JP2020085389A - Cold crucible structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷るつぼ構造体に関し、さらに詳しくは、機械的、構造的、熱的安定性を有して溶解効率を向上させた冷るつぼ構造体に関する。 The present invention relates to a cold crucible structure, and more particularly, to a cold crucible structure having mechanical, structural and thermal stability to improve melting efficiency.
チタンなどの高融点活性金属は、国家産業の基礎となる精密化学、宇宙航空、自動車産業、防衛産業、医療機器などの分野に幅広く適用されている。 High melting point active metals such as titanium are widely applied to fields such as fine chemistry, aerospace, automobile industry, defense industry and medical equipment, which are the basis of national industry.
このような高融点活性金属を溶融させるために、るつぼを用いる。一般に、高融点活性金属に限らず、ある物質の溶融のためには、溶融させる物質よりも溶融温度がはるかに高いるつぼを用いて、るつぼを誘導加熱することにより溶融させる間接加熱方式を用いる。前記方法は、溶融させる物質よりも溶融点がはるかに高いるつぼを用いなければならないので、るつぼと高温溶融物が互いに化学的に反応して溶融物に不純物が生成されることがあり、るつぼを脆弱にするという欠点がある。さらに、チタンなどの高融点活性金属を溶解させる場合は、前記欠点がより大きくなる。 A crucible is used to melt the high melting point active metal. Generally, not only high-melting-point active metals, but also for melting a certain substance, an indirect heating method is used in which a crucible having a melting temperature much higher than that of the substance to be melted is used to melt the crucible by induction heating. Since the method must use a crucible with a much higher melting point than the material to be melted, the crucible and the high temperature melt may chemically react with each other to produce impurities in the melt. It has the disadvantage of making it fragile. Further, when a high-melting point active metal such as titanium is dissolved, the above-mentioned drawback becomes more serious.
そこで、チタンなどの高融点活性金属を効率的に溶融させるための冷るつぼ溶融法（Ｃｏｌｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）が用いられる。 Therefore, a cold crucible melting method (Cold Crucible Melting Method) for efficiently melting a high melting point active metal such as titanium is used.
冷るつぼ溶融法（Ｃｏｌｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）においては、溶融させる物質自体を誘導するので、溶融させる物質自体がるつぼの内壁の役割を果たす。冷るつぼ溶融法は、溶融させる物質を直接誘導加熱するので、直接加熱ともいう。冷るつぼ溶融法は、二重管からなるチューブを用いて容器を構成し、溶融させる高融点物質を容器中に充填して冷却水を循環させながら物質を誘導加熱する方法である。この誘導加熱方法は、溶融が行われている間、溶融物の外壁が冷却されるので、溶融物とチューブで構成された冷るつぼの間に溶融物と粉末による焼結層が形成され、容器の役割を果たす。このような冷るつぼ溶融法は、溶融させる物質の純度を維持できるので、高純度の結晶成長のために用いられる方法の１つである。また、チタンなどの高融点活性金属を溶融させる場合において、非常に効率的であると言える。 In the Cold Crucible Melting Method, since the substance to be melted is induced, the substance to be melted serves as an inner wall of the crucible. In the cold crucible melting method, a substance to be melted is directly induction-heated, and is also called direct heating. The cold crucible melting method is a method of constructing a container using a tube made of a double tube, filling a container with a high melting point substance to be melted, and inductively heating the substance while circulating cooling water. In this induction heating method, the outer wall of the melt is cooled while melting is performed, so a sintered layer of the melt and powder is formed between the cold crucible composed of the melt and the tube, and the container is Play a role of. Such a cold crucible melting method is one of the methods used for high-purity crystal growth because it can maintain the purity of the material to be melted. Further, it can be said that it is very efficient in melting a high melting point active metal such as titanium.
しかしながら、前記冷るつぼ溶融法に用いられる冷るつぼは、機械的／熱的安定のみを考慮した設計であるので、透磁率、エネルギー効率及び溶解効率を低下させる要因となっている。 However, since the cold crucible used in the cold crucible melting method is designed considering only mechanical/thermal stability, it is a factor that lowers magnetic permeability, energy efficiency, and melting efficiency.
よって、冷るつぼは、機械的／熱的安定性を図りながらも、透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上するための設計因子を規格化する必要がある。 Therefore, it is necessary to standardize design factors for improving the magnetic permeability, the melting efficiency, and the energy efficiency of the cold crucible while achieving mechanical/thermal stability.
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、誘導コイル部と上部キャップまたは下部キャップとの隔離距離を最適化することにより、機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することのできる冷るつぼ構造体を提供することを技術的課題とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and optimizes the separation distance between the induction coil portion and the upper cap or the lower cap to provide mechanical/thermal stability as well as magnetic permeability and melting efficiency. And it is a technical subject to provide a cold crucible structure capable of improving energy efficiency.
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の技術的課題に限定されるものではなく、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。 The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned are common knowledge in the technical field to which the present invention belongs from the following description. Will be clearly understood by those who have.
