特許 7525188 坩堝炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】坩堝炉

(51)【国際特許分類】

   F27B 14/06 20060101AFI20240723BHJP

   F27B 14/08 20060101ALI20240723BHJP

   F27D 11/02 20060101ALI20240723BHJP

【ＦＩ】

F27B14/06

F27B14/08

F27D11/02 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023006630

(22)【出願日】2023-01-19

【審査請求日】2023-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】592134871

【氏名又は名称】日本坩堝株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安藤 公一

(72)【発明者】

【氏名】城野 貴洋

(72)【発明者】

【氏名】大田 峰彦

【審査官】國方 康伸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－００８２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２２１６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３８３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０２４４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０４７２３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｂ １１／００－１５／２０

Ｆ２７Ｄ ７／００－１５／０２

Ｈ０５Ｂ ３／０２－ ３／１８

Ｈ０５Ｂ ３／４０－ ３／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

通電により発熱する坩堝と、
前記坩堝を支持し、前記坩堝に電気的に接続された坩堝台と、
前記坩堝の外側面を被覆する断熱材と、
前記坩堝の上部に電気的に接続された上部電極部と、
前記坩堝台に電気的に接続された下部電極部と、
前記坩堝台と前記下部電極部との接続部分を冷却する下部冷却部と、
を備え、
前記下部冷却部は、前記断熱材が前記接続部分を覆っていない部分を含む、
坩堝炉。

【請求項2】

前記断熱材を収容する枠体を更に備え、
前記枠体は、前記断熱材を下から支える底板を有し、
前記底板は、前記接続部分よりも上方に位置している、
請求項１に記載の坩堝炉。

【請求項3】

前記枠体は、前記断熱材の外周部を囲む外側板を有し、
前記下部冷却部は、
前記外側板に形成された空気取り込み口と、
前記底板の下方の空間で構成され、前記空気取り込み口に通じ、かつ前記接続部分が配置された空気流路と、
を有する、
請求項２に記載の坩堝炉。

【請求項4】

通電により発熱する坩堝と、
前記坩堝を支持し、前記坩堝に電気的に接続された坩堝台と、
前記坩堝の外側面を被覆する断熱材と、
前記坩堝の上部に電気的に接続された上部電極部と、
前記坩堝台に電気的に接続された下部電極部と、
前記坩堝台と前記下部電極部との接続部分を冷却する下部冷却部と、
を備え、
前記下部冷却部は、
前記下部電極部と前記坩堝台との接続部分に設けられた流体流路と、
前記流体流路に気体を送る送風装置と、
を有する、
坩堝炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、坩堝炉に関し、より詳細には、通電により発熱する坩堝を有する坩堝炉に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、従来の坩堝炉が記載されている。特許文献１記載の坩堝炉は、通電により発熱する坩堝と、坩堝を支持する坩堝台と、坩堝台に電気接続された電極（下部電極）と、坩堝の上部に電気接続された電極（上部電極）と、を備える。坩堝は、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することで発熱し、これにより、坩堝内の金属を溶融したり、溶融した金属を保持したりすることができる。

【0003】

温度低下を抑制するために、坩堝は断熱材によって被覆されている。具体的には、断熱材は、坩堝、坩堝台及び下部電極をまとめて覆っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】意匠登録第１６６０７３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記特許文献１記載の坩堝炉では、断熱材によって坩堝、坩堝台及び下部電極がまとめて覆われているため、坩堝の熱によって坩堝台と下部電極との接続部分が高温になる可能性がある。坩堝台と下部電極との接続部分が高温になると、下部電極における坩堝台との接点部分が変形したり、劣化したりすることがあり、この場合、通電不良が生じる可能性がある。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、坩堝台に対する下部電極部の接点部分の変形を抑制することができる坩堝炉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】

本発明に係る一態様の坩堝炉は、通電により発熱する坩堝と、前記坩堝を支持し、前記坩堝に電気的に接続された坩堝台と、前記坩堝の外側面を被覆する断熱材と、前記坩堝の上部に電気的に接続された上部電極部と、前記坩堝台に電気的に接続された下部電極部と、前記坩堝台と前記下部電極部との接続部分を冷却する下部冷却部と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る上記態様の坩堝炉は、坩堝の熱によって起こり得る坩堝台に対する下部電極部の接点部分の温度上昇を効果的に抑制することができ、下部電極部の変形を抑制することができる、という利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る坩堝炉の鉛直面での断面図である。

【図2】図２は、同上の坩堝炉の分解斜視図である。

【図3】図３は、図１におけるＡ部分拡大図である。

【図4】図４は、同上の坩堝炉における上部電極部の周辺の拡大斜視図である。

【図5】図５は、変形例に係る坩堝炉における上部冷却部の変形例を示す平面図である。

【図6】図６は、実施形態に係る坩堝炉において、流体流路及び第１の電極を下方から見た底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜実施形態＞
（１）全体
以下、本実施形態に係る坩堝炉１について、添付図面を参照して説明する。坩堝炉１は、金属を溶融させると共に、溶融した金属（以下、「溶融金属」という場合がある）を保持する炉である。本実施形態に係る坩堝炉１は、坩堝２に対して電圧を印加することにより、坩堝２を発熱させ、これによって、金属を溶解・保持する電気炉である。坩堝炉１によって溶融される金属としては、特に制限はなく、例えばアルミニウム、銅、銅合金、亜鉛等が挙げられる。坩堝炉１は、図１に示すように、坩堝２と、坩堝台３と、枠体４と、電極部５と、断熱材６と、冷却部７と、を備える。

