特開 2024-138756 ガラス溶融炉のスタートアップリング

(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】P2024138756

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】ガラス溶融炉のスタートアップリング

(51)【国際特許分類】

   C03B 5/02 20060101AFI20241002BHJP

   F27B 14/14 20060101ALI20241002BHJP

   F27D 11/06 20060101ALI20241002BHJP

   G21F 9/16 20060101ALI20241002BHJP

   G21F 9/30 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

C03B5/02

F27B14/14

F27D11/06 A

G21F9/16 541L

G21F9/30 519K

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023049425

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100118267

【弁理士】

【氏名又は名称】越前 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】酒井 泰二

【テーマコード（参考）】

4K046

4K063

【Ｆターム（参考）】

4K046CD02

4K046CD11

4K063AA04

4K063BA06

4K063FA34

(57)【要約】

【課題】始動時における電源のインターロックを回避することができる、ガラス溶融炉のスタートアップリングを提供する。
【解決手段】
スタートアップリング１０は、径の大きさが異なる複数の環状部１２と、複数の環状部１２を径方向に連結する連結部１３と、を備えている。環状部１２は、例えば、径の大きい順に、第一環状部１２ａ、第二環状部１２ｂ及び第三環状部１２ｃを含み、同一平面上に配置されている。連結部１３は、例えば、十字形状に配置されており、第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃとの交点はそれぞれ溶接により通電可能に接続されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波コイルを用いた高周波誘導加熱により放射性廃棄物及びガラス原料を溶融させるガラス溶融炉のスタートアップリングであって、
径の大きさが異なる複数の環状部と、
前記複数の環状部を径方向に連結する連結部と、
を備えることを特徴とするスタートアップリング。

【請求項2】

前記連結部は、前記環状部と同じ素材で前記環状部より太く形成されている、請求項１に記載のガラス溶融炉のスタートアップリング。

【請求項3】

前記連結部は、前記環状部より耐熱温度の高い素材により構成されている、請求項１に記載のガラス溶融炉のスタートアップリング。

【請求項4】

前記複数の環状部は、径方向外側に配置された環状部から順に破断するように同じ素材で異なる太さに形成されている、請求項１に記載のガラス溶融炉のスタートアップリング。

【請求項5】

前記複数の環状部は、径方向外側に配置された環状部から順に破断するように異なる素材により構成されている、請求項１に記載のガラス溶融炉のスタートアップリング。

【請求項6】

前記複数の環状部は、同一平面又は異なる平面に配置されている、請求項１に記載のガラス溶融炉のスタートアップリング。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガラス溶融炉のスタートアップリングに関し、特に、ガラス溶融炉の始動時にガラス原料を溶融させるスタートアップリングに関する。

【背景技術】

【0002】

コールドクルーシブル誘導炉（CCIM：Cold Crucible Induction Melter）は、金属製の容器内に放射性廃棄物とガラス原料を供給し、高周波コイルを用いた高周波誘導加熱により、放射性廃棄物とガラス原料を高温で溶融させ、ガラス固化するガラス溶融炉の一つである（例えば、特許文献１参照）。かかるCCIMは、炉壁を水冷することで炉壁表面温度が低下し、炉壁がガラスの低温層（スカル層）で覆われ、炉壁の腐食速度を低減することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－１４５５４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような高周波誘導加熱を利用したガラス溶融炉では、始動（スタートアップ）時に炉内に投入されたガラス原料を加熱する必要があり、炉内に高周波コイルにより発熱可能なスタートアップリングと呼ばれる治具が配置される。かかるスタートアップリングは、例えば、特許文献１に記載されたようなチタン環であり、発熱反応及び酸化反応により焼損し、最終的には炉内で消失するように構成されている。

【0005】

しかしながら、始動時の途中でスタートアップリングが破断すると、スタートアップリングに電流が流れなくなり、電源の負荷インピーダンスが急激に変動してインターロックが作動し、電源が遮断されてしまうという問題がある。この電源遮断時には電源の再起動が必要となり、ガラス原料の溶融が不十分な場合には新しいスタートアップリングを炉内に再配置する作業が発生することとなる。