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態による冷るつぼ構造体は、 中空状の上部キャップ及び下部キャップ、前記上部キャップ及び下部キャップを連結する複数のセグメント、前記セグメントの間に配置されるスリット部、及び前記セグメントで囲まれた反応領域を含む冷るつぼ部と、前記冷るつぼ部の外径を囲むように配置され、前記セグメントの長手方向及び前記スリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであることを特徴とし、前記スリット部の間隔が次の数式１となるように配置される。
According to an embodiment of the present invention, there is provided a cold crucible structure, which includes a hollow upper cap and a lower cap, a plurality of segments connecting the upper cap and the lower cap, and between the segments. A slit portion to be arranged, and a cold crucible portion including a reaction region surrounded by the segment, and arranged so as to surround the outer diameter of the cold crucible portion, and intersect with the longitudinal direction of the segment and the longitudinal direction of the slit portion. And a diameter of the crucible is defined to be the diameter of the crucible, and the diameter of the crucible is 100 to 300 mm. Are arranged so as to be the following
前記誘導コイル部は、上端部と下端部が前記上部キャップと下部キャップからそれぞれ離隔して配置され、前記スリット部の長さ／前記誘導コイル部の高さが、 The induction coil portion has upper and lower ends spaced apart from the upper cap and the lower cap, respectively, and the length of the slit portion/the height of the induction coil portion is
(ここで、ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉlｌは、誘導コイル部の高さである）の範囲となるように形成され、上端部と下端部のそれぞれが前記冷るつぼ部の上部と下部から所定間隔離隔するように位置 される。 (Where hslit is the length of the slit portion and hcoill is the height of the induction coil portion), and the upper end portion and the lower end portion are respectively formed above the cold crucible portion. It is located to be separated from the lower part by a predetermined distance.
前記セグメントの厚さが１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置されることを特徴とし、前記スリット部の数が次の数式２となるように配置される。
The segment is arranged such that the thickness thereof is in the range of 15 to 25 mm, and the number of the slit portions is arranged so as to satisfy the following
前記誘導コイル部は、前記セグメントの長手方向における中心領域に対応して配置されてもよい。 The induction coil portion may be arranged corresponding to a central region in the longitudinal direction of the segment.
前記スリット部の間隔は、０．３〜４ｍｍの範囲となるように配置されてもよい。 The slits may be arranged at intervals of 0.3 to 4 mm.
前記冷るつぼ部は、前記セグメントの内部に配置される冷却流路を含み、前記冷却流路の直径は、８〜１５ｍｍの範囲となるように形成されてもよい。 The cooling crucible part may include a cooling channel disposed inside the segment, and the cooling channel may have a diameter of 8 to 15 mm.
前記下部キャップに連結される支持部と、前記支持部を通過して前記セグメントを冷却する冷却水を供給及び排出する冷却チューブとをさらに備え、前記冷却チューブは、前記冷却流路に連結されてもよい。 The cooling tube may further include a support part connected to the lower cap, and a cooling tube that supplies and discharges cooling water that passes through the support part and cools the segment, and the cooling tube may be connected to the cooling channel. Good.
前記冷却流路は、冷却水が供給される入水路と、冷却水が排出される排出路とを含んでもよい。 The cooling passage may include an inlet passage to which cooling water is supplied and an outlet passage to discharge cooling water.
前記セグメントの厚さは、１５〜２５ｍｍの範囲となるように配置されてもよい。 The thickness of the segment may be arranged to be in the range of 15 to 25 mm.
前記スリット部は、前記冷るつぼ部に１５〜６０個配置されてもよい。 15 to 60 slits may be arranged in the cold crucible.
前記スリット部の一端部と前記誘導コイル部との間の最短隔離距離と、スリット部の他端部と誘導コイル部との間の最短隔離距離は、同一隔離距離となるように配置されてもよい。 The shortest separation distance between the one end of the slit portion and the induction coil portion and the shortest separation distance between the other end of the slit portion and the induction coil portion may be arranged to be the same separation distance. Good.
本発明の実施形態によれば、誘導コイル部と上部キャップまたは下部キャップとの隔離距離を最適化することにより、冷るつぼ構造体の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。 According to the embodiments of the present invention, by optimizing the separation distance between the induction coil unit and the upper cap or the lower cap, the permeability/dissolution efficiency and energy efficiency as well as the mechanical/thermal stability of the cold crucible structure can be achieved. Can be improved.
本発明の実施形態によれば、るつぼの直径、るつぼの厚さ、冷却流路の直径、スリット部の間隔及びスリット部の数を最適化することにより、冷るつぼ構造体の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。 According to the embodiments of the present invention, by optimizing the diameter of the crucible, the thickness of the crucible, the diameter of the cooling channel, the spacing of the slit portions, and the number of slit portions, the mechanical/thermal of the cold crucible structure is optimized. The magnetic permeability, the dissolution efficiency and the energy efficiency can be improved together with the stability.
本発明の効果は、前記効果に限定されるものではなく、本発明の詳細な説明または特許請求の範囲に記載されている発明の構成から推論可能なあらゆる効果が含まれるものと理解すべきである。 It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims. is there.
