特開 2024-104796 フラットヒーターおよびこれを用いた保持炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104796

(43)【公開日】2024-08-06

(54)【発明の名称】フラットヒーターおよびこれを用いた保持炉

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/20 20060101AFI20240730BHJP

   H05B 3/22 20060101ALI20240730BHJP

   H05B 3/18 20060101ALI20240730BHJP

   F27B 14/14 20060101ALI20240730BHJP

   F27D 11/02 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

H05B3/20 356

H05B3/22

H05B3/18

F27B14/14

F27D11/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023009157

(22)【出願日】2023-01-25

(71)【出願人】

【識別番号】517062894

【氏名又は名称】電化物産株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100140006

【弁理士】

【氏名又は名称】渕上 宏二

(72)【発明者】

【氏名】津山 辰己

(72)【発明者】

【氏名】西川 直久

【テーマコード（参考）】

3K034

3K092

4K046

4K063

【Ｆターム（参考）】

3K034AA02

3K034AA04

3K034AA12

3K034AA16

3K034BA06

3K034BB06

3K034BC05

3K034JA10

3K092PP10

3K092QB26

3K092QB62

3K092RF03

3K092RF11

3K092RF26

3K092VV04

4K046AA07

4K046BA02

4K046CD03

4K063AA04

4K063BA03

4K063CA04

4K063CA06

4K063FA05

(57)【要約】

【課題】従来の上部加熱方式や直接加熱方式のメリットは享受しながらデメリットを克服した加熱方式を提案する。
【解決手段】溶融炉の槽に設置するヒーターを第１の材料と第２の材料によってヒーターを両側から挟み込んだ平板状のフラットヒーターとして構成し、第２の材料は第１の材料に対して熱伝導性の低い素材により構成することにより、第１の材料側の面の発熱量が第２の材料側の面の発熱量より大きくなるようにした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の材料と第２の材料によってヒーターを両側から挟み込んだ平板状のフラットヒーターであり、
前記第２の材料は前記第１の材料に対して熱伝導性の低い素材により構成され、
前記第１の材料側の面が前記第２の材料側の面より発熱量が大きいことを特徴とする、
フラットヒーター。

【請求項2】

前記第１の材料および前記第２の材料の少なくとも何れか一方に前記ヒーターを密閉するための凹部が形成されていることを特徴とする、
請求項１に記載のフラットヒーター。

【請求項3】

前記凹部にＲ加工もしくは面取り加工が施されていることを特徴とする、
請求項２に記載のフラットヒーター。

【請求項4】

前記第１の材料と前記第２の材料が無機接着剤によって固定されていることを特徴とする、
請求項１に記載のフラットヒーター。

【請求項5】

前記第１の材料と前記第２の材料がセラミックス製ボルトによって固定されていることを特徴とする、
請求項１に記載のフラットヒーター。

【請求項6】

前記ヒーターの端子が前記第２の材料側に設けられていることを特徴とする、
請求項１に記載のフラットヒーター。

【請求項7】

前記ヒーターの近傍に熱電対が設けられていることを特徴とする、
請求項１に記載のフラットヒーター。

【請求項8】

前記第１の材料は、炭化ケイ素もしくはマグネシアを含み、
前記第２の材料は、ケイ酸カルシウム板、ファイバーボード、またはマイクロポーラス断熱材のうち少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする、
請求項１乃至７の何れかに記載のフラットヒーター。

【請求項9】

前記第１の材料の表面に窒化ホウ素、アルミナ、マグネシア、またはシリカのうち何れか一つ、もしくは複数の混合物が塗布されていることを特徴とする、
請求項８に記載のフラットヒーター。

【請求項10】

前記ヒーターの周囲にセラミックス粉末が充填されていることを特徴とする、
請求項８に記載のフラットヒーター。

【請求項11】

請求項１乃至１０の何れかに記載のフラットヒーターが、前記第１の材料側の面のみをアルミ溶湯に接触するように槽の壁面および底面の少なくとも何れか一方に設けられていることを特徴とする、
アルミ溶湯の保持炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属アルミニウムを溶解して保持する溶解保持炉、または溶けた金属アルミニウム（以下、アルミ溶湯という）を保持する保持炉（以下、溶解保持炉と保持炉を併せて保持炉という）の槽において、アルミ溶湯と接触する壁部や底面部に埋め込んで壁や底部からアルミ溶湯を加熱するフラットヒーターの構造およびこれを用いた保持炉の構造に関する。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム製品を製造する場合、インゴットを溶解し、金型や砂型に注入して成形する方法が一般的である。金属アルミニウムを溶解して型に注入するまでの間、保持炉においてアルミ溶湯の温度を一定に保つことは不可欠の工程である。また保持している間に成分調整、脱ガス処理および異物除去等の処理を施すことにより、アルミニウム製品の歩留の向上や品質の向上を図ることができる。