【0011】

以下では、説明の便宜上、水平面をなす設置面Ｇ１上に置かれた状態の坩堝炉１に基づいて説明する。また、水平面に直交する方向を「上下方向」として定義する。ただし、これら方向の定義は、本発明に係る坩堝炉１の使用態様を特定するものではない。

【0012】

（２）坩堝
坩堝２は、アルミニウム等の金属を収容し得る容器である。坩堝２は、導電性材料で構成されており、通電により発熱する。坩堝２を構成する導電性材料としては、特に制限されず、例えばカーボン（黒鉛、カーボンブラック等）、炭化珪素、ムライト等が挙げられ、また、これらを含む混合材料が挙げられるが、坩堝２は、黒鉛及び炭化珪素を主成分とした黒鉛炭化珪素質の坩堝を用いることが好ましい。

【0013】

坩堝２の電気比抵抗値としては、特に制限されないが、例えば５×１０^－３［Ω・ｃｍ］以上１０００×１０^－３［Ω・ｃｍ］以下、好ましくは１０×１０^－３［Ω・ｃｍ］以上５００×１０^－３［Ω・ｃｍ］以下、より好ましくは１００×１０^－３［Ω・ｃｍ］以上３００×１０^－３［Ω・ｃｍ］以下、さらに好ましくは１５０×１０^－３［Ω・ｃｍ］以上２５０×１０^－３［Ω・ｃｍ］以下、最も好ましくは２００×１０^－３［Ω・ｃｍ］前後に設定される。

【0014】

坩堝２の大きさとしては、特に制限されないが、例えば１００ｋｇ以上６００ｋｇ以下のアルミニウムを収容できる容量を有する大きさに坩堝２が形成されることが好ましい。

【0015】

坩堝２の厚みとしては、特に制限されず、坩堝２の大きさに応じて適宜設定されるが、例えば５ｍｍ以上１００ｍｍ以下に設定される。

【0016】

坩堝２は、上下方向で厚みが均一及び材質が同じであってもよいし、上下方向で厚みや材質が変わっていてもよい。例えば、坩堝２は、つば部２２側の上側部分の厚みや材質を坩堝本体２１の底側の下側部分の厚みや材質と変えることで（厚みであれば上側部分の厚みを下側部分の厚みよりも大きくすることで）、上側部分の電気比抵抗を下側部分の電気比抵抗よりも小さくし、上側部分を通電により発熱しにくくしてもよい。この場合、坩堝２の下側部分（坩堝２に収容されるアルミニウム等の金属が主に接する部分）の電気比抵抗が上述した数値範囲に設定される。坩堝２の上側部分の高さは、特に制限されないが、例えば坩堝２全体の高さに対する比で０．０５以上０．３以下であることが好ましい。

【0017】

坩堝２は、図１に示すように、坩堝本体２１と、つば部２２と、を備える。坩堝本体２１とつば部２２とは一体に成形されている。

【0018】

坩堝本体２１は、坩堝２の主体を構成する部分である。坩堝本体２１は、上面に開口面を有する容器状に形成されている。また、坩堝本体２１は、平面視略円形状に形成されている。坩堝本体２１の内面は、下方向に進むに従って小径となるように、すり鉢状に形成されている。ただし、本発明では、坩堝本体２１の形状には特に制限はなく、例えば、テーパ状、円筒状、角筒状等であってもよい。

【0019】

つば部２２は、坩堝本体２１の上端部を補強する。つば部２２は、坩堝本体２１の上端部において、外側方に突き出ている。つば部２２は、坩堝本体２１の上端部の開口周縁に沿った全長にわたって形成されている。ここでいう「外側方」とは、坩堝本体２１の径方向において、坩堝本体２１の周壁に対して、外側（中央とは反対側）のほうを意味する。

【0020】

つば部２２は、先端部２２１と、基端部２２２とを備える。基端部２２２は、坩堝本体２１に接続された部分であり、坩堝２の径方向の外側に進むに従って厚さ寸法が薄くなるように形成されている。先端部２２１は、基端部２２２の径方向の外側の端部に設けられた部分である。先端部２２１は、径方向に沿って同一の厚さ寸法に形成されている。ただし、本発明に係るつば部２２では、基端部２２２と先端部２２１とが同一の厚さ寸法で形成されてもよい（先端部２２１と基端部２２２とが明確な境界がなく、つながっていてもよい）。つば部２２は、下面のうちの基端部２２２に対応する部分が水平面に対して傾斜しているが、上面は全面にわたって平面状に形成されている。

【0021】

坩堝本体２１につば部２２が設けられると、坩堝本体２１の上端部の強度が高くなる反面、つば部２２によって坩堝２の表面積が増大し、放熱量が増える。この結果、坩堝２内の溶融金属の温度が低下し得る。そこで、坩堝２内の溶融金属の温度の低下を防ぐために、つば部２２に対して、断熱体（図示せず）で覆うことが好ましい。断熱体としては、特に制限はなく、例えば、ブランケット、シリカボード、エアロゲル、被覆断熱材等が挙げられる。