以下、添付図面を参照して本発明について説明する。しかしながら、本発明は、様々な異なる形態で実現され得るので、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面において、本発明を明確に説明するために説明に関係のない部分は省略し、明細書全体を通して類似の部分には類似の符号を付した。 The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described below. In addition, in the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like parts are denoted by like reference numerals throughout the specification.
明細書全体を通して、ある一部分が他の部分と「連結（接続，接触，結合）」されているという場合、それには「直接連結」されているものだけでなく、その間にさらに他の部材を介して「間接的に連結」されているものも含まれる。また、ある部分がある構成要素を「含む」という場合、それは特に断らない限り他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに備えることを意味するものである。 Throughout the specification, when one part is “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it means not only “directly connected” but also another member in between. Also included are those that are “indirectly linked”. Further, when a certain part is “including” a certain constituent element, it does not exclude the other constituent element unless otherwise specified, and means that the other constituent element is further provided.
本発明に用いられる用語は、単に特定の実施形態について説明するために用いられるものであり、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現には、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。本発明における「含む」、「有する」などの用語は、明細書に記載されている特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはそれらの組み合わせが存在することを示すものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはそれらの組み合わせの存在または付加可能性を予め排除するものではない。 The terms used in the present invention are merely used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. A singular expression includes plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. The terms “including”, “having”, etc. in the present invention indicate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the present specification exist. The presence or the possibility of addition of other features, numbers, steps, operations, components, parts or a combination thereof will not be excluded in advance.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の概略的な斜視図であり、図２は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面図であり、図３は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部を示す斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view of a cold crucible structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a cold crucible structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a perspective view showing a cold crucible part of a cold crucible structure by an embodiment.
ここで、図１〜図３は、説明を容易にするために冷るつぼ構造体１０において誘導コイル部２１０を省略して示したものであり、誘導コイル部と冷るつぼ部１００が結合されたものについては後述する。
Here, FIGS. 1 to 3 show the cooling
図１〜図３に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００と、冷却チューブ３８０と、支持部４００とを含む。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
冷るつぼ部１００は、上部キャップ１１０と、下部キャップ１９０とを備える。上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、中空状に形成される。例えば、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、冷るつぼ部１００の機械的／熱的安定性のためにリング（ｒｉｎｇ）状に形成される。
The
ここで、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、説明を容易にするためにリング状に形成されたものを例に挙げて説明するが、四角リング状、八角リング状など、物質を通過させることのできる形状であれば、いかなる形状でもよい。
Here, the
上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、機械的／熱的安定性のために所定の厚さに形成される。ここで、説明を容易にするためにリング状の上部キャップ１１０と下部キャップ１９０を内径と外径とからなる厚さで定義して説明すると、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０の厚さと同一となるように形成されるか、より大きな直径となるように形成される。すなわち、上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０に結合させるために、セグメント１３０の厚さＤより大きくなるように形成するか、または一体に形成する場合は同じ厚さとなるように形成する。ここで、セグメントの厚さＤは、るつぼの厚さと同一であるので、統一してセグメントの厚さという。また、セグメントの厚さＤの最適化された厚さについては後述する。
The
冷るつぼ部１００には、上部キャップ１１０と下部キャップ１９０を連結する複数のセグメント１３０が配置される。ここで、セグメント１３０と上／下部キャップ１１０、１９０は、独立して配置してもよく、一体に配置してもよい。本実施形態においては、一体に形成したものを図示して説明する。
A plurality of
複数のセグメント１３０は、リング状の上部キャップ１１０と下部キャップ１９０に対応するように形成され、円筒状の空間を形成する。円筒状の内部は、冷るつぼ部１００の反応領域を形成する。前記反応領域において対象物を溶解させることができる。また、前記反応領域は、るつぼの直径φと同一であるので、以下るつぼの直径φという。
The plurality of
るつぼの直径φは、生産量を増加させるために対象物を多量に溶解させて生成物を増加させることが重要であるが、冷るつぼ構造体１０の溶解効率及びエネルギー効率を考慮し、１００〜３００ｍｍとなるように形成することが好ましい。
It is important that the diameter φ of the crucible is 100 to 100% in consideration of the melting efficiency and energy efficiency of the
セグメント１３０の間にはスリット部１６０が配置される。スリット部１６０は、絶縁体で形成される。スリット部１６０は、セグメント１３０の透磁率を向上することにより、磁束密度を向上することができる。
一方、冷るつぼ構造体１０には、冷るつぼ部１００を支持／固定する支持部４００が配置される。冷るつぼ部１００には、支持部４００に結合される結合部１８０が下部キャップ１９０の下部に配置される。
On the other hand, the
また、支持部４００には、冷却チューブ３８０が配置される。冷却チューブ３８０には、冷却水をセグメント１３０の冷却流路３１０に提供する冷却水供給部と、冷るつぼ部１００の冷却を完了した冷却水を排出する冷却水排出部とが配置される。
Further, a
ここで、冷却チューブ３８０は、セグメント１３０の内部に形成される冷却流路３１０に連結される。冷却流路３１０は、セグメント１３０の内部に形成され、下部キャップ１９０の下部に配置された冷却水孔１９５まで連結されている。
Here, the cooling
冷却水孔１９５は、下部キャップ１９０と結合部１８０との間に配置される。冷却水孔１９５は、冷却チューブ３８０に連結されており、冷却水を冷却流路３１０、すなわち冷るつぼ部１００に供給することにより冷るつぼ部１００を冷却する。
The cooling
このように、冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００を冷却することができ、セグメント１３０の内径の空間に形成されたるつぼの直径φが１００〜３００となるように形成することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性を図りながらも透磁率及び溶解効率を向上することができる。
As described above, the
図４は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の冷るつぼ部と誘導コイル部を結合させた断面斜視図であり、図５は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の断面斜視図であり、図６は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の平面図であり、図７は、図６のＡ領域の拡大平面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional perspective view in which a cold crucible portion and an induction coil portion of a cold crucible structure according to an embodiment of the present invention are combined, and FIG. 5 is a cross-sectional perspective view of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a plan view of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an enlarged plan view of a region A of FIG. 6.