【0003】

アルミ溶湯を保温するための熱供給の方法は、保持炉内のアルミ溶湯の上部にある空気相をガスバーナーや電気ヒーターなどにより加熱する、いわゆる空気を介してアルミ溶湯に間接的に加熱する上部加熱方式と、一端が閉じた管状の保護管をアルミ溶湯中に浸漬し、保護管の内部をガスバーナーや電気ヒーターにより加熱し、保護管壁を介してアルミ溶湯に直接的に加熱する直接加熱方式が一般的に広く用いられている。また直接加熱方式の一類型として、保護管の代わりにフラットヒーターを用いる方法もある（例えば、特許文献１を参照のこと）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１－１７６５６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上部加熱方式は、構造が簡単であり保持炉の槽を小さくできるというメリットがある反面、高温となった空気相と接触するアルミ溶湯の表面に酸化物が発生するというデメリットがある。直接加熱方式は、保護管をアルミ溶湯中に浸漬させて加熱するため、エネルギー効率に優れ、酸化物の発生量も少ないというメリットのため、現在では標準の加熱方式になっているが、アルミ溶湯中に保護管を浸漬することから槽が大きくならざるを得ず、また保護管が破損した場合には交換するために稼働を停止する必要があった。

【0006】

本発明は、従来の上部加熱方式や直接加熱方式のメリットは享受しながらデメリットを克服した加熱方式を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様は、第１の材料と第２の材料によってヒーターを両側から挟み込んだ平板状のフラットヒーターであり、前記第２の材料は前記第１の材料に対して熱伝導性の低い素材により構成され、前記第１の材料側の面が前記第２の材料側の面より発熱量が大きいフラットヒーターである。

【0008】

本発明の第２の態様は、前記第１の材料および前記第２の材料の少なくとも何れか一方に前記ヒーターを密閉するための凹部が形成されているフラットヒーターである。

【0009】

本発明の第３の態様は、前記凹部の周縁部がＲ加工もしくは面取り加工が施されているフラットヒーターである。

【0010】

本発明の第４の態様は、前記第１の材料と前記第２の材料が無機接着剤によって固定されているフラットヒーターである。

【0011】

本発明の第５の態様は、前記第１の材料と前記第２の材料がセラミックス製ボルトによって固定されているフラットヒーターである。

【0012】

本発明の第６の態様は、前記ヒーターの端子が前記第２の材料側に設けられているフラットヒーターである。

【0013】

本発明の第７の態様は、前記ヒーターの近傍に熱電対が設けられているフラットヒーターである。

【0014】

本発明の第８の態様は、前記第１の材料は、炭化ケイ素もしくはマグネシアを含み、前記第２の材料は、ケイ酸カルシウム板、ファイバーボード、またはマイクロポーラス断熱材のうち少なくとも何れか一つを含むフラットヒーターである。

【0015】

本発明の第９の態様は、前記第１の材料の表面に窒化ホウ素、アルミナ、マグネシア、またはシリカのうち何れか一つ、もしくは複数の混合物が塗布されているフラットヒーターである。

【0016】

本発明の第１０の態様は、前記ヒーターの周囲にセラミックス粉末が充填されているフラットヒーターである。

【0017】

本発明の第１１の態様は、前記フラットヒーターが、前記第１の材料側の面のみをアルミ溶湯に接触するように槽の壁面および底面の少なくとも何れか一方に設けられているアルミ溶湯の保持炉である。

【発明の効果】

【0018】

本発明のフラットヒーターは、一方の面のみを効率的に発熱させることが可能となるため、溶融炉の槽の側面や底面に設置することによりアルミ溶湯を直接加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態であるフラットヒーターの構造を示す概念図

【図2】本発明の実施形態であるフラットヒーターを保持炉に設置した状態を示す概念図

【図3】本発明の実施形態であるフラットヒーターを溶解保持炉に設置した状態を示す概念図

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明の保護されるべき範囲は、この実施形態に限定されるものではない。

【0021】

最初に本発明の実施形態であるフラットヒーターの構造について説明する。図１に本発明の実施形態であるフラットヒーターの構造を示す。フラットヒーター１０は、第１の材料１２と第２の材料１４、１６の平板状の部材によってヒーター１８を挟み込んだ構造である。第１の材料１２にはアルミ溶湯に対して耐久性のある高熱伝導性材料、例えば炭化珪素などを使用し、第２の材料には低熱伝導性材料、例えばケイ酸カルシウムなどを使用して断熱材的な機能を持たせることにより、ヒーター１８の発熱が第２の材料１４、１６側には伝達せず、第１の材料１２側のみに伝導するように構成されている。