【0022】

（３）坩堝台
坩堝台３は、坩堝２を支持する。坩堝台３は、図２に示すように、直方体状に形成されているが、例えば、円柱状、多角柱状、円錐台状等、種々の形状を採り得る。坩堝台３は、耐熱性を有する材料で形成されている。坩堝台３の材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、炭化珪素（ＳｉＣ）、黒鉛含有材料等が挙げられる。

【0023】

坩堝台３は、図３に示すように、載置面３１と、電極接続部３２と、を有する。載置面３１は、坩堝２が載る面であり、坩堝台３の上面に形成されている。載置面３１は、坩堝２に対して、直接的に電気接続されるように構成されている。載置面３１は、本実施形態では、平面であるが、本発明では形状に特に制限はなく、坩堝２の底面に沿うように球面状に湾曲してもよいし、複数の凸部の突出面で構成されてもよいし、坩堝２の底面を凸状にし、凸状の底面に合わせて凹状に形成されてもよい。

【0024】

本明細書でいう「直接的」に電気接続されるとは、一方の接点と他方の接点とが直接接触することのほか、一方の接点と他方の接点とを、間に導電性グリスや導電性パッキン、導電性シート等の導通部材を介在させた状態で、電気的に接続することも含むが、他の部品等の電気抵抗となり得る部材を介在させることは含まない。また、一方の接点と他方の接点とが電気的に接続されることを「電気接続」という場合がある。

【0025】

電極接続部３２は、坩堝台３において、電極部５のうちの下部電極部５５が電気的に接続される部分である。本実施形態に係る電極接続部３２は、坩堝台３の下面である。ただし、本発明に係る電極接続部３２は、坩堝台３の側面であってもよいし、坩堝台３の側面や底面に形成された、下部電極部５５を差し込むような穴で構成されてもよい。また、坩堝台３から突き出すようにして突片を形成し、当該突片を電極接続部３２としてもよいし、下部電極部５５を接続可能なコネクタで構成されてもよい。

【0026】

（４）電極部
電極部５は、坩堝２に対して、電源装置から供給された電流を通す部品である。本実施形態に係る坩堝炉１は、図１に示すように、電極部５として、上述の下部電極部５５と、複数の上部電極部５１と、を備える。

【0027】

（４．１）下部電極部
下部電極部５５は、坩堝２の下部に対し、電気的に接続された電極部５である。下部電極部５５は、本実施形態では、坩堝台３の電極接続部３２に対して、直接的に接続されており、坩堝台３を介して、坩堝２の下部に電気接続されている。本実施形態では、下部電極部５５は、坩堝２の底面に対して、電流を印加するが、本発明では、底面からずれた位置（例えば、裾部）に対して電流を印加してもよい。

【0028】

下部電極部５５は、図３に示すように、水平面に沿って延びる第１の電極５５１と、第１の電極５５１から立ち上げられた第２の電極５５２と、を備える。第１の電極５５１は、電極接続部３２に対して直接的に電気接続される接点を有する電極である。第１の電極５５１は、一方向に直線状に延びた長手方向を有するブスバーで構成されている。第１の電極５５１は、電極接続部３２に接続される第一接点５５１１と、第２の電極５５２に接続される第二接点５５１２と、を有する。第１の電極５５１は、水平面に沿って配置されており、第一接点５５１１を有する端部が坩堝２の下方に配置され、かつ他方の端部（第二接点５５１２）が枠体４から突き出ている。

【0029】

第２の電極５５２は、第１の電極５５１の第二接点５５１２に接続されている。第２の電極５５２は、上下方向に沿って延びたブスバーで構成されている。第２の電極５５２の上端部は、図示しない電極に接続される。なお、第２の電極５５２の形状は、坩堝炉１の環境に応じて適宜変更される。例えば、第１の電極５５１に対して平行に延びてもよいし、水平面に対して傾斜してもよい。また、第１の電極５５１及び第２の電極５５２は、ブスバーで構成されていなくてもよく、例えば、ワイヤハーネスで構成されてもよい。

【0030】

（４．２）上部電極部
上部電極部５１は、図１に示すように、坩堝２における下部電極部５５に接続された部分よりも上方の部分に対し、電気的に接続された電極部５である。上部電極部５１の接続部分としては、溶融金属の液面以上の位置であればよく、ここでは、つば部２２に対して接続されている。各上部電極部５１は、図４に示すように、接続具本体５２と、押さえ部５３と、複数の弾性体５４と、を備える。

【0031】

接続具本体５２は、上部電極部５１の主体を構成する部品である。接続具本体５２は、断面略Ｃ字状に形成された嵌め込み部５２１と、電気ケーブルが電気接続される端子部５２５と、を備える。嵌め込み部５２１と端子部５２５とは一体に形成されている。