ここで、図４〜図７については、説明の重複を避けて説明を容易にするために、図１〜図３を引用して説明する。 Here, FIGS. 4 to 7 will be described with reference to FIGS. 1 to 3 in order to avoid duplication of description and facilitate description.
図４及び図５に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１０は、冷るつぼ部１００のセグメント１３０の長手方向に交差する方向に配置された誘導コイル部２１０を含む。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
誘導コイル部２１０は、冷るつぼ部１００の外径を囲む形状に配置される。ここで、誘導コイル部２１０が冷るつぼ部１００の外径を囲んだ領域を溶解領域ＤＳＡであると定義する。溶解領域ＤＳＡの最外殻の誘導コイル部２１０とスリット部１６０との端部は、所定間隔離隔して配置する。
The
また、各セグメント１３０の間には、スリット部１６０が配置される。スリット部１６０は、セグメント１３０同士を離隔させ、セグメント１３０の内部には、冷却流路３１０が配置される。
Further, the
図６及び図７に示すように、冷るつぼ構造体１０には、複数のセグメント１３０が配置される。前述したように、セグメント１３０は、対象物を反応させて生成物を形成することのできる反応領域を形成する。よって、反応領域を形成するためのセグメント１３０は、所定の厚さに形成されると、冷るつぼ部１００の機械的／熱的安定性を図ることができる。
As shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of
そこで、最適なセグメント１３０の厚さＤを求めるために、るつぼの直径φが２００である冷るつぼ構造体を用いて磁束密度を測定した。
Therefore, in order to determine the optimum thickness D of the
図８は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のセグメントの厚さＤによる磁束密度の変化量を示すグラフである。ここで、セグメントの厚さＤを変化させ、セグメントの厚さによる磁束密度の変化を測定した。 FIG. 8 is a graph showing the amount of change in the magnetic flux density according to the thickness D of the segment of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention. Here, the thickness D of the segment was changed and the change in the magnetic flux density due to the thickness of the segment was measured.
図８に示すように、冷るつぼ構造体１０は、セグメント１３０の厚さＤが厚いほど磁束密度が低下することが分かる。すなわち、セグメント１３０の厚さＤが厚いほど磁束密度が低下し、エネルギー効率及び溶解効率を低下させる原因となる。
As shown in FIG. 8, in the
具体的には、機械的／熱的安定性を実現するためにセグメント１３０の厚さＤを増加させると、セグメント１３０への透磁率が低下し、磁束密度が低くなる。よって、冷るつぼ構造体１０の溶解効率及びエネルギー効率が低下する要因となる。すなわち、セグメント１３０の厚さが薄いほど透磁率を高めることができ、冷るつぼ構造体１０の溶解効率を向上することができる。
Specifically, when the thickness D of the
よって、冷るつぼ構造体１０は、エネルギー効率及び溶解効率を考慮し、９０Ｇ以上の磁束密度を有するセグメント１３０の厚さＤを用いることが好ましい。図８に示すように、セグメント１３０の厚さＤが１５〜２５ｍｍの範囲であれば、９０Ｇ以上の磁束密度が得られ、エネルギー効率及び溶解効率が向上することが分かる。
Therefore, in the
また、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、機械的安定性、透磁率及びエネルギー効率を考慮し、セグメント１３０の厚さＤが１６〜１９ｍｍの範囲のものが最適な厚さであると判断される。
Further, if the diameter φ of the crucible is 200 mm, it is determined that the thickness D of the
ここで、最適なセグメント１３０の厚さＤは、るつぼの直径φが１００または３００ｍｍであれば、セグメント１３０の厚さＤに応じて磁束密度を変更してもよく、るつぼの直径φに応じてセグメント１３０の厚さＤを変更して対応することが好ましい。
Here, as for the optimum thickness D of the
よって、前述した条件を考慮し、セグメント１３０の厚さＤが１５〜２５ｍｍの範囲となるように形成することにより、冷却流路３１０の大きさ、機械的安定性及び溶解効率を向上することができる。
Therefore, in consideration of the above-described conditions, by forming the
また、図６及び図７に示すように、それぞれのセグメント１３０の内部に冷却流路３１０が配置される。冷却流路３１０には、入水路と出水路が配置される。入水路は、冷るつぼ部１００を冷却する冷却水が供給される通路であり、セグメント１３０に隣接して配置される。出水路は、冷却を完了した冷却水が排出される通路である。入水路と出水路との間にパイプを備え、入水路と出水路を区分する。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, cooling
冷却流路３１０は、冷るつぼ部１００を冷却するために所定の大きさに形成しなければならない。すなわち、冷却流路３１０を大きく形成すると、冷却水の供給が増加して冷却効率が向上し、冷却流路３１０の大きさが小さくなると、冷却水の供給量が減少して冷却効率が低下する。
The cooling
さらに、冷却流路３１０は、セグメント１３０の内部に配置されるので、セグメント１３０の厚さによる制約を受ける。すなわち、冷却流路３１０を大きく形成するためには、セグメント１３０の厚さを増加させなければならないという問題が生じる。また、セグメント１３０の厚さを考慮したとしても、冷却効率を向上する目的で冷却流路３１０を大きく形成すると、冷るつぼ部１００の機械的安定性が低下することもある。
Further, since the cooling
よって、冷却流路３１０の大きさによる磁束密度の変化を測定する必要がある。表１は、冷却流路３１０の大きさを変化させて磁束密度を測定したデータを整理した表である。
Therefore, it is necessary to measure the change in magnetic flux density depending on the size of the
ここで、表１は、冷却流路３１０の形状による磁束密度の傾向を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとして測定した。
Here, in Table 1, in order to compare the tendency of the magnetic flux density depending on the shape of the
