態に切替駆動することが考えられる。ただし、これに限るものではない。

本実施形態では、加熱用交流電流の周波数ｆの切り替えに共振回路１１を利用しているので、例えばインバータによって周波数を上げる場合のようなスイッチング損失が発生することがなく、効率的に加熱用交流電流の周波数ｆを高くすることができる。

また、例えば周波数６０ｋＨｚのように高い周波数の交流電流を加熱コイル４に供給すると、コイル表面に電流が集中する表皮効果が顕著になり、加熱コイル４の冷却や絶縁性維持などの健全性の確保が難しくなる。本実施例では、被加熱金属１がより高温になる第２の加熱工程では加熱用交流電流の周波数ｆを下げることができ、加熱コイル４の健全性確保の観点からも有利である。

（誘導加熱の対象の例４）
また、容器２が磁性体の金属の場合は、例えば次のような２段階加熱になる。

・第１の加熱工程：比較的低い周波数ｆ（例えば１ｋＨｚオーダー）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。
・第２の加熱工程：比較的高い周波数ｆ（例えば２０ｋＨｚオーダー）の加熱用交流電流を使用して誘導加熱を行なう。ただし、比較的低い周波数ｆ（例えば１ｋＨｚオーダー）で誘導加熱を行ってもよい。即ち、比較的低い周波数ｆにおいて２段階加熱を行なっても良い。

例えば、容器２：厚さ５ｍｍの鉄（常温で磁性体）の場合には第１の加熱工程での加熱用交流電流の周波数ｆを１ｋＨｚとすることで、磁場浸透距離δを極端に小さくすることなく加熱パラメータを１０＾(−４)オーダーに設定することが可能である。第２の加熱工程では、例えば鉄の容器温度が８００℃であるとすると、２０ｋＨｚの周波数で加熱パラメータを１０＾(−４)オーダーに設定することが可能になる。ただし、加熱用交流電流の周波数ｆを１ｋＨｚとした場合、加熱パラメータはやや低下するが、磁場浸透距離δは２０ｍｍ程度になるので、容器２のみ温度を上昇させるのではなく、被加熱金属１も加熱することになるので、効率的な加熱が可能になる。

例えば、電源回路７の交流電源９として商用周波数５０Ｈｚのものを使用し、インバータ１０によって第１の加熱工程で使用する周波数１ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る。そして、第２の加熱工程で使用する周波数２０ｋＨｚの単相交流（加熱用交流電流）を作る場合には、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った１ｋＨｚの単相交流の周波数を２０倍に引き上げて２０ｋＨｚにする。ここで、共振回路１１のコンデンサ１１ａは２０倍共振させる容量を有している。

即ち、第１の加熱工程では、スイッチ機構１２をオフ操作して共振回路１１を切り離し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流をそのまま加熱用交流電流として加熱コイル４に供給する。そして、第２の加熱工程では、スイッチ機構１２をオン操作して共振回路１１を接続し、インバータ１０が作った周波数１ｋＨｚの単相交流を２０倍共振させて、周波数２０ｋＨｚの加熱用交流電流にして加熱コイル４に供給する。

スイッチ機構１２の操作は、例えば、オペレータが手動操作しても良いし、コンピュータによって自動操作しても良い。コンピュータによる自動操作としては、例えば被加熱金属１の温度を温度センサによって検出し、検出温度が被加熱金属１の融点に達した場合にスイッチ機構１２をオン状態からオフ状態に切替駆動することが考えられる。ただし、これに限るものではない。

本実施形態では、加熱用交流電流の周波数ｆの切り替えに共振回路１１を利用しているので、例えばインバータによって周波数を上げる場合のようなスイッチング損失が発生することがなく、効率的に加熱用交流電流の周波数ｆを高くすることができる。

なお、比較的低い周波数ｆにおいて２段階加熱を行なう場合には、共振回路１１を利用せずに、インバータ１０によって周波数ｆを切り替えるようにしても良い。

以上のような容器２と被加熱金属１との組み合わせが考えられるが、いずれの場合であっても誘導加熱の対象の温度上昇に伴って加熱パラメータが増加し、適切な加熱電力Ｐが得られる範囲から外れる場合又は外れそうになる場合には、加熱用交流電流の周波数ｆを下げて加熱パラメータの増加を抑制し、反対に、誘導加熱の対象の温度上昇に伴って加熱パラメータが減少し、適切な加熱電力Ｐが得られる範囲から外れる場合又は外れそうになる場合には、加熱用交流電流の周波数ｆを上げて加熱パラメータの減少を抑制する。

