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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-29
(54)【発明の名称】溶融金属を処理するための回転デバイス
(51)【国際特許分類】
B22D 1/00 20060101AFI20241022BHJP
F27D 7/02 20060101ALI20241022BHJP
B22D 43/00 20060101ALI20241022BHJP
F27D 27/00 20100101ALI20241022BHJP
C22B 9/05 20060101ALI20241022BHJP
C22B 21/06 20060101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
B22D1/00 K
F27D7/02 Z
B22D43/00 Z
F27D27/00
C22B9/05
C22B21/06
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024517389
(86)(22)【出願日】2022-09-20
(85)【翻訳文提出日】2024-05-10
(86)【国際出願番号】 EP2022076133
(87)【国際公開番号】W WO2023046701
(87)【国際公開日】2023-03-30
(31)【優先権主張番号】21197933.1
(32)【優先日】2021-09-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511239074
【氏名又は名称】フォセコ インターナショナル リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｆｏｓｅｃｏ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】１ Ｍｉｄｌａｎｄ Ｗａｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐａｒｋ，Ｂａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ Ｌｉｎｋｓ，Ｄｅｒｂｙｓｈｉｒｅ Ｓ４３ ４ＸＡ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ
(74)【代理人】
【識別番号】110001438
【氏名又は名称】弁理士法人 丸山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ナグ，ナゲンドラ
(72)【発明者】
【氏名】シ，ウェンウ
【テーマコード（参考）】
4K001
4K056
4K063
【Ｆターム（参考）】
4K001AA02
4K001BA23
4K001EA03
4K056EA12
4K056EA14
4K063AA03
4K063BA03
4K063CA06
(57)【要約】
【解決手段】 本発明は、溶融金属を処理するための回転デバイスと、回転デバイスと共に使用するロータとに関する。その回転デバイスは、中空シャフトと、中空シャフトの一端にあるロータとを備えており、ロータは、離間しているルーフ部及びベース部であって、複数の仕切り部によって繋がっているルーフ部及びベース部と、ルーフ部とベース部の間に画定されている中央チャンバであって、複数の仕切り部が中央チャンバの周囲から径方向に延びている、中央チャンバと、隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、中空シャフトを通って中央チャンバに入り、複数の通路の入口を通って複数の通路の出口から出るように画定された流路とを備えている。ベース部は、中央チャンバに流体連通している複数のアパーチャと、隣接する各対のアパーチャの間に画定された径方向ブレードと、中央アパーチャと、ベース部から外向きに突出する複数の径方向ベーンとを備えており、複数の径方向ベーンは、中央アパーチャの周囲に配置されており、複数の径方向ベーンは、ベース部の中心に向かって、中央アパーチャの少なくとも一部にわたって延びている。或いは、ベース部は、中央アパーチャと、ベース部から外向きに突出し、中央アパーチャの周囲に配置された複数の径方向ベーンとを備えており、ベース部は、複数の径方向ベーンの間に配置された複数の切欠きを更に備えており、ベース部の複数の切欠きは、ロータの外周から内向きに延びている。
【選択図】 図２ｃ
【選択図】 図２ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶融金属を処理するための回転デバイスであって、中空シャフトと、前記中空シャフトの一端にあるロータとを備えており、前記ロータは、
ルーフ部及びベース部であって、前記ルーフ部及び前記ベース部は離間しており、複数の仕切り部によって繋がっている、ルーフ部及びベース部と、
前記ルーフ部と前記ベース部の間に画定されている中央チャンバであって、前記複数の仕切り部は前記中央チャンバの周囲から径方向に延びている、中央チャンバと、
隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、前記中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、前記ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、
前記中空シャフトを通って前記中央チャンバに入り、前記複数の通路の入口を通って前記複数の通路の出口から出るように画定された流路と、
を備えており、
前記ベース部は、前記中央チャンバに流体連通している複数のアパーチャと、隣接する各対のアパーチャの間に画定された径方向ブレードとを備えている、回転デバイス。
【請求項2】
前記ベース部は、少なくとも３つのアパーチャと、少なくとも３つの径方向ブレードとを備えている、請求項１に記載の回転デバイス。
【請求項3】
前記径方向ブレードは、前記ベース部の平面から外向きに突出している、請求項１又は請求項２に記載の回転デバイス。
【請求項4】
前記径方向ブレードは、回転軸に垂直な平面に対して斜めに傾いており、前記径方向ブレードは、前記ベース部を通って前記中央チャンバに入る流体を減速させるように構成されている、請求項１乃至３の何れかに記載の回転デバイス。
【請求項5】
溶融金属を処理するための回転デバイスであって、中空シャフトと、前記中空シャフトの一端にあるロータとを備えており、前記ロータは、ルーフ部及びベース部であって、前記ルーフ部及び前記ベース部は離間しており、複数の仕切り部によって繋がっている、ルーフ部及びベース部と、
前記ルーフ部と前記ベース部の間に画定された中央チャンバと、
隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、前記中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、前記ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、
前記中空シャフトを通って前記中央チャンバに入り、前記複数の通路の入口を通って前記複数の通路の出口から出るように画定された流路と、
を備えており、
前記ベース部は、中央アパーチャと、前記ベース部から外側に突出する複数の径方向ベーンとを備えており、前記複数の径方向ベーンは前記中央アパーチャの周囲に配置されており、
前記複数の径方向ベーンは、前記ベース部の中心に向かって前記中央アパーチャの少なくとも一部にわたって延びている、回転デバイス。
【請求項6】