【0022】

第１の材料１２と第２の材料１４には、それぞれの対面する側にヒーター１８を配置するための凹部２０、２２が形成されている。この凹部２０、２２にヒーター１８を配置し、第１の材料１２と第２の材料１４、１６をボルト２４によって固定することにより、ヒーター１８をフラットヒーター１０の内部に密閉している。ボルト２４は耐熱性のあるセラミックス製のものが好ましい。なお、ボルト２４の代わりに接着剤を用いて固定してもよく、特にスミセラムやアロンセラミック等の無機接着剤を用いることが好ましい。なお、凹部２０、２２は応力集中によりヒビやワレが生じないようにＲ加工もしくは面取り加工が施されている。

【0023】

ヒーター１８を配置する凹部２０、２２の空間には、耐火性のセラミック粒子からなる充填材２６を充填し、絶縁性と熱伝導の効率を向上させている。

【0024】

ヒーター１８に給電するための端子２８は、第２の材料１４、１６側からフラットヒーター１０の外部に引き出されている。外部に引き出された端子およびリード線はセラミック碍子管３０によって絶縁されている。またヒーター１８の近傍に熱電対を設け、ヒーター１８の温度制御を行う。

【0025】

第１の材料１２の表面側のアルミ溶湯と接触する面には、窒化ホウ素、アルミナ、マグネシア、シリカまたはそれらの混合物３２が塗布されている。

【0026】

次に本発明の実施形態である保持炉の構造について説明する。図２および図３に本発明の実施形態であるフラットヒーターを保持炉および溶解保持炉に設置した状態を示す。保持炉４０、５０のアルミ溶湯を貯留する槽の壁面や底面にフラットヒーター１０を配置する。フラットヒーター１は第１の材料側がアルミ溶湯に接触する向きに設置する。フラットヒーター１０は設置できる箇所（フラットで障害物のない面）であればどこにでも何個でも設置することができる。その場合、１枚のフラットヒーター１０の端子を複数に分岐して給電してもよい。

【実施例0027】

実施例１乃至８は、フラットヒーターの第１の材料に炭化珪素質の焼成物やキャスタブルなどの不定形耐火物を使用し、第２の材料にケイ酸カルシウム、ファイバーボードおよびマイクロポーラス断熱材を使用した。充填剤にはマグネシア、窒化ホウ素やアルミナ等のセラミックス粉末を使用した。比較例は、第１の材料にアルミナのキャスタブルを使用し、第２の材料にケイ酸カルシウムおよびファイバーボードを使用し、充填材にマグネシアおよび窒化ホウ素を使用した。

【0028】

表１に実施例および比較例を示す。実施例および比較例において、フラットヒーターは実炉に装填できる大きさである発熱面積０．０９ｍ２（３０ｃｍ角）のサイズで製作した。実施例１乃至８、比較例１および２において、第１の材料側の加熱出力と第２の材料側の放熱量を測定し、それぞれの加熱性能と断熱性能を確認した。

【0029】

【表1】

【0030】

実施例１乃至８において、フラットヒーターは材料の選択により最大で１６ｋＷ、少なくとも８ｋＷの出力があり、アルミ溶湯の加熱や保持に適用するための能力としては十分である。一方で放熱量は０．０３乃至０．０４ｋＷに抑えられていることから、断熱性能にも優れていることが確認された。

【0031】

実施例の結果により、本発明のフラットヒーターは、材料の選択により必要な加熱能力とそれに見合うコストを調整することができるために、工業製品として適用可能な範囲が広く、溶融炉用のヒーターとして非常に有用であることが分かった。

【0032】

本発明のフラットヒーターは、保持炉の槽の側面や底面に設置することにより、直接加熱方式のメリットを享受しながら、そのデメリットであった槽を大きくする必要があったこと、また保護管破損時に設備の稼働停止が必要であったことなどの課題を解決することができる。

【0033】

特許文献１に開示されたフラットヒーターは、本発明のフラットヒーターと似た形態ではあるが、平板の両面から発熱する構造であり、片面のみを効率的に発熱させる本発明のフラットヒーターとは作用が異なる。この作用の違いにより特許文献１に開示されたフラットヒーターは保持炉の槽の壁面に埋め込んで使用することはできない。その理由は、アルミ溶湯と接触しない面からも発熱するため、保持炉の外側（外壁）が必要以上に高温になり、エネルギー効率が低いだけでなく、火傷など人体への危険性が懸念されるためである。

【符号の説明】

【0034】

１０ フラットヒーター
１２ 第１の材料
１４ 第２の材料
１６ 第２の材料
１８ ヒーター
２０ 凹部（第１の材料側）
２２ 凹部（第２の材料側）
２４ ボルト
２６ 充填材

【図1】

【図2】

【図3】