また、本実施形態では、第２の加熱工程で加熱コイル４によって被加熱金属１中に当該被加熱金属１を撹拌する電磁力Ｆ１を発生させながら被加熱金属１の誘導加熱を行なうようにしている。即ち、加熱コイル４に誘導加熱用の単相交流電流を供給すると同時に、撹拌用の三相交流電流を重畳して供給する。例えば２０Ｈｚ〜１００Ｈｚの低周波の三相交流電流を撹拌用の三相交流電流として供給する。ただし、撹拌用三相交流電流の周波数は必ずしもこの範囲に限るものではなく、被加熱金属１中に被加熱金属１を撹拌する電磁力Ｆ１を発生させることができる周波数であれば良い。溶融金属（被加熱金属１）を撹拌することによってより効率的な加熱が可能になり、また金属の結晶粒が微細化されるため、機械的強度を向上させることができる。

容器２外周の加熱コイル４は容器２の周壁２ｃに比較的近い位置の被加熱金属１を上向きに駆動する電磁力Ｆ１を発生させる。電磁力Ｆ１によって上向きに駆動された被加熱金属１は、液面近くで反転して容器２の中心付近を下降し、その後、底部３ｂ近くで反転して周壁２ｃに沿って上昇する。このように被加熱金属１は撹拌される。

上記組み合わせ１〜４のいずれについても、第２の加熱工程において、被加熱金属１を誘電加熱しながら電磁撹拌を行うことができる。例えば、上記組み合わせ１の場合では、インバータ１０は第２の加熱工程において撹拌用の周波数例えば２０Ｈｚの三相交流電流と周波数２０ｋＨｚの単相交流電流（加熱用交流電流）を作り、これらは重畳されて加熱コイル４に供給される。

被加熱金属１を電磁撹拌しながら十分に誘導加熱した後、流下ノズル８のバルブを開くと、容器２内の溶湯（被加熱金属１）が流下ノズル８から排出される。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、加熱コイル４を容器２の外周に設けていたが、外周に加えて、あるいは外周に代えて底部に設けるようにしても良い。

容器２底部に設けられる加熱コイル４（以下、容器２外周の加熱コイル４と区別する場合には、外周のものについては加熱コイル４Ａといい、底部のものについては加熱コイル４Ｂという。）を図６〜図８に示す。本実施形態では、容器２外周の加熱コイル４Ａに加えて容器２底部に加熱コイル４Ｂを設けている。加熱コイル４Ｂは交流コイルで構成され、容器２の底板２ｂの底面に対向し、流下ノズル８を囲むように周方向に沿って並べるようにして設けられている。本実施形態では、容器２底部の加熱コイル４Ｂも容器２外周の加熱コイル４Ａと同様に、誘導加熱を行なうと共に、電磁力Ｆ２を発生させて溶湯（被加熱金属１）を駆動（電磁撹拌）する。

本実施形態では、加熱コイル４Ｂとして三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを使用している。ただし、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄ以外の交流コイルを使用しても良い。また、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを４組設けている。ただし、三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの組数は４組に限るものではない。各相のコイル４ｂ，４ｃ，４ｄは例えば３０度ずつずらして配置されている。本実施形態では、容器２底部に三相交流コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを配置しているので、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの形状を扇形形状とし、隣りのコイルとの間隔を詰めて各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄを配置している。各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの位相差は１２０度となっている。

図８において、○の中に・を記載した記号は、図面に対し奥側から手前側に向かって電流が流れていることを意味する。また、○の中に×を記載した記号は、図面に対し手前側から奥側に向かって電流が流れていることを意味する。ここで、（磁場の強さ）＝（巻き数）×（電流）の条件を見たすように、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄの巻き数Ｎが決められる。また、各コイル４ｂ，４ｃ，４ｄに流す電流値Ｉは、（電流）＝（電圧）÷（インピーダンス）から求められる。

第２の加熱工程において、電源回路７は加熱コイル４Ａと加熱コイル４Ｂに加熱用交流電流と撹拌用の三相交流電流を供給する。加熱コイル４Ｂに電源回路７より撹拌用の三相交流電流が供給されると、例えば図８に矢印Ｂ２で示すように、容器２の底板２ｂを貫通して内外を通って循環する磁力線Ｂ２が発生する。磁力線Ｂ２は各コイル毎に発生するが、各コイルの位相差や各コイルに流れる電流の方向やその変化によって容器２の周方向一側に向かう回転磁界が形成される。

加熱コイル４Ｂによって周方向の回転磁界を形成することで、底板２ｂの近傍位置、即ち磁力線Ｂ２が径方向に貫通する位置に底板２ｂに沿って径方向に流れる電流が発生する。例えば、図８のＰ３位置では同図の奥側から手前側に向かう電流が、Ｐ４位置では同図の手前側から奥側に向かう電流が発生する。回転磁界と被加熱金属１中に生じる電流とによってフレミングの左手の法則から容器２底部に沿って周方向に向かう電磁力Ｆ２が発生する。被加熱金属１中に発生する電流は場所によって向きが逆になるが、磁力線Ｂ２の向きも逆になっているので、常に同じ周方向の電磁力Ｆ２が発生する。この電磁力Ｆ２は被加熱金属１中に発生し、被加熱金属１を周方向に駆動して撹拌する。