溶融金属を処理するための回転デバイスであって、中空シャフトと、前記中空シャフトの一端にあるロータとを備えており、前記ロータは、ルーフ部及びベース部であって、前記ルーフ部及び前記ベース部は離間しており、複数の仕切り部によって繋がっている、ルーフ部及びベース部と、
前記ルーフ部と前記ベース部の間に画定された中央チャンバと、
隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、前記中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、前記ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、
前記中空シャフトを通って前記中央チャンバに入り、前記複数の通路の入口を通って前記複数の通路の出口から出るように画定された流路と、
を備えており、
前記ベース部は、中央アパーチャと、前記ベース部から外向きに突出する複数の径方向ベーンとを備えており、前記複数の径方向ベーンは、前記中央アパーチャの周囲に配置されており、
前記ベース部は、前記複数の径方向ベーンの間に配置された複数の切欠きを更に備えており、前記ベース部の前記複数の切欠きは前記ロータの外周から内向きに延びている、回転デバイス。
【請求項7】
前記ベース部の前記複数の切欠きは、断面が部分円形又は半円形である、請求項６に記載の回転デバイス。
【請求項8】
前記ベース部は少なくとも４つの切欠きを備える、請求項６又は請求項７に記載の回転デバイス。
【請求項9】
前記ロータは、少なくとも４つの仕切り部と、それらの間に画定された少なくとも４つの通路とを備えている、又は、前記ロータは、少なくとも６つの仕切り部と、それらの間に画定された少なくとも６つの通路とを備えている、請求項１乃至８の何れかに記載の回転デバイス。
【請求項10】
各通路は、前記ロータの前記ルーフ部に第２の出口を備える、請求項１乃至９の何れかに記載の回転デバイス。
【請求項11】
各第２の出口は、前記ルーフ部の外周から内向きに延びる切欠きであって、任意選択的に、その切欠きの断面は部分円形又は半円形である、請求項１０に記載の回転デバイス。
【請求項12】
前記ルーフ部の内面は、前記中央チャンバと少なくとも１つの第２の出口との間に延びる溝を備えている、請求項１０又は請求項１１に記載の回転デバイス。
【請求項13】
前記ルーフ部の内面は、前記ルーフ部の気泡を前記中央チャンバへと下向きに、前記ロータの前記ベース部に向かって導くための流れ誘導部材を備えている、請求項１乃至１２の何れかに記載の回転デバイス。
【請求項14】
前記ロータは、アイソスタティック成形された耐熱材料から作られる、請求項１乃至１３の何れかに記載の回転デバイス。
【請求項15】
請求項１乃至１４の何れかに記載の回転デバイスで使用するためのロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶融金属を処理するための回転デバイスに関する。特に、本発明は、溶存ガスや固体含有物などの望ましくない不純物を溶融金属から除去するための回転デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
鋳造用途（特に、アルミニウム又はアルミニウム合金などの非鉄金属の鋳造）の場合、溶融金属は、鋳造前に、典型的には以下のプロセスのうちの１つ又は複数によって処理される必要がある。
【0003】
ｉ）脱ガス－溶融金属中の溶存ガスの存在は、凝固した製品に欠陥をもたらして、その機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、水素は、液体アルミニウム中で高い溶解度を有しており、当該溶解度は溶融温度と共に増加するが、固体アルミニウム中でのその溶解度は非常に低い。その結果、アルミニウムが冷却すると水素ガスが放出されて、これによって凝固した鋳造物中にブローホールが生じる。凝固速度は、気泡の量及びサイズに影響を及ぼす。幾つかの用途では、ピンホール多孔性は、金属鋳造物の機械的強度及び耐圧性に深刻な影響を及ぼすことがある。ガスはまた、空隙及び不連続部（例えば、酸化介在物）へと拡散することがあり、これによって、アルミニウム又はアルミニウム合金から作製されるプレート、シートやストリップの製造中にブリスター形成が起こることがある。
【0004】
ｉｉ）結晶粒微細化－凝固金属の結晶粒径を制御することによって、鋳造物の機械的特性を改善させることができる。鋳造金属の粒径は、凝固し始める際に液体金属中に存在する核の数と冷却速度とに依存する。冷却速度をより速くすると一般的に粒径はより小さくなり、溶融物に特定の元素を添加することで、粒子成長のために更なる核を提供することができる。
【0005】
ｉｉｉ）改質－金属合金の微細構造及び特性を、ナトリウム又はストロンチウムなどの特定の「改質」元素を少量添加することによって改善させることができる。改質は、高温引裂抵抗(hot tear resistance）を増加させ、合金供給特性を改善し、収縮鋳巣(shrinkage porosity）を減少させる。
【0006】
ｉｖ）浄化及びアルカリ除去－高濃度のアルカリ元素は、合金特性に悪影響を及ぼす可能性があり、故に、これらのアルカリ元素を、除去又は低減する必要がある。例えば、鋳造合金中におけるカルシウムの存在は、改質などの他の処理プロセスを妨害する可能性がある一方で、ナトリウムの過剰濃度は、鍛造アルミニウム合金の延性特性に有害な影響を及ぼす可能性がある。凝固した金属に混入した酸化物、炭化物、ホウ化物などの非金属介在物の存在も、金属の物理的及び機械的特性に悪影響を及ぼす可能性があることから、これらも除去する必要がある。
【0007】
上記の処理プロセスは、様々な方法及び装置によって、個々に又は同時に実施され得る。
【0008】
溶融金属の脱ガスは通常、回転式脱ガスユニット（「ＲＤＵ」）を使用して行われており、当該回転式脱ガスユニットは、塩素、アルゴン、窒素、又はそれらの混合物等の乾燥不活性ガスの微細気泡で溶融金属をフラッシュする。ＲＤＵは典型的には、ロータが取り付けられる中空シャフトを備えている。使用時には、シャフト及びロータが回転し、ガスは、下方へとシャフトを通過してロータを介して溶融金属中に分散する。ロータを通してガスを導入することにより、非常に微細な気泡が多数発生し、これらの気泡は、溶融物の底部まで分散する。これらの気泡が溶融物を通って上昇することで、水素は気泡中に拡散し、気泡が表面に到達すると大気中に放出される。そして、上昇する気泡は、固体含有物を集めてそれらを溶融物の最上部に運ぶので、そこでそれらをすくい取ることができる。水素（及び酸化介在物）を除去するためにガスを導入することに加えて、回転式脱ガスユニットは、不活性ガスと共にシャフトを通して又はシャフトに隣接する管を通して金属処理剤を溶融物に注入するために使用されてよい。
【0009】
回転式脱ガスユニットで使用する回転デバイスの一例は、国際公開第２００４／０５７０４５号に記載されており、本願の図１に示されている「ＸＳＲロータ」（従来技術のロータ１）である。回転デバイス２は、貫通するボア４ａを有する中空シャフト４を備えており、この中空シャフト４は、一端でロータ６に接続される。ロータ６は概ね円盤状であり、環状ベース部１０から離間している環状上側ルーフ部８を備える。開放チャンバ１２がベース部１０の中央に設けられており、ルーフ部８まで上方に延びている。ルーフ部８とベース部１０とは４つの仕切り部１４によって接続されており、それら仕切り部１４は、チャンバ１２の周囲からロータ６の周囲まで外側に延びている。区画１６は、隣接する仕切り部１４の各対と、ルーフ部８と、ベース部１０との間で画定されている。ルーフ部８の周縁８ａには、複数（本実施形態では８個）の半円状の切欠き１８が設けられている。各切欠き１８は、その個々の区画１６のための第２の出口として働く。
【0010】