【0032】

嵌め込み部５２１は、つば部２２の上面に対向する上板部５２２と、つば部２２の先端部２２１の下面に対向する下板部５２３と、上板部５２２と下板部５２３とをつなぐ縦板部５２４と、を備える。端子部５２５は、本実施形態では、上板部５２２に一体につながっているが、上板部５２２、下板部５２３及び縦板部５２４の少なくとも一つにつながっていればよい。

【0033】

上板部５２２は、つば部２２の上面に対して直接的に接続される。ここでは、上板部５２２は、つば部２２の上面に対して、導電性パッキンＰ１を介して接続されている。導電性パッキンＰ１としては、例えば、カーボンパッキン、耐火ゴムパッキン、難燃性シリコーンゴムパッキン、各種金属パッキン等が挙げられる。

【0034】

下板部５２３は、つば部２２の先端部２２１の下面との間に隙間をおいて位置している。下板部５２３は、縦板部５２４によって、上板部５２２に対して固定されている。下板部５２３には、上下方向に移動可能な押さえ部５３が取り付けられている。

【0035】

押さえ部５３は、つば部２２の先端部２２１の下面に対して直接的に押し当たる部分を有する。押さえ部５３は、上下方向に延びた一対のガイドを有している。各ガイドには弾性体５４（ここでは、ねじりコイルばね）が取り付けられており、弾性体５４によって、押さえ部５３は、つば部２２に対して常時押し当てられる。

【0036】

各上部電極部５１は、平面視において、つば部２２に対して部分的に取り付けられる。複数（ここでは三つ）の上部電極部５１は、図２に示すように、中心とつば部２２とを結ぶ直線同士のなす角度（中心角）が均等となるように割り当てられる（ここでは、中心角が１２０°）。

【0037】

ここで、上述した通り、つば部２２による放熱を防ぐために、つば部２２は断熱体によって被覆されている。断熱体によって被覆されることで、つば部２２は高温になるため、つば部２２に接触する導電性パッキンＰ１が酸化によって劣化してしまう可能性がある。なお、導電性パッキンＰ１が劣化すると、つば部２２と上部電極部５１との間にアーク放電が生じて、周辺部が溶ける等の不具合が生じ得る。

【0038】

そこで、つば部２２の温度を保ちつつ、導電性パッキンＰ１の劣化を抑制するために、本実施形態に係る坩堝炉１では、図４に示すように、上部冷却部７２を備える。上部冷却部７２は、導電性パッキンＰ１に接触する上部電極部５１を冷却することによって、導電性パッキンＰ１が高温になるのを抑制することができるが、上板部５２２はつば部２２に非接触であるため、つば部２２の温度低下を抑制できる。すなわち、つば部２２を高温に保ちつつも、導電性パッキンＰ１が高温になるのを抑制することができる。上部冷却部７２の詳細については、「（７．２）上部冷却部」で詳述する。

【0039】

（５）枠体
枠体４は、図１に示すように、坩堝２と、断熱材６と、を収容する枠である。枠体４は、本実施形態では、金属板により構成されたケースで構成されている。ただし、枠体４としては、金属板に限らず、例えば、金属骨組み、ＰＣ（Precast Concrete）、セラミックス等で構成されてもよい。枠体４は、図２に示すように、内枠材４１と、外枠材４２と、を備える。

【0040】

（５．１）内枠材
内枠材４１は、内部に坩堝２を収容し、かつ坩堝２との間に断熱材６（以下「内側断熱材６１」という場合がある）を充填する。内枠材４１は、側壁板４１１と底板４１２とを有する有底筒状に形成されている。側壁板４１１は、図１に示すように、上下方向に延びており、外枠材４２の下板４２２上に敷かれた断熱材６（以下、「下側断熱材６３」という）の上面から、つば部２２まで延びている。ここでいう「つば部２２まで延びる」とは、側壁板４１１の上端が、上下方向において、つば部２２の下端から上端までの範囲のいずれかに位置することを意味する。ただし、側壁板４１１の上端は、坩堝２の上端よりも上方に位置していてもよいし、溶融金属の液面高さ以上であれば、つば部２２の下端よりも下方に位置していてもよい。

【0041】

底板４１２は、内側断熱材６１を下から支える。底板４１２は、水平面に沿っている。底板４１２は、側壁板４１１の下端よりも上方に位置しており、側壁板４１１の下端を通る仮想平面（ここでは、下側断熱材６３の上面）との間に隙間が形成される。つまり、内枠材４１は、いわゆる上げ底状に形成されている。

【0042】

底板４１２には、図２に示すように、坩堝台３を通す開口部４１３が形成されている。開口部４１３に坩堝台３が通された状態で、図３に示すように、底板４１２は、電極接続部３２よりも上方に位置している。ここでは、底板４１２は、坩堝台３の上下方向の中央よりも上方に位置している。これによって、内側断熱材６１を電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分よりも上方に位置させることができ、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分が、断熱材６によって被覆されないように構成されている。なお、本実施形態では、底板４１２は、坩堝台３の上面よりも下方に位置している。

【0043】

底板４１２における開口部４１３の周囲には、リブ４１４が設けられている。リブ４１４は、平面視において、開口部４１３を囲む。リブ４１４によって、内側断熱材６１を下から支える底板４１２が補強されている。なお、リブ４１４は、底板４１２の厚さ寸法や内側断熱材６１の重量に応じて、適宜設けられていればよく、本発明では、リブ４１４はなくてもよい。