このように容器２外周と底部の両方に加熱コイル４を設けた場合には、電磁力Ｆ１とＦ２とによって異なる流れを発生させて溶湯（被加熱金属１）を撹拌することができるので、より良好に撹拌を行なうことができる。

また、上述の説明では、第２の加熱工程で被加熱金属１を撹拌する電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させるようにしていたが、被加熱金属１撹拌用の電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させなくても良い。即ち、誘導加熱のみを行なうようにしても良い。また、必ずしも第２の加熱工程の全てで被加熱金属１撹拌用の電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させる必要はなく、例えば第２の加熱工程の後期にのみ電磁力Ｆ１，Ｆ２を発生させるようにしても良い。

また、上述の説明では、被加熱金属１の溶融の前後で第１の加熱工程と第２の加熱工程とに切り替えていたが、切り替えのタイミングはこれに限るものではなく、例えば被加熱金属１の温度、誘導加熱を開始してからの経過時間等に基づいて切り替えを行なっても良い。

また、上述の説明では、加熱用交流電流の周波数ｆを２段階に切り替えるようにしているが、切り替えの段数は２段階に限るものではなく、例えば３段階、４段階、あるいは５段階以上にしても良い。ここで、共振回路１１を使用して加熱用交流電流の周波数ｆを切り替える場合には、コンデンサ１１ａの容量が異なる共振回路１１を切り替え段数に応じて並列に配置し、スイッチ機構１２によって択一的に切り替えるようにすることが好ましい。

例えば、加熱用交流電流の周波数ｆの切り替えを、第１の加熱工程、第２の加熱工程、第３の加熱工程の３段階に切り替える場合であって、第１の加熱工程ではインバータ１０によって作られた周波数Ａの加熱用交流電流を使用し、第２の加熱工程ではＡのｎ１倍の周波数の加熱用交流電流を使用し、第３の加熱工程ではＡのｎ２倍の周波数の加熱用交流電流を使用する場合を考える。この場合には、ｎ１倍共振させることできる容量のコンデンサ１１ａを有する共振回路１１（以下、第２の加熱工程用の共振回路１１という）と、ｎ２倍共振させることができる容量のコンデンサ１１ａを有する共振回路１１（以下、第３の加熱工程用の共振回路１１という）とが並列になるようにして図５の共振回路１１の位置に接続する。即ち、２つの共振回路１１が並列の配置となり、これが加熱コイル４に対して直列の配置となる。そして、スイッチ機構１２を操作し、第１の加熱工程では２つの共振回路１１を切り離しておく。そして、第２の加熱工程ではスイッチ機構１２を操作して第２の加熱工程用の共振回路１１を択一的に接続する。さらに、第３の加熱工程ではスイッチ機構１２を操作して第３の加熱工程用の共振回路１１を択一的に接続する。

加熱用交流電流の周波数ｆの切り替え段数を増やすことで、よりきめ細かく加熱パラメータの変化を抑制することができる。

１ 被加熱金属
２ 容器
４ 加熱コイル
３ 加熱装置
１１ 共振回路
Ｆ１，Ｆ２ 被加熱金属１を撹拌する電磁力

Claims (8)

1. 容器の外に設けた加熱コイルに加熱用交流電流を供給して前記容器内の被加熱金属を誘導加熱する誘導加熱方法において、前記被加熱金属の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に前記加熱用交流電流の周波数を段階的に変化させながら誘導加熱を行なうことを特徴とする誘導加熱方法。
2. 前記加熱用交流電流に撹拌用三相交流電流を重畳して前記加熱コイルに供給し、前記容器内に前記被加熱金属を撹拌させる電磁力を発生させながら誘導加熱を行なうことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
3. 前記加熱用交流電流の周波数を共振回路を用いて変化させることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
4. 前記容器が非導電性のものであって前記被加熱金属が非磁性体の場合には、前記加熱用交流電流の周波数を段階的に下げることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
5. 前記容器が非導電性のものであって前記被加熱金属が磁性体の場合には、前記加熱用交流電流の周波数を段階的に上げることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱方法。
6. 被加熱金属を貯える容器と、前記容器の外に設けた加熱コイルに加熱用交流電流を供給することで前記被加熱金属を誘導加熱する加熱装置とを備え、前記加熱装置は、前記被加熱金属の温度上昇による加熱パラメータ{（ρμω）＾（１／２）｝の変化に対し、その変化量を抑制する方向に前記加熱用交流電流の周波数を段階的に変化させながら誘導加熱を行なうことを特徴とする誘導加熱による溶融炉。
7. 前記加熱装置は、前記加熱用交流電流に撹拌用三相交流電流を重畳して前記加熱コイルに供給し、前記容器内に前記被加熱金属を撹拌する電磁力を発生させることを特徴とする請求項６記載の誘導加熱による溶融炉。
8. 前記加熱装置は、前記加熱用交流電流の周波数を増加させる共振回路を備えていることを特徴とする請求項６記載の誘導加熱による溶融炉。

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