アルミニウムのような溶融金属を処理するためのロータは、従来、黒鉛の中実ブロックを所望の形状に機械加工することによって製造されてきた。しかしながら、機械加工は、困難で費用のかかるプロセスであることがあり、穿孔工具には視線アクセス（line-of-sight access）が必要とされるので、特にロータの内面に複雑な形状を生成するにはあまり適していない。機械加工はまた、ロータを作製することができる材料の選択を制限する。これは、穿孔工具は、より耐久性の高い又はより研磨性の高いセラミック材料に穴を開けることができない場合があるからである。さらに、機械加工の不具合は、製造材料の強度に、ひいては、ロータの寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。
【0011】
本発明の発明者は、アイソスタティック成形を使用して犠牲コアの周りに製造材料をプレスして、その後コアを除去することによって、視線アクセスが必要とされないことから特にロータの内部で、非常に複雑なロータ設計を実現することができることを見出した。さらに、この新しい製造方法は、機械加工によって成形することが困難なアルミナ、炭素結合アルミナ、或いは、他の耐熱性金属酸化物、炭化物、又は窒化物のような、より耐久性の高い材料をロータに使用することを可能にする。犠牲コアの周りにロータをアイソスタティック成形することによって、ロータの表面仕上げもまた大幅に改善され、表面が非常に滑らかになり、ガウス表面曲率と非ガウス表面曲率との間で継ぎ目なく結合する。
【0012】
したがって、本発明は、機械加工などの従来方法によって製造することが以前には不可能であって、より耐久性のある材料から製造することができるような、完全に新規で改良されたロータ設計を提供することを目的とする。
【発明の概要】
【0013】
本発明の第１の態様によれば、溶融金属を処理するための回転デバイスが提供され、このデバイスは、中空シャフトと、中空シャフトの一端にあるロータとを備えている。そのロータは、離間しているルーフ部及びベース部であって、複数の仕切り部によって繋がっているルーフ部及びベース部と、ルーフ部とベース部の間に画定されている中央チャンバであって、複数の仕切り部が中央チャンバの周囲から径方向に延びている、中央チャンバと、隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、中空シャフトを通って中央チャンバに入り、複数の通路の入口を通って複数の通路の出口から出るように画定された流路とを備えている。ベース部は、中央チャンバと流体連通している複数のアパーチャと、隣接する各対のアパーチャの間に画定された径方向ブレードとを備えている。
【0014】
デバイスは、中空シャフトの長さに沿って延びる長手方向軸を有しており、本明細書で使用される用語「径方向の」及び用語「径方向に」は、ロータの中心とロータの外周との間で長手方向軸に垂直な方向に延びることを意味することは理解されるであろう。ロータの断面は略円形であって、ロータの中心とロータの外周の間に半径が延びてよい。通常、ロータのルーフ部とベース部は、長手方向軸に垂直で互いに平行な平面内にある。
【0015】
ロータは、中空シャフトと一体的に形成されてよい。あるいは、ロータは、中空シャフトに取り付けられた、例えば、ねじ留めされた、押し嵌めされた、又はロック機構若しくは接着剤によって固定された別個の構成要素であってよい。
【0016】
使用時において、径方向ブレードは、中空シャフトを通して注入されたガスの気泡を細かく切り刻んで、より小さくより多数の気泡を生成するのを助ける。気泡のサイズを減少させてその数を増加させることは、溶融物全体にわたって気泡の分散を改善し、所与の回転速度での脱ガス及び浄化効率を有意に増加させ、それによって処理時間を短縮し、或いは、より低い回転速度で同一の脱ガス及び浄化効率を維持して、それによってシャフト及びロータの寿命を延長させる。さらに、気泡が小さくなるほど、溶融物を通る上昇速度が遅くなり、ひいては、水素が気泡内に拡散するまでの溶融物内での残留時間が長くなり得る。
【0017】
複数のアパーチャは、ベース部の中央に位置してよい。ベース部は環状であってよい。複数のアパーチャは、中空シャフト及び／又は中央チャンバの軸方向に位置してよい。幾つかの実施形態では、ロータのベース部は、少なくとも３つのアパーチャと、少なくとも３つの径方向ブレードとを備えている。幾つかの実施形態では、ロータのベース部は、３つ、４つ、５つ、又は６つのアパーチャ及び径方向ブレードを備えている。幾つかの実施形態では、径方向ブレードは等しく離間しており、タービン状構成をなしている。
【0018】
幾つかの実施形態では、径方向ブレードは、ベース部の平面内に位置しており、ベース部の平面から外向きに突出しない。代替的な実施形態では、径方向ブレードは、ベース部の平面から外向きに突出する。径方向ブレードは、長手方向軸方向に測定されると、ベース部の高さ以下である高さまで突出してよい。径方向ブレードは、中央チャンバから離れるようにベース部から延びてよい。幾つかの実施形態では、径方向ブレードは、ベース部とルーフ部の間の領域へと延びていない。
【0019】
幾つかの実施形態では、径方向ブレードは、ベース部の中央に位置する中央ハブによって互いに接続される。中央ハブの形状は、円形であってよい。中央ハブは、径方向ブレードに構造的支持を提供してよい。
【0020】
幾つかの実施形態では、径方向ブレードは、ベース部の平面及び／又はロータの回転軸に垂直な平面に対して角度を付けられており、例えば、傾斜している。例えば、径方向ブレードは、インペラを形成してよい。径方向ブレードは、３０°乃至９０°、４０°乃至８０°、５０°乃至７０°、又は約６０°のブレード角αを有してよい。
【0021】
使用時に、回転デバイスは、ロータを通る流体流路（例えば、溶融金属のための液体流路）を生成するように構成されてよい。流体流路は、複数のアパーチャを通って中央チャンバまで軸方向に画定されてよく、続いて、中央チャンバから隣接する各対の仕切り部の間の通路を通って径方向に画定されてよい。例えば、ロータは、ベース部を通して液体を引き込み、それを径方向外側に押し出すように構成されてよい。径方向ブレードは、流体流路に対して斜めに傾いていてよい。
【0022】
一連の実施形態において、径方向ブレードは、流体流路に対してポジティブな角度をなしており、即ち、ロータの回転が流体流路の流体流れを増加させるように角度をなしている。これは、ロータを通る流体の流量、速度、又は体積を増加させるために望ましいことがある。このような実施形態では、中央チャンバに最も近い径方向ブレードの部分が後縁を形成する。言い換えると、ブレードは上向きに傾いている。
【0023】
更なる一連の実施形態では、径方向ブレードは、ベース部を通過する流体を減速させるように、例えば、ベース部を通って中央チャンバに進入する流体を減速させるように構成されている。径方向ブレードは、流体流路に対してネガティブな角度をなしてよく、即ち、ロータの回転が流体流路の流体流れを減少させるように角度をなしてよい。これは、ロータ内の流体の滞留時間を増加させて、及び／又は、ロータが気泡を細断する若しくは分散させるための時間を増加させて、流体（例えば、液体金属又はその中のガスの何れか）に及ぼされる剪断力を長引かせるために望ましいことがある。このような実施形態では、中央チャンバに最も近い径方向ブレードの部分が前縁を形成する。換言すれば、ブレードは、下向きに傾いている。
【0024】
径方向ブレードがポジティブに角度を付けられる（例えば、上向き）か、又はネガティブに角度を付けられる（例えば、下向き）かは、ロータの回転方向に依存することは理解されるであろう。この文脈においては、ポジティブな角度及びネガティブな角度は、ロータの残りの部分とロータの意図された回転方向とに対して見られることが意図されている。例えば、径方向ブレードがネガティブに角度付けされている実施形態では、これは、ロータの構成によって決定される回転方向に対して、例えば、径方向ブレードが、仕切り部及び／又はアパーチャなどのロータの他の構成要素に対して反対方向に角度付けされ得ることを意味することが意図されている。幾つかの実施形態では、ロータが何れかの方向に回転可能であることが意図され得る。