【0006】

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、始動時における電源のインターロックを回避することができる、ガラス溶融炉のスタートアップリングを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、高周波コイルを用いた高周波誘導加熱により放射性廃棄物及びガラス原料を溶融させるガラス溶融炉のスタートアップリングであって、径の大きさが異なる複数の環状部と、前記複数の環状部を径方向に連結する連結部と、を備えることを特徴とするスタートアップリングが提供される。

【0008】

前記連結部は、前記環状部と同じ素材で前記環状部より太く形成されていてもよい。

【0009】

前記連結部は、前記環状部より耐熱温度の高い素材により構成されていてもよい。

【0010】

前記複数の環状部は、径方向外側に配置された環状部から順に破断するように同じ素材で異なる太さに形成されていてもよい。

【0011】

前記複数の環状部は、径方向外側に配置された環状部から順に破断するように異なる素材により構成されていてもよい。

【0012】

前記複数の環状部は、同一平面又は異なる平面に配置されていてもよい。

【発明の効果】

【0013】

上述した本発明に係るガラス溶融炉のスタートアップリングは、複数の環状部とこれらを連結する連結部とを備えていることから、高周波誘導加熱による焼損により外側の環状部が破断したとしても内側の環状部及び連結部を介して通電可能であり、電源の負荷インピーダンスの急激な変動を抑制し、始動時における電源のインターロックを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態に係るスタートアップリングを使用したガラス溶融炉を示す断面図である。

【図2】従来のスタートアップリングの破断履歴を示す平面図である。

【図3】図１に示したスタートアップリングの破断履歴の一例を示す平面図である。

【図4】図１に示したスタートアップリングの破断履歴の異なる一例を示す平面図である。

【図5】スタートアップリングの変形例を示す図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、（ｄ）は第四変形例、を示している。

【図6】スタートアップリングの変形例を示す図であり、（ａ）は第五変形例、（ｂ）は第六変形例、（ｃ）は第七変形例、（ｄ）は第八変形例、を示している。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図１～図６（ｄ）を用いて説明する。ここで、図１は、一実施形態に係るスタートアップリングを使用したガラス溶融炉を示す断面図である。図２は、従来のスタートアップリングの破断履歴を示す平面図である。図３は、図１に示したスタートアップリングの破断履歴の一例を示す平面図である。

【0016】

図１に示したガラス溶融炉１は、いわゆるコールドクルーシブル誘導炉（CCIM：Cold Crucible Induction Melter）である。ガラス溶融炉１は、例えば、金属製の容器を形成する炉壁２と、炉内に放射性廃棄物及びガラス原料を供給する供給ノズル３と、炉内に酸素を供給する酸素インジェクタ４と、炉内のガスを排気する排気ノズル５と、炉壁２の外周に沿って配置された高周波コイル６と、溶融ガラス層をバブリングするバブラー７と、溶融ガラスを炉外に排出する流下ノズル８と、を備えている。

【0017】

かかるガラス溶融炉１は、高周波コイル６を用いた高周波誘導加熱により、炉内に供給された放射性廃棄物及びガラス原料を高温で溶融させ、ガラス固化するガラス溶融炉の一つである。ガラス溶融炉１の炉壁２内には水冷ジャケットが埋設されており水冷可能に構成されている。したがって、炉壁２の表面温度を低下させることができ、炉壁２をガラスの低温層（スカル層）で覆うことができ、炉壁２の腐食速度を低減することができる。

【0018】

なお、ガラス溶融炉１は、図示した構成に限定されるものではなく、高周波コイル６を用いた高周波誘導加熱により、炉内に供給された放射性廃棄物及びガラス原料を高温で溶融させ、ガラス固化するガラス溶融炉であればよい。

【0019】

ガラス溶融炉１の始動（スタートアップ）時には、炉内にガラス原料（例えば、ガラスビーズ）を投入してガラス原料層９を形成し、その上部にスタートアップリング１０が配置される。スタートアップリング１０はガラス原料層９の内部に配置されていてもよい。