表１に示すように、冷却流路３１０の直径は、磁束密度、浸透量に影響を与えなかった。例えば、冷却流路３１０の直径を小さくすることができれば、それだけセグメントの厚さＤを小さく形成することができるので、冷るつぼ１０で消費されるエネルギー損失を低減することができる。
As shown in Table 1, the diameter of the
一方、冷却流路３１０の直径が小さすぎると、冷却効率が低下し、冷却流路３１０を通る冷却水が過熱されて冷却流路３１０が膨張したり、冷却水の一部が気化し、冷却流路３１０の内部の圧力が爆発的に増加する。このような場合、冷却流路３１０に連結される冷却水ラインが破裂しかねがい。
On the other hand, when the diameter of the
よって、冷るつぼ１０で消費されるエネルギー損失を最小限に抑えるために、冷却流路３１０の直径は、８ｍｍ以上に形成することが好ましく、十分な冷却効率のために、冷却流路３１０の直径は、１５ｍｍ以下に形成することが好ましい。
Therefore, in order to minimize the energy loss consumed in the cooling
結論として、測定によると、セグメント１３０の厚さ及び冷却効率を考慮し、冷却流路３１０の直径が８〜１５ｍｍとなるように形成することが好ましい。
In conclusion, according to the measurement, in consideration of the thickness of the
また、図６に示すように、冷るつぼ部１００には、複数のセグメント１３０をそれぞれ離隔させるスリット部１６０がそれぞれ配置される。前述したように、スリット部１６０の間隔ｄｓｌｉｔが大きくなるほど、セグメント１３０に形成される磁束密度は増加する。しかしながら、磁束密度の増加のためにスリット部の間隔ｄｓｌｉｔを大きくすると、生成物または反応物の漏れなどの問題が生じる。よって、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは、前記条件を満たす間隔となるように配置することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 6, the
図９は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の間隔による磁束密度の変化量を示すグラフである。 FIG. 9 is a graph showing the amount of change in the magnetic flux density depending on the distance between the slit portions of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention.
ここで、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔによる磁束密度の変化量を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとし、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔを変化させて磁束密度の変化量を測定した。 Here, in order to compare the amount of change in the magnetic flux density depending on the distance dslit between the slits, the diameter φ of the crucible was set to 200 mm and the amount dslit between the slits was changed to measure the amount of change in the magnetic flux density.
図９に示すように、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔが大きくなるほど磁束密度が増加するが、飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）地点も存在するものと判断される。 As shown in FIG. 9, the magnetic flux density increases as the spacing dslit of the slit portions increases, but it is determined that there are saturation points.
スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは、数式１により最適な間隔に形成することができる。
The spacing dslit of the slit portions can be formed to be an optimal spacing according to
例えば、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔは１．２ｍｍが最適な間隔となる。これは、るつぼの直径φが２００ｍｍの場合であり、るつぼの直径φが１００ｍｍまたは３００ｍｍであれば、前記数式１により０．６〜１．８ｍｍがスリット部１６０の最適な間隔となる。
For example, if the diameter φ of the crucible is 200 mm, the optimum interval dslit of the slits is 1.2 mm. This is the case where the diameter φ of the crucible is 200 mm, and when the diameter φ of the crucible is 100 mm or 300 mm, the optimum interval of the
しかしながら、透磁率を高めるために、スリット部１６０の間隔が０．３ｍｍ〜４ｍｍの範囲となるように形成することが好ましい。
However, in order to increase the magnetic permeability, it is preferable to form the
一方、図６に示すように、冷るつぼ部１００には、複数のセグメント１３０をそれぞれ離隔させるスリット部１６０がそれぞれ配置される。前述したように、スリット部１６０のスリット部の数ｎｓｌｉｔが多くなるほど、セグメント１３０に形成される磁束密度は増加する。
On the other hand, as shown in FIG. 6, the
しかしながら、磁束密度の増加のためにスリット部の数ｎｓｌｉｔを増加させると、冷却流路３１０を形成する空間が低減するので、冷却流量を十分に確保することができず、冷却効率が低下する。よって、スリット部の数ｎｓｌｉｔは、前記条件を満たす数となるように配置することが好ましい。
However, if the number of slit portions nslit is increased to increase the magnetic flux density, the space for forming the
図１０は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の数による磁束密度の変化量を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing the amount of change in magnetic flux density depending on the number of slits in the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention.