【0044】

（５．２）外枠材
外枠材４２は、坩堝炉１の外殻を構成する部材である。外枠材４２は、内部に内枠材４１を収容し、かつ内枠材４１との間に断熱材６（以下「外側断熱材６２」という場合がある）を充填する。外枠材４２は、外側板４２１と下板４２２とを有する有底筒状に形成されている。

【0045】

外側板４２１は、図１に示すように、上下方向に延びており、坩堝炉１の設置面Ｇ１から、坩堝２の上端を超える位置まで延びている。外側板４２１は、内枠材４１の側壁板４１１に対して離れている。外側板４２１は、上述したように、内枠材４１との間に外側断熱材６２を充填するように構成されているが、全ての断熱材６（外側断熱材６２、内側断熱材６１及び下側断熱材６３）を囲むように構成されている。

【0046】

下板４２２は、坩堝２、坩堝台３及び全ての断熱材６を下から支えている。下板４２２は、水平面に沿っており、下板４２２の上面には、下側断熱材６３が敷かれている。底板４１２は、側壁板４１１の下端よりも上方に位置しており、設置面Ｇ１との間に隙間が形成される。つまり、外枠材４２は、いわゆる上げ底状に形成されている。なお、本実施形態では、下板４２２と設置面Ｇ１との間に隙間が介在しているが、下板４２２が設置面Ｇ１に載っていてもよい。つまり、外枠材４２は上げ底状でなくてもよい。

【0047】

なお、外枠材４２には、坩堝２の開口に対応して上開口が形成された上部材４２３で坩堝２を覆っている。この上開口は、図２に示すような蓋部材４３で開閉可能に閉じられる。

【0048】

（６）断熱材
断熱材６は、図１に示すように、坩堝２の外側面を被覆する。本実施形態に係る坩堝炉１は、上述したように、断熱材６として、内側断熱材６１と、外側断熱材６２と、下側断熱材６３と、を備える。

【0049】

内側断熱材６１は、坩堝２と内枠材４１との間に配置される断熱材である。内側断熱材６１は、坩堝２のすぐ側方を被覆する。本実施形態に係る内側断熱材６１には、耐火性を有する耐火断熱材が用いられる。内側断熱材６１は、粉状に形成されており、坩堝２と内枠材４１と坩堝台３とで囲まれた空間に、隙間なく充填される。内側断熱材６１の材料としては、例えば、セラミックス、石英、アルミナ、マイクロシリカ（登録商標）、セラミック繊維等が挙げられる。セラミックスとしては、例えば、シリカ、マグネシア、カルシア等が挙げられる。

【0050】

外側断熱材６２は、外枠材４２と内枠材４１との間に配置される断熱材である。外側断熱材６２は、坩堝２の側方（ここでは、内側断熱材６１の外側）を被覆する。外側断熱材６２は、板状に形成されており、外枠材４２の外側板４２１の内面又は／及び内枠材４１の側壁板４１１に対して、固定されている。外側断熱材６２の材料としては、例えば、例えば、セラミックス、金属、白色磁器、白金、石英、アルミナ、樹脂発泡体、マイクロシリカ、シリカエロゲル、セラミック繊維、シリカボード等が挙げられる。

【0051】

下側断熱材６３は、外枠材４２の下板４２２上において、下板４２２に沿って配置される断熱材である。下側断熱材６３は、坩堝２の下方を被覆する。下側断熱材６３は、外側断熱材６２と同様、板状に形成されており、外側断熱材６２と同様の材料が用いられる。

【0052】

このように、本実施形態に係る坩堝炉１では、断熱材６によって、坩堝２の側方及び下方を被覆しているため、坩堝２の温度が低下しにくい構造となっている。一方で、電極部５が高温になり、電極部５に変形や劣化が生じると、電極部５の接点に通電不良が生じやすく、アーク放電が生じて周辺部が溶ける等の不具合が生じ得る。そこで、本実施形態に係る坩堝炉１は、電極部５の接点近傍を冷却する冷却部７を備える。

【0053】

（７）冷却部
冷却部７は、電極部５における少なくとも接点近傍を冷却する機能を有する。冷却部７としては、電極部５の接点近傍を冷却することができれば、部品、機構又は構造のいずれであってもよい。冷却部７は、下部冷却部７１（図３）と、上部冷却部７２（図４）と、を備える。

【0054】

（７．１）下部冷却部
下部冷却部７１は、下部電極部５５の接点近傍を冷却することができる機能を有するが、具体的には、図３に示すように、下部電極部５５と電極接続部３２との接続部分を冷却する。下部電極部５５と電極接続部３２との接続部分は、仮に、坩堝２と一緒に断熱材６で被覆されていると、およそ８００℃～９００℃まで上昇する可能性があり、このまま使用を続けると、下部電極部５５が変形する可能性がある。これに対し、本実施形態に係る坩堝炉１は、下部冷却部７１を備えることで、下部電極部５５と電極接続部３２との接続部分を冷却することができ、下部電極部５５の接点近傍の温度上昇を抑制することができる。