【0020】

例えば、図２に示したように、従来のスタートアップリング１１は、チタン製の単環部品である。かかるスタートアップリング１１は、高周波コイル６の通電により発生した交番磁束と鎖交するようにガラス原料層９に配置される。

【0021】

スタートアップリング１１は、鎖交した交番磁束により、図２の上段に点線の矢印で示したように、電流が流れてジュール熱により発熱する。このスタートアップリング１１によりガラス原料層９が加熱されて溶融し、導電性を帯び、自身で発熱可能な状態となる。スタートアップリング１１は、自身の発熱反応と酸化反応により焼損し、最終的に消失するように構成されている。

【0022】

ところで、スタートアップリング１１の使用中に、図２の下段に示したように環状部の一部に破断部ｘが生じることがある。スタートアップリング１１が破断すると、スタートアップリング１１に電流が流れなくなり、電源の負荷インピーダンスが急激に変動してインターロックが作動し、電源が遮断されることとなる。電源遮断時には電源の再起動が必要となり、ガラス原料層９の溶融が不十分な場合には新しいスタートアップリング１１を炉内に再配置する作業も発生する。

【0023】

本実施形態に係るスタートアップリング１０は、例えば、図３に示したように、径の大きさが異なる複数の環状部１２と、複数の環状部１２を径方向に連結する連結部１３と、を備えている。

【0024】

環状部１２は、例えば、図示したように、径の大きい順に、第一環状部１２ａ、第二環状部１２ｂ及び第三環状部１２ｃを含み、同一平面上に配置されている。第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃは同じ素材（例えば、チタン合金等）により構成されている。

【0025】

連結部１３は、例えば、十字形状に配置されており、第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃとの交点はそれぞれ溶接により通電可能に接続されている。連結部１３は、第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃと同じ素材で第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃより太く構成されている。したがって、連結部１３は環状部１２よりも耐熱性が高く、連結部１３よりも先に環状部１２を破断させることができる。

【0026】

かかるスタートアップリング１０をガラス原料層９の上部に配置し、高周波コイル６を通電すると、図３の上段に点線の矢印で示したように、最も外側の環状部１２である第一環状部１２ａに電流が流れる。

【0027】

その後、第一環状部１２ａに破断部ｘが生じた場合には、図３の中段に点線の矢印で示したように、スタートアップリング１０には破断部ｘを迂回して第一環状部１２ａ・第二環状部１２ｂ・連結部１３により構成される最も外側の経路を通過する電流回路が形成される。したがって、スタートアップリング１０に鎖交する磁束の通過面積の変化を小さくすることができ、電源のインターロックの作動を回避することができる。

【0028】

さらに、第二環状部１２ｂに破断部ｘが生じた場合であっても、図３の下段に点線の矢印で示したように、第一環状部１２ａ・第三環状部１２ｃ・連結部１３により構成される電流回路が形成され、電源のインターロックの作動を回避することができる。

【0029】

なお、図示した破断部ｘの発生箇所は一例であり、破断部ｘの発生箇所に応じて、最も外側の経路を通過するように、異なる電流回路が形成される。

【0030】

ここで、図４は、図１に示したスタートアップリングの破断履歴の異なる一例を示す平面図である。左上段の初期状態から第一環状部１２ａに破断部ｘが生じると、左下段に示したように、第一環状部１２ａ・第二環状部１２ｂ・連結部１３による電流回路が形成される。

【0031】

その後、右上段に示したように、第一環状部１２ａに二つ目の破断部ｘが生じると、二つの破断部ｘを回避した最も外側の経路を通過する電流回路（第一環状部１２ａ・第二環状部１２ｂ・連結部１３）が形成される。

【0032】

続いて、右中段に示したように、第一環状部１２ａに三つ目の破断部ｘが生じると、三つの破断部ｘを回避した最も外側の経路を通過する電流回路（第一環状部１２ａ・第二環状部１２ｂ・連結部１３）が形成される。

【0033】

さらに、右下段に示したように、第一環状部１２ａに四つ目の破断部ｘが生じると、四つの破断部ｘを回避した最も外側の経路を通過する電流回路（第一環状部１２ａ・第二環状部１２ｂ・連結部１３）が形成される。