【0025】
本発明の第２の態様によれば、溶融金属を処理するための回転デバイスが提供され、このデバイスは、中空シャフトと、中空シャフトの一端にあるロータとを備えている。ロータは、離間しているルーフ部及びベース部であって、複数の仕切り部によって繋がっているルーフ部及びベース部と、ルーフ部とベース部の間に画定された中央チャンバと、隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、中空シャフトを通って中央チャンバに入り、複数の通路の入口を通って複数の通路の出口から出るように画定された流路とを備えている。ロータのベース部は、中央アパーチャと、ベース部から外向きに突出する複数の径方向ベーンとを備えており、複数の径方向ベーンは、中央アパーチャの周囲に配置されている。径方向ベーンは、ベース部の中心に向かって、少なくとも部分的に中央アパーチャにわたって延びている。
【0026】
「ベース部の中心」は、デバイスの長手方向軸に沿ってではなく、ロータの外周からベース部の平面に沿って測定された中心点を意味することが意図されていることが理解されるであろう。外向きに延びるベーンは、軸方向に、及び／又はベース部から中央チャンバと反対方向に延びてよい。
【0027】
使用時に、中央アパーチャにわたって少なくとも部分的に延びる径方向ベーンは、第１の態様のロータの径方向ブレードと同様の効果を、即ち、中空シャフトを通して注入された気泡を細断する効果を達成する。加えて、突出したベーンは、ロータによって達成されるトルクと気泡の方向性のある流れとを増大させ得る。
【0028】
幾つかの実施形態では、ロータのベース部は、少なくとも３つのアパーチャと、少なくとも３つの径方向ベーンとを備える。幾つかの実施形態では、ロータのベース部は、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、又は８つの径方向ベーンを備える。ベーンの数を増加させると、製造の複雑さが増して各ベーンの断面積が減少するので、これらの因子とロータ性能とのバランスを取る必要があることは理解されるであろう。
【0029】
本発明の第３の態様によれば、溶融金属を処理するための回転デバイスが提供され、このデバイスは、中空シャフトと、中空シャフトの一端にあるロータとを備えている。ロータは、離間しているルーフ部及びベース部であって、複数の仕切り部によって繋がっているルーフ部及びベース部と、ルーフ部とベース部の間に画定された中央チャンバと、隣接する各対の仕切り部の間に画定された通路であって、各通路は、中央チャンバの径方向外側に位置する入口と、ロータの外周面にある出口とを有する、通路と、中空シャフトを通って中央チャンバに入り、複数の通路の入口を通って複数の通路の出口から出るように画定された流路とを備えている。ロータのベース部は、中央アパーチャと、ベース部から外向きに突出する複数の径方向ベーンとを備えており、複数の径方向ベーンは、中央アパーチャの周囲に配置されている。ベース部は、複数の径方向ベーンの間に配置された複数の切欠きを更に備えており、それらの切欠きは、ロータの外周からベースの中央へと内向きに延びている。
【0030】
使用時において、ベースの切欠きは、第１の態様のロータの径方向ブレードと同様の効果を、即ち、中空シャフトを通して注入された気泡を細断する効果を達成する。径方向ベーンは、ロータによって達成されるトルク及び気泡の方向性のある流れを増大させ得る。加えて、ベースの切欠きは、ロータによって達成されるトルク及び気泡の方向性のある流れを増大させ得る。
【0031】
幾つかの実施形態では、ベース部は、少なくとも３つの切欠きを備える。幾つかの実施形態では、ベース部は、３つ、４つ、５つ、又は６つの切欠きを備える。
【0032】
幾つかの実施形態では、ベース部の各切欠きの縁部は、ベース部の平面及び／又は回転軸に垂直な平面に対して傾いている。幾つかの実施形態では、ベース部の各切欠きの縁部は、ベース部の平面に対して２０°乃至７０°の角度で傾いている。意図した回転方向に対して各切欠きの縁部を傾斜させることは、ロータが溶融物内で回転する際の抗力係数を低減して、所与の回転速度に必要な撹拌動力の量を低減することに役立つ。各切欠きの縁部を傾けることは、等方圧プレス(iso-pressing)による製造の容易さを改善し得る。
【0033】
幾つかの実施形態では、ベース部の切欠きの断面（即ち、切欠きを通る軸方向断面）は、部分円形又は半円形である。断面は、回転軸に対して垂直であってよい。幾つかのそのような実施形態では、各切欠きの縁部は、ベース部の平面に対してある角度で傾いており、そのピッチ角度は縁部の長さに沿って変ってよい。幾つかの実施形態では、縁部の一端は２０°乃至７０°の角度で傾いており、縁部の他端は１１０°乃至１６０°の角度で傾いている。
【0034】
ベース部の切欠きは、ロータの外周からベース部の中心に向かって内向きに延びる。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、又は少なくとも４０％だけ内向きに延びる。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１０％以下だけ内向きに延びる。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の５乃至５０％まで内向きに延びる。
【0035】
幾つかの実施形態では、径方向ベーンは、ベース部を通る仕切り部の延長である。
【0036】
幾つかの実施形態では、径方向ベーンはテーパ状になっており、各ベーンの幅は、ロータの外周から中央アパーチャまで減少する。
【0037】
以下の任意選択的な特徴は、上述した本発明の第１、第２又は第３の態様の任意の実施形態に等しく適用され得る。
【0038】
幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは、対称的に配置される。幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは、互いから等しく離間している。
【0039】
幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは、ベース部の平面に対してある角度で傾いている。幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは、ベース部の平面に対して２０°乃至７０°の角度で傾いている。幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは湾曲している。幾つかの実施形態では、径方向ブレード又はベーンは、湾曲しており、且つベース部の平面に対してある角度で傾いている。ブレード／ベーンをある角度で傾けること、又は、ブレード／ベーンを意図した回転方向へと湾曲させることは、ロータが溶融物内で回転するときの抗力係数を低減して、所与の回転速度に必要な撹拌動力の量を低減することに役立つ。
【0040】
幾つかの実施形態では、ロータは、少なくとも４つの仕切り部と、それらの間に画定される少なくとも４つの通路とを備えているか、又は、少なくとも６つの仕切り部と、それらの間に画定される少なくとも６つの通路とを備えている。幾つかの実施形態では、ロータは、４つの仕切り部及び４つの通路、５つの仕切り部及び５つの通路、６つの仕切り部及び６つの通路、７つの仕切り部及び７つの通路、又は、８つの仕切り部及び８つの通路を備えている。
【0041】