【0055】

本実施形態に係る下部冷却部７１は、断熱材６で電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を被覆しないことを実現する構造（非被覆構造）と、空冷によって電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を放熱することを実現する構造（通気構造）と、を備えている。

【0056】

非被覆構造は、内枠材４１の底板４１２が、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分よりも上方に位置することで、当該接続部分を被覆しない構造である。非被覆構造によれば、坩堝台３が温度上昇しても電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分の熱を、底板４１２よりも下方の空間に放熱することができるため、下部電極部５５の接点近傍の温度上昇を抑制することができる。

【0057】

下部冷却部７１は、通気構造として、複数の空気取り込み口７１１と、空気流路７１２と、を備える。空気取り込み口７１１は外側板４２１に形成されており、内枠材４１の底板４１２よりも下方の位置で貫通している。各空気取り込み口７１１は、上下方向に沿った長手方向を有するスリット状に形成されている。ただし、本発明では、空気取り込み口７１１は、スリットに限らず、例えば、丸穴、矩形穴、長穴、外枠材４２を支持する脚のみ残して外周の略全長に連続する開口等で構成されてもよい。

【0058】

空気流路７１２は、空気取り込み口７１１に通じる空間であり、かつ電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分が配置された空間である。空気流路７１２は、内枠材４１の底板４１２よりも下方の空間で構成されている。側壁板４１１における底板４１２よりも下方の位置に複数の貫通穴７１３が形成されており、リブ４１４にも複数の貫通穴７１３が形成されている。空気流路７１２は、空気取り込み口７１１から、これら貫通穴７１３を通過し、電極接続部３２に通じる。

【0059】

空気流路７１２内に、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分が配置されていることにより、空気取り込み口７１１から取り込まれた空気は、空気流路７１２を流れ、空気流路７１２内で電極接続部３２と熱交換を行う。熱交換によって温度上昇した空気は、別の空気取り込み口７１１（この場合、空気排出口ともいう）から外枠材４２の外部に放出される。このとき、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分は、空気との熱交換によって、温度上昇が抑制される。また、下部電極部５５も、空気流路７１２内を通って外枠材４２の外に引き出されるため、温度上昇が抑制される。

【0060】

また、下部冷却部７１は、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を下方から冷却する流体流路７３を有することが好ましい。流体流路７３には、冷却用の流体が通ることで、第１の電極５５１のうちの坩堝台３との接点の領域を直接的に冷却できる。なお、流体流路７３は、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を側方から冷却してもよいし、上方から冷却してもよい。

【0061】

ここで、図６には、流体流路７３及び第１の電極５５１を下方から見た底面図である。図６に示すように、流体流路７３は、ケース７４内に形成されている。流体流路７３は、底面視九十九折り状に形成されている。ケース７４と第１の電極５５１とは、本実施形態では、一体に形成されている。流体流路７３の上方は開口しており、流体流路７３の内部は第１の電極５５１に面している。ケース７４内には、筒状の流入口部７３１と、筒状の流出口部７３２とが設けられている。流入口部７３１は、流体流路７３の入口に通じている。流出口部７３２は流体流路７３の出口に通じている。流入口部７３１と流出口部７３２は、図３に示すように、外枠材４２から突き出ている。

【0062】

下部冷却部７１は、流体流路７３に流体を送る流体移送装置を備えることが好ましい。流体移送装置が送る流体は、気体であってもよいし、液体であってもよい。流体移送装置としては、例えば、ブロワ、ファン、ポンプ等が挙げられる。流体移送装置によって、流入口部７３１から流体が流入すると、第１の電極５５１に対して、直接、流体が接触し、熱交換した上で、熱交換した流体が流出口部７３２から出る。このようにすることで、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を冷却でき、当該接続部分の温度上昇をより抑制できる。

【0063】

このように、本実施形態に係る下部冷却部７１は、非被覆構造と、通気構造との両方で、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を冷却することができるため、当該接続部分の温度上昇を効果的に抑制することができる。しかも、非被覆構造と通気構造に加えて、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を、強制的に流れる流体によって冷却する流体流路７３を有するため、当該接続部分の温度上昇を、より一層抑制できる。本実施形態では、下部電極部５５と電極接続部３２との接続部分の温度を、例えば、５００℃程度に抑えることができる。

【0064】

本実施形態に係る下部冷却部７１では、空気取り込み口７１１からの空気の取り込みは、電極接続部３２の温度上昇等で生じる自然対流によって実現されるが、例えば、ファン、コンプレッサ等の送風装置で強制的に空気を取り込んでもよい。また、空気取り込み口７１１に対して、送風装置からの送風が通るパイプが通され、パイプから直接、空気を電極接続部３２に吹きかけてもよい。

【0065】

（７．２）上部冷却部
上部冷却部７２は、図４に示すように、上部電極部５１を冷却する。本実施形態に係る坩堝炉１では、上述した通り、つば部２２による放熱を防ぐために、つば部２２は断熱体によって被覆されている。このため、つば部２２は６００℃～７００℃程度の高温を帯びるが、つば部２２に接触する導電性パッキンＰ１が酸化によって劣化してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態に係る坩堝炉１は、上部冷却部７２を備えることで、導電性パッキンＰ１に対向する上部電極部５１を冷却する。これにより、導電性パッキンＰ１の温度上昇を抑制することができ、導電性パッキンＰ１の酸化を抑制することができる。