ここで、スリット部の数ｎｓｌｉｔによる磁束密度の変化量を比較するために、るつぼの直径φを２００ｍｍとし、１／４領域のスリット部の数ｎｓｌｉｔを変化させて磁束密度の変化量を測定した。 Here, in order to compare the change amount of the magnetic flux density depending on the number nslit of the slit portions, the diameter φ of the crucible was set to 200 mm, and the change amount of the magnetic flux density was measured by changing the number nslit of the slit portions in the 1/4 region. ..
図１０に示すように、スリット部の数ｎｓｌｉｔが大きくなるほど磁束密度が増加するが、飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）地点も存在するものと判断される。 As shown in FIG. 10, the magnetic flux density increases as the number nslit of the slit portions increases, but it is determined that there are saturation points.
スリット部の数ｎｓｌｉｔは、下記の数式２により最適な数に形成することができる。
The number nslit of slit portions can be formed to an optimum number by the following
例えば、るつぼの直径φが２００ｍｍであれば、スリット部の数ｎｓｌｉｔは３６個が最適な数となる。これは、るつぼの直径φが２００ｍｍの場合であり、るつぼの直径φが３００ｍｍであれば、前記数式２により５４個までがスリット部の数ｎｓｌｉｔの最適な配置数となる。
For example, if the diameter φ of the crucible is 200 mm, the optimal number of slits nslit is 36. This is the case where the diameter φ of the crucible is 200 mm, and when the diameter φ of the crucible is 300 mm, the optimum number of slits is nslit up to 54 slits according to the
しかしながら、透磁率を向上させ、機械的安定性及び冷却流量を確保するために、スリット部の数ｎｓｌｉｔが１５〜６０個の範囲となるように形成することが好ましい。 However, in order to improve the magnetic permeability, and secure the mechanical stability and the cooling flow rate, it is preferable that the number of slit portions nslit be in the range of 15 to 60.
このように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１は、るつぼの直径φに応じてセグメントの厚さＤ、冷却流路３１０の直径、スリット部の間隔ｄｓｌｉｔ、及びスリット部の数ｎｓｌｉｔを最適化することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
As described above, in the
また、図４及び図５に示すように、セグメント１３０及びスリット部１６０の長手方向に交差する方向に冷るつぼ部１００の外殻を囲む誘導コイル部２１０が配置される。このように、スリット部１６０及びセグメント１３０と、誘導コイル部２１０とを重ねることにより溶解領域ＤＳＡを形成することができる。
In addition, as shown in FIGS. 4 and 5, an
ここで、溶解領域ＤＳＡは、溶解対象を溶解させることのできる領域であり、磁束の透過率を増加させ、溶解効率を向上することが好ましい。 Here, the dissolution area DSA is an area in which an object to be melted can be melted, and it is preferable to increase the transmittance of magnetic flux and improve the melting efficiency.
しかしながら、冷るつぼ部１００の機械的安定性のために配置した上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０は、セグメント１３０のように分離された構成ではなく、リング状に連結形成されて磁束の透過を妨害する。
However, the
よって、誘導コイル部２１０は、上部キャップ１１０と下部キャップ１９０からそれぞれ離隔して配置しなければならない。上部キャップ１１０及び下部キャップ１９０が誘導コイル部２１０から遠ざかるようにスリット部１６０を配置することにより、冷るつぼ部１００への磁束の透過率を向上することができる。
Therefore, the
よって、溶解領域ＤＳＡは、スリット部１３０の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部２１０の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３の範囲となるように形成することが好ましい。これを数式化したものを数式３に示す。数式３は以下の通りである。
Therefore, the dissolution area DSA is preferably formed so that the length hslit of the
ここで、ｈｓｌｉｔは、スリット部の長さであり、ｈｃｏｉｌは、誘導コイル部の高さである。 Here, hslit is the length of the slit portion, and hcoil is the height of the induction coil portion.
それでは、図１１〜図１３を参照してより具体的に説明する。 Now, a more specific description will be given with reference to FIGS. 11 to 13.
図１１は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第１の配置を示す断面図であり、図１２は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体の誘導コイル部の第２の配置を示す断面図であり、図１３は、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体のスリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌによる磁束密度の変化量を示すグラフである。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing a first arrangement of the induction coil portion of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a sectional view of the induction coil portion of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the arrangement of No. 2 and FIG. 13 is a graph showing the amount of change in magnetic flux density depending on the length hslit of the slit portion/the height hcoil of the induction coil portion of the cold crucible structure according to the embodiment of the present invention. ..