【0034】

次に、スタートアップリング１０の変形例について、図５（ａ）～図６（ｄ）を参照しつつ説明する。ここで、図５は、スタートアップリングの変形例を示す図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、（ｄ）は第四変形例、を示している。図６は、スタートアップリングの変形例を示す図であり、（ａ）は第五変形例、（ｂ）は第六変形例、（ｃ）は第七変形例、（ｄ）は第八変形例、を示している。

【0035】

図５（ａ）に示した第一変形例は、連結部１３の本数を減らして、図３に示した第一実施形態に係るスタートアップリング１０のメッシュ（分割された領域）を大きくしたものである。具体的には、連結部１３をＩ字形状に形成したものである。

【0036】

図５（ｂ）に示した第二変形例は、連結部１３の本数を増やして、図３に示した第一実施形態に係るスタートアップリング１０のメッシュ（分割された領域）を小さくしたものである。具体的には、連結部１３を放射状に八本配置したものである。第一変形例及び第二変形例のように、連結部１３は必要に応じて任意の本数に設定することができる。

【0037】

図５（ｃ）に示した第三変形例は、環状部１２の個数を増やして、図３に示した第一実施形態に係るスタートアップリング１０のメッシュ（分割された領域）を小さくしたものである。具体的には、第三環状部１２ｃの内側に第四環状部１２ｄを配置したものである。なお、環状部１２の個数は３～４個に限定されるものではなく、必要に応じて任意の個数に設定することができる。

【0038】

図５（ｄ）に示した第四変形例は、図３に示した第一実施形態に係るスタートアップリング１０の連結部１３の交差部を省略したものである。第四変形例では、第三環状部１２ｃが破断した場合にはスタートアップリング１０に電流が流れなくなるが、第三環状部１２ｃに電流回路が形成されている段階で、ガラス原料層９は導電性を有する程度まで溶融ガラス層に遷移しているものと推測され、電源のインターロックの作動を抑制することができる。

【0039】

図６（ａ）に示した第五変形例は、連結部１３を環状部１２より耐熱温度の高い素材により構成したものである。なお、説明の便宜上、図では耐熱温度の高低をグレースケールの濃淡で表示している。かかる構成によっても連結部１３よりも先に環状部１２を破断させることができる。

【0040】

図６（ｂ）に示した第六変形例は、環状部１２を径方向外側に配置された第一環状部１２ａから順に破断するように同じ素材で異なる太さに形成したものである。具体的には、第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃは同じ素材により構成され、第二環状部１２ｂは第一環状部１２ａより太く形成され、第三環状部１２ｃは第二環状部１２ｂよりも太く形成されている。また、連結部１３は第二環状部１２ｂよりも太く形成されている。

【0041】

図６（ｃ）に示した第七変形例は、環状部１２を径方向外側に配置された第一環状部１２ａから順に破断するように異なる素材で構成したものである。具体的には、第二環状部１２ｂは第一環状部１２ａより耐熱温度が高い素材により構成され、第三環状部１２ｃは第二環状部１２ｂより耐熱温度が高い素材により構成されている。なお、説明の便宜上、図では耐熱温度の高低をグレースケールの濃淡で表示している。

【0042】

図６（ｄ）に示した第八変形例は、スタートアップリング１０を三次元形状に構成したものである。具体的には、第一環状部１２ａ～第三環状部１２ｃは異なる平面に配置されており、互いに連結部１３により接続されている。なお、第八変形例ではスタートアップリング１０の外形を円錐台形状に形成しているが、円錐形状に形成してもよい。

【0043】

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0044】

１ ガラス溶融炉
２ 炉壁
３ 供給ノズル
４ 酸素インジェクタ
５ 排気ノズル
６ 高周波コイル
７ バブラー
８ 流下ノズル
９ ガラス原料層
１０ スタートアップリング
１１ 従来のスタートアップリング
１２ 環状部
１２ａ 第一環状部
１２ｂ 第二環状部
１２ｃ 第三環状部
１２ｄ 第四環状部
１３ 連結部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】