幾つかの実施形態では、仕切り部は、ベース部の平面に対して垂直に向けられる。あるいは、仕切り部は、ベース部の平面に対してある角度で方向付けられてよい。幾つかの実施形態では、仕切りは、ベース部の平面に対して２０°乃至７０°の角度に向けられる。
【0042】
仕切り部は、ベース部とルーフ部との間で軸方向に延びてよい。任意選択的に、仕切り部はベース部を越えて延びない。仕切り部は、ベース部の複数のアパーチャ及び／又は径方向ブレードから離間してよい。ベース部から延びるベーンを備える実施形態では、仕切り部は、ベース部からベーンとは反対方向に延びてよい。
【0043】
幾つかの実施形態では、各通路は、ロータのルーフ部に第２の出口を備えている。第２の出口は、使用時にロータから上方にガスを分散させてよい。横方向に向けられた出口と上方に向けられた出口とを組み合わせることにより、より小さい、より多数の気泡を生成することが可能になり、本出願人の以前の特許ＥＰ１５７３０７７に記載されているように、脱ガス効率及び浄化効率が向上することが分かっている。
【0044】
幾つかの実施形態では、各第２の出口は、ルーフ部の外周から内向きに延びる切欠きである。切欠きは、断面が部分円形又は半円形であってよい。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、又は少なくとも４０％だけ内向きに延びる。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１０％以下だけ内向きに延びる。幾つかの実施形態では、切欠きは、ロータの半径の５乃至５０％だけ内向きに延びる。
【0045】
幾つかの実施形態では、ルーフ部の切欠きは、ルーフ部の平面に対して垂直にルーフ部を貫通して延びる。幾つかの実施形態では、ルーフ部の切欠きは、ルーフ部の平面に対してある角度でルーフ部を通って延びている。幾つかの実施形態では、ルーフ部の切欠きは、ルーフ部の平面に対して２０°乃至７０°の角度でルーフ部を通って延びている。幾つかの実施形態では、ルーフ部の切欠きは、ルーフ部の平面に対して１１０°乃至１６０°の角度でルーフ部を通って延びている。仕切り部及び／又は径方向のベーン／ブレードがベース部の平面に対してある角度で向き付けられている実施形態では、切欠きは、仕切り部の角度及び／又は径方向のベーン／ブレードの角度の何れかと同じ角度又は反対の角度でルーフ部を通って延びてよい。
【0046】
幾つかの実施形態では、ルーフ部の内面は、中央チャンバと少なくとも１つの第２の出口との間に延びる溝とを備えている。溝は、シャフトを通して注入されたガスの一部が、第２の出口により効率的に導かれることを可能にし得る。
【0047】
幾つかの実施形態では、ロータのルーフ部には、ロータを貫通する中央ボアが設けられており、ガスが中空シャフトからロータの中央チャンバに注入できるようになっている。
【0048】
幾つかの実施形態では、ルーフ部の内面は、ルーフ部内の気泡を中央チャンバへと下方に且つロータのベース部に向かって導くための内部流れ誘導部材を備えている。幾つかの実施形態では、流れ誘導部材は環状壁を備える。幾つかの実施形態では、環状壁は、ルーフ部の中央ボアの円周の周囲に延びている。環状壁は、ルーフ部で最も広く、ロータのベース部に向かって延びるにつれて狭くなるようにテーパ状にされてよい。幾つかの実施形態では、環状壁は、概ねルーフ部とベース部の間の方向に延びる複数の開放チャネルを備えている。チャネルは、ルーフ部からの気泡に下向きの螺旋流パターンを与えるように湾曲してよい。
【0049】
幾つかの実施形態では、ロータのルーフ部及びベース部は、略円盤状である。
【0050】
幾つかの実施形態では、ロータは、アイソスタティック成形された耐熱材料から作られる。金属酸化物、炭化物、又は窒化物を含む耐熱性混合物のような等方圧プレスに適した任意の耐熱材料を使用することができる。幾つかの実施形態では、ロータは、黒鉛、アルミナ、ケイ酸アルミナ、炭素結合アルミナ、炭素結合セラミックス、粘土結合黒鉛、窒化ケイ素アルミナ、溶融シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア、又は、それらの任意の混合物から作られる。
【0051】
本発明の第４の態様によれば、第１、第２、又は第３の態様の何れかの実施形態の回転デバイスで使用するためのロータが提供される。第１、第２、又は第３の態様に関連して上述した任意選択的な特徴の何れも、適用可能な場合、第４の態様のロータと自由に組み合わせることができる。
【0052】
幾つかの実施形態では、ロータのルーフ部は、回転デバイスの中空シャフトに取り付けるための係合手段を備えている。係合手段は、ロータを中空シャフトの一端の相補的なねじ山にねじ込むことを可能にするねじ山付き壁を備えてよい。あるいは、係合手段はロータのルーフ部内のキャビティを含んでよい。当該キャビティは、中空シャフトの一端に対して相補的なサイズ及び形状を有するように構成されており、その結果、ロータは、押込み嵌め機構によって、又は、膨張耐熱性発泡接着剤（例えば、ＺＹＰ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，Ｉｎｃによって製造されているＣｅｒａ Ｆｏａｍ）などの適切な耐熱性接着剤を使用して、中空シャフトに取り付けられてよい。あるいは、係合手段は、ロック機構を備えてもよい。
【0053】
本明細書に開示されるロータは、特定の製造方法に限定されず、任意の適切な方法によって、例えば、犠牲コアの周りに等方圧プレスして次にコアを除去する工程や、付加製造法などによって形成できることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【発明を実施するための形態】
【0055】
図２ａ～ｃは、本発明の第１の態様で使用するロータ１００の３つの異なる斜視図を示す。ロータ１００は、複数の仕切り部２４（図示の実施形態では６つの仕切り部）によって離間されたルーフ部２０及びベース部２２を備える。仕切り部２４は、ルーフ部２０とベース部２２との間に画定された中央チャンバ２６の周囲から径方向に延びている。ルーフ部２０及びベース部２２は、略円盤状である。
【0056】
隣接する各対の仕切り部２４の間に通路が画定され、各通路は、中央チャンバ２６の径方向外側に位置する入口２８と、ロータ１００の外周面にある第１の出口３０とを有する。第１の出口は、ロータから横方向に流れを導く。各通路はまた、ルーフ部２０に第２の出口３２を有する。第２の出口３２は、ロータから上方へと流れを導く。第２の出口３２の各々は、ルーフ部２０の部分円形の切欠きであって、ロータ１００の外周から内側に延びている。第２の出口３２は、第１の出口３０よりも幅が小さい。
【0057】
ベース部２２は、中央チャンバ２６に流体連通している３つのアパーチャ３４を備えている。隣接する各対のアパーチャ３４は、それらの間に径方向ブレード３６を画定している。図示されている実施形態では、ベース部２２は、タービン構成で等間隔に離間した３つの径方向ブレード３６を備えており、径方向ブレード３６は、ベース部の平面Ａ内に位置している。
【0058】
各径方向ブレード３６の縁部３７は、ベース部の平面に対して角度αで傾いている。図示されている実施形態では、角度αは６０°である。仕切り部２４及び第２の出口３２もまた、ベース部の平面Ａに対して同じ角度αに向けられている。
【0059】
ロータ１００のルーフ部２０は、中央ボア３９と、中空シャフトに取り付けるための係合手段とを備えている。図示の実施形態では、係合手段は、中空シャフトの雄ねじ付き端部にねじ込むための雌ねじ付き壁部３８を備えている。ルーフ部２０の内面は、ルーフ部２０内の気泡を中央チャンバ２６へと下方に導くための流れ誘導部材を備えている。図示されている実施形態では、流れ誘導部材は、中央ボア３５の周囲に広がる環状壁４１を備えている。環状壁４１はテーパ状になっており、ルーフ部２０で最も広く、ベース部２２に向かって延びるにつれて狭くなっている。環状壁４１は、複数の開放チャネル４３を備えている。これらの開放チャネル４３は、ルーフ部２０とベース部２２の間の方向に概ね延びており、ルーフ部２０内の気泡に下向きの螺旋流パターンを与えるように湾曲している。