まず、溶解領域ＤＳＡは、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３の範囲となるように形成されるが、そのうち１．５の場合を第１の配置として説明し、３の場合を第２の配置として説明する。 First, the dissolution area DSA is formed such that the length hslit of the slit portion/the height hcoil of the induction coil portion is in the range of 1.5 to 3, and the case where 1.5 is defined as the first arrangement. The case of 3 will be described as the second arrangement.
図１１に示すように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５であれば、理解を助けるためにスリット部の長さｈｓｌｉｔを単位長さとして１０ａと仮定すると、前記数式３により１０ａ／Ｘ＝１．５となる。ここで、Ｘは、スリット部の長さｈｓｌｉｔである。
As shown in FIG. 11, if the length hslit of the slit portion/the height hcoil of the induction coil portion is 1.5, assuming that the length hslit of the slit portion is 10a as a unit length to help understanding, According to
従って、Ｘの値は６．６６６６ａとなる。よって、残りの値は３．４４４４４ａとなる。 Therefore, the value of X is 6.6666a. Therefore, the remaining value is 3.44444a.
なお、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０が離隔された最短距離を隔離距離Ｑ１とする。
Note that the
すなわち、３．４４４ａ程度の空間が生じるが、そこで誘導コイル部２１０を介して上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、３．４４４ａを半分にした１．６６ａの隔離距離Ｑ１を置いて配置される。
That is, although a space of about 3.444a is generated, since the upper/
ここで、誘導コイル部２１０が上／下部キャップ１１０、１９０との隔離距離を置くために上部／下部キャップ１１０、１９０のいずれか一方に偏ると、他方は相対的に隔離距離が狭くなるように配置される。よって、隣接して配置されたいずれか一方は磁束透過率が低下する。
Here, if the
具体的には、磁束透過率は、誘導コイル部２１０に隣接して配置された上／下部キャップ１１０、１９０のいずれかから影響を受け、磁束密度が相対的に低下するので、誘導コイル部２１０は、磁束透過率を向上するために、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。すなわち、スリット部１６０の一端部から他端部までの長さにおける中心領域に誘導コイル部２１０が配置される。
Specifically, the magnetic flux transmittance is affected by either of the upper/
よって、スリット部の一端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１と、スリット部の他端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１が等距離となるように配置される。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ１は、これら２つの構成間の最短距離を意味する。
Therefore, the isolation distance Q1 between the one end portion SE of the slit portion and the
図１２に示すように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが３であれば、前記数式３により１０ａ／Ｘ＝３となる。ここで、Ｘは、スリット部の長さｈｓｌｉｔである。
As shown in FIG. 12, if the length hslit of the slit portion/the height hcoil of the induction coil portion is 3, then 10a/X=3 according to the above
従って、Ｘの値は３．３３３ａとなる。よって、残りの値は６．６６６６ａとなる。 Therefore, the value of X is 3.333a. Therefore, the remaining value is 6.6666a.
ここで、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。すなわち、６．６６６６ａ程度の離隔距離が生じるが、上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、６．６６６ａを半分にした３．３３３ａの離隔空間を置いて配置される。
Here, since the
従って、誘導コイル部２１０は、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。よって、誘導コイル部２１０が上／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるために、６．６６ａを半分にした３．３３３３ａとなる。
Therefore, the
ここで、誘導コイル部２１０は、上部／下部キャップ１１０、１９０から遠ざかるように配置するために、スリット部の端部ＳＥから遠ざかるように配置しなければならない。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０が離隔された最短距離を隔離距離Ｑ２とする。
Here, since the
すなわち、６．６６６ａ程度の空間が生じるが、そこで誘導コイル部２１０を介して上／下部キャップ１１０、１９０が上／下部にそれぞれ配置されているので、６．６６６ａを半分にした３．３３３ａの隔離距離Ｑ２を置いて配置される。
That is, although a space of about 6.666a is generated, since the upper/
前述したように、磁束透過率は、誘導コイル部２１０に隣接して配置された上／下部キャップ１１０、１９０のいずれかから影響を受け、磁束密度が相対的に低下するので、誘導コイル部２１０は、磁束透過率を向上するために、セグメント１３０の長手方向における中心領域に対応して配置される。すなわち、スリット部１６０の一端部から他端部までの長さにおける中心領域に誘導コイル部２１０が配置される。
As described above, the magnetic flux transmittance is affected by any of the upper/
よって、スリット部の一端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２と、スリット部の他端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２が等距離となるように配置される。ここで、スリット部の端部ＳＥと誘導コイル部２１０との間の隔離距離Ｑ２は、これら２つの構成間の最短距離を意味する。
Therefore, the isolation distance Q2 between the one end portion SE of the slit portion and the
図１３に示すように、本発明の実施形態による冷るつぼ１０の磁束密度が８５Ｇ以上となるのは、１．５〜３のときであった。すなわち、誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１００ｍｍであれば、スリット部の長さｈｓｌｉｔが１５０〜３００ｍｍとなるように配置されればよいと考えられる。ここで、スリット部の長さｈｓｌｉｔを同図にｈ０で表示した。
As shown in FIG. 13, the magnetic flux density of the
このように、スリット部の長さｈｓｌｉｔ／誘導コイル部の高さｈｃｏｉｌが１．５〜３であれば、磁束透過率が向上し、冷るつぼの直径などに関係なく、磁場透過効率を向上することが分かる。 Thus, when the length hslit of the slit portion/the height hcoil of the induction coil portion is 1.5 to 3, the magnetic flux transmittance is improved, and the magnetic field transmission efficiency is improved regardless of the diameter of the cold crucible and the like. I understand.