【0066】

本実施形態に係る上部冷却部７２は、図４に示すように、導電性パッキンＰ１を上から押し付ける上板部５２２の上面に接触する冷却パイプ７２１を備える。冷却パイプ７２１には、流体が通るように構成されており、冷却パイプ７２１によって上板部５２２を冷却することができる。冷却パイプ７２１を通る流体としては、液体又は気体のいずれであってもよいが、冷却パイプ７２１が破損した際のリスクを考慮すれば、気体であることが好ましい。ここでは、上部冷却部７２は、上板部５２２を空冷によって冷却するように構成されている。

【0067】

冷却パイプ７２１は、上板部５２２の上面に近接するように配置されているが、近接のうちでも上板部５２２の上面に接触することがより好ましい。冷却パイプ７２１は、上板部５２２との熱交換を十分に行うことができるように、蛇行するように屈曲している。冷却パイプ７２１を通る空気は、例えば、コンプレッサ、ファン等によって送られる。

【0068】

このように、本実施形態に係る上部冷却部７２は、上部電極部５１を冷却することで、導電性パッキンＰ１の温度上昇を抑制することができるため、導電性パッキンＰ１が酸化するのを効果的に抑制することができる。これによって、導電性パッキンＰ１の温度は、上部電極部５１を設けない場合と比較して、例えば、１００℃程度の温度低下を期待できる。

【0069】

なお、上部冷却部７２としては、冷却パイプ７２１に限らず、例えば、放熱フィン、ペルチエ素子による冷却構造等が用いられてもよい。また、上板部５２２に対向するように設けられなくてもよく、下板部５２３と縦板部５２４との少なくとも一方を冷却してもよい。また、上部冷却部７２としては、必ずしも冷却パイプ７２１を設ける必要はなく、上板部５２２に対して、直接、冷却空気を吹き付けてもよい。また、図５に示すように、上部冷却部７２として、冷却パイプ７２１に代えて、九十九折り状の流路７２５を有する箱体７２２を設けてもよい。箱体７２２は、空気流入口７２３と、空気流出口７２４と、空気流入口７２３と空気流出口７２４とをつなぐ流路７２５を有する。流路７２５は、下面に開口面を有しており、当該開口面は上板部５２２に面している。これにより、空気流入口７２３から冷却空気が流入すると、上板部５２２に対し、直接、冷却空気が接触する。このように、上板部５２２に対して直接冷却空気が接触する場合、冷却パイプ７２１を介して冷却するよりも、冷却効率を上げることができる。なお、図５中の符号７２６は、上板部５２２から起立したピンであり、箱体を上板部５２２上に取り付けている。

【0070】

＜変形例＞
上記実施形態は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。以下、実施形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。

【0071】

上記実施形態では、定置式の坩堝炉１であったが、本発明では、電気式の坩堝炉１であれば特に制限はなく、例えば、ピット式の坩堝炉１であってもよいし、可傾式の坩堝炉１であってもよい。

【0072】

上記実施形態では、下部電極部５５は、坩堝台３を介して、坩堝２の下部に電気的に接続されたが、本発明では、坩堝２に対して直接的に接続されてもよい。

【0073】

上記実施形態では、上部電極部５１が三つある例で説明したが、本発明ではこれに限らず、上部電極部５１は二つ、四つ、六つであってもよい。また、坩堝２に対する上部電極部５１の電力供給は、特に制限はなく、例えば、二層交流、三相交流のいずれであってもよい。

【0074】

上記実施形態に係る坩堝炉１は、上部電極部５１を冷却する上部冷却部７２を備えたが、例えば、上部電極部５１を溶融金属の液面から離れた位置に配置すれば、温度上昇を抑制することができるため、上部冷却部７２はなくてもよい。また、上記実施形態に係る坩堝炉１は、下部電極部５５を冷却する下部冷却部７１を備えたが、例えば、下部電極部５５を坩堝２から離せば温度上昇を抑制することができるため、下部冷却部７１はなくてもよい。

【0075】

上記実施形態では、下部冷却部７１として、非被覆構造と、通気構造との両方を備えたが、本発明では、通気構造を備えず、非被覆構造のみで構成されてもよい。また、下部冷却部７１として、非被覆構造を備えず、通気構造のみを設けて、電極接続部３２を空冷してもよい。また、非被覆構造及び／又は通気構造はなくてもよく、流体流路７３のみであってもよい。また、流体流路７３はなくてもよい。また、下部冷却部７１としては、空冷又は水冷に限らず、例えばペルチエ素子を電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分に接触させて冷却する下部冷却部であってもよい。

【0076】

上記実施形態に係る坩堝炉１では、断熱材６として、内側断熱材６１、外側断熱材６２及び下側断熱材６３を備えたが、下側断熱材６３はなくてもよい。また、断熱材６として、内側断熱材６１及び外側断熱材６２の少なくとも一方を備えていればよい。