【0060】
【0061】
図３の実施形態では、径方向ブレード３６は、ベース部の平面Ａから外向きに突出し、僅かに湾曲している。径方向ブレード３６は、ベース部２２の中心にある中央ハブ４２によって互いに接続されており、中央ハブ４２は、それらブレード３６に構造的支持を提供する。
【0062】
第２の出口３２は、ベース部の平面Ａに対して６０°の角度αで傾いている一方で、仕切り部２４及び径方向ブレード３６は、ベース部の平面Ａに対して１５０°の角度βで傾いている。
【0063】
【0064】
ロータ３００は、複数の仕切り部２４（図示された実施形態では、４つの仕切り部）によって離間されているルーフ部２０及びベース部２２を備える。仕切り部２４は、ルーフ部２０とベース部２２との間に画定された中央チャンバ２６の周囲から径方向に延びている。ルーフ部２０及びベース部２２は、略円盤状である。
【0065】
通路が、隣接する各対の仕切り部２４の間に画定されており、各通路は、中央チャンバ２６の径方向外側に位置する入口２８と、ロータ１００の外周面にある第１の出口３０とを有する。第１の出口は、ロータから横方向に流れを導く。各通路はまた、ルーフ部２０に２つの第２の出口３２を有する。第２の出口３２は、ロータから上方に流れを導く。したがって、図示されている実施形態では、ロータ３００は、４つの仕切り部２４と、４つの通路と、４つの第１の出口３０と、８つの第２の出口３２とを備えている。第２の出口３２の各々は、ルーフ部２０の部分円形の切欠きであって、ロータ１００の外周から内側に延びている。仕切り部２４及び第２の出口３２は、（ベース部の平面Ａに平行な）ルーフ部の平面に垂直に向けられる。
【0066】
ベース部２２は、中央チャンバ２６に流体連通している中央アパーチャ４６を備えている。ベース部２２は、ベース部の平面Ａから外側に突出し、中央アパーチャ４６の周囲に配置された複数の径方向ベーン４８を更に備えている。径方向ベーン４８は、ベース部２２の中心に向かって延びており、中央アパーチャ４６を部分的に越えて突出している。図示されている実施形態では、ベース部２２は、中央アパーチャ４６の周囲に等間隔で配置された５つの径方向ブレード４６を備えている。径方向ベーン４８は湾曲しているが、ベース部の平面Ａに対して角度をなして傾いてはいない。
【0067】
ルーフ部２０は、中央チャンバ２６と４つの第２の出口３２との間に交互に配置されて延びる４つの溝４４を備えている。ルーフ部２０はまた、中央ボア３９と、六角状のキャビティ４０の形態の係合手段とを備えており、当該キャビティは、対応するサイズ及び形状を有する中空シャフトの端部に嵌まるように構成されている。
【0068】
【0069】
ロータ４００は、複数の仕切り部２４（図示された実施形態では、４つの仕切り部）によって離間されているルーフ部２０及びベース部２２を備えている。仕切り部２４は、湾曲しており、ルーフ部２０とベース部２２との間に画定された中央チャンバ２６の周囲から径方向に延びている。ルーフ部２０及びベース部２２は、略円盤状である。
【0070】
通路が、隣接する各対の仕切り部２４の間に画定されており、各通路は、中央チャンバ２６の径方向外側に位置する入口２８と、ロータ１００の外周面にある第１の出口３０とを有する。第１の出口３０は、ロータから横方向に流れを導く。各通路はまた、ルーフ部２０に２つの第２の出口３２を有する。第２の出口３２は、ロータから上方に流れを導く。図示されている実施形態では、ロータ３００は、４つの仕切り部２４と、４つの通路と、４つの第１の出口３０と、８つの第２の出口３２とを備えている。第２の出口３２の各々は、ルーフ部２０の部分円形の切欠きであって、ロータ４００の外周から内側に延びている。
【0071】
ベース部２２は、中央チャンバ２６に流体連通している中央アパーチャ４６を備えている。ベース部２２は、ベース部の平面Ａから外側に突出し、中央アパーチャ４６の周囲に配置された複数の径方向ベーン４８を更に備えている。径方向ベーン４８は湾曲してテーパ状になっており、各ベーンの幅はロータ４００の外周から中央アパーチャ４６に向けて減少している。径方向ベーン４８は、ベース部２２を貫通する仕切り部２４の延長であって、仕切り部２４及び径方向ベーン４８は、ベース部２２を貫通する連続平面を形成している。
【0072】
ロータ４００のルーフ部２０は、中央ボア３９と、中空シャフトに取り付けるための係合手段とを備えている。図示の実施形態では、係合手段は、中空シャフトの端部にねじ込むためのねじ付き壁部３８を備えている。ルーフ部２０の内面は、ルーフ部２０内の気泡を中央チャンバ２６へと下方に導くための流れ誘導部材を備えている。図示されている実施形態では、流れ誘導部材は、中央ボア３５の周囲に広がる環状壁４１を備えている。環状壁４１はテーパ状になっており、ルーフ部２０で最も広く、ベース部２２に向かって延びるにつれて狭くなっている。環状壁４１は、複数の開放チャネル４３を備えている。これらの開放チャネル４３は、ルーフ部２０とベース部２２の間の方向に概ね延びており、ルーフ部２０内の気泡に下向きの螺旋流パターンを与えるように湾曲している。
【0073】
仕切り部２４、径方向ベーン４８、及び第２の出口３２は、ベース部の平面Ａ（又は、ベース部の平面Ａに平行なルーフ部の平面）に対して６０°の角度αに向けられている。
【0074】
ベース部２２は、径方向ベーン４８の間に配置された複数の切欠き５０を備えており、それら切欠き５０は。ロータ４００の外周から内側に延びている。図示されている実施形態では、ベース部２２は、４つの径方向ベーン４８と４つの切欠き５０とを備えている。切欠き５０は、半円状に形成されている。切欠き５０は、ロータ４００の外周から、ロータ４００の半径Ｒ１の約３０％である深さＲ２まで内向きに延びている。
【0075】
各切欠きの縁部５２は、ベース部の平面Ａに対して角度をなして傾いている。縁部５２の角度は、一端では縁部５２が６０°の角度で傾いており、他端では縁部５２が１５０°の角度で傾いているように変化している。
【0076】
＜フルスケール水モデリングの結果＞
種々のロータ設計の性能を、バッフルプレートを取り付けたフルサイズのるつぼ内で、水モデリングによって試験した。２５０リットルの室温水を７００ｍｍの深さまでるつぼに充填した。水は、溶融アルミニウムと同様の粘度特性を有しており、それ故に、溶融金属中のロータの性能を示すための有用な代用物である。
種々のロータ設計の性能を、バッフルプレートを取り付けたフルサイズのるつぼ内で、水モデリングによって試験した。２５０リットルの室温水を７００ｍｍの深さまでるつぼに充填した。水は、溶融アルミニウムと同様の粘度特性を有しており、それ故に、溶融金属中のロータの性能を示すための有用な代用物である。
【0077】
【0078】
［撹拌力及び渦高さ］
トルク測定を異なる回転速度で実行して、各ロータ設計の相対的な攪拌力を比較した。７００ｍｍのベースラインからのるつぼ内の水の高さも測定した。通常、高い水面レベルは、より強力な渦の生成を示す。渦の強度は、バランスを取る必要がある。より高い渦はより速い脱ガスとより良好な混合効率とをもたらし得るが、溶融物への空気混入も増加させるからである。
トルク測定を異なる回転速度で実行して、各ロータ設計の相対的な攪拌力を比較した。７００ｍｍのベースラインからのるつぼ内の水の高さも測定した。通常、高い水面レベルは、より強力な渦の生成を示す。渦の強度は、バランスを取る必要がある。より高い渦はより速い脱ガスとより良好な混合効率とをもたらし得るが、溶融物への空気混入も増加させるからである。