このように、本発明の実施形態による冷るつぼ構造体１は、誘導コイル部２１０の配置を最適化することにより、冷るつぼ構造体１０の機械的／熱的安定性と共に透磁率、溶解効率及びエネルギー効率を向上することができる。
As described above, in the
前述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態に容易に変形できる。よって、前述の実施形態はあくまで例示的なものであり、限定的なものでない。例えば、単一型で説明された各構成要素を分散して実施してもよく、同様に分散したものと説明された構成要素を結合された形態に実施してもよい。 The above description of the present invention is for the purpose of illustration, and a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains does not change the technical idea and essential features of the present invention, and other It can be easily transformed into a concrete form. Therefore, the above-described embodiments are merely illustrative and not restrictive. For example, the constituent elements described in the single type may be distributed and implemented, or the constituent elements described as similarly distributed may be implemented in a combined form.
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、並びにその均等概念から導かれるあらゆる変更または変形された形態も本発明に含まれる。 The scope of the present invention is defined by the appended claims, and the present invention includes all modifications and variations derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents.
１０：冷るつぼ構造体
１００：冷るつぼ部
１１０：上部キャップ
１３０：セグメント
Ｄ：セグメントの厚さ
１６０：スリット部
１８０：結合部
１９０：下部キャップ
１９５：冷却水孔
２１０：誘導コイル部
ＤＳＡ：溶解領域
３１０：冷却流路
３８０：冷却チューブ
４００：支持部
φ：るつぼの直径
Ｄｓｌｉｔ：スリット部の間隔
Ｑ：隔離距離
10: Cold crucible structure 100: Cold crucible part 110: Upper cap 130: Segment D: Segment thickness 160: Slit part 180: Coupling part 190: Lower cap 195: Cooling water hole 210: Induction coil part DSA: Melting region 310: Cooling flow path 380: Cooling tube 400: Support part φ: Diameter of crucible Dslit: Spacing of slit part Q: Separation distance
Claims (8)
前記冷るつぼ部の外径を囲むように配置され、前記セグメントの長手方向及び前記スリット部の長手方向に交差するように配置される誘導コイル部とを含み、
前記反応領域の直径は、るつぼの直径であると定義され、
前記るつぼの直径は、１００〜３００ｍｍであり、
前記スリット部の間隔が次の数式１：
Arranged to surround the outer diameter of the cold crucible portion, including an induction coil portion arranged to intersect the longitudinal direction of the segment and the longitudinal direction of the slit portion,
The diameter of the reaction zone is defined to be the diameter of the crucible,
The diameter of the crucible is 100-300 mm,
The interval between the slits is the following formula 1:
前記スリット部の数が次の数式２：
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。 The segments are arranged so that the thickness thereof is in the range of 15 to 25 mm,
The number of slits is expressed by the following formula 2:
前記スリット部の長さ／前記誘導コイル部の高さが次の数式３：
上端部と下端部のそれぞれが前記冷るつぼ部の上部と下部から所定間隔離隔するように位置する
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。 The induction coil unit has upper and lower ends spaced apart from the upper cap and the lower cap, respectively.
The length of the slit portion/the height of the induction coil portion is expressed by the following formula 3:
The cold crucible structure according to claim 1, wherein each of an upper end portion and a lower end portion is located so as to be separated from an upper portion and a lower portion of the cold crucible portion by a predetermined distance.
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。 The cold crucible structure according to claim 1, wherein the induction coil portion is arranged corresponding to a central region in the longitudinal direction of the segment.
前記冷却流路の直径は、８〜１５ｍｍの範囲となるように形成される
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。 The cold crucible portion includes a cooling channel disposed inside the segment,
The cooling crucible structure according to claim 1, wherein the cooling channel has a diameter of 8 to 15 mm.
前記支持部を通過して前記セグメントを冷却する冷却水を供給及び排出する冷却チューブとをさらに備え、
前記冷却チューブは、前記冷却流路に連結される
請求項５に記載の冷るつぼ構造体。 A support connected to the lower cap,
Further comprising a cooling tube that supplies and discharges cooling water that passes through the support part and cools the segment,
The cooling crucible structure according to claim 5, wherein the cooling tube is connected to the cooling flow path.
請求項５に記載の冷るつぼ構造体。 The cooling crucible structure according to claim 5, wherein the cooling channel includes an inlet channel to which cooling water is supplied and an outlet channel to which cooling water is discharged.
請求項１に記載の冷るつぼ構造体。 The shortest separation distance between the one end of the slit portion and the induction coil portion and the shortest separation distance between the other end of the slit portion and the induction coil portion are arranged to be the same separation distance. The cold crucible structure according to claim 1.
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