【0077】

上記実施形態に係る坩堝炉１では、つば部２２を備えたが、本発明では、つば部２２はなくてもよい。この場合、上部電極部５１は、坩堝本体２１の上端縁部に取り付けられてもよい。

【0078】

本明細書にて、「略平行」、又は「略直交」のように「略」を伴った表現が、用いられる場合がある。例えば、「略平行」とは、実質的に「平行」であることを意味し、厳密に「平行」な状態だけでなく、数度程度の誤差を含む意味である。他の「略」を伴った表現についても同様である。

【0079】

また、本明細書において「端部」及び「端」などのように、「…部」の有無で区別した表現が用いられている。例えば、「端」は物体の末の部分を意味するが、「端部」は「端」を含む一定の範囲を持つ域を意味する。端を含む一定の範囲内にある点であれば、いずれも、「端部」であるとする。他の「…部」を伴った表現についても同様である。

【0080】

＜まとめ＞
以上説明したように、第１の態様に係る坩堝炉１は、通電により発熱する坩堝２と、坩堝２を支持し、坩堝２に電気的に接続された坩堝台３と、坩堝２の外側面を被覆する断熱材６と、坩堝２の上部に電気的に接続された上部電極部５１と、坩堝台３に電気的に接続された下部電極部５５と、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分を冷却する下部冷却部７１と、を備える。

【0081】

この態様によれば、坩堝２の温度を保つ構造を採りつつ、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分を冷却することができるため、坩堝２の熱によって起こり得る下部電極部５５の温度上昇を効果的に抑制することができる。この結果、下部電極部５５の接点近傍での変形を抑制することができ、通電不良等の不具合が発生するのを抑制することができる。

【0082】

第２の態様に係る坩堝炉１では、第１の態様において、下部冷却部７１は、断熱材６が電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を覆っていない部分を含む。

【0083】

この態様によれば、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分が、温度上昇するのを抑制することができる。

【0084】

第３の態様に係る坩堝炉１では、第２の態様において、断熱材６を収容する枠体４を更に備え、枠体４は、断熱材６を下から支える底板４１２を有し、底板４１２は、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分よりも上方に位置している。

【0085】

この態様によれば、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分を露出させることができ、当該接続部分が温度上昇するのを効果的に抑制することができる。

【0086】

第４の態様に係る坩堝炉１では、第３の態様において、枠体４は、断熱材６の外周部を囲む外側板４２１を有し、下部冷却部７１は、外側板４２１に形成された空気取り込み口７１１と、底板４１２の下方の空間で構成され、空気取り込み口７１１に通じ、かつ坩堝台３と下部電極部５５との接続部分が配置された空気流路７１２と、を有する。

【0087】

この態様によれば、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を断熱材６で被覆しない非被覆構造と、通気によって電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分の熱を通気により冷却する通気構造との両方で、電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を冷却することができる。

【0088】

第５の態様に係る坩堝炉１では、第１～４のいずれか１つの態様において、下部冷却部７１は、下部電極部５５と坩堝台３との接続部分に設けられた流体流路７３と、流体流路７３に流体を送る流体移送装置と、を有する。

【0089】

この態様によれば、流体移送装置によって送られた流体によって、接続部分を積極的に冷却することができるため、より効果的に電極接続部３２と下部電極部５５との接続部分を冷却することができる。

【0090】

第６の態様に係る坩堝炉１では、第１～５のいずれか１つの態様において、上部電極部５１は、導電性パッキンＰ１を介して、坩堝本体２１の上端部に接続されている。

【0091】

この態様によれば、坩堝本体２１の上端部に対して上部電極部５１による電圧の印加を行うことができる。

【0092】

第７の態様に係る坩堝炉１では、第６の態様において、上部電極部５１を冷却する上部冷却部７２を更に備える。

【0093】

この態様によれば、上部電極部５１を冷却することによって、つば部２２に接触する導電性パッキンＰ１の温度上昇を抑制することができ、導電性パッキンＰ１が酸化するのを抑制することができる。

【0094】

第８の態様に係る坩堝炉１では、第７の態様において、上部冷却部７２は、上部電極部５１を空冷によって冷却するように構成されている。

【0095】

この態様によれば、上部冷却部７２が破損しても、溶融金属に空気以外（水冷の場合例えば水）が接触するリスクを回避することができる。

【符号の説明】

【0096】

１ 坩堝炉
２ 坩堝
２１ 坩堝本体
３ 坩堝台
４ 枠体
４１２ 底板
４２１ 外側板
５１ 上部電極部
５５ 下部電極部
６ 断熱材
７ 冷却部
７１ 下部冷却部
７１１ 空気取り込み口
７１２ 空気流路
７２ 上部冷却部
Ｐ１ 導電性パッキン

【要約】

【課題】坩堝台に対する下部電極部の接点部分の変形を抑制することができる坩堝炉を提供する。
【解決手段】坩堝炉１は、通電により発熱する坩堝２と、坩堝２を支持し、坩堝２に電気的に接続された坩堝台３と、坩堝２の外側面を被覆する断熱材６と、坩堝２の上部に電気的に接続された上部電極部５１と、坩堝台３に電気的に接続された下部電極部５５と、坩堝台３と下部電極部５５との接続部分を冷却する下部冷却部７１と、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】