【0079】
図７にトルク測定結果を示す。図７は、トルク（Ｎ・ｍ）対回転速度（ｒｐｍ）のグラフである。全ての回転速度において、ロータ設計Ｂ及びロータ設計Ｃの両方は比較設計Ａよりも高いトルクを示し、ロータ設計Ｂが最も高いトルクを示した。
【0080】
図８に示すように、設計Ｂのトルクの増加は、設計Ａ又は設計Ｃの何れかよりも著しく高い水面レベルをもたらし、より強力な渦を示した。設計Ｃは、比較設計Ａよりも若干高い水面レベルを見せて、若干強力な渦を示した。
【0081】
［混合効率］
るつぼ内における種々の位置とバッフルプレート上とに一連の熱電対を配置して、これらの位置での水の温度を測定した。水中にロータを沈めて、６００ｒｐｍの回転速度で平衡化させた。次に、７リットルの体積の熱水（８０℃）をるつぼに注いて、全ての熱電対にわたって温度が再安定するのに要した時間（「混合時間」と称する）を測定した。
るつぼ内における種々の位置とバッフルプレート上とに一連の熱電対を配置して、これらの位置での水の温度を測定した。水中にロータを沈めて、６００ｒｐｍの回転速度で平衡化させた。次に、７リットルの体積の熱水（８０℃）をるつぼに注いて、全ての熱電対にわたって温度が再安定するのに要した時間（「混合時間」と称する）を測定した。
【0082】
【0083】
ロータ設計Ａの混合時間は、１０９秒－８８秒＝２１秒であった。
ロータ設計Ｂの混合時間は、２８０秒－２７２秒＝８秒であった。
ロータ設計Ｃの混合時間は、２８０秒－２７２秒＝８秒であった。
ロータ設計Ｂの混合時間は、２８０秒－２７２秒＝８秒であった。
ロータ設計Ｃの混合時間は、２８０秒－２７２秒＝８秒であった。
【0084】
ロータ設計Ｂ及びロータ設計Ｃは両方とも、比較設計Ａの混合効率の２倍を超える混合効率を示した。
【0085】
［脱ガス効率］
実施例１：
酸素計をるつぼの上部に向けて水中に沈めた。ロータを６００ｒｐｍで回転させて、酸素レベルが最低状態に達するのに要する時間を測定した。水に溶解した酸素は、溶融アルミニウムに溶解した水素と同様の挙動を示し、それ故に、この試験は、溶融金属の脱ガス効率の有用な尺度を与える。
実施例１：
酸素計をるつぼの上部に向けて水中に沈めた。ロータを６００ｒｐｍで回転させて、酸素レベルが最低状態に達するのに要する時間を測定した。水に溶解した酸素は、溶融アルミニウムに溶解した水素と同様の挙動を示し、それ故に、この試験は、溶融金属の脱ガス効率の有用な尺度を与える。
【0086】
脱ガスの結果を図９に示す。図９は、酸素レベル（ｍｇ／Ｌ）対時間（秒）のグラフである。まず、ロータＢ及びロータＣの両方は、比較設計Ａよりも有意に速い酸素除去を示した。ロータＢで達成された最大酸素除去は、ロータＡで達成されたものよりも少なく、これは恐らく、ロータＢによって生成されたより高い渦が空気の巻き込みをもたらしたためであると考えられる。しかしながら、この悪影響を打ち消すために、バッフル深さ又はバッフルプレートの数を調整することによって渦レベルを減少させることができることに留意のこと。
【0087】
ロータＣは、最も良好に機能して、最も速い酸素除去と最も高い最大酸素除去（酸素の最低最終レベル）の両方を示した。
【0088】
異なる個々の特徴の効果を比較するために、他の幾つかのロータ設計の脱ガス効率も測定した。
【0089】
実施例２：
まず、ロータ設計Ａを新しいロータ設計Ｄと比較して、ベース部から外向きに突出する径方向ベーンの効果を比較した。ロータＤは、ロータＤでは省略されたルーフ部の溝を除いてロータＢと全く同じ特徴を有していた。
まず、ロータ設計Ａを新しいロータ設計Ｄと比較して、ベース部から外向きに突出する径方向ベーンの効果を比較した。ロータＤは、ロータＤでは省略されたルーフ部の溝を除いてロータＢと全く同じ特徴を有していた。
【0090】
次に、ロータ設計Ａを新しいロータ設計Ｅと比較して、ルーフ部の溝の効果を比較した。ロータＥは、ロータＡと全く同じ特徴を有していたが、中央チャンバと４つの第２の出口との間に延びるルーフ部の溝が追加されていた。
【0091】
最後に、ロータ設計Ｂをロータ設計Ｄと比較して、径方向ベーンと溝の相乗効果を実証した。
【0092】
結果を図１０ａ～ｃに示す。図１０ａ～ｃは、酸素レベル（ｍｇ／Ｌ）対時間（秒）のグラフである。図１０ａに示すように、径方向のベーンは脱ガス効率の著しい増加を生じさせ、図１０ｂは、ルーフ部の溝が脱ガス効率の適度な増加を生じさせることを示している。図１０ｃは、径方向のベーンと溝の両方を備えるロータが最良の脱ガス効率を達成したことを示す。
【0093】
＜スモールスケール水モデリングの結果＞
様々なロータ設計を用いた更なる実験を、２０℃の水を２３０ｍｍ（６．７３リットル）の深さまで充填した１９３×３００ｍｍの円筒形タンクを用いて、小型の設定で行った。ロータを６５ｍｍの共通の直径に合わせた。４００×２０ｍｍのアルミニウム製ストリップの形態のバッフルを、タンク壁に隣接して固定した。タンクの底部の上７０ｍｍの深さにて、中央に位置する実験室用オーバーヘッドスターラーにロータを取り付けた。１．８Ｌ／分（空気）又は２Ｌ／分（アルゴン）の何れかでロータの近傍にガスを供給した。水中に沈めたＹＳＩ光学溶存酸素プローブによって水中の酸素濃度を測定した。
様々なロータ設計を用いた更なる実験を、２０℃の水を２３０ｍｍ（６．７３リットル）の深さまで充填した１９３×３００ｍｍの円筒形タンクを用いて、小型の設定で行った。ロータを６５ｍｍの共通の直径に合わせた。４００×２０ｍｍのアルミニウム製ストリップの形態のバッフルを、タンク壁に隣接して固定した。タンクの底部の上７０ｍｍの深さにて、中央に位置する実験室用オーバーヘッドスターラーにロータを取り付けた。１．８Ｌ／分（空気）又は２Ｌ／分（アルゴン）の何れかでロータの近傍にガスを供給した。水中に沈めたＹＳＩ光学溶存酸素プローブによって水中の酸素濃度を測定した。
【0094】
［物質移動分析］
各実験を、タンク内の水を平衡化させることによって開始した。これは、約１０ｍｇ／Ｌの安定した酸素濃度が達成されるまで、高速（６００ｒｐｍ）で撹拌しながら、空気でタンクをパージすることを伴った。各ロータ設計について、２Ｌ／分の一定のアルゴン流で、４００、６００及び８００ｒｐｍにて脱ガス速度を測定した。
各実験を、タンク内の水を平衡化させることによって開始した。これは、約１０ｍｇ／Ｌの安定した酸素濃度が達成されるまで、高速（６００ｒｐｍ）で撹拌しながら、空気でタンクをパージすることを伴った。各ロータ設計について、２Ｌ／分の一定のアルゴン流で、４００、６００及び８００ｒｐｍにて脱ガス速度を測定した。
【0095】
時間変化するタンク内の酸素濃度Ｃ（ｔ）は、以下の式（１）に従うと考えられる。
ここで、Ｃ０は初期酸素濃度であり、Ｃ∞はｔ＝∞で達成される漸近的な平坦線の酸素濃度であり、ｋは減衰定数である。既知の初期濃度Ｃ０が与えられると、非線形最小二乗反復フィッティング解を使用して、ロータの脱ガス曲線にフィッティング解を適用することにより、Ｃ∞とｋの両方を決定する。
【数1】
【0096】
水の自由表面における境界層は、その上にある空気との局所的平衡を維持し、平衡濃度ＣＥを維持すると仮定する。表面における平衡濃度ＣＥとバルク組成Ｃ（ｔ）との間の差は、表面からバルクへの溶存酸素の流れを駆動する。これはまた、自由表面の面積ＡＳ及び表面物質移動係数ｋＳに依存する。水中に存在する気泡の集団は、それらの表面で局所的平衡濃度ＣＢも確立し、バルク組成Ｃ（ｔ）とＣＢとの間の差は気泡への溶存酸素の流れを駆動する。これはまた、気泡の表面積ＡＢ及び気泡物質移動係数ｋＢにも依存する。表面からバルクへの、また、バルクから気泡への溶存酸素の流れの分析により、バルク酸素濃度の予想される時間依存性を表す以下の式（２）がもたらされる。
グループ化された２つの速度定数は、ｋ１＝ｋＢＡＢ及びｋ２＝ｋＳＡＳである。平坦線の濃度Ｃ∞は、以下の式（３）によって、有効速度定数及び平衡酸素濃度ＣＥと関係している。
適合する速度定数は、（ｋ１＋ｋ２）／Ｖを使用して同定される。故に、タンク容積Ｖ及び平衡酸素濃度ＣＥを知って、バルク酸素濃度Ｃ（ｔ）を測定することによって、上記の関係により、気泡及び表面のグループ化速度定数ｋ１及びｋ２を個々に決定することが可能である。
【数2】
【数3】
【0097】
上述のように、気泡物質移動に関するパラメータｋ１は、小さな気泡の集団を発生させるロータの能力に依存しており、小さな気泡ほど、物質移動が大きくなり、水との界面の総面積が大きくなる。故に、ｋ１が大きいほど、脱ガス速度へのロータの寄与が大きくなり得る。表面物質移動に関するパラメータｋ２は、ロータが表面近傍の流れを発生させて自由表面でのガスの発生／ガスの放出を発生させる程度を表すが、自由表面からの空気の再吸収も表す。
【0098】
次の５つのロータ設計を比較した。（Ａ）図１に示す従来技術のロータ設計、（Ｂ）図４に示す本発明による設計、（Ｃ）図２ａ～ｃに示す本発明による設計、（Ｆ）図３に示す本発明による設計、及び（Ｇ）図５に示す本発明による設計。
【0099】
気泡物質移動パラメータｋ１：
各ロータの脱ガス曲線について、上述の分析を適用した。各ロータについて計算されたｋ１値を、以下の表１及び図１１に示す。
各ロータの脱ガス曲線について、上述の分析を適用した。各ロータについて計算されたｋ１値を、以下の表１及び図１１に示す。
【0100】
【表1】
【0101】
本発明によるロータ設計（Ｂ、Ｃ、Ｆ、及びＧ）の各々は、アルミニウムを撹拌するための速度の標準範囲内である４００ｒｐｍ及び６００ｒｐｍの撹拌速度で、従来技術の実施例Ａよりも高いｋ１値を示した。ロータ設計Ｆ及びロータ設計Ｇは、全ての撹拌速度で最も高いｋ１値を示し、これらの設計が微小気泡の集団をより増やすことができることを示している。
【0102】
表面物質移動パラメータｋ２：
各ロータについて計算されたｋ２値を、以下の表２及び図１２に示す。
各ロータについて計算されたｋ２値を、以下の表２及び図１２に示す。
【0103】
【表2】
【0104】
計算されたｋ２値の一般的な傾向は、ｋ１値の傾向をほぼ反映しており、より大きな表面物質移動がより大きな気泡物質移動と概ね相関していることを示している。しかしながら、４００ｒｐｍでは、本発明によるロータ設計（Ｂ、Ｃ、Ｆ、及びＧ）の各々は、従来技術の実施例Ａよりも低いｋ２値を示しており、この撹拌速度では、ガスの上昇は少なく、自由表面からの空気の再吸収は低かった。
【0105】
［脱ガス効率］
上述の小型化構成を用いて、５つのロータ設計Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、及びＧを４００ｒｐｍ（図１３ａ）及び６００ｒｐｍ（図１３ｂ）で回転させた。酸素レベルが最低状態に達するのに要する時間を測定した。
上述の小型化構成を用いて、５つのロータ設計Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、及びＧを４００ｒｐｍ（図１３ａ）及び６００ｒｐｍ（図１３ｂ）で回転させた。酸素レベルが最低状態に達するのに要する時間を測定した。
【0106】
本発明による４つの設計（Ｂ、Ｃ、Ｆ及びＧ）はすべて、４００及び６００ｒｐｍの両方で、従来技術の設計Ａよりも高い脱ガス効率を示した。設計Ｆ及び設計Ｇは、４００ｒｐｍ及び６００ｒｐｍの両方で最良の脱ガス性能を示しており、６００ｒｐｍでは酸素除去が著しく速かった（従来技術の設計Ａよりも約３０～５０％速い）。
【0107】
本発明によるロータ設計の脱ガス性能の改善は、設定された脱ガス時間に対してより低い回転速度を使用して従来技術の設計Ａと同じレベルの酸素除去を達成することができ、回転デバイスによって必要とされる電力量を低減できることを意味する。
【0108】
【0109】
［介在物除去］
ロータＣを溶融アルミニウムに沈めて、３５ｒｐｍで４分間の処理時間回転させた。走査電子顕微鏡と、予め定義された選択規則と、画像処理アルゴリズムとを用いて、Ｖｍｅｔ分析（Ｖｅｓｕｖｉｕｓ金属品質分析）を行った。試験を１回繰り返し、まとめた結果を以下の表３ａに記録した。次に、５００ｒｐｍのより高い速度でロータ設計Ａ（図１）を用いて試験を更に２回繰り返し、Ｖｍｅｔ分析を実施し、まとめた結果を表３ｂに記録した。
ロータＣを溶融アルミニウムに沈めて、３５ｒｐｍで４分間の処理時間回転させた。走査電子顕微鏡と、予め定義された選択規則と、画像処理アルゴリズムとを用いて、Ｖｍｅｔ分析（Ｖｅｓｕｖｉｕｓ金属品質分析）を行った。試験を１回繰り返し、まとめた結果を以下の表３ａに記録した。次に、５００ｒｐｍのより高い速度でロータ設計Ａ（図１）を用いて試験を更に２回繰り返し、Ｖｍｅｔ分析を実施し、まとめた結果を表３ｂに記録した。
【0110】
【表3a】
【0111】
【表3b】
【0112】
本発明者らは、本発明によるロータが、溶融アルミニウムから介在物を除去するのに驚くほど有効であることを見出した。例１及び例２において、ロータＣは、介在物指数（存在する欠陥の面積率から導かれる）とアルミニウム中の介在物の総数の両方の劇的な減少をもたらすことが分かった。例３及び例４が示すように、総介在物の低減は達成可能であるが、これは介在物指数の同等の低減によっては裏付けられない。特に注目すべきは、ロータＣによるより大きな介在物のほぼ完全な除去である。表３ａは、酸化アルミニウムであろうとなかろうと、１５ミクロンよりも大きなサイズを有する介在物は、処理後にほとんど残っていなかったことを示す。対照的に、例３及び例４では、大きな介在物（＞１５ミクロン）の数が増加した。この試験は、ロータ設計Ｃが従来技術のロータ設計Ａと同じかそれよりも効果的であること、そして、このことがより低い回転速度で達成されることを示している。
【0113】
回転速度をより低くすることは、ロータ及び機械の摩耗を減少させ、表面に形成される渦の大きさを減少させ、ひいては溶融金属中のガスの巻き込みを減少させることから望ましい。しかしながら、より高速になるほどより多く混合されて、脱ガス及び含有物除去においてより効果的であることが通常である。したがって、処理動作において選択される速度は、これら２つの因子のバランスである。
【0114】
［脱ガス効率］
ロータＣをアルミニウムに沈めて３５０ｒｐｍで回転させ、その間、溶融アルミニウム中の水素含有量を監視した。窒素ガスをロータに通して溶融物から水素を除去した。次に、３５０及び５００ｒｐｍでロータＡを使用して試験を繰り返した。結果を図１４のグラフにプロットした。
ロータＣをアルミニウムに沈めて３５０ｒｐｍで回転させ、その間、溶融アルミニウム中の水素含有量を監視した。窒素ガスをロータに通して溶融物から水素を除去した。次に、３５０及び５００ｒｐｍでロータＡを使用して試験を繰り返した。結果を図１４のグラフにプロットした。
【0115】
水素濃度が５０％減少する平均時間は、以下の通りであった。
－ ロータＣ－３５０ｒｐｍ １６０秒
－ ロータＡ－３５０ｒｐｍ ３５０秒
－ ロータＡ－５００ｒｐｍ １８５秒
グラフは、ロータＣが、同じ回転速度でアルミニウム溶融物から水素を除去することにおいてロータＡよりも効果的であり、５００ｒｐｍのより大きい回転速度でもロータＡと比較して依然として改善されていることを示す。
－ ロータＣ－３５０ｒｐｍ １６０秒
－ ロータＡ－３５０ｒｐｍ ３５０秒
－ ロータＡ－５００ｒｐｍ １８５秒
グラフは、ロータＣが、同じ回転速度でアルミニウム溶融物から水素を除去することにおいてロータＡよりも効果的であり、５００ｒｐｍのより大きい回転速度でもロータＡと比較して依然として改善されていることを示す。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【図11】
【図12】
【図13a】
【図13b】
【図14】
【国際調査報告】